ハブ成形における材料流れの研究
横浜国立大学大学院 工学研究院 機能の創生部門 固体の機能分野
教授 川井謙一（平成 14 年度研究開発助成 AF-2002007）
キーワード：回転成形，ハブ成形，ボスフォーミング

1. まえがき除した材料をマンドレルに押付けてボスを成形するため逐次加工化により加工限界が向上し，エグザクト・ネに小型のスピニング旋盤を実験装置に改造した．ハブ成ットシェイプ化が可能な加工法として回転成形（rotary

形に用いた実験装置の概略を図 3 に示すが，一定速度forming）の自動車部品への適用 1), 2)が注目されているが，（187.5 rpm）で回転する小型スピニングの主軸にマンド

自動車部品の成形においては，その特徴を活かした部品レルと円板状ブランクを取付け，ボールねじ駆動の XY成形ができていないのが現状である．従来の回転成形は，スライド上に保持した円すい形ロールを円板状ブランク

基本的には壁厚ないしは板厚を減少させて部品に形状をに押付けることによって材料を排除するとともにボスを付与する加工法であるが，図 12)に示すように壁厚ないし成形する．但し，薄肉材スピニング用の小型旋盤であるは板厚を減少させた際の材料を集めて増肉を行い，ボスために，主軸や XY スライドの剛性が小さく，主軸のチ（ハブ）を成形する新しい加工法としてハブ成形（hubャック部にバックアップロールを配置しても，成形時の2), 3), 4)

forming，ボスフォーミング，boss forming）

がある．

主軸やロール保持具のたわみを消去できない．そこで，ハブ成形における各種加工条件が材料流れに及ぼす影響

図 3 に示すように成形中のロール先端の位置を計測しなは未解明であり，トライ・アンド・エラー的な工程設計

がらロール位置をフィードバック制御することによって，では製品形状の多様化，製品サイクルの短期化に対応で成形後に一定の板厚の製品が得られるようにした．

きず，ハブ成形の実用化にはその材料流れの基礎的把握が必須である．本研究では，回転成形による増肉加工としてのハブ成形における各種加工条件がボス高さ，ボス厚さ，メタルフローなどの材料流れに及ぼす影響などをROLL基礎的に明らかにして，ハブ成形の各種実用部品への適
MANDREL用性を検討するための基礎資料を得る．

BLANK

図2

円すい形ロールによるハブ成形

A/D CONVERTER(FOR MEASURING LOCATION)

BACK-UP
ROLL
BLANK
HEAD
STOCK

DISPLACEMENTTRANSDUCER
X

ROLL

図1

COMPUTER MOTOR CONTROLLERY

MOTOR(Y AXIS)

ハブ成形の工具と成形工程 2)

2.

MOTOR(X AXIS)

実験方法

図 2 に示すように一定速度で回転する円板状ブランクに円すい形ロールを押付けて板厚を薄くし，ロールが排図3

ハブ成形実験装置の概略

MANDREL
tb

hb

8.5
8.0
7.5
7.034

30 26
22 18 14106
Distance from product periphery [mm]

tt0

Rdt

V

R3v0.2R3v0.6R3v1.09.0

Flange thickness [mm]ROLL

BLANK図4表1ハブ成形の諸元

図52

製品板厚 t の測定例（R = 3mm, dt = 2 mm）

標準加工条件（ブランク厚さ t0 = 10 mm）
50

先端丸み半径 R (mm)1, 2, 3

押込み量 dt (mm)2.0, 3.0, 4.0

送り速度 v (mm/rev)

0.2, 0.6, 1.0

送り量 S (mm)35Height [mm]

加工条件

4030
R3v0.2R3v0.6R3v1.020100090圧延方向

直交方向

引張強さ (MPa)92.585.4

耐力 (MPa)

68.266.8

F 値 (MPa)

152

135

n値

0.1860.162

全伸び (%)

50.446.1

図 4 に本研究におけるハブ成形の諸元を示すが，外径

図615
R3v0.2R3v0.6R3v1.01050012図7びロールの送り速度 v は等間隔で 3 水準選んでいる．また，実際のハブ成形では図 1 および図 2 に示すように，成形されるハブ（ボス）は最終工程でマンドレルに押付けることによって所望のボス高さ，ボス厚さなどに仕上げるが，本研究は成形中の材料流れの特徴を基礎的に把握することが目的であるので，送り量 S を成形されたハブ（ボス）の内面がマンドレルに接触しないような値に選んでいる．
円板状ブランクは A1050 板から外径 130 mm，内径 26mm，厚さ 10 mm に切出した焼鈍材であるが，その機械的性質を表 2 に示すように焼鈍が不十分のようで，異方性が残っている．
実験は円板状ブランクの表面にマシン油を塗布した後，3.
3.1

34567Boss thickness [mm]8910

製品厚さ tb の測定例（R = 3 mm, dt = 2 mm）

を表 1 に示すが，加工条件が材料流れに及ぼす影響を分散分析できるように，先端丸み半径 R，押付け量 dt およ360

製品高さ hb の測定例（R = 3 mm, dt = 2 mm）転させ，外径 125 mm，先端丸み半径 R の円すい形ローv で内径部に向かって送り量 S だけ押付ける．実験条件

3152040 mm のマンドレルとともに一定速度（187.5 rpm）で回ルを円板状ブランクの外周部から押込み量 dt，送り速度27025130 mm，初期厚さ t0 = 10 mm の円板状ブランクを外径室温で行った．

135 180 225
degree [゜]

円板状ブランクの機械的性質

Height [mm]表245

実験結果と考察

製品外形

ロール先端丸み半径 R = 3 mm，ロール押込み量（押込み深さ）dt = 2 mm の場合の製品の板厚 t を 2 mm 間隔で測定した例を図 5 に示すが，旋盤主軸の剛性補正およびロール先端位置のフィードバック制御の結果，ほぼ一様な板厚の製品が得られていることが確認できる．一方，
図 5 と同じ加工条件に対して，図 4 におけるボス高さ hbをハイトゲージを用いて全周に沿って測定した例を図 6に示すが，深絞りと同様な耳の形成が確認できる．さらに，同じ加工条件に対して，図 4 におけるボス厚さ tb をボスの高さ方向に 2 mm 間隔で測定した例を図 7 に示すが，ハブ（ボス）の内面がマンドレルと接触していないので厚さ tb は一様ではなく，高さ方向に変化していることが確認できる．
図 4 のように，ロールを最外周部から内部に向かって押付ける場合には，外径側にも材料が流れて製品外径が

若干増加するが，円板状ブランクの外周部を拘束して，ル送り速度が 26.2％であり，本研究の実験範囲ではロー

図 2 に示すように中間の直径からロールの押込みを開始

ル先端丸み半径がボス高さに及ぼす影響は極めて小さい．

する場合には外径増加のない製品を得ることが可能である．

3.3ボス厚さ

ロール先端丸み半径を R = 1mm とした場合のロール送
3.2

ボス高さ

り速度 v およびロール押込み量 dt が製品のボス厚さ tb

図 8 にロール先端丸み半径 R = 1 mm の場合に，ロールに及ぼす影響の測定例を図 10 に示す．成形されたハブ

送り速度 v とロール押込み量 dt が製品のボス高さ hb に及（ボス）はマンドレルに接触していないので，図 7 に示ぼす影響の測定例を示す．ここでは，図 6 のような分布すように高さ方向にボス厚さは変化し，同時に製品の耳のボス高さに対して，耳部の高さ 4 点と谷部の高さ 4 点部と谷部でも異なっているが，ここではボス厚さを高さの測定値の平均値をプロットしている．図 8 から，送り方向に 2 mm おきに測定した値を平均し，さらに耳部と速度が v が増加するとともにボス高さ hb が減少し，押込谷部の数値を平均化した値をグラフに示している．図 8

み量 dt が増加するとともにボス高さ hb が増加しているから，送り速度 v および押込み量 dt の増加とともにボスが，この傾向は山田らの実験結果 4)と一致している．一厚さ tb が増加しているが，この傾向も山田らの実験結果

方，ロール押込み量 dt = 2 mm の場合に，ロール送り速4)度 v とロール先端丸み半径 R が製品のボス高さ hb に及ぼmm の場合に，ロール送り速度 v とロール先端丸み半径 Rす影響を図 9 に示すが，ロール先端丸み半径 R が増加すが製品のボス厚さに及ぼす影響を示しているが，ロールるとともにボス高さ hb も若干増加している．

先端丸み半径 R の増加とともにボス厚 tb さは減少する傾

表 1 に示した加工条件が製品のボス高さに及ぼす影響と一致している．一方，図 11 にはロール押込み量 dt = 2向にある．の分散分析を行って各要因の寄与率を調べると，ロール前節と同様に，表 1 に示した加工条件が製品のボス厚

先端丸み半径が 2.5％，ロール押込み量が 69.9％，ローさに及ぼす影響の分散分析を行い，各要因の寄与率を調12431.00.6Indentation[mm]2Boss thickness [mm]Boss height [mm]454035302520151050424300.62Indentation
[mm]

0.2

Feed rate [mm/rev]

ロール送り速度 v と押込み量 dt がボス高図 10

ロール送り速度 v と押込み量 dt がボス

高さ hb に及ぼす影響（R = 1 mm）

356.53331292732251.00.6

1

Nose radius[mm]

Boss thickness [mm]Boss height [mm]60.2

さ hb に及ぼす影響（R = 1 mm）

0.2

Feed rate [mm/rev]

図981.0Feed rate [mm/rev]

図810

ロール送り速度 v と先端丸み半径 R がボ

ス高さ hb に及ぼす影響（dt = 2 mm）

65.554.54321.00.60.2Feedrate[mm/rev]

1Nose radius [mm]図 11

ロール送り速度 v と先端丸み半径 R が

ボス高さ hb に及ぼす影響（dt = 2 mm）

4.

べると，ロール先端丸み半径が 1.84％，ロール押込み量むすびが 79.3％，ロール送り速度が 17.2％であり，ボス厚さに回転する円板にロールを押付けて排除した材料を利用関しても本研究で行った実験範囲内においてはロール先してボス（ハブ）を成形するハブ成形における材料流れ端丸みが及ぼす影響は極めて小さい．

を基礎的に解明するために，A1050 材を用いた実験を行い，表 1 に示した実験条件の範囲内で以下の結論を得た．

3.4

内面および底面の引け(1) ロール押込み量 dt の増加とともに，製品のボス高さ3.2 節および 3.3 節の実験結果から，ロール押込み量dt が増加すると製品のボス高さ hb とボス厚さ tb はともにhb およびボス厚さ tb が増加する．
(2) ロール送り速度 v の増加とともに，製品のボス高さ増加する．一方，ロール送り速度 v が増加すると，ボス高さ hb は減少し，ボス厚さ tb は増加する．この実験結果

hb は減少し，ボス厚さ tb は増加する．
(3) ロール送り速度 v を遅く設定しすぎると，製品の内から，ロール送り速度 v によってハブ成形の際の材料流面および底面に引けを生じる可能性がある．

れを制御できることになる．例えば，ロール送り速度 v(4) ロール送り速度 v の選定によって，ハブ成形におけを遅くすると，ボス高さ hb が高く，ボス厚さ tb が薄い製る材料流れを制御することができる．

品が得られるが，このことはロール送り速度 v が遅い場

なお，表 1 に示したような実験を行い，分散分析と検合には，ロールによって排除された材料は半径方向に流定を行えば，ボス高さ，ボス厚さ，加工力，引け量などれるよりはロールとの接触面に沿って軸方向に流れやすに対する推定式を直交多項式で記述することができ，因いことを示している．さらに，ロール送り速度 v を遅く子に制約条件を課した最適加工条件を求めることが可能

設定しすぎると，ロールによって排除された材料はローであることを付記しておく．

ルとの接触面に沿って軸方向に優先的に流れようとする

謝辞

ので，製品の内面や底面に引けを生じる可能性があり，これらの兆候は予備実験において確認されている．

本研究の一部は，天田金属加工機械技術振興財団の平成 14 年度研究開発助成（AF-2002007）を受けて行われAxial [mm]た．ここに記して，同財団に謝意を表します．
35302520151050-5-5

また，本研究の遂行にあたり，試験片，ロール等を提供していただいたトヨタ自動車㈱生技開発部，装置の改造と実験を担当された横浜国立大学の小山寛助手（現：日本精工㈱），大学院生の亀井丈広君（現：マツダ㈱）に感謝の意を表します．
515253545

参考文献

55Radial [mm]1)

廣田智之：自動車産業における回転成形技術の動向と適用事例, 塑性と加工, 43-502(2002), 1035-1040.

図 12

ロールのストロークとともに成長する2)底面部の引け（t0 = 5 mm, R = 3 mm, dt = 2.25 mm,v = 0.2 mm/rev）

西山三郎：スピニング加工技術の課題と製品例, 塑性と加工, 43-502(2002), 1046-1050.

3)

竹井健一郎：円板増肉スピニングによるニアネット
シェイプ精密生産システムの開発，素形材，底面における引けの発生とその成長を確認するために，外径 130 mm，初期厚さ t0 = 5 mm の円板（表 2 とは異な42-9(2001), 21-25.
4)

山田信二・佐藤清臣・竹井健一郎：円板増肉スピニ

り，F = 114 MPa，n = 0.242）に対して，遅い送り速度 v =ングによるニアネットシェイプ精密生産システムの0.2 mm/rev でハブ成形する際のストローク S = 14，21，開 発 , 第 216 回 塑 性 加 工 シ ン ポ ジ ウ ム テ キ ス ト ,28 および 35 mm における製品形状の測定例を図 12 に示(2002), 31-44.

すが，加工初期から底面に引けが発生し，ストロークとともに引けが成長していることが確認できる．