真鍮合金

半製品と材料

現在、主に、鋼合金とアルミニウム合金が、ハイドロフォーミング生産で必要な半製品の材料として使用されています。 銅と真鍮の合金は、配管と衛生産業のハイドロフォーム製品に使用されます。 適用される合金は、ほとんどの場合、深絞りや大量成形のような一般的な冷間成形工程に使用される材料に相当します。 原則的に、十分な成形性を持つ全ての金属材料は、ハイドロフォーミングプロセスの半製品に適しています。 微細な組織と大きな均一伸び、破断伸び、大きな歪み硬化係数は、材料の不安定性を発生させることなく実現可能な初期ワークピースの拡張に有利である。 しかし、加工硬化はまた、必要な成形荷重の増加を引き起こす。

従来のハイドロフォーミング部品に使用または試験される鋼合金は、延性低炭素鋼、ケース硬化鋼、熱処理鋼、フェライトおよびオーステナイト系ステンレス鋼、ならびに例えば高力鋼および超高力鋼、などである。 一般に、ハイドロフォーミングに使用される管状鋼材は、平板から連続的にロール成形し、ロール成形された管状断面を閉じるために縦方向の高周波溶接を行うことによって製造される。 適切なロール成形金型を用いたロール成形工程により、円形断面を有する管や円形とは異なる形状を有する管を製造することが可能である。 しかし、現在、鋼鉄部品のハイドロフォーミング生産には、主に円形断面を持つ半製品が使用されています。 従来のハイドロフォーム鋼管の典型的な寸法は、外径d0が約20 mmから140 mmの間であり、外径に対する肉厚の比率t0/d0は約0.012から0.16の間である。

ハイドロフォーミング加工に適した管を選択する場合、ロール成形または引抜による冷間成形後に焼鈍工程を行わない管、先行焼鈍工程後に小さな結果歪で引抜かれた管、最終冷間成形作業後に焼鈍された管に区別する必要があります。

引抜および非焼鈍管は、使用される鋼合金の特性および引抜加工によって誘発される歪みの量に応じて、ハイドロフォーミング加工において一般的に成形性を低下させる。 引抜管で焼鈍後のひずみが小さいものは、一定の範囲内で冷間成形性を示します。

ハイドロフォーミング工程でのワークの早期破裂を避けるため、ロール成形および溶接管には非常に満足のいく溶接シーム品質が要求されます。

従来の水力成形用アルミニウム合金の使用について、現在、高い成形性と耐食性を優先する場合は加工硬化型アルミニウム5000合金を使用し、高い強度を必要とする部品、例えば、析出硬化型アルミニウム6000合金は適用されます。 一般にアルミニウム5000合金を用いた管は、平板材を連続的にロール成形し、長手方向に溶接して製造されますが、アルミニウム6000合金は押出形材として製造されます。 押出形材は、シャープコーナー、複数のくぼみ、フランジを有する複雑な断面に対して設計の柔軟性という点で有利である。 しかし、これらの半製品の成形性の低さは、それぞれのハイドロフォーミング部品を設計する際に考慮する必要があります。 さらに、ハイドロフォーミングマイクロコ ンポーネント用の押出材の選択は、現在、関連産業で生産可能な最小断面寸法によって制限されています。 半製品としての微細押出形材の製造は、たとえば、

その高い強度対重量比により、マグネシウム合金は軽量化されたコンポーネントのための大きな可能性を提供するいくつかの調査の対象でした。 しかし、これらの合金は六角形の原子構造を持つため、室温で作業する成形プロセスでの使用は制限されている。 成形性を向上させるには、200℃以上の高温で、さらに滑走面を活性化させることが必要である。 このような背景から、高温の使用によるマグネシウム合金製の半製品の従来のハイドロフォーミングに関するさまざまな調査が、ここ数年の間に実施されています（例：

ハイドロフォーミングが微細寸法の管に適用される場合、管壁の厚さと管微細構造の平均粒径の比t0/dkの減少により生じる成形動作への潜在的影響を考慮しなければならない . これは、使用するチューブ材料に関係なく適用されます。 例として、図4は、図3に示したステンレス鋼部品のハイドロフォーミングに使用された出発管の微細構造を示している。 管の肉厚t0と結晶粒径dkの平均比t0/dkは1.54～2.56で、t0/dk≈1 .

Figure 4. マイクロチューブの微細構造（材質。

ハイドロフォーミングプロセスの設計、およびハイドロフォーミング生産における半製品の品質監視には、成形挙動を特徴付ける材料パラメータを得るための適切かつ信頼できる方法が必要です。 従来のチューブハイドロフォーミングに関しては、現在、引張試験、機械的膨張法、グリッド分析など、主に従来の材料試験方法が使用されている。

適用される管状材料の成形挙動を特徴付けるために使用される最も一般的な方法は、標準化された単軸材料試験法である引張試験である。 この試験は、ロール成形前の初期シート材への適用と、ロール成形および溶接されたワークピースへの適用とを区別する必要がある。

水力成形部品のひずみ解析のための方法は、最初の半製品の表面に円形または2次格子を適用することです。 ハイドロフォーム加工されたワークピースで個々のグリッド要素の歪みを測定することにより、局所的な歪みを決定することができ、分析した歪みをそれぞれのチューブ材料の成形限界曲線と比較することにより、ハイドロフォーミングプロセスの評価を行います。

標準化された機械的膨張試験法の一例として、円錐試験（調査対象チューブの端部を円錐形のパンチで破断するまで膨張させる試験）が挙げられます。 この試験は、例えば、管状材料の異なるバッチを比較するために、成形性の主要な決定を可能にする。 また、管の表面や溶接部の破損を検出することも可能です。 この試験法を適用する場合、チューブ端面の摩擦条件のばらつきや不均一な表面粗さが拡管部の破断開始に影響することを考慮する必要があります。 図5にステンレス鋼AISI 304を用いた機械的拡管試験結果を示す。 ハイドロフォーミング用途の管の特性評価方法を改善するため、図6に従って両端をクランプした試験管の内部加圧による管の膨張試験について、いくつかの調査が実施されました。 このバルジ試験により，破裂圧力pb，圧力依存膨張径d(pi)，二軸引張応力状態での到達膨張径drを決定することができる。 バルジ試験に基づくチューブの材料特性や降伏曲線の決定方法は、例えば、Refs. , . バルジ試験の適用に際しては、拡管長 ld と管径 d0 の比 ld/d0 がある限界値以下であれば、管状試験片を拡管するのに必要な圧力に影響することを考慮しなければならない。 図 6 に示すバルジ試験装置は、外径 1 mm 未満のマイクロチューブの試験用に開発され、最大 4000 bar の内圧を加えるのに適しています。 図7はこの装置で行ったマイクロチューブの試験結果の一例で、

Figure 6.のように小型ハイドロフォーミングプロセスの成形性の変化を検証している。 マイクロチューブのバルジテスト装置。

図7． 溶体化処理したステンレス鋼製マイクロチューブの破裂圧力に対する膨張率

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