(57)【要約】【課題】管端に加工ローラを当接して縮径部を形成する際に、テーパ部に生じやすい板厚減少を極力抑制したスピニング加工方法を提供する。【解決手段】被加工管の被加工部を金型内に挿入して全周に対して一様な縮径加工を付与し、当該被加工部に予ひずみを付与して加工硬化させた後に、被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成する際、被加工管の被加工部に予め縮径処理を施して当該部分に予ひずみを付与した後に、前記テーパ部を形成することを特徴とする管端のスピニング加工方法。
【請求項２】
予め施す縮径処理が、被加工部を金型内に挿入して全周に対して一様な縮径加工を付与する加工である請求項１に記載の管端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、自動車のコンバーターケースやマフラーに用いられる管端に縮径部を有する管体の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気系に装備される排気ガス浄化用触媒（コンバーター）のケース，あるいは消音器（マフラー）のケースには、大容量化の必要性から素材として大径の管が用いられている。そして、そのケース部材端部には、前後の部材との接続のためにテーパ部と、さらに必要に応じてテーパ部に連続した小径の平行部が備えられている。
図１は、このようなケース１が、素材である大径の管の部分（１ａ）、前後の部材と接続するために設けられるテーパ部（１ｂ）及びテーパ部に連続した小径の平行部（１ｃ）から構成されている例を示す。そして、テーパ部（１ｂ）は素管部（１ａ）にショルダー部（２）を介して、また、テーパ部（１ｂ）はネック部（３）を介して小径の平行部（１ｃ）と接続されている。
このような形状品は、管端にスピニング加工法を適用することにより成形される場合が多くなっている。
【０００３】
スピニング加工方法は、例えば特許文献１で紹介されているように、成形工具である加工ローラを被加工管の表面に接触させ、加工ローラを被加工管の周りで相対的に公転させながら、加工ローラを被加工管の半径方向及び軸方向に駆動させて、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、必要に応じてそれに連続する小径の平行部を形成する方法である。
そして、例えば、特許文献２には、被加工管の外周に加工ローラを押し当ててスピニング加工することによりコンバーターケースを製造することが記載されている。
【０００４】
このような形状の部材を成形する方法としてスピニング加工法が多用される背景としては、板材をプレス成形により複数の部分に分割して加工した後に別工程にて溶接接合する方法と比較して、１）材料歩留りが高い、２）一体成形であるために部材強度が高く、部品点数を減らせる、３）溶接を必要としないために溶接部による部材の信頼性低下がない、等の点が挙げられる。
しかしながら、プレス成形方法と比較して、スピニング加工法では加工ローラを被加工管の軸方向へ繰返し往復動させて成形を進めるため、塑性変形により材料が管端方向に移動しやすく、特にテーパ部の板厚が被加工管の素材板厚よりも局所的に減少する傾向がある。また、縮径された母材部の加工端、あるいは被加工管が電縫管の場合には管端の溶接部の加工端を起点とする破断が起こりやすい。さらに、加工速度を高速度化した場合には、スピニング加工中に加工部にしわが発生し、所定の加工部形状が得られない、といった成形不良が発生しやすくなる。
【特許文献１】特公平４−４６６４７号公報
【特許文献２】特許第３４０１１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記している通り、スピニング加工法では塑性変形により材料が管端方向に移動しやすいため、テーパ部の板厚が被加工管の素材板厚よりも局所的に減少しやすくなる。特にテーパ角が大きいほどその傾向が強くなる。
このため、テーパ角を大きくして、触媒収容部が大きく、しかも排ガス導入・排出口が小さくて収容効率の高いコンバーターケースを製造しようとすると、テーパ部、特にネック部の板厚減少に起因した割れや変形が起こりやすくなる。場合によっては、外形のチェックや耐圧テストも必要になって、収容効率の高いコンバーターケースを安定的に低コストで供給することが困難となる。
本発明は、このような問題を解消するために案出されたものであり、管端に加工ローラを当接して縮径部を形成する際に、テーパ部に生じやすい板厚減少を極力抑制したスピニング加工方法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】
本発明の管端のスピニング加工方法は、その目的を達成するため、被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成する際、被加工管の被加工部に予め縮径処理を施して当該部分に予ひずみを付与した後に、前記テーパ部を形成することを特徴とする。
予め施す縮径処理としては、被加工部を金型内に挿入して全周に対して一様な縮径加工を付与する加工法を採用することが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、加工ローラを被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させて被加工管の端部に縮径部を形成する際に、被加工管の被加工部に予ひずみが付与されているため、当該部分は加工硬化しており、予ひずみなしの場合よりも変形に要する耐力（変形抵抗）が高くなっている。このため、管軸方向への材料の流動がテーパ部で起こる場合に板厚減少が特定の部位に集中しにくく、代わって、テーパ部の軸方向に広い領域に分散して変形が進行することになる。その結果、スピニング加工による縮径加工を行った場合に起こりやすい、被加工管の素材板厚よりもテーパ部の板厚が局所的に減少する問題を回避でき、良好な品質の縮径加工製品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明者等は、被加工管と、当該被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、前記加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、それに連続する小径の平行部を形成する際に、テーパ部に生じやすい板厚減少の発生原因とその対策について種々検討を重ねてきた。
その結果、加工ローラを押し当てて縮径の加工を施すときの加工硬化がその後の変形態様に微妙な影響を与えると推測し、局部的な板厚減少の抑制には、被加工部を予め加工硬化させておくことが有効であることを見出した。
以下に、本発明に至った経緯から説明する。
【０００９】
まず、スピニング加工時にテーパ部に生じやすい板厚減少の発生メカニズムから検討した。
図２は、降伏強さ２５１ＭＰａ，引張強さ４２８ＭＰａ，伸び３６％の機械的特性を有する板厚１．２ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板を素材とし、プラズマ溶接により直径８９．１ｍｍとなるように造管した素管を被加工管として、テーパ角を種々変更して縮径加工したときの、加工部の板厚減少状況を見たものである。なお、この予備試験では、送り速度：３０００ｍｍ／ｍｉｎ一定で全１３パスの加工を施し、最終的に外径３８．１ｍｍまで縮径率５７％で縮径している。また、小径の平行部の目標長さは３０ｍｍとした。
図２（ａ）は、同図（ｂ）に示すように、ショルダー部の変形が開始した点を起点とし、５ｍｍピッチで板厚変化を測定した結果を示している。
図２に見られるように、テーパ部で局所的に素管板厚よりも板厚が減少した部分が発生しており、テーパ角が増大するほど局所的な板厚減少も顕著となる。
【００１０】
一般に管端を縮径するスピニング加工では、曲げ加工等により板状の素材を略管状に成形し、続いて板端同士を突き合わせて溶接することで製造した溶接管を被加工管として用いる。管状に成形するための加工ひずみは縮径加工によって受けるひずみよりもはるかに小さい。そのため、被加工部は一様に殆ど加工硬化を受けていない状態で縮径加工に供される。すなわち、加工硬化を受けていないから、塑性変形を起こすために必要な変形抵抗が小さい。
【００１１】
スピニング加工で被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部を形成すると、加工部は、加工度合いに応じた加工硬化を受ける。未加工部の素管に近い部分ほど、縮径加工度が小さいため材料が受けた加工硬化も小さく、逆に加工端に近い部分ほど縮径加工度が大きいから大きな加工硬化を受けている。大きな加工硬化を受けた部分ほど変形抵抗も増大しているから、未加工部の素管に近い部分ほど変形抵抗が小さく、加工端に近い部分ほど変形抵抗が大きい部分が分布することになる。
【００１２】
ところで、スピニング加工による管端の縮径加工では、加工ローラを材料に当接させつつ軸方向に往復動させるため、被加工管の端部に向けて材料の流動が起こりやすい。このとき、材料の流動（塑性変形）は、変形抵抗の小さい部分に集中しやすい。すなわち、テーパ部の未加工部（素管）に近い部分に材料の軸方向への流動が集中しやすく、この部分で板厚の減少が起こることになる。
ここで、素管部は加工硬化を受けていないから変形抵抗は小さいが、管径が大きく断面積が大きい。そのため、加工ローラの管軸方向の往復動による材料の軸方向への流動は、断面積の効果により素管部に及ぶ応力としては小さくなり、塑性変形とならないから素管部は板厚減少を起こさない。
一方、テーパ部は、素管部から離れ平行部に近づくほど管径が小さくなるので、加工ローラの管軸方向の往復動による材料の流動がテーパ部では素管部よりも大きい応力として作用する。このとき、塑性変形を起こす変形抵抗を上回った部分に材料の流動が集中し、この部分で板厚の局部的な減少が進行することになる。
【００１３】
予ひずみの付与手段としては、コスト面を考慮して、被加工管の被加工部である管端に縮径加工を施す手段を採用する。
縮径加工を施す態様としては、一例として被加工部を金型内に挿入して、全周に対して一様に縮径加工を付与する加工法が挙げられる。この加工により、縮径度合いに応じた円周方向の圧縮ひずみと軸方向の引張ひずみを付与できる。このように管端を金型内に挿入して全周に対して一度に縮径加工を行う場合、管の座屈を防ぐため、必要に応じて管の内部にも金型を用いるなどの手段を用いてもよい。このように、予ひずみの付与手段は、本来のスピニング加工とは別工程になるので、時間がかかる逐次的な加工ではなく、全周に対していちどに加工できる方法を採用する。
なお、スピニング加工は、加工ローラの動きにより積極的に軸方向に材料を流動させる加工法であり、板厚減少が起こりやすい加工方法であるため、この際の予ひずみ付与手段としては適当でない。
【実施例】
【００１４】
降伏強さ２５１ＭＰａ，引張強さ４２８ＭＰａ，伸び３６％の機械的特性を有する板厚１．２ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板を素材として用い、プラズマ溶接により直径１２０ｍｍとなるように造管した素管を被加工管とした。
まず、比較例として、前記のように製造した素管に対して、予ひずみ付与加工を施さずに図３に示した目標形状に同軸スピニング加工を実施した。
また、実施例として、図４に示す予ひずみ付与加工を行ったのちに、比較例と同様に図３の目標形状に同軸スピニング加工を実施した。
【００１５】
ここで、予ひずみ付与方法としては、図４に示すように、金型を用いて素管の全周に対して一様に縮径加工を行った。このとき、予ひずみ付与加工の対象長さは、予ひずみ付与加工なしで比較例の加工を行う場合に必要な被加工部長さが１０５ｍｍであるため、この領域全体を含む長さとするために、この予ひずみ付与は、管端から１１５ｍｍまでの部分を対象とした。予ひずみ付与加工のテーパ角は１５°、縮径部の径はφ１００ｍｍとした。
図３に示すように、同軸型スピニング加工の目標形状は、テーパ角θを３０°、縮径した平行部の直径（外径）を５４ｍｍ（縮径率５５％），平行部の目標長さを３０ｍｍとした。また、スピニング加工は、予ひずみ付与加工の有無に関わらず加工パス数は１３パス、送り速度は３０００ｍｍ／ｍｉｎ一定とした。
【００１６】
両者のスピニング加工後の板厚分布を図５に示す。予ひずみを付与しないものは、局所的な板厚減少が最大で１４％に及んでいるが、予ひずみを付与したものについては１０％である。テーパ部における局所的な板厚分布が軽減されていることから、予ひずみ付与によるテーパ部の局所的な板厚減少の抑制効果が確認できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】スピニング加工を施した管端の形状を説明する図
【図２】加工部の板厚変化状況を説明する図
【図３】実施例に用いたスピニング加工による目標形状の図
【図４】実施例に用いた予ひずみ付与方法を説明する図
【図５】予ひずみ付与による局所的な板厚減少の抑制効果を説明する図
【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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