JP5063484B2 - 排ガス浄化装置の加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、筒端にスピニング加工を施す排ガス浄化装置の加工技術に関する。

排ガス規制をクリアするための有効な手段として各種の排ガス浄化装置が実用に供されている。そのなかで車両用の排ガス浄化装置は、車両の排気管に介在させるため、触媒を筒体に囲った構造のものが広く採用されている。浄化作用を発揮させるには、触媒の径が排気管の径より大きくなる。そこで、触媒を囲っている筒体の端部は、前後の排気管の径に合うように、縮径させる必要がある。

縮径化は、例えばスピニング加工によって行われる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２３９６５７公報（図５）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１０は従来のスピニング加工方法を説明する図であり、（ｂ）に示すように、筒体１０１を下クランプ１０２と上クランプ１０３とでクランプする。次に、筒体１０１の一端１０５及び他端１０６にスピニングロール１０４、１０４、１０４、１０４を押し付けながら回転させることで、一端１０５及び他端１０６を縮径させる。
このような加工は、スピニング加工法又はへら絞り加工と呼ばれる。

スピニング加工の際に、スピニングロール１０４を筒体１０１の一端１０５及び他端１０６に強く押し付けるため、筒体１０１に大きな外力（曲げ力やねじり力）が加わる。
そこで、（ａ）に示すように、筒体１０１を下クランプ１０２と、上クランプ１０３とで強く挟んで、筒体１０１が動かないようにする。

図１１は従来のクランプの問題を説明する図である。図１０（ｂ）では触媒及びマットが省略されていたが、排ガス浄化装置であれば、筒体１０１内にマット１０８を介して円柱状の触媒１０９が挿入されている。図１０（ｂ）から明らかなように、両端が縮径された後には、触媒１０９を筒体１０１に挿入することはできない。

したがって、図１１に示すように、筒体１０１内にマット１０８を介して円柱状の触媒１０９が挿入されている半完成品１１０が、スピニング加工前に作製される。次にこの半完成品１１０にスピニング加工が施される。
すなわち、半完成品１１０を、下のクランプ１０２と上のクランプ１０３とで、強く挟む。そして、スピニング加工を実施する。

スピニング加工においては、下のクランプ１０２と上のクランプ１０３とによるクランプ力は、大きいほど、半完成品１１０を確実に固定することができる。
そのため、実作業においては、下のクランプ１０２へ上のクランプ１０３を、強く押さえ勝ちである。

クランプ力が大きくなると、僅かではあるが、筒体１０１は横長に楕円化する。この結果、触媒１０９へ上下に圧縮力が加わる。この圧縮力は、ある程度はマット１０８で吸収させることができるが、それを超えると触媒に圧縮力となって作用する。

触媒１０９は、ハニカムセラミックスが採用され、ハニカムは穴と、この穴と囲む壁とからなる。排気ガスとの接触面積を稼ごうとすると、壁は必然的に薄くなる。この結果、過大な圧縮力が加わると、薄い壁に亀裂が入るなどの不具合が起こる。

亀裂の発生を避けるために、下のクランプ１０２と上のクランプ１０３とによるクランプ力を弱めると、スピニング加工時に半完成品１１０が動いてしまう。
すなわち、特許文献１（図５）に記載のチャック構造は、筒体に１０１に触媒１０９が収納されている半完成品１１０のクランプには、不適当であるといえる。

本発明は、筒体内にマットを介して柱状の触媒が挿入されていると共に、外径にバラツキがある半完成品を出発材料として、この半完成品にスピニング加工を施すときに好適なチャック技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、柱状の触媒にマットを巻いて筒体に挿入し、この筒体を縮径装置で縮径して塑性変形させてなる半完成品を得る工程と、前記縮径装置からチャック装置に移した前記半完成品の筒体の外周面を複数の押圧片でチャックするチャック工程と、チャックした状態で前記筒体の端部にスピニングローラを押し付けて縮径又は拡径するスピニング工程とからなる排ガス浄化装置の加工方法において、
前記縮径装置から外す前の前記半完成品の外径と、前記縮径装置から外した後の半完成品の外径との差を記録し、
前記チャック工程では、前記押圧片の前進量が、前記記録した差の１／２を超えないように制御することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、押圧片が筒体に当たる当たり面に、溶射加工により成膜した溶射膜が形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、押圧片は油圧で前進させるとともに、複数の押圧片に同圧の油圧が付与されることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、縮径装置から外す前の半完成品の外径と、縮径装置から外した後の半完成品の外径との差を記録し、チャック工程では、押圧片の前進量が、記録した差の１／２を超えないように制御する。
半完成品は縮径装置から外すと、スプリングバック現象により外径が大きくなる。このスプリングバック量以下だけ、チャック工程で縮径化するのであれば、触媒に悪影響を及ぼす心配はない。すなわち、チャック工程では、押圧片の前進量が、記録した差の１／２を超えないように制御すれば、触媒に悪影響を与えること無しに、チャックすることができる。

請求項２に係る発明では、押圧片が筒体に当たる当たり面に溶射膜が形成されている。溶射膜は、表面に不可避的な凹凸が存在し、摩擦係数が増大する。押圧片で筒体をチャックすると、摩擦係数の大きな溶射膜が筒体の外周面に接するため、チャック力は高まる。この結果、押圧力を下げることができ、触媒の破損をより確実に回避させることができる。

請求項３に係る発明では、押圧片を油圧で移動させる。油圧は、複数の押圧片で同圧とする。この結果、複数の押圧片を均等に筒体に押し当てることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は半完成品を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように柱状の触媒１１にマット１２を巻いて金属製の筒体１３に挿入する。次に、（ｂ）に示すように、筒体１３を縮径装置１５の縮径片１６、１６で外径がＤ１になるまで縮径して塑性変形させる。縮径片１６、１６を外すと、（ｃ）に示すような半完成品１０を得ることができる。

縮径片１６、１６を外すと、僅かに筒体１３が戻り（この現象をスプリングバックという。）、半完成品１０は、やや大きな外径Ｄ２になる。
すなわち、縮径装置１５から外す前の半完成品の外径はＤ１であり、縮径装置１５から外した後の半完成品の外径はＤ２となる。

図２は本発明に係る半完成品及びチャック装置の構造を説明する断面図であり、半完成品１０をチャックするチャック装置、すなわち、排ガス浄化装置加工用のチャック装置２０は、大きなケース２１と、このケース２１に横向きに開けられた大きな穴２２に図面左右に移動可能に挿入されたスライド筒２３と、このスライド筒２３の外周に鍔状に一体形成されたピストン部２４と、このピストン部２４を挟むようにしてケース２１にボルト２５、２５で取り付けられ第１油室２６及び第２油室２７を形成する第１蓋２８及び第２蓋２９と、ケース２１に貫通形成され第１油室２６に繋がっている第１油路３１と、ケース２１に貫通形成され第２油室２７に繋がっている第２油路３２と、スライド筒２３の内周に設けられたテーパ溝３３、３３と、これらのテーパ溝３３、３３に図面左右に移動可能に挿入されている押圧片３４、３４とからなる。

なお、この押圧片３４は、円周で少なくとも８個に分割された分割片である。分割数の根拠は後述する。
スライド筒２３は、ピストン部２４に嵌めたＯリング３６を介してケース２１の穴２２に挿入されているため、回転する心配がある。そこで、スライド筒２３は、アーム３７及びガイドピン３８を介して第１蓋２８に連結され、回転止めが図られている。

また、押圧片３４の図左端面にプレート３９を設け、第２蓋２９にストッパリング４１を設け、このストッパリング４１でプレート３９の移動を制限することで、押圧片３４がテーパ溝３３から抜けないようにした。テーパ溝３３と押圧片３４との関係は、次図で説明する。

図３はテーパ溝と押圧片との関係を説明する図であり、テーパ溝３３は、図面表裏方向にテーパが付いており、溝の奥（図上方）に左右のサイド溝４２、４２が設けられたＴ字溝である。押圧片３４は、サイド溝４２、４２に緩く嵌合する凸条４３、４３を有していて下へ抜ける心配はない。すなわち、押圧片３４は、図面表裏方向に移動自在に、スライド筒２３で支えられている。

押圧片３４の先端（図下方）は、アーチ部４４とされ、当たり面４６には溶射膜４７が形成されている。アーチ部４４は、想像線で示す隣のアーチ部４４、４４とともに円環を少なくとも８個に分割することで得られた分割片である。そのため、スライド筒２３の中心４９を通る放射線５１、５１がなす中心角θは、３６０°／ｎ（ｎは分割数）で表される。この例では、ｎが８であるから、θは４５°となる。アーチ部４４、４４同士の隙間δは、縮径化のために押圧片３４が中心４９へ移動したときに、アーチ部４４、４４同士が当たらぬように設けたクリアランスである。

図４は押圧片の断面図であり、押圧片３４の当たり面４６には溶射膜４７が形成されている。
図５は図４の５矢視図であり、溶射膜４７は、当たり面４６にのみ形成されており、押圧片３４の他の部位には形成されていない。溶射膜４７を必要な部位にだけ設けたので、溶射コストを抑えることができる。４８は油溜め溝である。

図６は図４の６部拡大図であり、溶射膜４７は、硬質微粒子を高温で溶解し、押圧片３４の表面に吹き付けて、成膜されたものであり、外表面には不可避的に凹凸５２が発生する。外表面に、更にブラスト処理を施すことで、任意の粗さに調整することができる。
例えば、硬質微粒子は、超硬金属、炭化タングステン（ＷＣ）であり、膜厚が７０μｍで、ブラスト処理を施し、Ｒａ（算術平均粗さ）を５〜７μｍに調整した。

以上に述べたチャック装置２０の作用を次に説明する。
図７は本発明に係るチャック装置の作用説明図であり、矢印（１）のように、第１油路３１を介して第１油室２６へ圧油を供給する。すると、矢印（２）、（２）のように、スライド筒２３が図左へ移動する。すると、テーパ作用により、矢印（３）、（３）のように、押圧片３４、３４が半完成品１０をチャックする。

第１油室２６の油圧を高めるほど、スライド筒２３が左へ移動して、半完成品１０を強くクランプすることができる。したがって、第１油室２６の油圧力を制御することにより、クランプ力を制御することができる。
半完成品１０に内蔵される触媒１１は脆弱であるため、触媒１１にダメージを与えないようなクランプ力となるように、油圧力を制御する。
すなわち、押圧片の可動範囲にある筒体の外周を、常に一定のクランプ力でチャックできる。

図８は本発明に係るチャック工程とスピニング工程とを説明する図である。
（ａ）に示すように、少なくとも８個の押圧片３４で、半完成品１０を穏やかにクランプする。そして、半完成品１０の一端にスピニングローラ５３、５３、５３を臨ませる。
そして、（ｂ）に示すように、スピニングローラ５３、５３、５３を押し付けながら一端を縮径化することで、排ガス浄化装置５４を得ることができる。

次に、本発明に係る加工方法の要部を詳細に説明する。
先ず、図１に示すＤ１とＤ２の関係を調べるために実験を行った。
外径が、８０ｍｍ〜１２０ｍｍの触媒（排気量６６０ｃｃ〜４５００ｃｃのエンジンに適用可能）を複数個準備する。そして、これらの触媒に各々マットを一巻きし、鋼製の筒体に挿入し、縮径装置に掛けて縮径を実施した。

先に説明したように、縮径装置から外す前の筒体の外径をＤ１、縮径装置から外し後の筒体の外径をＤ２とした場合に、（Ｄ２−Ｄ１）でスプリングバック量が定まる。
上記の実験によれば、（Ｄ２−Ｄ１）は０．２２ｍｍ〜０．３２ｍｍであった。

次工程（チャック工程）で、筒体をチャックする場合には、筒体の外径はＤ２であるために、Ｄ１まで縮径しても問題は起こらない。そこで、チャック工程での押圧片の前進量を、最小値０．２２ｍｍの１／２である０．１１ｍｍに留めることにした。

すなわち、本発明の加工方法は、図１に示すように、柱状の触媒１１にマット１２を巻いて筒体１３に挿入し、この筒体１３を縮径装置１５で縮径して塑性変形させてなる半完成品１０を得る工程と、縮径装置１５からチャック装置２０に移した半完成品１０を対象として、図８（ａ）に示すように、筒体１３の外周面を複数の押圧片３４でチャックするチャック工程と、図８（ｂ）に示すように、チャックした状態で筒体１３の端部にスピニングローラ５３を押し付けて縮径するスピニング工程とからなる排ガス浄化装置５４の加工方法において、縮径装置１５から外す前の半完成品の外径Ｄ１と、縮径装置１５から外した後の半完成品の外径Ｄ２との差（Ｄ２−Ｄ１）を記録し、チャック工程では、押圧片の前進量が、記録した差（Ｄ２−Ｄ１）の１／２を超えないように制御することを特徴とする。

チャック工程では、押圧片の前進量が、記録した差の１／２を超えないように制御すれば、触媒に悪影響を与えること無しに、チャックすることができる。

次に、図８に示す押圧片３４の数（分割数）を検討する。
周知の通り、触媒はセラミックスの焼成品であるため、外径寸法はばらつく。触媒の現実の寸法を勘案して、筒体を縮径処理すると、縮径後の筒体の外径もばらつく。
図９は筒体と押圧片の関係を示す模式図であり、（ａ）に示すように、押圧片３４は（Ｄ２ｍｅａｎ／２）の曲率半径とする。このような押圧片３４に、外径がＤ２ｍａｘの筒体１３が接触すると、半径差の関係で、点Ａと点Ｂで接触する。結果、中央にδａの隙間が発生する。

δａは幾何学的に求めることができる。その計算法を簡単に説明する。（ｂ）に示すように、点Ａと点Ｂとを結んだ弦と円弧との差ｈ１は、半径−半径×ｃｏｓ（θ／２）＝（Ｄ２ｍａｘ／２）・（１−ｃｏｓ（θ／２））で求まる。差ｈ２も同様に（Ｄ２ｍｅａｎ／２）・（１−ｃｏｓ（θ／２））で求まる。ｈ１とｈ２の差がδａとなる。

例えば、θ＝９０°（４分割に相当）、Ｄ２ｍａｘ＝１３４ｍｍとすれば、ｈ１＝（Ｄ２ｍａｘ／２）・（１−ｃｏｓ（θ／２））＝（１３４／２）・（１−ｃｏｓ（９０／２））＝６７×０．２９３＝１９．６２３の計算により、ｈ１は１９．６２３ｍｍとなる。

Ｄ２ｍｅａｎ＝１３２ｍｍとすれば、ｈ２＝（Ｄ２ｍｅａｎ／２）・（１−ｃｏｓ（θ／２））＝（１３２／２）・（１−ｃｏｓ（９０／２））＝６６×０．２９３＝１９．３３１の計算により、ｈ２は１９．３３１ｍｍとなる。
この結果、δａは０．２９２ｍｍ（＝１９．６２３−１９．３３１）となる。

以上、Ｄ２ｍａｘについて説明した。次に、Ｄ２ｍｉｎについて説明する。
（ｃ）に示すように、筒外１３が小径の場合には、押圧片３４の両端にδｂ、δｂの隙間が発生する。隙間δｂは隙間δａと同様に幾何学的に計算で求めることができるが、隙間δａが筒体１３の中心に指向していたのに対して、隙間ｂは筒体１３の中心を指向していない。詳細な計算は省くが、隙間ｂは隙間ａの約１０％増しであった。

以上に説明した計算を、変更したθについても行った。結果を、次表に示す。

ところで、図９（ａ）において、押圧片３４を前進させると、点ａと点ｂで筒体１３が中心に向かって変位する。押圧片３４が剛体であると仮定すれば、点ａや点ｂでの変位が進むに連れて隙間δａは０に近づく。隙間δａが０になれば、押圧片３４が筒体１３に全面的に当たり、筒体１３に及ぼす縮径作用は無視できる程度に小さくなると考える。

隙間δａがチャック工程における筒体１３の変形に密接に関係していることから、隙間δａは小さいほど望ましい。そして、この隙間δａが上述したスプリングバック量の範囲内であれば、内蔵する触媒に悪影響を及ぼさないと考えることができる。隙間δｂについても同様である。

上述の説明では、触媒の外径が８０〜１２０ｍｍの範囲にあるときに、スプリングバック量（Ｄ２−Ｄ１）の実測値は０．２２〜０．３２ｍｍの範囲にあった。このスプリングバック量は直径で求めているので、半分にすることで、δａやδｂと対比することができる。そこで、スプリングバック量の半分で且つ最小値である０．１１０ｍｍをδａやδｂの対照値とする。

表１において、分割数が４の場合は、θが９０°でδａは上述したように０．２９２ｍｍであった。δｂは１０％増しの０．３２１ｍｍである。この０．３２１ｍｍは対照値である０．１１０ｍｍを超えている。すなわち、０．３２１ｍｍでは押圧片を前進させると触媒に悪影響を及ぼす虞がある。したがって、判定は×である。

分割数６の場合は、δｂが０．１４７ｍｍで、対照値０．１１０ｍｍを超えている。したがって、判定は×である。
分割数８の場合は、δｂが０．０８４ｍｍで、対照値０．１１０ｍｍ未満である。したがって、判定は○である。
分割数１２の場合は、δｂが０．０３７ｍｍで、対照値０．１１０ｍｍ未満である。したがって、判定は○である。
分割数１６の場合は、δｂが０．０２１ｍｍで、対照値０．１１０ｍｍ未満である。したがって、判定は○である。

以上の説明から、本発明に係るチャック装置の構成は、次のようにまとめることができる。
柱状の触媒１１にマット１２を巻いて筒体１３に挿入し、この筒体１３を縮径装置１５で縮径して塑性変形させてなる半完成品１０（図１）を、縮径装置１５から取出し、取出した半完成品１０の筒体１３の外周面を複数の押圧片３４でチャックした状態で筒体１３の端部にスピニングローラ５３を押し付けてスピニング加工を施す（図８）際に、筒体１３の外周面をチャックする排ガス浄化装置加工用のチャック装置２０であって、前記押圧片は、以下の条件のもとに、円周で少なくとも８個に分割されていることを特徴とする。

上記の条件下では、８個の分割することにより、均等な押圧を得ることができる。この結果、触媒に局部的に圧縮力が作用する心配はなくなり、触媒の破損を防止することができる。

次に、本発明で行った溶射膜について実験を行った。
実験１〜２：
押圧片の分割数は８とし、これらの押圧片を１．５〜３．０ＭＰａの油圧で前進させて半完成品をチャックし、この半完成品にスピニング加工を施した。

実験１では、溶射膜無しの押圧片を使用した。良好なチャックは、３．０ＭＰａの油圧で達成できた。
実験２では、溶射膜有りの押圧片を使用した。良好なチャックは、１．５ＭＰａの油圧で達成できた。

すなわち、溶射膜を付したことにより、油圧を下げることができた。溶射膜は微細な凹凸を有しているので、溶射膜を付したことにより、押圧片の摩擦係数を高めることができたと考えられる。油圧を下げることができれば、チャック時に筒体の縮径化が軽減され、内部の触媒のダメージをより確実に防ぐことができる。

尚、スピニング加工は、実施例では縮径加工を説明したが、拡径加工であってもよい。

本発明は、車両の排気管に装着される筒形排ガス浄化装置の製造に好適である。

半完成品を得る工程の説明図である。 本発明に係る半完成品及びチャック装置の構造を説明する断面図である。 テーパ溝と押圧片との関係を説明する図である。 押圧片の断面図である。 図４の５矢視図である。 図４の６部拡大図である。 本発明に係るチャック装置の作用説明図である。 本発明に係るチャック工程とスピニング工程とを説明する図である。 筒体と押圧片の関係を示す模式図である。 従来のスピニング加工方法を説明する図である。 従来のクランプの問題を説明する図である。

符号の説明

１０…半完成品、１１…触媒、１２…マット、１３…筒体、１５…縮径装置、２０…排ガス浄化装置加工用のチャック装置、３４…押圧片、４６…当たり面、４７…溶射膜、５３…スピニングローラ、５４…排ガス浄化装置。

Claims (3)

1. 柱状の触媒にマットを巻いて筒体に挿入し、この筒体を縮径装置で縮径して塑性変形させてなる半完成品を得る工程と、前記縮径装置からチャック装置に移した前記半完成品の筒体の外周面を複数の押圧片でチャックするチャック工程と、チャックした状態で前記筒体の端部にスピニングローラを押し付けて縮径又は拡径するスピニング工程とからなる排ガス浄化装置の加工方法において、
   前記縮径装置から外す前の前記半完成品の外径と、前記縮径装置から外した後の半完成品の外径との差を記録し、
   前記チャック工程では、前記押圧片の前進量が、前記記録した差の１／２を超えないように制御することを特徴とする排ガス浄化装置の加工方法。
2. 前記押圧片が前記筒体に当たる当たり面には、溶射加工により成膜した溶射膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の排ガス浄化装置の加工方法。
3. 前記押圧片は油圧で前進させるとともに、複数の押圧片に同圧の油圧が付与されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の排ガス浄化装置の加工方法。

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