JP5461990B2 - 中空部材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空部材がマンドレルで支えられてダイスを通して加工方向に導かれる、中空部材特に自動車製造における中空軸の成形方法に関する。

自動車製造において中空部材を成形する際、既に多くの種々の方法が採用されている。その場合、中空部材は、通常、管状に形成され、それに続く成形加工の枠内で構造が更に成形されるあるいは直径が変化させられる。その中空部材は特に自動車における中空軸として利用される。

そのような中空部材の成形は、その中空部材が特に静的力および動的力並びに大きなトルク負荷を受けるとき、常に、特別な安全基準を満たさねばならない。即ち、一方では、成形加工時に材料に割れが生ずることが防止されねばならない。それに応じて、かかる成形加工中における変形度が制限されることになる。また他方では、かかる自動車部品を特に軽量に形成する傾向があり、このために、薄肉の中空部材が望まれる。しかし薄肉中空部材の場合、いわゆる前方押出し成形機により中空部材を成形する方法において、中空部材を大きな変形度で相応したダイスを押し通すべく力を加える時に問題が生じる。さらに材料の選択に応じて、成形加工中における部分的に手間のかかる潤滑過程および／又は特に成形加工前に例えば複数の部分成形工程間に中空部材の（熱的なおよび／又は表面固有の）前処理が行われねばならない。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題を少なくとも部分的に解消することにある。特に中空部材が多くの種類の材料において薄肉の場合でも、特に経費のかかる前処理を必要とすることなしに、高い変形度で成形加工できる中空部材の成形方法を提案することにある。また、中空部材の寸法に関して例えば良好な形状公差および／又は位置公差が保たれるように、特に高い加工精度が生ずるようにすることにある。さらに、そのように製造された中空部材における特に有利な利用可能性を与えることにある。

この課題は特許請求の範囲の請求項１に記載の特徴を有する方法によって解決される。本発明に基づく方法の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。なお、各請求項に記載された個々の特徴を任意に技術的に有意義に互いに組み合わせ、本発明の他の実施態様を呈することができる。また、それらの特徴は明細書に詳述ないし特徴づけされ、従ってそこでも本発明の有利な実施態様が表されている。

本発明に基づく中空部材の成形方法により、この中空部材がダイスを通して加工方向に導かれ、且つ、中空部材がダイスにおいて加工方向に或る材料流れ速度を有するようにマンドレルで支えられ、その場合、マンドレルが加工方向にこの材料流れ速度より大きな引抜き速度で動かされる。

従って、本発明の方法は特に前方押出し成形機に関し、その場合、中空部材をダイス内を押し通すための押圧力がラムにより発生され、その押圧力が特に中空部材の半径方向内側を支える可動マンドレルによって支援される。ここで「前方押出し成形機」とは、中空部材をダイス内にて前方に押し通す押出し成形機を意味し、その材料流れ方向は加工方向とほぼ一致している。その場合、中空部材はダイス内において塑性成形される。そのダイスとは特に材料成形開口を意味する。中空品成形用前方押出し成形機の形態の本発明に基づく方法の有利な実施態様において、中空部材は加工部位がほぼ管状構造を有し、その材料成形開口として、ダイスとラムとの間に隙間が形成されている。

従来、中空部材に与えられる成形力は例えば中空部材の端面を介してラムにより加えられるが、いまや本発明では、力の導入が可動マンドレルによって追加的に支援される。ラムによる中空部材への力の付与によって、中空部材の材料はダイスの範囲で所定の材料流れ速度で流れるが、従来においては、（定置）マンドレルと中空部材の流れ材料との間における（加工方向と逆向きに作用する）大きな摩擦力も克服されねばならない。そこで本発明は、マンドレルが加工方向に動かされ、これが材料流れ速度より大きな引抜き速度で行われることを提案する。これによって、被加工中空部材に摩擦を介しても力が導入される。即ち、これによって、成形を支援する加工方向における力の第２導入点が生じる。

薄肉中空部材の場合、通常は成形力が中空部材の座屈荷重によって制限され、このために通常、ほんの僅かな変形度しか得られない。本発明の方法の大きな利点は、ここで提案された方法による成形加工時における重畳された押圧応力によって、割れ発生の恐れが著しく低減されることにある。

本発明の方法の実施態様において、中空部材はたかだか６ｍｍの肉厚しか有していない。この方法は自動車工業分野に関して約１．５ｍｍ〜４ｍｍの肉厚の中空部材に特に利用される。また基本的には、多くの種類の材料が採用でき、好適には、鋼製軸材料およびアルミニウム材料が使用できる。

また、中空部材のダイス貫通中にその直径が変化させられることも提案する。好適には、直径が減少される。

その代わりにあるいはそれに加えて、中空部材のダイス貫通中に、中空部材の少なくとも１つの部分部位にパターンが形成されることが有利である。「パターン」の形成は特に中空部材の横断面の形状変化を伴って現れる。これによって、中空部材の円周方向に（部位的にあるいは全周にわたって）例えば突出部および／又は窪み部が形成され、これらは、好適には、同時の直径変化を伴って現れる。

可動マンドレルによって、形状精度ないし縮径された中空部材の真円度および／又はパターンが形成された中空軸の形状に関する特に厳しい公差要件が守られることが確認されている。

量産の際に高い変形度を保証するために前方押出し成形機が特に前処理済み中空部材を必要とするという広く普及した考えに反して、ここでは、本発明に基づく方法が前加工硬化済み材料の中空部材において実施されることも提案する。これは特に中空部材が予め既に例えば冷間加工されていることを意味し、その冷間加工硬化は熱的再処理によって再び除去されない。かかる冷間成形中空部材もここで提案された方法で形状精密に（再）成形加工できる。

さらに、この中空部材は溶接継手によっても提供できる。これは例えば、鋼板から曲げ加工され、続いてその接合部が溶接されている管状の中空部材が、ここで提案された方法に対する半製品として用いられる場合に当てはまる。例えば加工方向に溶接継ぎ目を有するような中空部材も、ここで提案された方法で成形加工でき、その場合、高い形状公差が保証される。

本発明に基づく方法の有利な実施態様において、成形加工中に周囲温度は３００℃を超過しない。特に周囲温度は２００℃を超過しない。その周囲温度は特に工具ないしワークの温度を意味する。従って、この方法が予熱および／又は同時の熱処理を伴わないことに言及しておかねばならない。これにより、かかる中空部材の製造費がかなり減少され、同時に短い作業時間が可能となる。

また、特定の用途において、中空部材の加工中に加工方向における少なくとも材料流れ速度あるいは引抜き速度を変化させることも有利である。その場合、基本的には、材料流れ速度と引抜き速度を時間的に同時におよび／又は時間的にずらして変化させることができる。これによって例えば、材料均質性あるいは成形に局所的に影響を与える他のパラメータを考慮に入れることができる。

本発明に基づく方法の他の実施態様に応じて、成形加工は乾式で実施される。その「乾式」成形加工は潤滑材の同時供給が省かれることによって得られる。その結果、ダイスと管部材との間ないし中空部材とマンドレルとの間の摩擦に影響を与える潤滑材が、成形加工中に成形部位に与えられない。かかる方法は特に安価な製造費および環境保護に関して有利である。

しかし場合によっては予備的潤滑も行える。そのために、中空部材は成形加工前に例えば潤滑材の中に漬けられあるいは潤滑材が吹きかけられ、これによって、中空部材の表に潤滑膜が形成される。そのように準備された中空部材はその後で「乾式」成形加工される。

またここでは、少なくとも１個の中空部材が上述した本発明に基づく方法で製造された少なくとも２個の中空部材を有する自動車部品であって、その両中空部材が少なくとも１つの区域で同心的に配置されている自動車部品も提案する。

かかる二重壁構造中空部材によれば、特に自動車製造において中空軸あるいはトルク伝達体を製造する際、一種の予定破壊箇所が形成され、これによって、例えば中空軸の方向に極めて大きな力が作用した場合に自動車における車体の立ち上がりが防止され、この場合、両中空部材は相互にすべるか、トルク伝達を中断する。しかし両中空部材は通常の使用中には大きなトルクを伝達しなければならないので、中空部材の少なくとも１つの区域における非常に高い形状精度ないし非常に緊密な接触が望まれる。

この理由からも、中空部材がその区域において互いにかみ合う構造を形成していることも提案する。その構造は、円周方向において突出部と窪み部が互い違いに規則的に配置されて構成された構造（パターン）を意味する。その場合、好適には、両中空部材は上述した本発明に基づく方法で製造されている。これによって、特に高い形状精度が実現でき、従って、互いに同心的に配置された突出部ないし窪み部のフランク（側面）は非常に大きな相互接触面を形成し、それに応じて、大きなトルクが伝達できる。

その中空部材は、好適には、それぞれ１．５〜４ｍｍの範囲の肉厚を有する自動車部品である。

また、上述した様式の少なくとも１個のトルク伝達用自動車部品を有する自動車も提案する。これによって、自動車構造に対して特に精密形状で高負荷容量の構成要素を安価に製造できる。

本発明に基づく方法を説明するために、以下に機械加工例について説明し、好例として、例えばスリップイン形管（slip‐in tube）を製造するために、制御可動式マンドレルを備えた前方押出し成形機の工程パラメータは次の通りである。即ち、
半製品：
材料：Ｅ３５５（ＳＴ５２−３）
寸法：直径６３．５ｍｍ、肉厚：１．８ｍｍ
工程：
ラム力：２００ｋＮ
材料流れ速度：４０ｍｍ／秒
マンドレル表面：粗さＲａ０．３ｍｍ、材料Ｎｏ．１．２３７９
マンドレル速度：５０ｍｍ／秒
ダイス表面：粗さＲａ０．０３ｍｍ、材料Ｇ２０
ダイス寸法：ダイステーパ角２０°、テーパ距離３ｍｍ
マンドレルとダイスとの隙間：１．７ｍｍ
潤滑：成形加工前
製品：
寸法：直径６０ｍｍ、肉厚：１．８ｍｍ
変形度：歯の幾何学形状のために局所的に非常にさまざま。

以下図を参照して本発明並びにその技術分野を詳細に説明する。なお、図は本発明の特に有利な実施例を示しているが、本発明はこれに限定されない。

本発明に基づく方法の実施例における第１工程の説明図。 本発明に基づく方法の異なった実施例における第２工程の説明図。 同心的二重壁形中空形状の自動車部品の横断面図。 自動車における図３の部品の有利な利用領域の説明図。 本発明に基づく方法の工程の流れ図。

図１において、管状中空部材１の本発明に基づく成形加工時に生ずるような状態を概略的に説明する。図示された成形加工装置は、ダイス３とラム５とマンドレル４とノックアウト１６を有している。中空部材１に関して外側に位置されたダイス３が定置して配置され、中空部材１がその端面に当てられたラム５によって（半分だけ断面図で示された）ダイス３の内部開口を押し通される。そのようにしてダイス３において所定の肉厚（壁厚）８を有する中空部材１の成形加工が行われ、これによって、直径９が減少される。

制御式成形加工するために、マンドレル４がダイス３の内部に、即ち、ダイスの開口に対して同心的に配置され、これにより、ダイス３とマンドレル４が隙間を成形し、この隙間を中空部材１が押し通される。その加工中に加工方向２に材料流れ速度６が生じ、この材料流れ速度６はまず中空部材１へのラム５の作用により決定されて生ずる。そして本発明に基づいて、マンドレル４が加工方向２に材料流れ速度６より大きな引抜き速度７で一緒に動かされる。これはそこに示された矢印で表されている。大きな引抜き速度７が存在することによって、加工箇所ないしダイス３とマンドレル４との隙間においてもすべり摩擦により力が引き起こされ、これによって、ラム５によって導入される成形力が減少され、ないしは全体として大きな総合成形力が与えられる。その総合成形力（ＵＫ_gesamt）はラムの成形力（ＵＫ）とダイスおよびマンドレルにおける摩擦力（ＲＫ）から生ずる（ＵＫ_gesamt＝ＵＫ_stempel＋ＲＫ_matritze−ＲＫ_dorn）。そのマンドレルの摩擦力は場合によっては中空部材の表面に着けられた潤滑材により左右される。

例えば中空形状の部分部位しか成形加工されない成形加工が終了されたとき、中空部材１は最終的に、ノックアウト１６によって加工方向２と逆向きに成形加工装置から除去される。

ノックアウト１６が中空部材１を再び自由にする前記工程は図２から理解できる。そこに示された工程状態において、ダイス３とマンドレル４はもはや嵌まり合っておらず、ノックアウト１６が中空部材１を遠ざける。先に行われた加工において、部分部位１１の成形加工が実施され、パターン１０が作られる。この部分部位１１は管状中空部材１の（端面側）端部近く形成されている。それに続いてテーパ１９の形態の拡張部が成形加工され、このテーパ１９は元の中空部材１への移行部となっている。

図３は同心的な２個の中空部材１を有する自動車部品１３を横断面図で示している。この図から理解できるように、その両中空部材１には多数の突出部１７と窪み部１８とを有するパターン１０が設けられている。両中空部材１は、これらが例えば異なった材料を有しおよび／又は縦方向溶接継手１２が形成されているにもかかわらず、本発明に基づく方法に応じて製造できる。基本的には、成形加工前にその直径９についてすら異なっている必要がない同等の管状中空部材を製造するために利用できる。両中空部材はここで図解された区域１４において、これが大きなトルク伝達に特に良好に適用されるように同心的に配置され、これにより、主にパターン１０に関する良好なはめ合い精度ないし特に良好な形状公差が可能となる。

図４は単に好例として、かかる中空部材１の自動車１５における自動車部品１３としての採用を示している。また、かかる中空部材は自在継手軸のほかに例えば試験機や圧延機などにおける他の用途における軸としても採用できる。

図５は本発明に基づく方法における工程を流れ図で示している。

その工程（Ａ）は特に中空軸の用意を含んでいる。この状態において、中空軸は冷間加工硬化および／又はそれどころか溶接継手を有することができる。好適には、管状中空軸は１．５〜４ｍｍの範囲の肉厚を有している。

工程（Ｂ）の枠内で中空軸は例えばダイス、ラムおよびマンドレルに対して方向付けないし位置づけされる。その場合有利に、マンドレルは中空軸にはまり込んで位置し、これにより、後での加工中にマンドレルによる引抜き作用下での中空軸の精確な供給が可能となる。

工程（Ｃ）は特にラム力による中空軸のダイス押し通しを含んでいる。

そして、同時にあるいは時間をずらして、工程（Ｄ）の枠内で、マンドレルが加工方向に中空軸の材料流れ速度より大きな引抜き速度でダイスの範囲において移動される。この場合、変形度を高めるために、中空軸のダイスないしラムとの接触範囲をぬらす潤滑材も採用できる。

ここでは破線で示された工程（Ｅ）は、完成中空軸の成形加工装置からの場合による所望の取り外しを含んでいる。

１ 中空部材
２ 加工方向
３ ダイス
４ マンドレル
５ ラム
６ 材料流れ速度
７ 引抜き速度
８ 肉厚
９ 直径
１０ パターン
１１ 部分部位
１２ 溶接継手
１３ 自動車部品
１４ 区域
１５ 自動車
１６ ノックアウト
１７ 突出部
１８ 窪み部
１９ テーパ

Claims (13)

1. 中空部材（１）がダイス（３）を通して加工方向（２）に導かれ、かつ中空部材（１）がダイス（３）にて加工方向（２）に材料流れ速度（６）を有してマンドレル（４）で支えられる、中空部材の成形方法であって、
   前記中空部材（１）の成形加工を通して前記マンドレル（４）が加工方向（２）に材料流れ速度（６）より大きな引抜き速度（７）で動かされ、
   ラム（５）からの成形力及びダイス（３）及びマンドレル（４）における摩擦力にて総合成形力が得られ、前記摩擦力に起因する成形を支援する力は加工方向（２）に得られる中空部材の成形方法。
2. 中空部材（１）が６ｍｍ以下の肉厚を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 中空部材（１）がダイス（３）を貫通する際、中空部材（１）の直径（９）が変化させられることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 中空部材（１）がダイス（３）を貫通する際、中空部材（１）の少なくとも１つの部分部位（１１）にパターン（１０）が形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 中空部材（１）は前加工硬化済み材料が提供されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. 中空部材（１）は溶接継手（１２）を備えたものが提供されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。
7. 成形加工中の周囲温度が２００℃を超過しないことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
8. 中空部材（１）の加工中に、加工方向（２）における材料流れ速度（６）あるいは引抜き速度（７）が変化されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の方法。
9. 成形加工が乾式で実施されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。
10. 少なくとも１個の中空部材（１）が請求項１ないし９のいずれか１つに記載の方法で製造された少なくとも２個の中空部材を有する自動車部品（１３）であって、
    複数の中空部材が少なくとも１つの区域（１４）で同心的に配置されていることを特徴とする自動車部品。
11. 複数の中空部材（１）が区域（１４）において互いにかみ合うパターン（１０）を形成していることを特徴とする請求項１０に記載の自動車部品。
12. 複数の中空部材（１）がそれぞれ１．５〜４ｍｍの範囲の肉厚を有していることを特徴とする請求項１０に記載の自動車部品。
13. 請求項１０ないし１２のいずれか１つに記載の少なくとも１個のトルク伝達用自動車部品（１３）を有していることを特徴とする自動車。

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