JP2009195941A

JP2009195941A - スピニング加工方法

Info

Publication number: JP2009195941A
Application number: JP2008039677A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ando; 彰啓安藤; Shinobu Kano; 忍狩野; Atsushi Kurobe; 淳黒部
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】スピニング加工によりテーパ部とそれに連続する小径部の縮径加工部を加工する際に、テーパ部の局所的な板厚減少を抑制するスピニング加工方法を提供する。
【解決手段】被加工管２の外側に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラ４を、前記被加工管２の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させる工程を複数パス行うことにより、前記被加工管２の端部６に向けて次第に縮径するテーパ部３と、当該テーパ部３に連続する小径部８を成形する際、被加工管２が前記加工ローラ４により加工を受ける領域の軸方向の加工前長さを、テーパ部３の軸方向の長さに対して２．０倍未満としてスピニング加工を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車のコンバーターケースやマフラーなどの排気系部品等に用いられる端部に縮径部を有する管体の成形方法に関する。

自動車の排気系に装備される排気ガス浄化用触媒（コンバーター）のケースや消音器（マフラー）の
ケース、あるいは尿素を利用した排気ガス浄化用触媒のケースには、大容量化の必要性や自動車の軽量化の観点から素材として板厚が薄くて大径の管が用いられている。そして、それらのケース部材端部には、前後の部材との接続のためにテーパ部と、さらに必要に応じてテーパ部に連続した小径部が備えられている。
図１には、このようなケース１が、素材である大径の管の部分（１ｃ）、前後の部材と接続するために設けられるテーパ部（１ｂ）およびテーパ部に連続した小径の直管部（１ａ）から構成されている例を示す。そして、その成形方法としては、スピニング加工方法が用いられる場合が多くなっている。

スピニング加工方法は、成形工具である加工ローラを被加工管の表面に接触させ、加工ローラを被加工管の周りで相対的に公転させながら、加工ローラを被加工管の半径方向および軸方向に移動させて、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、それに連続する小径部を形成する方法である。
例えば、特許文献１には、被加工管の外周に加工ローラを押し当ててスピニング加工することによりコンバーターケースを製造することが記載されている。

このような形状の部材を成形する方法としてスピニング加工法が多用される背景としては、板材をプレス成形した後に溶接接合する方法と比較すると、１）材料歩留が高い、２）生産効率が高い、３）一体成形であるために部材強度が高い、４）溶接を必要としないために溶接部による部材の信頼性低下がない等の点が挙げられる。
しかしながら、プレス成形方法と比較して、スピニング加工法では加工ローラを被加工管の軸方向へ繰り返し往復動させて成形を進めるため、塑性変形により材料が被加工管の管端方向に移動しやすく、特にテーパ部の板厚が被加工管の素材板厚よりも局所的に減少する傾向がある。

このような課題に対して特許文献２では、加工ローラで被加工管をスピニング加工中
に、被加工管の縮径されている側を押圧する方法が提案されている。しかし、この方法であると別途押圧する装置が必要であり、装置費用が高くなるという問題がある。
特開平１１−１３２０３８号特開２０００−１７９３３４号

そこで、本発明は、このような従来技術の問題点を鑑みて検討したものであり、その内容は、以下の通りである。
被加工管の外側に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを、前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させる工程を複数パス行うことにより、前記被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、当該テーパ部に連続する小径部を成形する際、前記被加工管が前記加工ローラにより加工を受ける領域の軸方向の加工前長さを、加工後のテーパ部の軸方向の長さに対して２．０倍未満とすることを特徴としている。
また、前記加工ローラの回転軸を含む断面における加工ローラ先端部の曲率半径を、前記被加工管の外径に対して１０％以上とするのが好ましい。

本発明のスピニング加工方法は、被加工管が加工ローラにより加工を受ける領域の軸方向の加工前長さが加工後のテーパ部の軸方向の長さに対して２．０倍未満としてスピニング加工している。これにより、小径部の長さが短くなり、小径部の加工によるテーパ部の板厚の塑性流動が少なくなって局所的な板厚減少を抑制することができる。
また、加工ローラの回転軸を含む断面における加工ローラ先端部の曲率半径を、被加工管の外径に対して１０％以上とすることにより、加工ローラで被加工管を押し込んだ際に、加工ローラが被加工管に接触する面積が拡大し、押し込む際の圧力が低減することからテーパ部の局所的な引張応力も低減し、局所的な板厚減少を更に抑制することができる。

本発明者等は、被加工管と、当該被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、前記加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、それに連続する小径部を形成する際に、テーパ部の局所的な板厚減少を抑制する方法について種々検討を行ってきた。
その結果、被加工管が加工ローラにより加工を受ける領域の軸方向の加工前長さが、テーパ部の軸方向の長さに対して２．０倍未満となるようにして加工することにより、テーパ部の局所的な板厚減少を抑制できることを見出した。

加工ローラを、被加工管の半径方向に押し込んで軸方向に往復動することにより、テーパ部が局所的に板厚減少する原因としては、テーパ部から連続して形成されている小径部に作用する引張応力が影響していると考えられる。
すなわち、図２に示すようにスピニング加工により被加工管２の端部をテーパ部３および小径部８に成形する際に、加工ローラ４を被加工管２の半径方向に押し込んでクランプ５側から管端６に渡って往復動させることにより被加工管２を加工するが、小径部８も加工ローラ４によって加工されるために被加工管２の軸方向に引張力が作用する。また、クランプ５によって被加工管２は固定されて未加工部７があるために、板厚減少は図３に示すようにテーパ部３の中央部付近で大きく発生する。つまり、テーパ部３の中央部付近の左右に引張力が作用していることになる。小径部８の長さが長くなると小径部全体の引張力も大きくなり、これによってテーパ部３の板厚の塑性流動も大きくなって板厚減少が促進されることになる。
そのため、小径部８の長さＬ_１を短くすることが必要となってくるが、テーパ部３の傾斜角度θや小径部の外径ｄ_０は部品によって決定されているため、図４に示すように被加工管が加工ローラにより加工を受ける領域の軸方向の加工前長さＬ_０によって小径部８の長さＬ_１が決まってくる。

本発明者らが検討した結果、詳細は実施例にて記載するが、テーパ部３の軸方向の長さＬ_２に対する加工前長さＬ_０の比率が２．０未満であればテーパ部３の板厚減少率を１０％未満に抑制できることを見出して本発明を完成させた。
なお、加工前長さＬ_０は短いほどテーパ部の板厚減少抑制には効果的であるが、加工前長さＬ_０が短すぎると部品として必要なテーパ部３および小径部８の成形が不十分となるため、テーパ部３の軸方向の長さＬ_２に対する加工前長さＬ_０の比率の下限は１．０にするのが好ましい。

次に、加工ローラの回転軸を含む断面における加工ローラ先端部の曲率半径が被加工管のテーパ部における局所的な板厚減少に与える影響について説明する。
図２にて、加工ローラ４の被加工管２の管端６に移動する際の引張力は、加工ローラ４と被加工管２との接触面積が影響しており、これは接触面積が小さいほど高くなる。被加工管２の外径や加工ローラ４の押し込み量が同じであれば、加工ローラ先端部の曲率半径９が影響してくるのである。
本発明者らが加工ローラ先端部の曲率半径９を種々変更して検討した結果、詳細は実施例にて記載するが、加工ローラ先端部の曲率半径９は、被加工管の外径の１０％以上とすることで板厚減少の抑制効果が得られることがわかった。

実施例１；
降伏応力２５１ＭＰａ、引張強さ４２８ＭＰａ、全伸び３６％の機械的性質を有する板厚１．５ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板を素材として用い、プラズマ溶接により直径１００ｍｍとなるように造管した素管を被加工管とした。
同軸型スピニング加工の目標形状は、テーパ角θを６０°とし、縮径した小径部の直径ｄ_０を５０ｍｍとした。加工パス回数を５パス、加工ローラの被加工管の軸方向への送り速度を６０００ｍｍ／ｍｉｎ、加工ローラの回転数を６００ｒｐｍの一定とし、加工ローラの回転軸を含む断面における加工ローラ先端部の曲率半径を１０ｍｍとした。そして、加工ローラ４が接触する加工前長さＬ_０を２５から３０ｍｍまで変更し、テーパ部３の最大板厚減少率を比較した。
ここで、テーパ部の最大板厚減少比率は、板厚減少が最も大きかった部位にて以下の式に基づき算出した。
（加工前の板厚−加工後の最小板厚）／加工前の板厚×１００
結果を表１に示す。加工後のテーパ部３の軸方向の長さＬ_２に対する加工前長さＬ_０の比率が２．０未満の場合には、最大板厚減少率は１０％未満であったが、その比率が２．０以上になった場合は最大板厚減少率が大きくなり１０％以上となった。

実施例２；
加工ローラ４が接触する加工前長さＬ_０を２８ｍｍの一定とし、加工ローラの回転軸を含む断面における加工ローラ先端部の曲率半径を１０から１２ｍｍまで変更したこと以外は実施例１と同じ条件として、テーパ部３の最大板厚減少率を比較した。
結果を表２に示す。これより、加工ローラ先端部の曲率半径を、被加工管の外径の１０％以上とすることで、テーパ部の板厚の局所的な減少が抑制されることがわかる。

触媒（コンバーター）のケースあるいは消音器（マフラー）の形状を示す図スピニング加工の加工状態を示す模式図テーパ部の板厚変化を示す模式図加工ローラにより被加工管が加工を受ける領域を示す模式図

符号の説明

１・・・ケース，１ａ・・・ケースの小径部，１ｂ・・・ケースのテーパ部，１ｃ・・・ケースの大径部，２・・・被加工管，３・・・テーパ部，４・・・加工ローラ，
５・・・クランプ，６・・・管端，７・・・未加工部，
８・・・小径部，９・・・加工ローラ先端部の曲率半径，
ｄ_０・・・小径部の外径，Ｌ_０・・・加工前長さ，Ｌ_１・・・小径部の長さ，
Ｌ_２・・・テーパ部の軸方向の長さ，θ・・・テーパ部の角度

Claims

被加工管の外側に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを、前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させる工程を複数パス行うことにより、前記被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、当該テーパ部に連続する小径部を成形する際、前記被加工管が前記加工ローラにより加工を受ける領域の軸方向の加工前長さを、加工後のテーパ部の軸方向の長さに対して２．０倍未満とすることを特徴とするスピニング加工方法。
前記加工ローラの回転軸を含む断面における加工ローラ先端部の曲率半径を、前記被加工管の外径に対して１０％以上とすることを特徴とする請求項１記載のスピニング加工方法。