JP7448214B2 - 接合部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、筒状部材及び基部材をプレス加工により一体化して接合する、接合部材の製造方法に関する。

従来、金属等の部材を接合する方法としては、溶接、ネジ止め、カシメ、圧入、接着などの方法が用いられている。その中でも、溶接は、強度の強い接合方法であり、車両用シートフレーム等、様々な用途の部材に利用されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、溶接は、熟練した技術が必要であり、製品の品質が作業者の技量に左右されやすく、その接合強度の検知（不良品の検知）も難しいといった問題がある。したがって、これらの問題を解決できる溶接に代わる新たな接合方法が望まれている。

特開昭６０－１４６８４号公報

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、安定した高い強度で部材を接合することができる新規な方法を提供することにある。

本発明者は、溶接に代わる筒状部材の接合方法について鋭意検討した結果、多角形断面形状の挿入部をその先端に備える筒状部材を、筒状部材の挿入部の多角形断面形状に対応する開口が形成された基部材の当該開口に挿入し、筒状部材の挿入部を基部材の反対側に突出させた状態で、筒状部材の挿入部をプレスして拡径し、さらに、拡径した筒状部材の挿入部を基部材に対してプレスして、筒状部材及び基部材を一体化することにより、筒状部材を基部材に対して安定した強度で接合できることを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下の通りである。
［１］多角形断面形状の挿入部をその先端に備える筒状部材を、該筒状部材の挿入部の多角形断面形状に対応する開口が形成された基部材の該開口に挿入し、前記筒状部材の挿入部を該基部材の反対側に突出させる筒状部材挿入工程と、
前記筒状部材挿入工程において前記基部材の反対側に突出させた前記筒状部材の挿入部をプレスして拡径するプレス拡径工程と、
前記プレス拡径工程において拡径した前記筒状部材の挿入部を前記基部材に対してプレスして、前記筒状部材及び基部材を一体化するプレス一体化工程と、
を有することを特徴とする接合部材の製造方法。
［２］前記筒状部材の挿入部の多角形断面形状が、該筒状部材の周方向の複数の位置を内方に押圧変形させて形成されたものであることを特徴とする上記［１］記載の接合部材の製造方法。
［３］前記筒状部材の挿入部の多角形断面形状が、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形、十角形、及び十二角形から選ばれる形状であることを特徴とする上記［１］又は［２］記載の接合部材の製造方法。
［４］前記筒状部材の挿入部の多角形断面形状が、八角形、十角形及び十二角形から選ばれる形状であることを特徴とする上記［３］記載の接合部材の製造方法。
［５］前記筒状部材の挿入部の多角形断面形状が、各辺が内側に湾曲した曲線で形成された多角形であることを特徴とする上記［１］～［４］のいずれか記載の接合部材の製造方法。

本発明の製造方法によれば、筒状部材と基部材が高い強度で接合された接合部材を安定して製造することができる。

本発明の第一実施形態に係る接合部材の概略斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法に用いる部材の説明図であって、筒状部材の側面図である。 本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法に用いる部材の説明図であって、筒状部材の正面図である。 本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法に用いる部材の説明図であって、基部材の斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法に用いる部材の説明図であって、基部材の正面図である。 本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法のプレス拡径工程の説明図であって、筒状部材を基部材の開口に挿入させ、プレス機にセットした状態の概略断面図である。 本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法のプレス拡径工程の説明図であって、プレス機により筒状部材の先端を拡径した状態の概略断面図である。 本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法のプレス一体化工程の説明図であって、プレス機により拡径した筒状部材の挿入部及び基部材の開口をプレスして一体化した状態の概略断面図である。 本発明の第二実施形態に係る接合部材の斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る接合部材の正面図である。 強度試験の概要を示す写真である。 強度試験の概要を示す写真である。 強度試験の概要を示す写真である。 実施例で作製した接合部材の強度を測定した結果を示す図である。

本発明に係る接合部材の製造方法は、多角形断面形状の挿入部をその先端に備える筒状部材を、筒状部材の挿入部の多角形断面形状に対応する開口が形成された基部材の開口に挿入し、筒状部材の挿入部を基部材の反対側に突出させる筒状部材挿入工程と、筒状部材挿入工程において基部材の反対側に突出させた筒状部材の挿入部をプレスして拡径するプレス拡径工程と、プレス拡径工程において拡径した筒状部材の挿入部を基部材に対してプレスして、筒状部材及び基部材を一体化するプレス一体化工程とを有することを特徴とする。なお、筒状部材の挿入部側（基部材の開口に挿入する側）を先端といい、その反対側を基端という。

本発明の製造方法によれば、筒状部材及び基部材が高い強度で接合された接合部材を安定して製造することができる。すなわち、本発明の方法は、プレス加工化が可能となるため、熟練した技術が必要である従来の溶接工法と異なり、製品の品質が作業者の技量に左右されることがなく、安定して部材の接合を行うことができる。また、プレス加工化により、作業効率が向上する。また、高熱処理を要しないことから、溶接に適さない耐熱性の低い部材の接合に用いることができる。また、筒状部材を基部材に対して、周方向に正確に位置決めして挿入することができる。また、本発明の製造方法により製造された接合部材は、従来の溶接工法で得られる接合部材と同等以上の強度を有する。さらに、接合部に溶接痕等を有しないため、美観に優れた接合部材となる。

［筒状部材］
筒状部材は、上述の基部材の開口に挿入される筒状の部材であり、多角形断面形状の挿入部をその先端に備えている。筒状部材の挿入部を除いた基部の断面形状としては、例えば、円形状、多角形状等の各種形状を挙げることができる。また、筒状部材の全体形状としては、例えば、直管状、弧状曲管状、Ｌ字状曲管状、Ｓ字状曲管状等の各種形状を例示することができる。なお、筒状部材は、その側部に孔や他の部材を有していてもよい。

筒状部材の挿入部は、筒状部材の先端から長手方向に所定範囲に設けられており、通常筒状部材の基部と一体として構成され、その内部空間が基部の内部空間と連通している。また、挿入部は、その外周縁が多角形に形成されており、多角形断面形状を有している。筒状部材の挿入部は、その少なくとも一部が基部材の反対側に突出されるものであり、筒状部材の挿入部の長手方向の長さとしては、少なくとも基部材の開口に挿入した際、その反対側に突出させることができる長さが好ましい。基部材の挿入部の長さとしては、基部材の厚さ等に応じて適宜設定することができ、例えば、突出部の長さが２～２０ｍｍ程度、好ましくは２～１５ｍｍ程度、より好ましくは３～１０ｍｍ程度となる長さが好ましい。

筒状部材の挿入部の多角形断面形状の形成方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、筒状部材の複数の位置を内方に押圧して形成する方法を挙げることができる。すなわち、筒状部材の挿入部は、筒状部材の周方向の複数の位置を内方に押圧変形させることにより成形されていることが好ましい。これにより、筒状部材の挿入部の断面形状を多角形とすることができる。また、このように押圧成形することにより、筒状部材の挿入部と基部との境界に、基部材を係止する係止壁が形成され、筒状部材が基部材の開口に挿入される際、筒状部材の挿入を係止壁で制限することができる。また、筒状部材に基部材を係止するためのフランジ等を設ける必要がないため、製造が容易であると共に、プレスして一体化した際に美観に優れた接合部材とすることができる。具体的に例えば、筒状部材の挿入部としては、周方向の８つの位置を内方に板厚分押圧して星形様の八角形に形成されているものを挙げることができる（図２Ｂ参照）。

筒状部材の挿入部の多角形断面形状としては、多角形であれば特に制限されるものではないが、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形、十角形、十二角形が好ましく、八角形、十角形、十二角形がより好ましい。また、正多角形が好ましい。この筒状部材の挿入部の多角形の数が大きいほど、成形が容易となり、また、基部材の開口に挿入された際、周方向のズレを抑制することができ、より強固に嵌め合うことができる。また、筒状部材の挿入部の多角形断面形状としては、各辺が内側に湾曲した曲線で形成された多角形であることが好ましい。すなわち、星形様に形成されていることが好ましい。これにより、挿入部の外周縁に凹凸が形成され、基部材の開口の内周縁と噛み合わせることができ、筒状部材及び基部材を強固に嵌め合わせることができる。

また、筒状部材を基部材に対して周方向に位置決めして挿入する必要がある場合、筒状部材の挿入部の多角形の数が大きいほど、その調整可能な角度が多くなり基部材の開口に精度よく挿入することができる。具体的に、その基部の側部に孔又は別部材を有する筒状部材を、基部材に対して、孔又は別部材が周方向の所定角度となる位置で挿入する場合、筒状部材の挿入部の多角形の数が大きいほど周方向の角度を調整する位置の数が増えるため、より正確に位置決めした状態で挿入することができる。

筒状部材の材質としては、特に制限されるものではないが、金属が好ましい。金属としては、具体的に例えば、普通鋼（炭素鋼）等の鉄鋼、合金鋼・特殊用途鋼・工具鋼等の特殊鋼、アルミニウム合金、銅合金、チタン、マグネシウム等の非鉄などを挙げることができる。耐久性やコストの点から、普通鋼（炭素鋼）、ステンレス鋼、高張力鋼板（ハイテン）が好ましく、安価なことから、普通鋼（炭素鋼）がより好ましい。

［基部材］
基部材は、上記筒状部材を挿入する開口が形成された部材である。また、基部材の全体形状としては、筒状部材を挿入する開口が形成可能であり、筒状部材の挿入時に、その反対側に突出させた筒状部材の挿入部をプレス可能な形状であれば特に制限されるものではなく、例えば、平板状、半割れ管状などの各種形状を例示することができる。

基部材は、筒状部材の挿入部の多角形断面形状に対応する開口を有している。開口は、筒状部材が隙間なく挿入される大きさに形成されていることが好ましい。

基部材の材質としては、開口を形成可能なものであれば特に制限されるものではなく、例えば、金属、合成樹脂を挙げることができ、金属が好ましい。金属としては、具体的に例えば、普通鋼（炭素鋼）等の鉄鋼、合金鋼・特殊用途鋼・工具鋼等の特殊鋼、アルミニウム合金、銅合金、チタン、マグネシウム等の非鉄などを挙げることができる。耐久性やコストの点から、普通鋼（炭素鋼）、ステンレス鋼、高張力鋼（ハイテン）が好ましく、安価なことから、普通鋼（炭素鋼）がより好ましい。また、基部材は、筒状部材と同一の材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。異なる材質を用いる態様としては、例えば、筒状部材が一般の鉄鋼の円筒管の場合に、基部材として高張力鋼（ハイテン）の円盤を用いる態様を挙げることができる。

続いて、本発明の接合部材の製造方法の各工程について詳細に説明する。

［筒状部材挿入工程］
筒状部材挿入工程は、多角形断面形状の挿入部をその先端に備える筒状部材を、筒状部材の挿入部の多角形断面形状に対応する開口が形成された基部材の開口に挿入し、筒状部材の挿入部を基部材の反対側に突出させる工程である。本工程においては、多角形断面形状の挿入部を備える筒状部材をこれに対応した開口に挿入することから、筒状部材を周方向に回転不能で嵌め合わせることができ、周方向の滑りを抑制することができる。また、挿入時の周方向の角度が複数の位置で定まるため、正確かつ容易に筒状部材及び基部材の周方向の位置合わせができる。

また、筒状部材の挿入部が、周方向の複数の位置を内方に押圧して多角形断面形状に形成されている場合、筒状部材を基部材の開口に挿入する際、筒状部材の挿入部と基部との境界に形成された係止壁が基部材の開口を係止する。

［プレス拡径工程］
プレス拡径工程は、上記筒状部材挿入工程において基部材の反対側に突出させた筒状部材の挿入部をプレスして拡径する工程である。本工程では、基部材の反対側に突出させた筒状部材の挿入部をプレスして、挿入部先端の径を外側に開くように（側面視Ｖ字状に）拡げる（図４Ｂ参照）。これにより、後述のプレス一体化工程において、拡径した筒状部材の挿入部を安定して平坦状に押し潰すことができ、筒状部材の挿入部及び基部材を一体化できる。具体的に例えば、載置した板状の基部材の開口の下方から筒状部材の挿入部を挿入し、筒状部材の挿入部を基部材の反対側に突出させた状態で筒状部材及び基部材を固定し、その先端が側面視Ｖ字状の円錐台押圧部材により筒状部材の挿入部を上方からプレスする方法を挙げることができる。

［プレス一体化工程］
プレス一体化工程は、上記プレス拡径工程において拡径した筒状部材の挿入部を基部材に対してプレスして、筒状部材及び基部材を一体化する工程である。本工程においては、筒状部材の挿入部を先端側からプレスすることにより、筒状部材の挿入部が平坦状に押し潰され、筒状部材の挿入部及び基部材が強固に固定され（かしめられ）、両部材が接合される（図５参照）。具体的に例えば、プレス拡径工程後に、筒状部材及び基部材を固定した状態で、その先端が側面視凸状の平坦押圧部材により拡径した筒状部材の挿入部及び基部材を上方からプレスする方法を挙げることができる。

プレス方法としては、通常のプレス方法を用いることができ、例えば、熱間鍛造であってもよいし、冷間鍛造であってもよいが、寸法精度の観点から、冷間鍛造が好ましい。

上述した本発明の製造方法によって製造される接合部材は、例えば、パイプと平板が接合した製品として用いることができ、具体的には、エキゾーストパーツ、アームフレーム、シートフレーム等の自動車の部品、建築構造材などに用いることができる。

以下、本発明の接合部材の製造方法について、図面を用いて詳細に説明するが、本発明の範囲は本実施形態に制限されるものではない。なお、実施形態において参照する図面は、理解を深めるために模式的に記載したものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。

ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る接合部材の概略斜視図である。図２Ａは、本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法に用いる部材の説明図であって、筒状部材の側面図である。図２Ｂは、本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法に用いる部材の説明図であって、筒状部材の正面図である。図３Ａは、本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法に用いる部材の説明図であって、基部材の斜視図である。図３Ｂは、本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法に用いる部材の説明図であって、基部材の正面図である。図４Ａは、本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法のプレス拡径工程の説明図であって、筒状部材を基部材の開口に挿入させ、プレス機にセットした状態の概略断面図である。図４Ｂは、本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法のプレス拡径工程の説明図であって、プレス機により筒状部材の先端を拡径した状態の概略断面図である。図５は、本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法のプレス一体化工程の説明図であって、プレス機により拡径した筒状部材の挿入部及び基部材の開口をプレスして一体化した状態の概略断面図である。

図１に示すように、本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法においては、筒状部材１０と、基部材１２とを用いて接合部材１００を製造する。

まず、本発明の第一実施形態に係る製造方法に用いる部材について説明する。
図２Ａに示すように、筒状部材１０は、全体が直管状に形成された普通鋼製の円筒部材である。筒状部材１０は、その先端に設けられた多角形断面形状を有する挿入部１４と、挿入部１４に続いてその基端側に設けられた円形の断面形状を有する基部１６（挿入部１４を除いた部分）とで構成されている。

図２Ｂに示すように、挿入部１４は、その内部空間が基部１６の内部空間と連通しており、その外周縁は各辺が内側に湾曲した曲線である星形様の八角形に形成されている。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、基部材１２は、全体がオーバル状に形成された高張力鋼板（ハイテン）製の平板状部材である。基部材１２は、筒状部材１０の挿入部１４の星形様の八角形の断面形状に対応する開口１８を有している。なお、基部材１２は、ピンを挿通するためのピン孔２０を有している。

次に、上記筒状部材１０及び基部材１２を用いた本発明の第一実施形態に係る接合部材の製造方法について具体的に説明する。
まず、図４Ａに示すように、載置した板状の基部材１２の開口１８に筒状部材１０を下方から挿入する（筒状部材挿入工程）。続いて、筒状部材１０の挿入部１４を基部材１２の反対側に突出させた状態で筒状部材１０及び基部材１２をプレス機２２に固定し、その先端が側面視Ｖ字状に形成された円錐台押圧部材２４により筒状部材１０の挿入部１４を上方からプレスする（プレス拡径工程）。図４Ｂに示すように、プレスされた挿入部１４先端の径は外側に開くように拡がる。次に、図５に示すように、筒状部材１０及び基部材１２をプレス機２６に固定した状態で、その先端が側面視凸状の平坦押圧部材２８により拡径した筒状部材１０の挿入部１４及び基部材１２を上方からプレスする（プレス一体化工程）。
以上の工程により、本発明の第一実施形態に係る接合部材１００が製造される（図１）。

続いて、本発明の第二実施形態に係る製造方法に用いる部材について説明する。なお、上記接合部材１００と同様の構成の部材については、同一符号を付して説明を省略する。ここで、図６Ａは、本発明の第二実施形態に係る接合部材の斜視図である。図６Ｂは、本発明の第二実施形態に係る接合部材の正面図である。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、本発明の第二実施形態に係る接合部材の製造方法においては、筒状部材３０と、基部材３２とを用いて接合部材２００を製造する。筒状部材３０は、その側壁にＵ字管３４が接合されている。また、基部材３２は、ピン孔２０にピン３６が固着されている。筒状部材挿入工程、プレス拡径工程及びプレス一体化工程は、上記本発明の第一実施形態と同様に行う。
第二実施形態に係る接合部材２００は、自動車のアームフレームに用いることができる。

図６Ｂに示すように、接合部材２００は、筒状部材３０のＵ字管３４が基部材３２の中心線ＣＬ（開口１８及びピン孔２０を結ぶ中心線）と垂直となる垂直線ＶＬ上に位置するように接合されている。このように、筒状部材３０を基部材３２に対して、周方向に垂直に位置決めして挿入することができる。

本発明の製造方法によれば、多角形（星形様の八角形）を有する筒状部材３０の挿入部１４が、それに対応する開口１８が形成された基部材３２に挿入されるため、周方向の滑りを抑制できると共に、挿入時の周方向の角度が８つの位置に定まり、正確かつ容易に筒状部材及び基部材の周方向の位置合わせができる。

（実施例１）［接合部材強度試験］
本発明の接合部材の製造方法を用いて製造された第二実施形態に係る接合部材（実施例１）を用いて強度試験を行った。図７Ａ～図７Ｃは、強度試験の概要を示す写真ある。

具体的に、筒状部材としては、その側部に長さ３１３ｍｍ、直径１２．７ｍｍ、板厚１．４ｍｍの普通鋼（ＳＴＫＭ１５Ａ）製のＵ字管が溶接接合され、その先端に長手方向に長さ５ｍｍの星形様の八角形の断面形状を有する挿入部を備えた、長さ８５．２ｍｍ、直径２２．２ｍｍ、板厚１．６ｍｍの全体が直管状に形成された普通鋼（ＳＴＫＭ１３Ａ－Ｅ）製の筒状部材を用いた。また、基部材としては、ピン孔に直径１０ｍｍのピンが固定された、長径６０ｍｍ、短径の最長３７ｍｍ、板厚４．０ｍｍの全体がオーバル状に形成された高張力鋼板（ＳＡＰＨ４４０）製の平板状部材（円盤部材）を用いた。

（比較例１）
筒状部材及び基部材を溶接接合した以外は実施例１と同様にして、接合部材（比較例１）を製造した。

接合部材強度試験は、以下の測定装置を用いた。
（１）材料強度評価試験システム（ＡＧ－１００ＫＮＸ，島津製作所製）

接合部材強度試験は、以下の手順で行った。
図７Ａ～図７Ｃに示すように、接合部材を測定装置に固定し、自動車のアームレストの使用状態と同様に、Ｕ字管の先端に負荷をかけてストロークを計測した。その結果を図８に示す。

図８に示すように、実施例に係る接合部材（実施例１）は、従来の溶接工法を用いた接合部材（比較例１）と同等以上の強度を有することが確認できた。

本発明の接合部材の製造方法によれば、溶接を用いることなく安定した高い強度で部材を接合できることがわかった。

本発明の接合方法は、金属パイプ等の筒状部材の接合に利用できることから、産業上有用である。

１０ 筒状部材
１２ 基部材
１４ 挿入部
１６ 基部
１８ 開口
２０ ピン孔
２２ プレス機
２４ 円錐台押圧部材
２６ プレス機
２８ 平坦押圧部材
３０ 筒状部材
３２ 基部材
３４ Ｕ字管
３６ ピン
１００ 接合部材
２００ 接合部材

Claims (1)

1. 円周方向の複数の位置を内方に押圧変形させて各辺を内側に湾曲する曲線で形成した、六角形、八角形、十角形、及び十二角形から選ばれる多角形断面形状（ただし、各頂部が円弧状の多角形断面形状を除く）の挿入部をその先端に備えると共に、該挿入部と基部との境界に係止壁を備える筒状部材を、該筒状部材の挿入部の多角形断面形状に対応する多角形断面形状（ただし、各頂部が円弧状の多角形断面形状を除く）の開口が形成された平板状基部材の該開口に挿入し、前記筒状部材の係止壁に前記平板状基部材を係止して、前記筒状部材の挿入部を該平板状基部材の反対側に突出させる筒状部材挿入工程と、
   前記筒状部材挿入工程において前記平板状基部材の反対側に突出させた前記筒状部材の挿入部をプレスして拡径するプレス拡径工程と、
   前記プレス拡径工程において拡径した前記筒状部材の挿入部の突出部をその先端側から前記平板状基部材に対してプレスして平坦状に押し潰し、前記筒状部材及び平板状基部材を一体化するプレス一体化工程と、
   を有することを特徴とする接合部材の製造方法。