JP3761820B2 - 金属部材成形方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は金属部材の成形性の向上及び高強度化を図り得る金属部材成形方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属部材成形方法としてハイドロフォーム法が知られている。ハイドロフォーム法は、中空室を有する筒形状をなす金属部材と、目標形状に設定された成形型面を有する成形型とを用い、金属部材の中空室に水を供給することにより、金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形する技術である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記したハイドロフォーム法によれば、金属部材の中空室に水を供給することにより、金属部材の壁を膨出変形させて成形を行うことができるものの、金属部材の成形性と高強度化の双方を満足させるには限界があった。
【0004】
殊に、最近の自動車部品等では、軽量化のため材料を薄肉化することが要請されているが、薄肉化した場合には、金属部材を成形する際の成形力を小さくできるものの、金属部材の高強度化には限界がある。
【0005】
また材料が鉄系の場合には、軽量化のため材料を薄肉化しつつ、合金元素の増量によりハイテン化(高張力鋼化)させることも要請されているが、このように材料がハイテン化されている場合には、金属部材の高強度化を図り得るものの、材料の伸びが低下するため、材料の成形性が低下し、ハイドロフォーム法で金属部材を膨出変形させる際に亀裂等が発生するおそれがある。
【0006】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、金属部材の成形性及び高強度化の双方を達成することができる金属部材成形方法を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る金属部材成形方法は、中空室を有する筒形状をなす金属部材と、成形型面と該成形型面を冷却する冷却手段を有する成形型とを用い、急冷強化可能な温度領域に加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると同時に前記冷却手段によって冷却された前記成形型面によって急冷強化させる成形急冷強化工程を実施することを特徴とするものである。
【0008】
本発明に係る金属部材成形方法によれば、まず、急冷強化可能な温度領域に金属部材を加熱する。そして成形急冷強化工程では、金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、金属部材の壁を膨出変形させる。このとき金属部材の中空室には気体が収容されているため、ハイドロフォーム法のように金属部材の中空室に水が収容されている場合に比較して、金属部材の温度を高めに維持することができる。
【0009】
また本発明に係る金属部材成形方法によれば、上記したように膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる。このように金属部材を膨出変形させる際に、金属部材は急冷強化可能な温度領域に加熱されているため、金属部材の伸びを確保することができる。故に、金属部材の塑性変形性を向上させ、金属部材の膨出変形性、成形性を高めることができる。
【0010】
更に上記した成形急冷強化工程では、膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させることにより、金属部材を急冷強化させ、金属部材の高強度化を図ることができる。
【0013】
前記金属部材を既述した金属部材成形方法によって成形することで、その金属部材の成形性及び高強度化の双方が達成されることとなる。
【0014】
また、本発明は、中空室を有する筒形状をなす金属部材が装填される成形型と、前記成形型内で加熱された前記金属部材の前記中空室に気体を供給する気体供給手段と、前記成形型を冷却することにより、該成形型に装填された前記金属部材を冷却する冷却手段と、を含む、金属部材成形装置を用いて実施される。前記金属部材成形装置によれば、金属部材の変形及び冷却が、成形型内で連続的に行われる。すなわち、金属部材の成形及び熱処理が連続的に行われる。
【0015】
前記金属部材成形装置は、さらに、前記成形型内に装填された前記金属部材を加熱する手段を、有することを特徴とする。前記金属部材成形装置によれば、金属部材の加熱、変形及び冷却が、成形型内で連続的に行われる。すなわち、金属部材の成形及び熱処理が連続的に行われ、作業性の向上が図られる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明に係る金属部材成形方法、金属部材及び金属部材成形装置によれば、次の実施形態の少なくとも一つを採用することができる。
【0017】
・出発材としての金属部材は中空室を有する筒形状をなす。筒形状としては円筒形状、角筒形状を採用することができる。成形急冷強化工程を実施する前の金属部材としては、直状の筒形状でも良いし、曲成部、凹部、凸部の少なくとも一つを有する筒形状でも良い。金属部材は、一体成形品でも良いし、複数の素材を接合したものでも良い。
【0018】
金属部材の材質としては鉄系(ハイテン鋼、ステンレス鋼等の合金鋼を含む)、チタン系、アルミニウム系または銅系である実施形態を採用することができる。但しこれらに限定されるものではない。ハイテン鋼は引張強さが大きい鋼で形成された高張力鋼を意味する。ハイテン鋼としては、成形急冷強化工程を施す前の段階で、引張強さ500MPa(≒50kgf/mm2)以上の鉄系金属、引張強さ600MPa以上の鉄系金属、引張強さ800MPa以上の鉄系金属、引張強さ1000MPa以上の鉄系金属、引張強さ1500MPa以上の鉄系金属を採用することができる。一般的には、ハイテン鋼は強度が高いものの、塑性変形性が必ずしも充分ではない。本発明方法及び本発明装置によれば、これらの金属部材は急冷強化に先だって加熱されるため、金属部材の塑性変形性が向上する。このため金属部材の材質がハイテン化されている場合のように塑性変形性が必ずしも充分ではない場合であっても、金属部材の膨出変形性、成形性を高めることができる。よって、金属部材の成形形状が異形である場合であっても、金属部材の成形度合が大きい場合であっても、金属部材の成形性を良好に確保することができる。
【0019】
・金属部材の加熱は、加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作、金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作、金属部材に通電する抵抗加熱操作の少なくとも1種で実行される実施形態を採用することができる。これらの各操作の少なくとも2種を併用することもできる。即ち、加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作を行った後に、金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作を行うことができる。また、加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作を行った後に、金属部材に通電する抵抗加熱操作を行うことができる。更に加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作を行うことなく、金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作と、金属部材に通電する抵抗加熱操作とを行うことができる。金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作と、金属部材に通電する抵抗加熱操作とは、時間的に同時にまたは時間的にずらして行うこともできる。
【0020】
・加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作は、加熱炉の炉室を非酸化性雰囲気とした状態で実行される実施形態を採用することができる。非酸化性雰囲気としては、真空雰囲気、還元性ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気の少なくとも1種を採用することができる。還元性ガス雰囲気としては、COガス雰囲気、COを含むガス雰囲気の少なくとも1種を採用することができる。不活性ガス雰囲気としては窒素ガス雰囲気、アルゴンガス等の希ガス雰囲気を採用することができる。
【0021】
・金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作は、成形型の成形型面に対面する金属部材に誘導加熱用の導電部材を接近させた状態で、導電部材に交番電流を通電して金属部材を誘導加熱することにより実行される実施形態を採用することができる。誘導加熱用の導電部材は、コイル形状であっても良いし、板状であっても良く、要するに金属部材を誘導加熱できれば良い。誘導加熱用の導電部材に通電する交番電流の周波数としては、金属部材を誘導加熱できる周波数の範囲内において、金属部材の材質、設備コスト、誘導加熱性等を考慮して適宜選択することができ、低周波の周波数領域、中周波の周波数領域、高周波の周波数領域を必要に応じて採用することができる。周波数としては、例えば0.5kHz〜5000kHz、殊に1kHz〜2000kHzを採用することができる。但しこれらの周波数に限定されるものではない。
【0022】
なお、導電部材に高周波の交番電流を通電して金属部材を誘導加熱する場合には、金属部材のうち導電部材に近接している表層を効率よく加熱できる近接効果と、金属部材の表層を電流が流れる表皮効果とを期待できるため、金属部材の表層を効率的に加熱することができる。
【0023】
・金属部材に通電する抵抗加熱操作は、成形型の成形型面に対面する金属部材に通電端子を接続した状態で、通電端子から金属部材に通電して金属部材をジュール熱で加熱することにより実行される実施形態を採用することができる。通電端子から金属部材に通電する電流としては直流でも良いし、交番電流(交流)でも良い。交番電流の場合には、周波数としては、金属部材の材質、設備コスト、抵抗加熱性等を考慮して、低周波の周波数領域、中周波の周波数領域、高周波の周波数領域を必要に応じて採用することができる。周波数としては、例えば0.5kHz〜5000kHz、殊に1kHz〜2000kHzを採用することができる。但しこれらの周波数に限定されるものではない。なお、通電端子から金属部材に高周波の交番電流を通電する場合には、金属部材の表層を電流が流れる表皮効果を期待できるため、金属部材の表層を効率的に加熱することができる。
【0024】
・金属部材は鉄系であり、金属部材をA1変態点(焼入可能温度)以上の温度領域に加熱する実施形態を採用することができる。A1変態点以上は、オーステナイト生成温度よりも高い温度領域を意味する。場合によっては、A3変態点以上の温度領域に加熱する実施形態を採用することもできる。なお金属部材の加熱温度の上限としては、金属部材の母材の液相生成温度とすることが好ましい。
【0025】
・成形急冷強化工程では、金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させることにより、金属部材の少なくとも一部を焼入してマルテンサイト化を促進させることができる。このように焼入すれば、金属部材の強化を図り得る。また、急冷強化にあたり、マルテンサイトと共にまたはマルテンサイトに代えて、トルースタイトまたはソルバイト等が生成する形態でも良い。トルースタイトまたはソルバイトは、マルテンサイトが生成するときの冷却速度よりも冷却速度が遅い場合に生成し易い。
【0026】
・金属部材が鉄系である場合には、焼入性を高めるべく、焼入倍数が高い合金元素を含むことができる。焼入倍数が高い合金元素としては、炭素、マンガン、シリコン、ニッケル、クロム、モリブデンが挙げられ、これらの合金元素の少なくとも1種を含むことができる。金属部材が鉄系である場合には、材料をハイテン化させるには、上記した合金元素の少なくとも1種(例えば炭素)の含有量が増加されることが多い。
【0027】
・成形型は、成形型を冷却させる冷却手段を備えている実施形態を採用することができる。冷却手段としては、成形型の内部に冷却通路を形成し、冷却通路に冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を供給する方式、成形型の成形型面に冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を接触させる方式の少なくとも1種を採用することができる。成形型の材質としては、炭素鋼や合金鋼等の熱伝導性が良好で且つ耐久性の良い金属を例示することができる。
【0028】
・本発明方法及び本発明装置によれば、金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、金属部材の壁を膨出変形させ、成形型の成形型面に密接させる。金属部材の中空室の気体の内圧を高める操作は、金属部材の中空室に気体を供給することにより実行される実施形態を採用することができる。金属部材の中空室に供給する気体としては、空気、窒素ガス、窒素富化ガス、アルゴンガス、アルゴン富化ガスの少なくとも1種を採用することができる。窒素富化ガスは窒素濃度が高いガスをいう。アルゴン富化ガスはアルゴンガスの濃度が高いガスをいう。
【0029】
・金属部材の中空室に気体を供給する操作としては、高圧気体を供給できる高圧気体供給源から実行される実施形態を採用することができる。高圧気体の圧力は、金属部材の成形性を考慮すると高いほうが好ましい。高圧気体の圧力としては、例えば10MPa以上、15MPa以上、20MPa以上、30MPa以上を設定できるが、実用性を考慮すると、15〜25MPa、17〜23MPa、19〜21MPa、20MPaが好ましい。高圧気体供給源としてはボンベ、工場エア源等を例示することができる。
【0030】
・金属部材は、中空室に連通すると共に拡開壁面で形成された開口を有している実施形態を採用することができる。この場合、金属部材の拡開壁面の傾斜に対応する傾斜を有するシール具を、金属部材の拡開壁面に直接的にまたは間接的にあてがって金属部材の開口をシールする実施形態を採用することができる。この場合、金属部材の開口を形成する拡開壁面にシール具をあてがうため、金属部材の開口を形成する拡開壁面におけるシールが良好に行われる。従って金属部材の中空室を高圧化させるのに有利となる。
【0031】
金属部材成形方法としては、金属部材を成形型内に装填(配置)する工程と、成形型内に装填され金属部材を加熱する工程と、成形型内で加熱された金属部材の中空室に気体を供給することにより、該金属部材を塑性変形させ、該金属部材の所定面を成形型の所定面に密接させると同時に、該金属部材が成形型内に挿入された状態で成形型を冷却することにより冷却されている成形型面によって、金属部材を冷却する工程とを含む実施形態を採用することができる。
【0032】
また、金属部材成形方法としては、金属部材を加熱する工程と、加熱された金属部材を成形型内に装填(配置)する工程と、加熱後に成形型内に装填された金属部材の中空室に気体を供給することにより、該金属部材を塑性変形させ、該金属部材の所定面を成形型の所定面に密接させると同時に、該金属部材が成形型内に挿入された状態で成形型を冷却することにより冷却されている成形型面によって、金属部材を冷却する工程とを含む実施形態を採用することができる。
【0033】
所望とする形状の付与された金属部材は、既述した金属部材成形方法のいずれか1つの方法によって成形されたものである。金属部材を所望とする形状に成形する際に、既述した金属部材成形方法のいずれか1つの方法を用いることで、その金属部材の成形性及び高強度化の双方を達成することが可能となる。
【0034】
金属部材成形装置としては、中空室を有する筒形状をなす金属部材が装填される成形型と、成形型内で加熱された金属部材の中空室に気体を供給する気体供給手段と、成形型を冷却することにより、該成形型に装填された金属部材を冷却する冷却手段とを含む実施形態を採用することができる。気体供給手段としては、既述した高圧気体供給源を例示することができ、高圧気体供給源は、ボンベ、バルブ、供給管等を有する。
【0035】
更に、成形型と気体供給手段と冷却手段とを含む金属部材成形装置においては、成形型内に装填された金属部材を加熱する手段を有するようにしてもよい。この場合、金属部材を加熱する手段としては、例えば、既述した誘導加熱操作や抵抗加熱操作が挙げられる。
【0036】
【実施例】
(第1実施例)
以下、本発明の第1実施例について図1〜図3を参照して具体的に説明する。本実施例は、出発材としての金属部材1に対して、代表的な急冷強化である焼入強化を行う例である。本実施例に係る成形方法で用いる金属部材1は、中空室10を有する円筒形状をなしており、鉄系金属で形成されている。焼入前の鉄系金属はハイテン化(高張力鋼化)されており、具体的には、引張強さ600MPa(≒60kgf/mm2)以上の鉄系金属で形成されており、塑性変形性は必ずしも充分ではない。
【0037】
本実施例によれば、図1に示すように、素管状の金属部材1の両端部に拡開加工を施すことにより、端12cに向かうにつれて拡開する拡開部12が予め形成されている。拡開部12の内壁面である拡開壁面13は、中空室10に連通する開口13xを形成している。
【0038】
まず加熱工程では、金属部材1を加熱炉2の炉室20に所定時間保持し、金属部材1を急冷強化可能な温度領域、つまりA1変態点以上の温度領域に加熱する。この場合、必要に応じて、金属部材1をA3変態点以上の温度領域に加熱することもできる。これにより金属部材1の組織の全部または一部はオーステナイト化される。加熱炉2の炉室20は非酸化性雰囲気に保持されているため、加熱中の金属部材1の酸化及び脱炭が抑えられる。非酸化性雰囲気としては、真空雰囲気、還元性ガス雰囲気、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気等を必要に応じて採用することができる。
【0039】
次に、上記したように目標温度領域に加熱した金属部材1を加熱炉2から取り出し、図2に示すように、その金属部材1を成形型3内に配置(装填)する。成形型3は代表的な金属材料である鋼系材料で形成されており、目標形状に設定された成形型面31を有する。この場合、金属部材1の壁1aの強化要請部位が成形型3の成形型面31に接触しないように、金属部材1を配置することが好ましい。成形型3の内部には、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体が流れる冷却通路33が冷却手段として形成されている。冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体が冷却通路33に流れると、成形型3は冷却され、被成形物である金属部材1を成形型3の成形型面31で急冷させることができる。なお、上記した加熱工程の前にまたは加熱工程の途中において、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を成形型3の冷却通路33に流して成形型3を冷却しておくことが好ましい。
【0040】
本実施例に係る成形急冷強化工程では、図2に示すように、金属部材1の拡開部12の拡開壁面13の傾斜に対応する傾斜を備えたシール面44を有する2個1組のシール具40,41を用いる。シール具40,41は金属または耐火物で形成することができる。一方のシール具40は気体供給手段としての高圧気体供給源5に接続される通路40aを有する。他方のシール具41は密閉機能を有しているものの、高圧気体供給源5には接続されていない。高圧気体供給源5は高圧の気体を供給するものであり、高圧気体が封入されたボンベ50と、ボンベ50を開閉する開閉弁51を有するバルブ52と、ボンベ50に封入されている気体の圧力を検出する圧力検出手段として機能する圧力計53と、バルブ52から導出された供給通路として機能する可撓性を有する供給管54とを有する。
【0041】
そして図2に示すように、シール具40,41を金属部材1の両端の開口13xに嵌め、シール面44を金属部材1の拡開部12の拡開壁面13に直接的にあるいは図略の中間部材を介して間接的にあてがってシールする。この場合、金属部材1の壁1aと成形型面31との間には空間Wが介在している。
【0042】
本実施例に係る成形急冷強化工程では、上記したようにシール具40,41を金属部材1の拡開部12の拡開壁面13にシールした状態で、高圧気体供給源5の高圧(例えば20MPa)の気体を金属部材1の中空室10に供給する。具体的には、高圧気体供給源5の開閉弁51を開放させることにより、高圧気体供給源5のボンベ50の高圧の気体を供給管54及び一方のシール具40の通路40aを経て金属部材1の中空室10に供給する。
【0043】
これにより金属部材1の中空室10の気体の内圧を高め、金属部材1の壁1aをこれの径方向の外方に膨出変形(塑性変形)させ、成形型3の成形型面31に密接させる。図3に示すように、これにより金属部材1の壁1aが成形型面31に沿って成形される。更に成形と同時に、金属部材1の壁1aが成形型3の成形型面31によって急冷されるため、金属部材1の壁1aは焼入される。
【0044】
本実施例に係る成形急冷強化工程の直前または途中の段階において、焼入性を高めるべく、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を成形型3の冷却通路33に流して成形型3を冷却することが好ましい。
【0045】
金属部材1の中空室10に供給する気体としては、空気、窒素ガス、窒素富化ガス、アルゴンガス、アルゴン富化ガスの少なくとも1種を必要に応じて採用することができる。コスト低減を考慮すると、空気を採用することができる。金属部材1の酸化抑制を考慮すると、酸化能力が低いか有しない窒素ガス、窒素富化ガス、アルゴンガス、アルゴン富化ガスを採用することができる。なお、上記したように金属部材1の成形及び焼入が終了すれば、金属部材1とシール具40,41とを分離させると共に、所望とする形状の付与された金属部材1を成形型3から分離させる。
【0046】
以上説明したように本実施例によれば、膨出変形の際に金属部材1は高温領域に加熱されているため、金属部材1を構成する材料がハイテン化された金属材料で形成されて塑性変形性が低下しているといえども、金属部材1の塑性変形性を向上させることができる。このため金属部材1の膨出変形性、ひいては成形性を高めることができる。
【0047】
更に本実施例によれば、成形急冷強化工程では、膨出変形させた金属部材1の壁1aを成形型3の成形型面31に密接させることにより、金属部材1の壁1aから奪熱し、金属部材1の壁1aを焼入することができる。これにより金属部材1の壁1aを強化することができる。即ち、上記したように本実施例によれば、金属部材1の壁1aの成形性及び高強度化の双方を同時に達成することができる。
【0048】
このように金属部材1を強化できる本実施例によれば、焼入前の状態で引張強さ600MPa(≒60kgf/mm2)以上の鉄系金属で形成された金属部材1を用いているにもかかわらず、上記した焼入によって、金属部材1を構成している鉄系金属を引張強さ1000MPa(≒100kgf/mm2)以上または1200MPa以上、場合によっては1500MPa以上に強化させることができる。
【0049】
本実施例によれば、前述したように、成形急冷強化工程では、膨出変形させた金属部材1の壁1aを成形型3の成形型面31に密接させることにより、金属部材1の壁1aを焼入強化することにしている。従って、加熱工程における金属部材1の加熱温度、成形型3の成形型面31の冷却能を適宜調整すれば、金属部材1の壁1aの厚み方向において、成形型3の成形型面31に対面して密接する一方の表層1c(外側表層)の冷却速度を、成形型3の成形型面31に背向する他方の表層1d(内側表層)の冷却速度よりも速くできる。
【0050】
換言すれば、金属部材1の壁1aの厚み方向において、成形型3の成形型面31に対面して密接する一方の表層1c(外側表層)の冷却速度よりも、成形型3の成形型面31に背向する他方の表層1d(内側表層)の冷却速度を遅くできる。従って、金属部材1の壁1aの厚み方向において、成形型3の成形型面31に対面して密接する一方の表層1c(外側表層)の焼入性を高めてこの部分の高強度化を図ると共に、成形型3の成形型面31に背向する他方の表層1d(内側表層)の焼入性を抑えてこの部分の靱性を確保することもできる。即ち、金属部材1の壁1aの厚み方向において焼入強化の度合を変化させることができ、金属部材1の高強度化と耐衝撃性の双方を高める効果も期待することができる。
【0051】
加えて本実施例によれば、金属部材1の拡開部12の拡開壁面13の傾斜に対応する傾斜を備えたシール面44を有するシール具40,41を用い、シール具40,41を金属部材1の拡開部12の拡開壁面13に押し付けることにより、金属部材1の開口13xのシールを行うため、金属部材1とシール具40,41との境界領域のシール性を良好に確保することができ、金属部材1の中空室10の高圧化を効果的に達成することができ、金属部材1の壁1aの膨出変形性を高めることができる。
【0052】
なお本実施例によれば、焼入後において、金属部材1の両端部の拡開部12は不必要であれば、拡開部12を切断により除去しても良いし、あるいは、拡開部12が必要であれば残すことにしても良い。
【0053】
(第2実施例)
以下、本発明の第2実施例について図4及び図5を参照して具体的に説明する。本実施例は、第1実施例と基本的には同様の構成を有し、基本的には同様の作用効果を奏する。以下、第1実施例と相違する部分を中心として説明する。本実施例は、第1実施例と同様に、代表的な急冷強化である焼入強化を金属部材1に対して行う例である。本実施例に係る金属部材1は、中空室10を有する筒形状をなしており、焼入可能な鉄系金属で形成されている。鉄系金属は高強度化のためハイテン化(高張力鋼化)されており、塑性変形性は必ずしも充分ではない。
【0054】
まず加熱工程では、成形型3の成形型面31に金属部材1の壁1aが対面するように、金属部材1を成形型3内に配置(装填)する。この場合、成形型3の成形型面31に金属部材1の壁1aの強化部位が接触しないように、金属部材1を配置することが好ましい。そして図4に示すように、金属部材1の中空室10内に誘導加熱用のコイル状の導電部材6を配置する。即ち、成形型3の成形型面31に対面する金属部材1に誘導加熱用の導電部材6を接近させる。この加熱工程では、成形型3の昇温を防止すると共に金属部材1の温度低下を防止するため、成形型3と金属部材1とを非接触状態にしておくことが好ましい。
【0055】
上記したように金属部材1の中空室10内に誘導加熱用の導電部材6を接近させて配置した状態で、導電部材6に高周波の交番電流を通電して金属部材1を誘導加熱する。導電部材6に通電する交番電流としては、金属部材1の壁1aのうち強化要請部分をA1変態点以上またはA3変態点以上の温度領域に誘導加熱できる周波数及び電流値とする。このように導電部材6に高周波の交番電流を通電して金属部材1の壁1aを誘導加熱する場合には、金属部材1の壁1aのうち導電部材6に近接している表層を効率よく加熱できる近接効果と、金属部材1の表層を電流が流れる表皮効果とを期待できるため、金属部材1の壁1aの表層を効率的に加熱することができる。このような誘導加熱の結果、金属部材1の組織の全部または一部は短時間にオーステナイト化される。
【0056】
本実施例によれば、金属部材1を誘導加熱する加熱工程において成形型3の成形型面31の温度上昇を抑えるため、必要に応じて、図4に示すように成形型3の成形型面31と金属部材1との間に伝熱遮断部材9を配置することができる。伝熱遮断部材9としては、断熱性が高く、且つ、磁束遮断性が高いものが好ましい。なお、上記した加熱工程の前にまたは加熱工程の途中において、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を成形型3の冷却通路33に流して成形型3を冷却しておくことが好ましい。
【0057】
次に、加熱工程を終えたら、伝熱遮断部材9を用いている場合には、伝熱遮断部材9を成形型3から離脱させる。上記した加熱工程を終えたら、成形急冷強化工程を行う。即ち、成形型3の成形型面31を金属部材1に近づける。この場合、図5に示すように金属部材1の壁1aと成形型面31との間には空間Wが介在している。更に、第1実施例の場合と同様に、図5に示すように、金属部材1の拡開壁面13の傾斜に対応する傾斜を有するシール具40,41を用い、シール具40,41を金属部材1の拡開壁面13に直接的に、あるいは、中間部材を介して間接的にあてがってシールする。
【0058】
このようにシール具40,41を金属部材1の拡開部12の拡開壁面13にシールした状態で、開閉弁51を開放することにより、高圧気体供給源5のボンベ50の高圧の気体を供給管54及びシール具40の通路40aを経て金属部材1の中空室10に供給する。これにより金属部材1の中空室10の気体の内圧を高め、金属部材1の壁1aをこれの径方向の外方に膨出変形(塑性変形)させ、成形型3の成形型面31に密接させる。これにより金属部材1の壁1aを成形型3の成形型面31に沿って成形し、成形急冷強化工程を行う。
【0059】
なお、本実施例に係る成形急冷強化工程の直前または途中の段階において、焼入性を高めるべく、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を成形型3の冷却通路33に流して成形型3を冷却することが好ましい。
【0060】
以上説明したように本実施例によれば、第1実施例の場合と同様に、金属部材1はハイテン化(高張力鋼化)されており、塑性変形性は必ずしも充分ではない鉄系金属で形成されているといえども、膨出変形の際に金属部材1は高温領域に加熱されているため、金属部材1の塑性変形性を向上させ、金属部材1の膨出変形性、ひいては成形性を高めることができる。
【0061】
また本実施例によれば、成形急冷強化工程では、焼入温度以上に誘導加熱した金属部材1の壁1aを膨出変形させて成形型3の成形型面31に密接させることにより、金属部材1の壁1aを焼入し、これにより金属部材1を強化させることができる。従って本実施例によれば、第1実施例の場合と同様に、金属部材1の壁1aの成形性及び高強度化の双方を同時に達成することができる。
【0062】
更に本実施例によれば、成形型3の成形型面31に対面する金属部材1の壁1aに誘導加熱用の導電部材6を接近させた状態で、導電部材6に高周波の交番電流を通電して金属部材1を誘導加熱する。このため金属部材1の壁1aを目標温度領域に加熱した直後に開閉弁51を開放して、高圧気体供給源5のボンベ50の高圧の気体を金属部材1の中空室10に供給し、金属部材1の壁1aを膨出変形させて成形することができる。このため目標温度領域に加熱した金属部材1を加熱炉2から取り出して成形型3まで搬送する工程を廃止することができ、金属部材1の温度低下を抑えることができる。故に、金属部材1の成形直前及び焼入直前には、金属部材1の壁1aの温度をできるだけ高温に維持することができ、金属部材1の成形及び焼入の双方を良好に行うことができる。
【0063】
また本実施例によれば、金属部材1の壁1aが成形型3の成形型面31に触れたときに、成形型3の成形型面31による焼入強化を行うことができる。
【0064】
なお本実施例によれば、金属部材1を加熱する加熱工程を実施した後に、シール具40,41を金属部材1の拡開壁面13にあてがってシールすることにしているが、これに限らず、金属部材1を加熱する加熱工程途中において、あるいは、加熱工程の前に、シール具40,41を金属部材1の拡開壁面13にあてがっておいても良い。
【0065】
(第3実施例)
以下、本発明の第3実施例について図6及び図7を参照して具体的に説明する。本実施例は、第2実施例と基本的には同様の構成を有し、基本的には同様の作用効果を奏する。以下、第2実施例と相違する部分を中心として説明する。加熱工程では、成形型3の成形型面31に金属部材1の壁1aが対面するように、金属部材1を成形型3内に配置(装填)する。この場合、成形型3の成形型面31に金属部材1の強化要請部位が接触しないように、金属部材1を配置することが好ましい。
【0066】
そして金属部材1を抵抗加熱操作によりA1変態点以上またはA3変態点以上の温度領域に加熱する。即ち、図6に示すように、成形型3の成形型面31に対面する金属部材1の端部である拡開部12に通電端子7を接続し、その状態で、通電端子7から金属部材1に通電して金属部材1の壁1aをジュール熱でA1変態点以上またはA3変態点以上の温度領域に加熱する。通電端子7は銅系、アルミニウム系、チタン系、鉄系等のような導電性の良好な金属で形成することができる。通電端子7から金属部材1に通電する電流としては直流でも良いし、交番電流(交流)でも良い。
【0067】
通電端子7から金属部材1に通電する電流が交番電流である場合には、周波数としては低周波数の領域、中周波数の領域、高周波数の領域を必要に応じて採用することができる。なお、通電端子7から金属部材1に高周波の交番電流を通電する場合には、金属部材1の表層を電流が流れる表皮効果を期待できるため、金属部材1の壁1aの表層を効率的に加熱することができる。
【0068】
本実施例においても、成形急冷強化工程では、図7に示すように、金属部材1の拡開部12の拡開壁面13の傾斜に対応する傾斜を有するシール具40,41を用いる。そして、シール具40,41を金属部材1の拡開部12の拡開壁面13に直接的に、あるいは、中間部材を介して間接的にあてがってシールする。このようにシール具40,41を金属部材1の拡開壁面13にシールした状態で、開閉弁51を開放することにより、高圧気体供給源5のボンベ50の高圧の気体を供給管54及びシール具40の通路40aを経て金属部材1の中空室10に供給する。これにより金属部材1の中空室10の気体の内圧を高め、金属部材1の壁1aをこれの径方向の外方に膨出変形(塑性変形)させ、成形型3の成形型面31に密接させる。これにより金属部材1の壁1aが成形型面31に沿って成形される。
【0069】
以上説明したように本実施例によれば、第1実施例及び第2実施例の場合と同様に、膨出変形の際に金属部材1は高温領域に加熱されているため、金属部材1がハイテン化された鉄系金属で形成されているといえども、金属部材1の塑性変形性を向上させることができ、金属部材1の膨出変形性、成形性を高めることができる。
【0070】
また本実施例によれば、成形急冷強化工程では、焼入温度以上に抵抗加熱した金属部材1の壁1aを膨出変形させて成形型3の成形型面31に密接させることにより、金属部材1の壁1aを焼入し、金属部材1の壁1aを強化させることができる。従って本実施例によれば、第1実施例の場合と同様に、金属部材1の壁1aの成形性及び高強度化の双方を達成することができる。
【0071】
更に本実施例によれば、成形型3の成形型面31に対面する金属部材1に通電端子7を接続した状態で、通電端子7から金属部材1に通電して加熱する。このため金属部材1の壁1aを加熱した直後に、高圧の気体を金属部材1の中空室10に供給して金属部材1の壁1aを膨出変形させることができる。このため目標温度領域に加熱した金属部材1を加熱炉2から取り出して成形型3まで搬送する工程を廃止することができ、金属部材1の温度低下を抑えることができる。故に、金属部材1の成形直前及び焼入直前の状態において、金属部材1の温度を高温に維持することができる。従って、加熱した金属部材1の温度降下を抑えつつ、金属部材1の成形及び焼入の双方を良好に行うことができる。
【0072】
加えて本実施例によれば、加熱工程において成形型3の成形型面31の温度上昇を抑えるため、必要に応じて、図6に示すように、成形型3の成形型面31と金属部材1との間に伝熱遮断部材9を配置することができる。伝熱遮断部材9としては、断熱性が高く、且つ、磁束遮断性が高いものが好ましい。
【0073】
(第4実施例)
以下、本発明の第4実施例について図8及び図9を参照して具体的に説明する。本実施例は、第2実施例と基本的には同様の構成を有し、基本的には同様の作用効果を奏する。以下、第2実施例と相違する部分を中心として説明する。本実施例においても、加熱工程では、成形型3の成形型面31に金属部材1の強化要請部位が密接しないように、金属部材1を配置することが好ましい。この場合、成形型3の成形型面31に金属部材1の壁1aが対面している。
【0074】
本実施例においても、金属部材1を抵抗加熱操作によりA1変態点以上またはA3変態点以上の温度領域に加熱する。即ち、図8に示すように、成形型3の成形型面31に対面する金属部材1の端部である拡開部12に通電端子7を接続し、その状態で、通電端子7から金属部材1に通電して金属部材1の壁1aをジュール熱で加熱する。また金属部材1の中空室10に誘導加熱用の導電部材6を配置し、導電部材6に高周波の交番電流を通電することにより、金属部材1の壁1aを誘導加熱する。
【0075】
このように本実施例によれば、金属部材1の加熱にあたり、通電端子7による通電抵抗加熱と、誘導加熱用の導電部材6による誘導加熱とを複合的に併用しているため、金属部材1を効率よく加熱することができる。殊に、金属部材1の壁1aのうち、塑性加工度が最も高い部位、あるいは、焼入強化が最も要請される部位に、誘導加熱用の導電部材6を接近させるため、当該部位を効果的に高温領域に加熱することができ、当該部位における塑性変形性及び焼入性を高めることができる。なお、本実施例においても、図9から分かるように、第2実施例と同様の成形急冷強化工程が行われる。
【0076】
(適用例)
図10は適用例1を示す。適用例1では、出発材としての直状円筒形状の金属部材1Bを用い、この直状円筒形状の金属部材1Bに対して、上記した各実施例に係る加熱工程、成形急冷強化工程を実施している。図11は適用例2を示す。適用例2では、機械プレス加工により予め曲成部1rを形成した出発材としての筒形状の金属部材1Cを用いる。更に金属部材1Cに対して、溝加工を施して溝1sを形成する。そして溝加工を施した金属部材1Cに対して、上記した各実施例に係る加熱工程、成形急冷強化工程を実施している。本発明に係る金属部材1としては、車両のサスペンション機構に使用されるビーム、サスペンションメンバー、または、バンパーに付設されるバンパーレインフォースに適用することができる。また、車両の前席と後席との間に配置されるセンターピラー自体、あるいは、センターピラーにあてがわれてセンターピラーを補強するセンターピラーレインフォースに適用することもできる。
【0077】
(その他)
前記した第1実施例によれば、金属部材1の両端部には拡開部12が形成されているが、拡開部12を形成することなく、金属部材1の両端部にシール具40,41を取り付けることもできる。また金属部材の拡開部12は、加熱前に形成する必要はなく、加熱後のシール時と同時に形成しても良い。前記した第1実施例によれば、シール具40,41のシール面44は円錐面状に傾斜しているが、これに限らず、直筒形状でも良い。
【0078】
第1実施例によれば、一方のシール具40は高圧気体供給源5に接続される通路40aを有し、他方のシール具41は密閉機能を有しているものの、高圧気体供給源5には接続されていない。これに限らず、他方のシール具40にも、高圧気体供給源5に接続される通路を形成しても良い。この場合、金属部材1の両端部から高圧の気体が供給される。
【0079】
また第1実施例によれば、高圧気体供給源5は、高圧気体が封入されたボンベ50と、ボンベ50を開閉する開閉弁51を有するバルブ52と、ボンベ50に封入されている気体の圧力を検出する圧力計53と、バルブ52から導出された供給通路として機能する可撓性を有する供給管54とを有するが、これに限らず、高圧状態の気体により瞬間的に金属部材1を膨出変形させるものでも良く、要するに、高圧気体供給源5は金属部材1の中空室10に気体を供給して金属部材1を所望とする形状に膨出成形できるものであれば良い。
【0080】
更に第1実施例によれば、金属部材1を構成する焼入前の鉄系金属はハイテン化(高張力鋼化)されており、引張強さ600MPa(≒60kgf/mm2)以上の鉄系金属とされているが、これに限らず、金属部材を構成する材料は、通常の炭素鋼や合金鋼でも良く、要するに成形型3の成形型面31により急冷強化できるものであれば良い。
【0081】
また第1実施例によれば、金属部材1を加熱する加熱工程と、金属部材1の壁1aを膨出変形させる成形急冷強化工程とを分けているが、これに限らず、場合によっては、成形急冷強化工程の途中段階において金属部材1を加熱しても良い。例えば、金属部材1の壁1aを膨出変形させる成形急冷強化工程の初期段階または中期段階において、金属部材1を加熱することにしても良い。
【0082】
図6に示す第3実施例によれば、金属部材1の端部に通電端子7を接続しているが、通電端子7の構造及び材質は適宜選択することができる。要するに通電端子7は金属部材1に通電してこれを抵抗加熱できるものであればよい。第3実施例によれば、通電端子7は金属部材1の端部に接続されているが、これに限らず、金属部材1の中間部位に接続されていても良い。
【0083】
前記した第2実施例及び第3実施例によれば、金属部材1を加熱する加熱工程において、成形型3と金属部材1とを非接触にしているが、これに限らず、加熱工程において金属部材1の保持等のために、成形型3と金属部材1とを部分的に接触させておいても良い。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【0084】
(付記)上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
(付記項1)中空室を有するハイテン化された鉄系金属で形成された筒形状をなす金属部材と、成形型面を有する成形型とを用い、急冷強化可能な温度領域に加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる成形急冷強化工程を実施することを特徴とする金属部材成形方法。この場合、ハイテン化された鉄系金属で形成された金属部材を、成形性を確保しつつ、更に一層強化させることができる。
(付記項2)中空室を有する筒形状をなす金属部材と、成形型面を有する成形型とを用い、急冷強化可能な温度領域に前記金属部材を加熱する加熱工程と、加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる成形急冷強化工程とを実施することを特徴とする金属部材成形方法。
(付記項3)車両のセンターピラーを補強するセンターピラーレインフォースとなると共に中空室を有する筒形状をなす金属部材と、成形型面を有する成形型とを用い、急冷強化可能な温度領域に加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる成形急冷強化工程を実施することを特徴とするセンターピラーレインフォースの成形方法。この場合、センターピラーレインフォースの成形性を確保しつつ、高強度化を図ることができ、車両の耐側面衝突性を高めることができる。
(付記項4)各請求項または各付記項において、金属部材の加熱は、金属部材を成形型の成形型面に対面させた状態で行われることを特徴とする金属部材成形方法。
【0085】
【発明の効果】
本発明に係る金属部材成形方法によれば、急冷強化可能な温度領域に金属部材を加熱する。そして成形急冷強化工程では、金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる。膨出変形の際に金属部材は加熱されているため、金属部材の塑性変形性が向上し、金属部材の膨出変形性、ひいては成形性が高まる。更に成形急冷強化工程では、膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させることにより、金属部材は急冷強化される。従って金属部材の成形性及び高強度化の双方を達成することができる。
【0086】
本発明に係る金属部材成形方法によれば、加熱工程における金属部材の加熱温度、金属部材の厚み、成形型の成形型面の冷却能を適宜調整すれば、金属部材の壁の厚み方向において、成形型の成形型面に対面して密接する一方の表層の冷却速度を、成形型の成形型面に背向する他方の表層の冷却速度よりも速くできる。換言すれば、金属部材の壁の厚み方向において、成形型の成形型面に対面して密接する一方の表層の冷却速度よりも、成形型の成形型面に背向する他方の表層の冷却速度を遅くできる。従って、金属部材の壁の厚み方向において、成形型の成形型面に対面して密接する一方の表層の焼入性を高めてその部分の高強度化を図りつつ、成形型の成形型面に背向する他方の表層の焼入性を抑えてその部分の靱性を高めることもできる。
【0087】
本発明に係る金属部材成形方法によれば、金属部材を成形型内に保持した状態で、該金属部材の冷却、或いは加熱及び冷却等の熱処理、具体的に一例を挙げると焼入れを行って金属部材の表面等を強化することができる。したがって、本発明によれば、比較的成形が困難な金属部材についても、気体を用いた成形手段によって、該金属部材を容易に成形することができる上に、該金属部材の高強度化も効率良く達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1に係り、金属部材の両端部に拡開部を形成し、加熱炉の炉室に配置する過程を模式的に示す斜視図である。
【図2】実施例1に係り、加熱した金属部材を成形型に配置した状態を模式的に示す断面図である。
【図3】実施例1に係り、加熱した金属部材を成形型に配置した状態において、金属部材の中空室に気体を供給して金属部材の壁を膨出させている状態を模式的に示す断面図である。
【図4】実施例2に係り、成形型に対面する金属部材を加熱している状態を模式的に示す断面図である。
【図5】実施例2に係り、成形型に対面するように配置され且つ加熱された金属部材の中空室に気体を供給する直前の状態を模式的に示す断面図である。
【図6】実施例3に係り、成形型に対面する金属部材を加熱している状態を模式的に示す断面図である。
【図7】実施例3に係り、成形型に対面するように配置され且つ加熱された金属部材の中空室に気体を供給する直前の状態を模式的に示す断面図である。
【図8】実施例4に係り、成形型に対面する金属部材を加熱している状態を模式的に示す断面図である。
【図9】実施例4に係り、成形型に対面するように配置され且つ加熱された金属部材の中空室に気体を供給する直前の状態を模式的に示す断面図である。
【図10】適用例1を示す斜視図である。
【図11】適用例2を示す斜視図である。
【符号の説明】
図中、1は金属部材、10は中空室、1aは壁、2は加熱炉、3は成形型、31は成形型面、33は冷却通路(冷却手段)、5は高圧気体供給源(気体供給手段)、50はボンベ、51は開閉弁、6は導電部材、7は通電端子をそれぞれ示す。
Claims (13)
- 中空室を有する筒形状をなす金属部材と、成形型面と該成形型面を冷却する冷却手段を有する成形型とを用い、
急冷強化可能な温度領域に加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を前記成形型の前記成形型面に密接させて成形すると同時に前記冷却手段によって冷却された前記成形型面によって急冷強化させる成形急冷強化工程を実施することを特徴とする金属部材成形方法。 - 請求項1において、前記金属部材の中空室の気体の内圧を高める操作は、前記金属部材の中空室に気体を供給することにより実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項1または請求項2において、前記金属部材の加熱は、加熱炉の炉室に前記金属部材を保持する操作、前記金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作、前記金属部材に通電する抵抗加熱操作の少なくとも1種で実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項3において、前記加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作は、前記加熱炉の炉室を非酸化性雰囲気とした状態で実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項3において、前記金属部材を誘導加熱する前記誘導加熱操作は、前記成形型の前記成形型面に対面する前記金属部材に誘導加熱用の導電部材を接近させた状態で、前記導電部材に交番電流を通電して前記金属部材を誘導加熱することにより実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項3において、前記金属部材に通電する前記抵抗加熱操作は、前記成形型の前記成形型面に対面する金属部材に通電端子を接続した状態で、前記通電端子から前記金属部材に通電して前記金属部材をジュール熱で加熱することにより実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項において、前記金属部材は鉄系、チタン系、アルミニウム系または銅系であることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項において、前記金属部材は鉄系であり、前記金属部材はA1変態点以上の温度に加熱され、前記成形急冷強化工程では、前記金属部材の壁を前記成形型の前記成形型面に密接させることにより前記金属部材の少なくとも一部を焼入することを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項5又は6において、前記加熱操作は、前記成形型面と、前記金属部材との間に伝熱遮断部材を配置した状態で実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項1〜請求項9のいずれか一項において、前記金属部材の前記中空室に供給する気体は、空気、窒素ガス、窒素富化ガス、アルゴンガス、アルゴン富化ガスの少なくとも1種であることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項2〜請求項10のいずれか一項において、前記金属部材の前記中空室に気体を供給する操作は、高圧気体を供給できる高圧気体供給源から実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項1〜請求項11のいずれか一項において、前記金属部材は、前記中空室に連通すると共に拡開壁面で形成された開口を有しており、前記拡開壁面の傾斜に対応する傾斜を有するシール具を、前記金属部材の前記拡開壁面に直接的にまたは間接的にあてがって前記開口をシールすることを特徴とする金属部材成形方法。
- 請求項1〜請求項12のいずれか一項において、前記金属部材の加熱の前または途中において、前記冷却手段により前記成形型面の冷却をしておくことを特徴とする金属部材成形方法。
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