JP2016074020A - 熱間三次元曲げ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置構成で偏加熱に起因した曲げ部材の寸法精度の低下を抑制できる熱間三次元曲げ加工装置を提供する。【解決手段】角管２を長手方向へ送る送り機構４と、角管２を位置決めする支持機構３と、角管２を加熱する高周波誘導加熱コイル５と、高周波誘導加熱コイル５を懸垂支持するとともに高周波誘導加熱コイルに電力を供給するブスバー６−１と、角管２の外周に冷却水を噴射する水冷装置７とを備える３ＤＱ装置１０である。ブスバー６−１は、略上下方向へ延設される第１の部分１２と、第１の部分１２につながるとともに略水平方向へ延設される第２の部分１３とからなる略Ｌ字状の外形を有する。【選択図】図３

Description

特許文献１には、図１に概要を示す熱間三次元曲げ加工装置１（以下、「３ＤＱ装置」という）が開示されている。以下、この３ＤＱ装置１を説明する。

図１に示すように、閉じた断面を有する中空の被加工材２（以降の説明では鋼管を例にとる）を、所定位置に固定配置された支持ロール３，３により位置決めしながら鋼管２の軸方向に送る。支持ロール３，３よりも鋼管２の送り方向の下流側（以下、単に「下流側」とも称し、反対の位置関係を単に「上流側」とも称する。）には、鋼管２を周囲から加熱する環状の高周波誘導加熱コイル５（以下、単に「コイル」ともいう。）が配置される。コイル５を懸垂支持するブスバー６からコイル５に電力を供給して、送られる鋼管２をＡｃ_１点以上に加熱する。コイル５の送り方向下流側に配置された環状の水冷装置７から、加熱された鋼管１の外周全面に冷却水を噴射して、鋼管１を焼入れる。

そして、コイル５で加熱されてから水冷装置７で冷却されるまでの領域に形成されている鋼管２の高温部に、水冷装置７よりも下流側に二次元または三次元に移動自在に配置された可動ローラダイス８と支持ロール３，３とにより曲げモーメントを連続的または断続的に付与して、鋼管１に熱間曲げ加工を行って製品９（曲げ部材）を製造する。

なお、高温部の軸方向の長さは曲げ加工が可能な範囲で短いほうが加工精度を高めるためには有効である。そのため、水冷装置７はコイル５のすぐ近くに配置される。水冷装置７とコイル５とが接続されて一体物とされることも多く、そのほうが省スペースの面では有利である。

ところで、３ＤＱ装置１で熱間曲げ加工を行って製造される製品９は、主として自動車用部材であり、製品には一例として±０．５ｍｍといった厳しい寸法精度が求められる。

特許文献２の段落０００４では、３ＤＱ装置１においては送り出される鋼管２の僅かな曲がり（反り）が存在することが避けられないため、曲げ支点部材から出た鋼管２がコイル５の内部を通過するとき、その鋼管２の外周とコイル５の内周との隙間が不均一になってしまい、コイル５の内周との距離が近い部分と遠い部分とで鋼管２の温度に差が出て曲げ加工の加工精度が低下する可能性が指摘されている。その対策として、特許文献２では、コイル５を固定した可動架台を、フローティング支持手段を介して固定架台にフローティング支持し、可動架台に鋼管２の外周面に当接する複数のガイド部材を設ける。これにより、鋼管２の曲がり（反り）に応じて可動架台とともにコイルをセンタリングし、鋼管２の外周とコイルの内周との隙間を均一化して鋼管２を周方向に均一に加熱することができるとしている。

特開２００８−２３５７３号公報 特開２０１２−５５９６３号公報

特許文献２により開示されるように、コイル５による鋼管２の周方向に均一であるべき加熱が不均一になる（以下、本明細書ではこのような周方向に不均一な加熱を「偏加熱」という）と、曲げ加工精度は低下する。この点に関して特許文献２に開示される発明は、偏加熱を防ぐのに確かに有効である。

しかし、この発明では、装置の構成が複雑である。３ＤＱ装置１は鋼管２をＡｃ_１点以上という高温に加熱するものであるので、装置の構成が複雑であると、故障因子が増加し、装置の信頼性の低下は否めない。

また、本発明者らの調査によれば、鋼管２が曲がり（反り）を多少有していても、製品の加工精度に及ぼす影響は小さい。これは、コイル５の上流側で支持機構（支持ロール）によって鋼管２が位置決めされていることから、曲がり（反り）による偏加熱の程度が小さいためと考えられる。

本発明者らが、鋭意検討を重ねた結果、３ＤＱ装置により製造される曲げ部材が、断面形状が高さ方向への強度が小さい偏平な断面形状を有するとともに、例えば±０．５ｍｍといった極めて高い寸法精度を要求される部品である場合には、特許文献２により開示された曲げ装置を用いても、所望の寸法精度を有する曲げ部材を製造できないことを知見した。

本発明の目的は、簡単な装置構成で偏加熱に起因した曲げ部材の寸法精度の低下を抑制できる熱間三次元曲げ加工装置を提供すること、具体的には、曲げ部材の断面形状が高さ方向への強度が小さい偏平形状であって、例えば±０．５ｍｍといった極めて高い寸法精度を満足する曲げ部材を製造することができる３ＤＱ装置を提供することである。

本発明者らは、３ＤＱ装置１について詳細に検討した。この検討では、３ＤＱ装置１による被加工材２が、偏平な閉じた断面を有する中空の角管であることを前提とした。この検討の結果、以下に列記の新規な知見Ａ，Ｂを得て、本発明を完成した。

（Ａ）３ＤＱ装置１の稼働時に、コイル５による発熱により、コイル５に高周波電力を供給するとともにコイル５を懸垂支持するブスバー６が膨張する。ブスバー６の膨張により、ブスバー６の下部に固定されるコイル５と、コイル５と一体化された水冷装置７とが、当初の設置位置から主に下方へ変位し、コイル５および水冷装置７が角管２に対して偏芯する。

図２（ａ）は、上下方向長さが６００ｍｍのブスバー６によりコイル５を懸垂支持してコイル５の加熱をＯＮ，ＯＦＦした場合におけるコイル５の変位量を示すグラフであり、図２（ｂ）は、コイル５およびブスバー６付近を抜き出して示す説明図である。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、コイル５の加熱をＯＮするとブスバー６が熱膨張し、これにより、コイル５が加熱前の位置から下方へおよそ０．５ｍｍ変位する。このため、コイル５および水冷装置７が角管２に対して偏芯する。

この偏芯が発生すると、製品（曲げ部材）９の寸法精度が大幅に低下する。
（Ｂ）ブスバー６の形状を工夫すること、具体的にはＬ字状の外形とすることにより、ブスバー６の上下方向への膨張を上方にも逃がすことができる。これにより、ブスバー６の膨張によるコイル５の変位が小さくなり、偏加熱が抑制される。その結果、曲げ部材の寸法精度の低下を抑制できる。

本発明は、以下に列記の通りである。
（１）閉じた断面を有する中空の被加工材を長手方向へ送る送り機構と、
前記送り機構よりも前記被加工材の送り方向の下流側の所定位置に固定配置されて前記被加工材を位置決めする支持機構と、
前記支持機構の下流側の所定の配置位置に配置され、前記被加工材を加熱する高周波誘導加熱コイルと、
前記高周波誘導加熱コイルを懸垂支持するとともに該高周波誘導加熱コイルに電力を供給するブスバーと、
前記被加工材の送り方向について前記高周波誘導加熱コイルの下流側の所定の配置位置に配置され、前記被加工材の外周に冷却水を噴射する水冷装置とを備え、さらに、
前記ブスバーは、略上下方向へ延設される第１の部分と、該第１の部分につながるとともに略水平方向へ延設される第２の部分とからなる略Ｌ字状の外形を有すること
を特徴とする熱間三次元曲げ加工装置。

本発明により、簡単な装置構成で偏加熱に起因した曲げ部材の寸法精度の低下を抑制できる熱間三次元曲げ加工装置を提供すること、具体的には、曲げ部材の断面形状が高さ方向への強度が小さい偏平形状であって、例えば±０．５ｍｍといった極めて高い寸法精度を満足する曲げ部材を製造することができる３ＤＱ装置を提供することが可能になる。

図１は、熱間三次元曲げ加工装置の概要を示す説明図である。 図２（ａ）は、上下方向長さが６００ｍｍのブスバーによりコイルを懸垂支持してコイルをＯＮ，ＯＦＦした場合におけるコイルの変位量を示すグラフであり、図２（ｂ）は、コイルおよびブスバー付近を抜き出して示す説明図である。 図３は、ブスバーを示す説明図である。

本発明を、添付図面を参照しながら、説明する。なお、略述すると、図１に示す３ＤＱ装置１に対する本発明に係る３ＤＱ装置１０の相違点は水冷装置７の設置態様であるので、以降の説明は図１も参照しながら行うことにする。

図１に示すように、本発明に係る３ＤＱ装置１０は、送り機構４と、支持機構３と、高周波誘導加熱コイル５と、水冷装置７と、挟持機構または把持機構８と、ブスバー６−１とを有する。

３ＤＱ装置１０は、偏平な閉じた断面を有する中空の被加工材２に熱間三次元曲げ加工を行って、偏平な閉じた断面を有する中空の曲げ部材９を製造する。被加工材２の断面形状としては、矩形、楕円形、長円形等が例示される。以降の説明では、被加工材２が、矩形の断面形状を有する中空かつ鋼製の角管２である場合を例にとる。

［送り機構４］
送り機構４は、角管２をその長手方向へ送ることが可能なものであればよく、特定の送り機構には制限されない。送り機構としては、この種の送り機構として周知慣用のものを用いることができ、具体的には、ボールネジを用いるものや搬送ローラを用いるもの等が例示される。さらに、送り機構４として産業用ロボットを用いてもよい。

［支持機構３］
支持機構３は、送り機構４よりも角管２の送り方向の下流側の所定の位置に固定して配置される。支持機構３は、角管２を、位置決めしながらその長手方向へ送る。支持機構３としては、この種の支持機構として周知慣用のものを用いることができ、具体的には、角管４の外面に当接する一対の駆動ロールが例示される。図１に示す例では、一対の駆動ロール３を２組タンデムに配置している。

［コイル５］
高周波誘導加熱コイル５は、支持機構３よりも下流側の所定の位置に配置される。コイル５は、角管２の周囲から所定の距離離れて角管２を取り囲んで配置される。コイル５は、高周波磁界を発生して高周波エネルギーを角管２に供給することにより、角管２をＡｃ_１点以上に加熱する。コイル５としては、この種のコイルとして周知慣用のものを用いることができる。

［水冷装置７］
水冷装置７は、角管２の送り方向についてコイル５よりも下流側の所定の位置に配置される。上述のように、角管２に形成される高温部２ａの軸方向の長さが曲げ加工可能な範囲で短いことが曲げ加工精度を高めるために有利である。このため、水冷装置７は、コイル５に近接して設置される。したがって、水冷装置７をコイル５と一体に設けることが望ましいが、コイル５と切り離して別部品としてもよい。水冷装置７は、角管２の全周に冷却水を噴射することにより、コイル５によりＡｃ_１点以上に加熱された角管２を急速に冷却して焼入れる。

［挟持機構または把持機構８］
挟持機構または把持機構８は、水冷装置７よりも下流側に、三次元に移動自在に配置される。挟持機構８は、角管２を移動自在に挟持するものであり、例えば、角管２の外面に当接する一対の駆動ロールにより構成されることが例示される。一方、把持機構８は、角管２の内面または外面に固定して装着されることにより角管２を把持するものであり、例えば角管２の内部に固定して配置されるチャック機構が例示される。

３ＤＱ装置１０では、挟持機構または把持機構８のいずれも用いることができ、状況に応じて適宜選択すればよい。挟持機構または把持機構８を三次元で移動自在に配置するには、挟持機構または把持機構８を産業用ロボットにより保持することが簡便である。

挟持機構または把持機構８と支持機構３とが、コイル５により加熱されてから水冷装置７により冷却されるまでの領域に形成される角管２の高温部２ａに曲げモーメントを付与する。これにより、矩形の閉じた断面を有する中空の曲げ部材９が製造される。

上述したように、３ＤＱ装置１０の稼働時に、コイル５による発熱により、コイル５を懸垂支持するブスバー６−１が膨張する。ブスバー６の膨張により、水冷装置７がコイル５と一体に構成されている場合には、ブスバー６の下部に固定されるコイル５と、コイル５と一体化された水冷装置７とが当初の位置から主に下方へ変位する。このため、コイル５および水冷装置７が角管２に対して偏芯する。そして、角管２に対する水冷装置７の偏芯により偏加熱となり、３ＤＱ装置１０により製造される曲げ部材９の寸法精度が低下する。

そこで、３ＤＱ装置１０では、ブスバー６の形状を工夫することにより膨張によるコイル５および水冷装置７が、稼働時に所定の位置から下方へ変位しないようにする。

［ブスバー６−１］
図３は、ブスバー６−１を示す説明図である。

ブスバー６−１は、コイル５が所定の位置に配置されるように、コイル５を懸垂支持する。また、ブスバー６−１は、高電圧・高電流にも耐え得る導体（例えば銅製）からなり、コイル５および水冷装置７を確実に保持することができる剛性を有する。

ブスバー６−１の上部は、ブスバー６−１の上部に配置された高周波電源（図示しない）に固定されている。このため、ブスバー６−１は、熱膨張すると、主に下方へ向けて変位しようとする。

図３に示すように、ブスバー６−１が、略上下方向へ延設される第１の部分１２と、第１の部分１２につながるとともに略水平方向へ延設される第２の部分１３とからなる略Ｌ字状の外形を有する。これにより、上下方向への熱膨張を上方へ逃がすことができる。

本発明に係る３ＤＱ装置１０によれば、略Ｌ字状の外形を有するブスバー６−１を用いるという簡単な装置構成で偏加熱に起因した曲げ部材９の寸法精度の低下を抑制できる。

２ 角管
２ａ 高温部
３ 支持機構
４ 送り機構
５ 高周波誘導加熱コイル
６，６−１ ブスバー
７ 水冷装置
８ 挟持機構または把持機構
９ 曲げ部材
１０ 本発明に係る３ＤＱ装置

Claims (1)

1. 閉じた断面を有する中空の被加工材を長手方向へ送る送り機構と、
   前記送り機構よりも前記被加工材の送り方向の下流側の所定位置に固定配置されて前記被加工材を位置決めする支持機構と、
   前記支持機構の下流側の所定の配置位置に配置され、前記被加工材を加熱する高周波誘導加熱コイルと、
   前記高周波誘導加熱コイルを懸垂支持するとともに該高周波誘導加熱コイルに電力を供給するブスバーと、
   前記被加工材の送り方向について前記高周波誘導加熱コイルの下流側の所定の配置位置に配置され、前記被加工材の外周に冷却水を噴射する水冷装置とを備え、さらに、
   前記ブスバーは、略上下方向へ延設される第１の部分と、該第１の部分につながるとともに略水平方向へ延設される第２の部分とからなる略Ｌ字状の外形を有すること
   を特徴とする熱間三次元曲げ加工装置。

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