JP2018065158A - スピニング加工方法及びそれを用いて製造された容器 - Google Patents

Abstract

【課題】加工品の壁厚や引張強度や疲労強度を均一に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】円筒状のワークＷを保持する保持機構１０と、ワークＷの加工部位を加熱する加熱機構６０と、ワークＷの加工部位に押し当てられる成形ローラ１１とを備え、ワークＷの加工部位を縮径していくスピニング加工装置１に用いられるスピニング加工方法であって、ワークＷの材質は、難加工金属であり、ワークＷの材質の（固相線温度−２５０℃）以上（固相線温度−１０℃）以下に加熱する加熱工程を含む。
【選択図】図９

Description

本発明は、例えば水素ガス等が充填されるための容器及びそれを製造するスピニング加工方法に関する。

各種高圧ガスを充填するための容器として、鉄製やステンレス製や６０００系アルミニウム合金（以下、「６０００系アルミ合金」ともいう）製の圧力容器（ボンベ）が使用されている。また、次世代の自動車である燃料電池車では、水素を充填して搭載するための軽量で耐圧性能の高い容器が求められており、６０００系アルミ合金製の金属ライナの外側に繊維強化プラスチック層（ＦＲＰ層とも称する）が形成された圧力容器が利用されている。

このような容器や金属ライナは、円筒状の胴部の両端に、胴部よりも径が小さくなる湾曲面を有する口金取付部が形成されている（図１参照）。

そして、このような容器や金属ライナを製造するスピニング加工方法が開示されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。このスピニング加工方法では、６０００系アルミ合金製の円筒状のワークの加工部位（端）を所定温度に加熱する加熱工程を実施した後、ワークを回転させながら成形ローラを回転中のワークの加工部位に対して押し当てるようにして所望の加工形状（口金取付部）に変形させる加工工程を実施している。このとき、加熱工程において所定温度までワークの加工部位を加熱しているが、加工工程実施中にワークの加工部位の温度が徐々に低下して加工性が低減してしまうので、ワークの加工部位の温度が所定温度未満まで低下したときには、再び加熱工程を実施した後に加工工程を実施するようにしている。

特開２００７−１１３５９０号公報 特開２０１１−２０６８４３号公報

しかしながら、上述したようなスピニング加工方法では、縮径（口絞りスピニング）するような複雑な加工を実施したときには、加工品（口金取付部）の壁厚や引張強度や疲労強度が均一にならないという問題点があった。
また、６０００系アルミ合金の代わりに、引張強度や疲労強度に優れた７０００系アルミニウム合金（以下、「７０００系アルミ合金」ともいう）を用いた場合、７０００系アルミ合金は加工性が悪く（加工可能温度範囲が狭く）、所望の加工形状（口金取付部）に変形させられないことがあった。

本発明者らは、上記課題を解決するために、加工品の壁厚や引張強度や疲労強度を均一にするスピニング加工方法について検討を行った。従来のスピニング加工方法では、加熱工程実施中にはワークの加工部位の温度を測定しておらず、ワークの加工部位を最適温度に加熱できていないことがわかった。図１０は、加工温度と絞り率との関係を示すグラフである。難加工金属として代表的な７０００系アルミ合金の加工可能温度範囲（割れやしわが生じない温度範囲）は、６０００系アルミ合金の加工可能温度範囲と比較して非常に狭くなっている。特に図１０に示すように、難加工金属として代表的な７０００系アルミ合金で絞り率を２０％〜６０％とするときには、ワークの加工部位の温度が加工可能温度範囲内（固相線温度−２５０℃）以上（固相線温度−１０℃）以下になるようにすればよいことがわかった。
そこで、ワークの加工部位の温度が加工可能温度範囲内（（固相線温度−２５０℃）以上（固相線温度−１０℃）以下）になるように温度モニタリングすることを見出した。

すなわち、本発明のスピニング加工方法は、円筒状のワークを保持する保持機構と、前記ワークの加工部位を加熱する加熱機構と、前記ワークの加工部位に押し当てられる成形ローラとを備え、前記ワークの加工部位を縮径していくスピニング加工装置に用いられるスピニング加工方法であって、前記ワークの材質は、難加工金属であり、前記ワークの材質の（固相線温度−２５０℃）以上（固相線温度−１０℃）以下に加熱する加熱工程を含むようにしている。

本発明のスピニング加工方法によれば、ワークの加工部位の温度を最適温度にすることができる。これにより、加工性が悪い（加工可能温度範囲が狭い）７０００系アルミ合金であってもスピニング加工することができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記発明において、前記加熱機構は、前記ワークの加工部位の温度を検出する温度センサを有するようにしてもよい。
本発明のスピニング加工方法によれば、ワークの加工部位の温度を測定することで、ワークの加工部位の温度を最適温度に確実にすることができる。
また、上記発明において、前記加熱機構は、前記ワークの加工部位の初期形状に対応するように、加熱部が形成された初期加熱機構と、前記ワークの加工部位の変形中間形状に対応するように、加熱部が形成された中間加熱機構とを有し、前記初期加熱機構及び前記中間加熱機構は移動可能となっており、前記初期加熱機構及び前記中間加熱機構を移動させることで、初期加熱状態と中間加熱状態と成形状態とに切替える工程を含むようにしてもよい。
本発明のスピニング加工方法によれば、初期加熱機構と中間加熱機構とを用いることで、ワークの加工部位の温度を最適温度に確実にすることができる。
また、上記発明において、前記中間加熱機構の加熱部は、前記ワークの加工部位の変形中間形状に対応した形状のコイルであるようにしてもよい。

さらに、本発明の容器は、上述したようなスピニング加工方法で製造された容器であって、前記難加工金属は、７０００系アルミニウム合金であるようにしている。

本発明に係る容器を示す図。 容器の変形中間形状を説明するための図。 本発明に係るスピニング加工装置を示す平面図。 図３に示すＡ−Ａ線断面図。 成形ローラ駆動装置を示す正面図。 図５に示すＢ−Ｂ線断面図。 初期加熱機構を示す図。 中間加熱機構を示す図。 スピニング加工方法の一例について説明するためのフローチャート。 加工温度と絞り率との関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

＜容器＞
まず、本発明に係る容器について説明する。図１は、本発明に係る容器を示す図である。
容器１００は、予め設定された外径及び内径を有する円筒状の胴部１Ａと、胴部１Ａの上側に形成された容器上部（口金取付部）１Ｂと、胴部１Ａの下側に形成された容器底部（口金取付部）１Ｃとを有する。なお、胴部１Ａと容器上部１Ｂと容器底部１Ｃとは一体的に形成されている。そして、容器上部１Ｂには、内容物の封入や放出に利用されるバルブ等（図示せず）が取り付けられ、容器底部１Ｃには、封止部材等（図示せず）が取り付けられることになる。

上記した容器の材質としては、鉄やチタンや７０００系アルミ合金等の難加工金属が挙げられ、本発明では容器を軽量にすることができる点から、７０００系アルミ合金であることが好ましい。

このような容器上部１Ｂは、予め設定された外径及び内径を有する円筒状のワークＷにおいて、円筒状のワークＷの一方の開口端部が、スピニング加工装置１の成形ローラ１１等によって胴部１Ａよりも縮径（口絞りスピニング）するように加工されることにより得られる。すなわち、図２の点線で示すようにワークＷの加工部位を所定角度θで縮径していくことで得られる。
また、容器底部１Ｃについても同様である。

＜スピニング加工装置＞
次に、本発明に係るスピニング加工装置１について説明する。図３は、本発明に係るスピニング加工装置１を示す平面図であり、図４は、図３に示すＡ−Ａ線の断面図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
スピニング加工装置１は、２個の成形ローラ１１を有する成形ローラ駆動装置１２と、クランプ装置（スピニングチャック）１３とＸ軸駆動機構１４と有する保持機構１０と、初期加熱機構６１と中間加熱機構６２とインダクションヒータ電源６３と加熱コイル移動台車６４とを有する加熱機構６０と、加工工程中のワークＷの加工部位の温度を検出する非接触式放射温度計７０とを備える。

図５は、成形ローラ駆動装置１２を示す正面図であり、図６は、図５に示すＢ−Ｂ線の断面図である。成形ローラ駆動装置１２は、フレーム２１の右側部分に、距離を隔てて平行に配置された支持板２２、２３が設けられており、これらの支持板２２、２３の中央に取り付けたベアリングによって回転軸２４が軸線Ｊ（Ｘ方向）に一致するように軸支されている。
そして、回転軸２４の左端には、回転ドラム２５が固定されている。また、回転軸２４の右端には、モータ（図示せず）が接続されており、軸線Ｊを回転軸として回転ドラム２５を回転駆動するようになっている。
さらに、回転軸２４の内側は中空になっており、成形ローラ調整軸２６が回転軸２４と同軸（軸線Ｊ）となるように挿入されている。そして、成形ローラ調整軸２６の左端には、ベベルギア２６ａが固定されている。

回転ドラム２５は、円板部２５ａと円筒側壁２５ｂとからなる。円板部２５ａの中心近傍には、貫通孔２５ｃが形成された支持体２５ｄが固定されている。また、円筒側壁２５ｂには、貫通孔２５ｅが形成されている。そして、各ボールネジ２７の端部が貫通孔２５ｃ、２５ｅで軸支されることで、２本のボールネジ２７が回転軸２４側（回転中心）から径方向に配置されている。

各ボールネジ２７の回転軸２４側の端部には、ベベルギア２７ａが固定されており、成形ローラ調整軸２６のベベルギア２６ａと螺合している。また、各ボールネジ２７には、成形ローラ１１を支持するハウジング１１ａが螺合している。これにより、成形ローラ調整軸２６を回転させると、ベベルギア２６ａ、２７ａを介して２本のボールネジ２７が回転して、２個の成形ローラ１１（ハウジング１１ａ）が径方向に移動するようになっている。

クランプ装置１３は、円筒状のワークＷの胴部１Ａの外周面を、ワークＷの軸線ＪがＸ方向となるように保持するものである。
Ｘ軸駆動機構１４は、クランプ装置１３をワークＷの軸線Ｊの方向（Ｘ方向や−Ｘ方向）に前進したり後退したりすることが可能となっており、ワークＷの加工部位の外周面を２個の成形ローラ１１に押し当てたり加熱コイル６１ｂ、６２ｂ内に挿入したりする。

図７（ａ）は、初期加熱機構６１を示す正面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すＣ−Ｃ線の断面図である。初期加熱機構６１は、筐体６１ａと、インダクションヒータ電源６３と電気的に接続された加熱コイル（加熱部）６１ｂと、加熱工程中のワークＷの加工部位の温度を検出するための熱電対（接触式温度センサ）６１ｃ及びバネ機構等６１ｄとを有する。筐体６１ａは、四角筒状の外周面と円筒形状の内周面とを有する筒状のブロック体である。そして、円筒形状の内周面に、円筒形状の加熱コイル６１ｂが固定されている。つまり、加熱コイル６１ｂは、ワークＷの加工部位の初期形状（円筒形状）に対応したストレート形状となっている。また、熱電対６１ｃは、筐体６１ａの外周面から内周面を貫通するように設置されており、加熱コイル６１ｂ内に挿入されたワークＷの加工部位の外周面にバネ機構等６１ｄによって接触させることができるようになっている。
このような初期加熱機構６１は、ワークＷの加工部位を加熱するための加熱位置（初期加熱状態）Ａと、ワークＷの加工部位を加熱しないための初期加熱機構退避位置（成形状態）Ｂとに加熱コイル移動台車６４によって筐体６１ａが把持されることで移動可能になっている。

図８（ａ）は、中間加熱機構６２を示す正面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すＤ−Ｄ線の断面図である。中間加熱機構６２は、筐体６２ａと、インダクションヒータ電源６３と電気的に接続された加熱コイル（加熱部）６１ｂ、６２ｂと、加熱工程中のワークＷの加工部位の温度を検出するための熱電対（接触式温度センサ）６２ｃ及びバネ機構等６２ｄとを有する。筐体６２ａは、四角筒状の外周面と円筒形状の内周面及び円錐台形形状の内周面とを有する筒状のブロック体である。そして、円筒形状の内周面に、円筒形状の加熱コイル６１ｂが固定されるとともに、円錐台形形状の内周面に、円錐台形形状の加熱コイル６２ｂが固定されている。つまり、加熱コイル６２ｂは、ワークＷの加工部位の変形中間形状（円錐台形形状）に対応したテーパ形状（径が所定角度θで小さくなっていく形状）となっている。また、熱電対６２ｃは、筐体６２ａの外周面から円錐台形形状の内周面を貫通するように設置されており、加熱コイル６２ｂ内に挿入されたワークＷの加工部位の外周面にバネ機構等６２ｄによって接触させることができるようになっている。
このような中間加熱機構６２は、ワークＷの加工部位を加熱するための加熱位置（中間加熱状態）Ａと、ワークＷの加工部位を加熱しないための中間加熱機構退避位置（成形状態）Ｃとに加熱コイル移動台車６４によって筐体６２ａが把持されることで移動可能になっている。

＜スピニング加工方法＞
次に、上述したスピニング加工装置１を用いて容器１００を製造するスピニング加工方法ついて説明する。図９は、スピニング加工方法の一例について説明するためのフローチャートである。
スピニング加工方法（ＩＴＭシステム）は、ワークＷを保持する保持工程（Ａ）と、ワークＷの加工部位を初期加熱機構６１で高周波加熱する初期加熱工程（Ｂ）と、ワークＷの加工部位を縮径する初期スピニング加工工程（Ｃ）と、ワークＷの加工部位を中間加熱機構６２で高周波加熱する中間加熱工程（Ｄ）と、ワークＷの加工部位を縮径する中間スピニング加工工程（Ｅ）とを含む。

（Ａ）保持工程
まず、ステップＳ１０１の処理において、ワークＷの胴部１Ａの外周面をクランプ装置１３で固定する。

（Ｂ）初期加熱工程
次に、ステップＳ１０２の処理において、ワークＷを準備位置に配置し、初期加熱機構６１を加熱位置Ａに移動させることで、初期加熱状態にする。次に、Ｘ軸駆動機構１４によってワークＷをＸ方向に前進させてワークＷの加工部位を加熱コイル６１ｂ内の所定位置に入れ、加熱コイル６１ｂに所定周波数の交流電流を供給する。これにより、加熱コイル６１ｂにはワークＷの加工部位を貫く磁束が発生し、ワークＷの加工部位にうず電流が発生する。このようにワークＷの加工部位にうず電流を発生させることでワークＷの加工部位を加熱する。
そして、ステップＳ１０３の処理において、熱電対６１ｃでワークＷの加工部位の温度を検出し、設定温度範囲内になったときには加熱を停止して、（Ｃ）初期スピニング加工工程に進む。
上記設定温度範囲内は、（固相線温度−２５０℃）以上（固相線温度−１０℃）以下であり、温度変動が大きくなっても、しわのない良好な形状の容器を得るためには、（固相線温度−１００℃）以上（固相線温度−５０℃）以下であることがより好ましい（図１０参照）。

（Ｃ）初期スピニング加工工程
次に、ステップＳ１０４の処理において、Ｘ軸駆動機構１４によってワークＷを−Ｘ方向に後退させてワークＷを準備位置に配置した後、初期加熱機構６１を初期加熱機構退避位置Ｂに移動させることで、成形状態にする。次に、成形ローラ調整軸２６により成形ローラ１１の径方向の位置を調整し、回転軸２４を駆動して成形ローラ１１を旋回させる。次に、Ｘ軸駆動機構１４によってワークＷをＸ方向に前進させてワークＷの加工部位の外周面を旋回中の成形ローラ１１に接触させる。これにより、ワークＷの加工部位を縮径させていく。

そして、ステップＳ１０５の処理において、１パス終了時、非接触式放射温度計７０でワークＷの加工部位の温度を検出し、設定温度範囲内であるか否かを判断して、設定温度範囲外になったときには、ステップＳ１０６の処理において、ワークＷの加工部位が初期形状（円筒形状）にまだ類似しているか否かを判断して、ワークＷの加工部位が初期形状（円筒形状）に類似するときには、（Ｂ）初期加熱工程（ステップＳ１０２の処理）に戻り、一方、初期形状（円筒形状）に類似しないときには、（Ｄ）中間加熱工程に進む。

（Ｄ）中間加熱工程
次に、ステップＳ１０７の処理において、Ｘ軸駆動機構１４によってワークＷを−Ｘ方向に後退させてワークＷを準備位置に配置した後、中間加熱機構６２を加熱位置Ａに移動させることで、中間加熱状態にする。次に、Ｘ軸駆動機構１４によってワークＷをＸ方向に前進させて、ワークＷの加工部位の各位置と加熱コイル６１ｂ、６２ｂとの間の距離（クリアランス）が一定になるように配置し、加熱コイル６１ｂ、６２ｂに所定周波数の交流電流を供給する。これにより、加熱コイル６１ｂ、６２ｂにはワークＷの加工部位を貫く磁束が発生し、ワークＷの加工部位にうず電流が発生する。このようにワークＷの加工部位にうず電流を発生させることでワークＷの加工部位を加熱する。
そして、ステップＳ１０８の処理において、熱電対６２ｃでワークＷの加工部位の温度を検出し、設定温度範囲内になったときには加熱を停止して、（Ｅ）中間スピニング加工工程に進む。

（Ｅ）中間スピニング加工工程
次に、ステップＳ１０９の処理において、Ｘ軸駆動機構１４によってワークＷを−Ｘ方向に後退させてワークＷを準備位置に配置した後、中間加熱機構６２を中間加熱機構退避位置Ｃに移動させることで、成形状態にする。次に、成形ローラ調整軸２６により成形ローラ１１の径方向の位置を調整し、回転軸２４を駆動して成形ローラ１１を旋回させる。次に、Ｘ軸駆動機構１４によってワークＷをＸ方向に前進させてワークＷの加工部位の外周面を旋回中の成形ローラ１１に接触させる。これにより、ワークＷの加工部位をさらに縮径させていく。

そして、ステップＳ１１０の処理において、１パス終了時、非接触式放射温度計７０でワークＷの加工部位の温度を検出し、設定温度範囲内であるか否かを判断して、設定温度範囲外になったときには、ステップＳ１１１の処理において、ワークＷの加工部位が最終形状になったか否かを判断して、ワークＷの加工部位が最終形状になったときには、本フローチャートを終了させ、一方、最終形状になっていないときには、（Ｄ）中間加熱工程（ステップＳ１０７の処理）に戻る。

以上のように、本発明のスピニング加工方法によれば、ワークＷの加工部位を常に均一に設定温度範囲内に加熱することができる。これにより、加工性が悪い（加工可能温度範囲が狭い）７０００系アルミ合金でもスピニング加工することができる。

本発明は、水素ガス等が充填されるための容器を製造するスピニング加工方法等に好適に利用できる。

１ スピニング加工装置
１０ 保持機構
１１ 成形ローラ
６０ 加熱機構
６１ｂ、６２ｂ 加熱コイル（加熱部）
６１ｃ、６２ｃ 熱電対（温度センサ）
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. 円筒状のワークを保持する保持機構と、
   前記ワークの加工部位を加熱する加熱機構と、
   前記ワークの加工部位に押し当てられる成形ローラとを備え、
   前記ワークの加工部位を縮径していくスピニング加工装置に用いられるスピニング加工方法であって、
   前記ワークの材質は、難加工金属であり、
   前記ワークの材質の（固相線温度−２５０℃）以上（固相線温度−１０℃）以下に加熱する加熱工程を含むことを特徴とするスピニング加工方法。
2. 前記加熱機構は、前記ワークの加工部位の温度を検出する温度センサを有することを特徴とする請求項１に記載のスピニング加工方法。
3. 前記加熱機構は、前記ワークの加工部位の初期形状に対応するように、加熱部が形成された初期加熱機構と、前記ワークの加工部位の変形中間形状に対応するように、加熱部が形成された中間加熱機構とを有し、
   前記初期加熱機構及び前記中間加熱機構は移動可能となっており、
   前記初期加熱機構及び前記中間加熱機構を移動させることで、初期加熱状態と中間加熱状態と成形状態とに切替える工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスピニング加工方法。
4. 前記中間加熱機構の加熱部は、前記ワークの加工部位の変形中間形状に対応した形状のコイルであることを特徴とする請求項３に記載のスピニング加工方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のスピニング加工方法で製造された容器であって、
   前記難加工金属は、７０００系アルミニウム合金であることを特徴とする容器。

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