(57)【要約】【課題】  バルジ加工後の製品に求められる強度特性分布を自由に得ること。【解決手段】  バルジ加工用素材となる管である。少なくとも２種類の板１２，１３を予め接合したブランク材を用いて製管する際に、製管後の管の軸心方向に垂直な断面での前記少なくとも２種類の板１２，１３それぞれの占める割合から求まる断面平均変形抵抗が、前記軸心方向で連続的に変化するようにした。【効果】  バルジ製品の軸方向における強度変更が連続的に行えるようになるため、乗員保護性の高い自動車の圧潰モードを実現する部品設計の自由度が大幅に広がる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルジ加工用素材となる管であって、少なくとも２種類の板を予め接合したブランク材を用いて製管する際に、製管後の管の軸心方向に垂直な断面での前記少なくとも２種類の板それぞれの占める割合から求まる断面平均変形抵抗が、前記軸心方向で連続的に変化するようにしたことを特徴とするバルジ加工用管。
【請求項２】
請求項１に記載のバルジ加工用管は、前記少なくとも２種類の板の接合線が製管時の溶接の際に同一位置で突き合せされず、前記接合線の突き合せ交点間距離が前記バルジ加工用管の前記交点の中間位置における半径の１／２以上であることを特徴とするバルジ加工用管。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のバルジ加工用管は、軸心方向に断面積が変化する異形管であることを特徴とするバルジ加工用管。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載のバルジ加工用管を用いて、バルジ加工することで得られたバルジ製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルジ加工用管及びバルジ加工された製品に係り、特にテーパ管などの軸方向に断面形状が変化する異形管や通常のストレート管において、軸心方向に材料強度を変化させたバルジ加工用管及びこのバルジ加工用管を使用して得られた乗員保護性の高い自動車の圧潰モードを容易に実現可能なバルジ製品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液圧バルジ加工には、通常の成形法に比べて以下に示す特長がある。
ａ）長手方向に断面形状の異なるやや複雑な形状を得ることができるため、従来は溶接で組み付けられていた部品の一体成形が可能になる。
【０００３】
ｂ）製品の全体に亘って加工硬化が得やすいため、軟質な素管を用いても、高強度な製品を得ることができる。
ｃ）スプリングバックが少なく製品の寸法精度が良好である（形状凍結性が良好である）ため、手直しの工程が省略できる。
【０００４】
以上のような優れた特長が評価され、近年、特に自動車部品の製造工程に採用されるようになってきた。
一般的な管の液圧バルジ加工工程を次に説明する。
素材となる長手方向に均一な円断面を有するストレートな管（以下、「素管」と呼ぶ。）を、（１）曲げ加工、（２）押し潰し加工（以下、「プリフォーム加工」と呼ぶ。）、（３）液圧バルジ加工、の一連の加工を行うことによって製品を製造するものである。
【０００５】
図１６に示す最終工程である液圧バルジ加工では、上金型１、下金型２内にセットされた素管Ｓ1 の中に、注入孔３を通じて加工液を注入し、加工液の圧力（以下、「内圧」と呼ぶ。）を高めることに加えて、シール工具を兼ねた軸押し工具４，５によって両管端から軸方向に素管Ｓ1 を押し込み（以下、「軸押し」と呼ぶ。）、種々の断面形状を有する製品Ｓ2 を製造する。なお、シール工具を兼ねた軸押し工具４，５は図示しない油圧シリンダに接続されており、バルジ加工中に軸方向位置或いは軸押し力が制御されている。
【０００６】
しかしながら、以上に述べてきた液圧バルジ加工においても以下に述べるような問題点がある。
すなわち、長手方向に断面形状の異なるやや複雑な形状を得ることができるといってもそれには限界がある。周長増加率＝｛（当該部位の製品の外周長）／（素管の円周長−１）｝×１００（％）と定義すれば、製品の形状要求性能や素管の材質・板厚にもよるが、軸押しが有効な管端部領域は除き、周長増加率は高々２５％程度が限界である。このような制約条件のもとで、製品の形状設計の自由度を上げ、より複雑な断面形状を有する製品を得るためには、素管形状の工夫が必要である。
【０００７】
この問題に対する一つの有力な対策は、ストレートな素管に代えて、略円錐状の素管（以下、「テーパ管」と呼ぶ。）を用いることであり、ストレートな素管での成形が困難な部品、例えば軸方向に沿って大きく周長が変化する部品に対しても、周長増加率を低く抑えることが出来る。
【特許文献１】特開２００１−３２１８４２号公報
【０００８】
具体的には、特許文献１には、センターピラーのリインフォースにテーパ管のバルジ製品を適用する例が開示されている。一般に、自動車ボディ側部の骨格であるセンターピラー６は、図１７（ａ）に示すような部品で、プレス成形品の組み立て溶接構造となっており、リインフォース７と呼ばれる図１７（ｂ）に示すような補強材が組み付けられている。
【０００９】
このセンターピラー６は、図１７（ａ）に示すように、上部断面は小さく下部断面が大きい部品で、上端から下端へ向かい外周長が漸次変化することから、テーパ管をバルジ素材として用いることにより良好な成形が可能になる。そして、テーパ管を用いたバルジ製品をセンターピラーのリインフォースに適用することにより下記の大きなメリットが得られるようになる。
【００１０】
1）従来の溶接部分が省略でき、リインフォースが閉断面構造となることで、部品全体の剛性が向上する。
2）バルジ加工時の膨出変形により材料が加工硬化し、高い強度が得られる。
3）バルジ製品はスプリングバックが小さいため製品精度が向上し、組み付け工程での不良が削減される。
【００１１】
この例は、リインフォースについて述べたものであるが、当然センターピラー自体にテーパ管を用いても良い。この場合には、高強度材を用いることによって、リインフォースを省略できる可能性もある。
【００１２】
一方、近年、自動車には衝突での安全性向上が求められている。そのために、種々の衝突の試験と評価が行われ、自動車部品の設計にその結果が反映されている。当然のことながら、部品の強度向上はもちろんのこと、それとは別の観点で、個々の部品に衝撃荷重を受けた場合の最適な潰れ方（以下、「圧潰モード」と呼ぶ。）が求められる場合も多い。すなわち、実際に衝突事故が発生した時、乗車中の人（以下、「乗員」と呼ぶ。）の受ける衝撃エネルギを最小化するのに加え、乗員保護性の高い自動車の圧潰モードを実現する部品の設計が求められている。
【００１３】
センターピラーを一つの例として、より詳細に説明する。自動車の衝突事故における乗員傷害のうち、前面衝突に続き傷害程度の大きな衝突形態として側面衝突がある。センターピラーは、自動車の側面衝突の際の乗員の安全確保に直結した部品であるため、当然、高い強度が要求される。それに加えて、側面衝突時に、折れ曲がって車内に入り込むため、生命に関わる損傷を最も受けやすい頭部や頚部を保護するような、圧潰モードが要求されるのである。
【００１４】
センターピラーの設計の考え方には種々あるが、例えば、センターピラーの上部を強化して折れ曲がりにくくし、脚部で折れ曲がりの起点をつくるとともに、全体の強度を向上させて車内への侵入変形量を規制するという考え方もある。
【００１５】
しかしながら、上記のような乗員保護性の高い自動車の圧潰モードを設計する場合、従来のテーパ管を使用したバルジ製品を用いると、設計の自由度が少ないという問題があった。すなわち、圧潰モードをコントロールするためには、製品の形状を変更して、曲がりの起点となりやすい形状を設計することやバルジ加工での加工硬化を不均一にして潰れモードを変化することも考えられるが、スペース上の制約や剛性の確保といった部品の基本設計を行った上で、上記を実施するのは設計上の制約が大きかった。
【００１６】
これまで、センターピラーを例にして説明を行ってきたが、各種の衝突形態における安全確保のための部品設計についても、軸方向に強度分布の変化を付与出来れば、設計の自由度は広がり、すぐれた安全性が得られることになるのは言うまでもない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
解決しようとする問題点は、バルジ加工後の製品に求められる強度特性分布を自由に得ることができない点である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、バルジ加工後の製品に求められる強度特性分布を従来以上に自由に得ることを可能にし、適切な強度分布を有したバルジ製品を得るために、少なくとも２種類の板を予め接合したブランク材を用いてバルジ加工用素材となる管を製管する際に、製管後の管の軸心方向に垂直な断面での前記少なくとも２種類の板それぞれの占める割合から求まる断面平均変形抵抗が、前記軸心方向で連続的に変化するようにしたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、バルジ製品の軸方向における強度変更が連続的に行えるようになるため、乗員保護性の高い自動車の圧潰モードを実現する部品設計の自由度が大幅に広がるという利点がある。
また、適切な強度分布を有したバルジ製品の製造が可能となり、乗員保護性の高い自動車の圧潰モードを容易に実現可能なバルジ製品の提供が可能になるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明のバルジ加工用管は、バルジ加工用素材となる管であって、少なくとも２種類の板を予め接合したブランク材を用いて製管する際に、製管後の管の軸心方向に垂直な断面での前記少なくとも２種類の板それぞれの占める割合から求まる断面平均変形抵抗が、前記軸心方向で連続的に変化するようにしたものである。
【００２１】
前記本発明において、少なくとも２種類の板の接合線が製管時の溶接の際に同一位置で突き合せされず、前記接合線の突き合せ交点間距離が前記バルジ加工用管の前記交点の中間位置における半径の１／２以上であれば、圧潰した場合の折れが接合部に集中せず好適である。また、交点間距離が前記交点の中間位置における半径以上であれば、更に圧潰モードが安定する。なお、前記突き合せが同一位置にないため、当然溶接の信頼性がより優れることになる。
前記本発明はストレート管に限らず軸心方向に断面積が変化する異形管であっても良い。
【００２２】
前記本発明のバルジ加工用管を用いて、バルジ加工することで得られたバルジ製品では、適切な強度分布を有したバルジ製品の製造が可能となり、乗員保護性の高い自動車の圧潰モードを容易に実現することができる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明について詳細に説明する。図１に示す様な、底面半径Ｒ０、上面半径Ｒ１、高さＨのバルジ加工用のテーパ管１１を考える。ここでは、長手方向の軸心が底面に垂直な軸対称なテーパ管１１を考える。
【００２４】
このテーパ管１１のブランク（展開図）１１ａは、図２に示すような頂角θの半径Ｌの扇形から、半径Ｌ０の扇形を取り去ったものとなる。ここで、幾何学的関係より、前記Ｌとθ、テーパ管１１の外周面長手方向に沿う長さＬ’、前記ＬからＬ’を減じた長さＬ０を求めると、以下の数式１〜数式４のようになる。
【００２５】
Ｌ＝Ｒ０×〔１＋｛Ｈ／（Ｒ０−Ｒ１) ｝2 〕1/2     …数式１
Ｌ０＝Ｒ１×〔１＋｛Ｈ／（Ｒ０−Ｒ１) ｝2 〕1/2   …数式２
Ｌ’＝｛（Ｒ０−Ｒ１) 2 ＋Ｈ2 ｝1/2               …数式３
θ＝２π／〔１＋｛Ｈ／（Ｒ０−Ｒ１) ｝2 〕1/2     …数式４
【００２６】
今、簡単のため強度や板厚の異なる２種類の材料、Ａ材１２とＢ材１３を接合し、その接合線１４が直線である場合を考える。図３に示すように、該接合線１４の垂線に対して、テーパ管１１のブランク１１ａの中心線１１ｂを斜め（０°を超え、９０°未満）にし、打ち抜き或いは切断する。テーパ管１１となした際に上面となる、扇形ブランク１１ａの頂点Ｏ側の上面１１ａａから該接合線１４までの距離をそれぞれＨ１、Ｈ２とする。また、上面１１ａａからテーパ管１１の母線に沿った任意の距離をＸとする。今、頂点Ｏから仮想的に半径（Ｌ０＋Ｘ）の円を書き、接合線１４との交点の角度をβとする。
【００２７】
上面１１ａａからテーパ管１１の母線に沿った距離Ｘにおける平均的な変形抵抗ＫＦＭ（Ｘ）は、Ａ材１２の変形抵抗ＫＦＭ（Ａ）とＢ材１３の変形抵抗ＫＦＭ（Ｂ）を用いると下記数式５で表される。また、数式５中のβは、Ｘを用いて下記数式６で与えられるから、前記Ｈ１、Ｈ２を決めることによって、テーパ管１１の母線に沿った距離Ｘにおける平均的な変形抵抗ＫＦＭ（Ｘ）が求まることになる。
【００２８】
ＫＦＭ（Ｘ）＝｛１−（β／θ）｝・ＫＥＭ（Ａ）＋（β／θ）・ＫＥＭ（Ｂ）
…数式５
Ｘ＝｛Ａ（Ｌ０＋Ｈ１）／（Ａ−ｔａｎβ）｝・（１＋ｔａｎ2 β）1/2   …数式６
ここで、Ａ＝（Ｌ０＋Ｈ２）・ｓｉｎθ／｛（Ｌ０＋Ｈ２）ｃｏｓθ−（Ｌ０＋Ｈ１）｝
【００２９】
ここで、Ｒ１＝２５ｍｍ、Ｒ０＝５０ｍｍ、Ｈ＝１０００ｍｍのテーパ管を例に、本発明の効果を説明する。
Ｈ１、Ｈ２、ＫＦＭ（Ａ) 、ＫＦＭ（Ｂ) を下記表１に示す値に変更した３つのケースについて、数式５〜数式６より、テーパ管の母線に沿った距離Ｘにおける平均的な変形抵抗ＫＦＭ（Ｘ）を求めた。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
結果を図４に示す。図４より明らかなように、Ｈ１、Ｈ２、ＫＦＭ（Ａ) 、ＫＦＭ（Ｂ) を変更することにより、テーパ管１１の軸方向に変形抵抗ＫＦＭ（Ｘ）を変更することが出来た。特に、変形抵抗の低下の開始点とその勾配を比較的自由に設定出来た。すなわち、比較的なめらかに変形抵抗を変更でき、変形抵抗の不連続さを解消することも出来るため、衝撃特性もコントロールしやすくなる。
【００３２】
また、前述の例に限られず、Ａ材とＢ材のそれぞれの板厚を変化させても良い。変形抵抗の変化と板厚の変化を組み合わせることで、潰れモードのコントロール範囲が広くなる。また、テーパ管は、変形抵抗の分布が軸対称ではないため、バルジ加工時に、材料のセット位置を調整することで、製品の潰れ方向をコントロールすることも出来る。
【００３３】
すなわち、バルジ加工後の製品に求められる強度特性分布が設計的に決定されれば、バルジ加工での拡管率分布に対応した加工硬化と肉厚分布を考慮しつつ、
イ）２種類の素材それぞれの変形抵抗を選択する。
ロ）２種類の素材それぞれの板厚を変化させる。
ハ）ブランクの位置（Ｈ１，Ｈ２）を選択する。
ニ）バルジ加工時に、材料のセット位置を選択する。
ことで、バルジ加工後の製品の軸心方向の変形抵抗を適切に分布させることが出来るため、乗員保護性の高い自動車の圧潰モードを容易に実現可能な設計が可能となる。
【００３４】
さらに、本発明のバルジ加工用テーパ管１１について言えば、溶接ラインの接合線１１ｃと２種類の素材（Ａ材１２、Ｂ材１３）の接合線１４の交点１５を中心点と見ると、上下の交点１５ともこの中心点から３本の溶接ラインが放射状に伸びたＴ字形に近い形状になる（図１参照）。そして、これら交点間距離Ｄがその中間位置ｃにおける半径Ｒｃの１／２以上であれば、圧潰した場合の折れが接合部に集中することがなく、圧潰モードが安定する。
【００３５】
一方、図５（ｂ）に示したように、単に２種類の素材（Ａ材１２，Ｂ材１３）の接合線１４が、管の長手方向の中心線１１ｂに対して垂直となる場合にも、２種類の素材（Ａ材１２、Ｂ材１３）それぞれの占める割合から求まる断面平均変形抵抗が、軸心方向で変化する部分を有することになるが、この場合は、溶接ラインの接合線１１ｃと２種類の素材（Ａ材１２、Ｂ材１３）の接合線１４の交点１５を中心点と見ると、図５（ａ）に示したように、この中心点から４本の溶接ラインが放射状に伸びた＋形（十字状）に近い形状になるから、溶接の信頼性という観点からは、図１に示した例が優れることになる。
【００３６】
以上の例では、Ａ材１２とＢ材１３の接合線１４が直線である場合について説明したが、図６に示すような曲線としても良い。この場合、接合線１４が直線の場合に比べて複雑になるが、軸心方向の変形抵抗の分布は更に複雑なものが出来る。
【００３７】
さて、実際の製品を製造する過程では、異なる素材の接合はＴＩＧ溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接など従来の溶接でもよく、溶接方法そのものが、本発明を規定するものではない。また、ブランクの製作も打ち抜き法、レーザ切断法、シャー切断と打ち抜きやレーザ切断の組み合わせなど従来の方法で良く、ブランクの製造方法そのものが、本発明を規定するものではない。
【００３８】
また、テーパ管の製造については、ＵＯプレスを行い、溶接を行う方法でも良いし、Ｃプレスを複数回行ない次工程で溶接を行う方法でも良い。すなわち、該ブランクに曲げ変形を与え溶接を行う方法であれば所定の目的を達成することが出来る。ここで、テーパ管の製造における溶接の種類も特に限定されるものではない。
【００３９】
これまで、長手方向の軸心が底面に垂直である軸対称なテーパ管について説明してきたが、本発明は、前述の図２に示したような、テーパ管１１のブランク１１ａに限られるものではなく、図７に示すように、母線の一部が底面に垂直な形状のテーパ管１１でも良い。この場合のブランク１１ａ（展開図）は、図８に示すように、上下の端面形状がやや複雑なものになる。また、当然のことながら、図１と図７の中間の形状のテーパ管としても良い。
【００４０】
さらに、ブランク自体を台形形状にしても良い。この場合には、ブランクは直線で囲まれているため、ブランクの製作自体はシャー切断のみでも可能となり、ブランクの製作が簡単になる。しかしながら、テーパ管を製造した後、あるいはバルジ成形を実施した後、端部をトリミングする必要がある。
【００４１】
例えば、台形ブランクから、図７に示したような、長手方向の軸心が底面に垂直である軸対称なテーパ管１１を成形する時には、台形のブランクに、仮想的に図２の扇形形状のブランク１１ａを考え、成形後にその食い違い部分をトリミングすればよい。また、台形ブランクについても、仮想的な扇形ブランクを考え、前述と同様に上面からテーパ管１１の母線に沿った距離Ｘにおける平均的な変形抵抗ＫＦＭ（Ｘ）を、前述の数式５〜数式６で求めることによって、変形抵抗の分布を与えることが出来る。
【００４２】
これまでの説明では、２種類の機械特性や板厚の異なる素材について説明したが、３種類以上の素材を接合した場合は、さらに設計の自由度が広がる。図９〜図１３は、３種類の素材２１〜２３を接合した実施例を示している。いずれも、バルジ加工後の製品の軸心方向の変形抵抗を適切に分布させることが出来るため、乗員保護性の高い自動車の圧潰モードを容易に実現可能な設計が可能となっている。なお、図９〜図１３中の２４は素材２１〜２３同士の接合線を示す。
【００４３】
一方、上下の断面積変化が大きい複雑な部品については、上記のテーパ管の使用が有効であるが、複雑な部品でない場合には、図１４に示すようなＡ材１２とＢ材１３を使用した矩形ブランク１１ａを用いて形成した図１５に示す管３１を素材として使用すれば良い。Ａ材１２とＢ材１３の移行部については、マクロ的な変形抵抗をリニアに変化出来、変形抵抗の変化点も比較的自由に変更出来る。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本実施例では主として単純なテーパ管やストレート管の場合について記述したが、単純なテーパ管やストレート管を素材にして、その一部あるいは全長に絞り加工、スウェージング加工、拡管加工などの従来加工を施し、それらを素材として、ハイドロフォームを行ったものにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のバルジ加工用管の１例を示す説明図で、機械特性や板厚の異なる２種類の素材を使用した、長手方向の軸心が底面に垂直な軸対称なテーパ管の説明図である。
【図２】図１のテーパ管を製作するのに使用するブランクの説明図である。
【図３】図２のブランクを機械特性や板厚の異なる２種類の素材を使用して得る際の説明図である。
【図４】本発明のバルジ加工用管の変形抵抗の分布を表す説明図である。
【図５】（ａ）は請求項１のみに相当する本発明のバルジ加工用管の説明図、（ｂ）は機械特性や板厚の異なる２種類の素材を使用して（ａ）のバルジ加工用管用のブランクを得る際の説明図である。
【図６】２種類の素材の接合線が曲線の場合の図３と同様の図である。
【図７】母線の一部が底面に垂直な場合の図１と同様の本発明のバルジ加工用管の説明図である。
【図８】図７のテーパ管を製作するのに使用するブランクの説明図である。
【図９】機械特性や板厚の異なる３種類の素材を使用して、本発明のバルジ加工用管用のブランクを得る際の説明図である。
【図１０】図９の他の例を示す説明図である。
【図１１】図９の更に他の例を示す説明図である。
【図１２】図１０の上方の接合線を曲線にした場合の説明図である。
【図１３】図１１の上方の接合線を曲線にした場合の説明図である。
【図１４】ブランクが矩形状の場合の説明図である。
【図１５】図１４のブランクを使用した本発明の実施例を示す説明図である。
【図１６】従来のストレート管の液圧バルジ加工工程の説明図で、（ａ）は加工前、（ｂ）は加工終了後を示した図である。
【図１７】（ａ）はセンターピラーの説明図、（ｂ）はセンターピラーに組み付けられるリインフォースの説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１    テーパ管
１１ａ    ブランク
１１ｂ    中心線
１１ｃ    接合線
１２    Ａ材
１３    Ｂ材
１４    接合線
１５    交点
２１    素材
２２    素材
２３    素材
２４    接合線
３１    管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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