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技術 管端のスピニング加工方法

出願人 日新製鋼株式会社
発明者 坂本和志安藤彰啓狩野忍原健治
出願日 2006年4月13日 (14年8ヶ月経過) 出願番号 2006-110488
公開日 2007年11月1日 (13年1ヶ月経過) 公開番号 2007-283315
状態 未査定
技術分野 かしめ結合と拡管装置及び管端の縮径・拡径
主要キーワード 縮径度合 加工度合い 耐圧テスト 縮径処理 目標長 加工端 部材強度 加工ローラ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2007年11月1日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

管端加工ローラを当接して縮径部を形成する際に、テーパ部に生じやすい板厚減少を極力抑制したスピニング加工方法を提供する。

解決手段

被加工管の被加工部を金型内に挿入して全周に対して一様な縮径加工を付与し、当該被加工部に予ひずみを付与して加工硬化させた後に、被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成する。

概要

背景

自動車排気系に装備される排気ガス浄化用触媒コンバーター)のケース,あるいは消音器マフラー)のケースには、大容量化の必要性から素材として大径の管が用いられている。そして、そのケース部材端部には、前後の部材との接続のためにテーパ部と、さらに必要に応じてテーパ部に連続した小径平行部が備えられている。
図1は、このようなケース1が、素材である大径の管の部分(1a)、前後の部材と接続するために設けられるテーパ部(1b)及びテーパ部に連続した小径の平行部(1c)から構成されている例を示す。そして、テーパ部(1b)は素管部(1a)にショルダー部(2)を介して、また、テーパ部(1b)はネック部(3)を介して小径の平行部(1c)と接続されている。
このような形状品は、管端スピニング加工法を適用することにより成形される場合が多くなっている。

スピニング加工方法は、例えば特許文献1で紹介されているように、成形工具である加工ローラ被加工管の表面に接触させ、加工ローラを被加工管の周りで相対的に公転させながら、加工ローラを被加工管の半径方向及び軸方向に駆動させて、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、必要に応じてそれに連続する小径の平行部を形成する方法である。
そして、例えば、特許文献2には、被加工管の外周に加工ローラを押し当ててスピニング加工することによりコンバーターケースを製造することが記載されている。

このような形状の部材を成形する方法としてスピニング加工法が多用される背景としては、板材プレス成形により複数の部分に分割して加工した後に別工程にて溶接接合する方法と比較して、1)材料歩留りが高い、2)一体成形であるために部材強度が高く、部品点数を減らせる、3)溶接を必要としないために溶接部による部材の信頼性低下がない、等の点が挙げられる。
しかしながら、プレス成形方法と比較して、スピニング加工法では加工ローラを被加工管の軸方向へ繰返し往復動させて成形を進めるため、塑性変形により材料が管端方向に移動しやすく、特にテーパ部の板厚が被加工管の素材板厚よりも局所的に減少する傾向がある。また、縮径された母材部の加工端、あるいは被加工管が電縫管の場合には管端の溶接部の加工端を起点とする破断が起こりやすい。さらに、加工速度を高速度化した場合には、スピニング加工中に加工部にしわが発生し、所定の加工部形状が得られない、といった成形不良が発生しやすくなる。
特公平4−46647号公報
特許第3401173号公報

概要

管端に加工ローラを当接して縮径部を形成する際に、テーパ部に生じやすい板厚減少を極力抑制したスピニング加工方法を提供する。被加工管の被加工部を金型内に挿入して全周に対して一様な縮径加工を付与し、当該被加工部に予ひずみを付与して加工硬化させた後に、被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成する。

目的

上記している通り、スピニング加工法では塑性変形により材料が管端方向に移動しやすいため、テーパ部の板厚が被加工管の素材板厚よりも局所的に減少しやすくなる。特にテーパ角が大きいほどその傾向が強くなる。
このため、テーパ角を大きくして、触媒収容部が大きく、しかも排ガス導入・排出口が小さくて収容効率の高いコンバーターケースを製造しようとすると、テーパ部、特にネック部の板厚減少に起因した割れや変形が起こりやすくなる。場合によっては、外形チェック耐圧テストも必要になって、収容効率の高いコンバーターケースを安定的に低コストで供給することが困難となる。
本発明は、このような問題を解消するために案出されたものであり、管端に加工ローラを当接して縮径部を形成する際に、テーパ部に生じやすい板厚減少を極力抑制したスピニング加工方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成する際、被加工管の被加工部に予め縮径処理を施して当該部分に予ひずみを付与した後に、前記テーパ部を形成することを特徴とする管端スピニング加工方法

請求項2

予め施す縮径処理が、被加工部を金型内に挿入して全周に対して一様な縮径加工を付与する加工である請求項1に記載の管端のスピニング加工方法。

技術分野

0001

本発明は、自動車コンバーターケースマフラーに用いられる管端縮径部を有する管体成形方法に関する。

背景技術

0002

自動車の排気系に装備される排気ガス浄化用触媒(コンバーター)のケース,あるいは消音器(マフラー)のケースには、大容量化の必要性から素材として大径の管が用いられている。そして、そのケース部材端部には、前後の部材との接続のためにテーパ部と、さらに必要に応じてテーパ部に連続した小径平行部が備えられている。
図1は、このようなケース1が、素材である大径の管の部分(1a)、前後の部材と接続するために設けられるテーパ部(1b)及びテーパ部に連続した小径の平行部(1c)から構成されている例を示す。そして、テーパ部(1b)は素管部(1a)にショルダー部(2)を介して、また、テーパ部(1b)はネック部(3)を介して小径の平行部(1c)と接続されている。
このような形状品は、管端にスピニング加工法を適用することにより成形される場合が多くなっている。

0003

スピニング加工方法は、例えば特許文献1で紹介されているように、成形工具である加工ローラ被加工管の表面に接触させ、加工ローラを被加工管の周りで相対的に公転させながら、加工ローラを被加工管の半径方向及び軸方向に駆動させて、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、必要に応じてそれに連続する小径の平行部を形成する方法である。
そして、例えば、特許文献2には、被加工管の外周に加工ローラを押し当ててスピニング加工することによりコンバーターケースを製造することが記載されている。

0004

このような形状の部材を成形する方法としてスピニング加工法が多用される背景としては、板材プレス成形により複数の部分に分割して加工した後に別工程にて溶接接合する方法と比較して、1)材料歩留りが高い、2)一体成形であるために部材強度が高く、部品点数を減らせる、3)溶接を必要としないために溶接部による部材の信頼性低下がない、等の点が挙げられる。
しかしながら、プレス成形方法と比較して、スピニング加工法では加工ローラを被加工管の軸方向へ繰返し往復動させて成形を進めるため、塑性変形により材料が管端方向に移動しやすく、特にテーパ部の板厚が被加工管の素材板厚よりも局所的に減少する傾向がある。また、縮径された母材部の加工端、あるいは被加工管が電縫管の場合には管端の溶接部の加工端を起点とする破断が起こりやすい。さらに、加工速度を高速度化した場合には、スピニング加工中に加工部にしわが発生し、所定の加工部形状が得られない、といった成形不良が発生しやすくなる。
特公平4−46647号公報
特許第3401173号公報

発明が解決しようとする課題

0005

上記している通り、スピニング加工法では塑性変形により材料が管端方向に移動しやすいため、テーパ部の板厚が被加工管の素材板厚よりも局所的に減少しやすくなる。特にテーパ角が大きいほどその傾向が強くなる。
このため、テーパ角を大きくして、触媒収容部が大きく、しかも排ガス導入・排出口が小さくて収容効率の高いコンバーターケースを製造しようとすると、テーパ部、特にネック部の板厚減少に起因した割れや変形が起こりやすくなる。場合によっては、外形チェック耐圧テストも必要になって、収容効率の高いコンバーターケースを安定的に低コストで供給することが困難となる。
本発明は、このような問題を解消するために案出されたものであり、管端に加工ローラを当接して縮径部を形成する際に、テーパ部に生じやすい板厚減少を極力抑制したスピニング加工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

0006

本発明の管端のスピニング加工方法は、その目的を達成するため、被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成する際、被加工管の被加工部に予め縮径処理を施して当該部分に予ひずみを付与した後に、前記テーパ部を形成することを特徴とする。
予め施す縮径処理としては、被加工部を金型内に挿入して全周に対して一様な縮径加工を付与する加工法を採用することが好ましい。

発明の効果

0007

本発明では、加工ローラを被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させて被加工管の端部に縮径部を形成する際に、被加工管の被加工部に予ひずみが付与されているため、当該部分は加工硬化しており、予ひずみなしの場合よりも変形に要する耐力変形抵抗)が高くなっている。このため、管軸方向への材料の流動がテーパ部で起こる場合に板厚減少が特定の部位に集中しにくく、代わって、テーパ部の軸方向に広い領域に分散して変形が進行することになる。その結果、スピニング加工による縮径加工を行った場合に起こりやすい、被加工管の素材板厚よりもテーパ部の板厚が局所的に減少する問題を回避でき、良好な品質の縮径加工製品を得ることができる。

発明を実施するための最良の形態

0008

本発明者等は、被加工管と、当該被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、前記加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、それに連続する小径の平行部を形成する際に、テーパ部に生じやすい板厚減少の発生原因とその対策について種々検討を重ねてきた。
その結果、加工ローラを押し当てて縮径の加工を施すときの加工硬化がその後の変形態様に微妙な影響を与えると推測し、局部的な板厚減少の抑制には、被加工部を予め加工硬化させておくことが有効であることを見出した。
以下に、本発明に至った経緯から説明する。

0009

まず、スピニング加工時にテーパ部に生じやすい板厚減少の発生メカニズムから検討した。
図2は、降伏強さ251MPa,引張強さ428MPa,伸び36%の機械的特性を有する板厚1.2mmのフェライト系ステンレス鋼板を素材とし、プラズマ溶接により直径89.1mmとなるように造管した素管を被加工管として、テーパ角を種々変更して縮径加工したときの、加工部の板厚減少状況を見たものである。なお、この予備試験では、送り速度:3000mm/min一定で全13パスの加工を施し、最終的に外径38.1mmまで縮径率57%で縮径している。また、小径の平行部の目標長さは30mmとした。
図2(a)は、同図(b)に示すように、ショルダー部の変形が開始した点を起点とし、5mmピッチ板厚変化を測定した結果を示している。
図2に見られるように、テーパ部で局所的に素管板厚よりも板厚が減少した部分が発生しており、テーパ角が増大するほど局所的な板厚減少も顕著となる。

0010

一般に管端を縮径するスピニング加工では、曲げ加工等により板状の素材を略管状に成形し、続いて板端同士を突き合わせて溶接することで製造した溶接管を被加工管として用いる。管状に成形するための加工ひずみは縮径加工によって受けるひずみよりもはるかに小さい。そのため、被加工部は一様に殆ど加工硬化を受けていない状態で縮径加工に供される。すなわち、加工硬化を受けていないから、塑性変形を起こすために必要な変形抵抗が小さい。

0011

スピニング加工で被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成すると、加工部は、加工度合いに応じた加工硬化を受ける。未加工部の素管に近い部分ほど、縮径加工度が小さいため材料が受けた加工硬化も小さく、逆に加工端に近い部分ほど縮径加工度が大きいから大きな加工硬化を受けている。大きな加工硬化を受けた部分ほど変形抵抗も増大しているから、未加工部の素管に近い部分ほど変形抵抗が小さく、加工端に近い部分ほど変形抵抗が大きい部分が分布することになる。

0012

ところで、スピニング加工による管端の縮径加工では、加工ローラを材料に当接させつつ軸方向に往復動させるため、被加工管の端部に向けて材料の流動が起こりやすい。このとき、材料の流動(塑性変形)は、変形抵抗の小さい部分に集中しやすい。すなわち、テーパ部の未加工部(素管)に近い部分に材料の軸方向への流動が集中しやすく、この部分で板厚の減少が起こることになる。
ここで、素管部は加工硬化を受けていないから変形抵抗は小さいが、管径が大きく断面積が大きい。そのため、加工ローラの管軸方向の往復動による材料の軸方向への流動は、断面積の効果により素管部に及ぶ応力としては小さくなり、塑性変形とならないから素管部は板厚減少を起こさない。
一方、テーパ部は、素管部から離れ平行部に近づくほど管径が小さくなるので、加工ローラの管軸方向の往復動による材料の流動がテーパ部では素管部よりも大きい応力として作用する。このとき、塑性変形を起こす変形抵抗を上回った部分に材料の流動が集中し、この部分で板厚の局部的な減少が進行することになる。

0013

予ひずみの付与手段としては、コスト面を考慮して、被加工管の被加工部である管端に縮径加工を施す手段を採用する。
縮径加工を施す態様としては、一例として被加工部を金型内に挿入して、全周に対して一様に縮径加工を付与する加工法が挙げられる。この加工により、縮径度合いに応じた円周方向の圧縮ひずみと軸方向の引張ひずみを付与できる。このように管端を金型内に挿入して全周に対して一度に縮径加工を行う場合、管の座屈を防ぐため、必要に応じて管の内部にも金型を用いるなどの手段を用いてもよい。このように、予ひずみの付与手段は、本来のスピニング加工とは別工程になるので、時間がかかる逐次的な加工ではなく、全周に対していちどに加工できる方法を採用する。
なお、スピニング加工は、加工ローラの動きにより積極的に軸方向に材料を流動させる加工法であり、板厚減少が起こりやすい加工方法であるため、この際の予ひずみ付与手段としては適当でない。

0014

降伏強さ251MPa,引張強さ428MPa,伸び36%の機械的特性を有する板厚1.2mmのフェライト系ステンレス鋼板を素材として用い、プラズマ溶接により直径120mmとなるように造管した素管を被加工管とした。
まず、比較例として、前記のように製造した素管に対して、予ひずみ付与加工を施さずに図3に示した目標形状同軸スピニング加工を実施した。
また、実施例として、図4に示す予ひずみ付与加工を行ったのちに、比較例と同様に図3の目標形状に同軸スピニング加工を実施した。

0015

ここで、予ひずみ付与方法としては、図4に示すように、金型を用いて素管の全周に対して一様に縮径加工を行った。このとき、予ひずみ付与加工の対象長さは、予ひずみ付与加工なしで比較例の加工を行う場合に必要な被加工部長さが105mmであるため、この領域全体を含む長さとするために、この予ひずみ付与は、管端から115mmまでの部分を対象とした。予ひずみ付与加工のテーパ角は15°、縮径部の径はφ100mmとした。
図3に示すように、同軸型スピニング加工の目標形状は、テーパ角θを30°、縮径した平行部の直径(外径)を54mm(縮径率55%),平行部の目標長さを30mmとした。また、スピニング加工は、予ひずみ付与加工の有無に関わらず加工パス数は13パス、送り速度は3000mm/min一定とした。

0016

両者のスピニング加工後の板厚分布図5に示す。予ひずみを付与しないものは、局所的な板厚減少が最大で14%に及んでいるが、予ひずみを付与したものについては10%である。テーパ部における局所的な板厚分布が軽減されていることから、予ひずみ付与によるテーパ部の局所的な板厚減少の抑制効果が確認できる。

図面の簡単な説明

0017

スピニング加工を施した管端の形状を説明する図
加工部の板厚変化状況を説明する図
実施例に用いたスピニング加工による目標形状の図
実施例に用いた予ひずみ付与方法を説明する図
予ひずみ付与による局所的な板厚減少の抑制効果を説明する図

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