JP5469354B2

JP5469354B2 - 管加工装置及び管加工方法

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Publication number: JP5469354B2
Application number: JP2009063138A
Authority: JP
Inventors: 真鍋　　健一; 剛古島
Original assignee: Tokyo Metropolitan University
Current assignee: Tokyo Metropolitan University
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: JP2010214406A

Description

本発明は、管加工装置及び管加工方法に関するものである。

従来、金属製の管材料としてのパイプを加工し、所定の厚さ、すなわち、肉厚を有する管部材を成形するための管加工方法として、据込み加工方法が提供されている。該据込み加工方法においては、パイプを、金型装置の内側型部材と外側型部材との間に形成されるキャビティ内に、キャビティの内周面との間に所定の隙（すき）間を置いてセットし、両端から押圧することによって、肉厚を大きくするようにしている。

ところが、前記据込み加工方法においては、管部材の仕様、例えば、外径及び肉厚に対応させて前記隙間を設定する必要があり、仕様の異なる各種の管部材を成形しようとすると、各管部材に適した金型装置に交換する必要があり、その結果、管加工装置のコストが高くなってしまう。

そこで、パイプの外周に環状のコイルを配設し、パイプを両端から押圧しながら前記コイルを軸方向において移動させ、コイルの内側に形成される環状の被加熱部分を加熱することによって、パイプの肉厚を大きくするようにした管加工方法が提供されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭５９−３０４４４号公報

しかしながら、前記従来の管加工方法においては、環状の被加熱部分全体が同時に加熱され、柔らかくされるので、パイプの肉厚が小さい場合、座屈変形が発生し、均一な肉厚を得ることができなくなり、管部材の品質が低下してしまう。

本発明は、前記従来の管加工方法の問題点を解決して、金型装置を使用することなく管材料の肉厚を大きくすることができ、管部材の品質を向上させることができる管加工装置及び管加工方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の管加工装置においては、金属製の管材料の搬送方向における上流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第１の把持部材と、前記管材料の搬送方向における下流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第２の把持部材と、前記第１、第２の把持部材間に設定された管材料の加工領域の所定の箇所に配設された支持部材と、該支持部材を回転させるための加熱用の駆動部と、前記支持部材の円周方向における所定の箇所に配設され、支持部材の回転に伴って、管材料における環状の被加熱部分を円周方向において順次加熱するレーザ装置と、前記支持部材の所定の箇所に配設され、前記管材料に向けて冷却媒体を噴射し、前記被加熱部分において、レーザ装置と対向する部分と対向しない部分とで温度差を形成する冷却装置と、前記第１の把持部材の移動速度を前記第２の把持部材の移動速度より高くし、前記被加熱部分に厚肉部を形成する加工処理手段とを有する。

本発明によれば、管加工装置においては、金属製の管材料の搬送方向における上流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第１の把持部材と、前記管材料の搬送方向における下流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第２の把持部材と、前記第１、第２の把持部材間に設定された管材料の加工領域の所定の箇所に配設された支持部材と、該支持部材を回転させるための加熱用の駆動部と、前記支持部材の円周方向における所定の箇所に配設され、支持部材の回転に伴って、管材料における環状の被加熱部分を円周方向において順次加熱するレーザ装置と、前記支持部材の所定の箇所に配設され、前記管材料に向けて冷却媒体を噴射し、前記被加熱部分において、レーザ装置と対向する部分と対向しない部分とで温度差を形成する冷却装置と、前記第１の把持部材の移動速度を前記第２の把持部材の移動速度より高くし、前記被加熱部分に厚肉部を形成する加工処理手段とを有する。

この場合、支持部材の円周方向における所定の箇所に配設されたレーザ装置によって、管材料における環状の被加熱部分が円周方向において順次加熱され、第１の把持部材の移動速度が第２の把持部材の移動速度より高くされる。したがって、金型装置を使用することなく管材料の肉厚を大きくすることができるだけでなく、座屈変形が発生することがなく、均一な肉厚を得ることができる。その結果、管部材の品質を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態における管加工装置の概念図である。本発明の第１の実施の形態における管加工装置の制御ブロック図である。本発明の第２の実施の形態における管加工装置の概念図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における管加工装置の概念図、図２は本発明の第１の実施の形態における管加工装置の制御ブロック図である。

図１において、１１は矢印Ａ方向に搬送される金属製の管材料としてのパイプ、１２は、該パイプ１１の搬送方向における上流側において移動自在に配設され、パイプ１１を把持する第１の把持部材としてのチャック、１３は、前記パイプ１１の搬送方向におけるチャック１２より下流側において、前記チャック１２とは独立させて移動自在に配設され、パイプ１１を把持する第２の把持部材としてのチャック、１５は前記各チャック１２、１３を案内する案内部材としてのバー、１８は前記チャック１２を矢印Ａ方向に移動させる第１の移動機構、１９は前記チャック１３を矢印Ａ方向に移動させる第２の移動機構である。

本実施の形態においては、パイプ１１として、所定の長さを有するパイプが使用されるが、一端が図示されない繰出機に、他端が図示されない巻取機に巻装された長尺のパイプを使用することもできる。

前記各チャック１２、１３は、パイプ１１を包囲する構造を有し、パイプ１１を所定の把持力で把持し、パイプ１１において、チャック１２によって把持される第１の把持位置、及びチャック１３によって把持される第２の把持位置が設定され、第１、第２の把持位置間にパイプ１１の加工領域が設定される。そして、該加工領域においてパイプ１１が加工され、肉厚が大きくされることによって厚肉部２０が形成される。

そのために、前記加工領域における所定の箇所に、パイプ１１と対向させて、加熱体としてのレーザ装置１４が円周方向において移動自在に配設される。該レーザ装置１４は、支持部材としての環状のギヤ５０の内周面において、円周方向における所定の箇所に取り付けられる。また、前記ギヤ５０とギヤ１６とが噛（し）合させられ、該ギヤ１６に加熱用の駆動部としてのモータ１７が出力軸を介して連結される。したがって、前記モータ１７を駆動すると、ギヤ１６が回転させられ、それに伴ってギヤ５０が回転させられ、その結果、レーザ装置１４が円周方向に移動させられる。

そして、前記パイプ１１における前記ギヤ５０と対向する部分に環状の被加熱部分が形成され、前記レーザ装置１４の移動に伴って、前記被加熱部分は円周方向において順次加熱される。

また、前記ギヤ５０には、前記被加熱部分に対向させて、かつ、レーザ装置１４に隣接させて、被加熱部分の温度を検出するための温度検出器としての非接触式の温度センサ４０が取り付けられ、レーザ装置１４と共に移動させられる。

なお、前記ギヤ５０の所定の箇所に、パイプ１１の被加熱部分において、レーザ装置１４と対向する部分と対向しない部分とで温度差を形成するために、図示されない冷却装置を配設することができる。その場合、該冷却装置から冷却媒体としての水、空気等が被加熱部分に向けて噴射され、レーザ装置１４と対向しない部分が冷却される。

本実施の形態においては、レーザ装置１４によって発生させられたレーザ光を前記被加熱部分に照射することにより、被加熱部分を局部的に加熱するようになっているが、コイルに高周波電流を供給することによって、被加熱部分を局部的に加熱したり、ヒータに電流を供給することによって、被加熱部分を局部的に加熱したりすることもできる。この場合、コイル、ヒータ等として、スポット加熱に適した形状のものが使用される。

また、本実施の形態においては、一つのレーザ装置１４が使用されるようになっているが、複数のレーザ装置を使用することができる。その場合、パイプ１１は円周方向における複数箇所で加熱される。

なお、複数のレーザ装置を使用する場合、各レーザ装置を円周方向に移動させたり、移動させることなく、所定の箇所に固定することができる。各レーザ装置を固定する場合、後述される座屈変形が発生する座屈モードが、軸対称座屈モードから非軸対称座屈モードに変更されるので、耐座屈荷重が大きくなり、肉厚をその分大きくすることができるようになるが、円周方向において肉厚が均一でなくなり、ばらつきが生じてしまう。したがって、各レーザ装置を円周方向に移動させるのが好ましい。

前記第１の移動機構１８は、チャック１２を支持する支持部２１、該支持部２１に取り付けられた図示されないボールナット、該ボールナットと噛合させられるボールねじ軸２２、該ボールねじ軸２２と連結された第１の移動用の駆動部としてのモータ２３等を備える。該モータ２３を駆動することによってボールねじ軸２２を回転させると、支持部２１がバー１５に沿って矢印Ａ方向に移動させられる。そのために、前記支持部２１には、バー１５を貫通させて配設するための図示されないガイド穴が形成される。なお、前記ボールナット及びボールねじ軸２２によって運動方向変換部としてのボールねじが構成され、ボールねじ軸２２の回転運動がボールナットの直進運動に変換される。そして、ボールナットによって第１の変換要素が、ボールねじ軸２２によって第２の変換要素が構成される。

また、前記第２の移動機構１９は、チャック１３を支持する支持部２５、該支持部２５に取り付けられた図示されないボールナット、該ボールナットと噛合させられるボールねじ軸２６、該ボールねじ軸２６と連結された第２の移動用の駆動部としてのモータ２７等を備える。該モータ２７を駆動することによってボールねじ軸２６を回転させると、支持部２５がバー１５に沿って矢印Ａ方向に移動させられる。そのために、前記支持部２５には、バー１５を貫通させて配設するための図示されないガイド穴が形成される。なお、前記ボールナット及びボールねじ軸２６によって運動方向変換部材としてのボールねじが構成され、ボールねじ軸２６の回転運動がボールナットの直進運動に変換される。そして、ボールナットによって第１の変換要素が、ボールねじ軸２６によって第２の変換要素が構成される。

本実施の形態においては、第１、第２の移動機構１８、１９における第１、第２の駆動部としてモータ２３、２７が配設されるようになっているが、モータ２３、２７に代えて、油圧シリンダを使用することもできる。その場合、油圧シリンダのピストンに前記支持部２１、２５が取り付けられる。

次に、管加工装置の制御装置について説明する。

図２において、３０は制御部であり、該制御部３０は、モータドライバ３１を介して前記モータ１７、２３、２７と接続される。各モータ１７、２３、２７には、それぞれモータ１７、２３、２７の回転速度を検出するための回転速度検出部としてのエンコーダ３３〜３５が配設される。

また、前記制御部３０は、レーザドライバ３９を介して前記レーザ装置１４と接続されるとともに、温度センサ４０と接続される。

次に、前記構成の管加工装置の動作について説明する。

本実施の形態においては、パイプ１１を、レーザ装置１４によって加熱しながら矢印Ａ方向に移動させ、かつ、チャック１２を矢印Ａ方向に移動させる速度、すなわち、移動速度をチャック１３の移動速度より高くし、チャック１２の移動速度とチャック１３の移動速度との速度差によって両端から所定の力で押圧することにより、図示されない金型装置を使用することなく、前記厚肉部２０を形成するようにしている。

そのために、前記制御部３０の図示されない加熱処理手段は、加熱処理を行い、レーザドライバ３９によってレーザ装置１４を駆動し、レーザ光を発生させ、前記パイプ１１の被加熱部分に照射するとともに、前記モータドライバ３１によってモータ１７を駆動し、ギヤ５０を回転させ、前記レーザ装置１４を被加熱部分と対向させながら、円周方向に所定の速度で移動させる。その結果、レーザ光によって、被加熱部分が、軸方向において局部的に、円周方向において順次加熱される。

温度センサ４０は、パイプ１１における前記被加熱部分の、レーザ装置１４によって加熱された部分の温度を検出し、検出された温度、すなわち、検出温度を制御部３０に送る。

そして、前記加熱処理手段は、検出温度を読み込み、該検出温度と、あらかじめ設定された目標となる温度、すなわち、目標温度との偏差を算出し、偏差が零（０）になるようにレーザ装置１４の出力を制御する。

また、エンコーダ３３はモータ１７の回転速度を検出し、検出された回転速度、すなわち、検出回転速度を制御部３０に送る。前記加熱処理手段は、検出回転速度と、あらかじめ設定された目標となる回転速度、すなわち、目標回転速度との偏差を算出し、偏差が零になるようにモータ１７を駆動する。

そして、前記制御部３０の図示されない加工処理手段は、加工処理を行い、前記加工領域においてパイプ１１を加工し、厚肉部２０を形成する。

そのために、前記加工処理手段の圧縮処理手段は、圧縮処理を行い、モータドライバ３１に指示を送り、前記モータ２３、２７を独立させて駆動し、チャック１２の移動速度をチャック１３の移動速度より所定の値だけ高くして、パイプ１１を矢印Ａ方向に移動させ、パイプ１１を両端から押圧（軸方向において圧縮）する。

すなわち、チャック１２の移動速度の目標値を表す目標移動速度をｖ１とし、チャック１３の移動速度の目標値を表す目標移動速度をｖ２としたとき、目標移動速度ｖ１、ｖ２は、
ｖ１＞ｖ２
にされる。なお、パイプ１１は、目標移動速度ｖ１、ｖ２のうちの低い方の目標移動速度ｖ２で搬送される。

そのために、モータ２３の目標回転速度をＮ１とし、モータ２７の目標回転速度をＮ２とし、定数をｋとしたとき、目標回転速度Ｎ１、Ｎ２は、
Ｎ１＝ｋ・ｖ１
Ｎ２＝ｋ・ｖ２
にされ、
Ｎ１＞Ｎ２
にされる。

また、エンコーダ３４、３５は各モータ２３、２７の回転速度を検出し、各検出回転速度を制御部３０に送る。そして、前記圧縮処理手段は、各検出回転速度を読み込み、各検出回転速度と前記各目標回転速度Ｎ１、Ｎ２との各偏差を算出し、該各偏差が零になるようにモータ２３、２７に供給される電流を制御する。

本実施の形態においては、各モータ２３、２７を前記各目標回転速度Ｎ１、Ｎ２で駆動すると、チャック１２とチャック１３との速度差Δｖが、
Δｖ＝ｖ１−ｖ２
にされる。

このとき、チャック１２とチャック１３との間の加工領域が、単位時間当たり、長さｄ
ｄ＝Δｖ
だけ短くなり、それに伴って、加熱され、柔らかくなった被加熱部分が両端から押圧され、長さｄに対応する量だけ肉厚を大きくする。

この場合、パイプ１１の断面は円形の形状を有するので、パイプ１１は径方向外方に変形しやすく、径方向内方には変形しにくい。したがって、前記肉厚は径方向外方に向けて大きくされる。

ところで、本実施の形態において、前記被加熱部分は、円周方向における全体が同時には加熱されず、レーザ装置１４と対向する部分だけが加熱される。そして、ギヤ５０の回転に伴ってレーザ装置１４が移動させられると、レーザ装置１４によって加熱された部分は高温になり柔らかくなるが、他の部分の温度は低く、耐座屈性を有する。したがって、パイプ１１の肉厚が小さい場合でも、座屈変形を発生させることなく、均一な厚肉部２０を得ることができる。その結果、管部材の品質を向上させることができる。

なお、前記ギヤ５０の目標回転速度は、温度の低い部分が耐座屈性を十分に有するように、パイプ１１の材料、寸法（径、厚さ等）、温度、搬送速度等の各パラメータに対応させて設定された閾（しきい）値以下になるように設定される。

このように、本実施の形態においては、パイプ１１を第１、第２の把持位置で把持し、チャック１２の移動速度をチャック１３の移動速度より高くし、第１、第２の把持位置間の所定の箇所でパイプ１１を軸方向及び円周方向において局部的に加熱することによって、金型装置を使用することなく、厚肉部２０を形成することができる。

このようにして、パイプ１１に厚肉部２０が形成されると、厚肉部２０の両端の近傍における所定の箇所でパイプ１１が切断され、厚肉の管部材になる。

なお、前記速度差Δｖは、単位時間当たり、加工領域が短くなる長さｄと等しいので、前記加工処理手段の速度差変更処理手段は、速度差変更処理を行い、速度差Δｖを変更することによって、肉厚の大きさを変更することができる。

すなわち、速度差Δｖを大きくすると、単位時間当たり、加工領域が短くなる長さｄが大きくなるので、肉厚を大きくすることができる。これに対して、速度差Δｖを小さくすると、単位時間当たり、加工領域が短くなる長さｄが小さくなるので、肉厚を小さくすることができる。

このように、速度差Δｖを変更することによって肉厚を変更することができるので、管部材のコストを低くすることができるだけでなく、管加工装置の操作を簡素化することができる。

ところで、本実施の形態においては、パイプ１１の肉厚は径方向外方に向けて大きくされるが、パイプ１１の肉厚を径方向内方に向けて大きくすることができる。

そこで、パイプ１１の肉厚を径方向内方に向けて大きくするようにした本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。

図３は本発明の第２の実施の形態における管加工装置の概念図である。

この場合、１１は金属製の管材料としてのパイプ、１４は加熱体としてのレーザ装置、５０は支持部材としての環状のギヤ、５２は、パイプ１１の搬送方向におけるレーザ装置１４より下流側に配設された規制部材としての環状のリングである。

該リング５２は、レーザ装置１４と隣接させて、かつ、パイプ１１の外周面に当接させてギヤ５０に取り付けられる。

したがって、パイプ１１の外周面にリング５２が当接させて配設されるので、レーザ装置１４によって加熱され、柔らかくなった被加熱部分が両端から押圧されると、リング５２によってパイプ１１が径方向外方に変形するのが規制される。その結果、パイプ１１は径方向内方に向けて変形し、肉厚が径方向内方に向けて大きくされる。

前記各実施の形態においては、チャック１２をチャック１３より高い移動速度で移動させることによって厚肉部２０を形成するようになっているが、所定のタイミングで、チャック１２をチャック１３より低い速度で移動させることによって、部分的に薄肉部を形成することもできる。

また、前記各実施の形態において、前記速度差変更処理手段は、時間の経過に伴って前記速度差Δｖを段階的又は連続的に変更することによって、軸方向において段階的又は連続的に変化させた肉厚を有する管部材を成形することができる。

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

１１パイプ
１２、１３チャック
１４レーザ装置
２０厚肉部
３０制御部

Claims

（ａ）金属製の管材料の搬送方向における上流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第１の把持部材と、
（ｂ）前記管材料の搬送方向における下流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第２の把持部材と、
（ｃ）前記第１、第２の把持部材間に設定された管材料の加工領域の所定の箇所に配設された支持部材と、
（ｄ）該支持部材を回転させるための加熱用の駆動部と、
（ｅ）前記支持部材の円周方向における所定の箇所に配設され、支持部材の回転に伴って、管材料における環状の被加熱部分を円周方向において順次加熱するレーザ装置と、
（ｆ）前記支持部材の所定の箇所に配設され、前記管材料に向けて冷却媒体を噴射し、前記被加熱部分において、レーザ装置と対向する部分と対向しない部分とで温度差を形成する冷却装置と、
（ｇ）前記第１の把持部材の移動速度を前記第２の把持部材の移動速度より高くし、前記被加熱部分に厚肉部を形成する加工処理手段とを有することを特徴とする管加工装置。
前記加工処理手段は、第１の把持部材の移動速度と第２の把持部材の移動速度との速度差を変更することによって肉厚を変更する請求項１に記載の管加工装置。
前記加工処理手段は、時間の経過に伴って前記速度差を変更することによって、軸方向において変化する肉厚を有する管部材を成形する請求項２に記載の管加工装置。
前記加工処理手段は、時間の経過に伴って前記速度差を段階的に変更する請求項３に記載の管加工装置。
前記加工処理手段は、時間の経過に伴って前記速度差を連続的に変更する請求項３に記載の管加工装置。
前記管材料の搬送方向におけるレーザ装置より下流側に、レーザ装置と隣接させて、かつ、管材料の外周面に当接させて規制部材が配設される請求項１に記載の管加工装置。
（ａ）金属製の管材料の搬送方向における上流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第１の把持部材と、
（ｂ）前記管材料の搬送方向における下流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第２の把持部材と、
（ｃ）前記第１、第２の把持部材間に設定された管材料の加工領域の所定の箇所に配設された支持部材と、
（ｄ）該支持部材を回転させるための加熱用の駆動部と、
（ｅ）前記支持部材の円周方向における所定の箇所に配設され、支持部材の回転に伴って、管材料における環状の被加熱部分を円周方向において順次加熱するレーザ装置と、
（ｆ）前記支持部材の所定の箇所に配設され、前記管材料に向けて冷却媒体を噴射し、前記被加熱部分において、レーザ装置と対向する部分と対向しない部分とで温度差を形成する冷却装置と、
（ｇ）前記第１の把持部材の移動速度を前記第２の把持部材の移動速度より高くし、かつ、時間の経過に伴って前記各移動速度の速度差を大きくすることによって、被加熱部分に厚肉部を形成する加工処理手段とを有することを特徴とする管加工装置。
金属製の管材料の搬送方向における上流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第１の把持部材、前記管材料の搬送方向における下流側において移動自在に配設され、管材料を把持する第２の把持部材、前記第１、第２の把持部材間に設定された管材料の加工領域の所定の箇所に配設された支持部材、加熱用の駆動部、前記支持部材の円周方向における所定の箇所に配設されたレーザ装置、及び前記支持部材の所定の箇所に配設された冷却装置を有する管加工装置による管加工方法において、
（ａ）前記駆動部を駆動して前記支持部材を回転させ、
（ｂ）前記レーザ装置によって、管材料における環状の被加熱部分を円周方向において順次加熱し、
（ｃ）前記冷却装置によって前記管材料に向けて冷却媒体を噴射し、前記被加熱部分において、レーザ装置と対向する部分と対向しない部分とで温度差を形成し、
（ｄ）前記第１の把持部材の移動速度を前記第２の把持部材の移動速度より高くし、前記被加熱部分に厚肉部を形成することを特徴とする管加工方法。