JP2009220141A - パイプ製品の製造方法及び同製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱時間が短くて済み、高強度処理を講じることができるブロー成形技術を提供することを課題とする。
【解決手段】パイプ製品の製造装置１０は、下型１１及び上型１２からなるブロー成形金型１３と、下型１１と上型１２との間にパイプ１４を昇降可能に水平に支えるパイプ支持機構３０と、このパイプ支持機構３０で支えられているパイプ１４に通電して加熱する通電加熱機構５０と、加熱されたパイプに高圧ガスを吹込むガス吹込み機構６０と、パイプがＡ_Ｃ３変態点温度以上に加熱されたときにブロー成形金型１３を閉じるとともに加熱されたパイプに高圧ガスを吹込ませる一連の制御を行う制御部７０とからなる。
【効果】パイプは通電過熱により焼入れ温度に加熱する。次のブローで膨らんだパイプが金型に接触する。パイプは焼入れ温度であって高温であり、金型は常温であるため、パイプが金型で急冷され、焼入れが行われ、高強度材を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パイプのブロー成形技術に関する。

従来の車両のピラーは、金属平板（ブランク材）をプレス成形することで溝型ビームを製造し、２つの溝型ビームを合わせ、フランジ同士を溶接することで製造される、角筒部品である。フランジが張り出すことや、溶接工数が嵩むという欠点をもっている。対策の一つにパイプの利用が提案されてきた（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−１５０７５２号公報（図８、図１１）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図８は従来のパイプブロー成形装置の基本原理図であり、断熱材１０１で内張され、ヒータ１０２、１０２を備えている加熱炉１０３に、金型１０４が収納されている。さらに、金型１０４にはパイプ１０５が収納され、このパイプ１０５にガス吹込み管１０６が接続されている。

ヒータ１０２、１０２に通電して金型１０４を温め、この金型１０４を介してパイプ１０５を温める。パイプ１０５が所定の温度に達したら、パイプ１０５へ高圧のガスを吹込む。

図９は作用説明図であり、（ａ）に示すパイプ１０５内に高圧のガスを吹込む。加熱されて軟らかくなっているパイプ１０５は膨らむ。結果、（ｂ）に示すように、金型１０４で外形が規定された断面のパイプ製品１０７を得ることができる。

しかし、特許文献１の技術には次に述べる問題点がある。
加熱炉１０３で、パイプ１０５だけでなく、金型１０４をも加熱するため、パイプ１０５を所定の温度にするまでの加熱時間（一般に数十分間）が長くなり、加熱に要するエネルギーも大きくなる。加熱時間が長くなると、生産性が低下する。
そこで、加熱時間が短くて済み、熱エネルギーが少なくて済む製造技術が求められる。

また、車両の軽量化は、ガソリンなどの燃費向上の観点から、恒常的に進められる。軽量化対策の一つに高張力鋼に代表される高強度材の採用が挙げられる。ブロー成形の過程で高強度処理を講じることができれば、さらに好ましいことである。

本発明は、加熱時間が短くて済み、高強度処理を講じることができるブロー成形技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、下型及び上型からなるブロー成形金型及び焼入れ可能な鋼種のパイプを準備する工程と、
前記ブロー成形金型には接触させないが、前記下型と上型との間に前記パイプを配置するパイプセット工程と、
このパイプに通電し、パイプを焼入れ温度に加熱する通電加熱工程と、
この工程で得られた加熱されたパイプの両端を、前記下型と上型で挟む工程と、
前記加熱されたパイプに高圧ガスを吹込んでブロー成形するブロー工程と、
からなるパイプ製品の製造方法を提供する。

請求項２に係る発明では、高圧ガスは、圧縮空気であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、パイプに高圧ガスを吹込んでブロー成形することでパイプ製品を得る製造装置であって、
下型及び上型からなるブロー成形金型と、前記下型と上型との間にパイプを昇降可能に水平に支えるパイプ支持機構と、このパイプ支持機構で支えられているパイプに通電して加熱する通電加熱機構と、前記加熱されたパイプに高圧ガスを吹込むガス吹込み機構と、前記パイプが焼入れ温度に加熱されたときに前記ブロー成形金型を閉じるとともに加熱されたパイプに高圧ガスを吹込ませる一連の制御を行う制御部と、からなることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、ブロー成型金型は、水冷されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、通電加熱工程において、パイプを焼入れ温度に加熱する。通電加熱は、パイプの内部抵抗に基づいてジュール熱を発生させる。すなわち、パイプ自体を発熱させるため、加熱時間は数秒〜数十秒で済む。加熱時間が極く短くなり生産性を容易に高めることができる。加熱炉が不要であるため、設備費も圧縮できる。

一般に、加熱炉で加熱したパイプを運搬手段でブロー成形金型へ移動する。この間にパイプの温度が下がるため、パイプの加熱温度を高めに設定する。温度が高いと結晶粒が粗大化し製品の品質に影響が出る。
この点、本発明では、下型と上型との間でパイプを加熱するため、移動が不要となり、加熱温度を高めに設定する必要はなくなり、結晶粒の微細化が維持され、製品の品質を高めることができる。

さらに、ブロー工程で膨らんだパイプが金型に接触する。パイプは焼入れ温度であって高温であり、金型は常温であるため、パイプが金型で急冷され、焼入れが行われる。したがって、高強度材を得ることができる。
すなわち、本発明によれば、加熱時間が短くて済み、高強度処理を講じることができるブロー成形技術を提供することができる。

請求項２に係る発明では、高圧ガスは、圧縮空気であることを特徴とする。圧縮空気であれば、安価であり、大気中に漏れても実害はなく、取扱いが極めて容易である。したがって、ブロー工程を円滑に実行することができる。

請求項３に係る発明は、ブロー成形金型と、パイプ支持機構と、通電加熱機構と、ガス吹込み機構とからパイプ製品の製造装置が提供される。
ブロー成形金型とガス吹込み機構は、従来のブロー成形装置に含まれている。すなわち、既存のブロー成形装置若しくは同等の装置に、パイプ支持機構と通電加熱機構とを追加するだけで、パイプ製品の製造装置が完成する。パイプ製品の製造装置は安価で設置することが可能となる。

また、通電加熱機構で、パイプを焼入れ温度に加熱する。通電加熱は、パイプの内部抵抗に基づいてジュール熱を発生させる。すなわち、パイプ自体を発熱させるため、加熱時間は数秒〜数十秒で済む。加熱時間が極く短くなり生産性を容易に高めることができる。加熱炉が不要であるため、設備費も圧縮できる。

さらに、パイプは焼入れ温度であって高温であり、金型は常温であるため、パイプが金型で急冷され、焼入れが行われる。したがって、高強度材を得ることができる。
すなわち、本発明によれば、加熱時間が短くて済み、高強度処理を講じることができるブロー成形技術を提供することができる。

請求項４に係る発明では、ブロー成型金型は、水冷されていることを特徴とする。金型はブロー成形終了後に金型を常温付近まで下げる必要がある。無水冷金型であると、冷却に長時間を要する。水冷金型であれば、短時間で冷却が完了する。本発明によれば、生産性を大いに高めることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るパイプ製品の製造装置の原理図であり、パイプ製品の製造装置１０は、下型１１及び上型１２からなるブロー成形金型１３と、下型１１と上型１２との間にパイプ１４を昇降可能に水平に支えるパイプ支持機構３０と、このパイプ支持機構３０で支えられているパイプ１４に通電して加熱する通電加熱機構５０と、加熱されたパイプに高圧ガスを吹込むガス吹込み機構６０と、パイプが焼入れ温度（Ａ_Ｃ３変態点温度以上）に加熱されたときにブロー成形金型１３を閉じるとともに加熱されたパイプに高圧ガスを吹込ませる一連の制御を行う制御部７０と、ブロー成形金型１３を強制的に水冷する水循環機構７２とからなる。

以下、各構成要素を詳しく説明する。
下型１１は、大きな基台１５に固定されている。
そして、下型１１は、大きな鋼製ブロックの上面に成形用凹部１６を備え、左右端にスプリング１７、１７で支持された仮受けロッド１８、１８を備え、冷却水通路１９を内蔵し、中央に下から差し込んだ熱電対２１を備えている。この熱電対２１はスプリング２２で上下移動自在に支持されている。

なお、仮受けロッド１８、１８は製品の払い出しピンを兼ねる。また、熱電対２１は測温手段の一例を示したに過ぎず、輻射温度計や光温度計のような非接触型温度センサであってもよい。さらには、通電時間と温度との相関が得られれば、測温手段は省くことができる。

上型１２は、下面に成形用凹部２４を備え、冷却水通路２５を内蔵した大きな鋼製ブロックである。そして、上型１２は加圧シリンダ２６で吊され、ガイドシリンダ２７、２７で横に振れないように案内される。

パイプ支持機構３０は、基台１５の一端（図左端）から起立している起立壁３１で昇降自在に案内され、スプリング３２でフローティング支持されている第１のスライダ３３と、この第１のスライダ３３に電気絶縁材３４を介して取り付けられている第１電極３５と、この第１電極３５の側面に突出成形されているテーパー軸３６と、基台１５の他端（図右端）から起立している起立壁３７で昇降自在に案内され、スプリング３８、３８でフローティング支持されている昇降台３９と、この昇降台３９の上面に水平移動自在に載せられている第２のスライダ４１と、この第２のスライダ４１を第１のスライダ３３に向かって押し引きするシリンダユニット４２と、第２のスライダ４１に電気絶縁材４３を介して取り付けられている第２電極４４と、この第２電極４４の側面に突出成形されているテーパー軸４５とからなる。このテーパー軸４５にはガス通路４６が設けられている。

通電加熱機構５０は、電源５１と、この電源５１から延び第１電極３５と第２電極４４に接続している導線５２と、この導線５２に介設したスイッチ５３とからなる。
ガス吹込み機構６０は、高圧ガス源６１と、この高圧ガス源６１で供給された高圧ガスを溜めるアキュムレータ６２と、このアキュムレータ６２からシリンダユニット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から第２電極のガス通路４６まで延びている第２チューブ６７と、この第２チューブ６７に介設されているオンオフ弁６８及び逆止弁６９とからなる。

圧力制御弁６４は、第２電極４４側から要求される押力に適応した作動圧力の高圧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内で高圧ガスが逆流することを防止する役割を果たす。
制御部７０は、（Ａ）から（Ａ）へ情報が伝達されることで、熱電対２１から温度情報を取得し、加圧シリンダ２６、スイッチ５３、切替弁６５及びオンオフ弁６８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や上型１２の冷却水通路２５へ送る水ポンプ７４と、配管７５とからなる。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。

以上に説明したパイプ製品の製造装置の作用を次に説明する。
図２は準備工程から通電加熱工程までを説明する図であり、（ａ）に示すように、焼入れ可能な鋼種のパイプ１４を準備する。そして、このパイプ１４を、ロボットアーム７７により、仮受けロッド１８、１８に載せる。次に、矢印（１）のように、シリンダユニット４２で第２電極４４を前進させる。第２電極４４のテーパー軸４５がパイプ１４に挿入される。パイプ１４が押されると第１電極３５のテーパー軸３６がパイプ１４に挿入される。

結果、（ｂ）に示すように、パイプ１４は第１電極３５と第２電極４４とで支持される。パイプ１４には熱電対２１の先端が接触している。次に、スイッチ５３をオンに切替える。すると、電源５１から電力がパイプ１４に供給される。パイプ１４に存在する抵抗により、パイプ１４がジュール熱により加熱される。そこで、熱電対２１の読みを温度記録計７８で連続的に記録する。この記録の一例を次図で説明する。

図３は通電時間と温度の関係を示すグラフであり、外径が３１．８ｍｍで肉厚が１．６ｍｍで材質が高張力鋼である、パイプに１０Ｖ（ボルト）を印可したところ、約４秒で、９３０℃に達した。高張力鋼のＡ_ｃ３変態点温度に５０℃の余裕を見込むと、９３０℃になるため、この９３０℃を焼入れ温度とする。この焼入れ温度に到達した時点で通電を終える。

図４は金型で挟む工程とブロー工程とを説明する図であり、（ａ）に示すように、パイプ１４が焼入れ温度に到達したら、上型１２を矢印（２）のように下げる。すると（ｂ）に示すように、パイプ１４の両端が下型１１と上型１２とで挟まれる。このタイミングで、矢印（３）のように第２電極４４を介して高圧ガスをパイプ１４内へ吹込む。

パイプ１４は高温であるため、軟化しており、比較的低圧でブロー成形することができた。具体的には、高圧ガスとして、４ＭＰａで常温（２５℃）の圧縮空気を採用した。この圧縮空気は、密閉したパイプ１４内で９３０℃まで加熱される。圧縮空気は熱膨張し、ボイル・シャルルの法則に基づき、約１６ＭＰａに達した。１６ＭＰａであれば、９３０℃のパイプ１４を容易にブロー成形することができる。

ブロー成形は数秒で完了した。そして、ブロー成形されて膨らんだパイプ１４の外周面が下型１１の成形凹部１６に接触して急冷され、同時に、上型１２の成形凹部２４に接触して急冷される。

図５は冷却と時間の関係を示すグラフであり、パイプは、２５秒で３０℃付近まで急冷された。すなわち、熱マスの大きな金型に、パイプの保有熱が吸収され、結果として、パイプは急冷された。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した。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、ソルバイトなど）に変態した。したがって、別途、焼戻し処理を行う必要はない。

図６は得られたパイプ製品の断面図であり、パイプ製品８０は、中央のバルーン部８１と両端のネック部８２、８２とからなる。
パイプ製品８０はブロー成形品であると共に熱処理された高張力品でもある。したがって、本発明によれば、高強度のブロー成形パイプ製品が製造可能となる。

以上に説明したことから本発明は次のようにまとめることができる。
先ず、パイプ製品の製造方法は、図１に示すように、下型１１及び上型１２からなるブロー成形金型１３及び焼入れ可能な鋼種のパイプ１４を準備する工程と、成形金型１３には接触させないが、下型１１と上型１２との間にパイプ１４を配置するパイプセット工程と、図２（ｂ）に示すように、パイプ１４に通電し、パイプ１４を焼入れ温度に加熱する通電加熱工程と、図４（ｂ）に示すように、加熱されたパイプの両端を、下型１１と上型１２で挟む工程と、加熱されたパイプ１４に高圧ガスを吹込んでブロー成形するブロー工程と、からなる。

パイプ自体を発熱させるため、加熱時間は数秒〜数十秒で済む。加熱時間が極く短くなり生産性を容易に高めることができる。加熱炉が不要であるため、設備費も圧縮できる。
さらに、ブロー工程で膨らんだパイプが金型に接触する。パイプは焼入れ温度であって高温であり、金型は常温であるため、パイプが金型で急冷され、焼入れが行われる。したがって、高強度材を得ることができる。
すなわち、本発明によれば、加熱時間が短くて済み、高強度処理を講じることができる。

高圧ガスは、窒素ガス、アルゴンガスなどの非酸化性ガスが採用できるが、これらは高価である。この点、圧縮空気であれば、安価であり、大気中に漏れても実害はなく、取扱いが極めて容易である。したがって、ブロー工程を円滑に実行することができる。

また、パイプ製品を得る製造装置１０は、図１に示すように、下型１１及び上型１２からなるブロー成形金型１３と、下型１１と上型１２との間にパイプ１４を昇降可能に水平に支えるパイプ支持機構３０と、このパイプ支持機構３０で支えられているパイプ１４に通電して加熱する通電加熱機構５０と、加熱されたパイプ１４に高圧ガスを吹込むガス吹込み機構６０と、パイプ１４が焼入れ温度に加熱されたときにブロー成形金型１３を閉じるとともに加熱されたパイプ１４に高圧ガスを吹込ませる一連の制御を行う制御部７０と、からなる。

ブロー成形金型１３とガス吹込み機構６０は、従来のブロー成形装置に含まれている。すなわち、既存のブロー成形装置若しくは同等の装置に、パイプ支持機構３０と通電加熱機構５０とを追加するだけで、パイプ製品の製造装置が完成する。パイプ製品の製造装置は安価で設置することが可能となる。

ブロー成形金型は無水冷金型と水冷金型の何れでもよい。ただし、無水冷金型は、ブロー成形終了後に金型を常温付近まで下げるときに、長時間を要する。この点、水冷金型であれば、短時間で冷却が完了する。したがって、生産性向上の観点からは、水冷金型が望ましい。

次に、第２電極を移動させるシリンダユニットを、油圧サーボ化した例を説明する。
図７は油圧化したシリンダユニットを説明する図であり、シリンダユニット４２を油圧シリンダユニットに置き換え、このシリンダユニット４２のピストンロッドと第２のスライダ４１との間にロードセル８４を介在させる。そして、シリンダユニット４２には油圧発生装置８５で発生した圧油を送ることにする。圧油管８６に圧力制御弁８７を介在する。

そして、ロードセル８４で検出した力情報が圧力制御部８８に伝えられると、圧力制御部８８は、例えば、力情報に比例してシリンダユニット４２の押力を制御する。
例えば、高温のパイプ１４へ高圧ガスを吹込み、熱膨張させると、パイプ１４の内圧が急増するが、このときにはロードセル８４で検出した力は増大する。この際に、圧力制御部８８はシリンダユニット４２の押力を高めて対応させる。
このように、第２電極４４に加わる、図右向きの力と同じ押力をシリンダユニット４２で発生させることができる。このことにより、第２電極４４でパイプ１４に常に適当な軸力を付与することができる。

本発明は、車両の骨格材を製造する技術に好適である。

本発明に係るパイプ製品の製造装置の原理図である。 準備工程から通電加熱工程までを説明する図である。 通電時間と温度の関係を示すグラフである。 金型で挟む工程とブロー工程とを説明する図である。 冷却と時間の関係を示すグラフである。 得られたパイプ製品の断面図である。 油圧化したシリンダユニットを説明する図である。 従来のパイプブロー成形装置の基本原理図である。 作用説明図である。

符号の説明

１０…パイプ製品の製造装置、１１…下型、１２…上型、１３…ブロー成形金型、１４…パイプ、１９、２５…冷却水通路、３０…パイプ支持機構、５０…通電過熱機構、６０…ガス吹込み機構、７０…制御部、８０…パイプ製品。

Claims (4)

1. 下型及び上型からなるブロー成形金型及び焼入れ可能な鋼種のパイプを準備する工程と、
   前記ブロー成形金型には接触させないが、前記下型と上型との間に前記パイプを配置するパイプセット工程と、
   このパイプに通電し、パイプを焼入れ温度に加熱する通電加熱工程と、
   この工程で得られた加熱されたパイプの両端を、前記下型と上型で挟む工程と、
   前記加熱されたパイプに高圧ガスを吹込んでブロー成形するブロー工程と、
   からなるパイプ製品の製造方法。
2. 前記高圧ガスは、圧縮空気であることを特徴とする請求項１記載のパイプ製品の製造方法。
3. パイプに高圧ガスを吹込んでブロー成形することでパイプ製品を得る製造装置であって、
   下型及び上型からなるブロー成形金型と、前記下型と上型との間にパイプを昇降可能に水平に支えるパイプ支持機構と、このパイプ支持機構で支えられているパイプに通電して加熱する通電加熱機構と、前記加熱されたパイプに高圧ガスを吹込むガス吹込み機構と、前記パイプが焼入れ温度に加熱されたときに前記ブロー成形金型を閉じるとともに加熱されたパイプに高圧ガスを吹込ませる一連の制御を行う制御部と、からなることを特徴とするパイプ製品の製造装置。
4. 前記ブロー成型金型は、水冷されていることを特徴とする請求項３記載のパイプ製品の製造装置。

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