JP4331300B2 - 中空スタビライザの製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車等の車両に使用される中空スタビライザの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、車両のロール剛性を高める手段として、スタビライザが採用されている。また、車両の軽量化を図るために、パイプ材を用いた中空スタビライザも知られている。図６は従来の中空スタビライザの製造工程を示している。従来の中空スタビライザは、一般に低炭素鋼（炭素量０．２〜０．３％）の電縫管を所望のスタビライザ形状に冷間成形したのち加熱し、焼入れおよび焼戻しの熱処理を行なうことによって調質し、さらにショットピーニングを行なっている。
【０００３】
上記電縫管は、熱間圧延フープ材を周知のロールフォーミング法によって造管しつつその管軸方向に沿う継ぎ目を溶接するようにしている。このためロールフォーミング法によって造管できるパイプの肉厚比すなわち（肉厚／外径）をあまり大きくすることができず、肉厚比が０．１５〜０．１７を越えるような厚肉電縫管の製造は通常の設備では実施困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため電縫管からなる中空スタビライザは、これまでのところ肉厚比が比較的小さい薄肉管を使用せざるを得なかった。薄肉管は、従来の中実材料からなるスタビライザに比較して軽量化を図る上では有効であるが、肉厚比が小さくなればなるほど、つまり薄肉管になるほど、スタビライザの設計応力（スタビライザ形状とばね定数を一定とした場合の基準応力）が大きくなるため、応力面で制約を受けやすくなる。すなわち、スタビライザの設計上、応力に余裕がある場合には電縫管を用いた中空スタビライザを採用することができ、その場合に中実スタビライザと比較して５０％以上の軽量化を達成できる。
【０００５】
しかしながら、設計上、応力が高い中空スタビライザについては、電縫管で入手可能な上限の肉厚比０．１５〜０．１７（軽量化率で４０％〜３５％）の電縫管を用いても、設計基準をクリアーすることができないことがあり、その場合には中実材が使用されることになる。従って中空スタビライザは、その軽量化のメリットにかかわらず、スタビライザ全体の数十％に採用されているに過ぎないのが現状であった。
【０００６】
従って本発明の目的は、電縫管の問題点を解消し、中空スタビライザの実用化を促進できるような中空スタビライザの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を果たすための本発明の製造方法は、炭素量が０．１７〜０．４５ｗ％の炭素鋼からなる電縫管をオーステナイト化温度まで加熱し熱間で連続的に縮管加工することにより素管を得るとともにこの素管をコイル状に巻取る素管製造工程と、焼入れ・焼戻しを行なうことなく前記コイル状の素管を浮きプラグとダイスとを用いて減面率が３０％以上４５％以下となるように冷間で引抜き加工を行ない肉厚比を増加させることによって肉厚比（ｔ／ｄ）が前記電縫管の肉厚比よりも大きい０．２０以上０．２７以下で引張強さが８００〜１０００Ｎ／ｍｍ2 の厚肉パイプ材を得る冷間引抜き工程と、前記冷間引抜き工程によって得られた厚肉パイプ材を冷間で所望のスタビライザ形状に曲げ成形する成形工程と、前記成形工程後に３００℃から４５０℃の温度で前記厚肉パイプ材の歪み取り焼鈍を行なう焼鈍工程と、この焼鈍工程後に前記厚肉パイプ材を室温まで冷却したのち、前記厚肉パイプ材に焼入れ・焼戻しを行なうことなくショットピーニングを行なうショットピーニング工程とを具備している。
【０００８】
さらにこの発明は請求項２に記載したように、前記成形工程を行なう前に前記厚肉パイプ材の内面にショットピーニングを行なう内面ショットピーニング工程を具備することも含んでいる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
図２に一例を示した中空スタビライザ１０は、車体（図示せず）の幅方向に延びる主部１１と、主部１１の両端に連なる左右一対のアーム部１２とを有している。主部１１はゴムブッシュ１４等を介して車体側に支持され、アーム部１２の端末１２ａは左右のサスペンション機構１５にスタビライザリンク（図示せず）等を介して連結される。
【００１０】
主部１１やアーム部１２は車体側の部品やサスペンション機構１５との干渉を避けるために、数か所ないし十数か所において曲げ加工が施されている。このスタビライザ１０を有する車両がカーブ走行する際などのように、左右のサスペンション機構１５に上下逆相の入力があったとき、左右のアーム部１２が互いに逆方向に撓むとともに主部１１がねじられ、このスタビライザ１０は車体の横揺れを抑制するばねとして機能する。
【００１１】
次に本発明に係る中空スタビライザの製造方法について、図１等を参照して説明する。
まず、素管製造工程Ｓ１において、スタビライザの製品外径よりも大径な電縫管を熱間で連続的に縮管加工することにより、この電縫管よりも径の小さい長尺な素管２０ａ（図３に断面を示す）を得るとともに、この素管２０ａを直径数メートル程度のコイル状に巻取り、いわゆるＰＩＣ（Pipe In Coil）を得る。素管２０ａの肉厚比（ｔ′／ｄ′）は０．２未満である。この素管製造工程Ｓ１での縮管加工は、例えば炭素鋼のオーステナイト化温度（例えば７５０℃〜９００℃以上）で行なわれる。
【００１２】
前記電縫管は炭素量が０．４５重量％以下の熱間圧延フープ材を材料とし、周知のロールフォーミング法によって造管しつつ、その管軸方向に沿う継ぎ目を連続的に高周波誘導溶接することによって製造される。
【００１３】
次いで冷間引抜き工程Ｓ２において、前記素管２０ａを減面率が３０％以上となるように、ダイスと浮きプラグ等を用いて冷間で引抜き加工を行なう。この明細書で言う冷間とは、積極的に加熱しない室温程度（常温：例えば１５℃）を意味するが、加工熱による温度上昇や、それ以外の要因による多少の温度上昇は冷間の概念に含むものとする。減面率は［（加工前の断面積−加工後の断面積）／加工前の断面積］×１００で表される。
【００１４】
前記冷間引抜き工程Ｓ２により、肉厚比（ｔ／ｄ）すなわち（肉厚／外径）を０．２０〜０．２７に増加させるとともに、引張強さσB が８００〜１０００Ｎ／ｍｍ2 のストレートな厚肉パイプ材２０ｂ（図４に断面を示すＰＩＣ引抜管）を得る。炭素鋼では減面率を大きくするほど引張強さを高めることができ、鋼種に応じて減面率を加減することによって、所望の引張強さを得ることが可能である。なお、冷間で行なわれるパイプ引抜き加工の減面率は、通常４５％が限界である。
【００１５】
図５は、米国自動車技術会（ＳＡＥ）で規定されている鋼種ＳＡＥ１０２２とＳＡＥ１５４１について、減面率と引張強さとの関係を示している。これ以外の鋼種でも図５と同様の傾向がみられる。ＳＡＥ１０２２はＦｅを主成分として、Ｃが０．１７〜０．２３，Ｍｎが０．７０〜１．００（いずれも重量％），残部が微量のＳｉとＰおよびＳなどである。ＳＡＥ１５４１もＦｅを主成分として、Ｃが０．３６〜０．４５，Ｍｎが１．３０〜１．６５（いずれも重量％），残部が微量のＳｉとＰおよびＳなどである。
【００１６】
上記冷間引抜き工程Ｓ２において素管２０ａを強加工することにより、従来の中実スタビライザあるいは中空スタビライザの製造工程で行なわれていた焼入れおよび焼戻しの熱処理を実施することなく、前述の引張強さσB を有する厚肉パイプ材２０ｂが得られる。この厚肉パイプ材（ＰＩＣ引抜管）２０ｂは所定のスタビライザ長さに切断される。
【００１７】
冷間引抜き工程Ｓ２を実施したのち、成形工程Ｓ４を行なう前に、例えば後述する実施例６のように、必要に応じて内面ショットピーニング工程Ｓ３を行なってもよい。内面ショットピーニング工程Ｓ３では、ストレートな形状の厚肉パイプ材２０ｂの内面に、直圧式のショットブラスト装置によって多数のショットを圧搾空気と共に打付け、厚肉パイプ材２０ｂの内面表層部に圧縮の残留応力を生じせしめる。この場合、直管状態のパイプ材２０ｂにショットピーニングを行なうことになるためショットブラスト装置が複雑化せず、実施が容易である。
【００１８】
そして成形工程Ｓ４において、成形機等を用いて厚肉パイプ材２０ｂを冷間で曲げ加工することにより、主部１１やアーム部１２などが所望のスタビライザ形状に成形される。また、アーム部１２の端末１２ａの成形等も行なわれる。
【００１９】
成形工程Ｓ４を実施したのち、焼鈍工程Ｓ５において、厚肉パイプ材２０ｂをオーブン等によって３００℃〜４５０℃に加熱し、この温度で適当な時間（例えば数十分）保持することにより、厚肉パイプ材２０ｂの歪み取り焼鈍が行なわれる。この焼鈍工程Ｓ５により、成形工程Ｓ４後に厚肉パイプ材２０ｂに残留している有害な残留応力が除去されることになる。
【００２０】
焼鈍工程Ｓ５を実施したのち、ショットピーニング工程Ｓ６において、厚肉パイプ材２０ｂの外面にショットピーニングが行なわれる。このショットピーニング工程Ｓ６は、下記実施例１，３，５のように厚肉パイプ材２０ｂの温度が室温まで下がった状態において実施されることもあるし、あるいは、下記実施例２，４，６のように焼鈍工程Ｓ５の直後に厚肉パイプ材２０ｂが３００℃から４００℃の温度にあるうちに行なわれることもある。
【００２１】
最後に、塗装工程Ｓ７において中空スタビライザ１０の外面に防錆塗装が施され、必要に応じて内面にも防錆処理が施される。そして所定の検査等をパスしたものが中空スタビライザ１０として完成する。
【００２２】
下記表１は、本発明の技術思想に基いて設計された中空スタビライザの設計例１〜３について、その設計応力や軽量化率等を従来技術１（中実丸棒）および従来技術２（電縫管）と比較したものである。
【００２３】
【表１】
Figure 0004331300
【００２４】
表１に示されるように、軽量化率に関しては従来技術２（電縫管）が最も優位であるが、従来技術２は従来技術１と比較して応力増加率が大きすぎるため、使用条件等によっては耐久性が悪化することが懸念される。前述した厚肉パイプ材を用いる設計例１〜３は、いずれも軽量化率が３０％〜２０％と軽量化率に関しては従来技術２よりも少ないが、応力増加率は低く抑えられているため、中実丸棒からなる従来技術１と同等レベルの設計応力で中空スタビライザを実現可能である。
【００２５】
表１の設計に基き、従来の外径１５ｍｍの中実スタビライザを中空化するために、実施例１〜４についてそれぞれ３個ずつのサンプルの耐久特性（疲労強度）の確認試験を行ない、比較のためにまとめた結果を下記表２に示した。表２中の従来例１，２と実施例１〜４は、互いに共通のスタビライザ形状でばね定数（剛性）も同一であり、それぞれが同一撓み（変位）で１５万回以上の耐久性を有することが基準となっている。
【００２６】
【表２】
Figure 0004331300
【００２７】
表２中の実施例１と実施例３は、前記製造プロセス（図１）で説明した素管製造工程Ｓ１と、冷間引抜き工程Ｓ２と、成形工程Ｓ４と、焼鈍工程Ｓ５と、室温で行なうショットピーニング工程Ｓ６を経て中空スタビライザを製造した。実施例２と実施例４は、素管製造工程Ｓ１と、冷間引抜き工程Ｓ２と、成形工程Ｓ４と、焼鈍工程Ｓ５と、焼鈍直後の３００〜４００℃で行なうショットピーニング工程Ｓ６を経て中空スタビライザを製造したものである。
【００２８】
表２中の従来例１は、中実丸棒に焼入れと焼戻しの熱処理を行なうことによって、１２７０Ｎ／ｍｍ2 の強度を有するように調質された中実スタビライザであり、重量は大きいが耐久回数については十分な値が得られている。従来例２は、肉厚比が０．１６の電縫管に焼入れと焼戻しを行なうことによって、１２２０Ｎ／ｍｍ2 の強度を有するように調質した中空スタビライザであり、軽量化率３８％を達成できたが、耐久回数については、中実スタビライザ（従来例１）の３分の１から４分の１程度に過ぎなかった。
【００２９】
これに対し本発明の実施例１〜４は、前述の素管２０ａに冷間引抜き工程Ｓ２を実施することによって、焼入れ・焼戻しを行なうことなく９５０Ｎ／ｍｍ2 または８３０Ｎ／ｍｍ2 の強度を厚肉パイプ材２０ｂ（ＰＩＣ引抜管）に与えたものであり、設計応力の増加が極力抑えられているとともに、耐久性が従来例２に比較して大幅に向上している。
【００３０】
特に実施例２では、焼鈍工程Ｓ５直後の３００〜４００℃の温度でショットピーニングしたことにより、従来例１の中実スタビライザと同一レベルの耐久性が得られている。このように３００〜４００℃の温度でショットピーニングすることにより、厚肉パイプ材２０ｂの表層部に加工硬化および歪時効による高強度化が生じ、表層部の強度がショットピーニング前に比べて５０〜１００Ｎ／ｍｍ2 程度向上するため耐久性の安定につながる。
【００３１】
次表３は、従来の中実スタビライザ（外径２７ｍｍ）を中空化する場合について、本発明の実施例５，６の耐久特性（疲労強度）の確認試験を行ない、まとめた結果である。表３中の従来例３は、中実丸棒に焼入れ・焼戻しの熱処理を行なうことによって、１２７０Ｎ／ｍｍ2 の強度を有するように調質された中実スタビライザである。
【００３２】
【表３】
Figure 0004331300
【００３３】
表３中の実施例５は、前述の素管製造工程Ｓ１と、冷間引抜き工程Ｓ２と、成形工程Ｓ４と、焼鈍工程Ｓ５と、室温で行なうショットピーニング工程Ｓ６とを経て中空スタビライザを製造した。この実施例５は、冷間引抜き工程Ｓ２を実施することによって、焼入れ・焼戻しを行なうことなく９５０Ｎ／ｍｍ2 の強度を厚肉パイプ材２０ｂに与えたものであり、従来例３の中実スタビライザと比較して僅かな設計応力増加ですみ、耐久性に関しても目標の１５万回を大きく上回っている。
【００３４】
実施例６は、素管製造工程Ｓ１と、冷間引抜き工程Ｓ２と、内面ショットピーニング工程Ｓ３と、成形工程Ｓ４と、焼鈍工程Ｓ５と、焼鈍直後の３００〜４００℃で行なうショットピーニング工程Ｓ６を経て中空スタビライザを製造したものである。この実施例６では、内面ショットピーニング工程Ｓ３と、焼鈍直後の３００℃〜４００℃の温度でショットピーニング工程Ｓ６を実施したことによって、従来例３の中実スタビライザと同一レベルの耐久性が得られている。
【００３５】
なお、軽量化率が３５％を越えるようなパイプ材（肉厚比０．２未満）を用いると設計応力が上がりすぎ、１５万回未満で折損することがある。パイプ材の引張強さが７５０Ｎ／ｍｍ2 以下の場合も１５万回未満で折損することが確認されている。冷間引抜き工程Ｓ２において、厚肉パイプ材２０ｂの肉厚比が０．２〜０．２７の範囲（軽量化率：２０〜３０％）となるように加工すれば、表２に示されるように１５万回以上の耐久性を満足することができる。肉厚比が０．２７を越えるように加工することは、ダイス等を用いた現在のパイプ引抜き加工技術では実現が困難なだけでなく軽量化メリットがなくなる。
【００３６】
引張強さは材料中の炭素量によって大きく左右される。例えば図５に示すようにＳＡＥ１０２２の場合、引張強さ８００Ｎ／ｍｍ2 を確保するには、３０％以上の減面率が必要である。さらに引張強さを高めるためにＣ量の多い材料（例えばＳＡＥ１５４１）を用いた場合には、減面率４５％で引抜くことによって引張強さ１０００Ｎ／ｍｍ2 が確保されるが、それ以上の引張強さはパイプ引抜き加工の限界上、製造が困難である。またＳＡＥ１５４１の炭素量（０．４５ｗ％）を越える材料は、電縫管製造時の溶接品質が不安定になることが懸念されるため適切でない。
【００３７】
これらの理由から、冷間引抜き工程Ｓ２によって減面する厚肉パイプ材２０ｂの肉厚比ｔ／ｄを０．２０〜０．２７に限定し、かつ、引張強さを８００〜１０００Ｎ／ｍｍ2 に限定することにした。また、本発明で用いる電縫管の炭素量は０．１７〜０．４５ｗ％が望まれる。
【００３８】
焼鈍工程Ｓ５における温度については、３００℃未満では成形工程Ｓ４における塑性加工による有害な残留応力の除去ができず、４５０℃を越える温度ではパイプ材２０ｂの軟化が始まってしまうことから、焼鈍温度は３００℃〜４５０℃の範囲が推奨される。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、電縫管を用いていながら従来の電縫管製の中空スタビライザの問題点を解消することができ、従来の中実スタビライザに比較して十分な軽量化を図ることができるとともに、所望の耐久性をクリアーすることができ、焼入れ焼戻しの熱処理を省略できるため熱処理に必要な製造設備やエネルギーも節約され、製造コストも下げることができる。
【００４０】
請求項２に記載された発明によれば、内面ショットピーニングによって耐久性をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の中空スタビライザの製造工程の一実施形態を示すフローチャート。
【図２】 本発明の一実施形態を示す中空スタビライザと懸架機構の一部の斜視図。
【図３】 本発明の中空スタビライザに用いる素管の断面図。
【図４】 図３に示された素管を冷間引抜き加工することによって得た厚肉パイプ材の断面図。
【図５】 冷間引抜き工程におけ減面率と引張強さとの関係を示す図。
【図６】 従来の中空スタビライザの製造工程を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０…中空スタビライザ
２０ａ…素管
２０ｂ…厚肉パイプ材（ＰＩＣ引抜管）

Claims (2)

  1. 炭素量が０．１７〜０．４５ｗ％の炭素鋼からなる電縫管をオーステナイト化温度まで加熱し熱間で連続的に縮管加工することにより素管を得るとともにこの素管をコイル状に巻取る素管製造工程と、
    焼入れ・焼戻しを行なうことなく前記コイル状の素管を浮きプラグとダイスとを用いて減面率が３０％以上４５％以下となるように冷間で引抜き加工を行ない肉厚比を増加させることによって肉厚比が前記電縫管の肉厚比よりも大きい０．２０以上０．２７以下で、引張強さが８００Ｎ／ｍｍ2 から１０００Ｎ／ｍｍ2 の厚肉パイプ材を得る冷間引抜き工程と、
    前記冷間引抜き工程によって得られた前記厚肉パイプ材を冷間で所望のスタビライザ形状に曲げ成形する成形工程と、
    前記成形工程後に３００℃から４５０℃の温度で前記厚肉パイプ材の歪み取り焼鈍を行なう焼鈍工程と、
    この焼鈍工程後に前記厚肉パイプ材を室温まで冷却したのち、前記厚肉パイプ材に焼入れ・焼戻しを行なうことなくショットピーニングを行なうショットピーニング工程とを具備したことを特徴とする中空スタビライザの製造方法。
  2. 前記冷間引抜き工程後、前記成形工程を行なう前に前記厚肉パイプ材の内面にショットピーニングを行なう内面ショットピーニング工程を具備したことを特徴とする請求項１記載の中空スタビライザの製造方法。
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