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JP2004351478A - Tube hydroforming loading path determination method, tube hydroforming apparatus, and method for manufacturing metal member using them - Google Patents

Tube hydroforming loading path determination method, tube hydroforming apparatus, and method for manufacturing metal member using them Download PDF

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JP2004351478A
JP2004351478A JP2003152996A JP2003152996A JP2004351478A JP 2004351478 A JP2004351478 A JP 2004351478A JP 2003152996 A JP2003152996 A JP 2003152996A JP 2003152996 A JP2003152996 A JP 2003152996A JP 2004351478 A JP2004351478 A JP 2004351478A
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tube hydroforming
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hydroforming
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裕二 橋本
Takao Iguchi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for deciding a loading path for tube hydroforming by which the optimum loading path for tube hydroforming can be decided, and a tube hydroforming device and a method for manufacturing a metal member using them. <P>SOLUTION: When the loading path for tube hydroforming is decided, this method is performed with an FEM (finite element method) simulation, and a surface area S and a volume V in the remarked range at each analyzing step, are calculated and the loading path is corrected so that ratio v of V<SP>1/3</SP>and S<SP>1/2</SP>(ν=V<SP>1/3</SP>/S<SP>1/2</SP>) becomes not less than a threshold value, and the loading path is decided by repeating this correction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューブハイドロフォーミングのローディングパス(Loading Path)決定方法、チューブハイドロフォーミング装置および金属部材の製造方法に関し、例えば、金属管をチューブハイドロフォーミングにより成形して自動車部品等に代表される部材を製造する際に、軸押し量および成形圧力の印加スケジュールであるローディングパスを最適に決定しうるチューブハイドロフォーミングのローディングパス決定方法、チューブハイドロフォーミング装置およびそれらを用いたチューブハイドロフォーミングによる金属部材の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車部品、例えば自動車車体のフレームの中では、フロントサイドフレームや足回り部品の一つであるサブフレーム等がその例であるが、それらを含め、自動車、電化製品、産業機械、プラント等の構造部材に、管(金属管)をハイドロフォーミングした金属部材が使用されることがある。管のハイドロフォーミング(略号HF)すなわちチューブハイドロフォーミング(略号THF)とは、所望の形状をした金型の内部に管を装入し、被成形金属管の軸(中心軸)方向両端(以下、管端という。)から軸押しポンチで力を加えながら、管の内部に入れた液体(水、油など)に、圧力(成形圧力)をかけて管を膨らませ、所望の形状に成形する方法である。
【0003】
THFにおいて、液体にかける圧力が過小で金型に沿う形状まで十分に管の成形が行われない成形不足が生じたり、軸押し量が過小になって、管の減肉が大きくなり、破断してしまったり、軸押し量が過多になって管の座屈を生じてしまったりするのを防止し、成功裡に成形を完了するには、成形に寄与する2つのプロセスパラメータである軸押し量と成形圧力の調和の取れた時間的な変化が重要である。すなわち、これら2つのプロセスパラメータの時間的な変化の組み合わせとして最適なものを選ぶことが肝要である。しかし、最適な組み合わせを見出すことは簡単ではなく、熟練した作業者が経験に頼って決めているのが現状であるため、最適な組み合わせを見出すまでに多大な時間と労力を要する等、効率が悪く、また、最適と思っているローディングパスが必ずしも最適でないという場合もある。ここで、ローディングパスとは、軸押し量および成形圧力の印加スケジュールすなわち時間的な変化のことで、これらプロセスパラメータの時間的な変化を規定したもの(数式、図、テーブルなど)で表される。
【0004】
また、チューブハイドロフォーミングのFEM(有限要素法)シミュレーションにより、先述のような成形不足や座屈を生じないローディングパスを見出し、実際に金属管の成形に適用することで、最適なローディングパスの探索の手間を省く試みもなされているが、FEMシミュレーションによる最適なローディングパスの探索も、生産現場においてと同様、熟練した作業者の経験が必要であり、やはり効率が良いとはいえない。
【0005】
そこで、オハイオ州立大学(略号OSU)のアルタン(Altan )教授らは、アダプティブシミュレーション(Adaptive Simulation ;略号AS)という最適なローディングパスの探索方法を開発し、発表した(非特許文献1参照)。この方法は、FEMシミュレーションにおいて、成形中の管の指定領域の面積Sと体積Vについて、以下のような処理を行うものである。
(1) まず、Vfcを指定領域の管内部の体積、Sを指定領域の管の表面積として、セルフフィーディング(Self feeding)法と呼ばれる手法で、FEMシミュレーションを行って、VfcおよびSをそれぞれ時間τの関数Vfc self(τ)、Sself(τ)として予測した後、Vfc self(τ)とSself(τ)の関係から関数Sself( Vfc) を求める。
(2) 次に、ローディングパスを決定するに際し、先述のASを行って、
V(τ)=(Vfc(τ)−Vfc self(τ))/(Vfc self(τ)−Vfc self(τ)) ‥‥(1)
τ:開始時刻、 τ:終了時刻
で示される、体積を無次元化した指標として示す時間の関数V(τ)を求め、このV(τ)と、別途求めたS(τ)とから、S(V)を求め、成形中に管に発生することのあるシワの指標である、
W(V)=(S(V)/Sself(V)−1)×100 ‥‥(2)
を算出し、W(V)がある範囲内に入るようにすることで、シワが発生しないようにローディングパスを調整する、という一連の処理を繰り返す。
【0006】
【非特許文献1】
Annals of 51st CIRP, Nancy(France), agosto 2001.
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
実際のチューブハイドロフォーミングにおいても、FEMシミュレーションにおいても、軸押し量が大きすぎるとシワが発生したり、被成形金属管が座屈したりして所望の形状が得られず、一方で、軸押し量が小さすぎると、管の減肉が大きくなりすぎて破断してしまう。したがって、シワが発生しないように、あるいは発生しても最終的にはシワが消えるような範囲ぎりぎりで軸押し量を大きくしつつチューブハイドロフォーミングを行うローディングパスが最適になる。よって、発生することのあるシワをFEMシミュレーションでいかに定量的に捉え、監視するかがポイントとなる。
【0008】
この点からみて非特許文献1のASによる方法は非常に有効であるが、式が複雑であり、チューニングパラメータが上手く設定できなかった場合、原因を調べるのが困難になる、という問題があった。生産現場で用いるにはなおさらであった。さらに、近年では、特に自動車部品には、成形のより難しい管が用いられるようになるなど、事態を一層困難にしていた。
【0009】
本発明の目的は、上記のような問題を解決し、最適なローディングパスを簡単に決定できるチューブハイドロフォーミングのローディングパス決定方法、チューブハイドロフォーミング装置およびそれらを用いた金属部材の製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記非特許文献1のASによる方法を参考にして検討を重ねた結果、より簡単なシワの定量化方法を見出し、本発明をするに至った。すなわち本発明は、次のとおりである。
(1)チューブハイドロフォーミングのローディングパスを決定するにあたり、FEMシミュレーションを行い、各解析ステップごとに管の注目領域の表面積Sと体積Vを算出し、V1/3 とS1/2 の比ν=V1/3 /S1/2 が所定の閾値以上になるようにローディングパスを修正し、これを繰り返してローディングパスを決定することを特徴とするチューブハイドロフォーミングのローディングパス決定方法。
(2)FEMシミュレーションで算出された最大減肉量が限界値を上回った場合、前記閾値を変更することを特徴とする(1)記載のチューブハイドロフォーミングのローディングパス決定方法。
(3)金型と、 該金型の内部にて被成形金属管の軸方向に動作する該金型軸方向両端に配した液圧シリンダと、該液圧シリンダの動作方向を切換える電磁弁と、該電磁弁に液体を供給する液圧供給源と、ローディングパスを決定する機能を内部に有する計算機と、該計算機からの指令により、成形圧力と軸押し量を制御する制御盤とを備えたことを特徴とするチューブハイドロフォーミング装置。
(4)(1)または(2)に記載のチューブハイドロフォーミングのローディングパス決定方法で決定されたローディングパスに従うチューブハイドロフォーミングにより金属部材を製造することを特徴とする金属部材の製造方法。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1および図2に、自動車の足回り部品の一つであるサブフレームをチューブハイドロフォーミングにて成形する実験を行った際のFEMシミュレーション結果を示す。図1はシワが発生した場合、図2(a) はシワが発生しなかった場合の成形後製品の外観をそれぞれ示す。双方のローディングパスは非常に近いもので、ほんの僅かの差がシワの発生につながっている。また、図2(b)には、シワが発生しなかった場合の成形圧力と減肉率の関係をFEMシミュレーション結果と実験結果とで比較して示した。なお、図中、成形途中の実験データは、成形を途中で中止したサンプルについて肉厚を測定して得た。FEMシミュレーション結果と実験結果とはよく一致しており、FEMシミュレーションの精度は十分であると言える。
【0012】
図1においてシワが発生した管の領域を、本発明では注目領域とし、この領域について、前述したシワの発生した場合と発生しなかった場合、双方のローディングパスの場合のFEMシミュレーション結果から、管の表面積S(管外周で囲まれる空間の表面積)および体積V(管外周で囲まれる空間の体積)の時間的な変化を逐次的に捉えた。表面積Sは注目領域内の各要素の表面積の総和とした。体積Vは、例えば図3に示すように、管の注目領域2を含む仮想領域3(体積Vc の立方体もしくは直方体)の中に、乱数を用いて総数Nの点群を仮想的に計算機内に発生させ、その点群が注目領域の内側にあるか否かを計算機内で行うFEMシミュレーションで判別し、内側にあると判別された点の数Cを求め、次式
V=C/N×Vc ‥‥(3)
によって算出した。なお、図3の右側の点群プロット図の縦軸、横軸の目盛りはFEMシミュレーションで用いた位置的な座標である。
【0013】
シワが発生すると体積Vは小さくなり、表面積Sは増加する。よって、VとSを組み合わせたパラメータを用いれば、シワを定量的に捉えて予測し、シワの発生の有無が判別可能である。そのパラメータとして、発明者らは当初、従来よく用いられることのあったV/Sのほかに、新たにV1/3 /S1/2 という指標も考え、2種類を試すことにした。後者の方が無次元化されているためより良いパラメータであると考えられたからである。この点は、上記図1(シワ発生)の場合と図2(a)(シワ発生なし)の場合のそれぞれについてFEMシミュレーションにより算出した注目領域の表面積Sと体積Vを用いてV/SおよびV1/3 /S1/2 の時間的な変化を再現して示した結果、予想に違わず、図6に示すように、V1/3 /S1/2 の方が、シワ発生の場合とシワ発生なしの場合を、閾値を挟んで上下により明確に判別できることによって裏付けられた。よって、本発明では、チューブハイドロフォーミングにてシワの発生の有無を予測する指標として、体積Vと表面積Sを1次元化したものの比
ν=V1/3 /S1/2 ‥‥(4)
を採用した。
【0014】
例えば図6の場合、シワ発生が抑制されるνの閾値(シワ発生とシワ発生なしの境界値)νlimit としては、管と金型が部分的に接触した後の段階では、例えば0.491 、接触する前の段階では、例えば初期値(成形前の値)である0.485 を採用することができる。νが閾値νlimit 以上になるようにすれば、言い換えるとνが閾値νlimit 以上で時間的に変化するようにすれば、シワは発生しないことを意味する。なお、νlimit は、これらの値に限るものではなく、例えば前者の管と金型が部分的に接触した後の段階では、図6中下の図に示したハッチングした領域内のどこでも設定することができる。何らかの外乱に対する安全上、その中央近辺に閾値を設定するのが好ましいため、上記のような値としたものである。後者の場合は領域が比較的狭くなっているがやはり同様である。
【0015】
このようにシワ発生の場合とシワ発生なしの場合からわかる閾値を用いて後述の図4の説明に出てくる暫定的な閾値νlimit として設定しておけば、FEMシミュレーションと並行して実際のチューブハイドロフォーミングを同時に行う場合でもシワが発生する問題が実際上は避けられる。実際上といったのは、素材である管の強度のばらつきや成形圧力の油圧変動等の外乱による振れが起こった場合にν<νlimit となってしまう場合があるということであるが、実際問題、FEMシミュレーションは各解析ステップごとに行われ、最大減肉量thが減肉量限界値thmax より大となる解析ステップがあったとしても、すぐに閾値νlimit を下げるようにはたらくため、実際にシワが発生するまでにはなかなか至らない。
【0016】
以上は、シワ発生の場合とシワ発生なしの場合から閾値を見出した場合と同じ管の材質、寸法の場合に言えることであるが、それとは異なる材質、寸法の管にハイドロフォーミングを行う場合は、まずFEMシミュレーションだけを行ってみて(その過程でν<νlimit となることは十分あり得る)、最適なローディングパス(この最適なローディングパスではν≧νlimit となる)を見出せたのちに実際のチューブハイドロフォーミングをFEMシミュレーションと並行して同時に行うようにすれば問題はない。その際はもちろん、FEMシミュレーションだけを行って得られた閾値を暫定的に設定しておく。
【0017】
また、発明者らは、様々な形状の部品についてFEMシミュレーションを行い、その結果、管と金型が接触している状態でのνlimit としては、管ではなく金型の形状データを用いて管の注目領域に対応する部分について算出した体積Vと表面積Sから(4) 式のνを求め、その値に0.99〜1.00の係数を掛けたものを採用できることも見出した。この係数を0.99〜1.00の間で数水準とり、その中で最適な値(最適な値は、FEMシミュレーションを各々の係数で実施し、シミュレーション結果による成形後の管の目視形状及び減肉率が実際に成形を行った後の管のそれらと最もよく一致するものによって判定しうる)を選択すればよい。実際、この係数は3水準程度試すことで十分良好な結果を得ることができる。
【0018】
また、管の注目領域としてはシワが発生しやすい場所を選定する必要があるが、例えばプリベンドされた(予めチューブハイドロフォーミングされる前に曲げ加工された)管のチューブハイドロフォーミングにおいて、シワが発生しやすい箇所は、曲げの内側など、ある程度限られることが経験上わかっているので、そのような箇所を含むように選定するのがよい。なお、注目領域の大きさは、小さいほどパラメータνによりシワ発生の有無を明確に判別できるようになるため、できるだけ小さくとるのが好ましい。
【0019】
上記パラメータνを用いた本発明のローディングパス決定方法の一例を、図4に示した流れ図を用いて説明する。FEMシミュレーションだけを行う仮想的な場合もFEMシミュレーションと並行して実際のチューブハイドロフォーミングを同時に行う場合も含む。
まず、暫定的なローディングパスと閾値νlimit を仮に設定し、素材である金属管の寸法(外径D、肉厚t)と降伏応力σから算出される塑性変形開始圧力pまで軸押しを行わずに成形圧力を上昇させる。次いでシワ発生の解析をFEMシミュレーションにより行う。ここでは、注目領域のVとSとからパラメータνを算出し、予め設定しておいた閾値νlimit と比較し、それ未満ならば軸押しを行わずに成形圧力だけをΔp増加させ、それ以上ならば成形圧力は維持して軸押し量(長さ)をΔd仮想的に増加させる。
【0020】
次いで注目領域での最大減肉量thを算出し、thが減肉量限界値thmax より大であれば、閾値νlimit を変更し(小さくして)、始めに戻って再度計算を始めるようにするのが好ましい。thが減肉量限界値thmax 以下であれば、実際のチューブハイドロフォーミングを同時に行う場合は、実際にΔpあるいはΔdを増加させ、管と金型の接触率αを計算し、αが例えば90%以下であれば、再びシワ発生の解析の最初に戻り、ΔpあるいはΔdの仮想的な増加後のνについてνlimit との比較を行う。90%超となっていれば、軸押し量増分をあるΔdに仮想的にあるいは実際に固定して成形圧力を最大成形圧力pmax まで仮想的にあるいは実際に上昇させる。最大成形圧力pmax はチューブハイドロフォーミング装置の仕様上の最大値のことで、管を成形後のコーナのR部まで金型に沿うようにしっかりと成形するためにはこの最大成形圧力まで成形圧力を上昇させる必要がある。また、Δdは管が金型に沿うように最終的に成形されていくに従い、管が短くなるように変形するのにうまく追随していくように、両軸端を押し込み過多にならない限度で押し込んでいくのに好適な、経験上見出される値であり、成形後製品の形状にもよるが通常は0〜10mm程度である。
【0021】
次いで最大成形圧力pmax での最大減肉量thを算出し、thが減肉量限界値thmax より大であれば、閾値νlimit を変更し(小さくして)、始めに戻って再度計算を始め、そうでなければ、計算を終了する。
以上を一つのステップとし、FEMシミュレーションの解析にとっても、実際のチューブハイドロフォーミングを並行して行う場合のチューブハイドロフォーミングにとっても一ステップとすれば、このように、FEMシミュレーションの各解析ステップ毎に計算されるνと閾値νlimit を比較してシワ発生の有無を予測し、あるいは、実際のチューブハイドロフォーミングを並行して行う場合は、シルナックセンサなどによる軸押し量に関するデータや圧力センサPTの出力する測定値をFEMシミュレーションの各解析ステップ毎に反映させることで計算されるνとνlimit を比較して判別し、シワ発生の場合はローディングパスを修正し、シワ発生なしの場合に限って最大減肉量が限界値を上回らないかどうかを判別し、上回る場合は閾値νlimit を変更する。このようにしたのは、金型に沿う形状まで十分に管の成形が行われるか否か、すなわち成形性の良否判別の優先度として、シワの方が減肉よりも高い(シワが発生すると直ちに成形失敗となるが、減肉は許容範囲が比較的大きい)からである。以上のようなステップを繰り返すことで次第にローディングパスが修正され、決定していく。このようにして決定されたローディングパスでは、各解析ステップ毎に算出されたνは閾値νlimit 以上となる。
【0022】
さて、本発明により得られたローディングパスは、そのまま実際にチューブハイドロフォーミングに用いてもよいが、図5の点線に示すように成形圧力と軸押し量の関係がステップ状となっているため、このステップ状のローディングパスの各頂点を結んで実線で示すように修正したものを用いる方が好適である。
図7に、本発明により得られたローディングパスを実際にチューブハイドロフォーミングに適用した結果(本発明例)と、実験により経験的に最適化されたローディングパス(従来例A;シワ発生なし)および実験の結果シワが発生したローディングパス(従来例B)とを比較して示す。本発明例では従来例A,Bよりも最終的な軸押し量が小さく、同じ軸押し量に相当する成形圧力が従来例A,Bよりも高圧力側に移行している。このことは、従来は低い成形圧力を軸押しで助けることによって成形していたことを意味しており、軸押し量過多気味すなわち管の座屈、局部的なシワの発生等を起こしやすいローディングパスでハイドロフォーミングを行っていたことを意味している。この点、本発明はそれらよりも良いローディングパスでハイドロフォーミングを行えたことになる。最大減肉率を測定してみると、従来例Aでは26.7%であったものが、本発明例では24.3%と小さくなっており、本発明の効果が確認された。
【0023】
なお、先述の通り、普通は軸押し過小の場合に減肉が問題になるのであるが、ここで軸押し過多なのを是正した場合も減肉が減っているのは、軸押し過多だと局部的に管の座屈という異常な変形が発生しかかっていたために、さらに小さな箇所で異常に減肉の大きな箇所が従来あったのが、なくなったということに基づくものと推定している。
【0024】
次に、本発明によるローディングパス決定方法を実際に実現するためのハイドロフォーミング装置について図8を用いて説明する。FEMシミュレーションを行うための計算機10は、パーソナルコンピュータに防塵用カバー20をかけたものが好ましい。FEMシミュレーション用ソフトウエアとしては、動的陽解法、静的陽解法、静的陰解法のいずれも用いて好適である。なお、FEMシミュレーションに要する時間の短縮と精度の兼ね合いの観点からみて発明者らは動的陽解法が最適と考えている。本発明により得られたローディングパスは、例えば〔時間〕‐〔成形圧力〕および〔時間〕‐〔軸押し量〕の関係のテーブルデータとして、先述の計算機10に記憶しておき、伝送径路Eを経てチューブハイドロフォーミング装置の制御盤30に伝送するようにする。テーブルデータの保存のしかたとしては、テキスト形式(ASCII 形式)でも、よく用いられている市販の表計算ソフトウエアの形式でもよい。
【0025】
制御盤30からの指令を伝送径路Fを経て受け、図8中に40で示す電磁弁の切換えにより、油圧油等の液圧の供給源P(ポンプ)から送られてくる液体の液圧シリンダ50への供給を加減するよう制御する。液圧シリンダ50には、その内部(例えばロッド)に図示しないシルナックセンサを埋め込んだものを使用するなどして、軸押し量に関するデータを制御盤30に伝送径路Gを経て伝送するようにし、軸押し量がローディングパスのテーブルデータ通りになることを目標に制御を行う。液圧シリンダのロッドを動きにくくする機構を備えることが望ましく、ロッドを動きにくくした状態で電磁弁40を切換えれば、成形圧力の加減が容易になるから、そのもとで圧力センサPTがテーブルデータ通りになることを目標に制御を行うようにするのが好ましい。なお、図8の例では電磁弁としてDS3P(Double Solenoid 3 Position )のタイプのものを使用しているが、サーボ弁を用いてもよい。
【0026】
液圧シリンダのロッドを動きにくくする機構は例えば次のようにして実現できる。電磁弁40よりも液圧シリンダ50側に絞り弁60を設けておく。これを絞れば同じ液圧をかけても流路が絞られている分、流量が少なくなる一方で、閉じているわけではないから液圧シリンダに供給する液体の圧力は上げることができる。そうはいえ、液圧の供給源から供給される液体の流量は一定しているから、余る分はリリーフ弁70を経てタンクTに戻る。このリリーフ弁は、クラッキング圧と呼ばれる一定の圧力を超えると流路が開く仕組みの弁である。絞り弁60の絞りもリリーフ弁70のクラッキング圧も図示しないアクチュエータにより、制御盤30からの図示しない伝送径路を経た指令により調整される。
【0027】
【実施例】
JIS STKM12A 相当の鋼管(寸法:φ35mm×2.3mmt×1000mmL )を素材に用い、実施例として、本発明例(前記方法)により決定したローディングパスに従って10000 本、比較例として従来例Aのように実験により経験的に決定したローディングパスに従って同本数の素材を、図2(a)の成形後製品の形状に対応する金型を用いてチューブハイドロフォーミングを行い、その結果として、シワ発生なしの本数、破断もしくはシワ発生の本数、および成形後製品各10000 本の中からそれぞれ無作為抽出した100 本について最小肉厚を測定した結果の平均値を調査した。その結果を表1に示す。同表に示すとおり、実施例では比較例よりもシワ発生なしの本数が多く、平均最小肉厚が厚くなっており、本発明のローディングパス決定方法による金属部材の製造方法により、従来よりも優れた成形性が示された。
【0028】
【表1】

Figure 2004351478
【0029】
【発明の効果】
本発明によれば、最適なチューブハイドロフォーミング用ローディングパスを決定することができる。
なお、本発明を実現するためのチューブハイドロフォーミング装置を用いれば、副次的な効果として、従来のチューブハイドロフォーミング装置は作業者がローディングパスデータを制御盤に手で入力するケースが多く、該データの入力ミスが起こりうるところ、入力ミスも防げる。
【図面の簡単な説明】
【図1】シワが発生したチューブハイドロフォーミング成形後製品の外観を示す図である。
【図2】(a)は図1の場合と同じ金型を用い、図1の場合とわずかに異なるローディングパスをとったチューブハイドロフォーミングでシワが発生しなかった成形後製品の外観を示す図であり、(b)は(a)の成形について成形圧力と減肉率の関係をFEMシミュレーションと実験とで比較して示した図である。
【図3】FEMシミュレーション結果から注目領域の体積Vを算出する方法の説明図である。
【図4】本発明によるローディングパス決定方法の一例を示す流れ図である。
【図5】ローディングパスの好適な修正方法の説明図である。
【図6】2種類のパラメータV/SおよびV1/3 /S1/2 の、シワ発生の有無を予測する指標としての有用性を比較して示した図である。
【図7】本発明によるローディングパスと従来のものとを比較して示した図である。
【図8】本発明を実現するためのチューブハイドロフォーミング装置の全体を示す図である。
【符号の説明】
1 管(金属パイプまたは金属チューブ)
2 注目領域
3 仮想領域
5 金型
10 計算機
20 防塵用カバー
30 制御盤
40 電磁弁
50 液圧シリンダ
60 絞り弁
70 リリーフ弁
100 ハイドロフォーミング装置
E 伝送径路
F 伝送径路
G 伝送径路
P 液圧の供給源(ポンプ)
T タンク(液体の戻り)
PT 圧力センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for determining a loading path of tube hydroforming, a method for manufacturing a tube hydroforming apparatus, and a method for manufacturing a metal member. For example, a member represented by an automobile part or the like is formed by forming a metal tube by tube hydroforming. In manufacturing, a method of determining a loading path of tube hydroforming capable of optimally determining a loading path which is an application schedule of an axial pressing amount and a molding pressure, a tube hydroforming apparatus, and a method of manufacturing a metal member by tube hydroforming using the same. About the method.
[0002]
[Prior art]
Automobile parts, for example, in the frame of an automobile body, a front side frame and a subframe which is one of the underbody parts are examples, and the structure of an automobile, an electric appliance, an industrial machine, a plant, etc. is included. A metal member obtained by hydroforming a pipe (metal pipe) may be used as the member. Tube hydroforming (abbreviation HF), that is, tube hydroforming (abbreviation THF), is a method in which a tube is charged into a mold having a desired shape, and both ends (hereinafter, referred to as "axial") of a metal tube to be formed. A method of forming a desired shape by applying pressure (forming pressure) to the liquid (water, oil, etc.) placed inside the tube while applying force with an axial pushing punch from the end of the tube. is there.
[0003]
In THF, when the pressure applied to the liquid is too small, the tube cannot be formed sufficiently to the shape along the mold. Insufficient molding may occur, or the axial pushing amount may be too small, the wall thickness of the tube may increase, and the tube may break. In order to prevent the buckling of the tube due to excessive pressing or excessive axial pushing, and to complete the molding successfully, the axial pushing amount, which is two process parameters contributing to the molding, is required. It is important that the change in time is consistent with the molding pressure. That is, it is important to select the most suitable combination of the temporal changes of these two process parameters. However, it is not easy to find the optimal combination, and since it is currently determined by skilled workers based on experience, it takes a lot of time and effort to find the optimal combination, and efficiency is high. In some cases, the loading path that is considered optimal is not always optimal. Here, the loading path is an application schedule of the axial pressing amount and the molding pressure, that is, a temporal change, and is represented by a formula (formula, diagram, table, or the like) that defines the temporal change of these process parameters. .
[0004]
In addition, the FEM (finite element method) simulation of tube hydroforming finds a loading path that does not cause insufficient molding or buckling as described above, and searches for an optimal loading path by actually applying the method to metal pipe molding. Attempts to save time and effort have been made, but searching for an optimal loading path by FEM simulation requires the experience of a skilled worker, as in a production site, and is still not efficient.
[0005]
Therefore, Prof. Altan of Ohio State University (abbreviation: OSU) has developed and announced a method of searching for an optimal loading path called adaptive simulation (abbreviation: AS) (see Non-Patent Document 1). In this method, the following processing is performed on an area S and a volume V of a designated region of a tube being formed in an FEM simulation.
(1) First, VfcIs the volume inside the tube in the designated region, and S is the surface area of the tube in the designated region, and a FEM simulation is performed by a method called a self-feeding method, and VfcAnd S are the functions V of time τ, respectively.fc self(Τ), Sself(Τ), then Vfc self(Τ) and SselfFrom the relationship (τ), the function Sself(Vfc).
(2) Next, when determining the loading path, the above-described AS is performed,
V (τ) = (Vfc(Τ) -Vfc self0)) / (Vfc selff) -Vfc self0)) ‥‥ (1)
τ0: Start time, τf: End time
, A time function V (τ) indicating the volume as a dimensionless index is obtained, and S (V) is obtained from this V (τ) and S (τ) separately obtained. It is an indicator of wrinkles that can occur in pipes,
W (V) = (S (V) / Sself(V) -1) × 100 ‥‥ (2)
Is calculated, and a series of processes of adjusting the loading path so that wrinkles do not occur by making W (V) fall within a certain range are repeated.
[0006]
[Non-patent document 1]
Annals of 51st CIRP, Nancy (France), agosto 2001.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the actual tube hydroforming and the FEM simulation, if the axial pressing amount is too large, wrinkles are generated or the metal tube to be formed buckles and the desired shape cannot be obtained. If is too small, the wall thickness of the pipe becomes too large and breaks. Therefore, a loading path that performs tube hydroforming while increasing the axial pressing amount as much as possible so that wrinkles do not occur or even if wrinkles eventually disappear is optimal. Therefore, the point is how to quantitatively capture and monitor wrinkles that may occur by FEM simulation.
[0008]
In view of this point, the AS method of Non-Patent Document 1 is very effective, but there is a problem that if the tuning parameters cannot be set well, it is difficult to investigate the cause because the formula is complicated. . It was even more so for use at production sites. Further, in recent years, the situation has become more difficult, such as the use of more difficult-to-mold tubes, especially for automotive parts.
[0009]
An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a method for determining a loading path of tube hydroforming that can easily determine an optimal loading path, a tube hydroforming apparatus, and a method for manufacturing a metal member using them. It is in.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of repeated studies with reference to the AS method of Non-Patent Document 1, the present inventors have found a simpler method of quantifying wrinkles, and have accomplished the present invention. That is, the present invention is as follows.
(1) In determining the loading path of tube hydroforming, an FEM simulation is performed, and the surface area S and volume V of the region of interest of the tube are calculated for each analysis step.1/3And S1/2Ratio ν = V1/3/ S1/2A loading path determination method for tube hydroforming, wherein the loading path is corrected so that is equal to or larger than a predetermined threshold value, and the loading path is determined by repeating the correction.
(2) The method for determining a loading path for tube hydroforming according to (1), wherein the threshold value is changed when the maximum thinning amount calculated by the FEM simulation exceeds a limit value.
(3) a mold; hydraulic cylinders disposed at both ends in the axial direction of the mold, which operate in the axial direction of the metal tube to be formed inside the mold; and an electromagnetic valve for switching the operating direction of the hydraulic cylinder. A liquid pressure supply source for supplying liquid to the solenoid valve, a computer having a function of determining a loading path therein, and a control panel for controlling a molding pressure and an axial pressing amount by a command from the computer. A tube hydroforming apparatus characterized by the above-mentioned.
(4) A method for manufacturing a metal member, comprising: manufacturing a metal member by tube hydroforming according to the loading path determined by the method for determining a tube hydroforming loading path according to (1) or (2).
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
1 and 2 show the results of FEM simulations when an experiment was conducted in which a subframe, which is one of the undercarriage parts of an automobile, was formed by tube hydroforming. FIG. 1 shows the appearance of the molded product when wrinkles occurred, and FIG. 2A shows the appearance of the molded product when wrinkles did not occur. Both loading paths are very close, with only slight differences leading to wrinkling. FIG. 2B shows the relationship between the molding pressure and the wall thinning rate in the case where no wrinkles are generated by comparing the results of the FEM simulation with the results of the experiment. In the drawings, experimental data during molding was obtained by measuring the wall thickness of a sample in which molding was stopped halfway. The results of the FEM simulation and the results of the experiment are in good agreement, and it can be said that the accuracy of the FEM simulation is sufficient.
[0012]
In FIG. 1, a region of a pipe where a wrinkle occurs is defined as a region of interest in the present invention. In this region, the case where the wrinkle is generated and the case where the wrinkle is not generated, the FEM simulation results of both loading paths are used. The time-dependent changes in the surface area S (surface area of the space surrounded by the outer circumference of the pipe) and the volume V (volume of the space surrounded by the outer circumference of the pipe) were sequentially captured. The surface area S was defined as the sum of the surface areas of the elements in the region of interest. As shown in FIG. 3, for example, as shown in FIG. 3, in a virtual area 3 (a cubic or rectangular parallelepiped having a volume Vc) including a target area 2 of a pipe, a point group having a total number N is virtually stored in a computer using random numbers. Generated, and whether or not the point group is inside the region of interest is determined by FEM simulation performed in the computer, and the number C of points determined to be inside is determined by the following equation.
V = C / N × Vc ‥‥ (3)
Was calculated. The vertical and horizontal scales of the point cloud plot on the right side of FIG. 3 are positional coordinates used in the FEM simulation.
[0013]
When wrinkles occur, the volume V decreases and the surface area S increases. Therefore, by using a parameter that combines V and S, it is possible to quantitatively capture and predict wrinkles and determine whether or not wrinkles have occurred. Initially, the inventors have newly added V / S in addition to V / S, which has been often used in the past.1/3/ S1/2We decided to try two types. This is because the latter is considered to be a better parameter because it is dimensionless. This point is determined by the V / S and V using the surface area S and the volume V of the attention area calculated by the FEM simulation in each of the case of FIG. 1 (wrinkle generation) and the case of FIG. 2A (no wrinkle generation).1/3/ S1/2As a result of reproducing and showing the temporal change of V, as shown in FIG.1/3/ S1/2Is supported by the fact that the case where wrinkles occur and the case where no wrinkles occur can be more clearly distinguished above and below the threshold. Therefore, in the present invention, as an index for predicting the presence or absence of wrinkles in tube hydroforming, the ratio of the volume V and the surface area S in one dimension is used.
ν = V1/3/ S1/2                ‥‥ (4)
It was adopted.
[0014]
For example, in the case of FIG. 6, a threshold value of ν at which the generation of wrinkles is suppressed (a boundary value between wrinkles and no wrinkles) νlimitFor example, at a stage after the tube and the mold partially contact each other, for example, 0.491, and at a stage before the contact, for example, an initial value (a value before molding) of 0.485 can be adopted. . ν is the threshold νlimitIn other words, if ν is the threshold νlimitIf the time is changed as described above, it means that no wrinkles are generated. Note that νlimitIs not limited to these values. For example, at the stage after the former tube and the mold partially come into contact with each other, they can be set anywhere within the hatched area shown in the lower part of FIG. Since it is preferable to set a threshold value near the center for safety against some disturbance, the value is set as described above. In the latter case, the area is relatively narrow, but the same is true.
[0015]
As described above, the provisional threshold value ν which will be described later with reference to FIG.limitBy setting as, even when the actual tube hydroforming is performed at the same time as the FEM simulation, the problem of wrinkles is practically avoided. Actually, when a vibration occurs due to a disturbance such as a variation in the strength of a tube as a material or a hydraulic pressure fluctuation of a molding pressure, ν <νlimitHowever, the actual problem is that the FEM simulation is performed for each analysis step, and the maximum wall thickness reduction th ismaxEven if there is a larger analysis step, the threshold νlimitBecause it works to lower the wrinkles, it is not easy to actually develop wrinkles.
[0016]
The above can be said in the case of the same pipe material and dimensions when the threshold value is found from the case of wrinkle occurrence and the case of no wrinkle occurrence, but when performing hydroforming on pipes of different materials and dimensions, First, try only the FEM simulation (in the process, ν <νlimit), The optimal loading path (where ν ≧ ν for this optimal loading path)limitThere is no problem if the actual tube hydroforming is performed at the same time as the FEM simulation at the same time. In this case, of course, a threshold value obtained by performing only the FEM simulation is provisionally set.
[0017]
In addition, the inventors performed FEM simulations on parts having various shapes, and as a result, ν in a state where the tube and the mold were in contact with each other.limitIs obtained from the volume V and the surface area S calculated for the portion corresponding to the region of interest of the tube using the shape data of the mold instead of the tube, and ν of the formula (4) is obtained. It has also been found that a product multiplied by the coefficient can be adopted. The coefficient is set at several levels between 0.99 and 1.00, and the optimum value is set (the optimum value is obtained by performing the FEM simulation with each coefficient, the visual shape of the molded pipe based on the simulation result, and It is possible to select a pipe whose wall thinning rate best matches those of the tubes after the actual molding.) In fact, a sufficiently good result can be obtained by experimenting with about three levels of this coefficient.
[0018]
In addition, it is necessary to select a place where wrinkles are likely to occur as a region of interest of the pipe. Since it is known from experience that the locations that are easy to be bent are limited to some extent, such as inside the bend, it is better to select such locations. It should be noted that the size of the region of interest is preferably as small as possible because the smaller the size of the region of interest, the more clearly the presence or absence of wrinkles can be determined by the parameter ν.
[0019]
An example of the loading path determination method of the present invention using the above parameter ν will be described with reference to the flowchart shown in FIG. This includes a virtual case in which only the FEM simulation is performed and a case in which actual tube hydroforming is performed simultaneously with the FEM simulation.
First, the provisional loading path and the threshold νlimitIs temporarily set, and the dimensions (outer diameter D, wall thickness t) of the metal tube as the material are0) And yield stress σyPlastic deformation start pressure p calculated fromiIncrease the molding pressure without pushing the shaft up to. Next, analysis of wrinkles is performed by FEM simulation. Here, a parameter ν is calculated from V and S of the attention area, and a preset threshold νlimitIf it is less than this, only the molding pressure is increased by Δp without axial pressing, and if it is more than that, the molding pressure is maintained and the axial pushing amount (length) is virtually increased by Δd.
[0020]
Next, the maximum thinning amount th in the attention area is calculated, and th is the thinning amount limit value th.maxIf greater, the threshold νlimitIs preferably changed (reduced) so that it returns to the beginning and starts the calculation again. th is the thickness reduction limit thmaxIf it is less than or equal to the above, when the actual tube hydroforming is performed simultaneously, Δp or Δd is actually increased, and the contact ratio α between the tube and the mold is calculated. Returning to the beginning of the analysis of ν, ν for ν after the virtual increase of Δp or ΔdlimitCompare with. If it exceeds 90%, the increment of the axial pushing amount isfThe molding pressure is fixed virtually or actually to the maximum molding pressure p.maxUp virtually or actually. Maximum molding pressure pmaxIs the maximum value in the specifications of the tube hydroforming equipment. In order to form the tube firmly along the mold to the R part of the corner after molding, it is necessary to increase the molding pressure to this maximum molding pressure. is there. Also, ΔdfAs the tube is finally molded along the mold, push both shaft ends in as far as it will not be excessive, so that it will follow the deformation of the tube so as to shorten it. It is a value that is found from experience and is preferably about 0 to 10 mm, although it depends on the shape of the product after molding.
[0021]
Then the maximum molding pressure pmaxThe maximum thinning amount th is calculated, and the th is the thinning amount limit value thmaxIf greater, the threshold νlimitIs changed (reduced), and the process returns to the beginning and starts the calculation again; otherwise, the calculation ends.
If the above is considered as one step, and it is considered as one step for the analysis of the FEM simulation and also for the tube hydroforming when the actual tube hydroforming is performed in parallel, the calculation is performed for each analysis step of the FEM simulation in this way. Ν and threshold νlimitIn order to predict whether or not wrinkles have occurred or to perform actual tube hydroforming in parallel, the data relating to the axial pushing amount by a Silnac sensor or the like and the measurement value output from the pressure sensor PT are used in the FEM simulation. Ν and ν calculated by reflecting each analysis steplimitIn the case where wrinkles occur, the loading path is corrected, and only when no wrinkles occur, it is determined whether or not the maximum thinning amount does not exceed the limit value.limitTo change. The reason for this is that whether or not the pipe is sufficiently molded up to the shape along the mold, that is, the wrinkle is higher than the wall thinning as a priority for determining the formability (if wrinkles occur, Molding immediately fails, but thinning has a relatively large allowable range). By repeating the above steps, the loading path is gradually corrected and determined. In the loading path determined in this way, ν calculated for each analysis step is a threshold νlimitThat is all.
[0022]
Now, the loading path obtained by the present invention may be actually used for tube hydroforming as it is, but as shown by the dotted line in FIG. It is preferable to use a step-like loading path that is connected to each vertex and corrected as shown by a solid line.
FIG. 7 shows the result of actually applying the loading path obtained by the present invention to tube hydroforming (example of the present invention), the loading path empirically optimized by experiment (conventional example A; no wrinkle generation) and The results are shown in comparison with a loading path (conventional example B) in which wrinkles occur as a result of an experiment. In the example of the present invention, the final axial pressing amount is smaller than that of the conventional examples A and B, and the molding pressure corresponding to the same axial pressing amount is shifted to a higher pressure side than the conventional examples A and B. This means that the molding was conventionally performed by assisting the low molding pressure with the axial pressing, and the loading path which tends to cause excessive amount of axial pressing, that is, buckling of the pipe, generation of local wrinkles, etc. Means that hydroforming was performed. In this regard, the present invention has been able to perform hydroforming with a better loading path. When the maximum wall thinning rate was measured, it was 26.7% in the conventional example A, but was reduced to 24.3% in the example of the present invention, and the effect of the present invention was confirmed.
[0023]
In addition, as described above, thinning is usually a problem when the shaft pushing is too small.However, even if correcting the excessive shaft pushing here, the decrease in the wall thinning is due to excessive shaft pushing. It is presumed that this was due to the fact that there was no longer a place where the wall thickness was abnormally large at a smaller place because the abnormal deformation called buckling of the pipe was about to occur.
[0024]
Next, a hydroforming apparatus for actually realizing the loading path determination method according to the present invention will be described with reference to FIG. The computer 10 for performing the FEM simulation preferably has a personal computer covered with a dust-proof cover 20. As the FEM simulation software, any of a dynamic explicit method, a static explicit method, and a static implicit method is preferably used. From the viewpoint of reducing the time required for the FEM simulation and the accuracy, the inventors consider that the dynamic explicit method is optimal. The loading path obtained by the present invention is stored in the above-described computer 10 as table data relating to, for example, [time]-[forming pressure] and [time]-[axial pressing amount], and the transmission path E is stored. Then, it is transmitted to the control panel 30 of the tube hydroforming apparatus. The table data may be stored in a text format (ASCII format) or in a format of a commonly used spreadsheet software.
[0025]
A command from the control panel 30 is received via the transmission path F, and the solenoid valve indicated by 40 in FIG. 8 switches the hydraulic cylinder of the liquid sent from a supply source P (pump) of hydraulic pressure such as hydraulic oil. It controls so that the supply to 50 may be adjusted. The hydraulic cylinder 50 is configured to transmit data relating to the axial pushing amount to the control panel 30 via the transmission path G by using, for example, an embedded cylinder (not shown) in which a silnack sensor is embedded (for example, a rod). The control is performed so that the axial pushing amount becomes the same as the table data of the loading path. It is desirable to provide a mechanism that makes the rod of the hydraulic cylinder difficult to move. If the solenoid valve 40 is switched in a state where the rod is difficult to move, the molding pressure can be easily adjusted. It is preferable to perform the control with the goal of achieving the data. In the example shown in FIG. 8, a DS3P (Double Solenoid 3 Position) type solenoid valve is used, but a servo valve may be used.
[0026]
The mechanism for making the rod of the hydraulic cylinder difficult to move can be realized, for example, as follows. A throttle valve 60 is provided on the hydraulic cylinder 50 side of the electromagnetic valve 40. If the pressure is reduced, even if the same liquid pressure is applied, the flow rate is reduced because the flow path is restricted, but the pressure of the liquid supplied to the hydraulic cylinder can be increased since the flow path is not closed. However, since the flow rate of the liquid supplied from the supply source of the hydraulic pressure is constant, the surplus returns to the tank T via the relief valve 70. This relief valve is a valve having a mechanism in which a flow path opens when a certain pressure called a cracking pressure is exceeded. Both the throttle of the throttle valve 60 and the cracking pressure of the relief valve 70 are adjusted by an actuator (not shown) by a command from the control panel 30 via a transmission path (not shown).
[0027]
【Example】
A steel pipe (dimensions: φ35 mm × 2.3 mmt × 1000 mmL) equivalent to JIS STKM12A was used as a material, and as an example, 10000 according to the loading path determined by the present invention example (the above-described method), and as a comparative example, as in Conventional Example A The same number of materials were subjected to tube hydroforming using a mold corresponding to the shape of the product after molding in FIG. 2 (a) according to a loading path empirically determined by an experiment. The average value of the results of measuring the minimum wall thickness of 100 pieces, each of which was randomly extracted from 10,000 pieces of each product after molding, and the number of breaks or wrinkles, and 10,000 pieces after molding were investigated. Table 1 shows the results. As shown in the same table, in the example, the number of wrinkles was less than in the comparative example, the average minimum thickness was large, and the method of manufacturing a metal member by the loading path determination method of the present invention was superior to the conventional method. Moldability was shown.
[0028]
[Table 1]
Figure 2004351478
[0029]
【The invention's effect】
According to the present invention, an optimal tube hydroforming loading path can be determined.
Incidentally, if a tube hydroforming device for realizing the present invention is used, as a secondary effect, in the conventional tube hydroforming device, an operator often inputs loading path data to a control panel by hand. Where data input errors can occur, input errors can also be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the appearance of a tube hydroformed molded product having wrinkles.
FIG. 2 (a) is a view showing the appearance of a molded product in which no wrinkles are generated by tube hydroforming using a slightly different loading path from the case of FIG. 1 using the same mold as in FIG. (B) is a diagram showing the relationship between the molding pressure and the wall thinning rate in the molding of (a) by comparing the results with FEM simulations and experiments.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a method of calculating a volume V of a region of interest from an FEM simulation result.
FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a loading path determination method according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a preferred method of correcting a loading path.
FIG. 6 shows two types of parameters V / S and V1/3/ S1/2FIG. 3 is a diagram comparing and showing the usefulness as an index for predicting the occurrence of wrinkles.
FIG. 7 is a diagram showing a comparison between a loading path according to the present invention and a conventional one.
FIG. 8 is a diagram showing an entire tube hydroforming apparatus for realizing the present invention.
[Explanation of symbols]
1 pipe (metal pipe or metal tube)
2 Attention area
3 virtual area
5 Mold
10 Computer
20 Dustproof cover
30 Control panel
40 solenoid valve
50 hydraulic cylinder
60 Throttle valve
70 Relief valve
100 Hydroforming device
E Transmission path
F Transmission path
G transmission path
P hydraulic pressure source (pump)
T tank (return of liquid)
PT pressure sensor

Claims (4)

チューブハイドロフォーミングのローディングパスを決定するにあたり、FEMシミュレーションを行い、各解析ステップごとに管の注目領域の表面積Sと体積Vを算出し、V1/3 とS1/2 の比ν=V1/3 /S1/2 が所定の閾値以上になるようにローディングパスを修正し、これを繰り返してローディングパスを決定することを特徴とするチューブハイドロフォーミングのローディングパス決定方法。In determining the loading path of tube hydroforming, FEM simulation is performed, and the surface area S and volume V of the region of interest of the tube are calculated for each analysis step, and the ratio ν = V 1 between V 1/3 and S 1/2. A loading path determination method for tube hydroforming, wherein the loading path is corrected so that / 3 / S1 / 2 is equal to or greater than a predetermined threshold value, and the loading path is determined by repeating the correction. FEMシミュレーションで算出された最大減肉量が限界値を上回った場合、前記閾値を変更することを特徴とする請求項1記載のチューブハイドロフォーミングのローディングパス決定方法。The method for determining a loading path for tube hydroforming according to claim 1, wherein the threshold value is changed when the maximum thinning amount calculated by the FEM simulation exceeds a limit value. 金型と、 該金型の内部にて被成形金属管の軸方向に動作する該金型軸方向両端に配した液圧シリンダと、該液圧シリンダの動作方向を切換える電磁弁と、該電磁弁に液体を供給する液圧供給源と、ローディングパスを決定する機能を内部に有する計算機と、該計算機からの指令により、成形圧力と軸押し量を制御する制御盤とを備えたことを特徴とするチューブハイドロフォーミング装置。A mold, hydraulic cylinders disposed at both ends of the mold in the axial direction of the mold to operate in the mold in the axial direction inside the mold, an electromagnetic valve for switching an operation direction of the hydraulic cylinder, A liquid pressure supply source for supplying liquid to the valve, a computer having a function for determining a loading path therein, and a control panel for controlling a molding pressure and an axial pressing amount by a command from the computer are provided. Tube hydroforming equipment. 請求項1または2に記載のチューブハイドロフォーミングのローディングパス決定方法で決定されたローディングパスに従うチューブハイドロフォーミングにより金属部材を製造することを特徴とする金属部材の製造方法。A method for manufacturing a metal member, comprising: manufacturing a metal member by tube hydroforming according to the loading path determined by the method for determining a loading path for tube hydroforming according to claim 1.
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