JP2014039939A - 絞り圧延装置及び絞り圧延装置用ロール - Google Patents

Abstract

【課題】内面角張の発生を抑制する絞り圧延装置を提供する。
【解決手段】絞り圧延装置は複数のスタンドを備え、複数のスタンドは、複数の粗スタンドと、複数の粗スタンドの後方に配置される１又は複数の仕上げスタンドとを備える。粗スタンドのロール（１０）は、横断形状が弓状の溝（２０）を有する。溝（２０）は、底部（２１）と一対のフランジ部（２２）とを含む。底部２１の横断形状は、パスライン（ＰＬ）と底部中央（ＧＢ）との間の距離（ＤＢ）よりも短い半径（Ｒ０）を有する円弧である。溝（２０）の縁（ＧＥ）とパスライン（ＰＬ）との間の距離（ＤＥ）は、距離（ＤＢ）よりも長い。
【選択図】図５

Description

本発明は、絞り圧延装置に関し、金属管を絞り圧延する絞り圧延装置及び絞り圧延装置用ロールに関する。

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、金属管を所定の外形寸法に絞り圧延する。絞り圧延装置の種類としては、各々が３個のロールを有する複数のスタンドを備えた３ロール式絞り圧延装置、各スタンドが４個のロールを有する４ロール式絞り圧延装置等が知られている。

絞り圧延装置は、通常、パス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、孔型を形成する溝を有する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個のロールから圧延軸周りに６０°ずらして配置される。絞り圧延中に管の外周に作用する半径方向応力の分布をなるべく均一にするためである。

また、４ロール式絞り圧延装置の各スタンドは、孔型を形成する溝を有する４個のロールを含む。４個のロールは圧延軸周りに等間隔に配置され、かつ、前段のスタンドの４個のロールから圧延軸周りに４５°ずらして配置される。

このような規則的なロールの配列は、金属管に偏肉を発生させる場合がある。具体的には、絞り圧延後の金属管の内周面の横断形状が、円形状ではなく、六角形又は八角形等の多角形になる場合がある。このような金属管の偏肉は、「内面角張」と称される。

特開平６−２３８３０８号公報（特許文献１）は、内面角張を抑制する絞り圧延方法を提案する。特許文献１では、絞り圧延機の各ロールスタンドを構成する各ロールのフランジ側ロール面の半径を、カリバー底側ロール面の半径よりも大きくする。そして、カリバー側ロール面の横断形状を、圧延パス軸よりも外方にオフセットした点を中心とした半径を有する円弧とする。

国際公開第２００５／０７０５７４号（特許文献２）は、内面角張及びエッジ疵を抑制する絞り圧延装置を提案する。特許文献２では、絞り圧延装置の各スタンドのロールの溝において、溝の底部は、横断形状で圧延軸を中心とした第１の半径を有する円弧であり、溝のロールフランジ部の表面と圧延軸との間の距離は、第１の半径よりも長い。溝の縁と圧延軸との間の距離は、前段のスタンドに含まれるロールの溝における第１の半径よりも長い。特許文献２においては、溝の底部を第１の半径を有する円弧とすることにより、内面角張が抑制されると記載されている。

特開平６−２１０３１８号公報（特許文献３）は、内面角張を抑制する絞り圧延方法を提案する。特許文献３では、冷間圧延を行う４ロール式絞り圧延装置において、ロール溝縁部の孔型半径が、ロール溝中央部の孔型半径よりも大きく、かつ、前段のロール溝中央部の孔型半径よりも小さい。

特開平６−２３８３０８号公報 国際公開第２００５／０７０５７４号 特開平６−２１０３１８号公報

しかしながら、特許文献１〜３の絞り圧延方法を利用しても、内面角張が発生する場合がある。

本発明の目的は、内面角張の発生を抑制する絞り圧延装置を提供することである。

本実施の形態による絞り圧延装置は、パスラインに沿って配列された複数のスタンドを備え、金属管を絞り圧延する。複数のスタンドは、複数の粗スタンドと、１又は複数の仕上げスタンドとを備える。仕上げスタンドは、複数の粗スタンドの後方に配置される。粗スタンドは、パスラインの周りに配置されたｎ個（ｎ≧３）のロールを含む。ｎ個のロールは前段の粗スタンドに含まれるｎ個のロールからパスライン周りに１８０°／ｎずらして配置される。ロールは、横断形状が弓状の溝を有する。溝は、底部と、一対のフランジ部とを含む。フランジ部は、底部と溝の縁との間に位置する。底部の横断形状は、パスラインと底部の中央との間の距離ＤＢよりも短い半径Ｒ０を有する円弧である。溝の縁とパスラインとの間の距離ＤＥは、距離ＤＢよりも長い。

本実施の形態による絞り圧延装置は、内面角張の発生を抑制する。

図１は、本実施の形態による絞り圧延装置の側面図である。 図２は、図１中の粗スタンドの正面図である。 図３は、図２の粗スタンドの前段の粗スタンドの正面図である。 図４は、図１に示す絞り圧延装置による金属管の絞り圧延を示す模式図である。 図５は、図２及び図３中の粗スタンド内のロールの正面図である。 図６は、内面角張が生じた金属管の横断面図である。 図７は、単一Ｒ溝を有するロールの正面図である。 図８は、ダブルＲ溝を有するロールの正面図である。 図９は、図５に示す溝の形状を説明するための模式図である。 図１０は、図７に示す単一Ｒ溝を有するロールで圧延された金属管の外周面の横断面図である。 図１１は、図１０に示す金属管の圧延直前の、金属管と単一Ｒロール溝との位置関係を示す図である。 図１２は、図１１において圧延された金属管に掛かる周方向の応力分布を示すＦＥＭ解析結果図である。 図１３は、図５に示す溝を有するロールで圧延された金属管の外周面の横断面図である。 図１４は、図１３の金属管の圧延直前の、金属管と図５に示す溝との位置関係を示す図である。 図１５は、図１４において圧延された金属管に掛かる周方向の応力分布を示すＦＥＭ解析結果図である。 図１６は、実施例で絞り圧延された金属管の肉厚のばらつきを示すＦＥＭ解析結果図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。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。

［絞り圧延装置の構成］
図１は、本実施の形態による絞り圧延装置１の側面図である。図１を参照して、絞り圧延装置１は、パスラインＰＬに沿って配列された複数のスタンドＳＴを備える。複数のスタンドＳＴは、複数の粗スタンドＳＴ１〜ＳＴｍ（ｍは自然数）と、仕上げスタンドＳＴｍ＋１〜ＳＴｋ（ｋはｍよりも大きい自然数）とを備える。

粗スタンドＳＴ１〜ＳＴｍは、主として、金属管を縮径する。仕上げスタンドＳＴｍ＋１〜ＳＴｋは、粗スタンドＳＴ１〜ＳＴｍの後方に一列に配列される。仕上げスタンドＳＴｍ＋１〜ＳＴｋは、粗スタンドＳＴ１〜ＳＴｍにより縮径された金属管の形状を整え、金属管の外周面の横断形状の真円度を高める。一般的に仕上げスタンドは、絞り圧延装置１の最終スタンドを含む後方側に配置される複数のスタンドのうち、圧下率が３％以下に設定されるスタンドのことをいう。ここで、第ｉスタンドＳＴｉにおける圧下率とは、(スタンドＳＴｉ−１の孔型の平均直径−スタンドＳＴｉの孔型の平均直径)／スタンドＳＴｉ−１の孔型の平均直径×１００％で表される。ただし、孔型の平均直径は、パスラインＰＬとロール溝底部中央との距離（図５中の距離ＤＢ）と、パスラインＰＬとロール溝縁との距離（図５中の距離ＤＥ）との和である。

図１では、複数の粗スタンドＳＴ１〜ＳＴｍの後方に、複数の仕上げスタンドＳＴｍ＋１〜ＳＴｋを備える。しかしながら、絞り圧延装置１は、複数の粗スタンドＳＴ１〜ＳＴｍの後方に、１つの仕上げスタンドＳＴｍ＋１のみを備えてもよい。ただし、たとえば、各スタンドが３つのロールで構成される場合、後述する図２及び図３に示すように隣り合うスタンドにおいて、３つのロールの圧下方向は異なる。このような場合は、圧下方向毎に少なくとも１つの仕上げスタンドを備えることが望ましい。したがって、各スタンドが３つのロールを備えるタイプの絞り圧延装置の場合は、少なくとも２つの仕上げスタンドを備えることが望ましい。

図２及び図３は、粗スタンドＳＴｉ（ｉ＝２〜ｍ）及びスタンドＳＴｉ−１の正面図である。スタンドＳＴｉ−１は、スタンドＳＴｉの前段に配置される。図２及び図３を参照して、各粗スタンドＳＴは、３つのロール１０を備える。パスラインＰＬ周りに互いに１２０°の位置に配置される３個のロール１０を含む。ロール１０は横断面が弓状をなす溝２０を有し、３つのロールＲＯの溝２０は孔型ＰＡを形成する。

図２及び図３に示すとおり、粗スタンドＳＴｉに含まれる３個（ｎ＝３）のロール１０は、前段のスタンドＳＴｉ−１に含まれる３個のロール１０からパスラインＰＬ周りに６０°（＝１８０°／ｎ、ｎ＝３）ずれて配置される。

各スタンドＳＴの３個のロール１０は図示しないベベルギアにより互いに接続され、３個のロール１０のうちの１つを図示しないモータにより回動させる。これにより、すべてのロール１０が回動する。３つのロール１０が３つのモータにより回動してもよい。

各スタンドＳＴの３個のロールにより形成される孔型の断面積は、後段のスタンドＳＴのものほど小さくなる。換言すれば、スタンドＳＴ１で形成される孔型の断面積が最も大きく、最後尾のスタンドＳＴｋで形成される孔型の断面積が最も小さい。図４に示すように、金属管ＨＳはパスラインＰＬに沿ってスタンドＳＴ１からスタンドＳＴｋまでを通って絞り圧延される。

［粗スタンドＳＴ１〜ＳＴｍのロール１０］
粗スタンドＳＴ１〜ＳＴｍに含まれるロール１０は、図５に示す溝２０を有する。以降、本明細書において、ロール１０のロール軸を含む断面での溝２０の形状を、溝２０の「横断形状」と称する。溝２０の横断形状は、弓状である。

溝２０は、底部２１と、一対のフランジ部２２とを含む。底部２１は、溝２０の中央に配置される。底部２１の横断形状は、地点Ｃ２１を中心（以下、地点Ｃ２１を中心Ｃ２１という）とし、半径Ｒ０を有する円弧である。中心Ｃ２１は、パスラインＰＬよりも溝２０側に配置される。より具体的には、中心Ｃ２１は、パスラインＰＬと、底部２１の中央ＧＢとの間に配置される。そのため、半径Ｒ０は、パスラインＰＬと底部中央ＧＢとの間の距離ＤＢよりも短い。半径Ｒ０が距離ＤＢよりも短いため、底部２１の横断形状の曲率は、パスラインＰＬを中心とする円弧の曲率よりも、大きくなる。これにより、金属管に内面角張が発生するのを抑制できる。

フランジ部２２は、底部２１の端２３と溝２０の縁ＧＥとの間に配置される。パスラインＰＬと溝縁ＧＥとの間の距離ＤＥは、距離ＤＢよりも長い。図５において、フランジ部２２の横断形状は、半径Ｒ１を有する円弧である。半径Ｒ１は、半径Ｒ０よりも長い。距離ＤＢが距離ＤＥよりも長く、半径Ｒ１が半径Ｒ０よりも長いため、圧延時のエッジきずの発生が抑制される。

図６は、３ロール式の絞り圧延装置での圧延後において、内面角張が発生した金属管の横断面図である。図６を参照して、本明細書において、金属管ＨＳの中心ＣＮから真上に延びる軸を、基準軸ＲＥＦと定義する。そして、金属管ＨＳの外周面のうち、基準軸ＲＥＦ上の地点を地点「Ｐ０」と称する。さらに、金属管ＨＳの外周面のうち、基準軸ＲＥＦと３０°をなす線分上の点を地点「Ｐ３０」と称し、基準軸ＲＥＦと６０°をなす線分上の点を地点「Ｐ６０」と称する。

内面角張が発生した金属管ＨＳでは、偏肉が発生して内面の横断形状が多角形状になる。より具体的には、金属管ＨＳの横断面において、肉厚が薄い部分（以下、薄肉部という）ＴＡと、肉厚が厚い部分（以下、厚肉部という）ＴＢとが、中心軸ＣＮ周りに交互に形成される。厚肉部ＴＢは、薄肉部ＴＡに対して、中心軸ＣＮ周りに３０°ずれて形成される。そして、厚肉部ＴＢは、隣り合う他の厚肉部ＴＢに対して、中心軸ＣＮ周りに６０°ずれて配置される。薄肉部ＴＡも同様に、隣り合う他の薄肉部ＴＡに対して、中心軸ＣＮ周りに６０°ずれて配置される。

薄肉部ＴＡは、地点Ｐ０及びＰ６０に形成される。つまり、地点Ｐ０から６０°おきに形成される。同様に、厚肉部ＴＢは、地点Ｐ３０に形成され、さらに、地点Ｐ３０から６０°おきに形成される。要するに、内面角張が発生した金属管ＨＳでは、内面の断面形状が６角形状になる。

厚肉部ＴＢは、絞り圧延時に地点Ｐ３０及び地点Ｐ３０から６０°おきの地点（以下、単に地点Ｐ３０という）に掛かる圧下量が大きくなると、発生しやすい。絞り圧延時の累積の圧下量が大きい地点ほど、圧下により増肉するためである。したがって、厚肉部Ｔ３０の肉厚を小さくして内面角張を抑制するためには、地点Ｐ３０での累積の圧下量を小さくすればよい。

［溝２０の作用］
以下、溝２０を有するロール１０の作用について、説明する。溝２０の効果を、単一Ｒ溝及びダブルＲ溝と比較しながら説明する。

［単一Ｒ溝及びダブルＲ溝］
［単一Ｒ溝］
初めに、単一Ｒ溝及びダブルＲ溝について説明する。図７は、単一Ｒ溝５０を有するロールの正面図である。図７を参照して、単一Ｒ溝５０の横断形状は、半径Ｒ５０を有する単一の円弧である。そして円弧の中心Ｃ５０は、底部中央ＧＢとパスラインＰＬとを結ぶ線分（基準軸ＲＥＦ）のパスラインＰＬ側の延長線上に配置される。したがって、半径Ｒ５０は、パスラインＰＬから底部中央ＧＢまでの距離ＤＢよりも長い。

図７に、半径ＤＢを有し、パスラインＰＬを中心とした仮想円ＶＣを示す。単一Ｒ溝５０のうち、基準軸ＲＥＦからパスラインＰＬ周りに３０°の地点を「地点Ｇ３０」と定義する。地点Ｇ３０は、仮想円ＶＣの外側に配置されている。したがって、地点Ｇ３０とパスラインＰＬとの間の距離Ｄ３０は、距離ＤＢよりも長い。

さらに、溝縁ＧＥとパスラインＰＬとの間の距離ＤＥは、距離Ｄ３０よりも長い。要するに、単一Ｒ溝５０の任意の点ＧとパスラインＰＬとの間の距離は、底部中央ＧＢから溝縁ＧＥに向かうほど、長くなる。

［ダブルＲ溝］
図８は、ダブルＲ溝６０を有するロールの正面図である。図８を参照して、ダブルＲ溝６０の横断形状は弓状であり、底部６０１と、一対のフランジ部６０２とを有する。底部６０１の横断形状は、半径Ｒ６０を有し、中心Ｃ６０を有する円弧である。中心Ｃ６０は、底部中央ＧＢとパスラインＰＬとを結ぶ線分（基準軸ＲＥＦ）のパスラインＰＬ側の延長線上に配置される。したがって、半径Ｒ６０は、半径Ｒ５０と同様に、距離ＤＢよりも長い。フランジ部６０２は、底部６０１の端点６３と、溝縁ＧＥとの間に配置される。フランジ部６０２の横断形状は円弧である。フランジ部６０２の円弧の半径Ｒ６１は、底部６０１の円弧の半径Ｒ６０よりも大きい。フランジ部６０２の円弧の中心Ｃ６１は、端点６３と中心Ｃ６０とを結ぶ線分の、中心Ｃ６０側の延長線上に配置される。要するに、溝６０は、２種類の円弧を含む。

図８においても、半径ＤＢの仮想円ＶＣを示している。ダブルＲ溝６０の地点Ｇ３０は、仮想円ＶＣの外側に位置する。したがって、地点Ｇ３０とパスラインＰＬとの間の距離Ｄ３０は、距離ＤＢよりも大きい。さらに、溝縁ＧＥとパスラインＰＬとの間の距離ＤＥは、距離Ｄ３０よりも大きい。

以上より、ダブルＲ溝６０上の任意の点ＧとパスラインＰＬとの間の距離は、単一Ｒ溝５０と同様に、底部中央ＧＢから溝縁ＧＥに向かうほど、長くなる。

［溝２０の形状］
これに対して、図９に示すとおり、本実施形態の溝２０における地点Ｇ３０は、仮想円ＶＣの内側に位置する。したがって、地点Ｇ３０とパスラインＰＬとの間の距離Ｄ３０は、距離ＤＢよりも短い。さらに、距離ＤＥは、距離ＤＢよりも長くなる。

要するに、溝２０上の任意の点ＧとパスラインＰＬとの間の距離は、底部中央ＧＢから地点Ｇ３０周辺に向かって徐々に小さくなり、地点３０周辺から溝縁ＧＥに向かって再び大きくなる。

以上のとおり、単一Ｒ溝５０及びダブルＲ溝６０では、パスラインＰＬとの間の距離が底部中央ＧＢから溝縁ＧＥに向かって徐々に大きくなる。これに対して、溝２０では、パスラインＰＬとの間の距離が、底部中央ＧＢから溝縁ＧＥに向かっていったん小さくなり、再び大きくなる。このような溝の横断形状の相違は、各粗スタンドＳＴでの圧延後の金属管ＨＳの外周面の形状に影響する。以下、この点について詳述する。

［単一Ｒ溝５０及びダブルＲ溝６０による圧延後の金属管形状］
図１０は、単一Ｒ溝５０を有する絞り圧延装置のスタンドＳＴｉ−１において圧延した後の金属管ＨＳの外周面の横断面図である。上述のとおり、単一Ｒ溝５０は、パスラインＰＬとの間の距離が底部中央ＧＢから溝縁ＧＥに向かって大きくなる。そのため、金属管ＨＳの外周面の横断形状は、基準軸ＲＥＦから１２０°おきに３つの頂上ＰＴを有し、各辺がパスラインＰＬに対して外側に凸状に湾曲した三角形状となる。

頂上ＰＴとパスラインＰＬとの距離（以下、外半径Ｒという）は、距離ＤＥとほぼ等しい。頂上ＰＴからパスラインＰＬ周りに６０°ずれた地点Ｐ６０に向かって、パスラインＰＬから金属管ＨＳの外半径Ｒが徐々に小さくなり、地点Ｐ６０で距離ＤＢとなる。そして、地点Ｐ６０から次の頂上ＰＴ（地点Ｐ０から１２０°の位置）に向かって金属管ＨＳの外半径Ｒは再び大きくなる。

図１１は、スタンドＳＴｉ−１で圧延された金属管ＨＳ（図１０の金属管）が、後段のスタンドＳＴｉに圧延される直前の、スタンドＳＴｉのロールの単一Ｒ溝５０と、金属管ＨＳの外周面との位置関係を示す図である。

図１１を参照して、スタンドＳＴｉのロールは、スタンドＳＴｉ−１のロールと比較して、パスラインＰＬ周りに６０°ずれて配置される。したがって、圧延時において、金属管ＨＳの地点Ｐ０（頂上ＰＴ）は、単一Ｒ溝５０のうち、底部中央ＧＢと同じく基準軸ＲＥＦ上に配置される。一方、金属管ＨＳの地点Ｐ６０は、単一Ｒ溝５０のうち、溝縁ＧＥ近傍に配置される。

要するに、単一Ｒ溝５０で金属管ＨＳを圧延する場合、金属管ＨＳのうち、前段のスタンドＳＴｉ−１のロールの溝縁ＧＥ近傍で圧延されパスラインＰＬとの距離が最も長い頂上ＰＴが、後段のスタンドＳＴｉの単一Ｒ溝５０のうちパスラインＰＬとの距離が最も短い底部中央ＧＢを含む基準軸ＲＥＦ上に配置される。そして、金属管ＨＳのうち、前段のスタンドＳＴｉ−１のロールの底部中央ＧＢで圧延されパスラインとの距離が最も短い地点Ｐ６０が、後段のスタンドＳＴｉの単一Ｒ溝５０のうちパスラインＰＬとの距離が最も長い、溝縁ＧＥ近傍に配置される。

図１２は、図１１に示す単一Ｒ溝５０で金属管ＨＳを圧延したときの、金属管ＨＳに掛かる周方向応力分布を示す図である。図１２は、有限要素法（ＦＥＭ）解析により求めた。図は、基準軸ＲＥＦからパスラインＰＬ周りに６０°の範囲の金属管ＨＳ部分（つまり、地点Ｐ０、Ｐ３０及びＰ６０を含む範囲）に相当する。

図１２を参照して、金属管ＨＳの領域ＴＥでは、周方向に引張応力が掛かっている。領域ＣＯＬでは、周方向に低圧縮応力が掛かっている。領域ＣＯＨでは、周方向に高圧縮応力（低圧縮応力の約２．５倍）が掛かっている。

図１１及び図１２を参照して、図１１の頂上ＰＴを含む周辺部分２００に相当する部分には、高圧縮応力が掛かっている。そして、地点Ｐ３０においても、高圧縮応力が掛かっている。これは、図１１に示すとおり、周辺部分２００がロールと重複しているため、周辺部分２００に大きな圧下が掛けられるためと考えられる。一方、金属管ＨＳの地点Ｐ６０周辺部分では、高圧縮応力がかからない。これは、図１１に示すとおり、地点Ｐ６０の周辺部分はロールによる圧下が掛かりにくいことに起因していると考えられる。

図１０〜図１２での説明をまとめると、次のとおりとなる。図１０に示すとおり、各粗スタンドＳＴでの圧延後の金属管ＨＳは略三角形状となる。そして、粗スタンドＳＴｉ−１での圧延後の金属管ＨＳの頂上ＰＴの周辺部分２００は、後段の粗スタンドＳＴｉの底部中央ＧＢと接触して周方向に高圧縮応力を付与される。一方、金属管ＨＳの地点Ｐ６０の周辺部分は、粗スタンドＳＴｉの単一Ｒ溝５０の溝縁ＧＥ近傍部分でロールによる圧下がかかりにくい。そのため、地点Ｐ６０の周辺部分は、高圧縮応力がかからない。

スタンドＳＴｉでの圧延後においては、金属管ＨＳの地点Ｐ６０が頂上ＰＴになる。つまり、スタンドＳＴｉにおいて高圧縮応力がかからない部分（Ｐ６０）が金属管ＨＳの頂上ＰＴとなる。そして、金属管ＨＳの地点Ｐ６０は、スタンドＳＴｉ＋１において圧下され、周方向に高圧縮応力を受ける。要するに、金属管ＨＳの地点Ｐ０及び地点Ｐ６０は、１スタンドおきに、周方向の高圧縮応力を受ける。

これに対して、金属管ＨＳの地点Ｐ３０は、図１２を参照して、金属管ＨＳの頂上がＰ０の場合であっても、Ｐ６０の場合であっても、周方向の高圧縮応力を受ける。つまり、金属管ＨＳの地点Ｐ３０では、各スタンドＳＴ１〜ＳＴｍの全てにおいて、周方向の高圧縮応力が付与されやすい。

したがって、単一Ｒ溝５０のように、パスラインＰＬからの距離が溝の底部中央ＧＢから溝縁ＧＥに向かって大きくなる溝で絞り圧延を実施した場合、金属管ＨＳの地点Ｐ３０周辺部分は、各粗スタンドＳＴで周方向の高圧縮応力を受ける。周方向の高圧縮応力は金属管ＨＳを増肉する。そのため、図６に示すとおり、絞り圧延後の金属管ＨＳの地点Ｐ３０（及び、地点Ｐ３０から６０°おきの地点）に、厚肉部ＴＢが形成され、内面角張が発生する。

ダブルＲ溝６０も、単一Ｒ溝５０と同様に、パスラインＰＬからの距離が溝の底部中央ＧＢから溝縁ＧＥに向かって大きくなる。したがって、単一Ｒ溝５０の場合と同様に、絞り圧延後の金属管ＨＳに内面角張が発生しやすい。

［溝２０による圧延後の金属管形状］
これに対して、溝２０を有するロール１０を絞り圧延に用いる場合、金属管ＨＳの地点Ｐ３０に付与される周方向の圧縮応力が軽減される。以下、この点を説明する。

図１３は、ロール１０を備えた粗スタンドＳＴｉ−１で圧延された金属管ＨＳの形状を示す。図９を用いて説明したとおり、溝２０の任意の点ＧとパスラインＰＬとの間の距離は、底部中央ＧＢから地点Ｇ３０近傍に向かって徐々に小さくなり、地点Ｇ３０近傍から溝縁ＧＥに向かって再び大きくなる。

そのため、圧延後の金属管ＨＳの外周面の横断形状は、幾何学的には基準軸ＲＥＦから６０°おきに頂上を有し、各辺がパスラインＰＬと反対側に凸に湾曲した６角形状になる。金属管ＨＳの横断形状のうち、地点Ｐ０及び地点Ｐ６０に頂上が形成される。

このような金属管ＨＳを後段の粗スタンドＳＴｉで圧延する場合の、圧延直前の金属管ＨＳと粗スタンドＳＴｉの溝２０の位置関係を図１４に示す。

図１４を参照して、金属管ＨＳの頂上に相当する地点Ｐ０が、溝２０の溝中央ＧＢと同じく基準軸ＲＥＦ上に配置され、金属管ＨＳの他の頂上に相当する地点Ｐ６０が、隣り合う溝２０の溝縁ＧＥの間に配置される。

図１５は、図１４に示すスタンドＳＴｉで圧延したときの、金属管ＨＳに掛かる周方向の応力分布図である。図１５は、図１２と同様の方法で有限要素法により求めた。

図１５を参照して、地点Ｐ３０の周辺部分には、図１２の場合のように、高圧縮応力が掛からない。図１４に示すとおり、地点Ｐ０の周辺部分が、他の部分と比較して、ロール１０との重複範囲が大きい。この場合、圧延時に金属管ＨＳの地点Ｐ０の周辺部分が最初に溝２０と接触して圧下される。この圧下の影響により、地点Ｐ３０の周辺部分が、溝２０に接触する前に、予め縮径される。したがって、地点Ｐ３０周辺部分では、他の外周部分と比較して、圧下がされにくくなり、大きな圧縮応力が掛かりにくくなると考えられる。

以上のとおり、溝２０での絞り圧延では、各粗スタンドＳＴにおいて、金属管ＨＳの地点Ｐ３０に過剰な圧縮応力が掛かるのを抑制できる。そのため、地点Ｐ３０で増肉が発生しにくく、内面角張の発生が抑制される。

図５に戻って、溝２０において、底部２１の円弧の中心角Ａ０は６０°程度が好ましい。中心角Ａ０が大きすぎれば、金属管ＨＳのＰ３０と異なる箇所で新たな増肉部が形成される場合があるからである。中心角Ａ０の好ましい下限は５°であり、さらに好ましくは、１０°である。好ましい中心角Ａ０の上限は７０°である。

好ましくは、パスラインＰＬと底部２１の円弧の中心Ｃ２１との間の距離（以下、オフセット量という）ＯＦは、距離ＤＢの０．５％〜１０％である。

図５では、フランジ部２２の横断形状は円弧である。しかしながら、フランジ部２２の横断形状は円弧に限定されない。たとえば、フランジ部２２は、直線であってもよい。フランジ部２２が直線である場合、好ましくは、底部２１の端２３の接線２５である。この場合、底部２１とフランジ部２２とが連続的になめらかに形成される。フランジ部２２が弓状である場合、フランジ部２２は、接線２５よりもパスラインＰＬ側に配置されるのが好ましい。

さらに、フランジ部２２は、複数の円弧を含んでいてもよい。換言すれば、フランジ部２２は、複数の曲率を有してもよい。たとえば、フランジ部２２の横断形状は、底部２１の端２３と接触し、半径Ｒ０より大きい半径Ｒ１を有する第１円弧と、第１円弧の端と接触し、半径Ｒ１よりも大きい半径Ｒ２を有する第２円弧とを含んでもよい。フランジ部は弓状であって底部となめらかにつながっていれば、その湾曲形状は特に限定されない。

フランジ部２２の溝縁ＧＥとパスラインＰＬとの間の距離ＤＥが、底部中央ＧＢとパスラインＰＬとの間の距離ＤＢよりも大きければ、フランジ部２２の形状は特に限定されない。

なお、絞り圧延装置１の複数のスタンドＳＴのうち、最終の仕上げスタンドＳＴに含まれるロールの溝はたとえば、真円の孔型を形成する。この場合、３つの溝で形成される孔型は、パスラインＰＬを中心とした円弧である。仕上げスタンドＳＴは１つであってもよいし、複数であってもよい。仕上げスタンドＳＴが複数配置される場合、最終のスタンドＳＴ以外の他のスタンドのロール溝の形状は、溝２０であってもよいし、他の形状であってもよい。

上述の本実施形態の溝を有するロールは、本発明は各スタンドが３個よりも多い数のロールを含む絞り圧延装置、たとえば、４ロール式絞り圧延装置にも適用できる。４ロール式のロールに溝２０と同様の形状を有する溝を形成した場合であっても、上述の作用により、内面角張を抑制することができる。

種々の溝を有するロールを備える絞り圧延装置を用いて、絞り圧延のＦＥＭ解析を実施し、絞り圧延後の金属管の肉厚を求めた。

［試験方法］
マーク１〜４の３ロール式絞り圧延装置を想定した。各マークは、６つの粗スタンドＳＴ１〜ＳＴ６と、仕上げスタンドＳＴ７〜ＳＴ９を備えた。表１に、各タイプの粗スタンドのロール溝寸法を示す。

表１を参照して、マーク１の各粗スタンドＳＴ１〜ＳＴ６のロールの溝は、図５に示す溝２０と同じ形状であった。マーク２の各粗スタンドＳＴのロールの溝は、図７に示す単一Ｒ溝５０と同じ形状であった。表１中のマーク２の「Ｒ０」欄には、図７中の半径Ｒ５０の値が記載されている。マーク３の各粗スタンドＳＴのロールの溝は、図８に示すダブルＲ溝６０と同じ形状であった。表１中のマーク３の「Ｒ０」欄には、図８中の半径Ｒ６０の値が記載され、「Ｒ１」欄には図８中の半径Ｒ６１の値が記載され、「Ａ０」欄には、底部６０１の中心角の値が記載されている。マーク４の各粗スタンドＳＴのロールの溝は、図５において、オフセット量ＯＦが「０」となる溝、つまり、底部２１の円弧の中心Ｃ２１が、パスラインＰＬと一致し、その他の点は溝２０と同様の溝であった。

表１に示すとおり、次の式（１）〜（３）で定義される各スタンドの圧下率（％）は、初段スタンドでは１．５％、それ以外の粗スタンドＳＴにおいては４％であった。

圧下率（％）＝（粗スタンドＳＴｉ−１の平均径Ｄ−粗スタンドＳＴｉの平均径Ｄ）/（粗スタンドＳＴｉ−１の平均径Ｄ）×１００ （１）
ただし、平均径Ｄ＝ＤＢ＋ＤＥ （２）
初段スタンドについては、
圧下率（％）＝（素管外径−初段スタンドの平均径Ｄ）/（素管外径）×１００ （３）

各マークの仕上げスタンドＳＴ７及びＳＴ８のロールの溝は、単一Ｒ溝５０であった。各マークの最終の仕上げスタンドＳＴ９の孔型は真円（半径２２．９２ｍｍの円）とした。

ＦＥＭ解析では、外径６０ｍｍ、肉厚６ｍｍであって、炭素鋼に相当する金属管ＨＳの１／６解析モデル（基準軸ＲＥＦから中心ＣＮ周りに６０°までの範囲）を用い、解析モデル内を複数の６面体要素で分割した。

ＦＥＭ解析による絞り圧延後の金属管ＨＳの肉厚を求めた。具体的には、基準軸ＲＥＦから中心軸ＣＮ周りに約３°おきに、肉厚（ｍｍ）を求めた。

求めた肉厚に基づいて、各マークの偏肉率（％）を、以下の式（４）により求めた。
偏肉率＝（最大肉厚−最小肉厚）／平均肉厚×１００ （４）

［試験結果］
図１６は、各マークでの絞り圧延後の金属管の、上記基準軸ＲＥＦ（展開角度＝０°）からの約３°おきの地点での肉厚（ｍｍ）を示す。そして、表２は、各マークの絞り圧延後の金属管の偏肉率（％）を示す。

図１６及び表２を参照して、マーク１は、溝２０を有する絞り圧延装置を使用した。そのため、金属管の偏肉が小さく、６％未満であった。

一方、マーク２〜マーク４の金属管はいずれも、肉厚がばらついた。そして、偏肉率はいずれも、６％を超えた。

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。

１ 絞り圧延装置
１０ ロール
２０ 溝
２１ 底部
２２ フランジ部

Claims (4)

1. パスラインに沿って配列された複数のスタンドを備え、金属管を絞り圧延する絞り圧延装置であって、
   前記複数のスタンドは、
   複数の粗スタンドと、
   複数の粗スタンドの後方に配置される１又は複数の仕上げスタンドとを備え、
   前記粗スタンドは、前記パスラインの周りに配置されたｎ個（ｎ≧３）のロールを含み、
   前記ｎ個のロールは前段の前記粗スタンドに含まれるｎ個のロールから前記パスライン周りに１８０°／ｎずらして配置され、
   前記ロールは、横断形状が弓状の溝を有し、
   前記溝は、底部と、前記底部と前記溝の縁との間に位置する一対のフランジ部とを含み、
   前記底部の横断形状は、前記パスラインと前記底部の中央との間の距離ＤＢよりも短い半径Ｒ０を有する円弧であり、
   前記溝の縁と前記パスラインとの間の距離ＤＥは、前記距離ＤＢよりも長い、絞り圧延装置。
2. 請求項１に記載の絞り圧延装置であって、
   前記フランジ部の横断形状は弓状であり、前記底部となめらかにつながる、絞り圧延装置。
3. 請求項２に記載の絞り圧延装置であって、
   前記フランジ部の横断形状は、前記半径Ｒ０よりも大きい半径を有する１又は複数の円弧を含む、絞り圧延装置。
4. パスラインに沿って配列された複数の粗スタンドを備え、金属管を前記パスラインに沿って絞り圧延する絞り圧延装置に利用される絞り圧延装置用ロールであって、
   前記ロールは、横断形状が弓状の溝を有し、
   前記溝は、底部と、前記底部と前記溝の縁との間に位置する一対のフランジ部とを含み、
   前記底部の横断形状は、前記パスラインと前記底部の中央との間の距離ＤＢよりも短い半径Ｒ０を有する円弧であり、
   前記溝の縁と前記パスラインとの間の距離ＤＥは、前記距離ＤＢよりも長い、絞り圧延装置用ロール。

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