JP2018001248A - 曲がり異形パイプ部品の極少ロット製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ロットの曲がり異形パイプ部品を製造するにあたっても、可能な限り汎用パイプ素材を始発材料とし、また汎用工作機械ないしは工具を用いることを前提とした合理的な製造方法の開発を技術課題としたものである。【解決手段】 本発明の曲がり異形パイプ部品１の極少ロット製造方法は、両端部の開口形状・寸法のいずれか一方またはは双方が異なり、且つ途中に曲がり部を有し、更に途中での断面形状変化を有する、曲がり異形パイプ部品１を極少ロットのみ製造する方法であって、素材パイプの選定工程、次いで曲げ加工工程、次いでハイドロフォーム工程、次いで切断加工工程で、前記粗整形中間ワークを、各曲がり部１０を含んで所望寸法に切断し、次いで仕上げ整形工程で直径、形状を所望形状に整形し、全工程でリング熔接を排除して整形仕上げワークを得ることを特徴として成るものである。【選択図】図１

Description

本発明は、極めて少ロットの数量しか製造要求がされない金属製の曲がり異形パイプを製造する方法に関するものであって、特に極力、汎用素材、汎用工作機械・工具を使用することにより、合理的な製造が行えるようにした、曲がり異形パイプ部品の極少ロット製造方法に係るものである。

モータースポーツ等の競技用車両、例えば国際的に最高規格の二輪ロードレース等の現場では、いわゆるファクトリーマシンにあっては、レース毎に改良の手が加えられる。その一方で、レースシーズン中は、エンジンの基本形態の変更は、規定上、大幅に制限を受けているから、エンジン周りの改良を行うにあたっては、例えば排気管形状の変更等により対策が採られている。
具体的には、エキゾーストパイプの形状変更等があるが、このものは、曲がりがあり、且つ両開口端や途中の断面形状等が異なるものであって、この改良品を逐次製造することが求められる。しかし前述した競技環境の中では、せいぜいレーシングマシン数台分の数量しか製造要求がない。
このような場合、設計仕様に応じた、異形形状のパイプ部品を極少数だけ製造するには、図３に示すように、パイプの断面形状の変化に応じたリング要素１０２を得るべく、まず帯状のブランク１０１を平面状素材から切り出し、これをリング状に丸めてから隣接するリング要素１０２とＴＩＧ溶接し、所望の曲がり異形パイプ部品１００を完成させている（非特許文献１）。

しかしながら、このような手法は帯状ブランク１０１の寸法割り出しや切り出しに相応の手間がかかる上、この帯状ブランク１０１をリング形状とするためのＴＩＧ溶接をはじめ、リング要素相互を全周に亘ってもＴＩＧ溶接する必要があり、極めて高度な製造スキルを要し、且つこのスキルを持ってしても多大な手間を要するものであった。
加えて、このように完成させたとしても個々のリング要素１０２の周面は、軸線方向では滑らかな曲面を得られず、幾らか角張ったカーブしか再現できない。もっともレースチームの現場では、高度な緊張と迅速な対処は、当然のこととしてメカニック等は受け止めており、このような従来手法は少ロット製造の場合、当然のこととして、それ以上の改良の試みはなされていなかった。

ＮＥＫＯ ＭＯＯＫ１９３「２ストローク クレイジー パートII」（ＩＳＢＮ−８７３６６−６９３−７） 株式会社ネコ・パブリッシング、２００４年４月２３日、ｐ．１１８−１２０「ワンオフチャンバー製作」

本発明はこのような背景を考慮してなされたものであって、曲がり異形パイプ部品を極少数ロットしか製造しない場合であっても、可能な限り汎用パイプ素材を始発材料とし、また汎用工作機械ないしは工具を用いることを前提とした合理的な製造方法の開発を技術課題としたものである。

請求項１記載の曲がり異形パイプ部品の極少ロット製造方法は、両端部の開口形状・寸法のいずれか一方または双方が異なり、且つ途中に曲がり部を有し、更に途中での断面形状変化を有する、曲がり異形パイプ部品を極少ロットのみ製造する方法であって、この方法は、素材パイプの選定工程において、曲がり異形パイプ部品の開口寸法、曲率寸法、途中の断面形状寸法を考慮して近似する規格寸法のパイプから素形始発ワークを選定し、次いで曲げ加工工程において、前記素形始発ワークの途中を複数個所パイプベンダーで曲げて、曲がり部を備えた粗曲げ中間ワークを得、次いでハイドロフォーム工程で前記粗曲げ中間ワークを、これを受け入れ可能な整形溝を備えたハイドロフォーマに設置し、粗曲げ中間ワークに作動液を圧入して内圧をかけ、整形溝形状になじんだ形状を発現した粗整形中間ワークを得、次いで切断加工工程で、前記粗整形中間ワークを、各曲がり部を含んで所望寸法に切断し、複数片の単体分断中間ワークを得、次いで仕上げ整形工程で各々の単体分断中間ワークを、型整形仕上げによりワークの一方の開口端から、他方の開口端に至る範囲で直径、形状を所望形状に整形し、全工程でリング熔接を排除して整形仕上げワークを得ることを特徴として成るものである。

請求項２記載の曲がり異形パイプ部品の極少ロット製造方法は、前記請求項１記載の要件に加え、前記異形パイプ部品については、内燃機関におけるエキゾーストパイプに用いられることを特徴として成るものである。

請求項３記載の曲がり異形パイプ部品の極少ロット製造方法は、前記請求項１または２記載の要件に加え、前記素材パイプについては、チタンパイプであることを特徴として成るものである。

まず請求項１記載の発明によれば、曲がり異形パイプ部品の加工にあたり、出発素材としてパイプの始発ワークを用い、また曲げ加工工程で一般的なパイプベンダーにより粗曲げ中間ワークを得、更にハイドロフォーム加工工程でも、一般的な手法で粗整形中間ワークを得、更にこれを一般的なカッタ装置で切断して単体分断中間ワークを得、その後手作業による加工で目的とする異形パイプ部品である整形仕上げワークを得るものであり、出発素材の準備から最終段階まで汎用的な装置及び手法で加工を完了する。従って従来手法に比べ、大幅に製作効率を向上させることができるものであり、極少ロットのみ要求される部品を円滑に供給することができる。またいわゆるリング接続手法を排しているから長手方向の曲率が円滑に変化した製品を得られる。

また請求項２記載の発明によれば、曲がり異形パイプ部品は、内燃機関におけるエキゾーストパイプに用いられるものであり、少ロットしか製造要求の無いモータースポーツ現場等での採用に好適な製造手法が提供できたものである。

また請求項３記載の発明によれば、曲がり異形パイプ部品は、一般的なスチールパイプ等に比べて高価なチタンパイプであり、基本的に素材パイプの塑性変形により、目的とする形状に加工されるから、材料取りにあたっての高価な素材の無駄が極力抑えられる。

本発明の曲がり異形パイプ部品の極少ロット製造方法の概要を示す説明図である。 本発明の《ｉ》素材パイプ選定工程と、《ii》曲げ加工工程を示す説明図である。 本発明の《iii 》ハイドロフォーム工程を示す説明図である。 本発明の《iv》切断加工工程と、《ｖ》仕上げ整形工程を示す説明図である。 曲がり異形パイプ部品を少ロットのみ製造するための従来手法を示す説明図である。

本発明を実施するための形態は、以下述べる実施例をその一つとするものであると共に、この技術思想に基づく種々の改良した実施例も含むものである。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて具体的に説明する。
先ず本発明の製造方法の説明に先立ち、製造対象となる曲がり異形パイプ部品並びにその利用分野等について説明する。
既に背景技術で述べられているように極めて少ない生産数量の部品としては、例えば図1 に示すようにモータースポーツ用の自動二輪車Ｍに用いられるエキゾーストパイプＥｘの改良部品等が挙げられる。即ちエキゾーストパイプＥｘの形状如何でエンジン出力の改善が期待できるものであり、逐次その形状に改良が加えられるが、同一形状での部品についての製作要求は、極端に言えば数個から１０数個程度にとどまる。
なお本発明は、エキゾーストパイプＥｘの全体、即ちエンジンブロックからサイレンサーに到るまでを1 つのパイプ素材から形成するわけではなく、合理的に製造できる範囲でその一部の曲がり異径パイプ部品を製造するものである。図１に示す実施例では、エンジンブロックから次部品たる集合部エキゾーストパイプに至るまでの独立管部を対象としている。もちろん後続の集合部エキゾーストパイプをはじめとする部位も、分断してパイプ要素ごとに本発明の手法を適用して製造することは当然可能である。
因みに図示した本発明の製造対象であるエキゾーストパイプＥｘは、パイプ状部位に対して適宜エンジンブロックへの取付用のフランジＦや、後続のパイプとのジョイントスプリングをかけるスプリングフックＨを後付けする。

曲がり異形パイプ部品１は、例えば両端開口部の径寸法、形状がそれぞれ異なり、且つ途中又は全体に曲がり部を有し、且つその断面形状は異なっているような単なる等径曲がりパイプではないものを指称する。
以下、このような曲がり異形パイプ部品１の製造方法について説明する。
なお加工対象としてのワークについては最終形態を含んで包括的に符号Ｗで示す。従ってワークＷは、実質的に曲がり異形パイプ部品1 であり、且つ後述する最終工程で得られた整形ワークＷ４とも実質的に同じものを指称する場合がある。

曲がり異形パイプ部品１を製造するための工程は、
《ｉ》素材パイプ選定工程
《ii》曲げ加工工程
《iii 》ハイドロフォーム工程
《iv》切断加工工程
《ｖ》仕上げ整形工程
であって、以下、各工程毎に、そこで使用される装置、工具、及びワークＷの形態を併せて順次説明する。

《ｉ》素材パイプ選定工程
この工程は、目的に応じたワークＷの素材を選定するものであって、例えばチタンパイプを選定する。一例としてエキゾーストパイプＥｘに用いる曲がり異径パイプ部品を製造する場合、内径数十ミリメートル、長さ数百ミリメートル程度の形状であり、内径については汎用仕様として数ミリメートル単で何種類か市販されているので、適宜なものを選定する。
その選定にあたっては、曲がり異形パイプ部品１の両端部のそれぞれの開口寸法、中間部の直径寸法、断面形状を考慮して近似する規格寸法の素形始発ワークＷ１を得る。もちろんこの際の考慮としては、金属素材の最終的な手仕上げにおいて、いわゆる伸ばし加工は行い易い一方、縮め加工は難しいこと等を勘案する。従って、単に曲がり異形パイプ部品１における両端開口寸法の中間値の径とした素形始発ワークＷ１を選定するわけではない。

《ii》曲げ加工工程
この工程は、《ｉ》素材パイプ選定工程で得られた素形始発ワークＷ１の途中を、複数個所においてパイプベンダー２により曲げて曲がり部１０を具えた粗曲げ中間ワークＷ２を得る工程である。
パイプベンダー２は、種々の形態の一般的な装置を用いることができるものであるが、一例として図２−１（ｂ−１）に示すように受型２１に対し接近離反する押型２２を具えたプレス型曲げタイプのものが適用できる。なお加工時には一例としてマンドレル２３や充填材を併用することが好ましい。
このパイプベンダー２によって、図２−１（ｂ−２）に示すように素形始発ワークＷ１を成型して所望のアール曲げ加工をし、更に素形始発ワークＷ１の残余の部分も同様に曲げ加工をする。もちろん一例として２ヵ所の曲げ加工された曲がり部１０の曲率は同じであっても異なってもどちらでもよい。この工程によって、粗曲げ中間ワークＷ２を得る。

《iii 》ハイドロフォーム工程
この工程は、前記粗曲げ中間ワークＷ２にハイドロフォーマ３の作動液Ｌによる内圧をかけて粗整形中間ワークＷ３を得るものである。ハイドロフォーマ３は、図２−２（ｃ−１、２、３）に示すようにパイプ加工に適したものであって、下型３１と、上型３２との合わせ面に所望の形状にワークＷが加工されるよう整形溝３３を有する。そして別途パイプ状の粗曲げ中間ワークＷ２に接続できるよう密栓３４を具えた注液管３５を用意している。
このようなハイドロフォーマ３に粗曲げ中間ワークＷ２をセットし、その両端に密栓（注液ニップル）３４を介して注液管３５を接続させる。そして注液管３５から粗曲げ中間ワークＷ２内に高圧の作動液Ｌを供給し、内側から外側に塑性変形させて粗整形中間ワークＷ３を得る。
因みにこのハイドロフォーマ３により、粗曲げ中間ワークＷ２の段階では全長に亘り等径であったものを、長手方向に径寸法や形状を変化させた粗整形中間ワークＷ３が得られる。

《iv》切断加工工程
この工程は、粗整形中間ワークＷ３において２ヵ所に曲がり部１０が加工されていていたが、それらを含んだ位置でカッタ装置４により所望寸法に切断し、複数片の単体分断中間ワークＷ４を得る工程である。
この工程に用いるカッタ装置４は、図２−３（ｄ−３）に示すように一般的なディスクカッタ等が適用できるが、適宜バンドソーやプラズマカッタ等の一般的な工具が使用できる。
即ちカッタ装置４は、カッタディスク４１と、クランプ装置４２とを具え、粗整形中間ワークＷ３の切断すべき位置をカッタディスク４１の作用位置に合わせるようにクランプし、常法に従い切断する。
なおこの段階で初めて目的とする曲がり異形パイプ部品１の中間素材を単体状態とするのは、前記《ii》曲げ加工工程、《iii 》ハイドロフォーム工程においては、ワークＷとして一定の長さを具えていないと加工時におけるハンドリングが行い難くなるからである。

《ｖ》仕上げ整形工程
この工程は、前工程で得られた単体分断中間ワークＷ４を最終形状に仕上げ、整形仕上げワークＷ５を得る工程である。この《v 》仕上げ整形工程は、基本的には手工具を用いて手作業で行うものであり、典型的にはワークＷまたは他の工具を保持する万力５０、当金５１、ハンマー５２等を用い、例えば当金５１を万力５０に保持させ、その形状を利用して、ハンマー５２による整形を行ったり、あるいは他の電動工具等を用いて、不要部位であるマージンの除去等を行う。
このように整形仕上げワークＷ５を得るまで、従来手法のいわゆる輪切り部品の熔接等は一切行わず、両端や途中での断面形状を異ならせ、且つ曲がりのある曲がり異形パイプ部品１が得られる。

《vi》付加的仕上げ
なお上記工程を経ることによって得られた曲がり異形パイプ部品１が、例えば競技用自動二輪車Ｍのエンジンに付設されるエキゾーストパイプＥｘとして利用されることを考慮すると、エンジンブロックへの固定用のフランジＦや、更に続くエキゾーストパイプＥｘの下流部品との接続のためのスプリングフックＨ等をＴＩＧ溶接により取り付ける。

〔他の応用の形態〕
本発明は以上述べた実施の形態を一つの基本的な技術思想とするものであり、上述の曲がり異形パイプ部品１であれば、試作を含め、少ロットの製造しか求められない部品の製作に広く応用することができる。

Ｅｘ エキゾーストパイプ
Ｆ フランジ
Ｈ スプリングフック
Ｌ 作動液
Ｍ 自動二輪車
Ｗ ワーク
Ｗ１ 素形始発ワーク
Ｗ２ 粗曲げ中間ワーク
Ｗ３ 粗整形中間ワーク
Ｗ４ 単体分断中間ワーク
Ｗ５ 整形仕上げワーク

１ 曲がり異形パイプ部品
１０ 曲がり部

２ パイプベンダー
２１ 受型
２２ 押型
２３ マンドレル

３ ハイドロフォーマ
３１ 下型
３２ 上型
３３ 整形溝
３４ 密栓（注液ニップル）
３５ 注液管

４ カッタ装置
４１ カッタディスク
４２ クランプ装置

５ 手仕上げ工具
５０ 万力
５１ 当金
５２ ハンマー

Claims (3)

1. 両端部の開口形状・寸法のいずれか一方または双方が異なり、且つ途中に曲がり部を有し、更に途中での断面形状変化を有する、曲がり異形パイプ部品を極少ロットのみ製造する方法であって、この方法は、
   素材パイプの選定工程において、
   曲がり異形パイプ部品の開口寸法、曲率寸法、途中の断面形状寸法を考慮して近似する規格寸法のパイプから素形始発ワークを選定し、
   次いで曲げ加工工程において、
   前記素形始発ワークの途中を複数個所パイプベンダーで曲げて、曲がり部を備えた粗曲げ中間ワークを得、
   次いでハイドロフォーム工程で
   前記粗曲げ中間ワークを、これを受け入れ可能な整形溝を備えたハイドロフォーマに設置し、粗曲げ中間ワークに作動液を圧入して内圧をかけ、整形溝形状になじんだ形状を発現した粗整形中間ワークを得、
   次いで切断加工工程で、
   前記粗整形中間ワークを、各曲がり部を含んで所望寸法に切断し、複数片の単体分断中間ワークを得、
   次いで仕上げ整形工程で
   各々の単体分断中間ワークを、型整形仕上げによりワークの一方の開口端から、他方の開口端に至る範囲で直径、形状を所望形状に整形し、
   全工程でリング熔接を排除して整形仕上げワークを得ることを特徴とする曲がり異形パイプ部品の極少ロット製造方法。
   
2. 前記異形パイプ部品は、内燃機関におけるエキゾーストパイプに用いられることを特徴とする請求項１記載の曲がり異形パイプ部品の極少ロット製造方法。
   
3. 前記素材パイプは、チタンパイプであることを特徴とする請求項１または２記載の曲がり異形パイプ部品の極少ロット製造方法。

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