JP4650724B2 - 管の引抜加工用工具及びこれを用いた管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、管の引抜加工に用いる工具及びこれを用いた管の製造方法に関し、特に管の内面に挿入されるプラグの位置を安定化させることが可能な管の引抜加工用工具及びこれを用いた管の製造方法に関する。

従来より、各種用途の管を製造するに際し、外径・内径・肉厚等の寸法精度の向上や、表面の平滑性の向上、機械的強度の確保等を目的として、管に引抜加工を施す場合がある。

管の引抜加工は、たとえば図１に示すように、後端をマンドレルＭで支持したプラグ２を管Ｐの内面に挿入し、管Ｐを図１の矢符の方向に引き抜くことによってなされる。プラグ２は、ダイス１及び管Ｐに対して同心状となるように管Ｐの内面に挿入される。この際、管Ｐは、ダイス１の円錐面状のテーパ部１１とプラグ２の円錐面状のテーパ部２１とに沿って変形しつつ、ダイス１の円柱面状のストレート部１２とプラグ２の円柱面状のストレート部２２との間に導かれ、対向する各ストレート部１２で区画されるダイス１の開口部の径を外径とし、プラグ２のストレート部２２の径を内径とする管Ｐに加工される。なお、図１に示すプラグ２にはテーパ部２１が設けられているため、プラグ２ひいてはマンドレルＭの軸方向に作用する力としては、引抜方向（図１の紙面右方向）への摩擦力の他に、引抜方向と逆方向への押戻し力が付加されることになる。

ここで、管Ｐの引抜加工を効率良く実施するための一つの手段として、管Ｐの長さを長くすることが考えられる。しかしながら、管Ｐの長さを長くすると、プラグ２を支持するマンドレルＭの長さも管Ｐに応じて長くする必要が生じる。この結果、プラグ２を特定の位置（軸方向の位置）に固定することが難しくなる。これは、マンドレルＭは一般的に剛性の高い素材を使用して作製されるものの、引抜加工のような強い力が加わる用途ではマンドレルＭの弾性変形が避けられず、その長さが長くなるほど変形量も大きくなるからである。

プラグ２の位置を安定化させる（特定の位置に固定する）ためには、プラグ２ひいてはマンドレルＭに付加される軸方向の力の絶対値とそのバラツキを小さくすれば良い。換言すれば、前述した引抜方向への摩擦力と、引抜方向と逆方向への押戻し力との差が小さくなるように、プラグ２のテーパ部２１の傾斜角（プラグ両角）やダイス１のテーパ部１１の傾斜角（ダイス両角）を設定すれば良いと考えられる。

上記のような観点より、例えば、特許文献１には、プラグのテーパ部の傾斜角及びダイスのテーパ部の傾斜角を所定の値に設定することが開示されている（ただし、特許文献１に記載のプラグは、後端をマンドレルで支持しない所謂フローティングプラグとされている）。

また、特許文献２や非特許文献１にも、ダイスのテーパ部の傾斜角あるいはプラグのテーパ部の傾斜角の例が開示されている。
特開平１１−３００４１１号公報 特開平９−２２５５２２号公報 日本鉄鋼協会編、「第３版鉄鋼便覧III（２）」、丸善、１９８０、第１１７８〜１１７９頁

しかしながら、本発明の発明者らが鋭意検討したところによれば、特許文献１に開示されたプラグのテーパ部の傾斜角及びダイスのテーパ部の傾斜角に設定しただけでは、プラグの軸方向の位置を安定化させることは困難であることが分かった。また、特許文献２や非特許文献１には、プラグのテーパ部の傾斜角とダイスのテーパ部の傾斜角との最適な組合せについて開示されていない。

本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、管の内面に挿入されるプラグの位置を安定化させることが可能な管の引抜加工用工具及びこれを用いた管の製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明の発明者らは鋭意検討した結果、プラグのテーパ部の傾斜角（プラグ両角）及びダイスのテーパ部の傾斜角（ダイス両角）を所定の範囲内に設定することにより、プラグひいてはマンドレルに付加される軸方向の力の絶対値を小さくできることを知見した。また、プラグ表面の粗さが大きいと、たとえ適当な潤滑剤を塗布したとしても管との間の摩擦抵抗の変動が大きくなる結果、前記付加される力が変動してしまうことを見出した。換言すれば、プラグのストレート部及びテーパ部の長手方向の表面粗さを所定値以下に規定すれば、前記付加される力の変動を抑制できることを知見した。

本発明は、発明者らが見出した上記の新しい知見に基づき完成されたものである。すなわち、本発明は、円錐面状のテーパ部を具備するダイスと、前記ダイスによって絞られながら引抜加工される管の内面に挿入され、円柱面状のストレート部及び当該ストレート部に連設された円錐面状のテーパ部を具備するプラグとを備えた管の引抜加工用工具であって、前記ダイスのダイス両角をα（°）、前記プラグのプラグ両角をβ（°）とした場合に、以下の式（１）及び式（２）を満足すると共に、前記プラグのストレート部及びテーパ部の長手方向の算術平均粗さＲａが０．２０μｍ以下とされていることを特徴とする管の引抜加工用工具を提供するものである。
１５≦α≦３０ ・・・（１）
α−１０≦β≦α−３ ・・・（２）

斯かる発明によれば、ダイスのダイス両角αが式（１）を満足し、プラグのプラグ両角βが式（２）を満足するように、ダイス及びプラグの形状を設定することにより、プラグひいてはマンドレルに付加される軸方向の力、すなわち、引抜方向への摩擦力と引抜方向と逆方向への押戻し力との差の絶対値を小さくすることが可能である。また、プラグのストレート部及びテーパ部の長手方向の算術平均粗さＲａを０．２０μｍ以下とすることにより、プラグひいてはマンドレルに付加される力の変動を抑制することができる。その結果、プラグの位置を安定化させることが可能である。

なお、本発明における「ダイス両角」とは、図１（ｂ）に示すように、ダイスの軸方向断面においてダイスのテーパ部の内縁が成す角度α（ダイスのテーパ部の内縁が軸方向に対して成す角度の２倍）を意味する。また、本発明における「プラグ両角」とは、図１（ｂ）に示すように、プラグの軸方向断面においてプラグのテーパ部の外縁が成す角度β（プラグのテーパ部の外縁が軸方向に対して成す角度の２倍）を意味する。

また、本発明は、前記引抜加工用工具を用いて引抜加工する工程を含むことを特徴とする管の製造方法としても提供される。

本発明に係る管の引抜加工用工具によれば、プラグの位置を安定化させることが可能であるため、安定した状態で管の引抜加工を行うことができるという優れた効果を奏するものである。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る管の引抜加工用工具の概略構成を示す断面図であり、図１（ａ）は全体図を、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線で囲った部分の拡大図を示す。図１に示すように、本発明に係る管の引抜加工用工具は、円錐面状のテーパ部１１を具備するダイス１と、ダイス１によって絞られながら引抜加工される管Ｐの内面に挿入され、円柱面状のストレート部２１及びストレート部２１に連設された円錐面状のテーパ部２２を具備するプラグ２とを備えている。

図２は、図１に示すダイス１についてテーパ部１１のダイス両角αを種々の値に設定すると共に、プラグ２についてテーパ部２１のプラグ両角βを種々の値に設定し、これら各種ダイス両角α及びプラグ両角βの組合せからなる工具を用いて管Ｐを引抜加工した場合の安定性を評価した結果を示すグラフである。なお、プラグ２のストレート部２２及びテーパ部２１の長手方向の算術平均粗さＲａは、何れの工具についても０．１０μｍとした。

図２に示すように、ダイス両角αを１５°未満とした場合には、プラグ２が引抜方向に引き込まれて安定した引抜加工を行うことができなかった。これは、図３（ａ）に示すように、ダイス両角αが小さ過ぎると、ダイス１から管Ｐを介してプラグ２に付加される力（反力）の方向（図の白抜き矢符に示す方向）がプラグ２の軸方向から大きく外れるため、当該反力の軸方向成分（すなわち、押戻し力）が小さくなってしまうことが理由であると考えられる。すなわち、プラグ２に付加される管Ｐの引抜方向と逆方向への押戻し力の大きさが小さくなる結果、プラグ２に付加される引抜方向への摩擦力と押戻し力とのバランスが崩れ、プラグ２が引抜方向に引き込まれて安定した引抜加工を行うことができなかったものと考えられる。

一方、図２に示すように、ダイス両角αを３０°よりも大きくした場合には、管Ｐに作用するせん断応力が大きくなり過ぎる結果、ダイス１に管Ｐの材料が焼き付いたり、管Ｐが破断する現象が生じた。

また、図２に示すように、ダイス両角αとプラグ両角βとの差を１０°よりも大きくした場合（すなわち、β＜α−１０）にも、プラグ２が引抜方向に引き込まれて安定した引抜加工を行うことができなかった。これは、図３（ｂ）に示すように、ダイス両角αとプラグ両角βとの差が大き過ぎると（ダイス両角αに対してプラグ両角βが小さ過ぎると）、ダイス１から管Ｐを介してプラグ２に付加される力（反力）の方向（図の白抜き矢符に示す方向）がプラグ２の軸方向から大きく外れるため、反力の軸方向成分（すなわち、押戻し力）が小さくなってしまうことが理由であると考えられる。すなわち、プラグ２に付加される管Ｐの引抜方向と逆方向への押戻し力の大きさが不十分となる結果、プラグ２に付加される引抜方向への摩擦力と押戻し力とのバランスが崩れ、プラグ２が引抜方向に引き込まれて安定した引抜加工を行うことができなかったものと考えられる。

一方、図２に示すように、ダイス両角αとプラグ両角βとの差を３°よりも小さくした場合（すなわち、β＞α−３）にも、プラグ２が引抜方向に引き込まれて安定した引抜加工を行うことができなかった。これは、図３（ｃ）に示すように、ダイス両角αとプラグ両角βの差が小さ過ぎると（ダイス両角αに対してプラグ両角βが大き過ぎると）、プラグ２のテーパ部２１の後端が管Ｐの内面に噛み込んでしまい（図３（ｃ）の破線部）、管Ｐと共に引き抜き方向に引き込まれてしまうことが理由であると考えられる。

これらの結果に対し、ダイス両角αが下記の式（１）を満足し、プラグ両角βが下記の式（２）を満足するダイス１及びプラグ２の組合せからなる工具を用いて管Ｐを引抜加工した場合（図２において「○」でプロットしたデータ）には、上記のような問題が生じることなく、安定した状態で管の引抜加工を行うことが可能であった。
１５≦α≦３０ ・・・（１）
α−１０≦β≦α−３ ・・・（２）

これは、図３（ｄ）に示すように、ダイス１から管Ｐを介してプラグ２に付加される力（反力）の方向（図の白抜き矢符に示す方向）が、図３（ａ）及び（ｂ）に示す場合と比べれば、プラグ２の軸方向に近づく結果、適正な反力の軸方向成分（すなわち、押戻し力）が得られ、プラグ２に付加される引抜方向への摩擦力と押戻し力とのバランスが取れているためだと考えられる。

次に、上記の式（１）及び式（２）の条件を満足する工具について、プラグ２のストレート部２２及びテーパ部２１の長手方向の算術平均粗さＲａを種々の値に変更して管Ｐを引抜加工し、プラグ２が引抜方向に引き込まれる頻度を評価した。図４に評価結果の一例を示す。なお、図４の縦軸に示すプラグ引き込まれ頻度（％）は、プラグ２の引き込まれが生じた管Ｐの本数／引抜加工をした管Ｐの全本数×１００を意味する。

図４に示すように、算術平均粗さＲａが０．２０μｍよりも大きくなると、たとえ上記の式（１）及び式（２）の条件を満足する工具を用いたとしても、プラグ２の引き込まれが生じた。

以上に説明した結果に基づき、本発明に係る引抜加工用工具は、前述した式（１）及び式（２）を満足すると共に、プラグ２のストレート部２１及びテーパ部２２の長手方向の算術平均粗さＲａが０．２０μｍ以下とされている。

表１は、以上に説明した条件を満足する本発明に係る引抜加工用工具と、条件の何れかを満足しない比較例に係る引抜加工用工具とをそれぞれ用い、管の引抜加工をした場合の安定性を評価した結果を示す。なお、表１における「表面粗さＲａ」の欄に示す数値は、プラグのストレート部及びテーパ部の長手方向の算術平均粗さＲａを意味する。また、「評価結果」の欄に「×」で記載したものはプラグの引き込まれが生じたことを、「○」で記載したものはプラグの引き込まれが生じなかったことを意味する。

表１に示すように、本発明に係る引抜加工用工具を用いて管の引抜加工をした場合には、比較例に係る引抜加工用工具を用いて管の引抜加工をした場合と異なり、プラグの引き込まれが生じることなく、安定した状態で管の引抜加工を行うことが可能であった。

図１は、本発明の一実施形態に係る管の引抜加工用工具の概略構成を示す断面図である。 図２は、ダイス両角α及びプラグ両角βを種々の値に設定して管を引抜加工した場合における安定性を評価した結果を示すグラフである。 図３は、図２に示す結果が得られた理由を説明するための説明図である。 図４は、プラグのストレート部及びテーパ部の長手方向の算術平均粗さＲａと、プラグが引抜方向に引き込まれる頻度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・・ダイス
２・・・プラグ
１１・・・ダイスのテーパ部
１２・・・ダイスのストレート部
２１・・・プラグのテーパ部
２２・・・プラグのストレート部
Ｍ・・・マンドレル
Ｐ・・・管

Claims (2)

1. 円錐面状のテーパ部を具備するダイスと、前記ダイスによって絞られながら引抜加工される管の内面に挿入され、円柱面状のストレート部及び当該ストレート部に連設された円錐面状のテーパ部を具備するプラグとを備えた管の引抜加工用工具であって、
   前記ダイスのダイス両角をα（°）、前記プラグのプラグ両角をβ（°）とした場合に、以下の式（１）及び式（２）を満足すると共に、前記プラグのストレート部及びテーパ部の長手方向の算術平均粗さＲａが０．２０μｍ以下とされていることを特徴とする管の引抜加工用工具。
   １５≦α≦３０ ・・・（１）
   α−１０≦β≦α−３ ・・・（２）
2. 請求項１に記載の引抜加工用工具を用いて引抜加工する工程を含むことを特徴とする管の製造方法。

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