JP2020090282A - 構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】成形性を向上させた構造体を提供する。【解決手段】平面視において、外縁部に少なくとも１つの凹状部を含む天板部、天板部の凹状部を含む外縁部の一部又は全部から折れ曲がり伸びる第１の縦壁部、第１の縦壁部の天板部と反対側の縁から折れ曲がり伸びる第１のフランジ部、及び天板部の凹状部を含む外縁部と異なる縁から折れ曲がり伸びる第２の縦壁部を備え、天板部、第１の縦壁部、又は第１のフランジ部上に少なくとも１つの突起部を有する構造体を提供する。【選択図】図５

Description

本発明は、特に自動車用部材に好適な構造体及びその製造方法に関する。

近年の自動車におけるＡピラーロアの構造として、キャビンを保護するため、内部のリインフォースメントによる補強提案が多くなされている。

特許文献１は、Ａピラーロア内部のリインフォースメントにより、車両前側の板厚を厚くし、前面から入力される荷重に対する強度を向上させる技術を開示している。

しかしながら、リインフォースメントによる厚肉部位は前面のみであり、サイドシルへ進入する荷重に対しての考慮はされていない。特許文献１の技術では、Ａピラー前面は負荷荷重に対して耐性があるが、大きな荷重を受けるとサイドシルへ進入する荷重が大きくなるので、Ａピラー前面が効率的に変形することなく、Ａピラー側面に接合されているサイドシルのみが大きな変形を受ける。さらに、軽量化は期待できない。

特許文献２は、Ａピラー内部のリインフォースメントの構造を工夫することにより、衝突時に前輪が移動する際に、前輪の進行方向をＡピラーロアの形状で変化させ、キャビンへの前輪の進入を抑制する技術を開示している。

特許文献２の技術は、前輪が進行方向を向いており、前輪の幅がＡピラーロアの車幅方向よりも大きすぎない場合にのみ効果を発揮する。前輪が斜め方向を向いている場合や、前輪幅が広い場合には、広い面で荷重を受ける必要があるので、効果が期待できない。

特開２０１１−３７２９１号公報 特開２０１３−１４１９２８号公報 国際公開第２０１１／１４５６７９号

自動車の衝突時には、車輪が進行方向と同軸上にキャビンに飛びこんでくるとは限らない。そのため、Ａピラーロアから離れた部分、すなわちダッシュ側への補強も必要となる。このような場合に備え、Ａピラーロアインナーにダッシュクロスが接続されることがある。ダッシュクロスはフランジを立ち上げてＡピラーロアインナーに接合される。そのため、ダッシュクロスに変位を受けた際には、接合部が剥離しやすいという問題が有る。

上記の問題を解決するために、一体成形されたＡピラー、ダッシュクロス方向への継手を有し、さらに、サイドシル方向への継手を有し、荷重伝達が可能な立体三又形状を有する構造体をＡピラーロアインナーとして用いることが考えられる。

より具体的には、図１に示すように、略Ｌ字状の天板部（１１）と、天板部上に上方に伸びる伸びフランジである突出部（１２）と、天板部の凹状部（１３）を含む外縁部（１４）から下方に折れ曲がり外縁部に沿った縦壁部（１５）と、縦壁部から外側へ伸びる略Ｌ字状の下部フランジ部（１６）を備える構造体を用いることができる。このような構造体は伸びフランジ成形及び自由曲げ工法により作製でき、伸びフランジ成形により突出部（１２）を、自由曲げ工法により縦壁部（１５）、下部フランジ部（１６）を成形することができる。

自由曲げ工法は、たとえば特許文献３に開示されている。特許文献３に記載の発明は、Ｌ字型部材のように、横断面が略ハット形状で平面視で縦壁部が天板部側に凸となる屈曲部を有する部品をブランク（成形素材）から成形する方法である。

より具体的には、ブランクをダイ金型とパッド及び曲げ型との間に配置し、（１）面外変形抑制領域としてのブランクの天板部に相当する部位の一部をパッドにより加圧した状態、かつ、ブランクのＬ字の下側に相当する部分の端部が天板部と同一平面上にある状態で、ダイ金型と曲げ型とを鉛直方向に相対移動させることにより、ブランクのＬ字の下側に相当する部分の端部をダイ金型のうち天板部に対応する部位の上でスライド（面内移動）させながら、縦壁部及びフランジ部を成形することによってＬ字形状部品等を成形するものである。

または、（２）面外変形抑制領域としてのブランクの天板部に相当する部位の一部にパッドを近接又は接触し、パッドとダイ金型との隙間を、ブランクの板厚以上ブランクの板厚の１．１倍以下に保った状態、かつ、ブランクのＬ字の下側に相当する部分の端部が天板部と同一平面上にある状態で、ダイ金型と曲げ型とを鉛直方向に相対移動させることにより、ブランクのＬ字の下側に相当する部分の端部をダイ金型のうちブランクの天板部に対応する部位の上でスライド（面内移動）させながら、縦壁部及びフランジ部を成形することによって、Ｌ字状形状部品等を成形するものである。

伸びフランジ成形及び自由曲げ工法を用いた成形方法は、立体三又形状を有する構造体を作製する優れた手法である。しかしながら、たとえば、縦壁部と下部フランジ部の境界の曲率半径が小さい場合や、上腕の断面形状の拡大、腕長さの延長など、より成形性の厳しい形状が要求される場合がある。そのような場合は、さらに成形性の向上を図る必要がある。

一般的には、図１のような伸びフランジを成形する際には、伸びフランジの端部において引張ひずみが集中する部位が生じ、その部位では板厚の減少が生じやすく、その結果、割れが生じやすくなる。この問題は、特に、引張強度が９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板を用いて構造体を成形する場合に生じやすい。また、図１のような下部フランジを自由曲げ工法により成形する際には、下部フランジと縦壁部の境界で板厚の減少が生じやすい。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであって、成形性を向上させた構造体及びその製造方法の提供を課題とする。

本発明者らは、立体三又形状を有する構造体の成形性を向上させる方法について鋭意検討した。その結果、１工程目に第２の縦壁部（１２）を成形し、次いで２工程目に第１の縦壁部（１５）、及び第１のフランジ部（１６）を成形する構造体の製造方法において、以下の知見を得た。具体的には、第２の縦壁部（１２）を製造する際に、２工程目に第１のフランジ部（１６）となるブランクの部位、好ましくは第１のフランジ部（１６）と第１の縦壁部（１５）の境界付近となるブランクの部位、において、鋼板の面外への変形を阻害しないことにより、第２の縦壁部（１２）の端部の板厚の減少、及び２工程目における第１のフランジ部の板厚の減少を低減させることが可能であることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を進めてなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

（１）引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板を用いた一体成形物である構造体であって、上記構造体は、平面視において、外縁部に少なくとも１つの凹状部を含む天板部、上記天板部の上記凹状部を含む外縁部の一部又は全部から折れ曲がり伸びる第１の縦壁部、上記第１の縦壁部の上記天板部と反対側の縁から折れ曲がり伸びる第１のフランジ部、及び上記天板部の上記凹状部を含む外縁部と異なる縁から折れ曲がり伸びる第２の縦壁部を備え、上記天板部、第１の縦壁部、又は第１のフランジ部上に少なくとも１つの突起部を有することを特徴とする構造体。

（２）前記構造体は、引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板を用いた一体成形物であることを特徴とする前記（１）の構造体。

（３）前記構造体の板厚が、０．６〜１．８ｍｍであることを特徴とする前記（１）又は（２）の構造体。

（４）前記凹状部の曲率半径Ｒと、前記第１の縦壁部の高さｈが、０．６≦Ｒ／ｈ≦３．０を満たすことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかの構造体。

（５）さらに、前記第２の縦壁部の前記天板部と反対側の縁から折れ曲がり伸びる第２のフランジ部を備えることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかの構造体。

（６）前記（１）〜（４）のいずれかの構造体の製造方法であって、上記製造方法は、平板である成形素材を、ダイとブランクホルダーの間に配置し、パンチと相対移動させることにより上記成形素材に加圧し変形させることで前記第２の縦壁部を形成する工程、及び第２の縦壁部が形成された上記成形素材を、ダイとブランクホルダーの間に配置し、パンチと相対移動させることにより上記成形素材に加圧し変形させることで第１の縦壁部及び第１のフランジ部を形成する工程を備え、上記第２の縦壁部を形成する工程において用いる上記ダイ又はブランクホルダーは、上記加圧時に成形素材に接する位置の少なくとも一部に空間が設けられていることを特徴とする構造体の製造方法。

（７）前記空間は、前記第２の縦壁部を形成する際に材料が最も流入する位置を含んで設けられていることを特徴とする前記（６）のプレス加工方法。

（８）前記第１の縦壁部及び第１のフランジ部並びに第２の縦壁部が形成された成形素材をダイとブランクホルダーの間に配置し、パンチと相対移動させることにより上記成形素材に加圧し変形することで、上記第２の縦壁部の形状を整える工程を備えることを特徴とする前記（６）又は（７）の構造体の製造方法。

（９）前記（５）に記載の構造体の製造方法であって、上記製造方法は、平板である成形素材を、ダイとブランクホルダーの間に配置し、パンチと相対移動させることにより上記成形素材に加圧し変形させることで前記第２の縦壁部及び第２のフランジ部を形成する工程、及び第２の縦壁部が形成された上記成形素材を、ダイとブランクホルダーの間に配置し、パンチと相対移動させることにより上記成形素材に加圧し変形させることで第１の縦壁部及び第１のフランジ部を形成する工程を備え、上記第２の縦壁部及び第２のフランジ部を形成する工程において用いる上記ダイ又はブランクホルダーは、上記加圧時に成形素材に接する位置の少なくとも一部に空間が設けられていることを特徴とする構造体の製造方法。

（１０）前記空間は、前記第２の縦壁部及び第２のフランジ部を形成する際に材料が最も流入する位置を含んで設けられていることを特徴とする前記（９）のプレス加工方法。

（１１）前記第１の縦壁部及び第１のフランジ部並びに第２の縦壁部及び第２のフランジ部が形成された成形素材をダイとブランクホルダーの間に配置し、パンチと相対移動させることにより上記成形素材に加圧し変形することで、上記第２の縦壁部及び第２のフランジ部の形状を整える工程を備えることを特徴とする前記（９）又は（１０）に記載の構造体の製造方法。

本発明によれば、成形性の厳しい形状である立体三又形状を有する構造体の製造方法において、成形性を向上することが可能となる。

立体三又形状を有する構造体の一例を示す図である。 本発明の構造体の製造方法の第１の工程の概要を示す図である。 ブランクに第２の縦壁部を形成する際の材料の移動を示す図である。 本発明の構造体の製造方法の第２の工程の概要を示す図である。 本発明の製造方法により作製した構造体の板厚減少率の例を示す図である。 自由座屈を用いない製造方法により作製した構造体の板厚減少率の例を示す図である。 本発明の構造体の製造方法の第１の工程の他の概要を示す図である。 四又のフランジを有する構造体の一例を示す図である。

以下、本発明の構造体の製造方法について説明する。

本発明の構造体の製造方法は、パンチとダイと、パンチに金属板等のブランク（成形素材）を押し当てて拘束するパッドを備えたプレス成形装置でブランクをプレス成形する、伸びフランジ成形、及び自由曲げ工法により製造することができる。

まず、第１の工程として、伸びフランジ成形により第２の縦壁部（１２）を成形する。より具体的には、図２に示すように、ブランク（２１）にパンチ（２２）とダイ（２３）を用いて、第２の縦壁部（１２）を形成する。ブランクホルダー（２４）は、ダイ（２３）とともにブランク（２１）を抑え、材料の流れを調整し、また、しわの発生を防ぐ。ブランクホルダー（２４）は、必ずしもブランク（２１）に密着している必要はなく隙間があってもよい。本発明のプレス成形方法においては、ブランクホルダー（２４）がブランク（２１）を完全に覆わずに、材料を流入させるための空間（２５）が設けられている。

はじめに、ブランク（２１）をダイ（２３）とブランクホルダー（２４）の間に挟み込む。続いで、パンチ（２２）とダイ（２３）を相対移動し、ブランク（２１）を加圧して第２の縦壁部（１２）を形成する。このとき、ブランクホルダー（２４）の空間（２５）に対応する位置のパンチ（２２）も、ブランク（２１）の変形を妨げないような形状とする。

図２に示す例では、第２の縦壁部は、ブランク（２１）上に凹状の曲げ線を形成し、この曲げ線が天板部の外周部となるように形成される。第２の縦壁部の上端部中央には、第２の縦壁部の上端部（ブランク（２１）の外縁部であった部分）の接線方向へのひずみを中心とした引張ひずみが集中し、その最小主ひずみ方向（概ね第２の縦壁部の上端部中央における法線方向）には圧縮応力が生じる。ここで、上端部中央とは、実質的な中央を意味するものではなく、後に形成される第１縦壁部（１５）や第１フランジ部のＲ部に近い第２の縦壁部の上端部を意味する。このような圧縮応力に対して、ブランクホルダー（２４）の空間（２５）の部分では、ブランク（２１）を厚さ方向に拘束しておらず、ブランク（２１）の面外への変形を誘発することができる。以下、このような自由な面外変形を「自由座屈」という。

図２の例では、ブランク（２１）を加圧して天板部及び第２の縦壁部を形成する際に、空間（２５）が設けられているため、第２の縦壁部の上端部中央の半径方向に材料が流入しやすくなる。その結果、第２の縦壁の上端部からの材料流入量が増加することにより、第２の縦壁部の上端部中央のひずみ集中が抑制され、第２の縦壁部の上端部の板厚の減少を抑制できる。

図３はブランクに第２の縦壁部を形成する際の材料の移動を示したものであり、（ａ）はブランクホルダーに空間が形成されていない場合、（ｂ）はブランクホルダーに空間が形成されている場合の例である。本発明の（ｂ）に示されるように、ブランクホルダーに空間が設けられることで、第２の縦壁部の上端部への材料流入量が大きくなっていることがわかる。

空間（２５）を設けたことにより誘発される自由座屈により、圧縮変形が緩和されるため、その方向においては線長が増加する。結果として、成形後の成形体の一部に空間（２５）方向の面外へ変形した突起部が生じる。本発明の製造方法においては、突起部が生じる位置は、後述する第２の工程で第１のフランジ部（１６）が形成される部位が好ましく、第１のフランジ部（１６）と第１の縦壁部（１５）の境界が形成される部位となるのがより好ましい。その理由は、第１のフランジ部を自由曲げ工法により成形する場合、第１のフランジ部と第１の縦壁部の境界付近の板厚が最も減少しやすいためである。

空間（２５）の形状や大きさは特に限定されるものではなく、材料が流入し増肉を意図する部分に設けられていれば本発明の効果を得ることができる。本発明のポイントである面外への変形を有効に誘発し、かつ、ブランクホルダー（２４）のブランク（２１）を押さえるための機能を考慮すると、幅６０〜２００ｍｍ程度のスリット状とするのがよい。

つづく第２の工程では、第１の縦壁部（１５）及び第１のフランジ部（１６）を成形する。より具体的には、図４に示すように、ブランク（３１）に、パンチ（３２）とダイ（３４）を用いて、フランジを形成する。パッド（３３）はブランク（３１）をパンチ（３２）に押し付けて把持する。ダイ（３４）で固定されたブランク（３１）を押すことにより、ブランクに、外縁部に沿った第１の縦壁部（１５）及び第１のフランジ部（１６）を同時に形成する。

この際、上述のとおり、第１の工程において、第２の工程で第１のフランジ部（１６）となる部位、好ましくは第１のフランジ部（１６）と第１の縦壁部（１５）の境界となる部位に突起部が形成されているので、自由曲げ工法によって板厚の減少が生じやすい部位での板厚の減少が低減される。

図５は本発明の製造方法により作製した構造体の板厚減少率の例を示す図である。図６は自由座屈が生じない製造方法により作製した構造体の板厚減少率である。

図５および６の結果から、本発明の製造方法によれば、板厚減少率を低減できることが分かる。

第１の工程においては、第２の縦壁部から折れ曲がり伸びる第２のフランジ部を形成しても良い。第１の工程において、第２の縦壁部及び第２のフランジ部を形成する場合の概略を図７に示す。図２に示した例と比較すると、ダイ（７１）とパンチ（７４）の形状が異なっており、ブランク（７２）を加圧することにより、第２の縦壁部とあわせて、第２の縦壁部から折れ曲がり伸びる第２のフランジ部が形成される。

第２の工程に続いて、第１の縦壁部（１５）及び第１のフランジ部（１６）並びに第２の縦壁部（１２）が形成された成形素材をダイとブランクホルダーの間に配置し、パンチと相対移動させることにより、第２の縦壁部（１２）の形状を整えるリストライク工程を備えてもよい。

以上説明した本発明の構造体の製造方法によれば、一般的なプレス機を用いて加工を行うことにより、成形性の厳しい形状である立体三又形状を有する構造体を、特殊な装置を用いず、短い作業時間で製造することができる。特に、加工の際に割れが生じやすい、高強度鋼板を用いた構造体の製造に有効である。

なお、上記の例ではフランジは三又としたが、同様に四又のフランジを形成することも可能である。四又のフランジは、たとえば、天板部を略Ｔ字状とし、略Ｌ字状となる２つの外縁部にそって縦壁部、及びフランジを設け、天板部のＴ字状の交点付近に伸びフランジである突出部を有する形状とすることができる。

図８に四又のフランジの一例を示す。図８の例は、平面視において外縁部に２つの凹状部８２ａ、８２ｂを含む天板部８１と、凹状部８２ａ、８２ｂからそれぞれ折れ曲がり伸びる第１の縦壁部８３ａ、８３ｂ、第１の縦壁部８３ａ、８３ｂの天板部と反対側の縁からそれぞれ折れ曲がり伸びる第１のフランジ部８４ａ、８４ｂ、天板部の上記凹状部を含む外縁部と異なる縁から折れ曲がり伸びる第２の縦壁部８５を備えている。

このように、上記パンチ、ダイの形状を変えることにより、上述した継手の例に限定されず、様々な形状の構造体を製造可能であることは明らかであり、それらの変形も本発明に含まれることはいうまでもない。

また、成形素材としては、板厚０．６〜１．８ｍｍ、好ましくは０．６〜１．２ｍｍで、引張強度９８０ＭＰａ以上の高強度鋼板が好適であるが、用途に応じて、その他の鋼板、アルミニウム合金板、ＦＲＰ等の樹脂複合材料平板等も用いることができる。

また、構造体において、天板部を上面視した場合の曲率Ｒ、および第１の縦壁部の高さｈは特に制限されない。ただし、本発明に開示される方法を用いる場合、Ｒ／ｈが０．６〜３．０の形状であっても、成形不良が低減された構造体を形成可能であり、Ｒ／ｈは０．８〜２．７がより好ましい。

種々の材料を用いて、図１に示す三又構造を有する構造体を作成した。ブランクは、材料欄に示す材料からなり、表１に示す発明例では、板厚欄に示す板厚を有するブランクを、図２に示すダイ（２３）とブランクホルダー（２４）の間に挟み込み、パンチ（２２）とダイ（２３）を相対移動し、第２の縦壁部を形成した。比較例では、ブランクホルダー（２４）に空間（２５）がないものを用いて、同様に第２の縦壁部を形成した。

ついで、図４に示すパッド（３３）でブランクをパンチ（３２）に押し付けて把持し、ダイ（３４）で固定されたブランクを押すことにより、外縁部に沿った第１の縦壁部及び第１のフランジを同時に形成した。

成形結果を表１に示す。表中の成形結果は、「Ａ」は成形可能であったもの、「Ｂ」は第２の縦壁部にネッキングが発生したもの、「Ｃ」は第２の縦壁部に割れが発生したものを意味する。また、表中のＲは天板部を上面視したときの曲率を、ｈは第１の縦壁部の高さを示す（図１参照）。

本発明によれば、材料の種類、板厚、形状によらず、三又構造を有する構造体の成形が可能であることが確認できた。

１１ 平板部
１２ 第２の縦壁部
１３ 凹状部
１４ 外縁部
１５ 第１の縦壁部
１６ 第１のフランジ部
２１ ブランク
２２ パンチ
２３ ダイ
２４ ブランクホルダー
２５ 空間
３１ ブランク
３２ パンチ
３３ パッド
３４ ダイ
７１ ダイ
７２ ブランク
７３ ブランクホルダー
７４ パンチ
８１ 天板部
８２ａ、８２ｂ 凹状部
８３ａ、８３ｂ 第１の縦壁部
８４ａ、８４ｂ 第１のフランジ部
８５ 第２の縦壁部

（１）引張強度が７８０ＭＰａ以上の鋼板を用いた一体成形物であり、板厚が０．６〜１．８ｍｍの構造体であって、前記構造体は、平面視において、外縁部に少なくとも１つの凹状部を含む天板部、前記天板部の前記凹状部を含む外縁部の一部又は全部から折れ曲がり伸びる第１の縦壁部、前記第１の縦壁部の前記天板部と反対側の縁から折れ曲がり伸びる第１のフランジ部、及び前記天板部の前記凹状部を含む外縁部と異なる縁から折れ曲がり伸びる第２の縦壁部を備え、前記天板部、第１の縦壁部、又は第１のフランジ部上に少なくとも１つの突起部を有し、前記凹状部の曲率半径Ｒと、前記第１の縦壁部の高さｈが、０．６≦Ｒ／ｈ≦３．０を満たすことを特徴とする、立体三又形状を有する構造体。

（３）さらに、前記第２の縦壁部の前記天板部と反対側の縁から折れ曲がり伸びる第２のフランジ部を備えることを特徴とする前記（１）又は（２）の構造体。

Claims (3)

1. 引張強度が７８０ＭＰａ以上の鋼板を用いた一体成形物であり、板厚が０．６〜１．８ｍｍの構造体であって、
   前記構造体は、
   平面視において、外縁部に少なくとも１つの凹状部を含む天板部、
   前記天板部の前記凹状部を含む外縁部の一部又は全部から折れ曲がり伸びる第１の縦壁部、
   前記第１の縦壁部の前記天板部と反対側の縁から折れ曲がり伸びる第１のフランジ部、及び
   前記天板部の前記凹状部を含む外縁部と異なる縁から折れ曲がり伸びる第２の縦壁部
   を備え、
   前記天板部、第１の縦壁部、又は第１のフランジ部上に少なくとも１つの突起部を有し、
   前記凹状部の曲率半径Ｒと、前記第１の縦壁部の高さはｈが、０．６≦Ｒ／Ｈ≦３．０を満たす
   ことを特徴とする構造体。
2. 前記構造体は、引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板を用いた一体成形物であることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
3. さらに、前記第２の縦壁部の前記天板部と反対側の縁から折れ曲がり伸びる第２のフランジ部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造体。