JP4265823B2

JP4265823B2 - 中空押出形材

Info

Publication number: JP4265823B2
Application number: JP22392598A
Authority: JP
Inventors: 正敏吉田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2018-08-07
Also published as: JP2000051927A

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、フランジと平行な一壁面が内側壁となるように曲げ加工が施されるフランジ付きの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）合金からなる断面が矩形の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には、スポット溶接などによる他部材との接合用として、形材の一壁面と平行に突出したフランジが設けられることがある。また、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】
このようなフランジ付き中空押出形材の曲げ加工に対して、フランジと平行な一壁面が内側壁となるよう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またはフランジに座屈による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１１０には、曲げ加工により内側壁１１２およびフランジ１１３にそれぞれ座屈しわ１１２ａ、１１３ａが生じている。このように座屈しわが生じると製品としての適性に欠けることになるため、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。特に、突出しているフランジには座屈が生じやすく、この座屈しわのために他部材との接合が困難になる場合が多い。
【０００４】
フランジ付き中空押出形材の曲げ加工においてフランジ部に座屈しわが発生する場合、フランジのついていない中空押出形材に曲げ加工を施した後に、フランジを形材に溶接したり、或いは、フランジを形材にボルト締結したりすることで座屈しわに対応するのが一般的である。しかし、これらの手段によると、新たに溶接工程、穴開け工程、溶接後のひずみ矯正工程などが増加し、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、特開平８−２０６７４１号公報に見られるように、フランジ付き中空押出形材のうちのフランジの曲げを受ける部位のみを予め切断加工により除去したり、特開平８−９９１２８号公報に見られるように、座屈が生じる位置に局部加熱を行い、座屈しわを防止するといった手段が見られるが、前者は切断工程の追加、後者は加工熱による材料特性の変化、また後に再度熱処理工程が必要となる場合もあり、これらのいずれによっても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。
【０００６】
また、フランジの座屈を防止するための手段として、突出フランジ部の板厚増加または板幅減少という手段がとられることがある。このような手段によると、上述したような工程の増加による生産性の低下およびコストアップという不利益は生じないものの、例えば設定したフランジ板厚が薄すぎるとフランジに座屈しわが生じることになる一方で、フランジ板厚が厚すぎると過剰設計となり形材全体としての重量が増加してしまうということになる。また、設定したフランジ板幅が大きすぎると重量が増加し且つフランジに座屈しわが生じることになる一方で、フランジ板幅が小さすぎると内側壁に座屈しわが生じてしまうということになる。つまり、フランジと平行な一壁面が内側壁となるように曲げ加工が施されるフランジ付き中空押出形材に関して、座屈防止と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最適な断面形状は未だ見いだされていない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、曲げ加工が施されて内側壁となる一壁面と実質的に平行に突出するフランジを有する例えばＡｌ合金からなる中空押出形材において、座屈防止と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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明に係る中空押出部材は、一壁面と実質的に平行に突出するフランジを有する中空押出形材において、前記一壁面が内側壁となるように曲げ加工が施された際に、前記内側面と前記フランジとが同時座屈するように構成されてなることを特徴とする。つまり、曲げ半径方向に対して垂直となる曲げ内側壁およびフランジを有する中空押出形材において、曲げ加工が施された際に、前記曲げ内側壁と前記フランジとが同時座屈するように構成されてなるものである。
【０００９】
このように、内側壁とフランジとが曲げ加工時に同時座屈するということには、以下のような意味がある。つまり、曲げ加工時において所定曲げ量を達成する以前に内側壁がフランジよりも早く座屈するということは、フランジの板厚が厚すぎる過剰設計で形材の重量が必要以上に重いかまたはフランジの板幅が小さすぎるということであり、一方、曲げ加工時において所定曲げ量を達成する以前にフランジが内側壁よりも早く座屈するということは、フランジの板厚が薄すぎるかまたはフランジの板幅が大きすぎるということである。従って、内側壁およびフランジの座屈防止と形材の軽量化という要請をともに満足させるためには、内側壁とフランジとが曲げ加工時に同時座屈することが必要十分となる。特に、所定曲げ量を達成した直後に内側壁とフランジとが同時座屈するようにすれば、形材の重量を最も軽くすることが可能である。そのための具体的手段としては、フランジの板厚および板幅、並びに、曲げ中立軸からフランジの板厚中心までの距離を調節することが考えられる。
【００１０】
また、第２の発明に係る中空押出形材は、曲げ加工が施されて内側壁となる一壁面と実質的に平行に突出するフランジを有する中空押出形材において、前記フランジの幅厚比（ｔ／ｂ：ｔはフランジの板厚、ｂはフランジの幅）が、前記内側壁の幅厚比（Ｔ／Ｂ：Ｔは内側壁の板厚、Ｂは内側壁の幅）の（２．３（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2〜（３．４（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2倍であることを特徴とする。ただし、ｈは形材の曲げ中心軸からフランジの板厚中心までの距離、Ｈは形材の曲げ中心軸から内側壁の板厚中心までの距離、ｎは形材の加工硬化指数をそれぞれ表す。
【００１１】
第２の発明に係る中空押出形材は、第１の発明に係る中空押出形材を別の観点から表現したものである。上述の関係は、図１に示したような、曲げ加工の内側壁１２とこれに平行に突出したフランジ１３とを有する中空押出形材１０に対して、以下のようにして導出される。まず、材料特性をσ＝Ａεⁿ（σ：応力、Ａ：定数、ε：ひずみ、ｎ：加工硬化指数）のようにおくと、幾何学的形状から、対象部材に働く圧縮応力σは、一般に以下の式（１）のようになる。
σ＝Ａ（Ｈ’／２Ｒ）ⁿ（１）
ここで、Ｒは曲げ中立軸１４から曲げ中心までの距離（曲げ半径）、Ｈ’は曲げ中立軸１４から対象部材１２または１３までの距離である。
【００１２】
中空押出形材の曲げ加工時の座屈は、各コーナー部を端部とする板要素の座屈と考えることができる。つまり、内側壁１２およびフランジ１３の座屈は、図３（ａ）、（ｂ）に示すような端部拘束条件を持つ矩形板の座屈として考えることが可能である。すなわち、突出したフランジ１３については、図３（ａ）に示すように、内側壁側が固定端でこれに対向する側が自由端、そして前後方向が単純支持端であると考えられる。また、曲げ加工の内側壁１２については、図３（ｂ）に示すように、周囲すべてが単純支持端であると考えられる。なお、図３（ａ）、（ｂ）において、フランジ１３および内側壁１２の両側部から中心に向かう矢印は、これらの部材に加えられる応力の方向を示している。
【００１３】
板要素の座屈限界応力σ_crは、弾性座屈理論から、以下の式（２）のようにおくことができる（例えば「弾性安定要覧」（コロナ社）参照）。
σ_cr＝（π²／１２）・（Ｋ’Ｅ／（１−ν²）・（Ｔ’／Ｂ’）² （２）
ここで、Ｋ’は部材の端部拘束状態および応力状態で変化する係数（座屈係数）、Ｅは部材の弾性率、νはポアソン比、Ｔ’は対象部材の板厚、Ｂ’は対象部材の板幅である。
【００１４】
次に、曲げ加工の内側壁１２とフランジ１３の座屈限界曲げ半径Ｒ_crが同じになるようにフランジ１３の幅厚比（ｔ／ｂ：ｔはフランジ１３の板厚、ｂはフランジ１３の幅）を設定する。すなわち、式（１）、（２）から、内側壁１２とフランジ１３の座屈限界曲げ半径Ｒ_crが同じになるときのフランジ１３の幅厚比ｔ／ｂは、内側壁１２の幅厚比（Ｔ／Ｂ：Ｔは内側壁の板厚、Ｂは内側壁の幅）を用いて、次の式（３）のように表される。
ｔ／ｂ＝（ｑ（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2・（Ｔ／Ｂ）（３）
ここで、ｈは曲げ中心軸１４からフランジ１３の板厚中心までの距離、Ｈは曲げ中心軸１４から内側壁１２の板厚中心までの距離、ｎは形材の加工硬化指数をそれぞれ表している。
【００１５】
また、補正係数ｑは、４辺が単純支持端の端部拘束状態をもつ内側壁１２に相当する板の座屈係数Ｋと、１辺自由端、１辺固定端、２辺単純支持端の端部拘束状態をもつフランジ１３に相当する板の座屈係数ｋとを用いて以下の式（４）のように表される定数である。
ｑ＝Ｋ／ｋ（４）
【００１６】
補正係数ｑは、部材の縦横比ａ／ｂ（部材の縦方向長さａ、横方向長さ（幅）ｂ）に応じた定数である。図４は、補正係数ｑを縦軸に、部材の縦横比ａ／ｂを横軸にとったグラフである（例えば上述の「弾性安定要覧」（コロナ社）参照）。ここで、部材の縦方向長さａについて、マルチベンディング（図５（ａ））、ドローベンディング（図５（ｂ））およびプレスベンディング（図５（ｃ））を例に説明する。図５（ａ）のマルチベンディングでは、固定治具５１と可動式のジャイロ治具５２を用いて材料５３に曲げ加工が施される。図５（ｂ）のドローベンディングでは、可動式の圧力型５４と回転する曲げ型５５とクレームランプ型５６とを用いて材料５７に曲げ加工が施される。図５（ｃ）のプレスベンディングでは、支持型５８と一対のラム５９とを用いて材料６０に曲げ加工が施される。
【００１７】
図６（ａ）、（ｂ）は、マルチベンダーを用いたマルチベンディングの模式的な工程図である。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、マルチベンダーは、中空形材６３が挿入される固定治具（拘束型）６１と、互いに対向する２組のローラ６２ａ、６２ｂで中空形材６３を挟み込むジャイロ治具（可動型）６２とを有している。また、曲げ加工の際には、中空形材６３の内部に心金６４を挿入するとともに、ジャイロ治具６２を反時計回りに回転させることにより、中空形材６３が曲げられる。かかるマルチベンディングでは、部材の縦方向長さａは、固定治具６１のジャイロ治具６２側の端面６１ａからジャイロ治具６２の固定治具６１側のローラ６２ａ中心までの距離（型間距離）で表される。
【００１８】
また、マルチベンディングでは、部材の断面形状や曲げ半径などに応じて型間距離、すなわち部材の縦方向長さａを変化させて曲げ加工を行うのが一般的である。通常のマルチベンディングでは、部材の縦方向長さａを、形材外接円直径Ｄの０．５〜１．５倍程度に設定する。従って、例えばフランジの幅の最大値が形材外接円直径Ｄの０．５倍であるとすると、部材の縦横比ａ／ｂは、１．０〜３．０程度の値となる。このことから、図４を参照すると、補正係数ｑは、通常は２．３〜３．４の範囲にある。特に、他部材との接合用の一般的なフランジを有する中空押出形材の場合には、部材の縦横比ａ／ｂは２以上となることが多いので、図４を参照すると、補正係数ｑは、３．１〜３．３の範囲であることがより好ましい。
【００１９】
図７（ａ）、（ｂ）は、ドローベンダーを用いたドローベンディングの模式的な工程図である。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ドローベンダーによって材料７２が曲げ型７１に沿って曲げられるとき、部材の縦方向長さａは、曲げ角度θおよび曲げ内側半径Ｒを用いて、ａ＝２πＲ・（θ／３６０）と表すことができる。また、図８（ａ）、（ｂ）は、プレスベンダーを用いたプレスベンディングの模式的な工程図である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、材料８３が支持型８１とラム８２とを用いて曲げられるとき、部材の縦方向長さａは、曲げ角度θおよび曲げ内側半径Ｒを用いて、ａ＝２πＲ・（θ／３６０）と表すことができる。
【００２０】
ドローベンディングでの曲げ加工の初期段階ではａ≒０であるが、実際の曲げ加工ではａ／ｂ＞１となるまで材料を曲げるのが一般的である。従って、ａ／ｂ＞４以上では補正係数ｑがほぼ一定値となることを参酌すると、ドローベンディングの場合であっても、図４から補正係数ｑは２．３〜３．４の範囲である。これは、図８（ａ）、（ｂ）のプレスベンディングやその他の方式の曲げ加工においても同様である。
【００２１】
よって、フランジの幅厚比（ｔ／ｂ）が、内側壁の幅厚比（Ｔ／Ｂ）の（２．３（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2〜（３．４（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2倍であれば、内側壁とフランジとの同時座屈を実現することが可能であって、形材の軽量化を図ることができる。
【００２２】
また、第３の発明に係る中空押出形材は、前記内側壁が補強壁によって複数の領域に区分されており、前記フランジの幅厚比が、前記複数の領域のなかで最小の前記内側壁の幅厚比の（２．３（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2〜（３．４（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2倍であることを特徴とする。
【００２３】
つまり、図２に示すように、内側壁２２が補強壁２５によって幅Ｂ１で厚さＴ１の領域２２ａと、幅Ｂ２で厚さＴ２の領域２２ｂとに区分されている場合には、内側壁２２の幅厚比の代表値としてＴ１／Ｂ１とＴ２／Ｂ２のうちの小さいほうを採用するようにすれば、第２の発明の関係をそのまま用いることができる。なお、図２には、補強壁が１枚だけの場合（「口」型）を示したが、補強壁が２枚（「目」型）以上の場合或いは「田」の字型に補強壁が設けられている場合であっても、第３の発明を適用することが可能である。
【００２４】
また、第４の発明として、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。なぜなら、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、プレス成形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、プレス成形後の焼付塗装時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、ＳＳマーク（ストレッチャー・ストレインマーク）が発生しないという特徴があるからである。
【００２５】
また、第５の発明に係る中空押出形材は、その断面が矩形である。つまり、上述の第１乃至第４の発明の中空押出形材は、必ずしも断面が矩形でなくともよい。
【００２６】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。まず、図９に示すような断面形状でフランジの板厚ｔだけを２．２ｍｍから３．４ｍｍまで変更した７種類のＪＩＳ６０００系Ａｌ合金（６０６３−Ｔ１）製の中空押出形材（Ｔ＝３ｍｍ、Ｂ＝３４ｍｍ、ｂ＝２０ｍｍ）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。そして、このＪＩＳ６０００系Ａｌ合金は、プレス成形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、プレス成形後の焼付塗装時に時効硬化して耐力が向上し必要な強度を確保できるという特性を有している。また、比較的合金量が少ないために、スクラップをＡｌ合金溶解原料として再利用する際に、元のＪＩＳ６０００系Ａｌ合金鋳塊を得やすいという特徴もある。従って、ＪＩＳ６０００系Ａｌ合金は、従来から輸送機用として使用されてきたＭｇなどの合金量が多いＪＩＳ５０００（Ａｌ−Ｍｇ）系のＡｌ合金に比して有利である。さらに、ＪＩＳ６０００系Ａｌ合金は、特に外観性状が問題になる自動車用外板に適用する場合、ＳＳマークが発生しない点でも有利である。
【００２７】
これら７つの中空押出形材について、図６に示したようなマルチベンダーを用いたマルチベンヂングにより曲げ加工を行い、ＦＥＭ解析により座屈限界曲げ半径Ｒ_crおよびこのときの座屈発生状態を調べた。その結果を図１０に示す。図１０は、内側壁の幅厚比に対するフランジの幅厚比の比（ｔ／ｂ）／（Ｔ／Ｂ）を横軸に、座屈限界曲げ半径Ｒ_cr（ｍｍ）を縦軸にとったグラフである。この実施例では、図９に示すようにフランジが内側壁とほぼ同一平面に設けられており、ｈ／Ｈは実質的に１であるから、縦軸の座屈限界曲げ半径Ｒ_crはｑ^1/2に相当する。
【００２８】
図１０において、丸印（○）は内側壁が先に座屈したことを表しており、黒四角印（■）はフランジが先に座屈したことを表しており、三角印△は内側壁とフランジの双方が同時に座屈したことを表している。すなわち、（ｔ／ｂ）／（Ｔ／Ｂ）がｑ＝２．３に対応する値（１．５２）よりも小さければフランジが座屈し、座屈限界曲げ半径Ｒ_crは急激に大きくなる。また、（ｔ／ｂ）／（Ｔ／Ｂ）がｑ＝３．４に対応する値（１．８４）よりも大きければ内側壁が座屈することが理解されるであろう。内側壁とフランジが同時に座屈する（ｔ／ｂ）／（Ｔ／Ｂ）値の領域は、ｑ＝２．３〜３．４に対応する値（１．５２〜１．８４）の間に存在している。
【００２９】
従って、フランジの幅厚比ｔ／ｂを、（ｑ（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2×（Ｔ／Ｂ）（２．３＜ｑ＜３．４、好ましくは３．１＜ｑ＜３．３）としたときに、曲げ加工時のフランジおよび内側壁の座屈を抑制することができるとともに、形材の重量増加を極力抑えられることが理解されるであろう。
【００３０】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、特許請求の範囲内において様々な設計変更が可能である。例えば、上述の実施例では、フランジの板厚ｔだけを変更したが、板厚ｔを含み他のパラメータの少なくともいずれか１つ以上を変更することによって、上述の関係を満足するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、曲げ加工が施されて内側壁となる一壁面と実質的に平行に突出するフランジを有する中空押出形材において、座屈防止と形材の軽量化という要請をともに満足させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための中空押出形材の断面形状を示す図である。
【図２】内側壁が補強壁によって２つの領域に分けられているときの中空押出形材の断面形状を示す図である。
【図３】フランジおよび内側壁の端部拘束状態を説明するための図である。
【図４】部材の縦横比と補正係数との関係を示す図である。
【図５】マルチベンディング、ドローベンディング、プレスベンディングについて説明するための図である。
【図６】マルチベンディングでの部材の縦方向長さａについて説明するための図である。
【図７】ドローベンディングでの部材の縦方向長さａについて説明するための図である。
【図８】プレスベンディングでの部材の縦方向長さａについて説明するための図である。
【図９】本発明の実施例の中空押出形材の断面形状を示す図である。
【図１０】内側壁の幅厚比に対するフランジの幅厚比の比（ｔ／ｂ）／（Ｔ／Ｂ）と座屈限界曲げ半径Ｒ_crとの関係を示すグラフである。
【図１１】フランジを有する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。
【符号の説明】
１０中空押出形材
１２内側壁
１３フランジ
１４曲げ中立軸

Claims

曲げ加工が施されて内側壁となる一壁面と実質的に平行に突出するフランジを有する中空押出形材において、前記フランジの幅厚比（ｔ／ｂ：ｔはフランジの板厚、ｂはフランジの幅）が、前記内側壁の幅厚比（Ｔ／Ｂ：Ｔは内側壁の板厚、Ｂは内側壁の幅）の（２．３（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2〜（３．４（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2倍であることを特徴とする中空押出形材（ただし、ｈは形材の曲げ中心軸からフランジの板厚中心までの距離、Ｈは形材の曲げ中心軸から内側壁の板厚中心までの距離、ｎは形材の加工硬化指数をそれぞれ表す）。
前記内側壁が補強壁によって複数の領域に区分されており、前記フランジの幅厚比が、前記複数の領域のなかで最小の前記内側壁の幅厚比の（２．３（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2〜（３．４（ｈ／Ｈ）ⁿ）^1/2倍であることを特徴とする請求項１に記載の中空押出形材。
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又は２に記載の中空押出形材。
断面が矩形であ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。