JP2009018333A - 金属管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内面に発生した内面角張りを改善できる金属管の製造方法を提供する。
【解決手段】
絞り圧延装置により圧延され、所定の外径に縮径された素管１０は、エキスパンド装置１のチャック２及びストッパ５１、５２で固定される。固定された素管１０の先端１１からプラグ４が挿入される。プラグ４を挿入後、シリンダ装置３は、プラグ４を素管１０の全長にわたって押し進める。その結果、素管１０は全長にわたって拡管される。そのため、絞り圧延工程で発生した内面角張りは改善され、内面の凹凸が減少する。
【選択図】図３Ｃ

Description

本発明は、金属管の製造方法に関し、さらに詳しくは、金属管の内面に発生した内面角張を改善できる、金属管の製造方法に関する。

サイザやストレッチレデューサに代表される絞り圧延装置は、穿孔圧延及び延伸圧延された素管を圧延して、素管の外径を所定の寸法に絞る。絞り圧延装置は、通常、パスライン（圧延中に素管が通過するライン）に沿って配列された複数のスタンドを備える。各スタンドは、孔型（カリバー）が形成された複数のロールを含む。たとえば、３ロール式絞り圧延装置では３個のロールがパスラインの周りに等間隔に配置され、かつ、前段のスタンドに含まれる３個のロールからパスラインの周りに６０°ずらして配置される。絞り圧延装置の種類には、３ロール式絞り圧延装置の他に、各々が２個のロールを有する複数のスタンドを備えた２ロール式絞り圧延装置や、４ロール式絞り圧延装置等がある。

このような絞り圧延装置により素管を圧延する場合、各ロールのカリバーと接触する素管部分に大きな応力が作用する。そのため、素管は半径方向に不均一に変形しやすい。素管が不均一に変形した場合、圧延後の素管に「内面角張り」が発生する。内面角張りとは、周方向に発生する偏肉である。たとえば、３ロール式絞り圧延装置で素管を圧延した場合、素管の内面の横断形状は、円形状ではなく六角形状となる。

一般的に、絞り圧延装置で圧延された素管は、冷間で抽伸され、製品である金属管となる。内面角張りのある素管が抽伸された場合、肉厚が薄い部分（内面の横断形状が六角形の場合、六角形の各頂点に相当する部分）に線状のきずが発生しやすい。

特開平７−２４６４１５号公報（特許文献１）に代表されるように、従来から、絞り圧延装置での圧延方法を工夫して、内面角張りの発生自体を抑制する技術は開示されている。しかしながら、ひとたび素管内面に発生した内面角張りを改善して、内面の凹凸を減らす技術については開示されていない。
特開平７−２４６４１５号公報 特開２００６−３４１２９９号公報

本発明の目的は、内面に発生した内面角張りを改善できる金属管の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明による金属管の製造方法は、絞り圧延装置により圧延された素管を準備する工程と、先端から後端に向かうに従って外径が徐々に大きくなるテーパ部と、テーパ部と連続して形成された円柱部とを含むプラグを準備する工程と、素管内に、プラグを先端から挿入する工程と、挿入されたプラグを素管全長にわたって押し進める、又は、引くことにより、素管を拡管して内面角張りを改善する拡管工程とを備える。

絞り圧延装置により圧延された素管には、内面角張りが発生しやすい。そこで、本発明では、絞り圧延装置により圧延された素管を全長にわたって拡管する。そのため、内面角張りが改善され、内面の凹凸が減少する。

好ましくは、拡管工程では、式（１）で定められる拡管率が５〜１０％である。

拡管率＝（Ｄ１／Ｄ０−１）×１００ （１）
ここで、Ｄ１は拡管後の素管の内径であり、Ｄ０は拡管前の素管の内径である。
この場合、拡管率を５％以上とすれば、内面角張りがほぼ解消され、内半径がほぼ一定になる。一方、拡管率が過剰に大きいと、プラグに荷重の負担がかかり、プラグ表面に焼き付きが発生する。拡管率を５〜１０％とすれば、プラグ表面に焼き付きを発生させることなく、内面角張りを改善できる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態による金属管の製造方法を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

初めに、素管が準備される。中実の丸ビレットが穿孔圧延され、その後さらに延伸圧延されて素管になる。次に、素管は、サイザ又はレデューサ等の絞り圧延装置により圧延され、所定の外形寸法に絞られる。圧延後の素管内面には、図１に示すような内面角張りが形成される。図１は、３ロール式絞り圧延装置を用いたときに形成される内面角張りである。絞り圧延後の素管内面の横断形状は、真円ではなく、六角形状である。

図２は、図１に示した素管内面の横断形状における内半径Ｒｉの分布（以下、内半径分布という）の一例を示す図である。図中の横軸は、展開角度α（ｄｅｇ）を示す。展開角度とは、図１に示す素管横断面において、中心Ｃと内面上の所定の点Ｐ０とを結ぶ線分ＳＧと、中心点Ｃと内面上の任意の点Ｐｉとを結ぶ内半径Ｒｉとがなす角度である。ここでは、展開角度０ｄｅｇに対して時計回り方向をプラス（＋）、反時計回り方向をマイナス（−）とした。縦軸は、各展開角度における内半径Ｒｉ（ｍｍ）を示す。図２を参照して、絞り圧延装置により圧延された素管の内半径は一定ではなく、その内半径分布は複数の凹凸部を有する。具体的には、内半径分布は、略６０ｄｅｇおきにピークを有する。つまり、六角形状の各頂点に相当する部分で、内半径が大きくなっている。

このような内面角張りを有する素管に対して冷間抽伸を行えば、内半径が大きい部分で長手方向に沿って線状のきずが発生しやすい。そこで、本発明では、エキスパンド装置を用いて素管を拡管し、内面角張りを改善する。以下、この拡管工程について詳述する。

図３Ａを参照して、エキスパンド装置１は、チャック２と、シリンダ装置３と、プラグ４と、ストッパ５１及び５２とを備える。プラグ４は、テーパ部４１と円柱部４２とを備える。テーパ部４１は、先端から後端に向かって徐々に大きくなる外径を有する。円柱部４２は、テーパ部４１と連続して形成され、その外径は一定である。テーパ部４１の後端の外径は、円柱部４２の外径と同じである。図示していないが、円柱部４２の後端の周縁は丸みを帯びている。たとえば、円柱部４２の後端周縁部は、所定のコーナＲが設けられる。プラグ４の後端には、シリンダ装置３のシリンダ軸３１の先端が取り付けられる。プラグ４はシリンダ装置３により、前進又は後退する。

拡管工程では、初めに、エキスパンド装置１のチャック２が素管１０の外面に接触し、素管１０を挟んで固定する。さらに、ストッパ５１及び５２が素管１０の後端１２と接触して素管１０を固定する。ストッパ５１及び５２は、拡管時に素管１０がプラグ４の進行方向に移動しないように、素管１０を固定するための治具である。ストッパ５１及び５２は、各々がブロック状である。ストッパ５１及び５２は、図示しない開閉装置により、上方向又は下方向に移動可能である。つまり、ストッパ５１と５２との間隔ＣＬは自由に設定可能である。間隔ＣＬは、プラグ４の最大の外径よりも大きくなるように設定される。
チャック２及びストッパ５１、５２により素管１０が固定された後、素管１０の軸心ＣＡがプラグ４の軸心に合わせられる。軸心を合わせた後、シリンダ装置３は、プラグ４を素管１０の先端１１から内部に挿入する。このとき、図３Ｂに示すように、素管１０はプラグ４により若干拡管される。さらに、シリンダ装置３はプラグ４を押し進める。チャック２は素管１の長手方向に移動できるようになっており、プラグ４とチャック２とが互いに干渉しないように適宜設定される。その結果、図３Ｃに示すように、素管１０は全長にわたって拡管される。このときのプラグの押し込み速度は、好ましくは３０〜４０ｍ／分である。また、好ましくは、拡管時に、潤滑剤として、周知の油潤滑剤が用いるられる。
拡管後、素管１０はエキスパンド装置１から取り外される。具体的には、シリンダ装置３がシリンダ軸３１を後退させ、プラグ４を引き戻す。プラグ４が素管１０の先端１１から外部に抜け出たとき、素管１０はチャック２から外され、次の工程である冷間抽伸装置に搬送される。拡管後の素管１０は、周知の方法により冷間で抽伸される。その結果、製品である金属管が製造される。

以上の拡管工程により、絞り圧延工程で素管１０に形成された内面角張りは、拡管工程で改善され、内面の周方向の凹凸が減少する。そのため、冷間抽伸工程で軸方向に線状きずが発生するのを抑制できる。

上述の拡管工程では、以下の式（１）で定められる拡管率（％）が５％〜１０％であるのが好ましい。

拡管率＝（Ｄ１／Ｄ０−１）×１００ （１）
ここで、Ｄ０は拡管される前の素管１０の内径（ｍｍ）であり、Ｄ１は拡管された後の素管１０の内径（ｍｍ）である。たとえば、Ｄ１は以下の方法で決定する。拡管前の素管１０を、長手方向に等間隔に１０個の領域に区切り、各領域の任意の箇所で内径を測定する。測定された１０個の内径の平均値を内径Ｄ０とする。同様に、拡管後の素管１０において、長手方向に等間隔に１０個の領域を区切り、各領域で内径を測定する。測定された１０個の内径の平均値を内径Ｄ１とする。

拡管率を５％以上とすれば、素管に形成された内面角張りがほぼ解消され、素管の内半径分布がほぼ一定になる。以下、この点について詳述する。

図４は、拡管後の素管内面の凹凸の程度を調査した結果を示す図である。図中の横軸は、拡管率（％）を示す。図中の縦軸は、内面角張り率（％）を示す。内面角張り率とは、素管内面の凹凸の程度を指標化したものであり、以下の式（２）で求められる。
ここで、Ｐ１〜Ｐｎ及びＶ１〜Ｖｎ（ｎは自然数）は、以下のとおりに定義される。ｍロール式絞り圧延装置（ｍ＝ｎ／２）により絞り圧延された素管に、内面角張りが発生すると仮定する。この場合、内半径分布は、ｎ個の凸部とｎ個の凹部とを有する。そこで、内半径分布内の各凸部における最大の内半径をそれぞれＰ１〜Ｐｎとし、各凹部における最小の内半径をそれぞれＶ１〜Ｖｎとする。たとえば、図２は、３ロール式絞り圧延機により絞り圧延された素管の内半径分布であり、６つの凸部と６つの凹部とを有する。そのため、６つの最大内半径（Ｐ１〜Ｐ６）と、６つの最小内半径（Ｖ１〜Ｖ６）とがそれぞれ決定される。Ｐ１〜Ｐ６及びＶ１〜Ｖ６を図２に示す。

２ロール式絞り圧延装置により素管が圧延された場合、内半径分布には４つの凸部と４つの凹部が発生する。したがって、最大内半径Ｐ１〜Ｐ４、最小内半径Ｖ１〜Ｖ４が決定される。同様に、４ロール式絞り圧延装置により素管が絞り圧延された場合、内半径分布には８個の凸部と８個の凹部とが発生する。したがって、最大内半径Ｐ１〜Ｐ８、最小内半径Ｖ１〜Ｖ８が決定される。

なお、拡管された素管内面の内半径分布において凹凸が明瞭に現れない場合、以下の方法により最大内半径Ｐ１〜Ｐｎ及び最小内半径Ｖ１〜Ｖｎが決定される。まず、拡管前の素管の内半径分布図が作成される。このとき、素管上での内半径の測定位置及び展開角度０ｄｅｇの位置を、それぞれ素管にマーキングしておく。さらに、作成された内半径分布図に基づいて、各最大内半径及び各最小内半径の展開角度を記録しておく。拡管後、マーキングされた測定位置で内半径が再度測定され、内半径分布図が作成される。このとき、拡管前のマーキング位置に基づいて、展開角度０ｄｅｇの位置が決定される。作成された内半径分布図のうち、拡管前に記録された各展開角度で内半径が求められ、求められた内半径をそれぞれ最大内半径Ｐ１〜Ｐｎ、最小内半径Ｖ１〜Ｖｎとする。

図４に戻って、図中の複数の点は、種々のテーパ半角θ（°）を有する複数のプラグを用いて拡管した結果を含む。ここで、テーパ半角θとは、図３Ａに示すように、テーパ部４１の表面の傾き角をいう。図中の「◆」はテーパ半角θ＝１°のデータであり、「■」はθ＝３°のデータである。「▲」はθ＝５°のデータ、「○」はθ＝７°のデータ、「＊」はθ＝１０°のデータである。図４の取得方法の詳細は、後述の実施例で説明する。なお、拡管前の素管の内面角張り率は３．４％であった。

図４を参照して、拡管率が５％以上となると、テーパ半角θに依存することなく、内面角張り率は０．１％以下となった。したがって、拡管率が５％以上であれば、内面角張りはほぼ解消され、素管の内半径がほぼ一定となる。そのため、冷間抽伸工程で線状きずが発生するのを抑制できる。

一方、拡管率が１０％を超えれば、プラグ４のテーパ部４１の表面において、拡管中の素管内面から受ける摩擦力が増大する。そのため、テーパ部４１の表面に焼き付きが発生しやすくなる。

以上より、好ましい拡管率は５〜１０％である。より好ましい拡管率は５％〜８％である。なお、図４に示すとおり、拡管率が５％未満であっても、内面角張りは有効に改善される。たとえば、拡管率が０．５％であっても、内面角張り率は、１．１５％以下である。拡管前の内面角張り率（＝３．４％）と比較しても、十分に小さい値である。

好ましくは、図３Ａに示すプラグ４のテーパ部４１のテーパ半角θは、５°以上である。テーパ半角が大きいほど、テーパ部４１に接触した素管１０の内面がより塑性変形しやすく、内面の凹凸をより減らすことができると考えられる。一方、テーパ半角θが１５°を超えると、テーパ部４１の表面に焼き付きが発生しやすくなる。したがって、好ましいテーパ半角は５°〜１５°である。
なお、本実施の形態における拡管工程は、内面角張りを改善し、内面の凹凸を減らすことを目的とする。そのため、プラグに加えてダイス等を利用する必要はない。
本発明による金属管の製造方法は、拡管前の素管の外径に対する肉厚の比（＝肉厚／外径）の値が０．０８〜０．２０である場合に、特に上述の効果が有効に得られる。また、本発明による金属管の製造方法は、絞り圧延工程における素管の縮径率が３０％以上である場合に、特に上述の効果が有効に得られる。縮径率（％）は以下の式（３）で求められる。

縮径率＝（１−ｄ１／ｄ０）×１００ （３）
ここで、ｄ０は絞り圧延前の素管の外径であり、ｄ１は絞り圧延後の素管の外径である。ｄ０及びｄ１の測定方法は、Ｄ０及びＤ１の測定方法と同様である。

なお、素管のサイズ及び縮径率が上記範囲外の場合であっても、本発明の効果はある程度得られる。
上述の説明では、シリンダ装置３がプラグ４を後ろから押し進めることにより、素管１０を全長にわたって拡管した。他の拡管方法として、素管１０内に挿入されたプラグ４を素管１０から引き抜くことによって、拡管してもよい。以下、プラグ４を引いて拡管する方法について説明する。

図５を参照して、シリンダ装置３は、素管１０の後端１２側に配置される。初めに、素管１０がチャック２及びストッパ５１、５２に固定される。素管１０が固定された後、シリンダ装置３はシリンダ軸３１を前進させ、シリンダ軸３１を素管１０内に挿入する。シリンダ軸３１の先端が素管１０の先端１１に到達したとき、シリンダ装置３はシリンダ軸３１の進行を停止する。停止後、シリンダ軸３１の先端に、テーパ部４１の先端が周知の固定方法で固定される。たとえば、シリンダ軸３１の先端及びテーパ部４１の先端に雄ねじ及び雌ねじが切られており、プラグ４はシリンダ軸３１に螺着により固定される。

プラグ４を固定した後、シリンダ装置３はシリンダ軸３１を引いて、プラグ４を素管１０内に挿入する。そして、シリンダ軸３１を引き続けることで、プラグ４を素管１０全長にわたって引く。以上の工程により、素管１０は全長にわたって拡管される。そして、内面角張りを改善し、内面の凹凸を減らすことができる。

上述の実施の形態において、プラグ４のテーパ部４１のうち、円柱部４２と結合される部分は丸みを帯びていてもよい。つまり、テーパ部４１は円柱部４２となめらかに結合される。この場合、テーパ部４１と円柱部４２との結合部分で、焼き付きが発生するのを抑制できる。

また、上述の説明では、拡管工程において、素管全長にわたってプラグを押し進める又は引くとしているが、完全に全長にわたって押し進めたり、引いたりする必要はない。ほぼ全長にわたって押し進める、又は、引けば足りる。たとえば、拡管工程の後に冷間抽伸を行う場合、素管の端部は口絞り加工される。この場合、口絞り加工される部分までプラグを押し進めたり、引いたりする必要はない。口絞り部分は、切断等され、製品にならないためである。

素管を全長にわたって拡管し、拡管後の素管の周方向の内半径を調査した。試験は、以下の方法で行った。まず、３ロール式の絞り圧延機により絞り圧延された複数の素管を準備した。素管の外径は３１．６ｍｍ、内径は１７．０ｍｍ、肉厚は７．３ｍｍであった。また、長さは５０ｍｍであった。素管の材質は炭素鋼であった。絞り圧延時の縮径率は７１％であった。また、絞り圧延後の各素管の内面角張り率は３．４％であった。

テーパ半角（°）及び円柱部の外径が異なる複数のプラグを準備した。複数のプラグのテーパ半角θは１°〜１０°であった。また、拡管率が０．５〜７．０％となるように、各円柱部の外径が決定された。

図３Ａに示すとおり、準備されたプラグの後端をシリンダ装置のシリンダ軸の先端に周知の方法で固定した。そして、チャックで固定された素管にプラグを押し込んで、素管を全長にわたって拡管した。

拡管後、素管の任意の位置で周方向の内半径を測定し、内半径分布図を作成した。図６〜図１１に、テーパ半角θ＝７°であり、拡管率がそれぞれ順に、０．５％、１．０％、２．０％、３．０％、５．０％、７．０％での内半径分布図を示す。図中破線が拡管前の内半径分布であり、図中実線が拡管後の内半径分布である。さらに、得られた内半径分布図を用いて、式（２）に基づいて、内面角張り率（％）を求めた。求めた内面角張り率を表１及び図４に示す。
図６〜１１を参照して、拡管後の内半径分布は、拡管率が大きくなるに従い、凹凸が減少した。そして、拡管率＝５％以上で、内半径がほぼ一定になった。さらに、表１及び図４を参照して、拡管後の内面角張り率は、いずれも、拡管前の内面角張り率（＝３．４％）よりも大幅に小さく、１．２％未満であった。さらに、拡管率が５％以上の場合、テーパ半角に依存することなく、内面角張り率が０．１％以下となった。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

本発明による金属管の製造方法は、絞り圧延工程を含む金属管の製造に利用可能である。特に、穿孔装置による穿孔圧延工程と、延伸圧延装置による延伸圧延工程と、絞り圧延装置による絞り圧延工程と、冷間抽伸装置による冷間抽伸工程とを含む、継目無金属管の製造に利用可能である。

内面角張りを説明するための素管の横断面図である。 図１に示した素管の横断面における内半径分布図である。 本実施の形態による継目無金属管の製造方法のうち、拡管工程での第１の工程を示す図である。 図３Ａの次の工程である、拡管工程での第２の工程を示す図である。 図３Ｂの次の工程である、拡管工程での第３の工程を示す図である。 拡管工程における拡管率と、テーパ半角と、内面角張り率との関係を示す図である。 本発明における継目無金属管の製造方法のうち、図３Ａ〜図３Ｃと異なる他の拡管工程の例を説明するための図である。 本実施例における、テーパ半角７°、拡管率０．５％で拡管したときの素管の内半径分布図である。 本実施例における、テーパ半角７°、拡管率１．０％で拡管したときの素管の内半径分布図である。 本実施例における、テーパ半角７°、拡管率２．０％で拡管したときの素管の内半径分布図である。 本実施例における、テーパ半角７°、拡管率３．０％で拡管したときの素管の内半径分布図である。 本実施例における、テーパ半角７°、拡管率５．０％で拡管したときの素管の内半径分布図である。 本実施例における、テーパ半角７°、拡管率７．０％で拡管したときの素管の内半径分布図である。

符号の説明

１ エキスパンド装置
２ チャック
３ シリンダ装置
４ プラグ
４１ テーパ部
４２ 円柱部

Claims (2)

1. 絞り圧延装置により圧延された素管を準備する工程と、
   先端から後端に向かうに従って外径が徐々に大きくなるテーパ部と、前記テーパ部と連続して形成された円柱部とを含むプラグを準備する工程と、
   前記素管内に前記プラグを先端から挿入する工程と、
   前記挿入されたプラグを前記素管全長にわたって押し進める又は引くことにより、前記素管を拡管して内面角張りを改善する拡管工程とを備えることを特徴とする金属管の製造方法。
2. 請求項１に記載の金属管の製造方法であって、
   前記拡管工程では、
   式（１）で定められる拡管率が５〜１０％であることを特徴とする金属管の製造方法。
   拡管率＝（Ｄ１／Ｄ０−１）×１００ （１）
   ここで、Ｄ１は拡管後の前記素管の内径であり、Ｄ０は拡管前の前記素管の内径である。