JP2009090301A - 金属管内周面溝形成方法および金属管 - Google Patents

Abstract

【課題】金属管、特に内径の小さい金属管や外形が曲がっている金属管の内周面に容易に溝を形成する方法、内周面に溝が形成されるとともに内径が小さい金属管および内周面に溝が形成されるとともに外形が曲がっている金属管を提供する。
【解決手段】高硬度部形成工程Ｓ１１００において原料金属管１０に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部１３を形成し、厚肉化加工工程Ｓ１２００において原料金属管１０に厚肉化加工を施すことにより、内周面２２に溝２４が形成された金属管２０を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属管の内周面に溝を形成する技術に関する。

従来、金属管の内周面に溝を形成する方法としては、（１）金属管の内部空間に切削刃を挿入して機械加工する方法、（２）金属管の内部空間に電極を挿入して放電加工する方法、（３）金属板に機械加工または放電加工により予め溝を形成し、その後金属板を曲げ加工して両端をビード溶接することにより金属管を形成する方法、が知られている。

しかし、上記（１）および（２）の方法は、切削刃や電極を溝を形成する予定部分以外の部分に接触させることなく金属管の内部に挿入し、かつ溝の形成に伴い発生する切削屑等を排出するためには金属管の内径をある程度大きく設定しなければならず、内径が小さい金属管に適用することが困難であるという問題を有する。
また、（１）および（２）の方法は、金属管がストレートでなく中途部で曲がっている場合には溝の形成が困難であるという問題を有する。

上記（３）の方法は、予め溝を形成した金属板を曲げて溶接することにより金属管とすることから、上記（１）および（２）の問題点を解消することが可能であるという利点を有する。
しかし、上記（３）の方法は、ビード溶接後に溶接された部分（ビード溶接部）と溝が形成された部分（溝形成部）との相対的な位置を変更あるいは修正することが実質的に不可能であることから、ビード溶接部と溝形成部との間で高い位置精度が要求される場合には作業性が良くない（製造歩留まりが低下する）という問題を有する。

また、上記（１）、（２）および（３）の方法は、いずれも溝を形成する時に出発材となる金属管から切削屑が発生し、材料のロスが発生するという問題を有する。

上記（１）乃至（３）の方法の他、金属管の内周面ではないものの金属材料からなる部材の表面に微小な凹凸を形成する方法として、特許文献１に記載の技術が知られている。
特許文献１に記載の技術は、金属材料からなる部材の表面にレーザを照射してレーザ焼き入れを施すことにより、レーザの照射部位と非照射部位との間に硬度の差を生じさせ、次いで金属材料からなる部材の表面を所定量削除して平滑な面を形成し、続いて当該平滑な面にバフ加工を施すことにより金属材料からなる部材の表面に微小な凹凸を形成するものである。

しかし、特許文献１に記載の技術は、レーザの照射部位が膨出して凸部となることから、凹部を積極的に形成することが出来ないという問題を有する。
特許第３８８０００９号公報

本発明は以上の如き状況に鑑み、金属管、特に内径が小さい金属管あるいは外形が曲がっている金属管の内周面に容易に溝を形成する方法、内周面に溝が形成されるとともに内径が小さい金属管、および内周面に溝が形成されるとともに外形が曲がっている金属管を提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、
原料金属管に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部を形成する高硬度部形成工程と、
前記高硬度部形成工程において高硬度部が形成された原料金属管に厚肉化加工を施すことにより内周面に溝が形成された金属管を得る厚肉化加工工程と、
を具備するものである。

請求項２においては、
前記高硬度部形成工程において、
前記原料金属管の外周面にレーザを走査しつつ照射するものである。

請求項３においては、
前記厚肉化加工は、
スピニング加工または金型加工により行われるものである。

請求項４においては、
前記厚肉化加工工程により前記金属管の内周面に形成される溝の底部の硬度は、
当該底部の周囲の硬度より高いものである。

請求項５においては、
原料金属管に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部を形成し、次いで前記原料金属管に厚肉化加工を施すことにより得られる、内周面に溝が形成されたものである。

請求項６においては、
前記高硬度部は、
前記原料金属管の外周面にレーザを走査しつつ照射することにより形成されるものである。

請求項７においては、
前記厚肉化加工は、スピニング加工または金型加工により行われるものである。

請求項８においては、
前記溝の底部の硬度は、
当該底部の周囲の硬度より高いものである。

本発明は、金属管、特に内径が小さい金属管あるいは外形が曲がっている金属管の内周面に容易に溝を形成することが可能である、という効果を奏する。

以下では、図１から図５を用いて本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態について説明する。
本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、原料金属管１０を出発材とし、内周面２２に溝２４が形成された金属管２０を得る方法である。
図１に示す如く、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、高硬度部形成工程Ｓ１１００および厚肉化加工工程Ｓ１２００を具備する。

高硬度部形成工程Ｓ１１００は本発明に係る高硬度部形成工程の実施の一形態であり、図２の（ａ）および（ｂ）、図３、並びに図４に示す如く、原料金属管１０に高硬度部１３を形成する工程である。

図２の（ａ）および図３に示す如く原料金属管１０はステンレス鋼からなる円管状の部材である。
なお、本発明に係る原料金属管（ひいては、金属管）の材料はステンレス鋼に限定されず、何らかの方法で部分的に硬度を上昇することが可能であり、かつ塑性変形可能であれば他の金属材料（例えば、銅合金や亜鉛合金等）でも良い。

高硬度部１３は原料金属管１０のうち、周囲よりも硬度が高い部分である。本実施例の高硬度部１３は原料金属管１０の長手方向（軸線方向）に延びている。

本実施例では原料金属管１０の長手方向に延びた直線状の高硬度部１３を形成したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、原料金属管に対して螺旋状に形成された高硬度部としても良く、原料金属管の周方向に延びて両端が繋がったリング状に形成された高硬度部としても良い。
本実施例の高硬度部１３の数（本数）は一箇所（一本）であるが、本発明に係る高硬度部の数（本数）は一箇所（一本）に限定されず、複数箇所（複数本）でも良い。
また、原料金属管に高硬度部を複数箇所（複数本）形成する場合、当該複数箇所（複数本）の高硬度部が互いに交差しても良い。

高硬度部形成工程Ｓ１１００において、原料金属管１０の外周面１１にＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザを走査しつつ照射する。

原料金属管１０の外周面１１にＹＡＧレーザを移動（走査）しつつ照射すると、ＹＡＧレーザが照射されている部分は外周面１１から内周面１２にわたって急加熱され、その後ＹＡＧレーザが移動して照射されなくなると急冷却される。
図２の（ｂ）および図４に示す如く、ＹＡＧレーザの照射により急加熱および急冷却された部分の金属組織は微細化し、当該部分の硬度（ビッカース硬度）はＹＡＧレーザが照射される前よりも上昇する。このように、ＹＡＧレーザの照射により急加熱および急冷却された部分が高硬度部１３となる。
高硬度部１３の硬度は、原料金属管１０においてＹＡＧレーザが照射されなかった部分、すなわち高硬度部１３の周囲の硬度よりも高くなる。

高硬度部１３の金属組織が急冷却により微細化する機構は原料金属管１０を構成する金属材料の組成や原料金属管１０の形状（厚み）等により異なる。当該微細化の機構としては、例えば鉄鋼材料におけるマルテンサイト変態、ベイナイト変態、オーステナイト粒界からの微細なフェライトの析出、介在物表面からの微細なフェライトの析出等が挙げられる。

本実施例では原料金属管１０の外周面１１にＹＡＧレーザが照射される構成としたが、本発明はこれに限定されず、溝形成予定部を急加熱可能であれば溝形成予定部に沿って他の種類のレーザ（例えば、ルビーレーザ、ＣＯ_２レーザ、Ａｒレーザ、エキシマレーザ等）を照射しても良い。

本実施例ではＹＡＧレーザを原料金属管１０の外周面１１に照射することにより周囲よりも硬度が高い部分である高硬度部１３を形成する構成としたが、本発明はこれに限定されず、他の方法（例えば、加工硬化、溶接等）を用いて高硬度部を形成しても良い。

厚肉化加工工程Ｓ１２００は本発明に係る厚肉化加工工程の実施の一形態であり、図２の（ｃ）および図５に示す如く、高硬度部形成工程Ｓ１１００において高硬度部１３が形成された原料金属管１０に厚肉化加工を施すことにより、内周面２２に溝２４が形成された金属管２０を得る工程である。
ここで「厚肉化加工」は、原料金属管を塑性変形させて肉厚を増大させる（外径と内径との差を大きくする）加工を指す。
厚肉化加工の態様としては、（ａ）原料金属管の外周面に原料金属管の半径方向の応力を付与することにより原料金属管の外径を小さくする加工である縮管加工、（ｂ）原料金属管の端面に原料金属管の軸線方向（長手方向）の応力を付与することにより原料金属管の軸線方向（長手方向）の長さを短くする加工である軸圧縮加工、あるいは上記（ａ）および（ｂ）を組み合わせた加工等が挙げられる。
なお、軸圧縮加工を行う場合は原料金属管が座屈することを防止するために原料金属管の内部に芯材を配置することが望ましい。

厚肉化加工は、具体的にはスピニング加工（原料金属管を回転させつつ外周面にローラを押し当てることにより塑性変形させる加工）または金型加工（原料金属管を金型のキャビティに収容し、当該金型を閉めることにより塑性変形させる加工）により行われる。

金属管２０における高硬度部２３は、原料金属管１０における高硬度部１３に対応する部分（厚肉化加工前には高硬度部１３であった部分）である。
金属管２０の肉厚と原料金属管１０の肉厚とを比較すると、高硬度部１３と高硬度部２３とでは肉厚の差がほとんど無い（厚肉化加工により高硬度部１３が高硬度部２３となる過程で高硬度部１３の肉厚はほとんど増大しない）のに対して、それ以外の部分については肉厚が大きく増大している。
これは、原料金属管１０における高硬度部１３の硬度がその周囲の硬度よりも高くなっているため、厚肉化加工が施されても高硬度部１３を構成する金属材料の流動がその周囲よりも小さいことによる。
その結果、図２の（ｂ）および（ｃ）、図４並びに図５に示す如く、原料金属管１０の内周面１２において高硬度部１３との境界部分を構成する金属材料が高硬度部１３に向かって巻き込むように流動し、金属管２０の内周面２２のうち高硬度部２３はその周囲の内周面２２よりも一段低くなる。
このように、原料金属管１０に厚肉化加工が施されると、その結果として得られる金属管２０の内周面２２のうち高硬度部２３に対応する部分に溝２４が形成されることとなる。また、溝２４の底部２４ａの硬度は、高硬度部２３の周囲の部分の硬度よりも高い。

高硬度部形成工程Ｓ１１００および厚肉化加工工程Ｓ１２００を経て内周面２２に溝２４が形成された金属管２０は、本発明に係る金属管の実施の実施の一形態である。

厚肉化加工工程Ｓ１２００における厚肉化加工前の原料金属管１０と厚肉化加工後の金属管２０との外径比（縮径率）、厚肉化加工前の原料金属管１０の肉厚、原料金属管１０を構成する金属材料の種類、高硬度部２３とその周囲との硬度差、高硬度部２３の幅等を選択することにより、厚肉化加工工程Ｓ１２００により得られる金属管２０の内周面２２に形成される溝２４の深さおよび溝２４の幅を適宜選択することが可能である。

以上の如く、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、
原料金属管１０に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部１３を形成する高硬度部形成工程Ｓ１１００と、
高硬度部形成工程Ｓ１１００において高硬度部１３が形成された原料金属管１０に厚肉化加工を施すことにより内周面２２に溝２４が形成された金属管２０を得る厚肉化加工工程Ｓ１２００と、
を具備する。
このように構成することにより、金属管２０の内周面２２に容易に溝２４を形成することが可能である。また、溝の形成の際に切削や放電加工を伴わないので、加工コストを削減容易であるとともに材料歩留まりが良い（切り屑が発生しない）。

また、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、
高硬度部形成工程Ｓ１１００において、
原料金属管１０の外周面１１にＹＡＧレーザを走査しつつ照射する。
このように構成することにより、金属管２０の内径が小さい、あるいは金属管２０が真っ直ぐでなく曲がっている等の理由により金属管２０の内部に切削刃や電極を挿入して溝を形成することが不可能な場合でも、金属管２０の内周面２２に溝２４を形成することが可能である。
また、原料金属管１０の外部からＹＡＧレーザを照射するので原料金属管１０の任意の位置に高い位置精度をもって高硬度部１３を形成する（ひいては、溝２４を形成する）ことが可能であるとともに、複雑な形状の高硬度部１３を容易に形成する（ひいては、複雑な形状の溝２４を容易に形成する）ことが可能である。

また、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態における厚肉化加工工程Ｓ１２００は、スピニング加工または金型加工により行われる。
このように構成することにより、原料金属管１０に容易に厚肉化加工を施すことが可能である。

また、本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態は、
厚肉化加工工程Ｓ１２００により金属管２０の内周面２２に形成される溝２４の底部２４ａの硬度はその周囲の硬度より高い。
このように形成することにより、更に厚肉化加工を施せば溝２４を更に深くすることが可能であり、所望の溝２４の深さを得ることが可能である。

以上の如く、金属管２０は、
原料金属管１０に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部１３を形成し、次いで原料金属管１０に厚肉化加工を施すことにより得られる、内周面２２に溝２４が形成されたものである。
このように構成することにより、金属管２０の内周面２２に容易に溝２４を形成することが可能である。また、溝２４の形成の際に切削や放電加工を伴わないので、加工コストを削減容易であるとともに材料歩留まりが良い（切り屑が発生しない）。

また、金属管２０の出発材である原料金属管１０に形成される高硬度部１３は、
原料金属管１０の外周面１１にＹＡＧレーザを走査しつつ照射することにより形成されるものである。
このように構成することにより、金属管２０の内径が小さい、あるいは金属管２０が真っ直ぐでなく曲がっている等の理由により金属管２０の内部に切削刃や電極を挿入して溝を形成することが不可能な場合でも、金属管２０の内周面２２に溝２４を形成することが可能である。
また、原料金属管１０の外部からＹＡＧレーザを照射するので原料金属管１０の任意の位置に高い位置精度をもって高硬度部１３を形成する（ひいては、溝２４を形成する）ことが可能であるとともに、複雑な形状の高硬度部１３を容易に形成する（ひいては、複雑な形状の溝２４を容易に形成する）ことが可能である。

また、金属管２０の出発材である原料金属管１０に施される厚肉化加工は、
スピニング加工または金型加工により行われるものである。
このように構成することにより、原料金属管１０に容易に厚肉化加工を施すことが可能である。

また、金属管２０の内周面２２に形成される溝２４の底部２４ａの硬度は、溝２４の周囲の硬度より高い。
このように形成することにより、更に厚肉化加工を施せば溝２４を更に深くすることが可能であり、所望の溝２４の深さを得ることが可能である。

以下では、フェライト系ステンレス鋼からなる板厚１．５ｍｍの板材を曲げ加工して両端をプラズマ溶接することにより得られる直径１４０ｍｍの原料金属管にスピニング加工を施して触媒コンバータ用素管を製造する場合について説明する。
上記板材をプラズマ溶接して得られる原料金属管は、その溶接部位が高硬度部となる。すなわち、板材を曲げ加工して両端をプラズマ溶接した時点で高硬度部形成工程が終了していることとなる。
上記原料金属管の高硬度部のビッカース硬度は、周囲のビッカース硬度（１５０Ｈｖ程度）よりも３０〜５０Ｈｖ高い。
上記原料金属管にスピニング加工を施して原料金属管の外径を小さくする（縮管する）と、溶接部位は２．２ｍｍまでしか肉厚が増大しないのに対して、その他の部位は３．２ｍｍまで肉厚が増大する。そして、更にスピニング加工を施して原料金属管の外径を小さくすると、原料金属管の内周面のうち溶接部位との境界部分が溶接部位に向かって巻き込むように流動し、溝が形成される。

本発明に係る金属管内周面溝形成方法の実施の一形態を示すフロー図。 端面方向から見た原料金属管および金属管を示す図。 高硬度部形成工程前の原料金属管を示す斜視図。 高硬度部形成工程後の原料金属管を示す斜視図。 厚肉化加工工程後に得られる金属管を示す斜視図。

符号の説明

１０ 原料金属管
１１ 外周面
１２ 内周面
１３ 高硬度部
２０ 金属管
２２ 内周面
２４ 溝
２４ａ 底部

Claims (8)

1. 原料金属管に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部を形成する高硬度部形成工程と、
   前記高硬度部形成工程において高硬度部が形成された原料金属管に厚肉化加工を施すことにより内周面に溝が形成された金属管を得る厚肉化加工工程と、
   を具備する金属管内周面溝形成方法。
2. 前記高硬度部形成工程において、
   前記原料金属管の外周面にレーザを走査しつつ照射する請求項１に記載の金属管内周面溝形成方法。
3. 前記厚肉化加工は、
   スピニング加工または金型加工により行われる請求項１または請求項２に記載の金属管内周面溝形成方法。
4. 前記厚肉化加工工程により前記金属管の内周面に形成される溝の底部の硬度は、当該底部の周囲の硬度より高い請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の金属管内周面溝形成方法。
5. 原料金属管に周囲よりも高い硬度を有する高硬度部を形成し、次いで前記原料金属管に厚肉化加工を施すことにより得られる、内周面に溝が形成された金属管。
6. 前記高硬度部は、
   前記原料金属管の外周面にレーザを走査しつつ照射することにより形成される請求項５に記載の金属管。
7. 前記厚肉化加工は、
   スピニング加工または金型加工により行われる請求項５または請求項６に記載の金属管。
8. 前記溝の底部の硬度は、当該底部の周囲の硬度より高い請求項５から請求項７までのいずれか一項に記載の金属管。