JP2012232343A - 金属管の拡管装置及び拡管方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多段階拡管においてパンチの入れ替え無く連続して圧入でき、且つ、２回目以降の拡管においても素管を確実に固定できる拡管装置を提供する。
【解決手段】管11への圧入先端側を小径端としたテーパ部の大径端側に平行部が連なる形状を有し、半径方向に同心円状の多層構造をなし、多層構造の各層1a,1b,1c,1dが圧入により軸方向に摺動する構成としてなるパンチ1を用い金型13に配置し固定した管にパンチを圧入するにあたり、径の小さい層から順に圧入し、先行層の圧入完了状態を保持したまま後続層の圧入を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属管の拡管装置及び拡管方法に関する。本発明は、特に管構造において部分的に管径の異なる部品を製造するのに好適であり、管端拡管に限らず、全長拡管にも適用される。

例えば図６に示す様な自動車用のステアリングハンガービームを製造するには、直径の異なる全２種類の金属管を用意し、一方の管端側をテーパ状に成形した上で溶接接合するのが一般的である。また、図７に示す様なサスペンションメンバ部品は、閉断面構造であるが、金属板を成形して上下モナカ構造とし、端面を溶接して製造するのが一般的である。もしこれらの部品を一本のパイプの片端を拡管若しくは縮管して製造できれば、製造コストの低減及び溶接不要による信頼性の向上が期待できる。

然しながら、大径側と小径側の径差が大きいと、そのような加工は困難である。例えば、従来の管端拡管技術は、管への圧入先端側を小径端としたテーパ部の大径端側に平行部が連なる形状を有する１つのパンチと、パンチ形状に対応したテーパ形状を有する１つの金型とを用い、管を金型内に配置して固定し、管端からパンチを圧入して、１段階で拡管するものであった（特許文献１参照）。しかし、１回あたりの拡管量には限界がある。それは押し荷重増大による素管の座屈、管端部のひずみ蓄積による割れのためである。

そこで、多段拡管技術が提案された（特許文献２、３参照）。これは、例えば図５に示すように、テーパ部のテーパ角θが同じで径が異なる２つ以上のパンチ12A,12B,12Cと、パンチ形状に対応したテーパ型形状を有する１つのダイである金型13とを用い、管11を金型13内に配置して固定し、管端からパンチを圧入して拡管するにあたり、パンチを径の小さいものから順に入れ替えて圧入し、多段階的に拡管するものである。これによると、１回の拡管における管とパンチとの接触面積を小さくとれるので、拡管における座屈の危険を回避しつつ、又、１段階当たりのひずみ量を小さくして、端部割れを回避しつつ、繰り返し拡管によって、全拡管量を大きくとることができる。

特開２００９−５０８８８号公報 特開平１１−２３９８９５号公報 特開２００２−３４６６６４号公報

しかしながら、上記従来の多段階拡管においては、同一管に対して異なるパンチを入れ替えて圧入することによる、工程数、工程時間の増加や、加工装置の複雑化による生産コストの上昇が問題である。又、２回目（第２段階又は第２工程ともいう）以降の拡管においては素管の固定が不十分なために、図４に示すように座屈が発生しやすく、拡管量が大きくとれない。

発明者らは、上記課題を解決するために、多段階拡管においてパンチの入れ替え無く連続して圧入でき、且つ、２回目以降の拡管においても素管を確実に固定できる手段を検討し、本発明をなした。即ち本発明は以下のとおりである。
(1)
管への圧入先端側を小径端としたテーパ部の大径端側に平行部が連なる形状を有する１つのパンチと、パンチ形状に対応したテーパ形状を有する1つの金型とを備えた金属管の拡管装置において、前記パンチは、半径方向に同心円状の多層構造をなし、該多層構造の各層である段パンチが圧入により軸方向に摺動する構成とされてなることを特徴とする金属管の拡管装置。
(2)
前記パンチは、前記各層の段パンチに加え、パンチ中心軸と同軸上に圧入軸を備え、該圧入軸には、前記段パンチを内層側から順次押す階段形状のキーが軸周上に１つ又は複数固定され、前記段パンチのうち少なくとも最外層以外の段パンチの平行部には前記キーをかわすための溝が部分的に段パンチ最後部より形成され、以て前記圧入軸の回転角度調整によって前記段パンチを選択して圧入する構成とされてなることを特徴とする上記(1)に記載の金属管の拡管装置。
(3)
前記パンチは、外層がその摺動し合う内層に対して後方に抜けるのを防止するストッパ構造を有することを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の金属管の拡管装置。
(4)
上記(1)〜(3)の何れかに記載の装置を用いる金属管の拡管方法であって、管を前記金型に配置して固定し、管端から前記パンチを圧入するにあたり、径の小さい段パンチから順に圧入し、先行段パンチの圧入完了状態を保持したまま後続段パンチの圧入を行うことを特徴とする金属管の拡管方法。

本発明によれば、拡管加工を高速且つ高能率に行うことができる。又、TS（引張強さ）５９０MPa級の高強度鋼管でも拡管率１００％以上の拡管が可能である。

本発明の実施形態の例（１）を示す断面図である。 本発明の実施形態の例（２）を示す断面図である。 実施例の目標拡管形状を示す側面図である。 従来技術の問題点を示す断面図である。 従来技術の１例を示す断面図である。 ステアリングハンガービームの形状例を示す外観図である。 サスペンションメンバ部品の形状例を示す外観図である。 本発明を好適に実施するパンチ構造を示す外観図である。 本発明を好適に実施する軸押し部品形状例を示す外観図である。 本発明を好適に実施するパンチの部品形状例（a）及び本発明をさらに好適に実施するパンチの部品形状例（b）を示す外観図である。

図１、図２は本発明の実施形態の例（１）、例(２)を示す断面図である。本発明に係る拡管装置において、金型13は従来のものと同様であるが、パンチ1は従来にないものである。即ち、本発明のパンチ1は図１に例示されるとおり、管11への圧入先端側を小径端としたテーパ部の大径端側に平行部が連なる形状を有するという前提においては従来と同様であるが、半径方向に同心円状の多層構造をなし、該多層構造の各層1a,1b,1c,1dである段パンチ1a,1b,1c,1dがそれぞれ個別に圧入により軸方向に摺動する構成とされてなるという点で従来にないものである。尚、例（１）〜（２）では４層としたが、２層、３層、５層以上であってもよい。

パンチ1を用いることで、管11を金型13に配置して固定し、管端からパンチ1を圧入するにあたり、径の小さい段パンチから順に、例えば第１〜第４工程で層（段パンチ）1a,1b,1c,1dの順に圧入し、先行段パンチの圧入完了状態を保持したまま後続段パンチの圧入を行うことができる。この拡管方法により、パンチを入れ替えることなく連続して拡管することができるから、高速且つ高能率に拡管することができる。しかも、管の既拡管テーパ部が先行段パンチのテーパ部にて金型13のテーパ部に押圧固定されるから、第２工程以降の素管に対して図４のような座屈を防止できて、拡管率を大きくとることができる。

尚、図１（例（１））、図２(例（２）)において層の押し手段は図示していないが、例（１）ではテーパ部が階段状をなす初期状態から拡管を開始し、例(２)ではテーパ部が面一をなす初期状態から拡管を開始するが、何れも、順次、先行層の圧入完了後直ちに後続層の圧入が開始できるようにしている。
上記のような、段パンチ1a,1b,1c,1dの前記動作を可能にする機構については、当該動作が可能であれば特に限定されるものではないが、実際はかなり複雑な機構を要する。発明者らは斯かる動作を好適に推進させうるパンチ駆動機構をも発明したので、以下に其の例を示す。

図８は本発明を好適に実施するパンチ構造を示す外観図である。31は層押し手段として、パンチ中心軸と同軸上に備えられ、パンチ全体を圧入する為の圧入軸である。さて、圧入軸31には、段パンチ1a,1b,1cを、これらの端面を押して圧入することができるよう、キー31aが固定されている。また、31bは別の支持台であって、段パンチ1dの端面に接触、接合する構造とされる。キー31aと支持台31bは階段状に形成されており、各段パンチの後端が接触した状態では図８(a)に示す様に各段パンチの同心軸方向位置は圧入前のステップ状にシフトされた状態になる。斯かる圧入軸31、キー31a、支持台31bからなる軸押し部品の外観は例えば図９のようになる。この例では円周方向に３組のキー31aが配されているが、これは押し力の均一化の為であって個数を限定するものではない。

圧入軸31と段パンチ1aは回転自在・軸方向摺動自在に組み合わさっているが、段パンチ1aと1b、及び段パンチ1bと1cは夫々図示しない埋め込みキーによって相対回転をしないように、然し軸方向には摺動するように、構成されている。尚、段パンチ1dについては、段パンチ１ｃと同様に埋め込みキーで相互回転不可に固定する構造と、段パンチ１ｃとは相対回転自在で支持台31bに固定する構造のどちらでも良い。

各層の段パンチ1a,1b,1cは立体視すると例えば図１０(a)の様になっており、平行部の一部には後端から溝が形成されている。これはキー31aが特定の位置に来たとき、それをかわして押込み力を伝達させない配設形態とされている。ただし、段パンチ1aは圧入軸31とは別の中心軸32にキー固定し、段パンチ全体が回転しないようにしておくことが望ましい。

パンチ全体を組み上げた構成は図８(a)〜(d)に示した様になる。図８(a)では横断面図に示す様に断面A-Aにおいてキー31aは段パンチ1a,1b,1cの何れの端面とも接触しており、又段パンチ1dは支持台31bと常時接しているので、圧入軸31の押し込み（図の左方向へ）によって全ての段パンチが図の左方向へと移動する。よって先ず、段パンチ1aによって第1段階（第1工程）の拡管が行われる。

第1段階の押し込みが終了すると、段パンチ1aは管11を介して金型13に接するため、それ以上前進できなくなる。この時点で圧入軸31を３０°回転させると図８(b)の如くとなり、キー31aは断面B-Bにおいて段パンチ1aの端面から外れ、段パンチ1b、1cのみを押す様相となる、ここでさらに圧入軸31が前進すると段パンチ1aは静止したまま、段パンチ1b,1c,1dが圧入されて第２段階（第２工程）の拡管が実行される。

さらに圧入軸31を３０°回転させると図８(c)の様になり、第３段階（第３工程）の拡管が実行される。さらに圧入軸31を３０°回転させると図８(d)の様になり、第４段階（第４工程）の拡管が実行される。
以上の様な構造を採れば本発明に係る多段拡管を好適に実施できるのであるが、更なる改良形を以下に示す。

例えば第１段階の拡管が終了した後、圧入軸31を回転させて第２段階の圧入を開始すると、段パンチ1aは軸方向に拘束が無くなり軸方向移動が可能となる。段パンチ1aは実際には圧入軸31と段パンチ1bとの相対摩擦により、引き続き進行方向に軸力を受けて金型13側に押し付けられるのであるが、材料を拘束する力は弱くなる。そこで、段パンチ1aの溝を例えば図１０(b)の様に段付きにし、段の長さを次層以降の段パンチのストロークを考慮して決定しておけば、第２段階の拡管で段パンチ1bが金型13に押し付けられるタイミングにおいて同時に段パンチ1aも金型13に押し付けられる様、軸力を受けることができるので、管11材料の座屈を効果的に抑えることができ、良好である。

又、別の改良として、段パンチ1a,1b,1c,1dには、夫々その外側の段パンチが相対的に後退方向に抜けないようにするストッパ35を設けておく事が考えられる。これによる作用効果は以下の通りである。即ち、図８(d)の状態で、拡管加工が終了した後、パンチ全体を引抜く必要がある。そこで図８(d)の状態から圧入軸31を引き抜くと、先ず段パンチ1dが後退するが、その他の段パンチには軸力が作用しないので、図８(c)の状態になる。その時点でストッパ35の作用により段パンチ1cの引き抜きが開始されて図８(b)の状態となり、更に図８(a)の状態となって、自動的に元の状態に復帰する。ここから圧入軸31を３０°回転させれば、再び次材の拡管工程にそのまま移行する事が可能である。その引き抜きの際、図示しない固定装置で段パンチ1aの移動を拘束できればなお好適である。

素管には、外径５１ｍｍ、肉厚２．３ｍｍの電縫溶接鋼管を長さ５００ｍｍに切断して用いた。素管材質はTS５９０MPa級炭素鋼である。この素管に種々の条件で多段階拡管による管端拡管加工を施す実験を行った。最終拡管形状（目標拡管形状）は、図３に示すとおり、拡管平行部22の長さ＝１００ｍｍ、外径＝１１０ｍｍとし、拡管テーパ角θを２０〜４０度の範囲で変化させた。加工条件は、段階数（工程数）を３〜５の範囲で変化させ、又、一部には中間工程出側外径（最終工程前の各工程出側の管外径）を変化させた。用いた管端拡管装置のパンチテーパ角及び金型テーパ角は拡管テーパ角θと同じ角度とした。

本発明例では、図１に示したパンチ1において層数を工程数と同数とし、同図に示したのと同様の圧入形態で拡管した（同軸式と仮称）。パンチの各層の平行部径は、対応する工程出側の管内径（＝外径-肉厚＊２）に合わせた。従来例では、図５のように径の異なるパンチ12を入れ替えて使用する圧入形態（入替式と仮称）とし、各工程のパンチ平行部径は対応する工程出側の管内径に合わせた。尚、被加工面には水系揮発型潤滑油を適用した。

加工条件及び加工後形状判定結果を、工程数別、或いは中間工程出側外径別に分けて、表１〜４に示す。表１〜４において「○」は加工後形状が良好であったことを意味する。「―」は前工程で形状不良が起きて、それ以降には進めなかったことを意味する。
結果をみると、３段階拡管では、表１に示されるとおり、本発明例、従来例とも形状不良を生じたが、従来例が第２工程で座屈を生じて最終工程まで進めなかったのに対し、本発明例では最終工程まで進むことができた。但しそこで端面割れを生じた。

一方、４段階以上の拡管においては、表２〜４に示されるとおり、従来例が何れも中間工程或いは最終工程で形状不良を起こしたのに対し、本発明例は全て最終工程まで進むことができて良好な最終形状が得られた。このように、本発明によれば、TS５９０MPa級の高強度鋼管を全拡管率１００％まで管端拡管できる。
又、最終工程まで進みえた唯一の従来例である試験No.31（但し最終形状は不良）と、これと同じ工程数の本発明例の中の１つである試験No.36とで、工程全体の加工所要時間を比較したところ、本発明例は従来例の約１/４以下であったことから、本発明により加工能率が格段に向上することが分った。

以上述べたように、本発明によれば、金属管の拡管量をより拡大でき、さらに拡管工程を高速に、能率よく遂行できるから、今まで溶接などで組み立てていた部品を一体で成形したりできるため、コストの削減、性能や信頼性の向上をはかることができる。

1 パンチ（本発明）
1a,1b,1c,1d 層(段パンチ)
11 管
12 パンチ（従来）
13 金型
21 拡管テーパ部
22 拡管平行部
31 層押し手段（圧入軸）
31a キー
31b 支持台
32 中心軸
35 ストッパ

Claims (4)

1. 管への圧入先端側を小径端としたテーパ部の大径端側に平行部が連なる形状を有する１つのパンチと、パンチ形状に対応したテーパ形状を有する1つの金型とを備えた金属管の拡管装置において、前記パンチは、半径方向に同心円状の多層構造をなし、該多層構造の各層である段パンチが圧入により軸方向に摺動する構成とされてなることを特徴とする金属管の拡管装置。
2. 前記パンチは、前記各層の段パンチに加え、パンチ中心軸と同軸上に圧入軸を備え、該圧入軸には、前記段パンチを内層側から順次押す階段形状のキーが軸周上に１つ又は複数固定され、前記段パンチのうち少なくとも最外層以外の段パンチの平行部には前記キーをかわすための溝が部分的に段パンチ最後部より形成され、以て前記圧入軸の回転角度調整によって前記段パンチを選択して圧入する構成とされてなることを特徴とする請求項１に記載の金属管の拡管装置。
3. 前記パンチは、外層がその摺動し合う内層に対して後方に抜けるのを防止するストッパ構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の金属管の拡管装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の装置を用いる金属管の拡管方法であって、管を前記金型に配置して固定し、管端から前記パンチを圧入するにあたり、径の小さい段パンチから順に圧入し、先行段パンチの圧入完了状態を保持したまま後続段パンチの圧入を行うことを特徴とする金属管の拡管方法。

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