JP6367555B2

JP6367555B2 - 中空部材の製造方法

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Publication number: JP6367555B2
Application number: JP2013533458A
Authority: JP
Inventors: 毅志枝廣; 芥川　紀文; 紀文芥川; 響太郎山根; 輝久平岡; 一美保田; 誠章安藤; 橋本　勝; 勝橋本; 安藤　友一; 友一安藤; 哲也鶴田
Original assignee: Y Tec Corp; Fuji Giken Co Ltd
Current assignee: Y Tec Corp; Fuji Giken Co Ltd
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: CN103648807B; EP2756971B1; MX2014000676A; MX369792B; EP2756971A8; BR112014001006A2; WO2013038580A1; US20140174610A1; JPWO2013038580A1; EP2756971A1; CN103648807A; EP2756971A4

Description

本発明は、例えば自動車等の懸架装置に用いられるトーションビームのような捩り力を受ける中空部材の製造方法に関するものである。

従来から、例えば、特許文献１に開示されているように、自動車の懸架装置には、トーションビームと呼ばれる中空部材が用いられている。このトーションビームの両端には、車輪が取り付けられるアームがそれぞれ固定されており、走行中の車輪からの入力によってトーションビームは捩り力を繰り返し受けることになる。このトーションビームには、捩り力を繰り返し受けても亀裂等が発生しにくい高い耐久性が求められる。

特開２００８−３０５１３号公報

ところで、トーションビームの耐久性は、トーションビームを構成している素材の厚みを厚くすれば向上するが、素材を厚くするとトーションビームの重量が増加することになり、好ましくない。

そこで、トーションビームに総焼入れ処理を施して硬度を高めることによって耐久性を向上させることが考えられる。

しかしながら、総焼入れ処理によってトーションビームの十分な耐久性を得ようとすると、トーションビーム全体の硬度が上がって靱性が低下し、例えば車両走行時に異物等の衝突によって衝撃を受けた際に破損しやすくなる恐れがある。つまり、総焼入れ処理による耐久性の向上には限界がある。

また、トーションビームの全体に対して総焼入れ処理を施すと、トーションビームを加熱する際に要するエネルギが多大であり、また、熱ひずみも発生するという問題もある。また、亀裂等が発生するのは、トーションビームの限られた一部分であるから、そもそも総焼入れ処理は無駄であるとも考えられる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、繰り返し捩り力を受ける中空部材の板厚を厚くすることなく、かつ、総焼入れ処理、若しくは焼鈍処理を施さなくても、耐久性を大幅に高めることにある。

上記目的を達成するために、本発明では、中空部材の必要な所に部分熱処理を施して周壁の厚み方向の硬度分布を最適化するととともに、残留応力の低減をも図るようにした。

第１の発明は、管状に形成されて中心線周りの捩り力を受ける中空部材の製造方法において、
上記中空部材の周壁の外表面の一部のみを加熱することにより、該周壁の外側部分であって該周壁の総厚さに対して１／２以下の範囲の硬度を、該外側部分の加熱前の硬度及び該周壁の内側部分の硬度よりも向上させ、かつ、該周壁の内側部分の硬度を該内側部分の加熱前の硬度と略同じにするとともに、該周壁の内側部分の残留応力を非熱処理部よりも低減させる部分熱処理を施すことを特徴とするものである。

この構成によれば、中空部材のうち、亀裂等が比較的発生しやすい所に部分熱処理を施すことで、周壁の外側部分の硬度が向上して強度が向上する。そして、部分熱処理を施した周壁は内側部分の硬度が外側部分ほど高まっていないので靱性が確保され、これにより、例えば衝撃を受けた際の破損を抑制することが可能になるとともに、捩り力に対する耐久性が向上する。さらに、部分熱処理を施した周壁の内側部分は、上記のように外側部分に比べて低硬度であるが、残留応力が低減しているので、捩り力を繰り返し受けても亀裂等の発生が抑制される。

また、周壁の内側部分の硬度は、該内側部分の加熱前の硬度と略同じに設定されているので、中空部材の強度を十分に確保しながら、適度な靱性を付与することが可能になる。

また、周壁の外側の硬度を向上させる部分は、周壁の総厚さに対して１／２以下に設定されているので、中空部材の靱性を十分に確保することが可能になる。

第２の発明は、第１の発明において、部分熱処理は、中空部材の周壁の外側からレーザー光を照射することによって行うことを特徴とするものである。

この構成によれば、部分熱処理を少ないエネルギ量で狙いとする部位にのみ確実に施すことが可能になる。

第１の発明によれば、中空部材の周壁に部分熱処理を施して周壁の外側部分の硬度を加熱前の硬度及び該周壁の内側部分の硬度よりも向上させるとともに、該周壁の内側部分の引張残留応力を低減させている。これにより、中空部材が捩り力を繰り返し受けても亀裂等の発生を抑制できるので、周壁を厚くすることなく、かつ、総焼入れ処理を施すことなく高い耐久性を得ることができる。

また、周壁の内側部分の硬度を加熱前と略同じにしたので、適度な靱性を付与して衝撃に強い中空部材としながら、高い耐久性を得ることができる。

また、周壁の硬度を向上させる部分を周壁の総厚さの１／２以下にしたので、中空部材の靱性を十分に確保して高い耐久性を得ることができる。

第２の発明によれば、部分熱処理をレーザー光の照射により行うようにしたので、高い耐久性を持つ中空部材を少ないエネルギ量で効率良く得ることができる。

実施形態にかかるトーションビーム型サスペンション装置の一部を示す斜視図である。トーションビームの正面図である。トーションビームの下面図である。図３のIV−IV線断面図である。各板材の厚みと硬さとの関係を示すグラフである。板厚が２．９ｍｍの場合におけるレーザーのエネルギー密度と耐久性との関係を示すグラフである。板厚が２．３ｍｍの場合における図６相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態にかかるトーションビーム１を有するトーションビーム型サスペンション装置の一部を示すものである。このトーションビーム型サスペンション装置は、自動車の後輪懸架装置に用いられるものであり、トーションビーム１と、該トーションビーム１の両端部に固定され、車両前後方向に延びるアーム２，２とを備えている。各アーム２の車両前端部にはブッシュ３，３が設けられており、このブッシュ３，３を介して各アーム２が車体に対し上下方向に揺動可能に取り付けられるようになっている。一方、各アーム２の車両後端部には、車輪を支持する車輪支持部材４，４が取り付けられている。また、アーム２，２には、スプリング（図示せず）を受けるスプリングサポート５，５がそれぞれ設けられている。

上記トーションビーム１は、車幅方向に延びる管状に形成された中空部材である。トーションビーム１の素材は、一般構造用炭素鋼鋼管である。この鋼管の厚みは２．９ｍｍである。

トーションビーム１の両端側の断面は略円形であり、この両端側が周方向全周に亘ってアーム２に溶接されている。一方、トーションビーム１の長手方向中間部の下面には、上方へ窪む凹部１０が長手方向に連続して延びるように形成されている。この凹部１０は、素管を金型により押し潰すことによって形成されており、図４に示すように、凹部１０の断面が下に開放する略Ｕ字または略Ｖ字に近い形状となっている。

トーションビーム１の一部には、部分熱処理が施されている。部分熱処理が施された範囲は、図２、３に斜線で示す範囲であり、図４では破線に対応する部分である。

部分熱処理は、詳細は後述するが所定のレーザー光を照射することによって施されたものである。この部分熱処理が施された範囲は、亀裂等が発生し易い箇所であり、即ち、本実施形態では、トーションビーム１の全てに焼入れを施す総焼入れ処理ではなく、亀裂等が発生し易い所にのみ熱処理を行っている。

熱処理を施していない部材（非熱処理部材）の周壁の硬度分布は、図５に黒丸で示すようになっている。すなわち、周壁の外面から内面まで約２１０〜２５０Ｈｖ（ビッカース硬さ）である。また、非熱処理部材の周壁の外面部の残留応力は、約３００ＭＰａの圧縮であり、内面部の残留応力は、約４００ＭＰａの引っ張りである。

部分熱処理を施した箇所（熱処理箇所）の周壁の硬度分布は、同図に白丸で示すようになっている。すなわち、周壁の外面のＡ付近が４６０Ｈｖであり、外面から深さ０．１５ｍｍのＢ付近まで硬度が徐々に上昇し、そのＢで硬度がピークとなる。Ｂにおける硬度は約５００Ｈｖであり、非熱処理部材に比べて２倍以上の硬度となっている。ＢからＣ（外面から０．６ｍｍのところ）まで硬度は徐々に低下しており、Ｃでは非熱処理部材の硬度と略同じ約２００Ｈｖである。Ｃから内面部のＤまでは非熱処理部材の硬度と略同じである。周壁の厚み方向の硬度分布をこのように設定する手段は、レーザー光の照射である。

また、熱処理箇所の周壁の外面の残留応力は、約７０ＭＰａの圧縮であり、内面の残留応力は、約５ＭＰａの引っ張りである。このように熱処理箇所の周壁の残留応力を、非熱処理部材の周壁の残留応力よりも大幅に低下させる手段は、レーザー光の照射である。

次に、上記トーションビーム１の製造要領について説明する。まず、素管を準備し、図示しない金型によって凹部１０を形成する。その後、図２及び図３に斜線で示すように、トーションビーム１に部分的にレーザー光を照射して部分熱処理を施す。このときのレーザー光のエネルギー密度は、周壁の厚み方向の硬度分布が図５に白丸で示すように外側部分の所定範囲の硬度が、該外側部分の加熱前の硬度及び該周壁の内側部分の硬度よりも向上するように、かつ、周壁の内側部分の残留応力が非熱処理部材よりも低減するように設定する。

上記のようにして得られたトーションビーム１の耐久試験結果について、図５に基づいて他のトーションビームと比較して説明する。

耐久試験は、両側のアーム２の前端部を固定しておき、一方のアーム２の後端部に下向きの力を加えて下に変位させ、他方のアーム２の後端部に上向きの力を加えて上に変位させ、その後、両アーム２にそれまでの力とは逆向きの力を加えて変位させる方法とした。これを１回とカウントして繰り返し、トーションビーム１の一部にでも亀裂が発生したら止める。

用意したトーションビームは、本発明にかかる部分熱処理が施されたもの（本発明）、熱処理を全く行っていないもの（比較例１）、ビッカース硬さが４００Ｈｖとなるように総焼入れを行ったもの（比較例２）、ビッカース硬さが５００Ｈｖとなるように総焼入れを行ったもの（比較例３）とを用意した。

比較例１は、熱処理を施していないので、トーションビームの周壁の外面部から内面部までの硬度が、本発明にかかるトーションビーム１の非熱処理部材の周壁と同様に約２１０〜２５０Ｈｖである。また、比較例１の周壁の外面部の残留応力は、約３００ＭＰａの圧縮であり、内面部の残留応力は、約４００ＭＰａの引っ張りである。

この比較例１では、３０万回で周壁の内面部に亀裂が発生した。

比較例２は、トーションビームの周壁の外面部の硬度が約２８０Ｈｖであり、外面部から０．５ｍｍのＳ付近では、約４００Ｈｖとなっている。Ｓ〜内面まで約４００〜４２０Ｈｖである。また、比較例２の周壁の外面部の残留応力は、約２００ＭＰａの圧縮であり、内面部の残留応力は、約３００ＭＰａの引っ張りである。このように総焼入れ処理を施した比較例２では、内面側の冷却速度が外面側に比べて遅くなるため、内面部には引っ張りの残留応力が発生することになる。

この比較例２では、４０万回で周壁の内面部に亀裂が発生した。

比較例３は、トーションビームの周壁の外面部の硬度が約３８０Ｈｖであり、外面部から１．５ｍｍのＴ付近では、約５００Ｈｖとなっている。Ｔ〜内面部まで約５００〜５１０Ｈｖである。また、比較例３の周壁の外面部の残留応力は、約３００ＭＰａの圧縮であり、内面部の残留応力は、約２００ＭＰａの引っ張りである。

この比較例３では、１１５万回で周壁の内面部に亀裂が発生した。比較例３では、比較例１、２に比べて耐久性が向上しているが、トーションビーム１全体が約５００Ｈｖであると靱性に乏しくなり、例えば車両走行時に障害物がトーションビーム１に衝突した際、その衝撃によってトーションビーム１が破損しやすくなり、実用性に乏しい。

これら比較例１〜３に対し、本発明にかかるトーションビーム１の耐久試験結果は、１６０万回を越えても亀裂の発生は見られなかった。

つまり、トーションビーム１の外側部分の所定範囲の硬度が、該外側部分の加熱前の硬度及び該周壁の内側部分の硬度よりも向上するように、かつ、周壁の内側部分の残留応力が非熱処理部材よりも低減するように部分熱処理を行うだけで比較例１、２に比べて４倍以上の耐久性が得られる。

ここで、部分熱処理の際に照射するレーザー光の最適なエネルギ密度について図６に基づいて説明する。図６のグラフは、横軸にＱ値をとり、縦軸に亀裂発生回数をとっている。尚、本明細書中においてＱ値とは、レーザー出力を走査速度で割った値のことである。

グラフ中の丸印は、そのＱ値となるようにレーザー光を照射して部分熱処理を施した場合に亀裂が発生した回数を示しており、Ｑ値が１．５以上であれば、非熱処理部材の比較例１（Ｑ値＝０、亀裂発生回数＝３０万回）に比べて３割以上の顕著な耐久性向上が見られる。さらに、Ｑ値が２．８以上３．１以下ではより一層耐久性が向上する。また、Ｑ値の上限としては、６．０以上になると周壁の外面部の溶融がひどくなり、不良品となるので、６．０よりも小さい値がよく、好ましくは、５．０である。

上記のように、Ｑ値が１．５以上５．０以下となるようにレーザー光を照射することで、図５に示す本発明の硬度分布が得られるとともに残留応力を低減することができることが分かる。よって、Ｑ値は１．５以上５．０以下が好ましい。より好ましくは、２．８以上３．１以下である。特に、Ｑ値を３．０付近に設定することで、亀裂発生回数が３００万回に近い値になり、部分熱処理の効果が一層顕著なものとなる。

また、トーションビーム１の一部のみにレーザー光を照射すればよいので、総焼入れを施す場合に比べて消費エネルギが少なくて済むとともに、工数も低減できる。

以上説明したように、この実施形態によれば、トーションビーム１の周壁に部分熱処理を施して周壁の外側部分の硬度を、該外側部分の加熱前の硬度及び該周壁の内側部分の硬度よりも向上させるとともに、該周壁の内側部分の残留応力を低減させている。これにより、トーションビーム１が捩り力を繰り返し受けても亀裂等の発生を抑制できるので、周壁を厚くすることなく、かつ、総焼入れ処理を施すことなく、中空部材に高い耐久性を与えることができる。

また、図５に示すように、トーションビーム１の周壁の内側部分の硬度を、該内側部分の加熱前の硬度と略同じにしたので、適度な靱性を付与して衝撃に強いトーションビーム１としながら、高い耐久性を得ることができる。

また、トーションビーム１の周壁の硬度を向上させる部分を、周壁の総厚さの１／２以下にしている。これにより、トーションビーム１の靱性を十分に確保して耐久性をより一層向上させることができる。トーションビーム１の周壁の硬度を向上させる部分の好ましい範囲は、周壁の総厚さの１／３以下である。

また、部分熱処理をレーザー光の照射により行うようにしたので、高い耐久性を有するトーションビーム１を少ないエネルギ量で得ることができる。

また、トーションビーム１の板厚を変更した場合も、上記したレーザー光による熱処理効果を十分に得ることができる。

例えば、トーションビーム１を構成する鋼管の板厚を２．３ｍｍとした場合に、板厚が２．９ｍｍのものと同じ箇所にレーザー光による熱処理を施すと、図７に示すように顕著な耐久性向上が見られる。

すなわち、板厚が２．３ｍｍの場合は、２．９ｍｍの場合に比べて板厚が薄い分、レーザー光の最適なエネルギ密度が低い領域において亀裂発生回数を上昇させることができる。Ｑ値が１．０以上２．０以下であれば、非熱処理部材（Ｑ値＝０、亀裂発生回数＝２０万回）に比べて３割以上の顕著な耐久性向上が見られる。さらに、Ｑ値が１．３以上１．７以下ではより一層耐久性が向上する。また、Ｑ値の上限としては、４．０以上になると周壁の外面部の溶融がひどくなり、不良品となるので、４．０よりも小さい値がよく、好ましくは、３．０である。

尚、上記実施形態では、本発明を自動車のトーションビーム１に適用した場合について説明したが、これに限らず、例えばトーションスプリング、スタビライザーバー等に適用することもできるし、自動車部品以外にも捩り力を繰り返し受ける中空部材に適用することができる。

以上説明したように、本発明にかかる中空部材の製造方法は、例えば、自動車の懸架装置の部品に適用できる。

１トーションビーム
２アーム
３ブッシュ
４車輪支持部材
５スプリングサポート
１０凹部

Claims

管状に形成されて中心線周りの捩り力を受ける中空部材の製造方法において、
上記中空部材の周壁の外表面の一部のみを加熱することにより、該周壁の外側部分であって該周壁の総厚さに対して１／２以下の範囲の硬度を、該外側部分の加熱前の硬度及び該周壁の内側部分の硬度よりも向上させ、かつ、該周壁の内側部分の硬度を該内側部分の加熱前の硬度と略同じにするとともに、該周壁の内側部分の残留応力を非熱処理部よりも低減させる部分熱処理を施すことを特徴とする中空部材の製造方法。
請求項１に記載の中空部材の製造方法において、
部分熱処理は、中空部材の周壁の外側からレーザー光を照射することによって行うことを特徴とする中空部材の製造方法。