JP2014028382A

JP2014028382A - 金属管の曲げ加工方法

Info

Publication number: JP2014028382A
Application number: JP2012169766A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Nakauma; 健一朗中馬; Hiroshi Okusu; 洋大楠; Katsuhide Nishio; 克秀西尾
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-02-13

Abstract

【課題】曲げ金型、クッション金型、移動式ロールを使用することで曲げ部を４点支持でプレスする、低コストで加工精度の高い、薄肉管或いは曲げ中心半径の小さな曲げ加工が可能な金属管の曲げ加工方法を提供する。
【解決手段】クッション金型とその両側に配置した１対の移動式ロールに被加工金属管をのせ、前記クッション金型の直上から曲げ金型を前記被加工金属管に押し付けて曲げ加工する。
クッション荷重とロール荷重による管外面の摩擦力Ｆ_１とＦ_２から金属管の曲げ部に張力を発生させ、曲げ中心部の圧縮応力を緩和させながら曲げ加工を行うことになり、これにより座屈の発生を抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車などの輸送機器や機械部品、或いは建設部材等に用いられる金属管の曲げ加工方法に関するものである

上記用途に供される金属管は、真直ぐのままで用いられる場合もあるが、適当に曲げられて用いられる場合がある。
その金属管を曲げる方法としては、例えば図１（ａ）に示すように、曲げ金型に被加工金属管の一端を固定し、曲げ金型を回転して曲げ加工する方法が一般的である（例えば非特許文献１）。また図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、２個の支持ロールまたは支持型により素管を固定し、その中央に曲げ金型を押し込んで金属管を曲げる３点曲げする方法も採用されている（同じく非特許文献１）。

さらに、曲げ金型を押し込んで金属管を曲げる方法として、特許文献１で、２個の支持ロールを移動式にし、その中央に曲げ金型を押し込んで曲げる方法も提案されている。曲げ金型の移動に合わせて、２個の支持ロールが左右に離れることから曲げ部の支点間距離（２個のロール間距離）が短くなり管曲げ部の剛性が高くなることから、従来のプレス曲げ加工法と比べて、座屈が生じ難い曲げ加工法を提供しようとするものである。

さらにまた、特許文献２で、クッション金型に対して曲げ金型を降下させて金属管を挟み込みプレス荷重を加えると同時に、クッション金型の側方で金属管を曲げ金型に挟み込むロールを使用して曲げ加工を行うプレス曲げ加工法が提案されている。このプレス曲げ加工法は、金属管をクッション金型に設置した状態で曲げ金型の降下と同時にロールで曲げ金型に挟み込むことで曲げ加工を行うため、１回の加工で数箇所の曲げ加工が可能となる。

「チューブフォーミング」36頁〜64頁（1992年10月30日コロナ社発行）

特開２００７−３０７６１５号公報特開平４‐２５１６１５号公報

前記図１（ａ）に示す回転引き曲げ加工法は、しわを抑制するための金型であるワイパーや破断を抑制するサイドブースター・バックブースター、偏平を抑制するマンドレルを使用するため、薄肉管（ｔ／Ｄが５％以下）や曲げ中心半径の小さな曲げ加工に適している。しかし、使用する金型点数が多いため、セッティングに時間がかかる事や金属管の寸法にあった金型を用意する必要があり、しかも装置自体も高価であるため製造コストが高くなってしまう。
また、図１（ｂ）、（ｃ）に示すプレス曲げ加工法は、使用する金型が曲げ金型と２つの支持金型（支持ロール、または支持型）の３点であるため、装置がシンプルで安価である。しかし、プレス曲げ加工法は、曲げ金型を金属管に押し込んで曲げるため、曲げ部に働く曲げ応力が大きくなり、曲げ内側部に座屈が生じ易くなる。特に、薄肉管や曲げ中心半径の小さな曲げ加工になると、金属管の剛性低下や曲げ部で発生する曲げ応力がさらに大きくなるため、座屈発生の可能性がさらに高くなる。

前記特許文献１で提案された２つのロールを移動式にしたプレス曲げ加工法では、座屈が生じ難くなっているものの、従来のプレス曲げ加工法と同様に、薄肉管、または曲げ中心半径の小さな曲げ加工を行うと、２つの移動式ロール間に小さい隙間が生じているため、曲げ部に座屈が生じ曲げ成形が困難となる。
さらに、前記特許文献２で提案されたロールを使用したプレス曲げ加工法でも、クッション金型と曲げ金型で金属管を挟み込みながら曲げ加工を行うため、曲げ部の曲げ角度が９０°より大きい加工は困難になる。また、曲げ部の拘束は、曲げ金型とクッション金型と１つのローラによる３点支持による拘束であるため、金属管の薄肉化や曲げ中心半径Ｒが小さくなるに従い、曲げ内側に座屈が発生しやすくなる。

本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、装置がシンプルで加工時間が短いプレス曲げ加工法をベースにし、薄肉管（ｔ／Ｄが５％以下、ｔは金属管の板厚、Ｄは金属管の外径）、或いは曲げ中心半径の小さな曲げ加工（Ｒ／Ｄが３以下、Ｒは曲げ中心半径）が可能な、曲げ金型、クッション金型、移動式ロールを使用することで曲げ部を４点支持でプレスする、低コストで加工精度の高い金属管の曲げ加工方法を提案することを目的とする。

本発明の金属管の曲げ加工方法は、その目的を達成するため、クッション金型とその両側に配置した１対の移動式ロールに被加工金属管をのせ、前記クッション金型の直上から曲げ金型を前記被加工金属管に押し付けて曲げ加工することを特徴とする。
曲げ金型、クッション金型、１対の移動式ロールのそれぞれに、被加工金属管を拘束する、または曲げ加工するための荷重を加えながら曲げ加工する。

曲げ金型、クッション金型、１対の移動式ロールとして、それぞれの被加工金属管当接面に、被加工金属管の直径以上の幅と被加工金属管の半径以上の深さを有する半円形断面の溝を有したものを用いることが好ましい。またこれらの曲げ金型、クッション金型、１対の移動式ロールとしては、曲げ金型とクッション型、および／または曲げ金型と移動式ロールを組み合わせた溝部の円弧長さが金属管の周長以下としたものを用いることが好ましい。
さらに、実際の曲げ加工時には、金属管の寸法や曲げ中心半径の加工条件に応じて、しわ抑制方法として金属管内にスチールショット、砂、ビーズなどの拘束材を挿入した状態で曲げ加工することが好ましい。

本発明により提供される金属管の曲げ加工方法では、金属管の曲げ部の拘束を４点支持にしてプレス曲げ加工を行っている。このため、従来の金属管の拘束を３点支持にしたプレス曲げ加工法で生じ易かった薄肉管（ｔ／Ｄが５％以下）、または曲げ中心半径の小さな曲げ加工（Ｒ／Ｄが３以下）での座屈を抑制することができる。
しかも、本発明により提供される金属管の曲げ加工方法のベースが、プレス曲げ加工法であるため、加工装置が安価で加工セッティングが簡易であり加工時間も短い。
したがって、本発明により、薄肉管（ｔ／Ｄが５％以下）、または曲げ中心半径の小さな曲げ加工（Ｒ／Ｄが３以下）が、優れた加工精度で、しかも低コストで行われるようになる。

金属管の一般的な曲げ加工方法を説明する図移動式ロールを用いた３点支持によるプレス曲げ加工方法を説明する図移動式ロールを用いた４点支持によるプレス曲げ加工方法を説明する図４点支持プレス曲げ加工時の各時点での変形過程を説明する図（その１）４点支持プレス曲げ加工時の各時点での変形過程を説明する図（その２）４点支持プレス曲げ加工を行った際の金型形状を説明する図

前記したように、３点支持による移動式ロールを用いたプレス曲げ加工方法では、曲げ角度θが０＜θ≦３０°である曲げ初期段階の時に曲げ中心部に座屈が生じることがある。これは、図２に示すように、２つのロール間に隙間が生じており金属管曲げ中心部の剛性が低くなっている点と、プレス曲げ加工では曲げ中心部の曲げ応力が最も大きくなる点から、曲げ中心部で座屈が生じ易くなることによるものである。

そこで、本発明では、図３に示すように、曲げ中心部にクッション金型を設置することで２つの移動式ロール間による隙間を埋め、これにより金属管曲げ中心部の剛性を高めることにした。また、クッション金型の設置により、クッション荷重による管外の摩擦力Ｆ１とロール荷重による管外の摩擦力Ｆ２による張力が曲げ部に発生するため、曲げ内側の圧縮応力が緩和される。
これら金属管曲げ中心部の剛性向上と曲げ部に張力を発生させることにより、曲げ角度が０＜θ≦３０°である曲げ初期段階で発生し易い座屈を抑制することができる。

さらに、曲げ角度が３０°以上になると曲げ中心部の曲げ加工が終了しているため、曲げ中心部の曲げ応力が小さくなっており、曲げ中心部に座屈が生じない加工が可能となる。このため、曲げ金型とクッション金型で金属管を挟み込んだ状態で、移動式ロールで管を曲げ金型に押し込むことで座屈のない曲げ加工が可能となる。また、移動式ロールの溝形状を金属管の寸法以下にすることで金属管の軸方向の張力を大きくできるため、座屈を抑制することができる。

以下に、本発明を、より詳しく説明する。
図４（ａ）に示すように、被加工金属管曲げ部の拘束を４点支持にした本発明のプレス曲げ加工方法においては、曲げ金型、クッション金型、２つの移動式ロールの４つの金型を用いる。これら金型には、それぞれ被加工金属管の半円弧以下の短い半円形断面の溝を形成しておくことが好ましい。金型の動力は、金属管に荷重をかけることができるように油圧シリンダーやエアーシリンダーなどを使用する。曲げ金型、クッション金型には、被加工金属管に対して垂直方向の荷重をかけ、移動式ロールには管軸方向に荷重をかける。なお、移動式ロールは回転可能にしてもよいし、回転しないようにしてもよい。

図４（ｂ）に示すようにクッション金型に被加工金属管をのせた状態で、曲げ金型を金属管とクッション金型に押し付けて曲げ加工を行う。その時、管軸の左右方向に移動するロールをクッション金型の両端に１つずつ取り付けているため、曲げ金型が押し込まれるに従い、左右の移動式ロールが曲げ金型に沿って左右に離れる方向に移動し、金属管が曲げられる。この時、移動式ロールとクッション金型は油圧やエアーを使用したシリンダーやばねを使用することで、金属管に加える荷重を調整することができる。

プレス曲げ加工法では、曲げ角度θが０＜θ≦３０°である曲げ初期段階の時に曲げ中心部の曲げ応力が最も大きくなり、座屈が生じやすくなる。このため、図５に示すように曲げ角度θが０＜θ≦３０°である曲げ初期段階時に、曲げ中心部にクッション金型を設けることにより、クッション荷重とロール荷重による管外面の摩擦力Ｆ_１とＦ_２から金属管の曲げ部に張力を発生させ、曲げ中心部の圧縮応力を緩和させながら曲げ加工を行うことになり、これにより座屈の発生を抑制することができる。

曲げ角度θが３０°以上になると、曲げ中心部の曲げ加工が終了しているため、曲げ中心部で発生する曲げ応力が小さくなっており、曲げ中心部に座屈が生じない加工が可能となる（図４（ｃ）参照）。これにより曲げ部で発生する曲げ応力が全体的に小さくなっている状態である。このため、曲げ金型とクッション金型で金属管を拘束した状態で曲げ金型を降下させることで、移動式ロールが金属管を曲げ金型に沿って押しつけながら座屈のない曲げ加工が可能となる。

なお、移動式ロール及びクッション金型には、被加工金属管との当接面に溝を設け、その溝の断面形状を被加工金属管の半円より短い半円形状にすることが好ましい。このような断面形状とすることにより、被加工金属管外面での摩擦力Ｆ_１とＦ_２が大きくなって金属管の軸方向の圧縮張力を大きくすることができ、その結果、座屈の抑制効果をさらに大きくすることができる。
また、金属管内に砂やビーズ、あるいはスチールショットなどの拘束材を入れて曲げ加工を行うことで、金属管曲げ部の剛性が大きくなり座屈や偏平をさらに抑制することができる。

次に、本発明の曲げ加工法を、試験的に実施した事例を紹介する。
素材として、フェライト系ステンレス鋼管を用いた。
表１に素材フェライト系ステンレス鋼管の寸法と機械的性質について示す。tが0.8mm以下でｔ／Ｄが５．０％以下の小径薄肉管を用いた。
表２に加工時の曲げ条件を示す。曲げ中心半径Ｒを56mm（３．５Ｄ）、24mm（１.５Ｄ）、16mm（１.０Ｄ）の３種類を用いることで、曲げ中心半径の小さな曲げ加工（Ｒ／Ｄが３以下）を行った。設定曲げ角度を９０°、鋼管内からの砂を用いての拘束と拘束無しの２種類とした。

図６に移動式ロールを用いたプレス曲げ加工方法と使用した金型形状について示す。図６（ａ）は移動式ロールを用いたプレス曲げ加工方法の概要図を示す。移動式ロールには荷重を付与できる構造となっており、クッション金型においてもクッションばねを使用することで荷重を付与できる構造となっている。図６（ｂ）に示すように曲げ金型、移動式ロール、クッション金型は溝形状を有しており、溝幅をW、溝高さをH、溝半径をrとしている。

さらに、表３に用いた加工時の金型条件について示す。表３中の溝形状を示す数値の単位はmmである。なお、ロール荷重は0.4MPaで一定の値とした。
比較例１，２は、従来のプレス曲げ加工法である３点支持によるプレス曲げ加工法であり、実施例１〜８は、４点支持によるプレス曲げ加工法である。曲げ金型とクッション金型の溝形状は比較例１，２と実施例１〜８はともに溝幅W16×溝高さH8×溝半径r8とし、ロール溝形状は実施例１〜４では溝幅W16×溝高さH8×溝半径r8とし、実施例５〜８と比較例１，２では溝幅W16×溝高さH8×溝半径r7.5とした。クッションばね定数は、実施例１，２，５，６では100N／mmとし、実施例３，４，７，８では25N／mmとする。鋼管内の拘束は、実施例１，３，５，７と比較例１では砂を使用し、実施例２，４，６，８と比較例２では拘束無しとした。

表４に、本加工試験例の結果について示す。
比較例１，２の従来の３点支持によるプレス曲げ加工法では、鋼管内に砂を入れても、入れなくてもいずれの加工条件でも座屈が生じる結果となり、薄肉管で曲げ中心半径の小さな曲げ加工（Ｒ／Ｄが３以下）曲げ加工が困難であることがわかった。
４点支持によるプレス曲げ加工法を用いた実施例１においては、曲げ中心半径が56mm（３.５Ｄ）で鋼管の板厚が0.4mm〜0.8mm、曲げ中心半径が24mm（１.５Ｄ）で鋼管の板厚が0.6mm〜0.8mm、曲げ中心半径が16mm（１.０Ｄ）で鋼管の板厚が0.8mmの加工条件では座屈のない曲げ成形が可能であったが、曲げ中心半径が24mm（１.５Ｄ)で鋼管の板厚が0.4mm、曲げ中心半径が16mm（１.０Ｄ）で鋼管の板厚が0.4mm〜0.6mmでは座屈が生じた。この結果から、曲げ中心半径Ｒが小さくなり、また鋼管板厚の薄肉化が進むことで曲げ成形が困難になった。

実施例２の鋼管内に砂を入れない条件では（それ以外の条件は実施例１と同じ）、曲げ中心半径が56mm、24mm（１.５Ｄ）の加工条件では実施例１と同じ成形性であったが、曲げ中心半径が16mm（１.０Ｄ）では鋼管の板厚が0.4mm〜0.8mmで座屈が生じた。この結果から、鋼管内に砂を入れない条件では、鋼管内の拘束がなくなるため、座屈が発生しやすくなり成形範囲が狭くなった。
実施例３のクッションばね定数を25N／mmにした条件では（それ以外の条件は実施例１と同様）、曲げ中心半径が56mm、24mm（１.５Ｄ）の加工条件では実施例１と同じ成形性であったが、曲げ中心半径が16mm（１.０Ｄ）では鋼管の板厚が0.4mm〜0.8mmで座屈が生じた。この結果から、クッションばね定数が低いとクッション荷重が小さくなり、座屈が発生しやすくなり成形範囲が狭くなった。

実施例４の鋼管内に砂を入れない条件では（それ以外の条件は実施例２と同様）、曲げ中心半径が56mm（３.５Ｄ）の加工条件では実施例１と同じ成形性であったが、曲げ中心半径が24mm（１.５Ｄ）では鋼管の板厚が0.8mmのみ成形が可能で0.4mm〜0.6mmでは座屈が発生し、曲げ中心半径が16mm（１.０Ｄ）では鋼管の板厚が0.4mm〜0.8mmで座屈が生じた。実施例４は鋼管内に砂を入れていないため、実施例３よりも成形範囲が狭くなった。
実施例１〜４の結果から、曲げ中心半径が24mm（１.５Ｄ）で鋼管の板厚が0.4mm、曲げ中心半径が16mm（１.０Ｄ）で鋼管の板厚が0.4mm〜0.8mmの加工条件では座屈が生じた。よって、これらの結果を踏まえて、実施例５〜８ではロール溝形状の溝半径を7.5mmに小さくして実験を行った。ロール溝形状を変更した以外の条件は、実施例５では実施例１、実施例６は実施例２、実施例７は実施例３、実施例８は実施例４とそれぞれ同じ条件である。

実施例５〜８の結果から、ロール溝形状の溝半径を7.5mmに小さくすることで曲げ成形範囲が実施例１〜４の結果よりも広くなった。実施例５においては、クッションばね定数を100N／mm、鋼管内に砂を入れることで曲げ中心半径が24mm（１.５Ｄ）で鋼管の板厚が0.4mm、曲げ中心半径が16mm（１.０Ｄ）で鋼管の板厚が0.6mm〜0.8mmの加工条件での曲げ成形が可能となった。
以上のことから、ロールの溝断面形状を鋼管の半円より短い半円形状にすることでさらに座屈を抑制することができることがわかった。

Claims

クッション金型とその両側に配置した１対の移動式ロールに被加工金属管をのせ、前記クッション金型の直上から曲げ金型を前記被加工金属管に押し付けて曲げ加工することを特徴とする金属管の曲げ加工方法。
曲げ金型、クッション金型、１対の移動式ロールのそれぞれに、被加工金属管を拘束する、または曲げ加工するための荷重を加える請求項１に記載の金属管の曲げ加工方法。
被加工金属管当接面のそれぞれに、被加工金属管の直径以上の幅と被加工金属管の半径以上の深さを有する半円形断面の溝を有した曲げ金型、クッション金型、１対の移動式ロールを用いる請求項１または２に記載の金属管の曲げ加工方法。
曲げ金型とクッション型、および／または曲げ金型と移動式ロールを組み合わせた溝部の円弧長さが金属管の周長以下である曲げ金型、クッション金型、１対の移動式ロールを用いる請求項３に記載の金属管の曲げ加工方法。
金属管の寸法や曲げ中心半径の加工条件に応じて、しわ抑制方法として金属管内にスチールショット、砂、ビーズなどの拘束材を挿入した状態で曲げ加工する請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属管の曲げ加工方法。