JP2701878B2 - 多辺形状の断面を有し部分的に補強されたフレーム部材の製造方法 - Google Patents

多辺形状の断面を有し部分的に補強されたフレーム部材の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、断面が多辺形状をしており、部分的に補
強された中空フレーム部材を製造するための方法に関す
る。
多辺形状の断面を有する中空フレーム部材は、必要に
応じて様々な部分に用いられている。これらのフレーム
部材の断面は通常矩形状であるが、鋭い角は潜在的に弱
いので、角は丸みを帯びて形成されている。更に、これ
らのフレーム部材を長手方向に沿って湾曲させて用いわ
ければならない場合もしばしばある。ところで、フレー
ム部材を曲げると、その時に生じる応力のために湾曲部
はフレーム部材の他の部分に比べてしばしば最も弱い領
域となる。それにも拘らず、フレーム部材は長手方向全
体に渡って十分な強度を維持していなければならない。
（従来の技術） 我々が1985年９月18日に出願した欧州特許出願85 30
6675.1号には、管状の半加工品から多辺形状の断面を有
する中空のフレーム部材を製造する方法が記載されてい
る。この方法では、管状の半加工品は先ず所望の曲線形
状に曲げられる。次に、湾曲した半加工品は予備形成用
ダイの中に載置されて両側面の変形が行なわれる。両側
面は最終生成物であるフレーム部材の好ましい平らな側
面を形成する領域に相当する領域が内側に向かって凹
み、凹状に湾曲する。この後、半加工品は最終フレーム
部材の所望の断面形状に対応した形状の窪みが形成され
ている最終ダイの中に載置される。半加工品は両側面が
凹状に湾曲しているので、最終ダイが閉じられても側面
がダイに挟まれることはない。最終ダイが閉じられる
と、半加工品の側壁の降伏点を越える流体圧が半加工品
の内部に加えられる。この内圧により側壁は外側に向か
って膨脹して、半加工品の断面は最終ダイの窪みの断面
と同じ形状になる。このようにして多辺形状の断面を有
する中空フレーム部材が簡便に製造される。
我々が1988年５月６日に出願した欧州特許出願第88
034115.4号には、この基本的な製造方法の改良が開示さ
れている。上で述べたように、基本的な製造方法では半
加工品が最終ダイに挟まれないようにするために予備形
成工程が必要である。ところで、半加工品がダイに挟ま
れる原因は、ダイを閉じる際にダイの窪みの表面と半加
工品とが接触して半加工品が摩擦により引摺られること
にある。そこで、後者の出願では、ダイを閉じる前に半
加工品の内部に半加工品の側壁の降伏点未満の流体圧を
加えて、半加工品が摩擦によって引摺られないようにし
ている。即ち、ダイが閉じられると、半加工品の側壁は
内圧により均等に最終ダイの隅に押しやられる。従っ
て、半加工品の側壁はダイの窪みの表面上を旨く滑るの
で、側壁がダイに挟まれるという問題は解消される。こ
の改良により予備形成用ダイは不要になる。
（発明の目的） 多辺形状の断面を有する中空フレーム部材の製造方法
に関連した多くの問題はこの改良により解決されるが、
このようにして形成されたフレーム部材には弱い部分を
なくすための部分的補強が施されていない。従って、こ
の発明の目的は、部分的に補強の施された多辺形状断面
の中空フレーム部材を製造する方法を提供することであ
る。
（目的を達成するための手段） この発明により、断面が多辺形状で、補強の施された
領域を有し、少なくとも細長い部分は断面が均一で、し
かも少なくとも２つのほぼ対向した平坦な面を有してい
るフレーム部材を形成する方法が提供される。この方法
は、滑らかな弧が連続した形状の断面を有する管と、こ
の管を囲撓するこれまた滑らかな弧が連続した形状の断
面を有する筒とを準備し、管を筒の補強すべき領域に配
備し、最終製品であるフレーム部材の平らな側面に対応
した位置で細長い部分に設けられている対向領域で管及
び筒の側壁を内方に向かって湾曲させて、管及び筒に凹
状に湾曲した対向側壁を形成する予備工程を施し、長手
方向の形状が管及び筒と同じで、管及び筒の凹状に湾曲
している側壁に平行に隣接している部分は少なくともほ
ぼ直線状をしており、湾曲した側壁を有する管及び筒と
等しいかこれらより大きい寸法を有する断面が全体に渡
って滑らかに続く細長い通路を規定する少なくとも２個
の協働片で構成された組立式ダイの中に湾曲した側壁を
有する管及び筒を載置し、内部流体圧を加えて管を周方
向に膨脹させることにより管及び筒の断面の形状をダイ
の通路の断面の形状に一致させると共に筒を管に機械的
に固定させ、ダイの協働片を分離して補強されたフレー
ム部材をダイから取り出すものである。
（実施例） 以下図面を参照してこの発明の実施例を参考までに説
明する。
第１図には管10及び筒11が示されている。筒の内径は
管10が筒の中を容易に摺動できる大きさに設定されてい
る。しかしながら、管10の外径は筒11の内径より僅かに
小さいだけであることが好ましい。このように設定する
ことにより、管10を膨脹させてその外面を筒の外面と一
致させる際に、管10を過度に膨脹させないで済む。第２
図には管10が筒11の中に挿入されている状態が示されて
いる。
第２図に示されている筒11と管10との組み合せは、所
望の形状になるように長手方向に沿って曲げてもよい。
第３図には、ほぼ「Ｓ」字形状になるように筒の部分で
曲げられた管10と筒11との組み合せが示されている。湾
曲部の形状はフレーム部材として所望する形状にするこ
とができる。湾曲部は、マンドレルベンディングやスト
レッチベンディングなどの通常の曲げ操作で予め形成し
ておく。これらの曲げ操作はこの技術分野では一般に広
く知れ渡っているのでここでは詳述しない。しかしなが
ら、本質的にマンドレルベンディングではインターナル
マンドレルが用いられるが、ストレッチベンディングで
はインターナルマンドレルは用いられない。
マンドレルベンディングでは、管に付与することがで
きる湾曲部の最少曲率半径は管の直径のほぼ２倍であ
り、相互に隣接した湾曲部間の最少距離はほぼ管の直径
に相当する。断面積は通常５％減少する。ストレッチベ
ンディングでは、湾曲部の最少曲率半径は管の直径のほ
ぼ３倍であり、相互に隣接した湾曲部間の最少距離は管
の直径のほぼ半分である。断面積は通常ほぼ15％減少す
る。
この実施例ではマンドレルベンディングを用いること
が好ましい。湾曲部を補強する場合は、管11及び管10を
一緒に同時に曲げて、筒で管の湾曲部を覆うようにす
る。
第３図の湾曲した管及び筒は最終ダイに挟まれないよ
うにするための予備工程に付される。予備工程では予備
形成が管の内部の加圧のいずれかが行なわれる。最初に
予備形成について述べる。予備形成ダイは欧州特許出願
第85 2306675.1号に詳しく記載されているので、ここ
では詳述しない。ダイは２個の金属片で構成されてお
り、角金属片は表面に窪みが形成されている。通常、窪
みは金属片の全長に渡って伸びる細長い溝である。金属
片相互が重ね合わされると、窪みが相互に補いあって細
長い管状の通路が形成される。この通路は断面がほぼ砂
時計の形状をしている。管10及び筒11が一方の金属片の
窪みの中に載置され、他方の金属片が一方の金属片の上
に重ね合わされる。これにより、管及び筒の側壁が内方
に向かって変形される。最終製品であるフレーム部材の
平らな又はほぼ平らな面に相当する側壁13上にはこのよ
うにして凹所12が形成される。従って、筒11及び管10は
第４図に示すように断面がほぼ砂時計の形状になる。管
及び筒にこのような予備形成処置を施す理由は、後に最
終ダイによる処理を受けた時に、挟まれたり、鋭角の歪
みが形成されたりすることのないようにするためであ
る。更に、管及び筒は形成処理の全工程を通じて断面の
輪郭が滑らかに連続する穏やかな丸みを常に帯びている
ことが好ましい。このようにすることにより、後に最終
ダイの中で膨脹する際に応力点が形成されることを防止
できることが判明した。従って、機械的強度の優れた多
辺形状のフレーム部材を製造することができる。
筒11及び管10は、側壁に凹所12が形成されてから、最
終ダイの中で膨脹行程に付される。膨脹行程及び膨脹行
程に用いられるダイは、欧州特許出願第85 306675.1号
に詳しく記載されている。簡単に説明すると、ダイは上
部片と下部片とに別れ、各片は表面に窪みが形成されて
いる。両片が重ね合わされると、窪みが相互に補いあっ
て、断面がほぼ矩形状をした細長い通路が形成される。
矩形の角は滑らかな丸みを帯びていることが好ましい。
細長い通路は、製造しようとするフレーム部材の所望の
形状に従って長手方向に沿って湾曲して形成することも
できる。筒11と重ね合わせた管10はこの通路内に載置さ
れてから、管の両端が密閉される。次に、一方の密閉端
から水平液体が注入されて、管及び筒の内部が加圧され
る。内部圧力により管の側壁及び筒の側壁は均等に膨脹
して、又は外方に向かって均等に変形して、両者の断面
は通路の断面と同じほぼ矩形状になる。このようにして
形成されたフレーム部材は、断面が第７図に示されてい
るようにほぼ矩形状になる。ここで加えられる圧力は、
管の側壁の降伏点を優に越える大きさであるが、場合に
よっては、筒の側壁の降伏点を越える大きさに設定して
もよい。圧力の大きさは膨脹させる管の側壁の厚さや組
成によって異なるが、通常は約20,000kPa（3,000psi）
である。ダイの上部片及び下部片は管が膨脹している最
中に移動しないように十分な力で相互にしっかりと固定
される。この膨脹により、四辺形状の断面を有し部分的
に補強されたフレームを非常に正確に、しかも均一に繰
り返して製造することができる。
管及び筒を予備形成ダイの中に載置するかわりに、筒
の両端を密閉して、一方の密閉端から管内に水圧液体を
注入して管を予圧することもできる。この方法の詳細は
欧州特許出願第88 304115.4号に記載されている。水圧
液体が管を内部から押圧する力は、半加工品又は管の側
壁の降伏点未満で、しかも最終ダイの両片が重ね合わさ
れる時に、両片に接触する筒及び管が摩擦によって引摺
られることがないような強さに設定される。実際の手順
としては、先ず管及び筒をダイの一方の片の窪みの中に
載置し、次に管の内部を加圧し、最後に一方の片の上に
他方の片を重ねるようにするとよい。ダイの両片の重ね
合せられると、管及び筒は上面及び下面がそれぞれダイ
の上部片及び下部片の表面と係合して上面及び下面が管
の内部に向かって変形する。管の上面及び下面がこのよ
うにして凹むために、管及び筒の両側面は外側に向かっ
て横方向に脹らみ、ついには管及び筒の両側面とダイの
通路の両側面とが係合する。ところで、この係合はダイ
の両片が相互に重ね合わされるとほとんど同時に生じる
ので、管及び筒が両片の間に挟まれることはない。管及
び筒がダイに挟まれないようにするために必要な内圧の
値は、与えられた寸法及び形状の下で試行及び実験を行
なうことによって容易に決定することができる。一般
に、圧力はほぼ2,000kPa（300psi）である。この段階で
は、管及び筒の上面及び下面の壁は内部に向かって凹ん
でいるが、管及び筒の断面は弧が滑らかに続く形状を維
持している。ここで、管及び筒を完全に膨脹させること
により、多辺形状の断而を有し補強の施されたフレーム
部材が形成される。この改良により、１個のダイで予備
形成及び最終膨脹の両者を実施することができるように
なる。
膨脹行程が完了すると圧力が開放される。水圧流体は
変形した管の内部からポンプで排出され、ダイの上部片
及び下部片が分離されて、最終的に形成された製品がダ
イから取り出される。
膨脹行程において、管10の中で筒11に覆われている領
域14は、筒に覆われていない領域に比べて半径方向外方
に膨脹する割合が少ない。即ち、膨脹量は筒11の側壁の
厚さ分だけ相違している。この点は第６図に明示されて
いる。従って、この処理によって形成される多辺形状の
断面を有するフレーム部材の外而は筒11の両端で生じる
小さな切れ目15を除いて凹凸のない面が一様に続いてい
る。管10には筒11の全長とほぼ同じ長さに渡って筒11の
厚さ分だけ内部に向かって凹んでいる領域14がある。こ
の内部に向かって凹んでいる領域は、筒11を収容し筒11
の両端と係合して、筒11を管10にしっかりと固定する。
従って、外面が凹凸のないほぼ一様な面で覆われ、機械
的強度があり、断面が多辺形状で、部分的に補強された
フレーム部材が最終的に製造される。
開始材料である管を選択する場合は、管の全長のどの
部分でも最終製品であるフレーム部材の周の長さが開始
管の周の長さより約５％を越えて長くなることのないよ
うなものを選択することが好ましい。現在入手可能な管
状綱の品質では、周が５％を越えで膨脹すると、管又は
筒の側壁が過度い弱くなったり、ひび割れが生じたりす
る。管の材料を十分に焼きなましすれば、管の周を20％
まで膨脹させることができるが、焼きなまし処理の施さ
れていない金属を用いることが好ましい。筒11の周の大
きさは最終製品の周の大きさと同じかそれ以下である。
筒11の材料としては、例えば、管10と同じSAE1010を用
いることもできれば、もとの周より５〜10％大きい周に
なるまで膨脹させることのできる程度に十分に延性を有
する金属を用いることもできる。また、筒を管に固定す
るために、筒は膨脹させずに管だけで膨脹させる必要が
あるので、筒材料の引張り特性は、例えば、管の引張り
特性より低いものか、高い場合は最大で30％高いものが
好ましい。
上記実施例はこの発明の本質を逸脱しない範囲で様々
に修正することができる。例えば、開始材料である管及
び筒の断面を円形でなく楕円形とすることができる。ま
た、管及び筒の断面を先に多辺形状にしてから、管及び
筒を所望の形状に湾曲させることもできる。最後に、多
辺形状の断面を有するフレーム部材の断面の形状は、台
形、六角形、その他の多辺形とすることができる。
（発明の効果） 以上説明した通り、この発明によれば、外面が凹凸の
ないほぼ一様な面で覆われ、機械的強度があり、断面が
多辺形状で、部分的に補強されたフレーム部材を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は管及び筒を示す斜視図、第２図は第１図の筒が
第１図の筒の一部に配備されているところを示す斜視
図、第３図は第２図の筒及び管が長手方向に沿って所望
の形状に曲げられたところを示す斜視図、第４図は変形
した管及び筒の断面図、第５図は第３図の筒及び管から
形成された多辺形状の断面を有するフレーム部材を一部
断面にして示す斜視図、第６図は管及び筒の機械的結合
を示すために第５図中符号「６」で示されている円で囲
まれた断面の拡大図、そして第７図は第５図のフレーム
部材の断面図である。 10……管、11……筒、12……凹所、13……側壁、 14……筒に覆われている領域、15……切れ目。

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】断面が多辺形状で、補強された領域を有
    し、少なくとも細長い部分は断面が均一で、しかも少な
    くとも２つのほぼ対向した平坦な面を有しているフレー
    ム部材を形成する方法であり、 弧が滑らかに連続した形状の断面を有する管（10）と、
    この管を囲撓するこれまた弧が滑らかに連続した形状の
    断面を有する筒（11）と準備し、筒（11）を管（10）の
    補強すべき領域に配備し、 最終製品であるフレーム部材の長手方向に、互いに対向
    して細長く延在することとなる両側面と対応する筒11を
    補強した管10の両対向領域（12）において、管及び筒の
    側壁（13）を内方に向かって変形させて、管及び筒に内
    部に向かって凹んだ対向側壁を形成する予備工程を施
    し、 長手方向の形状が管及び筒と同じで、管及び筒の凹状に
    湾曲している側壁に平行に隣接している部分は少なくと
    もほぼ直線状をしており、変形した管及び筒と等しいか
    これらより大きい寸法を有する断面が全体に渡って滑ら
    かに続く細長い通路を規定する少なくとも２個の協働片
    で構成された組立式ダイの中に変形した管及び筒（10及
    び11）を載置し、 内部流体を加えて管（10）を周方向に膨脹させることに
    より管（10）及び筒（11）の断面の形状をダイの通路の
    断面の形状に一致させると共に筒（11）を管に機械的に
    固定させ、ダイの協働片を分離して補強されたフレーム
    部材をダイから取り出すことを特徴とする各辺形状の断
    面を有し部分的に補強されたフレーム部材の製造方法。
  2. 【請求項２】予備工程は、管（10）及び筒（11）を予備
    形成ダイの中に載置して管及び筒の側壁を凹ませて、弧
    が滑らかに連続した形状の断面を維持しながら管及び筒
    に凹状の湾曲対向側壁（13）を形成することを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項に記載した多辺形状の断面を有
    し部分的に補強されたフレーム部材の製造方法。
  3. 【請求項３】予備工程は、管（10）及び筒（11）を収容
    した組立式ダイを閉じる際に、組立式ダイと管（10）及
    び筒（11）との間に生じる摩擦力を十分に克服できる
    が、管の壁（13）の降伏点未満の内部流体圧を管（10）
    に加えることにより、管（10）及び筒（11）の壁が横方
    向外方に押しやられてダイの交接面に挟まれることを防
    止することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載し
    た多辺形状の断面を有し部分的に補強されたフレーム部
    材の製造方法。
  4. 【請求項４】管（10）及び筒（11）はいずれも円形状の
    ほぼ均一な断面を有していることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項−第３項のいずれか１に記載した多辺形状
    の断面を有し部分的に補強されたフレーム部材の製造方
    法。
  5. 【請求項５】ダイの通路の断面の周は通路の長手方向の
    どの部分においても管（10）の周より５％以上に大きく
    なることがないことを特徴とする特許請求の範囲第１項
    −第４項のいずれか１に記載した多辺形状の断面を有し
    部分的に補強されたフレーム部材の製造方法。
  6. 【請求項６】ダイの通路の断面は角が丸められた矩形状
    であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載し
    た多辺形状の断面を有し部分的に補強されたフレーム部
    材の製造方法。
  7. 【請求項７】変形された管及び筒は凹状に湾曲した側壁
    部（12）を有しており、この側壁部は断面が矩形状をし
    た最終製品であるフレーム部材の２つの対向面に相当し
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載し
    た多辺形状の断面を有し部分的に補強されたフレーム部
    材の製造方法。
  8. 【請求項８】管を囲撓する筒の位置決め後であって、し
    かも管及び筒を変形する前に、管及び筒を長手方向に沿
    って曲げることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
    載した多辺形状の断面を有し部分的に補強されたフレー
    ム部材の製造方法。
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