液压成形加工方法

专利名称：液压成形加工方法
技术领域：
本发明涉及用于汽车用的排气系统部件、悬架系统部件、车身系统部 件等的制造的、对金属管进行液压成形加工的方法。
背景技术：
近年来，在汽车领域中，作为轻量化的手段之一的金属管的应用正在 增加。说到原因，是因为与实心材相比，空心的金属管材即使是同样的刚 性也能够减少截面面积。另外，相对将冲压了的两张帽型的金属板通过焊 接结合的结构，在由金属管进行了一体型的结构中，由于不需要焊接凸缘 部而能够轻量化。
然而，汽车用部件配置在车内的狭窄空间内，因此金属管很少在直管 的状态下使用，几乎在施行了二次加工之后安装到汽车内。作为二次加工， 弯曲加工为最多，但随着近年来的汽车部件形状的复杂化，液压成形加工 (以在模具内安装了金属管的状态，使用内压与轴向压縮来精加工成模具 形状)也正在增加，进一步重叠了这些加工的加工也在增多。液压成形加
工自身也如图l所示那样(引用塑性与加工，Vol.45， No.524 (2004)， 715 页)所示那样，与单纯的T成形相比，近年来部件形状复杂化，扩管率(相 对管坯的周长的制品管的周长比，同图中所述为Expansion ratio)也增加了。 作为进行扩管率大的液压成形的方法，例如日本特开2002-153917号 公报所述的那样，有使用动模取得具有高枝管高度的液压成形成形品的加 工法。但是，在该方法中如T成形那样，仅适用于沿某一方向扩管的情况 的形状。
另外，在日本特开2002-100318号公报中，有沿某一方向扩管了之后， 沿与该方向为直角方向扩管的方法。当使用该方法时，不仅能够取得沿某 一方向扩管的液压成形成形品，而且能够取得沿整体扩管了的液压成形成 形品。然而，若沿单纯的长方形截面的扩管可容易地应用，但复杂的截面形状的情况下，需要为了精加工更详细形状的液压成形工序，需要合计3 个工序的液压成形加工。
进行弯曲加工与液压成形加工的两方加工的情况下， 一般是施行了弯 曲加工之后安装到液压成形模具内，并进行液压成形加工，但该方法很难 加大弯曲部的扩管率。此处，例如在日本特开2002-219525号公报中也提 出了在进行了液压成形加工之后进行弯曲加工的方法。该方法为，由第l 工序的液压成形加工沿整体扩管之后，由第2工序边施加内压边进行弯曲 加工，最后由第3工序沿与弯曲方向呈直角方向边压溃(潰L)边进行液 压成形加工的方法。若利用该方法，与进行了弯曲加工之后进行液压成形 加工的一般的方法相比，可加大弯曲部的扩管率。可是，该扩管率的界限 为，由第1工序的液压成形加工的界限值所限制，如该方法那样在整体扩 管的液压成形加工中，不能够期待较大的括管率。
另外，如日本特愿2006-006693号公报那样也提出了进行了液压成形 加工之后进行旋转拉弯加工的方法。但是，该方法中仅限于用于以作为弯 曲加工方法的旋转拉弯加工为对象的应用范围。
如上述那样，以往，很难取得扩管率大并复杂的形状的液压成形成形 品，作为唯一的方法，作为日本特开2002-100318号公报所示的方法，使 液压成形具有实施3个工序的方法，但该方法中工序数多，对成本对生产 效率都不利。

发明内容
因此，本发明提供一种将扩管率大并复杂的形状的液压成形成形品通 过液压成形2个工序进行加工的方法。另外，提供一种即使弯曲加工与液 压成形加工重叠的情况下，也用于取得在以往较困难的弯曲部的扩管率大 的情况的成形品的方法。
本发明是为了解决上述课题而进行的，其宗旨如下所述。 (l)液压成形加工方法，将金属管安装到分开的模具内，在进行了合模 之后对上述金属管施加内压与管轴方向压入力，其特征在于，在第l液压 成形工序中，使上述金属管沿上述金属管截面的一个方向扩管，做成在管 轴方向的扩管部的整体中具有制品形状的周长的90%以上100%以下的周长、并且在上述一个方向上至少管轴方向的一部分比制品的高度高的中间
制品之后，在第2液压成形工序中，在管轴方向的整体或一部分中，边降
低上述中间制品的上述一个方向的高度边成形为最终制品形状。
(2) 上述(1)所述的液压成形加工方法，其特征在于，金属管的截面的曲 率半径与上述一个方向的中间制品的截面的曲率半径大致相等。
(3) 上述(1)或(2)所述的液压成形加工方法，其特征在于，使用沿金属 管的轴向移动自如的动模或沿与金属管的轴向呈直角的方向移动自如的反 凸模来成形为中间制品。
(4) 上述(l)、 (2)或(3)所述的液压成形加工方法，其特征在于，在第 1液压成形工序与第2液压成形工序之间加入将中间制品沿管轴方向弯曲 的工序。
再者，在本发明(2)中，曲率半径大致相等是指，相对管坯(金属管) 的曲率半径，中间制品的截面的曲率半径在90 110°/。的范围内。


图1是表示液压成形技术领域的进展的说明图。
图2是表示本发明的以制品形状为基础设计中间制品形状的方法的说
明图的图。(a)表示截面形状，(b)表示侧面形状。
图3是表示图2中的中间制品的形状的设计中，最终制品的形状的周
长和中间制品的形状的周长的图。
图4是表示本发明的以制品形状为基础设计中间制品形状的方法的说
明图的图。(a)表示截面形状，(b)表示侧面形状。
图5 (a)、 (b)、 (c)表示本发明的第l液压成形工序的说明图。
图6是表示本发明的第2液压成形工序的说明图的图。
图7 (a)、 (b)是表示本发明的用于加工各种形状的中间制品的第l
液压成形工序的说明图的图。
图8是表示包含弯曲加工的情况的本发明的加工方法的说明图的图。 图9是表示接续图8的包含弯曲加工的情况的本发明的加工方法的说
明图的图。
图10是表示接续图9的包含弯曲加工的情况的本发明的加工方法的说明图的图。
图ll是表示以制品形状为基础设计中间制品形状的实施例的说明图的
图。(a)表示截面形状，(b)表示侧面形状。
图12是表示图11中的中间制品形状的设计中，最终制品的周长和中 间制品的形状的周长的图。
图13是表示本发明的以制品形状为基础设计中间制品形状的方法的说 明图的图。(a)表示截面形状，(b)表示侧面形状。
图14是表示第1液压成形工序和第2液压成形工序的实施例的说明图 的图。
图15是表示接续图14的液压成形工序的实施例的说明图的图。
图16是表示包含了弯曲的形状的情况的、以制品形状为基础设计中间 制品形状的实施例的说明图的图。(a)表示截面形状，(b)表示侧面形状。
图17是表示图16的中间制品的形状的设计中，最终制品的制品形状 的周长和中间制品的形状的周长的图。
图18是表示包含了弯曲的形状的情况的、以制品形状为基础设计中间 制品形状的其它的实施例的说明图的图。(a)表示截面形状，(b)表示侧 面形状。
图19是表示包含弯曲加工的情况的各工序的实施例的说明图的图。 图20是表示接续图19所示的工序的各工序的实施例的说明图的图。
具体实施例方式
利用图2 20对本发明的详细内容进行说明。
图2 (a)、 (b)是表示最终需要的制品形状的侧视图(X—Y平面)、 俯视图(X—Z平面)以及各截面图(Y—Z平面)。将该形状的制品从外径 2r (半径r)的管材要通过液压成形加工进行制造的情况下，不得不将截面 A—A至截面G—G的范围如图那样扩管成复杂的形状。 一般在液压成形加 工中，通过管内部的内压与来自两管端的轴压入扩管成复杂的形状，但如 该形状那样沿Y方向与Z方向的两方扩管的情况下，成形非常困难。特别 是存在在成形性低的材料(n值、r值、伸长率等低的材料)或扩管率大的 形状中成形困难，甚至不能成形的情况。这样的情况下，以往，进行了将加工工序分成多个并逐渐增加扩管率
的加工。例如，想从管坯的周长La至最终制品形状的周长Lc进行扩管的 情况下，将中间制品形状的周长Lb设定为La和Lc的中间程度的值(例如， (La+Lc) /2)、并分成两个工序进行扩管。一般为在形状上也以管坯和 最终制品形状的中间程度的形状来设定中间制品的形状。然而，在第1液 压成形工序中，从管坯的周长La向中间制品形状的周长Lb进行扩管时， 由于已经实施了加工硬化而需要有在第2液压成形工序之前用于除去加工 歪斜的热处理，对成本及生产效率都非常不利。另外，作为不进行热处理 的方法，如日本特开2002-100318号公报那样，也考虑到由第l液压成形 工序沿Z方向扩管之后，在第2液压成形工序沿Y方向扩管的加工，但如 该形状那样复杂的形状的情况下，仅由两个工序来加工成最终制品形状是 不可能的，需要有精加工成更详细形状的第3液压成形工序。
为了解决上述课题，在本发明的加工方法中，首先在第1液压成形工 序仅在一个方向扩管。图4 (a)、 (b)的下图的例中仅在Y方向扩管。这 是因为仅在一个方向扩管是为了成为与纯剪切变形近似的变形状态而可进 行大变形的缘故。该理论在以往方法的日本特开2002-100318号公报中也 利用，但该方法的第2液压成形工序中，实际上很难进行纯剪切变形，若 不追加反凸模等对策则会在加工初期因引起外伸变形而容易产生裂纹。对 此在本发明中，为了降低第2液压成形工序的成形难度，在第1液压成形 工序中，到达与最终的制品形状的周长几乎同程度的周长来进行扩管的点 与以往方法不同。但是，由于最终产生材料剩余时会残留折皱，因此中间 制品形状的周长需要设定在最终制品形状的周长的100%以下。
一方面，当中间制品形状的周长比最终制品形状的周长的90%短时， 其在第2液压成形工序中的扩管率相应上升，因此第2液压成形工序的加 工变得困难，容易产生裂纹等。为此，需要事先使本发明的第1液压成形 的中间制品形状的周长扩管为最终制品形状的90%以上。通过以上的要领 设定中间制品形状的周长时会如图3的曲线图那样。再者，不特别地规定 上述一个方向的中间制品的高度比最终制品的高度高的上限，也能够取得 本发明的效果，但为了可靠地防止在后述的第2液压成形工序中所产生的 折皱，最好是在最终制品的高度的200%以下(以上(1)涉及的发明)。
7上述的结果，设计为如图4 (a)、 (b)所示那样的中间制品形状。本例 中，作为不沿截面Z方向扩管而仅沿Y方向的+侧扩管的周长，在整体的 被扩管了的截面设定为最终制品的90%至100%的范围。如图2 (a)、 (b) 所示的最终制品形状是沿Y方向以及Z方向扩管的形状，因此Y方向的高 度为在扩管了的全部管轴方向(除去A、 G的A G的所有的截面)比最 终制品形状的情况高。
一方面，最终制品的形状具有仅沿Y方向扩管的部位的情况下，当然， 存在中间制品的高度比最终制品的高度低的情况。
另外，截面上部与下部的形状为平坦的形状，即也可以是长方形截面， 但该情况由于在角部近旁而容易损耗(減肉)，不利于扩管率大的情况。因 此，最好是如同一图那样设定与管坯大致相等的曲率半径(同一图中为r) (上述(2)涉及的发明)。
具体地是，将在图4 (a)、 (b)设计的中间制品通过如图5 (a)的要 领进行液压成形加工。即，第1液压成形工序的上模2与下模3之间夹持 了金属管l之后，由轴压冲头(軸押L八。y^) 4、 4从两管端压入，如图 2 (a)、 (b)所示的最终制品形状沿Y方向以及Z方向扩管了的形状的情 况下，在扩管了的整体的截面压溃(潰L)中间制品以便降低Y方向的高 度。这时，同时从轴压冲头4的水注入口 5向金属管1内部注入水6而施 加内压。结果，沿上模2与下模3的空洞部的形状那样加工金属管1，取得 中间制品7。
最终制品具有仅沿Y方向扩管了的部位的情况下，在扩管了的一部分 的截面压溃中间制品以便降低Y方向的高度。
另外，对扩管率大的情况等，也可以如图5 (b)那样沿与管轴方向为 直角方向设置移动自如的反凸模8，边抑制金属管1的破裂或压曲边进行液 压成形加工(上述(3)涉及的发明)。另外，直管部分的滑动阻力大，很 难向扩管部传递轴压入的情况下，也可以如图5 (c)那样使用沿管轴方向 移动自如的动模9，并由轴压冲头10同时押入管端与动模来进行液压成形 加工(上述(3)涉及的发明)。
通过图5的要领将进行了液压成形加工的中间制品7如图6所示那样 安装到第2液压成形的下模12内，至少在管轴方向的一部分中，边由上模11沿Y方向压溃中间制品7 (在第1液压成形工序扩管了的一个方向，即 图5的例中，边降低截面C一C的Y方向的高度)边进行合模。这时，在 降低中间制品的高度地进行了加工的部位中，沿Y方向压渍的部分，截面 沿Z方向扩展。这时，当边施加内压边进行合模时，也抑制折皱产生，会 更有效。进行了合模之后，付加作为通常的液压成形加工的内压负荷缚轴 向压入，完成沿模具形状的最终制品13。
另外，图4 (a)、 (b)的扩管方向仅进行了 Y方向的+侧，根据最终 制品的形状，也可以如图7 (a)那样沿+侧和一侧的两方扩管。另外，不 是完全不可以沿Z方向扩管，而是如图7 (b)那样也可以边稍微沿Z方向 扩管(本图中管坯径2r的1.05倍)边沿Y方向扩管。
接着，对在第1液压成形加工与第2液压成形加工之间加入弯曲加工 的例进行说明(上述(4)涉及的发明)。通过与图2 图4同样的要领，沿 金属管截面的一个方向(图8中为Y方向)扩管，在管轴方向的扩管部的 整体中，相对最终制品的管轴方向的各截面的周长为90%至100%的范围， 并且至少相对管轴方向的一部分，比制品高度高地设计中间制品形状。在 该第1液压成形工序中，如图8那样沿管轴方向直线形状地加工、并取得 中间制品7。由于直线形状容易压入材料，对扩管率大的成形也有利。
之后，如图9、图10那样，将中间制品7进行弯曲加工。弯曲加工的 工法可以是旋转拉弯工法或冲压弯曲工法等的任一个方法，也可以根据管 材的尺寸或材质、弯曲半径来分开使用。再者，该图是作为比较简易的弯 曲工法的通过冲压的3点弯曲的例子。SP，将进行了第1液压成形加工的 中间制品7置于支点15、 15的上面，通过从其上方压入冲头14能够取得 弯曲加工的中间制品16。另夕卜，相对弯曲加工的扩管部的位置为，不仅如 本例那样弯曲外侧，也可以是弯曲内侧或侧面，在哪都可以。这时，最好 是不使弯曲加工的冲头14或支点15压溃扩管部，但，若在之后的第2液 压成形加工中无障碍的范围内，也可以允许扩管部稍微变形。
最后，将进行了弯曲加工的中间制品16安装到第2液压成形的下模12 内，至少对管轴方向的一部分由上模11边压溃(边降低Y方向的高度)边 进行合模，之后，施加内压与轴压入。这些要领与图6中说明的要领相同。 经过以上一连串的加工工序，最终能够取得进行了弯曲加工与液压成形加工的两方的最终制品13。
实施例1
以下表示本发明的实施例
金属管使用了外径为63.5mm、壁厚为2.3mm、全长为400mm的钢管， 钢种采用了机械结构用碳钢钢管的STKM11A。图11 (a)、 (b)表示制品 形状，但最大扩管率为大到2.00，并且是沿截面的Y方向、Z方向共同扩 管的形状。图12的曲线图的细线表示周长的分布。对于管轴方向的扩管部 的整体，设定了中间形状的周长(图12中的粗线)以使其处于该制品周长 与该制品周长90%的值(图中的点线)之间的范围。与该设定的周长一致 地设计中间制品的各截面形状。这时，中间制品的形状为，如图13 (a)、 (b)那样，截面的Z方向的尺寸为与管坯外径同样的63.5mm，仅使Y方 向的尺寸沿轴方向(X方向)变化。本实施例的最终制品为，由于在Y方 向的一侧为未扩管的形状，因此中间制品也为在Y方向的一侧不扩管，仅 在+侧为扩管的形状。另外，使截面上下(Y方向的+侧以及一侧)的形 状为与管坯同样的曲率半径即31.75mm的半圆形的形状。
将如上述那样设计的中间制品通过图14所示那样的模具进行了加工。 由于本实施例的扩管率比较大，为了极力抑制在液压成形时的损耗，因而 进行了使用了沿管轴方向移动自如的动模9的液压成形。作为该第1液压 成形工序的加工条件为内压为32MPa，轴压量为两端共同为40mm。再者， 轴压时，使用了能够与金属管l的端部同时押入动模9的轴压冲头10。液 压成形加工结束时，全长为320mm，形状为在图11 图13设计的中间制 品形状。
接着，将中间制品7置于图15所示的第2液压成形下模具12中，在 扩管了的整个截面降低Y方向的高度地从上方下降上模具11而进行合模。 最后进行施加内压与轴压的液压成形加工。作为第2液压成形工序的加工 条件，内压为最大施加至180MPa，轴压为从两端分别各压入20mm。
通过上述那样一连串的加工方法，能够取得扩管率为2.00，并且截面 沿Y方向、Z方向都进行了较大地扩管的加工品。并且，仅由第l液压成 形和第2液压成形这两个工序便能够加工。 实施例2接着，对包含了弯曲形状的制品的实施例进行说明。图16、图18记述 有设计中间制品形状的要领。基本上与在实施例1说明过的图11 图13 的要领相同。将最终制品的管轴方向设定为X轴，调査与该X轴垂直的各 截面的周长。接着，对于管轴方向(X轴)的扩管部的整体，以图17所示 的方法设计中间制品的周长以使其处于该制品周长的90°/。至100%的范围。 再者，本实施例2的最终制品的各截面为与上述实施例1的最终制品的各 截面相同。设计中间制品的形状以使与该中间制品的周长一致，但这时的 要领也与实施例1的情况相同，截面的尺寸为仅Y方向沿+侧延伸了的形 状。但是，管轴方向(X方向)的形状为直线形状。这是由于与将弯曲的 形状进行扩管相比，直线形状一方材料容易流入到管轴方向的缘故。
在第1液压成形工序加工成上述设计的中间制品的形状，但各截面形 状与实施例1相同，并且由于是直线形状，在第1液压成形工序形成为与 实施例1完全相同的形状。因此，使用在实施例1的第1液压成形工序中 使用的模具，按照图14的要领来获得中间制品7。
接着，将上述中间制品7通过3点弯曲的冲压加工进行了弯曲加工。 如图19所示那样，使支点15、 15之间的距离为240mm，从上方压入半径 为lllmm、角度为90度的冲头14而弯曲加工了中间制品7。再者，冲头 14、支点15、 15的截面都设置有与中间制品7的直管部相同的半径为 31.75mm的半圆形的槽，从而使中间制品7在弯曲加工时不被极度压溃。
将通过上述弯曲加工取得的中间制品16置于图20所示的第2液压成 形工序的下模具12的上面，在扩管了的整体的截面从上方下降上模具11 以便降低Y方向的高度，从而进行合模。最后施加最大压力180MPa的内 压与来自两端的20mm轴压。
以上一连串的加工工序的结果，能够取得弯曲部的扩管率为2.00，并 且截面沿Y方向、Z方向都进行了较大地扩管的加工品。 产业上的可利用性
通过本发明，比以往扩大了液压成形的可应用范围，并增加了面向汽 车的管状部件的种类。因此汽车的轻量化进一步发展，通过提高燃料费， 也能够对抑制地球温暖化做出贡献。
权利要求
1、一种液压成形加工方法，将金属管安装到分开的模具内，在进行了合模之后对上述金属管施加内压与管轴方向压入力，其特征在于，在第1液压成形工序中，使上述金属管沿上述金属管截面的一个方向扩管，做成在管轴方向的扩管部的整体中具有制品形状的周长的90％以上100％以下的周长、并且在上述一个方向上至少管轴方向的一部分比制品的高度高的中间制品之后，在第2液压成形工序中，在管轴方向的整体或一部分中，边降低上述中间制品的上述一个方向的高度边成形为最终制品形状。
2、 根据权利要求1所述的液压成形加工方法，其特征在于， 金属管的截面的曲率半径与上述一个方向的中间制品的截面的曲率半径大致相等。
3、 根据权利要求1或2所述的液压成形加工方法，其特征在于， 使用沿金属管的轴向移动自如的动模或沿与金属管的轴向呈直角的方向移动自如的反凸模来成形为中间制品。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的液压成形加工方法，其特征在于， 在第1液压成形工序与第2液压成形工序之间加入将中间制品沿管轴方向弯曲的工序。
全文摘要
本发明提供一种能够取得扩管率大、且复杂的形状的液压成形成形品，且能够以较少工序数进行加工的液压成形加工方法，将金属管安装到分开的模具内，在进行了合模之后对上述金属管施加内压与管轴方向压入力，在第1液压成形工序中，使上述金属管沿上述金属管截面的一个方向扩管，做成在管轴方向的扩管部的整体中具有制品形状的周长的90％以上100％以下的周长、且在上述一个方向上至少管轴方向的一部分比制品的高度高的中间制品之后，在第2液压成形工序中，在管轴方向的整体或一部分中，边降低上述中间制品的上述一个方向的高度边成形为最终制品。另外，包含弯曲形状的情况下，在上述第1液压成形工序与第2液压成形工序之间实施弯曲工序。
文档编号B21D26/033GK101657278SQ200880012099
公开日2010年2月24日 申请日期2008年4月18日 优先权日2007年4月18日
发明者栗山幸久, 水村正昭 申请人:新日本制铁株式会社