JP2017074612A - 拡管機 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスの間隔をより長くすることが可能な拡管機を提供する。
【解決手段】拡管機は、軸方向に進退可能なドローバー２１に同軸に取り付けられ軸方向の一方向に向かうにつれて径が大きくなるテーパ面１７ａを有するコーン１７と、軸方向に沿ってテーパ面１７ａと摺動可能な摺接面１８ａを有するジョー１８とを備える。テーパ面１７ａ又は摺接面１８ａの一方の面に、ＴｉＮ膜またはＴｉＡｌＮ膜からなる物理気相蒸着膜１７１が形成され、その物理気相蒸着膜１７１を形成した面の硬度は１５０ＨＳ以上であり、テーパ面１７ａの硬度と摺接面１８ａの硬度との硬度差が５０ＨＳ以上１２０ＨＳ以下の範囲にある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属製の管の内側に挿入して当該管を拡管するための拡管機に関する。

一般的に、ＵＯＥ鋼管に代表される溶接管は、管の内外面を溶接することで、溶接の熱影響による残留応力に起因して管の真円度や真直度が悪化する。そのため、残留応力を除去して真円度や真直度を矯正するために、拡管処理が施される。
この拡管処理については、例えば非特許文献１に記載されている。図１（ａ）および図１（ｂ）は、非特許文献１に開示された図に基づくものである。その拡管工程では、内外面よりサブマージアーク溶接を施された鋼管１の内側に、拡管機１００の拡管ヘッド１３を通す。次に、図１（ｂ）に示すように、拡管ヘッド１３のコーン１７が軸方向に引かれた際に、コーン１７およびジョー１８の楔作用によってジョー１８が径方向に広がり、ジョー１８の外側に取り付けたダイ１９が鋼管１を押し広げる。
このような拡管処理では、図１（ｂ）に示すように、コーン１７とジョー１８との接触面である滑り面において摺動することで、ジョー１８が径方向に広がる。

近年では、鋼管１が高強度化するにつれて、コーン１７が軸方向に引かれる際に過大な力が掛かり、コーン１７およびジョー１８の間の滑り面においても面圧が過大となり、使用するにつれて、コーン１７およびジョー１８の滑り面において焼き付きが発生する。焼き付きが発生すると、拡管が不可能となる。このような焼き付きが鋼管の高強度化によって比較的に短期間で発生し易くなる。焼き付きが生じると、コーン１７およびジョー１８の滑り面のメンテナンスが必要となる。
これに対し、特許文献１では、コーン１７の表層に窒化処理にて０．０５〜１．５ｍｍ深さの硬化層を形成することが提案されている。また、特許文献２では、ジョー１８の硬さがＨＲＣ４５〜５２とし、表面に浸硫窒化処理を施すことが提案されている。また、特許文献３では、コーン１７およびジョー１８の滑り面における焼き付きを低減させるために、コーン１７およびジョー１８の滑り面に潤滑油を供給することが提案されている。

特開平０１−２９９７２３号公報 特開平０５−１９５１５８号公報 特開２００７−２８４５１９号公報

鉄鋼便覧第３巻（２）、第４版、１２・４・６項

しかしながら、滑り面の焼き付きは、特許文献１のようにコーンだけ硬くして、ジョーとの硬度差が２０ＨＳ程度では焼き付きを十分に防ぐことはできない。これは、硬度差が２０ＨＳ以下だと硬い部材と柔らかい部材の間でアブレシブ摩耗が小さいためである。また、特許文献２のように、ジョーを硬くして、コーンとの硬度差が４５〜５０ＨＳ程度では焼き付きを十分に防ぐことはできない。これは、硬度差が４５ＨＳ以上かつ硬度値の絶対値が低いと、硬い部材と柔らかい部材の間でアブレシブ摩耗が大きすぎるためである。そして、特許文献３のように潤滑油を供給するだけでは、十分に防ぐことができない。これは、摺接面の全面において潤滑油の油膜が生成されているとは限らないからである。
ここで、本明細書において、ＨＳは、ＪＩＳ Ｚ ２２４６ショア硬さ試験による硬度ＨＳを指す。
本発明は、このような問題点に対してなされたものであり、メンテナンスの間隔をより長くすることが可能な拡管機を提供することを目的とする。

発明者らは、上記した課題を達成するために、鋭意研究を重ねた。その結果、ＰＶＤ（物理気相蒸着法）やＣＶＤ（化学気相蒸着法）等の方法で硬質皮膜を形成することで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の一態様は、金属製の管の内側に挿入して当該管を拡管するための拡管機であって、軸方向に進退可能な軸体と、上記軸体に同軸に取り付けられ上記軸方向の一方向に向かうにつれて径が大きくなるテーパ面を有するコーンと、上記軸方向に沿って上記テーパ面と摺動可能な摺接面を有する拡径セグメントと、を備え、上記テーパ面又は上記摺接面の一方の面に、ＴｉＮ膜またはＴｉＡｌＮ膜からなる物理気相蒸着膜が形成されてなり、その物理気相蒸着膜が形成されてなる上記面の硬度は１５０ＨＳ以上であり、上記テーパ面の硬度と上記摺接面の硬度との硬度差が５０ＨＳ以上１２０ＨＳ以下の範囲にあることを特徴とする。

本発明の一態様である拡管機は、拡管の際に摺動する接触面の一方を、ＴｉＮ膜またはＴｉＡｌＮ膜からなる硬質皮膜を物理気相蒸着法で形成し、その物理気相蒸着膜が形成された面（テーパ面または摺接面）の硬度が１５０ＨＳ以上であり、他方の接触面との硬度差が５０〜１２０ＨＳであるため、摺動部の焼付きを抑えることが可能となる。
このように、本発明の一態様では、接触面同士の硬度レベルが高いために摩耗の耐久性が高く、メンテナンスの間隔をより長くすることが可能となる。このことはまた、交換頻度も少なくなり、低コストに繋がる。

拡管機の構成を説明する図であり、（ａ）は拡管機の全体構成を示す図であり、（ｂ）は拡管ヘッドの構成を示す図である。 本発明に基づく第１実施形態に係る拡管機の拡管ヘッドを説明するための模式図である。 本発明に基づく第１実施形態に係るコーンの構成を示す軸直方向に切断した断面図である。 ライナーとジョーの間の接触面での硬度差それぞれの硬度と、それらの硬度差の関係の位置づけを模式的に示す図である。 本発明に基づく第２実施形態に係る拡管機の拡管ヘッドを説明するための模式図である。 本発明に基づく第２実施形態に係るコーンを示す模式図であり、（ａ）は軸方向に沿って切断した断面図であり、（ｂ）は軸直方向に切断した断面である。 研究実験用の引き抜き試験機を示す模式図である。 研究実験の引き抜き試験の結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。また本実施形態では、金属製の管として鋼管を挙げて説明するが、他の金属からなる管であっても適用可能である。
＜第一実施形態＞
（構成）
本実施形態の拡管機の基本構成は、図１で代表される従来の拡管機と同様な構成となっている。すなわち、拡管機１００は、図１（ａ）に示すように、拡管機本体１４、アキシャルインフィード１５、クロスフィード１６を有している。
拡管機本体１４は、シリンダ１１、ホーン１２、および拡管ヘッド１３を有している。
クロスフィード１６は、ウォーキングビーム式により、紙面に直交する方向に鋼管１の搬送を行う。アキシャルインフィード１５は、クロスフィード１６によって搬送された鋼管１を、拡管機本体１４側に押し込む。

拡管ヘッド１３は、鋼管１が拡管機本体１４側に搬送されることによって、鋼管１の内部に挿入される。シリンダ１１は、ホーン１２の先端に設けられた拡管ヘッド１３を軸方向に牽引する。拡管ヘッド１３は、外周が径方向に拡大することで、鋼管１の径を内側から押し広げる。
拡管ヘッド１３は、図１（ｂ）に示すように、コーン１７、ジョー１８、及びダイ１９を有している。コーン１７は、シリンダ１１に連結されたドローバー２１の先端側に同軸に取り付けられている。ドローバー２１が軸体を構成する。ジョー１８、及びダイ１９が拡径セグメントを構成する。

コーン１７は、軸方向の一方に向かうにつれて大径となるテーパ面１７ａを有する。本実施形態では、図３に示す断面図のように、コーン１７の外周面が、角錐台形状の場合を例示している。図３では、正十角形状の場合を例示しているため、テーパ面１７ａが１０方向に向いている。この各テーパ面１７ａに後述のジョー１８を構成する各セグメントが径方向で対向するようにそれぞれ配置される。コーン１７は、シリンダ１１が伸縮することで軸方向に移動する。
ジョー１８は、周方向に並ぶ複数のセグメントにより構成され、複数のセグメントが組み合わされて管状に配置されている。管状のジョー１８の内側に、コーン１７が配される。ジョー１８の内側は、コーン１７の外周に沿った形状に配置されている。そして、ジョー１８を構成する各セグメントの内周面はそれぞれ、コーン１７の各テーパ面１７ａと径方向で対向し、相互に軸方向に沿った方向に摺動可能な摺接面１８ａが形成されている。ここで、テーパ面１７ａ及び摺接面１８ａを、滑り面と呼ぶ場合もある。

ジョー１８を構成する各セグメントの外周面にはダイ１９が取り付けられている。このダイ１９の外周面が拡径に伴い管の内面に当接する。
潤滑油供給管２０は、コーン１７とジョー１８の滑り面に潤滑油を供給する。
本実施形態のコーン１７のテーパ面１７ａには、ＴｉＮ膜またはＴｉＡｌＮ膜からなる物理気相蒸着膜１７１が形成されている。その物理気相蒸着膜１７１が形成されたテーパ面１７ａの硬度は１５０ＨＳ以上である。
また、本実施形態では、ジョーの摺接面１８ａの硬度を、テーパ面１７ａの硬度よりも５０ＨＳ以上１２０ＨＳ以下の範囲だけ小さな硬度に設定する。例えばテーパ面１７ａの硬度が１５０Ｈｚであれば、摺接面１８ａの硬度は、３０ＨＳ以上１００ＨＳ以下の範囲の硬度となる。

但し、摺接面１８ａの硬度は、７０ＨＳ以上となるように調整することが好ましい。すなわち、テーパ面１７ａの硬度が１５０Ｈｚであれば、摺接面１８ａの硬度は、７０ＨＳ以上１００ＨＳ以下の範囲の硬度が好ましい。テーパ面１７ａの硬度が１８０Ｈｚであれば、摺接面１８ａの硬度は、７０ＨＳ以上１３０ＨＳ以下の範囲の硬度が好ましい。
ジョー１８の硬度は、公知の炭素合金鋼などの高強度鋼を使用することで、硬度が７０ＨＳ以上となるように調整すればよい。

（動作その他）
このように構成された拡管機１００では、シリンダ１１の伸縮によって、コーン１７が軸方向に移動することにより、コーン１７とジョー１８との滑り面（テーパ面１７ａ及び摺接面１８ａ）において互いに乗り上げる（楔作用）。これによって、ジョー１８の外周に設けられたダイ１９が放射状に同径に広がる。ダイ１９の外周面は、鋼管１の内周面に同軸に当接するため、ダイ１９が放射状に広がることで、鋼管１が内側から押し広げられ、鋼管１の拡径が行われる。
従来の拡管機では、短期間の使用で、コーン１７のテーパ面１７ａとジョー１８の摺接面１８ａの間で焼き付きが発生する。このとき、コーン１７の表面に生じる焼き付きは、コーン１７の交換を必要とする。コーン１７は高額なため、コーン１７の交換は、鋼管の製造コストを大幅に上昇させる。

これに対し、本実施形態では、コーン１７のテーパ面１７ａに対し硬度１５０ＨＳ以上の硬質皮膜である物理気相蒸着膜１７１を物理気相蒸着法で形成し、物理気相蒸着膜１７１が形成されたテーパ面１７ａの硬度を１５０ＨＳ以上とし、テーパ面１７ａと摺接面１８ａとの間に５０〜１２０ＨＳの硬度差を設ける。この結果、接触面同士の硬度レベルが高いために摩耗の耐久性が高く、摺動部の焼付きを抑えることが可能となる。このため、メンテナンスの間隔をより長くすることが可能となる。このことはまた、コーン１７などの交換頻度も少なくなり、低コストに繋がる。
ここで、硬質皮膜を形成するために、コーン１７のテーパ面１７ａを加熱する必要がある。このような加熱および皮膜形成後の冷却過程での変形を抑止するために、本実施形態では、加熱温度が比較的低い物理気相蒸着法によって、硬質皮膜である物理気相蒸着膜１７１を形成する。

また、物理気相蒸着膜１７１は、接触面における面圧に耐えるように１４７０ＨＶ以上の硬度とすることが好ましい。なお、物理気相蒸着膜１７１の硬度は特に上限を設けるものではないが、皮膜の硬度が高くなりすぎると脆くなるため、物理気相蒸着膜１７１の硬度は２００ＯＨＶ以下とすることが望ましい。ここでは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４ビッカース硬さ試験による硬度を指標とした。なお、皮膜の硬度については、皮膜を形成したコーンなどの工具の断面を研磨し、そのようにして得られた皮膜断面について、マイクロビッカース硬度測定を実施して皮膜硬度とすることができる。

次に、摺動するテーパ面１７ａと摺接面１８ａの硬度差の範囲を５０ＨＳ以上１２０ＨＳ以下の範囲に限定した理由を説明する。
硬度差が小さいと、軟質側の面だけでなく硬質皮膜にも損傷が生じる場合あるため、硬度差の下限を５０ＨＳとした。また、硬度差が大きい場合、軟質側の面の硬度が低く軟質側の磨耗量が大きいと、ダイ１９の外周に段差が生じ、鋼管１にその形状が転写されて製品の寸法形状を損なうこととなる。そのため硬度差の上限を１２０ＨＳとした。
ここで、上記説明では、コーン１７のテーパ面１７ａに物理気相蒸着膜１７１を形成する場合で説明した。物理気相蒸着膜１７１を形成する面を、ジョー側の摺接面１８ａとしても良い。

ただし、硬質皮膜の形成に物理気相蒸着法を適用しても、わずかに熱変形が生じることがある。この観点からは、コーン１７の物理気相蒸着膜１７１を形成した場合、潤滑油供給管２０やドローバー２１を取り付けできなくなり、これらの部分の寸法仕上げ工程が必要となる場合がある。一方、ジョー１８の摺接面１８ａに物理気相蒸着膜１７１を形成した場合には、ダイ１９を取り付ける平滑な面のみの寸法仕上げだけでよいので、仕上げ工程が簡単であり部品の製造が容易である。
しかし、軟質側の面が摩耗し製品の寸法形状を損なうようになると、これらの部材を再度製造することになる。この観点からは、大型部材であるコーン１７側の摩耗を抑止するためにはコーン１７に硬質皮膜処理を施す方が優れている。

次に、軟質側の面の硬度を７０ＨＳ以上とすることが好ましい理由を説明する。
コーン１７とジョー１８の接触面には接触圧が作用する。このとき、局部的な接触となるとその部分の接触圧が大きくなり軟質側面に塑性変形が生じる場合がある。このような塑性変形を防止するためには、軟質側の部材に所定の強度が必要である。このような観点から軟質側の滑り面の硬度を、７０ＨＳ以上とした。
ここで、図４は、硬質側と軟質側の硬度差それぞれの硬度とそれらの硬度差の関係の位置づけを模式的に示す図である。図４の２つの囲い部である硬度差ＨＳは、硬度差レベル低の方は、軟質側の硬度を４０〜６０ＨＳまで変化させた場合に硬度差２０〜５０ＨＳの関係で硬質側の硬度が変化した囲い図である。硬度差レベル高の方は、軟質側の硬度を７０〜１３０ＨＳまで変化させた場合に硬度差５０〜１２０ＨＳの関係で硬質側の硬度が変化した囲い図である。

したがって、物理気相蒸着膜１７１を形成して硬質側の硬度を１５０ＨＳ以上とするのに併せ、軟質側も７０ＨＳ以上と硬度レベルを高くすると、軟質側も摩耗の耐久性が高くなる。更に、上記の硬度差を５０〜１２０ＨＳの範囲に調整すれば、交換頻度をさらに抑えることができる。なお、物理気相蒸着法で形成した物理気相蒸着膜１７１は、処理温度が低いため、歪みが少なく、他の硬質皮膜に比べて望ましい。

＜第二実施形態＞
次に、第二実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、第一実施形態と同様な部材には同一の符号を付して説明する。
本実施形態の基本構成は、第一実施形態と同様である。
本実施形態のコーン１７は、図５に示すように、コーン本体１７０と、そのコーン本体１７０の外周面に着脱可能に取り付けられたライナー１７２を有する。そして、ライナー１７２の表面がテーパ面１７ａを形成する。ライナー１７２の表面には、物理気相蒸着膜１７１が形成されている。
各ライナー１７２は、図６に示すように、コーン本体１７０に対してボルト３０で固定されている。
ここで、図６（ｂ）に示すように、コーン本体１７０が正十角形状の場合、該正十角形の各辺が１個のセグメント１７Ａから構成されることで、このコーン本体１７０は１０個のセグメント１７Ａにより構成される。なお、図３（ｂ）に示すとおり、各セグメント１７Ａの、コーン１７の外周側の各面には、コーン１７の軸方向に延びる溝１７０ａが形成されている。溝１７０ａは中央部が最も深くなっており、両端にそれぞれ段差面１７０ｂを有する。

図５，６に示すコーン１７において、ライナー１７２は、コーン１７の軸方向に延びる板状であり、コーン本体１７０の各セグメント１７Ａに２枚ずつ固定される。図５，６に示すコーン１７では、各段差面１７０ｂに沿って、それぞれライナー１７２がボルト３０で固定される。なお、ボルト３０により、ライナー１７２は着脱可能になっている。
ここで、ボルト３０は、コーン本体１７０上にライナー１７２を着脱可能に固定できる固定具の一例であり、固定具はボルト３０に限定されない。

本実施形態においては、コーン１７の外表面のうちジョー１８との接触面の全てにライナー１７２が存在しなくてもよく、コーン１７に焼き付きによる問題が生じないのであれば、接触面の一部にライナー１７２の存在しない領域があってもよい。
このライナー１７２は単純な板状部材であり、硬質皮膜処理のための加熱、冷却過程における熱変形の抑止が容易であるため、このライナー１７２に第一実施形態と同様の硬質皮膜を形成する場合、仕上げ工程が不要となる。この場合であっても、硬質皮膜として物理気相蒸着膜１７１を使用した方が精度が向上する。
なお、ここではコーン本体１７０にライナー１７２を取り付ける場合を例としたが、ジョー１８側をライナー１７２としても同様の効果が得られる。しかし、コーン１７の方が厚みが大きいため、ボルト３０で取り付けるのが容易である。
その他の作用効果は、上記第一実施形態と同様である。

＜実施例１＞
次に、本発明の実施例について説明する。
本発明例として、図７に示す研究実験用の引き抜き試験機を使用して実験を行った。
この引き抜き試験機による試験は、板試験片５１をビード工具５０で所定の押し付け力Ｎで押さえ付けた状態で、引き抜き荷重Ｆで板試験片５１を引き抜く試験である。
試験の押付け圧Ｎは、面圧２０ｋｇｆ／ｍｍ^２とした。
ここで本試験では、板試験片５１を図１における軟質側のジョー１８、ビード工具５０を図１における硬質側のコーン１７とみなすと、本試験は、拡管機と同様のすべり挙動が評価できる。
本実施例では、板試験片５１の硬度を８０ＨＳとした。またビード工具５０の板試験片５１と当接する部分の硬度として、１００ＨＳ、１３０ＨＳ、２００ＨＳのものを用意して引き抜き試験を行った。

なお、１３０ＨＳのビード工具硬度は、物理気相蒸着膜ＴｉＮ（皮膜硬度１４７０ＨＶ）を表面に皮膜形成して１３０ＨＳの硬度とした。また、２００ＨＳのビード工具硬度は、物理気相蒸着膜ＴｉＡｌＮ（皮膜硬度２０００ＨＶ）を表面に皮膜形成して２００ＨＳの硬度とした。皮膜の膜厚は２〜４μｍの範囲とした。なお、皮膜の硬度は、皮膜を形成したコーンなどの工具の断面、あるいは、同条件で皮膜を形成したテストピースの断面を研磨し、そのようにして得られた皮膜断面について、マイクロビッカース硬度測定を実施することにより求めた。皮膜のビッカース硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９） ビッカース硬さ試験−試験方法に準拠して実施した。そして、板試験片と各ビード工具の摺接面１８ａとの摩擦係数について調査した。

また、物理気相蒸着膜を表面に皮膜形成したビード工具の硬度は、皮膜表面に対してＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９） ビッカース硬さ試験−試験方法に準拠して測定したビッカース硬度ＨＶを、公知の硬度換算表から線形近似して求めた下記の式（１）をビッカース硬度が高い方向に外挿して計算した換算ショア硬さＶＨＳをもって、ショア硬さＨＳとした。
ＶＨＳ ＝ ０．０９１９ＨＶ ＋ １７．３０５ ・・・（１）
ここで、ＶＨＳは換算ショア硬さ、ＨＶはビッカース硬度である。

そして、板試験片と各ビード工具の摺接面１８ａとの摩擦係数について調査した。
その試験結果を、図８に示す。
図８から分かるように、硬質側のビードの硬度が１００ＨＳ（板試験片との硬度差２０ＨＳ）である場合には、摩擦係数が０．４となり高く、比較的短期間に焼き付きが発生しやすいことが分かる。
一方、ビードの硬度を１３０ＨＳ（板試験片との硬度差５０ＨＳ）に変化させたところ、摩擦係数は小さくなり、焼き付きは発生しにくくなることが分かった。更に、ビードの硬度を２００ＨＳ（板試験片との硬度差１２０ＨＳ）に変化させたところ、さらに摩擦係数は小さくなり、更に焼き付きが発生しにくくなることが分かった。スムーズに拡管できるようになった。
このように、コーン１７の硬度を１５０ＨＳ以上とし、ジョー１８との硬度差を５０〜１２０ＨＳとすることで、焼き付きを抑制できることが確かめられた。
但し、さらに硬度を上げると、コーン１７ついては材質が脆くなるので、剥がれて焼き付きを起こす原因となると推定される。

１ 鋼管
１１ シリンダ
１２ ホーン
１３ 拡管ヘッド
１４ 拡管機本体
１５ アキシャルインフィード
１６ クロスフィード
１７ コーン
１７Ａ セグメント
１７ａ テーパ面
１８ ジョー（拡径セグメント）
１８ａ 摺接面
１９ ダイ
２０ 潤滑油供給管
２１ ドローバー（軸部）
３０ ボルト
５０ ビード工具
５１ 板試験片
１００ 拡管機
１７０ コーン本体
１７１ 物理気相蒸着膜
１７２ ライナー

Claims (5)

1. 金属製の管の内側に挿入して当該管を拡管するための拡管機であって、
   軸方向に進退可能な軸体と、
   上記軸体に同軸に取り付けられ上記軸方向の一方向に向かうにつれて径が大きくなるテーパ面を有するコーンと、
   上記軸方向に沿って上記テーパ面と摺動可能な摺接面を有する拡径セグメントと、を備え、
   上記テーパ面又は上記摺接面の一方の面に、ＴｉＮ膜またはＴｉＡｌＮ膜からなる物理気相蒸着膜が形成されてなり、その物理気相蒸着膜が形成されてなる上記面の硬度が１５０ＨＳ以上であり、
   上記テーパ面の硬度と上記摺接面の硬度との硬度差が５０ＨＳ以上１２０ＨＳ以下の範囲にあることを特徴とする拡管機。
2. 上記物理気相蒸着膜が上記摺接面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の拡管機。
3. 上記物理気相蒸着膜が上記テーパ面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の拡管機。
4. 上記コーンは、着脱可能なライナーを有し、そのライナーの上記摺接面と対向可能な面が上記テーパ面であることを特徴とする請求項３に記載の拡管機。
5. 上記テーパ及び上記摺接面のうち、上記物理気相蒸着膜が形成されていない面の硬度が７０ＨＳ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の拡管機。

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