(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げ加工時に引張応力のみが加えられる曲げ外側壁を有し、
前記曲げ外側壁が、実質的に台形形状の断面を有するように複数の壁で構成されて外側に突出しており、
前記複数の壁が、互いに同じ幅を有していることを特徴とする曲げ加工を受ける中空形材。
【請求項２】
前記中空形材が押出形材であることを特徴とする請求項１に記載の中空形材。
【請求項３】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の中空形材。
【請求項４】
前記中空形材がストレッチベンディング用であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空形材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空形材に関し、特に、曲げ加工を施した際に曲げ外側壁に凹みが発生しにくい中空形材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のサイドメンバー、フレーム材などの輸送機材の構造用部材として、あるいは、カーポートなどの建築物や窓枠、柱、はりなどの構造物の支持乃至構造部材として、軽量化の観点から、例えばアルミニウム（Ａｌ）合金からなる中空形材（長手方向に断面形状が同じである形材）を用いることが検討されている。かかる中空形材を用いる場合には、曲げ加工が不可欠となる場合が多い。曲げ加工の方法としては、例えばドローベンディング、ストレッチベンディング、マルチベンディングなどがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
中空形材に曲げ加工が施されると、特に曲げ半径が小さく、また形材断面の肉厚が薄い場合には、所定曲げ量を達成する以前に曲げ加工の外側壁に凹み（湾曲）が生じてしまうことがある。例としてストレッチベンディングの様子を図５（ａ）、（ｂ）に示す。図５（ａ）は、断面「口」型の中空形材１１１に矢印１１２のような力をかけたときの様子を示す正面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ線、すなわち形材１１１の長手方向中心部（Ｘ＝０の平面：曲げ中心）での断面図である。
【０００４】
図５（ａ）に示すように、形材１１１には曲げ半径Ｒの曲げ加工が施され、形材１１１の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って張力Ｔが働く。そして、曲げ加工された形材１１には、曲げ中心であって且つ幅方向中心部（Ｙ＝０の平面）において凹み量ａの凹みが生じている。このように中空形材に凹みが生じると、外観上の理由により製品としての適性に欠けることになる。従って、製品の曲げ形状は凹みの生じない曲げ半径の範囲に制限されてしまい、部材の設計変更が必要になってしまうなど不都合が多い。曲げ加工時の特に自動車用構造部材では、高精度が要求されるため、スプリングバック量が小さくなるストレッチベンダーでの曲げ加工が有力視される。しかし、この曲げ加工法は、他の曲げ加工法と比較して張力の影響で凹みがさらに増大する傾向がある。
【０００５】
中空形材の曲げ加工時における凹み発生を抑制するための方法の一つとして、曲げ径方向に延びるリブ（中リブ）を中空形材の中空部に設ける方法がある。この方法は、凹みが生じる位置に予め補強のための中リブを設けておき、凹みの発生を防止するものである。しかしながら、この方法によると、中リブを設けたことで形材の重量が増加し、輸送機の軽量化に反することになり、また押出形材の生産性が低下するとともにコストも増大してしまうことになる。
【０００６】
また、図６にドローベンディングの場合の例を示すように、心金の利用により凹み発生を抑制することも一般に行われている。図６において、心金１２８が内部に挿入された中空形材１２６は、可動式の圧力型１２１と回転する曲げ型１２２とクランプ型１２３とを有するドローベンダーによって、曲げ型１２２側が内側となるように曲げ加工を施される。しかしながら、図６からも明らかなように、心金１２８を挿入しても中空形材１２６のクランプ型１２３側の端部を心金１２８で拘束することが困難であるため、たとえ心金を利用した場合であっても曲げ外側の凹みの発生を抑制することが難しい。そして、特にストレッチベンダーでは、形材の両端で挟みこむため、このような心金の使用が困難となる。
【０００７】
さらに、中空形材の凹みを抑制する別の手段として、壁の肉厚を増加させるなど断面形状を変更することが一般に行われているが、この手段によると、過剰設計による形材の重量増加が問題となる。
【０００８】
そこで、本発明の主な目的は、曲げ加工の際の凹み発生を極力抑制できるような中空形材を提供することである。
【０００９】
そこで、本発明のさらなる目的は、曲げ加工の際の凹み発生の抑制および形材の軽量化という要請をともに満足させることができるような中空形材を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の中空形材は、曲げ加工時に引張応力のみが加えられる曲げ外側壁を有し、前記曲げ外側壁が、実質的に台形形状の断面を有するように複数の壁で構成されて外側に突出しており、前記複数の壁が、互いに同じ幅を有している。
【００１１】
すなわち、本発明は、中空形材を構成する壁面のうちで曲げ加工時に引張応力のみが加えられる板要素すなわち壁面（本明細書において「曲げ外側壁」という：例えば矩形断面の中空形材では１つの平面壁から構成されている）を複数の平面壁から構成するとともに、これら複数の平面壁が実質的に台形形状の断面を有するように構成することによって、曲げ加工時の凹み発生を抑制するものである。例えば図１に示すように、請求項１に係る中空形材１は、その断面形状が四角形部分２と台形部分３とを組み合わせた６角形となっている（図１中の破線は四角形部分および台形部分の形状をそれぞれ明瞭にするために描いたものである）。この中空形材１が底壁１１を内側として曲げ加工を受ける場合、底壁１１に連なるウェブ壁１２を介して底壁１１と対向する上壁（外側フランジ）１３およびこれと斜めに連なる２つの平面壁１４が、曲げ加工時に圧縮応力ではなく引張応力のみを受ける曲げ外側壁１５である。このように、本発明では、上壁１３および２つの平面壁１４からなる曲げ外側壁１５の断面形状が、実質的に台形形状となっている。
【００１２】
このような形状を採用した理由は、後述の実施例で示すように上壁１３の幅が小さくなるほど曲げ外側壁１５（特に上壁１３）に発生する凹み量を小さくできるのを知見したこと、および、単純に上壁１３の幅を小さくするだけでは形材の全体形状が変わってしまって形材としての所望の強度を維持できなくなることによる。つまり、上壁１３の幅は底壁１１の幅より小さいことが好ましいが平面壁１４を設けないでウェブ壁１２に直接連なった上壁１３の幅を小さくすると、形材１の断面形状が三角形に近付き、その強度が低下してしまう。そこで、本発明は、曲げ外側壁１５を３つの平面壁（上壁１３と平面壁１４）から構成することで、上壁１３の幅を小さくすることおよび形材の強度を維持することをともに満足させて、所期の目的を達成するようにしたものである。
【００１３】
曲げ外側壁１５に凹みが生じる主原因は、曲げ加工に伴う曲げ外側壁１５の縮小に起因する断面内の曲げモーメントである。曲げ加工することで、曲げ外側壁１５、特に上壁１３には形材の長手方向に引張ひずみεが生じる。このとき、形材１はその幅方向にポアソン比ν×引張ひずみεの量だけ縮むことになる。この縮みを原因として、ウェブ壁１２にたわみ変形が生じ、ウェブ壁１２と曲げ外側壁１５の接点に曲げモーメントＭが生じることになる。この曲げモーメントＭが曲げ外側壁１５に作用することで、曲げ外側壁１５に凹みが生じる。曲げ加工により生じる曲げモーメントＭが同じであれば、曲げ外側壁１５に生じる凹みの曲率も同じになる。従って、曲率が同じであれば、曲げ外側壁１５の幅が短いほど凹み量も小さくなることは明らかである。
【００１４】
また、本発明のように曲げ外側壁１５の断面形状が略台形形状であれば、曲げ加工により曲げ外側壁１５を構成する壁１４が断面内側に倒れ変形する。これに伴って、形材の断面高さの縮小、縮み変形（ν×ε）の吸収が生じ、端部に生じる曲げモーメントＭそのものを小さくすることができる。つまり、本発明の形状では、▲１▼曲げ外側壁１５の幅の減少、▲２▼壁１４の倒れ変形による曲げモーメント減少の２つの相乗効果により曲げ外側壁の凹み量を低減することが可能となる。
【００１５】
また、以上の知見から、曲げ外側壁１５を構成する複数の壁１３、１４の幅を互いに等しく設定することが好ましい（請求項１）。その理由は、壁１３に比較して壁１４の幅が大きくなると、壁１３に比べて壁１４に大きな凹みが生じるためである。
【００１６】
また、本発明の中空形材は押出形材であることが好ましいが（請求項２）、板材を成形後に長手方向に継ぎ目を溶接して製造したものであってもよい。また、本発明の中空形材はストレッチベンディング用として用いるものであってもよい。
【００１７】
ここでは、６角形の断面を有する中空形材を例に本発明を説明したが、本発明の中空形材は必ずしも６角形の断面を有するものに限られない。例えば、底壁１１が複数の平面壁から構成されていてもよい。また、上述の説明では、便宜上、上壁１３に連なる２つの壁が平面壁１４であるとしたが、本発明では上壁１３の幅の低下および全体形状維持という観点からウェブ壁（側壁）１２と上壁１３とを間接的に接続するためにこれらの壁を設けただけであるから、これら上壁１３につらなる２つの壁は必ずしも平面壁でなくともよい。ただし、上壁１３自体は、外観上または他部材との接続上の理由などのために平面壁あるいは緩やかに湾曲した平面壁であることが要求される。
【００１８】
なお、上述のように、本明細書において曲げ外側壁とは、その全体が中空形材を曲げ加工した際の曲げ中立軸よりも外側にある壁、つまり曲げ加工時に引張応力のみが加えられる壁を意味する。例えば、図２に示すような矩形断面の中空形材３１に対してその上壁３２が外側になるような曲げ加工を施す場合、側壁３３、３４に対しては、曲げ中立軸（曲げ加工を施した際に引張応力と圧縮応力の生じる境となる軸）よりも外側部分３３ａ、３４ａには引張応力が加えられるが内側部分３３ｂ、３４ｂには圧縮応力が加えられる。従って、この場合の曲げ外側壁は、上壁３２だけとなる。
【００１９】
さらに、本発明の中空形材は、輸送機材の構造用部材としての強度や耐食性などの要求特性を満たすものであれば、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（ＪＩＳ６０００系）、Ａｌ−Ｍｇ系（ＪＩＳ５０００系）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系（ＪＩＳ７０００系）のアルミニウム合金などが使用可能であるが、この中でも６０００系の使用が好ましい（請求項３）。なぜなら、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、曲げ加工時には耐力が小さいために成形加工性を確保できるとともに、成形後に時効硬化して耐力が向上し必要な強度を確保でき、また、比較的合金量が少なく再利用の際に元のＪＩＳ６０００系Ａｌ合金鋳塊を得やすいだけでなく、７０００系合金よりも押出性に優れるという特徴があるからである。ただ、本発明では、これらＪＩＳ合金の規格通りにならずとも必要特性に応じて添加元素を加える、主要成分値を変更する等の適宜の調整は許容しうる。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明の実施例および比較例について説明する。下記の表１の左欄に示すような断面形状のＪＩＳ６０００系Ａｌ合金（６Ｎ０１−Ｔ１）製の中空形材（実施例１〜２、比較例１〜５）を解析モデルとした。使用６Ｎ０１Ａｌ合金は、Ｓｉ０．６５質量％（以下同じ）、Ｍｇ０．６％、Ｍｎ＋Ｃｒ０．５０％以下、Ｆｅ０．３５％以下、Ｃｕ０．３５％以下、Ｚｎ０．２５％以下、Ｔｉ０．１０％以下を含有するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金であって、耐力１２０ＭＰａ、比較例強さ２５０ＭＰａを有している。
【００２１】
【表１】
0004105816.tif 000002
【００２２】
そして、曲げ加工を行った場合についてのＦＥＭ解析を行って、図５（ａ）、（ｂ）で説明した上壁の曲げ中心断面での凹み量ａの絶対値を評価パラメータとして求めた。なお、ここではストレッチベンダーによる加工を模擬している。また、形材の底壁の幅がすべて同じ値となるように且つ形材の底壁が曲げ内側となるように曲げ加工が施されるものとし、実施例１〜２および比較例１、４、５の形材に対する曲げ半径を１０００ｍｍ、比較例２の形材に対する曲げ半径を１５００ｍｍ、比較例３の形材に対する曲げ半径を３０００ｍｍとした。
【００２３】
実施例１の中空形材は、図１で説明したのと同様に四角形の上に台形が載置された６角形の断面形状を有している。上壁の幅は４０．０ｍｍであり、板厚は３ｍｍである。なお、本発明の中空形材の断面形状はこのような６角形に限定されるものではなく、例えば底壁と同じ方向に突出したフランジなどを設けてもよい。実施例２の中空形材は、実施例１とほぼ同一形状であるが、上壁の幅が２５．６ｍｍとなっている。
【００２４】
比較例１〜３の中空形材は、現状多く使用されているタイプの四角形断面を有している。上壁の幅は７０．０ｍｍであり、板厚は３ｍｍである。比較例４の中空形材は、比較例１〜３とほぼ同一形状であるが、上壁の板厚が５ｍｍとなっている。また、比較例５の中空形材は、曲げ径方向に延びた板厚３ｍｍの中リブが中空部中央に設けられている以外は、比較例１のものと同一の断面形状を有している。
【００２５】
形材を所定形状にまで曲げるのに複数の段階に分けて曲げ加工が行われるとき、上壁（外側フランジ）に生じる凹みは、第１段階の曲げ加工でそのほとんどが発生し、第２段階以降の曲げ加工による影響は小さい。そこで、ＦＥＭ解析では曲げ加工時の張力を一定（６ｔｏｎｆ）として、第１段階の曲げ加工終了後の凹み量ａを評価した。
【００２６】
以上の解析条件で得られた、実施例１〜２および比較例１〜５についての曲げ加工のモデル解析の結果を図３に示す。また、図４は、この結果を曲げ半径を横軸にとって示したグラフである。図３および図４から明らかなよう、曲げ半径１０００ｍｍという条件では、実施例１の形材の凹み量は約０．８ｍｍであり、これは上壁の板厚が実施例１と同じ比較例１（凹み量約１．８ｍｍ）に比べると非常に優れていることが分かる。また、上壁の板厚が５ｍｍと大きい比較例４（凹み量約１．２ｍｍ）に比べても優れていることが理解できる。
【００２７】
実施例１と実施例２との凹み量ａを比較すると、実施例１（上壁長さ４０．０ｍｍ）が約０．８ｍｍで実施例２（上壁長さ２５．６ｍｍ）が約０．５ｍｍである。これから、上壁長さが短くなるほど凹み量ａを減少させることができることが分かる。
【００２８】
また、比較例１〜３を比較することにより、曲げ半径を大きくするほど凹み量が小さくなることが分かり、比較例１と４を比較することにより、上壁の板厚が厚くなるほど凹み量が小さくなることが分かり、比較例１と５を比較することにより、中リブを追加することにより凹み量が小さくなることが分かる。しかし、上述したように、曲げ半径の増加、板厚の増加および中リブの追加は、それぞれ既述の問題を有している。
【００２９】
ところが、本実施例１〜２のような形状を採用することにより、上壁の板厚増加および中リブの追加を行うことなく曲げ半径を比較的小さな値としても、上壁に生じる凹み量を比較的小さな値にすることができる。特に、実施例２のように上壁の幅を比較的短くした場合には、凹み量を０．５ｍｍ程度以下にまで小さくすることができ、比較例５のように中リブを追加した場合と遜色ない結果が得られる。
【００３０】
これらの実施例１〜２および比較例１〜５から分かるように、本発明のように、曲げ加工時に引張応力のみが加えられる曲げ外側壁が、実質的に台形形状の断面を有するように外側に突出している中空形材によると、曲げ半径を比較的小さな値としても上壁に生じる凹み量を小さい値に維持できるだけでなく、上壁の板厚増加による重量増加および中リブの追加による生産性低下やコスト増加を生じることがない。従って、形材の軽量化や低コスト化を図りつつ曲げ外側壁に生じる凹みを抑制することが可能である。
【００３１】
なお、上述の実施例では中空形材をＪＩＳ６０００系Ａｌ合金を用いて製造したが、例えばＪＩＳ５０００系や７０００系などのこれ以外のＡｌ合金を用いてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、曲げ加工の際の凹み発生を極力抑制できるような中空形材を提供することが可能となる。また、本発明によると、曲げ加工の際の凹み発生の抑制および形材の軽量化という要請をともに満足させることができるような中空形材を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の中空形材の一例を示す断面図である。
【図２】中空形材の曲げ外側壁について説明するための図である。
【図３】本発明の実施例および比較例について、モデル解析によって得られた凹み量のグラフを示す図である。
【図４】図３のグラフを曲げ半径を横軸にして描き直したグラフを示す図である。
【図５】中空形材に発生した凹みを説明するための模式図である。
【図６】ドローベンディングによって中空形材を曲げ加工する様子を示す図である。
【符号の説明】
１  中空形材
２  四角形部分
３  台形部分
１１  底壁
１２  ウェブ壁
１３  上壁（外側フランジ）
１４  平面壁
１５  曲げ外側壁
【図１】
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【図２】
0004105816.tif 000004
【図３】
0004105816.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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