JP5371909B2

JP5371909B2 - 増肉成形装置及び増肉成形方法

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Publication number: JP5371909B2
Application number: JP2010189202A
Authority: JP
Inventors: 登志美佐藤; 寅喜佐久間
Original assignee: Hitachi Ltd
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Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: JP2012045565A

Description

本発明は、被成形部が熱された金属製の素管に素管軸方向の圧縮力を付与し、素管の内側及び外側にそれぞれ配置された内型及び外型で規制しつつ、被成形部を塑性流動させて増肉成形する増肉成形装置及び増肉成形方法に関する。

従来、鉄骨構造物の支柱の梁材連結部に増肉部を形成するのに採用される増肉成形方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の増肉成形方法は、加熱手段により金属製の素管（管体）の目的とする箇所を加熱する加熱過程と、次いで、素管を素管軸方向（長手方向）に移動させて、素管の加熱箇所を外型（外面規制手段）と内型（内面規制手段）との間に増肉用隙間を生じさせて位置させた後、素管に素管軸方向の圧縮力を付与して加熱箇所に短寸増肉部を成形する圧縮成形過程とからなり、これら加熱過程と圧縮成形過程を複数回繰り返して短寸増肉部を連続して成形することにより、所定長さの部分増肉部を形成するようになっている。

特開２００１−１５００８０号公報

原子力発電用の燃料チャンネルボックス（金属製の角形管）は、現在、肉厚が上下方向（長手方向）に均一となっているが、近年、核分裂の際に発生する中性子を吸収する能力を向上させたり、局部的に剛性を向上たり、寿命を向上させたりすることを目的として、下端部の肉厚を他の部分より厚くすることが望まれつつある。

このような燃料チャンネルボックスの製造方法の一つとしては、例えば、図１１（ａ）で示すように、燃料チャンネルボックスの下端部に相当する肉厚ｔ_１の部材１ａと他の部分に相当する肉厚ｔ_２（但し、ｔ_２＜ｔ_１）の部材１ｂを製作し、その後、図１１（ｂ）で示すように、部材１ａ，１ｂを溶接して接合する方法が考えられる。この製造方法においては、部材１ａ，１ｂにおける溶接部の開先形状を機械加工する必要がある。また、部材１ａ，１ｂにおけるコーナ部や平坦部の合わせが難しく、また溶接による変形も生じるため、段差が発生しやすい。そのため、部材１ａ，１ｂの接合後、段差をなくすために仕上げ加工する必要がある。したがって、工数が多大となる。

そこで、他の製造方法として、上述した特許文献１に記載の増肉成形方法を採用することが考えられる。すなわち、図１２で示すように、加熱手段（図示せず）により素管２の軸方向一方側（図中左側）端部を加熱し、その後、素管２に素管軸方向（図中右方向）の圧縮力を付与し、外型（図示せず）及び内型（図示せず）で規制しつつ素管２の加熱部を塑性流動させて増肉成形する。しかしながら、特許文献１に記載の増肉成形方法には、以下のような課題が存在する。

すなわち、特許文献１に記載の増肉成形方法では、素管を素管軸方向に移動させながら加熱過程と圧縮成形過程とを複数回繰り返して短寸増肉部を連続して成形することにより、所定長さの部分増肉部を形成するようになっている。そのたため、工数が多大となっている。これは、比較的長い部分増肉部を１回の加熱過程及び圧縮成形過程で形成しようとすると、その圧縮成形過程において、まず、素管の加熱部における素管軸方向中心部が変形し、その後、素管の加熱部における素管軸方向中心部と素管軸方向両側端部との中間部がそれぞれ変形し、といった順序で変形する現象、いわゆる座屈現象が発生するためであると考えられる。

本発明は、上記の事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、座屈を防止しつつ、工数を低減することができる増肉成形装置及び増肉成形方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、金属製の素管の内側及び外側にそれぞれ配置された内型及び外型からなり、これら内型及び外型のうちの少なくとも一方が前記素管の被成形部との間に増肉成形のための隙間を形成する金型と、前記素管に素管軸方向の圧縮力を付与する圧縮力付与機構とを備え、前記被成形部が熱された前記素管に前記圧縮力付与機構で素管軸方向の圧縮力を付与し、前記金型で規制しつつ前記被成形部を塑性流動させて増肉成形する増肉成形装置において、前記素管の被成形部における素管軸方向の目標温度分布であって、前記素管の被成形部における素管軸方向中央部の目標温度が前記素管の被成形部における素管軸方向両端側の目標温度より低くなるように予め設定された目標温度分布を記憶する記憶手段と、前記素管の被成形部における素管軸方向の実温度分布を検出する検出手段と、前記素管の被成形部における素管軸方向で区分される複数の領域を個別に加熱可能な加熱手段と、前記素管の被成形部における素管軸方向で区分される複数の領域を個別に冷却可能な冷却手段と、前記素管の被成形部の増肉成形前及び増肉成形時に、前記実温度分布が前記目標温度分布に近づくよう前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する温度制御手段とを備える。

このような本発明においては、温度制御手段は、素管の被成形部の増肉成形前及び増肉成形時に、素管の被成形部における素管軸方向の実温度分布が目標温度分布となるよう、言い換えれば、素管の被成形部における素管軸方向中央部の実温度が素管の被成形部における素管軸方向両端側の実温度より低くなるよう、加熱手段及び前記冷却手段を制御する。これにより、圧縮力付与機構で素管軸方向の圧縮力を素管に付与する際に、熱された素管の被成形部が素管軸方向に比較的長い場合であっても、素管の被成形部における素管軸方向中心部から変形し始めるような座屈現象を防止しつつ、増肉成形することができる。したがって、特許文献１に記載の従来技術と比べ、工数を低減することができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記加熱手段は、前記内型の内部に配置され素管軸方向に移動可能な加熱コイルと、前記加熱コイルを素管軸方向に移動させるコイル移動機構とを有し、前記温度制御手段は、前記加熱コイルに流す電流を可変制御するコイル電流制御手段と、前記加熱コイルの移動位置及び移動速度を制御するコイル移動制御手段とを有する。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記冷却手段は、前記外型の内部に形成され素管軸方向に配列された複数の冷却流路と、前記複数の冷却流路に供給する冷却流体の流量をそれぞれ制御する複数の流量制御弁とを有し、前記温度制御手段は、前記複数の流量制御弁の開閉及び開度をそれぞれ制御するバルブ制御手段を有する。

（４）上記目的を達成するために、本発明は、被成形部が熱された金属製の素管に圧縮力付与機構で素管軸方向の圧縮力を付与し、前記素管の内側及び外側にそれぞれ配置された内型及び外型からなる金型で規制しつつ、前記被成形部を塑性流動させて増肉成形する増肉成形方法において、前記素管の被成形部における素管軸方向の目標温度分布を、前記素管の被成形部における素管軸方向中央部の目標温度が前記素管の被成形部における素管軸方向両端側の目標温度より低くなるように予め設定し、前記素管の被成形部の増肉成形前及び増肉成形時に、前記素管の被成形部における素管軸方向の実温度分布を検出手段で検出し、この実温度分布が前記目標温度分布に近づくよう温度制御手段によって加熱手段及び冷却手段を制御する。

本発明によれば、座屈を防止しつつ、工数を低減することができる。

本発明の一実施形態における増肉成形装置の全体構造を表す断面図であり、素管のセット前の状態を示す。本発明の一実施形態における増肉成形装置の全体構造を表す断面図であり、素管のセット後の状態を示す。本発明の一実施形態における増肉成形装置の全体構造を表す断面図であり、素管の軸方向一方側端部の増肉成形後の状態を示す。図１中断面IV−IVによる断面図であり、テーブルの移動状態を表す。図２及び図３中断面Ｖ−Ｖによる断面図であり、テーブルの移動状態を表す。図１中断面VI−VIによる断面図であり、外型の開状態を表す。図２及び図３中断面VII−VIIによる断面図であり、外型の閉状態を表す。本発明の一実施形態における内型及び外型の断面構造とともに、加熱コイル、冷却流路、及び温度センサなどを表す概略図である。本発明の一実施形態における温度制御のための構成を表すブロック図である。本発明の一実施形態における中央制御装置の内部メモリに予め設定記憶された目標温度分布を一例として表す図である。燃料チャンネルボックスの一つの製造方法として別々の部材を溶接して接合する方法を説明するための図である。燃料チャンネルボックスの他の製造方法として素管の軸方向一方側端部を増肉成形する方法を説明するための図であり、本発明の一実施形態による成形物であって１箇所が増肉成形された素管を表す。本発明の一変形例における成形物であって２箇所が増肉成形された素管を表す。

本発明の一実施形態として、上述した燃料チャンネルボックスを製造するために素管（金属製の角形管）２の軸方向一方側端部を増肉成形する増肉成形装置を例にとり、図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は、本実施形態における増肉成形装置の全体構造を表す断面図であり、図１は素管２のセット前の状態を示し、図２は素管２のセット後の状態を示し、図３は素管２の軸方向一方側（図中左側）端部の増肉成形後の状態を示す。また、図４は、図１中断面IV−IVによる断面図であり、図５は、図２及び図３中断面Ｖ−Ｖによる断面図であり、これら図４及び図５はテーブルの移動状態を表す。図６は、図１中断面ＶＩ−ＶＩによる断面図であり、図７は、図２及び図３中断面VII−VIIによる断面図であり、これら図６及び図７は外型の開閉状態を表す。なお、図１〜図３、図６、及び図７においては、便宜上、外型及び内型等の断面構造の図示を省略している。

これら図１〜図７において、増肉成形装置は、架台３と、この架台３上に設けられたフレーム４と、このフレーム４の内側に設けられた四角筒状のハウジング５と、フレーム４の外側（図１〜図３中左側）に配設され、素管２をフレーム４及びハウジング５内に挿入可能に支持する複数のローラ６と、ハウジング５内に挿入された素管２の内側に配置される四角筒状の内型（芯金型）７と、この内型７の外側に配置された素管２の軸方向他方側（図１〜図３中右側）の部分を固定支持する固定支持機構８と、この固定支持機構８で固定支持された素管２の軸方向一方側（図１〜図３中左側）の部分（言い換えれば、素管２の被成形部及びその近傍）において素管２の外側に配置され、素管周方向に４分割された外型（金型）９ａ〜９ｄと、固定支持機構８で固定支持された素管２の軸方向一方側端面に当接して素管軸方向（図１〜図３中右方向）の圧縮力を付与する圧縮力付与機構１０とを備えている。

フレーム４は、架台３上に載置された横板１１と、この横板１１に立設され、素管２の挿入方向（図１〜図３中左右方向）に離間した縦板１２ａ，１２ｂとで構成されている。フレーム４の縦板１２ａには、ローラ６上の素管２をフレーム４内に挿入するための素管挿入口（開口）１３が形成されている。また、縦板１２ａの内面側には素管挿入口１３を挟んで上下に配置された一対のレール１４ａ，１４ｂが敷設されており、これらレール１４ａ，１４ｂを介しテーブル１５が横方向（図４及び図５中左右方向）にスライド可能に設けられ、このテーブル１５に圧縮力付与機構１０等が設けられている。そして、ローラ６上の素管２をフレーム４及びハウジング５内に挿入する際は、図４で示すようにテーブル１５を図中右側にスライドさせて素管挿入口１３を開放する。一方、ハウジング５内に挿入された素管２を増肉成形する際は、図５で示すようにテーブル１７を図中左側にスライドさせて素管挿入口１３を閉塞するようになっている。

フレーム４の縦板１２ｂには、内型７を交換するために取り出す場合など（詳細には、例えば増肉成形後の素管２を内型７と共に取り出す場合でもよい。）に用いる取出穴１６が形成されており、この取出穴１６に固定具１７を介し内型７が取り付けられている。なお、本実施形態では、素管２の増肉成形時に素管２の内周面を変化させることを目的としていない。そのため、内型７は、素管２の内側に挿入可能な形状としつつ、素管２との隙間を極力小さいものとしている。また、内型２は、例えば増肉成形後の素管２を内型７と共に取り出す場合を想定して、素管２を容易に離脱させやすいように周方向に分割可能な構造としてもよい。

固定支持機構８は、内型７及び素管２に対して上下方向及び左右方向にそれぞれ対をなすように配置された４つのパッド１８ａ〜１８ｄ（但し、図１〜図３中１８ａ及び１８ｂのみ図示）と、ハウジング５の外側に取り付けられ、パッド１８ａ〜１８ｄを素管２の外周面に対して垂直な方向（言い換えれば、素管２の断面方向内側又は外側）にそれぞれ移動させるパッド用シリンダ１９ａ〜１９ｄ（但し、図１〜図３中１９ａ及び１９ｂのみ図示）とを有している。そして、パッド用シリンダ１９ａ〜１９ｄの駆動によって素管２の外周面にパッド１８ａ〜１８ｄを押し付けることにより、素管２の軸方向他方側の部分を固定支持するようになっている。なお、パッド１８ａ〜１８ｄと素管２との摩擦力は、圧縮力付与機構１０が付与する素管軸方向の圧縮力より大きくなるように設定されている。

外型９ａ〜９ｄは、素管周方向に４分割されて上側、下側、左側、右側にそれぞれ配置されており、それらの背面側（言い換えれば、素管断面方向の外側）にはホルダ２０ａ〜２０ｄが取り付けられている。ハウジング５の外側には外型用シリンダ２１ａ〜２１ｄが取り付けられ、それらのロッドがホルダ２０ａ〜２０ｄのそれぞれを貫通して外型９ａ〜９ｄにそれぞれ連結されている。また、ハウジング５の内側にはホルダ２０ａ〜２０ｄの移動方向をガイドする４つのガイド２２が設けられている。このような構成により、外型用シリンダ２１ａは、外型９ａ及びホルダ２０ａを一体として素管断面方向の内側（図６及び図７中下側）又は外側（図６及び図７中上側）に移動させ、外型用シリンダ２１ｂは、外型９ｂ及びホルダ２０ｂを一体として素管断面方向の内側（図６及び図７中上側）又は外側（図６及び図７中下側）に移動させ、外型用シリンダ２１ｃは、外型９ｃ及びホルダ２０ｃを一体として素管断面方向の内側（図６及び図７中右側）又は外側（図６及び図７中左側）に移動させ、外型用シリンダ２１ｄは、外型９ｄ及びホルダ２０ｄを一体として素管断面方向の内側（図６及び図７中左側）又は外側（図６及び図７中右側）に移動させるようになっている。

そして、ハウジング５内に素管２を挿入する際は、図６で示すように外型９ａ〜９ｄ等を素管断面方向の外側に移動させて開状態とする。一方、ハウジング５内に挿入され固定支持機構８で固定支持された素管２を増肉成形する際は、図７で示すように外型９ａ〜９ｄ等を素管断面方向の内側に移動させて閉状態とする。このとき、外型９ａ〜９ｄは、素管２の被成形部との間に増肉成形のための隙間を形成するようになっている。すなわち、本実施形態では、素管２の増肉成形時に素管２の外周面を変化させるようになっている。

ホルダ２０ａ〜２０ｄの縦板１２ａ側（図１〜図３中左側）にはテーパ面（詳細には、テーパ角が例えば５°〜１２°程度のテーパ面）がそれぞれ形成されており、それらのテーパ面とハウジング５の内面との間に略三角柱状の（詳細には、外型用シリンダ２１ａ〜２１ｄのロッドとの干渉を避けるために先端部が二叉となっている）テーパブロック２３ａ〜２３ｄがそれぞれ配置されている。また、テーパブロック２３ａ〜２３ｄを素管軸方向（図中左右方向）に移動させるテーパブロック用シリンダ２４ａ〜２４ｄが設けられている。そして、外型用シリンダ２１ａ〜２１ｄによってホルダ２０ａ〜２０ｄが移動した場合に、テーパブロック用シリンダ２４ａ〜２４ｄは、テーパブロック２３ａ〜２３ｄを移動させてホルダ２０ａ〜２０ｄのテーパ面に当接させる。これにより、テーパブロック２３ａ〜２３ｄ等は、素管１の増肉成形時に外型９ａ〜９ｄ等に生じる反力を素管軸方向から支持するようになっている。

圧縮力付加機構１０は、内型７に干渉することなく素管２の端面全体に当接可能な四角筒状の治具２５と、この治具２５を素管軸方向に移動させる治具用シリンダ２６とで構成されている。そして、治具用シリンダ２６の駆動により、固定支持機構８で固定支持された素管２の軸方向一方側端面に治具２５を当接させて素管軸方向の圧縮力を付与するようになっている。

なお、テーパロック用シリンダ２４ａ〜２４ｃは、フレーム４の縦板１２ａの内面側に設けられており、テーパロック用シリンダ２４ｄ及び治具用シリンダ２６は、上述したテーブル１５に設けられている。そのため、図４で示すようにテーブル１５を図中右側に移動させる際は、テーパブロック用シリンダ２４ｄとテーパブロック２０ａとの連結を取り外すし、図５で示すようにテーブル１５を図中左側に移動させた後は、テーパブロック用シリンダ２４ｄとテーパブロック２０ｄとを連結するようにしている。

図８は、内型７及び外型９ａ，９ｂの断面構造とともに、加熱コイル、冷却流路、及び温度センサなどを表す概略図である。

この図８において、内型７及び固定具１７は略四角筒状に形成されており、それらの内部には、四角形リング状の加熱コイル２７がコイル移動機構２８によって素管軸方向（図中左右方向）に移動可能に設けられている。詳細には、内型７の先端部にプレート２９ａが取り付けられ、固定具１７の基端部にプレート２９ｂが取り付けられており、これらプレート２９ａ，２９ｂ間に移動用ネジ３０が回転可能に支持されている。また、プレート２９ａ，２９ｂ間にはサポートシャフト（図示せず）が連結されている。そして、サポートシャフトが挿通する貫通穴及び移動用ネジ３０が螺合するネジ穴を有する移動ブロック３１が設けられており、この移動ブロック３１に加熱コイル２７が取り付けられている。また、プレート２９ｂ側には、移動用ネジ３０に減速機３２を介して接続されたモータ３３が設けられている。そして、モータ３３の駆動によって移動用ネジ３０が一方側又は他方側に回転すると、移動ブロック３１と共に加熱コイル２７が軸方向一方側（図中左側）又は軸方向他方側（図中右側）に移動するようになっている。

そして、例えば素管２の被成形部に相当する軸方向範囲（詳細には、ほぼ、図中で示された軸方向位置Ａ〜Ｆまでの範囲）を加熱コイル２７が往復することにより、内型７を介し素管２の被成形部全体を加熱するようになっている。また、加熱コイル２７の移動位置や移動速度によって、素管２の被成形部における素管軸方向で区分される複数の領域を個別に加熱可能としている。

なお、加熱コイル２７として高周波誘導加熱コイルを用いる場合は、内型７の材質が磁性体であると素管２と同様に加熱される可能性が高くなるため、内型７の材質を非磁性体（例えばセラミックス等）とする。

外型９ａ〜９ｄの内部には、素管２の被成形部及びその近傍に相当する軸方向範囲を冷却するために、図中で示された軸方向位置Ａ〜Ｈのそれぞれの近傍に対応する第１組の冷却流路３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ（但し、図中では便宜上、外型９ａ内の冷却流路３４ａ及び外型９ｂ内の冷却流路３５ａを示し、外型９ｃ内の冷却流路３６ａ及び外型９ｄ内の冷却流路３７ａを示さず）、第２組の冷却流路３４ｂ，３５ｂ，３６ｂ，３７ｂ（但し、図中では便宜上、外型９ａ内の冷却流路３４ｂ及び外型９ｂ内の冷却流路３５ｂを示し、外型９ｃ内の冷却流路３６ｂ及び外型９ｄ内の冷却流路３７ｂを示さず）、第３組の冷却流路３４ｃ，３５ｃ，３６ｃ，３７ｃ（但し、図中では便宜上、外型９ａ内の冷却流路３４ｃ及び外型９ｂ内の冷却流路３５ｃを示し、外型９ｃ内の冷却流路３６ｃ及び外型９ｄ内の冷却流路３７ｃを示さず）、第４組の冷却流路３４ｄ，３５ｄ，３６ｄ，３７ｄ（但し、図中では便宜上、外型９ａ内の冷却流路３４ｄ及び外型９ｂ内の冷却流路３５ｄを示し、外型９ｃ内の冷却流路３６ｄ及び外型９ｄ内の冷却流路３７ｄを示さず）、第５組の冷却流路３４ｅ，３５ｅ，３６ｅ，３７ｅ（但し、図中では便宜上、外型９ａ内の冷却流路３４ｅ及び外型９ｂ内の冷却流路３５ｅを示し、外型９ｃ内の冷却流路３６ｅ及び外型９ｄ内の冷却流路３７ｅを示さず）、第６組の冷却流路３４ｆ，３５ｆ，３６ｆ，３７ｆ（但し、図中では便宜上、外型９ａ内の冷却流路３４ｆ及び外型９ｂ内の冷却流路３５ｆを示し、外型９ｃ内の冷却流路３６ｆ及び外型９ｄ内の冷却流路３７ｆを示さず）、第７組の冷却流路３４ｇ，３５ｇ，３６ｇ，３７ｇ（但し、図中では便宜上、外型９ａ内の冷却流路３４ｇ及び外型９ｂ内の冷却流路３５ｇを示し、外型９ｃ内の冷却流路３６ｇ及び外型９ｄ内の冷却流路３７ｇを示さず）、第８組の冷却流路３４ｈ，３５ｈ，３６ｈ，３７ｈ（但し、図中では便宜上、外型９ａ内の冷却流路３４ｈ及び外型９ｂ内の冷却流路３５ｈを示し、外型９ｃ内の冷却流路３６ｈ及び外型９ｄ内の冷却流路３７ｈを示さず）が互いに独立するように形成されている。なお、各冷却流路は、各外型の内周面の近傍に内周面に沿って延在する流路を有している。また、詳細を図示しないが、外型９ａ〜９ｄに形成された８組の冷却流路の上流側及び下流側は、ホルダ２０ａ〜２０ｄ内に形成された８組の冷却流路にそれぞれ連通しており、さらにホルダ２０ａ〜２０ｄの移動位置にかかわらず、ケーシング５内に形成された８組の冷却流路にそれぞれ連通するようになっている。

そして、図８で代表的に図示しているように、第８組の冷却流路３４ｈ，３５ｈ，３６ｈ，３７ｈにそれぞれ供給する冷却流体を分流させる流路分岐点の上流側には流量制御弁３８ｈが設けられ、この流量制御弁３８ｈの開閉及び開度によって第８組の冷却流路３４ｈ，３５ｈ，３６ｈ，３７ｈに供給する冷却流体の流量を制御可能とし、これによって図中で示された軸方向位置Ｈの近傍の冷却量を制御可能としている。同様に、第１組〜第７組の冷却流路に対しても流量制御弁３８ａ〜３８ｇ（但し、図８では図示せず）がそれぞれ設けられ、これらの流量制御弁３８ａ〜３８ｇの開閉及び開度によって各組の冷却流路に供給する冷却流体の流量を制御可能とし、これによって図中で示された軸方向位置Ａ〜Ｇのそれぞれの近傍の冷却量を制御可能としている。したがって、素管２の被形成部及びその近傍における素管軸方向で区分される複数の領域を個別に冷却可能としている。

また、外型９ａ，９ｂの内周面には例えば８組の温度センサ３９ａ，４０ａ〜３９ｈ，４０ｈが露出して設けられており、素管２の被成形部及びその近傍における素管軸方向の実温度分布（詳細には、前述の図８で示された軸方向位置Ａ〜Ｈのそれぞれの実温度）を間接的に検出するようになっている。そして、素管２の被成形部の増肉成形前及び増肉成形時に、８組の温度センサ３９ａ，４０ａ〜３９ｈ，４０ｈの検出結果に基づき、素管２の被成形部及びその近傍の温度を制御する温度制御装置４１が設けられている。図９は、温度制御装置４１の機能的構成を表すブロック図である。

この図９において、加熱コイル２７に流す電流を制御するコイル電流制御部４２と、モータ３３を制御して加熱コイル２７の移動位置及び移動速度を制御するコイル移動制御部４３と、冷却流量弁３８ａ〜３８ｈの開閉及び開度を制御するバルブ制御部４４と、素管２の被成形部における素管軸方向の目標温度分布（詳細には、前述の図８で示された軸方向位置Ａ〜Ｈのそれぞれの目標温度）を予め設定記憶する記憶部４５と、コイル電流制御部４２、コイル移動制御部４３、及びバルブ制御部４４を統括して制御する中央制御部４６とを備えている。

記憶部４５には、例えば図１０で示すような目標温度分布が予め設定記憶されている。詳細には、素管２の被成形部における素管軸方向両端側（言い換えれば、軸方向位置Ａ，Ｅ）の目標温度が２００℃であり、素管２の被成形部における素管軸方向中央部（言い換えれば、軸方向位置Ｃ）の目標温度が１５０℃であって前述した２００℃より小さくなるように設定されている。

中央制御部４６は、温度センサ３９ａ，４０ａ〜３９ｈ，４０ｈの検出信号を入力しており、軸方向位置Ａ〜Ｈのそれぞれの実温度として、対応する温度センサの検出値の平均値を演算するようになっている。具体的には、軸方向位置ａの実温度として温度センサ３９ａ，４０ａの検出値の平均値を演算し、軸方向位置ｂの実温度として温度センサ３９ｂ，４０ｂの検出値の平均値を演算し、軸方向位置ｃの実温度として温度センサ３９ｃ，４０ｃの検出値の平均値を演算し、軸方向位置ｄの実温度として温度センサ３９ｄ，４０ｄの検出値の平均値を演算し、軸方向位置ｅの実温度として温度センサ３９ｅ，４０ｅの検出値の平均値を演算し、軸方向位置ｆの実温度として温度センサ３９ｆ，４０ｆの検出値の平均値を演算し、軸方向位置ｇの実温度として温度センサ３９ｇ，４０ｇの検出値の平均値を演算し、軸方向位置ｈの実温度として温度センサ３９ｈ，４０ｆの検出値の平均値を演算する。そして、各軸方向位置の実温度が対応する目標温度に近づくように各軸方向位置の加熱量又は冷却量を演算し、この演算結果に基づいて生成した指令をコイル電流制御部４２、コイル移動制御部４３、及びバルブ制御部４４へ出力するようになっている。その詳細を以下説明する。

中央制御部４６は、各軸方向位置の加熱量として、各軸方向位置の実温度が対応する目標温度より小さい場合はそれらの差分を演算し、各軸方向位置の実温度が対応する目標温度以上である場合はゼロとする。そして、全ての軸方向位置の加熱量のうちの最小値を選択し、この最小値に応じて加熱コイル２７に流す電流値を演算する。また、前述した加熱量の最小値と各軸方向位置の加熱量との差分も演算し、これに応じて各軸方向位置における加熱コイル２７の通過速度（若しくは、滞在時間）を演算する。すなわち、加熱量の差分が大きくなるに従って加熱コイル２７の通過速度が遅く（若しくは、滞在時間が長く）なるように演算する。そして、このようにして演算された各軸方向位置における加熱コイル２７の通過速度（若しくは、滞在時間）に基づき、加熱コイル２７の移動パターンを設定する。

中央制御部４６は、コイル電流制御部４１への指令として、上述のように演算した加熱コイル２７の電流値を出力する。これにより、コイル電流制御部４１は、中央制御部４６から指令された電流値となるように、加熱コイル２７の電流値を制御する。また、中央制御部４６は、コイル移動制御部４２への指令として、上述のように設定した加熱コイル２７の移動パターンを出力する。これにより、コイル移動制御部４２は、中央制御部から指令された移動パターンとなるように、モータを制御して加熱コイルの移動パターンを制御する。これにより、各軸方向位置の加熱量が制御されるようになっている。

また、中央制御部は、各軸方向位置の冷却量として、各軸方向位置の実温度が対応する目標温度より大きい場合はそれらの差分を演算し、各軸方向位置の実温度が対応する目標温度以下である場合はゼロとする。そして、バルブ制御部への指令として、各軸方向位置の冷却量を出力する。これにより、バルブ制御部は、例えばある軸方向位置の冷却量がゼロである場合、これに対応する流量制御弁を閉じ状態に制御する。また、例えばある軸方向位置の冷却量がゼロでない場合、これに対応する流量制御弁を開き状態とし、その開度を冷却量の増加に応じて増加させるように制御する。これにより、各軸方向位置の冷却量が制御されるようになっている。

次に、本実施形態の動作及び作用効果を説明する。

まず、前述の図１で示すように、ローラ６上に素管２を配置する。また、パッド用シリンダ１９ａ〜１９ｄによってパッド１８ａ〜１８ｄを素管断面方向の外側に移動させておく。また、テーパブロック用シリンダ２４ａ〜２４ｄによってテーパブロック２３ａ〜２３ｄをフレーム４の縦板１２ａ側に移動させ、外型用シリンダ２１ａ〜２１ｄによって外型９ａ〜９ｄを素管断面方向の外側に移動させておく。また、テーパブロック用シリンダ２４ｄとテーパブロック２３ｄとの連結を取り外した後、フレーム４の縦板１２ａの素管挿入口１３を開放するようにテーブル１５を移動させておく。

そして、前述の図２で示すように、ローラ６上の素管２を素管挿入口１３からフレーム４及びハウジング５内に挿入し、素管２を内型７の外側に配置する。その後、パッド用シリンダ１９ａ〜１９ｄによってパッド１８ａ〜１８ｄを素管断面方向の内側に移動させ、パッド１８ａ〜１８ｄを素管２の外周面に押し付けることにより、素管２の軸方向他方側の部分を固定支持する。また、フレーム４の縦板１２ａの素管挿入口１３を閉塞するようにテーブル１５を移動させた後、テーパブロック用シリンダ２４ｄとテーパブロック２３ｄとを連結する。その後、外型用シリンダ２１ａ〜２１ｄによって外型９ａ〜９ｄを素管断面方向の内側に移動させ、素管２の被成形部と外型９ａ〜９ｄとの間に増肉成形のための隙間を形成する。その後、テーパブロック用シリンダ２４ａ〜２４ｄによってテーパブロック２３ａ〜２３ｄを移動させてホルダ２０ａ〜２０ｄのテーパ面に当接させる。

そして、温度制御装置４１は、加熱コイル２７に電流を流すとともに、素管２の被成形部に相当する軸方向範囲（詳細には、前述の図８で示された軸方向位置Ａ〜Ｆの範囲）で加熱コイル２７を往復させて、素管２の被成形部全体を加熱する。このとき、温度制御装置４１は、素管２の被成形部における素管軸方向中央部の目標温度が素管の被成形部における素管軸方向両端側の目標温度より低くなるように予め設定された目標温度分布（前述の図１０参照）を予め設定記憶しており、温度センサ３９ａ，４０ａ〜３９ｈ，４０ｈで検出された素管２の被成形部及びその近傍における素管軸方向の実温度分布が前述した目標温度分布となるよう制御する。詳細には、加熱コイル２７の電流、移動位置、及び移動速度を制御して各軸方向位置の加熱量を制御する。また、例えばある軸方向位置の実温度が対応する目標温度より大きくなれば、対応する流量制御弁を開き状態とし、その開度を制御して冷却量を制御する。これにより、素管２の被成形部及びその近傍における素管軸方向の実温度分布が前述した目標温度分布となり、言い換えれば、素管２の被成形部における素管軸方向中央部の実温度が素管の被成形部における素管軸方向両端側の実温度より低くなる。

そして、前述の図３で示すように、治具用シリンダ２６の駆動により、素管２の軸方向一方側端面に治具２５を当接させて素管軸方向の圧縮力を付与する。これにより、素管の被成形部を内型及び外型で規制しつつ塑性流動させて増肉成形することができる。なお、この増肉成形時においても、温度制御装置４１は、素管２の被成形部及びその近傍における素管軸方向の実温度分布が前述した目標温度分布となるよう制御する。

このように本発明においては、温度制御装置４１は、素管２の被成形部の増肉成形前及び増肉成形時に、素管２の被成形部における素管軸方向中央部の実温度が素管２の被成形部における素管軸方向両端側の実温度より低くなるよう制御する。これにより、素管軸方向の圧縮力を素管２に付与する際に、熱された素管２の被成形部が素管軸方向に比較的長い場合であっても、素管２の被成形部における素管軸方向中心部から変形し始めるような座屈現象を防止しつつ、増肉成形することができる。したがって、特許文献１に記載の従来技術と比べ、工数を低減することができる。

なお、上記一実施形態においては、素管２の被成形部における素管軸方向の実温度分布（詳細には、前述の図８で示された軸方向位置Ａ〜Ｈのそれぞれの実温度）を検出する検出手段として、２つの外型９ａ，９ｂに温度センサ３９ａ〜３９ｈ，４０ａ〜４０ｈをそれぞれ設けて２つ１組とし、各組の温度センサの検出値の平均値を演算する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、４つの外型９ａ〜９ｄのうちのいずれに温度センサを設けてもよく、３つや４つで１組としてもよいし、１つだけとして平均値を演算しないようにしてもよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、下端部の肉厚を他の部分より厚くする燃料チャンネルボックスを製造することを目的とした増肉成形装置を例にとって説明したが、これに限られず、他の部材を製造することを目的とした増肉成形装置に適用してもよい。すなわち、素管は、角形管に限られず、例えば円形管としてもよい。また、素管の被成形部は、軸方向一方側端部に限られず、例えば軸方向中央部などでもよいし、１箇所でなく複数の箇所でもよい（図１３参照）。なお、図１３で示すように２箇所を増肉成形する場合は、第１箇所の温度制御→第１箇所の増肉成形→第２箇所の温度制御→第２箇所の増肉成形のように、順次行えばよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、外型９ａ〜９ｄと素管２の被成形部との間に増肉成形のための隙間を形成するような構成を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、内型と素管２の被成形部との間に増肉成形のための隙間を形成するような構成としてもよい。また、例えば、複数の箇所を増肉成形する場合に、第１箇所の増肉成形のための隙間を外型と素管との間に形成し、第２箇所の増肉成形のための隙間を内型と素管との間に形成するような構成としてもよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

７内型
９ａ〜９ｄ外型
１０圧縮力付与機構
２７加熱コイル（加熱手段）
２８コイル移動機構（加熱手段）
３４ａ〜３４ｈ冷却流路（冷却手段）
３５ａ〜３５ｈ冷却流路（冷却手段）
３６ａ〜３６ｈ冷却流路（冷却手段）
３７ａ〜３７ｈ冷却流路（冷却手段）
３８ａ〜３８ｈ流量制御弁（冷却手段）
３９ａ〜３９ｈ温度センサ（検出手段）
４０ａ〜４０ｈ温度センサ（検出手段）
４１温度制御装置（温度制御手段）
４２コイル電流制御部（コイル電流制御手段）
４３コイル移動制御部（コイル移動制御手段）
４４バルブ制御部（バルブ制御手段）
４５記憶部（記憶手段）

Claims

金属製の素管の内側及び外側にそれぞれ配置された内型及び外型からなり、これら内型及び外型のうちの少なくとも一方が前記素管の被成形部との間に増肉成形のための隙間を形成する金型と、
前記素管に素管軸方向の圧縮力を付与する圧縮力付与機構とを備え、
前記被成形部が熱された前記素管に前記圧縮力付与機構で素管軸方向の圧縮力を付与し、前記金型で規制しつつ前記被成形部を塑性流動させて増肉成形する増肉成形装置において、
前記素管の被成形部における素管軸方向の目標温度分布であって、前記素管の被成形部における素管軸方向中央部の目標温度が前記素管の被成形部における素管軸方向両端側の目標温度より低くなるように予め設定された目標温度分布を記憶する記憶手段と、
前記素管の被成形部における素管軸方向の実温度分布を検出する検出手段と、
前記素管の被成形部における素管軸方向で区分される複数の領域を個別に加熱可能な加熱手段と、
前記素管の被成形部における素管軸方向で区分される複数の領域を個別に冷却可能な冷却手段と、
前記素管の被成形部の増肉成形前及び増肉成形時に、前記実温度分布が前記目標温度分布に近づくよう前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する温度制御手段とを備えたことを特徴とする増肉成形装置。
請求項１記載の増肉成形装置において、
前記加熱手段は、
前記内型の内部に配置され素管軸方向に移動可能な加熱コイルと、
前記加熱コイルを素管軸方向に移動させるコイル移動機構とを有し、
前記温度制御手段は、
前記加熱コイルに流す電流を可変制御するコイル電流制御手段と、
前記加熱コイルの移動位置及び移動速度を制御するコイル移動制御手段とを有することを特徴とする増肉成形装置。
請求項１又は２記載の増肉成形装置において、
前記冷却手段は、
前記外型の内部に形成され素管軸方向に配列された複数の冷却流路と、
前記複数の冷却流路に供給する冷却流体の流量をそれぞれ制御する複数の流量制御弁とを有し、
前記温度制御手段は、
前記複数の流量制御弁の開閉及び開度をそれぞれ制御するバルブ制御手段を有することを特徴とする増肉成形装置。
被成形部が熱された金属製の素管に圧縮力付与機構で素管軸方向の圧縮力を付与し、前記素管の内側及び外側にそれぞれ配置された内型及び外型からなる金型で規制しつつ、前記被成形部を塑性流動させて増肉成形する増肉成形方法において、
前記素管の被成形部における素管軸方向の目標温度分布を、前記素管の被成形部における素管軸方向中央部の目標温度が前記素管の被成形部における素管軸方向両端側の目標温度より低くなるように予め設定し、
前記素管の被成形部の増肉成形前及び増肉成形時に、前記素管の被成形部における素管軸方向の実温度分布を検出手段で検出し、この実温度分布が前記目標温度分布に近づくよう温度制御手段によって加熱手段及び冷却手段を制御することを特徴とする増肉成形方法。