(57)【要約】【課題】適切な突出量のフランジ部を形成できる成形金型の設計方法を提供する。【解決手段】モデル作成工程Ｓ１０において、キャビティ部ＭＣ及びフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２を有する成形金型１３の仮想的なモデルを作成している。また、演算工程Ｓ２０において、モデルに係る成形金型１３のフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２によって形成されるフランジ部１００ｂ，１００ｃの突出量Ｌ５，Ｌ６を演算している。演算工程Ｓ２０で演算された突出量Ｌ５，Ｌ６に基づいて、決定工程Ｓ３０，Ｓ４０，Ｓ６０にてフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２の長さＬ１，Ｌ２を決定することで、成形金型１３の作成時には、フランジ部１００ｂ，１００ｃの突出量Ｌ５，Ｌ６が大きくなりすぎることを抑制できるフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２を作成することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形金型内で金属パイプ材料を膨張させることで、パイプ本体部及びフランジ部を有する金属パイプを成形する成形金型の設計方法であって、
前記パイプ本体部を形成するキャビティ部、及び前記フランジ部を形成するフランジキャビティ部を有し、前記キャビティ部内に配置された金属パイプ材料を膨張させて、前記フランジキャビティ部へ突出した部分を当該フランジキャビティ部で潰すことにより、フランジ部を形成する前記成形金型の仮想的なモデルを作成するモデル作成工程と、
当該モデルに係る前記成形金型の前記フランジキャビティ部によって形成される前記フランジ部の突出量を演算する演算工程と、
前記演算工程で演算された前記突出量に基づいて、前記フランジキャビティ部の前記フランジ部の突出方向における長さを決定する決定工程と、を備える、成形金型の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形金型の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属パイプを成形金型により型閉してブロー成形する成形装置が知られている。例えば、特許文献１に開示された成形装置は、成形金型と、金属パイプ材料内に気体を供給する気体供給部と、を備えている。この成形装置では、加熱された金属パイプ材料を成形金型内に配置し、成形金型を型閉した状態で金属パイプ材料に気体供給部から気体を供給して膨張させることによって、金属パイプ材料を成形金型の形状に対応する形状に成形する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１１２６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
成形金型は、金属パイプのパイプ本体部を成形するためのキャビティ部と、フランジ部を成形するためのフランジキャビティ部を有する場合がある。金属パイプ材料をキャビティ部内に配置して膨張させると、フランジキャビティ部へ突出する部分が形成され、当該部分をフランジキャビティで潰すことによってフランジ部が形成される。
【０００５】
ここで、従来の成形金型では、金属パイプ材料の膨張時に、フランジキャビティ部へ突出する部分の突出力が大きくなりすぎる場合があった。この場合、当該突出する部分をフランジキャビティ部で潰した時に、フランジ部の先端が波打ち形状となる可能性があった。
【０００６】
そこで、本発明は、適切な突出量のフランジ部を形成できる成形金型の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る成形金型の設計方法は、成形金型内で金属パイプ材料を膨張させることで、パイプ本体部及びフランジ部を有する金属パイプを成形する成形金型の設計方法であって、パイプ本体部を形成するキャビティ部、及びフランジ部を形成するフランジキャビティ部を有し、キャビティ部内に配置された金属パイプ材料を膨張させて、フランジキャビティ部へ突出した部分を当該フランジキャビティ部で潰すことにより、フランジ部を形成する成形金型の仮想的なモデルを作成するモデル作成工程と、当該モデルに係る成形金型のフランジキャビティ部によって形成されるフランジ部の突出量を演算する演算工程と、演算工程で演算された突出量に基づいて、フランジキャビティ部のフランジ部の突出方向における長さを決定する決定工程と、を備える。
【０００８】
この成形金型の設計方法によれば、モデル作成工程において、キャビティ部及びフランジキャビティ部を有する成形金型の仮想的なモデルを作成している。また、演算工程において、モデルに係る成形金型のフランジキャビティ部によって形成されるフランジ部の突出量を演算している。これにより、成形金型の設計時には、作成予定の成形金型で金属パイプの成形を行った場合に、膨張時にフランジキャビティ部内に突出し、フランジキャビティ部で潰されることによって形成されるフランジ部の突出量を予め予測しておくことができる。また、突出量が大きすぎる場合は、フランジキャビティ部のフランジ部の突出方向における長さをモデル上で適宜調整し、再度演算工程を行うこともできる。このような演算工程で演算された突出量に基づいて、決定工程にてフランジキャビティ部の長さを決定することで、成形金型の作成時には、フランジ部の突出量が大きくなりすぎることを抑制できるフランジキャビティ部を作成することができる。以上により、適切な突出量のフランジ部を形成できる成形金型を設計することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の成形金型の設計方法によれば、適切な突出量のフランジ部を形成できる成形金型を設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る設計方法によって設計された成形金型が採用される成形装置の概略構成図である。
【図２】電極周辺の拡大図であって、（ａ）は電極が金属パイプ材料を保持した状態を示す図、（ｂ）は電極にシール部材を押し付けた状態を示す図、（ｃ）は電極の正面図である。
【図３】図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った成形金型の断面図である。
【図４】本実施形態に係る成形金型の設計方法を実行するための演算装置のブロック構成図である。
【図５】本実施形態に係る成形金型の設計方法の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明による成形金型の設計方法の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
〈成形装置の構成〉
図１は、本実施形態に係る設計方法によって設計された成形金型が採用される成形装置の概略構成図である。図１に示されるように、金属パイプを成形する成形装置１０は、上型１２及び下型１１からなる成形金型１３と、上型１２及び下型１１の少なくとも一方を移動させる駆動機構８０と、上型１２と下型１１との間に配置される金属パイプ材料１４を保持するパイプ保持機構３０と、パイプ保持機構３０で保持されている金属パイプ材料１４に通電して加熱する加熱機構５０と、上型１２及び下型１１の間に保持され加熱された金属パイプ材料１４内に高圧ガス（気体）を供給するための気体供給部６０と、パイプ保持機構３０で保持された金属パイプ材料１４内に気体供給部６０からの気体を供給するための一対の気体供給機構４０，４０と、成形金型１３を強制的に水冷する水循環機構７２とを備えると共に、上記駆動機構８０の駆動、上記パイプ保持機構３０の駆動、上記加熱機構５０の駆動、及び上記気体供給部６０の気体供給をそれぞれ制御する制御部７０と、を備えて構成されている。
【００１３】
成形金型１３の一方である下型１１は、基台１５に固定されている。下型１１は、大きな鋼鉄製ブロックで構成され、その上面に例えば矩形状のキャビティ（凹部）１６を備える。下型１１には冷却水通路１９が形成され、略中央に下から差し込まれた熱電対２１を備えている。この熱電対２１はスプリング２２により上下移動自在に支持されている。
【００１４】
更に、下型１１の左右端（図１における左右端）近傍にはスペース１１ａが設けられており、当該スペース１１ａ内には、パイプ保持機構３０の可動部である後述する電極１７，１８（下側電極）等が、上下に進退動可能に配置されている。そして、下側電極１７，１８上に金属パイプ材料１４が載置されることで、下側電極１７，１８は、上型１２と下型１１との間に配置される金属パイプ材料１４に接触する。これにより、下側電極１７，１８は金属パイプ材料１４に電気的に接続される。
【００１５】
下型１１と下側電極１７との間及び下側電極１７の下部、並びに下型１１と下側電極１８との間及び下側電極１８の下部には、通電を防ぐための絶縁材９１がそれぞれ設けられている。それぞれの絶縁材９１は、パイプ保持機構３０を構成するアクチュエータ（不図示）の可動部である進退ロッド９５に固定されている。このアクチュエータは、下側電極１７，１８等を上下動させるためのものであり、アクチュエータの固定部は、下型１１と共に基台１５側に保持されている。
【００１６】
成形金型１３の他方である上型１２は、駆動機構８０を構成する後述のスライド８１に固定されている。上型１２は、大きな鋼鉄製ブロックで構成され、内部に冷却水通路２５が形成されると共に、その下面に例えば矩形状のキャビティ（凹部）２４を備える。このキャビティ２４は、下型１１のキャビティ１６に対向する位置に設けられる。
【００１７】
上型１２の左右端（図１における左右端）近傍には、下型１１と同様に、スペース１２ａが設けられており、当該スペース１２ａ内には、パイプ保持機構３０の可動部である後述する電極１７，１８（上側電極）等が、上下に進退動可能に配置されている。そして、下側電極１７，１８上に金属パイプ材料１４が載置された状態において、上側電極１７，１８は、下方に移動することで、上型１２と下型１１との間に配置された金属パイプ材料１４に接触する。これにより、上側電極１７，１８は金属パイプ材料１４に電気的に接続される。
【００１８】
上型１２と上側電極１７との間及び上側電極１７の上部、並びに上型１２と上側電極１８との間及び上側電極１８の上部には、通電を防ぐための絶縁材１０１がそれぞれ設けられている。それぞれの絶縁材１０１は、パイプ保持機構３０を構成するアクチュエータの可動部である進退ロッド９６に固定されている。このアクチュエータは、上側電極１７，１８等を上下動させるためのものであり、アクチュエータの固定部は、上型１２と共に駆動機構８０のスライド８１側に保持されている。
【００１９】
パイプ保持機構３０の右側部分において、電極１８，１８が互いに対向する面のそれぞれには、金属パイプ材料１４の外周面に対応した半円弧状の凹溝１８ａが形成されていて（図２参照）、当該凹溝１８ａの部分に丁度金属パイプ材料１４が嵌り込むように載置可能とされている。パイプ保持機構３０の右側部分において、絶縁材９１，１０１が互いに対向する露出面には、上記凹溝１８ａと同様に、金属パイプ材料１４の外周面に対応した半円弧状の凹溝が形成されている。また、電極１８の正面（金型の外側方向の面）には、凹溝１８ａに向って周囲がテーパー状に傾斜して窪んだテーパー凹面１８ｂが形成されている。よって、パイプ保持機構３０の右側部分で金属パイプ材料１４を上下方向から挟持すると、丁度金属パイプ材料１４の右側端部の外周を全周に渡って密着するように取り囲むことができるように構成されている。
【００２０】
パイプ保持機構３０の左側部分において、電極１７，１７が互いに対向する面のそれぞれには、金属パイプ材料１４の外周面に対応した半円弧状の凹溝１７ａが形成されていて（図２参照）、当該凹溝１７ａの部分に丁度金属パイプ材料１４が嵌り込むように載置可能とされている。パイプ保持機構３０の左側部分において、絶縁材９１，１０１が互いに対向する露出面には、上記凹溝１８ａと同様に、金属パイプ材料１４の外周面に対応した半円弧状の凹溝が形成されている。また、電極１７の正面（金型の外側方向の面）には、凹溝１７ａに向って周囲がテーパー状に傾斜して窪んだテーパー凹面１７ｂが形成されている。よって、パイプ保持機構３０の左側部分で金属パイプ材料１４を上下方向から挟持すると、丁度金属パイプ材料１４の左側端部の外周を全周に渡って密着するように取り囲むことができるように構成されている。
【００２１】
図１に示されるように、駆動機構８０は、上型１２及び下型１１同士が合わさるように上型１２を移動させるスライド８１と、上記スライド８１を移動させるための駆動力を発生するシャフト８２と、該シャフト８２で発生した駆動力をスライド８１に伝達するためのコネクティングロッド８３とを備えている。シャフト８２は、スライド８１上方にて左右方向に延在していると共に回転自在に支持されており、その軸心から離間した位置にて左右端から突出して左右方向に延在する偏心クランク８２ａを有している。この偏心クランク８２ａと、スライド８１の上部に設けられると共に左右方向に延在している回転軸８１ａとは、コネクティングロッド８３によって連結されている。駆動機構８０では、制御部７０によってシャフト８２の回転を制御することにより偏心クランク８２ａの上下方向の高さを変化させ、この偏心クランク８２ａの位置変化をコネクティングロッド８３を介してスライド８１に伝達することにより、スライド８１の上下動を制御できる。ここで、偏心クランク８２ａの位置変化をスライド８１に伝達する際に発生するコネクティングロッド８３の揺動（回転運動）は、回転軸８１ａによって吸収される。なお、シャフト８２は、例えば制御部７０によって制御されるモータ等の駆動に応じて回転又は停止する。
【００２２】
加熱機構５０は、電力供給部５５と、電力供給部５５と電極１７，１８とを電気的に接続するブスバー５２と、を備える。電力供給部５５は、直流電源及びスイッチを含み、電極１７，１８が金属パイプ材料１４に電気的に接続された状態において、ブスバー５２、電極１７，１８を介して金属パイプ材料１４に通電可能とされている。なお、ブスバー５２は、ここでは、下側電極１７，１８に接続されている。
【００２３】
この加熱機構５０では、電力供給部５５から出力された直流電流は、ブスバー５２によって伝送され、電極１７に入力される。そして、直流電流は、金属パイプ材料１４を通過して、電極１８に入力される。そして、直流電流Ｃは、ブスバー５２によって伝送されて電力供給部５５に入力される。
【００２４】
図１に戻り、一対の気体供給機構４０の各々は、シリンダユニット４２と、シリンダユニット４２の作動に合わせて進退動するシリンダロッド４３と、シリンダロッド４３におけるパイプ保持機構３０側の先端に連結されたシール部材４４とを有する。シリンダユニット４２はブロック４１上に載置固定されている。シール部材４４の先端には先細となるようにテーパー面４５が形成されており、電極１７，１８のテーパー凹面１７ｂ，１８ｂに合わさる形状に構成されている（図２参照）。シール部材４４には、シリンダユニット４２側から先端に向かって延在し、詳しくは図２（ａ），（ｂ）に示されるように、気体供給部６０から供給された高圧ガスが流れるガス通路４６が設けられている。
【００２５】
気体供給部６０は、ガス源６１と、このガス源６１によって供給されたガスを溜めるアキュムレータ６２と、このアキュムレータ６２から気体供給機構４０のシリンダユニット４２まで延びている第１チューブ６３と、この第１チューブ６３に介設されている圧力制御弁６４及び切替弁６５と、アキュムレータ６２からシール部材４４内に形成されたガス通路４６まで延びている第２チューブ６７と、この第２チューブ６７に介設されている圧力制御弁６８及び逆止弁６９とからなる。圧力制御弁６４は、シール部材４４の金属パイプ材料１４に対する押力に適応した作動圧力のガスをシリンダユニット４２に供給する役割を果たす。逆止弁６９は、第２チューブ６７内で高圧ガスが逆流することを防止する役割を果たす。第２チューブ６７に介設されている圧力制御弁６８は、制御部７０の制御により、金属パイプ材料１４を膨張させるための作動圧力を有するガスを、シール部材４４のガス通路４６に供給する役割を果たす。
【００２６】
制御部７０は、気体供給部６０の圧力制御弁６８を制御することにより、金属パイプ材料１４内に所望の作動圧力のガスを供給することができる。また、制御部７０は、図１に示す（Ａ）から情報が伝達されることによって、熱電対２１から温度情報を取得し、駆動機構８０及び電力供給部５５等を制御する。
【００２７】
水循環機構７２は、水を溜める水槽７３と、この水槽７３に溜まっている水を汲み上げ、加圧して下型１１の冷却水通路１９及び上型１２の冷却水通路２５へ送る水ポンプ７４と、配管７５とからなる。省略したが、水温を下げるクーリングタワーや水を浄化する濾過器を配管７５に介在させることは差し支えない。
【００２８】
〈成形装置を用いた金属パイプの成形方法〉
次に、成形装置１０を用いた金属パイプの成形方法について説明する。最初に、焼入れ可能な鋼種の円筒状の金属パイプ材料１４を準備する。この金属パイプ材料１４を、例えばロボットアーム等を用いて、下型１１側に備わる電極１７，１８上に載置（投入）する。電極１７，１８には凹溝１７ａ，１８ａが形成されているので、当該凹溝１７ａ，１８ａによって金属パイプ材料１４が位置決めされる。
【００２９】
次に、制御部７０は、駆動機構８０及びパイプ保持機構３０を制御することによって、当該パイプ保持機構３０に金属パイプ材料１４を保持させる。具体的には、駆動機構８０の駆動によりスライド８１側に保持されている上型１２及び上側電極１７，１８等が下型１１側に移動すると共に、パイプ保持機構３０に含まれる上側電極１７，１８等及び下側電極１７，１８等を進退動可能としているアクチュエータを作動させることによって、金属パイプ材料１４の両方の端部付近を上下からパイプ保持機構３０により挟持する。この挟持は電極１７，１８に形成される凹溝１７ａ，１８ａ、及び絶縁材９１，１０１に形成される凹溝の存在によって、金属パイプ材料１４の両端部付近の全周に渡って密着するような態様で挟持されることとなる。
【００３０】
なお、このとき、図２（ａ）に示されるように、金属パイプ材料１４の電極１８側の端部は、金属パイプ材料１４の延在方向において、電極１８の凹溝１８ａとテーパー凹面１８ｂとの境界よりもシール部材４４側に突出している。同様に、金属パイプ材料１４の電極１７側の端部は、金属パイプ材料１４の延在方向において、電極１７の凹溝１７ａとテーパー凹面１７ｂとの境界よりもシール部材４４側に突出している。また、上側電極１７，１８の下面と下側電極１７，１８の上面とは、それぞれ互いに接触している。ただし、金属パイプ材料１４の両端部全周に渡って密着する構成に限られず、金属パイプ材料１４の周方向における一部に電極１７，１８が当接するような構成であってもよい。
【００３１】
続いて、制御部７０は、加熱機構５０を制御することによって、金属パイプ材料１４を加熱する。具体的には、制御部７０は、加熱機構５０の電力供給部５５を制御し電力を供給する。すると、ブスバー５２を介して下側電極１７，１８に伝達される電力が、金属パイプ材料１４を挟持している上側電極１７，１８及び金属パイプ材料１４に供給され、金属パイプ材料１４に存在する抵抗により、金属パイプ材料１４自体がジュール熱によって発熱する。すなわち、金属パイプ材料１４は通電加熱状態となる。
【００３２】
続いて、制御部７０による駆動機構８０の制御によって、加熱後の金属パイプ材料１４に対して成形金型１３を閉じる。これにより、下型１１のキャビティ１６と上型１２のキャビティ２４とが組み合わされ、下型１１と上型１２との間のキャビティ部内に金属パイプ材料１４が配置密閉される。
【００３３】
その後、気体供給機構４０のシリンダユニット４２を作動させることによってシール部材４４を前進させて金属パイプ材料１４の両端をシールする。このとき、図２（ｂ）に示されるように、金属パイプ材料１４の電極１８側の端部にシール部材４４が押し付けられることによって、電極１８の凹溝１８ａとテーパー凹面１８ｂとの境界よりもシール部材４４側に突出している部分が、テーパー凹面１８ｂに沿うように漏斗状に変形する。同様に、金属パイプ材料１４の電極１７側の端部にシール部材４４が押し付けられることによって、電極１７の凹溝１７ａとテーパー凹面１７ｂとの境界よりもシール部材４４側に突出している部分が、テーパー凹面１７ｂに沿うように漏斗状に変形する。シール完了後、高圧ガスを金属パイプ材料１４内へ吹き込んで、加熱により軟化した金属パイプ材料１４をキャビティ部の形状に沿うように成形する。
【００３４】
金属パイプ材料１４は高温（９５０℃前後）に加熱されて軟化しているので、金属パイプ材料１４内に供給されたガスは、熱膨張する。このため、例えば供給するガスを圧縮空気とし、９５０℃の金属パイプ材料１４を熱膨張した圧縮空気によって容易に膨張させることができる。
【００３５】
ブロー成形されて膨らんだ金属パイプ材料１４の外周面が下型１１のキャビティ１６に接触して急冷されると同時に、上型１２のキャビティ２４に接触して急冷（上型１２と下型１１は熱容量が大きく且つ低温に管理されているため、金属パイプ材料１４が接触すればパイプ表面の熱が一気に金型側へと奪われる。）されて焼き入れが行われる。このような冷却法は、金型接触冷却又は金型冷却と呼ばれる。急冷された直後はオーステナイトがマルテンサイトに変態する（以下、オーステナイトがマルテンサイトに変態することをマルテンサイト変態とする）。冷却の後半は冷却速度が小さくなったので、復熱によりマルテンサイトが別の組織（トルースタイト、ソルバイト等）に変態する。従って、別途焼戻し処理を行う必要がない。また、本実施形態においては、金型冷却に代えて、あるいは金型冷却に加えて、冷却媒体を例えばキャビティ２４内に供給することによって冷却が行われてもよい。例えば、マルテンサイト変態が始まる温度までは金型（上型１２及び下型１１）に金属パイプ材料１４を接触させて冷却を行い、その後型開きすると共に冷却媒体（冷却用気体）を金属パイプ材料１４へ吹き付けることにより、マルテンサイト変態を発生させてもよい。
【００３６】
上述のように金属パイプ材料１４に対してブロー成形を行った後に冷却を行い、型開きを行うことにより、例えば略矩形筒状の本体部を有する金属パイプを得る。
【００３７】
（成形金型の構成）
次に、図３を参照して、上述のような成形装置１０で用いられる成形金型１３の詳細な構成の一例、及びその成形の手順について説明を行う。図３は、図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った成形金型の横断面図である。図３に示されるように、下型１１の上面及び上型１２の下面には、いずれも段差が設けられている。
【００３８】
成形金型１３は、パイプ状のパイプ本体部１００ａ、及びパイプ本体部１００ａの両側部に形成される平板状のフランジ部１００ｂ，１００ｃを有する金属パイプ１００を成形する（図３（ｄ）参照）。成形金型１３は、パイプ本体部１００ａを形成するキャビティ部ＭＣ、及びフランジ部１００ｂ，１００ｃを形成するフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２を有する（図３（ｂ）参照）。成形金型１３は、キャビティ部ＭＣ内に配置された金属パイプ材料１４を膨張させて、フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２へ突出した部分を当該フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２で潰すことにより、フランジ部１００ｂ，１００ｃを形成する（図３（ｃ），（ｄ）参照）。
【００３９】
具体的には、図３（ａ）に示すように、下型１１の上面には、下型１１の中央のキャビティ１６表面を基準ラインＬＶ２とすると、第１突起１１ｂ、第２突起１１ｃ、第３突起１１ｄ、第４突起１１ｅによる段差が形成されている。キャビティ１６の右側（図３において右側、図１において紙面奥側）に第１突起１１ｂ及び第２突起１１ｃが形成され、キャビティ１６の左側（図３において左側、図１において紙面手前側）に第３突起１１ｄ及び第４突起１１ｅが形成されている。第２突起１１ｃは、キャビティ１６と第１突起１１ｂとの間に位置している。第３突起１１ｄは、キャビティ１６と第４突起１１ｅとの間に位置している。第２突起１１ｃ及び第３突起１１ｄのそれぞれは、第１突起１１ｂ及び第４突起１１ｅよりも上型１２側に突出している。第１突起１１ｂ及び第４突起１１ｅにおいて基準ラインＬＶ２からの突出量は略同一であり、第２突起１１ｃ及び第３突起１１ｄにおいて基準ラインＬＶ２からの突出量は略同一である。
【００４０】
一方、上型１２の下面には、上型１２の中央のキャビティ２４表面を基準ラインＬＶ１とすると、第１突起１２ｂ、第２突起１２ｃ、第３突起１２ｄ、第４突起１２ｅによる段差が形成されている。キャビティ２４の右側（図３において右側）に第１突起１２ｂ及び第２突起１２ｃが形成され、キャビティ２４の左側（図３において左側）に第３突起１２ｄ及び第４突起１２ｅが形成されている。第２突起１２ｃは、キャビティ２４と第１突起１２ｂとの間に位置している。第３突起１２ｄは、キャビティ２４と第４突起１２ｅとの間に位置している。第１突起１２ｂ及び第４突起１２ｅのそれぞれは、第２突起１２ｃ及び第３突起１２ｄよりも下型１１側に突出している。第１突起１２ｂ及び第４突起１２ｅにおいて基準ラインＬＶ１からの突出量は略同一であり、第２突起１２ｃ及び第３突起１２ｄにおいて基準ラインＬＶ１からの突出量は略同一である。
【００４１】
また、上型１２の第１突起１２ｂは下型１１の第１突起１１ｂと対向しており、上型１２の第２突起１２ｃは下型１１の第２突起１１ｃと対向しており、上型１２のキャビティ２４は下型１１のキャビティ１６と対向しており、上型１２の第３突起１２ｄは、下型１１の第３突起１１ｄと対向しており、上型１２の第４突起１２ｅは下型１１の第４突起１１ｅと対向している。そして、上型１２において第２突起１２ｃに対する第１突起１２ｂの突出量（第３突起１２ｄに対する第４突起１２ｅの突出量）は、下型１１において第１突起１１ｂに対する第２突起１１ｃの突出量（第４突起１１ｅに対する第３突起１１ｄの突出量）よりも大きくなっている。これにより、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間、及び上型１２の第３突起１２ｄと下型１１の第３突起１１ｄとの間のそれぞれには、上型１２及び下型１１が嵌合した際に空間が形成される（図３（ｃ）参照）。また、上型１２のキャビティ２４と、下型１１のキャビティ１６との間には、上型１２及び下型１１が嵌合した際に空間が形成される（図３（ｃ）参照）。
【００４２】
より詳細に説明すると、ブロー成形時に下型１１と上型１２とが合わさっていき嵌合する前の時点で、図３（ｂ）に示されるように、上型１２のキャビティ２４の表面（基準ラインＬＶ１となる表面）と、下型１１のキャビティ１６の表面（基準ラインＬＶ２となる表面）との間には、キャビティ部ＭＣが形成される。また、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間には、キャビティ部ＭＣに連通し、当該キャビティ部ＭＣよりも容積が小さいフランジキャビティ部ＳＣ１が形成される。同様に、上型１２の第３突起１２ｄと下型１１の第３突起１１ｄとの間には、キャビティ部ＭＣに連通し、当該キャビティ部ＭＣよりも容積が小さいフランジキャビティ部ＳＣ２が形成される。キャビティ部ＭＣは金属パイプ１００におけるパイプ本体部１００ａを成形する部分であり、フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２は金属パイプ１００におけるフランジ部１００ｂ，１００ｃをそれぞれ成形する部分である（図３（ｃ），（ｄ）参照）。そして、図３（ｃ），（ｄ）に示されるように、下型１１と上型１２とが合わさって完全に閉じられた場合（嵌合した場合）、キャビティ部ＭＣ及びフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２は、下型１１及び上型１２内に密閉される。
【００４３】
次に、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して、上型１２及び下型１１による具体的な成形の様子の一例について詳細に説明する。図３（ａ）に示されるように、まず、加熱された金属パイプ材料１４を上型１２のキャビティ２４と下型１１のキャビティ１６との間に準備する。例えば、金属パイプ材料１４を下型１１の第２突起１１ｃ及び第３突起１１ｄによって支持する。なお、このときの上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間の距離は、Ｄ１である。
【００４４】
次に、駆動機構８０によって上型１２を下型１１に合わせる方向に移動させる。これにより、図３（ｂ）に示されるように、上型１２と下型１１とを完全に閉じず、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間の距離をＤ２（Ｄ２＜Ｄ１）にする。これにより、キャビティ２４の基準ラインＬＶ１における表面とキャビティ１６の基準ラインＬＶ２における表面との間にキャビティ部ＭＣが形成される。また、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間にフランジキャビティ部ＳＣ１が形成され、上型１２の第３突起１２ｄと下型１１の第３突起１１ｄとの間にフランジキャビティ部ＳＣ２が形成される。キャビティ部ＭＣとフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２とは互いに連通した状態となっている。このとき、上型１２の第１突起１２ｂの内縁と下型１１の第２突起１１ｃの外縁とが接触・密着すると共に、上型１２の第４突起１２ｅの内縁と下型１１の第３突起１１ｄの外縁とが接触・密着し、キャビティ部ＭＣ及びフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２は外部に対して密閉されている。加えて、上型１２の第１突起１２ｂと下型１１の第１突起１１ｂとの間、及び上型１２の第４突起１２ｅと下型１１の第４突起１１ｅとの間のそれぞれには、空間（隙間）が設けられる。
【００４５】
また、図３（ｂ）に示す状態の時に、加熱機構５０による加熱により軟化した金属パイプ材料１４内部に気体供給部６０によって低圧ガスを供給する。この低圧ガスの圧力は、気体供給部６０における圧力制御弁６８を用いて制御されており、後の工程において金属パイプ材料１４内部に供給される高圧ガスの圧力よりも低い。このような低圧ガスの供給により、金属パイプ材料１４は、図３（ｂ）に示されるように、キャビティ部ＭＣ内で膨張する。また、金属パイプ材料１４の両側部は、当該キャビティ部ＭＣに連通するフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２内にそれぞれ入り込んで突出するように膨張する。そして、低圧ガスの供給を停止する。なお、膨張によってフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２内に突出した部分であって、潰されることでフランジ部１００ｃ，１００ｂとなる前段階における部分を突出部１４ａ，１４ｂと称する場合がある。
【００４６】
次に、駆動機構８０によって上型１２を移動させる。具体的には、駆動機構８０で上型１２を移動させて、図３（ｃ）に示されるように、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間の距離をＤ３（Ｄ３＜Ｄ２）にするように、上型１２と下型１１とを嵌合する（クランプする）。このとき、上型１２の第１突起１２ｂと下型１１の第１突起１１ｂとは互いに隙間なく密着すると共に、上型１２の第４突起１２ｅと下型１１の第４突起１１ｅとは互いに隙間なく密着する。この駆動機構８０の駆動によって、膨張した金属パイプ材料１４の突出部１４ａ，１４ｂを上型１２及び下型１１によって押圧し、フランジキャビティ部ＳＣ１に金属パイプ１００のフランジ部１００ｂを成形すると共に、フランジキャビティ部ＳＣ２に金属パイプ１００のフランジ部１００ｃを成形する。フランジ部１００ｂ，１００ｃは、当該金属パイプ１００の長手方向に沿って、金属パイプ材料１４の一部が折り畳まれて成形されている。
【００４７】
次に、フランジ部１００ｂ，１００ｃが成形された後の金属パイプ材料１４内部に気体供給部６０によって高圧ガスを供給する。この高圧ガスの圧力は、気体供給部６０における圧力制御弁６８を用いて制御されている。このような高圧ガスの供給により、キャビティ部ＭＣ内の金属パイプ材料１４が膨張し、図３（ｄ）に示されるように金属パイプ１００のパイプ本体部１００ａが成形される。なお、高圧ガスの供給時間は、前述の低圧ガスの供給時間よりも長い。これにより金属パイプ材料１４が十分に膨張してキャビティ部ＭＣの隅々まで行きわたり、パイプ本体部１００ａは、上型１２及び下型１１によって画成されるキャビティ部ＭＣの形状に沿ったものになる。
【００４８】
なお、図３（ｄ）に示す例では、キャビティ部ＭＣは断面矩形状に構成されているため、金属パイプ材料１４は当該形状に合わせてブロー成形されることにより、パイプ本体部１００ａは矩形筒状に成形される。ただし、キャビティ部ＭＣの形状は特に限定されず、所望の形状に合わせて断面円形、断面楕円形、断面多角形等あらゆる形状を採用してもよい。
【００４９】
次に、図４及び図５を参照して、本実施形態に係る成形金型１３の設計方法について説明を行う。図４は、本実施形態に係る成形金型の設計方法を実行するための演算装置のブロック構成図である。
【００５０】
演算装置１５０は、上述のような成形金型１３の仮想的なモデルを作成すると共に、金属パイプ１００の成形のシミュレーションを行うことで、成形金型１３の各種パラメータを決定するための装置である。図４に示すように、演算装置１５０は、演算部１１０と、入力部１２０と、表示部１３０と、記憶部１４０と、を備えている。
【００５１】
演算部１１０は、成形金型１３の設計のための各種演算を実行する部分である。演算部１１０は、成形金型１３の仮想的なモデルを作成する機能を有する。演算部１１０は、作成したモデルに係る成形金型１３のフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２で形成したフランジ部１００ｂ，１００ｃの突出量（図３（ｄ）に示すＬ５，Ｌ６の寸法）を演算する機能を有する。演算部１１０は、演算された突出量に基づいて、演算結果の解析及び評価を行う機能を有する。演算部１１０は、演算された突出量に基づいて、フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２のフランジ部１００ｂ，１００ｃの突出方向における長さ（図３（ｂ）に示すＬ１，Ｌ２の寸法）を決定する機能を有する。なお、演算部１１０は、成形金型１３のモデルの作成、及び成形のシミュレーションを行うためのソフトウェアを有している。ソフトウェアとしては、例えば「ＰＡＭ−ＳＴＡＭＰ（日本イーエスアイ株式会社製）」などを用いることができる。
【００５２】
入力部１２０は、使用者が演算部１１０に対して情報を入力するための情報入力を行うための部分である。入力部１２０は、使用者によって入力された情報を演算部１１０へ出力する。入力部１２０は、例えばキーボード、マウス、タッチパネル等によって構成される。入力部１２０は、成形金型１３のモデルを作成するための各種パラメータなどの情報を入力可能である。
【００５３】
表示部１３０は、演算部１１０が出力する各種情報を使用者へ表示するための部分である。表示部１３０は、例えばディスプレイ等によって構成される。表示部１３０は、作成した成形金型１３のモデルや、当該成形金型１３のモデルを用いた成形のシミュレーションの様子や結果を表示することができる。
【００５４】
記憶部１４０は、各種情報を記憶する部分であり、メモリ等によって構成される。記憶部１４０は、演算部１１０で成形金型１３のモデルを作成する時や、成形のシミュレーションを行うために必要な各種情報を記憶することができる。また、記憶部１４０は、演算部１１０の演算結果を記憶しておくこともできる。これにより、記憶部１４０は、演算部１１０の演算によって決定された成形金型１３の各種パラメータを記憶し、成形金型１３の製造装置に当該パラメータの情報を出力することができる。
【００５５】
次に、図５を参照して、本実施形態に係る成形金型１３の設計方法の手順について説明する。図５は、本実施形態に係る成形金型の設計方法の手順を示すフローチャートである。図５の処理は、演算装置１５０の演算部１１０にて実行される。
【００５６】
図５に示すように、演算部１１０は、成形金型１３の仮想的なモデルを作成する（ステップＳ１０：モデル作成工程）。Ｓ１０では、演算部１１０は、記憶部１４０から各種パラメータの情報を取得すると共に、使用者から入力部１２０を介して入力された各種パラメータの情報を取得することで、これらの情報に基づいて成形金型１３のモデルを作成する。このとき、演算部１１０は、金属パイプ材料１４の形状、材料特性、及び各種成形条件に係る情報も取得する。ここで、モデル作成及び成形のシミュレーションで用いられるパラメータは、変更しない固定パラメータと、解析結果に基づいて適宜調整する可変パラメータと、を有する。図５に示す処理では、可変パラメータの値が最終的に決定される。固定パラメータは、要求される金属パイプ１００の仕様などにより、変更を行うことができないパラメータである。ここで、可変パラメータには、フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２の長さＬ１，Ｌ２（図３（ｂ）参照）が、少なくとも含まれる。その他、可変パラメータとして、フランジキャビティ部ＳＣ１とキャビティ部ＭＣとの間の角部の曲率半径（角Ｒ）を採用してよい。図３（ａ）を参照すると、第２突起１１ｃの水平面とキャビティ１６側の垂直面との間の角部（金属パイプ材料１４と接触している角部）、第３突起１１ｄとキャビティ１６側の垂直面との間の角部（金属パイプ材料１４と接触している角部）、第２突起１２ｃの水平面とキャビティ２４側の垂直面との間の角部、第３突起１２ｄの水平面とキャビティ２４側の垂直面との間の角部のそれぞれの曲率半径を可変パラメータとしてよい。ただし、固定パラメータ及び可変パラメータは、作成される金属パイプ１００の仕様などによって適宜変更可能である。なお、Ｓ１０の段階では、フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２の長さＬ１，Ｌ２を含む可変パラメータは決定していないので、暫定的な値を設定しておく。
【００５７】
次に、演算部１１０は、Ｓ１０で作成されたモデルに係る成形金型１３を用いて成形のシミュレーションを実行することで、成形金型１３のフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２で形成したフランジ部１００ｂ，１００ｃの突出量（図３（ｄ）に示すＬ５，Ｌ６の寸法）を演算する（ステップＳ２０：演算工程）。Ｓ２０では、演算部１１０は、Ｓ１０で設定された金属パイプ材料１４の周長、モデルに係る成形金型１３の構成、成形条件等に基づいて、図３（ｂ）に示す状態にて低圧ブローを行ったとき形成される突出部１４ａ，１４ｂの突出量Ｌ３，Ｌ４（図３（ｂ）参照）を演算する。更にＳ２０では、図３（ｃ），（ｄ）に示すように、フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２で突出部１４ａ、１４ｂを潰すことで形成されるフランジ部１００ｂ，１００ｃの突出量Ｌ５，Ｌ６を演算する。また、演算部１１０は、シミュレーションの結果を表示部１３０に表示する。なお、Ｓ２０で実行されるシミュレーションは、金属パイプ材料１４の長手方向における各断面において実行される。ただし、当該シミュレーションは、金属パイプ材料１４の長手方向における全領域における断面で実行されなくともよく、所定間隔の断面について実行されてよい（後述の解析についても同様である）。
【００５８】
次に、演算部１１０は、Ｓ２０で演算された突出量Ｌ５，Ｌ６に基づいて、演算結果の解析を行う（ステップＳ３０：決定工程）。演算部１１０は、突出量Ｌ５，Ｌ６に基づいて、成形の最終段階において作成されるフランジ部１００ｂ，１００ｃの長さ、形状、状態などを解析することができる。例えば、突出量Ｌ５，Ｌ６がフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２に対して大きすぎる場合は、波打ちが発生することも予想できる。演算部１１０は、これらの解析結果をシミュレーション結果として表示部１３０に表示してよい。
【００５９】
次に、演算部１１０は、Ｓ３０の解析結果に基づいて、成形金型１３の設計を完了するか否かの判定を行う（ステップＳ４０：決定工程）。すなわち、演算部１１０は、Ｓ３０の解析結果に基づき、現在設定されているパラメータで、良好なフランジ部１００ｂ，１００ｃを得られると判断した場合は、設計を完了する。この場合、後述のＳ６０の処理へ移行する。また、演算部１１０は、Ｓ３０の解析結果に基づき、フランジ部１００ｂ，１００ｃの改善が必要であると判断した場合は、設計を継続する。この場合、後述のＳ５０へ移行する。Ｓ４０での判断は、演算部１１０が解析結果に基づいて自動的に判断してもよく、使用者からの入力情報に基づいて判断してもよい。Ｓ４０において、設計を完了する旨の判定がなされた場合、演算部１１０は、現在設定されているパラメータを設計値として決定する（ステップＳ６０：決定工程）。Ｓ６０において、演算部１１０は、少なくともフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２の長さＬ１，Ｌ２を含む、可変パラメータの値を決定する。Ｓ６０で決定されたパラメータの情報は、記憶部１４０に記憶される。Ｓ６０の処理が終了したら、図５に示す処理が終了する。
【００６０】
Ｓ４０において、設計を完了しない旨の判定がなされた場合、演算部１１０は、Ｓ３０の解析結果をフィードバックして、再びＳ２０の処理を実行する（ステップＳ５０）。このとき、演算部１１０の演算に基づいて、または使用者の入力情報に基づいて、解析結果を考慮して可変パラメータを変更して再度シミュレーションを行う。例えば、演算部１１０は、フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２の長さＬ１，Ｌ２を変更してよい。または、演算部１１０は、キャビティ部ＭＣの寸法を調整することによって、フランジ部１００ｂ，１００ｃの長さを調整してもよい。
【００６１】
なお、図５に示す処理が終了したら、決定した値に基づいて、実物の成形金型１３を作成してよい。実物の成形金型１３を用いて成形を行い、当該結果に基づいて微調整を行ってよい。なお、図５の処理において、予め設定された固定パラメータの範囲では、可変パラメータを調整しても良好な結果が得られない場合は、固定パラメータ自体を再設定してもよい。
【００６２】
次に、本実施形態に係る成形金型１３の設計方法の作用・効果について説明する。
【００６３】
本実施形態に係る成形金型１３の設計方法によれば、モデル作成工程Ｓ１０において、キャビティ部ＭＣ及びフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２を有する成形金型１３の仮想的なモデルを作成している。また、演算工程Ｓ２０において、モデルに係る成形金型１３のフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２によって形成されるフランジ部１００ｂ，１００ｃの突出量Ｌ５，Ｌ６を演算している。これにより、成形金型１３の設計時には、作成予定の成形金型１３で金属パイプ１００の成形を行った場合に、膨張時にフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２内に突出し、フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２で潰されることによって形成されるフランジ部１００ｂ，１００ｃの突出量Ｌ５，Ｌ６を予め予測しておくことができる。また、突出量Ｌ５，Ｌ６が大きすぎる場合（例えば、シミュレーション上、突出量Ｌ５，Ｌ６が長さＬ１，Ｌ２より許容範囲よりも大きくなる場合など）は、フランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２のフランジ部１００ｂ，１００ｃの突出方向における長さＬ１，Ｌ２をモデル上で適宜調整し、再度演算工程を行うこともできる。このような演算工程Ｓ２０で演算された突出量Ｌ５，Ｌ６に基づいて、決定工程Ｓ３０，Ｓ４０，Ｓ６０にてフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２の長さＬ１，Ｌ２を決定することで、成形金型１３の作成時には、フランジ部１００ｂ，１００ｃの突出量Ｌ５，Ｌ６が大きくなりすぎることを抑制できるフランジキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２を作成することができる。以上により、適切な突出量Ｌ５，Ｌ６のフランジ部１００ｂ，１００ｃを形成できる成形金型１３を設計することができる。
【００６４】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００６５】
例えば、図５に示すフローチャートは設計方法の手順の一例にすぎず、適宜変更してもよい。また、図１に示す成形装置は一例にすぎず、適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０…成形装置、１３…成形金型、１４…金属パイプ材料、１００…金属パイプ、１００ａ…パイプ本体部、１００ｂ，１００ｃ…フランジ部、１５０…演算装置、ＭＣ…キャビティ部、ＳＣ１，ＳＣ２…フランジキャビティ部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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