| 【発明の名称】 |
ハイドロフォーム成形方法および装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】園部 治
【住所又は居所】千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製鉄株式会社技術研究所内
【氏名】橋本 裕二
【住所又は居所】千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製鉄株式会社技術研究所内
【氏名】井口 貴朗
【住所又は居所】千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製鉄株式会社技術研究所内
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| 【要約】 |
【課題】製造ロット間の素材差に起因する成形不良を効果的に抑制しうるハイドロフォーム（ＨＦ）成形方法および装置を提供する。
【解決手段】金型で保持した被成形管１に予め設定した負荷スケジュールに沿って内圧および軸力を付与するＨＦ成形方法において、成形中の被成形管の外面内の少なくとも１点の拡管方向の移動量を測定するバルジ量モニタ手段16を設けたＨＦ成形装置を用い、バルジ量モニタ手段16の測定移動量データと内圧検出手段12の測定内圧データとの関係に基づいて前記負荷スケジュールを調整する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 金型で保持した被成形管に予め設定した負荷スケジュールに沿って内圧および軸力を付与するハイドロフォーム成形方法において、成形中の被成形管の外面内の少なくとも１点の拡管方向の移動量と同管の内圧とを測定し、該測定した移動量と内圧との関係に基づいて前記負荷スケジュールを調整することを特徴とするハイドロフォーム成形方法。
【請求項２】 金型で保持した被成形管に内圧と軸力を付与するハイドロフォーム成形装置において、成形中の被成形管の外面内の少なくとも１点の拡管方向の移動量を測定するバルジ量モニタ手段を設けたことを特徴とするハイドロフォーム成形装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ハイドロフォーム成形方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ハイドロフォーム（以下適宜ＨＦと記す）とは、鋼管等の金属管（パイプ）に軸力と圧力をかけて一体成形することにより中空閉断面構造部品を製造する成形加工技術であり、具体的には、管を金型内に装着し、管内に液体を注入し、軸押し（管端を管軸方向中心側に押すこと）を付加して管軸方向の伸びを抑えながら、注入液の圧力により管周方向に伸びを与え、所定の形状に拡管加工する。この技術は、主に自動車部品の製造に用いられている。
【０００３】仮に軸押しを行わずに拡管した場合、圧力と拡管状況の関係は以下のようになる。ここで、圧力には、拡管に必要とされる理論的な圧力と、実際にＨＦを行うときに機械によって付与する圧力の２通りの意味があるので、区別するために前者を「必要成形圧力」、後者を「付与圧力」と仮称する。(i) ＨＦにおいて拡管させるために「付与圧力」を増加させた場合、「付与圧力」が所定の「必要成形圧力」に達した時点で拡管が開始する。このときの「必要成形圧力」ｐ(0) は、パイプの降伏応力をσYS、同肉厚をｔ、同拡管部分の内径をＤi とすると、２ｔ・σYS＝Ｄi ・ｐ(0) (1)が近似的に成立つ。
【０００４】(ii)拡管が進むと、内径Ｄi は大きくなり、肉厚ｔは小さくなるが、加工硬化により管素材の降伏応力σは増加するため、‘ある時点’までは「必要成形圧力」ｐは増大する。
(iii) しかし、上記‘ある時点’を過ぎる段階まで拡管が進むと、加工硬化による降伏応力σの増加よりも内径Ｄi の増加と肉厚ｔの減少の影響が強くなり、拡管のために必要とされる成形内圧（必要成形圧力）が減少する。すなわち上記‘ある時点’で必要成形圧力は極大値に到達する。その条件は、次式、ｄ〔２ｔ・σ〕＝０ (2)で表される。このときの「必要成形圧力」をｐ(1) と定義する。この圧力を正確に算出するのはやや困難を伴うので、概算法の１例として、σに引張強さＴＳを代用し、２ｔ・ＴＳ＝Ｄi ・ｐ(1)' (3)を満たすｐ(1)'を、正確なｐ(1) の値の代用とする。
【０００５】(iv)「必要成形圧力」は、拡管がさらに進むと、極小値に到達し、拡管部分の外面の一部が金型に接触した頃辺りから再び増大し、未接触部が最終的に金型隅の細かい形状（以下、コーナＲ部と記す）に倣い整合するまでには極めて大きな「必要成形圧力」となる。上記現象を考慮して、軸力（軸押し）を加えた場合のＨＦの時間- 成形内圧スケジュールおよび時間- 軸押しスケジュール（以下、これらの負荷スケジュールをLoading Path略してＬＰと記す）の設定を行う。ＬＰ設定方法の一例を図２に示す。図中、成形内圧ｐ0 は「必要成形圧力」ｐ(0) を想定して設定した「付与圧力」である。また図中、成形内圧ｐ2 は「必要成形圧力」ｐ(1) よりやや大きめの値を想定して設定した「付与圧力」であり、「付与圧力」ｐ(1)'に係数α＝1.2 〜1.4 程度を掛けた、ｐ2 ＝ｐ(1)'・α (4)で求められた値に設定する。成形内圧および軸押し量は、その観察される値、すなわちモニタ値を設定値に限りなく近づけるように、制御される。
【０００６】このとき、上記(iii) 〜(iv)で述べたように、「付与圧力」が「必要成形圧力」ｐ(1) を超えると、図３に示すように、拡管が一気に進展することは自明である。拡管が一気に進展すると肉厚が急激かつ非一様に減少し、不均一変形やバーストが発生しやすい。そこで、拡管が一気に進展する圧力ｐ(1) 〜ｐ2 の範囲で大きく軸押しし、伸びによる肉厚の減少を効果的に補償しようとする。ただし、「必要成形圧力」ｐ(1) 値は正確にはわからず、上記概算法で算出したｐ(1)'値も不正確であるため、実際はダミー材を用いた試行錯誤から成形内圧ｐ0 〜ｐ2の範囲で上手く成形できる軸押しＬＰを設定する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、軸押しが適正な「必要成形圧力」範囲より低い成形内圧範囲で行われると軸押し過多となり、図４に示すような座屈や皺20が生じ、最悪の場合最後まで残って成形不良となる。また、成形途中で座屈や皺が発生すると、それらを最終的に消せたとしても、図５に示すように軸押しの効果が低下21して減肉過多22を生じる。その場合、成形性の高い材料では問題にならないが、成形性が低い材料ではネッキングやバーストが発生し問題となることがあるため、図６に示すように座屈や皺を発生させずに成形23して減肉の最小化24を図ることが好ましい。
【０００８】一方、被成形管素材としてのパイプには、パイプ造管に伴う寸法誤差や加工歪差およびパイプ素材鋼板の材質差等により、肉厚や材質に差（バラツキ）がある。かかる素材差は同一ロット製品パイプでは比較的小さいから、予めダミー材によりチューニングしたＬＰを用いて本番素材をＨＦ成形しても成形途中で座屈や皺が発生することはないが、ロットが変わると素材差が大きくなって前記チューニングしたＬＰが不適正となり、軸押し不足によるバーストや軸押し過多による座屈や皺が発生する場合が少なからずある。これを防止すべく、拡管が一気に進展する内圧領域の見積り幅を大きめにとり、結果的に拡管が一気に進展する以前から軸押しを開始し、軽度の座屈や皺を発生させつつ拡管し、最終的に軸押しを停止して座屈や皺を消すという形で成形を行っているが、それでもバースト、座屈、皺などの成形不良が発生するのを完全には防ぎきれず歩留りが思うように上がらないという問題がある。
【０００９】本発明は、上記問題に鑑み、製造ロット間の素材差に起因する成形不良を効果的に抑制しうるハイドロフォーム成形方法および装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成した本発明は、以下のとおりである。
（１）金型で保持した被成形管に予め設定した負荷スケジュールに沿って内圧および軸力を付与するハイドロフォーム成形方法において、成形中の被成形管の外面内の少なくとも１点の拡管方向の移動量と同管の内圧とを測定し、該測定した移動量と内圧との関係に基づいて前記負荷スケジュールを調整することを特徴とするハイドロフォーム成形方法。
【００１１】（２）金型で保持した被成形管に内圧と軸力を付与するハイドロフォーム成形装置において、成形中の被成形管の外面内の少なくとも１点の拡管方向の移動量を測定するバルジ量モニタ手段を設けたことを特徴とするハイドロフォーム成形装置。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明のＨＦ成形方法（本発明方法）では、予め設定した負荷スケジュール（ＬＰ）について、ＨＦ成形中の被成形管の外面内の少なくとも１点の拡管方向の移動量を測定する。それと同時に、同管の内圧を従来どおり測定する。そして、測定移動量データが所定の挙動（ゼロからの立上り、ならびに、時間変化率の立上りおよび立下り）を示したと同期の測定内圧データを用いて、前記ＬＰを、初期設定時のコンセプト（拡管開始に合わせて軸押し開始し、拡管の一気進展に合わせて軸押しを大きくするという概念）とのずれをなくす方向に調整する。
【００１３】これにより、成形内圧および軸力（軸押し量で表す）に係るＬＰが、各製造ロット毎に僅かずつ異なる材質・寸法特性に最もよく適合した形となるように調整されるので、ＨＦ成形精度が向上し、バースト、座屈、皺等に因る不良の発生頻度が低減して歩留りが向上する。本発明のＨＦ成形装置（本発明装置）は、本発明方法を実施するために、成形中の被成形管の外面内の少なくとも１点の拡管方向の移動量を測定するバルジ量モニタ手段を設けたものである。
【００１４】本発明装置の１例を図１に示す。この例では、被成形管（パイプ、この例では鋼管）１を金型の上型２と下型３とで保持し、入力手段13によりパイプ１内に液体を挿入し内圧を高めて管周方向の伸びを与えながら、両管端側からそれぞれポンチ（軸押し工具）４、４を油圧ピストン等の駆動手段６、６で管内へ押し込むことによって軸力をかける。なお、入力手段13および駆動手段６の動作は、内圧検出手段12、軸押し量検出手段11によるモニタ値がそれぞれＬＰに追従するよう制御手段５で制御する。本発明装置において、以上のところまでは従来と同様であるが、従来と違うところはバルジセンサ14および信号変換手段15からなるバルジ量モニタ手段16が設けてある点である。バルジセンサ14は、成形中の被成形管１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もので、この例では移動量検出点を２点設けている。バルジセンサ14の出力は信号変換手段15によって前記移動量に変換された上で、測定移動量データとして制御手段５に送られる。制御手段５は、送られてきた測定移動量データと前記内圧のモニタ値（測定内圧データ）との関係に基づいて内圧、軸力の各ＬＰを調整する。
【００１５】バルジセンサ14としては、接触型変位計（差動トランス方式等）、非接触型変位計（光源にレーザやＬＥＤを用いたもの）のいずれを用いてもよい。ただし、非接触型は、拡管に伴って被検出点配置面の曲率が大きく変化するような場合には測定誤差が大きくなるので、前記曲率の変化量が小さい場合に限って用いるのが好ましい。また、接触型では、内圧印加時のパイプ１の微小振動等により付勢されて真値よりも大きい値を出力する可能性をなくすべく、バルジセンサ14を弱い力（例えば数十Ｎ程度以下の力）で常にパイプ１表面に押し付けることが好ましい。
【００１６】次に、ＬＰの具体的調整方法について述べる。本発明方法では、まず、初期（調整前）の内圧ＬＰおよび軸力（軸押し）ＬＰを例えば図２のような形で設定する。この初期ＬＰ設定は試行錯誤による。なお、図２において、軸力ＬＰの軸押し量ｌ1 点通過と同時点の成形内圧をｐ1 とする。
【００１７】次に、この初期設定したＬＰに従って、同一ロットのパイプをｎ本（好ましくはｎ≧10）成形試行し、それらの測定移動量データから当該初期設定ＬＰ曲線上での圧力ポイントｐ0x、ｐ1x、ｐ2xを決定する。これらの圧力ポイントの意味は次のとおりである。
ｐ0x：バルジ中央部分の拡管が開始する時点の成形圧力（前記「必要成形圧力」ｐ(0) を想定した圧力）
ｐ1x：バルジ中央部分の拡管が一気に進展し始める時点の成形圧力（前記「必要成形圧力」ｐ(1) を想定した圧力）
ｐ2x：バルジ中央部分が拡管して金型に接触する時点の成形圧力（前記「必要成形圧力」ｐ(1) より僅かに大きい圧力）
ｎ本の試行パイプのうちｉ番目のパイプの圧力ポイントｐ0x(i) は次の(0-1)〜(0-3) のいずれかの方法、ｐ1x(i) は次の(1-1) 〜(1-3) のいずれかの方法、ｐ2x(i) は次の(2-1) 〜(2-3) いずれかの方法で決定される。なお、検出点を２点以上とした場合は、同じパイプの検出点毎の圧力ポイントデータを検出点全部について平均し、これを決定値とする。
(0-1) 測定移動量データに振動がない場合、該データがゼロから立上り始める時点ｔ0x0 の成形圧力ｐ0x0 をｐ0x(i) とする。
(0-2) 測定移動量データに振動がある場合、該データが立上り途中で所定の閾値ｚ0x1 を超えた時点ｔ0x1 の成形圧力ｐ0x1 、または該時点ｔ0x1 を含む微小時間範囲Δｔでの平均成形圧力ｐ0x1A、をｐ0x(i) とする。
(0-3) (0-2) において、さらに適当な補正係数ｆ0 （０超１未満の値）または微小量δp0を設け、ｆ0 ・（ｐ0x1 またはｐ0x1A）、または、（ｐ0x1 またはｐ0x1A）−δp0をｐ0x(i) とする。
(1-1) 測定移動量データの時間微分が所定の閾値(dz/dt)1を下から上に通過した時点の成形圧力ｐ1x0 をｐ1x(i) とする。
(1-2) 測定移動量データが所定の閾値ｚ1x1 を超えた時点の成形圧力ｐ1x1 をｐ1x(i) とする。
(1-3)(1-1)または(1-2) において、さらに適当な補正係数ｆ1 （０超１未満の値）または微小量δp1を設け、ｆ1 ・（ｐ1x0 またはｐ1x1 ）、または、（ｐ1x0またはｐ1x1 ）−δp1をｐ1x(i) とする。
(2-1) 測定移動量データの時間微分が所定の閾値(dz/dt)2を上から下に通過した時点の成形圧力ｐ2x0 をｐ2x(i) とする。
(2-2) 測定移動量データが所定の閾値ｚ2x1 を超えた時点の成形圧力ｐ2x1 をｐ2x(i) とする。
(2-3) (2-1) または(2-2) において、さらに適当な補正係数ｆ2 （０超１未満の値）または微小量δp2を設け、ｆ2 ・（ｐ2x0 またはｐ2x1 ）、または、（ｐ2x0 またはｐ2x1 ）−δp2をｐ2x(i) とする。
【００１８】上記のようにして得た３種の圧力ポイントデータｐ0x(i) 、ｐ1x(i) 、ｐ2x(i) （各種あたりｎ個）の統計処理値をそれぞれｐ0x、ｐ1x、ｐ2xとする。統計処理値としては、平均値、最小値、最大値、中央値のいずれをも採用しうるが、不良発生防止の点では平均値または中央値の採用が好ましい。なお、この統計処理では、３種の圧力ポイントデータの各種について、適宜の判別分析等により検出した異常値を除いた残りのデータを用いることが、より好ましい。
【００１９】このようにして得られたｐ0x、ｐ1x、ｐ2x（判別値という）とｐ0 、ｐ1 、ｐ2 の現用値との差（大−小）をとり、この差が適宜設けた許容差δｐset 以内のものは現用値のままとし、同差が同δｐset 超のものは現用値を判別値に変更（更新）する。なお、最大成形圧力であるｐmax については初期設定値を変更しない。
【００２０】かくしてｐ0 、ｐ1 、ｐ2 の値が決定される。該決定後のＬＰ調整方法について、以下に説明する。この説明では、図７に本発明により調整されたＬＰの１例を示す線図を援用する。内圧ＬＰについて、内圧印加開始時（成形時間＝０s ）を起点とするｐ0 、ｐ1 、ｐ2 、ｐmax の各圧力点通過時点ｔ0 、ｔ1 、ｔ2 、ｔmax は、成形に格別の影響を及ぼすものではないので、ＨＦ設備の最大圧力上昇速度や最大軸押し速度などの制約内で適宜の値に設定しうる。なお、図７の例示とは異なるが、時間（ｔ2 −ｔ1 ）は、時間（ｔ0 −０）、（ｔ1 −ｔ0 ）、（ｔmax −ｔ2 ）のいずれよりも長くとることが好ましい。
【００２１】軸力（軸押し）ＬＰについては、図７に示されるように、成形圧力０→ｐ0 に軸押し量０を、成形圧力ｐ0 →ｐ1 に軸押し量０→ｌ1 を、成形圧力ｐ1 →ｐ2に軸押し量ｌ1 →ｌ2 を、成形圧力ｐ2 →ｐmax に軸押し量ｌ2 →ｌmax を、それぞれ対応させる。軸押し量ｌ1 、ｌ2 は、ｌmax に係数ｋ1 、ｋ2 をそれぞれ掛けて、 ｌ1 ＝ｋ1 ・ｌmax ， ｌ2 ＝ｋ2 ・ｌmax (5) のように設定する。なお、ここでｌmax は最大軸押し量である。図７の例では、ｋ1 ≒0.2 、ｋ2 ≒0.9 としたが、一般には、係数ｋ1 、ｋ2 の値は、管素材特性や潤滑条件、成形する部品形状に合わせて適宜決定される。この決定には試行錯誤を要する。この決定手続では軸押し量ｌ1 までの軸押し過程で被成形管に座屈や皺が発生しないことを目安とする。また、ｌmax の値は、成形前後でパイプ表面積が不変という条件を満たす軸押し量を算出し、その値に適当な係数η（＝0.6 〜0.9 ）を掛けたものとする。この係数ηの適正値は被成形管のｒ値等物性値に依存するので、その決定には前記係数ｋ1 、ｋ2 と同様試行錯誤を要する。ただし、ｋ1 、ｋ2 、ηは、パイプの材質・寸法規格および成形条件（金型、潤滑方法など）が同じである限り、素材製造ロットが違っても一定として差し支えないので、本発明のＬＰ調整方法では、初期ＬＰ設定時に試行錯誤で決定したｋ1 、ｋ2 、ηの値をそのまま用いればよい。
【００２２】
【実施例】降伏応力＝約350MPa（引張強さ（ＴＳ）＝450MPa）のJIS STKM13B 相当鋼管からなる図８に寸法を示す素材１A をＨＦ成形して同図に寸法を示す成形品１B となすにあたり、図１に示したＨＦ成形装置を用いた。この装置は、最大成形内圧（ｐmax ）＝200MPa、最大軸押し力＝2000kNの仕様とし、バルジ量モニタ手段のバルジセンサは、差動トランス方式の接触型変位計を図１に示したように２箇所に設置した。
【００２３】パイプは同一規格で製造ロットが異なるものを５種類（５ロット分）、各ロット200 本ずつを用意し、各ロット毎に本発明例に 100本、比較例に 100本を充当して、各々５ロット分合計 500本ずつテスト成形し、結果を比較した。各ロットでは造管条件や管素材鋼板の熱延製造条件を意図的に少しずつ変化させ、ＨＦ素材パイプの材質をロット間で違えるようにした。５種類の製造ロットをテスト成形に供した順にNo.1〜No.5ロットと称する。
【００２４】No.1ロットに対しては本発明例、比較例とも図２に示したＬＰに沿わせて内圧および軸力（軸押し）を付与した。なお、図２のＬＰにおいて、最大軸押し量ｌmax は、成形前後でパイプ表面積が不変となる計算の軸押し量に係数η＝0.9 を掛けて、軸押し量（片側）ｌmax ＝約33mm（＝ｌ2 ）に設定し、ｐ0 は前記(1)式で算出したｐ(0) に設定し、ｐ2 は前記(3) 式で算出したｐ(1) ’に係数α＝1.3 を掛けたもの（前記(4) 式参照）に設定し、ｔ0 、ｔ2 および（ｌ1 ，ｔ1）は、テスト成形に先立ち、No.1ロットの本発明例充当分３本および比較例充当分３本を用いた試行錯誤的予備実験により、成形後の状態が良好となる点をチューニングして設定した。
【００２５】比較例では、No.2ロット以降も図２のＬＰをそのまま用いた。一方、本発明例では、No.2ロット以降は、各ロット毎に最初の10本ずつについての、バルジ量モニタ手段による測定移動量データと内圧検出手段による測定内圧データとから、前記ｐ0x、ｐ1x、ｐ2xの判別値をそれぞれ前記(0-3),(1-3),(2-3) の方法で求めた。これら判別値とｐ0 、ｐ1 、ｐ2 の現用値との差がδｐset （＝10MPa ）を超えたもののみ現用値を判別値に置換した。また、No.1ロットでは内圧ＬＰ上の最初の屈曲点をｐ0 としていた（図２参照）が、No.2ロット以降では同屈曲点をｐ1 に変更した（図７参照）。No.2ロット以降の軸押しＬＰは前述の要領で内圧ＬＰと対応させて調整した。なお、最大軸押し量ｌmax は図２のままとし、軸押し量ｌ1 、ｌ2 は、図２とは違えて、ｌ1 ＝0.3 ・ｌmax （この点は図７とも違えた）、ｌ2 ＝0.95・ｌmax とした。また、かかる一連のＬＰ調整手続は、これをプログラム化してなるＬＰ学習制御機能を搭載した制御装置により、自動的に実行された。
【００２６】各ロット毎のテスト成形結果を表１に示す。表１中、最小肉厚平均値は、各ロット全部の成形品から破断発生品を除いたもの（座屈・皺発生品は込み）について、拡管部の肉厚最小部分の肉厚測定データを平均したものである。表１に示すように、本発明例では、破断、座屈・皺発生、最小肉厚のいずれの項目においても、本発明方法によるＬＰ調整を行ったNo.2ロット以降において、初期設定ＬＰを用い続けた比較例よりも優れた結果が得られた。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【発明の効果】かくして本発明によれば、製造ロット間で管素材の材質・肉厚等に差（バラツキ）があっても、ＨＦ成形での破断、座屈・皺の発生頻度が極めて低減し、成形歩留りが向上するという効果を奏する。また、成形成功品の減肉程度が従来よりも軽減し、強度的に有利なＨＦ部品が得られるという効果もある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１２５８
【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社
【住所又は居所】東京都千代田区内幸町二丁目２番３号
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| 【出願日】 |
平成１４年４月２４日（２００２．４．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９９５３１
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 英一
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| 【公開番号】 |
特開２００３−３１１３４３（Ｐ２００３−３１１３４３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年１１月５日（２００３．１１．５） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−１２２５８０（Ｐ２００２−１２２５８０） |
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