JP6381967B2 - 成形装置及び成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属パイプを成形する成形装置及び成形方法に関する。

従来、加熱した金属パイプ材料内に気体を供給して膨張させることによって成形を行う成形装置が知られている。例えば、特許文献１に示す成形装置は、互いに対となる上型及び下型と、上型と下型との間で金属パイプ材料を保持する保持部と、保持部に保持された金属パイプ材料内に気体を供給する気体供給部と、を備えている。この成形装置では、上型と下型との間で保持された状態の金属パイプ材料内に気体を供給することによって、金属パイプ材料を膨張させて金型の形状に対応する形状に成形することができる。

特開２００３−１５４４１５号公報

ここで、上述の装置では、金型で金属パイプを成形した後、金属パイプを金型に接触させた状態を所定時間維持することによって、金属パイプを冷却して焼き入れを行っていた。しかしながら、金型を接触させることによる冷却のみを行う場合、冷却速度が速すぎることによって、強度が高くなり、脆くなる（じん性が低くなる）場合があった。従って、成形品の用途によって、強度とじん性をコントロールすることで、用途に応じて適切な特性を有する成形品を得ることが要請されていた。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、適切な特性を有する成形品を得ることができる成形装置及び成形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る成形装置は、金属パイプを成形する成形装置であって、金属パイプ材料を加熱する加熱部と、加熱された金属パイプ材料内に気体を供給して膨張させる気体供給部と、膨張した金属パイプ材料を接触させて金属パイプを成形する金型と、成形後の金属パイプを冷却媒体によって冷却する冷却部と、金型の動作、気体供給部、及び冷却部を制御する制御部と、を備え、制御部は、金型による成形完了以降に、金型を開くように当該金型の動作を制御し、冷却媒体を金属パイプに接触させるように冷却部を制御することによって、冷却媒体による金属パイプの冷却を行う。

本発明に係る成形装置において制御部は、金型による成形完了以降に、金型を開くように当該金型の動作を制御し、冷却媒体を金属パイプに接触させるように冷却部を制御することによって、冷却媒体による金属パイプの冷却を行う。このように、冷却媒体を接触させて冷却を行うことで、金型を接触させることによる冷却に比して、冷却速度を遅くすることができ、金属パイプのじん性を高めるような焼き入れが可能となる。また、冷却媒体を用いて冷却する場合は、金型を接触させることによる冷却に比して、焼き入れ性の調整を容易に行うことができる。以上により、用途に応じて成形品の強度とじん性をコントロールすることが可能となり、適切な特性を有する成形品を得ることができる。

また、本発明に係る成形装置において、制御部は、成形完了後、金型と金属パイプとを接触させた状態を所定時間維持するように、金型の動作を制御することで、金型による金属パイプの冷却を行い、金型による金属パイプの冷却の後、冷却媒体による金属パイプの冷却を行ってよい。このように成形完了後は金型による冷却を行って、冷却速度を高くすることで、冷却を開始してから金属パイプの温度がマルテンサイト変態開始温度となるまでの時間を短縮することができる。従って、マルテンサイト化可能な時間を長く確保することが可能となり、冷却媒体による冷却速度を、所望の特性に応じて容易に調整することが可能となる。

また、本発明に係る成形装置において、制御部は、金属パイプがマルテンサイト変態開始温度よりも高い温度である第１の温度となるまで、金型による金属パイプの冷却を行ってよい。これによって、マルテンサイト変態開始温度になる手前の温度である第１の温度までは、金型によって速やかに金属パイプを冷却することが可能となる。

また、本発明に係る成形装置において、制御部は、冷却媒体による金属パイプの冷却を開始するタイミングに基づいて、金属パイプの焼き入れ性を調整してよい。これによって、容易に金属パイプの焼き入れ性を調整することができる。

また、本発明に係る成形装置において、冷却部は、冷却媒体として、冷却用の気体を金属パイプに吹き付けてよい。冷却媒体として気体を用いることで、流量調整等が容易であるため、焼き入れ性の調整を容易に行うことができる。また、金属パイプを汚すことなく冷却することができる。

また、本発明に係る成形装置において、冷却部は、気体供給部によって構成されてよい。これによって、金属パイプを膨張させるための気体供給部を冷却部として流用することができるため、成形装置をコンパクトにすることができる。

本発明に係る成形方法は、金属パイプを成形する成形方法であって、金属パイプ材料を加熱する加熱工程と、加熱された金属パイプ材料内に気体を供給して膨張させる気体供給工程と、膨張した金属パイプ材料を金型に接触させて金属パイプを成形する成形工程と、成形後の金属パイプを冷却媒体によって冷却する冷却工程と、を備え、冷却工程において、金型による成形完了以降に、金型を開き、冷却媒体を金属パイプに接触させることによって、冷却媒体による金属パイプの冷却を行う。

本発明に係る成形方法によれば、上述の成形装置と同様な作用・効果を得ることができる。

本発明によれば、適切な特性を有する成形品を得ることができる。

本発明の実施形態に係る成形装置の概略構成図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であって、ブロー成形金型の概略断面図である。 成形装置による製造工程を示す図であって、（ａ）は金型内に金属パイプ材料がセットされた状態を示す図、（ｂ）は金属パイプ材料が電極に保持された状態を示す図である。 成形装置によるブロー成形工程とその後の流れを示す図である。 電極周辺の拡大図であって、（ａ）は電極が金属パイプ材料を保持した状態を示す図であり、（ｂ）は電極にブロー機構が当接した状態を示す図であり、（ｃ）は電極の正面図である。 成形装置による焼き入れを行っている時の様子を示す図である。 焼き入れ時の時間と温度の関係を示すグラフである。 変形例に係る冷却工程を示す図である。 変形例に係る冷却工程を示す図である。 変形例に係る冷却工程を示す図である。 変形例に係る冷却工程を示す図である。 変形例に係る冷却工程を示す図である。 変形例に係る冷却工程を示す図である。 変形例に係る冷却工程を示す図である。 変形例に係る冷却工程を示す図である。 変形例に係る冷却工程を示す図である。

〈成形装置の構成〉
図１に示しているように、金属パイプを成形する成形装置１０は、上型１２及び下型１１からなるブロー成形金型（金型）１３と、上型１２及び下型１１の少なくとも一方を移動させるスライド８２と、スライド８２を移動させるための駆動力を発生させる駆動部８１と、上型１２と下型１１との間に金属パイプ材料１４を水平に保持するパイプ保持機構３０と、このパイプ保持機構３０で保持されている金属パイプ材料１４に通電して加熱する加熱機構（加熱部）５０と、加熱された金属パイプ材料１４に高圧ガスを吹込むブロー機構（気体供給部）６０と、駆動部８１、パイプ保持機構３０、ブロー成形金型１３の動作、加熱機構５０及びブロー機構６０を制御する制御部７０と、ブロー成形金型１３を強制的に水冷する水循環機構７２と、冷却媒体によって金属パイプ８０を冷却する冷却部９０と、を備えて構成されている。制御部７０は、金属パイプ材料１４が焼入れ温度（ＡＣ３変態点温度以上）に加熱されたときにブロー成形金型１３を閉じるとともに加熱された金属パイプ材料１４に高圧ガスを吹込む等の一連の制御を行う。なお、以下の説明では、成形後のパイプを金属パイプ８０（図２（ｂ）参照）と称し、完成に至る途中の段階のパイプを金属パイプ材料１４と称するものとする。

下型１１は、大きな基台１５に固定されている。また下型１１は、大きな鋼鉄製ブロックで構成されて、その上面にキャビティ（凹部）１６を備える。更に下型１１の左右端（図１において左右端）近傍には電極収納スペース１１ａが設けられ、当該スペース１１ａ内にアクチュエータ（図示しない）で上下に進退動可能に構成された第１電極１７と第２電極１８を備えている。これら第１、第２電極１７、１８の上面には、金属パイプ材料１４の下側外周面に対応した半円弧状の凹溝１７ａ、１８ａが形成されていて（図５（ｃ）参照）、当該凹溝１７ａ、１８ａの部分に丁度金属パイプ材料１４が嵌り込むように載置可能とされている。また、第１、第２電極１７、１８の正面（金型の外側方向の面）は凹溝１７ａ、１８ａに向って周囲がテーパー状に傾斜して窪んだテーパー凹面１７ｂ、１８ｂが形成されている。なお、下型１１には冷却水通路１９が形成され、略中央に下から差し込まれた熱電対２１を備えている。この熱電対２１はスプリング２２で上下移動自在に支持されている。

なお、下型１１側に位置する一対の第１、第２電極１７、１８はパイプ保持機構３０を兼ねており、金属パイプ材料１４を、上型１２と下型１１との間に昇降可能に水平に支えることができる。また、熱電対２１は測温手段の一例を示したに過ぎず、輻射温度計や光温度計のような非接触型温度センサであってもよい。なお、通電時間と温度との相関が得られれば、測温手段は省いて構成することも十分可能である。

上型１２は、下面にキャビティ（凹部）２４を備え、冷却水通路２５を内蔵した大きな鋼鉄製ブロックである。上型１２は、上端部をスライド８２に固定されている。そして、上型１２が固定されたスライド８２は、加圧シリンダ２６で吊され、ガイドシリンダ２７で横振れしないようにガイドされる。本実施形態に係る駆動部８１は、スライド８２を移動させるための駆動力を発生させるサーボモータ８３を備えている。駆動部８１は、加圧シリンダ２６を駆動させる流体（加圧シリンダ２６として油圧シリンダを採用する場合は、動作油）を当該加圧シリンダ２６へ供給する流体供給部によって構成されている。制御部７０は、駆動部８１のサーボモータ８３を制御することによって、加圧シリンダ２６へ供給する流体の量を制御することにより、スライド８２の移動を制御することができる。なお、駆動部８１は、上述のように加圧シリンダ２６を介してスライド８２に駆動力を付与するものに限られず、例えば、スライド８２に駆動部を機械的に接続させてサーボモータ８３が発生する駆動力を直接的に又は間接的にスライド８２へ付与するものであってもよい。なお、本実施形態では、上型１２のみが移動するものであるが、上型１２に加えて、または上型１２に代えて下型１１が移動するものであってもよい。また、本実施形態では、駆動部８１がサーボモータ８３を備えていなくともよい。

また上型１２の左右端（図１において左右端）近傍に設けられた電極収納スペース１２ａ内には、下型１１と同じく、アクチュエータ（図示しない）で上下に進退動可能に構成された第１電極１７と第２電極１８を備えている。これら第１、第２電極１７、１８の下面には、金属パイプ材料１４の上側外周面に対応した半円弧状の凹溝１７ａ、１８ａが形成されていて（図５（ｃ）参照）、当該凹溝１７ａ、１８ａに丁度金属パイプ材料１４が嵌合可能とされている。また、第１、第２電極１７、１８の正面（金型の外側方向の面）は凹溝１７ａ、１８ａに向って周囲がテーパー状に傾斜して窪んだテーパー凹面１７ｂ、１８ｂが形成されている。即ち、上下一対の第１、第２電極１７、１８で金属パイプ材料１４を上下方向から挟持すると、丁度金属パイプ材料１４の外周を全周に渡って密着するように取り囲むことができるように構成されている。

図２は、ブロー成形金型１３を側面方向から見た概略断面である。これは図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿うブロー成形金型１３の断面図であって、ブロー成形時の金型位置の状態を示している。図２に示すように、下型１１の上面には矩形状の凹部１１ｂが形成されている。上型１２の下面には、下型１１の凹部１１ｂと対向する位置に矩形状の凹部１２ｂが形成されている。ブロー成形金型１３が閉じられた状態においては、下型１１の凹部１１ｂと上型１２の凹部１２ｂとが組み合わされることによって矩形状の空間であるメインキャビティ部ＭＣが形成される。図２（ａ）に示すように、メインキャビティ部ＭＣ内に配置された金属パイプ材料１４は、膨張することによって図２（ｂ）に示すようにメインキャビティ部ＭＣの内壁面と接触し、当該メインキャビティ部ＭＣの形状（ここでは矩断面矩形状）に成形される。

加熱機構５０は、電源５１と、この電源５１から延びて第１電極１７と第２電極１８に接続している導線５２と、この導線５２に介設したスイッチ５３とを有してなる。

ブロー機構６０は、高圧ガス源６１と、この高圧ガス源６１で供給された高圧ガスを溜めるアキュムレータ６２と、このアキュムレータ６２からシリンダユニット４２まで延びている第１チューブ６３と、この第１チューブ６３に介設されている圧力制御弁６４及び切替弁６５と、アキュムレータ６２からシール部材４４内に形成されたガス通路４６まで延びている第２チューブ６７と、この第２チューブ６７に介設されているオンオフ弁６８及び逆止弁６９とからなる。なお、シール部材４４の先端は先細となるようにテーパー面４５が形成されており、第１、第２電極のテーパー凹面１７ｂ、１８ｂに丁度嵌合当接することができる形状に構成されている（図５参照）。なお、シール部材４４は、シリンダロッド４３を介してシリンダユニット４２に連結されていて、シリンダユニット４２の作動に合わせて進退動することが可能となっている。また、シリンダユニット４２はブロック４１を介して基台１５上に載置固定されている。

圧力制御弁６４は、シール部材４４側から要求される押力に適応した作動圧力の高圧ガスをシリンダユニット４２に供給する役割を果たす。逆止弁６９は、第２チューブ６７内で高圧ガスが逆流することを防止する役割を果たす。制御部７０は、（Ａ）から（Ａ）へ情報が伝達されることで、熱電対２１から温度情報を取得し、加圧シリンダ２６、スイッチ５３、切替弁６５及びオンオフ弁６８等を制御する。

水循環機構７２は、水を溜める水槽７３と、この水槽７３に溜まっている水を汲み上げ、加圧して下型１１の冷却水通路１９や上型１２の冷却水通路２５へ送る水ポンプ７４と、配管７５とからなる。省略したが、水温を下げるクーリングタワーや水を浄化する濾過器を配管７５に介在させることは差し支えない。

〈成形装置の作用〉
次に、成形装置１０の作用について説明する。図３は材料としての金属パイプ材料１４を投入するパイプ投入工程から、金属パイプ材料１４に通電して加熱する通電加熱工程までを示している。図３（ａ）に示すように、焼入れ可能な鋼種の金属パイプ材料１４を準備し、この金属パイプ材料１４を、ロボットアーム等（図示しない）により、下型１１側に備わる第１、第２電極１７、１８上に載置する。第１、第２電極１７、１８には凹溝１７ａ、１８ａが形成されているので、当該凹溝１７ａ、１８ａによって金属パイプ材料１４が位置決めされる。次に、制御部７０（図１参照）は、パイプ保持機構３０を制御することによって、当該パイプ保持機構３０に金属パイプ材料１４を保持させる。具体的には、図３（ｂ）のように、各電極１７、１８を進退動可能としているアクチュエータ（図示しない）を作動させ、各上下に位置する第１、第２電極１７、１８を接近・当接させる。この当接によって、金属パイプ材料１４の両端部は、上下から第１、第２電極１７、１８によって挟持される。またこの挟持は第１、第２電極１７、１８に形成される凹溝１７ａ、１８ａの存在によって、金属パイプ材料１４の全周に渡って密着するような態様で挾持されることとなる。ただし、金属パイプ材料１４の全周に渡って密着する構成に限られず、金属パイプ材料１４の周方向における一部に第１、第２電極１７，１８が当接するような構成であってもよい。

続いて、制御部７０は、加熱機構５０を制御することによって、金属パイプ材料１４を加熱する。具体的には、制御部７０は、加熱機構５０のスイッチ５３をＯＮにする。そうすると、電源５１から電力が金属パイプ材料１４に供給され、金属パイプ材料１４に存在する抵抗により、金属パイプ材料１４自体が発熱する（ジュール熱）。この時、熱電対２１の測定値が常に監視され、この結果に基づいて通電が制御される。

図４は、ブロー成形及びブロー成形後の処理内容を示している。具体的には、図４（ａ）に示しているように、加熱後の金属パイプ材料１４に対してブロー成形金型１３を閉じ、金属パイプ材料１４を当該ブロー成形金型１３のキャビティ内に配置密閉する。その後、シリンダユニット４２を作動させてブロー機構６０の一部であるシール部材４４で金属パイプ材料１４の両端をシールする（図５も併せて参照）。なおこのシールは、シール部材４４が直接金属パイプ材料１４の両端面に当接してシールするのではなく、第１、第２電極１７、１８に形成されたテーパー凹面１７ｂ、１８ｂを介して間接的に行われる。こうすることによって広い面積でシールできることからシール性能を向上させることができる上、繰り返しのシール動作によるシール部材の摩耗を防止し、更に、金属パイプ材料１４両端面の潰れ等を効果的に防止している。シール完了後、高圧ガスを金属パイプ材料１４内へ吹き込んで、加熱により軟化した金属パイプ材料１４をキャビティの形状に沿うように変形させる。その後、ブロー成形後の金属パイプ材料１４に対して冷却を行い、焼き入れを行うと金属パイプ８０ができ上がる（詳細については後述）。

金属パイプ材料１４は高温（９５０℃前後）に加熱されて軟化しており、比較的低圧でブロー成形することができる。具体的には、高圧ガスとして、４ＭＰａで常温（２５℃）の圧縮空気を採用した場合、この圧縮空気は、密閉した金属パイプ材料１４内で結果的に９５０℃付近まで加熱される。圧縮空気は熱膨張し、ボイル・シャルルの法則に基づき、約１６〜１７ＭＰａにまで達する。即ち、９５０℃の金属パイプ材料１４を容易にブロー成形することができる。

そして、ブロー成形されて膨らんだ金属パイプ材料１４の外周面が下型１１のキャビティ１６に接触して急冷されると同時に、上型１２のキャビティ２４に接触して急冷（上型１２と下型１１は熱容量が大きく且つ低温に管理されているため金属パイプ材料１４が接触すればパイプ表面の熱が一気に金型側へと奪われる。）される。このような冷却法は、金型接触冷却又は金型冷却と呼ばれる。その後、冷却媒体を金属パイプ８０に供給することによって金属パイプ８０の焼き入れが行われる。

（金属パイプの冷却）
次に、成形後の金属パイプ８０の冷却について説明する。本実施形態に係る成形装置１０は、成形後の金属パイプ８０に冷却媒体を供給する冷却部９０を備えている。本実施形態に係る成形装置１０において、制御部７０は、ブロー成形金型１３による成形完了後に、当該ブロー成形金型１３を開くように当該ブロー成形金型１３の動作を制御し、冷却媒体を金属パイプ８０に接触させるように冷却部９０を制御することによって、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を行う。冷却媒体は特に限定されず、空気、不活性ガス等の気体を適用してもよく、水、油等の液体を適用してもよく、金属プレートやドライアイス等の固体を適用してもよい。なお、これらの冷却媒体のうち、複数種類の冷却媒体を組み合わせて用いてもよい。図１に示す例では、冷却部９０は、ブロー機構６０によって構成される。すなわち、冷却部９０は、冷却媒体として、冷却用の気体（成形のためのエアブローで用いた気体を流用してよい）を金属パイプ８０に吹き付けることによって、金属パイプ８０を冷却する。

制御部７０は、ブロー成形金型１３による成形完了以降に、ブロー成形金型１３を開くように当該ブロー成形金型１３の動作を制御し、冷却媒体を金属パイプ８０に接触させるように冷却部９０を制御することによって、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を行う。なお、制御部７０は、駆動部８１を制御してスライド８２を介して上型１２を移動させることによって、ブロー成形金型１３の動作を制御する。また、制御部７０は、成形完了後、ブロー成形金型１３と金属パイプ８０とを接触させた状態を所定時間維持するように、ブロー成形金型１３の動作を制御することで、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却を行い、その後、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を行ってよい。また、制御部７０は、金属パイプ８０がマルテンサイト変態開始温度よりも高い温度である第１の温度（後述の図７（ｂ）の温度Ｔ１）となるまで、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却を行ってよい。また、制御部７０は、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を開始するタイミングに基づいて、金属パイプ８０の焼き入れ性を調整してよい。

本実施形態に係る金属パイプ８０の冷却と温度との関係について、図７のグラフを参照して説明する。まず、図７（ａ）を参照して、金属パイプ８０の強度と冷却との関係について説明する。図中、グレースケールを付した領域は、マルテンサイト変態領域ＭＴを示している。図中、破線は金属パイプ８０を冷却する際の時間と温度の変化を示すグラフである。破線Ｌ９、破線Ｌ８、破線Ｌ７、破線Ｌ６、破線Ｌ５、破線Ｌ４、破線Ｌ３、破線Ｌ２、破線Ｌ１の順に金属パイプ８０の冷却速度が速くなる。破線がマルテンサイト変態領域ＭＴを通過すると、マルテンサイト変態が起こる。金属パイプ８０の強度は、マルテンサイト変態開始温度ＴＳ以下の領域における冷却速度によって変化する。金属パイプ８０は、図の左側に位置する破線に沿って冷却するものほど硬度が高くなる。また、金属パイプ８０は、右側に位置する破線に沿って冷却するものほど硬度が低くなるが、じん性が高くなる。例えば、成形終了後、ブロー成形金型１３と金属パイプ８０とを接触させることによる冷却のみを行った場合の温度変化を示す破線をＬ１とする。これに対して、成形終了後に直ちに型開し、冷却部９０が金属パイプ８０に冷却媒体を接触させることによって冷却する場合、破線Ｌ２〜Ｌ５に沿った温度変化をするように冷却することで、高いじん性の金属パイプ８０を得ることができる。ただし、破線Ｌ６〜Ｌ９に沿った温度変化をするように金属パイプ８０を冷却した場合、破線Ｌ６〜Ｌ９がマルテンサイト変態開始温度ＴＳを通過しないので、後述のように、金型冷却を適宜組み合わせて冷却を行うことが好ましい。

また、制御部７０は、成形完了後、ブロー成形金型１３と金属パイプ８０とを接触させた状態を所定時間維持するように、ブロー成形金型の動作を制御することで、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却を行い、その後、冷却部９０を制御して冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を行ってよい。制御部７０は、金属パイプ８０がマルテンサイト変態開始温度ＴＳよりも高い温度である第１の温度（図７（ｂ）における温度Ｔ１）となるまで、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却を行う。具体的には、図７（ｂ）に示すように、制御部７０は、金属パイプ８０が破線Ｌ１０に沿った温度変化をするように冷却するように、ブロー成形金型１３の動作、及び冷却部９０を制御する。制御部７０は、成形完了直後はブロー成形金型１３を金属パイプ８０に接触させた状態を維持するように制御し、開始点Ｐ１にてブロー成形金型１３の型開を行ってブロー成形金型１３と金属パイプ８０との接触を解除すると共に冷却部９０を制御して冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を開始する。開始点Ｐ１は、ブロー成形金型１３による冷却から冷却触媒による冷却に切り替わるポイントであり、開始点Ｐ１での温度をＴ１とし、時間（冷却開始からの経過時間）をＨ１とする。この場合、時間Ｈ１は、金属パイプ８０をブロー成形金型１３に接触させた状態を維持する時間に該当する。成形完了から時間Ｈ１が経過するまでの間、金属パイプ８０からブロー成形金型１３への伝導伝熱により、金属パイプ８０の温度は破線Ｌ１０ａに従って急激に低下する。時間Ｈ１の経過後は、冷却媒体による冷却が行われ、金属パイプ８０から冷却媒体への伝導伝熱により、金属パイプ８０の温度は破線Ｌ１０ｂに従って低い冷却速度で冷却がなされる。開始点Ｐ１における温度Ｔ１は、マルテンサイト変態開始温度ＴＳよりも高い温度である。なお、制御部７０は、冷却開始から時間Ｈ１が経過したことに基づいて冷却部９０による冷却を開始してもよく、金属パイプ８０の温度が温度Ｔ１になったことを検出したタイミングで冷却部９０による冷却を開始してもよい。

制御部７０は、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を開始するタイミング（開始点Ｐ１）に基づいて、金属パイプ８０の焼き入れ性を調整する。すなわち、制御部７０は、開始点Ｐ１を調整することによって、冷却媒体による焼き入れ時間を長くすることで、強度が低下する反面、延伸性を向上させることができる。あるいは、制御部７０は、冷却媒体による焼き入れ時間を短くすることで、強度を向上させることができる。制御部７０は、成形の対象となる金属パイプ８０の用途などに応じて要求される特性に基づいて、予め設定された冷却条件にて冷却を行う。

次に、図６を参照して、成形完了後の金属パイプ８０の冷却（焼き入れ）の工程の一例を説明する。図６に示す成形装置１０は、金属パイプ８０に冷却媒体を吹き付ける冷却部９０として、ブロー機構６０を用いている。また、図６に示す例では、制御部７０は、成形完了後、ブロー成形金型１３と金属パイプ８０とを接触させた状態を所定時間維持するように、ブロー成形金型１３の動作を制御することで、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却を行い、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却の後、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を行う。

まず、図６（ａ）に示すように、ブロー成形金型１３による成形完了直後は、制御部７０は、ブロー成形金型１３の動作を制御することによって、冷却水通路２５に冷却水を流すと共に、上型１２及び下型１１を閉じた状態を維持し、ブロー成形金型１３と金属パイプ８０とを接触させた状態を所定時間維持する。これによって、金属パイプ８０からブロー成形金型１３への伝導伝熱が行われ、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却が行われる。

次に、図６（ｂ）に示すように、制御部７０は、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却の後、ブロー成形金型１３を開くように当該ブロー成形金型１３の動作の制御を行う。また、制御部７０は、ブロー機構６０を制御することによって、シール部材４４を金属パイプ８０の両端部から離間させる。この時、制御部７０は、図６（ｃ）に示すように、下型１１の凹部１１ｂの表面と金属パイプ８０の外表面との間に隙間ＧＰを形成すると共に、上型１２の凹部１２ｂの表面と金属パイプ８０の外表面との間に隙間ＧＰを形成するように、ブロー成形金型１３を開く制御を行う。なお、制御部７０は、エジェクタのピン９１を制御することによって、ブロー成形金型１３の表面と金属パイプの外表面との間に隙間が設けられた状態で、開いたブロー成形金型１３内で金属パイプ８０を保持する。この状態で、制御部７０は、ブロー機構６０を制御することによって、シール部材４４の先端から金属パイプ８０の端部にむかって冷却媒体ＣＭとして高圧ガスを吹き付ける。このとき、冷却媒体ＣＭは、金属パイプ８０の内部、及び隙間ＧＰに流入することで、冷却媒体ＣＭが金属パイプ８０の内表面及び外表面に接触することによって、金属パイプ８０を冷却することができる。なお、冷却媒体ＣＭを金属パイプ８０に吹き付けている間、ピン９１を用いて金属パイプ８０を上下振動させてもよい。以上によって、成形後の金属パイプ８０に対する焼き入れが完了する。

次に、本実施形態に係る成形装置１０の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る成形装置１０において制御部７０は、ブロー成形金型１３による成形完了以降に、ブロー成形金型１３を開くように当該ブロー成形金型１３の動作を制御し、冷却媒体を金属パイプ８０に接触させるように冷却部９０を制御することによって、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却（焼き入れ）を行う。このように、冷却媒体を接触させて冷却を行うことで、ブロー成形金型１３を接触させることによる冷却に比して、冷却速度を遅くすることができ、金属パイプ８０のじん性を高めるような焼き入れが可能となる。例えば、図７（ａ）に示すように、金型との接触のみによる冷却を行った場合、金属パイプ８０の温度は破線Ｌ１に示すように急激に冷却されることで、高い強度を得ることができるものの、十分なじん性を得られない場合がある。それに比して、成形完了後に型開した上で冷却媒体による冷却を行うことで、金属パイプ８０の温度を図７（ａ）の破線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５又は図７（ｂ）の破線Ｌ１０に示すような温度変化を伴って冷却することが可能となる。また、冷却媒体を用いて冷却する場合は、冷却媒体を接触させる時間、冷却媒体の量、冷却媒体の温度等を調整することで、金型を接触させることによる冷却に比して、焼き入れ性の調整を容易に行うことができる。以上により、用途に応じて成形品の強度とじん性をコントロールすることが可能となり、適切な特性を有する成形品を得ることができる。

また、本実施形態に係る成形装置１０において、制御部７０は、成形完了後、ブロー成形金型１３と金属パイプ８０とを接触させた状態を所定時間維持するように、ブロー成形金型１３の動作を制御することで、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却を行い、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却の後、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を行う。ブロー成形金型１３は熱伝導率が高く、また熱容量が高いため、ブロー成形金型１３を金属パイプ１３に接触させることで、金属パイプ１３を急速に冷却することが可能である。このように成形完了後は直ちにブロー成形金型１３による冷却を行って、冷却速度を高くすることで、冷却を開始してから金属パイプ８０の温度がマルテンサイト変態開始温度となるまでの時間を短縮することができる。図７（ｂ）に示すように、マルテンサイト化可能な時間は、冷却開始から所定時間が経過するまでの間の時間であり、冷却開始からマルテンサイト変態開始温度ＴＳとなるまでの時間が短いほど、その後の冷却の自由度が増す（マルテンサイト化可能な時間を増やすことができる）。従って、マルテンサイト化可能な時間を長く確保することが可能となり、冷却媒体による冷却速度を、所望の特性に応じて容易に調整することが可能となる。例えば、マルテンサイト化可能な時間が長ければ、延伸性を高めたい場合には冷却速度が低くなるように冷却部９０を制御することを選択し、強度を高めたい場合には冷却速度が高くなるように冷却部９０を制御することを選択することが可能となる。すなわち、焼き入れの条件の自由度を増やすことができる。

また、本実施形態に係る成形装置１０において、制御部７０は、ブロー成形金型１３の動作を制御することで、金属パイプ８０がマルテンサイト変態開始温度ＴＳよりも高い温度である第１の温度Ｔ１となるまで、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却を行う。これによって、マルテンサイト変態開始温度ＴＳになる手前の温度である第１の温度Ｔ１までは、ブロー成形金型１３によって速やかに金属パイプ８０を冷却することが可能となる。これにより、マルテンサイト化可能な時間を長くすることができる。

また、本実施形態に係る成形装置１０において、制御部７０は、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を開始するタイミング（図７（ｂ）の開始点Ｐ１）に基づいて、金属パイプ８０の焼き入れ性を調整する。例えば、冷却媒体による冷却の開始のタイミングを早くして低速冷却の時間を長くすることで延伸性を向上させることができ、タイミングを遅くして低速冷却の時間を短くすることで強度を向上させることができる。これによって、容易に金属パイプの焼き入れ性を調整することができる。

また、本実施形態に係る成形装置１０において、冷却部９０は、冷却媒体として、冷却用の気体を金属パイプ８０に吹き付けている。冷却媒体として気体を用いることで、流量調整等が容易であるため、焼き入れ性の調整を容易に行うことができる。また、冷却媒体として液体を用いる場合に比して、金属パイプ８０を汚すことなく冷却することができる。

また、本実施形態発明に係る成形装置１０において、冷却部９０は、気体供給部であるブロー機構６０によって構成されている。これによって、金属パイプ８０を膨張させるための気体供給部を冷却部として流用することができるため、成形装置１０をコンパクトにすることができる。

本実施形態に係る成形方法は、金属パイプ材料１４を加熱する加熱工程と、加熱された金属パイプ材料１４内に気体を供給して膨張させる気体供給工程と、膨張した金属パイプ材料１４をブロー成形金型１３に接触させて金属パイプ８０を成形する成形工程と、成形後の金属パイプ８０を冷却媒体によって冷却する冷却工程と、を備えている。また、冷却工程において、ブロー成形金型１３による成形完了以降に、ブロー成形金型１３を開き、冷却媒体を金属パイプ８０に接触させることによって、冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を行う。本実施形態に係る成形方法によれば、上述の成形装置１０と同様な作用・効果を得ることができる。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、図８に示すように、ブロー成形金型１３を開いた状態で冷却媒体ＣＭを供給することで、金属パイプ８０の内部のみから冷却を行ってよい。この場合、図８（ａ）に示すように、金属パイプ８０の片側から冷却媒体ＣＭを供給し、同時に片側から排出してもよい。また、図８（ｂ）に示すように、金属パイプ８０の両側から冷却媒体ＣＭを供給し、両側から排出してもよい。また、図８（ｃ）に示すように、金属パイプ８０の片側から冷却媒体ＣＭを供給し、反対側から排出してもよい。

また、図９（ａ），（ｂ）に示すように、金属パイプ８０の内部と外部の両方から冷却を行う場合、金属パイプ８０の外表面とブロー成形金型の表面との間の隙間に冷却媒体ＣＭを供給するための流路９３を、金属パイプ８０の両側に設けてもよい。なお、図９（ａ）に示すように、金属パイプ８０の内部を冷却する冷却媒体ＣＭの流れる方向と、外部を冷却する冷却媒体ＣＭの流れる方向とが逆であってもよい。また、図９（ｃ），（ｄ）に示すように、金属パイプ８０の内部及び外部においてスケールを吹き飛ばす構造であってもよい。図９（ｃ），（ｄ）に示すように、金属パイプ８０の端部のうち、冷却媒体ＣＭを供給する側の端部では、金属パイプ８０の外部の隙間に流路９３を連通させる。一方、排出側の端部では、流路９３を解除しておき、金属パイプ８０の外部の隙間を通過した冷却媒体ＣＭがそのまま抜けるようにしている。この状態で、金属パイプ８０の一方の端部から冷却媒体ＣＭを、金属パイプ８０の内部及び外部に供給し、他方の端部からスケールと共に排出する。このとき、スケールが舞い散ることを防止するために、ネット等によって構成されるスケール受け部９４を設けてもよい。金属パイプ８０の一方向から冷却媒体ＣＭのスケールを排出することができない場合は、図９（ｃ）と図９（ｄ）の状態を切り替えることで、供給方向の切り替えを複数回繰り返してよい。

また、図１０に示すように、ブロー成形金型１３の内部に冷却媒体ＣＭを流すための流路９７を設けてもよい。流路９７は、下型１１及び上型１２の長さ方向における略中央に設けられている。当該構成により、ブロー成形金型１３内部の流路９７を介して、金属パイプ８０の外部の隙間ＧＰに冷却媒体ＣＭが供給され、金属パイプ８０の両端側から排出される。なお、成形時においては、流路９７はピン９６で封止され、当該ピン９６の先端面によって成形面が確保される。

また、図１１及び図１２に示すように、冷却部９０として冷却ボックス９９を適用してもよい。この冷却ボックス９９は、冷却及び金属パイプ８０の取り出しのために用いられる。この場合、図１１（ａ）に示すように、ブロー成形金型１３による冷却後、または成形完了後にブロー成形金型１３を開くと共に、ピン９１で金属パイプ８０を押し上げる。次に、図１１（ｂ）に示すように、ブロー成形金型１３内に冷却ボックス９９を配置する。次に、図１１（ｃ）に示すように、金属パイプ８０を冷却ボックス９９内に収納して、液体や固体などの冷却媒体によって金属パイプ８０の冷却を行う。次に、図１２（ａ）に示すように、ピン９１を下げて、図１２（ｂ）に示すように、冷却ボックス９９ごと金属パイプ８０をブロー成形金型１３から取り出す。

また、図１３に示すように、冷却部９０として挟み治具１００を適用してもよい。挟み治具１００は、金属パイプ８０の外表面に沿った形状を有する複数のピースに分割されている。図１３に示す例では、挟み治具１００は、金属パイプ８０の両端部を挟むピースと、中央部付近を挟むピースと、を有している。挟み治具１００の一部のピースは、冷却水などの冷却媒体を流すための流路１０１を内部に有し、一部のピースは、シーズヒータなどの加熱部１０２を有している。ただし、流路１０１に温水等の加熱媒体を流すことで加熱してもよい。この挟み治具１００を用いる場合、ブロー成形金型１３を開いた後（例えば、図１１（ｂ），（ｃ）に対応する段階）、挟み治具１００を金属パイプ８０に取り付ける。これによって、図１３（ｂ）に示すように、金属パイプ８０に挟み治具１００が取り付けられた状態となる。当該状態で、流路１０１に冷却媒体を流すことによって金属パイプ８０を冷却する。また、ゆっくりと冷却したい部分については、加熱部１０２で部分的に加熱してもよい。挟み治具１００による冷却が完了したら、挟み治具１００ごと金属パイプ８０をブロー成形金型１３から取り出す。

また、図１４に示すように、冷却部９０としてエアブロー機能を有する取り出しチャック１１０を適用してもよい。取り出しチャック１１０は、金属パイプ８０の両端部に取り付け可能であり、取り付けられた状態にて金属パイプ８０の内部及び外部に対して冷却媒体としての圧縮空気を吹き付けることが可能である。この取り出しチャック１１０を用いる場合、ブロー成形金型１３を開いた後（例えば、図１１（ｂ），（ｃ）に対応する段階）、取り出しチャック１１０を金属パイプ８０に取り付ける。これによって、図１４（ｂ）に示すように、金属パイプ８０に取り出しチャック１１０が取り付けられた状態となる。当該状態で、エアブローすることよって金属パイプ８０を冷却する。エアブローによる冷却が完了したら、取り出しチャック１１０ごと金属パイプ８０をブロー成形金型１３から取り出す。

また、図１５に示すように、冷却部９０としてワイピング機能を有するチャック１２０を適用してもよい。チャック１２０は、金属パイプ８０の外表面に取り付け可能であり、取り付けられた状態にて金属パイプ８０の外表面に沿って駆動することによって当該金属パイプ８０の外表面をワイピングすることができる。このチャック１２０を用いる場合、ブロー成形金型１３から金属パイプ８０を取り出した後（例えば、図１２（ｂ）に対応する段階）、チャック１２０を金属パイプ８０に取り付ける。これによって、図１５（ｂ）に示すように、金属パイプ８０にチャック１２０が取り付けられた状態となる。当該状態で、チャック１２０で金属パイプ８０の表面をワイピングすることによって金属パイプ８０を冷却する。このチャック１２０を用いる場合、冷却が必要な箇所だけをワイピングしてもよく、ゆっくりと全体を満遍なくワイピングしてもよい。あるいは、冷却が必要な箇所だけをチャック１２０で挟んでおき、ワイピングを行わなくてもよい。

また、図１６に示すように、冷却部９０として、ブロー成形金型１３の外部に配置された冷却ボックス９９を適用してもよい。この場合、ブロー成形金型１３から取り出すとき、図１６（ａ）に示すように、金属パイプ８０に取り出しチャック１１５を取り付ける。その後、ブロー成形金型１３から金属パイプ８０を取り出した後（例えば、図１２（ｂ）に対応する段階）、金属パイプ８０を冷却ボックス９９に収納する。冷却ボックス９９には、液体や固体（ドライアイス等）の冷却媒体を充填しておく。

また、上記成形装置１０では、上下金型の間で加熱処理できる加熱機構５０を備え、通電によるジュール熱を利用して金属パイプ材料１４を加熱していたが、これらに限定されるものではない。例えば、加熱処理が上下金型の間以外の場所で行われ、加熱後の金属製パイプを金型間に運び込んでもよい。また、通電によるジュール熱を利用する以外にも、ヒータ等の輻射熱を利用してもよいし、高周波誘導電流を利用して加熱することも可能である。

高圧ガスは、窒素ガス、アルゴンガスなどの非酸化性ガスや不活性ガスを主に採用できるが、これらは金属パイプ内に酸化スケールを発生しづらくさせることができるものの、高価である。この点、圧縮空気であれば、酸化スケールの発生により大きな問題を生じさせない限り、安価であり、大気中に漏れても実害はなく、取扱いが極めて容易である。したがって、ブロー工程を円滑に実行することができる。

ブロー成形金型は無水冷金型と水冷金型の何れでもよい。ただし、無水冷金型は、ブロー成形終了後に金型を常温付近まで下げるときに、長時間を要する。この点、水冷金型であれば、短時間で冷却が完了する。したがって、生産性向上の観点からは、水冷金型が望ましい。

また、上記成形装置１０では、金属パイプ８０がマルテンサイト変態開始温度ＴＳよりも高い温度である第１の温度（図７（ｂ）における温度Ｔ１）となるまで、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却を行い、その後、ブロー成形金型１３の型開を行ってブロー成形金型１３と金属パイプ８０との接触を解除すると共に冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を開始するが、これ以外の制御を採用してもよい。例えば、金属パイプ８０の温度がマルテンサイト変態開始温度ＴＳよりも低い温度となるまで、ブロー成形金型１３による金属パイプ８０の冷却を行い、その後、ブロー成形金型１３の型開を行ってブロー成形金型１３と金属パイプ８０との接触を解除すると共に冷却媒体による金属パイプ８０の冷却を開始してもよい。すなわち、ブロー成形金型１３による焼き入れと冷却媒体による焼き入れを併用してもよい。

１０…成形装置、１１…下型（金型）、１２…上型（金型）、１３…ブロー成形金型（金型）、１４…金属パイプ材料、５０…加熱機構（加熱部）、６０…ブロー機構（気体供給部）、７０…制御部、８０…金属パイプ、９０…冷却部。

Claims (4)

1. 金属パイプを成形する成形装置であって、
   金属パイプ材料を加熱する加熱部と、
   加熱された前記金属パイプ材料内に気体を供給して膨張させる気体供給部と、
   膨張した前記金属パイプ材料を接触させて前記金属パイプを成形する金型と、
   成形後の前記金属パイプを冷却媒体によって冷却する冷却部と、
   前記金型の動作、前記気体供給部、及び前記冷却部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記金型による成形完了以降に、前記金型を開くように当該金型の動作を制御し、前記冷却媒体を前記金属パイプに接触させるように前記冷却部を制御することによって、前記冷却媒体による前記金属パイプの冷却を行い、
   前記成形完了後、前記金型と前記金属パイプとを接触させた状態を所定時間維持するように、前記金型の動作を制御することで、前記金型による前記金属パイプの冷却を行い、
   前記金型による前記金属パイプの冷却の後、前記冷却媒体による前記金属パイプの冷却を行い、
   前記冷却部は、前記冷却媒体として、冷却用の気体を前記金属パイプに吹き付け、
   前記冷却部は、前記気体供給部によって構成され、前記気体供給部は、前記金型内に前記金属パイプが配置された状態で当該金属パイプに気体を供給して冷却する、成形装置。
2. 前記制御部は、
   前記金属パイプがマルテンサイト変態開始温度よりも高い温度である第１の温度となるまで、前記金型による前記金属パイプの冷却を行う請求項１に記載の成形装置。
3. 前記制御部は、
   前記冷却媒体による前記金属パイプの冷却を開始するタイミングに基づいて、前記金属パイプの焼き入れ性を調整する、請求項１又は２に記載の成形装置。
4. 金属パイプを成形する成形方法であって、
   金属パイプ材料を加熱する加熱工程と、
   加熱された前記金属パイプ材料内に気体を供給して膨張させる気体供給工程と、
   膨張した前記金属パイプ材料を金型に接触させて前記金属パイプを成形する成形工程と、
   成形後の前記金属パイプを冷却媒体によって冷却する冷却工程と、
   を備え、
   前記冷却工程において、
   前記金型による成形完了以降に、前記金型を開き、前記冷却媒体を前記金属パイプに接触させることによって、前記冷却媒体による前記金属パイプの冷却を行い、
   前記成形完了後、前記金型と前記金属パイプとを接触させた状態を所定時間維持することで、前記金型による前記金属パイプの冷却を行い、
   前記金型による前記金属パイプの冷却の後、前記冷却媒体による前記金属パイプの冷却を行い、
   前記冷却工程では、前記冷却媒体として、冷却用の気体を前記金属パイプに吹き付け、
   前記冷却工程では、前記気体供給工程において気体の供給を行う気体供給部によって冷却が行われ、前記気体供給部は、前記金型内に前記金属パイプが配置された状態で当該金属パイプに気体を供給して冷却する、成形方法。