JP2019010671A

JP2019010671A - かしめ固定部材及びかしめ固定部材の製造方法

Info

Publication number: JP2019010671A
Application number: JP2017129571A
Authority: JP
Inventors: 正人薮押; Masato Yabuoshi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-24

Abstract

【課題】中空部材と被固定部材とを電磁成形によってかしめ固定する場合に、強度及び耐久性の管理が困難であった。【解決手段】本かしめ固定部材の製造方法は、貫通孔１６を備えた被固定部材１０の貫通孔１６の両端を面取りする工程と、中空部材３０を、貫通孔１６に貫通させて設置する工程と、中空部材３０の内部における貫通孔１６に対応した位置に電磁成形用コイルを設置する工程と、電磁成形用コイルにパルス通電を行って、中空部材３０を拡径させることにより、中空部材３０を被固定部材１０にかしめ固定する工程とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、二つの部材の結合構造に関し、特にかしめ固定部材及びかしめ固定部材の製造方法に関する。

下記特許文献１には、金属製中空材を被固定部材に結合する方法が開示されており、具体的には、電磁成形によって、中空材を拡径させて、その外側に配置した被固定部材に接合する技術が記載されている。

特開平９−１６６１１１号公報

中空の部材と、その部材を外側から囲む被固定部材とを電磁成形によってかしめる場合、かしめによる強度または耐久性の管理が困難であった。

図４は、電磁成形を用いたかしめについて説明する模式図である。図４（ａ）は、中空部材７０と被固定部材７２とがかしめにより結合した状態を示す部分断面図である。中空部材７０は、電磁成形によって中空部材７０の径方向（図面の上側）に向かって力を受け拡径する。このとき、被固定部材７２の内壁７６付近では、内壁７６が存在するために塑性変形が制限され、中空部材７０の外面と被固定部材７２の内壁７６とが密接した状態となる。他方、被固定部材７２の端面の角７４よりも図面左側（内壁７６によって構成される貫通孔からみて外側）では、中空部材７０は、被固定部材７２の内壁７６よりも拡径される。この結果、中空部材７０は、被固定部材７２の端面の領域７８において、被固定部材７２を覆い隠すような塑性変形を受けている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）よりも大きな力で電磁成形によるかしめを行った場合の例を示す図であり、図４（ｃ）は、図４（ｂ）よりもさらに大きな力で電磁成形によるかしめを行った場合の例を示す図である。いずれの場合も、中空部材８０、９０は、被固定部材８２、９２とかしめによって結合しており、被固定部材８２、９２の内壁８６、９６においては、中空部材８０、９０が被固定部材８２、９２の内壁８６、９６と密接しており、被固定部材８２、９２の角８４、９４よりも図面左側では、中空部材８０、９０が拡径している。そして、図４（ｂ）に示す例では、中空部材８０は、被固定部材８２の端面の領域８８を大きく覆うような塑性変形を受け、図４（ｃ）に示す例では、中空部材９０は、被固定部材９２の端面の領域９８をさらに大きく覆うような塑性変形を受ける。

中空部材の塑性変形によって被固定部材が覆われた領域の面積は、図４（ａ）に示した領域７８が一番小さく、図４（ｂ）に示した領域８８はその次に大きく、図４（ｃ）に示した領域９８が一番大きい。また、この変形に対応して、中空部材は被固定部材の角で肉厚が薄くなっている。すなわち、図４（ａ）の中空部材７０では、角７４付近で若干薄くなっており、図４（ｂ）の中空部材８０では、角８４付近でさらに薄くなっており、図４（ｃ）の中空部材９０では、角９４付近で最も薄くなっている。

以上に示した通り、電磁成形によるかしめを行った場合、電磁気学的な制御によってかしめの程度を容易に変化させることが可能であるが、それに応じて、かしめの塑性変形の程度や範囲も変わってしまう。また、電磁気学的な制御を同程度とした場合でも、各部材のもつ寸法誤差、各部材やコイルの設置位置などに起因する誤差、電磁成形における通電時間の誤差などによって、かしめの塑性変形の程度が変わってしまうことも考えられる。

かしめについては、もともと明確な定義がなく、要求特性値と評価実力値を比較し、その結果に基づいて十分な安全率を設定して生産しているため、強度や耐久性をどのように管理するかが明確ではなかった。しかし、かしめのばらつきの要因を分析し、かしめの制御を厳密に行うには、時間や費用が必要であり、特に量産工程における制御の実施には困難が伴う。

本発明は、中空部材と被固定部材とを電磁成形によるかしめで結合する場合において、強度及び耐久性の少なくとも一方の管理が容易となる技術を提供することを目的とする。

本発明にかかるかしめ固定部材の製造方法は、貫通孔を備えた被固定部材の前記貫通孔両端を面取りする工程と、中空部材を、前記貫通孔に貫通させて設置する工程と、前記中空部材の内部における前記貫通孔に対応した位置に電磁成形用コイルを設置する工程と、前記電磁成形用コイルにパルス通電を行って、前記中空部材を拡径させることにより、前記中空部材を前記被固定部材にかしめ固定する工程と、を含む。

かしめ固定部材は、中空部材と被固定部材とを含む。中空部材は、少なくとも電磁成形をされる部分が中空に形成される。中空部分は、電磁成形を等方的に行う観点からは断面が、加工等にかかる誤差を許容すれば真円とみなせるものが用いられるが、それに限られず、例えば楕円や多角形であるものを用いてもよい。また、中空部材としては、部材の軸方向（長手方向）に部材の径が一定であるものを用いることが多いが、電磁成形可能であれば、部材の軸方向に部材の径が変化するものであっても構わない。中空部材の素材は、電磁成形可能なものであれば特に限定されるものではない。アルミニウムやその合金、マグネシウムやその合金はしばしば電磁成形に利用される。

被固定部材は、中空部材によってかしめ固定を受ける部材である。被固定部材は、電磁成形に耐えられる強度を有していればよい。例えば、被固定部材として、内部が密な金属材料や、内部が中空の金属材料を用いることができる。被固定部材には、貫通孔が設けられている。貫通孔は、被固定部材のある表面から別の表面へと被固定部材を連続的に貫く形状に形成された孔である。被固定部材が中空のような形状である場合には、外表面から中空部分へと被固定部材を貫く孔は貫通孔ということができる。貫通孔を備えた被固定部材は、例えば金属の鋳造や、金属板の打ち抜きなどにより形成することも可能であるし、複数の部材を組み合わせることで（例えば円筒形の部材が分割されたようなものを組み合わせることで）形成することも可能である。貫通孔の両端は、中空部材によるかしめ固定時に中空部材の拡径部の一部を受け入れるために面取りされる。

中空部材は、被固定部材の貫通孔に貫通された状態に設置される。設置するプロセスは、例えば、被固定部材の貫通孔に中空部材を挿入することで行ってもよいし、中空部材の周囲に被固定部材を外嵌することで行ってもよい。中空部材は、貫通孔に貫通された状態、すなわち、貫通孔の一方の外部（貫通孔から見て端面よりも外側）から他方の外部にまで延び、両端から飛び出る状態で設置される。そして、中空部材の内部には、電磁成形用のコイルが設置される。被固定部材に中空部材を設置する工程と、中空部材の内部にコイルを設置する工程は、どちらが先に行われても、また同時に行われても構わない。いずれにせよ、中空部材の内部には、貫通孔に対応した位置に電磁成形用のコイルが設置される。電磁成形用のコイルは、その性能を勘案した上で電磁成形を行いたい部分に設置すればよく、典型的には貫通孔よりも長い範囲にわたって設定される。

電磁成形は、電磁成形用コイルにパルス通電（短時間のうちに大きな電流を流す）を行い、大きな電磁気的な力を中空部材に作用させて、中空部材を拡径させることで行われる。これにより、貫通孔の内部では、中空部材は貫通孔の内壁に接合し、貫通孔の両端では、面取りされた部位の一部または全部に接合し、貫通孔の外部における電磁成形された部分では、貫通孔の内径よりも拡径するため、両者がかしめ固定される。このとき、貫通孔の両端では、面取りした部分の一部または全部に、中空部材が接合する。接合は、面取りをしていない場合とは異なり、面取り部分に面的密着接合として行われるため、面取りの形状、大きさや、電磁成形の強度などに基づいて接合の面積を制御することも可能である。したがって、面取りをしない場合に比べて、中空部材の強度や耐久性、そして、かしめ固定の強度や耐久性を精度よく制御することが可能となる。

本発明によれば、中空部材と被固定部材とを電磁成形によってかしめ結合した場合に、強度及び耐久性の少なくとも一方を管理することが容易となる。

本実施形態にかかるかしめ固定の途中過程を示す図である。本実施形態にかかるかしめ固定を実施した後の状態を示す図である。本実施形態にかかるかしめ固定の適用例を示す図である。従来技術におけるかしめ固定を示す図である。

以下に、本発明の実施形態について説明する。ここに示す実施形態は、本発明に基づいて実施可能となる形態を例示するものであり、本発明は、これ以外の形態でも実施可能である。

図１及び図２は、本実施形態にかかるかしめ固定について模式的に説明する図である。図１は、かしめ固定を行う途中過程の状態を示した図であり、図２は、かしめ固定を行った後の状態を示した図である。

図１に示した被固定部材１０には、面１２と面１４の間を貫く貫通孔１６が設けられている。貫通孔１６は、円筒形状の空間を有しており、内壁１８は一定の半径となるように形成されている。ただし、貫通孔１６の両端には、面取りが施されており、その結果として内壁１８よりも若干大きな径をもつ面取り部位２０，２２が形成されている。図示した例では、面取り部位２０，２２には、いわゆるＣ面取り、すなわち角を約４５度に平面的に切り取る処理がなされている。

貫通孔１６には、当該貫通孔１６を貫く円筒形状の中空部材３０が挿入されている。中空部材３０は、貫通孔１６の内壁１８よりも径が小さくスムーズに挿入することができる。

中空部材３０の内部には、電磁成形用コイル４０が設置されている。電磁成形用コイル４０は、中空部材３０を変形させたい位置に設置される。この例では、貫通孔１６よりもわずかに長い範囲に渡って設置されている。電磁成形用コイル４０には図示省略した電気回路が接続されており、電磁成形用コイル４０に大容量の電流を短時間に流す（パルス通電）ことができる。これにより、電磁成形用コイル４０の周囲には強い磁場が作られ、中空部材３０では相互誘導に基づく渦電流が誘起されて、電磁気学的な力が作用する。この結果、中空部材３０は、径が拡大する方向に塑性変形され、かしめ固定がなされる。

図２のかしめ固定された状態では、中空部材３０は、貫通孔１６の内部では内壁１８に密着した形で接合しており、貫通孔１６の両端では面取り部位２０、２２に沿う形で拡径してこの部位に密着した形で接合している。そして、貫通孔１６の外部（端部より外側）では、貫通孔１６の内壁１８及び面取り部位２０、２２の最大径部分よりも拡径する塑性変形を受けている。これにより、被固定部材１０が、中空部材３０によってかしめられて、固定されている。

図２に示した例では、中空部材３０は、面取り部位２０、２２に全面的に接合し、かつ、面１２や面１４には接合しなかった。このような接合の度合いは、電磁成形の強度や、面取りの形状、角度、面積などを変化させることで制御することができる。この制御は、面取りを行わない場合に比べて細かに精度よく実施することが可能である。すなわち、面取りを行わない場合には、部材の角に線当てされることになり、応力集中とそれに伴う制御困難な変形が起こるが、面取り部位に面当てした場合には、応力が接合面に分散されることで制御が容易化される。このため、例えば、面取り部位に完全に接合させるか否か、面取り部位の何パーセント程度の面積に接合させるかという制御が可能となり、かしめ結合の品質管理が容易化される。

続いて、図２に示したかしめ固定部材における疲労強度計算の例を説明する。材料力学などの知見に基づけば、円筒形状の貫通孔（直径φ）において、面取り部部位に発生する応力σは、等価質量Ｍ、上下加速度ａ、Ｃ面取り面積Ｓとしたとき、次のように表現することができる。

［数式１］
σ ＝（Ｍ・ａ／Ｓ）× （貫通孔の半周） × ２本
ここで、悪路耐久時において８０ｋｇｆ×５Ｇ＝４ｋＮであると仮定し、また、φ＝５６ｍｍ、Ｃ０．５、及び面取り部位に中空部材が全面的に接合したこと仮定した場合、Ｓ＝１２３ｍｍ^２であることから、最大応力σ＝２３Ｎ／ｍｍ^２となる。

他方、中空部材としてＪＩＳ規格Ａ６０６３のアルミ合金からなるものを用いた場合、そのＴ１物性は、表１に示す通りとなる。
これらから、疲れ強さに対する安全率η＝疲れ強さ（６０Ｎ／ｍｍ^２）／最大応力（２３Ｎ／ｍｍ^２）＝２．６が導かれる。

この例のように、面取りを行った場合に成り立つ理論式に対して、面取り部位における接合部の面積（接合面積）などを代入することで、最大応力などを定量的に求めることが可能となる。また、この算出結果を、疲れ強さなど表１に例示したような各種応力特性と比較することで、安全率をはじめとする部材の強度や耐久性などの設計上有用となる情報を得ることができる。したがって、こうして得られた安全率などを所定の値とするように面取りや電磁成形強度などを設定すれば、容易に接合部の強度や耐久性などを管理することが可能となる。

次に、本実施形態にかかるかしめ固定の適用例について説明する。本実施の形態は、中空部材と、少なくとも面取り可能な貫通孔を備えた被固定部材とを結合する部分に広く利用可能である。

図３は、車両の部材へ適用した例について説明する概略図である。図３には、車両の前方部分において、車両の幅方向に設置されるインパネリインフォースメント５０と、それに取り付けられる部材が図示されている。インパネリインフォースメント５０は、アルミ合金の押出成形により作られた円筒形の中空部材であり、運転席側に位置する相対的に径が大きいＤ席パイプ５２と、助手席側に位置する相対的に径が小さいＰ席パイプ５３からなる。Ｄ席パイプ５２には、その端部にアルミ合金の押出成形で作られたＤ席エクステンション５４が取り付けられ、その内側には鉄材をプレスして作られた搭載ブラケットＬＨ５６が取り付けられている。さらにその内側には、ステアリングの支持に利用されるステアリング支持部材５８が取り付けられている。そして、Ｐ席パイプ５３の運転席寄りには、アルミ合金のダイキャストで成形されたＤ席ブレース６０が取り付けられ、その助手席寄りには鉄材のプレスで成形されたＰ席ブレース６２が取り付けられている。Ｐ席パイプ５３の助手席側端部には、搭載ブラケットＲＨ６４と、Ｐ席エクステンション６６が取り付けられている。

図３の例では、これらの部材のうち、Ｄ席エクステンション５４と、搭載ブラケットＬＨ５６、ステアリング支持部材５８、Ｄ席ブレース６０、搭載ブラケットＲＨ６４、及びＰ席エクステンション６６の被固定部材が、電磁成形によって、インパネリインフォースメント５０にかしめ固定されている。これらを製造するにあたっては、事前に、上述したような理論計算及び実証試験が行われ、これらの被固定部材の貫通孔端部に所定の大きさでＣ面取りが施され、電磁成形を行う最適な強度が求められている。したがって、インパネリインフォースメント５０と各種被固定部材とのかしめ結合部材が、適当な強度及び耐久性を確保した上で、量産することが可能となった。

１０被固定部材、１２面、１４面、１６貫通孔、１８内壁、２０面取り部位、２２面取り部位、３０中空部材、４０電磁成形用コイル、５０インパネリインフォースメント、５２Ｄ席パイプ、５３Ｐ席パイプ、５４Ｄ席エクステンション、５６搭載ブラケットＬＨ、５８ステアリング支持部材、６０Ｄ席ブレース、６２Ｐ席ブレース、６４搭載ブラケットＲＨ、６６Ｐ席エクステンション、７０中空部材、７２被固定部材、７４角、７６内壁、７８領域、８０中空部材、８２被固定部材、８４角、８６内壁、８８領域、９０中空部材、９２被固定部材、９４角、９６内壁、９８領域

Claims

貫通孔を備えた被固定部材の前記貫通孔両端を面取りする工程と、
中空部材を、前記貫通孔に貫通させて設置する工程と、
前記中空部材の内部における前記貫通孔に対応した位置に電磁成形用コイルを設置する工程と、
前記電磁成形用コイルにパルス通電を行って、前記中空部材を拡径させることにより、前記中空部材を前記被固定部材にかしめ固定する工程と、
を含むことを特徴とするかしめ固定部材の製造方法。
貫通孔を備えた被固定部材と、
前記貫通孔を貫通して固定された中空部材と、
を備え、
前記貫通孔の両端が面取りされており、
前記中空部材は、前記貫通孔の内部では、塑性変形により前記貫通孔の内壁に接合されており、前記貫通孔の両端では、塑性変形により前記貫通孔の内径よりも拡径されて前記面取りされた部位の一部または全部に接合されており、前記貫通孔の外部では、塑性変形により前記貫通孔の内径よりも拡径されており、これにより前記被固定部材にかしめ固定されていることを特徴とするかしめ固定部材。