JP2007237190A - ハイドロフォーム加工用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイドロフォーム加工中の素材管に関する状態量および金型に関する状態量をともに得ることができるハイドロフォーム加工用金型を提供する。
【解決手段】ハイドロフォーム加工用金型を、開閉可能に分割された金型からなり、該金型のキャビティ内壁の角部のうち、少なくとも１箇所の角部に近接する金型本体内部に、加工中における金型内の歪又は応力を測定する測定手段を水平方向及び垂直方向に配置したものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、素材となる管体（以下、素材管と記載する）を流体圧を用いて所定形状に成形するハイドロフォーム加工に用いられる金型に関する。

近年、ハイドロフォーム加工は、部品数削減や軽量化等の手段の一つとして、自動車用の排気系部品やサスペンション系部品等の製造分野で注目を浴びている。
このハイドロフォーム加工は、図９ａに示すように、素材管１１を分割した上下の金型１２にセットし、金型を型締めした後、素材管内に液体を注入して素材管に内圧Ｐを負荷するとともに、管軸方向の軸押しδを負荷することにより、管軸方向の伸びを抑えながら管周方向に伸びを与え、素材管を所定形状に成形する技術であり、内圧Ｐと軸押しδについて、例えば図９ｂのような負荷経路が用いられている。

このようなハイドロフォーム加工は、古くからバルジ加工という名称で配管継ぎ手などの加工に用いられてきた技術ではあるが、上記のような軽量化などのニーズにより、短時間に大量生産する必要のある自動車部品への適用に関しては比較的新しい技術であり、成形条件が複雑なこともあり、種々の技術的課題が残されている。

例えば、加工中に素材管が座屈して、素材管の所定部が金型空間へとスムーズに張り出さないことがあるが、このような素材管の座屈が生じないように、素材管に付与する軸押し力を減らすまたは内圧を増加させるなど、適切な内圧や軸押し力の組み合わせやそれらの負荷経路を求めるために試行錯誤を重ねなければならない。その場合にも、素材管に付与する力を減らせば、座屈は生じにくくなるものの、十分な変形量が得られず、生産性も低下するなどの問題もあり、考慮しなければならない点は多い。しかも一旦決めた加工条件も、材料が変化すると適切な加工条件も変化する。

以上のように、ハイドロフォーム加工は、どのような内圧と軸押しの組み合わせを採用するかあるいはどのような負荷経路をとるかによって、加工後の結果が作用されるものであり、座屈などの成形不良が生じないように、加工中に加工状態をセンサで検出して内圧または軸押しを制御する技術も開発されている。

例えば、特許文献１には、素材管の金型空間部への張り出し高さ、該空間部周縁部の張り出し高さ、および該空間部中央部の張り出し高さをそれぞれセンサで検出して、それらの変化があらかじめＦＥＭ（有限要素解析法）などで求めた変化に近づくように、素材管に付与する内圧または押込み力を制御することが示されている。

また、特許文献２には、成形中の素材管の外面内の少なくとも１点の拡管方向の移動量を検出するセンサを金型キャビティ内に突出するように設け、素材管の外面とセンサとの接触から前記移動量を測定し、測定した移動量と内圧との関係に基づいて負荷経路を調整することが示されており、さらに、特許文献３、４にも特許文献２と同様の技術が示されている。

しかしながら、上記特許文献１〜４のようにセンサを配置することにより、素材管の成形途中の張り出し状態を検出して、素材管毎の材質や寸法特性の違いに応じた負荷経路等の調整を行うことはできるが、ハイドロフォーム加工の成否を作用する内圧や軸押しの組み合わせや負荷経路を最適なものに決定するために必要な情報を事前に得ることはできない。

さらに、ハイドロフォーム加工においては、金型キャビティを形成する内壁の角部に液圧により角部を押し開こうとする引張応力が発生するが、この引張応力により角部近傍の金型内壁に亀裂が発生し、金型が破損することがある。この場合、亀裂が発生するとその影響で金型がわずかに変形し、その変形の結果、所定の製品形状が得られず、高い寸法精度の要求される製品では、不良品の発生につながることがあった。
このため、亀裂の発生の早い段階でそれを事前に検出する必要があったが、そのような技術については知られていなかった。
特開２００３−３９１２１号公報 特開２００３−３１１３４３号公報 特開２００４−３２２１６５号公報 特開２０００−０８４６２４号公報

本発明は、上記のような事情に鑑み、ハイドロフォーム加工中の素材管および金型に関する状態量をともに得ることができるハイドロフォーム加工用金型を提供し、それによって、ハイドロフォーム加工にとって最適な負荷経路を決定するために有用な素材管についての情報や金型の亀裂発生に対する情報などを容易に得ることができるようにすることを課題としてなされたものである。

上記の課題を解決するために、本発明はハイドロフォーム加工用金型を次のように構成したことを特徴とする。
請求項１のハイドロフォーム加工用金型の発明は、開閉可能に分割された金型からなり、該金型のキャビティ内壁の角部のうち、少なくとも１箇所の角部に近接する金型本体内部に、加工中の金型内の歪又は応力を測定する測定手段を水平方向及び垂直方向に配置したことを特徴とする。
請求項２のハイドロフォーム加工用金型の発明は、請求項１の発明において、前記キャビティ内壁の全ての角部にそれぞれ近接する金型本体内部に、前記測定手段を配置したことを特徴とする。

請求項３のハイドロフォーム加工用金型の発明は、開閉可能に分割された金型からなり、該金型の底面および側面から金型キャビティの角部に向かって、先端が金型キャビティの角部に近接して位置する細孔を設け、細孔の先端部に加工中の金型の歪又は応力を測定する測定装置を配置したことを特徴とする。
請求項４のハイドロフォーム加工用金型の発明は、請求項３の発明において、前記金型の底面に、一端が前記細孔に接続し、他端が前記金型の側面に到達している配線引出し用の溝を設けたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ハイドロフォーム加工中の素材管および金型に関する状態量をともに得ることができるハイドロフォーム加工用金型が提供でき、その金型を用いることにより、ハイドロフォーム加工にとって最適な負荷経路を決定するために有用な素材管についての情報を事前に得ることができ、さらに、ハイドロフォーム加工中の素材管の変形状態についての情報や金型の亀裂発生に対する情報などを容易に得ることができる。
請求項２の発明によれば、上記ハイドロフォーム加工中の素材管および金型に関する状態量をさらに精度よく得ることができる。
請求項３の発明によれば、既存の金型であっても、簡単な改造を加えることにより本発明を適用できるので、既存の金型においても上記請求項１の発明の効果を得ることができる。
請求項４に係る発明によれば、本発明を実施する際、測定手段に対する配線の引き回しを容易に行うことができる。

以下、本発明の一実施の形態を、図１〜８を用いて詳細に説明する。
本発明者らは、ハイドロフォーム加工中に変化する状態量として、従来着目されていなかったハイドロフォーム加工中に金型が受ける応力に注目した。そして、ハイドロフォーム加工中に金型が受ける応力、あるいは金型に発生する歪の変化を内圧との関係で知ることができれば、素材管に関する状態量および金型に関する状態量がともに得られるのではないかと考えて、金型が受ける応力、あるいは金型に発生する歪の変化を内圧との関係で検討した。

図１〜４に、上記関係を検討する際に用いたハイドロフォーム加工用金型を示す。
１は、上下に分割されたハイドロフォーム加工用金型の下金型であり、その分割面２の中央部分には、金型キャビティ３が設けられている。金型キャビティ３は、断面が円形の素材管の中央部を方形に膨出させるために、素材管の外径に対応した半円形凹部３ａ、ｂと、中央部の方形部に対応した方形凹部３ｃと、凹部３ａと３ｃを滑らかに連結するための凹部３ｄと、これと同様の凹部３ｅとにより構成されている。
また、下金型に対応する上金型も下金型と同一形状に構成されている。
なお、９は、型締時に上下の金型を位置決めする位置決めピンであり、上金型には、位置決めピンが挿入される位置決め穴が形成されている。

この金型は、金型キャビティ３を形成する内壁に、軸方向断面で上下の金型でそれぞれ２箇所ずつ、合計４箇所の角部４が形成されており、上下の全ての角部に近接する各金型本体内部に、成形加工中の金型内の歪又は金型が受ける応力を測定するセンサとして水晶圧電式センサを設置した。
センサの設置は、図２でより詳細に示すように、金型の底面５および側面６からキャビティ内壁の角部に向かって、先端が前記角部に近接して位置する細孔７を設け、細孔の先端部に前記センサを配置した。また、金型の底面５には、一端が前記細孔７に接続し、他端が前記金型の側面６に達している溝８を設け、センサの配線を該溝によって金型外に引き出せるようにした。
センサの配置位置は、一箇所の角部につき３箇所とし、上下の金型合計で１２箇所とした。

次に、この金型を使用して、ハイドロフォーム加工中の金型内の歪あるいは応力を測定することにより得られた知見について説明する。
（１）素材管外面の金型キャビティ内壁への接触検知
上記金型に、引張強度が４４０ＭＰａで、肉厚が２．３ｍｍの素材鋼管をセットし、型締め力１５０００ｋＮで型締め後、内圧を０〜２５０ＭＰａまで昇圧した。軸押しは左右各々５０ｍｍとした。その際、加工途中におけるセンサの検出値を内圧の変化と合わせて記録するとともに、素材鋼管の変形過程を観察した。

図５に、このときの、内圧とセンサの検出した応力値の変化の一例を示す。また、図６ａ〜６ｃに、図５の（１）〜（３）で示した各点における素材鋼管の成形状態を示す。
図５に示すように、下金型右側の測定位置と上金型右側の測定位置とではセンサの検出値に多少の差がみられたが、変化の仕方はほぼ同様であった。
なお、上金型および下金型とも左右の測定位置でセンサの検出応力にほとんど差がなかったため、図５にはそれらの値を図示していない。

図５の（１）は、素材鋼管が膨出し、管外面がまづ最初により距離の近い金型キャビティの上下の内壁に接触を開始した位置（図６ａの状態）を、（２）は、左右の内壁にも接触を開始した位置（図６ｂの状態）を、（３）は、金型内壁のコーナーＲ部以外はほぼ接触した状態となった位置（図６ｃの状態）をそれぞれ示している。また、（４）は、金型内壁にほぼ全接触した位置を示している。

内圧の上昇とともに図５のように金型内の応力値が変化するのは、次のように説明できる。
金型は、成形開始時は、素材鋼管の内圧からの応力を受けないから、型締め力に対応した一定の応力を受けている。その後内圧の上昇とともに素材管が膨出を開始し、まず（１）の点において、管の中央部外面がより近い金型キャビティの上下の内壁に接触する。管はさらに膨出を続け、（２）の点で左右の内壁にも接触する。それ以降、最終的に金型角部の細かい形状に倣った形状まで変形し、金型内壁にほぼ全接触した状態になるには大きな内圧を必要とするから、検出される応力も内圧の上昇とともに上昇する。

そして、図５、６に示されるように、鋼管外面が上下左右の金型内壁に接触する位置（２）は、内圧の上昇とともに測定される金型内の応力が上昇を開始する点として明確に検出できる。
ハイドロフォーム加工の適正な加工負荷経路は製品によって異なるが、一般的には図７に示すように、内圧のみ昇圧し、軸押しは管端をシールするのに必要な量とする段階（ステップ１）、次の、内圧を一定にして軸押しする、あるいは軸押しと内圧を両方変化させる段階（ステップ２）、最後のほとんど軸押しせずに内圧のみ昇圧し、最終形状、特にコーナＲ部の形成を行う段階（ステップ３）によって構成されるが、ステップ１からステップ２に移行する際の内圧を適切に設定することが必要である。

図７の（ｂ）のように適切な内圧に対して、（ａ）のように設定した内圧が高ければ、ステップ３において製品にワレが発生する危険性があり、（ｃ）のように設定した内圧が低ければ、製品にしわが発生する。そして、図７の（ｂ）の適切な内圧としては、素材管の外面が上下左右の金型内壁に接触したときの内圧が適当である。

したがって、成形不良を防止するために、あらかじめこれから成形しようとする素材管を用いて、上記のような試験を実施し、図５のようなあらかじめ応力と内圧の関係を求めておけば、素材管が金型内面に接触したタイミングを知ることで、第２ステップの軸押しを開始する際の内圧の値を決定することができる。

また、ハイドロフォーム加工ごとに検出応力の上昇し始める点の内圧を検出することで、内圧の変動から、素材管毎の材質・寸法特性のバラツキを検出でき、ステップ２からステップ３への負荷経路を、素材管の材質・寸法特性に応じたものに修正することができる。

（２）亀裂発生の検知
つぎに、金型キャビティ内壁に亀裂が発生した場合の応力の変化について説明する。
金型に亀裂が発生した場合の応力の変化を調べるために、上記図１〜４に示した下金型の左角部のＲ部の基部に微細な切れ込みを形成した金型を用い、図５を作成したときと同様の素材管や加工条件を用いてハイドロフォーム加工を行った。

図８に得られた検出応力と内圧の関係の一例を示す。図８に示されるように、微細な切れ込みを形成した箇所に近い下金型左位置に配置されているセンサの検出応力の値が、下金型右位置に配置されているセンサの値よりも高くなる。
このことから、加工終了時の応力の検出値を記録しておけば、高い応力値が連続的に検出された場合など、応力の変化から金型キャビティ内壁の亀裂の発生を予め検知することが可能となる。

（３）材料の引張強度の変動検知
ハイドロフォーム加工は、素材管の変形状態が、使用する素材管の引張強度や、内部応力などの材料特性のバラツキに影響されることが知られている。上記特許文献１〜４に示されている技術でも、個々の素材管の材料特性のバラツキによる変形状態の差異をセンサで検出して制御するものといえる。
そこで、素材管の材料特性のバラツキが、検出される応力にどのように影響するかを調べるために、肉厚はいずれも２．３ｍｍで同一であるが、引張強度が異なる素材鋼管を複数個用意し、図５を作成したときと同様の条件でハイドロフォーム加工し、所定の内圧におけるセンサの検出応力を測定した。

結果の一例を表１に示す。
表１より、内圧が同じでも素材管の引張応力に応じて検出応力値が異なることがわかった。このことから、同じ材料から製造された素材鋼管でも、引張強度にバラツキがあれば、金型に負荷される応力に差が生じるから、素材鋼管ごとに特定の内圧時の金型応力を、素材鋼管の製造履歴（例えば、コイルのどの部分を素材として作られたかなど）などと関連付けて記憶しておけば、新たにハイドロフォーム加工しようとする素材鋼管の製造履歴がわかれば、事前に材質特性を把握することができ、材料特性に最適なハイドロフォーム加工条件を採用することができる。

上記のようにハイドロフォーム加工中の金型内の歪や応力を測定することにより、ハイドロフォーム加工の加工条件の設定や金型状態のモニタリングに有益な情報が得られることがわかったが、金型内の歪や応力を測定するための本発明のハイドロフォーム加工用金型について説明する。
本発明のハイドロフォーム加工用金型は、上記図１〜５を用いて説明したように、キャビティの角部のうち、少なくとも１箇所の角部に近接する金型本体内部に、成形加工中の金型の歪又は応力を測定する測定手段を水平方向及び垂直方向に配置したものである。

測定手段としてのセンサの配置を、金型のキャビティの角部に近接する金型本体内部としたのは、成形に影響を与えることなく、キャビティ付近の応力をより正確に測定するためであり、また、水平方向及び垂直方向に配置したのは、図２のような直角のコーナＲを有する金型の場合、金属管の接触による型開きが金型に与える応力値の主応力方向が水平方向および垂直方向となる理由によるものである。しかし、キャビティのコーナＲ部が直角(９０度)よりも広角もしくは狭角の場合は、主応力方向が異なるため、ＦＥＭ解析などでセンサの配置する向きを事前に評価する必要があり、必ずしも水平方向及び垂直方向の配置に限られるものではない。

センサの配置は、金型のキャビティの角部のうち、素材管が最初に接触する金型内壁に近い角部に少なくとも設置するのが望ましく、少なくとも１箇所の角部に近接する金型本体内部であればよいが、望ましくは、全てのコーナＲ部にセンサを設置することである。

金型のキャビティの各角部には、図１〜４に示した金型では３箇所としたが、それに限られるものではなく、角部の長さに応じた個数とすることはもちろんである。
配置されるセンサとしては、例えば歪を測定するものとしては、水晶感圧センサ、歪ゲージ、レーザ歪測定器などが使用でき、応力を測定するものとしては、応力ゲージ、レーザ応力測定器などが使用できる。

センサを配置する方法は、特に図２に示したように、金型の底面および側面から金型キャビティの角部に向かって、先端が金型キャビティの角部に近接して位置する細孔を設け、その細孔の先端部にセンサを配置するのが、既存の金型に適用できるので好ましい。
しかし、例えば金型製造時に細管を埋め込む方法など、細孔を形成する他の方法を採用することもできる。この場合には、細孔を曲線とすることができる。
細孔先端部の位置は、角部から５〜２０ｍｍ以上離れているのが望ましい。図２の例では、Ｌとして１５ｍｍ程度が好ましい。
細孔を用いる場合、金型強度に影響を与えないようにセンサを配置する場所や個数が選択されなければならない。

以上説明した実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、特許請求の範囲の請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。

本発明のハイドロフォーム加工用金型の上面図である。 図１のハイドロフォーム加工用金型のＡ−Ａ矢視図および一部拡大図である。 図１のハイドロフォーム加工用金型の側面図である。 図１のハイドロフォーム加工用金型の底面図である。 ハイドロフォーム加工中の内圧とセンサの検出した応力値の変化を示す図である。 ハイドロフォーム加工中の素材管の変形状態を示す図である。 ハイドロフォーム加工における負荷経路の説明図である。 キャビティ内壁に亀裂がある場合のハイドロフォーム加工中の内圧とセンサの検出した応力値の変化を示す図である。 従来のハイドロフォーム加工技術の説明図である。

符号の説明

１ ハイドロフォーム加工用金型の下金型
２ 金型の分割面
３ 金型キャビティ
４ 金型キャビティの角部
５ 金型の底面
６ 金型の側面
７ 細孔
８ 配線引き出し用溝
９ 位置決めピン

Claims (4)

1. 開閉可能に分割された金型からなり、該金型のキャビティ内壁の角部のうち、少なくとも１箇所の角部に近接する金型本体内部に、加工中における金型内の歪又は応力を測定する測定手段を水平方向及び垂直方向に配置したことを特徴とするハイドロフォーム加工用金型。
2. 前記キャビティ内壁の全ての角部にそれぞれ近接する金型本体内部に、前記測定手段を配置したことを特徴とする請求項１に記載のハイドロフォーム加工用金型。
3. 開閉可能に分割された金型からなり、該金型の底面および側面からキャビティ内壁の角部に向かって、先端が前記角部に近接して位置する細孔を設け、細孔の先端部に加工中における金型内の歪又は応力を測定する測定手段を配置したことを特徴とするハイドロフォーム加工用金型。
4. 前記金型の底面に、一端が前記細孔に接続し、他端が前記金型の側面に達する配線引出し用の溝を設けたことを特徴とする請求項３に記載のハイドロフォーム加工用金型。

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