JP2010051971A - 鋼管の曲げ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉鋼管を素材とするものであっても、曲げ外側での破断を防ぐとともに、偏平化を抑制した曲げ加工鋼管を得る。
【解決手段】ワイパー及びサイドブースターで被加工鋼管を保持しつつ、クランプで前記被加工鋼管を、曲げ案内用の円弧状部を形成した回転可能な曲げ型に沿って引っ張り、曲げ型と一体的に回転させて曲げる方法であって、曲げ加工を行うときには被加工鋼管内に非圧縮性流体を低水圧で付与し、曲げ加工が終了した後に、曲げ加工時よりも高圧の非圧縮性流体を圧入して曲げ加工時に形成された偏平を矯正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車などの輸送機器のエンジンとマフラーを接続する排気パイプ、空調機器内に組み込まれる曲り管、あるいは構造用中径鋼管等の鋼管の曲げ加工方法に関する。

上記用途に供される曲げ鋼管は、溶接鋼管あるいはシームレス鋼管を所定形状に曲げ加工することで成形されている。
通常、曲げ加工では、図１に示すような、曲げ案内用の円弧状部を形成した回転可能な曲げ型、クランプ、曲げ加工の進行とともに管軸方向に移動するサイドブースター、及び素管の曲げ内側を保持するワイパーを備えた回転引き曲げ加工装置が用いられている。
被加工鋼管を、ワイパーとサイドブースターで円周方向から押し付け保持した状態で後端から押圧しつつ、クランプで引っ張って曲げ型と一体的に回転して管体を曲げている。

上記用途に供される鋼管は、管内を流す流体が円滑に流れるように、また設計通りの強度を発現させるように、曲げ加工の際に偏平化せず、内径が一定であることが望ましい。しかしながら、管体に曲げ加工を施すとき、曲げ外側の部分が内側へ偏在するようになって曲げ外側の曲率が内側の曲率より小さくなりやすく、偏平化しやすいとともに、曲げ外側ではワレが、曲げ内側ではシワが発生しやすくなる。すなわち、内径が一定になるように鋼管を曲げることは容易ではない。

曲げ部の偏平化や、ワレ、シワの発生を防ぐために各種の提案がなされている。
例えば特許文献１，２では、鋼管内部に直接流体を圧入して鋼管を曲げることが、また特許文献３では、鋼管内部に芯金を入れた状態で曲げ加工する際、鋼管と芯金の間のクリアランスを変えることにより、曲げ外側の板厚減少を抑制することが、提案されている。
特開平９−３８７２６号公報 特開２００２−２５４１１２号公報 特開２００３−２９０８３８号公報

上記特許文献１，２，３で提案された方法は、それなりに有用な方法ではある。特にシワの発生や、曲げ外側の板厚減少を抑制する点では優れた技術である。
しかしながら、偏平化の抑制の点では不十分である。特に板厚の薄い鋼管を曲げようとするとき、十分な偏平化抑制は達成しえない。曲げ外側に破断が生じることもある。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、薄肉鋼管を素材とするものであっても、曲げ外側での破断を防ぐとともに、偏平化を抑制した鋼管の曲げ加工方法を提供することを目的とする。

本発明の鋼管の曲げ加工方法は、その目的を達成するため、ワイパー及びサイドブースターで被加工鋼管を保持しつつ、クランプで前記被加工鋼管を、曲げ案内用の円弧状部を形成した回転可能な曲げ型に沿って引っ張り、曲げ型と一体的に回転させて曲げる方法であって、曲げ加工を行うときには被加工鋼管内に非圧縮性流体を低水圧で付与し、曲げ加工が終了した後に、曲げ加工時よりも高圧の非圧縮性流体を圧入して曲げ加工時に形成された偏平を矯正することを特徴とする。

本発明の鋼管の曲げ加工方法では、非圧縮性流体を被加工鋼管内に圧入した状態で曲げ加工する回転引き曲げ法を採用している。そして、曲げ加工が終わった後に圧入する非圧縮性流体の水圧を、曲げ加工時の水圧よりも高くすることにより、曲げ加工時に形成された偏平部を矯正できている。
特に、通常、加工部にワレやシワを発生し易い薄肉鋼管を曲げ加工する場合にあっても、その両方の発生を抑制しつつ、偏平部の矯正が可能となるため、エンジンとマフラーを接続する排気パイプ等として、軽量化を図った曲げ鋼管が安価に提供できることになる。

本発明者等は、鋼管に曲げ加工を施す際、曲げ部の偏平化を簡便な手法で低減する方法について鋭意検討を重ねた。鋼管の曲げ加工法として、被加工鋼管内に非圧縮性流体を圧入した状態で曲げ加工する回転引き曲げ法が簡便な方法として知られているが、この方法でも、偏平化を十分に抑制することはできない。また、曲げ外側にワレや、曲げ内側にシワを発生することがある。この傾向は素材の板厚が薄いほど顕著となる。
そして、偏平化を防ぐために付加水圧を高くすると、特に板厚が薄い場合、破断が生じることもある。

そこで、本発明では、回転引き曲げ法を用いて鋼管に曲げ加工を施す際、曲げ加工時には被加工鋼管内に圧入する非圧縮性流体の水圧を比較的低くし、曲げ加工を終了した後、圧入する非圧縮性流体の付加圧力を曲げ加工時よりも高くする手法を採用した。
以下にその詳細を説明する。

まず、本発明では、図１に示されるような、被加工鋼管内に非圧縮性流体を圧入した状態で曲げ加工する回転引き曲げ法を用いる。被加工鋼管の本体部をワイパー及びサイドブースターで保持しつつ、その一端をクランプと曲げ案内用の円弧状部を形成した回転可能な曲げ型で固定する。また他端から非圧縮性流体を圧入する。
被加工鋼管内に非圧縮性流体を圧入した状態で、同被加工鋼管を曲げ型に沿って引っ張り、曲げ型と一体的に回転させることによって、曲げ加工を施す。

被加工鋼管内に圧入する非圧縮性流体の水圧が比較的低いと、図２（ａ）に見られるように、曲げ部が偏平化している。
曲げ加工を終えた後、被加工鋼管内に圧入する非圧縮性流体の付加水圧を、曲げ加工時の水圧よりも高くする。付加水圧を高くすることにより、図２（ｂ）に見られるように、偏平化した鋼管曲げ部を周方向に膨張させ、偏平の矯正を行う。
被加工鋼管内部に圧入する非圧縮性流体の付加水圧と加工時間との関係は図３に示す通りである。

曲げ加工時に付加する非圧縮性流体の水圧は、予め各種予備実験を行い、被加工鋼管を構成する素材の板厚や機械的特性に応じて、適宜決めておくことが好ましい。
板厚の薄い薄肉鋼管では、曲げ部での破断を起こすことなく曲げ加工を行うためには、非圧縮性流体の圧入水圧を比較的低くする必要があるが、圧入水圧が低いと曲げ部での偏平が大きくなる。
しかしながら、本発明の採用により、曲げ加工時には、比較的低い水圧の非圧縮性流体の圧入状態で曲げ加工を施し、曲げ加工終了後に圧入水圧を高めることで、偏平化を抑制した曲げ鋼管を得ることができることになる。

供試材として、表１に示す板厚と機械的特性を有するオーステナイト系ステンレス鋼管を用いた。
図１に示すような、水圧付加引き曲げ法を採用して曲げ加工を行った。まず、鋼管内に非圧縮性流体を圧入し、設定水圧まで加圧液を供給した状態で、曲げ加工を行った。曲げ加工後、さらに水圧を上げた状態で数秒間放置した。
比較例として、通常の加工法である、芯金を使用した回転引き曲げ加工法を採用した。
加工条件は、曲げ型の曲げ半径；８０ｍｍ（Ｒ（曲げ半径）／Ｄ（外径）＝２．１）、曲げ角度；９０°とした。
偏平化率δ（％）は、図４に示すように、長径をＤmax、短径をＤmin、素管外径をＤとして下記式で求めた。鋼管の用途によって使用可能な偏平率の範囲が異なることから、偏平率を１０％以内に抑えることを目標とした。
δ＝（Ｄmax−Ｄmin）／Ｄ×１００

,
表２に試験結果を示す。なお、表中、ワレやシワがなかったものを○で、ワレやシワが発生したものを×で表示している。
通常の芯金使用回転引き曲げ加工法では、シワが生じていた。
本発明例である、非圧縮性流体を被加工鋼管内に圧入する水圧付与回転引き曲げ加工法では、シワの発生がない加工が可能であった。試験例１〜３では曲げ加工に必要な加工水圧を８ＭＰａで行い、試験例１では加工後の水圧を０ＭＰａに、試験例２では加工後の水圧を１５ＭＰａに、試験例３では１８ＭＰａにしている。この結果から、加工後に加工水圧よりも高い水圧を付加することで、偏平が大きく減少していることがわかる。
また、試験例５のように、破断が生じない高めの加工水圧を付加することで、さらに偏平を減少させることが可能であることがわかる。
なお、試験例６のように、加工水圧が高すぎると、曲げ加工時にワレが発生する。
これらの結果から、ワレが発生しない範囲で極力高い加工水圧で曲げ加工し、その後に加工水圧よりも高い水圧で矯正することが有効であることがわかる。この加工法を使用することで目標の偏平率である１０％以内に収まることから、薄肉鋼管の曲げ加工に適していることがわかる。

水圧付与回転引き曲げ加工法を説明する概略図 低水圧で曲げ加工する態様と、高圧を付与して矯正する態様の説明図 曲げ加工時間と鋼管内に付加する水圧の関係を説明する図 偏平率の算出方法を説明する図

Claims (1)

1. ワイパー及びサイドブースターで被加工鋼管を保持しつつ、クランプで前記被加工鋼管を、曲げ案内用の円弧状部を形成した回転可能な曲げ型に沿って引っ張り、曲げ型と一体的に回転させて曲げる方法であって、曲げ加工を行うときには被加工鋼管内に非圧縮性流体を低水圧で付与し、曲げ加工が終了した後に、曲げ加工時よりも高圧の非圧縮性流体を圧入して曲げ加工時に形成された偏平を矯正することを特徴とする鋼管の曲げ加工方法。

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