(57)【要約】【課題】素材の薄肉化および高縮径率化により顕在化してきた管端部の口広がり、およびそれに伴う折れ込みシワなどの形状不良事象が生じないようなスピニング加工方法を提供する。【解決手段】本発明に係るスピニング加工方法は、ロール形状工具５が金属管１のクランプ３側から管端部側に向かって移動するoutパスによって縮径加工される縮径加工量の総和をΔR(out)とし、ロール形状工具５が管端部側からクランプ３側へ移動するinパスによる縮径加工量の総和をΔR(in)としたときに、ΔR(in)がΔR(out)より大きくなるようにロール形状工具５を動作させることを特徴とするものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端側をクランプした金属管を被加工材とし、前記金属管の中心軸周りに公転しながらかつ前記金属管の軸方向に往復移動するロール形状工具を前記金属管に押し付けることで金属管を縮径加工するスピニング加工であって、
ロール形状工具が金属管のクランプ側から管端部側に向かって移動するoutパスによって管端部が縮径加工される縮径加工量の総和をΔR(out)とし、ロール形状工具が管端部側からクランプ側へ移動するinパスによる管端部の縮径加工量の総和をΔR(in)としたときに、ΔR(in)がΔR(out)より大きくなるようにロール形状工具を動作させることを特徴とするスピニング加工方法。
【請求項２】
ロール形状工具が金属管のクランプ側から管端部側に向かって移動する各outパスによって管端部が縮径加工される縮径加工量をΔr(out)とし、引き続き反転してロール形状工具が管端部側からクランプ側へ移動する各inパスによる管端部の縮径加工量をΔr(in)としたときに、各往復パスの縮径加工量{Δr(in)＋Δr(out)}が、0.3≦Δr(in)／{Δr(in)＋Δr(out)}を満たすようにロール形状工具を動作させることを特徴とする請求項１記載のスピニング加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管の端部に縮径部を加工するスピニング加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気系部品ではマフラーや、コンバータのように気室の両端が狭くなったチャンバー状の部品が使われる。
従来これらの部品は板形状の素材をプレス加工したいくつかの部品を溶接で組上げて作られていたが、近年では図４（ａ）に示すように金属管の端部をスピニング加工で縮径するタイプが増えている。
スピニング加工はロール形状工具の動作パターンを変更することで異なる形状の部品を作り分けることができるため、部品ごとの金型が不要になりコスト面でのメリットがある。
【０００３】
金属管の端部をスピニング加工によって縮径加工する先行技術として、例えば特許文献１に開示された「触媒コンバータ容器の製造方法及びその製造装置」や、特許文献２に開示された「スピニング加工方法」がある。
特許文献１に開示されたものは、基材素管を保持してその軸回りに回転させながら、成形ローラを基材素管の軸方向及び径方向に移動させるというものである。
他方、特許文献２に開示された「スピニング加工方法」は、金属管の一端側を把持して、金属管の中心軸周りに公転しながらかつ金属管の軸方向に往復移動する複数のロール形状工具を金属管に押し付けることで金属管を縮径加工するというものである（以下、本明細書において「ワーク固定型スピニング加工」という）。
【０００４】
最近では、加工効率に優れることから、特許文献２に記載されたワーク固定型スピニング加工方法が広く行われるようになっており、本願発明もこのようなワーク固定型スピニング加工方法に関するものである。
スピンニング加工においては、金属素材（被加工管）の径や板厚、材質によっても成形性が変化するため、縮径加工部が局所的に減肉することがあり、製品の要求仕様によってはロール形状工具の動作パターンの設定に注意を要する。
そこで、特許文献２においては、加工ローラに与える加工条件として、被加工管の軸方向への送り速度、加工パス回数および回転数を、加工ローラと被加工管の接触が少なくなるようにし、これにより、加工ローラによって被加工管をしごき加工する回数が少なくなり、テーパ部への引張応力の作用回数も少なくなることから、テーパ部の局所的な板厚減少を抑えることができるとしている（特許文献２の段落［０００７］参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１７９３３４号公報
【特許文献２】特開２００９−１９５９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年では自動車の軽量化のために排気系部品においても板厚の薄い金属管を用いることが増えてきている。その結果、相対的に大径・薄肉の金属管を縮径加工することになり、狙いどおりに縮径加工されない形状不良事象が顕在化してきた。
特に、金属管の端部における形状不良が問題となり、図４（ｂ）、（Ｃ）はこのような管端部における形状不良事象の例を示している。図４（ｂ）はロール形状工具の動作で狙った製品径に対して実績の径が大きく縮径加工が未達になるという形状不良事象である。管の先端部ほど縮径が未達になるため、端部がラッパ状に口広がりした形状になる。軽微な場合は口広がりを見込んでロール形状工具の動作パターンを修正したり、縮径加工後に先端部を切除することで製品得ることもできるが、特に素管から製品形状までの縮径率が大きいほど顕著に発生しやすく、ひどい場合には図４（Ｃ）に示すようにヒダ状に折込んだりして、所望の製品が成形不能になる場合もある。
【０００７】
上記のような、金属管の端部に生ずる上記形状不良に対する対策として、特許文献１では対応できず、対策が望まれていた。
すなわち、本発明は、金属管の薄肉化および高縮径率化により顕在化してきた管端部の口広がり、およびそれに伴う折れ込みシワなどの形状不良事象が生じないようなスピニング加工方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ワーク固定型スピニング加工は、前述したように、被加工材の金属管の一端側をクランプにより把持し、ロール形状工具を金属管に押し付けながら、金属管の中心軸周りに公転、かつ金属管の軸方向に往復移動させることで、金属管を縮径加工する。一連の加工工程はクランプ側から管端部側へ向かう動作（以下、「outパス」という）と、反転して管端部側からクランプ側へ向かう動作（以下、「inパス」という）を順次繰り返すことで、縮径加工が逐次進行し最終的に目標とする縮径半径に達する。
【０００９】
ワーク固定型スピニング加工において、管端部は拘束のない自由端のため、形状不良が生じやすいことは当業者にとって周知である。このため、管端部を加工開始点とすることは好ましくないとの考えから、outパスにおける縮径量が、inパスにおける縮径量より大きく設定されていることが一般的であった。
【００１０】
発明者は、上記のような一般的な動作工程において、管端部に形状不良事象が生ずる原因について検討した。
ロール形状工具の動作の方向により、outパスでは素材が軸方向に引き伸ばされるため、inパスに比べて管端縮径部の増厚が小さい。このためoutパスでの縮径量が大きくなると管端部の形状はたわみ易く、この傾向は拘束の少ない管端部で顕著となる。このような状態で加工が進行するとロール形状工具が通過時に管がたわんで逃げるため、設定した縮径変形が未達になる。このような設定からの乖離量は、各パスにおいては僅かであるが、最終的には複数パスからなる全工程に亘って累積され管端部の口広がりとして顕在化すると考えられる。
【００１１】
発明者は、上記のような形状不良が、outパスでの縮径量が大きくなるようなパスによる乖離量の蓄積に起因するとの考えから、このような蓄積を排除することで形状不良の発生を効果的に防止できるとの知見を得た。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成を備えるものである。
【００１２】
（１）本発明に係るスピニング加工方法は、一端側をクランプした金属管を被加工材とし、前記金属管の中心軸周りに公転しながらかつ前記金属管の軸方向に往復移動するロール形状工具を前記金属管に押し付けることで金属管を縮径加工するスピニング加工であって、
ロール形状工具が金属管のクランプ側から管端部側に向かって移動するoutパスによって管端部が縮径加工される縮径加工量の総和をΔR(out)とし、ロール形状工具が管端部側からクランプ側へ移動するinパスによる管端部の縮径加工量の総和をΔR(in)としたときに、ΔR(in)がΔR(out)より大きくなるようにロール形状工具を動作させることを特徴とするものである。
なお、上記の関係を数式で表現すると、0.5≦ΔR(in)/{ΔR(in)＋ΔR(out)}となる。
【００１３】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、ロール形状工具が金属管のクランプ側から管端部側に向かって移動する各outパスによって管端部が縮径加工される縮径加工量をΔr(out)とし、引き続き反転してロール形状工具が管端部側からクランプ側へ移動する各inパスによる管端部の縮径加工量をΔr(in)としたときに、各往復パスの縮径加工量{Δr(in)＋Δr(out)}が、0.3≦Δr(in)／{Δr(in)＋Δr(out)}を満たすようにロール形状工具を動作させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、ロール形状工具が金属管のクランプ側から管端部側に向かって移動するoutパスによって縮径加工される縮径加工量の総和をΔR(out)とし、ロール形状工具が管端部側からクランプ側へ移動するinパスによる縮径加工量の総和をΔR(in)としたときに、ΔR(in)がΔR(out)より大きくなるようにロール形状工具を動作させることにより、素材の薄肉化および高縮径率化により顕在化してきた管端部の口広がり、およびそれに伴う折れ込みシワなどの形状不良事象が生じないようなスピニング加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係るスピニング加工方法を説明するための説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るスピニング加工方法におけるロール形状工具の動作を説明する説明図である。
【図４】スピニング加工後の金属管の端部を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態にかかるスピニング加工方法を説明するための説明図であり、クランプ３に金属管１を把持させた際における、金属管１の中心軸を通る立断面図である。
本実施の形態のスピニング加工方法は、被加工材となる金属管１の一端側をクランプ３により把持し、例えば３個のロール形状工具５を金属管１の中心軸周りに公転、かつ金属管１の軸方向に往復移動させながら金属管１に押し付けることで、金属管１を縮径加工するものである。
【００１７】
クランプ３は、金属管１の一端側が挿入されて、金属管１を固定状態で把持する。
ロール形状工具５は、図１および図２に示す通り、外周部が丸みを有する形状をしており、その中央部には回転軸７が挿入されており、回転軸７を中心に回転自在となっている。
ロール形状工具５は、図２に示す通り、ロール形状工具５の回転軸７の中心が、金属管１と同心円上にかつ等間隔になるように例えば３個配置されている。
ロール形状工具５は、図示しない回転機構によって金属管１の中心軸周りに公転可能であり（図２中の矢印ａ参照）、かつ図示しない往復機構によって金属管１の軸方向に往復移動可能となっており（図１中の矢印ｃ参照）、さらに図示しない縮径機構によって金属管１の径方向に移動可能となっている（図２中の矢印ｂ参照）。ロール形状工具５は３個が一体となって上記の同一の動作を行う。
ロール形状工具５は、上記の３種類の動作を独立して行うことができる。そして、往復移動と径方向への移動の各動作を変化させて組み合わせることで、ロール形状工具５の軌道（パス）を種々のものにすることができる。
【００１８】
本実施の形態にかかるスピニング加工方法では、ロール形状工具５のパスは、図１中の矢印ｄで示す通り、往復動と径方向への移動の組合せになっている。図３は、図１中の矢印ｄのみを抜き出してより詳細に説明する説明図である。
以下、図３に基づいてロール形状工具５のパスについて詳細に説明する。
図３において左側がクランプ３側であり、右側が管端部側となっている。図３中の太線の矢印はクランプ３側から管端部側に向かう軌道であるoutパスを示し、点線の矢印は管端部側からクランプ３側に向かう軌道であるinパスを示している。
【００１９】
本実施の形態におけるoutパスは、図３に示すように、クランプ３側から管端部側に向かって軸方向に移動する軌道である。outパスにおける縮径加工量は、以下においてΔr(out)で表す。
ロール形状工具５は、outパスの最終段階では、管端部を超える位置まで移動し、その後、図３中に細線の矢印で示すように縮径方向に移動する。このときの移動量はinパスにおける縮径加工量に相当し、以下においてΔr(in)で表す。
ロール形状工具５は、縮径方向に移動した後、図３中に点線の矢印で示すように、管端部側からクランプ３側に向かって移動する（inパス）。
以上のように、outパスと、縮径方向への移動と、inパスで、ロール形状工具５の１回分の往復移動のパスを構成している。この１回分の移動を以下の説明において往復パスという。このような往復パスを複数回繰り返すことで、金属管１の縮径加工が逐次進行し最終的に目標とする縮径半径に達する。
【００２０】
なお、縮径加工量Δr(out)、Δr(in)は半径に対する量であり、直径で考えれば縮径加工量の倍の量（Δr(out)×2、Δr(in)×2）で縮径することになる。
なお、以下の説明では、n回目の往復パスにおいては、縮径加工量にnを添字として付して、Δrn(out)、Δrn(in)と表記する。例えば１回目の往復パスでは、Δr1(out)、Δr1(in)と表記する。
【００２１】
次に、金属管１を縮径加工する方法の具体例を、ロール形状工具５の動作と共に説明する。
まず、金属管１をクランプ３によって把持し、回転機構によって公転するロール形状工具５（図２中の矢印ａ参照）を縮径加工開始位置Ｓに位置させることによって、ロール形状工具５が金属管１に接触する。このとき、ロール形状工具５は回転自在となっているため公転方向と同一方向に自転する（図２中の矢印ｅ参照）。
【００２２】
次いで、図３に示すように、ロール形状工具５は、１回目の往復パスのoutパスが開始され金属管１はもとの径に対してΔr1(out)だけ縮径される。
その後、管端部側に向かって管軸に沿って管端部を少し超えた位置まで移動する。このoutパスによって、金属管１は管端部までΔr1(out)分だけ縮径加工される。
【００２３】
ロール形状工具５は管端部を超えた位置でΔr1(in)分だけ縮径方向に移動する。
次いで、ロール形状工具５は、管端部側からクランプ３側に向かって所定の距離だけ移動する。このとき金属管１はΔr1(in)分だけ縮径される。以上で、１回目の往復パスが完了する。
【００２４】
その後は２回目の往復パス、３回目の往復パス・・・と、所定回数分だけ上記のような往復パスが繰り返され、縮径加工が逐次進行して最終的に目標とする縮径半径に達する。加工後の総縮径加工量（縮径加工前の半径と加工後の半径との差）は全往復パスの縮径加工量Δrn(out)、Δrn(in)の総和と等しくなることになる。
以下の説明において、outパスによって縮径加工される縮径加工量の総和をΔR(out)（＝Δr1(out)＋Δr2(out)＋・・・）とし、ロール形状工具５が管端部側からクランプ３側へ移動するinパスによる縮径加工量の総和をΔR(in)（＝Δr1(in)＋Δr2(in)＋・・・）とする。なお、総縮径加工量はΔR(out)とΔR(in)で表すと{ΔR(in)＋ΔR(out)}となる。なお、縮径加工後の直径でいうと、縮径加工前の直径から総縮径加工量の２倍分、縮径していることになる。
【００２５】
本発明に係るスピニング加工法は、上記のΔR(in)が総縮径加工量の半分以上を占めるようにロール形状工具５を動作させることによって、加工性を向上させるものである。ΔR(in)が総縮径加工量の半分以上を占めるようにする根拠について、以下の実験１の結果に基づいて説明する。
【００２６】
実験１は、管端部を所定の目標半径まで縮径させる場合において、ΔR(in)が総縮径加工量に占める割合（以下、「ΔR(in)総縮径比」という）の値を変化させて、加工後の半径(以下、「実績半径」という)を測定して比較するというものである。このとき、管端部の形状についても併せて観察した。
ΔR(in)総縮径比を規定する方法として、実験１では、各往復パスにおけるΔrn(in)が{Δrn(in)＋Δrn(out)}に占める割合（以下、「Δr(in)縮径比」という）を、全往復パスでΔR(in)総縮径比と同一となるようにした。
【００２７】
金属管１は、半径55mm（直径110mm）、板厚1.0mmのフェライト系ステンレス鋼管を用いた。目標半径は27.5mm（直径55mm、縮径率50%）とし、目標半径まで８往復で縮径加工させるものとした。ΔR(in)総縮径比は、条件Ａが0.85、条件Ｂが0.80、条件Ｃが0.65、条件Ｄが0.55、条件Ｅが0.50、条件Ｆが0.45、条件Ｇが0.40とした。
上記の条件とその縮径加工後の結果についてまとめたものを表１に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
表１は、条件Ａ〜条件Ｇ毎のn往復目におけるoutパスおよびinパスの設定半径（mm）、縮径量（mm）およびΔr(in)縮径比、さらに条件毎のΔR(in)総縮径比、実績半径（mm）、目標半径との乖離（％）を示している。
表１に示すとおり、ΔR(in)総縮径比が0.5以上である条件Ａ〜Ｅまでは、目標半径との乖離が1％未満と良好であった。特に、ΔR(in)総縮径比が高い条件Ａ〜Ｃまでは乖離がなく、非常に良好な加工ができた。
一方、ΔR(in)総縮径比が0.5未満の条件Ｆと条件Ｇにおいては、条件Ｆにあっては乖離が5.02％と急激に加工性が悪化しており、条件Ｇにあっては折れ込みシワが発生し問題であった。
【００３０】
上記のように、ΔR(in)総縮径比を0.5未満とすると、目標半径と実績半径の乖離が急激に大きくなり顕著な口広がりや、折れ込みシワ形状を呈するようになるため、本発明において、ΔR(in)総縮径比は0.5以上となるようにしている。
【００３１】
なお、上記では、各往復パスにおけるΔr(in)縮径比は一定としたが、上記のΔR(in)総縮径比が0.5以上とすること満たせば、ある往復パスにおいて、inパスがoutパスよりも小さくなるようにしてもよい。この理由について説明する。
上述したとおり、各outパスでの管端部における乖離量は僅かであり、あくまで全工程に亘って累積された結果、形状不良として顕在化するものであるため、ΔR(in)が{ΔR(in)＋ΔR(out)}を占める割合が半分以上であれば形状不良は発生しない。
しかし、Δr(in)縮径比が制限なく小さくてもよいというわけではなく、0.3以上になるようにするのが好ましい。以下、この理由について、実験２の結果に基づいて説明する。
【００３２】
実験２は、実験１と同様に、管端部を所定の目標半径まで縮径させる場合において、ΔR(in)総縮径比の値を変化させた。加えて、各往復パスにおけるΔr(in)縮径比を様々な値に変化させた。そして加工後、実績半径を測定して比較を行った。管端部の形状についても併せて観察した。
実験２においては、金属管１は、半径63mm（直径126mm）、板厚1.2mmのフェライト系ステンレス鋼管を用いた。目標半径は30mm（直径60mm、縮径率52.4%）とし、目標半径まで８往復で縮径加工させるものとした。ΔR(in)総縮径比は全条件において0.5以上となるように、条件Ｈでは0.51、条件Ｉでは0.55、条件Ｊでは0.66、条件Ｋが0.68とした。さらに、Δr(in)縮径比は0.25〜0.88の間で変化させた。
上記の条件とその縮径加工後の結果についてまとめたものを表２に示す。
【００３３】
【表２】
2014046333.tif 000004
【００３４】
表２に示す通り、全条件においてΔR(in)総縮径比は0.5以上となっているので、乖離が１％未満で良好な結果となった。特に、すべてのΔr(in)縮径比が0.3以上となっている条件Ｊと条件Ｋは乖離がなく、非常に良好であった。
以上のように、ΔR(in)総縮径比0.5以上とした上で、Δr(in)縮径比0.3以上とすればさらに加工性が向上することが分かった。
なお、上記の実施形態はあくまで一例であって、本発明の構成を限定するものではない。
【実施例】
【００３５】
本発明のスピニング加工方法による作用効果を確認する実験３を行ったので、以下この実験３について説明する。表３は、表１および表２と同様であるので表の見方の説明を省略する。
実験３においては、金属管は、半径60mm（直径120mm）、板厚1.5mmのフェライト系ステンレス鋼管を用いた。目標半径は25mm（直径50mm、縮径率58.3%）とし、目標半径まで１０往復で縮径加工させるものとした。
ΔR(in)総縮径比は、条件Ｍおよび条件Ｎともに0.51として、上記の実施の形態で説明したように0.5以上を満たすような値に設定した。Δr(in)縮径比は0.2〜0.7まで変化させ、条件Ｎでは上記の実施の形態で説明したように、加工性をさらに向上させる目的で全往復パスのΔr(in)縮径比が0.3以上になるようにした。また、条件Ｌを比較例として、ΔR(in)総縮径比を0.4に設定して加工を行った。
上記の条件とその縮径加工後の結果についてまとめたものを表３に示す。
【００３６】
【表３】
2014046333.tif 000005
【００３７】
表３に示す通り、条件Ｌでは折れ込みシワが発生した。他方、ΔR(in)総縮径比が0.5以上とした条件Ｍでは目標半径との乖離が0.92％と僅かであり、良好な結果となった。さらに、Δr(in)縮径比を0.3以上とした条件Ｎでは乖離が0.24％となり、さらに良好な結果となった。
【００３８】
以上のように、本発明のかかるスピニング加工方法によれば、素材の薄肉化および高縮径率化により顕在化してきた管端部の口広がり、およびそれに伴う折れ込みシワなどの形状不良事象が生じない。
【符号の説明】
【００３９】
ａ〜ｅ  矢印
Ｓ  縮径加工開始位置
１  金属管
３  クランプ
５  ロール形状工具
７  回転軸
【図１】
2014046333.tif 000006
【図２】
2014046333.tif 000007
【図３】
2014046333.tif 000008
【図４】
2014046333.tif 000009