(57)【要約】【課題】スピニング加工によりテーパ部とそれに連続する小径部の縮径加工部を加工する際に、テーパ部の局所的な板厚減少と管端でのしわ発生を抑制できるスピニング加工方法を提供する。【解決手段】被加工管の管端へ向う往路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを往路起点から往路終了点に向けて動いた軸方向の距離に比例して直線変化するように与え、かつ復路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを復路起点と復路終了点とを結んだ直線から、被加工管の中心軸方向に向けて凸となるように復路起点から復路終了点に渡って曲線変化するように与える。  また、被加工管の管端に達する直前で折り返させて被加工管の管端に突起部を形成した加工を行う。【選択図】図３
2009195913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工管の外側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、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工程を複数パス行うことにより、前記被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、当該テーパ部に連続する小径部を成形する際、前記テーパ部の成形において、加工ローラの各パス毎の往復動を、前記被加工管の管端へ向う往路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを該パスの往路起点から該パスの往路終了点に向けて動いた軸方向の距離に比例して直線変化するように与え、かつ復路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを該パスの復路起点と復路終了点とを結んだ直線から、被加工管の中心軸方向に向けて凸となるように該パスの復路起点から該パスの復路終了点に渡って曲線変化するように与えることを特徴とするスピニング加工方法。
【請求項２】
被加工管の外側に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラの軸方向の往復動を、前記被加工管の管端に達する直前で折り返させて前記被加工管の管端に突起部を形成した加工を行う請求項１に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、自動車のコンバーターケースやマフラーなどの排気系部品に用いられる端部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）のケースや消音器（マフラー）のケース、あるいは尿素を利用した排気ガス浄化用触媒のケースには、大容量化の必要性や自動車の軽量化の観点から素材として板厚が薄くて大径の管が用いられている。そして、それら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部が備えられている。
図１には、このようなケース１が、素材である大径の管の部分（１ｃ）、前後の部材と接続するために設けられるテーパ部（１ｂ）およびテーパ部に連続した小径の直管部（１ａ）から構成されている例を示す。そして、その成形方法としては、スピニング加工方法が用いられる場合が多くなっている。
【０００３】
スピニング加工方法は、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および軸方向に移動させて、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、それに連続する小径部を形成する方法である。
例えば、特許文献１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、板材をプレス成形した後に溶接接合する方法と比較すると、１）材料歩留が高い、２）生産効率が高い、３）一体成形であるために部材強度が高い、４）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り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被加工管の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。
【０００５】
このような課題に対して特許文献２では、加工ローラで被加工管をスピニング加工中に、被加工管の縮径されている側を押圧する方法が提案されている。しかし、この方法では別途押圧する装置が必要であり、装置費用が高くなるという問題がある。また、特許文献３では、加工ローラの被加工管の軸方向への移動方法として、テーパ部に連続して小径の直管部がある形状を成形する場合において、初めにテーパ部を形成した後に、被加工管の縮管側の管端から中央部に加工ローラを移動させて直管部を成形する方法が提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１３２０３８号
【特許文献２】特開２０００−１７９３３４号
【特許文献３】特開２００４−１６０５３６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献３の方法では、最初の加工である所定角度へのテーパ部形成で被加工管が加工硬化するため、そのテーパ部の端部から直管部の成形工程では大きな加工力が必要であり、その加工力能力の維持によりスピニング加工機自体が高価になるという問題がある。
また、特許文献２，３ともに、スピニング加工での加工速度が速くなったり、被加工管の外径に対する板厚の比率が小さくなると端部にしわが発生しやすくなったりするという問題も抱えている。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、スピニング加工によりテーパ部とそれに連続する小径部を形成する際に、テーパ部での局所的な板厚減少を低減でき、さらに被加工管端部でのしわ発生を抑制できる縮径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】
【０００７】
本発明のスピニング加工方法は、その目的を達成するため、被加工管の外側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、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工程を複数パス行うことにより、前記被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、当該テーパ部に連続する小径部を成形する際、前記テーパ部の成形において、加工ローラの各パス毎の往復動を、前記被加工管の管端へ向う往路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを該パスの往路起点から該パスの往路終了点に向けて動いた軸方向の距離に比例して直線変化するように与え、かつ復路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを該パスの復路起点と復路終了点とを結んだ直線から、被加工管の中心軸方向に向けて凸となるように該パスの復路起点から該パスの復路終了点に渡って曲線変化するように与えることを特徴とする。
また、前記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の軸方向の往復動において、前記被加工管の管端に達する直前で折り返させて前記被加工管の管端に突起部を形成してもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のスピニング加工方法では、加工ローラが被加工管の端部へ向う往路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを該パスの往路起点から該パスの往路終了点に向けて動いた軸方向の距離に比例して直線変化するように与え、かつ復路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを該パスの復路起点と復路終了点とを結んだ直線から、被加工管の中心軸方向に向けて凸となるように該パスの復路起点から該パスの復路終了点に渡って曲線変化するように与えている。これにより、往路での被加工管の変形は縮管が主体となって板厚の変化が発生しにくいのでテーパ部の局所的な板厚減少を抑えることができる。また、復路では、前記被加工管の端部と反対の方向に材料を変形させているためテーパ部は板厚増加となる。
さらに、加工ローラを被加工管の端部に達する直前で折り返させているため、被加工管の外径に対する板厚の比率が小さいことによって管端に発生しやすくなるしわを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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部を形成する際に、テーパ部の局所的な板厚減少や、被加工管の端部でのしわの発生を抑制する方法について種々検討を行ってきた。
【００１０】
その結果、加工ローラの被加工管の軸方向への往復動において、加工ローラの各パス毎の往復動を、前記被加工管の管端へ向う往路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを該パスの往路起点から該パスの往路終了点に向けて動いた軸方向の距離に比例して直線変化するように与え、かつ復路においては加工ローラの前記被加工管半径方向への押し込みを該パスの復路起点と復路終了点とを結んだ直線から、被加工管の中心軸方向に向けて凸となるように該パスの復路起点から該パスの復路終了点に渡って曲線変化するように加工ローラを制御して加工することにより、テーパ部の局所的な板厚減少を抑制できることを見出した。
【００１１】
また、被加工管の端部でのしわの発生を抑制するためには、加工ローラを、前記被加工管の端部を超えて軸方向に往復させるのではなく、端部の直前までの往復にとどめ、端部が受ける縮径加工量を端部以外の加工部よりも小さくし、端部にいわゆるラッパ状の突起を形成するように加工することが有効であることを見出した。
加工ローラを、被加工管の半径方向に押し込んで軸方向に往復動することにより、テーパ部が局所的に板厚減少する原因としては次の点が考えられる。
【００１２】
すなわち、図２に示すようにスピニング加工により被加工管２の端部をテーパ部３に成形する際に、加工ローラ４を被加工管２の半径方向に押し込んでクランプ５側から管端６に向かって軸方向に移動させて被加工管２を加工するが、加工ローラ４の押し込みを加工が開始される往路起点７から往路の加工が終了する往路終了点８に渡って曲線的に与えるとテーパ部３の板厚が局所的に減少する位置が発生する。局所的に板厚減少する位置は、加工ローラ４の押し込み量が最も多い付近であり、この押し込み量の増大により加工ローラ４の往路において被加工管２が管端６側に引っ張られる加工力も部分的に高くなり、これによって被加工管２の板厚変形も部分的に大きくなるのである。
【００１３】
なお、図２では加工ローラの動きと加工部の形状との関係を理解し易いように加工ローラの１パスの往復動で加工部が形成されるように模式的に示しているが、実際には加工ローラを複数パス往復動させることにより、被加工管の端部を徐々に縮径加工するものである。以下の図３、図４でも同様に１パス加工で模式的に示している。
そこで、テーパ部の局所的な板厚減少を抑制させるためには、塑性加工による被加工管の管端方向への材料の移動の原因となる加工ローラの往路での管端に向う引張力を低減させることが必要であり、それを実現するためには、往路でのテーパ部の成形を管端方向への伸びを抑制して縮管主体となるような加工ローラの押し込み量パターンとすることが有効である。
【００１４】
加工ローラの往路での押し込み量パターンを縮径主体とするためには、加工ローラの押し込み量パターンを曲線変化とするのではなく、図３に示すように加工ローラ４を被加工管２の往路起点７から往路終了点８に渡って直線変化となるような押し込み量パターンにすれば、部分的な押し込み量増加による管端６への引張力を抑えることができる。
加工ローラ４の復路では、板厚変形が発生したとしてもクランプ５側への材料の塑性流動であり、非加工部とテーパ部との境が角部であることからこの角部よりクランプ５側へ塑性流動することは難しくなる。つまりは、テーパ部３の板厚が増加する傾向となり、加工ローラ４の押し込み量パターンを曲線変化するようにしても板厚減少を抑制する効果が発揮される。
【００１５】
なお、この加工により小径部の管端の外径が若干拡大する。したがって、終盤の加工パスで小径部が平行になるようにパス形状を調節してもよい。あるいはこの管端部分を切断・除去することにより所望形状にしてもよい。終盤の加工パスでのパス形状の調節法としては、終盤のパスではその復路において加工ローラの押し込みを所望の被加工形状に合わせて略直線変化するように与えることが挙げられる。また、最終のパスを、加工ローラの押し込みを所望の被加工形状に合わせて略直線変化するように与える往路のみの工程としてもよい。
【００１６】
また、被加工管の外径に対する板厚の比率が小さくなると管端にしわが発生しやすくなる原因としては、以下の点が考えられる。
被加工管の端部のテーパ部や小径部は縮径加工を受けるために管の周長が変化するが、管端では材料拘束が小さいために材料余りや不均一変形となりやすくなり、しわが発生しやすくなる。被加工管の外径に対する板厚の比率が小さい場合は、管端の剛性がより一層低くなるために、しわ発生が顕著となる状況になる。
【００１７】
そこで、管端のしわ発生を抑制するためには、管端部において管の周方向の材料拘束を増加させて不均一変形を抑制することが有効である。
管端において管の周方向の材料拘束を増加するためには、図４に示すように加工ローラ４を被加工管２の管端６を越えて往復させるのではなく、管端６の縁までの往復にとどめ、管端６が受ける縮径加工量を小径部１０よりも小さくし、管端６がいわゆるラッパ状の突起部１１となるように加工することが有効である。
【００１８】
これにより、管端の剛性が増加し、管の周長が変化する際の不均一変形であるしわの発生を抑制することができる。
なお、このラッパ状の突起部は、スピニング加工の終盤の加工パスで小径部が平行になるようにパス形状を調節するか、あるいはスピニング加工後にこの管端部分を切断・除去することにより所望形状にすることができる。
次に、加工ローラの押し込み量パターンを、往路、復路ともに曲線パターンにしたものと、本発明にしたがって往路は直線的に、復路は曲線的に変化させた場合の各部位の板厚変化を調べた事例を実施例として紹介する。
【実施例】
【００１９】
実施例１；
降伏応力２５１ＭＰａ、引張強さ４２８ＭＰａ、全伸び３６％の機械的性質を有する板厚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８９.１ｍｍとなるように造管した素管を被加工管とした。
図５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６０°とし、縮径した小径部の直径ｄ０を４０ｍｍ、小径部の長さＬ0を２０ｍｍとした。加工パス回数を１３パス、加工ローラの被加工管の軸方向への送り速度を３０００ｍｍ／ｍｉｎの一定とした。
【００２０】
加工ローラの押し込み量パターンは、図６に示すように、各パスにおいて、往路では往路起点と往路終了点に渡って曲率半径３００ｍｍとし、復路では復路起点と復路終了点に渡って曲率半径３５０ｍｍの場合（条件（ａ））と、往路で往路起点と往路終了点に渡って１.４ｍｍの段差となる直線変化とし、復路では復路起点と復路終了点に渡って曲率半径１００ｍｍの場合（条件（ｂ））の２種類とした。但し、条件（ａ）、条件（ｂ）いずれの場合でも、最終の加工パスのみは、加工品の目標形状に沿った直線状のパス形状とした。なお、図６では分かりやすいように、実際の１３パス加工を５パス加工に置換えて模式的に示した。
加工した結果を図７に示す。テーパ部で局所的な板厚減少が、両方の押し込み量パターンとも見られるが、条件（ｂ）の往路を直線変化とし、復路を曲線変化とした押し込み量パターンでは、板厚減少量を抑制することが可能であった。
【００２１】
実施例２；
機械的性質と材質は実施例１と同じで、直径が８９.１ｍｍで板厚が０.８ｍｍと１.０ｍｍの２種類の素管を被加工管として用いた。直径Ｄに対する板厚ｔの比率は、板厚が０.８ｍｍで０.９％、板厚が１.０ｍｍで１.２％である。同軸型スピニング加工の最終目標形状は、テーパ角θを３０°とし、縮径した小径部の直径ｄ０を４０ｍｍ、小径部の長さＬ0を２０ｍｍとした。加工パス回数を１１パスと１３パス、加工ローラの被加工管の軸方向への送り速度を６０００と７５００ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００２２】
加工ローラの押し込み量パターンは、図６（ｂ）に示した各パスの往路で往路起点と往路終了点に渡って１.４ｍｍの段差となる直線変化とし、復路で復路起点と復路終了点に渡って曲率半径１００ｍｍの場合とした。また、加工ローラの軸方向の往復動を被加工管の管端に達する直前で折り返すことで管端部分に図８に示すｄ−ｄ０≧２ｔ、Ｌ−Ｌ０≧２ｔとなるラッパ状の突起部を形成した場合と、そうでない場合とで管端でのしわ発生を比較した。
結果を表１に示す。直径に対する板厚の比率が小さくなるとしわが発生する加工条件範囲が広くなるが、ラッパ状の突起部を管端に形成することにより、その範囲が狭くなることが判明した。
【００２３】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】触媒（コンバーター）のケースあるいは消音器（マフラー）の形状を示す図
【図２】加工ローラの従来の往復動パターンを示す模式図
【図３】本発明の加工ローラの往復動パターンの一例を示す模式図
【図４】本発明の加工ローラの往復動パターンの他の一例を示す模式図
【図５】実施例１のスピニング加工した被加工管の管端形状を示す図
【図６】実施例１の加工ローラの往復動パターンの模式図
【図７】実施例１の板厚変化を示す図
【図８】実施例２のスピニング加工した被加工管の管端形状を示す図
【符号の説明】
【００２５】
１：ケース    １ａ：ケースの小径の直管部      １ｂ：ケースのテーパ部
１ｃ：ケースの大径部      ２：被加工管      ３：テーパ部      ４：加工ローラ
５：クランプ      ６：管端      ７：往路起点      ８：往路終了点、復路起点
９：復路終了点      １０：小径部      １１：突起部
【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】
2009195913.tif 000008
【図６】
2009195913.tif 000009
【図７】
2009195913.tif 000010
【図８】
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