JP2004141936A

JP2004141936A - Ｕｏｅ鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP2004141936A
Application number: JP2002310474A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Seki; 関　春彦; Michio Yamashita; 山下　道雄; Osamu Yamamoto; 山本　治; Muneyoshi Murakami; 村上　宗義
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】新たな金型、装置等の製作や工程追加を行うことなく、高強度厚物ＵＯＥ鋼管の製品寸法精度を改善できるＵＯＥ鋼管の製造方法を提供する。
【解決手段】幅端部を曲げた鋼板をＵ字形に曲げ成形するＵプレス工程と、次いでパイプ形状にプレス成形するＯプレス工程とを有するＵＯＥ鋼管の製造方法において、ＡＰＩ　Ｘ６０　級以上でかつ肉厚／　外径比が４％以上の製品を製造する際に、Ｕプレス工程に用いる金型のＵパンチ幅を製品外径の７０％以下、好ましくは６５％以下とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＵＯＥ鋼管の製造方法に関し、特に、高強度厚物ＵＯＥ鋼管を良好な製品寸法精度で製造しうるＵＯＥ鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＯＥ鋼管は、鋼板を所望寸法に切断成形後、端面研削、端曲げ成形（Ｃプレスとも称する）、Ｕプレス、Ｏプレス、溶接、拡管による矯正の各工程を順次経て製造される。最終製品は、パイプの溶接部を上にしたときに真円に近いことが重要である。通常一般には（縦径−横径）／製品外径目標値で表される真円度が指標として使用されることが多く、この値が０に近いほど好ましい。ところで、鋼板の幅端部で突き合わせ、溶接した部分は、他の部分が滑らかな曲線となるのに対し、尖った形状になりやすい。これは、素材である鋼板が高強度であるほど、そして厚くなるほど顕著に起こりやすい。また、拡管による矯正の工程を経ても完全には解消しない。そのため、Ｃプレスによる端曲げ成形工程で、製品の外径と厚さに応じて鋼板の両幅端部の所定範囲（例えば幅端から１８０　〜３２０ｍｍ　内側の範囲）を適切な量（例えば曲率半径２００　〜４００ｍｍ　）だけ予め曲げ加工して成形した上で、Ｕプレス、次いでＯプレスを行うようにしている。また、元来、高強度鋼板の成形に必要な曲げメーメントを与えられるようにするため、そして、所望の製品寸法精度を確保するため、端曲げ加工用Ｃプレス機、Ｕプレス機では成形力が数千トン、Ｏプレス機に至っては成形力が数万トンに達する設備が使われている。
【０００３】
しかし、近年、要求製品仕様の多様化に伴い、特に高強度・厚肉・小径の製品では、端曲げ成形の不足およびＯプレスによる成形の不足により、Ｏプレスによる成形後の突き合わせ溶接した部分が尖った形状になる傾向が一段と大きくなり、真円度等に代表される製品寸法精度も悪化するという問題が発生してきた。
この問題の解決策として、Ｃプレス機やＯプレス機の成形力をさらに増強することは、莫大な設備投資を必要とし、実際上極めて困難である。このため、成形の仕方によって設備の成形力不足を補う方法の提案が望まれている。
【０００４】
そのような方法として、例えば、Ｕプレス後の鋼板にＯプレスを複数回行い、各回のＯプレスでは、プレス用金型に対する突き合わせ部の角度位置を変更する、という方法が知られている（特許文献１参照）。それによれば、Ｕプレス後の鋼板を各回のＯプレス毎に特定の角度位置に回転させて所望の箇所に成形圧縮力が加わるようにすることで、既存のＯプレス機でも高強度厚肉ＵＯＥ鋼管製品の形状が改善されるとしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２８５７２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１所載の方法では、突き合わせ部の形状は改善するものの、一旦Ｏプレス用金型を開放し、被加工材を回転させ、さらにまたＯプレスする、という工程が追加されることになるため、それに要する時間の分、生産性が低下する、という問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、新たな金型、装置等の製作や、工程の追加を行うことなく、高強度厚物ＵＯＥ鋼管の製品寸法精度を改善できるＵＯＥ鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、前記目的を達成するために鋭意検討し、その結果、高強度厚物ＵＯＥ鋼管の製造に際して、Ｕプレス工程に用いる金型のＵパンチ幅を小さくし、Ｏプレス成形開始時の被加工材の外側面とこれに相対するＯプレス用金型の内面との隙間を広くとった場合に、Ｏプレス後の被加工材の突き合わせ部の形状が尖る傾向が軽減され、真円度も改善されるという知見を得て本発明に想到したものである。
【０００９】
すなわち本発明は、幅端部を曲げた鋼板をＵ字形に曲げ成形するＵプレス工程と、次いでパイプ形状にプレス成形するＯプレス工程とを有するＵＯＥ鋼管の製造方法において、ＡＰＩ　Ｘ６０　級以上でかつ肉厚／　外径比が４％以上の製品を製造する際に、Ｕプレス工程に用いる金型のＵパンチ幅を製品外径の７０％以下とすることを特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法である。
【００１０】
本発明では、前記Ｕプレス工程に用いる金型のＵパンチ幅は、製品外径の６５％以下とすることがさらに好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、高強度厚物ＵＯＥ鋼管（本発明では、グレードがＡＰＩ　Ｘ６０　以上かつ肉厚／　外径比が４％以上の製品を指す）を、既存のＣプレス機、Ｏプレス機を用いて製造する際に、Ｏプレス工程に先立つＵプレス工程において、用いる金型のＵパンチ幅を製品外径の７０％以下としたので、Ｏプレス成形開始時の被加工材の外側面とこれに相対するＯプレス用金型の内面との隙間が広くなり、それによってＯプレス時に被加工材の幅端部の変形の仕方が変わって、Ｏプレス後の被加工材の突き合わせ部の形状が尖る傾向が軽減され、真円度が改善されて、製品寸法精度が向上するのである。
【００１２】
ここで、製品寸法精度をより改善するためには、前記Ｕパンチ幅を製品外径の６５％以下とするのがさらに好ましい。
本発明によれば、Ｕプレス工程に用いる金型のＵパンチ幅を製品外径の７０％以下にするのに、通常各製品外径に対応して所持している複数のＵパンチ幅から適切な幅の金型を選択することで足りるから新たな金型、装置等の製作や、工程追加を行うことなく強度厚物ＵＯＥ鋼管の製品寸法精度を向上できる。
【００１３】
以下に、本発明に至ったＯプレスでの被加工材の変形挙動の解析結果について説明する。
まず、肉厚（板厚）３８．１ｍｍ、肉厚／　外径比６．２５％のＴＳ６００Ｍｐａ級鋼管の被加工材（同ＴＳ、寸法の鋼板）を対象とし、Ｕプレスのパンチ幅条件を同鋼管の製品外径の７５％　（広幅Ｕ）、７０％　（狭幅Ｕ）の２条件とし、Ｏプレス圧縮率を０．４　％として、Ｏプレス時の被加工材の変形挙動をＦＥＭ（有限要素法）により解析した。
【００１４】
なお、ここでいう圧縮率とは、円周方向の初期被加工材長さ（被加工材である鋼板の幅に相当）をＬＩ、金型締め込み時の被加工材の板厚の１／２　相当部分の円周方向長さをＬＡとしたとき、（ＬＩ−ＬＡ）／ＬＩ　（×１００　％）で定義される。
結果を図１、図２に示す。図１は、Ｏプレス時の被加工材の変形挙動を示す断面模式図であり、図２は、Ｏプレス荷重と圧縮率の関係を示す図である。図２中に示すＩ〜ＩＩＩ　は、図１のＩ〜ＩＩＩ　の被加工材の状態と対応する。
【００１５】
広幅Ｕの条件（Ｂ）では、被加工材３の幅端部とＯプレス用上金型１が接触する直前のＯプレスの初期状態では、図１（Ｂ）に示すように、被加工材３の下部から側面にかけての領域とＯプレス用下金型２との隙間が小さく、また、上金型１が降下してくると、まずは被加工材３の幅端が上金型１と接触後、上金型１の最上部に向けて摺動していくものの、さらに上金型１の降下が進むと、図１（Ｂ）にＩの状態として示すように、上金型内面最上点から約４５°の点Ｑ一点で被加工材が上金型１とは接触するようになり、図２に（Ｂ）として破線で示すように、Ｉ〜ＩＩＩ　にかけて、Ｏプレス荷重が上昇していく。その間、Ｏプレス荷重は上昇していくものの、金型１、２と被加工材３の接触点数、位置とも変化することはなく、次第に被加工材３全体が金型１、２の形状に馴染んで行く。
【００１６】
一方、狭幅Ｕの条件（Ａ）では、初期状態で被加工材３の側面と下金型２の間に条件（Ｂ）の場合に対し比較的広い隙間が存在し、図１（Ａ）に示すＩの状態では被加工材３は上金型１の内面の最上点から約６０°の点Ｐ一点で上金型１とは接触するようになる。このＩの状態では、条件（Ｂ）に対して被加工材３の側面には比較的広い隙間が存在していて、下金型２とあまり馴染んでいない。さらに上金型１のが降下が進むと、点Ｐと上金型１の最上部の間の領域が張り出し、ＩＩ→ＩＩＩ　と成形が進むにつれて接触点が次第に増えながら、すなわち折れ曲がりながら変形が進み、被加工材３全体が金型１、２の形状に馴染んで行く。
【００１７】
ここで注目すべき点は、被加工材３の金型への馴染み方で、（Ｂ）ではＩＩＩ　の状態まで被加工材３の変形が進んでも、端曲げ部を含む被加工材３の幅端部が上金型１にあまり馴染んでいないのに対し、（Ａ）ではＩ　以降、ＩＩ→ＩＩＩ　と成形が進むにつれて、接触点が端曲げ部を含む被加工材３の幅端部で次第に増えていくことからしてもわかる通り、被加工材３の上金型１への馴染みがより確実に進行している点である。
【００１８】
図２の圧縮率と荷重との関係で見ても、狭幅Ｕの条件（Ａ）では、広幅Ｕの条件（Ｂ）が１段の変形であるのに対し、２段の変形となっている。以上のことから言えることは、（Ｂ）に対し（Ａ）は被加工材３の幅端部の突き合わせの形状が尖るのとは逆に正対し、その外形が滑らかにつながる作用がある、ということである。図３は、初期形状からＩＩＩ　までの被加工材幅端部の曲率半径の変化を示したものである。ここで、被加工材幅端部の曲率半径は、突き合わせ部を境に製品外周の１８％相当長さだけ円周方向両側について、その領域の管断面の円周形状の曲率半径を別個に求め、相加平均した値で表され、さらに図３ではその値を製品外径の１／２　（製品外半径）で割り算した比率として表示している。初期の先端部の曲率半径は（Ａ）、（Ｂ）の両条件とも曲率半径が製品外半径の２倍となっている。（Ｂ）の条件では、成形が進んでも曲率半径にはほとんど変化が見られないが、（Ａ）の狭幅Ｕを使用した条件では、ＩからＩＩ、ＩＩからＩＩＩ　へと成形が進むにつれて被加工材３の幅端部の変形が進行し、最終的には製品外半径に近い曲率半径が得られている。
【００１９】
以上のように、狭幅Ｕの条件では、広幅Ｕの条件に比べＯプレス後の被加工材幅端部の突き合わせ形状が、尖るのとは逆に正対し、その外形が滑らかにつながる作用がある。また、その際に必要とされるＯプレス成形力は広幅Ｕを使用した条件と同程度にしかならない。
次に、図４は、種々の製品外径及びＵパンチ幅とこれら条件下でＦＥＭ解析したＯプレス後の被加工材の形状との関係を示したものである。被加工材はＡＰＩ　Ｘ７０　及びＸ８０　級とし肉厚／　外径比（ｔ／　Ｄ）は４．０　〜５．０　％とした。図示のように、製品外径に関わりなく、製品外径に対するＵパンチ幅が７０％以下では、何れも真円度（（縦径−横径）／　製品外径目標値（×１００　％））が±０．７　％以内と形状合格範囲に収まり、さらに０．６５以下では真円度が±０．５　％以内となり、非常に良好な製品寸法精度となる。これに対し、製品外径に対するＵパンチ幅が７０％を超えると真円度が±０．７　％を超え、真円度が悪化する。
【００２０】
【実施例】
肉厚ｔ＝３８．１ｍｍ（１．５ｉｎｃｈ　）、外径Ｄ＝９１４．４ｍｍ　（３６ｉｎｃｈ）のＡＰＩ　Ｘ７０　級ＵＯＥ鋼管を、前記特許文献１に準じた方法によって製造した比較例と、本発明方法によって製造した本発明例について、製品寸法精度および作業能率を評価した。比較例の方法では、Ｕパンチ幅は製品外径の７５％　とし、Ｏプレスを３回に分け、被加工材をその突き合わせ先端の角度位置（被加工材断面形状の中心から鉛直上方を０°とし、時計回りを正、半時計回りを負とする）を１回目では０°、２回目では６０°、３回目では−６０　°となる位置に回転させて圧縮した。本発明例の方法では、Ｕパンチ幅を製品外径の６５％とし、Ｏプレスは被加工材突き合わせ部の角度位置を０°として１回で圧縮した。プレス荷重は、Ｃプレスが１５００トン、Ｕプレスが３６００トン、Ｏプレスが６７０００　トンであった。
【００２１】
結果を図５、図６、図７に示す。図５は、製品の突き合わせ部の未成形角度を示したものである。この角度は拡管前に測定したもので、小さいほうが良好であるが、比較例の５°に対し、本発明例では４°であり、比較例よりも優れている。また、図６は、拡管後の真円度を示したもので、比較例の０．６　％に対し、本発明例では０．４５％と優れている。このように、本発明例では、突き合わせ部形状、管全体の製品寸法精度ともに、比較例よりも優れたものとなった。
【００２２】
ちなみに、拡管は元々、円錐台形状のスリーブを、一方向に移動させることで、くさび状の拡管用ジャッキを管内面側に押し当てて外方向に拡げる原理の装置で行われ、事前の予測計算で拡管の力を除荷後の管スプリングバックによる寸法の収縮分を補償するように、管外径が所定寸法になるまで、拡管するように行われる。
【００２３】
また、図７は、生産性を単位時間当りのＯプレス成形処理本数で表したもの（比較例の値を１とした相対値）で、本発明例では比較例の３倍の生産性となった。
【００２４】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、新たな金型、装置等の製作や工程追加を行うことなく、高強度厚物ＵＯＥ鋼管の製品寸法精度を改善できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｏプレス時の被加工材の変形挙動を示す断面模式図である。
【図２】Ｏプレス荷重と圧縮率の関係を示す図である。
【図３】変形の進展と被加工材幅端部の曲率半径の関係を示す図である。
【図４】製品外径及びＵパンチ幅とＯプレス後の製品寸法精度との関係を示す図である。
【図５】本発明例と比較例の製品の突き合わせ部の未成形角度を示す図である。
【図６】本発明例と比較例の製品の真円度を示す図である。
【図７】本発明例と比較例の生産性を示す図である。
【符号の説明】
１　上金型
２　下金型
３　被加工材

Claims

幅端部を曲げた鋼板をＵ字形に曲げ成形するＵプレス工程と、次いでパイプ形状にプレス成形するＯプレス工程とを有するＵＯＥ鋼管の製造方法において、ＡＰＩ　Ｘ６０　級以上でかつ肉厚／　外径比が４％以上の製品を製造する際に、Ｕプレス工程に用いる金型のＵパンチ幅を製品外径の７０％以下とすることを特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法。