JP2007050423A - 金属円管の口絞り加工方法および口絞り加工用ダイス - Google Patents

Abstract

【課題】 設備機構がシンプルなダイス方式を適用し、金属円管の先端部を高い口絞り率で口絞り加工しつつ、この先端部に皺等の欠陥が発生する確率を低減させる金属円管の口絞り加工方法および口絞り加工用ダイスを提供する。
【解決手段】 金属円管４を口絞加工する口絞部２を有するダイス１を用いて口絞加工する口絞工程を有する金属円管４の口絞り加工方法において、ダイス１の長軸方向を中心軸とし、この軸を中心に円錐状に設けられる口絞部２の斜面に少なくとも２個以上の凹形状を有する逃げ部３が設けられているダイス１に、金属円管４の一方の端を挿入配置し、ダイス１を金属円管４に対して相対的に円周方向に回転させながら同時に金属円管４を軸方向に相対的に移動させて押圧加工する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属円管の先端部を高い口絞率で加工する金属円管先端部の口絞り加工方法および口絞り加工用ダイスに関する。

現在、ボンベ、排気管、エアバック容器、飲料缶等で用いる金属円管の先端部を口絞り加工して胴管部の径より口細りさせる口絞り加工方法がある。この口絞り加工の代表的な方式としてダイス方式とスピニング方式とが挙げられる。

ダイス方式は、金属円管の先端部を、予め円錐状の加工用穴が形成されたダイスに押し当て口絞りする方式である。この方式においては、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、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可能性があることから、皺の発生を抑制する目的でプラグを配置する（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されているように、口絞り加工する先端部を階段状の複雑な口絞り形状に成形する場合は、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ることで階段状の複雑な口絞り形状の成形を実現している。

一方、スピニング方式は、回転自在なローラや回転しないヘラ等を金属円管の先端開口部周縁に押し当てて成形する方式である。スピニング方式も薄肉の金属円管（例えば、アルミニウムやそれを含む合金などの軽金属）または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る方式である（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−３０９４６１号公報 特開平１１−１１４６４０号公報

しかしながら、スピニング方式は、薄肉厚の金属円管であれば口絞り率９０％を実現できるという利点を有するものの、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。またローラや回転しないヘラに複雑な加工経路を与える場合が多いため、ダイス方式に比べて加工時間が増大する、という問題も有している。

一方、ダイス方式は、口絞り加工用の設備構造が比較的シンプルで、加工時間が短い、すなわち加工能率が高いという利点を有するが、その一方で先端部の口絞り率が胴管の直径に対して２０％を越える高口絞り率を実現しようとすると、金属円管の先端部又は胴管部に口辺皺等の欠陥が発生する場合がある、という問題を有している。特に、肉厚比（金属円管胴管部の肉厚／金属円管の素管外径）３％以下の薄肉厚では皺が発生しやすい。

尚、口絞り率とは、金属円管の素管外径をＤ０、口絞り加工後の口絞り先端外径をＤ１とすると、次式で表される。

口絞り率＝（Ｄ０−Ｄ１）／Ｄ０
ここで図９を参照して、上記各種口絞り方式で先端加工を行った場合に、金属円管の先端部又は胴管部に発生し得る欠陥の一例を説明する。図９（ａ）は、正常な口絞り加工が施された理想的な先端１０１を有する金属円管（胴管部１００）の外観図である。これに対して図９（ｂ）に示した金属円管の先端１０１の周縁には口辺皺１０２が発生している。また図９（ｃ）に示した金属円管の先端１０１の周縁には口辺割れ１０３が発生している。さらに図９（ｄ）に示した金属円管には先端１０１と胴管部１００の境界に境界座屈１０４が発生している。またさらに図９（ｅ）に示した金属円管の胴管部１００には胴管部座屈１０５が発生している。

ここで図９（ｄ）に示した境界座屈部１０４がどのようにして発生するか、図１０を参照して説明する。図１０（ａ）は、金属円管１００をダイス１１０とチャック１０６と中子１０７を用いて口絞り加工中の縦断面図である。ダイス１１０には円錐状の加工用穴１１１が削切されており、ダイス軸と加工用穴１１１の傾斜は角度αをなしている。この加工用穴１１１に金属円管１００の先端部を挿入し、他方の端部にチャック１０６と中子１０７を着設して矢印方向に力Ｐで押し込む。すると金属円管１００の先端部が口絞りされると同時に押圧方向と逆方向に摩擦力Ｆが働く。これにより図１０（ｂ）に示すように胴管部１００と先端部１０１の境界に境界座屈１０４が発生する。

また図９（ｂ）に示した口辺皺１０２がどのように発生するか、図１１を参照して説明する。図１１（ａ）は、金属円管１００をダイス１１０とチャック１０６と中子１０７を用いて口絞り加工している際中の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ横断面図、（ｃ）は加工後の金属円管先端部の外観図である。

ダイス、チャック１０６および中子１０７は図１０の部材と同じものであるが、ダイス軸と傾斜のなす角度αが図１０（ａ）の角度より大きく形成されている。このようなダイスに金属円管１００の先端部を押し込むと、押圧方向に向かって急峻な角度で口絞りを行うため、この急激な変化に追随できず、また押圧力と回転力により先端部の口辺に負荷が掛かり、（ｃ）に示すように口辺皺１０２が発生する。すなわち、口辺皺の発生要因は、傾斜角度αが大きいために押出方向に向かって急激に口絞り率が高くなることから、この変化に追随して金属板の変形が伴わない点にある。

尚、口辺皺１０２が発生した場合には、プラグとダイスの隙間を小さく固定した状態で口絞り加工する方法で行うが、この方法であると今度は胴管部座屈１０５が発生する可能性がある、という相反関係の問題が生じる。

そこで本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、設備機構がシンプルなダイス方式を適用し、金属円管の先端部を高い口絞り率で口絞り加工しつつ、この先端部に皺等の欠陥が発生する確率を低減させる金属円管の口絞り加工方法および口絞り加工用ダイスを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１記載の金属円管の口絞り加工方法は、金属円管を口絞加工する口絞部を有するダイスを用い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において、ダイスの長軸方向を中心軸とし、この軸を中心に円錐状に設けられる口絞部の斜面に少なくとも２個以上の凹形状を有する逃げ部が設けられているダイスに、金属円管の一方の端を挿入配置する挿入配置工程と、ダイスを金属円管に対して相対的に円周方向に回転させながら同時に金属円管を軸方向に相対的に移動させる回転押込工程とを有することを特徴とする。

また請求項２記載の金属円管の口絞り加工方法は、請求項１記載の金属円管の口絞り加工方法であって、回転押込工程により口絞り加工された金属円管の先端部を、成形用ダイスに設けられた円錐状の成形溝に配置し、更にこの金属円管の内側にこの金属円管の内側から成形溝の周面に対し挟圧させるためのプラグを配置してこの金属円管の先端部をしごき成形する成形工程を有することを特徴とする。

請求項３記載の金属円管の口絞り加工用ダイスは、円柱状のダイスの長軸方向を中心軸とし、この軸を中心に円錐状に設けられる口絞部の斜面に少なくとも２個以上の凹形状を有する逃げ部が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、円錐状の傾斜面に少なくとも２個以上の逃げ部を有するため、金属円管の外側面とダイスの傾斜面の接触面積が減少し、これに伴い摩擦力も低下するため、境界座屈の発生を抑制することができる。またダイスの中心軸と口絞部の傾斜面とがなす角αを大きくしても（すなわち口絞り率を上げても）口辺皺や口辺割れの発生を抑制できる。

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。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る口絞り加工用ダイスの構造図であり、（ａ）はダイスの上面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）は斜視図である。

（口絞り加工用ダイス）
この口絞り加工用ダイス１は、円柱形状を有するダイスの長軸方向を中心軸とし、この軸を中心に円錐状に掘削形成された口絞り用加工用穴の斜面に、この軸を中心として対称な位置に設けられる少なくとも２個以上の逃げ部３を有するものである。この口絞り用加工穴は、口絞部２と逃げ部３が交互に配置された構成を有している。

逃げ部３の形状は、円錐の下方（先細っている方）から上方に向かって扇状に広がる形状を有し、更にこの逃げ部３は凹状をなしている。逃げ部３の個数は、少なくとも２個以上とし上限は特に規定しない。

（口絞り加工方法）
次に、図２、図３を参照して、本発明に係る口絞り加工用ダイス１を用いた口絞り加工方法を説明する。

図１に示した口絞り加工用ダイス１と、被加工物である金属円管４を用意し、ダイス１の口絞り加工用穴に金属円管４の一方の端を挿入配置し、金属円管４の他端にチャック６と中子７を配する。そしてダイス１及び金属円管４の中心軸を軸にして、金属円管４を矢印Ａ方向若しくは矢印Ｂ方向から相対的に押圧する。またこの押圧と同時にダイス１を円周方向に回転させる。若しくはダイス１を固定して金属円管４を回転させる。

これにより金属円管４は、口絞り加工用穴の口絞部２に対して押圧により中心軸方向に縮管される。ここで角度αは２５°≦α≦６０°と設定されている。また口絞部２に逃げ部３が設けられているため、口絞部２と金属円管４の接触面積が小さくなり、その結果、押込み荷重を抑制できることから境界座屈の発生を抑制することもできる。

また相対的に金属円管４をダイス１に対して回転させると逃げ部３において金属円管４が外側に張り出すので、この状態で相対的な回転運動を与えることにより、口絞部２と逃げ部３の境界部８において金属円管４は縮管加工を受け、金属円管４の先端は、口辺皺や口辺割れを発生させることなく目標とする形状に加工することができる。

次に、図４を参照して、上記口絞り加工方法で作製された金属円管先端部の外側面及び内側面の成形方法について説明する。図４において、図１〜図３で説明した部材と同部材については同符号を付し、その説明を省略する。

まず図４（ａ）に示すように、図１で説明した逃げ部３を有するダイス１に金属円管４の一方の端を挿入する。そして図４（ｂ）に示すように、金属円管４を矢印方向に押圧し（若しくはダイスを矢印逆方向に移動させ）ながら、同時にダイス１を円周方向に回転させ、先端部を縮径加工する。

この加工により作製された金属円管先端部の外側面又は内側面は、この金属円管の材質や加工条件により微小な凹凸や皺が発生する場合がある。そこで図４（ｃ）に示すように、円錐状の成形溝が形成されているダイス１０（逃げ部３は設けられていない。）を用意し、この成形溝に口絞り加工後の金属円管先端部を挿入配置し、更に金属円管４の内面にプラグ９を配置する。そして金属円管４の内側から成形溝の周面に対して挟圧させながらある一定の荷重Ｑで軸方向（矢印方向）に押し込むことで金属円管先端部の外側面及び内側面を同時に成形加工する。

このように円錐状の成形溝を有するダイス１０に金属円管を配置し、金属円管の内側から成形溝の周面に対し挟圧させるようにプラグ９を配置することで、例えば金属円管４の外側面又は内側面に微小な凹凸や皺が生じた場合であっても、これを成形加工して更に精度の高い金属円管の先端部を作製することができる。

次に、図５を参照して、口絞り加工用ダイスの他の構造例を説明する。図５は、本発明に係る口絞り用加工ダイスの各種上面図である。

図５（ａ）に示すように、このダイス１ａは、円錐状の口絞り用加工穴に少なくとも２個の逃げ部３ａを有している。この逃げ部３ａは、ダイス１ａの長軸方向を中心軸としてこの軸を対称に配置されている。ここで図１（ａ）と異なる点は、扇状に広がる逃げ部３ｂが下方端（口絞り開口部の先端）にまで連続して掘削形成されていない点にある。

この構成によれば、金属円管を挿入し押圧回転加工を開始すると導入部分の逃げ部３ａが設けられている部分では口辺皺や口辺割れの発生を抑制することができ、ダイス１ａの下方端の逃げ溝３ａが形成されていない部分では金属円管４の先端をより精度良く真円に成型することができる。

図５（ｂ）に示すダイス１ｂは、上記同様に逃げ部３ｂが少なくとも２個以上設けられ、この逃げ部３ｂが軸対称位置に配置されている。この逃げ部３ｂは、上記逃げ部３ａの構成とは逆に、逃げ部３ｂが上方端にまで連続して掘削形成されていない点が上記構成とは異なる。

この構成によれば、ダイス１ｂの導入部分には逃げ部３ｂが設けられていないため胴管部をより精度良く真円に成形することができる。またダイス１ｂの下方端に向かって逃げ部３ｂが設けられていることから口辺皺や口辺割れを発生させずに口絞り加工を行うことができる。

図５（ｃ）に示すダイス１ｃは、上記同様に逃げ部３ｂが少なくとも２個以上設けられ、この逃げ部３ｂは軸対称位置に配置されている。そしてこの逃げ部３ｃは、図５（ａ）の特徴と図５（ｂ）の特徴の両方を兼ね備え、すなわち下方端及び上方端に達することなく円錐状の口絞部２ｃに扇状の凹部を形成した構造を有している。

この構成によれば、口絞り加工した際に、金属円管の先端の成形精度と、胴管部の成形精度の両方を向上させることができる、という効果を有する。

図５（ｄ）に示すダイス１ｄは、円錐状の口絞り用加工穴に少なくとも２個以上、具体的には４個以上の逃げ部３ｄを設け、これらが軸対称になるように配置されている。口絞り加工において口辺皺や口辺割れを発生させないためには、できるだけ口絞部２ｄの面積を小さくして接触面積を小さくすることが肝要である。従って、逃げ部３ｄの面積を多くすること、または逃げ部３ｄの個数を多くすることが本発明の効果を奏する為に望ましい。尚、本実施の形態では、逃げ部の個数を偶数個としたが、個数は偶数個に限らず２個以上であれば奇数個でも良い。また逃げ部の配置は軸対象としたが、配置場所は軸対象に限定されるものではない。

次に図６を参照して、口絞部２及び逃げ部３の形状について説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は、口絞部２及び逃げ部３の形状例を示すためのダイス断面図である。

図６（ａ）に示すダイス１ｅは、図１で説明したダイスと同じ形状を有している。すなわち円錐状に掘削形成された加工穴において、口絞部２ｅは平らな傾斜面で構成されており、図示していない逃げ部はこの傾斜面より窪んだ形状を有している。そしてこのような口絞部２ｅと逃げ部が交互に配置されることにより円錐状を構成している。この構成によれば、逃げ部３が構成されていることにより金属円管４と口絞部４の接触面積が小さくなるので、境界座屈の発生を抑制することができる。

また図６（ｂ）に示すダイス１ｆは、口絞部２ｆが緩やかな凹状の曲面を有している。一方、図示していない逃げ部は、この口絞部２ｆの窪みよりも更に深い凹状の窪みで構成されている。この構成の場合も上記効果と同様に、金属円管４との接触面積が小さいので境界座屈の発生を抑制することができる。また口絞部２ｆが曲面化しているので、口絞り加工後の金属円管４の先端も緩やかな曲面を有する成形加工がなされる。

図６（ｃ）に示すダイス１ｇは、上記２つの場合と異なり、口絞部２ｇが凸状の曲面を有している。このような構成を有するダイス１ｇによれば、口絞り加工後の金属円管４の先端を先鋭加工することができる。

次に図７を参照して、本発明に係る口絞り加工方法に適用可能な金属円管の一例を示す。図７（ａ）の金属円管４ａは横断面形状が真円の円筒管である。図７（ｂ）に示す金属円管４ｂは横断面形状が楕円形を有する円筒管である。また図７（ｃ）に示す金属円管４ｃは横断面形状が四角形を有する筒状の金属管である。ここに例示した形状は一例であるが、本発明の口絞り加工によれば、これら多種多様な金属円管の先端を口絞り加工することができる。

（実施例）
次に図８を参照して、本発明の口絞り加工用ダイスを用いて口絞り加工を行ったときの実験結果を示す。

実験条件を表１に示す。

表１に示す条件で本発明の効果を実験により検証した。

本実験では、ダイス半角αを２５〜４５°に設定し、従来のダイス方式による口絞り加工と、本発明による逃げ部を有する非軸対称ダイスを用いて、加工物である金属円管を回転させながら押し込むことによる口絞り加工の限界口絞り率を比較した。

その結果、従来加工方法による限界口絞り率は最高でも０．３（すなわち３０％の口絞り率）であり、角度が大きくなるにつれその限界口絞り率は低下した。しかし本発明の加工方法によれば、従来の限界口絞り率を全体的に大きく上回り、口辺割れや境界部座屈が高口絞り率でも発生しにくくなった。特に半角αが３０度以上の場合において、その効果が顕著に現れていることが図８から読み取れる。

尚、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も期待できる。

本発明の実施の形態に係る口絞り加工用ダイスの構造図である。 本発明の実施の形態に係る口絞り加工方法を説明するためのダイス及び金属円管の断面図である。 本発明の実施の形態に係る口絞り加工方法における作用を説明するためのダイス及び金属円管の外観図及びダイスのＢ−Ｂ断面図である。 本発明の実施の形態に係る口絞り加工方法で作製した金属円管先端部を成形加工するための各工程を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る口絞り加工用ダイスの形状例を示すための上面図である。 本発明の実施の形態に係る口絞り加工用ダイスの形状例を示すための縦断面図である。 本発明に係る口絞り加工方法に適用可能な金属円管の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る口絞り加工用ダイスを用いて加工を行った場合の実験結果を示すグラフである。 従来の口絞り加工方法で加工した場合に生じる欠陥の一例を示す図である。 従来の口絞り加工を行うための加工装置の断面構造図（ａ）、およびこの加工装置で加工された金属円管の外観図（ｂ）である。 従来の口絞り加工を行うための加工装置の断面構造図（ａ）、この断面構造図のＡ−Ａ横断面図（ｂ）、およびこの加工装置で加工された金属円管の外観図（ｃ）である。

符号の説明

１、１０…ダイス
２…口絞部
３…逃げ部
４…金属円管
６…チャック
７…中子
８…境界部
９…プラグ
１０…ダイス
１００…金属円管
１０１…金属円管の口絞り成形部
１０２…口辺皺
１０４…境界座屈部
１０５…胴管部座屈
１０６…チャック
１０７…中子
１１０…ダイス
１１１…加工用穴

Claims (3)

1. 金属円管を口絞加工する口絞部を有するダイスを用い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において、
   前記ダイスの長軸方向を中心軸とし、当該軸を中心に円錐状に設けられる口絞部の斜面に少なくとも２個以上の凹形状を有する逃げ部が設けられているダイスに、前記金属円管の一方の端を挿入配置する挿入配置工程と、
   前記ダイスを前記金属円管に対して相対的に円周方向に回転させながら同時に金属円管を軸方向に相対的に移動させる回転押込工程と、
   を有することを特徴とする金属円管の口絞り加工方法。
2. 前記回転押込工程により口絞り加工された金属円管の先端部を、成形用ダイスに設けられた円錐状の成形溝に配置し、更に該金属円管の内側に該金属円管の内側から前記成形溝の周面に対し挟圧させるためのプラグを配置して該金属円管の先端部をしごき成形する成形工程を有す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. 円柱状のダイスの長軸方向を中心軸とし、当該軸を中心に円錐状に設けられる口絞部の斜面に少なくとも２個以上の凹形状を有する逃げ部が設けられていることを特徴とする口絞り加工用ダイス。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images