JP7145800B2 - 成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形方法に関する。

従来、金属パイプを金型により型閉してブロー成形する成形装置が知られている。例えば、特許文献１に記載された成形装置は、金型と、金属パイプ材料を通電加熱する通電加熱部と、を備えている。この成形装置では、金属パイプ材料を通電加熱し、金型内に配置している。そして、成形装置は、金型を型閉した状態で金属パイプ材料に気体を供給して膨張させることによって、金属パイプ材料を金型の形状に対応する形状に成形する。従来の成形装置では、金属パイプ材料に対して各電極を接触させて通電を行うことで、金属パイプ材料の加熱を行っていた。通電加熱を行う場合は、電力供給ラインに大きな電流（例えば数万Ａ程度）が流れるため、当該電力供給ラインからの漏れ磁場の影響で、金型が磁化してしまい、当該金型が移動する場合がある。特許文献１に記載された成形装置は、金型の移動を抑制するための金型移動抑制部を備えている。

国際公開第２０１７／０３８６９２号

しかしながら、上述の様な成形装置では、通電加熱に伴う磁化による金型の移動を抑止するだけではなく、漏れ磁場自体を低減するなど、通電加熱時の漏れ磁場の影響を更に低減することが求められていた。

そこで、本発明は、通電加熱時の漏れ磁場の影響を低減できる成形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る成形方法は、成形装置を用いて、金属パイプ材料へ電流を流して通電加熱を行い、加熱された金属パイプ材料を膨張させることで金属パイプを成形する成形工程を有する、成形方法であって、成形工程における通電加熱で発生する磁束とは逆向きの磁束によって、成形装置の構造部材が磁化された状態とする磁化工程を有し、磁化工程の後、成形工程を複数回実行する。

この成形方法は、成形工程における通電加熱で発生する磁束とは逆向きの磁束によって、成形装置の構造部材が磁化された状態とする磁化工程を有する。この磁化工程を行うことで、構造部材は、通電加熱時に金型付近で発生する磁束とは逆向きの磁束を発生するように磁化される。このように、成形工程の前段階で予め構造部材を磁化しておくことで、複数回実行される成形工程では、通電加熱によって発生する磁束と、磁化された構造部材による磁束とが、互いに打ち消し合うように作用する。従って、通電加熱時における漏れ磁場が低減される。また、通電加熱で発生する磁束と逆向きの磁束で予め構造部材を磁化しておくことで、成形工程を繰り返し行った場合、通電加熱による磁束で構造部材の磁化が緩和される状態へ進行する。すなわち、繰り返しの成形工程によって構造部材の磁化が大きくなりすぎることを抑制できる。以上により、通電加熱時の漏れ磁場の影響を低減できる。

成形方法において、磁化工程では、成形装置の通電加熱部にて、金属部材に対して、成形工程での通電加熱とは逆向きに電流を流すことにより、構造部材を磁化してよい。この場合、通電加熱部とは別の電源装置などを用いなくとも、磁化工程を実行することができる。

本発明によれば、通電加熱時の漏れ磁場の影響を低減できる成形方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る成形装置の正面図である。 本発明の実施形態に係る成形装置を示す概略構成図である。 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、（ｂ）は電極にシール部材を押し付けた状態を示す図、（ｃ）は電極の正面図である。 金型周辺の構造を上方から見たときの図である。 ブスバーをＸ軸方向の正側から見た時の図である。 金型周辺の磁束の状況を示す概略図である。 金型周辺の磁束密度の分布を示すモデル図である。 金型周辺の磁束密度の分布を示すモデル図である。 金型周辺の磁束密度の分布を示すモデル図である。 本発明の実施形態に係る成形方法の処理内容を示すフローチャートである。 金型周辺の構造を上方から見たときの図である。

以下、本発明による成形システムの好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

〈成形装置の構成〉
図１は、本実施形態に係る成形装置の正面図である。図１に示すように、成形装置１０は、金型１３と、下側ベース部１１０と、上側ベース部１２０と、柱部１５０と、を備える。金型１３は、上型１２及び下型１１を備える。下側ベース部１１０は、下型１１と対向して下側に設けられる。なお、水平方向における一方の方向をＸ軸方向（第１の方向）とし、水平方向においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向（第２の方向）とする。Ｘ軸方向における一方（図１における紙面右側）を正側とし、Ｙ軸方向における一方（図１における紙面表側）を正側とする。

下側ベース部１１０は、ベッドと称される部品であり、成形装置１０の土台を構成している。下側ベース部１１０内には、下型１１を移動させる駆動機構などが収容されている。下側ベース部１１０は直方体の形状を有しており、水平方向に広がる上面１１０ａ及び下面１１０ｂを有している。下側ベース部１１０は、上端側に板状の基台１１１を有している。基台１１１上には、下型１１と、後述の電極、気体供給機構などが配置される。基台１１１の上面が下側ベース部１１０の上面１１０ａに該当する。上側ベース部１２０は、上型１２と対向して上側に設けられる。上側ベース部１２０は、クラウンと称される部品であり、成形装置１０の上部構造のベースとなる部品である。上側ベース部１２０内には、上型１２を移動させる駆動機構などが収容されている。上側ベース部１２０は直方体の形状を有しており、水平方向に広がる下面１２０ａ及び上面１２０ｂを有している。柱部１５０は、下側ベース部１１０と上側ベース部１２０との間で立設された部材である。柱部１５０は、金型１３の周囲を取り囲むように複数本（ここでは四本）形成されている。なお、柱部１５０の詳細な構成については後述する。

図２は、本実施形態に係る成形装置の概略構成図である。図１に示されるように、金属パイプを成形する成形装置１０は、前述の上型１２及び下型１１からなる金型１３と、上型１２を移動させる駆動機構８０Ａと、下型１１を移動させる駆動機構８０Ｂと、上型１２と下型１１との間に配置される金属パイプ材料１４を保持するパイプ保持機構３０と、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通電加熱部５０と、上型１２及び下型１１の間に保持され加熱された金属パイプ材料１４内に高圧ガス（気体）を供給するための気体供給部６０と、パイプ保持機構３０で保持された金属パイプ材料１４内に気体供給部６０からの気体を供給するための一対の気体供給機構４０，４０と、を備えると共に、上記駆動機構８０Ａ，８０Ｂの駆動、上記パイプ保持機構３０の駆動、上記通電加熱部５０の駆動、及び上記気体供給部６０の気体供給をそれぞれ制御する制御部７０と、を備えて構成されている。

金型１３の一方である下型１１は、大きな鋼鉄製ブロックで構成され、その上面に例えば矩形状のキャビティ（凹部）１６を備える。下型１１は、下側ベース部１１０の基台１１１上の中央付近に移動可能に配置されている。下型１１は、Ｘ軸方向に沿って延びる直方体の形状を有している。すなわち、成形時には、金属パイプ材料１４は、Ｘ軸方向に沿って延びる状態で成形される。下型１１には冷却水通路１９が形成されている。

更に、下型１１のＸ軸方向の端部近傍には、パイプ保持機構３０を構成する後述する電極１７，１８（下側電極）等が配置されている。そして、下側電極１７，１８上に金属パイプ材料１４が載置されることで、下側電極１７，１８は、上型１２と下型１１との間に配置される金属パイプ材料１４に接触する。これにより、下側電極１７，１８は金属パイプ材料１４に電気的に接続される。本実施形態では、下側電極１７，１８は、下型１１のＸ軸方向の両端と隣り合う位置にて、基台１１１上に固定された状態で配置されている。

下型１１と下側電極１７との間及び下側電極１７の下部、並びに下型１１と下側電極１８との間及び下側電極１８の下部には、通電を防ぐための絶縁材９１がそれぞれ設けられている。ここでは、下側電極１７，１８は、絶縁材９１を介して、基台１１１上に設けられた支持部材１１２に支持されている。

金型１３の他方である上型１２は、駆動機構８０Ａを構成する後述のスライド８１Ａに固定されている。上型１２は、大きな鋼鉄製ブロックで構成され、内部に冷却水通路２５が形成されると共に、その下面に例えば矩形状のキャビティ（凹部）２４を備える。このキャビティ２４は、下型１１のキャビティ１６に対向する位置に設けられる。上型１２は、Ｘ軸方向に沿って延びる直方体の形状を有している。

上型１２のＸ軸方向の両端近傍には、スペース１２ａが設けられており、当該スペース１２ａ内には、パイプ保持機構３０の可動部である後述する電極１７，１８（上側電極）等が、上下に進退動可能に配置されている。そして、下側電極１７，１８上に金属パイプ材料１４が載置された状態において、上側電極１７，１８は、下方に移動することで、上型１２と下型１１との間に配置された金属パイプ材料１４に接触する。これにより、上側電極１７，１８は金属パイプ材料１４に電気的に接続される。

上型１２と上側電極１７との間及び上側電極１７の上部、並びに上型１２と上側電極１８との間及び上側電極１８の上部には、通電を防ぐための絶縁材１０１がそれぞれ設けられている。それぞれの絶縁材１０１は、パイプ保持機構３０を構成するアクチュエータの可動部である進退ロッド９６に固定されている。このアクチュエータは、上側電極１７，１８等を上下動させるためのものであり、アクチュエータの固定部は、上型１２と共に駆動機構８０のスライド８１側に保持されている。

パイプ保持機構３０の右側部分において、電極１８，１８が互いに対向する面のそれぞれには、金属パイプ材料１４の外周面に対応した半円弧状の凹溝１８ａが形成されていて（図３参照）、当該凹溝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。パイプ保持機構３０の右側部分において、絶縁材９１，１０１が互いに対向する露出面には、上記凹溝１８ａと同様に、金属パイプ材料１４の外周面に対応した半円弧状の凹溝が形成されている。また、電極１８の正面（金型の外側方向の面）には、凹溝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１８ｂが形成されている。よって、パイプ保持機構３０の右側部分で金属パイプ材料１４を上下方向から挟持すると、丁度金属パイプ材料１４の右側端部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。

パイプ保持機構３０の左側部分において、電極１７，１７が互いに対向する面のそれぞれには、金属パイプ材料１４の外周面に対応した半円弧状の凹溝１７ａが形成されていて（図３参照）、当該凹溝１７ａ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。パイプ保持機構３０の左側部分において、絶縁材９１，１０１が互いに対向する露出面には、上記凹溝１８ａと同様に、金属パイプ材料１４の外周面に対応した半円弧状の凹溝が形成されている。また、電極１７の正面（金型の外側方向の面）には、凹溝１７ａ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が形成されている。よって、パイプ保持機構３０の左側部分で金属パイプ材料１４を上下方向から挟持すると、丁度金属パイプ材料１４の左側端部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に示されるように、駆動機構８０Ａは、上型１２及び下型１１同士が合わさるように上型１２を移動させるスライド８１Ａと、スライド８１Ａに接続される軸部８２Ａと、軸部８２Ａをガイドするシリンダ部８３Ａと、を備える。シリンダ部８３Ａは、上下方向に延びて下側が開口する円筒状の部材である。シリンダ部８３Ａは、少なくとも上端側の部分が上側ベース部１２０内に配置されている。ここでは、シリンダ部８３Ａは略全長にわたって上側ベース部１２０内に配置され、下端側の一部のみが、上側ベース部１２０から突出している。軸部８２Ａは、シリンダ部８３Ａの下側の開口から下方へ向かって延びてスライド８１Ａに接続される。軸部８２Ａがシリンダ部８３Ａでガイドされながら上下方向へ往復移動することに伴い、スライド８１Ａ及び上型１２が上下方向に往復移動する。軸部８２Ａは、駆動源８５Ａから伝達された油圧などの駆動力によって駆動する。

駆動機構８０Ｂは、上型１２及び下型１１同士が合わさるように下型１１を移動させる軸部８２Ｂと、軸部８２Ｂをガイドするシリンダ部８３Ｂと、を備える。シリンダ部８３Ｂは、上下方向に延びて上側が開口する円筒状の部材である。シリンダ部８３Ｂは、下側ベース部１１０内に配置されている。シリンダ部８３Ａは、基台１１１よりも下側に配置され、全体が下側ベース部１１０内に配置されている。軸部８２Ｂは、シリンダ部８３Ｂの上側の開口から上方へ向かって延びて下型１１に接続される。軸部８２Ｂがシリンダ部８３Ｂでガイドされながら上下方向へ往復移動することに伴い、下型１１が上下方向に往復移動する。軸部８２Ｂは、駆動源８５Ｂから伝達された油圧などの駆動力によって駆動する。

通電加熱部５０は、電力供給部５５と、電力供給部５５と電極１７，１８とを電気的に接続する電力供給ライン５２と、電極１７，１８と、を備える。電力供給部５５は、直流電源及びスイッチを含み、電極１７，１８が金属パイプ材料１４に電気的に接続された状態において、電力供給ライン５２、電極１７，１８を介して金属パイプ材料１４に通電可能とされている。なお、電力供給ライン５２は、ここでは、下側電極１７，１８に接続されている。

この通電加熱部５０では、電力供給部５５から出力された直流電流は、電力供給ライン５２によって伝送され、電極１７に入力される。そして、直流電流は、金属パイプ材料１４を通過して、電極１８に入力される。そして、直流電流Ｃは、電力供給ライン５２によって伝送されて電力供給部５５に入力される。

一対の気体供給機構４０の各々は、シリンダユニット４２と、シリンダユニット４２の作動に合わせて進退動するシリンダロッド４３と、シリンダロッド４３におけるパイプ保持機構３０側の先端に連結されたシール部材４４とを有する。シリンダユニット４２は基台１１１上に載置固定されている。シール部材４４の先端には先細となるようにテーパー面４５が形成されており、電極１７，１８のテーパー凹面１７ｂ，１８ｂに合わさる形状に構成されている（図３参照）。シール部材４４には、シリンダユニット４２側から先端に向かって延在し、詳しくは図３（ａ），（ｂ）に示されるように、気体供給部６０から供給された高圧ガスが流れるガス通路４６が設けられている。

気体供給部６０は、ガス源６１と、このガス源６１によって供給された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から気体供給機構４０のシリンダユニット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に介設されている圧力制御弁６８及び逆止弁６９とからなる。圧力制御弁６４は、シール部材４４の金属パイプ材料１４に対する押力に適応した作動圧力の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。第２チューブ６７に介設されている圧力制御弁６８は、制御部７０の制御により、金属パイプ材料１４を膨張させるための作動圧力を有するガスを、シール部材４４のガス通路４６に供給する役割を果たす。一対の気体供給機構４０は、下型１１を挟むように、Ｘ軸方向に互いに対向するように配置される。

制御部７０は、気体供給部６０の圧力制御弁６８を制御することにより、金属パイプ材料１４内に所望の作動圧力のガスを供給することができる。また、制御部７０は、駆動機構８０Ａ，８０Ｂ及び電力供給部５５等を制御する。

〈成形装置を用いた金属パイプの成形方法〉
次に、成形装置１０を用いた金属パイプの成形方法について説明する。最初に、焼入れ可能な鋼種の円筒状の金属パイプ材料１４を準備する。この金属パイプ材料１４を、例えばロボットアーム等を用いて、下型１１側に備わる電極１７，１８上に載置（投入）する。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は、駆動機構８０Ａ及びパイプ保持機構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、駆動機構８０Ａの駆動によりスライド８１Ａ側に保持されている上型１２及び上側電極１７，１８等が下型１１側に移動すると共に、パイプ保持機構３０に含まれる上側電極１７，１８等を進退動可能としているアクチュエータを作動させることによって、金属パイプ材料１４の両方の端部付近を上下からパイプ保持機構３０により挟持する。この挟持は電極１７，１８に形成される凹溝１７ａ，１８ａ、及び絶縁材９１，１０１に形成される凹溝の存在によって、金属パイプ材料１４の両端部付近の全周に渡って密着するような態様で挟持されることとなる。

なお、このとき、図３（ａ）に示されるように、金属パイプ材料１４の電極１８側の端部は、金属パイプ材料１４の延在方向において、電極１８の凹溝１８ａとテーパー凹面１８ｂとの境界よりもシール部材４４側に突出している。同様に、金属パイプ材料１４の電極１７側の端部は、金属パイプ材料１４の延在方向において、電極１７の凹溝１７ａとテーパー凹面１７ｂとの境界よりもシール部材４４側に突出している。また、上側電極１７，１８の下面と下側電極１７，１８の上面とは、それぞれ互いに接触している。ただし、金属パイプ材料１４の両端部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、通電加熱部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、通電加熱部５０の電力供給部５５を制御し電力を供給する。すると、電力供給ライン５２を介して下側電極１７，１８に伝達される電力が、金属パイプ材料１４を挟持している上側電極１７，１８及び金属パイプ材料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自体がジュール熱によって発熱する。すなわち、金属パイプ材料１４は通電加熱状態となる。

続いて、制御部７０による駆動機構８０Ａ，８０Ｂの制御によって、加熱後の金属パイプ材料１４に対して金型１３を閉じる。これにより、下型１１のキャビティ１６と上型１２のキャビティ２４とが組み合わされ、下型１１と上型１２との間のキャビティ部内に金属パイプ材料１４が配置密閉される。

その後、気体供給機構４０のシリンダユニット４２を作動させることによってシール部材４４を前進させて金属パイプ材料１４の両端をシールする。このとき、図３（ｂ）に示されるように、金属パイプ材料１４の電極１８側の端部にシール部材４４が押し付けられることによって、電極１８の凹溝１８ａとテーパー凹面１８ｂとの境界よりもシール部材４４側に突出している部分が、テーパー凹面１８ｂに沿うように漏斗状に変形する。同様に、金属パイプ材料１４の電極１７側の端部にシール部材４４が押し付けられることによって、電極１７の凹溝１７ａとテーパー凹面１７ｂとの境界よりもシール部材４４側に突出している部分が、テーパー凹面１７ｂに沿うように漏斗状に変形する。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をキャビティ部の形状に沿うように成形する。

金属パイプ材料１４は高温（９５０℃前後）に加熱されて軟化しているので、金属パイプ材料１４内に供給されたガスは、熱膨張する。このため、例えば供給するガスを圧縮空気とし、９５０℃の金属パイプ材料１４を熱膨張した圧縮空気によって容易に膨張させることができる。

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。）されて焼き入れが行われる。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。急冷された直後はオーステナイトがマルテンサイトに変態する（以下、オーステナイトがマルテンサイトに変態することをマルテンサイト変態とする）。冷却の後半は冷却速度が小さくなったので、復熱によりマルテンサイトが別の組織（トルースタイト、ソルバイト等）に変態する。従って、別途焼戻し処理を行う必要がない。また、本実施形態においては、金型冷却に代えて、あるいは金型冷却に加えて、冷却媒体を例えばキャビティ２４内に供給することによって冷却が行われてもよい。例えば、マルテンサイト変態が始まる温度までは金型（上型１２及び下型１１）に金属パイプ材料１４を接触させて冷却を行い、その後型開きすると共に冷却媒体（冷却用気体）を金属パイプ材料１４へ吹き付けることにより、マルテンサイト変態を発生させてもよい。

上述のように金属パイプ材料１４に対してブロー成形を行った後に冷却を行い、型開きを行うことにより、例えば略矩形筒状の本体部を有する金属パイプを得る。

（成形装置の磁場に関する構造）
成形装置１０は、金属パイプ材料１４に対して通電加熱を行う。この際、電力供給ライン５２や電極１７，１８などの通電部分に高電流を流すため、周囲に磁場を形成する（図６（ａ）の磁束ＭＦ１を参照）。そのため、通電加熱時には、通電部分の周囲の部材の内部の磁束密度が大きくなる。成形装置１０では、一部の構造部材は磁場の影響を受け易い位置に配置され、各種センサやシリンダなどは磁場から保護するために磁場の影響が少ない位置に配置されている。ここでは、まず、成形装置１０に発生する磁場に関わる構造について説明する。

まず、図４及び図５を参照して、電極１７，１８へ電力を供給する電力供給ライン５２を構成するブスバー１３０Ａ，１３０Ｂについて説明する。図４は、金型１３周辺の構造を上方から見たときの図である。図５は、ブスバー１３０Ａ,１３０ＢをＸ軸方向の正側から見た時の図である。ブスバー１３０Ａは、電極１７へ電力を供給する。ブスバー１３０Ｂは、電極１８へ電力を供給する。一対のブスバー１３０Ａ，１３０Ｂは、一対の電極１７，１８が対向するＸ軸方向及び上下方向と直交するＹ軸方向における、金型１３の正側（一方側）に配置される。従って、金型１３に対してＹ軸方向における負側の領域は、金型１３によってブスバー１３０Ａ，１３０Ｂの磁場の影響が少ない領域となる。当該領域に各種センサやシリンダなどの機器を配置することで、当該機器への磁場の影響を低減することができる。

ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂの延在部１３１Ａ，１３１Ｂは、下側ベース部１１０の下端側の高さ位置において、Ｙ軸方向の正側から負側へ向かって下側ベース部１１０へ向かって延びる。ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂの延在部１３２Ａ，１３２Ｂは、下側ベース部１１０のＹ軸方向の正側の側面に沿って、下側ベース部１１０の下端側から上端側へ向かって上方へ延びる（特に図５参照）。ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂの延在部１３３Ａ，１３３Ｂは、延在部１３２Ａ，１３２Ｂの上端からＹ軸方向の負側へ向かって、下側ベース部１１０上の位置まで延びる。延在部１３１Ａ，１３１Ｂ，１３２Ａ，１３２Ｂ，１３３Ａ，１３３Ｂは、互いに平行をなした状態で延びている。従って、当該位置においては、ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂは、互いの磁場を打ち消し合うことができる。ブスバー１３０Ａの分岐部１３４Ａは、下側ベース部１１０の上側の位置で、延在部１３３Ａの端部から分岐してＸ軸方向の負側へ延び、Ｙ軸方向の負側へ屈曲して電極１７に接続される。ブスバー１３０Ｂの分岐部１３４Ｂは、下側ベース部１１０の上側の位置で、延在部１３３Ｂの端部から分岐してＸ軸方向の正側へ延び、Ｙ軸方向の負側へ屈曲して電極１７に接続される。

ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂの延在部１３１Ａ，１３１Ｂ，１３２Ａ，１３２Ｂ，１３３Ａ，１３３Ｂは、磁場の漏れを抑制するためのカバー１３６で覆われている。また、下側ベース部１１０の側面には、ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂの延在部１３２Ａ，１３２Ｂと対向する位置に、磁場を遮断し、ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂを固定するためのブラケット１３７が設けられている（図５参照）。ブラケット１３７は、下側ベース部１１０の内側へ磁場が漏れることを抑制する。カバー１３６及びブラケット１３７の材料は、磁場を遮断できる電磁軟鉄、珪素鋼、パーマロイ、アモルファスなどである。

成形装置１０は、各部位に各種センサを備えている。本実施形態では、磁場の影響を受けにくい箇所にセンサを配置している。具体的には、図２に示すように、成形装置１０は、上側ベース部１２０の内側に配置されたセンサ１４０Ａを備える。センサ１４０Ａは、軸部８２Ａの位置を検出するためのリニアセンサである。センサ１４０Ａは、上側ベース部１２０の内部において、シリンダ部８３Ａ及び軸部８２Ａに対して設けられる。センサ１４０Ａのロッド部１４０Ａａはシリンダ部８３Ａの内部に配置されて軸部８２Ａに接続される。センサ１４０Ａの検出部１４０Ａｂはシリンダ部８３Ａの上端部に配置されている。

成形装置１０は、下側ベース部１１０の内側に配置されたセンサ１４０Ｂを備える。センサ１４０Ｂは、軸部８２Ｂの位置を検出するためのリニアセンサである。センサ１４０Ｂは、下側ベース部１１０の内部において、シリンダ部８３Ｂ及び軸部８２Ｂに対して設けられる。センサ１４０Ｂのロッド部１４０Ｂａはシリンダ部８３Ｂの内部に配置されて軸部８２Ｂに接続される。センサ１４０Ｂの検出部１４０Ｂｂはシリンダ部８３Ｂの下端部に配置されている。

図４に示すように、成形装置１０は、金型１３よりもＹ軸方向の負側の領域にセンサ１４０Ｃを備える。当該領域は、ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂが配置される領域に対して、金型１３を挟んだ反対側の領域である。従って、センサ１４０Ｃは、ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂからの磁場の影響を受けにくい。センサ１４０Ｃは、例えば金型や金属パイプ材料１４の温度を測定する温度計（放射温度計）、金属パイプ材料１４の膨張長さを測定する測定器（位置センサや接触スイッチ等）、磁場を測定するガウスメータ等である。

なお、成形装置１０は、同一の測定対象物に対して、異なる型式や検出方式のセンサを複数備えていてよい。同一の測定対象物を測定したにも関わらず、各センサが大きく異なった値を示す場合、いずれかのセンサが磁場の影響によって誤作動を起こしている可能性がある。従って、制御部７０は、複数のセンサからの検出結果を取得し、比較する。制御部７０は、各センサからの検出結果が大きく相違している場合は誤作動が生じていることを検出する。例えば、シリンダ部８３Ａ及び軸部８２Ａに対して、センサ１４０Ａに加えて、リニアセンサとは測定方式が異なるエンコーダなどの位置検出センサを設けてよい。

図１及び図４に示すように、成形装置１０は、金型１３周辺で発生した磁束を吸収するための部材として、柱部１５０を備えている。柱部１５０の材料は、鋼などである。なお、下側ベース部１１０及び上側ベース部１２０の材料は、鋼などであり、柱部１５０の材料と同じであってもよく、異なっていてもよい。図１に示すように、柱部１５０は、下側ベース部１１０と上側ベース部１２０との間で立設されることで、上下方向において少なくとも下型１１、上型１２及びスライド８１Ａに対応する位置に配置される。図４に示すように、四つの柱部１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ，１５０Ｄが、下側ベース部１１０の四方の角部付近に配置されている。柱部１５０Ａは、Ｙ軸方向の正側及びＸ軸方向の負側の角部に配置される。柱部１５０Ｂは、Ｙ軸方向の正側及びＸ軸方向の正側の角部に配置される。柱部１５０Ｃは、Ｙ軸方向の負側及びＸ軸方向の負側の角部に配置される。柱部１５０Ｄは、Ｙ軸方向の負側及びＸ軸方向の正側の角部に配置される。

柱部１５０Ａ，１５０Ｂは、金型１３のＹ軸方向の正側の端部からＹ軸方向の正側へ離間した位置に配置されている。柱部１５０Ｃ，１５０Ｄは、金型１３のＹ軸方向の負側の端部からＹ軸方向の負側へ離間した位置に配置されている。柱部１５０Ａ，１５０Ｂが金型１３のＹ軸方向の正側の端部から離間する距離、及び柱部１５０Ｃ，１５０Ｄが金型１３のＹ軸方向の負側の端部から離間する距離は、１００ｍｍ～３０００ｍｍ程度に設定されてよい。これにより、柱部１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ，１５０Ｄは、金型１３周辺で発生した磁束を良好に吸収することができる。柱部１５０Ａ，１５０Ｃは、金型１３のＸ軸方向の負側の端部からＸ軸方向の負側へ離間した位置に配置されている。柱部１５０Ｂ，１５０Ｄは、金型１３のＸ軸方向の正側の端部からＸ軸方向の正側へ離間した位置に配置されている。柱部１５０Ａ，１５０Ｃが金型１３のＸ軸方向の負側の端部から離間する距離、及び柱部１５０Ｂ，１５０Ｄが金型１３のＸ軸方向の正側の端部から離間する距離は、１００ｍｍ～３０００ｍｍ程度に設定されてよい。これにより、柱部１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ，１５０Ｄは、金型１３周辺で発生した磁束を良好に吸収することができる。

上述のように、柱部１５０は、金型１３の周辺で発生した磁束を吸収する。従って、通電加熱前に成形装置１０の構造部材が予め磁化されていない場合、柱部１５０は、通電加熱部５０の通電加熱時において、内部の磁束密度が、下側ベース部１１０の下面１１０ｂの中心Ｐ１（図１参照）での磁束密度、及び上側ベース部１２０の上面１２０ｂの中心Ｐ２（図１参照）での磁束密度の少なくとも一方よりも高い。中心Ｐ１，Ｐ２は、各面１１０ｂ，１２０ｂにおけるＹ軸方向及びＸ軸方向における中央位置である。また、柱部１５０の内部の磁束密度は、下側ベース部１１０の下面１１０ｂの中心Ｐ１及び上側ベース部１２０の上面１２０ｂの中心Ｐ２での磁束密度よりも５０％以上高くなるように、構成されていることが好ましい。このような構成とすることで、柱部１５０が十分に金型１３の周辺の磁束を吸収することができる。例えば、図７～図９においてグレースケールを付された部分は、通電加熱部５０の通電加熱時に発生する磁束を吸収し易い箇所を示している。これらの図に示すように柱部１５０、金型１３及び当該金型１３周辺の部材は、磁束を吸収し易い構造部材であることが理解される。

また、通電加熱前に成形装置１０の構造部材が磁化されていない場合、通電加熱時における柱部１５０の内部の磁束密度は、下側ベース部１１０の四方の側面の磁束密度の平均値、及び上側ベース部１２０の四方の側面の磁束密度の平均値よりも高い。柱部１５０の内部の磁束密度は、下側ベース部１１０の上面１１０ａ及び上側ベース部１２０の下面１２０ａのうち、金型１３から外周側へ離間した外周部付近の磁束密度よりも高い。

ここでの「柱部１５０の内部の磁束密度」とは、柱部１５０の上下方向における基準位置を設定したとき、当該基準位置での柱部１５０の断面における磁束密度の平均値である。あるいは、柱部１５０のいずれかの表面で実測された磁束密度を柱部１５０での磁束密度としてもよい。上下方向の基準位置は任意に設定してよいが、例えば、下側ベース部１１０の上面１１０ａとスライド８１Ａの下面との間の上下方向における中央位置に設定されてよい。あるいは、金型１３を型閉した状態における、下型１１の下面と上型１２の上面との間の上下方向における中央位置に設定されてよい。その他、基準位置として、柱部１５０の何れかの表面の位置が設定されてよい。

（予めの磁化について）
上述の説明のように、成形装置１０の構造部材の一部は、通電加熱時に発生する磁束を吸収し易い。当該構造部材は、繰り返しの成形工程を実行することで、複数回の通電加熱が行われると、構造部材自体が磁化される。すなわち、構造部材は、通電加熱が行われていなくとも磁束を発生する磁性体となる。このような現象を考慮して、本実施形態に係る成形方法においては、通電加熱時に発生する磁束を吸収しやすい構造部材を、予め逆の磁束によって磁化する磁化工程を実行する。

具体的には、磁化工程では、通電加熱部５０が、成形時における通電加熱の電流の方向とは逆向きの電流を金属パイプ材料１４に流す。なお、このように、通電加熱とは逆向きの電流を流すことを通電加熱と区別するために「逆通電」と称する場合がある。なお、磁化工程では、通電加熱部５０は、成形工程で用いられる金属パイプ材料１４に逆通電を行うことに限られず、逆通電用のダミーの金属部材に対して逆通電を行ってもよい。例えば、別のプレス装置などの生産設備で用いられる中実の棒鋼に対して逆通電を行ってよい。当該逆通電で加熱された棒鋼は、上述の生産設備で用いられる。なお、このとき、金型１３周辺のみならず、ブスバー１３０Ａ，１３０Ｂにも、通電加熱時とは反対方向へ電流がながれる。従って、カバー１３６は、逆通電を行う事によって、磁化される。

図６（ａ）の磁束ＭＦ１は、成形時における通電加熱を行ったときに発生する磁束の向きを示している。通電加熱部５０が逆通電を行うことで、通電加熱の電流の向きとは逆向きの電流を金属パイプ材料１４に流すと、図６（ｂ）に示すように、金型１３周辺には、磁束ＭＦ２が発生する。磁束ＭＦ２は、通電加熱時の磁束ＭＦ１とは逆向きである。ここで、成形装置１０の構造部材のうち、磁束を吸収し易い箇所は、磁束の向きが逆でも、通電加熱を行うときと逆通電を行う時とでは、概ね同様となる。従って、通電加熱時と同様に、図７～図９においてグレースケールを付された部分が、逆通電時に発生する磁束を吸収し易い箇所となる。

ここで、成形装置１０の金型１３周辺での現象についての理解のため、成形装置１０の構造部材が磁化されていない状態から、成形工程の通電加熱によって磁化されるときの状況について説明する。１回の成形工程での通電加熱によって成形装置１０の構造部材が磁化する度合いは小さく、複数回の成形工程を繰り返し行うことによって、構造部材が磁化する。このような事項を考慮すると、逆通電によって構造部材を十分に磁化させるには、一回の成形工程での通電加熱時間よりも長い時間、通電を行うことが好ましい。磁化工程においては、構造部材の磁化の度合いが、（磁化されていない構造部材に対して）成形工程を１～数十回行ったときに相当する程度まで進むように、逆通電を行う。当該回数は、周囲のセンサ等に影響を与えない範囲で磁化可能な回数である。例えば、逆通電の電流の大きさを通電加熱と同じにする場合、逆通電の時間は、上記回数分の通電加熱の合計の時間に設定されてよい。また、逆通電の際は、成形工程で通電加熱を行うときよりも、大きな電流を流してよい。これにより、図７～図９においてグレースケールを付された部分が、逆通電によって、予め磁化された状態となる。具体的には、磁化工程では、構造部材として、柱部１５０、金型１３、及びガイド部材１６０の少なくとも一部が、逆通電によって予め磁化される。

なお、逆通電を行うタイミングは特に限定されないが、成形装置１０の製造時や設置時など、成形装置１０の稼動を開始する前段階で行われてよい。その後は、成形装置１０の定期メンテナンスや、１日の稼動が終了した後や、１日の稼動を開始する前などに、逆通電による磁化が行われてよい。

磁化工程が行われることで、図６（ａ）に示すように、成形装置１０の磁化された構造部材は、磁束ＭＦ３を発生する。当該磁束ＭＦ３は、通電加熱によって発生する磁束ＭＦ１とは反対方向に向いている。従って、成形工程が実行されたときには、通電加熱によって発生する磁束ＭＦ１と、逆通電によって磁化された構造部材による磁束ＭＦ３とが打ち消し合う。これによって、通電加熱時、金型１３の周辺に発生する磁場が小さくなる。通電加熱時の漏れ磁場の発生が低減される。なお、通電加熱によってブスバー１３０Ａ，１３０Ｂ周辺に発生する磁束も、逆通電によって磁化されたカバー１３６からの磁束で打ち消される。

上述のように、通電加熱で発生する磁束ＭＦと、磁化工程で磁化された構造部材による磁束ＭＦ３とが打ち消し合うと、成形装置１０の構造部材の磁化の度合いが弱まる。従って、当該磁化の度合いは、成形工程の通電加熱を繰り返すことで弱まってゆく。この場合、磁束ＭＦ１，ＭＦ３の打ち消し合いによる磁場の低減効果は少なくなるが、構造部材の磁化の度合いが弱まる点に注目して、次のような効果を得るようにしてよい。

成形装置１０の課題として次のようなものがある。すなわち、成形工程を繰り返すことで、通電加熱による構造部材の磁化が徐々に促進され、当該磁化によって発生する磁束密度が大きくなりすぎると問題（例えば、金型１３が移動してしまう等）を生じる場合がある。この点、本実施形態では、上述の磁化工程にて逆通電で構造部材を磁化するときは、発生する磁束密度（図６（ａ）の磁束ＭＦ３による磁束密度）の大きさが、問題の起きない程度の大きさになるようにしておく。このときの磁束密度の大きさを図７に示す。図７～図９では、色の濃さによって構造部材の磁束密度の大きさが示されている。ただし、図７～図９では、磁束の向きは反映されていない。

その後、成形工程を繰り返すと、構造部材の磁化の度合いが徐々に弱くなってゆくため、磁束密度が大きすぎることによる問題が起きにくい状態とすることができる。このときの磁束密度の大きさを図８に示す。更に、成形工程を繰り返すと、構造部材が略磁化されていない状態を経て、通電加熱による磁化の度合いが大きくなってゆく。このときの磁束密度の大きさを図９に示す。図９の構造部材が生じる磁束は、図７及び図８とは逆方向である。そして、通電加熱で磁化されたことによって発生する磁束の大きさが問題を生じる大きさとなる前段階で、再び逆通電による磁化工程を行う。

上述のような観点から、本実施形態に係る磁化工程を行うことで、構造部材の磁化による磁束密度が大きくなり過ぎることを防止するための対策の頻度を低減することができる。例えば、比較例に係る成形方法として、構造部材が磁化されていない状態から、成形工程を１００回行ったら、通電加熱で磁化されたことによる磁束密度が大きくなり過ぎないように、構造部材の磁化を解消するための磁化対策処理を行うものを挙げる。これに対し、本実施形態に係る成形方法では、予め磁化工程を行い、成形工程９０回分に相当する磁束密度の大きさとなるように、逆通電で構造部材の磁化を行う。このとき、成形工程を９０回行うと、構造部材がほぼ磁化されていない状態となる。当該状態から更に成形工程を１００回行うと、通電加熱で磁化されたことによる磁束密度が大きくなるため、再び磁化工程を行う。この場合、本実施形態では、磁化対策処理を行うまでに１９０回成形工程を行うことができ、比較例に係る成形方法よりも、磁化対策処理のための頻度を実質半分程度に抑えることができる。

ただし、磁化工程において、逆通電でどの程度磁化しておくか、及び磁化工程の頻度をどのように設定するかは、重視する目的に応じて、適宜調整してもよい。例えば、毎回の成形工程において、通電加熱時の漏れ磁場の低減効果が得られることを重視する場合、逆通電で磁化されたことによる磁束密度がある程度低くなった時点で、再び磁化工程を行ってよい。上述の成形工程の回数を用いた例では、成形工程９０回に至る前に、磁化工程を行う。あるいは、磁化工程の頻度を低減することを重視する場合、磁化工程での逆通電による磁化をなるべく進行させておき、次の磁化工程のタイミングも、問題が生じない範囲でなるべく遅らせることが好ましい。あるいは、構造部材の磁化（通電加熱及び逆通電の両方による磁化）による磁束密度が高くなりすぎないことを重視する場合、磁化工程での逆通電による磁化の進行をある程度のところでとどめておき、次の磁化工程のタイミングも、通電加熱による磁化がある程度進行した段階で行ってよい。上述の成形工程の回数を用いた例では、磁化工程での磁束密度は成形工程５０回分程度にとどめておき、成形工程を５０回行って構造部材が略磁化されていない状態となったら、当該状態から更に行う成形工程を５０回程度にとどめておく。

図１０を参照して、本実施形態に係る成形方法の処理内容について説明する。図１０は、本実施形態に係る成形方法の処理内容を示すフローチャートである。なお、以下の処理は、制御部７０によって繰り返し実行される処理である。ただし、一部の処理において、作業者による作業が介在してもよい。

図１０に示すように、制御部７０は、通電加熱部５０を制御して、通電加熱で発生する磁束とは逆向きの磁束によって、成形装置１０の構造部材が磁化された状態とする磁化工程を実行する（ステップＳ１０）。次に、制御部７０は、成形装置１０の各機構を制御して、成形工程を実行する（ステップＳ２０）。このとき、金属パイプ材料１４の通電加熱が行われる。

次に、制御部７０は、構造部材に対して逆通電による磁化が必要か否かを判定する（ステップＳ３０）。判定基準は特に限定されず、例えば成形工程の回数に対して予め閾値（例えば、経験的な設定回数を考慮してよい）を設けて判定を行ってもよく、構造部材の所定位置の磁束密度を測定して判定を行ってもよく、ホール素子を用いた磁気センサや、成形品への影響を判断してもよい。ステップＳ３０において、磁化が必要であると判定された場合、制御部７０は、通電加熱部５０を制御して、通電加熱で発生する磁束とは逆向きの磁束によって、成形装置１０の構造部材が磁化された状態とする磁化工程を実行する（ステップＳ４０）。ステップＳ３０において、磁化が必要ないと判定された場合、後述のＳ５０へ移行する。

次に、制御部７０は、成形装置１０の稼働を終了するか否かを判定する（ステップＳ５０）。ここでは、制御部７０は、金属パイプの製造本数が目標に達したか否かを判定してよく、または稼働の終了時刻に達したかなどを判定してよい。ステップＳ５０において、成形装置１０の稼働が継続されると判定された場合、ステップＳ２０へ移行する。ステップＳ５０において、成形装置１０の稼働が終了すると判定された場合、図１０に示すフローチャートが終了する。

本実施形態に係る成形方法の作用・効果について説明する。

この成形方法は、成形工程における通電加熱で発生する磁束（図６（ａ）の磁束ＭＦ１）とは逆向きの磁束（図６（ｂ）の磁束ＭＦ２）によって、成形装置１０の構造部材が磁化された状態とする磁化工程を有する。この磁化工程を行うことで、構造部材は、通電加熱時に金型１３付近で発生する磁束とは逆向きの磁束（図６（ａ）の磁束ＭＦ３）を発生するように磁化される。このように、成形工程の前段階で予め構造部材を磁化しておくことで、複数回実行される成形工程では、通電加熱によって発生する磁束と、磁化された構造部材による磁束とが、互いに打ち消し合うように作用する（図６（ａ）参照）。従って、通電加熱時における漏れ磁場が低減される。また、通電加熱で発生する磁束と逆向きの磁束で予め構造部材を磁化しておくことで、成形工程を繰り返し行った場合、通電加熱による磁束で構造部材の磁化が緩和される状態へ進行する（図７から図８へ示す状態）。すなわち、繰り返しの成形工程によって構造部材の磁化が大きくなりすぎることを抑制できる。以上により、通電電加熱時の漏れ磁場の影響を低減できる。

成形方法において、磁化工程では、成形装置の通電加熱部５０にて、金属部材に対して、成形工程での通電加熱とは逆向きに電流を流すことにより、構造部材を磁化してよい。この場合、通電加熱部５０とは別の電源装置などを用いなくとも、磁化工程を実行することができる。

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１１に示すように、逆通電を行うための専用の電源装置１８０を設けてもよい。また、磁場の発生の影響によって磁化される範囲を限定できるように、例えば図１１に示すように、磁場を遮蔽する遮蔽板１９１，１９２などの磁性体を配置してもよい。

例えば、下側ベース部、上側ベース部、及び柱部の形状や配置は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更してよい。また、柱部の本数も特に限定されず、五本以上の柱部が設けられてもよい。また、金型、通電加熱部、気体供給部、その他の構成要素の形状や配置も適宜変更してよい。

１０…成形装置、１４…金属パイプ材料、５０…通電加熱部。

Claims (4)

1. 成形装置を用いて、金属パイプ材料へ電流を流して通電加熱を行い、金属パイプを成形する成形工程を有する、成形方法であって、
   前記成形工程における前記通電加熱で発生する磁束とは逆向きの磁束によって、前記成形装置の構造部材が磁化された状態とする磁化工程を有し、
   前記磁化工程の後、前記成形工程を実行する、成形方法。
2. 前記磁化工程では、前記成形装置の通電加熱部にて、金属部材に対して、前記成形工程での前記通電加熱とは逆向きに電流を流すことにより、前記構造部材を磁化する、請求項１に記載の成形方法。
3. 金属パイプ材料へ電流を流して通電加熱を行い、金属パイプを成形する成形装置であって、前記通電加熱で発生する磁束とは逆向きの磁束を予め形成し、前記成形装置の構造部材が磁化された状態とする磁化工程を行う成形装置。
4. 前記磁化工程の後で、前記通電加熱によって加熱された金属パイプ材料を成形する成形工程を行う、請求項３に記載の成形装置。

Images