JP4163317B2

JP4163317B2 - 中空押出形材

Info

Publication number: JP4163317B2
Application number: JP01061099A
Authority: JP
Inventors: 正敏吉田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: JP2000203360A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空押出形材に関し、特に、曲げ加工を施した際に曲げ内側壁に座屈しわが発生しにくい中空押出形材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のバンパー、ドアビームなどの輸送機材の構造用部材として、軽量化の観点から、例えばアルミニウム（Ａｌ）合金からなる中空押出形材を用いることが検討されている。かかる中空押出形材を用いる場合には、曲げ加工が不可欠となる場合が多い。曲げ加工の方法としては、例えばドローベンディング、プレスベンディング、マルチベンディングなどがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
中空押出形材に曲げ加工が施されると、特に曲げ半径が小さく、また形材断面の肉厚が薄い場合には、所定曲げ量を達成する以前に曲げ加工の内側壁に座屈によるしわ（座屈しわ）が生じてしまうことがある。この様子を図１１に示す。図１１において、断面「口」型の中空押出形材１１１には、曲げ加工により曲げ内側壁１１２に座屈しわ１１２ａが生じている。このように中空押出形材に座屈しわが生じると、外観上、他部材との接合上、或いは、部品製品としての強度の低下などの理由により製品としての適性に欠けることになる。従って、製品の曲げ形状は座屈しわの生じない範囲に制限されてしまう。
【０００４】
中空押出形材の座屈しわを抑制するための方法の一つとして、特開平８−９９１２８号公報に記載されている方法がある。この方法は、座屈が生じる位置に予め局部加熱を行い、材料特性を変化させることで座屈しわを防止するものである。しかしながら、この方法によると、加工熱による材料特性の変化のために後で再度の熱処理工程が必要となり、量産が難しく生産性が低下するとともにコストも増大してしまうことになる。
【０００５】
また、図１２にドローベンディングの場合の例を示すように、心金の利用により座屈しわを抑制することも一般に行われている。図１２において、心金１２８が内部に挿入された中空形材１２６は、可動式の圧力型１２１と回転する曲げ型１２２とクランプ型１２３とを有するドローベンダーによって、曲げ型１２２側が内側となるように曲げ加工を施される。しかしながら、図１２からも明らかなように、心金１２８を挿入しても中空形材１２６のクランプ型１２３側の端部を心金１２８で拘束することが困難であるため、たとえ心金を利用した場合であっても座屈しわの発生を抑制することが難しい。
【０００６】
さらに、中空形材の座屈しわを抑制する別の手段として、曲げ内側壁の肉厚を増加させるなど断面形状を変更することが一般に行われているが、この手段によると、過剰設計による形材の重量増加が問題となる。
【０００７】
そこで、本発明の主な目的は、曲げ加工の際の座屈しわ発生を極力抑制できるような中空押出形材を提供することである。
【０００８】
そこで、本発明のさらなる目的は、曲げ加工の際の座屈しわ発生の抑制および形材の軽量化という要請をともに満足させることができるような中空押出形材を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の中空押出形材は、曲げ加工時に圧縮応力のみが加えられる曲げ内側壁を有し、前記曲げ内側壁が、曲げ加工を受ける中央の平面壁と、前記中央の平面壁の両側に１０°以上４５°以下の接続角度をなしてそれぞれ接続される他の平面壁とを含んだ複数の平面壁から構成されている。
【００１０】
一般に、中空押出形材に曲げ加工を施す際の座屈しわの発生限界は、座屈しわが発生する部位の座屈限界応力に依存する。つまり、座屈限界応力が大きくなれば座屈しわが発生しにくくなり、より小さい曲げ半径での加工が可能となる。そして、この座屈限界応力は、その幅厚比（ｂ／ｔ：ｂは板幅、ｔは板厚）の逆数（ｔ／ｂ）が大きくなるほど増加する。具体的には、座屈限界応力σ_crと（ｔ／ｂ）とは、以下の式（１）に示す関係を有している。なお、ｋは座屈係数、πは円周率である。
σ_cr＝ｋπ²・（ｔ／ｂ）²／｛１２（１−ν²）｝（１）
【００１１】
式（１）からも明らかなように、座屈限界応力は、形材の板幅（ｂ）および板厚（ｔ）に大きく依存している。従って、中空押出形材を構成する壁面のうちで曲げ加工時に圧縮応力のみが加えられる板要素すなわち壁面（以下において、「曲げ内側壁」という：例えば矩形断面の中空押出形材では１つの平面壁から構成されている）を複数の平面壁から構成することによって、個々の壁の板幅（ｂ）が小さくなるので、板厚を一定に保ちつつ各板要素の（ｔ／ｂ）を大きくすることができる。しかしながら、平面壁どうしの接続角度が小さ過ぎる場合には、コーナー部の端部拘束状態が弱化し、各平面壁がコーナー部で分割された複数の板としてではなく１枚の大きな板として座屈することになり、座屈限界応力は結果的にほとんど増加しない。
【００１２】
そこで、図１（ａ）、（ｂ）に示すような解析モデル１０について、平面壁どうしの接続角度をパラメータとして、汎用の静的陰解法ソフト「ＡＢＡＱＵＳ」を用いた座屈固有値解析を行った。この解析モデル１０は、３つの平面壁１１、１２、１３から構成されており、平面壁１１と１２の接続角度と、平面壁１２と１３の接続角度とを同じ角度θとした。また、図２に示すように、材料に曲げ加工を施す場合、曲げ中立軸の極近傍を除けば、ほぼ一定の圧縮応力が材料に加えられる。そこで、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、下側端部を図中のＸＹＺ方向に拘束し且つ上側端部を強制的に下側に変位させて（ＸＹ方向変位拘束）、座屈発生時の座屈限界応力σ_crを求めた。
【００１３】
座屈限界応力σ_crは、板の端部拘束条件の違いにより接続角度θに応じて変化する。その結果求められた座屈限界応力σ_crを、式（１）にしたがって、最も座屈が生じやすい平面壁１２の座屈係数ｋに換算して得られたグラフを図３に示す。なお、座屈係数ｋは、端部拘束状態、応力状態に依存する定数であって、式（１）より、座屈係数ｋが大きくなるほど座屈限界応力σ_crも大きくなって、より小さい曲げ半径まで座屈を生じずに曲げ加工が可能となることが分かる。
【００１４】
図３を参照すると、接続角度θが増加するほど、座屈係数ｋも増加することが分かる。接続角度０°（すなわち、平面壁１１、１２、１３が１枚の板材となった状態）では０．４程度であった座屈係数ｋは、接続角度１０°では０．８程度と２倍となり、顕著な座屈限界向上効果が得られる。このことから、請求項１では、中空押出形材の曲げ内側壁である複数の平面壁が互いに１０°以上の接続角度をなすことを規定している。
【００１５】
なお、本明細書において曲げ内側壁とは、その全体が中空押出形材を曲げ加工した際の曲げ中立軸よりも内側にある壁、つまり曲げ加工時に圧縮応力のみが加えられる壁を意味する。例えば、図４に示すような矩形断面の中空押出形材３１に対してその上壁３２が内側になるような曲げ加工を施す場合、側壁３３、３４に対しては、曲げ中立軸（曲げ加工を施した際に引張応力と圧縮応力の生じる境となる軸）よりも内側部分３３ａ、３４ａには圧縮応力が加えられるが外側部分３３ｂ、３４ｂには引張応力が加えられる。従って、この場合の曲げ内側壁は、上壁３２だけとなる。また、１０°以上という接続角度は、曲げ内側壁を構成する平面壁どうしの接続だけを規定するものであり、曲げ内側壁を構成する平面壁とこれに隣接する平面壁との接続角度には関係しない。
【００１６】
再び図３を参照すると、接続角度θが３０°以上になると座屈係数ｋの増加率は急速に減少し、４５°以上の接続角度では座屈係数ｋはほぼ一定（≒４）となる（グラフには示されていないが、接続角度１８０°までほぼ一定である）。この一定の値は、４辺単純支持板、純圧縮条件での座屈係数ｋにほぼ等しい。つまり、接続角度θを増加させることにより、最も座屈が生じやすい中央の平面壁１２の板端部拘束状態が強化され、接続角度θの増加に伴って座屈係数ｋは向上する。しかし、接続角度θが４５°以上の領域では、板端部拘束状態がそれ以上強化されず、解析モデル１０全体の座屈限界は中央の平面壁１２の座屈限界とほぼ等しくなるため、座屈係数ｋはほぼ一定（≒４）となる。
【００１７】
一方、形材の強度確保および軽量化の観点からは、接続角度θをできるだけ小さくすることが好ましい。この点について、以下説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、全体外寸が同じである中空押出形材についてその曲げ内側壁である中央の平面壁４１、４２の板厚ｔおよび板幅ｂを同じにして、中央の平面壁４１、４２とその両側の平面壁４３、４４、４５、４６との接続角度θを変化させた様子を示す図であり、接続角度θは図５（ａ）の場合よりも図５（ｂ）の場合の方が大きい。この図から明らかなように、全体外寸と中央の平面壁４１、４２の板厚ｔおよび板幅ｂとが同じであるという条件では、図５（ｂ）での平面壁４５、４６の長さは図５（ａ）での平面壁４３、４４の長さに比べて長くなっている。つまり、接続角度θが大きくなるほどウェブ形状が変化し、直立壁（図５（ａ）では４７、４８、図５（ｂ）では４９、５０）が短くなる。そして、このように直立壁が短くなると、形材の曲げ強度が低下し、図において上側方向からの荷重に極端に弱くなり、断面変形が生じやすくなってしまう。
【００１８】
そこで、直立壁を短くすることなく接続角度を大きくするには、図５（ｃ）に示すように、全体外寸と中央の平面壁５１の板厚ｔおよび板幅ｂが図５（ａ）の中空押出形材と同じである中空押出形材について、平面壁５１とこれにつらなる平面壁５４、５５との接続角度θを例えば９０°にするとともに平面壁５４、５５と直立壁５２、５３との間に平面壁５６、５７をそれぞれ１つづつ設けることによって、直立壁５２、５３の長さを図５（ａ）の場合と同じにしウェブ形状が変化しないようにすることが考えられる。しかし、このようにすると、３つの平面壁５２、５６、５４；５３、５７、５５の断面長さの和が、図５（ａ）の場合よりも長くなってしまい、形材の重量が増加してしまう。従って、形材の剛性を確保するとともに形材の軽量化を図るという観点からは、接続角度θをできるだけ小さくすることが好ましい。
【００１９】
そこで、上述した通り、接続角度θが４５°以上の領域では座屈係数ｋがほぼ一定になるという事実を踏まえると、接続角度θは１０°以上４５°以下であることが好ましい（請求項１）。特に、より大きな座屈限界応力σ_crを得るという観点から、接続角度θは、座屈係数ｋが十分に大きく且つその増加率が急激に小さくなる３０°以上で、なおかつ、座屈係数ｋがほぼ一定になる４５°以下であることがより好ましい（請求項２）。
【００２０】
そして、形材のさらなる軽量化を図る観点からは、曲げ内側壁を構成する各平面壁を限界まで薄肉化することが好ましい。そのためには、曲げ加工時に曲げ内側壁を構成する複数の平面壁がほぼ同時に座屈するように各平面壁の板厚を調整すればよい。式（１）に示すように、座屈限界応力σ_crは各平面壁の板厚と板幅の比（ｔ／ｂ）に依存するので、複数の平面壁のそれぞれの板幅と板厚との比が互いに等しくなるようにすれば（請求項３）、複数の平面壁がほぼ同時に座屈することになり、複数の平面壁の一部の板厚が無駄に大きくなることがないため形材が軽量化される。
【００２１】
さらに、本発明の中空押出形材は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（ＪＩＳ６０００系）アルミニウム合金からなることが好ましい（請求項４）。なぜなら、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、曲げ加工時には耐力が小さいために成形加工性を確保できるとともに、成形後に時効硬化して耐力が向上し必要な強度を確保でき、また、比較的合金量が少なく再利用の際に元のＪＩＳ６０００系Ａｌ合金鋳塊を得やすいだけでなく、７０００系合金よりも押出性に優れるという特徴があるからである。
【００２２】
上述した請求項１に属する中空押出形材の断面形状の例を図６（ａ）〜（ｔ）に示す。なお、これらの図において、曲げ内側壁は太線で示す部分であり、また、形材の底壁の図示は省略されている。
【００２３】
曲げ加工が施される中空押出形材の曲げ内側壁は、他形材と接合されることが多いことから、接合用壁として曲げ方向に垂直な平面壁を有していることが好ましい。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。まず、図７に示すような断面形状（肉厚ｔ＝２ｍｍ、外寸□＝４０ｍｍ（底壁幅＝側壁幅（高さ）＝４０（Ｈ）ｍｍ）、上壁（曲げ内側壁）の幅＝２０ｍｍ、上壁とその隣接壁との接続角度θ＝０°、１５°、３０°、４３°、６０°の５種類）のＪＩＳ６０００系Ａｌ合金（６Ｎ０１−Ｔ１）製の中空押出形材を製造した。ＪＩＳ６０００系Ａｌ合金は、基本的にＳｉを０．２〜１．８重量％、Ｍｇを０．２〜１．６重量％を含有するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金である。なお、本実施例の中空押出形材において、複数の平面壁のそれぞれの板幅と板厚との比は互いに等しいものとする。
【００２５】
そして、上述の接続角度θを様々に変化させた５種類の中空押出形材について、ロールベンダーを用いて曲げ半径を変化させて側壁高さＨに対する座屈限界曲げ半径の値（Ｒcr／Ｈ）の検討を行なった。なお、座屈限界曲げ半径Ｒcrは、曲げ中心と中空押出形材の高さ方向中央（上壁および底壁からともに２０ｍｍの地点）との距離として求めた。この結果を図８に示す。図８のグラフにおいて、縦軸は側壁高さＨに対する中空押出形材の曲げ半径の値（Ｒcr／Ｈ）を、横軸は接続角度θ（degree）をそれぞれ示しており、曲線は側壁高さＨに対する座屈限界曲げ半径の接続角度θに応じた変化（この曲線より上側では座屈しわが発生せず、下側では座屈しわが発生する）を表している。
【００２６】
このグラフから明らかなように、接続角度θ＝０°と１０°とを比べると、接続角度１０°の場合には相対的座屈限界曲げ半径（Ｒcr／Ｈ）が大幅に改善される。また、接続角度θが４５°を超えると、相対的座屈限界曲げ半径はほぼ最小値に達して接続角度をこれ以上大きくしてもほとんど変化しなくなる。
【００２７】
また、接続角度θが３０°を超えている場合には相対的座屈限界曲げ半径が小さくほとんど変化しないが、接続角度θが３０°以下になると相対的座屈限界曲げ半径は急激に増加する。つまり、接続角度θが３０°を超えている場合には曲げ半径を小さくしても座屈しわの発生することが少ないが、接続角度θが３０°以下の場合には大きな曲げ半径でしか中空押出形材を曲げることができない。
【００２８】
また、図８のグラフ中の白丸印（○）およびバツ印（×）の位置にある中空押出形材、すなわち接続角度４５°および０°で曲げ半径を１０とした試験を行なった後の２つの中空押出形材の模式的な様子を、それぞれ図９および図１０に示す。なお、これらの図では、形材の上側だけが描かれている。これらの図から明らかなように、白丸印（○）の位置にある接続角度４５°の中空押出形材には座屈しわが発生することがなく、バツ印（×）の位置にある接続角度０°の中空押出形材には曲げ内側壁に座屈しわが見られた。
【００２９】
本実施例からも明らかなように、座屈しわの発生を十分に抑制するには、中空押出形材の曲げ内側壁の接続角度θは１０°以上であることが必要であり、３０°以上であることが好ましい。上述した形材の軽量化および剛性確保という点をも考慮すれば、１０°以上４５°以下であることが好ましく、座屈しわの発生をより効果的に抑制するということを考え合わせると３０°以上４５°以下であることがより好ましいことが理解されるであろう。なお、上述の実施例では中空押出形材をＪＩＳ６０００系Ａｌ合金を用いて製造したが、例えばＪＩＳ５０００系や３０００系などのこれ以外のＡｌ合金を用いてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、曲げ加工の際の座屈しわ発生を極力抑制できるような中空押出形材を提供することが可能となる。また、本発明によると、曲げ加工の際の座屈しわ発生の抑制および形材の軽量化という要請をともに満足させることができるような中空押出形材を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中空押出形材の曲げ内側壁の接続角度と座屈係数との関係を調べるために用いる解析モデルを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】中空押出形材に曲げ加工を施す場合に加えられる圧縮応力の様子を示す模式図である。
【図３】図１（ａ）、（ｂ）の解析モデルから得られた、中空押出形材の曲げ内側壁の接続角度と座屈係数との関係を示す図である。
【図４】中空押出形材の曲げ内側壁について説明するための図である。
【図５】中空押出形材の断面形状と軽量化との関係について説明するための図である。
【図６】（ａ）〜（ｔ）は、請求項１に属する中空押出形材の断面形状の例を示す図である。
【図７】本発明の実施例で用いた中空押出形材の断面形状を示す図である。
【図８】図７で示した中空押出形材について、接続角度θと側壁高さＨに対する座屈限界曲げ半径の値（Ｒcr／Ｈ）との関係を示すグラフを表した図である。
【図９】図８の白丸印（○）の位置にある中空押出形材の模式的な様子を示す図である。
【図１０】図８のバツ印（×）の位置にある中空押出形材の模式的な様子を示す図である。
【図１１】中空押出形材に発生した座屈しわの様子を示す模式図である。
【図１２】ドローベンディングによって中空押出形材を曲げ加工する様子を示す図である。
【符号の説明】
１０解析モデル
１１、１２、１３平面壁

Claims

曲げ加工時に圧縮応力のみが加えられる曲げ内側壁を有し、
前記曲げ内側壁が、曲げ加工を受ける中央の平面壁と、前記中央の平面壁の両側に１０°以上４５°以下の接続角度をなしてそれぞれ接続される他の平面壁とを含んだ複数の平面壁から構成されていることを特徴とする曲げ加工を受ける中空押出形材。
曲げ加工時に圧縮応力のみが加えられる曲げ内側壁を有し、
前記曲げ内側壁が、曲げ加工を受ける中央の平面壁と、前記中央の平面壁の両側に３０°以上４５°以下の接続角度をなしてそれぞれ接続される他の平面壁とを含んだ複数の平面壁から構成されていることを特徴とする曲げ加工を受ける中空押出形材。
前記複数の平面壁のそれぞれの板幅と板厚との比が互いに等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の曲げ加工を受ける中空押出形材。
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空押出形材。