JP3838787B2 - 三角形チューブの製造方法及びその成形金型 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クレーン車、ホイールローダ、油圧ショベル等の建設車両、産業車両、道路機械、及び農業機械等に広範囲に用いられる作業機の断面形状を三角形に成形した三角形チューブの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の建設車両、産業車両、道路機械、及び農業機械等（以下、作業車両と言う。）の作業機の主要構成部品として広範囲に用いられる鋼板製中空部材（以下、チューブと言う）の製造方法について図１４乃至図１６により説明する。
先ず、一般的に作業車両の多くに用いられているチューブの断面形状について説明すると、図１４に示すように、四辺を互いに溶接により固着された複数枚のプレートで構成する矩形の箱型構造となっている。
また、図１５（ａ）に示すように１枚の鋼板の両端部を所定角度曲げ、次いで図１５（ｂ）に示すようにその鋼板の中央部をＵ字状に曲げた後に、図１５（ｃ）に示すように両端部を突き合わせて溶接し、円筒チューブを製作する方法も知られている。
さらに、図１６に示すように、複数個のローラで連続的に所定断面形状のチューブを成形するロール成形法（いわゆる圧延法）が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在多く使用されている図１４に示すような矩形断面形状のチューブは全体として重量が大きくなる傾向があり、このような重いチューブを主要構成部品として有する作業機を作業車両の端部（例えば、油圧式掘削機の場合は前端部）に設けると、この作業機の重量をバランスさせるためのカウンタウェイトを重くしたり、あるいは車両の反対側の端部（上記油圧式掘削機の場合は後端部）に移動させる必要がある。このために、作業車両全体の重量が重くなり、よって車体駆動部の負荷が重くなり、燃費が悪いという問題や、また車両後端部の干渉領域が大きくなり、作業性（油圧式掘削機の場合は後端旋回性）が悪い等の問題がある。したがって、従来から、作業機の軽量化が非常に重要な課題となっている。ところが、作業機にかかる最大荷重に対する剛性を確保する必要があることから、上記矩形断面形状のチューブの形状を小型化する、あるいは板厚を薄くするなどには限度がある。
したがって、従来の矩形断面形状のチューブに比べ、より軽量化が可能な三角断面形状のチューブを実用的な方法で製造することが要求されている。
【０００４】
しかしながら、前述した従来の種々のチューブ製造方法によって三角断面形状のチューブを製作するには、以下のような問題がある。
（１）図１５（ａ），図１５（ｂ），図１５（ｃ）に示した成形方法は円筒形チューブにしか適用できないという問題がある。
（２）また、図１６に示したロール成形法（いわゆる圧延法等）によって成形する方法は、チューブの断面が長手方向で一様な場合には適用できるが、チューブの断面形状を長手方向に変化させるようなテーパ断面の成形には実用上適用できないという問題がある。また、この圧延法では、チューブが一様な断面であっても、断面形状が大きくなると（例えば、高さ×幅≧５００×５００の場合）、大型で、高価な特殊な設備が必要となり実用的でない。
【０００５】
（３）また、本出願人は、断面三角形状のチューブを製造する方法について研究を行っており、例えば図１７（ａ）、図１７（ｂ）に示すように、予め曲げ加工した２枚の鋼板１のそれぞれの端部を突き合わせて溶接したり、あるいは図１７（ｃ）に示すように、予め曲げ加工した３枚の鋼板１のそれぞれの端部を突き合わせて溶接し、三角形チューブを製造する方法を特願平９−１８９５０２号公報に開示している。しかしながら、これらの図に示すように、予め曲げ成形された鋼板１を２枚、あるいは３枚用いて三角形チューブを製造する場合には、溶接線が２本以上となるので、溶接作業に多大な時間を要すると共に、溶接時に必要な材料（溶接ワイヤや溶接ガス等）も多く費やし、コスト高となる。さらに、溶接線が多くなることより、外観品質が低下するという問題もある。
【０００６】
本発明は上記従来の問題点に着目し、断面形状がテーパ状に変化する三角断面形状チューブも高精度に成形できると共に、製造コストの低減、外観品質の向上を図ることができる三角形チューブの製造方法及びその製造に用いる成形金型を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記目的を達成するため、本発明に係る三角形チューブの製造方法の第１発明は、鋼板を断面略三角形状のチューブに成形して三角形チューブを製造する三角形チューブの製造方法において、
(1) 予め所定形状に切断した鋼板１の両端部近傍を所定の曲率で曲げる第１曲げ工程と、
(2) 第１曲げ工程で曲げた鋼板１の中央部を所定の曲率で押し曲げる第２曲げ工程と、
(3) 第２曲げ工程で成形した鋼板１の前記中央部を長手方向に対して左右から加圧しつつ、前記両端部を上方から押さえ込んで拘束して突き合わせ、成形する拘束成形工程と、
(4) 拘束成形工程の後、除荷せずに前記両端部の突き合わせ部１ｄを溶接する溶接工程と、
を有する製造方法としている。
第１発明によれば、１枚の鋼板の両端部近傍及び中央部を所定の曲率（設計値に基づいて予め設定される）で曲げ加工し、この後長手方向に対して左右から加圧しながら上方から押さえ込んで両端部を突き合わせ、この突き合わせによる内力を利用して拘束成形しながら、除荷せずに突き合わせ部を溶接する。このとき、突き合わせによる内力を利用して拘束成形しているので、材料の硬さのバラツキがあつても断面形状を所定の設計値通りに精度良く安定して成形し、溶接することができ、よって簡便に高精度な三角形チューブを製造することができる。
また、テーパ断面を有している場合でも、このチューブを平面に展開した形状に予め鋼板を切断し、この鋼板を所定位置で曲げ加工してテーパ断面を有するチューブを成形できるので、テーパ断面への対応が容易である。
さらに、三角形チューブの突き合わせ溶接線を１本にしたので、溶接時間の短縮化、及び溶接材料使用量の減少により製造コストを低減でき、しかも溶接線が１本なので外観品質も向上させることができる。
したがって、クレーン車、ホイールローダ、油圧ショベル等の建設車両、産業車両、道路機械、及び農業機械等に広範囲に用いることができる三角形チューブの製造方法として実用的である。
【０００８】
また、本発明に係る三角形チューブの製造方法の第２発明は、鋼板を断面略三角形状のチューブに成形して三角形チューブを製造する三角形チューブの製造方法において、
(1) 予め所定形状に切断した鋼板１の両端部近傍を所定の曲率で曲げる第１曲げ工程と、
(2) 第１曲げ工程で曲げた鋼板１の中央部を所定の曲率で押し曲げる第２曲げ工程と、
(3) 第２曲げ工程で成形した鋼板１が成形金型の下型１０に倣うように鋼板１の前記中央部を下型１０に押さえ込むと共に、外側に拡がろうとする鋼板１の前記両端部近傍の曲部を成形金型の上型１５で拘束して突き合わせ、成形する拘束成形工程と、
(4) 拘束成形工程の後、除荷せずに前記両端部の突き合わせ部１ｄを溶接する溶接工程と、を有する製造方法としている。
第２発明によれば、第１発明と同様の作用効果を有するとともに、下型により成形断面を拘束し、また上型により鋼板の両端部を上方から押さえ込んで両端部を突き合わせて拘束することにより、さらに断面形状が一様で高精度の三角形チューブの成形が可能となる。
【０００９】
第３発明は、第１発明又は第２発明の三角形チューブの製造方法において、前記第１曲げ工程及び／又は第２曲げ工程は、鋼板１に設けた位置決め部４２，４４に成形用のパンチＰ1 ，Ｐ2 の位置決め手段Ｑ１，Ｑ２を係合して、鋼板１の前記両端部近傍及び／又は中央部を押し曲げる工程であることを特徴とする製造方法としている。
第３発明によれば、第１発明又は第２発明と同様の作用効果を有するとともに、第１曲げ工程又は第２曲げ工程の少なくともいずれか一方において、鋼板１に設けた位置決め部に成形用パンチの位置決め手段を係合して押し曲げるので、鋼板の曲部の中心位置がずれることがない。したがって、拘束成形時に両端部の突き合わせの位置ずれ（段差、目違い及び溶接部隙間等）を非常に小さくでき、さらに高精度の三角形チューブの曲げ加工が可能となる。
【００１０】
第４発明は、第１発明、第２発明又は第３発明の三角形チューブの製造方法において、三角形チューブは、断面が略三角形状で、かつ二辺の会合部が円弧状に成形されることを特徴とする製造方法としている。
第４発明によれば、三角形チューブの二辺の会合部が円弧状に成形されるので、さらに断面形状が一様で高精度となり、かつ会合部に応力集中がなく、しかも外観品質の良い三角形チューブを製造できる。
【００１１】
第５発明に係る三角形チューブの製造に用いる成形金型は、鋼板を断面略三角形状のチューブに成形する成形金型において、
成形断面と略同一形状の切り欠き部１０ｃを有する複数のプレート１０ａを所定間隔で並列に配設した下型１０と、
鋼板１の前記両端部を突き合わせるように上方から押さえ込む平坦なプレート１５ｂ、及び、プレート１５ｂの下部に所定間隔で並列に、かつ前記プレート１０ａと交互に配設されると共に、それぞれが鋼板１の前記両端部近傍の曲部を長手方向に対して左右から押さえ込む形状を有する複数のプレート１５ａを備えた上型１５と、
を設けた構成としている。
上記構成の成形金型を用いることにより、材料の硬さや板厚のバラツキがあつても、同一成形条件で断面形状を設計値通りに精度良く安定して成形することができ、よって断面形状が一様で高精度の三角形チューブを製造できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る三角形チューブの製造方法及びその製造に用いる成形金型について、図１乃至図１３に基づいて説明する。
先ず、三角形チューブの製造方法の第１曲げ工程を、図１及び図２により説明する。鋼板１は、図１に示すように、予め１枚の鋼板を三角形チューブを平面に展開した形状にレーダ切断機等により高精度に切断加工されており、その鋼板１には曲げ成形すべき曲部１ａ，１Ａが予め設定してある。そして、図２に示すように、鋼板１を所定の曲げ用下型Ｅ1 に載せ、図示しないプレスブレーキのパンチＰ1 を加圧下降させ、鋼板１の前記設定された曲部１ａに対応する箇所を押し曲げ、第１曲げ工程を完了する。
次いで、図３に示す第２曲げ工程では、この曲げられた鋼板１を所定の曲げ用下型Ｅ2 に載せ、鋼板１の中央の曲部１ＡをプレスブレーキのパンチＰ2 を加圧下降させて所定の曲率で押し曲げることにより、この鋼板１は図示の２点鎖線の状態を経て実線の状態に曲げられる。
【００１３】
つぎに、図４に示す拘束成形工程では、まず図４（ａ）に示すように、第１及び第２曲げ工程で曲げられた鋼板１を、中央部を下方に向けて成形金型の下型Ｂに入るように載置する。次いで、鋼板１は図示しない成形加圧機により成形金型の上型Ａを介して所定の加圧力Ｆで加圧され、上型Ａにより上方から押さえ込まれる。これにより、図４（ｂ）に示すように、鋼板１は成形金型の上型Ａと下型Ｂとで拘束される。このとき鋼板１の両端部の突き合わせ部１ｄには、突き合わせによる内力が発生し、この状態で拘束成形が完了する。
そして、図５に示す溶接工程では、鋼板１を拘束成形した状態で除荷せずに、その両端部の突き合わせ部１ｄを、上型Ａの上部に搭載した溶接トーチ走行装置５に配設した溶接トーチ５Ａにより溶接するようになっている。
以上の図１乃至図５に示した第１曲げ工程、第２曲げ工程、拘束成形工程及び溶接工程の各工程により、鋼板１は三角形チューブに製作される。
【００１４】
次に、第１及び第２曲げ工程で曲げ中心が前記設定された曲部１ａ，１Ａよりずれないようにするための位置決め手段について、図６（ａ），図６（ｂ）に基づいて説明する。
図６（ａ）に示すように、鋼板１の長手方向（チューブの長手方向）の両端部には、第１及び第２曲げ工程で曲げ中心となる前記曲部１ａ，１Ａにそれぞれ対応する位置に所定のプレート４１，４３が設けられており、このプレート４１，４３に、曲げ中心が前記設定された曲部１ａ，１Ａよりずれないようにするために、それぞれ位置決め孔４２，４４が設けられている。また、図６（ｂ）に示すように、第１曲げ工程及び第２曲げ工程でそれぞれ使用されるパンチＰ1 ，Ｐ2 の長手方向両端部には、前記位置決め孔４２，４４に対応する位置に、これらの位置決め孔４２，４４に係合する位置決め手段として位置決めピンＱ1 ，Ｑ2 が設けられている。そして、第１曲げ工程及び第２曲げ工程においては、パンチＰ1 ，Ｐ2 の位置決め手段（ここでは位置決めピンＱ1 ，Ｑ2 ）をそれぞれ鋼板１の位置決め孔４２，４４に係合（ここでは挿入）した状態で曲げ成形が行われ、曲げ中心の位置がずれないようにしている。
【００１５】
次に、図７及び図８に基づいて、前記第１曲げ工程及び第２曲げ工程における成形条件の決め方について説明する。なお、第１曲げ工程及び第２曲げ工程は拘束成形工程のための予備成形工程と位置づけされるので、以後、両工程を合わせて予備成形工程と呼ぶ。
図７（ａ），図７（ｂ）に示すように、例えばＳＳ材（軟鋼）とＨＴ材（高張力鋼）とのように強度の異なる鋼板を同じ曲げ条件で曲げた場合、通常、材料の強度差によってスプリングバック量が異なる。したがって、金型から鋼板１を取り出すと、図７（ｂ）に示すように、ＳＳ材の場合の曲げ形状１Ｐと、ＨＴ材の場合の曲げ形状１Ｑとの間にバラツキが生じる。
【００１６】
そこで、本出願人は、鋼板１の強度差に左右されずに、最終の拘束成形工程での拘束成形後にチュ−ブ形状が所定の設計値通りの曲率半径と曲げ角度となるようにするために、前記予備成形工程の時に使用するパンチＰ1 ，Ｐ2 の半径Ｒと曲げ加工時の追い込み量とを最適に規定する方法を実験的に求めている。なお、以後、このパンチＰ1 ，Ｐ2 の半径Ｒと追い込み量とを予備成形条件と呼ぶ。
すなわち、本出願人は、金型内でも、あるいは金型から外しても、図７（ｃ）に示すような鋼板１の塑性変形領域（図示の斜線部）の長さである曲げ長さＭは一定であるという現象に着目した。ここで、曲げ成形時の曲げ角度をθ1 、パンチ先端部の半径をＲ1 とし、また金型から外した時の塑性変形領域の曲げ角度をθ2 、曲率半径をＲ2 とすると、鋼板１の曲げ長さＭは、数式「Ｍ＝Ｒ1 ×θ1 ＝Ｒ2 ×θ2 」で表され、よって一定となっている。
【００１７】
図８に、各種の鋼板材を用いて、上述した曲げ長さＭの一定則を確認した実験データを示す。同図は、パンチ先端部の半径Ｒが８６〜１２０mmの範囲にある各種パンチを使用し、曲げ成形時の曲げ角度（すなわちねらい角度）θを４０〜１１０°の範囲の各種角度に設定したときの、パンチ押し込み時の曲げ長さＭａと、除荷時の曲げ長さＭｂとの相関を示している。すなわち、各パンチ先端部の半径Ｒと各曲げ角度θとの組み合わせ毎に、押し込み時の曲げ長さ「Ｍａ＝Ｒ×θ」を横軸に表し、また、除荷時の曲部の半径Ｒｂ及び曲げ角度θｂを測定して演算した曲げ長さ「Ｍｂ＝Ｒｂ×θｂ」を縦軸に表し、これらの各組み合わせ毎に対応する相関点をプロットしている。
この相関図で分かるように、各鋼板材の強度差による曲げ長さＭのバラツキは押し込み時と除荷後とで殆どなく、したがって曲げ長さＭの一定則を確認できる。
【００１８】
つぎに、上述した曲げ長さ一定則に基づく予備成形工程での予備成形条件の決め方について、図９にしたがって説明する。本発明にかかる三角形チューブの製造方法においては、各工程毎に制約条件を設定し、この制約条件の基で予備成形条件を決定するようにしている。
まず、最終の拘束成形工程では、図９（ｄ）に示すような、各曲部の半径Ｒ11，Ｒ21及び曲げ角度θ11，θ21は設計値通りとする（制約条件１）。つぎに、鋼板１の両端部近傍の曲部が、拘束成形時に弾性変形を行って金型に倣うようにするために、図９（ｃ）に示すような予備成形工程後の除荷した状態では、前記曲部の半径Ｒ22はこの曲部が弾性を有するような曲率半径になるようにしている。したがって、この条件を受けて、図９（ａ）に示す予備成形工程の第１曲げ工程では、両端部近傍の曲部を加工するパンチＰ1 の先端部の半径Ｒ23及び曲げ角度θ23を、前記設計値通りの半径Ｒ21及び曲げ角度θ21で曲げたときの曲げ長さ、つまり（Ｒ21×θ21）と等しい曲げ長さとなるように設定する。このとき、前記半径Ｒ23を鋼板１の弾性範囲内にとどめるようにする（制約条件２）。また、図９（ｂ）に示すように、予備成形工程の第２曲げ工程での曲げ加工では、パンチＰ2 で曲げ成形しているときに、パンチＰ2 と鋼板１の両端部とが干渉しないようにパンチＰ2 の先端部の半径Ｒ13及び曲げ角度θ13を決定する（制約条件３）。すなわち、所定幅Ｈを有するパンチＰ2 により半径Ｒ13及び曲げ角度θ13での曲げ加工が完了した時に、鋼板１の両端部間の距離が前記所定幅Ｈよりも大きくなるように、半径Ｒ13及び曲げ角度θ13を決定する。ここで、半径Ｒ13及び曲げ角度θ13での曲げ長さ（Ｒ13×θ13）が設計値通りの半径Ｒ11及び曲げ角度θ11で曲げたときの曲げ長さ（Ｒ11×θ11）と等しくなるように決定される。
【００１９】
このようにして、制約条件１〜３の基で、最終の拘束成形工程から予備成形工程まで順に、曲げ長さ一定則を利用すると、予備成形条件、すなわちパンチＰ1 ，Ｐ2 の半径Ｒと追い込み量を決定することができる。このとき、追い込み量は、数式「Ｒ13×θ13＝Ｒ11×θ11」を満足するように決定される。
【００２０】
図１０は、本発明に係る三角形チューブの製造に用いる成形金型の一例を示すものである。図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、成形金型２０は下型１０と上型１５とを備えている。
下型１０は、それぞれが成形断面と同一形状の切り欠き部１０ｃを有すると共に、鋼板１の長手方向に対して垂直に、かつ所定間隔で並列に配設された複数のプレート１０ａと、鋼板１の長手方向の端部をガイドし、押し込み成形時に鋼板１の中央部が前記切り欠き部１０ｃの中央部に来るようにするプレート１０ｂとから構成されている。また、上型１５は、同図に示すように、三角形チューブの突き合わせ部（つまり、鋼板１の両端部）を上にした状態で、突き合わせ部の拡がりを縮めるように、両端部近傍の曲部を上方から押さえ込む構造となっている。すなわち、上型１５は、長手方向に対して両側に設けられた（図示で左右１対の）平坦なプレート１５ｂ，１５ｂと、各プレート１５ｂの下部に鋼板１の長手方向に対して垂直に、かつ所定間隔で並列に配設され、鋼板１の両端部近傍の曲部を押さえ込む形状を有する複数のプレート１５ａ，１５ａ（鋼板１のガイドとなる）とから構成されている。
【００２１】
拘束成形工程においては、下型１０に三角形チューブの中央部を下方に向けて載せる。つぎに、上型１５のプレート１５ａで三角形チューブの両端部近傍の曲部をガイドしながら内側に押さえ込むとともに、プレート１５ｂで両端部の突き合わせ部を上方から押圧し、下型１０の型（つまり、切り欠き部１０ｃ）内に押し込む。このとき、プレート１０ｂは三角チューブの長手方向端面をガイドして中央部が下型１０の中央に入るようにする。これにより、鋼板１は下型１０内で拘束成形され、両端部の突き合わせ力によって下型１０に倣って成形される。したがって、材料の硬さのバラツキがあつても断面形状の精度不良を起こすことがなく、断面形状が常に一様で高精度の三角形チューブを成形することができる。
【００２２】
本出願人は、上記のような成形金型を採用することによって、三角形チューブの断面形状を設計値通りに精度良く成形することができることを実測により確認している。すなわち、上記の予備成形及び拘束成形の結果、図１１に示すような鋼板１の突き合わせ部１ｄの段差Ｓ1 、目違いＳ2 、及び突き合わせ溶接部の隙間Ｓ3 がそれぞれ許容される微小誤差内に入ることを計測し、確認している。例えば、テストモデルとして、全長（長手方向）が５００mmで、底辺部（拘束成形時には上方にある）の長さが約４００mm、三角形の高さが約５００mm程度の三角形チューブを、材質ＳＳ４００及びＳＨＴ４９０の鋼板で成形した場合には、両者共に、段差Ｓ1 が「Ｓ1 ≦０．５mm」を、目違いＳ2 が「Ｓ2 ≦０．５mm」を、及び突き合わせ溶接部の隙間Ｓ3 が「Ｓ3 ＝０mm」を満足するものであった。また、形状差（各曲部を結ぶ直線部の膨らみ度合い）も１mm以下であり、非常に精度の良い成形形状が得られている。
【００２３】
そして、上記のように拘束成形された状態で種々の溶接テストを行い、溶接後の外観及び溶け込み量共に良好な品質が得られる溶接工程での条件を導いている。図１２（ａ），図１２（ｂ），及び図１２（ｃ）は、この三角形チューブの突き合わせ溶接のテスト結果の一例を示すものである。
図１２（ａ）は、プラズマ裏波溶接の場合を示すものであり、鋼板１の突き合わせ部をＹ開先とし、板厚が６mmで、開先部板厚が３mmのとき、電流２５０Ａ、溶接速度３０cm／min で溶接し、溶接品質の良好な結果が得られた。
図１２（ｂ）は、ＴＩＧ裏波溶接の場合を示すものであり、鋼板１の突き合わせ部をＹ開先とし、板厚が６mmで、開先部板厚が２mmのとき、電流２００Ａ、溶接速度２５cm／min で溶接し、溶接品質の良好な結果が得られた。
図１２（ｃ）は、ＭＡＧバッキングつき溶接の場合を示すものであり、鋼板１の突き合わせ部をＹ開先とし、板厚が６mmで、開先部板厚が２mmのとき、電流２２０Ａ、電圧２０Ｖ、溶接速度４０cm／min で溶接し、溶接品質の良好な結果が得られた。なお、２５はバッキングプレートである。
これら溶接法は、三角形チューブを製造する場合の設備費用、及び適用する車両機種に適合する板厚、その使用分野等を考慮して適宜設定される。
【００２４】
図１３（ａ）は、三角形チューブ３０の斜視図を示している。鋼板１の突き合わせ溶接線１ｅを１本のみとしたので、溶接作業に要する時間の短縮化、及び溶接材料の使用量減少による製造コストの低減を図ることができ、しかも溶接線が１本で外観品質も向上する。また、略三角断面形状であるので、従来の矩形断面形状のチューブに比べて断面横方向からの外力に対する剛性が非常に高くなると共に、同じ剛性を確保する場合でも使用する鋼板の板厚や量（つまり断面における外周長）を小さくすることができ、この意味での重量及びコストの低減も可能となる。
さらに、図１３（ｂ）に示すように、三角断面形状の各曲部が大きな曲率半径を有しているので、鋼板の曲部への応力集中が無くなり、三角形チューブとして充分な耐久性を有することができる。
【００２５】
なお、上記の実施形態において説明した技術を用いて、チューブの断面形状が長手方向の位置によって徐々に変化するテーパ断面を有する三角形チューブ、あるいは、変化が無く一定である三角柱状の三角形チューブのいずれにも適用できることは言うまでもない。
【００２６】
以上説明したように、本発明に係る三角形チューブの製造方法は、先ず、１枚の板材の両端部近傍を曲げ、次いで、その板材の中央部の曲げ成形を行う。この後、図４（ａ）に示すように、三角形チューブの最終形状と略同一形状の成形金型の下型に上記の予備成形した板材をセットして、図４（ｂ）に示すように、下面が平坦な上型Ａにより、この予備成形した板材を下型Ｂに所定の位置まで押し込んで拘束成形し、その状態で突き合わせ溶接を行う。この結果、板材の硬さのバラツキがあっても、精度の高い断面形状の三角形チューブを常時安定して製作することができるものである。
【００２７】
上記の拘束成形において、上型が所定の位置に下降する前に、板材の両端部の突き合わせ部を接触させることにより、その後の上型の下降工程で、板材に上型からの押しつけ力と、板材の突き合わせ部からの突き合わせ力とを同時に発生させることができる。この結果、材料の硬さのバラツキがあつても断面形状の精度不良を起こすことがなく、簡便に三角断面形状の精度の高い成形が安定して可能となり、高精度の三角形チューブを製造することができる。
【００２８】
上記の予備成形において、図９に示すように、板材の曲げ長さ一定則があることに着眼し、最終拘束成形時の各曲部の曲率半径及び曲げ角度を設定値通りの値にし、かつ、曲げを板材の弾性領域の範囲内で行い、さらに、中央部曲げ時にパンチと板材の両端部との干渉を防止する、という条件を考慮することにより、最適予備成形条件を設定している。この条件により、拘束成形後の形状を一様に略設計値通りとすることができる。
【００２９】
また、予備成形時に、板材の曲部１ａ，１Ａの中心位置を正確にするために、図６（ａ），図６（ｂ）に示すように、板材の長手方向の両端部の、前記曲部１ａ，１Ａに対応する位置に位置決め部（例えば位置決め孔４２，４４、あるいは位置決め用の凹部））を設けると共に、パンチの両端部の前記位置決め部に対応する位置に位置決め部に係合する位置決め手段（位置決めピンＱ1 ，Ｑ2 等）を設けている。そして、これらの位置決め部と位置決め手段とを係合させながら、パンチで予備成形を行うことにより、曲部の中心位置がずれることがなくなり、したがって精度の高い予備成形ができる。
【００３０】
また、三角形チューブの突き合わせ溶接線を１本のみとしたので、溶接作業に要する時間の短縮化と溶接材料の使用量減少とによる製造コストの低減、及び外観品質の向上を図ることができる。
【００３１】
さらに、本発明に係る三角形チューブの製造に用いる成形金型は、それぞれが成形断面と同一形状の切り欠き部を有する複数のプレートをチューブの長手方向に対して垂直に、かつ所定間隔で並列に（つまり、櫛状に）配設した下型と、三角形チューブの突き合わせ部を上にした状態で、突き合わせ部の拡がりを縮めるように上方から押さえ込む左右１対の平坦なプレート１５ｂ，１５ｂ、及び、プレート１５ｂ，１５ｂの下部にチューブの長手方向に対して垂直に、かつ所定間隔で並列に配設した、板材の両端部近傍の曲部を左右方向から押さえ込む形状を有する複数のプレート１５ａ，１５ａを備えた上型とからなっている。
この成形金型を用いることにより、材料の硬さのバラツキがあつても断面形状の精度不良を起こすことがなく、断面形状が常に一様で高精度の三角形チューブを成形することができる。
【００３２】
以上説明した本発明の製造方法、及び成形金型を用いて製造される三角形チューブは、クレーン車、ホイールローダ、油圧ショベル等の建設車両、産業車両、道路機械、及び農業機械等の全ての作業を行う車両に広範囲に用いることができる三角形チューブとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る三角形チューブの曲げ成形前の鋼板の説明図である。
【図２】本発明に係る三角形チューブの製造方法の第１曲げ工程の説明図である。
【図３】本発明に係る三角形チューブの製造方法の第２曲げ工程の説明図である。
【図４】本発明に係る三角形チューブの製造方法の拘束成形工程の説明図である。
【図５】本発明に係る三角形チューブの製造方法の溶接工程の説明図である。
【図６】同、（ａ）は鋼板の端部に設けた位置決め部の説明図、（ｂ）は鋼板の位置決め部とパンチの位置決め手段との係合の説明図である。
【図７】同、鋼板の曲げ長さＭと、半径Ｒと、角度θとの関係を説明する図である。
【図８】同、各種の鋼板及びパンチで曲げた場合の押込み時と除荷時の鋼板の曲げ長さ一定則を表す相関図である。
【図９】同、各工程での成形条件を決める制約条件の説明図である。
【図１０】本発明に係る三角形チューブの成形金型例を説明する図であり、（ａ）は上型と下型の説明図、（ｂ）は下型の説明図である。
【図１１】本発明に係る三角形チューブの成形金型による形状精度の説明図である。
【図１２】本発明に係る三角形チューブの各種の溶接テスト結果の一例を説明する図であり、（ａ）はプラズマ裏波溶接の場合を、（ｂ）はＴＩＧ溶接の場合を、（ｃ）はＭＡＧバッキングつき溶接を示している。
【図１３】本発明に係る三角形チューブの説明図であり、（ａ）はその斜視図を、（ｂ）はその断面形状を示す。
【図１４】従来技術に係わる矩形断面の箱型構造のチューブの説明図である。
【図１５】従来技術に係わる円筒チューブの成形方法の説明図である。
【図１６】従来技術に係わるロール成形法を説明する図である。
【図１７】従来技術に係わる２枚、あるいは３枚板で成形される三角形チューブを説明する図である。
【符号の説明】
１ 鋼板
１ａ，１Ａ 曲部
１ｄ 突き合わせ部
１ｅ 溶接線
１Ｐ ＳＳ材の曲げ形状
１Ｑ ＨＴ材の曲げ形状
５ 溶接トーチ走行装置
５Ａ 溶接トーチ
１０，Ｂ 下型
１５，Ａ 上型
１０ａ プレート
１０ｂ，１５ａ プレート（案内ガイド）
１５ｂ プレート
２０ 成形金型
３０ 三角形チューブ
４２，４４ 位置決め部（位置決め孔）
Ｅ1 ，Ｅ2 曲げ用下型
Ｍ 曲げ長さ
Ｐ1 ，Ｐ2 パンチ
Ｑ1 ，Ｑ1 位置決め手段（位置決めピン）
Ｒ 半径
θ 曲げ角度
【発明の属する技術分野】
本発明は、クレーン車、ホイールローダ、油圧ショベル等の建設車両、産業車両、道路機械、及び農業機械等に広範囲に用いられる作業機の断面形状を三角形に成形した三角形チューブの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の建設車両、産業車両、道路機械、及び農業機械等（以下、作業車両と言う。）の作業機の主要構成部品として広範囲に用いられる鋼板製中空部材（以下、チューブと言う）の製造方法について図１４乃至図１６により説明する。
先ず、一般的に作業車両の多くに用いられているチューブの断面形状について説明すると、図１４に示すように、四辺を互いに溶接により固着された複数枚のプレートで構成する矩形の箱型構造となっている。
また、図１５（ａ）に示すように１枚の鋼板の両端部を所定角度曲げ、次いで図１５（ｂ）に示すようにその鋼板の中央部をＵ字状に曲げた後に、図１５（ｃ）に示すように両端部を突き合わせて溶接し、円筒チューブを製作する方法も知られている。
さらに、図１６に示すように、複数個のローラで連続的に所定断面形状のチューブを成形するロール成形法（いわゆる圧延法）が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在多く使用されている図１４に示すような矩形断面形状のチューブは全体として重量が大きくなる傾向があり、このような重いチューブを主要構成部品として有する作業機を作業車両の端部（例えば、油圧式掘削機の場合は前端部）に設けると、この作業機の重量をバランスさせるためのカウンタウェイトを重くしたり、あるいは車両の反対側の端部（上記油圧式掘削機の場合は後端部）に移動させる必要がある。このために、作業車両全体の重量が重くなり、よって車体駆動部の負荷が重くなり、燃費が悪いという問題や、また車両後端部の干渉領域が大きくなり、作業性（油圧式掘削機の場合は後端旋回性）が悪い等の問題がある。したがって、従来から、作業機の軽量化が非常に重要な課題となっている。ところが、作業機にかかる最大荷重に対する剛性を確保する必要があることから、上記矩形断面形状のチューブの形状を小型化する、あるいは板厚を薄くするなどには限度がある。
したがって、従来の矩形断面形状のチューブに比べ、より軽量化が可能な三角断面形状のチューブを実用的な方法で製造することが要求されている。
【０００４】
しかしながら、前述した従来の種々のチューブ製造方法によって三角断面形状のチューブを製作するには、以下のような問題がある。
（１）図１５（ａ），図１５（ｂ），図１５（ｃ）に示した成形方法は円筒形チューブにしか適用できないという問題がある。
（２）また、図１６に示したロール成形法（いわゆる圧延法等）によって成形する方法は、チューブの断面が長手方向で一様な場合には適用できるが、チューブの断面形状を長手方向に変化させるようなテーパ断面の成形には実用上適用できないという問題がある。また、この圧延法では、チューブが一様な断面であっても、断面形状が大きくなると（例えば、高さ×幅≧５００×５００の場合）、大型で、高価な特殊な設備が必要となり実用的でない。
【０００５】
（３）また、本出願人は、断面三角形状のチューブを製造する方法について研究を行っており、例えば図１７（ａ）、図１７（ｂ）に示すように、予め曲げ加工した２枚の鋼板１のそれぞれの端部を突き合わせて溶接したり、あるいは図１７（ｃ）に示すように、予め曲げ加工した３枚の鋼板１のそれぞれの端部を突き合わせて溶接し、三角形チューブを製造する方法を特願平９−１８９５０２号公報に開示している。しかしながら、これらの図に示すように、予め曲げ成形された鋼板１を２枚、あるいは３枚用いて三角形チューブを製造する場合には、溶接線が２本以上となるので、溶接作業に多大な時間を要すると共に、溶接時に必要な材料（溶接ワイヤや溶接ガス等）も多く費やし、コスト高となる。さらに、溶接線が多くなることより、外観品質が低下するという問題もある。
【０００６】
本発明は上記従来の問題点に着目し、断面形状がテーパ状に変化する三角断面形状チューブも高精度に成形できると共に、製造コストの低減、外観品質の向上を図ることができる三角形チューブの製造方法及びその製造に用いる成形金型を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記目的を達成するため、本発明に係る三角形チューブの製造方法の第１発明は、鋼板を断面略三角形状のチューブに成形して三角形チューブを製造する三角形チューブの製造方法において、
(1) 予め所定形状に切断した鋼板１の両端部近傍を所定の曲率で曲げる第１曲げ工程と、
(2) 第１曲げ工程で曲げた鋼板１の中央部を所定の曲率で押し曲げる第２曲げ工程と、
(3) 第２曲げ工程で成形した鋼板１の前記中央部を長手方向に対して左右から加圧しつつ、前記両端部を上方から押さえ込んで拘束して突き合わせ、成形する拘束成形工程と、
(4) 拘束成形工程の後、除荷せずに前記両端部の突き合わせ部１ｄを溶接する溶接工程と、
を有する製造方法としている。
第１発明によれば、１枚の鋼板の両端部近傍及び中央部を所定の曲率（設計値に基づいて予め設定される）で曲げ加工し、この後長手方向に対して左右から加圧しながら上方から押さえ込んで両端部を突き合わせ、この突き合わせによる内力を利用して拘束成形しながら、除荷せずに突き合わせ部を溶接する。このとき、突き合わせによる内力を利用して拘束成形しているので、材料の硬さのバラツキがあつても断面形状を所定の設計値通りに精度良く安定して成形し、溶接することができ、よって簡便に高精度な三角形チューブを製造することができる。
また、テーパ断面を有している場合でも、このチューブを平面に展開した形状に予め鋼板を切断し、この鋼板を所定位置で曲げ加工してテーパ断面を有するチューブを成形できるので、テーパ断面への対応が容易である。
さらに、三角形チューブの突き合わせ溶接線を１本にしたので、溶接時間の短縮化、及び溶接材料使用量の減少により製造コストを低減でき、しかも溶接線が１本なので外観品質も向上させることができる。
したがって、クレーン車、ホイールローダ、油圧ショベル等の建設車両、産業車両、道路機械、及び農業機械等に広範囲に用いることができる三角形チューブの製造方法として実用的である。
【０００８】
また、本発明に係る三角形チューブの製造方法の第２発明は、鋼板を断面略三角形状のチューブに成形して三角形チューブを製造する三角形チューブの製造方法において、
(1) 予め所定形状に切断した鋼板１の両端部近傍を所定の曲率で曲げる第１曲げ工程と、
(2) 第１曲げ工程で曲げた鋼板１の中央部を所定の曲率で押し曲げる第２曲げ工程と、
(3) 第２曲げ工程で成形した鋼板１が成形金型の下型１０に倣うように鋼板１の前記中央部を下型１０に押さえ込むと共に、外側に拡がろうとする鋼板１の前記両端部近傍の曲部を成形金型の上型１５で拘束して突き合わせ、成形する拘束成形工程と、
(4) 拘束成形工程の後、除荷せずに前記両端部の突き合わせ部１ｄを溶接する溶接工程と、を有する製造方法としている。
第２発明によれば、第１発明と同様の作用効果を有するとともに、下型により成形断面を拘束し、また上型により鋼板の両端部を上方から押さえ込んで両端部を突き合わせて拘束することにより、さらに断面形状が一様で高精度の三角形チューブの成形が可能となる。
【０００９】
第３発明は、第１発明又は第２発明の三角形チューブの製造方法において、前記第１曲げ工程及び／又は第２曲げ工程は、鋼板１に設けた位置決め部４２，４４に成形用のパンチＰ1 ，Ｐ2 の位置決め手段Ｑ１，Ｑ２を係合して、鋼板１の前記両端部近傍及び／又は中央部を押し曲げる工程であることを特徴とする製造方法としている。
第３発明によれば、第１発明又は第２発明と同様の作用効果を有するとともに、第１曲げ工程又は第２曲げ工程の少なくともいずれか一方において、鋼板１に設けた位置決め部に成形用パンチの位置決め手段を係合して押し曲げるので、鋼板の曲部の中心位置がずれることがない。したがって、拘束成形時に両端部の突き合わせの位置ずれ（段差、目違い及び溶接部隙間等）を非常に小さくでき、さらに高精度の三角形チューブの曲げ加工が可能となる。
【００１０】
第４発明は、第１発明、第２発明又は第３発明の三角形チューブの製造方法において、三角形チューブは、断面が略三角形状で、かつ二辺の会合部が円弧状に成形されることを特徴とする製造方法としている。
第４発明によれば、三角形チューブの二辺の会合部が円弧状に成形されるので、さらに断面形状が一様で高精度となり、かつ会合部に応力集中がなく、しかも外観品質の良い三角形チューブを製造できる。
【００１１】
第５発明に係る三角形チューブの製造に用いる成形金型は、鋼板を断面略三角形状のチューブに成形する成形金型において、
成形断面と略同一形状の切り欠き部１０ｃを有する複数のプレート１０ａを所定間隔で並列に配設した下型１０と、
鋼板１の前記両端部を突き合わせるように上方から押さえ込む平坦なプレート１５ｂ、及び、プレート１５ｂの下部に所定間隔で並列に、かつ前記プレート１０ａと交互に配設されると共に、それぞれが鋼板１の前記両端部近傍の曲部を長手方向に対して左右から押さえ込む形状を有する複数のプレート１５ａを備えた上型１５と、
を設けた構成としている。
上記構成の成形金型を用いることにより、材料の硬さや板厚のバラツキがあつても、同一成形条件で断面形状を設計値通りに精度良く安定して成形することができ、よって断面形状が一様で高精度の三角形チューブを製造できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る三角形チューブの製造方法及びその製造に用いる成形金型について、図１乃至図１３に基づいて説明する。
先ず、三角形チューブの製造方法の第１曲げ工程を、図１及び図２により説明する。鋼板１は、図１に示すように、予め１枚の鋼板を三角形チューブを平面に展開した形状にレーダ切断機等により高精度に切断加工されており、その鋼板１には曲げ成形すべき曲部１ａ，１Ａが予め設定してある。そして、図２に示すように、鋼板１を所定の曲げ用下型Ｅ1 に載せ、図示しないプレスブレーキのパンチＰ1 を加圧下降させ、鋼板１の前記設定された曲部１ａに対応する箇所を押し曲げ、第１曲げ工程を完了する。
次いで、図３に示す第２曲げ工程では、この曲げられた鋼板１を所定の曲げ用下型Ｅ2 に載せ、鋼板１の中央の曲部１ＡをプレスブレーキのパンチＰ2 を加圧下降させて所定の曲率で押し曲げることにより、この鋼板１は図示の２点鎖線の状態を経て実線の状態に曲げられる。
【００１３】
つぎに、図４に示す拘束成形工程では、まず図４（ａ）に示すように、第１及び第２曲げ工程で曲げられた鋼板１を、中央部を下方に向けて成形金型の下型Ｂに入るように載置する。次いで、鋼板１は図示しない成形加圧機により成形金型の上型Ａを介して所定の加圧力Ｆで加圧され、上型Ａにより上方から押さえ込まれる。これにより、図４（ｂ）に示すように、鋼板１は成形金型の上型Ａと下型Ｂとで拘束される。このとき鋼板１の両端部の突き合わせ部１ｄには、突き合わせによる内力が発生し、この状態で拘束成形が完了する。
そして、図５に示す溶接工程では、鋼板１を拘束成形した状態で除荷せずに、その両端部の突き合わせ部１ｄを、上型Ａの上部に搭載した溶接トーチ走行装置５に配設した溶接トーチ５Ａにより溶接するようになっている。
以上の図１乃至図５に示した第１曲げ工程、第２曲げ工程、拘束成形工程及び溶接工程の各工程により、鋼板１は三角形チューブに製作される。
【００１４】
次に、第１及び第２曲げ工程で曲げ中心が前記設定された曲部１ａ，１Ａよりずれないようにするための位置決め手段について、図６（ａ），図６（ｂ）に基づいて説明する。
図６（ａ）に示すように、鋼板１の長手方向（チューブの長手方向）の両端部には、第１及び第２曲げ工程で曲げ中心となる前記曲部１ａ，１Ａにそれぞれ対応する位置に所定のプレート４１，４３が設けられており、このプレート４１，４３に、曲げ中心が前記設定された曲部１ａ，１Ａよりずれないようにするために、それぞれ位置決め孔４２，４４が設けられている。また、図６（ｂ）に示すように、第１曲げ工程及び第２曲げ工程でそれぞれ使用されるパンチＰ1 ，Ｐ2 の長手方向両端部には、前記位置決め孔４２，４４に対応する位置に、これらの位置決め孔４２，４４に係合する位置決め手段として位置決めピンＱ1 ，Ｑ2 が設けられている。そして、第１曲げ工程及び第２曲げ工程においては、パンチＰ1 ，Ｐ2 の位置決め手段（ここでは位置決めピンＱ1 ，Ｑ2 ）をそれぞれ鋼板１の位置決め孔４２，４４に係合（ここでは挿入）した状態で曲げ成形が行われ、曲げ中心の位置がずれないようにしている。
【００１５】
次に、図７及び図８に基づいて、前記第１曲げ工程及び第２曲げ工程における成形条件の決め方について説明する。なお、第１曲げ工程及び第２曲げ工程は拘束成形工程のための予備成形工程と位置づけされるので、以後、両工程を合わせて予備成形工程と呼ぶ。
図７（ａ），図７（ｂ）に示すように、例えばＳＳ材（軟鋼）とＨＴ材（高張力鋼）とのように強度の異なる鋼板を同じ曲げ条件で曲げた場合、通常、材料の強度差によってスプリングバック量が異なる。したがって、金型から鋼板１を取り出すと、図７（ｂ）に示すように、ＳＳ材の場合の曲げ形状１Ｐと、ＨＴ材の場合の曲げ形状１Ｑとの間にバラツキが生じる。
【００１６】
そこで、本出願人は、鋼板１の強度差に左右されずに、最終の拘束成形工程での拘束成形後にチュ−ブ形状が所定の設計値通りの曲率半径と曲げ角度となるようにするために、前記予備成形工程の時に使用するパンチＰ1 ，Ｐ2 の半径Ｒと曲げ加工時の追い込み量とを最適に規定する方法を実験的に求めている。なお、以後、このパンチＰ1 ，Ｐ2 の半径Ｒと追い込み量とを予備成形条件と呼ぶ。
すなわち、本出願人は、金型内でも、あるいは金型から外しても、図７（ｃ）に示すような鋼板１の塑性変形領域（図示の斜線部）の長さである曲げ長さＭは一定であるという現象に着目した。ここで、曲げ成形時の曲げ角度をθ1 、パンチ先端部の半径をＲ1 とし、また金型から外した時の塑性変形領域の曲げ角度をθ2 、曲率半径をＲ2 とすると、鋼板１の曲げ長さＭは、数式「Ｍ＝Ｒ1 ×θ1 ＝Ｒ2 ×θ2 」で表され、よって一定となっている。
【００１７】
図８に、各種の鋼板材を用いて、上述した曲げ長さＭの一定則を確認した実験データを示す。同図は、パンチ先端部の半径Ｒが８６〜１２０mmの範囲にある各種パンチを使用し、曲げ成形時の曲げ角度（すなわちねらい角度）θを４０〜１１０°の範囲の各種角度に設定したときの、パンチ押し込み時の曲げ長さＭａと、除荷時の曲げ長さＭｂとの相関を示している。すなわち、各パンチ先端部の半径Ｒと各曲げ角度θとの組み合わせ毎に、押し込み時の曲げ長さ「Ｍａ＝Ｒ×θ」を横軸に表し、また、除荷時の曲部の半径Ｒｂ及び曲げ角度θｂを測定して演算した曲げ長さ「Ｍｂ＝Ｒｂ×θｂ」を縦軸に表し、これらの各組み合わせ毎に対応する相関点をプロットしている。
この相関図で分かるように、各鋼板材の強度差による曲げ長さＭのバラツキは押し込み時と除荷後とで殆どなく、したがって曲げ長さＭの一定則を確認できる。
【００１８】
つぎに、上述した曲げ長さ一定則に基づく予備成形工程での予備成形条件の決め方について、図９にしたがって説明する。本発明にかかる三角形チューブの製造方法においては、各工程毎に制約条件を設定し、この制約条件の基で予備成形条件を決定するようにしている。
まず、最終の拘束成形工程では、図９（ｄ）に示すような、各曲部の半径Ｒ11，Ｒ21及び曲げ角度θ11，θ21は設計値通りとする（制約条件１）。つぎに、鋼板１の両端部近傍の曲部が、拘束成形時に弾性変形を行って金型に倣うようにするために、図９（ｃ）に示すような予備成形工程後の除荷した状態では、前記曲部の半径Ｒ22はこの曲部が弾性を有するような曲率半径になるようにしている。したがって、この条件を受けて、図９（ａ）に示す予備成形工程の第１曲げ工程では、両端部近傍の曲部を加工するパンチＰ1 の先端部の半径Ｒ23及び曲げ角度θ23を、前記設計値通りの半径Ｒ21及び曲げ角度θ21で曲げたときの曲げ長さ、つまり（Ｒ21×θ21）と等しい曲げ長さとなるように設定する。このとき、前記半径Ｒ23を鋼板１の弾性範囲内にとどめるようにする（制約条件２）。また、図９（ｂ）に示すように、予備成形工程の第２曲げ工程での曲げ加工では、パンチＰ2 で曲げ成形しているときに、パンチＰ2 と鋼板１の両端部とが干渉しないようにパンチＰ2 の先端部の半径Ｒ13及び曲げ角度θ13を決定する（制約条件３）。すなわち、所定幅Ｈを有するパンチＰ2 により半径Ｒ13及び曲げ角度θ13での曲げ加工が完了した時に、鋼板１の両端部間の距離が前記所定幅Ｈよりも大きくなるように、半径Ｒ13及び曲げ角度θ13を決定する。ここで、半径Ｒ13及び曲げ角度θ13での曲げ長さ（Ｒ13×θ13）が設計値通りの半径Ｒ11及び曲げ角度θ11で曲げたときの曲げ長さ（Ｒ11×θ11）と等しくなるように決定される。
【００１９】
このようにして、制約条件１〜３の基で、最終の拘束成形工程から予備成形工程まで順に、曲げ長さ一定則を利用すると、予備成形条件、すなわちパンチＰ1 ，Ｐ2 の半径Ｒと追い込み量を決定することができる。このとき、追い込み量は、数式「Ｒ13×θ13＝Ｒ11×θ11」を満足するように決定される。
【００２０】
図１０は、本発明に係る三角形チューブの製造に用いる成形金型の一例を示すものである。図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、成形金型２０は下型１０と上型１５とを備えている。
下型１０は、それぞれが成形断面と同一形状の切り欠き部１０ｃを有すると共に、鋼板１の長手方向に対して垂直に、かつ所定間隔で並列に配設された複数のプレート１０ａと、鋼板１の長手方向の端部をガイドし、押し込み成形時に鋼板１の中央部が前記切り欠き部１０ｃの中央部に来るようにするプレート１０ｂとから構成されている。また、上型１５は、同図に示すように、三角形チューブの突き合わせ部（つまり、鋼板１の両端部）を上にした状態で、突き合わせ部の拡がりを縮めるように、両端部近傍の曲部を上方から押さえ込む構造となっている。すなわち、上型１５は、長手方向に対して両側に設けられた（図示で左右１対の）平坦なプレート１５ｂ，１５ｂと、各プレート１５ｂの下部に鋼板１の長手方向に対して垂直に、かつ所定間隔で並列に配設され、鋼板１の両端部近傍の曲部を押さえ込む形状を有する複数のプレート１５ａ，１５ａ（鋼板１のガイドとなる）とから構成されている。
【００２１】
拘束成形工程においては、下型１０に三角形チューブの中央部を下方に向けて載せる。つぎに、上型１５のプレート１５ａで三角形チューブの両端部近傍の曲部をガイドしながら内側に押さえ込むとともに、プレート１５ｂで両端部の突き合わせ部を上方から押圧し、下型１０の型（つまり、切り欠き部１０ｃ）内に押し込む。このとき、プレート１０ｂは三角チューブの長手方向端面をガイドして中央部が下型１０の中央に入るようにする。これにより、鋼板１は下型１０内で拘束成形され、両端部の突き合わせ力によって下型１０に倣って成形される。したがって、材料の硬さのバラツキがあつても断面形状の精度不良を起こすことがなく、断面形状が常に一様で高精度の三角形チューブを成形することができる。
【００２２】
本出願人は、上記のような成形金型を採用することによって、三角形チューブの断面形状を設計値通りに精度良く成形することができることを実測により確認している。すなわち、上記の予備成形及び拘束成形の結果、図１１に示すような鋼板１の突き合わせ部１ｄの段差Ｓ1 、目違いＳ2 、及び突き合わせ溶接部の隙間Ｓ3 がそれぞれ許容される微小誤差内に入ることを計測し、確認している。例えば、テストモデルとして、全長（長手方向）が５００mmで、底辺部（拘束成形時には上方にある）の長さが約４００mm、三角形の高さが約５００mm程度の三角形チューブを、材質ＳＳ４００及びＳＨＴ４９０の鋼板で成形した場合には、両者共に、段差Ｓ1 が「Ｓ1 ≦０．５mm」を、目違いＳ2 が「Ｓ2 ≦０．５mm」を、及び突き合わせ溶接部の隙間Ｓ3 が「Ｓ3 ＝０mm」を満足するものであった。また、形状差（各曲部を結ぶ直線部の膨らみ度合い）も１mm以下であり、非常に精度の良い成形形状が得られている。
【００２３】
そして、上記のように拘束成形された状態で種々の溶接テストを行い、溶接後の外観及び溶け込み量共に良好な品質が得られる溶接工程での条件を導いている。図１２（ａ），図１２（ｂ），及び図１２（ｃ）は、この三角形チューブの突き合わせ溶接のテスト結果の一例を示すものである。
図１２（ａ）は、プラズマ裏波溶接の場合を示すものであり、鋼板１の突き合わせ部をＹ開先とし、板厚が６mmで、開先部板厚が３mmのとき、電流２５０Ａ、溶接速度３０cm／min で溶接し、溶接品質の良好な結果が得られた。
図１２（ｂ）は、ＴＩＧ裏波溶接の場合を示すものであり、鋼板１の突き合わせ部をＹ開先とし、板厚が６mmで、開先部板厚が２mmのとき、電流２００Ａ、溶接速度２５cm／min で溶接し、溶接品質の良好な結果が得られた。
図１２（ｃ）は、ＭＡＧバッキングつき溶接の場合を示すものであり、鋼板１の突き合わせ部をＹ開先とし、板厚が６mmで、開先部板厚が２mmのとき、電流２２０Ａ、電圧２０Ｖ、溶接速度４０cm／min で溶接し、溶接品質の良好な結果が得られた。なお、２５はバッキングプレートである。
これら溶接法は、三角形チューブを製造する場合の設備費用、及び適用する車両機種に適合する板厚、その使用分野等を考慮して適宜設定される。
【００２４】
図１３（ａ）は、三角形チューブ３０の斜視図を示している。鋼板１の突き合わせ溶接線１ｅを１本のみとしたので、溶接作業に要する時間の短縮化、及び溶接材料の使用量減少による製造コストの低減を図ることができ、しかも溶接線が１本で外観品質も向上する。また、略三角断面形状であるので、従来の矩形断面形状のチューブに比べて断面横方向からの外力に対する剛性が非常に高くなると共に、同じ剛性を確保する場合でも使用する鋼板の板厚や量（つまり断面における外周長）を小さくすることができ、この意味での重量及びコストの低減も可能となる。
さらに、図１３（ｂ）に示すように、三角断面形状の各曲部が大きな曲率半径を有しているので、鋼板の曲部への応力集中が無くなり、三角形チューブとして充分な耐久性を有することができる。
【００２５】
なお、上記の実施形態において説明した技術を用いて、チューブの断面形状が長手方向の位置によって徐々に変化するテーパ断面を有する三角形チューブ、あるいは、変化が無く一定である三角柱状の三角形チューブのいずれにも適用できることは言うまでもない。
【００２６】
以上説明したように、本発明に係る三角形チューブの製造方法は、先ず、１枚の板材の両端部近傍を曲げ、次いで、その板材の中央部の曲げ成形を行う。この後、図４（ａ）に示すように、三角形チューブの最終形状と略同一形状の成形金型の下型に上記の予備成形した板材をセットして、図４（ｂ）に示すように、下面が平坦な上型Ａにより、この予備成形した板材を下型Ｂに所定の位置まで押し込んで拘束成形し、その状態で突き合わせ溶接を行う。この結果、板材の硬さのバラツキがあっても、精度の高い断面形状の三角形チューブを常時安定して製作することができるものである。
【００２７】
上記の拘束成形において、上型が所定の位置に下降する前に、板材の両端部の突き合わせ部を接触させることにより、その後の上型の下降工程で、板材に上型からの押しつけ力と、板材の突き合わせ部からの突き合わせ力とを同時に発生させることができる。この結果、材料の硬さのバラツキがあつても断面形状の精度不良を起こすことがなく、簡便に三角断面形状の精度の高い成形が安定して可能となり、高精度の三角形チューブを製造することができる。
【００２８】
上記の予備成形において、図９に示すように、板材の曲げ長さ一定則があることに着眼し、最終拘束成形時の各曲部の曲率半径及び曲げ角度を設定値通りの値にし、かつ、曲げを板材の弾性領域の範囲内で行い、さらに、中央部曲げ時にパンチと板材の両端部との干渉を防止する、という条件を考慮することにより、最適予備成形条件を設定している。この条件により、拘束成形後の形状を一様に略設計値通りとすることができる。
【００２９】
また、予備成形時に、板材の曲部１ａ，１Ａの中心位置を正確にするために、図６（ａ），図６（ｂ）に示すように、板材の長手方向の両端部の、前記曲部１ａ，１Ａに対応する位置に位置決め部（例えば位置決め孔４２，４４、あるいは位置決め用の凹部））を設けると共に、パンチの両端部の前記位置決め部に対応する位置に位置決め部に係合する位置決め手段（位置決めピンＱ1 ，Ｑ2 等）を設けている。そして、これらの位置決め部と位置決め手段とを係合させながら、パンチで予備成形を行うことにより、曲部の中心位置がずれることがなくなり、したがって精度の高い予備成形ができる。
【００３０】
また、三角形チューブの突き合わせ溶接線を１本のみとしたので、溶接作業に要する時間の短縮化と溶接材料の使用量減少とによる製造コストの低減、及び外観品質の向上を図ることができる。
【００３１】
さらに、本発明に係る三角形チューブの製造に用いる成形金型は、それぞれが成形断面と同一形状の切り欠き部を有する複数のプレートをチューブの長手方向に対して垂直に、かつ所定間隔で並列に（つまり、櫛状に）配設した下型と、三角形チューブの突き合わせ部を上にした状態で、突き合わせ部の拡がりを縮めるように上方から押さえ込む左右１対の平坦なプレート１５ｂ，１５ｂ、及び、プレート１５ｂ，１５ｂの下部にチューブの長手方向に対して垂直に、かつ所定間隔で並列に配設した、板材の両端部近傍の曲部を左右方向から押さえ込む形状を有する複数のプレート１５ａ，１５ａを備えた上型とからなっている。
この成形金型を用いることにより、材料の硬さのバラツキがあつても断面形状の精度不良を起こすことがなく、断面形状が常に一様で高精度の三角形チューブを成形することができる。
【００３２】
以上説明した本発明の製造方法、及び成形金型を用いて製造される三角形チューブは、クレーン車、ホイールローダ、油圧ショベル等の建設車両、産業車両、道路機械、及び農業機械等の全ての作業を行う車両に広範囲に用いることができる三角形チューブとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る三角形チューブの曲げ成形前の鋼板の説明図である。
【図２】本発明に係る三角形チューブの製造方法の第１曲げ工程の説明図である。
【図３】本発明に係る三角形チューブの製造方法の第２曲げ工程の説明図である。
【図４】本発明に係る三角形チューブの製造方法の拘束成形工程の説明図である。
【図５】本発明に係る三角形チューブの製造方法の溶接工程の説明図である。
【図６】同、（ａ）は鋼板の端部に設けた位置決め部の説明図、（ｂ）は鋼板の位置決め部とパンチの位置決め手段との係合の説明図である。
【図７】同、鋼板の曲げ長さＭと、半径Ｒと、角度θとの関係を説明する図である。
【図８】同、各種の鋼板及びパンチで曲げた場合の押込み時と除荷時の鋼板の曲げ長さ一定則を表す相関図である。
【図９】同、各工程での成形条件を決める制約条件の説明図である。
【図１０】本発明に係る三角形チューブの成形金型例を説明する図であり、（ａ）は上型と下型の説明図、（ｂ）は下型の説明図である。
【図１１】本発明に係る三角形チューブの成形金型による形状精度の説明図である。
【図１２】本発明に係る三角形チューブの各種の溶接テスト結果の一例を説明する図であり、（ａ）はプラズマ裏波溶接の場合を、（ｂ）はＴＩＧ溶接の場合を、（ｃ）はＭＡＧバッキングつき溶接を示している。
【図１３】本発明に係る三角形チューブの説明図であり、（ａ）はその斜視図を、（ｂ）はその断面形状を示す。
【図１４】従来技術に係わる矩形断面の箱型構造のチューブの説明図である。
【図１５】従来技術に係わる円筒チューブの成形方法の説明図である。
【図１６】従来技術に係わるロール成形法を説明する図である。
【図１７】従来技術に係わる２枚、あるいは３枚板で成形される三角形チューブを説明する図である。
【符号の説明】
１ 鋼板
１ａ，１Ａ 曲部
１ｄ 突き合わせ部
１ｅ 溶接線
１Ｐ ＳＳ材の曲げ形状
１Ｑ ＨＴ材の曲げ形状
５ 溶接トーチ走行装置
５Ａ 溶接トーチ
１０，Ｂ 下型
１５，Ａ 上型
１０ａ プレート
１０ｂ，１５ａ プレート（案内ガイド）
１５ｂ プレート
２０ 成形金型
３０ 三角形チューブ
４２，４４ 位置決め部（位置決め孔）
Ｅ1 ，Ｅ2 曲げ用下型
Ｍ 曲げ長さ
Ｐ1 ，Ｐ2 パンチ
Ｑ1 ，Ｑ1 位置決め手段（位置決めピン）
Ｒ 半径
θ 曲げ角度
Claims (5)
- 鋼板を断面略三角形状のチューブに成形して三角形チューブを製造する三角形チューブの製造方法において、
(1) 予め所定形状に切断した鋼板(1) の両端部近傍を所定の曲率で曲げる第１曲げ工程と、
(2) 第１曲げ工程で曲げた鋼板(1) の中央部を所定の曲率で押し曲げる第２曲げ工程と、
(3) 第２曲げ工程で成形した鋼板(1) の前記中央部を長手方向に対して左右から加圧しつつ、前記両端部を上方から押さえ込んで拘束して突き合わせ、成形する拘束成形工程と、
(4) 拘束成形工程の後、除荷せずに前記両端部の突き合わせ部(1d)を溶接する溶接工程とを有することを特徴とする三角形チューブの製造方法。 - 鋼板を断面略三角形状のチューブに成形して三角形チューブを製造する三角形チューブの製造方法において、
(1) 予め所定形状に切断した鋼板(1) の両端部近傍を所定の曲率で曲げる第１曲げ工程と、
(2) 第１曲げ工程で曲げた鋼板(1) の中央部を所定の曲率で押し曲げる第２曲げ工程と、
(3) 第２曲げ工程で成形した鋼板(1) が成形金型の下型(10)に倣うように鋼板(1) の前記中央部を下型(10)に押さえ込むと共に、外側に拡がろうとする鋼板(1) の前記両端部近傍の曲部を成形金型の上型(15)で拘束して突き合わせ、成形する拘束成形工程と、
(4) 拘束成形工程の後、除荷せずに前記両端部の突き合わせ部(1d)を溶接する溶接工程とを有することを特徴とする三角形チューブの製造方法。 - 請求項１又は２記載の三角形チューブの製造方法において、前記第１曲げ工程及び／又は第２曲げ工程は、鋼板(1) に設けた位置決め部(42,44) に成形用のパンチ(P1,P2) の位置決め手段(Q1,Q2) を係合して、鋼板(1) の前記両端部近傍及び／又は中央部を押し曲げる工程であることを特徴とする三角形チューブの製造方法。
- 請求項１、２又は３記載の三角形チューブの製造方法において、
三角形チューブは、断面が略三角形状で、かつ二辺の会合部が円弧状に成形されることを特徴とする三角形チューブの製造方法。 - 鋼板を断面略三角形状のチューブに成形する成形金型において、
成形断面と略同一形状の切り欠き部(10c) を有する複数のプレート(10a) を所定間隔で並列に配設した下型(10)と、
鋼板(1) の前記両端部を突き合わせるように上方から押さえ込む平坦なプレート(15b) 、及び、プレート(15b) の下部に所定間隔で並列に、かつ前記プレート(10a) と交互に配設されると共に、それぞれが鋼板(1) の前記両端部近傍の曲部を長手方向に対して左右から押さえ込む形状を有する複数のプレート(15a) を備えた上型(15)とを設けたことを特徴とする成形金型。
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