JP4456489B2

JP4456489B2 - 回転引き曲げ加工法

Info

Publication number: JP4456489B2
Application number: JP2005001136A
Authority: JP
Inventors: 博俊菱田; 逸朗弘重
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2025-01-06
Also published as: JP2006187785A

Description

本発明は、金属管の回転引き曲げ加工法に関するものである。

金属管を曲げる手法は幾つかある。回転引き曲げは、その内、素管に大きな局所歪が発生するものの、加工速度が早い為に、工業製品を効率的に製造する為の加工法として良く用いられている。

回転引き曲げは、主として素管の軸方向に引張荷重を素管に掛けつつ、回転する金型に素管を押し付けて曲げ加工を成す加工法である。即ち、加工の際に、素管には主として軸方向に伸び歪が発生し、曲げ外側の歪量は内側と比してより大きくなる。この結果、曲げ速度、引張力等の曲げ条件を不適切に選択すると、曲げ外側の伸び歪量が素管の破断限界を超え、素管は破断する。破断しないまでも、曲げ条件を適切に選択する事により、曲げ外側の伸び歪量をできるだけ軽減する事は重要である。

特に、回転引き曲げの後で別の工程、例えばハイドロフォーミング等の比較的大きい異種の荷重を素管に連続的に付与する場合には、例え回転引き曲げで素管が破断せずとも、当該工程で既に発生した歪量と次工程において発生した歪量の合計量（単純和ではなく、塑性力学的原理に基づいて加算される。）が破断限界を超えた場合には、同様に次工程において素管は破断する。即ち、次工程で破断しない様にする為には、なるべく回転引き曲げ工程において発生する歪量を軽減する必要がある。

従来は、回転曲げ工程が最終工程の場合や、あるいは後続の工程で素管に与える歪量が大きくない場合が多く、回転引き曲げ工程では、破断しなければできるだけ良い形状を出す事に神経が払われてきた。その為の有効な工具として、中子（マンドレル）と称する、素管の内部に挿入し、素管の断面崩壊を防止する工具が考え出されてきた。既に、一体物としての中子は公知の工具であり、回転引き曲げ加工法に限らず、管の加工法に対して積極的に用いられている。

中子に関する創意工夫は従来幾つかある。例えば特許文献１の発明は、中子を分割せずに、一体物としての中子を加工の最初と最後の期間において大きく出し素管をより強めに拘束する事で、断面扁平を防止するものである。また、特許文献２、３等は中子を分割して独立して運動を制御する事を特徴とした発明であり、特許文献４、５等は中子の制御方法に関する相違工夫に関するものである。

ところが、この様な形状に関する従来方法では、素管の曲げ外側に発生する歪を軽減する事はできない。特に、回転引き曲げ加工の初期で曲げられた箇所に局所的に発生する大きな歪分布を軽減する事は全く無理である。後続の工程がハイドロフォーミング等の大きな歪を発生させる加工法の場合には、回転引き曲げで発生した歪が原因でハイドロフォーミング等の後続の工程で破断する場合も多く、回転引き曲げで発生する歪、特に局所的な大歪は重大な問題である。
特開平１０−１８０３６２号公報特開平５−１０４１５６号公報特開平６−４７４５０号公報特表平１０−５１０４７８号公報特開２００１−５４８６１号公報

本発明は、上記した従来の問題点を解決し、回転引き曲げで発生する歪、特に局所的な大歪を軽減し、後続の工程がハイドロフォーミング等の大きな歪を発生させる加工法の場合にも従来以上に破断しない様に加工を完了できる、回転引き曲げ加工法を提供する為になされたものである。

上記の課題を解決する為になされた本発明は、金属管を回転する金型に掴み金型で以って押し付け回転する金型と掴み金型とを一体的に回転させる事により曲げ加工を行うに際し、金属管内部に中子を挿入させる回転引き曲げ加工法において、素管の曲がり開始位置からの素管に対する中子出し量を、回転引き曲げ加工初期には小さくすることにより、形状を犠牲にして低歪加工を行い、１６度以上４２度以下の曲げ角度を与える回転引き曲げ加工中期に基準量まで増大させることを特徴とするものである。ここで、回転引き曲げ加工初期に中子出し量を０とする事が好ましい場合も多い。

ここで、使用する中子の軸心を通る断面の外形状が、金属管の予定曲げ形状の内面形状となっている事が好ましい。
また多くの場合、中子形状を、軸対称形状とせず、面対称形状とする事が好ましい。
中子が複数の部分から成り、それらが互いに回転可能な様に連結し合って、全体として屈曲自由となっている中子である場合には、その部品が中子の先端に位置する程断面が小さくなっている事が好ましい。

本発明の回転引き曲げ加工法によれば、中子が素管を拘束する度合いが加工の初期において小さくなり、素管の断面は多少大きく扁平する代わりに局所的な大歪の発生が大きく軽減され、後続の工程がハイドロフォーミング等の大きな歪を発生させる加工法の場合にも従来以上に破断しない様に加工を完了できる。また請求項２から５記載の方法を採用する事により、より好ましい結果を得る場合も多い。これらの理由については、実施形態と共に説明する。

以下に、本発明の好ましい実施形態を示す。図１は回転引き曲げ加工をする為の一般的な装置の全体を示す図であり、図２は曲げられている素管の回転曲げ金型近傍の拡大図である。

図１において、１は回転中心Ｃを中心に回転する回転金型で、２は素管を回転金型１に押し付ける為の掴み金型である。掴み金型２は回転金型１上に設置されたレール２ａの上を、車輪２ｂを介して直線移動する事ができ、それにより素管を回転金型に押し付け、即ち素管を掴む動作をする。３は素管の片端を掴む為の管端支持金型で、回転金型１とは別の盤に設置されたレール３ａ上を、車輪３ｂを介して直線移動する事により、素管を曲げ加工に提供する。この時、素管のぶれの補正や送り込み力の補強の為に、管側支持金型４を用いる事もあり、管側支持金型４は、回転金型１とは別の盤に設置されたレール４ａ上を、車輪４ｂを介して直線移動する。

５は中子であり、管端支持金型３の中を貫いて素管内側の形状をしっかり出す為の拘束を与えるものである。通常、中子５は加工中あまり動かさないが、場合によっては回転金型１とは別の盤に設置されたレール５ａ上を、車輪５ｂを介して直線移動する事により位置を変化させる。

素管Ｐは、管端支持金型３に先ず固定され、内側に中子５を設置されたまま回転金型１と掴み金型２との間に挿入される。次に素管はその位置において掴み金型２によって回転金型１に押し付けられ、回転金型１および掴み金型２の回転およびそれと同期した管端支持金型３と管側支持金型４の移動により、回転金型１に沿った曲げ加工を施される。

ここで中子５は、素管Ｐの内側形状を良好にする為に回転金型１の回転に同期させて移動させる事もあるが、通常はコスト削減の観点により基準位置にて固定する事が多い。図２は、素管Ｐが曲げ角度θだけ加工されるまで、中子５が素管の曲がり開始位置Ｏからその先端Ｔが基準量Ｌｅだけ出た基準位置Ｓに固定される図を示す。中子５を移動させる場合には、出し量Ｌは制御量となる。

さてここで中子５の移動の仕方と素管Ｐにおける加工歪との関係に関して、詳細に検討する。中子５は前述の通り、本来素管を内面側から拘束し素管に歪を与える事で形状を良好にする為の工具であり、逆に素管における歪を大きくする事は黙認されてきた。図３に、従来の中子５の出し量Ｌの曲げ加工中の履歴を示す。一般には、中子５の位置はある所要の基準量Ｌｅだけ出した基準位置Ｓで固定し、変化させない。また、形状を良好に出す為に、中子５を加工初期には基準量Ｌｅより多く出し一旦基準量Ｌｅより引き戻し最後に再び出し基準量Ｌｅに到達させる扁平防止履歴を採用する例もある。

中子５を固定した場合には、図２に示す歪発生開始点Ｄｉで曲げの極初期に歪が発生し、曲げ角度θの増大と共に歪発生点が後方に拡大し、やがて最大歪発生点Ｄｃが生じ、その後は歪発生量は小さくなり、歪発生終了点Ｄｅを以って局所的に大きな歪分布の発生は止まる。Ｄｅに対応する曲げ角度θｅは、素管の材質や寸法によっても異なるが、概して２０〜３５°程度である事が経験的に判っている。中子５を扁平防止履歴で移動させた場合には、この局所的な歪はより大きくなる。これらの従来のケースでは、形状を良好にする代償として、素管に大きな歪を発生させる事となり、後工程によっては破損する危険が免れなかった。

そこで好ましい実施形態においては、図４に示す様に、最初中子５の出し量Ｌを初期には基準量Ｌｅより小さめとし、加工中期において基準量Ｌｅに到達させる履歴を採用する。この履歴による中子５の移動状況を図５で説明すると、初期の中子５の先端位置Ｔｉは曲がり開始位置Ｏよりやや出た位置であり、この位置は同時に基準量Ｌｅだけ出た位置Ｓよりは出ていない位置である。曲げ加工に伴い中子５を出し、加工中期において中子５は先端位置Ｔｅを基準位置Ｓまで到達し、基準量Ｌｅだけ出る。これにより、加工初期以降に発生する局所的な歪は緩和され、より低い歪の素管曲げ加工が可能となる。

ここで、中子５の出し方は金属管の材質や表面状態、金属管の断面形状や曲げＲおよび曲げ角度θ、回転速度、製品に課せられる条件、あるいは温度や湿度等の環境要因等の加工条件次第であり、例えば図６に示す様に徐々に出していく事が好ましい例もあれば、図７に示す様に加工中期の終了間際で急激に出す事が好ましい例もある。

加工条件によっては、図８に示す様に、最初中子５の出し量Ｌを０とする必要がある場合もある。中子５を出さない程形状が良好でなくなるが、歪が問題となる場合は形状を犠牲にして低歪加工をする必要がある。この履歴による中子５の移動状況を図９で説明すると、初期の中子５の先端位置Ｔｉは曲がり開始位置Ｏであり、曲げ加工に伴い中子５を出し、加工中期において中子５は先端位置Ｔｅを基準位置Ｓまで到達し、基準量Ｌｅだけ出る。これにより、加工初期以降に発生する局所的な歪は更に緩和され、より低い歪の素管曲げ加工が可能となる。

また前述の通り、周囲の歪状態より更に大きな歪が部分的に発生する局所歪は、曲げ角度θが０度から４５度程度の範囲で発生する事が多く、且つ最大の局所歪Ｄｃが発生するのは曲げ角度θが１６度から４２度程度においてが殆どである。従って、曲げ角度θが１６度から３５度の範囲で中子５が基準位置Ｓに達する様に中子５を移動させるのが好ましい場合が多い。図１０に示す例は、初期中子出し量が０でない場合のものと０である場合のものが、それぞれ曲げ角度θ＝２０度で中子５を移動し始め、曲げ角度θ＝３５度で基準位置Ｓに到達させたものである。

上記の中子５の移動については、その移動方法は条件次第で決定すべきものであるが、コストや制御方法を考慮すると、概して同じ速度で移動する事が良い。図１１に示す例は、初期中子出し量が０でなくある曲げ角度の時点から中子５を同一速度で出し加工中期終了時点において基準量Ｌｅだけ中子５を出したものと、初期中子出し量が０で初期より中子５を同一速度で出し加工中期終了時点において基準量Ｌｅだけ中子５を出したものである。

以上の発明は、中子の形状を工夫する事により、更に効果的となる。図１２に示す例は、軸対象であり、中子５の軸心を通る断面の外形状が、金属管内面の予定曲げ形状である半径Ｒの円弧形状としたものである。素管の材質や形状によっては、加工公差寸法分を差し引いた形状とする事が好ましい。軸対称なので、素管との接触点が磨耗した場合、中子５を適切に回転させる事で、中子５を交換せずに継続的に曲げ加工を実施できる。必ずしも軸対象とする必要がない場合には、図１３に示す例の様に、中子５の素管に当たらない側を円筒状にする事も、中子５をより強くし加工の最中に破損しない様にする為に好ましい。

また図１４に示す例は、中子形状を、軸対称形状とせず、面対称形状としたものである。この中子５の素管に当たる側半分は、丁度素管内面が曲げられて為る予定形状そのものである。素管の材質や形状によっては、加工交差寸法分を差し引いた形状とする事が好ましい。面対称なので、半分が磨耗した場合には１８０度回転させる事で、中子５を交換せずに継続的に曲げ加工を実施できる。

また図１５に示す例は、中子５が複数の部分５、５１、５２および５３から成り、それらが互いに回転可能な様に連結し合って、全体として屈曲自由となっているものであり、その部分５３が部分５２より幅狭ないし小さくなっており結果的に素管への接触が軽減されるものである。同様にして部分５２が５１より、あるいは部分５１が中子５より幅狭ないし小さくする事も好ましい。部分５１から５３は数を多くするほど形状を良好に作る事ができるが、部分同士の連結部は強度的に弱いのでそれだけ中子が破損する確率も高くなる。

なお、回転引き曲げ加工の後工程に、ハイドロフォーミングが連続する場合が最近はある。ハイドロフォーミングでは液圧をかける為に素管の両端を密封するので、回転引き曲げ加工により断面が扁平するとシール工具の挿入が良好に為されず好ましくない。そこで管端のいずれかが回転引き曲げ加工により断面扁平する場合、特に掴み金型でいずれかの管端近傍を掴む場合などには、図１６に示す様に金属管の先端に次工程のハイドロフォーミングにおいて液圧を封入する為のシール用工具を挿入してから、図１７に示す様に当該工具を挿入したままで金属管の加工を実施する事が好ましい。

以下に、直径３５ｍｍ、肉厚１．６ｍｍの鋼管を素管として、高強度鋼製の金型で以って鋼管中心軸において１００ｍｍの曲率半径を鋼管に与える回転引き曲げに関して述べる。中子直径を公差を考慮して３１．７ｍｍとして、一般仕様と同様に高強度鋼製の本体にＴｉＣ（チタンカーバイド）を皮膜したものを使用する。基準量Ｌｅ＝３４ｍｍである事が事前調査で判明したので、最初に中子を基準量を以って固定し、管端支持金型と管側支持金型を回転金型の回転速度２０秒／３６０度と同期させて移動したところ、歪は最大箇所で図１８に示す様に曲げ角度θ＝３３度の付近で０．３、肉厚は図１９に示す様に曲げ角度θ＝４０度の付近で１．３８ｍｍであり最終的に１．３０ｍｍまで減少した。

これに比して本発明の通り、図１１に示す様に初期にＬ＝０とし、曲げ角度θ＝３５度までを加工中期として、加工中期の終了点においてＬ＝Ｌｅ＝３４ｍｍとなる様に一定速度で中子を出したところ、歪は最大箇所で図１８に示す様に曲げ角度θ＝３３度の付近で０．２以下、肉厚は図１９に示す様に曲げ角度θ＝４０度の付近で１．５４ｍｍであり最終的に１．５２ｍｍまで減少した。即ち、本発明の有効性が確認された。

なお図３に示す従来扁平防止履歴を、初期にＬ＝３７ｍｍ、曲げ角度θ＝１５度でＬ＝Ｌｅ＝３４ｍｍ、曲げ角度θ＝３０度から４０度までＬ＝３０ｍｍ、曲げ角度θ＝５０度でＬ＝３４ｍｍとした場合には、歪は最大箇所で図１８に示す様に曲げ角度θ＝３３度の付近で０．４、肉厚は図１９に示す様に曲げ角度θ＝４０度の付近で１．２ｍｍであり最終的に１．１５ｍｍと破断直前まで減少した。

回転引き曲げ加工をする為の一般的な装置の全体を示す図で、ａは正面図、ｂは平面図、ｃは側面図である。曲げられている素管の回転曲げ金型近傍の拡大図である。従来の中子の出し量の曲げ加工中の履歴を示すグラフである。本発明における中子出し量の曲げ加工中の履歴を示すグラフである。本発明における中子の移動状況の説明図である。本発明における中子出し量の曲げ加工中の履歴を示すグラフである。本発明における中子出し量の曲げ加工中の履歴を示すグラフである。本発明における中子出し量の曲げ加工中の履歴を示すグラフである。本発明における中子の移動状況の説明図である。本発明における中子出し量の曲げ加工中の履歴を示すグラフである。本発明における中子出し量の曲げ加工中の履歴を示すグラフである。軸対称形状の中子を示す平面図と正面図である。非軸対称形状の中子を示す平面図と正面図である。面対称形状の中子を示す平面図と正面図である。部品を相連結した構造の中子を示す平面図と正面図である。素管端へのシール工具挿入の説明図である。シール工具を挿入した素管の曲げ加工の説明図である。曲げ角度と歪との関係を示すグラフである。曲げ角度と肉厚との関係を示すグラフである。

１回転金型
２掴み金型
３管端支持金型
４管側支持金型
５中子
６ハイドロフォーミング用シール工具
２ａレール
２ｂ車輪
３ａレール
３ｂ車輪
４ａレール
４ｂ車輪
５ａレール
５ｂ車輪
５１中子の部分
５２中子の部分
５３中子の部分
Ｌ中子の出し量
Ｌｉ初期の中子の出し量
Ｌｅ基準量
θ 曲げ角度
Ｄｉ初期に発生する局所歪の発生点
Ｄｃ局所歪の最大点
Ｄｅ局所歪の拡大最終点
Ｏ曲がり開始位置
Ｓ基準位置
Ｔ中子の先端位置
Ｔｉ初期の中子の先端位置
Ｔｅ最終の中子の先端位置
Ｐ素管
Ｒ曲げ加工により素管内面に与える曲率半径
Ｃ回転金型の回転中心
Ｋ掴み金型の長さ

Claims

金属管を回転する金型に掴み金型で以って押し付け回転する金型と掴み金型とを一体的に回転させる事により曲げ加工を行うに際し、金属管内部に中子を挿入させる回転引き曲げ加工法において、素管の曲がり開始位置からの素管に対する中子出し量を、回転引き曲げ加工初期には小さくすることにより、形状を犠牲にして低歪加工を行い、１６度以上４２度以下の曲げ角度を与える回転引き曲げ加工中期に基準量まで増大させることを特徴とする回転引き曲げ加工法。
中子の軸心を通る断面の外形状が、金属管の予定曲げ形状の内面形状となっていることを特徴とする請求項１記載の回転引き曲げ加工法。
中子形状を、軸対称形状とせず面対称形状としたことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の回転引き曲げ加工法。
中子が複数の部分から成り、それらが互いに回転可能な様に連結し合って、全体として屈曲自由となっている中子であって、その部品が中子の先端に位置する程断面が小さくなっているものを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転引き曲げ加工法。