JP2016168620A - 円筒状部材の加工方法、円筒状部材の加工装置、円筒状部材及びタンク - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉タンクを構成する円筒状部材の開口端部近傍の周方向の経路長と真円度を矯正することにより、材料の歩留まりを向上するとともに長寿命の円筒状部材を得る。
【解決手段】円筒状部材１０３の開口端部近傍で円筒状部材の周に沿って板厚方向に圧縮力を負荷することによって、円筒の板厚方向の塑性圧縮変形を周方向の塑性伸び変形に変換し、円筒状部材の開口端部を加工する。そのため、円筒状部材１０３の内部を把持する内張り機構３０４と、円筒状部材１０３の内面にほぼ接する内治具３０２と、円筒状部材の外面に接するローラ３０１とを設け、円筒状部材１０３の開口端部近傍をローラ３０１と内治具３０２とで挟み、円筒状部材の板厚方向に所定の圧縮力を負荷させるようにした。
【選択図】図８

Description

この発明は、円筒状部材の開口端周辺に塑性加工を施す加工方法、及び加工装置並びにこれらの加工方法や加工装置によって製作された円筒状部材に係り、特に、内部に流体を蓄えるタンクに関する。

内部に流体を蓄える圧力容器として、金属薄板や複合材で製造されたものが知られているが、このうち貯湯式給湯器用タンクとしてはステンレス薄板からなる複数の部材を溶接などの手段で接合したものが多用されている。この構造の容器の製造方法としては、タンクの側面を構成する部材として、平板をロール曲げした後に向かい合う二辺を溶接することで円筒状部材とし、さらにタンクの底と蓋とを構成する部材として平板をプレス加工でドーム状に成形したものを碗状部材とし、前記円筒状部材の上下両端の開口部に前記碗状部材の周縁部を全周にわたって溶接して一体化する方法が一般的である。

ここで、円筒状部材の向かい合う二辺を溶接することを長手溶接と呼び、円筒状部材と碗状部材を全周にわったって溶接することを周溶接と呼ぶ。給湯器用タンクの薄肉化や長寿命化のためには、周溶接部が隙間の無い突合せ溶接継手となることが望ましい。
一般に、薄板の突合せ溶接で良好な溶接継手を得るためには、溶接される２枚の板の間隙や板厚方向の位置関係を厳密に管理する必要がある。即ち、タンクの周溶接において良好な突合せ溶接継手を得るためには、各部材の周方向の経路長および真円度を厳密に管理する必要がある。従来、円筒状部材の周方向の経路長は、材料の寸法ばらつきに依存するので、寸法公差を小さくするなどの対策が取られてきた。また、円筒状部材の真円度を高める方法としては、例えば、特許文献１に示すような方法が知られている。

特開２０１４−１８８２８号公報

しかしながら、円筒状部材の周方向の経路長を厳密に管理するため、円筒状部材の寸法公差を厳しくすると、素材の歩留や作業効率が悪化するという問題があった。さらに、真円度を向上する方法として、上記特許文献１に記載の方法では、円筒状の被加工材の外周にリング状のケーシングを装着する必要があり、直径の大きな被加工材に対しては、リングの重量が増大するため取り扱いが困難となり、作業時間が長くかかるという問題があった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、円筒状部材の周方向の経路長と真円度を、素材の寸法公差に頼らずに高精度化できる円筒状部材の加工方法及び加工装置を得ることを目的としている。

この発明に係る円筒状部材の加工方法は、円筒状部材の開口端部に周に沿って板厚方向に圧縮力を負荷することによって、円筒の板厚方向と周方向に部材を塑性変形せしめ、円筒状部材の開口端部を拡管することを特徴とする。

この発明に係る円筒状部材の加工装置は、円筒状部材の開口端部に塑性加工を施す装置であって、上記円筒状部材の内面を把持する内張り治具と、上記円筒状部材の内面に接する内治具と、上記内張り治具と上記内治具に回転駆動力を与え、上記内張り治具で把持された上記円筒状部材を回転させるモータと、上記円筒状部材の外面に接するローラと、上記ローラを任意の軌道で動作させる手段とから構成され、上記ローラは平坦面で上記円筒状部材の長手方向の一部で接し、上記円筒状部材の開口端周縁を上記ローラと上記内治具とで挟み、上記円筒状部材の板厚方向に圧縮力を負荷させることを特徴とする。

この発明に係る円筒状部材は、金属薄板を筒状に成形したタンクの側面部となる円筒状部材であって、円筒状部材の開口端に断面がＺ字状もしくはＬ字状の継手が形成されるとともに、継手と円筒状部材が接続する部分は板厚方向の圧縮加工によって周方向の経路長が延ばされ、周長が矯正されていることを特徴とする。

この発明に係るタンクは、金属薄板を筒状に成形したタンクの側面部となる円筒状部材と、金属薄板を碗状に成形したタンクの蓋および底となる碗状部材とを溶接して製造されたタンクであって、円筒状部材と碗状部材を接合した溶接継手部の円筒部側が、円筒状部材の板厚方向の圧縮加工によって周長を調整してあることを特徴とする。

この発明に係る円筒状部材の加工方法によれば、円筒状部材の周方向の経路長と真円度を、素材寸法公差に頼らず高精度化できるという効果がある。
また、この発明に係る円筒状部材の加工装置によれば、大型の円筒状部材に対してもケーシングなどの外付け治具を装着することなく、簡便に円筒状部材の周方向の経路長と真円度を矯正することができるという効果がある。
さらに、この発明に係る円筒状部材によれば、開口端に形成された継手と円筒状部材が接続する部分は周方向の経路長が矯正され、Ｚ字状もしくはＬ字状の継手により他部材と段差を減らして結合できるという効果がある。
そして、この発明に係るタンクによれば、円筒状部材と碗状部材を接合した溶接継手部の円筒部側の周方向の経路長が矯正され、タンクの側面部となる円筒状部材とタンクの蓋および底となる碗状部材とを段差を抑制した状態で結合できるという効果がある。

本発明の実施の形態１に関わる薄肉タンクの外観図。 本発明の実施の形態１に関わる薄肉タンクの側面を構成する円筒状部材の斜視図。 側面部と蓋部の間に径方向の段差のあるタンクの概略図。 本発明の実施の形態１に関わる薄肉タンクの側面を構成する円筒状部材の製造工程を示す概略図 円筒状部材のロール曲げ加工方法と端部の真円度悪化原因を示す説明図 円筒状部材のロール曲げ加工状態の違いによる周長の変化の説明図 本発明の実施の形態１に関わる薄肉タンクの円筒状部材と碗状部材の嵌合状態を示す断面図。 本発明の実施の形態１に関わる薄肉タンクの側面を構成する円筒状部材の周方向の経路長と真円度の修正方法の概略図。 本発明の実施の形態１に関わる薄肉タンクの円筒状部材と碗状部材の継手部分の拡大断面図。 本発明の実施の形態２に関わる円筒状部材の周長の矯正部の断面図。 本発明の実施の形態３に関わる円筒状部材の開口端周縁部に成形された継手の断面形状を示す断面図。 本発明の実施の形態３の変形例に関わる円筒状部材の開口端周縁部に成形された継手の断面形状を示す断面図。 本発明の実施の形態４に関わる円筒状部材の加工装置の概略構成図。 本発明の実施の形態４に関わる内冶具と把持冶具の概略構成図。 本発明の実施の形態４に関わる芯押しユニットの概略構成図。 本発明の実施の形態４に関わる内側ローラユニットの概略構成図。 本発明の実施の形態４に関わる外側ローラユニットの概略構成図。 本発明の実施の形態４に関わる外側ローラの概略構成図。 本発明の実施の形態４に関わる内側ローラの概略構成図。 本発明の実施の形態４に関わる実験結果の一例を示す特性図。 本発明の実施の形態５に関わる内冶具の概略構成図。 本発明の実施の形態６に関わるローラの概略構成図。 一般的なスピニング加工用ローラによる材料の塑性流動の説明図。

実施の形態１．
以下、本発明に関わる円筒状部材の実施の形態を、図１〜図９を参照しながら説明する。ここで、周方向の経路長とは部材の外表面に接して周方向に沿って計測した部材の長さのことであり、周長と呼ぶ。また、ここで真円度とは部材の外径の最大直径と最小直径の差である。
図１は本発明の実施の形態１に関わる薄肉タンクの外観図である。図２は本発明の実施の形態１に関わる薄肉タンクの側面を構成する円筒状部材の外観を示す斜視図である。図１および図２に示すように、給湯器用薄肉タンク１０１は、タンク１０１の側面を構成する直径が２００〜７００mm程度で長さが１０００〜２０００mm程度の円筒状部材１０３と、タンク１０１の底と蓋とを構成する直径が２００〜７００mm程度で深さが２００〜４００mm程度の碗状部材１０２ａ、１０２ｂからなる。円筒状部材１０３と碗状部材１０２ａ、１０２ｂは、材料が肉厚０．５〜２mm程度のフェライト系ステンレスであるが、オーステナイト系ステンレスや一般の軟鋼であってもよく、特に限定されるものではない。

前記給湯器用タンク１０１は、前記円筒状部材１０３の両端開口部に前記碗状部材１０２ａ、１０２ｂの周縁部を全周にわたって溶接することで製造されている。このとき両部材の周長の差が大きかったり、真円度が大きかったりすると、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように周溶接部を挟む円筒部と碗状部の径方向の段差１１０が大きくなり、タンクに内圧を負荷させたときに周溶接部近傍１１１に応力集中が発生するという問題がある。薄肉タンク１０１の内圧疲労強度を確保するためには、内圧を負荷した時に周溶接部近傍１１１で応力集中を生じさせないことが重要であり、そのためには前記段差１１０を小さくする必要がある。すなわち円筒状部材１０３の周長と真円度、並びに碗状部材１０２ａ、１０２ｂの周長と真円度を適切に管理する必要がある。前記段差１１０の上限値は、使用する材料や設計上要求される疲労寿命によるが、例えば円筒状部材１０３または碗状部材１０２ａ、１０２ｂの板厚以下であることが望ましい。
なお、図１、図２において、円筒状部材１０３の突き合せ端面には溶接ビード１０４が形成され、円筒状部材１０３と碗状部材１０２ａ、１０２ｂとの溶接部には溶接ビード１０５が形成されている。また、円筒状部材１０３の開口端周縁部には後述する継手２０２が形成されている。

図４に示すように、円筒状部材はステンレス板材１０をロール曲げ加工した後、向かい合う二辺１１、１１を溶接し、さらに開口周縁部に沿って継手２０２が成形されて製造されている。しかしながら、図５に示すように、薄板材のロール曲げ加工では、材料の周方向の端部で曲げモーメントが変化するため、材料の全周に沿って均一の曲げＲを得ることが難しく、円筒状部材１０３の真円度が悪化するという問題があった。

すなわち、図５（ａ）は周方向の中間のロール曲げ状態を説明する図で、４つの曲げローラ５１〜５４を備えており、第１のローラ５１は反時計回りに回転し、第２のローラ５２は時計回りに回転している。また、第３のローラ５３、第４のローラ５４は上下方向に移動可能に構成される。
周方向の中間のロール曲げ状態を示す図５（ａ）においては、加工点Ａと加工力Ｆが加わる作用点Ｂまでの距離Ｘ１は比較的大きくなっている。
一方、図５（ｂ）は周方向の端部のロール曲げ加工を説明する図で、この図からも分るように加工点Ａと作用点Ｂの距離Ｘ２は小さくなっている。
加工点における曲げモーメントＭは、加工力Ｆと、加工点と作用点との距離Ｘとの積で表される（Ｍ＝Ｆ・Ｘ）。つまり、周方向の中ほどの加工状態における距離Ｘ１と、周方向端部の加工状態における距離Ｘ２とでは、Ｘ１＞Ｘ２であり、曲げモーメントＭは大きく異なる。

さらに、図６に示すように、ロール曲げ加工では材料の表面状態や成形用ローラの摩耗状態によって、内側となる面の変形量と外側となる面の変形量のバランスが変化する。すなわち板厚方向で曲げ中立軸Ｍの位置が変化するため、同一寸法の材料を用いて加工しても、ロール曲げ加工後の周長が異なる場合が生じ、円筒部材の周長のばらつきは素材の寸法ばらつきよりも大きくなるという問題があった。
この点について、図６で詳しく説明する。図６（ａ）は中立軸Ｍが板厚の中心軸Ｎと一致する場合を示し、図６（ｂ）は半径方向外側の周方向伸びが大きい場合を示す。図中、Ｌは周方向の素材単位長さを示す。
長手方向の変形が同じであると仮定すると、素材の周方向寸法が同一であれば中立軸Ｍにおける半径ｒは同じである（ｒ１＝ｒ２）。しかしながら、中立軸Ｍを挟む板厚方向の両側の材料の伸び量はロール曲げ加工時のローラとの摩擦状態等で変化するため、素材の周方向寸法が同じであっても、加工後の外径Ｒは異なる（Ｒ１＜Ｒ２）。

従来、これらの問題に対しては、素材寸法公差を小さくしたり、ロール加工条件を高頻度に調整したりするなどの対策が取られてきたが、素材寸法公差を小さくすることは歩留まりの悪化と材料費の上昇、ロール加工条件調整は作業効率の悪化や試作回数の増加による歩留まり悪化という問題があった。本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものである。

本発明の実施の形態１に関わる円筒状部材１０３は、図７に示すように、開口端部に碗状部材１０２の周縁部と嵌合するための断面形状Ｚ字状の継手７０２が成形され、一方の碗状部材１０２には、断面がＬ字状のフランジ状継手７０１が形成されている。
そして前記継手７０２の根元部分の周長は、向かい合う碗状部材１０２の周長に対して設計で決められる寸法内に収まるように矯正されている。前記矯正部７０３は板厚方向に元の板厚に対して０．１〜２％程度圧縮されるように塑性変形してある。図は分かりやすくするための概略図であり、直径や板厚変化の縮尺は必ずしも実際と一致していない。板厚方向に対して圧縮変形させることによって、金属材料の体積一定法則により周方向に対しては材料を伸ばすことができ、所望の寸法になるよう周長を矯正することができる。さらに、ロール曲げ加工時に生じる周方向に不均一な板厚方向の残留応力分布が、圧縮変形によって均一化されることによって真円度を矯正することができる。

円筒状部材の素材は周方向と圧延方向が一致するように板取りされることが望ましい。これは、一般に圧延材料は圧延方向に平行な方向の板厚分布の偏差の方が圧延方向に直交する方向の板厚分布の偏差よりも小さいため、圧延方向と周方向を一致させることにより周方向にほぼ均一な板厚分布を得ることができるためである。
また、前記矯正部７０３は図８に示すように、円筒状部材１０３に内接する内冶具３０２と、円筒状部材１０３の外面に接するローラ３０１とを用い、外側から内側に向かって圧縮加工されることが望ましい。円筒状部材１０３を回転軸３０３を中心に回転させながら円筒状部材１０３の外側よりローラ３０１を矢印Ｆのように押圧することで、円筒状部材１０３の押圧された帯状の範囲が圧延され、周方向の長さが延ばされるとともに、真円度を悪化させるような局所的な異形状部分が矯正される。

なお、図８（ａ）は矯正加工前の状態で、円筒状部材１０３の突合せ部分の一部が変形して要矯正箇所８０１ができてしまっている。図８（ｂ）は矯正加工後の状態で、円筒状部材１０３の開口端周縁部が矯正された状態を示している。このとき、図８（ｃ）に示すような内張り冶具３０４を用いて、内冶具３０２に対して円筒状部材１０３を把持固定して回転させて加工することで、タンク内面にローラとの摩擦キズが生じないという効果がある。内張り冶具３０４は、後述する図１４に示す把持治具１３０５と同様の構成を有するものであり、回転軸３０３に連結された内冶具３０２に装着され、内張り冶具３０４に設けられる径方向に移動可能な把持ブロックにより円筒状部材１０３の内面を押圧し把持して、円筒状部材１０３を回転軸３０３による回転可能に、内冶具３０２および内張り冶具３０４で保持するものである。

周長と真円度が矯正される範囲は、円筒状部材の開口端に成形された継手の根元から軸方向に３〜１０mm程度の帯状の範囲である。矯正範囲が狭すぎると、未矯正部の残留応力によって周溶接時に意図しない熱変形や溶接不良を生じる恐れがある。
一方、矯正範囲が広過ぎると加工時間が長くなって生産効率が悪化したり、加工反力の増大による装置の変形を抑制するために設備コストが過大になったりする問題がある。周長は、素材の板厚、周溶接時の入熱による熱膨張量、円筒状部材の開口端部および碗状部材の周縁部にそれぞれ成形される継手形状などによって決められる。例えば、板厚が０．７mmの円筒状部材に対しては、周長の寸法ばらつきが±１mmの範囲に収まるように矯正することによって周溶接部近傍の段差を板厚以下に抑制することができる。なお、前記板厚、円筒状部材の直径、周長の寸法精度は、実施の形態の一例であって、本発明が前記の値に限定されるものではない。

さらに、本発明の実施の形態１に関わる円筒状部材１０３の開口端部の継手７０２は、例えば図９(ａ)に示すように断面がＺ字形状となるように成形されている。一方、碗状部材１０２の周縁部には断面がＬ字形状の継手７０１が成形されていることが望ましい。碗状部材１０２は、ステンレス板材を絞りあるいは張り出しなどのプレス加工で膨出するように成形した後、開口周縁部に継手が成形されている。開口端にこれらの継手７０１を成形することにより、継手７０１がフランジとなってさらに真円度を向上できるという効果がある。図９（ｂ）に示すように、断面がＺ字形状の継手７０２と、断面がＬ字状の継手７０１とを組み合わせることで、両者を突き合わせた際に、継手７０１、７０２の接触面９０２ａと９０２ｂとが接触状態を保持したままいずれか一方のあるいは双方の部材が滑り移動可能であり、段差を減らすよう調整機能をはたすことができる。
上記の通り、本発明の実施の形態１に関わる円筒状部材を用いれば、周長と真円度を適切に管理できるので、従来のように材料の歩留まりや作業効率を悪化させることなくタンクの内圧疲労寿命を向上できるという効果がある。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に関わる円筒状部材の周長の矯正部１００１は、例えば図１０に示すように継手根元部１００２の板厚が薄く、根元部１００２からの距離が離れるに従って徐々に元の板厚に戻るように圧縮変形されている。円筒状部材１０３の周方向に直交する断面で見ると、矯正部はテーパ状になっており、テーパの角度Ｃは１〜５度程度が望ましい。断面がテーパ状となるように成形することで、円筒状部材１０３の表面に圧痕やキズを生じさせず、応力集中や腐食に対するリスクを抑制できるという効果がある。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に関わる円筒状部材１０３の開口端部の継手７１２は、例えば図１１に示すように断面がＬ字形状となるように成形されている。断面がＺ字形状の継手を成形するよりも加工荷重が低減できるので、成形用ローラの負荷を軽減することができ、成形用ローラの寿命を長くできるという効果がある。この継手７１２も矯正部１１０１は断面がテーパ状となるように成形されている方が好ましい。
また、Ｌ字状継手７２２の先端部に図１２に示すような庇部７２２ａがあっても良く、庇部７２２ａを設けることにより碗状部材１０２との嵌合い作業と突き合わせが容易になり組立作業効率を向上することができる。この継手７２２も矯正部１２０１は断面がテーパ状となるように成形されている方が好ましい。

実施の形態４．
図１３は本発明の実施の形態４に関わる円筒状部材の加工装置の概略を示す外観図である。以下、本発明に関わる円筒状部材の加工装置、および本発明に関わる円筒状部材の周長と真円度の矯正方法を、図１３〜図２０を参照しながら説明する。
図１３に示すように、本実施の形態における加工装置は、モータ１３０１と、モータ１３０１の回転力を伝達する回転主軸１３０２と、回転主軸１３０２あるいは回転従動軸１３０３に連結される内治具１３０４と把持治具１３０５、円筒状部材の外面に接する外側ローラ１３０６、円筒状部材の内面に接する内側ローラ１３０７、被加工部材の位置決めをするための端面ストッパ１３０８とを備えている。外側ローラ１３０６、内側ローラ１３０７は、左右軸レール１３０９により左右方向に移動可能であり、上下軸レール１３１０、１３１１により上下方向に移動可能となっている。下部には、加工後の円筒状部材を受ける受け台１３２０が設けられている。
この図１３に示す実施例では、内冶具１３０４と把持冶具１３０５と外側ローラ１３０６と内側ローラ１３０７は、円筒状部材の両開口端に対して同時に加工できるように、左右方向に向かい合わせに一組ずつ配置されている。ただし、本発明は片側ずつ加工しても成立するものであり、これに限定されるものではない。

図１４は内治具１３０４と把持治具１３０５の構成を示す概略構成図であり、図１４（ａ）は断面図、図１４（ｂ）は軸方向から見た把持治具１３０５の構成図である。内治具１３０４は回転主軸１３０２あるいは回転従動軸１３０３に連結され、その外周部は円筒状部材の内周にほぼ内接する。把持治具１３０５は、円筒状部材の内面に接する扇状の把持ブロック１４０１と、把持ブロック１４０１を支持する支持部１４０２と、支持部１４０２の端部に設置された楔状の被駆動部１４０３を有している。把持治具１３０５の支持部１４０２は内治具１３０４のレール１４０４に沿って円筒状部材に対して半径方向に移動可能である。回転主軸１３０２には円錐状の駆動部１３０２ａが設けてあり、この駆動部１３０２ａが図１４の矢印aの方向に移動すると、把持治具１３０５の被駆動部１４０３が図１４の矢印b方向に移動し、その結果、把持ブロック１４０１が円筒状部材の内周面を押して、円筒状部材の内面と把持ブロック１４０１との間に摩擦力を生じ、円筒状部材を把持する。回転主軸１３０２あるいは回転従動軸１３０３に連結された内冶具１３０４に装着され、把持冶具１３０５に設けられる径方向に移動可能な把持ブロック１４０１により円筒状部材の内面を押圧し把持して、円筒状部材を回転主軸１３０２による回転可能に、内冶具１３０４および把持冶具１３０５で保持するものである。
図１４（ｂ）では、把持ブロック１４０１が６個の例が描かれているが、６個に限定されるものではない。
把持治具１３０５は円筒状部材に対して回転主軸１３０２からの回転力を伝えるとともに、成形中に生じる円筒状部材の軸方向の変位を拘束する機能を有する。把持ブロック１４０１が自重で重力方向に垂れ下がることを防止するため、把持ブロック１４０１と内冶具１３０４が図示されていないバネやゴムのようなもので結合されていても良い。

図１５は芯押しユニットの構成を示す概略図である。芯押しユニット１５１Ｌ、１５１Ｒは、被加工部材である円筒状部材１０３を挟んで向かい合うように１台ずつ配置され、加工装置の土台１５２に配置されたレール１５３と、シリンダ１５４と、図示されていない位置制御用サーボモータによって、矢印Ｄの方向に移動可能である。左側の芯押しユニット１５１Ｌは、駆動用モータ１３０１とモータの回転力を伝達する回転主軸１３０２と、回転主軸１３０２に連結された内冶具１３０４と把持冶具１３０５、および端面ストッパ１３０８を搭載している。駆動用モータ１３０１と回転主軸１３０２は、ベルトやギアのような動力伝達用昨日を有する減速機構１５５を介して連結されても良い。一方、右側の芯押しユニット１５１Ｒにはモータが搭載されておらず、左側のモータ１３０１で発生した回転力に追随して回転する回転従動軸１３０３を有し、その回転軸に左側と同様の内冶具１３０４と把持冶具１３０５が連結され、さらに端面ストッパ１３０８が搭載されている。左右の回転軸が同軸上にあることは言うまでもない。

なお、左右の組み合わせは互いに入れ替え可能であり、この実施の形態に限定されるものではない。また、片側のモータ１３０１だけでは回転トルクが不足する場合は、左右両側にモータを搭載しても良い。その場合、被加工部材にねじれ応力を発生しないように左右の回転を互いに同期させる必要がある。左右の芯押しユニット１５１Ｌ、１５１Ｒは、それぞれ円筒状部材１０３の周長矯正位置まで内冶具１３０４を挿入できるようになっており、端面ストッパ１３０８に被加工部材を押し当てて軸方向の位置決めをする。端面ストッパ１３０８は、把持治具１３０５によって被加工部材の位置が拘束された後に、成形加工の妨げとならない位置まで後退する。把持冶具１３０５は、円筒状部材１０３の両端を把持するので、成形中に生じる円筒状部材１０３の軸方向の変位を確実に拘束することができる。芯押しユニット１５１Ｌ、１５１Ｒは、成形加工が完了した後、把持冶具１３０５による被加工部材の拘束を解除し、成形の完了した円筒状部材１０３の取り出しの妨げにならない位置まで後退する。

図１６と図１７はローラユニットの構成を示す概略構成図であり、図１６（ａ）、図１７（ａ）は正面図、図１６（ｂ）は内側ローラ１３０７の構成を説明するための側面図、図１７（ｂ）は外側ローラ１３０６の構成を説明するための側面図である。
ローラユニットは、内側ローラ１３０７を備えた内側ローラユニット１６１と、外側ローラ１３０６を備えた外側ローラユニット１６２、及びこれらのローラユニット１６１，１６２を左右・上下に移動させるためのレール１３０９，１３１０、１３１１を備える。

内側ローラ１３０７は内側ローラ支持アーム１６３を介して支持され、被加工部材の内面側より被加工部材を加工する。また、外側ローラ１３０６は外側ローラ支持アーム１６４を介して支持され、被加工部材の外面側より被加工部材を加工する。各ローラ１３０６、１３０７は、図示されていないベアリングなどの軸受けで中心軸を支持されており、回転する被加工部材に接したときには容易に回転することができる。
ローラユニット１６１、１６２は加工装置の支柱１６８、左右軸パネル１６９を介してに取り付けられたレール１３０９、１３１０、１３１１上に搭載されており、図示していない位置制御用サーボモータによって左右方向即ち円筒状部材の軸方向と上下方向即ち円筒状部材の半径方向とに移動可能であり、円筒状部材の直径や長さ及び加工条件に応じて各ローラの位置や動作軌道を変えることができる。
なお、図１６と図１７では、ローラが円筒状部材の上方に配置された装置を示したが、水平面内に配置されても良く、装置の構成はこの配置に限定するものではない。

図１８は外側ローラ１３０６の被加工部材と接する部分を拡大して示す断面図である。外側ローラ１３０６は、回転軸１３０６Ｃを中心に回転し、円筒状部材１０３の外表面に接し、さらに外側ローラ１３０６を円筒状部材１０３の半径方向の内向きに移動させることで外側ローラ１３０６と内冶具１３０４との隙間を挟め、円筒状部材１０３に板厚方向の圧縮力Ｆを負荷させることができる。外側ローラ１３０６の先端部には、円筒状部材１０３の開口端周縁に成形する継手形状に応じた形状の溝部１８０１が成形されている。
円筒状部材１０３の開口端１０３ｔは内治具１３０４から突出した部分１０３ｅを有し、この部分が金型の役目を果たして円筒状部材１０３の開口端周縁が加工されて継手形状となる。なお、１０３ｆは円筒状部材１０３の矯正範囲を示している。

図１９は内側ローラ１３０７の被加工部材と接する部分を拡大して示す断面図である。内側ローラ１３０７は、回転軸１３０７Ｃを中心に回転し、図示のように先端部が断面三角形状に突出した形状である。この内側ローラ１３０７は、円筒状部材１０３の内表面に接し、さらに外側ローラ１３０６との間で円筒状部材１０３の開口端部近傍を挟むことで、円筒状部材１０３の開口端周縁部に継手形状１９０１を成形する機能を有する。

ここで実施の形態４による周長と真円度の矯正方法について説明する。まず、円筒状部材１０３は、図１８に示すように、内冶具１３０４に対して開口端部が所定の長さだけ突出した位置で把持される。
次に、外側ローラ１３０６は、図１８に示すようにワーク（円筒状部材１０３）の開口端部より所定の長さだけ他端側に位置せしめられ、内冶具１３０４との間に円筒状部材１０３を挟むことのできる位置で円筒状部材１０３に接触する。ここで、円筒状部材１０３を回転させつつ、さらに外側ローラ１３０６を円筒状部材１０３に押しつけ、外側ローラ１３０６と内冶具１３０４との隙間が狭くなるように外側ローラ１３０６を移動させると、円筒状部材１０３の所定の帯状の範囲に板厚方向の圧縮力が負荷される。圧縮力が円筒状部材１０３を構成する材料の降伏応力を超えると、円筒状部材１０３の前記帯状の範囲が塑性変形する。ここで、円筒状部材１０３の前記帯板状の範囲は圧縮力によって板厚が減少するように塑性変形するので、金属材料のマクロな塑性変形における体積一定法則によって、周方向と軸方向は伸びるように塑性変形する。

発明者らの実験によれば、図２０に示すように、基準位置からの圧下量と周長の変化量はほぼ一定の相関関係があることが確認されており、外側ローラ１３０６の圧下により円筒状部材１０３の周長を制御することができる。さらに、ロール曲げ加工時に生じる周方向に不均一な板厚方向の残留応力分布が、圧縮変形によって均一化されることによって真円度を矯正することができる。

続いて、内側ローラ１３０７が回転する円筒状部材１０３の内周側の所定の位置より、外側ローラ１３０６に向かって所定の軌道で動作する。したがって、最初は外側ローラ１３０６より所定の長さ突き出している円筒状部材１０３の端部１０３ｅは、内側ローラ１３０７で半径方向外側に折り曲げられつつ、外側ローラ１３０６の溝部１８０１に押し付けられて所定の継手形状１９０１に成形される。
すなわち、外側ローラ１３０６は周長の矯正のための圧縮加工と、継手の成形のための金型の機能を兼ねていることになる。
なお、外側ローラ１３０６と内冶具１３０４による周長と真円度の矯正加工と、外側ローラ１３０６と内側ローラ１３０７による継手の成形加工は同時に行われても良い。

成形が完了した後、内側ローラ１３０７と外側ローラ１３０６は、被加工部材を装置から取り出すのに干渉しない位置まで退避する。さらに、把持冶具１３０５が把持を開放し、内冶具１３０４も被加工部材の内部から退避される。被加工部材から内冶具１３０４が退避する時、被加工部材が落下しないように、装置の中央付近に被加工部材を保持する受け台１３２０（図１３参照）があっても良い。さらに、内冶具１３０４を退避させる際に、被加工部材を引きずらないように、受け台１３２０には磁力や気圧を利用して被加工部材を固定する手段があっても良い。
内冶具１３０４と外側ローラ１３０６と内側ローラ１３０７は、被加工部材と直接接し被加工部材の降伏応力を超える負荷がかかるため、被加工部材よりも高強度な材料で製作されている。さらに、それらの表面は、キズや凝着を防止するため熱処理やコーティングが施されていることが望ましい。

従来の方法では、円筒状部材の外周面に接するリング状のケーシングに被加工部材を押しつけて加工するため、ケーシングの分割部で外周面に圧痕やキズを生じる恐れがあった。しかし、本発明では、内冶具１３０４、外側ローラ１３０６ともそのような分割部が無いため、圧痕やキズを生じる恐れが無い。また、従来の方法において、被加工部材の外径よりもわずかに小さい内径を有するケーシングを使用する場合、ケーシングの取付け時に被加工部材を縮径する必要があり、被加工部材が薄肉の場合には、縮径時に被加工部材が周方向に座屈を生じ、かえって真円度を悪化させる恐れがあった。しかしながら、本発明による方法では、内冶具１３０４は被加工部材の内径にほぼ接するので、被加工部材が座屈する恐れはなく、確実に真円度を矯正できるという効果がある。

一方、従来の方法において、被加工部材の外径よりもわずかに大きな内径を有するケーシングを使用する場合、被加工部材の回転中心とケーシングあるいは内周側ローラの回転中心とが一致しないため、長尺の被加工材を加工する場合にはブレを生じ、加工精度が悪化する恐れがあった。しかしながら、本発明では、被加工部材は内冶具１３０４と回転中心が一致する把持冶具１３０５で把持されており、被加工部材と内冶具の回転中心は一致しているうえ、円筒状部材１０３の両開口端部近傍を把持するため、加工中に被加工部材がブレを生じることなく高精度な加工ができるという効果がある。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５に関わる加工装置の内冶具１３０４は、図２１に示すように、外周面に軸方向に平行な溝部２１０１を設けてある。図２１（ａ）は内冶具１３０４と円筒状部材１０３を示す斜視図、図２１（ｂ）は図２１（ａ）中に四角で囲った部分ｂを拡大して示した断面図である。
円筒状部材１０３は、平板材をロール曲げ加工した後、向かい合う二辺を溶接して成形されているので、周方向の一か所に長手方向に沿う溶接ビード１０４を有している。溶接ビード１０４の部分は、肉厚のみならず硬さや降伏応力などの変形特性が素材と異なり、さらには個体ごとに肉厚や変形特性ばらつきが大きいことから、板厚方向への圧縮加工による周長の矯正においては、周長のばらつきを増長させる要因となる。

そこで、本発明の実施の形態５においては、加工装置の内冶具１３０４の外周面に軸方向に平行な溝部２１０１を設け、前記溝部２１０１に円筒状部材１０３の前記溶接ビード１０４を沿わせて把持することにより、矯正加工において溶接ビード部１０４の余分な肉厚を溝部２１０１に逃がし、溶接ビード部１０４に起因する加工ばらつきの影響を抑制することができ、ばらつきの少ない周長矯正をすることができる。
前記溝部２１０１の幅は溶接ビード１０４の幅と同程度であればよく３〜５ｍｍ程度であることが望ましい。また、溝の深さは溶接ビード１０４の厚さと素材の板厚の差と同程度であればよく、０．１〜０．５mm程度であることが望ましい。溝の幅が広すぎると、溶接ビード１０４の近傍部分が溝部２１０１に押し込まれ、その部分に圧縮力が負荷されず加工ができなかったり真円度が悪化したりするという問題がある。また、溝が浅過ぎると溶接ビード１０４の肉厚を避けることができず、圧縮加工時にローラが溶接ビード１０４を乗り越える際に振動を誘起し、振動の影響で周方向の圧縮加工が不均一となり十分な真円度の矯正ができないという問題がある。
また、溝が深すぎると、溝に溶接ビード１０４とその近傍が押し込まれることで円筒状部材１０３の内面側に突起を生じ、その突起が周溶接時に碗状部材１０２との適切な突合せ状態を阻害し周溶接不良を生じるという問題がある。しかしながら、本実施の形態による内冶具を用いることで、溶接ビード部に起因する加工ばらつきの影響を抑制することができ、ばらつきの少ない周長矯正ができるという効果がある。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６に関わる加工装置の外側ローラ１３０６は、図２２に示すように円筒状部材１０３の外周に平行に接する面２２０１と、その面の少なくとも一方にテーパ部２２０２を有している。円筒状部材１０３の外周に平行に接する圧縮加工面２２０１の幅は１〜５mm程度である。また、テーパの角度は円筒状部材１０３と平行な面に対して１〜５度程度が望ましい。なお、図中の一点鎖線１３０４Ｃは内治具１３０４の回転軸を示す。

図２３に示すように、一般的に行われるスピニング加工で多用される接触面の断面がＲ形状のローラ２３０１を用いると、矢印Ｘで示す材料の塑性流動方向が円筒状部材１０３の周方向ではなく長手方向に卓越し、周方向寸法が変化せず周長の矯正ができないという問題がある。これと同様に、図２２に示したテーパ形状を有する外側ローラ１３０６においても圧縮加工面２２０１の幅が小さくテーパ面の角度が大きいと、材料の塑性流動方向Ｘが円筒状部材１０３の周方向ではなく長手方向に卓越し、周方向寸法が変化せず周長の矯正ができないという問題がある。
また、圧縮加工面２２０１の幅が広すぎると、加工荷重が増大しローラの負荷が増大するという問題がある。圧縮加工面２２０１の幅とテーパ角度を適切に設定することで、所望の矯正加工を得るとともに加工荷重を抑制し、ローラの負荷を軽減することができ、ローラの寿命を長くできるという効果がある。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の一部または全部を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０１：薄肉タンク
１０２：碗状部材
１０２ａ：碗状部材であってタンクの底
１０２ｂ：碗状部材であってタンクの蓋
１０３：円筒状部材
１０４：長手溶接ビード
１０５：周溶接ビード
２０２：円筒状部材の開口端周縁部に成形された継手
３０１：ローラ
３０２：内冶具
３０４：内張り治具
５１：第１の曲げローラ
５２：第２の曲げローラ
５３：第３の曲げローラ
５４：第４の曲げローラ
７０１：碗状部材の継手（断面がＬ字状）
７０２：円筒状部材の継手（断面がＺ字状）
７０３：矯正箇所
７１２：円筒状部材の継手（Ｌ字状）
７２２：円筒状部材の継手（庇を設けたＬ字状）
７２２ａ：円筒状部材の継手の庇部
９０２ａ，９０２ｂ：継手の接触部
１００１：円筒状部材の矯正箇所と未矯正の他端側をつなぐテーパ形状
１３０１：モータ
１３０２：回転主軸
１３０３：回転従動軸
１３０４：内治具
１３０５：把持治具
１３０６：外側ローラ
１３０７：内側ローラ
１３０８：端面ストッパ
１３０９：左右軸レール
１３１０：外側ローラユニットの上下軸レール
１３１１：内側ローラユニットの上下軸レール
１４０１：把持ブロック
１４０２：把持ブロックの支持部
１８０１：外側ローラ先端の溝部
１９０１：継手形状
２１０１：内治具の溝部
２２０１：外側ローラの圧縮加工面
２２０２：外側ローラのテーパ部

Claims (13)

1. 金属薄板を円筒状に成形した円筒状部材の開口端部に、その外周面から、その周に沿って板厚方向に圧縮力を負荷することによって、上記円筒状部材の板厚方向と周方向とに部材を塑性変形せしめ、上記円筒状部材の開口端部の帯状の範囲の周方向の長さを延伸することを特徴とする円筒状部材の加工方法。
2. 上記円筒状部材の内側に設けられる内治具と上記円筒状部材の外面と接する外側ローラ及び上記円筒状部材の内面と接する内側ローラとを用いて上記円筒状部材の加工をするに際し、上記内治具と上記円筒状部材を外側から押圧する上記外側ローラとで上記円筒状部材を挟持する際に、上記円筒状部材の開口端部を上記内治具から所定距離だけ突出させて非挟持部分とするとともに、上記外側ローラの先端に溝部を形成し、次いで、この非挟持部分に上記内側ローラの先端を押圧することにより、上記円筒状部材の開口端部に継手を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の円筒状部材の加工方法。
3. 円筒状部材の開口端部に塑性加工を施す装置であって、上記円筒状部材の内面を把持する内張り治具と、上記円筒状部材の内面に接する内治具と、上記内張り治具と上記内治具に回転駆動力を与え、上記内張り治具で把持された上記円筒状部材を回転させるモータと、上記円筒状部材の外面に接するローラと、上記ローラを任意の軌道で動作させる手段とから構成され、上記ローラは平坦面で上記円筒状部材の長手方向の一部で接し、上記円筒状部材の開口端周縁を上記ローラと上記内治具とで挟み、上記円筒状部材の板厚方向に圧縮力を負荷させることを特徴とする円筒状部材の加工装置。
4. 上記円筒状部材の内面と接する上記内治具の外周面の少なくとも1か所に、上記円筒状部材の回転軸と平行な溝部を有することを特徴とする請求項３に記載の円筒状部材の加工装置。
5. 上記円筒状部材の外面と接する外側ローラと上記円筒状部材の内面と接する内側ローラとを備え、上記外側ローラの先端に継手作成のための溝部を形成するとともに、上記内側ローラを任意の軌道で動作させるよう構成し、上記内側ローラにより上記円筒状部材を上記外側ローラに押しつけて継手形状を成形する際に、上記外側ローラは周長の矯正のための圧縮加工と継手の成形のための金型を兼ねていることを特徴とする請求項３に記載の円筒状部材の加工装置。
6. 上記ローラは、先端に継手作成のための溝部を形成するとともに、上記内治具と上記ローラで上記円筒状部材を挟持し、上記円筒状部材に圧縮力を与える部分は、平坦な圧縮加工面とし、この圧縮加工面から遠ざかるにつれて徐々に上記円筒状部材から離れるようテーパ面を備えていることを特徴とする請求項３に記載の円筒状部材の加工装置。
7. 金属薄板を筒状に成形したタンクの側面部となる円筒状部材であって、円筒状部材の開口端に断面がＺ字状もしくはＬ字状の継手が形成されるとともに、継手と円筒状部材が接続する部分は板厚方向の圧縮加工によって周方向の経路長が延ばされ、周長が矯正されていることを特徴とする円筒状部材。
8. 板厚方向の圧縮加工箇所の断面形状は、継手に接続する側は板厚が均一であって、継手と反対側は、継手に近い方は板厚が薄く、継手から遠ざかるにつれて徐々に素材の板厚に戻るテーパ状の形状であることを特徴とする請求項７に記載の円筒状部材。
9. 金属薄板を筒状に成形したタンクの側面部となる円筒状部材と、金属薄板を碗状に成形したタンクの蓋および底となる碗状部材とを溶接して製造されたタンクであって、上記円筒状部材と上記碗状部材を接合した溶接継手部に接する円筒部側の帯状の範囲に上記円筒状部材の板厚方向の圧縮加工を施したことを特徴とするタンク。
10. 上記円筒状部材の開口端に断面がＺ字状もしくはＬ字状の継手を形成するとともに、この継手部に続く部分の周長を上記円筒状部材の板厚方向の圧縮加工によって調整したことを特徴とする請求項９に記載のタンク。
11. 上記円筒状部材の開口端に断面がＺ字状もしくはＬ字状の継手を形成するとともに、この継手部に続く部分に断面がテーパ状の周長矯正部を形成したことを特徴とする請求項１０に記載のタンク。
12. 上記碗状部材の開口端に断面Ｌ字状の継手を形成し、上記円筒状部材の開口端に断面Ｚ字状の継手を形成するとともに、これら断面Ｌ字状の継手、断面Ｚ字状の継手を突き合せるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載のタンク。
13. 上記碗状部材の開口端に断面Ｌ字状の継手を形成し、上記円筒状部材の開口端に断面Ｌ字状の継手を形成するとともに、これら断面Ｌ字状の継手同士を突き合せるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載のタンク。

Images