JP5339513B2 - スピニング加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のコンバーターケースやマフラーに用いられる鋼管などの金属製管体の管端などに縮径部を成形する方法に関する。

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の直管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（１ｃ）、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直管部（１ａ）から構成されている例を示す。
その成形方法としては、図２に見られるような、スピニング加工方法が用いられる場合が多くなっている。

そして、加工時のしわ抑制、加工部の板厚調整、あるいは加工内外面の寸法精度の向上を目的として、例えば図３に見られるように芯金を用いることも実施されている。
しかしながら、多パスで加工する際、芯金が有効に機能するのは最終パスのみであって、途中工程ではほとんど機能しない。また、芯金の保持のための治具が必要になるなどもあって、管端に縮径加工を施す際の芯金利用技術は、必ずしも現実的ではない。
したがって、管端に縮径を目的としたスピニング加工を施す際には、芯金を用いることなく、中空のままの管体にローラを押し付けて成形を行うことが多くなっている。

芯金を用いることなくスピニング加工を施す場合、正常に加工が行われるためには、ローラによる加工力に抗して管体本来の形状を保つ必要がある。
ところが、一方で、このような管体加工品においては、軽量化等を目的として管壁の薄肉化が要求されるようになっている。管体の直径と比して管壁が薄くなると管体の剛性が不足する。その結果、管体加工品の形状精度が低下する。また、スピニング加工を進行させるときに被加工管体が弾性的に撓んだり波打ったりすると、その変形部位にローラが衝突するためにスピニング加工を行った部位にしわが発生したり変形してスピニング加工を続行することができなくなる。すなわち、図４に見られるような不良品となってしまう。
このような形状精度の低下や加工の続行不能の現象は、被加工管体の肉厚が薄いほど、あるいは加工速度を速くするほど起こりやすくなる。

そこで、被加工管体の剛性不足による弾性変形を抑制して、しわや亀裂の発生を防止し、形状精度と加工速度を向上させるために、回転する金属製の管体の外周に加工ローラを押し付けて、成形型なしで前記管体を縮径するスピニング加工方法する際に、前記管体の内側に発泡樹脂からなる充填材を介在させ、前記加工ローラにより前記管体を前記充填材とともに縮径加工することが、特許文献１で提案されている。

特開２００６−３４６６９５号公報

上記特許文献１で提案された方法では、被加工管体の剛性不足に起因する弾性変形を抑制し、また、成形中の振動の発生やしわ・亀裂などの成形の失敗を防いで、形状精度や加工速度の向上を図ることができるという、それなりの効果が得られる。
しかしながら、被加工管体の内側に充填した発泡樹脂は、圧力が加わった場合、内部の気泡がつぶれて変形する。したがって外方への反発力は低下してしまって、被加工管体の剛性を補うには不十分である。すなわち、充填した発泡樹脂は、変形量が少ないときは被加工管体の変形に追従してそれなりに機能するが、変形量が多くなった場合には変形量に見合った反発力の発現は期待できない。

また、被加工管体の内側に充填された発泡樹脂は、管端の縮径加工にともなってその形状を管端形状に沿った形に変形されて充填された形態となっている。このため、管端開口部からの発泡樹脂の取り出しは容易ではなく、生産性が悪くなる。しかも、充填材として用いる発泡樹脂の再利用は全く不可能である。したがって、特許文献１で提案された発泡樹脂利用技術は結果的にコスト高となってしまう。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、金属製管体の管端などに縮径部を形成する際に、被加工管体の剛性不足による弾性変形を抑制して、しわや亀裂の発生を防止し、形状精度と加工速度の向上を図って生産性よくスピニング加工する方法を提供することを目的とする。

本発明のスピニング加工方法は、その目的を達成するため、被加工管体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体の半径方向に移動させつつ軸方向に往復動させることにより前記被加工管体を縮径するスピニング加工方法であって、前記被加工管体の縮径加工部の管内側に弾性を有する板状材からなる巻回体を芯金として挿入した状態で、前記加工ローラにより縮径加工することを特徴とする。
前記弾性を有する板状材としてばね鋼板を用いた巻回体を芯金として使用することが好ましい。

本発明のスピニング加工方法では、被加工管体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体の半径方向に移動させつつ軸方向に往復動させることにより前記被加工管体に縮径加工を施す際に、芯金としてばね鋼板などの弾性を有する板状材からなる巻回体を挿入している。ばね鋼板などからなる巻回体は径が可変な芯金となるため、多パスで縮径加工を施す際、全段階において芯金として有効に機能する。しかも被加工管体が薄肉材であっても、被加工管体の剛性不足に起因する弾性変形を抑制することができる。また、成形中の振動の発生やしわ・亀裂などの成形の失敗を防ぎ、形状精度や加工速度の向上を図ることができる。さらに、加工後の芯金の除去が容易であるばかりでなく、芯金として巻回体を再利用できるため、生産性よくスピニング加工を行うことができる。

排気ガス浄化用触媒（コンバーター）のケースの形状を説明する概略図 スピニング加工法を説明する模式図 芯金を用いたスピニング加工方法を説明する図 スピニング加工時に発生しやすい不具合を説明する図 本発明で用いる径可変芯金としてのばね鋼板巻回体を説明する図 本発明のスピニング加工方法を説明する模式図 実施例の結果をまとめた図

本発明者等は、管端に縮径加工を施す際に芯金として発泡樹脂を用いる特許文献１の技術の問題点を再検討し、径が細くなった時点でも外方に対した強い反発力を発現するとともに、再利用可能な芯金について検討を重ねた。
その過程で、ばね鋼板などの弾性を有する板状材からなる筒状巻回体が芯金として使用し得ることを見出した。
以下にその詳細を、芯金としてばね鋼板からなる巻回体を使用する態様で説明する。

本発明のスピニング加工方法で芯金として用いるばね鋼板の巻回体は、図５に示すような、通常の薄板ばね鋼板を、一ないし数重巻きにした筒状のものである。少なくとも、内側の板端が外側の板の内壁に重なっていることが必要である。径が細くなるにしたがって外側の板内壁に沿って摺動しやすいように、図５に見られるように、内側の板端は、内側に折り曲げられていることが好ましい。

ばね鋼板の巻回体は、巻き数が多くなるほど、縮径されたときの反発力は大きくなる。コイルばねと同じである。縮径加工終了後の増大した反発力に抗して巻回体を取り出すことになるので、多大な巻き数の巻回体は必要ではない。ばね鋼板の特性にもよるが、一ないし二重巻きで十分である。
巻回体の筒の長さは、施そうとする縮径部の長さを僅かに上回る程度とすれば足りる。

次に、上記のようなばね鋼板の巻回体を用いてスピニング加工を行う方法について詳しく説明する。
図６は、本発明のスピニング加工方法により管端に縮径加工を施す際の模式図である。まず、図６（ａ）に示すように、被加工管端にばね鋼板の巻回体を挿入する。このとき、巻回体はその外方への反発力に抗する力で径が細くされた状態で挿入されるが、反発力に抗する力を取り除いた後は、ばね鋼板の巻回体は被加工管体の内径に合致するまで径が太くなって被加工管体の内側から当該被加工管体の内壁を外方に押圧する形態で内側に保持される。

この状態で、図２，３に見られると同様に、加工ローラにより管端に縮径加工が施される（図６の（ｂ）参照）。この際、前記した通り、ばね鋼板の巻回体は、その反発力により管端内壁に押圧される形態で保持されているので、別途当該ばね鋼板の巻回体を保持・支持する必要はない。管端の縮径加工に伴って巻回体の径は縮径され、その反発力は加工に伴って増大する。
なお、スピニング加工を行うに際し、図２，３は被加工管体を固定し、加工ローラを公転させる態様を示しているが、被加工管体を回転させる態様であってもよい。

ばね鋼板の巻回体からなる芯金の外方への押圧力は、被加工管体の剛性を補うことになるが、この押圧力は縮径加工が進行するに伴って増大するため、被加工管体の肉厚が薄いものであっても、被加工管体自身の剛性不足に起因する弾性変形を抑制することができる。
管端に縮径加工を施す際、被加工部位において材料拘束がないと割れが発生しやすいが、芯金を当てると、殊に本発明のように押圧力を付して芯金を当てると被加工部位の材料拘束の効果はより大きくなり、加工時の割れ発生を防ぐことができるばかりでなく、形状精度や加工速度の向上を図ることができる。

加工終了後、芯金としたばね鋼板の巻回体を取り出す。
加工に伴ってばね鋼板の巻回体の径は細くなり外方に対する反発力はより大きくなっている。このため増大した反発力以上の力を付加してさらに巻回体の径を細くして抜き取る必要がある。増大した反発力以上の力を必要とする以外に、抜き取りに困難な点はない。
抜き取ったばね鋼板の巻回体は、最初の形状に復元するので再び管体の縮径加工に芯金として用いることができる。したがって生産コストを低く抑えることが可能になる。

通常、管端に施すスピニング加工としては、管端部を真円形状のまま縮径加工する場合が多い。本発明方法は、このような通常の真円縮径加工に採用されるが、管端に形成される縮径部が真円形状ではなく、僅かにことなる長径と短径を有する楕円形状への縮径加工にも適用できる。
すなわち、薄板のばね鋼板巻回体は、成形される管体の内部壁形状に沿って変形されるので、断面が角形状でない限り管端加工形状に沿って変形される。このため、異なった長径と短径を有する楕円形状への縮径加工にも何ら問題なく適用できる。
なお、上記説明では、被加工管体の管端に縮径加工をおこなう態様を説明したが、管端以外の部位（例えば、被加工管体長手方向の中央部など）にも本発明が適用できることはいうまでもない。

供試材として、外径１５０ｍｍのフェライト系ステンレス鋼電縫管を用いた。この際、素材板厚として０.８ｍｍ、１.０５ｍｍおよび１.２ｍｍの３種類の鋼管を用いた。
芯金として、板厚０.５ｍｍのばね用冷間圧延鋼板（ＪＩＳＧ４８０２，Ｓ５５Ｃ−ＣＳＰＢ）を素材とした、直径１５０ｍｍ、幅１００ｍｍの一重巻き巻回体を用いた。
前記３種類の被加工鋼管の管端に前記ばね鋼板巻回体を挿入し、加工ローラを回転数６００ｒｐｍで回転しつつ被加工鋼管に当て送り速度６０００ｍｍ／分、パス数１１で管端外径が９０ｍｍになるまで、縮径率６０％で縮径加工した。

素材鋼管の板厚が０.８ｍｍの場合、芯金を用いても用いなくても縮径率６０％まで縮径する前に、しわが発生して加工を続けることができなかったが、図７に示すように、芯金を用いなかった場合は加工初期でしわが発生したのに対して、芯金を用いた場合は加工後期にてしわが発生した。
また、素材鋼管の板厚が１.２ｍｍの場合、芯金を用いても用いなくても縮径率６０％まで縮径加工することができた。
これに対して、素材鋼管の板厚が１.０５ｍｍの場合、本発明にしたがってばね鋼板巻回体を芯金とすると６０％までの縮径率で縮径加工ができたが、ばね鋼板巻回体を用いないと６０％の縮径率の縮径加工はできなかった（図７参照）。
この結果をまとめると表１に示す通りである。芯金としてのばね鋼板巻回体の有用性が理解できる。
なお、芯金となる弾性を有する板状材からなる巻回体については、スピニング加工時に被加工管体の剛性不足に起因する弾性変形を抑制できるものであれば、ばね鋼板以外のものでも適用できることはいうまでもない。

Claims (2)

1. 被加工管体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体の半径方向に移動させつつ軸方向に往復動させることにより前記被加工管体を縮径するスピニング加工方法であって、前記被加工管体の縮径加工部の管内側に弾性を有する板状材からなる巻回体を芯金として挿入した状態で、前記加工ローラにより縮径加工することを特徴とするスピニング加工方法。
2. 前記巻回体がばね鋼板からなることを特徴とする請求項１記載のスピニング加工方法。