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明細書 :中空構造体およびその製造方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4359702号 (P4359702)
公開番号 特開2009-227153 (P2009-227153A)
登録日 平成21年8月21日(2009.8.21)
発行日 平成21年11月4日(2009.11.4)
公開日 平成21年10月8日(2009.10.8)
発明の名称または考案の名称 中空構造体およびその製造方法
国際特許分類 F16F   7/12        (2006.01)
F16F   7/00        (2006.01)
B60R  19/34        (2006.01)
B60R  21/02        (2006.01)
B62D  21/15        (2006.01)
B21D  51/08        (2006.01)
B21D  41/02        (2006.01)
B21D  26/02        (2006.01)
FI F16F 7/12
F16F 7/00 J
B60R 19/34
B60R 21/02 P
B62D 21/15 C
B21D 51/08
B21D 41/02 D
B21D 26/02 C
請求項の数または発明の数 11
全頁数 14
出願番号 特願2008-076243 (P2008-076243)
出願日 平成20年3月24日(2008.3.24)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第1項適用 社団法人日本塑性加工学会、「第58回 塑性加工連合講演会」の講演論文集,社団法人日本塑性加工学会、「日本塑性加工学会 西日本若手技術交流会」の講演論文集
審査請求日 平成21年3月16日(2009.3.16)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】304028346
【氏名又は名称】国立大学法人 香川大学
発明者または考案者 【氏名】吉村 英徳
【氏名】三原 豊
【氏名】品川 一成
早期審査対象出願または早期審理対象出願 早期審査対象出願
個別代理人の代理人 【識別番号】100089222、【弁理士】、【氏名又は名称】山内 康伸
【識別番号】100134979、【弁理士】、【氏名又は名称】中井 博
審査官 【審査官】間中 耕治
参考文献・文献 特開2005-145164(JP,A)
特開2006-083759(JP,A)
特開2001-96315(JP,A)
特開平8-192238(JP,A)
調査した分野 F16F 7/00 - 7/14
B21D 26/02
B21D 41/02
B21D 51/08
B60R 19/34
B60R 21/02
B62D 21/15
F16L
特許請求の範囲 【請求項1】
圧縮力に対するエネルギ吸収機能を有しつつ曲げ変形に対して強度部材として機能する中空構造体であって、
中空な複数の球状部と、
該複数の球状部同士の間に配設された棒状部とを備えており、
該棒状部は、
その中心軸が該中空構造体の中心軸と一致し、かつ、その外径が前記球状部の外径よりも小さくなるように形成されており、
前記球状部は、
その中心が該中空構造体の中心軸上に位置するように形成されている
ことを特徴とする中空構造体。
【請求項2】
前記棒状部は、
内径が、前記球状部の内径よりも小さい中空な筒状体である
ことを特徴とする請求項1記載の中空構造体。
【請求項3】
前記球状部は、
その表面と前記棒状部の表面とのなす角が、該棒状部との接続部分において鈍角となるように形成されている
ことを特徴とする請求項1または2記載の中空構造体。
【請求項4】
中空な筒状部材の一部を膨らませて、前記複数の球状部を形成したものである
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の中空構造体。
【請求項5】
前記複数の球状部は、
外径が他の球状部よりも大きい球状部を備えている
ことを特徴とする請求項1、2、3または4記載の中空構造体。
【請求項6】
圧縮力に対するエネルギ吸収機能を有しつつ曲げ変形に対して強度部材として機能する中空構造体であって、
空な筒状部材の軸方向に沿って、間隔を空けて複数の球状の膨径部が形成されており、
該複数の膨径部間には、筒状の連結部を有しており、
該連結部は、
その中心軸が該中空構造体の中心軸と一致しており、
前記膨径部は、
その中心が該中空構造体の中心軸上に位置し、かつ、その内径が前記連結部の内径よりも大きくその外径が前記連結部の外径よりも大きくなるように形成されている
ことを特徴とする中空構造体。
【請求項7】
前記複数の膨径部は、
その表面と前記連結部の表面とのなす角が、該連結部との接続部分において鈍角となるように形成されている
ことを特徴とする請求項6記載の中空構造体。
【請求項8】
中空な筒状部材の一部を膨らませて、前記複数の膨径部を形成したものである
ことを特徴とする請求項6または7記載の中空構造体。
【請求項9】
前記複数の膨径部は、
その肉厚が、前記連結部の肉厚よりも薄くなるように形成されている
ことを特徴とする請求項6、7または8記載の中空構造体。
【請求項10】
軸方向に沿って複数の膨径部を有する中空な筒状部材からなる、請求項4または6記載の中空構造体の製造方法であって、
前記筒状部材をバルジ加工によって膨らませて前記膨径部を形成するときに、前記筒状部材をその軸方向から加圧する
ことを特徴とする中空構造体の製造方法。
【請求項11】
前記膨径部を形成するときに、前記筒状部材において該膨径部が形成される部分を加熱する
ことを特徴とする請求項10記載の中空構造体の製造方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、衝撃エネルギ吸収能力が高い中空構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
パイプや中空金属球等は、その半径方向からの外力が加わると、その断面形状が変化するように変形してその外力を吸収することができるため、衝撃エネルギを吸収するエネルギ吸収材として使用することができる。例えば、パイプや中空金属球等を、自動車のフレームやバンパー、ピラー、フード等の内部に配置されるエネルギ吸収材として使用する技術が開発されている(例えば、特許文献1、2)。
【0003】
特許文献1には、複数の中空金属球を中空な外殻部材の内部に収容し、複数の中空金属球同士を接着剤によって結合して形成された構造体が開示されている。この構造体は、複数の中空金属球が外殻部材の内部に充填されているので、構造体強度を外殻部材の強度よりも強くすることもできる。しかも、一定以上の外力が加わると、中空金属球がエネルギ吸収材として機能するので、構造体の衝撃吸収能力を高くすることができる。すると、自動車のバンパー等にこの構造体を採用すれば、外殻部材の強度を低下させて軽量化しても、高強度かつ高エネルギ吸収性を維持することができる。
【0004】
また、特許文献2には、パイプを蛇腹状に形成したエネルギ吸収材を、自動車に配置する技術が開示されている。この技術では、エネルギ吸収材が蛇腹状に形成されたパイプであり、パイプの半径方向から圧縮力が加わると、パイプが圧縮変形するとともに軸方向に伸びるから、効率よく衝撃エネルギを吸収できる。
【0005】
しかるに、特許文献1では、外殻部材に充填されている中空金属球同士が点接触に近い状態で結合されているので、引張り強度が非常に弱い。このため、構造体に圧縮変形を生じさせる力が加わっている場合には、中空金属球が圧縮力に対する強度部材として機能するものの、構造体に引張りや曲げ変形を生じさせる力が加わった場合には、強度部材としてほとんど機能しない。すると、自動車のピラー等のように、圧縮変形に対する強度およびエネルギ吸収機能に加えて引張りや曲げ変形に対する強度も要求される部材には使用することができない。
また、特許文献2の技術も、パイプが蛇腹状であって軸方向に伸びやすくまた曲がりやすい構造を有しているので、引張りや曲げ変形に対する強度はほとんど有していない。
【0006】

【特許文献1】特開平06-240304号
【特許文献2】特開平11-70886号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は上記事情に鑑み、軸方向、半径方向の両方向からの圧縮力に対してエネルギ吸収機能を有しつつ、軸方向の引張りや曲げ変形に対する強度が高い中空構造体およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
第1発明の中空構造体は、圧縮力に対するエネルギ吸収機能を有しつつ曲げ変形に対して強度部材として機能する中空構造体であって、中空な複数の球状部と、該複数の球状部同士の間に配設された棒状部とを備えており、該棒状部は、その中心軸が該中空構造体の中心軸と一致し、かつ、その外径が前記球状部の外径よりも小さくなるように形成されており、前記球状部は、その中心が該中空構造体の中心軸上に位置するように形成されていることを特徴とする。
第2発明の中空構造体は、第1発明において、前記棒状部が、中空な筒状体であることを特徴とする。
第3発明の中空構造体は、第1または第2発明において、前記球状部は、その表面と前記棒状部の表面とのなす角が、該棒状部との接続部分において鈍角となるように形成されていることを特徴とする。
第4発明の中空構造体は、第1、第2または第3発明において、中空な筒状部材の一部を膨らませて、前記複数の球状部を形成したものであることを特徴とする。
第5発明の中空構造体は、第1、第2、第3または第4発明において、前記複数の球状部は、外径が他の球状部よりも大きい球状部を備えていることを特徴とする。
発明の中空構造体は、圧縮力に対するエネルギ吸収機能を有しつつ曲げ変形に対して強度部材として機能する中空構造体であって、中空な筒状部材の軸方向に沿って、間隔を空けて複数の球状の膨径部が形成されており、該複数の膨径部間には、筒状の連結部を有しており、該連結部は、その中心軸が該中空構造体の中心軸と一致しており、前記膨径部は、その中心が該中空構造体の中心軸上に位置し、かつ、その内径が前記連結部の内径よりも大きくその外径が前記連結部の外径よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする。
発明の中空構造体は、第発明において、前記複数の膨径部は、その表面と前記連結部の表面とのなす角が、該連結部との接続部分において鈍角となるように形成されていることを特徴とする
第8発明の中空構造体は、第6または第7発明において、中空な筒状部材の一部を膨らませて、前記複数の膨径部を形成したものであることを特徴とする。
発明の中空構造体は、第6、第7または第8発明において、 前記複数の膨径部は、その肉厚が、前記連結部の肉厚よりも薄くなるように形成されていることを特徴とする。
10明の中空構造体の製造方法は、軸方向に沿って複数の膨径部を有する中空な筒状部材からなる、第4または第6発明の中空構造体の製造方法であって、前記筒状部材をバルジ加工によって膨らませて前記膨径部を形成するときに、前記筒状部材をその軸方向から加圧することを特徴とする。
11発明の中空構造体の製造方法は、第10発明において、前記膨径部を形成するときに、前記筒状部材において該膨径部が形成される部分を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
第1発明によれば、球状部に半径方向から圧縮力が加わると、球状部は、圧縮力が所定の大きさになるまでは圧縮力に応じて変形抵抗が増加するように変形し、圧縮力が所定の大きさを超えると圧縮力にかかわらず変形抵抗をほぼ一定に保った状態で変形する。また、棒状部の軸方向から圧縮力が加わったときにも、球状部は同様の傾向を示しながら変形する。そして、棒状部の軸方向に沿って中空構造体を引っ張る力が加わったときにはその力は棒状部によって支持され、棒状部に曲げを発生させる力が加わったときにはその力は棒状部によって支持されかつ球状部が曲げの抵抗となる。よって、圧縮力の加わる方向によらず、所定の圧縮力まではある程度の強度を維持しつつ変形させることができ、所定の圧縮力を超えるとエネルギ吸収機能を発揮させることができる。しかも、中空構造体は、その軸方向に沿って引っ張る力に対する引張り強度が大きなるから、引張りや曲げ変形に対する強度も高くすることができる。
第2発明によれば、半径方向から圧縮力が加わった場合において、球状部と共に棒状部も変形するため、エネルギの吸収量を大きくすることができる。
第3発明によれば、軸方向から圧縮力が加わったときに、球状部が変形できる量が大きくなるので、軸方向圧縮時におけるエネルギの吸収量を大きくすることができる。
第4発明によれば、棒状部と球状部とを一体で形成できるから、棒状部と球状部との接続部分の引張り強度をより一層大きくすることができる。
第5発明によれば、半径の大きい球状部を設けた部分では、半径方向からの圧縮に対するエネルギ吸収能を他の部分よりも高くすることができる。
発明によれば、膨径部に半径方向から圧縮力が加わると、膨径部は、圧縮力が所定の大きさになるまでは圧縮力に応じて変形抵抗が増加するように変形し、圧縮力が所定の大きさを超えると圧縮力にかかわらず変形抵抗をほぼ一定に保った状態で変形する。また、筒状部材の軸方向から圧縮力が加わったときにも、膨径部は同様の傾向を示しながら変形する。そして、筒状部材を軸方向に沿って引っ張る力が加わったときにはその力は連結部によって支持され、筒状部材に曲げを発生させる力が加わったときにはその力は連結部によって支持されかつ膨径部が曲げの抵抗となる。よって、圧縮力の加わる方向によらず、所定の圧縮力までは圧縮変形に対する強度を高く保ちつつ所定の圧縮力を超えるとエネルギ吸収機能を発揮させることができる。しかも、中空構造体は、その軸方向における引張り強度が大きくなるから、引張りや曲げ変形に対する強度も高くすることができる。そして、半径方向から圧縮力が加わった場合には、膨径部と共に連結部も変形するため、エネルギの吸収量を大きくすることができる。また、膨径部の圧縮力に対する剛性を高くすることができ、しかも、所定の圧縮力を超えてからの変形によるエネルギ吸収性能も高くすることができる。
発明によれば、軸方向から圧縮力が加わったときに、膨径部が変形できる量が大きくなるので、軸方向圧縮時におけるエネルギの吸収量を大きくすることができる。
発明によれば、連結部と膨径部とを一体で形成できるから、連結部と膨径部との接続部分の剛性をより一層高くすることができる。
発明によれば、膨径部の肉厚が連結部よりも薄いので、引張りや曲げ変形に対する強度も高く維持しつつエネルギ吸収機能をより向上させることができ、軽量化することができる。
10発明によれば、筒状部材をその軸方向から加圧しておくことにより、小径の筒状部材をバルジ加工によって膨らませるときに破断や割れが発生する可能性を低くできる。つまり、加工限界が向上し、加工できる筒状部材の径を小さくでき、かつ、形成できる膨径部の径を大きくできるので、製造する中空構造体の自由度を高くすることができる。
11発明によれば、筒状部材において、膨径部を形成する部分を軟化させることができるので、成形を容易にすることができる。しかも、変形後に、中空構造体内に残留する応力を小さくすることができるから、中空構造体の剛性を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図1(A)は本実施形態の中空構造体1Aの概略説明図であり、(B)は本実施形態の中空構造体1Aの概略断面図である。図1に示すように、本実施形態の中空構造体1Aは、中空な筒状の部材であって、複数の膨径部2Aと複数の連結部3Aとを備えた部材である。
中空構造体1Aにおいて、複数の膨径部2Aは中空構造体1Aの軸方向に沿って間隔を空けて設けられており、隣接する膨径部2A間には複数の連結部3Aがそれぞれ配設されている。つまり、中空構造体1Aは、その軸方向に沿って複数の膨径部2Aと複数の連結部3Aとが交互に設けられているのである。
なお、中空構造体1Aは、金属やプラスチック、ビニール等を素材として形成されているが、塑性変形する材料であれば、特に限定されない。
【0011】
図1に示すように、複数の連結部3Aは、断面円形筒状に形成された部分であり、その中心軸が中空構造体1Aの中心軸1aとほぼ同軸となるように形成されている。
この連結部3Aは、その外面の法線方向が中空構造体1Aの中心軸1aと直交するように形成されている。つまり、中空構造体1Aにおける中心軸1aを含む断面において、隣接する膨径部2A間が中心軸1aと平行な直線によって連結されるように、連結部3Aの外面は形成されているのである。
【0012】
なお、連結部3Aは曲げに対してある程度の強度を有するのであれば、その外面は必ずしも上記のごとき形状に形成されていなくてもよい。つまり、連結部3Aは、蛇腹のような曲がりやすい構造でなければよく、中空構造体1Aの用途に応じて、適切な曲げ強度となる形状を採用することができる。
同様に、連結部3Aの厚さも、中空構造体1Aの用途に応じて、適切な曲げ強度となる厚さを採用することができる。
【0013】
一方、膨径部2Aは、その外面および内面が略球面状となるように形成された部分である。この膨径部2Aは中空であり、その外面および内面は、その中心がほぼ中空構造体1Aの中心軸1a上に位置する球面状となるように形成されている。
そして、膨径部2Aは、その外面の半径R1が連結部3Aの外径D1の半分の長さよりも長く、また、その内面の半径R2も連結部3Aの内径D2の半分の長さよりも長くなるように形成されている。
【0014】
以上のごとき構成であるから、本実施形態の中空構造体1Aの膨径部2Aに対して、中空構造体1Aの半径方向から圧縮力が加わると、膨径部2Aは圧縮力が所定の大きさになるまでは圧縮力に応じて変形抵抗が増加するように変形し、圧縮力が所定の大きさを超えると圧縮力にかかわらず変形抵抗をほぼ一定に保った状態で変形する。
また、膨径部2Aは、中空構造体1Aの軸方向から圧縮力が加わったときにも、中空構造体1Aの半径方向から圧縮力が加わった場合と同様の傾向を示しながら変形する。
つまり、膨径部2Aは、中空構造体1Aに加わる圧縮力に対して、圧縮力が所定の大きさ以上となると、エネルギ吸収材として機能するのである。
【0015】
一方、中空構造体1Aに対して、その軸方向に沿って引っ張る力や曲げを発生させる力が加わったときには、隣接する膨径部2A間に筒状の連結部3Aが存在するので、この連結部3Aがその力を支持する。そして、曲げを発生させる力に対しては、隣接する連結部3A間に位置する膨径部2Aも抵抗となる。
つまり、連結部3Aは、中空構造体1Aをその軸方向に沿って引っ張る力および曲げを発生させる力に対しては強度部材として機能し、膨径部2Aは、曲げを発生させる力に対しては強度部材として機能するのである。
【0016】
よって、本実施形態の中空構造体1Aは、自動車のフレームやバンパー、ピラー、フード、建築物の梁、柱等のように、軸方向および半径方向から加わる圧縮力に対するエネルギ吸収機能に加えて、軸方向からの引張りや曲げ変形に対する強度保持機能も必要とされる部材に適用することができる。
【0017】
なお、図1には、膨径部2Aが等間隔で並んでいる例を示しているが、膨径部2Aを設ける間隔は必ずしも等間隔で設ける必要はなく、中空構造体1Aの強度やエネルギ吸収能をその軸方向における位置によって変化させたい場合には、場所によって膨径部2Aを設ける間隔を変化させてもよい。例えば、膨径部2A間の距離L1を短くすれば、その部分における半径方向の圧縮に対するエネルギ吸収能を他の部分よりも高くすることができる。
また、図1には、膨径部2Aの半径が全て同じ例を示しているが、膨径部2Aの半径は必ずしも全て同じである必要はない。例えば、中空構造体1Aの強度やエネルギ吸収能をその軸方向における位置によって変化させたい場合には、膨径部2Aの半径を膨径部2Aが設けられる位置によって変化させてもよい。この場合、半径を大きい膨径部2Aを設けた部分では、半径方向からの圧縮に対するエネルギ吸収能を他の部分よりも高くすることができる。
同様に、連結部3Aも、その外径を場所によって変化させてもよく、その外径が大きい部分では、曲げ等の力に対する強度を他の部分よりも高くすることができる。
【0018】
また、連結部3Aと膨径部2Aとの接続する部分において、膨径部2Aの外面と連結部3Aの外面とのなす角(両者の間に形成される角)が鈍角となるように形成されていることが好ましい。具体的には、中空構造体1Aの中心軸1aを含む断面において、連結部3Aと膨径部2Aとの接続点における膨径部2Aの接線と、連結部3Aの外面とのなす角θが、鈍角となるように形成されていることが好ましい(図1(B))。
この場合、連結部3Aと膨径部2Aとの接続部分において、応力集中が生じることを防ぐことができるので、曲げに対する接続部分の剛性、つまり、中空構造体1A自体の曲げに対する剛性を高くすることができる。よって、中空構造体1Aの引張りや曲げ変形に対する強度をさらに高くすることができる。
しかも、膨径部2Aに対して軸方向から圧縮力が加わったときにおいて、膨径部2Aが変形できる量が大きくなるので、軸方向圧縮時におけるエネルギ吸収量を大きくすることができる。
【0019】
また、複数の膨径部2Aの外面は必ずしも略球形に形成されていなくてもよく、中空構造体1Aの半径方向において、連結部3Aの外面よりも外方に突出した部分を有する形状であればよい。例えば、膨径部2Aは、その外面が楕円形状となるように形成してもよいし、突出した部分の断面が三角形状となるように形成してもよい。
さらに、複数の連結部3Aは、必ずしも断面円形かつ中空な筒状体でなくてもよく、その断面形状が多角形や楕円形でもよい。
【0020】
また、膨径部2Aの肉厚T1と連結部3Aの肉厚T2は同じ厚さとしてもよいが、膨径部2Aの肉厚T1を連結部3Aの肉厚T2よりも薄くしてもよい。この場合、連結部3Aの強度はそのままで膨径部2Aの強度のみが小さくなる。すると、半径方向からの圧縮力に対しては低い力で変形が始まるから、軸方向の引張りや曲げ変形に対する強度は高く維持したまま、半径方向からの圧縮力に対しては、圧縮力が小さい状態からでもエネルギ吸収機能を向上させることができる。そして、膨径部2Aの肉厚T1が薄くなった分だけ、中空構造体1Aを軽量化することもできる。
【0021】
そして、本実施形態の中空構造体1Aを、中空な筒状部材、例えば円管の一部を膨らませて複数の膨径部2Aを形成した場合には、膨径部2Aと連結部3Aとを一体で形成できるから、膨径部2Aと連結部3Aの接続部分の剛性をより一層高くすることができる。
【0022】
上記の中空構造体1Aを製造する方法はとくに限定されず、例えば、中空球体と円筒状部材を連結する等の方法で形成することができるが、円管等の筒状部材Pをバルジ加工することによって形成すれば、膨径部2Aや連結部3の径が小さいものから大きいものまで、つまり、膨径部2Aや連結部3が径に係わらずどのような大きさの中空構造体1Aであっても製造することができる。例えば、直径3mmの筒状部材Pから、連結部3Aの外径D1が3mm、膨径部2Aの直径が約4~6mmの中空構造体1Aを製造することができる。つまり、筒状部材Pの直径の2倍程度直径を有する膨径部1Aを備えた中空構造体1Aでも製造できるのである。
【0023】
つぎに、図1のごとき中空構造体1Aをバルジ加工によって製造する方法を説明する。
【0024】
まず、筒状部材Pをバルジ加工する設備について説明する。
図2は中空構造体1Aを製造する設備の概略説明図である。図3は中空構造体1Aを製造する設備に加工する筒状部材Pが配設された状態の概略説明図である。図2および図3において、符号MA、MBは、筒状部材Pをバルジ加工して中空構造体1Aを製造するときに使用される金型を示している。この金型MA、MBは、両者が接近した状態において、両者の間に筒状部材Pを配置する空間hが形成される構造を有している。この空間hは筒状部材Pと同一断面形状を有する筒状の空間であり、その軸方向における適所に球形の空間であるキャビティC1,C2が形成されている。このキャビティC1,C2は、空間hの中心軸上に中心を有し、その半径R3が膨径部2Aの外径R1と同じ長さとなるように形成されている。そして隣接するキャビティC1,C2の中心間の距離L3が、中空構造体1Aにおける隣接する膨径部2Aの中心間の距離L1と同じ長さとなるように形成されている。また、キャビティC1,C2を連結する部分の長さL4が、中空構造体1Aにおける連結部2Bの長さL2と同じ長さとなるように形成されている。
【0025】
なお、図6に示すように、金型MA、MBはキャビティCを一つしか有しないものや、キャビティCに代えて単なる平行な空間CHが設けられているものでもよい。この場合には、空間hの筒状の部分の長さ(L5~L8)を、少なくとも、製造される中空構造体1Aにおける複数の連結部2Bのうち最も長さが短い連結部2Bよりも短くしておけばよい。
【0026】
また、図2において、符号Rはゴム部材を示しており、符号SPおよび符号PPはそれぞれ押さえパンチ、押し込みパンチを示しており、符号Sは各パンチSP、PPとゴム部材Rとの間に配置されるシールを示している。
【0027】
なお、各パンチSP、PP、ゴム部材RおよびシールSは、いずれもその外径が筒状部材Pの内径とほぼ同じ長さになるように形成されている。ほぼ同じ長さとは、各パンチSP、PP、ゴム部材RおよびシールSが、筒状部材Pの内面に沿って、筒状部材Pの軸方向に摺動できる程度の移動できる長さを意味している。また、ゴム部材Rは、その軸方向の長さが各キャビティC1の直径よりも長くなるように形成されている。
【0028】
つぎに、上記設備を用いて、バルジ加工により筒状部材Pを中空構造体1Aに形成する方法を、図3および図4に基づいて説明する。
図3に示すように、金型MA、MBの間に筒状部材Pを配置し、金型MA、MBを接近させて筒状部材Pを空間h内に収容する。
ついで、筒状部材P内にゴム部材Rを挿入し、その後、筒状部材Pの両端からシールS、各パンチSP、PPの順で筒状部材P内に挿入する。このとき、ゴム部材Rは、その両端がキャビティC1の外方に位置するように配設し、シールSを介してゴム部材Rの両端に各パンチSP、PPの先端が接触した状態とする(図3)。この状態ではゴム部材Rに対して加圧力は加わっていない。
【0029】
そして、図3の状態から、筒状部材Pの軸方向に移動しないように押さえパンチSPを保持して、押し込みパンチPPをキャビティC1に向かって移動させると、両パンチSP、PPに挟まれているゴム部材Rが加圧され圧縮される。すると、押し込みパンチPPの移動量に対応してゴム部材Rから筒状部材Pに加わる力(内圧)が高くなり、筒状部材PにおけるキャビティC1内に位置する部分が外方に膨らむ。そして、膨らんだ部分の外面がキャビティC1の内面に接触するまで押し込みパンチPPを押し込むと、膨径部2Aが形成される(図4(A))。
【0030】
膨径部2Aが形成されると、押し込みパンチPPを加圧開始前の状態まで後退させる。そして、金型MA、MBの距離が膨径部2Aよりも長くなるまで、金型MA、MBを離間させる(図4(B)、(C))。
金型MA、MBが十分に離間すると、両パンチSP、PPおよびゴム部材Rの移動を固定した状態で、筒状部材Pだけを軸方向に沿って左方向に所定の距離だけ移動させる。つまり、筒状部材Pが膨径部2Aの中心がキャビティC2の中心と一致するまで移動させる(図4(B)、(C))。
【0031】
筒状部材Pを移動させると、金型MA、MBを接近させる。すると、筒状部材Pは空間h内に収容される(図3(D))。このとき、膨径部2Aの中心がキャビティC2の中心と一致するまで移動しているので、膨径部2AはキャビティC2に収容される。つまり、金型MA、MBが接近しても、膨径部2Aは損傷せず形状が維持される。
【0032】
筒状部材Pは空間h内に収容されると、押し込みパンチPPをキャビティC1に向かって移動させれば、新たな膨径部2Aが形成される。
【0033】
上記作業を繰り返せば、所定の間隔を空けて複数の膨径部2Aが形成され、かつ、複数の膨径部2A間に連結部3Aを有する中空構造体1Aを形成することができる。
【0034】
そして、膨径部2Aを形成するときに、筒状部材Pを軸方向に加圧して押し込みながらゴム部材Rを加圧圧縮してもよい。この場合、筒状部材Pをその軸方向から加圧しておくことにより、小径の筒状部材Pをバルジ加工しても、膨径部2Aを形成するときに破断や割れが発生する可能性を低くできる。つまり、加工限界が向上し、加工できる筒状部材Pの径を小さくでき、かつ、形成できる膨径部2Aの径を大きくできるので、製造する中空構造体1Aの自由度を高くすることができる。
しかも、押し込み量を調整すれば、膨径部2Aの肉厚T1と連結部3Aの肉厚T2の差を少なくすることもできるし、膨径部2Aの肉厚T1を所望の肉厚とすることができる。
【0035】
また、膨径部2Aを形成する前に筒状部材Pを加熱したり、筒状部材Pを加熱しながら膨径部2Aを形成したりしてもよく、この場合には、筒状部材Pにおいて、膨径部2Aを形成する部分を軟化させることができるので、膨径部2Aの成形を容易にすることができる。
しかも、変形後に、中空構造体1A内に残留する応力を小さくすることができるから、中空構造体1Aの剛性を高くすることができる。
筒状部材Pの加熱には、高周波加熱、放射加熱装置などを使い、筒状部材Pにおいて膨径部2Aとなる部分を主に加熱する方法を利用することができる。例えば、高周波加熱を行うのであれば、金型MA、MBをキャスタで形成し、キャビティCの周囲に銅のコイル等を埋め込んでおけば、銅のコイル等に電流を流すことによって、筒状部材Pにおいて膨径部2Aとなる部分を加熱しながら成形することができる。
また、図6(B)のごとき平行な空間を有する金型MA、MBによって筒状部材Pを加工する場合であれば、平行な空間内に放射加熱装置HDを配置しておけば、筒状部材Pにおいて膨径部2Aとなる部分を加熱することができる。
【0036】
また、上記では、圧力媒体としてゴムを使用するゴムバルジ法を説明したが、ゴムを圧力媒体として使用する設備以外にも、圧力媒体として、液体Lq(水、油など)や気体(窒素、アルゴンなど)を用いる方法も採用することができる。
例えば、図5(A)の状態に保持された筒状部材Pに対して、その両端開口から高圧の液体Lqや気体を供給する(図5(B))。すると、高圧の液体Lqや気体の圧力によって筒状部材PにおけるキャビティC1内に位置する部分が外方に膨らむので、膨径部2Aを形成することができる。
【0037】
なお、高圧の液体Lqや気体は、筒状部材Pの一方の開口からのみ供給してもよいのはいうまでもない。この場合には、筒状部材Pの他方の開口から液体Lqや気体が漏れないように、筒状部材Pの他方の開口を閉じておけばよい。
【0038】
そして、膨径部2Aを一ずつ形成してもよいが、図5に示すように、複数の膨径部2Aを同時に形成してもよい(図5(B))。
【0039】
また、中空構造体1Aは、筒状部材Pの一部をその半径方向から加圧する等の方法によって絞って形成してもよい。この場合には、中空構造体1Aの複数の膨径部2Aの半径R1が筒状部材Pの半径と同じ長さとなり、連結部3Aの直径D1が筒状部材Pの直径よりも小さい外径を有することになる。かかる中空構造体1Aの場合、連結部3Aの厚さT2が薄くなるため軸方向からの衝撃に対す衝撃吸収力が減少し、曲げ、引っ張り強度も減少するものの、複数の膨径部2Aの厚さT1は厚くできるので、半径方向からの衝撃吸収力は向上させることができる。
【0040】
そして、本発明の中空構造体は、図7に示すような構造を有するものとしてもよい。
なお、図7に示す中空構造体1Bの基本的な構成は上述した中空構造体1Aと実質的に同一であり、かかる実質的に同一である構成およびその効果等については、以下では適宜説明を割愛している。
【0041】
図7に示すように、他の実施形態の中空構造体1Bは、複数の球状部2Bが棒状部3Bによって連結されて形成されたものである。
図7に示すように、複数の球状部2Bは中空に形成された球状体であり、その中心が中空構造体1Bの中心軸1a上またはその近傍に位置するように棒状部3Bによって連結されている。
一方、複数の棒状部3Bは断面が円形である中空な筒状の部材であり、その軸方向の端面が、複数の球状部2Bの表面に連結されている。この複数の棒状部3Bは、その中心軸が中空構造体1Bの中心軸1aとほぼ同軸となるように配設されている。
そして、棒状部3Bは、その外径D1の半分の長さが球状部2Bの外径R1よりも短く、また、その内径D2の半分の長さが球状部2Bの内径R2よりも短くなるように形成されている。
【0042】
以上のごとき構成であるから、中空構造体1Bの球状部2Bは、中空構造体1Bに半径方向から加わる圧縮力に対しては、圧縮力が所定の大きさになるまでは圧縮力に応じて変形抵抗が増加するように変形し、圧縮力が所定の大きさ以上となるとエネルギ吸収材として機能する。
また、棒状部3Bは、中空構造体1Bをその軸方向に沿って引っ張る力および曲げを発生させる力に対しては強度部材として機能し、球状部2Bは、曲げを発生させる力に対しては抵抗となる。
よって、中空構造体1Bも、自動車のフレームやバンパー、ピラー、フード、建築物の梁、柱等のように、軸方向および半径方向から加わる圧縮力に対するエネルギ吸収機能に加えて、軸方向からの引張りや曲げ変形に対する強度保持機能も必要とされる部材に適用することができる。
【0043】
なお、棒状部3Bと球状部2Bとの接続する部分において、棒状部3Bの外面と球状部2Bの外面とのなす角が鈍角となるように形成されていることが好ましく、この場合、中空構造体1Bでも引張りや曲げ変形に対する強度をさらに高くすることができ、しかも、軸方向圧縮時におけるエネルギ吸収量を大きくすることができる。
【0044】
また、中空構造体1Bにおいて、複数の球状部2Bは、必ずしも完全な球形である必要はなく、楕円形や中空である三角断面などでもよい。
さらに、中空構造体1Bにおいて、複数の棒状部3Bは、必ずしも断面円形かつ中空な筒状体でなくてもよく、その断面形状が多角形や楕円形でもよい。
【0045】
また、中空構造体1Bにおいて、複数の棒状部3Bは中実な棒状部であってもよいが、中空な筒状体としておけば、半径方向から圧縮されたときに、棒状部3Bも変形してエネルギを吸収できるから、エネルギの吸収量を大きくすることができるという利点がある。
さらに、中空構造体1Bを構成する球状部2Bおよび棒状部3Bは、金属やプラスチック、ビニール等を素材として形成されているが、塑性変形する材料であれば、特に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【0046】
本発明の中空構造体は、自動車のフレームやバンパー、ピラー、フード、建築物の梁、柱等の内部に配置するエネルギ吸収材に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0047】
【図1】(A)は本実施形態の中空構造体1Aの概略説明図であり、(B)は本実施形態の中空構造体1Aの概略断面図である。
【図2】中空構造体1Aを製造する設備の概略説明図である。
【図3】中空構造体1Aを製造する設備に加工する筒状部材Pが配設された状態の概略説明図である。
【図4】中空構造体1Aを製造する方法の概略説明図である。
【図5】中空構造体1Aを製造する他の方法の概略説明図である。
【図6】中空構造体1Aを製造する他の製造設備の概略説明図である。
【図7】(A)は他の実施形態の中空構造体1Bの概略説明図であり、(B)は他の実施形態の中空構造体1Bの概略断面図である。
【符号の説明】
【0048】
1A 中空構造体
2A 膨径部
3A 連結部
1B 中空構造体
2B 球状部
3B 棒状部
P 筒状部材
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
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【図4】
3
【図5】
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【図6】
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【図7】
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