(57)【要約】【課題】ダイレス増肉加工に曲げモーメントを作用させることによって、圧縮力を低減し、増肉率を大きくできる加工方法を提供する。【解決手段】被加工材である管の一端を把持し回転させながら管軸方向の限定領域を局部的に加熱して加熱部を形成し、この加熱部に管軸圧縮力を加えるとともに曲げモーメントを作用させて、前記加熱部に塑性変形領域を導入し、管が増肉変形を開始すると同時に、当該加熱部の位置を管軸方向に相対的に移動させながら、管軸圧縮力を加えるとともに曲げモーメントを作用させて順次増肉させ、次いで前記加熱部の後端部分を増肉変形後に冷却して管軸方向の所定部分を増肉することを特徴とする管の増肉加工方法、およびこの加工方法を適用することができる増肉加工装置である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材である管の一端を把持し回転させながら管軸方向の限定領域を局部的に加熱して加熱部を形成し、この加熱部に管軸圧縮力を加えるとともに曲げモーメントを作用させて、前記加熱部に塑性変形領域を導入し、管が増肉変形を開始すると同時に、当該加熱部の位置を管軸方向に相対的に移動させながら、管軸圧縮力を加えるとともに曲げモーメントを作用させて順次増肉させ、次いで前記加熱部の後端部分を増肉変形後に冷却して管軸方向の所定部分を増肉することを特徴とする管の増肉加工方法。
【請求項２】
被加工材である管の一端を把持して回転させる回転装置と、管軸方向の限定領域を局部的に加熱し加熱部を形成する加熱装置と、前記加熱部の後端部分を増肉変形後に冷却する冷却装置と、前記加熱部に曲げモーメントを作用させる曲げ装置と、前記加熱部に管軸圧縮力を加える圧縮装置とを備え、前記加熱装置、冷却装置および曲げ装置は移動台にそれぞれ配置されており、この移動台を管の増肉変形をともなって移動させることを特徴とする管の増肉加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管の増肉加工方法およびその加工装置に関し、さらに詳しくは、従来の増肉加工における圧縮力に加え、曲げモーメントを作用させることによって、管軸方向に付加する圧縮力を低減するとともに、加工部の増肉率を確保することができる管の増肉加工方法およびその加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保護が重要視されるようになり、自動車業界では燃費の向上のため、自動車の軽量化が特に要請されるようになっている。このため、自動車用として中空部品の使用が増え、それにともなってチューブフォーミング技術に注目が集まっている。
【０００３】
管材の曲げ加工やバルジ加工では、加工にともなって管肉厚の減少が生じたり、または溶接加工する場合に、溶接部で強度低下が発生する場合がある。そのため、従来から、このような箇所の肉厚減少を回避し、強度を向上させるため、あらかじめ部分的に増肉させる加工法が用いられている。
【０００４】
例えば、特許文献１、２では、管材の増肉加工すべき部分を逐次局部的に加熱しながら、管材を軸方向に一定速度で圧縮変形させる据え込み鍛造を行うことにより、増肉加工すべき部分を増肉することを特徴とする管材の増肉加工方法が提案されている。
【０００５】
さらに、特許文献３では、据え込み鍛造による増肉方法では、圧縮力を作用させて増肉させる際、加熱むらが生じ、このため、均等な圧縮力を作用させても熱応力差が生じ、被加工材の増肉されている部分に曲がりが発生するのを防止するため、被加工材に曲がりを生じることなく増肉加工を行うことができる金属条材の増肉加工方法およびその方法に用いる装置が提案されている。
【０００６】
上記の特許文献１〜３で提案された、いわゆるダイレス増肉加工法では、管材を局部加熱し、圧縮力を加えてから加熱部を軸方向に移動させて、任意の部分に増肉部を形成させることができるが、管軸方向に多大な圧縮力の付加が必要になる。このため、大径の管材に適用するためには、大容量の圧縮装置が必要になることから、増肉加工時の圧縮力の低減が要求されている。
【０００７】
一方、特許文献４には、据え込み鍛造による増肉加工に替えて、各種軸材、ロッド等の成形に適用できる（回転＋圧縮＋曲げ）の組み合わせ変形を利用した軸材の拡径成形方法が開示されている。具体的には、回動自在な一対の回転保持体で直線状の金属軸材を適当な間隔で掴み、金属軸材を回転させた状態で、回転保持体の一方を他方に接近する方向に移動させるとともに、両回転保持体を徐々に偏倚させてゆくことにより、曲げの外側においても常に圧縮応力が作用する条件で回転中の軸材に圧縮力と曲げ力を作用させて、金属軸材の中間部に拡径部分を形成する方法である。
【０００８】
前述の通り、ダイレス増肉加工法では、適用部品の拡大を図るため、大径管材への適用や、増肉加工の範囲拡大が要請されている。ところが、特許文献４に記載される方法では、両回転保持体で掴む間隔の長さは、通常は十数ミリメートル乃至数十ミリメートルと制限されており、適用できる軸径や増肉部の長さ等について上記要請に対応することができない。また、加工速度、増肉率についても制限があり、自動車用部品の製造にそのまま適用することができない。
【０００９】
さらに、特許文献４に記載される方法では、両回転保持体に保持された金属軸材に所望の拡径が行われたのち、軸材の偏倚を徐々に復元させて真直化する必要がある。このため、軸材では一山のみの拡径が行われるが、管材に適用して増肉部の加工長さを確保するために、拡径加工を繰り返すと、拡径した山が連続して成形されることになる。すなわち、管材の拡径断面は、初めの拡径部と次の拡径部の間が管材内部に入り込んだ波状のしわが発生することになる。このような加工形状の制約からも、自動車用などへの部品加工に適用することは困難である。
【００１０】
【特許文献１】
特公平２−１２６５７号公報
【特許文献２】
特公平２−７７３８号公報
【特許文献３】
特許第２７０４３６４号公報
【特許文献４】
特公平６−６５４２３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、自動車の軽量化設計にともなって、管状（中空）部品の使用が増加しているが、管肉厚を確保し、強度を向上させるため、あらかじめ該当箇所を増肉させる加工が用いられている。このため、管材を軸方向に一定速度で圧縮変形させる据え込み鍛造を行うダイレス増肉加工方法や、各種軸材、ロッド等の成形に適用できる（回転＋圧縮＋曲げ）の組み合わせ変形を利用した軸材の拡径成形方法が提案されている。
【００１２】
しかしながら、ダイレス増肉加工法では、大径の管材に適用するには、さらなる増肉加工時の圧縮力の低減が求められる。また、（回転＋圧縮＋曲げ）の組み合わた拡径成形方法であっても、適用できる軸径や増肉部の長さ等について制限があり、さらに管材に適用して増肉部の加工長さを確保するために、拡径加工を繰り返すと波状のしわが発生し、自動車用などへの部品加工に適用することができない。
【００１３】
本発明は、上述した管の増肉加工方法での問題点を解消するためになされたものであり、従来のダイレス増肉加工における圧縮力に加え、曲げモーメントを作用させることによって、管軸方向に付加する圧縮力を低減できるとともに、加工部の増肉率を大きくすることが可能な管の増肉加工方法およびその加工装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題を解決するため開発されたものであり、下記の（１）の管の増肉加工方法、および（２）の管の増肉加工装置を要旨としている。
（１）  被加工材である管の一端を把持し回転させながら管軸方向の限定領域を局部的に加熱して加熱部を形成し、この加熱部に管軸圧縮力を加えるとともに曲げモーメントを作用させて、前記加熱部に塑性変形領域を導入し、管が増肉変形を開始すると同時に、当該加熱部の位置を管軸方向に相対的に移動させながら、管軸圧縮力を加えるとともに曲げモーメントを作用させて順次増肉させ、次いで前記加熱部の後端部分を増肉変形後に冷却して管軸方向の所定部分を増肉することを特徴とする管の増肉加工方法である。
（２）  被加工材である管の一端を把持して回転させる回転装置と、管軸方向の限定領域を局部的に加熱し加熱部を形成する加熱装置と、前記加熱部の後端部分を増肉変形後に冷却する冷却装置と、前記加熱部に曲げモーメントを作用させる曲げ装置と、前記加熱部に管軸圧縮力を加える圧縮装置とを備え、前記加熱装置、冷却装置および曲げ装置は移動台にそれぞれ配置されており、この移動台を管の増肉変形をともなって移動させることを特徴とする管の増肉加工装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の加工方法および加工装置では、上述した構成を採用しているので、管の限定領域を局部的に加熱した加熱部に塑性変形領域を導入し、加工を開始すると、管の内径側、外径側とも広がって増肉加工が行われる。
【００１６】
図１は、増肉加工後の管肉厚の変形挙動を示す図である。本発明の加工方法によって、正常に増肉が行われると、図１（ａ）に示すような形状となる（偏心量：５ｍｍ、圧縮力：１ｔｏｎｆ、コイル速度：０．１２ｍｍ／ｓ）。しかし、加工条件によっては座屈現象が発生する場合があり、この場合には、図１（ｂ）に示すように、加工部に波状のしわが発生する（偏心量：７ｍｍ、圧縮力：１ｔｏｎｆ、コイル速度：０．１２ｍｍ／ｓ）。
【００１７】
図２は、後述する実施例の条件で加工した場合における、偏心量および圧縮力が加工後の管形状に与える影響について示した図である。ここでは、曲げモーメント量を偏心量で表している。この偏心量は、加熱部からの有効長さ（Ｌｅ）位置における中心軸とのずれ量（ｍｍ）であって、管を偏心させて加熱部長さの全部、若しくは一部を塑性領域に入れるための判断基準となる。しかし、図２に示す実施例では、便宜的に、管が回転装置に把持される管端からの距離、Ｌｏ＝２３６ｍｍの位置における偏心量を示している。上記有効長さ（Ｌｅ）および管端からの距離（Ｌｏ）との関係は、後述する図４に示す。
【００１８】
図２中における「良好」および「座屈（重度）」の判断は、前記図１に示した同（ａ）、（ｂ）に示したような肉厚形状に基づいている。また、「座屈（軽度）」の判断は、加工初期に波状のしわが発生するが定常変形域が２０ｍｍ以上確保できた場合としている。なお、このときのコイル移動速度は０．１２ｍｍ／ｓである。
【００１９】
図２に示すように、偏心量、圧縮力が大きくなると、座屈が発生し易くなるが、偏心量、圧縮力が小さくなると、変形し難くなって増肉率が低下している。したがって、管に圧縮力を付加すると同時に、曲げモーメントを作用させることによって、増肉変形に要する圧縮力を低減できることが分かる。
【００２０】
本発明者らの検討によれば、エアー冷却乃至ミスト冷却等において冷却速度を上げて、加熱幅を狭くすることによって、軽度の座屈を抑えることができる。さらに大きな増肉率を得るため、繰り返し加工を行うことも有効である。
【００２１】
以下では、本発明の加工装置の具体的な構成例とその作用について、図面に基づいて説明する。
【００２２】
図３は、本発明に係る管の増肉加工装置の一例を示す概略構成図である。被加工材である管１は、回転装置２に設けられたチャック３に把持されて、加工中は一定速度で回転される。管１の反対端には油圧シリンダ等の圧縮装置４が設けられており、押圧して管１の軸方向に圧縮力が付加される。
【００２３】
加熱装置５は環状の加熱手段、例えば高周波加熱コイルで構成されており、管１の軸方向の小領域を局部的に加熱して赤熱状態の加熱部１ａを形成することができる。この加熱装置５に追随して冷却装置６が設けられており、圧縮空気等の冷却媒体を加熱部１ａの移動方向に対して後端となる部分に吹き付けている。
【００２４】
さらに、加熱部１ａを挟んで曲げ装置７が配置され、油圧シリンダ等を駆動させることによって、管１に曲げモーメントを作用させるようになっている。前述の通り、管１に作用する曲げモーメント量は、把持される管端から、例えば２３６ｍｍの位置における中心軸とのずれとして偏心量（ｍｍ）によって把握される。
【００２５】
上記の加熱装置５、冷却装置６および曲げ装置７は移動台８にそれぞれ配置されており、増肉加工の開始にともなって、移動台８はその駆動装置９によって管軸方法に移動し、それと同時に加熱装置５、冷却装置６および曲げ装置７が管１に沿って所定速度で移動する構造である。
【００２６】
上記構成の加工装置を用いた増肉加工は、次のように行われる。すなわち、被加工材である管１の一端をチャック３に固定、把持して、その反対端を油圧シリンダ等の圧縮装置４で押圧して管１に圧縮力を作用させた状態で、加熱装置５によって管１の限定領域を局部的に加熱して、塑性変形容易な赤熱状態の加熱部１ａを形成する。
【００２７】
この加熱部１ａに圧縮力を加えるとともに曲げモーメントを作用させて、その加熱部１ａに増肉変形を生じさせながら、移動台８を駆動させて、加熱装置５を管１に沿って移動させ、同時に冷却装置６から冷却媒体を加熱部１ａの後端部分に吹き付けて増肉直後の部分を冷却、固化する。これにより管１が管軸方向に連続的に増肉変形していく。
【００２８】
【実施例】
本発明の増肉加工法の効果を、上記図３に示した加工装置を用いた実施例に基づいて説明する。使用した管は、材質０．２％炭素鋼（ＪＩＳ  ＳＴＰＧ  ３７０相当）で、外径２７．２ｍｍ、肉厚２．９ｍｍ、長さ２００ｍｍの鋼管であり、変形抵抗は７５０℃において１５Ｋｇｆ／ｍｍ２であった。
【００２９】
回転装置のチャックに把持された管は、一定速度で回転され、誘導加熱コイルによる局部加熱で加熱部を形成し、加工中の加熱部温度は放射温度計を用いて、加熱温度７２０℃±１０℃で管理した。
【００３０】
図４は、実施例における増肉加工の実験手順を示す図である。図４（ａ）に示すように、回転装置のチャックで管の一端を固定し３５ｒｐｍで回転させながら、誘導加熱コイルによって赤熱部の幅は約１５ｍｍで局部加熱し、誘導加熱コイルを一定速度で移動させた。このとき、冷却媒体として圧縮空気は誘導加熱コイルの移動後方に吹付けて、誘導加熱コイルと共に同じ速度で移動させた。
【００３１】
加熱部が管理温度に達した後、図４（ｂ）に示すように、加熱部を挟んで曲げモーメントを作用して、管を偏心させた後、圧縮力を負荷し、曲げモーメントと軸方向の圧縮力の両方を管に作用させ増肉させた。このときの偏心量を示す位置は、コイル加熱部からの有効長さＬｅと管端からの距離Ｌｏとの関係である。
【００３２】
引き続いて、目的長さ５０ｍｍの増肉部が得られるまで加工を行った後、図４（ｃ）に示すように、偏心量をゼロにして増肉加工を終了した。
【００３３】
上記図４に示す実験手順で増肉加工を行ったが、偏心量、圧縮力、管の軸方向圧縮応力およびコイル移動速度を表１に示す範囲で変動させた。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
ここで、偏心量は管の左端からの距離Ｌｏが２３６ｍｍの位置における中心軸とのずれとした。加工後における管形状の測定は定常変形域で行い、増肉率Δｔ／ｔ０（ｔ０：初期肉厚、Δｔ：増肉量）、外径変化率ΔＤ／Ｄ０（Ｄ０：初期外径、ΔＤ：外径変化量）、内径変化率Δｄ／ｄ０（ｄ０：初期内径、Δｄ：内径変化量）を求めた。
【００３６】
図５は、偏心量が増肉率Δｔ／ｔ０、外径変化率ΔＤ／Ｄ０および内径変化率Δｄ／ｄ０に与える影響を示す図である。ただし、圧縮力：１ｔｏｎｆ、コイル移動速度：０．１２ｍｍ／ｓとした。図５に示すように、偏心量が５ｍｍ以上になると、増肉率は高くなるが座屈が発生するので、適切に増肉できる偏心量を選択するのが望ましい。
【００３７】
偏心量ゼロで増肉加工を行う場合、１．２ｔｏｎｆまでの圧縮力の付加では増肉加工はできなかった。材料試験機を用いて管に曲げモーメントを作用させることなく圧縮した場合には、３ｔｏｎｆ程度の圧縮力を付加しなければ増肉加工できないことを確認している。したがって、管に曲げモーメントを作用させると、付加すべき圧縮力は３分の１程度まで低減しても増肉加工が可能であることが分かる。
【００３８】
図６は、圧縮力が増肉率Δｔ／ｔ０、外径変化率ΔＤ／Ｄ０および内径変化率Δｄ／ｄ０に与える影響を示す図である。ただし、偏心量：５ｍｍ、コイル移動速度：０．３６ｍｍ／ｓとした。圧縮力が大きくなると増肉率、外径変化率および内径変化率が上昇する。特に、圧縮力が１ｔｏｎｆを超えると増肉率が大きく変化し、顕著に増肉されるが、１．２ｔｏｎｆになると座屈の発生があった。
【００３９】
図７は、コイル移動速度が増肉率Δｔ／ｔ０、外径変化率ΔＤ／Ｄ０および内径変化率Δｄ／ｄ０に与える影響を示す図である。ただし、偏心量：５ｍｍ、圧縮力：１ｔｏｎｆとした。コイル移動速度が低くなると、増肉率は上昇する。また、コイル移動速度が０．４８ｍｍ／ｓより低い場合には、外径変化率および内径変化率に比べて増肉率が高くなっている。
【００４０】
本実施例の結果から、管の増肉加工において管軸方向の圧縮力に加え、曲げモーメントを作用させることで、増肉加工に必要な圧縮力を低減し、増肉量を大きくすることができることが分かる。さらに、偏心量および圧縮力を大きくし、コイル移動速度を低くすることで増肉率、外径変化率および内径変化率は上昇するが、座屈が発生しやすくなる。このため、適切な増肉加工を行うには、管軸圧縮力（ｔｏｎｆ）と偏心量（ｍｍ）等の条件を適切に選択するのが望ましい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の管の増肉加工方法およびその加工装置によれば、従来のダイレス増肉加工における圧縮力に加え、曲げモーメントを作用させることによって、管軸方向に付加する圧縮力を低減できるとともに、加工部の増肉率を大きくすることが可能になる。したがって、軽量化設計された自動車用などへの部品加工に適用することによって、顕著な効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】増肉加工後の管肉厚の変形挙動を示す図である。
【図２】実施例の条件で加工した場合における、偏心量および圧縮力が加工後の管形状に与える影響について示した図である。
【図３】本発明に係る管の増肉加工装置の一例を示す概略構成図である。
【図４】実施例における増肉加工の実験手順を示す図である。
【図５】偏心量が増肉率Δｔ／ｔ０、外径変化率ΔＤ／Ｄ０および内径変化率Δｄ／ｄ０に与える影響を示す図である。
【図６】圧縮力が増肉率Δｔ／ｔ０、外径変化率ΔＤ／Ｄ０および内径変化率Δｄ／ｄ０に与える影響を示す図である。
【図７】コイル移動速度が増肉率Δｔ／ｔ０、外径変化率ΔＤ／Ｄ０および内径変化率Δｄ／ｄ０に与える影響を示す図である。
【符号の説明】
１：管、  １ａ：加熱部
２：回転装置、  ３：チャック
４：圧縮装置、  ５：加熱装置
６：冷却装置、  ７：曲げ装置
８：移動台、  ９：駆動装置
【図１】
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【図２】
2004167522.tif 000005
【図３】
2004167522.tif 000006
【図４】
2004167522.tif 000007
【図５】
2004167522.tif 000008
【図６】
2004167522.tif 000009
【図７】
2004167522.tif 000010