(57)【要約】【課題】筒形端部の成形加工において、大きい曲率で曲げ成形加工する場合に起こっている成形面の割れの発生を抑えることができる成形工具を得る。【解決手段】成形工具の成形型面３を軸方向断面がクロソイド曲線に沿うように形成して、縮径加工を伴うフランジ加工或いはカール加工を伴う二重巻締における第１巻締加工において、材料を成形型面に沿って変形させることを可能にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形端部を成形加工するための成形工具であって、成形加工用の成形型面の軸方向断面がクロソイド曲線に沿うように形成されていることを特徴とする成形工具。
【請求項２】
前記成形工具が、拡径加工を伴う缶体のフランジ成形用のフランジングダイである請求項１に記載の成形工具。
【請求項３】
前記成形工具が、カール加工を伴う缶体に缶蓋を巻締る二重巻締用の第１巻締ロールである請求項１に記載の成形工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、缶体のフランジ成形用のフランジングダイ等、筒形端部の成形工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、筒形端部の拡径加工、例えば缶体のフランジ加工は、フランジングダイ（特許文献１、２参照）又はフランジ成形ロール（スピナ、特許文献３参照）で行っており、これらの成形工具の成形型面は単一半径Ｒの曲線で形成されている。従来、このような成形工具によって実用上問題なくフランジ成形が行われているが、近年、例えば燃料電池用の缶体等用途の多様化により、缶体の肉厚を厚くして高強度が要求されるもの、一方においては缶材のより一層の薄肉化が求められ、従来の成形工具ではこれらの要求を満たして良好なフランジ加工が出来なくなってきているという問題が生じている。特に、高曲率部でのフランジ加工の場合フランジ端部での割れが生じる問題がある。例えば、角形缶の場合、円筒缶と相違して角部のコーナーラジアスが非常に小さいため、拡管率（後述する式３参照）が大きくなり割れてしまうため、所定のフランジ長さを得ることができないという問題点がある（例えば、特許文献４参照）。同様な問題は、缶体に蓋を二重巻締する場合の第１巻締ロールによって蓋のカール部と缶胴のフランジ部を巻き込む曲げ加工をすることによって、加工面の外周縁が引張荷重又は圧縮荷重を受ける加工において、大きい曲率で曲げ成形加工する場合に起こっている。
【０００３】
従来、上記のような筒形端部の成形加工は、成形型面が単一の曲率を有する工具で行なわれており、例えば缶体のフランジ加工におけるフランジの割れの発生に対しては、缶材の材料を選択すること、或いは加工寸法等を工夫することによる解決策が提案されている（例えば特許文献４、５参照）が、成形工具の成形型面の観点からの解決策についての提案は見出せない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１０８８１号公報（段落００１６、図７の曲率部３２ｃ１参照）
【特許文献２】特開２００４−１８８４２３号公報（図１、フランジングダイ１７参照）
【特許文献３】特開平６−２１８４６３号公報（段落００２８及び図６参照）
【特許文献４】特開２００６−３２１５０８号公報
【特許文献５】特開平０８−３１１６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、筒形端部の拡径を伴う成形加工において、大きな曲率での曲げ成形加工する場合に起こっている成形面の割れ等の発生を材質や寸法等に制限受けることなく抑えることができ、特に角形缶のコーナー部等の高曲率のフランジ加工や肉厚が厚くて硬い材料、逆に薄い材料のフランジ加工でも、フランジ割れ等を起こすことなく良好にフランジ加工等の筒形端部の成形加工ができる工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
筒形端部を拡径加工する場合、端部が周方向に引っ張られて割れが生じやすくなることは物理上避けられない問題であり、それは金属の材料特性を変更することによって、ある程度改善することが可能である。本発明者は、缶体のフランジ加工において割れの発生を効果的に阻止するため種々研究した結果、加工工具による加工特性を改善することによってもその欠点を解消できることを見出した。即ち、フランジ加工に際してフランジに割れが生じる原因にフランジングダイに材料が十分に沿わないまま成形されていることが一因であることが判明した。その結果から、フランジ加工中、フランジングダイに材料が沿えば成形限界（フランジング性）が向上すると予測してさらに研究した結果、本発明に到達したものである。
【０００７】
即ち、上記問題点を解決する請求項１に係る発明は、筒形端部を加工するための成形工具であって、成形加工用の成形型面を軸方向断面がクロソイド曲線に沿うように形成したことを特徴とするものである。クロソイド曲線は曲率が連続してなめらかに変化しているため、クロソイド曲線を成形加工面に適用することによって、材料を成形型面に沿って拡径等を伴う成形加工することができ、割れの発生を防止できる。
【０００８】
上記成形工具は、筒形端部を成形加工するための工具一般に適用でき、特に拡径加工を伴う缶体のフランジ成形用のフランジングダイとしてのフランジ成形用の工具または、カール加工を伴う缶体に缶蓋を巻締する二重巻締用の第１巻締ロール等に好適に適用できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の筒型端部の成形工具によれば、成形型面の形状にクロソイド曲線を用いたことにより、成形型面の曲率が徐々に変化していくため、材料が成形型面に沿って変形し、材料と成形型面の接触面積が大きくなって抵抗を与え、材料の成形限界を向上させることができる。そのため、該工具をフランジングダイに適用した場合は、拡管率を向上させフランジ割れを発生することなく、拡径加工を伴うフランジ加工が良好にできる。従って、曲率が大きい角形缶コーナー部のフランジ成形でも良好にできる。さらに、カール加工を伴う二重巻締用の第１巻締ロールのグルーブに適用した場合、同様に缶蓋と缶胴フランジを良好に変形させることができる。該成形工具では、割れの発生が少ないことから、フランジ成形を過度に行ったマッシュルーム形（先端部が下側内方の屈曲した形状）にすることも可能であり、２重巻締により好適なフランジ形状が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は本発明の成形工具の実施形態に係るフランジングダイの正面断面図であり、（ｂ）はその成形型面の拡大断面図である。
【図２】図１に示すフランジングダイによる缶体のフランジ加工の実験装置の断面図である。
【図３】クロソイド曲線と１個のＲ曲線の対比を示した線図である。
【図４】（ａ）はクロソイド曲線を採用した成形工具と成形後の試験材形状を示す形状測定結果であり、（ｂ）は従来の１個のＲ曲線を採用した成形工具と成形後の試験材形状を示す形状測定結果である。
【図５】実施例および比較例の拡管率の比較を示すグラフである。
【図６】通常のフランジ形状と、フランジ部をマッシュルーム形状へ加工した比較図であり、（ａ）マッシュルーム形状のフランジ、（ｂ）は通常形状のフランジの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面を基に詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の成形工具の実施形態に係るフランジングダイ１の正面断面図であり、同図（ｂ）はその成形型面の拡大図である。
本実施形態に係るフランジングダイ１は、ダイ本体２を筒型被加工体の端部に挿入することによって、その成形型面３が筒形被加工体の開口端部に衝合し、その状態で押圧することによって成形型面３が筒形被加工体の開口端を外側に拡径を伴ってフランジを成形するものであり、成形型面３の断面拡大図が図１（ｂ）に示されている。本実施形態のフランジングダイ１の成形型面形状は、従来の単一のＲ曲線に代えてクロソイド曲線を用いたことに特徴がある。クロソイド曲線は、サイクロイドの一種で、媒介変数Ｔを用いて以下の数式（１）、（２）で表される。
【数１】
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【００１２】
クロソイド曲線は、例えば自動車の高速道路のカーブ等で採用されており、単純な１個のＲだと遠心力がストレートからカーブに入った瞬間に働き、ハンドルを急にきらねばならず高速走行時には危険であるため、遠心力を緩和するようにクロソイド曲線が用いられている。この曲線は、車の速度を一定としハンドルを一定の角速度で回したときに車輪が描く軌跡であり、徐々になめらかに曲がる特徴を持っている。本実施形態では、成形型面形状にその曲線を採用することによって、被加工体の成形加工部である材料が加工中型面に沿って変形し、材料が型面に圧接することによる摩擦力が働くことにより成形限界を向上させ、拡管による材料先端部の割れを防ぐことができるようになったものである。図３は、１個のＲの曲率を有する曲線ｂとクロソイド曲線ａの対比を表している。図４は成形工具成形型面と成形後の材料の筒形端部の成形部が接触している状態を表し、（ａ）がクロソイド曲線ａを採用した成形型面を有する成形工具１０ａを用いた場合、（ｂ）が従来の１個のＲ曲線ｂを採用した成形型面３ｂを有する成形工具１０ｂを用いた場合の投影図を示している。図よりクロソイド曲線ａで成形したほうが、材料１５ａが成形工具の成形型面に沿っており、１個Ｒで成形した材料１５ｂはフランジ開始部付近で材料が成形型面から離れていることが分かる。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の成形工具の実施形態に係るクロソイド曲線を使ったフランジングダイの型面形状を求める場合について、図１に示す具体例により説明する。
工具本体の外径Ｌを５６．５０ｍｍで、フランジ成形型面の曲率Ｒ＝６．００ｍｍの１個のＲで形成する従来のフランジングダイにおいて、曲率Ｒ＝６．００ｍｍの１個のＲに相当する部分をクロソイド曲線を採用した図１に示す形状のフランジングダイ１を次のようにして製作した。
【００１４】
図１に示すフランジングダイ１において、成形型面３の形状を同図（ｂ）に拡大して示すように形成するために、数式（１）（２）に基づいて、Ｘ−Ｙ座標上に点１〜点１４を求めた。各点の座標値は表１のとおりである。
【表１】
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【００１５】
以上のような座標値を基に、フランジングダイの成形型面の形状の求め方を図１（ｂ）を基に説明する。
１．まず点１〜点１４を通過する曲線を描く。
２．点２と点３をつなぐ線分を伸ばすと、水平面に対して１．５６゜の直線となる。
３．点１２を通過する７０゜の直線とクロソイド曲線をＲ５．６で滑らかにつなぐ。
上記の成形型面形状の求め方において、上記２の作図によって、フランジングダイの型面入口部にテーパーを設けることができ、材料をフランジングダイに円滑に挿入することができる。また、３の作図によって、フランジダイの先端部が内側に曲がる形状となることを防ぐことができる。
【００１６】
以上のようにして得られた本実施例のフランジングダイ１を図２に模式的に示すフランジング実験装置５の上下駆動される駆動ヘッド６に取り付け、ベーステーブル７に被加工体としての供試体８を取り付け、フランジング成形の実験を行った。供試体８は、表２に示す機械的性質を有する２種類のアルミニウム材で絞り成形したカップをリドロー成形して、口部と底部をトリミングして表３に示す寸法の両端開口の円筒缶体を得た。該円筒缶体の両側の開口端（口元とボトム）に前記フランジングダイでフランジを成形する実験を行った。フランジ成形速度は５ｍｍ／ｍｉｎで行なった。前記口元とボトムでは缶体成形時の加工硬化の度合いが違うので、拡管率も異なっている。
【００１７】
【表２】
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【表３】
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【００１８】
以上のような実験において、缶体の口元、ボトム側に成形されたフランジ外径、フランジ長さをそれぞれ測定し、数式３に示す拡管率を用いて評価した。その結果を表４に示す。
【数２】
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【００１９】
また、比較例として同様な条件で単一Ｒのフランジングダイを製作して、同様な供試缶にフランジ加工した。その結果を実施例と共に表４および図５に示す。
【表４】
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【００２０】
表４及び図６から明らかなように、３００３−Ｈ１４では実施例の方が比較例よりも口元、ボトム側とも拡管率が４％高くなっている。これは缶材料が工具成形型面に沿ったことにより、材料先端部が割れようとするのを抑止する摩擦力（引張力）が働いたために成形限界が向上したと考えられる。一方、３００５−Ｈ１４では１〜３％向上した。３００３−Ｈ１４よりも拡管率が向上しなかったのは、元々当該材質は３００３−Ｈ１４と比べてフランジ性に劣り、材料が成形型面に沿い始めて間もなく（あるいは沿わなくなる前に）成形限界に達したからだと考えられる。しかしながら、その場合でも若干ながら拡管率が向上していることから、成形が成形型面に沿って行われた結果だと推測される。また、ボトム部と口元部の拡管率を比較した場合、ボトム部よりも口元部の方が低い。これは、口元部が絞り工程において加工硬化したためと考えられる。
【００２１】
図６は、フランジ端部がマッシュルーム形状となるようにクロソイド曲線を用いて成形型面を形成したフランジングダイで成形した場合のフランジ形状を表している。図において、（ａ）が本発明の実施例であり、（ｂ）が従来の１個Ｒのフランジングダイで成形した比較例を示している。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の成形工具によれば、成形型面形状にクロソイド曲線を利用することにより、成形中型面形状に沿わせて加工ができるので、筒形端部を拡径加工するための工具に広く適用でき、特に缶体のフランジ成形用のフランジングダイとして、あるいは、缶体に缶蓋を巻締する二重巻締用の第１巻締ロールに有効に適用でき、産業上の利用可能性が高い。
【符号の説明】
【００２３】
１  フランジングダイ
２  ダイ本体
３  成形型面
５  フランジング実験装置
６  駆動ヘッド
７  ベーステーブル
８  供試体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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