薄肉susのハイドロベンド＆フォーミング工法開発...develop an integrated...

Abstract

　This production method was developed with the aim of

reducing the cost of forming motorcycle exhaust system

pipes and increasing design freedom. This method has

been developed as part of efforts to produce thinner-

walled exhaust pipes and focused on the temperature-

variant characteristics of the stainless steel alloy to

develop an integrated hydrobending and hydroforming

production method. This method has already been

proven effective in greatly reducing cost in the production of the exhaust system parts adopted

on the 2010 model Yamaha YZ450 and in increasing design freedom to enable a rear-positioned

exhaust layout on this model.

要旨

　本工法は、モーターサイクルの排気システムのコストダウンと設計自由度の向上を目指し開発を行っ

た。排気管の薄肉化と一体成形に取り組み、材料の温度特性に着目した「ハイドロベンド＆フォーミング

の一貫工法」は、2010年モデル「YZ450F」で実用化され、大幅なコストダウンと後方排気レイアウトに

貢献している。

1 はじめに　排気系製品は、動力性能の最適化に加え、騒音、燃費、排ガス等の環境要求が加わり、高機能化してき

ている。これらの機能を満たす為に、排気系製品のコストは、モデルコストの数％を占めるまで上昇して

薄肉SUSのハイドロベンド＆フォーミング工法開発Development of a hydrobending & forming method for thin-walled stainless steel pipe

葭野民雄　鈴木英彦　山村易見

NEW モデルの排気レイアウトNew model exhaust layout

0

2000

4000

6000

03年 09年 03年 03年09年 09年

SUS436L SUS304 チタン

板パイプ

重量単価

（円/ｋ）材料別単価と価格上昇

図 1　材料費／重量図 2　製品形状と特徴

41.3R70

45.0R70

48.6R70

50.8

分割接合

YAMAHA MOTOR TECHNICAL REVIEWYAMAHA MOTOR TECHNICAL REVIEW

技術論文技術論文

いる。こうした背景から、コストと設計自由度の両立を目指し、本工法の開発に着手した。

　具体的には、①軽量化と②動力性能の最適化要求への対応に着目した。高機能モデルのエキゾース

トパイプは①チタン材と②管径の変化を溶接構造で対応している。チタン材は高価（図 1）で、溶接構造

（図 2）には設計制約が多いことが問題となっていた。更に溶接構造は、歩留まりが悪く、加工工程も多

くなり、多数のワークセンター（＝製造するライン：以下W/Cと記す）を必要とし、製造リードタイム（＝

製造するために与えられた日数：以下L/Tと記す）も長くなっていた。

2 一般的加工方法と新工法の狙い　ここで、一般的なエキゾーストパイプの曲げ工法（図4）について説明する。パイプを曲げる為には、パイプ

をクランプし、曲げ型に回転しながら巻きつける。曲げ

内側は圧縮を受け座屈しシワに成り易く、曲げ外側は、

短絡し扁平に成り易い。（図 3）

　これらの不具合はワイパーや芯金を用いることで防

止できるが、薄肉になるとシワが発生し易くなる為、ワ

イパーや芯金でより強くパイプに摩擦力を与え材料を

伸ばす必要が生じる。この抵抗の増加に打ち勝って、ク

ランプがパイプを掴んで引っ張る事で、曲げが成立するが、薄肉パイプは剛性が低い為、クランプでパイ

プを保持できず、曲げ加工が困難となる。この問題を解決する為、弊社では、芯金の替わりに水圧を用い

るハイドロベンド工法（図 5）を独自に開発し、既に生産に使用している。

　芯金が設備に固定されていない為抵抗が無く、クランプ部は水圧により剛性が上がり保持できる。そこ

で、設計の軽量化要求とコストダウンを両立させる為、ハイドロベンド工法で、高価なチタンから、安価な

ステンレスへの置換を狙い、超薄肉に挑戦することにした。

　次に、動力性能の最適化要求とコストダウンを両立させる難題に挑んだ。トルク出力の最適化を図る


容易

困難

小曲げ半径大

小大

パイプ肉厚芯金要

曲げ型のみ

芯金ワイパー

図 3　曲げ加工性

クランプ

プレッシャー

パイプ

ワイパー

曲げ型

力の掛かった水

耐圧栓カプラ

ハイドロベンド

図 5　ハイドロベンド工法図 4　一般的曲げ工法

クランプ

プレッシャー

パイプ

ワイパー

曲げ型

芯金

設備

芯金曲げ



ため、管径は適切な位置で太くなる必要がある。ところが、従来は市販のパイプ径からサイズ違いのパイ

プ径への変化で、溶接可能な位置に制約されていた。今回、ハイドロフォーミング（水圧で管を膨らませ

る）工法により、管径を自由に変化させ、且つ一体成形することで、設計自由度の向上と大幅なコストダウ

ンの両立を狙った。（図 6）

　ハイドロフォーミング工法は、連続曲げ加工した管を姿彫りした金型にパイプを入れて水圧で管径を

太くし、精度を確保する。一体で成形できるこの工法は、接合位置や管径の制約が無く、歩留まりや加工

工程の削減が狙える。一方、管径が太くなる部分で割れが生ずることから対応策が必要となる。（図 7）

　一般的なハイドロフォーミング工法の割れ防止策は、管軸方向から材料を送り込む機構を採用してい

る。水圧と連動した軸押し機構は、高価な物となり、生産量が少ないと設備償却費がかさみ、コストUPに

なってしまう。（図 8）また、曲げ加工後に一旦焼鈍する方法もあるが、その後のハイドロフォーミング工程

でも、焼鈍の効率が悪くコストUPになってしまう。（図 9）　このことから、割れの原因を把握し、安価な割

れ防止策を開発することが、重要課題となる。

　最後に、前工程のハイドロベンドで密栓・注水したアドバンテージを活かし、ハイドロフォーミングまで


図 7　ハイドロフォーム加工時の不具合

割れ

曲げハイドロフォーム

従来

曲げ

曲げ代

密栓注水開栓ハイドロ

ベンド

後工程

カット成形

カット成形接合

W/C数 5

溶接

溶接

溶接

一体化で削減可能な工程

検査修正

溶接検査手順

曲げ


ベンド

後工程

カット

成形

成形

カット成形

径の選択と溶接位置は制約有り

曲げ代

一体化で削減できる工程が多い

図 6　溶接構造の場合の工程と W/C（製品の半分の詳細）



一貫で実施する工法で製造L/Tの短縮と更なるコストダウンを狙った。

　本工法開発の最大の特徴は、ハイドロベンドを薄肉排気管のプリベンド工程と位置付け、密栓し水を

封入したまま、次工程のハイドロフォーミングと工程を一貫化させ、一体成形する事にある。（図 10）


図 9　一般的ハイドロフォーミングとその問題点

図 10　開発した工程

図 8　一般的ハイドロフォーミングとその問題点

一般

曲げ


ベンド

ハイドロフォーム


フォーム

後工程

軸押し付き高価設備

カット成形

W/C数 3

又は

曲げ


ベンド

ハイドロフォーム


フォーム

後工程

バッチ処理LT延長

真空焼鈍カット成形

W/C数 4

開発

曲げ＆ハイドロフォーム　一貫

密栓注水

ハイドロベンド開栓ハイドロ

フォーム

後工程

カット成形

プレッシャー

W/C数 2

クランプ曲げ型

力の掛かった水

カプラ耐圧栓

ワイパー

3 開発された技術の特徴と優位性



　この一貫化を成立させる最大の課題は、ハイドロベ

ンドの低圧用密栓やカプラを、ハイドロフォーミングに

共用できるまで、ハイドロフォーミングを低水圧化する

事にある。低圧化に当たっては、そもそも何故、高圧が

必要になるのかのメカニズムの解明から取り組んだ。

　成形水圧は、形状や板厚が同じ場合、製品の硬度に

左右される。そこで、各工程の加工硬化と成形性につい

て説明する。チタン代替えの材質としては、防錆力の高

いSUS304を使用している。この材料は、曲げ加工によ

りマルテンサイト化し、加工硬化を起こす。

　図 11に示す様に、曲げ角度が大きくなるにつれて硬

度はUPし、90度付近でピークになり、その後一定になる。

　また、パイプの位置でも硬度は異なり、曲げの外側が硬い。次に図 12に示す様に、曲げ加工後にハイ

ドロフォーミングすると更に硬度はUPする。この硬度が成形限界硬度を超えることから、割れが起こる。


工程別　硬度推移

0

100

200

300

400

500

常温

硬度（Hv）

パイプ材常温曲げハイドロフォーム

割れ

成形限界

図 12　工程と加工硬化推移

温間成形効果比較

0

100

200

300

400

500

直管部

通常曲げ

金型100℃

金型100℃+温水40℃

金型100℃+温水80℃

硬度

（Hv）

図 14　各部の加温と成形結果図 15　温間ハイドロベンド

図 13　温度と絞り性の相関［1 ］

金型温度

絞り深さ

プレッシャー

クランプ

ロール

密栓

パイプチャック

パイプ内に水圧

温度調整

ワイパー

密栓

図 11　曲げ加工による加工硬化事例

0

100

200

300

400

500

直管B／M

０度

45度

90度

135度

160度

曲げ角度

硬度

（Hv）曲げ角度と加工硬化



　そこで、SUS304の温度依存性の高さに着目して、加工硬化を抑制する事とした。一般的に板金では

約100℃付近で成形性が向上することが知られている。

　パイプの曲げ加工では、どの金型を何℃に温めれば、

どの程度効果があるのかを検証し（図 14）の結果が得

られた。この結果から、暖める金型は、プレッシャーと

ワイパーに特定し（図 15）、ヒーターの選定では、段取

り時間内に昇温させ、加工サイクルタイムで連続加工

しても設定温度が維持できる物を選んだ。設定温度は、

接品部と温度センサーの位置の違いによる温度勾配

を把握し、110℃に設定し温度調節している。この温間

曲げの効果により、図 16で示すように、材料硬度が軟

化し、製品の割れを抑制できた。

　しかし、成形余裕度は3％と低く、良品を得る為には、

図 17の様に、時間を掛けて水圧を上昇させる必要が

あった。そこで、更に硬度を下げるため、パイプ直管の時点で焼鈍を入れる事にした。直管状態での焼

鈍は、炉内の収納効率が曲げ後よりも良いため、コスト上昇は少なく抑えられる。直管焼鈍で、材料が軟

化した事により、成形余裕度は20％と向上した。（図 16）また成形に必要な水圧も低減し、成形時間が短

縮できた。（図 17）

　これらの工夫により、管軸方向から材料を送り込む機構も不要で、成形条件の作りこみも容易になった。

（図 18）

　結果として、直管状態での焼鈍費用は、ハイドロフォーミングの成形加工費の低減で吸収できている。

　これらの開発により、低圧の油圧プレスと50MPaの水圧サーボ装置からなる、管軸押し機構が不要の

工程が導入できた。


図 16　工法別の高度と真歪の関係

硬度と真歪み

0

100

200

300

400

500

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0真歪（%）

硬度（Hv）

パイプ

成形限界

パイプ造管曲げハイドロフォーム

成形余裕度20%

常温曲げ⇒ハイドロフォーム

温間曲げ⇒ハイドロフォーム

直管焼鈍⇒温間曲げ⇒ハイドロフォーム

直管焼鈍

図 17　曲げ工程別のハイドロフォーム成形時間

仕様別　水圧・成形時間

成形時間（秒）

水圧常温

温間直焼+温間

膨らまず、割れ

膨らみＯＫ：高圧・長時間膨らみＯＫ：低圧・短時間

直管焼鈍費用をハイドロフォームの加工時間短縮で吸収

図 18　直管焼鈍＋温間曲げの結果



　更に、本装置には、パイプ内に流れる水の量を計測するセンサーを搭載しており（図 19）、加工中の水

圧と水量の相関が把握できる。金型内でのパイプの膨らみは見えないが、この機能を利用すると図 20の様に効率よく膨らんでいる部分と、時間を掛けてもあまり膨らまない部分が可視化できる。このことか

ら、圧力と時間を見直す事により、効率の良い成形プログラムが作成できる。また、製品が金型形状まで

膨むと水が流れなくなる事から、プログラム完了時の積算流量を管理することで、成形品質を保証する

検査装置としても活用できる。

4 実用化の面から見た成果、実績　既に当社でのハイドロベンド工法による量産実績は

2000年から約7万本/年に達している。今回、成形に

必要な水圧を低く抑える事ができたことにより、密栓注

水機、ベンダー、開栓機がそのまま流用できた。ハイド

ロベンド＆フォーミングは2009年9月より、約500 ～

2,000本/月の量産を開始している。図21に示すように、

開栓機を移動しハイドロフォーミングを配置した。


図 19　水圧回路図

パイプカプラ

耐圧ホース

流量

配管

ブースター

サーボポンプ

圧力タンク

制御盤操作盤

栓圧力

ホース

図 20　水圧と流量及び成形時間

成形時間

水圧

流量

流量の少ない処は、時間を短縮

段階的に水圧と保持時間を設定

水圧

レイアウト図

回転引き曲げ式ハイドロベンダー

密栓注水機

ハイドロフォーミング開栓機

素材

台車

検査

図 21　ハイドロベンド＆ハイドロフォーミングのラインレイアウト

成形条件画面型締めプレス水圧装置



5 技術的、経済的効果5.1　設計自由度の向上5.1.1　製品構造の一体化　今までは、既存のパイプ径から1サイズ大きなパイプ径への接続で、接続箇所も溶接上の制約から

限られていた。今回の本工法開発により、任意のパイプ径や、テーパー形状も可能となった。また、溶接

構造品に比べ、パイプのスプリングバックや扁平及び溶接歪量が少なく、高精度が得られる利点もある。

（図 22）

5.1.2　薄肉 SUS の製品化　塑性加工の実績では、試作段階で目標以上の軽量化を達成できた。（図 23）最終的な生産仕様は、開

発日程の都合上、板厚１ミリとなったが、目標達成の目処は立った。

　本工法開発を通して、NEWモデルの後方排気レイアウト（図 24）の実現に大きく貢献し、質量ではマ

スの集中化、動力性能の最適化では、中低速域のドライバビリティーの向上に貢献できた。


図 22　工法別精度比較

溶接溶接

溶接構造の従来工法ハイドロベンド＆ハイドロフォーミング工法

図 23　仕様別質量比較

仕様別　エキゾースト質量比較

0

200

400

600

800

1,000

チタン4分割 SUS4分割 SUSt1.0 SUSt0.8 SUSt0.6

製品質量ｇ

2分割

目標

試作　t0.6

　量産　t1.0

継ぎ手強度



5.2　コストダウン　高価なチタンを溶接で接合していた従来工程に比べ、薄肉ステンレスで一体化・一貫化したことに

よって、従来比59％のコストダウンを達成できた。（図 25）

　また、材料、加工、型冶具、設備の全ての項目でコストダウンにつながった。

　特に、薄肉の材料に特化し、加工硬化を抑制した事が、成形の低圧化を実現した。この効果により、ハ

イドロベンドとのシールの共通化、型締め力の低圧化、軸押し制御レスを可能とし、一般的装置金額の

80％減で製造する事ができた。


図 24　NEW モデルの排気レイアウト

総コスト

仕様別　コスト比較

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

チタン4分割 SUS4分割 2分割一般 2分割一貫

設備償却

型冶具償却

管理費

加工費

材料費

59%低減

材料費

仕様別　材料費

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

パイプ3＆4

パイプ1＆2

パイプ4

パイプ3

パイプ2

パイプ1

加工費

仕様別　加工費

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

△35%

型冶具費設備費

仕様別　型冶具費

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

△20%

仕様別　設備費

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

チタン4分割

SUS4分割

２分割一般

２分割一貫

チタン4分割

SUS4分割

２分割一般

２分割一貫

チタン4分割

SUS4分割

２分割一般

２分割一貫

チタン4分割

SUS4分割

２分割一般

２分割一貫

△80%

材料置換△76%

材料費△84%

歩留り改善△30%

図 25　仕様別コスト比較と項目別 C/D 効果



5.3　Ｌ/Ｔの短縮（Ｗ/Ｃ削減）　4本のパイプを2本に一体化したことにより、部品数が減少し2工程削減、溶接も2工程減り、合計で

W/Cを4削減。（図 26）

　一貫化により、焼鈍工程が2工程削減できW/Cを2削減。合計で、W/Cは半減以下となった。

6 おわりに　今回の開発で、チタンに依存しない軽量化と、少量生産での一体成形化の道が開け、コストハーフを

上回るコストダウンが実現した。また、設計自由度が向上し、モデルのコンセプトであるマスの集中（後方

排気レイアウト）の実現に貢献できた。最後に、マフラーユニットとして技術開発し、更なる軽量化と最適

な管径の変化を具現化し、差別化を目指したい。

■参考文献［1］図13　野原清彦，小野寛，“ステンレス薄鋼板の温間プレス成形 ”，川崎製鉄技報，vol,17（1985）

No,3 fig3

■著者

仕様別　W/C数　比較

0

2

4

6

8

10

12

４分割２分割焼鈍２分割一貫

Ｃ

Ｗ／

数

55％削減

一体化

一貫化

焼鈍パイプ1.2

パイプ3

パイプ2

パイプ1

パイプ1.2

SUB A

パイプ1.2

ASSY

図 26　仕様別 W/C 数比較

葭野民雄Tamio Yoshino技術本部生産技術統括部生産技術部

鈴木英彦Hidehiko Suzuki技術本部生産技術統括部生産技術部

山村易見Yasumi Yamamura技術本部生産技術統括部生産技術部




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