JP4899226B2 - 管加工装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、管加工装置及び方法、特に波形状のひだを管状部材に形成する管加工装置及び方法に関する。

従来、素管（管状部材）を加工して、ベローズ管など、波形状のひだを有する成形管を製造する場合、金型を用いていた。

例えば、特許文献１には、素管の軸方向に複数の金型を配置し、素管内を加圧し、且つ各金型間の間隔を狭めることにより、ベローズを成形することが記載されている。金型のキャビティ空間の形状に合わせて素管が膨出されて、ベローズが成形される。

特開２００３−２０２０７７号公報

しかしながら、上記従来の場合では、ベローズの形状（ピッチや山の高さ）に応じた金型が必要となるので、多数の金型を用意する必要があった。また、異なる形状のベローズを成形するごとに、金型を交換する必要があった。そのため、ベローズ管の製造コストが高いという問題があった。

本発明は、金型を用いることなく、ベローズ管など、波形状のひだを有する成形管を製造することが可能な管加工装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の管加工装置は、管状部材を変形させて波形状のひだを形成する管加工装置であって、前記管状部材の加熱部を加熱する加熱手段と、軸方向において前記加熱部を間に挟むように第１及び第２の保持位置で前記管状部材をそれぞれ保持する第１及び第２の保持手段と、前記第１及び第２の保持位置間で前記管状部材と当接して、該管状部材を支持する支持手段と、前記第１及び第２の保持位置間の距離を短縮させて、前記第１及び第２の保持位置間における前記管状部材の軸方向に圧縮力を付与する圧縮力付与手段とを備え、
前記管状部材において前記加熱部を連続的に移動させながら、前記圧縮力付与手段は圧縮力を付与することを特徴とする。

本発明の管加工装置によれば、加熱部は加熱手段により加熱されて変形し易くなるが、加熱部以外の管状部材は加熱されないので変形し難い。そのため、第１及び第２の保持位置間における管状部材の軸方向に圧縮力を圧縮力付与手段により付与すると、加熱部のみに変形が発生する。従って、加熱部に波形状のひだを形成することが可能となる。

そして、管状部材の材料、形状（内径、肉厚等）、加熱部の温度、圧縮力付与手段が短縮させる距離、加熱部の幅などのパラメータに応じて、ひだの形状が変化する。よって、これらパラメータを適宜設定することにより、所望の形状を有したひだを形成することが可能となる。さらに、加熱部を順次移動させることにより、ひだを連続的に形成することができる。

以上により、金型を用いることなく、ベローズ管など、波形状のひだを有する成形管を製造することができる。そして、金型を用いないので、波形状のひだを有する成形管の製造コストを削減することが可能となる。

さらに、支持手段が第１及び第２の保持位置間で管状部材と当接して、管状部材を支持する。そのため、管状部材の支持スパンが短縮化する。従って、圧縮力付与手段が圧縮力を付与するときに、第１及び第２の保持位置間における管状部材に所望しない座屈変形が発生するおそれを低減させることができる。

尚、前記支持手段は、前記管状部材の内側に挿入され、該管状部材の内周面に当接する挿入体であってもよい。また、前記支持手段は、前記管状部材の外周面に当接する外周面当接体であってもよい。

また、本発明の管加工装置において、前記管状部材の内部を加圧する加圧手段を備えることが好ましい。

この場合、加圧手段を用いて管状部材の内部を加圧することにより、波状のひだをさらに容易に形成することが可能となる。さらに、管状部材の内圧に応じてひだの形状が変化するので、内圧を適宜設定することにより、所望の形状を有したひだをさらに容易に形成することが可能となる。

本発明の管加工方法は、管状部材を変形させて波形状のひだを形成する管加工方法であって、軸方向において加熱手段により加熱される加熱部を間に挟むように第１及び第２の保持位置で前記管状部材をそれぞれ保持するとともに、前記第１及び第２の保持位置間で前記管状部材に支持手段を当接させて、該管状部材を支持し、前記加熱手段より前記加熱部を加熱しつつ、前記管状部材において前記加熱部を連続的に移動させながら、前記第１及び第２の保持位置間の距離を短縮させて、前記第１及び第２の保持位置間における前記管状部材の軸方向に圧縮力を付与することを特徴する。

本発明の管加工方法によれば、加熱部は加熱されて変形し易くなるが、加熱部以外の管状部材は加熱されないので変形し難い。そのため、第１及び第２の保持位置間における管状部材の軸方向に圧縮力を付与すると、加熱部のみに変形が発生する。従って、加熱部に波形状のひだを形成することが可能となる。

そして、管状部材の材料、形状（内径、肉厚等）、加熱部の温度、短縮させる距離、加熱部の幅などのパラメータに応じて、ひだの形状が変化する。よって、これらパラメータを適宜設定することにより、所望の形状を有したひだを形成することが可能となる。さらに、加熱部を順次移動させることにより、ひだを連続的に形成することができる。

以上により、金型を用いることなく、ベローズ管など、波形状のひだを有する成形管を製造することができる。そして、金型を用いないので、波形状のひだを有する成形管の製造コストを削減することが可能となる。

さらに、支持手段が第１及び第２の保持位置間で管状部材と当接して、管状部材を支持する。そのため、管状部材の支持スパンが短縮化する。従って、圧縮力を付与したときに、第１及び第２の保持位置間における管状部材に所望しない座屈変形が発生するおそれを低減させることができる。

本発明の第１実施形態に係る管加工装置の概念図。 本発明の第２実施形態に係る管加工装置の概念図。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る管加工装置１０について説明する。

図１を参照して、管加工装置１０は、パイプＰを変形させて所望の波形状のひだ（環状凹凸）を形成し、ベローズ管（蛇腹管）などの成形管を得る装置である。

パイプＰは、一般的にベローズ管などの成形管の素管として用いられるパイプであればその形状（内径、肉厚等）や材質は特に限定されない。パイプＰの材質は、例えば、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属や樹脂である。また、パイプＰの形状は、円筒状に限定されず、角筒状等であってもよい。さらに、パイプＰは、図示しないが、繰出機から繰り出され、巻取機に巻装される長尺物であってもよい。パイプＰは、本発明の管状部材に相当する。

管加工装置１０は、第１チャック１１、第２チャック１２、マンドレル１３、加熱コイル１４、第１搬送機構１５、第２搬送機構１６及び制御ユニット１７を備えている。

第１チャック１１及び第２チャック１２は、パイプＰの軸方向において後述する加熱部Ｓを間に挟むように、第１及び第２の保持位置Ｈ１，Ｈ２でそれぞれパイプＰを保持するものであり、本発明の第１及び第２の保持手段に相当する。加工中にパイプＰが保持位置Ｈ１，Ｈ２からずれないように、チャック１１，１２はパイプＰの外周面を適宜な保持力で保持する。

マンドレル１３は、保持位置Ｈ１，Ｈ２間でパイプＰと当接して、パイプＰを支持するものであり、本発明の支持手段及び挿入体に相当する。マンドレル１３は、ステンレス、アルミニウム等の金属や硬質樹脂などからなる丸棒形状であり、その径はパイプＰの内径と同等である。

ここでは、マンドレル１３は、パイプＰの内側に予め挿入されている。マンドレル１３は、パイプＰの最初に加工する部分（最初の加熱部Ｓ）から第１の保持位置Ｈ１に亘って延在している。しかし、マンドレル１３の挿入方法はこれに限定されず、保持位置Ｈ１，Ｈ２の端部間に少なくともマンドレル１３が存在していればよい。例えば、マンドレル１３を第２の保持位置Ｈ２側からパイプＰの内側に挿入して、パイプＰの最後に加工する部分（最後の加熱部Ｓ）から第２の保持位置Ｈ２に亘って延在させてもよい。

加熱コイル１４は、加熱部Ｓを加熱するものであり、本発明の加熱手段に相当する。換言すれば、加熱部Ｓは、加熱コイル１３により目標温度まで加熱される、パイプＰの軸方向に短い環状部分である。

加熱コイル１４は、加熱部Ｓを周方向に包囲するように配置されている。交流電源、発振回路、トランス等からなる高周波電流発生装置１８から高周波電流が供給されると、加熱コイル１４は、全周に亘って均一に高周波加熱により加熱部Ｓを加熱する。

尚、加熱コイル１４に代えて、環状のヒータを用いて、ヒータに電流を供給して、通電加熱により加熱部Ｓを加熱してもよい。また、加熱コイル１４に代えて、加熱部Ｓの周囲にレーザ加熱装置を均等に配置して、レーザ加熱により加熱部Ｓを加熱してもよい。

さらに、加熱コイル１４に隣接させて冷却コイル１９を設けることが好ましい。冷却コイル１９は、冷媒供給装置２０から水、油等の流体の冷媒が供給されて、加熱コイル１４による加熱が伝熱して加熱部Ｓに隣接する部分が加熱されることを防止する。これにより、加熱部Ｓのみが局所的に加熱されることになる。加熱部Ｓの幅は、加熱コイル１４のコイル幅及び加熱コイル１４と冷却コイル１９との離間距離等に応じて定まる。

また、加熱部Ｓに隣接させて温度センサ２１が配設されている。温度センサ２１は、非接触式の温度センサであり、加熱部Ｓの温度を検出する。

第１搬送機構１５は、第１チャック１１を移動させることにより、第１の保持位置Ｈ１におけるパイプＰを搬送速度Ｖ１で、加熱部Ｓに向けて図１の右方向に搬送する（送り出す）。第１の保持位置Ｈ１は、加熱部Ｓより搬送方向上流側に位置することになる。

第１搬送機構１５は、第１チャック１１に固定されたボールナット部２２、ボールナット部２２と複数のボール２３を介して噛合するボールねじ軸２４、ボールねじ軸２４に接続され、ボールねじ軸２４を回転させるサーボモータ２５を備えている。ボールナット部２２は、直線運動ガイド機構であるガイド２７に案内されて直線動作する。

モータドライバ２６を介してサーボモータ２５を回転駆動させると、ボールねじ軸２４が回転して、ボールナット部２２がガイド２７に案内されて直線動作する。これにより、第１チャック１１が図１の右方向に第１の搬送速度Ｖ１で移動する。

第２搬送機構１６は、第２チャック１２を移動させることにより、第２の保持位置Ｈ２におけるパイプＰを搬送速度Ｖ２で加熱部Ｓから離れるように向けて図１の右方向に搬送する（引き抜く）。第２の保持位置Ｈ２は、加熱部Ｓより搬送方向下流側に位置することになる。

第２搬送機構１６は、第２チャック１２に固定されたボールナット部２８、ボールナット部２８と複数のボール２９を介して噛合するボールねじ軸３０、ボールねじ軸３０に接続され、ボールねじ軸３０を回転させるサーボモータ３１を備えている。ボールナット部２８は、直線運動ガイド機構であるガイド２７に案内されて直線動作する。

モータドライバ３２を介してサーボモータ３１を回転駆動させると、ボールねじ軸３０が回転して、ボールナット部２８がガイド２７に案内されて直線動作する。これにより、第２チャック１２が図１の右方向に第２の搬送速度Ｖ２で移動する。

搬送速度の差ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）により、保持位置Ｈ１，Ｈ２間の距離が短縮して、その間に位置するパイプＰに軸方向の圧縮力が付与される。搬送機構１５，１６は、本発明の圧縮力付与手段に相当する。

尚、搬送機構１５，１６として、油圧シリンダを用いてもよい。この場合、油圧シリンダのピストンにチャック１１，１２が取り付けられる。

さらに、管加工装置１０は、パイプＰの内部を加圧する加圧機構３５を備えている。加圧機構３５は、本発明の加圧手段に相当する。

加圧機構３５は、図示しない公知の手段により両端が密閉されたパイプＰの内部に高圧の流体を充填させることにより、パイプＰの内圧を高める。尚、流体として、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガス、空気、油などを用いることができる。加圧機構３５は、パイプＰの材質、内径、肉厚、加熱部Ｓの温度、幅などに応じて、パイプＰの内圧を数気圧から数十気圧程度に高める。

制御ユニット１７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等から構成されており、モータドライバ２６，３２を介してサーボモータ２５，３１に接続されている。各サーボモータ２５，３１には、それぞれサーボモータ２５，３１の回転数を検出するエンコーダ３３，３４が配設されている。

制御ユニット１７の記憶部には、パイプＰの材質や形状、形成すべきひだの形状等に応じた搬送速度Ｖ１，Ｖ２に対応するサーボモータ２５，３１の回転数が格納されている。制御ユニット１７は、この回転数を参照し、エンコーダ３３，３４からの検出信号に応じて、モータドライバ２６，３２に制御信号を送信して、サーボモータ２５，３１を制御する。

さらに、制御ユニット１７は、高周波電流発生装置１８及び温度センサ２１にも接続されている。制御ユニット１７の記憶部には、パイプＰの材質や形状、形成すべきひだの形状等に応じた加熱部Ｓの目標温度が格納されている。目標温度は、少なくともパイプＰの軟化温度を超える温度である。

制御ユニット１７は、この目標温度を参照し、温度センサ２１からの検出信号に応じて、高周波電流発生装置１８に制御信号を送信して、加熱コイル１４に供給される高周波電流値を制御することにより、加熱部Ｓの温度を調整する。尚、制御ユニット１７には冷媒供給装置２０及び加圧機構３５も接続されている。

次に、管加工装置１０を用いた、本発明の第１実施形態に係る管加工方法について説明する。

まず、パイプＰの加熱部Ｓを保持位置Ｈ１，Ｈ２の間に挟むようにして、チャック１１，１２を用いてパイプＰを保持する保持工程を行う。このとき、パイプＰの内側には、予めマンドレル１３が挿入されている。尚、チャック１１，１２を用いて保持したパイプＰの内側にマンドレル１３を挿入してもよい。

次に、加熱部Ｓを加熱する加熱工程を行う。尚、加熱工程以降の工程は、図示しないスタートボタンの押下等により、制御ユニット１７によって実行される。

加熱工程では、高周波電流発生装置１８から高周波電流が加熱コイル１４に供給され、加熱コイル１４による高周波加熱によって、加熱部Ｓが全周に亘って均一に目標温度まで加熱される。そして、加熱部Ｓに隣接する部分は、冷却コイル１９により少なくとも軟化温度未満に冷却されている。

そして、パイプＰを搬送する搬送工程を行う。具体的には、第１搬送機構１５を用いて第１チャック１１を介して、第１の保持位置Ｈ１におけるパイプＰを搬送速度Ｖ１で搬送させるとともに、第２搬送機構１６を用いて第２チャック１２を介して、第２の保持位置Ｈ２におけるパイプＰを搬送速度Ｖ２で搬送させる。このとき、マンドレル１３は、パイプＰとともに搬送される。尚、加熱工程と搬送工程とは同時に行われ、加熱部Ｓは一定の搬送速度Ｖ２で搬送方向に移動する。

搬送速度の差ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）により、保持位置Ｈ１，Ｈ２間の距離が短縮して、その間に位置するパイプＰの軸方向に大きな圧縮力が付与される。このとき、マンドレル１３には軸方向に圧縮力が略付与されない。ここで、加熱部Ｓは軟化温度を超えて加熱されており、容易に変形するようになっている。一方、加熱部Ｓ以外のパイプＰの温度は軟化温度未満であり容易に変形しない。そのため、加熱部Ｓにのみ変形が発生する。

パイプＰの断面形状による特性から、変形は径方向外方に張り出すように発生しやすい。さらに、加熱部Ｓの内側にはマンドレル１３が挿入されており、径方向内方に張り出すように変形することが妨げられる。従って、加熱部Ｓに径方向外方に張り出すような変形が生じる。

そして、一定の搬送速度Ｖ２でパイプＰが引き出されるので、加熱部Ｓも一定の搬送速度Ｖ２で移動する。結果として、パイプＰには、波形状のひだが連続して形成されることになる。

尚、ひだのピッチ及び高さは、パイプＰの材料、形状（内径、肉厚等）、加熱部Ｓの温度、搬送速度Ｖ１，Ｖ２、加熱部Ｓの幅、パイプＰの内圧などのパラメータに応じて変化する。但し、パラメータが同一であれば、ひだの形状は同一になるので、加熱部Ｓの温度及び搬送速度Ｖ１，Ｖ２を一定に維持することにより、同一形状のひだが連続したパイプ、例えばベローズ管を形成することが可能となる。

搬送工程でパイプＰに軸方向の圧縮力が付与されたとき、重力の影響等により保持位置Ｈ１，Ｈ２間のパイプＰの軸線が一直線上に維持されずに、パイプＰに所望しない座屈変形が発生するおそれがある。しかし、内側に挿入したマンドレル１３によってパイプＰを支持している。そのため、パイプＰの支持スパンは、マンドレル１３の先端と保持位置Ｈ２の端との間の距離となり、マンドレル１３を挿入しない場合に比べて短縮化される。これにより、搬送工程でパイプＰに所望しない座屈変形が発生するおそれを低減させることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る管加工装置５０について説明する。

図２を参照して、管加工装置５０は、上述した管加工装置１０と類似するので、異なる部分についてのみ説明する。

管加工装置５０は、本発明の支持手段に相当するものとして、管加工装置１０におけるマンドレル１３の代わりに、ローラ５１（５１ａ及び５１ｂ），５２（５２ａ及び５２ｂ）を備えている。ローラ５１，５２は、第１及び第２の保持位置Ｈ１，Ｈ２間でパイプＰの外周面とそれぞれ当接して、パイプＰを支持し、本発明の外周面当接体に相当する。

ローラ５１，５２は、ステンレス、アルミニウム等の金属や硬質樹脂などからなる樽形状であり、回転自在に軸支されている。そして、ローラ５１，５２は、図示しない弾性機構により、その外周面がパイプＰの外周面に当接されている。

ローラ５１ａ，５１ｂは、第１の保持位置Ｈ１の端部と加熱部Ｓとの間で、パイプＰの外周面に上下方向から当接している。ローラ５２ａ，５２ｂは、第２の保持位置Ｈ２の端部と加熱部Ｓとの間で、パイプＰの外周面に上下方向から当接している。

これにより、パイプＰの支持スパンは、ローラ５１，５２との当接部位間の距離となり、ローラ５１，５２をパイプＰに当接させない場合に比べて短縮化される。これにより、搬送工程でパイプＰに所望しない座屈変形が発生するおそれを低減させることができる。尚、ローラ５１，５２の何れか一方を省略してもよい。

管加工装置５０を用いた管加工方法は、上述した管加工装置１０を用いた管加工方法と同様であるので、その説明は省略する。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、管加工装置１０，５０が加圧機構３５を備える場合について説明した。しかし、加圧機構３５は省略してもよい。

また、管加工装置１０，５０では、パイプＰを水平に搬送する場合について説明した。しかし、パイプＰを垂直又は斜めに搬送するものであってもよい。

尚、パイプＰを垂直に搬送する場合、搬送工程での圧縮力の作用方向と重力の作用方向とが同一方向となる。よって、パイプＰに軸方向の圧縮力が付与されたときに、保持位置Ｈ１，Ｈ２間のパイプＰの軸線が一直線上に維持されずに、パイプＰに所望しない座屈変形が発生するおそれが低減される。しかし、それでもパイプＰの支持スパンが長いと、パイプＰに所望しない座屈変形が発生するおそれがある。よって、マンドレル１３又はローラ５１，５２を用いて支持スパンを短縮化させることが必要となる。

また、本発明の管加工方法として、一定の搬送速度Ｖ１，Ｖ２でパイプＰを搬送して、パイプＰの軸方向に一定の圧縮力を付与し続けることにより、ひだを連続的に形成する場合について説明した。しかし、これに限定されず、保持位置Ｈ１，Ｈ２間のパイプＰに軸方向の圧縮力を付与して、加熱部Ｓに波形状のひだを形成するものであればよい。

例えば、第１の把持位置Ｈ１を停止させた状態で、第２の搬送機構１６を用いて第２チャック１２を図１又は図２の左方向に移動させてパイプＰを押し込むことにより、保持位置Ｈ１，Ｈ２間のパイプＰに軸方向の圧縮力を付与して、加熱部Ｓにひだを形成してもよい。さらに、その後、第１及び第２搬送機構１５，１６を用いて第１チャック１１及び第２チャック１２を同一速度で移動させて、加熱部Ｓの位置を変更することにより、連続的に又は離散的にひだを形成することができる。

このように、管加工装置１０，５０は、搬送速度Ｖ１，Ｖ２、加熱部Ｓの温度及びパイプＰの内圧等を制御ユニット１７で制御することにより、パイプＰにひだを逐次的に形成することができ、加工自由度が非常に高い。

１０，５０…管加工装置、 １１…第１チャック（第１の保持手段）、 １２…第２チャック（第２の保持手段）、 １３…マンドレル（支持手段、挿入体）、 １４…加熱コイル（加熱手段） １５…第１搬送機構（圧縮力付与手段）、 １６…第２搬送機構（圧縮力付与手段）、 １７…制御ユニット、 ３５…加圧機構（加圧手段）、 ５１，５２…ローラ（支持手段、外周面当接体）、 Ｈ１…第１の保持位置、 Ｈ２…第２の保持位置、 Ｐ…パイプ（管状部材）、 Ｓ…加熱部。

Claims (5)

1. 管状部材を変形させて波形状のひだを形成する管加工装置であって、
   前記管状部材の加熱部を加熱する加熱手段と、
   軸方向において前記加熱部を間に挟むように第１及び第２の保持位置で前記管状部材をそれぞれ保持する第１及び第２の保持手段と、
   前記第１及び第２の保持位置間で前記管状部材と当接して、該管状部材を支持する支持手段と、
   前記第１及び第２の保持位置間の距離を短縮させて、前記第１及び第２の保持位置間における前記管状部材の軸方向に圧縮力を付与する圧縮力付与手段とを備え、
   前記管状部材において前記加熱部を連続的に移動させながら、前記圧縮力付与手段は圧縮力を付与することを特徴とする管加工装置。
2. 前記支持手段は、前記管状部材の内側に挿入され、該管状部材の内周面に当接する挿入体であることを特徴とする請求項１に記載の管加工装置。
3. 前記支持手段は、前記管状部材の外周面に当接する外周面当接体であることを特徴とする請求項１に記載の管加工装置。
4. 前記管状部材の内部を加圧する加圧手段を備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の管加工装置。
5. 管状部材を変形させて波形状のひだを形成する管加工方法であって、
   軸方向において加熱手段により加熱される加熱部を間に挟むように第１及び第２の保持位置で前記管状部材をそれぞれ保持するとともに、前記第１及び第２の保持位置間で前記管状部材に支持手段を当接させて、該管状部材を支持し、
   前記加熱手段より前記加熱部を加熱しつつ、前記管状部材において前記加熱部を連続的に移動させながら、前記第１及び第２の保持位置間の距離を短縮させて、前記第１及び第２の保持位置間における前記管状部材の軸方向に圧縮力を付与することを特徴する管加工方法。

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