JP7545071B2 - 中空部材の製造方法 - Google Patents

Description

本願は中空部材の製造方法を開示する。

特許文献１には、プレス金型を用いて直管の曲げ加工や断面加工（管長手方向と交差する断面の形状を変化させる加工）を行う技術が開示されている。特許文献１に開示された技術においては、直管に対して断面加工と曲げ加工とを同時に施すことで、加工後の中空部材において高い形状精度を確保している。特許文献１に開示された技術によれば、ハイドロフォーミング等のような複雑な工程を要することなく、管外側からのプレス加工のみで中空部材を得ることができ、中空部材の生産性を向上させることができる。

特許第６５１９９８４号公報

本発明者の新たな知見によると、特許文献１に開示されているように直管に対して断面加工と曲げ加工とを同時に行うことで曲部を有する中空部材を得ようとすると、特に当該曲部の曲げ半径が小さい場合に、当該曲部の表面に皺や座屈といった成形不良が生じ易い。

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
曲部を有する曲管に対して、プレス金型を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与することで、前記曲部の断面加工と前記曲部の曲げ半径を小さくする曲げ加工とを同時に施すこと、
を含む、中空部材の製造方法
を開示する。

本開示の製造方法においては、
前記プレス金型が上金型と下金型とを有してもよく、
前記上金型及び前記下金型の各々がプレス面を有してもよく、
前記上金型と前記下金型とで前記曲管を上下からプレスして、前記曲管の前記曲部に対して前記プレス面を押し付けることで、前記断面加工と前記曲げ加工とを同時に施してもよい。

本開示の製造方法は、
素管に対して、少なくとも曲げ加工を施すことで、前記曲部を有する前記曲管を得ること、
を含んでいてもよい。

本開示の製造方法は、
素管に対して、少なくとも曲げ加工と断面加工とを施すことで、前記曲部を有する前記曲管を得ること、
を含んでいてもよい。

本開示の製造方法において、前記素管に対して施す前記曲げ加工は、
プレス金型を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与して前記曲管を得ること、
を含んでいてもよい。

本開示の製造方法において、前記素管に対して施す前記曲げ加工と前記断面加工とは、
プレス金型を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与して前記曲管を得ること、
を含んでいてもよい。

本開示の製造方法においては、前記素管が直管であってもよい。

本開示の製造方法においては、前記断面加工及び曲げ加工が終了した時点で、前記中空部材の長手方向と直交する断面において、前記中空部材の外壁面に対して前記プレス金型の内壁面が傾斜を有し、前記中空部材の外壁面と前記プレス金型の内壁面との間に隙間が生じていてもよい。

本開示の製造方法においては、曲部を有する曲管をプレス加工して、当該曲部に対して断面加工を施しながら、当該曲部の曲げ半径を小さくすることで中空部材を得る。これにより、直管から１工程でプレス加工することで曲部を有する中空部材を得る場合よりも、曲部における成形不良を抑えることができる。

曲管１０の長手形状の一例を説明するための概略図である。 中空部材１００の長手形状の一例を説明するための概略図である。 曲管１０の断面形状及び中空部材１００の断面形状の一例を説明するための概略図である。（Ａ）が図１のＩＩＩＡ－ＩＩＩＡ矢視断面、（Ｂ）が図１のＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ矢視断面、（Ｃ）が図１のＩＩＩＣ－ＩＩＩＣ矢視断面、（Ｄ）が図２のＩＩＩＤ－ＩＩＩＤ矢視断面、（Ｅ）が図２のＩＩＩＥ－ＩＩＩＥ矢視断面、（Ｆ）が図２のＩＩＩＦ－ＩＩＩＦ矢視断面の形状を概略的に示している。 曲管１０をプレス加工して中空部材１００を得る工程の一例を説明するための概略図である。管長手方向に沿った断面の形状を示している。（Ａ）が曲管１０を金型２０、３０に当接させる前の状態、（Ｂ）が曲管１０を金型２０、３０に当接させた直後の状態、（Ｃ）がプレス加工完了後の状態である。 曲管１０をプレス加工して中空部材１００を得る工程の一例を説明するための概略図である。（Ａ）が図４（Ｂ）のＶＡ－ＶＡ矢視断面、（Ｂ）が図４（Ｂ）のＶＢ－ＶＢ矢視断面、（Ｃ）が図４（Ｂ）のＶＣ－ＶＣ矢視断面、（Ｄ）が図４（Ｃ）のＶＤ－ＶＤ矢視断面、（Ｅ）が図４（Ｃ）のＶＥ－ＶＥ矢視断面、（Ｆ）が図４（Ｃ）のＶＦ－ＶＦ矢視断面の形状を示している。 プレス加工におけるプレス金型に対する管の周方向への流動形態の一例を説明するための概略図である。 傾斜を有するプレス金型の形状の一例について説明するための概略図である。 素管１の形状の一例を説明するための概略図である。（Ａ）が長手方向の形状、（Ｂ）が図８（Ａ）のＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ矢視断面の形状を示している。 中空部材の製造方法のフローの一例を示す図である。 ＦＥＡの結果を示す図であって、比較例に係るプレス条件を説明するためのものである。 ＦＥＡの結果を示す図であって、比較例に係る中空部材の一例を示すものである。 ＦＥＡの結果を示す図であって、実施例に係るプレス条件を説明するためのものである。

図１～７に示されるように、中空部材１００の製造方法は、曲部１０ａを有する曲管１０に対して、プレス金型２０、３０を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与することで、曲部１０ａの断面加工と曲部１０ａの曲げ半径を小さくする曲げ加工とを同時に施すこと、を含む。

１．曲管（bent tube）
１．１ 曲管の長手形状
図１に示されるように、曲管１０は少なくとも一部に曲部１０ａを有する。「曲部」とは管長手形状において曲がった部分をいう。本願において、「曲管」とは、例えば、曲部における曲げＲと管直径Ｄとから、Ｒ≦２５０Ｄなる関係を満たす形状を有するものであってよい。曲管１０は曲部１０ａにおいて２次元的に曲がっていてもよいし、３次元的に曲がっていてもよい。図１には、曲管１０が曲部１０ａにおいて紙面上下方向に曲がった形態を示したが、当該曲部１０ａにおいてさらに紙面奥手前方向に曲がっていてもよい。曲部１０ａにおける曲げ形状は特に限定されるものではない。例えば、曲管１０は曲部１０ａにおいて湾曲していてもよい。尚、曲管１０は曲部１０ａにおいて皺や座屈といった不連続面を実質的に有しないほうがよい。

曲部１０ａにおける曲げ半径Ｒ_１０（内側曲げ半径）は、特に限定されるものではなく、後述の曲げ半径Ｒ_１００よりも大きければよい。曲げ半径Ｒ_１０は、曲管１０の材質、肉厚及び開口直径（円相当直径）、並びに、後述の曲げ半径Ｒ_１００等を考慮して適宜決定され得る。尚、曲部１０ａの長手方向における曲げ形状（稜線）は、一つの円弧のみから構成されてもよいし、複数の円弧が組み合わされて構成されてもよい。また、曲部１０ａにおいて、長手方向一端から他端に向かって曲率が連続的又は不連続的に変化していてもよい。

図１においては、曲管１０が曲部１０ａを一つだけ有する形態を示したが、曲管１０は曲げ半径Ｒ_１０が同一又は異なる複数の曲部１０ａを有していてもよい。複数の曲部１０ａの各々において後述のプレス加工を行う場合、一つの金型によって同時に当該プレス加工を行ってもよいし、複数の金型によって別々に当該プレス加工を行ってもよい。

曲管１０は曲部１０ａ以外に直管部を有していてもよい。「直管部」とは管長手形状において実質的に曲がりのない真っ直ぐな部分をいう。或いは、曲管１０は一つ又は複数の曲部１０ａのみから構成されていてもよい。

曲管１０は、その全体が完全な管状である必要はない。例えば、曲管１０は、用途に応じて、一部に切り欠き、スリット、貫通孔、意図的な凹凸等を有していてもよい。これら、曲管１０に設けられた切り欠き、スリット、貫通孔、凹凸等は、中空部材１００において残っていてもよい。一方で、曲部１０ａにおけるプレス加工に際して形状精度を一層高める観点からは、曲部１０ａの断面形状が途切れのない環状であってもよい。

曲管１０の長さは特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜決定され得る。ただし、曲管１０の長さが極端に短いと、後述するさらなる曲げ工程を行うことが難しい場合がある。曲管１０においては、開口直径（円相当直径）Ｄ_１０よりも管の長手方向一端から他端までの長さ（開口中心（図心）を連続的に結んだ線の長さ）Ｌ_１０のほうが長くてもよい。

１．２ 曲管の断面形状
曲管１０の断面形状（開口形状）は特に限定されるものではない。図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）には曲管１０の断面形状が円形状のものを示したが、円形状の他、楕円形状、偏平円形状、多角形状、丸みを帯びた多角形状、これら形状の組み合わせ等、種々の形状があり得る。曲管１０の断面形状は、プレス金型２０、３０への挿入性等を考慮して適宜決定され得る。

曲管１０の断面形状は、管長手方向一端から他端に向かって変化がなく同じ形状であってもよいし、管長手方向一端から他端に向かって連続的又は不連続的に変化していてもよい。尚、曲管１０が曲部１０ａとともに直管部を有する場合、曲部１０ａと直管部とは互いに同じ断面形状を有していてもよいし、異なる断面形状を有していてもよい。また、曲管１０が複数の曲部１０ａを有する場合、各々の曲部１０ａは互いに同じ断面形状を有していてもよいし、異なる断面形状を有していてもよい。

曲管１０の厚み（肉厚）は、特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜決定され得る。曲管１０の厚みは部分毎に異なっていてもよい。

１．３ 曲管の材質
曲管１０の材質は、プレス加工が可能な材質であればよく、用途に応じて適宜決定され得る。例えば、鋼、鉄、アルミニウム、チタン、マグネシウム等の金属製としてもよい。本開示の製造方法は、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に準拠して室温で測定される引張強さが４４０ＭＰａ以上、５９０ＭＰａ以上又は７８０ＭＰａ以上の高張力鋼からなる高強度鋼管や、当該引張強さが９８０ＭＰａ以上の超高張力鋼からなる高強度鋼管に対しても適用可能である。

１．４ 曲管を得る方法
曲管１０を得る方法は特に限定されるものではない。例えば、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示されるような素管（starting material tube）１に対して、少なくとも曲げ加工を施すことで、曲部１０ａを有する曲管１０を得てもよい。また、素管１に対して、少なくとも曲げ加工と断面加工とを施すことで、曲部１０ａを有する曲管１０を得てもよい。

素管１から曲管１０を得る場合、素管１の形状は特に限定されるものではない。例えば、図８（Ａ）に示されるように、素管１は直管であってもよい。或いは、素管１は曲管１０の曲部１０ａよりも曲げ半径の大きな曲部を有していてもよい。或いは、素管１は曲部と直管部との双方を有していてもよい。素管１の断面形状は特に限定されるものではなく、図８（Ｂ）に示されるような円形状の他、楕円形状、偏平円形状、多角形状、丸みを帯びた多角形状、これら形状の組み合わせ等、種々の形状があり得る。素管１の断面形状は、管長手方向一端から他端に向かって変化がなく同じ形状であってもよいし、管長手方向一端から他端に向かって連続的又は不連続的に変化していてもよい。

素管１の曲げ加工方法は特に限定されるものではない。例えば、素管１に対して管外側からプレス加工を施すことにより曲管１０を得てもよい。すなわち、素管１に対して施す曲げ加工が、プレス金型を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与して曲管１０を得ることを含んでいてもよい。また、素管１に対してプレス金型を用いて断面加工を施してもよい。すなわち、素管１に対して施す曲げ加工と断面加工とは、プレス金型を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与して曲管１０を得ることを含んでいてもよい。いずれの場合も、素管１から曲管１０を得るためのプレス金型（第１金型）と、後述する曲管１０から中空部材１００を得るためのプレス金型２０、３０（第２金型）とを使い分ければよい。具体的には、第１金型は、第２金型よりも、曲部を形成するためのプレス面の曲げ半径が大きいものとする。このように、金型を取り換えるだけで、素管１から曲管１０へのプレス加工と、曲管１０から中空部材１００へのプレス加工とを同じプレス加工機を用いて行うこともできる。すなわち、曲管１０の製造設備と中空部材１００の製造設備とを共通化して生産性を向上させることができる。

また、素管１に対して、プレス金型を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与して、曲げ加工と断面加工とを同時に施すことで、曲管１０を得てもよい。これにより、曲管１０とした場合の形状精度が一層向上する。

素管１に対して少なくとも曲げ加工を施して曲管１０を得る場合において、実際に素管１に曲げ加工を施す前に、予め、実験やＦＥＭ解析等によって、座屈や皺が発生しない最小の曲げ半径（Ｒ_{１０ｍｉｎ}）を確認してもよい。すなわち、素管１に曲げ加工を施す際、予め確認された最小の曲げ半径Ｒ_{１０ｍｉｎ}以上の曲げ半径Ｒ_１０となるように曲げ加工を施すことで、曲管１０における座屈や皺の発生を一層抑制できる。

尚、曲管１０を得る方法は、上述したプレス金型を用いた管外側からのプレス加工法に限定されない。例えば、回転引き曲げ（パイプベンダー）、引張曲げ、押し付け曲げ、押し通し曲げ、ロール曲げ等の従来公知の曲げ加工を施すことによって曲管１０を得てもよい。ただし、上述したように、製造設備を共通化して生産性を向上させる観点等からは、プレス金型を用いた管外側からのプレス加工法により素管１から曲管１０を得ることが好ましい。

２．プレス金型
プレス金型は、曲部１０ａの断面加工と曲部１０ａの曲げ半径を小さくする曲げ加工とを同時に施すことが可能なものであればよい。プレス金型の材質は特に限定されるものではなく、金型として一般的な材質を採用可能である。プレス金型は複数の金型により構成されていてもよく、この場合、当該複数の金型を相対的に移動させることで、曲管１０の管外側から管内側に向かって圧力を付与することができる。例えば、図４（Ａ）に示されるように、プレス金型は、上金型２０と下金型３０とを有していてもよい。この場合、上金型２０及び下金型３０の各々がプレス面２０ａ、３０ａを有するものとする。図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、上金型２０と下金型３０とで曲管１０を上下からプレスして、曲管１０の曲部１０ａに対してプレス面２０ａ、３０ａを押し付けることで、断面加工と曲げ加工とを同時に施すことができる。

プレス金型の形状は、中空部材１００の形状と対応する。図４（Ａ）～（Ｃ）及び図５（Ａ）～（Ｆ）に示されるように、例えば、プレス金型が上金型２０と下金型３０とからなる場合、上金型２０は、曲管１０の上端部１１ａと対向する底部２１と、曲管１０の側部１２と対向する側壁部２２とを有していてもよく、下金型３０は、曲管１０の下端部１１ｂと対向する底部３１と、曲管１０の側部１２と対向する側壁部３２とを有していてもよく、図５（Ｄ）～（Ｆ）及び図６（Ｆ）に示されるように、上金型２０及び下金型３０が閉じた状態で、中空部材１００の全周が、底部２１、３１及び側壁部２２、３２によって囲まれるようにしてもよい。

本開示の製造方法においては、曲管１０に対する断面加工及び曲げ加工が終了した時点で、中空部材１００の長手方向と直交する断面において、中空部材１００の外壁面に対してプレス金型の内壁面が傾斜を有し、中空部材１００の外壁面とプレス金型の内壁面との間に隙間が生じていてもよい。例えば、中空部材１００の長手方向と直交する断面において、プレス金型の内壁の一部が、中空部材１００の外壁に対して外側に向かって凸となる部分を有していてもよい。図７に示されるように、プレス金型４０による断面加工及び曲げ加工が終了し、中空部材１００の全周がプレス金型４０の内壁によって囲まれた状態にある場合について考える。この場合、図示されるように、中空部材１００の長手方向と直交する断面において、中空部材１００が曲率半径の小さい角部１００ｘと曲率半径の大きい側部１００ｙ及び底部１００ｚとを有していてもよく、プレス金型４０の内壁は、中空部材１００の側部１００ｙの外壁に対して外側に向かって凸となる部分４０ａを有していてもよく、中空部材１００の底部１００ｚの外壁に対して外側に向かって凸となる部分４０ｂを有していてもよく、中空部材１００の角部１００ｘの外壁に対して外側に向かって凸となる部分４０ｃを有していてもよい。図７に示された部分４０ａ～４０ｃにおいては、中空部材１００の長手方向と直交する断面において、中空部材１００の外壁面に対してプレス金型の内壁面が傾斜しており、中空部材１００の外壁面とプレス金型の内壁面との間に隙間が生じる。このように、中空部材１００の長手方向と直交する断面において、中空部材１００の外壁面に対してプレス金型の内壁面を傾斜させて、中空部材１００の外壁面とプレス金型の内壁面との間に隙間を生じさせることで、中空部材１００の壁面が内側に凹むことを抑制することができる。

本開示の製造方法においては、後述するように、プレス金型によるプレス加工によって、曲管１０の曲部１０ａの曲げ半径Ｒ_１０を小さくする曲げ加工を施すことで、曲部１００ａを有する中空部材１００を得る。ここで、プレス金型のプレス面の曲げ半径Ｒ_Ｍ（図４（Ａ）参照）は、中空部材１００の曲部１００ａの曲げ半径Ｒ_１００よりも小さくてもよい。

図４（Ｂ）及び図５（Ａ）～（Ｃ）に示されるように曲管１０が下向きに凸となる曲部１０ａを有する場合、上金型２０及び下金型３０の各々に曲管１０を当接させた直後において、曲管１０の曲部１０ａの長手方向一端部及び他端部の少なくとも２箇所を下金型３０に当接させるとともに、曲管１０の曲部１０ａの長手方向一端部及び他端部以外の部分の少なくとも１箇所を上金型２０に当接させてもよい。このように、プレス金型を曲管１０に当接させた直後において、曲管１０の少なくとも３箇所をプレス金型に当接させることで、プレス加工時、プレス金型に対する曲管１０の位置ずれ等が抑制される。

尚、図４（Ａ）～（Ｃ）においては、曲管１０の曲部１０ａ及び中空部材１００の曲部１００ａが下向きに凸となるようにプレス加工を施す形態を示したが、曲管１０の曲部１０ａ及び中空部材１００の曲部１００ａが上向きに凸となるようにプレス加工を施してもよい。ただし、下向きに凸とする場合のほうが、曲管１０を下金型３０に載置及び位置決めし易く、プレス加工の作業性に優れるものと考えられる。また、プレス金型によるプレス方向は、図４（Ａ）～（Ｃ）に示されるような上下方向には限られず、例えば水平方向であってもよい。ただし、作業性や生産性等を考慮した場合、プレス金型によるプレス方向を上下方向とするとよい。プレス金型を設置するプレス機としては公知のものを採用してよい。

３．断面加工
本開示の製造方法においては、プレス金型２０、３０を用いて管外側から管内側へと圧力を付与することにより、曲管１０の曲部１０ａの断面形状を変化させる断面加工を施す。すなわち、プレス金型２０、３０のプレス面２０ａ、３０ａを曲部１０ａに対して外側から押し付けることで、曲部１０ａにおいて管の周方向への材料流動を生じさせ、曲部１０ａの断面形状を変化させる。例えば、図５（Ａ）～（Ｆ）に示されるように、断面加工によって、曲部１０ａの断面形状を、第１の形状（例えば、円形状等）から、第２の形状（例えば、楕円形状、多角形状、丸みを帯びた多角形状、又は、これら形状の組み合わせ等）へと変化させてもよい。

断面加工においては管外側から管内側へと圧力が付与される。すなわち、本開示の製造方法においては、ハイドロフォーミングのような管内側から管外側へと圧力を付与することはせず、管外側からのプレス加工のみで曲管１０の曲部１０ａの断面形状を変化させる。尚、断面加工に際して、例えば管端部等において、管の内側に中子金型等を設置してもよい。これにより、管端部等における凹みや潰れ等をより抑制することができる。

本開示の製造方法においては、断面加工完了時、中空部材１００の長手方向と直交する断面において、中空部材１００の外壁とプレス金型との間に隙間が生じてもよいし、隙間が生じなくてもよい。

尚、本開示の製造方法において、曲げ加工が施されて曲部１００ａとなる部分以外の部分についての断面加工は任意である。曲部１００ａとともに直管部を有する中空部材１００を得る場合、直管部について断面加工を施してもよいし、施さなくてもよい。直管部に断面加工を施す場合、曲部１０ａと直管部とで異なる断面加工を施してもよい。さらに、曲管１０が複数の曲部１０ａを有する場合、一の曲部１０ａと他の曲部１０ａとで、同じ断面加工を施してもよいし、異なる断面加工を施してもよい。

４．曲げ加工
本開示の製造方法においては、プレス加工により、曲管１０の曲部１０ａの曲げ半径Ｒ_１０を小さくする曲げ加工を施す。すなわち、プレス金型２０、３０のプレス面２０ａ、３０ａを曲部１０ａに対して管外側から押し付けることで、曲部１０ａにおいて管の長手方向への材料流動を生じさせ、曲部１０ａの曲げ半径Ｒ_１０を小さくする。例えば、図１及び２に示されるように、曲げ加工によって、曲げ半径Ｒ_１０の曲部１０ａを、曲げ半径Ｒ_１００の曲部１００ａへと変化させる。

曲げ加工においても管外側から管内側へと圧力が付与される。すなわち、本開示の製造方法においては、ハイドロフォーミングのような管内側から管外側へと圧力を付与することはせず、管外側からのプレス加工のみで曲管１０の曲部１０ａの曲げ半径を小さくする。

本開示の製造方法においては、曲げ加工完了時、中空部材１００の長手方向において中空部材１００の外壁とプレス金型との間に隙間が生じてもよいし、隙間が生じなくてもよい。

尚、本開示の製造方法において、曲部１０ａ以外の部分についての曲げ加工は任意である。例えば、曲管１０が直管部を有する場合、直管部に対して、皺や座屈が生じない範囲で緩やかな曲げ加工を施してもよい。

本開示の製造方法においては、上記の曲げ加工は上記の断面加工と同時に行われる。すなわち、プレス加工時、曲管１０の曲部１０ａにおいて、管の周方向への材料流動と長手方向への材料流動とを同時に進行させることで、中空部材１００において高い形状精度が確保される。プレス金型を用いた管の断面加工及び曲げ加工は、例えば、図６（Ａ）～（Ｆ）に示されるような流れで行われる。図６（Ａ）～（Ｆ）に示される形態は、図５（Ａ）及び（Ｄ）に示される形態と対応しており、円形状の管断面を、丸みを帯びた矩形状の断面へと変化させる場合を示している。図６（Ａ）～（Ｆ）に示されるように、上金型２０及び下金型３０の少なくとも一方に管を接触させ（図６（Ａ））、上金型２０及び下金型３０を互いに近づけて、上金型２０及び下金型３０の内側に管の一部を流動させつつ挿入し、上金型２０と下金型３０との隙間で管を噛み込ませることなく成形を進行させ（図６（Ｂ）～（Ｅ））、上金型２０及び下金型３０を閉じることで管の断面加工及び曲げ加工を完了させることができる（図６（Ｆ））。尚、本開示の製造方法においては、断面加工と曲げ加工とが、ある時点において同時に進行していればよく、断面加工の開始及び完了のタイミングと、曲げ加工の開始及び完了のタイミングとは、厳密に同時である必要はない。

曲管１０に対して上述したプレス加工を施して中空部材１００を得る場合において、実際に曲管１０にプレス加工を施す前に、予め、実験やＦＥＭ解析等によって、座屈や皺が発生しない最小の曲げ半径（Ｒ_{１００ｍｉｎ}）を確認してもよい。すなわち、曲管１０にプレス加工を施す際、予め確認された最小の曲げ半径Ｒ_{１００ｍｉｎ}以上の曲げ半径Ｒ_１００となるように曲げ加工を施すことで、中空部材１００における座屈や皺の発生を一層抑制できる。

５．中空部材（hollow shell part）
５．１ 中空部材の長手形状
図２に示されるように、中空部材１００は少なくとも一部に曲部１００ａを有する。上述の通り、中空部材１００は、管がプレス加工されてなるものであることから、「加工管（press-formed tube）」と表現されるものであってもよい。中空部材１００の長手方向は、プレス加工前の管の長手方向と対応し得る。中空部材１００は曲部１００ａにおいて２次元的に曲げられていてもよいし、３次元的に曲げられていてもよい。例えば、図２においては、中空部材１００が曲部１００ａにおいて紙面上下方向に曲げられた形態を示したが、当該曲部１００ａにおいてさらに紙面奥手前方向に曲げられていてもよい。曲部１００ａにおける曲げ形状は特に限定されるものではない。例えば、中空部材１００は曲部１００ａにおいて湾曲していてもよい。上述したプレス金型２０、３０のプレス面の形状を変更することで、中空部材１００の曲げ形状を容易に変更できる。

曲部１００ａにおける曲げ半径Ｒ_１００（内側曲げ半径）は、特に限定されるものではなく、上述の曲げ半径Ｒ_１０よりも小さければよい。尚、曲部１００ａの長手方向における曲げ形状（稜線）は、一つの円弧のみから構成されてもよいし、複数の円弧が組み合わされて構成されてもよい。また、曲部１００ａにおいて、長手方向一端から他端に向かって曲率が連続的又は不連続的に変化していてもよい。

図２においては、中空部材１００が曲部１００ａを一つだけ有する形態を示したが、中空部材１００は曲げ半径Ｒ_１００が同一又は異なる複数の曲部１００ａを有していてもよい。

中空部材１００は曲部１００ａ以外に直管部を有していてもよい。或いは、中空部材１００は一つ又は複数の曲部１００ａのみから構成されていてもよい。

中空部材１００は、その全体が完全な管状である必要はない。例えば、中空部材１００は、一部に切り欠きやスリットを有していてもよい。また、中空部材１００は、一部に貫通孔や意図的な凹凸を有していてもよい。

中空部材１００の長さは特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜決定され得る。中空部材１００の長さは、曲管１０の長さと同じであっても異なっていてもよい。例えば、本開示の曲げ加工及び断面加工以外に、曲管１０に対して開口直径（円相当直径）を拡大する工程等を経ることによって、中空部材１００の長さが曲管１０の長さよりも短くなっていてもよい。或いは、曲管１０に対して管厚みを薄くしたり、管を縮径する工程等を経ることによって、中空部材１００の長さが曲管１０の長さよりも長くなっていてもよい。

５．２ 中空部材の断面形状
中空部材１００の断面形状（開口形状）は、特に限定されるものではない。図３（Ｄ）、（Ｅ）及び（Ｆ）には中空部材１００の断面形状が多角形状又は楕円形状のものを示したが、これらの他、円形状、偏平円形状、丸みを帯びた多角形状、これら形状の組み合わせ等、種々の形状があり得る。中空部材１００の断面形状は、その用途に応じて適宜決定され得る。上述したプレス金型２０、３０のプレス面の形状を変更することで、中空部材１００の断面形状を容易に変更できる。

中空部材１００の断面形状は、管長手方向一端から他端に向かって変化がなく同じ形状であってもよいし、図３（Ｄ）～（Ｆ）に示されるように管長手方向一端から他端に向かって連続的又は不連続的に変化していてもよい。また、中空部材１００が曲部１００ａとともに直管部を有する場合、曲部１００ａと直管部とは互いに同じ断面形状を有していてもよいし、異なる断面形状を有していてもよい。また、中空部材１００が複数の曲部１００ａを有する場合、各々の曲部１００ａは互いに同じ断面形状を有していてもよいし、異なる断面形状を有していてもよい。

中空部材１００の厚み（肉厚）は、特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜決定され得る。中空部材１００の厚みは部分毎に異なっていてもよい。

以上の通り、本開示の中空部材１００の製造方法においては、曲部１０ａを有する曲管１０をプレス加工して、当該曲部１０ａに対して断面加工を施しながら、当該曲部１０ａの曲げ半径を小さくする。これにより、直管から１工程でプレス加工して曲部１００ａを有する中空部材１００を得た場合よりも、曲部１００ａにおける成形不良を抑えることができる。

尚、本開示の製造方法は、例えば、テーパ管を製造する場合にも適用可能である。すなわち、本開示の製造方法による断面加工によって中空部材１００としてのテーパ管を得てもよいし、或いは、中空部材１００を得るための曲管１０としてテーパ管を用いてもよい。

５．３ 中空部材の用途の一例
本開示の製造方法により得られる中空部材１００の用途は多岐に亘る。例えば、バンパービーム、サスペンションメンバー、サイドレール、トレーリングアーム、アッパーアーム、ピラー、トーションビーム、ドアインパクトビーム、インストルメントパネルビーム等の自動車の部品等である。

６．まとめ
以上の通り、本開示の方法は、予め曲げられた曲管１０に対して、プレス金型を用いて曲げ加工と断面加工とを同時に施して、当該曲管１０の曲部１０ａの断面形状を変化させつつ当該曲部１０ａの曲げ半径を小さくすることで、曲げ半径の小さな曲部１００ａを有する中空部材１００を製造するものである。上述したように、本開示の方法は、上記のプレス金型を用いた曲げ加工及び断面加工とは別の工程として、事前に曲管１０を準備する工程を備えるものであってもよい。例えば、図９に示されるように、素管１（上述の通り、直管であってもよい）に対して少なくとも曲げ加工（予曲げ）を施すことで曲部１０ａを有する曲管１０を得てもよい。その後、得られた曲管１０を、プレス金型の外部からプレス金型の内部に配置し、続いて、上記の曲げ加工と断面加工とを同時に施して、当該曲管１０の曲部１０ａの断面形状を変化させつつ、当該曲部１０ａの曲げ半径を小さくすること（本成形）で、所定の曲部１００ａを有する中空部材１００を得てもよい。本開示の方法のように、予め曲げられた曲管１０に対してプレス金型を用いて曲げ加工と断面加工とを同時に施すことで、皺や座屈を抑制しつつ、曲げ半径の小さな曲部１００ａを有する中空部材１００を製造できる。

以下、実施例を示しつつ本開示の中空部材の製造方法による効果についてさらに詳述する。

１．比較例
図１０に示されるように、直管（９８０ＭＰａ級鋼管、φ３８．１ｍｍ、厚み１．０ｍｍ、長さ６００ｍｍ）に対してプレス金型を用いて断面加工と曲げ加工とを同時に施して、直管の断面形状を変化させつつ所定の曲げ半径で湾曲させることで、１工程の本成形のみで中空部材を得た。

実験の結果、上記の直管に対しては、曲げ半径７００ｍｍ程度までは、皺や座屈なくプレス金型を用いた断面加工及び曲げ加工が可能であった。しかしながら、曲げ半径が７００ｍｍを下回ると、中空部材の表面において座屈変形が認められた。例えば、図１１に示すＦＥＭ解析結果からも明らかなように、曲げ半径を５７０ｍｍとした場合、中空部材の長手方向中央部（曲げ中央部）に座屈変形が生じてしまう。

２．実施例
図１２に示されるように、比較例と同様の直管に対してプレス金型を用いて曲げ加工（予曲げ）を施すことで、曲げ半径７００ｍｍの湾曲管を得た後、当該湾曲管に対してプレス金型を用いて断面加工と曲げ加工とを同時に施す本成形を行い、湾曲部の曲げ半径を５７０ｍｍにまで小さくした。得られた中空部材の曲部に皺や座屈は認められなかった。

以上の結果から、同一の直管を出発材とした場合でも、１工程でプレス加工を行うよりも、予曲げを行ったうえでプレス加工を行ったほうが、最終的に得られる中空部材の皺や座屈を抑制することができるといえる。尚、上記ではプレス加工によって予曲げを行う形態を示したが、プレス加工以外の方法（ハイドロフォーミング等）によって予曲げを行った場合でも、上記と同様に、その後のプレス加工によって曲部の皺や座屈を抑えつつ形状精度の高い中空部材が得られる。

３．補足
尚、比較例のように、直管に対してプレス加工を１度のみ施して、１工程で、曲げ半径の小さな曲部を有する中空部材を得る場合に、当該中空部材の曲部に皺や座屈といった成形不良が発生してしまう理由については、以下の通りと考えられる。すなわち、直管に対してプレス金型を用いて曲げ加工と断面加工とを同時に施そうとしても、プレス金型のプレス面の曲げ半径が小さ過ぎるため、管の長手方向中央部において、管の周方向に材料がうまく流動できずに内側に凹むような座屈変形が生じる（断面加工される前に曲げ加工のみが進行する）ためと考えられる。

これに対し、実施例に示されるように、直管ではなく、予め曲げられた曲管に対してプレス加工によって曲げ加工と断面加工とを同時に施すことで、上記の皺や座屈を抑制しつつ、曲げ半径の小さな曲部を有する中空部材を製造できる。すなわち、皺や座屈の発生が想定される曲げ半径が小さい曲げ加工の際、曲げ加工とともに断面加工を同時に施すことで、管の長手方向だけでなく周方向にも管材料を適切に流動させることができ、皺や座屈の発生を回避できる。

尚、本開示の方法は、例えば、素管から曲管を得て、当該曲管に対してさらに曲げ加工と断面加工とを行うといったように、曲げ工程を分割して行うものともいえる。ここで、一般には、冷間曲げの工程を分割しても効果は無いと考えられていた。しかしながら、本発明者の新たな知見及び当該知見に基づく推定によれば、曲げ工程を分割すると、後工程での曲げにおいては、前工程で曲げられた箇所とは別の箇所にも変形を分散させることができるものと考えられる。すなわち、曲げ加工時の変形箇所を分散させることで、最終的に得られる中空部材における座屈や皺の発生を抑制できるものと考えられる。従来においては、たとえ当業者であったとしても、このように曲げ工程を分割することによる効果を予測することは容易では無い。そもそも、本技術分野における当業者は、生産効率の観点から、工程数をできるだけ少なくしようとするのが通常である。

１ 素管（starting material tube）
１０ 曲管（bent tube）
１０ａ 曲部
１１ａ 上端部
１１ｂ 下端部
１２ 側部
２０ 上金型（プレス金型）
２１ 底部
２２ 側壁部
３０ 下金型（プレス金型）
３１ 底部
３２ 側壁部
１００ 中空部材（hollow shell part）
１００ａ 曲部

Claims (7)

1. 素管に対して、座屈及び皺が発生しない最小の曲げ半径Ｒ _{１０ｍｉｎ} 以上の曲げ半径となるように、少なくとも曲げ加工を施すことで、曲部を有する曲管を得ること、及び
   前記曲部を有する前記曲管に対して、プレス金型を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与することで、前記曲部の断面加工と前記曲部の曲げ半径を前記曲げ半径Ｒ _{１０ｍｉｎ} よりも小さくする曲げ加工とを同時に施すこと、
   を含む、中空部材の製造方法。
2. 前記プレス金型が上金型と下金型とを有し、
   前記上金型及び前記下金型の各々がプレス面を有し、
   前記上金型と前記下金型とで前記曲管を上下からプレスして、前記曲管の前記曲部に対して前記プレス面を押し付けることで、前記断面加工と前記曲げ加工とを同時に施す、
   請求項１に記載の製造方法。
3. 前記素管に対して、少なくとも曲げ加工と断面加工とを施すことで、前記曲部を有する前記曲管を得ること、
   を含む、請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記素管に対して施す前記曲げ加工は、
   プレス金型を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与して前記曲管を得ること、
   を含む、請求項１又は２に記載の製造方法。
5. 前記素管に対して施す前記曲げ加工と前記断面加工とは、
   プレス金型を用いて管外側から管内側に向かって圧力を付与して前記曲管を得ること、
   を含む、請求項３に記載の製造方法。
6. 前記素管が直管である、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の製造方法。
7. 前記断面加工及び曲げ加工が終了した時点で、前記中空部材の長手方向と直交する断面において、前記中空部材の外壁面に対して前記プレス金型の内壁面が傾斜を有し、前記中空部材の外壁面と前記プレス金型の内壁面との間に隙間が生じている、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の製造方法。

Images