WO2011034203A1 - 曲がり閉断面構造部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

プレス成形のみにより、長手方向に曲がり形状を有する多角形閉断面構造部品の製造方法を提供する。２枚の金属平板から曲がり閉断面構造部品を製造する方法であって、金属平板の長手方向に、多角形の曲がり形状に該当する部分に直線状または曲線状の折り目を成形するとともに、金属平板の幅方向両端部のうち少なくとも片側にフランジ部を成形するプレス成形工程と、前記プレス成形した２枚の金属平板のフランジ部同士およびフランジ部が無い端部同士を重ね併せて、重ね併せた部分を前記金属平板の長手方向に溶接して閉断面構造とする工程と、得られた閉断面構造の両端部を治具で固定し、閉断面構造の中心軸方向に圧縮し、プレス成形工程で成形された折り目を起点として、長手方向に湾曲した多角形閉断面構造とする工程とを有することを特徴とする曲がり閉断面構造部品の製造方法。

Description

曲がり閉断面構造部品およびその製造方法

　本発明は、曲がり形状を有する閉断面部品およびその製造方法に関する。

　自動車、家電等の分野において、２つの部品を別個に成形した後に、当該部品を接合して閉断面化した部品が知られている。従来から、曲がり形状を有したフランジ面積がミニマム化された閉断面構造部品を製造する方法としてはハイドロフォームやロールフォーミングが知られている。

　従来のハイドロフォーム技術では加工液を注入する前に全ての周縁部を溶接する必要があったが、特許文献には以下の方法が開示されている。

　特許文献１には、２枚以上の金属板の全ての周縁部を重ね合わせ溶接することなく、膨出加工におけるシール性に優れ、深絞り成形品を得ることができ、かつ複数部品を同時に成形できる生産効率に優れたハイドロフォーム加工装置、ハイドロフォーム加工方法およびハイドロフォーム加工製品が開示されている。

　特許文献２には、帯板を多段の成形ローラで略閉断面に成形するロールフォーミング工程と、突き合わせ部をカシメ用ローラでカシメ接合する工程と、得られた閉断面長尺材を帯板の移動方向に沿って多数の曲げローラで湾曲化する工程とからなる閉断面湾曲長尺材の製造方法が開示されている。

　特許文献３には、１枚の素材から閉断面形状の途中にねじれを有するプレス成形品を得ることを可能とし、軽量かつ高剛性のねじれ部を有する高品質の巻き断面プレス成形品を低コストで提供する技術が開示されている。

特開２００８−１１９７２３号公報 特開２０００−２６３１６９号公報 特開２００３−３１１３２９号公報

　特許文献１はハイドロフォーム技術に関する先行技術であり、従来は、加工液を注入する前に全ての周縁部を溶接する必要があったが、本技術では金属板のいずれか一方または両方に当接する板押え面に摺動シールと他方に当接する板押え面に非摺動シールとを備えることで、加工液が漏洩することなく成形可能となる技術である。本方法であれば、ハイドロフォーム前の溶接工程を省略することが可能であり、ハイドロフォーム後に成型品から加工液を抜き出すのに要する時間も短縮可能となる。しかしながら、本技術もハイドロフォーム成形を行うことには変わりがなく、設備コストが非常にかかる。また成形品を組立てるためには、結局溶接する必要があり、この場合は、溶接面の面精度が低くなるという問題がある。

　特許文献２はロールフォーミング技術に関する先行技術であり、閉断面湾曲長尺材をロールフォーミングにより成形し、突合せ部溶接を省略するために、長手方向の面にカシメ継手を形成する技術である。本技術は、閉断面化するための連続溶接を省略することが可能であり、従来のロールフォーミングに対してはコストダウンが可能であるが、ロールフォーミングに必要な多段の金型は必須であるため、設備コストを低減することは困難である。

　また、特許文献３は、プレス成形による工法を開示した技術である。本技術では、まず予成形としてブランク両端にフランジ部を成形し、ついで予成形形状部品よりも幅が狭く、最終形状に近い形状のダイに予成形品を押し込んで成形し、さらに最終工程で部品長手方向にねじり形状を有するダイに予成形品を押し込む成形方法である。この場合、縦壁部がストレートであるねじり形状の部品は成形可能であるが、縦壁部に曲面を有する形状の部品の場合は、フランジ成形後の予成形時にフランジ部が大きくうねる変形が発生するため、端面同士のつき合わせが不可能になるという問題がある。

　上述したように、従来の閉断面部品製造技術には、ハイドロフォーム技術やロールフォーミング技術が存在するものの、設備コストや製造コスト面からプレス成形に対して不利であり、またプレス成形技術での製造では断面形状の制約がある。

　本発明では、製造コストの課題を解決し、プレス成形のみにより、長手方向に曲がり形状を有する多角形閉断面構造部品の製造方法を提供することを目的とする。

　本発明は、プレス成形工程数の削減、部品精度向上を目的に２枚の金属平板を用いて、予成形、溶接した後に、圧縮曲げ成形を施すことにより曲面を有する閉断面構造部品の製造が可能となることを知見し、本発明に至った。

　本発明の要旨は以下の通りである。

　第一の発明は、２枚の金属平板から曲がり閉断面構造部品を製造する方法であって、金属平板の長手方向に、多角形の曲がり形状に該当する部分に直線状または曲線状の折り目を成形するとともに、金属平板の幅方向両端部のうち少なくとも片側にフランジ部を成形するプレス成形工程と、前記プレス成形した２枚の金属平板のフランジ部同士およびフランジ部が無い端部同士を重ね併せて、重ね併せた部分を前記金属平板の長手方向に溶接して閉断面構造とする工程と、得られた閉断面構造の両端部を治具で固定し、閉断面構造の中心軸方向に圧縮してプレス成形工程で成形された折り目を起点として長手方向に湾曲した多角形閉断面構造とする工程とを有することを特徴とする曲がり閉断面構造部品の製造方法である。

　第二の発明は、第一の発明に記載の製造方法において、プレス成形工程の後に、フランジ部をトリミングする工程を備えることを特徴とする曲がり閉断面構造部品の製造方法である。

　第三の発明は、第一の発明または第二の発明に記載の製造方法により製造された曲がり閉断面構造部品である。

　本発明は、従来の閉断面部品製造技術であるハイドロフォームやロールフォーミングと比較して、低コストで曲がり形状を有する閉断面構造部品を製造することが可能となる。また、本部品は低コストで曲がり形状を成形できるだけでなく、フランジミニマム化による軽量化や、溶接位置を部品本体位置に近づけることが可能なため、ねじり剛性をはじめとする剛性を向上させることが可能となる。さらに主として曲げ加工で所定の形状を得ることが可能であるため、超高張力鋼板による部品製造も容易となる。

本発明の曲がり閉断面構造部品の一例を示す図である。 本発明の製造方法を説明する図である。 本発明の製造方法を説明する図である。 本発明の製造方法を説明する図である。 発明例１の予成形の形状と成形後の断面形状を示す図である。 発明例２の予成形の形状と成形後の断面形状を示す図である。 発明例３の予成形の形状と成形後の断面形状を示す図である。 発明例４の予成形の形状と成形後の断面形状を示す図である。 比較例１の予成形の形状と成形後の断面形状を示す図である。

　本発明の製造方法について、以下に図を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態を示す曲がり閉断面構造部品の外観を示す図である。断面形状は、４角形で長手方向に曲がり形状を有しており、４角形の対角にフランジ部を有している。４角断面の一辺（各辺）の長さは３０ｍｍ、長手方向長さは３００ｍｍ、曲がり曲率半径は１０００ｍｍ、フランジ幅は５ｍｍである。

　次に、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）を用いて、曲がり閉断面構造部品の製造方法について説明する。
図２（ａ）に４角形の曲がり閉断面構造部品製造の第１工程である予成形工程を示す。本工程では、４角形を対角で２等分したブランクＡ、ブランクＢを２枚の金属平板から製造する。本実施の形態では４角形について述べるが４角形に限定されるものではなく、５角形、６角形等の多角形であっても良い。

　本予成形工程は、金属平板に４角断面の各頂点となる部位に予曲げを付与する工程である。
予曲げ時の金型のパンチ底で形成される曲げ線（α）は、最終工程である圧縮曲げ工程（第３工程）で曲がり形状となるように一定の曲率で成形される。

　また第２工程で溶接面となる部位（板幅端部のフランジ部）も曲げ線（β）が一定の曲率となるように成形される。本図において曲げ線（α）と曲げ線（β）の曲率と曲率中心は同じであるが、曲げ線（α）と曲げ線（β）の曲率を変化させたり、曲率中心位置を変化させることで曲がりとねじりを同時に付与した形状とすることもできる。また、本図はフランジ部を板幅端部の両側に形成した場合を示しているが、フランジ部は少なくとも板幅両端部の片側に形成すればよい。

　図２（ｂ）は、第１工程で予成形された金属平板を重ね併せて端部を溶接して一体化する第２工程を示す図である。前工程で予成形したプレス成形品２枚について、成形品を張出し側がそれぞれ外側となるようにして、押え工具（押さえ治具）を用いて成形品端部を固定し、両側の端部の曲げ線（β）近傍を溶接する。なお本図におけるフランジ幅は５ｍｍである。

　また、前工程で予成形したプレス成形品については、工具押え幅を残して板端部をトリミングし形状を整えてから、端部に溶接を施しても良く、この場合には、フランジミニマム化による部品軽量化を図ることが可能となる。

　また、本図はフランジ部が板幅端部の両側に形成された場合を示しているが、フランジ部が板幅端部の片側のみに形成された場合には、フランジ部のない端部についても、所定の押え治具（図示しない）により端部を固定して、その端部近傍を溶接することができる。なお、溶接方法は、特に限定する必要はなく、通常のスポット溶接、レーザ溶接、アーク溶接、ＴＩＧ溶接、シーム溶接等が挙げられる。また、溶接は、金属平板の長手方向に沿って、金属平板の端部の一部ないし全部を連続的に溶接することができる。

　図２（ｃ）は圧縮曲げにより製品形状を決める最終工程を示す図である。溶接線に沿った形状の掴み工具を用いて、溶接後の予成形品の両端のフランジ部をそれぞれ固定し、部品中心軸方向へ圧縮する。即ち、掴み工具間距離を縮めることで圧縮する。圧縮の進行と共に溶接部の断面角度は鈍角化し、同時に曲げ線（α）を中心とした曲げ部の断面角度は鋭角化する。圧縮は除荷後に規定した断面角度となるように圧縮量を調整する必要がある。

　本図は、フランジ部が溶接後の予成形品の両側に形成された場合を示しているが、フランジ部が予成形品の片側のみに形成された場合には、フランジ部のない端部についても、所定の掴み工具（図示しない）により端部を固定することにより、両端にフランジ部がある場合と同様に圧縮変形することができる。

　なお、本発明における閉断面構造部品の製造に適用される金属平板としては、鉄鋼材料、非鉄材料等の金属平板であればよく、鉄鋼材料の場合、通常の熱延鋼板、冷延鋼板、めっき鋼板（亜鉛系めっき、アルミ系めっき等）等が使用でき、軟質鋼板から超高張力鋼板のいずれも適用可能である。

　図３~７に４角形曲がり閉断面構造部品の予成形（第１工程）での形状を、種々変化させて成形し、曲げ線（β）部でレーザ溶接した後に、圧縮曲げを行って成形可否、溶接可否を評価した実施例を示す。素材には、板厚１．２ｍｍ、引張強度９８０ＭＰａ級の合金化溶融亜鉛めっき鋼板（ＧＡ）を用いた。なお亜鉛付着量（片面あたり）は４５ｇ／ｍ^２である。溶接は、出力３．８ＫＡのレーザ溶接を用いた。溶接速度は２．５ｍ／ｍｉｎである。

　予成形は、４角断面を対角で２等分した、ブランクＡ、ブランクＢについて行った。ブランクＡ、ブランクＢの具体例を図２（ｂ）、図２（ｃ）、図３~図７に示す。圧縮成形後の断面形状を図２（ｃ）に示す。長手方向から見た断面１、断面２の断面形状を、２つ重ねて図３~７の各図に示す。また曲げ線（α）、（β）は４角断面の角部となる部位に該当し、曲げ加工の基準線となる線である。さらに曲げ線（β）は、ブランクＡ、Ｂを重ねて溶接するときの溶接基準線でもある。

　Ｎｏ．１（発明例１）
　予成形の形状と成形後の断面形状を図３に示す。４角形断面の一辺（各辺）の長さは３０ｍｍ、長手方向長さは３００ｍｍ、曲げ曲率は１０００ｍｍである。フランジ幅は５ｍｍ（予成形後にフランジ部のトリミングは行っていない）である。
ブランクＡ、ブランクＢとも曲げ線（α）は曲げ線（β）と平行であり、ブランクＡとブランクＢとの全ての曲げ線は、同じ位置にある。

　Ｎｏ．２（発明例２）
　予成形の形状と成形後の断面形状を図４に示す。４角形断面（たこ形）の辺の長さは、長辺が４０ｍｍ、短辺が２０ｍｍ、長手方向長さは３００ｍｍ、曲げ曲率は１０００ｍｍである。フランジ幅は３ｍｍ（予成形後にフランジ部のトリミングは行っていない）である。
曲げ線（α）と曲げ線（β）とは同じ曲率であるが、曲げ線（α）は曲げ線（β）に対して傾いた形状となっているが、ブランクＡとブランクＢとの全ての曲げ線は、同じ位置にある。

　Ｎｏ．３（発明例３）
　予成形の形状と成形後の断面形状を図５に示す。４角形断面（長方形）の辺の長さは、長辺が４０ｍｍ、短辺が２０ｍｍ、長手方向長さは３００ｍｍ、曲げ曲率は１０００ｍｍである。フランジ幅は５ｍｍ（予成形後にフランジ部のトリミングは行っていない）である。
曲げ線（α）と曲げ線（β）とは同じ曲率であるが、曲げ線（α）は曲げ線（β）に対して傾いた形状となっており、さらに、ブランクＡ、ブランクＢにおける曲げ線（α）は傾き方向が逆方向となっている。従って、成形後断面形状は、断面１と断面２は左右が逆になっている。

　Ｎｏ．４（発明例４）
　予成形の形状と成形後の断面形状を図６に示す。４角形断面の一辺（各辺）の長さは３０ｍｍ、長手方向長さは３００ｍｍ、曲げ曲率は１０００ｍｍである。フランジ幅は５ｍｍ（トリミング後）であり、予成形後にフランジ部のトリミングを行なった。
Ｎｏ．１（発明例１）と同じく、ブランクＡ、ブランクＢとも曲げ線（α）は曲げ線（β）と平行であり、ブランクＡとブランクＢとの全ての曲げ線は、同じ位置にあるが、片方の曲げ線（β）の位置にはフランジが存在しない。従ってこの部位はブランクＡ、ブランクＢを重ね併せた後の全長溶接は、アーク溶接により接合した。

　Ｎｏ．５（比較例１）
　予成形の形状と成形後の断面形状を図７に示す。４角形断面の一辺（各辺）の長さは３０ｍｍ、長手方向長さは３００ｍｍ、曲げ曲率は１０００ｍｍである。本比較例では、ブランクＡ、ブランクＢともプレス成形で最終形状まで成形して、ブランクＡ、ブランクＢを重ね併せた後に、フランジ部を連続溶接して４角形閉断面とした。

　評価結果
　上述したＮｏ．１~Ｎｏ．５で作成した４角形曲がり閉断面構造部品について成形の可否と溶接の可否について評価を行った。
表１に評価結果を示す。評価結果は、○：成形可または溶接可、×：成形不可または溶接不可、で表示した。

　発明例１~４は何れの形状においても成形および溶接が可能であった。また成形後も溶接部にクラックや破断等の不具合は生じなかった。

　一方、比較例１では成形後の部品にねじれ、しわ、スプリングバックが発生し、寸法精度が非常に低いレベルであった。さらに、プレス成形後のフランジ部面の突合せ精度が低く、板重ね部に隙間が生じ、不溶接部が発生しレーザ溶接は不可能であった。よって、部品（自動車用部品等）としての耐久性は大幅に低下することとなった。

　本発明例では、４角形断面を、曲げ成形のみで成形するので、高張力薄鋼板の適用が可能である。例えば、レーザ溶接による連続溶接を行えば、フランジ部の幅は３~５ｍｍと狭くすることが可能であるので自動車部品への適用が可能である。自動車部品としては、例えば、フロントピラー、ルーフレール、ドアインパクトビーム等の補強部品等に適用が可能である。

　１　　閉断面構造部品の断面
　２　　閉断面構造部品の断面
　α　　予成形における曲げ線
　β　　予成形における曲げ線
　Ａ　　予成形品
　Ｂ　　予成形品

Claims (3)

1. 　２枚の金属平板から曲がり閉断面構造部品を製造する方法であって、金属平板の長手方向に、多角形の曲がり形状に該当する部分に直線状または曲線状の折り目を成形するとともに、金属平板の幅方向両端部のうち少なくとも片側にフランジ部を成形するプレス成形工程と、前記プレス成形した２枚の金属平板のフランジ部同士およびフランジ部が無い端部同士を重ね併せて、重ね併せた部分を前記金属平板の長手方向に溶接して閉断面構造とする工程と、得られた閉断面構造の両端部を治具で固定し、閉断面構造の中心軸方向に圧縮してプレス成形工程で成形された折り目を起点として長手方向に湾曲した多角形閉断面構造とする工程とを有することを特徴とする曲がり閉断面構造部品の製造方法。
2. 　前記プレス成形工程の後に、フランジ部をトリミングする工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の曲がり閉断面構造部品の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の製造方法により製造された曲がり閉断面構造部品。

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