JP2017196654A - 複合断面部材の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で、かつ局所的に高強度である複合断面部材を製造する方法を提供する。【解決手段】複合断面部材１の製造方法では、連続状の鋼板２を製造装置１０に送り込み、曲げ加工し、所定の断面形状にロール成形し、ロール成形の任意の過程で非連続状のアルミ製の芯材３を局所的に挿入し、芯材３と、鋼板２とを一体化するように曲げ加工をして複合断面部材を得る。【選択図】図１

Description

本発明は、複合断面部材の製造方法および製造装置に関する。

自動車の軽量化に伴う鋼板の高強度化により、鋼板の成形にプレス成型を利用すると、成形時の割れおよびスプリングバックが生じる。これに対し、ロール成形では、鋼板を単段の曲げ加工で成形するか、または複数段で逐次的に成形することにより、プレス成型では通常困難な高強度の鋼板の成形が可能である。特に、ロール成形は、一様断面形状の部品の製造に適している。

自動車の軽量化に相反して、衝突基準は年々厳しくなっており、部材に求められる強度は高くなっている。部材の高強度化のために、特に強度が必要な個所の形状または寸法を変更することが考えられる。しかし、例えば、ロール成形では、断面形状または板厚の局所的な変更はできず、部品の長手方向全体で変更する必要がある。そのため、ロール成形では、部材の局所的な強度の向上は困難である。このように、部品の軽量化と高強度化の両立は困難である。

特許文献１には、鋼板と軽合金製の部材を一体化して成形することで、軽量化と高強度化を両立した複合構造部材が開示されている。

特開２００３−３１２４０４号公報

特許文献１には、複合構造部材の具体的な製造方法の記載がなく、製造が困難である。

本発明は、軽量でかつ局所的に高強度である複合断面部材を製造する方法を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様の複合断面部材の製造方法は、連続状の金属帯板をロール成形機に送り込み、曲げ加工し、所定の断面形状にロール成形し、前記ロール成形の任意の過程で非連続状の軽金属製の芯材を局所的に挿入し、前記芯材と、前記金属帯板とを一体化するように前記曲げ加工をして複合断面部材を得ることを含む。

この方法によれば、ロール成形において、曲げ強度を必要とする箇所にのみ、非連続状の芯材を局所的に挿入することで、部材全体の重量増加を抑制し、局所的に高強度の複合断面部材を得ることができる。また、この方法は、既存のロール成形機に、芯材を挿入するための設備を追加することで実現できるため、既存のロール成形機を有効利用でき、新たな設備投資によるコストアップを抑制できる。

前記ロール成形機は、上ロールと、前記上ロールと相補的な形状の下ロールとを備え、
前記芯材を挿入した後の工程における前記上ロールと前記下ロールの間隔は、前記芯材の厚みと前記金属帯板の厚みの合計に一致してもよい。

この方法によれば、芯材が上ロールの一部の役割を果たして金属帯板を圧下するため、上ロールを小形化できる。また、金属帯板を閉断面形状に成形する場合、中空状態で成形するよりも、芯材を挿入して中密状態で成形する方が、成形安定性が向上する。

前記複合断面部材の製造方法は、前記金属帯板と、前記芯材との接触部分の少なくとも一部に、絶縁体を配置することをさらに含むことが好ましい。

この方法によれば、金属帯板と芯材の接合部分に接着剤のような絶縁体を配置（例えば塗布）することで、異材金属における電解腐食を防止できる。例えば、絶縁体として、絶縁性を有する接着剤が使用されてもよい。絶縁体は、成形前に予め芯材に塗布されてもよいし、成形途中に金属帯板または芯材に塗布されてもよい。

前記ロール成形機は、前記絶縁体を配置した部分に対応した逃げ部が設けられていてもよい。

この方法によれば、逃げ部を設けることで、ロール成形機に接着剤のような絶縁体が付着することがない。そのため、清掃等のメンテナンスの必要なく連続してロール成形機を使用できる。

前記複合断面部材の製造方法は、前記複合断面部材を所定長さに切断し、前記複合断面部材を曲げ加工することをさらに含んでもよい。

この方法によれば、芯材を内側に有する複合断面部材を金属帯板の送り方向に対して曲げ加工することで、複合断面部材に長手方向の曲げ形状を付与できると共に、芯材が金属帯板にカシメ接合され、芯材を固定できる。

前記複合断面部材の製造方法は、前記金属帯板を所定の断面形状に成形後、溶接して閉断面形状とすることをさらに含んでもよい。

この方法によれば、溶接により完全に閉じられた閉断面形状の複合断面部材を得ることができる。

本発明の第２の態様の複合断面部材の製造装置は、上ロールと、前記上ロールと相補的な形状を有する下ロールとを備える複数のロール対からなり、前記複数のロール対に送り込まれた連続状の金属帯板を所定の断面形状にロール成形するロール成形機と、前記複数のロール対のうち、第１のロール対の上流で、または、第１のロール対と第２のロール対の間で、非連続状の軽金属製の芯材を挿入する芯材挿入部とを備え、前記ロール成形機により、前記芯材と、前記金属帯板とを一体化するように前記金属帯板を曲げ加工して複合断面部材を得る。

本発明によれば、曲げ強度を必要とする箇所にのみ、芯材が挿入されることで、部材全体の重量増加が抑制され、かつ局所的に高強度の複合断面部材が得られる。

本発明の第１実施形態に係る複合断面部材の製造装置の側面図。 図１の複合断面部材の各製造工程を示す正面断面図。 図１の複合断面部材の各製造工程を示す正面断面図。 図１の複合断面部材の各製造工程を示す正面断面図。 図１の複合断面部材の各製造工程を示す正面断面図。 図１の第１工程の部分的な正面断面図。 図１の第２工程の部分的な正面断面図。 図１の第３工程の部分的な正面断面図。 図１の第４工程の部分的な正面断面図。 図１の第５工程の部分的な正面断面図。 図１の第６工程の部分的な正面断面図。 図１の第７工程の部分的な正面断面図。 図１の第８工程の部分的な正面断面図。 図２Ｄの変形例を示す複合断面部材の正面断面図。 図２Ｄの他の変形例を示す複合断面部材の正面断面図。 本発明の第２実施形態に係る複合断面部材の製造装置の側面図。 本発明の第３実施形態に係る複合断面部材の製造装置の側面図。 図７の第３工程の部分的な正面断面図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

以下で説明する各実施形態では、個々の部材の材料を例示しているが、全実施形態において個々の部材の材料は特に例示しているものに限定されず、任意の材料に対して本発明は適用できる。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の複合断面部材１の製造方法は、ロール成形により、鋼板（金属帯板）２と、アルミ製の芯材３とを一体に成形し、所定の断面形状の複合断面部材１（図２Ｄ参照）を得る方法である。

この複合断面部材１の製造方法では、連続状の鋼板２をロール成形機１０に送り込み、曲げ加工し、所定の断面形状にロール成形する。その際、ロール成形の任意の過程で非連続状のアルミ製の芯材３を局所的に挿入し、芯材３と鋼板２とを一体化して成形するように曲げ加工して複合断面部材１を得る。

鋼板２は、鋼製であり、連続状である。また、鋼板２の厚みおよび幅は、曲げ加工（図２Ｂ〜Ｄ参照）できる程度の寸法に規定されている。

芯材３は、アルミ製であり、非連続状であり、即ち所定の長さに規定されている。ここで、芯材３の所定の長さは、後述のようにロール成形機１０に応じて決定される。また、芯材３は、正面視において２つの貫通孔３ａ，３ｂを有する中空形状である（図２Ｃ，Ｄ参照）。芯材３の寸法は、鋼板２を曲げ加工した際に内部に挿入できる程度の寸法に規定されている。芯材３は、アルミ製以外にも軽金属製であれば、特に材質は限定されない。

図２Ａ〜Ｄを参照して、本実施形態の複合断面部材１の形成過程について説明する。図２Ａに示すように、成形前の鋼板２は、平坦な板状である。次いで、図２Ｂに示すように、底板２ａと、底板２ａの両端２ｂから立ち上がる側板２ｃとが形成される。次いで、図２Ｃに示すように、側板２ｃの上端２ｄから内側へ傾斜して延びる天板２ｅが形成される。このとき、芯材３が鋼板２内に挿入され、底板２ａに載置される。最後に、図２Ｄに示すように、芯材３は、底板２ａと、側板２ｃと、天板２ｅとによって被覆され、閉断面形状の複合断面部材１が形成される。

図１および図３Ａ〜Ｈを参照して、本実施形態の複合断面部材１の製造装置と製造工程について説明する。

本実施形態の製造装置は、ロール対２１〜２８を有するロール成形機１０と、ロボットアーム３０と、切断機４０とを備える。

ロール対２１〜２８は８段構成であり、複合断面部材１は第１から第８工程に分けて成形される。各段のロール対２１〜２８は、上ロール２１ａ〜２８ａと、下ロール２１ｂ〜２８ｂとを備える。上ロール２１ａ〜２５ａは、下ロール２１ｂ〜２５ｂに向かって凸形状を有する凸部２１ｃ〜２５ｃを備える。下ロール２１ｂ〜２５ｂは、凸部２１ｃ〜２５ｃと相補的な形状の凹部２１ｄ〜２５ｄとを有する。上ロール２１ａ〜２８ａと下ロール２１ｂ〜２８ｂは、回転可能に軸支され、図示しない駆動機構によって回転駆動される。ロール対２１〜２８に送り込まれた鋼板２は、回転駆動された上ロール２１ａ〜２８ａと下ロール２１ｂ〜２８ｂによって挟み込まれ、所定の断面形状に成形される。本実施形態では、上ロール２１ａ〜２８ａと下ロール２１ｂ〜２８ｂが垂直方向に配置されているが、さらに水平方向にサイドロールを追加配置して鋼板２を成形してもよい。なお、上ロール２１ａ〜２８ａと下ロール２１ｂ〜２８ｂは、名称として「上」と「下」の記載を含んでいるが、これらは便宜上の名称であり、必ずしも上下方向に限定して配置されるわけではない。例えば、上ロール２１ａ〜２８ａと下ロール２１ｂ〜２８ｂは、正面視において９０度回転され、即ち左右方向に配置されてもよい。

本実施形態では、２段目と３段目のロール対２２，２３の間に、芯材３を挿入するためのロボットアーム（芯材挿入部）３０が設けられている。ロボットアーム３０は、把持部３１と、アーム３２と、動作部３３とを備える。把持部３１は、ロボットアーム３０の下端に配置されており、芯材３を把持する部分である。アーム３２は、一端が把持部３１と連結されており、他端が動作部３３と連結されている。動作部３３は、アーム３２を動作させ、アーム３２に連結された把持部３１を上下および回転動作させる部分である。従って、ロボットアーム３０は、任意の位置および角度で芯材３を成形中の鋼板２に挿入できる（図２Ｃ参照）。本実施形態の芯材３の所定の長さは、２段目と３段目のロール対２２，２３の間の長さ以下である。本実施形態では、２段目と３段目のロール対２２，２３がそれぞれ本発明の第１のロール対と第２のロール対を構成する。なお、ロボットアーム３０は、成形工程中の任意の位置に配置されてよく、２段目と３段目のロール対２２，２３の間には限定されない。さらに言えば、ロボットアーム３０は、１段目のロール対２１の上流に配置されもよく、その場合、１段目のロール対２１が本発明の第１のロール対を構成する。

図３Ａに示すように、第１工程では、１段目のロール対２１において、鋼板２の両端部が角部２ｂにおいて水平方向から４５°程度曲げ起こされ、底板２ａと、傾斜した側板２ｃとが形成される。

図３Ｂに示すように、第２工程では、２段目のロール対２２において、鋼板２の両端部が水平方向から９０°程度曲げ起こされ、鉛直な側板２ｃが形成される。本工程を示す図３Ｂは、図２Ｂと対応している。また、本工程では、上ロール２２ａの凸部２２ｃは中央部が下方に膨出している。これにより、本工程後の底板２ａは、中央部がその他の部分よりも下方に押圧され、後の曲げ工程が容易になる。

図３Ｃに示すように、第３工程の前に、曲げ起こされた鋼板２内に芯材３が挿入されている。第３工程では、３段目のロール対２３において、鋼板２が芯材３を包むように、鋼板２は、角部２ｄにおいて曲げ成形され、天板２ｅが形成される。本工程を示す図３Ｃは、図２Ｃに対応している。３段目のロール対２３では、上ロール２３ａの凸部２３ｃが、芯材３の厚み分、第１工程や第２工程の上ロール２１ａ，２２ａの凸部２１ｃ，２２ｃよりも小形化されている。即ち、上ロール２３ａの凸部２３ｃと下ロール２３ｂの凹部２３ｄの間の間隔Ｄは、芯材３の厚みと鋼板２の厚みの合計に一致する。これは第４工程以降も同様である。

図３Ｄに示すように、第４工程では、４段目のロール対２４において、鋼板２により芯材３をさらに包むように、鋼板２は曲げ成形されている。鋼板２を内側へ曲げるため、上ロール２４ａの凸部２４ｃは、第３工程の上ロール２３ａの凸部２３ｃよりも横幅Ｗが狭く形成されている。

図３Ｅに示すように、第５工程では、５段目のロール対２５において、鋼板２により芯材３をさらに包むように、鋼板２は曲げ成形されている。鋼板２をさらに内側へ曲げるため、上ロール２５ａの凸部２５ｃは、第４工程の上ロール２４ａの凸部２４ｃよりも横幅Ｗが狭く形成されている。

図３Ｆに示すように、第６工程では、６段目のロール対２６において、鋼板２により芯材３を完全に包むように、鋼板２は曲げ成形されている。鋼板２を閉断面に形成するため、第６工程以降では上ロール２６ａ〜２８ａは、凸部を有していない。即ち、上ロール２１ａ〜２５ａの凸部は、第１から第５工程まで、下流工程になるにつれて横幅Ｗが減少し、第６工程以降では消失している。

図３Ｇに示すように、第７工程では、７段目のロール対２７において、複合断面部材１を正確に所定の閉断面形状とするように曲げ成形されている。第７工程のロール対２７は、実質的に第６工程のロール対２６と同様の形状である。

図３Ｈに示すように、第８工程では、８段目のロール対２８において、複合断面部材１を上下から押圧し、複合断面部材１の上下面を平坦に形成すると共に形状を整えている。

また、本実施形態では、第８工程後に、複合断面部材１を所定の長さに切断する工程が設けられている。この切断は、切断機４０によって行われる。切断機４０は、複合断面部材１を切断するためのブレード４１を下端に備え、ブレード４１を上下に動作させる動作部４２を上部に備える。

以上の方法によれば、ロール成形において、曲げ強度を必要とする箇所にのみ、芯材３を挿入することで、複合断面部材１全体の重量増加を抑制し、局所的に高強度の複合断面部材１を得ることができる。また、本方法は、既存のロール成形機に、芯材３を挿入するための設備であるロボットアーム３０を追加することで実現できるため、既存のロール成形機を有効利用でき、新たな設備投資によるコストアップを抑制できる。

また、第３から第５工程では、芯材３が上ロール２３ａ〜２５ａの凸部２３ｃ〜２５ｃの役割を果たして鋼板を圧下するため、上ロール２３ａ〜２５ａの凸部２３ｃ〜２５ｃの凸量を芯材３の厚み分減少でき、小形化できる。さらに、本実施形態のように鋼板２を閉断面形状に成形する場合、中空状態で成形するよりも芯材３を挿入して中密状態で成形することで、成形安定性が向上する。

なお、本実施形態では、鋼板２が閉断面形状の場合を説明したが、より完全な閉断面にするため、接合部２ｆに溶接を施してもよい（図４参照）。また、鋼板２の形状は閉断面に限定されず、例えば開断面形状であってもよい（図５参照）。

（第２実施形態）
図６に示す第２実施形態の複合断面部材１の製造装置では、切断機４０の配置が変更され、さらに、第６工程以降のロール対２６〜２８の上下方向の配置が変更されている。本実施形態は、これらの点を除いて図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。

本実施形態では、第５工程と第６工程の間に、切断機４０が配置されている。切断機４０は、第１実施形態の切断機と同じである。

本実施形態の第６工程以降のロール対２６〜２８は、第１実施形態の配置（図１参照）に比べて曲線的に下方にオフセットされて配置されている。そのため、送り込まれた鋼板２は、直線的に移送されず、下方向に曲線的に移送され、送り方向に曲げ成形される。

本実施形態の方法によれば、芯材３を内側に有する複合断面部材１を曲げ加工することで、複合断面部材１に曲げ形状を付与できると共に、芯材３が鋼板２にカシメ接合され、芯材３を固定できる。

（第３実施形態）
図７に示す第３実施形態の複合断面部材１の製造装置では、接着剤塗布機５０が追加されている。本実施形態は、この点を除いて図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。

本実施形態では、第２工程と第３工程の間であって、ロボットアーム３０の下流において、芯材３に接着剤（絶縁体）４を塗布するための接着剤塗布機５０が設けられている。接着剤塗布機５０は、ノズル５１と、アーム５２と、動作部５３とを備える。ノズル５１は、接着剤塗布機５０の下端に配置されており、接着剤４を吐出する部分である。アーム５２は、一端がノズル５１と連結されており、他端が動作部５３と連結されている。動作部５３は、アーム５２を動作させ、アーム５２に連結されたノズル５１を上下左右に動作させる部分である。従って、ロボットアーム３０は、芯材３の任意の位置に接着剤４を塗布できる。接着剤４は、絶縁性のものを使用し、鋼板２と芯材３の接触部分の少なくとも一部に塗布される。本実施形態では、接着剤４を塗布しているが、塗布するのは接着剤に限定されず、絶縁体であればよい。従って、例えば、絶縁性を有する発泡剤等も使用可能である。なお、接着剤塗布機５０は、ロボットアーム３０の下流であれば成形工程中の任意の位置に配置されてよく、２段目と３段目のロール対２２，２３の間には限定されない。

図８に示すように、接着剤塗布機５０の下流のロール対では、即ち本実施形態の３段目以降のロール対２３〜２８では、上ロール２３ａ〜２８ａの凸部２３ｃ〜２８ｃは、接着剤４を塗布した部分に対応した逃げ部２３ｅ〜２８ｅが設けられている。逃げ部２３ｅ〜２８ｅは、凸部２３ｃ〜２８ｃの一部を切り欠いて構成され、塗布された接着剤４が上ロール２３ａ〜２８ａの凸部２３ｃ〜２８ｃと接触しないように設けられている。

本実施形態の方法によれば、鋼板２と芯材３の接合部分に絶縁性を有する接着剤４を塗布することで、異材金属における電解腐食を防止できる。なお、接着剤４は、本実施形態のように成形途中に接着剤塗布機５０により芯材３に塗布されてもよいし、成形前に予め芯材３に塗布されていてもよい。また、接着剤４は、芯材３に対してではなく、鋼板２に対して塗布されてもよい。

また、上ロール２３ａ〜２８ａの凸部２３ｃ〜２８ｃに逃げ部２３ｅ〜２８ｅを設けることで、ロール対２３〜２８に接着剤４が付着することがない。そのため、清掃等のメンテナンスの必要なく連続してロール成形機１０を使用できる。

以上より、本発明の具体的な実施形態やその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

１ 複合断面部材
２ 鋼板（金属帯板）
２ａ 底板
２ｂ 底板の両端（角部）
２ｃ 側板
２ｄ 側板の上端（角部）
２ｅ 天板
２ｆ 接合部
３ 芯材
３ａ，３ｂ 貫通孔
４ 接着剤
１０ ロール成形機
２１〜２８ ロール対
２１ａ〜２８ａ 上ロール ２１ｂ〜２８ｂ 下ロール
２１ｃ〜２５ｃ 凸部
２１ｄ〜２８ｄ 凹部
２１ｅ〜２８ｅ 逃げ部
３０ ロボットアーム（芯材挿入部）
３１ 把持部
３２ アーム
３３ 動作部
４０ 切断機
４１ ブレード
４２ 動作部
５０ 接着剤塗布機
５１ ノズル
５２ アーム
５３ 動作部

Claims (7)

1. 連続状の金属帯板をロール成形機に送り込み、曲げ加工し、所定の断面形状にロール成形し、
   前記ロール成形の任意の過程で非連続状の軽金属製の芯材を局所的に挿入し、
   前記芯材と、前記金属帯板とを一体化するように前記曲げ加工をして複合断面部材を得る
   ことを含む、複合断面部材の製造方法。
2. 前記ロール成形機は、上ロールと、前記上ロールと相補的な形状の下ロールとを備え、
   前記芯材を挿入した後の工程における前記上ロールと前記下ロールの間隔は、前記芯材の厚みと前記金属帯板の厚みの合計に一致する、請求項１に記載の複合断面部材の製造方法。
3. 前記金属帯板と、前記芯材との接触部分の少なくとも一部に、絶縁体を配置することをさらに含む、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の複合断面部材の製造方法。
4. 前記ロール成形機は、前記絶縁体を配置した部分に対応した逃げ部が設けられている、請求項３に記載の複合断面部材の製造方法。
5. 前記複合断面部材を所定長さに切断し、
   前記複合断面部材を前記金属帯板の送り方向に対して曲げ加工する
   ことをさらに含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の複合断面部材の製造方法。
6. 前記金属帯板を所定の断面形状に成形後、溶接して閉断面形状とすることをさらに含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の複合断面部材の製造方法。
7. 上ロールと、前記上ロールと相補的な形状を有する下ロールとを備える複数のロール対からなり、前記複数のロール対に送り込まれた連続状の金属帯板を所定の断面形状にロール成形するロール成形機と、
   前記複数のロール対のうち、第１のロール対の上流で、または、第１のロール対と第２のロール対の間で、非連続状の軽金属製の芯材を挿入する芯材挿入部と
   を備え、
   前記ロール成形機により、前記芯材と、前記金属帯板とを一体化するように前記金属帯板を曲げ加工して複合断面部材を得る、複合断面部材の製造装置。

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