KR102778286B1

KR102778286B1 - 성형시스템

Info

Publication number: KR102778286B1
Application number: KR1020217019777A
Authority: KR
Inventors: 케이 야마우치
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2025-03-06
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: WO2020217716A1; US20210354187A1; JPWO2020217716A1; US11772148B2; EP3960323A4; EP3960323B1; CN113677450B; CN113677450A; CA3127032A1; CA3127032C; EP3960323A1; JP7474756B2; KR20210154136A

Abstract

가열된 금속파이프재료를 팽창시켜 금속파이프를 성형하는 성형시스템이다. 이 성형시스템은, 가열된 금속파이프재료에 고압의 기체를 공급하여, 금속파이프재료를 팽창시키는 기체공급부와, 금속파이프재료를 팽창시켜 고온이 된 기체를 배출하는 배출부와, 배출부를 흐르는 기체를 냉각하는 냉각부를 구비한다.

Description

성형시스템

본 개시는, 성형시스템에 관한 것이다.

특허문헌 1에는, 금속파이프재료에 유체를 공급할 때의 시일성을 향상시킬 수 있는 성형시스템이 기재되어 있다. 성형시스템은, 금속파이프재료의 단부(端部)를 가열하는 가열부와, 금속파이프재료 내에 유체를 공급하여 팽창시키는 유체공급부와, 가열부 및 유체공급부를 제어하는 제어부를 구비한다. 제어부는, 유체공급부에 의한 유체의 공급보다 전(前)단계에서, 금속파이프재료의 단부를 가열하도록 가열부를 제어한다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2016-002578호

특허문헌 1에 기재된 성형시스템에 있어서는, 금속파이프재료 내에 공급된 기체는, 금속파이프재료의 가열에 따라 고온화된다. 성형시스템에 있어서의 금속파이프재료의 성형이 완료된 후에 고온화된 기체가 방출됨으로써, 유체가 유통되는 유로의 주변의 부재가 열의 영향을 받을 우려가 있다.

상기 사정을 감안하여, 본 개시는, 유로의 주변의 부재에 대한 열의 영향을 억제할 수 있는 성형시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시의 일 형태는, 가열된 금속파이프재료를 팽창시켜 금속파이프를 성형하는 성형시스템이다. 이 성형시스템은, 가열된 금속파이프재료에 기체를 공급하여, 금속파이프재료를 팽창시키는 기체공급부와, 금속파이프재료를 팽창시킨 후에 기체를 배출하는 배출부와, 배출부를 흐르는 기체를 냉각하는 냉각부를 구비한다.

이 성형시스템에서는, 기체는, 기체공급부에 의하여 가열된 금속파이프재료에 공급되어, 금속파이프재료를 팽창시킨다. 기체는, 가열된 금속파이프재료에 의하여 고온이 된 기체가 된다. 고온이 된 기체는, 금속파이프재료를 팽창시킨 후에 배출부에서 배출된다. 여기에서, 성형시스템은, 배출부를 흐르는 기체를 냉각하는 냉각부를 구비한다. 이로써, 고온의 유체가 성형시스템 내의 유로를 흐르는 것을 억제할 수 있다. 이상으로부터, 유로의 주변의 부재에 대한 열의 영향을 억제할 수 있다.

기체공급부는, 기체를 공급하는 공급구를 갖는 노즐과, 노즐로부터 공급구에 대하여 반대측으로 뻗어, 노즐을 지지하는 지지부와, 지지부의 연신방향을 따라, 당해 지지부를 이동시키는 구동부를 갖고, 노즐 및 지지부에는, 기체를 공급구측으로 유통시킴과 함께, 금속파이프재료로부터 고온이 된 기체를 배출부측으로 유통시키도록 뻗는 유로가 형성되며, 기체공급부에는, 유로를 유통하는 고온이 된 기체를 냉각하는 냉각부가 마련되고, 냉각부는, 노즐과는 별개 부재로서, 적어도 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측의 위치에 마련되어도 된다.

이 성형시스템에서는, 고압의 기체는, 기체공급부에 의하여 가열된 금속파이프재료에 공급되어, 금속파이프재료를 팽창시킨다. 고압의 기체는, 가열된 금속파이프재료에 의하여 고온이 된 기체가 된다. 고온이 된 기체는, 노즐 및 지지부 내에 마련된 유로를 유통한다. 냉각부는, 적어도 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측의 위치에 있어서 유로를 냉각하도록 배치된다. 이 때문에, 유로를 유통하는 고온이 된 기체는, 냉각부에 의하여, 적어도 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측의 위치에 있어서 냉각된다. 적어도 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측의 범위는, 구동부 및 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측과는 반대측의 범위와 비교하여 열의 영향을 받기 어렵기 때문에, 고온이 된 기체에 의한 열의 영향을 당해 범위로 억제할 수 있다. 따라서, 유로의 주변의 부재에 대한 열의 영향을 억제할 수 있다.

기체공급부는, 기체를 공급하는 공급구를 갖는 노즐과, 노즐로부터 공급구에 대하여 반대측으로 뻗어, 노즐을 지지하는 지지부와, 지지부의 연신방향을 따라, 당해 지지부를 이동시키는 구동부를 갖고, 노즐 및 지지부에는, 기체를 공급구측으로 유통시킴과 함께, 금속파이프재료로부터 기체를 배출부측으로 유통시키도록 뻗는 유로가 형성되며, 기체공급부에는, 유로를 유통하는 기체를 냉각하는 냉각부가 마련되고, 냉각부는, 적어도 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측의 위치에 마련되며, 유로의 일부의 구간의 연신방향에 대한 횡단면적을 유로의 다른 구간의 연신방향에 대한 횡단면적과 비교하여 축소시킴으로써 고온이 된 기체를 냉각해도 된다.

이 성형시스템에서는, 고압의 기체는, 기체공급부에 의하여 가열된 금속파이프재료에 공급되어, 금속파이프재료를 팽창시킨다. 고압의 기체는, 가열된 금속파이프재료에 의하여 고온이 된 기체가 된다. 고온이 된 기체는, 노즐 및 지지부 내에 마련된 유로를 유통한다. 적어도 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측의 위치에 있어서 유로에 마련된 냉각부는, 유로의 일부의 구간을 축소시키고 있다. 유로를 유통하는 고온이 된 기체에는, 냉각부를 통과함으로써, 단열변화가 발생한다. 따라서, 고온이 된 기체는, 적어도 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측의 위치에 있어서 냉각된다. 적어도 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측의 범위는, 구동부 및 구동부보다 연신방향에 있어서의 공급구측과는 반대측의 범위와 비교하여 열의 영향을 받기 어렵기 때문에, 고온이 된 기체에 의한 열의 영향을 당해 범위로 억제할 수 있다. 따라서, 간이한 구성으로 효율적으로 유로의 주변의 부재에 대한 열의 영향을 억제할 수 있다.

본 개시의 성형시스템에 의하면, 유로의 주변의 부재에 대한 열의 영향을 억제할 수 있다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 성형시스템에 포함되는 팽창성형장치의 개략도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 우측의 파이프지지기구의 정면도이다.
도 3은, 본 실시형태에 관한 성형시스템의 주요부를 나타내는 개략도이다.
도 4는, 본 실시형태에 관한 성형시스템의 냉각부를 나타내는 상세 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 개시의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 다만, 이하의 설명에 있어서, 동일 또는 상당요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다. 도면의 치수비율은, 설명의 것과 반드시 일치하고 있지 않다.

[팽창성형장치의 개요]

도 1은, 본 실시형태에 관한 성형시스템에 포함되는 팽창성형장치의 개략도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 성형시스템(200)은, 블로성형에 의하여 금속파이프를 성형하는 팽창성형장치(10)를 포함한다. 이 팽창성형장치(10)는, 수평면 상에 설치된다. 그리고, 팽창성형장치(10)가 설치되는 수평면에 대하여 연직상방을 "상", 연직하방을 "하"라고 하고, 당해 수평면에 평행한 일 방향의 편측(도 1의 지면(紙面) 좌측)을 "좌", 반대측(도 1의 지면 우측)을 "우"라고 한다. 또, 도 1의 지면에 수직이며 앞측을 "전", 안쪽을 "후"라고 한다. "상" "하" "좌" "우"의 용어는, 도시하는 상태에 근거하는 것이며, 편의적인 것이다.

팽창성형장치(10)는, 서로 쌍이 되는 하형(下型)(11) 및 상형(上型)(12)으로 이루어지는 금형(13)과, 상형(12)을 이동시키는 상형구동기구(80)와, 하형(11) 및 상형(12)을 사이에 두고 좌우 양측에서 금속파이프재료(P)의 우단부와 좌단부를 각각 지지하는 한 쌍의 파이프지지기구(20)와, 금형(13)을 강제적으로 수랭하는 물순환기구(14)와, 상기 각 구성을 제어하는 제어장치(100)와, 장치의 대략 전체구성을 상면에서 지지하는 기대(基臺)(15)를 구비하고 있다. 금형(13)은 블로성형금형이다. 다만, 팽창성형장치(10)는, 기대(15)의 상면이 수평이 되도록 설치된다.

하형(11)은, 강철제 블록으로 구성되고, 그 상면에 성형형상에 따른 오목부(111)를 구비하며, 내부에는 냉각수통로(112)가 형성되어 있다. 상형(12)은, 강철제 블록으로 구성되고, 그 하면에 성형형상에 따른 오목부(121)를 구비하며, 내부에는 냉각수통로(122)가 형성되어 있다. 냉각수통로(112, 122)에는 물순환기구(14)가 접속되고, 펌프에 의하여 냉각수가 공급된다.

하형(11)과 상형(12)은, 서로 밀접한 상태에서, 각각의 오목부(111)와 오목부(121)가 금속파이프재료(P)를 성형해야 할 목표형상의 공간을 형성한다. 이 목표형상은, 좌우방향에 평행한 직선적인 형상에 대하여, 도중에 만곡(灣曲) 또는 굴곡되어, 좌우의 양단부가 하방으로 경사진 방향이 되는 형상이다. 금속파이프재료(P)는, 이 목표형상과 동일하도록 굴곡 또는 만곡되어 있지만, 목표형상보다 전체길이에 걸쳐 외경이 작아져 있으며, 팽창성형의 과정에서 목표형상으로 성형된다. 따라서, 금속파이프재료(P)는, 그 양단부가, 하형(11) 및 상형(12)에 의한 목표형상과 동일한 방향이 되도록 한 쌍의 파이프지지기구(20)에 지지된다. 구체적으로는, 금속파이프재료(P)의 우단부는, 우방향에 대하여 약간 하방으로 경사진 우측 대각선 하방향으로 향해져 우측의 파이프지지기구(20)에 지지된다. 또, 금속파이프재료(P)의 좌단부는, 좌방향에 대하여 약간 하방으로 경사진 좌측 대각선 하방향으로 향해져 좌측의 파이프지지기구(20)에 지지된다.

하형(11)의 하측에는, 하방을 향하여 차례로 적층된 하(下)다이홀더(97), 하다이베이스플레이트(98) 및 슬라이드(92)가 마련되어 있다.

상형구동기구(80)는, 상형(12)의 상측으로부터 상방을 향하여 차례로 적층된 제1 상(上)다이홀더(86), 제2 상다이홀더(87) 및 상다이베이스플레이트(88)를 구비하고 있다. 또한, 상형구동기구(80)는, 상형(12) 및 하형(11)끼리가 합쳐지도록 상형(12)을 이동시키는 슬라이드(82)와, 상기 슬라이드(82)를 상측으로 끌어올리는 힘을 발생시키는 액추에이터로서의 풀백(pull back)실린더(85)와, 슬라이드(82)를 하강가압하는 구동원으로서의 메인실린더(84)와, 메인실린더(84)에 압유(壓油)를 공급하는 유압펌프(81)와, 유압펌프(81)에 대한 유체량을 제어하는 서보모터(83)와, 풀백실린더(85)에 압유를 공급하는 도시하지 않은 유압펌프 및 그 구동원이 되는 도시하지 않은 모터를 구비하고 있다. 상기 슬라이드(82)에는, 상하방향의 위치 및 이동속도를 검출하기 위한 리니어센서 등의 위치센서, 상형(12)의 하중을 검출하는 로드셀 등의 하중센서가 장비(裝備)되어 있다.

다만, 상형구동기구(80)의 위치센서나 하중센서는 필수는 아니고 생략하는 것이 가능하다. 또, 상형구동기구(80)에서 유압을 이용하는 경우에는, 하중센서로 바꾸어 유압을 측정하는 측정장치를 이용할 수 있다.

또, 팽창성형장치(10)는, 금속파이프재료(P)의 온도를 측정하기 위한 방사온도계(102)를 구비하고 있다. 단, 방사온도계(102)는 온도검출부의 일례를 나타낸 것에 지나지 않고, 열전대(熱電對)와 같은 접촉형 온도센서를 마련해도 된다.

파이프지지기구(20)는, 기대(15) 상에 있어서, 금형(13)의 좌우 양측에 1기씩 배치되어 있다. 우측의 파이프지지기구(20)는, 금형(13)에 의하여 방향이 정해져 있는 금속파이프재료(P)의 우측 대각선 하방향으로 향해진 일단부의 지지를 행하고, 좌측의 파이프지지기구(20)는, 금형(13)에 의하여 방향이 정해져 있는 금속파이프재료(P)의 좌측 대각선 하방향으로 향해진 타단부의 지지를 행한다. 우측의 파이프지지기구(20)와 좌측의 파이프지지기구(20)는, 각각의 구성이, 지지를 행하는 금속파이프재료(P)의 단부의 경사에 따른 방향으로 각도가 조정되어 기대(15) 상에 고정되어 있는 점을 제외하면, 동일 구조인 점에서, 이하의 설명은, 주로 우측의 파이프지지기구(20)에 대하여 행한다.

도 2는, 도 1에 나타내는 우측의 파이프지지기구의 정면도이다. 다만, 우측의 파이프지지기구(20)는, 상술한 바와 같이, 지지하는 금속파이프재료(P)의 우단부의 경사각도에 따라, 그 전체구성이 경사진 상태로 기대(15)의 상면에 설치되지만, 도 2에서는, 설명의 용이화, 명확화를 위하여, 파이프지지기구(20)의 전체구성이 경사를 발생하고 있지 않은 상태, 즉, 좌우방향에 평행한 금속파이프재료(P)의 우단부를 지지하는 방향으로 도시하고 있다.

파이프지지기구(20)는, 금속파이프재료(P)의 우단부를 파지(把持)하는 한 쌍의 전극인 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)과, 금속파이프재료(P)의 우단부로부터 내부로 압축기체를 공급하는 노즐(23)과, 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)을 지지하는 전극탑재유닛(30)과, 노즐(23)을 지지하는 노즐탑재유닛(40)과, 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)과 노즐(23)을 승강시키는 승강기구(50)와, 이들 전체의 구성을 지지하는 유닛베이스(24)를 구비하고 있다. 노즐(23), 노즐탑재유닛(40), 후술하는 유압회로(43) 및 후술하는 공압(空壓)회로(44)는, 기체공급부 및 배출부의 일례이다.

유닛베이스(24)는, 승강기구(50)를 통하여 전극탑재유닛(30) 및 노즐탑재유닛(40)을 상면에 지지하는 평면시(平面視)에서 직사각형의 판상블록이다. 유닛베이스(24)는, 수평면인 기대(15)의 상면에 볼트 등의 고정수단에 의하여 장착되고, 분리가 가능하다. 파이프지지기구(20)는, 상면의 경사각도가 다른 복수의 유닛베이스(24)를 갖고, 이들을 교환함으로써, 하측 전극(21) 및 상측 전극(22), 노즐(23), 전극탑재유닛(30), 노즐탑재유닛(40), 승강기구(50)의 경사각도를 일괄적으로 변경조절하는 것을 가능하게 하고 있다.

그리고, 이로써, 유닛베이스(24)는, 금형(13)에 의하여 방향이 규정되는 금속파이프재료(P)의 각각의 단부의 연장방향을 따라, 전극탑재유닛(30)이 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)을 이동시킬 수 있도록 조정한다. 다만, "단부의 연장방향"이란, 금속파이프재료(P)의 편측의 단부에 있어서의 중심선을 직선적으로 연장한 방향, 혹은, 금속파이프재료(P)의 편측의 단부가 향하고 있는 방향을 따른 벡터방향을 말한다. 또, 동일하게, 유닛베이스(24)는, 금형(13)에 의하여 방향이 규정되는 금속파이프재료(P)의 각각의 단부의 연장방향을 따라, 노즐탑재유닛(40)이 노즐(23)을 이동시킬 수 있도록 조정한다. 즉, 유닛베이스(24)는, 전극조정부 및 노즐조정부로서 기능한다.

상술한 바와 같이, 금형(13)에 의하여 규정되는 금속파이프재료(P)의 우단부의 중심선의 연장방향이 우측 대각선 하방향(전후방향의 경사는 없음)인 경우에는, 유닛베이스(24)의 상면은, 수평면에 대하여 전후방향을 따른 축둘레로 우측이 내려가는 방향으로 경사진 경사평면이며, 그 경사각도는 금속파이프재료(P)의 우단부의 연장방향의 경사각도와 일치한다.

승강기구(50)는, 유닛베이스(24)의 상면에 장착되는 전후 한 쌍의 승강프레임베이스(51, 52)와, 이들 승강프레임베이스(51, 52)에 의하여 유닛베이스(24)의 상면에 대한 수직방향을 따라 승강 가능하게 지지되는 전극탑재유닛(30)의 승강프레임(31)에 대하여 승강동작을 부여하는 승강용 액추에이터(53)를 구비하고 있다.

승강프레임베이스(51, 52)는, 유닛베이스(24)의 상면에 대하여, 볼트 등의 체결수단에 의하여 착탈 가능하게 장착되어 있다. 그리고, 전측의 승강프레임베이스(51)와 후측의 승강프레임베이스(52)는, 상하방향 및 좌우방향에 평행한 평면을 대칭면으로 하는 서로 면대칭인 입체형상이다. 이들 승강프레임베이스(51, 52)는, 프레임상을 이루고, 이들 사이에서 승강프레임(31)을 유닛베이스(24)의 상면에 대한 수직방향을 따라 승강 가능하게 지지하고 있다. 또, 승강프레임베이스(51, 52)는, 모두, 좌측과 우측에, 판상의 라이너(54, 55)를, 전측과 후측에, 판상의 라이너를 구비하고 있다. 이들 라이너(54, 55)는, 승강프레임(31)의 전측 부분과 후측 부분에 대하여, 유닛베이스(24)의 상면수직방향을 따른 승강동작을 안정적으로 가이드한다. 또, 전측과 후측에 마련된 라이너는, 좌우방향에 대한 동작을 안정적으로 가이드한다.

또, 승강용 액추에이터(53)는, 유닛베이스(24)의 상면수직방향을 따른 왕복동작을 승강프레임(31)에 부여하는 직동(直動)식의 액추에이터이며, 예를 들면, 유압실린더 등을 사용할 수 있다.

하측 전극(21)과 상측 전극(22)은, 모두 절연(絶緣)판이며 판상 도체(導體)를 사이에 둔 직사각형의 평판상 전극이다. 하측 전극(21)의 중앙상단부와 상측 전극(22)의 중앙하단부에는, 각각, 평판면을 수직으로 관통하도록 반원상의 노치가 형성되어 있다. 그리고, 하측 전극(21)과 상측 전극(22)을 동일 평면상에 배치하고, 하측 전극(21)의 상단부와 상측 전극(22)의 하단부를 밀접시키면, 상호의 반원상의 노치가 합치하여 원형의 관통구멍이 된다. 이 원형의 관통구멍은, 금속파이프재료(P)의 단부의 외경과 대략 일치하고 있으며, 금속파이프재료(P)로의 통전 시에는, 그 단부를 원형의 관통구멍에 끼워맞춘 상태로 하측 전극(21)과 상측 전극(22)에 의하여 파지된다.

또, 하측 전극(21)은, 제어장치(100)에 의하여 제어되는 전원(101)에 전기적으로 접속되어 있다. 상측 전극(22)은, 하측 전극(21)을 통하여 금속파이프재료(P)로의 통전이 행해진다. 전원(101)은, 제어장치(100)에 의하여 제어되어, 좌우의 파이프지지기구(20)의 하측 전극(21)에 통전을 행하고, 금속파이프재료(P)를 줄(Joule)가열에 의하여 급속히 가열할 수 있다.

다만, 금속파이프재료(P)의 단부의 외형은, 원형에 한정되지 않는다. 따라서, 하측 전극(21)과 상측 전극(22)의 각각의 노치는, 각각, 금속파이프재료(P)의 단부의 외형을 길게 반으로 나눈 형상이 된다.

전극탑재유닛(30)은, 하측 전극(21)과 상측 전극(22)의 평판면이 상술한 금속파이프재료(P)의 우단부의 연장방향에 대하여 수직이 되는 방향을 유지하며 이들을 지지하고 있다. 예를 들면, 유닛베이스(24)의 상면이 수평인 경우에는, 전극탑재유닛(30)은, 하측 전극(21)과 상측 전극(22)의 평판면이 상하방향 및 전후방향으로 평행이 되는 방향으로 하측 전극(21)과 상측 전극(22)을 지지한다.

전극탑재유닛(30)은, 상술한 승강기구(50)에 의하여 유닛베이스(24)의 상면에 대하여 수직인 방향을 따라 승강동작이 부여되는 승강프레임(31)과, 승강프레임(31)의 좌단부에 있어서 하측 전극(21)을 지지하는 하측 전극프레임(32)과, 하측 전극프레임(32)의 상측에 마련되어, 상측 전극(22)을 지지하는 상측 전극프레임(33)을 구비하고 있다.

하측 전극프레임(32)은, 하측 전극(21)의 상단부를 제외한 외주(外周)를 지지하는 프레임체이다. 이 하측 전극프레임(32)은, 전후에 마련된 2개의 리니어가이드를 통하여, 평면시에서 좌우방향에 평행하고 또한 유닛베이스(24)의 상면에 평행한 방향을 따라 이동 가능해지도록 승강프레임(31)의 좌단부에 지지되어 있다. 또, 하측 전극프레임(32)에는, 각 리니어가이드에 의한 이동방향을 따라 이동동작을 부여하는 하측 전극이동용 액추에이터가 병설되어 있다. 이 하측 전극이동용 액추에이터는, 예를 들면, 유압실린더 등을 사용할 수 있다. 다만, 하측 전극프레임(32)에는, 각 리니어가이드에 의한 이동방향에 있어서의 위치를 검출하는 리니어센서 등의 위치센서가 병설되어 있다. 하측 전극(21)은, 이들 구성에 의하여, 금속파이프재료(P)의 우단부의 연장방향을 따라 왕복이동을 행할 수 있다.

하측 전극프레임(32)의 전단부 및 후단부의 상면에는, 리니어가이드를 통하여, 평면시에서 좌우방향에 평행하고 또한 유닛베이스(24)의 상면에 평행한 방향을 따라 이동 가능한 슬라이드블록이 개별적으로 마련되어 있다. 또, 슬라이드블록에는, 각 리니어가이드에 의한 이동방향을 따라 이동동작을 부여하는 편측 전극이동용 액추에이터로서의 상측 전극이동용 액추에이터가 병설되어 있다. 이 상측 전극이동용 액추에이터는, 예를 들면, 유압실린더 등을 사용할 수 있다. 다만, 슬라이드블록에는, 각 리니어가이드에 의한 이동방향에 있어서의 위치를 검출하는 리니어센서 등의 위치센서가 병설되어 있다.

상측 전극프레임(33)은, 상측 전극(22)의 하단부를 제외한 외주를 지지하는 프레임체이다. 이 상측 전극프레임(33)은, 각 슬라이드블록의 상부에 전후에 마련된 2개씩의 리니어가이드를 통하여, 유닛베이스(24)의 상면에 수직인 방향을 따라 이동 가능해지도록, 각 슬라이드블록에 지지되어 있다. 또, 상측 전극프레임(33)과 각 슬라이드블록의 사이에는, 상측 전극부상용 스프링이 개재되어 있으며, 상측 전극프레임(33)은, 각 슬라이드블록에 대하여, 항상 상방으로 압압(押壓)되어 있다.

상측 전극프레임(33)은, 각 슬라이드블록에 대하여 유닛베이스(24)의 상면에 수직인 방향(상하방향)으로 이동 가능하다. 그리고, 각 슬라이드블록은 하측 전극프레임(32)에 대하여 평면시에서 좌우방향에 평행하고 또한 유닛베이스(24)의 상면에 평행한 방향(좌우방향)으로 이동 가능하다. 이 때문에, 상측 전극프레임(33)은, 하측 전극프레임(32)에 대하여, 승강 가능하고 또한 금속파이프재료(P)의 단부연장방향(좌우방향)을 따라 이동 가능하게 되어 있다.

그리고, 하측 전극프레임(32)에는, 상측 전극프레임(33)을 유닛베이스(24)의 상면에 수직인 방향을 따라 승강시키는 클램프용 액추에이터가 전후에 1개씩 마련되어 있다. 각 클램프용 액추에이터는, 예를 들면, 유압실린더 등을 사용할 수 있다. 다만, 각 클램프용 액추에이터의 플런저의 선단부는, 상측 전극프레임(33)에 대하여, 금속파이프재료(P)의 단부연장방향(좌우방향)을 따라 이동 가능하게 연결되어 있다. 따라서, 하측 전극프레임(32)에 대한 상측 전극프레임(33)의 금속파이프재료(P)의 단부연장방향(좌우방향)을 따른 이동동작은 방해하지 않는다.

노즐(23)은, 금속파이프재료(P)의 단부를 삽입 가능한 원통이다. 노즐(23)의 중심선은, 금속파이프재료(P)의 단부의 연장방향으로 평행이 되도록 노즐탑재유닛(40)에 지지되어 있다. 금속파이프재료(P)측의 노즐(23)의 단부(이하, "공급구"라고 기재)의 내경은, 팽창성형 후의 금속파이프재료(P)의 외경에 대략 일치하고 있다. 다만, 노즐(23)에는, 금속파이프재료(P)의 맞닿음의 압압력을 검출하는 압압력센서가 병설되어 있다.

노즐탑재유닛(40)은, 전극탑재유닛(30)의 승강프레임(31)의 우단부에 탑재되어 있다. 따라서, 승강기구(50)에 의한 승강동작이 행해진 경우에는, 노즐탑재유닛(40)은 전극탑재유닛(30)과 일체적으로 승강한다. 노즐탑재유닛(40)은, 전극탑재유닛(30)의 하측 전극(21)과 상측 전극(22)이 금속파이프재료(P)의 단부를 파지한 상태에 있어서, 당해 금속파이프재료(P)의 단부와 노즐(23)이 동심(同心)이 되는 위치에 노즐(23)을 지지하고 있다. 예를 들면, 유닛베이스(24)의 상면이 수평인 경우에는, 노즐탑재유닛(40)은, 노즐(23)의 중심선이 좌우방향에 평행이 되는 방향으로 노즐(23)을 지지한다.

노즐탑재유닛(40)은, 노즐(23)을 금속파이프재료(P)의 단부의 연장방향을 따라 이동시키는 노즐이동용 액추에이터로서, 유압실린더기구를 갖고 있다. 이 유압실린더기구는, 노즐(23)을 지지하는 피스톤(41)(지지부의 일례)과, 피스톤(41)에 진퇴이동을 부여하는 실린더(42)(구동부의 일례)를 구비하고 있다. 실린더(42)는, 피스톤(41)을 금속파이프재료(P)의 단부의 연장방향에 평행으로 진퇴이동시키는 방향에서 승강프레임(31)의 우단부에 고정적으로 탑재되어 있다. 이 실린더(42)는, 유압회로(43)(도 1 참조)에 접속되어, 내부로 작동유체인 압유의 공급과 배출이 행해진다. 유압회로(43)는, 제어장치(100)에 의하여 실린더(42)로의 압유의 공급과 배출이 제어된다. 다만, 유압회로(43)는, 좌측의 파이프지지기구(20)에도 접속되어 있지만, 도 1에서는 접속을 나타내는 경로의 도시는 생략하고 있다.

피스톤(41)은, 실린더(42) 내에 격납된 본체부(411)와, 실린더(42)의 좌단부(하측 전극(21) 및 상측 전극(22)측)로부터 외부로 돌출되는 머리부(412)와, 실린더(42)의 우단부로부터 외부로 돌출되는 관상(管狀)부(413)를 구비하고 있다. 본체부(411)와 머리부(412)와 관상부(413)는, 모두 원통상이며, 동심이고 일체적으로 형성되어 있다. 본체부(411)는, 외경이 실린더(42)의 내경에 대략 일치하고 있다. 그리고, 실린더(42) 내에서는, 본체부(411)의 양측에 유압이 공급되어, 피스톤(41)의 진퇴이동이 행해진다.

머리부(412)는, 본체부(411)보다 소경(小徑)이며, 당해 머리부(412)의 좌측(하측 전극(21) 및 상측 전극(22)측)의 선단부에는 노즐(23)이 동심으로 고정 장비되어 있다. 관상부(413)는, 본체부(411) 및 머리부(412)보다 소경인 원관(圓管)이다. 이 관상부(413)는, 실린더(42)의 우단부를 관통하여 실린더(42)의 외측으로 돌출되어 있다.

피스톤(41)은, 머리부(412)로부터 본체부(411)를 통하여 관상부(413)의 선단까지, 전체길이에 걸쳐 중심을 관통하는 압축기체의 유로(414)가 형성되어 있다. 그리고, 관상부(413)의 선단부(우단부)는, 노즐(23)로의 압축기체의 공급과 배출을 행하는 공압회로(44)(도 1 참조)에 접속되어 있다. 다만, 공압회로(44)는, 좌측의 파이프지지기구(20)에도 접속되어 있지만, 도 1에서는 접속을 나타내는 경로의 도시는 생략하고 있다. 또, 머리부(412)의 선단부에 장비된 노즐(23)은, 압축기체의 유로(414)에 연통되어 있다. 즉, 노즐탑재유닛(40)은, 노즐(23)에 대하여, 피스톤(41)을 통하여, 노즐(23)과는 반대측으로부터 압축기체의 공급을 행할 수 있는 구조로 되어 있다. 압축기체는, 예를 들면 압축공기이다.

[팽창성형장치에 의한 금속파이프의 성형방법]

상기 구성으로 이루어지는 팽창성형장치(10)의 팽창성형의 동작은, 제어장치(100)의 동작제어에 근거하여 행해진다. 그리고, 제어장치(100)는, 동작제어에 관한 처리프로그램과 각종 정보를 기억하는 기억부와, 처리프로그램에 근거하여 동작제어를 실행하는 처리장치를 구비하고 있다.

먼저, 처음으로, 금형(13)에 의하여 정해지는 목표형상에 의한 금속파이프재료(P)의 단부의 연장방향에 대응하는 방향으로 상면이 경사진 유닛베이스(24)가 선택되어, 각 파이프지지기구(20)에 장착된다. 그리고, 각 파이프지지기구(20)는, 기대(15)의 상면에 고정된다.

그리고, 제어장치(100)는, 좌우의 파이프지지기구(20)의 하측 전극이동용 액추에이터를 제어하여, 하측 전극(21)이 하형(11)에 맞닿는 위치까지 하측 전극(21)을 진출이동시킨다. 또, 제어장치(100)는, 좌우의 파이프지지기구(20)의 상측 전극이동용 액추에이터를 제어하여, 상측 전극(22)을 하측 전극(21)에 대하여, 금속파이프재료(P)의 단부로부터 이간한 위치에 퇴피이동시킨다. 이와 같이 배치된 좌우의 하측 전극(21)에 대하여, 금속파이프재료(P)가 반원상의 노치에 끼워지도록 재치된다. 또, 상측 전극(22)은, 퇴피하고 있으므로, 금속파이프재료(P)의 재치작업의 방해는 되지 않는다. 다만, 하측 전극(21)에 재치된 금속파이프재료(P)는, 하형(11)보다 약간 상방에 위치하고 있으며, 하형(11)에는 접촉하고 있지 않다.

이어서, 제어장치(100)는, 상측 전극이동용 액추에이터를 제어하여, 상측 전극(22)을 하측 전극(21)의 상방의 파지위치로 이동시킨다. 상측 전극(22)의 파지위치는, 상측 전극(22)을 하측 전극(21)측으로 하강시킴으로써, 이들에 의하여 금속파이프재료(P)의 단부를 파지하는 것이 가능한 위치이다.

이어서, 제어장치(100)는, 클램프용 액추에이터를 제어하여, 상측 전극(22)을 하측 전극(21)으로 향하게 하여 하강시킨다. 이로써, 금속파이프재료(P)의 단부가 상측 전극(22)의 반원상의 노치에 끼워져, 하측 전극(21)과 상측 전극(22)에 의하여 파지된다.

금속파이프재료(P)의 양단부가 좌우의 파이프지지기구(20)의 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)에 의하여 개별적으로 파지된 상태에서, 제어장치(100)는, 전원(101)을 제어하여 각각의 하측 전극(21)에 통전을 행한다. 이로써, 금속파이프재료(P)는 줄가열이 행해진다. 이때, 제어장치(100)는, 방사온도계(102)에 의한 금속파이프재료(P)의 온도를 감시하고, 규정의 목표온도의 범위에서 규정시간의 가열을 행한다.

줄가열에 의하여, 금속파이프재료(P)는 열팽창을 발생하고, 그 단부는 그 연장방향을 향하여 연장이 발생한다. 제어장치(100)는, 금속파이프재료(P)의 온도와 열연장량의 상관(相關)을 데이터로 하여 기억하고 있으며, 이 상관데이터를 참조하여, 방사온도계(102)에 의한 금속파이프재료(P)의 검출온도에 근거하여 금속파이프재료(P)의 열연장량을 취득한다. 또한, 제어장치(100)는, 취득한 열연장량으로부터 하측 전극이동용 액추에이터를 제어하여, 각 파이프지지기구(20)의 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)을 금속파이프재료(P)에 응력을 가하지 않는 위치 또는 응력이 충분히 저감되는 위치로 이동시킨다. 이 전극위치제어를 행함으로써, 제어장치(100)는, 전극위치제어부로서 기능한다. 다만, 이 전극위치제어는, 좌우의 파이프지지기구(20)의 하측 전극(21)에 통전이 행해지고 있는 동안은, 주기적으로 반복하여 실행된다.

다만, 전극위치제어는, 금속파이프재료(P)의 온도와 열연장량의 상관데이터를 사용하지 않고, 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)이 금속파이프재료(P)의 단부에 대하여 그 연장방향을 향하여 신장하는 방향으로 금속파이프재료(P)에 변형을 주지 않을 정도의 약한 장력을 부여하면서 이동하는 제어를 행해도 된다. 그 경우, 하측 전극이동용 액추에이터가 예를 들면 유압실린더의 경우에는, 유압을 상술한 저압력으로 하여 연장방향을 향하여 신장하는 방향으로 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)을 이동시켜도 된다.

금속파이프재료(P)에 대한 통전이 완료되면, 하측 전극(21)은, 전극위치제어에 의하여, 하형(11)으로부터 이간을 발생하여 간극(S1)이 발생한다. 이 때문에, 제어장치(100)는, 클램프용 액추에이터를 제어하여, 상측 전극(22)을 상승시키고, 또한, 하측 전극이동용 액추에이터를 제어하여, 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)을 금형(13)측에 근접하게, 하측 전극(21)을 하형(11)에 맞닿게 한다. 그리고, 상측 전극(22)을 하강시켜 다시 파지한다. 이로써, 제어장치(100)는, 재(再)파지동작제어를 행하는 재파지동작제어부로서 기능한다.

이어서, 제어장치(100)는, 승강용 액추에이터(53)를 제어하여, 금속파이프재료(P)가 하형(11)의 오목부(111)에 접촉 또는 근접하는 위치까지 하강시킨다. 이때, 유닛베이스(24)의 상면이 금속파이프재료(P)의 연장방향에 대응하여 수평면에 대하여 경사져 있는 경우에는, 승강용 액추에이터(53)에 의한 하강동작을 행하면, 승강프레임(31) 상의 구성은 전부 좌우방향으로 위치변동을 일으킨다. 예를 들면, 우측의 파이프지지기구(20)는 오른쪽으로 이동하고, 좌측의 파이프지지기구(20)는 왼쪽으로 이동한다.

그 결과, 하측 전극(21)은, 하형(11)으로부터 이간을 발생하여 간극(S2)이 발생한다. 이 때문에, 제어장치(100)는, 클램프용 액추에이터를 제어하여, 상측 전극(22)을 상승시키고, 또한, 하측 전극이동용 액추에이터를 제어하여, 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)을 금형(13)측에 맞닿을 때까지 근접하도록 이동시킨다. 그리고, 상측 전극(22)을 하강시켜 금속파이프재료(P)의 단부를 다시 파지한다. 즉, 제어장치(100)는, 한 번 더, 재파지동작제어를 행한다.

다만, 상술한 바와 같이, 제어장치(100)가 재파지동작제어를 2회 행하는 경우를 예시했지만, 금속파이프재료(P)로의 통전종료 시의 1회째의 재파지동작제어는 실행하지 않고, 승강용 액추에이터(53)의 제어에 의하여 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)을 하강시키고 나서 재파지동작제어를 1회만 행해도 된다.

그 후, 제어장치(100)는, 상형구동기구(80)의 서보모터(83)를 제어하여, 상형(12)을 하형(11)에 접하는 위치까지 하강시킨다. 또한, 제어장치(100)는, 유압회로(43)를 제어하여 좌우의 파이프지지기구(20)의 노즐탑재유닛(40)을 제어하고, 각 노즐(23)을 금속파이프재료(P)의 각각의 단부측으로 향하게 하여 진출이동시킨다. 이로써, 노즐(23)의 공급구에 금속파이프재료(P)의 단부가 삽입된다. 그리고, 제어장치(100)는, 공압회로(44)를 제어하여, 노즐(23)로부터 금속파이프재료(P) 내에 압축기체를 공급한다. 이로써, 줄가열로 경도가 저하되어 있는 금속파이프재료(P)는 내압에 의하여 금형(13) 내에서 목표형상으로 성형된다.

한편, 금속파이프재료(P)는, 상기 성형 중은 온도가 서서히 저하됨으로써 수축이 발생하고, 그 단부가 금형(13)측으로 이동한다. 제어장치(100)는, 상술한 바와 같이, 금속파이프재료(P)의 온도와 열연장량의 상관을 데이터로 하여 기억하고 있으므로, 이 상관데이터를 참조하여, 방사온도계(102)에 의한 금속파이프재료(P)의 검출온도에 근거하여 금속파이프재료(P)의 수축량을 취득한다. 또한, 제어장치(100)는, 취득한 수축량으로부터, 유압회로(43)를 제어하여 노즐탑재유닛(40)을 작동시켜, 노즐(23)을 금형(13)측으로 이동시킨다. 보다 상세하게는, 제어장치(100)는 금속파이프재료(P)의 수축량에 따라, 금속파이프재료(P)의 단부가 노즐(23)로부터 빠지지 않도록, 노즐(23)을 추종 이동시킨다. 이 노즐위치제어를 행함으로써, 제어장치(100)는, 노즐위치제어부로서 기능한다. 다만, 이 노즐위치제어는, 노즐(23)로부터 금속파이프재료(P) 내에 압축기체를 공급하고 있는 동안은, 주기적으로 반복하여 실행된다.

다만, 노즐위치제어는, 금속파이프재료(P)의 온도와 열연장량의 상관데이터를 사용하지 않고, 노즐(23)이 금속파이프재료(P)의 단부에 대하여, 좌굴(座屈)이나 변형 등의 영향을 주지 않는 범위에서 미리 상한값을 정하여, 당해 상한값을 초과하지 않도록 압압력을 부여하면서 이동하는 제어를 행해도 된다.

그리고, 일정기간, 압축기체를 공급하여 금속파이프재료(P)에 팽창성형을 행한 후, 제어장치(100)는, 압축기체의 공급을 정지하고, 하측 전극(21) 및 상측 전극(22)에 의한 파지상태를 해제하여, 상형(12)을 상승시킨다. 그 후, 제어장치(100)는, 물순환기구(14)에 의하여 금형(13)을 개재하여 금속파이프재료(P)의 냉각을 행한다. 다음으로, 제어장치(100)는, 금속파이프재료(P)의 내부로부터 압축기체(고온이 된 기체의 일례)를 배출시킨다. 압축기체의 배출 후, 제어장치(100)는, 각 파이프지지기구(20)의 상측 전극이동용 액추에이터를 제어하여, 상측 전극(22)을 금형(13)으로부터 이간하는 방향으로 퇴피이동시킨다. 이로써, 성형가공이 완료된 금속파이프재료(P)를 팽창성형장치(10)로부터 용이하게 취출할 수 있다.

[성형시스템의 구성]

다음으로, 도 3을 참조하여, 본 실시형태에 관한 성형시스템(200)에 대하여 설명한다. 도 3은, 본 실시형태에 관한 성형시스템의 주요부를 나타내는 개략도이다. 도 3에 나타내는 성형시스템(200)은, 금속파이프재료(P)로부터 고온이 된 기체를 배출하는 노즐(23), 노즐탑재유닛(40) 및 공압회로(44)(기체공급부 및 배출부의 일례)를 갖는 팽창성형장치(10)와, 냉각부(170)를 구비한다. 고온이 된 기체란, 예를 들면 가열된 금속파이프재료(P) 내에서 고온화하고, 금속파이프재료(P)로부터 배출된 기체이다. 금속파이프재료(P)로부터 배출된 고온이 된 기체는, 노즐(23), 노즐탑재유닛(40)의 유로(414), 공압회로(44)의 순으로 유통하여, 공압회로(44) 내의 배출구(도시생략)에 이른다.

공압회로(44)는, 예를 들면, 유로(414)에 선단을 접속시켜 연통되는 연통튜브, 연통튜브에 마련되는 개폐밸브, 및 연통튜브의 말단에 위치하는 배출구를 갖는다. 연통튜브는, 유로(414)에 연통되어, 금속파이프재료(P)로부터의 압축기체를 배출구로 유도한다. 개폐밸브는, 연통튜브의 개방 또는 폐색(閉塞)을 행하는 밸브이다. 제어장치(100)에 의하여 금속파이프재료(P) 내에 압축기체가 공급되는 경우, 제어장치(100)는, 개폐밸브에 의하여 연통튜브를 폐색시킨다. 금속파이프재료(P) 내로부터 고온이 된 기체가 배출되는 경우, 제어장치(100)는, 개폐밸브에 의하여 연통튜브를 개방시킨다. 배출구는, 연통튜브를 통하여 유도된, 금속파이프재료(P)로부터 배출된 고온이 된 기체를 성형시스템(200)의 외부로 배출한다. 배출구는, 예를 들면 배기머플러이다.

냉각부(170)는, 유로(414)를 유통하는 고온이 된 기체를 냉각한다. 냉각부(170)는, 예를 들면, 노즐(23) 및 노즐탑재유닛(40)에 포함되는 부재와는 별개 부재이다. 여기에서, 본 실시형태의 성형시스템(200)에 대한 비교예로서, 노즐(23) 및 노즐탑재유닛(40)으로부터 냉각부(170)를 제외하고, 곧은 유로(414)만으로 구성되는 예를 든다. 이와 같은 비교예에 있어서도, 유로(414)의 주변의 부재에 있어서의 전열 및 방열에 의하여, 고온이 된 기체는 약간 냉각된다. 그러나, 냉각부(170)에는, 비교예와 같은, 곧은 유로(414)만의 구조는 포함되지 않는다. 냉각부(170)는, 비교예와 같이 전열 및 방열에 의하여 냉각을 행하는 구조와 비교하여, 고온이 된 기체에 대한 냉각능력이 높은 부분이다. 여기에서, 냉각능력이란, 동일 조건으로 측정했을 때에 있어서, 금속파이프재료(P)로부터 배출된 고온이 된 기체의 온도와 배출구에 있어서 배출된 기체의 온도의 차분을 크게 하는 능력을 가리킨다. 제어장치(100)가 금속파이프재료(P)로부터 고온이 된 기체를 배출할 때에, 냉각부(170)는 배출된 고온이 된 기체를 냉각하는 기능을 갖는다.

냉각부(170)는, 노즐(23) 및 노즐탑재유닛(40)과는 별개 부재로서, 적어도 실린더(42)보다 유로(414)의 연신방향에 있어서의 노즐(23)의 공급구측의 위치에 마련된다. 즉, 냉각부(170)는, 실린더(42)의 노즐(23)측의 면을 경계(47a)로 한 경우, 적어도 경계(47a)보다 유로(414)의 연신방향에 있어서의 노즐(23)의 공급구측의 위치에 마련된다. 피스톤(41)이 노즐(23)측에 가장 밀어넣어진 경우에 있어서, 냉각부(170)는 적어도 피스톤(41)의 실린더(42)에 접촉하는 부분인 본체부(411)보다 노즐(23)의 공급구측에 마련된다. 당해 상태에 있어서, 경계(47a)보다 연신방향에 있어서의 노즐(23)의 공급구측의 위치가, 청구항에 있어서의 "상기 구동부보다 상기 연신방향에 있어서의 상기 공급구측의 위치"에 해당하는 것으로 한다.

여기에서, 유로(414)에 고온이 된 기체가 유통됨으로써, 고온이 된 기체의 열 또는 고온이 된 기체에 의한 전열로 고온화된 부재의 열이 유로(414)의 주위의 부재에 전열되어, 유로(414)의 주변의 부재가 고온화될 우려가 있다. 노즐탑재유닛(40)은, 열로부터 보호될 필요가 있는 피보호부(47)를 갖는다. 피보호부(47)란, 내열성이 낮고, 열의 영향을 받은 경우에 고압의 기체의 공급 또는 고온이 된 기체의 배기의 기능에 영향을 받는 부분이다. 예를 들면, 실린더(42)는, 내부 공간에 있어서 작동유를 갖는 점에서, 누출억제를 위하여 피스톤(41)과 접촉하는 부분에 예를 들면 패킹 등을 갖는다. 실린더(42)에 있어서, 적어도 패킹 및 작동유를 갖는 내부 공간은, 피보호부(47)에 포함된다. 피보호부(47)는, 경계(47a)보다 유로(414)의 연신방향에 있어서의 실린더(42)측의 부재를 포함한다. 냉각부(170)가 적어도 경계(47a)보다 유로(414)의 연신방향에 있어서의 노즐(23)의 공급구측의 위치에 마련됨으로써, 피보호부(47)의 고온화를 억제할 수 있다.

피스톤(41)이 가장 끌어들여졌을 때에 있어서의 피스톤(41)의 실린더(42)에 접촉하는 위치를 경계(47b)로 한 경우, 냉각부(170)는 적어도 경계(47b)보다 노즐(23)의 공급구측에 마련되어도 된다. 즉, 피스톤(41) 중, 경계(47a)와 경계(47b)의 사이의 영역은, 배기 중에 직접적으로 실린더(42)와 이웃하는 부분은 아니다. 그러나, 당해 영역은, 고온이 된 기체가 통과했다고 가정하면, 전열에 의하여 고온이 되고, 또한, 끌어들임 시에 실린더(42)와 이웃한다. 따라서, 가일층의 안전성의 향상을 위하여, 고온화하는 영역이 실린더(42)에 근접하지 않도록 하는 경우, 당해 고온화하는 영역도 피보호부(47)의 일부라고 간주해도 된다. 이 경우, 피보호부(47)는, 경계(47b)보다 유로(414)의 연신방향에 있어서의 실린더(42)측의 부재를 포함하는 것이라고 간주해도 된다. 이로써, 냉각부(170)는, 고온이 된 기체의 열 또는 고온이 된 기체에 의한 전열에서의 부재의 고온화를 더 억제할 수 있다.

피스톤(41)이 노즐(23)과의 접촉하는 위치 부근에서 확산되어 있는 확경(擴徑)부를 갖는 경우, 냉각부(170)는, 피스톤(41)의 확경부보다 노즐(23)측에 마련되어도 된다. 예를 들면, 피스톤(41)에 있어서, 실린더(42)측의 확경부를 향하여 확경하는 시점을 경계(47c)로 한 경우, 냉각부(170)는 적어도 경계(47c)보다 노즐(23)의 공급구측에 마련되어도 된다. 피스톤(41) 중, 경계(47b)와 경계(47c)의 사이의 영역은, 끌어들임상태에 있어서도, 실린더(42)와 이웃하지 않는 부분이다. 그러나, 당해 영역은, 직경이 가늘고 재료가 적은 개소이기 때문에, 상술한 바와 같은 확경부에 비하여, 고온이 되었을 때에, 실린더(42)측으로 열을 전달하기 쉽다. 따라서, 가일층의 안전성의 향상을 위하여, 고온화했을 때에, 실린더(42)로 열을 전달하기 쉬운 영역도 피보호부(47)의 일부라고 간주해도 된다. 이 경우, 피보호부(47)는, 경계(47c)보다 유로(414)의 연신방향에 있어서의 실린더(42)측의 부재를 포함하는 것이라고 간주해도 된다. 이로써, 냉각부(170)는, 고온이 된 기체의 열 또는 고온이 된 기체에 의한 전열로 고온화된 부재의 열에 의한 영향을 더 억제할 수 있다.

다만, 냉각부(170)는, 경계(47c)보다 더 노즐(23)의 공급구측에 마련되어도 된다. 냉각부(170)는, 예를 들면 노즐(23)의 공급구 부근에 마련된다. 냉각부(170)는, 피보호부(47)에 해당하는 영역으로부터 멀면 멀수록 열의 전달의 영향이 작아지기 때문에, 안전성을 향상시킬 수 있다.

도 4는, 본 실시형태에 관한 성형시스템의 냉각부를 나타내는 상세단면도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 냉각부(170)는, 유로(414)의 일부의 구간의 연신방향에 대한 횡단면적을 유로(414)의 다른 구간의 연신방향에 대한 횡단면적과 비교하여 축소시킨다. 노즐(23) 또는 노즐탑재유닛(40)이 냉각부(170)로서 유로(414)의 일부를 축소시키는 구성을 가짐으로써, 고온이 된 기체는 냉각된다. 즉, 고온이 된 기체가 냉각부(170)의 횡단면적이 축소된 구간으로부터 다시 횡단면적이 확장되는 구간에 이름으로써, 단열팽창이 발생하여, 고온이 된 기체는 냉각된다. 이 경우, 냉각부(170)는, 노즐(23) 및 노즐탑재유닛(40)에 포함되는 부재와는 별개 부재여도 되고, 노즐(23) 및 노즐탑재유닛(40)에 포함되는 부재와 경계 없이 연속하여 형성된 부재여도 된다. 냉각부(170)는, 예를 들면 오리피스이다.

냉각부(170)는, 예를 들면, 오리피스부(171)와, 상류유로(172)와, 하류유로(173)를 갖는다. 냉각부(170)는, 상류유로(172)와 하류유로(173)의 사이에 있어서, 오리피스부(171)를 마련한다. 오리피스부(171)는, 유로(414)에 있어서, 연신방향에 대한 횡단면적을 다른 구간과 비교하여 축소시킨 부분이다. 상류유로(172)는, 오리피스부(171)보다 노즐(23)측에 마련되고, 오리피스부(171)와 비교하여 횡단면적이 크다. 하류유로(173)는, 오리피스부(171)보다 피보호부(47)측에 마련되고, 오리피스부(171)와 비교하여 횡단면적이 크다. 상류유로(172)와 하류유로(173)의 횡단면적은, 예를 들면 동일하다. 제어장치(100)가 금속파이프재료(P)로부터 고온이 된 기체를 배출할 때에, 고온이 된 기체는, 오리피스부(171)를 통하여 하류유로(173)로 유통함으로써 냉각된다.

냉각부(170)는, 예를 들면, 노즐(23)에 마련된다. 이 경우, 피스톤(41)과 노즐(23)의 경계로부터 노즐(23) 내의 유로(414)의 일부의 구간에는, 예를 들면, 내면을 나사골을 낸 암나사가 마련된다. 오리피스부(171)와 하류유로(173)가 경계 없이 연속하여 형성된 일체물로서 형성된 오리피스형성부재(174)가, 당해 일부의 구간에 계합(係合)된다. 오리피스형성부재(174)는, 예를 들면, 중공(中空)의 수나사의 형태를 갖는다. 이로써, 냉각부(170)가 유로(414) 내에 마련된다. 다만, 노즐(23)의 공급구로부터 유로(414)에 있어서, 오리피스형성부재(174)가 계합 가능한 나사골이 마련되어도 된다. 냉각부(170)는, 피스톤(41)에 마련되어도 된다. 이 경우, 예를 들면, 피스톤(41)은 노즐(23)의 공급구측에 오리피스형성부재(174)가 계합 가능한 나사골이 마련된다.

[고온이 된 기체를 냉각하는 방법]

여기에서, 제어장치(100)가 금속파이프재료(P)의 내부로부터 고온이 된 기체를 배출시키는 경우에 있어서, 냉각부(170)가 고온이 된 기체를 냉각하는 방법을 나타낸다. 금속파이프재료(P)의 내부의 고온이 된 기체의 압력을 상류압력 P₀(Pa), 온도를 상류온도 T₀(K)으로 한다. 이 때문에, 금속파이프재료(P)의 내부 또는 상류유로(172)에 있어서의 고온이 된 기체의 압력은 상류압력 P₀, 온도는 상류온도 T₀(K)이 된다. 오리피스부(171)에 있어서의 하류유로(173)와의 경계부분에 있어서의 기체의 압력을 오리피스압력 P₁(Pa), 온도를 오리피스온도 T₁(K)로 한다.

금속파이프재료(P)로부터 배출된 고온이 된 기체가, 오리피스부(171)를 최고속도로 통과하도록 한 경우, 오리피스압력 P₁(Pa)은, 임계압 P_c(Pa)가 된다. 이 때의 오리피스온도 T₁을 임계시 온도 T_C로 한다. 임계압 P_c일 때, 노즐(23)로부터의 고온이 된 기체의 배출속도가 음속에 도달한다. 이 경우, 고온이 된 기체가 오리피스부(171)를 통하여 하류유로(173)로 통과할 때, 고온이 된 기체에는 단열변화가 발생한다고 간주할 수 있다. 상류압력 P₀과 임계압 P_c(오리피스압력 P₁)의 관계식은, 이하의 식 1로 나타난다.

[수학식 1]

또, 상류온도 T₀과 임계시 온도 T_c(오리피스온도 T₁)의 관계식은, 이하의 식 2로 나타난다.

[수학식 2]

여기에서, κ란, 비열비(比熱比)이며, 고온이 된 기체가 예를 들면 공기인 경우, κ는 약 1.4가 된다. 이 때의 P_c/P₀은, 약 0.528이 되고, T_c/T₀은, 약 0.833이 된다. 즉, 고온이 된 기체가 오리피스부(171)를 통과함으로써, 절대온도가 약 17% 강하한다.

하류유로(173)의 횡단면적을 A(m²)로 한다. 오리피스부(171)가 임계압 P_c에 도달한 경우의 통과질량유량 M_vc(kg/s)는, 기체상수 R, 임계상수 ψ_c 등을 이용하여 이하의 식 3으로 나타난다.

[수학식 3]

하류유로(173)의 횡단면적 A는, 통과질량유량 M_vc를 조정하면서 기체의 배기상 필요한 유량이 되도록, 조정된다. 예를 들면, 오리피스부(171)의 횡단면적은, 하류유로(173)의 횡단면적 A의 63% 정도 이하가 바람직하다. 이것은, P_c/P₀이 약 0.528일 때의 유속비로부터 산출되는 면적비이다. 하류유로(173)의 횡단면적 A에 대한 오리피스부(171)의 횡단면적의 면적비는, 오리피스부(171)의 하류의 배기능력에 따라 값을 작게 조정하여, 고온이 된 기체의 통과질량유량 M_vc를 제한해도 된다. 다만, 오리피스압력 P₁이, 임계압 P_c보다 커진 경우에서도 상기와 동일한 효과가 얻어진다. 또, 상기에서는 공기를 취급했지만, 다른 기체에 있어서도 동일한 효과가 얻어진다.

[성형시스템의 작용 및 효과]

다음으로, 본 실시형태에 관한 성형시스템(200)의 작용 및 효과에 대하여 설명한다.

본 실시형태에 관한 성형시스템(200)에 있어서, 고압의 기체는, 노즐(23), 노즐탑재유닛(40) 및 공압회로(44)에 의하여 가열된 금속파이프재료(P)에 공급되어, 금속파이프재료(P)를 팽창시킨다. 고압의 기체는, 가열된 금속파이프재료(P)에 의하여 고온이 된 기체가 된다. 고온이 된 기체는, 금속파이프재료를 팽창시킨 후에 배출부에서 배출된다. 여기에서, 성형시스템(200)은, 배출부를 흐르는 기체를 냉각하는 냉각부(170)를 구비한다. 이로써, 고온의 기체가 성형시스템(200) 내의 유로(414)를 흐르는 것을 억제할 수 있다. 이상으로부터, 유로(414)의 주변의 부재로의 열의 영향을 억제할 수 있다.

본 실시형태에 관한 성형시스템(200)에 있어서, 고압의 기체는, 노즐(23), 노즐탑재유닛(40) 및 공압회로(44)에 의하여 가열된 금속파이프재료(P)에 공급되어, 금속파이프재료(P)를 팽창시킨다. 기체는, 가열된 금속파이프재료(P)에 의하여 고온이 된 기체가 된다. 고온이 된 기체는, 노즐(23)(노즐의 일례) 및 피스톤(41)(지지부의 일례) 내에 마련된 유로(414)를 유통한다. 냉각부(170)는, 적어도 실린더(42)(구동부의 일례)보다 연신방향에 있어서의 공급구측의 위치에 있어서 유로(414)를 냉각하도록 배치된다. 이 때문에, 유로(414)를 유통하는 고온이 된 기체는, 냉각부(170)에 의하여, 적어도 실린더(42)보다 연신방향에 있어서의 노즐(23)의 공급구측의 위치에 있어서 냉각된다. 적어도 실린더(42)보다 연신방향에 있어서의 노즐(23)의 공급구측의 범위는, 실린더(42) 및 실린더(42)보다 연신방향에 있어서의 노즐(23)의 공급구측과는 반대측의 범위와 비교하여 열의 영향을 받기 어렵기 때문에, 고온이 된 기체에 의한 열의 영향을 당해 범위로 억제할 수 있다. 따라서, 유로(414)의 주변의 부재로의 열의 영향을 억제할 수 있다.

또, 성형시스템(200)에 있어서, 냉각부(170)는, 유로(414)의 일부의 구간을 축소시키고 있다. 유로(414)를 유통하는 고온이 된 기체에는, 냉각부(170)를 통과함으로써, 단열변화가 발생한다. 따라서, 고온이 된 기체는, 적어도 실린더(42)보다 연신방향에 있어서의 노즐(23)의 공급구측의 위치에 있어서 냉각된다. 따라서, 간이한 구성으로 효율적으로 유로의 주변의 부재에 대한 열의 영향을 억제할 수 있다. 또, 냉각부(170)로서 오리피스형성부재(174)를 이미 알려진 유로(414) 내에 끼워맞추게 함으로써, 용이하게 유로(414)의 일부의 구간을 축소시킬 수 있고, 용이하게 고온이 된 기체를 냉각할 수 있다.

[변형예]

본 개시는, 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 성형시스템(200) 및 팽창성형장치(10)의 전체구성은 도 1에 나타내는 것에 한정되지 않고, 개시의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다. 예를 들면, 파이프지지기구(20)의 전체구성은, 경사를 발생하고 있지 않은 상태, 즉, 좌우방향에 평행한 금속파이프재료(P)의 양단부를 지지하도록 마련되어도 된다. 압축기체는, 불활성 가스여도 된다.

냉각부(170)는, 별개 부재는 아니고, 노즐(23) 또는 피스톤(41) 중 적어도 일방과 경계 없이 연속하여 형성된 일체물로서 형성되어도 된다. 즉, 노즐(23) 또는 피스톤(41) 중 적어도 일방에 있어서, 유로(414)와 오리피스부(171)는 경계 없이 연속하여 형성되어도 된다. 오리피스부(171)는, 노즐(23) 또는 피스톤(41) 중 적어도 일방의 유로(414)의 내부에 있어서 고정되어도 된다. 이 경우, 오리피스부(171)가, 고압의 기체의 압력 및 고온이 된 기체의 열에 의하여 탈리하지 않으면 고정방법은 불문한다.

냉각부(170)는, 노즐(23)의 선단 또는 피스톤(41)의 선단에 마련되어도 된다. 이 경우, 냉각부(170)의 상류유로(172)는 마련되지 않아도 된다. 냉각부(170)는, 노즐(23)의 말단에 마련되어도 된다. 이 경우, 냉각부(170)의 하류유로(173)는 마련되지 않아도 된다. 냉각부(170)는, 단열팽창을 실현하는 슬릿상 또는 격자상 등의 형상을 갖고 있어도 된다. 냉각부(170)는, 오리피스가 아니어도 된다. 이 경우, 냉각부(170)는, 유로(414)의 주위에 마련되고, 냉수를 순환시키는 튜브를 포함하는 수랭기구여도 된다. 냉각부(170)는, 피보호부(47)보다 유로(414)의 연신방향에 있어서의 노즐(23)측의 위치에 있어서 복수 마련되어도 된다.

또, 피스톤(41) 내의 유로(414)를 마련하지 않고, 노즐(23)에 직접적으로 압축기체의 공급을 행하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 냉각부(170)는, 공압회로(44)의 연통튜브 및 배출구의 열화를 억제하기 위하여, 노즐(23) 또는 연통튜브 내에 마련되어도 된다.

10…팽창성형장치
11…하형
12…상형
13…금형
14…물순환기구
15…기대
20…파이프지지기구
21…하측 전극
22…상측 전극
23…노즐
24…유닛베이스
30…전극탑재유닛
31…승강프레임
32…하측 전극프레임
33…상측 전극프레임
40…노즐탑재유닛
41…피스톤
42…실린더
43…유압회로
44…공압회로
47…피보호부
47a, 47b, 47c…경계
50…승강기구
51, 52…승강프레임베이스
53…승강용 액추에이터
54, 55…라이너
80…상형구동기구
81…유압펌프
82, 92…슬라이드
83…서보모터
84…메인실린더
85…풀백실린더
86, 87…상다이홀더
88…상다이베이스플레이트
97…하다이홀더
98…하다이베이스플레이트
100…제어장치
101…전원
102…방사온도계
111, 121…오목부
112, 122…냉각수통로
170…냉각부
171…오리피스부
172…상류유로
173…하류유로
174…오리피스형성부재
200…성형시스템
411…본체부
412…머리부
413…관상부
414…유로
A…횡단면적
P…금속파이프재료

Claims

가열된 금속파이프재료를 팽창시켜 금속파이프를 성형하는 성형시스템으로서,
가열된 상기 금속파이프재료에 기체를 공급하여, 상기 금속파이프재료를 팽창시키는 기체공급부와,
상기 금속파이프재료를 팽창시킨 후에 상기 기체를 배출하는 배출부와,
상기 배출부를 흐르는 기체를 냉각하는 냉각부를 구비하고,
상기 기체공급부는, 상기 기체를 공급하는 공급구를 갖는 노즐과, 상기 노즐로부터 상기 공급구에 대하여 반대측으로 뻗어, 상기 노즐을 지지하는 지지부와, 상기 지지부의 연신방향의 일부가 삽입됨과 함께, 상기 연신방향을 따라 당해 지지부를 진퇴이동시키는 구동부를 가지며,
상기 냉각부는, 상기 노즐 및 상기 지지부 중 적어도 일방에 마련되고,
상기 노즐 및 상기 지지부에는, 상기 금속파이프재료로부터 고온이 된 상기 기체를 상기 배출부측으로 유통시키도록 뻗는 유로가 형성되고, 상기 지지부의 내부에 있어서 상기 유로의 일부는 상기 연신방향으로 뻗는, 성형시스템.
제1항에 있어서,
상기 냉각부는, 상기 노즐의 내부에 마련되는, 성형시스템.
제1항에 있어서,
상기 유로는, 상기 기체를 공급구측으로 유통시키고,
상기 기체공급부에는, 상기 유로를 유통하는 고온이 된 상기 기체를 냉각하는 상기 냉각부가 마련되며,
상기 냉각부는, 상기 노즐과는 별개 부재로서, 적어도 상기 구동부보다 상기 연신방향에 있어서의 상기 공급구측의 위치에 마련되는, 성형시스템.
제1항에 있어서,
상기 유로는, 상기 기체를 공급구측으로 유통시키고,
상기 기체공급부에는, 상기 유로를 유통하는 상기 기체를 냉각하는 상기 냉각부가 마련되며,
상기 냉각부는, 적어도 상기 구동부보다 상기 연신방향에 있어서의 상기 공급구측의 위치에 마련되고, 상기 유로의 일부의 구간의 상기 연신방향에 대한 횡단면적을 상기 유로의 다른 구간의 상기 연신방향에 대한 횡단면적과 비교하여 축소시킴으로써 상기 기체를 냉각하는, 성형시스템.