JP7080085B2 - 成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、成形装置に関する。

従来、加熱した金属パイプ材料内に気体を供給して膨張させることによって、パイプ部及びフランジ部を有する金属パイプの成形を行う成形装置が知られている。例えば、下記特許文献１には、互いに対になる上型及び下型と、上型及び下型の間に保持された金属パイプ材料内に気体を供給する気体供給部と、上記上型及び下型が合わさることによって形成され、パイプ部を成形する第１のキャビティ部（メインキャビティ）、及び第１のキャビティ部に連通しフランジ部を成形する第２のキャビティ部（サブキャビティ）とを備える成形装置が開示されている。下記特許文献１には、金属パイプの焼き入れ性のばらつきを抑制するため、気体供給を制御する態様が開示されている。

国際公開第２０１７－１５０１１０号

上述したような成形装置では、金属パイプ材料の内部に気体を供給し、所望の圧力まで昇圧している。この昇圧に要する時間を短縮し、金属パイプの生産性を向上することが求められている。

本発明は、金属パイプの生産性向上が可能な成形装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る成形装置は、金属パイプ材料を金属パイプに成形する成形部と、成形部に収容される金属パイプ材料の内部に気体を供給する気体供給部であって、金属パイプ材料の内部に連通するノズル、及びノズルに取り付けられる開閉弁を有する気体供給部と、開閉弁を介して気体供給部に接続される配管と、配管及び開閉弁を介して気体供給部に接続され、高圧ガスを貯留するガス貯留部と、を備える。

この成形装置によれば、気体供給部の開閉弁を閉塞した状態にて、ガス貯留部から配管にガスを予め供給することによって、当該配管内を所望の圧力まで昇圧した状態に設定できる。この状態にて開閉弁を開放することによって、気体供給部のノズルと、当該ノズルに連通する金属パイプ材料の内部とを、所望の圧力まで迅速に昇圧することができる。これにより、上記昇圧に要する時間を短縮できるので、金属パイプの成形時間を短縮することができる。したがって、金属パイプの生産性向上が可能になる。

開閉弁は、ノズルの外側に直接取り付けられてもよい。この場合、開閉弁を開放することによって、配管からノズルに瞬時にガスを供給できるので、金属パイプの成形時間をより短縮できる。

成形部は、金属パイプの型となり、金属パイプ材料が収容されるキャビティが設けられる金型を有し、金型には、キャビティに連通する吸気孔が設けられ、上記成形装置は、吸気孔を介してキャビティ内の気体を吸引する吸気部をさらに備えてもよい。この場合、吸気部によってキャビティ内の気体を予め吸引しておくことによって、金属パイプ材料の内部を昇圧する際に、金属パイプ材料が膨張しやすくなる。したがって、キャビティの形状に沿った金属パイプを良好に成形できる。

本発明の一側面によれば、金属パイプの生産性向上が可能な成形装置を提供できる。

図１は、実施形態に係る成形装置の概略構成図である。 図２（ａ）は電極が金属パイプ材料を保持した状態を示す図であり、図２（ｂ）は電極に気体供給ノズルが当接した状態を示す図であり、図２（ｃ）は電極の正面図である。 図３は、実施形態に係る成形金型の概略断面図である。 図４は、気体供給部の概略拡大図である。 図５は、金属パイプの成形方法を示すフローチャートである。 図６は、実施形態に係る金属パイプの成形工程のタイミングチャートである。 図７（ａ），（ｂ）は、成形金型の動作と金属パイプ材料の形状の変化を示す図である。 図８（ａ），（ｂ）は、成形金型の動作と金属パイプ材料の形状の変化を示す図である。 図９は、比較例に係る金属パイプの成形工程のタイミングチャートである。 図１０は、実施形態の変形例に係る成形装置の概略構成図である。 図１１は、実施形態の変形例に係る成形金型の概略断面図である。

以下、本発明による成形装置及び成形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。

＜成形装置の構成＞
図１は、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、互いに対となる上型（金型）１２及び下型（金型）１１を有する成形金型（成形部）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内にガス（気体）を供給するための気体供給ユニット６０と、パイプ保持機構３０で保持された金属パイプ材料１４の内部に気体供給ユニット６０からの気体を供給するための一対の気体供給部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、及び上記気体供給ユニット６０の気体供給をそれぞれ制御する制御部７０と、を備える。なお以下では、金属パイプは、成形装置１０にて成形完了後の中空物品を指し、金属パイプ材料１４は、成形装置１０にて成形完了前の中空物品を指す。

成形金型１３は、金属パイプ材料１４を金属パイプに成形するために用いられる型である。このため、成形金型１３に含まれる下型１１及び上型１２のそれぞれには、金属パイプ材料１４が収容されるキャビティ（凹部）が設けられる（詳細は後述する）。

下型１１は、大きな基台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、その上面にキャビティ１６を備える。下型１１には冷却水通路１９が形成されている。また、下型１１は、略中央に下から差し込まれた熱電対２１を備えている。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。熱電対２１は測温手段の一例を示したに過ぎず、輻射温度計又は光温度計のような非接触型温度センサであってもよい。通電時間と温度との相関が得られれば、測温手段は省いてもよい。

下型１１の左右端（図１における左右端）近傍には、電極収納スペース１１ａが設けられている。電極収納スペース１１ａ内には、上下に進退動可能に構成された電極（下側電極）１７，１８が設けられる。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。

下側電極１７，１８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１７ａ，１８ａがそれぞれ形成されている（図２（ｃ）を参照）。このため、下型１１側に位置する一対の下側電極１７，１８は、パイプ保持機構３０の一部を構成しており、金属パイプ材料１４を上型１２と下型１１との間で昇降可能に支えることができる。下側電極１７，１８にて支持される金属パイプ材料１４は、例えば凹溝１７ａ，１８ａにて嵌め込まれ載置される。下側電極１７，１８の正面（金型の外側方向の面）には、凹溝１７ａ，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１７ｂ，１８ｂが形成されている。なお、絶縁材９１には、上記凹溝１７ａ，１８ａに連通すると共に、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。

上型１２は、下型１１と同様に大きな鋼鉄製ブロックによって構成されており、駆動機構８０を構成するスライド８１（詳細は後述）に固定されている。上型１２の下面にはキャビティ２４が形成されている。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ている。上型１２の内部には、冷却水通路２５が設けられている。

上型１２の左右端（図１における左右端）近傍には、下型１１と同様な電極収納スペース１２ａが設けられている。電極収納スペース１２ａ内には、下型１１と同じく、上下に進退動可能に構成された電極（上側電極）１７，１８が設けられる。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（不図示）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側に保持されている。

上側電極１７，１８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１７ａ，１８ａがそれぞれ形成されている（図２（ｃ）を参照）。このため、上側電極１７，１８は、パイプ保持機構３０の他の一部を構成している。上下一対の電極１７，１８で金属パイプ材料１４を上下方向から挟持すると、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。上側電極１７，１８の正面（金型の外側方向の面）には、凹溝１７ａ，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１７ｂ，１８ｂが形成されている。なお、絶縁材１０１には、上記凹溝１７ａ，１８ａに連通すると共に、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。

図３は、成形金型１３の概略断面図である。図３に示されるように、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、キャビティ１６の一方側（図３において右側、図１において紙面奥側）に第１突起１１ｂが形成されており、キャビティ１６の他方側（図３において左側、図１において紙面手前側）に第２突起１１ｃが形成されている。第１突起１１ｂ及び第２突起１１ｃにおいて基準ラインＬＶ２からの突出量は略同一である。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、キャビティ２４の一方側（図３において右側）に第１突起１２ｂが形成されており、キャビティ２４の他方側（図３において左側）に第２突起１２ｃが形成されている。第１突起１２ｂ及び第２突起１２ｃにおいて基準ラインＬＶ１からの突出量は略同一である。

図１に戻って、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、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。

加熱機構（電力供給部）５０は、電力供給源５５、及び、電力供給源５５と電極１７，１８とを電気的に接続する電力供給ライン５２を備える。電力供給源５５は、直流電源及びスイッチを含み、電力供給ライン５２、電極１７，１８を介して金属パイプ材料１４に通電可能になっている。本実施形態では、電力供給ライン５２は、下側電極１７，１８に接続されているが、これに限られない。制御部７０は、上記加熱機構５０を制御することによって、金属パイプ材料１４を焼入れ温度（例えば、ＡＣ３変態点温度以上）まで加熱することができる。

一対の気体供給部４０の各々は、ブロック４１を介して基台１５上に載置固定されるシリンダユニット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の先端に連結された気体供給ノズル（ノズル）４４とを有する。気体供給部４０の構成の詳細については、後述する。

気体供給ユニット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貯留するアキュムレータ（ガス貯留部）６２と、このアキュムレータ６２から気体供給部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から気体供給部４０の気体供給ノズル４４まで延びている第２チューブ（配管）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、を有する。圧力制御弁６４は、気体供給ノズル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内でガスが逆流することを防止する役割を果たす。

圧力制御弁６８は、制御部７０の制御により、第２チューブ６７内の圧力を調節するバルブである。例えば、金属パイプ材料１４を仮膨張させるための作動圧力（以下、第１到達圧力とする）を有するガス（以下、低圧ガスとする）と、金属パイプを成形するための作動圧力（以下、第２到達圧力とする）を有するガス（以下、高圧ガスとする）とを、第２チューブ６７内に供給する役割を果たす。これにより、第２チューブ６７に接続される気体供給ノズル４４に低圧ガス及び高圧ガスを供給できる。なお、高圧ガスの圧力は、例えば低圧ガスの約２倍～５倍である。

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、加熱機構５０及び駆動機構８０を制御する。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とを備える。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。

次に、図１に加えて図４を用いて気体供給部４０の構成を詳細に説明する。図１及び図４に示されるように、シリンダユニット４２は、シリンダロッド４３を介して気体供給ノズル４４を金属パイプ材料１４に対して進退駆動させる部分である。シリンダユニット４２には内部空間が形成され、当該内部空間は、シリンダロッド４３に接続された仕切部４３ａによって区切られている。また、区切られた内部空間の一方（気体供給ノズル４４側）は、第１チューブ６３の分岐チューブ６３ａに接続され、内部空間の他方は第１チューブ６３の分岐チューブ６３ｂに接続されている。このため、シリンダユニット４２を押し出す場合は、分岐チューブ６３ｂから気体が供給され、シリンダユニット４２を引く場合は、分岐チューブ６３ａから気体が供給される。

気体供給ノズル４４は、パイプ保持機構３０にて保持された金属パイプ材料１４の内部に連通可能に構成されている部分であり、上記内部に膨張成形のための気体供給を実施する。気体供給ノズル４４は、互いに一体化した先端部４４Ａ及び基体部４４Ｂと、先端部４４Ａの先端が先細になるように設けられるテーパー面４５と、先端部４４Ａ及び基体部４４Ｂの内部に設けられるガス通路４６と、基体部４４Ｂに設けられるガス通路４６の出口に位置する開閉弁４７とを備える。先端部４４Ａにおいてテーパー面４５が設けられる部分は、電極１７，１８のテーパー凹面１７ｂ，１８ｂに丁度嵌合当接することができる形状に構成されている（図２（ｂ）を参照）。テーパー面４５は、絶縁材によって構成されてもよい。基体部４４Ｂには、シリンダロッド４３が取り付けられている。なお、先端部４４Ａ及び基体部４４Ｂの少なくともいずれかには、ガス通路４６内のガスを排出するための出口が設けられてもよい。

ガス通路４６は、シリンダユニット４２側から先端部４４Ａに向かって延在しており、開閉弁４７を介して気体供給ユニット６０の第２チューブ６７（図１を参照）に接続される。このため、ガス通路４６には、気体供給ユニット６０から供給されたガスが供給される。開閉弁４７は、気体供給ノズル４４の外側（より具体的には、基体部４４Ｂの外側）に直接取り付けられており、気体供給ユニット６０からガス通路４６への気体供給を制御する。また、開閉弁４７は、第２チューブ６７におけるガス通路４６側の先端に接続される。このため、開閉弁４７が閉塞しているとき、第２チューブ６７の全体にガスを貯留できる。すなわち、開閉弁４７を閉塞すると共に圧力制御弁６８を制御することによって、ガス源６１から第２チューブ６７にガスを供給してその内部圧力を予め昇圧できる。したがって、開閉弁４７が開放された後、ガス通路４６内の圧力を瞬時に昇圧できる。よって、ガス通路４６に連通する金属パイプ材料１４の内部の圧力も、瞬時に昇圧できる。なお、開閉弁４７の開閉は、図１に示される（Ｂ）を介して制御部７０によって制御される。

＜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図５を用いながら説明する。図５は、金属パイプの成形方法を示すフローチャートである。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、下側電極１７，１８上に載置（投入）する。下側電極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。

次に、制御部７０による駆動機構８０及びパイプ保持機構３０の制御によって、パイプ保持機構３０に金属パイプ材料１４を保持させる（ステップＳ１）。ステップＳ１では、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実施される。

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との境界よりも気体供給ノズル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との境界よりも気体供給ノズル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。

次に、制御部７０による加熱機構５０の制御によって、金属パイプ材料１４を通電加熱する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、制御部７０が電力供給部として機能する加熱機構５０を制御することによって、金属パイプ材料１４に電力を供給する。すると、電力供給ライン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に供給される。そして、金属パイプ材料１４自身の電気抵抗により、金属パイプ材料１４自体がジュール熱によって発熱する。ステップＳ２では、熱電対２１の測定値が常に監視され、この結果に基づいて通電が制御されてもよい。なお、金属パイプ材料１４を通電加熱する前等に、上型１２を下型１１側に近づけてもよい。

次に、気体供給部４０のシリンダユニット４２を作動させることによって、気体供給ノズル４４を前進させ、金属パイプ材料１４の両端に気体供給ノズル４４を挿入する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、各気体供給ノズル４４の先端部４４Ａを金属パイプ材料１４の両端に挿入してシールする。これにより、金属パイプ材料１４の内部と、ガス通路４６とが、気密性よく連通する。ステップＳ３では、図２（ｂ）に示されるように、金属パイプ材料１４において電極１７，１８から気体供給ノズル４４に向かって突出している端部に対して、気体供給ノズル４４が押し付けられる。これにより、上記端部が、テーパー凹面１７ｂ，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における上記端部と反対側の端部もまた、漏斗状に変形する。

次に、制御部７０による気体供給ユニット６０、駆動機構８０、及び開閉弁４７の制御によって、加熱後の金属パイプ材料１４を成形金型１３によって膨張成形する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、成形金型１３を閉じると共に、ガスを金属パイプ材料１４内へ吹き込む。これにより、加熱により軟化した金属パイプ材料１４が膨張して成形金型１３と接触する。そして、金属パイプ材料１４は、成形金型１３のキャビティ部の形状に沿うように成形される（具体的な金属パイプ材料１４の成形方法については後述する）。

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。）されることによって、金属パイプ材料１４の焼き入れが実施される。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を接触させて冷却し、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。

次に、図６、図７（ａ），（ｂ）及び図８（ａ），（ｂ）を参照して、上記ステップＳ４において成形金型１３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６は、本実施形態に係る金属パイプの成形工程のタイミングチャートである。図６において、縦軸は金属パイプ材料内もしくは金属パイプ内の圧力を示し、横軸は時間を示す。

図６に示される期間Ｔ１にて、パイプ保持機構３０にて保持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。続いて、駆動機構８０によって上型１２を下型１１側に移動させることによって、成形金型１３と金属パイプ材料１４との位置関係を調整する（図７（ａ）を参照）。このとき、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。続いて、金属パイプ材料１４を通電加熱することによって、金属パイプ材料１４を軟化させる。そして、気体供給ノズル４４を金属パイプ材料１４の端部に挿入する。

また、期間Ｔ１の終了間際にて、駆動機構８０によって上型１２を下型１１側にさらに移動させる。これにより、図７（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。このとき、金属パイプ材料１４の一部は、上型１２と下型１１とに接触して圧縮する。これにより、下型１１の第１突起１１ｂと上型１２の第１突起１２ｂとの間、及び、下型１１の第２突起１１ｃと上型１２の第２突起１２ｃとの間に、金属パイプ材料１４の一部１４ｂ，１４ｃが張り出す。金属パイプ材料１４の一部１４ｂ，１４ｃは、後にフランジ部になる部分である。なお、期間Ｔ１の終了間際とは、例えば期間Ｔ２の開始時の１秒前から数秒前である。

期間Ｔ１においては、開閉弁４７は閉塞されており、圧力制御弁６８は一部開放される。このため、ガス源６１及びアキュムレータ６２から低圧ガスが第２チューブ６７に供給される。よって期間Ｔ１においては、第２チューブ６７内に低圧ガスが貯留されることによって、第２チューブ６７内の圧力は第１到達圧力まで昇圧される。

次に、図６に示される期間Ｔ２にて、開閉弁４７を開放する。これにより、第２チューブ６７内に予め貯留された低圧ガスを、ガス通路４６を介して金属パイプ材料１４内に供給する。このような低圧ガスの供給により、金属パイプ材料１４の本体部１４ａは、キャビティ１６，２４によって囲まれた空間にて迅速に膨張する。また、金属パイプ材料１４の一部１４ｂ，１４ｃも膨張する（図８（ａ）を参照）。

次に、図６に示される期間Ｔ３にて、開閉弁４７を閉塞する。これにより、ガス通路４６内への低圧ガスの供給を停止する。また、期間Ｔ３では、圧力制御弁６８をさらに開放する。これにより、ガス源６１及びアキュムレータ６２から高圧ガスが第２チューブ６７に供給される。よって期間Ｔ３においては、第２チューブ６７内には高圧ガスが貯留されることによって、第２チューブ６７内の圧力は、第１到達圧力よりも高い第２到達圧力まで昇圧される。

また、期間Ｔ３の終了間際にて、駆動機構８０によって上型１２を下型１１側にさらに移動させる。これにより、下型１１の第１突起１１ｂと上型１２の第１突起１２ｂとの間に位置する金属パイプ材料１４の一部１４ａ、及び、下型１１の第２突起１１ｃと上型１２の第２突起１２ｃとの間に位置する金属パイプ材料１４の一部１４ａが押圧される。そして、金属パイプ１００のフランジ部１００ｂ，１００ｃ（図８（ｂ）を参照）が成形される。フランジ部１００ｂ，１００ｃは、金属パイプ材料１４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た部分である。なお、期間Ｔ３の終了間際とは、例えば期間Ｔ４の開始時の１秒前から数秒前である。

次に、図６に示される期間Ｔ４にて、開閉弁４７を開放する。これにより、第２チューブ６７内に予め貯留された高圧ガスを、ガス通路４６を介して金属パイプ材料１４内に供給する。このような高圧ガスの供給により、金属パイプ材料１４の本体部１４ａは、キャビティ１６，２４によって囲まれた空間にて瞬時に膨張する。このため、金属パイプ材料１４が十分に膨張してメインキャビティ部ＭＣの隅々まで行きわたる。そして、図８（ｂ）に示されるように、金属パイプ１００のパイプ部１００ａが成形される。パイプ部１００ａは、上型１２及び下型１１によって画成されるメインキャビティ部ＭＣの形状に沿ったものになる。

次に、図６に示される期間Ｔ５にて、開閉弁４７を閉塞する。これにより、ガス通路４６内への高圧ガスの供給を停止する。開閉弁４７を閉塞後、下型１１及び上型１２等の状態を保持することによって、パイプ部１００ａ及びフランジ部１００ｂ，１００ｃに対して焼き入れを実施する。このとき、パイプ部１００ａ及びその内部のガスが冷却されるので、パイプ部１００ａの内部圧力が減少する。そして図６に示される期間Ｔ６にて、パイプ部１００ａ内と、ガス通路４６内とのガスを排気する。

以上に説明した期間Ｔ１～Ｔ６を経ることによって、パイプ部１００ａ及びフランジ部１００ｂ，１００ｃを有する金属パイプ１００を仕上げることができる。これら金属パイプ材料１４のブロー成形から金属パイプ１００の成形完了までに至るまでの時間は、金属パイプ材料１４の種類にもよるが、概ね数秒から数十秒程度である。なお、図８（ｂ）に示す例では、キャビティ１６，２４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、パイプ部１００ａは矩形筒状に成形される。ただし、キャビティ１６，２４の形状を変更することによって、断面円形、断面楕円形、断面多角形等あらゆる形状を呈するパイプ部を成形してもよい。

＜作用効果＞
次に、本実施形態に係る成形装置１０の作用効果について、下記に示す比較例を用いながら説明する。比較例に係る成形装置は、気体供給部が開閉弁を備えないことを除いて、本実施形態と同様の構成を備える。このため比較例においては、気体供給部を介した金属パイプ材料１４の内部への気体供給は、制御部７０と、気体供給ユニット６０の圧力制御弁６８とによって制御される。

図９は、比較例に係る金属パイプの成形工程のタイミングチャートである。図９において、縦軸は金属パイプ材料内の圧力を示し、横軸は時間を示し、期間Ｔ１１～Ｔ１６は、図６における期間Ｔ１～Ｔ６にそれぞれ対応する。図９に示されるように、比較例の期間Ｔ１１は本実施形態の期間Ｔ１と同一である一方で、比較例の期間Ｔ１２は本実施形態の期間Ｔ２よりも長くなっている。同様に、比較例の期間Ｔ１４は、本実施形態の期間Ｔ４よりも長くなっている。これは、比較例においては気体供給部に開閉弁が設けられていないので、第２チューブ６７内に予め低圧／高圧ガスを供給することができないからである。

これに対して本実施形態に係る成形装置１０によれば、気体供給部４０の開閉弁４７を閉塞した状態にて、ガス源６１及びアキュムレータ６２から第２チューブ６７にガスを供給することによって、例えば第２チューブ６７内を予め低圧ガスに対応する第１到達圧力まで昇圧した状態に設定できる。この状態にて開閉弁４７を開放することによって、気体供給部４０のガス通路４６と、気体供給ノズル４４に連通する金属パイプ材料１４の内部とを、第１到達圧力まで迅速に昇圧することができる。また本実施形態では、開閉弁４７を一端閉塞させることによって、第２チューブ６７内を予め高圧ガスに対応する第２到達圧力まで昇圧した状態に設定できる。この状態にて開閉弁４７を再度開放することによって、ガス通路４６と、気体供給ノズル４４に連通する金属パイプ材料１４の内部とを、第２到達圧力まで迅速に昇圧することができる。このため、本実施形態における金属パイプ材料１４の内部が第１到達圧力及び第２到達圧力まで昇圧されるまでの時間は、比較例よりも顕著に短縮されている。したがって本実施形態によれば、金属パイプ１００の成形時間を短縮することができるので、金属パイプ１００の生産性向上が可能になる。

また従来では、上記特許文献１に記載されるような成形装置にて金型の形状に良好に沿った金属パイプを成形するためには、金属パイプ材料の内部に高圧ガスをある程度の期間連続供給することが肝要であると考えられていた。このため従来では、比較例の期間Ｔ１５に示されるように、金属パイプ材料１４の内部圧力は、第２到達圧力に維持されている。すなわち、比較例の期間Ｔ１５では、高圧ガスが金属パイプ材料１４の内部に連続供給されている。しかしながら、さらに検討を進めることによって、成形された金属パイプの形状は、金属パイプ材料の内部圧力が第２到達圧力まで昇圧するために要する時間に依存することが見出された。この理由について、以下にて説明する。

上記成形装置では、成形金型内にて金属パイプ材料を膨張成形するとき、金属パイプ材料にて成形金型に密着した部分は焼き入れされる。金属パイプ材料の内部における圧力上昇が緩やかである場合、金属パイプ材料の膨張もまた緩やかになる傾向にある。金属パイプ材料の膨張が緩やかであるほど、金属パイプ材料と成形金型とが接触するタイミングは、金属パイプ材料の部位毎に異なる傾向にある。これにより、金属パイプ材料が成形金型の形状に沿って完全に膨張する前に冷却されてしまうことによって、パイプ部において成形金型に接触しない箇所が設けられることがある。この場合、金型の形状に良好に沿った金属パイプを得ることができなくなるので、均一な形状を呈する金属パイプを量産することが困難になってしまう。

一方、本実施形態に係る成形装置１０によれば、金属パイプ材料１４の内部が第２到達圧力に昇圧されるまで要する期間Ｔ４は、比較例の期間Ｔ１４よりも明らかに短縮されている。このため、上述したように金属パイプ材料１４を瞬時に膨張することができるので、金属パイプ材料１４の本体部１４ａの全体を、期間Ｔ４において同時もしくはほぼ同時に成形金型１３に接触させることができる。したがって、本実施形態に係る成形装置１０を用いることによって、金型の形状に良好に沿った金属パイプ１００を生産性よく量産できる。

本実施形態では、開閉弁４７は、気体供給ノズル４４の外側に直接取り付けられている。このため、開閉弁４７を開放することによって、第２チューブ６７から気体供給ノズル４４のガス通路４６に瞬時にガスを供給できるので、金属パイプ１００の成形時間をより短縮できる。

また、本実施形態の期間Ｔ５では、開閉弁４７を閉塞することによって、ガス通路４６へのガス供給を停止する。これにより、上記比較例と比較して、金属パイプ１００を成形する際に必要なガスの量を低減できる。加えて、本実施形態の期間Ｔ６においては、金属パイプ１００内のガス及びガス通路４６内のガスを排気すればよいが、上記比較例の期間Ｔ１６においては、金属パイプ内のガス及びガス通路内のガスに加えて、第２チューブ６７内のガスを排気する必要がある。このため本実施形態においては、金属パイプ１００の成形後に排気させなければならない空気量を低減できるので、金属パイプ材料１４の成形にて用いる高圧ガスの量を低減できる。さらには、本実施形態によれば期間Ｔ６を上記比較例の期間Ｔ１６よりも短縮できるので、金属パイプ１００のさらなる生産性向上が可能である。

＜変形例＞
以下では、上記実施形態の変形例に係る成形装置について説明する。当該変形例の説明において上記実施形態と重複する記載は省略し、上記実施形態と異なる部分を記載する。

図１０は、実施形態の変形例に係る成形装置の概略構成図であり、図１１は、実施形態の変形例に係る成形金型の概略断面図である。図１０，１１に示されるように、変形例に係る成形装置１０Ａは、キャビティ吸気装置（吸気部）２００を備える点と、キャビティ吸気装置２００に接続される吸気孔２１１～２１４が成形金型１３Ａに設けられる点で、上記実施形態の成形装置１０と相違している。

キャビティ吸気装置２００は、下型１１Ａのキャビティ１６内と、上型１２Ａのキャビティ２４内との気体を吸引する装置であり、例えば真空ポンプ等である。キャビティ吸気装置２００は、吸気孔２１１～２１４のそれぞれに接続されており、吸気孔２１１～２１４を介して上型１２Ａのキャビティ２４内と、下型１１Ａのキャビティ１６内との気体を吸気する。例えば上記実施形態における期間Ｔ１～Ｔ４（図６を参照）の少なくともいずれかにおいて、キャビティ吸気装置２００は、下型１１Ａと金属パイプ材料１４とによって画成されるキャビティ１６内の空間、及び、上型１２Ａと金属パイプ材料１４とによって画成されるキャビティ２４内の空間を吸気する。キャビティ吸気装置２００と、吸気孔２１１～２１４とは、例えばチューブ等によって連結されている。

吸気孔２１１，２１２は、下型１１Ａに設けられており、且つ、キャビティ１６に連通している。吸気孔２１１，２１２のそれぞれは、キャビティ１６において、金属パイプ材料１４から最も遠い箇所もしくはその近傍に連通している。本変形例では、吸気孔２１１は、下型１１Ａ内部であって第１突起１１ｂに重なる箇所に設けられており、キャビティ１６における第１突起１１ｂ側の入隅部に連通している。吸気孔２１２は、下型１１Ａ内部であって第２突起１１ｃに重なる箇所に設けられており、キャビティ１６における第２突起１１ｃ側の入隅部に連通している。吸気孔２１１，２１２は、例えば金属パイプ材料１４の延在方向に沿って延在している。

吸気孔２１３，２１４は、上型１２Ａに設けられており、且つ、キャビティ２４に連通している。吸気孔２１３，２１４のそれぞれは、キャビティ２４において、金属パイプ材料１４から最も遠い箇所もしくはその近傍に連通している。本変形例では、吸気孔２１３は、上型１２Ａ内部であって第１突起１２ｂに重なる箇所に設けられており、キャビティ２４における第１突起１２ｂ側の入隅部に連通している。吸気孔２１４は、上型１２Ａ内部であって第２突起１２ｃに重なる箇所に設けられており、キャビティ２４における第２突起１２ｃ側の入隅部に連通している。吸気孔２１３，２１４は、吸気孔２１１，２１２と同様に、例えば金属パイプ材料１４の延在方向に沿って延在している。

以上に説明した上記実施形態の変形例では、下型１１Ａと金属パイプ材料１４とによって画成されるキャビティ１６内の空間内、及び、上型１２Ａと金属パイプ材料１４とによって画成されるキャビティ２４内の空間内の気体を、キャビティ吸気装置２００によって予め吸気しておくことができる。これにより、金属パイプ材料１４の内部を第２到達圧力まで昇圧する際に、金属パイプ材料が上記空間内に膨張しやすくなる。したがって、キャビティ１６，２４の形状に沿った金属パイプ１００を良好に成形できる。

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及び上記変形例に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態における成形装置は加熱機構を必ずしも有していなくてもよく、金属パイプ材料はすでに加熱されていてもよい。

上記実施形態及び上記変形例では、駆動機構は、上型のみを移動させているが、上型に加えて、または上型に代えて下型が移動するものであってもよい。下型が移動する場合、当該下型は基台に固定されず、駆動機構に取り付けられる。

上記実施形態及び上記変形例では、ガス源は、高圧ガスを供給するための高圧ガス源と、低圧ガスを供給するための低圧ガス源との両方を有してもよい。また、開閉弁は気体供給ノズルの外側に直接設けられなくてもよい。

上記変形例では、合計４つの吸気孔が設けられているが、これに限られない。吸気孔の数は１つでもよい。また、吸気孔は、上型及び下型のいずれか一方のみに設けられてもよい。

１０，１０Ａ…成形装置、１１，１１Ａ…下型（金型）、１２，１２Ａ…上型（金型）、１３，１３Ａ…成形金型（成形部）、１４…金属パイプ材料、３０…パイプ保持機構、４０…気体供給部、４２…シリンダユニット、４４…気体供給ノズル（ノズル）、４６…ガス通路、４７…開閉弁、５０…加熱機構、６０…気体供給ユニット、６１…ガス源、６２…アキュムレータ、６３…第１チューブ、６７…第２チューブ（配管）、６８…圧力制御弁、７０…制御部、８０…駆動機構、１００…金属パイプ、１００ａ…パイプ部、１００ｂ，１００ｃ…フランジ部、２００…キャビティ吸気装置（吸気部）、２１１～２１４…吸気孔。

Claims (3)

1. 金属パイプ材料を金属パイプに成形する成形部と、
   前記成形部に収容される前記金属パイプ材料の内部に気体を供給するノズルと、
   前記ノズルへの前記気体の供給及び停止を制御する開閉弁と、
   前記気体を貯留するための気体貯留部と、
   前記気体貯留部及び前記ノズルを接続する配管と、
   前記ノズル及び前記開閉弁を有する気体供給部と、を備え、
   前記開閉弁を閉弁させた状態で前記気体貯留部から前記配管に予め前記気体を供給し、
   前記開閉弁は、前記配管に設けられる圧力制御弁よりも前記ノズル側に位置する、
   成形装置。
2. 前記開閉弁は、前記ノズルの外側に直接取り付けられる、請求項１に記載の成形装置。
3. 前記成形部は、前記金属パイプの型となり、前記金属パイプ材料が収容されるキャビティが設けられる金型を有し、
   前記金型には、前記キャビティに連通する吸気孔が設けられ、
   前記吸気孔を介して前記キャビティ内の気体を吸引する吸気部をさらに備える、請求項１または２に記載の成形装置。

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