JP5302592B2 - ワークピースの肥大加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、塑性材料からなるワークピース、より詳しくは、軸線を有するワークピースに対して、その外面の一部を肥大変形させるワークピースの肥大加工方法に関する。

塑性材料である金属材料の軸部材に所望の段付き形状を与える手法には、切削加工、プレス加工又は型鍛造加工等に加え、軸肥大加工方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。この特許文献１の軸肥大加工方法は、軸部材にその軸線方向の圧縮力を加える一方、軸部材に曲げを加えることで、軸部材における外周面の一部を塑性変形により肥大化させ、この肥大化により軸部材の一部に肥大部が形成される。

このような軸肥大加工方法によれば、切削加工とは異なり、切削屑の発生を招くことなく加工時間の大幅な短縮が図れ、また、プレスや型鍛造加工に比べて、加工機の小形化や加工荷重の大幅の低減が可能となり、近年注目されつつある。
特許第3788751号明細書

ところで、特許文献１の軸肥大加工方法は塑性加工の機構原理に基づくものであるために、軸部材の回転中、軸部材の軸線に対して３°〜６°の曲げ角度でもって軸部材を大きく曲げ、この曲げに起因する回転曲げ応力を軸部材に繰り返して付加する。即ち、特許文献１の軸肥大加工方法は軸部材の回転曲げ応力を肥大変形の駆動力とし、軸部材に逐次的な塑性変形を発生させることで軸部材を肥大させており、軸部材の軸線方向にはその肥大に伴う軸部材の収縮を補償する程度の圧縮力、つまり、その初期降伏強度よりも小さな圧縮力を付加しているに過ぎない。

上述の肥大加工中、軸部材が大きく曲げられると、この曲げ側となる軸部材の部位は軸線から大きく逸れることから、軸部材に座屈を招き易く、その肥大部を安定して加工することが難しい。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とすることは、軸部材等のワークピースにその内部ひずみエネルギを増大させるべく加圧力を軸線方向に加え、この増大した内部ひずみエネルギを積極的に利用することで、ワークピースに座屈をもたらすことなく、ワークピースの一部に安定して肥大部を加工でき、また、内部ひずみエネルギによる肥大部の形成に際して、軸線方向と交差する方向にワークピースに加えられる交番負荷も少なくて済み、更には、肥大加工中のワークピースの疲労損傷を確実に回避できるワークピースの肥大加工方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のワークピースの肥大加工方法は、軸線を有し且つ塑性材料からなるワークピースの外面に非拘束状態の肥大予定域を設けてワークピースを保持し、このワークピースに対して、その内部ひずみエネルギを増大させるべく、初期降伏強度以上の圧縮応力が作用する加圧力を加えるとともに、その軸線と交差する横断方向にワークピースの弾性限度内の交番負荷を加え、ワークピースの増大した前記内部ひずみエネルギを利用して肥大予定域に塑性的な肥大変形を発生させる（請求項１）。

上述の肥大加工方法によれば、交番負荷はワークピースの横断方向でみてワークピースに弾性変形をもたらす程度の応力を繰り返して加えるに過ぎないものの、このような繰り返し応力によって、前述の加圧力の付加により増大したワークピースの内部ひずみエネルギはワークピースを形成している塑性材料の塑性流動に有効に利用され、これにより、非拘束状態にあるワークピースの肥大予定域に塑性的な肥大変形が発生する。

詳しくは、上述の繰り返し応力はワークピースの軸芯で最大、そして、ワークピースの外周ではゼロとなるから、増大した内部ひずみエネルギは先ず、ワークピース内での塑性流動をワークピースの軸芯にて誘発させる。
従って、ワークピースに対する上述の加圧力及び交番負荷の付与が維持されていれば、増大した内部ひずみエネルギを利用したワークピースの肥大変形、いわゆるメカニカルラチェット現象に基づくワークピースの肥大変形が逐次的且つ確実に進行し、この結果、ワークピースに所望の肥大部が形成される。

具体的には、上述の加圧力は、ワークピースの軸線方向に加えられ（請求項２）、そして、交番負荷はワークピースの横断面内に単位体積当たり所定の交番剪断力として加えられる（請求項３）。このような交番剪断力はワークピースの横断面内に繰り返し剪断応力を発生させる。より具体的には、交番剪断力は、例えばワークピースの軸線方向でみて肥大予定域の片側に位置するワークピース片側部位を強制変位させることで発生可能である（請求項４）。

より詳しくは、ワークピース片側部位の強制変位は、ワークピースをその軸線回りに回転させる回転と、軸線上に曲げ中心を有するワークピース片側部位の曲げとにより発生され（請求項５）、この場合、肥大予定域が肥大変形過程にあるとき、交番剪断エネルギの過度な付与を阻止すべくワークピース片側部位の曲げ角及び曲げ中心の位置を制御するのが好ましい（請求項６）。

上述した曲げ角や曲げ中心の制御は、交番剪断エネルギが過度になってしまうのを阻止するのみならず、肥大予定域を肥大変形させる際、ワークピースの横断面内に作用する繰り返し剪断応力の大きさや、応力分布を適性なものにする。ここでの適性化は肥大予定域を肥大化させた肥大部に所望通りの外形形状を提供する。
また、ワークピース片側部位の強制変位は上述の回転曲げ以外に、ワークピース片側部位の首振り旋回運動（請求項７）や振り子運動（請求項８）によっても発生可能であり、これら首振り旋回運動及び振り子運動はワークピースの軸線上に中心を有する。また、ワークピース片側部位の強制変位は、ワークピースの軸線を中心とした交番捻り運動（請求項９）によっても発生可能であり、何れの場合にもワークピースの横断面内に交番剪断エネルギを加えることができる。

更には、交番剪断力は、ワークピース片側部位の強制変位に限らず、ワークピースに交番衝撃トルク（請求項１０）や曲げ又は捻りの振動（請求項１１）を付与することでも発生可能であり、そして、ワークピースが中空の管部材である場合には、ワークピースの一端を閉塞した状態で、ワークピースの他端開口から音響エネルギ（請求項１２）を導入することでも発生させることができる。

なお、上述の首振り旋回運動の首振り角や首振り中心、振り子運動の振幅や中心、交番衝撃トルクの大きさ、交番捻り運動の捻り角、捻り又は曲げの振動の振幅及び音響エネルギの大きさ等もまた、交番剪断エネルギの適性化を図るうえでは、前述の回転曲げでの場合と同様に制御されるのが望ましい。
更にまた、肥大予定域は外形拘束部材内にて肥大変形されてもよく（請求項１３）、この場合、外形拘束部材は肥大予定域を肥大変形させた肥大部の外周形状を決定する内周面形状を有する（請求項１４）。具体的には、外形拘束部材は肥大部を傘歯車に形成する（請求項１５）。

一方、外形拘束部材はワークピースに肥大部を介して一体的に結合されるものであってもよく（請求項１６）、この場合、外形拘束部材とワークピースとの結合は肥大ばめとなる。

請求項１〜１６のワークピースの肥大加工方法は、ワークピースに対して、その内部ひずみエネルギを増大させるべく、初期降伏強度以上の圧縮応力を作用させる加圧力を加える一方、ワークピースの横断方向にはその弾性限度内の交番負荷を加えることで、増大した内部ひずみエネルギを利用してワークピースの肥大予定域内にその軸芯からの材料の塑性流動を確実に誘発させ、ワークピースの肥大予定域を安定して肥大変形させる。それ故、ワークピースに対して過大な交番負荷をその横断方向に加える必要がないので、肥大加工中、ワークピースに座屈変形や疲労損傷が生じることはなく、ワークピースに所望の外形の肥大部を確実に形成可能となる。

また、肥大部の形成にはワークの増大した内部ひずみエネルギが利用されるので、肥大変形の推進に要求される交番負荷の低減をも同時に図れ、更には、肥大変形に伴う発熱を極めて少なくできる。この結果、ワークピースの温度上昇が無視できることから、ワークピースを冷却しなくとも青熱脆性等のワークピースの熱変質を防止でき、肥大加工の作業性は極めて良好となる。

図１は、本発明のワークピースの肥大加工方法を示す概念図である。
図１中、ワークピース（以下、単にワークと称する）Ｗは塑性材料、具体的には金属材料からなる軸部材で示されており、本発明の肥大加工方法は、ワークＷに対し、軸方向に加圧力、即ち、初期降伏強度以上の圧縮応力を作用させて、内部ひずみエネルギを増大させるとともに、ワークＷの軸線と交差する横断方向にはその弾性限度内の交番負荷を加えることで実施される。

図１では、加圧力がワークＷの両端から軸線方向に加えられる状態で表されている。
上述の交番負荷はワークＷの横断方向に繰り返して加えられることから、ワークＷの横断面内に繰り返し応力が作用する。このような繰り返し応力によって、加圧力の付加により増大したワークＷの内部ひずみエネルギはワークＷに塑性流動をもたらす。

ここで、前記繰り返し曲げ応力はワークＷの軸芯にて最大となり、そして、その外周ではゼロとなることから、上述の塑性流動はワークＷの軸芯から誘発される。それ故、ワークＷに対する加圧力及び交番負荷の付与が維持され、そして、ワークＷの外周面に非拘束状態の肥大予定域（図１の例では、ワークＷの軸線方向全域の外周面に相当）が設けられていれば、肥大予定域ではワークＷの軸芯から誘発される塑性流動が増大した内部ひずみエネルギによって促進され、肥大予定域はいわゆるメカニカルラチェット現象に基づき逐次的に肥大変形する。

図２（ａ），（ｂ）は、第１実施例の肥大加工方法を実施するための肥大加工機を概略的に示す。
肥大加工機は基準線Ａを有し、この基準線Ａ上に配置された一対のスリーブホルダ１，２を備えている。これらスリーブホルダ１，２は基準線Ａに沿って互いに離間し、一方のスリーブホルダ１は基準線Ａの回りに回転可能であるとともに、基準線Ａ上の１点を中心として傾動可能である。より詳しくは、スリーブホルダ１はその傾動角θ及び前記１点、即ち、傾動中心Ｏの位置をそれぞれ制御可能でもある。

これに対し、他方のスリーブホルダ２は基準線Ａの回りに回転自在に支持されているとともに、スリーブホルダ１に対し、基準線Ａに沿って接離可能であり、そして、スリーブホルダ１に向かう所定の加圧力を受けることができる。
スリーブホルダ１，２はスリーブ孔をそれぞれ有し、これらスリーブ孔内にワークＷの両端部をそれぞれ受け入れ可能となっている。受け入れられたワークＷの両端は対応する側のスリーブホルダ１，２内の受け部材４，５に受け止められ、これにより、ワークＷは受け部材４，５間に挟み込まれる。ここで、本実施例の場合、ワークＷは金属材料からなる中実の軸部材である。

図２（ａ）は、スリーブホルダ１，２間にワークＷがセットされた初期状態、つまり、肥大加工前の状態を示している。この肥大加工前の状態では、スリーブホルダ１，２は基準線Ａに沿って所定の距離Ｌoだけ互いに離間しており、この場合、スリーブホルダ１，２間に露出したワークＷの外周面が非拘束状態にある肥大予定域となる。また、スリーブホルダ１の傾動中心Ｏはスリーブホルダ１からスリーブホルダ２側の所定の距離だけ離れているものの、ワークＷの軸線上、例えば肥大予定域内に存在する。

上述の状態からスリーブホルダ２に加圧力が加えられると、ワークＷはその軸線方向に圧縮され、加圧力はワークＷにその初期降伏強度以上の圧縮応力を発生させる。これにより、ワークＷ内の内部ひずみエネルギは増大する。このようなワークＷの圧縮状態にて、スリーブホルダ１を傾動させながら、スリーブホルダ１を基準線Ａの回りに回転させると、ワークＷもまたスリーブホルダ１，２とともに軸線回りに回転し、そして、スリーブホルダ１とともに傾動中心Ｏに一致した曲げ中心から曲げられる。ここで、ワークＷの傾動角θは、ワークＷの曲げがその弾性限度の変形内に収まるべく抑制される。

上述したワークＷの回転及び曲げ動作は、スリーブホルダ１内におけるワークＷの片側部位に強制変位を与え、この強制変位は、ワークＷの軸線（基準線Ａ）と直交する横断面内に前述した交番負荷、具体的には単位体積当たり所定の交番剪断力を発生させる。
このような交番剪断力はワークＷの横断面内に繰り返し剪断応力を加え、この繰り返し剪断応力によって、前述の加圧力により増大されたワークＷの内部ひずみエネルギはワークＷ内にその軸芯からの材料の塑性流動を誘発させる。従って、ワークＷに対する加圧力及び交番剪断力の付与が維持されていれば、スリーブホルダ１，２間の非拘束状態にあるワークＷの肥大予定域での塑性流動が増大した内部ひずみエネルギによって促進される。つまり、肥大予定域にメカニカルラチェット現象に基づく肥大変形がもたらされ、図２（ｂ）に示すように、肥大予定域は径方向外側に向けて肥大変形する。なお、このような肥大変形の逐次的な進行に伴い、スリーブホルダ２は加圧力を受け続けていることで、スリーブホルダ１に向けて移動する。

この後、上述の肥大変形により得られたカラー状の肥大部Ｈが所定の大きさに成長し、スリーブホルダ１，２間の間隔がＬoから所定のＬまで減少した時点で、スリーブホルダ１の傾動は元に戻され、そして、スリーブホルダ１の回転もまた停止される。この後、肥大加工されたワークＷはスリーブホルダ１，２間から取り外される。
上述の肥大加工の過程にて、ワークＷの曲げ、即ち、スリーブホルダ１の傾動角θや、ワークＷの曲げ中心Ｏの位置が制御される。これらの制御は、ワークＷの曲げをその弾性限度内に確実に抑制するばかりでなく、ワークＷの横断面内での繰り返し剪断応力の大きさや分布を適性化するうえで有効となり、肥大部Ｈのより安定した形成を可能とする。

なお、ワークＷの肥大変形は肥大部Ｈのみにて発現するものでなく、スリーブホルダ１，２内でのワークＷの部位にも生じる。それ故、ワークＷの肥大加工が進行するに連れて、スリーブホルダ１，２はワークＷの両端部を強固に把持することになり、スリーブホルダ１，２にワークＷのための特別なチャックは不要である。
図３（ａ）は、ワークＷの圧縮応力及び傾動角を所定の値に設定した状態、ワークＷの肥大加工が実施されたとき、ワークＷの回転回数Ｎが増加するに連れて、ワークＷの肥大変形が進行することを表し、図３（ａ）中、Ｄ_Ｎ／Ｄ_０は前述した肥大部Ｈの肥大率を示す。即ち、Ｄ_０，Ｄ_ＮはワークＷ本来の外径、肥大部Ｈの外径をそれぞれ示す。

ここで、Ｄ_N／Ｄ₀は図３（ａ）中に記載した式から求めることができ、式中の記号の意味は以下の通りである。
ε₀：ワークＷの外径が２倍に肥大したときの平均軸方向歪み
Ｎ₀：回転時定数
Ｎ₀ ^*：Ｎ₀の曲げ角度依存係数
σ_C：ワークＷの軸線方向の圧縮応力
θ：傾動角
α₁：Ｎ₀の傾動角依存指数
α₂：Ｎ₀の加圧応力依存指数
一方、図３（ｂ）は、図３（ａ）の結果をワークＷの回転回数をパラメータとして回転時定数Ｎ₀と肥大率Ｄ_N／Ｄ₀との関係に置き換えて示したものであり、図３（ｃ）は、圧縮応力σ _CをパラメータとしたワークＷの傾動角θと回転時定数Ｎ₀との関係をそれぞれ示す。

図３（ａ）は、回転回数Ｎの上昇に連れて肥大率Ｄ_Ｎ／Ｄ_０が所定の値に収束し、図３（ｂ）は回転時定数Ｎ_０が小さい程、肥大率Ｄ_Ｎ／Ｄ_０が増大することを示す。そして、図３（ｃ）から明らかなように、回転時定数Ｎ_０を一定として同一の肥大率を達成するには圧縮応力σ_Ｃを大きくし、且つ、傾動角θを小さくすればよい。
それ故、前述した実施例での場合のように、ワークＷの軸方向の圧縮応力をその初期降伏強度以上に大きくする一方、ワークＷの傾動角θに関してはワークＷにその弾性限度内の変形が生じる程度に制限することで、ワークＷの肥大部Ｈを迅速且つ有効に形成可能となる。

即ち、図３（ｃ）から明らかなように、前述した特許における従来の肥大加工方法は、ワークＷの圧縮応力を基本負荷とし、ワークＷの回転曲げによる繰り返し引張・圧縮応力を逐次的な塑性変形の駆動力としてワークＷの肥大加工を行うのに対し、本発明の肥大加工方法は、ワークＷの加圧力によりワークＷが蓄積する内部ひずみエネルギを増大させ、この増大した内部ひずみエネルギがワークＷの回転曲げにより生じる交番剪断力をトリガとしてワークＷの逐次的な塑性変形の駆動力として利用されることで、ワークＷの肥大加工を行うものである。

それ故、本発明の肥大加工方法によれば、従来の方法に比べ、ワークＷに要求される傾動角θが１０分の１程度で済むので、ワークＷの高速回転が可能となり、その肥大加工に要求される時間もまた大きく短縮可能となる。
図４（ａ）〜(ｄ)は、第２実施例の肥大加工方法を実施するための肥大加工機を概略的に示す。

この第２実施例の肥大加工機は、第１実施例のスリーブホルダ２，１に対応する保持部材６及びスリーブホルダ７を備え、保持部材６は図４（ａ）に示されるように中空軸部材としてのワークＷの一端を固定して保持する。これに対し、スリーブホルダ７は図４（ｂ），（ｃ）に示されるようにワークＷの他端を保持するものの、この他端はスリーブホルダ７に対して相対的に回転自在である。

また、スリーブホルダ７は回転体８に取り付けられ、回転体８の軸芯に対して偏心可能である。具体的には、スリーブホルダ７は回転体８の溝９に摺動自在に嵌合され、送りねじ１０より溝９に沿って移動可能である。更に、回転体８はその軸線、つまり、ワークＷの軸線に対して傾動可能となっている。
保持部材６とスリーブホルダ７との間にてワークＷを保持するにあたり、スリーブホルダ７は回転体８と同心に位置付けられている。この状態で、ワークＷの両端は保持部材６及びスリーブホルダ７にそれぞれ保持される。この後、回転体８の傾動を伴いながら回転体８に対してスリーブホルダ７を所定の偏心量Ｅだけ偏心させると、図４（ｄ）に示されるように、ワークＷの他端は回転体８と同心の位置Ｐoから偏心位置Ｐeに移動し、これに伴い、図４（ａ）中、破線で示すようにワークＷの片側部位に曲げが加えられる。ここでのワークＷの曲げは第１実施例の場合同様に、その弾性限度内の変位内に抑制されることは言うまでもない。

この状態で、保持部材６を介してワークＷに加圧力を加えてワークＷに初期降伏強度以上の圧縮応力を発生させる一方、回転体８を回転させれば、ワークＷは軸線回りの回転を伴うことなく、その片側部位が首振り旋回運動し、この首振り旋回運動はワークＷに強制変位を付与する。
このような首振り旋回運動は、偏心量Ｅに応じてワークＷの片側部位を繰り返して曲げることから、ワークＷの横断面内に繰り返し剪断力、即ち、交番剪断応力を発生させる。それ故、ワークＷの肥大予定域は前述した第１実施例の場合と同様な原理に基づいて肥大変形し、これにより、肥大予定域に肥大部が形成される。

スリーブホルダ７の偏心量Ｅや回転体８の傾動角は調整可能であり、それ故、第２実施例の肥大加工機の場合でも、肥大加工の過程にて、首振り旋回運動の首振り角や首振り中心の位置が制御され、ワークＷに過大な交番剪断力が加わるのを阻止する一方、形成すべき肥大部に応じて交番剪断力の大きさや分布の適性化が図られる。
図５（ａ），（ｂ）は、第３実施例の肥大加工方法を実施するための肥大加工機を概略的に示す。

第３実施例の肥大加工機もまた、第１実施例のスリーブホルダ１，２に対応するスリーブホルダ１１，１２を備えているが、第３実施例の場合、ワークＷは軸部材ではなく帯状の板材である。
それ故、スリーブホルダ１１，１２はワークＷの両端部を受け入れ可能とする矩形の孔をそれぞれ有する。そして、スリーブホルダ１１，１２は基準線Ａの回りに回転されるのではなく、スリーブホルダ１１のみが基準線Ａを中心として交番傾動可能となっている。このようなスリーブホルダ１１の交番傾動は、ワークＷの片側部位にその軸線を中心としてワークＷの板面と直交する方向の振り子運動を付与し、この振り子運動がワークＷの片側部位を強制変位させる。

上述の振り子運動は、スリーブホルダ１１，１２間のワークＷの部位（肥大予定域）をその弾性限度内の変形に制限した状態で繰り返して曲げ、ワークＷの横断面内に繰り返し剪断応力、即ち、交番剪断力が加えられる。それ故、本実施例の場合にも、スリーブホルダ１２を介して加えられるワークＷの加圧力により、その初期降伏強度以上の圧縮応力がワークＷの軸線方向に加えられることで、交番剪断力及びワークＷの加圧力（圧縮応力）は前述の実施例の場合と同様なメカニカルラチェット現象に基づきワークＷの肥大予定域に肥大部Ｈを形成する。この場合、スリーブホルダ１１，１２は回転しないので、ワークＷの肥大部ＨはワークＷの両面からそれぞれ突出したリブとなる。

なお、本実施例でも、スリーブホルダ１１の交番傾動の傾動角や傾動中心の位置は調整可能であって、これにより、ワークＷに過大な交番剪断力が加わることはなく、また、交番剪断力の適性化が可能である。
図６（ａ），（ｂ）は、第４実施例の肥大加工方法を実施するための肥大加工機を概略的に示す。

第４実施例の肥大加工機もまた、第１実施例のスリーブホルダ１，２に対応するスリーブホルダ２１，２２を備えている。スリーブホルダ２１は、基準線Ａの回りに回転可能であるのに対し、スリーブホルダ２２は回転不能である。
より詳しくは、本実施例のワークＷも中実の軸部材からなり、その両端がスリーブホルダ２１、２２内の受け部材２３，２４の内端に当接した状態で、ワークＷは受け部材２３，２４間に挟持されている。なお、スリーブホルダ２１内にはスリーブ状のスペーサ２５が配置されており、このスペーサ２５は受け部材２３及びワークＷの片側部位をスリーブホルダ２１と協働して囲繞している。

受け部材２３の外端は筒状をなした駆動体２６に連結され、この駆動体２６の外周部からは突起２７が基準線Ａに沿って突出されている。突起２７は揺動リンク２８の一端部に嵌合され、揺動リンク２８の他端部には図７に示されるように連接ロッド２９の一端に連結されている。連接ロッド２９の他端は減速機付きモータ３０の出力軸に対し、偏心して取り付けられている。

上述の構成によれば、モータ３０が回転されると、モータ３０の回転は連接ロッド２９、揺動リンク２８及び突起２７を介して駆動体２６の往復回動に変換され、この結果、駆動体２６は基準線Ａを中心とする所定の角度範囲内にて受け部材２３を往復回動させる。
更に、図８に示されているように受け部材２３，２４の内端面には複数の歯３１が設けられており、これらの歯３１は対応する内端面にて、その周方向に等間隔を存して配置されている。

上述したように受け部材２３，２４の内端間にワークＷが挟持されたとき、受け部材２３，２４の歯３１は対応する側のワークＷの端面に噛み込み、これにより、受け部材２２，２４はワークＷと一体的に結合される。ここで、ワークＷの両端面が切断して得たままの粗面であれば、これら両端面に対する歯３１の噛み込みはより良好となり、後述するワークＷの肥大加工を実行するうえで実用的なものとなる。

受け部材２４側のワークＷの部位は回転不能な固定状態にあり、また、受け部材２３，２４がワークＷと一体に結合した状態にあることから、ワークＷにスリーブホルダ２２の受け部材２４を介して加圧力が加えられ、その初期降伏強度以上の圧縮応力が発生されている状態で、前述したように駆動体２６が受け部材２３を往復回動させると、この往復回動はワークＷの片側部位にその軸線を中心とした交番捻り（円弧）運動を付与し、この交番捻り運動はワークＷにその弾性限度内での強制変位を与える。

上述の交番捻り運動はワークＷの横断方向に交番剪断応力を付与し、この交番剪断応力がワークＷ内を伝播することで、スリーブホルダ２１，２２間におけるワークＷの肥大予定域での横断面内に繰り返し剪断応力を加える。この結果、前述の実施例の場合と同様にメカニカルラチェット現象に基づき、ワークＷの肥大予定域が肥大変形し、図６（ｂ）に示されるような肥大部Ｈが形成される。

なお、本実施例の場合にあっても、肥大加工中、ワークＷの捻り角を制御することで、過大な交番剪断力の発生を防止する一方、その適性化が図られることは言うまでもない。
上述した第１〜第４実施例では何れもワークＷの片側部位に強制変位を与えることで、ワークＷに単位体積当たりの交番剪断力を発生させているが、第５実施例の肥大加工方法では、ワークＷの片側部位を強制変位させる代わりにワークＷの片側部位に交番剪断力としての交番衝撃トルクを加えることで、メカニカルラチェット現象に基づきワークＷの肥大予定域を肥大変形させる。

具体的には、第５実施例の肥大加工方法を実施するための肥大加工機は、第４実施例での駆動体２６の突起２７と揺動リンク２８との密嵌状態を図９に示されるように突起２７と揺動リンク２８との遊嵌状態に変更することで実現される。このように突起２７と揺動リンク２８が遊嵌状態にあれば、揺動リンク２８に揺動に伴い、突起２７を介して駆動体２６、即ち、ワークＷに交番衝撃トルクが加えられる。

このような交番衝撃トルクはワークＷの横断面に交番的な捻り剪断応力波（交番剪断応力）を発生させる。このような捻り剪断応力波はワークＷ内を伝播し、前述の実施例の場合と同様に、メカニカルラチェット現象に基づきワークＷの肥大加工域を肥大部に形成する。
更に、図１０に示される第６実施例の肥大加工方法を実施するための肥大加工機は、振動発生器３２を備えており、この振動発生器３２はワークＷの横断面に曲げ又は捻りの振動を付与する。このような曲げ又は捻りの振動でも、ワークＷ内に交番的な捻り剪断応力波（交番剪断応力）を発生させることができ、前述の実施例の場合と同様にメカニカルラチェット現象に基づきワークＷへの肥大部の形成が可能となる。

また、ワークＷが中空の管部材である場合、図１１に示される第７実施例の肥大加工方法を実施するための肥大加工機は、音響エネルギの発生源として、例えば超音波発生器３３を備えている。この超音波発生器３３は、ワークＷの一端を閉塞板３４により閉塞した状態で、ワークＷ内に超音波を導入する。この超音波もまた振動エネルギの一種であるから、ワークＷの中空内を伝播し、ワークＷの横断面内に単位体積当たり所定の交番剪断応力を加える。それ故、中空のワークＷはその肥大予定域にて、前述の実施例の場合と同様にメカニカルラチェット現象に基づき肥大変形を受け、ワークＷに所望の肥大部が形成される。

なお、超音波等の音響エネルギを使用するにあたり、ワークＷ内にて音響波が定常波になるのを阻止すれば、ワークＷの横断面に交番剪断応力を効力良く加えることができる。
一方、図１２に示される第８実施例の肥大加工方法を実施するための肥大加工機は外形拘束部材３５を更に備えている点でのみ、第１〜第６実施例の加工機とは異なる。

具体的には、外形拘束部材３５は例えば雌型であって、この雌型の内面形状は多角形や内歯形状或いは段付き形状をなす。このような外形拘束部材３５を備えていれば、外形拘束部材３５内にて肥大部が形成されることで、肥大部の外形が外形拘束部材３５の内面形状により決定される。即ち、肥大部は外形拘束部材３５の内面形状に対応した外面形状を有することになる。それ故、肥大部は、多角形、ギヤ或いは段付き形状等の任意の最終形状に成形できるから、肥大部に対する後加工が不要となる。

なお、外形拘束部材３５が雌型として使用される場合、このような雌型は摩耗や塑性変形を防止するために焼入等により硬化処理されるのが一般的である。このような硬い雌型の場合、その内面形状に角部が存在する場合、肥大加工中、その角部にて応力集中を招き、亀裂に起因した雌型の損傷を招く虞がある。このような虞を防止するには、例えば雌型が六角孔を有する場合、図１３に示されるように外形拘束部材３５に六角孔の各角にて一端が開口し、他端が円孔３６に連なる径方向スリット３７をそれぞれ形成しておけば、外形拘束部材３５、即ち、その雌型の破損を確実に防止することができる。

なお、図１４は、外形拘束部材３５が傘歯車を形成する雌型である場合、この雌型を使用して得られる傘歯車を示す。
更に、外形拘束部材３５は肥大部と一体に結合されてもよく、この場合、外形拘束部材３５とワークＷとの結合は肥大部を介した肥大ばめとなる。
本発明は上述の第１〜第８実施例に制約されるものではない。

例えば、ワークは軸部材や板材に限られるものではないし、また、交番負荷は、第１〜第７実施例の強制変位に、振動及び音響エネルギを組み合わせても発生可能である。
また、前述の各実施例では、ワークの圧縮応力をその軸線方向の加圧力により得ているが、圧縮応力はワークをその径方向に加圧しても得ることができる。具体的には、この場合のワークは例えば管部材であって、この管部材のワークにはその外周面の一部にラック歯を形成する雌型が押圧されることで、圧縮応力が加えられる。この状態で、ワークに前述したような交番捻り運動、つまり、交番剪断応力が加えられると、ワークは雌型内に肥大変形し、雌型によりワークの一部にラックが成形される。

更に、前述したワークＷの傾動運動や、首振り運動、また、振り子運動の中心は必ずしも肥大予定域内に位置付けられる必要はなく、例えば、図２の実施例の場合にあっては、その傾動中心Ｏが一方のスリーブホルダ内にあってもよい。
更にまた、ワークＷは必ずしも金属材料に限らず、セラミック焼結体等の非金属材料からなるものであってもよく、要は塑性変形可能であればよい。

最後に、本発明の肥大加工方法を実施するための肥大加工機は、図示の構成他、種々に変更可能である。

本発明の肥大加工方法の原理を説明するための概略図である。 第１実施例の肥大加工方法の実施に使用される肥大加工機の概略図であり、（ａ）は加工前の状態、（ｂ）は加工過程にある状態をそれぞれ示す。 肥大加工が実施された際の各種の状態を示し、（ａ）は、ワークの回転回数とワークにおける肥大部の肥大率との関係、（ｂ）は回転時定数と肥大率との関係、（ｃ）は圧縮応力と回転時定数との関係をそれぞれ示したグラフである。 第２実施例の肥大加工方法の実施に使用される肥大加工機の概略図であり、（ａ）はワークの一端を保持する保持部材、（ｂ）はワークの他端を保持する回転体内のスリーブホルダ、（ｃ）はスリーブホルダの断面図、（ｄ）は回転体に対するスリーブホルダの偏心をそれぞれ示す。 第３実施例の肥大加工方法の実施に使用される肥大加工機の概略図であり、（ａ）は加工前の状態、（ｂ）は加工過程にある状態をそれぞれ示す。 第４実施例の肥大加工方法の実施に使用される肥大加工機の概略図であり、（ａ）は加工前の状態、（ｂ）は加工が完了した状態をそれぞれ示す。 図５の駆動体を往復回動させる機構を示した図である。 図５の受け部材の端面を示した図である。 第５実施例の肥大加工方法を実施するため、図６の機構に代えてワークに衝撃トルクを加えるための機構を示した図である。 第６実施例の肥大加工方法を実施する肥大加工機の概略図である。 第７実施例の肥大加工方法を実施する肥大加工機の概略図である。 第８実施例の肥大加工方法を実施する肥大加工機の概略図である。 図１２の肥大加工機にて使用される外形拘束部材の一例を示した図である。 肥大部として形成された傘歯車を示した斜視図である。

符号の説明

１，２ スリーブホルダ
４，５ 受け部材
６ 保持部材
７ スリーブホルダ
８ 回転体
９ 溝
１０ 送りねじ
１１，１２ スリーブホルダ
２１，２２ スリーブホルダ
２３，２４ 受け部材
２５ スペーサ
２６ 駆動体
２７ 突起
２８ 揺動リンク
２９ 連接ロッド
３０ モータ
３１ 歯
３２ 振動発生器
３３ 超音波発生器
３４ 閉塞板
３５ 外形拘束部材
Ａ 基準線
Ｈ 肥大部
Ｗ ワーク（ワークピース）

Claims (16)

1. 軸線を有し且つ塑性材料からなるワークピースの外面に非拘束状態の肥大予定域を設けて前記ワークピースを保持し、
   前記ワークピースに対して、その内部ひずみエネルギを増大させるべく、初期降伏強度以上の圧縮応力が作用する加圧力を加えるとともに、前記軸線と交差する横断方向に前記ワークピースの弾性限度内の交番負荷を加え、
   前記ワークピースの増大した前記内部ひずみエネルギを利用して前記肥大予定域に塑性的な肥大変形を発生させることを特徴とするワークピースの肥大加工方法。
2. 前記加圧力は、前記ワークピースの軸線方向に加えられることを特徴とする請求項１に記載のワークピースの肥大加工方法。
3. 前記交番負荷は、前記ワークピースの横断面内に単位体積当たり所定の交番剪断力として加えられることを特徴とする請求項１又は２に記載のワークピースの肥大加工方法。
4. 前記交番剪断力は、前記軸線方向でみて前記肥大予定域の片側となるワークピース片側部位を強制変位させることで、繰り返し剪断応力を発生させることを特徴とする請求項３に記載のワークピースの肥大加工方法。
5. 前記ワークピース片側部位の強制変位は、前記ワークピースをその軸線回りに回転させる回転と、前記軸線上に曲げ中心を有する前記ワークピース片側部位の曲げとにより発生されることを特徴とする請求項４に記載のワークピースの肥大加工方法。
6. 前記肥大予定域の肥大変形過程にて、前記交番剪断力の過度な付与を阻止すべく前記ワークピース片側部位の曲げ角及び曲げ中心の位置を制御することを特徴とする請求項５に記載のワークピースの肥大加工方法。
7. 前記ワークピース片側部位の強制変位は前記ワークピース片側部位の首振り旋回運動によって発生され、この首振り旋回運動は前記軸線上に中心を有することを特徴とする請求項４に記載のワークピースの肥大加工方法。
8. 前記ワークピース片側部位の強制変位は前記ワークピース片側部位の振り子運動によって発生され、この振り子運動は前記軸線上に中心を有することを特徴とする請求項４に記載のワークピースの肥大加工方法。
9. 前記ワークピース片側部位の強制変位は、前記軸線を中心とした前記ワークピース片側部位の交番捻り運動によって発生されることを特徴とする請求項４に記載のワークピースの肥大加工方法。
10. 前記交番剪断力は、前記ワークピースに交番衝撃トルクを付与して発生されることを特徴とする請求項３に記載のワークピースの肥大加工方法。
11. 前記交番剪断力は、前記ワークピースに曲げ又は捻りの振動を付与して発生されることを特徴とする請求項３に記載のワークピースの肥大加工方法。
12. 前記ワークピースが中空の管部材である場合、前記交番負荷は、前記ワークピースの一端を閉塞した状態で、前記ワークピースの他端開口から前記ワークピース内に導入した音響エネルギにより発生されることを特徴とする請求項１又は２に記載のワークピースの肥大加工方法。
13. 前記肥大予定域は外形拘束部材内にて肥大変形されることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載のワークピースの肥大加工方法。
14. 前記外形拘束部材は、前記肥大予定域を肥大変形させた肥大部の外周形状を決定する内周面形状を有することを特徴とする請求項１３に記載のワークピースの肥大加工方法。
15. 前記外形拘束部材は、肥大部を傘歯車に形成することを特徴とする請求項１４に記載のワークピースの肥大加工方法。
16. 前記外形拘束部材は、前記肥大変形予定部を肥大変形させた肥大部と一体化されることを特徴とする請求項１３に記載のワークピースの肥大加工方法。

Images