ハイドロフォーミング

ハイドロフォーミングは、アルミニウム、真鍮、低合金鋼、ステンレス鋼などの延性金属を軽量で構造的に硬く、強い部品に成形する手段です。費用対効果の高いハイドロフォーミングの最大の用途の 1 つは自動車産業です。自動車産業では、ハイドロフォーミングによって可能になった複雑な形状を利用して、車両のより強く、より軽く、より剛性の高いユニボディ構造を製造しています。この技術は、特に高級スポーツカー業界で人気があり、自転車のフレーム用のアルミニウム チューブの成形にもよく使用されています。

ハイドロフォーミングは、高圧油圧液を使用して常温の作業材料を金型に押し込む特殊なタイプの金型成形です。アルミニウムを車両のフレームレールにハイドロフォーミングするには、アルミニウムの中空チューブを、目的の形状のネガティブ金型内に配置します。次に、高圧油圧ポンプがアルミニウムチューブ内に非常に高圧の流体を注入し、金型に一致するまで膨張させます。次に、ハイドロフォーミングされたアルミニウムを金型から取り出します。ハイドロフォーミングにより、標準的なソリッドダイスタンピングでは困難または不可能な、凹面のある複雑な形状を成形できます。ハイドロフォーミングされた部品は、従来の打ち抜き部品や打ち抜き溶接部品よりも高い剛性対重量比で製造でき、単位あたりのコストが低くなることがよくあります。アルミニウム、真鍮、炭素鋼、ステンレス鋼、銅、高強度合金など、冷間成形が可能なほぼすべての金属をハイドロフォーミングできます。 ^{[明確化] [1]}

電気油圧成形では、電極を使用してアーク内で流体を爆発的に蒸発させ、加工材料を変形させます。

このプロセスは、米国オハイオ州シンシナティのシャイブル社のフレッド・ロイテッサー・ジュニアとジョン・フォックスが1950年代に取得したハイドロモールディングの特許に基づいています。 ^[2]もともとはキッチンの蛇口の製造に使用されていました。これは、ハイドロモールディングにより金属が強化されるだけでなく、粒子の粗さが少なくなり、金属の仕上げが容易になるためでした。^[3] シートハイドロフォーミングには、ブラダーフォーミング（液体を含むブラダーがあり、液体がシートに接触しない）と、流体がシートに接触するハイドロフォーミング（ブラダーなし）があります。ブラダーフォーミングは、フレックスフォーミングと呼ばれることもあります。^[4]フレックスフォーミングは、航空宇宙分野などの少量生産に主に使用されます。^{[5]流体が部品に直接接触するフォーミングは、オスソリッドパンチ（このバージョンは、ハイドロメカニカル}ディープドローイングと呼ばれることもあります^[6]）またはメスソリッドダイのいずれかを使用して 行うことができます。油圧機械式深絞りでは、加工品をオスパンチ上のドローリング (ブランクホルダー) 上に置き、油圧チャンバーで加工品を囲み、比較的低い初期圧力で加工品をパンチに押し付けます。次にパンチを油圧チャンバー内に持ち上げ、圧力を 100 MPa (15000 psi) まで上げ、パンチの周囲に部品を形成します。その後、圧力を解放してパンチを引っ込め、油圧チャンバーを持ち上げると、プロセスが完了します。

これらの技術の中でも、油圧バルジ試験は、特徴的な伸張操作によってシート材料の加工硬化を高め、複雑な部品の形状精度を向上させることができます。したがって、油圧シートバルジ試験に適切な材料と成形パラメータを選択することで、成形限界曲線（FLC）を決定できます。[1]

意義

• 油圧バルジ試験は、変形モードが一軸ではなく二軸であるため、板金成形作業に適しています。また、破裂が発生する前の塑性ひずみレベルが最大 70% まで拡張された範囲の材料のフロー曲線も提供します。
• LS-DYNA のような明示的ソルバーへの参照入力の信頼できる感覚となる FLC を生成することは有用です。得られた FLC は、解析用のソルバーの荷重曲線入力として使用されます。
• FLC は、成形中に局所的なネッキングやその他の欠陥の影響を受けることなく、成形操作の正確なゾーンを特定するのにも最適です。
• 油圧バルジ試験は、材料のひずみ硬化係数「n」（つまり加工硬化係数）を計算し、材料の成形能力を判断するのに役立ちます。
• シンプルで多目的なアプローチ。
• 成形中に部品表面上の圧力分布を制御することで、シートの厚さを「制御」し、局所的なネッキングを遅らせることができます。
• 単一フォーム表面ツールのみを使用するため、ツールの製造にかかる時間と費用が節約されます。また、1 つの表面でツールが固定接触しないため、表面摩擦が低減し、表面欠陥も減少し、表面仕上げが良好になります。

• ハイドロメック（油圧機械式深絞り）
• アクアドロー
• バルジ形成
• 爆発成形
  • 大型部品の場合、爆発ハイドロフォーミングは、水に浸した部品（真空にした金型も含む）の上で爆発させるだけで成形圧力を発生させることができます。金型は、プレスタイプのプロセスに必要なものよりはるかに安価です。ハイドロフォーミング イン モールド プロセスは、圧力媒体として空気中の衝撃波のみを使用しても機能します。特に爆発物がワークピースの近くにある場合、慣性効果により、静水圧のみで成形する場合よりも結果が複雑になります。
• ゴムパッド成形

チューブハイドロフォーミングには、高圧と低圧という2つの主要な方法があります。高圧プロセスでは、チューブを加圧する前に、チューブを金型に完全に囲まれます。低圧では、チューブは、金型を閉じるときに一定の容積までわずかに加圧されます（これは、以前はバリフォームプロセスと呼ばれていました）。歴史的に、このプロセスは1950年代に特許を取得しましたが、^[7] 1970年代に石油およびガス産業用の大きなT字型ジョイントの製造のために産業的に普及しました。今日では、多くの産業用途が見られる自動車部門で主に使用されています。^{[8] [9]}電動自転車の台頭により、今ではe-自転車メーカーが選択する方法になっています。特にダウンチューブとトップチューブは、電動自転車のバッテリーを取り付けるために、ハイドロフォーミングで好んで作られています。自転車業界における最新の用途は、空気力学と人間工学を改善するためにハイドロフォームされたハンドルバーです。チューブ ハイドロフォーミングでは、所望の断面と形状のダイスで保持されたチューブの内側に圧力がかかります。ダイスが閉じられると、チューブの端が軸方向のパンチで密閉され、チューブに油圧流体が充填されます。内部圧力は数千バールまで上昇することがあり、これによりチューブがダイスに対して調整されます。流体は、2 つの軸方向パンチの 1 つからチューブに注入されます。軸方向パンチは移動可能であり、その動作により軸方向に圧縮され、膨らんだチューブの中心に向かって材料が送られます。直径と長さの比率が小さい突起を形成するために、横方向のカウンターパンチを成形ダイスに組み込むこともできます。横方向のカウンターパンチは、成形プロセスの最後にワークピースに穴を開けるためにも使用できます。

これまで、プロセスの設計は困難な作業でした。これは、初期の解析モデル化が可能なケースが限られていたためです。^{[10]近年の FEA と FEM の進歩により、さまざまな部品や材料に合わせてハイドロ}フォームプロセスを幅広く設計できるようになりました。多くの場合、実行可能なプロセス ソリューションを見つけ、圧力と時間、および軸方向の送りと時間の適切な負荷曲線を定義するために、FEM シミュレーションを実行する必要があります。^[11]より複雑なチューブ ハイドロフォーム部品の場合、チューブはハイドロフォーム ダイに装填する前に事前に曲げておく必要があります。曲げはチューブの長さに沿って順番に行われ、チューブが送り込まれると、曲げディスク (またはダイ) の周りでチューブが曲げられます。曲げはマンドレルを使用しても使用しなくても行うことができます。このプロセスの複雑さにより、製造プロセスの設計と評価における FEM への依存がさらに高まります。ハイドロフォーミング プロセスの実現可能性は、金属の成形性を予測するために、初期のチューブ材料特性とその変化の可能性、曲げプロセス、成形プロセス全体の油圧、軸方向の送りの有無を考慮する必要があります。

ツールとパンチは、さまざまな部品要件に合わせて交換できます。ハイドロフォーミングの利点の 1 つは、ツールの節約です。シートメタルの場合、ドローリングとパンチ (金属加工)またはオスダイのみが必要です。成形する部品によっては、パンチを金属ではなくエポキシで作ることができます。ハイドロフォーミングのブラダー自体がメスダイとして機能するため、メスダイを製造する必要がありません。これにより、通常はツールを変更することなく、材料の厚さを変更できます。ただし、ダイは高度に研磨する必要があり、チューブ ハイドロフォーミングでは、開閉を可能にするために 2 ピース ダイが必要です。

ハイドロフォーミングのもう 1 つの利点は、複雑な形状を 1 つのステップで作成できることです。ブラダーが雄型として機能するシート ハイドロフォーミングでは、ほぼ無限の形状を作成できます。ただし、このプロセスは、特に大型パネルや厚くて硬い材料の場合、型を密閉するために必要な非常に高い閉じる力によって制限されます。小さな凹型コーナー半径は、非常に大きな圧力が必要になるため、完全に調整 (つまり充填) することが困難です。実際、チューブ ハイドロフォーミングとシート ハイドロフォーミングの両方で、型を閉じる力は非常に高くなる可能性があり、成形プレスの最大トン数を簡単に超えてしまう可能性があります。型を閉じる力を規定の制限内に保つには、最大内部流体圧力を制限する必要があります。これにより、プロセスの調整能力が低下します。つまり、小さな凹型半径を持つ部品を成形する可能性が低下します。シート ハイドロフォーミング プロセスの制限は、過度の薄化、破損、しわのリスクによるもので、材料の成形性とプロセス パラメーターの適切な選択 (油圧と時間の曲線など) に厳密に関連しています。チューブハイドロフォーミングでは、多くの形状オプションも作成できるため、チューブ溶接作業の必要性が減ります。シートハイドロフォーミングと同様の制限とリスクが挙げられますが、最大閉鎖力がチューブハイドロフォーミングの制限要因になることはほとんどありません。^[12]

ハイドロフォーミングは、航空機の許容誤差を含む厳しい許容誤差内で部品を生産することができます。航空機の許容誤差では、板金部品の一般的な許容誤差は 0.76 mm (1/30 インチ) 以内です。金属ハイドロフォーミングでは、オス型とメス型を一緒にプレスする従来の方法で生成されるドローマークがなくなるため、より滑らかな仕上がりも可能になります。

スプリングバックは長い間、板金成形作業の話題となってきましたが、チューブハイドロフォーミングに関する研究の話題になることはほとんどありませんでした。これは、チューブを閉断面形状に変形する際に自然に発生するスプリングバックのレベルが比較的低いことが一因である可能性があります。チューブハイドロフォーミングされたセクションは、その閉断面の性質上、非常に剛性が高く、負荷がかかっても大きな弾性変形を示しません。このため、チューブハイドロフォーミング中に誘発される負の残留応力は、成形完了後に部品を弾性変形させるのに不十分である可能性があります。しかし、高強度鋼や先進高強度鋼^[13]部品を使用して製造されるチューブ状部品が増えているため、閉断面チューブハイドロフォーミング部品の設計と製造ではスプリングバックを考慮する必要があります。

注目すべき例としては次のようなものがあります。

• アレン望遠鏡アレイで使用されているもののような、直径6メートルまでの衛星アンテナ。^[14]
• 照明器具ハウジングと反射鏡

• 多くの自動車にはハイドロフォームチューブを使用して製造された部品があり、最初に量産された自動車部品は1990年のクライスラーミニバンの計器パネルサポートビームでした。^[15]
  • この技術はエンジンクレードルの製造に広く使用されています。最初に量産されたのは1994年のフォード・コンツアーとミスティークでした。^[15]他にもポンティアック・アズテック、^[16]ホンダ・アコード^[17]やハーレーダビッドソンVロッドのエンジン周りのフレームなど、長いリストがあります。 ^[18]
  • ハイドロフォーミングのその他の重要な自動車用途としては、サスペンション部品、^{[どれですか? ]}、ラジエーターサポートなどがあります。
  • 様々な車両フレーム部品。最も初期に量産されたのは1997年のシボレー コルベットです。^[19]多くの例から選んだのは、ハイドロフォームフレームレールを備えた米国の3大ピックアップトラックであるフォードF-150、シボレー シルバラード、ラムの現在のバージョンです。 ^[19] 2006年ポンティアック ソルスティス^[20]ジョンディアHPX ゲイター ユーティリティビークルの内部のスチールフレームです。 ^[21]
• このプロセスは最近、アルミ製の車椅子フレームや車椅子のハンドリムの製造に人気が高まっており、車椅子の剛性と軽量化が進み、ハンドリムはより人間工学に基づいたものとなっている。^[22]
• このプロセスは、アルミニウム製自転車フレームの製造によく使われるようになりました。商業的に製造された最初のものは、2003 年に初めて販売されたGiant Manufacturing Revive 自転車です。
• ヤマハ サックスの金管。^[要出典]

• ブロー成形、熱可塑性プラスチック用

[2]