JP5005378B2 - 管材のプレス曲げ加工装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用部品・建材用部品・家具用部品などを製造する際の管材の曲げ加工装置及び曲げ加工方法に関する。

近年、自動車用部品・建材用部品・家具用部品などの分野では、剛性を確保した状態で極力軽量化することが要求されているが、その手段の一つとして素材を中空化することが有効である。一方、それらの部品は、小スペースの配置・意匠性・複数部品の一体化などのニーズから曲げ加工される場合も増加している。

管材の曲げ加工方法は非常に多くの種類がある。非特許文献１から、いくつか例を挙げると、引き曲げ（図１参照）、プレス曲げ（図２参照）、押し付け曲げ（図３参照）等がある。

その中でも引き曲げは、最も汎用的に用いられている方法である。利点としては、ワイパーダイ、マンドレル、プレッシャーダイ等で管材を拘束しているため、曲げ内側でしわや座屈が生じにくく小曲げ半径の曲げが可能という点である。しかし、逆に言うと、一種類の曲げ加工を行う際に、多くの金型が必要になるという欠点もある。また、小曲げ半径の曲げは得意であるが、大曲げ半径の曲げを行う場合には大きな回転曲げ型が必要になり、また、装置自体も大型化する必要がある。装置の大型化を避けるために、小曲げ半径の曲げと直線形状の繰り返しを行うことで、全体を大曲げ半径の曲げに近似することも時には行われるが、複数回の曲げ加工となるため、サイクルタイムが長くなり、生産性は良くない。その他にも、曲げ形状は円弧のみであり、しかも原則一種類の曲げ半径の曲げしか加工できないという欠点もある。

一方、プレス曲げは図２に示すような、曲げ型と支持ローラーによる方式以外に、図４（非特許文献２）のように支点が回転しないような場合もある。プレス曲げは前述の引き曲げと比べて、必要な金型が少なくて済み、またパンチ（図２における曲げ型）の移動だけで曲げ加工できるため生産性が高いという利点がある。しかし、周囲の金型による拘束が少ないため、曲げ内側でしわや座屈が発生しやすく、特に支点間の距離が大きい場合にはパンチ押し付け箇所で折れ曲がるような座屈が発生しやすい。

押し付け曲げは、図３に示すように曲げ型の周囲に押し付け金型が回転しながら管材を曲げる方法である。前述の引き曲げと比較的似ており、曲げ型の方が回転するか、押し付け型が回転するかの違いである。押し付け型には、図３のような金型を用いる場合の他、図５（特許文献１）のようにロールを利用する例もある（なお図５中、（ａ）〜（ｄ）は、各々特許文献１の第１図〜第４図を示しており、１は固定型、２は案内面、３は溝、４は支持軸、４ａはピニオンラック、５は押付け用流体圧シリンダ、６は軸受枠、７は押し型、７ａは支軸、８は溝、９は旋回用流体圧シリンダ、１０は孔型、Ｐは素材管、Ｐａは先端部分である）。しかし、曲げ形状は円弧に限られ、大曲げ半径の曲げ加工が設備的に難しいという欠点は、引き曲げの場合と同様である。

「チューブフォーミング」36頁〜64頁（1992年10月30日コロナ社発行） 塑性と加工，Vol.44，No.508（2003），530頁 特開平３−３２４２７号公報

上述のように、既存の管材の曲げ加工装置や方法では、大規模な設備や金型が不要な大曲げ半径の曲げ加工、曲げ内側でしわや座屈が生じにくい曲げ加工、生産性の高い曲げ加工の三つ特性を両立できない。そこで、本発明は、これら三つの特性の両立を可能にした新しい管材の曲げ加工装置及び曲げ加工方法を提供することを目的とする。

係る課題を解決するため、本発明の要旨とするところは下記の通りである。
（１）パンチと一組のロールによって管材の三点曲げを行うプレス曲げ加工装置において、前記パンチは前記管材の幅以上の幅の溝を外周に有し、前記一組のロールは架台によって支持されており、かつ、前記パンチと接触した状態で互いに離れる方向に前記架台上を移動自在であり、前記架台は前記管材の曲げ加工中に、前記パンチ及び前記管材を移動自在とするための空洞部分を有し、前記ロールの中央部及び前記パンチの溝の断面形状の一部又は全部が、半円形、楕円、長方形、多角形又は曲線を組み合わせた形状からなることを特徴とする管材のプレス曲げ加工装置。
（２）管材の一部をパンチと固定した状態で一個のロールによって管材をパンチに押付けながら曲げるプレス曲げ加工装置において、前記パンチは前記管材の幅以上の幅の溝を外周に有し、前記ロールは架台によって支持されており、かつ、前記パンチと接触した状態で移動自在であり、前記架台は前記管材の曲げ加工中に、前記パンチ及び前記管材を移動自在とするための空洞部分を有し、前記ロールの中央部及び前記パンチの溝の断面形状の一部又は全部が、半円形、楕円、長方形、多角形又は曲線を組み合わせた形状からなることを特徴とする管材のプレス曲げ加工装置。
（３）前記管材の一部が膨出加工されており、当該膨出加工部が装着できる空洞部が前記パンチに設けられていることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
（４）前記ロールが前記架台に対して回転可能となっていることを特徴とする前記（１）〜（３）の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
（５）前記ロールが前記パンチに対して回転可能となっていることを特徴とする前記（１）〜（４）の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
（６）管端に向かって前記管材を進ませる方向に前記ロールを回転駆動する駆動手段を有することを特徴とする前記（５）に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
（７）管端と反対方向に向かって前記管材を進ませる方向に前記ロールを回転駆動する駆動手段を有することを特徴とする前記（５）に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
（８）前記ロールが前記ロールの軸方向に対して移動自在であることを特徴とする前記（１）〜（７）の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
（９）前記ロールが移動する前記架台の面は、前記パンチの進行方向に対して鋭角をなすことを特徴とする前記（１）〜（８）の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
（１０）パンチの外周に設けられている溝の中に管材を挿入し、管材に対して前記パンチと反対側に位置し、かつ架台に支持されている一組のロールと前記パンチの一部によって管材を挟持して、前記パンチを前記架台側に移動させ、前記一組のロールを、前記パンチと接触した状態のまま互いに離れる方向に前記架台上を移動させて、管材を前記パンチの溝形状に沿って曲げ、前記ロールの中央部及び前記パンチの溝の断面形状の全部又は一部が半円形、楕円、長方形、多角形又は曲線を組み合わせた形状からなるパンチ及びロールを用いて、前記管材の断面形状を変形させると同時に曲げ加工することを特徴とする管材のプレス曲げ加工方法。
（１１）管材の一部をパンチに固定した状態で、管材に対して前記パンチと反対側に位置し、かつ架台に支持されている一個のロールに管材と前記パンチを一体にした状態で押し当てていき、前記パンチの一部と前記ロールを接触させ、前記パンチに設けられた溝の中で前記ロールと管材を挟んだ状態にし、更に前記パンチを前記ロール側に移動させ、前記ロールを、前記パンチと接触した状態のまま前記パンチに沿って架台上を移動させて、管材を前記パンチの溝形状に沿って曲げ、前記ロールの中央部及び前記パンチの溝の断面形状の全部又は一部が半円形、楕円、長方形、多角形又は曲線を組み合わせた形状からなるパンチ及びロールを用いて、前記管材の断面形状を変形させると同時に曲げ加工することを特徴とする管材のプレス曲げ加工方法。
（１２）一部を膨出加工された管材を用いて曲げ加工することを特徴とする前記（１０）または（１１）に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
（１３） 前記ロールを前記架台に対して回転させながら曲げ加工することを特徴とする前記（１０）〜（１２）の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
（１４）前記ロールを前記パンチに対して回転させながら曲げ加工することを特徴とする前記（１０）〜（１３）の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
（１５）管端に向かって前記管材を進ませる方向に前記ロールを回転駆動させながら曲げ加工することを特徴とする前記（１４）に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
（１６）管端と反対方向に向かって前記管材を進ませる方向に前記ロールを回転駆動させながら曲げ加工することを特徴とする前記（１４）に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
（１７）前記ロールを前記ロールの軸方向に移動させながら曲げ加工することを特徴とする前記（１０）〜（１６）の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
（１８）前記ロールを前記パンチの進行方向に対し、鋭角な角度で移動させながら曲げ加工することを特徴とする前記（１０）〜（１７）の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工方法。

本発明により、従来の引き曲げや押し付け曲げでは、装置コストや金型コストが高かった大曲げ半径の曲げ加工が低コスト化でき、しかも生産性の高い曲げ加工が可能になることから生産コストの低減も図ることができる。一方、従来のプレス曲げでは曲げ内側でしわや座屈が発生して加工不可能であった曲げ加工がしわや座屈を発生させずに加工可能になる。これにより、自動車用部品・建材用部品・家具用部品などにおける管材の曲げ加工部品の適用範囲がさらに広まり、軽量化に貢献できるだけでなく、生産コストの低減も可能になる。

図６は、円管（管材）１１の中心を本発明の実施の形態にかかる加工装置で円弧状に曲げる例を示している。以後、本図を用いて本発明の加工装置と加工方法の詳細を説明する。なお、同図には、装置全体の構造の正面図を左に、側面図を右に示してある。また、正面図の中心線から左は外観図、中心線から右は中央断面図である。

まず装置全体の構造を説明する。本装置は、パンチ１２と１組（２個）のロール１３、１３と、架台１４とからなる。パンチ１２の円管１１と接触する外周面には、円管１１の上半分と同一断面の溝、つまり円管１１の直径（幅）と等しい幅で断面が半円形からなる溝１２ａが設けてある。円管１１と接するロール１３の中央部３１は、円管１１の下半分と同一断面の溝、つまり円管１１の直径（幅）と等しい幅で断面が半円形からなる溝１３ａを有する鼓状の形状となっている。ロール１３を支持している架台１４は側面から見るとパンチ１２及び円管１１の何れの幅よりも大きい幅の空洞１４ａがあり、下降するパンチ１２及びそれに伴って曲げられていく円管１１が、この空洞１４ａ側へと移動自在となっている。なお、本例では架台１４が完全に２個に分割された構造となっているが、十分な大きさの空洞部があれば架台の下側では一体型になっていても差し支えない。また、一組のロール１３、１３は架台１４の上に設置され、架台１４及びパンチ１２の外周と接するロール１３の端部３０は円柱状になっているので、架台１４上を移動できるようになっている。

次に、図６の(a)から順に本発明の加工方法を説明する。(a)は初期状態を示す。架台１４上でのロール１３、１３の位置は、中央に２個並べておく。図のように互いに接触していても構わないし、ロール１３、１３間にストッパー等を設けて、それに接触していても良い。いずれにしても、ロール１３、１３を互いに近づく方向に押さえ付ける力（図中の水平方向矢印）を負荷しておく。力の負荷方法は、油圧シリンダやスプリング等で行えばよい。以上のように架台１４上に設置された１組のロール１３、１３の更に上に円管１１を置く。

次に、同図(b)に示すように、円管１１の上方からパンチ１２を下降（架台１４側へ前進）させていく。すると、パンチ１２の半円形の溝１２ａとロール１３の中央部３１の半円形の溝１３ａとの間に円管１１が挟持される。同時に、溝１２ａ、１３ａの外側の部分で、パンチ１２とロール１３の端部３０は互いに接触する。本例におけるパンチ１２の外周面の中央は円弧状になっているため、パンチ１２が鉛直方向下方に押し込まれると、ロール１３、１３は互いに離れる方向（外側）に動こうとする力が働く。しかし、上述のようにロール１３、１３にはお互いを近づけようとする力が働いているため、結果として、ロール１３、１３の端部３０はパンチ１２の下降と共に、パンチ１２に接触しながらパンチ１２の外周面に沿うように架台１４上を移動していく。以上のようなロール１３、１３の動きにより、円管１１は一組のロール１３、１３によってパンチ１２に押し付けられるように曲げられていく。

最終的に、同図(c)のように、パンチ１２の直線部のところまでロール１３が到達すると曲げ加工は完了である。なお、曲げ加工後に円管１１を取り外す際は、単純にパンチ１２を上昇させれば容易に取り出すことができる。

以上が、前記（１）に係る発明及び（１１）に係る発明で提案したロール１３を１組使用する場合の管材のプレス曲げ加工装置及び方法の説明である。次に、図７を用いて、前記（２）に係る発明及び（１２）に係る発明で提案したロール１３を１個使用する場合の管材のプレス曲げ加工装置及び方法に関して説明する。

図７は、パンチ１２を下方に配置し、架台１４とロール１３を上方に配置した例である。まず、固定治具１５を用いて円管１１の右端をパンチ１２上に固定する。なお、パンチ１２の円管１１と接触する外周面には、円管１１の下半分と同一断面の半円形からなる溝、つまり円管１１の直径（幅）と等しい幅の溝１２ａが設けてある。円管１１と接するロール１３の中央部３１は、円管１１の上半分と同一断面の半円形からなる溝、つまり円管１１の直径（幅）と等しい幅の溝１３ａを有する鼓状の形状となっている。ロール１３を支持している架台１４は側面から見るとパンチ１２及び円管１１の何れの幅よりも大きい幅の空洞１４ａがあり、空洞１４ａ内にパンチ１２及び円管１１が移動自在となっている。また、架台１４と接するロール１３の端部３０の上部にはＴ型の突起部１３ｂが設けられ、架台１４の下部には突起部１３ｂの断面に適合する断面を有するガイド溝１４ｂが形成されている。ロール１３の突起部１３ｂが架台１４のガイド溝１４ｂに嵌め込まれて、ロール１３は架台１４に支持されている。このとき同時に、ロール１３は、ガイド溝１４ｂに案内されて、架台１４の下面に沿って移動できるようになっている。また、パンチ１２の外周部及び架台１４と接するロール１３の端部３０は円柱状になっている。

かかる例によれば、架台１４とロール１３を一体の状態のままパンチ１２と円管１１のある方向へ降下させる。ロール１３には右方向（図中の水平矢印方向）に押付ける力を作用させ、その結果、架台１４とロール１３の降下と共に、ロール１３はパンチ１２に接触した状態のまま移動する。そのため、ロール１３とパンチ１２に挟持された円管１１はパンチ１２の溝１２ａに沿った形状に曲げられる。最終的に、パンチ１２の直線部のところまでロール１３が到達すると曲げ加工は完了であり、その後、架台１４とロール１３を上昇させれば、曲げ加工された円管１１を取り出すことができる。

以上の図６の例では、パンチ１２を上方に配置し、図７の例ではパンチ１２を下方に配置したが、それぞれその逆に配置しても同様の効果が得られる。すなわち、図６の例のパンチ１２を下方に配置し、その上に円管１１を置き、上方から架台１４とロール１３を降下させてもよいし、図７の例の架台１４とロール１３を下方に配置し、円管１１の一部を固定したパンチ１２を上方から円管１１と共に下降させてもよい。また、これらの配置を上下ではなく、全て水平方向に配置して水平方向にパンチ１２、または架台１４とロール１３を移動させても構わない。

本発明の利点としては、第一に、装置が簡易なため低コストで済むことである。基本的には、プレス装置さえあれば良く、装置としては単純で低コストである。また異なる曲げ形状を曲げる場合にはパンチ１２のみ作り変えれば良く、ロール１３や架台１４を共通で使用することが可能なため金型コストも低減できる。

第二の利点としては、高生産性が挙げられる。通常の引き曲げでは一曲げでも20〜30秒ほど掛かり、複数曲げになると1分以上掛かる場合もある。それに比べて本発明の曲げ方法では、１回のプレスで曲げ加工が可能なため数秒で曲げることができる。

第三の利点としては、しわや座屈が発生しにくいという点である。支点の位置が固定された三点曲げによるプレス曲げでは、曲げ内側でしわや座屈が発生しやすい。しかし、本発明による曲げ方法では、支点間距離、すなわちロール１３、１３間の距離、あるいはロール１３と固定治具１５間の距離が、最初は短いため折れ曲がりが発生しにくく、曲げ加工の進行に伴い徐々に支点間距離が広がっていって逐次的に曲げられるため、最終的に、しわや座屈のない形状を成形できる。

本例では、円管１１を用いて曲げたが、管材の断面形状は円形である必要はなく、図８（ａ）〜（ｃ）の例に示すように、楕円や長方形、その他の異形断面にも本発明は適用可能である。また図８（ｄ）の例に示すように、アルミ押出し材で生産されるような日の字断面等の内面リブがある管材や、外側にリブがある管材にも本発明は適用可能である。その場合、パンチ１２の溝１２ａの断面形状や、ロール１３の中央部３１の溝１３ａの断面形状を管材のそれぞれの断面形状に合った形状にすればよい。

また図９の例のように、ハイドロフォーム加工等で予備成形された加工品１６を用いてもよい。同図（ａ）は、ロール１３、１３が存在する側に膨出加工部としてのハイドロフォームの拡管部１６ａがある例であるが、この場合は、初期状態でロール１３、１３と干渉しない位置に拡管部１６ａを配置できれば、本発明の曲げ方法をそのまま利用できる。また同図（ｂ）は、パンチ１２が存在する方向にハイドロフォームの拡管部１６ａがある例であるが、この場合は、パンチ１２の拡管部１６ａに当たる箇所に空洞部としての掘り出し部１２ｂ（図９の例では、パンチ１２中央の下部）を設ければ、曲げ加工時に拡管部１６ａを潰さずに成形できる。

円管１１を曲げる形状も円弧形状である必要はない。図１０の（ａ）のような放物線形状でもよいし、その他にも双曲線形状や正弦波形状にも本発明は適用可能である。また、同図（ｂ）のようにそれらの曲線や直線を組み合わせた形状でもよい。

また、管材１１の断面形状とパンチ１２やロール１３の中央部３１の溝１２ａ、１３ａの断面形状が同一である必要もない。例えば、図１１のように、管材１１の断面は円形で、パンチ１２やロール１３、３の中央部３１の溝１２ａ、１３ａの形状を長方形にしてもよい。このような組み合わせで加工すると管材１１の断面形状を円形から長方形断面に変形しながら全体を曲げ加工することができる。元々、長方形断面の管材１１を曲げると、断面変形や座屈等の問題が発生しやすいが、上記のように、断面変形と曲げ加工を同時に行えば加工後の断面精度も高く、座屈も発生しにくい。また、工程削減や金型数低減にも繋がる為、コスト的にも有利である。

なお、パンチ１２やロール１３、１３の中央部３１の溝１２ａ、１３ａの形状は長方形以外にも、図１２のように、多角形や曲線を組み合わせた形状でもよいが、最初に管材１１が挿入できるように、溝１２ａ、１３ａの幅は管材１１の幅以上にする必要がある。また、管材１１の周長に対してパンチ１２とロール１３の中央部３１の溝１２ａ、１３ａの周長の合計の長さはほぼ同じ程度が望ましいが、若干の大小は許容できる。但し、管材１１の周長に対して、溝１２ａ、１３ａの周長が過度に大きいと、曲げ加工後の断面形状の精度が悪くなり、逆に過度に小さいと、しわが発生する可能性がある。

また、溝１２ａ、１３ａの断面形状は長手方向に均一である必要もない。例えば、図１３（ａ）のように、パンチ１２の溝１２ａの断面を長手方向に変化させると、両端が四角形で、その他の部分が円形からなる断面形状に管材１１が変形され同時に曲げられる。また、同図（ｂ）のようにロール１３の中央部３１の溝１３ａの断面が円周方向に円形断面と四角形の断面に繰り返し変化していてもよい。但し、上記でも述べたように、パンチ１２の溝１２ａとロール１３の中央部３１の溝１３ａの周長の合計は元の管材１１の周長と同じ程度が望ましいため、パンチ１２の溝１２ａとロール１３の中央部３１の溝１３ａの周長の合計は均一になるように設計した方がよい。

次に、ロール１３の回転に関して述べる。図１４は、ロール１３が、架台１４に対してもパンチ１２に対しても回転せず、架台１４の上面に沿って滑っていく場合である。係る作用を奏するため、架台１４と接するロール１３の端部３０の下面は平面となっており、パンチ１２と接するロール端部３０の上部は半円形を呈している。尚、ロール１３の中央部３１の溝１３ａは断面が半円形である。この場合の利点としては、ロール１３、１３の構造が単純になるという点と、曲げ加工時に管材１１に摩擦抵抗が作用して長手方向に引っ張られながら曲げられるため座屈が起き難い点などが挙げられる。一方、欠点としては、摩擦抵抗が大きい故にロール１３、１３が移動しにくくなるという点である。

一方、図１５は、ロール１３が、架台１４に対しては回転せず滑っていき、パンチ１２に対しては回転しながら移動していく例である。係る作用を奏するため、架台１４と接するロール１３の端部３０の下面は平面となっている。また、パンチ１２と接するロール１３の中央部３１は、鼓状の円形を呈しており、ロール端部３０と独立に回転自在になっている。尚、ロール１３の中央部３１の溝１３ａは断面が半円形である。この場合は、ロール１３がパンチ１２に対して抵抗が少なく移動できるため、図１１のように管材１１の断面形状を変えながら曲げる場合には特に有効である。また図１３（ｂ）のように、ロール１３の中央部３１の溝１３ａの形状を長手方向に変化させて管材１１の曲げ外側の断面形状を変化させながら曲げることも可能になる。但し、ロール１３の構造は複雑になり、また管材１１に対しての引張り力は低下する。そこで、図１５（ｂ）のようにロール１３、１３を互いに外回りに（つまり、管端に向かって管材１１を進ませる方向に）駆動させれば、管材１１に対しての引張り力を増加させることができ、曲げ時の座屈抑制に効果がある。逆に、図１５（ｃ）のように互いに内回りに（つまり、管端と反対方向に向かって管材１１を進ませる方向に）ロール１３、１３を駆動させると、ロール１３の移動抵抗が軽減できる。これは、パンチ１２とロール１３の接触面の接触角度が水平に近い場合に特に有効であり、曲げ初期にスムーズにロール１３が外側に移動できるようになる。

架台１４の上を回転し、パンチ１２に対して滑るロールの例として、図１６のようなパンチ１２との接触箇所が平坦な形状のロール１７が考えられる。係る作用を奏するため、架台１４と接するロール１７の端部７０は円柱状となっており、パンチ１２と接するロール１７の中央部７１は直方体の外形を呈している。また、ロール端部７０はロール中央部７１と独立に回転自在になっており、ロール中央部７１はパンチ１２の溝１２ａの形状の有する角度に追従自在となっている。尚、ロール１７の中央部７１の溝１７ａは断面が半円形である。この場合は、管材１１を広い面で押し潰すことができ、局部的な潰れ等の防止に有効となる。また、円形のロール１３では曲げ初期に潰すことができない管材１１の中央部も、この平坦なロール１７を用いれば潰すことが可能になる。また、この平坦なロール１７、１７は、図１６のような、パンチ１２に対しては滑り、架台１４に対しては回転する例の一つとして取り上げたが、架台１４に対して滑るような図１５のような場合にも適用可能である。

最後に図１７は、ロール１３、１３が架台１４に対してもパンチ１２に対しても回転する例である。係る作用を奏するため、架台１４と接するロール１３の端部３０は円柱状となっており、パンチ１２と接するロール１３の中央部３１は鼓状の円形を呈している。ロール端部３０とロール中央部３１は、それぞれ独立に回転自在になっている。尚、ロール１３の中央部３１の溝１３ａは断面が半円形である。図１４〜図１６で示した例よりもロール１３の移動抵抗が少なくなり、動きはスムーズになるが、管材１１に対しての長手方向の引張り力は低下するため、座屈に対しては不利となる。

以上、ロール１３の回転に関して記述したが、次にロール１３の軸方向に対しての移動に関して述べる。図１８に示すように、パンチ１２の溝１２ａの形状を短手方向に変化させて、その形状に追従するようにロール１３の中央部３１がロール１３の軸方向に対して移動可能な構造にすると、管材１１を三次元的な形状に曲げることも可能である。

次に、架台１４の形状に関して述べる。これまで記述した例は、例えば図６のように、ロール１３の移動する架台１４の面は、パンチ１２の進行方向に対して直角な角度であった。しかし、同図（ａ）の曲げ初期のように、パンチ１２とロール１３の接触する面の角度がパンチ１２の進行方向に対してほとんど直角な場合は、パンチ１２の進行によってロール１３を互いに引き離す方向に移動させにくい。そこで、図１９のように、ロール１７の移動する面の角度がパンチ１２の進行方向に対して鋭角となるような架台１８を用いれば、曲げ初期においてもスムーズにロール１７が移動できる。また、このような架台１８を使用すると、図１９のような中央部が平坦なパンチ１２の場合でも、初期からスムーズにロール１７を移動することが可能になる。

下記に本発明の実施例を示す。

円管の管材１１には外径２５．４ｍｍ、全長４８０ｍｍの機械構造用炭素鋼鋼管のＳＴＫＭ２０Ａを用い、肉厚ｔは２．０ｍｍと１．６ｍｍの２種類とした。当該鋼管で図２０（ａ）〜（ｃ）に示すようなプロセスで加工を行った。すなわち、図２０（ａ）に示したように管材１１の中央を曲げ半径２０３．２ｍｍ（外径の８倍）の円弧状に９０°曲げた。なお、ロール１３は、図１４に示したように架台１４に対してもパンチ１２に対しても回転しないで滑る構造とし、寸法は同図に示すように外側でＲ＝２５．４ｍｍ、内側（溝底）でＲ＝１２．７ｍｍとした。即ち、架台１４と接するロール１３の端部３０の下面は平面となっており、パンチ１２と接するロール端部３０の上部は半円形を呈している。また、ロール１３の中央部３１の溝１３ａは断面が半円形である。溝１３ａの形状はパンチ１２側及びロール１３側とも管材１１の外径と同じ径の半円形の断面とした。また、最終的な位置としては、２つのロール１３、１３の中心間距離が４００ｍｍになるまでパンチ１２を押し込んだ。

実施例１と同じ管材１１を用いて同じ条件で曲げ加工したが、ロール１３の構造のみ変えた。ロール１３は図２１に示すように、架台１４上を円形の車輪３０（ロールの端部３０）が回転しながら移動できる構造であり、パンチ１２に対しても半円形断面の鼓状のロール中央部３１が回転しながら移動できる。なお、架台１４上の車輪部分３０とパンチ１２に接触する鼓状のロール中央部３１とを連結している車軸３２は、ロール中央部３１とは固定されているが、車輪部分３０とは自由に回転できる構造になっている。また、ロール１３の寸法は、車輪部分３０が外径４８ｍｍ、鼓状のロール中央部３１の外径が５０．８ｍｍ、溝１３ａ、１３ａ間の距離が２５．４ｍｍである。

実施例２と同じ管材１１、パンチ１２、架台１４、ロール１３を用いて、実施例２と同じ位置までパンチ１２を押し込んで曲げ加工した。但し、ロール１３を駆動して強制的に回転させながら曲げ加工した。ロール１３の駆動には、本例では、図２２に示すように、管端に向かって管材１１を進ませる方向にロール１３を回転駆動する駆動手段４０を用いた。駆動手段４０にはモーター４１及びロール１３の車軸３２を回転させるチェーン４２を配置して、モーター４１からチェーン４２を介して車軸３２を強制的に回転させた。即ち、回転の方向は、２個のロール１３、１３が互いに外側へ向かう方向にした。

実施例３に対して、ロール１３の駆動方向のみ逆方向にした。すなわち、管端と反対方向に向かって管材１１を進ませる方向にロール１３を回転駆動する駆動手段５０を用いた。駆動手段５０にはモーター５１及びロール１３の車軸３２を回転させるチェーン５２を配置して、２個のロール１３、１３が互いに内側に向かう方向へ回転させながら曲げ加工を行った（図２３参照）。

以上の、実施例１〜４で曲げ加工した際の、曲げ内側における座屈の有無と押し込み荷重の結果の一覧を表１に示す。比較のため、従来の３点曲げ工法による結果も合わせて示す。なお、３点曲げの支点には実施例１のロール１３と同一形状の支点を用い、支点間距離は実施例１〜４の最終位置と同じ４００ｍｍに設定した。

その結果、従来の３点曲げでは座屈が発生する厚さ２．０ｔ材の曲げが、本発明による方法では、いずれの実施例１〜４でも座屈せず曲げられた。しかし、更に薄肉材の１．６ｔ材になると、ロール１３がパンチ１２や架台１４に対して滑るような実施例１の条件では座屈しないが、ロール１３が回転するような実施例２の条件では座屈した。そこで実施例３のようにロール１３を互いに外側に回転するように駆動させると、管材１１に管軸方向の引張力が作用して座屈が防止できた。

ただし、ロール１３を滑る条件にしたり、互いに外側に回転するような条件では、パンチ１２の押し込み荷重が増大するため、設備能力を極力小さく抑えるという観点からは不利となる。それに対して実施例４のように、ロール１３を互いに内側に回転させると押し込み荷重を低下させることができる。座屈がネックとならないような厚肉材の曲げを小さな力で曲げるためには実施例４の方法が有効となる。

曲げ加工される管材１１を単純な直管でなくハイドロフォームで一次加工した加工品１６を適用した例を図２４に示す。まず、外径２５．４ｍｍ、肉厚２．０ｍｍ、全長５４０ｍｍ、鋼種ＳＴＫＭ２０Ａ（実施例１〜４で使用した厚さ２．０ｔ材と同じ管材１１で長さが６０ｍｍ長い素材）をハイドロフォームで高さ３０ｍｍの拡管部１６ａを張出させた形状に成形する。その際のハイドロフォーム条件としては、内圧１０５ＭＰａ、軸押しは両端からそれぞれ３０ｍｍずつとした。よって、ハイドロフォーム成形後の長さは４８０ｍｍとなる。そのハイドロフォーム加工品１６の拡管部１６ａを下に配置したまま曲げ加工する。その際のパンチ１２やロール１３の形状、最終ロール１３、１３間距離は実施例１〜４の場合と同一としたが、ロール１３の移動条件は、パンチ１２に対しては回転、架台１４に対しては滑りの条件とした。曲げ加工の結果、座屈等の成形不良も見られず、良好な形状の成形品が得られた。

図２５は、実施例１〜４で使用した厚さ２．０ｔ材と同じ管材１１を用いて、パンチ１２の溝１２ａの形状とロール１３の中央部３１の溝１３ａの形状を長方形断面にした例である。長方形は、横幅２６．５ｍｍ、高さ８＋８＝１６ｍｍ、コーナーＲ＝３ｍｍに設計した。周長としては、元の管外周が７９．８０ｍｍであるのに対して、パンチ１２とロール１３の溝１２ａ、１３ａ内面の合計周長は７９．８５ｍｍとなっており、ほぼ同じ周長に設定した。パンチ１２の溝１２ａの軸方向の位置は押し込み方向に平行な平面上でなく、１０°傾けた平面上を通る位置に設計した。ロール１３が軸方向に移動可能なように、ロール端部３０は円柱状とし、パンチ１２の溝１２ａの位置に沿いながら曲げ加工中に移動可能なように、ロール中央部３１はロール１３の軸方向に移動自在とした。最終的にはロール１３、１３が管端の位置に達するまで押し込み、全長に渡って断面を変形させた。その他の条件は実施例２と同じである。以上の装置及び加工条件で曲げ加工した結果、円形断面の直管から、長方形断面で、かつ、３次元的に曲げられた成形品を１回の曲げ加工で得ることができた。

図２６は、パンチ１２の中央部が平坦な形状の曲げ加工を行う例である。しかも、平坦部を含めて管材１１の断面を長方形に変形させる例のため、ロール１３、１３は中央位置から移動開始する必要がある。そこで、ロール１３、１３の端部３０が移動する架台１８の面が、パンチ１２の進行方向（図２６では下方向）に対して鋭角をなすように、架台１８を図のように水平面に対して１５°下向きに傾けて、ロール１３、１３が互いに外側へ移動し易くした。また、ロール中央部３１の断面も長方形に成形するため、ロール中央部３１の断面形状を円形でなく長方形にした。また、ロール中央部３１とロール端部３０は独立に回転自在になっており、ロール中央部３１はパンチ１２の溝１２ａの形状のなす角度に追従自在となっている。なお、管材１１には、実施例１〜４で使用した厚さ２．０ｔ材と同じ管材１１を用いた。最終的にはロール１３、１３が管端の位置に達するまで押し込み、全長に渡って断面を変形させた。曲げ加工の結果、断面が長方形で両端が曲げられた成形品が得られた。

図２７は、１個のロール１３で管材１１を１ヶ所曲げる例である。パンチ１２及びロール１３の溝１２ａ、１３ａの形状は単純な円形断面とし、管材１１には、実施例１〜４で使用した厚さ２．０ｔ材と同じ管材１１を用いた。また、ロール１３は架台１４に対しては滑り、パンチ１２に対しては回転するように、架台１４と接するロール端部３０の上面は平面、パンチ１２の外周と接するロール端部３０の下部は半円形を呈している（図示しない）。また、ロール中央部３１は半円形の溝１３ａを有する鼓状とした（図示しない）。ロール１３の初期位置はストッパー１９によって図（ａ）のような位置に押付けられている。曲げ加工の結果、一方が直管で他方のみ曲げられた成形品が得られた。

本発明は、自動車用部品・建材用部品・家具用部品などを製造する際の管材や、各種設備における配管に使用される管材の曲げ加工に有用である。

従来の回転引き曲げ工法の説明図を示す。 従来のプレス曲げ工法の説明図を示す。 従来の押し付け曲げ工法の説明図を示す。 従来の支点が回転しないプレス曲げ工法の説明図を示す。 従来の押し付け曲げ工法の説明図を示す。 本発明のロールを１組使用する場合の曲げ加工方法の説明図を示す。 本発明のロールを１個使用する場合の曲げ加工方法の説明図を示す。 本発明で使用する管材の断面形状の説明図を示す。 本発明で、ハイドロフォーム成形品を用いて加工する場合の説明図を示す。 本発明が適用可能な曲げ形状の例を示す。 本発明で、円形断面の管材を長方形断面に変形しながら曲げ加工する場合の説明図を示す。 本発明で、曲げ加工後に断面形状を変える場合のパンチ及びロールの溝形状の例を示す。 本発明で、パンチの溝形状断面が長手方向に変化している例、及び、ロールの溝形状断面が周方向に変化している例を示す。 本発明で、ロールがパンチに対しても架台に対しても滑る場合の説明図を示す。 本発明で、ロールがパンチに対しては回転し、架台に対しては滑る場合の説明図を示す。 本発明で、ロールがパンチに対しては滑り、架台に対しては回転する場合の説明図を示す。 本発明で、ロールがパンチに対しても架台に対しても回転する場合の説明図を示す。 本発明で、ロールがロールの軸方向に移動可能な構造となっており、三次元的な形状に曲げることができるロールとパンチの組み合わせの説明図を示す。 本発明で、架台の上面がパンチの進行方向に対して鋭角な場合の説明図を示す。 本発明の実施例１の説明図を示す。 本発明の実施例２の説明図を示す。 本発明の実施例３の説明図を示す。 本発明の実施例４の説明図を示す。 本発明の実施例５の説明図を示す。 本発明の実施例６の説明図を示す。 本発明の実施例７の説明図を示す。 本発明の実施例８の説明図を示す。

符号の説明

１１ 円管（管材）
１２ パンチ
１２ａ 溝
１２ｂ 掘り出し部
１３ ロール
１３ａ 溝
１４ 架台
１４ａ 空洞
１５ 管材固定治具
１６ ハイドロフォーム加工品
１６ａ 拡管部
１７ 平坦なロール
１８ ロールの滑り面が傾斜している架台
３０、７０ ロールの端部
３１、７１ ロールの中央部
４０ 管端に向かって管材を進ませる方向にロールを回転駆動する駆動手段
５０ 管端と反対方向に向かって管材を進ませる方向にロールを回転駆動する駆動手段

Claims (18)

1. パンチと一組のロールによって管材の三点曲げを行うプレス曲げ加工装置において、
   前記パンチは前記管材の幅以上の幅の溝を外周に有し、
   前記一組のロールは架台によって支持されており、かつ、前記パンチと接触した状態で互いに離れる方向に前記架台上を移動自在であり、
   前記架台は前記管材の曲げ加工中に、前記パンチ及び前記管材を移動自在とするための空洞部分を有し、
   前記ロールの中央部及び前記パンチの溝の断面形状の一部又は全部が、半円形、楕円、長方形、多角形又は曲線を組み合わせた形状からなることを特徴とする管材のプレス曲げ加工装置。
2. 管材の一部をパンチと固定した状態で一個のロールによって管材をパンチに押付けながら曲げるプレス曲げ加工装置において、
   前記パンチは前記管材の幅以上の幅の溝を外周に有し、
   前記ロールは架台によって支持されており、かつ、前記パンチと接触した状態で移動自在であり、
   前記架台は前記管材の曲げ加工中に、前記パンチ及び前記管材を移動自在とするための空洞部分を有し、
   前記ロールの中央部及び前記パンチの溝の断面形状の一部又は全部が、半円形、楕円、長方形、多角形又は曲線を組み合わせた形状からなることを特徴とする管材のプレス曲げ加工装置。
3. 前記管材の一部が膨出加工されており、当該膨出加工部を装着できる空洞部が前記パンチに設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
4. 前記ロールが前記架台に対して回転可能となっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
5. 前記ロールが前記パンチに対して回転可能となっていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
6. 管端に向かって前記管材を進ませる方向に前記ロールを回転駆動する駆動手段を有することを特徴とする請求項５に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
7. 管端と反対方向に向かって前記管材を進ませる方向に前記ロールを回転駆動する駆動手段を有することを特徴とする請求項５に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
8. 前記ロールが前記ロールの軸方向に対して移動自在であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
9. 前記ロールが移動する前記架台の面は、前記パンチの進行方向に対して鋭角をなすことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工装置。
10. パンチの外周に設けられている溝の中に管材を挿入し、
    管材に対して前記パンチと反対側に位置し、かつ架台に支持されている一組のロールと前記パンチの一部によって管材を挟持して、前記パンチを前記架台側に移動させ、
    前記一組のロールを、前記パンチと接触した状態のまま互いに離れる方向に前記架台上を移動させて、管材を前記パンチの溝形状に沿って曲げ、
    前記ロールの中央部及び前記パンチの溝の断面形状の全部又は一部が半円形、楕円、長方形、多角形又は曲線を組み合わせた形状からなるパンチ及びロールを用いて、前記管材の断面形状を変形させると同時に曲げ加工することを特徴とする管材のプレス曲げ加工方法。
11. 管材の一部をパンチに固定した状態で、
    管材に対して前記パンチと反対側に位置し、かつ架台に支持されている一個のロールに管材と前記パンチを一体にした状態で押し当てていき、
    前記パンチの一部と前記ロールを接触させ、前記パンチに設けられた溝の中で前記ロールと管材を挟んだ状態にし、更に前記パンチを前記ロール側に移動させ、
    前記ロールを、前記パンチと接触した状態のまま前記パンチに沿って架台上を移動させて、管材を前記パンチの溝形状に沿って曲げ、
    前記ロールの中央部及び前記パンチの溝の断面形状の全部又は一部が半円形、楕円、長方形、多角形又は曲線を組み合わせた形状からなるパンチ及びロールを用いて、前記管材の断面形状を変形させると同時に曲げ加工することを特徴とする管材のプレス曲げ加工方法。
12. 一部を膨出加工された管材を用いて曲げ加工することを特徴とする請求項１０または１１に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
13. 前記ロールを前記架台に対して回転させながら曲げ加工することを特徴とする請求項１０〜１２の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
14. 前記ロールを前記パンチに対して回転させながら曲げ加工することを特徴とする請求項１０〜１３の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
15. 管端に向かって前記管材を進ませる方向に前記ロールを回転駆動させながら曲げ加工することを特徴とする請求項１４に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
16. 管端と反対方向に向かって前記管材を進ませる方向に前記ロールを回転駆動させながら曲げ加工することを特徴とする請求項１４に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
17. 前記ロールを前記ロールの軸方向に移動させながら曲げ加工することを特徴とする請求項１０〜１６の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工方法。
18. 前記ロールを前記パンチの進行方向に対し、鋭角な角度で移動させながら曲げ加工することを特徴とする請求項１０〜１７の何れか１項に記載の管材のプレス曲げ加工方法。

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