JP6752917B1 - 有底筒体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】深絞り加工に代えて、１つの金属素材から有底の円筒以外の比較的自由な断面形状の有底容器を容易かつ確実に製造する方法を提供する。【解決手段】本発明は、金属素材の内部に芯金を挿入した状態で該金属素材を押出して、ロール間に通すことにより側壁面となる部位を成形して有底筒体を得る。【効果】金属素材の底面内側を芯金によって押出す力と、この押出しに抗して金属素材がその位置で例えば摩擦等で留まろうとする力との差を小さくすることができ、よって、金属素材の主に底面部と側壁面の角部位の破断が生じにくい。【選択図】図１

Description

本発明は、金属素材から有底の筒体を製造する方法に関するものである。

従来、例えば電池ケースに使用される有底容器は、ダイ上に金属板素材を載置して上方からパンチでダイ内に該金属板素材を引き込むいわゆる深絞り加工によって作製されることが多かった。しかしながら、この深絞り加工では、次の問題点があった。容器底の角部が薄くなり、破断するのを防止するため、多段の絞り、しごき加工が必要となり、工程数が増加する。金属板素材の破断防止のため、中間焼鈍工程を要することによる生産性の低下。金属板素材を使用するため、材料コストが高くなる。

特許文献１（特開平９−２２５５４７号公報）には、異種金属クラッド材を金属板素材とし、かつフランジ付きの円筒という限定はあるが、予めプレス成形加工した後、スピニング可能を施す有底容器の製造方法が提案されている。特許文献１によれば、スピニング加工は、回転する成形型（マンドレル）に金属素材を加工ローラやヘラで押し付けて成形する加工法であり、上記深絞りの問題点は解決できる。

しかし、特許文献１では、プレス成形してある程度の成形が完了していたとしても、回転する金属板素材をローラやヘラで成形する際の押圧調整について機械化が困難で、熟練者の経験に頼るしかないといった問題があり、同一品質を効率的に大量生産することと製品加工コストの低廉化には向いていない。

一方、有底ではない円筒（つまり容器ではなく管）の製造手法の一つとして、シームレス圧延管を製造するいわゆるマンネスマン方式などの製管技術が知られている。この方式によれば、互いに斜めに傾斜したロールで金属素材（丸ビレット）を圧下し、丸ビレットを直径方向に圧縮しながら回転させることで、該丸ビレット中心部に容易に孔が開くというマンネスマン効果によってピアサーにより穿孔し、プラグやマンドレルを用いて、所定寸法に拡管し、肉厚を所定厚みとし、軸長さを所定長さとするという工程を有している。

しかし、シームレス圧延管の製管技術では、原理上、（マンネスマン効果が発現するのが）丸ビレットであって該丸ビレットから成形される（無底の）円筒を製造するに適したものであるから、有底かつ円筒以外に成形することができないと共に製管工程ほぼ全工程に亘って金属素材を軸回転させることによる偏肉が生じ、この偏肉抑制のために高度な制御が必要となるといった問題がある。

そこで、例えば、特許文献１と上記シームレス圧延管の製管技術を組み合わせれば、すなわち、マンネスマン方式においてピアサーで穿孔する代わりにプレスで金属素材（丸ビレット）の中央位置を窪ませた状態に成形後、プラグやマンドレルを用いて、所定寸法に拡管し、肉厚を所定厚みとし、軸長さを所定長さとするという工程を経れば、有底の「円筒」容器の製造は可能かもしれない。

しかし、上記を組み合わせたとしても、（シームレス）圧延工程のほぼ全域に亘って金属素材を回転させていることから、プレスで成形した底部（底面）肉厚においては中央部が薄肉となる可能性があると共に上記のとおり側壁面（周面）に偏肉が生じるなど全体として厚みが安定せず、結果的に、深絞り加工による断面矩形の電池ケースと同等のものを作製することができないといった問題がある。

特開平９−２２５５４７号公報

本発明が解決しようとする問題は、深絞り加工に代えて、１つの金属素材から有底の円筒以外の比較的自由な断面形状の深絞り加工の課題を解消した有底容器を容易かつ確実に製造することが困難あるいはできなかった点である。

上記課題を解決するために、本発明の有底筒体の製造方法は、高強度で、薄肉で、高アスペクト比の有底の角筒体を製造する方法であって、ビレット状の金属素材の内部に芯金を挿入した状態で、該金属素材の側壁面とする部位を拘束しつつ押出し方向に回転するロール間に押出すことにより側壁面となる部位を成形することを主要な特徴とした。

本発明によれば、有底筒体の容器の底部（底面）となる部位は、芯金を挿入する端面と反対の端面（の内面）に、該反対の端面を貫通せずに所定厚みを残した状態で、芯金が挿入することのできる窪みが形成されていればよく、特に手法に限定はしない。有底筒体の側壁面となる部位は、ロール間に金属素材が通過する際に成形され、芯金の外面とロールの金属素材との接触面との隙間が側壁面の厚みとなる。

芯金は、金属素材に挿入された状態で該金属素材を押出すことでロール間に噛み込まれた後、そのまま金属素材をロール間に通過させることとなる。このとき、金属素材の移動方向（芯金による押出し方向）に追従してロールが回転するから、深絞りなど金型間を通過させる成形法より「芯金による押出し力＞金属素材がその位置で留まろうとする力（反力）」力の差を小さくすることができ、よって、金属素材の主に底部と側壁面とによる角部位の破断が生じにくい。

（ａ）〜（ｆ）は本発明の有底筒体の製造方法を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は本発明の有底筒体の製造方法を示し、図１の部分断面図である。 本発明の有底筒体の製造方法において型部材を使用した状態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分断面図である。 本発明の有底筒体の製造方法において底型部材を使用した状態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分断面図である。

本発明は、例えば電池ケースに使用されるような、高強度で、薄肉で、高アスペクト比の有底の角筒体の容器を、深絞り加工によらず、新規で、効率的かつ容易に、しかも深絞り加工で生じうる問題を克服して製造することを目的とし、この目的を、ビレット状の金属素材の内部に芯金を挿入した状態で、該金属素材の側壁面とする部位を拘束しつつ押出し方向に回転するロール間に押出すことにより側壁面となる部位を成形することで達成した。

ここで、金属素材の内部に芯金を挿入するには、例えば所定の外形で組まれたダイに金属素材を配置して、パンチにより芯金が挿入される内部空間（窪み）と底面厚みを成形する工程を経てから芯金を挿入する、例えば金属素材がロール間に噛み込むまでに芯金により該金属素材に対して大きな力を与えて芯金が挿入される内部空間（窪み）と底面厚みを成形する工程を経てから芯金を挿入する、などのようにすればよく、芯金を挿入する内部空間（窪み）を形成することと、底面厚みを成形することに関して、特に限定しない。

また、ロールとは、本発明では、金属素材に接触する所定角度の弧面（周面）を有する軸回転するものを意味し、その個数は２以上とする。すなわち、一般的な円形のロールも、例えば９０度（所定角度）の外形がいわゆる扇形で該扇形のカナメ部分を回転軸とするロールも、含まれることとする。また、弧面については、その面が例えば波打っていたり、歯車のような歯形成されていたり、してもよく、特に限定しない。ロールの外形が、円形であれば一般的であるため部材調達が容易というメリットがあり、扇形であれば金属素材に接触する弧面が存在すればよいため、平面積を小型化できるというメリットがある。

したがって、本発明では、金属素材をロール間に通過させることで、所定の外形形状の成形と側壁面となる部位について所定厚みにすることができ、しかもロールが金属素材の側壁面とする部位を拘束しつつ押出し方向に回転するので、ダイのように押出し方向に回転しない型枠内に金属素材を押出すことに較べて該金属素材に部分的な破断や肉厚の薄い箇所が生じにくく、圧延加工と押出加工との効果を相乗的に得ることができる。

上記において、本発明は、ロールが金属素材の押出し方向に回転駆動するものであってもよい。こうすることで、回転駆動しない（従動する）ロールによる成形に較べて、側壁面とする肉厚を薄くすることが可能となるほか、芯金を挿入した状態の金属素材をロール間に通す際の押出しの力が少なくて済む。

さらに、本発明は、上記のロールを回転駆動する場合において、該ロールの回転駆動を制御するようにしてもよい。このようにすれば、従動と駆動との使い分けが可能となると共に、例えば成形の初期は回転数を落として金属素材がロール間に（噛み込み後に）引き込まれることで芯金の押出し速度との非同期を防ぐことができる。

また、本発明は、上記構成において、金属素材の側壁面となる部位のうちロールと非接触の部位に型部材を固定配置して当接させるようにしてもよい。こうすることで、ロールと非接触の側壁面に生じるバルジ変形を抑制することができる。この型部材は、上記のようにバルジ変形の抑制として用いることができるほか、例えば側壁面の外形を成形するために用いることができる。

さらに、本発明は、金属素材の押出し方向の先端外側に底型部材を配置して押出し方向の圧力の反力が生じるように当接させるようにしてもよい。こうすることで、底部外形の不揃いを低減させることができる。また底型部材により金属素材の底部からの保持ができ、成形を安定させることができると共に、芯金が金属素材内底部から離れてしまうことを防ぐこともでき、さらには例えば底部厚みが薄い場合には該底部が破断することなく成形することができる。

また、本発明は、上記構成において、芯金は、金属素材の内部断面形状を決定する形状とされていることとしてもよい。こうすることで、外形の形状だけでなく、内部空間も自由に設定することができる。

以下、本発明の具体例について図面を参照して説明する。実施例１〜４では、１つの金属素材、例えば図１（ａ）及び図２（ａ）に示す丸ビレットＢ（塊状の金属素材）から有底の角筒容器を製造する工程を説明する。なお、以下、実施例２以降では、基本工程である実施例１の説明に用いた図１及び図２に基づいた変更部分のみを説明する。

（実施例１）
実施例１では、図１（ａ）に示すように丸ビレットＢを矩形凹状のダイＤに配置し、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、パンチＰにて中間成形体Ｂ１を得る。中間成形体Ｂ１は、図１（ｃ）及び図２（ｃ）に示すように、本例では後述する芯金１が遊びなく挿入できて、目的とする有底筒体Ｂ２の底面の厚みが成形された窪みＢａが形成されたものである。

なお、図１（ｂ）の中間成形体Ｂ１を得る工程は、必須ではなく、後述する、図１（ｄ）及び図２（ｄ）に示す工程前に、芯金１により丸ビレットＢに向けて１回又は複数回の力を与えて窪みＢａが形成されるようにしてもよい。すなわち、丸ビレットＢは、ロールＲに通す（噛み込む）までに底部となる厚みが形成される。

図１（ｄ）及び図２（ｄ）に示すように、中間成形体Ｂ１を本例では２対（計４個）のロールＲ間に噛み込ませる。本例におけるロールＲは、例えば対をなすロールＲの互いの直径を対向方向へ延長した仮想延長線が同一平面に位置（以下、この位置を成形ポイントという）するように配置している。なお、複数のロールＲによって構成される成形ポイントが側壁面を成形する部位となる。

また、成形ポイントにおけるロールＲの間に囲まれた空間は、得ようとする角筒容器Ｂ２の外形とされている。つまりロールＲの間がいわゆる押出成形で言う金型内の空間となり、断面三角形状であれば３つのロールＲの間が三角となるように、断面が六角形状であればその辺の数のロールＲを用いてロールＲの間が六角形状となるようにロールＲを配置する。

本発明が、押出成形における金型（ダイ）と異なるのは、回転可能なロールＲとしている点である。すなわち、実施例１におけるロールＲは、芯金１による中間成形体Ｂ１の押出しに追従して回転する従動型としている。したがって、実施例１では、中間成形体Ｂ１の押出し推力を、芯金１の押出し方向先端が中間成形体Ｂ１の内底面を押すことのみで得ていることなる。

ここで、例えば押出成形のような金型、例えば「回転しない」ロールＲ間に中間成形体Ｂ１を押出す構成であると、芯金１により押出される底面部が、回転しないロールＲと中間成形体Ｂ１の外面との摩擦によって残留しようとする部分を引っ張って破断させてしまう可能性がある。実施例１では、押出しに追従して回転する従動のロールＲを用いることで、上記で言う摩擦によって残留しようとする部分を押出し方向に送ることができるので、引っ張りによる破断が生じにくくなる。

一方、ロールＲを従動とすることで、ロールＲ間への噛み込みに大きな力を有することとなるが、例えば図１（ｂ）に示したダイＤ上でパンチＰにより丸ビレットＢに窪みＢａを設けて図１（ｃ）の中間成形体Ｂ１を得る工程を省略して、図１（ｄ）及び図２（ｄ）に示す工程において芯金１によって丸ビレットＢに大きな力を（１度又は複数）与えることにより、丸ビレットＢに窪みＢａを形成することと、窪みＢａが形成された丸ビレットＢ（＝中間成形体Ｂ１）をロール間Ｒに噛み込ますこととを、ほぼ同時又は連続的に行うことができる。

芯金１は、本例では、その外形が、得ようとする角筒容器Ｂ２の内部断面形状を決定する形状とされ、中間成形体Ｂ１において成形された窪みＢａに芯金１を挿入し、この芯金１によって図１（ｄ）及び図２（ｄ）に示すように中間成形体Ｂ１をロールＲ間に噛み込ませるべく押出し、その後、図１（ｆ）及び図２（ｆ）に示す中間成形体Ｂ１に所定高さ（深さの）側壁面が成形されるに至るまで中間成形体Ｂ１を押出す。

この芯金１による中間成形体Ｂ１の押出しに要する力は、ロールＲ間に噛み込ませるための力で一定としてもよいが、噛み込ませた後に、芯金１の押出し方向の先端がロールＲの成形ポイントを超えた時点で低減させるようにしてもよい。

中間成形体Ｂ１は、図１（ｅ）（ｆ）及び図２（ｅ）（ｆ）に示すように、該芯金１の外面とロールＲの成形ポイントにおける中間成形体Ｂ１との接触面との距離に応じた厚みの側壁面が形成されることとなる。そして、ロールＲ間を中間成形体Ｂ１が完全に通過した状態で目的とする有底筒体Ｂ２が完成し、後に、芯金１を有底筒体Ｂ２から抜く。

（実施例２）
実施例２において実施例１と相違する点は、ロールＲが押出し方向に定速回転駆動又は回転速度可変駆動（制御）されることにある。ロールＲが回転駆動する場合は、従動の（中間成形体Ｂ１の押出しに従動する）ロールＲによる成形に較べて、側壁面とする肉厚が薄い有底筒体Ｂ２を得ることができ、ロールＲ間への噛み込みに要する押出しの力が小さくて済むほか、芯金１による中間成形体Ｂ１の押出し方向への移動が容易となり、生産性が向上する。

ロールＲを回転速度可変制御する場合は、上記のとおり、中間成形体Ｂ１が、少なくともロールＲへ噛み込む直前から芯金１の先端がロールＲの成形ポイントに達するまでは、比較的遅い定速度あるいは回転停止（従動回転）といった制御を行い、該芯金１の先端がロールＲの成形ポイントを超えた後は、芯金１の押出し方向に比較的早い速度で回転させる制御を行えばよい。

実施例２において、ロールＲが駆動される場合、芯金１の押出し方向の先端が成形ポイントを超えてからは、ロールＲの回転により中間成形体Ｂ１が該芯金１の押出し速度より速く送られて、芯金１の先端と中間成形体Ｂ１の内底面と離間した状態となる場合がある。ただし、この状態は、本発明における有底筒体Ｂ２の成形品質上に何ら悪影響を与えるものではないが、ロールＲから中間成形体Ｂ１（有底筒体Ｂ２）が抜けて飛び出してしまうと折角の成型品がへこんだりキズついたりしてしまうことがある。

そこで、芯金１の先端と中間成形体Ｂ１の内底面と離間した状態となる場合は、芯金１の押出しの速度との同期を図る（芯金１の押出し速度をロールＲの回転速度に合わせる）か、あるいは、芯金１の押出し速度よりロールＲの回転速度を遅くするといった調整によって解消すればよい。

（実施例３）
実施例３は、実施例１において上記の２対、計４個のロールＲのうち、１対を図３に示す型部材２に代えている点が相違する。型部材２は、中間成形体Ｂ１の側壁面となる部位のうちロールＲと非接触の部位で成形ポイント位置に互いに対向させて固定配置する。もちろん、この型枠２と成形ポイント位置におけるロールＲの面によって有底筒体Ｂ２の外形形状が構成されていることは言うまでもない。

型部材２は、基本的に、側壁面について例えば外形形状が複雑でロールＲで成形できない面を成形するために用いるが、複数のロールＲで成形する側壁面の数の半分を超えないことを条件としておけば、本発明による効果を大きく損なうことはない。

この理由は、例えば実施例１における２対、計４個のロールＲのうち例えば３個を型部材２とすると、芯金１により押出される底面部が、型部材２と中間成形体Ｂ１の外面との摩擦によって残留しようとする部分を引っ張って破断させてしまう可能性が生じることと、側壁面におけるロールＲによる成形と型部材２による成形とで意図しない例えば厚みの偏りが生じるからである。

なお、本例において１対の型部材２は、例えば、互いの、芯金１による中間成形体Ｂ１の押出し方向と反対側の端部が互いに離間する構成とされている。このようにすることで、噛み込み前の中間成形体Ｂ１をロールＲに誘導して噛み込ませることができる。

実施例３のようにすることで、例えばロールＲの個数を減らした（目的とする有底筒体Ｂ３の外形形状とするには足りない）設備構成の場合であっても、ロールＲの非接触の側壁面に生じるバルジ変形を抑制することができる。

（実施例４）
実施例４は、実施例１において、金属素材の押出し方向の先端外側に底型部材３を配置して押出し方向の圧力の反力が生じるように当接させる点が相違する。実施例１〜実施例３までは、目的とする有底筒体Ｂ２の側壁面外形と内部形状を成形することに特化していたが、実施例４では、外底面を成形するために底型部材３を用いている。

底型部材３は、底面を平坦とする場合は平坦に、特定の形状とする場合はその形状とすればよく、図４に示すように、中間成形体Ｂ１の押出し方向の移動速度より遅くすれば（中間成形体Ｂ１の押出し方向の移動負荷を調整すれば）、底面に該底型部材３から反力を調整することができる。

このように、底型部材３を用いる、さらには底型部材３による反力調整を行うことによって、バルジ成形の抑制だけでなく底面の成形を均質化ができると共に、中間成形体Ｂ１の底部からの保持ができ、成形を安定させることができる。また、底型部材３を用いることで上記した芯金１が中間成形体Ｂ１の内底部から離れてしまうことが問題となる場合にはこれを防ぐこともでき、さらには底部厚みが薄い場合には該底部を破断させることなく成形することができる。

つまり、底型部材３の押出し方向への移動速度をコントロールすれば、芯金１のロールＲへの噛み込みに要する力や、中間成形体Ｂ１の押出し方向への移動速度、ひいては成形速度の制御も可能となる。

Ｂ 丸ビレット（金属素材）
Ｂａ 窪み
Ｂ１ 中間成形体（金属素材）
Ｂ２ 有底筒体
Ｒ ロール
１ 芯金
２ 型部材
３ 底型部材

Claims (6)

1. 高強度で、薄肉で、高アスペクト比の有底の角筒体を製造する方法であって、ビレット状の金属素材の内部に芯金を挿入した状態で、該金属素材の側壁面とする部位を拘束しつつ押出し方向に回転するロール間に押出すことにより側壁面となる部位を成形することを特徴とする有底筒体の製造方法。
2. ロールは金属素材の押出し方向に回転駆動するものであることを特徴とする請求項１記載の有底筒体の製造方法。
3. ロールの回転駆動を制御することを特徴とする請求項２記載の有底筒体の製造方法。
4. 金属素材の側壁面となる部位のうちロールと非接触の部位に型部材を固定配置して当接させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の有底筒体の製造方法。
5. 金属素材の押出し方向の先端外側に底型部材を配置して押出し方向の圧力の反力が生じるように当接させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有底筒体の製造方法。
6. 芯金は、金属素材の内部断面形状を決定する形状とされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の有底筒体の製造方法。

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