JP6485832B2 - 中空部材の前方押出加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空部材の前方押出加工方法に関する。

自動車部品などの機械部品の軽量化、低コスト化の要求に対応して、様々な中空冷間鍛造品が製造されるようになっている。中空冷間鍛造品の製造方法としては、例えば、以下の方法が知られている。まず、中実部材を後方押出加工及びその後の打ち抜き加工によって中空化する。そして、中空部材にさらに据え込み加工や前方押出加工等を行うことで、所定の形状の中空冷間鍛造品を作製する。この方法の中空部材の前方押出加工においては、内径部（内径面）の割れ発生が問題となっていた。

具体的には、中空部材を出発材として、２回以上の前方押出加工（中空部材の外径面を絞る加工）によって、異なる外径を持つ３つ以上の軸部を有する円筒状の所望の段付中空部材を成形する場合がある。この場合、通常は、中空部材の外径面を前方押出加工によって絞ることで２番目の太さの軸部を成形する。次いで、２番目の太さの軸部の外径面を前方押出加工によって絞ることで３番目の太さの軸部を成形する。このように、軸部の太いものから順次成形する。この場合、２番目以降の太さの軸部は、その軸部の上流側（その軸部より外径が太い軸部が存在する側）に存在する段差の数だけ前方押出されるため、段差の数が多くなればなるほど、段付中空部材の内径面割れが発生しやすくなる。

特許文献１においては、加工硬化指数ｎ値が０．２以上の中実の被加工材（出発材）を用いる、もしくは、被加工材の加工硬化指数ｎ値が０．２以上になるよう熱処理を行うことで、被加工材の多段冷間前方押出加工における内部割れを抑制する方法が提案されている。さらに、特許文献１においては、上記被加工材の使用もしくは熱処理に加えて、まず減面率の大きい前方押出加工を中実部材に対して行い、次に、望ましくは焼鈍などの熱処理を行った後、減面率の小さい前方押出加工を行うことで、中実部材の多段冷間前方押出における内部割れを抑制する方法が提案されている。また、特許文献２には、３段の段差を外径面に持つ段付中実部材の製造方法が開示されている。この方法では、出発材である中実部材に対して押出加工を行い、３番目に細い軸部を成形する。次いで、３番目に細い軸部に対して押出加工を行い、最も細い軸部を成形する。その後、３番目に細い軸部の残りに対して、２番目に細い軸部を成形するように、押出加工する。特許文献２においては、上記の順に加工することで、最も細い軸部が受ける前方押出加工の回数を減らし、最も細い軸部における内部割れを抑制する方法が提案されている。

特開２０００−３１２９４７号公報 特開昭６０−２４２１８号公報

しかし、特許文献１で開示された方法は、加工硬化指数ｎ値が０．２以上の被加工材に限定される。さらに、被加工材の加工硬化指数ｎ値を０．２以上にするための熱処理工程や、減面率の大きい前方押出加工において生じた被加工材中のひずみを除去するための中間熱処理工程を必要とするため、製造コストの増加を余儀なくされる。また、特許文献２で開示された方法は、最も細い軸部以外の軸部における割れの発生を抑えようとする場合には効果が全く無い。さらに、特許文献１、２に開示された技術は、中実部材を対象としている。すなわち、特許文献１、２は、中空部材の内径面割れに何ら言及していない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、製造コストの大幅な増加を伴うこと無く、中空部材の内径面割れを抑制することが可能な、新規かつ改良された中空部材の前方押出加工方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、中空部材に２回以上の前方押出加工を行うことで、前記中空部材の外径面を２段階以上絞る前方押出加工方法であって、第１の外径を有する第１の軸部を前記前方押出加工により成形する第１の工程と、前記第１の外径よりも細い第２の外径を有する第２の軸部を前記前方押出加工により成形する第２の工程と、を含み、前記第２の工程は、前記第１の工程よりも先に行われることを特徴とする前方押出加工方法が提供される。

ここで、前記第２の工程を行う際の減面率が４８％以上であってもよい。

ダイス、パンチ及びマンドレルを用いて前記前方押出加工を行ってもよい。

以上説明した本発明によれば、製造コストの大幅な増加を伴うこと無く、中空部材の内径面割れを抑制することが可能である。

従来技術及び本発明の実施形態に係る前方押出加工方法の概略を示す工程図である。 図１の最終工程における延性破壊指数の分布を示す断面図である。 中空部材の前方押出加工において、減面率が延性破壊指数に与える影響を示すグラフである。 本発明の実施系形態に係る前方押出加工装置の例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る中空部材及び段付中空部材の形状を示す断面図である。 中空部材の前方押出加工において、マンドレルの使用の有無が、減面率と延性破壊指数の関係に与える影響を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図面は、発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の物とは異なる個所もあるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

＜１．本発明者が行った検討＞
本発明者らは、中空部材の内径面割れを抑制する方法について検討し、その結果、本実施形態に係る前方押出加工方法に想到した。そこで、まず、本発明者らが行った検討について説明する。

本発明者らは、中空部材の前方押出加工における内径面割れに及ぼす押出順序の影響を検討するために、前方押出中の中空部材に生じる延性破壊指数を有限要素法解析により推定した。その過程を図１、図２に基づいて説明する。

図１（ａ）は、従来技術（比較例）による中空部材の前方押出加工方法の概略を示す工程図であり、図１（ｂ）は、本発明の実施形態（実施例）に係る中空部材の前方押出加工方法の概略を示す工程図である。なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す工程図は、各工程の被加工材である円筒状の中空部材Ｗをその中心軸に沿って切った断面図により構成される。従来技術及び本実施形態の前方押出加工のどちらも素材（出発材）の中空部材Ｗ（図１（ａ）及び図１（ｂ）の最上段）および最終工程後の段付中空部材Ｗの形状（図１（ａ）及び図１（ｂ）の最下段）は同一である。詳細には、段付中空部材Ｗは、外径の異なる４つの軸部を有し、且つ、４つの軸部は、その並び順に従って外径が細くなっている。しかしながら、従来技術による前方押出加工方法と本実施形態に係る前方押出加工方法とでは押出し（絞り）の順序が異なる。詳細には、従来技術では、出発材の中空部材Ｗの外径面を前方押出加工によって絞ることで３番目に細い軸部１１３を成形し（図１（ａ）の１工程目）、軸部１１３の外径面を前方押出加工によって絞ることで２番目に細い軸部１１２を成形し（図１（ａ）の２工程目）、軸部１１２の外径面を前方押出加工によって絞ることで最も細い軸部１１１（図１（ａ）の３工程目）を成形する。それに対し、本実施形態では、出発材の中空部材Ｗの外径面を前方押出加工によって絞ることで２番目に細い軸部１１２を成形し（図１（ｂ）の１工程目）、軸部１１２の外径面を前方押出加工によって絞ることで最も細い軸部１１１を成形し（図１（ｂ）の２工程目）、最も太い軸部１１４の外径面を前方押出加工によって絞ることで３番目に細い軸部１１３を成形する（図１（ｂ）の３工程目）。すなわち、図１（ｂ）においては、最も細い軸部１１１を成形した後に、軸部１１１よりも太い軸部１１４を成形する（３工程目）。

まず、本発明者らは、図１（ａ）の従来技術及び図１（ｂ）の本実施形態における前方押出加工方法によって段付中空部材Ｗに生じる内径面割れの可能性を予測するために、各方法での中空部材Ｗの延性破壊指数Ｉを有限要素法解析により推定した。詳細には、各方法での段付中空部材Ｗを複数の小領域に区分し、各小領域に生じる延性破壊指数Ｉを推定した。延性破壊指数Ｉは以下の数式（１）で示される。

ここで、Ｉは延性破壊指数、σ_ｍａｘは最大主応力、σ_ｅｑは相当応力、ε_ｅｑは相当塑性ひずみである。数式（１）の右辺の分子に書かれている積分式はＣｏｃｋｃｒｏｆｔ＆Ｌａｔｈａｍの式と呼ばれる延性破壊条件式であり、この積分式から計算される数値が材料固有の定数ｃに達すると、割れが発生すると判断する。すなわち、延性破壊指数Ｉが１に達すると割れが発生すると判断する。

また、解析条件は以下のとおりである。外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材Ｗを３回の前方押出により、図１（ａ）及び図１（ｂ）の最下段に示されるように、最も太い軸部１１４の外径がφ２０ｍｍ、内径がφ１０ｍｍ、３番目に細い軸部１１３の外径がφ１６ｍｍ、内径がφ５ｍｍ、２番目に細い軸部１１２の外径がφ１５ｍｍ、内径がφ５ｍｍ、最も細い軸部１１１の外径がφ１４ｍｍ、内径が５ｍｍとなるように成形した。成形された段付中空部材Ｗの長手方向軸（中心軸）と各軸部を繋ぐ傾斜面１２１（軸部１１１と軸部１１２の間）、傾斜面１２２（軸部１１２と軸部１１３の間）、傾斜面１２３（軸部１１３と軸部１１４の間）のなす角度は２０°、傾斜面１２１、１２２、１２３の角部の曲率半径は０．５ｍｍとした。せん断摩擦係数ｍ＝０．１、軸対称モデル、金型は全て剛体、中空部材Ｗは剛塑性体（四角形要素）でＳＣｒ４２０Ｈ球状化焼鈍材の変形抵抗曲線および材料定数ｃを使用した。

図２に最終工程後の段付き中空部材Ｗの断面における延性破壊指数Ｉの分布を示す。詳細には、図２（ａ）は、図１（ａ）の工程（従来技術）によって作成された段付中空部材Ｗの断面における延性破壊指数Ｉの分布であり、図２（ｂ）は、図１（ｂ）の工程（本実施形態）によって作成された段付中空部材Ｗの断面における延性破壊指数Ｉである。延性破壊指数Ｉが１未満の領域については、延性破壊指数Ｉの大きさは、図２の右端に示すように、ハッチングの濃淡で示し、ハッチングが濃い方が延性破壊指数Ｉは小さく、ハッチングが薄い方が延性破壊指数Ｉは大きくなる。また、延性破壊指数Ｉが１以上の領域は、斜線でハッチングされている。従来技術では、軸部１１１は、３回の前方押出加工を受けたため、その内径面での延性破壊指数Ｉが１．１０となり、延性破壊指数Ｉが１を超える。したがって、従来技術においては、軸部１１１には内径面割れが発生する可能性が非常に高いと予測された。一方、本実施形態においては、軸部１１１が受ける押出加工の回数が３回から２回に減ったため、軸部１１１の延性破壊指数Ｉが０．５６にまで低減された。したがって、本実施形態においては、延性破壊指数Ｉの値から、軸部１１１に内径面割れが発生する可能性は少ないと予測された。すなわち、前方押出加工を受ける回数が少なくすることによって、延性破壊指数Ｉが低減され、内径面割れの発生する可能性が少なくなることがわかった。

また、中実部材と異なり、中空部材Ｗは内径内にマンドレルを挿入した状態で前方押出加工を行うことが可能である。挿入するマンドレルの外径を、同じ中空部材Ｗをマンドレルの挿入なしに前方押出加工を行った場合の成形後の中空部材Ｗの内径よりも大きくすることで、中空部材Ｗの内径における縮径をマンドレルで制限しながら前方押出加工を行うことができる。このようにすることで、中空部材Ｗの内径が自由に縮径することができなくなるため、中空部材Ｗの中心軸方向の沿った材料の流れが促進され、中空部材の内径側と外径側の材料流れの速度差が小さくなり、内径面での引張応力が緩和されて、内径面割れを抑制することが可能となると考えられる。

次に、本発明者らは、中空部材Ｗの各軸を前方押出加工によって成形する際の減面率が内径面割れに及ぼす影響を検討するために、減面率の異なる前方押出加工における中空部材Ｗの内径面の延性破壊指数Ｉを有限要素解析により推定した。その結果を表１、図３に基づいて説明する。ここで、各軸の減面率とは、各軸の加工前の断面積をS₀とし、加工後の各軸の断面積をS_fとした場合、｛（S₀-S_f）/S₀｝×100（％）で求められる値である。

外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材Ｗを素材（出発材）として、素材の内径内にマンドレルを挿入することで内径をφ１０ｍｍ一定としたまま、それぞれ１回の前方押出加工により外径をφ１９ｍｍ（水準１、８）、φ１８．５ｍｍ（水準２、９）、φ１８ｍｍ（水準３、１０）、φ１７．５ｍｍ（水準４、１１）、φ１７ｍｍ（水準５、１２）、φ１６ｍｍ（水準６、１３）、φ１５ｍｍ（水準７、１４）に絞った。そして、前方押出加工後の段付中空部材Ｗの内径面の延性破壊指数Ｉを有限要素解析により推定した。さらに、各水準の前方押出加工における減面率を、上記と同様に算出した。なお、段付中空部材Ｗの長手方向軸（中心軸）と２つの軸部を繋ぐ傾斜面のなす角度（すなわちダイス角度）は１５°（水準１〜７）と３０°（水準８〜１４）の２通りである。その他の解析条件は次の通りである。傾斜面の角部の曲率半径は０．２ｍｍ、せん断摩擦係数ｍ＝０．１、軸対称モデル、金型は全て剛体、中空部材Ｗ（素材）は剛塑性体（四角形要素）でＳＣｒ４２０Ｈ球状化焼鈍材の変形抵抗曲線および材料定数ｃを使用した。この結果を表１および図３に示す。詳細には、表１には、各水準の加工の諸条件と減面率と延性破壊指数Ｉとを示す。図３には、減面率に対する延性破壊指数Ｉの関係を示す。

図３に示すように、ダイス角度に関係なく、前方押出加工の際の減面率が高くなることで中空部材Ｗの内径面での延性破壊指数Ｉが低下し、減面率４８％以上になると延性破壊指数Ｉはほぼ０となる。このことから、減面率を高くすることにより、内径面での割れが抑制され、特に減面率４８％以上にすると内径面割れが大きく抑制されることが分かった。

＜２．前方押出加工装置の構成及び前方押出加工方法＞
以下に、本発明の実施形態で用いられる前方押出加工装置及び前方押出加工方法について説明する。図４は、中空部材Ｗの外径面を１段絞る前方押出加工装置２００の一例の概要を示す断面図である。前方押出加工装置２００は、ダイス２０１と、マンドレル２０２とを備える。ダイス２０１は、略円筒形状の部材である。マンドレル２０２は、略円柱形状の部材であり、ダイス２０１の内部にダイス２０１と同軸上に設けられている。直線２０２ａは、マンドレル２０２及びダイス２０１の中心軸を示す。ダイス２０１の内径面２０１ｂには、外径絞り部２３０が成形されている。なお、以下の説明では、中空部材Ｗが前方押出加工装置２００内を進行する（流れる）方向Ａ１を下流方向、下流方向の逆方向を上流方向として説明する。

外径絞り部２３０は、ランド部２３１と、傾斜面２３２と、逃げ部２３３とを備える。ランド部２３１は、マンドレル２０２側に突出した部分である。傾斜面２３２は、中空部材Ｗの進行方向（矢印Ａ１方向）に交差する面であり、ランド部２３１とランド部２３１の上流側の内径面２０１ｂとを連結する。逃げ部２３３は、ランド部２３１の下流側に成形される。逃げ部２３３の内径面（表面）は、ランド部２３１の内径面（表面）よりも外側（ダイス２０１の外径面側）に配置される。すなわち、逃げ部２３３と中空部材Ｗとの間には隙間が形成されている。

この前方押出加工装置２００を用いた前方押出加工方法は以下のとおりである。すなわち、中空部材Ｗをダイス２０１とマンドレル２０２との間に通し、中空部材Ｗをパンチにより前方押出する。これにより、中空部材Ｗは、矢印Ａ１方向に進行する。中空部材Ｗの外径面は、外径絞り部２３０により絞られる（すなわち縮径される）。これにより、段付中空部材Ｗが成形される。

そして、本実施形態では、ダイス、パンチ及びマンドレルを用いて前方押出加工方法を２回以上行うことで、中空部材Ｗの外径面を２段以上絞る。すなわち、本実施形態に係る前方押出加工方法は、第１の外径を有する第１の軸部を前方押出加工により成形する第１の工程と、第１の外径よりも細い第２の外径を有する第２の軸部を前方押出加工により成形する第２の工程と、を含む。そして、第２の工程は、第１の工程よりも先に行われる。

なお、本実施形態に係る前方押出加工装置及びそれを用いた前方押出加工方法は、上記説明のような前方押出加工装置２００及びそれを用いた前方押出加工方法に限定されるものではなく、ダイス、パンチ及びマンドレルを備える前方押出加工装置及びそれを用いた前方押出加工方法であれば、特に限定されるものではない。

次に、本発明の効果を確認するために、以下の実施例を行った。なお、以下に示す実施例は、本発明の実施形態に係る前方押出加工のあくまでも一例であって、本発明の実施形態に係る中空部材の前方押出加工が、下記の例に限定されるものではない。

本実施例でも、上記と同様に、有限要素法解析により各実施例２〜６（水準２〜６）及び比較例（水準１）の中空部材Ｗにおける延性破壊指数を推定した。解析条件は以下のとおりである。図５（ａ）の断面図に示されるような外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材Ｗ（出発材）を、中空部材Ｗの内径内に外径φ１０ｍｍのマンドレルを挿入し、中空部材Ｗの内径の縮径をマンドレルで制限しながら、図５（ｂ）の断面図に示すような、外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの軸部４１４と、外径φ１８ｍｍ、内径φ１０ｍｍの軸部４１３と、外径φ１６ｍｍ、内径φ１０ｍｍの軸部４１２と、外径φ１５ｍｍ、内径φ１０ｍｍの軸部４１１を持ち、それらが傾斜面４２３、傾斜面４２２、傾斜面４２１で繋がれた段付中空部材Ｗとなるように、各実施例２〜６（水準２〜６）及び比較例（水準１）の前方押出加工を行った。すなわち、加工後に得られる段付中空部材Ｗは、外径の異なる４つの軸部４１１、４１２、４１３、４１４を有し、各軸部は、その並び順に従って外径が細くなっている。なお、前方押出加工方法については、前述のとおりである。加工後の中空部材Ｗの長手方向軸（中心軸）と各傾斜面４２３，４２２、４２１のなす角度は全て３０°、傾斜面４２３，４２２、４２１の角部の曲率半径は０．５ｍｍとし、せん断摩擦係数ｍ＝０．１、軸対称モデル、金型は全て剛体、素材は剛塑性体（四角形要素）でＳ４３Ｃ球状化焼鈍材の変形抵抗曲線および材料定数ｃを使用した。また、各実施例２〜６（水準２〜６）及び比較例（水準１）にかかる前方押出加工の順番を表２に示す。例えば、実施例４（水準４）は、出発材である中空部材Ｗから２番目に細い軸部４１２を成形し、次いで、軸部４１２から最も細い軸部４１１を成形し、さらに、もっとも太い軸部４１４から３番目に細い軸部４１３を成形する。したがって、その順番は、図１（ｂ）に示す例に対応するものである。表２からわかるように、実施例２〜６では、それぞれ前方押出加工の順序が異なるものの、少なくとも１回は、太い軸部の成形（上記第１の工程）の前に細い軸部の成形（上記第２の工程）を行う。例えば、実施例２、６では、軸部４１２よりも細い軸部４１１の成形は、軸部４１２を成形するよりも先に行われる。また、実施例３，６では、軸部４１３よりも細い軸部４１２の成形は、軸部４１３を成形するよりも先に行われる。また、実施例４，５では、軸部４１３よりも細い軸部４１１の成形は、軸部４１３を成形するよりも先に行われる。各実施例２〜６（水準２〜６）及び比較例（水準１）の内径面延性破壊指数Ｉと減面率の結果を表２に示す。

表２によれば、比較例（水準１）の順序で前方押出加工を行った場合は、軸部４１１の内径面の延性破壊指数Ｉが１を超えたのに対し、実施例２〜６（水準２〜６）の場合は、いずれも軸部４１１の内径面の延性破壊指数Ｉが１未満であった。このような結果から、比較例（水準１）においては軸部４１１での内径面割れが生じる可能性が高く、実施例２〜６（水準２〜６）においては軸部４１１での内径面割れが抑制されていると予測される。

詳細には、比較例（水準１）では、軸部４１１は、１〜３工程目の全てにおいて前方押出加工を受け（すなわち、軸部４１１は３回前方押出加工を受ける）、且つ、１〜３工程目のいずれでも減面率が４８％以下であったため、各工程で大きく延性破壊指数が上昇し、最終的な軸部４１１の内径面の延性破壊指数Ｉが１を超えたものと推定される。

一方、実施例２（水準２）では、比較例（水準１）と比べて、軸部４１１における最終的な内径面の延性破壊指数Ｉは０．４４にまで低減された。これは、実施例２（水準２）では、軸部４１１が前方押出加工を受ける回数が２回に減ったため、比較例（水準１）と比べて、軸部４１１における最終的な延性破壊指数Ｉが低減されたと推定される。また、実施例３、４（水準３、４）では、比較例（水準１）と比べて、軸部４１１における最終的な延性破壊指数Ｉは０．４０にまで低減された。この結果は、実施例３，４（水準３，４）では、軸部４１１が前方押出加工を受ける回数が２回に減り、且つ、軸部４１１が前方押出加工を受ける１工程目では減面率が４８．０％と高く、１工程目において軸部４１１の延性破壊指数Ｉがほとんど上昇しなかったため、比較例（水準１）と比べて、軸部４１１における最終的な延性破壊指数Ｉは低減されたと推定される。さらに、実施例５、６（水準５、６）では、比較例（水準１）と比べて、軸部４１１が前方押出加工を受ける回数が１回に減り、且つ、軸部４１１が前方押出加工を受ける１工程目での減面率が５８．３％と高く、１工程目の延性破壊指数Ｉが低く抑えられるため、軸部４１１における最終的な延性破壊指数Ｉは０．０２にまで低減された。

ところで、実施例３、４、６（水準３、４、６）では、軸部４１３よりも先に軸部４１２の成形を行ったため、軸部４１２を成形する際の減面率が大きく（４８．０％）となっている。このため、軸部４１１だけでなく、最終的な軸部４１２における延性破壊指数も、比較例（水準１）の軸部４１２の延性破壊指数Ｉに比べて低くなっている。具体的には、比較例（水準１）の軸部４１２の延性破壊指数Ｉが０．７０であったのに対し、実施例３，４，６（水準３、４、６）の軸部４１２の延性破壊指数Ｉは０．０４であった。なお、実施例２、５（水準２，５）の最終的な軸部４１２の延性破壊指数Ｉは、比較例（水準１）と同じ（０．７０）であったが、この数値は１以下であった。この結果は、実施例２、５（水準２，５）及び比較例（水準１）では、軸部４１２が受ける前方押出加工を受ける回数は２回であり、且つ、軸部４１２の受ける各前方押し出し加工における減面率も、２５．３％及び３０．４％と同じであるためと推定される。

なお、軸部４１３については、各実施例２〜６（水準２〜６）及び比較例（水準１）ともに、前方押出加工を受ける回数は１回であり、且つ、軸部４１３の受ける前方押し出し加工における減面率（２５．３％）は同じであるため、各実施例２〜６（水準２〜６）及び比較例（水準１）ともに、軸部４１３における最終的な延性破壊指数Ｉも同じ値（０．２８）となる。

すなわち、表３による結果から、前方押出加工を受ける回数を少なくすることによって、段付中空部材Ｗの内径面の割れを抑制することができることがわかった。さらに、前方押出加工の減面率を高くすることによって、段付中空部材Ｗの内径面の割れを抑制することができることがわかった。この減面率は、図３の結果から推測されるように、内径面の割れを効果的に抑制するためには４８％以上とすることが好ましい。したがって、前方押出加工の回数を少なくし、減面率を高くするためには、前方押出加工により一の軸部を成形した後に、この一の軸部よりも太い軸部をさらなる先方押出加工により成形することが好ましい。

次にマンドレルの使用の効果を確認するために以下の実施例を行った。なお、以下に示す実施例は、本発明の実施形態に係る前方押出加工のあくまでも一例であって、本発明の実施形態に係る中空部材の前方押出加工が、下記の例に限定されるものではない。

本実施例でも、上記と同様に、有限要素法解析により各実施例（水準７〜１１）及び各比較例（水準１２〜１６）の中空部材Ｗにおける延性破壊指数を推定した。解析条件は以下のとおりである。実施例（水準７〜１１）では、外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材Ｗを素材（出発材）として、素材の内径内にマンドレルを挿入し、さらにダイスとパンチを用いて、それぞれ１回の前方押出加工により、外径φ１９ｍｍ、内径φ１０ｍｍ（水準７）、外径φ１８ｍｍ、内径９ｍｍ（水準８）、外径φ１７ｍｍ、内径８ｍｍ（水準９）、外径φ１６ｍｍ、内径８ｍｍ（水準１０）、外径φ１５ｍｍ、内径９ｍｍ（水準１１）、に絞った。比較例（水準１２〜１６）では、同じく外径φ２０ｍｍ、内径φ１０ｍｍの中空部材Ｗを素材（出発材）として、素材の内径内にマンドレルを挿入することなく、ダイスとパンチのみを用いて、それぞれ１回の前方押出加工により、外径φ１８ｍｍ（水準１２）、外径φ１６ｍｍ（水準１３）、外径φ１５ｍｍ（水準１４）、外径φ１４ｍｍ（水準１５）、外径φ１２ｍｍ（水準１６）、に絞った。そして、前方押出加工後の段付中空部材Ｗの内径面の延性破壊指数Ｉを有限要素解析により推定した。さらに、各水準の前方押出加工後の段付中空部材Ｗの外径と内径を測り、減面率を上記と同様に算出した。なお、段付中空部材Ｗの長手方向軸（中心軸）と２つの軸部を繋ぐ傾斜面のなす角度（すなわちダイス角度）はすべて２０°である。その他の解析条件は次の通りである。傾斜面の角部の曲率半径は０．５ｍｍ、せん断摩擦係数ｍ＝０．１、軸対称モデル、金型は全て剛体、中空部材Ｗ（素材）は剛塑性体（四角形要素）でＳＣｒ４２０Ｈ球状化焼鈍材の変形抵抗曲線および材料定数ｃを使用した。この結果を表３および図６に示す。詳細には、表３には、実施例及び比較例の各水準の、段付中空部材Ｗの外径および内径と減面率と延性破壊指数Ｉとを示す。図６には、減面率に対する延性破壊指数Ｉの関係を示す。

図６に示すように、中空部材Ｗの内径内にマンドレルを挿入して、中空部材Ｗの内径の縮径をマンドレルで制限することで、減面率の大小に関係なく、前方押出加工後の中空部材Ｗの内径面での延性破壊指数Ｉが低下しており、マンドレルを用いることで内径面割れの抑制が可能になることが分かった。

以上により、本実施形態によれば、太い軸部よりも先に押し出しを行って細い軸部を成形することにより、前方押出加工を受ける回数を少なくすることによって、段付中空部材Ｗの内径面の割れを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、中空部材Ｗの内径内にマンドレルを挿入し、空部材Ｗの内径の縮径をマンドレルで制限しながら前方押出加工により成形することによって、中空部材Ｗの内径面の引張応力を緩和し、段付中空部材Ｗの内径面の割れを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、太い軸部よりも先に押し出しを行って細い軸部を成形することにより、前方押出加工の際の減面率を高くし、段付中空部材Ｗの内径面の割れを抑制することができる。この減面率は、内径面の割れを効果的に抑制するために、４８％以上とすることが好ましい。

加えて、本実施形態によれば、中空部材Ｗの加工硬化指数ｎ値によらず、内径面割れを抑制することができる。さらに、最も細い軸部以外の軸部でも内径面割れの抑制が可能である。

また、本実施形態は、中空部材Ｗの材質、特性を特に制限するものではない。例えば、本実施形態が適用可能な中空部材Ｗは、特定の加工硬化指数ｎ値を有する金属部材に制限されない。さらに、本実施形態においては、内径面割れが生じやすい材質に適用することが可能である。すなわち、本実施形態は、あらゆる金属の中空部材に適用可能である。本実施形態は、これらの金属部材のうち、鋼材であっても良い。さらに、本実施形態では、前方押出加工の順序を変更するだけなので、製造コストを大幅に増加させることがない。

さらに、本実施形態による中空部材の前方押出し加工方法は、前方押出加工の回数を上記説明のように限定するものではなく、２回以上の前方押出加工を行う中空部材の前方押出し加工方法であれば、適用することができる。したがって、最終的に成形される段付中空部材の段数又は軸部の数についても、特に限定されるものではない。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１１１、１１２、１１３、１１４、４１１、４１２、４１３、４１４ 軸部
１２１、１２２、１２３、４２１、４２２、４２３ 傾斜面
２００ 前方押出加工装置
２０１ ダイス
２０１ｂ 内径面
２０２ マンドレル
２３０ 外径絞り部
２３１ ランド部
２３２ 傾斜面
２３３ 逃げ部
Ｗ 中空部材

Claims (3)

1. 中空部材に２回以上の前方押出加工を行うことで、前記中空部材の外径面を２段階以上絞る前方押出加工方法であって、
   第１の外径を有する第１の軸部を前記前方押出加工により成形する第１の工程と、
   前記第１の外径よりも細い第２の外径を有する第２の軸部を前記前方押出加工により成形する第２の工程と、を含み、
   前記第２の工程は、前記第１の工程よりも先に行われることを特徴とする前方押出加工方法。
2. 前記第２の工程を行う際の減面率が４８％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の前方押出加工方法。
3. ダイス、パンチ及びマンドレルを用いて前記前方押出加工を行うこと特徴とする、請求項１又は２に記載の前方押出加工方法。
   

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