JP4168930B2 - ロール成形装置及びロール成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、パンチ用ロールとダイ用ロールとの間に板状の金属素材を通過させて、その金属素材に絞り加工を行うロール成形装置、及びロール成形方法に関する。

近年、コストダウンの要求から、加工の大幅な高速化が望まれており、これを達成する手段として、間欠加工のプレス成形から連続加工のロール成形への移行が望まれている。 しかし、従来のロール成形では、図１０に示す様に、回転運動を行う上下ロール（パンチ用ロール100 とダイ用ロール200 ）の外周面が円弧状の曲面であるため、両ロール100 、200 と材料300 （板状の金属素材）との線接触は可能であるが、プレス成形の様にしわ押えを用いた面接触が得られない。なお、パンチ用ロール100 には、絞り形状に対応したパンチ部110 が設けられ、ダイ用ロール200 には、パンチ部110 と嵌合するダイ凹部210 が設けられている。

このため、ロール成形により板厚0.20mm未満の薄肉材料に絞り加工を行うと、材料自身の剛性が小さいことから、プレス成形と同じ工程数で成形することが極めて困難である。つまり、工程数を少なくすると、図１１及び図１２に示す様に、成形途中で材料300 が過度に引き込まれる（引込み量d0）ため、絞り部310 の中央部に隆起311 が生じる。なお、図１２（ａ）は成形途中の平面図、（ｂ）はその斜視図である。
上記の結果、図１３に示す様に、絞り部310 の両側320 （フランジ部）にしわ330 が発生し、そのしわ330 が最終的に折込み340 となってしまう。なお、図１３（ａ）は成形後の平面図、（ｂ）は材料300 の側片に沿った断面拡大図、（ｃ）は斜視図である。従って、しわ330 を生じないよう少しずつ加工する必要があり、プレス成形に比べて２倍以上の工程数が必要であった。

これに対し、例えば、特許文献１に記載されたロール成形装置が公知である。
このロール成形装置は、平面状のセグメントにパンチを有しており、そのセグメントを回転運動させながらカム機構を用いて運動方向を変えることにより、しわ押えを行うことが可能である。
米国特許第６３３９９４７号明細書

ところが、上記の特許文献１に記載されたロール成形装置では、ロール構造が非常に複雑となり、大幅なコストアップを招くという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、板厚の薄い金属素材に絞り加工を行う場合でも、しわの発生を抑えるためにカム機構等を含む複雑な構造を採用する必要がなく、且つ少ない工程数で折込みの無い絞り加工を行うことができるロール成形装置及びロール成形方法を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、パンチ用ロールとダイ用ロールとの間に板状の金属素材を通過させて、パンチ用ロールに設けられたパンチ部で金属素材を押し込みながら絞り加工を行うロール成形装置であって、ダイ用ロールは、パンチ部で金属素材に絞り部を形成する際に、その絞り部の周囲を受けるダイ部と、このダイ部と分割して設けられ、絞り部の底面を受ける板押えとして機能する中子部とを有し、ダイ部の内周に中子部を収容する中子穴が形成され、中子部は、少なくとも板押えとして使用される表層部がダイ部より弾性係数が小さい弾性材で形成されると共に、中子穴の内周に略密着して嵌合する嵌合部と、この嵌合部より外径が小さい小径部とが設けられ、小径部の外周と中子穴の内周との間に中子部の弾性変形を許容できる空間が設けられていることを特徴とする。

上記の構成によれば、金属素材がパンチ部に押し込まれて絞り部が形成される時に、ダイ部と分割して設けられた中子部により、絞り部の底面を受けて板押えを行うことができる。その結果、絞り部が形成される際に、周囲の引込み量が小さくなるため、絞り部の底面に生じる隆起を抑制または防止できる。
また、中子部は、少なくとも表層部がダイ部より弾性係数が小さい弾性材（例えば、ウレタン、合成ゴム等）で形成され、且つ周囲のダイ部と分割して設けられているので、パンチ部の押し込みに伴って中子部の弾性材が圧縮変形（弾性変形）しても、その変形が周囲のダイ部に大きく影響することはなく、ダイ部としての機能（絞り部の周囲を受けるしわ押えの役目）を確実に果たすことができる。
さらに、中子部は、中子穴の内周に略密着して嵌合する嵌合部と、この嵌合部より外径が小さい小径部とが設けられ、その小径部の外周と中子穴の内周との間に中子部の弾性変形を許容できる空間が設けられているので、小径部がパンチ部に押し込まれて圧縮変形した時に、その小径部の圧縮変形に伴う径方向への膨張を空間にて吸収できる。また、中子部は、中子穴の内周に嵌合部が略密着して嵌合しているので、中子穴の内部で中子部が位置ずれすることはなく、中子穴の内部で安定した姿勢を保持できるので、板押えとしての機能が低下することはなく、成形品の品質を向上できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載したロール成形装置において、中子部は、中子穴の径方向内側に嵌合部が配置され、この嵌合部より径方向外側に小径部が配置されて、この小径部の外径端面が、絞り加工の際に板押えとして絞り部の底面を受けることを特徴とする。
この場合、パンチ部の押し込みに伴って小径部が圧縮変形した時に、その小径部の圧縮変形に伴う径方向への膨張を空間にて吸収できる。
また、中子部は、中子穴の径方向内側に嵌合部を配置しているので、中子穴の内部で中子部が位置ずれすることはなく、中子穴の内部で安定した姿勢を保持できる。

（請求項３の発明）
請求項１に記載したロール成形装置において、中子部は、中子穴の径方向内側に小径部が配置され、この小径部より径方向外側に嵌合部が配置されて、この嵌合部の外径端面が、絞り加工の際に板押えとして絞り部の底面を受けることを特徴とする。
この場合、パンチ部の押し込みに伴って小径部が圧縮変形した時に、その小径部の圧縮変形に伴う径方向への膨張を空間にて吸収できる。
また、中子部は、中子穴の径方向外側に嵌合部を配置しているので、小径部を径方向外側に配置した場合と比較すると、板押えとしての面積をより広く確保することができ、金属素材に形成される絞り部の底面を安定して支えることが可能である。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかのロール成形装置において、ダイ部は、金属またはセラミックまたは樹脂により形成されていることを特徴とする。
ここでは、ダイ部を形成する材料として、金属、セラミック、樹脂を記載しているが、中子部に使用される弾性材より弾性係数が大きい材料であれば、上記の素材（金属、セラミック、樹脂）に限定されることなく、ダイ部として適当な材料を使用することは可能である。

（請求項５の発明）
請求項１〜３に記載した何れかのロール成形装置において、ダイ部は、少なくとも表層部が弾性材で形成されていることを特徴とする。
この場合、ダイ部は弾性体であることから、パンチの押込みに合わせて変形できるため、広範囲の材料が拘束でき、より効果的にしわ押えを行うことが可能である。

（請求項６の発明）
請求項１〜５に記載した何れかのロール成形装置において、板厚が0.20mm未満の金属素材に対して、絞り加工を行うことを特徴とする。
素材の板厚が薄くなる程、金属素材の剛性が小さくなり、絞り加工において絞り部の両側にしわが発生し易くなる。これに対し、本発明のロール成形装置によれば、板厚の薄い金属素材に対して絞り加工を行った場合でも、しわの発生を抑制でき、且つ少ない工程数での絞り加工が可能である。

（請求項７の発明）
請求項１〜６に記載した何れかのロール成形装置により、パンチ用ロールとダイ用ロールとの間に板状の金属素材を通過させて、パンチ部で金属素材を押し込みながら絞り加工を行う際に、金属素材に形成される絞り部の底面を中子部で板押えしながら、パンチ部の押し込みに応じて、中子部が圧縮変形することを特徴とする。
この方法によれば、金属素材がパンチ部に押し込まれた時に、金属素材に形成される絞り部の底面を中子部が板押えすることにより、金属素材の絞り部側への引込み量が小さくなり、その結果、絞り部の底面に生じる隆起を抑制あるいは防止できる。

また、中子部が周囲のダイ部と分割して設けられているので、パンチ部の押し込みに伴ってダイ部とは別に中子部だけが単独に圧縮変形できる。これにより、周囲のダイ部は、中子部の圧縮によって大きく変形することはなく、金属素材に対するしわ押え面積を増やすことができる。
更に、中子部の周囲に空間を設けることにより、中子部の弾性材がパンチ部に押し込まれて圧縮変形した時に、その圧縮変形によって生じる径方向への膨張を空間にて吸収できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１はロール成形装置１の正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
本実施例のロール成形装置１は、パンチ用ロール２とダイ用ロール３とを備え、図２に示す様に、両ロール２、３間に板状の金属素材４を通して、その金属素材４に絞り加工を行うものである。
金属素材４は、例えば、図３に示す様に、積層型の熱交換器に使用されるプレート材４Ａ（板厚0.20mm未満）に加工されるものであり、プレート材４Ａの端部に設けられるタンク部４０が絞り加工によって形成される。

パンチ用ロール２は、例えば金属製で、外周面に絞り加工を行うためのパンチ部５（本実施例では円形突起）が設けられている。
ダイ用ロール３は、図１（ｂ）に示す様に、例えば、金属材料によって形成された芯材３ａと、その芯材３ａの外周を覆う表層部３ｂとで構成され、この表層部３ｂが、例えば、ウレタン等の弾性材によって形成されている。
また、表層部３ｂには、パンチ部５に対向する中子部６が設けられている。この中子部６は、図２（ｃ）に示す様に、絞り加工を行う際に、金属素材４に形成される絞り部４ａの底面４ｂを受ける板押えを行うもので、周囲のダイ部７と分割して設けられている。

具体的には、図２（ｃ）に示す様に、ダイ部７を形成する表層部３ｂを半径方向に貫通する断面円形の中子穴７ａが開けられ、この中子穴７ａに中子部６が収容されている。
但し、中子部６は、中子穴７ａの内周に略密着して嵌合する嵌合部６ａと、この嵌合部６ａより外径が小さい小径部６ｂとを有し、中子穴７ａの内周面と小径部６ｂの外周面との間に環状の空間８が形成されている。

次に、本実施例の作用および効果について説明する。
ロール成形によって絞り加工を行う場合には、金属素材４の板厚が薄くなる程、必然的に、金属素材４の剛性が小さくなるため、図４に示すように、絞り部４ａの両側４ｃ（金属素材４をロール間に通す方向と直交する両側）にしわが発生し易くなる。
なお、図４（ａ）は絞り加工の途中工程を示す平面図、（ｂ）はその斜視図である。この絞り部４ａの両側４ｃに生じるしわは、パンチ部５の押し込みにより金属素材４が過度に引き込まれて、絞り部４ａの底面４ｂの中央部に隆起（図１１参照）が生じることで発生する。

これに対し、本実施例のロール成形装置１は、ダイ用ロール３に中子部６を有し、この中子部６が周囲のダイ部７と分割して設けられているので、図２（ｂ）、（ｃ）に示す様に、金属素材４がパンチ部５に押し込まれる時に、中子部６により、絞り部４ａの底面４ｂに対して板押えを行うことができる。その結果、図４（ａ）に示す様に、成形途中での絞り部４ａの両側４ｃの引込み量ｄ１（ｄ１＜ｄ０）を小さくでき、最終的に絞り部４ａの底面４ｂに生じる隆起を抑制または防止できる（図５（ｃ）参照）。なお、図５（ａ）は絞り加工後の平面図、（ｂ）は金属素材４の側片に沿った断面拡大図、（ｃ）は絞り加工後の斜視図である。

また、図５（ｃ）に示す様な、しわの発生を抑制する方法としては、絞り部４ａの両側４ｃに対するしわ押え面積を増やすことが重要である。しかし、表層部３ｂに弾性材を使用したダイ用ロール３でも、中子部６がダイ部７と一体に設けられている場合、言い換えると、図６（ａ）に示す様に、独立した中子部６が設けられていない場合には、パンチ部５により金属素材４が表層部３ｂに押し込まれた時（図６（ｂ）参照）に、金属素材４の絞り部４ａとパンチ部５の側面との間に隙間Ｃ０が生じてしまう（図６（ｃ）参照）。このため、しわ押え面積が減少してしまう。

一方、本実施例のダイ用ロール３は、中子部６が周囲のダイ部７と分割して設けられているので、パンチ部５の押し込みに伴ってダイ部７とは別に中子部６だけが単独に圧縮変形できる。これにより、周囲のダイ部７は、中子部６の圧縮に伴って大きく変形することはなく、ロール表面（表層部３ｂの表面）に開口する中子穴７ａの内径角部が維持される。つまり、中子穴７ａの内径角部が、中子部６の圧縮変形に連れて内側に引き込まれることがないので、図６に示したロール成形装置（独立した中子部６を有していない）と比較すると、絞り部４ａの両側４ｃに対し、ダイ部７によるしわ押え面積を増やすことができる。

但し、図７（ａ）に示す様に、中子部６とダイ部７とが密着している場合（中子部６の外周に空間８が無い場合）には、中子部６がパンチ部５に押されて圧縮変形した時に、その影響を周囲のダイ部７が直接的に受ける。その結果、少なからず周囲のダイ部７が中子部６の圧縮変形と共に押し下げられてしまうため、やはり金属素材４とパンチ部５との間に隙間Ｃ１（但しＣ１＜Ｃ０）が生じてしまう。

これに対し、図７（ｂ）、（ｃ）に示す様に、中子部６の小径部６ｂの外周（全周）に空間８を設けた場合には、中子部６がパンチ部５により押し込まれて圧縮変形した時に、その圧縮変形によって生じる径方向の膨張を空間８にて吸収できるので、周囲のダイ部７が中子部６の圧縮変形の影響を受けて変形する量を少なくできる。その結果、金属素材４の絞り部４ａとパンチ部５との間に生じる隙間Ｃ２、Ｃ３を小さくできるので（図６に示すＣ０の約１／２）、しわ押え面積を大幅に増やすことができる。

なお、小径部６ｂの外周に設けられる空間８は、図７（ｂ）に示す様に、中子部６の内径側、つまり、中子穴７ａの径方向外側に嵌合部６ａが配置され、この嵌合部６ａより径方向内側に小径部６ｂが配置されて、この小径部６ｂの外周に形成しても良いし、あるいは、図７（ｃ）に示す様に中子部６の外径側、つまり、中子穴７ａの径方向内側に嵌合部６ａが配置され、この嵌合部６ａより径方向外側に小径部６ｂが配置されて、この小径部６ｂの外周に形成しても良い。但し、実際の使用結果によれば、図７（ｂ）の中子部６を使用した時に生じる隙間Ｃ２より、図７（ｃ）の中子部６を使用した時に生じる隙間Ｃ３の方がより小さくなった。

上記の結果、実施例１のロール成形装置１によれば、図５に示した様に、金属素材４に対して絞り部４ａの底面４ｂに生じる隆起を抑制または防止することができ、且つ絞り部４ａの両側４ｃでのしわ押え面積の増大により、折込みの原因である大きなしわの発生を抑制できる。これにより、カム機構等を含む複雑な構造を採用しなくても、板厚の薄い金属素材４に対して極力少ない工程数で折込みの無い絞り加工を行うことが可能となり、大幅なコストダウンを実現できる。
なお、ダイ用ロール３の表層部３ｂに使用される弾性材は、ウレタンに限定されるものではなく、例えばシリコンゴム等の合成ゴムを使用することも可能である。

図８はロール成形装置１の正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
この実施例２に示すロール成形装置１は、ダイ用ロール３の構成が実施例１と異なるもので、その相違点について説明する。
実施例１に記載したダイ用ロール３（図１参照）は、金属材料によって形成された芯材３ａの外周を表層部３ｂが覆い、その表層部３ｂが弾性材によって形成されているが、この実施例２では、中子部６のみが弾性材によって形成され、中子部６を除くダイ用ロール３の全体は、例えば、金属材料によって形成されている。従って、中子穴７ａを形成するダイ部７は、弾性材が使用されることはなく、全て金属材料によって形成されている。

この構成によれば、実施例１と同様に、金属素材４がパンチ部５に押し込まれる時に、中子部６により、絞り部４ａの底面４ｂに対して板押えを行うことができる（図９（ｂ）参照）。また、中子部６の周囲（ダイ部７）が金属材料で形成されているので、図９（ｃ）に示す様に、中子部６がパンチ部５に押されて圧縮変形しても、その圧縮変形の影響をダイ部７が受けることはなく、ダイ部７によるしわ押え面積を十分に確保できる。その結果、成形途中での絞り部４ａの両側４ｃの引込み量を小さくでき、且つ絞り部４ａの底面４ｂに生じる隆起を抑制または防止できる効果も大きくなる。

なお、中子穴７ａを形成するダイ部７は、中子部６に使用される弾性材（例えば、ウレタン、合成ゴム等）より弾性係数が大きい材料であれば良く、必ずしも金属である必要はなく、例えば、セラミックや樹脂材等を使用することも可能である。

実施例１に係るロール成形装置の正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 絞り加工の過程を示すロール成形装置の側面図（ａ）、成形部位の拡大断面図（ｂ）、および成形部位のＡ−Ａ断面図（ｃ）である。 ロール成形にて絞り加工されるプレート材の斜視図である。 成形途中の状態を示す平面図（ａ）と斜視図（ｂ）である。 成形後の状態を示す平面図（ａ）、Ｂ−Ｂ断面拡大図（ｂ）、斜視図（ｃ）である。 ロール成形装置の側面図（ａ）、成形部位の拡大断面図（ｂ）、成形部位のＣ−Ｃ断面図（ｃ）である。 中子部の外周に空間を設けた場合と設けていない場合とで、成形前と成形中の状態を比較した断面図である（ａ）〜（ｃ）。 実施例２に係るロール成形装置の正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 実施例２に係るロール成形装置の側面図（ａ）、成形部位の拡大断面図（ｂ）、および成形部位のＤ−Ｄ断面図である（ｃ）。 従来技術に係るロール成形装置の正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 従来技術に係る成形部位のＥ−Ｅ断面図である。 従来技術に係る成形途中の平面図（ａ）と斜視図（ｂ）である。 従来技術に係る成形後の平面図（ａ）、Ｆ−Ｆ断面拡大図（ｂ）、斜視図（ｃ）である。

符号の説明

１ ロール成形装置
２ パンチ用ロール
３ ダイ用ロール
３ｂ 表層部（弾性材）
４ 金属素材
４ａ 絞り部
４ｂ 絞り部の底面
５ パンチ部
６ 中子部
６ａ 嵌合部
６ｂ 小径部
７ ダイ部
７ａ 中子穴
８ 空間

Claims (7)

1. パンチ用ロールとダイ用ロールとの間に板状の金属素材を通過させて、前記パンチ用ロールに設けられたパンチ部で前記金属素材を押し込みながら絞り加工を行うロール成形装置であって、
   前記ダイ用ロールは、前記パンチ部で前記金属素材に絞り部を形成する際に、その絞り部の周囲を受けるダイ部と、このダイ部と分割して設けられ、前記絞り部の底面を受ける板押えとして機能する中子部とを有し、
   前記ダイ部の内周に前記中子部を収容する中子穴が形成され、
   前記中子部は、少なくとも前記板押えとして使用される表層部が前記ダイ部より弾性係数が小さい弾性材で形成されると共に、前記中子穴の内周に略密着して嵌合する嵌合部と、この嵌合部より外径が小さい小径部とが設けられ、前記小径部の外周と前記中子穴の内周との間に前記中子部の弾性変形を許容できる空間が設けられていることを特徴とするロール成形装置。
2. 請求項１に記載したロール成形装置において、
   前記中子部は、前記中子穴の径方向内側に前記嵌合部が配置され、この嵌合部より径方向外側に前記小径部が配置されて、この小径部の外径端面が、前記絞り加工の際に前記板押えとして前記絞り部の底面を受けることを特徴とするロール成形装置。
3. 請求項１に記載したロール成形装置において、
   前記中子部は、前記中子穴の径方向内側に前記小径部が配置され、この小径部より径方向外側に前記嵌合部が配置されて、この嵌合部の外径端面が、前記絞り加工の際に前記板押えとして前記絞り部の底面を受けることを特徴とするロール成形装置。
4. 請求項１〜３に記載した何れかのロール成形装置において、
   前記ダイ部は、金属またはセラミックまたは樹脂により形成されていることを特徴とするロール成形装置。
5. 請求項１〜３に記載した何れかのロール成形装置において、
   前記ダイ部は、少なくとも表層部が弾性材で形成されていることを特徴とするロール成形装置。
6. 請求項１〜５に記載した何れかのロール成形装置において、
   板厚が0.20mm未満の前記金属素材に対して、絞り加工を行うことを特徴とするロール成形装置。
7. 請求項１〜６に記載した何れかのロール成形装置により、前記パンチ用ロールと前記ダイ用ロールとの間に板状の金属素材を通過させて、前記パンチ部で前記金属素材を押し込みながら絞り加工を行う際に、前記金属素材に形成される絞り部の底面を前記中子部で板押えしながら、前記パンチ部の押し込みに応じて、前記中子部が圧縮変形することを特徴とするロール成形方法。

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