(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸径Ｄ０なる被加工材Ｗの中間部に所望の肥大部を一体的に成形するため、互いに対向する一対の保持部を所定間隔Ｌ０離間した状態で被加工材Ｗを保持し、少なくとも一方の保持部を相対的に他方の保持部に接近させることによって軸圧縮力Ｐを作用させるとともに、軸周りの回転と少なくとも一方の保持部を他方の保持部の軸心に対して傾斜する方向に偏倚させることによって被加工材Ｗに回転と曲げ角度θの曲げを作用させ、両保持部間の被加工材Ｗの曲げ内側に生じる凸部を全周に累積肥大させた後、曲げ戻しにより被加工材Ｗの真直化を行った後、回転及び軸圧縮状態を停止させる軸肥大加工方法において、Ｎ回転後に直径ＤＮ，幅ｌＮとなる肥大部を成形する数式モデルを
【数１】
0003788751.tif 000021
【数２】
0003788751.tif 000022
として表し、ここでε０は軸径Ｄ０が２倍に肥大したときの平均軸方向歪みであり、Ｎは回転回数であり、Ｎ０は回転時定数であり、この回転時定数Ｎ０は、
【数３】
0003788751.tif 000023
とし、ここで、回転時定数Ｎ０の曲げ角度依存係数Ｎ０＊及び加圧応力依存指数αを
【数４】
0003788751.tif 000024
【数５】
0003788751.tif 000025
とし、さらに被加工材Ｗの軸径Ｄ０に依存する寸法効果ηを
【数６】
0003788751.tif 000026
とすることによって、所望の肥大部（直径ＤＮ，幅ｌＮ）を成形する際にこれらのモデル式から導出される軸肥大加工条件（曲げ角度θ，軸圧縮応力σＣ）によって前記肥大部を一体的に成形することを特徴とする軸肥大加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属軸材あるいは金属管の中間部に素材径よりも大径なる肥大部を形成する軸肥大加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被加工材となる金属軸材あるいは金属管の中間部に被加工材軸径よりも大径なる肥大部を設けるには、別部品を溶接する方法あるいは大径の被加工材から削り出す方法がとられている。
しかしながら、前者の場合には溶接熱による影響があり、後者の場合には素材を削り出すことにより資源の無駄という問題点がある。
【０００３】
そこで、本願出願人は新しい加工技術として被加工材を一対の保持部により所定間隔離間させた状態で保持し、この被加工材に一定の軸圧縮力を負荷した一定保持状態で、軸の回転により引張・圧縮の曲げ応力を繰り返して部分的に軸を肥大させる方法を考案し、日本国特許第１９９３９５６号を取得している。この加工方法を用いれば、加工時の温度上昇がほとんど無く、また、素材に機械的損傷を伴わない省エネルギー、省資源及び切削油を必要としない環境に優しい加工を行うことができる。
【０００４】
しかしながら、この軸肥大加工方法は肥大化現象について明らかにされていない部分が多く、テスト加工を繰り返した上で初期掴み間隔、軸圧縮力及び曲げ角度等を選定し、所望の肥大部を成形する必要があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、所望の肥大部形状を成形する際の成形条件（初期掴み間隔、軸圧縮圧力、曲げ角度）を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、軸径Ｄ０なる被加工材Ｗの中間部に所望の肥大部を一体的に成形するため、互いに対向する一対の保持部を所定間隔Ｌ０離間した状態で被加工材Ｗを保持し、少なくとも一方の保持部を相対的に他方の保持部に接近させることによって軸圧縮力Ｐを作用させるとともに、軸周りの回転と少なくとも一方の保持部を他方の保持部の軸心に対して傾斜する方向に偏倚させることによって被加工材Ｗに回転と曲げ角度θの曲げを作用させ、両保持部間の被加工材Ｗの曲げ内側に生じる凸部を全周に累積肥大させた後、曲げ戻しにより被加工材Ｗの真直化を行った後、回転及び軸圧縮状態を停止させる軸肥大加工方法において、Ｎ回転後に直径ＤＮ，幅ｌＮとなる肥大部を成形する数式モデルを
【数７】
0003788751.tif 000002
【数８】
0003788751.tif 000003
として表し、ここでε０は軸径Ｄ０が２倍に肥大したときの平均軸方向歪みであり、Ｎは回転回数であり、Ｎ０は回転時定数であり、この回転時定数Ｎ０は、
【数９】
0003788751.tif 000004
とし、ここで、回転時定数Ｎ０の曲げ角度依存係数Ｎ０＊及び加圧応力依存指数αを
【数１０】
0003788751.tif 000005
【数１１】
0003788751.tif 000006
とし、さらに被加工材Ｗの軸径Ｄ０に依存する寸法効果ηを
【数１２】
0003788751.tif 000007
とすることによって、所望の肥大部（直径ＤＮ，幅ｌＮ）を成形する際にこれらのモデル式から導出される軸肥大加工条件（曲げ角度θ，軸圧縮応力σＣ）によって前記肥大部を一体的に成形することを最も主要な特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、所望の肥大部を成形する加工条件（曲げ角度θ，軸圧縮応力σＣ）を数式モデルによって導き出すことができる。そのため、実作業において、所望の肥大部（直径ＤＮ，幅ｌＮ）成形のために試作を繰り返すことなく、被加工材Ｗの中間部に肥大部を成形できる効果を奏する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１図に、本発明を実施するときに用いる軸肥大加工装置を示す。
この軸肥大加工装置１は、ベースフレーム２上に固着された駆動回転部３を備えている。該駆動回転部３は被加工材Ｗを保持した状態で、この被加工材Ｗを軸周りに回転可能に構成されている。詳述するとベースフレーム２に固着した支持筒体４内にベアリング（図示せず）を介して保持筒５を回転自在に枢止する。そして、この保持筒５前端部に駆動源となるモータ６に止着したギヤ７に噛合するようギヤ８を止着している。なお、保持筒５内にはスリーブ（図示せず）を挿通させ、被加工材Ｗを保持可能としている。
そして、この駆動回転部３に対向するように従動回転部９が設けられる。該従動回転部９はベースフレーム２上を前後に移動可能な摺動フレーム１０上で、摺動フレーム１０に軸着され回動自在な回動フレーム１１に固着された支持筒１２を備えている。この支持筒１２内にはベアリング（図示せず）を介して保持筒１３が枢止され、回動フレーム１１に一端部を止着した加圧圧縮手段１４によって前後に摺動可能な構成とされている。すなわち、該従動回転部９の保持筒１３は支持筒１２内を回転自在であるとともに前後に摺動可能な構成である。１５は偏倚手段であり、摺動フレーム１１後部に軸支されたナット部材１６と、回動フレーム１１後部に取り付けられたモータ１７の出力軸に止着したネジ１８を螺合させてなるものであって、該モータ１７の正逆転により摺動フレーム１０に対して回動フレーム１１を回動させるものである。
また、図示されていないがベースフレーム２と摺動フレーム１０間には送り手段が設けられており、駆動回転部３に対して摺動フレーム１０を前後に移動可能に構成している。なお、前記駆動回転部３と従動回転部９の夫々の保持部となるスリーブの軸心は同一直線上に位置する状態から従動回転部９側のスリーブ軸心が傾斜するよう構成されている。
【０００９】
上記のような構成の軸肥大加工装置１を用いて、軸肥大加工を行う手順は次のようになる。
まず、駆動回転部３及び従動回転部９の保持部を夫々同一軸線上に配置するとともに所定間隔Ｌ０離間させた状態で被加工材Ｗを保持する。然る後、従動回転部９側の保持部を駆動回転部３側に接近させ、軸圧縮力Ｐを作用させる。この状態で両保持部間の距離はｌ０となる。そして、軸周りの回転を加えた後、回動フレーム１１を回動させ、被加工材Ｗに曲げ角度θの曲げを作用させる。すると、両回転部３，９間の被加工材Ｗには、軸圧縮力Ｐ及び曲げ角度θの曲げが作用した状態となっており、曲げ内側に形成される凸部が軸周りの回転により全周に累積され、素材径Ｄ０よりも大径の肥大部が形成される。次に回動フレーム１１を元の状態すなわち、駆動回転部３と従動回転部９が同一軸線上に位置するよう配置し、数回転させた後、軸圧縮力Ｐと軸周りの回転を停止させ、両回転部３，９より被加工材Ｗを抜き取れば所望の肥大部が一体的に成形された軸材ができる。
【００１０】
上記の軸肥大加工方法をより効率的に行うために、以下のような実験を行い肥大部の変形挙動に対して数式によるモデル化を計った。
まず、数式モデル化するための実験方法としては、駆動回転部３と従動回転部９の夫々の保持部が同一直線上にある状態で被加工材Ｗを保持し｛第２図（ａ）参照｝、設定の軸圧縮力Ｐをまず負荷した｛第２図（ｂ）参照｝。この負荷の後、両保持部間の間隔を測定し、肥大部の幅の初期値ｌ０とする。次いで、従動回転部９側の保持部を駆動回転部３側の保持部に対して傾斜するように回動フレーム１１を回動させて曲げ角度θの曲げを付加し、軸の回転を開始し軸肥大加工を行った｛第２図（ｃ）参照｝。その後、この実験では１回転ごとに肥大部の幅ｌＮ及び最大外径ＤＮを測定した｛第２図（ｆ）参照｝。
なお、実験条件としては、被加工材Ｗとして、軸径Ｄ０＝１０のみがき棒鋼（ＪＩＳ  Ｇ  ３１２３；ＳＧＤ４００−Ｄ）を用い、肥大部の初期設定保持部間隔Ｌ０＝１４ｍｍとし、軸圧縮力Ｐ＝４０〜７０ｋＮ（軸圧縮応力σＣ＝５０９〜８９１ＭＰａ）とし、各軸圧縮力Ｐに対して曲げ角度θを４，６，８°に設定し、軸回転速度１０ｒｐｍにて、室温（２５℃）大気中で軸肥大加工実験を行った。
そして、軸肥大加工中の軸圧縮力Ｐ及び曲げモーメントは従動回転部９側の保持部に設けたロードセルで測定した。
【００１１】
第３図は上記の実験結果を基に曲げ角度θをパラメータとして、軸圧縮力Ｐ＝４２ｋＮ（軸加圧応力５３５ＭＰａ）の条件下で、肥大部が回転回数Ｎの増大とともに圧縮していく挙動をｌＮ／ｌ０とＮの関係で示し、回転回数Ｎの増大とともに軸肥大していく挙動をＤＮ／Ｄ０とＮの関係で示したものである。
この軸肥大変形挙動に対して、数式モデル化をはかると、夫々、次式（１），（２）のように表すことができる。
【数１３】
0003788751.tif 000008
【数１４】
0003788751.tif 000009
ここで、ε０は軸径Ｄ０が２倍に肥大したときの平均軸方向歪みであり、Ｎ０はｌＮ／ｌ０，ＤＮ／Ｄ０の実測値に式（１），（２）を適合させたときの回転時定数である。第３図中の推定線にみられるように、式（１），（２）でよく数式モデル化できていることがわかる。
この数式モデル化の特長としては、回転時定数Ｎ０と軸肥大加工条件（軸圧縮応力σＣ，曲げ角度θ）によって軸肥大挙動を推定できることである。
【００１２】
次に、軸肥大加工過程での変形機構は、曲げによる最大圧縮変形が軸の回転で移動することにより軸肥大が進行するというメカニズムであるが、１回転後の次の回転においても曲げ変形が生じるには１回転中に軸の圧縮変形が進行しなければならない。したがって、軸圧縮力Ｐの増大なしに軸圧縮変形が進行するには変形抵抗の低下が生じていることになる。
そこで、このメカニズムに対するモデル化として第４図のような変形モデルを考案し、１回転中の連続的な変形過程に対して、曲げと回転による軸肥大変形と、バウシンガー効果による降伏強さの低下での軸圧縮変形とに分離して、この交番変形過程による解析モデルを提唱した。
第５図は軸圧縮力Ｐ（軸圧縮応力σＣ＝５３５ＭＰａ）一定のままで、軸圧縮変形が実測値の通りに進行するという条件下で、第４図に示すモデルに基づき変形挙動データに対して逆解析したときの変形抵抗応力の低下挙動を示しており、回転及び曲げによる引張・圧縮の交番塑性変形によってバウシンガー効果が生じ、明瞭に降伏強さの低下が発現していることがわかる。
【００１３】
次に軸肥大過程における曲げモーメントの挙動について説明する。第６図は軸圧縮応力σＣ＝６５０ＭＰａ，曲げ角度θ＝６°の一定加工条件下での回転回数Ｎの増大に伴う軸肥大過程における曲げモーメント抵抗Ｍの増大挙動の実測値及びモデル解析値を示している。第６図に示すように実測値と解析値がよく一致していることがわかる。
【００１４】
そして、上記の内容より軸肥大変形挙動を推定すると次のようになる。第７図は軸圧縮応力σＣをパラメータとして回転時定数Ｎ０と曲げ角度θの関係を示している。この図より軸肥大加工の条件（軸圧縮応力σＣ，曲げ角度θ）に依存する回転時定数は次式（３）で表され、軸肥大変形挙動の数式モデル化における重要なパラメータとなるものである。
【数１５】
0003788751.tif 000010
ここで、回転時定数Ｎ０の曲げ角度依存指数Ｎ０＊及び加圧応力依存指数αは、夫々曲げ角度θから次式（４），（５）で推定できる。
【数１６】
0003788751.tif 000011
【数１７】
0003788751.tif 000012
【００１５】
そこで、設定加工条件（σC＝５４５ＭＰａ，θ＝６°）をもとに式（３）〜式（５）を用いて回転時定数Ｎ０を推定し、回転回数Ｎの増大に伴う軸肥大変形の挙動を逆解析すると、第８図に示す通り、実測値の近似曲線と上式（１）〜（５）に基づく推定曲線が略々一致しており、数式モデル化できていることは明確である。
【００１６】
次に、軸径Ｄ０の異なる被加工材Ｗを用いて次のような実験を行った。
この実験方法は、駆動回転部３の保持部と従動回転部９の保持部が同一軸上にある状態で、被加工材Ｗを装着し、掴み間隔Ｌ０を測定した後｛第２図（ａ）参照｝、設定の軸圧縮力Ｐをまず負荷した。そのときの両保持部の間隔を再度測定し、被加工材Ｗの幅の初期値ｌ０とする｛第２図（ｂ）参照｝。次いで、従動回転部９の保持部を第２図（ｃ）のように面内回転させ曲げ角度θを付加し、被加工材Ｗの回転を開始し、軸肥大加工を行った。この実験では、１回転ごとに肥大部の幅ｌＮ及び最大径ＤＮを測定した。ここでＮは回転回数を示す。なお、この実験条件は、軸圧縮応力σＣ、曲げ角度θ、被加工部の初期幅ｌ０としては、表１のように軸径Ｄ０に応じて適当に選定して、室温２５℃にて回転速度１０ｒｐｍで行った。さらに、被加工材Ｗとして、みがき棒鋼（ＪＩＳ  Ｇ  ３１２３；ＳＧＤ４００−Ｄ）の軸径Ｄ０＝８，１０，１２，２５ｍｍを用いた。
【表１】
0003788751.tif 000013
【００１７】
第９図は軸径Ｄ０＝８，１０，１２ｍｍごとに、回転回数Ｎの増大に伴う肥大部の幅の減少をｌＮ／ｌ０で示し、径の増大挙動をＤＮ／Ｄ０で示している。これら軸肥大変形挙動に対して数式モデル化をはかると、夫々、次式（６），（７）で表すことができる。
【数１８】
0003788751.tif 000014
【数１９】
0003788751.tif 000015
すなわち、上式（６），（７）は前述した式（１），（２）と同様であることからわかるように、軸径Ｄ０あるいは曲げ角度θの値の如何に関わらず、何れも軸圧縮応力σＣの場合の挙動に対しても式（６），（７）でよく、軸肥大挙動に関して適切に数式モデル化できていることになる。
【００１８】
次に変形挙動に及ぼす軸圧縮応力σＣ・曲げ角度θ・軸径Ｄ０の影響について説明する。
被加工材Ｗの軸径Ｄ０及び軸肥大加工条件（軸圧縮応力σＣ，曲げ角度θ）に依存する回転時定数Ｎ０は軸径Ｄ０＝１０ｍｍの場合、軸径依存係数η＝１として、次式（８）で推定できることは上述した通りである。
【数２０】
0003788751.tif 000016
ここで、曲げ角度依存係数Ｎ０＊及び加圧応力依存指数αは、夫々、次式（９），（１０）で推定できる。
【数２１】
0003788751.tif 000017
【数２２】
0003788751.tif 000018
第１０図は、軸径Ｄ０＝８，１０，１２ｍｍごとに回転時定数Ｎ０と軸圧縮応力σＣの関係を示す。これらの関係に見られる軸径Ｄ０に依存する寸法効果は次式（１１）で表される軸径依存係数ηを用いることができる。
【数２３】
0003788751.tif 000019
ここで、ｍは寸法効果における曲げ角度依存指数を示している。θ０は基準角度定数である。
【００１９】
第１１図は曲げ角度θをパラメータとして、式（１１）に基づく軸径依存係数ηとＤＮ／Ｄ０の関係を示したものである。この図より、明らかなように、丸棒の寸法効果は曲げ角度θが大きくなると現われ、軸径Ｄ０が小さいほど、回転時定数Ｎ０は大きくなる。すなわち、肥大部の最終目標径に達するまでの回転回数Ｎが多くなる。以上の結果により，第１図で示す軸肥大加工装置での加工範囲では、目標とする加工寸法・形状に対する加工条件の設定に式（８）〜（１０）を適用できることは明らかであり、数式モデル化できている。
【００２０】
上述してきた数式モデルを軸径Ｄ０＞１２ｍｍの丸棒の軸肥大加工へ適用させると、第１２図のようになる。
第１２図は軸径Ｄ０＝２５ｍｍのみがき棒鋼に対して軸圧縮応力一定（σＣ＝５７３ＭＰａ）にて曲げ角度θ＝３°で加工実験を行ったときの肥大部における変形挙動を実測値と推定値で示したものである。式（８）〜（１０）での目標加工条件（軸圧縮応力σＣ，曲げ角度θ）の推定により軸径Ｄ０＝２５ｍｍでも肥大部の変形挙動を予測できていることがわかる。
【００２１】
上述してきた通り、軸肥大変形挙動を式（６），（７）で適切にモデル化できており、さらに式（８）〜（１０）により目標加工条件（軸圧縮応力σＣ，曲げ角度θ）の推定により肥大部の変形挙動を予測することができる。すなわち、表２に示す各材料定数を上記実施形態で説明した実験により明確にしておけば、所望の肥大部形状（直径ＤＮ，幅ｌＮ）から成型条件を推定することによって所望形状の肥大部を一体的に備えた軸材を成型することができる。
【表２】
0003788751.tif 000020
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、従来試し加工を繰り返して所望の肥大部を成形する成形条件を導き出していたが、軸肥大変形挙動の数式によるモデル化によって、この加工条件を推定することが可能となった。すなわち、この数式モデル化によって肥大部形状（直径ＤＮ，幅ｌＮ）から成型条件を推定することによって所望形状の肥大部を一体的に備えた軸材を成型することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】軸肥大加工装置の一実施形態を示す全体斜視図
【図２】軸肥大加工方法の加工手順を示す説明図
（ａ）図は被加工材Ｗの装着状態を示す説明図
（ｂ）図は（ａ）図の状態から軸圧縮力を作用させた状態を示す説明図
（ｃ）図は（ｂ）図の状態に曲げと回転を作用させた状態を示す説明図
（ｄ）図は（ｃ）図の状態から肥大現象が進行した状態を示す説明図
（ｅ）図は（ｄ）図の状態から曲げ戻しを行った状態を示す説明図
（ｆ）図は（ｅ）図の状態から被加工材Ｗを取り出した状態を示す説明図
【図３】曲げ角度θをパラメータとして、回転回数Ｎの増大に伴う軸肥大挙動
【図４】変形モデル
【図５】モデル解析に変形抵抗応力の減少挙動
【図６】曲げモーメントの増加挙動
【図７】回転時定数Ｎ０と曲げ角度θの関係
【図８】回転回数Ｎと肥大部の幅ＤＮ／Ｄ０及び軸径ｌＮ／ｌ０の実測値と推定値
【図９】異なる軸径Ｄ０の被加工材Ｗを用いた時の回転回数Ｎと肥大部の幅ＤＮ／Ｄ０及び軸径ｌＮ／ｌ０の関係
【図１０】回転時定数Ｎ０と軸圧縮応力σの関係
【図１１】軸径ＤＮと軸径依存係数ηの関係
【図１２】回転回数Ｎと肥大部の幅ＤＮ／Ｄ０及び軸径ｌＮ／ｌ０の実測値と推定値
【符号の説明】
１    軸肥大加工装置
２    ベースフレーム
３    駆動回転部
９    従動回転部
【図１】
0003788751.tif 000027
【図２】
0003788751.tif 000028
【図３】
0003788751.tif 000029
【図４】
0003788751.tif 000030
【図５】
0003788751.tif 000031
【図６】
0003788751.tif 000032
【図７】
0003788751.tif 000033
【図８】
0003788751.tif 000034
【図９】
0003788751.tif 000035
【図１０】
0003788751.tif 000036
【図１１】
0003788751.tif 000037
【図１２】
0003788751.tif 000038