非軸対称ダイスによる回転口絞り加工
電気通信大学 知能機械工学科
助教授 久保木 孝（平成 15 年度研究開発助成 AF-2003020）
キーワード：口絞り，円管, 非軸対称ダイス

１．研究の目的と背景

Contact area

管材の端末部外側から，剛体工具により円周方向に圧縮応力を作用させ，管の端末部の径を縮小する加工法を総称
して口絞り加工という 1)．管端部の加工は，主として他のReliefRelief

管あるいは部材と結合する，或いは，配管部品の結合要素として利用するために行われている 2)．また，管端部成形品は自動車のエアーバッグやシャフトをはじめとした構造材や配管を中心として様々な用途に幅広く用いられている．
口絞り加工には，プレス成形，回転成形，スエージングマシンによる成形などの加工方法がある．プレス成形にはTubeDie(a) Asymmetric die used in this research

加工方法が単純で安いコストで製造できる利点がある反面，高い加工限界を得ることができない欠点がある．そこ
で本研究は，プレス成形の長所である生産性の高さを維持しつつ，短所である加工限界の低さを改善することを目的とする．加工限界を向上させる方法としてダイスに着目し，新たなダイスおよび加工法を開発し，実験によりその有効性を検証した．

２．加工原理および方法
口絞り加工を行う際に必要な加工力は，①管径の減少に必要な力，②ダイス－材料間に作用する摩擦力に打ち勝つ(b) With larger relieves(c) Four relieves

Fig. 1 Schematic illustration of asymmetric die

ための力，③ダイス入り口部の曲げ変形仕事に必要な力の３つの力の合力である 1)．これらの力が大きくなると座屈

このような非軸対称ダイスには，Fig.1 (a)の他，(b)やしわといった不良成型が発生しやすくなり加工限界がのように逃げ部が広く，逃げ部と軸対称部を接線で接続す減少する．そのため加工限界を向上させることは，これらる形状や(c)のように３つ以上の逃げ部を有する形状などの力を減少させ，加工力を減少させることにより実現でき様々な形状があり，これら形状が加工限界やその他の加工

4)5)．そこで本研究ではダイスの形状に着目し，新しい特性に大きな影響を及ぼす可能性がある．しかしながら，ダイスの形状を適用することにより加工力を減少させ，加本研究では，最も製作が簡便で，産業界への適用も容易で工限界の向上を目指した．

ある Fig. 1(a)に示す形状を有するダイスを用いて,逃げる

一般的なプレスによる口絞り加工では，ダイス内面はテ部の加工限界向上効果について検討する．(a)のダイスは，ーパ形状や曲面形状などの形状になっており，その形は軸通常の軸対称ダイスから２つの円錐台形状を切削加工に対称形である．ダイスと円管との接触により加工力が発生より削り取ることにより容易に製作できる．

するため，その接触面積を減らすことで，加工力を抑制できると考えられる．そこで本研究ではダイスの円錐部の一３．実験装置および実験方法部を削り，加工時にダイスと管が全円周方向からは同時に3.1 実験方法

接しないような空間を設けたダイスを開発した．以下，こ本研究で開発した非軸対称ダイスの有用性を確認するの空間のことを逃げ部，逃げ部のあるダイスのことを非軸ために，通常の円錐ダイス及び非軸対称ダイスを用いて実対称ダイスと呼ぶ．非軸対称ダイスの断面形状を Fig. 1

験を行い，結果を比較した．円錐ダイスを用いて単純にプ(a)に示す．この図ではダイス形状の特徴を，わかりやすレス加工を行う加工方法を単純口絞り加工(Method-A)，円くするために，強調している．

錐ダイスを用いて円管を回転させながら加工を行う加工方法を回転口絞り加工(Method-B)，非軸対称ダイスを用いて円管を回転させながら加工を行う加工方法を非軸対称回転口絞り加工(Method-C)と呼ぶ．これらの加工方法の模式図を Fig. 2 に示す．
3.2 実験装置
単純にダイスを押し込むだけである単純口絞り加工では，実験装置に島津製作所のアムスラー試験機
UH-1000kNA を用いた．
回転口絞り加工および非軸対称回転口絞り加工では試験管に回転を与える必要があるため，試験装置には旋盤を用いた．チャックに円管を固定し，刃物台にダイスを設置し，チャックを回転させ刃物台を送ることで加工を行った．
3.3 実験条件

Fig. 2

試験管材にはアルミニウム合金(A6063)の円管を用いた．

Schematic illustration of asymmetric die

寸法および材料特性を Table 1 に示す．円管の肉厚は，0.5,

Table 1

1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0mm と 6 種類の厚さの円管を用意

Material
LengthOutside diameter

した．実験を行う際の条件を Table 2 に示す．また，ダイス半角は 10°から 45°まで 5°刻みに用意し，ダイス半角の違いによる加工限界の変化を調べた．

Dimension and mechanical properties of tube

A6063
110, 160
40t 0 / mm 0.5, 1.0, 1.5,2.0, 3.0, 4.0

L 0 / mmD 0 / mmThickness

４．実験結果4.1 限界口絞り率
不良成形が発生した時点の円管先端の外径をDとし，κ=(D0-D)/D0で表される値を限界口絞り率とし，各加工条件における限界口絞り率をFig. 3に示す．
単純口絞り加工では，ダイス半角がそれぞれ20°，25°以下の場合は座屈が発生し，それ以上の場合，しわが発生

Length of thick postionl 0 / mmfor chuck
Diameter of thick postion d / mm
0for chuck
Tensile strength
MPa
GPa
Young's modulus
Yield stress
GPa
Percentage elongation%

した．限界口絞り率もこのダイス半角の値を境に大きく低下した．ダイス半角が大きいほど，管径を急激に縮小しな

Table 2

Die half angleが加わり，加工を始めるとすぐにしわが発生するために加Revolution speedrpm

管との間の摩擦が大きくなり円管が変形しにくくなる．そForwarding speedmm/revのため発生すると考えられるので，加工限界に差が生まれLubricant

ると考えられる．肉厚が厚くなるとダイス半角にかかわらα [deg]

ず座屈が発生し，ダイス半角が25°もしくは30°近辺で一番高い口絞り率を得られた．
0.45

Method-A A6063 D｡=40mm

0.4

Forming limit κ

0.35
0.3

t=0.5mmt=1.0mm
t=1.5mmt=2.0mmt=3.0mmt=4.0mm

Method-B A6063 D｡=40mm
f=1.0mm/rev n=140rpm
t=0.5mm

0.25

20248
18.3
52.5
20.6

Die geometry and working condition

ければならない．そのため円管先端の円周方向に大きな力工限界が低下する．一方座屈は加工が進むと，ダイスと円4010,15,20,25,30,35,40,45
140(Method-B・Method-C)
0.1(Method-B・Method-C)
Shell Alvania Grease(Method-A)
Yushiro's oile No.3
(Method-B・Method-C)

Method-C A6063 D｡=40mm
f=1.0mm/rev n=140rpm
t=0.5mmt=1.0mm
t=1.5mmt=2.0mmt=3.0mm

0.2
0.15
0.1
0.05
00102030
Die half angle α / deg

40(a) Method A (conventional nosing)500102030
Die half angle α / deg40(b) Method B (rotational nosing)Fig. 3Forming limit

50 0102030
Die half angle α / deg4050(c) Method C (Asymmetric rotational nosing)回転口絞り加工では，単純口絞り加工の場合と同様の傾

これは円管と接触する部分よりも接触しない逃げ部が向が現れた．肉厚が0.5mmの時は，ダイス半角が20°以下あるためである．加工中，逃げ部では円管が通常よりも外の時は円筒部で座屈が発生し，ダイス半角が25°以上では側にはみ出し，円管は楕円形になっているために，結果的しわが発生し，限界口絞り率が低下した．なお，肉厚がにへん平率が大きくなると考えられる

1.0mmの場合も同様に単純口絞り加工と同じ結果が現れ

4.3 押込み荷重
加工時に測定した押し込みに伴う荷重変化のグラフをると予想されるため，実験は行わなかった．
非軸対称回転口絞り加工では，ダイス半角が大きくなる

Fig. 5 に示す．回転口絞り加工および非軸対称回転口絞ほど限界口絞り率は大きくなった．肉厚が 0.5mm の場合

り加工のグラフは，曲線で近似した．単純口絞り加工およはしわが発生したが，厚肉になるとダイス半角にかかわらび回転口絞り加工では，ダイス半角が大きくなると，加工ず割れが発生した．本研究で用いた非軸対称ダイスは，ダ当初に押し込み荷重が急激に増大し，その後一度減少してイスと円管との接触面積が小さいため，摩擦やダイス入りからまた増大する現象が確認された．これは加工開始時は口部での曲げ変形も小さい．このためしわや座屈の発生が直線上の円管がダイスに沿って曲がる時に，ダイス入り口抑制され，限界口絞り率が上昇したと考えられる．

部の曲げ変形仕事に大きな力を必要とするためである．そ4.2 へん平率の後ある程度円管にダイスに沿ったテーパ部分が発生す

限界口絞り率に達した状態での，円管加工部先端のへんると，ダイスに沿いながら加工が進んでいくために，ダイ平率を測定した．円管加工部先端の内径の長辺の半径をra，ス入り口部の曲げ変形仕事に必要な力は減少し，そのため短辺の半径をrbとすると，へん平率f=(ra-rb)/raで表される．

押し込み荷重も減少する．しかし加工が進むと，ダイスと円管の接触面積も増大するために，ダイスと円管との摩擦各条件での結果の一例をFig. 4に示す．

力が増大し，これらの力の合力である押し込み荷重は増大

単純口絞り加工および回転口絞り加工では，へん平率はしていくと考えられる．

小さな値になった．円錐形のダイスを用いているので，円管は全周に渡って拘束を受けている．そのため大きく変化

3 つの加工法での押し込み荷重を比較すると，単純口絞はしない．一方，非軸対称回転口絞り加工では，前記の 2り加工に比べて回転口絞り加工は押し込み荷重が減少し，つの加工法よりも大きな値を示した．

非軸対称回転口絞り加工ではさらに大きく減少した．

0.06

Method-A A6063
D ｡=40mm

0.05
0.04
Ovality f

Method-B A6063
D ｡=40mmt=0.5t=1.0t=1.5t=2.0t=3.0t=4.0Method-C A6063
D ｡=40mmt=0.5t=0.5t=1.0t=1.5t=2.0t=3.0

0.03
0.02
0.01
00102030
Die half angle α / deg

4050(a) Method A (conventional nosing)

0102030
Die half angle α / deg

4050(b) Method B (rotational nosing)

0102030
Die half angle α / deg

4050(c) Method C (Asymmetric rotational nosing)Fig. 4 Ovality

99Method-A A6063
D｡=40mm t｡=0.5mm

8P / kNLoad4Method-A A6063
D｡=40mm t｡=0.5mm815ﾟ9Die half angle
a=10ﾟ35ﾟ
45ﾟ40ﾟ

345ﾟ40ﾟ

3525ﾟ

35ﾟ

430ﾟ

30ﾟ

221100101520
Stroke L / mm

25(a) Method A (conventional nosing)30

45ﾟ40ﾟ

31535ﾟ

420Die half angle
a=10ﾟ

6525ﾟ

15ﾟ20ﾟ

765Method-A A6063
D｡=40mm t｡=0.5mm

820ﾟ

720ﾟ

7615ﾟ

Die half angle
a=10ﾟ25ﾟ

30ﾟ

005101520
Stroke L / mm25(b) Method B (rotational nosing)Fig. 5 Pushing load

3005101520
Stroke L / mm

2530(c) Method C (Asymmetric rotational nosing)逃げ部を設けたことで，ダイスと円管との間に働く摩擦これら２つの部分の境には鈍角でつながっている．加工力が大幅に減少する．そのため押し込み荷重が大幅に減少

時に管の先端部とダイスの角の部分とが激しく接し，管のし，一部の条件では限界口絞り率の向上に大きな役割を果一部分が削り取られたと考えられる．実際に加工終了時にたしたと考えられる．

は，ダイスの角の部分よりも逃げ部のある側に円管が削り4.4 肉厚ひずみ取られて金属粉が溜まっていた．また，使用した潤滑剤に加工限界に達した円管の肉厚を，円管の加工部先端からも金属粉が混入していたことから，円管材料が削り取られ測定した．加工前の初期肉厚を t0，加工後の肉厚を t とて肉厚が減少したものと考えられる．また，ダイス半角がし，肉厚対数ひずみε=ln(t/t0)を求め，結果の一例を Fig.

大きくなると，材料が胴体部の方へと張り出す現象が確認

6 に示す．

されており，このような円管の切削による肉厚減少の解消

肉厚が 1.5mm 以下では，円管先端が一番肉厚ひずみが大きくなった．肉厚が 2.0, 3.0, 4.0mm の条件では円管先端が，今後の課題となる．
4.5

形状

より少し手前で肉厚ひずみが大きくなり，先端では肉厚ひ加工限界に達した円管の外径形状を形状測定器で測定ずみが減少した．また，一部の条件で円管先端の肉厚ひずし，結果の一例を Fig. 7 に示す．単純口絞り加工と回転みが非常に小さくなっている．厚肉の条件では外表面がダ

口絞り加工の場合，ダイス半角が小さいほど，加工後の円イスから受ける摩擦力で軸方向の流動が拘束されるのに管の形状はダイスの形状に沿った形になる．ダイス半角が対し，内表面は拘束がないため，内表面側のみ材料が流動10°の時は，ダイスの形状とほぼ同等になっている．ダイ

し，肉厚が薄くなったと考えられる．

ス半角が大きくなると，加工後の円管の形状はしだいにダ

非軸対称回転口絞り加工では，円管の先端に大幅な肉厚イスの形状から離れてくる．円管の加工部はダイス形状よひずみの減少が確認された．この結果は初期肉厚やダイスりも内側に入り込むようになり，そのため円管のテーパ部半角にかかわらず，すべての条件で確認された．肉厚が減の角度はダイス半角よりもわずかに大きくなる．これは，少した原因として，ダイスの形状が考えられる．前述した

ダイス半角が大きくなるほどダイス入り口部で曲げ変形

ようにダイスの内面には，円管と接触する部分と接触しなを受ける際に変形量が大きく，ダイスに沿うように変形しい逃げ部とがある．

にくくなるためだと考えられる．

0.6

Method-A A6063
D ｡=40mm t ｡=4.0mm

Thicnkess strain εt

0.4

Method-B A6063
D｡=40mm t｡=0.5mm

Method-C A6063
D｡=40mm t｡=3.0mm

0.20α=10°α=15°
α=20°
α=25°
α=30°
α=35°
α=40°°
5101520253035
Distance from tube end x / mm

-0.2-0.4-0.6
0

α=10°
α=15°
α=20°
α=25°
α=30°
α=35°
α=40°
α=45°
0(a) Method A (conventional nosing)

5101520253035
Distance from tube end x / mm

Outside shape of the tube / mm

0(b) Method B (rotational nosing)Fig. 6

140

α=10°
α=15°
α=20°
α=25°
α=30°
α=35°
α=40°
45°
5101520
Distance from tube end x / mm(c) Method C (Asymmetric rotational nosing)Thickness strain

A0C-1

Method-A
Method-B
Method-C
Theorical shape

A-2-3-4B-5A6063 D｡=40mm
α=10ﾟ t｡=1.0mm-6-70Method-A
Method-B
Method-C
Theorical shape102030
Revised axial position / mm(a) Die half angle α = 10ﾟ

Method-A
Method-B
Method-C
Theorical shape
A6063 D｡=40mm
α=40ﾟ t｡=1.0mmA6063 D｡=40mm
α=25ﾟ t｡=1.0mm

40 0102030
Revised axial position / mm(a) Die half angle α = 25ﾟ
Fig. 7

Outside shape of tube

400102030
Revised axial position / mm(c) Die half angle α = 40ﾟ

40肉厚によって違いはあるが，ダイス半角が 35°もしく
は 40°になると，それまで加工部はテーパ状で直線だっ

4.6 表面粗さ加工限界に達した円管を，粗さ測定器を用いて口絞り加工部の最大表面粗さ(Ry)および平均粗さ(Ra)を円管の軸た加工部が，丸く内側に曲がるような形状となる．
逆に，非軸対称回転口絞り加工では，ダイス半角が 10°方向に測定し，結果の一例を Fig. 8 に示す．の時はダイスの形状よりも外側に広がっているため，円管単純口絞り加工ではダイス半角が 30°以下の場合は小のテーパ部の角度は，ダイスの半角よりも小さくなっていさな値になったが，35°になると大きくなった．形状の項

る．ダイス半角が大きくなるにつれて，円管の加工部の形目で述べたが，ダイス半角が大きくなると円管が丸くなり，状は，ダイスの形状に沿う形状となってくる．ダイス半角

ダイスと円管とはあまり接触しなくなる．そのため接触部が 25°や 30°のではダイスの形状と円管の形状がほぼ同分が多いほどダイスが円管を研磨するようになり，粗さが等になっている．ダイス半角が 35°以上になると今度は小さくなると考えられる．一方回転口絞り加工と非軸対称ダイスの角度以上に内側に入り込むようになる．ダイス半回転口絞り加工では，ダイス半角に関わらずほぼ一定に角が 45°では，ダイスの半角よりも円管加工部のテーパなった．回転が加わると，およびダイスの形状により円管の角度は大きくなっている．非軸対称ダイスの場合はダイが削られ，そのため粗さはダイス半角によらず，同程度のスと円管が接触する面積が狭いため，ダイス半角が小さい値になったのではないかと考えられる．

場合は，ダイス入り口部で十分な曲げ変形が得られなかったためと考えられる．

4

Method-A A6063
D｡=40mmAverage roughness R a / μm

3.532.5

before nosing
t=0.5
t=1.0
t=1.5
t=2.0
t=3.0
t=4.0

Method-C A6063
D｡=40mm

Method-C A6063
D｡=40mmt=0.5
before nosing

2
1.5

t=0.5
t=1.0
t=1.5
t=2.0
t=3.0
before processing

10.500102030
Die half angle α / deg

40(a) Method A (conventional nosing)

50 01050 0203040
Die half angle α / deg

2030
Die half angle α / deg

4050(c) Method C (Asymmetric rotational nosing)(b) Method B (rotational nosing)Fig. 8

10Average roughness5In terms of forming limit○：Method C > method A
×：Method C < method A(a) Wrinkle in method A (conventional nosing)Thickness t / mm

4.5
43.532.521.5
10.50(b) Split in Method CFig. 9(asymmetric rotational nosing)

Examples of defects at forming limit(Initial thickness t0=1mm, die half angle α=40ﾟ)010203040
Die half angle α / deg

50Fig. 10

Suitable conditions for asymmetricrotational nosing (method C)

５．非軸対称回転口絞りの有効範囲る．これに対し，非軸対称回転口絞り加工では，薄肉の場合はしわが発生するが，厚肉の条件では割れが発本研究で提案する非軸対称回転口絞り加工(Method C)生する．

が，従来の単純口絞り加工(Method A)に対して，加工限界が向上する加工条件を考察する．

3) 非軸対称回転口絞り加工では，押込み荷重を大幅に抑制することができる．これは，ダイスを単純に回転さFig. 9 に加工限界に達した際の管端部形状を示す．条
件によっては，非軸対称回転口絞り加工によって，大きくせるだけでなく，非軸対称ダイスを用いたことによる．

加工限界が向上する．さらに，Fig. 10 には，非軸対称回4) 今後，非軸対称ダイスの形状を適正化することにより，転口絞り加工が，従来の単純口絞り加工に比べて，加工限改善すべき課題は，へん平率の抑制，テーパ部成形精界に関して優れている範囲を○で示す．厚肉管で，ダイス度の向上である．

半角が大きい条件では，有効である．

謝 辞
６．結言

本研究では天田金属加工機械技術振興財団のご援助に

本研究では，非軸対称なダイスを管材と相対的に回転さより，新たな加工法の特性を明らかにするとともに，更なせながら口を絞る非軸対称回転口絞り加工法を提案し，そる研究を進めるに当たり，本加工法の有用性に関する目処の有効性を検討した．比較的容易に製作可能な軸対称ダイを得ることがでました．ここに天田金属加工機械技術振興

スから２つの円錐面を切除した非軸対称ダイスを製作・実財団に心より感謝の意を表します．

験し，従来加工と比較することにより，以下のことを明ら参考文献かにした．
1) 非軸対称回転口絞り加工では従来単純口絞り加工に比1)

べて，管肉厚が厚く，かつ，ダイス半角が大きい場合，

日本塑性加工学会編：チューブフォーミング，コロナ社, (1990), 91.

加工限界を向上させることが可能である．特に，ダイ2)

真鍋健一ほか：塑性と加工，29-339 (1989), 481.

ス半角が 25～30 ﾟで最も大きな効果が得られる．

3)

西村尚ほか：塑性と加工，19-214 (1978)，918.

2) 加工法によって，管に発生する不良形態が異なり，単4)真鍋健一ほか：日本機械学会論文集, 51-463(1985).

純口絞り加工では，薄肉でダイス半角が大きい場合は5)

宮川松男ほか：塑性と加工, 4-26(1963), 163.

しわ，厚肉でダイス半角が小さい場合は座屈が発生す