JP5541684B2 - アルミニウム合金の中空押出形材のプレス曲げ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金からなる中空押出形材のプレス曲げ加工方法に関するもので、特に曲げ加工後に中空押出形材に発生する残留応力を小さくできるプレス曲げ加工方法に関する。

アルミニウム合金製中空形材（押出形材）は、自動車用ドア補強材、バンパー補強材、ルーフ補強材など、衝突時に荷重を受け持ち、エネルギー吸収を行う部品やフレームへの適用が進んでいる。中でもＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−（Ｃｕ）系）及び７０００系（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−（Ｃｕ）系）アルミニウム合金は、素材強度が高く、高強度エネルギー吸収部品として期待されている。

アルミニウム合金は、条件によっては応力腐食割れが生じることがしばしば問題になる。特に前記６０００系又は７０００系アルミニウム合金は、この応力腐食割れが生じやすいという問題がある。
応力腐食割れは、素材を加工したときに生じる残留応力に依存しており、素材強度に対して引張残留応力が高いほど発生しやすくなる。アルミニウム合金製中空形材は、車体フレームや補強材などに適用する際に、曲げ加工が要求される場合も多く、その曲げ加工後に残留する応力に起因して、前記応力腐食割れが発生する場合がある。
なお、鋼や銅合金など、他の金属材料についても同様の問題がある。

７０００系又は６０００系アルミニウム合金では、この応力腐食割れ性の向上を目的とする材料組成あるいは製造方法の開発が行われている（特許文献１〜３参照）。
しかし、これらの素材を用いても、加工条件によっては、一部に引張応力が残留し、応力腐食割れが発生する場合がある。これに対して、表面にショットピーニング加工を施すことで残留応力を低減する対策も見られるが（特許文献４参照）、後加工追加によるコストアップが問題になる。

加工後の熱処理による耐応力腐食割れ対策も一般的に行われている。例えば、耐力の低いＴ１調質状態での加工後に、Ｔ５あるいはＴ６処理（時効処理）を行うことで素材強度を増加させれば、素材強度に対する引張残留応力の割合を減少させることが可能となる。
しかし、Ｔ１調質材は、室温中でも自然時効するために、素材特性が変化しやすく、加工タイミングによってスプリングバック量が変化し、製品形状にバラツキが生じる。特に曲げ半径の大きい製品では、スプリングバック量自体が大きくなり、製品形状精度の確保が難しいという問題が生じる。

逆に素材特性が安定しやすいＴ５又はＴ６調質材を曲げ加工する場合、製品形状精度の確保はしやすくなるものの、残留応力が高いという問題が生じやすい。また、熱間加工（押出）で形成されるアルミニウム合金製中空形材の場合、Ｔ５，Ｔ６調質材でも素材のバラツキが生じやすく、加工条件の調整により製品形状のバラツキを低減することが必要になることが多い。

押出形材の曲げ加工方法については、プレス曲げ、押し付け曲げ、引張曲げ、ロール曲げなど、様々な方法がある。これらの曲げ加工方法はそれぞれ特徴があり、上記のような素材特性バラツキが生じた場合の加工条件調整方法もいくつか存在する（特許文献５，６）。また、曲げ加工に供される押出形材の断面形状についても、種々の提案（特許文献７，８参照）がなされている。

曲げ金型に素材を押し付けることで曲げ加工を行うプレス曲げ加工あるいは押し付け曲げ加工の場合は、工具自体が剛体で形成されている。このため、量産時に素材バラツキが生じた場合は、パンチ工具の押し込み量あるいは曲げ角度で調整することができる。金型コストがかかるが、曲げ加工後の残留応力が小さいという利点がある。

素材に張力を加えながら曲げ加工を行う引張曲げ加工では、張力を付与されることでスプリングバック量自体が小さく、寸法精度を確保しやすいという利点がある。また、素材特性にバラツキが生じた場合には、加工中に加える張力を変更することでスプリングバック量を調整し、所定の製品を得ることが可能になる。しかし、素材に張力を加えるためにクランプした端部は、曲げ加工後に、切断、廃棄することが必要であり、素材の歩留まり低下や加工工程追加によるコストアップが問題となる。

ロール曲げ加工の場合、ロール工具の押し込み量を変化させることで異なるＲの製品を製造することが可能である。つまり、素材特性や形状にバラツキが生じた場合にも、ロール工具の押し込み量を変更するだけで所定の形状精度の製品を得ることができる。このため、特に大Ｒの曲げ製品などスプリングバックの大きい条件の製品への適用に有利である。しかし、ロール曲げ加工は、特に中空形材を対象とした場合、曲げ加工後の製品に残留する応力が、プレス曲げ加工など他の曲げ加工方法に比べて高いという問題がある。

特公昭６１−２８７４４号公報 特開２００１−２０７２３３号公報 特開２００１−２４０９３０号公報 特開平５−３２０８３８号公報 特開２００８−２２９６４３号公報 特開平１０−２９０９６２号公報 特許第３５２５９７９号公報 特開２００２−２２５６５１号公報

アルミニウム合金製形材、特に６０００系又は７０００系アルミニウム合金製の部材では、残留応力が高くなると応力腐食割れ（ＳＣＣ）が生じやすく、前記したエネルギー吸収部材やフレームへの適用が難しくなるという問題がある。この応力腐食割れの問題は鋼についても同様に存在し、銅合金など他の金属材料でも同様である。
本発明は、残留応力低減の面で有利なプレス曲げ加工により、アルミニウム合金等の金属製形材の長手方向に曲率を付与する場合において、曲げ加工後の残留応力をさらに小さくして、曲げ加工製品の耐ＳＣＣ（耐応力腐食割れ）性能を向上することを目的とする。

本発明（請求項１）は、アルミニウム合金の中空押出形材を１回目のプレス曲げ加工で一方向に過剰に曲げ加工した後、２回目のプレス曲げ加工で逆方向に曲げ戻しを行い、これにより前記中空押出形材について目標とする曲げ形状を得るプレス曲げ加工方法に関し、１回目のプレス曲げ加工後の中空押出形材の曲げ形状の基準値からのずれ量に応じて、２回目のプレス曲げ加工における曲げ金型の押し込み量Ｓを調整する。より具体的には、曲げ形状を表す指標として中空押出形材の両端を水平に置いたときの長さ方向中央部の高さ（曲げ高さ）が選定され、量産開始前の初期の条件出しとして、前記ずれ量と、２回目のプレス曲げ加工で目標とする曲げ形状が得られる曲げ金型の押し込み量の対応関係を予め求め、量産開始後は、量産対象の個々の中空押出形材について、１回目のプレス曲げ加工後に前記ずれ量を測定し、２回目のプレス曲げ加工において前記対応関係に基づいて決まる押し込み量で曲げ加工を行うようにする。

２回目のプレス曲げ加工後に目標とする曲げ形状が得られていない場合、さらに１回又は２回以上の追加のプレス曲げ加工（曲げ戻し）を行って、目標とする曲げ形状を得るようにしてもよい。具体的には、２回目のプレス曲げ加工後に、曲げ形状の前記基準値からのずれ量を測定し、２回目のプレス曲げ加工と同じ曲げ金型により同方向に前記対応関係に基づいて決まる押し込み量で追加のプレス曲げ加工を行う（請求項２）。あるいは、さらにこの追加のプレス曲げ加工を繰り返し行う（請求項３）。

本発明は、緩やかな曲線（小さい曲率）に加工されることが望まれるアルミニウム合金の中空押出形材の曲げ加工に好適であり、例えば車体の軽量化と変形強度の確保の両立のために中空形材が望まれる自動車用ドア補強材、バンパー補強材、ルーフ補強材等のエネルギー吸収部材、クロスメンバーなどの曲げ加工に好適である。これらの部材は車体形状に応じて比較的緩やかな曲線に加工される。
本発明は、応力腐食割れ性に対する感受性が比較的高い６０００系又は７０００系アルミニウム合金製中空押出形材を素材とする場合に、特に好適である。

本発明の方法によれば、アルミニウム合金の中空押出形材を素材として、曲げ加工後の引張残留応力が低く、耐ＳＣＣ（応力腐食割れ）性能に優れた、プレス曲げ加工製品を製造することができる。
また、本発明の方法で製造したプレス曲げ加工製品を、自動車用ドア補強材、バンパー補強材、又はルーフ補強材等の自動車用エネルギー吸収部材に適用した場合、経時変化に伴う応力腐食割れが防止されることで、き裂発生に伴う衝突性能の低下抑制という効果を得ることができる。

本発明は、応力腐食割れに対する感受性の高い６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−（Ｃｕ）系）又は７０００系（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−（Ｃｕ）系）アルミニウム合金への適用に対して最も効果があり、Ｔ１調質状態で曲げ加工後に時効処理（Ｔ５，Ｔ６）を行う場合はむろんのこと、時効処理（Ｔ５，Ｔ６）材を曲げ加工する場合であっても耐応力腐食割れ性を改善できる。

本発明に係るプレス曲げ加工を工程順に説明する模式図である。 実施例に用いた中空形材の断面図である。 実施例で成形したプレス曲げ製品の残留応力値を示すグラフである。

以下、図１，２を参照して、本発明に係るプレス曲げ加工方法について説明する。このプレス曲げ加工方法は、例えば図２に示す断面のアルミニウム合金製中空押出形材１に対し、長手方向に沿って大Ｒの曲率を付与して、自動車のドア補強材（ドアビーム）とするために行われる。中空押出形材１は、衝突面側に略鉛直に向けて配置されるフランジ２、車体側に配置されるフランジ３、両フランジ２，３を連結し両フランジ２，３に略垂直なウエブ４，５からなり、ウエブ４，５に平行な面内で曲げ加工が行われる。

図１（ａ）は、素材としての真直な中空押出形材１を示す。図１（ｂ）は、プレス曲げ加工の第１工程（１回目のプレス曲げ加工）を模式的に示すもので、２個の支持ローラ６，６により中空押出形材１の両端近傍を支持し、中央に位置する曲げ金型７をフランジ３に当接させ、支持ローラ６，６の間に押し込み（白抜き矢印参照）、中空押出形材１を曲げ金型７の成形面の曲率（長さ方向の全長にわたって一定である必要はない）と曲げ金型７の押し込み量に対応する所定の曲げ形状に曲げ加工する。

このときの曲げ金型７の押し込み量は、目標とする曲げ形状が得られる適正押し込み量より大きく設定する。つまり、第１工程では、曲げ金型７の押し込み量を適正値よりあえて大きくし、中空押出形材１を過剰に（目標より小さい曲率半径に）曲げ加工する。
図１（ｃ）に、曲げ金型７が後退して無負荷状態となり、スプリングバックが生じた中空押出形材（以下、中間材１Ａという）を示す。中間材１Ａは、スプリングバックにより、曲率半径が図１（ｂ）の状態よりかなり大きくなっている。なお、８，８は後述する第２工程のプレス曲げ加工における支持ローラである。

ここでは、中間材１Ａの曲げ形状（円弧形状）を特徴付ける指標として、測定のしやすさから、両端を水平に置いたときの長さ方向中央部の高さｄ_１（図１（ｃ）参照）が選定される。最終的な曲げ加工製品の曲げ高さの基準値をｄ_０、その寸法公差をαとしたとき、該曲げ加工製品の目標曲げ高さは（ｄ_０−α）〜（ｄ_０+α）の範囲となるが、中間材１Ａの曲げ高さｄ_１は、意図的に上記範囲を外れるように設定される（ｄ_１＞ｄ_０+α）。
中間材１Ａの曲げ高さｄ_１と、曲げ加工製品の曲げ高さの基準値ｄ_０との差が、ずれ量Δｄ（＝ｄ_１−ｄ_０）である。このずれ量Δｄの大きさは、初期の条件出しにおいて適宜設定すればよいが、アルミニウム合金形材であれば、０．１≦（Δｄ／ｄ_０）≦０．２５程度の範囲に設定することで、残留応力軽減及び生産性の面でよい結果が得られる。すなわち、Δｄ／ｄ_０が余り小さいと残留応力軽減の効果が少なく、余り大きいと曲げ金型７のストロークが（後述する２回目の曲げ金型９，９のストロークも）大きくなり、生産性が低下する（プレス曲げ加工の時間が多く掛かる）。

図１（ｄ）は、プレス曲げ加工の第２工程（２回目のプレス曲げ加工）を模式的に示すもので、２個の支持ローラ８，８により中間材１Ａの両端近傍を支持し、中央付近の２箇所に対称的に位置し同時に移動する一対の半円筒形曲げ金型９，９をフランジ２に当接させ、支持ローラ８，８の間に押し込み（押し込み量Ｓ）、中間材１Ａを逆方向に曲げ加工（曲げ戻し）する。
図１（ｅ）に、曲げ金型９，９が後退して無負荷状態となり、スプリングバックが生じた中空押出形材（以下、曲げ加工製品１Ｂという）を示す。曲げ加工製品１Ｂは、スプリングバックにより、曲率半径が図１（ｄ）の状態よりかなり小さくなっている。

曲げ加工製品１Ｂの曲げ高さｄ_２は、中間材１Ａの曲げ高さｄ_１より当然小さい（ｄ_２＜ｄ_１）。そして、２回目のプレス曲げ加工では、曲げ加工製品１Ｂの曲げ高さｄ_２が、曲げ加工製品の目標曲げ高さ（ｄ_０−α≦ｄ_２≦ｄ_０＋α）の範囲に収まるように、曲げ金型９，９の押し込み量Ｓを調整する。
本発明では、このように２段階のプレス曲げ加工（プレス曲げ及び曲げ戻し）を行うことにより、一度のプレス曲げ加工で所定の曲げ形状（曲げ半径）を得る従来法に比べて、曲げ加工製品１Ｂの残留引張応力を大幅に軽減することができる。

一方、押出形材では、同じ材質であっても、押出ダイス摩耗等に起因する素材断面形状寸法の変化や素材の機械的特性のバラツキが大きく、このため、１回目のプレス曲げ加工において曲げ金型７の押し込み量を一定にしても、押出形材毎（特に製造ロット毎）に、曲げ高さのずれ量Δｄ（＝ｄ_１−ｄ_０）にバラツキが生じる。これは、特に大Ｒ曲げ（大きい半径への曲げ）の場合に顕著である。
２回目のプレス曲げ加工後の曲げ加工製品１Ｂの曲げ高さｄ_２を、目標曲げ高さの範囲内（ｄ_０−α≦ｄ_２≦ｄ_０＋α）で安定して得るには、１回目のプレス曲げ加工後の中間材１Ａの曲げ高さのずれ量Δｄ（＝ｄ_１−ｄ_０）の大きさに応じて、２回目のプレス曲げ加工の曲げ金型９，９の押し込み量Ｓを調整することが望ましい。

ずれ量Δｄ（＝ｄ_１−ｄ_０）の大きさが変わると、目標曲げ高さ（ｄ_０−α≦ｄ_２≦ｄ_０＋α）が得られる押し込み量Ｓも変わる。従って、例えば量産開始前に、予め、１回目のプレス曲げ加工後の中間材１Ａの曲げ高さのずれ量Δｄの大きさと、２回目のプレス曲げ加工の曲げ金型９，９の押し込み量Ｓ（目標曲げ高さ（ｄ_０−α≦ｄ_２≦ｄ_０＋α）が得られる押し込み量Ｓ）の対応関係を求めておき、量産開始後は、第１工程のプレス曲げ加工後に実際の曲げ高さのずれ量Δｄを測定し、前記対応関係に基づいて、測定された曲げ高さのずれ量Δｄに対応する押し込み量Ｓを求め、この押し込み量Ｓで２回目のプレス曲げ加工を行って、目標曲げ高さ（ｄ_０−α≦ｄ_２≦ｄ_０＋α）を有する曲げ加工製品１Ｂが得られるようにする。

前記対応関係は、基本的に、量産用のアルミニウム合金中空押出材を用い、量産用の実機で実験して求めることができるが、必要に応じて一部にＦＥＭ解析を援用して求めることもできる。
なお、前記押し込み量Ｓとして、例えば、２回目のプレス曲げ加工における曲げ金型９，９の全ストローク（上端の待機位置（定位置）から加工を停止するまでの移動距離）、あるいは曲げ金型９，９が中空押出形材１に当接してから押し込みを停止するまでのストロークを選定することができる。

前記対応関係は、例えば、曲げ高さのずれ量Δｄの数値と対応する押し込み量Ｓの数値を表１に示すテーブルで表したり、あるいは押し込み量ＳをΔｄの関数として表す（Ｓ＝ｆ（Δｄ））ことができる。この対応関係を制御装置のメモリに記憶させておき、測定した曲げ高さのずれ量Δｄの数値から、押し込み量Ｓを直ちに算出できるようにしておくことが望ましい。なお、表１のテーブルにおいて、測定したずれ量Δｄの数値がテーブル内の例えばΔｄ_３とΔｄ_４の間の値であった場合、Ｓ_３とＳ_４の間の値を公知の補間法により対応する押し込み量Ｓとして算出すればよい。前記制御装置は、算出した押し込み量Ｓに応じて、曲げ金型９，９の駆動源、例えばサーボモータを制御する。

なお、上記の例では、中間材１Ａ及び曲げ加工製品１Ｂの曲げ形状（円弧形状）を特徴付ける指標として、測定のしやすさから、両端を水平に置いたときの長さ方向中央部の高さ（曲げ高さ）を選定した。
また、上記の例では、２工程のプレス曲げ加工を行って、目標値から所定の寸法公差範囲内（曲げ高さｄ_０±α）の曲げ形状を得たが、２回目のプレス曲げ加工後の曲げ加工製品１Ｂの曲げ高さｄ_２を測定したとき、万一、曲げ高さｄ_２が目標曲げ高さの範囲内でなかった場合（ｄ_２＞ｄ_０＋α）、再度、曲げ金型９，９によるプレス曲げ加工（３回目のプレス曲げ加工）を行うことができる。このときの曲げ金型９，９の押し込み量Ｓは、前記対応関係に基づいて算出すればよい。４回目以降のプレス曲げ加工が必要になった場合も同様である。

図２に示す断面形状（単位：ｍｍ）をもつ７０００系アルミニウム合金押出形材のＴ５処理材を、長さ１０２０ｍｍに切断し（端部は斜め切断）、プレス曲げ加工装置により、曲率半径１００００ｍｍへの曲げ加工を行った。なお、Ｎｏ．１〜３は同じ押出ロット、Ｎｏ．４〜６も同じ押出ロットから切断したものだが、Ｎｏ．１〜３とＮｏ．４〜６はロットが異なる。

Ｎｏ．１，４は本発明例であり、１回目のプレス曲げ加工として、図１（ｂ）に示す態様で、両端部を支持ローラで支持し、中央部に成形面が所定の曲率に形成された曲げ金型を押し込んで曲げ加工を行った。続いて、２回目のプレス曲げ加工として、図１（ｄ）に示す態様で、両端部を支持ローラで支持し、長さ方向中央付近に一対の曲げ金型を押し込んで逆方向に曲げ加工を行った。Ｎｏ．１，４とも、１回目のプレス曲げ加工（順曲げ）の押し込み量は３５ｍｍ、２回目のプレス曲げ加工（曲げ戻し）の押し込み量は２０ｍｍとした。ここでいう押し込み量は、曲げ金型が形材に当たってからのストロークである。

Ｎｏ．２，５は比較例であり、Ｎｏ．１，４と同じプレス曲げ加工装置を用い、１回目のプレス曲げ加工のみを、図１（ｂ）に示す態様で行った。Ｎｏ．２，５とも、プレス曲げ加工（順曲げ）の押し込み量は２０ｍｍとした。
Ｎｏ．３，６は比較例であり、同じプレス曲げ加工装置を用い、１回目のプレス曲げ加工を図１（ｂ）に示す態様で行い、２回目のプレス曲げ加工を同じく図１（ｂ）に示す態様で行った。Ｎｏ．３，６とも、１回目のプレス曲げ加工（順曲げ）の押し込み量は１５ｍｍ、２回目のプレス曲げ加工（追加順曲げ）の押し込み量（この場合はストロークの増分）を１０ｍｍとした。

曲げ形状を示す指標として曲げ高さ（両端を水平に置いたときの長さ方向中央部の高さ）を選定し、プレス曲げ加工後の曲げ高さを測定し、曲げ加工製品の曲げ高さの基準値とのずれ量Δｄを求めた。その結果を表２に示す。なお、曲げ加工製品の曲げ高さの基準値は７ｍｍである。寸法公差は±０．３ｍｍに設定した。Ｎｏ．１〜６はいずれも目標曲げ形状（曲げ高さ）が得られていた。

また、Ｎｏ．１〜６について、形材の長さ方向中央位置と、そこから左右に２００ｍｍの位置において、曲げ内側フランジ３のウエブ近傍位置（図２に×印で示す箇所、大きい残留応力が発生しやすい）の残留応力値を測定した。その結果を図３に示す。図３において、測定位置２が形材の長さ方向中央位置、測定位置１，３がそこから左右に２００ｍｍの位置を意味する。また、残留応力の最大値を表２に示す。
なお、測定方法は、歪みゲージによる切断開放法を用いた。曲げ内側フランジの前記測定位置１，２，３表面にそれぞれ歪みゲージを瞬間接着剤で貼り着け、歪みゲージのリード線を歪み計に接続した後、歪みゲージ周辺を切断して応力開放し、切断前後の歪み量の差を歪み計で測定し、その測定値と形材のヤング率から残留応力値を算出した。

表２及び図３に示すように、１回目のプレス曲げ加工後、２回目のプレス曲げ加工で曲げ戻しを行い、目標とする曲げ形状を得たＮｏ．１，４は、１回目のプレス曲げ加工で目標とする曲げ形状を得たＮｏ．２，５や、１回目のプレス曲げ加工後、２回目のプレス曲げ加工で追加の順曲げを行ったＮｏ．３，６に比べ、残留応力が大きく低減していた。

１ アルミニウム合金中空押出形材
２，３ フランジ
４，５ ウエブ
６，８ 支持ロール
７，９ 曲げ金型

Claims (5)

1. アルミニウム合金の中空押出形材を１回目のプレス曲げ加工で一方向に過剰に曲げ加工した後、２回目のプレス曲げ加工で逆方向に曲げ戻しを行い、これにより前記中空押出形材について目標とする曲げ形状を得るプレス曲げ加工方法において、１回目のプレス曲げ加工後の中空押出形材の曲げ形状の基準値からのずれ量に応じて、２回目のプレス曲げ加工における曲げ金型の押し込み量を調整するもので、曲げ形状を表す指標として中空押出形材の両端を水平に置いたときの長さ方向中央部の高さが選定され、量産開始前の初期の条件出しとして、前記ずれ量と、２回目のプレス曲げ加工で目標とする曲げ形状が得られる曲げ金型の押し込み量の対応関係を予め求め、量産開始後は、量産対象の個々の中空押出形材について、１回目のプレス曲げ加工後に前記ずれ量を測定し、２回目のプレス曲げ加工において前記対応関係に基づいて決まる押し込み量で曲げ加工を行うことを特徴とするプレス曲げ加工方法。
2. ２回目のプレス曲げ加工後に、曲げ形状の前記基準値からのずれ量を測定し、２回目のプレス曲げ加工と同じ曲げ金型により同方向に前記対応関係に基づいて決まる押し込み量で追加のプレス曲げ加工を行い、これにより前記中空押出形材について目標とする曲げ形状を得ることを特徴とする請求項１に記載されたプレス曲げ加工方法。
3. 追加のプレス曲げ加工後、さらに、曲げ形状の基準値からのずれ量の測定と、２回目のプレス曲げ加工と同じ曲げ金型による同方向への追加のプレス曲げ加工を前記対応関係に基づいて決まる押し込み量で１回以上繰り返し行い、これにより前記中空押出形材について目標とする曲げ形状を得ることを特徴とする請求項２に記載されたプレス曲げ加工方法。
4. 前記中空押出形材がＪＩＳ６０００系又は７０００系アルミニウム合金のＴ５又はＴ６調質材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたプレス曲げ加工方法。
5. 前記基準値をｄ _０ とし、前記ずれ量をΔｄとしたとき、０．１≦Δｄ／ｄ _０ ≦０．２５であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載されたプレス曲げ加工方法。

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