JP2015110242A - 前方押出加工方法、中空部材の製造方法及び前方押出加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの大幅な増加を伴うこと無く、多様な中空部材の内径面割れを抑制することが可能な、新規かつ改良された前方押出加工方法及び前方押出加工装置を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ダイス及びマンドレルを用いて中空部材を前方押出加工する前方押出加工方法において、ダイスの内径面に設けられた外径絞り部により中空部材の外径面を絞るステップと、マンドレルの外径面のうち、外径絞り部に対向する位置に設けられた内径拡径部により中空部材の内径面を拡径
するステップと、を含むことを特徴とする、前方押出加工方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、前方押出加工方法、中空部材の製造方法及び前方押出加工装置に関する。

自動車部品などの機械部品の軽量化、低コスト化の要求に対応して、様々な中空冷間鍛造品が製造されるようになっている。例えば、中実部材を後方押出とその後の打ち抜きによって中空化し、そこからさらに据込みや前方押出を行って所定の形状に成形している。しかし、中実部材の前方押出においてシェブロンクラックと呼ばれる内部割れが発生する事があるのと同様に、中空部材の前方押出においても条件によっては内径部（内径面）に割れが発生する事がある。

特許文献１には加工硬化指数ｎ値が０．２以上の被加工材を用いる、または、被加工材の加工硬化指数ｎ値が０．２以上になるよう熱処理を行うことで、多段の冷間前方押出における内部割れを抑制できる方法が提案されている。また、特許文献２には鉄を主成分とする中実焼結体の前方押出において、背圧を付加することで内部割れを抑制する方法が提案されている。

特開２０００−３１２９４７号公報 特開２００２−１３７０３９号公報

しかし、特許文献１で開示された方法は、加工硬化指数ｎ値が０．２以上の被加工材に限定され、また、ｎ値を０．２以上にするための熱処理工程を必要とするため製造コストの増加を余儀なくされた。また、特許文献２で開示された方法は、背圧を付与するために金型や鍛造装置が大型、複雑になり、ひいては、製造コストが増加するというデメリットがあった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、製造コストの大幅な増加を伴うこと無く、多様な中空部材の内径面割れを抑制することが可能な、新規かつ改良された前方押出加工方法、中空部材の製造方法及び前方押出加工装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ダイス及びマンドレルを用いて中空部材を前方押出加工する前方押出加工方法において、ダイスの内径面に設けられた外径絞り部により中空部材の外径面を絞るステップと、マンドレルの外径面のうち、外径絞り部に対向する位置に設けられた内径拡径部により中空部材の内径面を拡径するステップと、を含むことを特徴とする、前方押出加工方法が提供される。

ここで、外径絞り部は、中空部材の進行方向に沿って複数段設けられていてもよい。この場合、全ての外径絞り部について、その対向する位置に内径拡径部が設けられていなくてもよいが、少なくとも１段は、外径絞り部に対向する位置に内径拡径部が設けられている必要がある。

また、内径拡径部のうち、中空部材の進行方向に交差する面と、中空部材の進行方向とのなす角度は、６０°以上であってもよい。

また、内径拡径部による中空部材の内径面の径変化量は、中空部材の外径の２％以下であってもよい。

また、中空部材は、前方押出加工を行う前に、後方押出とその後の打ち抜きによって中実部材を中空化したものであってもよい。

また、中空部材は金属部材であってもよい。

また、金属部材は鋼材であってもよい。

本発明の他の観点によれば、ダイス及びマンドレルを用いて中空部材を前方押出加工する中空部材の製造方法において、前方押出加工は、ダイスの内径面に設けられた外径絞り部により中空部材の外径面を絞るステップと、マンドレルの外径面のうち、外径絞り部に対向する位置に設けられた内径拡径部により中空部材の内径面を拡径するステップと、を含むことを特徴とする、中空部材の製造方法が提供される。

本発明の他の観点によれば、ダイス及びマンドレルを用いて中空部材を前方押出加工する前方押出加工装置において、ダイスの内径面に設けられ、中空部材の外径面を絞る外径絞り部と、マンドレルの外径面のうち、外径絞り部に対向する位置に設けられ、中空部材の内径面を拡径する内径拡径部と、を備えることを特徴とする、前方押出加工装置が提供される。

以上説明した本発明によれば、内径拡径部が中空部材の進行に対する抵抗となり内径面での引張応力の発生が抑制されるので、内径面割れが発生する可能性が低減される。また、中空部材の加工硬化指数ｎ値によらず、内径面割れを抑制することができる。また、マンドレルに内径拡径部を設けるだけで内径面割れを抑制することができるので、製造コストの大幅な増加を伴うことがない。なお、本発明は冷間鍛造だけでなく、熱間鍛造や管材の押出加工（および引抜加工）にも適用可能である。

本発明の実施形態に係る前方押出加工装置の概略構成を示す縦断面図である。 同実施形態に係る外径絞り部の詳細構成を示す縦断面図である。 同実施形態に係る内径拡径部の詳細構成を示す縦断面図である。 従来の前方押出加工装置の例を示す縦断面図である。 従来の前方押出加工装置の他の例を示す縦断面図である。 図４に示す例に内径拡径部を設けた本発明の実施形態に係る前方押出加工装置の例を示す縦断面図である。 中空部材の各小領域の延性破壊指数と各小領域の位置との対応関係を示すグラフである（外径面１段絞り）。 中空部材の各小領域の延性破壊指数と各小領域の位置との対応関係を示すグラフである（外径面２段絞り）。 後方押出とその後の打ち抜きによって中実部材を中空化する工程を説明する図である。 図５に示す例に内径拡径部を二つ設けた本発明の実施形態に係る前方押出加工装置の例を示す縦断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、以下の説明では、中空部材が前方押出加工装置内を進行する（流れる）方向を下流方向、下流方向の逆方向を上流方向とする。

＜１．本発明者が行った検討＞
本発明者は、中空部材に内径面割れが発生する原因及びその内径面割れを抑制する方法について検討し、その結果、本実施形態に係る前方押出加工装置及び前方押出加工方法に想到した。そこで、まず、本発明者が行った検討について説明する。

本発明者は、中空部材に内径面割れが発生する原因を突き止めるために、前方押出中の中空部材に生じる延性破壊指数を有限要素法解析により推定した。その過程を図４〜図７に基づいて説明する。

まず、本発明者は、中空部材の外径面を１段絞る場合の延性破壊指数について推定した。図４は、中空部材の外径面を１段絞る前方押出加工装置１００の概要を示す縦断面図である。前方押出加工装置１００は、ダイス１０１と、マンドレル１０２とを備える。ダイス１０１は、略円筒形状の部材である。ダイス１０１の内径面１０１ｂには、外径絞り部１３０が形成されている。

外径絞り部１３０は、ランド部１３１と、傾斜面１３２と、逃げ部１３３とを備える。
ランド部１３１は、マンドレル１０２側に突出した部分である。傾斜面１３２は、中空部材Ｗの進行方向（矢印Ａ１方向）に交差する面であり、ランド部１３１とランド部１３１の上流側の内径面１０１ｂとを連結する。逃げ部１３３は、ランド部１３１の下流側に形成される。逃げ部１３３の内径面（表面）は、ランド部１３１の内径面（表面）よりも外側（ダイス１０１の外径面側）に配置される。すなわち、逃げ部１３３と中空部材Ｗとの間には隙間が形成される。

マンドレル１０２は、略円柱形状の部材であり、ダイス１０１の内部にダイス１０１と同軸上に設けられている。直線１０２ａはマンドレル１０２（及びダイス１０１）の中心軸を示す。マンドレル１０２の外径面１０２ｂとダイス１０１の内径面１０１ｂとの間には隙間が形成されている。

この前方押出加工装置１００を用いた前方押出加工方法は以下のとおりである。すなわち、中空部材Ｗをダイス１０１とマンドレル１０２との間に通し、中空部材Ｗを前方押出する。これにより、中空部材Ｗは、矢印Ａ１方向に進行する。中空部材Ｗの外径面は、外径絞り部１３０により絞られる（すなわち縮径される）。これにより、中空部材Ｗが成形される。

本発明者は、前方押出中の中空部材Ｗに生じる延性破壊指数を有限要素法解析により推定した。すなわち、中空部材Ｗを複数の小領域に区分し、各小領域に生じる延性破壊指数を推定した。延性破壊指数は以下の数式（１）で示される。

ここで、Ｉは延性破壊指数、σ_ｍａｘは最大主応力、σ_ｅｑは相当応力、ε_ｅｑは相当塑性ひずみである。数式（１）右辺の分子に書かれている積分式はＣｏｃｋｃｒｏｆｔ＆Ｌａｔｈａｍの式と呼ばれる延性破壊条件式であり、この積分式から計算される数値が材料固有の定数ｃに達すると、割れが発生すると判断する。すなわち、延性破壊指数が１に達すると割れが発生すると判断する。

また、解析条件は以下のとおりである。外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材Ｗを前方押出により外径φ１９．５ｍｍ、内径φ１０ｍｍとなるように成形した。中空部材Ｗの進行方向と傾斜面１３２のなす角度は４５°、傾斜面１３２の角部の曲率半径は０．５ｍｍ、ランド部１３１の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした。せん断摩擦係数ｍ＝０．１、軸対称モデル、ダイス及びマンドレルは剛体、被加工材は剛塑性体（四角形要素）でＳ５５Ｃ球状化焼鈍材の変形抵抗曲線を使用した。

解析結果を図７（Ｌ２０及びＬ２１）に示す。図７の縦軸は小領域の延性破壊指数、横軸は小領域の位置を示す。小領域の位置は、小領域から中空部材Ｗの内径面に下ろした垂線の長さｒと、小領域を通る横断面上での中空部材Ｗの内径面から外径面までの距離ｒ_０の比ｒ／ｒ_０で示される。すなわち、ｒ／ｒ_０＝０は内径面を、ｒ／ｒ_０＝１は外径面を表す。

グラフＬ２０は、図４の横断面（平断面）Ｃ上の小領域の延性破壊指数と小領域の位置との対応関係を示す。また、グラフＬ２１は、横断面Ｄ上の小領域の延性破壊指数と小領域の位置との対応関係を示す。グラフＬ２０、Ｌ２１からわかるように、中空部材Ｗの外径面が絞られることで、中空部材Ｗの内径面の延性破壊指数が大きく増大する。

次に、本発明者は、中空部材の外径面を２段絞る場合の延性破壊指数について推定した。図５は、中空部材の外径面を２段絞る前方押出加工装置２００の概要を示す縦断面図である。前方押出加工装置２００は、前方押出加工装置１００のダイス１０１をダイス２０１に変更したものである。

ダイス２０１は、略円筒形状の部材である。ダイス２０１の内径面２０１ｂには、外径絞り部２３０が２段形成されている。外径絞り部２３０は、ランド部２３１と、傾斜面２３２と、逃げ部２３３とを備える。外径絞り部２３０の各部分の機能は外径絞り部１３０と同様である。また、前方押出加工装置２００を用いた前方押出加工方法は前方押出加工装置１００を用いた前方押出加工方法と同様である。

本発明者は、前方押出中の中空部材Ｗに生じる延性破壊指数を有限要素法解析により推定した。すなわち、中空部材Ｗを複数の小領域に区分し、各小領域に生じる延性破壊指数を推定した。解析条件は以下のとおりである。外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材Ｗを、まず外径φ１９．５ｍｍ、内径φ１０ｍｍとした後、さらに、外径φ１９．０ｍｍ、内径φ１０ｍｍとなるように二段の前方押出を行った。中空部材Ｗの進行方向と傾斜面２３２のなす角度は４５°、傾斜面２３２の角部の曲率半径は０．５ｍｍ、ランド部２３１の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした。せん断摩擦係数ｍ＝０．１、軸対称モデル、ダイス及びマンドレルは剛体、被加工材は剛塑性体（四角形要素）でＳ５５Ｃ球状化焼鈍材の変形抵抗曲線を使用した。

解析結果を図８（Ｌ２３及びＬ２４）に示す。図８の縦軸、縦軸の意味は図７と同様である。グラフＬ２３は、図５の横断面（平断面）Ｅ上の小領域の延性破壊指数と小領域の位置との対応関係を示す。また、グラフＬ２４は、横断面Ｆ上の小領域の延性破壊指数と小領域の位置との対応関係を示す。グラフＬ２３、Ｌ２４及び図７に示すグラフＬ２０、Ｌ２１からわかるように、中空部材Ｗの外径面が絞られる段数が増える毎に、中空部材Ｗの内径面の延性破壊指数が累積される。従って、外径絞りの段数が増えるほど内径面割れが発生する可能性が高くなる。図８に示す例では、内径面の延性破壊指数が１を超えているので、内径面割れが発生する可能性が非常に高い。

このように、加工条件によっては、中空部材Ｗの外径面が絞られることで、内径面の延性破壊指数が大きく増大することがあるが、その理由は、中空部材Ｗの外径面が絞られることで、外径絞り部に対向する位置で中空部材Ｗの内径面に大きな引張応力が生じ、内径面が引張応力下で塑性変形を受けたためである。

このような内径面割れを防止する方法として、前方押出加工の減面率を大きくする、傾斜面の角度（後述する縮径角度θ_１）を小さくする、傾斜面角部の曲率半径（後述する曲率半径Ｒ_１）を大きくする、などの対策が提案されている。これらはいずれも内径面に生じる引張応力を緩和する方法であるが、最終製品形状の制約もあり、いずれも内径面割れを十分に抑制することができなかった。そこで、本発明者は、他の方法により内径面に生じる引張応力を緩和することを検討し、この結果、中空部材Ｗの内径面を拡径することを考えた。

具体的には、まず、本発明者は、図４に示す前方押出加工装置１００において、中空部材Ｗの内径面を拡径することを考えた。その具現例を図６に示す。図６に示す前方押出加工装置３００は、図４に示す前方押出加工装置１００のマンドレル１０２をマンドレル３０２に変更したものである。

マンドレル３０２は、略円柱形状の部材であり、ダイス１０１の内部にダイス１０１と同軸上に設けられている。直線３０２ａはマンドレル３０２（及びダイス１０１）の中心軸を示す。マンドレル３０２の外径面３０２ｂとダイス１０１の内径面１０１ｂとの間には隙間が形成されている。

また、マンドレル３０２の外径面３０２ｂのうち、外径絞り部１３０に対向する位置には、内径拡径部３４０が設けられている。内径拡径部３４０は、ランド部３４１と、傾斜面３４２と、逃げ部３４３とを備える。ランド部３４１は、ダイス１０１側に突出した部分である。傾斜面３４２は、中空部材Ｗの進行方向に交差する面であり、ランド部３４１とランド部３４１の上流側の外径面３０２ｂとを連結する。逃げ部３４３は、ランド部３４１の下流側に形成される。逃げ部３４３の外径面（表面）は、ランド部３４１の外径面（表面）よりも内側（マンドレル３０２の中心軸（＝直線３０２ａ）側）に配置される。すなわち、逃げ部３４３と中空部材Ｗとの間には隙間が形成される。

この前方押出加工装置３００を用いた前方押出加工方法は以下のとおりである。すなわち、中空部材Ｗをダイス１０１とマンドレル３０２との間に通し、中空部材Ｗを前方押出する。これにより、中空部材Ｗは、矢印Ａ１方向に進行する。中空部材Ｗの外径面は、外径絞り部１３０により絞られる（すなわち縮径される）。さらに、中空部材Ｗの内径面は、内径拡径部３４０により拡径される。このとき、外径面が絞られたことによって中空部材Ｗの内径面に生じる引張応力は、内径拡径部３４０が中空部材Ｗの進行に対する抵抗となったことによって生じる圧縮応力によって相殺される。ただし、中空部材Ｗの内径面を拡径することで、引張応力の発生位置が中空部材Ｗの内径面から内部へとシフトし、後述するように、中空部材Ｗの内部で延性破壊指数が上昇する。

本発明者は、前方押出中の中空部材Ｗに生じる延性破壊指数を有限要素法解析により推定した。すなわち、中空部材Ｗを複数の小領域に区分し、各小領域に生じる延性破壊指数を推定した。解析条件は以下のとおりである。外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材Ｗを前方押出により外径φ１９．５ｍｍ、φ１０．５ｍｍとなるように成形した。中空部材Ｗの進行方向と傾斜面１３２及び傾斜面３４２のなす角度は４５°、傾斜面１３２及び傾斜面３４２の角部の曲率半径は０．５ｍｍ、ランド部１３１及びランド部３４１の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした。せん断摩擦係数ｍ＝０．１、軸対称モデル、ダイス及びマンドレルは剛体、被加工材は剛塑性体（四角形要素）でＳ５５Ｃ球状化焼鈍材の変形抵抗曲線を使用した。

図７のグラフＬ２２は、横断面Ｈ上の小領域の延性破壊指数と小領域の位置との対応関係を示すものである。なお、横断面Ｇ上の小領域の延性破壊指数と小領域の位置との対応関係はグラフＬ２０に示す通りである。グラフＬ２１とＬ２２とを対比すると、中空部材Ｗに生じる延性破壊指数のピーク位置は、中空部材Ｗの内径面を拡径することで、中空部材Ｗの内径面から内部へとシフトすることがわかる。したがって、中空部材Ｗの内径面の延性破壊指数が減少するので、内径面割れが生じる可能性が低減される。また、内径拡径を行ったことで減面率が高くなり延性破壊指数のピーク高さ自体も減少している。

本発明者は、中空部材Ｗの内径面を拡径することをさらに検討し、本実施形態に係る前方押出加工装置１０及び前方押出加工方法に想到した。以下、本実施形態に係る前方押出加工装置１０及び前方押出加工方法について説明する。

＜２．前方押出加工装置の構成＞
次に、図１〜図３に基づいて、前方押出加工装置１０の構成について説明する。前方押出加工装置１０は、ダイス１１と、マンドレル１２とを備える。ダイス１１は、略円筒形状の部材である。ダイス１１の内径面１１ｂには、外径絞り部３０が複数段形成されている。なお、本実施形態では、各外径絞り部３０の順番を最上流側の外径絞り部３０から順に１段目、２段目とカウントする。

外径絞り部３０は、図１及び図２に示すように、ランド部３１と、傾斜面３２と、逃げ部３３とを備える。ランド部３１は、マンドレル１２側に突出した部分である。ランド部３１の内径面（表面）からランド部３１の上流側の内径面１１ｂまでの距離０．５×ｄ_１は特に制限されず、従来の外径絞り部３０がとりうる値であれば任意に適用可能である。ここで、距離ｄ_１は、外径絞り部３０によって中空部材Ｗの外径面が絞られる量、すなわち外径の縮径量に相当する。また、ランド部３１の上流側の内径面１１ｂは、ランド部３１が２段目となる場合、１段目の逃げ部３３に相当する。

傾斜面３２は、ランド部３１とランド部３１の上流側の内径面１１ｂとを連結する部分である。例えば、２段目の外径絞り部３０の傾斜面３２は、１段目の外径絞り部３０の逃げ部３３と、２段目の外径絞り部３０のランド部３１とを連結する。傾斜面３２と中空部材Ｗの進行方向とのなす角度（縮径角度）θ_１は特に制限されず、従来の外径絞り部３０がとりうる値であれば任意に適用可能である。

また、傾斜面３２の上端部３２ａと下端部３２ｂとの曲率半径Ｒ_１は特に制限されず、従来の外径絞り部３０がとりうる値であれば任意に適用可能である。

逃げ部３３は、ランド部３１の下流側に形成される。逃げ部３３の内径面（表面）は、ランド部３１の内径面（表面）よりも外側（ダイス１１の外径面側）に配置される。すなわち、逃げ部３３と中空部材Ｗとの間には隙間が形成される。逃げ部３３の内径面とランド部３１の内径面との距離０．５×ｄ_２は特に制限されず、従来の外径絞り部３０がとりうる値であれば任意に適用可能である。ここで、距離ｄ_２は、中空部材Ｗと逃げ部３３との間に設けられた隙間の広さ、すなわち逃げ量に相当する。

マンドレル１２は、略円柱形状の部材であり、ダイス１１の内部にダイス１１と同軸上に設けられている。直線１２ａはマンドレル１２（及びダイス１１）の中心軸を示す。マンドレル１２の外径面１２ｂとダイス１１の内径面１１ｂとの間には隙間が形成されている。

また、マンドレル１２の外径面１２ｂのうち、２段目の外径絞り部３０に対向する位置には、内径拡径部４０が設けられている。内径拡径部４０は、図１及び図３に示すように、ランド部４１と、傾斜面４２と、逃げ部４３とを備える。

ランド部４１は、ダイス１１側に突出した部分である。ランド部４１の外径面（表面）からランド部４１の上流側の外径面１２ｂまでの距離０．５×ｄ_３は特に制限されない。ここで、距離ｄ_３は、内径拡径部４０による中空部材Ｗの内径面の径変化量、すなわち内径の拡径量に相当する。距離ｄ_３は中空部材Ｗの外径の２％以下であることが好ましい。距離ｄ_３の下限値は特に制限されず、０より大きければ（すなわち、ランド部４１がわずかでも突出していれば）よい。径変化量ｄ_３がこのような範囲となる場合に、中空部材Ｗの内径面の延性破壊指数がより減少する。

傾斜面４２は、中空部材Ｗの進行方向に交差する面であり、ランド部４１とランド部４１の上流側の外径面１２ｂとを連結する。傾斜面４２と中空部材Ｗの進行方向とのなす角度（拡径角度）θ_２は特に制限されないが、６０°以上であることが好ましい。拡径角度θ_２がこのような範囲となる場合に、中空部材Ｗの内径面の延性破壊指数がより減少する。なお、拡径角度θ_２の上限値は特に制限されず、９０°未満であればよい。

また、傾斜面４２の上端部４２ａと下端部４２ｂとの曲率半径Ｒ_２は特に制限されないが、より大きい方が好ましい。また、傾斜面４２の下端部４２ｂは、２段目の外径絞り部３０の傾斜面３２の下端部３２ｂとほぼ同一横断面上に配置される。ここで、「ほぼ同一」とは、両者が同一横断面上に配置されることだけでなく、外径面が絞られたことによって中空部材Ｗの内径面に生じる引張応力の少なくとも一部が、内径拡径部４０が中空部材Ｗの進行に対する抵抗となったことによって生じる圧縮応力によって相殺されるのであれば、両者の位置がずれてもよいことを意味する。両者は同一横断面上に配置されることが好ましく、さらに、下端部４２ｂが下端部３２ｂよりも多少下流側に配置されることが、より好ましい。ただし、ランド部４１の少なくとも一部は、２段目の外径絞り部３０のランド部３１に対向する。

逃げ部４３は、ランド部４１の下流側に形成される。逃げ部４３の外径面（表面）は、ランド部４１の外径面（表面）よりも内側（マンドレル１２の中心軸（＝直線１２ａ）側）に配置される。すなわち、逃げ部４３と中空部材Ｗとの間には隙間が形成される。逃げ部４３の外径面とランド部４１の外径面との距離０．５×ｄ_４は特に制限されない。ここで、距離ｄ_４は、中空部材Ｗと逃げ部３３との間に設けられた隙間の広さ、すなわち逃げ量に相当する。

なお、本実施形態では、ダイス１１に外径絞り部３０が２段設けられているが、より多段の外径絞り部３０が設けられてもよい。この場合、全ての外径絞り部３０について、その対向する位置に内径拡径部４０が設けられていなくてもよいが、少なくとも１段は、外径絞り部３０に対向する位置に内径拡径部４０が設けられている必要がある。

また、外径絞り部３０は１段であってもよい。この場合、内径拡径部４０は、外径絞り部３０に対向する位置に設けられる。すなわち、本実施形態は、図６に示す構成も含む。

図１０は、本実施形態に係る前方押出加工装置の他の例である前方押出加工装置４００を示す。前方押出加工装置４００は、図５に示す前方押出加工装置２００のマンドレル１０２をマンドレル４０１に変更したものである。

マンドレル４０１は、略円柱形状の部材であり、ダイス２０１の内部にダイス２０１と同軸上に設けられている。直線４００ａはマンドレル４０１（及びダイス２０１）の中心軸を示す。マンドレル４０１の外径面４００ｂとダイス２０１の内径面２０１ｂとの間には隙間が形成されている。

また、マンドレル１２の外径面１２ｂのうち、１段目及び２段目の外径絞り部２３０に対向する位置には、内径拡径部４４０が設けられている。内径拡径部４４０は、ランド部４４１と、傾斜面４４２と、逃げ部４４３とを備える。ランド部４４１、傾斜面４４２、及び逃げ部４４３は、図１に示すランド部４１、傾斜面４２、及び逃げ部４３と同様の構成であるので、説明を省略する。

＜３．前方押出加工方法＞
次に、前方押出加工装置１０を用いた前方押出加工方法について説明する。中空部材Ｗをダイス１１とマンドレル１２との間に通し、中空部材Ｗを前方押出する。これにより、中空部材Ｗは、矢印Ａ１方向に進行する。中空部材Ｗの外径面は、まず、１段目の外径絞り部３０により絞られる（すなわち縮径される）。中空部材Ｗはさらに矢印Ａ１方向に進行する。その後、中空部材Ｗの外径面は、２段目の外径絞り部３０により絞られ、それと同時に、中空部材Ｗの内径面は、内径拡径部４０により拡径される。すなわち、図５に示す例では、中空部材Ｗが外径絞り部２３０を通過する毎に延性破壊指数が中空部材Ｗの内径面に累積されていく。これに対し、本実施形態では、まず、外径面が１段目の外径絞り部３０により絞られる際、中空部材Ｗの内径面で延性破壊指数が上昇する。次に、外径面が２段目の外径絞り部３０により絞られる際は、内径拡径部４０により中空部材Ｗの内径面が拡径されるため、中空部材Ｗの内部で延性破壊指数が上昇する。このように、中空部材Ｗに発生する延性破壊指数が中空部材Ｗの内径面と内部とに分散され、内径面割れが発生する可能性が低減される。

なお、中空部材Ｗの種類は特に制限されず、金属部材であってもよい。また、金属部材は鋼材であってもよい。

本発明者は、前方押出中の中空部材Ｗに生じる延性破壊指数を有限要素法解析により推定した。すなわち、中空部材Ｗを複数の小領域に区分し、各小領域に生じる延性破壊指数を推定した。解析条件は以下のとおりである。外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材Ｗを、まず外径φ１９．５ｍｍ、内径φ１０ｍｍとした後、さらに、外径φ１９．０ｍｍ、内径φ１０．５ｍｍとなるように二段の前方押出を行った。中空部材Ｗの進行方向と傾斜面３２及び傾斜面４２のなす角度は４５°、傾斜面３２及び傾斜面４２の角部の曲率半径は０．５ｍｍ、ランド部３１及びランド部４１の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした。せん断摩擦係数ｍ＝０．１、軸対称モデル、ダイス及びマンドレルは剛体、被加工材は剛塑性体（四角形要素）でＳ５５Ｃ球状化焼鈍材の変形抵抗曲線を使用した。

図８のグラフＬ２５は、横断面Ｃ上の小領域の延性破壊指数と小領域の位置との対応関係を示す。なお、横断面Ａ上の小領域の延性破壊指数と小領域の位置との対応関係は、グラフＬ２３に示す通りである。グラフＬ２３〜Ｌ２５からわかるように、外径面が２段目の外径絞り部３０により絞られる際に、内径拡径部４０により中空部材Ｗの内径面を拡径すると、延性破壊指数の上昇位置が中空部材Ｗの内径面から内部へとシフトするので、延性破壊指数が中空部材Ｗの内径面と内部とに分散される。したがって、中空部材Ｗの内径面の延性破壊指数が減少するので、内径面割れが生じる可能性が低減される。

＜４．後方押出とその後の打ち抜きによる中実部材の中空化＞
中空部材は、前方押出加工の前に、図９に示すように、後方押出とその後の打ち抜きによって中実部材を中空化したものであってもよい。さらに、熱処理を施してもよいが、生産性を考慮すると、後方押出、打ち抜きを、順次、行った後、そのまま前方押出加工することが好ましい。この場合、中空部材は、後方押出工程で内径面に大ひずみが付与され、加工硬化によって延性が著しく低下している。そのため、前方押出によって外径を絞った際に内径面割れが発生し易くなるが、中空部材の内径面を拡径する本発明によれば、内径面割れの発生を防止することができる。

（実施例１）
次に、好ましい径変化量ｄ_３、拡径角度θ_２、及び曲率半径Ｒ_２の範囲を確認するために、以下の実施例を行った。

本実施例でも、上述したように、有限要素法解析により中空部材Ｗに発生する延性破壊指数を推定した。解析条件は以下のとおりである。外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材を、外径φ１９．５ｍｍ、内径φ（１０＋ｄ_３）ｍｍとなるように前方押出を行った。外径絞り部については、中空部材の進行方向と傾斜面のなす角度（すなわち縮径角度θ_１）は４５°、傾斜面の角部の曲率半径は０．１ｍｍ、ランド部の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした。内径拡径部については、径変化量はｄ_３、中空部材の進行方向と傾斜面のなす角度（すなわち拡径角度）はθ_２、傾斜面の角部の曲率半径は０．０５ｍｍ、ランド部の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした。せん断摩擦係数ｍ＝０．１、軸対称モデル、ダイス及びマンドレルは剛体、被加工材は剛塑性体（四角形要素）でＳ５５Ｃ球状化焼鈍材の変形抵抗曲線を使用した。

（好ましい径変化量及び拡径角度の組み合わせの確認）
上記解析条件のうち、径変化量ｄ_３及び拡径角度θ_２の組み合わせを０.２ｍｍ＜ｄ_３＜４．０ｍｍ、５°＜θ_２＜８５°の範囲で変更することで、好ましい径変化量ｄ_３及び拡径角度θ_２の組み合わせを確認した。この結果を表１に示す。

表１によれば、拡径角度はより大きいほど内径面の延性破壊指数が低く、６０°以上であることが好ましい。また、径変化量はより小さいほど内径面の延性破壊指数が低く、０．４ｍｍ以下（＝中空部材の外径の２％以下）であることが好ましいことがわかった。

（好ましい曲率半径の確認）
上記解析条件のうち、拡径角度を４５°、径変化量を０．４ｍｍとして、曲率半径Ｒ_２を０ｍｍ＜Ｒ_２＜３ｍｍの範囲で変更することで、好ましい曲率半径Ｒ_２の範囲を確認した。この結果を表２に示す。

表２によれば、曲率半径Ｒ_２はより大きい方が好ましいことがわかった。

（実施例２）
次に、本発明は、中空部材Ｗが、前方押出加工を行う前に、後方押出とその後の打ち抜きによって中実部材を中空化したものである場合に好適であることを確認するため、以下の実施例を行った。

まず、球状化焼鈍処理を施したＳ４３Ｃの中実部材（外径φ４５ｍｍ、球状化率は約７０％、成分は質量％で、Ｃ：０．４３％、Ｓｉ：０．２２％、Ｍｎ：０．８０％、Ｐ：０．０１１％、Ｓ：０．０１６％、残部はＦｅ）を外径φ１９．９ｍｍに切削加工し、潤滑のため、リン酸塩石けん皮膜処理を施した。そして、図９に示すように、冷間の後方押出によってカップ状に成形した後、カップ底を打ち抜き、外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材とした。これを中空部材Ｗｆとする。

次に、中空部材Ｗｆを、図４に示す前方押出加工装置１００を用いて、外径φ１９．５ｍｍ、内径φ１０ｍｍとなるように成形した。中空部材Ｗｆの進行方向と傾斜面１３２のなす角度は４５°、傾斜面１３２の角部の曲率半径は０．５ｍｍ、ランド部１３１の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした（［従来法］前方押出加工装置１００）。

また、中空部材Ｗｆを、図５に示す前方押出加工装置２００を用いて、まず外径φ１９．５ｍｍ、内径φ１０ｍｍとした後、さらに、外径φ１９．０ｍｍ、内径φ１０ｍｍとなるように二段の前方押出を行った。中空部材Ｗｆの進行方向と傾斜面２３２のなす角度は４５°、傾斜面２３２の角部の曲率半径は０．５ｍｍ、ランド部２３１の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした（［従来法］前方押出加工装置２００）。

また、中空部材Ｗｆを、図６に示す前方押出加工装置３００を用いて、外径φ１９．５ｍｍ、内径φ１０．５ｍｍとなるように成形した。中空部材Ｗｆの進行方向と傾斜面１３２および傾斜面３４２のなす角度は４５°、傾斜面１３２および傾斜面３４２の角部の曲率半径は０．５ｍｍ、ランド部１３１およびランド部３４１の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした（［本発明］前方押出加工装置３００）。

また、中空部材Ｗｆを、図１０に示す前方押出加工装置４００を用いて、まず外径φ１９．５ｍｍ、内径φ１０．２５ｍｍとした後、さらに、外径φ１９．０ｍｍ、内径φ１０．５ｍｍとなるように二段の前方押出を行った。中空部材Ｗｆの進行方向と傾斜面２３２および傾斜面４４２のなす角度は４５°、傾斜面２３２および傾斜面４４２の角部の曲率半径は０．５ｍｍ、ランド部２３１および４４１の長さは２．０ｍｍ、逃げ量は０．１ｍｍとした（［本発明］前方押出加工装置４００）。

上記の成形は、いずれも、最大負荷能力６０００ｋＮ、ストローク３００ｍｍのプレス機を用い、速度は２０ｓｐｍ、室温下で行った。前方押出後、中空部材を半割りにして内径面を目視で観察し、内径面割れの発生の有無を確認した。
この結果を表３に示す。

表３によれば、前方押出加工装置１００、２００を用いて中空部材Ｗｆの前方押出を行った場合は内径面割れが発生したが、前方押出加工装置３００、４００を用いた場合は内径面割れが発生しなかった。

中空部材Ｗｆは前方押出加工を行う前に、後方押出によって、内径面に３００％〜４００％程度のひずみが付与されており、加工硬化により内径面の延性が著しく低下している。そのため、内径面に大きな引張応力が生じ、内径面が引張応力下で塑性変形を受ける前方押出加工装置１００、２００（どちらも従来法）を用いて前方押出を行った場合は、内径面割れが発生した。

一方、マンドレルに内径拡径部を設ける本発明の前方押出加工装置３００、４００を用いた場合は、マンドレルの内径拡径部によって内径面での引張応力の発生が抑制されるため、内径面割れの発生が発生しなかった。なお、マンドレルに内径拡径部を設けたことで、内径面ではなく内部で引張応力が発生するが、内径面と違って内部は後方押出工程での延性の低下が比較的小さいため割れが発生しなかったことを、前方押出加工後の中空部材Ｗｆの断面観察により確認している。

以上のように、後方押出とその後の打ち抜きによって中実部材を中空化した中空部材Ｗｆは、内径面に引張応力が発生する従来法では一段の前方押出（前方押出加工装置１００）でも内径面割れが発生してしまった。一方、本発明を適用すれば、引張応力の発生位置を内部へ移動させることで、内径面の延性が著しく低下している中空部材Ｗであっても、内径面割れを発生させることなく二段の前方押出（前方押出加工装置４００）を行うことが可能となった。

以上により、本実施形態によれば、まず、中空部材Ｗの外径面が１段目の外径絞り部３０により絞られる際、中空部材Ｗの内径面で延性破壊指数が上昇する。次に、中空部材Ｗの外径面が２段目の外径絞り部３０により絞られる際は、内径拡径部４０により中空部材Ｗの内径面が拡径されるため、中空部材Ｗの内部で延性破壊指数が上昇する。このように、中空部材Ｗに発生する延性破壊指数が中空部材Ｗの内径面と内部とに分散され、内径面割れが発生する可能性が低減される。

また、中空部材Ｗの種類は特に制限されない。例えば、本実施形態が適用可能な中空部材Ｗは、特定の加工硬化指数ｎ値を有する金属部材に制限されない。すなわち、本実施形態は、あらゆる金属部材に適用可能である。本実施形態は、これらの金属部材のうち、鋼材であっても良い。また、本実施形態では、マンドレル１２に内径拡径部４０を設けるだけでよいので、製造コストを大幅に増加させることなく、内径面割れが発生する可能性を低減することができる。

また、拡径角度θ_２は、６０°以上にすることで、内径面割れが発生する可能性が更に低減される。

また、径変化量ｄ_３は、中空部材の外径の２％以下にすることで、内径面割れが発生する可能性が更に低減される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 前方押出加工装置
１１ ダイス
１２ マンドレル
３０ 外径絞り部
３１ ランド部
３２ 傾斜面
３３ 逃げ部
４０ 内径拡径部
４１ ランド部
４２ 傾斜面
４３ 逃げ部

Claims (18)

1. ダイス及びマンドレルを用いて中空部材を前方押出加工する前方押出加工方法において、
   前記ダイスの内径面に設けられた外径絞り部により前記中空部材の外径面を絞るステップと、
   前記マンドレルの外径面のうち、前記外径絞り部に対向する位置に設けられた内径拡径部により前記中空部材の内径面を拡径するステップと、を含むことを特徴とする、前方押出加工方法。
2. 前記外径絞り部は、前記中空部材の進行方向に沿って複数段設けられており、
   前記内径拡径部は、前記外径絞り部に対向する位置に設けられることを特徴とする、請求項１記載の前方押出加工方法。
3. 前記内径拡径部のうち、前記中空部材の進行方向に交差する面と、前記中空部材の進行方向とのなす角度は、６０°以上であることを特徴とする、請求項１または２記載の前方押出加工方法。
4. 前記内径拡径部による前記中空部材の内径面の径変化量は、中空部材の外径の２％以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の前方押出加工方法。
5. 前記中空部材は、前記前方押出加工を行う前に、後方押出とその後の打ち抜きによって中実部材を中空化したものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の前方押出加工方法。
6. 前記中空部材は金属部材であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の前方押出加工方法。
7. 前記金属部材は鋼材であることを特徴とする、請求項６記載の前方押出加工方法。
8. ダイス及びマンドレルを用いて中空部材を前方押出加工する中空部材の製造方法において、
   前記前方押出加工は、前記ダイスの内径面に設けられた外径絞り部により前記中空部材の外径面を絞るステップと、
   前記マンドレルの外径面のうち、前記外径絞り部に対向する位置に設けられた内径拡径部により前記中空部材の内径面を拡径するステップと、を含むことを特徴とする、中空部材の製造方法。
9. 前記外径絞り部は、前記中空部材の進行方向に沿って複数段設けられており、
   前記内径拡径部は、前記外径絞り部に対向する位置に設けられることを特徴とする、請求項８記載の中空部材の製造方法。
10. 前記内径拡径部のうち、前記中空部材の進行方向に交差する面と、前記中空部材の進行方向とのなす角度は、６０°以上であることを特徴とする、請求項８または９記載の中空部材の製造方法。
11. 前記内径拡径部による前記中空部材の内径面の径変化量は、中空部材の外径の２％以下であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の中空部材の製造方法。
12. 前記中空部材は、前記前方押出加工を行う前に、後方押出とその後の打ち抜きによって中実部材を中空化したものであることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の中空部材の製造方法。
13. 前記中空部材は金属部材であることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の中空部材の製造方法。
14. 前記金属部材は鋼材であることを特徴とする、請求項１３記載の中空部材の製造方法。
15. ダイス及びマンドレルを用いて中空部材を前方押出加工する前方押出加工装置において、
    前記ダイスの内径面に設けられ、前記中空部材の外径面を絞る外径絞り部と、
    前記マンドレルの外径面のうち、前記外径絞り部に対向する位置に設けられ、前記中空部材の内径面を拡径する内径拡径部と、を備えることを特徴とする、前方押出加工装置。
16. 前記外径絞り部は、前記中空部材の進行方向に沿って複数段設けられており、
    前記内径拡径部は、前記外径絞り部に対向する位置に設けられることを特徴とする、請求項１５記載の前方押出加工装置。
17. 前記内径拡径部のうち、前記中空部材の進行方向に交差する面と、前記中空部材の進行方向とのなす角度は、６０°以上であることを特徴とする、請求項１５または１６記載の前方押出加工装置。
18. 前記マンドレルの外径面に対する前記内径拡径部の径変化量は、前記ダイスの内径の２％以下であることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の前方押出加工装置。
    

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