JP6875341B2 - 成形システム及び成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属パイプを成形する成形システム及び成形方法に関する。

従来、金属パイプ材料内に流体を供給して膨張させることによって成形を行う成形システムが知られている。例えば、特許文献１に示す成形システムは、互いに対となる上型及び下型と、上型と下型との間で金属パイプ材料を保持する保持部と、保持部に保持された金属パイプ材料内に流体を供給する流体供給部と、を備えている。この成形装置では、上型と下型との間で保持された状態の金属パイプ材料内に流体を供給することによって、金属パイプ材料を膨張させて金型の形状に対応する形状に成形することができる。このような成形方法は、ハイドロフォーミングと呼ばれている。

特開２００４−３３７８９８号公報

ここで、上述の成形システムでは、保持部で保持された金属パイプ材料の端部に対して流体供給部のノズルを挿入して、金属パイプ材料の内部に流体を供給している。このとき、ノズルで金属パイプ材料の端部を保持部に押し付けることによって、金属パイプ材料の端部を拡げている。これによって、ノズルと保持部との間のシール性を確保している。しかしながら、上述の成形システムにおいては、ノズルの押圧によっては金属パイプ材料の端部が良好に拡がらず、十分なシール性を確保できない場合があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、金属パイプ材料に流体を供給する際のシール性を向上することができる成形システム及び成形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る成形システムは、金属パイプを金型内で膨張させて成形する成形システムであって、少なくとも金属パイプ材料の端部を加熱する加熱部と、金属パイプ材料内に流体を供給して膨張させる流体供給部と、加熱部、及び流体供給部を制御する制御部と、を備え、流体供給部は、金属パイプ材料の端部から内部へ流体を供給するノズルを有し、制御部は、少なくとも流体供給部による流体の供給より前段階で、金属パイプ材料の端部を加熱するように、加熱部を制御し、ノズルを金属パイプ材料の端部に押し付けることによる押圧力によって、又はノズルが金属パイプ材料の端部に流体を供給することによる膨張力によって、金属パイプ材料の端部を拡げるように、流体供給部を制御する。

本発明に係る成形システムでは、制御部は、少なくとも流体供給部による流体の供給より前段階で、金属パイプ材料の端部を加熱するように、加熱部を制御する。このため、少なくとも流体供給部による流体供給の前段階では、金属パイプ材料の端部は加熱部に加熱されることによって変形しやすい状態となる。このような状態とすることによって、ノズルを金属パイプ材料の端部に押し付けることによる押圧力によって、又はノズルが金属パイプ材料の端部に流体を供給することによる膨張力によって、容易に金属パイプ材料の端部を広げることが可能となる。従って、ノズルは、金属パイプ材料の拡張部を介して十分な気密性を確保することができる。以上より、本発明によれば、金属パイプ材料に流体を供給する際のシール性を向上することができる。

また、本発明に係る成形システムは、金属パイプ材料の端部側を保持する保持部を更に備え、制御部は、ノズルで金属パイプ材料の端部を保持部に押し付けることによる押圧力によって、金属パイプ材料の端部を拡げるように、流体供給部を制御してよい。この構成によれば、ノズルと保持部との間を金属パイプ材料の拡張部を介してシールすることができる。

また、本発明に係る成形システムにおいて、制御部は、ノズルが金属パイプ材料の端部に流体を供給することによる膨張力によって、金属パイプ材料の端部を拡げるように、流体供給部を制御し、ノズルは、流体を供給するときに、金属パイプ材料の端部を外周側から取り囲むと共に、拡がった金属パイプ材料の端部を受ける受部を有してよい。この構成によれば、ノズルの受部が金属パイプ材料の拡張部を受けることによって、当該受部及び拡張部でシールすることができる。

本発明に係る成形方法は、金属パイプを金型内で膨張させて成形する成形方法であって、少なくとも金属パイプ材料の端部を加熱する加熱工程と、金属パイプ材料の端部を拡げる拡張工程と、金属パイプ材料内に流体を供給して膨張させる流体供給工程と、膨張した金属パイプ材料を金型に接触させて金属パイプを成形する成形工程と、を備え、加熱工程は、少なくとも拡張工程及び流体供給工程よりも前段階で実行され、拡張工程において、金属パイプ材料の端部に流体を供給するノズルを当該端部に押し付けることによる押圧力によって、又はノズルが金属パイプ材料の端部に流体を供給することによる膨張力によって、金属パイプ材料の端部を拡げる。

本発明に係る成形方法によれば、上述の成形システムと同様の作用・効果を得ることができる。

本発明によれば、金属パイプ材料に流体を供給する際のシール性を向上することができる。

本発明の実施形態に係る成形システムの概略構成図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であって、ブロー成形金型の概略断面図である。 成形システムによる製造工程を示す図であって、（ａ）は金型内に金属パイプ材料がセットされて保持された状態を示す図、（ｂ）は金属パイプ材料の端部にノズルを押し付けた状態を示す図、（ｃ）はブロー成形をおこなった状態を示す図である。 ノズル周辺の拡大図である。 変形例に係るノズルの拡大図である。 変形例に係るノズルの動作を示す図である。

〈成形システムの構成〉
図１〜図３に示しているように、金属パイプを成形する成形システム１００は、上型３及び下型２からなるブロー成形金型（金型）１と、上型３と下型２との間に金属パイプ材料１４を水平に保持する保持部４と、金属パイプ材料１４を加熱する加熱部６と、金属パイプ材料１４内に流体を供給して膨張させる流体供給部１０と、ブロー成形金型１の動作、保持部４、加熱部６、及び流体供給部１０を制御する制御部２０と、を備えて構成されている。なお、以下の説明では、成形後のパイプを金属パイプ８０（図２（ｂ）参照）と称し、完成に至る途中の段階のパイプを金属パイプ材料１４と称するものとする。

下型２は、大きな鋼鉄製ブロックで構成されて、その上面に凹部２ａを備える。下型２は、例えば、図示されない基台等に固定されていてよい。上型３は、大きな鋼鉄製ブロックで構成されて、その上面に凹部３ａを備える。上型３は、上端部を、図示されない駆動部によって駆動されるスライド等に固定されてよい。

図２は、ブロー成形金型１を側面方向から見た概略断面である。これは図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿うブロー成形金型１の断面図であって、ブロー成形時の金型位置の状態を示している。図２に示すように、下型２の上面には矩形状の凹部２ａが形成されている。上型３の下面には、下型２の凹部２ａと対向する位置に矩形状の凹部３ａが形成されている。ブロー成形金型１が閉じられた状態においては、下型２の凹部２ａと上型３の凹部３ａとが組み合わされることによって矩形状の空間であるメインキャビティ部ＭＣが形成される。図２（ａ）に示すように、メインキャビティ部ＭＣ内に配置された金属パイプ材料１４は、膨張することによって図２（ｂ）に示すようにメインキャビティ部ＭＣの内壁面と接触し、当該メインキャビティ部ＭＣの形状（ここでは矩断面矩形状）に成形される。

保持部４は、下型２の左右端（図１において左右端）近傍に設けられた第１電極１１と第２電極１２と、上型３の左右端（図１において左右端）近傍に設けられた第１電極１１と第２電極１２と、を備えている。第１電極１１及び第２電極１２は、図示されないアクチュエータで上下に進退動可能に構成されている。下側の第１、第２電極１１、１２の上面には、金属パイプ材料１４の下側外周面に対応した半円弧状の凹溝１１ａ、１２ａが形成されていている、当該凹溝１１ａ、１２ａ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。また、第１、第２電極１１、１２の正面（金型の外側方向の面）は凹溝１１ａ、１２ａ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１１ｂ、１２ｂが形成されている。また、上側の第１、第２電極１１、１２の下面には、金属パイプ材料１４の上側外周面に対応した半円弧状の凹溝１１ａ、１２ａが形成されていて、当該凹溝１１ａ、１２ａに丁度金属パイプ材料１４が嵌合可能とされている。また、第１、第２電極１１、１２の正面（金型の外側方向の面）は凹溝１１ａ、１２ａ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１１ｂ、１２ｂが形成されている。即ち、上下一対の第１、第２電極１１、１２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。

また、本実施形態において、第１電極１１及び第２電極１２は、金属パイプ材料１４を加熱する加熱部６としても機能する。具体的には、第１電極１１及び第２電極１２は、電源（不図示）と接続されており、金属パイプ材料１４に電力を供給することで当該金属パイプ材料１４を加熱する。加熱部６は、少なくとも金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを加熱することができる。

流体供給部１０は、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂから内部へ流体を供給するノズル７，８を備えている。ノズル７，８は、図示されないシリンダロッドを介してシリンダユニットに連結されていて、当該シリンダユニットの作動に合わせて進退動することが可能となっている。ノズル７，８の先端部は、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂからそれぞれ挿入され、金属パイプ材料１４の内部に流体を供給する。これによって、ブロー成形金型１３の内部に配置された金属パイプ材料１４を膨張させることができる。なお、ノズル７，８が供給する流体としては、水や油などの流体を採用することができる。ノズル７，８は、先端部７ａ，８ａに向かって先細りとなるように、円錐状のテーパー面７ｂ，８ｂを備えている。なお、ノズル７，８の詳細な構造については、後述の制御部２０による動作説明と合わせて説明する。

〈成形システムの作用〉
次に、成形システム１００の作用について説明する。図３は材料としての金属パイプ材料１４を投入するパイプ投入工程から、当該金属パイプ材料を膨張成形して金属パイプ８０を形成する工程まで示している。図３（ａ）に示すように、金属パイプ材料１４を準備し、この金属パイプ材料１４を、ロボットアーム等（図示しない）により、下型２側に備わる第１、第２電極１１、１２上に載置する。第１、第２電極１１、１２には凹溝１１ａ、１２ａが形成されているので、当該凹溝１１ａ、１２ａによって金属パイプ材料１４が位置決めされる。次に、制御部２０（図１参照）は、保持部４を制御することによって、当該保持部４に金属パイプ材料１４を保持させる。具体的には、図３（ａ）のように、各電極１７、１８を進退動可能としているアクチュエータを作動させ、各上下に位置する第１、第２電極１１、１２を接近・当接させる。この当接によって、金属パイプ材料１４の両端部は、上下から第１、第２電極１１、１２によって挟持される。またこの挟持は第１、第２電極１１、１２に形成される凹溝１１ａ、１２ａの存在によって、金属パイプ材料１４の全周に渡って密着するような態様で挾持されることとなる。ただし、金属パイプ材料１４の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第１、第２電極１１，１２が当接するような構成であってもよい。また、第１、第２電極１１、１２が金属パイプ材料１４を保持した状態においては、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂ側の一部は、少なくとも凹溝１１ａ，１２ａの外側の端部から外部へ突出する。すなわち、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂ側の一部と、テーパー凹面１１ｂ，１２ｂとの間に隙間が形成される状態で、金属パイプ材料１４が保持部４に保持される。

続いて、制御部２０は、加熱部６を制御することによって、金属パイプ材料１４を加熱する（加熱工程）。具体的には、制御部２０は、加熱部６のスイッチをＯＮにする。そうすると、電源（不図示）から電力が第１、第２電極１１，１２を介して金属パイプ材料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自体が発熱する（ジュール熱）。これによって、加熱部６は、少なくとも金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂ（本実施形態では、金属パイプ材料１４全体）を加熱することができる。また、加熱部６による加熱工程は、少なくとも流体供給部１０による流体の供給より前段階に行われる。次に、加熱後の金属パイプ材料１４に対してブロー成形金型１を閉じ、金属パイプ材料１４を当該ブロー成形金型１のキャビティ内に配置密閉する。

その後、図３（ｂ）に示すように、制御部２０は、流体供給部１０のノズル７，８を金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂに押し付けることによる押圧力によって、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを拡げるように、流体供給部１０のノズル７，８を制御する（拡張工程）。また、制御部２０は、ノズルで金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを保持部４に押し付けることによる押圧力によって、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを拡げるように、流体供給部１０を制御する。

ここで、図４を参照して、ノズル８の構成について詳細に説明する。なお、ノズル７はノズル８と同様な構成を有するため、説明を省略する。また、図１及び図３は成形システム１００の概略構成図である一方、図４はノズル８の構成をより詳細に示した図であるため、一部形状の異なる部分がある。なお、以下の説明では、金属パイプ材料１４とノズル８の中心軸を一致させた状態であるものとする。図４に示すように、ノズル８は、基端側（ブロー成形金型１に対する外側）に形成される大径部８Ａと、大径部８Ａから先端側（ブロー成形金型１側）へ向かって先細りとなるテーパー部８Ｂと、テーパー部８Ｂから先端側へ延びる小径部８Ｃと、を備えている。小径部８Ｃの直径は、ブロー成形や拡張がなされる前段階における金属パイプ材料１４の内径、及び凹溝１２ａの内径よりも小さく設定されている。大径部８Ａの直径は、テーパー凹面１２ｂの外側の端部（最も内径が大きい部分）の内径よりも大きく設定されている。テーパー部８Ｂのテーパー面８ｂは、第２電極１２のテーパー凹面１２ｂと略平行をなすように傾斜している。

このような構成により、拡張前（図３（ａ）の状態）の金属パイプ材料１４の端部１４ｂから内部へノズル８の小径部８Ｃを挿入するようにノズル８を移動させると、端部１４ｂがノズル８のテーパー面８ｂに当接する。このとき、金属パイプ材料１４の端部１４ｂは加熱部６で加熱された状態であるため、変形し易い状態となっている。従って、ノズル８を更に移動させると、金属パイプ材料１４の端部１４ｂ側の一部はテーパー面８ｂの形状に沿って径が拡がるように変形する。そして、テーパー面８ｂの押圧によって拡張された金属パイプ材料１４の拡張部１４ｄは、ノズル８のテーパー面８ｂによって、第２電極１２のテーパー凹面１２ｂに押し付けられる状態となる。すなわち、ノズル８のテーパー面８ｂが、金属パイプ材料１４の拡張部１４ｄを介して第２電極１２のテーパー凹面１２ｂに押し付けられた状態となる。これにより、ノズル８のテーパー面８ｂと第２電極１２のテーパー凹面１２ｂとの間のシール性が確保される。

図３（ｂ）に示すように、金属パイプ材料１４の両側の端部１４ａ，１４ｂは、ノズル７，８でシールされた状態となる。シール完了後、制御部２０は、流体供給部１０を制御することによって、高圧の流体を金属パイプ材料１４内へ吹き込む（流体供給工程）。これにより、膨張した金属パイプ材料１４をブロー成形金型１３に接触させて、金属パイプ材料１４をブロー成形金型１３の形状に沿うように変形させることにより、金属パイプ８０を成形する（成形工程）。

なお、加熱部６の加熱により金属パイプ材料１４が軟化していることにより、膨張成形し易くなる。

次に、本実施形態に係る成形システム１００の作用・効果について説明する。

ここで、比較例に係る成形システムとして、第１、第２電極１１，１２のテーパー凹面１１ｂ，１２ｂとノズル７，８のテーパー面７ｂ，８ｂとが直接接触することでシール性を確保するものについて説明する。この場合、保持部４で金属パイプ材料１４を保持した時に、端部１４ａ，１４ｂが第１、第２電極１１，１２から外側へ突出しない。当該比較例に係る成形システムでは、第１、第２電極１１，１２とノズル７，８とが直接接触するため、十分なシール性を確保するためには、両者の耐久性が必要とされる。すなわち、テーパー凹面１１ｂ，１２ｂとテーパー面７ｂ，８ｂの少なくとも一方に摩耗等が生じた場合、十分なシール性を確保できない可能性がある。

また、他の比較例に係る成形システムとして、本実施形態に係る成形システム１００と同様に、保持部４に対して金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂをノズル７，８で押し付けることによる押圧力によって、金属パイプ材料１４を拡げるが、加熱部６を有していないものについて説明する。このような比較例に係る成形システムにおいては、ノズル７，８の押圧によって金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂが良好に拡がらず、十分なシール性を確保できない場合があった。

これらに対し、本実施形態に係る成形システム１００では、制御部２０は、少なくとも流体供給部１０による流体の供給より前段階で、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを加熱するように、加熱部６を制御する。このため、少なくとも流体供給部１０による流体供給の前段階では、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂは加熱部６に加熱されることによって変形しやすい状態となる。このような状態とすることによって、ノズル７，８を金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂに押し付けることによる押圧力によって、容易に金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを広げることが可能となる。従って、ノズル７，８は、金属パイプ材料１４の拡張部１４ｃ，１４ｄを介して十分な気密性を確保することができる。以上より、本実施形態に係る成形システム１００によれば、金属パイプ材料１４に流体を供給する際のシール性を向上することができる。

また、本実施形態に係る成形システム１００は、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂ側を保持する保持部４を更に備えている。制御部２０は、ノズル７，８で金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを保持部４０に押し付けることによる押圧力によって、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを拡げるように、流体供給部１０を制御する。この構成によれば、ノズル７，８と保持部４との間を金属パイプ材料１４の拡張部１４ｃ，１４ｄを介してシールすることができる。また、このような構成を用いてシール性を確保する場合、テーパー凹面１１ｂ，１２ｂ及びテーパー面７ｂ，８ｂとの間に加熱されて柔らかくなった金属パイプ材料１４を密着させて押圧することで、テーパー凹面１１ｂ，１２ｂ及びテーパー面７ｂ，８ｂの摩耗等の状況にかかわらず、十分なシール性を確保できる。また、ノズル７，８の形状をシンプルにした状態にて、十分なシール性を確保することができる。また、ブロー成形後のノズル７，８の抜き取りを容易に行うことができる。

なお、例えば、図５及び図６に示すような成形システム２００を採用してもよい。この成形システム２００において、制御部（不図示）は、少なくとも流体供給部１０による流体の供給より前段階で、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを加熱するように、加熱部６を制御し、ノズル２０８が金属パイプ材料１４の端部１４ｂに流体を供給することによる膨張力によって、金属パイプ材料１４の端部１４ｂを拡げるように、流体供給部１０を制御する。変形例に係る成形システム２００では、ノズルは、流体を供給するときに、金属パイプ材料１４の端部１４ｂを外周側から取り囲むと共に、拡がった金属パイプ材料１４の端部１４ｂを受ける受部２１０を有する。受部２１０は、金属パイプ材料１４の内部に挿入される小径部２０９の外周面から離間して、当該小径部２０９を取り囲むように形成されている。また、制御部は、ノズル２０８が金属パイプ材料１４の端部１４ｂに流体を供給することによる膨張力によって、金属パイプ材料１４の端部１４ｂを拡げるように、流体供給部１０を制御する。これによって、受部２１０が、金属パイプ材料１４の拡張された端部１４ｂを受けることによって、シール性が確保される。この構成では、拡張工程と流体供給工程が同時に行われる。

図６（ａ）に示すように、流体を供給する際は、ノズル２０８の小径部２０９を金属パイプ材料１４内部に挿入する。このとき、受部２１０の先端面２１０ｃが電極２１２の端面２１２ａと当接する位置までノズル２０８を挿入する。このとき、金属パイプ材料１４の端部１４ｂと受部２１０の底面２１０ｂは干渉しないように離間している。また、当該状態においては、受部２１０の受面２１０ａ（受面）は金属パイプ材料１４の外周面と離間している。次に、図６（ｂ）に示すように、ノズル２０８が金属パイプ材料１４に流体を供給すると、膨張力によって金属パイプ材料１４の端部１４ｂ付近が拡がって、受部２１０の受面２１０ａに接触する。これによって、金属パイプ材料１４の拡張部１４ｄと受部２１の受面２１０ａとが密着することによってシール性が確保される。また、このような構造によれば、ブロー成形に伴う金属パイプ材料１４の軸方向への自然追従及び追従制御が可能となる（例えば、図４の構造のように、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂ付近の位置が固定されない）。また、ブロー圧力によって密着性を向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。

上記実施形態では、上下金型の間で加熱処理できる加熱部６を備え、通電によるジュール熱を利用して金属パイプ材料１４を加熱していたが、これらに限定されるものではない。例えば、成形システムが加熱炉などを備えており、当該加熱炉で加熱を行った後の金属製パイプを金型間に運び込んでもよい。また、通電によるジュール熱を利用する以外にも、ヒータ等の輻射熱を利用してもよいし、高周波誘導電流を利用して加熱することも可能である。例えば、金型を閉じる前段階で、金属パイプ材料１４の近傍にヒータを配置すると共に加熱を行ってもよい。このとき、少なくとも金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂを加熱できればよい。

また、上記実施形態では、ノズル７，８が供給する流体としては、水や油などの液体としていたが、圧縮空気等や不活性ガス等の気体を供給してもよい。

１…ブロー成形金型（金型）、２…下型（金型）、３…上型（金型）、４…保持部、６…加熱部、７，８…ノズル、１０…流体供給部、１４…金属パイプ材料、２０…制御部、８０…金属パイプ、１００，２００…成形システム。

Claims (3)

1. 金属パイプを金型内で膨張させて成形する成形システムであって、
   前記金型内に金属パイプ材料を配置した状態で、少なくとも金属パイプ材料の端部を加熱する加熱部と、
   前記金属パイプ材料の端部から内部へ流体を供給するノズルと、を備え、
   前記加熱部は、前記金属パイプ材料の端部の外周側に配置された状態で、前記金属パイプ材料の端部を加熱し、
   前記ノズルは、前記金属パイプ材料の内周側に配置された状態で、前記金属パイプ材料の端部に押し付けられる際の押圧力によって前記金属パイプ材料の端部を拡げる、成形システム。
2. 前記加熱部は、
   前記金属パイプ材料に電力を供給して前記金属パイプ材料を加熱するものであり、
   前記金属パイプ材料の端部に接する電極を有し、
   前記電極は、前記金型の外側に配置され、
   前記電極は、前記ノズルが前記金属パイプ材料の端部に押し付けられる際に、前記金属パイプ材料を保持する、
   請求項１に記載の成形システム。
3. 前記ノズルは、先端に向かって先細りとなるように第１テーパー面を有しており、
   前記電極は、
   前記金型の外側に設けられており、
   前記金型と離れる側の側面に、前記第１テーパー面と平行をなす第２テーパー面を有しており、
   前記ノズルは、前記第１テーパー面によって前記金属パイプ材料の端部を前記第２テーパー面へ押し付けて前記金属パイプ材料の端部を拡げる、
   請求項２に記載の成形システム。

Images