JPWO2011024741A1 - 屈曲部材、その製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

例えば曲げ半径が肉厚の１〜５倍以下であるといった、微小な曲げ半径の曲がり部を有する屈曲部材と、その製造装置および製造方法とを提供する。角管１６を、長手方向へ相対的に送りながら第１の位置Ａに配置された第１の支持手段１１により支持し、第２の位置Ｂに配置された加熱手段１２により角管１６を部分的に加熱し、第３の位置Ｃに配置された冷却手段１３により冷却するとともに、下流の領域Ｄに配置されたせん断力付与手段１４を、加工の際に、角管１６の送り方向と、加熱手段１２が加熱する角管１６の長手方向における一の横断面と略平行な方向との２方向について同時に二次元または三次元で移動することにより、角管１６の加熱された部分にせん断力を与えることによって、加工を行い、屈曲部材２１を製造する。

Description

本発明は、屈曲部材、その製造装置および製造方法に関する。具体的には、本発明は、曲げ半径が、例えば肉厚（素材の板厚）の１〜５倍以下といったように、極めて小さい曲がり部を有する屈曲部材と、その製造装置および製造方法とに関する。

高強度、軽量かつ小型であることが、自動車や各種機械等に用いられる、屈曲した形状を有する金属製の強度部材、補強部材または構造部材に求められる。この種の屈曲部材は、これまで、プレス加工品の溶接、厚板の打ち抜き、さらには鍛造等により製造されてきた。これらの製造方法により製造される屈曲部材のさらなる軽量化および小型化は、難しい。

非特許文献１には、この種の屈曲部材をいわゆるチューブハイドロフォーミング工法により製造することが開示される。非特許文献１の２８頁に、素材となる材料の開発や成形可能な形状の自由度の拡大等といった課題があることが、開示される。チューブハイドロフォーミング工法によりこの種の屈曲部材を製造するためには、今後よりいっそうの開発が必要である。

本出願人は、特許文献１により曲げ加工装置を開示した。図７は、曲げ加工装置１の概略を模式的に示す説明図である。
図７に示すように、曲げ加工装置１は、一対の支持手段３、３によりその軸方向へ移動自在に支持された鋼管２を、図示しない送り装置によって上流側から下流側へ向けて矢印方向へ送りながら、支持手段３、３の下流で以下に説明するようにして曲げ加工を行うことにより、鋼製の屈曲部材７を製造する。

支持手段３、３の下流で高周波加熱コイル４が鋼管２を部分的に焼入れが可能な温度域に急速に加熱する。高周波加熱コイル４の下流側に配置される水冷装置５が鋼管２を急速に冷却する。鋼管２を送りながら支持可能であるロール対６ａ、６ａを少なくとも一組有する可動ローラダイス６が、その位置を三次元（場合によっては二次元）で変更して、鋼管２の高温部分２ａに曲げモーメントを付与する。このため、曲げ加工装置１は、高い作業能率で屈曲部材７を製造することができる。

非特許文献２には、楕円の金属材を連続的に送るとともに送られる金属材を支持装置により移動自在に支持しながら、支持装置の下流に配置された高周波加熱装置による急速加熱と、この高周波加熱装置の直ぐ下流に配置された水冷装置による急速冷却とを行い、急冷装置の下流に配置された二次元で旋回可能なアームによりこの金属材を掴みながらアームを旋回することによって、金属材における高温部分に曲げモーメントを与えることによって、金属管をダイレス曲げ加工する技術が開示される。なお、非特許文献２により開示された技術は、特許文献１により開示された発明のように二次元または三次元に複雑に屈曲する形状に加工するものではないとともに焼入れによる高強度化を意図するものでもない。

非特許文献２には、中空の閉断面形状を有するとともに長手方向へ一体に構成される金属製の長尺の扁平な素材を、その長手方向へ送りながら部分的に急速な加熱及び冷却を行うことにより、曲げ半径が一定の二次元形状に曲げ加工された屈曲部材の各部の寸法が開示されている。

本発明者等の検討結果によれば、特許文献１により開示された曲げ加工装置や非特許文献２により開示された技術は、曲げ半径が例えば金属管の直径（矩形断面の場合には曲げ方向の辺の長さ）の１〜２倍である曲がり部を有する屈曲部材を製造できる。しかし、この技術は、例えば自動車の車体構成部材や足廻り部材といった、自動車の各種部品に多用されているような、極めて小さい曲げ半径（例えば肉厚の１〜５倍以下）である曲がり部を有する屈曲部材を、低コストで量産することは困難である。

図８は、特許文献１や非特許文献２により開示された曲げ加工の前後における、被囲い材の断面の寸法変化を示す説明図である。図８に示す例は、曲げ半径Ｒ１の一回目の曲げ加工を行った後に反対方向へ曲げ半径Ｒ２の曲げ加工を行う場合を示す。

図８に示すように、幅Ｗ_０、高さＨ_０の矩形断面の異形管８ａに曲げモーメントを与えて曲げ加工を行うと、曲げ加工後の製品である屈曲部材８ｂの幅は曲げ加工前の幅Ｗ_０よりも微小量ΔＷ減少してＷ_１（＝Ｗ_０−ΔＷ）となる。また、曲げ加工の内周側であるＢ側の高さＨ_Ｂは、曲げ加工前の高さＨ_０に比較して微小量ΔＨ増加する（Ｈ_Ｂ＝Ｈ_０＋ΔＨ）のに対し、曲げ加工の外周側であるＡ側の高さＨ_Ａは曲げ加工前の高さＨ_０に比較して微小量ΔＨ’減少する（Ｈ_Ａ＝Ｈ_０−ΔＨ’）。

特許文献２にも開示されるように、中空の閉断面形状を有するとともに長手方向へ一体に構成される金属製の長尺の扁平な素材８ａに曲げ加工を行って屈曲部材８ｂを製造すると、曲げ加工を行われた部分において、断面の幅と高さが曲げ加工前の寸法から変化する。曲げ内周側にしわが発生するとともに断面形状が崩れ、これにより、屈曲部材８ｂの寸法精度が低下する。この寸法精度の低下の程度は、曲げ加工前の素材８ａの寸法（幅Ｗ_０、高さＨ_０、肉厚ｔ等）や、曲げ加工の条件（曲げ半径Ｒ、加熱幅ｂ等）に影響される。

特許文献１により開示された曲げ加工装置や非特許文献２により開示された技術により、特に極めて小さい曲げ半径Ｒ（例えば肉厚の１〜５倍以下）の曲がり部を有する屈曲部材を製造しようとすると、曲げ加工された屈曲部材の寸法精度が大幅に低下し、優れた寸法精度を有する屈曲部材を製造できない。

非特許文献３には、冷間で鋼管の膨らみを拘束する上下の割型の内部に、ＳＵＳ３０４製のステンレス鋼管を配置し、鋼管に内圧ｐを負荷し、端面を軸方向に荷重Ｆで押し込みながら外型をこの鋼管と直交する方向に移動することによって、鋼管の軸に対して４５°の面でせん断変形を発生させ、さらに、外型の移動に伴ってその変形位置を連続的に移動させることによって、曲がり部の半径が極めて小さいクランク状に加工されたステンレス鋼管を製造する技術が開示されている。

国際公開第２００６／０９３００６号パンフレット

自動車技術 Ｖｏｌ．５７，Ｎｏ．６，２００３ ２３〜２８頁 塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第２８巻第３１３号（１９８７−２ ２１４〜２２１頁 異形管のダイレス曲げ 塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第３５巻第３９８号（１９９４−３ ２３２〜２３７頁 パイプを半径ゼロに曲げる加工技術

非特許文献３により開示された技術は、素材であるステンレス鋼管を上下の割型の内部に配置し、このステンレス鋼管の内部に圧力を与えながら冷間で曲げ加工を行う。このため、この技術を実施するには、少なくとも、曲げ形状に応じた上下の割型と、鋼管の内部に圧力を付与するための圧力付与装置とが必要になる。このため、この技術により多種の屈曲部材を量産する場合には、製造コストの大幅な上昇は避けられない。

また、非特許文献３では、外径２２．２ｍｍ、肉厚１ｍｍおよび０．３ｍｍのＳＵＳ３０４製のステンレス鋼管に対して、曲がり部の半径が極めて小さい曲げ加工を行うことができたことは確かに記載されている。しかし、冷間加工であるため、より高強度材に対して同様な曲げ加工を行うと、加工素材に割れが発生するおそれがある。

この技術では、特に９８０ＭＰａ以上の素材の加工は困難である。また、割れが回避されても強度の高い鋼管や肉厚が大きい鋼管は、成形に必要な加工荷重が極めて大きくなるため、加工設備が相当に大きなものにならざるを得ず、設備コストが著しく嵩む。

このため、非特許文献３により開示された発明によっても、曲げ半径が極めて小さい（例えば肉厚の１〜５倍以下）曲げ半径の曲がり部を有する屈曲部材を、低コストで量産することは困難であり、さらに高強度の素管を加工することはできない。

本発明は、曲げ半径が例えば肉厚の１〜５倍以下であるといった、微小な曲げ半径の曲がり部を有し、かつこの曲がり部の内周側にしわの発生や断面形状の崩れに起因した寸法精度の低下を全く生じない屈曲部材を、低コストで確実に提供し、これにより、例えば自動車の車体構成部材や足廻り部材といった、自動車の各種部品の設計の自由度を高めるとともに、これら各種部品のさらなる低コスト化および軽量化を図ることを目的とする。

本発明者らは、非特許文献３により開示された発明を、熱間または温間で実施することができれば、上述した課題を解決することができる、という認識に基づいて鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは、図７におけるロール対６ａ、６ａを、鋼管２の被加熱面にせん断応力を与えて加工を行うことができるように二次元または三次元で移動させることにより、曲げ半径が例えば肉厚の１〜５倍以下であるといった、微小な曲げ半径の曲がり部を有し、かつこの曲がり部の内周側にしわの発生や断面形状の崩れに起因した寸法精度の低下を生じない屈曲部材を、低コストで確実に量産できることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

本発明は、金属製の中空の素材を、その長手方向へ相対的に送りながら支持する第１の支持装置と、前記素材を加熱する加熱装置と、前記加熱装置により加熱された第１の部分よりも前記素材の相対的な送り方向の下流側に位置する第２の部分を冷却（強制冷却または自然冷却）する冷却装置と、二次元または三次元の方向へ移動することによって前記第１の部分と前記第２の部分との間にせん断力を与えるせん断力付与装置、例えばクランプ（例えば、離間して対向配置される一対のロールやクランプ装置等）とを備えることを特徴とする屈曲部材の製造装置である。

別の観点からは、本発明は、金属製の中空の素材を、該素材を支持する第１の支持装置に対してその長手方向へ相対的に送りながら、加熱装置によって前記素材を加熱するとともに、前記加熱装置により加熱された第１の部分よりも前記素材の相対的な送り方向の下流側に位置する第２の部分を冷却装置により冷却し、かつ、二次元または三次元の方向へ移動することによって前記第１の部分と前記第２の部分との間にせん断力を与えるせん断力付与装置を、前記二次元または三次元の方向へ移動することによって、前記素材に加工を行うことを特徴とする屈曲部材の製造方法である。この場合に、前記第１の部分と前記第２の部分との間に焼入れを行うことが望ましい。

これらの本発明では、前記第１の支持装置、前記加熱装置及び前記冷却装置は、いずれも、固定配置され、かつ前記第１の支持装置は第１の位置に配置され、前記加熱装置は前記素材の送り方向について前記第１の位置よりも下流の第２の位置に配置され、前記冷却装置は前記素材の送り方向について前記第２の位置よりも下流の第３の位置に配置され、さらに、前記せん断力付与装置は前記素材の送り方向について前記第３の位置よりも下流の領域に配置されることが例示される。

これらの本発明では、加熱装置が、素材の長手方向における一の横断面を加熱するとともに、せん断力付与装置が、加工の際に、素材の送り方向および一の横断面と略平行な方向の２方向について同時に移動することが望ましい。

これらの本発明では、（ａ）素材の送り方向についてせん断力付与手装置の設置位置よりも下流の領域で、素材におけるせん断力付与装置による加工を終了した部分を支持する第２の支持装置を備えること、または（ｂ）せん断力付与装置の位置決めが、素材をクランプ（把持または掴持）することによって行うことが望ましい。

これらの本発明では、屈曲部材が、（ｃ）曲げ半径が極めて小さい（例えば肉厚の１〜５倍以下）曲がり部を少なくとも一つ有すること、（ｄ）加熱および冷却された曲がり部を少なくとも一つ有すること、および（ｅ）閉断面形状を有するとともに長手方向へ一体に構成されること（中空かつ長尺）のうちの少なくとも一つを満足することが望ましい。

さらに別の観点からは、本発明は、金属製の中空の本体を有するとともに、この本体に形成された、二次元または三次元に屈曲した曲がり部を少なくとも一つ備え、この曲がり部の曲げ半径は極めて小さい（例えば肉厚の１〜５倍以下）ことを特徴とする屈曲部材である。

この本発明では、曲がり部が、曲がり部を形成する加工の際に加熱および冷却された部分であることが望ましい。
これらの本発明では、屈曲部材が、閉断面形状を有するとともに長手方向へ一体に構成されることが望ましい。

本発明によれば、曲げ半径が例えば肉厚の１〜５倍以下であるといった、微小な曲げ半径の曲がり部を有し、かつこの曲がり部の内周側にしわの発生や断面形状の崩れに起因した寸法精度の低下を全く生じない屈曲部材を、低コストで確実に提供できる。このため、本発明によれば、例えば自動車の車体構成部材や足廻り部材といった、自動車の各種部品の設計の自由度を高めるとともに、これら各種部品のさらなる低コスト化および軽量化を図ることができる。

図１は、本発明に係る製造装置の構成例を、一部簡略化および省略するとともに透視して示す斜視図である。 図２は、本発明に係る製造装置の構成例を、模式的に示す説明図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明に係る製造方法を実施する状況を、経時的に示す説明図である。 図４は、本発明に係る製造装置の他の構成例を、模式的に示す説明図である。 図５は、本発明に係る製造装置のさらに他の構成例を、模式的に示す説明図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本発明に係る製造装置のさらに他の構成例を、模式的かつ経時的に示す説明図である。 図７は、特許文献１により開示された曲げ加工装置の概略を模式的に示す説明図である。 図８は、特許文献１や非特許文献２により開示された曲げ加工の前後における断面の寸法変化を例示する説明図である。

１ 特許文献１により開示された曲げ加工装置
２ 鋼管
３ 支持装置
４ 誘導加熱コイル
５ 水冷装置
６ 可動ローラダイス
６ａ ロール
７ 屈曲部材
８ａ 異形管
８ｂ 屈曲部材
１０、１０−１、１０−２、１０−３ 本発明に係る製造装置
１１ 第１の支持装置
１１ａ 貫通穴
１２ 加熱装置
１２ａ 誘導加熱コイル
１３ 冷却装置
１３ 冷却水噴射ノズル
１４ せん断力付与装置
１５ 第２の支持装置
１６ 角管
１６ａ〜１６ｄ 断面形状
１７ａ、１７ｂ ロール
１８ チャック
１９ エンドエフェクター
２０ 垂直型の多関節産業用ロボット
２１ 屈曲部材
２１ａ 本体
２２ａ、２２ｂ 曲がり部
２３ａ、２３ｂ ロール
２４ 産業用ロボット

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら説明する。以降の説明では、本発明により製造される屈曲部材が、鋼製であって矩形の横断面を有する中空の部材を素材とし、自動車や各種機械に用いられる強度部材、補強部材または構造部材である場合を例にとる。

図１は、本発明に係る製造装置１０の構成例を、一部簡略化および省略するとともに透視して示す斜視図である。また、図２は、この製造装置１０の構成例を、模式的に示す説明図である。

図１および図２に示すように、この製造装置１０は、第１の支持装置１１と、加熱装置１２と、冷却装置１３と、せん断力付与装置１４と、第２の支持装置１５とを備える。
［第１の支持装置１１］
図１に示すように、はじめに、角管１６を、図示しない送り装置によりその長手方向へ送る。角管１６は、中空の矩形の閉断面形状を有する。角管１６は、長手方向へ一体に構成される鋼製の長尺の素材である。

送り装置は、角管１６をその長手方向へ送る。この送り装置は、電動サーボシリンダーを用いたタイプが例示されるが、特定の型式のものに限定する必要はなく、ボールネジを用いたタイプやタイミングベルトやチェーンを用いたタイプ等といった、この種の送り装置として公知のものであれば全て等しく用いることができる。

図１に示す例では、矩形の横断面形状を有する角管１６を加工素材として用いる場合を例にとる。しかし、本発明における加工素材は、角管１６に限定されるものではなく、例えば矩形、楕円形、長円形、正方形さらには各種異形の横断面形状を有する中空の鋼管や鋼管以外の金属管も、加工素材として用いることができる。

角管１６は、送り装置によって所定の送り速度でその軸方向（長手方向）へ送られる。角管１６は、第１の位置Ａにおいて第１の支持装置１１により支持される。すなわち、第１の支持装置１１は、送り装置によってその軸方向へ送られる角管１６を、第１の位置Ａにおいて移動自在に支持する。

図１、２に示す例では、第１の支持装置１１としてブロックを用いた。ブロックは、角管１６が隙間を有して挿通することができる貫通穴１１ａを有する。図示していないが、ブロックを分割し、油圧シリンダーやエアシリンダーを接続し、角管を支持する構成としてもよい。また、第１の支持装置１１は、特定の型式のものには限定されず、この種の支持装置として公知のものであれば等しく用いることができる。例えば、対向して配置される一対の孔型のロールを１組もしくは２組以上並設して用いることが例示される。

角管１６は、このようにして、第１の支持装置１１の設置位置Ａを通過して、その軸方向へ送られる。
図１に示す例では、第１の支持装置１１は適当な搭載台１１ｂに搭載および固定されて配置されているが、本発明はこの態様に限定されるものではなく、第１の支持装置１１を所定の位置に固定して配置することができる手段であればよく、特定の配置形態には限定されない。例えば、第１の支持装置１１は、周知慣用の産業用ロボットに装着したエンドエフェクターによって支持されるようにしてもよい。

第１の支持装置１１は、以上のように構成される。
［加熱装置１２］
加熱装置１２は、角管１６の送り方向について第１の位置Ａよりも下流の第２の位置Ｂに固定配置される。加熱装置１２は、送られる角管１６の長手方向の一部における一の横断面の全周を加熱する。

図１、２に示す例では、加熱装置１２として誘導加熱装置を用いる。この誘導加熱装置は、角管１６を例えば高周波誘導加熱することができるコイルを有するものを用いればよく、この種の高周波加熱装置として公知のものであれば等しく用いることができる。

誘導加熱装置１２の加熱コイル１２ａは、角管１６の外表面から所定の距離だけ離れて、角管１６の長手方向の一部における一の横断面の全周を被うように、配置される。
角管１６の軸方向と直交する方向と平行な方向に関する、角管１６に対する加熱コイル１２ａの距離を適宜変更することによって、送り出される角管１６をその周方向へ不均一に加熱することができる。

図示していないが、角管１６の送り方向に関して誘導加熱装置１２の上流側に、角管１６を予熱することができる予熱装置（例えば小型の高周波加熱装置）を一つ以上配置しておき、この予熱手段を誘導加熱装置１２と併用して角管１６を加熱することが望ましい。これにより、角管１６を複数回加熱したり、あるいは、角管１６の一部をその周方向へ不均一に加熱することが可能になる。

角管１６は、誘導加熱装置１２により部分的に急速に加熱される。
加熱装置１２の設置手段は、加熱装置１２を所定の位置に固定して配置することができる手段であればよく、その設置の形態は特に限定を要さない。例えば、固定台に搭載して固定することや、周知慣用の産業用ロボットに装着したエンドエフェクターによって支持すること等が例示される。

加熱装置１２は、以上のように構成される。
［冷却装置１３］
冷却装置１３は、角管１６の送り方向について第２の位置Ｂよりも下流の第３の位置Ｃに配置される。冷却装置１３は、第２の位置Ｂで加熱された部分を急速に冷却する。角管１６は、冷却装置１３により冷却されることによって、加熱装置１２により加熱された第１の部分と、冷却装置１３により冷却された第２の部分との間の部分が、高温であって変形抵抗が大幅に低下した状態にある。

冷却装置１３は、所望の冷却速度が得られるものであればよく、特定の方式の冷却装置には限定されない。一般的には、冷却水を角管１６の外周面の所定の位置へ向けて噴射することによって角管１６を冷却する水冷装置を用いることが望ましい。本例においても、図１および図２に示すように、多数の冷却水噴射ノズル１３ａを、加熱装置１２の直ぐ下流側に、角管１６の長手方向の一部における一の横断面を囲むように、角管１６の外表面から離して配置する。そして、これらの冷却水噴射ノズル１３ａから冷却水を角管１６の外表面へ向けて噴射する。

冷却水は、角管１６が送り出される方向へ向けて斜め吹き付けることが、加熱装置１２による角管１６の加熱を阻害しないために、望ましい。
各冷却水噴射ノズル１３ａからの冷却水の噴射量を、各冷却水噴射ノズル１３ａ毎に個別する制御すれば、角管１６の一部をその周方向へ不均一に冷却することが可能になる。また、角管１６の軸方向と直交する方向と平行な方向に関する、各冷却水噴射ノズル１３ａと、角管１６との間の距離を変更して設定すれば、角管１６の加熱される軸方向の領域を調整することができる。

角管１６における誘導加熱装置１２により加熱された部分は、水冷装置１３により、急速に冷却される。
冷却装置１３による水冷の開始温度および冷却速度を適宜調整することにより、角管１６における急速冷却部の一部または全部を焼入れたり、あるいは焼き鈍ますことが可能になる。これにより、例えば、角管１６の曲がり部の一部または全部の強度を、例えば１５００ＭＰａ以上と大幅に高めることも可能である。

冷却装置１３の設置手段は、冷却装置１３を所定の位置に固定して配置することができる手段であればよく、特定の設置手段には限定されない。ただし、本発明に係る製造装置１により高い寸法精度を有する屈曲部材２１を製造するためには、位置Ｂ〜位置Ｃ間の距離をできる限り短く設定することによって、加熱装置１２により加熱された第１の部分と、冷却装置１３により冷却された第２の部分との間の領域をできるだけ小さく設定することが望ましい。このためには、冷却水噴射ノズル１３ａを高周波加熱コイル１２ａに近接して配置することが望ましいことから、例えば、冷却水噴射ノズル１３ａを誘導加熱コイル１２ａの直後の位置に固定して配置することが望ましい。

高周波加熱コイル１２ａに給水孔を設け、高周波加熱コイル１２ａの冷却水を角管の冷却水として噴射することによって、位置Ｂ〜位置Ｃ間の距離を最小化することもできるし、水冷装置１３と併設することもできる。

また、角管１６の送り速度が遅い場合等は、水冷装置１３に換えて自然冷却手段を採用することもできる。
冷却手段１３は、以上のように構成される。

［せん断力付与装置１４］
せん断力付与装置１４は、角管１６の送り方向について第３の位置Ｃよりも下流の領域Ｄに配置される。せん断力付与装置１４は、角管１６を位置決めしながら二次元または三次元で移動する。これにより、せん断力付与装置１４は、角管１６における、加熱装置１２により加熱された第１の部分と、冷却装置１３により冷却された第２の部分との間の領域に、せん断力を与えて角管１６に加工を行う。

図１、２に示す例では、せん断力付与装置１４として上下一対のロール１７ａ、１７ｂを用いた。上下一対のロール１７ａ、１７ｂは、角管１６の外表面に接触することによって角管１６を位置決めしながら、図１中の矢印方向へ従動回転する。

上下一対のロール１７ａ、１７ｂは、図示しない支持枠によって、回転自在に支持される。支持枠は、支持枠を二次元または三次元に移動自在に保持する移動機構（同じく図示しない）により保持される。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明に係る製造方法を実施する状況を、経時的に示す説明図であって、角管１６を、図３（ｃ）、図１または図２に示す、微小な曲げ半径の曲がり部を有する屈曲部材２１へ加工する状況を経時的に示す。

図３（ａ）〜図３（ｃ）、図１および図２に示すように、上下一対のロール１７ａ、１７ｂは、加工の開始時には、図３（ａ）に示す位置（図１における一点鎖線により示す位置）である原位置に存在する。

角管１６に対する加工が開始されると、図示しない加工制御装置からの制御信号を入力された移動機構は、上述した原位置を起点として、角管１６の送り方向（図３（ａ）〜図３（ｃ）における左方向）、および、加熱装置１２により加熱された角管１６の長手方向における一の横断面と略平行な方向（図３（ａ）〜図３（ｃ）における下方向）の２方向が合成された方向（図３（ａ）〜図３（ｃ）における左斜め下方向）へ、図示しない支持枠により回転自在に支持された上下一対のロール１７ａ、１７ｂを移動させる。

これにより、上下一対のロール１７ａ、１７ｂは、送られる角管１６の外表面に当接しながら、上述した原位置を起点として、角管１６の送り方向（図３（ａ）〜図３（ｃ）における左方向）、および、加熱装置１２により加熱された角管１６の長手方向における一の横断面と略平行な方向（図３（ａ）〜図３（ｃ）における下方向）の２方向が合成された方向（図３（ａ）〜図３（ｃ）における左斜め下方向）へ、図１中の黒太矢印が示すように同時に移動する（図３（ｂ）参照）。

上下一対のロール１７ａ、１７ｂは、図３（ｃ）に示す位置（または図１における実線により示す位置）まで移動して、加工が終了する。
せん断力付与装置１４は以上のように構成される。

［第２の支持装置１５］
第２の支持装置１５は、角管１６の送り方向についてせん断力付与装置１４の設置位置よりも下流の領域Ｅにおいて、角管１６における加熱された部分にせん断変形を付与する。

図１〜３に示す製造装置１０による屈曲部材２１の製造が進行するにつれて、一対のロール１７ａ、１７ｂのみでは、角管１６における加熱された部分の変形は曲げ変形が主体となってしまう。そのため、もう一点を拘束することによって、図１〜３に示すようにせん断変形を与えることができる。

同時に、変形に伴いロール１７ａ、１７ｂを抜けた部分の重量が増加するため、その自重によってロール１７ａ、１７ｂを抜けた部分が、ロール１７ａ、１７ｂにより位置決めされた部分を支点として、変形するおそれがある。第２の支持装置１５は、角管１６の送り方向についてせん断力付与装置１４の設置位置よりも下流の領域Ｅに配置される。第２の支持装置１５は、角管１６におけるせん断力付与装置１４による曲げ加工を終了した部分を支持する。これにより、第２の支持装置１５は、角管１６の変形を防止して、高い寸法精度を有する屈曲部材２１を製造する。

角管１６の長手方向の一部における一の横断面は、加熱装置１２に加熱されて変形抵抗が大幅に低下する。このため、角管１６の送り方向について第３の位置Ｃよりも下流の領域Ｄにおいてせん断力付与装置１４を構成する上下一対のロール１７ａ、１７ｂの位置を、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照しながら説明したように三次元で移動することによって、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、角管１６における、加熱装置１２により加熱された第１の部分と、冷却装置１３により冷却された第２の部分との間の領域にせん断力Ｗｓを与えることができる。

角管１６は、このせん断力Ｗｓにより曲がり部２２ａを形成されて加工される。本発明では、特許文献１により開示された発明のように角管１６の加熱された部分に曲げモーメントを与えるのではなく、せん断力を与える。このため、図３（ｃ）中の拡大図にも示すように、曲げ半径ｒが例えば肉厚の１〜５倍であるといった、極めて小さい曲げ半径ｒの曲がり部２２ａを有する屈曲部材２１を製造することができる。

本発明では、角管１６は、第１の部分と第２の部分との間の領域にせん断力Ｗｓを与えられて加工される。このため、この曲がり部２２ａの内周側にしわの発生や断面形状の崩れに起因した寸法精度の低下を全く生じず、図１においてハッチングにより示す四箇所１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび１６ｄの断面形状が同一であるという極めて優れた寸法精度を有する。

本発明では、角管１６の屈曲部材２１への曲げ加工は、ダイレスで、かつ角管１６の内部に圧力を付与することなく行われるので、低コストで確実に実施される。
せん断力付与装置１４は、上下一対のロール１７ａ、１７ｂを、上述したように二次元または三次元で移動自在に配置することができる機構を介して、設置されればよい。そのような機構は特に限定を要さない。例えば、周知の産業用ロボットに装着したエンドエフェクターにより、ロール１７ａ、１７ｂの支持枠を保持するようにしてもよい。

図１〜３に示す例では、角管１６におけるせん断力付与装置１４による加工を終了した部分の先端の内部にチャック１８を挿入して配置する。そして、第２の支持装置１５は、垂直型の多関節産業用ロボット２０によって構成した。多関節産業用ロボット２０は、上記先端から外部に突き出たチャック１８を保持するエンドエフェクター１９をその手首軸に装着される。

第２の支持装置１５は、角管１６におけるせん断力付与手段１４による加工を終了した部分の変形を防止することができるものであれば、特定のものには限定されない。
本発明に係る製造装置１０は、以上のように構成される。次に、この製造装置１０により、本発明に係る屈曲部材２１を製造する状況を説明する。

図１〜３において、はじめに、鋼製の例えば長尺であってかつ中空の角管１６を、図示しない送り装置によりその長手方向へ相対的に送りながら、第１の位置Ａに配置された第１の支持装置１１により支持する。

次に、加熱装置１２により、送られる角管１６を部分的に急速に加熱する。角管１６の加熱温度は、角管１２を構成する鋼のＡｃ_３点以上とすることが望ましい。Ａｃ_３点以上とすることにより、後続して行われる冷却時の冷却速度を適宜設定することによって屈曲部材２１の曲がり部２２ａを焼入れことができるとともに、角管１６の第１の部分と第２の部分との間の変形抵抗を、所望の小さな曲げ半径を有する加工を行うことができる程度に十分に低下することが可能になる。

角管１６の送り方向について第２の位置Ｂよりも下流の第３の位置Ｃに配置された冷却装置１３の冷却水噴射ノズル１３ａから冷却水を、角管１６へ向けて噴射する。これにより、加熱された部分を第２の位置Ｂで冷却する。角管１６の鋼種にもよるが、この冷却時の冷却速度を１００℃／秒以上とすることにより曲がり部２２ａに焼入れを行ってその強度を高めることができる。

この冷却によって、角管１６に、加熱装置１２により加熱された第１の部分と、冷却装置１３により冷却された第２の部分とが形成される。角管１６の第１の部分と第２の部分との間は、高温状態にあってその変形抵抗が大幅に低下する。

角管１６の加工予定部の先端部が、せん断力付与装置１４の一対のロール１７ａ，１７ｂに到達した時に、ロール１７ａ，１７ｂを、その原位置を起点として図１〜３を参照しながら説明したように、角管１６の送り方向（図３（ａ）〜図３（ｃ）における左方向）、および、加熱装置１２により加熱された角管１６の長手方向における一の横断面と略平行な方向（図３（ａ）〜図３（ｃ）における下方向）の２方向が合成された方向（図３（ａ）〜図３（ｃ）における左斜め下方向）へ、図示しない支持枠により回転自在に支持された上下一対のロール１７ａ、１７ｂおよび第２の支持装置１５を移動させる。

角管１６におけるせん断力付与装置１４による加工を終了した部分は、角管１６の送り方向についてせん断力付与装置１４の設置位置よりも下流の領域Ｅに配置された第２の支持装置１５により支持される。このため、角管１６は変形することなく、所望の形状および寸法精度を有する屈曲部材２１が製造される。

このようにして、角管１６の第１の部分と第２の部分との間に、せん断力が与えられ、角管１６に加工が行われる。
この例では、加工時には常に第２の支持装置１５によって、角管１６におけるせん断力付与装置１４による加工を終了した部分が支持されている。このため、角管１６における一つの曲がり部２２ａについての加工が終了した時点で、一対のロール１７ａ、１７ｂのロールギャップを一旦開き、ロール１７ａ、１７ｂを上述した原位置へ復帰させ、角管１６における次の曲がり部に対する加工に備えることができる。

また、一対のロール１７ａ、１７ｂによる加工を行っている際や、この原位置への復帰の際等といった、一対のロール１７ａ、１７ｂによる曲げ加工を行っていない際に、第２の支持装置１５を２次元または３次元で移動することによって、角管１６の第１の部分と第２の部分との間に曲げモーメントを付与することによって、角管１６に比較的大きな曲げ半径の曲がり部も形成するようにしてもよい。

このようにして、図１中に二点鎖線で示すように、本発明により、鋼製の中空かつ長尺であって、閉断面形状を有するとともに長手方向へ一体に構成される本体２１ａを有するとともに、この本体２１ａに形成された、二次元または三次元に屈曲した曲がり部２２ａ、２２ｂを備え、この曲がり部２２ａ、２２ｂの曲げ半径ｒが例えば肉厚の１〜５倍以下といった、極めて小さい曲げ半径ｒの曲がり部２２ａを有する屈曲部材２１を製造することができる。

この屈曲部材２１は、この曲がり部２２ａ、２２ｂの内周側にしわの発生や、長手方向の任意の位置における断面形状の崩れに起因した寸法精度の低下を全く生じず、極めて高い寸法精度を有する。

屈曲部材２１は、中空の扁平閉断面形状を有することから軽量かつ小型であるとともに、上述したように冷却手段１３による水冷の開始温度および冷却速度を適宜調整して引張強度を例えば１５００ＭＰａ以上と大幅に高めることによって、いっそうの小型化、軽量化さらには高強度化を図ることもできる。

また、この屈曲部材２１は、上述したように冷却装置１３による水冷の開始温度および冷却速度を適宜調整して焼入れを行われることによって、その外表面に圧縮の残留応力が発生するため、疲労強度も向上する。

図４は、図４は、本発明に係る製造装置の他の構成例１０−１を、模式的に示す説明図である。
製造装置１０−１が、上述した製造装置１０と相違するのは、加熱装置１２を構成する誘導加熱コイル１２ａを角管１６に対して傾斜して配置し、これに伴って、冷却装置１３の冷却水噴射ノズル１３ａ、およびせん断力付与装置１４のロール１７ａ、１７ｂも、角管１６に対して傾斜して配置する点である。

図４に示すように、誘導加熱コイル１２ａ、冷却水噴射ノズル１３ａ、およびロール１７ａ、１７ｂを、角管１６に対して傾斜して配置することによって、角管１６の肉厚の減少を防ぐことができる。すなわち、図４において、加工前の角管１６の肉厚をｔとすると、通常の加熱コイルの設定で加工を行うと、肉厚はｔ・ｃｏｓθとなるが、誘導加熱コイル１２ａを傾斜させることにより加工後の肉厚をｔのままとすることができ、加工後の肉厚の減少を防ぐことができる。

図５は、本発明に係る製造装置のさらに他の構成例１０−２を、模式的に示す説明図である。
この製造装置１０−２が、上述した製造装置１０と相違するのは、一対のロール１７ａ、１７ｂを用いるのではなく、角管１６を把持または掴持する一対のクランプ装置１７ｃ、１７ｄを用いる点である。

この場合には、クランプ装置１７ｃ、１７ｄが、この角管１６に対する加工が終了する時まで、角管１６を把持または掴持し続けることとなる。このため、製造装置１０において用いた第２の支持装置１５を設ける必要がない。例えば、クランプ装置１７ｃ、１７ｄは垂直型の多関節産業用ロボットに保持されることが例示される。

以上の説明では、加工素材である角管１６をその長手方向へ送るとともに、第１の支持手段１１、加熱手段１２および冷却手段１３を、角管１６の送り方向に対して固定して配置する態様を例にとったが、これに限定されるものではなく、これとは逆に、加工素材である角管１６を固定して配置するとともに、第１の支持装置１１、加熱装置１２および冷却装置１３を、角管１６の長手方向に対して移動自在に配置するようにしてもよい。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本発明に係る製造装置のさらに他の構成例１０−３を、模式的かつ経時的に示す説明図であって、図６（ａ）は加工前を示し、図６（ｂ）は加工途中を示す。

この製造装置１０−３では、第１の支持装置１１は、２組の一対のロール２３ａ、２３ｂを有する。一対のロール２３ａ、２３ｂは、図示しない支持枠によって、回転自在に支持される。支持枠は、支持枠を二次元または三次元に移動自在に保持する産業用ロボット（同じく図示しない）により保持される。これにより、一対のロール２３ａ、２３ｂは、２組みのいずれとも、角管１６の軸方向を含む３次元の方向へ移動自在に配置される。

また、加熱装置１２の誘導加熱コイル１２ａ、及び冷却装置１３の冷却水噴射ノズル１３ａは、産業用ロボット２４により支持される。誘導加熱コイル１２ａは、素材１６の一対のロール２３ａ、２３ｂに対する相対的な送り方向（図６（ａ）、図６（ｂ）の左から右へ向かう方向）に関して、冷却水噴射ノズル１３ａの上流側に位置するように、配置される。これにより、誘導加熱コイル１２ａ、及び冷却水噴射ノズル１３ａは、角管１６の軸方向を含む３次元の方向へ移動自在に配置される。

せん断力付与装置１４は、角管１６をクランプしながら支持しながら移動する。せん断力付与装置１４は、産業用ロボット（図示しない）により支持されている油圧クランプにより構成される。これにより、せん断力付与装置１４は、角管１６を、軸方向を含む３次元の方向へ移動することができるように、配置される。

また、角管１６は、その軸方向へ固定配置される。なお、本例とは異なり、角管１６もその軸方向へ移動自在に配置されていてもよい。
このように、製造装置１０−３は、素材である角管１６を、その長手方向へ相対的に送りながら支持する第１の支持装置１１と、角管１６を加熱する加熱装置１２と、加熱装置１２により加熱された第１の部分よりも角管１６の相対的な送り方向の下流側に位置する第２の部分を冷却する冷却装置１３と、二次元または三次元の方向へ移動することによって第１の部分と前記第２の部分との間にせん断力を与えるせん断力付与装置１４とを備える。

この製造装置１０−３によれば、第１の支持装置１１、加熱装置１２、冷却装置１３及びせん断力付与装置１４を角管１６の軸方向に移動するとともに角管１６を固定することによって、角管１６を、角管１６を支持する第１の支持装置１１に対してその長手方向へ相対的に送る。そして、加熱装置１２によって素材を加熱するとともに、加熱装置１２により加熱された第１の部分よりも角管１６の相対的な送り方向の下流側に位置する第２の部分を冷却装置１３により冷却し、かつ、二次元または三次元の方向へ移動することによって第１の部分と第２の部分との間にせん断力を与えるせん断力付与装置１４を、二次元または三次元の方向へ移動することによって、角管１６に加工を行う。

このようにして、角管１６を固定して配置するとともに、第１の支持装置１１、加熱装置１２および冷却装置１３を、角管１６の長手方向に対して移動自在に配置することによっても、屈曲部材２１を製造することが可能である。

また、図１を参照しながら説明した、屈曲部材２１の本発明に係る製造工程は、極めて簡便であり、低コストで製造することが可能である。
なお、以上の説明では、純粋なせん断力による変形のみを角管１６に与える場合を例にとったが、本発明はこの態様には限定されない。すなわち、従来の曲げ変形にせん断力による変形を付加することにより、従来よりも小さな曲げ変形を得られるため、せん断力による変形成分を含む加工が本発明の対象である。

屈曲部材２１は、せん断力による加工時に同時に熱処理（例えば焼入れ）が行われて製造されるため、非特許文献３により開示された、冷間で剪断曲げ加工が行われその後に熱処理（例えば焼入れ）を行われて製造された屈曲部材に比較して、１５００ＭＰａ以上の高強度の部分を有する屈曲部材を、部分焼き入れにより高い加工精度で製造することができる。

本発明に係る製造方法により製造される屈曲部材２１は、例えば、以下に例示する用途（ｉ）〜（ｖｉｉ）に対して適用可能である。
（ｉ）例えば、フロントサイドメンバー、クロスメンバー、サイドメンバー、サスペンションメンバー、ルーフメンバー、Ａピラーのレインフォース、Ｂピラーのレインフォース、バンパーのレインフォース等といった自動車車体の構造部材
（ｉｉ）例えば、シートフレーム、シートクロスメンバー等といった自動車の強度部材や補強部材
（ｉｉｉ）自動車の排気管等の排気系部品
（ｉｖ）自転車や自動二輪車のフレームやクランク
（ｖ）電車等の車輛の補強部材、台車部品（台車枠、各種梁等）
（ｖｉ）船体等のフレーム部品、補強部材
（ｖｉｉ）家電製品の強度部材、補強部材または構造部材

非特許文献２にも開示されるように、中空の閉断面形状を有するとともに長手方向へ一体に構成される金属製の長尺の扁平な素材８ａに曲げ加工を行って屈曲部材８ｂを製造すると、曲げ加工を行われた部分において、断面の幅と高さが曲げ加工前の寸法から変化する。曲げ内周側にしわが発生するとともに断面形状が崩れ、これにより、屈曲部材８ｂの寸法精度が低下する。この寸法精度の低下の程度は、曲げ加工前の素材８ａの寸法（幅Ｗ_０、高さＨ_０、肉厚ｔ等）や、曲げ加工の条件（曲げ半径Ｒ、加熱幅ｂ等）に影響される。

角管１６の送り方向について第２の位置Ｂよりも下流の第３の位置Ｃに配置された冷却装置１３の冷却水噴射ノズル１３ａから冷却水を、角管１６へ向けて噴射する。これにより、加熱された部分を第３の位置Ｃで冷却する。角管１６の鋼種にもよるが、この冷却時の冷却速度を１００℃／秒以上とすることにより曲がり部２２ａに焼入れを行ってその強度を高めることができる。

図４は、本発明に係る製造装置の他の構成例１０−１を、模式的に示す説明図である。
製造装置１０−１が、上述した製造装置１０と相違するのは、加熱装置１２を構成する誘導加熱コイル１２ａを角管１６に対して傾斜して配置し、これに伴って、冷却装置１３の冷却水噴射ノズル１３ａ、およびせん断力付与装置１４のロール１７ａ、１７ｂも、角管１６に対して傾斜して配置する点である。

Claims (13)

1. 金属製の中空の素材を、その長手方向へ相対的に送りながら支持する第１の支持装置と、
   前記素材を加熱する加熱装置と、
   前記加熱装置により加熱された第１の部分よりも前記素材の相対的な送り方向の下流側に位置する第２の部分を冷却する冷却装置と、
   二次元または三次元の方向へ移動することによって前記第１の部分と前記第２の部分との間にせん断力を与えるせん断力付与装置と
   を備えることを特徴とする屈曲部材の製造装置。
2. 前記第１の支持装置、前記加熱装置及び前記冷却装置は、いずれも、固定配置され、かつ前記第１の支持装置は第１の位置に配置され、前記加熱装置は前記素材の送り方向について前記第１の位置よりも下流の第２の位置に配置され、前記冷却装置は前記素材の送り方向について前記第２の位置よりも下流の第３の位置に配置され、さらに、前記せん断力付与装置は前記素材の送り方向について前記第３の位置よりも下流の領域に配置される請求項１に記載された屈曲部材の製造装置。
3. 前記加熱装置は、前記素材の長手方向における一の横断面を加熱するとともに、前記せん断力付与装置は、前記加工の際に、前記素材の送り方向および前記一の横断面と略平行な方向の２方向について同時に移動する請求項１または請求項２に記載された屈曲部材の製造装置。
4. さらに、前記素材の送り方向について前記せん断力付与装置の設置位置よりも下流の領域で前記素材における前記せん断力付与装置による加工を終了した部分を支持する第２の支持装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された屈曲部材の製造装置。
5. 前記せん断力付与装置の位置決めは、前記素材をクランプすることによって行うことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された屈曲部材の製造装置。
6. 前記屈曲部材は、曲げ半径が肉厚の１〜５倍以下である曲がり部を少なくとも一つ有する請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された屈曲部材の製造装置。
7. 前記屈曲部材は、閉断面形状を有するとともに長手方向へ一体に構成される請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された屈曲部材の製造装置。
8. 金属製の中空の素材を、該素材を支持する第１の支持装置に対してその長手方向へ相対的に送りながら、加熱装置によって前記素材を加熱するとともに、前記加熱装置により加熱された第１の部分よりも前記素材の相対的な送り方向の下流側に位置する第２の部分を冷却装置により冷却し、かつ、二次元または三次元の方向へ移動することによって前記第１の部分と前記第２の部分との間にせん断力を与えるせん断力付与装置を、前記二次元または三次元の方向へ移動することによって、前記素材に加工を行うことを特徴とする屈曲部材の製造方法。
9. 前記第１の部分と前記第２の部分との間に焼入れを行う請求項８に記載された屈曲部材の製造方法。
10. 前記第１の支持装置、前記加熱装置及び前記冷却装置は、いずれも、固定配置され、かつ前記第１の支持装置は第１の位置に配置され、前記加熱装置は前記素材の送り方向について前記第１の位置よりも下流の第２の位置に配置され、前記冷却装置は前記素材の送り方向について前記第２の位置よりも下流の第３の位置に配置され、さらに、前記せん断力付与装置は前記素材の送り方向について前記第３の位置よりも下流の領域に配置される請求項８または９に記載された製造方法。
11. 金属製の中空の本体を有するとともに、該本体に形成された、二次元または三次元に屈曲した曲がり部を少なくとも一つ備え、前記曲がり部の曲げ半径は肉厚の１〜５倍以下であることを特徴とする屈曲部材。
12. 前記曲がり部は、前記曲がり部を形成する加工の際に加熱および冷却された部分である請求項１１に記載された屈曲部材。
13. 前記屈曲部材は、閉断面形状を有するとともに長手方向へ一体に構成される請求項１１または請求項１２に記載された屈曲部材。

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