JP2006159224A - 金属円管の口絞り加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 設備機構が簡単なダイス方式を用い、変形能の高い材料ないし比較的変形能の低い材料であって高肉厚比ｔ０／Ｄ０の金属円管の先端口絞り率（Ｄ０−Ｄ１）／Ｄ０を高くした場合でも口絞り先端に設けられる平行部の内面割れ発生を抑制することができる金属円管の口絞り加工方法を提供する。
【解決手段】金属円管１を、金属円管１を口絞加工する口絞部を有するダイス、及び、口絞部とにより金属円管１を外周面と内周面から挟圧するためのプラグ３に対して、プラグ３の軸方向に相対的に移動させて口絞加工する口絞工程を有する金属円管の口絞り加工方法であって、口絞工程は、金属円管１において口絞加工が施された口絞加工部の肉厚圧下率γが１４％以上となるように行われる。ここでγ＝（ｔｃ−ｔ１）／ｔｃ×１００（％）とする。（ｔｃはプラグを配しない場合の口絞部の肉厚平均値、ｔ１はプラグを配した場合の口絞部の肉厚平均値を指す。）
【選択図】 図３

Description

本発明は、ボンベ、排気管、エアバック容器等に用いられる先端が口絞り加工された金属円管の口絞り加工方法に関し、特に、肉厚の厚い金属円管を、高口絞り率で口絞りしても、金属円管の先端に設けられた平行部の内面に内面割れが発生しない金属円管の口絞り加工方法に関する。

従来より、ボンベ、排気管、エアバック容器等に用いられる先端が口絞り加工された金属円管の口絞り加工方法において、金属円管の先端開口部をダイスに押し当てて口絞りするダイス方式と、回転自在なローラや回転しないヘラ等を金属円管の開口部周縁に押し当てて成形するスピニング方式とがあった。

ダイス方式の場合、金属円管の肉厚等の条件に応じて、金属円管内側に円柱状のプラグを配する場合とプラグを配さない場合とがあり、例えば飲料缶のように薄肉の金属円管を口絞りする場合は、口絞りする先端に皺が発生することがあるため、皺の発生を抑制する目的でプラグを金属円管の内部に配置することがあった。

また、特許文献１に開示されているように、口絞りする先端部分に階段状の複雑な口絞り形状を成形する場合には、金属円管とプラグとの接触が滑らかになるように予め工夫されたプラグを適用し、成形加工の進行方向に合わせてプラグを軸方向に移動させ、複雑な口絞り形状を実現していた。

一方、スピニング方式も薄肉の金属円管や比較的肉厚比の大きい金属円管の口絞り加工に適用されている。発明者らも、アルミニウムやその合金などの軽金属を口絞りする加工方法としてスピニング方式を提案しており(非特許文献１)、変形能の高い軽金属に対して口絞り率９０％の大変形を実現している。
特開平８−３０９４６１号公報 特開平１１−１１４６４０号公報 Yao Ji., Murata M., "An experimental study on paraxial spinning of one tube end", Journal of Materials Processing Technology, pp. 324-329

上述したように、ダイス方式は、飲料缶等のように薄肉缶を対象とした皺発生の抑制方法としては非常に有効的な方法であるが、金属円管の素管肉厚をｔ０、素管外径をＤ０とした場合に求められる肉厚比ｔ０／Ｄ０が、例えば３％以上となる肉厚の厚い金属円管を口絞りする場合に発生する内面割れを抑制する方法としては必ずしも充分な方法とはいえない。（尚、飲料缶よりも肉厚比ｔ０／Ｄ０が大きい金属円管を口絞り加工する場合において、金属円管内にプラグを配さず口絞り加工する方法も存在するが、これは肉厚比ｔ０／Ｄ０が大きくなると、通常薄肉缶で発生する外表面の皺が発生しにくくなるためである。）
しかしながら、肉厚の厚い金属円管の内表面には皺が発生する場合がある。内表面に皺が発生すると製品の特性を悪化させるため、この場合はプラグを円管内部に配して皺の発生を抑制する必要がある。

一方、スピニング方式は、アルミニウムなどの変形能の高い材料に対しては高い口絞り率を達成することができるが、中炭素鋼程度の比較的変形能の低い材料に対しては高い口絞り率を達成した例がこれまでにない。

また、スピニング方式は、特許文献２記載の通り口絞り率３．５％程度の加工は実現されているが、比較的変形能の低い中炭素鋼や高炭素鋼を材料とする金属円管に適用して、例えば２０％以上のような高い口絞り率を達成することは非常に難しいといわれている。現在、このような炭素鋼を材料とした金属円管の加工方法における口絞り率は、特許文献２記載の通り３．５％程度が限界であり、口絞り率２０％以上の加工には程遠い。

更にスピニング方式を用いて実現するためには、設備機構がダイス方式に比べて複雑になるため設備コストが増加するという問題がある。

ここで上記問題をまとめると、発明者らの研究及び実験によりと、特に以下のような加工条件（１）〜（３）において円管内側に内面割れが多発することが分かっている。

（１）肉厚比ｔ０／Ｄ０が３％以上の厚肉円管の場合。金属円管の外表面の皺は発生しなくなるが、内面割れが発生することがある。薄肉円管の場合は外表面、内表面共に皺が発生しやすいが、内面割れが発生することは少ない。（２）口絞り率（Ｄ０−Ｄ１）／Ｄ０が２０％以上の場合。金属円管の内面割れ発生の確率が急激に増大する。式中のＤ０は素管外径を指し、Ｄ１は口絞り加工後の口絞り部の外径を指している。（３）口絞り加工した先端に平行部を設ける場合。口絞り部分と平行部の連結部周辺における内面割れの発生確率が急増する。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、設備機構が簡単なダイス方式を用い、変形能の高い材料ないし比較的変形能の低い材料であって高肉厚比ｔ０／Ｄ０の金属円管の先端口絞り率（Ｄ０−Ｄ１）／Ｄ０を高くした場合でも口絞り先端に設けられる平行部の内面割れ発生を抑制することができる金属円管の口絞り加工方法を提供することにある。

請求項１記載の本発明は、金属円管を、この金属円管を口絞加工する口絞部を有するダイス及び口絞部とにより金属円管を外周面及び内周面から挟圧するためのプラグに対して、このプラグの軸方向に相対的に移動させて口絞加工する口絞工程を有する金属円管の口絞り加工方法であって、口絞工程は、金属円管において口絞加工が施された口絞加工部の肉厚圧下率γが１４％以上となるように行われることを特徴とする金属円管の口絞り加工方法。このとき肉厚圧下率γは、γ＝（ｔｃ−ｔ１）／ｔｃ×１００（％）と表される。ここでｔｃとは、プラグを配しない場合の口絞部の肉厚（即ち、ダイスベアリング半径−口絞り平行部における内面最小半径）であり、ｔ１とはプラグを配した場合の口絞部の肉厚平均値である。

請求項２記載の本発明は、請求項１記載の金属円管の口絞り加工方法であって、口絞工程は、口絞加工部の肉厚平均値の２倍以下の長さを有するプラグを用いることを特徴とする。

請求項３記載の本発明は、請求項１記載の金属円管の口絞り加工方法であって、金属円管を口絞加工する口絞部を有するダイスに、ダイスの軸方向に相対的に金属円管を移動させて口絞加工する口絞工程を有する金属円管の口絞り加工方法であって、口絞工程は、金属円管において口絞加工が施された口絞加工部が、曲率半径が口絞加工部の肉厚平均値の２０倍以上の円弧部を有するように、金属円管を内側に向けて曲成させることを特徴とする。

請求項４記載の本発明は、請求項１記載の金属円管の口絞り加工方法であって、口絞部の端部内周面に切欠部を有するダイスを用いることを特徴とする。

請求項５記載の本発明は、請求項１記載の金属円管の口絞り加工方法であって、口絞工程は、長手方向切断面が曲成された金属円管を用いることを特徴とする。

本発明に係る金属円管の口絞り加工方法によれば、設備機構が簡単なダイス方式を用い、特に、変形能の高い材料ないし比較的変形能の低い材料であって肉厚比ｔ０／Ｄ０が３％以上の金属円管を、口絞り率（Ｄ０−Ｄ１）／Ｄ０が２０％以上となるような口絞り率を実現すると共に、そのときの口絞り先端に設けられる平行部の内面割れ発生を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

まず、発明者らは、口絞り加工中の金属円管の表面、内面割れの発生状況を詳細に観察すると共に、有限要素法による数値解析により内面割れ発生のメカニズムを明らかにした。そこでまず従来の構成で実験した実験結果を図１、図２を参照して、その内面割れ発生のメカニズムを説明し、図３以降で本発明に係る内面割れ発生を抑制する金属円管の口絞り加工方法について説明する。

図１は、内面割れ発生のメカニズムを解明するために用意した従来のダイス機構及び金属円管の縦断面図である。具体的に図１（ａ）は、ダイスに金属円管を押し当てて口絞り加工する段階の工程図であり、図１（ｂ）は、更に金属円管を押し当てて口絞り先端部に平行部を形成する段階の工程である。また図１（ｃ）は、口絞り先端部及び平行部の内面に形成された凹凸や皺を示す横断面図である。

まず図１（ａ）に示すように、ダイス２には、成形加工の進行方向に沿って、金属円管１の外径とほぼ同径を有する筒状のストレート部４と、このストレート部４に連続して設けられる円錐形のアプローチ部５と、このアプローチ部５の先に設けられるベアリング部６とで構成される貫通口が開口されている。

ここでストレート部４の円管内径（即ち、金属円管１の外径）をＤ０、ベアリング部６の内径をＤ１、金属円管１の加工前の肉厚をｔ０、口絞り加工後の肉厚をｔ１、プラグを配しないで口絞り先端部に形成された平行部８の肉厚をｔｃとして以下説明する。

図１（ａ）に示すように、金属円管１を口絞り加工する際には、金属円管１の端部にダイス２のストレート部４に押し当て（又は「被せ」）、その後成形加工方向に沿って金属円管１が押し込まれることによりアプローチ部５で金属円管１の先端が円管内側に押圧される。このときの金属円管１の断面は、図１（ｃ）[Ａ−Ａ断面図]に示すように、弱冠の表面凸凹が観察された。

更に図１（ｂ）に示すように、金属円管１を成形加工方向に向って更に押し込み、金属円管１の先端をベアリング部６に押し込むことで口絞り先端部に平行部８を形成する。このとき加工の進行と共に金属円管１内部には、図１（ｃ）[Ｂ−Ｂ断面図]に示すように、各所で微小な凹凸や皺９が発生することが観察された。これは、金属円管１がアプローチ部５で口絞り加工を受け、そのままベアリング部６に侵入し、平行部８が形成された時点で内面割れ１０が発生しているといえる。

金属円管１の内面に発生した皺９や内面割れの原因を解明するために、弾塑性有限要素法による数値解析を用いて、金属円管の先端を開口させる方向に働く円管内面における円周方向応力σθの変化を観察した。

このときの解析条件を表１に示し、解析結果を図２に示す。図２（ａ）は金属円管の軸方向位置に対する円周方向応力σθの変化を示すグラフであり、横軸は円管先端部の内側点Ｐの口絞り加工中の位置ｚ（ｍｍ）を示し、縦軸は、円管先端部の内側点Ｐに発生する円周方向応力σθ（ＭＰａ）を示している。図２（ｂ）、（ｃ）は、解析グラフにおけるＰａ、Ｐｂ点を図示するためのダイス及び金属円管の縦断面図であり、位置Ｚの原点０は、アプローチ部５とベアリング部６の境界を指している。

図２（ｂ）に示すように円管先端に平行部８が形成されていない時は、円周方向応力σθの値は負であるが（図２（ａ）、（ｂ）におけるＰａ点）、図２（ｂ）に示すように、円管先端に平行部８が形成されると同時に、円周方向応力σθは急激に増加する（Ｐｂ点）。
このような結果から、内面割れ１０の発生メカニズムは次の通りと考えられる。（１）口絞り加工の進行と共に円管内面に微小な凹凸や皺９が新たに発生、或いは元々存在していた凹凸や皺９が増大する。そして（２）円管先端に平行部８が形成されると同時に、円管内面に高い円周方向応力σθが発生する。そして（３）応力集中により更に高い応力が凹凸や皺９の先端に生じ、この凹凸や皺９を切欠にして内面割れ１０が発生する。

以上の考察結果から、内面割れ発生を抑制する方法は、（ａ）凹凸や皺９の発生や成長を抑制する。或いは、(ｂ)円周方向応力σθを抑制する、のいずれかとなる結論を導いた。そこで発明者らは、円周方向応力σθに着目し、これを抑制するダイス機構として、図３〜図１１に示す構成を提案する。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る金属円管の口絞り加工方法を実施するための口絞り装置の縦断面図である。

この口絞り装置は、加工対象物である金属円管１の端部に被せる筒状のストレート部４と、このストレート部４に連結して設けられる円錐状のアプローチ部５と、このアプローチ部５の他方の端に連結して設けられ前述のストレート部４より細径を有するベアリング部６が連続して構成される貫通口が設けられたダイス２と、ベアリング部６の内径よりも小さい断面外径を有し、加工対象物である金属円管１の肉厚を１４％以上圧する断面外径を有した円柱状のプラグ３とを少なくとも備える。

ここでストレート部４の円管内径（即ち、金属円管１の外径）をＤ０、ベアリング部６の内径をＤ１、金属円管１の加工前の肉厚をｔ０、口絞り加工後に形成された平行部８の肉厚をｔ１、プラグ３を配しない場合の口絞部の肉厚（即ち、ダイスベアリング半径−口絞り平行部における内面最小半径）の平行部８の肉厚をｔｃとする。円管内径Ｄ０はベアリング部の内径Ｄ１より大きい断面外径を有している。また加工前の金属円管１の肉厚ｔ０は、加工後の金属円管１の肉厚ｔ１よりも厚い肉厚を有する。

プラグ３は、一定長Ｌｐを有する円柱状の中子である。このプラグ３の外周面とベアリング部６の内周面との間に金属円管を挟持ように配置し、この金属円管の肉厚ｔ０を１４％以上圧して最終的に肉厚ｔ１となるような断面外径をプラグ３は有している。

ここで数値解析による検討結果を図４に示す。図４において、横軸は金属円管１の肉厚圧下率γを示しており、縦軸は肉厚圧下率γに対する平行部８形成時における円管先端内側点Ｐの円周方向応力σθｍａｘ（ＭＰａ）を示している。この縦軸は金属円管１の先端が口絞りされるときに発生する金属円管１先端の内側点Ｐでの円周方向応力最大値σθｍａｘであり、これは図２（ｃ）における点Ｑの応力値に相当する。

いる。尚、ここで肉厚圧下率γは、以下に示す式（２）に基づいて算出している。

γ＝（ｔｃ−ｔ１）／ｔｃ×１００（％） ・・・式（２）
式（２）中のｔｃは、プラグ３を配しない場合の「ベアリング部６の半径」から「口絞り平行部８における内面最小半径」を減算した値であり、ｔ２はプラグ３を配する場合の加工後の円管先端肉厚の平均値である。

ここで図４に示すように、肉厚圧下率γが１４％を超えると、円管先端の内側点Ｐでの円周方向応力最大値σθｍａｘが急激に減少する。

本実施の形態は、表１に示した性質を有する金属円管を対象としているが、金属円管の材料はこれに限らず、この金属円管よりも変形抵抗や加工硬化率の大きいものや、又は小さいものにも適用できる。ここで図５、図６を参照して、応力の異なる材料に本発明の加工方法を適用する場合を検証する。

図５は、加工硬化率(または、変形抵抗特性)の異なる金属円管を３種類想定し、この金属円管の対数ひずみに対する真応力を表したものである。同図に示すように、加工硬化率Ｈ（ここでＨとは、グラフ中の直線の傾きを表す。）が４０００ＭＰａの金属円管（グラフ（ａ））の真応力が最も大きく、続いて加工硬化率Ｈが２０００ＭＰａの金属円管（グラフ（ｂ））、加工硬化率Ｈが５００ＭＰａの金属円管（グラフ（ｃ））の順に真応力が小さい金属円管を用意した。このような加工硬化率(または、変形抵抗特性)の異なる金属円管を、図３に示した口絞り装置を用いて口絞り加工した際の肉厚圧下率γに対する円周方向応力を解析した。その結果、図６に示すように、加工硬化率Ｈが４０００（ＭＰａ）の金属円管は、肉厚圧下率γが約８％のところを境に円周方向応力が急激に減少した（グラフ（ａ１））。また真加工硬化率Ｈが２０００（ＭＰａ）の金属円管は、肉厚圧下率γが約１０％のところを境に円周方向応力が減少した（グラフ（ｂ１））。更に真加工硬化率Ｈが５００（ＭＰａ）の金属円管は、肉厚圧下率γが１４％のところを境に円周方向応力が減少した（グラフ（ｃ１））。

このような結果から、肉厚圧下率γを１４％以上とすることで円周方向応力σθを抑制でき、その結果、内面割れ１０を防止できることができることから、プラグ３の外径をベアリング部６の内径よりも小さく、加工対象物である金属円管１の肉厚を１４％以上圧する断面外径とし、このようなプラグ３を金属円管１の内側に配すると共に、金属円管１の口絞り加工時に同時に押し当てることで、ベアリング部６における円管の肉厚圧下率γを１４％以上として、円周方向応力σθを大幅に低減させ、結果として平行部８における内面割れ１０の発生を抑制することができる。

そこで、このような加工装置で口絞り加工を行うときは、まずダイス２のストレート部４に金属円管１の先端を被せ（ダイス取付工程）、金属円管１の内側にプラグ３を配置する（プラグ配置工程）。そして金属円管１を成形方向に沿って（同図においてＺ方向）移動させる。金属円管１の先端が円錐状のアプローチ部５に押し当てられると、先端部が口絞り加工される（口絞工程）。これと同時にベアリング部６の入口とプラグ３の外周面により金属円管１が挟持される。この状態で更に成形方向にプラグ３と金属円管１を相対的に移動させると、金属円管１がプラグ３により内面側から一定圧力で挟圧される。この状態でベアリング部６を通過すると、円周方向応力σθの増加を抑制しつつ金属円管１の先端部に平行部を形成することができる（平行部形成工程）。以上の金属円管１の口絞加工が終了したら、プラグ３を引き抜き（引き抜き工程）、ダイス２を取り外す（ダイス取り外し工程）ことで、先端が口絞り加工され、その口絞りされた先端に平行部が設けられた金属円管を作製することができる。

上述したように、金属円管１の内側にプラグ３を配し、円管内面をプラグ３の外周面でしごき加工すると共に、円管外面をベアリング部６の内周面でしごき加工する場合に、プラグ３の断面外径をベアリング部６の内径よりも小さく、加工対象物である金属円管１の肉厚を１４％以上圧する断面外径とすることで、ベアリング部６における円管の肉厚圧下率γを１４％以上とし、円周方向応力σθを大幅に低減することができる。これにより平行部８における内面割れ１０の発生を抑制することができる。

次に、図７、図８を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。図７は、第２の実施の形態に係る口絞り加工方法を実施するための口絞り装置の縦断面図である。図８は、本発明の口絞り加工方法における円周方向応力σθと、プラグの引き抜き力Ｆｐの関係を示したグラフである。図８において横軸は加工後の円管肉厚ｔ１に対するプラグの長さＬｐ（このとき肉厚圧下率は２０％）を示し、縦軸は、プラグの長さＬｐ／ｔ１に対する円周方向応力σθの変化、及びプラグの長さＬｐ／ｔ１に対するプラグの引き抜き力Ｆｐを示している。

図７に示すようにこの口絞り装置は、図３に示した口絞り装置とほぼ同じ構成を有しているが、プラグ３の形状及び長さが異なる。図３に示した口絞り装置では、金属円管１の内側に円柱状のプラグ３を配して口絞り加工する場合は、加工後にプラグ３を引き抜く必要があり、材料の変形抵抗が高い場合はプラグ３の引抜き力Ｆｐが増大してプラグ３やプラグを引き抜くための棒３aが破損する恐れがあった。そこで発明者らは、図７に示すように、プラグ３の平行部の長さＬｐに関して数値解析を行い種々の検討を行った。

その結果、（１）プラグ３の長さＬｐを短くしても、図３に示した円周方向応力σθを抑制する効果は維持される。（２）図８に示すように、プラグの長さＬｐを短くすることによりプラグの引抜き力Ｆｐを抑制することが可能になる。しかも、更にプラグの長さＬｐを加工後の円管先端肉厚平均値ｔ１の２倍以下とすることにより、プラグの引抜き力Ｆｐを抑制する効果が顕著になることが分かった。

そこで第１の実施の形態に示したプラグよりもプラグ長が短い、即ち金属円管１の平行部８との接触部分が少ないプラグ３ｂを用意し、このプラグ３ｂに引き抜き棒３ａを接続した。

上記構成を有するプラグ３ａ，３ｂを用いて第１の実施の形態と同様の口絞り加工方法を行った。その結果、加工後のプラグ引抜き力Ｆｐを低減できると共に、円周方向応力σθを抑制することが可能になった。更にプラグの長さＬｐ／ｔ１を２以下とした場合には、その効果がより顕著になった。

従って、本発明の第２の実施の形態に係る口絞り加工方法によれば、肉厚比が３％以上の金属円管１を口絞り率２０％の口絞り加工する場合において、平行部８の内面に内面割れ１０を発生させず、且つプラグ３の引抜きによるプラグ３やプラグを引き抜くための棒３aの破損を生じさせない口絞り加工方法を実現することができた。

次に、図９、図１０を参照して本発明の第３の実施の形態を説明する。

更に発明者らは、設備の都合上、円管内側にプラグ３を配すること難しい状況でも、円周方向応力σθを抑制し、内面割れ１０を防止する方法を提案する。図９（ａ）は、第３の実施の形態に係る口絞り加工方法を実施するための口絞り装置の縦断面図であり、図９（ｂ）は、金属円管１の内側にプラグ３を配した場合の口絞り装置の縦断面図である。また図１０は図９の口絞り装置における円周方向応力σθの測定結果を示すグラフである。

図９（ａ）に示すように、この口絞り装置は、アプローチ部５とベアリング部６の間に大きな曲率半径Ｒを有する円弧部７を配したダイス２を用いる点に特徴がある。

発明者らは、円弧部７の曲率半径Ｒに対する円周方向応力σθの影響について数値解析を行い種々の検討を行った。

その結果を図１０に示す。同図に示すように、円弧部７の曲率半径Ｒを素管肉厚ｔ０の２０倍以上とすると、円周方向応力σθを抑制できることが分かった。

尚、この抑制効果を、金属円管１の内面の表面粗さを低減させるなど、内面性状を改善する必要がある場合には、図９（ｂ）に示すようにプラグ３を設けることで更に円周方向応力σθの発生を抑制することができる。この場合は肉厚圧下率γを、図３に示したように１４％以上にする必要は無く、従来の口絞り加工方法の通り、数％以下で実施すればよい。

従って、本発明の第３の実施の形態に係る口絞り加工方法によれば、アプローチ部５とベアリング部６の間に円弧部７を設けることにより、肉厚比が３％以上の金属円管１を口絞り率２０％の口絞り加工を行う場合において、プラグ３を用いなくとも、金属円管１の平行部８の内面に内面割れ１０を発生させずに口絞り加工方法を実現することができる。

次に、図１１、図１２を参照して本発明の第４の実施の形態を説明する。

図１１は、本発明の第４の実施の形態に係る口絞り加工方法を実施するための口絞り装置の縦断面図である。

図１１に示すように、本実施の形態においては、口絞り加工が終了するベアリング部６の先端部分に凹部１２を設けた点に特徴がある。この構成により、更に円周方向応力σθを抑制することができる。即ち、第３の実施の形態に示したようにアプローチ部５とベアリング部６の間に円弧部７を設けなくても、図１１（ａ）に示すように、円弧を有する突起１１を設ける、或いは図１１（ｂ）に示すように、アプローチ部５とベアリング部６の間に円弧部７が存在している場合に、そのベアリング部６の先端開口部分に凹部１２を設けることで円周方向応力σθを低下させることができる。

図１２を参照して、アプローチ部５とベアリング部６の間に円弧部７が存在している場合の検討結果を説明する。第３の実施の形態で説明した通り、円弧部７の半径Ｒが素管肉厚ｔ０の２０倍よりも小さい条件では、円周方向応力σθを抑制することは難しい。しかし凹部１２を設けることにより、この円弧部の曲率半径Ｒが素管肉厚ｔ０の２０倍よりも小さくても、円周方向応力σθを２０％程度低減することが可能となる。

従って、ベアリング部６の先端部分に凹部１２を設けることで円周方向応力σθを充分低減することができることから、凹部１２で円管先端部に形成された平行部８の内面に発生する内面割れ１０の発生を抑制することができる。

次に、図１３、図１４を参照して本発明の第５の実施の形態を説明する。

図１３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第５の実施の形態に係る口絞り加工方法を実施するための口絞り装置及び金属円管１の縦断面図である。図１４は、図１３の口絞り装置における円周方向応力σθの測定結果を示すグラフである。

発明者らは、ダイス２やプラグ３など工具だけではなく、素管の形状にも着目し、検討を重ねた結果、素管先端に円弧１３を設けることにより円周方向応力σθが抑制可能であることを見出した。

図９に示したように、円弧部７の曲率半径Ｒが素管肉厚ｔ０の２０倍よりも小さい条件では、円周方向応力σθを抑制することは難しい。しかしながら素管先端に予め円弧部１３を設けることにより、円弧部７の半径Ｒが素管肉厚ｔ０の２０倍よりも小さい条件であっても、円周方向応力σθを１０％程度低減することが可能であることが分かった。

従って、素管先端に円弧１３を設けることにより円周方向応力が抑制可能となることから、肉厚比が３％以上の金属円管１を口絞り率２０％の口絞り加工を行う場合において、プラグを用いず、更にダイスのアプローチ部５とベアリング部６の間に円弧部７を設けなくとも、金属円管１の平行部８の内面に内面割れ１０が発生しない口絞り加工方法を実現することができる
以上、上述した第１乃至第５の実施の形態に係る本発明は、重ね合わせて用いることにより、その円周方向応力σθを抑制し、内面割れ１０を防止する効果を更に向上させることができる。特に、変形能が低い材料に対して従来の加工方法を実施すると内面割れ１０が不可避的に発生していたが、本発明によれば、従来と同様の条件においても内面割れ１０の発生を防止することが可能となる。

従って、本発明によれば、（１）素管の肉厚比ｔ０／Ｄ０が３％以上、（２） 口絞り率（Ｄ０−Ｄ１）／Ｄ０が２０％以上、更に（３）成形後の口絞り先端に平行部８を有する金属円管の口絞り加工を、円管内面において内面割れ１０が生じないように作製することができる。

軽金属などの変形能が高い材料を対象とした口絞り率の大きい口絞り加工では、従来、加工の中でもスピニング加工などの逐次加工が有効と考えられており、この逐次加工は、生産能率が劣る場合が多いという問題を有していたが、本発明を適用することにより、大幅な生産能率を向上させる効果が期待できる。

また本発明によれば、加工終了時に内面の円周方向応力σθが負(圧縮)、或いは正(引張)であっても、その値が小さくなることから口絞り円管内面の残留応力も負、或いは小さくすることができる。そのため本発明により製造された口絞り製品は、繰返し疲労において耐久性の高い長寿命の平行部を形成する口絞り加工方法として有効な方法である。

本発明の高肉厚圧下率による口絞り方法を説明する図であり、（ａ）は 肉厚圧下などの定義、（ｂ）はプラグを配しない場合の肉厚ｔｃの説明を示す図である。 本発明の短尺プラグによる口絞り方法を説明する図である。 本発明のアプローチ部とベアリング部の境界に円弧部を設けることによる口絞り方法を説明する図であり、（ａ）は内面プラグが無い場合、（ｂ）は内面プラグがある場合を示す図である。 本発明のアプローチ部とベアリング部の境界に突起を設けることによる口絞り方法を説明する図であり、（ａ）は内面プラグが無い場合、（ｂ）は内面プラグがある場合を示す図である。 応力の異なる金属円管の対数ひずみに対する真応力を測定した結果を示すグラフである。 応力の異なる各金属円管の肉厚圧下率γに対する円周方向応力を測定した結果を示すグラフである。 本発明の先端円弧による口絞り方法を説明する図である。 割れ発生現象を説明する図であり、（ａ）は内面割れの発生しない状態、（ｂ）は加工に伴う皺の成長を示す図である。 内面割れ発生メカニズムを考察するために行った解析の結果を説明するための図である。 実質的な肉厚圧下率γを１４％以上に設定することにより、円周方向応力の抑制が可能であることを説明するための図である。 プラグ平行部長さを小さくすることによって、口絞り後に実施するプラグの引抜きに要する力を低減できることを説明するための図である。 アプローチ部とベアリング部の境界の円弧部Ｒを素管肉厚ｔの２０倍以上とすることによって円周方向応力の抑制が可能であることを説明するための図である。 口絞り加工終了部分に凹部を設けることによって、円周方向応力の抑制が可能であることを説明するための図である。 素管先端に円弧を設けることによって、円周方向応力の抑制が可能であることを説明するための図である。

符号の説明

１…金属円管
２…ダイス
３…プラグ
３ａ…引き抜き棒
３ｂ…短尺プラグ
４…ストレート部
５…ベアリング部
６…アプローチ部
７…円弧部
８…平行部
９…皺
１０…内面割れ
１１…突起
１２…凹部
１３…素管先端の円弧部

Claims (5)

1. 金属円管を、前記金属円管を口絞加工する口絞部を有するダイス、及び、前記口絞部とにより前記金属円管を外周面と内周面から挟圧するためのプラグに対して、前記プラグの軸方向に相対的に移動させて口絞加工する口絞工程を有する金属円管の口絞り加工方法であって、
   前記口絞工程は、前記金属円管において口絞加工が施された口絞加工部の肉厚圧下率γが１４％以上となるように行われることを特徴とする金属円管の口絞り加工方法。
   γ＝（ｔｃ−ｔ１）／ｔｃ×１００（％）
   ｔｃ：プラグを配しない場合の口絞部の肉厚平均値
   ｔ１：プラグを配した場合の口絞部の肉厚平均値
2. 前記口絞工程は、前記口絞加工部の肉厚平均値の２倍以下の長さを有するプラグを用いることを特徴とする請求項１記載の金属円管の口絞り加工方法。
3. 金属円管を口絞加工する口絞部を有するダイスに、前記ダイスの軸方向に相対的に前記金属円管を移動させて口絞加工する口絞工程を有する金属円管の口絞り加工方法であって、
   前記口絞工程は、前記金属円管において口絞加工が施された口絞加工部が、曲率半径が前記口絞加工部の肉厚平均値の２０倍以上の円弧部を有するように、前記金属円管を内側に向けて曲成させることを特徴とする金属円管の口絞り加工方法。
4. 前記口絞部の端部内周面に切欠部を有するダイスを用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属円管の口絞り加工方法。
5. 前記口絞工程は、長手方向切断面が曲成された金属円管を用いることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属円管の口絞り加工方法。

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