JP6973442B2 - 金属管のフレア加工金型およびフレア加工方法 - Google Patents
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Description
本発明は、金属管端部につば部を成形する金属管のフレア加工金型およびフレア加工方法に関するものである。
液体、気体等の送給に使用される金属配管は、用途や目的に応じて、複数本の配管を接合するため、金属配管の管端部には継手加工が施されることがある。
部品の溶接や、素管のネジ加工をする必要がなく、比較的簡便な継手構造として、管端部を口拡げ加工してつば部を形成したフランジ継手がある。フランジ継手は、フランジの間に樹脂製あるいは金属製のＯリングやガスケットを挟み、カプラで締め付ける様式である。
部品の溶接や、素管のネジ加工をする必要がなく、比較的簡便な継手構造として、管端部を口拡げ加工してつば部を形成したフランジ継手がある。フランジ継手は、フランジの間に樹脂製あるいは金属製のＯリングやガスケットを挟み、カプラで締め付ける様式である。
フランジ継手を成形するには、管端部の口拡げ加工であるフレア加工を行う必要があり、フレア加工の簡便な方法として、素管の管端部に目標とする開き角度の円錐凸金型をパンチとして押込むプレス加工が一般的である。
しかしながら、フランジ継手の用途で求められるような比較的大きな開き角θのフレア加工を行う場合、上述したような一般的なプレス加工では、図５に示すように管端が円錐凸金型２３から離れてカールした状態となり、加工部がフランジ形状にならない場合がある。
このようなカールを回避するために、従来より管端の加工部が金型から離れない程度の小さな開き角の円錐凸金型から成形を始め、徐々に大きな開き角の円錐凸金型に交換しながら複数工程に分けて行っている。
複数工程に分けて行う方法として、例えば特許文献１には、目標とする開き角（９０度）より小さい開き角（４５度）の加工面５Ａ及び円筒形状部５Ｂを備える第１パンチ５を用いてプレス加工を行い、その後に第２パンチ６を用いて目標とする開き角にフレア加工する方法が開示されている。
なお、円筒形状部５Ｂは、鋼管８の内側へと進入し、鋼管８の内周面と接するか、あるいは、若干、離れた位置に配置されることで、プレス加工の際に、鋼管８が内側へと変形する量を低減するものである（特許文献１の段落[００９４]参照）。
複数工程に分けて行う方法として、例えば特許文献１には、目標とする開き角（９０度）より小さい開き角（４５度）の加工面５Ａ及び円筒形状部５Ｂを備える第１パンチ５を用いてプレス加工を行い、その後に第２パンチ６を用いて目標とする開き角にフレア加工する方法が開示されている。
なお、円筒形状部５Ｂは、鋼管８の内側へと進入し、鋼管８の内周面と接するか、あるいは、若干、離れた位置に配置されることで、プレス加工の際に、鋼管８が内側へと変形する量を低減するものである（特許文献１の段落[００９４]参照）。
上述する従来のフレア加工には、プレス加工を複数工程で行うことに起因する課題と、金属管の公差に起因する課題の、２つの課題がある。
以下、これらの課題について詳細に説明する。
まず、複数工程で行うプレス加工の課題について、図６を用いて説明する。
図６に示す例は、金属管の中心軸からの開き角θが６０度のフランジ形状を目標形状として、３工程でフレア加工するものである。
図６（ａ）は第１工程を示す図であり、開き角θが３０度の円錐凸金型２５を使用する。図６（ｂ）は第２工程を示す図であり、開き角θが４５度の円錐凸金型２７を使用する。図６（ｃ）は最終工程を示す図であり、目標形状である開き角θが６０度の円錐凸金型２９を使用する。
以下、これらの課題について詳細に説明する。
まず、複数工程で行うプレス加工の課題について、図６を用いて説明する。
図６に示す例は、金属管の中心軸からの開き角θが６０度のフランジ形状を目標形状として、３工程でフレア加工するものである。
図６（ａ）は第１工程を示す図であり、開き角θが３０度の円錐凸金型２５を使用する。図６（ｂ）は第２工程を示す図であり、開き角θが４５度の円錐凸金型２７を使用する。図６（ｃ）は最終工程を示す図であり、目標形状である開き角θが６０度の円錐凸金型２９を使用する。
図６（ａ）に示す第１工程では管端が円錐凸金型２５に沿って加工されている。
しかし、図６（ｂ）に示す第２工程では管端加工部であるつば部に波うち形状３１が生じて円錐凸金型２７から浮いた箇所が見られ、図６（ｃ）に示すその後の最終工程でも、波うち形状３１は解消されずに残った。
しかし、図６（ｂ）に示す第２工程では管端加工部であるつば部に波うち形状３１が生じて円錐凸金型２７から浮いた箇所が見られ、図６（ｃ）に示すその後の最終工程でも、波うち形状３１は解消されずに残った。
上述したように、複数工程に分けて加工された管端には、不整な波うち形状３１が残る場合がある。このような形状不整が著しい場合には、Ｏリングやガスケットとの接触が不均一となり、配管接合時の気密不良の原因になるため好ましくない。
そのため、必要に応じてパイプの外側に同じ開き角の円錐凹金型を配置し、円錐凸金型との間でフレア加工部を挟圧するいわゆるリストライク工程を追加して波うち形状３１を矯正する必要があり（図示なし）、工程数がさらに増えるという問題がある。
そのため、必要に応じてパイプの外側に同じ開き角の円錐凹金型を配置し、円錐凸金型との間でフレア加工部を挟圧するいわゆるリストライク工程を追加して波うち形状３１を矯正する必要があり（図示なし）、工程数がさらに増えるという問題がある。
次に、フレア加工の対象である金属管の公差に起因する課題について説明する。
特許文献１の図４に例示されたような金型を用いてフレア加工を行う場合、加工しようとする金属管の外径及び板厚に合わせた金型を用いる。
一般的に公称されている金属管の外径と板厚はいわゆる呼び寸法と呼ばれるもので、金属管の基準寸法を示すものである。金属管自体も工業製品であり、外径と板厚のそれぞれに対しては公差が許容されている。すなわち、同じ呼び寸法の金属管でも、すべての金属管の外径と板厚が呼び寸法と完全一致しているわけではなく、金属管によって微小な寸法の違いがある。
特許文献１の図４に例示されたような金型を用いてフレア加工を行う場合、加工しようとする金属管の外径及び板厚に合わせた金型を用いる。
一般的に公称されている金属管の外径と板厚はいわゆる呼び寸法と呼ばれるもので、金属管の基準寸法を示すものである。金属管自体も工業製品であり、外径と板厚のそれぞれに対しては公差が許容されている。すなわち、同じ呼び寸法の金属管でも、すべての金属管の外径と板厚が呼び寸法と完全一致しているわけではなく、金属管によって微小な寸法の違いがある。
金属管の呼び寸法に合わせた金型を用いても、公差の範囲内で金属管の外径と板厚が変化すれば、金型とのクリアランスが変わるため加工性に変化が生じる。さらに、特許文献１の図４に示されたような金型を例にあげれば、金属管の内径が公差の範囲内において呼び寸法より小さいと、円筒形状部５Ｂが金属管８の内側に進入できずに加工ができない場合もあり得る。そのような場合には、事前に金属管を金型にセット可能な外径及び板厚になるよう拡管する工程が必要となり、工程数がさらに増えるという問題がある。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、開き角の大きなフランジ形状でも工程数を増やさずに、形状不整を低減して成形することができて、さらに、金属管の外径及び板厚が公差の範囲内で変動しても安定したフレア加工が可能な金属管のフレア加工金型およびフレア加工方法を提供することを目的とする。
（１）本発明に係るフレア加工金型は、呼び寸法が外径D、板厚Tである円筒状の金属管の先端に該金属管の中心軸から75〜90度の開き角を有するつば部を成形するためのフレア加工金型であって、前記金属管が挿入可能な円筒部と、該円筒部の内周面から連続して所定の開き角度で外方に向けて張り出して前記つば部を成形する第１つば部成形面部を有する第１金型と、前記第１つば部成形面部と同じ開き角度を有する第２つば部成形面部と、前記金属管に挿入可能な円柱部及び該円柱部から前記第２つば部成形面部に向けて拡径して前記金属管を拡管するテーパー面部を有して前記第１金型の前記円筒部に挿入される挿入部と、該挿入部と前記第２つば部成形面部との間に設けられて前記金属管を前記第２つば部成形面部に案内するＲ部と、を有する第２金型とを備え、前記第２金型の前記挿入部を前記第１金型の前記円筒部に挿入した状態で、前記第１つば部成形面部と前記第２つば部成形面部とが呼び寸法の板厚Tに最大公差を加えた最大板厚Tmax以上1.1Tmax以下の隙間を介して対向配置されていることを特徴とするものである。
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記金属管の前記呼び寸法に対する公差の最大外径をODmax、最小外径をODmin、最大板厚をTmax、最小板厚をTmin、最大内径をIDmax、最小内径をIDminとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とするものである。
円柱部の径SD≦IDmin
円筒部の内径TD≧ODmax
第１つば部成形面部と第２つば部成形面部の隙間FG≧Tmax
Ｒ部の曲率半径r＝1.5T〜5T
テーパー面部の最大径と最小径の半径差a≧(IDmax-IDmin)/2
テーパー面部の最小径部からＲ部のＲ止まりまでの距離h≦10r
円柱部の径SD≦IDmin
円筒部の内径TD≧ODmax
第１つば部成形面部と第２つば部成形面部の隙間FG≧Tmax
Ｒ部の曲率半径r＝1.5T〜5T
テーパー面部の最大径と最小径の半径差a≧(IDmax-IDmin)/2
テーパー面部の最小径部からＲ部のＲ止まりまでの距離h≦10r
（３）本発明に係るフレア加工方法は、上記（１）又は（２）に記載のフレア加工金型を用いて、呼び寸法が外径D、板厚Tである円筒状の金属管の先端に該金属管の中心軸から75〜90度の開き角を有するつば部を成形するものであって、前記金属管の一端部を前記第１金型の前記円筒部に挿入すると共に前記第２金型の前記円柱部を前記金属管に挿入し、この状態で前記金属管を前記テーパー部に押し付けることで、前記金属管の一端を前記呼び寸法に対する公差の最大内径に拡管し、さらに前記金属管を前記第２金型に押し付けることで、前記金属管の一端を前記第１つば部成形面部と前記第２つば部成形面部の隙間に挿入して、前記つば部を成形することを特徴とするものである。
本発明においては、成形面部と円筒部を備えた第１金型と、成形面部とＲ部とテーパー面部と円柱部とを備えた第２金型を、成形面部の間及び円柱部と円筒部の間に隙間を介して固定配置し、金属管の一端を第２金型のテーパー面部に押し付けて拡管し、さらにＲ部が成形面部の隙間に拡管した金属管の一端を案内し挿入させてつば部を成形するようにしたことで、開き角の大きなフランジ形状でも工程数を増やすことなく、形状不整を低減してフレア加工することができ、さらに金属管の外径及び板厚が公差の範囲内で変動しても安定してフレア加工することができる。
本発明は、金属管の寸法には公差があることを前提に、金属管の外径及び板厚が公差の範囲内で変動しても安定して加工が可能な方法を提供するものである。
そのため、本発明の実施の形態を説明するに際して、金属管の公差について規定する必要があるので、この点について説明する。
本実施の形態の金属管における外径Dの公差を±α％、板厚Tの公差を±β％とする。このように規定すると、呼び寸法と公差によって求められる外径及び板厚の最大値と最小値は以下のとおりである。
最大外径ODmax=D(100+α)/100
最小外径ODmin=D(100-α)/100
最大板厚Tmax=T(100+β)/100
最小板厚Tmin=T(100-β)/100
また、金属管の内径は、外径が最大値でかつ板厚が最小値の時に最大となり、外径が最小値でかつ板厚が最大値の時に最小となることから、最大値と最小値は以下のとおり求められる。
最大内径IDmax=ODmax-2Tmin
最小内径IDmin=ODmin-2Tmax
そのため、本発明の実施の形態を説明するに際して、金属管の公差について規定する必要があるので、この点について説明する。
本実施の形態の金属管における外径Dの公差を±α％、板厚Tの公差を±β％とする。このように規定すると、呼び寸法と公差によって求められる外径及び板厚の最大値と最小値は以下のとおりである。
最大外径ODmax=D(100+α)/100
最小外径ODmin=D(100-α)/100
最大板厚Tmax=T(100+β)/100
最小板厚Tmin=T(100-β)/100
また、金属管の内径は、外径が最大値でかつ板厚が最小値の時に最大となり、外径が最小値でかつ板厚が最大値の時に最小となることから、最大値と最小値は以下のとおり求められる。
最大内径IDmax=ODmax-2Tmin
最小内径IDmin=ODmin-2Tmax
本実施の形態に係るフレア加工金型１は、上記のような金属管３を対象としてフレア加工するものであって、呼び寸法が外径D、板厚Tである金属管に対して、その一端につば部を成形するものであり、図１に示すとおり、第１金型５と第２金型７が所定の隙間FG及び隙間d1を介して中心軸を一致させて相対的に固定されてなるものである。図１ではつば部の目標とする開き角を９０度としたフレア加工金型１を例にあげたが、本発明の対象とするフレア加工の開き角はこれに限定されるものではなく、一般的にフランジ継手の用途で求められるような７５度から９０度の大きな開き角のフレア加工金型１が適用可能である。
上記のような金属管３に対してフレア加工を行うフレア加工金型１の第１金型５と第２金型７の各構成について、図１を用いて以下詳細に説明する。なお、破線円で囲った第２金型７の一部分を拡大して図中に示す。
＜第１金型＞
第１金型５は、金属管３を挿入可能な円筒部９とフレア加工の目標とする開き角を有する第１つば部成形面部１１を備えている。
第１金型５は、金属管３を挿入可能な円筒部９とフレア加工の目標とする開き角を有する第１つば部成形面部１１を備えている。
≪円筒部≫
円筒部９は、フレア加工の際に金属管３を挿入する部分である。円筒部の内径TDは公差範囲の最大外径をもつ金属管３でも挿入可能なようにTD≧ODmaxとする。
円筒部９は、フレア加工の際に金属管３を挿入する部分である。円筒部の内径TDは公差範囲の最大外径をもつ金属管３でも挿入可能なようにTD≧ODmaxとする。
≪第１つば部成形面部≫
第１つば部成形面部１１は円筒部９の内周面から連続して形成されており、フレア加工の目標とする開き角と同じ開き角を有する加工面である。
第１つば部成形面部１１は円筒部９の内周面から連続して形成されており、フレア加工の目標とする開き角と同じ開き角を有する加工面である。
＜第２金型＞
第２金型７は、第２つば部成形面部１３と、第１金型５の円筒部９に挿入される挿入部１５と、挿入部１５と第２つば部成形面部１３との間に設けられるＲ部１７とを備えている。第１金型５と第２金型７は後述する隙間FG及び隙間d1を介して配置され固定される。
加工後の金属管３を取外すために第１金型５と第２金型７は分離可能とする。
第２金型７は、第２つば部成形面部１３と、第１金型５の円筒部９に挿入される挿入部１５と、挿入部１５と第２つば部成形面部１３との間に設けられるＲ部１７とを備えている。第１金型５と第２金型７は後述する隙間FG及び隙間d1を介して配置され固定される。
加工後の金属管３を取外すために第１金型５と第２金型７は分離可能とする。
≪第２つば部成形面部≫
第２つば部成形面部１３は第１つば部成形面部１１と同じ開き角（フレア加工の目標とする開き角）を有する加工面であり、第１金型５と第２金型７が固定された状態では、第１つば部成形面部１１と対向して配置され、その間には隙間FGが設けられている。
第２つば部成形面部１３は第１つば部成形面部１１と同じ開き角（フレア加工の目標とする開き角）を有する加工面であり、第１金型５と第２金型７が固定された状態では、第１つば部成形面部１１と対向して配置され、その間には隙間FGが設けられている。
隙間FGは公差を加えた最大板厚Tmaxの金属管３の管端が挿入可能であればよく、通常、拡管加工部分は円周方向に引き伸ばされるため、その板厚は加工前の板厚より厚くなることはないことから、FG≧Tmaxとして、金属管３の管端に波うち形状を生じさせないためにFG≦1.1Tmaxとする。
第２つば部成形面部１３を金属管３の管端の内周面に押し付けながらフレア加工を進めることで、金属管３の管端は第２つば部成形面部１３に沿って拡管加工され、隙間FG内に所望の開き角のつば部を成形することができる。
なお、成形途中に金属管３の端部が第２つば部成形面部１３から離れたとしても隙間FGを保持して第１つば部成形面部１１が対向配置されているので、管端がカールしてしまうことがない。
なお、成形途中に金属管３の端部が第２つば部成形面部１３から離れたとしても隙間FGを保持して第１つば部成形面部１１が対向配置されているので、管端がカールしてしまうことがない。
≪挿入部≫
挿入部１５は第１金型５の円筒部９に挿入される部分であり、金属管３の内側に挿入可能な円柱部１５ａと、挿入された金属管３の内径を拡管するテーパー面部１５ｂを有している。
以下、円柱部１５ａとテーパー面部１５ｂについて詳細に説明する。
挿入部１５は第１金型５の円筒部９に挿入される部分であり、金属管３の内側に挿入可能な円柱部１５ａと、挿入された金属管３の内径を拡管するテーパー面部１５ｂを有している。
以下、円柱部１５ａとテーパー面部１５ｂについて詳細に説明する。
［円柱部］
円柱部１５ａは長さLを有する円柱形状で、フレア加工時に金属管３の内側に挿入される部分であり、円柱部１５ａの直径SDは公差範囲の最小内径をもつ金属管３にも挿入可能なようにSD≦IDminとする。
図１に示すように、第１金型５と第２金型７が固定された状態において、円柱部１５ａは円筒部９の内周面との間に隙間d1を介して配置される。この隙間d1は円筒部９の内径TDと円柱部１５ａの直径SDを用いてd1=(TD-SD)/2と表すことができる。
円柱部１５ａは長さLを有する円柱形状で、フレア加工時に金属管３の内側に挿入される部分であり、円柱部１５ａの直径SDは公差範囲の最小内径をもつ金属管３にも挿入可能なようにSD≦IDminとする。
図１に示すように、第１金型５と第２金型７が固定された状態において、円柱部１５ａは円筒部９の内周面との間に隙間d1を介して配置される。この隙間d1は円筒部９の内径TDと円柱部１５ａの直径SDを用いてd1=(TD-SD)/2と表すことができる。
上述した円柱部１５ａの長さLは5mm以上あるのが好ましい。
長さLの上限については、座屈抑制の観点上は特に設ける必要はないが、必要以上に長いと、加工前の金属管３の取付けや加工後の金属管３の取外しの作業を阻害してしまうため、金属管３の外径Dの1/2以下とするのが好ましい。
長さLの上限については、座屈抑制の観点上は特に設ける必要はないが、必要以上に長いと、加工前の金属管３の取付けや加工後の金属管３の取外しの作業を阻害してしまうため、金属管３の外径Dの1/2以下とするのが好ましい。
［テーパー面部］
テーパー面部１５ｂは図１の拡大図に示す通り、円柱部１５ａから連続して形成されて、Ｒ部１７に向けて拡管するテーパー形状の加工面である。フレア加工金型１にセットされた金属管３の管端はまずテーパー面部１５ｂにつきあたり、さらに押込み荷重を加えることで、テーパー面部１５ｂに沿って拡管加工され、内径を一定に揃えながらＲ部１７のＲ端部に案内することができる。
このテーパー面部１５ｂにより、金属管３の管端が拡管する際に、金属管３が内側に膨らむ現象を防いでいる。
テーパー面部１５ｂは図１の拡大図に示す通り、円柱部１５ａから連続して形成されて、Ｒ部１７に向けて拡管するテーパー形状の加工面である。フレア加工金型１にセットされた金属管３の管端はまずテーパー面部１５ｂにつきあたり、さらに押込み荷重を加えることで、テーパー面部１５ｂに沿って拡管加工され、内径を一定に揃えながらＲ部１７のＲ端部に案内することができる。
このテーパー面部１５ｂにより、金属管３の管端が拡管する際に、金属管３が内側に膨らむ現象を防いでいる。
公差範囲内のどのような内径の金属管３であっても当接するように、テーパー面部１５ｂの最小径及び最大径を設定する必要がある。この観点から、テーパー面部１５ｂの最小径は円柱部１５ａの直径SD（SD≦IDmin）と等しく、最大径は金属管３の最大内径IDmax以上とする。その結果、図中に示すテーパー面部１５ｂの最大径と最小径の半径差aは、a≧(IDmax-IDmin)/2とする。
≪Ｒ部≫
Ｒ部１７は図１の拡大図に示す通り、挿入部１５と第２つば部成形面部１３との間に設けられており、その表面形状は曲率半径rを有する凹曲面となっている。
Ｒ部１７が設けられていることにより、テーパー面部１５ｂによって拡管された金属管３の管端を、押込み荷重を抑えながら容易に隙間FGに案内することができる。
Ｒ部１７は図１の拡大図に示す通り、挿入部１５と第２つば部成形面部１３との間に設けられており、その表面形状は曲率半径rを有する凹曲面となっている。
Ｒ部１７が設けられていることにより、テーパー面部１５ｂによって拡管された金属管３の管端を、押込み荷重を抑えながら容易に隙間FGに案内することができる。
加工に要する荷重が大きいと、出力の大きい加工装置が必要となるばかりでなく、金属管の座屈が生じたり、座屈を原因として金型及び金属管の損傷が生じやすいが、上記のように押込み荷重を抑えることによって、それらを防止または低減することができる。
押込み荷重を低減する効果を得るためには、Ｒ部１７の曲率半径rは1.5T以上とするのが好ましい。
また、荷重低減の観点からは曲率半径rの上限を設ける必要は特になく、部品の要求性能に応じて決められるが、曲率半径rが大きくなると、フランジ加工後の金属管３の管端におけるフランジ座面として有効な平坦部が少なくなるため、Ｒ部１７の曲率半径rは上限を5Tとするのが好ましい。
また、荷重低減の観点からは曲率半径rの上限を設ける必要は特になく、部品の要求性能に応じて決められるが、曲率半径rが大きくなると、フランジ加工後の金属管３の管端におけるフランジ座面として有効な平坦部が少なくなるため、Ｒ部１７の曲率半径rは上限を5Tとするのが好ましい。
図１の拡大図に示すhはテーパー面部１５ｂの最小径部からＲ部１７のＲ止まりまでの距離を示している。距離hが長いと加工の押込みストロークも長くなり、円柱部１５ａの円筒部９への挿入長さが長くなり、加工前の金属管の取付けや加工後の金属管の取外しの作業を阻害するため、h≦10rとするのが好ましい。しかしながら、距離hが短すぎると、テーパー面部１５ｂの最大径と最小径の半径差a≧(IDmax-IDmin)/2を確保できず、金属管３が内側に膨らんだり、半径差aを確保しても押込み荷重が大きくなって座屈を生じやすいため、部品の目標形状や要求性能に応じてh≧2rの範囲で設定するのが好ましい。より好ましくはh＝2r〜3rである。
以上のように構成された本実施の形態に係るフレア加工金型１を用いてフレア加工する方法について、図２（ａ）〜図２（ｃ）を用いて説明する。
まず、第２金型７の挿入部１５を第１金型の円筒部９に挿入した状態で、第１つば部成形面部１１と第２つば部成形面部１３が隙間FGを介して対向配置され、かつ、円筒部９の内周面と円柱部１５ａの外周面が隙間ｄ１を介して配置されるように第１金型５と第２金型７を固定し、チャッキング１９に固定した金属管３の一端部を円筒部９に挿入する。
円筒部９は公差範囲の最大外径の金属管３でも挿入可能なように形成されているため、対象とする呼び寸法の金属管３はすべて円筒部９に挿入可能である。
金属管３を円筒部９に挿入することによって、金属管３と第１金型５および第２金型７の中心軸２１とはほぼ一致する。
円筒部９は公差範囲の最大外径の金属管３でも挿入可能なように形成されているため、対象とする呼び寸法の金属管３はすべて円筒部９に挿入可能である。
金属管３を円筒部９に挿入することによって、金属管３と第１金型５および第２金型７の中心軸２１とはほぼ一致する。
さらに金属管３を円柱部１５ａの外周面と円筒部９の内周面との隙間ｄ１に挿入する。円柱部１５ａは公差範囲の最小内径の金属管３にも挿入可能なように形成されているため、対象とする呼び寸法の金属管３はすべて隙間ｄ１に挿入可能である。
図２（ａ）はフレア加工金型１に挿入した金属管３の管端の内周面が第２金型７のテーパー面部１５ｂに当接した状態である。
この状態からフレア加工金型１を金属管３に押し付けることで、図２（ｂ）に示すように管端は公差範囲の最大内径IDmax以上に押し拡げられながら、第２金型７のＲ部１７の始点に到達する。
この状態からフレア加工金型１を金属管３に押し付けることで、図２（ｂ）に示すように管端は公差範囲の最大内径IDmax以上に押し拡げられながら、第２金型７のＲ部１７の始点に到達する。
この状態からさらにフレア加工金型１を金属管３に押し付けることにより、管端はＲ部１７の凹曲面に沿ってさらに外方へ押し拡げられ、図２（ｃ）に示すように、隙間FGに入り込んで、つば部３ａが隙間FG内に形成され、所望する開き角のフレア加工が完了する。
成形が完了した後、固定されていた第１金型５と第２金型７を分離して、金属管３を第１金型５の第１つば部成形面部１１側に引き抜いて取り出す。
以上のように、本実施の形態においては、フレア加工金型１の第１つば部成形面部１１と第２つば部成形面部１３の間に隙間FGを設けたことにより、工程数を増やすことなく、従来の加工方法で課題となっていた波うち形状の形状不整を低減してフレア加工することが可能となる。
また、テーパー面部１５ｂを設けて、内径を一定に揃えながらＲ部１７の始点にガイドするようにしたことで、金属管３の外径及び板厚が公差範囲内で変動しても加工性が左右されない安定したフレア加工が可能となる。
また、テーパー面部１５ｂを設けて、内径を一定に揃えながらＲ部１７の始点にガイドするようにしたことで、金属管３の外径及び板厚が公差範囲内で変動しても加工性が左右されない安定したフレア加工が可能となる。
さらに、フレア加工金型１が、加工対象とする金属管３の呼び寸法ではなく、公差範囲を考慮して形成されていることで、金属管３をフレア加工金型１にセットできないために加工不可となる状況を防ぐことができる。
上述した実施の形態に加えて、フレア加工金型１に表面処理を施して金型の摩耗を抑制し、潤滑油を用いて金型と金属管の摩擦を低減するなど、公知の対策を適宜併用して押込み荷重を低減させることが好ましく、より安定したフレア加工が可能となる。
［実施例１］
本発明の実施の形態による作用効果について、具体的な実施例に基づいて説明する。
本実施例は呼び寸法が外径D=φ48.6mm（以降公称外径という）、板厚T=1.2mm（以降公称板厚という）、外径に対する公差が±1％、板厚に対する公差が±10％であるステンレス鋼管に対して行う開き角90度のフレア加工を想定したものであり、外径及び板厚の公差範囲における最大値及び最小値は以下の通りである。
最大外径ODmax=49.08mm、最小外径ODmin=48.12mm
最大板厚Tmax=1.32mm、最小板厚Tmin=1.08mm
また、上記より求められる内径の最大値及び最小値は以下の通りである。
最大内径IDmax=46.92mm、最小内径IDmin=45.48mm
本発明の実施の形態による作用効果について、具体的な実施例に基づいて説明する。
本実施例は呼び寸法が外径D=φ48.6mm（以降公称外径という）、板厚T=1.2mm（以降公称板厚という）、外径に対する公差が±1％、板厚に対する公差が±10％であるステンレス鋼管に対して行う開き角90度のフレア加工を想定したものであり、外径及び板厚の公差範囲における最大値及び最小値は以下の通りである。
最大外径ODmax=49.08mm、最小外径ODmin=48.12mm
最大板厚Tmax=1.32mm、最小板厚Tmin=1.08mm
また、上記より求められる内径の最大値及び最小値は以下の通りである。
最大内径IDmax=46.92mm、最小内径IDmin=45.48mm
上述したような金属管３に対し、本発明例及び比較例として形状の違う２種類のフレア加工金型を用意した。
本発明例である金型を金型Ａ、比較例である金型を金型Ｂとし、２つの金型の形状について図１及び図３を用いて説明する。
金型Ａ（発明例）は図１に示すような第１金型５と第２金型７を備えるフレア加工金型１であり、本発明で重要なテーパー面部１５ｂがある図中の破線円部分に相当する部分の形状を図３（ａ）に示す。
金型Ｂ（比較例）は金型Ａ（発明例）に設けたテーパー面部１５ｂを有していない金型であり、金型Ａに関して図３（ａ）で示した部分に相当する部分の形状を図３（ｂ）に示し、金型Ａと同様の部分には同一の符号を付して説明する。
本発明例である金型を金型Ａ、比較例である金型を金型Ｂとし、２つの金型の形状について図１及び図３を用いて説明する。
金型Ａ（発明例）は図１に示すような第１金型５と第２金型７を備えるフレア加工金型１であり、本発明で重要なテーパー面部１５ｂがある図中の破線円部分に相当する部分の形状を図３（ａ）に示す。
金型Ｂ（比較例）は金型Ａ（発明例）に設けたテーパー面部１５ｂを有していない金型であり、金型Ａに関して図３（ａ）で示した部分に相当する部分の形状を図３（ｂ）に示し、金型Ａと同様の部分には同一の符号を付して説明する。
図３（ａ）に示す金型Ａ（発明例）は、第２金型７に金属管３の内径を公差範囲の最大内径まで拡管するテーパー面部１５ｂを備えているのに対し、図３（ｂ）に示す金型Ｂ（比較例）はテーパー面部１５ｂを備えておらず、円柱部１５ａから連続してＲ部１７が形成されている。
なお、金属管３の通過性を良くするため、金型Ａ（発明例）及び金型Ｂ（比較例）の第１金型５にＲ部を設けている。
なお、金属管３の通過性を良くするため、金型Ａ（発明例）及び金型Ｂ（比較例）の第１金型５にＲ部を設けている。
金型Ａ及び金型Ｂのテーパー面部１５ｂを除いた共通する構成部分の寸法は同じであり、以下のとおりである。
円柱部１５ａの直径SD=45.48mm
円筒部９の内径TD=49.08mm
隙間d1=1.80mm
隙間FG=1.32mm
Ｒ部１７の曲率半径r=3mm
円柱部１５ａの直径SD=45.48mm
円筒部９の内径TD=49.08mm
隙間d1=1.80mm
隙間FG=1.32mm
Ｒ部１７の曲率半径r=3mm
また、図３（ａ）の金型Ａのみが備えているテーパー面部１５ｂに関する各寸法は以下のとおりである。
テーパー面部１５ｂ（第２金型）の最大径と最小径の半径差a=0.72mm
テーパー面部（第１金型）の最大径と最小径の半径差b=0.24mm
（第２金型７のテーパー面部１５ｂの最大径となる部位にて最大板厚が通過可能になることを考慮）
テーパー面部１５ｂの最小径部からＲ部１７のＲ止まりまでの距離h=6mm
テーパー面部１５ｂ（第２金型）の最大径と最小径の半径差a=0.72mm
テーパー面部（第１金型）の最大径と最小径の半径差b=0.24mm
（第２金型７のテーパー面部１５ｂの最大径となる部位にて最大板厚が通過可能になることを考慮）
テーパー面部１５ｂの最小径部からＲ部１７のＲ止まりまでの距離h=6mm
外径及び板厚が公差範囲内で変動する金属管３に対するフレア加工の結果を比較するため、以下に示す素管I〜素管Vを用意した。
素管Iは公差範囲の「最大外径・最小板厚（＝最大内径）」の金属管３、素管IIは公差範囲の「最大外径・最大板厚」の金属管３、素管IIIは「公称外径・公称板厚」の金属管３、素管IVは公差範囲の「最小外径・最小板厚」の金属管３、素管Vは公差範囲の「最小外径・最大板厚（＝最小内径）」の金属管３である。
素管Iは公差範囲の「最大外径・最小板厚（＝最大内径）」の金属管３、素管IIは公差範囲の「最大外径・最大板厚」の金属管３、素管IIIは「公称外径・公称板厚」の金属管３、素管IVは公差範囲の「最小外径・最小板厚」の金属管３、素管Vは公差範囲の「最小外径・最大板厚（＝最小内径）」の金属管３である。
また、各素管の寸法（外径(mm)／内径(mm)／板厚(mm)）は以下のとおりである。
素管I「最大外径・最小板厚（最大内径）」＝(φ49.08／φ46.92／1.08)
素管II「最大外径・最大板厚」＝(φ49.08／φ46.44／1.32）
素管III「公称外径・公称板厚」＝(φ48.60／φ46.20／1.20）
素管IV「最小外径・最小板厚」＝(φ48.12／φ45.96／1.08）
素管V「最小外径・最大板厚（最小内径)」＝(φ48.12／φ45.48／1.32）
素管I「最大外径・最小板厚（最大内径）」＝(φ49.08／φ46.92／1.08)
素管II「最大外径・最大板厚」＝(φ49.08／φ46.44／1.32）
素管III「公称外径・公称板厚」＝(φ48.60／φ46.20／1.20）
素管IV「最小外径・最小板厚」＝(φ48.12／φ45.96／1.08）
素管V「最小外径・最大板厚（最小内径)」＝(φ48.12／φ45.48／1.32）
このような素管I〜素管Vの管端に金型Ａ（発明例）及び金型Ｂ（比較例）を押し付けてフレア加工を行った結果を図４に示す。
比較例である金型Ｂでは素管I〜素管IIIの場合に加工部が管の内側へ膨らむ不整形状が生じた。これは、素管の内径が大きく第２金型７の円柱部１５ａとの間の隙間が大きいために生じたものである。
一方、発明例である金型Ａでは素管I〜素管Vのいずれの素管でも不整形状がなくて、良好なフレア加工が実施できた。
比較例である金型Ｂでは素管I〜素管IIIの場合に加工部が管の内側へ膨らむ不整形状が生じた。これは、素管の内径が大きく第２金型７の円柱部１５ａとの間の隙間が大きいために生じたものである。
一方、発明例である金型Ａでは素管I〜素管Vのいずれの素管でも不整形状がなくて、良好なフレア加工が実施できた。
［実施例２］
本実施例は呼び寸法が外径D=φ54.0mm（以降公称外径という）、板厚T=1.5mm（以降公称板厚という）、外径に対する公差が±1％、板厚に対する公差が±10％であるステンレス鋼管に対して行う開き角90度のフレア加工を想定したものであり、外径及び板厚の公差範囲における最大値及び最小値は以下の通りである。
最大外径ODmax=54.54mm、最小外径ODmin=53.46mm
最大板厚Tmax=1.65mm、最小板厚Tmin=1.35mm
また、上記より求められる内径の最大値及び最小値は以下の通りである。
最大内径IDmax=51.84mm、最小内径IDmin=50.16mm
本実施例は呼び寸法が外径D=φ54.0mm（以降公称外径という）、板厚T=1.5mm（以降公称板厚という）、外径に対する公差が±1％、板厚に対する公差が±10％であるステンレス鋼管に対して行う開き角90度のフレア加工を想定したものであり、外径及び板厚の公差範囲における最大値及び最小値は以下の通りである。
最大外径ODmax=54.54mm、最小外径ODmin=53.46mm
最大板厚Tmax=1.65mm、最小板厚Tmin=1.35mm
また、上記より求められる内径の最大値及び最小値は以下の通りである。
最大内径IDmax=51.84mm、最小内径IDmin=50.16mm
上述したような金属管３に対し、本発明例及び比較例として寸法の違う６種類のフレア加工金型を用意した。
本発明例である金型を金型Ｃ、比較例である金型を金型Ｄ〜金型Ｉとし、６つの金型の寸法について図１、図３（ａ）及び表１を用いて説明する。
金型Ｃ（発明例）及び金型Ｄ〜金型Ｉ（比較例）は図１に示すような第１金型５と第２金型７を備えるフレア加工金型であり、本発明で重要なテーパー面部１５ｂがある図中の破線円部分に相当する箇所の形状は図３（ａ）に示したとおりである。
本発明例である金型を金型Ｃ、比較例である金型を金型Ｄ〜金型Ｉとし、６つの金型の寸法について図１、図３（ａ）及び表１を用いて説明する。
金型Ｃ（発明例）及び金型Ｄ〜金型Ｉ（比較例）は図１に示すような第１金型５と第２金型７を備えるフレア加工金型であり、本発明で重要なテーパー面部１５ｂがある図中の破線円部分に相当する箇所の形状は図３（ａ）に示したとおりである。
金型Ｃ（発明例）及び金型Ｄ〜金型Ｉ（比較例）は、図３（ａ）に示すテーパー面部１５ｂを含む各構成を備えていることは共通しているが、各構成部分の寸法が異なっている。各金型の寸法を表１に示す。
本発明例である金型Ｃは実施の形態で各構成について好ましいと説明した寸法条件を全て満たしているのに対し、比較例である金型Ｄ〜金型Ｉは寸法条件の一部を満たしていないものである。金型Ｄ〜金型Ｉの満たしていない条件について以下詳細に説明する。
円柱部１５ａの直径SDはSD≦IDmin(50.16mm)であることが好ましいが、金型Ｄはこれを満たしていない。
円筒部９の内径TDはTD≧ODmax(54.54mm)であることが好ましいが、金型Ｅはこれを満たしていない。
隙間FGはTmax(1.65mm)≦FG≦1.1Tmax(1.82mm)の範囲で設定すればよく、FG≧Tmaxとする必要があるが、金型Ｆ及び金型Ｇはこれを満たしていない。
Ｒ部１７の曲率半径rはr=1.5T(2.25mm)〜5T(7.5mm)の範囲で設定するのが好ましいが、金型Ｈはこれを満たしていない。
テーパー面部１５ｂの最大径はIDmax(51.84mm)であることが好ましいが、金型Iはテーパー面部１５ｂの最大径と最小径の半径差aが小さく、テーパー面部１５ｂの最大径(SD＋2a)が50.96mmであるためこれを満たしていない。
なお、図３（ａ）の図中に示すb及びhの値は金型Ｃ（発明例）及び金型Ｄ〜金型Ｉ（比較例）のすべての金型で共通とした。
円筒部９の内径TDはTD≧ODmax(54.54mm)であることが好ましいが、金型Ｅはこれを満たしていない。
隙間FGはTmax(1.65mm)≦FG≦1.1Tmax(1.82mm)の範囲で設定すればよく、FG≧Tmaxとする必要があるが、金型Ｆ及び金型Ｇはこれを満たしていない。
Ｒ部１７の曲率半径rはr=1.5T(2.25mm)〜5T(7.5mm)の範囲で設定するのが好ましいが、金型Ｈはこれを満たしていない。
テーパー面部１５ｂの最大径はIDmax(51.84mm)であることが好ましいが、金型Iはテーパー面部１５ｂの最大径と最小径の半径差aが小さく、テーパー面部１５ｂの最大径(SD＋2a)が50.96mmであるためこれを満たしていない。
なお、図３（ａ）の図中に示すb及びhの値は金型Ｃ（発明例）及び金型Ｄ〜金型Ｉ（比較例）のすべての金型で共通とした。
外径及び板厚が公差範囲内で変動する金属管３に対するフレア加工の結果を比較するため、以下に示す素管VI〜素管Xを用意した。
素管VIは公差範囲の「最大外径・最小板厚（＝最大内径）」の金属管３、素管VIIは公差範囲の「最大外径・最大板厚」の金属管３、素管VIIIは「公称外径・公称板厚」の金属管３、素管IXは公差範囲の「最小外径・最小板厚」の金属管３、素管Xは公差範囲の「最小外径・最大板厚（＝最小内径）」の金属管３である。
素管VIは公差範囲の「最大外径・最小板厚（＝最大内径）」の金属管３、素管VIIは公差範囲の「最大外径・最大板厚」の金属管３、素管VIIIは「公称外径・公称板厚」の金属管３、素管IXは公差範囲の「最小外径・最小板厚」の金属管３、素管Xは公差範囲の「最小外径・最大板厚（＝最小内径）」の金属管３である。
各素管の寸法（外径(mm)／内径(mm)／板厚(mm)）は以下のとおりである。
素管VI「最大外径・最小板厚（最大内径）」＝(φ54.54／φ51.84／1.35)
素管VII「最大外径・最大板厚」＝(φ54.54／φ51.24／1.65）
素管VIII「公称外径・公称板厚」＝(φ54.00／φ51.00／1.50）
素管IX「最小外径・最小板厚」＝(φ53.46／φ50.76／1.35）
素管X「最小外径・最大板厚（最小内径）」＝(φ53.46／φ50.16／1.65）
素管VI「最大外径・最小板厚（最大内径）」＝(φ54.54／φ51.84／1.35)
素管VII「最大外径・最大板厚」＝(φ54.54／φ51.24／1.65）
素管VIII「公称外径・公称板厚」＝(φ54.00／φ51.00／1.50）
素管IX「最小外径・最小板厚」＝(φ53.46／φ50.76／1.35）
素管X「最小外径・最大板厚（最小内径）」＝(φ53.46／φ50.16／1.65）
このような素管VI〜素管Xの管端に金型Ｃ（発明例）及び金型Ｅ〜Ｉ（比較例）を押し付けてフレア加工を行った結果を表２に示す。
金型Ｄ（比較例）では、第２金型７の円柱部１５ａの直径ＳＤが素管IXおよび素管Xの内径より大きいため内径が小さい素管IX及び素管Xを第２金型７にセットできずフレア加工することができなかった。
金型Ｅ（比較例）では第１金型５の円筒部９の内径ＴＤが素管VIおよび素管VIIの外径より小さいため外径が大きい素管VI及び素管VIIを第１金型５にセットできずフレア加工することができなかった。
金型Ｆ（比較例）では板厚が厚い素管VII及び素管Xで管端が隙間FGに進入できずストレート部に座屈が生じた。
金型Ｇ（比較例）では板厚が薄い素管VI及び素管IXで、FG部の隙間が大きくなり過ぎて、つば部に波打ち形状が生じた。
金型Ｈ（比較例）では、Ｒ部１７の曲率半径rが公称板厚Tの1.33倍であり、目標の1.5Tより小さいため、板厚が厚い素管VII及び素管Xで管端がＲ部１７を通過できずストレート部に座屈が生じた。
金型Ｉ（比較例）では内径が大きい素管VI及び素管VIIで加工部が内側へ膨らむ形状不整が生じた。
一方、発明例である金型Ｃでは素管VI〜素管Xのいずれの素管でも、金型にセットできて、つば部に波うち形状が生じず、加工部が内側に膨らまずにフレア加工が良好に実施できた。
金型Ｅ（比較例）では第１金型５の円筒部９の内径ＴＤが素管VIおよび素管VIIの外径より小さいため外径が大きい素管VI及び素管VIIを第１金型５にセットできずフレア加工することができなかった。
金型Ｆ（比較例）では板厚が厚い素管VII及び素管Xで管端が隙間FGに進入できずストレート部に座屈が生じた。
金型Ｇ（比較例）では板厚が薄い素管VI及び素管IXで、FG部の隙間が大きくなり過ぎて、つば部に波打ち形状が生じた。
金型Ｈ（比較例）では、Ｒ部１７の曲率半径rが公称板厚Tの1.33倍であり、目標の1.5Tより小さいため、板厚が厚い素管VII及び素管Xで管端がＲ部１７を通過できずストレート部に座屈が生じた。
金型Ｉ（比較例）では内径が大きい素管VI及び素管VIIで加工部が内側へ膨らむ形状不整が生じた。
一方、発明例である金型Ｃでは素管VI〜素管Xのいずれの素管でも、金型にセットできて、つば部に波うち形状が生じず、加工部が内側に膨らまずにフレア加工が良好に実施できた。
１ フレア加工金型
３ 金属管
３ａ つば部
５ 第１金型
７ 第２金型
９ 円筒部
１１ 第１つば部成形面部
１３ 第２つば部成形面部
１５ 挿入部
１５ａ 円柱部
１５ｂ テーパー面部
１７ Ｒ部
１９ チャッキング
２１ 中心軸
２３ 円錐凸金型（従来例）
２５ 円錐凸金型（従来例の他の態様（θ＝３０度））
２７ 円錐凸金型（従来例の他の態様（θ＝４５度））
２９ 円錐凸金型（従来例の他の態様（θ＝６０度））
３１ 波うち形状
３ 金属管
３ａ つば部
５ 第１金型
７ 第２金型
９ 円筒部
１１ 第１つば部成形面部
１３ 第２つば部成形面部
１５ 挿入部
１５ａ 円柱部
１５ｂ テーパー面部
１７ Ｒ部
１９ チャッキング
２１ 中心軸
２３ 円錐凸金型（従来例）
２５ 円錐凸金型（従来例の他の態様（θ＝３０度））
２７ 円錐凸金型（従来例の他の態様（θ＝４５度））
２９ 円錐凸金型（従来例の他の態様（θ＝６０度））
３１ 波うち形状
Claims (3)
- 呼び寸法が外径D、板厚Tである円筒状の金属管の先端に該金属管の中心軸から75〜90度の開き角を有するつば部を成形するためのフレア加工金型であって、
前記金属管が挿入可能な円筒部と、該円筒部の内周面から連続して所定の開き角度で外方に向けて張り出して前記つば部を成形する第１つば部成形面部を有する第１金型と、
前記第１つば部成形面部と同じ開き角度を有する第２つば部成形面部と、前記金属管に挿入可能な円柱部及び該円柱部から前記第２つば部成形面部に向けて拡径して前記金属管を拡管するテーパー面部を有して前記第１金型の前記円筒部に挿入される挿入部と、該挿入部と前記第２つば部成形面部との間に設けられて前記金属管を前記第２つば部成形面部に案内するＲ部と、を有する第２金型とを備え、
前記第２金型の前記挿入部を前記第１金型の前記円筒部に挿入した状態で、前記第１つば部成形面部と前記第２つば部成形面部とが呼び寸法の板厚Tに最大公差を加えた最大板厚Tmax以上1.1Tmax以下の隙間を介して対向配置されていることを特徴とするフレア加工金型。 - 前記金属管の前記呼び寸法に対する公差の最大外径をODmax、最小外径をODmin、最大板厚をTmax、最小板厚をTmin、最大内径をIDmax、最小内径をIDminとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１記載のフレア加工金型。
円柱部の径SD≦IDmin
円筒部の内径TD≧ODmax
第１つば部成形面部と第２つば部成形面部の隙間FG≧Tmax
Ｒ部の曲率半径r＝1.5T〜5T
テーパー面部の最大径と最小径の半径差a≧(IDmax-IDmin)/2
テーパー面部の最小径部からＲ部のＲ止まりまでの距離h≦10r - 請求項１または２に記載のフレア加工金型を用いて、呼び寸法が外径D、板厚Tである円筒状の金属管の先端に該金属管の中心軸から75〜90度の開き角を有するつば部を成形するフレア加工方法であって、
前記金属管の一端部を前記第１金型の前記円筒部に挿入すると共に前記第２金型の前記円柱部を前記金属管に挿入し、この状態で前記金属管を前記テーパー部に押し付けることで、前記金属管の一端を前記呼び寸法に対する公差の最大内径に拡管し、さらに前記金属管を前記第２金型に押し付けることで、前記金属管の一端を前記第１つば部成形面部と前記第２つば部成形面部の隙間に挿入して、前記つば部を成形することを特徴とするフレア加工方法。
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