JP2009274077A

JP2009274077A - 異形断面筒状部材のプレス成形方法とその方法により成形した異形断面筒状部材

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Publication number: JP2009274077A
Application number: JP2008124787A
Authority: JP
Inventors: Takasato Fukushi; 孝聡福士; Isao Anai; 功穴井; Yasushi Yamamoto; 康士山本; Hideyuki Nakamura; 英幸中村; Yoshiaki Kadoma; 義明門間; Naoki Hori; 直樹堀
Original assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2009-11-26
Also published as: KR20100123749A; KR101177219B1; EP2298465A1; EP2298465B1; WO2009139379A1; US20110121639A1; US8894080B2; CN101980804A; EP2298465A4; CN101980804B

Abstract

【課題】アクスルビーム等に使用される異形断面筒状部材のプレス成形方法とその方法により成形した異形断面筒状部材を提供すること。
【解決手段】上下一対の型間で鋼管を潰して断面Ｖ字状とした異形断面筒状部材のプレス成形方法であって、上型の先端部の曲率をＲ_１（ｍｍ）、この上型の先端部に対応する下型の底部の曲率をＲ₂（ｍｍ）、鋼管の板厚をｔ（ｍｍ）として、Ｒ_１、Ｒ_２、ｔが、下記の（１）、（２）式を満たすようにプレス成形するようにした。
Ｒ_１＋２ｔ＝Ｒ₂・・・・・（１）
１．５ｔ≦Ｒ_１≦３ｔ・・・・・（２）
【選択図】図１

Description

本発明は、アクスルビーム等の自動車用足廻り部材に用いられる異形断面筒状部材のプレス成形方法とその方法により成形した異形断面筒状部材に関するものである。

例えば、自動車の車輪間に配置されるアクスルビームや、その周辺のサスペンッション部材等の自動車用足廻り部材として、従来から異形断面筒状部材が広く使用されている。このような異形断面筒状部材は、走行中に繰り返して衝撃荷重やねじり荷重等を受けるため、高い強度とともに、高い疲労特性が必要である。一方、最近ではアクスルビーム等を複数の部材から成形せずに、１本の鋼管をプレス加工して成形するものが要求されるようになってきた。

そこで、特許文献１に示されるように、高強度の鋼管をプレス加工して異形断面形状とした中空構造のアクスルビームが提案されている。

しかしながら、特許文献１のアクスルビームは、材料強度を高めるために焼入れ等の熱処理を行っている。この結果、熱処理のためのコストがかかるという問題点や、更に酸化スケール防止のための雰囲気制御を必要としたり、脱スケール工程を必要とするため、よりコストが高くなるという問題点があった。
更には、熱処理を施すことによって製品精度が落ちて車体への組み付け作業性が低下するという問題点もあった。
特開２００１−３２１８４６号公報

本発明は上記のような問題点を解決して、特定の条件下でプレス成形することにより、従来のような焼入れ等の熱処理をしなくても疲労特性に優れたアクスルビーム等の異形断面筒状部材をプレス成形することができて、コスト削減および工程数の削減ができ、また製品精度を確保できて車体への組み付け作業性も向上させることができる異形断面筒状部材のプレス成形方法とその方法により成形した異形断面筒状部材を提供することを目的として完成されたものである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、上下一対の型間で鋼管を潰して断面Ｖ字状とした異形断面筒状部材のプレス成形方法であって、上型の先端部の曲率をＲ_１（ｍｍ）、この上型の先端部に対応する下型の底部の曲率をＲ₂（ｍｍ）、鋼管の板厚をｔ（ｍｍ）として、Ｒ_１、Ｒ_２、ｔが、下記の（１）、（２）式を満たすようにプレス成形することを特徴とするものである。
Ｒ_１＋２ｔ＝Ｒ₂・・・・・（１）
１．５ｔ≦Ｒ_１≦３ｔ・・・・・（２）

また、前記のような上下型を用いて、下死点までは上型の先端部と鋼管との間、および下型の底部と鋼管との間に隙間を有する状態でプレスし、次いで下死点では前記隙間が密着するようにプレスし、次いで型開き後にスプリングバックにより部材底部のＶ溝面に圧縮応力層を形成するようにするものであり、これを請求項２に係る発明とする。

また、本発明の異形断面筒状部材は、請求項１または２に記載のプレス成形方法により断面Ｖ字状にプレス成形される異形断面筒状部材であって、部材底部のＶ溝面にプレス成形後のスプリングバックにより形成される圧縮応力層を有することを特徴とするものである。なお、本発明の異形断面筒状部材は、自動車用足廻り部材に好適であり、これを請求項４に係る発明とする。

本発明では、上下一対の型間で鋼管を潰して断面Ｖ字状とした自異形断面筒状部材のプレス成形方法であって、上型の先端部の曲率をＲ_１（ｍｍ）、この上型の先端部に対応する下型の底部の曲率をＲ₂（ｍｍ）、鋼管の板厚をｔ（ｍｍ）として、Ｒ_１、Ｒ_２、ｔが、下記の（１）、（２）式を満たすようにプレス成形するようにした。
Ｒ_１＋２ｔ＝Ｒ₂・・・・・（１）
１．５ｔ≦Ｒ_１≦３ｔ・・・・・（２）
このように、上記のような式を満たす鋭角な型を用いてプレス成形することにより、プレス工程中において残留応力をコントロールできることを見出し、従来のように後工程で焼入れ等の熱処理をしなくてもプレス工程のみで、疲労損傷しやすい所定の位置に圧縮応力層を形成して高い疲労特性を得ることができることとなった。

また、請求項２に係る発明では、前記のような上下型を用いて、下死点までは上型の先端部と鋼管との間、および下型の底部と鋼管との間に隙間を有する状態でプレスし、次いで下死点では前記隙間が密着するようにプレスし、次いで型開き後にスプリングバックにより部材底部のＶ溝面に圧縮応力層を形成するようにしたので、プレス工程のみで容易に圧縮応力層を形成することができることとなる。

また、請求項３に係る発明では、請求項１または２に記載のプレス成形方法により断面Ｖ字状にプレス成形される異形断面筒状部材であって、部材底部のＶ溝面にプレス成形後のスプリングバックにより形成される圧縮応力層を有するものとしたので、高い疲労特性が得られて長寿命化を図ることができる。
なお、請求項４に係る発明のように、本発明の異形断面筒状部材を自動車用足廻り部材に適用した場合は、低コスト化および長寿命化が図れることとなる。

以下に、図面を参照しつつ本発明の好ましい実施の形態を示す。
図１は、一例として本発明のプレス成形方法により成形したアクスルビームを示すものであり、図２は図１のＡ−Ａ断面図を示すものである。このアクスルビームは、図２に示されるように、上下一対の型間で１本の鋼管を潰して断面Ｖ字状にプレス成形されている。
このアクスルビーム１においては、部材底部２のＶ溝面が疲労試験時に発生応力が高い部位であるため、この底部２のＶ溝面に圧縮応力層を有することが要求されており、この部位に圧縮応力層を設けることで疲労特性の向上を図っている。

本発明では、上下一対の型間で鋼管を潰して断面Ｖ字状とした異形断面筒状部材のプレス成形方法であって、上型の先端部の曲率をＲ_１（ｍｍ）、この上型の先端部に対応する下型の底部の曲率をＲ₂（ｍｍ）、鋼管の板厚をｔ（ｍｍ）として、Ｒ_１、Ｒ_２、ｔが、下記の（１）、（２）式を満たすようにプレス成形するようにした。
Ｒ_１＋２ｔ＝Ｒ₂・・・・・（３）
１．５ｔ≦Ｒ_１≦３ｔ・・・・・（４）
本発明においては、スプリングバック後のアクスルビーム底部のＶ溝面の残留応力を圧縮にすること、即ち、スプリングバックにより底部のＶ溝面に圧縮応力層を形成するためのプレス加工条件を規定している。

前記（３）式を満たすのは、プレス工程の下死点において板と型の隙間をなくすようにするために必要な条件である。また、後述するように、プレス成形中に型と被成形品である鋼管の所定位置との間に隙間を空けさせるためには、Ｒ_１≦３ｔが必要であり、一方、プレス成形中に成形割れしないようにするためには、１．５ｔ≦Ｒ_１が必要であるので、（４）式を満たすこととした。

以下に、本発明のプレス成形工程について説明する。
図３〜図５は、アクスルビーム底部におけるプレス成形工程の断面図を示すもので、図３は上型が下死点に至るまでのプレス成形工程の拡大断面図、図４は上型が下死点におけるプレス成形工程の拡大断面図、図５は型開き後におけるアクスルビーム底部の拡大断面図である。
なお、図において、１１はプレス型の上型、１２は下型である。また、１ａは母材である鋼管を上下間でプレス成形して２枚の板が圧接することとなった場合の上板、１ｂは下板である。

最初に、被加工物である鋼管を下型１２にセットし、上型１１を下降させて上下一対の型間で鋼管を潰して断面Ｖ字状のアクスルビームをプレス成形する点は、従来と基本的に同様である。そして、本発明は以下の点で特徴を有している。
図３に示されるように、上型１１が下死点に至るまでのプレス成形工程においては、上板１ａ、下板１ｂともに局率Ｒが小さくなる一般的な曲げ変形であるが、Ｖ字状の底部を形成する上１１と下型１２の局率Ｒは、（４）式に規制したように厳しい（小さい）ため、被加工物が型になじまずに曲げ過ぎが生じることとなる。この結果、上型１１の先端部と上板１ａの対応部分との間に隙間３が生じることとなる。また同様に、下型１２の底部両サイドの部分と下板１ｂとの間にも隙間４、４が生じることとなる。
そして、上型１１が下死点に至るまでは前記隙間３、４を有したままプレス成形が進行する。なお、この状態においては、上板１ａの底部のＶ溝面、および下板１ｂの底部のＶ溝面は圧縮応力状態となっている。

次いで、図４に示されるように、下死点では（３）式に規制したように、上下型間には隙間が空かない型設計となっているため、成形を続けると、上型１１の先端部と上板１ａの対応部分との隙間３、および下型１２の底部両サイドの部分と下板１ｂとの間に隙間４、４が埋まるような変形が加わることとなる。つまり、下死点においては底部２のＶ溝面に曲げ戻し変形(Ｒが大きくなる変形)を生じることとなる。
なお、この状態においては、前記隙間３、４が型により押し広げられる加工であり、上板１ａの底部のＶ溝面、および下板１ｂの底部のＶ溝面は引張応力状態となる。即ち、底部２のＶ溝面には、ともにＲが小さくなろうとする力が働いていることになる。

次いで、図５に示されるように、上型１１を上昇させて型の開放を行うと、下死点において底部２のＶ溝面には、Ｒが小さくなろうとする力が働いた状態となっているので、型を開放すると、Ｒが小さくなるようにスプリングバックする。この結果、アクスルビームの底部２のＶ溝面には、プレス成形後のスプリングバックにより形成される圧縮応力層を有するものとなる。

上記した実施形態では異形断面筒状部材の一例としてアクスルビームを示したが、その周辺のサスペンッション部材等の疲労特性を要求されるその他の自動車用足廻り部材にも広く適用できることは勿論である。また、鋼管材料は何ら限定されるものではなく、あらゆるものを対象とすることができ、本発明のプレス成形によればどんな鋼管材料であっても疲労特性を向上することが可能である。

以上の説明からも明らかなように、本発明のプレス成形方法によれば、発生応力の高い部位に圧縮残留応力を付与できるために、疲労寿命が大幅に向上することができ、また、従来方法では疲労寿命が持たないためにプレス成形後に焼入れ等の熱処理を実施して疲労寿命を確保していたが、本発明により熱処理無しでも疲労寿命が確保できるため、熱処理コストの削減及び工程の簡略化ができることとなる。更には、熱処理を廃止できるので製品精度も確保できるという利点もある。

表１に示すように、780MPa級の強度を有する鋼板で形成した鋼管を、本発明と本発明外のプレス成形方法により加工して図６のような断面Ｖ字状筒状部材を得た。プレス成形上型の先端部の曲率Ｒ_１（ｍｍ）、この上型の先端部に対応する下型の底部の曲率Ｒ₂（ｍｍ）、鋼管の板厚ｔ（ｍｍ）は、表１に示す通りである。なお表１の比較例中、本発明の範囲を逸脱している箇所には下線を引いた。また、プレス成形後の部材底部Ｖ溝面の残留応力を表１に示す。
前記筒状部材のＶ溝部の疲労特性を評価する為に、成形後に図６に示すように断面Ｖ字状筒状部材の長手方向中央部から、長さ20mmの輪切りにした試験片を採取し、採取した試験片を用いて図７のような疲労試験を行った。試験片を切断採取する際に長手方向の残留応力は解放されるが、周方向には拘束は保ったままの為、切断前後での試験片の底部Ｖ溝面の残留応力の値は、ほとんど変化がなかった。疲労試験は、図７のように、採取した試験片のＶ字状断面を固定側保持具２２と振動側保持具２３とで保持し、±500MPaの両振り応力がかかるように、一方の振動側保持具２３を振動器２４により周波数1Hzで図７の←、→で示す水平方向（Ｖ形状の幅が増減する方向）に振幅させた。この疲労試験結果のき裂発生回数を表１に示す。疲労き裂発生回数が１万回以上１０万回未満のもの（○印）、１０万回以上の更に優れた疲労寿命を有するもの（◎印）、１万回未満の疲労寿命を有するもの（×印）の３段階で評価した。
実施例１〜３から明らかなように本発明の異形断面筒状部材は、底部のＶ溝面に十分な圧縮残留応力が付与されており、疲労特性が大幅に向上していることが確認できた。

比較例１として、Ｒ_１が(2)式よりも小さい場合を示す。この場合は、曲率が小さすぎるために成形時にＶ底に割れが発生し、成形できなかった。
比較例２として、Ｒ_１が(2)式よりも大きい場合を示す。この場合は、曲率が緩やかなために、プレス工程で隙間がないまま常に材料が型に巻きついて成形されるために曲げ戻しがおきず、下死点でのＶ底(上板板外)の応力は圧縮となる。故にその後スプリングバックすると引張り残留応力となり、疲労特性が低下する。
比較例３、４として、Ｒ₂が(1)式を満たさない場合を示す。Ｒ₂が(1)式を満たさないということは、下死点でも材料と型との間の隙間が埋まらない事を意味し、充分な曲げ戻しが行われない事を意味する。つまり下死点では、Ｖ底は曲げの応力状態の圧縮である。故にその後スプリングバックすると引張り残留応力となり、疲労特性が低下する。
以上の結果から、本発明のプレス成形により成形した部材は圧縮残留応力が付与されているため、疲労特性に優れた異形断面筒状部材とできることが確認できた。

本発明に係るアクスルビームを示す斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の下死点に至るまでのプレス工程を示す断面図である。本発明の下死点におけるプレス工程を示す断面図である。本発明のプレス成形後におけるアクスルビーム底部を示す断面図である。断面Ｖ字状筒状部材におけるＶ溝部の疲労特性評価試験片の採取模式図である。疲労試験の模式図である。

符号の説明

１アクスルビーム
１ａ上板
１ｂ下板
２底部
３隙間
４隙間
１１上型
１２下型
２１疲労特性試験片
２２固定側保持具
２３振動側保持具
２４振動器

Claims

上下一対の型間で鋼管を潰して断面Ｖ字状とした異形断面筒状部材のプレス成形方法であって、上型の先端部の曲率をＲ_１（ｍｍ）、この上型の先端部に対応する下型の底部の曲率をＲ₂（ｍｍ）、鋼管の板厚をｔ（ｍｍ）として、Ｒ_１、Ｒ_２、ｔが、下記の（１）、（２）式を満たすようにプレス成形することを特徴とする異形断面筒状部材のプレス成形方法。
Ｒ_１＋２ｔ＝Ｒ₂・・・・・（１）
１．５ｔ≦Ｒ_１≦３ｔ・・・・・（２）
請求項１に記載の上下型を用いて、下死点までは上型の先端部と鋼管との間、および下型の底部と鋼管との間に隙間を有する状態でプレスし、次いで下死点では前記隙間が密着するようにプレスし、次いで型開き後にスプリングバックにより部材底部のＶ溝面に圧縮応力層を形成するようにした請求項１に記載の異形断面筒状部材のプレス成形方法。
請求項１または２に記載のプレス成形方法により断面Ｖ字状にプレス成形される異形断面筒状部材であって、部材底部のＶ溝面にプレス成形後のスプリングバックにより形成される圧縮応力層を有することを特徴とする異形断面筒状部材。
異形断面筒状部材が自動車用足廻り部材である請求項３に記載の異形断面筒状部材。