JP2016073987A - 端部増肉鋼管の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素材鋼管よりも端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を簡易に成形する。
【解決手段】金型２及び軸押しパンチ３を備える端部増肉鋼管５の製造装置である。金型２は、非増肉部２ａと増肉部２ｂとを有する。軸押しパンチ３は、本体３ａと芯金３ｂとを有する。素材鋼管4は金型2に対して相対的に固定される。素材鋼管4の軸方向への芯金３の長さは軸方向への増肉部２ｂの長さよりも長いとともに、芯金３の外径は素材鋼管４の内径よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、素材鋼管の肉厚よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を製造する製造装置および製造方法に関する。

例えばトーションビーム、排気マフラー、小径かつ厚肉のドライブシャフト、さらにはＢピラー等の自動車部品や建材の中には、肉厚が一定の鋼管を素材とし（以下、このような鋼管を「素材鋼管」という）、この素材鋼管に口拡げ加工（拡管加工）を行うことによって製造されるものがある。素材鋼管から製造される部品の口拡げ加工に伴って素材鋼管の肉厚は減少する。

減肉の程度によっては、部品、特に肉厚減少に関する制限が厳しい自動車部品の肉厚に関する設計要件を満足できないことがあるとともに、最悪の場合には拡管加工された部分で割れが発生し、所望の自動車部品を製造できないことがある。

自動車部品の成形時に問題となるこのような減肉を抑制する方法の一つとして、成形後の素材鋼管における減肉が予見される部位の肉厚を、口拡げ加工を行われる前に事前に増加させる増肉加工を行って増肉鋼管としておくことが知られる。素材鋼管よりも肉厚が増加した増肉鋼管を簡易に予成形することができれば、その後に例えば口拡げ加工等の、増肉鋼管の肉厚を減少させる二次加工により増肉鋼管に減肉が生じても、二次加工後の自動車部品の肉厚に関する設計要件を満足することが可能である。

特許文献１〜３には、冷間での口広げ加工に用いる工具の形状を工夫することにより素材鋼管を増肉させて増肉鋼管を製造する発明が開示されている。

特開２００７−２７５８９６号公報 特開２００４−２９１０７２号公報 特開平９−３２７７２３号公報

特許文献２により開示された発明によれば、確かに、口拡げ加工の前後における外径をＤ_０，Ｄ_１とした場合に{（Ｄ_１−Ｄ_０）／Ｄ_０}×１００（％）として規定される拡管率５０％の口広げ加工において増肉鋼管の管端部が破断することがない。

しかし、特許文献２により開示された発明によっても、さらに大きい拡管率、例えば拡管率８０％で増肉鋼管を成形しようとすると、増肉鋼管の最管端部での減肉が過大になり、最後まで成形できずに最管端部で破断するおそれがある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、冷間で、金型の内部に配置された素材鋼管の端面を、軸押しパンチにより素材鋼管の軸方向へ押し込むことにより、素材鋼管の肉厚よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を製造する際に、
（Ａ）金型として、素材鋼管を内部に収容し、素材鋼管の外径と略同じ外径を有することにより素材鋼管を増肉させない非増肉部と、素材鋼管の外径よりも大きな内径を有することにより素材鋼管を増肉させる増肉部とを有する金型を用いるとともに、軸押しパンチとして、金型における増肉部の内径と略同じ外径を有する本体と、この本体に素材鋼管の軸方向へ向けて延びて設けられる芯金とを有するパンチを用いること、
（Ｂ）素材鋼管を素材鋼管の軸方向について金型に固定すること、
（Ｃ）素材鋼管の軸方向への芯金の長さを、この軸方向への増肉部の長さよりも長く設定すること、および
（Ｄ）芯金の外径を素材鋼管の内径よりも小さくすること
により、素材鋼管の肉厚よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を簡易に成形することができることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。本発明は以下に列記の通りである。

（１）内部に素材鋼管を配置する金型と、冷間で前記素材鋼管の端面を該素材鋼管の軸方向へ押し込むことにより前記素材鋼管の肉厚よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を製造する軸押しパンチとを備え、
前記金型は、前記素材鋼管の外径と略同じ外径を有することにより前記素材鋼管を増肉させない非増肉部と、前記素材鋼管の外径よりも大きな内径を有することにより前記素材鋼管を増肉させる増肉部とを有すること、
前記軸押しパンチは、前記金型における前記増肉部の内径と略同じ外径を有する本体と、該本体に前記素材鋼管の軸方向へ向けて延びて設けられる芯金とを有する
パンチを用いること、
前記素材鋼管は、該素材鋼管の軸方向について前記金型に対して相対的に固定されること、
前記素材鋼管の軸方向への前記芯金の長さは、該軸方向への前記増肉部の長さよりも長いこと、および
前記芯金の外径は前記素材鋼管の内径よりも小さいこと
を特徴とする端部増肉鋼管の製造装置。

（２）前記素材鋼管の内径と前記芯金の外径との差は、前記金型における前記増肉部の内径と前記素材鋼管の外径との差の２０〜４０％であることを特徴とする１項に記載された端部増肉鋼管の製造装置。

（３）前記金型における前記増肉部の内径と前記素材鋼管の外径との差は、前記素材鋼管の軸方向へ、一定であること、テーパ状に変化すること、または段差状に変化することを特徴とする１項または２項に記載された端部増肉鋼管の製造装置。

（４）前記芯金の先端角部は面取り部またはテーパ形状部であることを特徴とする１項から３項までのいずれか１項に記載された端部増肉鋼管の製造装置。

（５）１項から４項までのいずれか１項に記載された製造装置を用い、前記金型の内部に配置された素材鋼管の端面を、前記軸押しパンチにより前記素材鋼管の軸方向へ押し込むことにより、前記端面の近傍の前記素材鋼管を前記金型の前記増肉部へ向けて増肉させることによって、前記素材鋼管の肉厚よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を製造することを特徴とする端部増肉鋼管の製造方法。

本発明により、大きい拡管率、例えば拡管率８０％であっても、素材鋼管の肉厚よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を簡易に製造することができる。

図１は、本発明に係る製造方法及び製造装置を説明するための断面図である。 図２は、実施例の解析条件を説明するための半断面図である。 図３は、実施例の解析条件を説明するための半断面図である。

添付図面を説明しながら、本発明を説明する。
１．製造装置
図１は、本発明に係る製造方法及び製造装置１を説明するための断面図である。

図１に示すように、製造装置１は、金型２と、軸押しパンチ３とを有するので、これらの構成要素を説明する。

金型２は、その内部に素材鋼管４を配置する。素材鋼管４は、素材鋼管４の軸方向について金型２に対して相対的に固定される。素材鋼管４を金型２に相対的に固定するには、素材鋼管４の管端部４ａを適宜手段により固定すること、素材鋼管４の軸方向の途中４ｂを適宜手段により把持すること、素材鋼管４の管端部４ａも軸方向へ同時に押し込むこと、または素材鋼管４を軸方向へ屈曲させて金型２の内面と当接させること等が例示される。素材鋼管４を金型２に相対的に固定することにより、素材鋼管４が押し込まれて移動することを防止できる。

本発明は、例えば、
（ａ）増肉加工前の素材鋼管４の肉厚をｔ_０とし、外径をＤとした場合に、比（ｔ_０／Ｄ）が２〜１０％の範囲、かつｔ_０＝１．０〜５．０ｍｍ，Ｄ＝２１．７〜１２７ｍｍの範囲で、
（ｂ）増肉加工前の素材鋼管４の肉厚をｔ_０とし、端部増肉鋼管の軸方向端部における増肉した部分の最大の肉厚をｔ_１とした場合の増肉率{（ｔ_１−ｔ_０）／ｔ_０}×１００（％）が５〜８０％の範囲で、
（ｃ）端部増肉鋼管の軸方向端部への増肉した部分の長さＬが５〜３００ｍｍの範囲で、
（ｄ）端部増肉鋼管の加工硬化係数（歪み硬化指数）ｎ値は０．０８〜０．３の範囲で、
（ｅ）端部増肉鋼管の深絞り性を表す特性値であるｒ値は０．６〜２．０の範囲で、
（ｆ）素材鋼管４の鋼種は、例えばＳＴＫＭ１３Ｂで
それぞれ、適用することができる。特に、ｎ値が小さすぎると座屈し易く、大き過ぎると加工硬化の程度が大きくなり押し力が過大になる。一方、ｒ値はしわ発生に影響し、高ければしわが発生し難い。

金型２は、素材鋼管４の軸方向と平行な方向へ向けて非増肉部２ａおよび増肉部２ｂを並んで有する。非増肉部２ａは、素材鋼管４の外径Ｄと略同じ外径ｄ_０を有することにより素材鋼管４を増肉させない。増肉部２ｂは、素材鋼管４の外径Ｄよりも大きな内径ｄ_１（端部増肉鋼管の軸方向端部における増肉した部分の最大の外径Ｄ_１と同じ値）を有することにより素材鋼管４を増肉させる。

すなわち、素材鋼管４のような管は、その軸方向へ圧縮されると膨らむ方向（外径が拡大する方向）へ変形するため、金型２は、管端部４ｃにおいて主に素材鋼管４の外側へ向けた膨出変形（増肉）を円滑に行うために、素材鋼管４の外部側に増肉部２ｂを有する。

金型２における増肉部２ｂの内径ｄ_１と素材鋼管４の外径Ｄとの差は、素材鋼管４の軸方向へ、図１に示すように一定であってもあるいはテーパ状に変化してもよく、または段差状に変化してもよい。端部増肉鋼管の外形に応じて適宜設定すればよい。さらに、金型２が分割型である場合には増肉部２ｂに凹部や凸部が存在していてもよい。

軸押しパンチ３は、本体３ａおよび芯金３ｂを有する。本体３ａは、金型２における増肉部２ｂの内径ｄ_１と略同じ外径ｄ_２を有する。芯金３ｂは、本体３ａに素材鋼管４の軸方向へ向けて延びて設けられる。

軸押しパンチ３は、冷間で素材鋼管４の端面４ｄを素材鋼管４の軸方向へ押し込むことにより、素材鋼管４の肉厚ｔ_０よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を製造する。

素材鋼管４の軸方向への芯金３ｂの長さＬは、軸方向への増肉部２ｂの長さＬ１よりも長い。これにより、素材鋼管４にしわや座屈が発生することを防止できる。

芯金３ｂの外径ｄ_４は、素材鋼管４の内径ｄ_３よりも小さい。すなわち、芯金３ｂと素材鋼管４との間には長さ（ｄ_３−ｄ_４）のクリアランスがあり、これにより、素材鋼管４の内面側で芯金３を押してしまうことを防止できる。このクリアランス、すなわち、素材鋼管４の内径ｄ_３と芯金３ｂの外径ｄ_４との差は、金型２における増肉部２ｂの内径ｄ_１と素材鋼管４の外径Ｄとの差の２０〜４０％であることが望ましい。これにより、素材鋼管４を座屈させないとともに、押し込まないようにすることができる。

芯金３ｂの先端角部３ｂ−１は面取り部またはテーパ形状部であることが望ましい。これにより、芯金３ｂの先端で素材鋼管４を押し込むことを防止できる。

製造装置１は以上のように構成される。次に、製造装置１を用いる端部増肉鋼管の製造方法を説明する。

２．製造方法
製造装置１を用い、金型２の内部に固定して配置された素材鋼管４の端面４ｄを、軸押しパンチ３により素材鋼管４の軸方向へ押し込む。

鋼管４のような管は、その軸方向へ圧縮されると膨らむ方向へ変形するため、素材鋼管４は、金型２の増肉部２ｂの側へ増肉する。

また、製造装置１では、素材鋼管４の軸方向への芯金３ｂの長さＬ１が軸方向への増肉部２ｂの長さＬ１よりも長く設定されているため、軸押し時の素材鋼管４にしわや座屈が発生することが防止される。

芯金３ｂの外径ｄ_４は素材鋼管４の内径ｄ_３よりも小さく、芯金３ｂと素材鋼管４との間にはクリアランスが設けられているため、素材鋼管４の内面側で芯金３を押してしまうことが防止され、素材鋼管４を座屈させないとともに、押し込まないようにすることができる。

さらに、芯金３ｂの先端角部３ｂ−１が面取り部またはテーパ形状部である場合には、芯金３ｂの先端で素材鋼管４を押し込むことが防止される。

このようにして、製造装置１を用いて、端面の近傍の素材鋼管４を金型２の増肉部２ｂへ向けて増肉させることによって、素材鋼管４の肉厚ｔ_０よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を簡易に製造することができる。

図２，３は、いずれも、実施例の解析条件を説明するための半断面図である。
図２，３に示す解析条件（ソルバー：ＡＢＡＱＵＳ、軸対象モデル、メッシュサイズ０．４ｍｍ、素材鋼管４と本体３ａとの摩擦係数μ＝０．０、これ以外の摩擦係数μ＝０．１５）で、素材鋼管（外径５０．８ｍｍ，肉厚１．６ｍｍ，引張強度４４０ＭＰａ相当）に管端増肉加工を行って、管端部の肉厚が２．０ｍｍである管端増肉鋼管５を製造する解析を行った。この解析では、管端増肉鋼管５の増肉部の軸方向への長さＬは、２０，１００，２００ｍｍの３水準とした。

その結果、端部増肉鋼管５における増肉部の長さＬが２０ｍｍ，１００ｍｍ，２００ｍｍにおいて、本発明によれば、外径５０．８ｍｍ，肉厚１．６ｍｍの素材鋼管４に軸押し加工を行って、管端部の外径５１．６ｍｍ，肉厚３．２ｍｍの端部増肉鋼管５を製造できることが確認された。

１ 製造装置
２ 金型
２ａ 非増肉部
２ｂ 増肉部
３ 軸押しパンチ
３ａ 本体
３ｂ 芯金
４ 素材鋼管
５ 端部増肉鋼管

Claims (5)

1. 内部に素材鋼管を配置する金型と、冷間で前記素材鋼管の端面を該素材鋼管の軸方向へ押し込むことにより前記素材鋼管の肉厚よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を製造する軸押しパンチとを備え、
   前記金型は、前記素材鋼管の外径と略同じ外径を有することにより前記素材鋼管を増肉させない非増肉部と、前記素材鋼管の外径よりも大きな内径を有することにより前記素材鋼管を増肉させる増肉部とを有すること、
   前記軸押しパンチは、前記金型における前記増肉部の内径と略同じ外径を有する本体と、該本体に前記素材鋼管の軸方向へ向けて延びて設けられる芯金とを有する
   パンチを用いること、
   前記素材鋼管は、該素材鋼管の軸方向について前記金型に対して相対的に固定されること、
   前記素材鋼管の軸方向への前記芯金の長さは、該軸方向への前記増肉部の長さよりも長いこと、および
   前記芯金の外径は前記素材鋼管の内径よりも小さいこと
   を特徴とする端部増肉鋼管の製造装置。
2. 前記素材鋼管の内径と前記芯金の外径との差は、前記金型における前記増肉部の内径と前記素材鋼管の外径との差の２０〜４０％であることを特徴とする請求項１に記載された端部増肉鋼管の製造装置。
3. 前記金型における前記増肉部の内径と前記素材鋼管の外径との差は、前記素材鋼管の軸方向へ、一定であること、テーパ状に変化すること、または段差状に変化することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された端部増肉鋼管の製造装置。
4. 前記芯金の先端角部は面取り部またはテーパ形状部であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された端部増肉鋼管の製造装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された製造装置を用い、前記金型の内部に配置された素材鋼管の端面を、前記軸押しパンチにより前記素材鋼管の軸方向へ押し込むことにより、前記端面の近傍の前記素材鋼管を前記金型の前記増肉部へ向けて増肉させることによって、前記素材鋼管の肉厚よりも軸方向端部の肉厚が増加した端部増肉鋼管を製造することを特徴とする端部増肉鋼管の製造方法。