金属製構造部材およびその製造方法
【課題】 良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材の製造方法を提供する。
【解決手段】 管状素材から、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有する予備成形体２０を形成するための工程、および、予備成形体２０の内部に、液圧を付与して膨出変形させることで、金属製構造部材に適用される液圧成形品を形成するための工程を有する。
【解決手段】 管状素材から、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有する予備成形体２０を形成するための工程、および、予備成形体２０の内部に、液圧を付与して膨出変形させることで、金属製構造部材に適用される液圧成形品を形成するための工程を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製構造部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、金属製構造部材は、管状素材に液圧成形を適用することで製造される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、管状素材は、液圧成形の際において、引張変形による板厚減少が引き起こされるため、部材強度が相対的に低下する問題を有する。一方、部材強度を確保するため、高強度の素材を適用することも可能であるが、高強度な素材は、高価であり、製造コストが上昇する問題を生じる。
【０００４】
本発明は、前記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
中空状断面を有する金属製構造部材の製造方法であって、
管状素材から、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有する予備成形体を形成するための工程、および、
前記予備成形体の内部に、液圧を付与して膨出変形させることで、前記金属製構造部材に適用される液圧成形品を形成するための工程
を有することを特徴とする金属製構造部材の製造方法である。
【０００６】
前記目的を達成するための請求項９に記載の発明は、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属製構造部材の製造方法によって製造されたことを特徴とする金属製構造部材である。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、管状素材に対して、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされて、予備成形体が形成される。せん断歪の付与は、予備成形体に板厚減少を引起こさない。そのため、高強度の高価な管状素材を使用することなく、金属製構造部材に適用される液圧成形品の強度を確保することが可能である。つまり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材の製造方法を提供することができる。
【０００８】
請求項９に記載の発明によれば、高強度の高価な管状素材を適用することなく、強度が確保された液圧成形品が製造される。したがって、前記液圧成形品が適用される金属製構造部材は、良好な強度および製造コストを有する。つまり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態に係る金属製構造部材を説明するための斜視図、図２は、図１の金属製構造部材の素材を説明するための斜視図である。
【００１１】
金属製構造部材４０は、矩形断面を呈する側壁を有し、例えば、メンバーやピラーなどの中空状断面（閉断面構造）を有する自動車用構造部材に適用される。
【００１２】
金属製構造部材４０は、管材（管状素材）１０から、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有する予備成形体を形成するための予備成形工程、および、予備成形体の内部に、液圧を付与して膨出変形させることで、金属製構造部材に適用される液圧成形品を形成するための液圧成形工程を有する製造方法によって製造されている。なお、符号４４および４５は、金属製構造部材４０の水平方向の側壁面および縦方向の側壁面を示している。
【００１３】
管材１０は、管材１０の中心軸Ｓ１の延長方向（軸線方向）Ｘに対し直交する方向に関し、略円形断面を有し、中空状の押出し材あるいは引抜き材が、適用される。板材に、ロール成形などの曲げ加工を施し、板材の端面を、突き合せレーザー溶接などで接合して形成される中空状部材を適用することも可能である。管材１０の素材は、適当な強度を有していれば特に限定されないが、例えば、鋼、アルミニウム合金、あるいはマグネシウム合金である。
【００１４】
金属製構造部材４０の製造方法を、詳述する。図３は、予備成形工程の端部加工を説明するための斜視図、図４は、予備成形工程のせん断変形加工を説明するための斜視図、図５は、図４に係るせん断変形加工装置を説明するための断面図、図６は、図５の線ＶＩ−ＶＩに関する断面図、図７は、予備成形工程から産出される予備成形体を説明するための斜視図である。
【００１５】
予備成形工程においては、管材１０に、せん断変形加工を施すことによって、管材１０の中心軸Ｓ１の延長方向Ｘに対する直角方向に、せん断歪が付与される。
【００１６】
図５および図６に示されるせん断変形加工装置は、管材１０の長手方向の端部１２，１６を拘束するためのクランプ部１１０，１２０と、クランプ部１１０，１２０を回転自在かつ互いに近接離間自在に駆動するための駆動装置（不図示）とを有する。クランプ部１１０，１２０は、クランプ部１１０，１２０の中心軸Ｓ２に対して対称に配列された複数の突起１１５，１２５を有する。
【００１７】
一方、管材１０の端部１２，１６は、例えば、機械加工によって凹凸部１３，１７が形成される（図３参照）。凹凸部１３，１７の形状は、クランプ部１１０，１２０の突起１１５，１２５の形状および配置に対応しており、クランプ部１１０，１２０の中心軸Ｓ２と管材１０の中心軸Ｓ１との位置合せ、および管材１０の端部１２，１６の拘束を、容易としている。なお、突起１１５，１２５は、管材１０の円周形状が変わっても固定できるように構成することで、クランプ部１１０，１２０の交換を不要し、汎用化することが好ましい。
【００１８】
予備成形工程においては、例えば、鋼性の管材１０が、せん断変形加工装置にセットされ、管材１０の凹凸部１３，１７が、クランプ部１１０，１２０の突起１１５，１２５と当接する。クランプ部１１０，１２０は、中心軸Ｓ２の延長方向Ｙに沿って、互いに近接するよう駆動され、中間に配置される管材１０と完全に密着する。
【００１９】
クランプ部１１０，１２０の中心軸Ｓ２と管材１０の中心軸Ｓ１との位置合せ、および管材１０の端部１２，１６の拘束が達成されると、駆動装置は、クランプ部１２０が固定された状態で、クランプ部１１０を、例えば、２３度回転させ、管材１０の中心軸Ｓ１に関するねじり変形を引起こす。つまり、管材１０に対して、加工硬化を引起こすせん断歪を付与するためのせん断変形加工が施される。ねじり変形は、せん断変形加工を、管材１０の全体に施すことが可能であるため、好ましい。
【００２０】
クランプ部１１０の回転は、管材１０にしわを発生させ、延長方向Ｘに関し、管材１０が収縮する。そのため、管材１０の収縮に連動して、クランプ部１１０，１２０を互いに近接させ、クランプ部１１０，１２０と管材１０との密着性を維持する。
【００２１】
しわ２８が若干発生した時点で、クランプ部１１０の回転が停止され、クランプ部１１０，１２０を互いに離間させて、予備成形体２０が取り出される（図４参照）。その後、予備成形体２０は、端部２２，２６に形成されている凹凸部２３，２７が切取られる（図７参照）。
【００２２】
ねじり変形により引起こされるせん断変形は、例えば、管材１０の全面に、１％以上のせん断歪を付与し、かつ、しわ部には、７％以上の塑性歪を加えることが可能である。予備成形体２０の板厚は、素材である管材１０の板厚と変化が殆どなく、板厚減少を伴わないため、加工硬化を効果的に利用することができる。
【００２３】
管材１０の中心軸Ｓ１に関するねじり変形は、クランプ部１１０，１２０を異なる方向にそれぞれ回転させることによっても引起こすことが可能である。クランプ部１１０の回転を、その回転方向を変更しつつ、複数回繰り返すことで、せん断歪を増幅させることも好ましい。
【００２４】
管材１０の端部１２，１６の拘束は、上記機械的手段に限定されず、溶接などの接合手段を利用することも可能である。クランプ部１１０の回転量（角度）は、必要に応じ、しわの発生を引起こさない程度に、調整することも可能である。
【００２５】
液圧成形工程に適用される液圧成形装置を説明する。図８は、液圧成形工程に係る液圧成形装置を説明するための断面図、図９は、図８の液圧成形装置の補助型を説明するための断面図、図１０は、図８の液圧成形装置の側方型を説明するための断面図である。
【００２６】
液圧成形装置２００は、液圧供給手段および成形型を有する。液圧供給手段は、予備成形体２０の端部２２，２６の開口部に挿入され、端部２２，２６を密閉するノズル２１０，２２０を有する。
【００２７】
ノズル２１０は、例えば、増圧シリンダを利用する圧力発生装置や成形媒体源から延長する配管２２５が接続されている。配管２２５は、ノズル２１０の内部を延長する流路２１５に、連結されている。流路２１５は、ノズル２１０の先端に開口部２１６を有している。成形媒体は、配管２２５および流路２１５を経由し、開口部２１６から、予備成形体２０の内部に導入される。成形媒体は、例えば、水である。
【００２８】
成形型は、上型２３０、下型２３５、側方型２４０，２４５、補助型２５０，２５５，２６０，２６５を有する。上型２３０および下型２３５は、互いに近接離間自在に配置され、金属製構造部材４０の水平方向の側壁面４４に対応するキャビティを有する。側方型２４０，２４５は、互いに近接離間自在に配置され、金属製構造部材４０の縦方向の側壁面４５に対応するキャビティを有する。上型２３０、下型２３５および側方型２４０，２４５は、全体として、金属製構造部材４０の側壁に対応する略矩形形状のキャビティを構成する。
【００２９】
補助型２５０，２５５は、予備成形体２０の肉厚およびノズル２１０の外周形状を考慮した半円形状の凹部を有し、互いに近接離間自在に配置されており、ノズル２２０が挿入された予備成形体２０の端部２２を上下方向から押圧し、ノズル２１０と端部２２との間の密閉を確実とするために使用される。補助型２６０，２６５は、予備成形体２０の肉厚およびノズル２２０の外周形状を考慮した半円形状の凹部を有し、互いに近接離間自在に配置されており、ノズル２２０が挿入された予備成形体２０の端部２６を上下方向から押圧し、ノズル２２０と端部２６との間の密閉を確実とするために使用される。
【００３０】
図１１〜図１８を参照し、液圧成形工程を詳述する。図１１は、液圧成形工程における予備成形体のセットを説明するための断面図、図１２は、図１１に続く、ノズルの挿入を説明するための断面図、図１３は、図１２に続く、補助型による押圧を説明するための断面図、図１４は、図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図、図１５は、図１３に続く、側方型による押圧を説明するための断面図、図１６は、図１５の線ＸＶＩ−ＸＶＩに関する断面図、図１７は、図１５に続く、上型および下型による押圧を説明するための断面図、図１８は、図１７の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに関する断面図、図１９は、液圧成形品を説明するための斜視図である。
【００３１】
まず、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有し、予備成形工程から搬入される予備成形体２０が、下型２３５にセットされる（図１１）。そして、予備成形体２０の端部２２，２６の開口部に、ノズル２１０，２２０が挿入される（図１２）。
【００３２】
補助型２５０，２５５は、近接することで、予備成形体２０の端部２２を、上下方向から押圧し、開口部の内面と、ノズル２１０の外周との間を密着させ、補助型２６０，２６５は、同様に、端部２６の内面と、ノズル２２０の外周との間を密着させる（図１３および図１４）。
【００３３】
これによって、予備成形体２０の機密性が確保される。この際、予備成形体２０の端部２２，２６の開口部は、強制的に変形させられるため、予備成形工程におけるせん断変形加工（ねじり変形）の際に、真円度の精度が低下した場合であっても、液圧成形は、十分可能である。
【００３４】
その後、配管２２５および流路２１５を経由し、成形媒体が、ノズル２１０の先端の開口部２１６から、予備成形体２０の内部に導入され、予備成形体２０の内部に液圧が付与される。
【００３５】
液圧が上昇し、予備成形体２０の膨出が開始すると共に、側方型２４０，２４５は近接し、予備成形体２０を側方向から押圧する（図１５および図１６）。
【００３６】
続いて、上型２３０および下型２３５は、徐々に近接し、予備成形体２０を上下方向から押圧する（図１７および図１８）。予備成形体２０の内部の液圧は、上型２３０、下型２３５および側方型２４０，２４５による押圧によって、座屈しないように、制御される。
【００３７】
この際、予備成形体２０の水平方向の側壁面２４には、圧縮歪は殆ど付与されないが、縦方向の側壁面２５には、圧縮歪が付与される。また、予備成形体２０のしわ２８は、上型２３０、下型２３５および側方型２４０，２４５による押圧と、内部液圧とに基づく膨出変形によって消失し、しわ部の曲げ戻し変形により、他の部位に比べて、より大きな歪が付与される。
【００３８】
液圧が所定の最終値に到達すると、成形媒体の供給が停止され、所定時間保持される。そして、除圧した後、型開し、液圧成形品３０が取り出される（図１９）。液圧成形品３０の端部３２，３６は、略円筒状であるため、トリミングすることで、金属製構造部材４０（図１参照）が得られる。
【００３９】
以上のように、液圧成形品３０の素材である予備成形体２０は、板厚減少を伴うことなく、その全面には、せん断歪が付与され、かつ、しわ部には、塑性歪が加えられることで、加工硬化が引起こされている。そして、液圧成形工程において、縦方向の側壁面３５には、圧縮歪が付与され、かつ、しわ部の曲げ戻し変形が生じた強化部位３９には、他の部位に比べて、より大きな歪が付与される。したがって、液圧成形品３０が適用される金属製構造部材４０は、高強度の高価な管状素材を適用することなく、強度が確保されており、良好な強度および製造コストを有する。
【００４０】
なお、液圧成形品３０の水平方向の側壁面３４は、液圧成形工程において、圧縮歪は殆ど付与されないが、予備成形工程において、歪みを付与している。つまり、本実施の形態は、従来の製造方法においては歪みを付与することができなかった部位を、加工硬化させて強度を向上させることが可能である。
【００４１】
予備成形工程のせん断変形加工（ねじり変形）によって発生するしわは、液圧成形工程において消失させることが可能である。また、せん断変形加工は、板厚減少を伴わないため、液圧成形工程における板厚減少に基づくネッキングによる成形不良の発生を考慮することなく、せん断変形加工の条件を決定することができる。そのため、せん断変形加工の制御条件の自由度が大きく、例えば、しわの発生を抑制しないことで、大きなせん断歪を付与することが可能である。
【００４２】
管材１０の素材として、歪時効性を有する金属材料、例えば、鋼あるいはアルミニウム合金を使用する場合、予備成形体２０または液圧成形品３０に対して、歪時効処理を施すための工程を有することも好ましい。歪時効処理は、例えば、１７０℃×２０分の熱処理によって、強度を向上させる処理である。
【００４３】
図２０は、圧潰試験を説明するための斜視図、図２１は、圧潰試験に適用された試験片（実施例１〜４および比較例１）の作成条件を説明するための図表である。
【００４４】
圧潰試験においては、ベースプレート３２０に溶接により接合された試験体（実施例１〜４および比較例１）３１０に対し、ストライカ３３０を落下させて衝撃を与え、変位５０ｍｍにおけるエネルギ吸収量で評価した。
【００４５】
試験片３１０は、７５ｍｍ×７５ｍｍの矩形断面形状を有する中空管であり、その中心軸の延長方向の長さは、２００ｍｍである。試験片３１０の一方の端部３１２が溶接部３４０を介してベースプレート３２０に固定され、他方の端部３１６が、ストライカ３３０と相対する。ストライカ３３０の重量および落下速度は、５００ｋｇおよび１０ｍ／秒であり、試験片３１０の端部３１６と衝突する下面３３５は、水平かつ平坦な面を構成している。
【００４６】
実施例１〜４および比較例１は、素材が共通であり、２．０ｍｍの板厚かつ５９０ＭＰａの引張強度を有する歪時効性の鋼材が適用されている。鋼材における一軸引張の２％付与後に歪時効処理として１７０℃×２０分の熱処理を実施した後の耐力の上昇は、２０〜３０ＭＰａ程度である。
【００４７】
実施例１は、予備成形工程のねじり変形において、２２．５度回転され、液圧成形工程の後で、液圧成形品の端部を切断することで、その中心軸の延長方向の長さが、２００ｍｍに調整されている。実施例２は、予備成形工程のねじり変形において、２２．５度回転後さらに２２．５度逆回転されている点で、実施例１と異なる。
【００４８】
実施例３は、液圧成形工程の後において、歪時効処理として１７０℃×２０分の熱処理を施している点で、実施例１と異なる。実施例４は、歪時効処理として１７０℃×２０分の熱処理を施している点で、実施例２と異なる。
【００４９】
比較例１は、予備成形工程を経ていない点で、実施例１と異なる。
【００５０】
図２２は、圧潰試験の試験結果を説明するためのグラフである。
【００５１】
実施例１〜４のエネルギ吸収量は、約７４００Ｊ〜約７９００Ｊである。比較例のエネルギ吸収量は、約６６００Ｊである。したがって、実施例１〜４は、比較例と同一形状でありながら、比較例に比べ、良好な吸収エネルギ量を有し、強度が向上していることが確認された。
【００５２】
実施例１および実施例２のエネルギ吸収量は、約７４００Ｊおよび約７７００Ｊであり、実施例３および実施例４のエネルギ吸収量は、約７６００Ｊおよび約７９００Ｊである。したがって、実施例２，４は、それぞれ実施例１，３より、良好な吸収エネルギ量を有しており、予備成形工程のねじり変形において、回転方向を変更しつつ、複数回繰り返すことで、せん断歪が増幅されていることが確認された。
【００５３】
実施例３，４は、それぞれ実施例１，２より良好な吸収エネルギ量を有しており、歪時効処理によって、強度が向上していることが確認された。
【００５４】
以上のように、本実施の形態によれば、管状素材に対して、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされて、予備成形体が形成される。せん断歪の付与は、予備成形体に板厚減少を引起こさない。そのため、高強度の高価な管状素材を使用することなく、金属製構造部材に適用される液圧成形品の強度を確保することが可能である。つまり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材の製造方法を提供することができる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、高強度の高価な管状素材を適用することなく、強度が確保された液圧成形品が製造される。したがって、前記液圧成形品が適用される金属製構造部材は、良好な強度および製造コストを有する。つまり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材を提供することができる。
【００５６】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【００５７】
例えば、金属製構造部材の断面は、矩形形状に限定されず、他の形状を適用することも可能である。また、液圧成形に適用される成形型は、上型、下型、側方型、補助型を有する形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態に係る金属製構造部材を説明するための斜視図である。
【図２】図１の金属製構造部材の素材を説明するための斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る製造方法における予備成形工程の端部加工を説明するための斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る製造方法における予備成形工程のせん断変形加工を説明するための斜視図である。
【図５】図４に係るせん断変形加工装置を説明するための断面図である。
【図６】図５の線ＶＩ−ＶＩに関する断面図である。
【図７】予備成形工程から産出される予備成形体を説明するための斜視図である。
【図８】予備成形工程に続く、液圧成形工程に係る液圧成形装置を説明するための断面図である。
【図９】図８の液圧成形装置の補助型を説明するための断面図である。
【図１０】図８の液圧成形装置の側方型を説明するための断面図である。
【図１１】液圧成形工程における予備成形体のセットを説明するための断面図である。
【図１２】図１１に続く、ノズルの挿入を説明するための断面図である。
【図１３】図１２に続く、補助型による押圧を説明するための断面図である。
【図１４】図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図である。
【図１５】図１３に続く、側方型による押圧を説明するための断面図である。
【図１６】図１５の線ＸＶＩ−ＸＶＩに関する断面図である。
【図１７】図１５に続く、上型および下型による押圧を説明するための断面図である。
【図１８】図１７の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに関する断面図である。
【図１９】液圧成形品を説明するための斜視図である。
【図２０】圧潰試験を説明するための斜視図である。
【図２１】圧潰試験に適用された試験片（実施例１〜４および比較例１）の作成条件を説明するための図表である。
【図２２】圧潰試験の試験結果を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１０・・管材（管状素材）、
１２，１６・・端部、
１３，１７・・凹凸部、
２０・・予備成形体、
２２，２６・・端部、
２３，２７・・凹凸部、
２４，２５・・側壁面、
２８・・しわ、
３０・・液圧成形品、
３２，３６・・端部、
３４，３５・・側壁面、
３９・・強化部位、
４０・・金属製構造部材、
４４，４５・・側壁面、
１１０，１２０・・クランプ部、
１１５，１２５・・突起、
２００・・液圧成形装置、
２１０，２２０・・ノズル、
２１５・・流路、
２１６・・開口部、
２２５・・配管、
２３０・・上型、
２３５・・下型、
２４０，２４５・・側方型、
２５０，２５５，２６０，２６５・・補助型、
３１０・・試験片、
３１２，３１６・・端部、
３２０・・ベースプレート、
３３０・・ストライカ、
３３５・・下面、
３４０・・溶接部、
Ｓ１，Ｓ２・・中心軸、
Ｘ，Ｙ・・延長方向。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製構造部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、金属製構造部材は、管状素材に液圧成形を適用することで製造される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、管状素材は、液圧成形の際において、引張変形による板厚減少が引き起こされるため、部材強度が相対的に低下する問題を有する。一方、部材強度を確保するため、高強度の素材を適用することも可能であるが、高強度な素材は、高価であり、製造コストが上昇する問題を生じる。
【０００４】
本発明は、前記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
中空状断面を有する金属製構造部材の製造方法であって、
管状素材から、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有する予備成形体を形成するための工程、および、
前記予備成形体の内部に、液圧を付与して膨出変形させることで、前記金属製構造部材に適用される液圧成形品を形成するための工程
を有することを特徴とする金属製構造部材の製造方法である。
【０００６】
前記目的を達成するための請求項９に記載の発明は、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属製構造部材の製造方法によって製造されたことを特徴とする金属製構造部材である。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、管状素材に対して、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされて、予備成形体が形成される。せん断歪の付与は、予備成形体に板厚減少を引起こさない。そのため、高強度の高価な管状素材を使用することなく、金属製構造部材に適用される液圧成形品の強度を確保することが可能である。つまり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材の製造方法を提供することができる。
【０００８】
請求項９に記載の発明によれば、高強度の高価な管状素材を適用することなく、強度が確保された液圧成形品が製造される。したがって、前記液圧成形品が適用される金属製構造部材は、良好な強度および製造コストを有する。つまり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態に係る金属製構造部材を説明するための斜視図、図２は、図１の金属製構造部材の素材を説明するための斜視図である。
【００１１】
金属製構造部材４０は、矩形断面を呈する側壁を有し、例えば、メンバーやピラーなどの中空状断面（閉断面構造）を有する自動車用構造部材に適用される。
【００１２】
金属製構造部材４０は、管材（管状素材）１０から、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有する予備成形体を形成するための予備成形工程、および、予備成形体の内部に、液圧を付与して膨出変形させることで、金属製構造部材に適用される液圧成形品を形成するための液圧成形工程を有する製造方法によって製造されている。なお、符号４４および４５は、金属製構造部材４０の水平方向の側壁面および縦方向の側壁面を示している。
【００１３】
管材１０は、管材１０の中心軸Ｓ１の延長方向（軸線方向）Ｘに対し直交する方向に関し、略円形断面を有し、中空状の押出し材あるいは引抜き材が、適用される。板材に、ロール成形などの曲げ加工を施し、板材の端面を、突き合せレーザー溶接などで接合して形成される中空状部材を適用することも可能である。管材１０の素材は、適当な強度を有していれば特に限定されないが、例えば、鋼、アルミニウム合金、あるいはマグネシウム合金である。
【００１４】
金属製構造部材４０の製造方法を、詳述する。図３は、予備成形工程の端部加工を説明するための斜視図、図４は、予備成形工程のせん断変形加工を説明するための斜視図、図５は、図４に係るせん断変形加工装置を説明するための断面図、図６は、図５の線ＶＩ−ＶＩに関する断面図、図７は、予備成形工程から産出される予備成形体を説明するための斜視図である。
【００１５】
予備成形工程においては、管材１０に、せん断変形加工を施すことによって、管材１０の中心軸Ｓ１の延長方向Ｘに対する直角方向に、せん断歪が付与される。
【００１６】
図５および図６に示されるせん断変形加工装置は、管材１０の長手方向の端部１２，１６を拘束するためのクランプ部１１０，１２０と、クランプ部１１０，１２０を回転自在かつ互いに近接離間自在に駆動するための駆動装置（不図示）とを有する。クランプ部１１０，１２０は、クランプ部１１０，１２０の中心軸Ｓ２に対して対称に配列された複数の突起１１５，１２５を有する。
【００１７】
一方、管材１０の端部１２，１６は、例えば、機械加工によって凹凸部１３，１７が形成される（図３参照）。凹凸部１３，１７の形状は、クランプ部１１０，１２０の突起１１５，１２５の形状および配置に対応しており、クランプ部１１０，１２０の中心軸Ｓ２と管材１０の中心軸Ｓ１との位置合せ、および管材１０の端部１２，１６の拘束を、容易としている。なお、突起１１５，１２５は、管材１０の円周形状が変わっても固定できるように構成することで、クランプ部１１０，１２０の交換を不要し、汎用化することが好ましい。
【００１８】
予備成形工程においては、例えば、鋼性の管材１０が、せん断変形加工装置にセットされ、管材１０の凹凸部１３，１７が、クランプ部１１０，１２０の突起１１５，１２５と当接する。クランプ部１１０，１２０は、中心軸Ｓ２の延長方向Ｙに沿って、互いに近接するよう駆動され、中間に配置される管材１０と完全に密着する。
【００１９】
クランプ部１１０，１２０の中心軸Ｓ２と管材１０の中心軸Ｓ１との位置合せ、および管材１０の端部１２，１６の拘束が達成されると、駆動装置は、クランプ部１２０が固定された状態で、クランプ部１１０を、例えば、２３度回転させ、管材１０の中心軸Ｓ１に関するねじり変形を引起こす。つまり、管材１０に対して、加工硬化を引起こすせん断歪を付与するためのせん断変形加工が施される。ねじり変形は、せん断変形加工を、管材１０の全体に施すことが可能であるため、好ましい。
【００２０】
クランプ部１１０の回転は、管材１０にしわを発生させ、延長方向Ｘに関し、管材１０が収縮する。そのため、管材１０の収縮に連動して、クランプ部１１０，１２０を互いに近接させ、クランプ部１１０，１２０と管材１０との密着性を維持する。
【００２１】
しわ２８が若干発生した時点で、クランプ部１１０の回転が停止され、クランプ部１１０，１２０を互いに離間させて、予備成形体２０が取り出される（図４参照）。その後、予備成形体２０は、端部２２，２６に形成されている凹凸部２３，２７が切取られる（図７参照）。
【００２２】
ねじり変形により引起こされるせん断変形は、例えば、管材１０の全面に、１％以上のせん断歪を付与し、かつ、しわ部には、７％以上の塑性歪を加えることが可能である。予備成形体２０の板厚は、素材である管材１０の板厚と変化が殆どなく、板厚減少を伴わないため、加工硬化を効果的に利用することができる。
【００２３】
管材１０の中心軸Ｓ１に関するねじり変形は、クランプ部１１０，１２０を異なる方向にそれぞれ回転させることによっても引起こすことが可能である。クランプ部１１０の回転を、その回転方向を変更しつつ、複数回繰り返すことで、せん断歪を増幅させることも好ましい。
【００２４】
管材１０の端部１２，１６の拘束は、上記機械的手段に限定されず、溶接などの接合手段を利用することも可能である。クランプ部１１０の回転量（角度）は、必要に応じ、しわの発生を引起こさない程度に、調整することも可能である。
【００２５】
液圧成形工程に適用される液圧成形装置を説明する。図８は、液圧成形工程に係る液圧成形装置を説明するための断面図、図９は、図８の液圧成形装置の補助型を説明するための断面図、図１０は、図８の液圧成形装置の側方型を説明するための断面図である。
【００２６】
液圧成形装置２００は、液圧供給手段および成形型を有する。液圧供給手段は、予備成形体２０の端部２２，２６の開口部に挿入され、端部２２，２６を密閉するノズル２１０，２２０を有する。
【００２７】
ノズル２１０は、例えば、増圧シリンダを利用する圧力発生装置や成形媒体源から延長する配管２２５が接続されている。配管２２５は、ノズル２１０の内部を延長する流路２１５に、連結されている。流路２１５は、ノズル２１０の先端に開口部２１６を有している。成形媒体は、配管２２５および流路２１５を経由し、開口部２１６から、予備成形体２０の内部に導入される。成形媒体は、例えば、水である。
【００２８】
成形型は、上型２３０、下型２３５、側方型２４０，２４５、補助型２５０，２５５，２６０，２６５を有する。上型２３０および下型２３５は、互いに近接離間自在に配置され、金属製構造部材４０の水平方向の側壁面４４に対応するキャビティを有する。側方型２４０，２４５は、互いに近接離間自在に配置され、金属製構造部材４０の縦方向の側壁面４５に対応するキャビティを有する。上型２３０、下型２３５および側方型２４０，２４５は、全体として、金属製構造部材４０の側壁に対応する略矩形形状のキャビティを構成する。
【００２９】
補助型２５０，２５５は、予備成形体２０の肉厚およびノズル２１０の外周形状を考慮した半円形状の凹部を有し、互いに近接離間自在に配置されており、ノズル２２０が挿入された予備成形体２０の端部２２を上下方向から押圧し、ノズル２１０と端部２２との間の密閉を確実とするために使用される。補助型２６０，２６５は、予備成形体２０の肉厚およびノズル２２０の外周形状を考慮した半円形状の凹部を有し、互いに近接離間自在に配置されており、ノズル２２０が挿入された予備成形体２０の端部２６を上下方向から押圧し、ノズル２２０と端部２６との間の密閉を確実とするために使用される。
【００３０】
図１１〜図１８を参照し、液圧成形工程を詳述する。図１１は、液圧成形工程における予備成形体のセットを説明するための断面図、図１２は、図１１に続く、ノズルの挿入を説明するための断面図、図１３は、図１２に続く、補助型による押圧を説明するための断面図、図１４は、図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図、図１５は、図１３に続く、側方型による押圧を説明するための断面図、図１６は、図１５の線ＸＶＩ−ＸＶＩに関する断面図、図１７は、図１５に続く、上型および下型による押圧を説明するための断面図、図１８は、図１７の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに関する断面図、図１９は、液圧成形品を説明するための斜視図である。
【００３１】
まず、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有し、予備成形工程から搬入される予備成形体２０が、下型２３５にセットされる（図１１）。そして、予備成形体２０の端部２２，２６の開口部に、ノズル２１０，２２０が挿入される（図１２）。
【００３２】
補助型２５０，２５５は、近接することで、予備成形体２０の端部２２を、上下方向から押圧し、開口部の内面と、ノズル２１０の外周との間を密着させ、補助型２６０，２６５は、同様に、端部２６の内面と、ノズル２２０の外周との間を密着させる（図１３および図１４）。
【００３３】
これによって、予備成形体２０の機密性が確保される。この際、予備成形体２０の端部２２，２６の開口部は、強制的に変形させられるため、予備成形工程におけるせん断変形加工（ねじり変形）の際に、真円度の精度が低下した場合であっても、液圧成形は、十分可能である。
【００３４】
その後、配管２２５および流路２１５を経由し、成形媒体が、ノズル２１０の先端の開口部２１６から、予備成形体２０の内部に導入され、予備成形体２０の内部に液圧が付与される。
【００３５】
液圧が上昇し、予備成形体２０の膨出が開始すると共に、側方型２４０，２４５は近接し、予備成形体２０を側方向から押圧する（図１５および図１６）。
【００３６】
続いて、上型２３０および下型２３５は、徐々に近接し、予備成形体２０を上下方向から押圧する（図１７および図１８）。予備成形体２０の内部の液圧は、上型２３０、下型２３５および側方型２４０，２４５による押圧によって、座屈しないように、制御される。
【００３７】
この際、予備成形体２０の水平方向の側壁面２４には、圧縮歪は殆ど付与されないが、縦方向の側壁面２５には、圧縮歪が付与される。また、予備成形体２０のしわ２８は、上型２３０、下型２３５および側方型２４０，２４５による押圧と、内部液圧とに基づく膨出変形によって消失し、しわ部の曲げ戻し変形により、他の部位に比べて、より大きな歪が付与される。
【００３８】
液圧が所定の最終値に到達すると、成形媒体の供給が停止され、所定時間保持される。そして、除圧した後、型開し、液圧成形品３０が取り出される（図１９）。液圧成形品３０の端部３２，３６は、略円筒状であるため、トリミングすることで、金属製構造部材４０（図１参照）が得られる。
【００３９】
以上のように、液圧成形品３０の素材である予備成形体２０は、板厚減少を伴うことなく、その全面には、せん断歪が付与され、かつ、しわ部には、塑性歪が加えられることで、加工硬化が引起こされている。そして、液圧成形工程において、縦方向の側壁面３５には、圧縮歪が付与され、かつ、しわ部の曲げ戻し変形が生じた強化部位３９には、他の部位に比べて、より大きな歪が付与される。したがって、液圧成形品３０が適用される金属製構造部材４０は、高強度の高価な管状素材を適用することなく、強度が確保されており、良好な強度および製造コストを有する。
【００４０】
なお、液圧成形品３０の水平方向の側壁面３４は、液圧成形工程において、圧縮歪は殆ど付与されないが、予備成形工程において、歪みを付与している。つまり、本実施の形態は、従来の製造方法においては歪みを付与することができなかった部位を、加工硬化させて強度を向上させることが可能である。
【００４１】
予備成形工程のせん断変形加工（ねじり変形）によって発生するしわは、液圧成形工程において消失させることが可能である。また、せん断変形加工は、板厚減少を伴わないため、液圧成形工程における板厚減少に基づくネッキングによる成形不良の発生を考慮することなく、せん断変形加工の条件を決定することができる。そのため、せん断変形加工の制御条件の自由度が大きく、例えば、しわの発生を抑制しないことで、大きなせん断歪を付与することが可能である。
【００４２】
管材１０の素材として、歪時効性を有する金属材料、例えば、鋼あるいはアルミニウム合金を使用する場合、予備成形体２０または液圧成形品３０に対して、歪時効処理を施すための工程を有することも好ましい。歪時効処理は、例えば、１７０℃×２０分の熱処理によって、強度を向上させる処理である。
【００４３】
図２０は、圧潰試験を説明するための斜視図、図２１は、圧潰試験に適用された試験片（実施例１〜４および比較例１）の作成条件を説明するための図表である。
【００４４】
圧潰試験においては、ベースプレート３２０に溶接により接合された試験体（実施例１〜４および比較例１）３１０に対し、ストライカ３３０を落下させて衝撃を与え、変位５０ｍｍにおけるエネルギ吸収量で評価した。
【００４５】
試験片３１０は、７５ｍｍ×７５ｍｍの矩形断面形状を有する中空管であり、その中心軸の延長方向の長さは、２００ｍｍである。試験片３１０の一方の端部３１２が溶接部３４０を介してベースプレート３２０に固定され、他方の端部３１６が、ストライカ３３０と相対する。ストライカ３３０の重量および落下速度は、５００ｋｇおよび１０ｍ／秒であり、試験片３１０の端部３１６と衝突する下面３３５は、水平かつ平坦な面を構成している。
【００４６】
実施例１〜４および比較例１は、素材が共通であり、２．０ｍｍの板厚かつ５９０ＭＰａの引張強度を有する歪時効性の鋼材が適用されている。鋼材における一軸引張の２％付与後に歪時効処理として１７０℃×２０分の熱処理を実施した後の耐力の上昇は、２０〜３０ＭＰａ程度である。
【００４７】
実施例１は、予備成形工程のねじり変形において、２２．５度回転され、液圧成形工程の後で、液圧成形品の端部を切断することで、その中心軸の延長方向の長さが、２００ｍｍに調整されている。実施例２は、予備成形工程のねじり変形において、２２．５度回転後さらに２２．５度逆回転されている点で、実施例１と異なる。
【００４８】
実施例３は、液圧成形工程の後において、歪時効処理として１７０℃×２０分の熱処理を施している点で、実施例１と異なる。実施例４は、歪時効処理として１７０℃×２０分の熱処理を施している点で、実施例２と異なる。
【００４９】
比較例１は、予備成形工程を経ていない点で、実施例１と異なる。
【００５０】
図２２は、圧潰試験の試験結果を説明するためのグラフである。
【００５１】
実施例１〜４のエネルギ吸収量は、約７４００Ｊ〜約７９００Ｊである。比較例のエネルギ吸収量は、約６６００Ｊである。したがって、実施例１〜４は、比較例と同一形状でありながら、比較例に比べ、良好な吸収エネルギ量を有し、強度が向上していることが確認された。
【００５２】
実施例１および実施例２のエネルギ吸収量は、約７４００Ｊおよび約７７００Ｊであり、実施例３および実施例４のエネルギ吸収量は、約７６００Ｊおよび約７９００Ｊである。したがって、実施例２，４は、それぞれ実施例１，３より、良好な吸収エネルギ量を有しており、予備成形工程のねじり変形において、回転方向を変更しつつ、複数回繰り返すことで、せん断歪が増幅されていることが確認された。
【００５３】
実施例３，４は、それぞれ実施例１，２より良好な吸収エネルギ量を有しており、歪時効処理によって、強度が向上していることが確認された。
【００５４】
以上のように、本実施の形態によれば、管状素材に対して、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされて、予備成形体が形成される。せん断歪の付与は、予備成形体に板厚減少を引起こさない。そのため、高強度の高価な管状素材を使用することなく、金属製構造部材に適用される液圧成形品の強度を確保することが可能である。つまり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材の製造方法を提供することができる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、高強度の高価な管状素材を適用することなく、強度が確保された液圧成形品が製造される。したがって、前記液圧成形品が適用される金属製構造部材は、良好な強度および製造コストを有する。つまり、良好な強度および製造コストを有する金属製構造部材を提供することができる。
【００５６】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【００５７】
例えば、金属製構造部材の断面は、矩形形状に限定されず、他の形状を適用することも可能である。また、液圧成形に適用される成形型は、上型、下型、側方型、補助型を有する形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態に係る金属製構造部材を説明するための斜視図である。
【図２】図１の金属製構造部材の素材を説明するための斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る製造方法における予備成形工程の端部加工を説明するための斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る製造方法における予備成形工程のせん断変形加工を説明するための斜視図である。
【図５】図４に係るせん断変形加工装置を説明するための断面図である。
【図６】図５の線ＶＩ−ＶＩに関する断面図である。
【図７】予備成形工程から産出される予備成形体を説明するための斜視図である。
【図８】予備成形工程に続く、液圧成形工程に係る液圧成形装置を説明するための断面図である。
【図９】図８の液圧成形装置の補助型を説明するための断面図である。
【図１０】図８の液圧成形装置の側方型を説明するための断面図である。
【図１１】液圧成形工程における予備成形体のセットを説明するための断面図である。
【図１２】図１１に続く、ノズルの挿入を説明するための断面図である。
【図１３】図１２に続く、補助型による押圧を説明するための断面図である。
【図１４】図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図である。
【図１５】図１３に続く、側方型による押圧を説明するための断面図である。
【図１６】図１５の線ＸＶＩ−ＸＶＩに関する断面図である。
【図１７】図１５に続く、上型および下型による押圧を説明するための断面図である。
【図１８】図１７の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに関する断面図である。
【図１９】液圧成形品を説明するための斜視図である。
【図２０】圧潰試験を説明するための斜視図である。
【図２１】圧潰試験に適用された試験片（実施例１〜４および比較例１）の作成条件を説明するための図表である。
【図２２】圧潰試験の試験結果を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１０・・管材（管状素材）、
１２，１６・・端部、
１３，１７・・凹凸部、
２０・・予備成形体、
２２，２６・・端部、
２３，２７・・凹凸部、
２４，２５・・側壁面、
２８・・しわ、
３０・・液圧成形品、
３２，３６・・端部、
３４，３５・・側壁面、
３９・・強化部位、
４０・・金属製構造部材、
４４，４５・・側壁面、
１１０，１２０・・クランプ部、
１１５，１２５・・突起、
２００・・液圧成形装置、
２１０，２２０・・ノズル、
２１５・・流路、
２１６・・開口部、
２２５・・配管、
２３０・・上型、
２３５・・下型、
２４０，２４５・・側方型、
２５０，２５５，２６０，２６５・・補助型、
３１０・・試験片、
３１２，３１６・・端部、
３２０・・ベースプレート、
３３０・・ストライカ、
３３５・・下面、
３４０・・溶接部、
Ｓ１，Ｓ２・・中心軸、
Ｘ，Ｙ・・延長方向。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空状断面を有する金属製構造部材の製造方法であって、
管状素材から、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有する予備成形体を形成するための工程、および、
前記予備成形体の内部に、液圧を付与して膨出変形させることで、前記金属製構造部材に適用される液圧成形品を形成するための工程
を有することを特徴とする金属製構造部材の製造方法。
【請求項２】
前記管状素材は、前記管状素材の中心軸の延長方向に対し直交する方向に関し、略円形断面を有することを特徴とする請求項１に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項３】
前記予備成形体を形成するための工程において、前記管状素材に、せん断変形加工を施すことによって、前記管状素材の中心軸の延長方向に対する直角方向に、せん断歪が付与されることを特徴とする請求項２に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項４】
前記せん断変形加工は、前記管状素材の長手方向の両端部を拘束し、前記管状素材に対して、前記管状素材の中心軸に関するねじり変形を引起こすことによって実施されることを特徴とする請求項３に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項５】
前記ねじり変形は、しわを発生させることを特徴とする請求項４に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項６】
前記しわは、液圧成形品を形成するための工程において、前記予備成形体の膨出変形によって消滅させられることを特徴とする請求項５に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項７】
前記管状素材は、歪時効性を有する金属材料からなり、
前記予備成形体または前記液圧成形品に対して、歪時効処理を施すための工程を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項８】
前記金属材料は、鋼あるいはアルミニウム合金あるいはマグネシウム合金であることを特徴とする請求項７に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属製構造部材の製造方法によって製造されたことを特徴とする金属製構造部材。
【請求項１０】
前記金属製構造部材は、自動車用構造部材に適用されることを特徴とする請求項９に記載の金属製構造部材。
【請求項１１】
前記自動車構造部材は、ピラーあるいはメンバーであることを特徴とする請求項１０に記載の金属製構造部材。
【請求項１】
中空状断面を有する金属製構造部材の製造方法であって、
管状素材から、せん断歪の付与に基づく加工硬化が引起こされた部位を有する予備成形体を形成するための工程、および、
前記予備成形体の内部に、液圧を付与して膨出変形させることで、前記金属製構造部材に適用される液圧成形品を形成するための工程
を有することを特徴とする金属製構造部材の製造方法。
【請求項２】
前記管状素材は、前記管状素材の中心軸の延長方向に対し直交する方向に関し、略円形断面を有することを特徴とする請求項１に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項３】
前記予備成形体を形成するための工程において、前記管状素材に、せん断変形加工を施すことによって、前記管状素材の中心軸の延長方向に対する直角方向に、せん断歪が付与されることを特徴とする請求項２に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項４】
前記せん断変形加工は、前記管状素材の長手方向の両端部を拘束し、前記管状素材に対して、前記管状素材の中心軸に関するねじり変形を引起こすことによって実施されることを特徴とする請求項３に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項５】
前記ねじり変形は、しわを発生させることを特徴とする請求項４に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項６】
前記しわは、液圧成形品を形成するための工程において、前記予備成形体の膨出変形によって消滅させられることを特徴とする請求項５に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項７】
前記管状素材は、歪時効性を有する金属材料からなり、
前記予備成形体または前記液圧成形品に対して、歪時効処理を施すための工程を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項８】
前記金属材料は、鋼あるいはアルミニウム合金あるいはマグネシウム合金であることを特徴とする請求項７に記載の金属製構造部材の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属製構造部材の製造方法によって製造されたことを特徴とする金属製構造部材。
【請求項１０】
前記金属製構造部材は、自動車用構造部材に適用されることを特徴とする請求項９に記載の金属製構造部材。
【請求項１１】
前記自動車構造部材は、ピラーあるいはメンバーであることを特徴とする請求項１０に記載の金属製構造部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００６−２５５７５０（Ｐ２００６−２５５７５０Ａ）
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−７５６９７（Ｐ２００５−７５６９７）
【出願日】平成１７年３月１６日（２００５．３．１６）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１６日（２００５．３．１６）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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