新日鉄住金の先進技術開発

クルマの安全・軽量化に貢献する鋼管をつくる
自動車のCO2 排出量を減らし、衝突安全性を高めることは、車体の材料をつくる鉄鋼メーカーの使命でもあります。
新日鉄住金ではボディ、シャシーなどに使われる鋼板の高強度化、ソリューション技術を積極的に開発・提供していますが、複雑な形状の加工が難しい高強度鋼管の加工性向上と、超高強度・軽量化を両立する加工技術の開発に成功しました。そのキーテクノロジーの一つが「ロボット」。超高強度鋼管の部品採用を目指し、部材加工制御技術（3DQ ※）の開発に取り組んだ研究者たちの挑戦の軌跡を紹介します。
（この技術は2012年10月、経済産業省主催の「第5回ロボット大賞 産業用ロボット部門 優秀賞」を受賞しました）

松田 英樹
宮川 隆
福井 清之
植松 一夫
Vol.9

季刊 新日鉄住金

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写真右より

鋼管技術部 メカニカル・配管商品技術室長

技術開発本部 鉄鋼研究所 利用技術研究部 主幹研究員

自動車鋼板営業部 自動車鋼板商品技術室 上席主幹

技術開発本部 鉄鋼研究所 利用技術研究部 主幹研究員︵本開発には︑新日鉄住金のほか︑グループ会社のおよび︵株︶安川電機が携わっています︶

日鉄住金鋼管︵株︶・日 鉄 住 金テックスエン ジ︵株︶︑※ 3DQ（3-Dimensional Hot Bending and Quench）：3 次元熱間曲げ焼き入れ

適用だ︒自動車向けソリューション開発

強度が高い鋼管部材の車体フレームへの間加工︶
し︑直後に水で急速冷却して焼局部的に加熱︑軟らかくして曲げ加工︵熱断面形状の鋼管を高周波加熱コイルで数のロールを使う設備で曲げなどの形

図 2 3DQ の強度と加工性の関係

高強度鋼管は強度が上がるほど成形性と加工精度が低下する。3DQ 技術では、①加熱し、精度が良く、その後、③急速冷却することで次元高剛性化︑薄肉化が図れます︒フランジとも可能です︒コスト競争力の観点から︑

3DQ は︑ね じ り な ど の 複 雑 な３次での長年の経験を活かし︑品種・業種横き入れ︑部材を高強度化する︵図 ︶︒﹁一般に︑鋼板をプレス成形した複数状 加 工 を 行 う こ と を 検 討 し た が︑設 備

ル成形装置が特注品で設備コストが高くフランジが不要かつ薄肉化が図れることで、軽量化を実現の 曲 げ は で き る も の の︑複 雑 な形状に加工することはかなり困難でした︒
もし鋼管部品の加工自由度と高強度化

自動車の CO 2排出量削減と衝突安全が不要になり部品の量も減少すること

多くの困難を乗り越えた
超高強度鋼管部品の実用化

性 の 向 上 を 両 立 す る︑車 体 の 軽 量 化 とから︑周辺部品も省略できるケースでは︑を両立できれば︑部品の一層の高強度・高 強 度・高 剛 性 化 が 進 ん で い る︒例 え最大

テ リ ー を 搭 載 す る 自 動 車 で は︑衝 突 時
現在閉断面部品として一部採用されて％の大幅な軽量化を実現するこばハイブリッド車や電気自動車などバッにバッテリーの保護や安全性のさらないるアルミ部品の代替提案も可能です﹂

強度・加工性を両立する一体成形プロセスを目指す︵図 ︶る 向 上 と 軽 量 化 が 求 め ら れ る な ど︑商品ニーズはさらに高度化している︒現在︑新日鉄住金では主に︑ハイテンと呼ばれる高張力鋼板の開発を通して車体軽量化︑高 強 度 化 に 貢 献 し て い る︒ハ イ テ ン をプ レ ス 成 形 し︑そ の 成 形 部 材 同 士 を ス造﹂にして︑強度と剛性を向上させるのだ︒

元 形 状 加 工 を し つ つ︑超 高 強 度 の 鋼 管ポット溶接で接合することで﹁閉断面構ハイテンの採用が進む一方でもう一つの有を工 程 で 製 造 す る 技 術︒さ ま ざ ま な

効な方法は︑曲げやねじれに強く︵高剛性︶︑断での取りまとめ役を果たす福井清之は︑の部材を溶接するためには︑溶接部のフ能力が高く大型部品を成形できるなど2004 年 の 開 発 ス タ ー ト 時 は︑複ランジ︵〝のりしろ〟︶が必要とされますが︑のメリットがある一方︑設備が大きくローその技術開発の難しさと意義を語る︒

同 じ 閉 断 面 構 造 で も︑鋼 管 で は フ ラ ン
ジ が 不 要 で 強 度・剛 性 を 高 め る こ と がな る と い う 課 題 が あ っ た︒3DQ 開 発

加工精度測定写真提供：

3DQ 加工成形性・精度曲げ加工を行う 3DQ のロボット

1,000500

不良

加工が困難な領域

形状補正

1,500

強度（メガパスカル）

焼き入れ後の製品
焼き入れ後の製品

通常の高強度鋼管

高強度化を達成できる

1

形状補正

（株）安川電機素材②軟らかくして加工するため、成形性と加工

3 冷却・焼き入れ

閉断面鋼管はフランジのいらない
閉断面構造

50
11で き ま す︒し か し 高 強 度 鋼 管 は 一 方 向

図 1 部材の構造と軽量化

32超高強度ロボット
軌道データ

製品形状
CAD データ加熱

Vol.9

季刊 新日鉄住金

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フランジが不要かつ薄肉化が図れることで、軽量化を実現

加工精度測定3DQ 加工ロボット
軌道データ

製品形状
CAD データ

成形が容易

2 3DQ 加工中良好

閉断面

鋼管はフランジのいらない
閉断面構造

閉断面ハイテンをプレス成形・溶接して閉断面構造化。
溶接部のフランジ（のりしろ）が必要

開断面

閉断面ハイテンをプレス成形・溶接して閉断面構造化。
溶接部のフランジ（のりしろ）が必要

開断面

を進めるための最適な設備や体制を決め
ねじれ加工など複雑かつ精密な 次元形

界調達が可能なロボットメーカーである

展開を見据え︑優れた汎用ロボットの世ることを目指しました︒将来のグローバル度の向上を狙い︑汎用ロボットを活用す﹁設備のコンパクト化とさらなる加工精て 一 部 の 強 度 を 上 げ る こ と が で き︑衝す れ ば︑使 用 さ れ る 車 体 の 部 位 に 応 じ

オフと冷却で必要な部分だけを焼き入れきい︒また︑高周波加熱コイルのオン・来の状の超高強度鋼管部品を製造する技術︵図︵株︶安川電機とタッグを組み︑あわせて鋼突安全性に優れた部品製造が実現する︒

ることが重要だったと宮川隆は振り返る︒︶ 設備
管を製造する日鉄住金鋼管︵株︶︵※︑いかに汎用ロボットを鉄鋼メーカー

倍 に な り︑軽 量 化 効 果 も 大ション
︵共同開発︶を構築して︑2006︶ グループ連携するフォーメージ
︵株︶︵※と次元の複雑な動作を安定的に行う︑軌道・すか︒開発のポイントは︑ロボットがのものづくり︵鋼管部品加工︶で使いこな〜︶︒これを開発できれば部品強度は従製作・販売を行う日鉄住金テックスエン

年に 3DQ 開発に着手しました﹂

けや︑多品種少量生産ができる︑世界でデータの入れ替えだけで部品のつくり分描く CAD データとロボット動作の軌道標に掲げた︒さらに︑加工の設計図面を計化︵短納期化︶︑量産による安価化を目大前提に︑設備のコンパクト化と標準設た要求性能の一つである︑高加工精度を部品の開発を進める過程で浮上してきトが動いたとおりに鋼管部品が形づくて も 問 題 に な り ま せ ん︒し か し ロ ボ ッ

出発点から到達点への軌道が多少ぶれ場合︑到達点さえしっかり決めておけば︑﹁ものを運ぶ動作をロボットにさせるり組んだ植松一夫は新たな挑戦を語る︒

見 を 活 か し︑加 工 制 御 技 術 の 開 発 に 取だ っ た︒自 動 車 用 鋼 板 の 加 工 研 究 の 知

軌跡を重視した新たな制御技術の開発

も 重 要 な ポ イ ン ト と な り ま す︒ま た 動

ば な ら な い 今 回 の 開 発 で は︑軌 道 が 最動きとスピードを精密に制御しなけれられる︑つまり時間の連続性のなかで︑初めての技術開発への挑戦が始まった︒

より高精度な加工が行えるロボット制御技術の開発に成功

が 加 工 精 度 に 悪 影 響 を 与 え ま す︒そ こ

かし方を工夫しないとロボットの振動
ロ ボ ッ ト が 鋼 管 の 先 端 を つ か み︑あ︶ どのに 難 し さ が あ り ま す︒FEM︵※な14季刊 新日鉄住金

Vol.95

解析技術で力が加わったときの鋼管の加工精度測定

3DQ 加工

ロボット
軌道データ

製品形状
CAD データ

鋼管が毎秒 2~8cm の① 速度でロールに送られる高周波誘導加熱コイル
水冷ジャケット

鋼管
支持ロール

閉断面
鋼管はフランジのいらない閉断面構造
ロボット

3送り装置

③ 最適軌道に制御したロボットが、鋼管の先端に曲げ力を加えて誘導加熱・急速水冷される部位を加工することにより、高強度かつ 3 次元形状の鋼管部材をつくることができる

3

らかじめ計算・設定した 次元軌道に沿ってアームを動かすことで︑金型を使わず︑

図 4 3DQ の制御フロー② 高周波誘導加熱コイルを通過すると、鋼管が加熱され、軟らかく成形しやすくなる

3DQ による加工例と適用部品例

閉断面

ハイテンをプレス成形・溶接して閉断面構造化。
溶接部のフランジ（のりしろ）が必要

開断面
図 3 3DQ 加工装置

333

フランジが不要かつ薄肉化が図れることで、軽量化を実現

形状補正※ FEM（Finite Element Method）：数値解析手法の一つで有限要素法と呼ばれる※日鉄住金鋼管（株）は当時、住友鋼管（株）※日鉄住金テックスエンジ（株）は当時、住金プラント（株）

な ど 最 適 な 加 工 法 を 見 極 め︑ロ ボ ッ ト

変 形 状 態 を 検 証 し︑曲 げ 方 や ス ピ ー ド
管部品が実用化されました﹂

1470 メ ガ パ ス カ ル 級 の 超 高 強 度 鋼

い︑品質の信頼性を確認し︑2012 年︑部品としてこれまでに実用化された鉄のメリットを活かし適材適所で力を発揮の軌道データを作成する独自の制御ツールの開発に成功しました﹂︵図 ︶鋼 管 を 送 る ス ピ ー ド や 加 熱・冷 却 の温 度︑ロ ボ ッ ト ア ー ム の 動 き な ど 制 御すべき多くのパラメータがあるなかで︑形 状 と 特 性 を 発 揮 さ せ る︒こ う し た 開の は︑シ ー ト を 保 持 す る シ ー ト ク ロ ス

加 工 性 の 検 証 を 重 ね︑お 客 様 が 求 め る
発を成功させるには︑安川電機とグルーメンバーフレーム︵図︶
な ど で︑従 来プ 各 社 だ け で な く︑お 客 様 と の 密 接 な

みお客様と密に連携してきた松田英樹は︑用製品のソリューション開発に取り組

協 業 も 不 可 欠 だ っ た︒こ れ ま で 自 動 車に小型で複雑な形状の部品加工ができて︑の さ ら な る 拡 大 を 目 指 し︑よ り 効 率 的の 軽 量 化 を 実 現 し た︒現 在 は 適 用 部 品部 品 に 比 べ こ の 部 品 の 例 で は︑約％実用化への道のりを振り返る︒

5

置 き 換 え る こ と に 慎 重 に な り ま す︒組を使用せずロボットでつくった部材に開を見据えた特許戦略も万全を期す︒現録 済 特 許 は 約 250 件︒将 来 の 世 界 展

現段階で︑3DQ に関する国内外の登加熱・冷却もより細かく制御できるロボッ

み立てで要求される部品精度はもちろん︑在欧州を中心に︑ボディ軽量化のための﹁オンリーワンの技術開発ではすべて車に組み込んで長期間使い続ける上でアルミ・炭素繊維︵CFRP︶の採 用 拡 大

ト な ど︑お 客 様 の 部 品 生 産 効 率 の 向 上の 耐 食 性 や︑数 値 解 析 を 用 い た 加 熱・の動きも見えるなかで︑コストとリサイが 手 探 り で す︒開 発 技 術 の 評 価 方 法 も冷却技術により得られる均一な焼き入クル性において︑他素材よりメリットのに貢献する新たな技術開発にも取り組れ品質も含め︑オール新日鉄住金グルー高い鉄を使い︑適材適所で総合力を発揮

確 立 さ れ て い な い た め︑お 客 様 も︑実プ の 知 見 を ベ ー ス に︑シ ミ ュ レ ー シ ョ

する︑新たな自動車部材開発とソリューんでいる︒

ンとラボ実験のデータを地道に蓄積して︑ション提案に積極的に取り組んでいく︒

績 に 富 む 従 来 の プ レ ス 成 形 品 を︑金 型

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お 客 様 に 提 示 し ま し た︒最 終 段 階 で は実機試作品による加工試験を繰り返し行﹁加熱・冷却からロボットによる成形までの一貫 制 御で︑適 用 部 品の拡 大を目指します﹂︵ 植松︶﹁高強度鋼管を複雑な形状に精度よく加工できる本技術を活かして︑お客様のニーズに応える提案をします﹂︵宮川︶﹁多岐にわたる技術分野・業種の関係者の 想いを一つに して︑新 日 鉄 住 金グループの総合力を発揮します﹂︵福井︶

図 5 マツダ（株）が 2013 年 1 月に発売した、ミニバン「マツダ プレマシー」の 3 列目座席下部のクロスメンバーフレームに、角形断面の超高強度鋼管を３ＤＱ加工した部品が、世界で初めて採用された﹁乗用車の新たな設計思想や︑斬新なデ ザ イン を 創 造 す る お 手 伝いが で きればうれしく思います﹂︵ 松田︶Vol.9

季刊 新日鉄住金

154© マツダ（株）