JP6973442B2 - 金属管のフレア加工金型およびフレア加工方法 - Google Patents
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Description
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フランジ継手がある。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。
複数工程に分けて行う方法として、例えば特許文献1には、目標とする開き角(90度)より小さい開き角(45度)の加工面5A及び円筒形状部5Bを備える第1パンチ5を用いてプレス加工を行い、その後に第2パンチ6を用いて目標とする開き角にフレア加工する方法が開示されている。
なお、円筒形状部5Bは、鋼管8の内側へと進入し、鋼管8の内周面と接するか、あるいは、若干、離れた位置に配置されることで、プレス加工の際に、鋼管8が内側へと変形する量を低減するものである(特許文献1の段落[0094]参照)。
以下、これらの課題について詳細に説明する。
まず、複数工程で行うプレス加工の課題について、図6を用いて説明する。
図6に示す例は、金属管の中心軸からの開き角θが60度のフランジ形状を目標形状として、3工程でフレア加工するものである。
図6(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25を使用する。図6(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27を使用する。図6(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29を使用する。
しかし、図6(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31が生じて円錐凸金型27から浮いた箇所が見られ、図6(c)に示すその後の最終工程でも、波うち形状31は解消されずに残った。
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いわゆるリストライク工程を追加して波うち形状31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。
特許文献1の図4に例示されたような金型を用いてフレア加工を行う場合、加工しようとする金属管の外径及び板厚に合わせた金型を用いる。
一般的に公称されている金属管の外径と板厚はいわゆる呼び寸法と呼ばれるもので、金属管の基準寸法を示すものである。金属管自体も工業製品であり、外径と板厚のそれぞれに対しては公差が許容されている。すなわち、同じ呼び寸法の金属管でも、すべての金属管の外径と板厚が呼び寸法と完全一致しているわけではなく、金属管によって微小な寸法の違いがある。
円柱部の径SD≦IDmin
円筒部の内径TD≧ODmax
第1つば部成形面部と第2つば部成形面部の隙間FG≧Tmax
R部の曲率半径r=1.5T〜5T
テーパー面部の最大径と最小径の半径差a≧(IDmax-IDmin)/2
テーパー面部の最小径部からR部のR止まりまでの距離h≦10r
そのため、本発明の実施の形態を説明するに際して、金属管の公差について規定する必要があるので、この点について説明する。
本実施の形態の金属管における外径Dの公差を±α%、板厚Tの公差を±β%とする。このように規定すると、呼び寸法と公差によって求められる外径及び板厚の最大値と最小値は以下のとおりである。
最大外径ODmax=D(100+α)/100
最小外径ODmin=D(100-α)/100
最大板厚Tmax=T(100+β)/100
最小板厚Tmin=T(100-β)/100
また、金属管の内径は、外径が最大値でかつ板厚が最小値の時に最大となり、外径が最小値でかつ板厚が最大値の時に最小となることから、最大値と最小値は以下のとおり求められる。
最大内径IDmax=ODmax-2Tmin
最小内径IDmin=ODmin-2Tmax
第1金型5は、金属管3を挿入可能な円筒部9とフレア加工の目標とする開き角を有する第1つば部成形面部11を備えている。
円筒部9は、フレア加工の際に金属管3を挿入する部分である。円筒部の内径TDは公差範囲の最大外径をもつ金属管3でも挿入可能なようにTD≧ODmaxとする。
第1つば部成形面部11は円筒部9の内周面から連続して形成されており、フレア加工の目標とする開き角と同じ開き角を有する加工面である。
第2金型7は、第2つば部成形面部13と、第1金型5の円筒部9に挿入される挿入部15と、挿入部15と第2つば部成形面部13との間に設けられるR部17とを備えている。第1金型5と第2金型7は後述する隙間FG及び隙間d1を介して配置され固定される。
加工後の金属管3を取外すために第1金型5と第2金型7は分離可能とする。
第2つば部成形面部13は第1つば部成形面部11と同じ開き角(フレア加工の目標とする開き角)を有する加工面であり、第1金型5と第2金型7が固定された状態では、第1つば部成形面部11と対向して配置され、その間には隙間FGが設けられている。
なお、成形途中に金属管3の端部が第2つば部成形面部13から離れたとしても隙間FGを保持して第1つば部成形面部11が対向配置されているので、管端がカールしてしまうことがない。
挿入部15は第1金型5の円筒部9に挿入される部分であり、金属管3の内側に挿入可能な円柱部15aと、挿入された金属管3の内径を拡管するテーパー面部15bを有している。
以下、円柱部15aとテーパー面部15bについて詳細に説明する。
円柱部15aは長さLを有する円柱形状で、フレア加工時に金属管3の内側に挿入される部分であり、円柱部15aの直径SDは公差範囲の最小内径をもつ金属管3にも挿入可能なようにSD≦IDminとする。
図1に示すように、第1金型5と第2金型7が固定された状態において、円柱部15aは円筒部9の内周面との間に隙間d1を介して配置される。この隙間d1は円筒部9の内径TDと円柱部15aの直径SDを用いてd1=(TD-SD)/2と表すことができる。
長さLの上限については、座屈抑制の観点上は特に設ける必要はないが、必要以上に長いと、加工前の金属管3の取付けや加工後の金属管3の取外しの作業を阻害してしまうため、金属管3の外径Dの1/2以下とするのが好ましい。
テーパー面部15bは図1の拡大図に示す通り、円柱部15aから連続して形成されて、R部17に向けて拡管するテーパー形状の加工面である。フレア加工金型1にセットされた金属管3の管端はまずテーパー面部15bにつきあたり、さらに押込み荷重を加えることで、テーパー面部15bに沿って拡管加工され、内径を一定に揃えながらR部17のR端部に案内することができる。
このテーパー面部15bにより、金属管3の管端が拡管する際に、金属管3が内側に膨らむ現象を防いでいる。
R部17は図1の拡大図に示す通り、挿入部15と第2つば部成形面部13との間に設けられており、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。
R部17が設けられていることにより、テーパー面部15bによって拡管された金属管3の管端を、押込み荷重を抑えながら容易に隙間FGに案内することができる。
また、荷重低減の観点からは曲率半径rの上限を設ける必要は特になく、部品の要求性能に応じて決められるが、曲率半径rが大きくなると、フランジ加工後の金属管3の管端におけるフランジ座面として有効な平坦部が少なくなるため、R部17の曲率半径rは上限を5Tとするのが好ましい。
円筒部9は公差範囲の最大外径の金属管3でも挿入可能なように形成されているため、対象とする呼び寸法の金属管3はすべて円筒部9に挿入可能である。
金属管3を円筒部9に挿入することによって、金属管3と第1金型5および第2金型7の中心軸21とはほぼ一致する。
この状態からフレア加工金型1を金属管3に押し付けることで、図2(b)に示すように管端は公差範囲の最大内径IDmax以上に押し拡げられながら、第2金型7のR部17の始点に到達する。
また、テーパー面部15bを設けて、内径を一定に揃えながらR部17の始点にガイドするようにしたことで、金属管3の外径及び板厚が公差範囲内で変動しても加工性が左右されない安定したフレア加工が可能となる。
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。
本実施例は呼び寸法が外径D=φ48.6mm(以降公称外径という)、板厚T=1.2mm(以降公称板厚という)、外径に対する公差が±1%、板厚に対する公差が±10%であるステンレス鋼管に対して行う開き角90度のフレア加工を想定したものであり、外径及び板厚の公差範囲における最大値及び最小値は以下の通りである。
最大外径ODmax=49.08mm、最小外径ODmin=48.12mm
最大板厚Tmax=1.32mm、最小板厚Tmin=1.08mm
また、上記より求められる内径の最大値及び最小値は以下の通りである。
最大内径IDmax=46.92mm、最小内径IDmin=45.48mm
本発明例である金型を金型A、比較例である金型を金型Bとし、2つの金型の形状について図1及び図3を用いて説明する。
金型A(発明例)は図1に示すような第1金型5と第2金型7を備えるフレア加工金型1であり、本発明で重要なテーパー面部15bがある図中の破線円部分に相当する部分の形状を図3(a)に示す。
金型B(比較例)は金型A(発明例)に設けたテーパー面部15bを有していない金型であり、金型Aに関して図3(a)で示した部分に相当する部分の形状を図3(b)に示し、金型Aと同様の部分には同一の符号を付して説明する。
なお、金属管3の通過性を良くするため、金型A(発明例)及び金型B(比較例)の第1金型5にR部を設けている。
円柱部15aの直径SD=45.48mm
円筒部9の内径TD=49.08mm
隙間d1=1.80mm
隙間FG=1.32mm
R部17の曲率半径r=3mm
テーパー面部15b(第2金型)の最大径と最小径の半径差a=0.72mm
テーパー面部(第1金型)の最大径と最小径の半径差b=0.24mm
(第2金型7のテーパー面部15bの最大径となる部位にて最大板厚が通過可能になることを考慮)
テーパー面部15bの最小径部からR部17のR止まりまでの距離h=6mm
素管Iは公差範囲の「最大外径・最小板厚(=最大内径)」の金属管3、素管IIは公差範囲の「最大外径・最大板厚」の金属管3、素管IIIは「公称外径・公称板厚」の金属管3、素管IVは公差範囲の「最小外径・最小板厚」の金属管3、素管Vは公差範囲の「最小外径・最大板厚(=最小内径)」の金属管3である。
素管I「最大外径・最小板厚(最大内径)」=(φ49.08/φ46.92/1.08)
素管II「最大外径・最大板厚」=(φ49.08/φ46.44/1.32)
素管III「公称外径・公称板厚」=(φ48.60/φ46.20/1.20)
素管IV「最小外径・最小板厚」=(φ48.12/φ45.96/1.08)
素管V「最小外径・最大板厚(最小内径)」=(φ48.12/φ45.48/1.32)
比較例である金型Bでは素管I〜素管IIIの場合に加工部が管の内側へ膨らむ不整形状が生じた。これは、素管の内径が大きく第2金型7の円柱部15aとの間の隙間が大きいために生じたものである。
一方、発明例である金型Aでは素管I〜素管Vのいずれの素管でも不整形状がなくて、良好なフレア加工が実施できた。
本実施例は呼び寸法が外径D=φ54.0mm(以降公称外径という)、板厚T=1.5mm(以降公称板厚という)、外径に対する公差が±1%、板厚に対する公差が±10%であるステンレス鋼管に対して行う開き角90度のフレア加工を想定したものであり、外径及び板厚の公差範囲における最大値及び最小値は以下の通りである。
最大外径ODmax=54.54mm、最小外径ODmin=53.46mm
最大板厚Tmax=1.65mm、最小板厚Tmin=1.35mm
また、上記より求められる内径の最大値及び最小値は以下の通りである。
最大内径IDmax=51.84mm、最小内径IDmin=50.16mm
本発明例である金型を金型C、比較例である金型を金型D〜金型Iとし、6つの金型の寸法について図1、図3(a)及び表1を用いて説明する。
金型C(発明例)及び金型D〜金型I(比較例)は図1に示すような第1金型5と第2金型7を備えるフレア加工金型であり、本発明で重要なテーパー面部15bがある図中の破線円部分に相当する箇所の形状は図3(a)に示したとおりである。
円筒部9の内径TDはTD≧ODmax(54.54mm)であることが好ましいが、金型Eはこれを満たしていない。
隙間FGはTmax(1.65mm)≦FG≦1.1Tmax(1.82mm)の範囲で設定すればよく、FG≧Tmaxとする必要があるが、金型F及び金型Gはこれを満たしていない。
R部17の曲率半径rはr=1.5T(2.25mm)〜5T(7.5mm)の範囲で設定するのが好ましいが、金型Hはこれを満たしていない。
テーパー面部15bの最大径はIDmax(51.84mm)であることが好ましいが、金型Iはテーパー面部15bの最大径と最小径の半径差aが小さく、テーパー面部15bの最大径(SD+2a)が50.96mmであるためこれを満たしていない。
なお、図3(a)の図中に示すb及びhの値は金型C(発明例)及び金型D〜金型I(比較例)のすべての金型で共通とした。
素管VIは公差範囲の「最大外径・最小板厚(=最大内径)」の金属管3、素管VIIは公差範囲の「最大外径・最大板厚」の金属管3、素管VIIIは「公称外径・公称板厚」の金属管3、素管IXは公差範囲の「最小外径・最小板厚」の金属管3、素管Xは公差範囲の「最小外径・最大板厚(=最小内径)」の金属管3である。
素管VI「最大外径・最小板厚(最大内径)」=(φ54.54/φ51.84/1.35)
素管VII「最大外径・最大板厚」=(φ54.54/φ51.24/1.65)
素管VIII「公称外径・公称板厚」=(φ54.00/φ51.00/1.50)
素管IX「最小外径・最小板厚」=(φ53.46/φ50.76/1.35)
素管X「最小外径・最大板厚(最小内径)」=(φ53.46/φ50.16/1.65)
金型E(比較例)では第1金型5の円筒部9の内径TDが素管VIおよび素管VIIの外径より小さいため外径が大きい素管VI及び素管VIIを第1金型5にセットできずフレア加工することができなかった。
金型F(比較例)では板厚が厚い素管VII及び素管Xで管端が隙間FGに進入できずストレート部に座屈が生じた。
金型G(比較例)では板厚が薄い素管VI及び素管IXで、FG部の隙間が大きくなり過ぎて、つば部に波打ち形状が生じた。
金型H(比較例)では、R部17の曲率半径rが公称板厚Tの1.33倍であり、目標の1.5Tより小さいため、板厚が厚い素管VII及び素管Xで管端がR部17を通過できずストレート部に座屈が生じた。
金型I(比較例)では内径が大きい素管VI及び素管VIIで加工部が内側へ膨らむ形状不整が生じた。
一方、発明例である金型Cでは素管VI〜素管Xのいずれの素管でも、金型にセットできて、つば部に波うち形状が生じず、加工部が内側に膨らまずにフレア加工が良好に実施できた。
3 金属管
3a つば部
5 第1金型
7 第2金型
9 円筒部
11 第1つば部成形面部
13 第2つば部成形面部
15 挿入部
15a 円柱部
15b テーパー面部
17 R部
19 チャッキング
21 中心軸
23 円錐凸金型(従来例)
25 円錐凸金型(従来例の他の態様(θ=30度))
27 円錐凸金型(従来例の他の態様(θ=45度))
29 円錐凸金型(従来例の他の態様(θ=60度))
31 波うち形状
Claims (3)
- 呼び寸法が外径D、板厚Tである円筒状の金属管の先端に該金属管の中心軸から75〜90度の開き角を有するつば部を成形するためのフレア加工金型であって、
前記金属管が挿入可能な円筒部と、該円筒部の内周面から連続して所定の開き角度で外方に向けて張り出して前記つば部を成形する第1つば部成形面部を有する第1金型と、
前記第1つば部成形面部と同じ開き角度を有する第2つば部成形面部と、前記金属管に挿入可能な円柱部及び該円柱部から前記第2つば部成形面部に向けて拡径して前記金属管を拡管するテーパー面部を有して前記第1金型の前記円筒部に挿入される挿入部と、該挿入部と前記第2つば部成形面部との間に設けられて前記金属管を前記第2つば部成形面部に案内するR部と、を有する第2金型とを備え、
前記第2金型の前記挿入部を前記第1金型の前記円筒部に挿入した状態で、前記第1つば部成形面部と前記第2つば部成形面部とが呼び寸法の板厚Tに最大公差を加えた最大板厚Tmax以上1.1Tmax以下の隙間を介して対向配置されていることを特徴とするフレア加工金型。 - 前記金属管の前記呼び寸法に対する公差の最大外径をODmax、最小外径をODmin、最大板厚をTmax、最小板厚をTmin、最大内径をIDmax、最小内径をIDminとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項1記載のフレア加工金型。
円柱部の径SD≦IDmin
円筒部の内径TD≧ODmax
第1つば部成形面部と第2つば部成形面部の隙間FG≧Tmax
R部の曲率半径r=1.5T〜5T
テーパー面部の最大径と最小径の半径差a≧(IDmax-IDmin)/2
テーパー面部の最小径部からR部のR止まりまでの距離h≦10r - 請求項1または2に記載のフレア加工金型を用いて、呼び寸法が外径D、板厚Tである円筒状の金属管の先端に該金属管の中心軸から75〜90度の開き角を有するつば部を成形するフレア加工方法であって、
前記金属管の一端部を前記第1金型の前記円筒部に挿入すると共に前記第2金型の前記円柱部を前記金属管に挿入し、この状態で前記金属管を前記テーパー部に押し付けることで、前記金属管の一端を前記呼び寸法に対する公差の最大内径に拡管し、さらに前記金属管を前記第2金型に押し付けることで、前記金属管の一端を前記第1つば部成形面部と前記第2つば部成形面部の隙間に挿入して、前記つば部を成形することを特徴とするフレア加工方法。
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