JP6680280B2 - 金属パイプの回転引き曲げ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属パイプの回転引き曲げ加工方法に関する。

金属パイプの曲げ加工における主な不具合現象として、金属パイプの曲げ外周部でのワレや減肉、曲げ内周部でのシワ、断面の偏平、工具との擦れによるスクラッチ疵などが挙げられる。
また、曲げ加工方法によって、発生する不具合現象や、その抑制の限界が変わるため、使用用途に応じて最も有利な曲げ加工方法が選択される。

本発明が対象とする金属パイプの曲げ加工方法は、回転引き曲げ加工と呼ばれ、パイプ前方部をクランプで挟持して張力を加えながら曲げロールに押し付け、さらに、パイプ後方からの軸押し荷重によりワレや減肉を抑制するほか、ワイパーを用いることでシワ発生を抑制し、さらにはパイプ内部にマンドレルを挿入することでパイプ断面の偏平を抑制するなど複数の機能を併用することにより、一般的に難加工とされる肉厚の薄いパイプ、大径のパイプおよび比較的小さな曲げ半径のパイプの曲げ加工まで可能とする方法である。

図８〜図１０に基づいて従来の金属パイプの回転引き曲げ加工装置５０及びこれを用いた金属曲げ加工方法（回転引き曲げ加工方法）を説明する。
従来の回転引き曲げ加工装置５０は、曲げロール３と、曲げロール３と一体に構成されて金属パイプ５の曲げ内周側をクランプする曲げ内周側クランプ７と、曲げ内周側クランプ７と共に金属パイプ５の曲げ外周側をクランプする曲げ外周側クランプ９と、金属パイプ５の曲げ内周側に設置されるワイパー１１（図１０参照）と、金属パイプ５に当接してワイパー１１と対向する位置に配置されたプレッシャー１３とを備えている。

金属パイプ５を挟持した曲げ内周側クランプ７と曲げ外周側クランプ９は曲げロール３と一体となって、駆動機構により曲げロール中心軸周りに回転できるようになっている。
また、プレッシャー１３は、金属パイプ５及びワイパー１１に対して押付け力を発生でき、かつ曲げ加工過程においてパイプ軸方向への移動を可能にした駆動機構を有している。
金属パイプ５は、後方部で図示されないチャックにより掴まれ、チャックは金属パイプ５を前方に押し出す軸押し機構を有する。
さらに、曲げ加工部の金属パイプ５の潰れや偏平を防止するため、金属パイプ５内にはパイプ内面に沿って曲がるマンドレル１５が配置される。

上記のような装置において、まず被加工材となる金属パイプ５を後方でチャックし、プレッシャー１３とワイパー１１を金属パイプ５に当接させ、曲げ内周側クランプ７と曲げ外周側クランプ９でパイプ前方を強固に挟持する。
その後、金属パイプ５を挟持したまま曲げ内周側クランプ７と曲げ外周側クランプ９、および曲げロール３を一体に回転させることで、図９に示すように、金属パイプ５は張力を加えながら曲げロール３に巻きつけられ、曲げロール３の曲率に沿った曲げ加工が進行する。
このとき、金属パイプ５はチャックにより後方からも押し出され、さらにプレッシャー１３はワイパー１１に押付けられながら金属パイプ５に当接させたまま軸方向に沿って前方へ移動する。
そして所定の曲げ角度に到達すると曲げ外周側クランプ９、プレッシャー１３、およびチャックを開放し、金属パイプ５を取り出す。

特開２００２−３０１５２０号公報

回転引き曲げ加工では、上述したように、曲げ内周側クランプ７と曲げ外周側クランプ９で金属パイプ５を挟持して張力を加えながら曲げて、さらに、金属パイプ内部にマンドレル１５を挿入して曲げ内周側のシワ発生を抑制する。また、プレッシャー１３をワイパー１１に押付けながら金属パイプ５に当接させて金属パイプ５の軸方向に押し出して曲げ成形し、さらに、後方からチャックで金属パイプに軸押出し荷重をかけ押し出しながら曲げ加工することで曲げ外周側の割れを引き起こす板厚減少を抑える。そして、このときマンドレル１５は金属パイプ５の曲げ部の扁平や潰れも防止する。
パイプ素材や曲げ加工形状を考慮し、これらの機能の作用条件を最適に調整することで、曲げ加工の可能範囲を拡大できる。

しかしながら、一般的に大径、薄肉の金属パイプや、小さい曲げＲの曲げ加工を所望する場合には、従来の方法により細心の調整を施しても安定的に良好な曲げ加工が困難な場合があった。

大径、薄肉の金属パイプや小さい曲げＲの曲げ加工が困難な理由は以下のように理解される。
金属パイプを曲げ加工すると、必然的に曲げ外周側は材料が伸ばされ、逆に曲げ内周側は縮められるが、大径パイプや小さい曲げＲの加工では曲げ外周・曲げ内周の線長差が拡大するため、曲げ外周は割れや減肉、曲げ内周はシワが出やすくなる。また、板厚が薄くなると、更に割れやシワが発生しやすくてこの傾向が助長される。そこで外周の割れや減肉を抑制するため金属パイプの後方部から押出し荷重を増加させると曲げ内周側のシワはさらに発生しやすくなり、抑制できなくなる。すなわち曲げにより曲げ内周側の線長が短くなる部分に材料余りが生じて、シワが形成されるわけである。

金属パイプの曲げ加工において、曲げ内周側に発生するシワを抑制する方法として、例えば特許文献１に開示された「金属製パイプの曲げ加工方法」が挙げられる。
特許文献１の方法は、「前記ベンディングロールについては、金属製パイプの外径形状にほぼ合致させて形成した凹円弧部に同ロールの中心を中心とした一定角度間隔で一定高さの波形形状とされた成形部を設け、前記金属製パイプを挟持した状態にてベンディングロールを回転作動させたときにその成形部に金属製パイプの曲げ内周部が圧接することにより、そのパイプの曲げ内周部に前記成形部の波形形状とほぼ同形の複数の凹凸部が形成されることを特徴とする金属製パイプの曲げ加工方法。」というものである。

しかしながら、特許文献１の方法では、金属製パイプの曲げ内周部のほぼ全範囲に波形形状の凹凸部を形成するものであり、外観が損なわれる。
また、特許文献１の方法は、マンドレル、ワイパーおよび軸押しを併用しない簡易型の回転引き曲げ加工であるため、波形形状の凹凸部を所望する形状に安定して形成するのは難しい。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、曲げ内周側に不規則な形状のシワが発生するのを防止して、外観の良好な金属パイプの回転引き曲げ加工方法を提供することを目的としている。

発明者は、曲げ内周側に管軸と直行する円弧状凸条を積極的に形成させることで不規則なシワを割れとともに抑制した曲げ加工が可能となることを見い出して、さらに、どの位置に円弧状凸条を設けることがシワの抑制に効果的であるかについて検討した。
まず、自動車の排気系の部品を構成する金属パイプについて従来の回転引き曲げ加工を行った場合、いかなるシワが発生するかについて検討した。

図１１は図８および図９に示す従来の回転引き曲げ加工により薄肉パイプを曲げ加工したシミュレーション結果を示すコンター図である。同図に示すように、シワ１６は曲げの後半に発生している。よって、当該部分に円弧状凸条を付与するのが効果的であるとの知見を得た。
また、本発明が対象としている回転引き曲げ加工方法では、ワイパー１１とプレッシャー１３を用いることから、ワイパー１１とプレッシャー１３によって支持される部位ではシワの発生がなく、金属パイプが曲げロールのみに当接する箇所からシワが発生することから、このシワ発生部位の材料余りを円弧状凸条によって吸収させるとよいことに着目した。
本発明はかかる知見と着目に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係る金属パイプの回転引き曲げ加工方法は、曲げ加工される金属パイプにおける曲げ内周側を、曲面溝を有するワイパーによって支持すると共に、前記金属パイプ内にはマンドレルを挿入し、前記金属パイプの前方側を挟持したクランプ部材で前記金属パイプに張力を加えながら、かつ、後方から荷重をかけて前記金属パイプを押し出しながら、曲げロールを回転させることで前記金属パイプを前記曲げロールの周りに沿うように前記曲げロールに巻きつけることで前記曲げロールの曲率に沿わせて曲げ加工を行う金属パイプの回転引き曲げ加工方法であって、
前記曲げロールにおける前記金属パイプと当接する面に、前記金属パイプの外周面に沿う円弧曲面と、該円弧曲面と同心の溝状の円弧状凹条部が形成され、
曲げ加工される前記金属パイプの目標曲げ角度をθとしたときに、前記円弧状凹条部は前記曲げロールの曲げ開始点からθ/２以降の部位に少なくとも１条設けられ、前記円弧状凹条部によって、曲げが進行して曲げ角度がθ/２以上進行した前記金属パイプの曲げ内周側に、円弧状凸条が少なくとも１条形成されることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、複数の前記円弧状凹条部が間欠的に形成されることを特徴とするものである。

本発明においては、曲げロールにおける金属パイプと当接する面に、前記金属パイプの周面に沿う円弧曲面と、該円弧曲面と同心の溝状の円弧状凹条部が形成され、曲げ加工される前記金属パイプの目標曲げ角度をθとしたときに、前記円弧状凹条部は前記曲げロールの曲げ開始点からθ/２以降の部位に少なくとも１条設けられ、前記円弧状凹条部によって曲げが進行して曲げ角度がθ/２以上進行した前記金属パイプの曲げ内周側に、円弧状凸条を少なくとも１条形成されるようにしたことにより、予め設定した所望の位置に円弧状凸条を形成することができ、これにより、円弧状凸条を含む外観の良好な形状や部位を部品設計に取り込むことができて不規則なシワの発生を抑制しつつ、円弧状凸条を安定して形成し、外観の良好な金属パイプの引き曲げ加工を行うことができる。

本発明の一実施の形態に係る金属パイプの回転引き曲げ加工方法に用いる装置の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る金属パイプの回転引き曲げ加工方法に用いる装置の説明図であり、加工途中の状態を示している。 図１に示した装置における曲げ開始点及び曲げロールに設けられる円弧状凹条部の位置を説明する説明図である。 本実施の形態における回転引き曲げ加工方法の説明図である。 本発明の一実施の形態によって曲げ加工された金属パイプの外観の説明図である。 本実施の形態における回転引き曲げ加工方法の他の態様の説明図である。 図６に示した回転引き曲げ加工方法によって曲げ加工された金属パイプの外観の説明図である。 従来の金属パイプの回転引き曲げ加工装置の説明図である。 従来の金属パイプの回転曲げ加工装置の説明図であり、加工途中の状態を示している。 従来の金属パイプの曲げ加工装置に用いるワイパーの説明図である。 従来の回転引き曲げ加工方法によって発生する不規則なシワを説明する説明図である。

本実施の形態に係る金属パイプの回転引き曲げ加工方法に用いる金属パイプの回転引き曲げ加工装置１について、図１、２を参照しながら説明する。なお、従来例を示した図８〜図１０と同一又は対応する部位には同一の符号が付してある。
金属パイプの曲げ加工装置１は、曲げロール３と、曲げロール３と一体に構成されて金属パイプ５の曲げ内周側をクランプする曲げ内周側クランプ７と、曲げ内周側クランプ７と共に用いられ、金属パイプ５の曲げ外周側をクランプする曲げ外周側クランプ９と、金属パイプ５の曲げ内周側に設置されるワイパー１１と、金属パイプ５を挟んでワイパー１１と対向する位置に配置されたプレッシャー１３とを備えている。なお、ワイパー１１は本図の形状の他、曲げロール３と接触する先端が曲げ内周側クランプ７と離れていてもよい。
また、曲げ加工部の金属パイプ５の潰れや偏平を防止するため、金属パイプ５内にはマンドレル１５が配置される。なお、マンドレル１５は本図の形状の他、先端部が複数個に分かれていてもよく、金属製だけでなく弾性樹脂製であってもよい。

＜曲げロール＞
曲げロール３は、その中心軸周りに回転可能に設置され、その曲げ外周部に金属パイプ外径の曲率に一致する曲面溝３ａが形成されている。そして、曲げロール３は、自身が回転することで金属パイプ５を曲面溝３ａに巻き付かせることで曲げ加工を行う。
なお、曲げロール３は曲げ内周側クランプ７と一体形成されており、曲げロール３の曲面溝３ａは、曲げ内周側クランプ７との境界から曲げ内周側クランプ７側が直線状になっており、境界点を曲げロール３の曲げ開始点Ｐと呼ぶ（図３参照）。

本実施の形態では、曲げ加工される金属パイプ５の湾曲部の目標曲げ角度をθとしたときに（図５参照）、図３に示すとおり、曲げロール３における曲げ開始点Ｐを基準とする曲げ角度αがα≧θ/２の位置に、円弧曲面と同心の円弧状凹条部３ｂが１条設けられた例を示す。
円弧状凹条部３ｂの曲げ角度αをα≧θ/２としたのは、金属パイプ５の曲げ加工の後半となる部位に円弧状凸条１７を形成するためである。

＜曲げ内周側クランプ＞
曲げ内周側クランプ７は、曲げロール３と一体に形成されている。曲げ内周側クランプ７には、曲げロール３と同様に金属パイプ外径の曲率に一致する曲面溝３ａが形成されており、曲げ外周側クランプ９と共に金属パイプ５をクランプする際に、金属パイプ表面における曲げ内周側の形状を保持する。

＜曲げ外周側クランプ＞
曲げ外周側クランプ９は、曲げ内周側クランプ７に対向して配置されて曲げ内周側クランプ７と共に金属パイプ５をクランプする際に、金属パイプ表面における曲げ外周側の形状を保持する。
曲げ外周側クランプ９は、金属パイプ５を必要な力でクランプできるように曲げ内周側クランプ７に向けて押付け力を付加すると共に金属パイプ脱着のための開閉機構を有し、さらに曲げロール３の回転に伴って一体となって移動可能に設置される。

＜ワイパー＞
ワイパー１１は固定して配置される。ワイパー１１にも金属パイプ５のパイプ外面に沿った曲面溝１１ａが形成されている。

＜プレッシャー＞
プレッシャー１３は、金属パイプ５に当接してワイパー１１と対向するように配置され、ワイパー１１に対して押付け力を発生でき、かつ曲げ加工過程においてパイプ軸方向への移動を可能にした駆動機構を有している。

上記のように構成された回転引き曲げ加工装置１によって金属パイプ５の回転引き曲げ加工を行う方法を説明する。
まず、被加工材となる金属パイプ５をその後方部でチャックし、プレッシャー１３とワイパー１１を金属パイプ５に当接させ、さらに曲げ内周側クランプ７と曲げ外周側クランプ９でパイプ前方部を挟持する。
その後、曲げ内周側クランプ７と曲げ外周側クランプ９、および曲げロール３を一体に回転させることで、図２に示すように、金属パイプ５は張力を加えながら曲げロール３に巻きついて、曲げロール３の曲率に沿った曲げ加工が進行する。
このとき、金属パイプ５はチャックにより後方からも押し出され、さらにプレッシャー１３は金属パイプ５に当接して押し付け力を加えながら金属パイプ５の軸方向に沿って前方へ移動する。

図４は、曲げ加工の進行状態を示しており、図４（ａ）は曲げ開始時、図４（ｂ）は曲げが進行して、曲げロール３に形成した円弧状凹条部３ｂが金属パイプ５に接触した直後、図４（ｃ）は曲げ加工の終了時の状態をそれぞれ示している。
図４（ａ）の状態から図４（ｂ）に至る過程では、金属パイプ５の曲げ内周側には圧縮ひずみが蓄積されているが、シワの発生までには至っていない。この状態で、図４（ｂ）に至り、曲げロール３に形成した円弧状凹条部３ｂが金属パイプ５に接触を開始すると、この時点では金属パイプ軸方向に圧縮ひずみがある程度蓄積されており、かつ円弧状凹条部３ｂでは曲げ内周側から材料を押圧する作用が部分的になくなるため、材料が自発的に円弧状凹条部３ｂに流入して円弧状凸条１７が金属パイプ５の曲げ内周面に形成される。この円弧状凸条１７の形成によって金属パイプの曲げ内周側での材料あまりが緩和され、同時に曲げ外周側での材料伸びも緩和されるため、従来方法で困難だった曲げ加工が可能となる。
このように、本実施の形態では、金属パイプ５の所望する箇所に確実に円弧状凸条１７を形成することができる。

図４（ｂ）から図４（ｃ）に至る過程では、既にひずみが開放されているので、シワが形成されることなく曲げ加工が進行する。
そして所定の曲げ角度に到達すると曲げ外周側クランプ９、プレッシャー１３、およびチャックを開放し、曲げ加工後の金属パイプ５を取り出す。
曲げ加工が完了した状態では、図５に示すように、曲げ加工の後半の所望の位置に円弧状凸条１７が形成される。

以上のように本実施の形態では、予め設定した所望の位置に円弧状凸条１７を形成することができ、不規則なシワの発生を抑制し、円弧状凸条１７を安定して形成して外観が良好な金属パイプの引き曲げ加工を行うことができる。
すなわち、本実施の形態では、曲げロール３の設計により形成する円弧状凸条１７を形成する箇所や数を所望するとおり設定できる点で従来の加工方法とは大きく異なり、これにより円弧状凸条１７の形状や部位を部品設計に取り込むことが可能になる。
なお、従来の曲げ加工方法でもシワを発生することなく加工が可能であった形状やサイズの曲げ加工であっても、金属パイプの更なる薄肉化を図ることや、機能形状として円弧状凸条１７を付与したデザインに曲げ加工することも可能である。

なお、上記の例では、曲げロール３に一個の円弧状凹条部３ｂを形成した例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、円弧状凹条部３ｂは複数設けてもよく、例えば円弧状凹条部３ｂを３個設けた場合には、図６に示すように、間欠した円弧状凸条１７が３条形成され、曲げ加工が完了した状態では図７に示すように円弧状凸条１７が３条形成される。
このように、円弧状凹条部３ｂを複数設けることで、形成される円弧状凸条１７の数が増えるので、曲げ内周、曲げ外周の線長差をさらに緩和する効果が大きくなる。
もっとも、円弧状凹条部３ｂを設ける数は、金属パイプ５の外観を考慮しつつ、その径や曲げ角度等との関係で不規則なシワの発生を防止できる最低数にするのが好ましい。

１ 回転引き曲げ加工装置
３ 曲げロール
３ａ 曲面溝
３ｂ 円弧状凹条部
５ 金属パイプ
７ 曲げ内周側クランプ
９ 曲げ外周側クランプ
１１ ワイパー
１１ａ 曲面溝
１３ プレッシャー
１５ マンドレル
１６ シワ
１７ 円弧状凸条
５０ 回転引き曲げ加工装置（従来例）
Ｐ 曲げロール３上の曲げ開始点

Claims (2)

1. 曲げ加工される金属パイプにおける曲げ内周側を、曲面溝を有するワイパーによって支持すると共に、前記金属パイプ内にはマンドレルを挿入し、前記金属パイプの前方側を挟持したクランプ部材で前記金属パイプに張力を加えながら、かつ、後方から荷重をかけて前記金属パイプを押し出しながら、曲げロールを回転させることで前記金属パイプを前記曲げロールの周りに沿うように前記曲げロールに巻きつけることで前記曲げロールの曲率に沿わせて曲げ加工を行う金属パイプの回転引き曲げ加工方法であって、
   前記曲げロールにおける前記金属パイプと当接する面に、前記金属パイプの外周面に沿う円弧曲面と、該円弧曲面と同心の溝状の円弧状凹条部が形成され、
   曲げ加工される前記金属パイプの目標曲げ角度をθとしたときに、前記円弧状凹条部は前記曲げロールの曲げ開始点からθ/２以降の部位に少なくとも１条設けられ、前記円弧状凹条部によって曲げが進行して曲げ角度がθ/２以上進行した前記金属パイプの曲げ内周側に、円弧状凸条が少なくとも１条形成されることを特徴とする金属パイプの回転引き曲げ加工方法。
2. 複数の前記円弧状凹条部が間欠的に形成されることを特徴とする請求項１記載の金属パイプの回転引き曲げ加工方法。