JP2004154820A - 管部材の拡径方法及び拡径装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】管部材が薄肉であっても、少なくとも軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径する。
【解決手段】拡径工具（ドローバー３２及び複数のコレット３３等）を管部材Ｗ内に収容する。管部材Ｗの内面に各コレット３３を押接した状態で、管部材と拡径工具の少なくとも一方を、管部材の軸（管軸）を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、管部材と拡径工具の少なくとも一方を管軸に沿って相対的に移動させ、各コレット３３を放射方向に振動させながら駆動し、管部材Ｗを軸方向の所定範囲に亘って所定の径に拡径する。
【選択図】 図３
【解決手段】拡径工具（ドローバー３２及び複数のコレット３３等）を管部材Ｗ内に収容する。管部材Ｗの内面に各コレット３３を押接した状態で、管部材と拡径工具の少なくとも一方を、管部材の軸（管軸）を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、管部材と拡径工具の少なくとも一方を管軸に沿って相対的に移動させ、各コレット３３を放射方向に振動させながら駆動し、管部材Ｗを軸方向の所定範囲に亘って所定の径に拡径する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径する管部材の拡径方法及び装置に関し、例えば、自動車用排気系部品の容器の製造に好適な管部材の拡径方法及び装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
管部材の拡径方法及び装置に関しては、従来から、鋼管の拡管及び断面修正（特に、真円化）を目的として種々の方法及び装置が提案されており、例えば、下記の特許文献１（特開平８−３０００６９）及び特許文献２（特開昭５２−３９５６６）に開示されている。
【０００３】
特許文献１（特開平８−３０００６９）には、「金属管の拡管方法において、略円筒状に配置され管軸方向に対して平行な拡管用工具要素により１回目の拡管を行った後、前記拡管用工具要素を円周方向に所定の角度回転させて２回目の拡管を行うことを特徴とする金属管の拡管方法」が開示されている。そして、「略工具要素の管軸方向長さ分の距離だけ鋼管を移動させ、順次拡管を行えば、鋼管内面の全範囲に工具要素が当たる様にすることができる」旨記載されている。
【０００４】
また、特許文献２（特開昭５２−３９５６６）には、「螺旋状の溶接継目部を有するパイプと共に放射状に拡張可能でかつダイスヘッドの表面に螺旋状溝を有するダイスヘッド装置上でパイプを移動させ、前記螺旋状溝は前記ダイスヘッド装置と当接する前記パイプの螺旋状の溶接継目部と一致するよう設けられ、前記パイプ内のダイスヘッド装置を拡張し前記パイプを次第に進めかつ回転して、前記パイプの全長に沿って拡張し、前記の螺旋状の溶接継目部がダイスヘッド装置の螺旋状溝と実質的に一致するよう保持されるパイプの拡張方法および装置」が開示されている。これらの特許文献１及び２に記載の技術は、厚板かつ長大な鋼管に対して拡管及び断面修正（真円化）を行うものである。
【０００５】
一方、薄肉管を拡径する加工法に関し、特許文献３（特許第２７９９１０６）には、「筒状、棒状等の材料と加工目的形状の型部を有する金型を同一中心線上に各中心線を一致させて設置し、該材料、金型の一方または双方に高速微振動と回転を与えながら、材料と金型を中心線方向に加圧接触して、材料を目的形状に絞りまたは拡張成形加工するようにした、材料の絞り、拡張成形加工法」が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３０００６９号公報
【特許文献２】
特開昭５２−３９５６６号公報
【特許文献３】
特許第２７９９１０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近時のマフラー、触媒コンバータ等の自動車用排気系部品においては、軽量化と低コスト化に鑑み、金属製の容器（ケーシング）の板厚を薄く形成すると共に、端部にネッキング部を一体的に形成する構造が主流となりつつある。特に、素管の所定範囲を所定の径まで拡径して容器の胴部を形成し、素管のまま残された両端部に対し、スピニング加工等によってネッキング加工を施すことが要求されている。即ち、ネッキング加工対象の両端部を除く素管の全長に亘って、所定の径まで適切に拡径加工を行う技術が要請されている。
【０００８】
この場合において、従来の拡径方法においては、薄肉（例えば、厚さが１．０ｍｍ前後のＳＵＳ材）の管が拡径加工によって更に薄肉化（厚さが１．０ｍｍ以下）されるので、塑性加工上の限界に達していた。例えば、拡径加工の指標を「厚さ／直径（ｔ／Ｄ）」で表すと、直径１２０ｍｍの場合で、指標は０．０１から０．００６７となっている。
【０００９】
特に、割型式（コレット式）の所謂メカニカルエキスパンダによって一挙に拡径する方法が一般的であるが、この方法によると、拡径範囲が一挙に薄肉化されるので、加工対象が薄肉である場合には亀裂や座屈を生ずるおそれもあり、拡径範囲が長大になると、例えば自動車用排気系部品として必要な、軸方向長さで数十ｃｍ以上の拡径範囲となると、そのおそれが一層大きくなる。また、慎重に拡径加工を行うことにより不具合を発生することなく拡径できたとしても、コレットによって通常の方法で圧縮される以上、多角形断面となることは不回避であり、真円の断面形状を確保することはできない。
【００１０】
このように、薄板の金属製筒状部材（薄肉管）を長い範囲に亘って任意の径の真円となるまで拡径し得る方法及び装置の実現が要請されている。特に自動車用排気系部品においては、その外筒（管部材）を薄肉材で形成し、その両端部（ネッキング部）を除く胴部全体に亘って、均一に拡径することが強く要請されている。
【００１１】
前掲の特許文献１（特開平８−３０００６９）は、素材鋼管に対し軸方向長さ（幅）が短いエキスパンダを挿入し、初期位置で拡径加工を行い、エキスパンダを閉じた後に、若干回転（割出）させて再度拡径加工を行って真円化し、次工程においてエキスパンダを軸方向へ移動させて同様の拡径工程を繰り返すというものである。しかし、この方法が適用される管は肉厚７ｍｍ以上の鋼管であり、仮に前述の指標（ｔ／Ｄ）が自動車用排気系部品の指標に近い値であっても、拡径塑性加工における限界は異なる。即ち、初期位置で鋼管を拡径すると、エキスパンダ両側にはテーパ部が形成され、次工程においてこのテーパ部は再度塑性加工を受けて拡径部が形成されることになるが、薄肉部に対する複数回の拡径加工は素材の脆弱化を惹起することになる。また、エキスパンダ幅毎の割出を伴う逐次拡径加工は、加工時間の短縮化が困難であるので、自動車用排気系部品の量産工程としては実現性に乏しい。
【００１２】
これに対し、特許文献２（特開昭５２−３９５６６）においては、初期位置で拡径加工を行い、エキスパンダをそのまま（開いたまま）の状態で回転（割出）させつつ軸方向へ移動させることとしており、螺旋状拡径によって上記の真円化と加工時間の短縮に関する問題は改善できる。しかし、拡径時に進行方向への圧力（圧縮荷重）を加えることは、加工部での座屈を誘発するため、薄肉管への適用は困難である。このように、従来の厚板且つ長大な鋼管用の拡管及び断面修正技術は、薄肉管の拡径加工には適用できない。
【００１３】
一方、薄肉管を拡径する加工方法として、特許文献３（特許第２７９９１０６）に記載の方法があるが、これは管端のみに対する拡径加工であり、拡径用テーパ型を管端に挿入するにあたり、型に対し高速微振動と回転を与えながら管軸方向に加圧移動させることによって、管端から一定範囲に亘って螺旋状に拡径加工を行うものである。しかし、この方法はあくまでも管端を拡開する（押し拡げる）方法であるので、薄肉管に対し常に軸方向への圧縮荷重がかかり、また拡径部と型（の拡径部分）との摩擦とによって、拡径加工部（テーパ部）での座屈を誘発するおそれがある。しかも、型で定まる径までは拡径できるが、それ以上は不可能であり、任意の径への拡径加工を行う場合には型を交換しなければならない。当然乍ら、薄肉管の両端部（ネッキング部）を除いた胴部全体に亘る拡径（中央拡径）も不可能である。
【００１４】
更に、前述の、板材から形成された管部材の長手方向に延在する溶接部に関する問題も、薄肉管の加工では顕著となる。通常、薄肉金属管の拡径率は２０％程度であるが、溶接部の拡径率は５％前後と低い。このため、溶接部の拡径率が５％以下になるような設定が必要であった。例えば、前述のメカニカルエキスパンダにおいては、各コレット間の材料の伸び（拡径率）が大きく、コレット中央部分の材料の伸びが小さいため、コレットの周方向中央部分に溶接部が位置するように調整する割出管理が必要であり、しかも何回かに分けて少しずつ拡径加工を行う必要があった。その結果、工程の複雑化や加工効率の低下を招いていた。
【００１５】
そこで、本発明は、加工対象の管部材が薄肉であっても、少なくとも軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径し得る管部材の拡径方法を提供することを課題とする。
【００１６】
また、本発明は、加工対象の管部材が薄肉であっても、少なくとも軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径し得る管部材の拡径装置を提供することを別の課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の管部材の拡径方法は、請求項１に記載のように、加工対象の管部材の管軸に平行な複数の拡径部材を円筒状に並設すると共に、各々の拡径部材を管軸から放射方向に移動可能に支持して成る拡径工具を、前記管部材内に収容し、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、前記管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径することとしたものである。
【００１８】
また、請求項１に記載の拡径方法において、前記拡径工具は、請求項２に記載のように、円筒状に並設した前記複数の拡径部材と、前記複数の拡径部材内に摺動自在に収容する駆動部材を備え、該駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動するようにするとよい。例えば、前記駆動部材を、前記管軸に沿って振動させながら前記管部材に対し軸方向移動させ、前記複数の拡径部材を回転駆動して前記駆動部材を一体的に回転駆動することにより、前記拡径部材を放射方向に振動させると共に放射方向に駆動することができる。
【００１９】
更に、請求項１又は２に記載の拡径方法において、請求項３に記載のように、前記各々の拡径部材を、前記管部材の内面に押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材の所定範囲の軸方向距離を、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動する工程を複数回行い、前記管部材の軸方向の所定範囲に亘って拡径することとしてもよい。
【００２０】
そして、本発明の管部材の拡径装置は、請求項４に記載のように、加工対象の管部材の管軸に平行な複数の拡径部材を円筒状に並設すると共に、各々の拡径部材を管軸から放射方向に移動可能に支持して成る拡径工具と、該拡径工具を前記管部材内に収容し、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、前記管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径する駆動手段とを備えることとしたものである。
【００２１】
また、請求項４に記載の拡径装置において、請求項５に記載のように、前記拡径工具は、円筒状に並設した前記複数の拡径部材と、前記複数の拡径部材内に摺動自在に収容する駆動部材を備えたものとし、前記駆動手段は、前記駆動部材と前記各々の拡径部材を軸方向に相対的に駆動し、前記駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動するように構成してもよい。
【００２２】
更に、請求項４又は５に記載の拡径装置において、請求項６に記載のように、前記駆動手段は、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材の所定範囲の軸方向距離を、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動する工程を複数回行い、前記管部材の軸方向の所定範囲に亘って拡径するように構成してもよい。
【００２３】
また、請求項４、５又は６記載の拡径装置において、請求項７に記載のように、前記複数の拡径部材と前記駆動部材とを摩擦接触状態で支持して成り、前記駆動手段は、前記複数の拡径部材を回転駆動する回転駆動手段と、前記管部材に対し前記駆動部材を前記管軸に沿って相対的に移動させる軸方向駆動手段とを備え、該軸方向駆動手段によって前記駆動部材を前記管軸に沿って振動させながら、前記管部材に対し前記駆動部材を前記管軸に沿って相対的に移動させ、且つ、前記回転駆動手段によって前記複数の拡径部材を回転駆動して前記駆動部材を一体的に回転駆動し、前記拡径部材を放射方向に振動させると共に放射方向に駆動するように構成するとよい。
【００２４】
更に、請求項７に記載の拡径装置において、請求項８に記載のように、前記複数の拡径部材は、複数のコレットで構成し、前記駆動部材は、前記複数のコレット内に摺動自在に収容し、前記複数のコレットと摩擦接触するコーン形状部を有するドローバーを備えたものとし、該ドローバーのコーン形状部の外面が前記複数のコレットの内面に摩擦接触するように支持するとよい。
【００２５】
更に、請求項８に記載の拡径装置において、請求項９に記載のように、前記管部材の両端部の外周に夫々密着して把持する一対のクランプを備え、前記ドローバーの移動に応じて一方のクランプを他方のクランプに近接するように駆動するとよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の望ましい実施形態を説明する。先ず、本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置の全体構成について図１を参照して説明する。図１に示すように、筐体のベース１に、軸方向駆動手段１０、回転駆動手段２０、拡径工具３０及び保持手段４０が配設されている。軸方向駆動手段１０及び回転駆動手段２０は本発明の駆動手段を構成するもので、軸方向駆動手段１０は、先端部にコーン部３１（以下、単にコーン部３１という）を有し駆動部材を構成するドローバー３２を管軸（後述する管部材Ｗの軸で、図１の水平方向に延在する）に沿って振動させると共に、ドローバー３２を図１の水平方向に駆動し、管部材Ｗ（二点鎖線で示す）に対しドローバー３２を管軸に沿って相対的に移動させるように構成されている。
【００２７】
具体的には、ボールスクリュー１１が図１の水平方向に延在するようにベース１に支持されており、このボールスクリュー１１に螺合する回転シリンダ１２が、ベース１上に移動可能に支持されている。ボールスクリュー１１は、ベース１上に固定されたサーボモータ１３によってベルト１４を介して回転駆動されるように構成されている。回転シリンダ１２は、ドローバー３２を従動的に回転可能に支持すると共に、ドローバー３２を図１の水平方向に振動させるように構成されている。而して、回転シリンダ１２はドローバー３２を振動させ乍ら、ボールスクリュー１１の回転作動に応じて、その軸に沿って移動する。
【００２８】
また、ベース１上に固定された支持筐体２に、回転駆動手段２０としてモータ２１が固定されており、その回転力がＶベルト２２を介してチャック２３に伝達されるように構成されている。このチャック２３はドローバー３２を摺動自在に支持すると共に、カバー２４と共にコレット３３を放射方向に摺動自在に支持するもので、これらと共にドローバー３２の軸（管部材Ｗの管軸と同軸）回りを例えば図１のα方向に回転し得るように支持筐体２に支持されている。尚、軸方向駆動手段１０の回転シリンダ１２及びサーボモータ１３、回転駆動手段２０のモータ２１等はコントローラＣＴによって駆動制御される。
【００２９】
拡径工具３０は、管部材Ｗの管軸に平行な複数の拡径部材たるコレット３３が円筒状に並設されると共に、各コレット３３が管軸から放射方向に移動可能に支持されており、駆動部材を構成するドローバー３２のコーン部３１が、各コレット３３内に摺動自在に収容されている。各コレット３３は全てその後端が放射方向に屈曲されており、その屈曲部がカバー２４によって摺動自在に保持されている。これにより、各コレット３３は放射方向（径方向）に移動可能とされている。各コレット３３の内面はコーン部３１の外面（テーパ面）と摩擦接触されており、回転駆動手段２０によって各コレット３３が図１のα方向に回転駆動されると、コーン部３１を介して摩擦接触状態にあるドローバー３２が一体的に回転駆動される。このとき、ドローバー３２は従動的に回転するが、回転シリンダ１２によってドローバー３２が早い周期（具体例は後述する）で振動するように駆動されると共に、サーボモータ１３によってドローバー３２がボールスクリュー１１と平行に図１のβ又はγ方向に駆動される。
【００３０】
即ち、ドローバー３２が図１のγ方向（右方向）に駆動されると、各コレット３３が管部材Ｗの管軸から外側に向かって振動しながら移動し（開き）、拡径工程となる。逆に、ドローバー３２が図１のβ方向（左方向）に駆動されると、各コレット３３が管軸方向に振動しながら移動し（閉じ）、縮径工程となる。而して、各コレット３３は放射方向に振動すると共に放射方向に駆動される。尚、ドローバー３２の先端にはガイドバー３４が螺着され、同軸とされている。
【００３１】
一方、上記の拡径工具３０等に対向するように、保持手段４０が配置されている。即ち、図１の左側に、ボールスクリュー４１が水平方向に延在するように（ボールスクリュー１１と平行に）ベース１に支持されており、このボールスクリュー４１に螺合する移動ベース４２が、ベース１上に移動可能に支持されている。ボールスクリュー４１は、ベース１上に固定されたサーボモータ４３によってベルト４４を介して回転駆動されるように構成されている。而して、移動ベース４２は、ボールスクリュー４１の回転作動に応じて、その軸に沿って移動する。
【００３２】
移動ベース４２にはクランプ４５が固定されると共に、ボールスクリュー４１と平行にレール４９が固定されており、このレール４９上を移動可能にクランプ４６が配置されている。更に、クランプ４５と反対側に、クランプ４６と一体的に移動するホルダ４７が配置されている。これらクランプ４６及びホルダ４７は、移動ベース４２に固定されたシリンダ４８によって進退可能とされている。尚、このシリンダ４８は、サーボモータ４３、クランプ４６及びホルダ４７の開閉装置（図示せず）等と共にコントローラＣＴによって制御される。
【００３３】
ホルダ４７は、ドローバー３２を片持ち支持して加工する場合の軸ブレを防止するため、ガイドバー３４の軸方向への移動を許容し放射方向への移動（ブレ）を阻止するものである。尚、ホルダ４７は必須ではなく、管部材Ｗに対する加工時の支持状態に応じて適宜設けることとすればよい。
【００３４】
本実施形態のクランプ４５及び４６は管部材Ｗの両端部の外周に密着して把持するもので、レール４９に平行な面（例えば鉛直面）で二分割されており、この面を中心に開閉し得るように構成されているが、他のクランプ装置を用いることとしてもよい。これらのクランプ４５及び４６によって、図３に示すように管部材Ｗの両端が強固に保持されるが、管部材Ｗの溶接位置に対するクランプ時及び加工時の割出等の調整は必要ない。
【００３５】
尚、後述するように管部材Ｗの拡径加工を行うときに、シリンダ４８によってクランプ４６をクランプ４５に近接するように駆動すれば、管部材Ｗに対し軸方向の圧縮荷重が付加される。これにより、管部材Ｗに対する軸方向の塑性流動が促進され、拡径時の薄肉化を防止することができる。
【００３６】
而して、本実施形態によれば、拡径工具３０を管部材Ｗ内に収容するように両者を相対的に移動し、管部材Ｗの内面に各コレット３３を押接した状態で、管部材Ｗの軸（管軸）を中心に回転するように駆動すると共に、管部材Ｗに対して拡径工具３０を軸方向駆動して管軸に沿って移動させることによって、各コレット３３を放射方向に振動させながら駆動することができ、管部材Ｗを軸方向の少なくとも所定範囲に亘って所定の径に拡径することができる。以下、具体的な実施例として、内径１０２ｍｍの管部材Ｗのワークに対し、その中央部の所定範囲（軸方向距離Ｌ）に亘って、内径１２０ｍｍの拡径部を３パスで形成する場合の作動を説明する。尚、図示は省略するが、管部材Ｗの内面に各コレット３３を押接した状態で、拡径工具３０に対して管部材Ｗを回転駆動することによって、管軸を中心に相対的に回転するように構成してもよい。また、拡径加工中も、拡径工具３０に対して管部材Ｗを軸方向駆動することによって、管軸に沿って相対的に移動させるように構成してもよい。
【００３７】
先ず、クランプ４５及び４６によって管部材Ｗの両端部（非拡径部）が強固に保持される。そして、サーボモータ４３によって、これらが回転シリンダ１２方向（図１の右方）に駆動され、図２に示す開始位置で停止する。このとき、ドローバー３２のコーン部３１は、図２に示すように管部材Ｗ内の左側に配置されており、各コレット３３は相互に近接した状態（閉状態）にあって、管部材Ｗ内の加工開始位置に配置されている。この状態の管部材Ｗと各コレット３３等との関係を図３に拡大して示す。
【００３８】
図３の状態で、モータ２１によって、コレット３３が１００ｒｐｍで回転駆動されると共に、回転シリンダ１２によってドローバー３２が所定の周波数（３３Ｈｚ）で軸方向（β及びγ方向）に振動するように駆動される。即ち、ドローバー３２のコーン部３１と摩擦接触状態のコレット３３（及びドローバー３２）がα方向に１回転する間に、コレット３３が放射方向に１ｍｍのストローク（振幅）で２０回振動する周波数（３３Ｈｚ）に設定され、各コレット３３に対し３３Ｈｚ／ｍｍの微小振動が付与される。この場合において、各コレット３３を回転及び振動させながら、管部材Ｗ内に挿入し所定の開始位置に配置することとしてもよい。尚、図３ではコレット３３が管部材Ｗの内面に当接しているが、実際はコレット３３の振動の最大振幅時に、図３に示すように管部材Ｗの内面に当接もしくは近接するように配置され、管部材Ｗに対して拡径力が付与されないように配置される。
【００３９】
本実施形態の拡径工程では、３パス（往復１回＋片道１回）で半径９ｍｍの拡径が行われるので、１パス当たりでは半径３ｍｍの拡径となる。即ち、初期半径５１ｍｍから１パス目で半径５４ｍｍとなり、２パス目で半径５７ｍｍ、更に３パス目で目標半径６０ｍｍとなるように拡径される。図３乃至５では、理解を容易にするため拡径量を誇張して示しているが、先ず初期位置において、各コレット３３を振動及び回転させながらコレット３３の外径が１００ｍｍ（１０１ｍｍ−振幅）から１０７ｍｍとなるまでコレット３３を徐々に放射方向に移動させ（開き）、管部材Ｗに対し内径１０２ｍｍから内径１０８ｍｍへの拡径を達成すると、図４の状態となる。尚、管部材Ｗのスプリングバックが大きい場合には、コレット３３の外径が１０７ｍｍ以上となるまで移動させて（開いて）、スプリングバック（縮径）の結果として内径１０８ｍｍが得られるようにしてもよい。
【００４０】
初期位置で管部材Ｗの内径１０８ｍｍへの拡径が終了すると、そのまま各コレット３３を振動及び回転させながら、コレット３３の外径を維持した状態で、管軸に沿って軸方向距離Ｌ（図５に示す）だけ移動すると１パス目の拡径が終了する。次に、１パス目の終了位置においてコレット３３の外径が１０７ｍｍから１１３ｍｍへと拡大され、その状態で上記と同様の拡径加工が行われ、管部材Ｗの内径が１１４ｍｍとなると、２パス目の拡径が終了する。更に、コレット３３の外径が１１３ｍｍから１１９ｍｍへと拡大され、その状態で上記と同様の拡径加工が行われ、管部材Ｗの内径が目標の１２０ｍｍとなり軸方向長さＬに亘る拡径部が形成されると、３パス目の拡径が終了し、図５に示す状態となる。
【００４１】
これにより拡径が完了し、断面が略真円の拡径管Ｐが形成される。この後、コレット３３の回転及び振動が停止され、あるいは回転及び振動が維持された状態で、サーボモータ４３によって移動ベース４２が後退駆動され、拡径管Ｐがコレット３３から離脱する。尚、上記拡径工程における各パスの所要時間（即ち、移動時間）としては５秒前後が好適である。また、各パスにおける拡径率は５％以下が好ましい。
【００４２】
而して、拡径時の塑性流動が周方向及び軸方向へ円滑且つ均一に行われる。この結果、拡径加工の指標（ｔ／Ｄ）が０．０１以下で、拡径加工が困難な薄肉の管部材に対しても、２０％程度の（通常の板厚の管部材並の）拡径が可能となるばかりか、加工部の板厚も周方向及び軸方向ともに円滑且つ均一となる。
【００４３】
尚、上記の実施例は一例に過ぎず、各種の数値（パラメータ）は材質及び加工状態に応じて適宜設定すればよい。また、図１及び図２の装置に限定するものではなく、種々の構造を採用することができる。上記の実施例でも円滑且つ均一な板厚の拡径部を形成することができるが、更に高精度とする場合には、最終パスにおいて、拡径部の外側から拘束する外型を用いることとしてもよい。
【００４４】
また、上記の実施例では、管部材Ｗの両端部を残して中央部を拡径したが、全長に亘って拡径することとしてもよいし、一方の端部のみを残しその他の部分全てを拡径することとしてもよい。例えば、少なくとも一方の端部を非拡径部とし、そこから触媒担体及び保持部材を挿入（圧入）し、その後、少なくとも一方の端部に一体又は別体でネッキング部を形成することにより、触媒コンバータ、ＤＰＦ（ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ）等の浄化装置を構成することもできる。尚、最終製品としては、自動車の排気系部品に限らず、燃料電池用改質器等、種々の流体処理装置に適用することができる。
【００４５】
特に、本発明の拡径方法による高精度な拡径により、所謂「拡径サイジング」が可能となり、その後の圧入及び触媒担体の保持を、高精度で達成することができる。また、本発明の拡径方法は、拡径後に両端部の非拡径部に対してスピニング加工によってネッキング部を形成し、ＳＵＳ製の薄肉管によって自動車用消音器を形成するのに好適である。このとき、本発明の拡径方法によって２０％程度の拡径率を確保し、両端部のスピニング加工によって２０％程度の縮径率を確保することとすれば、見かけ上、４０％の拡径率（縮径率）を得たことになる。即ち、このような拡径率（縮径率）を、管素材に対する塑性加工のみによって達成できることになり、これによる効果は極めて大きい。尚、本発明は、円筒状の管素材に対し拡径加工を行う場合に限らず、一端部を加工した中間加工品の中央部を拡径する場合にも適用可能であるので、管部材としたものである。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、請求項１乃至３に記載の管部材の拡径方法においては、各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径することができるので、加工対象の管部材が薄肉であっても軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径することができる。
【００４７】
また、請求項４乃至６に記載の管部材の拡径装置においては、管部材の内面に各々の拡径部材を押接した状態で、駆動手段によって、各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径するように構成されているので、加工対象の管部材が薄肉であっても軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径することができる。
【００４８】
また、請求項７及び８に記載のように構成することとすれば、回転駆動手段及び軸方向駆動手段によって容易且つ適切に、各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動することができる。更に、請求項９に記載のように構成し、ドローバーの移動に応じて一方のクランプを他方のクランプに近接するように駆動すれば、管部材に対する軸方向の塑性流動が促進され、拡径時の塑性流動が周方向及び軸方向へ円滑且つ均一に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工開始状態を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工開始位置の管部材と拡径工具との関係を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工途中の管部材と拡径工具との関係を拡大して示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工完了後の管部材と拡径工具との関係を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１ ベース， １０ 軸方向駆動手段， １２ 回転シリンダ，
２０ 回転駆動手段， ２１ モータ， ２４ カバー，
３０ 拡径工具， ３１ コーン形状部， ３２ ドローバー，
３３ コレット， ４０ 保持手段， ４５，４６ クランプ，
Ｗ 管部材， ＣＴ コントローラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径する管部材の拡径方法及び装置に関し、例えば、自動車用排気系部品の容器の製造に好適な管部材の拡径方法及び装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
管部材の拡径方法及び装置に関しては、従来から、鋼管の拡管及び断面修正（特に、真円化）を目的として種々の方法及び装置が提案されており、例えば、下記の特許文献１（特開平８−３０００６９）及び特許文献２（特開昭５２−３９５６６）に開示されている。
【０００３】
特許文献１（特開平８−３０００６９）には、「金属管の拡管方法において、略円筒状に配置され管軸方向に対して平行な拡管用工具要素により１回目の拡管を行った後、前記拡管用工具要素を円周方向に所定の角度回転させて２回目の拡管を行うことを特徴とする金属管の拡管方法」が開示されている。そして、「略工具要素の管軸方向長さ分の距離だけ鋼管を移動させ、順次拡管を行えば、鋼管内面の全範囲に工具要素が当たる様にすることができる」旨記載されている。
【０００４】
また、特許文献２（特開昭５２−３９５６６）には、「螺旋状の溶接継目部を有するパイプと共に放射状に拡張可能でかつダイスヘッドの表面に螺旋状溝を有するダイスヘッド装置上でパイプを移動させ、前記螺旋状溝は前記ダイスヘッド装置と当接する前記パイプの螺旋状の溶接継目部と一致するよう設けられ、前記パイプ内のダイスヘッド装置を拡張し前記パイプを次第に進めかつ回転して、前記パイプの全長に沿って拡張し、前記の螺旋状の溶接継目部がダイスヘッド装置の螺旋状溝と実質的に一致するよう保持されるパイプの拡張方法および装置」が開示されている。これらの特許文献１及び２に記載の技術は、厚板かつ長大な鋼管に対して拡管及び断面修正（真円化）を行うものである。
【０００５】
一方、薄肉管を拡径する加工法に関し、特許文献３（特許第２７９９１０６）には、「筒状、棒状等の材料と加工目的形状の型部を有する金型を同一中心線上に各中心線を一致させて設置し、該材料、金型の一方または双方に高速微振動と回転を与えながら、材料と金型を中心線方向に加圧接触して、材料を目的形状に絞りまたは拡張成形加工するようにした、材料の絞り、拡張成形加工法」が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３０００６９号公報
【特許文献２】
特開昭５２−３９５６６号公報
【特許文献３】
特許第２７９９１０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近時のマフラー、触媒コンバータ等の自動車用排気系部品においては、軽量化と低コスト化に鑑み、金属製の容器（ケーシング）の板厚を薄く形成すると共に、端部にネッキング部を一体的に形成する構造が主流となりつつある。特に、素管の所定範囲を所定の径まで拡径して容器の胴部を形成し、素管のまま残された両端部に対し、スピニング加工等によってネッキング加工を施すことが要求されている。即ち、ネッキング加工対象の両端部を除く素管の全長に亘って、所定の径まで適切に拡径加工を行う技術が要請されている。
【０００８】
この場合において、従来の拡径方法においては、薄肉（例えば、厚さが１．０ｍｍ前後のＳＵＳ材）の管が拡径加工によって更に薄肉化（厚さが１．０ｍｍ以下）されるので、塑性加工上の限界に達していた。例えば、拡径加工の指標を「厚さ／直径（ｔ／Ｄ）」で表すと、直径１２０ｍｍの場合で、指標は０．０１から０．００６７となっている。
【０００９】
特に、割型式（コレット式）の所謂メカニカルエキスパンダによって一挙に拡径する方法が一般的であるが、この方法によると、拡径範囲が一挙に薄肉化されるので、加工対象が薄肉である場合には亀裂や座屈を生ずるおそれもあり、拡径範囲が長大になると、例えば自動車用排気系部品として必要な、軸方向長さで数十ｃｍ以上の拡径範囲となると、そのおそれが一層大きくなる。また、慎重に拡径加工を行うことにより不具合を発生することなく拡径できたとしても、コレットによって通常の方法で圧縮される以上、多角形断面となることは不回避であり、真円の断面形状を確保することはできない。
【００１０】
このように、薄板の金属製筒状部材（薄肉管）を長い範囲に亘って任意の径の真円となるまで拡径し得る方法及び装置の実現が要請されている。特に自動車用排気系部品においては、その外筒（管部材）を薄肉材で形成し、その両端部（ネッキング部）を除く胴部全体に亘って、均一に拡径することが強く要請されている。
【００１１】
前掲の特許文献１（特開平８−３０００６９）は、素材鋼管に対し軸方向長さ（幅）が短いエキスパンダを挿入し、初期位置で拡径加工を行い、エキスパンダを閉じた後に、若干回転（割出）させて再度拡径加工を行って真円化し、次工程においてエキスパンダを軸方向へ移動させて同様の拡径工程を繰り返すというものである。しかし、この方法が適用される管は肉厚７ｍｍ以上の鋼管であり、仮に前述の指標（ｔ／Ｄ）が自動車用排気系部品の指標に近い値であっても、拡径塑性加工における限界は異なる。即ち、初期位置で鋼管を拡径すると、エキスパンダ両側にはテーパ部が形成され、次工程においてこのテーパ部は再度塑性加工を受けて拡径部が形成されることになるが、薄肉部に対する複数回の拡径加工は素材の脆弱化を惹起することになる。また、エキスパンダ幅毎の割出を伴う逐次拡径加工は、加工時間の短縮化が困難であるので、自動車用排気系部品の量産工程としては実現性に乏しい。
【００１２】
これに対し、特許文献２（特開昭５２−３９５６６）においては、初期位置で拡径加工を行い、エキスパンダをそのまま（開いたまま）の状態で回転（割出）させつつ軸方向へ移動させることとしており、螺旋状拡径によって上記の真円化と加工時間の短縮に関する問題は改善できる。しかし、拡径時に進行方向への圧力（圧縮荷重）を加えることは、加工部での座屈を誘発するため、薄肉管への適用は困難である。このように、従来の厚板且つ長大な鋼管用の拡管及び断面修正技術は、薄肉管の拡径加工には適用できない。
【００１３】
一方、薄肉管を拡径する加工方法として、特許文献３（特許第２７９９１０６）に記載の方法があるが、これは管端のみに対する拡径加工であり、拡径用テーパ型を管端に挿入するにあたり、型に対し高速微振動と回転を与えながら管軸方向に加圧移動させることによって、管端から一定範囲に亘って螺旋状に拡径加工を行うものである。しかし、この方法はあくまでも管端を拡開する（押し拡げる）方法であるので、薄肉管に対し常に軸方向への圧縮荷重がかかり、また拡径部と型（の拡径部分）との摩擦とによって、拡径加工部（テーパ部）での座屈を誘発するおそれがある。しかも、型で定まる径までは拡径できるが、それ以上は不可能であり、任意の径への拡径加工を行う場合には型を交換しなければならない。当然乍ら、薄肉管の両端部（ネッキング部）を除いた胴部全体に亘る拡径（中央拡径）も不可能である。
【００１４】
更に、前述の、板材から形成された管部材の長手方向に延在する溶接部に関する問題も、薄肉管の加工では顕著となる。通常、薄肉金属管の拡径率は２０％程度であるが、溶接部の拡径率は５％前後と低い。このため、溶接部の拡径率が５％以下になるような設定が必要であった。例えば、前述のメカニカルエキスパンダにおいては、各コレット間の材料の伸び（拡径率）が大きく、コレット中央部分の材料の伸びが小さいため、コレットの周方向中央部分に溶接部が位置するように調整する割出管理が必要であり、しかも何回かに分けて少しずつ拡径加工を行う必要があった。その結果、工程の複雑化や加工効率の低下を招いていた。
【００１５】
そこで、本発明は、加工対象の管部材が薄肉であっても、少なくとも軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径し得る管部材の拡径方法を提供することを課題とする。
【００１６】
また、本発明は、加工対象の管部材が薄肉であっても、少なくとも軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径し得る管部材の拡径装置を提供することを別の課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の管部材の拡径方法は、請求項１に記載のように、加工対象の管部材の管軸に平行な複数の拡径部材を円筒状に並設すると共に、各々の拡径部材を管軸から放射方向に移動可能に支持して成る拡径工具を、前記管部材内に収容し、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、前記管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径することとしたものである。
【００１８】
また、請求項１に記載の拡径方法において、前記拡径工具は、請求項２に記載のように、円筒状に並設した前記複数の拡径部材と、前記複数の拡径部材内に摺動自在に収容する駆動部材を備え、該駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動するようにするとよい。例えば、前記駆動部材を、前記管軸に沿って振動させながら前記管部材に対し軸方向移動させ、前記複数の拡径部材を回転駆動して前記駆動部材を一体的に回転駆動することにより、前記拡径部材を放射方向に振動させると共に放射方向に駆動することができる。
【００１９】
更に、請求項１又は２に記載の拡径方法において、請求項３に記載のように、前記各々の拡径部材を、前記管部材の内面に押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材の所定範囲の軸方向距離を、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動する工程を複数回行い、前記管部材の軸方向の所定範囲に亘って拡径することとしてもよい。
【００２０】
そして、本発明の管部材の拡径装置は、請求項４に記載のように、加工対象の管部材の管軸に平行な複数の拡径部材を円筒状に並設すると共に、各々の拡径部材を管軸から放射方向に移動可能に支持して成る拡径工具と、該拡径工具を前記管部材内に収容し、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、前記管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径する駆動手段とを備えることとしたものである。
【００２１】
また、請求項４に記載の拡径装置において、請求項５に記載のように、前記拡径工具は、円筒状に並設した前記複数の拡径部材と、前記複数の拡径部材内に摺動自在に収容する駆動部材を備えたものとし、前記駆動手段は、前記駆動部材と前記各々の拡径部材を軸方向に相対的に駆動し、前記駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動するように構成してもよい。
【００２２】
更に、請求項４又は５に記載の拡径装置において、請求項６に記載のように、前記駆動手段は、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材の所定範囲の軸方向距離を、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動する工程を複数回行い、前記管部材の軸方向の所定範囲に亘って拡径するように構成してもよい。
【００２３】
また、請求項４、５又は６記載の拡径装置において、請求項７に記載のように、前記複数の拡径部材と前記駆動部材とを摩擦接触状態で支持して成り、前記駆動手段は、前記複数の拡径部材を回転駆動する回転駆動手段と、前記管部材に対し前記駆動部材を前記管軸に沿って相対的に移動させる軸方向駆動手段とを備え、該軸方向駆動手段によって前記駆動部材を前記管軸に沿って振動させながら、前記管部材に対し前記駆動部材を前記管軸に沿って相対的に移動させ、且つ、前記回転駆動手段によって前記複数の拡径部材を回転駆動して前記駆動部材を一体的に回転駆動し、前記拡径部材を放射方向に振動させると共に放射方向に駆動するように構成するとよい。
【００２４】
更に、請求項７に記載の拡径装置において、請求項８に記載のように、前記複数の拡径部材は、複数のコレットで構成し、前記駆動部材は、前記複数のコレット内に摺動自在に収容し、前記複数のコレットと摩擦接触するコーン形状部を有するドローバーを備えたものとし、該ドローバーのコーン形状部の外面が前記複数のコレットの内面に摩擦接触するように支持するとよい。
【００２５】
更に、請求項８に記載の拡径装置において、請求項９に記載のように、前記管部材の両端部の外周に夫々密着して把持する一対のクランプを備え、前記ドローバーの移動に応じて一方のクランプを他方のクランプに近接するように駆動するとよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の望ましい実施形態を説明する。先ず、本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置の全体構成について図１を参照して説明する。図１に示すように、筐体のベース１に、軸方向駆動手段１０、回転駆動手段２０、拡径工具３０及び保持手段４０が配設されている。軸方向駆動手段１０及び回転駆動手段２０は本発明の駆動手段を構成するもので、軸方向駆動手段１０は、先端部にコーン部３１（以下、単にコーン部３１という）を有し駆動部材を構成するドローバー３２を管軸（後述する管部材Ｗの軸で、図１の水平方向に延在する）に沿って振動させると共に、ドローバー３２を図１の水平方向に駆動し、管部材Ｗ（二点鎖線で示す）に対しドローバー３２を管軸に沿って相対的に移動させるように構成されている。
【００２７】
具体的には、ボールスクリュー１１が図１の水平方向に延在するようにベース１に支持されており、このボールスクリュー１１に螺合する回転シリンダ１２が、ベース１上に移動可能に支持されている。ボールスクリュー１１は、ベース１上に固定されたサーボモータ１３によってベルト１４を介して回転駆動されるように構成されている。回転シリンダ１２は、ドローバー３２を従動的に回転可能に支持すると共に、ドローバー３２を図１の水平方向に振動させるように構成されている。而して、回転シリンダ１２はドローバー３２を振動させ乍ら、ボールスクリュー１１の回転作動に応じて、その軸に沿って移動する。
【００２８】
また、ベース１上に固定された支持筐体２に、回転駆動手段２０としてモータ２１が固定されており、その回転力がＶベルト２２を介してチャック２３に伝達されるように構成されている。このチャック２３はドローバー３２を摺動自在に支持すると共に、カバー２４と共にコレット３３を放射方向に摺動自在に支持するもので、これらと共にドローバー３２の軸（管部材Ｗの管軸と同軸）回りを例えば図１のα方向に回転し得るように支持筐体２に支持されている。尚、軸方向駆動手段１０の回転シリンダ１２及びサーボモータ１３、回転駆動手段２０のモータ２１等はコントローラＣＴによって駆動制御される。
【００２９】
拡径工具３０は、管部材Ｗの管軸に平行な複数の拡径部材たるコレット３３が円筒状に並設されると共に、各コレット３３が管軸から放射方向に移動可能に支持されており、駆動部材を構成するドローバー３２のコーン部３１が、各コレット３３内に摺動自在に収容されている。各コレット３３は全てその後端が放射方向に屈曲されており、その屈曲部がカバー２４によって摺動自在に保持されている。これにより、各コレット３３は放射方向（径方向）に移動可能とされている。各コレット３３の内面はコーン部３１の外面（テーパ面）と摩擦接触されており、回転駆動手段２０によって各コレット３３が図１のα方向に回転駆動されると、コーン部３１を介して摩擦接触状態にあるドローバー３２が一体的に回転駆動される。このとき、ドローバー３２は従動的に回転するが、回転シリンダ１２によってドローバー３２が早い周期（具体例は後述する）で振動するように駆動されると共に、サーボモータ１３によってドローバー３２がボールスクリュー１１と平行に図１のβ又はγ方向に駆動される。
【００３０】
即ち、ドローバー３２が図１のγ方向（右方向）に駆動されると、各コレット３３が管部材Ｗの管軸から外側に向かって振動しながら移動し（開き）、拡径工程となる。逆に、ドローバー３２が図１のβ方向（左方向）に駆動されると、各コレット３３が管軸方向に振動しながら移動し（閉じ）、縮径工程となる。而して、各コレット３３は放射方向に振動すると共に放射方向に駆動される。尚、ドローバー３２の先端にはガイドバー３４が螺着され、同軸とされている。
【００３１】
一方、上記の拡径工具３０等に対向するように、保持手段４０が配置されている。即ち、図１の左側に、ボールスクリュー４１が水平方向に延在するように（ボールスクリュー１１と平行に）ベース１に支持されており、このボールスクリュー４１に螺合する移動ベース４２が、ベース１上に移動可能に支持されている。ボールスクリュー４１は、ベース１上に固定されたサーボモータ４３によってベルト４４を介して回転駆動されるように構成されている。而して、移動ベース４２は、ボールスクリュー４１の回転作動に応じて、その軸に沿って移動する。
【００３２】
移動ベース４２にはクランプ４５が固定されると共に、ボールスクリュー４１と平行にレール４９が固定されており、このレール４９上を移動可能にクランプ４６が配置されている。更に、クランプ４５と反対側に、クランプ４６と一体的に移動するホルダ４７が配置されている。これらクランプ４６及びホルダ４７は、移動ベース４２に固定されたシリンダ４８によって進退可能とされている。尚、このシリンダ４８は、サーボモータ４３、クランプ４６及びホルダ４７の開閉装置（図示せず）等と共にコントローラＣＴによって制御される。
【００３３】
ホルダ４７は、ドローバー３２を片持ち支持して加工する場合の軸ブレを防止するため、ガイドバー３４の軸方向への移動を許容し放射方向への移動（ブレ）を阻止するものである。尚、ホルダ４７は必須ではなく、管部材Ｗに対する加工時の支持状態に応じて適宜設けることとすればよい。
【００３４】
本実施形態のクランプ４５及び４６は管部材Ｗの両端部の外周に密着して把持するもので、レール４９に平行な面（例えば鉛直面）で二分割されており、この面を中心に開閉し得るように構成されているが、他のクランプ装置を用いることとしてもよい。これらのクランプ４５及び４６によって、図３に示すように管部材Ｗの両端が強固に保持されるが、管部材Ｗの溶接位置に対するクランプ時及び加工時の割出等の調整は必要ない。
【００３５】
尚、後述するように管部材Ｗの拡径加工を行うときに、シリンダ４８によってクランプ４６をクランプ４５に近接するように駆動すれば、管部材Ｗに対し軸方向の圧縮荷重が付加される。これにより、管部材Ｗに対する軸方向の塑性流動が促進され、拡径時の薄肉化を防止することができる。
【００３６】
而して、本実施形態によれば、拡径工具３０を管部材Ｗ内に収容するように両者を相対的に移動し、管部材Ｗの内面に各コレット３３を押接した状態で、管部材Ｗの軸（管軸）を中心に回転するように駆動すると共に、管部材Ｗに対して拡径工具３０を軸方向駆動して管軸に沿って移動させることによって、各コレット３３を放射方向に振動させながら駆動することができ、管部材Ｗを軸方向の少なくとも所定範囲に亘って所定の径に拡径することができる。以下、具体的な実施例として、内径１０２ｍｍの管部材Ｗのワークに対し、その中央部の所定範囲（軸方向距離Ｌ）に亘って、内径１２０ｍｍの拡径部を３パスで形成する場合の作動を説明する。尚、図示は省略するが、管部材Ｗの内面に各コレット３３を押接した状態で、拡径工具３０に対して管部材Ｗを回転駆動することによって、管軸を中心に相対的に回転するように構成してもよい。また、拡径加工中も、拡径工具３０に対して管部材Ｗを軸方向駆動することによって、管軸に沿って相対的に移動させるように構成してもよい。
【００３７】
先ず、クランプ４５及び４６によって管部材Ｗの両端部（非拡径部）が強固に保持される。そして、サーボモータ４３によって、これらが回転シリンダ１２方向（図１の右方）に駆動され、図２に示す開始位置で停止する。このとき、ドローバー３２のコーン部３１は、図２に示すように管部材Ｗ内の左側に配置されており、各コレット３３は相互に近接した状態（閉状態）にあって、管部材Ｗ内の加工開始位置に配置されている。この状態の管部材Ｗと各コレット３３等との関係を図３に拡大して示す。
【００３８】
図３の状態で、モータ２１によって、コレット３３が１００ｒｐｍで回転駆動されると共に、回転シリンダ１２によってドローバー３２が所定の周波数（３３Ｈｚ）で軸方向（β及びγ方向）に振動するように駆動される。即ち、ドローバー３２のコーン部３１と摩擦接触状態のコレット３３（及びドローバー３２）がα方向に１回転する間に、コレット３３が放射方向に１ｍｍのストローク（振幅）で２０回振動する周波数（３３Ｈｚ）に設定され、各コレット３３に対し３３Ｈｚ／ｍｍの微小振動が付与される。この場合において、各コレット３３を回転及び振動させながら、管部材Ｗ内に挿入し所定の開始位置に配置することとしてもよい。尚、図３ではコレット３３が管部材Ｗの内面に当接しているが、実際はコレット３３の振動の最大振幅時に、図３に示すように管部材Ｗの内面に当接もしくは近接するように配置され、管部材Ｗに対して拡径力が付与されないように配置される。
【００３９】
本実施形態の拡径工程では、３パス（往復１回＋片道１回）で半径９ｍｍの拡径が行われるので、１パス当たりでは半径３ｍｍの拡径となる。即ち、初期半径５１ｍｍから１パス目で半径５４ｍｍとなり、２パス目で半径５７ｍｍ、更に３パス目で目標半径６０ｍｍとなるように拡径される。図３乃至５では、理解を容易にするため拡径量を誇張して示しているが、先ず初期位置において、各コレット３３を振動及び回転させながらコレット３３の外径が１００ｍｍ（１０１ｍｍ−振幅）から１０７ｍｍとなるまでコレット３３を徐々に放射方向に移動させ（開き）、管部材Ｗに対し内径１０２ｍｍから内径１０８ｍｍへの拡径を達成すると、図４の状態となる。尚、管部材Ｗのスプリングバックが大きい場合には、コレット３３の外径が１０７ｍｍ以上となるまで移動させて（開いて）、スプリングバック（縮径）の結果として内径１０８ｍｍが得られるようにしてもよい。
【００４０】
初期位置で管部材Ｗの内径１０８ｍｍへの拡径が終了すると、そのまま各コレット３３を振動及び回転させながら、コレット３３の外径を維持した状態で、管軸に沿って軸方向距離Ｌ（図５に示す）だけ移動すると１パス目の拡径が終了する。次に、１パス目の終了位置においてコレット３３の外径が１０７ｍｍから１１３ｍｍへと拡大され、その状態で上記と同様の拡径加工が行われ、管部材Ｗの内径が１１４ｍｍとなると、２パス目の拡径が終了する。更に、コレット３３の外径が１１３ｍｍから１１９ｍｍへと拡大され、その状態で上記と同様の拡径加工が行われ、管部材Ｗの内径が目標の１２０ｍｍとなり軸方向長さＬに亘る拡径部が形成されると、３パス目の拡径が終了し、図５に示す状態となる。
【００４１】
これにより拡径が完了し、断面が略真円の拡径管Ｐが形成される。この後、コレット３３の回転及び振動が停止され、あるいは回転及び振動が維持された状態で、サーボモータ４３によって移動ベース４２が後退駆動され、拡径管Ｐがコレット３３から離脱する。尚、上記拡径工程における各パスの所要時間（即ち、移動時間）としては５秒前後が好適である。また、各パスにおける拡径率は５％以下が好ましい。
【００４２】
而して、拡径時の塑性流動が周方向及び軸方向へ円滑且つ均一に行われる。この結果、拡径加工の指標（ｔ／Ｄ）が０．０１以下で、拡径加工が困難な薄肉の管部材に対しても、２０％程度の（通常の板厚の管部材並の）拡径が可能となるばかりか、加工部の板厚も周方向及び軸方向ともに円滑且つ均一となる。
【００４３】
尚、上記の実施例は一例に過ぎず、各種の数値（パラメータ）は材質及び加工状態に応じて適宜設定すればよい。また、図１及び図２の装置に限定するものではなく、種々の構造を採用することができる。上記の実施例でも円滑且つ均一な板厚の拡径部を形成することができるが、更に高精度とする場合には、最終パスにおいて、拡径部の外側から拘束する外型を用いることとしてもよい。
【００４４】
また、上記の実施例では、管部材Ｗの両端部を残して中央部を拡径したが、全長に亘って拡径することとしてもよいし、一方の端部のみを残しその他の部分全てを拡径することとしてもよい。例えば、少なくとも一方の端部を非拡径部とし、そこから触媒担体及び保持部材を挿入（圧入）し、その後、少なくとも一方の端部に一体又は別体でネッキング部を形成することにより、触媒コンバータ、ＤＰＦ（ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ）等の浄化装置を構成することもできる。尚、最終製品としては、自動車の排気系部品に限らず、燃料電池用改質器等、種々の流体処理装置に適用することができる。
【００４５】
特に、本発明の拡径方法による高精度な拡径により、所謂「拡径サイジング」が可能となり、その後の圧入及び触媒担体の保持を、高精度で達成することができる。また、本発明の拡径方法は、拡径後に両端部の非拡径部に対してスピニング加工によってネッキング部を形成し、ＳＵＳ製の薄肉管によって自動車用消音器を形成するのに好適である。このとき、本発明の拡径方法によって２０％程度の拡径率を確保し、両端部のスピニング加工によって２０％程度の縮径率を確保することとすれば、見かけ上、４０％の拡径率（縮径率）を得たことになる。即ち、このような拡径率（縮径率）を、管素材に対する塑性加工のみによって達成できることになり、これによる効果は極めて大きい。尚、本発明は、円筒状の管素材に対し拡径加工を行う場合に限らず、一端部を加工した中間加工品の中央部を拡径する場合にも適用可能であるので、管部材としたものである。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、請求項１乃至３に記載の管部材の拡径方法においては、各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径することができるので、加工対象の管部材が薄肉であっても軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径することができる。
【００４７】
また、請求項４乃至６に記載の管部材の拡径装置においては、管部材の内面に各々の拡径部材を押接した状態で、駆動手段によって、各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径するように構成されているので、加工対象の管部材が薄肉であっても軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径することができる。
【００４８】
また、請求項７及び８に記載のように構成することとすれば、回転駆動手段及び軸方向駆動手段によって容易且つ適切に、各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動することができる。更に、請求項９に記載のように構成し、ドローバーの移動に応じて一方のクランプを他方のクランプに近接するように駆動すれば、管部材に対する軸方向の塑性流動が促進され、拡径時の塑性流動が周方向及び軸方向へ円滑且つ均一に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工開始状態を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工開始位置の管部材と拡径工具との関係を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工途中の管部材と拡径工具との関係を拡大して示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工完了後の管部材と拡径工具との関係を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１ ベース， １０ 軸方向駆動手段， １２ 回転シリンダ，
２０ 回転駆動手段， ２１ モータ， ２４ カバー，
３０ 拡径工具， ３１ コーン形状部， ３２ ドローバー，
３３ コレット， ４０ 保持手段， ４５，４６ クランプ，
Ｗ 管部材， ＣＴ コントローラ
Claims (9)
- 加工対象の管部材の管軸に平行な複数の拡径部材を円筒状に並設すると共に、各々の拡径部材を管軸から放射方向に移動可能に支持して成る拡径工具を、前記管部材内に収容し、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、前記管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径することを特徴とする管部材の拡径方法。
- 前記拡径工具は、円筒状に並設した前記複数の拡径部材と、前記複数の拡径部材内に摺動自在に収容する駆動部材を備え、該駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動することを特徴とする請求項１記載の管部材の拡径方法。
- 前記各々の拡径部材を、前記管部材の内面に押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材の所定範囲の軸方向距離を、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動する工程を複数回行い、前記管部材の軸方向の所定範囲に亘って拡径することを特徴とする請求項１又は２記載の管部材の拡径方法。
- 加工対象の管部材の管軸に平行な複数の拡径部材を円筒状に並設すると共に、各々の拡径部材を管軸から放射方向に移動可能に支持して成る拡径工具と、該拡径工具を前記管部材内に収容し、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、前記管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径する駆動手段とを備えたことを特徴とする管部材の拡径装置。
- 前記拡径工具は、円筒状に並設した前記複数の拡径部材と、前記複数の拡径部材内に摺動自在に収容する駆動部材を備え、前記駆動手段は、前記駆動部材と前記各々の拡径部材を軸方向に相対的に駆動し、前記駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動するように構成したことを特徴とする請求項４記載の管部材の拡径装置。
- 前記駆動手段は、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材の所定範囲の軸方向距離を、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動する工程を複数回行い、前記管部材の軸方向の所定範囲に亘って拡径するように構成したことを特徴とする請求項４又は５記載の管部材の拡径装置。
- 前記複数の拡径部材と前記駆動部材とを摩擦接触状態で支持して成り、前記駆動手段は、前記複数の拡径部材を回転駆動する回転駆動手段と、前記管部材に対し前記駆動部材を前記管軸に沿って相対的に移動させる軸方向駆動手段とを備え、該軸方向駆動手段によって前記駆動部材を前記管軸に沿って振動させながら、前記管部材に対し前記駆動部材を前記管軸に沿って相対的に移動させ、且つ、前記回転駆動手段によって前記複数の拡径部材を回転駆動して前記駆動部材を一体的に回転駆動し、前記拡径部材を放射方向に振動させると共に放射方向に駆動するように構成したことを特徴とする請求項４、５又は６記載の管部材の拡径装置。
- 前記複数の拡径部材は、複数のコレットであって、前記駆動部材は、前記複数のコレット内に摺動自在に収容し、前記複数のコレットと摩擦接触するコーン形状部を有するドローバーを備え、該ドローバーのコーン形状部の外面が前記複数のコレットの内面に摩擦接触するように支持することを特徴とする請求項７記載の管部材の拡径装置。
- 前記管部材の両端部の外周に夫々密着して把持する一対のクランプを備え、前記ドローバーの移動に応じて一方のクランプを他方のクランプに近接するように駆動することを特徴とする請求項８記載の管部材の拡径装置。
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