JP2010179319A - 異径鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１パスでの芯引き加工時に金型に掛かる負荷を軽減して縮径変形加工を行わせ、軸方向で径及び板厚が異なる異径鋼管を効率的に製造する方法を提供する。
【解決手段】素管８外径よりも内径が小さい孔部を有するダイス７と、鋼管内部に挿入して板厚を制御するためのプラグ９を使用し、前方からの引抜き力による芯引き加工により１本の鋼管から大径部と小径部と前記大径部及び前記小径部を連結するテーパ部を備えた異径鋼管を製造する際、後方からの引張り力を付加して芯引き加工する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば運転席側にてステアリングを支持する板厚の厚い大径部と、助手席側にて内装部品を支持する板厚の薄い小径部と、当該小径部及び前記大径部を連結するテーパ部とを備えたインストルメントパネル用リインホースメントなどの異径鋼管を芯引き加工によって製造する方法に関する。

自動車のインストルメントパネルの補強部材として、例えば図１に見られるような、大径部２と小径部３が軸方向に並べて組合された、長手方向で断面積が異なる異径鋼管１が自動車のボディに取り付けられている。図中４はテーパ部である。
そして、断面積が大きいために十分な剛性を有している大径部には自動車のステアリングサポートやスピードメーターなどの重量物が取り付けられ、断面積が小さいために比較的剛性が低い小径部にはラジオなどの軽量な内装部品が取り付けられる。また、大径部と小径部との連結部分は、強度の関係上、直線的に屈曲した段付き部とするのではなくテーパ状とされている。

このような異径鋼管としては、通常、大径部と小径部及びそれらを連結するテーパ部をそれぞれ個別に作製し、その後これらの部材を組み合わせて溶接接合していた。あるいは大径部を縮径加工し、小径部を挿入して溶接接合していた。
しかし、その場合であると部品点数が多くなり、これによって各々の部材を一定長さ分だけ重ねて溶接するため、重ねた分だけ質量が重くなり自動車の軽量化が図れないとともに、溶接工程があるために工程コストが高くなるという問題がある。

そこで、コスト削減のために溶接工程を省略すべく、１本の鋼管を部分的に加工することによって、鋼管の長手方向において断面積が異なるように成形する方法が提案されている。
例えば、特許文献１では、大径部の板厚及び外径と略一致する大径部前段階部分と、前記大径部前段階部分に連接されたテーパであって、前記大径部の板厚と略一致する厚肉部前段階部分と、前記厚肉部前段階部分に連接され、小径部の外径と略一致する中間部とを備え、当該中間部は、前記厚肉部前段階部分の板厚から徐々に薄くなる徐変部前段階部分と、該徐変部前段階部分に連接され、前記小径部の板厚と略一致する小径部前段階部分とを備えた中空段付パイプを形成し、その後、当該中空段付パイプの前記徐変部前段階部分と前記厚肉部前段階部分とを内から外に向かって圧力を加えて前記大径部の板厚と略一致する厚肉部と前記厚肉部の板厚から前記小径部の板厚と略一致する板厚に徐々に薄くなる徐変部を形成し前記テーパ部とする方法が提案されている。

この文献では、中空段付パイプの徐変部前段階部分と厚肉部前段階部分とを内から外に向かって圧力を加えて大径部の板厚と略一致する厚肉部と厚肉部の板厚から小径部の板厚と略一致する板厚に徐々に薄くなる徐変部を形成してテーパ部を形成するために、所望のテーパ部の外周面形状と同形の孔部を有するダイスを用いている。そして、このダイスに挿通させた中空段付パイプの徐変部前段階部分と厚肉部前段階部分を前記孔部に位置させた状態で、高圧流体等を用いて徐変部前段階部分と厚肉部前段階部分を膨らませている。

また、特許文献２では、金属からなる中空材の断面に対して外形寸法が小さい孔部を有するダイスを用意する工程と、前記中空材の端部を把持体で把持し、この中空材をダイスの孔部に通して前記把持体で引いて引抜き加工を行う工程と、前記中空材を前記ダイスを通して所定長さまで引抜いた後に、前記中空材をその引抜き方向とは逆向きの方向に押し戻して前記ダイスに通す前の前記中空材の断面に対して外形寸法が小さい断面部を有する部分を前記中空材に形成する押し戻し工程と、前記中空材における前記引抜き加工を行わない部分と前記引抜き加工を行った部分との間に生じた段付き部に対してスウェージング加工を行う工程を備えた方法が提案されている。

特許第３７３６８６５号公報 特開平５−２９３５３５号公報

前記特許文献１によれば、中空段付きパイプは、芯引き加工の利用により製造されている。しかし、加工性が優れているとはいえない鋼管を素材とし、芯引き加工により外径変化あるいは板厚変化が大きい異径鋼管を１回の加工で得ることは困難である。そこで、鋼管端部を小径化する工程、次いで鋼管内外に配置された金型によって所定長さに芯引きする工程、さらにテーパ部形状を修正する工程等を含む複数回の製造工程を経て製造されている。しかしながら、これらはそれぞれが独立した工程であるため作業効率が悪く製造コストを引き上げる要因にもなっていた。

また特許文献２では、アルミニウム管を用いた異径管の製造方法が提案されている。この文献によれば、二段の独立した芯引き加工を行い、その後テーパ部をスウェージング加工する製造方法が提案されている。しかしながら、この方法も特許文献１と同様にそれぞれが独立した工程であるため作業効率が悪く、製造コストを引き上げる要因にもなっていた。

１本の鋼管における加工部が比較的長いものを製造する方法としては、外径や板厚の制御のしやすさの面から特許文献１，２に記載されたような芯引き加工法が最適である。特に、鉄鋼材料を素材とする電縫鋼管を用いる場合には、加工に必要な荷重の確保の容易性や、母材部と溶接部との強度差に起因した加工部の曲がり矯正の目的からも、加工の出側から材料を引っ張る芯引き加工法を採用することが好ましい。

しかしながら、従来の方法ではいずれも各工程が独立した複数の工程を必要とするために、作業効率が悪く製造コストが高くなる問題を慢性的に抱えており、工程間の材料の取り回しも多くなるため鋼管への扱いキズなども発生しやすいといった問題があった。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、１パスでの芯引き加工時に金型に掛かる負荷を軽減して縮径変形加工を行わせ、軸方向で径及び板厚が異なるインストルメントパネル用リインホースメントなどに用いられる異径鋼管を効率的に製造する方法を提供する。

本発明の異径鋼管の製造方法は、その目的を達成するため、素管外径よりも内径が小さい孔部を有するダイスと、鋼管内部に挿入して板厚を制御するためのプラグを使用し、前方からの引抜き力による芯引き加工により１本の鋼管から大径部と小径部と前記大径部及び前記小径部を連結するテーパ部を備えた異径鋼管を製造する際、後方からの引張り力を付加することを特徴とする。
なお、後方からの引張り力をPb、前方からの引抜き力をPf、素管の断面積をA、素管の降伏応力をσとした際に、下記（１）式および（２）式を満足する条件で後方からの引張り力を付与することが好ましい。
0＜Pb＜σA ・・・（１）
Pb＜Pf ・・・（２）

本発明方法によると、通常は２段以上の加工工程が必要なインストルメントパネル用リインホースメントなどの異径鋼管の製造法にあって、金型に掛かる負荷を軽減しつつ１回の引抜き工程を経ることにより高い縮径率の加工を行って、目的とする異径鋼管を得ることができるため、従来方法よりも効率的に製造することができる。

図１は長手方向で断面積が異なる異径鋼管の全体図である。 図２は芯引き加工工程を示す図である。 図３は本発明方法の実施に用いる装置を概略的に説明する図である。 図４は実施例における後方引張り力と引抜き力との関係を示す図である。

鋼製の素管を芯引き加工する場合は、種々検討した結果、材質の硬さから１回の加工で外径または板厚の２５％程度の縮径または減肉が限度である。そのため、異径鋼管の外径差または減肉差が２５％を超える場合は、通常、二回以上の成形段数が必要なため、生産性が低下する一因となっている。
そこで、本発明の場合は、加工度が高く通常の芯引き加工法では二段以上の成形段数が必要な場合において、芯引き加工する素管を後方から引っ張ることによって金型への負荷を軽減し、一回の芯引き加工で芯引き加工が行え、目的形状の異径鋼管を容易に製造することができる。

以下、図を用いて本発明方法を具体的に説明する。
本発明方法では、図２に示すように、ダイス７とプラグ９を配置した芯引き加工装置を用い、さらに後方から素管８を所定の張力で引っ張ることを特徴している。
通常、芯引き加工法により異径鋼管を製造しようとする際にあっては、最初に、被加工素管は後方から押圧してその先端がダイスに押し当てられ、縮径加工が施される段階がある。次に、素管先端がプラグ先端部とダイス間でしごき加工を受け、プラグ先端から押し出された後に素管先端が引っ張られ、縮径加工としごき加工を受けながら芯引き加工が続行される形態となる。

前記縮径加工の段階で被加工素管には増肉作用および軸方向への伸長作用が働くとともに次第に塑性歪みが蓄積され、しごき加工を受ける段階で塑性歪み量は最大となる。
そして、一回の芯引き加工で加工度の大きい異径鋼管を芯引き加工を行おうとすると、最初の縮径加工時において、直径の縮小に伴うひずみが板厚増加および軸方向への伸長に吸収しきれなくなると縮径加工部で座屈を起こして加工が不能となる。
また、縮径加工ができても、しごき加工部での加工量が多い場合には板厚減少が過度に大きくなるため、局部的な材料の延性不足が生じて素材が断裂する。

そこで、本発明方法では、縮径加工時の増肉を抑制し、しごき加工時の塑性歪み量を軽減させるために、芯引き加工時に素材鋼管を後方から、引っ張ることを採用したものである。
なお、後方からの引張り力をPb、前方からの引抜き力をPf、素管の断面積をA、素管の降伏応力をσとした際に、下記（１）式および（２）式を満足する条件で後方からの引張り力を付与することが好ましい。
0＜Pb＜σA ・・・（１）
Pb＜Pf ・・・（２）

後方からの引張り力Pbが０以下であると、実質的な効果が得られない。また、後方からの引張り力Pbが素管の降伏応力σと断面積Ａの積以上の場合は、金型に入る前段階で張力のみによって素管が楕円状に変形するばかりでなく、しごき加工部での塑性変形が過度に進むことによって鋼管が破断してしまう。さらに、Pb＜Pfの関係でないと、加工が進行しないため、異径鋼管の製造が成立しない。
具体的には、図３に示すような、プラグ押圧用の油圧シリンダ１１の他に、後方引張り用の油圧シリンダ１２を併設した装置を用いることが好ましい。なお、図３中、１０は引抜き用の油圧シリンダであり、１３はプラグホルダ、１４はダイスホルダである。

被加工用の素管として、外径φ７０ｍｍ、板厚２．３ｍｍ、長さ１５００ｍｍ、降伏応力１９０MPaの機械構造用炭素鋼電縫管を用いた。
なお、素管の降伏応力σと断面積Ａの積は約９２ｋＮとなる。
加工度の影響を見るため、加工形状を外径φ４５ｍｍ（縮径３６％）、板厚１．４ｍｍ（減肉率３９％）、および外径φ６０ｍｍ（縮径率１４％）、板厚１．６ｍｍ（減肉率３０％）とした２種類の芯引き加工を行った。成形段数はいずれも１段とし、後方引張力を種々変化させて成形可否および成形可能な場合は引抜き力を評価した。
その結果を表１に示す。

２種類の加工形状ともに後方引張力０ｋＮおよび１００ｋＮでは破断により成形不可であったが、適切な後方張力を加えることにより、そのような形状への加工が可能となることがわかる。後方張力を加えることにより金型に掛かる負荷が軽減されることになり、その結果として、１回の引抜き工程で高い縮径率の加工が可能となったと理解される。
なお、後方引張力と引抜き力の関係を整理した結果を図４に示すが、後方引張力５〜８０ｋＮで、１段成形が可能であった。

Claims (2)

1. 素管外径よりも内径が小さい孔部を有するダイスと、鋼管内部に挿入して板厚を制御するためのプラグを使用し、前方からの引抜き力による芯引き加工により１本の鋼管から大径部と小径部と前記大径部及び前記小径部を連結するテーパ部を備えた異径鋼管を製造する際、後方からの引張り力を付加することを特徴とする異径鋼管の製造方法。
2. 前記後方からの引張り力をPb、前方からの引抜き力をPf、素管の降伏応力をσ、素管の断面積をＡとした際に、下記（１）式および（２）式を満足する条件で後方からの引張り力を付与する請求項１に記載の異径鋼管の製造方法。
   0＜Pb＜σA ・・・（１）
   Pb＜Pf ・・・（２）

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