JP2005028420A - フランジ付き管状部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 取付用のフランジ部を有するバンパーステイにおいて、フランジ部の強度及び剛性を重量の増大を伴うことなく向上させる。
【解決手段】 アルミニウム管の端部周壁が外径方向に拡開して形成された取付用フランジ３３を軸端に有するバンパーステイ３１。軸部３２と取付用フランジ３３の境界において、車幅方向の内側及び外側の２箇所に、軸端に近いほど外径方向に高く突出して軸部３２と取付用フランジ３３の間を筋交い状につなぐ傾斜壁３５が形成されている。このバンパーステイ３１は、貫通穴が開口する端面が成形面とされ、かつ前記貫通穴の端部の対向する２箇所に溝部が形成された電磁成形用金型を用いて電磁成形する。すなわち、前記貫通穴にアルミニウム管を収容し、かつその端部を前記金型の端面から所定長さ突出させ、電磁成形により前記アルミニウム管の端部及びその近傍の周壁を外径方向に拡開し、前記端面及び前記溝部に沿った形状に成形する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、軸端に取付用フランジを有するフランジ付き管状部材及びその製造方法に関し、より詳しくは、アルミニウム管の端部周壁が電磁成形等により外径方向に拡開して形成された取付用フランジを有するフランジ付き管状部材及びその製造方法に関する。

例えば乗用車やトラック等の自動車車体の前端（フロント）及び後端（リア）に設置されるバンパー内部には、補強部材としてバンパーリインフォースが設けられている。バンパーリインフォースは一般に荷重方向に略垂直に向く前壁と後壁、及びそれらを連結する横壁を有する断面中空の部材であり、後方側から一対のバンパーステイにより支持され、各バンパーステイは後端がサイドメンバ（フロント又はリア）の先端に固定されている。

アルミニウム製のバンパーステイは、大きく分けて縦圧壊型と横圧壊型がある。図９（ａ）に示すように、縦圧壊型のバンパーステイは、軸部１を構成する中空の押出形材の前後端に板状の取付用フランジ２，３（バンパーリインフォース４及びサイドメンバ５の取付用）を溶接したもので、押出軸方向が車体前後方向（バンパーリインフォース４の長手方向に対し略垂直）を向いている。横圧壊型バンパーステイは、図９（ｂ）に示すように、前後端に一体的に取付用フランジ７，８が形成された押出形材６からなり、押出軸方向が車体上下方向（バンパーリインフォース４の長手方向に対し垂直）を向いている。横圧壊型バンパーステイの例として、下記特許文献１〜３が挙げられる。

特開平８−９１１５４号公報 特開２０００−３１８５５２号公報 特開２００１−２９４１０６号公報

縦圧壊型のバンパーステイは、３ピースの部品を溶接により一体化するため一般に製造コストが高く、さらに、図９（ａ）に示すように、バンパーリインフォースの端部取付箇所が車幅方向に対し後方側に傾斜している場合は、軸部押出形材の斜め切断による歩留まり低下、切断コスト及び溶接コストの増大等が問題となる。また、横圧縮型のバンパーステイは、製造コストが安く、バンパーリインフォースの端部取付箇所が車幅方向に対し傾斜又は湾曲していても、容易に対応できる利点があるが、縦圧壊型に比べて重量比エネルギー吸収量が小さく、優位な軽量化効果が得られない点に問題がある。

一方、特願２００２−２００３８６、特願２００２−３５７８２０、特願２００２−３５７８２０の明細書及び図面には、図９（ｃ）に示すように、アルミニウム合金押出材（管材）からなり、軸部１１の両端に電磁成形により取付用フランジ１２，１３が成形されたバンパーステイが記載されている。

このバンパーステイは、図１０に示すように、アルミニウム押出材を所定長さに切断して素材管１４とし、この素材管１４の周囲を電磁成形用の金型１５（複数個の分割金型から構成される）で囲繞するとともに、素材管１４の端部を前記金型１５の端面（成形面）１６，１７から突出させ、素材管１４の内部に挿入した電磁成形用コイル１８に高電圧で蓄電されている電気エネルギー（電荷）を瞬時に投入（放電）することにより製造される。電磁成形とは、電気エネルギーの投入により、電磁成形用コイル１８がきわめて短時間の強力な磁場を形成し、この磁場内におかれたワーク（被加工物）が磁場の反発力（フレミングの左手の法則に従ったＬｏｒｅｎｔｚ力）によって強い拡張力や収縮力を受けて、高速で塑性変形することを利用し、ワークを所定形状に成形する技術であり、この例では、素材管１４は強い拡張力により外径方向（放射方向）に拡開し、前記端面１６，１７の内側では素材管１４は貫通穴１９の内面に押し付けられ、端面１６，１７の外側では素材管１４は該端面１６，１７に押し付けられる。

電磁成形は高速変形であるため、加工形状が複雑な場合にも対応可能であり、かつ金型の成形面に押圧して所定の形状を得るため形状精度がよいという利点がある。従って、前記金型１５の端面（成形面）１６，１７を適宜の形状とすることで、軸方向に垂直な面を有するフランジ（フランジ１３）だけでなく、軸方向に垂直な面に対して傾斜したフランジ（フランジ１２）、あるいは湾曲面からなるフランジなど、バンパーリインフォースやサイドメンバーの取付面の形状に応じた形状のフランジを成形することができる。
なお、電磁成形自体は、下記特許文献４〜１１に記載されているように、公知技術である。

特開昭５８−４６０１号公報 特開平６−３１２２２６号公報 特開平７−１１６７５１号公報 特開平９−１６６１１１号公報 特開平１０−３１４８６９号公報 特開平１１−２０４３４号公報 特開２０００−８６２２８号公報 特開２０００−２６４２４６号公報

ところで、衝突時のバンパーリインフォースの変形をみると、例えば図１１に示すような変形形態をたどる（ポール衝突の例）。この場合、特にバンパーリインフォース４の端部取付箇所が車幅方向に対し傾斜しているため、バンパーステイ６のフランジ７には、バンパーリインフォース４から内側（Ａで示す）に圧縮力が集中し、外側（Ｂで示す）に引張力が作用して、フランジ７が薄肉の場合は板が変形し、バンパーリインフォース４が回転変形を起こす。これにより、衝突初期の荷重が低下してエネルギー吸収量が減少し、さらに、フランジ７とバンパーリインフォース４の接合条件によっては、フランジ７の外側において接合部位が破断するなども問題も生じる。なお、これらの問題は図９（ａ），（ｃ）に示す縦圧縮型バンパーステイでも同様に起こり得る。
バンパーリインフォース４に固定するフランジ７（又はフランジ２，１２）の板厚を肉厚にすることにより、これを防止することができるが、そうするとバンパーステイの重量が増加するという問題が生じる。

また、バンパー以外の一般的なＴ字継ぎ手部品においても、接合部の強度や剛性を確保する必要がある場合が多い。この場合も、所定の強度が得られない場合には、三角形状やＬ字状の補強材を取り付けることで、強度向上が行われている。図１２はその例を示すもので、２つの部材２１，２２が溶接接合されてなるＴ字継ぎ手部品において、（ａ）では三角形状の補強材２３が、（ｂ）ではＬ字状の補強材２４が両者をつなぐように溶接されている。しかし、これにより強度及び剛性を確保できるとしても、部品点数の増加、重量の増大、溶接コストの増大等の問題が生じる。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたもので、取付用のフランジ部を有するバンパーステイにおいて、フランジ部の強度及び剛性を重量の増大を伴うことなく向上させることを目的とする。また、一般的に取付用のフランジ部を有するＴ字継ぎ手部品において、同じくフランジ部の強度及び剛性を重量の増大を伴うことなく向上させることを目的とする。

本発明に係るフランジ付き管状部材は、アルミニウム管の管端部が外径方向に拡開して形成された取付用フランジを軸端に有するフランジ付き管状部材であり、軸部と前記取付用フランジの境界及びその近傍においてその周方向に沿った１又２以上の箇所に、軸端に近いほど外径方向に高く突出して軸部と取付用フランジの間を筋交い状につなぐ傾斜壁が形成されていることを特徴とする。本発明において、アルミニウムはアルミニウム合金を含む。また、アルミニウム管は典型的にはアルミニウム押出材である。
前記取付用フランジは、望ましくは電磁成形により前記アルミニウム管の端部周壁が外径方向に拡開されたものである。また、前記取付用フランジ及び傾斜壁は、望ましくは電磁成形により前記アルミニウム管の端部周壁が外径方向に拡開されたものである。

上記フランジ付き管状部材を電磁成形を利用して製造する場合、貫通穴が開口する端面が成形面とされ、かつ前記貫通穴の端部の周方向に沿った１又は２以上の箇所に前記端面に近いほど深い傾斜した溝部が形成された電磁成形用金型を用い、前記貫通穴にアルミニウム管を収容し、かつその端部を前記金型の端面から所定長さ突出させ、電磁成形により前記アルミニウム管の端部及びその近傍の周壁を外径方向に拡開し、前記端面及び前記溝部に沿った形状に成形する。このとき、前記アルミニウム管としては、一般に断面が長さ方向に沿って変化しない（押出材であれば押出後成形を加えていない）ものを使用すればよいが、前記アルミニウム管の端部近傍の周壁の周方向に沿った１又は数カ所に外径方向に突出した突出部を予め形成し、前記貫通穴に前記アルミニウム管を収容したとき、前記突出部が前記金型の溝部にはまるようにし、そのうえで電磁成形を行うこともできる。なお、突出部の成形はプレス加工やハイドロフォームを利用できる。

本発明に係るフランジ付き管状部材において、取付用フランジ部はアルミニウム管の管端部が拡開して成形されたものであり、軸部とフランジ部をつなぐ筋交い状の傾斜壁もアルミニウム管の一部であるから、フランジ部の強度及び剛性を、重量の増大を伴うことなく向上させることができる。特にフランジ部あるいはフランジ部と傾斜壁を電磁成形により成形する場合、必要な形状を高精度で、かつ容易に得ることができる。
本発明に係るフランジ付き管状部材は、例えばバンパーステイやインストルメントパネルリインフォース、その他のＴ字型継ぎ手として適する。なお、インストルメントパネルリインフォースは、ステアリングサポート、ステアリングハンガービーム、ピラー間クロスメンバーともいわれ、車幅方向に配設されて両端が車両の左右のフレームに固定され、インストルメントパネル、ダクト及びステアリングコラム等を支持するとともに、車両の側面衝突に対して乗員の生存空間を確保する役割をもつ部材であり、例えば特開平１１−１１５５５０号公報、特開２００１−６３６２８号公報、特開２００１−７１９３９号公報、特開２００１−２５３３６８号公報、特開２００２−２１１４４０号公報にはアルミニウム合金製のインストルメントパネル用リインフォースが記載されている。

以下、本発明に係るフランジ付き管状部材について、バンパーステイを例にして具体的に説明する。
図１及び図２（ａ），（ｂ）に示すバンパーステイ３１は、アルミニウム押出材（管材）から電磁成形により成形されたもので、円筒形の軸部３２の前端に軸部３２の軸方向に対し傾斜した面を有する取付用フランジ３３と、後端に軸部３２の軸方向に対し垂直な面を有する取付用フランジ３４が一体的に形成され、さらに軸部３２と取付用フランジ３３の境界及びその近傍の周方向に沿った２カ所に、軸部３２と取付用フランジ３３を筋交い状につなぐ傾斜壁３５が形成されている。この傾斜壁３５は、軸部３２と取付用フランジ３３の境界及びその近傍が前記箇所において外径方向斜めに突出した（軸端に近いほど外径方向に高く突出した）形態であり、略３角形状の２枚の板（３５ａ，３５ｂ）の長辺が所定角度をなして断面略山形に接した形状をなす。

傾斜壁３５は取付用フランジ３３の傾斜の上方側と下方側に形成されており、図３に示すように、バンパーステイ４及びサイドメンバ５に取り付ける際は、傾斜壁３５が車幅方向内側及び外側にくる。この傾斜壁３５は、軸部３２と取付用フランジ３３の間で筋交いとして機能し、取付用フランジの強度及び剛性を向上させ、衝突時に掛かる圧縮力又は引張力により該取付用フランジ３３が容易に変形しないように、該取付用フランジ３３を強化する。なお、傾斜壁３５を車幅方向内側及び外側に配置したのは、先に説明したように、衝突時の圧縮力又は引張力が、特に取付用フランジ３３の車幅方向内側及び外側において問題となるためである。

図４〜図６はバンパーステイ３１の製造方法（電磁成形方法）を示すものである。
使用する電磁成形用金型３６は、貫通穴３７が開口する端面３８，３９が成形面とされ、一方の端面３８は貫通穴３７の軸方向に対し傾斜し、他方の端面３９は前記軸方向に対し垂直である。貫通穴３７の端部（端面３８側の端部）には、端面３８の傾斜の上方側及び下方側に前記端面３８に近いほど深い、傾斜した断面三角形の溝部４１が形成されている。なお、金型３６は、図４に示すように、貫通穴３７の軸方向に平行に４つに分割可能であり、組み合わせたとき、前記端面３８，３９、貫通穴３７及び溝部４１が形成される。金型の分割構造としては、成形後の部品取り出し性を考慮し、形成する溝部４１の頂点で分割される構造をもつことが望ましい。

素材として使用するアルミニウム管４２は断面円形のアルミニウム合金押出材であり、図５に示すように、外径が貫通穴３７の内径とほぼ等しく、一方の端面４２ａは軸方向に対し斜めにカットされ、他方の端面４２ｂは軸方向に対し垂直な面内でカットされている。端面４２ａの傾斜角度は金型３６の端面３８の傾斜角度と同じとされている。
図５に示すように、アルミニウム管４２を貫通穴３７内に収容して、その両端部を端面３８，３９から所定長さ突出させ、かつ端面４２ａが端面３８に対し平行になるように位置決めし、図示しない電磁成形用コイルをアルミニウム管４２内に挿入し、該電磁成形用コイルに電気エネルギーを投入する。これにより、アルミニウム管４２は周壁が瞬間的に外径方向に拡開し、貫通穴３７の内面及び端面３８，３９に押し付けられ、かつ端面３８側においては、アルミニウム管４２の端面３８近傍に位置する周壁の一部は溝部４１の内面に押し付けられる。これにより、前記バンパーステイ３１が成形される。

以上述べたバンパーステイの例では、傾斜壁を車幅方向内側及び外側の２カ所に形成したが、傾斜壁の数、位置等は必要に応じて設定できる。例えば図２（ｃ）に示すのは車幅方向内側及び外側に各２カ所、計４カ所形成した例である。また、傾斜壁は必ずしも車幅方向内側及び外側に対をなして形成する必要はなく、部品の耐荷要件に応じて必要数、適宜の位置に形成すればよい。
また、傾斜壁の形状も、軸端に近いほど外径方向に高く突出し、軸部と取付用フランジの間を筋交い状につなぐものであれば、前記形状に限定されない。

前記の例では、アルミニウム押出材（管材）に事前に何も成形を施すことなく電磁成形に供したが、予成形を施した上で電磁成形に供するようにしてもよい。図７はこれを示すもので、アルミニウム管４２の端部近傍の周方向に沿った１又は２カ所以上の箇所（傾斜壁が形成される予定の箇所）において、該アルミニウム管４２の周壁に、予めプレス成形あるいはハイドロフォーム（バルジ成形を含む）により、外径方向に突出した突出部４３を予め形成しておく。そして、前記金型３６の貫通穴３７にアルミニウム管４２を収容したとき、突出部４３が前記金型３６の溝部４１にはまるようにし、そのうえで電磁成形を行う。これにより、溝部４１の深さが深いとき（逆にいえばバンパーステイ３１に形成される傾斜壁の突出高さが高いとき）など、金型の成形面（特に溝部４１）に正確に沿った成形が可能となる。

また、図８は別の例を示すもので、アルミニウム管４２の周壁に外径方向に突出するように形成された突出部４３が管端に達している。この場合、突出部４３の成形が図７の例に比べて容易に行える利点がある。電磁成形の手順は図７の例と同じであり、金型３６（図７参照）の貫通穴３７にアルミニウム管４２を収容したとき、突出部４３が前記金型３６の溝部４１にはまるようにする。当然、突出部４３の一部（管端側）は金型３６の端面から突出する。

本発明に係るバンパーステイの斜視図である。 その平面図（ａ）、（ａ）のＩ−Ｉ断面図（ｂ）及び別のバンパーステイの平面図（ｃ）である。 そのバンパーステイの取付状態を示す平面図である。 そのバンパーステイを製造するための電磁成形用金型の斜視図である。 電磁成形時の断面図である。 図５のＩＩ−ＩＩ断面図である。 予成形したアルミニウム管の斜視図（ａ）及び金型内に収容したときの断面図（ｂ）である。 他の形態に予成形したアルミニウム管の平面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。 従来のバンパーステイとその取付状態を示す平面図である。 バンパーステイを電磁成形で製造する方法を説明する断面図である。 衝突時のバンパーリインフォース及びバンパーステイの変形形態を模式的に説明する平面図である。 Ｔ字型継ぎ手と補強部材の説明図である。

符号の説明

３１ バンパーステイ
３２ 軸部
３３，３４ 取付用フランジ
３５ 傾斜壁
３６ 電磁成形用金型
３７ 貫通穴
３８，３９ 端面（成形面）
４１ 溝部
４２ アルミニウム管
４３ 突出部

Claims (7)

1. アルミニウム管の端部周壁が外径方向に拡開して形成された取付用フランジを軸端に有するフランジ付き管状部材であり、軸部と前記取付用フランジの境界及びその近傍においてその周方向に沿った１又２以上の箇所に、軸端に近いほど外径方向に高く突出して軸部と前記取付用フランジの間を筋交い状につなぐ傾斜壁が形成されていることを特徴とするフランジ付き管状部材。
2. 前記取付用フランジは電磁成形により前記アルミニウム管の端部周壁が外径方向に拡開されたものであることを特徴とする請求項１に記載されたフランジ付き管状部材。
3. 前記取付用フランジ及び傾斜壁は電磁成形により前記アルミニウム管の端部周壁が外径方向に拡開されたものであることを特徴とする請求項１に記載されたフランジ付き管状部材。
4. 自動車用バンパーステイであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたフランジ付き管状部材。
5. 貫通穴が開口する端面が成形面とされ、かつ前記貫通穴の端部の周方向に沿った１又は２以上の箇所に前記端面に近いほど深い傾斜した溝部が形成された電磁成形用金型を用い、前記貫通穴にアルミニウム管を収容し、かつその端部を前記金型の端面から所定長さ突出させ、電磁成形により前記アルミニウム管の端部及びその近傍の周壁を外径方向に拡開し、前記端面及び前記溝部に沿った形状に成形することを特徴とする請求項１に記載されたフランジ付き管状部材の製造方法。
6. 前記アルミニウム管の端部近傍の周壁の周方向に沿った１又は２以上の箇所に外径方向に突出した突出部を予め形成し、前記貫通穴に前記アルミニウム管を収容したとき、前記突出部が前記金型の溝部にはまるようにし、そのうえで電磁成形を行うことを特徴とする請求項５に記載されたフランジ付き管状部材の製造方法。
7. 貫通穴が開口する端面が成形面とされ、かつ前記貫通穴の端部の周方向に沿った１又は２以上の箇所に前記端面に近いほど深い傾斜した溝部が形成されていることを特徴とする電磁成形用金型。

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