JP2010149171A - 鋼板のロール曲げ装置及びこれを用いた鋼板のロール曲げ成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板端部の潰れを回避することができる鋼板のロール曲げ装置及びこれを用いた鋼板のロール曲げ成形方法を提供する。
【解決手段】上ロール１と下ロール２とからなる鋼板のロール曲げ成形装置において、鋼板３の外側を成形する下ロール２の鋼板端部４との接触領域に、曲げ方向とは逆向きの凸状の曲率部５を設けた。この曲率部５によって鋼板端部の潰れを回避することができる。曲率部５の曲率半径Ｒは、鋼板の板厚をｔとしたとき、0.15ｔ２≦Ｒであることが好ましい。また下ロール２を左右に分割し、板厚や板幅に応じて拡縮可能としておくことが好ましい。
【選択図】図５

Description

本発明は、鋼板のロール曲げ装置及びこれを用いた鋼板のロール曲げ成形方法に関するものであり、特にシリンダ管のような厚肉管を製造するために好適な鋼板のロール曲げ装置及びこれを用いた鋼板のロール曲げ成形方法に関するものである。

鋼管の製造方法として、多数段の成形用ロールにより鋼板を徐々に曲げ成形して最終的に円形に成形したうえ、端面間を溶接する方法が広く採用されている。この曲げ成形工程は前半のブレイクダウン工程と後半のフィンパス工程とに大別され、特にブレイクダウン工程においては大幅な曲げ加工が行われる。

このような鋼板のロール曲げ加工は、上ロールと下ロールとの間で鋼板を加圧することによって行われる。鋼板は鋼板の外側を成形する下ロールの上に送り込まれ、鋼板の内側を成形する上ロールによって曲げ成形される。このため、図１に示すように上ロール１、下ロール２ともにそのロールカリバーは鋼板３の曲げ方向に沿った曲率を持つのが普通である。また図２に示すように下ロール２は直線状のロールカリバーを持つこともある。

ところが、特に厚板鋼板をロール曲げ加工する場合には、図１、図２の何れの場合にも曲げ開始の際に鋼板端部４が下ロール２と線（または点）接触することとなり、潰れが発生することを避けられなかった。一度このような潰れが発生するとその回復は不可能であり、図３に示すようにフィンパス工程での絞りが不十分な場合は鋼板端部４どうしを最終的に管形状に突き合わせるとＹ型突合せとなり、溶接不良を招き、一方フィンパス工程で十分絞りを加えた場合は端部が局部的に増肉し、管の内径真円度が低下するくことがあった。なおこの問題が顕著となるのは、鋼管の板厚をｔ、直径をＤとしたときにｔ/Ｄが0.06以上の場合である。

この問題を回避するために特許文献１では、図４に示すように鋼板端部４をプリベンド用のロールでプリベンドしておき、ブレイクダウン工程では鋼板端部４は曲げ加工しない方法が提案されている。しかしプリベンド用のロールを用いても曲げ開始の際にはどうしてもある程度の潰れが発生することは避けられない。またブレイクダウン工程の前にプリベンド用のスタンドを設置しなければならず、設備の大型化を招くという問題を残していた。
特開昭５７−１９５５３１号公報

従って本発明の目的は、前記のｔ/Ｄが0.06以上の鋼管を製造する際にも、プリベンド用のスタンドを用いることなく、鋼板端部の潰れを回避することができる鋼板のロール曲げ装置及びこれを用いた鋼板のロール曲げ成形方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた請求項１の鋼板のロール曲げ装置は、上ロールと下ロールとからなる鋼板のロール曲げ成形装置において、鋼板の外側を成形する下ロールの鋼板端部との接触領域に、曲げ方向とは逆向きの凸状の曲率部を形成したことを特徴とするものである。

なお請求項２に記載のように、下ロールの鋼板端部との接触領域以外の部分は、直線状または凹状の曲率を有することができる。また請求項３に記載のように、凸状の曲率部の曲率半径Ｒが、鋼板の板厚をｔとしたとき、0.15ｔ２≦Ｒであることが好ましい。また請求項４に記載のように、鋼板の外側を成形する下ロールが左右に分割されており、相互の間隔を鋼板の板厚および板幅に応じて調整可能とした構造とすることが好ましい。

また本発明の鋼板のロール曲げ成形方法は、請求項１に記載の鋼板のロール曲げ成形装置を用い、鋼板端部の潰れを防止しつつ鋼板をロール曲げ成形することを特徴とするものである。

本発明の鋼板のロール曲げ装置は、鋼板の外側を成形する下ロールの鋼板端部との接触領域が、曲げ方向とは逆向きの凸状の曲率を有するものであるから、鋼板が上ロールにより加圧されたときに鋼板端部は曲げ方向とは逆向きの凸状の曲率部に沿って湾曲し、従来のように押し潰されることがない。このため本発明の鋼板のロール曲げ装置を用いれば、ｔ/Ｄが0.06以上の鋼管を鋼管端部の潰れを生じさせることなく製造することができる。またプリベンド用のスタンドを用いる必要もないため、設備の大型化を招くこともない。

なお、下ロールの鋼板端部との接触領域以外の部分は鋼板端部の潰れには影響しないので、請求項２に記載のように、従来と同様に直線状または凹状の曲率を有するものとすることができる。

また、下ロールの曲率部５の曲率半径Ｒが小さすぎると、接触した鋼板３に圧痕や疵が発生する可能性があるが、請求項３のように曲率半径Ｒを0.15ｔ２以上とすることにより、そのおそれをなくすることができる。

また、同一外径で板厚が異なる鋼管を同一ラインで製造することが多く、その場合には同一外径であっても板幅が変化し、下ロールの鋼板端部との接触領域が変動することとなる。その場合であっても、請求項４のように左右に分割された下ロール相互の間隔を鋼板の板厚に応じて調整可能としておけば、同一のロール曲げ装置によって対応可能となる。

以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。
図５は本発明の要部を示す断面図であり、従来と同様に１は上ロール、２は下ロールであり、鋼板３がそれらの間に供給されて矢印方向に加圧され、ロール曲げ成形される。本発明では曲げ開始時における鋼板端部４の潰れの防止を目的としているため、ロール曲げが開始される最初のスタンドのみを図示してある。後続のスタンドにおいては鋼板端部４の潰れはほとんど発生しないので、従来と同様のロールカリバーを持つロールを使用することができる。

上ロール１と下ロール２は曲げ方向に対応するロールカリバーを有している。即ち、鋼板３の外側を成形する下ロール１は基本的に凹状のロールカリバーを有し、内側を成形する上ロール１は、凸状のロールカリバーを有している。しかしこの基本形状のままでは前記したような鋼板端部４の潰れが発生するため、本発明では図５に示すように、下ロール２の鋼板端部４との接触領域に、曲げ方向とは逆向きの凸状の曲率部５を設けてある。

このため上ロール１により鋼板３に下向きの加圧力が加えられると、鋼板端部４は図６図5のように板の角ではなく面で下ロールに接触し、曲げの進行に伴い図６のように曲率５に沿って滑り込んで行く。上向きに屈曲することとなるが、鋼板端部４は下ロール２の曲率部５から僅かに浮き上がった状態であるため、その結果、従来のような潰れが発生することがない。なお下ロール２の鋼板端部４との接触領域以外の部分は、従来と同様の直線状または凹状のロールカリバーとすればよい。

以下に、本発明における凸状の曲率部５の好ましい条件を説明する。先ず図７に示すように、曲げ成形の途中で鋼板３の下面に曲率部５が押し当てられることとなるため、曲率部５の曲率半径Ｒが小さ過ぎると接触部に圧痕や疵が発生するおそれがある。実験による検討結果から、圧痕が発生する曲率半径Ｒの下限値は、材料強度によらず図８のグラフに示すように板厚ｔの２乗の関数である0.15ｔ２で近似できることが判る。なお図８において、白抜きの記号は圧痕なし、黒塗りの記号は圧痕ありを意味している。このためＲ≧0.15ｔ２とすることが望ましい。

このように圧痕の発生限界Ｒがｔ２の関数となる理由は、次の通りである。すなわち、鋼板全体を曲げるのに必要なモーメントはｔ２σｙ／４であり、この曲げモーメントを発生させるための押し込み力も端部成形時に最大となるため曲げ半径の影響は受けず、ｔ２σｙ／４に比例する。一方、材料の圧痕に対する耐力はσｙに比例すると考えられるから、圧痕の発生限界はｔ２に比例することとなる。

次に曲率部５の曲率半径Ｒの上限値について延べる。図９に示すように、曲率部５の部分では鋼板３に曲げ方向の曲げを加えることができないので、曲率半径Ｒが大きくなり過ぎると曲がらない部分が増加してしまい好ましくない。この点を詳細に検討すると、ロール成形で鋼板３に曲げが付加される際に鋼板３と下ロール２との接触部にすべりが起こらないとすると、鋼板端部４は曲率部５を図１０に示すように回転により移動して行くこととなる。この回転のみを考慮した場合の曲げが加わらない長さは、曲率部５のロール角度をθとすると、２πＲθ／３６０となる。

一方で、図１１に示すように鋼板３に曲げが加わることによって鋼板の端部間距離はＷ１からＷ２に変化するので、鋼板端部４は板幅変化によるすべりによっても移動することとなる。このすべりによる移動はロール角度θに沿って起こるので、板幅変化量とロール角度θから（Ｗ１−Ｗ２）／ｔａｎθとなり、このすべった分は、ロールに巻きつき曲げが加わる加えられないこととなる。従って、回転のみを考慮した場合の曲げが加わらない長さからこのすべりによる分を差し引けば、最終的に曲げが加わらない長さＬは、２πＲθ／３６０−（Ｗ１−Ｗ２）／ｔａｎθとなる。

そしてこの長さＬの直線部は後段のフィンパス工程で図１２のように成形されることとなるが、Ｌが長すぎるとエッジ座屈などの支障が生じる。操業経験上からこの値は２ｔ以下であることが必要であるからＬ≦２ｔとなり、前式を代入して計算すると、Ｒ≦（（２ｔ＋（Ｗ１−Ｗ２）／ｔａｎθ）×３６０）／２πθとすることが好ましい。以上を総合すると曲率部５の曲率半径Ｒは、0.15ｔ２≦Ｒ≦（（２ｔ＋（Ｗ１−Ｗ２）／ｔａｎθ）×３６０）／２πθであることが好ましい。

なお、多くの生産ラインでは同じロールを用い、同一外径であって板厚が異なる鋼管を製造する。その場合には同一外径であっても板幅が変化し、下ロールの鋼板端部との接触領域が変動してしまうこととなる。そのため、図１３のように下ロール２を左右に分割しておき、相互の間隔を鋼板３の板厚に応じて調整可能としておけば、常に鋼板端部４を曲率部５の正しく接触させることが可能となる。また、板幅が変わった場合についても同様に、相互の間隔を調整すればよい。次に本発明の実施例を示す。

単スタンドにより、板厚１０ｍｍ×強度５９０ＭＰａの鋼板の板端部にロール成形を行い、従来法と本発明方法とにおける成形時の端部潰れを比較した。図１４は従来法のロール形状を示す説明図であり、下ロールの鋼板に曲げを加える部位に凹状の曲率部が形成されており、上ロールの対応部位には凸状の曲率部が形成されている。上ロールの曲率半径は５０ｍｍ、下ロールの曲率半径は６０ｍｍである。また図１５も従来法のロール形状を示す説明図であり、下ロールは曲率部のないストレートな形状であり、上ロールの鋼板に曲げを加える部位には曲率半径が５０ｍｍの凸状の曲率部が形成されている。

これに対して図１６は実施例のロール形状の説明図であり、下ロールの鋼板端部との接触部位には曲率半径が３５ｍｍ３０ｍｍ（図16も対応して下ロールのアールを30Rに変更してください）の凸状の曲率部が形成され、その他の部分はストレートな形状となっている。上ロールの鋼板に曲げを加える部位には曲率半径が５０ｍｍの凸状の曲率部が形成されている。

図１７にこれらの単スタンドで鋼板に曲げを加えた後の鋼板端部の板厚分布を示す。図１７に示されるように、図１４、図１５の従来法のロールでは０．８ｍｍの減肉が生じているのに対して、本発明のロールを用いた場合にはほとんど減肉が見られないことが確認された。

従来技術の問題点を示す説明図である。 従来技術の問題点を示す説明図である。 Ｙ型突合せを示す断面図である。 先行文献に記載のロール形状の説明図である。 本発明の実施形態を示す説明図である。 本発明の実施形態を示す説明図である。 曲率半径Ｒの下限値の説明図である。 板厚と曲率半径Ｒの下限値との関係を示すグラフである。 曲率半径Ｒの上限値の説明図である。 回転のみによる鋼板端部の移動の説明図である。 すべりによる鋼板端部の移動の説明図である。 フィンパスロールの断面図である。 下ロールの拡縮の説明図である。 実施例における従来法の説明図である。 実施例における他の従来法の説明図である。 実施例の説明図である。 実施例における鋼板端部の板厚分布を示すグラフである。

符号の説明

１ 上ロール
２ 下ロール
３ 鋼板
４ 鋼板端部
５ 曲率部

Claims (5)

1. 上ロールと下ロールとからなる鋼板のロール曲げ成形装置において、鋼板の外側を成形する下ロールの鋼板端部との接触領域に、曲げ方向とは逆向きの凸状の曲率部を形成したことを特徴とする鋼板のロール曲げ成形装置。
2. 下ロールの鋼板端部との接触領域以外の部分が、直線状または凹状の曲率を有することを特徴とする請求項１記載の鋼板のロール曲げ成形装置。
3. 凸状の曲率部の曲率半径Ｒが、鋼板の板厚をｔとしたとき、0.15ｔ^２以上であることを特徴とする請求項１記載の鋼板のロール曲げ成形装置。
4. 鋼板の外側を成形する下ロールが左右に分割されており、相互の間隔を鋼板の板厚および板幅に応じて調整可能としたことを特徴とする請求項１記載の鋼板のロール曲げ成形装置。
5. 請求項１に記載の鋼板のロール曲げ成形装置を用い、鋼板端部の潰れを防止しつつ鋼板をロール曲げ成形することを特徴とする鋼板のロール曲げ成形方法。

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