JP5668698B2

JP5668698B2 - 管材成形装置及び方法

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Publication number: JP5668698B2
Application number: JP2012011844A
Authority: JP
Inventors: 和田　学; 学和田; 水村　正昭; 正昭水村; 佐藤　浩一; 浩一佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2032-01-24
Also published as: JP2013150991A

Description

本発明は、管材成形装置及び方法に関する。特に、本発明は、管材内に液体を充填して内圧を付与しつつ曲げ加工、潰し加工等の予備成形を行った後、液圧成形を、１組の金型で行うことができる管材成形方法及び方法に関する。

従来、液圧成形（ハイドロフォーム）の前工程として、曲げ加工や潰し加工等の予備成形が必要な場合、曲げ加工を行う曲げ加工装置、潰し加工を行うプレス加工装置、及び、液圧成形装置がそれぞれ必要であった。また、曲げ加工金型、潰し加工金型、及び、液圧成形金型が必要であった。

したがって、曲げ加工、潰し加工、及び液圧成形それぞれについて、設備費や金型費が発生し、加工（成形）工数も増大するという問題があった。

また、曲げ加工後に潰し加工を行う場合には、曲げ加工によるスプリングバック量のばらつきにより、曲げ加工後の管材が、潰し加工金型のキャビティ内に配設できないという問題があった。潰し加工後の管材を、液圧成形金型のキャビティ内に配設するときも同様であった。

前工程となる曲げ加工や潰し加工等においては、加工後の管材表面に皺が発生することがある。皺が発生した管材を液圧成形する場合には、僅かな皺であっても問題となる。したがって、従来は、曲げ加工や潰し加工を行った後に液圧成形をする場合には、液圧成形限界を小さくせざるを得なかった。

さらに、液圧成形装置は、大型であり設置するために広いスペースが必要であることも問題であった。そこで、特許文献１に提案されるように、液圧成形装置は、Ｃ形フレームを型締め装置とすることで小型化されている。

しかしながら、曲げ加工装置や潰し加工を行うプレス成形装置は、門形フレームを有することが一般的である。したがって、前工程として曲げ加工や潰し加工を行うときには、管材を加工する装置を設置するのに依然として広いスペースを必要とした。

特許文献２には、Ｃ形フレーム内で成形用金型を押し上げるための荷重戻し形シリンダを配備した液圧成形装置の型締め装置が提案されている。

特許文献２に提案された液圧成形装置は、Ｃ形フレームの上部金型保持部と下部金型保持部の離間距離が成形用金型の高さよりも長くても、荷重戻し形シリンダで成形用金型を上昇させて、成形用金型を上部金型保持部に押し付けるものである。そして、液圧成形時に、成形用金型が開くことを防止するものである。

Ｃ形フレーム型締め装置を有する液圧成形装置を使用するために必要な付属装置を小型化する試みが、特許文献３に提案されている。

特開２００２−６６６６３号公報特開２００３−１３４５号公報特開２００２−３４６６５０号公報

上述したように、特許文献１に提案された液圧成形装置は、小型化されている。しかしながら、上下の保持部に成形用金型を送り込むための準備台を、Ｃ形フレームの開口側に設置する必要があり、更なる小型化が望まれていた。

特許文献２に提案された液圧成形装置のＣ形フレームに配備された荷重戻し形シリンダは、Ｃ形フレームの上方金型保持部と下方金型保持部との離間距離を補填するものである。

したがって、荷重戻し形シリンダは、Ｃ形フレームとともに、液圧成形時に成形用金型が開かないようにする形締めする機能を有する装置、即ち、クランプ装置であって、成形用金型に配設された管材をプレス成形する装置ではない。よって、液圧成形の前に、曲げ加工や潰し加工等の予備成形を行う場合には、別途、曲げ加工装置や、潰し加工を行うプレス成形装置を設置する必要があった。

特許文献３に提案された液圧成形装置は、準備台より上の空間に、成形用金型の開閉機構を設けて省スペースを図っている。しかしながら、この開閉機構は、あくまで上型を昇降させて上型と下型の開閉を行うのみである。

即ち、この開閉機構は、管材に荷重を付加して、曲げ加工や潰し加工を行うプレス成形装置ではない。したがって、前工程として曲げ加工や潰し加工を行うには、別途、曲げ加工装置や、潰し加工を行うプレス成形装置を設置する必要があった。

本発明は、前工程として、管材内に液体を充填して内圧を付与しつつ曲げ加工や潰し加工等の予備成形を行った後、さらに、液圧成形をするに際し、１組の成形用金型で予備成形から液圧成形までを行うことができる液圧成形装置を提供することを目的とする。また、この液圧成形装置を用いた液圧成形方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前処理として行う曲げ加工には、高ストロークで低荷重が必要であることに着目した。また、本発明者らは、前処理として行う潰し加工には、低ストロークで高荷重が必要であることに着目した。

即ち、Ｃ形フレームが有する支柱部と反対側に予備成形台を配設し、予備成形台の上に成形用金型を載置して、曲げ加工に代表される、高ストロークで低荷重を必要とする第１予備成形を行えばよいことを知見した。

予備成形台の台上では高荷重を付加することは難しい反面、Ｃ形フレームの上方金型保持部と下方金型保持部とで挟まれた空間のように、上下方向空間に制限がないため、高ストロークを得やすいからである。

なお、予備成形台に代わり、Ｃ形フレーム下部の全部または一部をＣ形フレームの開口側に延長して予備成形台として使用することも可能である。また、前記成形用金型を上昇させる下部昇降機構を設けることにより、予備成形台が受け持つ荷重を軽減させることも可能である。

そして、Ｃ形フレームが有する上方金型保持部と下方金型保持部とで挟まれた空間で、潰し加工に代表される低ストロークで高荷重を必要とする第２予備成形を行えばよいことを知見した。Ｃ形フレームの上方金型保持部と下方金型保持部とで挟まれた空間では、上下方向空間が狭いため、ストロークを大きくとることが難しいからである。

その反面、下方金型保持部に配備したＣ形フレーム内昇降機構により、成形用金型を上方金型保持部に押し付けることにより、成形用金型内の管材に充分な成形荷重を付加することができるからである。

また、成形用金型内に配設された管材内に液体を充填し、内圧を付加する軸押し機構を設けることで、第１予備成形及び第２予備成形の後に液圧成形できることはもちろんのこと、内圧を加えながら第１予備成形及び第２予備成形できることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、その要旨は次の通りである。

（１）上型と下型を有する成形用金型のうち、成形前の管材を配設した下型を載置する予備成形台と、前記成形前の管材を配設した下型に、前記上型を合わせて成形荷重を加え、前記管材を第１予備成形する上部昇降機構と、上方金型保持部と下方金型保持部とからなる一対の金型保持部、及び、該一対の金型保持部の端部それぞれを連結する支柱部を有し、第２予備成形時及び液圧成形時に、前記成形用金型が開くことを抑制するＣ形フレームと、前記下方金型保持部に配備され、第２予備成形時に、前記成形用金型を前記上方金型保持部に押し付け、第１予備成形後の管材を第２予備成形するＣ形フレーム内昇降機構と、第１予備成形時、第２予備成形時、及び液圧成形時に、前記成形用金型内に配設された管材内に液体を充填し、内圧を付加する軸押し機構と、前記一対の金型保持部で挟まれる空間と前記予備成形台との間で、前記成形用金型を移動させる金型移動機構とを備えることを特徴とする管材成形装置。

（２）上記（１）に記載の管材成形装置を用い、前記第１予備成形、前記第２予備成形、及び前記液圧成形のうち、少なくとも１つの成形を行うことを特徴とする管材成形方法。

本発明によれば、管材内に液体を充填して内圧を付加しつつ、曲げ加工及び潰し加工等の予備成形を行った後に液圧成形する一連の管材成形を、１組の成形用金型で行うことができる。

したがって、本発明によれば、中間成形管材が、スプリングバックにより次工程の金型キャビティに配設できないという不具合を防止できる。よって、本発明によれば、スプリングバックの大きい高張力鋼管などであっても、曲げ加工及び潰し加工をした後に液圧成形をして、複雑な形状の成形品を得ることができる。

また、本発明によれば、曲げ加工や潰し加工で発生する皺の発生を防止することができる。したがって、僅かな皺があっても、成形時に、その皺から亀裂が生じる液圧成形において、管材の液圧成形限界を高めることができ、曲げ加工や潰し加工をした後の管材を、より拡管率が高い形状に液圧成形することができる。

そして、本発明によれば、管材を、曲げ加工に代表される第１予備成形、潰し加工に代表される第２予備加工の後に、液圧成形ができることは勿論のこと、第１予備成形、第２予備成形、及び、液圧成形から少なくとも１つを選んで管材を成形することができる。これにより、本発明は、管材の成形自由度を向上させることができる。

本発明の管材成形装置の全体構造の一例を示す斜視図である。説明のために軸押し機構の記載を省略した、図１に示した管材成形装置の側面図である。図２（ａ）は、第１予備成形前の状態を示す。図２（ｂ）は第１予備成形中の状態を示す。説明のために軸押し機構の記載を省略した、図１に示した管材成形装置の側面図である。図３（ａ）は、第２予備成形前の状態を示す。図３（ｂ）は、第２予備成形中の状態を示す。下部昇降機構を設けた本発明の管材成形装置の一例を示す側面図である。

本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の管材成形装置の全体構造の一例を示す斜視図である。図１中、符号１は、本発明の管材成形装置を示す。

本発明の管材成形装置１は、予備成形台５、上部昇降機構１０、Ｃ形フレーム２０、Ｃ形フレーム内昇降機構５０、軸押し機構５５、金型移動機構６０を有する。Ｃ形フレーム２０は、図１に示すように、Ｃ形の厚手鋼板を積層して形成するのが一般的である。厚手鋼板は、タイロットボルト８０とナットの締結により結合される。Ｃ形フレームの形成は、この方法に限られない。例えば、鋳造及び溶接等により、一体構造としてもよい。

図２は、図１に示した本発明の管材成形装置１の側面図である。なお、説明のため、軸押し機構５５は省略してある。図２（ａ）は、第１予備成形前の状態を示す。図２（ｂ）は第１予備成形中の状態を示す。

成形用金型７０は、上型７２及び下型７４を有する。図２（ａ）に示したように、予備成形台５の台上に載置された下型７４に、管材９０が配設される。その状態で、上部昇降機構１０を用いて吊り下げられた上型７２が、上部昇降機構１０により下降され、上型７２は、下型７４と型合わせされる。型合せの後、上部昇降機構１０は、上型７２を下型７４に押し付ける。

上部昇降機構１０による型合わせ及び押し付けで、管材９０に成形荷重が付加される。そして、上部昇降機構１０と予備成形台５とで成形用金型７０の全体を挟み込み、管材９０に付加された成形荷重が増加し、管材９０が予備成形台５の上で第１予備成形される。

上部昇降機構１０は、上型把持機構１１と屈曲アーム１２を有する。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、屈曲アーム１２を屈曲させることで、上型７２が昇降される。上部昇降機構１０の構造は、上型７２が昇降でき、かつ、上型７２を下型７４に型合わせした後、上型７２を下型７２に押し付けることができるものであれば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示した構造に限られない。

上部昇降機構１０と予備成形台５で成形用金型７０の全体を挟み込み、管材９０に成形荷重を加えたとき、上部昇降機構１０及び予備成形台５それぞれは反力を受ける。上部昇降機構１０がＣ形フレーム２０に配備され、上部昇降機構１０が付加する成形荷重が大きい場合には、上部昇降機構１０と屈曲アーム１２と予備成形台５は、成形荷重の反力で変形しないよう剛性を高める必要がある。

したがって、管材成形装置１全体が大型となる。また、予備成形台５とＣ形フレーム２０が互いに離れる方向に回転し、予備成形台５とＣ形フレーム２０が転倒する。よって、予備成形台５の台上で行う第１予備成形に付加できる成形荷重は低荷重に限ることが望ましい。

一方、成形ストロークは、大きくとることができる。成形用金型７０を載置した予備成形台２より上方は遮蔽物がないため、上部昇降機構１０のストロークを大きくすることができるからである。

これらのことから、予備成形台５の台上で行う第１予備成形は、高ストローク低荷重を必要とする加工が好適である。即ち、第１予備成形は、曲げ加工が好適である。

第１予備成形が終了すると、上型７２は上部昇降機構１０から切り離され、図１に示した金型移動機構６０（図１、参照）が、成形用金型７０を、Ｃ形フレーム２０の上方金型保持部２２と下方金型保持部２４とで挟まれた空間に移動させる。

図３は、図１に示した本発明の管材成形装置１の側面図である。図２の場合と同様、軸押し機構５５の記載は省略してある。図３（ａ）は、第２予備成形前の状態を示す。図３（ｂ）は、第２予備成形中の状態を示す。

上記のように移動された成形用金型７０は、下方金型保持部２４に配備されたＣ形フレーム内昇降機構５０により、上方金型保持部２２に押し付けられる。これにより、第１予備成形後の管材９０は、第２予備成形される。

Ｃ形フレーム内昇降機構５０で第２予備成形をする場合、成形ストロークを大きくとることができない。上方金型保持部２２と下方金型保持部２４とで挟まれた空間は、上下方向距離に制限があるからである。

上下方向距離を長くすると、Ｃ形フレーム２０の弾性変形量が大きくなる。このとき、Ｃ形フレーム内昇降機構５０がＣ形フレーム２０の開口部側へ押し出される方向のスラスト荷重は増大する。したがって、上下方向距離を長くすることは好ましくない。

一方、成形荷重については、Ｃ形フレーム内昇降機構５０を用いて、成形用金型７０を上方金型保持部２２に高荷重で押し付けても何ら問題はない。Ｃ形フレーム２０が転倒することもない。Ｃ形フレーム２０は、上方金型保持部２２と下方金型保持部２４とからなる一対の金型保持部それぞれを、高剛性の支柱部２６で連結する構造を有している。

そして、この構造により、成形用金型７０から受ける反力で、上方金型保持部２２と下方金型保持部２４とが離れようとするのを防止しているからである。また、その剛性は液圧成形時の反力を支持できるものである。したがって、第２予備成形における成形荷重は、高荷重とすることができる。

これらのことから、第２予備成形は、低ストローク高荷重を必要とする加工が好適である。即ち、第２予備成形は、潰し加工が好適である。なお、Ｃ形フレーム内昇降機構５０は、潰し加工等を可能とする低ストローク高荷重を管材９０に付加できるもの、例えば、複動型油圧シリンダが好適である。

荷重戻し形シリンダは、液圧成形の際に、上型７２と下型７４が開いてしまうことを防止するのに充分な荷重を、上型７２と下型７４に付加することができる。しかし、荷重戻し形シリンダは、管材７０を潰し加工するのに充分な荷重を、管材９０に付加することはできないからである。

Ｃ形フレーム２０は、一体で形成してもよいし、長手方向にいくつかに分割されたものを積層して形成してもよい。

管材９０の端部に連結された軸押し機構５５（図１参照）は、第２予備成形が終了した管材９０の内部に液体を充填し、内圧を付加する。このときも、Ｃ形フレーム内昇降機構５０は、第２予備成形のときと同様に、成形用金型７０を上方金型保持部２２に押し付ける。液圧成形時に成形用金型７０の上型７２と下型７４が開くことを防止するためである。これにより、第２予備成形が終了した管材９は、液圧成形される。

軸押し機構５５は、第１予備成形を行う場所から、第２予備成形及び液圧成形する場所までの成形用金型７０の移動に追従できるものであれば、通常の液圧成形で用いられる機構と同様でよい。第１予備成形時及び第２予備成形時にも、管材９０に液体を充填し、内圧を付加しながら第１予備成形及び第２予備成形を行うためである。

第１予備成形時及び第２予備成形時に付加する内圧は、第１予備成形時及び第２予備成形時に発生する皺が発生するのを防止する程度の圧力でよい。拡管は、第１予備成形及び第２予備成形の終了後に、高い内圧を加えて液圧成形するからである。

金型移動機構６０（図１、参照）は、上方金型保持部２２と下方金型保持部２４とで挟まれる空間と、予備成形台５との間で、成形用金型７０を移動させる。

本発明の管材成形装置１においては、高ストローク低荷重が必要な第１予備成形は、Ｃ形フレーム２０の外部にある予備成形台５の上で行われる。また、低ストローク高荷重が必要な第２予備成形は、Ｃ形フレーム２０の内部にある上方金型保持部２２と下方金型保持部２４で挟まれた空間で行われる。

したがって、第１予備成形の後に、成形用金型７０を、Ｃ形フレーム２０の外部からＣ形フレーム２０の内部へ移動させる必要があるからである。そして、第２予備成形及び液圧成形の終了後には、成形用金型７０を、Ｃ形フレーム２０の外に引き出す必要があるからである。

金型移動機構６０を用いての成形用金型７０の移動を円滑にするために、予備成形台５及び下方金型保持部の上部には、ローラー（図示しない）を配設することが好ましい。上述したように、第１予備成形は、予備成形台５の上で行うが、成形用金型７０をローラーに押し付けると、ローラーが破損することがあるので好ましくない。

したがって、ローラーが予備成形台５の表面から突出する長さである５〜１５ｍｍを下部昇降機構１５を用いて成形用金型７０を上昇させて、成形用金型７０がローラーに押し付けられないようにすることが好ましい。

ここまでに説明してきた第１予備成形、第２予備におけるストローク及び成形荷重の好適範囲について、長手方向の長さが２５００ｍｍ、長手方向に垂直な断面が５５０ｍｍ四方の成形用金型の場合で説明する。

第１予備成形における上部昇降機構１０による成形ストロークは最大で１００ｍｍである。また、第１予備成形では、成形荷重の大半を上部昇降機構１０で付加するが、上部昇降機構１０が付加する成形荷重は最大で０．１９６ＭＮ（２０ｔｆ）である。

これらは、成形前の管厚が１０ｍｍの７８０ＭＰａ級高張力鋼を曲げ加工するときに必要な荷重に相当し、上記の成形用金型の寸法制約内で曲げ加工が可能な最大成形ストロークだからである。

第２予備成形における成形ストロークは、最大で３０ｍｍである。また成形荷重は、最大で３３．３２ＭＮ（３４００ｔｆ）である。これらは、成形前の管厚が１０ｍｍの７８０ＭＰａ級高張力鋼を潰し加工するときに必要な荷重に相当し、Ｃ形フレーム２０の弾性変形により、Ｃ形フレーム内昇降機構５０に過大なスラスト荷重が負荷されないための最大ストロークだからである。

次に、これまでに説明した本発明の管材成形装置１を用いた管材成形方法について説明する。

本発明の管材成形装置１を用いて、高ストローク低荷重が必要な第１予備成形、及び、低ストローク高荷重が必要な第２予備成形を行った後、液圧成形を行うことができる。本発明の管材成形装置１を用いて管材を成形するに際しては、第１予備成形、第２予備成形、及び、液圧成形を単独で行ってもよい。

また、第１予備成形、第２予備成形のいずれかのみを行った後、液圧成形を行ってもよい。あるいは、第２予備成形を行った後に第１予備成形を行い、次いで、液圧成形を行ってもよい。

なお、上述したところは、本発明の実施形態を例示したものにすぎず、本発明は、特許請求の範囲の記載範囲内において種々変更を加えることができる。

例えば、第１予備成形で付加できる成形荷重を高めつつ、装置の小型化を実現するため、予備成形台５の代わりに、Ｃ形フレーム２０の下方金型保持部２２を、支柱部２６と反対側に延長してもよい。延長する下方金型保持部２２は、Ｃ形フレーム２０の長手方向の一部でもよいし、全部でもよい。

また、予備成形台５とは別に、図４に示すように、下部昇降機構１５を設け、予備成形台５を小型化してもよい。この場合、上部昇降機構１０による型合わせ及び押しつけと同時に、下部昇降機構１５が５〜１５ｍｍの範囲で上昇させることにより、上部昇降機構１０と下部昇降機構１５とで成形用金型７０の全体を挟み込み、管材９０が第１予備成形される。

なお、下部昇降機構１５としては、油圧シリンダ等を採用することができる。

また、本発明の管材成形装置は、金属製管材に適用することができる。管材は、鉄系材料に限られず、非鉄材料系の管材でもよい。

本発明によれば、上述したように、曲げ加工及び潰し加工等の予備加工した後に液圧成形する一連の管材成形を一組の成形用金型で行うことができる。したがって、従来のように、曲げ加工、潰し加工、液圧成形それぞれのために準備した金型に、中間成形材を移し替える必要がなく、効率よく、複雑な形状の成形品を得ることができる。本発明は、産業上、利用価値の高いものである。

１本発明の管材成形装置
５予備成形台
１０上部昇降機構
１１上型把持機構
１２屈曲アーム
１５下部昇降機構
２０Ｃ形フレーム
２２上方金型保持部
２４下方金型保持部
２６支柱部
５０Ｃ形フレーム内昇降機構
５５軸押し機構
６０金型移動機構
７０成形用金型
７２上型
７４下型
８０タイロッドボルト
８２ナット
９０管材

Claims

上型と下型を有する成形用金型のうち、成形前の管材を配設した下型を載置する予備成形台と、
前記成形前の管材を配設した下型に、前記上型を合わせて成形荷重を加え、前記管材を第１予備成形する上部昇降機構と、
上方金型保持部と下方金型保持部とからなる一対の金型保持部、及び、該一対の金型保持部の端部それぞれを連結する支柱部を有し、第２予備成形時及び液圧成形時に、前記成形用金型が開くことを防止するＣ形フレームと、
前記下方金型保持部に配備され、第２予備成形時に、前記成形用金型を前記上方金型保持部に押し付け、第１予備成形後の管材を第２予備成形するＣ形フレーム内昇降機構と、
第１予備成形時、第２予備成形時、及び液圧成形時に、前記成形用金型内に配設された管材内に液体を充填し、内圧を付加する軸押し機構と、
前記一対の金型保持部で挟まれる空間と前記予備成形台との間で、前記成形用金型を移動させる金型移動機構と
を備えることを特徴とする管材成形装置。
請求項１に記載の管材成形装置を用い、前記第１予備成形、前記第２予備成形、及び前記液圧成形のうち、少なくとも１つの成形を行うことを特徴とする管材成形方法。