JP2005081421A

JP2005081421A - アルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法

Info

Publication number: JP2005081421A
Application number: JP2003318667A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Yoshida; 正敏吉田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: JP4102731B2

Abstract

【課題】曲げ内側に突出したフランジを有するアルミニウム合金中空形材であっても、その長手方向に二次元または三次元に湾曲した形状への曲げ加工が可能な、アルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法を提供することである。
【解決手段】曲げ内側に突出したフランジ7 を長手方向に亙って有するアルミニウム合金中空形材1 の曲げ加工方法であって、曲げ加工される前記中空形材1aと1bを二個、互いの前記突出フランジ7a、7b同士を突き合わせた形状に一体化させた形材を準備し、この一体化させた形材を曲げ加工した後に、この形材の前記突出フランジ7a、7b同士の突き合わせ部分13a において、二個の中空形材に各々分割することである。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のルーフサイドレール用などのアルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法に関するものである。

自動車の軽量化のために、車体のフレームに、アルミニウム合金の押出中空形材などを適用することが行なわ始めている。例えば、車体の両側にて前後方向に延在するルーフサイドレールに、アルミニウム合金の押出中空形材などを適用して軽量化するとともに、この中空形材に中リブ (内側壁部) を設けた断面日型形状として、衝撃吸収性を持たせることが提案されている。

自動車用フレームは、車体デザインあるいは他の車体部材との干渉を避けることなどを目的として、その長手方向に大きく二次元または三次元に湾曲した形状を有する。また、一般的に、パネル部材との接合を目的とし、接合用の突出（張出）フランジを、その長手方向に延在するように有するものが多い。

ルーフサイドレールを対象に一般的な形状を説明する。ルーフサイドレール10は、図7 の断面図を示すように、サイドメンバアウタパネル11端部との接合用の突出（張出）フランジ7 やルーフパネル13端部との接合用の突出（張出）フランジ8 を、その長手方向に亙って延在させて有する。

図7 に示したルーフサイドレール10におけるサイドメンバアウタパネル11端部との接合用の突出フランジ7 は、素材アルミニウム合金中空形材の曲げ加工の際に、その曲げ湾曲方向からして、ルーフサイドレールの曲げ内側 (曲げ内R)側に突出した突出フランジとなる。このため、ルーフサイドレール10における曲げ内側に突出したフランジ7 には、曲げ加工の際に、座屈によるしわが発生しやすい。

図10に素材アルミニウム合金中空形材の曲げ加工方式を示す。アルミニウム合金中空形材の曲げ加工では、プレス、マルチ、ストレッチ、図10に示すドローベンダーなどの加工装置が用いられることが多い。この中で比較的曲げ半径の大きな３次元曲げ加工には、マルチベンダーあるいはストレッチベンダーが使用され、比較的小半径の二次元曲げ加工についてはプレスあるいはドローベンダーが用いられることが多い。従来、曲げ半径方向に平行する突出フランジの場合には、素材アルミニウム合金中空形材1aの曲げ内側の突出フランジ7 の両側を金型で拘束しながら曲げ加工することが行なわれている。

しかし、突出フランジの角度が曲げ半径方向に対して角度を持つ場合、突出フランジの両側を完全に拘束することができず、後述する図11に示すように、曲げ加工後の中空形材乃至ルーフサイドレール10の突出フランジ7 にはしわA が発生する。このしわは、閉断面部に比較して端部が自由変形可能な突出フランジの方がはるかに発生しやすい。

ルーフサイドレール10の曲げ内側の突出フランジ7 にしわA が発生した場合、曲げ加工後に、このしわA の矯正作業が不可避となる。また、しわA が大きい場合には、矯正できずに、前記図7 に示した、サイドメンバアウタパネル11端部との水密な接合や、接合強度の保障ができなくなり、あるいは接合自体が不可能となる。この結果、アルミニウム合金中空形材のルーフサイドレールへの適用ができなくなる。これは、フロントサイドメンバの曲げ内側となる突出フランジなど、曲げ内側に突出フランジを有する他の車体フレームでも、共通して生じる問題である。

これに対して、このような曲げ内側に突出したフランジを有するアルミニウム合金中空形材の、フランジのしわ発生を防止した曲げ加工方法は、従来から種々提案されている。例えば、フロントサイドメンバの突出フランジにおいて、突出フランジの前記パネル部材との接合部などを除いて、他の突出フランジ部分に易変形部を設けてしわを発生させ、前記突出フランジの接合部の平坦度を確保する曲げ加工方法がある (特許文献１参照）。また、ドローベンディングなどにおける曲げ金型に発熱体を埋め込んで、突出フランジを含めて中空形材の曲げ部分を180 〜250 ℃に加熱して、曲げ加工を行ない、フランジのしわ発生を防止する曲げ加工方法がある (特許文献２参照）。
特開平7-328735号公報 (第1 〜2 頁、図1) 特開平8-99128 号公報 (第1 〜2 頁、図1)

しかし、上記特許文献１のような他の突出フランジ部分に易変形部を設けてしわを発生させる方法では、突出フランジにおける接合部の平坦度を確保すべき部分がごく一部の場合にのみ適用できる。即ち、この平坦度を確保すべき突出フランジ部分が長い場合やフランジの長手方向全面に渡る場合には適用できず、また部材全体として見た場合にも、しわの発生を根本的に抑制できていない消極的な解決策であると言える。

この点は、上記特許文献２でも同様であって、アルミニウム合金中空形材を180 〜250 ℃などに加熱して温間で成形した場合、アルミニウム合金成分によっては、時効硬化あるいは焼きなまし作用によって、中空形材の機械的性質が変化して車体フレームとして要求される特性を満たせず、更なる回復のための熱処理を必要とする可能性がある。また、この熱処理を含め、曲げ金型に発熱体を埋め込むこと自体、曲げ加工のコストの上昇を招く。そして、曲げ半径方向に平行なフランジ以外では、金型による拘束が不可能であり、適用できない。

これに対し、更に一般的な対策として、ストレッチベンダーを用い、形材長手方向に張力を加えながら曲げ加工する方法がある。しかし、アルミ材料の場合には、鋼板に比較して伸びが小さく破断しやすいという問題があり、十分にしわを抑制するほどの張力を掛けられない場合がある。

このため、その長手方向に大きく二次元または三次元に湾曲した形状を有するルーフサイドレールなどの自動車フレームであって、曲げ内側に突出したフランジを有するアルミニウム合金中空形材では、曲げ加工が困難乃至不可能な場合には、しわの発生を許容せざるを得ないか、しわが発生しない形状への設計変更が必要となる。そして、これらの問題は、自動車フレームへのアルミニウム合金中空形材の採用拡大を妨げる大きな要因となる。

この点に鑑み、本発明は、自動車のルーフサイドレール用など、曲げ内側に突出したフランジを有するアルミニウム合金中空形材であっても、その長手方向に二次元または三次元に湾曲した形状への曲げ加工が可能な、アルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法を提供することを目的とする。

この目的のための本発明アルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法の要旨は、曲げ内側に突出したフランジを長手方向に亙って有するアルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法であって、曲げ加工される前記中空形材を二個、互いの前記突出フランジ同士を突き合わせた形状に一体化させた形材を準備し、この一体化させた形材を曲げ加工した後に、この形材の前記突出フランジ同士の突き合わせ部分において、二個の中空形材に各々分割することである。

前記した通り、曲げ内側に突出したフランジを有するアルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法において、個々のアルミニウム合金中空形材を各々曲げ加工する技術は公知である。しかし、本発明のように、曲げ内側に突出したフランジを有するアルミニウム合金中空形材同士を、互いの突出フランジ同士を突き合わせた形で一体化された形材を曲げ加工し、その後形材を二つの中空形材に各々分割して各々ルーフサイドレール用などに使用するという発想は従来無い。

上記突出フランジ同士を斜めに突き合わせた形で、二つの中空形材同士を一体化させた形状の形材とするのは、曲げ内側となる互いの突出フランジ同士を一体化させることで、曲げ加工の際の突出フランジの座屈限界応力を向上させ、曲げ内側となる突出フランジにしわが発生することを防止する、という技術思想に基づく。

突出フランジの座屈限界応力σ_cは、σ_c×r ∝k(t/b)²で表せる。但し、r:曲げ半径、k:座屈係数、t:突出フランジ肉厚、b:突出フランジ板幅である。

突出フランジの座屈限界応力σ_cを高めるためには、この式の内、曲げ半径r 、座屈係数k 、突出フランジ肉厚t などを大きくするか、突出フランジ板幅b を小さくする。しかし、突出フランジ肉厚t 、突出フランジ板幅b などは、車体のルーフサイドレールやフロントサイドメンバなどのフレームの設計によって定まるものである。

また、形材に加わる圧縮応力を低減させるために、（１）張力を加える、あるいは（２）曲げ半径ｒを増大する方法もある。しかし、この（１）の方法では、前記００１４で示したように破断の危険性が大きくなる。一方（２）の方法は、前記した肉厚ｔ、幅ｂと同様に、曲げ半径ｒはフレームの設計によって定まるものである。したがって、曲げ半径r 、突出フランジ肉厚t 、突出フランジ板幅b などを、突出フランジのしわ発生防止の観点から制約することは、この設計の自由度を制約することにつながり、これら自動車フレームへのアルミニウム合金中空形材の採用拡大を妨げ、好ましくない。

このため、本発明者は、上記座屈限界応力σ_cの式の内の座屈係数k を大きくすることに注目した。そして、突出フランジ同士を互いに突き合わせて二つの中空形材同士を一体化させれば、曲げ内側となる突出フランジを閉断面化でき、この突出フランジの座屈係数k を大きくできることを知見した。因みに、本発明者の解析によれば、前記突出フランジ同士の接合によって、突き合わされた突出フランジ同士のなす角度が135 以下の角度である場合に、突出フランジの座屈係数k を、弾性座屈条件下で、単体の (個々の) 突出フランジの場合の座屈係数k の約5 倍大きくすることができる。

この突出フランジの座屈係数k を大きくすることで、曲げ加工の際の曲げ内側となる突出フランジの座屈限界応力σ_cを大きくすることが出来る。これにより、曲げ内側の突出フランジにしわを発生させずに、素材アルミニウム合金中空形材の通常の曲げ加工を行なうことができるに十分な値である。そして、この突出フランジ同士を一体化して突出フランジの座屈係数k を大きくする手法は、車体のルーフサイドレールやフロントサイドメンバなどのフレームにおいて通常設計される、あるいは通常使用される、曲げ半径r 、突出フランジ肉厚t 、突出フランジ板幅b の範囲などにおいて効果があり、広く適用できる。

但し、上記突出フランジ同士を一体化して、突出フランジの座屈係数k を大きくする効果の発揮は、互いに突き合わされた突出フランジ同士のなす角度 (内側の角度) と、曲げ金型による曲げ内側からの拘束状態とによって、大きく影響される。即ち、互いに突き合わされた突出フランジ同士のなす角度は、好ましくは135 以下の角度とする。この場合、突出フランジ同士は互いに斜めに突き合わされる。

二つの中空形材が一体された形材は、車体フレームの設計形状が二次元の湾曲形状であれば (更なる曲げ加工が必要なければ) 、この曲げ加工の後に、一体されたフランジの接合部( 突き合わせ部) で切断して、二つの中空形材に各々分割され、各々車体のルーフサイドレールやフロントサイドメンバなどのフレームとして使用される。特にプレスあるいはストレッチベンダー、ドローベンダーでの曲げ加工の場合には、部品２個を同時に生産するとともに、曲げ加工金型を利用して、曲げ加工後直ちに切断することで、加工時間を短縮することも可能である。

また、車体フレームの設計形状が三次元の湾曲形状をしているなど、この曲げ加工の後に更なる曲げ加工が必要な場合には、以下の曲げ加工を行なう。即ち、曲げ内側となる突出フランジにしわが生じる可能性がある方向への曲げ加工を、二つの中空形材に各々分割せずに、一体させた中空形材のままで行い、その後、他方向への曲げ加工することでしわの無い製品を得ることが可能となる。

なお、中空形材が二次元の曲げ形状であっても、突出フランジの接合角度が十分に取れない場合、後述する２回の曲げ加工を行うことで、製品形状（曲げ半径ｒ、肉厚ｔ、フランジ幅ｂ) の変更なしに、しわの無い製品を得ることが可能である。

以下、本発明の実施態様について図面を参照して具体的に説明する。先ず、これら二つの中空形材の前記突出フランジ同士を互いに斜めに突き合わせて接合した形状を有するように一体化させたアルミニウム合金形材と、その形材の準備 (製作方法) について以下に説明する。

図1 、2 は本発明の一体化させた素材アルミニウム合金形材の一例を各々示す形材の断面図である。これらの図1 、2 の態様では、互いに左右対称となる断面形状の中空形材1aと1bとの、各々の曲げ内側となる突出フランジ7aと7b同士を、互いに斜めに突き合わせて、突き合わせ部13a 、13b において接合し、一体化させた態様を示している。これら中空形材1aと1bとが、各々個別にも曲げ加工したい、曲げ加工の対象となる中空形材である。なお、中空形材1aと1bとは、後述する押出中空形材など、その長尺な長手方向に渡って同一断面形状を有する。

ここで、個々の中空形材1aと1bとの断面形状は、縦壁2(2a、2b) 、3(3a、3b) と、横リブ4(4a、4b) 、5(5a、5b) とから構成される外周形状と、中リブ6(6a、6b) によって中央部が仕切られた二つの中空部 (中空空間)9、9 を有する。中空形材1a（1bも同じ）の断面の各々の全体形状は、互いに外側に張り出した二つの縦壁2aと3a、これらをつなぐ互いに平行な二つの横リブ (上下横壁)4a と5a、中空部9 から構成される略6 角形形状を有する。ここで、縦壁2aと3aとは互いに中リブ6aによって補強されている。

そして、中空形材1aと1bの縦壁3aと3bとから、突出フランジ7aが図の右下に向かって、また、突出フランジ7bが図の左下に向かって、各々対称に外方に張り出している。また、中空形材1aと1bの縦壁2aと2bから、突出フランジ8aが図の左上に向かって、突出フランジ8bは図の右上に向かって、各々対称に外方に張り出している。

図1 の態様では、アルミニウム合金中空形材1aと1bとは、突出フランジ7aと7b同士が、斜めに、かつ互いに先端部において、突き合わされて、直接突き合わせ部 (先端部)13a において互いに接合され、一体化された態様を示している。

これに対して、図2(a)のアルミニウム合金中空形材1aと1bとの態様では、互いの突出フランジ7aと7b同士が斜めに突き合わされているまでは、図1 の態様と同じである。ただ、このフランジ7aと7b同士が、一定の幅を有する平坦な直線状の突き合わせ部13b を介して接合され、一体化された態様を示している。この図2(a)の態様の場合、ルーフサイドレールなどの最終フレーム形状設計によって、突出フランジ7aと7b同士の突き合わせ角度θが前記図1 の態様よりも小さい場合である。

このような場合には、前記図1 の態様のように、フランジ7aと7b同士を本発明にしたがって直接突き合わせた場合、中空形材1aと1bとの本体同士が互いに重なり合ってしまい、直接には突き合わせできない。したがって、このような場合には、中空形材1aと1bとの本体同士の間隔を開けて、重なり合いを防止するために、一定の幅を有する平坦な直線状の突き合わせ部13b を介してフランジ7aと7bを接合する。この場合、突出フランジ7aと7b同士の突き合わせ角度θは、互いのフランジ7aと7bの延長線 (点線) のなす角度となる。このように突出フランジ7aと7b同士を一体化させることで、曲げ加工の際の突出フランジの座屈限界応力を向上させ、曲げ内側となる突出フランジにしわが発生することを防止できる。

このような本来自由端となる突出フランジの先端同士を互いに接合することで、一体化した突出フランジ7a、7bはそれぞれ個々の板として変形するため、平板状の個々の突出フランジ7aと7bの状態での曲げ加工の場合に比して、突出フランジの座屈係数k を約5 倍以上に、著しく大きくできる。

この際、互いに斜めに突き合わされて一体化された突出フランジ7aと7b同士の突き合わせ角度θ (突き合わされた突出フランジ7aと7bとの同士のなす内側の角度) が135 度以下の場合には、一体化した突出フランジ7aと7bがそれぞれ個々の板として変形する効果を高めることができる。このため、突出フランジの座屈係数k を大きくするためには、前記角度θを135 度以下とすることが好ましい。

一方、突出フランジ7aと7b同士の突き合わせ角度が、135 度よりも大きい場合には、突出フランジ7aと7bとが一枚のフランジとして変形しやすくなる。例えば、突き合わせ角度θが180 度の場合、突出フランジ7aと7b同士は平行乃至面一に一体化されるため、突出フランジ7aと7bは一枚の幅の広いフランジ面（フランジ幅２ｂ）を形成することになる。

ここで、部材乃至部品の座屈限界応力は、前記したｋ×（ｔ／ｂ）²に依存するため、座屈係数ｋが約５倍以上となっても、フランジ幅が２倍になることで、その効果はほぼ相殺されてしまう。したがって、一体化された突出フランジ7aと7b同士の突き合わせ角度θは、中空形材1aと1bとの本体同士が接触しないように考慮する必要はあるが、135 度以下の角度とすることが好ましい。

この突出フランジ7aと7b同士および個々の中空形材1aと1b同士の一体化は、個々の中空形材1aと1bとを、押出などによって、別々に製作した上で、各々の曲げ内側となる突出フランジ7aと7b同士を突き合わせ部13a において、FSW や、スポット、TIG 、MIG などの溶融溶接により長手方向に接合し、一体化させも良い。ただ、この方法では、上記溶接による接合工程が増す不利がある。このため、押出によって、互いに左右対称となる断面形状の中空形材1aと1bとが予め一体化された図1 、2 の全体形状の形材を得る態様の方が好ましい。

この一体化された押出形材の製造自体は、鋳塊鋳造、均質化熱処理、熱間押出、調質熱処理等を、主要工程とする常法により適宜製造される。このような押出による形材を使用することにより、設計あるいはデザイン上、図1 、2 のように、本発明の一体化させた素材アルミニウム合金形材の断面が複雑な形状の場合であっても、容易に、かつ効率的に製造することが可能となる。

曲げ加工の際の曲げ外側となる突出フランジ8aと8bについては、曲げ加工の際に、引張応力が作用するため、座屈変形は生じず、本発明の対策を施す必要は無い。

この図1 、2 の態様では、互いに左右対称となる断面形状の中空形材1aと1bとが、曲げ加工後、各々、車体の左右に存在する各々のルーフサイドレールとなる。突出フランジ7aと7bとは、曲げ加工の際の曲げ内側となり、前記図7 にルーフサイドレールの使用態様を示したように、曲げ加工後に、サイドメンバアウタパネル11端部との接合用の突出フランジとなる。また、突出フランジ8aと8bとは、曲げ加工の際の曲げ外側となり、曲げ加工後に、ルーフパネル13端部との接合用の突出フランジとなる。なお、図7 において、12は各々上記接合用の、接着剤や機械的な接合手段を示す。

これら個々のアルミニウム合金中空形材の断面形状は、この図1 、2 の態様に限定されるものではなく、車体のルーフサイドレールやフロントサイドメンバなどのフレームの設計によって各々定まる。例えば、素材アルミニウム合金中空形材の全体断面形状は、図1 、2 の略6 角形形状の他に、口形、多角形などの中空構造が適宜選択される。また、中空構造内に補強用の中リブを、断面形状が日形 (図1 、2 の態様) 、目形、田形等になるように、適宜入れることができる。

一体化させる個々のアルミニウム合金中空形材の断面形状は、車体フレームに応じて、必ずしも、図1 、2 の態様のように互いに左右対称、あるいは同じ断面形状でなくとも良い。一体化させる中空形材同士の断面形状や大きさは, 得たい車体フレームや、曲げ工程の生産効率などに応じて、適宜変えることができる。更に、一体化させるアルミニウム合金中空形材の一方が製品対象とならないダミー材であっても良い。

中空形材同士を一体化させた形材のドローベンディングなどによる曲げ加工の態様を以下に説明する。図3 (a) は一体化させた図1 の形材を曲げ加工しようとする態様を示す斜視図、図3(b)は図3 (a) の側面図、図3(c)は一体化させた形材を曲げ加工している態様を示す斜視図である。

図3(a)〜図3(c)において、中空形材1aと1bとを一体に押出して予め一体化させた図1 の直線状の形材は、予め中空形材1aと1bとの設計上の湾曲度 (曲げ加工度) に対応して湾曲した金型20に押しつけられて、曲げ加工される。図3(a)に示すように、曲げ加工の際に、一体化させた形材の内の曲げ内側となる各部位、即ち、一体化させたフランジ7a、7bと、このフランジ近傍の中空形材部分である中空形材1aの縦壁3aと下側の横壁5a、中空形材1bの縦壁3bと下側の横壁5bとが、金型20によって、曲げ内側から拘束される。

ドローベンダーのクランピングダイ (クランプ金型)20 は、20a 、20b の左右の金型に分割されている。そして、左右の金型20a 、20b は、フランジ7a、7bの外形状に対応する拘束部分22 (拘束斜面もしくは拘束曲面) 、中空形材1aの縦壁3aと下側の横壁5aの外形状に対応する拘束部分21( 拘束斜面もしくは拘束曲面) を各々有する。C は、後述する中空形材1aと1bとの分離 (分割) のために、シャー切断刃が入る (下降する) 、左右の金型20a 、20b 間の隙間である。本態様では、隙間C を、金型20を分割することで設けているが、必ずしも金型20を分割する必要はなく、シャー切断刃が入るスペースが確保できれば良く、隙間C を金型20に刻んた溝状としても良い。

図3(c)において、23はベンディングダイである。なお、図3(a)〜図3(c)において、ベンディングダイ23とともに、かつ、ベンディングダイ23の反対側から中空形材を拘束するプレッシャーダイの図示は省略している。

この際、突出フランジ7a、7bのしわ発生を抑制するために、曲げ加工の際に、一体の形材において曲げ内側となる突出フランジ7a、7bの面 (下面) と、これに対応する金型20の面22とが接触することが好ましい。即ち、図3(a)〜図3(c)の態様では、突出フランジ7a、7bのしわ発生を抑制するために、曲げ加工の際に、突出フランジ7a、7bの面 (下面) と接触する面22を、金型20に設けている。

本発明においては、特に突出フランジ7a、7bの形状に対応した形状の金型が必要であること以外には、素材アルミニウム合金形材の変更のみで実施可能である。即ち、通常の曲げ加工方法が採用でき、条件や曲げ部設計条件が適用できる利点を有する。上記ドローベンダー以外でも、ストレッチベンダーやマルチベンダーなどが適宜適用でき、プレッシャーダイ、把持 (クランピング) ダイ、供給 (フィーディング) ダイなどとの共動で、一体化させた形材が曲げ加工できる。このような曲げ加工の際には、図3(c)に示すような中立軸を有する。

この曲げ加工の後に、車体フレームの設計形状が二次元の湾曲形状であれば (更なる曲げ加工が必要なければ) 、前記図3 の曲げ加工の後に、形材が切断 (分割) される。この際、図4 に断面図を示すように、形材は、一体化されたフランジ7a、7bのフランジの突き合わせ部13a (接合部) において切断され、二つの中空形材1a、1bに各々分割される。そして、車体のルーフサイドレールやフロントサイドメンバなどのフレームとして使用される。この切断は、垂直方向から、カッターあるいはシャーなどの適宜の切断手段、例えばシャー切断刃24によって行なわれる。

これら二つの中空形材へ各々分割するに際し、前記図1 の態様では、突出フランジ7aと7b同士の突き合わせ部13a において、適宜の切断手段で切断されて分割される。また、図2 の態様では、突出フランジ7aと7b同士の間に介在する直線状の突き合わせ部13b(不要な) を除去するために、突出フランジ7aと7bの先端部の各々2 箇所において、例えば、点線14で示すように、適宜の切断手段で斜めに切断されて、分離、分割される。

このように、本発明では、曲げ加工の後の一体させた形材の分割工程が余分に必要となる。しかし、フレーム製作工程において大きな工程部分を占める曲げ加工工程においては、2 個のアルミニウム合金中空形材の曲げ加工を同時に行なうことができて、逆に効率化が図れる。このため、全体としてのフレーム製作製作工程を却って効率化できる利点もある。

車体フレームの設計形状が三次元の湾曲形状など、更なる曲げ加工が必要な場合には、上記切断、分割の後、所定方向に更なる曲げ加工を行なう。なお、この2 工程目の曲げ加工と、前記した図3 で説明した謂わば 1工程目の曲げ方向や、曲げ加工順序については、曲げ内側となる突出フランジのしわ発生可能性を考慮して、適宜選択される。

図5(a)に、前記1 工程目の曲げ加工および分割後の一方の形材1aであって、更に2 工程目の曲げ加工を施される形材1aを斜視図で示す。また、図5(b)に、この形材1aの 2工程目の曲げ加工を断面図で示す。図5(a)において、図の上方に立ち上がる実線が2 工程目の曲げ加工方向であり、図の上方に立ち上がる点線が2 工程目の形材の曲がり方向である。

図5(b)に示す形材1aの 2工程目の曲げ加工は、図5(a)の2 工程目の曲げ加工方向に対し、形材1aの突出フランジ7aに圧縮応力が加わらないように、曲げ加工している態様を示している。即ち、図5(a)の2 工程目の曲げ加工方向においては、形材1aの突出フランジ7aに圧縮応力が加わるため、金型25端部の面25a を突出フランジ7aに接触させて曲げ加工している。2 工程目の曲げ加工方向が、形材1aの突出フランジ7aに圧縮応力が加わらない方向であれば、金型による接触なしに、突出フランジ7aを自由な状態で曲げ加工してもしわ発生は抑制される。

これら中空形材の車体フレームに応じた要求特性を満足するアルミニウム合金としては、通常、この種構造部材用途に汎用される、AA乃至JIS 規格で規定される、あるいはこれら規格に含まれる、5000系、6000系、7000系等の耐力の比較的高い汎用合金であって、O 、T4、T5、T6、T7などの調質アルミニウム合金から選択して用いられる。

図1 に示した本発明形材 (中空形材1aと1bとを一体化させた形材) と、図10に示した通常の (従来の) 単一の中空形材1aとを二次元方向に曲げ加工した際の、しわ発生状態をFEM 解析により比較した。解析の前提となる、中空形材1aの各部の長さや肉厚を図9(a)に示す。なお、図9(a)には中空形材1aの各部の肉厚のみを示し、本発明形材の中空形材1b側の各部の肉厚は、中空形材1aの対応する各部と同じである。また、ここでは、しわ発生状態を、突出フランジ7 先端の肉余り量で評価した。この肉余り量は、図9(b)に示すように、突出フランジ7 先端の設計線長さL₀と、曲げ加工後の実際の長さL との比較により、次式で表されるパラメータとした。
肉余り量(%)=[(L₀−L)/L] ×100

この際、曲げ内側半径Ｒｉを種々変えた時の肉余り量を算出するため、曲げ加工には、金型を変更せずに曲げ半径を可変とできるマルチベンダーを想定した。また、解析には汎用の動的陽解法ソフトLS-DYNA3d を用いて計算した。この計算では、可動型と固定型間の曲げ加工を想定し、形材を均等曲げした時の変形形態を調査した。供試材は、6062アルミニウム合金のT1、T5との2 種類の調質材を想定した。

突出フランジ7 先端の肉余り量と曲げ半径との関係を図8 に示す。図8 の縦軸がしわの発生程度を表す上記肉余り量(%) 、横軸が曲げ半径Ri(mm)である。図8 の4 つの曲線は、細線が従来法、太線が本発明法を表し、白丸印と黒丸印とが従来法と本発明法の6062アルミニウム合金T1材、白四角印と黒四角印とが従来法と本発明法の6062アルミニウム合金T5材、である。そして、図8 において、縦軸の肉余り量が0%の場合が、曲げ加工によっても突出フランジ7 にしわが発生していないことを示している。

図8 に示すように、本発明方法は、より高強度の6062-T5 材 (黒四角印の太線) でも曲げ半径が550mm まで小さくなっても、また6062-T1 材 (黒丸印の太線) では曲げ半径が450mm まで小さくなっても、肉余り量が0%であって、曲げ加工された中空形材の突出フランジ7 には、しわが殆ど発生していない。

これに対し、通常の単一の中空形材の曲げ加工では、6062-T5 材 (白四角印の細線) でも、6062-T1 材 (白丸印の細線) でも、曲げ半径が750mm と大きくても肉余り量が1 〜3%生じ、しわが発生している。そして、このしわ発生の傾向は曲げ半径が小さくなるほど顕著となる。したがって、本発明による曲げ内側となる突出フランジ7 の座屈限界応力向上効果が裏付けられる。

本発明によれば、ルーフサイドレールなどの車体フレームの曲げ内側となる突出フランジにしわA が発生しないため、曲げ加工後の、しわの矯正作業が不要となる。また、前記図7 に示した、サイドメンバアウタパネル11端部との水密な接合や、接合強度の保障ができる。これらの効果は、フロントサイドメンバなど、曲げ内側に突出フランジを有する他の車体フレームでも同じである。

以上説明したように、本発明によれば、自動車のルーフサイドレール用など、曲げ内側に突出したフランジを有するアルミニウム合金中空形材であっても、その長手方向に二次元または三次元に湾曲した形状への曲げ加工が可能な、アルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法を提供できる。したがって、自動車フレームなどへのアルミニウム合金の用途の拡大を図れる。

本発明の一体化させた素材アルミニウム合金形材の一例を示す断面図である。本発明の一体化させた素材アルミニウム合金形材の一例を示す断面図である。本発明のドローベンディングによる曲げ加工の一態様を示し、図3 (a) は斜視図、図3 (b) は断面図である。曲げ加工後の形材の切断の態様を示す断面図である。第二の形材の曲げ加工を示す断面図である。本発明によって曲げ加工されたアルミニウム合金中空形材の一例を示す斜視図である。アルミニウム合金中空形材を自動車ルーフサイドレールに適用した態様を示す断面図である。実施例における突出フランジ7 先端の肉余り量と曲げ半径との関係を示す説明図である。実施例における解析条件を示す説明図である。従来の曲げ加工方法例を示す斜視図である。従来の曲げ加工されたアルミニウム合金中空形材を示す斜視図である。

符号の説明

1：アルミニウム合金中空形材、2 、3:縦壁、4 、5:横リブ、6:中リブ、
7: 突出フランジ、8:突出フランジ、9:中空空間、10: ルーフサイドレール、
11:サイドメンバアウタ、12: 接合手段、13: ルーフパネル、
20 、23、25: 金型、 21 、22: 拘束部分、24: シャー切断刃、

Claims

曲げ内側に突出したフランジを長手方向に亙って有するアルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法であって、曲げ加工される前記中空形材を二個、互いの前記突出フランジ同士を突き合わせた形状に一体化させた形材を準備し、この一体化させた形材を曲げ加工した後に、この形材の前記突出フランジ同士の突き合わせ部分において、二個の中空形材に各々分割することを特徴とするアルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法。
前記突き合わされた突出フランジ同士のなす角度が135 度以下である請求項１に記載のアルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法。
前記曲げ加工の後に更に中空形材の曲げ加工を行ない、三次元方向に曲げ加工されたアルミニウム合金中空形材を得る請求項１または２に記載のアルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法。
前記アルミニウム合金中空形材が自動車のルーフサイドレールに用いられるものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載されたアルミニウム合金中空形材の曲げ加工方法。