管端スピニング加工に関する研究 (第1報) : 加工性に関する基礎的研究

管端スピニング加工に関する研究 (第1報) : 加工

性に関する基礎的研究

著者

岡村 俊一, 田中 秀穂

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

8

ページ

19-25

別言語のタイトル

Experimental study for tube end spinning

(Report 1) : practical experiment of

workability

管端スピニング加工に関する研究 (第1報) : 加工

性に関する基礎的研究

著者

岡村 俊一, 田中 秀穂

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

8

ページ

19-25

別言語のタイトル

Experimental study for tube end spinning

(Report 1) : practical experiment of

workability

i表土

岡 村 俊 一 ＊ ・ 田 中 秀 穂 * ＊

（受理昭和42年５月３１日） EXPERⅢⅥEＮＴＡＬＳＴＵＤＹＦＯＲＴＵＢＥＥＮＤＳＰｎｌＮＩＮＧ（Reportｌ） PracticalExperimentofWorkabilitｙ ＳｈｕｎｉｃｈｉＯＫＡＭＵＲＡ＊ａｎｄＨｉｄｅｈｏＴＡＮＡＫＡ*＊ ＴｕｂｅＥｎｄＳｐｉｎｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｈａｓｄｅｖｅｌopedonthegroundingofexperlenceｓｉｎｔｈｅｗｏｒｋ， Thisisthemethodofshapingtubularstockwithouttheapplicationofextemalheatduring theshapingoperationwhichconsistinsimultaneouslyrelativelyrotatingthestocka、ｄａ ｓｈａｐｉｎｇｔｏｏｌａｂｏｕｔｔｈｅａｘｉｓｏｆｔｈｅｔｏolwhilerelativelymovlngthetoolａｎｄｔｈｅｓｔｏｃｋｔｏｗａｒｄ ｏｎｅａｎｏｔｈｅｒａｎｄｗｈｉｌｅｔｈｅｓｔｏｃｋｉｓｓｏｈｅａｔｅｄｂｙｓｈａpingtoolwithlongitudinalreliefarea・ Experimentalresultsabouttorque，thrustandtemperatureareobtaineｄｂｙｕｓｍｇｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓ ｏｆｃｏｎｉｃａｌｓｈapediesandcoppertubes，ａｒｅｓｈｏｗｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｐｏｒｔｌｏｎｏｆｒｅｌｉｅｆａｒｅａｏｎｔｈｅ ｆａｃｅｏｆｓｈａｐｉｎｇｄｉｅｉｓｓｏｉｎｎｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｗｏｒkability． 本加工法は，すでに，経験的基礎に基づいて一部実 用化され，砲弾の加工，あるいは，冷凍機用ストレー ナー，ドライヤーなどの部品加工にもちいられてい

る．しかしながら，本加工法に関する実験データー，

塑性学的解析は何ら見当らない．しかも，本加工法の

ごとく，変形過程における著しい温度変化を伴う塑性

変形は，変形抵抗が変形中に著しく変化するために，

塑性学的解析は複雑となり，極めて困難となるが，こ

れを解明することは，金属塑性加工においては，非常

に重要な問題である．また，近時，注目され発展して

きた高速度高エネルギー塑性加工法における，蓄熱現

象を解明する一手段として考えうる問題である． そこで，本報告は，その理論的考察を進めるための

前提として，銅管を円錐形に絞る場合の種々の加工条

件による加工現象について，実験した結果を報告する

ものである．即ち，ダイスの頂角および内壁の溝面積

ならびに回転数および試料送り速度について，各々を 変化せしめる場合の加工抵抗および温度変化を求める ものとする． 1 ． 緒 言 管の一端，または両端を絞ったり，逆に押し拡げた りするような場合，従来はスウェージング加工，プレ ス加工，または，へら絞り加工などによってきたが， これに対してここに紹介する加工法は，図１に示すよ

ｌ篤’

3７ ＊ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 機 械 工 学 教 室 ・ 教 授 *＊鹿児島大学工学部機械工学教室・講師 鱗

管端スピニング加工に関する研究（第１報）

加 工 性 に 関 す る 基 礎 的 研 究

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上己。［〒１ 図 １ ダ イ ス 形 状 うな内壁面の一部に，母線方向に沿った溝を有するダ イスを高速回転せしめ，それに管の一端，または両端 を押し付け(図２)，ダイスと試料間の接触摩擦による 発生熱で試料を軟化させ，瞬時にして，管端を所定の 形状に成形しようとするものである．これは，非常に 能率的で，且つ，どのようにでも絞り比を高められる 画期的な冷間加工法である．これを符端スピニング加 工法と名づけることにする． ２ ． 実 験 装 置 お よ び 実 験 方 法 ｉ）実験に使用した機械は，図３に示すように，旋 盤（桐生機械ＫＫ製，ＬＢ型750,120∼3000rpm， SIP）で，その工具送り台を取りはづし ｉｉ）その上に，図４に示すような自製の動力計を

2０ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ８ 号

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∼ 図 Ｚ 加 工 装 置 略 図 図 ３ 加 工 装 置 取付け，動歪み計（新興通信製，DS6-RJ型）にて， トルク（P,kgcm),試料の送り方向のスラスト（Pzkg） を測定し，それを直記式電磁オッシログラフ（横河電 機製作所製，EMO-62型）に記録せしめた． iii）温度の測定は，図４の中に示すよう，銅管試 料の内壁面に０．４ｍｍ｡のアルメルクロメル熱電対を バネで固定し，同一円周上の３点を同時に測定し，そ れを電磁オッシログラフに記録せしめ，その最高温度 を採用した． ｉｖ）試料として，もちいた銅管は，表１のとおり のもので，トリクレン洗腺を施し脱脂してある． ｖ）使用したダイスはＳＫＤ４で，図１に示すとお

岡 村 ・ 田 中 ： 管 端 ス ピ ニ ン グ 加 工 に 関 す る 研 究 （ 第 １ 報 ） 2１ 図 ５ １ ０ ０ ０ ２ ０ ０ ０ 3 0 0 0

20003000100Ｏ２０ＯＯ３ＯＯＯＮＤ（rpm）

Ｎ 、 （ r p m ） Ｎ Ｄ （ r p m ） ダイス回転数（JVD）と加工抵抗（トルクＰＣ，スラストＰｚ）の関係 '1000 ﾛ

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叩 図 ４ 自 製 動 力 計 表 １ 供 試 銅 管 溝の面積（Ａ'）の面積比（鋤＝４′/且×100％）で表わ し，Ａｒ＝１２．５，２５，５０，７５％の４種類とした． Ｖｉ）加工条件としては，ダイス回転数（jVDrPm） を1220,1930,3000rpmとし，それぞれについて試 料の送り（ん、ｍ/rev）を０．１，０．２３，０．５ｍｍ/rev の３種を選んだ． ０ １００ 100 種 ’ 脱 酸 銅 管 １ 種 硬 質 ロ叩 200 200 寸 法 1 9 . 0 5 の × 0 . 6 3 5 × 約 4 ８ 300 ｡ C〃・99.94％Ｐ：0.012％ 一○一Ａｒ:12.5％ ＝繕Ａｒ：２５％ 胃一A１．:５０％ −③ーＡｒ：７５％ 41.6kg/ｍｍ２ Ｏ

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．︵函︾一︶園四・︷Ｋ小〆 ３．実験結果および考察 実験結果を図表にすれば次のとおりであるが，ここ では表１に示した銅管を１０ｍｍのに絞る場合につい て，バラツキをなるべく少くするため，全絞り量に対 する８０％のときの測定値を採用した． なお，接触形式による熱電対･の測温では，追随性が ９２ＨＲ(F） 硬 度 ０ 300 りの円錐形ダイスで，その頂角（2α）を30.,45., 60.の３種とし，またダイス内壁面に円錐母線に沿っ て，深さ約０．７ｍｍ程度の溝を互に対称の位置に配 し，溝の大きさはダイス内壁の全面積（４）に対する 300 300 ０ ０ ０ ０ ０ ０

３２１

︵富。、皇︶、凸、△へ． 200’ Ⅱ ０ ０ ２ α ： ３ ０ ｆｗ：０，１mm/rev ２α：４５． ｆｗ：０．１mm/rｅｖ ２α：６０ｕ ｆｗ：0.1mm/rev 200 一 群 二 ⑯ 100

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一○一Ａｒ：１２．５％ −Ｘ−Ａｒ：２５％ 一 一 Ａ ｒ ： ７ ５ ％ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 ･ 究 報 告 第 ８ 号 戸卸 2２ ０

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︵富。即当︶、角奄△へ一 ０ 3００ Ｆ ３００ :４５． :3000rpm 1０ ０ ０ ， １ ０ ． ２ ０ ． ３ ０ ． ４ ０ ， ５ ｆｗ(､m/rev） 図 ７ 送 り 速 度 （ ん ） と 温 度 の 関 係 ０ ３ ︵星冨題皿Ｇ口刷家柄奮隠︶ ２α者３０． ＮＤ：3000rpm ２α：６０． ＮＤ：3000rqm ａｎ ワ］、“ ２０ Ｏ卜 200

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岡村・田中：管端スピニング加工に関する研究（第１報） 蟹︶圃臼︷Ｋ小〆 4 (」 Ａｒ（％）ｆｗ：０．１ｍｍ/rev． ２α：６０． 図９溝の面積比（』,）と温度の関係 わかるよう，溝の面積比（Ａｒ）が50％までは，単位

面積当りの接触圧力（k"!）があまり変らないが，Ａｒ

＝75％になると急に大きくなっている． 図１１に加工部と非加工部との硬度差の１例を示す が，これからもわかるよう，溝の面積比（ん）が大き くなると，その差が小さくなることより，溝の面積比

(ん）が大きいと，あまり温度の影響をうけていない

{)(} Ｘｊ )(} ２α：６０． ｆｗ：0.1mm/rev ＥＵｍ茎︶も四、全一 川 【)(） 〕 Ｏ 卜 ０

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匿室＝日 ４０５０６０７０８(」 P‘，スラストＰｚ） Ａ ｒ （ ％ ） Ａ ｒ ． （ ％ ） 図８溝の面積比（Ａｒ）と加工抵抗（トルク

同時に，ダイス１回転当りの加工量がふえるためであ

る． トルク（P6）については，やはりいづれも送り速度

ルー0.1ｍｍ/revのとき最小で，ルー0.23ｍｍ/rev

までのトルク（P6）の増加にくらべ，凡＝0.5ｍｍ/rev のときのトルク（P‘）の増加は小さく，特にダイス頂

角（2α）が６０°のときは，送り速度（ん）が０．２３

ｍｍ/revのときと，０．５ｍｍ/revのときはほとんど

同じである．このように，スラスト（Pg）の増加にも

かかわらず，トルク（P6）が増加しないのは，摩擦係 数が温度によって変るためと思われる． iii）溝の面積比（41．）の影響 図８にダイス内壁に設けられた溝の面積比（〃）を かえた場合のトルク（Pb)，スラスト（P息）の変化を示 す． 溝の面積比（ん）が大きくなるにつれ，図９でわか るよう，発生温度は低くなるにもかかわらず，図８で はトルク（P０)，スラスト（Pz）ともに，溝の面積比 （4r）が大きくなると減少してくる．また，いづれも 溝の面積比Ａｒ＝50％からは，その減少の割合がゆる やかとなっている．これは，発生温度による試料の軟 化もさることながら，ダイスと試料間の単位面積当り の接触圧力（k"‘）が，溝の面積比（ん）によって変る ため，その影響の方が大きいと思われる．図１０にて

ｆｗ：０．２３ｍ/ｒｅｖ ＮＤ：3000rpm ２００ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ８ 号 ｆｗ：０．５mm/ｒｅｖ ＮＤ倉3000rpm 2４ ６０ｃ ３ ０ 。 ４ ５ 。 6 0 . 。 ３ ０ ･ ４ ５ 。 ６ ０ ． ． ３ ０ 。 ４ ５ ． ２ ａ ２ ａ ２ α 図１２ダイス頂角（2α）と加工抵抗（トルクＰ‘，スラトスＰｚ）の関係 ０ ０ 6.0 ２α:４５． Ｎ,』:3000rpm 剛

０００５４３

︵岬ＥＥ、函エ︶Ｅ二 ＮＤ：3000rpm [ｗ：０．５１，１．'1℃､’ 4０ シ誼１房軍 Ｈｖ:非加工部の哩度 Hv'：加工部の硬度 剛 2.0 獣︷智停 ｆｗ：0.1mm/r“ 1．（IＦ Ⅱ １ ０ ２ ０ ３ ０ Ａｒ 図 １ １ 溝 の 面 積 比 ４ ０ ５ ０ ６ ０ ７ ０ 8 0 （％） (4'･）と硬度変化 I 】 ０ １ ０ 2 ０ ３ ０ 4 0 5 0 ６ ０ ７ ０ Ａｒ（％〉 図'０溝の面積比（41．）と単位面積当り 接触圧力（ん"‘）の関係 い、 ３−２．所要動力について

図１３は測定したトルク（P')，スラスト（必）より

計算した所要動力（Kozkw）の１例である．図でもわ

かるように，ダイス頂角（2α）が小さい方が，試料

とダイスとの接触面積が大きくなるため,所要動力

(Kbz）が大きくなる．また，溝の面積比（金）が大き

くなると，所要動力（K6富）が小さくなるが’特に

鋤＝75％のときが小さくなり，４７＝25％，５０％のと

きは，所要動力（KO恩）には差異が認められない． 次に，図１４に所要動力（Kbz）中に占める，トルク こ と が わ か る ･ ｉｖ）ダイス頂角（2α）の影響 図１２にダイス頂角（2α）をかえた場合のトルク (P6)，スラスト（PZ）の変化を示す． 溝の面積比(Ａｒ)が12.5％のときだけ’２α＝45･で トルク（P‘)，スラスト（PZ）ともに最大で，他はい づれも逆に２α＝45｡で最小となっている．これは温 度との関係が深いものと思われるが,ダイス頂角 (2α）が異れば,当然加工速度，加工時間も異るた め，一概に温度の影響だけで論ずるわけにはいかな 300Ｆ 300 ０ Ｆ 300 H １ 100 Ｅｕ、二︶奄凸 一 己 勝 一 Ⅱ ｆｗ：０．１mm/rel −←ＡＩ、:12,5％ 一ｘ−Ａｒ：２５％ 弓 ← A r : 5 0 % −←Ａｒ:７５％ 200 200 ︵麺二︶Ｎ﹄ 吠巾× 、今へ”一 100 100 100 ０ １００ト 100 3００１−

｡／ｏ−ｏ

300 "、 200 200トー 300 200

１．０ 2５ 、 岡 村 ・ 田 中 ： 管 端 ス ピ ニ ン グ 加 工 に 関 す る 研 究 （ 第 １ 報 ） ０ ０ ． １ ０ ， ２ ０ ． ３ ０ ． ４ ０ ． ５ ｆｗ（m､/rev） 図１４所要動力中に占めるＫｂの制合 (P,）による動力消費の割合（Ｋ0,,％）を示す． 但し， Ｋｂ"＝ＫＯ/Ｋ,冨×'00％＝Ｋ,/(ＫＯ十K宮)×100％ ここでＫＯ：Ｐ６より計算した所要動力（kw） Ｋ 堂 ： Ｅ ｚ 〃 〃 〃 〃 図でもわかるように，本加工法における動力消費 は，トルク（P６）によって，そのほとんどが占めら れ,スラスト（Pz）による割合は,試料の送り速度パリ＝ 0.5ｍｍ/revのとき，せいぜい２∼３％程度で問題に 6０ あ と が き １．試料の送り速度（パリ）に対する，トルクの変化 割合は小さく，回転エネルギーは発熱による変形抵抗 の変化を起因せしめるものであって，変形仕事はスラ ストにより表わされることは，本加工法の本質を示す ものである． ２．１秒以内に800℃以上に急熱されることが目視 されるにもかかわらず，熱電対を使用する接触型の測 温形式では，試料の高速変形，ならびに応答時間の遅 れとあいまって，変形過程に追随する測温ができな い， ３．回転接角血摩擦によっても，試料とダイスの焼付 現象を起すことなく，また試料の半径方向のくり返し 応力変動による，内部摩擦が予想される本加工法にお けるダイス内壁面の溝の作用を，今後，基礎的実験に よって究明することが必要である． 7０ ならない程小さい．従って，本加工において動力消費 を考えるときは，トルク（PO）のみによって考慮して も差しつかえないものと思われる． 畠 陸Ｉ ０ ２ [ ｒ : ４ ５ ． ⑭ 2 α ; ６ ０ ． ｆｗ：0.1賭 一一一一ｆｗ：0.5期 4,0 １ ０ ２ ０ ３ ０ Ａｒ 図１３溝の面積比（』r） Ｉ 4．結 垂祁 ０ ０ ３ ２ ︵皇︶Ｎ回揖侭喬郎癌 以上，本実験により，従来，現場作業経験に基く諸 現象を，一応の加工条件と加工抵抗の関係にまとめる ことができ，ある程度の規則性を見出した． 特に，本実験では， １．ダイスに設けた溝の作用が，本加工法の主体を なすもので，溝の面積比（Ａｒ）が大きくなるにつれ， 発生温度が低くなり，トルク（PO)，スラスト（Pz）と もに減少し，４F＝50％に至り加工性が安定する． ２．ダイス回転数（JVD）が増加するにつれ，トルク (PC)，スラスト（Pz）ともに減少し，ZVD＝3000rpm においてほぼ安定するが，溝の面積比（Ar）が大きい 程，ダイス回転数ＷD）の影響が小である． ３．試料の送り速度（ん)，即ち，加工速度が大きく なる程加工抵抗は大となるが，トルク（P,)，スラスト (Pz）の関係は必ずしも比例しない．この現象は，温 度の変化とも併せて考えられ，本加工法の本質に基く ものと思われる． ４．ダイス頂角（2α）の影響は，溝の面積比（Ａｒ） の小さい加工性の不安定な場合を除き，２α＝45.で最 小の加工抵抗を示す． ５．試料の送り速度（ん）がはやく，また溝の面積 比（Ar）が増加するにつれて，発生温度が低くなる． 8０ 100 ４ ０ 5 0 ６ ０ ７ ０ ８ ０ ％） と所要動力（Kbz）の関係 Ｆ 、 訳 9０ ２α:３０． ２α：４５． ２α:６０。 ＮＤ：3000rpm