WO2012124735A1 - 中空部品とその製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

薄肉の板材により成形されていても、強度的にも作業環境的にも問題のない、コスト的にも有利な中空部品と、その製造方法を提供する。相互間に隙間（Ｇ）を有する一対の板材（２０、２１）の一方の板材（２０）に対しフロードリル加工を施して第１カラー部（Ｃ１）を形成し、他方の板材（２１）にフロードリル加工を施すとき、第２カラー部（Ｃ２）を形成すると共に、第２カラー部（Ｃ２）の内方側先端部と第１カラー部（Ｃ１）の内方側先端部とを融着させて円筒状連結体（Ｃ）を形成し、扁平な両板材を補強するようにしたことを特徴とする。

Description

中空部品とその製造方法及び製造装置

　本発明は、フロードリル加工を用い成形した中空部品と、その製造方法及び製造装置に関する。

　車両部品は多々あるが、その内、相互に対向する一対の板材を連結しているものとしては、例えば、自動車のブレーキペダル装置に使用されているブレーキペダルがある。最近のブレーキペダルは、軽量化の要請から、中空状をしたものが使用されるようになっており、相互に対向された一対の板材の外周部分を連結することにより成形している。

　従来から使用されている自動車のブレーキペダル装置は、ダッシュパネルに取り付けられたブラケットと、このブラケットに回動可能に設けられた支持軸に上端部が装着されたブレーキペダルと、このブレーキペダルの上部位を貫通するピンに一端が連結され、他端がマスターバック（不図示）と連結されたロッドと、を有している（例えば、下記特許文献１参照）。

　このようなブレーキペダル装置において、ブレーキペダルを踏むと、この踏力がブレーキペダルから、該ブレーキペダルとロッドとの連結部分を介してマスターバックに伝達されるが、この連結部分には、大きな力が作用することになる。したがって、この連結部分は、従来からブレーキペダルに下孔を開け、この下孔にパイプを溶接した後、このパイプにピンを挿通し、ピンにロッドの端部を連結するという構成とし、十分な強度を確保している。このブレーキペダル装置は、製造に当り、ブレーキペダルに下孔加工や、パイプの溶接などの作業を要することになるため、パイプ代や溶接費用が嵩むのみでなく、作業工数的にも、また作業環境的にも好ましくない。

　したがって、最近のブレーキペダルは、車両部品の軽量化の要請もあることから、予めプレス成形した一対の薄肉の板材を、最中合わせした状態で、外周縁部を折り曲げて成形したものが使用されるようになっている。このようなブレーキペダルは、全体が中空状であるため軽量化でき、外周縁部も溶接せず両板材を連結することができることから、溶接作業を必要とせず、作業環境的にも好ましいものである。

特許第３８９２６５３号公報

　しかし、このブレーキペダルは、薄肉の板材により成形されているので、前述したブレーキペダルとロッドの連結部分における強度が問題となり、また、ここにパイプを溶接すると、軽量化の要請を十分満足させることができないのみでなく、作業環境的にも好ましくないという不具合がある。

　本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたもので、薄肉の板材により成形されていても強度的に問題がなく、コスト的にも有利で、作業環境的にも問題のない、中空部品とその製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するための本発明の一様相は、予め成形された一対の板材を合体させると共に相互に連結し中空状となるように成形した中空部品であって、いずれか一方の前記板材の外面から内方に向かってフロードリル加工を施すことにより形成された第１カラー部と、いずれか他方の前記板材の外面から内方に向かってフロードリル加工を施すことにより形成された第２カラー部と、を有し、前記第１カラー部の内方側先端部と前記第２カラー部の内方側先端部とを相互に融着させ、前記第１の板材と第２の板材とを相互に連結する円筒状連結体を形成したことを特徴とする。

　上記目的を達成するための本発明の別の様相は、予め成形された一対の板材を合体させると共に相互に連結し中空状となるように成形した中空部品の製造方法であって、相互間に隙間を有する前記一対の板材のいずれか一方の板材に対しフロードリル加工を施して第１カラー部を形成し、前記フロードリルを孔部から退去させた後、前記一対の板材のいずれか他方の板材にフロードリル加工を施すことにより第２カラー部を形成し、この第２カラー部の内方側先端部と前記第１カラー部の内方側先端部とを融着させ、前記両板材相互を連結する円筒状連結体を形成したことを特徴とする。

　上記目的を達成するための本発明のさらに別の様相は、上記目的を達成する本発明に係る中空部品の製造装置は、予め成形された一対の板材を合体させると共に相互に連結し中空状となるように成形した中空部品の製造装置であって、ボール盤の平坦なテーブルを中心として対向する位置にそれぞれ同軸的に配置した少なくとも一対の主軸と、一方の前記主軸に取り付けられ、相互間に隙間を有する前記一対の板材のいずれか一方の板材に対し第１孔開け加工を施し第１カラー部を形成する第１フロードリルと、他方の前記主軸に取り付けられ、前記一対の板材の他方の板材に対し第２孔開け加工を施し第２カラー部を形成する第２フロードリルと、を有し、前記第２カラー部の内方側先端部を前記第１カラー部の内方側先端部に融着させ、前記両板材相互を連結する円筒状連結体を形成するようにしたことを特徴とする。

　本発明によれば、フロードリル加工により形成された一方の板材の第１カラー部の内方側先端部と、他方の板材に同様に形成された第２カラー部の内方側先端部とを相互に融着させて円筒状連結体を形成し、両板材を連結するようにしたため、薄肉の板材からなる軽量な中空部品であっても、円筒状連結体がこれを補強し、強度的に優れたものとなり、また、製作に当ってもこの円筒状連結体がパイプに相当するものとなり、パイプを取り付ける溶接作業も必要としないため、材料コスト的、作業工数的、及び作業環境的にも好ましいものとなる。

　中空部品は、円筒状連結体に挿通したピン部材の突出端部に、一端がマスターバックと連結されたロッドの他端部を連結してなるブレーキペダルであることが好ましい。この場合、薄肉の板材により成形されたブレーキペダルであっても、前記円筒状連結体によりロッドの連結部分における強度が高められ、この連結部分にパイプを溶接する必要もなく、軽量で強度的に優れたブレーキペダルとなる。

　より具体的にいえば、プレス成形した一対の薄肉の板材を、最中合わせし、外周部分はヘム加工などにより連結した中空状ブレーキペダルのような中空部品において、板材の表面から内方に突出する円筒状連結体により一対の薄肉板材を連結すると、板材全体が高強度を備えることになり、ブレーキペダルに大きな力が作用しても、これに対処できる。特に、ブレーキペダルには、３次元的に屈曲されたものがあるが、このようなブレーキペダルであっても、円筒状連結体で内部連結すれば、ブレーキ操作時に大きな力がブレーキペダルに作用しても、ブレーキペダルの捩じれや変形を防止できる。

　また、ブレーキペダルにおいて、マスターバックと連結される部分は、ブレーキ操作時に極めて大きな力が作用することになるが、この部分に円筒状連結体を設けると、内部にピンを挿通して、これにマスターバック側から伸延されたロッドと連結でき、最も力の作用する部分を円筒状連結体により補強でき、軽量で高強度のブレーキペダルが得られる。

　本発明の中空部品の製造方法によれば、相互間に対設された一対の板材に相互に反対方向からフロードリル加工を施すことにより生じた各カラー部の内方側先端部を相互に融着させ、円筒状連結体を形成するようにしたため、簡単に円筒状連結体を形成し、この円筒状連結体により両板材を連結することができる。また、この円筒状連結体により扁平で薄肉の板材であっても、その強度を大幅に向上させることができ、高強度が要求される中空部品に適用すれば、極めて有効なものとなる。

　本発明の中空部品の製造装置によれば、請求項４の発明によれば、ボール盤のテーブルを中心として同軸的に対向配置された一対の主軸に第１フロードリルと第２フロードリルを取り付け、一対の板材からなる中空状のワークに対しフロードリル加工を施し、各カラー部の内方側先端部を相互に融着させ、前記両板材連結する円筒状連結体を形成するようにしたので、きわめて容易にフロードリル加工用の設備を構築でき、また、上下からフロードリル加工を施すので、作業性がよく、コスト的にも有利なものとすることができる。

　本発明のさらに他の目的、特徴および特質は、以後の説明および添付図面に例示される好ましい実施の形態を参照することによって、明らかになるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係るブレーキペダル装置の一例を示す概略側面図である。 図２は、同ブレーキペダル装置の概略正面図である。 図３は、図１の３－３線に沿う断面図である。 図４は、図１の４－４線に沿う断面図である。 図５は、図１の５－５線に沿う断面図である。 図６は、発明の実施形態に係る製造装置であって、フロードリル加工開始前の状態を示す断面図である。 図７は、フロードリル加工開始後の状態を示す要部断面図である。 図８は、第１孔開け工程完了時の状態を示す要部断面図である。 図９は、フロードリルの後退工程を示す要部断面図である。 図１０は、第２孔開け工程の状態を示す要部断面図である。 図１１は、曲げ強さと隙間との関係を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

　本実施形態に係る車両用部品としては、例えば、ブレーキペダル装置に使用されるブレーキペダルがある。ブレーキペダル装置は、概して、図１に示すように、ダッシュパネル１に取り付けられたブラケット２と、ブラケット２に設けられた支持軸３に回動可能に装着されたブレーキペダル４と、ブレーキペダル４の上部位を貫通するピン５と、このピン５に一端が連結され、他端がマスターバック（不図示）と連結されたロッド６と、を有している。

　ブレーキペダル４は、軽量化のために薄肉の板材をプレス加工して成形して形成され、図１、２に示すように、３次元的に屈曲されている。このブレーキペダル４は、図３～５に示すように、予めそれぞれ独立にプレス成形された一対の板材２０、２１、あるいは一体的に連結された状態でプレス成形された両板材２０、２１を、いわば最中合わせし、その外周部分をヘム加工などにより折り曲げて連結したもので、内部は中空状となっている中空部品である。

　例えば、ブレーキペダル４の上端部は、図３に示すように、支持通孔部７が開設された一対の板材２０、２１を折り曲げ部２２を中心に折り曲げ、最中合わせした後、一方の端縁部２３をヘム加工し他方の端縁部２４を取り囲むようにプレス成形し、支持通孔部７内部に、ブラケット２間に設けられた支持軸３を貫通することにより形成している。なお、両板材２０、２１の連結は、必ずしもヘム加工などの折り曲げに限定されるものではないことはいうまでもない。

　ブレーキペダル４の上部位は、図４に示すように、ロッド６の端部に設けられた連結具１１とピン５を介して連結されている。この連結部分は、いわゆるクレビス部分と称され、一対の板材２０、２１には、ピン５が挿通するクレビス通孔部１３が開設されている。

　特に、本実施形態のブレーキペダル４では、クレビス通孔部１３は、板材２０の外面から内方に向かってフロードリル加工を施すことにより形成された第１カラー部Ｃ１の内方側先端部と、板材２１の外面から内方に向かってフロードリル加工を施すことにより形成された第２カラー部Ｃ２の内方側先端部とを相互に融着させ、板材２０と板材２１とを相互に連結する円筒状連結体Ｃが形成されている。なお、このフロードリル加工については、後に詳述する。

　クレビス通孔部１３は、大きな力が作用することになるので、一対の板材２０、２１を成形する場合に、フロードリル加工により筒状連結体Ｃを形成すれば、中空部品の表面から内方に向う筒状連結体Ｃを簡単に形成することができ、この筒状連結体Ｃを中空ブレーキペダル４の補強体とすれば、軽量で高強度のブレーキペダルを簡単に得ることができる。

　ブレーキペダル４の下部も、図５に示すように、一対の板材２０、２１を折り曲げ部２２を中心に折り曲げ、最中合わせした後、一方の端縁部２３をヘム加工し他方の端縁部２４を取り囲むようにプレス加工することにより形成されているが、一対の板材２０、２１の下端には、最中合わせ時に踏み板１４を形成する部分が設けられている。

　次に、本実施形態に係る中空部品の製造方法及び製造装置を説明する。ブレーキペダル４を製造するには、概して、予めプレス成形された一対の板材２０、２１を合体連結した中空状のワークＷに対しフロードリル加工を施すことにより行う。ここに、フロードリル加工とは、フロードリルＤを、高速回転させつつ板材２０又は２１の面に直交する方向から各板材を加圧することにより板材に孔開けすると共にカラー部Ｃを形成する加工である。

　つまり、図６に示すように、一対の板材２０、２１からなるワークＷを、テーブルＴ上に設置した状態で、フロードリルＤを用いて一対の板材２０、２１の上面側から第１孔開け工程を行い、第１カラー部Ｃ１を形成し、次に、同様に下面側からフロードリルＤを用いて第２孔開け工程を行い、第２カラー部Ｃ２を形成する。特に、本実施形態では、この第２孔開け工程時に、図１０に示すように、第１カラー部Ｃ１と第２カラー部Ｃ２の内方側先端部を相互に融着させ、板材２０と板材２１とを相互に連結する円筒状連結体Ｃを形成し、両板材２０、２１の強度を向上させるようにしている。

　さらに詳述する。本実施形態に係る製造装置は、図６に示すように、基本的にはボール盤を使用したもので、中空状のワークＷが設置される平坦なテーブルＴと、テーブルＴを中心として対向する位置にそれぞれ同軸的に配置した一対の主軸Ｓと、上方の主軸Ｓ１の下端にチャックなどを介して取り付けられ、ワークＷに対し第１孔開け加工を施し第１カラー部Ｃ１を形成する第１フロードリルＤ１と、下方の主軸Ｓ２の上端にチャックなどを介して取り付けられ、ワークＷに対し第２孔開け加工を施し第２カラー部Ｃ２を形成する第２フロードリルＤ２と、を有している。このようにボール盤を使用して製造装置としているので、特別の専用機とすることがなく、コスト的にもきわめて有利なものとなる。

　フロードリルＤは、図６に示すように、円錐状の尖端部３０と、これに続くストレート部３１と、ストレート部３１より大径のフランジ部３２と、ストレート部３１と同じ径を有するシャンク部３３とからなり、タングステンカーバイトなどの耐熱性材料から構成されている。

　一方、板材２０、２１からなるワークＷは、両板材２０、２１を合体連結する前であれば、図６に示すように、相互に平行に対設された両板材２０、２１間に隙間Ｇが生じるようにスペーサ３４を介在し、支持体３５により支持した状態でテーブルＴ上に水平に設置する。なお、スペーサ３４の位置は、フロードリルＤによる加圧時に板材２０、２１が撓まない位置とすることが好ましい。ただし、予め両板材２０、２１を合体連結している場合は、スペーサ３４を介在させる必要はなく、支持体３５により支持すればよい。

　そして、まず、第１孔開け工程を行なう。第１孔開け工程は、第１フロードリルＤ１を高速回転させつつ下降し、尖端部３０により上方の板材２０を板材の面に直交する方向から加圧する。加圧当初、先端部分が円弧状に丸み付けされている尖端部３０と板材２０との間で摩擦熱が発生する。この摩擦熱は、板材２０を局部的に軟化させることになるが、この軟化により第１フロードリルＤ１との接触面積が次第に増大する。また、尖端部３０は、外形が円錐状であるため、板材２０の軟化により次第に下降することになるが、この下降により板材２０と第１フロードリルＤ１との接触面積がさらに増大し、軟化部分は径方向に広がる。

　この軟化部分は、ついには図７に示すように、尖端部３０により突き破られ、尖端部３０に続くストレート部３１により押し広げられる。尖端部３０は、円錐状をしているが、軸直角断面形状が単純な円形ではなく、例えば、円弧状角部を有する三角形状あるいは四角形状をしているので、高速回転させても板材と熱融着することなく、孔開け加工できる。この結果、第１の孔部Ｏ１が開けられると共に、第１フロードリルＤ１に沿って板材２０の上下に突出部Ｒ１、Ｒ２が形成される。

　さらに、第１フロードリルＤ１を下降すると、第１の孔部Ｏ１は、図８に示すように、尖端部３０に続くストレート部３１の軸径ｄに対応する大きさとなり、上方の突出部Ｒ１は、第１フロードリルＤ１のフランジ部３２に加圧され、平坦な第１ボス部Ｂ１となり、下方の突出部Ｒ２は、ストレート部３１の外周面に沿って軸線方向に伸びる第１カラー部Ｃ１となる。第１カラー部Ｃ１などが形成されると、第１孔開け工程は完了する。

　このようにフロードリルＤを用いて行なう加工は、切粉を出すことなく孔開けできるという利点があるのみでなく、摩擦熱により開設された孔の内周縁部分からカラー部分を突出成形することができるという利点も有している。

　次に、図９に示すように、一旦、第１フロードリルＤ１を、開設された第１の孔部Ｏ１から後退させ、当初の位置まで戻す。

　そして、次の第２孔開け工程を開始する。第２孔開け工程は、図１０に示すように、下方に配置された第２フロードリルＤ２を上昇させて、板材２１に孔開けするが、基本的には第１孔開け工程と同様である。ただし、第２フロードリルＤ２の押し付け位置は、第１の孔部Ｏ１が形成された位置に対向する位置である。この場合も、板材２１の面に直交する方向から高速回転する第２フロードリルＤ２により板材２１を加圧する。この結果、図１０に示すように、第１孔開け工程で形成されたものと同様の、第２ボス部Ｂ２、第２の孔部Ｏ２及び第２カラー部Ｃ２が形成される。

　しかし、第２カラー部Ｃ２は、その成長過程において、その内方側先端部が先の第１カラー部Ｃ１の内方側先端部に融着する。上下両板材２０、２１の間隔Ｇ及びフロードリルの径を所定の値にしているので、第２カラー部Ｃ２は、第１カラー部Ｃ１の内方側先端部まで到達する程度の長さとなる。また、その内方側先端部は、軟化状態がさらに進んだ一種の溶融状態となっているので、第１カラー部Ｃ１の内方側先端部に接すると、これに融着し、第１カラー部Ｃ１と第２カラー部Ｃ２が一体化する。この結果、上下両板材２０、２１は、円筒状連結体Ｃにより連結されたものとなり、強度が大幅に向上することになる。

　このように上下に配置したフロードリルＤ１、Ｄ２を用いて孔開け加工を行うと、ワークＷを反転させる必要がなく、作業の迅速化を図ることができ、自動化も可能で、量産に適したものとなる。ただし、本発明は、これのみに限定されるものではなく、一対の板材２０、２１からなるワークＷをテーブルＴ上において、上下反転させて孔開け加工を行ってもよいことはいうまでもない。

　最後に、第２フロードリルＤ２を、開設された第２の孔部Ｏ１から後退させ、当初の位置まで戻すと、作業は完了する。

　ここにおいて、円筒状連結体Ｃにより接合した両板材２０、２１の曲げ強さＦと、両板材２０、２１の隙間Ｇとの関係を調べる実験を行った結果、図１１に示すようになった。

　実験は、ドリル径が８ｍｍのフロードリルＤを用い、ヘム加工により相互に連結された中空状の板材２０、２１で、その板厚が１．６０ｍｍの鋼板に対し孔開けを行った。両板材２０、２１間の隙間Ｇを、２．８ｍｍ、４．８ｍｍ、６．８ｍｍ、８．８ｍｍの４種類とした。隙間Ｇの大小により曲げ強さＦは多少相違したが、隙間Ｇが、２．８ｍｍ、４．８ｍｍ、６．８ｍｍの場合は、第１カラー部Ｃ１と第２カラー部Ｃ２の内方側先端部が全周に亘り融着し、円筒状連結体Ｃが形成されたが、８．８ｍｍの場合は、両カラー部Ｃ１、Ｃ２の内方側先端部が全周に亘っては融着しなかった。

　両板材２０、２１が円筒状連結体Ｃにより接合されていると、隙間Ｇの大小に拘わらず比較的良好な曲げ強さＦとなったが、両カラー部Ｃ１、Ｃ２の内方側先端部が全周に亘って接合しない８．８ｍｍの場合あるいは部分的に接合している状態のものは、曲げ強さＦが急激に低下することが判明した。

　この実験からすれば、特定の板厚の材料であれば、所望する曲げ強さＦの大きさに応じて両板材２０、２１の隙間Ｇを選定できることになる一方、両板材２０、２１の隙間Ｇを選定すれば、両板材２０、２１を所定の曲げ強さＦを有するものを成形できることになり、中空部品の製造に当っての利便性が大いに高まることになる。

　本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的思想内において当業者により種々変更が可能である。例えば、上述した実施形態は、乗用車のブレーキペダルについて説明したが、本発明は、これのみに限定されるものではなく、サイドブレーキペダル、各種中空メンバーあるいはフレームなど、種々の中空部品に同様に実施可能である。また、上述した実施形態は、同じ板厚である一対の板材にフロードリル加工を施すものであるが、板厚が相違する板材あるいは多数対向設置された板材を用いることもできる。さらに、上述した実施形態は、クレビス通孔部１３に円筒状連結体Ｃを形成したものであるが、場合によっては、ブレーキペダル４の上端部の支持通孔部７に円筒状連結体Ｃを形成してもよい。

　本発明は、強度のある中空部品の製造に好適に利用できる。

　本出願は、２０１１年３月１４日に出願された日本特許出願番号２０１１－０５５４７８号に基づいており、それらの開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

１０、１１…板材、
Ｃ…円筒状連結体、
Ｃ１…第１カラー部、
Ｃ２…第２カラー部、
Ｄ…フロードリル、
Ｄ１…第１フロードリル、
Ｄ２…第２フロードリル、
Ｇ…隙間、
Ｏ…孔部、
Ｓ１…第１主軸、
Ｓ２…第２主軸、
Ｔ…テーブル。

Claims (4)

1. 　予め成形された一対の板材を合体させると共に相互に連結し中空状となるように成形した中空部品であって、
   　いずれか一方の前記板材の外面から内方に向かってフロードリル加工を施すことにより形成された第１カラー部と、いずれか他方の前記板材の外面から内方に向かってフロードリル加工を施すことにより形成された第２カラー部と、を有し、前記第１カラー部の内方側先端部と前記第２カラー部の内方側先端部とを融着させ、前記第１の板材と第２の板材とを相互に連結する円筒状連結体を形成したことを特徴とする中空部品。
2. 　前記中空部品は、前記円筒状連結体に挿通したピン部材の突出端部に、一端がマスターバックと連結されたロッドの他端部を連結してなるブレーキペダルである請求項１に記載の中空部品。
3. 　予め成形された一対の板材を合体させると共に相互に連結し中空状となるように成形した中空部品の製造方法であって、
   　相互間に隙間を介在させて対設された前記一対の板材のいずれか一方の板材に対し、当該板材の面に直交する方向から内方に向けてフロードリルを前記板材に加圧した状態で回転させて孔開けしつつ、当該孔部の内周面に第１カラー部を形成する第１孔開け工程と、
   　前記フロードリルを後退させ、開設された孔部から退去させる工程と、
   　前記一対の板材のいずれか他方の板材の前記孔部に対向する位置に、前記他方の板材の面に直交する方向から内方に向けてフロードリルを前記板材に加圧した状態で回転させて孔開けしつつ、当該孔部の内周面に第２カラー部を形成すると共に、当該第２カラー部の内方側先端部と前記第１カラー部の内方側先端部とを相互に融着させ円筒状連結体を形成する第２孔開け工程と、からなる中空部品の製造方法。
4. 　予め成形された一対の板材を合体させると共に相互に連結し中空状となるように成形した中空部品の製造装置であって、
   　ボール盤の平坦なテーブルを中心として対向する位置にそれぞれ同軸的に配置した少なくとも一対の主軸と、
   　一方の前記主軸に取り付けられ、相互間に隙間を有する前記一対の板材のいずれか一方の板材に対し第１孔開け加工を施し第１カラー部を形成する第１フロードリルと、
   　他方の前記主軸に取り付けられ、前記一対の板材の他方の板材に対し第２孔開け加工を施し第２カラー部を形成する第２フロードリルと、を有し、
   　前記第２カラー部の内方側先端部を前記第１カラー部の内方側先端部に融着させ、前記両板材相互を連結する円筒状連結体を形成するようにしたことを特徴とする中空部品の製造装置。

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