JP6896687B2 - 接続部の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フランジ部を有する接続部の製造方法に関する。

例えば、車両等の内燃機関に適用されるターボチャージャと触媒コンバータとの接続構造において、ターボチャージャのタービンハウジングと、触媒コンバータの上流側に配置される上流管部とをクランプにより接続するものが知られている。かかる接続構造では、タービンハウジングの接続端側に形成されたフランジ部と、上流管部の接続端側に形成されたフランジ部とを重ね合わせ、これらをクランプにより挟み込むことで、両者を接続するように構成されている。

上記接続構造では、ターボチャージャから排出される高温の排気が上流管部を通じて触媒コンバータに導入されるため、その排気がタービンハウジングと上流管部との境界部から漏れ出すことを回避すべく、フランジ部同士の重ね合わせ面（接続面）において高いシール性が求められる。

実開平６−６３８２０号公報 特開２０１７−７４６１４号公報

従来、触媒コンバータの上流管部は鋳造により形成されることが一般的であったところ、本発明者は、その軽量化を図るべく、金属製パイプの端部を折り曲げてフランジ部を形成することで、上流管部を作成することを考えた。なお、クランプ締結による接続構造ではないが、金属製パイプの端部を折り曲げてフランジ部を形成するものとしては、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されたものがある。

しかしながら、金属製パイプを用いて接続用のフランジ部を形成した場合、次のような問題がある。先ず、金属製パイプとして一般的な溶接造管のパイプでは、金属平板の両端面を当接させるように上記平板を筒状に丸めたり、半筒状を有する一対の金属材を対向状態で突き合わせたりした後、その合わせ目を溶接により接合することで、パイプが作成される。このようなパイプにおいてその長さ方向の端部を折り曲げてフランジ部を形成すると、溶接による段差や膨らみがフランジ表面に生じるため、接続面の平面度が低下し、シール性が悪化するおそれがある。

その対応策としては、引き抜き鋼等のシームレスパイプ（継ぎ目がないパイプ）を用いることが考えられる。ところが、このようなパイプは高価であり、製造コストの増大を招く懸念がある。

以上の問題は、タービンハウジングと上流管部とを接続する接続構造に限らず、内部で連通して流通路を形成する２つの部材を、フランジ部のクランプ締結により接続する構成であれば、同様に生じ得る。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、製造コストの増大を抑制しつつ、高いシール性を確保することが可能な接続部の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、第１の発明では、第１筒部と第２筒部とが内部で連通して流通路が形成されるように配置され、前記第１筒部側に設けられた第１フランジ部と前記第２筒部側に設けられた第２フランジ部とがクランプによって挟み込まれることにより、前記第１フランジ部と前記第２フランジ部とが接続される接続構造に適用され、前記第１フランジ部又は前記第２フランジ部の少なくとも一方を含む接続部の製造方法であって、平板状の板材を環状に打ち抜いて、継ぎ目のない環状板材を形成するブランク工程と、前記ブランク工程において打ち抜かれた環状板材を、バーリングにより、環状板部とその内周から立ち上がる立ち上がり筒部とからなるように成形するバーリング工程と、前記環状板部を外周側から内周側へ向けて折り畳むことにより、少なくとも１つの折り返し部が環状に形成されたフランジを形成するフランジ形成工程と、を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、溶接造管のパイプの端部を折り曲げてフランジ部を形成した場合のように、接続面に段差が生じることがないため、第１フランジ部と第２フランジ部との接続境界において高いシール性を確保することが可能になる。また、一般的な平板を用いて接続部を作成できるため、シームレスパイプのような高価な母材を使用することがなく、製造コストの増大を抑制することも可能になる。

第２の発明では、上記第１の発明において、前記フランジ形成工程では、前記環状板材を前記立ち上がり筒部の突出側へ折り畳むことを特徴とする。

第２の発明によれば、接続面とは反対側に折り返し部が形成されるため、接続面の平面度を確保しやすく、シール性を高めることが可能になる。また、折り返し部の曲げ角度を調整することで、クランプ形状に適合した折り返し部を形成することができ、クランプ締結を良好に行うことが可能なフランジ部を簡単に作成することが可能になる。すなわち、本発明によれば、高いシール性と良好な締結とを両立できる接続部を簡単に作成することが可能になる。

第３の発明では、上記第１の発明又は第２の発明において、前記フランジ形成工程では、前記折り返し部が複数形成されるように折り畳むことを特徴とする。

第３の発明によれば、クランプによる挟み込み時において、クランプからの押圧力によりフランジ部が容易又は過度に変形することを抑制できる。これにより、第１フランジ部と第２フランジ部とを良好に接続することが可能な接続部を作成可能となる。

第４の発明では、上記第１の発明〜第３の発明のいずれかにおいて、前記第１筒部又は前記第２筒部の外周径よりも、前記立ち上がり筒部の内周径が大きくなるように形成され、前記第１筒部又は前記第２筒部を前記立ち上がり筒部に挿入した状態で、前記第１筒部又は前記第２筒部と前記立ち上がり筒部とが固定されることを特徴とする。

第４の発明によれば、接続部が第１筒部又は第２筒部と別体で形成されるため、それらを一体形成した場合に比べ、接続部における立ち上がり筒部の長さを短く抑えることができる。このため、バーリング工程にて立ち上がり筒部を作成する際、バーリング深さを浅く抑えることができ、環状板材に亀裂等の損傷が発生する可能性を低減することが可能になる。これにより、歩留まりの向上を期待することができ、さらには、成形条件の設定や板材材料の選定が容易となることから、製造の容易化を図ることもできる。

本発明に係る接続部を適用した接続構造の断面図。 接続部の斜視断面図。 Ｖクランプの平面図。 接続部の製造方法を説明するための説明図。

以下、本発明を具体化した一実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る接続部１３を適用した接続構造１０の断面図、図２は接続部１３の斜視断面図である。

図１に示すように、接続構造１０は、ターボチャージャのタービンハウジング１１と、触媒コンバータの上流側に接続された上流管部１２とが、接続部１３を介して接続された構成となっている。接続部１３は、溶接１４によって上流管部１２に固定され、上流管部１２と一体化されている。

タービンハウジング１１は、エンジンからの排気ガスが供給されることで回転するタービンホイールを収容するものであり、鋳造によって形成されている。タービンハウジング１１には、当該ハウジング１１を上流管部１２（接続部１３）と連結するための連結部１５（第１筒部）が設けられている。

連結部１５は略円筒状をなしており、その内部には、タービンホイールを回転させた後の排気ガスが流通するガス通路１６が設けられている。ガス通路１６内の排気ガスは、当該通路１６の下流端に設けられた出口部１７を通じてタービンハウジング１１の外部に排出され、上流管部１２側に導出されるようになっている。

連結部１５の出口部１７側においてその外周部には、第１フランジ部１８が設けられている。第１フランジ部１８は、連結部１５の全周に亘って形成されている。第１フランジ部１８の底面部１８ａは、連結部１５の径方向外側に延びる平坦面となっており、上面部１８ｂは、外側に向けて下る傾斜面となっている。

上流管部１２（第２筒部）は、円筒状をなしており、その上流部には、タービンハウジング１１から排出された排気ガスが流入する入口部１９が設けられている。本実施の形態において上流管部１２は、その軽量化を図るべく、プレス成形によって形成されている。

接続部１３は、上流管部１２をタービンハウジング１１と接続するための継手として機能するものである。図２に示すように、接続部１３には、両端が開口する円筒状の筒部２１が設けられており、その内周径は、上流管部１２の外周径よりも僅かに大きくなっている。接続部１３を上流管部１２に固定するにあたっては、上流管部１２の一部が筒部２１における下流端側の開口部から筒部２１の内側に挿入され、その状態で上流管部１２の外周面と筒部２１とが溶接される。

筒部２１の上流端部２１ａには、当該筒部２１の全周に亘って第２フランジ部２２が設けられている。第２フランジ部２２の張り出し寸法は、タービンハウジング１１の第１フランジ部１８に対応しており、詳しくは、タービンハウジング１１との組付け時において、第２フランジ部２２における外周縁部の張り出し位置が第１フランジ部１８のそれと略一致するように設定されている（図１参照）。

第２フランジ部２２は、筒部２１の上流端部２１ａから筒部２１の径方向外側に延出する延出部２３と、延出部２３の外周端部２３ａから内側に折り曲げるようにして形成された折り返し部２４とを備えている。延出部２３の表面部２３ｂは、第１フランジ部１８の底面部１８ａと平行な平坦面となっており、折り返し部２４には、内側に向けて下る傾斜部２４ａが形成されている。また、折り返し部２４は、第１折り返し部４５と第２折り返し部４９とからなる２回の折り返しによって形成されている。

接続部１３は、金属の板材をプレス成形することによって形成されており、上記筒部２１及び折り返し部２４は一体形成されている。なお、接続部１３の製造方法については後に詳細に説明する。

タービンハウジング１１と上流管部１２（接続部１３）との接続にあたっては先ず、タービンハウジング１１に対し、第１フランジ部１８の底面部１８ａに第２フランジ部２２の延出部２３（表面部２３ｂ）が当接するようにして、接続部１３を配置する。この場合、タービンハウジング１１内のガス通路１６と、接続部１３における筒部２１内の空間部２５と、上流管部１２内のガス通路２６とが連通し、流通路２７が形成される。

その状態で、タービンハウジング１１の第１フランジ部１８と接続部１３の第２フランジ部２２とを挟み込むようにして、外周側からＶクランプ２８を装着する。図３に示すように、Ｖクランプ２８は、半円状を有する一対のクランプ部材２９，３０が対向配置され、各クランプ部材２９，３０の両端部がボルト３１及びナット３２により連結された構成となっている。各クランプ部材２９，３０は略Ｖ字状断面を有しており、各傾斜部３３，３４（図１）の傾斜角度は、それぞれ第１フランジ部１８の上面部１８ｂ及び第２フランジ部２２の折り返し部２４の傾斜角度と略一致している。

そして、Ｖクランプ２８を装着した状態でナット３２を締め込むことで、Ｖクランプ２８の内径が縮小される。これにより、Ｖクランプ２８の各傾斜部３３，３４を通じて、第１フランジ部１８及び第２フランジ部２２のそれぞれに両者が接近する方向の押圧力が付与され、両フランジ部１８，２２が接続される。

ここで、第２フランジ部２２において第１折り返し部４５の長さ寸法Ｌ（図１）は、Ｖクランプ２８の両傾斜部３３，３４により挟まれる領域において、延出部２３と第２折り返し部４９との間に第１折り返し部４５の一部が位置し得る大きさとなっている。つまり、上記領域において第２折り返し部４９は、延出部２３との間に第１折り返し部４５を介在させた状態で、Ｖクランプ２８からの押圧力を受けるものとなっている。

これにより、クランプ締結時における第２フランジ部２２の剛性が高められ、第２フランジ部２２の変形を抑制することが可能になる。その結果、良好な締結力が発揮されるほか、例えば、ターボチャージャの交換や修理等でクランプ締結を解除した後、再締結する場合に、接続部１３を交換することなく繰り返し使用することが可能になる。

また、タービンハウジング１１における連結部１５の底部には、出口部１７を周方向に囲むようにして環状凹部３５が形成され、当該凹部３５には、シール材としてのガスケット３６が装着されている。これにより、タービンハウジング１１と接続部１３との境界部におけるシール性が強化され、排気ガスの流出を好適に抑制可能となる。なお、上記環状凹部３５及びガスケット３６は必須の構成ではなく、第１フランジ部１８及び第２フランジ部２２の接続によって十分なシール性を確保し得る場合は、省略することが可能である。

次に、接続部１３の製造方法について図４を参照しながら説明する。

先ず、継ぎ目や段差（凹凸）がない金属製の平板を準備する。平板の材料は、上記接続構造１０の使用環境等に応じて適宜設定することができるが、例えば、ステンレス等の耐熱性、耐腐食性及び成形加工性に優れた金属材料とすることが好ましい。

続いて、上記平板を打ち抜き用の成形型にセットし、図４（ａ）に示すように、抜き加工によって環状板材４１を形成する（ブランク工程）。本工程では、円環状の環状板材４１が形成されるように上記平板の打ち抜きを行う。その際、環状板材４１の内周径Ｄは、接続部１３における筒部２１（図２参照）の内周径よりも小さくなるようにする。

次に、図４（ｂ）に示すように、バーリング加工により、環状板材４１の中央部に立ち上がり筒部４２を形成する（バーリング工程）。この工程では、環状板材４１の下方から、上記内周径Ｄよりも大径のパンチを環状板材４１の中央部に押し込み、環状板材４１の内周部４１ａを上方に立ち上げることで、立ち上がり筒部４２を形成する。これにより、環状板部（鍔状部）４３を有するハット状の中間体４４を形成する。立ち上がり筒部４２は、接続部１３の完成状態において筒部２１となるものであり、その高さ寸法Ｈ１（バーリング深さ）は、筒部２１において求められる長さ寸法に合わせて設定される。

次いで、図４（ｃ）に示すように、上記バーリング工程により形成された中間体４４をヘミング加工し、第１折り返し部４５を形成する（第１フランジ形成工程）。この工程では、環状板部４３における外周側の一部を立ち上がり筒部４２の突出側へ折り畳むことで、第１折り返し部４５を形成する。

その後、図４（ｄ）に示すように、第１折り返し部４５が形成された環状板部４３の外周部を上方に立ち上げ、起立部４７を形成する（第２フランジ形成工程）。この工程では、環状板部４３において、立ち上がり筒部４２の外周面４２ａ（図４（ｃ）参照）と第１折り返し部４５の先端部４５ａとの中間部を折り曲げ箇所とし、第１折り返し部４５を含む部分を立ち上げる。これにより、高さ寸法Ｈ２が第１折り返し部４５の長さ寸法Ｌよりも大きい起立部４７を形成し、また、立ち上がり筒部４２と起立部４７との間に平面部４８を形成する。平面部４８は、接続部１３の完成状態において延出部２３となるものである。

次に、図４（ｅ）に示すように、起立部４７を立ち上がり筒部４２側にさらに折り曲げ、第２折り返し部４９を形成する（第３フランジ形成工程）。この際、傾斜部２４ａ（図２参照）が形成されるように、第２折り返し部４９の曲げ角度を設定する。これにより、第２フランジ部２２が形成され、接続部１３が完成する。

以上、詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果を奏する。

・平板を打ち抜いて環状板材４１を形成した後、バーリングにより環状板材４１に立ち上がり筒部４２を形成し、その後、その環状板材４１の外周部を内周側に向けて折り畳むこと等により、第２フランジ部２２が形成された接続部１３を作成するようにした。

この構成によれば、第２フランジ部２２における第１フランジ部１８（タービンハウジング１１）との接続面に段差が生じることがなく、両フランジ部１８，２２の接続境界において高いシール性を確保することが可能になる。また、一般的な金属製の平板を用いて接続部１３を作成できるため、高価な母材を使用することがなく、製造コストの増大を抑制することも可能になる。

・各フランジ形成工程において、環状板材４１の外周端部を立ち上がり筒部４２の突出側へ折り畳むようにして、折り返し部２４を形成した。

例えば、上記外周端部を立ち上がり筒部４２の突出側とは反対側へ折り畳む構成であると、第１フランジ部１８との接続面が折り返し部により構築されるものとなり、接続面の平面度や、第１フランジ部１８側の接続面（底面部１８ａ）との平行度が低下して、シール性の悪化を招くおそれがある。また、タービンハウジング１１との接続時において、環状板部４３における折り返し部とは反対側の部分にＶクランプ２８が当接するため、当該部分を傾斜状に加工する必要もある。

この点、本実施の形態では、接続面とは反対側に折り返し部２４が形成されるため、接続面の平面度を確保しやすく、シール性を高めることが可能になる。また、折り返し部２４の曲げ角度を調整することで傾斜部２４ａを形成できるため、Ｖクランプ２８に適合する形状の第２フランジ部２２を簡単に作成できる。すなわち、本構成によれば、高いシール性と良好な締結とを両立できる接続部１３を簡単に作成することが可能になる。

・各フランジ形成工程において、環状板部４３を２回折り返して折り返し部２４を形成し、平面部４８と第２折り返し部４９との間に第１折り返し部４５が介在するように構成した。

この場合、Ｖクランプ２８による挟み込み時において、Ｖクランプ２８からの押圧力により第２フランジ部２２が容易又は過度に変形することを抑制できる。これにより、第１フランジ部１８と第２フランジ部２２とを良好に接続することが可能になる。

なお、上記実施の形態では、折り返し回数を２回としたが、これに限定されるものではなく、平板の厚み等に応じて３回以上としてもよい。

＜その他の実施の形態＞
本発明は上記実施の形態に限らず、例えば次のように実施されてもよい。

（１）上記実施の形態では、本発明に係る接続部１３をタービンハウジング１１と上流管部１２との接続に適用する構成としたが、これに限定されるものではなく、第１筒部と第２筒部とが内部で連通して流通路が形成されるように配置され、第１筒部側に設けられた第１フランジ部と第２筒部側に設けられた第２フランジ部とがクランプ締結される接続構造であれば、本発明を適用することが可能である。

（２）上記実施の形態では、継ぎ目がない平板を用いたが、これに限定されるものではく、少なくとも、ブランク工程により形成される環状板材４１が継ぎ目のない状態であればよい。

（３）上記実施の形態では、接続部１３と上流管部１２とを別体で形成したが、一体形成してもよい。このような構成は、バーリング工程において、図４（ｂ）の場合よりも立ち上げ量を増大させ、立ち上がり筒部４２の高さ寸法Ｈ１を大きくすることで実現できる。但し、そのようなバーリング（深絞り）を行おうとすると、環状板材４１への負荷が増大し、環状板材１１に亀裂等が発生する可能性が高まる。その結果、歩留まりの低下を招いたり、成形条件の設定や材料の選定が困難となったりするおそれがある。このような観点からすると、上記実施の形態のように、接続部１３を上流管部１２と別体で形成することが好ましい。

（４）上記実施の形態では、第１フランジ部１８を鋳造で形成したが、第１フランジ部１８についても金属平板の成形により形成してもよい。すなわち、同様の構成を有する一対の接続部１３を対向配置させ、各接続部１３のフランジ部をＶクランプ２８により挟み込むことで、両フランジ部を接続する構成としてもよい。

（５）上記実施の形態では、接続部１３の筒部２１（立ち上がり筒部４２）の内周径を上流管部１２の外周径よりも大きくし、上流管部１２の一部を筒部２１内に挿入して両者を溶接したが、筒部２１の外周径を上流管部１２の内周径よりも小さくし、筒部２１の一部を上流管部１２内に挿入して両者を溶接するようにしてもよい。

１０…接続構造、１２…上流管部（第２筒部）、１３…接続部、１５…連結部（第１筒部）、１８…第１フランジ部、２２…第２フランジ部、２４…折り返し部、２７…流通路、４１…環状板材、４２…立ち上がり筒部、４３…環状板部。

Claims (3)

1. 第１筒部と第２筒部とが内部で連通して流通路が形成されるように配置され、前記第１筒部側に設けられた第１フランジ部と前記第２筒部側に設けられた第２フランジ部とがクランプによって挟み込まれることにより、前記第１フランジ部と前記第２フランジ部とが接続される接続構造に適用され、前記第１フランジ部又は前記第２フランジ部の少なくとも一方を含む接続部の製造方法であって、
   平板状の板材を環状に打ち抜いて、継ぎ目のない環状板材を形成するブランク工程と、
   前記ブランク工程において打ち抜かれた環状板材を、バーリングにより、環状板部とその内周から立ち上がる立ち上がり筒部とからなるように成形するバーリング工程と、
   前記環状板部の内周側を残して当該環状板部の外周側を前記内周側へ向けて折り畳むことにより、前記第１フランジ部と前記第２フランジ部との接続時に前記クランプが当接する折り返し部が環状に形成されたフランジを形成するフランジ形成工程と、
   を備え、
   前記フランジ形成工程では、前記環状板部の前記外周側を前記立ち上がり筒部の突出側へ折り畳むことを特徴とする接続部の製造方法。
2. 前記フランジ形成工程では、前記環状板部の前記外周側を前記内周側へ向けて複数回折り畳む、請求項１に記載の接続部の製造方法。
3. 前記第１筒部又は前記第２筒部の外周径よりも、前記立ち上がり筒部の内周径が大きくなるように形成され、
   前記第１筒部又は前記第２筒部を前記立ち上がり筒部に挿入した状態で、前記第１筒部又は前記第２筒部と前記立ち上がり筒部とが固定される、請求項１又は請求項２に記載の接続部の製造方法。

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