WO2016093147A1 - 成形装置及び成形方法 - Google Patents

Abstract

所望の形状のフランジ部及びパイプ部を容易に成形可能な成形装置及び成形方法を提供する。制御部の制御により、サブキャビティ部（ＳＣ１，ＳＣ２）内に金属パイプ材料（１４）の一部を膨張させるように気体供給部から金属パイプ材料（１４）内に気体を供給させた後、膨張した金属パイプ材料（１４）の一部（１４ａ，１４ｂ）を上型（１２）及び下型（１１）で押圧してフランジ部（１００ｂ，１００ｃ）を成形するように駆動機構を駆動させる。また、制御部の制御により、メインキャビティ部（ＭＣ）内にパイプ部（１００ａ）を成形させるように、気体供給部から、フランジ部（１００ｂ，１００ｃ）が成形された後の金属パイプ材料（１４）内に気体を供給させる。このように制御部が気体供給部及び駆動機構を制御することで、所望の形状のフランジ部（１００ｂ，１００ｃ）及びパイプ部（１００ａ）を容易に成形可能とする。

Description

成形装置及び成形方法

　本発明は、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、パイプ部及びフランジ部を有する金属パイプの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、互いに対になる上型及び下型と、上型及び下型の間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、上記上型及び下型が合わさることによって形成され、パイプ部を成形する第１のキャビティ部（メインキャビティ）、及び第１のキャビティ部に連通しフランジ部を成形する第２のキャビティ部（サブキャビティ）とを備えている。この成形装置では、金型同士を閉じると共に金属パイプ材料内に気体を供給し金属パイプ材料を膨張させることによって、上記パイプ部と上記フランジ部とを同時に成形可能である。

特開２０１２－０００６５４号公報

　しかしながら、上記成形装置にてパイプ部とフランジ部とを同時に成形する際に、フランジ部となる金属パイプ材料の一部が膨張しすぎてしまい、フランジ部が大きくなりすぎることがある。この場合、フランジ部の厚さが薄くなりすぎること及びフランジ部が撓むことがあり、所望の形状のフランジ部を得られなくなる問題がある。

　一方、フランジ部となる金属パイプ材料の一部が膨張しすぎないように金属パイプ材料内に気体を供給した場合、パイプ部が十分に膨張しなくなることがあり、所望の形状の金属パイプを得られなくなる問題がある。

　本発明の一態様は、所望の形状のフランジ部及びパイプ部を容易に成形可能な成形装置及び成形方法を提供することを目的とする。

　本発明の一態様によるパイプ部及びフランジ部を有する金属パイプを成形する成形装置は、互いに対となる第１の金型及び第２の金型と、第１の金型及び第２の金型の少なくとも一方を、金型同士が合わさる方向に移動させる駆動機構と、第１の金型及び第２の金型の間に保持され加熱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、駆動機構の駆動及び気体供給部の気体供給をそれぞれ制御する制御部と、を備え、第１の金型及び第２の金型は、パイプ部を成形するための第１のキャビティ部、及び第１のキャビティ部と連通しフランジ部を成形するための第２のキャビティ部、を構成し、制御部は、第２のキャビティ部内に金属パイプ材料の一部を膨張させるように気体供給部から金属パイプ材料内に気体を供給させ、膨張した金属パイプ材料の一部を第１の金型及び第２の金型で押圧してフランジ部を成形するように駆動機構を駆動させ、第１のキャビティ部内にパイプ部を成形させるように、気体供給部から、フランジ部が成形された後の金属パイプ材料内に気体を供給させる。

　このような成形装置によれば、制御部の制御によって、第２のキャビティ部内に金属パイプ材料の一部を膨張させるように気体供給部から金属パイプ材料内に気体を供給させた後、膨張した金属パイプ材料の一部を第１の金型及び第２の金型で押圧してフランジ部を成形するように駆動機構を駆動させることができる。また、制御部の制御により、第１のキャビティ部内にパイプ部を成形させるように、気体供給部から、フランジ部が成形された後の金属パイプ材料内に気体を供給させることができる。このように金属パイプにおけるフランジ部とパイプ部とを別々に成形するように制御部が気体供給部及び駆動機構を制御することで、所望の形状のフランジ部及びパイプ部を容易に成形可能である。

　ここで、第２のキャビティ部内に金属パイプ材料の一部を膨張させる際の気体の圧力は、第１のキャビティ部内にパイプ部を成形させる際の気体の圧力よりも低くてもよい。この場合、低圧の気体でフランジ部を所望の大きさに成形できると共に、フランジ部に関係なく高圧の気体で所望の形状のパイプ部を成形できる。したがって、所望の形状のフランジ部及びパイプ部を一層容易に成形可能である。

　本発明の他の一態様によるパイプ部及びフランジ部を有する金属パイプを成形する成形方法であって、加熱された金属パイプ材料を、第１の金型及び第２の金型の間に準備し、第１の金型及び第２の金型の少なくとも一方を金型同士が合わさる方向に移動させることによって、パイプ部を成形するための第１のキャビティ部及び第１のキャビティ部に連通しフランジ部を成形するための第２のキャビティ部を、第１の金型及び第２の金型の間に形成し、気体供給部により金属パイプ材料内に気体を供給することによって、第２のキャビティ部内に金属パイプ材料の一部を膨張させ、第１の金型及び第２の金型の少なくとも一方を金型同士が合わさる方向に移動させることによって、膨張した金属パイプ材料の一部を第１の金型及び第２の金型で押圧してフランジ部を成形し、気体供給部により、フランジ部が成形された後の金属パイプ材料内に気体を供給することによって、第１のキャビティ部内にパイプ部を成形する。

　このような成形方法によれば、気体供給部により金属パイプ材料内に気体を供給することによって、第２のキャビティ部内に金属パイプ材料の一部を膨張させる。そして、第１の金型及び第２の金型の少なくとも一方を金型同士が合わさる方向に移動させることによって、膨張した金属パイプ材料の一部を第１の金型及び第２の金型で押圧してフランジ部を成形することができる。その後、気体供給部により、フランジ部が成形された後の金属パイプ材料内に気体を供給することによって、第１のキャビティ部内にパイプ部を成形することができる。このように金属パイプにおけるフランジ部とパイプ部とを別々に成形することで、所望の形状のフランジ部及びパイプ部を容易に成形可能である。

　ここで、第２のキャビティ部内に金属パイプ材料の一部を膨張させる際の気体の圧力は、第１のキャビティ部内にパイプ部を成形させる際の気体の圧力よりも低くてもよい。この場合、低圧の気体でフランジ部を所望の大きさに成形できると共に、フランジ部に関係なく高圧の気体で所望の形状のパイプ部を成形できる。したがって、所望の形状のフランジ部及びパイプ部を一層容易に成形可能である。

　このように本発明の一態様によれば、所望の形状のフランジ部及びパイプ部を容易に成形可能な成形装置及び成形方法を提供できる。

図１は、成形装置の概略構成図である。 図２は、図１に示すII-II線に沿ったブロー成形金型の断面図である。 図３は、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が当接した状態を示す図、（ｃ）は電極の正面図である。 図４は、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。 図５は、成形装置によるブロー成形工程の概要とその後の流れを示す図である。 図６は、成形装置によるブロー成形工程のタイミングチャートである。 図７は、ブロー成形金型の動作と金属パイプ材料の形状の変化を示す図である。 図８は、比較例に係るブロー成形金型の動作と金属パイプ材料の形状の変化を示す図である。

　以下、本発明の一態様による成形装置及び成形方法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、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１００（図５参照）を成形する成形装置１０は、互いに対となる上型（第１の金型）１２及び下型（第２の金型）１１からなるブロー成形金型１３と、上型１２及び下型１１の少なくとも一方を移動させる駆動機構８０と、上型１２と下型１１との間で金属パイプ材料１４を保持するパイプ保持機構（保持部）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加熱機構（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、ブロー成形金型１３を強制的に水冷する水循環機構７２とを備える。また、成形装置１０は、上記駆動機構８０の駆動、上記パイプ保持機構３０の駆動、上記加熱機構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。

　下型（第２の金型）１１は、大きな基台１５に固定されている。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における左右端）近傍には電極収納スペース１１ａが設けられる。成形装置１０は、当該電極収納スペース１１ａ内に、アクチュエータ（図示しない）によって上下に進退動可能に構成された第１電極１７及び第２電極１８を備えている。これら第１電極１７、第２電極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がそれぞれ形成されていて（図３（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が形成されており、第２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。また、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により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を構成しており、金属パイプ材料１４を、上型１２と下型１１との間で昇降可能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、輻射温度計又は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（第１の金型）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によって吊られる構成とされ、ガイドシリンダ２７によって横振れしないようにガイドされている。

　上型１２の左右端（図１における左右端）近傍には、下型１１と同様な電極収納スペース１２ａが設けられる。成形装置１０は、この電極収納スペース１２ａ内に、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がそれぞれ形成されていて（図３（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電極１７の正面（金型の外側方向の面）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が形成されており、第２電極１８の正面（金型の外側方向の面）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、上型１２側に位置する一対の第１，第２電極１７，１８もパイプ保持機構３０を構成しており、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。

　駆動機構８０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８２と、上記スライド８２を移動させるための駆動力を発生する駆動部８１と、上記駆動部８１に対する流体量を制御するサーボモータ８３とを備えている。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ない。例えば、駆動部８１は、スライド８２に駆動機構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。例えば、偏心軸と、偏心軸を回転させる回転力を付与する駆動源（例えば、サーボモータ及び減速機等）と、偏心軸の回転運動を直線運動に変換してスライドを移動させる変換部（例えば、コネクティングロッド又は偏心スリーブ等）と、を有する駆動機構を採用してもよい。なお、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。

　図２は、図１に示すII-II線に沿ったブロー成形金型１３の断面図である。図２に示されるように、下型１１の上面及び上型１２の下面には、いずれも段差が設けられている。

　下型１１の上面には、下型１１の中央のキャビティ１６表面を基準ラインＬＶ２とすると、第１突起１１ｂ、第２突起１１ｃ、第３突起１１ｄ、第４突起１１ｅによる段差が形成されている。キャビティ１６の右側（図２において右側、図１において紙面奥側）に第１突起１１ｂ及び第２突起１１ｃが形成され、キャビティ１６の左側（図２において左側、図１において紙面手前側）に第３突起１１ｄ及び第４突起１１ｅが形成されている。第２突起１１ｃは、キャビティ１６と第１突起１１ｂとの間に位置している。第３突起１１ｄは、キャビティ１６と第４突起１１ｅとの間に位置している。第２突起１１ｃ及び第３突起１１ｄのそれぞれは、第１突起１１ｂ及び第４突起１１ｅよりも上型１２側に突出している。第１突起１１ｂ及び第４突起１１ｅにおいて基準ラインＬＶ２からの突出量は略同一であり、第２突起１１ｃ及び第３突起１１ｄにおいて基準ラインＬＶ２からの突出量は略同一である。

　一方、上型１２の下面には、上型１２の中央のキャビティ２４表面を基準ラインＬＶ１とすると、第１突起１２ｂ、第２突起１２ｃ、第３突起１２ｄ、第４突起１２ｅによる段差が形成されている。キャビティ２４の右側（図２において右側）に第１突起１２ｂ及び第２突起１２ｃが形成され、キャビティ２４の左側（図２において左側）に第３突起１２ｄ及び第４突起１２ｅが形成されている。第２突起１２ｃは、キャビティ２４と第１突起１２ｂとの間に位置している。第３突起１２ｄは、キャビティ２４と第４突起１２ｅとの間に位置している。第１突起１２ｂ及び第４突起１２ｅのそれぞれは、第２突起１２ｃ及び第３突起１２ｄよりも下型１１側に突出している。第１突起１２ｂ及び第４突起１２ｅにおいて基準ラインＬＶ１からの突出量は略同一であり、第２突起１２ｃ及び第３突起１２ｄにおいて基準ラインＬＶ１からの突出量は略同一である。

　また、上型１２の第１突起１２ｂは下型１１の第１突起１１ｂと対向しており、上型１２の第２突起１２ｃは下型１１の第２突起１１ｃと対向しており、上型１２のキャビティ２４は下型１１のキャビティ１６と対向しており、上型１２の第３突起１２ｄは、下型１１の第３突起１１ｄと対向しており、上型１２の第４突起１２ｅは下型１１の第４突起１１ｅと対向している。そして、上型１２において第２突起１２ｃに対する第１突起１２ｂの突出量（第３突起１２ｄに対する第４突起１２ｅの突出量）は、下型１１において第１突起１１ｂに対する第２突起１１ｃの突出量（第４突起１１ｅに対する第３突起１１ｄの突出量）よりも大きくなっている。これにより、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間、及び上型１２の第３突起１２ｄと下型１１の第３突起１１ｄとの間のそれぞれには、上型１２及び下型１１が嵌合した際に空間が形成される（図７（ｃ）参照）。また、上型１２のキャビティ２４と、下型１１のキャビティ１６との間には、上型１２及び下型１１が嵌合した際に空間が形成される（図７（ｃ）参照）。

　より詳細に説明すると、ブロー成形時に下型１１と上型１２とが合わさっていき嵌合する前の時点で、図７（ｂ）に示されるように、上型１２のキャビティ２４の表面（基準ラインＬＶ１となる表面）と、下型１１のキャビティ１６の表面（基準ラインＬＶ２となる表面）との間には、メインキャビティ部（第１のキャビティ部）ＭＣが形成される。また、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間には、メインキャビティ部ＭＣに連通し、当該メインキャビティ部ＭＣよりも容積が小さいサブキャビティ部（第２のキャビティ部）ＳＣ１が形成される。同様に、上型１２の第３突起１２ｄと下型１１の第３突起１１ｄとの間には、メインキャビティ部ＭＣに連通し、当該メインキャビティ部ＭＣよりも容積が小さいサブキャビティ部（第２のキャビティ部）ＳＣ２が形成される。メインキャビティ部ＭＣは金属パイプ１００におけるパイプ部１００ａを成形する部分であり、サブキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２は金属パイプ１００におけるフランジ部１００ｂ，１００ｃをそれぞれ成形する部分である（図７（ｃ），（ｄ）参照）。そして、図７（ｃ），（ｄ）に示されるように、下型１１と上型１２とが合わさって完全に閉じられた場合（嵌合した場合）、メインキャビティ部ＭＣ及びサブキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２は、下型１１及び上型１２内に密閉される。

　図１に示されるように、加熱機構５０は、電源５１と、この電源５１からそれぞれ延びて第１電極１７及び第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。制御部７０は、上記加熱機構５０を制御することによって、金属パイプ材料１４を焼入れ温度（ＡＣ３変態点温度以上）まで加熱することができる。

　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はブロック４１を介して基台１５上に載置固定されている。それぞれのシール部材４４の先端には、先細となるようにテーパー面４５が形成されている。一方のテーパー面４５には、第１電極１７のテーパー凹面１７ｂに丁度嵌合当接することができる形状に構成され、他方のテーパー面４５は、第２電極１８のテーパー凹面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する。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の一部１４ａ，１４ｂ（図７（ｂ）参照）を膨張させるための作動圧力を有するガス（以下、低圧ガスとする）と、金属パイプ１００のパイプ部１００ａ（図７（ｄ）参照）を成形するための作動圧力を有するガス（以下、高圧ガスとする）とを、シール部材４４のガス通路４６に供給する役割を果たす。言い換えれば、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。なお、高圧ガスの圧力は、例えば低圧ガスの約２倍～５倍である。

　また、制御部７０は、図１に示す（Ａ）から情報が伝達されることによって、熱電対２１から温度情報を取得し、加圧シリンダ２６及びスイッチ５３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及び上型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。

　〈成形装置を用いた金属パイプの成形方法〉
　次に、成形装置１を用いた金属パイプの成形方法について説明する。図４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す。最初に焼入れ可能な鋼種の金属パイプ材料１４を準備する。図４（ａ）に示すように、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側に備わる第１，第２電極１７，１８上に載置（投入）する。第１，第２電極１７，１８には凹溝１７ａ，１８ａがそれぞれ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４（ｂ）のように、第１電極１７、第２電極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の両方の端部は、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にそれぞれ形成される凹溝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挟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、図１に示されるように、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５は、成形装置によるブロー成形工程の概要とその後の流れを示している。図５に示されるように、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、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で金属パイプ材料１４の両端をシールする（図３も併せて参照）。シール完了後、ブロー成形金型１３を閉じると共に、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成形する（具体的な金属パイプ材料１４の成形方法については後述する）。

　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、金属パイプ１００を得ることができる。

　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、ソルバイトなど）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、冷却媒体を金属パイプ１００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。

　次に、図６及び図７（ａ）～（ｄ）を参照して、上型１２及び下型１１による具体的な成形の様子の一例について詳細に説明する。図６は、成形装置によるブロー成形工程のタイミングチャートである。図６において、（ａ）は、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間の距離の時間変化を示し、（ｂ）は、低圧ガスの供給タイミングを示し、（ｃ）は高圧ガスの供給タイミングを示している。図６及び図７（ａ）に示されるように、図６の期間Ｔ１にて、加熱された金属パイプ材料１４を上型１２のキャビティ２４と下型１１のキャビティ１６との間に準備する。例えば、金属パイプ材料１４を下型１１の第２突起１１ｃ及び第３突起１１ｄによって支持する。なお、期間Ｔ１における上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間の距離は、Ｄ１である。

　次に、図６に示される期間Ｔ１後の期間Ｔ２にて、駆動機構８０によって上型１２を下型１１に合わせる方向に移動させる。これにより、図６に示される期間Ｔ２後の期間Ｔ３では、図７（ｂ）に示されるように、上型１２と下型１１とを完全に閉じず、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間の距離をＤ２（Ｄ２＜Ｄ１）にする。これにより、キャビティ２４の基準ラインＬＶ１における表面とキャビティ１６の基準ラインＬＶ２における表面との間にメインキャビティ部ＭＣが形成される。また、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間にサブキャビティ部ＳＣ１が形成され、上型１２の第３突起１２ｄと下型１１の第３突起１１ｄとの間にサブキャビティ部ＳＣ２が形成される。メインキャビティ部ＭＣとサブキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２とは互いに連通した状態となっている。このとき、上型１２の第１突起１２ｂの内縁と下型１１の第２突起１１ｃの外縁とが接触・密着すると共に、上型１２の第４突起１２ｅの内縁と下型１１の第３突起１１ｄの外縁とが接触・密着し、メインキャビティ部ＭＣ及びサブキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２は外部に対して密閉されている。加えて、上型１２の第１突起１２ｂと下型１１の第１突起１１ｂとの間、及び上型１２の第４突起１２ｅと下型１１の第４突起１１ｅとの間のそれぞれには、空間（隙間）が設けられる。

　また、期間Ｔ３中に、加熱機構５０による加熱により軟化した金属パイプ材料１４内部に気体供給部６０によって低圧ガスを供給する。この低圧ガスの圧力は、気体供給部６０における圧力制御弁６８を用いて制御されており、後に説明する期間Ｔ５にて金属パイプ材料１４内部に供給される高圧ガスの圧力よりも低い。このような低圧ガスの供給により、金属パイプ材料１４は、図７（ｂ）に示されるように、メインキャビティ部ＭＣ内で膨張する。また、金属パイプ材料１４の一部（両側部）１４ａ，１４ｂは、当該メインキャビティ部ＭＣに連通するサブキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２内にそれぞれ入り込むように膨張する。そして、低圧ガスの供給を停止する。

　次に、図６に示される期間Ｔ３後の期間Ｔ４にて、駆動機構８０によって上型１２を移動させる。具体的には、駆動機構８０で上型１２を移動させて、図７（ｃ）に示されるように、上型１２の第２突起１２ｃと下型１１の第２突起１１ｃとの間の距離をＤ３（Ｄ３＜Ｄ２）にするように、上型１２と下型１１とを嵌合する（クランプする）。このとき、上型１２の第１突起１２ｂと下型１１の第１突起１１ｂとは互いに隙間なく密着すると共に、上型１２の第４突起１２ｅと下型１１の第４突起１１ｅとは互いに隙間なく密着する。この駆動機構８０の駆動によって、膨張した金属パイプ材料１４の一部１４ａ，１４ｂを上型１２及び下型１１によって押圧し、サブキャビティ部ＳＣ１に金属パイプ１００のフランジ部１００ｂを成形すると共に、サブキャビティ部ＳＣ２に金属パイプ１００のフランジ部１００ｃを成形する。フランジ部１００ｂ，１００ｃは、当該金属パイプ１００の長手方向に沿って、金属パイプ材料１４の一部が折り畳まれて成形されている（図５参照）。

　次に、図６に示される期間Ｔ４後の期間Ｔ５中に、フランジ部１００ｂ，１００ｃが成形された後の金属パイプ材料１４内部に気体供給部６０によって高圧ガスを供給する。この高圧ガスの圧力は、気体供給部６０における圧力制御弁６８を用いて制御されている。このような高圧ガスの供給により、メインキャビティ部ＭＣ内の金属パイプ材料１４が膨張し、図７（ｄ）に示されるように金属パイプ１００のパイプ部１００ａが成形される。なお、期間Ｔ５における高圧ガスの供給時間は、期間Ｔ３における低圧ガスの供給時間よりも長い。これにより金属パイプ材料１４が十分に膨張してメインキャビティ部ＭＣの隅々まで行きわたり、パイプ部１００ａは、上型１２及び下型１１によって画成されるメインキャビティ部ＭＣの形状に沿ったものになる。

　以上に説明した期間Ｔ１～Ｔ５を経ることによって、パイプ部１００ａ及びフランジ部１００ｂ，１００ｃを有する金属パイプ１００を仕上げることができる。これら金属パイプ材料１４のブロー成形から金属パイプ１００の成形完了までに至るまでの時間は、金属パイプ材料１４の種類にもよるが概ね数秒から数十秒程度で完了する。なお、図７（ｄ）に示す例では、メインキャビティ部ＭＣは断面矩形状に構成されているため、金属パイプ材料１４は当該形状に合わせてブロー成形されることにより、パイプ部１００ａは矩形筒状に成形される。ただし、メインキャビティ部ＭＣの形状は特に限定されず、所望の形状に合わせて断面円形、断面楕円形、断面多角形等あらゆる形状を採用してもよい。

　次に、本実施形態に係る成形装置１、及び当該成形装置１を用いた成形方法の作用・効果について比較例と比較しながら説明する。

　まず、図８を参照して、比較例に係る成形装置を用いた成形方法を説明する。比較例に係る成形装置の制御部は、気体供給部に対して高圧ガスのみ供給させる制御を行いながら、金型同士を合わせるように駆動機構の駆動を制御する。よって、比較例に係る成形装置を用いた成形方法では、金属パイプ材料１４に供給される気体が高圧ガスとなっており、当該金属パイプ材料１４に高圧ガスが供給されると同時に上型１２が下型１１に合わさるように駆動する。この場合、図８（ａ）に示されるように、サブキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２にそれぞれ入り込むように膨張した金属パイプ材料１４の一部１４ａ，１４ｂは、本実施形態の成形方法と比較して大きくなりすぎ、このように大きくなりすぎた金属パイプ材料１４の一部１４ａ，１４ｂを上型１２及び下型１１によって押圧すると、図８（ｂ）に示されるように、フランジ部１００ｂ，１００ｃに撓み、歪み、又は折れ曲がり等が生じ、所望の形状のフランジ部を得られなくなる問題がある。また、高圧ガスの供給時間によっては金属パイプ材料１４の伸び率が限界を超え、金属パイプ材料１４が破裂するおそれがある。

　一方、本実施形態に係る成形装置１によれば、制御部７０の制御によって、サブキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２内に金属パイプ材料１４の一部１４ａ，１４ｂを膨張させるように気体供給部６０から金属パイプ材料１４内に気体を供給させた後、膨張した金属パイプ材料１４の一部１４ａ，１４ｂを上型１２及び下型１１で押圧してフランジ部１００ｂ，１００ｃを成形するように駆動機構８０を駆動させることができる。また、制御部７０の制御により、メインキャビティ部ＭＣ内にパイプ部１００ａを成形させるように、気体供給部６０から、フランジ部１００ｂ，１００ｃが成形された後の金属パイプ材料１４内に気体を供給させることができる。このように金属パイプ１００におけるフランジ部１００ｂ，１００ｃとパイプ部１００ａとを別々に成形するように制御部７０が気体供給部６０及び駆動機構８０を制御しているため、所望の形状のフランジ部１００ｂ，１００ｃ及びパイプ部１００ａを容易に成形できる。

　また、本実施形態では、サブキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２内に金属パイプ材料１４の一部１４ａ，１４ｂを膨張させる際の低圧ガスの圧力を、メインキャビティ部ＭＣ内にパイプ部１００ａを成形させる際の高圧ガスの圧力よりも低くしているため、低圧ガスでフランジ部１００ｂ，１００ｃを所望の大きさに成形できると共に、フランジ部１００ｂ，１００ｃに関係なく高圧ガスで所望の形状のパイプ部１００ａを成形できる。したがって、所望の形状のフランジ部１００ｂ，１００ｃ及びパイプ部１００ａを一層容易に成形できる。

　以上、本発明の一態様の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態における成形装置１は加熱機構５０を必ずしも有していなくてもよく、金属パイプ材料１４はすでに加熱されていてもよい。

　また、本実施形態に係る駆動機構８０は、上型１２のみを移動させているが、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。下型１１が移動する場合、当該下型１１は基台１５に固定されず、駆動機構８０のスライドに取り付けられる。

　また、本実施形態に係るガス源６１は、高圧ガスを供給するための高圧ガス源と、低圧ガスを供給するための低圧ガス源との両方を有してもよい。この場合、制御部７０による気体供給部６０のガス源６１の制御によって、状況に応じて高圧ガス源又は低圧ガス源から気体供給機構４０に気体が供給されてもよい。なお、ガス源６１が高圧ガス源及び低圧ガス源を有する場合、圧力制御弁６８は気体供給部６０に含まれなくてもよい。

　また、本実施形態に係る金属パイプ１００は、その片側にフランジ部を有していてもよい。この場合、上型１２及び下型１１によって形成されるサブキャビティ部は一つとなる。

　また、上型１２及び下型１１の間に準備される金属パイプ材料１４は、上下方向の径よりも左右方向の径の方が長い断面楕円形状を有してもよい。これにより、金属パイプ材料１４の一部をサブキャビティ部ＳＣ１，ＳＣ２内に入り込みやすくしてもよい。加えて、上記金属パイプ材料１４は、予め軸線方向に沿って曲げ加工（プリベンド加工）が施されてもよい。この場合、成形された金属パイプ１００は、フランジ部を有すると共に屈曲した筒形状となる。

　１…成形装置、１１…下型、１２…上型、１３…ブロー成形金型（金型）、１４…金属パイプ材料、３０…パイプ保持機構、４０…気体供給機構、５０…加熱機構、６０…気体供給部、６８…圧力制御弁、７０…制御部、８０…駆動機構、１００…金属パイプ、１００ａ…パイプ部、１００ｂ，１００ｃ…フランジ部，ＭＣ…メインキャビティ部、ＳＣ１，ＳＣ２…サブキャビティ部。

Claims (4)

1. 　パイプ部及びフランジ部を有する金属パイプを成形する成形装置であって、
   　互いに対となる第１の金型及び第２の金型と、
   　前記第１の金型及び前記第２の金型の少なくとも一方を、金型同士が合わさる方向に移動させる駆動機構と、
   　前記第１の金型及び前記第２の金型の間に保持され加熱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、
   　前記駆動機構の駆動及び前記気体供給部の気体供給をそれぞれ制御する制御部と、
   を備え、
   　前記第１の金型及び前記第２の金型は、前記パイプ部を成形するための第１のキャビティ部、及び前記第１のキャビティ部と連通し前記フランジ部を成形するための第２のキャビティ部、を構成し、
   　前記制御部は、
   　　前記第２のキャビティ部内に前記金属パイプ材料の一部を膨張させるように前記気体供給部から前記金属パイプ材料内に気体を供給させ、
   　　膨張した前記金属パイプ材料の一部を前記第１の金型及び前記第２の金型で押圧して前記フランジ部を成形するように前記駆動機構を駆動させ、
   　　前記第１のキャビティ部内に前記パイプ部を成形させるように前記気体供給部から前記フランジ部が成形された後の前記金属パイプ材料内に気体を供給させる、
   成形装置。
2. 　前記第２のキャビティ部内に前記金属パイプ材料の一部を膨張させる際の前記気体の圧力は、前記第１のキャビティ部内に前記パイプ部を成形させる際の前記気体の圧力よりも低い、請求項１記載の成形装置。
3. 　パイプ部及びフランジ部を有する金属パイプを成形する成形方法であって、
   　加熱された金属パイプ材料を、第１の金型及び第２の金型の間に準備し、
   　前記第１の金型及び前記第２の金型の少なくとも一方を金型同士が合わさる方向に移動させることによって、前記パイプ部を成形するための第１のキャビティ部及び前記第１のキャビティ部に連通し前記フランジ部を成形するための第２のキャビティ部を、前記第１の金型及び前記第２の金型の間に形成し、
   　気体供給部により前記金属パイプ材料内に気体を供給することによって、前記第２のキャビティ部内に前記金属パイプ材料の一部を膨張させ、
   　前記第１の金型及び前記第２の金型の少なくとも一方を金型同士が合わさる方向に移動させることによって、膨張した前記金属パイプ材料の一部を前記第１の金型及び前記第２の金型で押圧して前記フランジ部を成形し、
   　前記気体供給部により、前記フランジ部が成形された後の前記金属パイプ材料内に気体を供給することによって、前記第１のキャビティ部内に前記パイプ部を成形する、
   　成形方法。
4. 　前記第２のキャビティ部内に前記金属パイプ材料の一部を膨張させる際の前記気体の圧力は、前記第１のキャビティ部内に前記パイプ部を成形させる際の前記気体の圧力よりも低い、請求項３記載の成形方法。

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