JP2005103557A - 内面溝付管の製造装置及び内面溝付管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 長尺管を使用しても、加工中に管が破断しにくく、均一に溝を形成することができる内面溝付管の製造装置及び内面溝付管の製造方法を提供する。
【解決手段】 矯正ロール２５ａ乃至２５ｅが、素管１の両側に交互に、即ち、千鳥状に配置されている矯正機により、巻きぐせにより湾曲した素管１の湾曲中心側の面と外側の面とを交互に押圧してその巻きぐせを真直に矯正した後、保持ダイス３に挿入する。次に、保持ダイス３及び保持プラグ２により素管１の形状及び肉厚を均一化した後、転造部７ａで第１の溝を形成する。その後、サイジングダイス８ａにより素管１を縮径加工し、転造部７ｂで第２の溝を形成する。そして、サイジングダイス８ｂにより縮径加工して内面溝付管にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、家庭用及び業務用エアコンディショナ等に使用される空冷式熱交換器に組み込まれる伝熱管として好適なシームレス内面溝付管の製造装置及びこの装置を使用する内面溝付管の製造方法に関し、特に、溝付プラグ及びロール圧延により管の内面に溝を形成する内面溝付管の製造装置及び内面溝付管の製造方法に関する。

内面溝付管は、エアコンディショナ等に使用される空冷式熱交換器に組み込まれる伝熱管として使用されている。内面溝付管には、転造加工により製造されるシームレス内面溝付管及び高周波誘導溶接等により製造される溶接内面溝付管の２種類がある。溶接内面溝付管は、溶製後の鋳塊を一旦板材に成形し、この板材に溝ロールにより溝加工を施し、その後ロールフォーミングにより前記板材を円弧状に丸め、高周波溶接又はＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接により管に成形することにより製造される。一方、シームレス内面溝付管は、溶製後の鋳塊から直接管を成形し、この管に溝加工を施すことにより製造される。このため、シームレス内面溝付管は、溶接内面溝付管よりも製造に要する工程が少なく、生産性において溶接内面溝付管よりも優れている。また、溶接内面溝付管の製造においては、生産性を向上させるために加工速度を増加すると、溶接品質の安定性が低下すると共に、高電流を加熱コイルに流すことになるため、加熱コイルの寿命が短くなる。更に、電力消費量が大きくなり、製造コストがかえって増大する。

シームレス内面溝付管の製造方法には、ボール転造による製造方法とロール加工による製造方法とがある。先ず、ボール転造による内面溝付管の製造方法（以下、ボール転造法という）を説明する。素材には、光輝焼鈍又はインダクションヒーターによる焼鈍により調質された焼鈍材（Ｏ材）からなる素管を使用する。この素管の内部に、外面に溝が形成された溝付プラグを挿入すると共に、前記素管の外面に転接して遊星回転する転造ボールを前記溝付プラグに対応する位置に配置する。転造ボールの遊星回転は磁気浮上式高速モータにより行う。そして、この転造ボールにより前記素管を前記溝付プラグに向けて押圧すると共に、前記素管を引き抜くことにより、溝付プラグは管軸を中心に回転し、前記素管の内面全体に前記溝付プラグの溝が転写され、溝が形成される。

しかしながら、前述のボール転造法には以下に示すような問題点がある。先ず、ボール転造法においては、転造ボールを高速で回転させるために磁気浮上式高速モータを使用する必要がある。この磁気浮上式高速モータは極めて高価な装置であるため、設備コストが高くつくという問題点がある。

また、ボール転造法において、シームレス内面溝付管の生産性を向上させ、製造コストを低減するためには、管の引き抜き速度を速くする必要がある。一方、ボール転造法において、管内面の溝成形性に影響を及ぼす因子の一つに加工ピッチ（１個のボールが１公転する間に進む素管の長さ）がある。この加工ピッチを従来と同程度にして溝成形性を維持しながら引き抜き速度を速くするためには，転造ボールの公転速度を早くする必要がある。しかしながら、通常の磁気浮上式高速モータにおいては、回転速度の上限値は約３０，０００回転／分である。このため、管の加工ピッチが１回転当たり２ｍｍである場合、引き抜き速度の上限値は約６０ｍ／分となる。現有する最高速度の磁気浮上式高速モータにおいても、回転速度は約４５,０００回転／分が限界であり、従って、引き抜き速度は約９０ｍ／分が限界である。このため、ボール転造法においては、管の引き抜き速度をあまり速くすることができず、生産性の向上にも限界がある。

更に、ボール転造法においては、素管として焼鈍材（Ｏ材）を使用する必要がある。これは、ボール転造法は、公転する転造ボールにより素管を管径方向に変形させるため、素管が焼鈍材のように軟質な材料によって構成されていないと、素管が十分に変形することができず、溝を形成できないためである。このため、ボール転造法によりシームレス内面溝付管の製造する場合、ボール転造を行う前に素管を焼鈍材により構成する必要があり、製造コストが高くつく。なお、溶接管を使用する場合、焼鈍を行っていない材料（Ｈ材）でも溝形成は可能であるが、溝ロールに欠損を生じやすく、かえってコストアップになるため、溝成形性の向上を考慮して、素管を焼鈍材により構成することが好ましい。

このように、ボール転造法によるシームレス内面溝付管の製造は、溶接内面溝付管の製造よりは製造コストを低減できるものの、製造設備に磁気浮上式高速モータを設ける必要があるため設備コストが高くなり、また、管の引き抜き速度を速くすることが困難であり、製造コストの低減には限界がある。

更にまた、ボール転造法においては、管の材料が溝付プラグの外面に刻まれた溝に流れ込みながら管が引き抜かれるため、管の引き抜きに伴い溝付プラグが回転する。この回転により、溝付プラグの管に対する相対的な移動が潤滑に行われる。しかしながら、溝付きプラグの溝のリード角、即ち、溝付プラグの側面における軸方向に平行な直線と溝が延びる方向とのなす角度を０゜（管の引き抜き方向に平行）にすると、溝付プラグが回転しなくなり、管の破断が生じる。このため、ボール転造法においては、管内面に管軸方向に平行な溝を形成することが困難である。

更にまた、溝付プラグの外面に相互に異なるリード角を有する複数個の溝を形成しても、溝付プラグは回転できなくなる。このため、ボール転造法によりリード角が互いに異なる溝付帯を形成することはできない。更にまた、溝付プラグの外面にリード角は等しいがピッチが異なる溝を形成した場合、この溝付プラグは管の引き抜きに伴って回転することはできる。しかしながら、転造ボールが公転する際、この公転に伴って管の材料が管周方向に移動して溝付プラグの溝に流れ込み、管内面に溝を形成するため、公転ボールが溝付プラグにおける溝が密な領域から溝が疎な領域に移動したときに、管の材料の逃げ場がなくなってしまう。この結果、管内面に形成される溝形状が不安定になったり、引き抜き荷重が変動することにより管の破断を生じたりする。

更にまた、転造加工を２回行うことにより、管内面に交差溝及びピッチが異なる溝を形成することが原理的に可能となるが、実際には、２回目の転造加工において溝付プラグに印加される負担が大きくなりすぎ、溝付プラグが欠損しやすくなる。このため、２回の転造加工により管内面に交差溝又はピッチが異なる溝を形成することは、実際上は極めて困難である。

更にまた、ボール転造法においては、管内面を管周方向において複数の領域に分割し、夫々の領域において異なる種類の溝を形成又は一部の領域にのみ溝を形成し、残りの領域には溝を形成しないことは不可能である。このように、ボール転造法においては、管の内面にリード角及びピッチが一定な単純な螺旋溝しか形成できず、管内面に形成できる溝パターンの自由度が極めて小さいという問題点がある。

これらの問題点を解決する手段として、ロール加工によるシームレス内面溝付管の製造方法がある（例えば、特許文献１乃至３参照。）。ロール加工によるシームレス内面溝付管の製造方法（以下、ロール転造法という）を以下に説明する。

図１１は従来のロール転造法によるシームレス内面溝付伝熱管の製造装置及び製造方法を示す断面図であり、図１２は図１１に示す製造装置の転造部を示す拡大断面図であり、図１３は図１２に示すＡ−Ａ線による断面図である。図１１に示すように、銅又は銅合金（以下、総称して銅という）からなる素管１の内部に、保持プラグ２が挿入されている。保持プラグ２の形状は、管供給側（上流側）の外径が素管１の内径よりやや小さく、管引抜き側（管引き抜き方向下流側）の外径は管供給側の外径よりも小さくなっている。保持プラグ２と整合する位置における素管１の外面には、保持プラグ２と共に素管１を縮径加工する保持ダイス３が配置されている。また、保持プラグ２にはプラグ軸４を介して溝付プラグ１５が連結されている。溝付プラグ１５の外周面には、素管１の内周面に形成すべき形状の溝が加工されている。溝付プラグ１５はプラグ軸４を軸として自在に回転することができる。

また、図１２に示すように、溝付プラグ１５は、円柱部１１と、この円柱部１１の両端に形成されたテーパ部１２とで構成されている。このテーパ部１２は、溝付プラグ１５の角に管が接触した際に、管が破断することを防止するために面取りされた部分であり、一般に、円柱部１１の側縁とテーパ部１２の側縁とがなす角度φは４５°程度である。また、溝付プラグ１５の軸方向の長さは、５乃至３０ｍｍ程度であり、円柱部１１の側面には溝が形成されている。この溝のリード角β、即ち、円柱１１の側面における軸方向に平行な直線と溝が延びる方向とのなす角度は、０乃至１０°である。そして、溝付プラグ１５の円柱部１１においては、溝間がフィンとなっており、溝の深さ、即ち、フィンの高さは０．０５乃至０．１５ｍｍである。また、溝付プラグ１５の軸に直交する断面において、溝底部の曲率半径は０．０４乃至０．０６ｍｍであり、フィンの頂部の曲率半径は約０．０５ｍｍであり、フィン１４の山頂角は８０乃至１２０°である。

更に、素管１の外側における溝付プラグ１５に整合する位置には、１対の圧延ロール６が素管１の外面に転接するように配設されている。各圧延ロール６は自転することができ、その回転軸の方向は素管１の管軸方向に直交している。なお、溝付プラグ１５及び圧延ロール６により転造部１７が構成されている。また、転造部１７の管引抜き方向下流側には、内面に溝が形成された素管１の外径を所定の寸法に縮径加工するサイジングダイス８が設けられている。

図１２に示すように、管引き抜き方向において、圧延ロール６の回転軸は、溝付プラグ１５の長手方向中心より管引き抜き方向下流側に位置している。そして、図１３に示すように、圧延ロール６の形状はロール中央部の直径がロール両端部の直径よりも小さい鼓形であり、この圧延ロール６の回転軸を含み管引き抜き方向に対して垂直な断面において、側縁の形状が素管１の外面形状に略整合するようになっている。即ち、圧延ロール６の側面の曲率半径は素管１の外面の曲率半径と略等しくなっている。

次に、従来の内面溝付管の製造方法について説明する。図１１に示すように、先ず、素管１の内部における保持プラグ２の上流側に抽伸油１０を充填する。そして、素管１を保持プラグ２及び保持ダイス３により縮径加工する。次に、この縮径加工された素管１の外面を、この外面に転接して自転する圧延ロール６によって押圧することによって縮径すると共に、溝付プラグ１５に向けて押圧する。これにより、素管１の内面に溝付プラグ１５の溝が転写される。このとき、溝付プラグ１５はプラグ軸４を介して保持プラグ２に連結されており、保持プラグ２は素管１の引抜きによる摩擦力及び保持ダイス３からの抗力により、保持ダイス３と整合する位置に係止しているため、溝付プラグ１５も圧延ロール６と整合する位置に停止している。次に、転造部１７を通過した内面に溝が形成された素管１は、サイジングダイス８により更に縮径されると共に管軸直交断面の形状が真円形となるように成形され、所定の外径を有する内面溝付管９となる。

このように、ロール転造法においては、転造ボールを使用しないため、転造ボールを回転させるための磁気浮上式高速モータが不要である。このため、設備コストを抑えることができる。また、転造ボールを使用しないため、管の引き抜き速度が転造ボールの公転速度によって決定されることがない。このため、管の引き抜き速度を向上させ、生産性を向上させることができる。

しかしながら、図１１乃至１３に示す製造装置により内面溝付管９を製造する場合、素管１の内面に形成される溝の形状又は引き抜き速度等の製造条件によっては、圧延ロール６とサイジングダイス８との間又はサイジングダイスの出側において、素管１が破断することがある。そこで、圧延ロールを自由又は引き抜き方向に回転させることで摩擦を低減し、管の破断防止する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開昭５８−８６９２３号公報 （第１−４頁、第１図） 特開平１−９９７１３号公報 （第２−５頁、第１図） 特開平４−３０２９９９号公報 （第３−４頁、第１−２図）

しかしながら、前述の特許文献１乃至３に記載の方法では、素管の長尺化が困難であるという問題点がある。内面溝付管に加工する素管１に長尺の直管を使用する場合、素管１はコイル状に巻かれているため、湾曲した状態で保持ダイスに挿入される。このため、保持プラグ２及び保持ダイス３と素管１との接触状態が素管１の円周方向で異なり、素管１に印加される面圧が円周方向で異なるため、素管１の肉厚が変化して均一な溝成形ができないという問題点がある。また、素管１は長手方向で曲がり具合が変化するため、保持ダイス３への侵入角度が変化する。これにより、管の引き抜き荷重が変化するため、管の破断及び管の長手方向における溝形状の変化が生じる。更に、素管１の曲がり具合が変化すると、保持プラグ２より管引き抜き方向上流側において、素管１内に挿入された溝付きプラグ１５を保持するプラグ軸１０と素管１の内面が接触することがあり、これにより、切り粉が発生したり、溝形状が不均一になったりするが、ひどい場合は管が破断する。

このように、素管が保持ダイスに角度を持って挿入されたり、又は素管の挿入角度が長手方向で変化したりすることは、素管がコイル状に巻かれており、コイル状に巻かれた素管がペイオフから供給される際に常に同じ位置（圧延ラインの中央に対して）から供給されないために生じる。また、素管にＨ材のような硬い材料を使用すると、素管の湾曲を真っ直ぐに矯正するためには、大きな応力を加えなけらばならず、例えば、保持ダイスの手前に配置されるガイドダイスでは矯正することができない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、長尺管を使用しても、加工中に管が破断しにくく、均一に溝を形成することができる内面溝付管の製造装置及び内面溝付管の製造方法を提供することを目的とする。

本願第１発明に係る内面溝付管の製造装置は、金属管の外面に接触する保持ダイスと、前記金属管の内部に配置され前記保持ダイスに係合されて前記保持ダイスと共に前記金属管を縮径加工する保持プラグと、前記保持プラグのプラグ軸に回転可能に軸支され外面に溝が形成された溝付プラグと、前記金属管の外面に回転軸が相互に平行で前記金属管の管軸方向に直交するように配置され前記金属管の外面に転接して前記金属管を前記溝付プラグに向けて押圧し前記金属管の内面に溝を形成する１対の圧延ロールと、この圧延ロール対よりも前記金属管の引き抜き方向下流側に配置され前記金属管の外面に接触して前記金属管を縮径加工するサイジングダイスと、前記保持ダイスよりも前記金属管の引き抜き方向上流側に配置され前記金属管の巻きぐせを真直に矯正する矯正機と、を有することを特徴とする。

本発明においては、保持ダイスよりも管引き抜き方向上流側に、前記金属管の巻きぐせを真直に矯正する矯正機を設けているため、保持ダイスに金属管が挿入される角度が安定化する。この結果、引き抜き荷重の変化及び金属管とプラグ軸との接触が抑制され、長尺管を使用しても加工中に管が破断しにくく、均一な溝を形成することができる。

前記矯正機は、回転軸が相互に平行で且つ前記金属管の管軸を含む断面において前記金属管の両側に交互に配置されて前記金属管に転接する少なくとも３個の第１の矯正ロールを有し、前記第１の矯正ロールのうち、前記金属管の引き抜き方向に対して最も上流側の初段ロールは、巻きぐせにより湾曲した前記金属管の湾曲中心側の面に転接するように配置されていることが好ましい。これにより、効率的に巻きぐせを矯正することができる。

また、前記矯正機には、更に、前記第１の矯正ロールよりも前記金属管の引き抜き方向上流側に、回転軸が相互に平行で且つ前記金属管の管軸を含む断面において前記金属管の両側に配置されて前記金属管に転接する１対の第２の矯正ロールが設けられていてもよい。更に、前記矯正機には、前記第１の矯正ロールよりも前記金属管の引き抜き方向上流側に配置され前記金属管が挿通する孔が形成されたダイスが設けられていてもよい。更にまた、前記矯正機よりも前記金属管引き抜き方向上流側には、前記金属管表面の汚れを除去する脱脂槽が設けることもできる。

前記溝付プラグ及び前記圧延ロール対からなる転造部及び前記サイジングダイスは、前記金属管の引き抜き方向に沿って複数段配置されていてもよい。これにより、金属管内面に溝をより均一に形成することができる。また、金属管の内面に複数種類の溝を形成することができる。

前記圧延ロール対には、前記圧延ロールより大径で、前記圧延ロールを前記金属管方向に押圧する１対のバックアップロールが転接されていてもよい。これにより、前記圧延ロールが前記金属管を押圧する力が均一化される。

本願第２発明に係る内面溝付管の製造方法は、矯正機により軸方向に引き抜かれる金属管の巻きぐせを真直に矯正にする矯正工程と、前記金属管の管外に配置された保持ダイス及び管内に配置され前記保持ダイスに係合する保持プラグにより前記金属管を縮径加工する工程と、前記保持プラグのプラグ軸に回転可能に軸支され外面に溝が形成された溝付プラグ及び前記金属管の外面に回転軸が相互に平行で前記金属管の管軸方向に直交するように配置された１対の圧延ロールにより前記金属管を前記溝付プラグに押圧して前記金属管の内面に溝を形成する工程と、サイジングダイスにより前記金属管に縮径加工を施す工程と、を有することを特徴とする。

本発明においては、前記矯正機により金属管の巻きぐせを真直に矯正した後、保持ダイスに金属管を挿入するため、保持ダイスに挿入される角度が安定化する。この結果、引き抜き荷重の変化及び素管とプラグ軸との接触を防ぐことができるため、長尺管を使用しても加工中に管が破断しにくく、均一な溝を形成することができる。

本発明によれば、内面溝付管の製造装置における圧延加工機の管引き抜き方向上流側に、素管の湾曲を真っ直ぐに矯正する矯正機を設けることにより、保持ダイスに素管が挿入される角度が安定化するため、引き抜き荷重の変化及び素管とプラグ軸との接触が抑制され、長尺管を使用しても加工中に管が破断しにくく、均一な溝を形成することができる。

以下、本発明の実施形態に係る内面溝付管の製造装置について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の内面溝付管の製造装置を示す側面図である。また、図２は図１に示す矯正機２０を示す平面図であり、図３は図１示す保持ダイス以降の工程を示す断面図である。なお、図１乃至３に示す構成要素のうち、図１１乃至１３に示す従来の装置の構成要素と同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。図１に示すように、本実施形態の内面溝付管の製造装置は、保持ダイス３の管引き抜き方向上流側に、素管１の巻きぐせを真直に矯正する矯正機２０が設けられている。

図２に示すように、本実施形態の矯正機２０は、回転軸が相互に平行な５個の第１の矯正ロール２５ａ乃至２５ｅが、素管１の管軸を含む断面において素管１の両側に交互に、即ち、千鳥状に配置されている。この第１の矯正ロール２５のうち、素管１の引き抜き方向に対して最も上流側の初段ロール２５ａは、巻きぐせにより湾曲した素管１の湾曲中心側の面に転接するように配置されている。これらの矯正ロール２５の位置は、素管１の管軸方向に調節可能である。図４は矯正ロールの形状を示す断面図である。図４に示すように、矯正ロール２５は、ロール中央部２７の直径がロール端部２８の直径よりも小さい鼓形である。この矯正ロール２５の回転軸ｙを含む断面におけるロール中央部２７の曲率半径の２倍の値は、素管１の外径の１．１乃至１．５倍であることが好ましい。ロール中央部２７の曲率半径の２倍の値が素管１の外径の１．１倍より小さいと、矯正ロール２５と素管１との接触面積が大きくなり、矯正ロール２５と素管１との摩擦係数が増加するため、引き抜き加重が増加して破断が生じやすくなる。また、曲率半径の２倍の値が素管１の外径の１．５倍より大きいと、ロール内における素管１の上下方向への自由度が大きくなり、素管１の中心軸がダイスセンターから外れやすくなり、矯正機によって巻きぐせを矯正する効果が低減する。

また、矯正ロール２５より引き抜き方向上流側には、回転軸が相互に平行で且つ素管１の管軸を含む断面において素管１の両側に転接する１対の第２の矯正ロール２６が配置されている。これら第１の矯正ロール２５及び第２の矯正ロール対２６は、回転軸が相互に平行でその対向方向が素管１の管軸方向に直交するように配置されている。更に、第１の矯正ロール２５及び第２の矯正ロール対２６には、回転をしやすくするためにベアリングが使用されており、その回転方式は、駆動式でも、非駆動式でもよい。更にまた、第１の矯正ロール２５及び第２の矯正ロール対２６の材料としては、鋼、超硬、樹脂等を使用することができるが、ロールが駆動式である場合は鋼及び超硬を使用することが好ましく、非駆動式の場合は樹脂を使用することが好ましい。

本実施形態においては、矯正ロール２５が５個設けられている場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、矯正ロール２５は３個以上設けられていればよい。また、本実施形態においては、矯正ロール２５より引き抜き方向上流側に１対の第２の矯正ロール対２６を設けた場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、第２の矯正ロール対２６の代わりに素管１が挿通する孔が形成されたダイスを設けてもよく、その両方を設けることがより好ましい。

また、図３に示すように、本実施形態の内面溝付管の製造装置においては、保持プラグ２に、プラグ軸４を介して溝付プラグ５ａと、この溝付プラグ５ａより小径の溝付プラグ５ｂとが連結されている。これら溝付プラグ５ａ及び５ｂは、相互に回転可能に取り付けられており、その外周面には素管１の内周面に形成すべき形状の溝が加工されている。また、溝付プラグ５ａ及び５ｂは、超微粒子超合金により構成されていることが好ましく、例えば、直径が０．５μｍ以下のタングステンカーバイド（ＷＣ）の微粒子を含む超微粒子合金であることがより好ましい。

更に、素管１の外側の溝付プラグ５ａに整合する位置には相互に平行な回転軸を有する１対のワークロール（圧延ロール）１６ａが、溝付プラグ５ｂに整合する位置には相互に平行な回転軸を有する１対のワークロール１６ｂが、夫々素管１の外面に転接するように配設されている。ワークロール対１６ａ及び１６ｂは、それらの回転軸が延びる方向が素管１の管軸方向に直交し、更にワークロール対１６ａの対向方向とワークロール対１６ｂの対向方向とが相互に直交する位置（以下、この位置を基本位置という）に配置されている。そして、このワークロール対１６ａ及び１６ｂは駆動式であり、素管１の引き抜き速度よりも高速で自転することができる。

図５は本実施形態の内面溝付管の製造装置に使用されているワークロールの形状を示す断面図である。ワークロール１６の外周面には、周方向に沿って延びる凹部２２が設けられている。外周面における凹部２２以外の領域が最外周面２３であり、ワークロール１６の外周面は凹部２２と最外周面２３とから構成されている。このとき、ワークロール１６の最大外径ｍは、ワークロール１６接する部分における素管１の外径の２乃至１０倍であることが好ましい。ワークロール１６の最大外径ｍが、素管１の外径の２倍より小さいと、強度が低下してロールが破損することがある。一方、最大外径ｍが素管１の外径の１０倍を超えると、ワークロール１６と素管１との接触面積が大きくなるため、素管１の引き抜き加重が増加して、破断を生じやすくなる。また、図５に示すワークロール１６の回転軸ｘを含む断面において、凹部２２の形状は円弧状であり、この円弧の半径、即ち、凹部２２の曲率半径は、溝付プラグ５ａ及び５ｂの半径と素管１の肉厚との和に略等しくなっている。このため、ワークロール１６は素管１に略均等に線接触する。

更に、凹部２２は図５に示す角度θの領域において加工されており、この角度θは、例えば、８０乃至１４０°である。角度θが８０°未満の場合、ロールと素管１との接触面積が大きくなるため、引き抜き加重が増加し、破断が生じやすくなる。また、角度θが１４０°を超えると、ロールと素管１との接触面積が小さくなり、溝形成領域が狭くなるため、所定の伝熱性能が得られない。更にまた、最外周面２３と凹部２２との境界部は面取り加工が施されており、この境界部の直径、即ち、境界部の曲率半径ｒの２倍は、素管１のワークロール１６ａ及び１６ｂに接している部分の外径の０．０５倍以上であることが好ましい。最外周面２３と凹部２２との境界部の曲率半径の２倍が素管１の外径の０．０５倍未満では、対向するワークロールの間で素管１が挟まれることがある。例えば、転造部７ａにおいて素管１がワークロール対１６ａの間に挟まれた場合、素管１の外面に凸部が形成され、転造部７ｂにおいて所定の溝を形成することができなくなる。

本実施形態のワークロール１６は、超硬又はベアリング鋼から構成されている。前述のベアリング鋼とは、ＪＩＳＧ０２０３乃至４５０３において規定されている鉄合金であり、高炭素低クロム鋼が代表的鋼種である。また、このベアリング鋼は、一般に、転がり軸受の球、ころ、内輪及び外輪等に使用されており、高速で変動する繰り返し荷重に耐える必要性から高い疲れ強さと耐摩耗性とが要求されるため、通常、鋼の清浄度及び組織の均一性を重視して製造される。

更に、このワークロール１６ａより大径で、ワークロール１６ａを素管１方向に押圧する１対のバックアップロール１８ａが、ワークロール１６ａに転接するように配置されている。同様に、ワークロール１６ｂより大径で、ワークロール１６ｂを素管１方向に押圧する１対のバックアップロール１８ｂが、ワークロール１６ｂに転接するように配設されている。このように、バックアップロールでワークロールを押圧することにより、素管１に均一に力を加えることができる。前述のワークロール及びバックアップロールは、例えば、超硬又はＳＵＪ−２等のベアリング鋼により構成することができる。なお、溝付プラグ５ａ、ワークロール対１６ａ及びバックアップロール対１８ａにより転造部７ａが形成され、溝付プラグ５ｂ、ワークロール対１６ｂ及びバックアップロール対１８ｂにより転造部７ｂが形成されている。

そして、１段目の転造部７ａと２段目の転造部７ｂとの間には、素管１を成形するサイジングダイス８ａが設けられており、２段目の転造部７ｂより管引き抜き方向下流側には、内面に溝が形成された素管１の外径を所定の寸法に加工するサイジングダイス８ｂが設けられている。即ち、この圧延加工機２１は、圧延ロールが２段設けられたダンデム圧延方式である。なお、本実施形態の内面溝付管の製造装置における上記以外の構成は、図１１乃至１３に示す従来の製造装置と同様である。

次に、上述の如く構成された内面溝付管の製造装置の動作、即ち、本実施形態に係る内面溝付管の製造方法について説明する。本実施形態の内面溝付管の製造方法においては、図１に示すように、先ず、ペイオフ（図示せず）から巻き解かれた素管１を、矯正機２０に挿入する。この素管１を形成する材料は、管に加工可能な金属であれば何でもよいが、例えば、伝熱性及び加工性が良好な銅又は銅合金等のＨ材が使用される。

矯正機２０に挿入された素管１は、第２の矯正ロール対２６の間を通過して、第１の矯正ロール２５ａにより、素管１の湾曲中心側の面、即ち、ペイオフに巻回されていた際に内側であった面が押圧される。そして、第１の矯正ロール２５ｂにより外側であった面が押圧され、その後、順次、内側の面と外側の面とが交互に押圧される。これにより、素管１の巻きぐせが真直に矯正される。

その後、素管１を保持ダイス３に挿入して引き抜き方向に引き抜く。このとき、素管１の内部における保持プラグ２より素管１の引き抜き方向上流側には、抽伸油１０を充填しておく。これにより、素管１は、保持プラグ２及び保持ダイス３により縮径された後、１段目の転造部７ａにおいて溝付プラグ５ａ及びワークロール対１６ａにより、縮径されると共に内面に溝が形成される。その際、転造部７ａで溝付加工された素管１は、転造部７ａに設けられた溝付プラグ５ａの回転により多少捻られる。一般に、２段目の転造部７ｂは、転造部７ａで溝が形成されない領域に溝を形成するために設置される。例えば、転造部７ａで素管１の上側及び下側の半分に溝加工が行われる場合、素管１に捻れがないのであれば、ワークロール１６ａの回転軸線と、ワークロール１６ｂの回転軸線は、素管１の引き抜き方向に垂直な断面において、９０°の角度をなしていればよい。ところが、実際には、上述のように、転造部７ａで溝付加工された素管１は、転造部７ｂの位置に達したとき、捻れにより溝の形成されていない領域がずれている。そこで、本実施形態の内面溝付管の製造装置においては、転造部７ｂにおいて転造部７ａで溝が形成されていない領域に溝を形成されるように、ワークロール対１６ａ及び１６ｂのうち少なくとも一方のワークロール対の対向方向を、前述の基本位置から角度θだけ変化させる。この角度θは、形成される溝形状及び加工条件等を考慮し、０乃至９０°の範囲内で適宜設定することができる。

その後、素管１は、サイジングダイス８ａにより管軸直交断面が真円形になるように成形される。次に、転造部７ｂにおいて、溝付プラグ５ｂ及びワークロール対１６ｂにより、縮径されると共に内面に溝が形成され、更に、サイジングダイス８ｂにより縮径されると共に成形されて、内面溝付管１９になる。このとき、溝付プラグ５ａ及び５ｂは、プラグ軸４を介して保持プラグ２に連結されており、この保持プラグ２は素管１の引き抜きによる摩擦力及び保持ダイス３からの抗力により、保持ダイス３と整合する位置に係止されているため、溝付プラグ５ａ及び５ｂもワークロール１６ａ及び１６ｂと整合する位置に停止している。

本実施形態におけるワークロール対１６ａ及び１６ｂは駆動式であり、素管１の引き抜き速度よりも高速で自転することができ、その周速度は、例えば、素管１の引き抜き速度の約２倍とすることができる。また、本実施形態の内面溝付管の製造方法においては、バックアップロールにより圧延荷重を制御する。これにより、ワークロール対１６ａ及び１６ｂの回転軸の変動を抑制することができる。更に、ワークロール対１６ａ及び１６ｂが素管１を押圧する量は、ワークロール対１６ａ及び１６ｂの押付荷重及びロールギャップを調整することにより制御することができる。

本実施形態の内面溝付管の製造方法においては、保持ダイス３により縮径加工を行う工程の前に、矯正機により素管１の巻きぐせを真直に矯正することにより、保持ダイス３の挿入部に対して垂直に素管１が挿入されるため、保持プラグ２及び保持ダイス３により、転造部７ａにて転造加工される前の素管１の肉厚を均一にし、更に長手方向の形状を安定させることができる。その結果、引き抜き荷重の変動を抑制し、管の破断を防止することができる。

また、転造部７ａにて素管１の内面に溝を形成する工程の前に、素管１を縮径加工することにより、矯正機により発生した素管１の扁平化が矯正されるため、素管１と溝付プラグ５ａとの間のクリアランスを均一化させることができる。この溝付きプラグ５ａは、ワークロール１６ａの直下に保持されているため、安定した圧延が可能になる。この圧延により、素管１の断面形状は上下の長さが左右の長さに比べて短い長円形となるが、サイジングダイス８ａを通過することにより再び真円状に成形され、外面が平滑なシームレス内面溝付管を形成することができる。

更に、ワークロール１６ｂにより素管１を押圧することにより、ワークロール１６ａにより成形された部分とは別の管内面部分に溝を形成することができる。このように転造工程を複数回繰り返すことにより、金属管の内面に複数の異なるパターンの溝付帯を形成することができる。このとき、素管１に第１の溝を形成する工程（転造部７ａ）と、第２の溝を形成する工程（転造部７ｂ）との間に、サイジングダイス８ａにより素管１を縮径加工する工程を設けているため、ワークロール対１６ａにより押圧されて扁平化した素管１を矯正して、その管軸直交断面の形状を略真円形にする。これにより、第２の溝を形成する工程（転造部７ｂ）において、溝付プラグ５ｂと素管１との間のクリアランスを最小限に抑えることができる。この結果、第２の溝を形成する工程（転造部７ｂ）において、素管１に噛出部が形成されることを防止することができるため、その後の縮径工程において噛出部に起因する凹部が形成されるこがなく、外面が平滑なシームレス内面溝付管を形成することができる。

本実施形態の内面溝付管の製造方法においては、２個の転造部を有するタンデム圧延方式の装置を使用する場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、転造部が１個のシングル圧延方式の装置を使用することもできる。また、その転造部についても、本実施形態においては、溝付きプラグ、ワークロール及びバックアップロールにより構成されている場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１０に示す従来の製造装置のように、バックアップロールを使用せずに、溝付プラグ及びワークロール（圧延ロール）により構成されていてもよい。更に、ペイオフと矯正機２０との間に脱脂槽を設けて、素管１の外面に付着している油及び金属粉等を除去することもできる。

以下、本発明の実施例の効果について本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。本発明の実施例として、図１乃至図３に示す内面溝付管の製造装置を使用して、図６に示す形状の内面溝付管を製造した。その際、矯正ロールには樹脂製のロールを使用し、これらのロールの動力は非駆動式とした。保持ダイスはストレート形状とし、潤滑剤は、ダイスには共英油化社製Ｊ２ＢＳを使用し、ロールには共英油化社製Ｓ６Ｃを使用した。素管は、引張強さが３００Ｎ／ｍｍ^２以上であるＪＩＳＨ３３００のＣ１２２０で規定されているりん脱酸銅のＨ材を使用し、素管の引き抜き速度は２ｍ／秒とした。

また、本実施例においては、溝付プラグとして、素管１の引き抜き方向下流側になるに従い直径が小さくなるテーパプラグを使用した。図７は本実施例で使用した溝付プラグの形状示す側面図である。図７に示すように、本実施例で使用したテーパプラグは、素管１の引き抜き方向上流側の端部は外側にふくらんだ曲面となっており、テーパプラグの中心軸を含む断面において円弧状となっている。一方、素管１の引き抜き方向下流側の端部は面取り加工が施されている。このテーパプラグは、テーパ角αを２°、リード角βを８°とし、材料にはＪＩＳＶ６相当の超硬を使用した。更に、本実施例においては、サイジングダイスとして、断面が円弧状の超硬製ダイスを使用した。図８は本実施例で使用したサイジングダイスの形状を示す断面図である。なお、本実施例においては、転造部において溝形成をする際に、圧延ロール対１６ａ及び圧延ロール対１６ｂの中心線を結んだ線分が溝付プラグの大径部に一致し、最も深い溝が０．１ｍｍになり、その近傍の底肉厚は０．２５ｍｍになるようにワークロールの押し付け量を調節した。

次に、本発明の比較例として、矯正機を使用せずにペイオフから圧延加工機に素管を挿入して内面溝付管を製造した。その際の加工条件は、前述の実施例と同様にした。

上述の実施例及び比較例について、保持ダイス、ワークロール１６ａ及び１６ｂにおける荷重の変化量を測定した。また、実施例及び比較例において製造された内面溝付管を５ｍ毎に２０本サンプリングして、溝深さの変化量を測定した。保持ダイス荷重の変化量は、保持ダイスの出側にロードセルを配置し、保持ダイスとダイスケースの間に働く荷重を測定した。ワークロールの押し付け荷重の変化量は、１００ｍ加工する間の荷重の最大値と最小値の差をとった。その結果を下記表１に示す。また、図９は横軸に素管長さをとり、縦軸に荷重をとって、実施例における保持ダイス及びワークロールにおける荷重の変化を示すグラフ図である。更に、図１０は横軸に素管長さをとり、縦軸に荷重をとって、比較例における保持ダイス及びワークロールにおける荷重の変化を示すグラフ図である。

表１、図９及び図１０に示すように、矯正機を設けた本実施例の内面溝付管の製造方法では、保持ダイス及びワークロールにおける荷重が矯正機を設けていない比較例の製造方法より安定した。更に、製造された内面溝付管の溝深さの変化量も、比較例で製造された内面溝付管に比べて少なく、安定した溝成形ができた。

本発明の実施形態の内面溝付管の製造装置を示す側面図である。 本発明の実施形態の内面溝付管の製造装置における矯正機を示す平面図である。 本発明の実施形態の内面溝付管の製造装置における保持ダイス以降の工程を示す断面図である。 本発明の実施形態の内面溝付管の製造装置における矯正ロールの形状を示す断面図である。 本発明の実施形態の内面溝付管の製造装置におけるワークロールの形状を示す断面図である。 本発明の実施例で製造された内面溝付管の溝形状を示す管軸直交断面図である。 本発明の実施例で使用した溝付プラグの形状を示す側面図である。 本発明の実施例で使用したサイジングダイスの形状を示す側面図である。 横軸に素管長さをとり、縦軸に荷重をとって、実施例における保持ダイス及びワークロールにおける荷重の変化を示すグラフ図である。 横軸に素管長さをとり、縦軸に荷重をとって、比較例における保持ダイス及びワークロールにおける荷重の変化を示すグラフ図である。 従来のロール転造法によるシームレス内面溝付管の製造装置及び製造方法を示す断面図である。 図１１に示す製造装置の転造部を示す拡大断面図である。 図１２に示すＡ−Ａ線による断面図である。

符号の説明

１；素管
２；保持プラグ
３；保持ダイス
４；プラグ軸
５ａ、５ｂ、１５；溝付プラグ
６；圧延ロール
７ａ、７ｂ、１７；転造部
８、８ａ、８ｂ；サイジングダイス
９、１９；内面溝付管
１０；抽伸油
１１；円柱部
１２；テーパ部
１６、１６ａ、１６ｂ；ワークロール
１８ａ、１８ｂ；バックアップロール
２０；矯正機
２２；凹部
２３；最外周面
２７；ロール中央部
２８；ロール端部
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ；第１の矯正ロール
２６；第２の矯正ロール
２９；超硬ダイス
３０；ダイスケース
ｍ：最大外径
ｘ、ｙ；回転軸

Claims (11)

1. 金属管の外面に接触する保持ダイスと、前記金属管の内部に配置され前記保持ダイスに係合されて前記保持ダイスと共に前記金属管を縮径加工する保持プラグと、前記保持プラグのプラグ軸に回転可能に軸支され外面に溝が形成された溝付プラグと、前記金属管の外面に回転軸が相互に平行で前記金属管の管軸方向に直交するように配置され前記金属管の外面に転接して前記金属管を前記溝付プラグに向けて押圧し前記金属管の内面に溝を形成する１対の圧延ロールと、この圧延ロール対よりも前記金属管の引き抜き方向下流側に配置され前記金属管の外面に接触して前記金属管を縮径加工するサイジングダイスと、前記保持ダイスよりも前記金属管の引き抜き方向上流側に配置され前記金属管の巻きぐせを真直に矯正する矯正機と、を有することを特徴とする内面溝付管の製造装置。
2. 前記矯正機は、回転軸が相互に平行で且つ前記金属管の管軸を含む断面において前記金属管の両側に交互に配置されて前記金属管に転接する少なくとも３個の第１の矯正ロールを有し、前記第１の矯正ロールのうち、前記金属管の引き抜き方向に対して最も上流側の初段ロールは、巻きぐせにより湾曲した前記金属管の湾曲中心側の面に転接するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内面溝付管の製造装置。
3. 前記矯正機は、更に、前記第１の矯正ロールよりも前記金属管の引き抜き方向上流側に、回転軸が相互に平行で且つ前記金属管の管軸を含む断面において前記金属管の両側に配置されて前記金属管に転接する１対の第２の矯正ロールを有することを特徴とする請求項２に記載の内面溝付管の製造装置。
4. 前記矯正機は、更に、前記第１の矯正ロールよりも前記金属管の引き抜き方向上流側に配置され前記金属管が挿通する孔が形成されたダイスを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の内面溝付管の製造装置。
5. 前記矯正機よりも前記金属管引き抜き方向上流側には、前記金属管表面の汚れを除去する脱脂槽が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内面溝付管の製造装置。
6. 前記溝付プラグ及び前記圧延ロール対からなる転造部と前記サイジングダイスとが前記金属管の引き抜き方向に沿って複数段配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の内面溝付管の製造装置。
7. 前記圧延ロール対には、前記圧延ロールより大径で、前記圧延ロールを前記金属管方向に押圧する１対のバックアップロールが転接していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の内面溝付管の製造装置。
8. 矯正機により軸方向に引き抜かれる金属管の巻きぐせを真直に矯正にする矯正工程と、前記金属管の管外に配置された保持ダイス及び管内に配置され前記保持ダイスに係合する保持プラグにより前記金属管を縮径加工する工程と、前記保持プラグのプラグ軸に回転可能に軸支され外面に溝が形成された溝付プラグ及び前記金属管の外面に回転軸が相互に平行で前記金属管の管軸方向に直交するように配置された１対の圧延ロールにより前記金属管を前記溝付プラグに押圧して前記金属管の内面に溝を形成する工程と、サイジングダイスにより前記金属管に縮径加工を施す工程と、を有することを特徴とする内面溝付管の製造方法。
9. 前記矯正工程は、回転軸が相互に平行で且つ前記金属管の管軸を含む断面において前記金属管の両側に交互に配置されて前記金属管に転接する少なくとも３個の第１の矯正ロールにより、前記金属管の外面を交互に押圧する工程を有し、前記第１の矯正ロールのうち、前記金属管の引き抜き方向に対して最も上流側の初段ロールは、巻きぐせにより湾曲した前記金属管の湾曲中心側の面を押圧することを特徴とする請求項８に記載の内面溝付管の製造方法。
10. 前記金属管は、脱脂槽により脱脂され、前記金属管表面の汚れが除去された後、前記矯正工程が行われることを特徴とする請求項８又は９に記載の内面溝付管の製造方法。
11. 前記溝付プラグ及び前記圧延ロール対からなる転造部と前記サイジングダイスとが前記金属管の引き抜き方向に沿って複数段配置され、前記溝を形成する工程及び前記サイジングダイスにより縮径加工を施す工程が複数回行われることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の内面溝付管の製造方法。

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