JP4370089B2 - Diameter expansion method and apparatus for expanding pipe member - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径する管部材の拡径方法及び装置に関し、例えば、自動車用排気系部品の容器の製造に好適な管部材の拡径方法及び装置に係る。
【0002】
【従来の技術】
管部材の拡径方法及び装置に関しては、従来から、鋼管の拡管及び断面修正(特に、真円化)を目的として種々の方法及び装置が提案されており、例えば、下記の特許文献1(特開平8−300069)及び特許文献2(特開昭52−39566)に開示されている。
【0003】
特許文献1(特開平8−300069)には、「金属管の拡管方法において、略円筒状に配置され管軸方向に対して平行な拡管用工具要素により1回目の拡管を行った後、前記拡管用工具要素を円周方向に所定の角度回転させて2回目の拡管を行うことを特徴とする金属管の拡管方法」が開示されている。そして、「略工具要素の管軸方向長さ分の距離だけ鋼管を移動させ、順次拡管を行えば、鋼管内面の全範囲に工具要素が当たる様にすることができる」旨記載されている。
【0004】
また、特許文献2(特開昭52−39566)には、「螺旋状の溶接継目部を有するパイプと共に放射状に拡張可能でかつダイスヘッドの表面に螺旋状溝を有するダイスヘッド装置上でパイプを移動させ、前記螺旋状溝は前記ダイスヘッド装置と当接する前記パイプの螺旋状の溶接継目部と一致するよう設けられ、前記パイプ内のダイスヘッド装置を拡張し前記パイプを次第に進めかつ回転して、前記パイプの全長に沿って拡張し、前記の螺旋状の溶接継目部がダイスヘッド装置の螺旋状溝と実質的に一致するよう保持されるパイプの拡張方法および装置」が開示されている。これらの特許文献1及び2に記載の技術は、厚板かつ長大な鋼管に対して拡管及び断面修正(真円化)を行うものである。
【0005】
一方、薄肉管を拡径する加工法に関し、特許文献3(特許第2799106)には、「筒状、棒状等の材料と加工目的形状の型部を有する金型を同一中心線上に各中心線を一致させて設置し、該材料、金型の一方または双方に高速微振動と回転を与えながら、材料と金型を中心線方向に加圧接触して、材料を目的形状に絞りまたは拡張成形加工するようにした、材料の絞り、拡張成形加工法」が開示されている。
【0006】
【特許文献1】
特開平8−300069号公報
【特許文献2】
特開昭52−39566号公報
【特許文献3】
特許第2799106号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近時のマフラー、触媒コンバータ等の自動車用排気系部品においては、軽量化と低コスト化に鑑み、金属製の容器(ケーシング)の板厚を薄く形成すると共に、端部にネッキング部を一体的に形成する構造が主流となりつつある。特に、素管の所定範囲を所定の径まで拡径して容器の胴部を形成し、素管のまま残された両端部に対し、スピニング加工等によってネッキング加工を施すことが要求されている。即ち、ネッキング加工対象の両端部を除く素管の全長に亘って、所定の径まで適切に拡径加工を行う技術が要請されている。
【0008】
この場合において、従来の拡径方法においては、薄肉(例えば、厚さが1.0mm前後のSUS材)の管が拡径加工によって更に薄肉化(厚さが1.0mm以下)されるので、塑性加工上の限界に達していた。例えば、拡径加工の指標を「厚さ/直径(t/D)」で表すと、直径120mmの場合で、指標は0.01から0.0067となっている。
【0009】
特に、割型式(コレット式)の所謂メカニカルエキスパンダによって一挙に拡径する方法が一般的であるが、この方法によると、拡径範囲が一挙に薄肉化されるので、加工対象が薄肉である場合には亀裂や座屈を生ずるおそれもあり、拡径範囲が長大になると、例えば自動車用排気系部品として必要な、軸方向長さで数十cm以上の拡径範囲となると、そのおそれが一層大きくなる。また、慎重に拡径加工を行うことにより不具合を発生することなく拡径できたとしても、コレットによって通常の方法で圧縮される以上、多角形断面となることは不回避であり、真円の断面形状を確保することはできない。
【0010】
このように、薄板の金属製筒状部材(薄肉管)を長い範囲に亘って任意の径の真円となるまで拡径し得る方法及び装置の実現が要請されている。特に自動車用排気系部品においては、その外筒(管部材)を薄肉材で形成し、その両端部(ネッキング部)を除く胴部全体に亘って、均一に拡径することが強く要請されている。
【0011】
前掲の特許文献1(特開平8−300069)は、素材鋼管に対し軸方向長さ(幅)が短いエキスパンダを挿入し、初期位置で拡径加工を行い、エキスパンダを閉じた後に、若干回転(割出)させて再度拡径加工を行って真円化し、次工程においてエキスパンダを軸方向へ移動させて同様の拡径工程を繰り返すというものである。しかし、この方法が適用される管は肉厚7mm以上の鋼管であり、仮に前述の指標(t/D)が自動車用排気系部品の指標に近い値であっても、拡径塑性加工における限界は異なる。即ち、初期位置で鋼管を拡径すると、エキスパンダ両側にはテーパ部が形成され、次工程においてこのテーパ部は再度塑性加工を受けて拡径部が形成されることになるが、薄肉部に対する複数回の拡径加工は素材の脆弱化を惹起することになる。また、エキスパンダ幅毎の割出を伴う逐次拡径加工は、加工時間の短縮化が困難であるので、自動車用排気系部品の量産工程としては実現性に乏しい。
【0012】
これに対し、特許文献2(特開昭52−39566)においては、初期位置で拡径加工を行い、エキスパンダをそのまま(開いたまま)の状態で回転(割出)させつつ軸方向へ移動させることとしており、螺旋状拡径によって上記の真円化と加工時間の短縮に関する問題は改善できる。しかし、拡径時に進行方向への圧力(圧縮荷重)を加えることは、加工部での座屈を誘発するため、薄肉管への適用は困難である。このように、従来の厚板且つ長大な鋼管用の拡管及び断面修正技術は、薄肉管の拡径加工には適用できない。
【0013】
一方、薄肉管を拡径する加工方法として、特許文献3(特許第2799106)に記載の方法があるが、これは管端のみに対する拡径加工であり、拡径用テーパ型を管端に挿入するにあたり、型に対し高速微振動と回転を与えながら管軸方向に加圧移動させることによって、管端から一定範囲に亘って螺旋状に拡径加工を行うものである。しかし、この方法はあくまでも管端を拡開する(押し拡げる)方法であるので、薄肉管に対し常に軸方向への圧縮荷重がかかり、また拡径部と型(の拡径部分)との摩擦とによって、拡径加工部(テーパ部)での座屈を誘発するおそれがある。しかも、型で定まる径までは拡径できるが、それ以上は不可能であり、任意の径への拡径加工を行う場合には型を交換しなければならない。当然乍ら、薄肉管の両端部(ネッキング部)を除いた胴部全体に亘る拡径(中央拡径)も不可能である。
【0014】
更に、前述の、板材から形成された管部材の長手方向に延在する溶接部に関する問題も、薄肉管の加工では顕著となる。通常、薄肉金属管の拡径率は20%程度であるが、溶接部の拡径率は5%前後と低い。このため、溶接部の拡径率が5%以下になるような設定が必要であった。例えば、前述のメカニカルエキスパンダにおいては、各コレット間の材料の伸び(拡径率)が大きく、コレット中央部分の材料の伸びが小さいため、コレットの周方向中央部分に溶接部が位置するように調整する割出管理が必要であり、しかも何回かに分けて少しずつ拡径加工を行う必要があった。その結果、工程の複雑化や加工効率の低下を招いていた。
【0015】
そこで、本発明は、加工対象の管部材が薄肉であっても、少なくとも軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径し得る管部材の拡径方法を提供することを課題とする。
【0016】
また、本発明は、加工対象の管部材が薄肉であっても、少なくとも軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径し得る管部材の拡径装置を提供することを別の課題とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の管部材の拡径方法は、請求項1に記載のように、加工対象の管部材の管軸に平行な複数の拡径部材を円筒状に並設し、各々の拡径部材を管軸から放射方向に移動可能に支持すると共に、前記複数の拡径部材内に摺動自在に収容する駆動部材を備え、該駆動部材と前記各々の拡径部材を軸方向相対移動可能に支持して成る拡径工具を、前記管部材内に収容し、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、前記管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径することとしたものである。
【0018】
上記請求項1に記載の拡径方法において、前記駆動部材を、前記管軸に沿って振動させながら前記管部材に対し軸方向移動させ、前記複数の拡径部材を回転駆動して前記駆動部材を一体的に回転駆動することにより、前記拡径部材を放射方向に振動させると共に放射方向に駆動することができる。
【0019】
更に、請求項1に記載の拡径方法において、請求項2に記載のように、前記各々の拡径部材を、前記管部材の内面に押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材の所定範囲の軸方向距離を、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動する工程を複数回行い、前記管部材の軸方向の所定範囲に亘って拡径することとしてもよい。
【0020】
そして、本発明の管部材の拡径装置は、請求項3に記載のように、加工対象の管部材の管軸に平行な複数の拡径部材を円筒状に並設し、各々の拡径部材を管軸から放射方向に移動可能に支持すると共に、前記複数の拡径部材内に摺動自在に収容する駆動部材を備え、該駆動部材と前記各々の拡径部材を軸方向相対移動可能に支持して成る拡径工具と、該拡径工具を前記管部材内に収容し、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、前記管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径する駆動手段とを備えることとしたものである。
【0022】
更に、請求項3に記載の拡径装置において、請求項4に記載のように、前記駆動手段は、前記管部材の内面に前記各々の拡径部材を押接した状態で、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を、前記管軸を中心に相対的に回転するように駆動すると共に、前記管部材の所定範囲の軸方向距離を、前記管部材と前記拡径工具の少なくとも一方を前記管軸に沿って相対的に移動させ、前記駆動部材と前記各々の拡径部材の軸方向相対移動に応じて前記各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動する工程を複数回行い、前記管部材の軸方向の所定範囲に亘って拡径するように構成してもよい。
【0023】
また、請求項3に記載の拡径装置において、請求項5に記載のように、前記複数の拡径部材と前記駆動部材とを摩擦接触状態で支持して成り、前記駆動手段は、前記複数の拡径部材を回転駆動する回転駆動手段と、前記管部材に対し前記駆動部材を前記管軸に沿って相対的に移動させる軸方向駆動手段とを備え、該軸方向駆動手段によって前記駆動部材を前記管軸に沿って振動させながら、前記管部材に対し前記駆動部材を前記管軸に沿って相対的に移動させ、且つ、前記回転駆動手段によって前記複数の拡径部材を回転駆動して前記駆動部材を一体的に回転駆動し、前記拡径部材を放射方向に振動させると共に放射方向に駆動するように構成するとよい。
【0024】
更に、請求項5に記載の拡径装置において、請求項6に記載のように、前記複数の拡径部材は、複数のコレットで構成し、前記駆動部材は、前記複数のコレット内に摺動自在に収容し、前記複数のコレットと摩擦接触するコーン形状部を有するドローバーを備えたものとし、該ドローバーのコーン形状部の外面が前記複数のコレットの内面に摩擦接触するように支持するとよい。
【0025】
更に、請求項6に記載の拡径装置において、請求項7に記載のように、前記管部材の両端部の外周に夫々密着して把持する一対のクランプを備え、前記ドローバーの移動に応じて一方のクランプを他方のクランプに近接するように駆動するとよい。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の望ましい実施形態を説明する。先ず、本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置の全体構成について図1を参照して説明する。図1に示すように、筐体のベース1に、軸方向駆動手段10、回転駆動手段20、拡径工具30及び保持手段40が配設されている。軸方向駆動手段10及び回転駆動手段20は本発明の駆動手段を構成するもので、軸方向駆動手段10は、先端部にコーン部31(以下、単にコーン部31という)を有し駆動部材を構成するドローバー32を管軸(後述する管部材Wの軸で、図1の水平方向に延在する)に沿って振動させると共に、ドローバー32を図1の水平方向に駆動し、管部材W(二点鎖線で示す)に対しドローバー32を管軸に沿って相対的に移動させるように構成されている。
【0027】
具体的には、ボールスクリュー11が図1の水平方向に延在するようにベース1に支持されており、このボールスクリュー11に螺合する回転シリンダ12が、ベース1上に移動可能に支持されている。ボールスクリュー11は、ベース1上に固定されたサーボモータ13によってベルト14を介して回転駆動されるように構成されている。回転シリンダ12は、ドローバー32を従動的に回転可能に支持すると共に、ドローバー32を図1の水平方向に振動させるように構成されている。而して、回転シリンダ12はドローバー32を振動させ乍ら、ボールスクリュー11の回転作動に応じて、その軸に沿って移動する。
【0028】
また、ベース1上に固定された支持筐体2に、回転駆動手段20としてモータ21が固定されており、その回転力がVベルト22を介してチャック23に伝達されるように構成されている。このチャック23はドローバー32を摺動自在に支持すると共に、カバー24と共にコレット33を放射方向に摺動自在に支持するもので、これらと共にドローバー32の軸(管部材Wの管軸と同軸)回りを例えば図1のα方向に回転し得るように支持筐体2に支持されている。尚、軸方向駆動手段10の回転シリンダ12及びサーボモータ13、回転駆動手段20のモータ21等はコントローラCTによって駆動制御される。
【0029】
拡径工具30は、管部材Wの管軸に平行な複数の拡径部材たるコレット33が円筒状に並設されると共に、各コレット33が管軸から放射方向に移動可能に支持されており、駆動部材を構成するドローバー32のコーン部31が、各コレット33内に摺動自在に収容されている。各コレット33は全てその後端が放射方向に屈曲されており、その屈曲部がカバー24によって摺動自在に保持されている。これにより、各コレット33は放射方向(径方向)に移動可能とされている。各コレット33の内面はコーン部31の外面(テーパ面)と摩擦接触されており、回転駆動手段20によって各コレット33が図1のα方向に回転駆動されると、コーン部31を介して摩擦接触状態にあるドローバー32が一体的に回転駆動される。このとき、ドローバー32は従動的に回転するが、回転シリンダ12によってドローバー32が早い周期(具体例は後述する)で振動するように駆動されると共に、サーボモータ13によってドローバー32がボールスクリュー11と平行に図1のβ又はγ方向に駆動される。
【0030】
即ち、ドローバー32が図1のγ方向(右方向)に駆動されると、各コレット33が管部材Wの管軸から外側に向かって振動しながら移動し(開き)、拡径工程となる。逆に、ドローバー32が図1のβ方向(左方向)に駆動されると、各コレット33が管軸方向に振動しながら移動し(閉じ)、縮径工程となる。而して、各コレット33は放射方向に振動すると共に放射方向に駆動される。尚、ドローバー32の先端にはガイドバー34が螺着され、同軸とされている。
【0031】
一方、上記の拡径工具30等に対向するように、保持手段40が配置されている。即ち、図1の左側に、ボールスクリュー41が水平方向に延在するように(ボールスクリュー11と平行に)ベース1に支持されており、このボールスクリュー41に螺合する移動ベース42が、ベース1上に移動可能に支持されている。ボールスクリュー41は、ベース1上に固定されたサーボモータ43によってベルト44を介して回転駆動されるように構成されている。而して、移動ベース42は、ボールスクリュー41の回転作動に応じて、その軸に沿って移動する。
【0032】
移動ベース42にはクランプ45が固定されると共に、ボールスクリュー41と平行にレール49が固定されており、このレール49上を移動可能にクランプ46が配置されている。更に、クランプ45と反対側に、クランプ46と一体的に移動するホルダ47が配置されている。これらクランプ46及びホルダ47は、移動ベース42に固定されたシリンダ48によって進退可能とされている。尚、このシリンダ48は、サーボモータ43、クランプ46及びホルダ47の開閉装置(図示せず)等と共にコントローラCTによって制御される。
【0033】
ホルダ47は、ドローバー32を片持ち支持して加工する場合の軸ブレを防止するため、ガイドバー34の軸方向への移動を許容し放射方向への移動(ブレ)を阻止するものである。尚、ホルダ47は必須ではなく、管部材Wに対する加工時の支持状態に応じて適宜設けることとすればよい。
【0034】
本実施形態のクランプ45及び46は管部材Wの両端部の外周に密着して把持するもので、レール49に平行な面(例えば鉛直面)で二分割されており、この面を中心に開閉し得るように構成されているが、他のクランプ装置を用いることとしてもよい。これらのクランプ45及び46によって、図3に示すように管部材Wの両端が強固に保持されるが、管部材Wの溶接位置に対するクランプ時及び加工時の割出等の調整は必要ない。
【0035】
尚、後述するように管部材Wの拡径加工を行うときに、シリンダ48によってクランプ46をクランプ45に近接するように駆動すれば、管部材Wに対し軸方向の圧縮荷重が付加される。これにより、管部材Wに対する軸方向の塑性流動が促進され、拡径時の薄肉化を防止することができる。
【0036】
而して、本実施形態によれば、拡径工具30を管部材W内に収容するように両者を相対的に移動し、管部材Wの内面に各コレット33を押接した状態で、管部材Wの軸(管軸)を中心に回転するように駆動すると共に、管部材Wに対して拡径工具30を軸方向駆動して管軸に沿って移動させることによって、各コレット33を放射方向に振動させながら駆動することができ、管部材Wを軸方向の少なくとも所定範囲に亘って所定の径に拡径することができる。以下、具体的な実施例として、内径102mmの管部材Wのワークに対し、その中央部の所定範囲(軸方向距離L)に亘って、内径120mmの拡径部を3パスで形成する場合の作動を説明する。尚、図示は省略するが、管部材Wの内面に各コレット33を押接した状態で、拡径工具30に対して管部材Wを回転駆動することによって、管軸を中心に相対的に回転するように構成してもよい。また、拡径加工中も、拡径工具30に対して管部材Wを軸方向駆動することによって、管軸に沿って相対的に移動させるように構成してもよい。
【0037】
先ず、クランプ45及び46によって管部材Wの両端部(非拡径部)が強固に保持される。そして、サーボモータ43によって、これらが回転シリンダ12方向(図1の右方)に駆動され、図2に示す開始位置で停止する。このとき、ドローバー32のコーン部31は、図2に示すように管部材W内の左側に配置されており、各コレット33は相互に近接した状態(閉状態)にあって、管部材W内の加工開始位置に配置されている。この状態の管部材Wと各コレット33等との関係を図3に拡大して示す。
【0038】
図3の状態で、モータ21によって、コレット33が100rpmで回転駆動されると共に、回転シリンダ12によってドローバー32が所定の周波数(33Hz)で軸方向(β及びγ方向)に振動するように駆動される。即ち、ドローバー32のコーン部31と摩擦接触状態のコレット33(及びドローバー32)がα方向に1回転する間に、コレット33が放射方向に1mmのストローク(振幅)で20回振動する周波数(33Hz)に設定され、各コレット33に対し33Hz/mmの微小振動が付与される。この場合において、各コレット33を回転及び振動させながら、管部材W内に挿入し所定の開始位置に配置することとしてもよい。尚、図3ではコレット33が管部材Wの内面に当接しているが、実際はコレット33の振動の最大振幅時に、図3に示すように管部材Wの内面に当接もしくは近接するように配置され、管部材Wに対して拡径力が付与されないように配置される。
【0039】
本実施形態の拡径工程では、3パス(往復1回+片道1回)で半径9mmの拡径が行われるので、1パス当たりでは半径3mmの拡径となる。即ち、初期半径51mmから1パス目で半径54mmとなり、2パス目で半径57mm、更に3パス目で目標半径60mmとなるように拡径される。図3乃至5では、理解を容易にするため拡径量を誇張して示しているが、先ず初期位置において、各コレット33を振動及び回転させながらコレット33の外径が100mm(101mm−振幅)から107mmとなるまでコレット33を徐々に放射方向に移動させ(開き)、管部材Wに対し内径102mmから内径108mmへの拡径を達成すると、図4の状態となる。尚、管部材Wのスプリングバックが大きい場合には、コレット33の外径が107mm以上となるまで移動させて(開いて)、スプリングバック(縮径)の結果として内径108mmが得られるようにしてもよい。
【0040】
初期位置で管部材Wの内径108mmへの拡径が終了すると、そのまま各コレット33を振動及び回転させながら、コレット33の外径を維持した状態で、管軸に沿って軸方向距離L(図5に示す)だけ移動すると1パス目の拡径が終了する。次に、1パス目の終了位置においてコレット33の外径が107mmから113mmへと拡大され、その状態で上記と同様の拡径加工が行われ、管部材Wの内径が114mmとなると、2パス目の拡径が終了する。更に、コレット33の外径が113mmから119mmへと拡大され、その状態で上記と同様の拡径加工が行われ、管部材Wの内径が目標の120mmとなり軸方向長さLに亘る拡径部が形成されると、3パス目の拡径が終了し、図5に示す状態となる。
【0041】
これにより拡径が完了し、断面が略真円の拡径管Pが形成される。この後、コレット33の回転及び振動が停止され、あるいは回転及び振動が維持された状態で、サーボモータ43によって移動ベース42が後退駆動され、拡径管Pがコレット33から離脱する。尚、上記拡径工程における各パスの所要時間(即ち、移動時間)としては5秒前後が好適である。また、各パスにおける拡径率は5%以下が好ましい。
【0042】
而して、拡径時の塑性流動が周方向及び軸方向へ円滑且つ均一に行われる。この結果、拡径加工の指標(t/D)が0.01以下で、拡径加工が困難な薄肉の管部材に対しても、20%程度の(通常の板厚の管部材並の)拡径が可能となるばかりか、加工部の板厚も周方向及び軸方向ともに円滑且つ均一となる。
【0043】
尚、上記の実施例は一例に過ぎず、各種の数値(パラメータ)は材質及び加工状態に応じて適宜設定すればよい。また、図1及び図2の装置に限定するものではなく、種々の構造を採用することができる。上記の実施例でも円滑且つ均一な板厚の拡径部を形成することができるが、更に高精度とする場合には、最終パスにおいて、拡径部の外側から拘束する外型を用いることとしてもよい。
【0044】
また、上記の実施例では、管部材Wの両端部を残して中央部を拡径したが、全長に亘って拡径することとしてもよいし、一方の端部のみを残しその他の部分全てを拡径することとしてもよい。例えば、少なくとも一方の端部を非拡径部とし、そこから触媒担体及び保持部材を挿入(圧入)し、その後、少なくとも一方の端部に一体又は別体でネッキング部を形成することにより、触媒コンバータ、DPF(ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ)等の浄化装置を構成することもできる。尚、最終製品としては、自動車の排気系部品に限らず、燃料電池用改質器等、種々の流体処理装置に適用することができる。
【0045】
特に、本発明の拡径方法による高精度な拡径により、所謂「拡径サイジング」が可能となり、その後の圧入及び触媒担体の保持を、高精度で達成することができる。また、本発明の拡径方法は、拡径後に両端部の非拡径部に対してスピニング加工によってネッキング部を形成し、SUS製の薄肉管によって自動車用消音器を形成するのに好適である。このとき、本発明の拡径方法によって20%程度の拡径率を確保し、両端部のスピニング加工によって20%程度の縮径率を確保することとすれば、見かけ上、40%の拡径率(縮径率)を得たことになる。即ち、このような拡径率(縮径率)を、管素材に対する塑性加工のみによって達成できることになり、これによる効果は極めて大きい。尚、本発明は、円筒状の管素材に対し拡径加工を行う場合に限らず、一端部を加工した中間加工品の中央部を拡径する場合にも適用可能であるので、管部材としたものである。
【0046】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、請求項1及び2に記載の管部材の拡径方法においては、各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径することができるので、加工対象の管部材が薄肉であっても軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径することができる。
【0047】
また、請求項3及び4に記載の管部材の拡径装置においては、管部材の内面に各々の拡径部材を押接した状態で、駆動手段によって、各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動し、管部材の軸方向の少なくとも所定範囲に亘って拡径するように構成されているので、加工対象の管部材が薄肉であっても軸方向の所定範囲に亘って断面が略真円となるように管部材を拡径することができる。
【0048】
また、請求項5及び6に記載のように構成することとすれば、回転駆動手段及び軸方向駆動手段によって容易且つ適切に、各々の拡径部材を放射方向に振動させながら駆動することができる。更に、請求項7に記載のように構成し、ドローバーの移動に応じて一方のクランプを他方のクランプに近接するように駆動すれば、管部材に対する軸方向の塑性流動が促進され、拡径時の塑性流動が周方向及び軸方向へ円滑且つ均一に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置の断面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工開始状態を示す断面図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工開始位置の管部材と拡径工具との関係を拡大して示す断面図である。
【図4】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工途中の管部材と拡径工具との関係を拡大して示す断面図である。
【図5】本発明の一実施形態に係る管部材の拡径装置において、拡径加工完了後の管部材と拡径工具との関係を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
1 ベース, 10 軸方向駆動手段, 12 回転シリンダ,
20 回転駆動手段, 21 モータ, 24 カバー,
30 拡径工具, 31 コーン形状部, 32 ドローバー,
33 コレット, 40 保持手段, 45,46 クランプ,
W 管部材, CT コントローラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for expanding a pipe member that expands at least over a predetermined range in the axial direction of the pipe member, for example, a method for expanding a pipe member suitable for manufacturing a container for an exhaust system part for automobiles, and the like. Related to the device.
[0002]
[Prior art]
Various methods and apparatuses have been proposed for expanding the diameter of pipe members and for correcting the cross section of a steel pipe and correcting the cross-section (particularly rounding). (Kaihei 30-300069) and Japanese Patent Laid-Open No. 52-39566.
[0003]
In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 8-300069), “in the method of expanding a metal tube, after performing the first tube expansion by a tube expansion tool element arranged in a substantially cylindrical shape and parallel to the tube axis direction, There is disclosed a method of expanding a metal tube, characterized in that a second expansion is performed by rotating a tube expansion tool element by a predetermined angle in the circumferential direction. Further, it is described that “the tool element can hit the entire range of the inner surface of the steel pipe by moving the steel pipe by a distance corresponding to the length of the tool axis in the direction of the pipe axis and sequentially expanding the pipe”.
[0004]
Further, Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 52-39566) states that “a pipe on a die head device that can be expanded radially with a pipe having a spiral weld seam and has a spiral groove on the surface of the die head. The spiral groove is provided so as to coincide with the spiral weld seam of the pipe that contacts the die head device, and the die head device in the pipe is expanded to gradually advance and rotate the pipe. , A method and apparatus for expanding a pipe that extends along the entire length of the pipe and is held such that the helical weld seam substantially coincides with the helical groove of the die head device. These techniques described in
[0005]
On the other hand, regarding a processing method for expanding the diameter of a thin-walled tube, Patent Document 3 (Patent No. 2799106) states that “a cylindrical shape, a rod-shaped material, and a mold having a shape of a processing target shape are placed on the same center line. The materials and mold are pressed or contacted in the direction of the center line while applying high-speed fine vibration and rotation to one or both of the material and mold, and the material is drawn or expanded to the desired shape. A material drawing and expansion molding method "which is to be processed is disclosed.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-8-300069
[Patent Document 2]
JP 52-39566 A
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 2799106
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the exhaust system parts for automobiles such as recent mufflers and catalytic converters, in light of weight reduction and cost reduction, a metal container (casing) is formed with a thin plate thickness, and a necking portion is provided at the end. An integrally formed structure is becoming mainstream. In particular, it is required to expand a predetermined range of the raw tube to a predetermined diameter to form a body portion of the container, and to perform necking processing by spinning or the like on both end portions remaining as the raw tube. . That is, there is a demand for a technique for appropriately expanding the diameter up to a predetermined diameter over the entire length of the raw tube excluding both ends of the necking target.
[0008]
In this case, in the conventional diameter expansion method, the thin-walled pipe (for example, a SUS material having a thickness of around 1.0 mm) is further thinned (thickness is 1.0 mm or less) by the diameter expansion process. The limit on plastic working has been reached. For example, when an index for diameter expansion processing is represented by “thickness / diameter (t / D)”, the index is 0.01 to 0.0067 in the case of a diameter of 120 mm.
[0009]
In particular, a method of expanding the diameter at once by a so-called mechanical expander of a split type (collet type) is general, but according to this method, the diameter expansion range is reduced at once, so that the object to be processed is thin. In some cases, cracks and buckling may occur, and if the expanded diameter range becomes long, for example, if the expanded diameter range is several tens of centimeters or more in the axial length, which is necessary as an exhaust system part for automobiles, there is a risk of that. It gets bigger. In addition, even if the diameter can be expanded without causing problems by carefully expanding the diameter, it is unavoidable to have a polygonal cross section as long as it is compressed by a collet by a normal method. The cross-sectional shape cannot be ensured.
[0010]
Thus, there is a demand for the realization of a method and an apparatus capable of expanding a thin metal cylindrical member (thin tube) over a long range until it becomes a perfect circle having an arbitrary diameter. Particularly in automobile exhaust system parts, there is a strong demand for the outer cylinder (tube member) to be formed of a thin material and to have a uniform diameter expansion over the entire body portion excluding both ends (necking portions). Yes.
[0011]
In the above-mentioned Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 8-300069), an expander having a short axial length (width) is inserted into a raw steel pipe, diameter expansion processing is performed at an initial position, and the expander is closed slightly. Rotating (indexing) and performing diameter expansion processing again to make a perfect circle, and in the next process, the expander is moved in the axial direction and the same diameter expansion process is repeated. However, the pipe to which this method is applied is a steel pipe having a thickness of 7 mm or more, and even if the above-mentioned index (t / D) is close to the index of the exhaust system parts for automobiles, the limit in the diameter expansion plastic working Is different. That is, when the diameter of the steel pipe is expanded at the initial position, tapered portions are formed on both sides of the expander. In the next process, the tapered portion is subjected to plastic working again to form the expanded diameter portion. Multiple diameter expansion processes will cause the material to become brittle. In addition, the sequential diameter expansion processing with indexing for each expander width is difficult to shorten the processing time, so that it is not feasible as a mass production process for automobile exhaust system parts.
[0012]
On the other hand, in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 52-39566), the diameter is expanded at the initial position, and the expander moves in the axial direction while rotating (indexing) as it is (opened). Therefore, the problems related to rounding and shortening of the processing time can be improved by spiral expansion. However, applying a pressure (compressive load) in the traveling direction during diameter expansion induces buckling in the processed part, so that it is difficult to apply to a thin-walled tube. Thus, the conventional pipe expansion and cross-section correction techniques for thick and long steel pipes cannot be applied to the diameter expansion processing of thin-walled pipes.
[0013]
On the other hand, as a processing method for expanding the diameter of a thin tube, there is a method described in Patent Document 3 (Patent No. 2799106). This is a diameter expansion processing only for the tube end, and a taper die for diameter expansion is inserted into the tube end. In doing so, diameter expansion processing is performed spirally over a certain range from the end of the tube by pressing and moving in the direction of the tube axis while applying high-speed fine vibration and rotation to the mold. However, this method is only a method of expanding (pushing out) the end of the tube, so that a compressive load is always applied to the thin tube in the axial direction, and the friction between the expanded portion and the mold (the expanded portion). There is a risk of inducing buckling in the enlarged diameter processed portion (tapered portion). In addition, the diameter can be expanded to a diameter determined by the mold, but beyond that, it is impossible, and the mold must be replaced when expanding to an arbitrary diameter. Naturally, it is also impossible to expand the diameter (central diameter expansion) over the entire body portion excluding both ends (necking portions) of the thin-walled tube.
[0014]
Furthermore, the above-described problems relating to the welded portion extending in the longitudinal direction of the pipe member formed from the plate material are also significant in the processing of the thin-walled pipe. Usually, the expansion ratio of the thin metal pipe is about 20%, but the expansion ratio of the welded portion is as low as about 5%. For this reason, it was necessary to set the diameter of the weld to be 5% or less. For example, in the above-described mechanical expander, since the elongation (diameter expansion ratio) of the material between the collets is large and the elongation of the material at the collet central portion is small, the weld is positioned at the circumferential central portion of the collet. The index management to be adjusted is necessary, and it is necessary to carry out the diameter expansion process little by little. As a result, the process is complicated and the processing efficiency is lowered.
[0015]
Therefore, the present invention provides a method for expanding the diameter of a tubular member that can expand the diameter of the tubular member so that the cross section is substantially a perfect circle over a predetermined range in the axial direction even if the tubular member to be processed is thin. The issue is to provide.
[0016]
In addition, the present invention provides a diameter expansion device for a pipe member that can expand the diameter of the pipe member so that the cross section is substantially a perfect circle over at least a predetermined range in the axial direction even if the pipe member to be processed is thin. Providing is another issue.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, the diameter expansion method of the pipe member according to the present invention includes a plurality of diameter expansion members parallel to the tube axis of the pipe member to be processed, arranged in a cylindrical shape, Shi , Supports each expanded member so that it can move radially from the tube axis And a drive member that is slidably accommodated in the plurality of diameter-expanding members, and supports the drive member and each of the diameter-expanded members so as to be relatively movable in the axial direction. The diameter expansion tool is accommodated in the tube member, and at least one of the tube member and the diameter expansion tool is inserted into the tube in a state where the diameter expansion member is pressed against the inner surface of the tube member. Driving relatively to rotate about an axis, and relatively moving at least one of the tube member and the diameter expanding tool along the tube axis; According to the axial relative movement of the drive member and each of the enlarged member Each of the diameter-expanding members is driven while vibrating in the radial direction, and the diameter is expanded over at least a predetermined range in the axial direction of the pipe member.
[0018]
the above The diameter expansion method according to
[0019]
Further claims 1 In the diameter expansion method according to claim, 2 As described in the above, at least one of the tube member and the diameter expansion tool is relatively rotated around the tube axis in a state where each of the diameter expansion members is pressed against the inner surface of the tube member. And at least one of the tube member and the diameter expanding tool is relatively moved along the tube axis. According to the axial relative movement of the drive member and each of the enlarged member It is good also as expanding the diameter over the predetermined range of the axial direction of the said tube member by performing the process driven while vibrating each said diameter-expanding member in a radial direction several times.
[0020]
And the diameter expansion device of the pipe member of the present invention is the
[0022]
Further claims 3 In the diameter expansion device according to
[0023]
Claims To 3 In the described diameter expansion device, the claim 5 As described above, the plurality of diameter-expanding members and the driving member are supported in a frictional contact state, and the driving means includes a rotation driving means that rotationally drives the plurality of diameter-expanding members, and the tube member. And an axial direction drive means for relatively moving the drive member along the tube axis, and with respect to the tube member while vibrating the drive member along the tube axis by the axial direction drive means. The drive member is relatively moved along the tube axis, and the plurality of diameter-expanding members are rotationally driven by the rotational driving means to rotationally drive the drive members integrally, and the diameter-expanding member is It may be configured to vibrate in the radial direction and to be driven in the radial direction.
[0024]
Further claims 5 In the diameter expansion device according to
[0025]
Further claims 6 In the diameter expansion device according to
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. First, the overall configuration of a pipe member diameter expanding apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, an axial drive means 10, a rotation drive means 20, a
[0027]
Specifically, a
[0028]
In addition, a
[0029]
The
[0030]
That is, when the
[0031]
On the other hand, the holding means 40 is arranged so as to face the above-described
[0032]
A
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
As will be described later, when the diameter of the pipe member W is increased, if the
[0036]
Thus, according to this embodiment, the
[0037]
First, the
[0038]
In the state of FIG. 3, the
[0039]
In the diameter expansion process of the present embodiment, the diameter is increased by 9 mm in 3 passes (one reciprocation + one time in one way), so the diameter is increased by 3 mm per pass. That is, the diameter is increased from the initial radius 51 mm to the radius 54 mm in the first pass, the radius 57 mm in the second pass, and the target radius 60 mm in the third pass. In FIGS. 3 to 5, the amount of diameter expansion is exaggerated for easy understanding. First, in the initial position, the
[0040]
When the expansion of the tube member W to the inner diameter of 108 mm is completed at the initial position, the axial distance L (see FIG. 5) is maintained along the tube axis while maintaining the outer diameter of the
[0041]
Thereby, the diameter expansion is completed, and the diameter expansion pipe P having a substantially perfect cross section is formed. Thereafter, the rotation and vibration of the
[0042]
Thus, the plastic flow during diameter expansion is smoothly and uniformly performed in the circumferential direction and the axial direction. As a result, the diameter expansion processing index (t / D) is 0.01 or less, and even about a thin-walled tube member that is difficult to expand, it is about 20% (same as a normal plate thickness tube member). Not only can the diameter be increased, but also the thickness of the processed portion is smooth and uniform both in the circumferential direction and in the axial direction.
[0043]
The above-described embodiment is merely an example, and various numerical values (parameters) may be appropriately set according to the material and the processing state. Moreover, it is not limited to the apparatus of FIG.1 and FIG.2, A various structure is employable. Even in the above embodiment, a diameter-enlarged portion having a smooth and uniform plate thickness can be formed. However, in the case of higher accuracy, an outer mold that restrains from the outside of the enlarged-diameter portion is used in the final pass. Also good.
[0044]
Further, in the above embodiment, the diameter of the central part is expanded while leaving both ends of the pipe member W. However, the diameter may be increased over the entire length, or all other parts may be left with only one end. It is good also as expanding a diameter. For example, a catalyst carrier and a holding member are inserted (press-fit) from at least one end portion of the non-diameter portion, and then a necking portion is formed integrally or separately at at least one end portion. A purification device such as a converter or a DPF (diesel particulate filter) can also be configured. The final product is not limited to automobile exhaust system parts, but can be applied to various fluid treatment devices such as a fuel cell reformer.
[0045]
In particular, the so-called “diameter sizing” is possible by the highly accurate diameter expansion by the diameter expansion method of the present invention, and the subsequent press-fitting and holding of the catalyst carrier can be achieved with high precision. Further, the diameter expansion method of the present invention is suitable for forming a necking portion by spinning for the non-diameter expanded portions at both ends after the diameter expansion, and forming a muffler for an automobile with a thin tube made of SUS. . At this time, if a diameter expansion ratio of about 20% is secured by the diameter expansion method of the present invention and a diameter reduction ratio of about 20% is secured by spinning at both ends, apparently a diameter expansion of 40%. The ratio (reduction ratio) was obtained. That is, such a diameter expansion rate (diameter reduction rate) can be achieved only by plastic working on the tube material, and the effect of this is extremely great. The present invention is not limited to the case of expanding the diameter of a cylindrical tube material, but can also be applied to the case of expanding the diameter of the center of an intermediate processed product with one end processed. It is a thing.
[0046]
【The invention's effect】
Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as described below. That is,
[0047]
[0048]
Claims 5 as well as 6 If configured as described above, each of the diameter-expanding members can be driven while being vibrated in the radial direction easily and appropriately by the rotational driving means and the axial driving means. Further claims 7 If one clamp is driven close to the other clamp according to the movement of the draw bar, the plastic flow in the axial direction with respect to the pipe member is promoted, and the plastic flow during diameter expansion is Smoothly and uniformly in the direction and axial direction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a pipe member diameter expanding apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a diameter expansion processing start state in the pipe member diameter expansion apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing the relationship between the pipe member at the diameter expansion start position and the diameter expansion tool in the pipe member diameter expansion device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the relationship between a pipe member and a diameter-expansion tool in the middle of diameter expansion processing in the diameter expansion device for a pipe member according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the relationship between the pipe member and the diameter-expanding tool after completion of the diameter-expansion processing in the pipe member diameter-expansion device according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 base, 10 axial drive means, 12 rotating cylinder,
20 rotation drive means, 21 motor, 24 cover,
30 diameter expansion tool, 31 cone shaped part, 32 draw bar,
33 collets, 40 holding means, 45, 46 clamps,
W pipe member, CT controller
Claims (7)
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