JP6468963B2

JP6468963B2 - 筒状体の成形方法

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Publication number: JP6468963B2
Application number: JP2015141129A
Authority: JP
Inventors: 早川　尚志; 尚志早川; 浩利西村; 徹江口; 恒彦木村
Original assignee: Sango Co Ltd
Current assignee: Sango Co Ltd
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2035-07-15
Also published as: JP2017019007A

Description

本発明は、筒状体の成形方法に関し、特に、回転塑性加工による筒状体の成形方法に係る。

内燃機関を搭載する自動車の排気ガス浄化装置である触媒コンバータやマフラ等の容量物においては、筒状体の両端部をテーパ状に縮径しパイプやフランジを接続することが一般的であり、各種センサの取付け座面やＥＧＲ（排気再循環）ガスの取り出し部を、テーパ状の縮径部に設けることが多くなっている。例えば、下記の特許文献１には、「内燃機関の排気系に設けられた触媒装置の下流にＥＧＲ取り出し管を接続し、排気を取り出して前記内燃機関の吸気系にＥＧＲガスとして還流させる内燃機関の排気還流装置において、前記触媒装置の下流に排気管を曲げながら接続すると共に、前記ＥＧＲ取り出し管を、前記排気管の曲げ方向側において接続するように構成した」装置が提案されている（特許文献１の段落〔００１２〕に記載）。

また、下記の特許文献２には、「複数のブランチ管の上流側端部がヘッドフランジを介してエンジンの排気口に接続される一方、下流側端部が集合部の上流側端部に接続され、前記集合部の下流側端部は排気浄化装置に接続されると共に、中途部に排気ガスの状態を検出するためのセンサが設けられたエキゾーストマニホールドにおいて、前記集合部の上流側端部から少なくともセンサの設置位置付近までを同一断面としたこと」が提案されている（特許文献２の段落〔０００６〕に記載）。

上記の特許文献１及び２においては、ＥＧＲ取り出し管の接続対象やセンサの設置対象がプレス製溶接構造体であったため、管の接続部やセンサの取付け台座といった取付部をプレス成形時に一体的に形成することが可能であった。しかし、上記筒状体にテーパ状の縮径部を一体的に形成するためスピニング加工を行うことが一般的となっている近時において、回転塑性加工であるスピニング加工時に上記の取付部を一体的に形成することは至難である。これを可能とするため、下記の特許文献３において「筒状ワークの端部にスピニング加工によって非回転対称の異形断面形状部分を形成し得る筒状ワークの端部加工方法」が提案され（特許文献３の段落〔０００７〕に記載）、その「異形断面形状部分」が上記の取付部に対応している。

更に、下記の特許文献４には、「金属板を金型によるプレス成形によって成形加工するプレス成形加工工程と、前記プレス成形加工工程の後に、前記金属板をインクリメンタル成形によって加工するインクリメンタル成形加工工程と、を具備し、前記インクリメンタル成形加工工程は、最終工程とされ、前記インクリメンタル成形加工工程には、前記プレス成形加工工程によって成形加工された形状を元の形状に復元する成形加工が含まれる」金属板の成形加工方法が提案されている（特許文献４の段落〔０００８〕に記載）。尚、「インクリメンタル成形加工とは、金型を用いることなく、棒状工具をワークに押し付け、棒状工具を移動させながらワークを少しずつ引き伸ばして成形加工する成形加工方法」である旨説明されている（特許文献４の段落〔０００３〕に記載）。

特開２００４−２７８３４２号公報特開２００８−３０９０５６号公報特許第５４９５４９６号公報特許第５６９６６８２号公報

然しながら、上記特許文献３で提案された筒状ワークの端部加工方法においては、通常のスピニング加工に比べて軌道制御されるローラの公転速度が遅くならざるを得ず、加工時間が長くなる。また、通常のスピニング加工によってテーパ状の縮径部を形成した後に、プレス加工によって縮径部に上記の取付部を形成することも可能ではあるが、スピニング加工によって加工硬化された部分をプレス成形するには大きな加工圧が必要となり、また、それを受け止めるために種々の対策を講ずる必要があるので、プレス加工による追加工は現実的な解決策とはなり得ない。

また、上記の特許文献４に記載のインクリメンタル成形加工は、「前記プレス成形加工工程の後に、前記金属板をインクリメンタル成形によって加工する」と記載されているように、プレス加工された金属板に対して行われることを前提としており、スピニング加工された金属板を加工対象とするものではない。従って、スピニング加工によってテーパ状に形成された縮径部を加工対象とするものでもなく、スピニング加工によって加工硬化した縮径部に対し前述の取付部を形成し得る適切な成形方法が切望されていた。

そこで、本発明は、回転塑性加工による筒状体の成形方法において、テーパ状の縮径部に対し適切且つ容易に取付部を形成し得る成形方法を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、回転塑性加工による筒状体の成形方法であって、前記筒状体の軸を中心に公転する第１の押圧工具が前記筒状体の外周面を押圧しながら前記筒状体の軸芯方向に相対的に駆動されて前記筒状体の少なくとも一部を縮径する第１の回転塑性加工によって、前記筒状体の一端部にテーパ状の縮径部を形成する第１の工程と、前記縮径部の外周面に対し面直方向に第２の押圧工具が公転駆動されて前記縮径部を押圧する第２の回転塑性加工によって、前記縮径部に環状凹部を形成する第２の工程と、前記環状凹部の内側に開口部を形成する第３の工程とから成る筒状体の成形方法を提供するものである。

上記の筒状体の成形方法において、前記第１の押圧工具が、前記筒状体の軸を中心に公転する少なくとも一つのローラで構成され、前記第１の回転塑性加工が、前記ローラによるスピニング加工であり、前記第２の押圧工具が、前記縮径部の外周面に垂直な軸を中心に公転する少なくとも一つの棒状工具で構成され、前記第２の回転塑性加工が、前記棒状工具によるインクリメンタル加工である構成とするとよい。

前記第２の工程においては、前記筒状体の前記環状凹部に対応する部分の内側に当接するように受型を配置し、該受型によって前記筒状体を支持しつつ前記インクリメンタル加工を行い、前記第３の工程においては、前記環状凹部の内側に残置される前記筒状体の非加工部の少なくとも一部を切除して前記開口部を形成するように構成するとよい。

更に、前記第３の工程においては、前記開口部の内側縁部が残置するように前記開口部を形成すると共に、前記棒状工具によって、前記内側縁部に対し前記開口部の中心から外方に、且つ、前記筒状体の内側から外側に向かって押圧し、前記内側縁部を引き起こして延出筒部を形成するように構成するとよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明の筒状体の成形方法においては、筒状体の軸を中心に公転する第１の押圧工具が筒状体の外周面を押圧しながら筒状体の軸芯方向に相対的に駆動されて筒状体の少なくとも一部を縮径する第１の回転塑性加工によって、筒状体の一端部にテーパ状の縮径部を形成する第１の工程と、縮径部の外周面に対し面直方向に第２の押圧工具が公転駆動されて縮径部を押圧する第２の回転塑性加工によって、縮径部に環状凹部を形成する第２の工程と、環状凹部の内側に開口部を形成する第３の工程とから成り、第１の回転塑性加工によって加工硬化した縮径部に対しても、第２の回転塑性加工によって、塑性変形を伴う追加工が可能となるので、前述の取付部に供され得る環状凹部を適切且つ容易に形成することができる。

上記の筒状体の成形方法において、第１の押圧工具が、筒状体の軸を中心に公転する少なくとも一つのローラで構成され、第１の回転塑性加工が、ローラによるスピニング加工であり、第２の押圧工具が、縮径部の外周面に垂直な軸を中心に公転する少なくとも一つの棒状工具で構成され、第２の回転塑性加工が、棒状工具によるインクリメンタル加工である構成とすれば、スピニング加工によって加工硬化した縮径部に対しても、インクリメンタル加工によって、塑性変形を伴う追加工によって確実に環状凹部を形成ことができる。

前記第２の工程において、筒状体の環状凹部に対応する部分の内側に当接するように受型を配置し、この受型によって筒状体を支持しつつインクリメンタル加工を行い、第３の工程においては、環状凹部の内側に残置される筒状体の非加工部の少なくとも一部を切除して開口部を形成するように構成すれば、受型によって筒状体の非加工部は保持され、その周囲が第２の押圧工具によって相対的に押し下げられることになるので、非加工部の変形を抑えつつ効率的にインクリメンタル加工を行うことができる。

更に、前記第３の工程において、開口部の内側縁部が残置するように開口部を形成すると共に、棒状工具によって、内側縁部に対し開口部の中心から外方に、且つ、筒状体の内側から外側に向かって押圧し、内側縁部を引き起こして延出筒部を形成するように構成すれば、開口部周りに行う立ち上がり加工、所謂バーリング加工を適切に行うことができ、延出筒部を適切且つ容易に形成することができる。

本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法によって製造される触媒コンバータを示す正面図である。本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法によって製造される触媒コンバータを示す平面図である。本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法によって製造される触媒コンバータを示す側面図である。本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法を示す工程図である。本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法におけるインクリメンタル加工を示す工程図である。本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法によって形成した縮径部の一部を拡大して示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法によって形成した縮径部の他の態様の一部を拡大して示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法におけるバーリング加工を示す工程図である。本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法においてバーリング加工を行った縮径部の一部を拡大して示す斜視図である。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図３は、本発明の一実施形態に係る筒状体の成形方法によって製造される最終製品の一例として触媒コンバータを示している。尚、図示した触媒コンバータのほか、例えば自動車用の消音器、ディーゼルパティキュレートフィルタ、浄化フィルタ、燃料電池用吸排気系部品等、並びに各種圧力容器に供される。本実施形態において加工対象とするワーク（筒状体）はステンレススティール管であるが、これに限らず他の金属管を用いることとしてもよい。

図１乃至図３に示すように、本実施形態の筒状体１０は、筒体部１１と、この両端に一体的に形成された縮径部１２及び１３、並びに小径部１４及び１５を備え、一方の縮径部１２に、再循環ガス流路（ＥＧＲパイプ）の接合部２０が形成されている。尚、この接合部２０に代えて、あるいは、これに加えて、センサ取付け座面（図示せず）を形成することとしてもよい。

本発明においては、上記の触媒コンバータを製造するため、回転塑性加工による筒状体の成形方法が適用されるが、本実施形態は、基本的に図４に示す（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の三工程から成る。即ち、先ず第１の工程（Ａ）において、筒状体１０の軸（１０ｃで示す）を中心に公転する第１の押圧工具（図示せず）が筒状体１０の外周面を押圧しながら筒状体１０の軸芯方向に相対的に駆動されて筒状体１０の少なくとも一部を縮径する第１の回転塑性加工によって、筒状体１０の一端部にテーパ状の縮径部１２が形成される。より具体的には、筒状体１０の軸１０ｃを中心に公転する少なくとも一つのローラ（図示せず）によって第１の押圧工具が構成され、第１の回転塑性加工として、特許文献３と同様、ローラによるスピニング加工が行われる。

本実施形態においては、筒状体１０の中央部に触媒担体（図示せず）が（圧入又は挿入後に筒状体１０を縮径して）収容、保持された状態の筒状体１０の両端部に対しスピニング加工が行われ、縮径部１２及び１３並びに小径部１４及び１５が一体的に形成される。尚、小径部１４及び１５の軸芯は筒体部１１（中央部）の軸芯に対して同軸でも非同軸（偏芯、傾斜、捩じれ）でも構わないが、図１乃至図３は、車載を前提とした触媒コンバータにおいて一般的な傾斜形状の態様（筒体部１１の軸芯と小径部１４及び１５の軸芯とが同一面内で傾斜状態にある）を示している。

次に、第２の工程（Ｂ）においては、縮径部１２の外周面に対し面直方向に第２の押圧工具が公転駆動されて縮径部１２を押圧する第２の回転塑性加工によって、縮径部１２に環状凹部２１が形成される。より具体的には、上記の縮径部１２の外周面に垂直な軸を中心に公転する棒状工具２によって第２の押圧工具が構成され、第２の回転塑性加工として、棒状工具２によるインクリメンタル加工（逐次張出成形）が行われる。而して、縮径部１２の外周面に一定領域に亘る独立面（座面）の環状凹部２１が形成され、その内側（中央）が非加工部（非押圧部）として残置され、相対的に凸部が形成されることになる。このインクリメンタル加工については、図５を参照して後述する。

そして、第３の工程（Ｃ）において、環状凹部２１の内側に開口部２２が形成される。より具体的には、環状凹部２１の内側に残置される筒状体１０の非加工部（縮径部１２の一部１２ａ）が、レーザ加工等の任意の切除手段によって切除され、開口部２２が形成される。而して、開口部２２の周縁部（環状凹部２１の内側）に円筒部２３が形成された態様となり、この円筒部２３に前述の再循環ガス流路（ＥＧＲパイプ）が接合されるように構成され、図１乃至図３に示す接合部２０が形成される。更に、所謂バーリング加工によって開口部２２の周縁部を引き起こし、図９に示すように（円筒部２３に連続する）延出筒部２４を形成することとしてもよく、これについては図８を参照して後述する。

ここで、上記のインクリメンタル加工について説明すると、図５に示すように、環状凹部２１に対応する部分の内側に当接するように受型３が配置され、この受型３によって筒状体１０の縮径部１２を支持しつつ棒状工具２が公転駆動され、（Ｂ１）乃至（Ｂ３）の予備成形工程において、棒状工具２が公転駆動されて縮径部１２が塑性加工され、（凸部を有する）中間素材が形成される。尚、図５中の矢印は棒状工具２の公転径の増減及び進退作動による移動方向を示している。更に、図示しない第３の工程（Ｃ）において筒状体１０の非加工部（縮径部１２の一部１２ａ）が切除されて（Ｂ４）に示す開口部２２が形成され、（凸部周囲に独立面（座面）を有すると共に凸部に開口を有する）接合部２０が形成される。そして、（Ｂ４）の意匠成形工程において、棒状工具２によって環状凹部２１及び円筒部２３が所望の形状に成形される。

而して、図６に示すように、環状凹部２１、開口部２２及び円筒部２３から成る接合部２０が形成され、この接合部２０（凸部周縁）に再循環ガス流路（ＥＧＲパイプ）が嵌合され、例えば溶接によって固定される。尚、各種センサを取り付ける場合は、センサ台座（図示せず）を環状凹部２１（座面）に載置すると共にセンサ台座の開口を円筒部２３（凸部）に嵌合して、例えば溶接によって固定すればよい。

尚、図５に示す（Ｂ４）の工程においては、前述のように、筒状体１０の非加工部（縮径部１２の一部１２ａ）が第３の工程（Ｃ）にてレーザ加工等の任意の切除手段によって切除され、開口部２２（及び円筒部２３）が形成された後に、棒状工具２によってインクリメンタル加工が行なわれ、環状凹部２１及び円筒部２３が図６に示す所望の形状に成形されるように構成されているが、図７に示すように、環状凹部２１が形成された後に、筒状体１０の非加工部（縮径部１２の一部１２ａ）を図７の破線に沿って切除して開口部２２を形成することとしてもよい。

以上のように、第２の回転塑性加工として、部分的変形を重畳し成形していく逐次加工の一種であるインクリメンタル加工を適用することで、第１の回転塑性加工としてスピニング加工を行ったときに加工硬化した部分であっても、塑性変形を伴う追加工が可能となる。しかも、プレス加工による成形のように一定面積に亘り強い力で均一に押圧するものではないため、材料の塑性流動を促し、割れ等の不具合を伴うことなく成形が可能である。従って、プレス加工時のような強大な力を受けるための大きく強固な受型を筒状体１０の内部に配置（及び取り出し）する必要もない。

尚、本実施形態のように、縮径部１２に環状凹部２１、開口部２２及び円筒部２３が形成される（独立面の中央部に凸部及び開口が設けられる）場合には、円筒部２３（凸部）に相当する部分の内側に当接し荷重を受けるような受型３を、縮径部１２の内部に配設するとよい。この受型３によって円筒部２３（凸部）の頂面部分が保持されることになるので、その周囲の部材が第２の押圧工具の棒状工具２によって相対的に押し下げられ、効率的である。このとき、円筒部２３（凸部）の頂面部分が直接押圧されることはないが、周囲から引っ張られることによって頂面部分の変形が防止される。受型３自体は部分的に対応し得るものでよく、且つ、直接的な加工圧を受けるものではないので、簡素な構造、許容可能な大きさで済み、縮径部１２の内部への配置（及び取り出し）も容易である。また、円筒部２３及び開口部２２（凸部及び開口）が不要であれば、環状凹部２１を滑らかな独立面（座面）とすればよく、この独立面は平面でも曲面でもよい。

上記のインクリメンタル加工を経て図７に示す形状とした後、更に、図８に示すようにバーリング加工を行なうことにより、図９に示す延出筒部２４を形成することができる。この場合には、前述の棒状工具２とは先端部の形状が異なる図８に示す棒状工具２ｘによって、開口部２２の内側縁部に対し開口部２２の中心から外方に、且つ、筒状体１０の内側から外側に向かって押圧され、内側縁部を引き起こして延出筒部２４が形成される。即ち、図７に示す破線に沿って筒状体１０の非加工部（縮径部１２の一部１２ａ）が切除された後、開口部２２の内側縁部に対し、図８の工程（Ｄ１）において、バーリング加工の予備成形として棒状工具２ｘによる立ち上がり成形（つば起こし）が行われ、工程（Ｄ２）において、棒状工具２ｘによる意匠成形が行われる。

而して、図９に示すように、円筒部２３に連続して延出筒部２４が形成される。換言すれば、図５に示した中間素材の凸部頂面に、頂面径よりも小さい径の開口（開口部２２）を穿設し、残った（頂面の）内側縁部に対し公転する第２の押圧工具（棒状工具２ｘ）にてバーリング加工を施して内側縁部を引き起こし（延出筒部２４を形成し）、凸部側壁の高さ（座面から先端までの実質高さ）をかせぐこととしている。尚、バーリング加工時に円筒部２３を外側から拘束する押え治具２ｙ（図８に一部を破線で示す）を配設することとしてもよい。

２，２ｘ棒状工具
３受型
１０筒状体
１１筒体部
１２，１３縮径部
１４，１５小径部
２０接合部
２１環状凹部
２２開口部
２３円筒部
２４延出筒部

Claims

回転塑性加工による筒状体の成形方法であって、前記筒状体の軸を中心に公転する第１の押圧工具が前記筒状体の外周面を押圧しながら前記筒状体の軸芯方向に相対的に駆動されて前記筒状体の少なくとも一部を縮径する第１の回転塑性加工によって、前記筒状体の一端部にテーパ状の縮径部を形成する第１の工程と、前記縮径部の外周面に対し面直方向に第２の押圧工具が公転駆動されて前記縮径部を押圧する第２の回転塑性加工によって、前記縮径部に環状凹部を形成する第２の工程と、前記環状凹部の内側に開口部を形成する第３の工程とから成ることを特徴とする筒状体の成形方法。
前記第１の押圧工具が、前記筒状体の軸を中心に公転する少なくとも一つのローラで構成され、前記第１の回転塑性加工が、前記ローラによるスピニング加工であり、前記第２の押圧工具が、前記縮径部の外周面に垂直な軸を中心に公転する少なくとも一つの棒状工具で構成され、前記第２の回転塑性加工が、前記棒状工具によるインクリメンタル加工であることを特徴とする請求項１記載の筒状体の成形方法。
前記第２の工程においては、前記筒状体の前記環状凹部に対応する部分の内側に当接するように受型を配置し、該受型によって前記筒状体を支持しつつ前記インクリメンタル加工を行い、前記第３の工程においては、前記環状凹部の内側に残置される前記筒状体の非加工部の少なくとも一部を切除して前記開口部を形成することを特徴とする請求項２記載の筒状体の成形方法。
前記第３の工程においては、前記開口部の内側縁部が残置するように前記開口部を形成すると共に、前記棒状工具によって、前記内側縁部に対し前記開口部の中心から外方に、且つ、前記筒状体の内側から外側に向かって押圧し、前記内側縁部を引き起こして延出筒部を形成することを特徴とする請求項３記載の筒状体の成形方法。