JP5380189B2

JP5380189B2 - 熱間バルジ成形装置

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Publication number: JP5380189B2
Application number: JP2009169830A
Authority: JP
Inventors: 好光石原; 大介山本; 貴之狩野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: CN101961747B; JP2011020170A; US20110016947A1; US8408034B2; CN101961747A

Description

本発明は、熱間バルジ成形装置に関する。詳しくは、予め加熱した管状のワークを成形する熱間バルジ成形金型に関する。

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し、その後、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）。
ここで、一方の金型のキャビティ面の周縁部には、突起が形成され、他方の金型のキャビティ面の周縁部には、この突起が隙間無く嵌合する穴が形成されている。そして、型締め時には、周縁部同士を接合し、一方の金型の突起を他方の金型の穴に嵌合する。これにより、一対の金型の周縁部同士を拘束する。

特開２００３−１２６９２３号公報

ところで、上述の熱間バルジ成形金型によりワークの成形を連続して行う場合、成形回数がある程度の回数に到達するまでは、成形品の寸法が徐々に増大する、という問題があった。

つまり、熱間バルジ成形では、金型でワークを冷却するために、成形開始前、金型の温度は、ワークの温度よりもかなり低くなっている。
この状態から、金型にワークを投入してワークの成形を開始すると、金型がワークの熱を吸収して熱膨張し、金型が外側に反ることになる。したがって、一対の金型の周縁部同士は、拘束されているにもかかわらず、ずれる。
したがって、成形を繰り返す度に、金型がワークから吸収する熱量が増大するため、金型の反りによる変形量は徐々に増大し、周縁部同士のずれ量も大きくなる。

その後、ある程度の回数成形を繰り返して、金型がワークから吸収する熱量と金型から放出される熱量が均衡すると、金型の内側と外側との温度差が一定となり、この金型の変形量は一定になって、金型形状が安定する。

したがって、成形回数がある程度に到達して金型形状が安定した後では、成形品の寸法はほぼ一定になるが、金型形状が安定するまでは、成形品の寸法が徐々に増大し、成形品の寸法が一定にならない。

以上の問題を解決するため、上述の熱間バルジ成形では、以下の２つの手法が提案されている。
第１の手法は、金型形状が安定するまでに成形した成形品を廃棄し、金型形状が安定した状態で成形した成形品のみを製品として採用する方法である。この場合、予め金型の熱膨張による変形を考慮して、金型を設計する。
しかしながら、この第１の手法では、成形開始直後の成形品を廃棄するため、生産コストが高くなる。

第２の手法は、金型の厚みを増大させて、金型の剛性を向上させ、熱膨張による金型の変形を抑制する手法である。この手法では、金型の変形を確実に抑制できるので、成形回数にかかわらず、成形品の寸法を一定にできる。
しかしながら、この第２の手法では、金型や周辺設備が大型化し、生産コストが高くなる。

本発明は、生産コスト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金型は、予め加熱した管状のワーク（例えば、後述の管状素材１０ｄ）を成形する熱間バルジ成形金型であって、キャビティ面（例えば、後述のキャビティ面２１１Ｂ）を有する第１金型（例えば、後述の下型２１Ｂ）と、キャビティ面（例えば、後述のキャビティ面３１１Ｂ）を有する第２金型（例えば、後述の上型３１Ｂ）と、を備え、前記第１金型のキャビティ面の周縁部（例えば、後述の周縁部２１４）には、外方に延びる長穴（例えば、後述の長穴２１５）が形成され、前記第２金型のキャビティ面の周縁部（例えば、後述の周縁部３１４）には、前記長穴に嵌合可能な突起（例えば、後述の突起３１５）が形成され、型締めを行う際、前記第２金型の周縁部の突起は、前記第１金型の周縁部の長穴に嵌合されることを特徴とする。

この発明によれば、型締めを行う際、第２金型の周縁部の突起を、第１金型の周縁部の長穴に嵌合した。よって、成形を開始すると、熱膨張およびキャビティの内圧により金型が変形し、突起は、長穴に沿って外端まで移動し、この位置で位置決めされる。その後、成形を繰り返すと、熱膨張の変形量が徐々に大きくなるため、金型の変形に占める熱膨張の割合は変化するが、突起を長穴に位置決めしておくことで、従来に比べて少ない成形回数で、成形品の寸法が安定する。よって、金型や周辺設備を大型化することなく、不良品の発生を抑制できるので、生産コストを抑制できる。

この場合、前記長穴の外端の位置は、前記第１金型と前記第２金型とを熱膨張により変形した状態で型締めする際の前記突起の位置よりも外側で、かつ、前記第１金型と前記第２金型とを熱膨張により変形した状態で型締めした後に内圧により変形した状態での前記突起の位置よりも内側であることが好ましい。

この発明によれば、長穴の外端の位置を、第１金型と第２金型とを熱膨張により変形した状態で型締めする際の突起の位置よりも外側で、かつ、第１金型と第２金型とを熱膨張により変形した状態で型締めした後に内圧により変形した状態での突起の位置よりも内側とした。よって、突起を長穴に嵌合させて、第１金型と第２金型とを内圧により変形させると、この突起は長穴の外端に当接して位置決めされるので、位置決めの精度を向上できる。

この場合、前記第１金型および前記第２金型のうち一方は、第１底部（例えば、後述の第１底部３１２）と、当該第１底部に垂直に設けられて互いに対向する一対の壁部（例えば、後述の壁部３１３）と、を備える断面Ｕ字形状であり、前記第１金型および前記第２金型のうち他方は、前記第１底部に対向する第２底部（例えば、後述の下型２１Ｂ）を備え、前記一方の金型の壁部の外方向の剛性は、前記他方の金型の第２底部の外方向の剛性より低いことが好ましい。

この発明によれば、一方の金型の壁部の外方向の剛性を、他方の金型の第２底部の外方向の剛性より低くした。よって、一方の金型の壁部の内圧による変形量は、他方の金型の第２底部の内圧による変形量に比べて大きくなるので、一方の金型と他方の金型との変形量が異なることとなり、突起を長穴により確実に当接させて、位置決めできる。

本発明によれば、成形を開始すると、熱膨張およびキャビティの内圧により金型が変形し、突起は、長穴に沿って外端まで移動し、この位置で位置決めされる。その後、成形を繰り返すと、熱膨張の変形量が徐々に大きくなるため、金型の変形に占める熱膨張の割合は変化するが、突起を長穴に位置決めしておくことで、少ない成形回数で、成形品の寸法が安定する。よって、金型や周辺設備を大型化することなく、不良品の発生を抑制できるので、生産コストを抑制できる。

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バルジ成形装置について、成形開始前での長穴と突起との嵌合状態を示す図である。前記実施形態に係る第３バルジ成形装置について、成形中での長穴と突起との嵌合状態を示す図である。前記実施形態に係る第３バルジ成形装置を用いて、断面成形工程を連続して繰り返した場合の成形品の変形量と成形回数との関係を示す図である。

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金型が適用された熱間バルジ成形装置１の動作を示す概略構成図である。
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、予備加熱工程である拡管成形工程３および曲げ成形工程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。
曲げ成形工程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を上下から挟む上型３１を含む上型機構３０と、管状素材１０Ａの両端側を保持する保持機構４０と、管状素材１０ａの両端側を軸方向に押圧する押圧機構５０と、管状素材１０ａ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を軸方向から挟んで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に接近させて、管状素材１０ａの両端側に嵌合させて、この管状素材１０ａ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の両端を押圧して、この管状素材１０ａ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、高周波電流加熱手段、ヒータ加熱手段などが挙げられる。

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、ならびに、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、拘束機構８０は、下型２１Ａ上の管状素材１０ｂ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に接近させて、管状素材１０ｂの両端側を凹部８１１に嵌合させて、この管状素材１０ｂ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、第１金型および第２底部としての下型２１Ｂおよび第２金型としての上型３１Ｂの形状、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、ならびに、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。

下型２１Ｂは、略平板状であり、キャビティ面２１１Ｂが形成されている。このキャビティ面２１１Ｂの周縁部２１４の下面には、外方に向かって延びる長穴２１５が形成されている。

上型３１Ｂは、断面Ｕ字形状であり、略平板状の第１底部３１２と、この第１底部３１２に垂直に設けられて互いに対向する一対の壁部３１３と、を備える。この上型３１Ｂの壁部３１３の外方向の剛性は、下型２１Ｂの外方向の剛性に比べて低くなっている。
この上型３１Ｂのキャビティ面３１１Ｂの周縁部３１４、つまり壁部３１３の先端面には、長穴２１５に嵌合可能な突起３１５が形成されている。

ここで、長穴２１５の外端は、熱膨張により変形した状態で型締めする際の突起３１５の位置よりも外側で、かつ、上型３１Ｂと下型２１Ｂとを熱膨張により変形した状態で型締めして、その後、内圧により変形した状態での突起３１５よりも内側となっている。
加熱装置７０Ｂとしては、例えば、流体加熱手段が用いられる。

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、拡管成形および曲げ成形を行う予備成形工程と、断面成形を行う最終成形工程と、からなる。

まず、通電加熱工程２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３を行う。具体的には、まず、加熱手段７０により、下型２１および上型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、下型２１および上型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、曲げ成形工程４を行う。具体的には、まず、加熱手段７０により、下型２１Ａおよび上型３１Ａを約５００°Ｃ、つまり、管状素材１０ｂの再結晶温度以上に加熱する。
次に、熱間拡管成形された後の管状素材１０ｂ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、下型２１Ａおよび上型３１Ａの型締めを行う。同時に、エア供給装置６０のエアポンプ６１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）で曲げ成形されて、管状素材１０ｃとなる。

次に、断面成形工程５を行う。具体的には、まず、加熱装置７０Ｂにより、下型２１Ｂおよび上型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、曲げ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を下降させて、図９に示すように、突起３１５を長穴２１５の内端側に嵌合させて、下型２１Ｂおよび上型３１Ｂの型締めを行う。次に、エア供給装置６０のエアポンプ６１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、曲げ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。
このとき、熱膨張およびキャビティ３３Ｂの内圧により下型２１Ｂおよび上型３１Ｂが変形する。上型３１Ｂの壁部３１３の外方向に対する剛性は、下型２１Ｂの外方向に対する剛性に比べて低いので、上型３１Ｂの変形量は、下型２１Ｂの変形量に比べて大きい。すると、図１０に示すように、突起３１５は、長穴２１５に沿って外端まで移動し、この位置で位置決めされる。

この断面成形工程では、下型２１Ｂおよび上型３１Ｂの温度が約２００°Ｃであるため、管状素材１０ｃの熱が下型２１Ｂおよび上型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。

その後、下型２１Ｂおよび上型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、下型２１Ｂおよび上型３１Ｂの型締め状態を維持し、管状素材１０ｄを冷却する。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。

図１１は、断面成形工程を連続して繰り返した場合の成形品の幅と成形回数との関係を示す図である。
従来では、成形開始前では、成形品の幅寸法はＷ_０であるが、成形を繰り返す度に、金型がワークから吸収する熱量が増大するため、金型の反りによる変形量は徐々に増大する。そして、成形をｆ_０回程度連続して行うと、金型が管状素材から吸収する熱量と金型から放出される熱量とが均衡し、成形品の幅寸法がＷ_０′で安定する。
一方、本発明では、成形開始前では、成形品の幅寸法は、Ｗ_０よりも大きいＷ_１である。しかしながら、成形中、突起が長穴の所定位置に位置決めされているため、成形をｆ_０よりも少ないｆ_１回程度連続して行うだけで、金型が管状素材から吸収する熱量と金型から放出される熱量とが均衡し、成形品の幅寸法がＷ_０′よりも小さいＷ_１′で安定する。

以上の発明によれば、以下のような効果がある。
（１）型締めを行う際、上型３１Ｂの周縁部３１４に形成された突起３１５を、下型２１Ｂの周縁部２１４に形成された長穴２１５に嵌合した。
よって、断面成形工程を開始すると、熱膨張およびキャビティの内圧により上型３１Ｂおよび２１Ｂが変形し、突起３１５は、長穴２１５に沿って外端まで移動し、この位置で位置決めされる。その後、成形を繰り返すと、熱膨張の変形量が徐々に大きくなるため、上型３１Ｂおよび下型２１Ｂの変形に占める熱膨張の割合は変化するが、突起３１５を長穴２１５に位置決めしておくことで、従来に比べて少ない成形回数で、成形品の寸法が安定する。よって、金型や周辺設備を大型化することなく、不良品の発生を抑制できるので、生産コストを抑制できる。

（２）長穴２１５の外端の位置を、下型２１Ｂと上型３１Ｂとを熱膨張により変形した状態で型締めする際の突起３１５の位置よりも外側で、かつ、下型２１Ｂと上型３１Ｂとを熱膨張により変形した状態で型締めした後に内圧により変形した状態での突起３１５の位置よりも内側とした。
よって、突起３１５を長穴２１５に嵌合させて、下型２１Ｂと上型３１Ｂとを内圧により変形させると、突起３１５は長穴２１５の外端に当接して位置決めされるので、位置決めの精度を向上できる。

（３）上型３１Ｂの壁部３１３の外方向の剛性を、下型２１Ｂの外方向の剛性より低くした。よって、上型３１Ｂの壁部３１３の内圧による変形量は、下型２１Ｂの内圧による変形量に比べて大きくなるので、上型３１Ｂと下型２１Ｂとの変形量が異なることとなり、突起３１５を長穴２１５により確実に当接させて、位置決めできる。

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、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。

１０ｄ管状素材（ワーク）
２１Ｂ下型（第２金型、第２底部）
３１Ｂ上型（第１金型）
２１１Ｂキャビティ面
３１１Ｂキャビティ面
２１４、３１４周縁部
２１５長穴
３１２第１底部
３１３壁部
３１５突起

Claims

予め加熱した管状のワークを成形する熱間バルジ成形金型であって、
キャビティ面を有する第１金型と、
キャビティ面を有する第２金型と、を備え、
前記第１金型のキャビティ面の周縁部には、外方に延びる長穴が形成され、
前記第２金型のキャビティ面の周縁部には、前記長穴に嵌合可能な突起が形成され、
型締めを行う際、前記第２金型の周縁部の突起は、前記第１金型の周縁部の長穴に嵌合され、
前記長穴の外端の位置は、前記第１金型と前記第２金型とを熱膨張により変形した状態で型締めする際の前記突起の位置よりも外側で、かつ、前記第１金型と前記第２金型とを熱膨張により変形した状態で型締めした後に内圧により変形した状態での前記突起の位置よりも内側であることを特徴とする熱間バルジ成形金型。
請求項１に記載の熱間バルジ成形金型において、
前記第１金型および前記第２金型のうち一方は、第１底部と、当該第１底部に垂直に設けられて互いに対向する一対の壁部と、を備える断面Ｕ字形状であり、
前記第１金型および前記第２金型のうち他方は、前記第１底部に対向する第２底部を備え、
前記一方の金型の壁部の外方向の剛性は、前記他方の金型の第２底部の外方向の剛性より低いことを特徴とする熱間バルジ成形金型。