(57)【要約】【課題】回転引き曲げ加工における曲げ外側の割れや板厚減少を抑制する。【解決手段】曲げ金型３、ワイパー７、サイドブースター５、バックブースター６及び芯金２を用いて金属管１を曲げ加工する回転引き曲げ加工において、芯金２の移動速度を金属管１の中立軸Ｍの移動速度と同期させずに移動させることにより、金属管１の曲げ外側の特定の部位が長時間芯金２と接触していない状態で局所的に引き伸ばされることを抑制し、金属管１の板厚減少を分散、平均化し、曲げ外側で割れもしくは加工品の使用目的を満足しないような著しい板厚減少を抑制する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げ金型、ワイパー、サイドブースター、バックブースター及び芯金を用いて金属管を曲げ加工する回転引き曲げ加工方法において、前記芯金の移動速度を前記金属管の中立軸の移動速度と同期させずに移動させる金属管の回転引き曲げ加工方法。
【請求項２】
前記芯金の移動速度を、前記曲げ金型の回転による前記金属管の中立軸の移動速度に対し１０％以上５０％以下の範囲に設定する請求項１に記載の金属管の回転引き曲げ加工方法。
【請求項３】
前記芯金を、前記曲げ金型を所定角度回転させる毎に初期位置に復帰させる請求項１又は２に記載の金属管の回転引き曲げ加工方法。
【請求項４】
曲げ金型、ワイパー、サイドブースター、バックブースター及び芯金を用いて金属管を曲げ加工する回転引き曲げ加工装置であって、
前記芯金を移動させる芯金移動機構と、
曲げ加工中に、前記芯金の移動速度が前記金属管の中立軸の移動速度と同期しないように前記芯金移動機構を制御する制御部と、更に備える金属管の回転引き曲げ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属管の回転引き曲げ加工方法及び回転引き曲げ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属管を曲げ加工する方法として、ロール曲げ法やプレス曲げ法、回転引き曲げ法等が実用化されている。金属管の曲げ加工においては、曲げの中立軸を境界として、曲げ外側では中立軸よりも弧長が長いため軸方向に伸ばされ、加工後の板厚が加工前の板厚よりも薄くなる。一方、曲げ内側では中立軸よりも弧長が短いため軸方向に圧縮され、加工後の板厚が加工前の板厚よりも厚くなる。
その結果、曲げ外側では割れもしくは加工品の使用目的を満足しないような板厚減少が発生しやすく、曲げ内側では座屈が発生しやすくなる。更に、曲げ加工後に断面の楕円化も発生しやすい。
【０００３】
回転引き曲げ法は、金属管の軸方向に引張荷重を負荷しながら曲げ加工を行う方法であり、以下の作用により割れ、板厚減少、座屈、及び断面楕円化を抑制できるため、広く使用されている。
（１）金属管の曲げ内側の外表面側に設置されるワイパーと金属管の内部に挿入される芯金との間に金属管を挟んだ状態で、曲げ加工することにより座屈の発生を抑制する。
（２）金属管の曲げ外側の外表面側に設置され金属管に押し付けられた状態で軸方向に移動されるサイドブースターと、金属管の後方に設置され金属管を軸方向に押し出すバックブースターとにより、主に曲げ外側に材料を供給することにより割れや板厚減少を抑制する。
（３）金属管の内部に挿入される芯金で金属管の曲げ内側と外側の間隔を確保することにより、断面楕円化を抑制する。
【０００４】
しかしながら、サイドブースターやバックブースターによる材料供給を多くすると、曲げ外側の割れ及び板厚減少は抑制されるが、曲げ内側では材料が過剰となり座屈が発生しやすくなる。金属管の内側の芯金と金属管の外側の曲げ金型との間のクリアランスを狭くすると、座屈や断面楕円化は発生しにくくなるが、金属管が芯金に強く押し付けられてしごき加工されることにより、曲げ外側の割れ及び板厚減少が発生しやすくなる。また、芯金を使用しない、あるいは芯金と曲げ金型のクリアランスを大きくすると、曲げ外側の割れ及び板厚減少は抑制されるが、曲げ内側の座屈や断面楕円化が発生しやすくなる。
【０００５】
そのため、特に、金属管の板厚が薄い場合や、曲げ半径が小さい場合（例えば、曲げ半径が金属管の外径の１．５倍以下である場合）に、曲げ外側の割れ、板厚減少、曲げ内側の座屈、及び断面楕円化をバランスさせて抑制することは難しい。
【０００６】
曲げ外側の割れや板厚減少を抑制する方法として、例えば、特許文献１では曲げ金型の回転速度とバックブースターの軸押し速度とを同期制御すること、特許文献２ではバックブースター及びサイドブースターの軸押し速度を曲げ金型の回転速度よりも大きい値に制御すること、及び特許文献３では芯金と金属管の内径とのクリアランスを規定すること、が提案されている。
【０００７】
また、特許文献４では、通常、曲げ加工の途中で固定されて移動しない芯金を、曲げ加工の初期には曲げ加工に影響しない位置まで下げることが提案されている。
特許文献５では、曲げ加工を複数の工程に分割することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２５４４００１号公報
【特許文献２】特公平２−１５２９１号公報
【特許文献３】特許第３９７４４３９号公報
【特許文献４】特許第４４５６４８９号公報
【特許文献５】特許第４６８０６５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１乃至３の曲げ加工方法は、曲げ外側の割れ及び板厚減少抑制の効果はあるものの、必ずしも十分ではない。
【００１０】
特許文献４の曲げ加工方法は、曲げ加工の初期に芯金の効果が発揮されないため、曲げ外側の割れ及び板厚減少は抑制されるが、曲げ内側の座屈及び断面楕円化を抑制できない。
【００１１】
特許文献５の曲げ加工方法は、加工工程数が増えるため、各工程に対応した金型が必要となると共に、加工時間も増加するため、加工コストが高くなる。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解消するために案出されたものであり、ワイパーと芯金を用いて曲げ内側の座屈及び断面楕円化を抑制する回転引き曲げ加工方法において、特に、金属管の板厚が薄い場合や曲げ半径が小さい場合に、曲げ外側の割れ及び板厚減少を抑制できる回転引き曲げ加工方法、及び当該回転引き曲げ加工方法を実現できる回転引き曲げ加工装置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】
【００１３】
本発明者等は、金属管の回転引き曲げ加工において、曲げ加工の途中における金属管と芯金との接触状態と板厚減少の進行について鋭意検討を重ねた結果、金属管が芯金と接触している領域では芯金との摩擦により金属管が引き伸ばされにくく板厚減少の進行が緩やかとなり、一方、金属管が芯金と接触していない領域では、金属管は芯金との摩擦力が作用しない状態で引き伸ばされるために板厚減少の進行が顕著となるという知見を得た。そのため、曲げ外側の特定の部位が長時間芯金と接触していない状態で曲げ加工を受けると、板厚減少がその部位に集中して割れ、もしくは加工品の使用目的を満足しないような著しい板厚減少を引き起こす。
【００１４】
本発明は、このような知見に基づいて開発されたものであり、曲げ金型、ワイパー、サイドブースター、バックブースター、及び芯金を用いて金属管を曲げ加工する回転引き曲げ加工方法において、芯金の移動速度を金属管の中立軸の移動速度と同期させずに移動させることにより、金属管の曲げ外側の特定の部位が長時間芯金と接触していない状態で局所的に引き伸ばされることを抑制し、金属管の板厚減少を分散、平均化することで、曲げ外側で割れもしくは加工品の使用目的を満足しないような著しい板厚減少を抑制できる、金属管の回転引き曲げ加工方法に関する。
【００１５】
また、本発明は、曲げ金型、ワイパー、サイドブースター、バックブースター及び芯金を用いて金属管を曲げ加工する回転引き曲げ加工装置において、芯金を移動させる芯金移動機構と、芯金を金属管の中立軸の移動速度と同期させずに移動させる制御部と、を更に備えることで、金属管の曲げ外側の特定の部位が長時間芯金と接触していない状態で局所的に引き伸ばされることを抑制して金属管の板厚減少を分散、平均化し、その結果、曲げ外側で割れもしくは加工品の使用目的を満足しないような著しい板厚減少が起こることを抑制できる、金属管の回転引き曲げ加工装置に関する。
【００１６】
金属管の曲げ加工では、曲げ内側と曲げ外側の移動速度が異なるため、本発明においては、負荷すべき芯金の移動速度の算出基準として、金属管の中立軸の移動速度を用いることとした。金属管の中立軸の移動速度は、曲げ金型に取り付けた回転速度検出器又はバックブースターに取り付けた軸押し速度検出器により求めることができる。
【００１７】
また、本発明の回転引き曲げ加工装置においては、芯金は位置及び移動速度を制御可能な制御部を具備している。芯金は、金属管の中立軸の移動速度を基に算出された所定の移動速度に調整されて移動される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ワイパーと芯金を用いて曲げ内側の座屈及び断面楕円化を抑制する回転引き曲げ加工方法において、特に、金属管の板厚が薄い場合や曲げ半径が小さい場合に、曲げ外側の割れ及び板厚減少を抑制できる回転引き曲げ加工方法及び回転引き曲げ加工装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】回転引き曲げ加工装置を模式的に示す側面図（ａ）及び上面図（ｂ）であり、曲げ加工される金属管が取り付けられた状態を示す図である。
【図２】回転引き曲げ加工装置を模式的に示す上面図であり、金属管を曲げ加工した状態を示す図である。
【図３】芯金との接触状態による金属管の伸びの違いを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明の好ましい一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の金属管の回転引き曲げ加工方法に用いられる回転引き曲げ加工装置を模式的に示す図であり、曲げ加工される金属管が取り付けられた状態を示す図である。図２は、図１に示す状態から、金属管が９０度曲げ加工された状態を示す図である。尚、図１及び図２の上面図においては、クランプされていない金属管部分については、断面を表示している。
【００２１】
本実施形態の回転引き曲げ加工装置１００は、金属管１を回転引き曲げ加工する装置である。この回転引き曲げ加工装置１００は、曲げ金型３、クランプ４、サイドブースター５、バックブースター６、ワイパー７及び芯金２を備えている。回転引き曲げ加工装置１００では、金属管１の一端を曲げ金型３とクランプ４で挟んで保持し、曲げ金型３を曲げ金型回転軸Ｃを中心として回転させることにより、金属管１の軸方向に引張荷重を負荷しながら曲げ加工を行う。
その際、金属管１の曲げ内側の外表面側に設置したワイパー７と、金属管１の内部に挿入した芯金２との間に、金属管１を挟んだ状態で曲げ加工することにより座屈の発生を抑制する。また、金属管１の曲げ外側の外表面側に設置して金属管１に押し付けた状態で軸方向に移動させるサイドブースター５と、金属管１の後方に設置して金属管１を軸方向に押し出すバックブースター６とにより、主に曲げ外側に材料を供給することにより割れや板厚減少を抑制する。また、金属管１の内部に挿入した芯金２で金属管１の曲げ内側と外側の間隔を確保することにより、断面楕円化を抑制する。
【００２２】
ここで、回転引き曲げ加工装置１００を用いた従来の回転引き曲げ加工方法について説明する。
従来の手法では、芯金２の位置は、曲げ加工中は固定される。曲げ加工が開始されると、金属管１は、曲げ金型３とクランプ４に保持されて引っ張られると共に、サイドブースター５とバックブースター６により押し出され、加工初期の位置よりも前方に移動する。このとき、曲げ外側では中立軸よりも弧長が長いため軸方向に伸ばされ、加工後の板厚が加工前の板厚よりも薄くなる。その際、図３に示すように、金属管１が芯金２と接触している領域Ａでは、芯金２との摩擦により金属管１が引き伸ばされにくく板厚減少の進行が緩やかとなる。一方、金属管１が芯金２と接触していない領域Ｂでは、金属管１は芯金２との摩擦力が作用しないフリーの状態で引き伸ばされるために板厚減少の進行が顕著となる。
【００２３】
そのため、芯金２の位置が固定されていると、金属管１と芯金２との相対速度が大きくなり、金属管１が芯金２と接触する位置は金属管１の軸方向で短時間に移動し、金属管１の芯金２と接触していないある部位で板厚減少が拡大し始めた際に、当該部位が芯金２と接触してもすぐに通過して再び芯金２と接触していない状態となって曲げ加工されるため、当該部位の板厚減少が抑制されずに集中的に板厚減少が増大し、あるいは割れに至る。
【００２４】
また、金属管１の断面形状を良好にするために金属管の中立軸Ｍの移動速度に同期させて芯金２を移動させることもある。この場合、金属管１と芯金２との相対速度が小さく、曲げ加工が進んでも金属管１と芯金２との接触位置は同等の速度で進むことになり、金属管１の芯金２と接触していないある部位で板厚減少が拡大し始めた際に、当該部位が芯金２まで到達せずに芯金２と接触していない状態のまま曲げ加工されるため、当該部位の板厚減少が抑制されずに集中的に板厚減少が増大し、あるいは割れに至る。
【００２５】
そこで、本実施形態においては、図１及び図２に示すように、芯金２の移動速度を金属管１の中立軸Ｍの移動速度と同期させずに移動させることにより、金属管１の曲げ外側の特定の部位が長時間芯金２と接触していない状態で局所的に引き伸ばされることを抑制し、金属管１の板厚減少を分散、平均化している。
また、回転引き曲げ加工装置１００を、芯金２を移動させる芯金移動機構（図示せず）と、曲げ加工中に芯金２の移動速度を金属管１の中立軸Ｍの移動速度と同期しないように制御する制御部（図示せず）と、を含んで構成することで、金属管１の曲げ外側の特定の部位が長時間芯金２と接触していない状態で局所的に引き伸ばされることを抑制し、金属管１の板厚減少を分散、平均化している。
【００２６】
芯金２の移動速度制御の適正な条件は、金属管１の材質、表面状態、寸法、断面形状や曲げ半径Ｒ、曲げ角度θ、芯金２の位置、曲げ金型３の回転速度、サイドブースター５の移動速度、バックブースター６の軸押し力、あるいは曲げ加工品に要求される板厚分布、断面楕円化の程度、更には加工時の温度や環境要因等、さまざまな因子の影響を受ける。
【００２７】
芯金２の形状は、図１〜図３に示す、複数のボール２ａを有する自在芯金２に限定されず、球面芯金や、半砲弾型芯金等でもよい。
【００２８】
複数のボール２ａを有する自在芯金２は、芯金２の支持駆動軸２ｃの先端に、複数の芯金のボール２ａがボール連結部２ｂを介して相互に回転可能に連結されて構成されており、全体として屈曲自在になっている。そのため、金属管１の曲げ加工部の途中の位置まで芯金２を挿入することができ、金属管１と芯金２とが複数の箇所で接触できることになり、金属管１の曲げ外側の全長にわたる板厚減少を効果的に抑制できる。
【００２９】
発明の好ましい実施形態においては、芯金２の移動速度を金属管１の中立軸Ｍの移動速度と同期させずに、芯金２の移動速度を金属管１の中立軸Ｍの移動速度に対し１０％以上５０％以下の範囲に設定して移動させることにより、金属管１の板厚減少を分散、平均化し、曲げ外側で割れもしくは加工品の使用目的を満足しないような著しい板厚減少を抑制できる。
【００３０】
尚、芯金２の移動速度を金属管１の中立軸Ｍの移動速度と同期しないように制御する手法としては、例えば、予め設定値として入力された芯金２の移動速度及び金属管１の中立軸Ｍの移動速度に基づいて、芯金２を移動させると共に曲げ金型３を回転させる手法が挙げられる。また、回転引き曲げ加工装置１００の制御部を、曲げ金型３の回転速度を検出する検出部と、検出部により検出された回転速度から芯金２を移動させる移動速度を算出する算出部と、算出部により算出された移動速度で芯金２を移動させる芯金制御部と、を含んで構成してもよい。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００３２】
［板厚減少率の測定１］
外径Ｄ４０ｍｍ、板厚Ｔ１．２ｍｍのフェライト系ステンレス鋼管を金属管１として、曲げ中立軸Ｍの曲率半径（曲げ半径）Ｒが４８ｍｍ（曲げ半径Ｒ＝１．２Ｄ）となるように、回転引き曲げ法による曲げ加工を実施した。芯金２には、３ボール式の自在芯金を使用し、金属管１の内径と芯金２とのクリアランスは片側０．５ｍｍとした。曲げ角度は９０度とした。曲げ金型３の回転による金属管１の中立軸Ｍの移動速度に対し、芯金２の移動速度を０％（固定：比較例１）、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％（実施例１〜６）のそれぞれ一定の速度の条件で曲げに伴う金属管１の移動と同じ方向に移動させ、曲げ外側の板厚減少最大位置の板厚減少率を評価した。結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
芯金２を固定した比較例１の場合、曲げ外側の最大板厚減少率は約３２％であった。芯金２の移動速度を増していくと、板厚減少率は徐々に低下していき、金属管１の中立軸Ｍの移動速度に対し芯金２の移動速度を３０％とした場合に板厚減少率は約１５％で、芯金２を固定した条件の１／２以下に改善された。更に芯金２の移動速度を増すと板厚減少率は徐々に増大した。本実施例では、芯金２の移動速度が、金属管１の中立軸Ｍの移動速度に対し１０％〜５０％の場合に、割れや座屈が起こらず、しかも局所的な板厚減少が特に抑制された。芯金２の移動速度を上記範囲に規定することにより、金属管１と芯金２との接触位置が逐次移動して、金属管１の板厚減少が局所的に集中せず、板厚減少が特に好適に抑制されたと考えられる。
【００３５】
［板厚減少率の測定２］
外径Ｄ３５ｍｍ、板厚Ｔ１．０ｍｍのフェライト系ステンレス鋼管を金属管１として、曲げ中立軸Ｍの曲率半径（曲げ半径）Ｒが３５ｍｍ（曲げ半径Ｒ＝１．０Ｄ）となるように、回転引き曲げ法による曲げ加工を実施した。芯金２には、３ボール式の自在芯金を使用し、金属管１の内径と芯金２とのクリアランスは片側０．５５ｍｍとした。曲げ角度は９０度とした。曲げ金型３の回転による金属管１の中立軸Ｍの移動速度に対し、芯金２の移動速度を０％（固定：比較例２）、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％（実施例７〜１１）のそれぞれ一定の速度の条件で曲げに伴う金属管１の移動と同じ方向に移動させ、曲げ外側の板厚減少最大位置の板厚減少率を評価した。結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】
2016182615.tif 000004
【００３７】
芯金２を固定した比較例２の場合、曲げ外側の最大板厚減少率は約４０％であり、割れの前段階であるネッキングが発生した。芯金２の移動速度を増していくと、板厚減少率は徐々に低下していき、金属管１の中立軸Ｍの移動速度に対し芯金の移動速度を３０％とした場合に板厚減少率は約１７％で、芯金２を固定した条件の１／２以下に改善された。更に芯金２の移動速度を増すと板厚減少率は増大した。本実施例では、芯金２の移動速度が、曲げ金型３の回転による金属管１の中立軸Ｍの移動速度に対し２０％〜４０％の場合に、割れや座屈が起こらず、しかも局所的な板厚減少が特に抑制された。芯金２の移動速度を上記範囲に規定することにより、金属管１と芯金２との接触位置が逐次移動して、金属管１の板厚減少が局所的に集中せず、板厚減少が特に好適に抑制されたと考えられる。尚、本実施例では、上述の［板厚減少率の測定１］と比較して金属管１の初期板厚が薄く相対的な曲げ半径Ｒも小さいため板厚減少が大きく、芯金２の位置の移動速度の適正範囲は狭くなった。
【００３８】
［板厚減少率の測定３］
外径Ｄ４０ｍｍ、板厚Ｔ１．２ｍｍのフェライト系ステンレス鋼管を金属管１として、曲げ中立軸Ｍの曲率半径（曲げ半径）Ｒが４８ｍｍ（曲げ半径Ｒ＝１．２Ｄ）となるように、回転引き曲げ法による曲げ加工を実施した。芯金２には、３ボール式の自在芯金を使用し、金属管１の内径と芯金２とのクリアランスは片側０．５ｍｍとした。曲げ角度は９０度とした。曲げ金型３の回転による金属管１の中立軸Ｍの移動速度に対し、芯金２の移動速度を２０％で一定として曲げに伴う金属管１の移動と同じ方向に移動させ、曲げ角度が１５度増す毎に芯金２を初期位置に戻すことを繰り返しながら、曲げ角度９０度まで加工し、曲げ外側の板厚減少最大位置の板厚減少率を評価した。結果を表３に示す。
【００３９】
【表３】
2016182615.tif 000005
【００４０】
芯金２を固定した比較例３の場合、曲げ外側の最大板厚減少率は約３２％であった。芯金２を曲げ角度１５度毎に初期位置に戻すように移動させた実施例１２の場合には、板厚減少率は約１２％で、芯金２を固定した条件の１／２以下に改善された。本実施例では、芯金２の移動速度を曲げ金型３の回転による金属管１の中立軸Ｍの移動速度に対し２０％にすると共に、曲げの進行に伴って芯金２の位置を制御することにより、割れや座屈が起こらず、しかも局所的な板厚減少が抑制された。芯金２の移動速度と位置を上記の様に規定することにより、金属管１と芯金２との接触位置が逐次移動して、金属管１の板厚減少が局所的に集中せず、板厚減少が抑制されたと考えられる。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・金属管
２・・・芯金
２ａ・・芯金のボール
２ｂ・・芯金のボール連結部
２ｃ・・芯金の支持駆動軸
３・・・曲げ金型
４・・・クランプ
５・・・サイドブースター
６・・・バックブースター
７・・・ワイパー
１００・・・回転引き曲げ加工装置
Ｃ・・曲げ金型回転軸
Ｍ・・・金属管の中立軸
Ｒ・・・曲げ半径
【図１】
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【図２】
2016182615.tif 000007
【図３】
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