JP4544468B2 - スピニング加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のコンバーターケースやマフラーに用いられる管端に縮径部を有する管体の成形方法に関する。

自動車の排気系に装備される排気ガス浄化用触媒（コンバーター）のケース，あるいは消音器（マフラー）のケースには、大容量化の必要性から素材として大径の管が用いられている。そして、そのケース部材端部には、前後の部材との接続のためにテーパ部と、さらに必要に応じてテーパ部に連続した小径の直管部が備えられている。
図１は、このようなケース１が、素材である大径の管の部分（１ｃ）、前後の部材と接続するために設けられるテーパ部（１ｂ）及びテーパ部に連続した小径の直管部（１ａ）から構成されている例を示す。そして、その成形方法としては、スピニング加工方法が用いられる場合が多くなっている。

スピニング加工方法は、成形工具である加工ローラを被加工管の表面に接触させ、加工ローラを被加工管の周りで相対的に公転させながら、加工ローラを被加工管の半径方向及び軸方向に駆動させて、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、必要に応じてそれに連続する小径の直管部を形成する方法である。
例えば、特許文献１には、被加工管の外周に加工ローラを押し当ててスピニング加工することによりコンバーターケースを製造することが記載されている。

このような形状の部材を成形する方法としてスピニング加工法が多用される背景としては、板材をプレス成形した後に溶接接合する方法と比較して、１）材料歩留りが高い、２）生産効率が高い、３）一体成形であるために部材強度が高い、４）溶接を必要としないために溶接部による部材の信頼性低下がない、等の点が挙げられる。
しかしながら、プレス成形方法と比較して、スピニング加工法では加工ローラを被加工管の軸方向へ繰返し往復動させて成形を進めるため、塑性変形により材料が管端方向に移動しやすく、特にテーパ部の板厚が被加工管の素材板厚よりも局所的に減少する傾向がある。また、縮径された母材部の加工端、あるいは被加工管が電縫管の場合には管端の溶接部の加工端を起点とする破断が起こりやすい。さらに、加工速度を高速度化した場合には、スピニング加工中に加工部にしわが発生し、所定の加工部形状が得られない、といった成形不良が発生しやすくなる。

例えば特許文献２，３では、素材がフェライト系ステンレス鋼板である場合に、鋼の成分組成を調整することや、突合せ電縫溶接部の形状を規定することにより、スピニング加工時の母材部の加工端、あるいは被加工管が電縫管である場合には溶接部の加工端を起点とする割れを起こり難くする技術が提案されている。
特開平１１−１３２０３８号公報 特開２００３−３４２６９４号公報 特開２００４−２４３３５４号公報

しかしながら、特許文献２，３で提案された方法は、いずれも被加工管を加工しやすいように改善しようとするものであって、加工手段そのものの改善方法ではない。いずれの方法を採用しても、母材部の加工端、あるいは被加工管が電縫管の場合には溶接部の加工端を起点とする破断を完全になくすことはできない。また、スピニング加工中に加工部に発生しやすいしわを完全になくすことはできない。
本発明は、このような問題を解消するために案出されたものであり、管端に加工ローラを当接して縮径部を形成する際に、母材部の加工端、あるいは溶接部の加工端を起点とした破断が生じたり、スピニング加工中にしわが発生したりすることのないスピニング加工方法を提供することを目的とする。

本発明のスピニング加工方法は、その目的を達成するため、被加工管と、当該被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、前記加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成する際、または、前記テーパ部と、それに連続する小径の直管部を形成する際、前記加工ローラの軸方向の往復動において管端に達する直前で折り返させて被加工管の管端にラッパ状の突起部を形成した加工を行うことを特徴とする。
その後、形成されたラッパ状の突起部を切断・除去してもよい。

本発明では、加工ローラを被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させて被加工管の端部に縮径部を形成する際に、前記加工ローラを、被加工管の端部を越えて軸方向に往復させるのではなく、管端の直前までの往復にとどめ、管端が受ける縮径加工量を管端以外の加工部よりも小さく抑えている。破断発生の起点となる管端の変形量を縮径部すなわちテーパ部あるいは小径の直管部の母材部や溶接部が受ける塑性変形量に比べて小さくすることにより、破断発生が抑制される。また、しわの発生も抑制されて、形状精度に優れた縮径部が得られる。

本発明者等は、被加工管と、当該被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、前記加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、必要に応じてそれに連続する小径の直管部を形成する際に、母材部の加工端、あるいは溶接部の加工端を起点として発生する破断や、スピニング加工中に発生するしわを抑制する手法について種々検討を重ねてきた。
その結果、加工ローラを、被加工管の端部を越えて軸方向に往復させるのではなく、管端の直前までの往復にとどめ、管端が受ける縮径加工量を管端以外の加工部よりも小さくし、加工端にいわゆるラッパ状の突起部を形成するように加工する（図２参照）ことが有効であることを見出した。
以下にその詳細を説明する。

加工ローラを被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させて被加工管の端部に縮径部を形成する際に、前記加工ローラを被加工管の端部を越えて往復させた場合に、母材部の加工端、あるいは溶接部の加工端を起点とした破断や、スピニング加工中にしわが発生する原因としては、次のような点が考えられる。
すなわち、スピニング加工により被加工管の端部に縮径部を形成する際に、被加工部は塑性変形により加工硬化して徐々に変形し難くなる。さらに縮径加工を続けると、加工硬化の歪みにより変形の限界に達し、縮径加工部破断が発生する。その際、材料拘束が小さく局所変形による歪みが集中しやすい母材部の加工端や、母材部に比べて変形抵抗が大きく局所変形による歪みが集中しやすい溶接部の加工端を起点として破断が発生する。また、破断に至らない場合でも、縮径加工により管の周長が変化する際に、材料拘束が小さい管端部では材料余りや不均一変形となりやすく、管端部でしわが発生する。

そこで、加工端における破断やしわの発生を抑制するためには、管端部において塑性変形量を小さくして加工硬化を抑制すること、及び周方向の材料拘束を増加させて局所変形や不均一変形を抑制することが有効であると想定される。
管端の先端部分での塑性変形量を小さくするため、あるいは周方向への材料拘束を増加するためには、加工ローラを、被加工管の端部を越えて往復させるのではなく、管端の縁までの往復にとどめ、管端が受ける縮径加工量を、最も縮径加工が激しいテーパ部終端あるいはそれに連続する小径の直管部よりも小さくし、加工端にいわゆるラッパ状の突起部を形成するように加工することが有効であることを見出したものである。

すなわち、管端にラッパ状の突起部を形成して塑性変形量を小さくすることにより、破断の起点となる母材部の加工端あるいは溶接部の加工端の加工硬化が抑制され、変形の限界に達し難くなり破断が抑制される。また、加工端にラッパ状の突起部を形成することにより、管端部の剛性が増し、管の周長が変化する際の不均一変形であるしわの発生が抑制される。
なお、スピニング加工が終わった後に、形成されたラッパ状の突起部を切断・除去することにより所望形状の縮径部が得られる。

実施例１；
降伏強さ２５１ＭＰａ，引張強さ４２８ＭＰａ，伸び３６％の機械的特性を有する板厚１．２ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板を素材として用い、プラズマ溶接により直径１２０ｍｍとなるように造管した素管を被加工管とした。
図３に示すように、同軸型スピニング加工の目標形状は、テーパ角θ＝６０度とし、縮径した直管部の直径ｄ₀＝３６〜８４ｍｍ（縮径率３０〜７０％），縮径した直管部の長さＬ₀＝２０〜５０ｍｍとした。

さらに、加工時に加工端に図４に示す寸法で、（ａ）ｄ−ｄ₀≧２ｔ，Ｌ−Ｌ₀≧２ｔとなるようなラッパ状の突起部が形成されるようにスピニング加工条件を設定し、母材部の加工端あるいは溶接部の加工端を起点とする破断、及び加工端でのしわの発生の有無による成形可能範囲を調査した。また、比較のために、（ｂ）加工端にラッパ状の突起部を形成しない場合の条件での成形可能範囲も調査した。いずれも、同一の縮径率，直管部長さの加工条件で３回加工している。
なお、スピニング加工条件として、加工パス数を７パス，軸方向の送り速度を４５００ｍｍ／分で一定とした。

図５に調査結果を示す。
図中、○は破断もしわも発生していない縮径率，直管部長さの加工条件、×は溶接部の加工端で破断が発生した加工条件、◆は加工端でしわが発生した加工条件を示す。
加工端のラッパ状突起部の有無によらず、縮径率が高いほど、また直管部長さが長いほど、溶接部の加工端を起点とする破断及び加工端でのしわが発生しやすくなる。図５の（ａ）にみられるように、加工端にラッパ状の突起部を形成させることにより、図５の（ｂ）の突起部を形成しない場合と比較して、破断及びしわの発生が抑制され、成形可能範囲が拡大することがわかる。

実施例２；
降伏強さ２３９ＭＰａ，引張強さ４２６ＭＰａ，伸び３６％の機械的特性を有する板厚１．０ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板を素材として用い、プラズマ溶接により直径１２０ｍｍとなるように造管した素管を被加工管とした。
図３に示すように、同軸型スピニング加工の目標形状は、テーパ角θ＝６０度とし、縮径した直管部の直径ｄ₀＝３６〜８４ｍｍ（縮径率３０〜７０％），縮径した直管部の長さＬ₀＝２０〜５０ｍｍとした。

さらに、加工時に加工端に図４に示す寸法で、（ａ）ｄ−ｄ₀≧２ｔ，Ｌ−Ｌ₀≧２ｔとなるようなラッパ状の突起部が形成されるようにスピニング加工条件を設定し、母材部の加工端あるいは溶接部の加工端を起点とする破断、及び加工端でのしわの発生の有無による成形可能範囲を調査した。また、比較のために、（ｂ）加工端にラッパ状の突起部を形成しない場合の条件での成形可能範囲も調査した。いずれも、同一の縮径率，直管部長さの加工条件で３回加工している。
なお、この実施例では、スピニング加工条件として、加工パス数を５パス，軸方向の送り速度を８０００ｍｍ／分で一定とした。

図６に調査結果を示す。
図中、○は破断もしわも発生していない縮径率，直管部長さの加工条件、▲は母材部の加工端で破断が発生した加工条件、×は溶接部の加工端で破断が発生した加工条件、◆は加工端でしわが発生した加工条件を示す。
実施例１と比べると１パス当り及び単位時間当たりの加工量が大きくなっているために、成形可能範囲が狭くなっている。
実施例１と同様、加工端のラッパ状突起部の有無によらず、縮径率が高いほど、また直管部長さが長いほど、母材部の加工端あるいは溶接部の加工端を起点とする破断及び加工端でのしわが発生しやすくなる。図６の（ａ）にみられるように、加工端にラッパ状の突起部を形成させることにより、図６の（ｂ）の突起部を形成しない場合と比較して、破断及びしわの発生が抑制され、成形可能範囲が拡大することがわかる。

以上に説明したように、本発明では、スピニング加工において、加工ローラを被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させて被加工管の端部に縮径部を形成する際に、前記加工ローラを被加工管の端部を越えて軸方向に往復させるのではなく、管端の直前までの往復にとどめ、加工端にラッパ状の突起部を形成させることにより、破断発生の起点となる管端の変形量を縮径部すなわちテーパ部あるいは小径の直管部の母材部や溶接部が受ける塑性変形量に比べて相対的に小さくすることができる。このため、加工端での破断発生やしわの発生が抑制され、形状精度に優れた縮径部が得られる。
これにより、スピニング加工により製造した部品の品質を改善できる。さらに、成形可能範囲が拡がることから、所定形状の部品を得るためのスピニング加工条件の設定が容易となり、開発期間の短縮，開発コストの低減が可能となる。

触媒（コンバーター）のケースあるいは消音器（マフラー）の形状を説明する図 スピニング加工部の加工端に形成するラッパ状突起部を説明する図 実施例でスピニング加工実験を行った加工部の目標形状を説明する図 スピニング加工端の形状を示す図、（ａ）実施例，（ｂ）比較例 実施例１の成形可能範囲を示す図、（ａ）実施例，（ｂ）比較例 実施例２の成形可能範囲を示す図、（ａ）実施例，（ｂ）比較例

Claims (3)

1. 被加工管と、当該被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、前記加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成する際、前記加工ローラの軸方向の往復動において管端に達する直前で折り返させて被加工管の管端にラッパ状の突起部を形成した加工を行うことを特徴とするスピニング加工方法。
2. 被加工管と、当該被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、前記加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、それに連続する小径の直管部を形成する際、前記加工ローラの軸方向の往復動において管端に達する直前で折り返させて被加工管の管端にラッパ状の突起部を形成した加工を行うことを特徴とするスピニング加工方法。
3. その後、形成されたラッパ状の突起部を切断・除去する請求項１又は２に記載のスピニング加工方法。

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