(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象の金属表面を転圧加工するローラを備えた金属表面転圧工具の製造法であって、
前記金属表面と接して回転するローラ表面に高硬度粒子を用いてショットピーニング処理を施し、
前記ローラ表面へのショットピーニング処理に加えて、潤滑性質を備えた金属粒子の噴射処理を施すことにより、前記ショットピーニング時の被処理表面の温度上昇による加熱溶融作用で前記金属粒子を被処理表面へ拡散メッキすることを特徴とする金属表面転圧工具の製造法。
【請求項２】
前記金属粒子として粒径４０〜６０μｍの錫を用いることを特徴とする請求項１に記載の金属表面転圧工具の製造法。
【請求項３】
加工対象の金属表面を転圧加工するためのローラと、
駆動源により回転し前記ローラに接触してこれを回転させるマンドレルと、
複数の前記ローラを等間隔に並置保持するフレームとを備え、
前記ローラと、前記マンドレル及び／又はフレームとが高硬度粒子を用いてショットピーニング処理された表面を有し、
前記ショットピーニング処理された表面に更に潤滑性質を備えた金属粒子の噴射処理により、前記ショットピーニング時の被処理表面の温度上昇による加熱溶融作用で前記金属粒子の拡散メッキが施された表面を有することを特徴とする金属表面転圧工具。
【請求項４】
前記金属粒子が粒径４０〜６０μｍの錫であることを特徴とする請求項３に記載の金属表面転圧工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒状部品等の径を拡径するエキスパンダ加工用転圧工具や、筒状部品の内壁等の金属表面を鏡面加工するローラバニシング転圧工具等の金属表面転圧工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器やボイラ、コンデンサなどの製造工程において、チューブを管板に固着、成型加工するためチューブ内に挿入し、回転駆動されるローラによってチューブ内壁を転圧塑性変形させる「チューブエキスパンダ」と呼ばれる転圧工具がある。
【０００３】
図５はチューブエキスパンダの構成を示す説明図である。図に示す通り、チューブエキスパンダ５１は、チューブ５２内壁を転圧塑性変形させるローラ５３と、このローラ５３を複数個等間隔に保持する筒状のフレーム５４と、このフレーム５４の中心軸線上に装入され、駆動源により回動するマンドレル５５とを備える。均等に配された複数のローラ５３はフレーム５４の軸線側でマンドレル５５と接触し、マンドレル５５の回動に伴い回転する。尚、拡管時にはこの先細りテーパ状マンドレル５５が回転しながらチューブ内に挿入される。
【０００４】
図に示す通り、チューブ５２の拡径はフレーム５４に保持されたローラ５３の転圧塑性加工により行われる。つまり、マンドレル５５の先細りテーパ先端部をフレーム５４側に引き寄せてローラ５３がフレーム５４のローラ溝内に入り込んだ工具径減少状態で工具ローラ部をチューブ５２内に挿入し、電動機等でマンドレル５５を回転させながらチューブ内奥へ前進させることにより、フレーム５４に等間隔で保持されたローラ５３が、回転しながらテーパ状マンドレル５５の径の増加に伴いフレーム５４のローラ溝から径方向に徐々に押し出されて工具径増大状態となる。
【０００５】
このようなエキスパンダによる拡径処理は、ロールとチューブ内壁、ロールとマンドレル、マンドレルとフレームの各々に潤滑油を注入しつつ拡径処理を行うことが大多数である。そのため、拡径処理後のチューブ内壁には潤滑油が付着した状態となる。
【０００６】
ところで、チューブと管板とを溶接する場合には、油脂分があると溶接不良が発生する。また、油脂分が管内に残存していると、食品関係の熱交換器等では安全衛生面で問題とされる。更に、油脂分が管内に残存し、これを洗い流した汚水の処理では、当然のことながら、基準値以下に処理して排出しなければならない。そのため、拡径処理後は、管内面の洗浄工程が不可欠で費用も増加する。
【０００７】
一方、切削加工された金属表面の細かな凹凸を回転ヘッドの先端部分に等間隔に並置して取付けられた転圧ローラで押しつぶして局所的な塑性変形を起こさせて鏡面仕上げするためのローラバニシング加工工具がある。このローラバニシング加工工具においても、加工中は潤滑性の高い潤滑油を加工面にかけて用い、加工後はよく洗浄する必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、潤滑油を使用しない拡径処理に用いるチューブエキスパンダ工具やローラバニシング加工工具等の金属表面転圧工具は、現在では、得られてない。
【０００９】
本発明は、従来と比べて寿命を著しく向上させた、或いは、寿命の向上と共に潤滑油を使用しない拡径処理に用いるチューブエキスパンダ工具や鏡面仕上げ処理に用いるローラバニシング加工工具等の金属表面転圧工具を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明に係る金属表面転圧工具の製造法は、  加工対象の金属表面を転圧加工するローラを備えた金属表面転圧工具の製造法であって、
前記金属表面と接して回転するローラ表面に高硬度粒子を用いてショットピーニング処理を施し、
前記ローラ表面へのショットピーニング処理に加えて、潤滑性質を備えた金属粒子の噴射処理を施すことにより、前記ショットピーニング時の被処理表面の温度上昇による加熱溶融作用で前記金属粒子を被処理表面へ拡散メッキするものである。
【００１１】
請求項２に記載された発明に係る金属表面転圧工具の製造法は、請求項１に記載の金属表面転圧工具において、前記金属粒子として粒径４０〜６０μｍの錫を用いるものである。
【００１２】
請求項３に記載された発明に係る金属表面転圧工具は、加工対象の金属表面を転圧加工するためのローラと、
駆動源により回転し前記ローラに接触してこれを回転させるマンドレルと、
複数の前記ローラを等間隔に並置保持するフレームとを備え、
前記ローラと、前記マンドレル及び／又はフレームとが高硬度粒子を用いてショットピーニング処理された表面を有し、
前記ショットピーニング処理された表面に更に潤滑性質を備えた金属粒子の噴射処理により、前記ショットピーニング時の被処理表面の温度上昇による加熱溶融作用で前記金属粒子の拡散メッキが施された表面を有するものである。
【００１３】
請求項４に記載された発明に係る金属表面転圧工具は、請求項３に記載の金属表面転圧工具において、前記金属粒子が粒径４０〜６０μｍの錫であることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明においては、金属表面と接して回転する工具表面として、高硬度粒子でのショットピーニング処理或いはそのショットピーニング処理に加えて、錫、亜鉛、鉛等の潤滑性質を備えた金属粒子の噴射された表面を有する金属表面転圧工具であるため、工具摩耗部品の寿命を著しく向上させたり、潤滑油を使用しない金属表面転圧工具を得ることができる。
【００１５】
本発明の転圧工具の製造法とは、金属製品からなる被処理製品の表面に、３０〜８０μ粒径のハイスビーズやセラミックビーズの小径粒子を所定の速度又は吐出圧力で噴射して当てることで、圧縮残留応力を発生させて被処理表面の疲労強度を増加させるショットピーニング処理技術を採用した製造法や、そのショットピーニング処理に加えて、融点の低い、錫、亜鉛、鉛等の潤滑性質を備えた金属粒子を前記高硬度粒子との混入或いは別々に噴射し、ショットピーニング時の被処理表面の温度上昇による潤滑性質を備えた金属粒子の加熱溶融作用で前記潤滑性質を備えた金属粒子を被処理表面へ拡散させるメッキ法を採用した製造法である。尚、高硬度粒子に前記潤滑性質を備えた金属粒子を被覆させた金属粉体を所定の速度又は圧力以上で噴射して被覆金属粉体の組成物中の元素を被処理表面に拡散させてもよい。
【００１６】
本発明では、好ましくは、工具表面として、高硬度粒子と錫粉末でショットピーニング処理とメッキ処理とを施された表面を有するものであるため、回転滑り接触面において、自己潤滑性ある酸化錫が移着移動を繰り返すことで、耐摩耗性が向上する。また、発熱も少なく、熱疲労に対し優れる。よって、潤滑油を使用しない金属表面転圧工具を得ることができる。
【００１７】
本発明の金属表面転圧工具としては、筒状部品等の径を拡径するエキスパンダ加工用転圧工具や、筒状部品の内壁等の金属表面を鏡面加工するローラバニシング転圧工具等を含む。より具体的には、加工対象の金属表面を転圧加工するためのローラと、駆動源により回動し前記ローラに接触してこれを回転させるマンドレルと、複数の前記ローラを等間隔に並置保持するフレームとを備えたエキスパンダ加工用或いはローラバニシング加工用転圧工具である。
【００１８】
ショットピーニング処理された表面を有する部位は、少なくとも加工対象の金属表面を転圧加工するためのローラであればよいが、より好ましくは、マンドレル及び／又はフレームを含む。
【００１９】
【実施例】
実施例１．ショットピーニング処理
チューブエキスパンダを構成するローラ、マンドレル、及び、フレームに、小粒径の金属粉末のみでのショットピーニング処理やその金属粉末にＳｎ（錫）粉末を混入してショットピーニング処理したり、或いはショットピーニング処理後にＳｎ（錫）粉末を噴射した。具体的なショットピーニング処理条件は、次の通りである。
【００２０】
ローラとマンドレルには、粒径３０〜８０μのセラミックビーズを用いて０．６ＭＰａエア圧でショットピーニングを行い、フレームには、粒径３０〜８０μのハイスビーズを用いて０．５ＭＰａエア圧でショットピーニング処理を行った。尚、メッキ作用噴射は、粒径４０〜６０μの錫を用いて、ショットピーニング処理時のエア圧と同じとした。また、ショットピーニング処理やメッキ作用噴射で用いた機器は特に指定はなく、３００μ以下の粒径の金属粉末を一定圧力で一定時間噴射できるものであればよい。
【００２１】
実施例２．チューブエキスパンダの無潤滑比較
ショットピーニング処理されたローラ、マンドレル、及び、フレームを用いてチューブエキスパンダを構成し、無潤滑条件での拡管性能を比較した。尚、比較に用いたチューブエキスパンダはショットピーニング処理を行っていない以外は、同一のローラ、マンドレル、及び、フレームを用いた。
【００２２】
2-1.使用機器
図１は比較試験に用いた使用機器の配置を説明する説明図である。図に示す通り、メカドライブ拡管機１１（（株）スギノマシン製）を用いた。このメカドライブ拡管機１１は、コントローラ１２（商品番号：ＭＤＣ−１）を備えたメカスタンド１３（商品番号：ＭＳ−０８０８Ｗ）に原動機を内蔵したメカドライブ１４（商品番号：ＭＤ−０２５０Ｖ、回転数７５０ｍｉｎ−１）を備える。
【００２３】
メカドライブ１４の駆動軸が内封されるテレスコハンド１５（商品番号：ＴＨ−４４０）の先端には、マンドレルカップリング１６（商品番号：ＭＣ−４３）を介してチューブエキスパンダ１７が装着されている。また、被対象物は管板１８（Ｓ５５Ｃ）に複数個装着されたチューブ１９（ＳＵＳ３０４ＴＰ−Ｓ製）である。図２に被対象物の具体的な寸法を記す。
【００２４】
2-2.評価項目
評価項目は次の３つである。
▲１▼  耐久性…５５０箇所拡管後のツール損耗状態で評価
▲２▼  発熱  …１０箇所および３０箇所連続拡管後のローラ、マンドレル、フレームの温度
▲３▼  自己潤滑性…ローラ、マンドレルのテンパーカラー色を目視によってカラーサンプルと比較（尚、カラーサンプルについては、次の表１に示した。）
【００２５】
【表１】
0004175596.tif 000002
【００２６】
2-3.ローラの摩耗量
図３はローラの摩耗量の測定位置を示した説明図である。図に示す通り、５５０箇所の拡径を行った後に、チューブエキスパンダを分解してローラ３１を取り出し、その最も大きな径（φＡ）と、ローラ後端部から１１ｍｍの径（φＢ）を測定した。
【００２７】
2-4.マンドレルの摩耗量
図４はマンドレルの摩耗量の測定位置を示した説明図である。図に示す通り、５５０箇所の拡径を行った後に、チューブエキスパンダを分解してマンドレル４１を取り出し、最大摩耗までの距離Ｈでの、使用前外径（φＡ）から、使用後外径（φＢ）を引いて摩耗量（２Ｃ）を算出した。
【００２８】
2-5.自己潤滑性
ローラ、マンドレルのテンパーカラー色で自己潤滑性を評価した。標準処理の従来品と高硬度粒子と錫粒子あるいは錫粒子を被覆させた高硬度粒子によるショットピーニング処理の本願品とを無潤滑で使用したところ、従来品のマンドレルでは１０回拡管で２８０℃時の着色の藍色テンパーカラーが発生したが、本願品のマンドレルでは２００回拡管でようやく約２４０℃時の着色の褐色テンパーカラーが発生した。ローラについては、従来品が１５０回拡管、本願品が３００回拡管でローラテーパ先端／後端が約２００℃時の着色の淡黄色テンパーカラーが発生した。
【００２９】
実施例３．結果
3-1.耐久性について、
ローラの摩耗試験の結果を次の表２に示す。また、マンドレルの摩耗試験の結果を次の表３に示す。
【００３０】
【表２】
0004175596.tif 000003
【００３１】
表２に示す通り、従来品と比較して本実施例の高硬度粒子のみのショットピーニング処理したローラは約１／２に摩耗量が減少した。更に、高硬度粒子のショットピーニング処理に錫粒子の噴射を加えてメッキ処理したローラは、無潤滑にもかかわらず従来品のローラと比較して摩耗量が少ない結果となった。これは自己潤滑性を有する錫の効果と推察された。また、表３に示す通り、従来品のマンドレルと比べて、本実施例の高硬度粒子と錫粒子とのショットピーニグ処理したマンドレルの摩耗量も無潤滑にもかかわらず最良の結果となった。
【００３２】
【表３】
0004175596.tif 000004
【００３３】
3-2.発熱温度について、
本実施例の高硬度粒子と錫粒子とのショットピーニグ処理したローラ、マンドレル、及び、フレームを用いたチューブエキスパンダは、従来のチューブエキスパンダに対して、発熱量が少ないことが判った。これは、錫による自己潤滑性の効果と推察された。また、発熱量の差異は、後述するローラ及びマンドレルのテンパーカラーの発生状体の違いにも現れた。
【００３４】
3-3.自己潤滑性について、
本実施例の高硬度粒子と錫粒子とのショットピーニグ処理したローラ、マンドレル、及び、フレームを用いたチューブエキスパンダは、従来のチューブエキスパンダに対して、発熱量が少なかった。この影響から、マンドレルに発生する転パーカラー色は、従来品では約２８０℃時の着色の藍色、本実施例では約２４０℃時の着色の褐色であった。また、テンパーカラーが発生する拡管箇所数も、従来品では１０箇所、本実施例では２００箇所と大きく違いがでた。これらのことから、本実施例の高硬度粒子と錫粒子とのショットピーニグ処理したローラ、マンドレル、及び、フレームを用いたチューブエキスパンダには自己潤滑性の効果があると判断できる。
【００３５】
以上のように、無潤滑拡管処理を行う際には、高硬度粒子と錫粒子とのショットピーニグ処理したローラ、マンドレル、及び、フレームの回転滑り接触面において、自己潤滑性のある酸化錫が移着移動を繰り返すことで耐摩耗性が向上し、また、発熱量も少なく、熱疲労に対して優れていることから、無潤滑型エキスパンダに有効であると考えられる。また、同様の転圧を行うローラバニシング転圧工具でも同様に無潤滑処理が可能であると考えられる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は以上説明した通り、ショットピーニング処理を施したローラ、マンドレル、フレームを製造し使用することで、従来の転圧塑性加工工具の寿命を著しく向上させることが可能となった。更に、ショットピーニング処理に加えて、錫等の潤滑性質を備えた金属粒子を前記被処理表面に噴射することで潤滑油を使用しない金属表面転圧工具を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】比較試験に用いた使用機器の配置を説明する説明図である。
【図２】被対象物の具体的な寸法を示す説明図である。
【図３】ローラの摩耗量の測定位置を示した説明図である。
【図４】マンドレルの摩耗量の測定位置を示した説明図である。
【図５】チューブエキスパンダの構成を示す説明図である。
【図１】
0004175596.tif 000005
【図２】
0004175596.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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