JP6006810B2 - 工業用ハウジングの成形方法 - Google Patents

Description

様々な形状と種類のハウジングが、自動車その他産業分野において、それらの産業が存続してきた限り、使用されてきている。これらのハウジングは、一般には構造的な性能を求められる場合は鋳造品から成形され、あるいは打ち抜き工程により鋼板や薄鋼板から成形されてきた。しかし、いずれのハウジング成形方法も欠点が知られてきている。

鋳造によってハウジングが成形される場合、その成形方法は、過大な重量と、ハウジングが用いられるような構成部品における典型的な不均衡を生じさせる。さらに鋳造のハウジングは鋳造型内での冷却の必要性から製造するのに手間取り、その結果、製造コストが増加することも知られている。

薄鋼板や鋼板を打ち抜いてハウジングが成形される場合、ハウジングの必要な輪郭を成形するためには高価で相当に複雑な型が一般に必要となり、また打ち抜き工程は相当な材料ロスが生じ、成形後のハウジングは一般に、構造的健全性が乏しいものとなる。技術的に進んだ打ち抜き方法は、必要なハウジング形状を実現するために１６以上の工程や後処理作業を要することがある。

したがって、以上言及した不具合を克服するような、工業用ハウジングの改良された成形方法は永年の要請であり、本発明の筒体から工業用ハウジングを成形する方法は以上の不具合を克服する。

本発明は、ハウジングの成形方法に係り、特にコンバータハウジング、タービンシュラウドと外殻、インペラハウジングとシェル、コンバータカバー、触媒コンバータハウジング、クラッチハウジング、エアコンハウジング、ポンプハウジング、ダブルカードンヨーク（double cardon yoke）構成、及び車輪等の自動車用構成部品のためのハウジングのような工業用ハウジングを含むハウジングの成形方法に関する。本発明の成形方法は、筒体の長手方向軸に対してそれぞれ直交して延在する複数のローラーを用いて鋼製筒体をローラー成形する工程であって、各ローラーは前記筒体の長手方向に対して平行な回転軸を有し、ここで、前記ローラーで前記筒体を加圧し、縮径部と拡径部とを筒体内に成形する工程を含む。当該分野の知識を有する者によって理解されるように、鋼製筒体を半径方向内方に向けるローラー成形は、前記鋼製筒体を強化しすなわち構造的な強度を増加する、鋼製筒体の“冷間加工”を結果としてもたらす。

本発明のハウジングの成形方法における次工程は、拡径部及び縮径部を、好ましくはほぼ中間位置を通って、拡径開口端と縮径開口端とをそれぞれ有する複数の鏡像プリフォームを形成するように、筒体をその長手方向軸に対して直角に切断する工程を含む。理解されるように、前記筒体は、複数のプリフォームを可能な限りの所望のものにすることができる。本発明の方法は、継いで、前記プリフォームをハウジングの所望の形状にする冷間加工を施して、鋼材強度を少なくとも１５％向上させながら、拡径開口端と縮径開口端とを有するハウジングを形成する工程を含む。アッセンブリの構成部品は、前記ハウジングの拡径開口端を介してハウジング内に配置され、縮径開口端で保持されるようにしてもよい。ここで用いられた、“ハウジング”の語は、その最も広義に用いられ、ハウジング自体がプーリのような最終製品でもよい。

前記筒体は、特定の適用例において高炭素鋼を用いることができるが、ＳＡＥ規格１０１０、１０２０、または１０２５の鋼材を含む、任意の鋼材から成形することができる。当該分野の知識を有する者によって理解されるように、これらの鋼材の炭素量はＳＡＥ番号の末尾２桁の数字でおおよそ定義されている。好適な実施例において、前記筒体は、特にハウジングが圧縮及び応力を受ける高強度の適用例向けの低合金高張力鋼すなわちＨＳＬＡ鋼から成形される。鋼製筒体は溶接管あるいはシームレス管、その連続管等とすることができるが、溶接継ぎ目管はコストが問題となるときに好適である。当該分野の知識を有する者によって理解されるように、溶接継ぎ目管は、鋼板をローラー加工して成形するが、近接した縁部を誘導加熱によって鋼材の鍛造温度まで加熱し、その後加熱された縁部同士を押し当てることで溶接継ぎ目を形成する。プリフォームを、所望の形状のハウジングに加工する冷間加工は、プリフォームの拡径端部から、ハウジングの所望の形状を有するマンドレルを挿入し、その後マンドレルに対してプリフォームの外側面を内方にローラー成形し、筒体を冷間加工し、強度を２０％〜３５％程度高める工程を含む。本発明の一実施例において、管成形ローラーは、所定領域において高強度が求められるような適用例のために、その領域に肉厚部を有するように筒体の部分を凸状に成形することができる。

本発明の鋼製筒体からハウジングを成形する方法は、従来技術を越える幾つかの重要な利点を有する。第一に、本発明の方法はコストの実質的な節約を果たす。従来の打ち抜きによるハウジングの成形方法ではスクラップ率は一般に３０％より大きく、ブランク−アウトシステムによれば、材料節約は５０％を越えることができる。さらに、本発明の方法は、特定の領域に肉厚部を有するハウジングを成形するのに用いてもよく、その結果、重量と材料の節約のために、必要な部分のみが厚い。本発明の方法によって成形されたハウジングは高い強度と耐久性を有し、高価な新型の工具が不要である。さらに、重量とコストは、高強度が求められる適用例のための鋳造ハウジングに比べて５０％〜７０％より大きく節約でき、さらに、打ち抜き工程に比べても製造コストのかなりの節約になり、この場合、毎分１０〜１５部品数しか作ることができない打ち抜きによるハウジング部材のトランスファープレス成形に比べて、毎分３０〜６００フィートの速さで筒体をハウジング部材に成形できる。

本発明のハウジングの成形方法の、他の利点と価値のある特徴は以下の好適な実施例の説明と添付された図面によって、さらに十分に理解することができる。しかしながら、理解できるように、好適な実施例の説明と図面とは例示を目的にしているに過ぎず、請求の範囲で言及された以外の本発明の方法に制限を与えるものではない。

図１は、本発明のハウジングの成形方法に用いられる従来の鋼製筒体すなわちパイプを示している。 図２は、プリフォームを成形するために用いられるローラーによる筒体の半径方向内方へのローラー成形を示している。 図３は、プリフォームをハウジングの所望の形状にする冷間加工の一方法を示している。 図４は、本発明の方法での冷間加工の一実施例で用いられるマンドレルの透視図である。 図５は、本発明の方法での冷間加工の他の実施例の側断面図である。 図６は、プリフォームを、ハウジングの所望の形状に成形した後の、図５の冷間加工ステップを示している。 図７は、プリフォームの変形例の側断面図。 図８は、ハウジング内のアッセンブリを仕上げる一方法を示している冷間加工されたプリフォームの側断面図。 図９は、図８に示したハウジングアッセンブリを示している。 図１０は、所望の位置に肉厚部を有する筒体をローラー成形する一方法を示している。 図１１は、図１０に示したローラー成形によって成形された筒体を示している。

図１は、本発明のハウジングの成形方法に用いられる、一般的な鋼管すなわち筒体２０を図示している。この一般的な筒体すなわち管２０は、軸方向すなわち長手方向の空間２２を有し、またハウジングの最終的な適用例に応じて、低炭素鋼、高炭素鋼、低合金高張力（ＨＳＬＡ）鋼を含む、任意の鋼材から成形が可能である。筒体の直径、壁厚も適用例に応じたものでよく、壁厚はたとえば１ｍｍから０．５インチの範囲で変動してもよい。筒体２０は溶接継ぎ目（図示せず）を含んでもよいし、適用例に応じてシームレスでもよい。しかしながら溶接継ぎ目管はシームレス管より相当程度安価で、溶接継ぎ目管は多くの適用例に適している。

図２は、本発明のハウジングの成形方法の一工程を図示しており、ここで複数のローラー２４が鋼製筒体２０を半径方向内方にローラー成形している。好適な実施例において、ローラー２４は、筒体１０の長手方向軸２６に略直交して延在し、ここで各ローラーは筒体の長手方向軸２６に平行な、矢印２８で示された回転軸２８を有する。この結果、ローラーは縮径部３０と拡径部３２とを成形するように筒体を加圧する。以上に述べたように、筒体は複数のプリフォームを成形するために、どのような長さとしてもよい。図２において、ローラー成形された筒体は、その後切断線３４、３６で示されたように、それぞれ拡径部３２と縮径部３０のほぼ中間位置で長手方向軸２６に対して直角に切断される。ローラー成形された筒体２０はレーザーカッタや鋸を含む適切な切断具により切断することができる。

ローラー成形された筒体の切断面は切断線３４位置での拡径開口部と切断線３６位置での縮径開口部を、それぞれが有する鏡像状のプリフォーム３８となる。鏡像状プリフォームの好ましい形状は、以下の本方法の説明から理解できるように、本発明の方法によって成形されるハウジングの好ましい形状に依存している。

本発明のハウジングの成形方法における更なる工程は、プリフォームをハウジングの所望の形状に成形し、用いられた冷間加工に依存して１５％〜３５％の鋼の強度を増加させる鋼製プリフォームの冷間加工を含む。図３、４に示した実施例において、プリフォームは必要に応じてマンドレル上に送られて加圧ローラー成形される。プリフォームは、以下に図５、６を参照して説明するように、同時にローラー成形されることもある。開示された実施例において、マンドレル４０はベース４４に続く円筒ベース部４２と、円錐台形部４６と、上部小径円筒部４８と、円錐台形状遷移部５０と、球状端部５２とを含む。プリフォーム５４はマンドレル４０に対して押し当てられるが、本実施例では拡径開口端５８に続く円筒部５６と、縮径開口端部６２に続く凹状円錐台形部６０とを含む。

図４に示した成形後のハウジング部材６４は、マンドレル４０のベース４４に対応して成形された半径方向に広がったフランジ部６６と、マンドレルの円筒部４２回りに成形された略円筒部６８と、マンドレルの円錐台形部４６に対応して成形された円錐台形部７０と、マンドレルの円筒部４２に対応して成形された円筒部６４と、マンドレルの円錐台形部４６に対応して成形された円錐台形部７０と、マンドレルの小径円筒部４８に対応して成形された小径円筒部７２と、マンドレルの球状端部５２に対応して成形された縮径開口端部７６を囲むように、同様にマンドレルの球状端部５２に対応して成形された内方に突出した端部７４とを含む。以上説明したように、プリフォーム５４はマンドレル４０に対して押し当てられてもよいが、次に、図５、６を参照して説明するように、同時にローラー成形されることが好ましい。

図５に示したプリフォーム７８の実施例は比較的単純で成形が容易である。プリフォームは、拡径開口端８２において円筒端部８０と、第１の凹状円錐台形部８４と、縮径開口端部に続く第２の凹状円錐台形部８６とを含む。マンドレル９０は、複数の円筒部９２〜１００と、円筒部９２、９４間の半径方向に広がった段部１０２と、複数の縮径円錐台形段部１０４〜１０８とを含む複数の縮径段端部を含む。本実施例において、プリフォーム７８は、図６において符号１１２で示したように、マンドレル９０の形状に一致するように、ローラー１１０または複数のローラーによって半径方向内方に成形される。図５、６に示したように、このローラー加工によるプリフォームの冷間加工は、鋼製プリフォームの強度を２５％〜３５％増加させる。上述したように、プリフォームの冷間加工は、マンドレルを覆うプリフォームに押し当てるか、マンドレルを覆うプリフォームをローラー加工するか、あるいは両方の連携により実現できる。

図７〜９は、ハウジングアッセンブリの他の実施例を含む、本発明のハウジングの成形方法の他の実施例を図示している。図７において、プリフォーム１１２は図１、２を参照して上述した方法によって成形してもよい。本実施例のプリフォーム１１２は、プリフォームの拡径開口端１１６において円筒部１１４と、第１の円錐台形部１１８と、第２の円錐台形部１２０と、縮径開口端１２４を囲んで半径方向内方に突出したリップ１２２とを含む。

図８に示したハウジング部材１２６とカバーすなわちリッド１２８とは上述したプリフォームをローリング成形することで成形される。たとえば図７に示したプリフォーム１１２を、ハウジング部材１２６になるようにローラー成形することができる。プリフォーム１１２は、プリフォーム１１２と成形後のハウジング部材１２６との相対的な寸法を図示するために、図９にも仮想的に示されている。ハウジング部材１２６のローラー成形後、アッセンブリの構成部品は、図８に示したように、ハウジング部材１２６の拡径開口端１３０内に収容される。本実施例において、ハウジングアッセンブリの構成部品は、ハウジング部材１２６内に形成されたスロットすなわち溝１３４に定着されたクロスピン１３２を含む。アッセンブリはさらに２個のピニオンギア１３８を含む。リングギア（図示せず）はハウジング部材１２６に溶接されてもよい。当業者が理解できるように、各ピニオンギアはスプライン加工された開口１４０を含む。リッドすなわちキャップ１２８は、米国特許第６，９４５，８９８号にて説明されている全く異なる方法により形成された差動用ハウジングのように、自動車用差動機構を構成するハウジング部材の拡径開口端１３０に溶接されてもよい。

図１０、１１は、筒体を成形する本発明の一方法と、適用例に対して所定領域の強度を高めるための肉厚部を有するハウジングとを図示している。まず、均一な空間１４４を有する筒体１４２は偏心ローラー１４６、１４８間でローラー成形される。ローラーと筒体１４２とは成形を容易にするために加熱されてもよい。成形後の筒体は図１１に示したように、肉厚中央部１５０を含む。肉厚中央部を有する筒体１４２は、図１、２を参照して上述した方法によってローラー成形されてもよく、この場合、縮径部または拡径部は強度増加のための肉厚壁を有する。

本発明のハウジングの成形方法の好適な実施例を説明したが、当該分野におけるいわゆる当業者は、添付された請求の範囲内において開示された方法に対して各種の変形を施すことができることが理解される。たとえば、図１に示した筒体２０において、プリフォームの部位３８とハウジングの部位５４とは円筒形あるいは概して円筒形として示されているが、筒体、プリフォーム、ハウジングは、たとえば八角形や六角形を含む多角形に限定されない、いかなる断面形状であってもよい。簡単には本発明の方法は、筒体の長手方向軸に対して直交して延在する複数のローラーを用いて鋼製筒体を、半径方向内方にローラー成形することを含み、このとき各ローラーは筒体の軸に平行な回転軸を有し、この結果、ローラーは筒体を加圧し、縮径部と、縮径部間に位置する拡径部とを成形する。理解されるように、筒体は、複数の鏡像プリフォームを成形するために、適正な長さにすることができる。このとき、本方法は、拡径部及び縮径部のほぼ中間位置を通って、長手方向軸に対して直角に筒体を切断することを含み、これにより複数の鏡像プリフォームを成形する。

さらに本方法は、鋼材強度を少なくとも１５％向上しながら、拡径開口端と縮径開口端とを有するハウジング部材を成形する、プリフォームを所望の形状のハウジングにする冷間加工を含む。最終的に、アッセンブリのハウジング構成部品は、ハウジングの拡径部の開口を通じて挿入され、縮径部が構成部品をハウジング内に保持する。

Claims (10)

1. 複数のローラーによって鋼製筒体を半径方向内方に向けてローラー成形する工程であって、各ローラーは前記筒体の長手方向軸に対して直交して延在し、各ローラーは前記筒体の長手方向に対して平行な回転軸を有し、前記ローラーで前記筒体の複数の部位の各位置で前記筒体を加圧し、前記部位の各位置で縮径部を、また、２箇所の前記縮径部間に位置する少なくとも１箇所の拡径部を前記筒体内に形成する工程と、
   前記少なくとも１箇所の拡径部のほぼ中間位置と、前記縮径部のほぼ中間位置を通って、前記筒体をその長手方向軸に対して直角に切断する工程であって、これにより拡径開口端と縮径開口端とをそれぞれ有する複数の鏡像プリフォームを形成する工程と、
   前記プリフォームを、所望の形状のハウジングにする冷間加工を施して、鋼材強度を少なくとも１５％向上させながら、拡径開口端と縮径開口端部とを有するハウジング部材を形成する工程と、
   前記ハウジングの拡径開口端を介してアッセンブリの構成部品を配置し、縮径部で前記構成部品を前記ハウジングに保持する工程と、
   を含むことを特徴とするハウジングの成形方法。
2. 前記鋼製筒体は、低炭素鋼ないし中炭素鋼から成形された、請求項１に記載の成形方法。
3. 前記鋼製筒体は、低合金高張力鋼から成形された、請求項１に記載の成形方法。
4. 前記鋼製筒体は、長手方向の溶接継ぎ目を含み、該筒体及び加工後のハウジングの強度が冷間加工により少なくとも２０％高められた、請求項１に記載の成形方法。
5. 複数のローラーによって鋼製筒体を半径方向内方に向けてローラー成形する工程であって、各ローラーは前記筒体の長手方向軸に対して直交して延在し、各ローラーは前記筒体の長手方向に対して平行な回転軸を有し、前記ローラーで前記筒体を加圧し、縮径部と拡径部とを前記筒体内に形成する工程と、
   拡径部及び縮径部のほぼ中間位置を通って、前記筒体をその長手方向軸に対して直角に切断する工程であって、これにより拡径開口端と縮径開口端とをそれぞれ有する複数の鏡像プリフォームを形成する工程と、
   前記プリフォームを、所望の形状のハウジングにする冷間加工を施して、鋼材強度を少なくとも１５％向上させながら、拡径開口端と縮径開口端部とを有するハウジング部材を形成する工程と、
   前記ハウジングの拡径開口端を介してアッセンブリの構成部品を配置し、縮径部で前記構成部品を前記ハウジングに保持する工程と、
   を含み、
   前記鋼製筒体は、アーチ状の肉厚部を有する筒体を形成するクラウンローラーを用いて鋼板を筒体とするローラー成形により形成された長手方向の溶接継ぎ目を含むことを特徴とするハウジングの成形方法。
6. 前記筒体の前記冷間加工は、前記プリフォームの拡径開口端部を介するマンドレルの収容を含み、前記プリフォームが複数のローラーによって前記マンドレルの形状に形づくられる、請求項１に記載の成形方法。
7. 前記ハウジングの拡径開口端を覆って保持された分離部材によって前記ハウジング内に前記構成部品を保持することを含む、請求項１に記載の成形方法。
8. 筒体の長手方向軸に対して直交して延在する、複数のローラーによって、長手方向に延在する溶接部を有する鋼製筒体をローラー成形する工程であって、各ローラーは前記筒体の長手方向に対して平行な回転軸を有し、前記ローラーで前記筒体を加圧し、縮径部と、前記筒部の直径とほぼ等しい拡径部とを成形する工程と、
   拡径部及び縮径部のほぼ中間位置を通って、前記筒体をその長手方向軸に対して直角に切断する工程であって、これにより複数の鏡像プリフォームを形成する工程と、
   マンドレルを覆う前記プリフォームをローラー成形することで、前記プリフォームを所望の形状の物品にする冷間加工を施すことにより、鋼材強度を少なくとも２０％向上させ、拡径開口端と縮径部とを有する所望の形状の物品を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする構成部品の成形方法。
9. 前記プリフォームの冷間加工により、鋼材の強度を少なくとも２５％増加させる、請求項８に記載の成形方法。
10. 前記鋼製筒体は、低炭素鋼ないし中炭素鋼から成形された、請求項８に記載の成形方法。

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