JP6256660B2 - 中空管材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空管材の製造方法に関する。
本願は、２０１６年２月５日に、日本国に出願された特願２０１６−０２１１５３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

現在、地球環境の保護の観点から、自動車の軽量化が求められている。例えば、車体を構成する鋼板の高張力化による板厚の薄肉化や、各種の自動車搭載部品の軽量化が強く推進されている。このため、自動車の製造コストは上昇する傾向にあり、各種自動車搭載部品のより一層の低コスト化も求められている。

例えば、エンジンから変速機を介して出力された駆動力をタイヤへ伝達するためのドライブシャフトや、車体前部に搭載されたエンジンの出力を駆動輪である後輪へ伝達するためのプロペラシャフト、さらには左右のドライブシャフトに接続されてトルクステアを防止する自動車用の動力伝達系シャフトでは、既に、旧来の中実部品からの中空化による軽量化が実用化されている。

このような中空の動力伝達系シャフトは、その軸方向に沿った各位置で外径および内径が変化することが多く、これまでは以下に列記の製造方法により製造されてきた。

（ａ）摩擦圧接を利用した製造方法
この方法では、軸方向に沿って外径および内径が変化する形状を有する動力伝達系シャフトを製造する際、軸方向中央部と軸方向両端部とを別々に製造し、これらを摩擦圧接により接合する。この方法では、軸方向中央部は鋼管を切断することにより製造し、軸方向両端部は鍛造品を削り出して製造する。

（ｂ）ロータリースウェージングを利用した製造方法
この方法では、軸方向に沿って肉厚が一定である鋼管を用意し、そしてその両端部をロータリースウェージングにより薄肉化や縮径、増肉することにより製造する。下記特許文献１には、この方法により、中空のプロペラシャフトやドライブシャフトを製造する発明が開示されている。

日本国特開２０１１−１２１０６８号公報

摩擦圧接を利用した製造方法によれば、製品の軸方向中央部を薄肉化できるため、動力伝達系シャフトの軽量化を図ることが確かに可能である。しかしながら、軸方向中央部と軸方向両端部との間を接合する工程が必要であるため、製造コストの上昇は避けられない。また、接合部の品質管理を厳しく行う必要もあり、この面からも製造コストが嵩む。

また、ロータリースウェージングを利用した製造方法においては、これを実施するための設備が非常に高価であるとともに、この製造方法による加工時間は不可避的に長くなることから、やはり製造コストが嵩む。

このように、従来の技術では、例えばドライブシャフトやプロペラシャフト、さらには左右のドライブシャフトに接続される中空の動力伝達系シャフト（中空管材）を、安価に製造することが難しかった。

本発明の目的は、軸方向に沿って断面形状が異なる中空管材を安価に製造できる方法を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記工程（Ａ）及び（Ｂ）を採用することにより、軸方向に沿って断面形状が異なる中空管材を安価に製造できることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成させた。
（Ａ）素材である鋼管を、製造しようとする製品の外形と同じ形状の内面形状を有する外金型の内部に配置し、
（Ｂ）この鋼管の軸方向の両端部それぞれを鋼管の軸方向中央位置へ向かって押圧可能なベース部と、このベース部に設けられて製品の軸方向両端部の内面形状と同じ形状の外面形状を有する芯金部とを有する、一対の金型の間で、鋼管を軸方向に圧縮する。

すなわち、本発明は、以下に列記の態様を採用した。
（１）本発明の一態様は、軸方向の両端部から軸方向の中央位置へ向けて、増肉部と、前記増肉部よりも外径が大きく前記増肉部よりも肉厚が薄い膨出部と、前記膨出部よりも外径が小さい中央部と、を有する中空管材を製造する方法であって、素材である鋼管を、前記中空管材の外形と同じ形状の内面を有する外金型の内部に、前記内面から少なくとも一部を離間させて配置する工程と；前記鋼管の軸方向の両端面にそれぞれ当接する一対の加圧金型間に、前記中空管材の軸方向の両端部の内面形状と同じ形状の外面形状を有する芯金部を前記鋼管の内面に対して少なくとも一部を離間させて挿通させた状態で、前記一対の加圧金型間の相対的な距離を縮めて前記鋼管を軸方向に圧縮することで冷間鍛造加工を行う工程と；を有し、前記加圧金型による軸押しの完了時において、前記芯金部の外面は、前記中空管材の前記膨出部の内面に対して当接していない。
（２）上記（１）において、前記芯金部が、その先端に向かうにつれて外径が小さくなってもよい。
（３）上記（２）の場合、前記芯金部の外径が、前記増肉部の肉厚に応じて段階的または連続的に変化してもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一項において、前記一対の加圧金型における前記鋼管の軸方向の両端面との当接部が、前記鋼管の外側へ向けて傾斜していてもよい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項において、前記中空管材が、自動車用の動力伝達系シャフトであってもよい。
（６）上記（５）の場合、前記動力伝達系シャフトが、ドライブシャフト、プロペラシャフトまたは左右のドライブシャフトに接続される動力伝達系シャフトであってもよい。

上記態様に記載の、中空管材の製造方法によれば、例えばドライブシャフトやプロペラシャフト、さらには左右のドライブシャフトに接続される中空の動力伝達系シャフトとして好適に用いられる中空管材を、安価に提供できる。

本発明の一実施形態に係る中空管材の製造方法を示す断面図であって、（ａ）が鍛造加工前を示し、（ｂ）が鍛造加工後を示す。 同実施形態に係る中空管材の製造方法により加工される中空管材の各寸法を説明するための断面図であって、（ａ）が加工素材となる鋼管の寸法を示し、（ｂ）が鍛造加工後の動力伝達系シャフトの寸法を示す。 同実施形態の変形例を示す断面図であって、（ａ）が図１（ａ）に相当し、（ｂ）が図１（ｂ）に相当する。 同変形例で用いられる芯金部のテーパ角度αを示すための図であって、軸線を含む断面で見た場合の断面図である。 中空管材及び芯金部を、それらの軸線を含む断面で見た場合の断面図であって、（ａ）は、テーパ角度が軸線に沿って一定の芯金部を用いた場合の成形完了時を示し、（ｂ）は、テーパ角度が軸線に沿って段階的に変化する芯金部を用いた場合の成形完了時を示し、さらに、（ｃ）は、テーパ角度が軸線に沿って連続的に変化する芯金部を用いた場合の成形完了時を示す。 図１に示した実施形態の他の変形例を示す断面図であって、（ａ）が図１（ａ）に相当し、（ｂ）が図１（ｂ）に相当する。 同変形例における鍛造加工の過程を示す図であって、（ａ）が図６（ａ）のＡ１部に相当する部分の拡大断面図であり、（ｂ）が図６（ｂ）のＡ２部に相当する部分の拡大断面図である。 図１に示した実施形態のさらに他の変形例を示す断面図であって、（ａ）が図１（ａ）に相当し、（ｂ）が図１（ｂ）に相当する。 図１に示した実施形態のさらに他の変形例を示す断面図であって、図１（ａ）のＡ３部に相当する部分の拡大断面図である。

添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る中空管材の製造方法を以下に説明する。なお、以下の説明では、中空管材が自動車用の中空の動力伝達系シャフトである場合を例示して説明するが、本発明は、動力伝達系シャフト以外の中空管材にも同様に適用可能である。

１．自動車用の中空の動力伝達系シャフト１
図１は、本発明の一実施形態に係る中空管材の製造方法を示す断面図であって、（ａ）が鍛造加工前を示し、（ｂ）が鍛造加工後を示す。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、自動車用の中空の動力伝達系シャフト１を、冷間鍛造加工による一工程で製造する。

動力伝達系シャフト１は、その軸線ＣＬに沿った方向（以下、軸方向と呼ぶ）の両端位置２−１，２−２から軸方向の中央位置２−３へ向けて、増肉部３−１，３−２と、膨出部４−１，４−２と、中央部５とを有する。すなわち、図１（ｂ）に示すように、動力伝達系シャフト１は、増肉部３−１、膨出部４−１、中央部５、膨出部４−２、増肉部３−２が、この順序に連続して形成されている。

増肉部３−１，３−２は、増肉部３−１，３−２、膨出部４−１，４−２および中央部５のうちで、肉厚が最も厚い部分である。本実施形態の場合、増肉部３−１，３−２の肉厚は、動力伝達系シャフト１の軸方向の各位置で略一定である。増肉部３−１，３−２の外径は、動力伝達系シャフト１の軸方向の各位置で略一定でかつ、素材である鋼管６の外径とほぼ同じである。また、増肉部３−１，３−２の内径は、動力伝達系シャフト１の軸方向の各位置で略一定でかつ、鋼管６の内径よりも小さい。
動力伝達系シャフト１が左右のドライブシャフトに接続される中空の動力伝達系シャフトである場合には、この増肉部３−１，３−２の外面にスプラインが刻設される。

膨出部４−１，４−２は、増肉部３−１，３−２よりも外径が大きくかつ、増肉部３−１，３−２よりも肉厚が薄い部分である。膨出部４−１，４−２の外径は、増肉部３−１，３−２の外径を起点として徐々に増加し、膨出部４−１，４−２の軸方向の略中央位置で最大値となり、その後、中央部５へ向かうにつれて徐々に減少する。また、膨出部４−１，４−２の内径も、増肉部３−１，３−２の内径を起点として徐々に増加し、膨出部４−１，４−２の軸方向の略中央位置で最大値となり、その後、中央部５へ向かうにつれて徐々に減少する。

中央部５は、その両隣の膨出部４−１，４−２よりも外径が小さい。さらに、中央部５の外径は、動力伝達系シャフト１の軸方向の各位置において略一定でかつ、素材である鋼管６の外径と略一致する。
また、中央部５の内径は、動力伝達系シャフト１の軸方向の各位置で略一定でかつ、鋼管６の内径と略一致する。よって、中央部５の内径は、増肉部３−１，３−２の内径よりも大きい。
したがって、中央部５は拡径も増肉もされていないため、中央部５の肉厚は、動力伝達系シャフト１の軸方向の各位置で、鋼管６の肉厚とほぼ同じでかつ、略一定である。

中央部５の硬度は、素材である鋼管６の硬度と略一致しており、鍛造加工前後での変化は、ほぼ無い。
一方、増肉部３−１，３−２は鍛造加工により増肉されているため、加工硬化しており、鋼管６の時の硬度よりも硬くなっている。また、膨出部４−１，４−２も、鍛造加工により拡径されているため、加工硬化しており、鋼管６の時の硬度よりも硬くなっている。

増肉部３−１，３−２及び膨出部４−１，４−２のそれぞれがこのように加工硬化していることにより、動力伝達系シャフト１は、自動車用の動力伝達系シャフトの基本的性能として要求される捩り強度や捩り疲労への特性向上が十分に図られている。

動力伝達系シャフト１の材質としては、Ｓ４５ＣＢ軟質化材（引張強度ＴＳ＝５５０ＭＰａ級）が例示されるが、この材質のみに限定されるものではない。動力伝達系シャフト１は、鍛造加工による軸押しにより増肉と拡管とを行うため、加工に伴う変形は、圧縮変形が主体となり、引張変形量が少ない。このため、材料の高強度化による破断のリスクは非常に少ない。したがって、動力伝達系シャフト１の材質として、Ｓ４５ＣＢ軟質化材よりも低強度な素材にも適用可能である。さらには、Ｓ４５ＣＢ軟質化材よりも高強度な素材に適用しても破断することなく動力伝達系シャフト１を成形可能である。

Ｓ４５ＣＢ軟質化材よりも高強度な素材では、その材質の高強度化に比例して軸押し荷重が増加する。しかしながら、軸押し荷重は、Ｓ３５ＣＢ軟質化材でも３５０トン程度であることから、１０００ＭＰａ級の高強度材でも７００トン程度で済み、量産プレス機でも十分に製造可能である。

２．動力伝達系シャフト１の製造方法
はじめに、図１（ａ）に示すように、素材である、肉厚一定の鋼管６を、動力伝達系シャフト１の外形と同じ形状の内面形状７ａを有する外金型７の内部に、外金型７の内面から僅かに離間させて配置する。すなわち、内面（内面形状７ａ）の軸線と鋼管６の軸線とが同軸（軸線ＣＬ）となるように配置する。鋼管６の外面と外金型７の内面との間には隙間が設けられているものの、この隙間の寸法は僅かである。なおかつ、後述のベース部８−１，８−２は、外金型７の内面形状７ａの端部内径と略一致する外径の略円柱形状を有している。そのため、鋼管６及びベース部８−１，８−２を普通に外金型７内に入れるだけで、略同軸配置とすることができる。もし、さらに高い精度で鋼管６を同軸配置する必要が有る場合には、図９を用いて後述する構成も採用可能である。

前記内面形状７ａの詳細について説明する。図１（ａ）に示すように、外金型７の軸方向に沿って見た場合、増肉部３−１に対応する部位は、軸線ＣＬからの距離がｒ１で一定である。
続く膨出部４−１に対応する部位では、軸線ＣＬからの距離ｒ２が、その一方の端部において増肉部３−１の距離ｒ１と同じであるが、中央部５に向かって近付くにつれて徐々に増していき、そして最大値を経てから他方の端部に向けて徐々に減っていく。

続いて、中央部５に対応する部位の距離ｒ３は、前記他方の端部における距離ｒ２と同じでかつ、軸線ＣＬに沿って膨出部４−２に至るまで一定である。
続いて、膨出部４−２に対応する部位では、軸線ＣＬからの距離ｒ４が、その一方の端部において距離ｒ３と同じであるが、増肉部３−２に向かって近付くにつれて徐々に増していき、そして最大値を経てから他方の端部に向けて徐々に減っていく。
続いて、増肉部３−２に対応する部位は、軸線ＣＬからの距離がｒ５で一定でかつ、前記他方の端部における距離ｒ４と同じである。
なお、距離ｒ１と距離ｒ５は互いに等しい。

鋼管６の外面と外金型７の内面形状７ａとの間には、隙間が設けられている。この隙間の寸法は、軸線ＣＬの方向に沿って見た場合に一定ではなく、その目的に応じて差が設けられている。
具体的に言うと、図１（ｂ）のＡ部（増肉部３−１，３−２）では、鋼管６を外金型７内に入れる際にスムーズに通すため（目的１）と、外金型７内で型鍛造により変形する鋼管６が外金型７との間に生じる摩擦を抑えて材料の流れをスムーズにするため（目的２）と、の二つの目的により、隙間寸法が定められている。なお、これら二つの目的１，２を達成するだけであれば、単純に隙間を大きくすることも考えられるが、それでは鋼管６が径方向外側に向かって過度に太ろうとする変形をその周囲より拘束できないため、鋼管６の座屈変形を招く虞がある。そのため、隙間を積極的に設けてはいるものの、その寸法が過度なもとならないように定められている。
また、図１（ｂ）のＢ部（膨出部４−１，４−２）では、鋼管６の外径を太らせるために、大きめの隙間寸法を採用している。
そして、図１（ｂ）のＣ部（中央部５）では、拡径も増肉も行わないので、鋼管６を外金型７内に入れる際にスムーズに通す目的だけのために、最小限の隙間寸法を採用している。このＣ部においては、極力、隙間を空けないことが好ましい。

図１（ｂ）のＡ部〜Ｃ部の各部における隙間寸法については、上述の理由により、それぞれ上限値及び下限値を設定することが好ましい。
まず、Ａ部における隙間の下限値について言うと、鋼管６の径方向における、外金型７の内面と鋼管６の外面との間の隙間Ｗ１（ｍｍ）は、加工前の素管である鋼管６の軸方向の任意位置における外径をｄ１（ｍｍ）とした場合に、Ｗ１は０．０１×ｄ１以上とすることが、上記目的１の観点より望ましい。続いて、Ａ部における隙間の上限値について言うと、Ｗ１は０．０５×ｄ１以下とすることが、上記目的２の観点より望ましい。以上より、Ａ部では、０．０１×ｄ１≦Ｗ１≦０．０５×ｄ１の式で定められる範囲内より隙間Ｗ１（ｍｍ）を採用することが好ましい。

続いて、Ｂ部における隙間については、０．１０×ｄ１≦Ｗ１≦０．２５×ｄ１の式で定められる範囲内より隙間Ｗ１（ｍｍ）を採用することが好ましい。
一方、中央部５においては、鋼管６を外金型７内に通せればよく、隙間Ｗ１（ｍｍ）は、略０（ゼロ）ｍｍにすることが好ましい。

なお、図示していないが、外金型７は、一般的な型鍛造に用いられる金型と同様に、左右二分割構造とされており、二分割することで成形後の製品を取り出すことができるように構成されている。すなわち、外金型７は、図１（ｂ）に示す形状の分割面により二分割された一対の金型で構成されているため、成形後の動力伝達系シャフト１に膨出部４−１，４−２が有っても、前記一対の金型を二分割することで、動力伝達系シャフト１を外金型７内より取り出すことが出来る。

次に、図１（ａ）に示すように、鋼管６の軸方向の両端面６−１，６−２のそれぞれを、上下一対の金型（芯金付きパンチ）１０−１，１０−２の間で、軸方向に圧縮する型鍛造を行う。金型１０−１は、ベース部８−１と、芯金部９−１とを有する。金型１０−２は、ベース部８−２と、芯金部９−２とを有する。
ベース部８−１，８−２は、鋼管６をその両端より軸方向の中央に向かって押圧する。ベース部８−１，８−２は、外金型７の内面形状７ａの端部内径と略一致する外径の略円柱形状を有しており、外金型７の端部内へ抜き差しが可能である。

芯金部９−１，９−２は、ベース部８−１，８−２に対して同軸かつ一体に設けられており、動力伝達系シャフト１の軸方向の両端部の内面形状１−１，１−２と同じ形状（すなわち、増肉部３−１，３−２の内面と同じ形状）の外面形状９−１ａ，９−２ａを有する。芯金部９−１，９−２の外面と鍛造加工前の鋼管６の内面との間の隙間Ｗ２（ｍｍ）は、鋼管６の内径をｄ２（ｍｍ）、板厚をｔ（ｍｍ）とした場合に、０．１０×（ｄ２−２×ｔ）≦Ｗ２≦０．２５×（ｄ２−２×ｔ）の範囲内より、適宜設定することができる。

型鍛造の際、図１（ｂ）中のＡ部では、金型１０−１，１０−２による軸押しにより、増肉部３−１，３−２が形成される。詳細に言うと、図１（ａ）に示すように、ベース部８−１，８−２により軸押しする前、芯金部９−１，９−２の外面と鋼管６の内面との間には隙間が設けられている。そして、ベース部８−１，８−２によって圧縮を受けることにより、増肉される部分の内径が小さくなりながら肉厚が増していき、ついには芯金部９−１，９−２の外面に合致した最終製品の内部形状を有する増肉部３−１，３−２となる。
また、図１（ｂ）中のＢ部は、図１（ａ）に示す軸押し前の状態において、鋼管６の周囲が拘束されていない。そのため、前記Ｂ部は、軸押しにより増肉は殆どされずに拡管して膨出部４−１，４−２が形成される。これら膨出部４−１，４−２の最大外径寸法は、鍛造加工前の鋼管６の外形寸法に対しておよそ１．２〜１．５倍に拡径される。
図１（ｂ）中のＣ部では、拡管も増肉もなされない。
金型１０−１、１０−２による軸押しの完了時において、芯金部９−１、９−２の外面は、中空管材の膨出部４−１、４−２の内面に対して当接しない。

図２は、本実施形態に係る中空管材の製造方法により加工される中空管材の各寸法を説明するための断面図であって、（ａ）が加工素材となる鋼管６の各部寸法を示し、（ｂ）が加工後の動力伝達系シャフト１の各部寸法を示す。
鋼管６の素材としてＳ４５ＣＢ軟質化材（引張強度ＴＳ＝５５０ＭＰａ級）を用いた場合、その全長Ｌは１００ｍｍ〜２０００ｍｍ、外径ｄは２０ｍｍ〜１００ｍｍ、板厚ｔは２ｍｍ〜２０ｍｍでかつｔ≦ｄ／２、を満たすものを好適に採用できる。

図２（ｂ）に例示される動力伝達系シャフト１は、各部の肉厚に関する下記条件１と、各部の外径に関する下記条件２との両方を満足する。
条件１：ｔ_１＞ｔ_２及びｔ_１＞ｔ_３であってかつ、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３のそれぞれが４ｍｍ以上かつ１５ｍｍ以下である。
条件２：Ｄ_２＞Ｄ_１及びＤ_２＞Ｄ_３であってかつ、２０ｍｍ＜Ｄ_１＜１００ｍｍ、２２ｍｍ＜Ｄ_２＜１２５ｍｍ、２０ｍｍ＜Ｄ_３＜１００ｍｍの全てを満たす。
さらに、鋼管６の軸方向長さＬ（ｍｍ）については、前述の通り、下記条件３を満足することが望ましい。
条件３：１００ｍｍ≦Ｌ≦２０００ｍｍ

型鍛造後、成形された動力伝達系シャフト１から金型１０−１，１０−２を抜き出し、外金型７を左右に２分割して、動力伝達系シャフト１を取り出す。このようにして、中空の動力伝達系シャフト１が一工程の型鍛造により、製造される。

なお、型鍛造後の動力伝達系シャフト１を金型より取り出す際の手順としては、上記手順とは逆に、外金型７を先に２分割して動力伝達系シャフト１を取り出し、その後に動力伝達系シャフト１から金型１０−１，１０−２を抜き出してもよい。ただし、前述のように、外金型７を２分割して動力伝達系シャフト１を取り出すよりも前に、動力伝達系シャフト１から金型１０−１，１０−２を抜き出す手順の方が、より好ましい。その理由は、動力伝達系シャフト１から金型１０−１，１０−２を抜き出す際、動力伝達系シャフト１の膨出部４−１，４−２が内面形状７ａに形成された凹部に対して係止めされていることから、外金型７を把持して金型１０−１，１０−２を容易に抜くことが出来るためである。すなわち、動力伝達系シャフト１自体を直接的に把持せずとも金型１０−１，１０−２を抜くことができるため、動力伝達系シャフト１を傷つけてしまう虞がない。

図３は、上記実施形態における一対の金型１０−１，１０−２の変形例を示す断面図であって、（ａ）が図１（ａ）に相当し、（ｂ）が図１（ｂ）に相当する。

型鍛造により成形された中空の動力伝達系シャフト１から金型１０−１，１０−２を抜き出す際の引き抜き荷重を低減するために、金型１０−１，１０−２の芯金部９−１，９−２は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、その先端に向かうにつれて外径が徐々に小さくなるテーパ形状を有することが望ましい。

特に、管端部である増肉部３−１，３−２を所望の肉厚分布とするためには、芯金部９−１，９−２の外径が、増肉部３−１，３−２の肉厚に応じて段階的または連続的に変化することが望ましい。より具体的に言うと、芯金部９−１，９−２にテーパ形状を設けた場合、増肉部３−１，３−２の肉厚は、管端より膨出部４−１，４−２に向かうにつれて緩やかに増していく。その結果、増肉部３−１，３−２から膨出部４−１，４−２に切り替わる箇所での肉厚を最も大きくできるので、このような形状の切り替わり部分の機械的強度を高めることができ、より優れた動力伝達系シャフト１を得ることが可能となる。
この他、芯金部９−１，９−２にテーパ形状を設けた場合、型鍛造後における金型１０−１，１０−２の抜き出しをより容易に行えるという利点もある。

図４は、上記変形例で用いられる芯金部９−１のテーパ角度αを示すための断面図である。また、図５は、鋼管６及び芯金部９−１をそれらの軸線ＣＬを含む断面で見た場合の断面図であって、（ａ）が、テーパ角度が一定の芯金部９−１を用いた場合の成形完了時を示し、（ｂ）が、テーパ角度が段階的に変化する芯金部９−１を用いた場合の成形完了時を示し、さらに、（ｃ）が、テーパ角度が連続的に変化する芯金部９−１を用いた場合の成形完了時を示す。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）においては、説明のために、膨出部４−１の図示を省略している。

図４に示す芯金部９−１のテーパ角度αは、０．３°以上１０．０°以下であることが好ましい。ここで言うテーパ角度αとは、軸線ＣＬに平行な直線に対する傾き角度を言う。

図５（ａ）に示す芯金部９−１は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示した芯金部９−１と同一形状を有する。
一方、図５（ｂ）に示す芯金部９−１を有する金型１０−１を用いた場合、製造される動力伝達系シャフト１の肉厚を段階的に変化させることができる。図５（ｂ）に示す芯金部９−１では、図４で示した前記テーパ角度αを、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の３段階に分けて変えている。Ａ〜Ｃ部それぞれのテーパ角度αは、それぞれ、０．３°以上１０．０°以下の範囲で適宜組み合わせればよい。

さらに、図５（ｃ）に示す芯金部９−１を有する金型１０−１を用いた場合、製造される動力伝達系シャフト１の肉厚を連続的に変化させることができる。テーパ角度αは、軸方向の各位置において、０．３°以上１０．０°以下の範囲内となるように適宜変化させればよい。

上記のような各種テーパ形状を芯金部９−１に適用することにより、鋼管６に金型１０−１，１０−２をセットする際の軸芯合わせを容易にすることも可能になる。

図６は、図１に示した一対の金型１０−１，１０−２の他の変形例を示す断面図であって、（ａ）が図１（ａ）に相当し、（ｂ）が図１（ｂ）に相当する。

本変形例では、後述の理由により、図６に示す形状のベース部８−１，８−２を採用している。すなわち、本変形例におけるベース部８−１，８−２は、鋼管６の軸方向の両端面６−１，６−２に当接する当接部８−１ａ，８−２ａが、鋼管６の軸線から径方向外側に向かうに従って鋼管６の軸方向中央位置から離れて後退するように傾斜している。当接部８−１ａ，８−２ａがこのような傾斜形状を備えた場合、鋼管６に金型１０−１，１０−２をセットする際の軸芯合わせを容易にすることができる。すなわち、当接部８−１ａ，８−２ａは略円錐面をなしているため、その先細りの先端部分を鋼管６の管端内に入れることが出来、両者間の軸芯合わせが容易となる。

さらに、当接部８−１ａ，８−２ａが上述のように傾斜して形成されることにより、これらが傾斜して形成されない場合（図１（ａ）および図１（ｂ）参照）に比較して、膨出部４−１，４−２として形成される部分に対し、拡管方向への力がより効果的に負荷される。

この点について、図７を用いて具体的に説明する。まず、型鍛造を開始すると、図７（ａ）に示すように、当接部８−１ａ（８−２ａ）を鋼管６端部の内周縁に先に当てることができる。その結果、図７（ｂ）に示すように、鋼管６端部の内周縁より、これから膨出部４−１（４−２）となる部分に向かって、この膨出部４−１（４−２）となる部分を径方向外側に押し広げて、内面形状７ａの凹みへと送り込むことができる。
このように、前記傾斜は、鋼管６端部の材料の流れを正しく導いて座屈（膨出部４−１，４−２の径方向内側への倒れ込み）を回避する役目を有する。したがって、所望とする製品形状が例え大きな膨出部４−１，４−２を有するものであっても、座屈無く成形することができる。

図８は、図１に示した一対の金型１０−１，１０−２のさらに他の変形例を示す断面図であって、（ａ）が図１の（ａ）に相当し、（ｂ）が図１の（ｂ）に相当する。

図８に示すように、本変形例では、芯金部９−１，９−２が上述のテーパ形状を有することと、当接部８−１ａ，８−２ａが傾斜して形成されることを併せ持つ形状の金型１０−１，１０−２を採用している。この変形例によれば、芯金部９−１，９−２がテーパ形状であることによる上述の効果と、当接部８−１ａ，８−２ａが傾斜していることによる上述の効果との双方を発揮することができる。
なお、本変形例において、芯金部９−１，９−２の先端形状として平坦な円形を採用したが、これのみに限らず、半球形状、または先細りのテーパ形状に加えて面取り加工（Ｃ面加工及びＲ加工の少なくとも一方）を施した形状を採用してもよい。この点は、他の変形例及び上記実施形態においても同様である。

以上、本発明の好ましい各種形態について説明したが、本発明は上記各種形態のみに限らず、適宜変更した構成も採用可能である。
例えば、上記各種形態では、素材が鋼である鋼管６について説明したが、素材としては鋼のみに限らず、その他の塑性変形可能な材質の中空管に対して本発明を適用してもよい。

また、図６に示した変形例等において、当接部８−１ａ，８−２ａが、鋼管６の軸線から径方向外側に向かうに従って鋼管６の外側へ向けて傾斜している形態を説明したが、所望とされる動力伝達系シャフト１の形状に応じて、その傾斜の向きを逆向きにしてもよい。この場合、鋼管６の端部内面を芯金部９−１，９−２に向けて密着させるように材料の流れを促すことが可能となる。

また、上記実施形態において図１（ａ）を用いて述べたように、外金型７の内面（内面形状７ａ）の軸線と鋼管６の軸線とを精度良く同軸配置する必要が有るが、そのために、例えば図９に示す金型１０−１（１０−２）を採用することも可能である。
すなわち、図９に示すように、芯金部９−１（９−２）の根元部分（ベース部８−１，８−２につながる部分）を太くしておくことで高精度な同軸配置が可能となる。より具体的に言うと、前記根元部分に、鋼管６の内径よりもやや大きいか又は略等しい外径を持ち、なおかつ芯金部９−１，９−２の先端に向かって先細りとなるテーパ面８ｘを形成しておく。そして、テーパ面８ｘで鋼管６の内径部分を同軸に支えることで、鋼管６を同軸に保持できる。

また、上記各種形態では、本発明を冷間鍛造に適用したが、これのみにかぎらず、鋼管６を例えば６００℃に事前に加熱してから外金型７内に入れ、そして金型１０−１，１０−２により圧縮加工する形態も採用可能である。この場合、鋼管６の事前の加熱方法としては、例えば通電加熱などが採用可能である。
このように鋼管６を事前加熱した場合、鋼管６の素材強度が高い場合であっても、小さい圧縮力で確実に変形させて所望の製品形状を得ることが可能となる。

以上に説明した各種形態に係る中空管材の製造方法の骨子を以下にまとめる。
（１）この中空管材の製造方法は、軸方向の両端部から軸方向の中央位置へ向けて、増肉部３−１,３−２と、増肉部３−１,３−２よりも外径が大きい膨出部４−１，４−２と、膨出部４−１，４−２よりも外径が小さい中央部５と、を有する中空管材（動力伝達系シャフト１）を製造する方法であって、素材である鋼管６を、中空管材（動力伝達系シャフト１）の外形と同じ形状の内面を有する外金型７の内部に、前記内面から少なくとも一部を離間させて配置する工程と；鋼管６の軸方向の両端面にそれぞれ当接する一対のベース部８−１，８−２間に、中空管材（動力伝達系シャフト１）の軸方向の両端部の内面形状と同じ形状の外面形状を有する芯金部９−１，９−２を鋼管６の内面に対して少なくとも一部を離間させて挿通させた状態で、一対のベース部８−１，８−２間の相対的な距離を縮めて鋼管６を軸方向に圧縮する工程と；を有する。なお、この圧縮する工程においては、一対のベース部８−１及び８−２の双方を互いに接近させても良いし、または、一対のベース部８−１及び８−２の何れか一方を固定しておき、他方を前記一方に接近させてもよい。
（２）上記（１）において、芯金部９−１，９−２が、その先端に向かうにつれて外径が小さくなるものであってもよい。
（３）上記（２）の場合、芯金部９−１，９−２の外径が、増肉部３−１,３−２の肉厚に応じて段階的または連続的に変化するものであってもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一項において、芯金部９−１，９−２のベース部８−１，８−２における、鋼管６の軸方向の両端面との当接部が、鋼管６の外側へ向けて傾斜して形成されていてもよい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項において、前記中空管材が、自動車用の動力伝達系シャフト１であってもよい。
（６）上記（５）の場合、動力伝達系シャフト１が、ドライブシャフト、プロペラシャフトまたは左右のドライブシャフトに接続される動力伝達系シャフトであってもよい。

以上説明の実施形態及び各種変形例によれば、例えば、ドライブシャフトやプロペラシャフト、さらには左右のドライブシャフトに接続される中空の動力伝達系シャフトを、一工程の型鍛造により安価に製造することができる。

１ 動力伝達系シャフト（中空管材）
１−１，１−２ 両端部
３−１，３−２ 増肉部
４−１，４−２ 膨出部
５ 中央部
６ 鋼管
６−１，６−２ 両端面
７ 外金型
７ａ 内面形状
８−１，８−２ ベース部（加圧金型）
８−１ａ，８−２ａ 当接部
９−１，９−２ 芯金部

Claims (6)

1. 軸方向の両端部から軸方向の中央位置へ向けて、増肉部と、前記増肉部よりも外径が大きく前記増肉部よりも肉厚が薄い膨出部と、前記膨出部よりも外径が小さい中央部と、を有する中空管材を製造する方法であって、
   素材である鋼管を、前記中空管材の外形と同じ形状の内面を有する外金型の内部に、前記内面から少なくとも一部を離間させて配置する工程と；
   前記鋼管の軸方向の両端面にそれぞれ当接する一対の加圧金型間に、前記中空管材の軸方向の両端部の内面形状と同じ形状の外面形状を有する芯金部を前記鋼管の内面に対して少なくとも一部を離間させて挿通させた状態で、前記一対の加圧金型間の相対的な距離を縮めて前記鋼管を軸方向に圧縮することで冷間鍛造加工を行う工程と；
   を有し、
   前記加圧金型による軸押しの完了時において、前記芯金部の外面は、前記中空管材の前記膨出部の内面に対して当接していないことを特徴とする中空管材の製造方法。
2. 前記芯金部は、その先端に向かうにつれて外径が小さくなることを特徴とする請求項１に記載の中空管材の製造方法。
3. 前記芯金部の外径は、段階的または連続的に変化することを特徴とする請求項２に記載の中空管材の製造方法。
4. 前記一対の加圧金型における前記鋼管の軸方向の両端面との当接部は、前記鋼管の外側へ向けて傾斜していることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の中空管材の製造方法。
5. 前記中空管材は、自動車用の動力伝達系シャフトであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の中空管材の製造方法。
6. 前記動力伝達系シャフトは、ドライブシャフト、プロペラシャフトまたは左右のドライブシャフトに接続される動力伝達系シャフトであることを特徴とする請求項５に記載の中空管材の製造方法。

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