金属管的热弯曲加工方法及装置的制作方法

专利名称：金属管的热弯曲加工方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于弯曲加工金属管的方法及装置，特别是涉及在对圆形钢管或方形钢管进行热弯曲加工时可利用的方法及装置。
背景技术：
对直管进行弯曲加工形成为弯管的高频弯曲加工已经成为高质量弯管制造方法的主流。按照该方法，可获得与直管相同材质的弯管。另外，也可容易地在直管的一部分形成所期望弯曲半径的弯曲部。
作为通过热弯曲加工在直管状金属管形成弯管部的已有技术，已知下述专利文献1。利用高频感应加热进行热弯曲加工的该专利文献1的装置具有环状的加热冷却装置、推进装置及弯曲臂；该环状的加热冷却装置围绕受到弯曲加工的金属管的短区间配置，在前段配置用于对金属管的上述短区间进行感应加热的感应线圈，而且在后段配置用于跟随地对由该感应线圈加热后的金属管的加热部进行冷却的冷却装置；该推进装置配置于该加热冷却装置的后方并将把持金属管的后端侧的后方夹持装置配置于最前端，用于使金属管朝管中心线方向前进；该弯曲臂配置于上述加热冷却装置的前侧区域并将把持金属管的前端侧的前方夹持装置配置于一端侧，而且在另一端侧设置旋转轴心，该旋转轴心处于从上述加热冷却装置的稳定位置朝与金属管的管中心线正交的方向离开的位置，该弯曲臂用于将金属管的前端侧的前进路线限制成弧状。
另外，为了由该装置进行金属管的热弯曲加工，进行由弯曲变形过程和形状固定过程构成的弯曲加工的微分动作；在该弯曲变形过程中，首先，用上述2个夹持装置把持金属管的两端部，然后，一边由加热冷却装置的前段的加热装置通过感应加热将金属管的管中心线方向的短区间以环状加热成红热状态，一边由配置于加热冷却装置后方的推进装置使金属管相对加热冷却装置进行管中心线方向的前进，由绕轴心旋转的弯曲臂将金属管的前端侧的前进路线限制为弧状地进行前进路线限制，对金属管施加弯曲力矩，从而使上述红热的短区间产生弯曲变形；在该形状固定过程中，由加热冷却装置的后段的冷却装置跟随地冷却在该弯曲变形过程中结束了弯曲变形的部位，从而固定上述进行了弯曲变形的形状；通过金属管的上述前进，使该弯曲加工的微分动作依次向金属管的后端侧前进，对金属管的所期望的区间进行弯曲加工，从而形成金属管的管中心线方向的所期望区间受到了弯曲加工的曲管部。
另外，在下述专利文献2和3中，示出一边对金属管施加管中心线方向的压缩负荷一边对金属管进行热弯曲加工的装置。
(专利文献1)日本专利公报特公昭54-30915号(专利文献2)日本专利公报特开昭54-8154号(专利文献3)日本专利公报特开昭54-112769号对于船内等狭小空间的配管，不需要场所的小R的弯管较好，所以，已有技术中的作为弯曲加工下限的1.5～3DR(弯曲半径R与公称管径D的比为1.5～3)的弯管得到较多的应用，但近来要求1～1.5DR这样的极小程度。图19和作为图19的S20-S20线截面图的图20示出按弯曲半径R对公称管径D、半径r的金属管进行弯曲时的场合，C表示压缩侧，T表示拉伸侧，另外，N-N′表示作为压缩侧C与拉伸侧T的边界的中立位置。
高频弯曲加工为对直管进行塑性加工获得弯管的技术，所以，在T侧(弯曲外侧)，减厚(壁厚的减少)按α＝R/(R+r)＝2R(2R+D)的减厚比发生，在C侧(弯曲内侧)，增厚(壁厚的增加)按β＝R/(R-r)＝2R(2R-D)的增厚比发生。这些式子为忽略由管中心线方向的应力导致的偏差的近似式。
在按不加管中心方向的压缩和拉伸的简单弯曲方式进行1～5DR(即R＝1～5D)的弯曲加工的场合，上述α、β如下表1所示。
(表1)

T侧的减厚虽然有时也可由管坯的壁厚余量(+公差)弥补，但不能依赖它。另一方面，关于减厚到什么样的程度可通用这一点，作为与钢管相关的JIS(日本工业规格)的尺寸公差的-12.5％即α＝0.875为1个大体基准。如上述表1所示那样，对于简单的弯曲加工，在3DR或其以下的小R弯曲加工中，该大体基准得不到满足。
为此，从上述的“1.5～3DR弯曲时代”起进行作为解决上述问题的技术的“压缩弯曲”。关于压缩弯曲的公开数量较多，作为其一例，可列举出由上述专利文献2和专利文献3公开的方法。在这些方法中，作为上述高频弯曲加工，相对金属管从后方施加推进力，同时，从金属管的前方施加对抗该推进力的反推进力，在该状态下进行弯曲加工。上述公开技术的反推进力的施加由缸进行。
通过进行压缩弯曲，乘上对T侧、C侧通用的压缩比，结果，表1的T侧的减厚比α和C侧的增厚比β例如变成以下表2的α′、β′的值。
(表2)

即，伴随着弯曲加工的T侧的减厚引起的壁厚不足的问题由压缩弯曲解决，事实上，在1.5～3DR范围的小R弯曲加工中，已经可列举出良好的业绩。
然而，当成为1～1.5DR范围的极小R弯曲加工时，产生新的问题。即，随着弯曲力矩的增大，管横截面(与管中心的轨迹正交的面)的扁平变形和C侧(弯曲内侧)管壁的折皱变形这样的不规则变形增大；这样的问题从上述表1和表2也可看出，1～1.5DR范围的极小R弯曲加工的C侧的增厚比对于简单弯曲也为1.5～2，对于压缩弯曲成为2～3这样较高的值。即，C侧的压缩变形由压缩轴向力驱动，该压缩轴向力由弯曲向力矩在C侧产生，所以，对于本来在C侧潜在有压曲的因素的部位，上述压缩轴向力和与其正交的管横截面内的应力或变形性的TC-C方向不平衡及其变动按与上述弯曲力矩的增大或压缩弯曲产生的高的增厚比对应的高水平产生，C侧极易压曲，结果，折皱变形增大。上述因素当然也使作为弯曲力矩的反作用产生的扁平变形增大，这些折皱变形和扁平变形的两不规则变形的增大在弯曲加工件的外观和性能产生问题。
作为上述管中心线正交面内的应力和变形性的不平衡中的特别是容易导致上述折皱变形的因素，可列举出(1)作为弯曲力矩的反作用产生的管横截面内T-C方向的压缩应力和伴随着其的管体的扁平变形引起的C侧的内外面间的应力不平衡，(2)伴随着由C侧的压缩轴向力导致的镦锻增厚的、朝管内外面的管壁隆起量的不平衡，及该不平衡引起的从未加工直管部的管壁上升角度的管内外面不平衡，(3)作为反力与C侧的压缩轴向力对抗的变形阻力的管内外温度不平衡所产生的T-C方向应力，(4)弯曲加工开始部的C侧的从非加工对象直管部的增厚隆起上升角度的管内外面不平衡(也成为(1)～(3)不平衡的诱因)等不平衡。另外，这些不平衡自身本质上也不稳定，这也促进了不平衡发生。
如以上说明的那样，在金属管的热弯曲加工中，作为加到管体的弯曲力矩的反作用，在产生于管体的弯曲外侧(T侧)和弯曲内侧(C侧)的应力中产生各种形式的T-C间不平衡，由此使得管体产生扁平变形或C侧的折皱变形这样的不规则变形。上述应力不平衡、进而上述不规则变形存在随着弯曲半径比即弯曲半径R与公称管外径D的比R/D变小而变得更容易产生的倾向，另外，在为了减轻弯曲加工带来的T侧的减厚而采用压缩弯曲加工的场合，还存在弯曲半径比越小则所需压缩量越大、不规则变形更易产生的倾向，这妨碍了将弯曲半径比的可能范围扩展到R/D≤1.5这样范围的弯曲加工的实现。

发明内容
本发明的目的在于提供一种弯曲加工技术，该弯曲加工技术可使得弯曲加工产生的上述管横截面内应力进而上述不平衡不会导致上述不规则变形的产生，可摆脱与弯曲半径比相关的过去的制约。
本发明的金属管的热弯曲加工方法进行由弯曲变形过程和形状固定过程构成的弯曲加工的微分动作；在该弯曲变形过程中，一边由加热冷却装置的前段的加热装置通过感应加热将金属管的管中心线方向的短区间以环状加热成红热状态，一边由配置于上述加热冷却装置后方的推进装置使上述金属管相对该加热冷却装置向管中心线方向前进，由绕轴心旋转的弯曲臂将该金属管的前端侧的前进路线限制为弧状地进行前进路线限制，对该金属管施加弯曲力矩，从而使上述红热的短区间产生弯曲变形；在该形状固定过程中，由上述加热冷却装置的后段的冷却装置跟随地冷却在该弯曲变形过程中结束了弯曲变形的部位，从而固定上述进行了弯曲变形的形状；通过该金属管的上述前进，使该弯曲加工的微分动作依次向该金属管的后端侧前进，对上述金属管的所期望的区间进行弯曲加工；其中由为了将上述金属管安装于上述推进装置而配置于该推进装置的后方夹持装置和为了将该金属管安装于上述弯曲臂而配置于该弯曲臂的前方夹持装置分别进行上述金属管的把持，进行该金属管的把持时，按对金属管施加管横截面内的与弯曲平面正交的方位的压缩负荷并阻止与该弯曲平面平行的方位的扩径的夹紧形式，以在该金属管产生弹性缩径的过盈量夹紧该金属管；在该夹紧把持状态下进行上述弯曲加工。
按照上述本发明构成，还带来这样的改善，即，大幅度减轻弯曲加工导致的管体的不规则变形即管横截面的扁平变形或C侧管壁的折皱变形，解决了上述问题。带来上述改善的理由可作如下那样的推断。
(关于扁平变形的减轻)扁平变形由随着弯曲加工时加到管体的弯曲力矩而产生于管横截面内的应力(以下为了方便称为“扁平化应力”)的面内各向异性引起。该扁平化应力如图1所示那样，在管横截面内的、与弯曲平面正交的N-N′方位产生拉伸应力σN-N′＝p1，在与弯曲平面平行的T-C方位产生压缩应力σT-C＝-p2(这里的标记为了方便说明，pi为压力量纲的正值，+pi表示拉伸模式，-pi表示压缩模式)，即，具有{σN-N′，σT-C}＝{p1，-p2}模式的面内各向异性，该各向异性带来扁平变形。另外，上述扁平化应力产生的区间对应于弯曲力矩的作用区间，为管体中的位于从后方夹持装置到前方夹持装置之间的整个区间。
在本发明构成中，如图2所示那样，通过施加上述夹紧形式(它的实施形式在后面说明)的N-N′方位的压缩负荷wN-N′＝-p3(p3＞p1)，从而使扁平化应力的N-N′方位成分从上述p1(拉伸应力)变换成-p3(压缩应力)。另外，作为上述压缩负荷施加的反作用产生于管体的T-C方位的扩径作用通过夹持装置的夹紧而加以阻止，管体从夹持构件的内周面接受T-C方位的压缩反力wT-C＝-p4，从而将扁平化应力的T-C方位成分从上述-p2(压缩应力)变化成-p4(同样为压缩应力)。在这里，上述-p4的强度由夹持构件的夹持时的自由长度尺寸左右，所以，可通过该尺寸设定的微调或夹紧行程的微调而增减。因此，通过将该压缩反力-p4设定为例如-p4≈-p3，从而使扁平化应力的面内各向异性{σN-N′，σT-C}从上述{p1，-p2}这样的典型的各向异性模式大幅度减轻为上述{-p3，-p4≈-p3}这样的大体各向同性的模式的状态。如在该状态下进行弯曲加工，则即使施加弯曲变形所需要的弯曲力矩，由此带来的扁平化应力的面内各向异性也大幅度减轻，所以，要考虑能够进行引起该各向异性的扁平变形少的弯曲加工。
由夹持部加到管体的N-N′方位的压缩负荷wN-N′＝-p3和加到管体的T-C方位的压缩反力wT-C＝-p4，分别经由处于两夹持部间的非加热状态的管体，弹性地传播到弯曲变形部，在这里，也起到减轻扁平化应力的各向异性的作用。但是，由于力与上述传播距离对应地变弱，所以，最好对其进行弥补地设定上述{-p3，-p4}值，或者，采取提高传播效率的措施。另外，产生上述弹性缩径的管体的夹紧也对上述传播效率的高位确保有效。这是因为，由上述夹紧产生使管体与夹持构件力学地一体化的状况，夹持构件本来具有由上述推进装置产生的推进力和弯曲力矩的施加所需要的高刚性，所以，通过上述力学的一体化使管体提高有效的截面刚性，上述压缩负荷或压缩反力的传播经由不易发生截面变形的管体有效而且稳定地实现。
其中，关于产生上述弹性缩径的夹紧的程度，通过实验判断成为0.01～0.08％的缩径率的夹持较适合。这是因为，不到0.01％时，不能按有益的级别获得上述扁平变形防止效果，另外，当超过0.08％时，产生减少弯曲制品的价值的塑性变形引起的夹持痕迹的危险增加。
(关于折皱变形的减轻)在折皱变形的减轻中，随着上述夹紧把持对扁平化应力的各向异性的减轻(从而提高弯曲加工中的管体的正圆度)，首先获得了上述弯曲加工时的各种T-C方位应力·变形的不平衡的减轻。此外，通过夹紧把持获得上述管横截面刚性的实际提高，由此使相对导致折皱变形的管壁压曲变形的抵抗性大幅度提高，这带来更进一步的作用效果。
在以上的本发明中，将后方夹持装置配置在上述推进装置的最前端，使金属管的弯曲加工结束时的后方夹持装置的位置处于金属管的后端部与上述加热冷却装置之间的、比金属管的后端部更接近上述加热冷却装置的位置地设定把持位置，进行该后方夹持装置对金属管的把持，这样，从后方夹持装置到弯曲变形部的距离缩短，上述逆扁平化应力的向弯曲变形部的传播或金属管的表观刚性的提高以良好的效率得到实现，结果，可进一步确实地减轻扁平变形和抑制折皱变形的发生。
另外，也可经过弯曲加工开始阶段的渐增过程使上述弯曲臂的旋转速度(dθ/dt)达到一定值，经过弯曲加工开始阶段的渐减过程使由上述推进装置推进的金属管的相对加热冷却装置的相对前进速度(ds/dt)与弯曲臂的旋转速度(dθ/dt)的比例(ds/dθ)，即弯曲变形的实际曲率半径达到一定值，从而使弯曲加工成为分级弯曲加工，即，在其开始阶段，弯曲半径从比根据弯曲臂的有效旋转半径确定的稳定弯曲半径大的半径变化到该稳定弯曲半径。
这样，弯曲加工开始阶段的弯曲半径从比根据弯曲臂的有效旋转半径确定的稳定弯曲半径大的半径变化到该稳定弯曲半径，所以，可使弯曲加工开始部的C侧的从非加工对象直管部的增厚隆起的上升为坡状，而不是急剧的台阶状，使C侧的折皱变形发生的初动因素朝管中心线方向分解缓和，从而更有效地对该折皱变形的发生进行抑制。
另外，在使加热冷却装置、推进装置及弯曲臂动作而进行的弯曲加工的开始之前，使加热冷却装置的初期位置处于从加热冷却装置的稳定位置更偏往金属管的前端侧的位置，该加热冷却装置的稳定位置由垂线与该管中心线的交点位置而确定，其中，该垂线使由加热冷却装置形成的最高升温部通过弯曲臂的旋转轴心并与金属管的管中心线正交；接着，一边使加热冷却装置朝稳定位置移动一边仅使加热冷却装置的加热装置动作，开始金属管的加热，此后，从到稳定位置的途中位置开始减速，使其到达稳定位置，同时，与从该减速的开始直到到达稳定位置的动作同步，使推进装置和弯曲臂进行从弯曲加工的开始直到达到上述比例(ds/dθ)的一定值的动作。
这样，在开始弯曲加工之前，由朝上述稳定位置移动的加热冷却装置的加热装置加热金属管的弯曲加工开始部，所以，可按沿金属管的壁厚方向使该弯曲加工开始部的加热温度均匀化的状态开始弯曲加工，为此，可防止该加热温度在金属管的内外不同的场合所产生的不规则变形的发生地对金属管进行弯曲加工。
另外，也可通过由弯曲臂对金属管的前端侧作用与上述推进装置的推进力相反方向的外力，从而一边对金属管施加管中心线方向的压缩负荷一边进行该金属管的弯曲加工。
按照该压缩弯曲加工，可使作为金属管的C侧与T侧的边界的中立位置朝T侧移动，所以，可仅按压缩量使伴随着弯曲加工而减厚的该T侧的减厚量相应减少，可消除该T侧的壁厚不足。
如设金属管的公称管径为D，由弯曲臂的有效旋转半径获得的金属管的稳定弯曲半径为R0，则以上说明的金属管的热弯曲加工方法在R0≤1.5D这样的极小R范围实施金属管的弯曲加工的场合特别有效。这是因为，在R0≤1.5D这样的极小R的弯曲中，扁平变形和折皱变形的问题成为主要障碍，本发明的目的就是在于解决这一问题，此外，在上述极小R弯曲中，从前方夹持装置到弯曲变形部的距离短，进而从后方夹持装置到弯曲变形部的距离也可较短，上述压缩负荷wN-N′和压缩反力wT-C向弯曲变形部的弹性传播效率处于高位。
然而，本发明的金属管的热弯曲加工方法在1.5D＜R0的范围当然也可实现。
本发明的金属管的热弯曲加工装置具有环状的加热冷却装置、推进装置及弯曲臂；该环状的加热冷却装置围绕受到弯曲加工的金属管的短区间配置，在前段配置用于对上述金属管的上述短区间进行感应加热的感应线圈，而且在后段配置用于跟随地对由该感应线圈加热后的上述金属管的加热部进行冷却的冷却装置；该推进装置配置于该加热冷却装置的后方并将把持上述金属管的后端侧的后方夹持装置配置于最前端，用于使上述金属管朝管中心线方向前进；该弯曲臂配置于上述加热冷却装置的前侧区域并将把持上述金属管的前端侧的前方夹持装置配置于一端侧，而且在另一端侧设置旋转轴心，该旋转轴心处于从上述加热冷却装置的稳定位置朝与上述金属管的管中心线正交的方向离开的位置，该弯曲臂用于将上述金属管的前端侧的前进路线限制成弧状；其中上述后方夹持装置和上述前方夹持装置对该金属管的管横截面内施加与弯曲平面正交的方位的压缩负荷，同时，施加阻止与该弯曲平面平行的方位的扩径的夹紧负荷，从而进行这些装置对上述金属管的把持。
按照该装置，可按由上述具有各向异性的夹紧力进行夹紧的形式、以产生弹性缩径的过盈量夹紧该金属管，所以，可实施上述金属管的热弯曲加工方法。
该装置的前方夹持装置和后方夹持装置如成为能够如上述那样夹紧把持金属管的构造，则可为任意的构造。作为其一例，使后方夹持装置和前方夹持装置中的至少前方的夹持装置为具有把持金属管的2个夹持构件的装置，使这些夹持构件中的一方的夹持构件为固定夹持构件，另一方的夹持构件为相对该固定夹持构件以回转中心轴为中心自由回转的回转夹持构件，通过使该回转夹持构件以回转中心轴为中心回转，可与固定夹持构件一起把持金属管，使该回转中心轴位于相对与金属管的弯曲平面正交的直径线产生倾斜的直径线上。
按照该构造，可简单而且效率良好地进行夹紧，该夹紧可同时确保产生上述压缩负荷wN-N′和压缩反力wT-C的夹紧形式以及用于产生上述弹性缩径的夹紧力，另外，用于弯曲加工的金属管在上述夹持装置的安装也变得容易。
按照本发明，对于1.5DR或其以下的极小R弯曲加工，包括压缩弯曲在内，可抑制管横截面的扁平变形或在弯曲内侧的折皱变形地进行，获得消除与弯曲半径比相关的过去受到的制约的效果。


图1为示出在受到弯曲加工的金属管的管横截面内产生的扁平化应力的图。
图2为示出由本发明一实施形式的夹持装置夹紧把持金属管时的压缩负荷和压缩反力的图。
图3为示出本发明一实施形式的装置整体的平面图。
图4为图3的S4-S4线截面图。
图5为图3的S5-S5线截面图。
图6为仅示出图4中的金属管和后方夹持装置的2个夹持构件的图。
图7为仅示出图5中的金属管和前方夹持装置的2个夹持构件的图。
图8为示出由图7的前方夹持装置夹紧把持金属管时的夹紧行程的几何学图。
图9为示出对金属管进行弯曲加工的作业的第1阶段的平面图。
图10为示出对金属管进行弯曲加工的作业的第2阶段的平面图。
图11为示出对金属管进行弯曲加工的作业的第3阶段的平面图。
图12为示出对金属管进行弯曲加工的作业的第4阶段的平面图。
图13为示出弯曲加工中的金属管和加热冷却装置的移动速度的变化的时间图，为也示出了弯曲臂的旋转速度的图。
图14为示出由本实施形式的装置减轻金属管的弯曲变形部的扁平变形这一状态的金属管的示意图。
图15为示出按照图13的时间图实施弯曲加工时的金属管的弯曲半径变化的时间图。
图16为示出按照图13的时间图实施弯曲加工时的金属管的成为弯管部分的截面图。
图17为示出当压缩弯曲加工金属管时中立位置移动的图。
图18为示出另一实施形式的前方夹持装置的图。
图19为示出按弯曲半径R对公称管径D、半径r的金属管进行弯曲加工时的截面图。
图20为图19的S20-S20线截面图。
具体实施例方式
下面根据

用于实施本发明的形式。图3为本实施形式的装置的整体平面图，在该图3中，在底盘11上立设中心轴12，齿轮13以该中心轴12为中心自由回转，弯曲臂14也以该中心轴12为中心自由回转，该弯曲臂14与齿轮13接合，所以，弯曲臂14与齿轮13一体旋转。在弯曲臂14的与中心轴12侧相反的端部侧配置有用于把持要进行弯曲加工的金属管1的前端侧的前方夹持装置15，另外，按围绕要进行弯曲加工的金属管1的形式配置环状的加热冷却装置16。该加热冷却装置16由前段侧即前方夹持装置15侧的加热装置16A和后段侧的冷却装置16B构成。加热装置16A具有通有高频电流的感应线圈，用于对由加热装置16A围绕的金属管1的短区间进行感应加热，冷却装置16B用于跟随地冷却由加热装置16A加热到红热温度的金属管1的加热部，具有用于对该加热部喷射冷却水的喷射单元。
加热冷却装置16与由伺服电动机等驱动源17A驱动的进给装置17连接，由构成该进给装置17的进给丝杠等的进给作用，使加热冷却装置16朝金属管1的管中心线A的方向前进、后退。
在加热冷却装置16的后方，配置用于使金属管1朝管中心线A的方向前进的推进装置18。该推进装置18具有金属管1两侧的液压缸19和连接这些液压缸19的朝加热冷却装置16侧的活塞杆19A的推进构件20。在推进装置18的接近加热冷却装置16的最前端构件即该推进构件20上，配置用于把持金属管1的后端侧的后方夹持装置21。液压缸19和推进构件20配置在设于上述底盘11上的导向构件22上，如图3的S4-S4线截面图即图4所示那样，在该导向构件22上设置朝金属管1的管中心线A的方向对推进构件20进行导向的导向部22A。
如图3所示那样，上述前方夹持装置15配置到位于加热冷却装置16的前侧区域的弯曲臂14的一端侧，在由后方夹持装置21将金属管1的后端侧安装于推进装置18后，当由前方夹持装置15将金属管1的前端侧安装于弯曲臂14、使液压缸19的活塞杆19A进行伸长动作时，由导向构件22的导向部22A导向移动的推进构件20使金属管1相对加热冷却装置16前进；同时，该金属管1的前端侧的前进路线，由以设于弯曲臂14的另一端侧的中心轴12为中心的该弯曲臂14的旋转而限制成弧状，在由加热冷却装置16的加热装置16A而将上述短区间加热到红热温度的金属管1，施加由上述前进和上述前进线路限制产生的弯曲力矩，从而使该短区间进行弯曲变形。
另外，如图3所示那样，在以中心轴12为中心自由回转的上述齿轮13上，啮合有与液压23的活塞杆23A连接的齿条构件24。液压缸23由伺服阀装置控制，与齿轮13一体旋转的弯曲臂14的以中心轴12为中心的旋转速度成为与液压缸23的活塞杆23A的动作速度相应的速度，该液压缸23的活塞杆23A的动作速度相应于由推进装置18获得的金属管1的前进速度而受到控制。
在上述底盘11上设置制动构件25，该制动构件25用于防止弯曲臂14超越图3所示的初期位置朝推进装置18侧旋转。
配置于推进装置18的上述后方夹持装置21如图4所示那样，具有固定配置在形成为四方框状的推进构件20的内部下侧的固定夹持构件31，可上下自由滑动地装于推进构件20的内部上侧的滑动夹持构件32，及安装于推进构件20上面、使滑动夹持构件32上下移动的液压缸33。如仅示出金属管1和两夹持构件31、32的图6那样，在两夹持构件31、32上形成半圆形的凹部31A、32A，该半圆形的凹部31A、32A为可留下图示间隙δ1地正好与金属管1配合的尺寸，通过由液压缸33朝下移动滑动夹持构件32，从而由这些凹部31A、32A把持金属管1。
当由两夹持构件31、32把持金属管1时，该把持以在金属管1由弹性缩径产生的过盈量进行，该弹性缩径与凹部31A、32A相对该金属管1的管径的上下深度对应，即，如由图2说明的那样，金属管1的N-N′方位按施加产生弹性缩径(上述0.01～0.08％大体基准)的压缩负荷wN-N′的形式进行。作为施加该压缩负荷wN-N′的反作用，要使管体朝T-C方向扩径，但该反作用通过如上述那样正好配合于金属管1地制作的两夹持构件31、32的凹部31A、32的阻挡而加以阻止，扩径没有进展，而是从两夹持构件31、32对管体施加T-C方向的压缩反力。该压缩反力wT-C按与上述N-N′方位的压缩负荷wN-N′相应的强度产生，所以，通过在产生上述大体基准的弹性缩径的范围内调整上述wN-N′的强度，可将上述压缩反力wT-C调整为产生上述大体基准的弹性缩径强度。结果，金属管1在N-N′方位和T-C方位都产生相同程度强度的压缩应力，从而导致扁平变形的扁平化应力的管横截面内各向异性改善为在所有方位产生压缩应力的大体各向同性的状态，上述引起各向异性的扁平变形大幅度减轻。
配置于弯曲臂14的上述前方夹持装置15如图3的S5-S5线截面图即图5所示那样，具有固定于弯曲臂14的固定夹持构件34，可相对该固定夹持构件34以回转中心轴35为中心自由回转的回转夹持构件36，及按与金属管1的弯曲平面平行的方向安装于固定夹持构件34的立起部34B上并以回转中心轴35为中心使回转夹持构件36回转的液压缸37。回转中心轴35不配置到与金属管1的弯曲平面正交的直径线B上，而是配置到相对该直径线B从金属管1中心朝金属管1的C侧(弯曲侧)倾斜图示θ角度的直径线D上。
如仅示出金属管1和两夹持构件34、36的图7那样，在固定夹持构件34和回转夹持构件36上也形成半圆形的凹部34A、36A，这些凹部34A、36A为可余留位于与回转中心轴35相反侧的图示间隙δ2地正好与金属管1配合的尺寸，所以，回转夹持构件36由液压缸37的活塞杆37A推压，以回转中心轴35为中心朝固定夹持构件34侧回转，从而由这些凹部34A、36A把持金属管1。当这样把持金属管1时，如图8所示那样，由杠杆原理使回转夹持构件36朝N-N′方位按ΔV＝D(1-cosθ)/2的行程(D为金属管1的外径)夹持金属管1，根据该ΔV朝金属管1的N-N′方位施加与金属管1的压缩弹性率等相应的图2的压缩负荷wN-N′，作为该压缩负荷施加的反作用，与图4、图6的夹持构件31、32的场合同样，T-C方位的图2的压缩反力wT-C由夹持构件34、36产生，这样，与上述后方夹持装置21同样，实现按全周压缩模式的夹紧把持。
关于由这些夹持构件34、35进行的金属管1的弹性缩径的夹紧把持，通过设定直径线D相对直径线B的倾斜角度θ或凹部34A、36A相对金属管1的管径的深度，N-N′方位的压缩负荷wN-N′的调整和T-C方位的压缩反力wT-C的调整也可与图4、图6的夹持构件31、32的场合同样地进行。
在上述例中，示出作为夹持构件31、32或34、36使用一体构造件的形式，但也可为使用嵌木细工构造件(例如用键槽组合大尺寸的主体部分与正好配合于金属管1的内衬部分的结构的构造件)作为这些夹持构件的形式。该形式作为受到弯曲加工的金属管的外径尺寸有多种的场合的对策有用。
另外，作为上述夹持构件的T-C侧凹部深度等微调单元，将适当厚度的金属薄板片(所谓的垫片)啮入到金属管1与上述夹持构件间的形式也有用，特别是在希望对压缩负荷wN-N′与压缩反力wT-C的比例进行微调的场合有用。
虽然上述嵌木细工方式和垫片插入手法都能够以不选择夹持构件的形式地适用，但特别容易适用的是T侧或C侧的凹部按1条轨迹形成的图5、图7的夹持构件34、36的形式。
图9～图12为按其作业顺序示出使上述进给装置17、液压缸19的伺服阀装置、加热冷却装置16、前方夹持装置15、后方夹持装置21等动作而进行的金属管1的弯曲加工的图，由这些进给装置17等的动作进行的金属管1的弯曲加工由记录于计算机的程序如以下进行。
如图9所示那样，弯曲加工开始前的加热冷却装置16的初期位置E成为比加热冷却装置16的稳定位置I更偏往金属管1的前端侧的位置，该稳定位置I由垂线G与管中心线A的交点位置H确定，该垂线G通过弯曲臂14的中心轴12的旋转轴心F并与金属管1的管中心线A正交。此后，加热冷却装置16一边朝稳定位置I移动一边仅使加热装置16A动作，开始金属管1的加热，加热冷却装置16从到稳定位置I的途中位置开始减速地到达稳定位置I。然后，如在后述的图13的说明中可以看出的那样，当该减速开始时，开始由推进装置18实现的金属管1的前进和弯曲臂14的以中心轴12为中心的旋转来进行金属管1的弯曲加工。
在图10～图12所示的该弯曲加工中，进行微分动作。即，金属管1的管中心线A方向的短区间由加热冷却装置16的加热装置16A的感应加热按环状加热到红热温度；由推进装置18使金属管1相对加热冷却装置16朝管中心线A方向前进，由以中心轴12为中心进行轴心旋转的弯曲臂14将金属管1的前端侧的前进路线限制为弧状而进行前进路线限制，从而在金属管1施加弯曲力矩；通过这样在金属管1施加弯曲力矩，从而使金属管1的加热到红热温度的上述短区间产生弯曲变形；然后，结束了弯曲变形的部分在加热后由加热冷却装置16的冷却装置16B跟随地冷却，从而将弯曲变形后的部分固定化为该弯曲变形后的形状，这样使金属管1的管中心线A方向的短区间成为形状固定了的弯曲变形部。该微分动作由金属管1的上述前进依次前进到金属管1的后端侧，从而对金属管1的所期望区间进行弯曲加工。
图13为示出以上的弯曲加工的金属管1的移动速度J和加热冷却装置16的移动速度K的变动的时间图，在该时间图中，为了与金属管1的移动速度J对比，还示出了由图3所示液压缸23的活塞杆23A的动作速度设定的弯曲臂14的以中心轴12为中心的旋转速度L(dθ/dt)。另外，在图13的表示速度的纵轴，+(正)表示朝图3和图9～图12的右侧的前进速度，-(负)表示朝图3和图9～图12的左侧的后退速度。
图13的横轴的时间t1为图8所示时刻，该时间t1时的加热冷却装置16的初期位置E如上述那样，成为比上述稳定位置I更偏往金属管1的前端侧的位置。此后，加热冷却装置16如图13的速度K所示那样，按一定速度后退，该后退速度从时间t2开始减少，在时间t3为零，即加热冷却装置16成为停止状态，在该时间t3，加热冷却装置16达到稳定位置I。然后，该加热冷却装置16停止在稳定位置I直到时间t4，接着，加热冷却装置16从时间t4到时间t5一边增加速度一边后退。时间t5时的状态由图12示出。另一方面，由推进装置18实现的金属管1的前进从时间t1到时间t2不进行，该金属管1的前进从时间t2开始，该前进速度如图13的速度J所示那样增加直到时间t3。此后，金属管1从时间t3到时间t4按一定速度前进，此时的状态由图10和图11示出，金属管1的前进速度从时间t4开始减少，在时间t5成为零。
在从以上的时间t1到时间t5，金属管1的相对加热冷却装置16的相对速度(即速度差J-K＝ds/dt)常时为一定值，为此，从加热冷却装置16的加热装置16A输入到金属管1的热量成为每金属管1的单位长度一定量，这样，金属管1均匀地受到加热。
可是，当金属管1如上述那样受到弯曲加工时，受到弯曲加工而产生塑性变形的弯曲变形部，由随着向金属管1施加上述弯曲力矩而产生于与管中心的轨迹正交的管横截面内的扁平化应力的作用，要如图14的M所示那样朝N-N′方向长径化、产生扁平变形。
然而，在本实施形式的装置中，金属管1的弯曲加工在由前方夹持装置15把持金属管1的前端侧、由后方夹持装置21把持金属管1的后端侧的状态下进行，这些把持如上述那样，按在金属管1产生弹性缩径的过盈量进行，该夹紧形式成为这样的夹紧形式，即，在金属管1施加与弯曲加工的弯曲平面正交的方位N-N′的压缩负荷，而且阻止与弯曲平面平行的T-C方位的金属管1的扩径。另外，上述方位N-N′的压缩负荷和由上述夹紧形式阻止作为其反作用的T-C方位的扩径而施加于金属管1的T-C方位的压缩反力，弹性地传递到弯曲加工中的金属管1的弯曲变形部，由此减轻该弯曲变形部的扁平化应力的管横截面内各向异性，减轻扁平变形等不规则变形。
结果，例如可将要如图14的M那样进行扁平变形的金属管1的扁平程度减轻为图14的P的程度。另外，可抑制C侧的折皱变形的发生地对金属管1进行弯曲加工，另外，设金属管1的公称管径为D，基于弯曲臂14的有效旋转半径的金属管1的稳定弯曲半径为R0(参照图12)，则可在R0≤1.5D的范围进行金属管1的弯曲加工，更为具体地说，还可在1＜R0≤1.5D的范围进行。
另外，在本实施形式中，如图12所示那样，后方夹持装置21配置于上述推进装置18的最前端，这样，将金属管1的弯曲加工结束时的后方夹持装置21的位置设定为比金属管1后端部与加热冷却装置16之间的金属管1的后端部更接近加热冷却装置16的位置，所以，从后方夹持装置21的把持位置到上述弯曲变形部的距离变短，可更有效地进行对于弯曲变形部的N-N′方位的压缩负荷或T-C方位的压缩反力的传递，可更确实地抑制扁平变形或在C侧的折皱变形的发生。
另外，在本实施形式中，图13所示弯曲臂14的旋转速度L中的、时间t2与时间t3间的旋转速度(dθ/dt)如由L1所示那样，相对时间大体成比例地增加，在该例中，图3示出的液压缸23的活塞杆23A的动作速度由上述伺服阀装置控制，从而使成为弯曲加工开始阶段的从时间t2到时间t3的弯曲臂14的旋转速度(dθ/dt)经过渐增过程达到一定值。为此，由推进装置18产生的金属管1相对加热冷却装置16的相对前进速度(J-K＝ds/dt)与弯曲臂14的旋转速度(L＝dθ/dt)的比例(ds/dθ)，换言之，弯曲半径R，经过时间t2与时间t3间的渐减过程达到一定值。
图15的Q表示金属管1的弯曲半径R相对时间的变化。如上述那样，当金属管1相对加热冷却装置16的相对前进速度(J-K＝ds/dt)与弯曲臂14的旋转速度(L＝dθ/dt)的比例(ds/dθ)变化时，如图15的Q中的Q1部分所示那样，在时间t2与时间t3之间的金属管1的弯曲加工开始阶段中，弯曲半径R从比根据弯曲臂14的有效旋转半径确定的稳定弯曲半径R0大的半径变化到该稳定弯曲半径R0，实现分级(渐变)弯曲加工。
按照该分级弯曲加工，如图16所示那样，金属管1的弯曲加工开始部1A的C侧的金属管前端侧的从非加工对象直管部1B朝管内外的增厚隆起的上升不为急剧的台阶状，可形成为坡状，这样，可进一步更有效地抑制弯曲加工开始部1A的在C侧的折皱变形的发生。
另外，在本实施形式中，如上述那样，在从图13的时间t2的金属管1的弯曲加工开始之前，设加热冷却装置16的初期位置E处于比稳定位置更偏往金属管1前端侧的位置，然后，一边使加热冷却装置16朝稳定位置I移动，一边仅使加热冷却装置16的加热装置16A动作而开始金属管1的加热，所以，在开始上述分级弯曲加工和按稳定弯曲半径R0进行的稳定弯曲加工之前，可沿金属管1的壁厚方向使上述弯曲加工开始部1A的加热温度均匀化。这样，通过使金属管1的C侧的增厚所产生的管壁的隆起在管内侧和管外侧均匀化，使朝上述管内外的坡状的上升角度(图16的S1和S2)大体相等，从而更确实地抑制上述折皱变形的发生。
另外，在本实施形式中，图13所示弯曲臂14的旋转速度L中的时间t4与时间t5之间的旋转速度(dθ/dt)也如由L2所示那样，相对时间大体按比例减少，在这里，上述液压缸23的活塞杆23A的动作速度由上述伺服阀装置控制，从而使成为弯曲加工结束阶段的从时间t4到时间t5之间的弯曲臂14的旋转速度(L＝dθ/dt)经过渐减过程成为零。为此，推进装置18产生的金属管1相对加热冷却装置16的相对前进速度(J-K＝ds/dt)与弯曲臂14的旋转速度(L＝dθ/dt)的比例(ds/dθ)，换言之，弯曲半径R，经过时间t4与时间t5间的渐增过程达到大的值。
这样，如图15的Q中的Q2部分所示那样，在从时间t4到时间t5间的金属管1的弯曲加工结束阶段，也可实现分级弯曲加工，即，弯曲半径R从根据弯曲臂14的有效旋转半径确定的稳定弯曲半径R0变化到比该稳定弯曲半径R0大的半径。
按照该分级弯曲加工，上述管壁的隆起的上升为坡状，另外，在弯曲加工结束阶段，金属管1的温度已在壁厚方向均匀化，所以，如图16所示那样，可使得金属管1的弯曲加工结束部1C的C侧的金属管后端侧的从非加工对象直管部1D朝管内外的增厚隆起上升角度S3与S4大体相同，这样，在弯曲加工结束部1C的C侧也可抑制折皱变形的发生。
另外，在本实施形式中，通过比较图13的金属管1的移动速度J与弯曲臂14的旋转速度L可知，从时间t2到时间t5的旋转速度L成为比与移动速度J对应的旋转速度稍慢的速度(图13的L＝dθ/dt的表示为这样的表示尺度，该表示尺度为了判断与“J＝金属管1的移动速度”的关系，通过乘弯曲臂14的有效半径R0而变换成弯曲臂14的有效旋转圆周速度)。由该速度差，实现一边从弯曲臂14在金属管1作用与推进装置18的推进力相反方向的压缩负荷一边进行弯曲加工的压缩弯曲加工，T侧的减厚量减少与压缩量相应的量。在该场合，如图17所示那样，作为金属管的C侧(压缩侧)与T侧(拉伸侧)的边界的中立位置N-N′从通过金属管1的中心的位置U1偏往朝T侧偏的位置U2。
通过进行这样的压缩弯曲加工，在C侧的增厚量增加的场合，也可通过进行上述分级弯曲加工等确实地防止在该C侧发生折皱变形。
另外，按照本实施形式，使配置于弯曲臂14的前方夹持装置15的回转夹持构件36以回转中心轴35为中心回转的液压缸37如图5所示那样，成为与金属管1的弯曲平面平行的方向，因此，可容易地进行该液压缸37的维修等作业。
图18示出另一实施形式的前方夹持装置45。该前方夹持装置45具有固定立设于弯曲臂14的固定夹持构件46，由回转中心轴47、48可上下自由回转地连接于该固定夹持构件46的第1和第2回转夹持构件49、50，由轴51安装在下侧的第2回转夹持构件50的托架52，及安装于该托架52的液压缸53，该液压缸53的活塞杆53A连接于上侧的第1回转夹持构件49。在上述3个夹持构件46、49、50形成与金属管1的外周形状对应的圆弧状凹部46A、49A、50A，通过使活塞杆53A进行伸长动作，从而由这些凹部46A、49A、50A把持金属管1。
在该实施形式的前方夹持装置45中，也可按与上述实施形式的前方夹持装置15和后方夹持装置21同样的夹紧形式把持金属管1。
也可将该前方夹持装置45用作后方夹持装置。另外，也可将上述实施形式的前方夹持装置15用作后方夹持装置，将上述实施形式的后方夹持装置21用作前方夹持装置。
本发明可用于在R/D≤1.5这样的范围也可抑制管横截面的扁平变形和弯曲内侧的折皱变形地进行弯曲半径比(R/D)小的金属管的弯曲加工。
权利要求
1.一种金属管的热弯曲加工方法，进行由弯曲变形过程和形状固定过程构成的弯曲加工的微分动作；在该弯曲变形过程中，一边由加热冷却装置的前段的加热装置通过感应加热将金属管的管中心线方向的短区间以环状加热成红热状态，一边由配置于上述加热冷却装置后方的推进装置使上述金属管相对该加热冷却装置向管中心线方向前进，由绕轴心旋转的弯曲臂将该金属管的前端侧的前进路线限制为弧状地进行前进路线限制，对该金属管施加弯曲力矩，从而使上述红热的短区间产生弯曲变形；在该形状固定过程中，由上述加热冷却装置的后段的冷却装置跟随地冷却在该弯曲变形过程中结束了弯曲变形的部位，从而固定上述进行了弯曲变形的形状；通过该金属管的上述前进，使该弯曲加工的微分动作依次向该金属管的后端侧前进，对上述金属管的所期望的区间进行弯曲加工；其特征在于由为了将上述金属管安装于上述推进装置而配置于该推进装置的后方夹持装置和为了将该金属管安装于上述弯曲臂而配置于该弯曲臂的前方夹持装置分别进行上述金属管的把持，进行该金属管的把持时，按对金属管施加管横截面内的与弯曲平面正交的方位的压缩负荷并阻止与该弯曲平面平行的方位的扩径的夹紧形式，以在该金属管产生弹性缩径的过盈量夹紧该金属管；在该夹紧把持状态下进行上述弯曲加工。
2.根据权利要求1所述的金属管的热弯曲加工方法，其特征在于将上述后方夹持装置配置在上述推进装置的最前端，以使上述金属管的弯曲加工结束时的该后方夹持装置的位置处于上述金属管的后端部与上述加热冷却装置之间的、比上述金属管的后端部更接近上述加热冷却装置的位置的方式设定把持位置，进行该后方夹持装置对金属管的把持。
3.根据权利要求1所述的金属管的热弯曲加工方法，其特征在于经过弯曲加工开始阶段的渐增过程使上述弯曲臂的旋转速度(dθ/dt)达到一定值，经过弯曲加工开始阶段的渐减过程使由上述推进装置推进的上述金属管的相对上述加热冷却装置的相对前进速度(ds/dt)与上述弯曲臂的旋转速度(dθ/dt)的比例(ds/dθ)达到一定值，从而使上述弯曲加工成为分级弯曲加工，即，在其开始阶段，弯曲半径从比根据上述弯曲臂的有效旋转半径确定的稳定弯曲半径大的半径变化到该稳定弯曲半径。
4.根据权利要求3所述的金属管的热弯曲加工方法，其特征在于在使上述加热冷却装置、上述推进装置及上述弯曲臂动作而进行的上述弯曲加工的开始之前，使上述加热冷却装置的初期位置处于从该加热冷却装置的稳定位置偏往上述金属管的前端侧的位置，该加热冷却装置的稳定位置由垂线与该管中心线的交点位置而确定，其中，该垂线使由该加热冷却装置形成的最高升温部通过上述弯曲臂的旋转轴心并与上述金属管的管中心线正交；接着，一边使该加热冷却装置朝该稳定位置移动一边仅使该加热冷却装置的加热装置动作，开始上述金属管的加热，此后，从到上述稳定位置的途中位置开始减速，使其到达该稳定位置，同时，与从该减速的开始直到该到达稳定位置的动作同步，使上述推进装置和上述弯曲臂进行从上述弯曲加工的开始直到达到上述比例(ds/dθ)的一定值的动作。
5.根据权利要求1所述的金属管的热弯曲加工方法，其特征在于通过由上述弯曲臂对上述金属管的前端侧作用与上述推进装置的推进力相反方向的外力，一边对该金属管施加管中心线方向的压缩负荷一边进行上述金属管的弯曲加工。
6.根据权利要求1所述的金属管的热弯曲加工方法，其特征在于设上述金属管的公称管径为D，由上述弯曲臂的有效旋转半径获得的上述金属管的稳定弯曲半径为R0，则在R0≤1.5D的范围实施上述金属管的弯曲加工。
7.一种金属管的热弯曲加工装置，具有环状的加热冷却装置、推进装置及弯曲臂；该环状的加热冷却装置围绕受到弯曲加工的金属管的短区间配置，在前段配置用于对上述金属管的上述短区间进行感应加热的感应线圈，而且在后段配置用于跟随地对由该感应线圈加热后的上述金属管的加热部进行冷却的冷却装置；该推进装置配置于该加热冷却装置的后方并将把持上述金属管的后端侧的后方夹持装置配置于最前端，该推进装置用于使上述金属管朝管中心线方向前进；该弯曲臂配置于上述加热冷却装置的前侧区域并将把持上述金属管的前端侧的前方夹持装置配置于一端侧，而且在另一端侧设置旋转轴心，该旋转轴心处于从上述加热冷却装置的稳定位置朝与上述金属管的管中心线正交的方向离开的位置，该弯曲臂用于将上述金属管的前端侧的前进路线限制成弧状；其特征在于上述后方夹持装置和上述前方夹持装置对该金属管的管横截面内施加与弯曲平面正交的方位的压缩负荷，同时，施加阻止与该弯曲平面平行的方位的扩径的夹紧负荷，从而进行这些装置对上述金属管的把持。
8.根据权利要求7所述的金属管的热弯曲加工装置，其特征在于上述前方夹持装置和上述后方夹持装置中的至少上述前方的夹持装置具有把持上述金属管的2个夹持构件，这些夹持构件中的一方的夹持构件为固定夹持构件，另一方的夹持构件为相对该固定夹持构件以回转中心轴为中心自由回转的回转夹持构件，通过使该回转夹持构件以上述回转中心轴为中心回转，可与上述固定夹持构件一起把持金属管，上述回转中心轴位于相对与上述金属管的弯曲平面正交的直径线产生倾斜的直径线上。
全文摘要
本发明涉及一种金属管的热弯曲加工方法及装置，该金属管的热弯曲加工方法及装置可使得弯曲加工产生的应力不平衡不导致不规则变形，可摆脱与弯曲半径比相关的过去的制约。受到弯曲加工的金属管(1)的前端侧由以中心轴(12)为中心旋转的弯曲臂(14)的前方夹持装置(15)把持，金属管(1)的后端侧由配置于加热冷却装置(16)后方的推进装置(18)的后方夹持装置(21)把持，由推进装置(18)使由加热冷却装置(16)加热、冷却的金属管(1)前进，由弯曲臂(14)的旋转进行弯曲加工，这样的弯曲加工作业由两夹持装置(15、21)按产生弹性缩径的过盈量夹紧金属管(1)而进行，由该夹紧，在减轻伴随着弯曲力矩的施加而产生于与管中心的轨迹正交的面内的扁平化应力的状态下进行金属管(1)的弯曲加工。
文档编号B21D7/16GK1872441SQ20051013389
公开日2006年12月6日 申请日期2005年12月20日 优先权日2005年5月30日
发明者花本幸满, 河野达美, 山内次男 申请人:第一高周波工业株式会社