JP7001049B2 - 金属管のフレア加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属管のフレア加工方法に関するものである。

液体、気体等の送給に使用される金属配管は、用途や目的に応じて、曲げ加工や分岐配管加工をして設置される。そのため、種々の配管部品を接合するため、金属配管の管端部には継手加工が施されることがある。
部品の溶接や、素管のネジ加工をする必要がなく、比較的簡便な継手構造として、管端部を口拡げ加工してつば部を形成したテーパーフランジ継手がある。テーパーフランジ継手は、フランジの間に樹脂製あるいは金属製のＯリングやガスケットを挟み、カプラで締め付ける様式である。

テーパーフランジ継手を成形するには、管端部の口拡げ加工であるフレア加工を行う必要があり、フレア加工の簡便な方法として、素管の管端部に目標とする開き角度の円錐凸金型をパンチとして押込む加工方法が一般的である。

テーパーフランジ継手の用途では、管端部に比較的大きな開き角を必要とし、概ね60度以上の開き角でテーパーフランジ形状にフレア加工される。
しかしながら、図４に示すとおり、上述したような従来の一般的なプレス加工では、円錐凸金型３１の開き角が大きい場合、管端が円錐凸金型３１から離れ、カールした状態となり、テーパーフランジ形状にならないという問題があった。

このようなカールを回避するためには、管端の加工部が金型から離れない程度の小さな開き角の円錐凸金型から成形を始め、徐々に大きな開き角の円錐凸金型に交換しながら複数工程に分けて行えばよい。（例えば特許文献１の図４参照）

特開２０１７－１２７８８０号公報

しかしながら、複数工程で行うフレア加工にも課題があり、この点について、図５を用いて説明する。
図５に示す例は、目標形状である開き角６０度のテーパーフランジ形状を、３工程で加工するものである。
図５（ａ）は第１工程を示す図であり、開き角θが３０度の円錐凸金型３３を使用する。図５（ｂ）は第２工程を示す図であり、開き角θが４５度の円錐凸金型３５を使用する。図５（ｃ）は最終工程を示す図であり、目標形状である開き角θが６０度の円錐凸金型３７を使用する。

図５（ａ）に示す第１工程では管端が円錐凸金型３３に沿って加工されている。
しかし、図５（ｂ）に示す第２工程では管端加工部であるつば部に波うち形状３９が生じて円錐凸金型３５から浮いた箇所が見られ、図５（ｃ）に示すその後の最終工程でも、波うち形状３９は解消されずに残った。

上述したように、複数工程に分けて加工された管端には、不整な波うち形状が残る場合がある。このような形状不整が著しい場合には、Ｏリングやガスケットとの接触が不均一となり、気密不良の原因になるため好ましくない。
そのため、必要に応じてパイプの外側に同じ開き角の円錐凹金型を配置し、円錐凸金型との間でフレア加工部を挟圧する所謂リストライク工程を追加して波うち形状を矯正する必要があり（図示なし）、工程数がさらに増えるという問題がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、開き角の大きなテーパーフランジ形状でも工程数を増やさずに、形状不整を低減して成形することができる金属管のフレア加工方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るフレア加工方法は、外径Ｄ、板厚ｔである円筒状の金属管の先端につば部を成形するフレア加工方法であって、円錐台表面形状の凸側成形面部を有する凸金型と、該凸金型の前記凸側成形面部と同じ開き角度を有する円錐台表面形状の凹側成形面部及び該凹側成形面部の内周から円筒状に連続する凹側円柱面部を有する円筒形状の凹金型とを、前記凸側成形面部と前記凹側成形面部の間にｔ以上１．２ｔ以下である隙間ｄ１を介して対向配置し、前記凹側円柱面部の内側に挿入した金属管の一端を前記凸側成形面部に押し付けて、前記金属管の一端を前記隙間ｄ１に挿入させることでつば部を成形することを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記凸金型は円錐台形状であり、前記凸側成形面部の最小円部に前記金属管を前記隙間ｄ１に案内するＲ部が形成され、該Ｒ部の曲率半径を３ｍｍ以上に設定したことを特徴とするものである。

（３）また、上記（２）に記載のものにおいて、前記凸金型は、前記Ｒ部から連続し、前記凹側円柱面部に隙間ｄ２を介して挿入配置される凸側円柱面部を有し、該凸側円柱面部の長さを５ｍｍ以上Ｄ／２以下に設定したことを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記凸金型は円錐台形状であり、前記凸側成形面部の最小円部から連続し、前記凹側円柱面部に隙間ｄ２を介して挿入配置される凸側円柱面部を有し、該凸側円柱面部の長さを５ｍｍ以上Ｄ／２以下に設定したことを特徴とするものである。

本発明においては、円錐台表面形状の成形面部を備えた凸金型と凹金型を、成形面部の間に隙間を介して固定配置し、金属管の一端を凸金型の成形面部に押し付け、加工部を前記隙間に挿入させてつば部を成形するようにしたことで、開き角の大きなテーパーフランジ形状でも工程数を増やさずに、形状不整を低減してフレア加工することができる。

本発明の実施の形態１に係るフレア加工の工程を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るフレア加工の工程を説明する図である。 本発明にかかる凸金型の他の態様を示す図である。 従来のフレア加工の課題を説明する図である。 従来の他の態様によるフレア加工の課題を説明する図である。

［実施の形態１］
本実施の形態に係るフレア加工方法は、図１に示すとおり、凸金型１と凹金型３からなるフレア加工金型５を用いて、金属管７の管端を凸金型１に押し付けてテーパーフランジ形状にフレア加工するものである。フレア加工金型５、または金属管７、またはその双方が移動することによって、金属管７の管端は、凸金型１に押し付けられる。

本実施の形態では、例えば、ステンレス鋼管などの金属製の鋼管を加工対象としており、外径Ｄ＝φ３０～８０ｍｍ、板厚ｔ＝１．０ｍｍ～２．０ｍｍの金属管を適用可能である。これは、後述する他の実施の形態においても同様である。
フレア加工金型５の構成について、以下、図１（ａ）を用いて具体的に説明する。

＜凸金型＞
凸金型１は円錐台形状をしており、その表面に円錐台表面形状の凸側成形面部９を備えている。凸金型１の中心軸１１を図中の一点鎖線で示す。

凸側成形面部９の中心軸１１からの開き角θはフレア加工後の目標とする開き角である。
凸側成形面部９を金属管７の管端の内周面に押し付けながらプレス成形を進めることで、金属管７の管端は凸側成形面部９に沿って拡管加工され、所望の開き角にフレア加工することができる。

＜凹金型＞
凹金型３は、円筒形状をしており、上述した凸金型１の凸側成形面部９と対向配置される凹側成形面部１３、金属管７を挿入可能な径をもつ凹側円柱面部１５を備えている。凹側成形面部１３および凹側円柱面部１５の中心軸が凸側成形面部９の中心軸１１と一致するように配置され、凸金型１と着脱可能に固定される。図中、凹金型３の中心軸と凸金型の中心軸１１は同一の符号を付してある。

≪凹側成形面部≫
凹側成形面部１３は凸側成形面部９と同じ開き角を有する円錐台表面形状の加工面であり、凹金型３の一端（凸金型１側）に形成されている。凹側成形面部１３は、凸側成形面部９と後述する隙間ｄ１を介して対向配置され、成形途中に凸側成形面部９から離れた金属管７の端部を支持することで、従来の加工方法の課題となっていた管端のカールを防止する機能を有する。

≪凹側円柱面部≫
凹側円柱面部１５は、凹側成形面部１３の内周（最小円部）から連続して形成されており、その形状は加工する金属管７の外径Ｄとほぼ同径の直径を有する円柱面状となっている。金属管７を凹側円柱面部１５の内側に挿入することで、金属管７の中心軸と凸金型および凹金型の中心軸１１が一致する。

上述したような凸金型１と凹金型３は、図１に示すように中心軸１１を一致させ、凸側成形面部９と凹側成形面部１３を対向配置させて固定される。その際、凸側成形面部９と凹側成形面部１３の間に隙間ｄ１を設ける。
隙間ｄ１の大きさは板厚ｔの金属管７の管端が挿入可能な程度あればよく、通常拡管加工部分は円筒状に引き伸ばされるため、その板厚は加工前の板厚から厚くなることはなく、ｔ≦ｄ１≦１．２ｔの範囲で設定すればよい。

以上のように構成された本実施の形態に係るフレア加工金型５を用いてフレア加工する方法について、図１（ａ）～図１（ｃ）を用いて説明する。

まず、凸側成形面部９と凹側成形面部１３が隙間ｄ１を介して対向配置されるように凸金型１と凹金型３を固定し、チャッキング１７に固定した金属管７の一端部を凹側円柱面部１５の内側に挿入する。
金属管７を凹金型３に挿入することによって、金属管７と凸金型１および凹金型３の中心軸１１は一致する。

図１（ａ）は凹側円柱面部１５に挿入した金属管７の管端の内周面が凸金型１の凸側成形面部９に当接した状態である。
この状態からフレア加工金型５を金属管７に押し付けることで、金属管７の管端が押し拡げられながら、図１（ｂ）に示すように隙間ｄ１に入り込む。

フレア加工金型５をさらに金属管７に押し付けることにより、凸側成形面部９に沿って金属管７の拡管成形が進み、図１（ｃ）に示すように、金属管７のフレア加工部分が隙間ｄ１内に形成され、所望する開き角のフレア加工が完了する。

成形が完了した後、固定されていた凸金型１と凹金型３を分離して、金属管７を凹金型３の凹側成形面部１３側に引き抜いて取り出す。

以上のように、本実施の形態においては、凸側成形面部９と凹側成形面部１３の間に隙間ｄ１を設けたフレア加工金型５を用いることにより、開き角の大きい加工であっても、従来の加工方法で課題となっていた管端のカールを生じさせることなく、フレア加工が可能となる。
また、開き角の大きいフレア加工であっても工程数を増やすことなく、１工程での加工を可能にしたことで、従来の加工方法で課題となっていた複数工程の加工によってつば部に生じていた不整な波打ち形状の発生を防ぐことができる。

なお、上記の説明では、円錐台形状の凸金型１を例示したが、凸金型１は円錐台表面形状の凸側成形面部９を備えていればよく、凸金型１自体の形状が限定されるものではなく、例えば円錐形状であってもよい。

また、円筒形状の凹金型３を例示したが、凹金型３は円錐台表面形状の凹側成形面部１３を有し、金属管７を挿入可能であればよく、凹金型３自体の形状が限定されるものではない。

［実施の形態２］
本実施の形態に係るフレア加工方法は、実施の形態１で説明した凸金型１（図１参照）に代えて、図２に示すような凸金型１９を構成の一部としたフレア加工金型２１を用いるものである。
凹金型３については実施の形態１と同様であるため、本実施の形態では実施の形態１と同一の符号を付して説明を省略する。また、凸金型１９についても、実施の形態１と同様の部分については同一の符号を付してある。
本実施の形態の特徴である凸金型１９について、以下、具体的に説明する。

＜凸金型＞
凸金型１９はフレア加工の加工面となる凸側成形面部９、凸側成形面部９から連続して形成されるＲ部２３、Ｒ部２３から連続して形成される凸側円柱面部２５を備えている。
凸側成形面部９は実施の形態１と同様であるため説明を省略し、Ｒ部２３と凸側円柱面部２５について、図２（ａ）を用いて以下に説明する。

≪Ｒ部≫
Ｒ部２３は図２（ａ）の破線円で囲った拡大図に示す通り、凸側成形面部９の最小円部（金属管の管端が最初に当接する部分）から連続して形成されており、その表面形状は曲率半径Ｒを有する凹曲面となっている。
金属管７が最初に凸側成形面部９に当接する箇所は、押込み荷重が最も大きくなる箇所であるが、その箇所にＲ部２３を設けることで、金属管７の管端を隙間ｄ１に容易にガイドでき、押込み荷重を抑えることができる。

加工に要する荷重が大きいと、出力の大きい加工装置が必要となるばかりでなく、金型や金属管の損傷や、金属管の座屈要因にも成り得るため、上記のように押込み荷重を抑えることによって、それらを防止または低減するという効果が得られる。

押込み荷重を低減する効果を得るためには、Ｒ部２３の曲率半径Ｒは３ｍｍ以上が好ましい。
また、荷重低減の観点では曲率半径Ｒの上限を設ける必要は特にないが、曲率半径Ｒが大きいと、有効なフランジ面を得るための押込みストロークが長くなってしまうため、Ｒ部２３の曲率半径Ｒは１０ｍｍ以下とするのが好ましい。

≪凸側円柱面部≫
凸側円柱面部２５はＲ部２３から連続して形成されており、その形状は長さＬを有する円柱面状となっている（図２（ａ））。凸側円柱面部２５の中心軸は凸側成形面部９の中心軸１１と一致している。
開き角の大きいフレア加工を行う場合、金属管が凸金型に当接する近傍で、金属管の内側への座屈が生じることがあるが、金属管７の内側に円柱面状の凸側円柱面部２５を設けることで、このような座屈を抑制することができる。

座屈抑制の効果を得るためには、凸側円柱面部２５の長さＬは５ｍｍ以上あるのが好ましい。
また、座屈抑制の観点では長さＬの上限を設ける必要は特にないが、長さＬが必要以上に長いと、加工前の金属管の取付けや加工後の金属管の取外しの作業を阻害してしまうため、凸側円柱面部２５の長さＬは金属管の外径Ｄの１／２以下とするのが好ましい。

上述したような凸金型１９と凹金型３は、図２に示すように、凸側円柱面部２５を、凹側円柱面部１５の内側に挿入し、中心軸１１を一致させて固定される。その際、凸側成形面部９と凹側成形面部１３の間に隙間ｄ１を設ける点は実施の形態１と同様である。
また、凸側円柱面部２５と凹側円柱面部１５との間に隙間ｄ２を設ける。

隙間ｄ２は金属管７を挿入するためのものであり、その大きさは板厚ｔの金属管７が挿入可能な程度あればよいが、小さすぎると金属管を挿入する加工準備や金属管の取外しの作業が阻害されるばかりでなく、製品の傷付きの原因となる。逆に、隙間ｄ２が大きすぎると金属管に偏芯や座屈などの不整変形が生じやすくなる。
そのため、隙間ｄ２は金属管７の板厚ｔに対し、１．１ｔ≦ｄ２≦１．５ｔの範囲で設定するのが好ましい。

以上のように構成された本実施の形態に係るフレア加工金型２１を用いてフレア加工する方法について、図２（ａ）～図２（ｃ）を用いて説明する。

まず、凸側円柱面部２５を凹側円柱面部１５の内側に挿入し、凸側円柱面部２５と凹側円柱面部１５が隙間ｄ２を介して対向配置され、かつ、凸側成形面部９と凹側成形面部１３が隙間ｄ１を介して対向配置されるように凸金型１９と凹金型３を固定し、チャッキング１７に固定した金属管７の一端部を隙間ｄ２に挿入する。
金属管７を隙間ｄ２に挿入することによって、金属管７と凸金型１９および凹金型３の中心軸１１は一致する。

図２（ａ）は隙間ｄ２に挿入した金属管７の管端の内周面が凸金型１９のＲ部２３に当接した状態である。
この状態からフレア加工金型２１を金属管７に押し付けることで、金属管７の管端はＲ部２３の凹曲面に沿って押し拡げられながら、図２（ｂ）に示すように、隙間ｄ１に入り込む。

金属管７が凸金型１９に押しつけられる際には、通常押込み荷重が上昇するが、金属管７が最初に当接する箇所であるＲ部２３が凹曲面となっていることで、押込み荷重の上昇を低減させながら成形を進めることができる。

また、加工開始時においては、金属管７における凸金型１９に当接している箇所の近傍が内側へ座屈しやすいが、本実施の形態においては、当該箇所に凸金型１９の凸側円柱面部２５が配置されており、この凸側円柱面部２５が金属管７の内周面を支持することで座屈を防ぎ、安定したフレア加工を可能としている。

図２（ｂ）に示した状態から、フレア加工金型２１をさらに金属管７に押し付けることにより、凸側成形面部９に沿って金属管７の拡管成形が進み、図２（ｃ）に示すように、金属管７のフレア加工部分が隙間ｄ１内に形成され、所望する開き角のフレア加工が完了する。

成形が完了した後、固定されていた凸金型１９と凹金型３を分離して、金属管７を凹金型３の凹側成形面部１３側に引き抜いて取り出す。

以上のように、本実施の形態においては、金属管７の管端が当接する凸金型１９の箇所にＲ部２３を設けたことで、押込み荷重の上昇を低減しながら金属管７の管端を隙間ｄ１にガイドすることができる。
また、凸金型１９に凸側円柱面部２５を設けたことにより、金属管７の内側への座屈を防ぎ、開き角の大きい加工であっても、安定したフレア加工が可能となる。

上述した実施の形態に加えて、フレア加工金型に表面処理を施して金型の摩耗を抑制したり、潤滑油を用いて金型と金属管の摩擦を低減したりするなど、公知の対策を適宜併用して押込み荷重を低減させることは好ましく、より安定したフレア加工が期待できる。

なお、上記の説明では、Ｒ部２３および凸側円柱面部２５を備えた凸金型１９を例示したが、Ｒ部２３または凸側円柱面部２５のどちらかのみを備えていてもよく、例えば図３（ａ）に示すようなＲ部２３のみを備えた凸金型２７や、図３（ｂ）に示すような凸側円柱面部２５のみを備えた凸金型２９であってもよい。

本発明の実施の形態による作用効果について、具体的な実施例に基づいて説明する。
本実施例では、外径Ｄ＝φ４８．６ｍｍ、板厚ｔ＝１．２ｍｍのフェライト系ステンレス鋼管を素管として用い、管端に凸金型を押しつけてフレア加工を行った。

フレア加工の目標とする開き角θを３０度～９０度の範囲で５度ずつ角度を変更しながら、従来例（図４参照）、発明例１（実施の形態１（図１参照））、発明例２（実施の形態２（図２参照））のそれぞれの方法によるフレア加工を実施し、比較した。
その比較結果を表１に示す。

表１に示すとおり、円錐凸金型３１を用いて１工程で行う従来のフレア加工方法では、θ＝３０度のような開き角の小さいフレア加工では有効であるが、開き角θ＝４５度でつば部に波うち形状が発生した。開き角θ＝５０度以上では金属管の管端がカールしてしまい、正常なフレア加工ができなかった。

発明例１のフレア加工方法では、開き角θ＝７５度以下であれば、金属管７の管端が隙間ｄ１に進入しながら拡管され、カールすることなく１工程で目標とする開き角にフレア加工することができた。
しかしながら、開き角θ＝８０度以上では、金属管７の管端が隙間ｄ１にスムーズに進入できず、金属管７のストレート部分（凸金型１に金属管７が当接する手前の部分）に座屈が生じた。

発明例２のフレア加工方法では、凸金型１９の金属管７の管端が当接する箇所に施されたＲ部２３により、成形開始時に管端が凸側成形面部９に導かれ、隙間ｄ１に進入しやすくなった。さらに、凸側円柱面部２５が金属管７に内接することで、金属管７の内側への座屈を抑えることができた。
これらの効果により、発明例１では不整形状となってしまった開き角θ＝８０度以上の大きな開き角でもフレア加工が可能であり、設定したすべての開き角で、つば部の形状が良好で安定して良好なフレア加工が実施できた。

１ 凸金型（実施の形態１）
３ 凹金型
５ フレア加工金型（実施の形態１）
７ 金属管
９ 凸側成形面部
１１ 中心軸
１３ 凹側成形面部
１５ 凹側円柱面部
１７ チャッキング
１９ 凸金型（実施の形態２）
２１ フレア加工金型（実施の形態２）
２３ Ｒ部
２５ 凸側円柱面部
２７ 凸金型（実施の形態２の他の態様１）
２９ 凸金型（実施の形態２の他の態様２）
３１ 円錐凸金型（従来例）
３３ 円錐凸金型（従来例の他の態様（θ＝３０度））
３５ 円錐凸金型（従来例の他の態様（θ＝４５度））
３７ 円錐凸金型（従来例の他の態様（θ＝６０度））
３９ 波うち形状

Claims (4)

1. 外径Ｄ、板厚ｔである円筒状の金属管の先端につば部を拡管成形するフレア加工方法であって、
   円錐台表面形状の凸側成形面部を有する凸金型と、該凸金型の前記凸側成形面部と同じ開き角度を有する円錐台表面形状の凹側成形面部及び該凹側成形面部の内周から円筒状に連続する凹側円柱面部を有する円筒形状の凹金型とを、前記凸側成形面部と前記凹側成形面部の間にｔ以上１．２ｔ以下である隙間ｄ１を介して対向配置し、前記凹側円柱面部の内側に挿入した金属管の一端を前記凸側成形面部に押し付けて拡管加工し、前記金属管の一端を前記隙間ｄ１に挿入させることで、管端のカールを防止して、つば部を成形することを特徴とするフレア加工方法。
2. 前記凸金型は円錐台形状であり、前記凸側成形面部の最小円部に前記金属管を前記隙間ｄ１に案内するＲ部が形成され、該Ｒ部の曲率半径を３ｍｍ以上に設定したことを特徴とする請求項１記載のフレア加工方法。
3. 前記凸金型は、前記Ｒ部から連続し、前記凹側円柱面部に隙間ｄ２を介して挿入配置される凸側円柱面部を有し、該凸側円柱面部の長さを５ｍｍ以上Ｄ／２以下に設定したことを特徴とする請求項２記載のフレア加工方法。
4. 前記凸金型は円錐台形状であり、前記凸側成形面部の最小円部から連続し、前記凹側円柱面部に隙間ｄ２を介して挿入配置される凸側円柱面部を有し、該凸側円柱面部の長さを５ｍｍ以上Ｄ／２以下に設定したことを特徴とする請求項１記載のフレア加工方法。

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