专利名称：液压成形加工装置及液压成形加工方法
技术领域：
本发明涉及将金属管装入到模具中、将该模具合模之后、通过对管内施加内压和 管轴方向的推挤(下文中称作轴推)而加工为规定形状的液压成形加工装置、以及使用该 装置进行加工的液压成形加工方法。
背景技术：
近年来，液压成形加工以汽车零件领域为中心而扩大了应用。液压成形加工的优 点，除了由能够用1根金属管加工以往由多个冲压加工品构成的汽车零件的所谓零件统合 所带来的成本降低以外，还能够举出焊接部位减少带来的轻量化等。另一方面，在液压成形加工中，需要控制内压和轴推这两个参数来进行加工。如果 这两个参数的加载路径(下文中仅称作加载路径)是不适当的，则会发生在加工中途金属 管破裂、压曲或留下折皱等的加工不良。在图1中表示加载路径的一般性的例子。由首先仅将内压升压的阶段1 (也有为 了将管端密封而伴随着微小的轴推的情况)、将内压和轴推以折线状施加的阶段2、为了将 角加工得尖锐而仅将内压升压的阶段3(在没有角的形状中也有省略的情况，此外也有为 了确保管端的密封而伴随着微小的轴推的情况)构成。其中在阶段2的求出适当的路径方面最耗费工作量，较大程度地取决于液压成形 加工技术者的熟练度。因为以上那样的背景，最近提出了几个用来使该加载路径变得简单的方法。例如，专利文献1是预先制作破裂边界线和折皱边界线、在这两个边界线之间选 择加载路径的方法。但是，实际制作这两边界线较困难，通常需要很多实验及数值解析的试 错。此外，边界线自身为折线状的情况也较多，如果这样，则用来决定该折线的参数变多，所 以在试错方面需要大量的工作量。此外，在专利文献2中，提出了进行FEM解析、监测金属管的表面积、体积及壁厚来 求出适当的加载路径的方法。这里监测的信息在FEM解析中能够监测，但在实际的液压成 形加工中不能监测。对此，在本发明人的专利文献3中，提出了在实际的液压成形模具中植入测量应 力或应变的传感器、根据其信息来导出适当的加载路径的加工方法及加工装置。但是，在上述的以往方法中，都在加载路径之中的阶段2(图1)中采用了与轴推的 增加一起也使内压上升的路径。因此，需要决定至少两个参数，例如内压和轴推量、或者轴 推量和倾斜度，变得非常复杂。此外，在阶段2的期间为折线状的情况下参数进一步增加， 所以适当的加载路径探索变得更加困难。现有技术文献专利文献专利文献1日本特开2004-230433号公报专利文献2日本特开2004-351478号公报
专利文献3日本特开2007-275972号公报非专利文献非专利文献1平成12年度塑性加工春季講演会論文集，(2000),433页。
发明内容
发明所要解决的技术问题在本发明中，提出一种能够简单地求出以往需要大量的试错及熟练度的液压成形 的加载路径探索的液压成形加工装置及液压成形加工方法。解决技术问题所采用的手段为了解决这样的问题，本发明的主旨如下。(1) 一种液压成形加工装置，具有模具、轴推机构和内压施加机构，对设置在模具 中的金属管施加内压而成形为规定形状，其特征在于，在设置上述金属管的时刻不与上述金属管接触的部位、或者在该部位及随着液压 成形加工的进行而变为与上述金属管不接触的部位的上述模具的内部中，在至少两处以上 的不同的管轴方向的位置上安装有能够判断与上述金属管的接触的接触感知传感器；具有根据由上述接触感知传感器得到的上述模具与上述金属管之间的接触判断 来控制轴推及内压的控制机构；上述控制机构，进行第1工序，该第1工序，在使内压保持为固定的值的状态下对管端进行轴推， 与上述金属管未接触的上述接触感知传感器中的、安装在距管端最近的位置上的接触感知 传感器判断出上述金属管的接触时，使轴推的进行停止；接着进行第2工序，该第2工序，在将管端的位置固定的状态下仅使内压上升，当 上述接触感知传感器中的为未接触的传感器中的至少一个判断出接触时，使内压的上升停 止；接着进行第3工序，该第3工序，在将管端的位置固定的状态下，使内压下降到上 升前的值；上述控制机构具有如下功能重复上述第1工序到第3工序直到上述接触感知传 感器全部判断为接触。(2)如(1)所述的液压成形加工装置，其特征在于，上述金属管被预先弯曲为规定 形状，在面对该金属管的弯曲内侧位置的部位，且在设置上述金属管的时刻与上述金属管 接触、随着液压成形加工的进行而与上述金属管暂时成为不接触、并最终与上述金属管再 次接触的部位的上述模具的内部中，安装有上述接触感知传感器，进而，在相对于上述金属 管的上述弯曲内侧位置为面对轴向的前后的弯曲内侧的部位，且在设置上述金属管的时刻 与上述金属管为不接触的部位的上述模具的内部的至少1处以上的不同位置上，安装有上 述接触感知传感器。(3) 一种液压成形加工方法，是使用具有模具、轴推机构和内压施加机构的加工装 置、对设置在上述模具中的金属管施加内压而成形为规定形状的液压成形加工方法，其特 征在于，在设置上述金属管的时刻不与上述金属管接触的部位、或者在该部位及随着液压成形加工的进行而变为与上述金属管不接触的部位的上述模具的内部中，在至少两处以上 的不同的管轴方向的位置上安装能够判断与上述金属管的接触的接触感知传感器；进行第1工序，在使内压保持为固定的值的状态下对管端进行轴推，与上述金属 管未接触的上述接触感知传感器中的、安装在距管端最近的位置上的接触感知传感器判断 出上述金属管的接触时，使轴推的进行停止；接着，进行第2工序，在将管端的位置固定的状态下仅使内压上升，当上述接触感 知传感器中的为未接触的传感器中的至少一个判断出接触时，使内压的上升停止；接着，进行第3工序，在将管端的位置固定的状态下使内压下降到上升前的值；以后，重复上述第1工序到第3工序直到上述接触感知传感器全部判断为接触。(4)如(3)所述的液压成形加工方法，其特征在于，上述金属管被预先弯曲为规定形状，在面对该金属管的弯曲内侧位置的部位，且 在设置上述金属管的时刻与上述金属管接触、随着液压成形加工的进行而与上述金属管暂 时成为不接触、并最终与上述金属管再次接触的部位的上述模具的内部中，安装上述接触 感知传感器，进而，在相对于上述金属管的上述弯曲内侧位置为面对轴向的前后的弯曲内 侧的部位，且在设置上述金属管的时刻与上述金属管为不接触的部位的上述模具的内部的 至少1处以上的不同位置上，也安装上述接触感知传感器。(5)如(3)或(4)所述的液压成形加工方法，其特征在于，在上述接触感知传感器 全部判断为接触后，再仅使内压上升。发明效果通过本发明，液压成形加工的适当的加载路径探索变得容易，液压成形加工的应 用变得更容易，并且能够实现向以往难以进行液压成形加工的零件的应用。
图1表示液压成形加工的一般性的加载路径的说明图。图2表示本发明的液压成形加工装置的说明图。图3表示本发明的液压成形加工方法的说明图。图4表示在初始时与模具接触的金属管随着液压成形加工的进行而暂时成为不 接触的情况的说明图。图5表示在本发明的实施例中使用的液压成形模具的说明图。图6表示在本发明的实施例中使用的液压成形加载路径的说明图。
具体实施例方式以图2所示那样的将圆形截面的金属管扩管为长方形截面的情况下的液压成形 加工为例说明本发明。将被液压成形加工的金属管1设置到形成有截面为长方形状的加工空间的模具 2、3内。在初始状态下，金属管1与模具2、3的型面在长方形的短边方向上接触、而在长边 方向上不接触。在该非接触方向的面的中央(在本例的情况下正好是模具2、3的合模部)的位 置，在模具2及模具3上设有孔6 (在本例中，由于正好是合模部，所以在各个模具2、3上，为设在配合面上的槽。后述的孔7也是同样的)。在该孔6中安装激光位移计8。孔6通到模具内部的表面的部位贯通有激光9通 过的孔7。该孔7因为是液压成形加工的面，所以优选为尽可能小。通过使用该激光位移计 8测量与金属管1的距离，能够正确地判断模具2、3与金属管1的接触。其他传感器中的、安装在模具内部中的水晶压敏传感器(专利文献1)等也能够感 知与金属管的接触，所以包含在本发明的接触感知传感器中。以后，也有将上述那样的激光位移计8及安装它的孔6等统称作接触感知传感器 的情况。在本例中，作为接触感知传感器，将激光位移计设置在管轴方向的不同截面的5 处(X1 X5)。接着，说明使用上述接触感知传感器求出适当的加载路径的方法。另外，在图3中 表示适当的加载路径的概略图。首先，与以往方法同样，不施加轴推，将溶剂(例如水)5注入到金属管1内而仅将 内压升压。但是，根据情况，也有为了防止从管端的密封泄露而进行微小的轴推的情况。该 初始压力I3h是使金属管不破裂地塑性变形的压力，能够通过计算或实验较容易地求出。例如，由本发明者们研究的结果可知，能够将金属管的平面应变状态下的屈服开 始压力Pp (参照下式(1))作为初始压力I3h的大致基准(参照非专利文献1)。另外，式中的D表示管材(日语素管)的外径(_)，t表示壁厚(_)，r表示r 值，YS及分别表示单轴拉伸状态及平面应变状态的0. 2%屈服强度(日语耐力)。= ^YSp ^ YSp=-^YS....⑴但是，在形状复杂的情况下等，与上式的误差变大，所以将初始压力实验性求出 更为可靠。具体而言，不施加轴推地使内压升压直到金属管破裂，以破裂时的压力为参考来 设定初始压力IV例如，设定为破裂时的压力的0. 7 0. 8倍的压力等。如以上这样，将内压升压到通过计算或实验求出的初始压力Ph，但在该状态下金 属管1几乎没有被扩管。接着，进入到施加内压和轴推的工序，但在本发明方法中，首先将内压保持为初始 压力IV使轴推冲头4行进，仅施加轴推。本发明者们研究的结果是，虽然通过不将内压升压而仅施加轴推施加也能够将金 属管扩管，但在此情况下不是从中央部、而是端部的X1及\被扩管最多。接着，如果&及)(5处的接触感知传感器感知到接触，则使轴推停止(图2b、图3b)。 将到此为止的工序称作第1工序。在使轴推停止后，仅将内压升压。本发明者们的研究的结果是，在不伴随着轴推的 仅通过内压的扩管的情况下，不是从端部而是从中央部扩管。在本例的情况下)(3被扩管最
^^ ο接着，如果处的接触感知传感器感知到接触，则使升压停止(图2c、图3c)。将 该工序称作第2工序。然后，在停止轴推的状态下暂时使压力降低到初始压力IV将该工序称作第3工 序。假如不降低内压而施加轴推，则压力过高，所以金属管会立即破裂。
在以上那样进行从第1到第3工序后，再从上述第1工序起依次重复进行上述工 序，在所有位置的接触感知传感器感知到与金属管的接触的时刻结束工序。此时，在重复的第1工序中，在安装在相对于管端的次接近的位置上的接触感知 传感器感知到上述金属管的接触时使轴推的进行停止。在本例的情况下，在结束了到此为止的加工工序的时刻, 和&未接触。所以，在 重复的第1工序中，在保持着压力I3h的状态下再次施加轴推，如果感知到\与\的接触， 则使轴推停止。在此情况下，由于传感器和\是安装在上述次接近的位置处的接触感知传感 器，所以结果成为，X2和ι感知到金属管的接触的时刻与所有位置的接触感知传感器感知 到接触的时刻一致。因此，在此时刻能够结束工序。在因加工部较长等的理由而在该时刻存在与金属管未接触的接触感知传感器的 情况下，接着实施第2、第3工序，同样地重复进行第1到第3工序，直到所有位置的接触感 知传感器感知接触。通过以上那样的液压成形加工方法，成为遍及全长没有压曲及折皱的被均勻扩管 的形状。在以往方法那样的使轴推和内压同时增加的方法中，端部被优先扩管。因此，在沿 管轴方向较长的加工品的形状中，有中央部不被扩管而留下压曲或折皱的情况。相对于此，在本发明方法中，由于将端部和中央部交替地扩管，所以在压曲及折皱 不易留下的方面是非常有利的。进而，在第1工序和第2工序中，变化的参数都只是轴推或内压的某一个，所以适 当条件的探索非常简便，这也可以说是本发明的较大的优点。上述一系列的液压成形加工方法为有关上述O)的本发明的说明，但在通过到此 为止的工序达不到最终的规定的形状的情况下，例如在想要将角R成形得尖锐的情况下 等，进一步仅使内压施加到高压(有关上述(3)的本发明)。此外，也可以一边观察接触感知传感器的检测结果一边分别用手动控制内压的上 升/停止及轴推的行进/停止来实施上述的加工方法，但也可以通过具有控制机构的液压 成形加工装置(有关上述(1)的本发明)来实施，该控制机构自动地感知传感器的检测结 果而自动地控制轴推或内压此外，在本例中，对接触感知传感器采用激光位移计而进行了 说明，但使用其他方法也能够得到同样的效果。例如，也可以利用当金属管接触在模具上时 模具的应力及应变变化的现象，在模具内部中安装水晶压敏传感器或应变计。此外，也可以 是接触式的位移计等。接触感知传感器基本上安装到在将金属管设置到模具中的时刻模具与金属管不 接触的位置上。但是，如图4所示，将金属管在初始状态下设置为使其接触在模具上，但也有随着 液压成形加工的进行而暂时与模具成为不接触的情况，在这样的情况下，最好在随着进行 而临时成为不接触那样的位置上也安装。在图4的例子中，预先弯曲为规定形状的金属管1的弯曲内侧中央位置在初始状 态下如图如所示那样接触在模具3上，但在液压成形加工的进行的中途如图4b那样临时 成为不接触。在此情况下，在初始状态下不与金属管接触的弯曲内侧中央位置的前后的部位上分别安装接触感知传感器，并且在初始状态下在面对接触在模具上的金属管1的弯曲 内侧中央的部位上也安装接触感知传感器，使得能够感知最终的与模具的接触。实施例在下述中表示本发明的实施例。在管材中使用外径63. 5mm、壁厚2. 0mm、长度700mm的钢管(钢种JIS规格 STKM13B)。材料特性为，YS是385MPa，r值是0. 9。液压成形模具如图5所示，做成了扩管为长方形截面的形状。在接触感知传感器 中采用激光位移计，如图5所示，设置在管轴方向的5个部位上。另外，与图2的详细安装图同样，在上模具2及下模具3的边界面上，分别挖入了 宽度88mm、深度18mm的槽，在其中安装了激光位移计6。在该槽通到模具内部的表面的部 位挖入有激光9通过的槽，该激光9通过的槽在上模具2及下模具3的边界面上分别以Imm 的深度而被挖入。在图6中表示液压成形的加载路径。首先，通过以下的顺序决定初始压力IV如 果由上述式(1)计算平面应变状态下的屈服开始压力Pp，则为^.4MPa。但是，在实际没有 轴推而将内压升压直到该钢管破裂时，在26. 下破裂。由此，初始压力Ph设定为实际 破裂的压力26. 5MPa的0. 76倍的20MPa。接着，不决定初始压力以后的条件，使用本发明装置尝试自动地求出加载路径。于是，如图6所示，如果以固定内压20MPa来施加轴推，则在轴推量20mm下，接触 感知传感器11、15感知到接触而轴推自动地停止。然后，在停止轴推的状态下仅将内压升 压，如果接触感知传感器13感知到接触，则升压自动地停止。另外，此时的压力是25. 5MPa。 再然后，内压立即下降到20MPa。接着，如果一边将内压保持在20MI^ —边施加轴推，则此次 接触感知传感器12和14感知到接触，轴推自动地停止。另夕卜，本实施例的截面形状由于为角R = Smm较小，所以使最终的升压也自动地施 加。该最终的压力设定为150MPa，在加工后达到了作为目标的R = 8mm，所以用该值决定。以上，将初始压力和最终升压压力用实验求出，但将除此以外的加载路径的参数 全部自动地求出，能够自动加工出没有加工不良的液压成形加工品。另外，求出初始压力和 最终升压压力时的实验次数分别是各1次，所以工作量不会成为负担，并且如果是简单的 形状的情况，则通过简单的计算也能够设立某种程度的基准。工业实用性根据本发明，液压成形加工的适当的加载路径探索变得容易。由此，实施液压成形 加工的加工厂家增加，液压成形加工的适用零件也增加。由此，能够实现零件统合及轻量 化。特别是，向汽车零件的应用通过车辆的轻量化改进而燃耗改善，结果能够有利于地球温 暖化的抑制。此外，也能够期待向到目前为止还没有应用的产业领域、例如家电制品、家具、 建设机械零件、双轮车零件、建筑部件等的扩展。标号说明1金属管2、3液压成形4轴推冲头5 溶剂
6激光位移计安装用的孔(槽)7激光通过用的孔(槽)8、11 15激光位移计9 激光10激光位移计塞绳(二一卜‘)
权利要求
1.一种液压成形加工装置，具有模具、轴推机构和内压施加机构，对设置在模具中的金 属管施加内压而成形为规定形状，其特征在于，在设置上述金属管的时刻不与上述金属管接触的部位、或者在该部位及随着液压成形 加工的进行而变为与上述金属管不接触的部位的上述模具的内部，在至少两处以上的不同 的管轴方向的位置上安装有能够判断与上述金属管之间的接触的接触感知传感器；具有根据由上述接触感知传感器得到的上述模具与上述金属管之间的接触判断来控 制轴推及内压的控制机构； 上述控制机构，进行第1工序，在使内压保持为固定的值的状态下对管端进行轴推，与上述金属管未 接触的上述接触感知传感器中的、安装在距管端最近的位置上的接触感知传感器判断出上 述金属管的接触时，使轴推的进行停止；接着进行第2工序，在将管端的位置固定的状态下仅使内压上升，当上述接触感知传 感器中的为未接触的传感器中的至少一个判断出接触时，使内压的上升停止； 接着进行第3工序，在将管端的位置固定的状态下使内压下降到上升前的值； 上述控制机构具有如下功能重复上述第1工序到第3工序直到上述接触感知传感器 全部判断为接触。
2.如权利要求1所述的液压成形加工装置，其特征在于，上述金属管被预先弯曲为规定形状，在面对该金属管的弯曲内侧位置的部位，且在设 置上述金属管的时刻与上述金属管接触、随着液压成形加工的进行而与上述金属管暂时成 为不接触、并最终与上述金属管再次接触的部位的上述模具的内部，安装有上述接触感知 传感器，进而，在相对于上述金属管的上述弯曲内侧位置为面对轴向的前后的弯曲内侧的 部位，且在设置上述金属管的时刻与上述金属管为不接触的部位的上述模具的内部的至少 1处以上的不同位置上，安装有上述接触感知传感器。
3.一种液压成形加工方法，使用具有模具、轴推机构和内压施加机构的加工装置，对设 置在上述模具中的金属管施加内压而成形为规定形状，其特征在于，在设置上述金属管的时刻不与上述金属管接触的部位、或者在该部位及随着液压成形 加工的进行而变为与上述金属管不接触的部位的上述模具的内部，在至少两处以上的不同 的管轴方向的位置上安装能够判断与上述金属管之间的接触的接触感知传感器；进行第1工序，在使内压保持为固定的值的状态下对管端进行轴推，与上述金属管未 接触的上述接触感知传感器中的、安装在距管端最近的位置上的接触感知传感器判断出上 述金属管的接触时，使轴推的进行停止；接着进行第2工序，在将管端的位置固定的状态下仅使内压上升，当上述接触感知传 感器中的为未接触的传感器中的至少一个判断出接触时，使内压的上升停止； 接着进行第3工序，在将管端的位置固定的状态下使内压下降到上升前的值； 以后，重复上述第1工序到第3工序直到上述接触感知传感器全部判断为接触。
4.如权利要求3所述的液压成形加工方法，其特征在于，上述金属管被预先弯曲为规定形状，在面对该金属管的弯曲内侧位置的部位，且在设 置上述金属管的时刻与上述金属管接触、随着液压成形加工的进行而与上述金属管暂时成 为不接触、并最终与上述金属管再次接触的部位的上述模具的内部，安装上述接触感知传感器，进而，在相对于上述金属管的上述弯曲内侧位置为面对轴向的前后的弯曲内侧的部 位，且在设置上述金属管的时刻与上述金属管为不接触的部位的上述模具的内部的至少1 处以上的不同位置上，也安装上述接触感知传感器。
5.如权利要求3或4所述的液压成形加工方法，其特征在于， 在上述接触感知传感器全部判断为接触后，再仅使内压上升。
全文摘要
提供一种能够简单地求出加载路径的液压成形加工装置及加工方法，使用在模具的内部、在至少两处以上的不同的管轴方向的位置上安装有能够判断与金属管的接触的接触感知传感器的模具，进行在使内压保持为固定的值的状态下对管端进行轴推、当安装在距管端最近的位置上的未接触的接触感知传感器感知到金属管的接触时使轴推的进行停止的第1工序，接着，进行在将管端的位置固定的状态下仅使内压上升、当为未接触的接触感知传感器判断为接触时使内压的上升停止的第2工序，接着进行在将管端的位置固定的状态下使内压下降到上升前的值的第3工序，重复第1至第3工序，直到接触感知传感器全部感知到接触，得到液压成形加工品。
文档编号B21D26/033GK102083564SQ20098012569
公开日2011年6月1日 申请日期2009年6月30日 优先权日2008年7月4日
发明者佐藤浩一, 和田学, 栗山幸久, 水村正昭 申请人:新日本制铁株式会社