JP2001113329A - 拡管加工用内面工具および鋼管の拡径加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】オーバーシュートおよび曲がりの発生を抑制す
ることのできる拡管加工用内面工具および鋼管の拡径加
工方法の提供。 【解決手段】基端側から先端側に向って外径が大きくな
る傾斜部２、縦断面形状が等径部４の外径Ｄの２倍以上
の曲率半径Ｒの曲面３ａで構成された接続部３および等
径部４を備える拡管加工用内面工具。この工具の基端側
に挿入された鋼管を加熱しながら軸方向に移動させて拡
径加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、径の大きい鋼管
の拡径加工に用いられる拡管加工用内面工具、およびこ
の工具を用いた鋼管の拡径加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラの主蒸気管として、外径が５００
ｍｍ以上で肉厚が２０ｍｍ程度の大径薄肉の継目無鋼管
が用いられる。この大径薄肉の継目無鋼管は、代表的な
継目無管の製造方法であるロール穿孔圧延法や熱間押出
し法による製造可能外径範囲を超えるため、これらの製
管方法のみで製造することはできない。

【０００３】したがって、従来は、例えば押抜き法で製
造された大径厚肉の継目無鋼管を、切削法により肉厚を
薄くして製造する方法が採用されているが、この方法で
は、切削による材料ロスが生じるため、歩留りが悪いと
いう欠点がある。

【０００４】大径薄肉の継目無鋼管を製造する方法とし
て、拡管加工用プラグを用いた拡径加工方法が従来から
知られている。

【０００５】図５は、従来の拡径加工方法の一例を説明
する縦断面図である。同図において、拡管加工用プラグ
２０は、先端側に向って外径が大きくなる傾斜部２１
と、傾斜部２１の大径側に続いて形成された等径部２２
とを備え、マンドレル２３により支持される。また、加
熱装置２４を拡管加工用プラグ２０の外側に備える。

【０００６】拡径加工の際は、拡管加工用プラグ２０の
周面に潤滑剤を塗布し、図示を省略したプレスにより、
比較的小径厚肉の継目無の鋼管Ｐをマンドレル２３側か
ら押し進めることにより、鋼管Ｐは傾斜部２１により拡
径加工される。

【０００７】しかし、この方法では、傾斜部２１に沿っ
て拡径加工された鋼管が、等径部２２に押し進められる
と、拡径加工された鋼管の内径ｄ₀が、傾斜部２１の大
径側の外径（等径部２２の外径）Ｄ₀より大きくなる現
象（以下、オーバーシュートという）が生じる。そのた
め、所定の内径の鋼管を製造するためには、等径部２２
の外径Ｄ₀に対する鋼管の内径ｄ₀の増加量（以下、オー
バーシュート量といい、等径部２２の外径Ｄ₀に対する
オーバーシュート量の割合をオーバーシュート率とい
う）を考慮した外径Ｄ₀の等径部２２を備えた拡管加工
用プラグを用いる必要がある。

【０００８】また、鋼管の材質、内面粗さなどの鋼管の
条件、および潤滑性能、加工温度、拡径率、加工速度な
どの加工条件により、オーバーシュート量が異なるた
め、同一の内径の鋼管を拡径加工して製造する場合であ
っても、鋼管の条件および加工条件毎に外径の異なる拡
管加工用プラグを準備する必要がある。

【０００９】さらに、オーバーシュートが生じると、拡
径加工された鋼管の先端部の内面が等径部２２に接触し
ないため、加工前の鋼管の偏肉および局部加熱における
鋼管の周方向の温度差により、材料の軸方向の流れが鋼
管の周方向位置で異なり、この現象により鋼管の先端に
曲がりが生じる。鋼管の先端に曲がりが生じると、後続
する部分も先端の影響を受けて曲がりが生じる。特に製
造する鋼管の長さが長い場合、全長に対する曲がりの量
が多くなり、その後の取り扱いに支障をきたす。

【００１０】オーバーシュートおよび曲がりの比較的少
ない鋼管の拡径加工方法が、特開昭６１−５６７４６号
公報に開示されている。

【００１１】この方法は、ロール穿孔圧延法または熱管
押出し法で製造された継目無鋼管を素材とし、この素材
を、特殊な形状の拡管加工用プラグの基端側から挿入し
て先端側に押し進め、前記拡管加工用プラグの近傍に設
けた加熱手段により局部的に加熱しながら、拡径加工し
て大径薄肉の鋼管を製造する方法である。

【００１２】図６は、前記公報に記載された拡管加工用
プラグの正面図である。同図において、拡管加工用プラ
グ３０は、先端側に向って外径が大きくなる傾斜部３１
と、傾斜部３１の大径側に続いて形成された接続部３２
と、接続部３２に続いて形成された等径部３３とを備
え、等径部３３は前段３３ａ、中段３３ｂおよび後段３
３ｃにより構成される。この拡管加工用プラグ３０で
は、接続部３２は、テーパ面３２ａで構成され、傾斜部
３１で拡径加工された鋼管を等径部３３の前段３３ａに
沿わせる役目を果たすとされている。

【００１３】しかし、この拡管加工用プラグ３０の接続
部３２は、半角が２度〜５度のテーパ面３２ａで構成さ
れているため、程度の差はあるものの前記の従来方法と
同様にオーバーシュートが生じる。そのため拡径加工さ
れた鋼管の先端部の内面が前段３３ａには接触しないた
め、曲がりが生じる。

【００１４】曲がりの生じた鋼管の先端が中段３３ｂに
押し進められても曲がりは矯正されず、鋼管の先端は、
曲がりが矯正されないまま中段３３ｂから押出され、前
記の従来方法と同様に曲がりが生じ、その後の取り扱い
に支障をきたす。

【００１５】拡径加工中に曲がりを矯正するためには、
後段３３ｃの長さを長くし、拡径加工された鋼管の内面
を後段３３ｃに沿わせればよいが、後段３３ｃの長さを
長くすると接触長さが長くなるため、拡径加工に必要な
荷重（以下、加工荷重という）が大きくなる。また、後
段３３ｃでは、鋼管の温度が低下しているため、さらに
大きな加工荷重が必要となる。また、等径部３３とし
て、前段３３ａ、中段３３ｂおよび後段３３ｃが形成さ
れているため、工具加工に手間がかかり、工具費が嵩
む。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、単
純な形状でかつオーバーシュートと曲がりの発生を抑制
することのできる拡管加工用内面工具、およびこの工具
を用いた鋼管の拡径加工方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明の要旨は次の
（１）の拡管加工用内面工具と、（２）の鋼管の拡径加
工方法にある。（図１参照） （１）基端側から先端側に向って外径が大きくなる傾斜
部２と、傾斜部２の先端側に続いて形成された接続部３
と、接続部に続いて形成された等径部４とを備える拡管
加工用内面工具１であって、前記接続部３は、縦断面形
状が等径部４の外径Ｄの２倍以上の曲率半径Ｒを有する
外側に凸状の曲面３ａで構成されていることを特徴とす
る拡管加工用内面工具。

【００１８】（２）前記（１）に記載した拡管加工用内
面工具１の基端側に鋼管を挿入し、少なくとも傾斜部２
に接触するより手前の位置で鋼管を外面から加熱しなが
ら、鋼管と拡管加工用内面工具１の少なくとも一方を軸
方向に移動させて前記鋼管を拡径加工することを特徴と
する鋼管の拡径加工方法。

【００１９】

【発明の実施の形態】この発明の拡管加工用内面工具を
図１に基づいて説明する。図１は、本発明の拡管加工用
内面工具の一例を示す縦断面図である。同図において、
拡管加工用内面工具１は、傾斜部２、接続部３、等径部
４および逃げ部５により構成される。

【００２０】傾斜部２は、拡径加工を行う部分で、基端
部２ａから先端部２ｂに向って外径が大きくなる半角α
のテーパ面２ｃで構成され、基端部２ａの中心には、マ
ンドレルに装着するためのネジ部２ｄを備える。テーパ
面２ｃの半角αは、拡径加工時の加工荷重を極力小さく
するために８〜１２度の範囲とするのが好ましい。

【００２１】図２は、後述する実施例の、等径部４の外
径Ｄに対する曲面３ａの曲率半径Ｒの比（以下、Ｒ／Ｄ
という）が３．０の場合の、テーパ面２ｃの半角αと加
工荷重との関係の一例を示す図である。同図からわかよ
うに、半角αが１０度において加工荷重が最も小さく、
半角αがこの角度範囲から小さくなるに従い、または大
きくなるに従い、加工荷重は大きくなる。

【００２２】半角αが小さくなるに従い加工荷重が大き
くなるのは、鋼管とテーパ面２ｃとの軸方向接触長さが
長くなるためである。また半角αが大きくなるに従い加
工荷重が大きくなるのは、テーパ面２ｃの軸方向の単位
長さあたりの拡径量が大きくなるためである。半角αを
８〜１２度とすれば、最小加工荷重に対する加工荷重の
増加率をほぼ３０％以下に抑制することができる。

【００２３】傾斜部２の先端部２ｂに続いて接続部３が
形成される。接続部３は、傾斜部２で拡径加工された鋼
管を、続いて形成された等径部４に沿わせるための部分
で、外側に凸状の曲面３ａにより構成される。この曲面
３ａは、その曲率半径Ｒが、続いて形成される等径部４
の外径Ｄの２倍以上で、かつ、傾斜部２のテーパ面２ｃ
と等径部４の外面との内接円の一部である。

【００２４】曲率半径Ｒを等径部４の外径Ｄの２倍以上
とするのは、拡径加工された鋼管が等径部４に押し進め
られたときの、オーバーシュート率を０．５％以下にす
るためである。オーバーシュート率が０．５％以下であ
れば拡径加工された後の鋼管の内径（外径）が公差を外
れることはない。また、拡径加工された鋼管の内面と等
径部４の外面との隙間が小さいため、曲がりが生じにく
い。

【００２５】図３は、後述する実施例のテーパ面の半角
αが１０度の場合の、Ｒ／Ｄとオーバーシュート率およ
び加工荷重との関係の一例を示す図である。同図からわ
かるように、Ｒ／Ｄが小さいとオーバーシュート率は大
きく、Ｒ／Ｄが大きくなるに従いオーバーシュート率は
減少する。Ｒ／Ｄを２．０以上とすれば、オーバーシュ
ート率は０．５％以下に抑制される。またＲ／Ｄを２．
５以上とすればオーバーシュート率は零になる。従っ
て、より内径精度のよい鋼管を得るためには、Ｒ／Ｄを
２．５以上にするのが好ましい。

【００２６】なお、図３は、テーパ面の半角αが１０度
の場合の、Ｒ／Ｄとオーバーシュート率との関係を示す
図であるが、テーパ面の半角αが６度から１４度の範囲
であれば、Ｒ／Ｄとオーバーシュート率との関係は図３
とほぼ同じ傾向である。また、Ｒ／Ｄとオーバーシュー
ト率との関係は、鋼管の材質などの鋼管の条件、および
潤滑性能、加工温度、拡径率、加工速度などの加工条件
が異なってもほぼ図３と同様の傾向であることは、実験
により確認されている。

【００２７】図３によれば、Ｒ／Ｄの増加に伴い加工荷
重が増加する。加工荷重の上限は、用いるプレスの能力
によって決まるが、例えばＲ／Ｄを４以下にすれば、Ｒ
／Ｄが２．５のときの加工荷重に対しその増加率を３０
％以下とすることができる。

【００２８】接続部３に続いて等径部４が形成される。
等径部４は、拡径加工された鋼管の内径を規制する部分
で、その外径Ｄは、拡径加工後の鋼管の目標内径に等し
い。

【００２９】逃げ部５は、拡径加工された鋼管が拡管加
工用内面工具から抜けるときに、その内面に疵が生じる
のを防止するための部分で、例えば半角が１５度程度の
テーパ面５ａで構成される。

【００３０】以上のように構成された拡管加工用内面工
具１を用いて、鋼管は次のようにして拡径加工される。

【００３１】図４は本発明の拡径加工方法を実施するた
めの拡管加工装置の一例を示す概略図である。同図にお
いて、プレスヘッド１１は、その軸中心に貫通穴１１ａ
を備え、図示を省略した液圧シリンダのロッド１２に接
続される。

【００３２】プレスヘッド１１の貫通穴１１ａには、そ
の基端部を支持部材１３により支持されたマンドレル１
４が挿入され、マンドレル１４の先端には、周面に潤滑
剤が塗布された本発明の拡管加工用内面工具１が装着さ
れる。拡管加工用内面工具１は、予め例えば８００℃程
度に予熱しておくのが好ましい。

【００３３】マンドレル１４の先端付近には、加工前の
鋼管Ｐを加熱する高周波加熱コイル１５が設けられ、拡
管加工用内面工具１の傾斜部２を含む領域には、加工中
の鋼管Ｐを保温する高周波加熱コイル１６が設けられ
る。また、高周波加熱コイル１５のプレスヘッド側に
は、拡径加工される前の鋼管Ｐを支持する入側ローラ１
７、および高周波加熱コイル１６の反プレスヘッド側に
は、拡径加工された鋼管Ｐを支持する出側ローラ１８が
設けられる。

【００３４】拡径加工の際は、マンドレル１４を離した
支持部材１３およびプレスヘッド１１を図左方向に移動
させた後、内面に潤滑剤が塗布された鋼管Ｐをマンドレ
ル１４の基端側から挿入して入側ローラ１７で支持す
る。

【００３５】その後、支持部材１３およびプレスヘッド
１１を図示の状態に戻した後、高周波加熱コイル１５、
１６に通電した状態で、鋼管Ｐの後端をプレスヘッド１
１により押し、鋼管Ｐを図右方向に押し進める。鋼管Ｐ
は、拡管加工用内面工具１の傾斜部２に接触するより手
前の位置で、高周波加熱コイル１５により例えば７５０
〜９００℃に加熱され、その後、拡管加工用内面工具１
により拡径加工される。

【００３６】連続して拡径加工を行う場合、最初の鋼管
Ｐの後端が高周波加熱コイル１５に達して、プレスヘッ
ド１１が前進できなくなれば、鋼管Ｐの拡径加工を一旦
停止する。そして、マンドレル１４を離した支持部材１
３およびプレスヘッド１１を同図左方向に移動させた
後、次の鋼管Ｐをマンドレル１４の基端側から挿入し、
その後、支持部材１３およびプレスヘッド１１を図示の
状態に戻して、次の鋼管Ｐの先端を最初の鋼管Ｐの後端
に押しつけ、その後前記の方法と同じようにして、鋼管
Ｐの拡径加工を続ける。拡径加工されて拡管加工用内面
工具１から押し抜かれた鋼管Ｐは、出口ローラ１８によ
り支持され図右方向に搬送される。

【００３７】以上の説明では、鋼管Ｐを図右方向に移動
させるようにしたが、拡管加工用内面工具１および高周
波加熱コイル１５、１６を図左方向に移動させてもよ
く、両方を組み合わせてもよい。

【００３８】

【実施例】外径４００ｍｍ、肉厚２０ｍｍ、長さ８００
０ｍｍのＪＩＳ ＳＴＰＴ４８０に規定される化学組成
の炭素鋼管を、図４の装置を用いて拡径加工した。

【００３９】拡管加工用内面工具は、図１に示す本発
明の拡管加工用工具、接続部のない図５に示す従来の
拡管加工用内面工具、および接続部が半角４度のテー
パ面で構成された拡管加工用内面工具を用いた。

【００４０】なお、いずれの拡管加工用内面工具も、Ｊ
ＩＳ ＳＫＤ６１に規定される化学組成の合金工具鋼か
らなり、傾斜部の最小径を３００ｍｍ、等径部の径を５
１４ｍｍとした。用いた拡管加工用内面工具のＲ／Ｄお
よび傾斜部を構成するテーパ面の半角を表１に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】拡径加工の際は、拡管加工用内面工具を予
め８００℃に加熱し、鋼管の内面と拡管加工用内面工具
の周面に、黒鉛系潤滑剤（黒鉛、バインダーおよび分散
剤を水に混合したもの）を塗布した。また、高周波加熱
コイルで鋼管を加熱して、拡管加工用内面工具の傾斜部
に接触する位置における鋼管の温度を８５０℃とした。
なお、試験本数は各条件とも３本とした。

【００４３】拡径加工中は、加工荷重を連続して計測し
た。また、拡径加工後室温に冷却された鋼管の先端部
（Ｔ）と後端部（Ｂ）の内径をノギスにより測定した
後、内径の測定値に基づいてオーバーシュート率を求め
た。また、冷却された鋼管を、長さ１ｍの定規とスキミ
ゲージにより１ｍ当たりの曲がりを測定した。結果を表
１にあわせて示す。なお、内径および曲がりは、３本の
鋼管の最大値を示し、オーバーシュート率は、Ｔおよび
Ｂの大きい方の値を示し、加工荷重は、拡径加工中の最
大荷重を示す。

【００４４】表１からわかるように、本発明例のＮｏ．
１からＮｏ．９は、オーバーシュート率が０．３８％以
下で、曲がりは３ｍｍ／ｍ以下である。特にＲ／Ｄが
２．５以上のＮｏ．２からＮｏ．９は、オーバーシュー
ト率が０である。

【００４５】これに対してＲ／Ｄが本発明の範囲を外れ
るＮｏ．１０は、オーバーシュート率が０．５７％で曲
がりも本発明例より大きい。また、接続部のない拡管加
工用内面工具を用いたＮｏ．１１および接続部が半角４
度のテーパ面で構成された拡管加工用内面工具を用いた
Ｎｏ．１２は、オーバーシュート率および曲がりが本発
明例に比べて極端に大きい。

【００４６】

【発明の効果】本発明の拡管加工用内面工具を用いて拡
径加工すれば、オーバーシュート率の小さい鋼管を製造
することができる。したがって、同一の内径の鋼管を製
造する際に、加工条件毎に拡管加工用内面工具を準備す
る必要はない。また曲がりの小さい鋼管を製造すること
ができるため、製造された鋼管の取り扱いに支障をきた
すことはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の拡管加工用内面工具の一例を示す縦断
面図である。

【図２】テーパ面２ｃの半角αと加工荷重との関係の一
例を示す図である。

【図３】Ｒ／Ｄとオーバーシュート率および加工荷重と
の関係の一例を示す図である。

【図４】本発明の拡径加工方法を実施するための拡管加
工装置の一例を示す概略図である。

【図５】従来の拡径加工方法の一例を説明する縦断面図
である。

【図６】特開昭６１−５６７４６号公報に記載された拡
管加工用プラグの正面図である。

【符号の説明】

１ 拡管加工用内面工具 ２ 傾斜部 ２ｃ テーパ面 ３ 接続部 ３ａ 曲面 ４ 等径部 ５ 逃げ部 １１ プレスヘッド １２ ロッド １３ 支持部材 １４ マンドレル １５、１６ 高周波加熱コイル １７ 入側ローラ １８ 出側ローラ ２０、３０ 拡管加工用プラグ Ｐ 鋼管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基端側から先端側に向って外径が大きくな
   る傾斜部と、傾斜部の先端側に続いて形成された接続部
   と、接続部に続いて形成された等径部とを備える拡管加
   工用内面工具であって、前記接続部は、縦断面形状が等
   径部の外径の２倍以上の曲率半径を有する外側に凸状の
   曲面で構成されていることを特徴とする拡管加工用内面
   工具。
2. 【請求項２】請求項１に記載した拡管加工用内面工具の
   基端側に鋼管を挿入し、少なくとも傾斜部に接触するよ
   り手前の位置で鋼管を外面から加熱しながら、鋼管と拡
   管加工用内面工具の少なくとも一方を軸方向に移動させ
   て前記鋼管を拡径加工することを特徴とする鋼管の拡径
   加工方法。