JPWO2010084898A1 - 中空部材 - Google Patents

Abstract

例えば７８０ＭＰａ以上の高強度と、複雑な形状とを有することから、自動車部品として好適な、剛性や衝突特性に優れた軽量の中空部材を提供する。中空の鋼製の本体１４を備える中空部材１１である。本体１４が少なくとも長手方向に単一の部品により構成される。本体１４が最大の外部寸法Ｌ１である部分およびこの最大の外部寸法Ｌ１よりも短い外部寸法Ｌ２である部分を少なくとも有する扁平断面を有する。本体１４が長手方向の一部にねじれ部を有する。ねじれ部１７を境として本体１４の長手方向の一方の側に存在する第１の部分１５における最大の外部寸法Ｌ１である部分を含む仮想の平面１５ａと、ねじれ部１７を境として本体１４の長手方向の他方の側に存在する第２の部分１６における最大の外部寸法Ｌ１である部分を含む仮想の平面１６ａとが交差する角度が４度以上である。さらに、ねじれ部１７は、少なくとも７８０ＭＰａの引張強度を有する。

Description

本発明は中空部材に関する。具体的には、本発明は、剛性や衝突特性に優れた軽量の中空部材に関する。

金属製の強度部材、補強部材または構造部材が自動車や各種機械に用いられる。高強度、軽量かつ小型であることがこれらの部材に要求される。これらの部材は、従来から、プレス加工品の溶接、厚板の打ち抜きまたは鍛造といった加工手段により、製造されてきた。しかし、これらの製造方法により製造される部材をよりいっそう軽量化または小型化することは、極めて難しい。例えば、プレス加工されたパネルを二枚部分的に重ね合わせて溶接することによって溶接品を製造する場合、フランジと呼ばれる余肉部分をパネルの縁に設ける必要があるので、溶接品の重量が、余肉部分を形成する分だけ不可避的に増加する。

ハイドロフォームといわれる加工法（例えば非特許文献１参照）は、金型内に配置された素材である管の内部に高圧の加工液を導入することにより、管の外面が金型の内面に沿うように管を膨らませて変形させることによって、管を複雑な形状に成形する。複雑な形状の部品が、ハイドロフォームにより、フランジを形成する必要なく一体成形される。ハイドロフォームは、自動車部品の軽量化を図れるため、近年、自動車部品に積極的に適用される。

ハイドロフォームは冷間での加工である。このため、例えば７８０ＭＰａ以上といった高強度の素材を複雑な形状の自動車部品に成形することは、素材の延性が不足するので、困難である。ハイドロフォームの製造工程は、曲げ、プリフォームおよびハイドロフォームの３工程が一般的に必要となるので、比較的煩雑である。さらに、ハイドロフォーム加工機は大型かつ比較的高価である。

本出願人は、先に特許文献１により加工装置を開示した。図７は、この加工装置０の概略を示す説明図である。
加工装置０は、以下に列記する手順で、金属材１を素材とする屈曲部材を製造する。

（ａ）支持手段２が金属材１をその軸方向へ移動自在に支持する。
（ｂ）送り装置３が、支持手段２により支持された金属材１を上流側から下流側へ向けて送りながら、支持手段２の下流で金属材１に曲げ加工を行う。

（ｃ）曲げ加工は以下のようにして行われる。支持手段２の下流に配置される誘導加熱コイル５が、金属材１を部分的に焼入れが可能な温度域に急速に加熱する。誘導加熱コイル５の直ぐ下流に配置される冷却装置（例えば水冷装置）６が金属材１を急冷する。可動ローラダイス４は、金属材１を送りながら支持可能であるロール対４ａを少なくとも一組有する。可動ローラダイス４は、冷却装置６の下流に配置される。可動ローラダイス４が、その位置を二次元または三次元で変更することによって、金属材１の加熱された部分に曲げモーメントを与える。

すなわち、屈曲部材は加工装置０によって以下に示す工程で製造される。
（Ｉ）中空の閉断面形状を有するとともに長手方向へ単一の部品により構成される長尺の金属材１が、一対のロールによって、対向して配置される一対の長辺を有する扁平かつ中空の閉断面形状を有する金属製の長尺の中間部材に加工される。

（ＩＩ）送り装置３がこの中間部材をその長手方向へ相対的に送る。
（ＩＩＩ）第１の位置において、支持手段２が、送られる中間部材を支持する。
（ＩＶ）中間部材の送り方向について第１の位置よりも下流の第２の位置において、誘導加熱コイル５が、送られる中間部材を部分的に加熱する。

（Ｖ）中間部材の送り方向について第２の位置よりも下流の第３の位置において、冷却装置６が、送られる中間部材の加熱された部分を冷却する。
（ＶＩ）中間部材の送り方向について第３の位置よりも下流の領域において、送られる中間部材を支持する可動ローラダイス４の位置を二次元または三次元で変更することによって、中間部材における加熱された部分に曲げモーメントを与える。

加工装置０は、比較的安価な成形機を用いた単純な工程によって、例えば７８０ＭＰａ以上といった高強度および複雑な形状を有する自動車部品を一体成形できる。このようにして、高い剛性を有する屈曲部材が加工装置０によって製造される。

国際公開ＷＯ２００６／０９３００６号パンフレット

自動車技術Ｎｏｖ．５７，Ｎｏ．６（２００３）２３〜２８頁

高強度および複雑な形状を有するのみならず、高い剛性や優れた衝突特性をも有する軽量の部材が、自動車部品の強度部材、補強部材または構造部材として、これまで以上に強く求められている。このため、加工装置０により製造される屈曲部材のいっそうの性能向上が必要である。

本発明は、中空の金属製、望ましくは鋼製の本体を備える中空部材であって、
（要素１）本体が、少なくとも長手方向に単一の部品により構成されること、
（要素２）本体が、最大の外部寸法である部分、およびこの最大の外部寸法よりも短い外部寸法である部分を少なくとも有する扁平断面を有すること、
（要素３）本体が、長手方向の一部にねじれ部を有すること、
（要素４）ねじれ部を境として本体の長手方向の一方の側に存在する第１の部分における最大の外部寸法である部分を含む仮想の平面と、ねじれ部を境として本体の長手方向の他方の側に存在する第２の部分における最大の外部寸法である部分を含む仮想の平面とが交差する角度が、０度でないこと、および
（要素５）ねじれ部が、少なくとも７８０ＭＰａの引張強度を有すること。
を有することを特徴とする中空部材である。

本発明では、本体が、屈曲部を一つ以上有することが望ましい。
本発明では、（最大の外部寸法）／（短い外部寸法）が１．２以上であることが望ましく、１．５以上であることがさらに望ましい。

本発明では、交差する角度は４度以上であることが望ましく、５度以上であることがさらに望ましい。
本発明では、本体が、本体の長手方向、および／または本体の周方向へ部分的に形成される焼入れ部を有することが望ましい。

本発明では、少なくともねじれ部が＋１５０ＭＰａ以下の残留応力を有することが望ましい。本発明では、少なくともねじれ部が＋５０ＭＰａ以下の残留応力を有することがさらに望ましい。本発明では、ねじれ部の略全ての部分が残留圧縮応力を有することがさらにいっそう望ましい。本明細書においては、残留応力に関して、正の値は引張残留応力を示すとともに、負の値は圧縮残留応力を示す。

本発明では、これらの本発明に係る中空部材は、自動車の強度部材、補強部材または構造部材に用いられることが望ましい。

本発明により、例えば７８０ＭＰａ以上の引張強度および複雑な形状を有することから、自動車部品として好適な、剛性や衝突特性に優れた軽量の中空部材が提供される。

図１は、本発明に係る中空部材の一例を示す説明図である。 図２は、本発明に係る中空部材の他の一例を示す説明図である。 図３は、本発明に係る中空部材のさらに他の一例を示す説明図である。 図４は、外周長１００ｍｍ、肉厚２ｍｍ、縦横比ｋ＝１．１、１．２、１．５または２．０の矩形断面をθ度捻じって得られる形状を有する中空部材の断面２次モーメントの増加率を計算により求めた結果を示すグラフである。 図５は、外周長１００ｍｍ、肉厚２ｍｍ、縦横比ｋ＝１．２、１．５、２．０または５．０の矩形断面をθ度捻じって得られる形状を有する中空部材の断面２次モーメントの増加率を計算により求めた結果を示すグラフである。 図６は、ねじれ部および屈曲部を有する中空部材を示す説明図である。 図７は、本出願人が先に特許文献１により開示した加工装置の概略を示す説明図である。

０ 加工装置
１ 金属材
２ 支持手段
３ 送り装置
４ 可動ローラダイス
５ 誘導加熱コイル
６ 冷却装置
１１〜１３、１９ 中空部材
１４、２０ 本体
１５ 第１の部分
１５ａ 仮想の平面
１６ 第２の部分
１６ａ 仮想の平面
１７ ねじれ部
１７−１ 第１のねじれ部
１７−２ 第２のねじれ部
１８ 屈曲部
２１、２２ 第１の部分

本発明を、添付図面を参照しながら説明する。以降の説明では、中空部材の本体が矩形断面を有する場合を例にとる。しかし、本発明は、この場合に限定されず、例えば楕円形断面や長円形断面といった、本体が、最大の外部寸法Ｌ_１である部分、およびこの最大の外部寸法Ｌ_１よりも短い外部寸法Ｌ_２である部分を少なくとも有する扁平断面を有する場合に、等しく適用される。

図１は、本発明に係る中空部材の一例１１を示す説明図である。図２は、本発明に係る中空部材の他の一例１２を示す説明図である。図３は、本発明に係る中空部材のさらに他の一例１３を示す説明図である。

中空部材１１〜１３は、いずれも、中空の金属製（この例では鋼製）の本体１４を有する。
本体１４は、少なくとも長手方向に、単一の部品により一体に構成される。このため、本体１４は、長手方向と交差する方向へ形成される溶接部等の接合部を有さない。

本体１４は、扁平断面を有する。扁平断面は、最大の外部寸法Ｌ_１である部分、およびこの最大の外部寸法Ｌ_１よりも短い外部寸法Ｌ_２である部分を少なくとも有する。
中空部材１１〜１３は、いずれも、本体１４の内部にレインフォース等の補強部材を有さない。このように、中空部材１１〜１３は、いずれも、極めて簡素な構造を有する。中空部材１１〜１３は、いずれも、軽量である。

本体１４は、長手方向の一部にねじれ部１７を有する。本体１４には、第１の部分１５が、ねじれ部１７を境として本体１４の長手方向の一方の側に存在する。また、本体１４には、第２の部分１６が、ねじれ部１７を境として本体１４の長手方向の他方の側に存在する。

第１の部分１５における最大の外部寸法Ｌ_１である部分を含む仮想の平面１５ａと、第２の部分１６における最大の外部寸法Ｌ_１である部分を含む仮想の平面１６ａとが交差する角度（以下「交差角度」という）は０度でない。さらに、ねじれ部１７は、少なくとも７８０ＭＰａの引張強度を有する。

中空部材１１〜１３が、ねじれ部１７を有する理由を説明する。一般に、矩形断面の中空部材のｘ軸周りの曲げ剛性ＥＩを代表する指標として、断面２次モーメントＩｘを考える。ヤング率をＥとし、中空部材の幅をｂとし、高さをｈとし、肉厚をｔとし、縦横比をｋとすると、ｂ＝ｋｈである。

ここで、中空部材の断面をθ度捻じった場合の断面２次モーメントＩ_θｘは下式で与えられる。
Ｉ_θｘ＝（１／２）（Ｉ_ｘ＋Ｉ_ｙ）＋（１／２）（Ｉ_ｘ−Ｉ_ｙ）ｃｏｓ２θ
Ｉ_ｘ＝（１／１２）｛ｂｈ^３−（ｂ−２ｔ）（ｈ−２ｔ）^３｝
Ｉ_ｙ＝（１／１２）｛ｈｂ^３−（ｈ−２ｔ）（ｂ−２ｔ）^３｝
図４は、外周長１００ｍｍ、肉厚２ｍｍ、縦横比ｋ＝１．１、１．２、１．５または２．０の矩形断面をθ度捻じって得られる形状を有する中空部材の断面２次モーメントの増加率を、上記式を用いて計算により求めた結果を示すグラフである。

図４にグラフで示すように、縦横比が大きいほど、すなわち偏平度が大きいほど、ねじり角を付与した場合の曲げ剛性の向上が大きいことがわかる。
図５は、外周長１００ｍｍ、肉厚２ｍｍ、縦横比ｋ＝１．２、１．５、２．０または５．０の矩形断面をθ度捻じって得られる形状を有する中空部材の断面２次モーメントの増加率を、上記式を用いて計算により求めた結果を示すグラフである。

図５にグラフで示すように、交差角度が４度以上、好ましくは５度以上の交差角度を与えると、曲げ剛性の向上が著しいことがわかる。
中空部材１１〜１３は、いずれも、ねじれ部１７を有するため、曲げ剛性が高められている。

図４および５にグラフで示す結果から、中空部材１１〜１３は、（最大の外部寸法Ｌ_１）／（短い外部寸法Ｌ_２）が１．２以上であることが望ましく、１．５以上であることがさらに望ましい。

ねじれ部１７は、図２に示すように中空部材１２の長手方向に一つだけ形成してもよいし、図１、３に示すように中空部材１１、１３の長手方向に二つ設けてもよく、あるいは三つ以上設けてもよい。

中空部材１１〜１３は、上述した図７に示す加工装置０の一部を改造した加工装置を用いることにより、簡単に製造することができる。すなわち、加工装置０の支持手段２および可動ローラダイス４を構成するロールを、中空部材１１〜１３の外面を支持することができる孔型ロールに交換するとともに、可動ローラダイス４の位置を三次元で移動させる移動機構を追加して設ける。

送り装置３により、支持手段２により長手方向へ移動自在に支持された中空部材１１〜１３を上流側から下流側へ向けて送る。次に、誘導加熱コイル５により、支持手段２の下流で中空部材１１〜１３を部分的に焼入れが可能な温度域に急速に加熱する。次に、冷却装置６により、中空部材１１〜１３を急冷する。

可動ローラダイス４は、中空部材１１〜１３を送りながら支持可能であるロール対４ａを少なくとも一組有する。このため、可動ローラダイス４の位置を三次元で変更することによって、中空部材１１〜１３の加熱された部分にねじれ部１７を形成することができる。

なお、この加工装置における支持手段２、送り装置３および可動ローラダイス４に替えて、例えば一基以上の多関節型の汎用ロボットに保持させた治具を用いることによって、中空部材１１〜１３の送りおよび支持を行うようにしてもよい。すなわち、
（ａ）中空部材１１〜１３を、その長手方向へ、誘導加熱コイル５および冷却装置６に対して相対的に移動させること、
（ｂ）中空部材１１〜１３の被加熱部を境とする両側を例えば産業用ロボットにより支持すること、および
（ｃ）中空部材１１〜１３の被加熱部を境とする両側または片側の位置を、この両側または片側を支持する産業用ロボットを動作させることによって、三次元で移動すること
により、支持手段２、送り装置３および可動ローラダイス４を用いなくとも、中空部材１１〜１３の加熱された部分にねじれ部１７を形成することができる。

誘導加熱コイル５による中空部材１１〜１３の加熱温度を焼入れ可能温度に設定するとともに、冷却装置６による中空部材１１〜１３の冷却速度を適宜設定することによって、中空部材１１〜１３の本体１４の長手方向、および／または本体１４の周方向へ部分的に焼入れ部を形成することができる。焼入れ部の形成位置を適宜設定することにより、中空部材１１〜１３の様々な機械特性を調整することができるので、例えば自動車用部品として要求される特性を十分に満足する中空部材１１〜１３を提供することが可能になる。

この加工装置では、可動ローラダイス４を通過した中空部材１１〜１３がその自重により変形して寸法精度が低下することを防止するために、可動ローラダイス４の下流側に変形防止装置を配置することが望ましい。可動ローラダイス４よりも下流側の領域で、既に加工を終了した中空部材１１〜１３を変形防止装置によって位置決めすることによって、中空部材１１〜１３の変形および寸法精度の低下を確実に防止することができる。変形防止装置は設けなくともよい。

変形防止装置として、（ａ）可動ローラダイス４を通過した中空部材１１〜１３の先端を支持およびガイドする装置、（ｂ）可動ローラダイス４を通過した中空部材１１〜１３を搭載することによって中空部材１１〜１３の自重による変形を防止するための変形防止テーブル、（ｃ）可動ローラダイス４を通過した中空部材１１〜１３の一部を支持する公知の多関節ロボット等が例示される。

これまで知られている、扁平断面の中空の金属製の本体を有するとともに引張強度が７８０ＭＰａ以上である中空部材に、冷間加工でねじれ部を設けようとしても、中空部材の変形抵抗が大きく、ねじれ部を設けることはできない。これに対し、中空部材１１〜１３は、例えば、加工装置０の一部を少しだけ改造した加工装置を用いる熱間加工により製造可能であるので、極めて容易かつ確実に本体１４にねじれ部１７を形成できる。

また、この加工装置０は、ねじれ部１７の形成に焼入れを利用するので、ねじれ部１７の引張強度を簡単に７８０ＭＰａ以上に高めることができる。
さらに、このねじれ部１７は優れた疲労特性を有する。この理由を説明する。

一般に、中空部材に冷間でねじり加工を行って製品を製造すると、比較的大きな残留応力が製品に発生する。引張残留応力が製品の軸方向へ向けてねじり加工部の内周側の表面に発生する。また、圧縮残留応力が製品の軸方向へ向けてねじり加工部の外周側の表面に発生する。発生する残留応力は、降伏応力の３０％〜４０％にも達する。

例えば７８０ＭＰａや９８０ＭＰａといった高強度を有する中空部材は、材料の延性が乏しいため、曲げ半径が極めて大きなねじれ部を有する製品にしか、ねじり加工できない。低く見積もっても＋２００ＭＰａ以上の残留応力（引張残留応力）がこの製品の表面に発生する可能性が高い。周知のように、引張残留応力が製品の表面に生じると、この製品が繰り返し変形を受けた場合の疲労特性が大きく低下する。

また、７８０ＭＰａ、９８０ＭＰａさらには１２００ＭＰａといった高強度を有する中空部材を冷間でねじり加工して製品を製造する手段は、現時点ではない。このため、この製品の残留応力の測定値が開示された公知文献は、存在しない。仮に高強度を有する中空部材を冷間でねじり加工できたと仮定しても、極めて大きな引張残留応力がねじれ部に不可避的に発生する。さらに、大きな引張り残留応力が１２００ＭＰａ以上の高強度を有する中空部材に生じると、遅れ破壊が発生する危険性も高まる。このような製品は、自動車部品として用いることはできない。

これに対し、加工装置０により形成されるねじれ部１７は、熱間でのねじり加工により形成される。冷間でのねじり加工により発生する大きな引張残留応力は、ねじれ部１７には発生しない。

表１には、加工装置０により、Ｃ含有量が０．２質量％であるＢ含有鋼からなるとともに肉厚１．８ｍｍ、縦４０ｍｍおよび横５０ｍｍの中空の角材を、曲げ変形６００ｍｍ、単位長さあたりのねじり角０．２°／ｍｍによりねじり加工することによって得られた製品の軸方向の表面の残留応力（単位：ＭＰａ）を、Ｘ線応力測定法により測定した結果を示す。表２には、この製品の周方向の表面の残留応力の測定結果を示す。

表１、２における角度は、周方向の位置で、横方向５０ｍｍの上面中央位置の角度を０度とした場合の測定位置の角度である。残留応力の測定に用いたＸ線測定器は、株式会社マックサイエンス（現社名 ブルカーＡＸＳ株式会社）製のＭＸＰ−３である。

表１に示すように、製品の表面には、軸方向への大きな引張残留応力は発生せず、軸方向への圧縮残留応力が発生する。また、表２に示すように、製品の表面には、周方向への大きな引張残留応力は発生せず、圧縮残留応力または小さな引張残留応力が発生する。

このように、少なくともねじれ部１７は、＋１５０ＭＰａ以下の残留応力、好ましくは＋５０ＭＰａ以下の残留応力を有する。さらに好ましくは、少なくともねじれ部１７の略全ての部分は、残留圧縮応力を有する。このため、この製品の疲労特性は極めて優れている。

加工装置０により製造された製品の表面における残留応力が＋１５０ＭＰａ以下と、従来にはない程に小さな値となる理由は、明確ではないが、加工装置０による加熱および冷却によって、マルテンサイト変態の板厚方向分布が変動するためであると推定される。

なお、中空部材１１〜１３の本体１４に、ねじれ部１７のみならず、図７に示す加工装置０の一部を改造した加工装置を用いて、仮想の平面１５ａ、１６ａ内で屈曲する屈曲部を一つ以上形成するようにしてもよい。これにより、よりいっそう複雑な形状の中空部材を提供することも可能である。

図６は、第１のねじれ部１７−１、第２のねじれ部１７−２および屈曲部１８を有する中空部材１９を示す説明図である。
第１のねじれ部１７−１および第２のねじれ部１７−２ねじれ部１７が、中空部材１９の本体２０に形成されている。また、屈曲部１８が、第１のねじれ部１７−１を境として本体２０の長手方向の一方の側に存在する第１の部分２１と、第２のねじれ部１７−２を境として本体２０の長手方向の一方の側に存在する第１の部分２２との間に形成されている。

このようにして、本発明によれば、単純な工程で比較的小型で安価な成形機を用いて、例えば７８０ＭＰａ以上の高強度と複雑な形状とを有することから、自動車部品として好適な、剛性や衝突特性に優れた軽量の中空部材を提供することが可能になる。

Claims (5)

1. 中空の金属製の本体を備える中空部材であって、以下の要素１〜５を有することを特徴とする中空部材、
   （要素１）前記本体は、少なくとも長手方向に単一の部品により構成されること、
   （要素２）前記本体は、最大の外部寸法である部分、および該最大の外部寸法よりも短い外部寸法である部分を少なくとも有する扁平断面を有すること、
   （要素３）前記本体は、長手方向の一部にねじれ部を有すること、
   （要素４）前記ねじれ部を境として前記本体の長手方向の一方の側に存在する第１の部分における前記最大の外部寸法である部分を含む仮想の平面と、前記ねじれ部を境として前記本体の長手方向の他方の側に存在する第２の部分における前記最大の外部寸法である部分を含む仮想の平面とが交差する角度は０度でないこと、
   （要素５）前記ねじれ部は、少なくとも７８０ＭＰａの引張強度を有すること。
2. 前記本体は、屈曲部を一つ以上有する請求項１に記載された中空部材。
3. （前記最大の外部寸法）／（前記短い外部寸法）が１．２以上である請求項１に記載された中空部材。
4. 前記交差する角度は４度以上である請求項１に記載された中空部材。
5. 前記本体は、該本体の長手方向、および／または該本体の周方向へ部分的に形成される焼入れ部を有する請求項１に記載された中空部材。

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