JP6032607B2 - 鋼管の熱間加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管を長手方向に移動させながら加熱手段で局部的に加熱し、加熱により温度上昇した部分に曲げ装置で曲げモーメントを加えて曲げ加工した後に、冷却手段で冷却して所定の曲げ形状を有する鋼管を得るための鋼管の熱間加工装置に関する。

閉断面の長尺金属材をその長手方向に送出する送り装置と、金属材を送り方向に移動自在に支持する支持装置と、支持装置を通過した金属材を加熱する高周波加熱装置と、高周波加熱装置を通過した金属材を冷却する冷却装置と、金属材の送り方向先端を把持して高周波加熱装置で加熱された部分に曲げモーメントを加える把持手段とを備える曲げ加工製品の製造装置が、下記特許文献１により公知である。

ＷＯ２０１０／０５０４６０

ところで、上記特許文献１に記載された発明は、送り装置で長尺金属材を長手方向に押し出しながら、把持装置で金属材に曲げモーメントを加えて曲げ加工を行うものであり、送り装置による金属材の送り速度と、曲げモーメントを加えるための把持装置の移動軌跡とを協調制御する必要があるため、その協調制御が極めて複雑なものになって製品の加工精度を高めるのが難しいという問題があった。また送り装置による金属材の送り量に制約があるため、把持手段側の能力に余裕があっても、送り装置の送り量によって製品の長さが制約されてしまうという問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、熱間加工装置による鋼管の加工精度を高めるともに、長尺の鋼管の加工を可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、直線状の鋼管を長手方向に移動自在に案内する鋼管案内手段と、前記鋼管案内手段の下流側に配置されて前記鋼管を加熱する加熱手段と、前記加熱手段の下流側に配置されて前記鋼管を冷却する冷却手段と、前記冷却手段の下流側で前記鋼管の把持点を把持する把持手段と、前記把持手段を三次元空間内で移動させる曲げ装置と、前記鋼管に形成された基準点の位置を光学的あるいは磁気的に検出する位置検出手段とを備え、前記鋼管はロールフォーミング加工により形成され、前記基準点は前記鋼管のロールフォーミング時に固定されるセルフピアスナットあるいは前記鋼管のロールフォーミング時に形成される孔で構成され、前記把持手段は前記鋼管の前記把持点を該把持手段に対して相対移動不能に把持し、位置検出手段が前記基準点が所定位置に達したことを検出したときに、前記曲げ装置は前記把持手段を移動させて前記鋼管に曲げモーメントを加えることで、前記鋼管を前記加熱手段の近傍の加工位置で曲げ加工することを特徴とする鋼管の熱間加工装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記セルフピアスナットあるいは前記孔は自動車の車体部品に締結されることを特徴とする鋼管の熱間加工装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記鋼管の曲げ加工される部位は自動車の車体部品に結合される部位であることを特徴とする鋼管の熱間加工装置が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記鋼管は自動車のフロントサイドフレームであることを特徴とする鋼管の熱間加工装置が提案される。

尚、実施の形態のガイドローラ１２は本発明の鋼管案内手段に対応し、実施の形態の高周波加熱コイル１３は本発明の加熱手段に対応し、実施の形態の冷却装置１４は本発明の冷却手段に対応し、実施の形態のチャック１７は本発明の把持手段に対応し、実施の形態のステー３０およびフロントサブフレーム３３は本発明の車体部品に対応する。

請求項１の構成によれば、把持手段が鋼管の把持点を把持して鋼管案内手段から引き出しながら三次元空間内で所定の移動軌跡に沿って移動すると、加熱手段により加熱された鋼管が加工点において曲げモーメントを受けて曲げられた後に冷却手段により冷却されることで、所定形状の製品を得ることができる。その際に、位置検出手段が鋼管に形成した基準点が所定位置に達したことを光学的あるいは磁気的に検出したときに、曲げ装置が把持手段を移動させて鋼管に曲げモーメントを加え、鋼管を加熱手段の近傍の加工位置で曲げ加工するので、鋼管の曲げ加工の精度を高めて高精度の製品を得ることができる。

また鋼管案内手段は鋼管を押し出す必要がなく、曲げ装置で移動する把持手段が鋼管を引き出す機能を有するので、鋼管送り出し手段が不要になるだけでなく、鋼管送り出し手段および曲げ装置を協調制御する必要がなくなって製品の加工精度が高められる。しかも製品の長さが鋼管送り出し手段の能力によって制限されることがなくなり、把持手段による鋼管の引き出し量に応じた長尺の製品を加工することができる。

また把持手段が鋼管の把持点を相対移動可能に支持する従来のものでは、鋼管の加工点に該加工点と把持点間の距離に応じた曲げモーメントしか加えられないが、把持手段が鋼管を該把持手段に対して相対移動不能に把持することで、把持手段で鋼管の把持点を捻ることで更なる曲げモーメントを加えることが可能になり、加工点に加える曲げモーメントの自由度を増加させることができる。

しかも鋼管はロールフォーミング加工により形成され、基準点は鋼管のロールフォーミング時に固定されるセルフピアスナットあるいは鋼管のロールフォーミング時に形成される孔で構成されるので、鋼管をロールフォーミング加工する過程でセルフピアスナットあるいは孔を同時に設けることができるだけでなく、セルフピアスナットあるいは孔を基準点として利用することで特別の基準点を設けることが不要になる。

また請求項２の構成によれば、セルフピアスナットあるいは孔は曲げ加工の基準点であるために位置精度が高く、そのセルフピアスナットあるいは孔を自動車の車体部品に締結するので、鋼管および車体部品の結合精度が向上する。

また請求項３の構成によれば、鋼管の曲げ加工される部位は自動車の車体部品に結合される部位であるので、鋼管が精度良く曲げ加工されることで、鋼管および車体部品の結合精度が向上する。

また請求項４の構成によれば、鋼管は自動車のフロントサイドフレームであるので、フロントサイドフレームの精度を高めてエンジン等の搭載位置のずれを減少させることができる。

鋼管の熱間三次元曲げ加工装置の全体構成を示す図。 図１の２方向拡大矢視図。 図２の３−３線断面図。 鋼管の製造工程を示す図。 自動車のフロントサイドフレームおよびフロントサブフレームの側面図。 図５に対応する作用説明図。

以下、図１〜図６に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すように、本実施の形態のワークである鋼管Ｗを加熱して所定形状に曲げ加工する熱間加工装置１１は、直線状の鋼管Ｗを長手方向に案内する複数のガイドローラ１２…と、ガイドローラ１２…の下流側に設けられた加熱手段としての高周波加熱コイル１３と、高周波加熱コイル１３の下流側に設けられた冷却手段としての冷却装置１４と、冷却装置１４の下流側に設けられたロボットよりなる曲げ装置１５とを備える。

曲げ装置１５は、関節により屈曲可能に連結された複数のアーム１６…の先端に鋼管Ｗを把持する把持手段としてのチャック１７を備える。チャック１７は鋼管Ｗの把持点１８の外表面に密着する把持面を有しており、チャック１７で把持点１８を把持した状態ではチャック１７および把持点１８は相対移動不能に一体化される。従って、チャック１７の位置を鋼管Ｗの長手方向に移動させることで、特別の送り装置を必要とせずに、鋼管Ｗをガイドローラ１２…に沿って長手方向に引き出すことができる。またチャック１７の位置を鋼管Ｗの長手方向に対して直交する方向に移動させたり、チャック１７の位置で捻りを加えたりすることで、鋼管Ｗに曲げモーメントを発生させることができる。

図２に示すように、鋼管Ｗは長手方向に一定の略四角断面を有する直線状の部材であり、その四隅の稜線１９…がそれぞれガイドローラ１２…で案内される。鋼管Ｗの移動方向の下流端に位置する４個のガイドローラ１２…は曲げ支点となるもので、高周波加熱コイル１３は、前記曲げ支点となるガイドローラ１２…の下流側にできるだけ近接して配置される。その理由は、曲げ装置１５のチャック１７を移動させて鋼管Ｗに曲げモーメントを付与したとき、前記曲げ支点となるガイドローラ１２…の位置で鋼管Ｗに最も大きい曲げモーメントが作用するが、その曲げモーメントが最大になる位置に高周波加熱コイル１３を配置して鋼管Ｗを加熱することで、曲げ装置１５により鋼管Ｗに加える曲げ荷重を最小限に抑えながら鋼管Ｗを精度良く曲げ加工することができるからである。

高周波加熱コイル１３は直列に接続された第１ターン部分１３ａおよび第２ターン部分１３ｂを有する２ターンのコイルで構成され、その内周と鋼管Ｗの外周との間に略一定の隙間が形成される。高周波加熱コイル１３の第１ターン部分１３ａの入口と第２ターン部分１３ｂの出口とには、それに電力を供給するための２本のケーブル２０，２０が接続される。

冷却装置１４は鋼管Ｗの外周を囲む円環状の冷却水タンク２１と、冷却水タンク２１の外周面に接続された４本の冷却水供給パイプ２２…と、冷却水タンク２１の内周面に形成された多数の冷却水噴出孔２１ａ…とを備える。

図３に示すように、四つの稜線１９…を有する略四角断面の鋼管Ｗの四つの面には、長手方向に延びる４本の溝２３…が形成されており、その一つの面の溝２３を挟む位置に周知のセルフピアスナット（Self Piercing and Clinching Nut ）２４，２４が２個設けられる。

図４は鋼管Ｗの製造工程を示すもので、先ず鋼板をプレスして波形断面のブランク２５を製造し、このブランク２５の所定位置にセルフピアスナット２４，２４が打ち込まれる。ブランク２５にセルフピアスナット２４，２４を打ち込むと、セルフピアスナット２４，２４自身によりブランク２５に孔２６，２６（図３参照）が形成されるとともに、セルフピアスナット２４，２４がブランク２５にカシメにより固定される。続いて、セルフピアスナット２４，２４が固定されたブランク２５を折り曲げ、両端部を突き合わせて溶接することにより、四角断面の鋼管Ｗが製造される。

図１に戻り、冷却装置１４の下流側には、鋼管Ｗに設けられたセルフピアスナット２４，２４の位置を検出する位置検出手段２７が設けられる。位置検出手段２７は、セルフピアスナット２４，２４により形成された鋼管Ｗの孔２６，２６や、セルフピアスナット２４，２４自体で構成される基準点２８を光学的あるいは磁気的に検出する。

図５および図６に示すように、本実施の形態の鋼管Ｗは、自動車のフロントサイドフレーム２９，２９として使用される。Ｓ字状に湾曲する左右一対のフロントサイドフレーム２９，２９は車体前後方向に配置され、高い位置にある前側部分は直線状に延びる直線部２９ａ，２９ａを構成し、直線部２９ａ，２９ａの後端から湾曲部２９ｂ，２９ｂが下方かつ後方に延びている。フロントサイドフレーム２９の湾曲部２９ｂは、本実施の形態の熱間加工装置１１により曲げ加工される。

セルフピアスナット２４，２４は直線部２９ａの上面に設けられており、このセルフピアスナット２４，２４を用いてステー３０が直線部２９ａに固定される。また直線部２９ａの下面および湾曲部２９ｂの下面にはそれぞれ前部フロントサブフレーム支持ブラケット３１および後部フロントサブフレーム支持ブラケット３２が溶接される。

枠状に形成されたフロントサブフレーム３３の前部および後部が、前部フロントサブフレーム支持ブラケット３１および後部フロントサブフレーム支持ブラケット３２にそれぞれマウント部材３４，３５を介して弾性的に支持される。エンジン３６の側面および後面には前部エンジン支持ブラケット３７および後部エンジン支持ブラケット３８が設けられており、前部エンジン支持ブラケット３７および後部エンジン支持ブラケット３８が、ステー３０およびフロントサブフレーム３３にそれぞれマウント部材３９，４０を介して弾性的に支持される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用について説明する。

ガイドローラ１２…から引き出された鋼管Ｗの把持点１８は、高周波加熱コイル１３および冷却装置１４を通過した位置で曲げ装置１５のチャック１７により把持される。鋼管Ｗの前後方向の向きは、製品であるフロントサイドフレーム２９の前端側（直線部２９ａ側）が前方となり、後端側（湾曲部２９ｂ側）が後方となるように設定される。

そして高周波加熱コイル１３にケーブル２０，２０を介して高周波電流を供給すると、高周波加熱コイル１３の周囲に形成される磁界によって鋼管Ｗの内部に渦電流が発生し、鋼管Ｗがジュール熱によりＡ３変態点以上の温度に加熱される。高周波加熱コイル１３を通過した直後の加工点４１（図１参照）の近傍で鋼管Ｗの温度は最も高温になり、その加工点４１で曲げモーメントを受けた鋼管Ｗが所望の形状に曲げ加工される。加工点４１において曲げ加工された鋼管Ｗは直ちに冷却装置１４に供給され、冷却水タンク２１の冷却水噴出孔２１ａ…から噴出する冷却水で急冷されて焼き入れ処理されるため、それ以後は曲げモーメントを受けても永久変形することはない。

曲げ装置１５のチャック１７で鋼管Ｗに曲げモーメントを加えるタイミングは、鋼管Ｗに設けた基準点２８であるセルフピアスナット２４，２４の孔２６，２６の位置を位置検出手段２７（図１参照）で検出することで決められる。即ち、基準点２８の加工点４１からの距離が予め設定した距離Ｌ、つまり基準点２８から直線部２９ａおよび湾曲部２９ｂの境界までの距離Ｌ（図５参照）に達したことが位置検出手段２７により検出されたとき、チャック１７で鋼管Ｗに曲げモーメントを加えることで、前記境界よりも後方部分（湾曲部２９ｂに相当する部分）を精度良く曲げ加工することができる。前記距離Ｌは、鋼管Ｗの曲げ加工が進行するのに応じて逐次増加する。

加工点４１の位置は鋼管Ｗの引き出し速度に応じて変化するが、引き出し速度が略一定になるように曲げ装置１５のチャック１７の移動軌跡を設定することにより、加工点４１の位置は実質的に一定であると見做すことができる。また加工点４１と冷却装置１４との間の鋼管Ｗも高温の状態にあるが、曲げ装置１５のチャック１７により鋼管Ｗに加えられる曲げモーメントはチャック１７から遠いほど大きくなるため、加工点４１において一旦曲げられた鋼管Ｗが、加工点４１を通過した後に再び曲げられることはない。

このようにして曲げ装置１５のチャック１７を所定の移動軌跡に沿って移動させることで、鋼管Ｗの曲げ加工および焼き入れ処理を連続的に行い、所定形状に曲げ加工された所定長さのフロントサイドフレーム２９を得ることができる。得られたフロントサイドフレーム２９は、その上流側の未加工の鋼管Ｗから切り離された後、両端の不要部分が切除される。

以上のように、位置検出手段２７が鋼管Ｗに形成した基準点２８が所定位置に達したことを検出したときに、曲げ装置１５がチャック１７を移動させて鋼管Ｗに曲げモーメントを加え、鋼管Ｗを高周波加熱コイル１３の近傍の加工点４１で曲げ加工するので、鋼管Ｗの曲げ加工の精度を高めて高精度の製品を得ることができる。

また従来の鋼管Ｗの送り装置を廃止して鋼管Ｗを移動自在に案内するガイドローラ１２…だけを設け、曲げ装置１５に鋼管Ｗを引き出す機能を持たせたので、送り装置および曲げ装置を協調制御する必要がなくなって製品の加工精度が高められるだけでなく、製品の長さが送り装置の能力によって制限されることがなくなり、曲げ装置１５による鋼管Ｗの引き出し量に応じた長尺の製品を加工することができる。

また曲げ装置１５のチャック１７が鋼管Ｗの把持点１８を相対回転可能に支持する場合には、鋼管Ｗに把持点１８からの距離に応じた曲げモーメントしか加えられないが、チャック１７が鋼管Ｗを該チャック１７に対して相対移動不能に把持することで、チャック１７で鋼管Ｗの把持点１８を捻ることで更なる曲げモーメントを加えることが可能になり、加工点４１に加える曲げモーメントの自由度を増加させることができる。

また鋼管Ｗはロールフォーミング加工により形成され、基準点２８は鋼管のロールフォーミング加工時に固定されるセルフピアスナット２４，２４で構成されるので、鋼管Ｗをロールフォーミング加工する過程でセルフピアスナット２４，２４を同時に固定することができるだけでなく、セルフピアスナット２４，２４の孔２６，２６や、セルフピアスナット２４，２４自体を基準点２８として利用することで特別の基準点を設けることが不要になる。

またセルフピアスナット２４，２４は鋼管Ｗの曲げ加工の基準点２８であるために位置精度が高く、そのセルフピアスナット２４，２４を自動車の車体部品であるステー３０に締結するので、フロントサイドフレーム２９およびステー３０の結合精度が向上する。

またフロントサイドフレーム２９の曲げ加工される部位である湾曲部２９ｂは、自動車の車体部品であるフロントサブフレーム３３に結合される部位であるので、フロントサイドフレーム２９が精度良く曲げ加工されることで、フロントサイドフレーム２９およびフロントサブフレーム３３の結合精度が向上するだけでなく、フロントサブフレーム３３に支持されたエンジン３６の搭載位置のずれを減少させることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の鋼管案内手段は実施の形態のガイドローラ１２…に限定されず、鋼管Ｗを長手方向に移動自在に案内するダイス等の任意の手段を採用することができる。

また実施の形態の鋼管Ｗは自動車のフロントサイドフレーム２９に限定されず、任意の用途の部材であっても良い。

また本発明の基準点２８は実施の形態のセルフピアスナット２４により形成された鋼管Ｗの孔２６や、セルフピアスナット２４自体に限定されず、位置検出手段２７で検出可能な任意の物が含まれる。

１２ ガイドローラ（鋼管案内手段）
１３ 高周波加熱コイル（加熱手段）
１４ 冷却装置（冷却手段）
１５ 曲げ装置
１７ チャック（把持手段）
１８ 把持点
２４ セルフピアスナット
２６ 孔
２７ 位置検出手段
２８ 基準点
２９ フロントサイドフレーム
３０ ステー（車体部品）
３３ フロントサブフレーム（車体部品）
４１ 加工点
Ｗ 鋼管

Claims (4)

1. 直線状の鋼管（Ｗ）を長手方向に移動自在に案内する鋼管案内手段（１２）と、前記鋼管案内手段（１２）の下流側に配置されて前記鋼管（Ｗ）を加熱する加熱手段（１３）と、前記加熱手段（１３）の下流側に配置されて前記鋼管（Ｗ）を冷却する冷却手段（１４）と、前記冷却手段（１４）の下流側で前記鋼管（Ｗ）の把持点（１８）を把持する把持手段（１７）と、前記把持手段（１７）を三次元空間内で移動させる曲げ装置（１５）と、前記鋼管（Ｗ）に形成された基準点（２８）の位置を光学的あるいは磁気的に検出する位置検出手段（２７）とを備え、
   前記鋼管（Ｗ）はロールフォーミング加工により形成され、前記基準点（２８）は前記鋼管（Ｗ）のロールフォーミング時に固定されるセルフピアスナット（２４）あるいは前記鋼管（Ｗ）のロールフォーミング時に形成される孔（２６）で構成され、前記把持手段（１７）は前記鋼管（Ｗ）の前記把持点（１８）を該把持手段（１７）に対して相対移動不能に把持し、位置検出手段（２７）が前記基準点（２８）が所定位置に達したことを検出したときに、前記曲げ装置（１５）は前記把持手段（１７）を移動させて前記鋼管（Ｗ）に曲げモーメントを加えることで、前記鋼管（Ｗ）を前記加熱手段（１３）の近傍の加工点（４１）で曲げ加工することを特徴とする鋼管の熱間加工装置。
2. 前記セルフピアスナット（２４）あるいは前記孔（２６）は自動車の車体部品（３０）に締結されることを特徴とする、請求項１に記載の鋼管の熱間加工装置。
3. 前記鋼管（Ｗ）の曲げ加工される部位は自動車の車体部品（３３）に結合される部位であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の鋼管の熱間加工装置。
4. 前記鋼管（Ｗ）は自動車のフロントサイドフレーム（２９）であることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の鋼管の熱間加工装置。
   

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