JP6061312B2 - 塑性加工方法及びそれに用いるスピニングマシン - Google Patents

Description

本発明は、有底筒状の素材の開口側端部に塑性加工を施す塑性加工方法及びそれに用いるスピニングマシンに関し、特に素材胴部の内径よりも開口側端部の内径を小さくした製品の加工をすることができる塑性加工方法及びそれに用いるスピニングマシンに関するものである。

従来、スピニングマシンとして、有底筒状の素材の開口側端部における外周面に溝部を形成するとともに、素材胴部の内径よりも開口側端部の内径が小さくなる製品（例えば、ディスクブレーキ用のブレーキピストン）を塑性加工にて得ることができるものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第４６０２０６０号公報

図３（ａ）に示されるように、上記の特許文献１に係るスピニングマシン１００は、図示省略される主軸に配設されて有底筒状の素材Ｗの外周面を挟持するチャック１０１を備えている。
チャック１０１によって挟持された素材Ｗの内部には、主軸と同軸芯上に配されるマンドレル１０２がその開口側端部から差し込まれている。
製品の溝部に対応する突起を有する押圧ローラ１０３が、主軸の軸芯に対して直角方向（図３（ａ）中記号Ｙ_１０矢印方向）に移動自在に配設されるとともに、素材Ｗの開口側端面に接触して転動する規制ローラ１０４が、主軸の軸芯方向（図３中記号Ｘ_２０矢印方向）と主軸の軸芯に対して直角方向（図３中記号Ｙ_２０矢印方向）に移動自在に配設されている。

このスピニングマシン１００においては、主軸の回転駆動にて素材Ｗがその主軸の軸芯回りに回転された状態で、図３（ａ）〜（ｂ）に示されるように、素材Ｗの開口側端部が押圧ローラ１０３によってマンドレル１０２に押し当てられるように押圧される。この際、押圧ローラ１０３による素材Ｗの開口側端部の軸方向の伸びが規制ローラ１０４によって規制される。
こうして、素材Ｗの開口側端部における外周面に溝部が形成されるとともに、素材Ｗの開口側端部の内径が素材の胴部の内径よりも小径となる塑性加工が実施される。

ところで、上記のスピニングマシン１００によって塑性加工が施される有底筒状の素材Ｗは、例えば、鍛造等の加工法により得られるものであって、要求される長さ寸法や板厚寸法に対し、実際の長さ寸法や板厚寸法のバラツキが比較的大きい。
また、上記のスピニングマシン１００による塑性加工時においては、図３（ｂ）に示されるように、素材Ｗの開口側端部の外周面が押圧ローラ１０３によって押し付けられ、内周面がマンドレル１０２によって押し付けられ、端面が規制ローラ１０４によって押し付けられている。

このため、上記のスピニングマシン１００による塑性加工では、素材Ｗの実際の長さ寸法が要求寸法よりも長かったり、素材Ｗの実際の板厚寸法が要求寸法よりも厚かったりしたとき、素材Ｗの余分な肉が素材Ｗの内周面側に流れようとしてもマンドレル１０２によって遮られ、また、素材Ｗの端面側に流れようとしても規制ローラ１０４によって遮られるため、余分な肉の逃げ場をなくすと重要な溝部の成形精度を確保できない。
一方、余分な肉の逃げ場を、例えば、押圧ローラ１０３の形状を工夫することで対処しようとすると、比較的密着状態が緩いとされる素材Ｗの開口側端縁と押圧ローラ１０３との間から径方向外側に流れ出てしまうことになり、外周側の形状寸法に高い精度が要求される製品においてその開口側端縁が設計寸法の許容値を超えて図３（ｃ）中記号Ｐ矢印で示されるように径方向外側に張り出してしまうおそれがあるという問題点がある。

本発明は、上記従来のスピニングマシンの有する問題点に鑑み、有底筒状の素材の長さ寸法や板厚寸法にバラツキがあったとしても、外周面側の形状寸法に高い精度が要求される製品の精度を確保することができる塑性加工方法及びそれに用いるスピニングマシンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の塑性加工方法は、有底筒状の素材を主軸に保持した状態で、主軸を回転駆動することによって、素材をその主軸の軸芯回りに回転させながら、押圧ローラを主軸の回転中心に近づける方向に押し進めることにより、素材の開口側端部の内径が素材の胴部の内径よりも小径となるように、該開口側端部に円周状の溝部の成形を行うスピニングマシンによる塑性加工方法であって、素材の開口側端部における外周面と端面とに同時に接触可能な、押圧ローラと重複して外周面に接触可能な第１のローラ面と、端面に接触可能な、第１のローラ面より大径の第２のローラ面とを有する仕上ローラにより、素材の開口側端部の外周面及び端面の仕上げ成形を行うことにより、素材の開口側端部の内周側が自由に変形可能なように非拘束状態で成形を行うことを特徴とする。

この場合において、前記押圧ローラによる成形と、仕上ローラによる成形とを同時に行うようにすることができる。

また、上記塑性加工方法に用いる本発明のスピニングマシンは、有底筒状の素材の外周面を挟持するチャック及び素材の外側底面に突き当てられる規制部材を配設した主軸と、素材の開口側端部から内部に差し込まれ、先端が素材の内側底面に突き当てられて、素材の底部を規制部材とで挟持するマンドレルと、素材の開口側端部を押圧する押圧ローラとを備え、主軸の回転駆動にて素材をその主軸の軸芯回りに回転させながら押圧ローラをマンドレルに近づける方向に押し進めることにより、素材の開口側端部の内径が素材の胴部の内径よりも小径となるように、該開口側端部に円周状の溝部の成形を行うスピニングマシンであって、素材の開口側端部における外周面と端面とに同時に接触して素材の開口側端部の外周面及び端面の仕上げ成形を行う、押圧ローラと重複して外周面に接触可能な第１のローラ面と、端面に接触可能な、第１のローラ面より大径の第２のローラ面とを有する仕上ローラが設けられ、マンドレルにおける少なくとも素材の内部に挿入される部分を、該部分と素材の開口側端部の塑性変形後における内周面との間に隙間が設けられるように形成したことを特徴とする。

本発明の塑性加工方法によれば、素材の開口側端部の内径が素材の胴部の内径よりも小径となるように成形するに当たり、素材の開口側端部の内周側が自由に変形可能なように非拘束状態で成形を行う。
また、本発明のスピニングマシンにおいては、塑性変形後における素材の開口側端部の内周面とマンドレルとの間に隙間が設けられる。
これにより、素材の実際の長さ寸法が要求寸法よりも長かったり、素材の実際の板厚寸法が要求寸法よりも厚かったりしたとしても、素材の余分な肉がその隙間側に流れ込み、外周面側の形状寸法に高い精度が要求される製品において高い精度が要求されない径方向内側に素材の余分な肉を逃がすことができる。

したがって、有底筒状の素材の長さ寸法や板厚寸法にバラツキがあったとしても、外周面側の形状寸法に高い精度が要求される製品の精度を確保することができる。

そして、特に、マンドレルの先端が素材の内側底面に突き当てられて、素材の底部を規制部材とで挟持することにより、塑性加工時における素材の振れがマンドレルによって確実に抑えられるので、素材の振れやそれに伴う素材へのトルク伝達不足に起因してチャックや押圧ローラ、さらには、仕上ローラから素材に加えられる傷の発生を未然に防ぐことができ、製品の品質を安定的に保つことができる。

さらに、素材の開口側端部における外周面と端面とに同時に接触可能なローラ面を有する仕上ローラを設け、素材の開口側端部の外周面及び端面の仕上げ成形を行うことにより、製品の開口側端部をより高精度に仕上げることができる。

本発明の一実施形態に係るスピニングマシンの一部切欠き断面の正面図である。 本実施形態のスピニングマシンによる塑性加工動作説明図で、（ａ）は素材を取り付けた状態図、（ｂ）は加工を完了した状態図、（ｃ）は（ｂ）のＡ部拡大図である。 従来のスピニングマシンによる塑性加工動作説明図で、（ａ）は素材を取り付けた状態図、（ｂ）は加工を完了した状態図、（ｃ）は（ｂ）のＢ部拡大図である。

以下、本発明の塑性加工方法及びそれに用いるスピニングマシンの実施の形態を、図面に基づいて説明する。

＜スピニングマシンの概略説明＞
図１に示されるスピニングマシン１は、回転機構２に連結される主軸３の先端部に配設されて有底筒状の素材Ｗの外周面を挟持するチャック４を備えている。
チャック４によって挟持された素材Ｗの内部には、チャック４と対向する位置で、主軸３と同軸芯上に配されるマンドレル５がその開口側端部から差し込まれている。
また、マンドレル５の近傍には、押圧ローラ６及び仕上ローラ７がそれぞれ配され、これらローラ６、７はそれぞれホルダ８、９に回転自在に取り付けられている。

＜チャックの説明＞
チャック４は、円筒形状に形成され、その内部には、素材Ｗの外径に応じた挟持部材１０が配設されるとともに、取り付ける素材Ｗの長さに応じた規制部材１１が配設され、図１に示される位置に素材Ｗを固定することができるように構成されている。
また、チャック４は、主軸３から挟持部材１０及び規制部材１１と共に取り外し、製品形状（素材Ｗ）に応じたチャック４と取り換え可能に構成される。

＜マンドレルの説明＞
マンドレル５は、丸棒状部材で構成され、図２（ａ）に示されるように、素材Ｗの内側底面に突き当てられて、素材Ｗの底部を規制部材１１とで挟持する先端面５ａを有し、その全長に亘って、素材Ｗの開口側端部の塑性変形後の内径よりも小径とされている。こうして、図２（ｂ）に示されるように、素材Ｗの開口側端部の塑性変形後における内周面とマンドレル５との間に、所定の隙間Ｓが設けられる。
このため、マンドレル５の直径Ｄは、隙間Ｓが確実に維持されるように、すなわち、素材Ｗの開口側端部の塑性変形後における素材Ｗの開口側端部の最も突出量が大きい位置（通常、素材Ｗの開口側端縁）の突出寸法に合わせて、それより小さく設定するようにする。
なお、マンドレル５の直径Ｄ、隙間Ｓが確実に維持されるように極端に小さく設定すると、素材Ｗの底部やマンドレル５が変形したり、後述の素材Ｗをマンドレル５と規制部材１１とによって挟持する作用効果が得にくくなるため、素材Ｗの内径ｄ_２の少なくとも４０％以上、好ましくは、５０％以上、より好ましくは、７０％以上に設定するようにする。
図１に示されるように、マンドレル５は、素材Ｗの開口側端面から内側底面までの距離や、塑性加工後の素材Ｗの開口側端部の内径等に応じて最適なものと交換可能とするために、主軸３の軸芯方向に移動可能な従動機構１２の先端部に配設した取付部材１３に着脱可能に取り付けられる。
なお、マンドレル５は、その先端が素材Ｗの内側底面に突き当て可能（面接触であるのが好ましい）であるとともに、素材Ｗの開口側端部の塑性変形後における内周面との間に所定の隙間Ｓ（図２（ｂ）参照）を設けることができれば、特にその形状等が限定されるものではなく、外周面に軸芯方向に沿ってテーパを付したり、中空状のものを採用したり、横断面が多角形状等の任意の形状のものを採用することができる。

＜押圧ローラの説明＞
図２（ｂ）に示されるように、押圧ローラ６は、素材Ｗの開口側端部の外周面に所望の凹凸形状（素材Ｗの開口側端部に円周状の溝部Ｇ）の塑性加工を施すための凹凸状のローラ面６ａを有している。
この押圧ローラ６を回転自在に支持するホルダ８（図１参照）は、制御機器（図示省略）からの制御信号に応じて、主軸３の軸芯に対して直角方向（図２（ｂ）中記号Ｙ_１矢印方向）に移動するようにされている。

＜仕上ローラの説明＞
図２（ｂ）に示されるように、仕上ローラ７は、素材Ｗの開口側端部における外周面と端面とに同時に接触可能なローラ面７ａを有している。
この仕上ローラ７を回転自在に支持するホルダ９（図１参照）は、制御機器（図示省略）からの制御信号に応じて、主軸３の軸芯方向（図２（ｂ）中記号Ｘ_２矢印方向）と主軸３の軸芯に対して直角方向（図２（ｂ）中記号Ｙ_２矢印方向）に移動するようにされている。

＜塑性加工動作の説明＞
以上に述べたように構成されるスピニングマシン１による素材Ｗへの塑性加工は以下のとおりである。
まず、図２（ａ）に示されるように、チャック４によって挟持された素材Ｗに対して、その開口端部から内部に向けてマンドレル５を挿入し、マンドレル５の先端面５ａが素材Ｗの内側底面に突き当たるまで進入させる。これにより、素材Ｗは、マンドレル５と規制部材１１とによる挟持及び挟持部材１０による挟持により、塑性加工時に振れない（微振動しない）ように安定的に保持される。

次いで、回転機構２（図１参照）による主軸３の回転駆動にて素材Ｗを主軸３の軸芯回りに回転させながら、図２（ａ）〜（ｂ）に示されるように、素材Ｗの開口側端部に対し、押圧ローラ６を図中記号Ｙ_１矢印方向に押し当てる。これにより、素材Ｗの開口側端部の内径ｄ_１が素材Ｗの胴部の内径ｄ_２よりも小径（ｄ_１＜ｄ_２）となるような塑性加工が施されるとともに、素材Ｗの開口側端部の外周面に押圧ローラ６のローラ面６ａに倣った凹凸形状が塑性加工される。この際、図２（ｃ）に示すように、溝部Ｇやその近傍の肉厚Ｎは、素材Ｗの開口側端部の内径ｄ_１を素材Ｗの胴部の内径ｄ_２よりも小さくしたことにより、十分な肉厚を確保することができる。

この押圧ローラ６による塑性加工と同時に、素材Ｗの開口側端部における外周面と端面との交わりの角部に対し、仕上ローラ７を図２（ｂ）中記号Ｘ_２矢印方向及び記号Ｙ_２矢印方向に押し当てる。これにより、得られる製品の開口側端部の角部の形状がより高精度に整えられる。
この場合、素材Ｗの開口側端部における外周面は、押圧ローラ６によってではなく、仕上ローラ７によって仕上げ成形することができるように、押圧ローラ６及び仕上ローラ７の形状を設定することが好ましい。
なお、本実施例においては、押圧ローラ６の記号Ｙ_１矢印方向への移動と、仕上ローラ７の記号Ｘ_２及び記号Ｙ_２矢印方向への移動とを同時に行うようにしたが、押圧ローラ６及び仕上ローラ７の移動は、任意の順序で行うことができる。

＜作用効果の説明＞
本実施形態のスピニングマシン１においては、図２（ｃ）に示されるように、塑性変形後における素材Ｗの開口側端部の内周面とマンドレル５との間に隙間Ｓが設けられるので、素材Ｗの開口側端部の内径ｄ_１が素材Ｗの胴部の内径ｄ_２よりも小径（ｄ_１＜ｄ_２）となるように成形する間、素材Ｗの開口側端部の内周側が自由に変形可能なように非拘束状態で成形が行われる。
これにより、素材Ｗの実際の長さ寸法が要求寸法よりも長かったり、素材Ｗの実際の板厚寸法が要求寸法よりも厚かったりしたとしても、素材Ｗの余分な肉がその隙間Ｓ側に流れ込み、外周面側の形状寸法に高い精度が要求される製品において、図２（ｃ）中記号Ｑ矢印で示されるように、高い精度が要求されない径方向内側に素材の余分な肉を逃がすことができる。したがって、有底筒状の素材の長さ寸法や板厚寸法にバラツキがあったとしても、外周面側の形状寸法に高い精度が要求される製品の精度を確保することができるという効果がある。
さらに、素材Ｗの開口側端部における端面が仕上ローラ７によって拘束されることと相俟って、押圧ローラ６の成形に伴う素材Ｗの薄肉化、特に、素材Ｗの最肉厚部ｔの薄肉化を防止し、製品の強度を保つことができる。

また、素材Ｗの内側底面に突き当てられるマンドレル５によって塑性加工時における素材Ｗの振れが確実に抑えられるので、素材Ｗの振れやそれに伴う素材Ｗへのトルク伝達不足に起因してチャック４の挟持部材１０や押圧ローラ６、さらには、仕上ローラ７から素材Ｗに加えられる傷の発生を未然に防ぐことができ、製品の品質を安定的に保つことができる。
さらに、素材Ｗの開口側端部における外周面及び端面の形状（例えば、直角度。）及び面肌が仕上ローラ７によって整えられるので、製品の開口側端部をより高精度に仕上げることができる。

以上、本発明のスピニングマシンについて、一実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明の塑性加工方法及びそれに用いるスピニングマシンは、有底筒状の素材の長さ寸法や板厚寸法にバラツキがあったとしても、素材の余分な肉を内周面側に逃がすことができるという特性を有していることから、外周面側の形状寸法に高い精度が要求される製品の加工に好適に用いることができる。

１ スピニングマシン
３ 主軸
４ チャック
５ マンドレル
６ 押圧ローラ
７ 仕上ローラ
１１ 規制部材
Ｓ 隙間
Ｗ 素材
Ｇ 溝部

Claims (3)

1. 有底筒状の素材を主軸に保持した状態で、主軸を回転駆動することによって、素材をその主軸の軸芯回りに回転させながら、押圧ローラを主軸の回転中心に近づける方向に押し進めることにより、素材の開口側端部の内径が素材の胴部の内径よりも小径となるように、該開口側端部に円周状の溝部の成形を行うスピニングマシンによる塑性加工方法であって、素材の開口側端部における外周面と端面とに同時に接触可能な、押圧ローラと重複して外周面に接触可能な第１のローラ面と、端面に接触可能な、第１のローラ面より大径の第２のローラ面とを有する仕上ローラにより、素材の開口側端部の外周面及び端面の仕上げ成形を行うことにより、素材の開口側端部の内周側が自由に変形可能なように非拘束状態で成形を行うことを特徴とするスピニングマシンによる塑性加工方法。
2. 前記押圧ローラによる成形と、仕上ローラによる成形とを同時に行うようにすることを特徴とする請求項１に記載のスピニングマシンによる塑性加工方法。
3. 有底筒状の素材の外周面を挟持するチャック及び素材の外側底面に突き当てられる規制部材を配設した主軸と、素材の開口側端部から内部に差し込まれ、先端が素材の内側底面に突き当てられて、素材の底部を規制部材とで挟持するマンドレルと、素材の開口側端部を押圧する押圧ローラとを備え、主軸の回転駆動にて素材をその主軸の軸芯回りに回転させながら押圧ローラをマンドレルに近づける方向に押し進めることにより、素材の開口側端部の内径が素材の胴部の内径よりも小径となるように、該開口側端部に円周状の溝部の成形を行うスピニングマシンであって、素材の開口側端部における外周面と端面とに同時に接触して素材の開口側端部の外周面及び端面の仕上げ成形を行う、押圧ローラと重複して外周面に接触可能な第１のローラ面と、端面に接触可能な、第１のローラ面より大径の第２のローラ面とを有する仕上ローラが設けられ、マンドレルにおける少なくとも素材の内部に挿入される部分を、該部分と素材の開口側端部の塑性変形後における内周面との間に隙間が設けられるように形成したことを特徴とするスピニングマシン。

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