JP6915462B2 - 転造加工装置及び転造加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、管状部材に溝を形成する転造加工装置及び転造加工方法に関する。

２本の管状部材を接合する方法として、メカニカル接合方法がある。メカニカル接合方法は、一方の管状部材の端部に他方の管状部材の端部を挿入し、管状部材が２重になっている嵌合部において外側の管状部材から内側の管状部材に外力を加えものである。この外力によって、外側の管状部材の内壁を内側の管状部材の外壁に強力に圧着し、又は外側の管状部材と内側の管状部材とに凹凸を形成して両者を接合する。

管状部材に凹凸を形成するために用いる転造加工装置として、複数の加工ローラを管状部材の周囲に配置し、加工ローラを管状部材の外周に移動させ、管状部材の外周を加工ローラで押圧しつつ、管状部材と加工ローラとを相対的に回転させるものがある。
このような転造加工装置は、加工ローラを管状部材の周囲に配置する際、複数の加工ローラのそれぞれに対して、管状部材に対してセンタリングを行う必要がある。このセンタリング時において、例えばセンタリングが不良な加工ローラが存在すると、その加工ローラにより形成される溝の品質が劣化する。

特許文献１で提案された転造加工装置は、複数の加工ローラのそれぞれの外形を異ならせ、それぞれ異なる部位を加工するようにしている。この場合、１つの加工ローラのセンタリングは他の加工ローラの加工に影響しないため、加工ローラ間で互いに厳密に位置調整を行う必要がない。

また、特許文献２で提案された転造加工装置は、管状部材の内側に駆動ローラ、管状部材の外側に従動ローラを配置し、駆動ローラと従動ローラを互いに近づく方向に移動させ、間に管壁を挟みこむ。この特許文献２の転造加工装置は、センタリングが不要で、また管径によるローラ変更も必要ない。

特許第３６７３１８２号公報 特許第６０２９７９８号公報

しかしながら、特許文献１で提案された転造加工装置は、加工ローラ間での互いの位置調整は不要であるが、いずれにせよ、高精度での溝形成を行う場合は、それぞれの加工ローラの厳密な位置調整が必要である。
また、特許文献２で提案された転造加工装置は、管状部材が小径の場合、内側に駆動ローラを入れるスペースがなく、適用できない。

従って、本発明は、加工精度を維持しつつ、管状部材に対する加工ローラの位置調整を簡便にし、且つ管状部材の径にかかわらず加工可能な転造加工装置及び転造加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のものを提供する。
（１）管状部材の外周に沿って溝を加工するための転造加工装置であり、加工される管状部材の軸線と平行に配置される第１軸を中心として回転する加工ローラと、前記加工ローラに対して、前記管状部材が挿通される加工領域を挟んだ他方に配置される支持部材と、前記加工ローラ又は前記支持部材の一方を、前記軸線に向かう径方向に伸縮可能な駆動部材を介して保持するとともに、前記加工ローラ又は前記支持部材の他方とともに、前記伸縮方向と平行に移動可能なフレーム部材と、を備える転造加工装置。

（２）前記支持部材は、前記加工ローラの前記第１軸と平行な第２軸を中心として回転するとともに、前記管状部材の前記外周に対する前記軸線と平行な方向の接触長さが、前記加工ローラにおける前記軸線と平行な方向の接触長さより長い、支持ローラであってもよい。

（３）前記支持ローラは、２以上設けられていてもよい。

（４）前記フレーム部材には、前記駆動部材の前記伸縮により、前記一方が前記径方向に進退駆動されたときの、前記加工ローラと前記支持部材との距離の下限値を設定するストッパが設けられていてもよい。

（５）前記フレーム部材は、前記駆動部材の前記伸縮方向と平行なスライドレールに対してスライド可能に取り付けられていてもよい。

（６）前記駆動部材は、油圧シリンダであってもよい。

（７）前記フレーム部材は、前記軸線を中心として回転可能であってもよい。

本発明は、上記課題を解決するために、さらに、以下のものを提供する。
（８）管状部材の外周に沿って溝を加工するための転造加工装置であり、加工される管状部材の軸線と平行に配置される第１軸を中心として回転する加工ローラと、前記加工ローラに対して、前記管状部材が挿通される加工領域を挟んだ他方に配置される支持部材と、前記加工ローラ又は前記支持部材の一方を、前記軸線に向かう径方向に伸縮可能な駆動部材を介して保持するとともに、前記加工ローラ又は前記支持部材の他方とともに、前記伸縮方向と平行に移動可能なフレーム部材と、を備える転造加工装置を用いて、前記管状部材を前記加工領域に挿通し、前記駆動部材を伸長させて前記加工ローラ又は前記支持部材の一方を前記管状部材の前記外周に当接させ、前記一方が前記管状部材の前記外周と当接した状態で、前記駆動部材をさらに伸長させることにより、前記フレーム部材を前記駆動部材の前記伸長の方向と逆方向に直進移動させ、前記他方を前記管状部材の前記外周と当接させ、前記フレーム部材を、前記軸線を中心として回転させることによって、前記管状部材を前記支持部材で支持しつつ、前記加工ローラと前記管状部材との当接箇所を移動させ、前記管状部材の前記外周に沿って溝を加工する転造加工方法。

本発明によれば、加工精度を維持しつつ、管状部材に対する加工ローラの位置調整を簡便にし、且つ管状部材の径にかかわらず加工可能な転造加工装置及び転造加工方法を提供することができる。

本発明の転造加工装置が用いられる管接合装置を示すブロック図である。 ２つの管状部材２の接合方法を説明する図であり、（ａ）は端部を拡管した一方の管状部材２ａに、他方の管状部材２ｂを挿入する前の状態、（ｂ）管状部材２ａに管状部材２ｂを挿入した後の状態、（ｃ）は転造加工後の状態を示す。 図２（ｃ）の状態の断面写真である。 転造加工装置１の、管状部材２の軸線と垂直な方向の正面図である。 転造加工装置１の概略構成図及び動作を説明する図である。 転造加工装置１の部分拡大断面図であり、（ａ）は管状部材２の軸線方向と垂直な断面図、（ｂ）は管状部材２の軸線方向に沿った断面図である。

図１は本発明の転造加工装置１が用いられる管接合装置１００を示すブロック図である。管接合装置１００は、拡管装置５０と転造加工装置１とを備え、２本の管状部材２を接続する装置である。
図２は、２本の管状部材２の接合方法を説明する図であり、（ａ）は端部を拡管した一方の管状部材２ａに、他方の管状部材２ｂを挿入する前の状態、（ｂ）管状部材２ａに管状部材２ｂを挿入した後の状態、（ｃ）は転造加工後の状態を示す。
なお、互いに接続される２本の管状部材２は、例えば銅管とＳＵＳ管であるが、これに限定されず、銅管、ＳＵＳ管、アルミニウム管等いずれの管であってもよく、また、同種の管の接続であっても、互いに種類が異なる管の接続であってもよい。また、管状部材２の外径は、これに限定されないが、例えば１０ｍｍ程度の小径である。

（拡管装置５０）
拡管装置５０は、詳細な説明を省略するが、図２（ａ）に示すように、２つの管状部材２のうちの一方の管状部材２ａの端部を、他方の管状部材２ｂの外周に挿入し易くするために、その径を拡大する装置である。
拡管装置５０は、転造加工装置１の上流側に配置される。そして、管状部材２ａの一端部から所定距離の部分を、テーパーが設けられた金型により拡管加工する。拡管加工された管状部材２ａの拡管領域は、図２（ｂ）に示すように、他方の管状部材２ｂの外周に嵌め込まれる。
本実施形態では、拡管装置５０は、転造加工装置１において管状部材２が配置される位置における管状部材２の軸と同軸の第１位置と、この第１位置から管状部材２の軸線方向に平行な方向に移動した第２位置と、の間で位置変更可能な水平移動機構（図示せず）を備える。これにより、例えば、第２位置において管状部材２の一端部を拡管した後拡管された管状部材２を第１位置に移動させ、その後、管状部材２を転造加工装置１側に送り込むことで、転造加工装置１に配置された管状部材２の他端部に一端部が拡管された管状部材２を挿入できる。よって、管接合装置１００において、複数の管状部材２を連続的に接合できる。

（転造加工装置１）
転造加工装置１は、図２（ｂ）に示すような、管状部材２ａの拡管領域と、他方の管状部材２ｂの端部とが２重になった挿入嵌合部３の外周に配置される。そして、図２（ｃ）に示すように、挿入嵌合部３に、外周側から機械的に力を加えて溝（凹凸）４を形成することで管状部材２ａと管状部材２ｂとを連結する装置である。図３は、図２（ｃ）の状態の断面写真である。
図４は、転造加工装置１における、管状部材２の軸線方向と垂直な方向の正面図である。図５は、転造加工装置１の動作を説明する図である。図６は、転造加工装置１の部分拡大断面図であり、（ａ）は管状部材２の軸線方向と垂直な断面図、（ｂ）は管状部材２の軸線方向に沿った断面図である。

図４に示すように、転造加工装置１は、回転フレーム１１と、回転フレーム１１の一方の側（以下、前方という）に固定されたスライドレール１２と、スライドレール１２に沿って移動可能なフレーム部材１３と、フレーム部材１３に固定された油圧シリンダ１４と、油圧シリンダ１４に取り付けられて油圧シリンダ１４の駆動によって、フレーム部材１３に対して直進移動可能な２つの支持ローラ１５と、フレーム部材１３に固定された加工ローラ１６と、回転フレーム１１に固定されたストッパ１７と、一端がフレーム部材１３、他端が回転フレーム１１に取り付けられたガススプリング２０と、を備える。

（回転フレーム１１）
回転フレーム１１は所定厚みの円板状部材で、中央に円形の挿通孔１１ａが設けられている。挿通孔１１ａの内部には管状部材２が挿通され、挿通孔１１ａの前方が、管状部材２を加工する加工領域である。転造加工時において、転造加工装置１は、管状部材２の軸線が挿通孔１１ａの中心Ｐを通り且つ回転フレーム１１と直交するようにして配置される。
以後、管状部材２が加工領域に配置されたときの軸線方向をｘ、軸線が通過する加工領域の中心をＰ、Ｐから放射状に延びる方向を径方向として説明する。
回転フレーム１１は、加工領域の中心Ｐを中心として、図４及び図５に示す矢印Ｒ方向に回転可能である。

（スライドレール１２）
スライドレール１２は、２本のスライドレール１２ａ，１２ｂにより構成される。スライドレール１２ａ，１２ｂは、挿通孔１１ａを挟んだ一方と他方とに互いに平行な状態で、回転フレーム１１に固定され、回転フレーム１１とともに回転する。
一方のスライドレール１２ａは他方のスライドレール１２ｂより長いメインスライドレール１２ａで、回転フレーム１１の円周上の２点を結ぶ弦に沿って、その弦の略全長に亘って延びている。
他方のスライドレール１２ｂはサブスライドレール１２ｂで、サブスライドレール１２ｂの一端は、回転フレーム１１の円周上に位置するが、他端は円周上まで延びておらず、挿通孔１１ａの手前に位置している。

（フレーム部材１３）
フレーム部材１３は、メインスライドレール１２ａに沿って延び且つメインスライドレール１２ａ上をスライドするベース部１３ａと、サブスライドレール１２ｂ上をスライドする補助部１３ｂと、ベース部１３ａの一端側から補助部１３ｂ側に延びベース部１３ａと補助部１３ｂとを連結する連結部１３ｃと、を備える。フレーム部材１３は、また、ベース部１３ａの他端側からから、挿通孔１１ａを挟んで連結部１３ｃに平行に延びる保持部１３ｄを備える。
またフレーム部材１３は、補助部１３ｂから、メインスライドレール１２ａとは逆側に延びるストッパ当接部１３ｅも有する。

（油圧シリンダ１４）
油圧シリンダ１４は、本体部１４ａと駆動軸１４ｂとを備える。本体部１４ａは、フレーム部材１３の保持部１３ｄの、挿通孔１１ａ側に固定されている。
駆動軸１４ｂは、本体部１４ａから挿通孔１１ａの中心Ｐに向かう径方向に伸縮可能である。

駆動軸１４ｂには、ローラ保持部１８が取り付けられている。ローラ保持部１８は、駆動軸１４ｂの伸縮によって、挿通孔１１ａの中心Ｐに向かう径方向に移動可能である。

（支持ローラ１５）
図６（ｂ）に示すように、支持ローラ１５は、ｘ方向に延び、中心に支持ローラ軸１５ａが挿入された円柱部材である。支持ローラ１５には、大径部１５ｂと小径部１５ｃとが交互に形成されている。実施形態において大径部１５ｂは、次に説明する加工ローラ１６の数と同じく３つ設けられているが、これに限定されず、例えば小径部１５ｃを設けずに、大径部１５ｂが１つである円柱構造であってよい。
支持ローラ１５の支持ローラ軸１５ａは、後述の加工ローラ軸１６ｃと平行で、この支持ローラ１５のｘ方向の両端は、ローラ保持部１８に設けられた保持壁部１８ａに対して回転可能に取り付けられている。
大径部１５ｂは、管状部材２を保持する際に、管状部材２の外周とｘ方向に線接触することで、管状部材２を変形させることなく支える。

（加工ローラ１６）
加工ローラ１６は、円筒部１６ａと、その円筒部１６ａのｘ方向中央部から加工ローラ１６の径方向外側に突出した凸部１６ｂとを有する。凸部１６ｂは、管状部材２に形成すべき溝４の形状に対応し、例えば図６（ｂ）に示すように、管状部材２の外周と略点接触するような断面略円弧状に形成される。
本実施形態で加工ローラ１６は、ｘ方向に３つ並んで設けられている。それぞれの加工ローラ１６は同形で、１つの加工ローラ軸１６ｃの外周に、ベアリング１９を介して取り付けられ、加工ローラ軸１６ｃの周りに回転可能である。加工ローラ軸１６ｃのｘ方向の両端は、連結部１３ｃに設けられた壁部１３ｆに固定されている。

（ストッパ１７）
図５に戻り、回転フレーム１１にはストッパ１７が取り付けられている。
ストッパ１７は、後述するように加工ローラ１６が管状部材２と当接して管状部材２に溝４が形成されたときの、溝４の深さを調整するものである。
後述するが、図５（ｃ）に示す加工ローラ１６が管状部材２と当接した後、さらに管状部材２の外周を押圧して溝４を形成する。図５（ｃ）での、ストッパ当接部１３ｅとストッパ１７との間隔が、溝４の深さｄである。溝４の深さｄになったときに、図５（ｄ）に示すようにストッパ１７がストッパ当接部１３ｅと当接する。これにより、溝４の深さがｄ以上になることが防止される。

図４に示す（図５においては省略）ガススプリング２０は、一端が回転フレーム１１に固定され、メインスライドレール１２ａと平行に延び、他端がフレーム部材１３のベース部１３ａの連結部１３ｃ側の端部に取り付けられている。ガススプリングは、フレーム部材１３の位置を初期位置に付勢する。

（動作）
次に、管接合装置１００の動作について説明する。
まず、互いに接続する２つの管状部材２における拡管する管状部材２ａの拡管位置に拡管装置５０を配置する。そして拡管装置５０を用いて、管状部材２ａの端部を、図２（ａ）に示すように拡管する。

次いで、管状部材２ａの拡管領域を、図２（ｂ）に示すように、他方の管状部材２ｂの外周に嵌め込む。

次いで、転造加工装置１の挿通孔１１ａに管状部材２を挿通する。そして、管状部材２ａ，２ｂの二重になった挿入嵌合部３が、挿通孔１１ａの前方の加工領域に位置するように管状部材２をｘ方向に移動する。
そして、転造加工装置１の垂直水平方向を調整し、回転フレーム１１の中心Ｐと管状部材２の軸線とを一致させる。

転造加工装置１を作動させると、転造加工装置１は、回転フレーム１１の回転を開始する。なお回転フレーム１１の回転は、この時点で開始しなくてもよく、図５（ｃ）に示すような、後述の加工ローラ１６と管状部材２とが当接するまでのいずれの時点で開始してもよい。

転造加工装置１は、次いで、油圧シリンダ１４を作動させる。そうすると、駆動軸１４ｂが径方向に伸び、支持ローラ１５が油圧シリンダ１４の本体部１４ａから離れる方向に移動して、図５（ｂ）に示すように、管状部材２の外周に当接する。

支持ローラ１５が管状部材２の外周に当接した後も、さらに駆動軸１４ｂは伸び続ける。このとき、管状部材２は固定位置にあって移動しないので、駆動軸１４ｂがさらに伸びると、保持部１３ｄが径方向外側に押される。
保持部１３ｄが径方向外側に押されると、ベース部１３ａがスライドレールに沿って図５（ｃ）に示すように図中下方向に移動する。

ベース部１３ａと一体部材である連結部１３ｃも図中下方（径方向中心Ｐに近づく方向）に移動する。
連結部１３ｃには加工ローラ１６が取り付けられているので、加工ローラ１６は管状部材２の外周に近づくように移動し、管状部材２の外周と当接する。
このときのストッパ１７とストッパ当接部１３ｅとの間隔ｄが、形成される溝４の深さとなる。

さらに油圧シリンダ１４が伸び続けると、管状部材２に対して、加工ローラ１６と支持ローラ１５が互に近づく方向に力が加わり、管状部材２の外周を押圧する。
このとき、加工ローラ１６の凸部１６ｂと管状部材２とは点接触である。一方、支持ローラ１５の大径部１５ｂは、管状部材２の外周とｘ方向に線接触している。
ゆえに、加工ローラ１６の凸部１６ｂが管状部材２の外周を押す圧力は、支持ローラ１５が管状部材２の外周を押す圧力よりも大きくなる。

ゆえに、加工ローラ１６は管状部材２の外周に食い込むが、支持ローラ１５の管状部材２に対する単位面積当たりの圧力は、加工ローラ１６に比べて小さいので、支持ローラ１５は管状部材２の外周に食い込まずに管状部材２を支持する。
このとき、転造加工装置１全体が、管状部材２に対して相対的に回転しているので、加工ローラ１６の管状部材２への食い込みによって管状部材２の全周に亘る溝４が形成される。
なお、実施形態では、加工ローラ１６は３つ設けられているので、図２（ｃ）のように３本の溝４が形成される。

この溝４は、外側の図２（ｃ）に示すように挿入嵌合部３において、外側の管状部材２ａのみならず内側の管状部材２ｂまでに形成される。これにより、外側の管状部材２ａと内側の管状部材２ｂとが強固に結合された継手構造が形成される。

（効果）
（１）以上、本実施形態によると、支持ローラ１５が管状部材２の外周と接した後、加工ローラ１６が自動的に管状部材２の外周と接するように移動する。
したがって、支持ローラ１５と加工ローラ１６とを、管状部材２の外周と接するように個々に移動（センタリング）させる必要がない。これにより、個々のローラ１５，１６の微妙な位置調整を行わずに、高精度の位置決めが可能となる。ゆえに操作が簡便且つ容易で、簡便な操作で良好な加工品質を得ることができる。

（２）また、本実施形態では、管状部材２の外径が異なる場合においても、油圧シリンダ１４の駆動軸１４ｂの伸縮量を変更すれば対応可能であるので、ローラを交換する必要がない。したがって替えの部材を用意する必要がないので余分なコストがかからない。

（３）例えば、管状部材の軸線と垂直な面内において複数の加工ローラが配置されている場合、管状部材の壁部が薄く、加工ローラの径が小さいと、押圧荷重によっては管状部材を変形させる可能性がある。一方、加工ローラの径が大きすぎると、小径の管状部材の加工が困難となる。
しかし、本実施形態では、管状部材２の軸線と垂直な面内に配置される加工ローラは１つである。そして、管状部材２の加工ローラ１６で押圧される側と反対側は、管状部材２の長手方向に延びる支持ローラ１５で、点接触ではなく線接触で保持している。
ゆえに、支持ローラ１５が管状部材２を押圧（保持）する際の圧力は、加工ローラ１６と比べて小さい。したがって、支持ローラ１５側において管状部材が変形する可能性が小さい。すなわち、管状部材２の壁部が薄く且つ押圧荷重が大きくても、加工における変形の可能性が小さい。

以上、本実施形態の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、実施形態では支持ローラが油圧シリンダによって上下動する形態について説明したが、加工ローラが油圧シリンダによって上下動してもよい。
また、支持ローラは円柱状部材でなくてもよく、例えばベルト状であってもよい。

１ 転造加工装置
２ 管状部材
４ 溝
１１ 回転フレーム
１１ａ 挿通孔（加工領域）
１２ スライドレール
１２ａ メインスライドレール
１２ｂ サブスライドレール
１３ フレーム部材
１３ａ ベース部
１３ｂ 補助部
１３ｃ 連結部
１３ｄ 保持部
１３ｅ ストッパ当接部
１４ 油圧シリンダ
１４ａ 本体部
１４ｂ 駆動軸
１５ 支持ローラ
１５ａ 支持ローラ軸
１６ 加工ローラ
１６ｃ 加工ローラ軸
１７ ストッパ
１８ ローラ保持部
５０ 拡管装置
１００ 管接合装置

Claims (7)

1. 管状部材の外周に沿って溝を加工するための転造加工装置であり、
   加工される管状部材の軸線と平行に配置される第１軸を中心として回転し、加工ローラと、
   前記加工ローラに対して、前記管状部材が配置される加工領域を挟んだ他方に配置される支持部材と、
   前記加工ローラ又は前記支持部材の一方を、前記軸線に向かう前記管状部材の径方向に伸縮が可能な駆動部材を介して保持するとともに、前記加工ローラ又は前記支持部材の他方とともに、前記伸縮の方向と平行に移動可能で、前記駆動部材の前記伸縮の方向と平行なスライドレールに対してスライド可能に取り付けられているフレーム部材と、
   を備える転造加工装置。
2. 前記支持部材は、前記加工ローラの前記第１軸と平行な第２軸を中心として回転するとともに、前記管状部材の前記外周に対する前記軸線と平行な方向の接触長さが、前記加工ローラにおける前記軸線と平行な方向の接触長さより長い、支持ローラである、
   請求項１に記載の転造加工装置。
3. 前記支持ローラは、２以上設けられている、
   請求項２に記載の転造加工装置。
4. 前記フレーム部材には、前記駆動部材の前記伸縮により、前記一方が前記径方向に進退駆動されたときの、前記加工ローラと前記支持部材との距離の下限値を設定するストッパが設けられている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の転造加工装置。
5. 前記駆動部材は、油圧シリンダである、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の転造加工装置。
6. 前記フレーム部材は、前記軸線を中心として回転可能である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の転造加工装置。
7. 管状部材の外周に沿って溝を加工するための転造加工装置であり、
   加工される管状部材の軸線と平行に配置される第１軸を中心として回転する加工ローラと、
   前記加工ローラに対して、前記管状部材が配置される加工領域を挟んだ他方に配置される支持部材と、
   前記加工ローラ又は前記支持部材の一方を、前記軸線に向かう前記管状部材の径方向に伸縮が可能な駆動部材を介して保持するとともに、前記加工ローラ又は前記支持部材の他方とともに、前記伸縮の方向と平行に移動可能で、前記駆動部材の前記伸縮の方向と平行なスライドレールに対してスライド可能に取り付けられているフレーム部材と、
   を備える転造加工装置を用いて、
   前記管状部材を前記加工領域に配置し、
   前記駆動部材を伸長させて前記加工ローラ又は前記支持部材の一方を前記管状部材の前記外周に当接させ、
   前記一方が前記管状部材の前記外周と当接した状態で、前記駆動部材をさらに伸長させることにより、前記フレーム部材を前記駆動部材の前記伸長の方向と逆方向に直進移動させ、前記他方を前記管状部材の前記外周と当接させ、
   前記フレーム部材を、前記軸線を中心として回転させることによって、前記管状部材を前記支持部材で支持しつつ、前記加工ローラと前記管状部材との当接箇所を移動させ、
   前記管状部材の前記外周に沿って溝を加工する転造加工方法。

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