WO2020195579A1 - 成形装置及び成形方法 - Google Patents

Abstract

成形装置（成形装置１０）は、金属パイプ材料（金属パイプ材料１４）を膨張させて金属パイプ（金属パイプ１００）を成形する成形装置であって、金属パイプ材料を保持すると共に、金属パイプ材料へ電力を供給して該金属パイプ材料を加熱する電極（電極１７、１８）と、膨張した金属パイプを焼き入れ成形する成形金型（成形金型３０）と、電極と成形金型との間に配置される部材（第１の絶縁材９１ａ、１０１ａ、摺動材９２、１０２）と、を備え、部材の長さの調整が行われることで、金属パイプにおいて焼き入れが行われない領域が調整される。

Description

成形装置及び成形方法

　本開示は、成形装置及び成形方法に関する。

　従来、金属パイプ材料を膨張させて成形金型により金属パイプを成形する成形装置が知られている。例えば、特許文献１に開示された成形装置は、電極、絶縁材、摺動材及び成形金型を備えている。この成形装置では、電極、絶縁材及び摺動材によって保持された金属パイプ材料を電極から供給された電力によって通電加熱し、成形金型を型閉した状態で当該成形金型内に配置された金属パイプ材料を膨張させることによって金属パイプを成形している。

特開２０１６－１９０２４８号公報

　上述のような成形装置で成形された金属パイプは、他の部材に接合される場合がある。この場合には、金属パイプの端部にボルト孔を形成したり、金属パイプの端部を他の部材に溶接したりすることで、金属パイプが他の部材に対して連結される。このとき、金属パイプの端部の硬度が高すぎると、当該端部に孔あけ加工を行うことや溶接を施すことが困難となる。一方、金属パイプの剛性を確保するために金属パイプの中央部など、場所によっては十分な硬度が求められる。

　そこで、本開示は、硬度が低い場所と硬度が高い場所を調整できる金属パイプを成形す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。

　一態様に係る成形装置は、金属パイプ材料を膨張させて金属パイプを成形する成形装置であって、金属パイプ材料を保持すると共に、金属パイプ材料へ電力を供給して該金属パイプ材料を加熱する電極と、膨張した金属パイプを焼き入れ成形する成形金型と、電極と成形金型との間に配置される部材と、を備え、部材の長さの調整が行われることで、金属パイプにおいて焼き入れが行われない領域が調整される。

　この態様では、部材が、電極と成形金型との間に配置される。金属パイプ材料の成形時、金属パイプ材料における成形金型と対応する場所は、高温に加熱された後に成形金型により焼き入れ成形されるので、硬度が高められる。一方、金属パイプ材料における部材と対応する場所は、焼き入れが行われない場所となる。ここで、部材の長さの調整が行われることで、金属パイプにおいて焼き入れが行われない領域が調整される。したがって、硬度が低い場所と硬度が高い場所を調整できる。

　部材は、電極側から順に配列された絶縁材及び摺動材であり、絶縁材及び摺動材の配列方向における絶縁材の厚さと摺動材の厚さの和は、金属パイプ材料の長手方向における電極と金属パイプ材料との接触長さよりも大きくてもよい。金属パイプ材料のうち絶縁材及び摺動材に保持されている部分は、冷却速度が遅く、焼きが入りにくいので、相対的に厚い絶縁材及び摺動材を備えることにより、金属パイプの端部に形成される硬度の低い領域を大きくすることができる。

　　一態様に係る成形方法は、金属パイプ材料を膨張させて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工程と、成形金型を用いて膨張した金属パイプ材料を成形する工程と、を含み、加熱する工程では、長さの調整がされた部材を電極と成形金型との間に配置し、金属パイプにおいて焼き入れが行われない領域を調整する。

　この態様では、上述の成形装置と同様な作用・効果を得ることができる。

　本開示の一態様によれば、硬度が低い場所と硬度が高い場所を調整できる。

一実施形態に係る成形装置を示す概略構成図である。 電極周辺を拡大して示す斜視図である。 図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 電極の正面図である。 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断面図であり、（ｂ）は金属パイプ材料に気体を供給した状態を示す断面図である。 金属パイプの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配置された状態を示す図であり、（ｂ）は金属パイプ材料の端部が加熱された状態を示す図である。 ブロー成形を行った状態を示す図である。 成形金型の断面図である。（ａ）はブロー成形前の図であり、（ｂ）はブロー成形後の図である。 完成品である金属パイプの一例を示す図である。 実施例に係る金属パイプの硬度分布を示すグラフである。

　以下、本開示による成形装置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、一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、上型１２及び下型１１からなる成形金型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を加熱するための電力を供給する電力供給部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と、成形金型１３を強制的に水冷する水循環機構７２と、上記駆動機構８０の駆動、上記パイプ保持機構３０の駆動、電力供給部５０の駆動、及び、上記気体供給部６０の気体供給を制御する制御部７０と、を備えている。

　なお、以下の説明では、完成品に係るパイプを金属パイプ１００（図９参照）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。金属パイプ材料１４は、中空筒状を有する長尺の鋼材であり、その両端側に位置する一対の端部１４ａ，１４ｂと、一対の端部１４ａ，１４ｂの間に位置する中央部１４ｃを有している（図６（ａ）参照）。後述するように、この金属パイプ材料１４が成形されることによって、金属パイプ材料１４の一対の端部１４ａ，１４ｂが金属パイプ１００の一対の端部１００ａ，１００ｂになり、金属パイプ材料１４の中央部１４ｃが金属パイプ１００の中央部１００ｃになる。

　図１に示すように、成形金型１３の一方である下型１１は、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、その上面に例えば矩形状のキャビティ（凹部）１６を備える。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。

　更に、下型１１の左右端（図１における左右端）近傍にはスペース１１ａが形成されており、当該スペース１１ａ内には、パイプ保持機構３０の可動部である後述する下側電極１７ａ，１８ａ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１７ａ，１８ａ上に金属パイプ材料１４が載置されることで、下側電極１７ａ，１８ａ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１７ａ，１８ａは金属パイプ材料１４に電気的に接続される。

　成形金型１３の他方である上型１２は、駆動機構８０を構成する後述のスライド８１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の左右端（図１における左右端）近傍には、下型１１と同様に、スペース１２ａが形成されており、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上側電極１７ｂ，１８ｂ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１７ａ，１８ａ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１７ｂ，１８ｂ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１７ｂ，１８ｂは金属パイプ材料１４に電気的に接続される。なお、以下では、下側電極１７ａ，１８ａと上側電極１７ｂ，１８ｂとを特に区別する必要がない場合には、これらをまとめて電極１７，１８と称する。

　図２は電極１８付近を拡大して示す斜視図であり、図３は図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。

　図２及び図３に示すように、下側電極１８ａと下型１１との間には、下側電極１８ａ側から順に第１の絶縁材９１ａ及び摺動材９２が配列されている。すなわち、第１の絶縁材９１ａは下側電極１８ａと下型１１との間に設けられており、摺動材９２は第１の絶縁材９１ａと下型１１との間に設けられている。また、上側電極１８ｂと上型１２との間には、上側電極１８ｂ側から順に第１の絶縁材１０１ａ及び摺動材１０２が配列されている。すなわち、第１の絶縁材１０１ａは上側電極１８ｂと上型１２との間に設けられており、摺動材１０２は第１の絶縁材１０１ａと上型１２との間に設けられている。

　第１の絶縁材９１ａ,１０１ａは、耐熱性及び絶縁性を有する材料から構成された板材であり、電極１８と成形金型１３との通電を防ぐ機能を有する。第１の絶縁材９１ａ,１０１ａとしては、例えばアルミナ製のセラミックス板が利用される。第１の絶縁材９１ａは、第１の絶縁材９１ａ及び摺動材９２の配列方向において厚さｄ１を有しており、第１の絶縁材１０１ａは、第１の絶縁材１０１ａ及び摺動材１０２の配列方向において厚さｄ１を有している。

　摺動材９２，１０２は、耐熱性を有する材料から構成された板材である。摺動材９２，１０２としては、例えば鉛青銅、砲金、黄銅、リン青銅又はホワイトメタル製の合金板が利用される。摺動材９２は、第１の絶縁材９１ａ及び摺動材９２の配列方向において厚さｄ２を有しており、摺動材１０２は、第１の絶縁材１０１ａ及び摺動材１０２の配列方向において厚さｄ２を有している。

　下側電極１８ａの下面には、第２の絶縁材９１ｂが固定されている。第２の絶縁材９１ｂには、進退ロッド９５が接続されており、当該進退ロッド９５にはアクチュエータに接続されている（図１参照）。このアクチュエータは、下側電極１７ａ，１８ａ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、下型１１と共に基台１５側に保持されている。

　図３に示すように、第１の絶縁材９１ａ及び摺動材９２は、ボルト９３ａ及び雌ねじ部材９３ｂを有する固定手段９３によって互いに固定されている。具体的には、摺動材９２を貫通して第１の絶縁材９１ａの開口部に進入するボルト９３ａが、第１の絶縁材９１ａの開口部に埋め込まれた雌ねじ部材９３ｂに螺合することにより、第１の絶縁材９１ａ及び摺動材９２が互いに締結され固定されている。また、下側電極１８ａと第１の絶縁材９１ａとは固定手段９４によって互いに固定されている。また、第２の絶縁材９１ｂは、下側電極１８ａ及び第１の絶縁材９１ａの下面に固定されている。

　同様に、上側電極１８ｂの上面には、第２の絶縁材１０１ｂが取り付けられている。第２の絶縁材１０１ｂには、進退ロッド９６が接続されており、当該進退ロッド９６にはアクチュエータに接続されている。このアクチュエータは、上側電極１７ｂ，１８ｂ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。

　第１の絶縁材１０１ａ及び摺動材１０２は、ボルト９３ａ及び雌ねじ部材９３ｂを有する固定手段９３によって互いに固定されている。具体的には、摺動材１０２を貫通して第１の絶縁材１０１ａの開口部に進入するボルト９３ａが、第１の絶縁材１０１ａの開口部に埋め込まれた雌ねじ部材９３ｂに螺合することにより、第１の絶縁材１０１ａ及び摺動材１０２が互いに締結され固定されている。上側電極１８ｂと第１の絶縁材１０１ａとは固定手段９４によって互いに固定されている。また、第２の絶縁材１０１ｂは、上側電極１８ｂ及び第１の絶縁材１０１ａの上面に固定されている。

　図４は、電極１７，１８の正面図である。図４に示すように、下側電極１８ａと上側電極１８ｂとが互いに対向する面のそれぞれには、金属パイプ材料１４の外周面の形状に対応した半円弧状の凹溝２０ａが形成されていて、当該凹溝２０ａ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の絶縁材９１ａと第１の絶縁材１０１ａが互いに対向する面、及び、摺動材９２と摺動材１０２とが互いに対向する面のそれぞれにも、半円弧状の凹溝が形成されている。これらの凹溝は、凹溝２０ａの径よりも大きな径を有している。したがって、金属パイプ材料１４が上側電極１８ｂと下側電極１８ａとの間で保持されているときに、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａ及び摺動材９２，１０２は金属パイプ材料１４に非接触となる。また、電極１８の正面（金型の外側方向の面）には、凹溝２０ａ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１８ｔが形成されている（図５（ａ），（ｂ）を併せて参照）。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の端部１４ａの外周を全周に渡って密着するように取り囲んで保持できるように構成されている。

　また、図４に示すように、下側電極１８ａの内部には、冷却媒体Ｒを流通させるための冷媒流路２６が形成されている。冷媒流路２６には、配管２８が接続されており、当該配管２８には冷媒供給装置３２が接続されている。冷媒供給装置３２は、配管２８を介して冷媒流路２６に冷却媒体Ｒを供給すると共に、下側電極１８ａと熱交換を行った冷却媒体Ｒを冷媒流路２６から回収する。同様に、上側電極１８ｂの内部には、冷却媒体Ｒを流通させるための冷媒流路２７が形成されている。冷媒流路２７には、配管２９が接続されており、配管２９には冷媒供給装置３１が接続されている。冷媒供給装置３１は、配管２９を介して冷却媒体Ｒを冷媒流路２７に供給し、上側電極１８ｂと熱交換を行った冷却媒体Ｒを冷媒流路２７から回収する。

　一実施形態では、冷媒供給装置３１，３２には制御部７０が接続されており、制御部７０からの制御信号に応じて、冷媒供給装置３１，３２から冷媒流路２６，２７に供給される冷却媒体Ｒの流量が制御されてもよい。

　このように、冷媒流路２６，２７を冷却媒体Ｒが循環することにより、電極１８の熱が冷却媒体Ｒに奪われ、電極１８が冷却される。冷却媒体Ｒとしては、例えば冷却水が用いられる。なお、冷却媒体Ｒは液体に限らず、気化熱を利用した相変化冷却や、ガスを用いたガス冷却を用いて電極１８を冷却してもよい。

　パイプ保持機構３０の左側部分は、上述したパイプ保持機構３０の右側部分と同様の構成を有している。すなわち、パイプ保持機構３０の左側部分は、上下方向にて対向する下側電極１７ａ及び上側電極１７ｂと、上下方向にて対向する第１の絶縁材９１ａ，１０１ａと、上下方向にて対向する摺動材９２，１０２とを有している。より詳細には、第１の絶縁材９１ａは下側電極１７ａと下型１１との間に設けられており、摺動材９２は第１の絶縁材９１ａと下型１１との間に設けられている。第２の絶縁材９１ｂには、進退ロッド９５が接続されており、当該進退ロッド９５には下側電極１７ａ等を上下動させるためのアクチュエータに接続されている。また、第１の絶縁材１０１ａは上側電極１７ｂと上型１２との間に設けられており、摺動材１０２は第１の絶縁材１０１ａと上型１２との間に設けられている。第２の絶縁材１０１ｂには、進退ロッド９６が接続されており、当該進退ロッド９６には上側電極１７ｂ等を上下動させるためのアクチュエータに接続されている。

　図４に示すように、パイプ保持機構３０の左側部分において、下側電極１７ａと上側電極１７ｂとが互いに対向する面のそれぞれには、金属パイプ材料１４の外周面の形状に対応した半円弧状の凹溝２０ｂが形成されていて、当該凹溝２０ｂ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の絶縁材９１ａと第１の絶縁材１０１ａが互いに対向する面、及び、摺動材９２と摺動材１０２とが互いに対向する面にも、半円弧状の凹溝が形成されている。これらの凹溝は、凹溝２０ｂの径よりも大きな径を有している。したがって、金属パイプ材料１４が上側電極１７ｂと下側電極１７ａとの間で保持されているときに、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａ及び摺動材９２，１０２は金属パイプ材料１４に非接触となる。また、電極１７の正面（金型の外側方向の面）には、凹溝２０ｂ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１７ｔ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の端部１４ｂの外周を全周に渡って密着するように取り囲んで保持できるように構成されている。

　下側電極１８ａ及び上側電極１８ｂと同様に、下側電極１７ａ及び上側電極１８ｂには、それぞれ冷媒流路２６，２７が形成されている。冷媒流路２６，２７には、配管２８，２９を介して冷媒供給装置３１，３２がそれぞれ接続されている。冷媒供給装置３１，３２は、冷却媒体Ｒを冷媒流路２６，２７に循環供給する。冷媒流路２６，２７を冷却媒体Ｒが循環することにより、下側電極１７ａ及び上側電極１７ｂの熱が冷却媒体Ｒに奪われ、電極１７が冷却される。

　図５（ａ）は、電極１８が金属パイプ材料１４を保持した状態を示す図である。ここで、図５（ａ）に示すように、金属パイプ材料１４の長手方向における電極１８と当該電極１８上に保持された金属パイプ材料１４との接触長さをＬとしたとき、第１の絶縁材９１ａの厚さｄ１と摺動材９２の厚さｄ２との和Ｄは、接触長さＬよりも大きく設定されている。同様に、金属パイプ材料１４の長手方向における電極１７と当該電極１７上に保持された金属パイプ材料１４との接触長さをＬとしたとき、第１の絶縁材９１ａの厚さｄ１と摺動材９２の厚さｄ２との和Ｄは、接触長さＬよりも大きく設定されている。厚さの和Ｄを、接触長さＬよりも大きくすることで、金属パイプ１００の端部１００ａ，１００ｂに形成される硬度の低い領域を大きくすることができる。

　ただし、上述の例では、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａの厚さｄ１と摺動材９２，１０２の厚さｄ２の和Ｄは、電極１７，１８と金属パイプ材料１４との接触長さＬよりも大きく設定されているが、厚さの和Ｄは接触長さＬ以下であってもよい。厚さの和Ｄを大きくすることにより、金属パイプ１００の端部側に形成される非硬化部の長さを調整することができる。すなわち、和Ｄの調整が行われることで、金属パイプ１００において焼き入れが行われない領域が調整される。したがって、要求される非硬化部の長さに応じて、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａの厚さｄ１と摺動材９２，１０２の厚さｄ２の和Ｄを適宜調整してもよい。

　再び図１を参照する。図１に示されるように、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８１と、上記スライド８１を移動させるための駆動力を発生するシャフト８２と、該シャフト８２で発生した駆動力をスライド８１に伝達するためのコネクティングロッド８３とを備えている。シャフト８２は、スライド８１上方にて左右方向に延在していると共に回転自在に支持されており、その軸心から離間した位置にて左右端から突出して左右方向に延在する偏心クランク８２ａを有している。この偏心クランク８２ａと、スライド８１の上部に設けられると共に左右方向に延在している回転軸８１ａとは、コネクティングロッド８３によって連結されている。駆動機構８０では、制御部７０によってシャフト８２の回転を制御することにより偏心クランク８２ａの上下方向の高さを変化させ、この偏心クランク８２ａの位置変化をコネクティングロッド８３を介してスライド８１に伝達することにより、スライド８１の上下動を制御できる。ここで、偏心クランク８２ａの位置変化をスライド８１に伝達する際に発生するコネクティングロッド８３の揺動（回転運動）は、回転軸８１ａによって吸収される。なお、シャフト８２は、例えば制御部７０によって制御されるモータ等の駆動に応じて回転又は停止する。

　電力供給部５０は、電源５１と、この電源５１から下側の電極１７，１８に接続するブスバー５２と、このブスバー５２上に設けられたスイッチ５３とを有している。電力供給部５０は、金属パイプ材料１４を通電加熱するための電力を電極１７，１８に供給する。具体的には、電力供給部５０は、制御部７０からの制御信号によって、金属パイプ材料１４を焼入れ温度（ＡＣ３変態点温度以上）まで加熱されるように制御せれる。この電力供給部５０は、電極１７，１８と共に金属パイプ材料１４を加熱する加熱部を構成している。

　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のパイプ保持機構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上に支持されている。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、電極１７，１８のテーパー凹面１７ｔ、１８ｔ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（ｂ）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。また、シール部材４４には、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が形成されている。ガス通路４６は、シール部材４４の先端に開口しており、ガス通路４６を流れるガスは当該開口から噴射される。

　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とガス通路４６とを接続する第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とを有している。圧力制御弁６４は、シール部材４４の金属パイプ材料１４に押圧するための高圧ガスをシリンダユニット４２に供給する。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。

　圧力制御弁６８は、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ガス通路４６に供給する。圧力制御弁６８には制御部７０が接続されており、当該制御部７０は、気体供給部６０の圧力制御弁６８の開度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。

　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、駆動機構８０及び電力供給部５５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１０を用いた金属パイプの成形方法について説明する。図６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円筒状の金属パイプ材料１４を準備する。図６（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側に備わる電極１７，１８上に載置（投入）する。電極１７，１８には凹溝２０ａ，２０ｂが形成されているので、当該凹溝２０ａ，２０ｂ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８０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の端部１４ａ，１４ｂを保持させる。具体的には、具体的には、図６（ｂ）のように、パイプ保持機構３０を進退動可能としているアクチュエータ（図示しない）を作動させて、進退ロッド９５，９６をそれぞれ上下動させる。この上下動の際に、摺動材９２及び摺動材１０２が下型１１及び上型１２に対してそれぞれ摺動する。また、この上下動によって、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂは、パイプ保持機構３０によって上下方向から挟持される。この挟持は電極１７，１８に形成される凹溝２０ａ，２０ｂ、及び、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａ及び摺動材９２，１０２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、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、電力供給部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からの制御信号によってスイッチ５３がＯＮになると、電源５１からの電力がブスバー５２を介して電極１７，１８に供給される。電極１７，１８に供給された電力は、金属パイプ材料１４に伝達され、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）。

　ここで、電流には抵抗の低い部分を選択的に流れる性質があるので、図５（ａ）に示すように、電極１８から供給される電流Ｃは、金属パイプ材料１４の全長において、均等に流れるのではなく、主に、電極１８と第１の絶縁材９１ａ，１０１ａとの境界付近から金属パイプ材料１４に流入する。すなわち、電極１８ａ，１８ｂと金属パイプ材料１４との境界面では、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａ側の領域の方が、端部１４ａ側の領域よりも多くの電流が流れる領域となる。したがって、金属パイプ材料１４の通電加熱時に、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂには、金属パイプ材料１４の中央部１４ｃよりも小さな電流が流れることとなる。なお、図５（ａ）では、電流Ｃのメインの流れだけが矢印で示されているが、端部１４ａ付近にも電流は流れる。これにより、金属パイプ材料１４は、端部１４ａ，１４ｂの温度が金属パイプ材料１４の中央部１４ｃの温度よりも低い温度分布を有することとなる。より詳細には、金属パイプ材料１４は、その端部１４ａの温度が金属パイプ材料１４の焼入温度よりも低い温度となり、その中央部１４ｃが金属パイプ材料１４の焼入温度よりも高い温度となるように加熱される。

　特に、冷媒流路２６を流れる冷却媒体Ｒによって、電極１７，１８が低温に管理されているので、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂの温度上昇が抑制される。一方、金属パイプ材料１４の中央部１４ｃの温度は、熱電対２１によって常に測定され、この測定結果に基づいて電極１７，１８に供給される電力が制御される。

　次いで、図７に示すように、制御部７０による駆動機構８０の制御によって、加熱後の金属パイプ材料１４に対して成形金型１３が閉じられる。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ＭＣ内に金属パイプ材料１４が配置密閉される。この型閉じの際に、摺動材９２が下型１１に対して摺動すると共に、摺動材１０２が上型１２に対して摺動する。

　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を前進させて金属パイプ材料１４の両端をシールする（図５（ｂ）も併せて参照）。シール完了後、圧力制御弁６８を開放することによって、アキュムレータ６２からの高圧ガスをガス通路４６を介して金属パイプ材料１４内へ吹き込む。

　金属パイプ材料１４の中央部１４ｃ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金属パイプ材料１４の中央部１４ｃを容易に膨張させることができる。これにより、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、成形金型１３のキャビティ部ＭＣ内に配置された金属パイプ材料１４の中央部１４ｃは、キャビティ部ＭＣの形状に沿うように成形される。

　ブロー成形されて膨らんだ金属パイプ材料１４の中央部１４ｃの外周面は、下型１１のキャビティ１６及び上型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。したがって、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。

　一方、金属パイプ材料１４の通電加熱時には、金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂが焼入温度よりも低い温度になるように加熱されているので、当該端部１４ａには焼き入れが行われない。特に、冷媒流路２６を流れる冷却媒体Ｒによって、電極１７，１８が低温に管理されているので、通電加熱時に金属パイプ材料１４の端部１４ａ，１４ｂの温度上昇がより抑制され、金属パイプ材料１４の端部１４ａ、１４ｂに焼きが入ることが抑制される。また、金属パイプ材料１４の第１の絶縁材９１ａ,１０１ａ及び摺動材９２，１０２の間に保持された部分は、成形金型１３に接触しないので金属パイプ材料１４の中央部１４ｃと比較して冷却速度が遅くなる。したがって、金属パイプ材料１４の当該部分にも焼きが入りにくくなる。以上より、金属パイプのうち、成形時に電極１７，１８、絶縁材９１ａ,１０１ａ及び摺動材９２，１０２に対応する領域は、焼き入れが行われない領域となる。

　上記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、略矩形筒状の本体部を有する金属パイプ１００を得る。型開きの際にも、摺動材９２が下型１１に対して摺動すると共に、摺動材１０２が上型１２に対して摺動する。

　図９は、完成品である金属パイプ１００を示す図である。図９に示すように、成形品である金属パイプ１００は、一対の端部１００ａ，１００ｂ及び中央部１００ｃを有している。一対の端部１００ａ，１００ｂは、金属パイプ材料１４の一対の端部１４ａ，１４ｂが成形されることによって形成され、中央部１００ｃは、金属パイプ材料１４の中央部１４ｃが成形されることによって形成されたものである。上記のように、一対の端部１００ａ，１００ｂには焼き入れが行われていないので、一対の端部１００ａ，１００ｂは相対的に硬度の低い非硬化部となっている。これに対し、中央部１００ｃには焼き入れが行われているので、中央部１００ｃは、端部１００ａ，１００ｂよりも高い硬度を有する硬化部となっている。したがって、成形装置１０を用いて金属パイプ材料１４を成形することで、一対の端部１００ａ，１００ｂの硬度が低く、中央部１００ｃの硬度が高い金属パイプ１００を成形することができる。

　なお、一実施形態では、成形時の金属パイプ材料１４の温度分布、電極１７，１８の温度、成形金型１３の温度等を制御することによって、一対の端部１００ａ，１００ｂのビッカース硬さが３００ＨＶ未満であり、中央部１００ｃのビッカース硬さが３００ＨＶ以上である金属パイプ１００を成形してもよい。一対の端部１００ａ，１００ｂのビッカース硬さを３００ＨＶ未満に設定することにより、一対の端部１００ａ，１００ｂに孔あけ加工及び溶接といった加工を施すことが可能となる。

　また、上記成形装置１０によれば、駆動機構８０による成形金型１３の移動の際に、下型１１と第１の絶縁材９１ａとの間、及び、上型１２と第１の絶縁材１０１ａとの間には、摺動材９２，１０２がそれぞれ介在しているので、成形金型１３と第１の絶縁材９１ａ，１０１ａとが接触することがない。したがって、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａの摩耗を抑制することができる。

　以上より、成形装置１０は、金属パイプ材料１４を膨張させて金属パイプ１００を成形する成形装置１０であって、金属パイプ材料１４を保持すると共に、金属パイプ材料１４へ電力を供給して該金属パイプ材料１４を加熱する電極１７，１８と、膨張した金属パイプ１００を焼き入れ成形する成形金型１３と、電極１７，１８と成形金型１３との間に配置される摺動材９２，１０２及び絶縁材９１ａ，９１ｂ，１０１ａ，１０１ｂと、を備え、摺動材９２，１０２及び絶縁材９１ａ，９１ｂ，１０１ａ，１０１ｂの長さの調整が行われることで、金属パイプ１００において焼き入れが行われない領域が調整される。

　この態様では、摺動材９２，１０２及び絶縁材９１ａ，９１ｂ，１０１ａ，１０１ｂが、電極１７，１８と成形金型１３との間に配置される。金属パイプ材料１４の成形時、金属パイプ材料１４における成形金型１３と対応する場所は、高温に加熱された後に成形金型１３により焼き入れ成形されるので、硬度が高められる。一方、金属パイプ材料１４における摺動材９２，１０２及び絶縁材９１ａ，９１ｂ，１０１ａ，１０１ｂと対応する場所は、焼き入れが行われない場所となる。ここで、摺動材９２，１０２及び絶縁材９１ａ，９１ｂ，１０１ａ，１０１ｂの長さの調整が行われることで、金属パイプ１００において焼き入れが行われない領域が調整される。したがって、硬度が低い場所と硬度が高い場所を調整できる。

　　成形方法は、金属パイプ材料１４を膨張させて金属パイプ１００を成形する成形方法であって、金属パイプ材料１４を加熱する工程と、成形金型１３を用いて膨張した金属パイプ材料１４を成形する工程と、を含み、加熱する工程では、長さの調整がされた摺動材９２，１０２及び絶縁材９１ａ，９１ｂ，１０１ａ，１０１ｂを電極１７，１８と成形金型１３との間に配置し、金属パイプ１００において焼き入れが行われない領域を調整する。

　この態様では、上述の成形装置と同様な作用・効果を得ることができる。

　以下、実施例に基づいて本開示をより具体的に説明するが、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。

　図１０は、実施例に係る金属パイプの硬度分布を示すグラフである。この金属パイプは、上述した成形装置１０を用いて金属パイプ材料を成形することによって得られたものである。

　このように形成された実施例に係る金属パイプは、図１０に示す硬度分布を有していた。具体的には、実施例に係る金属パイプは、一端からの距離が０ｍｍ～５５ｍｍの範囲内で３００ＨＶ未満のビッカース硬さを有し、一端からの距離が６５ｍｍ～１５０ｍｍの範囲内で５００ＨＶ程度のビッカース硬さを有していた。この実施例から、成形装置１０を用いて金属パイプ材料を成形することによって、端部の硬度が低く、中央部の硬度が高い金属パイプを成形する事ができることが確認された。

　以上、種々の実施形態に係る成形装置１０について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく開示の要旨を変更しない範囲で種々の変形態様を構成可能である。

　また、上記実施形態では、第１の絶縁材９１ａの厚さと摺動材９２の厚さの和が、第１の絶縁材１０１ａの厚さと摺動材１０２の厚さの和と同じに設定されているが、これらの厚さの和は互いに異なっていてもよい。この場合には、金属パイプ１００の上側と下側との間で非硬化部の長さを異ならせることができる。

　また、上記実施形態では、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａ及び摺動材９２，１０２は、互いに独立した部材として構成されているが、摺動材９２，１０２が第１の絶縁材９１ａ，１０１ａに対してそれぞれ溶射されることで、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａ及び摺動材９２，１０２が一体的に形成されていてもよい。この場合には、固定手段９３を用いずに第１の絶縁材９１ａ，１０１ａ及び摺動材９２，１０２を固定することができるので、部品点数が減少し、低コスト化が実現することが可能となる。

　また、上記実施形態では、摺動材９２，１０２は第１の絶縁材９１ａ，１０１ａ側にそれぞれ固定されているが、摺動材９２は下型１１に、摺動材１０２は上型１２にそれぞれ固定されてもよい。この場合であっても、成形金型１３と第１の絶縁材９１ａ，１０１ａとは互いに接触しないので、第１の絶縁材９１ａ，１０１ａの摩耗を抑制できる。

　また、上記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、例えば駆動機構８０のスライド８１に取り付けられる。

　また、上記実施形態に係る金属パイプ１００は、一又は複数の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が互いに嵌合する際にキャビティ部ＭＣに連通する一又は複数のサブキャビティ部が成形金型１３に形成される。

　また、上記実施形態に係る駆動機構８０は、例えば加圧シリンダ、ガイドシリンダ及びサーボモータをシャフト８２の代わりに用いてもよい。この場合、スライド８１は加圧シリンダによって吊られ、ガイドシリンダによって横振れしないようにガイドされる。サーボモータは、加圧シリンダを駆動させる流体（加圧シリンダ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へ供給する流体供給部として機能する。

　成形装置で成形された金属パイプは、他の部材に接合される場合がある。この場合には、金属パイプの端部にボルト孔を形成したり、金属パイプの端部を他の部材に溶接したりすることで、金属パイプが他の部材に対して連結される。このとき、金属パイプの端部の硬度が高すぎると、当該端部に孔あけ加工を行うことや溶接を施すことが困難となる。一方、金属パイプの剛性を確保するために金属パイプの中央部には十分な硬度が求められる。

　そこで、一態様において、端部の硬度が低く、中央部の硬度が高い金属パイプを成形することができる成形装置及び成形方法を提供することが求められる。

　一態様では、金属パイプ材料を膨張させて金属パイプを成形する成形装置が提供される。この成形装置は、金属パイプ材料の端部を保持すると共に、金属パイプ材料へ電力を供給して該金属パイプ材料を加熱する電極と、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を成形する成形金型と、を備えている。この電極は、金属パイプ材料の端部の温度が金属パイプ材料の中央部の温度よりも低くなるように金属パイプ材料を加熱する。

　この態様では、金属パイプ材料の端部の温度が金属パイプ材料の中央部の温度よりも低くなるように金属パイプ材料が加熱される。金属パイプ材料の成形時に金属パイプ材料の端部の温度上昇が抑えられると、金属パイプ材料の端部には焼きが入りにくくなるので、硬度の上昇が抑制される。一方、金属パイプの中央部は、高温に加熱されるので、その後冷却されることで焼き入れが行われ、硬度が高められる。したがって、上記態様の成形装置によれば、端部の硬度が低く、中央部の硬度が高い金属パイプを成形することができる。

　電極には、冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されていてもよい。この冷媒流路を冷却媒体が流通することで、電極からの電力供給時に金属パイプ材料の端部の温度上昇を抑制することができる。したがって、当該電極に保持される金属パイプ材料の端部に焼き入れが行われにくくなり、端部の硬度が低い金属パイプをより確実に形成することができる。

　電極と成形金型との間には、電極側から順に絶縁材及び摺動材が配列されており、絶縁材及び摺動材の配列方向における絶縁材の厚さと摺動材の厚さの和が、金属パイプ材料の長手方向における電極と金属パイプ材料との接触長さよりも大きくてもよい。金属パイプ材料のうち絶縁材及び摺動材に保持されている部分は、冷却速度が遅く、焼きが入りにくいので、相対的に厚い絶縁材及び摺動材を備えることにより、金属パイプの端部に形成される硬度の低い領域を大きくすることができる。

　一態様によれば、端部の硬度が低く、中央部の硬度が高い金属パイプを成形することができる。

　１０…成形装置、１１…下型、１２…上型、１３…成形金型、１４…金属パイプ材料、１４ａ，１４ｂ…端部、１４ｃ…中央部、１７，１８…電極、２６，２７…冷媒流路、３０…パイプ保持機構、３１，３２…冷媒供給装置、４０…気体供給機構、５０…電力供給部、６０…気体供給部、７０…制御部、９１ａ，１０１ａ…第１の絶縁材（部材）、９１ｂ，１０１ｂ…第２の絶縁材（部材）、９２，１０２…摺動材（部材）、１００…金属パイプ、１００ａ，１００ｂ…端部、１００ｃ…中央部、Ｄ…厚さの和、Ｌ…接触長さ、ＭＣ…キャビティ部、Ｒ…冷却媒体。
 

Claims (3)

1. 　金属パイプ材料を膨張させて金属パイプを成形する成形装置であって、
   　前記金属パイプ材料を保持すると共に、前記金属パイプ材料へ電力を供給して該金属パイプ材料を加熱する電極と、
   　膨張した前記金属パイプを焼き入れ成形する成形金型と、
   　前記電極と前記成形金型との間に配置される部材と、を備え、
   　前記部材の長さの調整が行われることで、前記金属パイプにおいて焼き入れが行われない領域が調整される、成形装置。
2. 　前記部材は、前記電極側から順に配列された絶縁材及び摺動材であり、
   　前記絶縁材及び前記摺動材の配列方向における前記絶縁材の厚さと前記摺動材の厚さの和は、前記金属パイプ材料の長手方向における前記電極と前記金属パイプ材料との接触長さよりも大きい、請求項１に記載の成形装置。
3. 　金属パイプ材料を膨張させて金属パイプを成形する成形方法であって、
   　前記金属パイプ材料を加熱する工程と、
   　成形金型を用いて膨張した前記金属パイプ材料を成形する工程と、
   を含み、
   　前記加熱する工程では、長さの調整がされた部材を前記電極と前記成形金型との間に配置し、前記金属パイプにおいて焼き入れが行われない領域を調整する、成形方法。

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