(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管（Ｗ）を長手方向に沿って送出する金属管送出装置（１１）と、前記金属管送出装置（１１）から送出される前記金属管（Ｗ）の外周を囲繞して該金属管（Ｗ）を加熱する高周波加熱コイル（１３）と、前記高周波加熱コイル（１３）で加熱された前記金属管（Ｗ）に曲げモーメントを加える曲げ装置（１５）と、前記高周波加熱コイル（１３）よりも前記金属管（Ｗ）の送出方向上流側に配置されて該金属管（Ｗ）を予備加熱する電熱ヒータ（１６）とを備える金属管の熱間加工装置であって、
前記金属管（Ｗ）は鋼板をロールフォーミングすることで製造され、前記高周波加熱コイル（１３）の内周面に対して内向きに凹んだ部分（ｃ）と、前記高周波加熱コイル（１３）の電流が逆方向に流れる両端間に挟まれた部分（ｂ）とを有する長手方向に一定の異形断面の直線状の部材であり、
前記金属管送出装置（１１）の出口部に設けた曲げ支点部材（１２）に前記金属管（Ｗ）の断面形状と同一形状のガイド孔（１２ａ）を形成し、前記金属管（Ｗ）は前記ガイド孔（１２ａ）の内周面を摺動しながら通過し、前記曲げ支点部材（１２）の内部には前記電熱ヒータ（１６）が前記ガイド孔（１２ａ）の内周面を螺旋状に囲むように埋め込まれ、前記電熱ヒータ（１６）は電流により発熱して前記曲げ支点部材（１２）の温度を上昇させ、
前記金属管（Ｗ）は、前記曲げ支点部材（１２）を通過する間に６００゜Ｃまで予備加熱され、前記高周波加熱コイル（１３）を通過する間に８００゜Ｃまで本加熱されることを特徴とする金属管の熱間加工装置。
【請求項２】
前記高周波加熱コイル（１３）は、少なくとも前記金属管（Ｗ）の送出方向上流側の面に、磁束の通過を遮断するシールド部材（２７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の金属管の熱間加工装置。
【請求項３】
前記シールド部材（２７）は珪素鋼板あるいは純鉄の板材であることを特徴とする、請求項２に記載の金属管の熱間加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属管を高周波加熱コイルで加熱した状態で所望の形状に曲げ加工するための金属管の熱間加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属管をその長手方向に送出する金属管送出装置と、送出された金属管を案内支持する曲げ支点部材と、金属管を局部的に加熱する高周波加熱コイルと、金属管の加熱された部位を冷却する冷却装置と、金属管を把持して加熱された部位に曲げモーメントを付与する曲げ装置とを備える金属管の熱間加工装置が、下記特許文献１あるいは下記特許文献２により公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８３３０４号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１０／０５０４６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、自動車のフロントピラー、ルーフサイドレールおよびリヤピラーを一本の金属管を曲げ加工して構成する場合、その金属管は円形断面ではなく凹凸を有する異形断面となるため、高周波加熱コイルで加熱した際に各部を均一に加熱することが難しく、温度むらが発生することが避けられない。金属管に温度むらが存在すると各部位の軟化度合いが異なるため、それを所望の形状に曲げ加工したときの寸法精度が低くなる問題が発生する。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、金属管の熱間加工装置において、高周波加熱コイルによる金属管の均等な加熱を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、金属管を長手方向に沿って送出する金属管送出装置と、前記金属管送出装置から送出される前記金属管の外周を囲繞して該金属管を加熱する高周波加熱コイルと、前記高周波加熱コイルで加熱された前記金属管に曲げモーメントを加える曲げ装置と、前記高周波加熱コイルよりも前記金属管の送出方向上流側に配置されて該金属管を予備加熱する電熱ヒータとを備える金属管の熱間加工装置であって、前記金属管は鋼板をロールフォーミングすることで製造され、前記高周波加熱コイルの内周面に対して内向きに凹んだ部分と、前記高周波加熱コイルの電流が逆方向に流れる両端間に挟まれた部分とを有する長手方向に一定の異形断面の直線状の部材であり、前記金属管送出装置の出口部に設けた曲げ支点部材に前記金属管の断面形状と同一形状のガイド孔を形成し、前記金属管は前記ガイド孔の内周面を摺動しながら通過し、前記曲げ支点部材の内部には前記電熱ヒータが前記ガイド孔の内周面を螺旋状に囲むように埋め込まれ、前記電熱ヒータは電流により発熱して前記曲げ支点部材の温度を上昇させ、前記金属管は、前記曲げ支点部材を通過する間に６００゜Ｃまで予備加熱され、前記高周波加熱コイルを通過する間に８００゜Ｃまで本加熱されることを特徴とする金属管の熱間加工装置が提案される。
【０００７】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記高周波加熱コイルは、少なくとも前記金属管の送出方向上流側の面に、磁束の通過を遮断するシールド部材を備えることを特徴とする金属管の熱間加工装置が提案される。
【０００８】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記シールド部材は珪素鋼板あるいは純鉄の板材であることを特徴とする金属管の熱間加工装置が提案される。
【０００９】
尚、実施の形態の第１シールド部材２７は本発明のシールド部材に対応する。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の構成によれば、金属管送出装置から送出された金属管は高周波加熱コイルを通過して誘導加熱され、曲げ装置によって曲げモーメントを加えられて曲げ加工される。高周波加熱コイルよりも金属管の送出方向上流側に該金属管を予備加熱する予備加熱手段を設けたので、金属管を高周波加熱コイルで加熱する前に所定温度に予備加熱しておくことが可能となり、高周波加熱コイルでの加熱が終了して曲げ加工を行う時点で、金属管の各部の温度差を最小限に抑えて曲げ加工の加工精度を高めることができる。
【００１１】
特に、鋼板をロールフォーミングすることで製造される金属管は、高周波加熱コイルの内周面に対して内向きに凹んだ部分と、高周波加熱コイルの電流が逆方向に流れる両端間に挟まれた部分とを有する長手方向に一定の異形断面の直線状の部材であるため、高周波加熱コイルによる加熱時に温度差が発生し易いが、予備加熱手段を設けたことで前記温度差の発生を効果的に抑制することができる。
【００１２】
また金属管送出装置の出口部に設けた曲げ支点部材に金属管の断面形状と同一形状のガイド孔を形成し、金属管はガイド孔の内周面を摺動しながら通過し、曲げ支点部材の内部には電熱ヒータがガイド孔の内周面を螺旋状に囲むように埋め込まれるので、曲げ支点部材の内部を通過する金属管に曲げ装置による曲げモーメントが作用しなくなり、予備加熱の段階で金属管が曲がってしまうのを防止することができる。
【００１３】
しかも金属管は、曲げ支点部材を通過する間に６００゜Ｃまで予備加熱され、高周波加熱コイルを通過する間に８００゜Ｃまで本加熱されるので、高周波加熱コイルによる温度上昇分は僅かに２００°Ｃで済み、高周波加熱コイルによる本加熱で生じる金属管の各部の温度むらを一層小さくすることができる。
【００１４】
また請求項２の構成によれば、高周波加熱コイルの金属管の送出方向上流側の面に磁束の通過を遮断するシールド部材を設けたので、高周波加熱コイルからの磁束をシールド部材で遮断することで、曲げ支点部材が加熱されたり、高周波加熱コイルの磁束が第２高周波加熱コイルの磁束と干渉したりするのを防止することができる。これにより、曲げ支点部材や第２の高周波加熱コイルを高周波加熱コイルに接近させ、曲げ装置により曲げ支点部材や第２の高周波加熱コイルの位置で金属管に加わる曲げモーメントを減少させることで、高周波加熱コイルの位置以外で金属管が曲がるのを防止することができる。
【００１５】
また請求項３の構成によれば、シールド部材を珪素鋼板あるいは純鉄の板材で構成したので、高周波加熱コイルからの磁束を確実に遮断するとともに高周波加熱コイルの保護を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】金属管の熱間加工装置の全体構成を示す図。（第１の実施の形態）
【図２】図１の２方向拡大矢視図。（第１の実施の形態）
【図３】図２の３−３線矢視図。（第１の実施の形態）
【図４】図３の４方向矢視図。（第１の実施の形態）
【図５】図１の５−５線断面図。（第１の実施の形態）
【図６】加熱時の金属管の温度変化の説明図。（第１の実施の形態）
【図７】前記図５に対応する図。（参考例）
【図８】前記図５に対応する図。（第２の実施の形態）
【図９】加熱時の金属管の温度変化の説明図。（従来例）
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図１〜図６に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態のワークである金属管Ｗは、例えば自動車のフロントピラー、ルーフサイドレールおよびリヤピラーを一体に構成する部材であって、鋼板をロールフォーミングすることで製造される。金属管Ｗを加熱して所定形状に曲げ加工する熱間加工装置は、金属管Ｗをその長手方向に送り出す金属管送出装置１１と、金属管送出装置１１の出口部に設けられた曲げ支点部材１２と、曲げ支点部材１２の下流側に設けられた高周波加熱コイル１３と、高周波加熱コイル１３の下流側に設けられた冷却装置１４と、冷却装置１４の下流側に設けられたロボットよりなる曲げ装置１５とを備える。金属管Ｗは長手方向に一定断面を有する直線状の部材であるが、それを高周波加熱用コイル１３で加熱した状態で曲げ装置１５で曲げモーメントを加えることで所定形状に湾曲させた後に、冷却装置１４から噴出する冷却水で急冷して焼き入れを行うようになっている。
【００１９】
図２から明らかなように、曲げ支点部材１２は金属管送出装置１１の出口部に設けられるもので、その中央部に金属管Ｗの断面形状と同一形状のガイド孔１２ａが形成されており、金属管送出装置１１から送り出された金属管Ｗは曲げ支点部材１２のガイド孔１２ａの内周面を摺動しながら通過する。曲げ支点部材１２の内部には予備加熱手段としての電熱ヒータ１６が収納される。電熱ヒータ１６はガイド孔１２ａの内周面を螺旋状に囲むように埋め込まれており、電流により発熱して曲げ支点部材１２の温度を上昇させることで、そこを通過する金属管Ｗを予備加熱する。
【００２０】
図２〜図４から明らかなように、高周波加熱コイル１３は、曲げ支点部材１２から金属管Ｗの送出方向の下流側に所定距離離間した位置に配置されるもので、中央に開口１７ａが形成された板状の架台１７に支持される。高周波加熱コイル１３に近い架台１７は、高周波加熱コイル１３からの磁束で加熱されて損傷しないように、耐熱性を有するベークライト、ガラスエポキシ、硬質プラスチック等で構成される。
【００２１】
高周波加熱コイル１３は２ターンのコイルで構成され、その内周と金属管Ｗの外周との間に略一定の隙間が形成されるように、２個の取付ステー１９，１９を介して架台１７に固定される。高周波加熱コイル１３の両端には、それに電力を供給するための２本のケーブル２２，２２が接続される。高周波加熱コイル１３は内部にウオータジャケットが形成されており、そのウオータジャケットの両端には、冷却水を供給するための２本のホース２３，２３が接続される。
【００２２】
冷却装置１４は金属管Ｗの外周を囲む円環状の冷却水タンク２４と、冷却水タンク２４の外周面に接続された４本の冷却水供給パイプ２５…と、冷却水タンク２４の内周面に形成された多数の冷却水噴出孔２４ａ…とを備える。
【００２３】
次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用について説明する。
【００２４】
金属管送出装置１１から送り出された金属管Ｗは、曲げ支点部材１２、高周波加熱コイル１３および冷却装置１４を通過した位置でロボットよりなる曲げ装置１５のクランプアームに把持される。曲げ支点部材１２の内部の電熱ヒータ１６に通電して発熱させると、そこを通過する金属管Ｗが予備加熱されて温度上昇する。更に、高周波加熱コイル１３にケーブル２２，２２を介して高周波電流を供給すると、高周波加熱用コイル１３の周囲に形成される磁界によって金属管Ｗの内部に渦電流が発生し、金属管Ｗがジュール熱により本加熱される。
【００２５】
尚、通電により高周波加熱コイル１３自体も発熱して高温になるが、その内部にホース２３，２３を介して冷却水を供給することで、高周波加熱コイル１３の過熱を防止することができる。
【００２６】
ところで、図３に示すように、自動車のフロントピラー、ルーフサイドレールおよびリヤピラーを一体に構成する金属管Ｗは複雑な凹凸を有する異形断面の部材であり、それを囲繞する高周波加熱コイル１３との間の隙間はできるだけ均一になるように考慮されているが、金属管Ｗの各部を均等に加熱することは困難である。
【００２７】
例えば、金属管Ｗの細く折り曲げられたａ部は、充分に加熱されて温度が目標温度よりも高くなり易い。また金属管Ｗの平坦なｄ部は、適度に加熱されて目標温度になり易い。また金属管Ｗの内向きに凹んだｃ部は、高周波加熱コイル１３との間の隙間が増加するため、加熱が不充分になって温度が目標温度よりも低くなり易い。また金属管Ｗのｂ部は、電流が相互に逆方向に流れる高周波加熱コイル１３の両端部に挟まれているため、渦電流が有効に発生し難くなって温度が目標温度よりも更に低くなり易い。
【００２８】
図９は、予備加熱を実施しない従来例の作用を示すものである。上述した理由で、金属管Ｗの各部ａ，ｂ，ｃ，ｄを高周波加熱コイル１３で同時に加熱しても各部の温度は均等に上昇せず、曲げ加工を実施する時点で金属管Ｗの温度に大きなバラツキΔＴが生じることになり、曲げ加工の加工精度が低下する原因となる問題がある。
【００２９】
そこで本実施の形態では、図６に示すように、金属管Ｗが曲げ支点部材１２を通過する間に電熱ヒータ１６で所定温度（例えば、６００°Ｃ）まで予備加熱を行う。電熱ヒータ１６で予備加熱を行った結果、金属管Ｗの各部には若干の温度むらが生じるが、その加熱された部分が高周波加熱コイル１３の位置に達するまでの間に熱伝達によって前記温度むらは解消し、金属管Ｗの温度は各部で均一になる。
【００３０】
続いて高周波加熱コイル１３によって金属管Ｗを加工温度（例えば、８００°Ｃ）まで本加熱するが、その前段階で予備加熱された金属管Ｗは既に６００°Ｃまで温度上昇しているため、高周波加熱コイル１３による温度上昇分は僅かに２００°Ｃで済む。その結果、高周波加熱コイル１３による本加熱で生じる金属管Ｗの各部の温度むらΔＴは、図９で説明した従来例よりも小さくなり、曲げ装置１５で金属管Ｗを曲げ方向に変位させて曲げ加工する際の加工精度を高めることができる。このようにして曲げ加工された金属管Ｗは、冷却装置１４の冷却水タンク２４の冷却水噴出孔２４ａ…から噴出する冷却水で急冷されて焼き入れされることで、金属管Ｗの曲げ加工および焼き入れ処理を連続的に行うことができる。
【００３１】
図５に示すように、曲げ装置１５により金属管Ｗに作用する曲げモーメントは、曲げ装置１５の位置でゼロであり、そこから曲げ支点部材１２に向かってリニアに増加し、曲げ支点部材１２の出口で最大になり、曲げ支点部材１２の内部ではゼロになる。一方、金属管Ｗの曲げモーメントに対する強度は温度に逆比例するため、電熱ヒータ１６で予備加熱される間に金属管Ｗの強度は次第に低下し、電熱ヒータ１６を出てから高周波加熱コイル１３に達するまでの間は一定になる。そして金属管Ｗの強度は高周波加熱コイル１３で本加熱されることで急激に低下した後、冷却装置１４で冷却されることで加熱前の状態に復帰する。
【００３２】
金属管Ｗが高周波加熱コイル１３で本加熱されてから冷却装置１４で冷却されるまでの間、金属管Ｗに作用する曲げモーメントが金属管Ｗの強度を上回るため、その部分で金属管Ｗの曲げ加工が行われる。また曲げ支点部材１２の内部では金属管Ｗに曲げ装置１５による曲げモーメントが作用しないため、曲げ支点部材１２の内部に電熱ヒータ１６を設けることで、予備加熱の段階で金属管Ｗが曲がってしまうのを防止することができる。
【００３３】
次に、図７に基づいて参考例を説明する。
【００３４】
第１の実施の形態では、予備加熱手段として曲げ支点部材１２の内部に電熱ヒータ１６を配置しているが、参考例では、予備加熱手段として曲げ支点部材１２と高周波加熱コイル１３との間に第２の高周波加熱コイル２６を配置している。
【００３５】
この参考例によっても、金属管Ｗが第２の高周波加熱コイル２６を通過する間に所定温度（例えば、６００°Ｃ）まで予備加熱を行うことで、高周波加熱コイル１３によって金属管Ｗを加工温度（例えば、８００°Ｃ）まで本加熱する際の温度上昇分を小さく抑え、本加熱で生じる金属管Ｗの各部の温度むらを小さくして曲げ加工の加工精度を高めることができる。
【００３６】
ところで、図５に示す第１の実施の形態では、金属管Ｗが曲げ支点部材１２を出た位置で曲げモーメントが金属管Ｗの強度を一時的に上回る可能性があり、その部分で金属管Ｗに望ましくない曲がりが発生する可能性がある。これを防止するには、曲げ支点部材１２の出口を高周波加熱コイル１３に接近させ、金属管Ｗが曲げ支点部材１２を出た位置での曲げモーメントが金属管Ｗの強度を上回らないようにすれば良い。
【００３７】
同様に、図７に示す参考例では、金属管Ｗが第２の高周波加熱コイル２６で加熱される位置で曲げモーメントが金属管Ｗの強度を一時的に上回る可能性があり、その部分で金属管Ｗに望ましくない曲がりが発生する可能性がある。これを防止するには、第２の高周波加熱コイル２６を高周波加熱コイル１３に接近させ、金属管Ｗが第２の高周波加熱コイル２６で予備加熱される位置での曲げモーメントが金属管Ｗの強度を上回らないようにすれば良い。
【００３８】
しかしながら、曲げ支点部材１２を高周波加熱コイル１３に接近させると、高周波加熱コイル１３が発生する磁束が曲げ支点部材１２に作用してしまい、曲げ支点部材１２の温度が過度に上昇することで変形したり耐久性が低下したりする問題がある。また第２の高周波加熱コイル２６を高周波加熱コイル１３に接近させると、両者の磁束が相互に干渉して加熱温度の制御が困難になったり、電力が無駄に消費されたりする問題がある。
【００３９】
そこで、図８に示すように、第１の実施の形態を改良した第２の実施の形態では、高周波加熱コイル１３の曲げ支点部材１２に対向する面と冷却装置１４に対向する面とに、高周波加熱コイル１３が発生する磁束の透過を効果的に抑制する珪素鋼板あるいは純鉄の板材よりなる第１、第２シールド部材２７，２８がそれぞれ貼り付けられる。
【００４０】
本実施の形態によれば、高周波加熱コイル１３の曲げ支点部材１２側の面が第１シールド部材２７で覆われているため、高周波加熱コイル１３が発生する磁束が第１シールド部材２７に遮蔽されて曲げ支点部材１２に作用しなくなり、曲げ支点部材１２を高周波加熱コイル１３に接近させても該曲げ支点部材１２が過度に温度上昇することが防止され、曲げ支点部材１２の変形や耐久性の低下を未然に防止することができる。
【００４１】
これにより、曲げモーメントが最大になる位置の近傍で金属管Ｗを曲げ加工することが可能になり、ロボットよりなる曲げ装置１５が発生する曲げ荷重を小さく抑えることができ、小型の曲げ装置１５を採用してコストダウンを図ることができるだけでなく、曲げ装置１５の位置制御の精度を高めて金属管Ｗの曲げ加工の加工精度を高めるとともに、曲げ加工の加工速度を増加させることができる。
【００４２】
また高周波加熱コイル１３が発生した磁束は冷却装置１４側にも漏洩しようとするが、その磁束は第２シールド部材２８により遮蔽されるため、冷却装置１４の温度上昇を抑制して冷却効果を高めることができる。しかも高周波加熱コイル１３の両面が第１、第２シールド部材２７，２８で覆われて保護されるので、強度の低い銅製の高周波加熱コイル１３が他物品と衝突して損傷するのを防止することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４４】
例えば、金属管Ｗは自動車のフロントピラー、ルーフサイドレールおよびリヤピラーを一体に構成する部材に限定されず、他の任意の部材であっても良く、その製造方法もロールフォーミングに限定されずに押出成形や引き抜き成形であっても良い。
【００４５】
また実施の形態では高周波加熱コイル１３が第１シールド部材２７および第２シールド部材２８を備えているが、第２シールド部材２８は省略することができる。
【符号の説明】
【００４６】
Ｗ          金属管
１１        金属管送出装置
１２        曲げ支点部材
１２ａ ガイド孔
１３        高周波加熱コイル
１５        曲げ装置
１６        電熱ヒータ
２７        第１シールド部材（シールド部材）
ｂ 金属管の高周波加熱コイルの両端間に挟まれた部分
ｃ 金属管の内向きに凹んだ部分
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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