JP2007090940A

JP2007090940A - 形状凍結性に優れたハット型金属製部材とその設計方法

Info

Publication number: JP2007090940A
Application number: JP2005279893A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Daimaru; 成一大丸; Kiyoshi Nonomura; 潔野々村; Akishi Yoshida; 晃士吉田; Tetsuo Nuriki; 哲夫塗木; Yasuteru Kawahara; 康照川原
Original assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: JP4761905B2

Abstract

【課題】本発明は、特に自動車用部品に用いられるハット型断面を有し長手方向に湾曲した金属製部材とその設計方法を提供する。
【解決手段】自動車のルーフサイドレールアウタのような断面ハット型で長手方向に湾曲した金属製部材の長手方向に高さ、幅の何れか一方または両方が変化する徐変部を設けることを特徴とする形状凍結性に優れたハット型金属製部材。更に長手方向の曲率半径の最小部から前記部材端部までの距離Ｌ（ｍｍ）と、徐変部の開始端から部材端部までの距離Ｐ（ｍｍ）を図１に示す領域とすることで、この金属製部材の成形後の捩じり量を約５ｍｍ以下と従来の１／３以下に抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に自動車用部品に用いられるハット型断面を有し長手方向に湾曲した金属製部材とその設計方法に関する。

近年、自動車用車体の強度補強部材には断面ハット型形状部材が多く用いられている。この断面ハット型形状部材は図４に示すような形状に成形加工されるが、この断面ハット型形状部材１は部材長手方向に湾曲形状部２を有している。例えば、長さ１０００ｍｍ、ハット頭部幅９５ｍｍ、壁部長さ４０ｍｍの部材１を曲率半径Ｒ：１０００ｍｍの湾曲部を有するように成形加工した場合、成形時の残留応力に起因するスプリングバックが生じ、断面ハット型形状部材の成形時の捩じれの問題としてクローズアップされてきている。この捩じれは、ハット型形状部材の成形（プレス）加工する場合、加工後に湾曲形状に起因する応力差により図５に示すように３次元的な大きな捩じれを生じる。特に、自動車用部品では、衝突安全性の観点から引張強度に優れた高強度鋼板を用いる傾向にあるが、この捩じれ現象は部材の高強度化に従って大きくなり、極端な場合には最大１５ｍｍ程度の捩じれが発生し、その後の部材組み立て工程で大きな問題となっている。
このように、断面ハット型形状部材の成形において形状凍結性の確保が非常に重要な技術課題となっている。この３次元形状でのスプリングバックによる捻りの修正は従来の２次元形状の反りなどによる矯正では律しきれない。

上述したスプリングバックを防止する方法としては、例えば、特許文献１に開示されているように、金属板に向かって凸となる断面半円形状の凸部を頭部に有するポンチを用い断面ハット型形状の壁部となる金属板部分にポンチの凸部を接触させ、金属板のハット頭部となる部品が外側に向かって凸となる凸形状に成形する予備加工を行い、次いで所定のハット形状をうるためのポンチを用いて仕上げ加工する方法や、特許文献２に開示されているように、ハット型部材本体部とフランジ部の連続成形角部に間欠的にビード部を形成して大きな残留歪みを生じさせることにより角部形状を所望の形状とすることで問題となるスプリングバック、口開き、反りの発生を抑制する方法が提案されている。
しかしながら、本発明が課題とする断面ハット型形状部材の成形時に発生する３次元の捩じれの問題については何らの改善策が採られていない実情にある。

特開２００４−１８１５０２号公報特開２０００−２１９１６２号公報

本発明は、特に自動車用部材に用いられる断面ハット型を有し、長手方向に湾曲した金属部材において、３次元の捩じれに対する形状凍結性に優れた部材とその設計方法を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次のとおりである。
（１）ハット型断面を有し、長手方向に湾曲した金属製部材であって、前記部材の長手方向に高さ、幅の何れか一方または両方が変化する徐変部を設けることを特徴とする形状凍結性に優れたハット型金属製部材。
（２）長手方向の曲率半径の最小部から前記部材端部までの距離Ｌ（ｍｍ）と、前記徐変部の開始端から前記部材端部までの距離Ｐ（ｍｍ）が図１に示す領域に含まれることを特徴とする（１）に記載の形状凍結性に優れたハット型金属製部材。
（３）前記曲率半径の最小部がＲ２５０〜Ｒ２０００ｍｍで、前記曲率半径の最小部から部材端部までの距離が５０〜５００ｍｍあることを特徴とする（１）又は（２）に記載の形状凍結性に優れたハット型金属製部材。
（４）前記徐変部の高さの差が５〜５０ｍｍ、幅の差が０〜５０ｍｍ、徐変部の投影面長さが５０〜２５０ｍｍ、徐変部の部材側面からみたところの角度が５〜１５度の何れか１つまたは２つ以上の条件を満たすことを特徴とする（１）〜（３）の何れかに記載の形状凍結性に優れたハット型金属製部材。
（５）ハット型断面を有し、長手方向に湾曲した金属製部材であって、前記部材の長手方向に高さ、幅の何れか一方または両方が変化する徐変部を設け、かつ前記長手方向の曲率半径の最小部から前記部材端部までの距離Ｌ（ｍｍ）と、前記徐変部の開始端から前記部材端部までの距離Ｐ（ｍｍ）が図１に示す領域に含まれるように徐変部を設けることを特徴とする形状凍結性に優れたハット型金属製部材の設計方法。
（６）更に、前記徐変部の高さの差が５〜５０ｍｍ、幅の差が０〜５０ｍｍ、徐変部の投影面長さが５０〜２５０ｍｍ、徐変部の部材側面からみたところの角度が５〜１５度の何れか１つまたは２つ以上の条件を満たすよう設計することを特徴とする（５）記載の形状凍結性に優れたハット型金属製部材の設計方法。

本発明により、自動車用部材に用いられる断面ハット型金属製部材の成形時に発生する捩じれを、部材に徐変部を設けて成形加工することで、湾曲成形により生じた応力差を緩和でき、捩じりを従来の１０分の１と大幅に低減することが可能となり、牽いては成形工程の短縮が可能となる。

従来、自動車用部材に用いられる断面ハット型金属製部材は、図４に示すように、長手方向にほぼ同一の断面を有している部材が多いが、この部材を成形（プレス）加工した場合、加工後に湾曲形状に起因する応力差、すなわち、外側の湾曲部には圧縮応力が作用し、内側の湾曲部には引張応力が作用し、３次元的な大きな「捩じれ」を生じる。これを図５のＡ₁−Ａ₁断面でみた場合、点線で示した要求成形形状に対して実線で示した傾き、すなわち、最大約１５ｍｍ程度捩じれた形状となる現象が起こる。特に、自動車用部品では、衝突安全性の観点から引張強度の高い高強度鋼板を用いる傾向にあるが、この捩じれ現象は高強度化するに従い頻発するようになり、その後の組み立て工程に大きな支障を生じている。

そこで、本発明においては、自動車のルーフサイドレールアウタのような断面ハット型で長手方向に湾曲した金属製部材の長手方向に、高さ、幅の何れか一方または両方が変化する徐変部を設けることで、捩じり量を最大１０ｍｍ以下に低減することができる。
更に長手方向の曲率半径の最小部から前記部材端部までの距離Ｌ（ｍｍ）と、徐変部の開始端から部材端部までの距離Ｐ（ｍｍ）を図１に示す領域とすることで、前記捩じり量を最大５ｍｍ以下に低減させることができる。好ましくは、前記領域において、式Ｐ＝Ｌ−２００と、式Ｐ＝Ｌ−１００で囲まれる領域で、しかもＰ≧０ｍｍ、Ｌ≦５００ｍｍとすることで、この金属製部材の成形後の捩じり量を最大３ｍｍ以下と従来の１／５以下に抑えることができる。図１において、○印は捻じり量が最大３ｍｍ以下、△印は捻じり量が最大５ｍｍ以下を示す。
更に、上記曲率半径の最小部がＲ２５０〜Ｒ２０００ｍｍ、前記曲率半径の最小部から部材端部までの距離が５０〜５００ｍｍ、徐変部の高さの差が５〜５０ｍｍ、幅の差が０〜５０ｍｍ、徐変部の投影面長さが５０〜２５０ｍｍ、徐変部の部材側面からみたところの角度が５〜１５度の何れか１つまたは２つ以上の条件を満たすように成形することで上記捩じり量を最大１．５ｍｍ以下に軽減することが可能となる。

本発明者らは、上記ルーフサイドレールアウタ部材のスプリングバック現象について幾多の解析を進めている中で、この部材の直近の部材端部から長手方向に徐変部、すなわち長手方向に高さ、幅の何れか一方または両方が変化する形状徐変部を設けることでプレス成形時に発生する応力を相殺しうることが判明し、図５の従来品に比べ、捻じり量が最大１０ｍｍ以下に減少することを知見した。
加えて上記徐変部位置について部材端および曲率半径の最小部の位置との関連を調査した。その結果、徐変部の開始端から部材端部までの距離Ｐと、長手方向の曲率半径の最小部から前記部材端部までの距離Ｌとの関係において、Ｌ−２５０≦Ｐ≦Ｌ＋２５０とすることで、スプリングバックによる捩れ量を図５の従来品に比べ、捻じり量を最大５ｍｍ以下に減少させる傾向が得られた。このことは、上記関係とすることで、徐変部の圧縮応力と伸びフランジの引張応力が効率的に相殺されることにより、捩れを発生させる引張応力が緩和されると考えられる。徐変部の開始端から部材端部までの距離Ｐと、長手方向の曲率半径の最小部から前記部材端部までの距離Ｌとの関係が上記範囲以外にある場合は、徐変部の圧縮応力が、伸びフランジ部の引張応力の相殺について効率的に働かずにスプリングバックによる捩れ量を従来品に比べ大幅に減少させることができなかったためであると考えられる。これをプロットしたものが図１である。

図１から分かるように、ＰがＬより−２５０〜＋２５０ｍｍの領域がスプリングバックによる捩じり低減に良好であることが分かる。すなわち、ＰがＬより−２５０〜＋２５０ｍｍの領域では徐変部に発生させた圧縮応力が、伸びフランジ部の引張応力を効果的に相殺させ、スプリングバックによる捩じり低減に効果的であることが分かり、成形後の部材の捩じれは要求形状に対して最大５ｍｍ以下に抑えることができた。
ここに、曲率半径の最小部がＲ２５０〜Ｒ２０００ｍｍ、
曲率半径の最小部から部材端部までの距離が５０〜５００ｍｍ、
の何れの条件も満たすと徐変部の圧縮応力を効果的に伸びフランジ部に作用させることができるため、成形後の部材の捻じれ量を上記の発明との組合せにより、最大３ｍｍ以下に抑えることができる。
また、徐変部の高さの差が５〜５０ｍｍ、
幅の差が０〜５０ｍｍ、
徐変部の投影面長さが５０〜２５０ｍｍ、
徐変部の部材側面からみたところの角度が５〜１５度
の何れか１つまたは２つ以上の条件を満たすことにより、徐変部に効果的に圧縮応力を発生させることができ、伸びフランジ部に発生する引張り応力に対して一層効果的に働くことで、上記の発明との組合せにより、スプリングバックによる捩じれ量を最大１．５ｍｍ以下と大幅に低減させることができる。

本発明による断面ハット型は、図６に示すように、種々の形態をとることができる。例えば図６の（ａ）に示すように、両側にフランジ部を持つハット型が一般的であるが、図６の（ｂ）は、フランジ部を持たないコの字形状を示す。図６の（ｃ）は、片側にフランジを持つ場合を示す。図６の（ｄ）は、ハット型の天板が傾斜している場合を示す。図６の（ｅ）は、ハット型の天板に段差を有している形態を示す。図６の（ｆ）は、ハット型の両壁の角度が相違している場合を示す。図６の（ｇ）は、ハット型の壁部の角度が図６の（ａ）と比較して浅い場合を示す。本発明によるハット型部材は、これら（ａ）〜（ｇ）のいずれか１つ若しくは２つ以上の形状が複合されたもの、またはこれらと同等なものであっても良い。

本発明による断面ハット型部材の長手方向の曲率半径は、図７の（ｃ）に示すように、前記部材の曲率半径の最小部（Ｒｍｉｎ）を１箇所もつ形態が一般的であるが、種々の態様をとり得る。例えば、図７の（ａ）に示すように、前記部材の長手方向全長に渡り、一定の曲率半径（Ｒｃｏｎｓｔ）を持つ場合もある。この場合は、前記部材の長手方向の任意の場所に１箇所又は２箇所以上の場所に、前記徐変部を設けることができる。また、図７の（ｂ）に示すように、前期部材の最小曲率半径の極値を２箇所以上（Ｒｍｉｎ１、Ｒｍｉｎ２）持つ場合もある。この場合は、それぞれの曲率半径の位置に応じて徐変部を複数箇所設置することができる。

図２に本発明例による断面ハット型部材として、部材長さ：１０００ｍｍ、幅：９５ｍｍ、高さ：４０ｍｍの引張強さ５９０ＭＰａ級の鋼製自動車ルーフサイドレールアウタの概略構成図を示した。曲率半径の最小部における曲率半径は１０００ｍｍである。本発明では図２に示すように、このルーフサイドレールアウタ部材の徐変部３の開始端から部材端部４までの距離Ｐ：１００ｍｍ、長手方向の曲率半径の最小部５から部材端部４までの距離Ｌ：３００ｍｍとし、その間に徐変部３（高さの差：２０ｍｍ、最大幅：６０ｍｍ、最小幅：２０ｍｍ、投影面長さ：１２０ｍｍ、部材側面から見た角度：１０度を設けてプレス成形した。その結果、図３に示すように、上記部材１のＡ₂−Ａ₂断面で見た場合、プレス成形後でも部材の捩じれは要求形状に対して僅か１．５ｍｍ、或いはそれ以下の捩じれとすることができた。
徐変部を設けず、その他の形状は上記の本発明例と同様とした比較例の場合、捻じれ量は最大１５ｍｍであった。

本発明による金属製部材の徐変部の開始端から部材端部までの距離Ｐと長手方向の曲率半径の最小部から部材端部までの距離Ｌと関係を示す図。本発明によるハット型部材のと徐変部位置を示す外観図。本発明による捩じり効果を示す図。従来のハット型部材を示す外観図。従来のハット型部材の捩じり状態を示す図。ハット型の種類を示す図。ハット型部材の曲率半径の種類を示す図。

符号の説明

１断面ハット型形状部材
２湾曲形状部
３徐変部
４部材端部
５長手方向の曲率半径の最小部

Claims

ハット型断面を有し、長手方向に湾曲した金属製部材であって、前記部材の長手方向に高さ、幅の何れか一方または両方が変化する徐変部を設けることを特徴とする形状凍結性に優れたハット型金属製部材。
長手方向の曲率半径の最小部から前記部材端部までの距離Ｌ（ｍｍ）と、前記徐変部の開始端から前記部材端部までの距離Ｐ（ｍｍ）が図１に示す領域に含まれることを特徴とする請求項１に記載の形状凍結性に優れたハット型金属製部材。
前記曲率半径の最小部がＲ２５０〜Ｒ２０００ｍｍで、前記曲率半径の最小部から部材端部までの距離が５０〜５００ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の形状凍結性に優れたハット型金属製部材。
前記徐変部の高さの差が５〜５０ｍｍ、幅の差が０〜５０ｍｍ、徐変部の投影面長さが５０〜２５０ｍｍ、徐変部の部材側面からみたところの角度が５〜１５度の何れか１つまたは２つ以上の条件を満たすことを特徴とする請求項１〜３の何れかの項に記載の形状凍結性に優れたハット型金属製部材。
ハット型断面を有し、長手方向に湾曲した金属製部材であって、前記部材の長手方向に高さ、幅の何れか一方または両方が変化する徐変部を設け、かつ前記長手方向の曲率半径の最小部から前記部材端部までの距離Ｌ（ｍｍ）と、前記徐変部の開始端から前記部材端部までの距離Ｐ（ｍｍ）が図１に示す領域に含まれるように徐変部を設けることを特徴とする形状凍結性に優れたハット型金属製部材の設計方法。
更に、前記徐変部の高さの差が５〜５０ｍｍ、幅の差が０〜５０ｍｍ、徐変部の投影面長さが５０〜２５０ｍｍ、徐変部の部材側面からみたところの角度が５〜１５度の何れか１つまたは２つ以上の条件を満たすように設計することを特徴とする請求項５記載の形状凍結性に優れたハット型金属製部材の設計方法。