JP2015030028A - 自動車排気管部品のスピニング加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の軽量化に対応した、厚さの薄い金属材を素材にした場合でも、良好な自動車排気管部品を製造することができるスピニング加工方法を提供する。【解決手段】金属の板を素材にしたスピニング加工によって、大径円筒部と小径円筒部および両者をつなぐ遷移部を有した自動車排気管部品を製造する、自動車排気管部品のスピニング加工方法であって、金属板をクランプで把持し、成形前の金属板の表面に垂直な軸を公転軸として公転する成形工具を金属板の表面に押し付けて、小径円筒部、遷移部、大径円筒部の順に成形していくことを特徴とする自動車排気管部品のスピニング加工方法。【選択図】図３

Description

本発明は、自動車排気管部品のスピニング加工方法に関するものである。

自動車の排気系部品として、マフラーやコンバータのように、気室の両端が狭くなったチャンバー状の部品が使われる。例えば、図７に示すような形状の自動車排気管部品１である。大径円筒部１ａと小径円筒部１ｃ、および両者をつなぐ遷移部（円錐台形状部）１ｂを有している。

従来、このような自動車排気管部品は、板形状の素材（金属板）をプレス加工したいくつかの基礎部品を溶接で組上げて作られていたが、近年では、金属の管を素材にしてスピニング加工で縮径して製造するタイプが増えている（例えば、特許文献１、２参照）。

その一例を図８に示す。素材である金属管８０はクランプ９１により把持され、ロール形状工具９２は金属管８０の中心軸８０ａを公転軸９３として公転するとともに、金属管８０の中心軸８０ａ方向（公転軸９３方向）に往復移動しながら金属管８０に押し付けられることで、金属管８０（金属管８０の端部８０ｅ）が縮径加工される。一連の加工工程は複数の往復パスで構成され、逐次縮径加工が進行し、最終的に目標とする形状に達する。なお、図８において、９２ａはロール形状工具９２の中心軸８０ａ方向（公転軸９３方向）の軌跡、９２ｂはロール形状工具９２の公転方向の軌跡である。

このような、金属管を素材にしたスピニング加工は、ロール形状工具の動作パターンを変更することで異なる寸法・形状の部品を作り分けることができるため、金属板のプレス加工に比べて、異なる寸法・形状の部品ごとの金型が必要でないというメリットがある。

特開２０００−１７９３３４号公報 特開２００９−１９５９４２号公報

近年、自動車の軽量化のために排気系部品においても板厚の薄い素材を用いることが増えてきている。その結果、図８に示したような、金属管を素材としたスピニング加工によって自動車排気管部品を製造する場合には、薄肉の金属管を縮径加工することになる。

しかしながら、薄肉の金属管を素材にして縮径加工を行う場合、特に短い加工領域で大きな縮径率の加工を行うと、製品に形状不良（縮径未達、座屈、ワレ等）を生じやすくなるという問題がある。図９にその例を示している。

図９（ａ）は良好な製品形状であるのに対して、図９（ｂ）はロール形状工具の動作で狙った製品径に対して実績の径が大きく縮径加工が未達になるという形状不良事象である。管の先端部ほど縮径が未達になるため、端部がラッパ状に口広がりした形状になる。また、口広がりになるばかりでなく、図９（ｃ）のように、先端部の縮径部分にヒダ状の折れ込みシワ（座屈）が生じたり、図９（ｄ）のように、ワレ（亀裂）を生じたりするため、所望の部品が製造できなくなる。

一方、上記のように、薄肉の金属管を素材にしたスピニング加工では、良好な自動車排気管部品を得ることが難しくなることから、素材の金属管の肉厚を厚くすると、部品全体の重量がアップするという問題が生じてしまう。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、自動車の軽量化に対応するために、厚さの薄い金属材を素材にした場合でも、良好な自動車排気管部品を製造することができるスピニング加工方法を提供することを目的とするものである。

前述したように、金属管を素材にしたスピニング加工では、図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示したような形状不良が管端部８０ｅ（図８）に発生しやすい。この原因は、根本的には、管端部８０ｅでは短い加工領域で大きな縮径（最も高い縮径率）を行っていることであるが、加えて、管端部８０ｅは拘束されておらず自由端になっていることも要因と言える。また、スピニング加工に先立つ金属管８０の造管工程における溶接品質や切断端面の性状の影響も受けやすい。

そこで、本発明者らは、スピニング加工は、異なる寸法・形状の部品ごとの金型が必要でないというメリットがあるとしても、金属管を素材にしたスピニング加工によって自動車排気管部品を製造するのは限界があると判断し、それに代わる方法について鋭意検討を行った。その結果、金属の板を素材にしたスピニング加工によって自動車排気管部品を製造することを着想した。金属の板を素材にすれば、上述したような、金属の管を素材にした場合の管端部の形状不良は生じないと考えられるからである。

本発明は、上記の着想に基づいており、以下のような特徴を有している。

［１］金属板を素材にしたスピニング加工による、大径円筒部と小径円筒部および両者をつなぐ遷移部を有した自動車排気管部品のスピニング加工方法であって、
金属板をクランプで把持し、成形前の金属板の表面に垂直な軸を公転軸として公転する成形工具を金属板の表面に押し付けて、小径円筒部、遷移部、大径円筒部の順に成形していくことを特徴とする自動車排気管部品のスピニング加工方法。

［２］金属板を素材にしたスピニング加工による、大径円筒部と小径円筒部および両者をつなぐ遷移部を有した自動車排気管部品のスピニング加工方法であって、
金属板をクランプで把持し、成形前の金属板の表面に垂直な軸を回転軸として金属板を回転させながら、成形工具を前記金属板の表面に押し付けて、小径円筒部、遷移部、大径円筒部の順に成形していくことを特徴とする自動車排気管部品のスピニング加工方法。

［３］前記公転軸または前記回転軸の位置を同一にして、小径円筒部、遷移部、大径円筒部を成形することによって、小径円筒部の中心軸と大径円筒部の中心軸が同一の自動車排気管部品を製造することを特徴とする前記［１］または［２］に記載の自動車排気管部品のスピニング加工方法。

［４］小径円筒部、遷移部、大径円筒部の各部ごとに、前記公転軸または前記回転軸の位置を異ならして成形することによって、小径円筒部の中心軸と大径円筒部の中心軸が異なる自動車排気管部品を製造することを特徴とする前記［１］または［２］に記載の自動車排気管部品のスピニング加工方法。

本発明においては、自動車の軽量化に対応するために、厚さの薄い金属材を素材にした場合でも、スピニング加工によって良好な自動車排気管部品を製造することができる。

本発明の実施形態１におけるスピニング加工方法の手順を示す図である。 本発明の実施形態１におけるスピニング加工方法の手順を示す図である。 本発明の実施形態１におけるスピニング加工方法の手順を示す図である。 本発明の実施形態１により得られる自動車排気管部品を示す図である。 本発明の実施形態２におけるスピニング加工方法の手順を示す図である。 本発明の実施形態２により得られる自動車排気管部品を示す図である。 自動車排気管部品の一例を示す図である。 従来の金属管を素材にしたスピニング加工を示す図である。 従来技術における管端部の形状不良を説明する図である。

本発明は、大径円筒部と小径円筒部および両者をつなぐ遷移部を有した自動車排気管部品を製造するに際して、金属板を素材にしたスピニング加工によって行うようにしたものである。これにより、異なる寸法・形状の部品ごとの金型が必要でないというメリットを生かしながら、自動車の軽量化に対応するために、厚さの薄い金属材を素材にした場合でも、良好な形状の製品を得ることができる。

以下に、本発明の実施形態（実施形態１、実施形態２）を図面に基づいて説明する。

［実施形態１］
図１〜図３は、本発明の実施形態１におけるスピニング加工方法の手順を示すものである。また、図４は、それによって得られる自動車排気管部品１１を示す図であり、大径円筒部１１ａ、遷移部１１ｂ、小径円筒部１１ｃを有している。

この実施形態１におけるスピニング加工方法では、下記の手順によって、図４に示す自動車排気管部品１１を製造する。

（Ｓ１）まず、図１に示すように、素材である円形の金属板１０をクランプ２１で把持する。そして、成形前の金属板１０の表面に垂直な軸（ここでは、クランプ２１の中心軸）を公転軸２３として公転するように成形工具２２を設置する。

（Ｓ２）次に、図２、図３に示すように、成形工具２２を公転軸２３回りに公転させながら、金属板１０の表面に押し付けて、小径円筒部１１ｃ、遷移部１１ｂ、大径円筒部１１ａの順に成形していき、製品１１の形状になった金属板１０ｃを得る。

なお、図２中の２２ａは、公転軸２３方向の成形工具２２の軌跡を示し、図３中の１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、成形中の金属板１０の変形状態を示している。

（Ｓ３）そして、金属板１０ｃを把持するクランプ２１を開放するか、もしくは金属板１０ｃの把持されている個所を切断した後、必要に応じて、金属板１０ｃの形状を整えて、図４に示した自動車排気管部品１１を得る。

ここで、図４に示すように、得られた自動車排気管部品１１は、外径Ｄ１の大径円筒部１１ａと径Ｄ２の小径円筒部１１ｃは、同じ中心軸１１ｄを有している。したがって、遷移部１１ｂは直円錐台形状になっている。

なお、ここでは、クランプ２１の中心軸を公転軸２３にして、成形工具２２を公転させながら、金属板１０の表面に押し付けて、自動車排気管部品１１を得るようにしているが、クランプ２１の中心軸を回転軸（自転軸）にして、金属板１０を回転（自転）させながら、金属板１０の表面に成形工具２２を押し付けて、自動車排気管部品１１を得るようにしてもよい。

［実施形態２］
図５は、本発明の実施形態２におけるスピニング加工方法の手順を示すものである。また、図６は、それによって得られる自動車排気管部品１２を示す図である。

図６に示すように、この自動車排気管部品１２は、大径円筒部１２ａ、遷移部１２ｂ、小径円筒部１２ｃを有しており、実施形態１の自動車排気管部品１１とほぼ同じ形状であるが、外径Ｄ１の大径円筒部１２ａの中心軸１２ｄと外径Ｄ２の小径円筒部１２ｃの中心軸１２ｅが異なっている。すなわち、大径円筒部１２ａと小径円筒部１２ｃが偏心している。したがって、遷移部１２ｂは斜円錐台形状になっている。

この実施形態２におけるスピニング加工方法では、基本的には実施形態１と同様であるが、下記の手順によって、図６に示す自動車排気管部品１２を製造する。

（Ｐ１）まず、図１に示したと同様に、素材である円形の金属板１０をクランプ２１で把持する。そして、成形前の金属板１０の表面に垂直な軸を公転軸２３（２３a、２３ｂ）として公転するように成形工具２２を設置する。

（Ｐ２）次に、図５に示すように、成形工具２２を公転軸２３回りに公転させながら、金属板１０の表面に押し付けて、金属板１０を図中の１０ｄ、１０ｅ、１０ｆと変形させることによって、小径円筒部１２ｃ、遷移部１２ｂ、大径円筒部１２ａの順に成形していき、ほぼ製品１２の形状になった金属板１０ｆを得る。

その際に、小径円筒部１２ｃを成形する時には、公転軸２３を軸２３ａとして成形を行うが、大径円筒部１２ａを成形する時には、公転軸２３を軸２３ｂに変更して成形を行う。なお、遷移部１２ｂを成形する時には、公転軸２３を軸２３ａから軸２３ｂに平行移動させながら成形を行う。

ちなみに、公転軸２３を移動・変更するには、軸２３ｂが公転軸２３になるように成形工具２２を移動すればよいが、場合によっては、公転軸２３を軸２３ａのままにして、クランプ２１の中心軸２１ａが軸２３ｂの位置になるように、金属板１０を把持した状態でクランプ２１を移動してもよい。

（Ｐ３）そして、金属板１０ｆを把持するクランプ２１を開放するか、もしくは金属板１０ｆの把持されている個所を切断した後、必要に応じて、金属板１０ｆの形状を整えて、図６に示した自動車排気管部品１２を得る。

なお、ここでは、クランプ２１の中心軸を公転軸２３にして、成形工具２２を公転させながら、金属板１０の表面に押し付けて、自動車排気管部品１２を得るようにしているが、クランプ２１の中心軸を回転軸（自転軸）にして、金属板１０を回転（自転）させながら、金属板１０の表面に成形工具２２を押し付けて、自動車排気管部品１２を得るようにしてもよい。その場合には、小径円筒部１２ｃを成形する時には、軸２３ａを回転軸（クランプ２１の中心軸２１ａ）として成形を行い、大径円筒部１２ａを成形する時には、軸２３ｂが回転軸（クランプ２１の中心軸２１ａ）になるように、クランプ２１が把持する金属板１０上の位置を変更して成形を行う。

このようにして、本発明の実施形態１、２に係るスピニング加工方法においては、得られる自動車排気管部品１１、１２に、図８に示した従来のスピニング加工方法（金属管を素材にしたスピニング縮径加工方法）により得られた自動車排気管部品のような、管端部における形状不良部（図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ））を全く生じることがない。そのため、形状不良部の切除や、それを見込んだ素材準備の必要がなくなり、生産性や歩留まりが向上する。

特に、自動車排気管部品１１、１２の遷移部１１ｂ（直円錐台形状）、遷移部１２ｂ（斜円錐台形状）における円錐の頂角（開き角）が６０度以上、さらには９０度以上の場合に、本発明の効果が一層顕著になる。

また、本発明の実施形態１、２に係るスピニング加工方法では、成形工具２２の動作パターンを変更することによって、異なる寸法・形状の自動車排気管部品を作り分けることができるため、プレス加工に比べて、異なる寸法・形状の自動車排気管部品ごとの金型が必要でないというメリットもある。

ちなみに、最近では、自動車に排気管部品を配置するにあたり、レイアウトやスペースの制約から、短い距離で径を変化させたり、偏心形状にしたりすることが多く、それに対応した自由度の高い製造方法が要望されている。

これに対して、本発明は、上述したことから、このような要望に的確に答えられる加工方法となっている。

本発明の実施例１として、図４に示した形状の自動車排気管部品１１を製造した。材質はフェライト系ステンレス鋼で、大径円筒部１１ａの外径Ｄ１は１３０ｍｍ、小径円筒部１１ｃの外径Ｄ２は５０ｍｍであった。

その際に、本発明例１として、本発明の実施形態１に基づいて、金属の板を素材としたスピニング加工方法によって、上記の自動車排気管部品１１を製造した。素材の金属板には、板厚１．２ｍｍ、直径１５０ｍｍの円板状のフェライト系ステンレス鋼板を用いた。

また、比較のために、従来例として、金属の管を素材としたスピニング縮径加工方法によって、上記の自動車排気管部品１１を製造した。素材の金属管には、板厚１．２ｍｍ、外径５０ｍｍのフェライト系ステンレス鋼管（電縫鋼管）を用いた。

その結果、本発明例１では、目標の形状の自動車排気管部品１１が特段の不具合を生じることなく得られた。これに対して、従来例では、加工の途中で縮径先端部の形状不良を生じ、目標の部品形状を得ることはできなかった。

本発明の実施例２として、図６に示した形状の自動車排気管部品１２を製造した。材質はフェライト系ステンレス鋼で、大径円筒部１２ａの外径Ｄ１は１２０ｍｍ、小径円筒部１１ｃの外径Ｄ２は５０ｍｍであった。

その際に、本発明例２として、本発明の実施形態２に基づいて、金属の板を素材としたスピニング加工方法によって、上記の自動車排気管部品１２を製造した。素材の金属板には、板厚１．２ｍｍ、直径１５０ｍｍの円板状のフェライト系ステンレス鋼板を用いた。

その結果、本発明例２では、目標形状の自動車排気管部品１２が特段の不具合を生じることなく得られた。

１ 自動車排気管部品
１ａ 大径円筒部
１ｂ 遷移部
１ｃ 小径円筒部
１０ 金属板
１０ａ 金属板
１０ｂ 金属板
１０ｃ 金属板
１０ｄ 金属板
１０ｅ 金属板
１０ｆ 金属板
１１ 自動車排気管部品
１１ａ 大径円筒部
１１ｂ 遷移部
１１ｃ 小径円筒部
１１ｄ 中心軸
１２ 自動車排気管部品
１２ａ 大径円筒部
１２ｂ 遷移部
１２ｃ 小径円筒部
１２ｄ 中心軸
１２ｅ 中心軸
２１ クランプ
２１ａ クランプの中心軸
２２ 成形工具
２３ 公転軸
２３ａ 公転軸
２３ｂ 公転軸
８０ 金属管
８０ａ 金属管の中心軸
８０ｅ 金属管の端部
９１ クランプ
９２ ロール形状工具
９２ａ ロール形状工具の公転軸方向の軌跡
９２ｂ ロール形状工具の公転方向の軌跡
９３ 公転軸

Claims (4)

1. 金属板を素材にしたスピニング加工による、大径円筒部と小径円筒部および両者をつなぐ遷移部を有した自動車排気管部品のスピニング加工方法であって、
   金属板をクランプで把持し、成形前の金属板の表面に垂直な軸を公転軸として公転する成形工具を金属板の表面に押し付けて、小径円筒部、遷移部、大径円筒部の順に成形していくことを特徴とする自動車排気管部品のスピニング加工方法。
2. 金属板を素材にしたスピニング加工による、大径円筒部と小径円筒部および両者をつなぐ遷移部を有した自動車排気管部品のスピニング加工方法であって、
   金属板をクランプで把持し、成形前の金属板の表面に垂直な軸を回転軸として金属板を回転させながら、成形工具を前記金属板の表面に押し付けて、小径円筒部、遷移部、大径円筒部の順に成形していくことを特徴とする自動車排気管部品のスピニング加工方法。
3. 前記公転軸または前記回転軸の位置を同一にして、小径円筒部、遷移部、大径円筒部を成形することによって、小径円筒部の中心軸と大径円筒部の中心軸が同一の自動車排気管部品を製造することを特徴とする請求項１または２に記載の自動車排気管部品のスピニング加工方法。
4. 小径円筒部、遷移部、大径円筒部の各部ごとに、前記公転軸または前記回転軸の位置を異ならして成形することによって、小径円筒部の中心軸と大径円筒部の中心軸が異なる自動車排気管部品を製造することを特徴とする請求項１または２に記載の自動車排気管部品のスピニング加工方法。

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