JP2013233566A - 自動車用排気系部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒担体、フィルター及び消音材などの内挿材を収容する金属製管体の管端に縮径部を形成する際に、１パス当たりの加工量制限による加工時間の増加を防いで生産効率を良くし、管端でのしわや割れの発生を抑制して生産性よくスピニング加工して自動車用排気系部品を低コストで製造する。
【解決手段】触媒担体などの内挿材を収容する金属製管体の端部に加工ローラを押し当てて縮径加工を施し、コーン部と接続部を形成する際に、前記加工ローラを、被加工金属製管体の端部を越えて軸方向に往復動させるのではなく、管端手前で折返して往復させて管端にフレア状の突起を形成する。被加工金属製管体の管軸と加工ローラの公転軸とを偏芯させて配置してスピニング加工すれば、偏心した自動車用排気系部品を低コストで製造することが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内部に自動車のエンジン等、内燃機関から排出された排気ガスを処理するための触媒担体、フィルター及び消音材などの内挿材を収容した触媒コンバータ、ＤＰＦ（ディーゼル車用粒子状物質除去フィルター）及びマフラーなどの自動車用排気系部品の製造方法に関する。

一般的に触媒コンバータ、ＤＰＦ及びマフラーなどの自動車用排気系部品は、図１に見られるような、比較的大径の本体部１ｃ、エキゾーストパイプに接続される比較的小径の接続部１ａ、および本体部１ｃから接続部１ａに向かって暫時小径となるテーパ状のコーン部１ｂとにより構成された容器１と、当該容器内に収容された触媒担体、フィルター及び消音材などの内挿材から構成されている。以下では、内挿材として触媒担体を収容した触媒コンバータを例にとって説明する。

このような触媒コンバータとしては、製造工程の簡略化や耐久性向上等の観点から、触媒担体よりも長い円筒管の内部に触媒担体を収容した後、この円筒管の両端部にスピニング加工を施すことにより、前記本体部１ｃとコーン部１ｂおよび接続部１ａを一体に成形している。
通常、触媒コンバータでは本体部１ｃと接続部１ａの径の比が大きくなっているために、触媒コンバータ容器部の製造にあたり縮径加工量が多くなっており、多パスのスピニング加工が施されている。

ところで、近年、自動車の排気系部品であるコンバーターケースやマフラーは、容量アップと軽量化の観点から，従来と板厚が同一で外径のみが大きくなる傾向となっている。しかし、自動車自体の寸法は軽量化の観点から大型化できず、これによって排気系部品の設置スペースを拡大することもできないことから、例えば図２に示すような、他の部品と干渉しにくい偏芯形状が多くなっている。

偏芯形状とは、素管の管軸に対して加工後の部品の軸が径方向にずれている状態になっているものである。コンバーターケースやマフラーの製造は、素管の管端をスピニング加工により縮径して他のパイプを接合する工程で行われるが、スピニング加工はこれまでの素管軸と同軸に縮径するのではなく、例えば図３に示すような、素管の径方向に軸を移動させるような縮径加工、いわゆる偏芯スピニング加工を行うこととなる。

スピニング加工においては、素管の管端で拘束力が最も小さいことから剛性が低くなり、しわや割れが発生しやすい状況となる。前記のような素管の外径が大きく板厚が薄い場合になるほど管端の剛性は低くなることから、しわや割れがより発生しやすい状況となる。また、偏芯形状にスピニング加工する場合は、一部分の加工量が比較的多くなることからその部分での管端のしわや割れの発生がより顕著になる傾向となる。
これを解消するために特許文献１では、しわや割れが発生しないように加工量を調整する方法が提案されている。また、特許文献２では、管端の素管内側に芯金を挿入してスピニング加工する方法が提案されている。

特許第３４４２６６６号公報 特開２００４−３３０２８８号公報

特許文献１で提案された方法は、スピニング加工における１パス当たりの加工量を調整しようとするものである。このため、板厚が薄くて大径の素管を加工しようとすると、素管自体の剛性が低いために１パス当たりの加工量を少なくする必要があり、これによってパス回数、加工時間が長くなって生産効率が低下するという問題がある。
また、特許文献２で提案された方法は、素管の内側に芯金を挿入して管端の剛性をアップした状態で加工しようとするものである。このため、管端は逐次縮径されるので、その径に見合った芯金に変更する必要があり、変更時間の増加に伴う加工時間の増加や数種類の芯金を準備するためのコストアップに繋がる問題がある。

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、触媒担体、フィルター及び消音材などの内挿材を収容する金属製管体の管端に縮径部を形成する際に、１パス当たりの加工量制限による加工時間の増加を防いで生産効率を良くし、管端でのしわや割れの発生を抑制して生産性よくスピニング加工して自動車用排気系部品を低コストで製造することを目的とする。

本発明の自動車用排気系部品の製造方法は、その目的を達成するため、内挿材を収容する金属製管体の管端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金属製管体の半径方向に移動させつつ軸方向に往復動させる縮径加工を施して前記金属製管体の両管端にそれぞれコーン部と接続部を形成して自動車用排気系部品を製造する際に、用いる加工ローラ先端の曲率半径をｒとしたとき、管端から軸方向にｒ以内の位置で加工ローラを折返して往復動させ、金属製管体の管端にフレア状の突起を形成することを特徴とする。

この際、用いる加工ローラ先端の曲率半径をｒとしたとき、管端から軸方向にｒ〜ｒ／４の位置で加工ローラを折返すがこと好ましい。
そして、金属製管体の管軸と加工ローラの公転軸とを偏芯させて配置し、前記加工ローラを前記金属製管体の半径方向に移動させつつ軸方向に往復動させることにより、金属製管体の軸に対して偏心した接続部を形成することができる。

本発明の触媒コンバータなどの自動車用排気系部品の製造方法では、触媒担体などの内挿材を収容する金属製管体の端部に加工ローラを押し当てて縮径加工を施し、コーン部と接続部を形成する際に、前記加工ローラを、被加工金属製管体の端部を越えて軸方向に往復動させるのではなく、管端手前で折返して往復させて管端にフレア部が形成されるようにスピニング加工している。フレア部が形成されるために管端の剛性が確保されて、割れ発生が抑制されるとともにしわの発生も抑制され、その結果として、スピニング加工が効率的に行われる。
そして、被加工金属製管体の管軸と加工ローラの公転軸とを偏芯させて配置して本発明方法を実施すれば、被加工管の軸に対して偏心した縮径部を形成することができる。すなわち偏心した自動車用排気系部品を低コストで製造することが可能となる。

コンバーターケースやマフラーの形状を説明する図（その１） コンバーターケースやマフラーの形状を説明する図（その２） 偏芯スピニング加工の概要を説明する図 フレア状突起部形成の概要を説明する図 偏芯加工変形過程の概要を説明する図 ローラの折返し位置を説明する図 フレア状突起部有無での成形可能範囲を比較した図

本発明者等は、偏芯スピニング加工により、触媒コンバータなど内挿材を収容する金属製管体の管端に偏芯縮径部を形成する際に、管端に発生するしわや割れを抑制する手法について種々検討を重ねてきた。
その過程で、偏芯スピニング加工において素管の管端でしわが発生するのは、管端が自由端で拘束力がなく剛性が低いことが原因であると推測した。

つまり、スピニング加工の縮径加工で管の周長が変化する際には、剛性の低い管端部で材料余りや不均一変形、局所的な歪集中となりやすく、しわや割れが発生しやすい状態になるのである。
特に偏芯スピニング加工においては、素管の全周を均一に加工するのでなく部分的に加工量が比較的多い領域が発生するため素管円周での塑性変形量の不均一性がより顕著に現れることとなる。このため、偏芯スピニング加工では素管と加工後の軸位置が同一の同軸スピニング加工に比べて管端でのしわ発生が起こりやすくなる。
また、素管の板厚が薄くて大径の場合でも、管端の剛性が素管径の小さいものと比べて低くなるため、より一層しわが発生しやすい状態となる。

このしわ発生を抑制するためには、管端部において塑性変形量を小さくして加工硬化を抑制すること、及び周方向の材料拘束を増加させて局所変形や不均一変形を抑制することが有効であると想定される。
そして、管端の先端部分での塑性変形量を小さくするため、あるいは周方向への材料拘束を増加するためには、加工ローラを、被加工管の端部を越えて往復動させるのではなく、図４に示すように、管端の手前までの往復動に止め、加工ローラ先端の曲率部により加工端にフレア状の突起部を形成するように加工することが有効であることを見出したものである。

具体的な加工態様を、添付の図４を用いて説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、被加工管である触媒担体を収容する金属製管体の管軸と加工ローラの公転軸とを偏芯させて配置し、この被加工管の端部外周にその周りを相対的に公転する加工ローラを押し当てつつ、この加工ローラを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の直管部を形成する。この際、管端の手前で加工ローラを折返す。図５（ａ）のように、加工の初期段階では加工量の少ない領域にも突起部が形成され、全体としては加工端にいわゆるラッパ状の突起部が形成されることになる。

次に、図５（ｂ）に示すような加工の途中段階では、偏芯加工を行っているために加工量の少ない領域に形成される突起部はその大きさが次第に小さくなっていく。そして、図５（ｃ）に示すような加工の最終段階になると、加工量の少ない領域では突起部がなくなり、加工量が多い領域のみにフレア状の突起部が形成されることになる。
フレア状の突起部が形成される領域が、加工量が多い領域のみであっても、偏芯スピニング加工時の局所変形による歪みが集中しやすい領域が、管端の加工量が多い領域であるため、加工量が多い領域のみのフレア状突起部により管端の剛性が確保され、管端部でのしわや割れの発生を抑制できる。

形成されるフレア状突起の大きさは加工ローラの折返し位置により決まる。その形状が大きい程、しわや割れの発生を抑える作用が大きくなるが、加工後にフレア状突起を切断しなければならなくなる。したがって、材料歩留まりを考慮するとフレア状突起はより小さくする方が好ましいことになる。
具体的には、図６に示すように、用いる加工ローラ先端の曲率半径をｒとしたとき、管端からｒ〜ｒ／４の位置で加工ローラを折返すがこと好ましい。

加工ローラをｒを超えた位置で折返すと、管端に加工ローラの曲率部で加工されない部分が発生するため、フレア状の突起が大きくなり、加工後に突起部を除去する必要が生じる。また、突起部除去のため、歩留が低下する。さらに、フレア状の突起が管径方向に大きくなり、加工ローラの支持軸などと接触する恐れが生じるため、縮径率の大きなスピニング加工をおこなう場合、加工途中で突起部の一部を除去する必要が出てくる。
逆に、ｒ／４に達しない位置で折返すと、フレア状の突起部が小さくなるため、管端の剛性が十分に確保されず、しわや割れの発生を抑制する効果が低くなってしまう。

触媒担体を収容した金属製管体一端の縮径加工が終わった後、同様に他端の縮径加工を行い、触媒コンバータの製造を終える。
上記態様では、所定の長さに裁断された金属製管体の内部に緩衝材を介して触媒担体を収容した後、前記金属製管体の両端部に順次縮径加工を施しているが、金属製管体の一端に縮径加工を施した後に触媒担体を収容し、その後に金属製管体の他端に縮径加工を施してもよい。
緩衝材としては、アルミナ繊維等、熱による膨張のほとんどない無膨張の繊維をマット状にして用い、このマットを触媒担体の外周に巻いて金属製管体の内部に圧入することが好ましい。

触媒担体を収容する供試の金属管として、降伏応力286MPa、引張強さ454MPa、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を素材として用い、プラズマ溶接により直径211mmとなるように造管した電縫鋼管を用いた。この鋼管に、触媒担体に見立てた鋼管をその外周にアルミナ繊維からなるマットを巻回した状態で圧入した状態で偏芯スピニング加工を施した。
偏芯スピニング加工は、テーパ角を45°、偏芯量を20mm、縮径する直管部の直径を190〜105mm（縮径率10〜50%）、縮径する直管部の長さ20mmを目標形状として行った。

偏芯スピニング加工に用いた加工ローラの先端曲率半径は12mmであり、加工ローラの送り速度600mm／minとした。また、加工ローラを管端から軸方向に6mmの位置で折返して、フレア状突起部を形成した。
また比較例として、フレア状突起部を形成しない場合についても実施した。
その結果を図７に示す。
フレア状突起部を形成して加工した場合には縮径率50%まで管端にしわや割れは発生しなかったが、フレア状突起部を形成しない場合は縮径率20%までがしわや割れ発生なく加工できる範囲であった。

Claims (3)

1. 内挿材を収容する金属製管体の管端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金属製管体の半径方向に移動させつつ軸方向に往復動させる縮径加工を施して前記金属製管体の両管端にそれぞれコーン部と接続部を形成して自動車用排気系部品を製造する際に、
   用いる加工ローラ先端の曲率半径をｒとしたとき、管端から軸方向にｒ以内の位置で加工ローラを折返して往復動させ、金属製管体の管端にフレア状の突起を形成することを特徴とする自動車用排気系部品の製造方法。
2. 用いる加工ローラ先端の曲率半径をｒとしたとき、管端から軸方向にｒ〜ｒ／４の位置で加工ローラを折返す請求項１に記載の自動車用排気系部品の製造方法。
3. 金属製管体の管軸と加工ローラの公転軸とを偏芯させて配置し、前記加工ローラを前記金属製管体の半径方向に移動させつつ軸方向に往復動させることにより、金属製管体の軸に対して偏心した接続部を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動車用排気系部品の製造方法。

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