JP5268676B2 - 自動車用排気系部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内部に自動車のエンジン等、内燃機関から排出された排気ガスを処理するための触媒担体、フィルター及び消音材などの内挿材を収容した触媒コンバータ、ＤＰＦ（ディーゼル車用粒子状物質除去フィルター）及びマフラーなどの自動車用排気系部品の製造方法に関する。

一般的に触媒コンバータ、ＤＰＦ及びマフラーなどの自動車用排気系部品は、図１に見られるような、比較的大径の本体部１ｃ、エキゾーストパイプに接続される比較的小径の接続部１ａ、および本体部１ｃから接続部１ａに向かって暫時小径となるテーパ状のコーン部１ｂとにより構成された容器１と、当該容器内に収容された触媒担体、フィルター及び消音材などの内挿材から構成されている。以下では、内挿材として触媒担体を収容した触媒コンバータを例にとって説明する。
このような触媒コンバータは、従来、触媒担体が収容される円筒状の本体部１ｃと、円筒管の管端にプレス加工を施すことによって成形された接続部１ａを有するコーン部１ｂとを別々に作製し、触媒担体が収容された状態の本体部１ｃの両端に、それぞれコーン部１ｂを溶接接合して製造されていた。

しかしながら、製造工程の簡略化や耐久性向上等の観点から、近年、触媒担体よりも長い円筒管の内部に触媒担体を収容した後、この円筒管の両端部に、図２に見られるようなスピニング加工を施すことにより、前記本体部１ｃとコーン部１ｂおよび接続部１ａとを一体に成形している。
通常、触媒コンバータでは本体部１ｃと接続部１ａの径の比が大きくなっているために、触媒コンバータ容器部の製造にあたり縮径加工量が多くなっており、多パスのスピニング加工が施されている。

そして、加工時のしわ抑制、加工部の板厚調整、あるいは加工内外面の寸法精度の向上を目的として、例えば図３に見られるように芯金を用いることも実施されている。
しかしながら、多パスで加工する際、芯金が有効に機能するのは最終パスのみであって、途中工程ではほとんど機能しない。また、芯金の保持のための治具が必要になるなどもあって、管端に縮径加工を施す際の芯金利用技術は、必ずしも現実的ではない。
したがって、管端に縮径を目的としたスピニング加工を施す際には、芯金を用いることなく、中空のままの管体にローラを押し付けて成形を行うことが多くなっている。

芯金を用いることなくスピニング加工を施す場合、正常に加工が行われるためには、ローラによる加工力に抗して管体本来の形状を保つ必要がある。
ところが、一方で、このような管体加工品においては、軽量化等を目的として管壁の薄肉化が要求されるようになっている。管体の直径と比して管壁が薄くなると管体の剛性が不足する。その結果、管体加工品の形状精度が低下する。また、スピニング加工を進行させるときに被加工管体が弾性的に撓んだり波打ったりすると、その変形部位にローラが衝突するためにスピニング加工を行った部位にしわが発生したり変形してスピニング加工を続行することができなくなる。すなわち、図４に見られるような不良品となってしまう。
このような形状精度の低下や加工の続行不能の現象は、被加工管体の肉厚が薄いほど、あるいは加工速度を速くするほど起こりやすくなる。

そこで、被加工管体の剛性不足による弾性変形を抑制して、しわや亀裂の発生を防止し、形状精度と加工速度を向上させるために、回転する金属製の管体の外周に加工ローラを押し付けて、成形型なしで前記管体を縮径するスピニング加工方法する際に、前記管体の内側に発泡樹脂からなる充填材を介在させ、前記加工ローラにより前記管体を前記充填材とともに縮径加工することが、特許文献１で提案されている。

特開２００６−３４６６９５号公報

上記特許文献１で提案された方法では、被加工管体の剛性不足に起因する弾性変形を抑制し、また、成形中の振動やしわ・亀裂などの発生を防いで、形状精度や加工速度の向上を図ることができるという、それなりの効果が得られる。
しかしながら、被加工管体の内側に充填した発泡樹脂は、圧力が加わった場合、内部の気泡がつぶれて変形する。したがって外方への反発力は低下してしまって、被加工管体の剛性を補うには不十分である。すなわち、充填した発泡樹脂は、変形量が少ないときは被加工管体の変形に追従してそれなりに機能するが、変形量が多くなった場合には変形量に見合った反発力の発現は期待できない。

また、被加工管体の内側に充填された発泡樹脂は、管端の縮径加工にともなってその形状を管端形状に沿った形に変形されて充填された形態となっている。このため、管端開口部からの発泡樹脂の取り出しは容易ではなく、生産性が悪くなる。しかも、充填材として用いる発泡樹脂の再利用は全く不可能である。したがって、特許文献１で提案された発泡樹脂利用技術は結果的にコスト高となってしまう。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、触媒担体、フィルター及び消音材などの内挿材を収容する金属製管体の管端に縮径部を形成する際に、被加工管体の剛性不足による弾性変形を抑制して、しわや亀裂の発生を防止し、形状精度と加工速度の向上を図って生産性よくスピニング加工し、精度の高い触媒コンバータ、ＤＰＦ及びマフラーなどの自動車用排気系部品を低コストで製造することを目的とする。

本発明の自動車用排気系部品の製造方法は、その目的を達成するため、内挿材を収容する金属製管体の管端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金属製管体の半径方向に移動させつつ軸方向に往復動させる縮径加工を施して前記金属製管体の両管端にそれぞれコーン部と接続部を形成して自動車用排気系部品を製造する際に、前記被加工金属製管体の管端内側に弾性を有する板状材からなる巻回体を芯金として挿入した状態で、前記加工ローラにより縮径加工を施すことを特徴とする。
前記弾性を有する板状材としてばね鋼板を用いた巻回体を芯金として使用することが好ましい。
また、所定の長さに裁断された金属製管体の内部に、非膨張性繊維等からなる緩衝材を介して触媒担体などの内挿材を収容した後、前記金属製管体の端部に順次縮径加工を施してもよいし、金属製管体の一端に縮径加工を施した後に内挿材を収容し、その後に金属製管体の他端に縮径加工を施してもよい。

本発明の触媒コンバータなどの自動車用排気系部品の製造方法では、触媒担体などの内挿材を収容する金属製管体の端部に加工ローラを押し当てて縮径加工を施し、コーン部と接続部を形成する際に、芯金として、ばね鋼板などの弾性を有する板状材からなる巻回体を挿入している。ばね鋼板などからなる巻回体は径が可変な芯金となるため、多パスで縮径加工を施す際、全段階において芯金として有効に機能する。しかも被加工管体が薄肉材であっても、被加工管体の剛性不足に起因する弾性変形を抑制することができる。また、成形中の振動やしわ・亀裂などの発生を防ぎ、形状精度や加工速度の向上を図ることができる。さらに、加工後の芯金の除去が容易であるばかりでなく、芯金として巻回体を再利用できるため、生産性よくスピニング加工を行うことができる。その結果として、精度の高い触媒コンバータなどの自動車用排気系部品を低コストで製造することが可能となる。

排気ガス浄化用触媒（コンバーター）などのケースの形状を説明する概略図 スピニング加工法を説明する模式図 芯金を用いたスピニング加工方法を説明する図 スピニング加工時に発生しやすい不具合を説明する図 本発明で用いる径可変芯金としてのばね鋼板巻回体を説明する図 本発明のスピニング加工方法を説明する模式図 実施例の結果をまとめた図

本発明者等は、触媒コンバータなど、内挿材を収容する金属製管体の管端に縮径加工を施す際に芯金として発泡樹脂を用いる特許文献１の技術の問題点を再検討し、径が細くなった時点でも外方に対して強い反発力を発現するとともに、再利用可能な芯金について検討を重ねた。
その過程で、ばね鋼板などの弾性を有する板状材からなる筒状巻回体が芯金として使用し得ることを見出した。
以下にその詳細を、触媒コンバータを例にとって、芯金としてばね鋼板からなる巻回体を使用する態様で説明する。

本発明による触媒コンバータの製造方法で、触媒担体を収容する金属製管体の管端にスピニング加工を施す際に用いる芯金としてのばね鋼板の巻回体は、図５に示すような、通常の薄板ばね鋼板を、一重ないし数重巻きにした筒状のものである。少なくとも、内側の板端が外側の板の内壁に重なっていることが必要である。径が細くなるにしたがって外側の板内壁に沿って摺動しやすいように、図５に見られるように、内側の板端は、内側に折り曲げられていることが好ましい。

ばね鋼板の巻回体は、巻き数が多くなるほど、縮径されたときの反発力は大きくなる。コイルばねと同じである。縮径加工終了後の増大した反発力に抗して巻回体を取り出すことになるので、多大な巻き数の巻回体は必要ではない。ばね鋼板の特性にもよるが、一重ないし二重巻きで十分である。
巻回体の筒の長さは、施そうとする縮径部の長さを僅かに上回る程度とすれば足りる。

次に、上記のようなばね鋼板の巻回体を用いて触媒担体を収容する金属製管体の管端にスピニング加工を施してコーン部と接続部を形成する方法について詳しく説明する。
図６は、本発明の製造方法により管端に縮径加工を施す際の模式図である。まず、図６（ａ）に示すように、緩衝材を介して触媒担体を収容した金属製管体の本体部を図示していないスピニング加工装置のチャックで挟持し、反対側の管端にばね鋼板の巻回体を挿入する。このとき、巻回体はその外方への反発力に抗する力で径が細くされた状態で挿入されるが、反発力に抗する力を取り除いた後は、ばね鋼板の巻回体は被加工管体の内径に合致するまで径が太くなって被加工管体の内側から当該被加工管体の内壁を外方に押圧する形態で内側に保持される。

この状態で、図２，３に見られると同様に、加工ローラにより管端に縮径加工が施される（図６の（ｂ）参照）。この際、前記した通り、ばね鋼板の巻回体は、その反発力により管端内壁に押圧される形態で保持されているので、別途当該ばね鋼板の巻回体を保持・支持する必要はない。管端の縮径加工に伴って巻回体の径は縮径され、その反発力は加工に伴って増大する。
なお、スピニング加工を行うに際し、図２，３は金属製管体を固定し、加工ローラを公転させる態様を示しているが、金属製管体を回転させる態様であってもよい。

ばね鋼板の巻回体からなる芯金の外方への押圧力は、被加工金属製管体の剛性を補うことになるが、この押圧力は縮径加工が進行するに伴って増大するため、金属製管体の肉厚が薄いものであっても、金属製管体自身の剛性不足に起因する弾性変形を抑制することができる。
管端に縮径加工を施す際、被加工部位において材料拘束がないと割れが発生しやすいが、芯金を当てると、殊に本発明のように押圧力を付して芯金を当てると被加工部位の材料拘束の効果はより大きくなり、加工時の割れ発生を防ぐことができるばかりでなく、形状精度や加工速度の向上を図ることができる。

加工終了後、芯金としたばね鋼板の巻回体を取り出す。
加工に伴ってばね鋼板の巻回体の径は細くなり外方に対する反発力はより大きくなっている。このため増大した反発力以上の力を付加してさらに巻回体の径を細くして抜き取る必要がある。増大した反発力以上の力を必要とする以外に、抜き取りに困難な点はない。
抜き取ったばね鋼板の巻回体は、最初の形状に復元するので再び管体の縮径加工に芯金として用いることができる。

触媒担体を収容した金属製管体一端の縮径加工が終わった後、同様に他端の縮径加工を行い、触媒コンバータの製造を終える。
上記態様では、所定の長さに裁断された金属製管体の内部に緩衝材を介して触媒担体を収容した後、前記金属製管体の両端部に順次縮径加工を施しているが、金属製管体の一端に縮径加工を施した後に触媒担体を収容し、その後に金属製管体の他端に縮径加工を施してもよい。
緩衝材としては、アルミナ繊維等、熱による膨張のほとんどない無膨張の繊維をマット状にして用い、このマットを触媒担体の外周に巻いて金属製管体の内部に圧入することが好ましい。

触媒担体を収容する供試の金属管として、外径１５０ｍｍのフェライト系ステンレス鋼電縫管を用いた。この際、素材板厚として０.８ｍｍ、１.０５ｍｍおよび１.２ｍｍの３種類の鋼管を用いた。
芯金として、板厚０.５ｍｍのばね用冷間圧延鋼板（ＪＩＳＧ４８０２，Ｓ５５Ｃ−ＣＳＰＢ）を素材とした、直径１５０ｍｍ、幅１００ｍｍの一重巻き巻回体を用いた。
触媒担体に見立てた鋼管をその外周にアルミナ繊維からなるマットを巻回した状態で圧入した前記３種類の供試鋼管の管端に前記ばね鋼板巻回体を挿入し、加工ローラを回転数６００ｒｐｍで回転しつつ被加工鋼管に当て送り速度６０００ｍｍ／分、パス数１１で管端外径が９０ｍｍになるまで、縮径率６０％で縮径加工した。

素材鋼管の板厚が１.２ｍｍの場合、芯金を用いても用いなくても縮径率６０％まで縮径加工することができた。
これに対して、素材鋼管の板厚が１.０５ｍｍの場合、本発明にしたがってばね鋼板巻回体を芯金とすると６０％までの縮径率で縮径加工ができたが、ばね鋼板巻回体を用いないと６０％の縮径率の縮径加工はできなかった（図７参照）。

また、素材鋼管の板厚が０.８ｍｍの場合、芯金を用いても用いなくても縮径率６０％まで縮径する前に、しわが発生して加工を続けることができなかったが、図７に示すように、芯金を用いなかった場合は加工初期でしわが発生したのに対して、芯金を用いた場合は加工後期にてしわが発生した。
この結果をまとめると表１に示す通りである。芯金としてのばね鋼板巻回体の有用性が理解できる。

以上、内部に触媒担体などの内挿材を収容する被加工金属製管体の管端内側に、ばね鋼板の巻回体を芯金として挿入した状態でスピニング加工することにより、被加工管体のしわや亀裂の発生を防止する自動車用排気系部品の製造方法について、触媒コンバータを例にとり説明したが、本発明は触媒コンバータの製造方法に限定されるものではなく、内部に内挿材としてフィルターや消音材などを収容するＤＰＦやマフラーなどの排気系部品全般の製造方法として使用可能である。
また、芯金となる弾性を有する板状材からなる巻回体については、スピニング加工時に被加工金属製管体の剛性不足に起因する弾性変形を抑制できるものであれば、ばね鋼板以外のものでも適用できることはいうまでもない。

Claims (2)

1. 内挿材を収容する金属製管体の管端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金属製管体の半径方向に移動させつつ軸方向に往復動させる縮径加工を施して前記金属製管体の両管端にそれぞれコーン部と接続部を形成して自動車用排気系部品を製造する際に、前記被加工金属製管体の管端内側に弾性を有する板状材からなる巻回体を芯金として挿入した状態で、前記加工ローラにより縮径加工を施すことを特徴とする自動車用排気系部品の製造方法。
2. 前記巻回体がばね鋼板からなることを特徴とする請求項１記載の自動車用排気系部品の製造方法。