JP5184125B2

JP5184125B2 - 構造部材

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Publication number: JP5184125B2
Application number: JP2008030582A
Authority: JP
Inventors: 毅成有地
Original assignee: Press Kogyo Co Ltd
Current assignee: Press Kogyo Co Ltd
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP2009190043A

Description

本発明は、パイプ材をプレス成形により曲げ加工して形成される構造部材に関するものである。

従来、建設機械用キャブのピラーなどに用いられる構造部材として、鋼管などのパイプ（中空断面材）を曲げ加工して形成されるものがある。

そのような構造部材の製造方法として、例えば、特許文献１に、鋼管をロールベンダー（パイプベンダー）で曲げ加工することが提案されている。

そのパイプベンダーでは、複数のロールを曲げスパンや曲げ半径を基に配置し、それらロールの間に、パイプを通過させて曲げ加工するようにしている。

さらに、特許文献１では、パイプを曲げる際に、パイプの曲げ部近傍での変形、座屈を防ぐために、パイプ内に芯材（芯金）を入れて曲げ加工し、曲げ加工後に、芯金をパイプから抜き取るようにしている。

特開平８−２５２６３６号公報

しかしながら、上述したパイプベンダーでは、曲げ加工後に、芯金をパイプから引き抜く必要があることから、引き抜きの分だけ工数がかかっていた。芯金は曲げ加工により摩耗するので、パイプの加工精度のバラツキや、芯金の短寿命化などを招いていた。

また、パイプベンダーによる引き曲げには、加工に時間がかかる、大きな成形力が必要であるなどの問題があった。

そこで、図１４に示すように、パイプ１４１の曲げ加工をプレス成形により行うことが考えられるが、しかし、プレス成形はパンチ１４２によりパイプ１４１の曲げ部１４３のみを押圧することから、曲げ部１４３に応力が集中し易く、曲げ部１４３に引け（符号Ｓ参照）や座屈（符号Ｂ参照）などが発生する虞がある。

このような引けや座屈が発生すると曲げ部１４３付近での構造部材の強度が不足してしまうという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、プレス成形による製造が可能でかつ強度の向上を図った構造部材を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、パイプ材をプレス成形により曲げ加工して形成される構造部材において、上記パイプ材の曲げ加工が施される曲げ部内に、該曲げ部の座屈および引けを防止すべく上記曲げ部における曲げ内側および外側の内壁面を各々支持する芯金部材を挿入して、上記パイプ材を曲げ加工すると共に、上記芯金部材を上記曲げ部と一体的に変形させ、その変形した芯金部材を上記曲げ加工後に上記曲げ部の強度部材とし、上記芯金部材は、上記曲げ部の断面形状と同じ形状の複数の板材を上記パイプ材の軸方向に沿って並べて形成された中子部と、その中子部の上記板材を上記軸方向に連結すると共に、上記曲げ加工により変形する連結部とを有するものである。

好ましくは、上記芯金部材は、上記中子部の上記軸方向長さが上記曲げ部の長さと同じであるものである。

好ましくは、上記芯金部材の中子部が、上記曲げ加工後に、上記曲げ部の内壁に溶接接合されたものである。

好ましくは、建設機械のキャブの一体に形成されたフロントピラー部およびルーフレール部をなすものである。

本発明によれば、構造部材をパイプ材からプレス成形により製造することができ、かつ構造部材の強度を向上させることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の構造部材は、例えば、パワーショベルやダンプトラックなどの建設機械のキャブなどに適用される。

まず、図６に基づき建設機械のキャブの概略構造を説明する。

図６に示すように、キャブ６１の前部には、左右に離間させて上下に延びる一対のフロントピラー部６２が設けられ、フロントピラー部６２の間にはキャブ６１の前面を覆うフロントウインドウ６３が設けられる。図例のフロントピラー部６２は、下端から上端に至るにつれ後方に傾斜する。

キャブ６１の後部には、左右に離間させて上下に延びる一対のリアピラー部６４が設けられる。リアピラー部６４の上端部とフロントピラー部６２の上端部とが、前後に延びる左右一対のルーフレール部６５により接続され、それらルーフレール部６５の間にはキャブ６１の天井面を覆うルーフパネル６７が設けられる。

フロントピラー部６２の上端部が左右に延びるフロントヘッダー部６８により接続され、リアピラー部６４の上端部が左右に延びるリアヘッダー部６９により接続される。フロントピラー部６２の下端部が左右に延びるフロントクロスメンバー部７０により接続され、リアピラー部６４の下端部が左右に延びるリアクロスメンバー部７１により接続される。フロントピラー部６２の下端部とリアピラー部６４の下端部とが前後に延びるサイドメンバー部７２により接続される。

図例のキャブ６１では、フロントピラー部６２とルーフレール部６５とが、閉断面形状を有し一体的に形成される。つまり、フロントピラー部６２とルーフレール部６５とは、溶接などによる継手部がなく連続する一つの中空の構造部材からなる。その一体的なフロントピラー部６２およびルーフレール部６５が本実施形態の構造部材１により形成される。

図１から図４に基づき本実施形態の構造部材を説明する。

本実施形態の構造部材１は、キャブ（キャノピ）構造部材１であり、曲げ加工されたパイプ材２とパイプ材２の曲げ部３に挿入された芯金部材４とを備える。

具体的には、図１に示すように、構造部材１は、パイプ材２をプレス成形により曲げ加工して形成されるものであり、パイプ材２の曲げ加工が施される曲げ部３内に、その曲げ部３の座屈および引けを防止すべく曲げ部３における曲げ内側の内壁面３１（図３参照）および外側の内壁面３２を各々支持する芯金部材４を挿入して、パイプ材２を曲げ加工すると共に、芯金部材４を曲げ部３と一体的に変形させ、曲げ加工後に上記変形した芯金部材４を曲げ部３の強度部材としたものである。

図２に示すように、曲げ加工前のパイプ材（以下、ブランクパイプ材という）２ａは、矩形（ほぼ正方形）の断面形状を有し、ほぼ直線状に延びる。ブランクパイプ材２ａは、例えば、鋼管などから形成される。

そのブランクパイプ材２ａが曲げ加工によりほぼ「く」の字状（またはＬ字状）に成形される。以下、曲げ加工後のパイプ材２を加工後パイプ材２という。

曲げ部３は、ブランクパイプ材２ａ（および加工後パイプ材２）の長手方向中央に設けられる。加工後パイプ材２では、曲げ部３は、Ｒ止まり（直線部と湾曲部の境界）からＲ止まりまでの部分からなる。

加工後パイプ材２は、下側に突出するように曲げられており、図１および図２において、上側が曲げの内側、下側が曲げの外側となる。

芯金部材４は、曲げ部３（ブランクパイプ材２ａ）の断面形状と同じ形状の複数の板材５（プレート）をブランクパイプ材２ａの軸方向に沿って並べて形成された中子部６と、その中子部６の板材５を軸方向に連結すると共に曲げ加工により変形する連結部をなす結合ピン７とを有する。

図３に示すように、中子部６は、軸方向長さが曲げ加工前の曲げ部３とほぼ同じ長さであり、軸方向に複数の板材５を隙間なく重ね合わせて（積層して）形成される。具体的には、中子部６は、軸方向長さが曲げ加工前の曲げ部３とほぼ同じ長さとなるように、板材５の枚数および／または板厚が設定される。詳しくは後述するが、中子部６は、曲げ加工時に扇状に変形することで、曲げ加工後も曲げ部３と同じ長さの軸方向長さを有する。なお、中子部６は、曲げの余裕代を持たせるために曲げ部３よりも長く形成してもよい。

中子部６の各板材５は、ブランクパイプ材２ａの中空部分の形状とほぼ相似な外形形状を有し、ブランクパイプ材２ａ内に挿入可能なように中空部分よりも僅かに小さく形成される。本実施形態の板材５は、例えば、ブランクパイプ材２ａと同じ材質（鋼材など）から形成される。

図４に示すように、板材５には、結合ピン７が挿通する結合穴８（図では、丸穴）が形成される。結合穴８は、板材５を軸方向に貫通し、芯金部材４（曲げ部３）の曲げＲの内側に偏心し形成される。

すなわち、結合穴８は、中子部６を曲げ部３内に収容したときの板材５の中心（パイプ材２の軸中心）から曲げの内側に偏心（オフセット）させて形成される。図４では結合穴８が、正方形の中心から上側にオフセットした位置に形成される。

結合ピン７は、板材５の結合穴８の内径よりも僅かに小さな外径を有する。結合ピン７と結合穴８との間の隙間は、板材５とパイプ材２との隙間よりも小さく設定される。結合ピン７は、例えば、ブランクパイプ材２ａと同じ材質の丸棒材からなる。

結合ピン７は、中子部６を貫通して軸方向に延び、両端部が中子部６から突出する。結合ピン７の両端部には、中子部６の板材５を保持するための鍔部９が各々設けられる。

鍔部９は、板材５の結合穴８よりも大きな外径を有し、軸方向両側から板材５を挟み一体的に保持し、板材５の軸方向の移動を規制する。鍔部９は、例えば、円板状に形成され結合ピン７の両端部に溶着される。

本実施形態では、中子部６の板材５の外周が、曲げ加工後の溶接により、曲げ部３の内壁面（図例では、曲げ内側および外側の内壁面３１、３２とそれら内側および外側の内壁面３１、３２を結ぶ他の内壁面３３、３４）に溶接接合される。

次に、図５に基づき本実施形態の構造部材１を形成するために使用されるプレス機の一例を説明する。

図５に示すように、プレス機５１は、上下に昇降可能なパンチ５２（上金型）と、そのパンチ５２の下方に設けられブランクパイプ材２ａを保持するダイス５３（下金型）とを備える。

ダイス５３は、ブランクパイプ材２ａの曲げ部３の軸方向外側の部分を各々保持する。図例では、２つのダイス５３が、左右に離間させて各々配置される。各ダイス５３の上面には、下方に窪みブランクパイプ材２ａを下方から保持する保持溝５４が形成される。なお、ダイスは、ブランクパイプ材２ａの軸方向に沿って延びる１つのダイスでもよい。

パンチ５２は、ブランクパイプ材２ａの曲げ部３の上方に位置し、曲げ部３の軸方向長さとほぼ同じ長さ（図５において左右方向の長さ）を有する。

パンチ５２の先端部（下端部）には、上方に窪みブランクパイプ材２ａの曲げ部３が嵌め入れられると共に、その曲げ部３を下方に押圧するための凹部５５が形成される。その凹部５５は、成形面をなし曲げ部３の製品形状（曲げ半径など）に応じた形状に形成される。例えば、凹部５５の上面が、下方に突出する山型状に形成される。

次に、図１および図２に基づき本実施形態の構造部材１の製造方法を説明する。

本実施形態では、図２に示すように、まず、直管状のブランクパイプ材２ａの曲げ部３内に芯金部材４をセットする。具体的には、ブランクパイプ材２ａの一端から芯金部材４を挿入し、その挿入された芯金部材４を軸方向中心側に曲げ部３まで移動させて、曲げ部３内に配置、位置決めする。

ここで、芯金部材４の挿入は、結合ピン７が曲げの内側に位置するように芯金部材４の向きを合わせて行う。芯金部材４の移動は、芯金部材４にワイヤやロッドなどの治具を係合させ、その治具を介して芯金部材４を押すもしくは引くことで行う。芯金部材４の配置、位置決めは、中子部６の軸方向中心が曲げ部３の軸方向中心と一致するように行う。

次に、図１に示すように、芯金部材４が挿入されたブランクパイプ材２ａを図５のプレス機５１によりプレス成形して、曲げ部３を曲げ加工する。

具体的には、パンチ５２を下降させて曲げ部３を下方に押圧して曲げ加工すると共に、曲げ部３内の芯金部材４を、曲げ部３と一体的に扇状に変形させる。

これにより、曲げ部３は、曲げ内側が縮むと共に曲げ外側が伸び、全体として「く」の字状に湾曲する。芯金部材４は、結合ピン７が曲げ部３に沿って湾曲すると共に、中子部６の隣接する板材５が、曲げ内側から曲げ外側に至るにつれ隣接する板材５との隙間が大きくなるように互いに離間する。

この曲げ加工の際に、芯金部材４により、曲げ部３における曲げ内側の内壁面３１の座屈と、曲げ外側の内壁面３２の引けとが抑制、防止される。

すなわち、曲げ部３の加工時に曲げ内側の内壁面３１（図３参照）には圧縮力がかかるが、本実施形態では、曲げ内側の内壁面３１が、芯金部材４の板材５により支えられるので曲げ外側への変形（図７符号Ｂ参照）が抑制され、座屈が防止される。また、曲げ部３の曲げ外側の内壁面３２には引張力がかかるが、本実施形態では、芯金部材４の板材５により支えられるので、曲げ内側への変形（図７符号Ｓ参照）が抑制され、引けが防止される。

さらに、本実施形態の芯金部材４は、曲げ外側の板材５間が開き、曲げ内側の板材５間が閉じる方向に変形し、その変形した芯金部材４は、パイプ材２（曲げ部３）内にパイプ材２の伸び縮みによる歪により締付けられ固定される。この固定された芯金部材４が、曲げ部３の強度を高めるための強度部材となる。

曲げ加工後、本実施形態では、芯金部材４（強度部材）をより強固に固定するために、曲げ部３内に芯金部材４を接合する。

芯金部材４の接合は、溶接により、曲げ部３の内壁面に芯金部材４の中子部６の板材５を溶着することで行う。溶接方法としては、例えば、加工後パイプ材２の表面側からレーザを照射するレーザ溶接や、加工後パイプ材２に貫通穴を形成する栓溶接などが考えられる。

以上により、本実施形態の構造部材１が得られる。

このように、本実施形態では、芯金部材４を曲げ部３内に固定して強度部材とすることで、構造部材１の剛性を向上させることができる。

すなわち、本実施形態の構造部材１では、曲げ部３内に固定された芯金部材４の各板材５が、加工後パイプ材２の内部を軸方向に区画する隔壁となって構造部材１に節が形成され、構造部材１（特に、曲げ部３近傍）の剛性が高められる。

また、加工後パイプ材２の曲げ部３と芯金部材４とを溶着することにより、曲げ部３と芯金部材４との結合強度が高まり、芯金部材４が加工後パイプ材２から脱落するのを防止できると共に、これによっても構造部材１の剛性を向上させることができる。

その他にも、曲げ加工の際に、曲げ部３を芯金部材４で支えて変形（引け）、座屈を防止することにより、プレス機５１による構造部材１の製造が可能となり、パイプベンダーを必要としない。

パイプベンダーによる曲げ加工は、曲げ加工の回転中心と被加工部品（ブランクパイプ材２ａ）とが離れているために、大きな加工トルクが必要で大型のパイプベンダーが必要となるが、本実施形態によれば小型の汎用プレス機５１での加工が可能になる。

また、パイプベンダーによる曲げ加工では、フォーマー、マンドレル、ガイドなどの投資が必要であるが、本実施形態では、曲げ部３近傍を押圧するのパンチ５２と、ブランクパイプ材２ａを支持するダイス５３のみでよく、パイプベンダーに比べて、金型費を低減することができ、投資を抑えることができる。

次に、図７に基づき他の実施形態を説明する。

本実施形態は、芯金部材の中子部の形状が上述した図１の実施形態と異なるもので、それ以外は図１の実施形態と同様となっている。したがって、図１の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態の中子部７１は、パイプ材２の軸方向に沿って並べられた複数の板材５のうち、両端の板材が、他の板材５に比べて板厚の大きな厚板７２から形成される。

それら厚板７２は、曲げ部３の両端に各々位置し、曲げ加工後の溶接により、厚板７２の外周がパイプ材２の内壁面に接着される。

本実施形態では、上述した図１の実施形態と同様の効果が得られ、さらに、曲げ部３の両端に、厚板７２による強度の高い節が形成されるので、図１の実施形態よりも構造部材１（曲げ部３）の剛性を向上させることができる。

次に、図８および図９に基づき他の実施形態を説明する。

本実施形態は、芯金部材４を曲げ部に位置決めするための治具が、上述した図１の実施形態と異なるもので、それ以外は図１の実施形態と同様となっている。したがって、図１の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

図８および図９に示すように、本実施形態の治具８１は、ブランクパイプ材２ａの軸方向に沿って延びブランクパイプ材２ａ内に挿入可能なガイドピン８２と、そのガイドピン８２の先端部に設けられ中子部６に係合可能なフランジ８３と、ガイドピン８２の基端部に設けられブランクパイプ材２ａの一端の係合可能なストッパ８４とを備える。また、本実施形態の中子部６の各板材５には、ガイドピン８２の先端部が貫通するガイド穴８５（例えば、丸穴）が形成される。

フランジ８３は、例えば、板材５のガイド穴８５よりも大径の円板からなり、ストッパ８４は、ブランクパイプ材２ａの断面よりも大きく形成され、例えば、ブランクパイプ材２ａの断面と相似形状の板からなる。

フランジ８３とストッパ８４とは、ガイドピン８２に溶接などで各々接合され、軸方向に所定の間隔を隔てて配置される。具体的には、フランジ８３とストッパ８４とは、フランジ８３からストッパ８４までの長さＬが、ブランクパイプ材２ａの曲げ部３から一端までの長さに一致するように、ガイドピン８２に配置される。

ここで、本実施形態では、ガイドピン８２とガイド穴８５との隙間および結合ピン７と結合穴８との隙間が、パイプ材２の内壁面と中子部６の板材５との隙間よりも小さく設定される。

次に、ブランクパイプ材２ａ内への芯金部材４のセットおよび位置決めについて説明する。

まず、ブランクパイプ材２ａの一端（図８では左端）から芯金部材４を挿入すると共に、その芯金部材４の板材５のガイド穴８５に、ガイドピン８２を先端から挿入してフランジ８３を板材５に当接させる。

次に、ガイドピン８２をブランクパイプ材２ａ内に送り込み、そのガイドピン８２に固定されたフランジ８３を介して芯金部材４をブランクパイプ材２ａの一端から曲げ部３に向けて移動させる。さらに、ストッパ８４がブランクパイプ材２ａの一端に当接するまでガイドピン８２を送り込む。これにより、芯金部材４が曲げ部３に到達して、所定の位置に位置決めされる。位置決め終了後、ガイドピン８２は、曲げ加工前に、ブランクパイプ材２ａから引き抜かれる。

本実施形態では、上述した図１の実施形態と同様の効果が得られ、さらに、ガイドピン８２により、芯金部材４を所望の位置に容易にセットすることができる。

また、ガイドピン８２とガイド穴８５との隙間、および結合ピン７と結合穴８との隙間が、パイプ材２の内壁面と中子部６の板材５との隙間よりも小さく設定されているので、パイプ材２内に芯金部材４を挿入するときに、容易に挿入することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、上述の実施形態では、結合ピン７の両端に円板状の鍔部９を溶着して、中子部６の板材５を保持、固定したが、これに限定されず、結合ピン７の両端をつぶして鍔部９を形成してもよく、また、鍔部９のかわりに結合ピン７の両端を折り曲げて中子部６の板材５を固定するようにしてもよい。

また、連結部は、結合ピン７に限定されず、様々なものが考えられる。例えば、連結部は、ワイヤでもよく、その場合、ワイヤの両端を板材５に溶着してカシメて、中子部６の板材５を保持する。また、連結部は、外周に雄ねじが形成されたボルトでもよく、その場合、ボルトヘッドと、ボルトに螺合させたナットとで中子部６の板材５を挟み保持する。

また、中子部６の板材５の材質は、鋼材以外にも、様々なものが考えられ、例えば、樹脂、非金属材でもよい。

また、図１０および図１１に示すように、中子部６の板材５の中央部に所定の大きさの穴部１０を形成してもよい。この場合、中子部６（芯金部材４）の重量を低減することができる。ここで、穴部１０が大きいほど、芯金部材４の重量を低減できるものの強度が低下するので、穴部１０の大きさは、重量や強度などを考慮して適宜設定される。

また、中子部６の板材５の間に、一定の間隔があくようにスペーサを挟んでもよい。例えば、曲げ加工の曲げ半径が大きく曲げ部３の軸方向長さが長くなる場合には、曲げ部３にかかる応力（圧縮力、引張力）が小さくなり座屈、引けが発生し難いので、このような場合は、中子部６の板材５の間にスペーサを挟むことで、中子部６（芯金部材４）のコストを低減することができる。

また、パイプ材の断面は、矩形断面に限定されず、丸断面など様々なものが考えられる。例えば、図１２および図１３に示すように、パイプ材１２は、異型断面を有する異型鋼管でもよく、その場合、中子部６の板材１３は、異型鋼管１２と同様に異型断面に形成することが好ましい。

さらに、図１２に示すように、パイプ材が異型鋼管１２の場合、異型鋼管１２と芯金部材４（板材５）との隙間を、変形可能な部位か否かで調整するようにしてもよい。例えば、図例では、角部Ｃを変形可能な部位とし、角部Ｃでの異型鋼管１２と芯金部材４との隙間が大きく設定される。より具体的には、異型鋼管１２の角部Ｃに所定の半径で丸み味（Ｒ）が付けられており、その角部Ｃよりも大きな半径で板材１３の角部に丸み味（Ｒ）が付けられる。

これにより、曲げ加工による歪が変位可能な角部Ｃに集中するので、他の部材が取り付けられる面部Ｆ（断面における辺部）などの変形不可部の歪を低減させることができる。例えば、図６のキャブ６１では、フロントウインドウ６３やルーフパネル６７が取り付けられるフロントピラー部６２およびルーフレール部６５の面部の精度を向上させることができる。

図１は、本発明に係る一実施形態による構造部材の概略断面図である。図２は、本実施形態の構造部材の概略断面図であり、曲げ加工前の状態を示す。図３は、図２のＩＩＩ部拡大図である。図４は、図３のＩＶ方向矢視図である。図５は、本実施形態のプレス機の概略構造図である。図６は、本実施形態のキャブの概略斜視図である。図７は、他の実施形態に係る芯金部材の断面図である。図８は、他の実施形態に係る芯金部材および治具の断面図である。図９は、図８のＩＸ方向矢視図である。図１０は、本発明の変形例に係る芯金部材の断面図である。図１１は、図１０のＸＩ方向矢視図である。図１２は、本発明の変形例に係る芯金部材の断面図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ方向矢視図である。図１４は、従来のプレス成形によるパイプの曲げ加工を説明するための図である。

符号の説明

１構造部材
２パイプ材
３曲げ部
４芯金部材
５板材
６中子部
７結合ピン（連結部）

Claims

パイプ材をプレス成形により曲げ加工して形成される構造部材において、
上記パイプ材の曲げ加工が施される曲げ部内に、該曲げ部の座屈および引けを防止すべく上記曲げ部における曲げ内側および外側の内壁面を各々支持する芯金部材を挿入して、上記パイプ材を曲げ加工すると共に、上記芯金部材を上記曲げ部と一体的に変形させ、その変形した芯金部材を上記曲げ加工後に上記曲げ部の強度部材とし、上記芯金部材は、上記曲げ部の断面形状と同じ形状の複数の板材を上記パイプ材の軸方向に沿って並べて形成された中子部と、その中子部の上記板材を上記軸方向に連結すると共に、上記曲げ加工により変形する連結部とを有することを特徴とする構造部材。
上記芯金部材は、上記中子部の上記軸方向長さが上記曲げ部の長さと同じである請求項１記載の構造部材。
上記芯金部材の中子部が、上記曲げ加工後に、上記曲げ部の内壁に溶接接合された請求項１又は２に記載の構造部材。
建設機械のキャブの一体に形成されたフロントピラー部およびルーフレール部をなす請求項１から３いずれかに記載の構造部材。