CN104349853A - 金属管的扩管制造方法 - Google Patents

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Abstract

在仅通过内面工具进行的扩管制造中，目前，制造条件确定需要时间，还需要费用。具体而言，通过扩管加工模拟，评价被加工材料(10)前端通过工具(1)的肩部(3)后前进了1.0m以上的状态的被加工材料形状，就其形状而言，外径收敛于目标的±1％以内，壁厚收敛于目标的±7.5％以内，且通过反复计算求出与工具的内面间隙为1.0mm以内的空心管形状及工具形状，以其为实际扩管制造条件。

Description

金属管的扩管制造方法
技术领域
本发明涉及金属管的扩管制造方法(tube expanding method formanufacturing)，详细而言，涉及空心管(Hollow piece)使用通过管轧制(tube rolling)等制造的金属管(metal tube or steel tube)，使内面加工用工具(internal processing tool and/or mandrel bar or plug)通过空心管，由此对比空心管大径的金属管(large-diameter metal tube)进行扩管制造时，通过模拟(simulation)可有利地确定其适当的扩管制造条件(manufacturing condition of tube expanding method)的金属管的扩管制造方法。
背景技术
如果根据制造方法大致区分金属管，具有：利用如下方法制造的焊接管(welded tube)，使用金属板作为原材料，通过冲压(press)及卷曲(roll)将其成形为圆弧状(arc-like)，通过将该圆弧的两端部焊接接合，形成管形状；和利用如下方法制造的无缝管(seamless tube)，通过轧制、挤压(extrusion)使金属块(solid metal blank or billet)中空化，得到希望的尺寸。都通过作为用途的设备选定，但在管内面(insidesurface of a tube)有压力，在因破损而给设备带来重大影响的情况下，一般使用无缝管。
作为这种设备的一例，有火力、原子能发电的发电厂(generatingpower plant and atomic power plant)内的蒸气配管(steam pipework)及热交换器用配管(heat exchanger tubing)。近年来，以发电效率(powergeneration efficiency)提高为目的，实现高温化，热交换用的细径金属管一直以来要求高品质，另一方面，蒸气配管也需要与大流量化等的对应(大径化)。
在当前的无缝管的制造方法中，一般按直径计400mm左右为上限。因此，在需要更大的直径的金属管的情况下，将一次制造的管再次通过轧制等方法进行扩管。
作为扩管方法，有使用设置于多个轧辊(mill roll)之间的工具(tool)进行扩管的方法(为便于说明而暂称为方法A)。其适于大量地生产特定尺寸的产品，但设备费用(facility cost)高，另外，还有在外面侧因与轧辊的接触而易产生瑕疵等缺点，不被广泛使用。
作为其它的扩管方法，有在管内径侧设置工具，将管向工具的大径端侧推压(例如专利文献1)或拉拔这种成形法(为便于说明而暂称为方法B)。该扩管方法中，可有加热、非加热这两种，但要将扩管后的壁厚(thickness)减薄至外径的5％左右的情况下，从生产效率(production efficiency)这一点来看，在热轧下实施。该方法从加工面看可以减少动力(power)，另外，有管尺寸(tube size)的自由度(degreeof freedom)较高等优点，相反制造需要一定的技能(skill)或经验(experience)。原因是因为在先述的方法A中可利用轧辊(roll)固定外径侧，利用工具(tool)固定内径侧，所以易实现最终产品尺寸(sizeof finished product)，但在方法B中，因外径侧没有工具，所以变形的自由度(flexibility of deformation)高，外径(external diameter)自不必说，就连壁厚、内径(internal diameter)也难以确定，工具形状(toolshape)等的成形条件(forming condition)一般很难。
这样，为了消除起因于变形的自由度高的情况的产品上的缺陷(defect)，还有能够抑制产品的弯曲(bentness)等的工具形状的提案(例如专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭61-56746号公报
专利文献2：日本特开2001-113329号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，专利文献2中完全没有如何加工产品尺寸(productdimension)这种基本的点的技术的公开，换言之，只不过说明在明白确定的尺寸作为对象的成形条件(conditions of forming)的前提下，变更工具形状(tool shape)是有效的。
因此，方法B(推压或牵拉管端，使工具贯通管内径侧的方法)中，根据任意的产品尺寸确定适当的工具形状、空心管尺寸这种制造条件(manufacturing condition)需要进行大量试制、试验，具有极困难且非经济性(non-economic)这一大缺点。因此，难以反映用户需求(customer needs)，普及也延迟。
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，提供一种金属管的扩管制造方法，推压或牵拉金属管的管端，使工具贯通管内径侧，其中，为了得到任意尺寸的最终产品，使用模拟在特定的制约范围(limited range)求出集中分析结果(analysis result)的扩管制造条件(工具形状、空心管尺寸)，从而可以容易地实现产品尺寸的扩大及成为制造上问题的试验时间(testing time)、费用的削减(costreduction)，进而可以容易地实现工业化。
此外，适用于本发明的扩管制造方法的金属管的制造方法和化学组成没有特别地限定，但特别优选以下所示的金属管。
(1)JISG 3458配管用合金钢钢管(alloy steel pipe for piping)(STPA20，STPA22～26)(相当ASTM A335，ASTM A405、BS 3604，DIN 17175，DIN 17177)：
优选的组成范围含有C：0.10-0.15％、Si：0.10-1.00％、Mn：0.30-0.80％、P：0.035％以下、S：0.035％以下、Mo：0.40-1.10％、Cr：0％或0.50-10.00％，另外，根据需要可以添加Cu：1％以下、Ni：2％以下、Nb：0.1％以下、V：0.5％以下、Ti：0.2％以下、B：0.005％以下、REM：0.02％以下、Ca：0.01％以下。作为不可避的杂质容许有N：0.010％以下、O：0.006％以下。此外，钢管的制造方法优选曼内斯曼式穿孔轧制(Mannesmann type piercing)的无缝钢管。
(2)JISG 3462锅炉/热交换器用合金钢钢管(alloy steel pipe forboiler and heat-exchange)(相当STBA12～13，STBA20，STBA22～26)(ISO 9329-2：1997，ISO 9330-2：1997，ASTM A161，A199，A179A200，A209，A213，A250，A423，BS 3059，DIN 17175，DIN17177)：
优选组成范围含有C：0.10-0.20％、Si：0.10-1.00％、Mn：0.30-0.80％、P：0.035％以下、S：0.035％以下、Mo：0.40-1.10％、Cr：0％或0.50-10.00％，另外，根据需要可以添加Cu：1％以下、Ni：2％以下、Nb：0.1％以下、V：0.5％以下、Ti：0.2％以下、B：0.005％以下、REM：0.02％以下、Ca：0.01％以下。作为不可避的杂质容许有N：0.010％以下、O：0.006％以下。另外，钢管的制造方法优选曼内斯曼式穿孔轧制的无缝钢管或利用高频电流(high-frequency current)的电阻焊接法(electric resistance welding)的电阻焊接钢管(electric resistance weldedsteel pipe)(电缝钢管)。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述问题而开发的本发明如以下所述。
(1)一种金属管的扩管制造方法，在从作为工具的最小径端的始端到作为最大径端的终端依次具有顺畅地连接的锥形部(taperportion)、肩部(shoulder portion)、平行部(parallel portion)的内面加工用工具中，将该工具的始端侧作为入侧，送入空心管内径小于所述平行部直径即工具最大径的作为被加工材料的金属管，使该工具通过管的内径侧，由此对所述被加工材料进行扩管加工，其中，
通过基于有限要素分析的扩管加工模拟，按以下的顺序决定扩管加工前的作为被加工材料的空心管的尺寸、及所述工具的尺寸：
(a)设定产品的目标外径、目标壁厚及工具的锥形部长度及向使用的扩管加工装置的送入力(feed power)的上限即上限负荷(upperload)；
(b)作为尺寸参数(size parameter)，设定空心管外径、空心管壁厚、工具锥形部的锥形角度即锥形角度、工具轴方向截面内的轴方向截面内的肩部曲率半径(radius of curvature)即肩部R、工具平行部直径即工具最大径；
(c)将被加工材料分割为多个要素；
(d)执行扩管加工模拟，求出被加工材料前端在从肩部位置朝向工具出侧前进1.0m以上的时刻的计算送入力(calculated feed power)即计算负荷(calculated load)、被加工材料的加工后外径、加工后壁厚、加工后内径；
(e)判定计算负荷是否为上限负荷以下(pass/fail)，如果为是(Yes)，则进入(f)，如果为否(No)，则变更空心管壁厚或进而变更锥形角度(taper angle)，返回(c)；
(f)判定是否加工后外径为目标外径±1％的范围内且加工后壁厚为目标壁厚±7.5％的范围内，如果为是，则进入(g)，如果为否，则变更空心管外径及/或空心管壁厚，返回(c)；
(g)判定内面间隙是否为1mm以下，其中，内面间隙＝加工后的内径-工具最大径，如果为是，则决定这时的尺寸参数为实际扩管制造用，顺序结束，如果为否，则变更肩部R及/或锥形角度，返回(c)、(d)。
(2)根据(1)所述的金属管的扩管制造方法，其中，
使所述工具通过管内径侧，且从外径侧加热锥形部位置通过中的被加工材料部分。
(3)根据上述(1)或(2)所述的金属管的扩管制造方法，其中，所述空心管为无缝管。
(4)根据(1)～(3)中任一项所述的金属管的扩管制造方法，其中，
所述扩管加工模拟使用作为商用分析软件的ABAQUS，以基于动态显示算法的二维有限要素法进行扩管加工模拟。
发明效果
根据本发明，通过模拟和以简洁的逻辑(logic)为基本的思考实验(thought experiment)，可决定适当的扩管制造条件，因此，与按照经验的多标准(multitude levels)的试制(trial production)，不经过试验不可进行所述决定的以往相比，实现试制工序(trial productionprocess)的大幅削减和至产品制造的时间缩短(time crunch)。
附图说明
图1是表示本发明中所使用的扩管制造装置的一例的概略图；
图2是作为本发明的模拟结果的一例表示计算负荷的推移的图；
图3是作为本发明的模拟结果的一例表示加工后的尺寸的图；
图4是表示本发明的扩管加工模拟的顺序的流程图。
具体实施方式
以下，对本发明详细地进行说明。
本发明以下述金属管的扩管制造方法为前提，该方法为在从工具的最小径端即始端(starting end)到最大径端即终端(terminal end)依次具有顺畅地连接的锥形部、肩部、平行部的内面加工用工具中，将该工具的始端侧作为入侧，送入空心管内径小于上述平行部直径即工具最大径的被加工材料即金属管，使其通过管的内径侧，由此对上述被加工材料进行扩管加工。该前提自身是目前公知的。
此外，该前提中还包含使上述工具通过管内径侧，并且从外径侧加热锥形部位置通过中的被加工材料部分的情况。
图1表示在上述扩管加工的实施中使用的扩管加工装置的一例。如图1(b)所示，工具(内面加工用工具)1从最小径端即始端到最小径端即终端依次具有顺畅地连接的锥形部2、肩部3、平行部4。另一方面，如图1(a)所示，工具1经由与始端侧连结的心轴(mandrel)5而由工具支承单元(tool support means)12支承，固定位置。被加工材料(金属管)10在加工前的空心管中具有比工具1的平行部外径即工具最大径小的内径，将工具1的始端侧作为入侧，向工具1送入。作为该送入单元，本例中，具备从工具入侧推压管的管推压单元(pusher)11。由此，使工具1通过被加工材料10的内径侧。此外，作为送入单元，代替本例的从工具入侧推压管的管推压单元11，也可以使用从工具出侧牵拉的管牵拉单元(drawer)(省略图示)。
本例表示进行上述加热的情况，在锥形部位置以环绕被加工材料10的通路的形式设置加热装置(heating device)即感应线圈(inductioncoil)13，其从外径侧加热锥形部位置通过中的材料部分。加热装置不限于感应线圈13，也可以是燃烧器(burner)。或代替上述加热，也可以利用炉等事先预加热(pre-heating)空心管。
在实际的扩管加工中一般进行上述加热，该加热装置的位置是包含工具1的区域，该区域希望的长度至少为500mm左右，理想的为2000mm左右。
本发明中，与目前不同，通过基于有限要素分析(finite elementanalysis)扩管加工模拟，按特定的顺序确定扩管加工前的被加工材料即空心管的尺寸、及上述工具的尺寸。对于该顺序在图4及以下进行说明。此外，在以下的说明中，空心管是无缝管，且假设在扩管加工时进行上述加热的情况。在此，无缝管是指通过轧制法或挤压法(extrusion method)将具有圆形截面或四角截面的钢坯(billet)乃至大钢坯(bloom)形成中空体(hollow body)的管，或进一步对其进行管轧制的管。
首先，作为顺序(a)，设定产品的目标外径、目标壁厚、目标内径及工具的锥形部长度及使用的扩管加工装置的送入力的上限即上限负荷。
(优选的设定方法)
·目标外径、目标壁厚及扩管加工装置的上限负荷＝各规定的值。
·工具的锥形部长度≒上述加热装置的长度区域。
接着，在步骤(b)中，作为尺寸参数，设定空心管外径、空心管壁厚、工具锥形部的锥形角度即锥形角度、工具轴方向截面内的轴方向截面内的肩部曲率半径即肩部R、工具平行部直径即工具最大径。即，对这些尺寸参数赋予初始值。
(优选的设定方法)
·空心管外径≒一般为无缝管的上限外径的400mm。但在要减小加工前后的外径差的情况下也可以低于400mm。
·空心管壁厚≒产品截面积和空心管截面积的一致解(matchsolution)(产品截面积和空心管截面积为相同的解)。
·锥形角度≒arctan(((产品内径-空心管内径)/2)/锥形部长度)。此外，在该式中，代替产品内径也可以采用工具最大径。
·工具最大径≒产品内径+上述加热导致的热膨胀量。
此外，产品内径＝目标外径-2＊目标壁厚。
·肩部R≒与空心管外径同等乃至其2倍。
接着，在顺序(c)中，将被加工材料分割为多个要素。这时，在确保分析精度这一点上，加工部(锥形部通过中的部分)的各要素优选在沿着管长度方向的截面内沿管壁厚方向的尺寸Δd为5mm以下，沿管长度方向的尺寸ΔL为Δd的2倍以下的矩形状要素(rectangleelement)。此外，从节约计算时间这一点来看，Δd优选为1mm以上，ΔL优选为Δd的0.5倍以上。加工部以外的部分的分割优选与加工部同样，计算时间过大的情况也可以减少分割数(division number)(增大要素尺寸(element size))。此外，基于三维有限要素法的分析需要时间和成本，但由于可进行进一步提高精度的分析，所以也可以应用这些。
接着，在顺序(d)中，执行扩管加工模拟，求出被加工材料的前端从肩部位置朝向工具出侧前进1.0m以上的时刻的计算送入力即计算负荷、被加工材料的加工后外径、加工后壁厚、加工后内径。
基于有限要素分析的模拟是所谓假定变形前后的形状，进行微调整用于实现其计算稳定性(calculation stability)的形状的正常分析(steady analysis)或对被加工材料前端完全扩管的非正常分析(non-stability analysis)的模拟，例如优选使用基于动态显示算法(dynamic explicit method)的二维有限要素法(two-dimensional finiteelement method)的模拟。分析需要的软件(code)可优选使用商用分析软件(commercial analysis code)即ABAQUS等。但是，不是否定静态隐式法(static implicit method)的软件。
本发明中，上述正常分析、非正常分析的任一种中都根据被加工材料的前端通过与工具的锥形部邻接的肩部前进1.0m以上的时刻的结果，进行评价。这是因为在计算上，如果不是一定量的长度通过工具后，则加工其本身不稳定。另外，在实际的加工中也从前端进行扩管加工的情况下，最前端附近因材料行进侧没有约束部，所以外径、壁厚都为与中央部相比不同的值。因此，假想这些的点都应该使用如上述那样的条件。但是也存在有根据分析条件，不必在前进1.0m以上后或根据经过相当这些的时间后的形状进行评价的情况，作为在多数条件下可普遍地适用的制约，设为1.0m以上。另外，优选为1.4m以上。
这时，作为结果，获得计算负荷、加工后的外径、加工后的壁厚、加工后的内径。
接着，在顺序(e)中判定计算负荷是否为上限负荷以下，如果是，则进入(f)。如果否，则变更空心管壁厚或进一步变更工具锥形部角度，返回(c)。
需要使计算负荷不超过上限负荷(设备的加工力(machining abilityof equipment))。在此，若成为大幅高于设备的加工力的计算负荷时，以使空心管壁厚薄壁化、降低锥形角度的顺序施加变更，再次实施模拟。薄壁化因截面积减小，所以可以降低加工所需的计算负荷，减小锥形角度与降低加工时的阻力相关联。在满足该设备的主要条件的情况下，进入顺序(f)。
在顺序(f)中，判定加工后外径是否为目标外径±1％的范围内，且加工后壁厚是否为目标壁厚±7.5％的范围内，如果是，则进入(g)。如果是否，则变更空心管外径及/或空心管壁厚而返回(c)。
在此，判定相对于产品目标尺寸的偏差(deviation)(＝(加工后的尺寸-目标尺寸)/目标尺寸*100(％))在外径方面，是不是阈值(threshold value)的±1％以内，在壁厚方面，是不是阈值的±7.5％以内。外径偏差(outside diameter deviation)、壁厚偏差的各阈值(±1％、±7.5％)分别考虑实际产品的尺寸公差(size tolerance)来确定。判定结果如果是，则进入(g)，如果否，则以偏差集中在阈值以内的方式变更空心管外径及/或空心管壁厚，反复进行模拟。
最后，在顺序(g)，判定内面的间隙＝加工后的内径-工具最大径是否为1mm以下，如果是，则判定为这时的尺寸参数是实际扩管制造用，结束顺序。如果否，则变更肩部R及/或锥形角度，返回(d)。
在判定结果为否的情况下，如果加工后的壁厚大体为目标壁厚，则优先变更肩部R，如果加工后的壁厚厚且加工后的内径大，则变更锥形部角度，可以更简便地获得最终形状。如果增加肩部R，则使锥形部和平行部(工具最大径部)缓缓地连接，即使被加工材料被推入(或拉出)，并被加工，也可以大体沿着工具变形，因此，可以将壁厚等的变化抑制在极微小，并使内径变化。当然，壁厚、内径都大的情况下，稍微减小锥形部角度，再次进行模拟，在上述顺序中反复计算即可。
实施例
(实施例1)
作为分析对象产品，使用外径609.6mm、壁厚24.1mm的STPA24(低合金锅炉钢(low-alloy boiler steel)，无缝钢管)。
由于产品外径为约600mm，所以空心管外径将作为无缝钢管易得到的大径即406.4mm作为初始值，空心管壁厚将大体产品壁厚即25mm作为初始值。为了抑制加工动力(manufacturing energy)，假定在加工部(工具锥形部)附近通过感应加热(induction heating)加热至900℃左右，在此，根据产品外径、产品壁厚，将工具最大径设为562mm。此外，工具和管内面的摩擦系数(frictional coefficient)以加工前涂布润滑剂(lubricant agent or lubrication)为前提，设为0.1。另外，假定使用的扩管加工装置的送入力的上限即上限负荷为800tonf。
在此，锥形部长度设为1200mm，锥形角度＝arctan(arctangentfunction)(((工具最大径-空心管内径)/2)/锥形部长度)≒6度。此外，空心管内径＝空心管外径-2*空心管壁厚。锥形角度也可以设定更大的值，但其越大，相对于被加工材料的所谓的阻力越大，因此，可知需要加工动力，因此，在加工机械的设备规格(machinespecification)上，从低值开始分析。肩部R将空心管外径的约1/2即R200作为初始值。
将空心管壁厚如上所述设为25mm，因此，为了将被加工材料分割为壁厚方向尺寸为5mm以下的要素，需要至少5个分割以上的分割，但因为有可能假定为更薄壁，所以在此采用9个分割。加工部(锥形部)长度如上所述设为1200mm，因此，为将该长度方向的要素尺寸设为与壁厚方向的情况同程度乃至2倍程度，加工部长度的分割设为300个分割。此外，加工部以外的部分也为同样的分割。
就扩管加工模拟而言，假定管圆周方向(circumferential direction oftube)均等，初期，概略假定为比工具稍大地进行变形，设定形状，变形自此发展，以动态显示算法的二维有限要素法进行。作为分析需要的软件使用商用分析软件即ABAQUS。
开始模拟，在看作为被加工材料的前端通过肩部后前进1.0m以上的状态下，评价计算负荷、变形状态(加工后的尺寸)。负荷如图2所示，如果被加工材料的前端从肩部的行进长度为1.0m以上，则慢慢稳定，如果为1.4m以上，则大体稳定在480tonf。因其比假设的上限负荷800tonf更加小，所以可以没问题地进行扩管加工。在此得到的加工后尺寸为外径＝612.6mm、壁厚＝22.75mm，与目标尺寸相比，外径大、壁厚小。
因此，慢慢使空心管壁厚变化，进行几次模拟。图3表示其结果。另外，该图中表示外径偏差的阈值(±1％)以内的外径合格范围及壁厚偏差的阈值(±7.5％)以内的壁厚合格范围。从这可知，适当的空心管壁厚为25.5～27.5mm。接着，在该区域，对于内面间隙评价模拟结果。在此，肩部R变化至空心管外径的大体2倍即R＝800mm。其结果确认了，在R＝300mm时，内面间隙为2.01mm，但通过设为R＝400mm，可实现内面间隙1.62mm，进而，在R＝600mm以上时，可实现内面间隙1.0mm以下。
如以上，确认在较少的模拟条件下可以适当地设定具有大量水准的扩管加工条件。
表1表示这些的汇总。
(实施例2)
将实施例1中获得的模拟结果与实际扩管加工的情况比较，进行用于验证本发明的有效性的实验。实验使用小型挤压装置，该模型比设为1/5，为了避免温度等干扰，将铅管作为被加工材料，通过冷轧进行扩管加工。被加工材料及工具为实施例1的1/5尺寸。
表2的CaseA表示实验结果，该表的CaseB表示模拟结果。根据表2，实验结果表示与模拟结果大体类似的趋势的值，可以验证本发明的有效性。
标号说明
1工具(内面加工用工具)、2锥形部、3肩部、4平行部、5心轴、10被加工材料(金属管)11管推压单元、12工具支承单元、13感应线圈
(表1)
(表2)

Claims (4)

1.一种金属管的扩管制造方法，在从作为工具的最小径端的始端到作为最大径端的终端依次具有顺畅地连接的锥形部、肩部、平行部的内面加工用工具中，将该工具的始端侧作为入侧，送入空心管内径小于所述平行部直径即工具最大径的作为被加工材料的金属管，使该工具通过管的内径侧，由此对所述被加工材料进行扩管加工，其中，
通过基于有限要素分析的扩管加工模拟，按以下的顺序决定扩管加工前的作为被加工材料的空心管的尺寸、及所述工具的尺寸：
(a)设定产品的目标外径、目标壁厚及工具的锥形部长度及使用的扩管加工装置的送入力的上限即上限负荷；
(b)作为尺寸参数，设定空心管外径、空心管壁厚、工具锥形部的锥形角度即锥形角度、工具轴方向截面内的轴方向截面内的肩部曲率半径即肩部R、工具平行部直径即工具最大径；
(c)将被加工材料分割为多个要素；
(d)执行扩管加工模拟，求出被加工材料前端在从肩部位置朝向工具出侧前进1.0m以上的时刻的计算送入力即计算负荷、被加工材料的加工后外径、加工后壁厚、加工后内径；
(e)判定计算负荷是否为上限负荷以下，如果为是，则进入(f)，如果为否，则变更空心管壁厚或进而变更锥形角度，返回(c)；
(f)判定是否加工后外径为目标外径±1％的范围内且加工后壁厚为目标壁厚±7.5％的范围内，如果为是，则进入(g)，如果为否，则变更空心管外径及/或空心管壁厚，返回(c)；
(g)判定内面间隙是否为1mm以下，其中，内面间隙＝加工后的内径-工具最大径，如果为是，则决定这时的尺寸参数为实际扩管制造用，顺序结束，如果为否，则变更肩部R及/或锥形角度，返回(c)、(d)。
2.根据权利要求1所述的金属管的扩管制造方法，其中，
使所述工具通过管内径侧，并从外径侧加热锥形部位置通过中的被加工材料部分。
3.根据权利要求1或2所述的金属管的扩管制造方法，其中，
所述空心管为无缝管。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的金属管的扩管制造方法，其中，
所述扩管加工模拟使用作为商用分析软件的ABAQUS，以基于动态显示算法的二维有限要素法进行扩管加工模拟。
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