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技術 金属管内周面溝形成方法および金属管

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 野畑安浩
出願日 2007年10月4日 (11年9ヶ月経過) 出願番号 2007-260921
公開日 2009年4月30日 (10年2ヶ月経過) 公開番号 2009-090301
状態 未査定
技術分野 溝・フランジの加工および板・棒等への特殊な曲げ
主要キーワード レーザ焼き入れ 金属管内周面 ビード溶接 外径比 縮管加工 バフ加工 非照射部位 端面方向
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(2009年4月30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

金属管、特に内径の小さい金属管や外形が曲がっている金属管の内周面に容易に溝を形成する方法、内周面に溝が形成されるとともに内径が小さい金属管および内周面に溝が形成されるとともに外形が曲がっている金属管を提供する。

解決手段

硬度部形成工程S1100において原料金属管10に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部13を形成し、厚肉化加工工程S1200において原料金属管10に厚肉化加工を施すことにより、内周面22に溝24が形成された金属管20を得る。

概要

背景

従来、金属管内周面に溝を形成する方法としては、(1)金属管の内部空間に切削刃を挿入して機械加工する方法、(2)金属管の内部空間に電極を挿入して放電加工する方法、(3)金属板に機械加工または放電加工により予め溝を形成し、その後金属板を曲げ加工して両端をビード溶接することにより金属管を形成する方法、が知られている。

しかし、上記(1)および(2)の方法は、切削刃や電極を溝を形成する予定部分以外の部分に接触させることなく金属管の内部に挿入し、かつ溝の形成に伴い発生する切削屑等を排出するためには金属管の内径をある程度大きく設定しなければならず、内径が小さい金属管に適用することが困難であるという問題を有する。
また、(1)および(2)の方法は、金属管がストレートでなく中途部で曲がっている場合には溝の形成が困難であるという問題を有する。

上記(3)の方法は、予め溝を形成した金属板を曲げ溶接することにより金属管とすることから、上記(1)および(2)の問題点を解消することが可能であるという利点を有する。
しかし、上記(3)の方法は、ビード溶接後に溶接された部分(ビード溶接部)と溝が形成された部分(溝形成部)との相対的な位置を変更あるいは修正することが実質的に不可能であることから、ビード溶接部と溝形成部との間で高い位置精度が要求される場合には作業性が良くない(製造歩留まりが低下する)という問題を有する。

また、上記(1)、(2)および(3)の方法は、いずれも溝を形成する時に出発材となる金属管から切削屑が発生し、材料のロスが発生するという問題を有する。

上記(1)乃至(3)の方法の他、金属管の内周面ではないものの金属材料からなる部材の表面に微小凹凸を形成する方法として、特許文献1に記載の技術が知られている。
特許文献1に記載の技術は、金属材料からなる部材の表面にレーザ照射してレーザ焼き入れを施すことにより、レーザの照射部位非照射部位との間に硬度の差を生じさせ、次いで金属材料からなる部材の表面を所定量削除して平滑な面を形成し、続いて当該平滑な面にバフ加工を施すことにより金属材料からなる部材の表面に微小な凹凸を形成するものである。

しかし、特許文献1に記載の技術は、レーザの照射部位が膨出して凸部となることから、凹部を積極的に形成することが出来ないという問題を有する。
特許第3880009号公報

概要

金属管、特に内径の小さい金属管や外形が曲がっている金属管の内周面に容易に溝を形成する方法、内周面に溝が形成されるとともに内径が小さい金属管および内周面に溝が形成されるとともに外形が曲がっている金属管を提供する。高硬度部形成工程S1100において原料金属管10に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部13を形成し、厚肉化加工工程S1200において原料金属管10に厚肉化加工を施すことにより、内周面22に溝24が形成された金属管20を得る。

目的

本発明は以上の如き状況に鑑み、金属管、特に内径が小さい金属管あるいは外形が曲がっている金属管の内周面に容易に溝を形成する方法、内周面に溝が形成されるとともに内径が小さい金属管、および内周面に溝が形成されるとともに外形が曲がっている金属管を提供するものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

原料金属管に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部を形成する高硬度部形成工程と、前記高硬度部形成工程において高硬度部が形成された原料金属管に厚肉化加工を施すことにより内周面に溝が形成された金属管を得る厚肉化加工工程と、を具備する金属管内周面溝形成方法

請求項2

前記高硬度部形成工程において、前記原料金属管の外周面レーザ走査しつつ照射する請求項1に記載の金属管内周面溝形成方法。

請求項3

前記厚肉化加工は、スピニング加工または金型加工により行われる請求項1または請求項2に記載の金属管内周面溝形成方法。

請求項4

前記厚肉化加工工程により前記金属管の内周面に形成される溝の底部の硬度は、当該底部の周囲の硬度より高い請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の金属管内周面溝形成方法。

請求項5

原料金属管に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部を形成し、次いで前記原料金属管に厚肉化加工を施すことにより得られる、内周面に溝が形成された金属管。

請求項6

前記高硬度部は、前記原料金属管の外周面にレーザを走査しつつ照射することにより形成される請求項5に記載の金属管。

請求項7

前記厚肉化加工は、スピニング加工または金型加工により行われる請求項5または請求項6に記載の金属管。

請求項8

前記溝の底部の硬度は、当該底部の周囲の硬度より高い請求項5から請求項7までのいずれか一項に記載の金属管。

技術分野

0001

本発明は、金属管内周面に溝を形成する技術に関する。

背景技術

0002

従来、金属管の内周面に溝を形成する方法としては、(1)金属管の内部空間に切削刃を挿入して機械加工する方法、(2)金属管の内部空間に電極を挿入して放電加工する方法、(3)金属板に機械加工または放電加工により予め溝を形成し、その後金属板を曲げ加工して両端をビード溶接することにより金属管を形成する方法、が知られている。

0003

しかし、上記(1)および(2)の方法は、切削刃や電極を溝を形成する予定部分以外の部分に接触させることなく金属管の内部に挿入し、かつ溝の形成に伴い発生する切削屑等を排出するためには金属管の内径をある程度大きく設定しなければならず、内径が小さい金属管に適用することが困難であるという問題を有する。
また、(1)および(2)の方法は、金属管がストレートでなく中途部で曲がっている場合には溝の形成が困難であるという問題を有する。

0004

上記(3)の方法は、予め溝を形成した金属板を曲げ溶接することにより金属管とすることから、上記(1)および(2)の問題点を解消することが可能であるという利点を有する。
しかし、上記(3)の方法は、ビード溶接後に溶接された部分(ビード溶接部)と溝が形成された部分(溝形成部)との相対的な位置を変更あるいは修正することが実質的に不可能であることから、ビード溶接部と溝形成部との間で高い位置精度が要求される場合には作業性が良くない(製造歩留まりが低下する)という問題を有する。

0005

また、上記(1)、(2)および(3)の方法は、いずれも溝を形成する時に出発材となる金属管から切削屑が発生し、材料のロスが発生するという問題を有する。

0006

上記(1)乃至(3)の方法の他、金属管の内周面ではないものの金属材料からなる部材の表面に微小凹凸を形成する方法として、特許文献1に記載の技術が知られている。
特許文献1に記載の技術は、金属材料からなる部材の表面にレーザ照射してレーザ焼き入れを施すことにより、レーザの照射部位非照射部位との間に硬度の差を生じさせ、次いで金属材料からなる部材の表面を所定量削除して平滑な面を形成し、続いて当該平滑な面にバフ加工を施すことにより金属材料からなる部材の表面に微小な凹凸を形成するものである。

0007

しかし、特許文献1に記載の技術は、レーザの照射部位が膨出して凸部となることから、凹部を積極的に形成することが出来ないという問題を有する。
特許第3880009号公報

発明が解決しようとする課題

0008

本発明は以上の如き状況に鑑み、金属管、特に内径が小さい金属管あるいは外形が曲がっている金属管の内周面に容易に溝を形成する方法、内周面に溝が形成されるとともに内径が小さい金属管、および内周面に溝が形成されるとともに外形が曲がっている金属管を提供するものである。

課題を解決するための手段

0009

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

0010

即ち、請求項1においては、
原料金属管に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部を形成する高硬度部形成工程と、
前記高硬度部形成工程において高硬度部が形成された原料金属管に厚肉化加工を施すことにより内周面に溝が形成された金属管を得る厚肉化加工工程と、
具備するものである。

0011

請求項2においては、
前記高硬度部形成工程において、
前記原料金属管の外周面にレーザを走査しつつ照射するものである。

0012

請求項3においては、
前記厚肉化加工は、
スピニング加工または金型加工により行われるものである。

0013

請求項4においては、
前記厚肉化加工工程により前記金属管の内周面に形成される溝の底部の硬度は、
当該底部の周囲の硬度より高いものである。

0014

請求項5においては、
原料金属管に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部を形成し、次いで前記原料金属管に厚肉化加工を施すことにより得られる、内周面に溝が形成されたものである。

0015

請求項6においては、
前記高硬度部は、
前記原料金属管の外周面にレーザを走査しつつ照射することにより形成されるものである。

0016

請求項7においては、
前記厚肉化加工は、スピニング加工または金型加工により行われるものである。

0017

請求項8においては、
前記溝の底部の硬度は、
当該底部の周囲の硬度より高いものである。

発明の効果

0018

本発明は、金属管、特に内径が小さい金属管あるいは外形が曲がっている金属管の内周面に容易に溝を形成することが可能である、という効果を奏する。

発明を実施するための最良の形態

0019

以下では、図1から図5を用いて本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態について説明する。
本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、原料金属管10を出発材とし、内周面22に溝24が形成された金属管20を得る方法である。
図1に示す如く、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、高硬度部形成工程S1100および厚肉化加工工程S1200を具備する。

0020

高硬度部形成工程S1100は本発明に係る高硬度部形成工程の実施の一形態であり、図2の(a)および(b)、図3、並びに図4に示す如く、原料金属管10に高硬度部13を形成する工程である。

0021

図2の(a)および図3に示す如く原料金属管10はステンレス鋼からなる円管状の部材である。
なお、本発明に係る原料金属管(ひいては、金属管)の材料はステンレス鋼に限定されず、何らかの方法で部分的に硬度を上昇することが可能であり、かつ塑性変形可能であれば他の金属材料(例えば、銅合金亜鉛合金等)でも良い。

0022

高硬度部13は原料金属管10のうち、周囲よりも硬度が高い部分である。本実施例の高硬度部13は原料金属管10の長手方向(軸線方向)に延びている。

0023

本実施例では原料金属管10の長手方向に延びた直線状の高硬度部13を形成したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、原料金属管に対して螺旋状に形成された高硬度部としても良く、原料金属管の周方向に延びて両端が繋がったリング状に形成された高硬度部としても良い。
本実施例の高硬度部13の数(本数)は一箇所(一本)であるが、本発明に係る高硬度部の数(本数)は一箇所(一本)に限定されず、複数箇所複数本)でも良い。
また、原料金属管に高硬度部を複数箇所(複数本)形成する場合、当該複数箇所(複数本)の高硬度部が互いに交差しても良い。

0024

高硬度部形成工程S1100において、原料金属管10の外周面11にYAG(Yttrium Alminum Garnet)レーザを走査しつつ照射する。

0025

原料金属管10の外周面11にYAGレーザを移動(走査)しつつ照射すると、YAGレーザが照射されている部分は外周面11から内周面12にわたって急加熱され、その後YAGレーザが移動して照射されなくなると急冷却される。
図2の(b)および図4に示す如く、YAGレーザの照射により急加熱および急冷却された部分の金属組織微細化し、当該部分の硬度(ビッカース硬度)はYAGレーザが照射される前よりも上昇する。このように、YAGレーザの照射により急加熱および急冷却された部分が高硬度部13となる。
高硬度部13の硬度は、原料金属管10においてYAGレーザが照射されなかった部分、すなわち高硬度部13の周囲の硬度よりも高くなる。

0026

高硬度部13の金属組織が急冷却により微細化する機構は原料金属管10を構成する金属材料の組成や原料金属管10の形状(厚み)等により異なる。当該微細化の機構としては、例えば鉄鋼材料におけるマルテンサイト変態ベイナイト変態オーステナイト粒界からの微細なフェライト析出介在物表面からの微細なフェライトの析出等が挙げられる。

0027

本実施例では原料金属管10の外周面11にYAGレーザが照射される構成としたが、本発明はこれに限定されず、溝形成予定部を急加熱可能であれば溝形成予定部に沿って他の種類のレーザ(例えば、ルビーレーザCO2レーザArレーザエキシマレーザ等)を照射しても良い。

0028

本実施例ではYAGレーザを原料金属管10の外周面11に照射することにより周囲よりも硬度が高い部分である高硬度部13を形成する構成としたが、本発明はこれに限定されず、他の方法(例えば、加工硬化、溶接等)を用いて高硬度部を形成しても良い。

0029

厚肉化加工工程S1200は本発明に係る厚肉化加工工程の実施の一形態であり、図2の(c)および図5に示す如く、高硬度部形成工程S1100において高硬度部13が形成された原料金属管10に厚肉化加工を施すことにより、内周面22に溝24が形成された金属管20を得る工程である。
ここで「厚肉化加工」は、原料金属管を塑性変形させて肉厚を増大させる(外径と内径との差を大きくする)加工を指す。
厚肉化加工の態様としては、(a)原料金属管の外周面に原料金属管の半径方向の応力を付与することにより原料金属管の外径を小さくする加工である縮管加工、(b)原料金属管の端面に原料金属管の軸線方向(長手方向)の応力を付与することにより原料金属管の軸線方向(長手方向)の長さを短くする加工である軸圧縮加工、あるいは上記(a)および(b)を組み合わせた加工等が挙げられる。
なお、軸圧縮加工を行う場合は原料金属管が座屈することを防止するために原料金属管の内部に芯材を配置することが望ましい。

0030

厚肉化加工は、具体的にはスピニング加工(原料金属管を回転させつつ外周面にローラを押し当てることにより塑性変形させる加工)または金型加工(原料金属管を金型キャビティに収容し、当該金型を閉めることにより塑性変形させる加工)により行われる。

0031

金属管20における高硬度部23は、原料金属管10における高硬度部13に対応する部分(厚肉化加工前には高硬度部13であった部分)である。
金属管20の肉厚と原料金属管10の肉厚とを比較すると、高硬度部13と高硬度部23とでは肉厚の差がほとんど無い(厚肉化加工により高硬度部13が高硬度部23となる過程で高硬度部13の肉厚はほとんど増大しない)のに対して、それ以外の部分については肉厚が大きく増大している。
これは、原料金属管10における高硬度部13の硬度がその周囲の硬度よりも高くなっているため、厚肉化加工が施されても高硬度部13を構成する金属材料の流動がその周囲よりも小さいことによる。
その結果、図2の(b)および(c)、図4並びに図5に示す如く、原料金属管10の内周面12において高硬度部13との境界部分を構成する金属材料が高硬度部13に向かって巻き込むように流動し、金属管20の内周面22のうち高硬度部23はその周囲の内周面22よりも一段低くなる。
このように、原料金属管10に厚肉化加工が施されると、その結果として得られる金属管20の内周面22のうち高硬度部23に対応する部分に溝24が形成されることとなる。また、溝24の底部24aの硬度は、高硬度部23の周囲の部分の硬度よりも高い。

0032

高硬度部形成工程S1100および厚肉化加工工程S1200を経て内周面22に溝24が形成された金属管20は、本発明に係る金属管の実施の実施の一形態である。

0033

厚肉化加工工程S1200における厚肉化加工前の原料金属管10と厚肉化加工後の金属管20との外径比縮径率)、厚肉化加工前の原料金属管10の肉厚、原料金属管10を構成する金属材料の種類、高硬度部23とその周囲との硬度差、高硬度部23の幅等を選択することにより、厚肉化加工工程S1200により得られる金属管20の内周面22に形成される溝24の深さおよび溝24の幅を適宜選択することが可能である。

0034

以上の如く、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、
原料金属管10に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部13を形成する高硬度部形成工程S1100と、
高硬度部形成工程S1100において高硬度部13が形成された原料金属管10に厚肉化加工を施すことにより内周面22に溝24が形成された金属管20を得る厚肉化加工工程S1200と、
を具備する。
このように構成することにより、金属管20の内周面22に容易に溝24を形成することが可能である。また、溝の形成の際に切削や放電加工を伴わないので、加工コストを削減容易であるとともに材料歩留まりが良い(切り屑が発生しない)。

0035

また、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、
高硬度部形成工程S1100において、
原料金属管10の外周面11にYAGレーザを走査しつつ照射する。
このように構成することにより、金属管20の内径が小さい、あるいは金属管20が真っ直ぐでなく曲がっている等の理由により金属管20の内部に切削刃や電極を挿入して溝を形成することが不可能な場合でも、金属管20の内周面22に溝24を形成することが可能である。
また、原料金属管10の外部からYAGレーザを照射するので原料金属管10の任意の位置に高い位置精度をもって高硬度部13を形成する(ひいては、溝24を形成する)ことが可能であるとともに、複雑な形状の高硬度部13を容易に形成する(ひいては、複雑な形状の溝24を容易に形成する)ことが可能である。

0036

また、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態における厚肉化加工工程S1200は、スピニング加工または金型加工により行われる。
このように構成することにより、原料金属管10に容易に厚肉化加工を施すことが可能である。

0037

また、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、
厚肉化加工工程S1200により金属管20の内周面22に形成される溝24の底部24aの硬度はその周囲の硬度より高い。
このように形成することにより、更に厚肉化加工を施せば溝24を更に深くすることが可能であり、所望の溝24の深さを得ることが可能である。

0038

以上の如く、金属管20は、
原料金属管10に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部13を形成し、次いで原料金属管10に厚肉化加工を施すことにより得られる、内周面22に溝24が形成されたものである。
このように構成することにより、金属管20の内周面22に容易に溝24を形成することが可能である。また、溝24の形成の際に切削や放電加工を伴わないので、加工コストを削減容易であるとともに材料歩留まりが良い(切り屑が発生しない)。

0039

また、金属管20の出発材である原料金属管10に形成される高硬度部13は、
原料金属管10の外周面11にYAGレーザを走査しつつ照射することにより形成されるものである。
このように構成することにより、金属管20の内径が小さい、あるいは金属管20が真っ直ぐでなく曲がっている等の理由により金属管20の内部に切削刃や電極を挿入して溝を形成することが不可能な場合でも、金属管20の内周面22に溝24を形成することが可能である。
また、原料金属管10の外部からYAGレーザを照射するので原料金属管10の任意の位置に高い位置精度をもって高硬度部13を形成する(ひいては、溝24を形成する)ことが可能であるとともに、複雑な形状の高硬度部13を容易に形成する(ひいては、複雑な形状の溝24を容易に形成する)ことが可能である。

0040

また、金属管20の出発材である原料金属管10に施される厚肉化加工は、
スピニング加工または金型加工により行われるものである。
このように構成することにより、原料金属管10に容易に厚肉化加工を施すことが可能である。

0041

また、金属管20の内周面22に形成される溝24の底部24aの硬度は、溝24の周囲の硬度より高い。
このように形成することにより、更に厚肉化加工を施せば溝24を更に深くすることが可能であり、所望の溝24の深さを得ることが可能である。

0042

以下では、フェライト系ステンレス鋼からなる板厚1.5mmの板材を曲げ加工して両端をプラズマ溶接することにより得られる直径140mmの原料金属管にスピニング加工を施して触媒コンバータ素管を製造する場合について説明する。
上記板材をプラズマ溶接して得られる原料金属管は、その溶接部位が高硬度部となる。すなわち、板材を曲げ加工して両端をプラズマ溶接した時点で高硬度部形成工程が終了していることとなる。
上記原料金属管の高硬度部のビッカース硬度は、周囲のビッカース硬度(150Hv程度)よりも30〜50Hv高い。
上記原料金属管にスピニング加工を施して原料金属管の外径を小さくする(縮管する)と、溶接部位は2.2mmまでしか肉厚が増大しないのに対して、その他の部位は3.2mmまで肉厚が増大する。そして、更にスピニング加工を施して原料金属管の外径を小さくすると、原料金属管の内周面のうち溶接部位との境界部分が溶接部位に向かって巻き込むように流動し、溝が形成される。

図面の簡単な説明

0043

本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態を示すフロー図。
端面方向から見た原料金属管および金属管を示す図。
高硬度部形成工程前の原料金属管を示す斜視図。
高硬度部形成工程後の原料金属管を示す斜視図。
厚肉化加工工程後に得られる金属管を示す斜視図。

符号の説明

0044

10原料金属管
11外周面
12内周面
13 高硬度部
20金属管
22 内周面
24 溝
24a 底部

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