JP2006061932A - 高寸法精度管の高能率製造方法 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 広範囲の要求管サイズに亘り、高寸法精度管を高能率に製造しうる、高寸法精度管の高能率製造方法を提供する。
【解決手段】 管内にプラグを装入して該管をダイスの孔に押し込んで通す押し抜き加工により高寸法精度管を製造するにあたり、使用中のダイスに周波数１０〜１８０ｋＨｚの超音波を、押し抜き方向と略垂直もしくは略平行な方向に、またはダイス傾斜部内面と垂直な方向に付与する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高寸法精度管の高能率製造方法に関し、とくに押し抜き加工により高寸法精度管を製造するにあたり、ダイスと管（例えば鋼管）との焼き付きを防止し、かつ摩擦力を低減して高能率に製造する、高寸法精度管の高能率製造方法に関する。

金属管、例えば鋼管は通常、溶接管と継目無管に大別される。溶接管は、例えば電縫鋼管のように,帯板の幅を丸め、該丸めた幅の両端を突き合わせて溶接するという方法で製造し、一方、継目無管は、材料の塊を高温で穿孔後マンドレルミル等で圧延するという方法で製造している。溶接管の場合、溶接後に溶接部分の盛り上がりを研削して管の寸法精度を向上させているが、その肉厚偏差は、後工程で低減させる努力が払われているものの、３．０％を超える。また、継目無管の場合、穿孔工程で偏心しやすく該偏心により大きな肉厚偏差が生じやすい。この肉厚偏差は後工程で低減させる努力が払われているが、それでも充分低減させることができず、製品の段階で８．０％以上残存する。

最近、環境問題から自動車の軽量化に拍車が掛かっており、ドライブシャフト等の駆動系部品は中実の金属棒から中空の金属管に置き換えられつつある。これら自動車用駆動系部品の金属管には、肉厚、内径、外径の各偏差として３．０％以下、さらに厳しくは１．０％以下、の高寸法精度が要求される。

そこで、金属管の肉厚、内径、外径の精度を高める手段として、従来一般に、図４に示すように、管３（溶接管、継目無管とも）を造管後にダイス２とプラグ１を用いて冷間で引き抜く製造方法（いわゆる冷牽法）がとられている（例えば特許文献１）。
特許第２８１２１５１号公報

しかし、従来の冷牽法では、設備上の制約や管の肉厚・径が大きくて引き抜き応力が充分得られずに縮径率を低くせざるを得ない場合などでは、加工バイト（プラグとダイス孔内面との隙間）内での管の応力が引張応力であるがゆえに、ダイスと管外面、およびプラグと管内面の接触が不十分となり、管の内面、外面の平滑化が不足して凹凸が残留しやすい。そのため、冷牽法では管の縮径率を大きくして加工バイト内で管の内外面とプラグ、ダイスとの間の接触を向上させることが行われている。しかし、冷牽法において管の縮径率を大きくすると、管の内面に凹凸が発生して管の縮径率が大きくなるほど凹凸による粗さが増加する。その結果、冷牽法では高寸法精度の管を安定して得ることが難しいという問題があった。

また、鋼管を素材とした高寸法精度管の製造においては、プラグ表面、ダイス表面とこれらに接する鋼管表面との摩擦力を可能な限り低減しないと、加工中に鋼管表面に焼き付き等の疵が発生して、加工後の鋼管の表面品質が低下しその鋼管は製品にならないだけでなく、加工時の荷重が著しく増加して加工そのものが不可能になる場合があり、その結果、高寸法精度管の生産能率が著しく低下するという問題もあった。

本発明は、上記の問題を解決し、広範囲の要求管サイズに亘り、高寸法精度管を高能率に製造しうる、高寸法精度管の高能率製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは上記目的を達成するために鋭意検討した結果、管内にプラグを装入して該管をダイスの孔に押し込んで通す押し抜き法において、使用中のダイスに超音波を付与することが有効であることを見いだし、本発明をなした。

すなわち、本発明は、管内にプラグを装入して該管をダイスの孔に押し込んで通す押し抜き加工により高寸法精度管を製造するにあたり、使用中のダイスに超音波を付与することを特徴とする高寸法精度管の高能率製造方法である。

本発明では、前記超音波は、周波数１０〜１８０ｋＨｚの超音波とするのが好ましい。また、本発明では、前記超音波をダイスの側面から押し抜き方向と略垂直な方向に付与することが好ましい。また、本発明では、前記超音波をダイスの入側端面または出側端面から押し抜き方向と略平行な方向に付与することが好ましい。また、本発明では、前記超音波をダイス傾斜部内面と略垂直な方向に付与することが好ましい。また、本発明では、管内にプラグを装入する工程を省略してもよい。

ここで、「ＡとＢが略垂直（または略平行）」とはＡとＢのなす角度が９０°（または０°）±３０°の範囲内にあることを意味する。

本発明によれば、押し抜き加工を採用し、そのなかで、使用中のダイスに超音波を付与するので、高寸法精度管を高能率に製造することができる。

従来、ダイスとプラグを用いて管を引き抜いた場合、管の寸法精度を向上させることが困難である理由は、引き抜きであるがゆえに、加工バイト内でダイスと管外面、プラグと管内面の接触が不十分となることに由来する。すなわち、図４に示すように、管３内にプラグ１を装入してダイス２から管３を引き抜くことにより、ダイス２の出側で管引き機６により加えられた引き抜き力（張力）によって加工バイト内には張力場が発生する。加工バイト内の入側では、プラグ１に管内面が沿って変形するため、管外面はダイス２に接触しないかあるいは軽度にしか接触せず、また、加工バイト内の出側では、ダイス２に管外面が接触して変形するため、管内面はプラグ１に接触しないかあるいは軽度にしか接触しない。そのため、管外面、管内面ともに加工バイト内に自由変形の部分が存在して凹凸を十分平滑化できず、引き抜き後には寸法精度の不十分な管しか得られていなかった。

これに比べて、本発明で用いる押し抜き加工の場合、図３に示すように、管３内にプラグ１を装入し、ダイス２の入側から管押し機５にて管３に押し込み力（圧縮力）を加えて、管３をダイス２の孔内に送り込む。よって、加工バイト内の管の全域に亘って圧縮場が発生する。その結果、加工バイト内の入側、出側を問わず、管３はプラグ１およびダイス２に十分接触できる。しかも、軽度の縮径率であっても、加工バイト内は圧縮場となるため、引き抜きに比較して管とプラグ、管とダイスが十分接触しやすくて、管は平滑化しやすくなるので、高寸法精度の管が得られるわけである。

しかし、押し抜きにおいて、ダイス傾斜部２Ｔの角度θ（図３に定義；ダイス角度ともいう）、あるいはダイス傾斜部２Ｔと管３との接触長さＬ（図３に定義）が大きい場合、管３とダイス２との摩擦面積が増加して押し抜き荷重が増大し、その結果、素材によっては焼き付きが発生して押し抜きが不能になる場合がある。

そこで、本発明者らは管とダイスとの接触に着目し、焼き付きを発生させずに高能率に押し抜きを遂行可能とする方法を検討した。すなわち、ダイスと管との接触を緩和できれば、摩擦力を低減できて押し抜き荷重が低くなり、焼き付きを防止できるわけである。

押し抜きにおいては、ダイス入側から管に加えられた荷重により、管はダイスとプラグの隙間に充満しようとする。そこで、本発明者らは、その応力に打ち勝って接触を緩和する方法を検討した結果、超音波を付与するとよいことを見出した。すなわち、ダイスに管を単に押し込む従来方法では、管はダイスに充分接触してしまうが、超音波をダイスに加えると、その繰り返し振動によってダイスと管が接触と離間を繰り返すため、接触が容易に緩和されるわけである。

また、ダイスに加えた超音波の振動は、押し抜き加工中の管を通してプラグにも伝達されるため、プラグと管との接触も緩和されて、摩擦力を軽減できてプラグと管との焼き付きを防止し、有利に能率良く加工可能である。

もっとも、ダイスに加える超音波の周波数は、押し抜き加工中のダイスと管との接触圧力に打ち勝つために、１０ｋＨｚ以上とするのが好ましく、一方、超音波の振動が大きすぎるとダイスを支える周辺装置を破損したりボルト等の固定具が緩む場合があるため、１８０ｋＨｚ以下とするのが好ましい。

さらに、ダイスと管との摩擦力を有利に低減するには、ダイス傾斜部の角度が小さい（例えば８°以下）場合、あるいはダイス傾斜部と管との接触長さが長い（例えば２０ｍｍ以上）場合、押し抜き方向と略垂直な方向に超音波を付与すると、ダイスと管との接触が大幅に緩和されやすい。そのために、ダイスの側面から超音波を付与するとよく、例えば図１に示すように、超音波振動子４をダイス２の側面に垂直に当てるとよい。

反面、ダイス傾斜部の角度が大きい場合、あるいはダイス傾斜部と管との接触長さが短い場合、押し抜き方向と略平行な方向に超音波を付与すると、ダイスと管との接触が大幅に緩和されやすい。そのために、ダイスの入側端面または出側端面から超音波を付与するとよく、例えば図２に示すように、超音波振動子４をダイス２の入側端面に垂直に当てるとよい。

さらに、効率良く管とダイスとの接触を緩和するには、ダイス傾斜部内面と略垂直な方向に超音波を付与するとよく、例えば図５に示すように、超音波振動子４をダイス２の側面に斜めに当てるとよい。

なお、管の寸法精度への要求が外径のみ厳しい場合には、管内にプラグを装入せずに超音波を付与しつつ押し抜き加工を行うと、ダイスと管との接触のみになって摩擦力が低減し、加工能率がさらに向上する。

（本発明例１）
外径４０ｍｍ、肉厚６ｍｍ、強度３９０ＭＰａのロットの鋼管を素材とし、孔型が鏡面の一体型ダイスと鏡面のプラグとを用いて図１に示した形態で超音波を付与しつつ押し抜き加工を行った。超音波付与条件、およびプラグ、ダイスの形状条件を表１に示す。なお、表１におけるプラグ角度、プラグ長さは図６に示すように定義され、ダイス角度は前述のように図３のθで定義される。
（本発明例２）
本発明例と同じロットの鋼管を素材とし、孔型が鏡面の一体型ダイスと鏡面のプラグとを用いて図２に示した形態で超音波を付与しつつ押し抜き加工を行った。超音波付与条件、およびプラグ、ダイスの形状条件を表１に示す。
（比較例１、２）
本発明例と同じロットの鋼管を素材とし、孔型が鏡面の一体型ダイスと鏡面のプラグとを用いて図３に示した形態で超音波を付与せずに押し抜き加工を行った。プラグ、ダイスの形状条件を表１に示す。
（従来例）
本発明例と同じロットの鋼管を素材とし、孔型が鏡面の一体型ダイスと鏡面のプラグとを用いて図４に示した形態で超音波を付与せずに引き抜き加工を行った。プラグ、ダイスの形状条件を表１に示す。

上記各例について、鋼管１００本を加工し、加工中の焼き付き発生の有無、加工能率、および加工後の管の寸法精度（肉厚偏差、外径偏差）を調べた結果を表１に示す。ここで、加工能率は所定時間内に加工できた本数を、従来例の場合を１とした相対値で示した。外径偏差は、管の円周方向断面を画像解析して、真円からの最大偏差（すなわち（最大径−最小径）／真円径×１００％）を円周方向に算出することにより求めた。また、肉厚偏差は、管の円周方向断面を画像解析して、肉厚断面の画像から平均肉厚に対する最大偏差（すなわち（最大肉厚−最小肉厚）／平均肉厚×１００％）として直接測定した。

表１より、本発明例では安定して高能率に押し抜き加工することができ、その押し抜き後の鋼管の寸法精度は良好であった。これに対して、比較例の押し抜きでは加工後の鋼管の寸法精度は良好であったが、加工中の鋼管本数の約１％ほどに焼き付きが発生してプラグとダイスを交換したため加工能率がやや低下した。従来例では引き抜き後の鋼管の寸法精度が著しく低下し、加工能率も低下した。

本発明の実施形態の１例を示す縦断面図である。 本発明の実施形態の１例を示す縦断面図である。 本発明で用いる押し抜き加工の概要を示す縦断面図である。 従来の冷牽法の概要を示す縦断面図である。 本発明の実施形態の１例を示す縦断面図である。 プラグ角度、プラグ長さの定義説明図である。

符号の説明

１ プラグ
２ ダイス
２Ｔ ダイス傾斜部
３ 管
４ 超音波振動子
５ 管押し機
６ 管引き機

Claims (6)

1. 管内にプラグを装入して該管をダイスの孔に押し込んで通す押し抜き加工により高寸法精度管を製造するにあたり、使用中のダイスに超音波を付与することを特徴とする高寸法精度管の高能率製造方法。
2. 前記超音波を周波数１０〜１８０ｋＨｚの超音波としたことを特徴とする請求項１記載の高寸法精度管の高能率製造方法。
3. 前記超音波をダイスの側面から押し抜き方向と略垂直な方向に付与することを特徴とする請求項１または２に記載の高寸法精度管の高能率製造方法。
4. 前記超音波をダイスの入側端面または出側端面から押し抜き方向と略平行な方向に付与することを特徴とする請求項１または２に記載の高寸法精度管の高能率製造方法。
5. 前記超音波をダイス傾斜部内面と略垂直な方向に付与することを特徴とする請求項１または２に記載の高寸法精度管の高能率製造方法。
6. 管内にプラグを装入する工程を省略したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高寸法精度管の高能率製造方法。

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