JP5187497B2 - 金属筒部材の熱間曲げ加工方法及びその装置 - Google Patents

Description

金属筒部材の熱間曲げ加工方法及びその装置に関し、特に、テーパ部を有する金属筒部材を加熱する際に誘導加熱コイルを金属筒部材のテーパ部に対して傾斜させながら加熱し曲げ加工するものに関する。

従来、自動車の車体を構成するピラー、ダッシュパネルの前面下部のダッシュクロスメンバ、リヤサイドフレームなどの筒状の車体部材において、機能性や安全性の向上のため軽量で且つ高強度の部材が要請されている。このため、これら部材では、細長の閉断面のフレーム部材であってその軸線方向に断面形状を変化させた筒状のフレーム部材が適用されている。この閉断面フレーム部材は、複数のプレス成形部品をスポット溶接により組み立てる方法、１本の鋼管をハイドロフォーミングにより成形する方法などの種々の方法で製作される。

しかし、上記スポット溶接による製作方法では、複数のプレス成形部材を接合するため部品数が多くなり、接合に時間もかかるので製造コストが高価になる。上記ハイドロフォーミング成形による製作方法では、冷間加工であるため成形性の制約から使用できる材料強度に上限があり、部品ごとに成形金型が必要となる、などの問題がある。

他方、特許文献１に記載の金属管の熱間曲げ加工方法およびその装置においては、金属管材料の曲げ加工部の外周側に環状の誘導加熱コイルを配設し、このコイルに高周波電流を供給して曲げ加工部を加熱しながら、金属管材料の先端部をクランプするアームをピボットを中心に回転させることで、金属管の曲げ加工を行い、その後に加工部を冷却する。
特開平９−２４４２３号公報

上記の特許文献１に記載の熱間曲げ加工技術（方法および装置）によりテーパ部を有する金属管の曲げ加工をする際には、環状の誘導加熱コイルの閉ループ面が、金属管の軸線に対して直交状に配置されるため、テーパ部を加熱する際は、金属管とコイルとの間の距離が一定とならずに変化してしまう。そのため、金属管を均等に加熱するために誘導加熱コイルの出力をテーパ部の形状に応じて増減させる必要があるが、均等に加熱するための出力制御が複雑になる。

従来の方法では、テーパ部の加熱部の引張り側と圧縮側を誘導加熱コイルにより均等に加熱するので、加熱温度を高温に設定すると圧縮側の金属管の表面にしわが発生する虞があり、また加熱温度を低温に設定すると引張り側の金属管の表面が割れる虞があるので、金属管の曲げ加工精度が悪化する。

本発明の目的は、金属筒部材のテーパ部から誘導加熱コイルまでの距離が等しくなるように誘導加熱コイルを金属筒部材の軸線に対して傾斜させ、テーパ部の曲げ加工の引張り側のコイル移動量を圧縮側のコイル移動量より小さくすることで加熱部に温度差を付与することのできる金属筒部材の熱間曲げ加工方法及びその装置を提供することである。

請求項１の金属筒部材の熱間曲げ加工方法は、少なくとも一部にテーパ部を有する金属筒部材の外周側に配置した環状の誘導加熱コイルによって、前記テーパ部を塑性変形可能な９００〜９５０℃まで加熱し、前記テーパ部を曲げ加工するようにした金属筒部材の熱間曲げ加工方法において、前記金属筒部材のテーパ部から誘導加熱コイルまでの距離が等しくなるように前記誘導加熱コイルを金属筒部材の軸線に対して傾斜させながら加熱を行うと共に、前記傾斜に伴う誘導加熱コイルのテーパ部に対する位置変化量をコイル移動量とし、前記テーパ部の曲げの引張り側のコイル移動量が曲げの圧縮側のコイル移動量より小さくなるように誘導加熱コイルを傾斜させながら曲げ加工を行うことを特徴としている。

金属筒部材のテーパ部を加熱する際に、金属筒部材の軸線に対して誘導加熱コイルを傾斜させ、曲げ加工の引っ張り側ではコイル移動量を小さくすると共に、曲げの圧縮側ではコイル移動量を大きくする。そのため、引張り側では、テーパ部に対する誘導加熱コイルの相対移動速度が遅くなって加熱温度が高くなり、また、圧縮側ではテーパ部に対する誘導加熱コイルの相対移動速度が速くなるので、加熱温度が低くなる。

請求項２の金属筒部材の熱間曲げ加工方法は、請求項１の発明において、前記誘導加熱コイルにより加熱された加熱部を前記金属筒部材の軸方向に相対的に移動させながら曲げモーメントを付与することによって曲げ加工を行うようにしたことを特徴としている。

請求項３の金属筒部材の熱間曲げ加工方法は、少なくとも一部にテーパ部を有する金属筒部材の外周側に配置した環状の誘導加熱コイルと、前記テーパ部を塑性変形可能な９００〜９５０℃まで加熱する前記誘導加熱コイルの為の出力制御手段と、前記金属筒部材のテーパ部を曲げ加工する曲げ加工手段とを有する金属筒部材の熱間曲げ加工装置において、前記誘導加熱コイルを金属筒部材の軸線に対して傾斜させる為の傾動手段と、前記金属筒部材のテーパ部から加熱コイルまでの距離が等しくなるように前記傾動手段を制御するコイル姿勢制御手段であって、前記傾斜に伴う誘導加熱コイルのテーパ部に対する位置変化量をコイル移動量とし、前記テーパ部の曲げの引張り側のコイル移動量が曲げの圧縮側のコイル移動量より小さくなるように前記傾動手段を制御するコイル姿勢制御手段とを備えたことを特徴としている。

傾動手段により誘導加熱コイルを金属筒部材の軸線に対して傾斜させ、コイル姿勢制御手段により、金属筒部材のテーパ部から加熱コイルまでの距離が等しくなるように前記傾動手段を制御し、テーパ部の曲げの引張り側のコイル移動量が曲げの圧縮側のコイル移動量より小さくなるように傾動手段を制御する。

請求項４の金属筒部材の熱間曲げ加工方法は、請求項３の発明において、前記誘導加熱コイルにより加熱された加熱部を前記金属筒部材の軸方向に相対的に移動させる相対移動手段と、前記加熱部に曲げモーメントを付与することによって曲げ加工を行うようにした曲げ加工手段とを有することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、金属筒部材のテーパ部から誘導加熱コイルまでの距離が等しくなるようにこの誘導加熱コイルを金属筒部材の軸線に対して傾斜させながら加熱を行うと共に、このテーパ部の曲げの引張り側のコイル移動量が曲げの圧縮側のコイル移動量より小さくなるように誘導加熱コイルを傾斜させながら曲げ加工を行うので、金属筒部材のテーパ部から誘導加熱コイルまでの距離が等しくなるため、テーパ部の全周にわたって誘導加熱コイルによる加熱条件が一定になる。

そして、テーパ部の曲げの引張り側のコイル移動量が曲げの圧縮側のコイル移動量より小さくなるようにするので、テーパ部の曲げの引張り側の加熱温度を、曲げの圧縮側の加熱温度よりも高くするように加熱しながら、テーパ部を曲げ加工することができるため、誘導加熱コイルによる加熱部の曲げの引張り側と圧縮側に対して温度差を付与した状態で適切な曲げ加工を行うことができ、金属筒部材の表面うち、引張り側では割れを防止し、圧縮側ではしわを抑制することができるので、高品質の曲げ加工を施すことができ、金属筒部材の外観も向上し、矯正作業を必要としない。

請求項２の発明によれば、誘導加熱コイルにより加熱された加熱部を金属筒部材の軸方向に相対的に移動させながら曲げモーメントを付与することによって曲げ加工を行うようにしたので、金属筒部材のテーパ部の必要範囲に対する加熱を容易に行うことができる。

請求項３の発明によれば、基本的に請求項１と同様の効果が得られる。
請求項４の発明によれば、基本的に請求項２と同様の効果が得られる。

本発明は、金属筒部材の外周側に配置した環状の誘導加熱コイルによって金属筒部材を加熱し曲げ加工する金属筒部材の熱間曲げ加工方法およびその装置において、誘導加熱コイルを金属筒部材の軸線に対して傾斜させながらテーパ部の加熱を行うものに関する。
以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例に基づいて説明する。

本実施例は、自動車の車体のダッシュパネルの前面側の下部に設けられるダッシュクロスメンバの熱間曲げ加工方法と熱間曲げ加工装置に本発明を適用した場合の例である。
以下の図１に関連する説明において車体における前後左右を前後左右として説明する。

図１に示すように、自動車の車体１の前部のエンジンルーム７とその後方の車室８との間を仕切るダッシュパネル（図示略）が設けられ、エンジンルーム７の下部には前後方向に延設される左右１対のフロントサイドフレーム２が設けられ、車室８の下方には１対のフロントサイドフレーム２から後方へ延びる１対のフロアフレーム３も設けられている。
車体１の前部には、前輪のサスペンションのストラットを格納する為のサスペンションタワー４が縦向きに形成されている。１対のフロントサイドフレーム２の前端部には、車幅方向に延びるバンパーフレーム５が架着されている。

このダッシュパネルの前側の下部において、左右のフロントサイドフレーム２のダッシュパネルへの接続部同士を連結するダッシュクロスメンバ１０が設けられている。このダッシュクロスメンバ１０（これが金属筒部材に相当する）は、車幅方向に延びる閉断面フレーム部材から形成されている。

図２に示すように、ダッシュクロスメンバ１０は、フロアトンネル部を避けるために大きく上方へ湾曲状に形成されている。ダッシュクロスメンバ１０は、両端部分に形成された１対の連結部材１０ｂと、１対の連結部材１０ｂから車幅方向内方へ上り傾斜状の１対のテーパ部１０ａと、１対のテーパ部１０ａの車幅方向内端同士に亘るスパン中央部１０ｃとを一体的に形成したものである。

フロントサイドフレーム２と連結される連結部１０ｂは、衝突荷重を効率良く伝達させるために大きな矩形の断面形状に形成され、テーパ部１０ａは連結部１０ｂから上方へ昇る程小さな矩形断面になるテーパ状に形成され、スパン中央部１０ｃは他の部材との干渉を避けるため小さな矩形断面形状に形成されている。

次に、ダッシュクロスメンバ１０である金属筒部材１０の熱間曲げ加工する熱間曲げ加工装置２０について説明する。
図３に示すように、熱間曲げ加工装置２０は、金属筒部材１０を押し出す押出装置２１と、金属筒部材１０の通過途中部を支持する４つのロール２３と、金属筒部材１０の加熱部を曲げ加工する可動ダイス２５と、環状の誘導加熱コイル３５と、この誘導加熱コイル３５を傾斜させる傾動手段４０と、この誘導加熱コイル３５の出力を制御する出力制御手段と傾動手段４０を制御するコイル姿勢制御手段として機能する制御ユニット３１とを備えている。

前記押出装置２１（相対移動手段に相当する）は、レール２２上を進退駆動可能であり、曲げ加工をする際に、押出装置２１により金属筒部材１０の後端部を保持した状態で、、上流側から下流側へ連続的に押し出し移動させることができるので、誘導加熱コイル３５により加熱された金属筒部材１０の加熱部を金属筒部材１０の軸線方向に相対移動させることができる。

金属筒部材１０の支持を荷なう２対のロール２３は、押出装置２１により金属筒部材１０が押し出し移動されている際に、金属筒部材１０の横幅に対応してローラ間間隔が自動的に調整される。
この熱間曲げ加工装置２０では、矩形の断面形状の金属筒部材１０に適合するロール２３を採用しているが、金属筒部材の形状に応じて種々の形状のロールを採用することができる。尚、２対のロール２３に限定されず、１対又は２対以上の複数対のロールで構成してもよい。

可動ダイス２５（曲げ加工手段に相当する）は、誘導加熱コイル３０より下流側近傍において金属筒部材１０をクランプして種々の方向への曲げモーメントを作用させて曲げ加工可能なものである。この可動ダイス２５は、１対の縦向きのロール２６と、ロール２６が装着された枠体のベース２７と、ベース２７を上下移動可能な上下動機構（図示略）と、ベース２７を軸線直交方向へ左右移動可能な左右動機構（図示略）と、ベース２７を電動モータ２９ａにより水平軸回りにチルト可能なチルト機構２９と、ベース２７を電動モータ３０ａにより鉛直軸回りに回動可能な回動機構３０とを備えている。

前記諸機構の電動モータ２９ａ，３０ａは、電気信号ケーブルにより制御ユニット３１に接続されている。尚、可動ダイス２５のロール形状は、金属筒部材１０の形状に応じて適宜変更することができる。

ここで、誘導加熱コイル３５について説明する。
矩形環状の誘導加熱コイル３５は、金属筒部材１０の外周側に配置され、制御ユニット３１により制御され、金属筒部材１０を局部的に加熱することができる。この誘導加熱コイル３５は例えば６軸多関節ロボット（傾動手動４０に相当する）（図示略）のアーム４３の先端のハンド４２に支持され、このロボットにより誘導加熱コイル３５の位置や姿勢が調整される。

傾動手段４０により、誘導加熱コイル３５は、金属筒部材１０の表面に沿って前後方向に移動可能でかつ金属筒部材１０の軸線に対して傾斜可能である。誘導加熱コイル３５には、誘導加熱コイル３５により加熱された金属筒部材１０の加熱部に可動ダイス２５により曲げモーメントを付与して曲げ加工された金属筒部材１０を冷却水の噴射にて急冷する図示しない冷却機構が一体的に形成されている。

即ち、誘導加熱コイル３５により金属筒部材１０を塑性変形可能温度（例えば、９００〜９５０℃）まで加熱し、その局部的な加熱部を、可動ダイス２５を用いて塑性変形させ、その直後に水や油などの冷却媒体、又はその他の冷却液や気体やミストを金属筒部材１０の外面から吹き付けることにより冷却している。

この誘導加熱コイル３５の出力を制御するため、制御ユニット３１は、電気信号ケーブルを介して誘導加熱コイル３５の入力部に連結され、制御ユニット３１により、金属筒部材１０の素材およびサイズなどのデータに基づいて加熱温度が演算され、この演算された加熱温度とする高周波電流が誘導加熱コイル３５に印加される。

誘導加熱コイル３５を傾動させる傾動手段４０としてのロボットのコントローラ４５は制御ユニット３１に接続され、制御ユニット３１からコントローラ４５を介してアーム４３とハンド４２が制御され、誘導加熱コイル３５の位置と姿勢が制御され、コイル３５を金属筒部材１０の表面に沿って前後方向に移動可能であると共に、軸線に対して傾斜させるなどの動作が可能となる。

図４に示すように、コイル姿勢制御手段としての制御ユニット３１は、テーパ部１０ａを加熱する際は、テーパ部１０ａから加熱コイル３５の距離Ｌ１が等しくなるように誘導加熱コイル３５を金属筒部材１０の軸線に対して傾斜させるように傾動手段４０を介して誘導加熱コイル３５の位置・姿勢を制御する。この傾斜に伴うテーパ部１０ａに対する位置変化量をコイル移動量とし、テーパ部１０ａの曲げの引張り側の移動量Ｌ２が曲げの圧縮側のコイル移動量Ｌ３より小さくなるように傾動手段４０を介してコイル３５の位置および姿勢を制御する。

次に、金属筒部材１０のテーパ部１０ａの熱間曲げ加工方法について説明する。
先ず、テーパ部１０ａを有する金属筒部材１０の曲げ加工を開始する場合、金属筒部材１０の後端部を押出装置２１に固定し、押出装置２１で押し出し移動させながら先端部を２対のロール２３間に挿入する。この金属筒部材１０の途中部を２対のロール２３で支持しながら、さらに押出装置２１で押し出し、先端部を可動ダイス２５に到達させて１対のロール２６間に挟持状態にする。

誘導加熱コイル３５は、金属筒部材１０の連結部１０ｂが通過している間は、コイル面が金属筒部材１０の軸線と直交状に保持され、コイル３５と金属筒部材１０との距離は実質的に等しくなるように制御される。連結部１０ａとテーパ部１０ａの境界部が誘導加熱コイル３５に達してその曲げ加工対象箇所を加熱する際には、制御ユニット３１により誘導加熱コイル３５に高周波電流が供給され、誘導加熱コイル３５が作動し始める。

このとき、図４に示すように、テーパ部１０ａを加熱するとき、コイル３５は傾動手段４０により図示のように傾斜状に姿勢制御されつつ、コイル３５の各辺からテーパ部１０ａの表面までの距離が等しくなるように制御される。このとき、図５において、金属筒部材１０の上面１０ｄ側が曲げ加工の引っ張り側で、下面１０ｅ側が曲げ加工の圧縮側であるとすると、上面１０ｄ側のコイル移動量Ｌ２が下面１０ｅ側のコイル移動量Ｌ３より小さくなるように制御ユニット３１により傾動手段４０が制御される。つまり、コイル３５と上面１０ｄ側との相対移動速度が、下面１０ｅ側との相対移動速度より低くなるように制御される。

曲げ加工の引っ張り側と圧縮側以外の誘導加熱コイル３５の部分を、金属筒部材１０の軸線に対して傾斜させた状態で、テーパ部１０ａを塑性変形可能な９００〜９５０℃まで加熱する。
この時、上面１０ｄ側では相対移動速度が小さく、下面１０ｅ側では相対移動速度が大きいので、上面１０ｄ側の加熱温度が下面１０ｅ側の加熱温度よりも低くなるから、主として、引っ張り側を引っ張り方向へ塑性変形させる上で有利である。

上記のように加熱した状態において、制御ユニット３１により、可動ダイス２５の上下動機構、左右動機構、チルト機構２９、回動機構３０を制御し、加熱部に曲げモーメントを付加して曲げ加工する。このような加熱と曲げ加工を連続的に行う。尚、加熱部に曲げモーメントを付加して曲げた後、冷却装置から冷却媒体を噴射して冷却と表面の焼き入れ処理を行う。

こうして、最初に、先端側の連結部１０ｂからテーパ部１０ａに亘る部分の曲げ加工を行う。次に、テーパ部１０ａからスパン中央部１０ｃに亘る部分の曲げ加工を行う。次に、スパン中央部１０ｃからテーパ部１０ａに亘る部分の曲げ加工を行う。最後に、テーパ部１０ａから連結部１０ｂに亘る部分の曲げ加工を行う。その結果、ダッシュクロスメンバとしての金属筒部材１０を熱間曲げ加工することができる。

次に、熱間曲げ加工方法と熱間曲げ加工装置２０の効果について説明する。
金属筒部材１０のテーパ部１０ａから誘導加熱コイル３５までの距離が等しくなるようにこの誘導加熱コイル３５を金属筒部材１０の軸線に対して傾斜させながら加熱を行うと共に、このテーパ部１０ａの曲げの引張り側のコイル移動量Ｌ２が曲げの圧縮側のコイル移動量Ｌ３より小さくなるように誘導加熱コイル３５を傾斜させながら曲げ加工を行うので、テーパ部１０ａを曲げ加工する際に、曲げ加工の引張り側の加熱温度を、圧縮側の加熱温度よりも高く加熱することができるから、曲げ加工の引張り側の加熱部の伸長性を高めて、曲げ加工性を高め、能率的に曲げ加工することができる。
しかも、加熱部を曲げ加工後に冷却して焼入れすることにより、高強度な曲げ加工された金属筒部材１０が得られる。

このように、金属筒部材１０の軸線に対して誘導加熱コイル３５を傾斜させ、コイル移動量を制御することで加熱部の曲げの引張り側と圧縮側に対して温度差を付与することができ、必要最低限な熱量を掛けながら適切な曲げ加工を行うことでき、金属筒部材１０の表面における、引張り側では割れを防止し、圧縮側ではしわを抑制することできるので、矯正作業を必要とせずに、さらに金属筒部材１０の外観も向上する。

誘導加熱コイル３５により加熱された加熱部を金属筒部材１０の軸方向に相対的に移動させながら曲げモーメントを付与することによって曲げ加工を行うようにしたので、金属筒部材１０のテーパ部１０ａの必要範囲に対する加熱を容易に行うことができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した例について説明する。
（１）前記の実施例では、２箇所にテーパ部を有する金属筒部材を例としているが、少なくとも一部にテーパ部を有する金属筒部材を曲げ加工することも可能である。また、金属筒部材の断面形状は矩形であるが、これに限定されず各種の断面形状の金属筒部材であってもよい。

（２）前記実施例では、ダッシュクロスメンバを例としているが、車体のピラー、リヤサイドフレームなどの閉断面構造の種々の部材をも曲げ加工することができる。
（３）当業者ならば本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施することができ、本発明はそれらの変更形態も包含するものである。

本発明の実施例に係る自動車の車体の斜視図である。 ダッシュクロスメンバ（金属筒部材）の斜視図である。 熱間曲げ加工装置の概略斜視図である。 誘導加熱コイルと金属筒部材の要部側面図である。 曲げ加工された金属筒部材の要部の側面図である。

１ 車体フレーム
１０ 金属筒部材（ダッシュクロスメンバ）
１０ａ テーパ部
２０ 熱間曲げ加工装置
２５ 可動ダイス
３１ 制御ユニット
３５ 誘導加熱コイル
４０ 傾動手段

Claims (4)

1. 少なくとも一部にテーパ部を有する金属筒部材の外周側に配置した環状の誘導加熱コイルによって、前記テーパ部を塑性変形可能な９００〜９５０℃まで加熱し、前記テーパ部を曲げ加工するようにした金属筒部材の熱間曲げ加工方法において、
   前記金属筒部材のテーパ部から誘導加熱コイルまでの距離が等しくなるように前記誘導加熱コイルを金属筒部材の軸線に対して傾斜させながら加熱を行うと共に、
   前記傾斜に伴う誘導加熱コイルのテーパ部に対する位置変化量をコイル移動量とし、
   前記テーパ部の曲げの引張り側のコイル移動量が曲げの圧縮側のコイル移動量より小さくなるように誘導加熱コイルを傾斜させながら曲げ加工を行うことを特徴とする金属筒部材の熱間曲げ加工方法。
2. 前記誘導加熱コイルにより加熱された加熱部を前記金属筒部材の軸方向に相対的に移動させながら曲げモーメントを付与することによって曲げ加工を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の金属筒部材の熱間曲げ加工方法。
3. 少なくとも一部にテーパ部を有する金属筒部材の外周側に配置した環状の誘導加熱コイルと、前記テーパ部を塑性変形可能な９００〜９５０℃まで加熱する前記誘導加熱コイルの為の出力制御手段と、前記金属筒部材のテーパ部を曲げ加工する曲げ加工手段とを有する金属筒部材の熱間曲げ加工装置において、
   前記誘導加熱コイルを金属筒部材の軸線に対して傾斜させる為の傾動手段と、前記金属筒部材のテーパ部から加熱コイルまでの距離が等しくなるように前記傾動手段を制御するコイル姿勢制御手段であって、前記傾斜に伴う誘導加熱コイルのテーパ部に対する位置変化量をコイル移動量とし、前記テーパ部の曲げの引張り側のコイル移動量が曲げの圧縮側のコイル移動量より小さくなるように前記傾動手段を制御するコイル姿勢制御手段とを備えたことを特徴とする金属筒部材の熱間曲げ加工装置。
4. 前記誘導加熱コイルにより加熱された加熱部を前記金属筒部材の軸方向に相対的に移動させる相対移動手段と、前記加熱部に曲げモーメントを付与することによって曲げ加工を行うようにした曲げ加工手段とを有することを特徴とする請求項３に記載の金属筒部材の熱間曲げ加工装置。