JP5472324B2 - 屈曲部材の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、屈曲部材の製造方法および製造装置に関する。

金属製の強度部材、補強部材または構造部材が自動車や各種機械に用いられる。高強度、軽量かつ小型であることがこれらの部材に要求される。これらの部材は、従来より、鋼製のプレス加工品の溶接、厚鋼板の打ち抜き、さらにはアルミニウム合金の鍛造によって、製造されてきた。これらの製造方法により達成される、屈曲部材の軽量化および小型化は、限界に達している。本出願人は、特許文献１により、屈曲部材の製造装置を開示した。

図１２は、この製造装置０の概略を示す説明図である。製造装置０は、支持機構２によって軸方向へ移動自在に支持される金属管１（以降の説明においては、金属管が鋼管である場合を例にとる）を上流側から下流側へ向けて送り機構３により送りながら、支持機構２の下流において鋼管１に曲げ加工を行うことによって、屈曲部材８を製造する。

誘導加熱コイル５は、支持機構２の下流において、軸方向へ送られる鋼管１を部分的に焼入れ可能温度域（Ａｃ_３点以上）へ急速に誘導加熱する。水冷機構６は、誘導加熱コイル５の直ぐ下流において鋼管１を急速に冷却する。これらにより、鋼管１の軸方向へ移動する高温部１ａが鋼管１に部分的に形成される。高温部１ａの変形抵抗は、他の部分の変形抵抗よりも著しく小さい。

可動ローラダイス４は、ロール対４ａを少なくとも一組有する。ロール対４ａは、鋼管１を送りながら支持する。可動ローラダイス４は、水冷機構６の下流の領域において、鋼管１を支持しながら二次元又は三次元の方向へ移動することによって、高温部１ａに曲げモーメントを与える。

このようにして、製造装置０は、比較的安価な構成要素２〜６を用いた単純な工程によって、鋼管１に高い作業能率で曲げ加工を行って、所望の形状を有する高強度（例えば、引張強度：７８０ＭＰａ以上）の屈曲部材８を製造する。

国際公開第２００６／０９３００６号パンフレット

製造装置０が優れた寸法精度を有する屈曲部材８を製造するためには、鋼管１の周方向に均一にかつ鋼管１の軸方向の狭い範囲に、高温部１ａを形成することが極めて重要になる。

高温部１ａが形成される範囲は、一般的に、鋼管１の送り速度、鋼管１の肉厚さらには誘導加熱コイル５に供給する電流の周波数（本明細書では「電流周波数」という）によって、大きく変化する。これらの条件が適正でないと、高温部１ａを所望の状態に形成できず、屈曲部材８の寸法精度が低下する。

本発明は、製造装置０を用いて、鋼管１の周方向に均一にかつ軸方向の狭い範囲に安定して高温部１ａを形成するには、（ａ）鋼管１の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合には、鋼管１の送り速度Ｖを５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃとするとともに、誘導加熱コイル５として巻き数が１である誘導加熱コイルを用い、かつこの誘導加熱コイル５に５〜１００ｋＨｚの電流周波数の交流電流を供給すること、（ｂ）鋼管１の肉厚が２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下である場合には、誘導加熱コイル５として巻き数が２である誘導加熱コイルを用い、（１）式：ｆ＜３０００／Ｖおよび（２）式：ｆ≧０．０８Ｖの関係を満足するように、誘導加熱コイル５の電流周波数ｆ（ｋＨｚ）および鋼管１の送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）を調整することが、有効であるという新規な知見に基づく。

本発明は、閉じた横断面形状を有する長尺かつ中空の金属材を、その長手方向へ送りながら第１の位置において支持し、第１の位置よりも金属材の送り方向の下流に位置する第２の位置において金属材を誘導加熱コイルにより誘導加熱するとともに、第２の位置よりも金属材の送り方向の下流に位置する第３の位置において金属材を冷却することによって、金属材の軸方向へ移動する高温部を形成するとともに、第３の位置よりも金属材の送り方向の下流に位置する領域において、金属材を把持する把持機構の位置を三次元の方向へ変更して、高温部に曲げモーメントを与えることによって、三次元に屈曲する屈曲部を長手方向へ向けて断続的又は連続的に備える屈曲部材を製造する方法において、金属材の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合には、金属材の送り速度を５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃとするとともに、誘導加熱コイルとして巻き数が１である誘導加熱コイルを用い、かつ誘導加熱コイルに５〜１００ｋＨｚの電流周波数の交流電流を供給すること、および、金属材の肉厚が２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下である場合には、誘導加熱コイルとして巻き数が２である誘導加熱コイルを用い、（１）式：ｆ＜３０００／Ｖおよび（２）式：ｆ≧０．０８Ｖの関係を満足するように、誘導加熱コイルの電流周波数ｆ（ｋＨｚ）および金属材の送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）を調整することを特徴とする屈曲部材の製造方法である。ただし、５ｋＨｚ≦ｆ≦１００ｋＨｚ、５ｍｍ／ｓｅｃ≦Ｖ≦１５０ｍｍ／ｓｅｃである。

別の観点からは、本発明は、閉じた横断面形状を有する長尺かつ中空の金属材をその長手方向へ送るための送り機構と、送られる金属材を、第１の位置において支持するための支持機構と、送られる金属材を、第１の位置よりも金属材の送り方向の下流に位置する第２の位置において誘導加熱するための加熱機構と、送られる金属材を、第２の位置よりも金属材の送り方向の下流に位置する第３の位置において金属材を冷却することによって、金属材の軸方向へ移動する高温部をこの金属材に部分的に形成するための冷却機構と、送られる金属材を、第３の位置よりも金属材の送り方向の下流に位置する領域において把持しながら、三次元の方向へ移動することによって、高温部に曲げモーメントを与えるための把持機構とを備える屈曲部材の製造装置において、金属材の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合には、送り機構は金属材を５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃの送り速度Ｖで送るとともに、加熱機構は巻き数が１である誘導加熱コイルを有し、かつ誘導加熱コイルは５〜１００ｋＨｚの電流周波数の交流電流を供給されること、および、金属材の肉厚が２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下である場合には、加熱機構は巻き数が２である誘導加熱コイルを有するとともに、送り機構および加熱機構は、ｆ＜３０００／Ｖ、およびｆ≧０．０８Ｖの関係を満足するように、送り機構による金属材の送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）と、誘導加熱コイルの電流周波数ｆ（ｋＨｚ）とを調整することを特徴とする屈曲部材の製造装置である。ただし、５ｋＨｚ≦ｆ≦１００ｋＨｚ、５ｍｍ／ｓｅｃ≦Ｖ≦１５０ｍｍ／ｓｅｃである。

これらの本発明は、金属材の肉厚が２．０ｍｍ以下であるか、または２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下であるかに基づいて、すなわち金属材の肉厚を考慮して、上述したいずれかの条件で屈曲部材を製造してもよい。

これらの本発明では、
（Ａ）屈曲部材が、長手方向へ少なくとも二つの互いに異なる曲率半径の部分を有すること、
（Ｂ）金属材が、円形、矩形、楕円形、長円形、多角形、多角形と円の組み合わせ、または多角形と楕円の組み合わせからなる横断面形状を有すること、
（Ｃ）把持機構が、金属材の先端部の内部に挿入して配置されること、または、金属材の先端部の外面に当接して配置されることによって、金属材を把持すること、
（Ｄ）送られる金属材が、第２の位置において部分的に焼入れが可能な温度に加熱されるとともに第３の位置において冷却されることによって、長手方向の少なくとも一部を焼入れられること、または
（Ｅ）屈曲部材が、長手方向、及び／又はこの長手方向と交差する断面内における周方向へ向けて、断続的又は連続的に焼入れ部を有すること
のうちの少なくとも一つを満足することが、望ましい。

特許文献１の製造装置を用いて金属材の周方向に均一にかつ金属材の軸方向の狭い範囲に高温部を安定して形成できるため、高い寸法精度で屈曲部材を製造可能になる。

図１は、本発明に係る製造装置の一例の構成を、簡略化して概念的に示す説明図である。 図２は、数値解析の形状モデルを示す説明図である。 図３は、鋼管の肉厚が３ｍｍであってかつ誘導加熱コイルに供給する電流周波数ｆが２５ｋＨｚである場合における、鋼管の温度分布の数値解析結果を示す説明図である。 図４は、電流周波数ｆを変化させた場合における加熱領域の変化（鋼管の肉厚：３ｍｍ、送り速度ｆ：１００ｍｍ／ｓｅｃ）を示す説明図である。 図５は、２巻きの誘導加熱コイルに２５ｋＨｚの電流周波数の電流を供給し、鋼管の送り速度Ｖを変化させる場合の解析結果を示す説明図である。 図６は、２巻きの誘導加熱コイルに電流周波数ｆを変化させた電流を供給し、１００ｍｍ／ｓｅｃの送り速度Ｖで鋼管を搬送する場合の解析結果を示す説明図である。 図７は、２巻きの誘導加熱コイルを用いる場合の送り速度Ｖ、電流周波数ｆと加熱幅との関係を示すグラフである。 図８は、２巻きの誘導加熱コイルを用いる場合の送り速度Ｖ、電流周波数ｆと通電可能電流との関係を示すグラフである。 図９は、２巻きの誘導加熱コイルの適切な送り速度Ｖおよび電流周波数ｆの範囲を示すグラフである。 図１０は、関節型ロボットを用いた製造装置の構成を概念的に示す説明図である。 図１１は、関節型ロボットを示す説明図である。 図１２は、特許文献１により開示された製造装置の概略を示す説明図である。

０ 製造装置
１ 金属材
１ａ 高温部
２ 支持機構
３ 送り機構
４ 可動ローラダイス
４ａ ロール対
５ 誘導加熱コイル
６ 水冷機構
１０、１０−１ 製造装置
１１ 送り機構
１２ つかみ機構
１３ 支持機構
１４ 加熱機構
１４ａ 誘導加熱コイル
１５ 把持機構
１６ 冷却機構
１７ 本体
１８ 第１の基盤
１９ 第２の基盤
２０ 移動機構
２２ Ｘ軸チルトモータ
２３ Ｘ軸シフトモータ
２４ Ｙ軸チルトモータ
２５ Ｙ軸シフトモータ
２６ Ｚ軸チルトモータ
２７ Ｘ軸シフトモータ
３０ 数値解析のモデル
３１ 鋼管
３１ａ 高温部
３２、３２−１、３２−２ 誘導加熱コイル

図１は、本発明に係る製造装置１０の一例の構成を、簡略化して概念的に示す説明図である。
同図に示すように、製造装置１０は、送り機構１１と、支持機構１３と、加熱機構１４と、冷却機構１６と、把持機構１５とを備える。これらの構成要素を順次説明する。

［送り機構１１］
送り機構１１は、金属材１をその長手方向へ送る。金属材１は、閉じた断面形状を有する長尺かつ中空の部材である。以降の説明では、金属材１が鋼管である場合を例にとる。本発明は、金属材が鋼管１である場合には限定されない。例えば、矩形、楕円形、長円形、多角形、多角形と円の組み合わせからなる横断面形状を有する中空の金属材、または、多角形と楕円の組み合わせからなる横断面形状を有する中空の金属材が、鋼管１と同様に用いられる。

電動サーボシリンダーを用いた送り機構が送り機構１１として例示される。送り機構１１は、特定の型式のものには限定されない。ボールネジを用いた送り機構やタイミングベルトやチェーンを用いた送り機構といった、この種の送り機構として公知の送り機構が、送り機構１１に等しく用いられる。

鋼管１は、つかみ機構１２で移動自在に支持されて、送り機構１１により所定の送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）で軸方向（長手方向）へ送られる。つかみ機構１２は、鋼管１を送るために鋼管１を支持する。つかみ機構１２は設置されなくてもよい。

［支持機構１３］
支持機構１３は、送り機構１１によって軸方向へ送られる鋼管１を、第１の位置Ａにおいて移動自在に支持する。

固定ガイドが支持機構１３として例示される。支持機構１３は特定の型式の支持機構には限定されない。対向して配置される一対あるいは一対以上の非駆動のロールが、支持機構１３として用いられる。この種の支持機構として公知の支持機構が、支持機構１３として等しく用いられる。

鋼管１は、支持機構１３の設置位置Ａを通過して、軸方向へさらに送られる。支持機構１３はつかみ機構１２により代用されてもよい。
［加熱機構１４］
加熱機構１４は、送られる鋼管１を誘導加熱する。加熱機構１４は、第１の位置Ａよりも鋼管１の送り方向の下流に位置する第２の位置Ｂに、配置される。

製造装置１０では、鋼管１の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合には、送り機構１１が鋼管１を５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃの送り速度Ｖで送る。さらに、加熱機構１４は、巻き数が１である誘導加熱コイル１４ａを有し、かつ誘導加熱コイル１４ａは５〜１００ｋＨｚの電流周波数の交流電流を供給される。

さらに、製造装置１０では、鋼管１の肉厚が２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下である場合には、加熱機構１４は巻き数が２である誘導加熱コイル１４ａを有する。さらに、送り機構１１および加熱機構１４は、ｆ＜３０００／Ｖ、およびｆ≧０．０８Ｖの関係を満足するように、送り機構１１による鋼管１の送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）と、誘導加熱コイル１４ａに供給される交流電流の電流周波数ｆ（ｋＨｚ）とを調整する。ただし、５ｋＨｚ≦ｆ≦１００ｋＨｚ、５ｍｍ／ｓｅｃ≦Ｖ≦１５０ｍｍ／ｓｅｃである。

ここで、「巻き数が１である誘導加熱コイル」は、鋼管１の周囲を完全に一周包囲するコイル本体を有する誘導加熱コイルに限定されない。「巻き数が１である誘導加熱コイル」は、鋼管１の外周の一部分は包囲しないものの鋼管１の大部分を包囲するコイル本体を有する誘導加熱コイルも含む。具体的には、鋼管１の外周の７０％以上の部分を包囲するコイル本体を有する誘導加熱コイルは、「巻き数が１である誘導加熱コイル」に包含される。

この理由を、本発明者らが行った数値解析の結果を参照しながら、説明する。
（数値解析条件）
図２は、数値解析のモデル３０を示す説明図である。数値解析のモデル３０は、図２に示すように２次元軸対象とした。

この数値解析では、鋼管３１の肉厚、誘導加熱コイル３２に供給する電流の電流周波数ｆ、および鋼管３１の送り速度Ｖを変化させた場合における高温部３１ａの形成状況を、磁場解析および伝熱解析により検討した。

誘導加熱コイル３２が、一辺の長さが１５ｍｍである正方形の横断面形状を有する銅製のチューブにより構成されるものとして、以下に列記する条件で計算を行った。
鋼管３１の直径（ｍｍ）：３８．１
誘導加熱コイル３２と鋼管３１との距離ｄ（ｍｍ）：３
電流周波数ｆ（ｋＨｚ）：５、１０、２５、５０、７５または１００の６水準
鋼管３１の肉厚（ｍｍ）：１．０、２．０または３．０の３水準
鋼管３１の送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）：５、１０、５０、７５、１００、１２５または１５０の７水準
加熱された鋼管３１の冷却開始位置は、誘導加熱コイル３２の端部の投影位置３３から下流へ向けて１０ｍｍ離れた位置とした。

（数値解析結果）
図３に、鋼管３１の肉厚が３ｍｍであってかつ電流周波数ｆが２５ｋＨｚである場合における、鋼管３１の温度分布の数値解析結果を示す。図３は、鋼管３１の高温部の送り速度依存性を示す。なお、図３、および後述する図４〜６では、鋼管３１の上部の線が鋼管３１の外面を示し、鋼管３１の下部の線が鋼管３１の内面を示す。

一般的に、鋼材の変形抵抗は８００℃以上の温度域で大きく減少する。そこで、この数値解析では８００℃以上に昇温された領域を加熱領域とした。また、全ての計算は、鋼管３１の外面の最大温度が１０００℃となる条件で、行った。

図３に示すように、送り速度Ｖが５、１０、５０、７５、１００、１２５さらには１５０（ｍｍ／ｓｅｃ）と高まるのに伴って、鋼管１の外面および内面の温度分布の差が大きくなる。この理由は、誘導加熱によって鋼管３１の外面が直接的に加熱され、かつ鋼管３１の内面は外面からの伝熱のみによって加熱されるため、鋼管３１の送り速度Ｖが高くなるほど、鋼管３１の内面が加熱される時間が少なくなるからである。

図３に示すように、鋼管３１の送り速度Ｖが５または１０（ｍｍ／ｓｅｃ）である場合には、鋼管３１の内面および外面の温度差が殆ど発生せず、曲げ加工を問題なく行うことができる。鋼材の曲げ加工に際しては、その板厚方向の均熱性（温度分布が一様であること）が重要であり、特に８００℃以上となる領域となる幅（以下「有効加熱幅（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ−Ｈｅａｔｅｄ−Ｗｉｄｔｈ）」という）を制御する必要がある。

鋼管３１の送り速度Ｖが５０ｍｍ／ｓｅｃになると、有効加熱幅（図３において符号Ａで示す範囲）が狭くなる。鋼管３１の送り速度Ｖが７５ｍｍになると、有効加熱幅Ａがほぼ零となる。有効加熱幅Ａが零になると、曲げ加工を精度良く行うことが不可能になる。さらに、鋼管３１の送り速度Ｖが１００ｍｍ／ｓｅｃ以上になると、鋼管３１の内面を８００℃以上に加熱できなくなり、曲げ加工を行うことが不可能になる。

このように、鋼管３１の送り速度Ｖが高くなるほど、また鋼管３１の肉厚が厚くなるほど、鋼管３１の有効加熱幅が減少し、曲げ加工を行うことが困難になる。以上の結果から、鋼管３１の送り速度Ｖは５ｍｍ／ｓｅｃ以上１５０ｍｍ／ｓｅｃ以下とする。

一方、誘導加熱機構では、電流周波数ｆを変更することは容易ではないため、誘導加熱機構の設計時に適切な電流周波数ｆを選択する必要がある。
図４は、電流周波数ｆを変化させた場合における加熱領域の変化（鋼管３１の肉厚３ｍｍ、送り速度Ｖ１００ｍｍ／ｓｅｃ）を示す説明図である。

誘導加熱における浸透深さは、電流周波数ｆが低くなるほど、深くなる。このため、鋼管３１の送り速度Ｖが同じ場合には、電流周波数ｆが低いほど、鋼管３１の内面まで８００℃以上に加熱することができる。しかし、本発明では、電流周波数ｆが低いほど誘導加熱による有効加熱幅Ａが大きくなるため、屈曲部材の寸法精度が低下する。

図５は、２巻きの誘導加熱コイル３１−１、３１−２に２５ｋＨｚの電流周波数ｆの電流を供給し、鋼管３１の送り速度Ｖを変化させた場合の解析結果を示す説明図である。また、図６は、２巻きの誘導加熱コイル３１−１、３１−２に電流周波数ｆを変化させた電流を供給し、１００ｍｍ／ｓｅｃで鋼管３１を搬送する場合の解析結果を示す説明図である。

図５、６に示す結果と、図３、４に示す結果とを対比することによって、誘導加熱コイルの巻き数を増やすことに伴って鋼管３１の加熱開始位置が上流側に移動するため、鋼管３１の軸方向への有効加熱幅Ａが広がるものの、鋼管３１の内面まで加熱できることがわかる。

本発明者らは、図３〜６に例示するようにして、誘導加熱コイル３２の巻き数、電流周波数ｆ、および鋼管３１の送り速度Ｖを様々に変更して多数の解析を行った結果、有効加熱幅Ａが零とならない送り速度Ｖ、電流周波数ｆおよび肉厚の関係を得た。表１には、巻き数が１である誘導加熱コイルを用いた場合において、電流周波数ｆおよび送り速度Ｖと曲げ加工可能な鋼管肉厚との関係を示す。

表１における記号「-」は、肉厚３ｍｍ以下で有効加熱幅Ａが零より大となり、すなわち，肉厚３ｍｍ以下の鋼管を曲げ加工を行うことができることを示す。また、表１における数値は、この値以上の肉厚の場合に有効加熱幅Ａが零となる加工限界厚み（ｍｍ）を示す。すなわち、製造装置０が対象とする鋼管３１の肉厚を最大３ｍｍとすると、表１において破線で囲まれた条件が曲げ加工可能な条件である。

誘導加熱コイル３２は一般的に銅合金からなる。誘導加熱コイル３２に通電可能な電流値は、誘導加熱コイル３２の断面積や冷却方法にも依存するが、通常は最大１００００Ａである。表１に示すように、鋼管３１の送り速度Ｖを速くするためには電流周波数ｆを下げる必要がある。電流周波数ｆを下げると誘導加熱コイル３２の電流値が増加する。

表２に、鋼管３１の肉厚が３ｍｍである場合に１０００℃まで加熱するのに巻き数が１である誘導加熱コイル３２に供給する必要がある電流値（Ａ）を示す。

表２において破線で囲んで示すように、電流周波数ｆが低く、かつ鋼管３１の送り速度Ｖが速い場合には、電流値が１００００Ａを超えてしまうため、誘導加熱を行うことが事実上できない。

鋼管３１の送り速度Ｖを１００ｍｍ／ｓｅｃ以上とするためには、表１に示すように、電流周波数ｆを１０ｋＨｚ以下とする必要がある。しかし、巻き数が１巻きの誘導加熱コイル３２では電流値が１００００Ａを超えてしまう。

これを解決するためには、誘導加熱コイルの巻き数を２とすることが有効である。巻き数を１から２へと倍に増やすことによって、１巻き当りの電流値を低下することができるものの、鋼管３１の軸方向への加熱幅が増加する。

表１および表２から、コイル巻き数が１である場合は、送り速度Ｖが１５０ｍｍ／ｓｅｃ以下で電流周波数ｆが２５〜７５ｋＨｚの条件では、肉厚が２．０ｍｍである鋼管３１の加熱に適することがわかる。

表３には、誘導加熱コイルの巻き数が２であって、鋼管３１の肉厚が３ｍｍである場合に、鋼管３１を１０００℃まで加熱するのに必要な電流値（Ａ）の解析結果を示す。

表３に示すように、誘導加熱コイルの巻き数が２である場合には、例えば、電流周波数ｆが１０ｋＨｚであっても１００ｍｍ／ｓｅｃの送り速度Ｖで曲げ加工を行うことが可能である。なお、表３において破線で囲まれた条件は、電流値が１００００Ａを超えてしまうために誘導加熱を行うことが事実上できない条件を示す。

表４には、誘導加熱コイルの巻き数が２である場合に有効加熱幅Ａが零とならない範囲の解析結果を示す。表４の表記は、表１の表記の同様である。

表４において破線で囲んで示すように、誘導加熱コイルの巻き数が２である場合は、１である場合よりも、加熱範囲が広がることにより、有効加熱幅Ａを確保できる条件が拡大する。

表５は、誘導加熱コイルの巻き数が１である場合の有効加熱幅Ａ（ｍｍ）を示し、表６は、誘導加熱コイルの巻き数が２である場合の有効加熱幅Ａ（ｍｍ）を示す。

表５に示すように、１巻きである場合にはいずれの条件でも有効加熱幅Ａが２５ｍｍ以下となるが、表６に破線で囲んで示すように、２巻きである場合には条件によっては有効加熱幅Ａが３０ｍｍを超えることがある。

製造装置０による加工精度を確保するためには、有効加熱幅Ａが狭いほど望ましい。有効加熱幅Ａ（ｍｍ）は広くても３０ｍｍ程度以下であることが望ましい。そこで、鋼管３１の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合は、１巻きの誘導加熱コイル３２を用いるほうが有効加熱幅Ａ（ｍｍ）を狭くすることができ、屈曲部材の寸法精度を確保することができる。その場合の送り速度Ｖと電流周波数ｆとは、表１および表２から、送り速度Ｖが１５０ｍｍ／ｓｅｃ以下で２５ｋＨｚから１００ｋＨｚが好適である。

一方、肉厚が２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下である場合は、２巻きの誘導加熱コイル３２−１、３２−２を用いることが望ましいが、この場合にも、屈曲部材の寸法精度を確保するためには有効加熱幅Ａは３０ｍｍ程度以下であることが望ましい。

表６に示す関係を、図７にグラフにより示す。図７のグラフにおける白丸印は有効加熱幅Ａが３０ｍｍ以下であることを示し、黒四角印は有効加熱幅Ａが３０ｍｍ超であることを示す。

図７のグラフに示すように、電流周波数ｆ（ｋＨｚ）と送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）とが、近似式であるｆ＜３０００／Ｖの関係を満足すれば、有効加熱幅Ａを３０ｍｍ程度以下とすることができることがわかる。

また、図７のグラフから、２巻きの誘導加熱コイル３２−１、３２−２を用いる場合は、２５ｋＨｚ以下の電流周波数ｆが好適であるが、電流周波数ｆが低い場合には、表３に示すコイルに通電可能な電流値も考慮する必要がある。

この関係を図８にグラフで示す。図８のグラフにおける白丸印は通電可能な電流値であることを示し、黒四角印は通電不可な電流値であることを示す。
図８に示すグラフから、２巻きの誘導加熱コイル３２−１、３２−２を用いる場合に通電可能な範囲は、近似式であるｆ≧０．０８Ｖの範囲である。

図９は、図７に示した有効加熱幅Ａが３０ｍｍ程度以下となる領域と、図８に示した通電可能な領域とを併せて示すグラフである。図９のグラフには、電流周波数ｆおよび送り速度Ｖをどのように調整しても、有効加熱幅Ａが確保できない範囲を格子部ＬＰ(ｆ≧２５ｋＨｚかつＶ≧１２５ｍｍ／ｓｅｃ)により示す。

以上の理由により、鋼管１の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合は、送り機構１１が鋼管１を５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃの送り速度Ｖで送るとともに、加熱機構１４として巻き数が１である誘導加熱コイル１４ａを用い、かつこの１巻きの誘導加熱コイル１４ａに５〜１００ｋＨｚの電流周波数ｆの交流電流を供給することによって、鋼管１を誘導加熱する。

さらに、鋼管１の肉厚が２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下である場合には、加熱機構１４として巻き数が２である誘導加熱コイル１４ａを用い、送り機構１１および加熱機構１４は、ｆ＜３０００／Ｖ、およびｆ≧０．０８Ｖの関係を満足するように、送り機構１１による鋼管１の送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）と、誘導加熱コイル１４ａに供給される交流電流の電流周波数ｆ（ｋＨｚ）とを調整することが望ましい。ただし、５ｋＨｚ≦ｆ≦１００ｋＨｚ、５ｍｍ／ｓｅｃ≦Ｖ≦１５０ｍｍ／ｓｅｃである。

上述したように、巻き数が２である誘導加熱コイル１４ａを用いて鋼管１を加熱すると、鋼管１の貫通加熱幅Ａが若干広くなるものの、鋼管１の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合にも適用可能である。

また、鋼管１の軸方向と直交する方向と平行な方向への、鋼管１および誘導加熱コイル１４ａ間の距離を変更することによって、鋼管１の少なくとも一部をその周方向へ不均一に加熱することができる。

さらに、加熱機構１４の上流側に別の加熱機構を少なくとも１つ以上設けて鋼管１を加熱することによって、鋼管１を２回以上加熱することや、鋼管１の一部をその周方向へ不均一に加熱することができる。

［冷却機構１６］
冷却機構１６は、第２の位置Ｂよりも鋼管１の送り方向の下流の第３の位置Ｃに、配置される。冷却機構１６は、加熱された鋼管１を冷却する。鋼管１は、冷却機構１６により冷却されることにより、鋼管１の軸方向へ移動する高温部１ａが部分的に形成される。高温部１ａは、他の部分よりも変形抵抗が大幅に低下している。

冷却機構１６は、鋼管１を所望の冷却速度で冷却することができるものであればよく、特定の型式の冷却機構には限定されない。一般的には、冷却水を鋼管１の外周面の所定の位置に噴射することによって鋼管１を冷却する水冷機構が例示される。

図１に示すように、冷却水は、鋼管１の送り方向へ向けて傾斜して吹き付けられる。鋼管１に対する冷却機構１６の、鋼管１の軸方向と直交する方向と平行な方向への距離を変更することによって、高温部１ａの軸方向への長さを調整することができる。

［把持機構１５］
把持機構１５は、第３の位置Ｃよりも鋼管１の送り方向の下流の領域Ｄに配置される。把持機構１５は、鋼管１を把持しながら、第３の位置Ｃよりも鋼管１の送り方向の上流側の空間を含むワークスペース（ｗｏｒｋ ｓｐａｃｅ）内において、少なくとも鋼管１の送り方向を含む三次元の方向へ移動する。これにより、把持機構１５は、鋼管１に形成されている高温部１ａに曲げモーメントを与える。一般的には、チャック機構が把持機構１５として用いられる。

なお、本発明では、三次元に移動自在である把持機構１５を二次元に移動することは当然可能である。把持機構１５を二次元に移動することにより、曲げ方向が二次元的に異なる曲げ加工を行って屈曲部材、例えばＳ字曲げのような曲げ方向が二次元的に異なる屈曲部材を製造することも可能である。

「ワークスペース」とは、式（３）、（４）および（５）により規定される三次元空間を意味する。
ｘ＜０かつ（ｙ＝０またはｙ≧０．５Ｄ）かつ０≦θ＜３６０° ・・・・・（３）
ｘ^２＋（ｙ−Ｒｍｉｎ）^２≧Ｒｍｉｎ^２ ・・・・（４）
ｘ^２＋（ｙ＋Ｒｍｉｎ）^２≧Ｒｍｉｎ^２−（０．５Ｄ−Ｒｍｉｎ）^２＋（０．５Ｄ＋Ｒｍｉｎ）^２ ・・・・（５）
ただし、式（３）〜（５）において、Ｄは屈曲部材の最小外形寸法（ｍｍ）を意味し、Ｒｍｉｎは屈曲部材の最小曲率半径（ｍｍ）を意味し、ｘ、ｙ、θは第２の位置を原点とする円柱座標系であって、屈曲部材の瞬間的な送り方向をｘの正方向とし、ｘと水平面内で直交する方向をｙとし、周方向の角度をθとする。

把持機構１５がワークスペース内において三次元の方向へ移動することによって鋼管１に曲げ加工が行われ、これにより、屈曲部を長手方向へ向けて断続的又は連続的に備える屈曲部材が製造される。

ワークスペースは観念的に認識される空間であるので、このワークスペース内に例えば各種機構といった有体物が存在していてもよい。
把持機構１５は、柱状の外形を有する本体１７と移動機構２０とを備える。

本体１７は中空体により構成される。中空体は、鋼管１の外周面に沿う形状の内周面を有する。本体１７は、鋼管１の先端部の外面に当接して配置されることによって、鋼管１を把持する。

なお、本体１７は、図１に示す例とは異なり、鋼管１の内周面に沿う形状の外周面を有する筒体により構成されていてもよい。この場合、本体１７は、鋼管１の先端部の内部に挿入して配置されることによって、鋼管１を把持する。

移動機構２０は、第１の基盤１８および第２の基盤１９により構成される。第１の基盤１８は、本体１７を搭載するとともに第１の位置Ａにおける鋼管１の送り方向と直交する方向（図１における上下方向）へ移動自在に配置される。第２の基盤１９は、第１の基盤１８に前記送り方向へ移動自在に配置される。

第１の基盤１８の移動、および、第２の基盤１９の移動は、いずれも、ボールネジおよび駆動モータを用いて行われる。この移動機構２０により本体１７は、水平面内で二次元に移動自在に配置される。なお、図１における符号２２はＸ軸チルトモータを示し、符号２３はＸ軸シフトモータを示し、符号２４はＹ軸チルトモータを示し、符号２５はＹ軸シフトモータを示し、符号２６はＺ軸チルトモータを示し、さらに、符号２７はＸ軸シフトモータを示す。

図１に示す移動機構２０に替えて、少なくとも１軸以上の軸廻りに回動可能な関節を有する関節型ロボットを用いて、本体１７を支持してもよい。
図１０は、関節型ロボット２１を用いた製造装置１０−１の構成を概念的に示す説明図であり、図１１はこの関節型ロボット２１を示す説明図である。

関節型ロボット２１は、簡単に、本体１７を少なくとも鋼管１の送り方向を含む三次元の方向へ移動自在に支持することができる。
次に、この製造装置１０によって屈曲部材を製造する状況を説明する。

はじめに、長尺の鋼管１を、支持機構１３により第１の位置Ａにおいて支持するとともに送り機構１１によりその長手方向へ送る。
次に、鋼管１の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合には、送り機構１１が鋼管１を５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃの送り速度Ｖで送るとともに、第２の位置Ｂに配置された加熱機構１４を構成する１巻きの誘導加熱コイル１４ａに５〜１００ｋＨｚの電流周波数Ｖの交流電流を供給することにより、鋼管１を誘導加熱する。

さらに、鋼管１の肉厚が２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下である場合には、ｆ＜３０００／Ｖ、およびｆ≧０．０８Ｖの関係を満足するように、送り機構１１による鋼管１の送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）と、加熱機構１４を構成する２巻きの誘導加熱コイル１４ａに供給する交流電流の電流周波数ｆ（ｋＨｚ）とを調整することによって、鋼管１を誘導加熱する。

次に、第３の位置Ｃにおいて冷却機構１６により鋼管１を冷却することによって、鋼管１に高温部１ａを形成する。
そして、領域Ｄにおいて、鋼管１を把持する把持機構１５の位置を、前記ワークスペース内において、少なくとも鋼管１の送り方向を含む三次元の方向へ変更して、鋼管１の高温部１ａに曲げモーメントを与える。

これらの処理を、屈曲部材の目標形状に合わせて鋼管１の全長について、行う。これにより、三次元に屈曲する屈曲部を長手方向へ向けて断続的又は連続的に備える屈曲部材が、連続的に製造される。

この場合、第２の位置Ｂにおいて鋼管１を部分的に焼入れ可能温度域（Ａｃ_３点以上）に加熱するとともに、第３の位置Ｃにおいて所定の冷却速度で急速に冷却することにより、鋼管１の少なくとも一部を焼入れることもできる。これにより、少なくとも長手方向及び／又はこの長手方向と交差する断面内における周方向へ向けて焼入れ部を断続的又は連続的に有する屈曲部材が製造される。

製造装置１０を、電縫鋼管の製造装置の出側に配置すること、具体的には、帯状鋼板を連続的に繰り出すアンコイラーと、繰り出された帯状鋼板を所定の断面形状の管に成形する成形装置と、突き合わされた帯状鋼板の両側縁を溶接して連続する管を形成する溶接装置と、溶接ビードの切削および必要に応じてポストアニールやサイジングをする後処理装置と、この後処理装置の出側に配置された製造装置１０とを備える連続製造装置を用いることによって、屈曲部材を連続的に製造することができる。

また、製造装置１０を、ロールフォーミングラインを構成する、帯状鋼板を連続的に繰り出すアンコイラーと、繰り出された帯状鋼板を所定の断面形状に成形する成形装置と、この成形装置の出側に配置された製造装置１０とを備える連続製造装置を用いることによって、屈曲部材を連続的に製造することができる。

製造装置１０は、鋼管１の周方向に均一にかつ鋼管１の軸方向の狭い範囲に安定して高温部１ａを形成することができ、これにより、高強度で形状凍結性に優れ、所定の硬度分布を有するとともに所望の寸法精度を有し、さらに、長手方向への曲率半径が一定ではなく長手方向へ少なくとも二つの互いに異なる曲率半径の部分を有する屈曲部材を、効率的かつ安価に製造することができる。

さらに、製造装置１０−１は、例えば多関節型のロボット等により支持された把持機構１５によって鋼管１を把持して鋼管１に曲げ加工を行うことため、屈曲部の曲げ角度を大きく確保することができ、表面性状や表面疵を抑制することができ、さらに寸法精度を確保することができるとともに、優れた作業能率で、屈曲部材を製造することができる。

Claims (8)

1. 閉じた横断面形状を有する長尺かつ中空の金属材を、その長手方向へ送りながら第１の位置において支持し、
   前記第１の位置よりも前記金属材の送り方向の下流に位置する第２の位置において該金属材を誘導加熱コイルにより誘導加熱するとともに、前記第２の位置よりも前記金属材の送り方向の下流に位置する第３の位置において前記金属材を冷却することによって、前記金属材の軸方向へ移動する高温部を形成するとともに、
   前記第３の位置よりも前記金属材の送り方向の下流に位置する領域において、前記金属材を把持する把持機構の位置を三次元の方向へ変更して、前記高温部に曲げモーメントを与えることによって、
   三次元に屈曲する屈曲部を長手方向へ向けて断続的又は連続的に備える屈曲部材を製造する方法において、
   前記金属材の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合には、前記金属材の送り速度を５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃとするとともに、前記誘導加熱コイルとして巻き数が１である誘導加熱コイルを用い、かつ該誘導加熱コイルに５〜１００ｋＨｚの交流電流を供給すること、および、
   前記金属材の肉厚が２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下である場合には、前記誘導加熱コイルとして巻き数が２である誘導加熱コイルを用い、下記（１）式および（２）式の関係を満足するように、該誘導加熱コイルに供給する交流電流の周波数（ｋＨｚ）および前記金属材の送り速度（ｍｍ／ｓｅｃ）を調整すること
   を特徴とする屈曲部材の製造方法。
   ｆ＜３０００／Ｖ ・・・・・・・（１）
   ｆ≧０．０８Ｖ ・・・・・・・（２）
   ただし、（１）式および（２）式において、ｆは前記周波数であるとともにＶは前記送り速度であり、５ｋＨｚ≦ｆ≦１００ｋＨｚ、５ｍｍ／ｓｅｃ≦Ｖ≦１５０ｍｍ／ｓｅｃである。
2. 前記屈曲部材は、前記長手方向へ少なくとも二つの互いに異なる曲率半径の部分を有する請求項１に記載された屈曲部材の製造方法。
3. 前記金属材は、円形、矩形、楕円形、長円形、多角形、多角形と円の組み合わせからなる横断面形状、または、多角形と楕円の組み合わせからなる横断面形状を有する請求項１または請求項２に記載された屈曲部材の製造方法。
4. 前記把持機構は、前記金属材の先端部の内部に挿入して配置されることによって、前記金属材を把持する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された屈曲部材の製造方法。
5. 前記把持機構は、前記金属材の先端部の外面に当接して配置されることによって、前記金属材を把持する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された屈曲部材の製造方法。
6. 送られる前記金属材は、前記第２の位置において部分的に焼入れが可能な温度に加熱されるとともに前記第３の位置において冷却されることによって、長手方向の少なくとも一部を焼入れられる請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された屈曲部材の製造方法。
7. 前記屈曲部材は、長手方向、及び／又は該長手方向と交差する断面内における周方向へ向けて、断続的又は連続的に焼入れ部を有する請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された屈曲部材の製造方法。
8. 閉じた横断面形状を有する長尺かつ中空の金属材をその長手方向へ送るための送り機構と、
   送られる前記金属材を、第１の位置において支持するための支持機構と、
   送られる前記金属材を、前記第１の位置よりも該金属材の送り方向の下流に位置する第２の位置において誘導加熱するための加熱機構と、
   送られる前記金属材を、前記第２の位置よりも該金属材の送り方向の下流に位置する第３の位置において前記金属材の加熱された部分を冷却することによって、前記金属材の軸方向へ移動する高温部を該金属材に部分的に形成するための冷却機構と、
   送られる前記金属材を、前記第３の位置よりも前記金属材の送り方向の下流に位置する領域において把持しながら、三次元の方向へ移動することによって、前記高温部に曲げモーメントを与えるための把持機構と
   を備える屈曲部材の製造装置において、
   前記金属材の肉厚が２．０ｍｍ以下である場合には、前記送り機構は前記金属材を５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃの送り速度で送るとともに、前記加熱機構は巻き数が１である誘導加熱コイルを有し、かつ該誘導加熱コイルは５〜１００ｋＨｚの交流電流を供給されること、および、
   前記金属材の肉厚が２．０ｍｍ超３．０ｍｍ以下である場合には、前記加熱機構は巻き数が２である誘導加熱コイルを有するとともに、前記送り機構および前記加熱機構は、下記（１）式および（２）式の関係を満足するように、前記送り機構による前記金属材の送り速度（ｍｍ／ｓｅｃ）と、前記誘導加熱コイルに供給される交流電流の周波数（ｋＨｚ）とを調整すること
   を特徴とする屈曲部材の製造装置。
   ｆ＜３０００／Ｖ ・・・・・・・（１）
   ｆ≧０．０８Ｖ ・・・・・・・（２）
   ただし、（１）式および（２）式において、ｆは前記周波数であるとともにＶは前記送り速度であり、５ｋＨｚ≦ｆ≦１００ｋＨｚ、５ｍｍ／ｓｅｃ≦Ｖ≦１５０ｍｍ／ｓｅｃである。

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