JP2018083216A - 段付管部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て作業性と組み付け精度に優れる段付管部材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】段付管部材３は、大径管部材１の軸方向の一端に、大径管部材１より小径な小径管部材２を固定する接続部１３が設けられる。接続部１３は、縮径管部１２１と、縮径管部１２１から径方向外側に延びる少なくとも１つのフランジ部１２２とを有する。小径管部材２が接続部１３に拡管かしめ固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、径の異なる管を接合した段付管部材及びその製造方法に関する。

自動車の構造部品は、コストや溶接等の施工性の観点から鋼部材が多く用いられている。近年の燃費向上の要求から、鋼部材の一部を軽量な部材で置き換えることが行われており、パネル部材の他、フレーム部材にもそのような軽量化部材を適用することが検討されている。フレームやレインフォース等の部材は、異なる径の管状部材を直列に接合した段付状の部材を構造の一部分に用いることがある。このような部材を、ここでは「段付管部材」と称する。

段付管部材の製造方法として、大径管部材の一端を、大径管大径管の内径が小径管部材の外径に合うように絞り込む加工を適用するものがあり、例えば、スエージ加工により絞込みを行う技術（特許文献１）が知られている。

また、大径管部材の一端を、径方向からプレス成形して複数のフランジを有する接合部を形成し、プレス部の一部に孔を開けて小径管部材に溶接することで、段付管部材を製造する技術も検討されている（特許文献２）。

特開平１０−９９９２２号公報 特開平８−２２８９号公報

ところで、特許文献１の技術によれば、大径管部材の絞り込んだ先端部における寸法や特に内径側の管形状が不安定となる。そのため、大径管部材の先端部に小径管部材を挿入する際、引っかかりが生じて組み立て作業性が低下する場合がある。また、加工条件によっては大径管部材に割れが生じる場合もある。

一方、特許文献２に記載の技術による接合部では、スエージ加工で生じる先端部の形状や寸法精度の問題は生じない。しかし、特許文献２に記載の技術では、小径管部材を接合部に挿入し、大径管部材に設けた孔を用いて大径管部材と小径管部材とを溶接している。そのため、孔開け加工や溶接加工の工数が増えると共に、溶接条件によっては接合部分への入熱量が大きくなってしまう。その結果、各部に生じる熱歪により全体の寸法精度が低下し、段付管部材を取り付ける被取り付け部材側への組み付けが困難になる場合があった。

本発明は、上記の問題を解決するもので、組み立て作業性と組み付け精度に優れる段付管部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の段付管部材は、大径管部材の軸方向の一端に、前記大径管部材より小径な小径管部材を固定する接続部が設けられた段付管部材であって、
前記接続部は、縮径管部と、該縮径管部から径方向外側に延びる少なくとも１つのフランジ部とを有し、
前記小径管部材が、前記接続部に拡管かしめ固定されている。

本発明の段付管部材の製造方法は、大径管部材の軸方向の一端に、縮径管部と該縮径管部から径方向外側に延びる少なくとも１つのフランジ部を有する接続部を形成する工程と、
前記接続部の前記縮径管部の内側に、前記大径管部材より小径な小径管部材を挿入する工程と、
前記小径管部材を少なくとも前記縮径管部との対向領域で拡管する工程と、
をこの順で行う。

本発明によれば、段付管部材を、組み立て作業性と組み付け精度に優れた構成にできる。

本発明の段付管部材の一例を示す斜視図である。 軸方向の一端に接続部を備える本発明の大径管部材を示す斜視図である。 本発明の段付管部材に支持部材を取り付けた状態を示す斜視図である。 本発明の大径管部材の接続部を形成する初期工程を軸方向直交断面で示す工程説明図である。 本発明の大径管部材の接続部を形成する中間工程を軸方向直交断面で示す工程説明図である。 本発明の大径管部材の接続部を形成する仕上げ工程を軸方向直交断面で示す工程説明図である。 本発明の小径管部材を大径管部材の接続部に拡管かしめ固定する工程を軸方向直交断面で示す工程説明図である。 本発明の小径管部材を大径管部材の接続部に拡管かしめ固定する工程を軸方向直交断面で示す工程説明図である。 本発明の小径管部材を大径管部材の接続部に拡管かしめ固定する工程を軸方向直交断面で示す工程説明図である。 本発明の小径管部材を大径管部材の接続部に拡管かしめ固定する工程を軸方向断面で示す工程説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の段付管部材３を示す斜視図である。段付管部材３は、大径管部材１の長手方向（以下、軸方向と称する）の一端に、大径管部材１より小径な小径管部材２の一端を挿入して接合して形成される。以下、段付管部材３の各部の構成を説明する。

＜大径管部材の接続部＞
図２は一端に接続部１３が形成された大径管部材１を示す斜視図である。
大径管部材１は、円筒形状に形成され軸方向の一端に接続部１３を有する。接続部１３は、軸方向に関して軸方向断面形状が略一定となる端部１２と、端部１２から大径管部材１の最大径までの間で、徐々に絞られた形状にされた遷移部１４と、を有する。

端部１２は、大径管部材１の最大径よりも径の小さい縮径管部１２１と、縮径管部１２１の軸方向に直交する両脇側から径方向外方に突出した一対のフランジ部１２２とを有する。ここで、フランジ部１２２とは、管部材の周壁の一部が互いに平行になるまで押し潰され、径方向外側に向かって延びる平坦状の部位をいう。つまり、大径管部材１の最大径の縁部から縮径管部１２１及びフランジ部１２２までの間は、径方向に押し潰されて軸方向に滑らかに形状が変化する絞り形状となっている。なお、図示例では１対のフランジ部１２２を備えた構成を例示しているが、これに限らず、フランジ部１２２が１つ又は３つ以上有する構成であってもよい。

端部１２は、必要に応じてフランジ部１２２の径方向先端に、リング部１２３を設けてもよい。リング部１２３とは、１つのフランジ部１２２を構成する一対の略平坦状の部位同士が、径方向端部において軸方向直交断面が円弧状に形成された屈曲部をいう。屈曲部は、円弧状の互いに対面する内壁面同士の間に中空部を有し、環状に形成されている。

フランジ部１２２は、詳細を後述する小径管部材２との拡管かしめ固定に伴って、フランジ根元部１２４が開くように変形可能に構成される。これにより、小径管部材２の拡管量を増加できる。更に、フランジ部１２２の対向するフランジ根元部１２４は、管内壁側に、管内壁同士が当接していない領域であるスリット部１２５を有する。

更に、フランジ部１２２の径方向先端にリング部１２３を設けることにより、リング部１２３自体の弾性変形を利用してフランジ部１２２がより開き易くなり、後述する小径管部材２の拡管量を増加できる。

＜大径管部材＞
大径管部材１は、円管に限らず、断面が正方形又は長方形の四角管、断面が六角形の六角管、断面が八角形の八角管であってもよく、押出や板材の溶接により製造できる。小径管部材２の断面形状が円形である場合には、縮径管部１２１も同様に円形断面にする等互いに形状を合せて成形することが好ましいが、異形断面同士を組み合わせてもよい。

フランジ部１２２は、大径管部材１の周方向に１箇所又は複数箇所設けることができる。大径管部材１の材質は、鋼材（普通鋼、高張力鋼）、アルミニウム合金（ＪＩＳ６０００系、７０００系等）、樹脂等、適宜選択可能である。

＜小径管部材＞
小径管部材２は、円管に限らず、断面が正方形又は長方形の四角管、断面が六角形の六角管、断面が八角形の八角管であってもよく、押出や板材の溶接により製造できる。また、押出材の場合は、外側に突出するリブ等を設けてもよい。ただし、小径管部材２がリブを有する場合には、接続部１３に挿入される側の端部については、リブが外側に突出しないようにカットされていることが好ましい。小径管部材２の材質は、アルミニウム合金（ＪＩＳ６０００系、７０００系等）が好適な材料として挙げられる。

＜支持部材＞
段付管部材３には、段付管部材３を支持する支持部材を取り付けできる。図３に示すように、大径管部材１の端部１２を取り囲むキャビティ４１１を有する支持部材４１を取り付けてもよい。支持部材４１のキャビティ４１１は、大径管部材１の端部１２の外周面に沿った内周面を有する断面形状を有する。支持部材４１と大径管部材１とは、大径管部材１のフランジ部１２２が支持部材４１のキャビティ４１１に係合することで、軸線回りの相対回転が抑制される。支持部材４１は、大径管部材１を取り囲む任意の位置に配置できる。例えば、図６に示すように、大径管部材１の他の軸方向位置に、支持部材４２，４２等を配置できる。支持部材４１，４２の材質としては、鋼、アルミ押出材、アルミ鋳物、樹脂射出成形材等が好適な材料として挙げられる。

＜大径管部材の接続部を成形する製造方法＞
次に、大径管部材１の接続部を成形する製造方法について、図４Ａ〜図４Ｃを用いて説明する。
接続部１３の成形に当たり、例えば、図４Ａ〜図４Ｃに軸方向直交断面を示す分割金型５１，５２とマンドレル５５，５６とを準備する。分割金型５１は、接続部成形前の大径管部材１の外形に対応する内側加工面５１１を有する。一方、分割金型５２は、図２に示す大径管部材１の端部１２の外形に対応する内側加工面５２１を有する。

図４Ｂに示すマンドレル５５は、図示例における下側半分が大径管部材１の管内側の形状に対応して形成され、上側半分が大径管部材１の端部１２の管外側の形状に対応して形成された外側加工面５５１を有する。一方、図４Ｃに示すマンドレル５６は、下側半分及び上側半分のいずれも大径管部材１の端部１２の管外側の形状に対応する外側加工面５６１を有し、下側半分と上側半分との境界となる中央部には、それぞれ径方向へ曲面状を呈してはみ出した膨出面５６２が形成される。

まず、図４Ａに示すように、分割金型５１の内側加工面５１１に大径管部材１の端部を載置する。そして、図４Ｂに示すように、マンドレル５５を挿入した後、大径管部材１の上方から分割金型５２を押し当ててプレス成形（潰し成形）する。すると、大径管部材１の上側の周壁は、マンドレル５５の外側加工面５５１と、分割金型５２の内側加工面５２１の形状に倣って成形される。

次に、分割金型５１とマンドレル５５を取り外し、代わりに、大径管部材１の内部へマンドレル５６を挿入する。その後、大径管部材１の下方から分割金型５３の内側加工面５２１を当ててプレス成形を行う。すると、大径管部材１の下側の周壁はマンドレル５６の外側加工面５６１と、分割金型５３の内側加工面５２１の形状に倣って成形される。これにより大径管部材１には、図２に示す縮径管部１２１と、フランジ部１２２と、リング部１２３とを有する端部１２，及び遷移部１４が成形される。なお、図４Ｂに示す状態から上下反転させて、分割金型５１に代えて大径管部材１の上方から分割金型５３の内側加工面５２１を押し当ててプレス成形してもよい。

このように、大径管部材１の端部１２を成形するのにプレス成形を採用することにより、縮径管部１２１は、スエージ加工のような肉厚変化や、硬化等の機械的性質の変化が生じないため、小径管部材２を大径管部材１に挿入する際の組み立て性が損なわれることなく、また、段付管部材３の被取り付け部材側への組み付け精度を向上できる。

なお、上記の分割金型５１，５２，５３に替えて大径管部材１の内部にマンドレル５６を配置し、不図示のコイルで大径管部材１の周囲を囲い、電磁成形を用いた縮管成形を行ってもよい。また、分割金型５２，５３の内側加工面５２１は、大径管部材１の遷移部１４を成形する加工面を有していてもよい。

＜部材配置、小径管部材の挿入工程＞
次に、大径管部材１と小径管部材２とを接合する工程について、図５Ａ〜図５Ｃを用いて説明する。
図５Ａに示すように、大径管部材１のプレス成形等により縮径した端部１２内に、小径管部材２の端部を挿入する。小径管部材２の挿入にあたっては、小径管部材２の軸方向一方の先端が、大径管部材１の端部１２の軸方向位置を超えて大径管部材１の内部側である遷移部１４側に突出するように配置するのが好ましい（図６参照）。この状態で、小径管部材２の先端を拡管かしめ固定、つまり、小径管部材２を拡管して大径管部材１の縮径管部１２１にかしめることにより、小径管部材２が端部１２に強固に固定される。

具体的には、図６に示すように、大径管部材１や小径管部材２の任意の軸方向位置に、必要な部材を支持又は保持するための支持部材４１，４２を配置して、大径管部材１や小径管部材２を拡管かしめ固定する。これにより、各支持部材４１，４２が大径管部材１に確実に固定される。

＜拡管かしめ固定＞
拡管かしめ固定は、前述した分割マンドレルを用いたメカニカル拡管や、ゴムの膨出によって、かしめを実施するゴムバルジにより成形することもできる。この拡管かしめ固定は、特に電磁成形（拡管）による方式が生産性等の観点から好ましい。以下、電磁成形による、拡管かしめ工程を説明する。

＜コイル挿入・配置工程＞
図６は電磁成形コイルの挿入工程を説明する工程説明図で、大径管部材１及び小径管部材２の軸方向の模式的な断面図である。同図においては、軸方向の寸法に関しては適宜短縮して示してある。

図６に示すように、小径管部材２の内部に、一方の端部からコイル６２を挿入する。このコイル６２は、絶縁性樹脂に導体素線を巻き回したもので、導体素線の回りを絶縁性樹脂で更に取り囲んだ構造となっている。コイル６２は、樹脂製の支持管７２の端部に固着されており、支持管７２の内部に導線が通されて外部の電源（不図示）に接続される。支持管７２は軸方向へ移動できるようになっており、コイル６２を所定の被拡管部位の位置に移動できる。支持管７２に対して軸方向に移動する荷重がかかる場合は、ストッパ８２を用いて支持管７２の軸方向位置を固定することが好ましい。

同様に、大径管部材１の内部には、他方の端部からコイル６１を挿入できる。コイル６２と同様な構成であるコイル６１は、樹脂製の支持管７１の端部に固着されており、支持管７１の内部に導線が通されて外部の電源（不図示）に接続される。支持管７１は軸方向に移動できるようになっており、コイル６１を所定の被拡管部位の位置に移動できる。支持管７１に対して軸方向に移動する荷重がかかる場合は、ストッパ８１を用いて支持管７１の軸方向位置を固定することが好ましい。

＜拡管工程＞
図５Ａに示すように、大径管部材１の端部１２内に小径管部材２の端部を挿入した後、コイル（図示略）に通電を行うと、電磁成形のローレンツ力により図５Ｂに示すように小径管部材２が拡管し、大径管部材１の縮径管部１２１との対向領域に拡管かしめ固定される。このとき、フランジ部１２２がリング部１２３を有する場合には、各フランジ部１２２の一対の平坦部が開き、小径管部材２の端部１２を締め付ける弾性力が強められる。また、縮径管部１２１の外側に支持部材４１が配置された場合には、リング部１２３が広がることで小径管部材２の拡管量が増え、支持部材４１への径方向力が増加する。これにより、支持部材４１との接合強度を高められる。

また、拡管工程においては、図６に示すように、端部１２よりも軸方向に長いコイル６２を配置して周方向にわたって拡管させることが好ましい。これにより、端部１２の軸方向両側に径方向外側に膨らむ膨径部２１が形成されるため、小径管部材２と大径管部材１との軸方向の相対移動を抑制できる。膨径部２１は、端部１２に対して少なくとも軸方向片側に形成すれば足りる。なお、縮径管部１２１に貫通孔を開けておくことで、この貫通孔に対して拡管時に同様な膨径部が進入するようになるため、小径管部材２と大径管部材１との固定をより確実に行える。また、貫通孔以外にも、有底の穴を設けてもよい。

更に、大径管部材１や小径管部材２が長尺部材であって、複数箇所で拡管かしめ固定を行いたい場合は、一箇所を拡管かしめ固定した後、支持管７１、７２を操作して、コイル６１，６３を所望の位置に移動させた上で、再度拡管かしめ固定すればよい。これにより、任意の軸方向位置で小径管部材２を精度よく拡管できる。

また、投入エネルギーである電磁力を更に向上させると、図５Ｃに示すように、フランジ部１２２の管内壁側の隙間であるスリット部１２５に、小径管部材２の径方向外側に膨らんだ膨出部２２が更に入り込んで係合する。この係合によって、小径管部材２と大径管部材１との回転方向荷重による緩みを抑制でき、回転方向の耐荷重性が向上する。

＜部材の調質＞
小径管部材が熱処理型アルミニウム合金である場合は、押出材の場合は押出後に急冷するＴ１（ＪＩＳ Ｈ ００１１）調質状態で拡管し、拡管後に人工時効処理を施すのが好ましい。Ｔ１調質により拡管量を大きくすることができ、拡管量が大きい状態で人工時効することにより材料強度が向上するため、接合部の強度がより向上する。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）大径管部材の軸方向の一端に、前記大径管部材より小径な小径管部材を固定する接続部が設けられた段付管部材であって、
前記接続部は、縮径管部と、該縮径管部から径方向外側に延びる少なくとも１つのフランジ部とを有し、
前記小径管部材が、前記接続部に拡管かしめ固定された段付管部材。
この段付管部材によれば、縮径管部と小径管部材とを拡管かしめ固定することで、その加工が煩雑とならず、縮径管部の肉厚変化や機械的性質の変化を少なく押さえ、且つ、溶接等による熱歪みを生じることなく高精度な接合が実現できる。これにより、段付管部材の被取り付け部材への組み付けを高精度に行える。

（２）前記フランジ部は、前記縮径管部から延びる一対の平坦板部と、一対の前記平坦板部が径方向外側で中空部を有して軸方向直交断面が円弧状に形成されたリング部とを備える（１）に記載の段付管部材。
この段付管部材によれば、拡管接合時にフランジ部の平坦板部同士がリング部の存在によって拡開しやすくなり、小径管部材の拡管量を増加できる。

（３）前記フランジ部の前記縮径管部に接続される根元部における、前記縮径管部内から径方向外側に向かって形成されたスリット部に、前記小径管部材の径方向外側に膨らむ膨出部が係合している（１）又は（２）に記載の段付管部材。
この段付管部材によれば、膨出部がスリットに係合することで、接合部における小径管部材の回転方向荷重による緩みが生じにくくなる。

（４）前記小径管部材は、前記接続部の軸方向一端側と他端側の少なくとも一方に、径方向外側に突出する膨径部を有する（１）〜（３）のいずれか一つに記載の段付管部材。
この段付管部材によれば、膨径部によって接続部の軸方向端が規制され、小径管部材の軸方向の移動を抑制できる。

（５）大径管部材の軸方向の一端に、縮径管部と該縮径管部から径方向外側に延びる少なくとも１つのフランジ部を有する接続部を形成する工程と、
前記接続部の前記縮径管部の内側に、前記大径管部材より小径な小径管部材を挿入する工程と、
前記小径管部材を少なくとも前記縮径管部との対向領域で拡管する工程と、
をこの順で行う段付管部材の製造方法。
この段付管部材の製造方法によれば、縮径管部と小径管部材とを拡管かしめ固定することで、その加工が煩雑とならず、縮径管部の肉厚変化や機械的性質の変化を少なく押さえ、且つ、溶接等による熱歪みを生じることなく高精度な接合が実現できる。これにより、段付管部材の被取り付け部材への組み付けを高精度に行える。

（６）前記小径管部材はアルミニウム合金であり、前記小径管部材の内側にコイルを挿入して電磁成形により前記小径管部材を拡管する（５）に記載の段付管部材の製造方法。
この段付管部材の製造方法によれば、コイルを被拡管部位に配置して拡管させることにより、小径管部材の局所的な拡管が容易に可能となり、拡管品質も安定する。

（７）前記コイルを前記小径管部材の軸方向に移動させ、前記小径管部材の複数箇所を順次に拡管する（６）に記載の段付管部材の製造方法。
この段付管部材の製造方法によれば、複数箇所の拡管を一度に行う場合よりも拡管設備を簡略化でき、任意位置の拡管が容易に行える。

（８）前記フランジ部の管内側に形成されたスリット部に、前記電磁成形により形成された前記小径管部材の膨出部を係合させる（６）又は（７）に記載の段付管部材の製造方法。
この段付管部材の製造方法によれば、膨出部がスリットに係合することで、接合部における小径管部材の回転方向荷重による緩みが生じにくくなる。

（９）前記小径管部材は、熱処理型アルミニウム合金であり、Ｔ１調質状態で拡管し、拡管後に人工時効処理を施す（５）〜（８）のいずれか一つに記載の段付管部材の製造方法。
この段付管部材の製造方法によれば、小径管部材の材料強度が向上でき、接合部における接合強度が更に向上する。

１ 大径管部材
２ 小径管部材
３ 段付管部材
１２ 端部
１３ 接続部
１４ 遷移部
２１ 膨径部
２２ 膨出部
６１，６２ コイル
１２１ 縮径管部
１２２ フランジ部
１２３ リング部
１２４ フランジ根元部
１２５ スリット部

Claims (9)

1. 大径管部材の軸方向の一端に、前記大径管部材より小径な小径管部材を固定する接続部が設けられた段付管部材であって、
   前記接続部は、縮径管部と、該縮径管部から径方向外側に延びる少なくとも１つのフランジ部とを有し、
   前記小径管部材が、前記接続部に拡管かしめ固定された段付管部材。
2. 前記フランジ部は、前記縮径管部から延びる一対の平坦板部と、一対の前記平坦板部が径方向外側で中空部を有して軸方向直交断面が円弧状に形成されたリング部とを備える請求項１に記載の段付管部材。
3. 前記フランジ部の前記縮径管部に接続される根元部における、前記縮径管部内から径方向外側に向かって形成されたスリット部に、前記小径管部材の径方向外側に膨らむ膨出部が係合している請求項１又は請求項２に記載の段付管部材。
4. 前記小径管部材は、前記接続部の軸方向一端側と他端側の少なくとも一方に、径方向外側に膨らむ膨径部を有する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の段付管部材。
5. 大径管部材の軸方向の一端に、縮径管部と該縮径管部から径方向外側に延びる少なくとも１つのフランジ部を有する接続部を形成する工程と、
   前記接続部の前記縮径管部の内側に、前記大径管部材より小径な小径管部材を挿入する工程と、
   前記小径管部材を少なくとも前記縮径管部との対向領域で拡管する工程と、
   をこの順で行う段付管部材の製造方法。
6. 前記小径管部材はアルミニウム合金であり、前記小径管部材の内側にコイルを挿入して電磁成形により前記小径管部材を拡管する請求項５に記載の段付管部材の製造方法。
7. 前記コイルを前記小径管部材の軸方向に移動させ、前記小径管部材の複数箇所を順次に拡管する請求項６に記載の段付管部材の製造方法。
8. 前記フランジ部の管内側に形成されたスリット部に、前記電磁成形により形成された前記小径管部材の膨出部を係合させる請求項６又は請求項７に記載の段付管部材の製造方法。
9. 前記小径管部材は、熱処理型アルミニウム合金であり、Ｔ１調質状態で拡管し、拡管後に人工時効処理を施す請求項５〜請求項８のいずれか一項に記載の段付管部材の製造方法。

Images