CN102625736B - 弯曲构件、弯曲构件的制造装置及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有弯曲半径例如是壁厚的1倍～5倍这样的微小的弯曲半径的弯曲构件、弯曲构件的制造装置和制造方法。在沿方管(16)的长度方向相对进给该方管(16)的状态下利用配置在第一位置(A)的第一支承装置(11)支承方管(16)，利用配置在第二位置(B)的加热装置(12)将方管(16)局部加热，利用配置在第三位置(C)的冷却装置(13)进行冷却，并且，在进行加工时，使配置在下游的区域(D)的剪切力施加装置(14)向方管(16)的进给方向和与加热装置(12)所加热的方管(16)的长度方向上的一个横断面大致平行的方向这两个方向同时二维或三维地移动，从而对方管(16)的被加热了的部分施加剪切力来进行加工，制造弯曲构件(21)。

Description

弯曲构件、弯曲构件的制造装置及制造方法
技术领域
本发明涉及一种弯曲构件、弯曲构件的制造装置及制造方法。具体而言，本发明涉及一种具有弯曲半径例如是壁厚(坯料的板厚)的1倍～5倍这样的极小弯曲部的弯曲构件、弯曲构件的制造装置及制造方法。
背景技术
期望有一种高强度、轻量且小型的、使用在汽车、各种机械等中的具有弯曲形状的金属制的强度构件、加强构件或结构构件。以往，这种弯曲构件是利用冲压加工品的焊接、厚板的冲裁以及锻造等来制造的。很难使利用这些制造方法制造成的弯曲构件进一步轻量化和小型化。
在非专利文献1中公开了利用所谓的管件液压成形(tube hydroforming)法来制造该种弯曲构件。在非专利文献1的第28页公开了存在有作为坯料的材料的研发、能够成形的形状的自由度扩大等这样的课题。为了利用管件液压成形法制造该种弯曲构件，需要今后更进一步的研发。
本申请人利用专利文献1公开了弯曲加工装置。图7是示意性表示弯曲加工装置1的概略的说明图。
如图7所示，弯曲加工装置1在利用未图示的进给装置从上游侧朝向下游侧沿箭头方向进给钢管2的状态下在支承单元3、3的下游如下面说明的那样对钢管2进行弯曲加工，从而制造钢制的弯曲构件7，上述钢管2被一对支承单元3、3以能沿钢管2的轴向自由移动的方式支承。
在支承单元3、3的下游，高频加热线圈4将钢管2的局部迅 速加热至能够淬火的温度区域。配置在高频加热线圈4的下游侧的水冷装置5将钢管2迅速冷却。至少具有一组能够进给并支承钢管2的一对辊6a、6a的可动辊模6三维(有时二维)地改自身的位置，从而对钢管2的高温部分2a施加弯曲力矩。因此，弯曲加工装置1能够以高工作效率制造弯曲构件7。
在非专利文献2中公开了以下技术，即，在连续地进给椭圆的金属材料并用支承装置以自由移动的方式支承进给来的金属材料的状态下，利用配置在支承装置的下游的高频加热装置进行迅速加热和利用配置在紧接着该高频加热装置的下游的水冷装置进行迅速冷却，并且通过在利用配置在水冷装置的下游的能二维旋转的臂抓住该金属材料的状态下使臂进行旋转来对金属材料的高温部分施加弯曲力矩，从而对金属管进行无模弯曲加工。另外，非专利文献2公开的技术并不是如专利文献1公开的发明那样二维或三维地加工成复杂的弯曲形状，也不是意图利用淬火达到高强度化。
在非专利文献2中公开了以下内容，即，通过在沿坯料的长度方向进给该坯料的状态下对该坯料进行局部地迅速加热和冷却，而获得的弯曲加工成弯曲半径恒定的二维形状的弯曲构件的各部分的尺寸，该坯料是具有中空的闭合截面形状且在长度方向上一体地构成的金属制的长条扁平的坯料。
根据本发明人的研究结果，采用专利文献1公开的弯曲加工装置、非专利文件2公开的技术能够制造具有弯曲半径例如是金属管的直径(矩形截面的情况下是弯曲方向的边长)的1倍～2倍的弯曲部的弯曲构件。但是，利用该技术，很难以低成本大量生产例如汽车的车体结构构件、行走部分构件这样的多用于汽车的各种部件这样的、具有极小的弯曲半径(例如是壁厚的1倍～5倍)的弯曲部的弯曲构件。
图8是表示由专利文献1、非专利文献2公开的弯曲加工前后的、被加工件的截面的尺寸变化的说明图。图8所示的例子表示在进行了弯曲半径R1的第一次弯曲加工之后向相反方向进行弯曲半径R2的弯曲加工的情况。
如图8所示，当对宽度W0、高度H0的矩形截面的异形管8a施加弯曲力矩以进行弯曲加工时，与弯曲加工前的宽度W0相比，作为弯曲加工后的产品的弯曲构件8b的宽度减少了微量ΔW，变成W1(＝W0-ΔW)。另外，与弯曲加工前的高度H0相比，作为弯曲加工的内周侧的B侧的高度HB增加了微量ΔH(HB＝H0+ΔH)，与此相对，与弯曲加工前的高度H0相比，作为弯曲加工的外周侧的A侧的高度HA减少了微量ΔH’(HA＝H0-ΔH’)。
同样，如非专利文献2所公开的那样，当对具有中空的闭合截面形状且在长度方向上一体地构成的金属制的长条扁平的坯料8a进行弯曲加工以制造弯曲构件8b时，在进行了弯曲加工的部分处，截面的宽度和高度与弯曲加工前的尺寸相比发生了变化。弯曲内周侧发生褶皱且截面形状变形，由此导致弯曲构件8b的尺寸精度降低。该尺寸精度的降低程度被弯曲加工前的坯料8a的尺寸(宽度W0、高度H0、壁厚t等)、弯曲加工的条件(弯曲半径R、加热宽度b等)所影响。
特别是在欲利用专利文献1公开的弯曲加工装置、非专利文献2公开的技术来制造具有极小的弯曲半径R(例如壁厚的1倍～5倍)的弯曲部的弯曲构件时，弯曲加工成的弯曲构件的尺寸精度大幅降低，不能制造具有优异尺寸精度的弯曲构件。
在非专利文献3中公开了以下技术，即，在用冷加工对钢管的隆起进行约束的上下分型模的内部，配置SUS304不锈钢管，对钢管加载内压p，用载荷F沿轴向按入端面并使外模在与该钢管正交的方向上移动，从而在钢管的相对于轴线成45°的面上发生剪切变形，并且，通过使该变形位置随外模的移动而连续地移动来制造被加工成弯曲部的半径极小的曲柄状的不锈钢管。
专利文献1：国际公开第2006/093006号文献
非专利文献1：汽车技术Vol.57，No.6，2003第23～28页
非专利文献2：塑性与加工(日本塑性加工学会期刊)第28卷第313号(1987-2第214～221页异形管的无模弯曲)
非专利文献3：塑性与加工(日本塑性加工学会期刊)第35卷第398号(1994-3第232～237页一种将管弯曲成零半径的加工技术)
由非专利文献3公开的技术是将作为坯料的不锈钢管配置在上下分型模的内部，一边对该不锈钢管的内部施加压力一边用冷加工进行弯曲加工。因此，为了实施该技术，至少需要与弯曲形状相对应的上下的分型模和用于对钢管的内部施加压力的压力施加装置。因而，在利用该技术大量生产多种弯曲构件的情况下，无法避免制造成本的大幅上升。
另外，在非专利文献3中，的确记载了能够对外径是22.2mm、壁厚是1mm和0.3mm的SUS304不锈钢管进行弯曲部的半径极小的弯曲加工。但是，由于是冷加工，因而当对高强度材料进行相同的弯曲加工时，存在加工坯料发生裂纹的危险。
特别是很难利用该技术对980MPa以上的坯料进行加工。另外，即使避免了裂纹，由于强度较高的钢管、壁厚较大的钢管成形时所需的加工载荷变得极大，因而不得不将加工设备制成相当大的设备，设备成本显著上升。
因此，即使利用非专利文献3公开的发明，也很难以低成本大量生产具有极小的弯曲半径(例如是壁厚的1倍～5倍)的弯 曲部的弯曲构件，进而不能加工高强度的管坯。
发明内容
本发明的目的是以低成本可靠地提供一种具有弯曲半径例如是壁厚的1倍～5倍这样的微小的弯曲半径的弯曲部、且完全不会发生由于在该弯曲部的内周侧发生的褶皱、截面形状的变形而引起的尺寸精度的降低的弯曲构件，由此，能谋求提高例如汽车的车体结构构件、行走部分构件这样的汽车的各种部件的设计的自由度，并且谋求这些各种部件的进一步低成本化和轻量化。
本发明人基于若能够以热加工或温热加工来实施非专利文献3公开的发明则能够解决上述课题的这种认识反复进行了深入研究。其结果，本发明人发现通过使图7中的一对辊6a、6a以能够对钢管2的被加热面施加剪切应力来进行加工的方式二维或三维地移动，能够以低成本可靠地大量生产具有弯曲半径例如是壁厚的1倍～5倍这样的微小的弯曲半径的弯曲部且不会发生由于在该弯曲部的内周侧发生的褶皱、截面形状的变形而引起的尺寸精度的降低的弯曲构件，本发明人进一步反复研究而完成了本发明。
本发明是一种弯曲构件的制造装置，其特征在于，该弯曲构件的制造装置包括：第一支承装置，其在沿金属制的中空的坯料的长度方向相对进给该坯料的状态下支承该坯料；加热装置，其用于加热所述坯料；冷却装置，其用于对位于比由所述加热装置加热了的第一部分靠所述坯料的相对进给方向的下游侧的第二部分进行冷却(强制冷却或自然冷却)；剪切力施加装置，该剪切力施加装置例如是一种夹具(例如分开地相对配置的一对辊、一对夹持装置等)，通过使该剪切力施加装置向二维 方向或三维方向移动来对所述第一部分与第二部分之间施加剪切力。
从另外的观点来看，本发明是一种弯曲构件的制造方法，其特征在于，在相对于支承金属制的中空的坯料的第一支承装置沿该坯料的长度方向进给该坯料的状态下，利用加热装置对所述坯料进行加热，并利用冷却装置对位于比由所述加热装置加热了的第一部分靠所述坯料的相对进给方向的下游侧的第二部分进行冷却，而且，通过使向二维方向或三维方向移动来对所述第一部分与所述第二部分之间施加剪切力的剪切力施加装置向所述二维方向或三维方向移动来对所述坯料进行加工。在该情况下，期望对所述第一部分与所述第二部分之间进行淬火。
在上述的本发明中，举例说明了以下内容，即，所述第一支承装置、所述加热装置和所述冷却装置都固定配置，且所述第一支承装置配置在第一位置，所述加热装置配置在所述坯料的进给方向上的比所述第一位置靠下游的第二位置，所述冷却装置配置在所述坯料的进给方向上的比所述第二位置靠下游的第三位置，并且，所述剪切力施加装置配置在所述坯料的进给方向上的比所述第三位置靠下游的区域。
在上述的本发明中，优选为，加热装置对坯料的长度方向上的一个横截面进行加热，并且，在进行加工时，剪切力施加装置同时在坯料的进给方向和与所述一个横断面大致平行的方向这两个方向上移动。
在上述的本发明中，优选为，(a)具有第二支承装置，该第二支承装置配置在坯料的进给方向上的比剪切力施加装置的设置位置靠下游的区域，用于支承坯料的利用剪切力施加装置加工完的部分，或者(b)剪切力施加装置的定位通过夹持(把持或抓持)坯料来进行。
在上述的本发明中，优选为，弯曲构件至少满足以下三个条件之一，(c)具有至少一个弯曲半径极小(例如是壁厚的1倍～5倍)的弯曲部，(d)具有至少一个被加热和冷却而形成的弯曲部，以及(e)具有闭合截面形状且沿长度方向一体地构成(中空且长条)。
并且，从另一观点来看，本发明是一种弯曲构件，其特征在于，该弯曲构件具有金属制的中空的主体，并且具有至少一个形成在该主体上的、二维弯曲或三维弯曲而成的弯曲部，该弯曲部的弯曲半径极小(例如是壁厚的1倍～5倍)。
在本发明中，优选为，弯曲部是在进行形成弯曲部的加工时被加热和冷却了的部分。
在上述的本发明中，优选为，弯曲构件具有闭合截面形状且沿长度方向一体地构成。
采用本发明，能够以低成本可靠地提供一种具有弯曲半径例如是壁厚的1倍～5倍这样的微小的弯曲半径的弯曲部且完全不会发生由于在该弯曲部的内周侧发生的褶皱、截面形状的变形而引起的尺寸精度的降低的弯曲构件。因此，采用本发明，能谋求提高例如汽车的车体结构构件、行走部分构件这样的汽车的各种部件的设计的自由度，并且谋求这些各种部件的进一步低成本化和轻量化。
附图说明
图1是将本发明的制造装置的结构例进行一部分简化和省略，并进行透视表示的立体图。
图2是示意性表示本发明的制造装置的结构例的说明图。
图3的(a)～图3的(c)是随时间变化表示实施本发明的制造方法的情况的说明图。
图4是示意性表示本发明的制造装置的另一结构例的说明图。
图5是示意性表示本发明的制造装置的又一结构例的说明图。
图6的(a)及图6的(b)是示意性且随时间变化表示本发明的制造装置的再一结构例的说明图。
图7是示意性表示专利文献1公开的弯曲加工装置的概略的说明图。
图8是举例说明专利文献1、非专利文献2公开的弯曲加工前后的截面的尺寸变化的说明图。
附图标记说明
1专利文献1公开的弯曲加工装置
2钢管
3支承装置
4感应加热线圈 
5水冷装置
6可动辊模
6a辊
7弯曲构件
8a异形管
8b弯曲构件
10、10-1、10-2、10-3本发明的制造装置
11第一支承装置 
11a通孔
12加热装置
12a感应加热线圈 
13冷却装置
13a冷却水喷嘴 
14剪切力施加装置
15第二支承装置 
16方管
16a～16d截面形状
17a、17b辊
18卡盘
19末端执行器(end effector)
20垂直型多关节工业用机器人
21弯曲构件
21a主体
22a、22b弯曲部
23a、23b辊
24工业用机器人 
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的最佳实施方式。在下面的说明中以下述情况为例子，即，利用本发明制造的弯曲构件是以钢制且具有矩形横截面的中空的构件为坯料、用于汽车、各种机械中的强度构件、加强构件或结构构件。
图1是将本发明的制造装置10的结构例进行一部分简化和省略，并进行透视表示的立体图。另外，图2是示意性表示该制造装置10的结构例的说明图。
如图1、图2所示，该制造装置10具有第一支承装置11、加热装置12、冷却装置13、剪切力施加装置14、第二支承装置15。
第一支承装置11
如图1所示，首先，利用未图示的进给装置沿方管16的长度 方向进给该方管16。方管16具有矩形的中空的闭合截面形状。方管16是沿长度方向一体地构成的钢制的长条状的坯料。
进给装置沿方管16的长度方向进给该方管16。作为该进给装置，举出说明了使用了电动伺服缸的类型的进给装置。但是，不必限于特定样式的进给装置，只要是使用滚珠丝杠、同步带、链的类型等这样的作为该种进给装置公知的装置，则全部能够同等使用。
在图1所示的例子中，以使用具有矩形的横截面形状的方管16作为加工坯料的情况为例。但是，本发明中的加工坯料不限于方管16，例如具有矩形、椭圆形、长圆形、正方形以及各种异形的横截面形状的中空的钢管、钢管以外的金属管也可以作为加工坯料。
利用进给装置以规定的进给速度沿方管16的轴向(长度方向)进给该方管16。方管16在第一位置A处被第一支承装置11支承。即，第一支承装置11在第一位置A处以自由移动的方式支承由进给装置沿方管16的轴向进给来的方管16。
在图1、图2所示的例子中，使用块作为第一支承装置11。块具有能够供方管16以留有间隙的方式贯穿的通孔11a。虽然未图示，但也可以设成将块分割、将液压缸、气缸连接起来对方管进行支承的结构。另外，第一支承装置11不限于特定的样式的支承装置，只要是作为这种支承装置公知的装置就能够进行同等使用。例如，举例说明了以一组或两组以上并列设置的方式使用相对设置的一对孔型辊。
方管16如上所述地通过第一支承装置11的设置位置A并被沿轴向进给。
在图1所示的例子中，第一支承装置11是以搭载和固定在适当的搭载台11b上的方式进行配置的，但是，本发明不限于该技 术方案，只要是能够将第一支承装置11固定地配置在规定的位置的方法即可，不限于特定的配置方式。例如，也可以利用公知使用的安装在工业用机器人上的末端执行器来支承第一支承装置11。
如上所述地构成第一支承装置11。
加热装置12
加热装置12固定配置在方管16的进给方向上的比第一位置A靠下游侧的第二位置B。加热装置12用于对进给来的方管16的长度方向上的一部分的一个横截面的整周进行加热。
在图1、图2所示的例子中，使用感应加热装置作为加热装置12。该感应加热装置只要是具有能够对方管16进行例如高频感应加热的线圈即可，只要是作为这种高频感应加热装置公知的装置就能够进行同等使用。
感应加热装置12的加热线圈12a以距方管16的外表面规定的距离、覆盖方管16的长度方向上的一部分的一个横截面的整周的方式进行设置。
通过适当地改变和与方管16的轴向正交的方向平行的方向上的、加热线圈12a与方管16的距离，能够对被进给的方管16沿其周向进行不均匀的加热。
虽然未图示，但期望在方管16的进给方向上的感应加热装置12的上游侧预先设置一个以上能够对方管16进行预热的预热装置(例如小型的高频加热装置)，并用该预热装置和感应加热装置12来对方管16进行加热。由此，能够对方管16进行多次加热或能够对方管16的一部分沿其周向进行不均匀的加热。
方管16的局部被加热装置12迅速地加热。 
加热装置12的设置方法只要是能够将加热装置12固定地配置在规定的位置上的方法即可，并不必对其设置方式进行特 别的限定。例如，能例示出将加热装置12搭载并固定在固定台上、利用公知使用的安装在工业用机器人上的末端执行器来支承加热装置12等。
如上所述地构成加热装置12。
冷却装置13
冷却装置13配置在方管16的进给方向上的比第二位置B靠下游的第3位置C。冷却装置13将方管16的被在第二位置B加热的部分迅速冷却。通过利用冷却装置13对方管16进行冷却，使方管16的被加热装置12加热了的第一部分与被冷却装置13冷却了的第二部分之间的部分处于高温且变形阻力大幅下降的状态。
冷却装置13只要是能得到希望的冷却速度的装置即可，不限于特定的方式的冷却装置。一般地，期望使用通过朝向方管16的外周面的规定位置喷射冷却水来对方管16进行冷却的水冷装置。在本例中，如图1、图2所示，在紧接着加热装置12的下游侧，以包围方管16的长度方向上的一部分的一个横截面的方式与方管16的外表面保持距离地设置多个冷却水喷嘴13a。而且，从这些冷却水喷嘴13a朝向方管16的外表面喷射冷却水。
为了不阻碍加热装置12对方管16进行的加热，期望朝向方管16被进给的方向斜喷冷却水。
若针对每个冷却水喷嘴13a分别控制来自各冷却水喷嘴13a的冷却水的喷射量，则能够对方管16的一部分沿其周向不均匀地进行冷却。另外，通过改变和与方管16的轴向正交的方向平行的方向上的、各冷却水喷嘴13a与方管16之间的距离，能够调整方管16的被加热的轴向上的区域。
利用冷却装置13对方管16的由感应加热装置12加热了的部分进行迅速冷却。
通过适当调整利用冷却装置13进行的水冷的开始温度和冷却速度，能够对方管16的迅速冷却部的一部分或全部进行淬火或退火。由此，例如还能够将方管16的弯曲部的一部分或全部的强度大幅提高至例如1500MPa以上。
冷却装置13的设置方法只要是能将冷却装置13固定地配置在规定位置的方法即可，不限于特定的设置方法。但是，为了利用本发明的制造装置1来制造具有较高尺寸精度的弯曲构件21，期望通过尽量短地设定位置B～位置C之间的距离，来尽量减小由加热装置12加热的第一部分与由冷却装置13冷却的第二部分之间的区域。为此，期望将冷却水喷嘴13a配置为靠近高频加热线圈12a，因此期望例如将冷却水喷嘴13a固定地配置在紧接着感应加热线圈12a之后的位置。
通过在高频加热线圈12a上设置供水孔并将高频加热线圈12a的冷却水作为方管的冷却水进行喷射，能够使位置B～位置C之间的距离最小，也能够并设冷却装置13。
另外，在方管16的进给速度缓慢的情况下等，也可以采用自然冷却方法来代替冷却装置13。
如上所述地构成冷却装置13。
剪切力施加装置14
剪切力施加装置14配置在方管16的进给方向上的比第三位置C靠下游的区域D。剪切力施加装置14在对方管16进行定位的状态下二维或三维地移动。由此，剪切力施加装置14对方管16的、由加热装置12加热了的第一部分与由冷却装置13冷却了的第二部分之间的区域施加剪切力以对方管16进行加工。
在图1、图2所示的例子中，将上下一对的辊17a、17b用作剪切力施加装置14。上下一对的辊17a、17b在通过与方管16的外表面接触来对方管16进行定位的状态下沿图1中的箭头方 向进行从动旋转。
上下一对的辊17a、17b被未图示的支承框以自由旋转的方式支承。利用以二维或三维地自由移动的方式保持支承框的移动机构(同样没有图示)来对支承框进行保持。
图3的(a)～图3的(c)是随时间变化表示实施本发明的制造方法的情况的说明图，是随时间变化表示将方管16加工成如图3的(c)、图1或图2所示的、具有微小弯曲半径的弯曲部的弯曲构件21的情况。
如图3的(a)～图3的(c)、图1和图2所示，在加工开始时，上下一对的辊17a、17b位于图3的(a)所示的位置(图1中的点划线所示的位置)即原位置。
当开始对方管16进行加工时，输入有来自未图示的加工控制装置的控制信号的移动机构使由未图示的支承框以自由旋转的方式支承的上下一对的辊17a、17b，以上述原位置为起点向方管16的进给方向(图3的(a)～图3的(c)中的左方向)和与方管16的由加热装置12加热了的长度方向上的一个横截面大致平行的方向(图3的(a)～图3的(c)中的下方向)这两个方向的合成方向(图3的(a)～图3的(c)中的左斜下方向)移动。
如此，上下一对的辊17a、17b在与被进给来的方管16的外表面相抵接的状态下，以上述原位置作为起点如图1中的黑粗箭头所示地同时向方管16的进给方向(图3的(a)～图3的(c)中的左方向)和与方管16的由加热装置12加热了的长度方向上的一个横截面大致平行的方向(图3的(a)～图3的(c)中的下方向)这两个方向的合成方向(图3的(a)～图3的(c)中的左斜下方向)移动(参照图3的(b))。
上下一对的辊17a、17b移动至如图3的(c)所示的位置(或 图1中的实线所示的位置)，加工完成。
如上所述地构成剪切力施加装置14。
第二支承装置15
第二支承装置15配置在方管16的进给方向上的比剪切力施加装置14的设置位置靠下游的区域E，用于对方管16的被加热了部分施加剪切变形。
随着利用图1～图3所示的制造装置10制造弯曲构件21，仅由一对辊17a、17b使方管16的被加热了的部分产生的变形主要是弯曲变形。因此，通过对另外一点进行约束，能够如图1～图3所示对方管16施加剪切变形。
同时，随着变形，方管16的脱离了辊17a、17b的部分的重量增加，因而，方管16的脱离了辊17a、17b的部分有可能利用其自重以由辊17a、17b进行定位的部分为支点发生变形。第二支承装置15设置在方管16的进给方向上的比剪切力施加装置14的设置位置靠下游的区域E。第二支承装置15用于对方管16的利用剪切力施加装置14完成了弯曲加工的部分进行支承。由此，第二支承装置15用于防止方管16的变形，而制造具有高尺寸精度的弯曲构件21。
方管16的长度方向的一部分的一个横截面被加热装置12加热而变形阻力大幅下降。因此，在方管16的进给方向的比第三位置C靠下游的区域D，通过如参照图3的(a)～图3的(c)说明的那样使构成剪切力施加装置14的上下一对的辊17a、17b的位置三维地移动，如图3的(b)和图3的(c)所示，能够对方管16的、由加热装置12加热了的第一部分与由冷却装置13冷却了的第二部分之间的区域施加剪切力Ws。
方管16利用该剪切力Ws形成弯曲部22a而被加工。在本发明中，不是像专利文献1公开的发明那样对方管16的被加热了的 部分施加弯曲力矩，而是施加剪切力。因此，如图3的(c)中的放大图所示那样，能够制造弯曲半径r例如是壁厚的1倍～5倍这样的、具有极小弯曲半径r的弯曲部22a的弯曲构件21。
在本发明中，以对方管16的第一部分与第二部分之间的区域施加剪切力Ws的方式来对方管16进行加工。因此，完全不会发生由于在该弯曲部22a的内周侧发生的褶皱、截面形状的变形而引起的尺寸精度的降低，具有图1中的阴影示出的四个部位16a、16b、16c和16d的截面形状相同这样的极为优异的尺寸精度。
在本发明中，将方管16弯曲加工成弯曲构件21是无模加工且不对方管16的内部施加压力，因而能够以低成本可靠地实施。
剪切力施加装置14只要借助于能将上下一对的辊17a、17b如上所述那样以二维或三维地自由移动的方式配置的机构设置即可。并不必对那样的机构进行特别的限定。例如，也可以利用公知的安装在工业用机器人上的末端执行器来对辊17a、17b的支承框进行保持。
在图1～图3所示的例子中，将卡盘18插入配置在方管16的利用剪切力施加装置14加工完的部分的前端的内部。并且，利用垂直型多关节工业用机器人20来构成第二支承装置15。垂直型多关节工业用机器人20将从上述前端向外突出的用于保持卡盘18的末端执行器19安装于其腕轴上。
第二支承装置15只要是能够防止方管16的利用剪切力施加装置14加工完的部分的变形的装置即可，不限于特定的装置。
如上所述地构成本发明的制造装置10。下面，说明利用该制造装置10制造本发明的弯曲构件21的情况。
在图1～图3中，首先，利用未图示的进给装置将钢制的例如长条的中空方管16沿其长度方向相对进给，并利用配置在第一位置A的第一支承装置11支承该方管16。
接着，利用加热装置12对被进给来的方管16的局部进行迅速加热。方管16的加热温度期望为构成方管16的钢的Ac3点以上。通过使方管16的加热温度为Ac3点以上，能够通过适当设定后续进行的冷却时的冷却速度来对弯曲构件21的弯曲部22a进行淬火，并且能够将方管16的第一部分与第二部分之间的变形阻力充分地降低至能够进行具有较小的弯曲半径的加工的程度。
从配置在方管16的进给方向上的比第二位置B靠下游的第三位置C的冷却装置13的冷却水喷嘴13a朝向方管16喷射冷却水。由此，将被加热的部分在第三位置C处冷却。虽然根据方管16的钢种的不同会有所变化，但通过使该冷却时的冷却速度为100℃/秒以上，能够对弯曲部22a进行淬火以提高其强度。
利用该冷却，在方管16上形成由加热装置12加热了的第一部分和由冷却装置13冷却了的第二部分。方管16的第一部分与第二部分之间处于高温状态，其变形阻力大幅降低。
在方管16的加工预定部的前端部到达剪切力施加装置14的一对辊17a、17b时，使利用未图示的支承框以自由旋转的方式支承的上下一对的辊17a、17b和第二支承装置15以辊17a、17b的原位置为起点，如参照图1～图3说明的那样向方管16的进给方向(图3的(a)～图3的(c)中的左方向)和与方管16的由加热装置12加热了的长度方向上的一个横截面大致平行的方向(图3的(a)～图3的(c)中的下方向)这两个方向的合成方向(图3的(a)～图3的(c)中的左斜下方向)移动。
方管16的利用剪切力施加装置14加工完的部分被配置在方管16的进给方向上的比剪切力施加装置14的设置位置靠下游的区域E的第二支承装置15支承。因此，方管16不会发生变形，能制造成具有希望的形状和尺寸精度的弯曲构件21。
由此，对方管16的第一部分和第二部分之间施加剪切力，而对方管16进行加工。
在该例中，在加工时，总是利用第二支承装置15对方管16的利用剪切力施加装置14加工完的部分进行支承。因此，能够在方管16的一个弯曲部22a的加工完成的时刻，暂时扩开一对辊17a、17b的辊隙，使辊17a、17b返回到上述原位置，准备对方管16的下一个弯曲部的加工。
另外，在利用一对辊17a、17b进行加工时、使一对辊17a、17b向该原位置返回时等这样的未利用一对辊17a、17b进行弯曲加工时，也可以使第二支承装置15二维或三维地移动，从而对方管16的第一部分与第二部分之间施加弯曲力矩，而在方管16上形成具有较大弯曲半径的弯曲部。
由此，如图1中的双点划线所示，采用本发明能够制造钢制的中空、长条、具有闭合截面形状且沿长度方向一体地构成的弯曲构件21，该弯曲构件21具有主体21a和形成在该主体21a上的二维或三维地弯曲的弯曲部22a、22b，该弯曲部22a、22b的弯曲半径r极小，例如是壁厚的1倍～5倍。
该弯曲构件21完全不会发生由于在该弯曲部22a、22b的内周侧发生的褶皱、长度方向的任意的位置上的截面形状的变形而引起的尺寸精度的降低，具有极高的尺寸精度。
弯曲构件21由于具有中空的扁平闭合截面形状，因此，形成为轻量且小型，并且，通过如上所述地适当调整由冷却装置13进行的水冷的开始温度和冷却速度来将抗拉强度大幅提高至例如1500MPa以上，还能够进一步谋求小型化、轻量化和高强度化。
另外，通过如上所述地适当调整由冷却装置13进行的水冷 的开始温度和冷却速度来进行淬火，在该弯曲构件21的外表面产生压缩残余应力，因此也提高了疲劳强度。
图4是示意性表示本发明的制造装置的另一结构例10-1的说明图。
制造装置10-1与上述制造装置10的不同点在于，将构成加热装置12的感应加热线圈12a相对于方管16倾斜配置，与此相伴，将冷却装置13的冷却水喷嘴13a和剪切力施加装置14的辊17a、17b也相对于方管16倾斜设置。
如图4所示，通过将感应加热线圈12a、冷却水喷嘴13a和辊17a、17b相对于方管16倾斜设置，能够防止方管16的壁厚变薄。即，在图4中，若将加工前的方管16的壁厚设成t，则在以通常的加热线圈的设定进行加工时，壁厚变成t·cosθ，但是通过使感应加热线圈12a倾斜，能够使加工后的壁厚仍为t，从而能够防止加工后的壁厚变薄。
图5是示意性表示本发明的制造装置的又一结构例10-2的说明图。
该制造装置10-2与上述制造装置10的不同点在于，不使用一对辊17a、17b，而是使用对方管16进行把持或抓持的一对夹持装置17c、17d。
在该情况下，夹持装置17c、17d持续对该方管16进行把持或抓持，直到针对该方管16的加工完成时为止。因此，不必设置在制造装置10中使用的第二支承装置15。例如，举例说明了夹持装置17c、17d被垂直型多关节工业用机器人保持。
在以上说明中，将以下技术方案作为了例子，即，将作为加工坯料的方管16沿其长度方向进给，并将第一支承装置11、加热装置12和冷却装置13固定地配置在方管16的进给方向上，但并不限于此，也可以与此相反，固定地配置作为加工坯料的 方管16，并将第一支承装置11、加热装置12和冷却装置13以相对于方管16的长度方向自由移动的方式配置。
图6的(a)及图6的(b)是示意性且随时间变化表示本发明的制造装置的再一结构例10-3的说明图，图6的(a)表示加工前，图6的(b)表示加工中。
在该制造装置10-3中，第一支承装置11具有两组一对辊23a、23b。利用未图示的支承框以自由旋转的方式支承一对辊23a、23b。利用以二维或三维地自由移动的方式保持支承框的工业用机器人(同样没有图示)来保持支承框。由此，两组一对辊23a、23b都配置为能向包括方管16的轴向在内的三维方向自由移动。
另外，利用工业用机器人24支承加热装置12的感应加热线圈12a和冷却装置13的冷却水喷嘴13a。感应加热线圈12a配置为位于坯料16的相对于一对辊23a、23b的进给方向(从图6的(a)、图6的(b)的左朝向右的方向)上的冷却水喷嘴13a的上游侧。由此，感应加热线圈12a和冷却水喷嘴13a配置为能向包括方管16的轴向在内的三维方向自由移动。
剪切力施加装置14在夹持并支承方管16的状态下移动。剪切力施加装置14利用由工业用机器人(未图示)支承的液压夹具构成。由此，剪切力施加装置14配置为能向包括方管16的轴向在内的三维方向移动。
另外，方管16沿其轴向固定配置。另外，也可以与本例不同，方管16也以沿其轴向自由移动的方式配置。
如此，制造装置10-3具有：第一支承装置11，其用于沿作为坯料的方管16的长度方向相对进给方管16并支承该方管16；加热装置12，其用于加热方管16；冷却装置13，其用于对位于比由加热装置12加热了的第一部分靠方管16的相对进给方向 的下游侧的第二部分进行冷却；剪切力施加装置14，其通过向二维方向或三维方向的移动来对第一部分与所述第二部分之间施加剪切力。
采用该制造装置10-3，通过使第一支承装置11、加热装置12、冷却装置13和剪切力施加装置14沿方管16的轴向移动并固定方管16，从而将方管16相对于支承方管16的第一支承装置11沿方管16的长度方向进给。而且，利用加热装置12对坯料进行加热，并利用冷却装置13对位于比由加热装置12加热了的第一部分靠方管16的相对进给方向的下游侧的第二部分进行冷却，并且，通过使向二维方向或三维方向移动来对第一部分与第二部分之间施加剪切力的剪切力施加装置14向二维方向或三维方向移动来对方管16进行加工。
由此，通过固定地配置方管16并将第一支承装置11、加热装置12和冷却装置13以相对于方管16的长度方向自由移动的方式配置，也能制造弯曲构件21。
另外，参照图1说明的本发明的弯曲构件21的制造工序极为简便，且能够以低成本制造。
另外，在上述说明中，举出了仅对方管16施加剪切力产生的变形的情况，但是本发明不限于该技术方案。即，通过在以往的弯曲变形的基础上附加基于剪切力产生的变形，能够获得比以往小的弯曲变形，因而包括基于剪切力产生的变形成分在内的加工是本发明的对象。
由于弯曲构件21是通过在利用剪切力进行加工的同时进行热处理(例如淬火)制造而成，因而，与非专利文献3公开的、用冷加工来实施剪切弯曲加工并在之后进行热处理(例如淬火)制造成的弯曲构件相比，能够利用局部淬火以高加工精度来制造具有1500MPa以上的高强度的部分的弯曲构件。
利用本发明的制造方法制造成的弯曲构件21例如能够应用在如下举例说明的用途(i)～用途(vii)中。
(i)例如，前纵梁(front side member)、横梁(cross member)、侧梁(side member)、悬架梁(suspension member)、顶梁(roof member)、A柱的加强构件(reinforce)、B柱的加强构件、保险杠的加强构件等这样的汽车车体的结构构件
(ii)例如，座椅骨架(sheet frame)、座椅横梁(sheet cross member)等这样的汽车的强度构件、加强构件
(iii)汽车的排气管等排气系统部件
(iv)汽车、机动二轮车的框架、曲柄
(v)电车等车辆的加强构件、转向架部件(转向架框、各种梁等)
(vi)船体等的框架部件、加强构件
(vii)家用电器的强度构件、加强构件或结构构件

Claims (23)

1.一种弯曲构件的制造装置，其特征在于，该弯曲构件的制造装置包括：
加热装置，其用于加热金属制的中空的坯料；
冷却装置，其用于对位于比由所述加热装置加热了的第一部分靠所述坯料的相对进给方向的下游侧的第二部分进行冷却；
剪切力施加兼支承部件，其包括剪切力施加部和支承部，所述剪切力施加部通过使所述坯料相对于所述加热装置及冷却装置向二维方向或三维方向、即所述坯料的长度方向及与所述坯料的所述长度方向中的一个横断面大致平行的方向这两个方向合成的方向移动，来对所述第一部分与第二部分之间施加剪切力；所述支承部在所述坯料的相对进给方向上的所述冷却装置的设置位置的下游区域支承所述坯料，并在所述合成的方向上相对于所述加热装置移动。
2.根据权利要求1所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，
所述剪切力施加部在所述坯料的外表面与所述坯料接触并将所述坯料定位，并且其通过向所述两方向合成的方向移动，从而使所述坯料向所述两方向合成的方向移动，来对所述第一部分与所述第二部分之间施加剪切力。
3.根据权利要求1所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，
所述剪切力施加部在沿所述两方向合成的方向倾斜的所述坯料的外表面与所述坯料接触并将所述坯料定位，并且其使所述坯料向所述两方向合成的方向相对移动来对所述第一部分与所述第二部分之间施加剪切力。
4.根据权利要求3所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，
所述加热装置和所述冷却装置沿所述两方向合成的方向倾斜配置。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，
所述剪切力施加部为一对辊。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，
所述支承部在所述坯料的相对进给方向上的所述剪切力施加部的设置位置的下游区域支承所述坯料。
7.根据权利要求1所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，
所述剪切力施加兼支承部件为把持或抓持所述坯料的夹持装置。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，还包括沿所述长度方向相对进给并支承所述坯料的进给兼支承装置，
所述进给兼支承装置、所述加热装置和所述冷却装置都固定配置，且所述进给兼支承装置配置在第一位置，所述加热装置配置在所述坯料的相对进给方向上的比所述第一位置靠下游的第二位置，所述冷却装置配置在所述坯料的相对进给方向上的比所述第二位置靠下游的第三位置，并且，所述剪切力施加兼支承部件配置在所述坯料的相对进给方向上的比所述第三位置靠下游的区域。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，
在所述相对进给方向上的所述加热装置的上游侧还具有用于支承所述坯料的支承装置，
所述支承装置、所述加热装置以及所述冷却装置相对于所述坯料的所述长度方向自由移动地配置。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，
所述弯曲构件至少具有一个弯曲半径是壁厚的1倍～5倍的弯曲部。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的弯曲构件的制造装置，其特征在于，
所述弯曲构件具有闭合截面形状且沿长度方向一体地构成。
12.一种弯曲构件的制造方法，其特征在于，
利用加热装置对金属制的中空的坯料进行加热，并且利用冷却装置对位于比由所述加热装置加热了的第一部分靠所述坯料的相对进给方向的下游侧的第二部分进行冷却，而且，利用剪切力施加兼支承部件的支承部在所述坯料的相对进给方向上的所述冷却装置的设置位置的下游区域支承所述坯料，使所述支承部相对于所述加热装置向所述坯料的长度方向及与所述坯料的所述长度方向中的一个横断面大致平行的方向这两个方向合成的方向移动，通过所述剪切力施加兼支承部件的剪切力施加部使所述坯料在上述合成的方向上相对于所述加热装置及冷却装置移动，从而对所述第一部分与所述第二部分之间施加剪切力来对所述坯料进行加工。
13.根据权利要求12所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
对所述第一部分与所述第二部分之间进行淬火。
14.根据权利要求12或13所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
所述剪切力施加部在所述坯料的外表面与所述坯料接触并将所述坯料定位，并且其通过向所述两方向合成的方向移动，从而使所述坯料向所述两方向合成的方向移动，来对所述第一部分与所述第二部分之间施加剪切力。
15.根据权利要求12或13所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
所述剪切力施加部在沿所述两方向合成的方向倾斜的所述坯料的外表面与所述坯料接触并将所述坯料定位，并且其使所述坯料向所述两方向合成的方向相对移动来对所述第一部分与所述第二部分之间施加剪切力。
16.根据权利要求15所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
所述加热装置和所述冷却装置沿所述两方向合成的方向倾斜配置。
17.根据权利要求14所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
所述剪切力施加部为一对辊。
18.根据权利要求14所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
所述支承部在所述坯料的相对进给方向上的所述剪切力施加部的设置位置的下游区域支承所述坯料。
19.根据权利要求12或13所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
所述剪切力施加兼支承部件为把持或抓持所述坯料的夹持装置。
20.根据权利要求12或13所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
沿所述长度方向相对进给并支承所述坯料的进给兼支承装置、所述加热装置和所述冷却装置都固定配置，且所述进给兼支承装置配置在第一位置，所述加热装置配置在所述坯料的相对进给方向上的比所述第一位置靠下游的第二位置，所述冷却装置配置在所述坯料的相对进给方向上的比所述第二位置靠下游的第三位置，并且，所述剪切力施加兼支承部件配置在所述坯料的相对进给方向上的比所述第三位置靠下游的区域。
21.根据权利要求12或13所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
在所述相对进给方向上的所述加热装置的上游侧还具有用于支承所述坯料的支承装置，
所述支承装置、所述加热装置以及所述冷却装置相对于所述坯料的所述长度方向自由移动地配置。
22.根据权利要求12或13所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
所述弯曲构件至少具有一个弯曲半径是壁厚的1倍～5倍的弯曲部。
23.根据权利要求12或13所述的弯曲构件的制造方法，其特征在于，
所述弯曲构件具有闭合截面形状且沿长度方向一体地构成。
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