JP2575561B2 - バーリング加工用セラミック工具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属製の被加工材にあ
らかじめ開けられた小径の孔を押し広げてフランジを形
成するバーリング加工を行うのに利用されるバーリング
加工用セラミック工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属製の被加工材にあらかじめ開
けられた小径の孔を押し広げてフランジを形成するバー
リング加工を行うに際しては、球底ポンチや球頭ポンチ
を用いたり、球状工具を用いたりする手法があり、特に
被加工材がパイプであってその外周面にフランジを突出
した状態で形成する場合には球底ポンチや球頭ポンチに
よるバーリング加工が行えないため、パイプの中に挿入
した球状工具をテーパ状の加圧面を有する加圧治具で押
圧して分力を付与することにより、前記小径の孔を押し
広げて垂直のフランジを形成するようになすこともあっ
た（なお、この種のバーリング加工に関する概略的な説
明は、例えば、「第３版 鉄鋼便覧、第ＶＩ巻 二次加
工・表面処理・溶接」の第２７８頁〜第２８１頁“ｃ．
伸びフランジ成形”に記載がある）。

【０００３】図４ないし図８は、従来のバーリング加工
の一例を示すものであって、ステンレス鋼管の側面にバ
ーリング加工を加える場合を示し、一方のステンレス鋼
管の側面にほぼ同一径の他方のステンレス鋼管を直角に
接合することを可能とするために行う場合を示してい
る。

【０００４】図４はバーリング加工の前工程であるピア
ス工程を示し、ステンレス鋼管よりなる金属製の被加工
材１１の側面に、外側から内側に向けて楕円の孔１２を
開けるピアス工程を示している。

【０００５】図５ないし図８は、前記ピアス工程に続く
バーリング工程を示し、また、図５の（Ａ），（Ｂ）に
示すように、楕円の孔１２を開けた金属製の被加工材１
１の下側からバーリング加工用工具を受けるための金属
製受け治具１３を挿入する。

【０００６】次いで、図６の（Ａ），（Ｂ）に示すよう
に、金属製の被加工材１１の上側から球形状をなすバー
リング加工用金属工具１４を挿入する。

【０００７】続いて、図７の（Ａ），（Ｂ）に示すよう
に、金属製の被加工材１１の上側から前記バーリング加
工用金属工具１４を加圧するための金属製加圧治具１５
を挿入すると共に矢印Ｓ方向に加圧し、金属製加圧治具
１５のテーパ面１５ａによってバーリング加工用金属工
具１４に横方向の分力を与え、引続き金属製加圧治具１
５を図８の（Ａ），（Ｂ）に矢印Ｓで示す方向にさらに
加圧して前記金属製加圧治具１５の先端を前記金属製受
け治具１３に設けた部分テーパ面１３ａまで降下させ、
この間、バーリング加工用金属工具１４によって前記小
径の縁部を伸び成形しながら前記バーリング加工用金属
工具１４を金属製の被加工材１１の外に押し出す。

【０００８】この結果、金属製の被加工材１１には前記
バーリング加工用金属工具１４の径と同じ内径の孔１６
が形成されると共に外周面に対し直角方向に突出したフ
ランジ１７が形成される。

【０００９】これらの工程を利用した製品としては、例
えば、近年、軽量化や低熱容量化を目的とした自動車部
品であるステンレス鋼管製排気マニフォールドがあり
（この製品については、例えば、「自動車技術」Ｖｏ
ｌ．４３、Ｎｏ．９（１９８９）ｐ．５５〜５８に記載
がある。）、この場合においては、上記バーリング加工
に続いて溶接工程に入り、前記金属製の被加工材１１と
同一のステンレス鋼管よりなる接合材の接合端面を垂直
に切り落とした状態にして前記フランジ１７の部分で接
合する。

【００１０】ところで、ステンレス鋼管製排気マニフォ
ールドの製造に関しては、上記バーリング加工を採用し
ないで溶接のみを用いて製品とする方法もあるが、その
場合には溶接方法が複雑になるばかりか、熱応力や振動
による機械的応力が集中しやすい排気マニフォールドの
分岐集合部分が溶接により構成されることとなるため、
溶接部を起点とした割れ等の不具合を考慮した場合に、
製品としての耐久性に劣ることになりかねない。これに
対し、バーリング加工を採用すれば、排気マニフォール
ドの分岐集合部分はマニフォールド本体からの一体フラ
ンジであるため、これら不具合を軽減することが可能と
なる。

【００１１】このような従来のバーリング加工におい
て、球形状をなすバーリング加工用金属工具１４は、そ
の素材としてダイス鋼（ＪＩＳ ＳＫＤ１１）が用いら
れており、ＳＫＤ１１（熱処理）＋ＴＤ処理により製作
したものとしていた。

【００１２】このＴＤ処理は、主として耐摩耗性の向上
を目的とした拡散による表面硬化処理技術であり、通
常、Ｆｅ−Ｖ，Ｆｅ−Ｎｂ，Ｃｒ等の金属粉末を添加し
たほう砂による溶融塩浴剤中に被処理材を一定時間浸漬
保持することで、金属の表面にバナジウム炭化物，ニオ
ブ炭化物，クロム炭化物等の炭化物層を形成させて表面
を硬化させる表面技術である。この表面硬化処理技術に
おいては被処理材からのＣ（炭素）の供給が不可欠であ
り、また、この処理によって形成される炭化物層と母材
との密着強度の関係から、一般的に１０μｍ程度の炭化
物層が選ばれている（なお、このＴＤ処理技術に関して
は、「特殊表面処理の最新技術」（ＣＭＣ）ｐ．１３９
〜１４４に記載がある。）。

【００１３】また、バーリング加工用金属工具１４を受
けるための金属製受け治具１３や、バーリング加工用金
属工具１４を加圧するための金属製加圧治具１５につい
てもバーリング加工用金属工具１４と同じく、その素材
としてＳＫＤ１１（熱処理）＋ＴＤ処理により製作した
ものとしていた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の球形状をなすバーリング加工用金属工具１４
では、ＳＫＤ１１（熱処理）＋ＴＤ処理となっていたた
め、前工程であるピアス工程での孔開け時に被加工材１
１の内径側に向けて生じていたバリ１１ａ（図４の
（Ａ）参照。）との接触による損傷が激しく、工具とし
ての寿命は著しく短いものとなっていた。すなわち、ピ
アス工程において被加工材１１の内側に向けて突出形成
されたバリ１１ａは高さが約２５０μｍもの鋭利な突出
形状をなしており、また、とくに被加工材１１がステン
レス鋼である場合には硬度が大きなものとなっているこ
とから、前記ＴＤ処理による深さ１０μｍ程度の炭化物
層は比較的早期に損傷を受けて寿命が著しく短いものに
なるという問題点があった。

【００１５】さらに、従来のバーリング加工にあって
は、金属製受け治具１３および金属製加圧治具１５につ
いてもバーリング加工用金属工具１４と同一材質（ＳＫ
Ｄ１１（熱処理）＋ＴＤ処理）のものを使用しており、
同一材質同士が強圧，摩擦されるものとなっていたた
め、これら治具の損傷も無視できないものになっている
という問題点があり、これらの問題点を解決することが
課題となっていた。

【００１６】

【発明の目的】本発明は、上述した従来の課題にかんが
みてなされたもので、金属製の被加工材にあらかじめ開
けられた小径の孔をバーリング加工用工具により押し広
げてフランジを形成するバーリング加工を行うに際し、
前記バーリング加工用工具の損傷を少なくしてこのバー
リング加工用工具の寿命を延長することが可能であると
共に前記バーリング加工用工具を受けるための金属製受
け治具および前記バーリング加工用工具を加圧するため
の金属製加圧治具に対する損傷も少なくしてこれら金属
製治具の寿命をも延長することが可能であるバーリング
加工用セラミック工具を提供することを目的としてい
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるバーリン
グ加工用セラミック工具は、金属製の被加工材にあらか
じめ開けられた小径の孔を押し広げてフランジを形成す
るバーリング加工に用いるバーリング加工用工具であっ
て、そのセラミック工具材質が、重量比で、８０％以上
の窒化ケイ素と、残部が酸化アルミニウムおよび／また
は窒化アルミニウムと１種以上の希土類元素酸化物とか
らなる混合物を成形・焼結したセラミック材料である構
成としたことを特徴としており、より望ましくは、その
曲げ強度が１０００ＭＰａ以上、ビッカース硬度が１５
ＧＰａ以上、破壊靭性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２以上であ
る構成としたことを特徴としており、上記のバーリング
加工用セラミック工具に係わる発明の構成をもって従来
の課題を解決するための手段としている。

【００１８】本発明に係わるバーリング加工用セラミッ
ク工具は、上記の構成を有するものであり、セラミック
材料の特性が良好なものとなるように、混合粉末中の窒
化ケイ素量を８０％以上とすることが必要である。

【００１９】そして、残部は酸化アルミニウムおよび／
または窒化アルミニウムと１種以上の希土類元素酸化物
とからなる混合粉末を用いるが、この混合粉末全体に対
する酸化アルミニウムおよび／または窒化アルミニウム
の割合は２〜１８％程度、混合粉末全体に対する希土類
酸化物の割合も２〜１８％程度とすることが望ましい。

【００２０】また、上記混合物粉末の成形手法はとくに
限定されないものであり、焼結条件においてもとくに限
定されないものであって、例えば、１６５０〜１９００
℃でかつ窒素ガス雰囲気中で焼結を行うことが望まし
い。

【００２１】そして、上記混合粉末を成形・焼結したセ
ラミック材料の特性としては、変形が生じがたいもので
あるように曲げ強度が１０００ＭＰａ以上であり、摩耗
が生じがたいものであるようにビッカース硬度が１５Ｇ
Ｐａ以上であり、クラックや破壊が生じがたいものであ
るように破壊靭性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２以上であるよ
うにしたものが望ましい。

【００２２】

【発明の作用】本発明に係わるバーリング加工用セラミ
ック工具は上述した構成を有しており、バーリング加工
用セラミック工具は高強度でかつ金属との凝着性（濡れ
性）および前述したＴＤ処理により形成された金属炭化
物との凝着性が低いことを両立させたセラミック素材と
しているので、バーリング加工用セラミック工具の寿命
が延長するものとなり、この結果、このバーリング加工
用セラミック工具を挟圧する金属製治具の寿命も延長す
るものとなる。

【００２３】

【実施例】本発明の実施例および比較例においては、そ
れぞれ以下に示す条件に基いて表１および表２に示す如
く行った。

【００２４】（１）バーリング加工用セラミック工具
（本発明実施例１〜３および比較例２）の製造 表１の実施例１〜３および比較例２の欄に示した各セラ
ミック原料を混合して成形した後、同じく表１の実施例
１〜３および比較例２の欄に示す各条件（保持温度、保
持時間、雰囲気）にて焼成し、直径が３９．７０±０．
０２ｍｍ、真球度１０μｍ以下、表面粗さが０．８Ｒｚ
（１０点平均粗さ）以下の球形状に加工して、図１に示
すバーリング加工用セラミック工具１を製造した。

【００２５】なお、真球度は、本試験においては上述し
た如く１０μｍ以下程度としたが、より高精度であるこ
とが望ましい。また、仕上げ表面粗さに関しては、これ
は例えば本実施例の如く０．８Ｒｚ程度としても、工具
としての使用過程において被加工材との摩擦により極微
量研磨され、鏡面状態となって行くため、特に高い仕上
げ表面粗さを要求するものではないが、プレスにより本
工具は点接触または線接触で挟圧されるため、初期状態
においてはセラミックに対する表面仕上げ加工痕が破壊
源とならない程度、即ち０．８Ｒｚよりも高い仕上げ表
面粗さがより望ましいことは言うまでもない。

【００２６】また、このバーリング加工用セラミック工
具１の特性を表２の実施例１〜３および比較例２の欄に
示す。

【００２７】ここで、バーリング加工用セラミック工具
１の材料特性を評価するに際しては、次に示す試験方法
を採用した。

【００２８】（ａ）曲げ強度：ＪＩＳ Ｒ１６０１に定
める３点曲げの平均強度。

【００２９】（ｂ）破壊靭性値：ＪＩＳ Ｒ１６０７に
定めるＩＦ法による。

【００３０】（ｃ）ビッカース硬度：ＪＩＳ Ｚ２２４
４に従った。

【００３１】そして、曲げ強度と破壊靭性値について
は、実体より各試験片形状を切り出したもので測定し
た。

【００３２】また、ビッカース硬度は実体を用いて測定
した。

【００３３】（２）バーリング加工用金属工具（比較例
１）の製造 表１の比較例１の欄に示すように、ＪＩＳ ＳＫＤ１１
よりなるダイス鋼を素材として旋盤により球形に加工
し、熱処理を施すことによって硬度をＨ_ＲＣ６０とし、
Ｆｅ−Ｖ金属粉末を用いたＴＤ処理により、その表面に
厚さ約１０μｍのバナジウム炭化物層を形成させた後ラ
ップ仕上げ（鏡面仕上げ）を行って、直径が３９．７０
±０．０２ｍｍ、真球度１０μｍ以下の球形状とした図
１に示したと同一形状の図６に示したバーリング加工用
金属工具１４とした。

【００３４】（３）金属製受け治具および金属製加圧治
具の製造 ＪＩＳ ＳＫＤ１１よりなるダイス鋼を素材として旋盤
等により加工し、熱処理を施すことによって硬度をＨ_Ｒ
Ｃ６０とし、Ｆｅ−Ｖ金属粉末を用いたＴＤ処理によ
り、その表面に厚さ約１０μｍのバナジウム炭化物層を
形成させた後ラップ仕上げ（鏡面仕上げ）を行って、図
２に示す金属製加圧治具２（図８に示す金属製加圧治具
１５に対応）および図３に示す金属製受け治具３（図８
に示す金属製受け治具１３に対応）を製造した。

【００３５】なお、金属製加圧治具２は、テーパー面２
ａにアール形状溝２ｂを設けた構造をなし、金属製受け
治具３は、部分テーパー面３ａと水平面３ｂを有し、水
平面３ｂにアール形状溝３ｃを設けた構造をなすものと
している。

【００３６】（４）バーリング加工 これらバーリング加工用セラミック工具１およびバーリ
ング加工用金属工具１４と金属製受け治具３（１３）お
よび金属製加圧治具２（１５）を用い、図４に示したよ
うに、内径約４０ｍｍ、厚さ２ｍｍのＪＩＳに定めるフ
ェライト系４３０ＬＸステンレス鋼管よりなる金属製の
被加工材１１を５０トンプレス装置によりバーリング加
工を行なった。

【００３７】バーリング加工用工具１，１４は被加工材
１１との凝着等により、バーリング加工の際、被加工材
１１から抜けなくなった時に使用不可となる。

【００３８】金属製（ＳＫＤ１１（熱処理）＋ＴＤ）の
バーリング加工用工具１４、加圧治具２（１５）、受け
治具３（１３）はバーリング加工に供試後、最初に使用
不可となっても再度ＴＤ処理、ラッピングによる「メン
テナンス」を行うことにより、再び継続して使用するこ
とができる。しかし、再度のＴＤ処理とラッピング加工
を施しても要求寸法精度を確保し得なくなると「完全使
用不可」となる。

【００３９】これらのバーリング加工結果を同じく表２
の実施例１〜３および比較例１，２の欄に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】表１および表２に示すように、本発明実施
例１〜３では、比較例１である従来のバーリング加工用
金属工具１４に比べて、バーリング加工用セラミック工
具１の耐ストローク数が著しく多いものになっていると
共にバーリング加工後においても鏡面状態が維持されて
いて、工具寿命がかなり長いものになっており、金属製
加圧治具２（１５）および金属製受け治具３（１３）の
寿命もかなり長いものとなっていた。

【００４３】また、本発明条件を満足しない比較例２の
バーリング加工用セラミック工具１では、耐ストローク
数が本発明例の半分以下であり、金属凝着を生ずるもの
になっていると共に、金属製加圧治具２（１５）および
金属製受け治具３（１３）の寿命も本発明例の半分程度
であった。

【００４４】

【発明の効果】本発明に係わるバーリング加工用セラミ
ック工具は、その工具材質が、重量比で、８０％以上の
窒化ケイ素と、残部が酸化アルミニウムおよび／または
窒化アルミニウムと１種以上の希土類元素酸化物とから
なる混合物を成形・焼結したセラミック材料よりなるも
のであるから、高強度でかつ金属との凝着性（濡れ性）
およびＴＤ処理により形成された金属炭化物との凝着性
が低いことを両立させたセラミック製工具となり、金属
製の被加工材にあらかじめ開けられた小径の孔をバーリ
ング加工用工具により押し広げてフランジを成形するバ
ーリング加工を行うに際し、従来と比較して２５倍以上
の耐久性を発揮し、従って、従来に比べて大幅な生産コ
ストの低減となるばかりか、バーリング加工用セラミッ
ク工具を受けるための金属製受け治具およびバーリング
加工用セラミック工具を加圧するための金属製加圧治具
に対する損傷も少なくなってこれら金属製治具の寿命を
も大幅に延長することが可能であり、工具および治具の
交換頻度も低減することが可能であることから加工効率
の大幅な向上が実現されるようになるという著しく優れ
た効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるバーリング加工用セラミック工
具の一実施例を示す正面説明図である。

【図２】本発明の実施例において用いた金属製加圧治具
の斜面説明図である。

【図３】本発明の実施例において用いた金属製受け治具
の斜面説明図である。

【図４】金属製の被加工材に対するピアス工程を示す断
面説明図（図４の（Ａ））および正面説明図（図４の
（Ｂ））である。

【図５】金属製の被加工材に対するバーリング加工工程
の初期の状態を示す断面説明図（図５の（Ａ））および
正面説明図（図５の（Ｂ））である。

【図６】金属製の被加工材に対するバーリング加工工程
の図５に続く状態を示す断面説明図（図６の（Ａ））お
よび正面説明図（図６の（Ｂ））である。

【図７】金属製の被加工材に対するバーリング加工工程
の図６に続く状態を示す断面説明図（図７の（Ａ））お
よび正面説明図（図７の（Ｂ））である。

【図８】金属製の被加工材に対するバーリング加工工程
の図７に続く最終状態を示す断面説明図（図８の
（Ａ））および正面説明図（図８の（Ｂ））である。

【符号の説明】

１ バーリング加工用セラミック工具 ２ 金属製加圧治具 ３ 金属製受け治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−20132（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製の被加工材にあらかじめ開けられ
   た小径の孔を押し広げてフランジを形成するバーリング
   加工用工具であって、その工具材質が、重量比で、８０
   ％以上の窒化ケイ素と、残部が酸化アルミニウムおよび
   ／または窒化アルミニウムと１種以上の希土類元素酸化
   物とからなる混合物を成形・焼結したセラミック材料で
   あることを特徴とするバーリング加工用セラミック工
   具。
2. 【請求項２】 セラミック材料の曲げ強度が１０００Ｍ
   Ｐａ以上、ビッカース硬度が１５ＧＰａ以上、破壊靭性
   値が６ＭＰａ・ｍ^１／２以上である請求項１に記載のバ
   ーリング加工用セラミック工具。