专利名称：模具、阶梯金属管的制造方法及阶梯金属管的制作方法
技术领域：
本发明涉及模具、阶梯金属管的制造方法及阶梯金属管，更为详细地说，涉及用于通过挤压加工使金属管减径的模具、使用该模具的阶梯金属管的制造方法及阶梯金属管。
背景技术：
轴等汽车部件中有如图1所示那样在轴向具有不同外径的阶梯状部件(以下称阶梯部件)。这样的阶梯部件通过挤压加工使实心材料减径而制造。具体地说，参照图2A～图2D，将作为圆柱状实心材料的坯料1切断成规定长度(图2A)。接着，将坯料1沿铅直方向配置于挤压加工用的模具2上，将压力机3配置在坯料1的上端(图2B)。由压力机3将坯料1压入到模具2的通孔21中，从模具2的下表面挤出坯料1的下端(图2C)。在从模具2的下表面将坯料1的下端挤出规定距离后，由拔取夹具4从模具2拔出坯料1(图2D)。通过以上的工序使坯料1成为阶梯部件。
如图2B所示，模具2的通孔21具有由引导锥孔211、减径部212、矫正部213、后角部214连续地形成的内面。引导锥孔211具有将坯料1引导至减径部212的作用。坯料1在减径部212开始在径向受到压缩力而减径。通常，减径部212的模具半角R1不变。
近年来，以减轻汽车重量为目的，对作为空心材料的金属管进行挤压加工而制造出的阶梯金属管越来越多地用作阶梯部件。
然而，如图3所示，在通过使用模具2的现有技术的挤压加工制造阶梯金属管时，在减径的圆筒部产生弯曲。通常，安装于汽车的阶梯金属管沿轴向旋转运动。由于弯曲了的阶梯金属管在旋转时发生偏转，所以不理想。
在日本特开2002-11518号公报中公开有拔出加工用的模具，但与材料前端不被固定的挤压加工不同，在夹紧材料前端进行拔出的拔出加工中不易产生弯曲。为此，在拔出加工用模具和挤压加工用模具中，形状不同。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可防止通过对金属管进行挤压加工而制造出的阶梯金属管的弯曲的模具和使用该模具的阶梯金属管。
本发明者为了调查阶梯金属管产生弯曲的原因，如图4所示那样使用现有技术的模具2对金属管10进行挤压加工。结果发现，减径后的金属管10的外径DB变形得比模具2的矫正部213的通孔21的直径D11小。以下，将这样的变形称为欠尺寸变形。
当使用模具2对金属管10进行挤压加工时，金属管10中的正在通过减径部212的部分由减径部212内面在径向对其进行弯曲加工而被减径。从减径部212出来后进入到矫正部213的部分不从矫正部213内面接受弯曲加工，但正在通过减径部212的部分受到从减径部212内面受到的弯曲加工的影响。为此，产生欠尺寸变形。
在润滑不均匀时，或在挤压加工时金属管10相对于模具2稍倾斜时，金属管10相对于管轴不均匀地减径。另外，由欠尺寸变形使金属管10的外径DB比在矫正部213的直径D11小，所以金属管10不受矫正部213约束。因此，不能由矫正部213矫正由减径部212的加工产生的金属管10的不均匀变形。其结果，在挤压加工后的金属管10产生弯曲。
本发明人认为，如在矫正部213不发生欠尺寸变形，则可抑制阶梯金属管的弯曲。这是因为，如没有欠尺寸变形，则金属管10受矫正部213约束。
为了在矫正部213不发生欠尺寸变形，可在由挤压加工使金属管10的外径减径到D11之前预先使金属管10产生欠尺寸变形，在外径达到D11之前使欠尺寸变形结束。
因此，本发明者使用模具2对具有各种外径DA和壁厚的金属管10进行挤压加工，调查发生于各金属管10的欠尺寸变形量。由调查结果得到了新的发现，即，在外径加工度小于等于30％的挤压加工时，金属管10的欠尺寸变形量小于矫正部213的直径D11的3％。欠尺寸变形量不依存于挤压加工前的金属管10的外径DA和壁厚。
根据以上的讨论和调查结果，本发明人完成了以下发明。
本发明的模具具有用于由挤压加工使金属管减径的通孔；其中通孔具有从入口侧依次由引导锥孔、减径部、矫正部连续地形成的内面。引导锥孔处的通孔直径从入口侧朝出口侧逐渐减小。减径部处的通孔直径在入口侧为D1，在出口侧为D2，从入口侧朝出口侧逐渐减小，满足式(1)，直径D3＝D2/0.97的内面的模具半角大于等于比D3的内面更处于出口侧的内面的模具半角，而且从D3的内面到D2的内面的轴向距离LR满足式(2)。矫正部的通孔的直径为D2且保持不变，长度为LB，而且满足式(3)。
0.7≤D2/D1＜0.97 (1)20≤LR/((D3-D2)/2)≤115 (2)0.3≤LB/D2≤10(3)在本发明的模具中，减径部处的通孔直径D3的内面的模具半角大于等于比D3的内面更处于出口侧的内面的模具半角，而且，距离LR具有满足式(2)的长度。因此，比直径为D3的内面更处于出口侧的内面的模具半角减小，金属管在从D3的内面到减径部出口间基本不受弯曲加工。因此，在从D3的内面到减径部出口间可使金属管进行欠尺寸变形。如前面说明的调查结果那样，外径加工度小于等于30％时的欠尺寸变形量小于3％，因此从直径D3的内面产生的欠尺寸变形到减径部出口之前结束。换言之，通过减径部后的金属管不产生欠尺寸变形。其结果，金属管由矫正部约束。
另外，通过矫正部具有满足式(3)的长度，从而可矫正由在减径部的加工产生的金属管的不均匀变形。因此，可防止金属管的弯曲。
本发明的阶梯金属管的制造方法使用的模具具有用于由挤压加工使金属管减径的通孔，通孔具有从入口侧依次由引导锥孔、减径部、矫正部连续地形成的内面，引导锥孔处的通孔直径从入口侧朝出口侧逐渐减小，减径部处的通孔直径在入口侧为D1，在出口侧为D2，从入口侧朝出口侧逐渐减小，满足式(1)，直径D3＝D2/0.97的内面的模具半角大于等于比D3的内面更处于出口侧的内面的模具半角，而且从D3的内面到D2的内面的轴向距离LR满足式(2)，矫正部的通孔的直径为D2且保持不变，长度为LB，而且满足式(3)；该制造方法具有沿轴向将金属管压入到模具的工序，将已压入的金属管的端部从模具的出口侧挤出到规定的距离而形成阶梯金属管的工序，以及停止挤压、朝与挤压方向相反的方向拔取阶梯金属管的工序。
最好由曼内斯曼法制造金属管。
本发明的阶梯金属管按第1圆筒部、锥部、及第2圆筒部的顺序连续地形成；其中第1圆筒部的外径为DA，第2圆筒部的外径为比DA小的DB，锥部的外径从第1圆筒部朝第2圆筒部逐渐从DA减小到DB，而且，从外径为DC＝DB/0.97的表面到为D2的表面的轴向距离LE满足式(4)。
20≤LE/((DC-DB)/2)≤115 (4)
图1是现有技术的阶梯部件的外观图。
图2A是表示使用现有技术的模具的挤压加工的第1工序的图。
图2B是表示使用现有技术的模具的挤压加工的第2工序的图。
图2C是表示使用现有技术的模具的挤压加工的第3工序的图。
图2D是表示使用现有技术的模具的挤压加工的第4工序的图。
图3是发生了弯曲的阶梯部件的外观图。
图4是用于说明挤压加工时的阶梯金属管发生弯曲的原因的示意图。
图5是本发明实施方式的模具垂直方向的截面图。
图6是用于说明由图5所示的模具进行挤压加工时的金属管加工状态的示意图。
图7是按照本发明实施方式的另一例的模具的截面图。
图8A是表示使用图5的模具的挤压加工的第1工序的图。
图8B是表示使用图5的模具的挤压加工的第2工序的图。
图8C是表示使用图5的模具的挤压加工的第3工序的图。
图9是在本实施例中使用的模具的截面图。
图10是用于说明阶梯金属管的弯曲量测定方法的示意图。
图11是表示在阶梯金属管的轴向各位置的外径测定结果的图。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明本发明的实施方式。在图中相同或相当的部分标注相同的附图标记，引用其说明。
1.模具参照图5，本实施方式的模具30具有通孔31。通孔31具有从入口侧依次由引导锥孔311、减径部312、矫正部313、后角部314连续地形成的内面。
下面，详细说明通孔31的形状。
1.1.引导锥孔引导锥孔311具有将金属管10引导至通孔31的作用。由于引导锥孔311不将压缩的力施加于金属管10，所以金属管10在引导锥孔311不减径。引导锥孔311处的通孔31的直径从入口侧朝出口侧逐渐减小。
1.2.减径部减径部312具有使金属管10减径的作用。即，金属管10在减径部312开始在径向受到压缩应力而减径。减径部312处的通孔31的直径从入口侧朝出口侧逐渐减小。如设减径部312的入口直径为D1，出口的直径为D2，则D1和D2满足以下的(1)式。
0.7≤D2/D1＜0.97 (1)将式(1)的下限值设为0.7，是因为当金属管10的外径加工度小于等于30％时本发明的效果特别有效。在此，外径加工度按下式(A)定义。
外径加工度＝(DA-DB)/DA×100(％)(A)其中，DA为挤压加工前的金属管10的外径，DB为由挤压加工进行减径后的金属管10的外径。而且，即使小于式(1)的下限值，也可获得一定程度的本发明的效果。将式(1)的上限值设为0.97，是因为在外径加工度不到3％时，不能有效地获得本发明的效果。
在减径部312中，直径为D3＝D2/0.97的内面SD3的模具半角R1大于等于比内面SD3更处于出口侧的内面SD3-D2的模具半角R2。
另外，从内面SD3到直径为D2的内面SD2的轴向距离LR满足以下的式(2)。
20≤LR/((D3-D2)/2)≤115 (2)相对于直径差D3-D2，距离LR越长，则内面SD3-D2处的模具半角R2越小。
在矫正部313中，为了使金属管10不产生欠尺寸变形，只要在减径部312内预先产生欠尺寸变形，在到达减径部312出口之前结束欠尺寸变形即可。若使D3＝D2/0.97的内面SD3的模具半角R1为大于等于内面SD3-D2的模具半角R2，而且距离LR为满足式(2)的长度，则模具半角R2变得非常小。因此，如图6所示那样，金属管10在内面SD3-D2的入口侧不与模具30接触(参照图6中的区域50)，在内面SD3-D2产生欠尺寸变形。
在金属管10的外径加工度小于等于30％时，如上所述，欠尺寸变形量小于直径D2的3％。因此，如从内面SD3起产生欠尺寸变形，则欠尺寸变形后的金属管10的外径大于D2。
欠尺寸变形后的金属管10再次接触到减径部312，在到矫正部313入口之前的区间产生一些减径(参照图6中的区域51)。然而，由于外径加工度低且内面SD3-D2的模具半角R2小，所以金属管10在该区间受到的压缩力非常小。因此，在矫正部313中不产生欠尺寸变形。
另外，如距离LR为大于等于式(2)的下限值，则可有效地发挥上述效果。设式(2)的上限值为115，是因为如距离LR超过115，则模具30自身的长度变得过长，模具制造成本和压力机的设备成本增大。即使式(2)的上限值大于等于115，也可有效地获得本发明的效果。
另外，在图5中，减径部312的形状在从入口到内面SD3的内面和内面SD3-D2为直线，也可以是其他形状。例如图7所示，减径部312也可以是曲线。根据需要，减径部312的形状从入口侧朝出口侧直径逐渐减小，只要模具半角R1大于等于模具半角R2，且距离LR满足式(2)即可。另外，如图7所示，减径部312是曲线时的模具半角R1称为在减径部312内规定内面的切线与通孔31的中心轴形成的角度。
1.3.矫正部矫正部313约束被挤压加工后的金属管10，具有提高金属管10的直线性的作用。矫正部313的长度LB满足以下式(3)。
0.3≤LB/D2≤10(3)矫正部长度LB与直径D2成比例。矫正部LB越长，则越可矫正由在减径部312的加工而产生的金属管10的不均匀的变形。因此，可防止金属管10的弯曲。如矫正部长度LB满足式(3)，则可有效地获得上述效果，而提高金属管10的直线性。而且，设式(3)的上限值为10，是因为如矫正部长度LB超过10，则模具30自身变得过长，模具制造成本变高。即使是大于等于式(3)的上限值，也可有效地获得上述效果。
2.制造方法下面，说明本实施方式的阶梯金属管的制造方法。首先，由高炉或电炉熔化钢制造钢水，然后用公知的方法精炼制造出的钢水。精炼后的钢水通过连铸法或铸锭法形成坯料。在此，所谓坯料是例如为板坯、大钢坯、小钢坯、或钢锭。
制造出的坯料中的板坯、或大钢坯、钢锭进一步进行热加工而形成小钢坯。此时，可通过热轧形成小钢坯，也可通过热锻形成为小钢坯。
接着，通过曼内斯曼法将小钢坯形成为金属管。首先，由穿孔机沿轴向对小钢坯穿孔而形成为管坯(穿孔工序)。穿孔工序后，由芯棒式无缝管轧机沿轴向对管坯进行拉伸(拉伸工序)。拉伸工序后，由定径机将管坯加工成所期望的外径尺寸(定径工序)。
使用由曼内斯曼法制造出的金属管，通过挤压加工制造阶梯金属管。参照图8A～图8C，在沿铅直方向推压金属管10的压力机3与模具30间配置规定长度的金属管10(图8A)。配置后，由压力机3朝铅直方向推压金属管10的上端，将金属管10的下端压入到模具30内。从模具30下表面将金属管10的下端挤出规定距离后，停止由压力机3进行的挤压(图8B)。此时，金属管10成为阶梯金属管11。接着，使用拔取夹具4朝与挤压的方向相反的方向拔取阶梯金属管11(图8C)。
由以上的挤压加工方法制造出的阶梯金属管11按第1圆筒部101、锥部102、第2圆筒部103的顺序连续地形成。第1圆筒部101的外径为DA，第2圆筒部103的外径DB比DA小。
锥部102的外径从第1圆筒部101朝第2圆筒部103逐渐从DA减小至DB。另外，从外径为DC＝DB/0.97的表面到为DB的表面的轴向距离LE满足以下式(4)。
20≤LE/(DC-DB)/2)≤115(4)按照上述曼内斯曼方法得到的金属管的制造方法包括穿孔工序、拉伸工序及定径工序，但也可包括其它工序。例如，也可在定径工序之后、阶梯金属管制造前实施以矫正金属管的轴向弯曲、提高圆度为目的矫正工序。矫正工序使用例如矫直机来实施。另外，为了调整金属管的强度或韧性等特性，也可在定径工序后矫正工序前实施热处理。矫正工序后，为了调整金属管端部的内径尺寸，也可对金属管端部进行减径加工(模锻工序)。例如，使用模具对管坯端部进行挤压加工，调整管坯端部的内径尺寸。此时，在模锻工序后实施阶梯金属管的制造工序。
另外，在通过上述图8A～图8C的工序制造出的阶梯金属管可能会发生加工变形或残留应力，所以为了消除这些变形、应力，也可对阶梯金属管实施热处理。另外，为了调整阶梯金属管的强度、韧性等特性，也可实施热处理。
在上述制造方法中，作为金属管制造出了无缝钢管，但也可使用焊接钢管作为金属管来制造阶梯金属管。
另外，模具30的坯料不受特别限制。例如可以是高速钢，也可以是超硬质合金。通孔31的内面的粗糙度没有问题。可以是研磨面，也可以是镜面。另外，也可对通孔31的内面进行涂覆加工。
另外，在图5中，使引导锥孔311的模具半角与减径部312的模具半角R1为不同的角度，但也可以是相同角度。
实施例1使用表1所示尺寸的金属管和模具来实施挤压加工试验，并调查挤压加工后的金属管的弯曲。
表1
*是本发明的规定范围之外 如图9所示，在试验NO7、14、21、28、35、42、49、56中，使用模具半角恒定为R1的现有技术的模具。图9中的D3为D3＝D2/0.97。
如图5所示，在上述试验NO以外的试验中，使用了具有2个不同的模具半角R1和R2的模具。在此，模具半角R1＞模具半角R2。
表1表示在各试验NO中使用的模具直径D1～D3、模具半角R1和R2、距离LR及矫正部长度LB。另外，根据各试验NO的模具尺寸，计算出式(5)和(6)表示的F1和F2。将计算出的F1和F2在表1中表示。
F1＝LR/((D3-D2)/2)(5)F2＝LB/D2 (6)参照表1，在试验NO2～5、9～12、16～19、23～26、30～34、37～41、44～48、51～55中使用的模具都是满足本发明规定范围的模具。
另一方面，在试验NO1、7、8、14、15、21、22、28、35、42、49、56中使用的模具的F1值不满足式(2)。具体地说，所有的模具的F1值都不到20。
另外，在试验NO29、36、43、50中使用的模具的F2值不满足式(3)。具体地说，F2值小于0.3。作为坯料的金属管为碳素钢钢管，形成表1所示外径DA、壁厚，而且长度为500mm。
使用各试验NO的金属管和模具，进行挤压加工，制造阶梯金属管。具体地说，进行挤压直到金属管的下端从模具下表面离开330mm的距离，然后朝与挤压方向相反的方向拔出金属管。
挤压加工后，使用游标卡尺测定阶梯金属管的减径的圆筒部的外径DB。然后，调查了阶梯金属管的弯曲。如图10所示，用车床60固定阶梯金属管的第2圆筒部的端部。由车床60使阶梯金属管沿圆周方向旋转1圈，由千分表61测定阶梯金属管的弯曲量S，该千分表61设置在距离固定于车床60的端部为350mm的表面。在弯曲量S为0.5mm以内时，判为合格(表1中用“O”表示)；在弯曲量S超过0.5mm时，判为不合格(表1中用“×”表示)。
参照表1，试验NO2～6、9～13、16～20、23～27、30～34、37～41、44～48、51～55的阶梯金属管的弯曲量S全部小于等于0.5mm。
另一方面，试验NO1、7、8、14、15、21、22、28、35、42、49、56的阶梯金属管的弯曲量S超过0.5mm。这些试验NO的阶梯金属管的外径DB比模具直径D2＝34.0mm小。可以认为由于在这些试验NO使用的模具的距离LR短，所以在矫正部处产生欠尺寸变形，结果弯曲量S超过0.5mm。
尽管试验NO29、36、43、50的阶梯金属管的外径DB为34.0mm，但其弯曲量S仍超过0.5mm。虽然未产生欠尺寸变形，但可以认为由于使用的模具的矫正部长度LB短，所以产生了弯曲。
而且，金属管的壁厚也不影响弯曲量。
将在用现有技术的模具进行挤压加工而成的试验NO7、14、21、28、35、42、49、56中制造出的阶梯金属管的形状与在用本发明规定内的模具挤压加工而成的试验NO2～5、9～12、16～19、23～26、30～33、37～40、44～47、51～54中制造出的阶梯金属管的形状进行比较。在表1中表示外径DC、距离LE的测定结果。另外，表1中的“式(4)”栏表示LE/((DC-DB)/2)的值。
在图11中表示作为一例使用了现有技术的模具的试验NO14的阶梯金属管和使用了本发明范围内的模具的NO11的阶梯金属管在轴向各位置的外径的测定结果。轴向位置以阶梯金属管的锥部与第2圆筒部的交界线为基准点(图11中的横轴“0”)，设第2圆筒部方向为正方向，第1圆筒部方向为负方向。而且，使用游标卡尺测定了外径。如图11所示，阶梯金属管的锥部形状与试验NO14和NO11大不相同。具体地说，NO11的阶梯金属管满足式(4)，但NO14的阶梯金属管不满足式(4)。同样地，试验NO2～5、9～12、16～19、23～26、30～33、37～40、44～47、51～54的阶梯金属管满足了式(4)，但NO7、21、28、35、42、49、56的阶梯金属管不满足式(4)。
以上说明了本发明实施方式，但上述实施方式不过为实施本发明的例示。因此，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离其宗旨的范围内，可将上述实施方式作适当变型而实施。
产业上利用的可能性本发明的模具可广泛应用于使坯料减径的挤压加工，特别是可应用于使作为坯料的金属管减径的挤压加工。
权利要求
1.一种模具，其具有用于通过挤压加工使金属管减径的通孔，其特征在于，上述通孔具有从入口侧依次由引导锥孔、减径部、矫正部连续地形成的内面；上述引导锥孔处的通孔直径从入口侧朝出口侧逐渐减小；上述减径部处的通孔直径在入口侧为D1，在出口侧为D2，从入口侧朝出口侧逐渐减小，并满足式(1)，直径D3＝D2/0.97的内面的模具半角大于等于比上述D3的内面更处于出口侧的内面的模具半角，而且从上述D3的内面到D2的内面的轴向距离LR满足式(2)；上述矫正部的通孔的直径为D2且恒定，长度为LB，而且满足式(3)；0.7≤D2/D1＜0.97 (1)20≤LR/((D3-D2)/2)≤115(2)0.3≤LB/D2≤10 (3)。
2.一种阶梯金属管的制造方法，包括沿轴向将金属管压入到模具内的工序，该模具具有用于通过挤压加工使金属管减径的通孔，上述通孔具有从入口侧依次由引导锥孔、减径部、矫正部连续地形成的内面，上述引导锥孔处的通孔直径从入口侧朝出口侧逐渐减小，上述减径部处的通孔直径在入口侧为D1，在出口侧为D2，从入口侧朝出口侧逐渐减小，且满足式(1)，直径D3＝D2/0.97的内面的模具半角大于等于比上述D3的内面更处于出口侧的内面的模具半角，而且从上述D3的内面到D2的内面的轴向距离LR满足式(2)，上述矫正部处的通孔的直径为D2且恒定，长度为LB，而且满足式(3)；将上述压入的金属管的端部从上述模具的出口侧挤出到规定的距离而形成阶梯金属管的工序；以及停止挤压、朝与挤出方向相反的方向拔取上述阶梯金属管的工序；0.7≤D2/D1＜0.97 (1)20≤LR/((D3-D2)/2)≤115(2)0.3≤LB/D2≤10 (3)。
3.根据权利要求2所述的阶梯金属管的制造方法，其特征在于，用曼内斯曼法制造上述金属管。
4.一种阶梯金属管，其按第1圆筒部、锥部及第2圆筒部的顺序连续地形成，其特征在于，上述第1圆筒部的外径为DA；上述第2圆筒部的外径为比上述DA小的DB，上述锥部的外径从上述第1圆筒部朝第2圆筒部逐渐从DA减小至DB，而且从外径为DC＝DB/0.97的表面到为DB的表面的轴向距离LE满足式(4)，20≤LE/((DC-DB)/2)≤115(4)。
全文摘要
一种模具、阶梯金属管的制造方法及阶梯金属管，该模具的通孔具有从入口侧依次由引导锥孔、减径部、矫正部连续地形成的内面。减径部的直径在入口侧为D1，在出口侧为D2，从入口侧朝出口侧逐渐减小，且满足式(1)。另外，直径D3＝D2/0.97的内面的模具半角R1大于等于比D3的内面更处于出口侧的内面的模具半角R2，而且从D3的内面到D2的内面的轴向距离LR满足式(2)。矫正部处的通孔的直径为D2且恒定，长度为LB，而且满足式(3)，0.7≤D2/D1＜0.97 (1)；20≤LR/((D3－D2)/2)≤115 (2)；0.3≤LB/D2≤10 (3)。
文档编号B21C37/18GK1909992SQ20058000203
公开日2007年2月7日 申请日期2005年8月30日 优先权日2004年8月31日
发明者奥井达也, 黑田浩一, 秋山雅义 申请人:住友金属工业株式会社