JP4899227B2 - 管加工装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、管加工装置及び方法、特に管状部材に形成されたひだ形状を変形可能な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、波形状のひだを連続的に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、波形状のひだを連続的に有する管状部材のひだ形状を変形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、管状部材の加熱部を加熱する加熱手段と、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、前記管状部材を軸方向に搬送する搬送手段と、前記搬送手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記管状部材に予め連続形成された波形状のひだのピッチの2倍の距離ずつ当該管状部材を搬送させるように前記搬送手段を制御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、管状部材に連続形成された波形状のひだの谷を加熱部として加熱手段で加熱しながら、圧縮力付与手段により管状部材の軸方向に圧縮力を付与すると、当該ひだの谷を径方向外方に張り出すように変形させることが可能となる。これにより、当該谷を中心とした2つのひだが1つのひだとなり、そのひだ高さは元のひだのひだ高さよりも高くなる。
そして、搬送手段は、制御手段に制御されて、管状部材に連続形成された波形状のひだのピッチの2倍の距離ずつ当該管状部材を搬送させる。これにより、ひだの谷を1つおきに連続して変形させることが可能となる。
以上により、金型を用いることなく、ベローズ管など、波形状のひだを連続的に有する管状部材のひだ形状を変形させることができる。そして、金型を用いないので、変形コストを削減することが可能となる。
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、加圧手段が管状部材の内部を加圧することにより、管状部材の径方向内方への変形が抑制させると共に、径方向外方への変形が助力される。従って、圧縮力付与手段により管状部材の軸方向に圧縮力を付与したとき、加熱部に位置するひだの谷を確実に径方向外方に張り出すように変形させることが可能となる。
本発明の管加工方法は、予め波形状のひだが連続形成された管状部材における前記ひだの谷の中心を中心として前記ひだのピッチの0.9倍〜1.5倍の長さの範囲を加熱しながら、前記管状部材の軸方向に圧縮力を付与する工程を備えることを特徴する。
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、管状部材に連続形成された波形状のひだの谷を加熱部として加熱手段で加熱しながら、管状部材の軸方向に圧縮力を付与すると、当該ひだの谷を径方向外方に張り出すように変形させることが可能となる。これにより、当該谷を中心とした2つのひだが1つのひだとなり、そのひだ高さは元のひだのひだ高さよりも高くなる。
従って、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管状部材のひだ形状を変形させることができる。そして、金型を用いないので、変形コストを削減することが可能となる。
本発明の管加工方法において、前記ひだのピッチの2倍の距離だけ前記管状部材を軸方向に搬送する工程をさらに備え、前記圧縮力を付与する工程と前記搬送する工程とを交互に行うことが好ましい。
この場合、金型を用いることなく、ベローズ管など、波形状のひだを連続的に有する管状部材のひだ形状を一様に変形させることができる。そして、金型を用いないので、変形コストを削減することが可能となる。
本発明の第1実施形態に係る管加工装置の概念図。 (a)〜(d)は、パイプの加工状態を順に示す部分断面図。 第1実施形態に係る管加工方法を示すフローチャート。 第2成形工程における管加工装置の使用状態を示す概念図。 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)B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。
管加工装置10は、第1チャック11、第2チャック12、加熱コイル13、第1搬送機構14、第2搬送機構15、及び制御ユニット16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。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。
加熱コイル13は、パイプPの加熱部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13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17から高周波電流が供給されると、加熱コイル13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13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13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13に隣接させて冷却コイル18を設けることが好ましい。冷却コイル18は、冷媒供給装置19から水、油等の流体の冷媒が供給されて、加熱コイル13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13のコイル幅及び加熱コイル13と冷却コイル18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20が配設されている。温度センサ20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14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搬送機構14は、本発明の搬送手段に相当する。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14は、第1チャック11に固定されたボールナット部21、ボールナット部21と複数のボール22を介して噛合するボールねじ軸23、ボールねじ軸23に接続され、ボールねじ軸23を回転させるサーボモータ24を備えている。ボールナット部21は、直線運動ガイド機構であるガイド26に案内されて直線動作する。
モータドライバ25を介してサーボモータ24を回転駆動させると、ボールねじ軸23が回転して、ボールナット部21がガイド26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15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から離れるように図1の右方向に搬送する(引き抜く)。第2搬送機構15は、本発明の搬送手段に相当する。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15は、第2チャック12に固定されたボールナット部27、ボールナット部27と複数のボール28を介して噛合するボールねじ軸29、ボールねじ軸29に接続され、ボールねじ軸29を回転させるサーボモータ30を備えている。ボールナット部27は、直線運動ガイド機構であるガイド26に案内されて直線動作する。
モータドライバ31を介してサーボモータ30を回転駆動させると、ボールねじ軸29が回転して、ボールナット部27がガイド26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14,15は、本発明の圧縮力付与手段に相当する。
尚、搬送機構14,15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は加圧機構35を備えている。加圧機構35は、パイプP又はベローズ管Bの内部を加圧するものであり、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又はベローズ管Bの内部に高圧の流体を充填させることにより、パイプP又はベローズ管B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又はベローズ管Bの材質、内径、肉厚、加熱部Sの温度、幅などに応じて、内圧を数気圧から数十気圧程度に高める。
制御ユニット16は、CPU、ROM、RAM、I/O等から構成されており、本発明の制御手段に相当する。制御ユニット16は、モータドライバ25,31を介してサーボモータ24,30に接続されている。各サーボモータ24,30には、それぞれサーボモータ24,30の回転数を検出するエンコーダ32,33が配設されている。
制御ユニット16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24,30の回転数が格納されている。制御ユニット16の記憶部には、搬送速度V1,V2を同一として、連続形成されたひだのピッチの2倍の距離だけパイプPを搬送させる場合に対応するサーボモータ24,30のステップ数が格納されている。
制御ユニット16は、これら回転数又はステップ数を参照し、エンコーダ32,33からの検出信号に応じて、モータドライバ25,31に制御信号を送信して、サーボモータ24,30を制御する。
さらに、制御ユニット16は、高周波電流発生装置17、温度センサ20にも接続されている。制御ユニット16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16は、この目標温度を参照し、温度センサ20からの検出信号に応じて、高周波電流発生装置17に制御信号を送信して、加熱コイル13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16には冷媒供給装置19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、図2(a)に示した内径Dの素管であるパイプPを用いて、図3を参照して、パイプPに波形状のひだを連続させて形成する第1成形工程(S1)を行う。
第1成形工程として、最初に、作業者は、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を用いて素管であるパイプPを保持する保持工程(S1−1)を行う。
次に、加熱部Sを加熱する加熱工程(S1−2)を行う。尚、加熱工程とその後の搬送工程は、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16によって実行される。
加熱工程では、高周波電流発生装置17から高周波電流が加熱コイル13に供給され、加熱コイル13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18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、加熱部Sを目標温度に維持しながら、パイプPを搬送する搬送工程(S1−3)を行う。具体的には、第1搬送機構14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を第1の搬送速度V1で搬送させると共に、第2搬送機構15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を第2の搬送速度V2で搬送させる。
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。
尚、加熱工程(S1−2)と搬送工程(S1−2)を同時に行いながら、加圧機構35を用いてパイプPの内部を加圧する。
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易い。また、加圧機構35によりパイプPの内部が加圧されるので、加熱部Sが径方向外方に張り出し易くなる。従って、加熱部Sに径方向外方に張り出しが生じる。
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ベローズ管Bを形成することが可能となる。
その後、作業者は、チャック11,12によるベローズ管Bの保持を解除する解除工程(S1−4)を行う。これにより、図2(b)に示すように、ピッチw、ひだ高さ(山高さ)h、内径Dのベローズ管Bを得ることができる。このベローズ管Bが、本発明の管状部材に相当する。
次に、図4を参照して、第1成形工程(S1)で得たベローズ管Bを用いて、ひだ高さhを高くさせる第2成形工程(S2)を行う。
第2成形工程として、最初に、作業者は、チャック11,12を用いてベローズ管Bを保持する保持工程(S2−1)を行う。
次に、作業者は、搬送機構14,15を用いてチャック11,12を同一速度で移動させることによりベローズ管Bを搬送させて、ひだの谷を加熱部Sの中心に位置させる初期位置設定工程(S2−2)を行う。
次に、加熱部Sを加熱する加熱工程(S2−3)を行う。尚、加熱工程からその後の搬送工程は、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16によって実行される。
加熱工程では、高周波電流発生装置17から高周波電流が加熱コイル13に供給され、加熱コイル13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18により少なくとも軟化温度未満に冷却されている。尚、加熱部Sの幅は、ベローズ管Bの材質、内径、肉厚、加熱部Sの温度などに応じて定められ、ひだのピッチwの0.9〜1.5倍の長さ程度である。
そして、加熱部Sを目標温度に維持しながら、ベローズ管Bの軸方向に圧縮力を付与する圧縮力付与工程(S2−4)を行う。具体的には、第1チャック11を固定して、第1の保持位置H1にてベローズ管Bを保持すると共に、第2搬送機構15を用いて第2チャック12を介して、第2の保持位置H2におけるベローズ管Bを図1の左方向に距離Δt移動させる。
尚、加熱工程(S2−3)と圧縮力付与工程(S2−4)を同時に行いながら、加圧機構35を用いてベローズ管Bの内部を加圧する。
これにより、保持位置H1,H2間の距離がΔt短縮して、その間に位置するベローズ管Bの軸方向に大きな圧縮力が付与される。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以外のベローズ管B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だけで変形が発生する。
ベローズ管B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易い。また、加圧機構35によりベローズ管Bの内部が加圧されるので、径方向外方に変形することが助力される。従って、加熱部Sに径方向外方に張り出しが生じ、谷が反転して山となって、図2(c)に示すように、ひだの高さがh´となり、元のひだの高さよりも高くなる(h´>h)。そして、ひだのピッチはw´となり、元のひだのピッチwよりも長くなる(w´>w)。
そして、成形が終了した否かを判断する(S2−5)。具体的には、ベローズ管Bの所定範囲のひだを全て変形させた場合等に、成形が終了したと判断する。
成形が終了していないと判断した場合(S2−5:NO)、ベローズ管Bを元のひだのピッチwの2倍の距離だけ図1の右方向に搬送させる搬送工程(S2−6)を行う。反転して山となった部分は、ベローズ管Bが搬送されることにより、冷却コイル18によって冷却されて硬化する。
一方、成形が終了したと判断した場合(S2−5:YES)、作業者は、チャック11,12によるベローズ管Bの保持を解除する解除工程(S2−6)を行う。
このように、加熱工程と圧縮力付与工程とを繰り返すことにより、元のベローズ管Bのひだの谷が1つおきに張り出されて、図2(d)に示すように、ピッチw´、ひだ高さh´、内径Dのベローズ管Bを得ることができる。
第1成形工程のみでは、破壊することなく形成可能なひだ高さhには限界がある。そこで、第2成形工程で、第1成形工程で形成した2つのひだからひだ高さh´の高い1つのひだを形成している。これにより、管加工装置10を用いて多様な形状のひだを連続的に形成することができる。
[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5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、管加工装置10と比較して、さらに、マンドレル51を備えている。
マンドレル51は、軸方向において保持位置H1,H2間でパイプP又はベローズ管Bと当接して、これらを支持する。マンドレル51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及びベローズ管Bの内径Dと同等である。
ここでは、マンドレル51は、パイプP又はベローズ管Bの内側に予め挿入されている。マンドレル51は、パイプP又はベローズ管B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51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51が存在していればよい。例えば、マンドレル51 を第2の保持位置H2側から内側に挿入して、パイプP又はベローズ管B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。
保持工程(S1−1,S2−1)において、マンドレル51を内側に予め挿入したパイプP又はベローズ管Bを、チャック11,12を用いて保持する。尚、チャック11,12を用いて保持したパイプP又はベローズ管Bの内側にマンドレル51を挿入してもよい。
管加工装置50を用いた管加工方法でも、上述した管加工装置10を用いた管加工方法と同様に、図2(d)に示すように、ピッチw´、ひだ高さh´、内径Dのベローズ管Bを得ることができ、管加工装置50を用いて多様な形状のひだを形成することができる。
ところで、搬送工程(S1−3)又は圧縮力付与工程(S2−4)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及びベローズ管Bに所望しない座屈変形が発生するおそれがある。
そこで、管加工装置50では、内側に挿入したマンドレル51によってパイプP及びベローズ管Bを支持している。そのため、パイプP及びベローズ管Bの支持スパンは、マンドレル51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51を挿入しない管加工装置10に比べて短縮化される。これにより、パイプP及びベローズ管B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。
また、ベローズ管Bの内側にマンドレル51が挿入されているので、圧縮力付与工程(S2−4)で、径方向内方に向う変形が発生することが許容されない。そのため、変形が確実に径方向外方に張り出すように生じる。
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。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又はベローズ管B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又はベローズ管Bを垂直又は斜めに搬送するものであってもよい。
また、本発明の管状部材に相当するベローズ管Bを、管加工装置10,50を用いて得る場合について説明した。しかし、市販品等のベローズ管を用いて、第2成形工程(S2)を行うものであってもよい。
また、管加工装置50では、マンドレル51を用いてパイプP又はベローズ管Bを支持していた。しかし、パイプP又はベローズ管Bを支持する手段はマンドレル51に限定されず、保持位置H1,H2間でパイプP又はベローズ管Bと当接して、これらを支持するものであればよい。例えば、これらの外周面に当接するローラを用いてもよい。
10,50…管加工装置、 13…加熱コイル(加熱手段) 14…第1搬送機構(搬送手段、圧縮力付与手段)、 15…第2搬送機構(搬送手段、圧縮力付与手段)、 16…制御ユニット(制御手段)、 35…加圧機構(加圧手段)、 B…ベローズ管(管状部材)、 H1…第1の保持位置、 H2…第2の保持位置、 P…パイプ、 S…加熱部。

Claims (4)

  1. 管状部材の加熱部を加熱する加熱手段と、
    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、
    前記管状部材を軸方向に搬送する搬送手段と、
    前記搬送手段を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記管状部材に予め連続形成された波形状のひだのピッチの2倍の距離ずつ当該管状部材を搬送させるように前記搬送手段を制御することを特徴とする管加工装置。
  2. 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に管加工装置。
  3. 予め波形状のひだが連続形成された管状部材における前記ひだの谷の中心を中心として前記ひだのピッチの0.9倍〜1.5倍の長さの範囲を加熱しながら、前記管状部材の軸方向に圧縮力を付与する工程を備えることを特徴する管加工方法。
  4. 前記ひだのピッチの2倍の距離だけ前記管状部材を軸方向に搬送する工程をさらに備え、前記圧縮力を付与する工程と前記搬送する工程とを交互に行うことを特徴とする請求項3に記載の管加工方法。
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