JP3830340B2

JP3830340B2 - 接合構造体の製造方法

Info

Publication number: JP3830340B2
Application number: JP2000276385A
Authority: JP
Inventors: 美速今村; 哲岩瀬
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2020-09-12
Also published as: JP2002086228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トラック等の車体フレーム等として使用されるアルミニウム又はアルミニウム合金部材等からなる接合構造体及びその製造方法に関し、特に、高精度且つ高剛性のフレームを得ることができる接合構造体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、トラック等の輸送機器には鋼製フレームが使用されており、フレームを構成するサイドメンバとクロスメンバとの接合には、例えば直径が１１乃至１３ｍｍの中実リベットが使用されている。なお、サイドメンバ及びクロスメンバとしては、閉口断面及び開口断面のものが使用可能であるが、これらに沿って車載ケーブル等を引き回すため、強度を確保することが可能であれば、例えば横断面の形状が「コ」の字型となっているチャンネル形の開口断面のものが好ましい。このような部材は、Ｃチャンネルともよばれる。
【０００３】
図７は従来のサイドメンバとクロスメンバとの接合状態を示す斜視図である。サイドメンバ５１及びクロスメンバ５２は、例えばいずれもチャンネル形の部材である。サイドメンバ５１のフランジ面５１ａの内面同士の間隔は、クロスメンバ５２のフランジ面５２ａの外面同士の間隔とほぼ等しくなっている。そして、クロスメンバ５２がサイドメンバ５１に嵌挿され、フランジ面５１ａとフランジ面５２ａとが、１面につき３個のリベット５３により接合されている。
【０００４】
このようにサイドメンバのフランジ面にクロスメンバを接合する方法としては、すみ板（ガゼットプレート）をサイドメンバとクロスメンバとの間に介在させる方法等もある。
【０００５】
また、サイドメンバのウェブ面にクロスメンバを接合する方法もある。一般に、トラックのフレームのように多数のクロスメンバをサイドメンバ間に設ける場合、サイドメンバのウェブ面にクロスメンバを接合する方法では、フレームを反転させる工程が必要とされるが、ウェブ面にクロスメンバを接合する方法では、このような反転工程は不要となる。また、ウェブ面にクロスメンバを接合する方法の方が、荷台の架装性が高く新しい技術である。
【０００６】
近時、トラック等の輸送機器では、軽量化の要請によりアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウム及びアルミニウム合金を総称してアルミニウムという）製のフレームの導入が検討されている。しかし、上述のようなリベットを使用した接合方法は、静的負荷を受ける建造物及び定期的な品質管理が行われる航空機等に適用されているものの、トラック等の自動車のように常時動的負荷が作用し、且つ保守作業の頻度を低くすることが要求される構造物には、ほとんど適用されていない。これは、リベットのゆるみ等の信頼性に不確かな部分があり、また、接合のための作業が複雑なためであり、現実には、溶接又はボルトによる締結による接合が行われている。
【０００７】
クロスメンバはフレームの幅方向の寸法精度と密接な関係を有している。一方、溶接によりアルミニウムフレームを組み立てる場合、クロスメンバ自体を溶融させる必要がある。従って、溶接によりアルミニウムフレームを組み立てる場合には、クロスメンバの溶融に伴う予想し難い変形が発生し、高精度のフレームを得ることが極めて困難である。このような変形が発生した場合、その変形を矯正する工程が必要となる。また、溶接を行う前に各部材を適切な位置に配置する必要があるため、複雑な治具が必要とされる。更に、溶接による接合でも作業が複雑であり、その高効率化が要請されている。
【０００８】
そこで、電磁成形によりサイドメンバとクロスメンバとを接合する方法が提案されている（特開平９−１６６１１１号公報、特開平１０−３１４８６９号公報）。
【０００９】
図８は特開平９−１６６１１１号公報に開示された接合方法を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。特開平９−１６６１１１号公報に開示された従来の接合方法では、閉口断面形状のサイドメンバ６１に円筒型状のクロスメンバ６２が貫通する孔６１ａが両ウェブ面６１ｂに形成されている。そして、サイドメンバ６１とクロスメンバ６２とを接合する際には、図８（ａ）に示すように、クロスメンバ６２に２個の孔６１ａを貫通させ、クロスメンバ６２の一端面がサイドメンバ６１のウェブ面６１ｂから若干突出するようにする。次いで、図８（ｂ）に示すように、突出した端面からサイドメンバ６１のウェブ面間隔よりも長い電磁コイル６３を円筒型状のクロスメンバ６２内に挿入する。そして、電磁コイル６３に電流を流す。
【００１０】
この結果、クロスメンバ６２の電磁コイル６３が挿入された部分は、孔６１ａの内側面に当接する部分を除いて拡管され、クロスメンバ６２とサイドメンバ６１とが接合される。
【００１１】
また、特開平１０−３１４８６９号公報に開示された接合方法においては、閉口断面を有するサイドメンバのウェブ面から外側に突出する突起部内に反対側のウェブ面に形成された孔からクロスメンバを挿入し、突起部を外側から電磁成形により縮める方法が採られている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９−１６６１１１号公報に開示された接合方法では、クロスメンバ６２を電磁成形により拡管するため、クロスメンバ６２は円筒型状のものに限定される。このような円筒型状では、車載ケーブル等の配線及び配管をクロスメンバの内部に配置することができないという問題点がある。従って、実際のトラック等にそのまま適用することは困難である。
【００１３】
また、接合の信頼性を高めるべくサイドメンバ６１とクロスメンバ６２との接合部に溶接を施す場合、少なくとも内側のウェブ面６１ｂでは、円筒型状のクロスメンバ６２の外側からすみ肉溶接を行うことになるため、適正な溶接姿勢を保つためには、電磁成形後のフレームをポジショナで複雑に移動させる必要があるという問題点がある。この問題点は特開平１０−３１４８６９号公報に開示された接合方法にも存在する。
【００１４】
更に、いずれの公報に開示された従来の接合方法においても、クロスメンバ自体が電磁成形により拡管又は縮管のような直接の変形加工を受けることになる。前述のように、クロスメンバはトラック等のフレームにおいて幅方向の寸法精度に多大な影響を及ぼすものであるため、直接の変形加工を受けると、溶接により溶融した場合と同様に精度が低下する。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高い寸法精度及び剛性を確保することができると共に、設計の自由度が高い接合構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る接合構造体の製造方法は、第１の孔が形成された第１の板部を有する第１の被接合部材と第２の孔が形成された第２の板部を有する第２の被接合部材とを前記第１の孔と前記第２の孔とが整合するように配置する工程と、前記第１及び第２の孔内に円筒状の接合部材を挿入する工程と、前記接合部材の内部に電磁拡管コイルを挿入する工程と、前記電磁拡管コイルに通電することにより、前記接合部材の両端部を外側に屈曲させて前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを接合する工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、第１の被接合部材と第２の被接合部材とがそれらに形成された孔を貫通し電磁拡管された接合部材を介して接合されている。従って、電磁成形が行われる対象の部材は接合部材であるため、被接合部材自体の形状の制約が小さい。このため、例えばトラック等の輸送機器に適用した場合、特にクロスメンバにＣチャンネルのような開口断面形状の被接合部材を使用すると、その内側に車載ケーブル等を配置することが可能となる。また、被接合部材自体の寸法の変動は極めて小さいので、高い精度及び剛性を確保することができる。
【００１８】
なお、第１及び第２の被接合部材の組み合わせとしては、例えばアルミニウム材同士の組み合わせ、鋼材同士の組み合わせ、アルミニウム材と鋼材との組み合わせ等種々の組み合わせが可能である。また、第１の板部と第２の板部との間に他の部材が挟持されていてもよい。例えば、アルミニウム材及び鋼材が第１及び谷の被接合部材とされている場合には、電食を防止するために樹脂材等の非導電性の部材をこれらの間に介していてもよい。また、接合部材としては、アルミニウム材又は銅若しくは銅合金材等の高導電性の部材が好ましい。
【００２０】
なお、前記電磁拡管コイルは、前記第１及び第２の被接合部材の位置決め用治具を兼ねていてもよい。また、前記接合部材の端部と少なくとも前記第１及び第２の被接合部材の板部とを溶接する工程を有することが好ましい。このように溶接を行うことにより、接合の信頼性をより一層向上させることができる。この場合の溶接としては、例えばアーク溶接及びレーザ溶接だけでなく、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）等を行ってもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係るアルミニウム製の接合構造体及びその製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施例により製造されたアルミニウム接合構造体を示す斜視図、図２は本発明の実施例に使用するアルミニウム部材を示す図であって、（ａ）はサイドメンバを示す断面図、（ｂ）はクロスメンバを示す断面図、（ｃ）は円筒接合部材を示す断面図である。また、図３は本発明の実施例において各アルミニウム部材を組み合わせた状態を示す断面図、図４は本発明の実施例において電磁成形を行った状態を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は模式的断面図である。図５は本発明の実施例においてすみ肉溶接を行った状態を示す平面図である。
【００２２】
本実施例においては、図１並びに図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、開口断面を有するアルミニウム製のサイドメンバ（第１の被接合部材）１とアルミニウム製で開口断面を有するクロスメンバ（第２の被接合部材）２及び閉口断面を有するクロスメンバ（第２の被接合部材）３とを接合する。クロスメンバ２及び３の長さは、例えば１４００ｍｍである。サイドメンバ１のフランジ面（第１の板部）１ａの幅は、例えば７０ｍｍであり、ウェブ面１ｃの幅は、例えば１００ｍｍである。また、サイドメンバ１並びにクロスメンバ２及び３の厚さは、例えば４ｍｍである。
【００２３】
先ず、サイドメンバ１の両フランジ面１ａのクロスメンバ２との接合予定箇所に孔（第１の孔）１ｂを形成する。また、クロスメンバ２の両フランジ面（第２の板部）２ａのサイドメンバ１との接合予定箇所に孔（第２の孔）２ｂを形成する。同様に、クロスメンバ３の両フランジ面１ａに倣う側面のサイドメンバ１との接合予定箇所にも孔（第２の孔）（図示せず）を形成する。各孔の大きさは、サイドメンバ１とクロスメンバ２及び３との間で対応するもの同士で等しければよいが、全て同じ大きさであれば、工具の交換等の手間が省けるので、好ましい。本実施例では、各孔の直径は、例えば３０ｍｍである。
【００２４】
各部材に上述のように孔を形成する一方で、次のようなフレーム組立位置決め治具１１を準備しておく。フレーム組立位置決め治具１１においては、平板１２の４カ所に「Ｌ」の字型の金具１３が固定されている。各金具１３には、サイドメンバ支持具１４が取り付けられている。サイドメンバ支持具１４は、図１に示すように、おおよそ「Ｌ」の字型の形状を有しているが、厳密には、図４（ｂ）に示すような複雑な形状を有している。即ち、水平部分１４ａの「Ｌ」の字の屈曲部から若干離間した位置に溝１４ｃが形成されている。更に、「Ｌ」の字の屈曲部の内側及び溝１４ｃの隅部には、夫々丸く削られた曲面１４ｄ、１４ｅが形成されている。各サイドメンバ支持具１４は、その水平部分１４ａの内側面にサイドメンバ１の下側に位置するフランジ面１ａが倣い、その垂直部分１４ｂの内側面にサイドメンバ１のウェブ面１ｃが倣うように金具１３に取り付けられている。そして、サイドメンバ支持具１４の溝１４ｃの中央部から上方に延びる電磁拡管コイル１５が各サイドメンバ支持具１４に設けられている。電磁拡管コイル１５の長さは、例えば１６０ｍｍである。なお、溝１４ｂは、深さがその側面と電磁拡管コイル１５との間隔よりも浅くなるようにして形成されている。
【００２５】
なお、金具１３及びサイドメンバ支持具１４は、各電磁拡管コイル１５がサイドメンバ１とクロスメンバ２及び３とを組み立てる際に各孔を貫通するような位置に配置されている。つまり、これらの位置は、作製するフレームの形状により設計上決定されるものであり、電磁拡管コイル１５によりサイドメンバ１並びにクロスメンバ２及び３が位置決めされる。また、電磁拡管コイル１５には、電源供給用のケーブル１６が接続されており、平板１２には、ケーブル１６が貫通する孔１２ａが形成されている。
【００２６】
上述のように各部材の所定位置に孔を形成し、フレーム組立位置決め治具１１を準備した後、図３に示すように、クロスメンバ２及び３をサイドメンバ１の所定位置に差し込んで、クロスメンバ２及び３に形成された孔２ｂ等の位置を孔１ｂの位置に整合させる。そして、これらの孔にアルミニウム製の円筒接合部材４を嵌挿する。円筒接合部材４の外径は孔１ｂ等の直径（例えば、３０ｍｍ）とほぼ等しく、円筒接合部材４の内径は、例えば電磁拡管コイル１５の外径より０．１ｍｍ程度大きい。また、円筒接合部材４の長さは、フランジ面１ａの外面の間隔より長く、後述の電磁拡管により端部が倒れてその倒れた部分がフランジ面１ａに密着する程度のモーメントが作用し得るものであればよい。
【００２７】
次いで、円筒接合部材を孔１ｂ等に嵌挿して構成された組立体をそのままフレーム組立位置決め治具１１上に移動させて降下させ、各円筒接合部材４内に各電磁拡管コイル１５を挿入する。これにより、サイドメンバ１並びにクロスメンバ２及び３の位置決めが行われる。
【００２８】
続いて、図４（ｂ）に示すように、ケーブル１６に接続されたスイッチＳＷを閉じることにより、電磁拡管コイル１５にケーブル１６から電源を供給する。この結果、円筒接合部材４のフランジ面１ａの内部に収まっている部位は、瞬間的に拡管される。また、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、円筒接合部材４のフランジ面１ａから突出した部位は瞬間的に外側に倒れてフランジ面１ａの外面に密着する。なお、図４（ｂ）に示すように、円筒接合部材４の下端部は、スイッチＳＷの導通前は溝１４ｃの底に当接しており、スイッチＳＷの導通により浮上することになるが、その変形は瞬間的なものであるため、円筒接合部材４の落下量は無視し得る程度のものである。また、前述のように、溝１４ｃの深さは、電磁コイル１５と溝１４ｃの側面との間隔よりも小さいので、円筒接合部材４の下端部はサイドメンバ支持具１４による抵抗を受けずに変形することが可能である。一方、クロスメンバ２及び３にはその孔２ｂ等を拡げる力が作用するのみであり、その寸法の変動はほとんど発生しない。
【００２９】
その後、図５に示すように、円筒接合部材４のフランジ面１ａと密着している密着部４ａの端部とを重ねすみ肉溶接し、円環状にビード５を形成する。
【００３０】
なお、閉口断面のクロスメンバ３についても、同様に電磁成形及び重ねすみ肉溶接を行う。
【００３１】
このようにして作製されたアルミニウム接合構造体においては、電磁成形が行われる対象の部材は円筒接合部材４であるため、開口断面のクロスメンバ２が組み込まれている。従って、その内側に車載ケーブル等の配線及び配管を配置することが可能である。また、クロスメンバ２及び３の寸法の変動はほとんど発生しないため、アルミニウムフレームの寸法精度が極めて高い。更に、信頼性向上のために行われる重ねすみ肉溶接は、同一平面内で行われるので、溶接姿勢の制約が少ない。
【００３２】
なお、これらのアルミニウム部材は、例えば押出形材として得ることが可能である。また、各被接合部材及び接合部材の材質は特に限定されるものではなく、例えば５０００系アルミニウム合金又は６０００系アルミニウム合金を使用することができる。特に、接合部材にあっては、電磁成形に関して導電性が高い６０００系アルミニウム合金を使用することが好ましい。
【００３３】
また、前述の実施例においては、電磁拡管コイル１５を基準として位置決めを行っているが、位置決めは必ずしも電磁拡管コイルにより行わなければならないものではなく、通常の位置決めピンを使用することもできる。
【００３４】
同様に、重ねすみ肉溶接は適宜行えばよく、円筒接合部材の電磁成形により所望の剛性等の結合強度を得ることが可能であれば、必ずしも必要なものではない。
【００３５】
更に、前述の実施例においては、円筒接合部材４の外表面は平滑面となっているが、サイドメンバ及びクロスメンバの孔の側面との摩擦並びにサイドメンバのフランジ面との摩擦を高めるために凹凸が形成されていることが好ましい。図６は円筒接合部材の一例を示す断面図である。この円筒接合部材６においては、横断面の形状が三角形となる複数の突起６ａが外表面の長手方向に沿って延びるようにして形成されている。この円筒接合部材６を使用した場合、電磁成形により突起６ａがサイドメンバ及びクロスメンバの孔の側面並びにサイドメンバのフランジ面に食い込むため、摩擦抵抗が増加し、より一層高い結合強度を得ることができる。一方、円筒接合部材の内表面は、できるだけ平滑になっていることが好ましい。これは、電磁拡管コイルを挿入するときの摩擦をより低減するためである。特に、電磁拡管コイルを位置決めピンとして使用する場合には、電磁拡管コイルとの間のクリアランスを小さくするため、より平滑であることが好ましい。なお、このような外表面及び内表面の円筒接合部材も、押出形材として得ることが可能である。
【００３６】
また、接合構造体を輸送機器等に適用する場合、その機器に必要とされる電気配線及び配管等を円筒接合部材の中空部分を通してもよい。
【００３７】
更に、電磁成形を行う際の円筒接合部材をＴ１状態のものとし、電磁成形後に、例えば２００℃程度に加熱することにより、円筒接合部材をＴ５状態として、その強度を向上させてもよい。例えば、電磁成形後に自動車の塗装工程におけるベークハードが加熱工程を兼ねるようにしてもよい。
【００３８】
更にまた、前述の実施例においては、サイドメンバ１並びにクロスメンバ２及び３に予め孔が形成されているが、クロスメンバ２及び３をサイドメンバ１に差し込んだ後に、これらの部材に一括して孔を形成してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、電磁成形を受ける部材を接合部材のみとし被接合部材自体を直接変形加工する必要がないため、被接合部材自体の形状の制約が小さい。このため、例えばトラック等の輸送機器に適用した場合、開口断面形状の被接合部材を使用してその内側に車載ケーブル等を配置することができる。また、接合部材の電磁成形による被接合部材自体の寸法の変動は無視し得る程度のものであるため、接合構造体に高い精度及び剛性を確保することができる。更に、接合部材の端部と少なくとも一方の被接合部材の板部とをすみ肉溶接することにより、接合の信頼性をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例により製造されたアルミニウム接合構造体を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例に使用するアルミニウム部材を示す図であって、（ａ）はサイドメンバを示す断面図、（ｂ）はクロスメンバを示す断面図、（ｃ）は円筒接合部材を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例において各アルミニウム部材を組み合わせた状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例において電磁成形を行った状態を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図５】本発明の実施例においてすみ肉溶接を行った状態を示す平面図である。
【図６】円筒接合部材の一例を示す断面図である。
【図７】従来のサイドメンバとクロスメンバとの接合状態を示す斜視図である。
【図８】特開平９−１６６１１１号公報に開示された接合方法を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１；サイドメンバ
１ａ、２ａ；フランジ面
１ｂ、２ｂ；孔
１ｃ；ウェブ面
２、３；クロスメンバ
４、６；円筒接合部材
４ａ；密着部
６ａ；突起
１１；フレーム組立位置決め治具
１４；サイドメンバ支持具
１５；電磁拡管コイル

Claims

第１の孔が形成された第１の板部を有する第１の被接合部材と第２の孔が形成された第２の板部を有する第２の被接合部材とを前記第１の孔と前記第２の孔とが整合するように配置する工程と、前記第１及び第２の孔内に円筒状の接合部材を挿入する工程と、前記接合部材の内部に電磁拡管コイルを挿入する工程と、前記電磁拡管コイルに通電することにより、前記接合部材の両端部を外側に屈曲させて前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを接合する工程と、を有することを特徴とする接合構造体の製造方法。
前記電磁拡管コイルは、前記第１及び第２の被接合部材の位置決め用治具を兼ねることを特徴とする請求項１に記載の接合構造体の製造方法。
前記接合部材の端部と少なくとも前記第１及び第２の被接合部材の板部とを溶接する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の接合構造体の製造方法。