JP2013184200A - 中空部材の転造加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒状の中空部材の外周面をダイスにより加工する際に、中空部材の外周面の加工精度を高めた転造加工方法を提供する。
【解決手段】中空部材Ｗの内部に、内周面が傾斜内面３１を有する筒状の第１の冶具３と、第１の冶具３の内部に、外周面が傾斜外面４１を有する第２の冶具4を配置し、転造加工の際に、第２の冶具４を第１の冶具３に対して、軸芯方向ｄに相対的に移動させることにより、第２の冶具４の傾斜外面４１で記第１の冶具３の傾斜内面３１を加圧する。加圧された加圧力で第１の冶具３を径方向外側の方向に変形させることにより、第１の冶具３の外面で中空部材Ｗの内面を加圧する。中空部材Ｗの内面の加圧状態を維持しながら、ダイス２，２により中空部材Ｗの外周面Ｗｆを転造加工する。
【選択図】図３

Description

本発明は、円筒状の中空部材の外周面をダイスにより加圧しながら、中空部材の外周面にダイスの表面形状に応じた形状を転造加工する中空部材の転造加工方法に関するものである。

従来から、被加工部材の表面に、ねじ山、歯形などを加工する際には、被加工部材の表面に、加工具であるダイスを加圧しながら、被加工部材を軸芯まわりに転動させる転造加工が採用されている。これにより、被加工部材の表面には、ダイスの表面形状に応じた形状が成形される。

図４は、従来の中実部材の転造加工方法を説明するための装置構成を示した模式的概念図であり、（ａ）は、転造加工装置の模式的概念図、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った模式的矢視断面図である。図４（ａ），（ｂ）（（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ断面）に示すように、被加工部材として円柱状の中実部材Ｗ１を加工する際には、上下または左右方向から、一対の転造用のダイス２，２を、中実部材Ｗ１の外周面Ｗｆに押し付けて、中実部材Ｗ１の外周面Ｗｆにダイス２，２の表面形状に応じた形状に加工される。

具体的には、中実部材Ｗ１を軸芯方向ｄのまわりに回転自在な構造の冶具等にセットし、中実部材Ｗ１の大きさおよび要求の形状に応じた大きさおよび複数の凸部２１を有した１対のダイス２，２を、中実部材Ｗ１の軸芯ｃに対して一定の距離になる間隔まで近接させる。

そして、油圧機構や電動サーボモータなどを利用した加圧装置を用いて、中実部材Ｗ１の外周面Ｗｆに、塑性変形を誘発するに必要な一定圧力を負荷する。この状態を維持して、１対のダイス２のそれぞれを、中実部材Ｗ１が回転するようにスライドさせる。これにより、中実部材Ｗ１の外周面Ｗｆの全周に、ダイス２の凸部２１の形状を転写させる。

このような中実部材Ｗ１の外周面Ｗｆに求められる形状は、ねじ、スプライン、または、ヘリカルなどの歯など様々な形状があり、上述した転造加工で加工する場合は、切削加工で加工する場合に比べて、圧縮応力を材料に付与することができるため、加工した中実部材Ｗ１の機械的強度を向上させることができ、さらには、材料の歩留まりに優れている。また、切削加工に比べて、生産性が高いという特徴があり、自動車部品の成形などの多く用いられている。

例えば、特許文献１には、被加工部材として、中空シャフト（中空部材）を転造加工する方法が提案されている。ここでは、１００〜１８０μｍに設定された表面粗さの中空シャフトの外周面に、潤滑油を塗布することによって、中空シャフトの表面に潤滑油を保持し、中空部材の表面をダイスにより加圧しながら、中空シャフトの表面にダイスの表面形状に応じた形状を転造加工する方法が提案されている。

この転造加工方法によれば、中空シャフトに形成される凹凸形状を円滑にかつ確実に転造することができると共に、転造用のダイスの摩耗量を低減することができて、転造用のダイスを長期間にわたって安定的に使用することができる。

特開平５−１７２２１０号公報

しかしながら、図５（ａ），（ｂ）（（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線矢視断面図）に示すように、特許文献１の如き中空部材Ｗを用いた場合、図４（ａ），（ｂ）に示した方法と同様の方法で転造加工を行っているが、ダイス２で、中空部材Ｗの外周面Ｗｆを加圧した際に、中空部材Ｗが内部空間Ｗｓに向かって弾性変形（スプリングバック）を起すことがある。これにより、中空部材Ｗの外周面Ｗｆが、本来加工すべき位置から径方向内側に逃げてしまい、所望の塑性変形および形状転写を付与することが十分にできず、要求される加工精度を満足することができないことがある。

このように、図４（ａ），（ｂ）に示す中実部材Ｗ１は、図５（ａ），（ｂ）に示す中空部材Ｗに比べて、転造加工時に塑性変形によりダイスの形状転写が誘発され易いところ、中空部材Ｗでは、ダイス２により加圧された際に、スプリングバックによる逃げにより、所望の加工精度が得られない。そして、この径方向内側への逃げ分を考慮して、ダイスの加圧力を高めてしまうと、中空部材Ｗそのものが破損するおそれもある。

本発明は上記する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中空部材の表面をダイスにより加工する際に、中空部材の表面の加工精度を高めた転造加工方法を提供することにある。

このような点を鑑みて、本発明に係る転造加工方法は、円筒状の中空部材の外周面をダイスにより加圧しながら、前記中空部材の外周面に、前記ダイスの表面形状に応じた形状に転造加工する中空部材の転造加工方法であって、前記中空部材の内部に、一方側から他方側に向かって中空断面が縮小するように内面が傾斜した傾斜内面を有する筒状の第１の冶具を配置すると共に、該第１の冶具の内部に、一方側から他方側に向かって断面が縮小するように外面が傾斜した傾斜外面を有する第２の冶具を配置し、前記転造加工の際に、前記第２の冶具を前記第１の冶具に対して、一方側から他方側に相対的に移動させることにより、前記第２の冶具の傾斜外面で前記第１の冶具の傾斜内面を加圧し、該加圧された加圧力で前記第１の冶具を筒状の内側から外側の方向に変形させることにより、前記第１の冶具の外面と前記中空部材の内面とを接触させて、前記中空部材を前記第１の冶具に固定し、前記中空部材と前記第１の冶具との固定状態を維持しながら、前記ダイスにより前記中空部材の外周面を転造加工することを特徴とする。

本発明によれば、まず、円筒状の中空部材の内部に、一方側から他方側に向かって中空断面が縮小するように内面が傾斜した傾斜内面を有する筒状の第１の冶具を配置すると共に、第１の冶具の内部に、一方側から他方側に向かって断面が縮小するように外面が傾斜した傾斜外面を有する第２の冶具を配置する。

そして、転造加工の際に、第２の冶具を前記第１の冶具に対して、一方側から他方側に相対的に移動させることにより、第２の冶具の傾斜外面で第１の冶具の傾斜内面を加圧する。これにより、加圧された加圧力で第１の冶具を筒状の内側から外側の方向に変形させることにより、第１の冶具の外面で中空部材の内面を加圧し、第１の冶具で中空部材をチャッキング（固定）することができる。

このような結果、固定状態を維持しながら、ダイスで、中空部材の外周面を加圧した際に、第１の冶具と第２の冶具が、中空部材のバックアップ材として作用する。従って、加圧力により中空部材が内部空間に向かって弾性変形（スプリングバック）を起すことを低減することができる。これにより、中空部材の外周面が、本来加工すべき位置から径方向内側に逃げることを抑制し、所望の塑性変形および形状転写を付与することができ、中空部材の外周面の加工精度を高めることができる。

より好ましい態様としては、第１の冶具の傾斜内面と、第２の冶具の傾斜外面が接触する部分の軸芯方向の長さが、軸芯方向に沿ったダイスの幅よりも長くなっていることがより好ましい。

この態様によれば、軸芯方向の接触する部分の長さがダイスの幅よりも長いので、第１および第２の冶具の相対移動させた際に、第１および第２の冶具が、中空部材の外周面の加工部分のすべてにおいて、バックアップ材として作用させることができ、より好適に転造加工することができる。

さらに好ましい態様としては、第１の冶具として、軸芯方向に沿ってスリットが形成されている。本発明によれば、第１の冶具に、軸芯方向に沿ってスリットが形成されているので、第１および第２の冶具の相対移動時に、第１の冶具を筒状の内側から外側へ（径方向に）変形させ易くなる。この結果、第１の冶具の外面で中空部材の内面を容易に接触させて、これらを固定することができる。

本発明によれば、中空部材の外周面をダイスにより加工する際に、中空部材の外周面の加工精度を高めることができる。

（ａ）本発明の実施系形態にかかる転造加工方法を説明するための装置構成を示した模式的概念図であり、（ａ）は、第１および第２の冶具の配置状態を示した模式的概念図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿った模式的矢視拡大断面図。 図１に示す転造加工装置による転造加工方法の一部を説明するための図であり、（ａ）は、図１（ａ）に示す状態から第１および第２の冶具を相対的に移動させた状態を示した模式的概念図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った模式的矢視拡大断面図。 図１に示す転造加工装置による転造加工方法の一部を説明するための図であり、（ａ）は、図２（ａ）に示す状態からダイスにより転造加工する状態を示した模式的概念図、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った模式的矢視拡大断面図。 従来の中実部材の転造加工方法を説明するための装置構成を示した模式的概念図であり、（ａ）は、ダイスにより転造加工する状態を示した模式的概念図、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った模式的矢視拡大断面図。 （ａ）従来の中空部材の転造加工方法を説明するための装置構成を示した模式的概念図であり、（ａ）は、ダイスにより転造加工する状態を示した模式的概念図、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った模式的矢視拡大断面図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、（ａ）本発明の実施系形態にかかる転造加工方法を説明するための装置構成を示した模式的概念図であり、（ａ）は、第１および第２の冶具の配置状態を示した模式的概念図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿った模式的拡大断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示す、転造加工装置１は、本実施形態に係る転造加工方法を好適に行うことができる加工装置である。転造加工装置１は、例えば、鉄またはアルミなどの金属製の円筒状の中空部材Ｗの外周面Ｗｆを、一対のダイス２，２により加圧しながら、中空部材Ｗの外周面Ｗｆに、ダイス２，２の山形状に応じた形状（歯車の歯の形状）に転造加工するための加工装置である。

図１（ａ）に示すように、転造加工装置１は、歯車の歯を転造するための一対のダイス２、２を備えており、このダイス２，２の表面には、歯車の歯を転造するための複数の凸部２１，２１，…が形成されている。複数の凸部２１，２１，…は、転造加工により求められる表面形状に応じて形成されており、さらにこれらの配列は、ヘリカル歯車を形成するような配列でもよく、平歯車を成形するような配列であってもよい。

本実施形態では、第１の冶具３および第２の冶具４を用いて転造加工を行う。第１の冶具３および第２の冶具４は、いわゆるコレットチャックの機構であり、第１の冶具３がコレットに相当し、第２の冶具４は、コレットに内挿されるチャック部分に相当するものである。

第１の冶具３は、中空部材Ｗの内部空間Ｗｓに配置される円筒状の冶具である。第１の冶具３は、一方側（図の右側）から他方側（図の左側）に向かって中空部分の中空断面が縮小するように内周面が傾斜した傾斜内面３１を有する。なお、後述する転造加工の加工精度を高めるため、第１の冶具３の周方向の肉厚が略等しくなるように、傾斜内面３１と外周面３２は、同軸上に形成されている。

さらに、第１の冶具３の他方側の端面３３には、第１の冶具３の軸芯ｃに沿った方向（軸芯方向）ｄの位置決めを行うための位置決め部材５が配置されている。位置決め部材５は、略円柱状の部材であり、一端側は、第１の冶具３の端面と当接しており、他端側は、固定部７と当接している。

位置決め部材５の外周面５１には、軸受９が配置されており、位置決め部材５と固定部７との間には、グリースや潤滑剤などが塗布されており、位置決め部材５と第１の冶具３とは、共に回転可能なように係止できるような構造になっている。このようにして、後述する第２の冶具４の回転時に、第１の冶具３と共に位置決め部材５を回転させることができる。

第２の冶具４は、第１の冶具３の内部に、配置される円錐台状の冶具である。第２の冶具４は、一方側（図の右側）から他方側（図の左側）に向かって中実の断面が縮小するように外周面が傾斜した傾斜外面４１を有している。

また、第２の冶具４の傾斜外面４１の傾斜角度は、第１の冶具３の傾斜内面３１の傾斜角度と略同じ角度となっている。これにより、第１の冶具３の傾斜内面３１と、第２の冶具４の傾斜外面４１とを面接触させることができる。

前記第１の冶具３の傾斜内面３１と、第２の冶具４の傾斜外面４１が移動時において接触する部分の軸芯方向ｄの長さＬが、第１および第２の冶具３，４を配置した時における軸芯方向ｄに沿ったダイスの幅ｗよりも長くなっている。

さらに、第２の冶具４は、軸芯方向ｄに沿った基端側には、連結部材８が接続されており、連結部材８は、軸芯方向ｄに沿って、第２の冶具４が移動できるように、油圧のシリンダ等に接続されている。

このような転造加工装置１を用いて、中空部材Ｗの外周面Ｗｆの転造加工を行う。図２は、図１に示す転造加工装置による転造加工方法の一部を説明するための図であり、（ａ）は、図１（ａ）に示す状態から第１および第２の冶具を相対的に移動させた状態を示した模式的概念図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った模式的拡大断面図である。

まず上述したように、中空部材Ｗの内部に、円筒状の第１の冶具３を配置すると共に、第１の冶具３の内部に、第２の冶具４を配置する。ここで、中空部材Ｗの内周面Ｗｎと、第１の冶具３の外周面３２とは、一部接触した状態であり、第１の冶具３および第２の冶具４の軸芯、さらには中空部材Ｗの軸芯がすべて一致している。

また、傾斜内面３１は、一方側から他方側に向かって中空断面が縮小するように内周面が傾斜しており、傾斜外面４１は、一方側から他方側に向かって断面が縮小するように傾斜しているため、傾斜内面３１と傾斜外面４１とは面接触した状態にすることができる。

次に、第２の冶具４を第１の冶具３に対して、一方側から他方側に相対的に移動させる（図２（ａ）の矢印方向に移動させる）。これにより、第２の冶具４の傾斜外面４１で第１の冶具３の傾斜内面３１を加圧する。ここで、第１の冶具３は、位置決め部材５を介して、固定部７に固定されるので、第１の冶具３は、軸芯方向ｄには移動しない。

この結果、加圧された加圧力で第１の冶具３を円筒状の内側から外側の方向（径方向）に変形（拡大）し、これにより第１の冶具３の外周面３２で中空部材Ｗの内周面Ｗｎが加圧され、第１の冶具３で中空部材Ｗをチャッキング（固定）することができる。

なお、ここでは、第１の冶具３の外周面３２から中空部材Ｗの内周面Ｗｎに作用する加圧力で、中空部材Ｗが径方向の外側に向かって弾性変形がほとんど生じないことが望ましい。中空部材Ｗの弾性変形が大きすぎると、過転造となり、ダイス２の凸部２１への面圧が急激に上昇するため、ダイス２が破損するおそれがあるからである。したがって、第２の冶具４の移動代（引き代）または引き圧を、予め適切な範囲に設定する必要がある。

次に、中空部材Ｗと第１の冶具３との固定状態を維持しながら、転造加工を行う。図３は、図１に示す転造加工装置による転造加工方法の一部を説明するための図であり、（ａ）は、図２（ａ）に示す状態からダイスにより転造加工する状態を示した模式的概念図、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った模式的拡大断面図である。

具体的には、まず、複数の凸部２１を有した１対のダイス２を、中空部材Ｗの軸芯ｃに対して一定の距離になる間隔まで上下方向から近接させる。次に、油圧機構や電動サーボモータなどを利用した加圧装置（図示せず）を利用して、一対のダイス２，２により、中空部材Ｗの外周面Ｗｆに、塑性変形を誘発するに必要な一定圧力を負荷する。

この状態を維持して、一対のダイス２，２のそれぞれを、中空部材Ｗが回転するようにスライドさせる。これにより、中空部材Ｗの外周面Ｗｆの全周に、ダイス２の凸部２１の形状を転写させる。

このような結果、第１の冶具３の外周面３２で中空部材Ｗの内周面Ｗｎが均一に加圧され、第１の冶具３と中空部材Ｗとが固定（チャック）されるので、一対のダイス２，２で、中空部材Ｗの外周面Ｗｆを加圧した際に、この加圧力により中空部材Ｗがその内部空間に向かって弾性変形（スプリングバック）を起すことを低減することができる。

これにより、中空部材Ｗの外周面Ｗｆが、本来加工すべき位置から径方向内側に逃げることを抑制し、所望の塑性変形および形状転写を付与することができ、中空部材Ｗの外周面Ｗｆの加工精度を高めることができる。

さらに、転造加工時に第１の冶具３の傾斜内面３１と、第２の冶具４の傾斜外面４１が接触する部分の軸芯方向ｄの長さＬを、第１および第２の冶具３，４を配置した時における軸芯方向ｄのダイス２の幅ｗよりも長くしたことにより、以下の効果を期待できる。

すなわち、ダイス２の幅ｗよりも大きい幅で、中空部材Ｗの外周面Ｗｆの加工する部分を含む部分すべてに、第１の冶具３および第２の冶具４によるバックアップ材としての効果を確実に期待することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本考案は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

例えば、本実施形態では、円筒状の第１の冶具を用いたが、さらに、軸芯方向に沿って、少なくとも１つ以上のスリットが形成されていてもよい。これにより、第１および第２の冶具の相対移動時に、第２の冶具の傾斜外面から第１の冶具の傾斜内面への加圧力により、第１の冶具を径方向外側に容易に変形させることができる。

１：転造加工装置、２：ダイス、２１：凸部、３：第１の冶具、４：第２の冶具、５：位置決め部材、８：連結部材、９：軸受、３１：傾斜内面、３２：外周面、４１：傾斜外面、５１：外周面、ｄ：軸芯方向、Ｗ：中空部材、Ｗ１：中実部材、Ｗｆ：外周面、Ｗｎ：内周面、Ｗｓ：内部空間

Claims (3)

1. 円筒状の中空部材の外周面をダイスにより加圧しながら、前記中空部材の外周面に、前記ダイスの表面形状に応じた形状に転造加工する中空部材の転造加工方法であって、
   前記中空部材の内部に、一方側から他方側に向かって中空断面が縮小するように内面が傾斜した傾斜内面を有する筒状の第１の冶具を配置すると共に、該第１の冶具の内部に、一方側から他方側に向かって断面が縮小するように外面が傾斜した傾斜外面を有する第２の冶具を配置し、
   前記転造加工の際に、前記第２の冶具を前記第１の冶具に対して、一方側から他方側に相対的に移動させることにより、前記第２の冶具の傾斜外面で前記第１の冶具の傾斜内面を加圧し、
   該加圧された加圧力で前記第１の冶具を筒状の内側から外側の方向に変形させることにより、前記第１の冶具の外面と前記中空部材の内面とを接触させて、前記中空部材を前記第１の冶具に固定し、
   前記中空部材と前記第１の冶具との固定状態を維持しながら、前記ダイスにより前記中空部材の外周面を転造加工することを特徴とする中空部材の転造加工方法。
2. 前記第１の冶具の傾斜内面と第２の冶具の傾斜外面とが接触する部分の軸芯方向の長さが、前記ダイスの幅よりも長くなっていることを特徴とする請求項１に記載の中空部材の転造加工方法。
3. 第１の冶具には、軸芯方向に沿ってスリットが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の中空部材の転造加工方法。

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