JP3835484B2 - 管末端の圧縮成形方法及び本方法実施のための装置 - Google Patents

Description

この発明は管末端の圧縮成形の方法に関する。さらにこの方法を実施するための装置を提案する。
管状の機械構造群、例えば内燃機関のための排気装置は、従来主として一定の横断面寸法の管から製作されている。
このような構造群のうち機能的な制約による変形断面寸法の部分は、通常フランジ、溶接またはその他の方法で構造群の中に、例えば特別な機械要素または構造群の固定のために挿入される。このような構造群や機械要素は特にマフラー、触媒あるいは接続フランジである。
このような措置方法の結果、一方では高い製作費用と、他方では長い製作時間の他に、管状機械構造群の内壁における余分の不均質性による流れ状態の機能を多少なりとも損なう障害となる。
追加の材料消費と不必要に高い製作量に甘んじて、使用される管のための断面寸法の決定を、予期される最高の機械的および（または）熱的な加工を行うことにより、これらの結果を避けようと通常は試みる。
このような措置方法は、例えば曲管の製造のために必要な変形プロセスが、より一層困難な条件のもとで行わなければならないという欠点にいたる。
US-A 5,203,194により、自動車のトレーラー連結器の製造のための方法が既知である。正方形の断面形を有する形材の末端部分が、この場合は軸方向圧力の導入によって圧縮成形される。寸法精度、あるいは流れに有利な均質な内壁への特別な品質はこの場合要求されない。
この発明の課題は、管末端の圧縮成形のための方法と、この方法の実施のための装置を創り出すことにあり、この装置を用いて、一般に最適な断面寸法を有する管状の構造要素に、強化した断面寸法の末端部分を備えることができるようにし、内径が管末端の領域においても事実上移行部なしに不変のまま維持され、しかも連結および接続フランジ、マフラー、触媒などのような構成要素の追加のために必要な断面寸法を提供することができる。この課題の解決のためにはしたがって、出来るだけ熱的な加工を避けて所定の変形が合理的に実施できる技術が必要となる。
この発明によれば、この課題は一つの方法によって解決されるが、その場合、軸方向圧力と半径方向圧力により、中に圧縮成形される管が入れられる型工具の同時の使用のもとに、管末端が軸方向に圧縮成形され、内壁では半径方向に強化される。
それ自体としてはすでにDE 88 09 031 U1において、金属管片の変形のための装置が提案されたが、この場合、必要な型は少なくとも４分割した油圧プレスシステムによって構成されており、さらに管片支持具も備えている。変形される管片の軸方向負荷の際の望ましくない変形を避けるために、使用される軸方向ピストンのうち少なくとも一つを通って支持流体が管内部へ送り込まれる。
曲管または直管の管片での管末端の圧縮成形のために、この技術的解決策はなんら示唆を与えていない。なぜならば、部分的な壁厚さ減少に甘んじて、内径の少なくとも部分的拡大となる管片の拡大を達成しようとするのが第一の課題であるからである。
この発明はさらに特に適切な装置を記載しており、この装置ではピストンが圧縮成形される管の中へ端面側から導入され、その場合にこのピストンは適切なショルダーによって管末端をその端面側から軸方向に押し込み、一方では同時に対応する開口部を通して管内壁への圧力が、例えば流体を通じて得られ、軸方向圧力の支持を得て、前方領域における管壁が補強されることになる。管が中に挿入される型の適切な構成により、変形の際に生じる壁の形が決定される。
この場合に有利であるのは、同時に管がその他の領域において流体圧力のもとに保たれ、型のこの領域においても管の確実な密着が達成されることである。
したがって工具セットによる冷間変形が行われ、この工具セットは主として中空型またはリング型と、単数または複数のの軸方向ピストンとからなっている。特に変形される管末端のためにこの工具セットと多次元負荷とを用いて、過程が行われることになる。このために変形される管末端は先ず必要に応じて端面側の密閉面を備え、その後に単一成分または複数成分の中空型またはリング型として構成された断面の型の中へ入れられる。
続いて段付けした軸方向ピストンを圧縮成形される管末端の中へ挿入し、軸方向ピストンの密閉ショルダーが変形される管末端の密閉面に密着する。続いて軸方向ピストンの軸方向穿孔を通っての縦方向での軸方向ピストンの位置固定の際に、同時に軸方向ピストンを通っての圧力流体の搬送が行われ、その結果、軸方向ピストンの前端から、固定した型底にいたるまで、別の軸方向ピストンにいたるまで、あるいは自由端側管末端の閉鎖部にいたるまでにある管領域の型の中でのプレスばめを生じる変形にいたり、また半径方向穿孔により、変形される管末端の半径方向荷重にもいたる。
軸方向のピストンはこれで一定の軸方向推進力によって負荷され、この作用のもとに管末端の塑性変形は、型の保持縁と軸方向ピストンの密閉ショルダーとの間にある中空空間が、変形される管末端の圧縮成形した材料によって完全に充填されるまで行われる。
プレスばめ領域では管内部も圧力流体によって半径方向に負荷されるが、そこでは型に管壁が直接密閉しているため、変形にいたることはあり得ない。これとは逆に、圧縮成形領域では圧力流体による半径方向荷重の作用のもとに、開始した拡大プロセスの進行中に管壁の接線方向力も、また同時に軸方向ピストンの推進力による軸方向圧力荷重も作用する。その結果生じる多次元荷重は、必ず弾性変形抗力を上回り、所定の塑性変形へといたる。圧力流体としては原則としてすべての非圧縮流体が適している。
この方法の特別な実施例においては、圧力液体として水、好ましくは合成添加物を加えた水を使用することが考えられている。
別の実施例においては、必要に応じて軸方向推進力Ｆ_Aを、内部圧力Ｐ_iと、開放側の管横断面積Ａ_Rに共に依存して
Ｆ_A≧１，１＊Ａ_R＊Ｐ_i
の関係に従って上昇させることが考えられている。
これによってとりわけ、一方的に上昇した軸方向推進力のために、プレスばめ領域における管壁の折れ曲がりには決していたらないことが保証される。
その他、型および（または）軸方向ピストンは、作用を受ける管の厚み増しの領域において、管と工具の間の摩擦を減少させる被膜を施すことが可能である。このようにした場合は、導入された力が、大した摩擦損失にはいたらなくて塑性変形過程のために最大限の範囲で有効となる。
このような目標方向には、型の拡大した領域において有効継ぎ手部に、管と工具の間の摩擦を減少させる潤滑剤充填を施すという提案も役立つ。
この課題はこの発明により以下のようにしても解決される。すなわち閉鎖した中空型として、分割した中空型として、あるいは分割したリング型として構成された型と、少なくとも１本の段付けした軸方向ピストンとからなる装置が用いられる軸方向ピストンが中央の軸方向穿孔を備え、また圧縮成形領域では密閉ショルダーの前方に、変形される管内壁への圧力媒体を搬送するための、半径方向の星状に配置された穿孔を備える。さらに型の内法直径から、型内面の拡大した部分への移行部は、圧縮成形領域において保持縁として構成されている。軸方向ピストンの半径方向穿孔を有する領域から、型の拡大した領域を閉鎖する領域への移行部は、密閉ショルダーとして構成されている。
好ましい実施例においては、型は閉鎖した一成分または複数成分の中空型として構成されており、中空型底を備えている。
特に曲がった管片の末端の圧縮成形のために、また真っ直ぐな管片の両端の圧縮成形のために、型は分割したリング型として構成されている。
中空型としての型の構成の場合、好ましい実施例では、中空型の底が、管壁を捕捉し、密閉要素としての機能を果たすＶ字形溝を備えている。この場合、Ｖ字形溝は搬送面としての機能を果たし、管壁の円環状の横断面の少なくとも一つの縁と接触しており、管を軸方向に負荷する際には、管内部から圧力流体が出るのを防止するための密閉対を形成している。
別の実施例においては、軸方向ピストンの端面と型の末端との間に、プレスばめ領域が配置されている。
このプレスばめは、型底の上に管片が乗らない場合でも、型の中での管片の十分な位置固定が確保されることを可能とし、このため軸方向ピストンによる管片の軸方向負荷の場合、型中での管片の移動にいたることがあり得ない。これは唯一の工具セットを用いて、場合によっては種々の長さの管片を圧縮成形する前提条件である。
プレスばめ領域は軸方向ピストンの端面側と中空型の底との間にも、また好ましくは分割したリング型では、軸方向ピストンの端面側と管閉鎖部との間に、あるいは２本の軸方向ピストンの端面の間にも構成することができる。
この発明による装置の有利な構成として考えられるのは、圧縮成形される管末端の端面側に配置された密閉面が、切削または冷間変形の方法によって、軸方向ピストンの縦軸に直角方向の円環面として、あるいは回転対称の面として構成されていることである。
この密閉面は密閉ショルダーとともに、軸方向ピストンの縦軸に直角方向の平坦な円環面として、および（または）軸方向ピストンの縦軸に関して回転対称に構成された面として、別の密閉対を形成している。
この密閉は、圧縮成形される管末端の領域において、管内部から圧力液が出るのを防止している。
この発明による装置の別の構成が特徴とするのは、型の内面が、変形される管片に密着する部分の形で、また少なくとも圧縮成形された管末端の外径の寸法に拡大された別の部分の形で行われることである。
この装置の好ましい形態が要求するのは、分割したリング型が、真っ直ぐなまたは湾曲した管片の同時のまた両側の圧縮成形のために、二つの型と二つの軸方向ピストンを装備していることである。この実施例では１作業行程において、圧力液体を用いて内圧を作ることも、また軸方向ピストンをそのつど、軸方向推進力によって負荷することも必要である。ただしこの場合、簡易化した方法で同時に二つの圧縮成形領域で変形され、続く加工プロセスのために準備され、この場合、圧縮成形した管末端は種々の寸法を備えることができる。
最後に閉鎖した中空型を、それ自体は既知の、圧縮成形した管片の取出しを確実にする取出し装置を備えたものとすることも利点とすることができる。
この発明の幾つかのの利点は次の点にある。すなわち最低限の材料消費で重量を減少させたまた流体技術的に最適な管状構造群を製作することができ、しかもそのために従来の時間とコストのかかる継ぎ手方式に甘んじる必要がないことである。
同様にして特に高い機械的負荷の領域において、熱的に負荷する技術の適用を大規模に減少することができる。
この発明を以下、幾つかの実施例を用いてさらに詳細に説明する。
添付の図面において
第１図は作業開始の時点におけるこの発明による装置の断面略図を示し、中空型と、圧力媒体のための穿孔を有する、段付けした軸方向ピストンとからなっている（軸方向ピストンの前に構成された内圧による、型の中の管片固定の場合、この内圧は中空型の中での管片のプレスばめにいたる）；
第２図は圧縮成形過程の終りでのこの発明による装置の断面略図を示し、分割したリング型と、圧力媒体のための穿孔を備える段付けした軸方向ピストンからなっている（プレスばめによる管片の軸方向固定の場合、このプレスばめは、管閉鎖部と、軸方向ピストンの端面側との間の圧力液によってなされる。）；
第３図は圧縮成形開始時のこの発明による断面略図を示し、縦軸に平行に分割されたリング鋳型と２本の段付けした軸方向ピストンからなっており
第４図は圧縮成形終了後のこの発明による装置の断面略図を示し、分割した中空型と、中空型の底での突き当たりによる管片の軸方向固定の際の圧力媒体のための穿孔を備える段付けした軸方向ピストンとからなっている。
実施例 １：
後部マフラーに溶接結合によって固定される乗用車の排気装置には末端部が必要となる。このためには第１図または第４図から明らかとなるように、管外径６０ｍｍで壁厚さ１．５ｍｍの鋼管を、長さ６００ｍｍの管片５として一体の閉鎖した中空型１の中に挿入する。中空型１は底７を備えており、この底には鋳型内壁に隣接する領域にＶ字形溝が形成されている。幅３ｍｍのＶ字形溝１５はこの管片５を収容し、管壁の内部縁とＶ字形溝１５の内部側面との間に、管片の軸方向負荷のもとに密閉対が生じ、Ｖ字形溝１５の側面と管内壁の内部縁は、管内壁の局部的塑性変形の場合に互いに気密に密接する。
中空型１は５４０ｍｍの長さにわたり、約６０ｍｍの内径を有している。６０ｍｍの長さにわたって中空型１の内径は６３ｍｍに拡大されている。小さい方から大きい方の直径への移行部は、型縦軸への垂直線に対して３０度の角度で傾斜した保持縁１１をもつ段として構成されている。
その他、工具には軸方向ピストン４が属しており、これは圧力媒体のための貫通する軸方向穿孔８を備えている。
形断面の軸方向ピストン４は、約５７ｍｍの外径をもち、管片５の中へ挿入される長さ１００ｍｍの部分からなっている。
形断面の軸方向ピストン４のこの領域に、外径約６３ｍｍ、長さ１００ｍｍの別の領域が接続している。軸方向ピストン４の小さい方から大きい方の外径への移行部は、密閉ショルダー１６として構成されており、ショルダーの断面は、軸方向ピストン４の縦軸の垂直線に１５度傾斜している。
密閉ショルダー１６と保持縁１１との間で、かつ軸方向ピストン４と中空型１の間に有効な継ぎ手部分１７が形成される。
軸方向ピストン４は小さい方の直径をもつ領域に、密閉ショルダー１６から５０ｍｍまでの間で、合計３列で星形に配置された直径がそれぞれ６ｍｍの、半径方向穿孔９を備えており、これらは軸方向穿孔８と、軸方向ピストン４の円周面との間に配置されている。各穿孔列にあたり、角度６０度でづらせた六つの個別穿孔が配置されたいる。
軸方向ピストン４はその密閉ショルダー１６で管片５の密閉面１２に密着した後、先ず５ｋＮの軸方向推進力で負荷される。次に軸方向穿孔８を通って圧力流体としての水が軸方向ピストン４によってポンプで汲まれ、続いて０．５ＭＰａの圧力で負荷される。この状況において軸方向ピストン４の端面と中空型の底７との間にもプレスばめ猟奇１４が構成され、この領域では型内壁に密着する管片５が、圧力下にある圧力流体によって折れ曲がりに抗して支持される。圧力流体は同様に圧力媒体のための半径方向穿孔９を通じて、圧縮成形される管末端６に分散して作用している。軸方向ピストンの軸方向推進力を１００ｋＮまで高め同時に、圧力流体の圧力を少なくとも１５ＭＰａまで増加することにより、圧縮した管材料によって有効継ぎ手部１７が完全に充填されるまで、管末端６の塑性変形が行われる。補強した管末端６の内径は変化しないが、管末端部６の壁厚は３ｍｍとなるその長さはは約３０ｍｍに達する。
成形作業の終了後、軸方向ピストン４は、圧力流体の圧力解除の際に同時に中空型１から引き抜かれる。
その後、Ｖ字形溝１５の円周上に配分された３個の取出装置が、中空型７の底からはずされ、圧縮成形した管片５が中空型１から解放されることになるになる。
最初に直管状態で圧縮成形された管片５は、必要に応じて引続き曲げプロセスにかけることができる。
実施例 ２：
触媒と後部マフラーとの間の乗用車の直線アダプターは、同時に両方の管末端６において、十分に耐力のある溶接結合を確保するための壁補強が要求される。
このために第３図から明らかとなるように、分割したリング型３を使用する。リング型３は全長１０００ｍｍである。リング型３は通常の所の内径５０ｍｍから両端で５５ｍｍへ拡大した領域を有している。拡大した領域の長さはそれぞれ１００ｍｍである。中空型の中へ入れられた管片５は、約５０ｍｍの外径と２ｍｍの壁厚さを備えており、長さ９００ｍｍである。
分割したリング型３の両端に挿入される軸方向ピストン４は、実施例１のように軸方向穿孔８と半径方向穿孔９とを備えている。プレスばめ領域１４は、両軸方向ピストン４に当初推進力が同時に加わった後、また水−油エマルジョンとしての性状をもつ圧力流体によるプレスばめ領域１４の充填の後、軸方向ピストン４の端面側の間に形成され、リング型３の中での管片５の位置を固定することになる。
軸方向ピストン４での推進力と、圧力流体の圧力の上昇を同時に作用させて、管壁の材料による有効継ぎ手部１７が完全に充填されるまで、両管末端６の塑性変形が終了した後は、挿入した管片５の全長は約８４０ｍｍとなる。圧縮成形された管末端６は、今や４６ｍｍの一定の内径で、それぞれ２０ｍｍの長さにわたって４．５ｍｍの壁厚さを備えている。
分割したリング型３の分解の後、両側圧縮成形された管片５は、次の加工のために取り出すことができる。必要に応じて必要な範囲で曲げを施すことができる。
実施例 ３：
要求の多い形態を備える流体技術的に最適化された排気装置の一部分として、厚くした管末端６をもつ曲り管片５は、接続フランジを採用する時に必要となってくる。
このためには第２図に示したような分割したリング型が用いられるが、これらは初めから曲り管片５を作るためである。
管末端６の圧縮成形は、この場合、管片５の曲がっていない末端領域で行われる。
管片５の挿入と分割したリング型３のセットの後、管片５の圧縮成形されない末端側で管閉鎖部が使用され、圧力受けの際管閉鎖部の所の圧力流体によって構成されるプレスばめ領域１４は、専らリング型３によって囲まれた管長さ領域となる。
推進力による軸方向ピストン４の使用と負荷、およびこの例では圧力流体としての鉱油による内圧の適用は、実施例２に類似して行われる。
このようにして外径５０ｍｍ、壁厚さ２ｍｍの曲り管片は、長さ２５ｍｍの圧縮成形した管末端を得て、この時、この領域での壁厚さは外径５５ｍｍの場合に約４．５ｍｍに達する。
圧縮成形過程の終了後、管閉鎖部が取り除かれ、リング型３が開かれる。取り出すことができる曲がった圧縮成形した管片５は、したがって接続フランジと共に補足完成のために提供される。
参照番号リスト
１−閉鎖した中空型 １０−型断面
２−分割した中空型 １１−保持縁
３−分割したリング型 １２−密閉面
４−軸方向ピストン １３−型の分離継ぎ目
５−管片 １４−プレスばめ領域
６−管末端 １５−Ｖ字形溝
７−中空型の底 １６−密閉ショルダー
８−圧力媒体のための軸方向穿孔 １７−有効継ぎ手部
９−圧力媒体のための半径方向穿孔

Claims (5)

1. 塑性変形による管末端の圧縮成形のための方法であって、変形される管が軸方向ピストンにより軸方向圧力を受け、その場合に管は管外部寸法に対応する型の中に固定され、また管の変形される領域において、型が、変形過程後に予定される管の最終寸法に調整した内面輪郭を有している場合において、管が、変形される領域においてピストンの半径方向穿孔を介して供給される圧力流体により半径方向圧力を受け、かつ管内部にも作用する圧力流体により、圧縮成形されない管領域における型に対しプレスばめを生じさせることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法による管の圧縮成形のための装置であって、
   保持縁（１１）で限定され圧縮成形される領域（１７）においては管壁補強のため管外壁に対して間隔を保ち、管（５）を挿入するための断面形状を有する型（１）と、
   半径方向の外向きに移行する、管端面側と密着する密閉ショルダー（１６）部分と、管（５）の内径に適合している管挿入部分を有する軸方向ピストン（４）と、
   更に、圧力下にある流体により、所定の変形領域において管内部および管末端が半径方向に、それを通じて圧力を受けることとなる、軸方向ピストン（４）に設けられた軸方向穿孔（８）および半径方向穿孔（９）
   とから構成される装置。
3. 軸方向ピストン（４）が軸方向に貫流開口部（８）を備えており、この開口部から半径方向開口部（９）が、圧縮成形領域で管内側が圧力を受けるために、軸方向ピストン（４）の外壁へと導かれることを特徴とする請求項２に記載の管の圧縮成形のための装置。
4. 型（１，２，３）が、一端を底で閉鎖した中空型（１）として、分割した中空型（２）として、あるいは分割したリング型（３）として構成されており、型（１，２，３）の内法直径から、圧縮成形領域での型断面（１０）の拡大した部分への移行部が、保持縁として構成されており、また半径方向穿孔（９）を備える軸方向ピストン（４）の領域から、型断面（１０）の拡大した領域を閉鎖する軸方向ピストン（４）の領域への移行部が密閉ショルダー（１６）として構成されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の装置。
5. 中空型の底（７）が、型内壁に隣接する領域において、管壁（５）の内部縁を収容し、内部縁との間で密閉要素として作用するＶ字形溝（１５）を備えていることを特徴とする、請求項２から４までのいずれか１項に記載の装置。

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