CN102361709A

CN102361709A - 空心构件

Info

Publication number: CN102361709A
Application number: CN2010800129084A
Authority: CN
Inventors: 富泽淳; 岛田直明; 吉田经尊
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: AU2010207284B2; JP5278445B2; MX2011007748A; EP2390021B1; CA2750285C; US20120013148A1; US8635835B2; EA021851B1; CN102361709B; KR20140088233A; EP2390021A4; EP2390021A1; ES2607703T3; JPWO2010084898A1; BRPI1007219A2; AU2010207284A1; EA201170945A1; KR101624818B1; CA2750285A1; KR20110111488A

Abstract

本发明提供一种由于具有例如780MPa以上的高强度和复杂的形状而适合作为汽车部件的、刚性和冲撞特性优良且轻量的空心构件。空心构件(11)包括空心的钢制的主体(14)。主体(14)至少在长度方向上由一个部件构成。主体(14)具有扁平截面，该扁平截面至少具有最大外部尺寸(L₁)的部分和比该最大外部尺寸(L₁)小的外部尺寸(L₂)的部分。主体(14)在其长度方向的一部分具有扭转部。包含以扭转部(17)为界而存在于主体(14)的长度方向一侧的第1部分(15)中的最大外部尺寸(L₁)的部分在内的假想的平面(15a)与包含以扭转部(17)为界而存在于主体(14)的长度方向另一侧的第2部分(16)中的最大外部尺寸(L₁)的部分在内的假想的平面(16a)交叉的角度为4度以上。并且，扭转部(17)至少具有780MPa的拉伸强度。

Description

空心构件

技术领域

本发明涉及一种空心构件。具体地讲，本发明涉及一种刚性、冲撞特性优良的轻量的空心构件。

背景技术

金属制的强度构件、加强构件或者构造构件可用于汽车、各种机械。对这些构件要求高强度、轻量且小型。这些构件以往是利用冲压加工件的焊接、厚板的冲裁或者锻造这样的加工手段来制造的。但是，使利用这些制造方法制造成的构件更加轻量化或者小型化极为困难。在例如通过将冲压加工后的两张面板局部重合地焊接来制造焊接件的情况下，需要在面板的缘设置被称作凸缘的余料部分，因此，焊接件的重量不可避免地增加用于形成余料部分的量。

被称作液压成形的加工法(例如参照非专利文献1)通过向配置在模具内的原料、即管的内部导入高压的加工液，使管以管的外表面沿着模具的内表面的方式膨胀变形，从而将管成形为复杂的形状。复杂形状的部件通过液压成形一体成形，而不需要形成凸缘。由于液压成形能谋求汽车部件的轻量化，因此，近年来被积极地应用于汽车部件。

液压成形是冷加工。因此，在将例如780MPa以上这样的高强度的原料成形为复杂形状的汽车部件时，由于原料的延展性不够，因此非常困难。液压成形的制造工序通常需要弯曲、预成形及液压成形这3个工序，因此比较繁琐。并且，液压成形加工机大型且比较昂贵。

本发明人之前通过专利文献1公开了加工装置。图7是表示该加工装置0的概略的说明图。

加工装置0利用以下列举的步骤来制造将金属材料1作为原料的弯曲构件。

(a)支承部件2以使金属材料1能沿其轴向自由移动的方式支承该金属材料1。

(b)在利用输送装置3从上游侧朝向下游侧输送由支承部件2支承的金属材料1的同时，在支承部件2的下游对金属材料1进行弯曲加工。

(c)弯曲加工如下所述地进行。配置在支承部件2的下游的感应加热线圈5将金属材料1急速加热到能够局部淬火的温度。配置在紧接着感应加热线圈5的下游的冷却装置(例如水冷装置)6将金属材料1骤冷。可动辊模4具有至少一组辊对4a，该辊对4a能够在输送金属材料1的同时支承该金属材料1。可动辊模4配置在冷却装置6的下游。通过二维或三维地改变可动辊模4的位置，来对金属材料1的加热后的部分施加弯曲力矩。

即，弯曲构件利用加工装置0由以下所示的工序来制造。

(Ⅰ)利用一对辊，将具有空心的闭合截面形状并在长度方向上由一个部件构成的纵长的金属材料1加工成具有相对配置的一对长边的、具有扁平且空心的闭合截面形状的金属制的纵长的中间构件。

(Ⅱ)输送装置3将该中间构件沿其长度方向相对地输送。

(Ⅲ)支承部件2在第1位置支承输送来的中间构件。

(Ⅳ)感应加热线圈5在中间构件的输送方向上的比第1位置靠下游的第2位置将输送来的中间构件局部地加热。

(Ⅴ)冷却装置6在中间构件的输送方向上的比第2位置靠下游的第3位置将输送来的中间构件的被加热后的部分冷却。

(Ⅵ)在中间构件的输送方向上的比第3位置靠下游的区域中，通过二维或三维地改变用于支承输送来的中间构件的可动辊模4的位置，来对中间构件的被加热后的部分施加弯曲力矩。

加工装置0利用采用比较廉价的成形机进行的简单的工序，能够将具有例如780MPa以上这样的高强度及复杂形状的汽车部件一体成形。这样，能够利用加工装置0制造具有高刚性的弯曲构件。

专利文献1：国际公开WO 2006/093006号手册

非专利文献1：汽车技术Nov.57，No.6(2003)23～28页

发明内容

发明要解决的问题

作为汽车部件的强度构件、加强构件或者构造构件，比以往更加强烈地寻求一种不仅具有高强度和复杂的形状、也具有高刚性和优良的冲撞特性的轻量的构件。因此，需要进一步提高利用加工装置0制造成的弯曲构件的性能。

用于解决问题的方案

本发明是一种空心构件，该空心构件具有空心的金属制、优选为钢制的主体，其特征在于，具有以下要素：

(要素1)主体至少在长度方向上由一个部件构成；

(要素2)主体具有扁平截面，该扁平截面至少具有最大外部尺寸的部分和比该最大外部尺寸小的外部尺寸的部分；

(要素3)主体在长度方向的一部分具有扭转部；

(要素4)包含第1部分中的最大外部尺寸的部分在内的假想的平面与包含第2部分中的最大外部尺寸的部分在内的假想的平面交叉的角度不是0度，上述第1部分以扭转部为界而存在于主体的长度方向的一侧，上述第2部分以扭转部为界而存在于主体的长度方向的另一侧；以及

(要素5)扭转部至少具有780MPa的拉伸强度。

在本发明中，优选主体具有一个以上弯曲部。

在本发明中，(最大外部尺寸)/(比最大外部尺寸小的外部尺寸)优选为1.2以上，更优选为1.5以上。

在本发明中，交叉的角度优选为4度以上，更优选为5度以上。

在本发明中，优选主体具有在主体的长度方向及/或主体的周向上局部形成的淬火部。

在本发明中，优选至少扭转部具有+150MPa以下的残余应力。在本发明中，更优选至少扭转部具有+50MPa以下的残余应力。在本发明中，进一步优选扭转部的大致所有部分具有残留压缩应力。在本说明书中，关于残余应力，正值表示拉伸残余应力，且负值表示压缩残余应力。

在本发明中，这些本发明的空心构件优选用于汽车的强度构件、加强构件或者构造构件。

发明的效果

利用本发明，提供一种由于具有例如780MPa以上的拉伸强度和复杂的形状而适合作为汽车部件的刚性和冲撞特性优良的轻量的空心构件。

附图说明

图1是表示本发明的空心构件的一例的说明图。

图2是表示本发明的空心构件的另一例的说明图。

图3是表示本发明的空心构件的又一例的说明图。

图4是表示通过计算求出空心构件的截面二维力矩的增加率的结果的曲线图，该空心构件具有通过将外周长100mm、壁厚2mm、纵横比k＝1.1、1.2、1.5或2.0的矩形截面扭转θ度而得到的形状。

图5是表示通过计算求出空心构件的截面二维力矩的增加率的结果的曲线图，该空心构件具有通过将外周长100mm、壁厚2mm、纵横比k＝1.2、1.5、2.0或5.0的矩形截面扭转θ度而得到的形状。

图6是表示具有扭转部和弯曲部的空心构件的说明图。

图7是表示本申请人先前利用专利文献1公开的加工装置的概略的说明图。

附图标记说明

0、加工装置；1、金属材料；2、支承部件；3、输送装置；4、可动辊模；5、感应加热线圈；6、冷却装置；11～13、19、空心构件；14、20、主体；15、第1部分；15a、假想的平面；16、第2部分；16a、假想的平面；17、扭转部；17-1、第1扭转部；17-2、第2扭转部；18、弯曲部；21、22、第1部分。

具体实施方式

参照附图说明本发明。在以下的说明中，以空心构件的主体具有矩形截面的情况为例。但是，本发明并不限定于这种情况，能够同等地应用于具有例如椭圆形截面、长圆形截面这样的、主体至少具有最大外部尺寸L₁的部分和比该最大外部尺寸L₁小的外部尺寸L₂的部分的扁平截面的情况。

图1是表示本发明的空心构件的一例11的说明图。图2是表示本发明的空心构件的另一例12的说明图。图3是表示本发明的空心构件的又一例13的说明图。

空心构件11～13均具有空心的金属制(该例子中为钢制)的主体14。

主体14至少在长度方向上由一个部件一体构成。因此，主体14不具有向与长度方向交叉的方向形成的焊接部等的接合部。

主体14具有扁平截面。扁平截面至少具有最大外部尺寸L₁的部分和比该最大外部尺寸L₁小的外部尺寸L₂的部分。

空心构件11～13均在主体14的内部不具有加强件等加强构件。这样，空心构件11～13均具有极为简单的构造。空心构件11～13均为轻量。

主体14在其长度方向的一部分上具有扭转部17。在主体14中，第1部分15以扭转部17为界而存在于主体14的长度方向的一侧。另外，在主体14中，第2部分16以扭转部17为界而存在于长度方向的另一侧。

包含第1部分15中的最大外部尺寸L₁的部分在内的假想的平面15a与包含第2部分16中的最大外部尺寸L₁的部分在内的假想的平面16a交叉的角度(以下称作“交叉角度”)不是0度。并且，扭转部17至少具有780MPa的拉伸强度。

说明空心构件11～13具有扭转部17的理由。通常，将矩形截面的空心构件绕x轴的弯曲刚性EI作为代表的指标，考虑截面二维力矩Ix。在将杨氏模量设为E、将空心构件的宽度设为b、将高度设为h、将壁厚设为t、将纵横比设为k时，b＝kh。

在此，将空心构件的截面扭转θ度的情况下的截面二维力矩I_θx以下式提供。

I_θx＝(1/2)(I_x+I_y)+(1/2)(I_x-I_y)cos2θ

I_x＝(1/12){bh³-(b-2t)(h-2t)³}

I_y＝(1/12){hb³-(h-2t)(b-2t)³}

图4是表示使用上式通过计算求出空心构件的截面二维力矩的增加率的结果的曲线图，该空心构件具有通过将外周长100mm、壁厚2mm、纵横比k＝1.1、1.2、1.5或2.0的矩形截面扭转θ度而得到的形状。

如图4中曲线图所示可知，纵横比越大、即扁平度越大，施加了扭转角的情况下的弯曲刚性的提高越大。

图5是表示使用上式通过计算求出空心构件的截面二维力矩的增加率的结果的曲线图，该空心构件具有通过将外周长100mm、壁厚2mm、纵横比k＝1.2、1.5、2.0或5.0的矩形截面扭转θ度而得到的形状。

如图5中曲线图所示可知，在施加交叉角度为4度以上，优选为5度以上时，弯曲刚性显著提高。

由于空心构件11～13均具有扭转部17，因此，弯曲刚性均提高。

由图4及图5中曲线图所示的结果可知，空心构件11～13的(最大外部尺寸L₁)/(比最大外部尺寸L₁小的外部尺寸L₂)优选为1.2以上，更优选为1.5以上。

扭转部17既可以如图2所示那样在空心构件12的长度方向上仅形成有一个，也可以如图1、图3所示那样在空心构件11、13的长度方向上设置两个，或者也可以设置三个以上。

空心构件11～13通过使用将上述图7所示的加工装置0的一部分改造而成的加工装置，能够简单地制造。即，将构成加工装置0的支承部件2和可动辊模4的辊更换为能够支承空心构件11～13的外表面的孔型辊，并追加设置用于使可动辊模4的位置三维地移动的移动机构。

利用输送装置3，从上游侧朝向下游侧输送由支承部件2以能沿长度方向自由移动的方式支承的空心构件11～13。接着，利用感应加热线圈5，在支承部件2的下游将空心构件11～13急速加热到能够局部淬火的温度。接着，利用冷却装置6将空心构件11～13骤冷。

可动辊模4至少具有一组辊对4a，该辊对4a能够输送并支承空心构件11～13。因此，通过三维地改变可动辊模4的位置，能够在空心构件11～13的被加热后的部分形成扭转部17。

另外，也可以替代该加工装置中的支承部件2、输送装置3和可动辊模4而使用保持在例如一台以上多关节型的通用机器人上的工具，来输送并支承空心构件11～13。即，

(a)使空心构件11～13沿其长度方向相对于感应加热线圈5和冷却装置6相对地移动；

(b)利用例如工业用机器人支承空心构件11～13的以被加热部为界的两侧；以及

(c)通过使支承空心构件11～13的以被加热部为界的两侧或者一侧的工业用机器人动作，来使该两侧或者一侧的位置三维地移动；

从而，即便不使用支承部件2、输送装置3和可动辊模4，也能够在空心构件11～13的被加热后的部分形成扭转部17。

通过将感应加热线圈5对空心构件11～13加热的加热温度设定为能够淬火的温度，并适当地设定冷却装置6对空心构件11～13冷却的冷却速度，能够在空心构件11～13的主体14的长度方向及/或主体14的圆周方向上局部地形成淬火部。通过适当地设定淬火部的形成位置，能够调整空心构件11～13的各种机械特性，因此，能够提供充分地满足例如作为汽车用部件所要求的特性的空心构件11～13。

在该加工装置中，为了防止通过可动辊模4后的空心构件11～13因其自重而变形从而导致尺寸精度降低，优选在可动辊模4的下游侧配置变形防止装置。在可动辊模4的下游侧的区域中，利用变形防止装置对已经完成了加工的空心构件11～13进行定位，从而能够可靠地防止空心构件11～13的变形及尺寸精度的降低。也可以不设置变形防止装置。

作为变形防止装置，能够例示出(a)支承并引导已通过可动辊模4后的空心构件11～13的前端的装置，(b)用于通过搭载已通过可动辊模4后的空心构件11～13来防止空心构件11～13因自重而变形的变形防止台，(c)用于支承已通过可动辊模4后的空心构件11～13的一部分的公知的多关节机器人等。

即使欲利用冷加工在以往公知的、具有扁平截面的空心的金属制的主体且拉伸强度为780MPa以上的空心构件上设置扭转部，空心构件的变形阻力较大，也无法设置扭转部。相对于此，空心构件11～13能够利用例如采用将加工装置0的一部分稍微改造而成的加工装置的热加工来制造，因此，能够极其容易且可靠地在主体14上形成扭转部17。

另外，由于该加工装置0利用淬火来形成扭转部17，因此，能够简单地将扭转部17的拉伸强度提高到780MPa以上。

并且，该扭转部17具有优良的疲劳特性。说明其理由。

通常，在冷条件下对空心构件进行扭转加工来制造制品时，在制品中产生比较大的残余应力。朝向制品的轴向地在扭转加工部的内周侧表面产生拉伸残余应力。另外，朝向制品的轴向地在扭转加工部的外周侧表面产生压缩残余应力。产生的残余应力也达到屈服应力的30％～40％。

由于具有例如780MPa、980MPa这样的高强度的空心构件的材料的延展性不够，因此，只能对具有弯曲半径极大的扭转部的制品够进行扭转加工。即使较低地估计，也会在该制品的表面产生+200MPa以上的残余应力(拉伸残余应力)的可能性也较高。众所周知，在制品的表面产生拉伸残余应力时，该制品承受反复变形的情况下的疲劳特性会大幅度降低。

另外，在冷条件下对具有780MPa、980MPa甚至1200MPa这样的高强度的空心构件进行扭转加工来制造制品的方法目前并不存在。因此，不存在公开有该制品的残余应力的测定值的公知文献。即便假定能够在冷条件下对具有高强度的空心构件进行扭转加工，也不可避免地会在扭转部产生极大的拉伸残余应力。并且，在具有1200MPa以上的高强度的空心构件产生很大的拉伸残余应力时，产生延迟破坏的危险性也升高。这样的制品无法用作汽车部件。

相对于此，利用加工装置0形成的扭转部17通过热扭转加工来形成。在扭转部17不会产生因冷扭转加工产生的很大的拉伸残余应力。

表1表示利用加工装置0通过X射线应力测定法测定制品轴向的表面的残余应力(单位：MPa)的结果，该制品是通过以弯曲变形600mm、每单位长度的扭转角0.2°/mm对壁厚1.8mm、长40mm及宽50mm的空心方材进行扭转加工而得到的，该空心方材由含有0.2质量％的C且含B的钢构成。表2表示该制品周向的表面的残余应力的测定结果。

表1、2中的角度在周向的位置是将横向50mm的上表面中央位置的角度设为0度的情况下的测定位置的角度。用于测定残余应力的X射线测定器是株式会社MAC Science(现公司名Bruker-AXS株式会社)制的MXP-3。

表1

0°	90°	180°	270°
				-194	-210	-224	-217
-170	-243	-172	-76
				-68	-50	-24	-148

表2

0°	90°	180°	270°
				-214	-78	-224	-283
-316	-71	-183	-187
				+123	+15	+108	-88

如表1所示，在制品的表面上，在轴向上未产生很大的拉伸残余应力，而产生了压缩残余应力。另外，如表2所示，在制品的表面上，在周向上未产生很大的拉伸残余应力，而产生了压缩残余应力或者很小的拉伸残余应力。

这样，至少扭转部17具有+150MPa以下的残余应力、优选为+50MPa以下的残余应力。更优选为，至少扭转部17的大致所有部分具有残留压缩应力。因此，该制品的疲劳特性极为优良。

在利用加工装置0制造的制品表面的残余应力为+150MPa以下时，成为以往所没有的程度很小的值的理由并不明确，但一般推断为是由于利用加工装置0进行的加热和冷却导致马氏体相变的板厚方向分布变动。

另外，也可以在空心构件11～13的主体14上不仅形成扭转部17，也使用将图7所示的加工装置0的一部分改造而成的加工装置形成一个以上在假想的平面15a、16a内弯曲的弯曲部。由此，也能够提供更加复杂的形状的空心构件。

图6是表示具有第1扭转部17-1、第2扭转部17-2和弯曲部18的空心构件19的说明图。

第1扭转部17-1和第2扭转部17-2形成在空心构件19的主体20上。另外，弯曲部18形成在第1部分21与第1部分22之间，该第1部分以第1扭转部17-1为界而存在于主体20的长度方向的一侧，该第1部分22以第2扭转部17-2为界而存在于主体20的长度方向的一侧。

这样，采用本发明，能够利用简单的工序、使用比较小型且廉价的成形机提供一种由于具有例如780MPa以上的高强度和复杂的形状而适合作为汽车部件的刚性和冲撞特性优良的轻量的空心构件。

Claims

1.一种空心构件，该空心构件具有空心的金属制的主体，其特征在于，具有以下的要素1～5：

(要素1)上述主体至少在长度方向上由一个部件构成；

(要素2)上述主体具有扁平截面，该扁平截面至少具有最大外部尺寸的部分和比该最大外部尺寸小的外部尺寸的部分；

(要素3)上述主体在长度方向的一部分具有扭转部；

(要素4)包含第1部分中的上述最大外部尺寸的部分在内的假想的平面与包含第2部分中的上述最大外部尺寸的部分在内的假想的平面交叉的角度不是0度，上述第1部分以上述扭转部为界而存在于上述主体的长度方向的一侧，上述第2部分以上述扭转部为界而存在于上述主体的长度方向的另一侧；

(要素5)上述扭转部至少具有780MPa的拉伸强度。

2.根据权利要求1所述的空心构件，其中，

上述主体具有一个以上弯曲部。

3.根据权利要求1所述的空心构件，其中，

(上述最大外部尺寸)/(上述比上述最大外部尺寸小的外部尺寸)为1.2以上。

4.根据权利要求1所述的空心构件，其中，

上述交叉的角度为4度以上。

5.根据权利要求1所述的空心构件，其中，

上述主体具有在该主体的长度方向及/或该主体的周向上局部形成的淬火部。