JP5920129B2

JP5920129B2 - 中空材の転造加工方法

Info

Publication number: JP5920129B2
Application number: JP2012199327A
Authority: JP
Inventors: 服部　誠; 誠服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: JP2014054644A

Description

本発明は中空材の転造加工方法に関するものである。

素材に圧力を付与して金属を塑性加工する転造加工は、切削加工と異なり、素材を無駄にすることなく、また転造の際の圧縮力にて加工品が凝縮されて製品強度も高まるなど、優れた加工方法の一つである。たとえば、部材の表面に歯車を成形したり、スプラインを成形する際に好適である。

ここで、図６を参照して中実材の表面に転造加工を施す方法を概説する。なお、図６ａは上下の転造ダイスにて中実材が挟み込まれ、圧力を付与された状態の縦断面図であり、図６ｂは図６ａのｂ−ｂ断面図であり、図６ｃは加工品の断面図である。

図６ａ，ｂで示すように、上下の転造ダイスＤ１、Ｄ２はそれぞれ歯形加工面Ｔ，Ｔを備えている。この上下の歯形加工面Ｔ，Ｔで中実材Ｗ１を把持し、さらに所定の圧力Ｐ１で押圧しながら、上下の転造ダイスＤ１、Ｄ２を相互に逆方向（それぞれＸ１方向、Ｘ２方向）にスライドさせる。このスライドによって中実材Ｗ１は歯形加工面Ｔ，Ｔ間で押圧された姿勢で回転（Ｙ方向）し、この回転の過程で中実材Ｗ１の外周面に所望の歯形が転造され、図６ｃで示すような加工品Ｗ１’が加工される。

中実材Ｗ１の剛性や寸法、転造されるべき歯形形状などに応じて、歯形加工面Ｔの歯形形状やピッチ、転造時の転造ダイスＤ１，Ｄ２によって付与される圧力Ｐ１、転造ダイスＤ１，Ｄ２のスライド速度等を所望に調整することにより、中実材Ｗ１を塑性変形させながら所望の歯形をその外周面に転造することができる。なお、このように中実材の外周面に転造加工にて歯形を形成する転造加工方法が特許文献１に開示されている。

ところで、転造加工されるワークは、上記する中実材ばかりでなく、金属製の角管や円管などの中空材もある。そこで、このような中空材に転造加工を施してその外周面に歯形加工をおこなう方法を図７を参照して概説する。なお、図７ａは上下の転造ダイスにて中空材が挟み込まれ、圧力を付与された状態の縦断面図であり、図７ｂは図７ａのｂ−ｂ断面図である。

図７ａ，ｂで示すように、上下の転造ダイスＤ１，Ｄ２の歯形加工面Ｔ，Ｔで中空材Ｗ２を把持し、所定の圧力Ｐ１で押圧しながら、上下の転造ダイスＤ１、Ｄ２を相互に逆方向（それぞれＸ１方向、Ｘ２方向）にスライドさせる加工方法は、図６で示す中実材を転造加工する場合と同じである。しかしながら、このスライドによって中空材Ｗ２が歯形加工面Ｔ，Ｔ間で押圧されると、中空材Ｗ２は内部に中空Ｋを有することから付与された圧力Ｐ１によって材料が弾性変形（変形δ）してその形状が潰れ易い。このように付与された圧力Ｐ１にて中空材Ｗ２が内側に潰れて逃げることから、転造加工の前提である所望圧力のワークへの付与が不十分となり、結果としてワーク表面に所望の歯形を加工し難い。なお、弾性変形を考慮して転造ダイスからワークへ付与される圧力を大きくし過ぎると、今度は中空材が弾性変形のまま脆性的な破壊に至る危険性もあり、圧力の調整が難しい。

このように中空材の表面に転造加工にて歯形を形成する装置が特許文献２に開示されている。この装置では、中空材の中空内に変形防止壁を残すようにしておき、上記するように転造ダイスから圧力が付与された際に中空材が弾性変形することなく、転造加工されるのを保証するものである。

この装置では、加工対象の中空材の中空に変形防止壁を残すことを前提としていることから、このような変形防止壁を具備しない一般の中空材に対して、上記するような弾性変形に起因する加工不良を生じさせることなく、精度のよい転造加工を実現できるものではない。

特開２００３−２３０９２８号公報特開２００３−２０２０２５号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、一般の中空材に対して、精度よく転造加工をおこなうことのできる中空材の転造加工方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による中空材の転造加工方法は、２つの端部開口に連通する貫通孔を備えた中空材の該貫通孔に複数の硬球からなる硬球群を収容し、２つの端部開口から治具を挿入し、２つの治具にて硬球群を加圧しながら中空材の位置決めをおこない、中空材の外周面に転造ダイスの歯形加工面を押し付けて中空材の外周面を転造し、転造後に貫通孔から硬球群を取り出して中空転造加工品を製造するものである。

本発明の転造加工方法は、加工対象がたとえば金属製の中空材（円管、パイプ）であり、この中空材の外周面に歯形やスプラインを転造にて加工する方法である。この転造加工方法では、転造ダイスによる圧力付与に際して、中空材の貫通孔に多数の硬球からなる硬球群を収容しておき、中空材に外側から圧力が付与された際に弾性変形等して潰れないようにした上で、転造ダイスにて圧力を付与しながら転造加工をおこなうものである。

ここで、「硬球」とは、中空材に付与される圧力に対して中空材が内側に弾性変形するのを抑止できる硬さを有した球体のことであり、したがって、硬球の硬度は付与される圧力等に応じて設定される。硬球の素材としては、鉄や鋼などの金属、セラミックス、超硬コンクリートなどを挙げることができる。

また、硬球群を構成する各硬球は、同一の径のものを適用してもよいし、複数の異なる径のものを適用してもよく、中空材の貫通孔に硬球群が収容された際に、中空内を可及的に密実にできるような寸法の設定や数の設定がおこなわれるのがよい。

中空材の貫通孔に硬球群を収容したら、中空材の２つの端部開口から貫通孔内へ治具を挿入し、双方の治具を押し込むことで硬球群に圧力を付与し、中空材に外側から圧力が付与された際に貫通孔側へ潰れないような状態とする。

また、２つの治具にて中空材の貫通孔内にある硬球群が押圧された状態においては、中空材自身も２つの治具にて位置決めがなされており、次の転造工程へ移行する準備が完了する。

なお、治具は、ベアリング機構などを備えてスライド自在であり、モータや油圧シリンダ機構、エアシリンダ機構といったアクチュエータにてスライドしながら、硬球群に所定の圧力を付与できるように構成されている。この「所定の圧力」とは、中空材に転造ダイスから圧力が付与されて転造加工がおこなわれている際に、この転造ダイスからの圧力と同程度の反力を硬球群から転造ダイス側へ付与できるように硬球群を拘束する圧力のことである。

次に、中空材の外周面に転造ダイスの歯形加工面を押し付けて中空材の外周面を転造する。

この転造加工において、中空材はその貫通孔に圧力が付与されて拘束された硬球群が収容されていることから、転造ダイスから付与される圧力にて中空材が内側へ弾性変形されるのが抑止され、したがって中空材の外周面に所望の圧力を付与することができ、転造ダイスの具備する歯形加工面の歯形を精緻に転造することができる。

転造加工が完了したら、転造ダイスを取り除き、治具に付与されている圧力を解放し、治具を中空材の端部開口から取り外し、さらに、貫通管から硬球群を取り出して中空転造加工品が製造される。

このように、貫通孔に収容されているのが硬球群であることから、転造加工後の貫通孔からの硬球群の取り出しも極めて容易におこなうことができる。

以上の説明から理解できるように、本発明による中空材の転造加工方法によれば、中空材の転造加工に際してその貫通孔に硬球群を収容しておくという製法改良により、転造加工の際に中空材が転造ダイスから受ける圧力に対して中空材を弾性変形させることなく、その外周面に精緻に所望の歯形やスプラインを転造することができる。また、転造に際しては中空材の貫通孔に硬球群を容易に収容でき、転造後は貫通孔から硬球群を容易に取り出すことができることから、材料歩留まりが良好であるという転造加工の有するメリットに加えて、高い製造効率を期待することもできる。

（ａ）は本発明の転造加工方法の加工対象である中空材の縦断面図であり、（ｂ）は図１ａのｂ−ｂ矢視図である。転造加工装置の概要を説明するとともに、中空材の貫通孔に硬球群が収容された状態を説明した図である。２つの治具にて硬球群に圧力を付与している状態を説明した図である。転造加工を実施している状態を説明した図である。図４のV−V矢視図である。中実材を加工対象とした従来の転造加工方法を説明した図であって、（ａ）は上下の転造ダイスにて中実材が挟み込まれて圧力が付与された状態を説明した縦断面図であり、（ｂ）は図６ａのｂ−ｂ断面図であり、（ｃ）は製造された加工品の断面図である。中空材を加工対象とした従来の転造加工方法を説明した図であって、（ａ）は上下の転造ダイスにて中実材が挟み込まれて圧力が付与された状態を説明した縦断面図であり、（ｂ）は図７ａのｂ−ｂ断面図である。

以下、図面を参照して本発明の中空材の転造加工方法を説明する。
（中空材の転造加工方法の実施の形態）
図１は加工対象を説明した模式図であって、図１ａはその縦断面図であり、図１ｂは図１ａのｂ−ｂ矢視図である。また、図２〜図４はその順に本発明の中空材の転造加工方法を説明したフロー図となっており、図５は、図４のV−V矢視図である。より具体的には、図２は転造加工装置の概要を説明するとともに、中空材の貫通孔に硬球群が収容された状態を説明した図であり、図３は２つの治具にて硬球群に圧力を付与している状態を説明した図であり、図４は転造加工を実施している状態を説明した図である。

転造加工の対象ワークは、図１で示すように貫通孔Ｋを具備する金属製の中空材Ｗ２であり、貫通管Ｋが外部に臨む２つの端部開口Ｋ１、Ｋ２を有している。

図１で示す中空材Ｗ２の外周面に、歯形やスプラインを図２〜４で示すフロー図に基づいて転造にて加工する。

まず、図２で示す転造加工装置１０にて転造加工を実行する。この転造加工装置１０は、中空材Ｗ２の貫通孔Ｋに収容される硬球群２を２つの端部開口Ｋ１，Ｋ２を介して押圧しながら中空材Ｗ２を位置決めする２つの治具３Ａ，３Ｂと、中空材Ｗ２の外周面に歯形加工面４’、５’を押し付けて所望の歯形やスプラインを転造加工（形状転写）する転造ダイス４，５と、から大略構成されている。

治具３Ａ，３Ｂはそれぞれ、ケース内に多数のベアリングが収容され、ベアリング内に治具後方の棒材が貫通するベアリング機構３Ａａ、３Ｂａを有して水平方向にスライド自在となっており（図２のＺ１方向）、ベアリング機構３Ａａ、３Ｂａを介してそれぞれ、不図示のサーボモータや、油圧シリンダ等のアクチュエータにてスライド自在に構成されている。

まず、中空材Ｗ２の貫通孔Ｋ内に多数の硬球１からなる硬球群２を収容する。ここで、硬球１は、転造加工の際に中空材Ｗ２の外周面に付与される圧力によって中空材Ｗ２が内側に弾性変形するのを抑止できる硬さを有した球体のことであり、付与される圧力等に応じた硬度を有する鉄や鋼などの金属、セラミックス、超硬コンクリートなどから形成されたものである。また、硬球群２を構成する各硬球１は、同一の径のものを適用してもよいし、複数の異なる径のものを適用してもよく、中空材Ｗ２の貫通孔Ｋに硬球群２が収容された際に、貫通孔Ｋ内を可及的に密実にできるような寸法や数の硬球１を備えた硬球群２となっている。

なお、貫通管Ｋへの硬球群２の収容方法としては、硬球１を順次貫通孔Ｋに収容する方法のほかにも、袋の中に硬球群２を収容しておき、この硬球群入り袋を貫通孔Ｋに収容する方法であってもよい。この方法によれば、硬球群を挿入したり、最後に排出する際の挿入性や排出性がよく（挿入、排出がし易い）、さらには、硬球群の交換性や保管性、メンテナンス性も良好となる。

中空材Ｗ２の貫通孔Ｋに硬球群２を収容したら、図３で示すように不図示のアクチュエータを駆動して治具３Ａ，３Ｂを硬球群２側にスライドさせ（Ｚ１’方向）、治具３Ａ，３Ｂの先端を端部開口Ｋ１，Ｋ２から貫通孔Ｋ内に進入させて硬球群２と当接させ、所定の圧力Ｐ２で硬球群２を左右から加圧する。ここで硬球群２に付与される所定の圧力Ｐ２に関しては、中空材Ｗ２に転造ダイス４，５から圧力が付与されて転造加工がおこなわれている際に、この転造ダイス４，５からの圧力と同程度の反力を硬球群２から転造ダイス４，５側へ付与できるように硬球群２を拘束する圧力である。さらに、中空材Ｗ２に対して、内側の貫通孔Ｋから外側に圧力を付与するに際して中空材Ｗ２を弾性変形させない圧力である。

硬球群２の加圧による中空材Ｗ２を内側から外側へ拡張しようとする力が大きすぎると、中空材Ｗ２が径方向外側に弾性変形してしまい、過転造（歯形加工面の歯形内に中空材の外周の肉部が入り込み、完全に歯形に充填された後にさらに転造してしまうことにより、転造ダイスへの面圧が急上昇して転造ダイスの破損に至る可能性がある）の発生が危惧される。したがって、上記する「中空材を弾性変形させない圧力」であることが必要となる。

この硬球群２の左右からの加圧により、硬球群２を収容する中空材Ｗ２の左右の位置決め、および、中空材Ｗ２の長手方向の芯Ｌが管理中心線を通る上下の位置決めがなされる。

このように左右から圧力Ｐ２で硬球群２が加圧された状態を維持したまま、次に図４で示すように転造ダイス４，５を中空材Ｗ２の外周面に当接するまで昇降させ、転造ダイス４，５の歯形加工面４’、５’を中空材Ｗ２の外周面に所定の圧力Ｐ１で加圧する。

この中空材Ｗ２の外側から付与される圧力Ｐ１と、治具の加圧Ｐ２によって硬球群２を介して中空材Ｗ２の内側から付与される圧力は釣り合っており、したがって、中空材Ｗ２に外周面に転造ダイス４，５から圧力Ｐ１を受けた際に、中空材Ｗ２は内側も外側にも弾性変形することなく、当初の位置決め姿勢が維持された状態を保持することができる。

そして、転造ダイス４，５からの加圧によってそれぞれの歯形加工面４’、５’の備えた歯形が押し付けられ、図５で示すように上方の転造ダイス４が右方向にスライドし（Ｘ１方向）、下方の転造ダイス５が左方向にスライドする（Ｘ２方向）ことによって中空材Ｗ２は時計回りに芯Ｌを中心として回転し（Ｙ方向）、この回転過程で歯形加工面４’、５’の備えた歯形が転写されて転造加工がおこなわれる。

本発明の転造加工方法によれば、転造加工の際に中空材Ｗ２の内側から硬球群２によって径方向外側へ向く圧力が付与されていることにより、転造加工の際に転造ダイス４，５から受ける圧力Ｐ１によって中空材Ｗ２が内側に弾性変形するのが抑制され、もって精緻に転造ダイス４，５の具備する歯形等を中空材Ｗ２の外周面に転造することができる。

転造加工が終了したら、転造ダイス４，５を昇降させて中空材Ｗ２から離し、治具３Ａ，３Ｂもスライドさせて中空材Ｗ２から離して不図示の中空転造加工品を転造加工装置１０から取り外す。

そして、中空転造加工品の貫通孔内にある硬球群２を取り出すことによって中空転造加工品の製造が完了する。

硬球群が袋に収容されている形態、収容されていない形態のいずれであっても、貫通孔に収容されているのが硬球群であることから、転造加工後の貫通孔からの硬球群の取り出しは極めて容易である。

また、本発明の転造加工方法は、従来の中空材の転造加工方法に対して、転造加工前に中空材Ｗ２の貫通孔Ｋ内に硬球群２を収容しておくことを追加した製法改良によるものであることから、製造コストを高騰させることなく、一般の中空材Ｗ２に対して精緻に転造加工をおこなうことができるものである。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…硬球、２…硬球群、３Ａ，３Ｂ…治具、３Ａａ，３Ｂａ…ベアリング機構、４，５…転造ダイス、４’、５’…歯形加工面、１０…転造加工装置、Ｗ１…中実材（ワーク）、Ｗ２…中空材（ワーク）、Ｋ…貫通孔（中空）、Ｋ１、Ｋ２…端部開口、Ｌ…芯

Claims

２つの端部開口に連通する貫通孔を備えた中空材の該貫通孔に、複数の硬球からなる硬球群が袋の中に収容された硬球群入り袋を収容し、
２つの端部開口から治具を挿入し、２つの治具にて硬球群を加圧しながら中空材の位置決めをおこない、
中空材の外周面に転造ダイスの歯形加工面を押し付けて中空材の外周面を転造し、
転造後に貫通孔から硬球群入り袋を取り出して中空転造加工品を製造する中空材の転造加工方法。