JP2011031265A

JP2011031265A - 熱間バルジ成形装置、熱間バルジ成形方法、および熱間バルジ成形品

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Publication number: JP2011031265A
Application number: JP2009178953A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Yamamoto; 大介山本; Yoshimitsu Ishihara; 好光石原; Takayuki Karino; 貴之狩野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: JP5437730B2; US20110023568A1; CN101987337A

Abstract

【課題】ワークの長さ方向中央側でヒケが発生するのを抑制できる熱間バルジ成形装置を提供すること。
【解決手段】熱間バルジ成形装置１は、予め加熱した管状素材１０ｂを金型２１Ａ、３１Ａのキャビティ３３Ａに配置し、管状素材１０ｂ内にエアを供給してこのエアの圧力で管状素材１０ｂをキャビティ面２１１Ａ、３１１Ａに押し付けて成形し、その後、管状素材１０ｃを金型２１Ｂ、３１Ｂのキャビティ３３Ｂに配置し、この管状素材１０ｃにエアを供給してこのエアの圧力で管状素材１０ｃをキャビティ面２１１Ｂ、３１１Ｂに押し付けてキャビティ面２１１Ｂ、３１１Ｂで管状素材１０ｃを冷却しながら成形する。キャビティ面２１１Ａ、３１１Ａのうち管状素材１０ｂの長さ方向端側が押し付けられる部分には、断面円弧形状の凸部３３１が形成される。
【選択図】図６

Description

本発明は、熱間バルジ成形装置、熱間バルジ成形方法、および熱間バルジ成形品に関する。詳しくは、予め加熱した管状のワークを金型のキャビティに配置し、このキャビティに流体を供給して流体の圧力でワークを金型のキャビティ面に押し付けて成形し、その後、この成形したワークを金型で冷却する熱間バルジ成形装置、熱間バルジ成形方法、および熱間バルジ成形品に関する。

従来より、金型のキャビティに高圧のエアを供給して、管状のワークを成形する熱間バルジ成形が知られている。
具体的には、この熱間バルジ成形では、例えば、管状のワークを予め加熱しておき、この管状のワークを一対の金型の間に配置する。次に、ワークの長さ方向両端側を拘束しながら、この金型を型締めしてキャビティに高圧のエアを供給し、このエアの圧力により、ワークを金型のキャビティ面に押し付ける。その後、この状態を一定時間維持して金型でワークを冷却する。そして、内圧を開放して金型を開き、成形したワークを金型から取り出す（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１２６９２３号公報

ところで、内圧を開放すると、ワークの内側を押圧する力が低減するため、大きく収縮する。このとき、ワークの長さ方向両端側の収縮量は、ワークの長さ方向中央側の収縮量よりも大きく、このワークの長さ方向両端側の収縮に引きずられて、ワークの長さ方向中央側の一部が凹んで、ヒケが発生する。特に、図１０に示すように、ワーク１１０の長さ方向中央側の断面形状が長方形である場合には、長辺部分１１１の剛性が短辺部分１１２の剛性よりも低いため、長辺部分１１１が大きく凹むことになる。

このような現象が発生する理由は、以下の通りである。
バルジ成形時には、ワークの長さ方向両端側が拘束された状態で高圧のエアを供給するため、ワークの長さ方向中央側は、ワークの長さ方向両端側に比べて、エアの圧力によりキャビティに強く押し付けられる。よって、ワークの長さ方向中央側は、ワークの長さ方向両端側よりも早期に冷却されて、内圧を開放するまでに比較的冷却が進むことになる。したがって、内圧を開放すると、ワークの長さ方向両端側がワークの長さ方向中央側よりも大きく収縮し、ワークの長さ方向中央側は、このワークの長さ方向両端側の収縮に引きずられて、凹んでヒケが発生するのである。

本発明は、ワークの長さ方向中央側でヒケが発生するのを抑制できる熱間バルジ成形装置を提供することを目的とする。

本発明の熱間バルジ成形装置（例えば、後述のバルジ成形装置１）は、予め加熱した管状のワーク（例えば、後述の管状素材１０ｂ）を第１の金型（例えば、後述の下型２１Ａ、上型３１Ａ）のキャビティ（例えば、後述のキャビティ３３Ａ）に配置し、前記ワーク内に流体（例えば、後述のエア）を供給して当該流体の圧力で前記ワークを前記第１の金型のキャビティ面（例えば、後述のキャビティ面２１１Ａ、３１１Ａ）に押し付けて成形し、その後、前記ワークを第２の金型（例えば、後述の下型２１Ｂ、上型３１Ｂ）のキャビティ（例えば、後述のキャビティ３３Ｂ）に配置し、前記ワーク内に流体を供給して当該流体の圧力で前記ワークを前記第２の金型のキャビティ面（例えば、後述のキャビティ面２１１Ｂ、３１１Ｂ）に押し付けて当該キャビティ面で前記ワークを冷却しながら成形する熱間バルジ成形装置であって、前記第１の金型のキャビティ面のうち前記ワークの長さ方向端側が押し付けられる部分には、断面円弧形状の凸部（例えば、後述の凸部３３１）が形成されることを特徴とする。

この発明によれば、第１の金型のキャビティ面のうちワークの長さ方向端側が押し付けられる部分に、断面円弧形状の凸部を形成した。
よって、第１の金型によりワークを成形すると、キャビティ面に形成された凸部がワークに転写されて、ワークの長さ方向端側には、断面円弧形状の凹部が形成される。その後、第２の金型によりワークを成形し、さらに冷却して内圧を開放すると、ワークの長さ方向一端側は、ワークの長さ方向中央側よりも大きく収縮しようとする。つまり、ワークの長さ方向一端側の周長は、大きく減少しようとする。

しかしながら、ワークの長さ方向端側とワークの長さ方向中央側とは連続しているため、このワークの長さ方向端側における収縮変形は、ワークの長さ方向中央側により拘束される。よって、凹部が引っ張られて、この引張力により凹部が変形し、凹部の円弧形状の曲率が低減するので、ワークの長さ方向端側の周長が減少しようとするのが抑制される。
その結果、このワークの長さ方向一端側の収縮に引きずられてワークの長さ方向中央側でヒケが発生するのを抑制できる。

本発明の熱間バルジ成形方法は、予め加熱した管状のワークを金型のキャビティに配置し、前記ワーク内に流体を供給して当該流体の圧力で前記ワークを前記金型のキャビティ面に押し付けて成形する熱間バルジ成形方法であって、前記成形の前に、前記ワークの長さ方向端側に、断面円弧形状の凹部を形成したことを特徴とする。

本発明の熱間バルジ成形品は、熱間バルジ成形により成形された管状の熱間バルジ成形品であって、長さ方向端側には、断面円弧形状の凹部（例えば、後述の凹部１１）が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の金型によりワークを成形すると、キャビティ面に形成された凸部がワークに転写されて、ワークの長さ方向一端側には、断面円弧形状の凹部が形成される。その後、第２の金型によりワークを成形し、さらに冷却して内圧を開放すると、ワークの長さ方向一端側は、ワークの長さ方向中央側よりも大きく収縮しようとする。つまり、ワークの長さ方向一端側の周長は、大きく減少しようとする。しかしながら、ワークの長さ方向端側とワークの長さ方向中央側とは連続しているため、このワークの長さ方向端側における収縮変形は、ワークの長さ方向中央側により拘束される。よって、凹部が引っ張られて、この引張力により凹部が変形し、凹部の円弧形状の曲率が低減するので、ワークの長さ方向端側の周長が減少しようとするのが抑制される。その結果、このワークの長さ方向一端側の収縮に引きずられてワークの長さ方向中央側でヒケが発生するのを抑制できる。

本発明の一実施形態に係る熱間バルジ成形装置の動作を示すフローチャートである。前記実施形態に係る熱間バルジ成形装置により成形されるワークの斜視図である。前記実施形態に係る熱間バルジ成形装置を構成する第１バルジ成形装置の断面図である。前記実施形態に係る第１バルジ成形装置の金型の断面図である。前記実施形態に係る熱間バルジ成形装置を構成する第２バルジ成形装置の断面図である。前記実施形態に係る第２バルジ成形装置の金型の断面図である。前記実施形態に係る熱間バルジ成形装置を構成する第３バルジ成形装置の断面図である。前記実施形態に係る第３バルジ成形装置の金型の断面図である。前記実施形態に係る第３バルジ成形装置でのワークの変形を説明するための図である。本発明の従来例に係るワークの変形を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る熱間バルジ成形装置１の動作を示すフローチャートである。
図２は、熱間バルジ成形装置１により成形されるワークとしての管状素材１０ａ〜１０ｄを示す斜視図である。
熱間バルジ成形装置１は、通電加熱工程２、予備成形工程である拡管成形工程３およびつぶし成形工程４、最終成形工程である断面成形工程５、の順に実行するものである。

具体的には、通電加熱工程２では、略直線状に延びるアルミ合金製の管状素材１０ａを加熱する。
拡管成形工程３では、第１バルジ成形装置６（図３参照）により、管状素材１０ａの両端寄りの部位を拡げて、管状素材１０ｂとする。
つぶし成形工程４では、第２バルジ成形装置７（図５参照）により、管状素材１０ｂの断面形状を略楕円形状とし、さらに管状素材１０ｂの中間部を湾曲させて、管状素材１０ｃとする。
断面成形工程５では、第３バルジ成形装置８（図７参照）により、管状素材１０ｃの断面形状を略矩形状として、管状素材１０ｄとする。

図３は、第１バルジ成形装置６の概略構成を示す断面図である。図４は、第１バルジ成形装置６の金型の断面図である。
第１バルジ成形装置６は、管状素材１０ａ、１０ｂを支持する下型２１を含む下型機構２０と、下型２１とともに管状素材１０ａ、１０ｂを上下から挟む上型３１を含む上型機構３０と、管状素材１０ａ、１０ｂの両端側を保持する保持機構４０と、管状素材１０ａ、１０ｂの両端側を軸方向に押圧する押圧機構５０と、管状素材１０ａ、１０ｂの内部にエアを供給するエア供給装置６０と、下型２１および上型３１を加熱する加熱装置７０と、を備える。

下型機構２０は、固定金型としての上述の下型２１と、この下型２１を支持する基台２２と、を備える。下型２１には、キャビティ面２１１が形成されている。

上型機構３０は、下型２１の上方に対向して配置された可動金型としての上述の上型３１と、上型３１を昇降させる昇降装置３２と、を備える。上型３１には、キャビティ面３１１が形成されている。
昇降装置３２を駆動して、上型３１を下型２１に接近させて型締めすると、これら上型３１のキャビティ面３１１および下型２１のキャビティ面２１１により、キャビティ３３が形成される。

保持機構４０は、下型２１上の管状素材１０ａ、１０ｂを軸方向両側に設けられた一対のホルダ４１と、これら一対のホルダ４１を管状素材１０ａ、１０ｂの軸方向に沿って進退させる進退装置４２と、を備える。
ホルダ４１には、略円筒形状である。
進退装置４２は、ホルダ４１を管状素材１０ａ、１０ｂに接近させて、管状素材１０ａの両端側に嵌合させることで、この管状素材１０ａ、１０ｂを保持する。

押圧機構５０は、一対のホルダ４１に挿通される一対の押圧部材５１と、この押圧部材５１を管状素材１０ａ、１０ｂの軸方向に沿って進退させる押圧装置５２と、を備える。
押圧装置５２は、押圧部材５１を管状素材１０ａ、１０ｂに接近させてホルダ４１に挿通し、このホルダ４１に保持された管状素材１０ａ、１０ｂの両端を押圧して、この管状素材１０ａ、１０ｂを中心軸方向に圧縮する。

エア供給装置６０は、押圧機構５０の一対の押圧部材５１を貫通して管状素材１０ａ、１０ｂの両端側に至るエア供給路６１と、このエア供給路６１に高圧のエアを供給する図示しないエアポンプと、を備える。

加熱装置７０は、下型２１および上型３１に内蔵されている。この加熱装置７０としては、高周波電流加熱装置、ヒータ加熱装置などが挙げられる。

図５は、第２バルジ成形装置７の概略構成を示す断面図である。図６は、第２バルジ成形装置７の金型の断面図である。
第２バルジ成形装置７は、上型３１Ａのキャビティ面３１１Ａおよび下型２１Ａのキャビティ面２１１Ａからなるキャビティ３３Ａの形状、エア供給装置６０の構造、および、保持機構４０および押圧機構５０が設けられておらず、拘束機構８０が設けられている点が、第１バルジ成形装置６と異なり、その他の構成は、第１バルジ成形装置６と同様である。

すなわち、上型３１Ａのキャビティ面３１１Ａおよび下型２１Ａのキャビティ面２１１Ａの長さ方向両端側、つまり、管状素材１０ｂ、１０ｃの長さ方向両端側が押し付けられる部分には、断面円弧形状の凸部３３１が形成されている。
また、拘束機構８０は、下型２１Ａ上の管状素材１０ｂ、１０ｃを軸方向から挟んで設けられた一対の拘束ビード８１と、これら一対の拘束ビード８１を管状素材１０ｂ、１０ｃの軸方向に沿って進退させる進退装置８２と、を備える。
拘束ビード８１には、凹部８１１が形成されている。
進退装置８２は、拘束ビード８１を管状素材１０ｂ、１０ｃに接近させて、管状素材１０ｂ、１０ｃの両端側を凹部８１１に嵌合させて、この管状素材１０ｂ、１０ｃの両端側を拘束する。
また、エア供給装置６０のエア供給路６１Ａは、一対の拘束ビード８１を貫通して管状素材１０ｂ、１０ｃの両端側まで延びている。

図７は、第３バルジ成形装置８の概略構成を示す断面図である。図８は、第３バルジ成形装置８の金型の断面図である。
第３バルジ成形装置８は、上型３１Ｂのキャビティ面３１１Ｂおよび下型２１Ｂのキャビティ面２１１Ｂからなるキャビティ３３Ｂの形状、および、加熱装置７０Ｂの構成が、第２バルジ成形装置７と異なり、その他の構成は、第２バルジ成形装置７と同様である。
すなわち、上型３１Ａのキャビティ面３１１Ａおよび下型２１Ａのキャビティ面２１１Ａには、凸部３３１が形成されていない。
また、加熱装置７０Ｂとしては、例えば、流体加熱装置が用いられる。

以下、上述の熱間バルジ成形装置１によるバルジ成形の手順について、説明する。
バルジ成形は、通電加熱工程、拡管成形工程、つぶし成形工程、および断面成形工程からなる。

まず、通電加熱工程にて、アルミ合金製の管状素材１０ａを約５００°Ｃに加熱する。

次に、拡管成形工程を行う。具体的には、まず、加熱装置７０により、金型２１、３１を約５００°Ｃ、つまり、管状素材１０ａの再結晶温度以上に加熱する。
次に、加熱された管状素材１０ａを下型２１上に配置する。
次に、上型機構３０の昇降装置３２を駆動して、上型３１を下降させ、金型２１、３１の型締めを行う。
次に、保持機構４０の進退装置４２を駆動して、ホルダ４１を管状素材１０ａの両端側に嵌合して、この管状素材１０ａを保持する。
次に、押圧機構５０の押圧部材５１を駆動して、ホルダ４１に保持された管状素材１０ａの両端を、押圧部材５１で圧縮方向に押圧する。同時に、エア供給装置６０のエアポンプを駆動して、キャビティ３３に高圧のエアを供給する。

すると、管状素材１０ａは、キャビティ３３の形状になじむように熱間拡管成形されて管状素材１０ｂとなる。

次に、つぶし成形工程を行う。具体的には、まず、加熱装置７０により、金型２１Ａ、３１Ａを約５００°Ｃ、つまり、管状素材１０ａの再結晶温度以上に加熱する。
次に、拡管成形された管状素材１０ａを、加熱状態を保ったまま、図示しない公知の搬送手段により搬送して、下型２１Ａ上に配置する。
次に、拘束機構８０の進退装置８２を駆動して、拘束ビード８１を管状素材１０ｂの両端側に嵌合する。
また、上型機構３０の昇降装置３２を駆動して、上型３１Ａを下降させ、金型２１Ａ、３１Ａの型締めを行う。同時に、エア供給装置６０のエアポンプを駆動して、キャビティ３３Ａに高圧のエアを供給する。

すると、拡管成形後の管状素材１０ｂは、キャビティ３３Ａの形状になじむように熱間（約５００°Ｃ）でつぶし成形されて、管状素材１０ｃとなる。このとき、キャビティ面２１１Ａ、３１１Ａに形成された凸部３３１が管状素材１０ｃに転写されて、管状素材１０ｃの長さ方向両端側には、断面円弧形状の凹部１１が形成される（図９（ａ）、（ｂ）参照）。

次に、断面成形工程を行う。具体的には、まず、加熱装置７０Ｂにより、金型２１Ｂ、３１Ｂを約２００°Ｃ、つまり、管状素材１０ｃの再結晶温度以下に加熱する。
次に、つぶし成形された後の管状素材１０ｃを、図示しない回転手段により、中心軸回りに略９０°回転し、その後、図示しない公知の搬送手段により搬送して、下型２１Ｂ上に配置する。
次に、拘束機構８０の進退装置８２を駆動して、拘束ビード８１を管状素材１０ｂの両端側に嵌合して、管状素材１０ｃの両端側を拘束する。また、上型機構３０の昇降装置３２を駆動して、上型３１Ｂを下降させ、金型２１Ｂ、３１Ｂの型締めを行う。同時に、エア供給装置６０のエアポンプを駆動して、キャビティ３３Ｂに高圧のエアを供給する。

すると、つぶし成形された後の管状素材１０ｃは、キャビティ３３Ｂの形状になじむように断面成形されて、管状素材１０ｄとなる。
この断面成形工程では、金型２１Ｂ、３１Ｂの温度が約２００°Ｃであるため、管状素材１０ｃの熱が金型２１Ｂ、３１Ｂに伝わって、管状素材１０ｃの温度は低下するが、ある程度熱間成形される。

次に、金型２１Ｂ、３１Ｂの温度を管状素材１０ｄの再結晶温度以下に保持しつつ、一定の時間、金型２１Ｂ、３１Ｂの型締め状態を維持する。これにより、管状素材１０ｄを冷却して熱収縮させ、その後、内圧を開放する。
このとき、管状素材１０ｄの両端部は拘束ビード８１で拘束されるため、管状素材１０ｃの軸方向の熱収縮が抑制される。

ここで、図９（ａ）に示すように、断面円弧形状の凹部１１が形成された管状素材１０ｃの長さ方向一端側を、端部１２、管状素材１０ｄの長さ方向中央側を、中央部１３とする。
金型２１Ｂ、３１Ｂにより管状素材１０ｃを冷却して内圧を開放すると、管状素材１０ｃの端部１２は、管状素材１０ｃの中央部１３よりも大きく収縮しようとする。つまり、図９（ｂ）に示すように、管状素材１０ｃの端部１２の周長は、大きく減少しようとする。

しかしながら、管状素材１０ｃの端部１２と中央部１３とは連続しているため、この管状素材１０ｃの端部１２における収縮変形は、管状素材１０ｃの中央部１３により拘束される。よって、凹部１１が図９（ｂ）中白矢印方向に引っ張られて、この引張力により凹部１１が変形して、この凹部１１の円弧形状の曲率が低減する。よって、管状素材１０ｃの端部１２の周長が減少しようとするのが抑制される。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）上型３１Ａおよび下型２１Ａのうち管状素材１０ｃの長さ方向両端側が押し付けられる部分に、断面円弧形状の凸部３３１を形成した。
よって、金型２１Ａ、３１Ａにより管状素材１０ｃを成形すると、キャビティ面２１１Ａ、３１１Ａに形成された凸部３３１が管状素材１０ｂに転写されて、管状素材１０ｃの長さ方向両端側には、断面円弧形状の凹部１１が形成される。その後、金型２１Ｂ、３１Ｂにより管状素材１０ｃを成形し、さらに冷却して内圧を開放すると、凹部１１が引っ張られて、この引張力により凹部１１が変形して、凹部１１の円弧形状の曲率が低減するので、管状素材１０ｃの長さ方向両端側の周長が減少しようとするのが抑制される。その結果、この管状素材１０ｃの長さ方向両端側の収縮に引きずられて、管状素材１０ｃの長さ方向中央側でヒケが発生するのを抑制できることになる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、本実施形態では、第２バルジ成形装置８の金型２１Ａ、３１Ａに凸部３３１を形成して、つぶし成形工程を行う際に、管状素材１０ｂに凸部３３１を転写したが、これに限らない。すなわち、第１バルジ成形装置６の金型２１、３１に凸部を形成して、拡管成形工程を行う際に、管状素材１０ａに凸部を転写してもよい。

また、本実施形態では、管状素材１０ａ〜１０ｄをアルミ合金製としたが、これに限らず、他の金属製としてもよい。
また、本実施形態では、エア供給装置６０により管状素材１０ａ〜１０ｄの内部にエアを供給したが、これに限らず、他の流体を供給してもよい。

１熱間バルジ成形装置
１０ａ〜１０ｄ管状素材
１１凹部
２１Ａ下型（第１の金型）
３３Ａ上型（第１の金型）
２１Ｂ下型（第２の金型）
３３Ｂ上型（第２の金型）
３３Ａ、３３Ｂキャビティ
２１１Ａ、２１１Ｂ、３１１Ａ、３１１Ｂキャビティ面
３３１凸部

Claims

予め加熱した管状のワークを第１の金型のキャビティに配置し、前記ワーク内に流体を供給して当該流体の圧力で前記ワークを前記第１の金型のキャビティ面に押し付けて成形し、その後、
前記ワークを第２の金型のキャビティに配置し、前記ワーク内に流体を供給して当該流体の圧力で前記ワークを前記第２の金型のキャビティ面に押し付けて当該キャビティ面で前記ワークを冷却しながら成形する熱間バルジ成形装置であって、
前記第１の金型のキャビティ面のうち前記ワークの長さ方向端側が押し付けられる部分には、断面円弧形状の凸部が形成されることを特徴とする熱間バルジ成形装置。
予め加熱した管状のワークを金型のキャビティに配置し、前記ワーク内に流体を供給して当該流体の圧力で前記ワークを前記金型のキャビティ面に押し付けて成形する熱間バルジ成形方法であって、
前記成形の前に、前記ワークの長さ方向端側に、断面円弧形状の凹部を形成したことを特徴とする熱間バルジ成形方法。
熱間バルジ成形により成形された管状の熱間バルジ成形品であって、
長さ方向端側には、断面円弧形状の凹部が形成されていることを特徴とする熱間バルジ成形品。