JP2009106965A - 矩形断面管の曲げ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】矩形断面管を所望の曲げ形状に曲げ加工する曲げ加工装置を提供する。
【解決手段】矩形断面管（パイプ）の曲げ形状に対応した外周形状を有し回転可能に配設された曲げ型と、曲げ型の外周にパイプの先端を固定可能に配設されたクランプと、曲げ型と協働しパイプを挟持し、加工前の管軸方向に移動可能に配設された押し型と、押し型をパイプのウェブ幅部に押し付け可能に配設された押し型加圧手段と、パイプの後端側に配設され張力を負荷する後方張力負荷手段とを有する構成とする。とくに、曲げ型が、固定部と可動部に分割可能に構成され、かつ該可動部が矩形断面管のウェブ高さ部に押し付け可能な可動部加圧手段を備えることを特徴とする。なお、後方張力負荷手段が、管周方向に複数に分割された割り型で、エキスパンダに沿って管軸方向にすべり可能で、かつ分離を防止可能に構成され、さらに一端にフランジを有する構造を有し、外筒リングが、分割可能な内側部材と外側部材とからなる構造を有することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、矩形断面管の曲げ加工装置に係り、とくに後方張力付加機構を有する回転可能な曲げ型を用いた曲げ加工装置に関する。

矩形断面管を曲げ加工するための装置としては、例えば、特許文献１に、矩形断面管を２点で支持し、矩形断面管の幅方向の変形を治具で抑制しながら、その支点間の反対側の１点で該矩形断面管を押し金具で押圧して、矩形断面管の幅方向の変形を治具で抑制しながら、直角に折り曲げることができる装置が記載されている。特許文献１に記載された装置は、いわゆる３点支持のプレス曲げ装置である。特許文献１に記載された技術によれば、角パイプを直角まで曲げることができるとしている。

また、効率的な管の曲げ加工方法として、回転引き曲げ加工方法が知られている。回転引き曲げ加工方法では、回転可能な曲げ型と、曲げ加工前の管軸方向に直進可能な押し型とで、管を挟持し、管の先端を曲げ型にクランプで固定して、曲げ型を回転させることで、管を曲げ型の外周に沿って曲げ加工することができる。このような回転引き曲げ加工方法は、円形断面管の曲げ加工に広く適用されている。しかし、矩形断面管への適用はまだ少ない。

この回転引き曲げ加工方法を利用して、軸芯部に空間が設けられている長尺の材料を曲げ加工する装置が、例えば、特許文献２に記載されている。特許文献２に記載された曲げ加工装置は、外周面が曲面状の成型ドラムと、材料の先部を保持して成型ドラムの外周面に沿うように引っ張る引張保持部材と、材料に対し引張方向と逆方向への抵抗力を与える抵抗力付与手段とが設けられた装置である。そして、抵抗力付与手段は、加圧シューと、この加圧シューを材料に対し加圧する加圧装置からなり、加圧シューで材料表面に加圧力を与え、動摩擦抵抗力を作用させる。この抵抗力付与手段により、材料に引張抵抗力が付与され、材料が曲げられる際に発生する曲げ応力を緩和して扁平変形や皺変形を抑制でき、さらには座屈変形力を緩和できるとしている。
特開平11−77172号公報 特開平11−267765号公報

しかしながら、円管の回転引き曲げ加工の技術をそのまま矩形断面管の曲げ加工に適用すると、曲げ加工部の断面形状が図７に示すようにゆがみ、台形化しやすい。また、曲げ部外側に局部減肉や割れが発生しやすく、さらには、曲げ部内側にしわが生じやすい等の問題があった。また、特許文献２に記載された技術によれば、矩形断面管を曲げ加工する際に曲げ部断面形状の修正に多少の効果があるが、しかし依然として、曲げ加工部外側の減肉を防止できず、また、曲げ半径の小さい曲げ加工では割れが発生しやすいという問題があった。

本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、曲げ加工部外側の減肉や、曲げ加工部断面形状のゆがみを抑制し、高い寸法精度で矩形断面管を曲げ加工できる、矩形断面管の曲げ加工装置を提供することを目的とする。
なお、本発明では、図６に示すように、矩形断面管10を曲げ加工したときに曲げ加工部内側と曲げ加工部外側とになる部分をウェブ幅部16といい、相対する２つのウェブ幅部を連結する部分をウェブ高さ部15という。また、正規形状の矩形断面管の断面寸法パラメータとして、ウェブ幅部の幅をＷ、２つのウェブ幅部の外面間距離であるウェブ高さ部の高さをＨ、肉厚をｔで表記する。

本発明者らは、上記した目的を達成するため、矩形断面管の回転引き曲げ加工に着目し、曲げ加工後の寸法精度を向上させるために、矩形断面管の曲げ加工装置における寸法精度向上対策について鋭意研究した。その結果、曲げ加工装置を、矩形断面管をウェブ高さ方向および／またはウェブ幅方向に圧下しながら、さらには矩形断面管に後方張力を付与しながら、回転引き曲げ加工を行うことができる装置とすることがよいことを見出した。

本発明は、かかる知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）矩形断面管を所望の曲げ形状に曲げ加工する曲げ加工装置であって、前記曲げ形状に対応した外周形状を有し回転可能に配設された曲げ型と、該曲げ型の外周に前記矩形断面管の先端を固定可能に配設されたクランプと、前記曲げ型と協働し前記矩形断面管を挟持し、加工前の該矩形断面管の管軸方向に移動可能に配設された押し型と、該押し型を前記矩形断面管のウェブ幅部に押し付け可能に配設された押し型加圧手段と、前記矩形断面管の後端側に配設され該矩形断面管に張力を負荷する後方張力負荷手段とを有し、前記曲げ型が、固定部と可動部に分割可能に構成され、かつ該可動部が前記矩形断面管のウェブ高さ部に押し付け可能な可動部加圧手段を備えたことを特徴とする矩形断面管の曲げ加工装置。
（２）（１）において、前記後方張力負荷手段が、前記矩形断面管の後端部の管半径方向に拡縮して該矩形断面管の後端部の管内周面を押圧可能なテーパーコレットと、該テーパーコレットを抱持して前記矩形断面管の後端部の管外周面に接触可能な外筒リングと、該外筒リングと前記テーパーコレットを貫通し前記管軸方向に移動して前記テーパーコレットを前記管半径方向に拡縮させるエキスパンダと、該エキスパンダに連結した棒を前記管軸方向に移動させる管端クランプ用シリンダと、前記棒を貫通させ前記管端クランプ用シリンダおよび前記外筒リングに連結してこれらを前記管軸方向に移動させる管軸張力負荷中空シリンダと、を備えることを特徴とする曲げ加工装置。
（３）（２）において、前記テーパーコレットが、管周方向に複数に分割された割り型であり、該分割された割り型の各々が前記エキスパンダに沿って管軸方向にすべり可能で、かつ前記エキスパンダからの分離を防止可能に構成され、さらに後方張力負荷方向側の一端にフランジを有する構造を有し、前記外筒リングが、分割可能な内側部材と外側部材とからなり、該内側部材と該外側部材とにより前記テーパーコレットのフランジを抑え前記テーパーコレットの管軸方向の移動を抑制する構造を有することを特徴とする曲げ加工装置。

本発明の曲げ加工装置によれば、矩形断面管の曲げ加工に際し、曲げ外側の減肉、曲げ内側のしわ、曲げ加工部断面形状のゆがみ等が抑制され、さらには曲げ半径が小さい場合でも割れの発生はなく、矩形断面管を高寸法精度で、しかも生産性高く曲げ加工することができ、産業上格段の効果を奏する。

本発明の曲げ加工装置は、矩形断面管を所望の曲げ形状に曲げ加工する曲げ加工装置で、その一例を図１に示す。
曲げ型１は、矩形断面管の所望の曲げ形状に対応した外周形状を有し、軸５を回転中心軸として矢示方向12に回転可能に配設され、矩形断面管を回転引き曲げ加工により所望の曲げ形状に加工可能とする。なお、軸５は、モータ等の軸駆動手段（図示せず）により回転される。また、曲げ型１は、図１（Ａ−Ａ矢視）に示すように、軸５に対して不動とされた固定部1Aと、軸５の軸方向に可動とされた可動部1Bとで分割可能に構成される。可動部1Bには可動部加圧手段６を備え、可動部1Bを矩形断面管のウェブ高さ部に押付け可能とする。この押付けは、可動部加圧手段６を駆動、拡縮6Aさせることにより行う。これにより、曲げ型１の固定部1Aと可動部1Bの間で矩形断面管１のウェブ幅部の幅Ｗを縮小する方向（矢示方向７）の圧下を加えることができる。なお、可動部加圧手段６としては、例えば中空型油圧シリンダが例示できる。

クランプ２は、矩形断面管10の先端を曲げ型１の外周に固定する手段である。また、押し型３は、曲げ型１と協働で矩形断面管10を挟持し、曲げ型１の矢示方向12への回転に伴い、矢示方向11（加工前の該矩形断面管の管軸方向）に摺動移動可能に配設される。押し型３には押し型加圧手段４が配設され、押し型加圧手段４により押し型３を矩形断面管10のウェブ幅部に押付ける。これにより、曲げ型１の固定部1Aと可動部1Bの間で矩形断面管１のウェブ高さ部の高さ寸法Ｈを縮小する方向（矢示方向８）の圧下を加えることができる。なお、押し型加圧手段４としては、油圧シリンダ等のアクチュエータが例示される。

また、後方張力負荷手段13は、矩形断面管の他端を掴んで、該矩形断面管の管軸方向に引張荷重が負荷可能な手段であればよく、とくにその構造は限定されない。なお、矩形断面管の他端には、後方張力負荷手段13の掴み具による係止が可能なように、予加工（穴あけ、つぶし、ねじ加工等）を施す必要があるが、かかる予加工を施す必要がない、図２に示すような後方張力負荷手段13とすることが好ましい。

図２に示す後方張力負荷手段13は、テーパーコレット131と、外筒リング133と、エキスパンダ132と、棒135と、管端クランプ用シリンダ136と、管軸張力負荷中空シリンダ137と、を備える。
テーパーコレット131は、矩形断面管10の後端部で、管半径方向に拡縮して矩形断面管10の管内周面を押圧可能に形成されている。外筒リング133は、テーパーコレット131を抱持して矩形断面管10の後端部の管外周面に接触可能に形成されている。エキスパンダ132は、テーパーコレット131および外筒リング133を貫通し管軸方向に移動して、テーパーコレット131を管半径方向に拡縮させる部材である。エキスパンダ132のテーパーコレット131に内接する部分は、テーパーコレット131を管半径方向に拡縮させることができるように、径をテーパー状に変化させている。エキスパンダ132は、棒135に連結される。なお、エキスパンダ132は、径の異なるものを容易に交換可能なように、棒135の先端にねじ込み方式等で着脱可能に連結されることが好ましい。

なお、テーパーコレット131は、矩形断面管に対応して、管周方向に、例えば、４分割された割り型131a,131b,131c,131dとしてもよい。この場合、分割された割り型の各々は、エキスパンダ132に沿って管軸方向にすべり可能で、かつ前記エキスパンダ132からの分離を防止可能な構造とすることが好ましい。このような構造としては、アリ溝構造が例示できる。この場合、分割された割り型131a,131b,131c,131dには、突状部または溝が、エキスパンダ132の、分割された割り型がそれぞれ接する面には、割り型131a,131b,131c,131dの突状部または溝と組合せ可能な、溝または突状部を形成することが好ましい。なお、分割された割り型の各々は、矩形断面管10の管内周面を押圧可能で、しかも、分割された割り型の各々のエキスパンダに接する面が、エキスパンダに沿って管軸方向にすべり可能なように、エキスパンダのテーパーと同じテーパーに形成されることは言うまでもない。また、分割された割り型131a,131b,131c,131dには、さらに後方張力負荷方向側の一端にフランジ131aa,131ba,131ca,131daを有する構造とすることが好ましい。分割されたテーパーコレット131の一例を、アリ溝構造を有する場合について、エキスパンダ132と組み合わせた状態で図３に示す。

また、テーパーコレット131を、例えば、４分割された割り型131a,131b,131c,131dとした場合には、外筒リング133は、内側部材133aと外側部材133bとからなる分割可能な構成とすることが好ましい。内側部材133aと外側部材133bとで、テーパーコレット131のフランジ131aa、131ba,131ca,131da を抑え、テーパーコレット131の管軸方向の移動を抑制する。なお、内側部材133aと外側部材133bとによるフランジの抑えは、分割された割り型131a,131b,131c,131dの管半径方向の移動を拘束しない程度に調整するものとする。なお、内側部材133aと外側部材133bとは、張力負荷時に分離しないように拘束板（図示せず）等により一体化しておくことは言うまでもない。

テーパーコレット131を、上記したように４分割された割り型131a,131b,131c,131dとし、それに対応して外筒リング133を、内側部材133aと外側部材133bとからなる分割した構成とした場合の、テーパーコレット131と、エキスパンダ132と、外筒リング133とによる矩形断面管10の後端部における把持状態を図４に示す。
管端クランプ用シリンダ136は、そのピストン136Aが棒135の後端と連結して、ピストン136Aの往復運動を棒135の先端に連結されたエキスパンダ132に伝達し、エキスパンダ132を管軸方向に移動（前進または後退）させる。なお、ピストン136Aは、ポンプ139および方向制御弁138で駆動されることは言うまでもない。

管軸張力負荷中空シリンダ137は、その中空のピストン137Aの中空部に棒135を貫通させ、ピストン137Aの前端がガイド筒134を介して外筒リング133と連結し、ピストン137Aの後端がガイド筒134Aを介して管端クランプ用シリンダ136と連結して、ピストン137Aの往復運動を外筒リング133および管端クランプ用シリンダ136に伝達し、外筒リング、管端クランプ用シリンダさらにはエキスパンダを、同時一斉に管軸方向に移動（前進または後退）させる。

上記した構成の後方張力負荷手段とすることにより、矩形断面管の後端部を予加工することなく、矩形断面管の後端部でテーパーコレット131と外筒リングとで管壁を強く挟圧し、矩形断面管の後端部における強固把持状態を後方張力負荷時でも維持でき、後方張力負荷時の矩形断面管の係止が十分となり、所望の後方張力負荷を行うことができる。
つぎに、図１に示す本発明の曲げ加工装置を用いた曲げ加工方法について説明する。

曲げ型１と押し型３の間の所定の位置に矩形断面管10を配置し、曲げ型１と押し型３で矩形断面管10を挟持し、クランプ２で矩形断面管10の先端を曲げ型１の外周の所定位置に固定する。そして、押し型３を矩形断面管10のウェブ幅部に押付けるために、押し型加圧手段４の圧下動作を設定する。また、可動部1Bを矩形断面管のウェブ高さ部に押付けるために、可動部加圧手段６の駆動動作を設定する。また、同時に矩形断面管10に後方張力を負荷するために、後方張力負荷手段の駆動動作を設定する。そして、軸５を軸駆動手段（図示せず）により回転させ、矩形断面管10のウェブ幅部、ウェブ高さ部を押付けながら、さらに後方張力を負荷しながら、回転引き曲げ加工を行う。

また、図２に示す後方張力負荷手段の使用手順を、図５を用いて説明する。
曲げ型１と押し型３の間の所定の位置に矩形断面管10を配置し、曲げ型１と押し型３で矩形断面管10を挟持し、クランプ２で矩形断面管10の先端を曲げ型１に固定したのち、管端クランプ用シリンダ136を押出しモードで動作させてエキスパンダ132を管軸方向に前進移動させ、テーパコレット131の縮径を促して、テーパコレット131と外筒リング133との間に矩形断面管10の後端部の管肉を収容可能な管肉収容隙を形成させる（図５（ａ））。

ついで、管軸張力負荷中空シリンダ137を押出しモードで動作させ外筒リング133、テーパコレット131、エキスパンダ132を同時一斉に管軸方向に前進移動させ、形成された管肉収容隙に矩形断面管10の管肉を収容する（図５（ｂ））。
ついで、管端クランプ用シリンダ136を引込みモードで動作させてエキスパンダ132を管軸方向に後退移動させ、テーパコレット131を拡径させて外筒リング133と協働して管肉収容隙内の管肉を挟圧する。これにより矩形断面管10の後端部を強固に把持する（図５（ｃ））。

ついで、曲げ型１を軸５の周りに回転させつつ、押し型加圧手段４で押し型３を矩形断面管10のウェブ幅部に押し付けると同時に、管端クランプ用シリンダ136および管軸張力負荷中空シリンダ137を引込みモードで動作させて、矩形断面管10の後端部の把持状態を維持しつつ、矩形断面管10に管軸張力を負荷させる（図５（ｄ））。
なお、加工完了後は、管端クランプ用シリンダ136を押出しモードで動作させて、エキスパンダ132を前進移動させ、テーパコレット131の縮径を促して矩形断面管10の後端部の管肉の挟圧を解除する。その後、管軸張力負荷中空シリンダ137を引込みモードで動作させて、外筒リング、テーパコレット、エキスパンダを同時一斉に管軸方向に後退移動させ、矩形断面管後端部から離間させる。

図２に示す後方張力負荷手段を用いることにより、矩形断面管の後端部へ、後方張力負荷手段13の掴み具による係止のための予加工（穴あけ、つぶし、ねじ加工等）を施す必要がなくなり、予加工を施すことなく張力負荷が可能となり、曲げ加工の生産性が顕著に向上する。
本発明の曲げ加工装置を用いて矩形断面の回転引き曲げ加工を行うことにより、図５に示すような曲げ加工部の断面形状の台形化等のゆがみや、また、曲げ加工部外側の割れ、さらには減肉を有効に抑制でき、高い寸法精度で矩形断面管の回転引き曲げ加工が可能となる。

矩形断面管の断面寸法や材質、さらには曲げ加工の程度によっては、従来の装置を用いて回転引き曲げ加工を行っても上記したような不具合は発生しない場合があるが、しかし、上記したような不具合を確実に抑制するためには、本発明の曲げ加工装置を用いて、ウェブ幅および／またはウェブ高さの縮小（圧下）を加え、さらに後方張力を負荷することが重要となる。なお、ウェブ幅圧下比、ウェブ高さ圧下比を、それぞれ1.0未満、より好ましくは0.98以下とすることが好ましい。一方、ウェブ幅圧下比、ウェブ高さ圧下比を、それぞれ0.85未満とすると、ウェブの座屈が発生する。このため、ウェブ幅圧下比、ウェブ高さ圧下比は0.85以上とすることが好ましい。なお、より好ましくは0.90以上である。ここで、ウェブ幅圧下比は、曲げ加工後のウェブ幅Ｗ_１と曲げ加工前のウェブ幅Ｗ_０との比、Ｗ_１／Ｗ_０で定義され、また、ウェブ高さ圧下比は、曲げ加工後のウェブ高さＨ_１と、曲げ加工前のウェブ高さＨ_０との比、Ｈ_１／Ｈ_０で定義される。また、管軸方向張力比は0.01〜0.1の範囲とすることが望ましい。なお、管軸方向張力比は、（管軸引張荷重）／｛（素管断面積）×（素管降伏強さ）｝で定義される。

サイズ：25mmＨ_０×50mmＷ_０×2.3mmｔの矩形断面管（鋼種：ＳＴＫＭ１３Ｂ）を、図１に示す本発明の曲げ加工装置を用いて、表１に示す条件で回転引き曲げ加工を行った。曲げ加工後、得られた曲げ加工管について、曲げ加工部外側における、減肉の発生の有無、割れの発生の有無を調査し、また曲げ内側のしわの発生の有無を調査し、さらに曲げ加工部の断面形状のゆがみを調査した。なお、曲げ半径比Ｒ／Ｈは、Ｈ＝Ｈ_０として算出した。
得られた結果を、表１に示す。

本発明の曲げ加工装置を使用して、回転引き曲げ加工を施すことにより、曲げ外側の減肉、割れ、曲げ内側のしわ、さらには曲げ加工部断面形状のゆがみ等が抑制され、高寸法精度の矩形断面管を製造することができている。

本発明の曲げ加工装置の一例の概略を模式的に示す説明図である。 本発明の曲げ加工装置の後方張力負荷手段の一例の概略を模式的に示す説明図である。 本発明の曲げ加工装置の後方張力負荷手段における、分割されたテーパーコレットの一例を模式的に示す説明図である。 テーパーコレットと、エキスパンダと、外筒リングとによる矩形断面管の後端部における把持状態を模式的に示す断面図である。 本発明の曲げ加工装置の後方張力負荷手段の使用手順の概略を模式的に示す説明図である。 矩形断面管の諸寸法の定義を模式的に示す説明図である。 矩形断面管の曲げ加工部に生じる断面形状の不具合状況を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１ 曲げ型
１Ａ 固定部
１Ｂ 可動部
２ クランプ
３ 押し型
４ 押し型加圧手段
５ 軸
６ 可動部加圧手段（中空油圧シリンダ）
６Ａ 拡縮
７、８ 矢示方向
１０ 矩形断面管
１１、１２ 矢示方向
１３ 後方張力負荷手段
１５ ウェブ高さ部
１６ ウェブ幅部
131 テーパーコレット
132 エキスパンダ
133 外筒リング
134、134A ガイド筒
135 棒
136 管端クランプ用シリンダ
136A ピストン
137 管軸張力負荷中空シリンダ
137A ピストン
138 方向制御弁
139 ポンプ

Claims (3)

1. 矩形断面管を所望の曲げ形状に曲げ加工する曲げ加工装置であって、前記曲げ形状に対応した外周形状を有し回転可能に配設された曲げ型と、該曲げ型の外周に前記矩形断面管の先端を固定可能に配設されたクランプと、前記曲げ型と協働し前記矩形断面管を挟持し、加工前の該矩形断面管の管軸方向に移動可能に配設された押し型と、該押し型を前記矩形断面管のウェブ幅部に押し付け可能に配設された押し型加圧手段と、前記矩形断面管の後端側に配設され該矩形断面管に張力を負荷する後方張力負荷手段とを有し、前記曲げ型が、固定部と可動部に分割可能に構成され、かつ該可動部が前記矩形断面管のウェブ高さ部に押し付け可能な可動部加圧手段を備えたことを特徴とする矩形断面管の曲げ加工装置。
2. 前記後方張力負荷手段が、前記矩形断面管の後端部の管半径方向に拡縮して該矩形断面管の後端部の管内周面を押圧可能なテーパーコレットと、該テーパーコレットを抱持して前記矩形断面管の後端部の管外周面に接触可能な外筒リングと、該外筒リングと前記テーパーコレットを貫通し前記管軸方向に移動して前記テーパーコレットを前記管半径方向に拡縮させるエキスパンダと、該エキスパンダに連結した棒を前記管軸方向に移動させる管端クランプ用シリンダと、前記棒を貫通させ前記管端クランプ用シリンダおよび前記外筒リングに連結してこれらを前記管軸方向に移動させる管軸張力負荷中空シリンダとを備えることを特徴とする請求項１に記載の曲げ加工装置。
3. 前記テーパーコレットが、管周方向に複数に分割された割り型であり、該分割された割り型の各々が前記エキスパンダに沿って管軸方向にすべり可能で、かつ前記エキスパンダからの分離を防止可能に構成され、さらに後方張力負荷方向側の一端にフランジを有する構造を有し、前記外筒リングが、分割可能な内側部材と外側部材とからなり、該内側部材と該外側部材とにより前記テーパーコレットのフランジを抑え前記テーパーコレットの管軸方向の移動を抑制する構造を有することを特徴とする請求項２に記載の曲げ加工装置。

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