JP2019178382A - 鋼製曲げ成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形による曲げ部１３を有する鋼製曲げ成形品１の機械的強度及び耐久性を高める。【解決手段】プレス成形によって曲げ部１３の内周側に生じた引張残留応力が減少するように、曲げ部１３の外周側に対して、高密度エネルギービームの照射による焼入れを施す。【選択図】図４

Description

本発明は鋼製曲げ成形品の製造方法に関する。

鋼板の曲げ加工を行なうと、その曲げ部の外周側に圧縮残留応力を生じ、内周側に引張残留応力を生ずることが知られている。このような鋼製曲げ成形品に外力が加わると、例えば、捩り力が繰り返し加わると、曲げ部の内周側から疲労破壊を生じ易くなる。その疲労破壊は内周側の引張残留応力の影響による。

引張残留応力が問題になるときの対策としては、特許文献１に記載されているショットピーニング或いはレーザーピーニングによる圧縮残留応力の付与や、曲げ成形品全体の焼なましによる残留応力の除去が一般に知られている。

特開２０１５−２２１９１８号公報

しかし、鋼製曲げ成形品の曲げの内周側のような奥まった部分にショットピーニング等を行なうことは難しい。また、鋼製曲げ成形品全体に焼なましのような熱処理を施すことは多大な時間とエネルギーを要する。

本発明は、鋼製曲げ成形品の機械的強度及び耐久性を比較的簡単に高めることができる方法を提供する。

本発明は、上記曲げ部に高密度エネルギービームによる焼入れを施すようにした。

ここに開示する鋼製曲げ成形品の製造方法は、プレス成形による曲げ部を有する鋼製曲げ成形品の製造方法であって、
上記プレス成形によって上記曲げ部の内周側に生じた引張残留応力が減少するように、上記曲げ部の外周側に対して、高密度エネルギービームの照射による焼入れを施すことを特徴とする。

プレス成形後の曲げ部では、その外周側に圧縮残留応力を生じ、内周側に引張残留応力を生じている。これに対して、上記方法によれば、曲げ部の外周側は、高密度エネルギービームの照射による焼入れによってマルテンサイト変態を生ずる。その結果、曲げ部の外周側は、体積が膨張して圧縮残留応力が減少する。曲げ部の外周側と内周側は残留応力に関して相殺する関係にあるから、外周側の圧縮残留応力の減少により、内周側の引張残留応力が減少する。

従って、上記方法によれば、曲げ部の外周側はビーム照射による焼入れによって硬度が増大する一方、曲げ部の内周側の引張残留応力を減少するから、鋼製曲げ成形品の機械的強度及び耐久性を高めることができる。

一実施形態では、上記曲げ成形品は、パイプ状であって、上記曲げ部がパイプ長手方向に延びている。このようなパイプ状曲げ成形品の場合、曲げ部の内周側にショットピーニング等による圧縮残留応力を付与することが難しい。しかし、上記方法によれば、パイプ状曲げ成形品であっても、曲げ部に対する外側からの高密度エネルギービームの照射により、内周側の引張残留応力を減少させることができる。

一実施形態では、上記曲げ成形品は、上記曲げ部は、２枚の平板部が交わってできた直線状に延びる稜線を有する曲げ部であり、
上記曲げ部の外周側に上記稜線に沿って延びる焼入れ域を生ずるように、且つ該焼入れ域が、上記曲げ部から少なくとも一方の平板部に向かって部分的に張り出した張出し部を有するように、上記高密度エネルギービームの照射を行なうことを特徴とする。

曲げ部の両側が平板部になっている曲げ成形品にあっては、一般に曲げ部に比べて、平板部の強度が相対的に低い。従って、曲げ成形品が曲げ部の稜線の長手方向において圧縮荷重を受けると、平板部に座屈を生じやすくなる。

これに対して、当該実施形態によれば、高密度エネルギービームの照射によって、少なくとも一方の平板部が部分的に焼入れされ、該平板部に圧縮残留応力が付与される。この圧縮残留応力の付与によって幾何剛性（ストレススティフニング）が発現し、平板部の面外剛性（平板部の面に垂直方向に力がかかった場合の剛性）が上昇するため、曲げ成形品の座屈荷重が増大する。

また、平板部に圧縮残留応力が付与されることにより、該平板部の応力範囲が拡大するため、曲げ成形品に衝撃的に上記圧縮荷重が加わったときの該曲げ成形品の衝撃吸収エネルギーが増大する。

また、上記焼入れ域の部分的な張出しにより、平板部の面外剛性が部分的に異なるものになるから、座屈モードのコントロールに有利になる。

一実施形態では、上記焼入れ域の部分的な張出しが、上記曲げ成形品に対して上記稜線の長手方向に圧縮荷重が加わったときの上記一方の平板部の座屈モードの腹に対応する部位に位置付けられるように、上記高密度エネルギービームの照射を行なうことを特徴とする。

これによれば、焼入れ域の部分的な張出しにより、平板部の座屈モードの腹にあたる部位の面外剛性が高くなるから、座屈の抑制に有利になる。

一実施形態では、上記高密度エネルギービームの照射域を、上記曲げ部の稜線を中心として上記一方の平板部側と他方の平板部側に交互に蛇行させながら、上記稜線の長手方向に移動させることにより、上記焼入れ域を形成することを特徴とする。

これによれば、高密度エネルギービームの照射域の大きさや出力エネルギーを変化させることなく、簡単に、焼入れ域を曲げ部からその両側の平板部に部分的に張り出させることができる。

上記高密度エネルギービームとしては、例えば、電子ビーム，レーザービーム等を採用することができ、特に矩形のビームスポットが得られるスタック型半導体レーザーによるビームが好適である。

本発明によれば、鋼製曲げ成形品のプレス成形によって曲げ部の内周側に生じた引張残留応力が減少するように、上記曲げ部の外周側に対して、高密度エネルギービームの照射による焼入れを施すから、当該ビーム照射による焼入れによって曲げ部の剛性を増大させながら、曲げ部の内周側の引張残留応力を減少させることができ、よって、鋼製曲げ成形品の機械的強度及び耐久性を高めることができる。

鋼製曲げ成形品の一例を示す平面図。 図１のII−II線断面図。 プレス成形後の曲げ部の残留応力分布の一例を示す図。 曲げ部に対する高密度エネルギーの照射状態を示す断面図。 鋼製曲げ成形品の別の例を示す斜視図。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜実施形態１＞
図１に示す本実施形態に係る鋼製曲げ成形品１は、自動車の左右の車輪（後輪）を支持するトレーリングアーム２を連結して車体左右方向に延びるトーションビームである。トレーリングアーム２は、後端部が上下に揺動するように、前端部がピボットとゴムブッシュとからなるジョイント３によって車体のリヤサイドフレームに枢支されている。トレーリングアーム２の後端部にはキャリア４が設けられている。このキャリア４が、ドライブシャフトにより回転駆動される車輪を回転自在に支持する。

符号５はトレーリングアーム２の後部内側部分とトーションビーム１の端部後側部分と跨がるように設けられたガセットである。このガセット５にスプリング受け６が設けられている。スプリング受け６とその上方の車体の間に、車両の振動吸収機構を構成する圧縮コイルスプリングが介装される。

図２に示すように、トーションビーム１は、断面円形の金属管（鋼管）をプレス成形して得た閉断面構造のビームである。このトーションビーム１の中間部（車体左右方向の中間部）は、上壁１１及び下壁１２が共に上方へ凸になった断面略逆Ｖ形状に形成されている。トーションビーム１は、基本的には、その中央部から両端に行くに従って、周長が漸次増大していくとともに、凸になった下壁１２の頂部が上壁１１から離れていきて、両端部では断面形状が三角形に近い形になっている。

トーションビーム１は、その中央部に近くなるほど、プレス成形による曲げ加工度が大きくなっている。そのため、プレス成形後のトーションビーム１の逆Ｖ字状になった部分の両下端部、すなわち、上壁１１と下壁１２を繋ぐ曲げ部１３には大きな残留応力を生じている。

ここに、プレス成形によって、曲げ部１３の外周側には引張応力が働き、内周側には圧縮応力が働くから、力を抜いたときの残留応力は、外周側と内周側では、力が加わっているときとは逆の応力分布となる。すなわち、図３に示すように、外周側に圧縮残留応力（マイナス）が付与され、内周側に引張残留応力（プラス）が付与された状態になる。

このような残留応力を有するトーションビーム１に、自動車の走行に伴って捩り力が繰り返し加わると、曲げ部１３の内周側の引張残留応力の影響により、曲げ部の内周側から疲労破壊を生じ易くなる。

そこで、本実施形態では、図４に示すように、トーションビーム１の曲げ部１３の外周側に対して、その外側から高密度エネルギービーム１４の照射による焼入れを施す。この実施形態では、高密度エネルギービーム１４を得るためにスタック型の半導体レーザー装置１５を採用する。

この半導体レーザー装置１５により、曲げ部１３の外周面にレーザービームを照射しながら、照射位置をトーションビーム１の長手方向に移動させていく。これにより、曲げ部１３の外周側は、レーザービームの照射によって加熱されてオーステナイト組織になる。オーステナイト化された部分は、レーザービームが通過するとトーションビーム１の内部への熱伝導により急速に冷却され、この自己冷却によりマルテンサイト変態を生ずる。当該レーザービームのビームスポットは矩形状である。従って、曲げ部１３の外周側には、ビームスポットの移動により、該ビームスポットの大きさに対応する幅でトーションビーム１の長手方向に延びる焼入れ域を生ずる。

曲げ部１３の外周側は、マルテンサイト変態による体積膨張によって圧縮残留応力が減少する。この外周側の圧縮残留応力の減少に伴って、曲げ部１３の内周側の引張残留応力が減少する。従って、トーションビーム１は、曲げ部１３の外周側の焼入れによって剛性（硬度）が高くなるとともに、曲げ部１３の内周側の引張残留応力の減少により、疲労破壊を生じにくくなる。

ここに、トーションビーム１等の鋼製曲げ成形品の素材となる鋼材（炭素鋼）は、炭素当量が０．１％以上０．６％以下であることが好ましく、さらには、０．２％以上０．６％以下であることが好ましい。なお、「％」は「質量％」である（以下、同じ。）。

マルテンサイトは、体心正方格子の鉄の結晶に炭素が侵入した固溶体であり、炭素の侵入により、ｙ軸方向の格子定数ｃが伸長する。マルタンサイト変態による格子歪み率ｃ／ａ（ａはｘ軸方向の格子定数）は、ｃ／ａ＝１．０＋０．０４５×Ｃ（炭素濃度％）で表される。Ｃ＝０．１％であれば、ｃ／ａ＝１．００４５である。鋼のヤング率Ｅは２００ＧＰａ強であるから、σ＝Ｅ×ε（σは応力、εは歪み量）より、σ＝２００ＧＰａ×０．００４５＝９００ＭＰａとなる。すなわち、炭素濃度が０．１％以上であれば、炭素が完全に固溶している場合、降伏応力が９００ＭＰａの高張力鋼であっても、マルテンサイト変態による塑性変形を生じて硬化することになる。

また、マルテンサイトは、炭素濃度が増大するに従って、硬度が高くなることが知られており、Ｃ＝０．２％でＨ_ＲＣ＝５０程度になる。マルテンサイトはＣ＝０．６％までは炭素の固溶で硬くなるが、それ以上に固溶しても残留オーステナイトを生成するだけであるから、炭素濃度は０．６％以下であることが好ましい。

但し、炭素濃度が０．２％を超えると、鋼材の成形性が著しく悪化するから、その場合は、鋼製曲げ成形品の素材である鋼材はＭｎやＳｉの添加が不可欠となる。従って、当該鋼材は、上述の如く、炭素当量Ｃeq（＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６）が０．１％以上０．６％以下（或いは０．２％以上０．６％以下）であることが好ましい。また、当該鋼材は、焼入れ性向上のために、ホウ素を微量（例えば、３ｐｐｍ以上２５ｐｐｍ以下）添加したものであることが好ましい。

＜実施形態２＞
図５に示す本実施形態に係る鋼製曲げ成形品２１は、自動車の強度部材である車体フレーム（車体前後方向に延びるフレーム）である。本実施形態のフレーム２１は、実施形態１と同様の炭素鋼による鋼板をプレス成形して得たものであって、ハット形断面構造のフレームである。このフレーム２１は、ウェブを形成する第１平板部２２と、第１平板部２２の両側に続くフランジを形成する相対する第２平板部２３と、各第２平板部２３に続いて外側に張り出したリップを形成する第３平板部２４とを備えてなる。第１平板部２２と第２平板部２３が交わった箇所である曲げ部２５は直線状の延びる稜線２６を有する。

プレス成形後の曲げ部２５は、実施形態１の曲げ部１３と同じく、外周側に圧縮残留応力が付与され、内周側に引張残留応力が付与された状態になっている。

本実施形態では、フレーム２１の機械的強度を向上させるべく、実施形態１と同様の半導体レーザー装置によって、高密度エネルギービームとしてのレーザービームを曲げ部２５の外周側に照射して、この曲げ部２５の外周側に焼入れを施す。

この焼入れにおいては、レーザービームの照射位置を曲げ部２５の稜線２６に沿ってフレーム２１の長手方向に移動させるが、この移動において、矩形状のビームスポットを、稜線２６を中心として、該稜線２６から外れない範囲で、該第１平板部２２側と第２平板部２３側に交互に蛇行させる。

上記ビームスポットの蛇行により、フレーム２１に、曲げ部２５の稜線２６に沿って延び、且つ曲げ部２５から第１平板部２２側と第２平板部２３側に交互に部分的に張り出した張出し部２７ａを有する焼入れ域２７を生じさせる。

焼入れ域２７の各張出し部２７ａは、フレーム２１に対してその長手方向（稜線２６の長手方向）に圧縮荷重が加わったときの第１平板部２２及び第２平板部２３各々の座屈モードの腹に対応する部位に位置付けられるようにする。

従って、上記焼入れにより、フレーム２１は、実施形態１と同じく、曲げ部２５の外周側は硬度が高くなるとともに、この外周側の圧縮残留応力の減少に伴って、曲げ部２５の内周側の引張残留応力が減少することにより、強化される。

加えて、焼入れ域２７の第１平板部２２及び第２平板部２３への部分的な張出しにより、この平板部２２，２３に圧縮残留応力が付与される。この圧縮残留応力の付与によって幾何剛性が発現し、平板部２２，２３の面外剛性が上昇するため、フレー２１の座屈荷重が増大する。さらに、平板部２２，２３に圧縮残留応力が付与されることにより、該平板部２２，２３の応力範囲が拡大するため、フレーム２１の衝撃吸収エネルギーが増大する。

また、焼入れ域２７の張出し部２７ａは、平板部２２，２３の座屈モードの腹に対応する部位に位置付けられており、平板部２２，２３の座屈モードの腹にあたる部位の面外剛性が高くなるから、フレーム２１の座屈の抑制に有利になる。

＜その他＞
上記実施形態１，２は乗り物の部品に関するが、本発明が産業機械・器具、或いは構造物に係る鋼製曲げ成形品にも適用できることはもちろんである。

１ トーションビーム（鋼製曲げ成形品）
１３ 曲げ部
１４ レーザービーム（高密度エネルギービーム）
１５ レーザー装置
２１ フレーム（鋼製曲げ成形品）
２２ 平板部（ウェブ）
２３ 平板部（フランジ）
２５ 曲げ部
２６ 稜線
２７ 焼入れ域
２７ａ 張出し部

Claims (6)

1. プレス成形による曲げ部を有する鋼製曲げ成形品の製造方法であって、
   上記プレス成形によって上記曲げ部の内周側に生じた引張残留応力が減少するように、上記曲げ部の外周側に対して、高密度エネルギービームの照射による焼入れを施すことを特徴とする鋼製曲げ成形品の製造方法。
2. 請求項１において、
   上記曲げ成形品は、パイプ状であって、上記曲げ部がパイプ長手方向に延びていることを特徴とする鋼製曲げ成形品の製造方法。
3. 請求項１において、
   上記曲げ成形品は、上記曲げ部は、２枚の平板部が交わってできた直線状に延びる稜線を有する曲げ部であり、
   上記曲げ部の外周側に上記稜線に沿って延びる焼入れ域を生ずるように、且つ該焼入れ域が、上記曲げ部から少なくとも一方の平板部に向かって部分的に張り出した張出し部を有するように、上記高密度エネルギービームの照射を行なうことを特徴とする鋼製曲げ成形品の製造方法。
4. 請求項３において、
   上記焼入れ域の部分的な張出しが、上記曲げ成形品に対して上記稜線の長手方向に圧縮荷重が加わったときの上記一方の平板部の座屈モードの腹に対応する部位に位置付けられるように、上記高密度エネルギービームの照射を行なうことを特徴とする鋼製曲げ成形品の製造方法。
5. 請求項３又は請求項４において、
   上記曲げ成形品に対する上記高密度エネルギービームの照射域を、上記曲げ部の稜線を中心として上記一方の平板部側と他方の平板部側に交互に蛇行させながら、上記稜線の長手方向に移動させることによって、上記焼入れ域を形成することを特徴とする鋼製曲げ成形品の製造方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
   上記高密度エネルギービームとして、レーザービームを用いることを特徴とする鋼製曲げ成形品の製造方法。

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