JP4631130B2

JP4631130B2 - 異形管状製品およびその製造方法

Info

Publication number: JP4631130B2
Application number: JP2000154583A
Authority: JP
Inventors: 光俊内田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: JP2001334316A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管のハイドロフォーム加工により製造された部分的に強化部を備えた異形管状製品およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属素管（以下、単に素管と記す）を上下一対の金型内にセットし、この素管内に液体を導入し、液体に圧力を負荷するとともに、必要に応じて管端から軸方向に圧縮力を加えることにより素管を膨出させて金型内の形状にならった異形管状製品を得るハイドロフォーム加工（液圧バルジ加工）方法が、自動車部品等の製造に採用されている。
【０００３】
このようにして製造された異形管状製品には、その膨出部が部分的に高強度であることが要求される場合がある。その場合肉厚の厚い素管や高強度の素管を用いればよいが、製品の重量が増加したり材料コストが嵩む等の問題がある。
【０００４】
ハイドロフォームによる異形管状製品を部分的に強化して前記問題を解消する方法として、異形管状製品の強化が必要な部分に、強度の大きい別部品を溶接等によって接合する方法がある。
【０００５】
図２は、溶接により部分強化された異形管状製品斜視図である。
【０００６】
ハイドロフォームにより製造された異形管状製品１の一部に補強部材２が溶接部３により接合されている。
【０００７】
しかし、このような製品にするには、補強用の別部品を溶接接合するための行程がハイドロフォーム行程とは別に必要となるという問題がある。また、溶接接合した場合、熱ひずみにより製品の寸法精度が低下するという問題に加え、溶接スパッタや溶接ビードと他部品との干渉の問題が生じる。
【０００８】
文献「Proceedings of INTERNATIONAL SEMINAR ON RESENT STATUS & TREND OF THBE HYDROFORMING」july 2 1999 p76には、肉厚や強度の異なる短尺金属管を長手方向に接合した組立素管（以下、テラード素管と記す）を用いてハイドロフォームすることにより異形管状製品を製造する方法が開示されている。
【０００９】
図３は、テラード素管をハイドロフォーム加工することにより得られる異形管状製品の斜視図である。図３（ａ）は、断面が長方形の製品例、図３（ｂ）は断面が円形の製品例を示す。これらの異形管状製品１は、その一部に斜線で示す補強金属管２が溶接部３により接合されている。
【００１０】
しかし、金属素管を製作するために、金属管同士を溶接するための行程がハイドロフォーム行程とは別に必要となる問題がある。また、金属素管が部分的に強度が異なるため、ハイドロフォーム加工する際、強度の低い部分が強度の高い部分より膨出されやすく、溶接部近傍にしわが発生して満足な製品が得られていないのが現状である。
【００１１】
特開平１１−５１２５号公報には、ハイドロフォーム加工を施す金属素管の外側に接着剤を塗布した補強用の中空部材を挿入して、ハイドロフォームをする液圧バルジ加工方法が開示されている。
【００１２】
しかし、例えば、自動車用のセンターピラーレインフォースのような複雑な形状の製品をハイドロフォーム加工で成形する場合、プリフォームと呼ばれる予備プレス成形をおこなうのが一般的であり、ハイドロフォームする直前に接着剤を塗布することができない。プリフォーム前に補強用鋼管を挿入するとプリフォーム時に予期せぬ位置で接着されるという問題がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、溶接や接着剤を使用することなく部分的に補強された異形管状製品およびその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解消すべく種々実験、検討した結果、鋼管をその外径よりも大きい内径を有する補強用鋼管内に挿入し、その状態で素管内に導入した液体に圧力を負荷して膨出加工することにより鋼管および補強用鋼管を同時に拡管すれば、補強用鋼管は鋼管に強固に締結されるとの知見を得た。
【００１５】
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下の通りである。
【００１６】
（１）鋼管内に液体を注入し、液体に圧力を負荷して鋼管を膨出させるハイドロフォーム加工により異形管状製品を製造する方法において、鋼管の膨出予定部の所定の部位に、鋼管の外径よりも大きい内径を有する補強用鋼管を挿入した状態とし、補強用鋼管の拡管率が０．５％以上となるように、液圧により鋼管および補強用鋼管を拡管して製品形状に成形することを特徴とする部分的に強化部を備えた異形管状製品の製造方法。
【００１７】
上記補強用鋼管の拡管率は、１０％以下であるのが望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の異形管状製品の製造方法を説明するためのハイドロフォーム用金型部の縦断面図で、図１（ａ）は鋼管をハイドロフォーム加工する直前の状態、図１(ｂ)はハイドロフォーム加工が終了した状態、図１（ｃ）は製品の縦断面図を示す。
【００２０】
先ず、下記のようにしてハイドロフォーム用素管を用意する。
【００２１】
すなわち、鋼管（以下、「素管」という。）の外径よりも大きい内径の補強用鋼管を用意し、素管の膨出予定部の補強すべき所定の部位に補強用鋼管を挿入する。補強用鋼管の長さは、補強したい長さにすればよく、複数カ所の補強が必要であれば、複数の補強用鋼管を挿入すればよい。また、肉厚も目的により任意に選択すればよく、材質も素管と同じでなくとも、より強度の大きい材質であってもよい。
【００２２】
図１（ａ）に示すように、先ず図示しないプレス装置に搭載された上下一対の金型４ａ、４ｂの内部に、用意した補強用鋼管６を挿入した素管５をセットし、両管端を軸押し工具７ａ、７ｂでシールして加工液の導入口８から液体を導入して素管５内を液体で満たす。液体としては、防錆剤を添加した水が一般的に用いられる。
【００２３】
次いで、加工液の圧力を増加させながら、必要に応じて軸押し工具７ａ、７ｂを前進させて素管５に軸方向の押圧力を付与して素管５を上下方向に徐々に膨出させる。図１（ｂ）の状態でハイドロフォーム加工は完了する。図１（ｃ）は、金型から取り出された異形管状製品の縦断面図である。上記のように素管５とそれに挿入させた補強用鋼管６とを同時に膨出加工することにより、膨出部５ａと補強用鋼管６とは強固に締結着される。
【００２４】
本方法に基づいてハイドロフォーム加工した場合、素管（以下、内管と記す場合がある）のみの部分（以下単管部と記す場合がある）と、内管と補強用鋼管（以下、外管と記す場合がある）の２重となっている部分（以下２重管部と記す）とは強度差があるため拡管時に下記のような形状不良が発生する場合がある。図４は、形状不良を説明するための図で、図４（ａ）は補強用鋼管に挿入した素管をハイドロフォーム加工した際に形状不良１１が発生した異形管状製品の縦断面図で、図４（ｂ）は単管と２重管との境界部分の拡大図である。
【００２５】
この形状不良１１は、２重管部と単管部との強度差が大きく、外管の拡管率が大きい場合に発生する。すなわち、強度差が大きいとハイドロフォーム加工時に、単管部が２重管部よりも膨出し易いので必要以上に膨出し、２重管と金型間の間に単管の膨出部の一部が回り込み、形状不良１１が発生するのである。
【００２６】
この形状不良は、製品の形状がわるくなるのみでなく、製品に荷重が付加された場合、応力集中により内管のみの場合よりも強度が低下する場合がある。
【００２７】
このような形状不良の発生を防止するには、外管の拡菅率は１０％以下に押さえることが望ましく、さらに好ましくは５％以下である。なお、拡管率とは管の周長の増加率である。
【００２８】
また、製品形状に平坦部があるようなハイドロフォーム加工の場合は、外管の拡菅率が小さいと単管部と２重管部とのフラットネスが出ないため外管の拡菅率は０．２％以上にするのが好ましく、さらに好ましくは０．５％以上である。次に、補強用鋼管の管端部の好ましい形状について説明する。
【００２９】
図５は、ハイドロフォーム加工後の外管と内管との境界部を拡大した縦断面図である。図５（ａ）外管６の端面１２が垂直になっている場合、図５（ｂ）は外管端全面において内面面取りが施されている場合、図５（ｃ）は外管端面において一部内面面取りが施されている場合、および図５（ｄ）は（ｂ）の場合にさらに面取りされた面と外管内面と交わる部分を曲面（Ｒ）にした場合をそれぞれ示す。
【００３０】
図５（ａ）に示したような外管の端面の場合、外管部の肉厚のため内管に急角度の折れ曲がり部１３が生じ、応力集中による強度低下を引き起こす場合がある。したがって、応力の負荷が大きい用途には適していない。
【００３１】
そこで、図５（ｂ）に示すように外管端面を予め内面面取り加工を施しておくのが望ましい。面取り角θが大きいと効果が無く、小さすぎると面取り加工の負荷の増大、シャープエッジによる作業者の危険、ハンドリング時の面取り部の変形等の問題が生じるため、５° ＜ θ ＜６０°とすることが望ましい。
【００３２】
図５（ｃ）に示すように一部内面面取り加工しない部分を残しておくと上記問題が解消できる。
【００３３】
図５（ｄ）のように、面取り加工を施し、さらに面取りされた面と外管内面と交わる部分を曲面（Ｒ）にするとさらによい。
【００３４】
【実施例】
図６は、本実施例で用いた金型のダイス溝形を示す。この金型を用いて、表１に示す外管内に内管を挿入し、図１で示した方法でハイドロフォーム加工を施した。外管と内管とは、共に機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１１Ａを用いた。外管は、面取りしない管と面取り角度を種々変化させた面取りした管とを用意した。
【００３５】
金型のダイス溝寸法は下記の通りであった。
【００３６】
Ｄ１＝７３ｍｍ
Ｌ１：５００ｍｍ
Ｌ２：２７５ｍｍ
図７は、ハイドロフォーム加工時の内圧、軸押し、ポンチの動作パターンである。ハイドロフォーム加工後、外管と内管との境界部を観察し形状不良の有無を調べた。結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】

表１から明らかなように、外管が、外径：６５ｍｍ、肉厚：２．３ｍｍで拡管率が１２．３％の場合には、形状がやや不良であったが応力の負荷が小さい用途には使用できる程度であり、それ以外は全て良好であった。
【００３８】
図８は、表１の試験No.６のハイドロフォーム加工後の外観写真を示す図である。内管の膨出部５ａ表面と外管６の表面とが同一面となった状態で圧着されていることが分かる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、溶接や接着剤を使用することなく部分的に補強された異形管状製品を最小限の重量増により製造することができる。また、既存の金型を用いて容易にハイドロフォーム加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の異形管状製品の製造方法を説明するためのハイドロフォーム用金型部の縦断面図である。
【図２】溶接により部分強化された異形管状製品斜視図である。
【図３】テラード素管をハイドロフォーム加工することにより得られる異形管状製品の斜視図である。
【図４】形状不良を説明するための製品の縦断面図である。
【図５】ハイドロフォーム加工後の外管と内管との境界部を拡大した縦断面図である。
【図６】本実施例で用いた金型のダイス溝形を示す図である。
【図７】ハイドロフォーム加工時の内圧、軸押し、ポンチの動作パターンを示す図である。
【図８】本発明の製造方法により得られた異形管状製品の外観図である。
【符号の説明】
１異形管状製品
２補強材
３溶接部
４ａ上金型
４ｂ下金型
５鋼管（素管）
６補強用鋼管
７ａ、７ｂ軸押し工具
８液体導入口

Claims

鋼管内に液体を注入し、液体に圧力を負荷して鋼管を膨出させるハイドロフォーム加工により異形管状製品を製造する方法において、
鋼管の膨出予定部の所定の部位に、鋼管の外径よりも大きい内径を有する補強用鋼管を挿入した状態とし、補強用鋼管の拡管率が０．５％以上となるように、液圧により鋼管および補強用鋼管を拡管して製品形状に成形することを特徴とする部分的に強化部を備えた異形管状製品の製造方法。
補強用鋼管の拡管率が１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の部分的に強化部を備えた異形管状製品の製造方法。