JP4488151B2 - スピニング加工方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピニング加工方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スピニング加工方法の従来の技術としては、例えば、特開平２―７０３２７号公報に開示されているように、母管材の端部を小径管に塑性加工するためのスピニング加工において、該小径管の内径に等しい外径を有する芯金を母管材の内孔に挿入し、母管材の端部から、ロールを用いたスピニング加工により小径管の成形を開始し、成形された小径管の端面をストッパにより押圧しつつ、母管材のスピニング加工を引き続き行うことが知られている。当該公報に開示された方法によれば、「ロール加工が行われている箇所から自由端部への材料の逃げがストッパにより規制されるため、ロール加工部における管材の薄肉化が防止できる。」などと記載されている（当該公報第３頁左下欄第６行〜同欄第９行）。
【０００３】
また、別の従来の技術としては、特開平１１−１３２０３８号公報に触媒コンバータの製造方法として開示されているように、金属管内に触媒担体を挿入した後、該触媒担体の前後の金属管をスピニング加工にて縮径して触媒担体の外周部を保持する筒状の保持部と該部の前後に位置するテーパ状のコーン部を形成すると共にそのコーン部の肉厚を保持部の肉厚よりも大きく形成すること、さらには、金属管の両端をその軸方向に押圧しつつスピニング加工を施して両コーン部の肉厚を、その保持部側から接続部側に至るにつれて徐々に厚く形成することが知られている。そして、当該公報には、肉厚を厚く形成するすなわち増肉するために、上記特開平２―７０３２７号公報と同様に、スピニング加工工具の回転と同時に（素管の）両端部の端面を回転体（ストッパ）によって管軸方向に押圧することが記載されている（当該公報段落番号００２２）。
【０００４】
さらに別の従来の技術としては、特許番号第２９２２２０１号公報に開示されているように、管軸回りに回転される鋼管に対して成形ローラを逆方向に公転させることによって相対公転速度を高くして、加工時間を短縮することが知られている。また、当該公報には、「鋼管に対し、成形ローラの公転方向とは反対の方向の回転力が強制的に加わるため、鋼管に、引張力と捻じり力が与えられて縮小しようとするため鋼管の寸法が大きくなることなく所望の形状、寸法が確実に得られる。」などと記載されている（当該公報段落番号００３１）。
【０００５】
ところで、素管は、一般的に、圧延材を曲げてその両端縁を互いに接合することにより成形される。このような素管では、圧延方向によって弾性係数が異なる、すなわち異方性が異なるため、その剛性も素管の軸方向と周方向とで異なる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術のうち、特開平２―７０３２７号公報に開示されたものにあっては、小径管の端面をストッパにより押圧しつつ素管（母管材）のスピニング加工を行うことにより、ロール加工部における素管の薄肉化を防止するにすぎず、素管のロール加工部における肉厚を厚くあるいはスピニング加工による材料の逃げに起因する以上に肉厚を薄くするなど、所望する肉厚に成形するようなスピニング加工を行うことができなかった。また、素管のスピニング加工を行う部分の肉厚が剛性が比較的低い場合には、自由端への材料の流れが規制されるとその部分が座屈するなどの可能性があるために成形が困難であり、また、成形工具（ロール）を強く押し当てると素管が変形するため、少ない成形量で繰り返しスピニング加工を行わなければならず、成形効率を向上させることができないという問題があった。
【０００７】
また、上記従来の技術のうち、特開平１１−１３２０３８号公報に開示された触媒コンバータの製造方法にあっても、スピニング加工時に素管を軸方向に押圧するものであるために増肉することしかできなかった。そのため、当該方法においても、特開平２―７０３２７号公報に開示されたものと同様に、スピニング加工に起因する以上に肉厚を薄くするなど、所望する肉厚に成形するようなスピニング加工を行うことができなかった。そして、増肉することを前提として比較的肉厚が薄く剛性が低い素管をスピニング加工するため、成形が困難であると共に成形効率を向上させることができないという問題があった。
【０００８】
一方、特許番号第２９２２２０１号公報に開示された従来の技術にあっては、加工時間を短縮するために軸回りに回転される素管に対して成形工具（ローラ）を逆方向に公転させて相対回転速度を高めるにすぎない。
【０００９】
そして、スピニング加工を行う際には、成形ローラを相対的に公転させつつ押圧することによって素管の材料が流動するのであるが、上述した従来の技術にあっては、いずれも、素管の材料流動を制御することができず、塑性変形方向を変えて、素管の機械的性質を変えることができなかった。
【００１０】
そして、上述したように、圧延材を曲げてその両端縁を互いに接合することにより成形された素管では、圧延材の異方向に起因して剛性が低い部分をスピニング加工する場合、その素管のスピニング加工する部分が不用意に変形するため、少ない成形量で繰り返しスピニング加工を行わなければならず、成形効率を向上させることができないなどの問題があった。
【００１１】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、剛性の低い素管であっても変形させることなく効率的にスピニング加工を行うことができ、また、スピニング加工による素管の材料の周方向への流動を制御して、その肉厚を所望するように変化させることができ、ひいては、素管の塑性変形方向を変えることができるスピニング加工方法および装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１のスピニング加工方法にかかる発明は、上記目的を達成するため、素管に対して成形工具を公転させつつ押圧するスピニング加工時において、素管にねじり力を付与しない状態のスピニング加工により素管にかかるトルクと、素管のスピニング加工された部分の肉厚とを測定し、前記測定されたトルクと同じ大きさで周方向に反対方向のねじり力を付与した状態の素管のスピニング加工された部分の肉厚を測定し、両状態で測定された肉厚の差とねじり力との比をその成形条件における素管の特有比例定数として定め、該特有比例定数に基づいて、成形する肉厚に応じたねじり力を固定された素管に対して成形する肉厚に応じた周方向に付与することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２のスピニング加工装置にかかる発明は、素管に対して成形工具を公転させる公転駆動手段と、成形工具を素管に対して押圧させる押圧手段と、を備えたスピニング加工装置であって、素管にねじり力を付与しない状態のスピニング加工により素管にかかるトルクと、素管のスピニング加工された部分の肉厚とを測定し、前記測定されたトルクと同じ大きさで周方向に反対方向のねじり力を付与した状態の素管のスピニング加工された部分の肉厚を測定して、両状態で測定された肉厚の差とねじり力との比から定められた、その成形条件における素管の特有比例定数に基づいて、成形する肉厚に応じたねじり力を固定された素管に制御可能に成形する肉厚に応じた周方向に付与するねじり力付与手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項１の発明では、スピニング加工時に、素管に対して成形工具を公転させつつ押圧すると、素管の材料が公転する成形工具によって成形負荷をかけられて周方向に流動しようとする。そこで、素管にねじり力を付与しない状態のスピニング加工により素管にかかるトルクと、素管のスピニング加工された部分の肉厚とを測定し、前記測定されたトルクと同じ大きさで周方向に反対方向のねじり力を付与した状態の素管のスピニング加工された部分の肉厚を測定し、両状態で測定された肉厚の差とねじり力との比をその成形条件における素管の特有比例定数として定める。そしてこの特有比例定数に基づいて、成形する肉厚に応じたねじり力を算出し、そのねじり力を固定された素管に成形する肉厚に応じた周方向に付与した状態でスピニング加工を行うことにより、素管の材料の周方向への流動が促進または抑止するよう制御される。そのため、素管が薄くも厚くも所望の肉厚に変化するように成形されると共に、素管の塑性変形方向が変わり材料組織の密度が変更されて、引張強さや硬さ、靭性など、機械的性質が変わる。
【００１５】
請求項２の発明では、公転駆動手段により素管に対して成形工具を公転させると共に、押圧手段により成形工具を素管に対して押圧させる。素管にねじり力を付与しない状態のスピニング加工により素管にかかるトルクと、素管のスピニング加工された部分の肉厚とを測定し、前記測定されたトルクと同じ大きさで周方向に反対方向のねじり力を付与した状態の素管のスピニング加工された部分の肉厚を測定して、両状態で測定された肉厚の差とねじり力との比から、その成形条件における素管の特有比例定数が定められており、この特有比例定数に基づいて、成形する肉厚に応じたねじり力が算出されている。ねじり力付与手段は、算出されたねじり力を固定された素管に成形する肉厚に応じた周方向に付与するよう制御する。これにより、素管の材料の周方向への流動が促進または抑止されるため、素管の肉厚を薄くも厚くも所望するように変化させるよう成形すると共に、素管の塑性変形方向を変えたり材料組織の密度を変更して、引張強さや硬さ、靭性など、機械的性質を変える。
【００１６】
【発明の実施の形態】
最初に、本発明のスピニング加工装置の実施の一形態を主に図３に基づいて詳細に説明する。
図３に示すように、本発明のスピニング加工装置は、概略、素管Ｗに対してその軸Ｃ回りに成形工具１を公転させる公転駆動手段（図示は省略する）と、成形工具１を素管Ｗに対して押圧させる押圧手段（図示は省略する）と、素管Ｗの周方向に対してねじり力ＴＦを付与するねじり力付与手段２と、を備えてなり、ねじり力付与手段２が加工条件に応じて付与するねじり力ＴＦを制御可能に構成されている。さらに、この実施の形態におけるスピニング加工装置は、必要に応じて素管Ｗの軸Ｃ方向に対して圧縮応力Ｌおよび引張応力Ｍ（軸方向応力ＡＦ）を付与する軸方向応力付与手段３も備えている。
【００１７】
素管Ｗは、図１に示すように、スピニング加工前においては所定の径および軸方向長さを有する中空円筒状に成形されている。図３に示すように、この実施の形態におけるスピニング加工装置は、素管Ｗの一端を把持するチャックなどの把持治具１０と、素管Ｗの他端を把持する把持治具１１とを有している。素管Ｗの両端は、その軸Ｃ回りおよび軸Ｃ方向に関して両把持治具１０、１１と相対的に移動不能に把持される。
【００１８】
この実施の形態においては、成形工具として成形ローラ１が使用される。成形ローラ１は、ブラケット（図示は省略する）などの軸１ａに回転可能に枢着される。成形ローラ１は、単数または複数で設けられる。
【００１９】
この実施の形態の場合、図２に参照されるように、公転駆動手段は、成形ローラ１を両把持治具１０，１１に把持された素管Ｗの軸Ｃ回りに公転駆動させるように構成されている。
また、押圧手段は、図３に矢印Ｙで示すように、成形ローラ１を素管Ｗの径Ｒ方向に移動させて、その素管Ｗの軸Ｃ回りの公転径Ｒを拡大・縮小させるように構成されている。
さらに、軸方向移動手段３は、図３に矢印Ｘで示すように、成形ローラ１を素管Ｗに対してその軸Ｃ方向に相対的に移動させるように構成されている。
これら公転駆動手段および押圧手段の構成は公知であるため、その詳しい説明を省略する。なお、本発明を説明するにあたり、素管Ｗの径Ｒ方向を、図においては外向きの矢印で示しているが、この実施の形態においては、素管Ｗを押圧するときには素管Ｗの外側から軸Ｃに向かって成形ローラ１を移動させる。
【００２０】
ねじり力付与手段２は、素管Ｗの一端を把持する把持治具１０をその軸周りに回転可能に支持する軸２０と、この軸２０を回転駆動するアクチュエータ２１とにより構成されている。
また、軸方向応力付与手段３は、ねじり力付与手段２を素管Ｗの軸Ｃ方向に移動可能に支持する支持台３０と、この支持台３０を軸Ｃ方向に摺動可能に支持するガイドレール３１と、支持台３０を軸Ｃ方向に駆動するボールねじ機構３２とを備えている。
ボールねじ機構３２は、素管Ｗの軸Ｃ方向と平行に配設されたボールねじ軸３５と、支持台３０の下面に設けられボールねじ軸３５と螺合されるボールねじナット３６と、ボールねじ軸３５をその軸回りに制御可能に回転駆動するアクチュエータ３７と、を備えている。
【００２１】
素管Ｗの両端をそれぞれ把持治具１０、１１によって把持した状態で、ねじり力付与手段２のアクチュエータ２１を所定の方向に所定量駆動すると、軸２０を介して把持治具１０が軸Ｃ回りに回転されて、素管Ｗには、その周方向に、所定の方向で所定の大きさに制御されたねじり力ＴＦが付与される。また、軸方向応力付与手段３のアクチュエータ３７を回転駆動すると、ボールねじ機構３２を介して支持台３０が軸Ｃ方向に移動され、両端が把持治具１０、１１に把持された素管Ｗには、その軸Ｃ方向に圧縮または引張るような応力が付与されることとなる。
【００２２】
次に、本発明のスピニング加工方法の実施の一形態を、上述したように構成されたスピニング加工装置を用いる場合によって、主に図３〜図６に基づいて詳細に説明する。
本発明のスピニング加工方法は、概略、素管Ｗに対して成形工具１を公転させつつ径Ｒ方向に押圧するスピニング加工時において、素管Ｗの周方向に対してねじり力ＴＦを付与するもので、加工条件に応じてねじり力ＴＦを制御して付与する。さらにこの実施の形態におけるスピニング加工方法は、必要に応じて素管Ｗの軸Ｃ方向に対して軸方向応力ＡＦ（圧縮応力Ｌおよび／または引張応力Ｍ）も付与する。
【００２３】
素管Ｗをスピニング加工するに際しては、最初に、素管Ｗの両端をそれぞれ把持治具１０、１１によって把持する。そして、素管Ｗの軸Ｃ回りに成形ローラ１を相対的に公転させながら、その径Ｒ方向（Ｙ方向）に相対的に移動させて素管Ｗを押圧すると共に、軸Ｃ方向（Ｘ方向）に相対的に移動させて素管Ｗの所定の軸方向長さにスピニング加工を行う。
【００２４】
このとき、ねじり力付与手段２のアクチュエータ２１を駆動して、素管Ｗの一端を把持している把持治具１０を軸Ｃ回りに回転させ、他端が把持治具１１によって固定された素管Ｗに対してその周方向にねじり力ＴＦを付与する。
【００２５】
ここで、公転する成形ローラ１が軸Ｃ方向（Ｘ方向）に移動しながら径Ｒ方向（Ｙ方向）に押圧されてスピニング加工されている素管Ｗの材料は、図４に示すように、軸方向ｃおよび周方向ｒの合成方向ｓに流動する。このとき、本発明では、スピニング加工時に素管Ｗに対して周方向に成形ローラ１の公転方向と同方向Ｋまたは反対方向Ｊのねじり力を付与して所望する肉厚に素管Ｗを成形する。すなわち、図５に矢印Ｋで示すように、成形ローラ１の相対的な公転方向と同じ方向のねじり力ＴＦを素管Ｗに対して付与すると、素管Ｗの材料の周方向ｒへの流動を促進して、かかるスピニング加工されている部分の肉厚がさらに薄くなるように成形することができる。また、図５などに矢印Ｊで示すように、成形ローラの相対的な公転方向とは反対方向のねじり力ＴＦを素管Ｗに対して付与すると、素管Ｗの材料の周方向ｒへの流動を打消すように抑制して、かかるスピニング加工されている部分の肉厚が厚くなるように成形することができる。
【００２６】
この素管Ｗの周方向に付与するねじり力ＴＦは、以下のようにして決定することができる。すなわち、最初に、成形ローラ１の公転速度や軸Ｃ方向への送り速度および送り量など、成形条件を設定し、素管Ｗにねじり力ＴＦを付与しない通常の状態で、成形ローラ１を素管Ｗに対して公転させてスピニング加工を行い、このときのスピニング加工により素管Ｗにかかるトルクと、素管Ｗのスピニング加工された部分の肉厚を測定する。次いで、この測定されたトルクと同じ大きさであって反対方向のねじり力ＴＦを素管Ｗに付与した状態でスピニング加工を行い、このときの素管Ｗのスピニング加工された部分の肉厚を測定する。そして、これら両方の場合の素管Ｗのスピニング加工された部分の測定された肉厚の差を算出して、かかる差とねじり力（トルク）との比をその成形条件における素管Ｗの特有比例定数として定める。その後、所望する肉厚に素管Ｗを成形するために、特有比例定数に基づいて、その所望する肉厚に相当するねじり力ＴＦを算出し、そのねじり力ＴＦを素管Ｗに付与した状態でスピニング加工を行う。
【００２７】
本発明では、スピニング加工時における素管Ｗの周方向への材料の流動を直接制御することとしたため、スピニング加工と同時に素管Ｗを所望する肉厚に容易に且つ確実に成形することができる。また、本発明では、素管Ｗの周方向にねじり力ＴＦを付与するため、素管Ｗのスピニング加工する前の肉厚が薄かったり圧延材の異方性に起因して剛性が低い場合であっても、従来の技術のように単に軸Ｃ方向に押圧することによる座屈などの変形を発生させることはない。
【００２８】
さらに、本発明では、所望する肉厚に素管Ｗを成形するために、ねじり力ＴＦに加えて、図３に示したボールねじ機構３２を駆動することにより、素管Ｗの軸Ｃ方向に対して圧縮応力Ｌおよび／または引張応力Ｍを付与することができる。図６は、本発明により肉厚が異なるようにスピニング加工される素管Ｗの断面図と、かかる素管Ｗを成形するために単に軸方向に圧縮応力Ｌおよび／または引張応力Ｍを付与する場合のその大きさ（強さ）を示す説明図（イ）と、同様の肉厚の素管Ｗを成形するために成形ローラ１の公転方向と反対方向にねじり力ＴＦを付与する場合（図５の矢印Ｊの場合）の軸Ｃ方向に付与する圧縮応力Ｌおよび／または引張応力Ｌの大きさを示す説明図（ロ）と、成形ローラ１の公転方向と同方向にねじり力ＴＦを付与する場合（図５の矢印Ｋの場合）の軸Ｃ方向に付与する圧縮応力Ｌおよび／または引張応力Ｍの大きさを示す説明図（ハ）とを示したものである。
【００２９】
本発明では、素管Ｗに付与するねじり力ＴＦによって軸Ｃ方向の圧縮応力Ｌおよび／または引張応力Ｍを調整するため、スピニング加工時における素管Ｗの材料の流動を制御して、その塑性変形方向を任意に変えることができ、素管Ｗの材料組織を密にも粗にもすることができ、引張強さや硬さ、靭性など、機械的性質を変えることができる。
【００３０】
すなわち、上述したように、成形ローラ１の公転方向と反対方向Ｊのねじり力ＴＦを付与した場合（ロ）には素管Ｔの肉厚が厚くなるために、軸Ｃ方向の圧縮応力Ｌを（イ）に比して小さくすることができる。そのため、スピニング加工により素管Ｗの材料が軸Ｃ方向に強く流動することとなり（図４の矢印ｃを参照）、その組織の滑り長さが小さくなって一般的には靭性が向上する。
【００３１】
一方、上述したように、成形ローラ１の公転方向と同方向Ｋのねじり力ＴＦを付与した場合（ハ）には素管Ｗの肉厚が薄くなるために、軸Ｃ方向の圧縮応力Ｌを（イ）に比して大きくする。そのため、スピニング加工により素管Ｗの材料が周方向に強く流動することとなり（図４の矢印ｒを参照）、一般に径Ｒ方向に押圧している成形ローラ１への負荷が少なくなることから、その寿命が延びる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、予め定めた特有比例定数に基づいて、成形する肉厚に応じたねじり力を算出し、素管に対して成形工具を公転させつつ押圧するスピニング加工時において、そのねじり力を成形する肉厚に応じた周方向に固定された素管に付与した状態でスピニング加工を行うことにより、素管の材料の周方向への流動を促進または抑止するよう制御することができるため、素管を所望の肉厚に変化させるよう成形することができると共に、素管の塑性変形方向を変えて材料組織の密度を変更して、機械的性質を変えることができるスピニング加工方法を提供することができる。
【００３３】
また、請求項２の発明よれば、ねじり力付与手段が、予め定められた素管の特有比例定数に基づいて、成形する肉厚に応じた周方向に成形する肉厚に応じて固定された素管に付与するねじり力を制御可能であることにより、スピニング加工による素管の材料の周方向への流動を制御して、素管を所望の肉厚に変化させるよう成形することができると共に、素管の塑性変形方向を変えて材料組織の密度を変更して、機械的性質を変えることができるスピニング加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スピニング加工される前の状態の素管を示す斜視図である。
【図２】 成形工具を素管の軸回りに相対的に公転させてスピニング加工を行う状態を説明するための斜視図である。
【図３】 本発明のスピニング加工装置の実施の一形態の要部を概念的に示す断面図である。
【図４】 スピニング加工による素管の材料の流動を示す説明図である。
【図５】 本発明により素管の周方向に対して付与されるねじり力の方向を示す説明図である。
【図６】 素管を同じ肉厚に成形するために、付与されるねじり力の方向によって軸方向に付与される圧縮応力または引張応力を比較して示す説明図である。
【符合の説明】
１ 成形ローラ（成形工具）
２ ねじり力付与手段
３ 軸方向応力付与手段
Ｗ 素管
Ｃ 軸方向
Ｒ 径方向
ＴＦ ねじり力
Ｋ 公転方向
Ｊ 逆方向
ＡＦ 軸方向応力
Ｌ 圧縮応力
Ｍ 引張応力

Claims (2)

1. 素管に対して成形工具を公転させつつ押圧するスピニング加工時において、
   素管にねじり力を付与しない状態のスピニング加工により素管にかかるトルクと、素管のスピニング加工された部分の肉厚とを測定し、
   前記測定されたトルクと同じ大きさで周方向に反対方向のねじり力を付与した状態の素管のスピニング加工された部分の肉厚を測定し、
   両状態で測定された肉厚の差とねじり力との比をその成形条件における素管の特有比例定数として定め、
   該特有比例定数に基づいて、成形する肉厚に応じたねじり力を固定された素管に対して成形する肉厚に応じた周方向に付与することを特徴とするスピニング加工方法。
2. 素管に対して成形工具を公転させる公転駆動手段と、
   成形工具を素管に対して押圧させる押圧手段と、を備えたスピニング加工装置であって、
   素管にねじり力を付与しない状態のスピニング加工により素管にかかるトルクと、素管のスピニング加工された部分の肉厚とを測定し、前記測定されたトルクと同じ大きさで周方向に反対方向のねじり力を付与した状態の素管のスピニング加工された部分の肉厚を測定して、両状態で測定された肉厚の差とねじり力との比から定められた、その成形条件における素管の特有比例定数に基づいて、成形する肉厚に応じたねじり力を固定された素管に制御可能に成形する肉厚に応じた周方向に付与するねじり力付与手段を設けたことを特徴とするスピニング加工装置。

Images