JP2016147295A - 増肉鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素材鋼管よりも肉厚が増加した増肉鋼管を簡易に成形する。
【解決手段】テ―パ角が３０度以下であるとともにテ―パ部の曲率半径が２０ｍｍ以上である口絞り工具（縮径工具）２を用いて素材鋼管１を所定の縮径率で縮径加工して中間鋼管４を製造した後に、この縮径率と略同じ割合の拡径率を有するとともにテ―パ角が３０度以上である口広げ工具（拡径工具）５を用いて、中間鋼管４に拡径加工を行うことにより、素材鋼管１よりも大きな肉厚を有する増肉鋼管６を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、素材鋼管よりも肉厚が増加した増肉鋼管を製造する方法に関する。

例えばトーションビームや排気マフラー等の自動車部品の中には、肉厚が一定の鋼管を素材とし（以下、このような鋼管を「素材鋼管」という）、この素材鋼管に口広げ加工（拡径加工）を行うことによって製造されるものがある。素材鋼管から製造される自動車部品の口広げ加工に伴って素材鋼管の肉厚は減少する。

減肉の程度によっては、自動車部品の肉厚に関する設計要件を満足できないことがあるとともに、最悪の場合には拡径加工された部分で割れが発生し、所望の自動車部品を製造できないことがある。

自動車部品の成形時に問題となるこのような減肉を抑制する方法の一つとして、成形後の素材鋼管における減肉が予見される部位の肉厚を、口広げ加工を行われる前に事前に増加させる増肉加工を行って増肉鋼管とすることが知られる。素材鋼管よりも肉厚が増加した増肉鋼管を簡易に予成形することができれば、その後に例えば口広げ加工等の、増肉鋼管の肉厚を減少させる二次加工により増肉鋼管に減肉が生じても、二次加工後の自動車部品の肉厚に関する設計要件を満足することが可能である。

特許文献１〜３には、冷間での口広げ加工に用いる工具の形状を工夫することにより素材鋼管を増肉させて増肉鋼管を製造する発明が開示されている。特に、特許文献３には、第１工程として、テーパ角が３０度以上６０度未満であるテーパ部を有するパンチを金属製の管の一端から挿入してその管の一端部に増肉された拡管部を形成した後、第２の工程として、第１の工程で得た拡管部を、テーパ部を有する縮管型内に挿入して所定径に縮管することによって、所望の増肉部を有し、かつその増肉部の外径が他の部分の外径と同一或いは略同一径の金属管を、冷間加工で容易かつ低コストで製造する発明が開示されている。

特開２００７−２７５８９６号公報 特開２００４−２９１０７２号公報 特開平９−３２７７２３号公報

特許文献１〜３により開示された発明によれば、確かに、口広げ加工の前後における外径をｔ_０，ｔ_１とした場合に{（ｔ_１−ｔ_０）／ｔ_０}×１００（％）として規定される所定の拡管率（拡径率）の口広げ加工において増肉鋼管の管端部近傍の減肉を抑制することができる。

しかし、特許文献１〜３により開示された発明によっても、特許文献２に開示されているように、大きい拡径率、例えば拡径率５０％以上で増肉鋼管を成形するには、据え込み加工しながらあるいは多工程にわけて口広げ成形しないと、増肉鋼管の管端部での減肉が大きくなり、最後まで成形できずに最管端部で割れるおそれがある。

特に、本発明者らの検討結果によれば、特許文献３により開示された発明のように、素管に拡径加工を行った後に縮径加工を行って増肉鋼管を製造すると、（ａ）増肉部における管端からの長手方向位置における増肉の程度が約１６％程度しか得られず、増肉の程度が十分ではないこと、（ｂ）増肉鋼管の管端部が減肉してしまい（例えば、溶接部の脇で約２．７％減肉し、母材部で約１．２％減肉する）、二次加工で拡管率８０％以上拡径する場合には管端部での割れが懸念されることという課題があり、素材鋼管を十分に増肉させて所望の増肉鋼管を得ることが難しいことが判明した。

本発明は、従来の技術は有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、増肉部における管端からの長手方向位置における増肉の程度を約２７％以上と十分に得られるとともに、管端部での減肉を小さくして増肉鋼管を製造する方法を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、特許文献３により開示された方法とは異なり、素管に縮径加工を行った後に拡径加工を行って増肉鋼管を製造すること、具体的には、冷間で、テ―パ角が大きく原管を座屈させない口絞り工具（縮径工具）を用いて素材鋼管を所定の縮径率で縮径加工した後に、この縮径率と略同じ割合の拡径率を有する口広げ工具（拡径工具）を用いて、縮径加工された素材鋼管に拡径加工を行うことにより、増肉部における管端からの長手方向位置における増肉の程度を約２７％以上と十分に得られるとともに、管端部での減肉を小さくして増肉鋼管を製造でき、この増肉鋼管に、例えば拡径率８０％以上で二次加工（口広げ加工）を行えば、素材鋼管から口広げ成形したものに比べて最管端部での減肉を抑制でき、割れなく成形可能であることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

本発明は、テ―パ角が３０度以下であるとともにテ―パ部の曲率半径が２０ｍｍ以上である口絞り工具（縮径工具）を用いて素材鋼管を所定の縮径率で縮径加工して中間鋼管を製造した後に、前記縮径率と略同じ割合の拡径率を有するとともにテ―パ角が３０度以上である口広げ工具（拡径工具）を用いて、前記中間鋼管に拡径加工を行うことにより、前記素材鋼管よりも大きな肉厚を有する増肉鋼管を製造することを特徴とする増肉鋼管の製造方法である。

本発明により製造される増肉鋼管の増肉部における管端からの長手方向位置における増肉の程度を約２７％以上と十分に得られるとともに、素材鋼管として溶接鋼管を用いた場合には、管端での周方向位置において、溶接部の脇で約０．５％の減肉が見られるものの、それ以外の母材部では約１．５％増肉できる。

本発明は、原管の肉厚ｔ（ｍｍ）と、外径Ｄ（ｍｍ）との比（ｔ／Ｄ）は０．００５〜０．３であり、０．５≦ｔ≦３０であり、１５≦Ｄ≦７００である条件で適用される。

本発明が適用される原管の鋼種は特に限定されないが、例えば高張力鋼のような、強度の高い金属材料であっても、好ましく用いることができる。

本発明により、素材鋼管よりも肉厚が増加した増肉鋼管を簡易に成形することができる。本発明に製造された増肉鋼管に、例えば口広げ加工等の、増肉鋼管の肉厚を減少させる二次加工を行うと、増肉鋼管に減肉が生じても、二次加工後の自動車部品の肉厚に関する設計要件を満足することが可能になる。

図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本発明に係る製造方法により増肉鋼管を製造する状況を示す説明図である。 図２は、増肉部における管端からの長手方向位置における増肉の程度を示すグラフである。 図３は、管端での周方向位置における肉厚を示すグラフである。

本発明を、添付図面を参照しながら説明する
図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本発明に係る製造方法により増肉鋼管６を製造する状況を示す説明図である。なお、図１（ａ）〜図１（ｄ）において、符号２は口絞り工具を示し、符号５は口広げ工具を示す。

図１（ａ）〜図１（ｅ）に示す工程は、素材鋼管１に、口絞り工具２および素材鋼管１を支持する金型３を用いて、縮径加工を行って中間鋼管４を製造し、中間鋼管４に、口広げ工具５および中間鋼管４を支持する金型３を用いて、拡径加工を行って増肉鋼管６を製造する。

素材鋼管１の鋼種は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金鋼などがあるが、高張力鋼のような、強度の高い金属材であっても、好ましく用いることができる。

素材鋼管１の肉厚をｔ（ｍｍ）とするとともに外径をＤ（ｍｍ）とした場合に、ｔ／Ｄ：０．００５〜０．３、０．５≦ｔ≦３０、１５≦Ｄ≦７００の範囲を満足する素材鋼管１を用いることができる。

この口絞り加工に用いる口絞り工具２のテーパ角θ_１は５〜５０度のものを用いることができるが、テ―パ角が大きくなると軸方向荷重が大きくなり、座屈が生じやすくなるので、テーパ角が２０〜３０度の口絞り工具を用いることが望ましい。

また、テ―パ部の曲率半径Ｒ（ｍｍ）についても検討した結果、曲率半径Ｒを小さくすれば（例えば１０ｍｍ）軸方向荷重が大きくなるため、増肉の効果も期待できるが、その分座屈が生じ易くなるため、テ―パ部の曲率半径Ｒは２０〜３０ｍｍであることが望ましい。

すなわち、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、テ―パ角θ_１が３０度以下、テ―パ部の曲率半径Ｒが２０ｍｍ以上である口絞り工具（縮径工具）２を用いて素材鋼管１を所定の縮径率（例えば２５％）で縮径加工を行って中間鋼管４を製造した後に、図１（ｃ）および図１（ｄ）に示すように、縮径加工の縮径率と略同じ割合の拡径率を有するとともにテ―パ角が３０度以上である口広げ工具（拡径工具）５を用いて、中間鋼管４に拡径加工を行うことにより、図１（ｅ）に示すように、素材鋼管１の肉厚よりも大きな肉厚を有する増肉鋼管６を製造する。

口広げ工具５のテ―パ角θ_２は、口絞り工具２のテーパ角θ_１とほぼ同様に５〜６０度のものを用いることができる。口広げ工具５のテ―パ角θ_２が小さ過ぎると軸方向荷重があまりかからないために増肉効果は小さくなり、一方、テ―パ角が大き過ぎると軸方向荷重が大きくなり過ぎて座屈が生じやすくなるため、テ―パ角θ_２は３０度以上であることが望ましい。

図１（ａ）〜図１（ｅ）に示す本発明によって、素材鋼管１よりも肉厚が増加した増肉鋼管６を簡易に成形することができる。本発明に製造された増肉鋼管６に、例えば口広げ加工等の、増肉鋼管６の肉厚を減少させる二次加工を行うと、増肉鋼管６に減肉が生じても、二次加工後の自動車部品の肉厚に関する設計要件を満足することが可能になる。

このようにして、素材鋼管１の肉厚よりも大きな肉厚を有する増肉鋼管６を製造することができる。増肉鋼管６の外径は素材鋼管１の外径と同じにしてもよいし、素材鋼管１の外径とは少し異ならせて略同じ外径としてもよい。

なお、素材鋼管１，中間鋼管４と口絞り工具２，口広げ工具５との焼付きを防止するために潤滑剤を塗布するのが望ましいが、潤滑剤の種類によって軸方向への摺動のし易さが変化し、それによって増肉効果も異なるため、適当な潤滑剤を用いればよい。

本発明により製造される増肉鋼管６の増肉部における管端からの長手方向位置における増肉の程度を約２７％以上と十分に得られるとともに、管端部での減肉を小さくして（溶接部の脇で約０．５％の減肉が見られるものの、それ以外の母材部では約１．５％増肉）
増肉鋼管６を製造できる。

このように、本発明によれば、素材鋼管１よりも肉厚が増加した増肉鋼管６を簡易に成形することができる。本発明に製造された増肉鋼管６に、例えば口広げ加工等の、増肉鋼管６の肉厚を減少させる二次加工を行うと、増肉鋼管６に減肉が生じても、二次加工後の自動車部品の肉厚に関する設計要件を満足することが可能になる。

素材鋼管（外径Ｄ：２２．２ｍｍ，肉厚ｔ：１．２ｍｍ，ｔ／Ｄ：０．０５４，鋼種：ステンレス鋼）に、縮径加工を行った後に拡径加工を行う本発明と、拡径加工を行った後に縮径加工を行う特許文献３に記載の発明とにより、管端部から軸方向へ４０ｍｍの範囲における肉厚が増肉した増肉鋼管を製造する状況を、数値解析した。

なお、縮径加工に用いる口絞り工具のテーパ角θ_１は２０度、テ―パ部の曲率半径Ｒは２５ｍｍであり、素材鋼管に対する縮径率は２５％である。また、素材鋼管，中間鋼管と口絞り工具，口広げ工具との焼付きを防止するために潤滑剤を塗布した。

なお、本発明における、中間鋼管に対する拡径加工に用いる口広げ工具のテーパ角θ_２は、５０度、３０度、２０度の３水準とした。

本発明、特許文献３に記載の発明により得られた増肉鋼管それぞれについて、増肉部における管端からの長手方向位置における増肉の程度と、管端部での減肉と、管端での周方向位置における肉厚の、素材管の元肉厚に対する変動代とを求めた。

図２は、増肉部における管端からの長手方向位置における増肉の程度を示すグラフであり、図３は、管端での周方向位置における肉厚を示すグラフである。

図２にグラフで示すように、増肉部における管端からの長手方向位置における増肉の程度を、本発明によれば約２７％以上と十分に増肉できたのに対し、特許文献３に記載の発明によれば約１６％と不芳であったことがわかる。

図３にグラフで示すように、本発明によれば、管端部での減肉を、特許文献３に記載の発明よりも軽減できたことがわかる。

さらに、図３にグラフで示すように、割れが懸念される管端においても殆ど減肉しておらず（溶接部近傍で０．５％の減肉）、母材部が増肉していることがわかる。

１ 素材鋼管
２ 口絞り工具（縮径工具）
３ 金型
４ 中間鋼管
５ 口広げ工具（拡径工具）
６ 増肉鋼管

Claims (1)

1. テ―パ角が３０度以下であるとともにテ―パ部の曲率半径が２０ｍｍ以上である口絞り工具を用いて素材鋼管を所定の縮径率で縮径加工して中間鋼管を製造した後に、前記縮径率と略同じ割合の拡径率を有するとともにテ―パ角が３０度以上である口広げ工具を用いて、前記中間鋼管に拡径加工を行うことにより、前記素材鋼管よりも大きな肉厚を有する増肉鋼管を製造することを特徴とする増肉鋼管の製造方法。

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