JP5984974B2 - 金属パイプの成形装置及び金属パイプの成形方法 - Google Patents
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Description
そこで、金属パイプの軸端を軸方向から冷間鍛造することが考えられる。
特に、外径を高精度で一定にしたい場合、さらには、外径を一定にしたままで内径側を部分的に増肉させる場合には、短時間で成形できる可能性がある。
そこで、本発明者は、パイプの軸端を軸方向からプレスする冷間鍛造で成形することを着想した。
ダイ100は中央にパイプ挿入穴112を備える。パイプ挿入穴112は、素管パイプ70aの外径と同じ内径(実際は、素管パイプ70aを挿入できる程度に微小寸法だけ大きい)を有するストレートの縦穴である。Bに示すように、このパイプ挿入穴112に、素管パイプ70aを入れ、さらにこの素管パイプ70a内に芯金300を挿入する。芯金300の上端部は細径部340をなす。この状態で、素管パイプ70aの上端をパンチ520にて軸方向から加圧する。すると、素管パイプ70aの上部である素管加工対象部75aがパンチ520により前方押し出しされ、細径部340との間の空間を埋めるように径方向内方へ膨出して、図15のCに示すように内径増肉部78となる。
図15のCにおいて、符号70は素管パイプ70aの成形された状態である成形パイプ、75は素管加工対象部75aが成形された状態である加工部である。
しかし、素管パイプ70aは軸方向から加圧されると、まず最初に径方向外側へ拡径しようとするため、成形パイプ70の外周がパイプ挿入穴112の内周面へ強く圧接されて密着してしまう。このため、成形パイプ70を脱型する際に時間がかかり、コスト高を招くことになる。
これに着目して、脱型を容易にするように改良したものが図16に示す第2参考例である。Aはプレス成形した状態の縦断面図であり、Bはパイプの外周を固定する割り型を軸方向から示す平面図である。
しかし、実際は、素管加工対象部75aがパンチ520の加圧によりまず拡径しようとし、割り型200を強く径方向外方へ押すため、押圧部材290を押し上げ又は径方向外方へ開かせる等して割り型200が径方向外方へ逃げる。このため、素管加工対象部75aが拡径して外径が広がる(以下、外径の逃げという)。その結果、内径増肉部78ができないか、できてもパイプ外径の寸法精度が悪くなってしまう。
したがって、素管加工対象部75aの外周を割り型で固定する場合は、パンチ520の加圧により外径が逃げないように強固に固定することが重要になる。
図17のAは素管パイプ70aのモデル(縦断面)であり、外径30φ、穴径24φ、肉厚3mm、素管加工対象部75aの長さ10mm、全長252mmとする。図中に斜体数字で示す寸法の単位はmmである(以下同じ)。
図17のBは、この素管パイプ70aの軸端を軸方向へ加圧して冷間鍛造した成形パイプ70のモデル(縦断面)であり、全長250mmに圧縮し、加工部75の長さを8mm(素管加工対象部75aを軸方向へ2mm圧縮)、内径増肉部78を、厚さ0.4mm、長さ8mmにする。
パンチにより圧縮される体積V1=S1×2mm=508.94mm3(立方ミリメートル;以下同じ)
内径増肉部78の体積V2=内径増肉部78の断面積S2×8mm
内径増肉部78の断面積S2=(12×12×π)−(11.6×11.6×π)
=29.66mm2
V2=S2×8mm=237.25mm3
これより、圧縮分の体積(V1)全てが内径増肉部78(体積V2)とならず、V1>V2であることが判る。この差分V1−V2は、材料の圧縮に消費され、増肉に寄与していないことを意味する。
ここで、成形後の拡径した成形パイプの断面積S4=(15.005×15.005×π)−(12.005×12.005×π)=254.56mm2
したがって、S3=S4−S1=拡大断面積=0.09mm2
逃げ部分の体積V3=S3×250mm=22.5mm3
となる。なお、図17(C)における寸法0.005は、それぞれ内径及び外径の差分0.01mmの1/2に相当する(半径相当分)。
これより、成形パイプの外径が0.01mm拡がる(逃げる)ことによる、増肉量に対する影響は、
V3/V2×100=9.5%
となる。
しかも、上記第2参考例では、押圧部材290によりスライドさせる構造上、割り型200に0.1mm程度の逃げが不可避的に発生すると考えられ、その結果、内径増肉部78が形成されないか寸法精度の低いものになる。
そこで本願発明は、プレス成形(冷間鍛造)により、外径の逃げを防ぎつつ金属パイプの外形寸法を長さ方向均一かつ高精度に形成すると同時に短時間で成形できかつ脱型を容易にすることを目的とする。また、外径を均一に維持した状態で内径側の一部に内径増肉部を形成できるようにすることも目的とする。
素管パイプ(70a)の軸方向一端部を加圧するパンチ(52)と、
中央に押し込み方向へ貫通するテーパー穴(12)を設け、その壁面を前記パンチ(52)へ向かって拡開するテーパー面(14)としたダイ(10)と、
テーパー穴(12)へ挿入され、中央に素管パイプ(70a)を挿入するためのパイプ挿入穴(25)がプレス方向へ貫通形成された割り型(20)と、
を備えるとともに、
前記割り型(20)は、周方向へ複数に分割され、
外周面が前記テーパー面(14)と摺接するテーパー状の割り型外周面(28)をなし、
さらに、前記素管パイプ(70a)の軸穴(71)内に挿入され、軸方向を部分的に細径部(34)とした芯金(30)を備えたことを特徴とする。
素管パイプ(70a)の軸方向一端部を加圧するパンチ(52)と、
中央に押し込み方向へ貫通するテーパー穴(12)を設け、その壁面を前記パンチ(52)へ向かって拡開するテーパー面(14)としたダイ(10)と、
テーパー穴(12)へ挿入され、中央に素管パイプ(70a)を挿入するためのパイプ挿入穴(25)がプレス方向へ貫通形成された割り型(20)と、
を備えるとともに、
前記割り型(20)は、周方向へ複数に分割され、
外周面が前記テーパー面(14)と摺接するテーパー状の割り型外周面(28)をなし、
さらに、前記割り型(20)と前記パンチ(52)を支持するパンチホルダ(50)間にバネ(60)を配置したことを特徴とする。
素管パイプ(70a)の軸方向一端部を加圧するパンチ(52)と、
中央に押し込み方向へ貫通するテーパー穴(12)を設け、その壁面を前記パンチ(52)へ向かって拡開するテーパー面(14)としたダイ(10)と、
テーパー穴(12)へ挿入され、中央に素管パイプ(70a)を挿入するためのパイプ挿入穴(25)がプレス方向へ貫通形成された割り型(20)と、
を備えるとともに、
前記割り型(20)は、周方向へ複数に分割され、
外周面が前記テーパー面(14)と摺接するテーパー状の割り型外周面(28)をなし、
さらに、前記割り型(20)は軸方向へ複数に分割された分割部(29A・29B・29C)からなることを特徴とする。
各傾斜角(α・β・γ)のうち少なくとも一部が他と不同であることを特徴とする。
請求項5に記載した発明は、上記請求項1〜4のいずれか1項において、前記割り型(20)もしくは前記割り型(20)及びその内側へ収容されている成形パイプ(70)を押し込み方向と反対方向へ押し出すノックアウト機構(44・46)を備えることを特徴とする。
このテーパー面(14)と摺接するテーパー状の割り型外周面(28)を外周に有するとともに周方向へ複数に分割された割り型(20)をテーパー穴(12)へ挿入して、割り型外周面(28)をテーパー面(14)へ摺接させ、
割り型(20)の中央に形成されたストレートのパイプ挿入穴(25)へ素管パイプ(70a)を挿入し、
この素管パイプ(70a)の軸方向一端部(74a)をパンチ(52)で加圧して冷間鍛造することを特徴とする。
素管パイプ(70a)の軸方向一端部(74a)をパンチ(52)で加圧して冷間鍛造し、
前記細径部(34)に対応する前記素管パイプ(70a)の一部を、径方向内方へ膨出させて増肉させることを特徴とする。
このため、素管パイプ(70a)は外周側へ拡径できず、外径の逃げを防ぐことができ、
成形パイプ(70)全体の外径の各寸法精度を高くすることができる。
そのうえ、押し出し成形後に、割り型(20)を押し込み方向と反対側へ押し出すと、テーパー面(14)と割り型外周面(28)はそれぞれパンチ(52)側へ拡開しているから、割り型外周面(28)がテーパー面(14)から容易に離れ、割り型(20)は速やかに脱型される。このため、脱型を容易かつ迅速にでき、成形をコストダウンできる。
このため、外径の逃げを防ぐことにより、内径増肉部(78)を確実に形成でき、しかも内径増肉部(78)の内径及び成形パイプ(70)全体の外径の各寸法精度を高くすることができる。
押し出し成形後には、ノックアウト機構により割り型(20)及びその内側へ収容されている成形パイプ(70)を押し出すと、割り型(20)は、その内側へ収容されている成形パイプ(70)及びさらにその内側へ収容されている芯金(30)を一体にして容易にテーパー穴(12)からエジェクトできる。その後、割り型(20)を成形パイプ(70)から分離する。このとき、割り型(20)は周方向へ分割された複数の分割体(21)からなるので、各分割体(21)を成形パイプ(70)から簡単に分離させることができる。また、芯金(30)は成形パイプ(70)の軸穴(71)から軸方向へ容易に突き出すことができる。したがって、成形パイプ(70)を容易に取り出すことができる。
しかも、割り型(20)の外周面である割り型外周面(28)がテーパー状をなしてテーパー穴(12)のテーパー面(14)へ摺接するため、冷間鍛造後に割り型(20)を簡単かつ迅速にエジェクトでき、成形を簡単に低コストにできる。
図1は、パイプの斜視図であり、Aは成形前の素管パイプ、Bは成形後のパイプを示す。図2は成形装置の縦断面図(成形前状態)、図3はダイの平面図、図4は(A)に割り型の平面図、(B)にその縦断面を示す図、図5は芯金の縦断面図、図6はパイプのセット工程を示す縦断面図、図7はプレス工程を示す縦断面図、図8はエジェクト工程を示す縦断面図、図9は製品取出工程を示す縦断面図である。
また、軸部72の上端部は、プレス成形で肉厚が変化する部分である素管加工対象部75aをなす。但し、素管加工対象部75aはプレス成形前のため、軸方向へ長く、かつ肉厚もまだ内径増肉部が形成されていない状態のため、他の部分と同じである。
なお加工部75の内径をc、肉厚をe、加工部75の長さ(軸方向寸法)をfとする。
軸穴71の加工部75における部分である上部71aは内径増肉部78の形成による増肉分だけ縮径されて小さな内径cの縮径部71bをなす。
内径増肉部78の肉厚は(b−c)/2である。内径増肉部78が形成される分だけ、内径cはbよりも小さくなり、肉厚eはdよりも大きくなっている。
但し、加工部75の外径は、加工部75以外の部分の外径である一般外径aと同じである。すなわち、加工部75及びそれ以外の部分を含め、軸方向にて一定であり、プレス成形によっても変化しない。
上記寸法e、f、h2の具体例は、例えば、図17のBと同じであり、e=3.4mm、f=8mm、h2=250mmである。
なお、これらの寸法は一例であり、成形パイプの使用目的に応じて自由に設定される。
図2に示すように、テーパー穴12の表面は押し込み方向(中心線CTに沿ってパンチ52で加圧する方向、図の下方)に向かって収束するように傾斜するテーパー面14をなす。
ここで、ダイ10の外径をa1、テーパー穴12の上端内径(最大径)をb1、下端内径(最小径)をb2、高さをh3とする。ダイ10の高さh3は、素管パイプ70aの全長h1より若干長くなっている(h2<h1<h3)。
各分割体21は径方向へスライドでき、径方向内側へ最もスライドすると、各分割体21は隣接するものが互いに周方向へ密に接続して、平面視では周方向へ連続して全体で1つの略ドーナツ状の円形をなし、素管パイプ70aの外周面に密接する状態(締め付け状態)になる。
また、各分割体21が径方向外側へスライドすると、周方向にて隣接するもの相互の間に間隙が形成され、素管パイプ70aの外周面から離れる状態(非締め付け状態)になる。図4のAにて実線で示すものはこの非締め付け状態であり、図4のBは締め付け状態である。
割り型20は締め付け状態にて、各分割体21が周方向へ連続することにより、全体として1つの略円錐台形状をなし、中央部に軸方向へ貫通するパイプ挿入穴25が形成されている。パイプ挿入穴25に臨む内周面26は、軸方向でストレート(軸方向断面にて軸線と平行な状態)である。
割り型外周面28は、ストレートの内周面26に対して傾斜角θで傾斜し、押し込み方向へ向かって鋭角に交わっている。この傾斜角θはダイ10のテーパー穴12におけるテーパー面14の傾斜角θと同じであり、傾斜角をθとなるように精密加工される。
割り型20の上面22は径方向幅が最大になり、その外径は最大径となって内径b1にほぼ等しい。割り型20の下面24は径方向幅が最小となり、その外径は最小径となって内径b2にほぼ等しい。割り型20の高さはほぼh3に等しい。
図5に示すように、芯金30は、鋼材等からなる中実丸棒状をなし、軸方向に太径部32と細径部34が段付状に形成される。全長はh2であり、そのうち上端部から軸方向へ寸法fに相当する部分が細径部34をなす。太径部32の外径は内径bに等しく、細径部34の外径は内径cに等しい。
パンチ52には、細径部34の上端を逃げる逃げ凹部54が中央に設けられ、その周囲を囲む部分の下端面がパンチ面56をなす。パンチ面56は上面74とほぼ同形・同寸である。
図6は、素管パイプ70aのセット工程を示す。まず、素管パイプ70aのセットに先だって、予めテーパー穴12内へ嵌合されている割り型20を、ノックアウトプレート44により押し上げる。すると、割り型20(分割体21)の割り型外周面28からテーパー面14が離れるため、各分割体21は周方向に緩みが生じ、非締め付け状態になって、パイプ挿入穴25が拡径する。
その後、ノックアウトプレート44を下げ、上面22にバネ60を置く。この状態が図2となる。
しかし、素管加工対象部75aより下方の部分は、割り型20の内周面26と芯金30の太径部32で内外を挟まれ、かつ下端面76がノックアウトプレート44により固定されているため、材料の押し出しができない非成形部分である。一方、素管加工対象部75aの内側には、芯金30の細径部34が位置するので、素管加工対象部75aの材料は、前方押し出しによって一部が径方向内側へ膨出可能になる。
したがって、素管加工対象部75aのみが押し出し可能部となり、前方押し出しされた素管加工対象部75aの材料が芯金30の細径部34との間の空間を埋めるようにして内径増肉部78を形成する(図7)。
このように、割り型20のくさび効果により、加工部75を含む成形パイプ70の外径を全長において拡径させないから、確実に内径増肉部78を形成でき、かつ寸法精度が高くなる。また、成形パイプ70全体の外径の寸法精度を高くできる。
すなわち、α・β・γは、それぞれθと同じか、それ以上になるように配慮され、θ未満となることがないよう加工を管理されている。
但し、各分割部における各最外周部が全てテーパー面14へ当接する必要はなく、この例では、中間部29Bの最外周部27bもしくは、中間部29Bの最外周部27b及び下部29Cの最外周部27cは当接しない状態が許容される場合がある。
逆に、各下面24a、24b、24cの外径寸法は、それほど厳密に管理する必要がなく、テーパー面14から若干離れていてもよい。
また、上部29A及び中間部29Bとの接続部を含む部分における固定枠部10の外周をリング型80で覆うことにより、ダイ10の上部をより一層拡径しにくくするため、内径増肉部78の形成に必要な、素管パイプ70aの拡径をより確実に阻止して外径の逃げを防ぐことができ、成形パイプ70全体の外径の寸法精度を高くできる。
すなわち、各分割部外周面28a、28b、28cは、それぞれ傾斜角をθとなるように精密加工されるが、加工誤差により、それぞれの傾斜角がα、β、γとなり、バラつくことがある。
この例では、パンチ52Aが軸方向へ複数段に形成されている。以下、3段の例について説明する。上段57、中段58、下段59と、上から外径が順に縮小し、例えば、素管パイプ70aの内径をbとするとき、上段57の外径をb、中段58の外径をbより小さいb3、下段59の外径をb3より小さいb4とする(b4<b3<b)。
なお、芯金は省略される。
このようにしても、割り型20のくさび効果により、成形パイプ70(素管パイプ70a)の外径が高精度で均一に保たれているため、内径側における自由な肉厚変化を複数段で可能にすることができる。
この芯金30Aを用いて、パンチ52B(図2のものに対してパンチ面56Bの幅が狭くなり、成形パイプ70の端面幅と同じになっている)により素管パイプの上端を加圧して軸方向へ所定寸法圧縮すると、成形パイプ70は割り型20の内周面26と芯金30Aの間で、肉厚を全長で一定に形成される。
例えば、割り型20の周方向分割数は2分割以上であればいくつでも可能である。また、割り型20Aの軸方向分割数も2分割以上であればいくつでも可能である。但し、軸方向の分割は任意であって、実施例1のように分割せず単一にしても良い。分割しなければ
外径の逃げ阻止をより確実にできる。
さらにまた、第2実施例の補強リング型80を第1実施例に適用することも自由にできる。
Claims (7)
- 冷間鍛造された成形パイプ(70)を形成するための装置において、
素管パイプ(70a)の軸方向一端部を加圧するパンチ(52)と、
中央に押し込み方向へ貫通するテーパー穴(12)を設け、その壁面を前記パンチ(52)へ向かって拡開するテーパー面(14)としたダイ(10)と、
テーパー穴(12)へ挿入され、中央に素管パイプ(70a)を挿入するためのパイプ挿入穴(25)がプレス方向へ貫通形成された割り型(20)と、
を備えるとともに、
前記割り型(20)は、周方向へ複数に分割され、
外周面が前記テーパー面(14)と摺接するテーパー状の割り型外周面(28)をなし、
さらに、前記素管パイプ(70a)の軸穴(71)内に挿入され、軸方向を部分的に細径部(34)とした芯金(30)を備えたことを特徴とする金属パイプの成形装置。 - 冷間鍛造された成形パイプ(70)を形成するための装置において、
素管パイプ(70a)の軸方向一端部を加圧するパンチ(52)と、
中央に押し込み方向へ貫通するテーパー穴(12)を設け、その壁面を前記パンチ(52)へ向かって拡開するテーパー面(14)としたダイ(10)と、
テーパー穴(12)へ挿入され、中央に素管パイプ(70a)を挿入するためのパイプ挿入穴(25)がプレス方向へ貫通形成された割り型(20)と、
を備えるとともに、
前記割り型(20)は、周方向へ複数に分割され、
外周面が前記テーパー面(14)と摺接するテーパー状の割り型外周面(28)をなし、
さらに、前記割り型(20)と前記パンチ(52)を支持するパンチホルダ(50)間にバネ(60)を配置したことを特徴とする金属パイプの成形装置。 - 冷間鍛造された成形パイプ(70)を形成するための装置において、
素管パイプ(70a)の軸方向一端部を加圧するパンチ(52)と、
中央に押し込み方向へ貫通するテーパー穴(12)を設け、その壁面を前記パンチ(52)へ向かって拡開するテーパー面(14)としたダイ(10)と、
テーパー穴(12)へ挿入され、中央に素管パイプ(70a)を挿入するためのパイプ挿入穴(25)がプレス方向へ貫通形成された割り型(20)と、
を備えるとともに、
前記割り型(20)は、周方向へ複数に分割され、
外周面が前記テーパー面(14)と摺接するテーパー状の割り型外周面(28)をなし、
さらに、前記割り型(20)は軸方向へ複数に分割された分割部(29A・29B・29C)からなることを特徴とする金属パイプの成形装置。 - 前記各分割部(29A・29B・29C)の外周面(28a・28b・28c)は、それぞれ押し込み方向に対して傾斜する傾斜角(α・β・γ)を備えるとともに、
各傾斜角(α・β・γ)のうち少なくとも一部が他と不同であることを特徴とする請求項3に記載した金属パイプの成形装置。 - 前記割り型(20)もしくは前記割り型(20)及びその内側へ収容されている成形パイプ(70)を押し込み方向と反対方向へ押し出すノックアウト機構(44・46)を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載した金属パイプの成形装置。
- ダイ(10)の中央にテーパー穴(12)を設け、その壁面をパンチ(52)へ向かって拡開するテーパー面(14)とし、
このテーパー面(14)と摺接するテーパー状の割り型外周面(28)を外周に有するとともに周方向へ複数に分割された割り型(20)をテーパー穴(12)へ挿入して、割り型外周面(28)をテーパー面(14)へ摺接させ、
割り型(20)の中央に形成されたストレートのパイプ挿入穴(25)へ素管パイプ(70a)を挿入し、
この素管パイプ(70a)の軸方向一端部(74a)をパンチ(52)で加圧して冷間鍛造することを特徴とする金属パイプの成形方法。 - 前記素管パイプ(70a)の軸穴(71)内へ、軸方向を部分的に細径部(34)とした芯金(30)を挿入し、
素管パイプ(70a)の軸方向一端部(74a)をパンチ(52)で加圧して冷間鍛造し、
前記細径部(34)に対応する前記素管パイプ(70a)の一部を、径方向内方へ膨出させて増肉させることを特徴とする請求項6に記載した金属パイプの成形方法。
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