初期偏肉を有する管抽伸において工具形状が加工後の寸法精度に及ぼす影響

摘要

抽伸加工とは，金属材料をダイスに通して引抜くことで，ダイス穴形状と外径形状が同一となる棒，線および管材を製造する加工法である．抽伸加工された成形品は寸法精度や表面性状が良好であり，なおかつ大量生産が可能であるため，棒，線および管材の成形方法として産業界で広く用いられている．単純な抽伸加工において解決すべき問題は形状精度，残留応力，強度など多々あり，これまで問題解決のために多くの研究がなされてきた．しかし，これらの研究では素材が軸対象である場合が多く，素材が非軸対象である場合や，偏肉が存在して肉厚分布が不均一となっている場合の変形挙動に関する報告は少ない．素材となる円管の成形過程において，偏肉は不可避的に発生し，抽伸加工後の成形品の寸法精度に影響を与える可能性がある．切削加工などを用いれば改善することも可能であるが，作業工程やコストの増加を招くため，追加工を行う場合は少なく，偏肉を有する円管をそのまま素材として用い，抽伸加工を行っている．したがって，初期偏肉を有する管を用いた抽伸加工において，工具形状が成形品の寸法精度に与える影響を定量的に示すことができれば，成形品の寸法精度の向上が期待できる．そこで本研究では，抽伸加工において，有限要素法解析により調査を行い，抽伸加工中の変形挙動を明らかにし，工具形状が成形品に与える影響を示した．　抽伸加工時に厚肉側の材料のみが工具との接触により肉厚増加を妨げられる領域が存在する．この領域では，工具によって拘束されていない薄肉側が大きく増肉するため，偏肉率が減少する．また，ダイス半角を減少させることで，材料と工具の接触範囲が増加し，上記の厚肉側の増肉のみが妨げられる領域も増加する．このため，半角の小さいダイスを用いることが，成形品の偏肉率を減少させるにあたり有効である．円管の初期肉厚を増加させることで，薄肉側にかかる周方向圧縮応力が増加するため，厚肉側からプラグにかかる荷重よりも，薄肉側からプラグにかかる荷重の方が大きくなる．このため，プラグは厚肉側へ移動し，成形品の偏肉率は減少する．加えて，材料外径を大きくすることで，材料とダイスの接触面積が増加し，肉厚が増加する領域が増える．このため，材料がプラグに接触する時点での材料肉厚が大きくなり，初期肉厚が増加した場合と同様に成形品の偏肉率が減少する．