JP3090058B2 - 内面楕円管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円周方向の管肉厚
が管軸心に対して非対象な管、具体的には外径が真円で
内径が楕円である、いわゆる内面楕円管の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ボイラなどのヘッダー用の管に
は、熱交換管が装着されるノズル孔を穿設する部分の強
度確保のため、この部分の管肉厚を厚くした異形管があ
る。

【０００３】図６は、その一例を示す図で、この異形管
は外径が楕円で内径が真円であり、外径の長軸側の管肉
厚が厚くなっており、この部分にノズル孔が穿設され
る。

【０００４】このような異形管は、従来、次のような方
法により製造されていた。第１の方法は、所望の異形管
の外郭形状と同様形状のダイス孔を有するダイスまたは
／および所望の異形管の内郭形状と同様の断面形状を有
するマンドレルを用いて熱間押し出し製管法により異形
管を直接製造する方法。第２の方法は、適宜な製管法を
用いて管肉厚が円周方向に等しい素管を作成し、この素
管に所望の異形管の外郭形状と同様形状のダイス孔を有
するダイスまたは／および所望の異形管の内郭形状と同
様の断面形状を有するマンドレルを用いて冷間引き抜き
加工を施して異形管に成形する方法である。

【０００５】しかし、熱間押し出し製管法や冷間引き抜
き加工法による場合には、特殊な形状のダイスやマンド
レル（プラグ）を用いる必要があって工具費が嵩み、製
造コストが高くなるという欠点があった。

【０００６】このため、異形管、なかでも上記図６に示
すような管肉厚が管軸心に対して非対象な異形管を、特
殊な工具を用いることなく高能率に製造できる方法の開
発が望まれていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の実情
に鑑みてなされたもので、その課題は、従来にあっては
熱間押し出し製管法あるいは冷間引き抜き加工法でしか
製造することのできなかった内面楕円管の高能率な製造
方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の内
面楕円管の製造方法にある。

【０００９】パスセンター周りに配置されて全体として
三角形状の丸孔型を構成する３つの孔型ロールが組み込
まれた複数基の３ロールスタンドからなり、隣合うロー
ルスタンドの各孔型ロールの圧下方向がパスセンター周
りに６０°位相するように連設された管圧延機により、
肉厚が円周方向で均等な中空素管の外径を内面規制工具
を用いずに絞り圧延する際、隣合うロールスタンドのう
ちのいずれか一方の孔型中心位置を、孔型を構成する各
孔型ロールの溝底中央に対向する３つのロール隙間のう
ちのいずれか１のロール隙間延在方向にパスセンターか
ら変位させることを特徴とする内面楕円管の製造方法。

【００１０】本発明者は、管の高能率な熱間仕上げ圧延
機として周知の３つの孔型ロールを有する複数基の３ロ
ールスタンドが連設配置されたサイザ、ストレッチレデ
ューサさらにはマンドレルミルの出側に配置され、延伸
圧延後の管とその内部に挿入されたマンドレルバーとを
分離させるエキストラクターサイザに注目し、種々実験
研究の結果、隣合うロールスタンドのうちのいずれか一
方の孔型中心位置を、孔型を構成する各孔型ロールの溝
底中央に対向する３つのロール隙間のうちのいずれか１
のロール隙間延在方向にパスセンターから変位させて絞
り圧延する場合には、その変位量に応じて任意な楕円度
を有する外径真円の内面楕円管が得られることを知見
し、本発明をなすにいたった。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の方法を、添付図面
を参照して詳細に説明する。

【００１２】上記のサイザやストレッチレデューサなど
の熱間仕上げ圧延機さらにはエキストラクターサイザ
は、いずれも次のように構成された圧延機である。以
下、３ロールサイザを例にとって説明する。

【００１３】図１は、３ロールサイザを示す模式的側面
図、図２はそのロール配置を示す正面図である。図１に
示すように、３ロールサイザは、複数基のロールスタン
ド１、１、…をパスセンターＰＬの方向に連設配置して
構成されている。また、各ロールスタンド１には、３つ
の孔型ロール２、２、２が組み込まれている。そして、
隣合うロールスタンド１、１に組み込まれた各孔型ロー
ル２、２、２は、その圧下方向がパスセンターＰＬ周り
に相互に６０°位相するように、図２に示すＡ配置とＢ
配置とで交互に配置されている。

【００１４】また、各ロールスタンド１、１の各孔型ロ
ール２、２、２には、図３に示すように、パスセンター
ＰＬから変位した位置に中心Ｏ₂ を有する曲率半径Ｒの
円弧状の凹状溝が形成されており、その中心Ｏ₁ がパス
センターＰＬに一致し、溝底中央の半径Ｂとフランジ部
の半径Ａとの関係が「Ａ＞Ｂ」の全体として三角形状の
丸孔型３を構成するようになっている。さらに、上記の
曲率半径Ｒは、通常、前段のロールスタンドから後段の
ロールスタンドに向かうに従って小さくなっている。

【００１５】上記のように構成されたサイザは、通常、
継目無管の製造工程の最終工程に用いられ、プラグミル
などの延伸圧延機で延伸圧延された仕上げ圧延用素管の
外径を、内面規制工具を用いずに、「正三角形状」から
「逆三角形状」の絞り圧延を交互に繰り返して所定の寸
法を有する真円の製品管に仕上げ圧延する。

【００１６】ここで、上記のように構成されたサイザに
おける単一のロールスタンドでの圧延に注目すると、図
３に示すように、その孔型３の形状が全体として三角形
状であるため、圧延後の管肉厚は溝底部２ａで圧延され
た部分が薄肉となり、フランジ部２ｂで圧延された部分
は厚肉となるという特徴がある。

【００１７】また、上記の特徴は、下記（１）式で定義
される加工度（外径絞り率）、換言すればロールによる
負荷を種々変化させた場合、例えば表１に示すように変
化する。

【００１８】 加工度＝｛（Ｄ_i −Ｄ_O ）／Ｄ_i ｝×１００（％）……（１） ただし、 Ｄ_i ：入側平均外径（ｍｍ） Ｄ_O ：出側平均外径（＝Ａ＋Ｂ）（ｍｍ）

【００１９】

【表１】

【００２０】表１は、外径５０ｍｍ、肉厚１０ｍｍの鉛
製の素管を対象に、基準ロール隙間Ｇ（図３参照）時の
Ａ寸法とＢ寸法がそれぞれ２４．８５ｍｍ、２４．５６
ｍｍの孔型３を有し、この時の加工度が２．８％である
ロールスタンドによる圧延を通常圧延とし、ロール隙間
Ｇを変えてＡ寸法とＢ寸法とを変化させることによって
加工度を１．５％と３．９％の２通りに変化させた場合
における溝底部２ａとフランジ部２ｂの２ヶ所の管肉厚
を３次元剛塑性有限要素法を用いて求め、その管肉厚の
挙動を下記（２）式で定義される素管の肉厚に対する増
肉率で示したものである。

【００２１】 増肉率＝｛（Ｔ_i −Ｔ_O ）／Ｔ_i ｝×１００（％）……（２） ただし、 Ｔ_i ：入側管肉厚（ｍｍ） Ｔ_O ：出側管肉厚（ｍｍ） この表１から明らかなように、孔型３の形状が全体とし
て三角形状である３ロールスタンドによる管圧延では、
加工度を小さく、換言すればロールによる負荷を小さく
すると、溝底部２ａでは減肉量が少なくなって該部の管
肉厚が通常圧延時よりも厚肉になる反面、フランジ部２
ｂでは増肉量が少なくなって該部の管肉厚が通常圧延時
よりも薄肉になる。逆に、加工度を大きく、換言すれば
ロールによる負荷を大きくすると、溝底部２ａでは減肉
量が多くなって該部の管肉厚が通常圧延時よりも薄肉に
なる反面、フランジ部２ｂでは増肉量が多くなって該部
の管肉厚が通常圧延時よりも厚肉になることがわかる。
これは、次に述べる理由による。

【００２２】すなわち、溝底部２ａにおいては、材料
（素管）が孔型ロール２に噛み込むまでの予変形領域で
管肉厚が徐々に増肉し、孔型ロール２に噛み込んで減肉
されるという肉厚変化の挙動をとる。一方、フランジ部
２ｂにおいては、材料が孔型円周方向の圧縮力を受けて
増肉するという肉厚変化の挙動をとる。そして、上記予
変形領域での管肉厚の増肉程度は、孔型ロール２に対す
る材料の接触開始時期の早遅によって異なり、接触開始
時期が遅いと大きく、早いと小さい。

【００２３】このため、加工度を大きくすると、材料と
孔型ロール２との接触が早まるので予変形領域での増肉
が抑制され、この状態で孔型ロールに噛み込んで減肉さ
れる。この結果、加工度を大きくすると、溝底部２ａで
は減肉率が大きくなり、通常圧延時よりも薄肉になるの
である。逆に、加工度を小さくすると、材料と孔型ロー
ル２との接触が遅くなるので予変形領域での増肉が顕著
になり、この状態で孔型ロールに噛み込んで減肉され
る。この結果、加工度を大きくすると、溝底部２ａでは
減肉率が小さくなり、通常圧延時よりも厚肉になるので
ある。

【００２４】これに対し、フランジ部２ｂでは、加工度
を大きくすると、上記孔型円周方向の圧縮力が増大する
ので通常圧延時よりも厚肉になり、逆に、加工度を小さ
くすると、上記孔型円周方向の圧縮力が減少するので通
常圧延時よりも薄肉になるのである。

【００２５】このような単一の３ロールスタンドにおけ
る加工度変化時、換言すればロールによる負荷変化時の
肉厚変化挙動は、複数基、具体的には３以上の奇数基中
の偶数番目のロールスタンドの孔型中心位置をパスセン
ターから変位させた場合、ロールによる負荷が変化する
ので同じであり、内面楕円管を高能率に製造することが
できる。このことは、以下の説明から明らかである。

【００２６】図４は、孔型ロールの配置が図２に示すＡ
配置の第１スタンドと第３スタンド、および孔型ロール
の配置が図２に示すＢ配置の第２スタンドとからなり、
第２スタンドの孔型中心をパスセンターＰＬから上方に
変位させた場合（条件１）と、下方に変位させた場合
（条件２）を示している。

【００２７】また、図５は、上記条件１と条件２におけ
る各スタンドの正面視の上下関係、および孔型各部にお
ける加工度と増減肉との関係を示している。

【００２８】条件１のように、第２スタンドの孔型中心
をパスセンターＰＬよりも上方に変位させた場合には、
第２スタンドのスタンド下部に位置する溝底部２ａに大
きな負荷が作用する反面、スタンド上部に位置するフラ
ンジ部分２ｂに作用する負荷が小さくなる。換言すれ
ば、スタンド下部に位置する溝底部２ａでの加工度が大
きくなる反面、スタンド上部に位置するフランジ部分２
ｂでの加工度が小さくなる。この結果、スタンド下部に
位置する溝底部２ａでの減肉率が大きくなるので、該部
で圧延された管肉厚は減肉率が大きくなった分だけより
薄肉になる。また、スタンド上部に位置するフランジ部
分２ｂでの増肉率が小さくなるので、該部で圧延された
管肉厚は増肉率が小さくなった分だけより薄肉になる。

【００２９】一方、前後の第１スタンドと第３スタンド
は、スタンド下部に加工度の小さいフランジ部分２ｂが
位置し、スタンド上部に加工度の大きい溝底部２ａが位
置しており、スタンド下部のフランジ部２ｂでは増肉が
抑制され、スタンド上部の溝底部２ａでは減肉が促進さ
れる。このため、スタンドの上下に対応する部分の管肉
厚は、第２スタンドと、その前後の第１および第３スタ
ンドにおける上記肉厚変化挙動が重箪されて他の部分に
比べて薄肉化する。この結果、上下方向を長軸とする楕
円形の内面を有する外径真円の内面楕円管が成形される
のである。

【００３０】これに対し、条件２の場合には、その詳細
な説明は省略するが、その肉厚変化挙動が上記とは逆に
なるので、左右方向を長軸とする楕円形の内面を有する
外径真円の内面楕円管が成形される。

【００３１】このことは、表２に示す実験結果からも明
らかである。

【００３２】

【表２】

【００３３】

【表３】

【００３４】表２は、孔型ロールの配置が図２に示すＡ
配置の第１スタンドと第３スタンド、および孔型ロール
の配置が図２に示すＢ配置の第２スタンドからなり、図
３に示すＡ寸法とＢ寸法が表３に示す値の孔型を有する
モデル圧延機を用い、外径５０ｍｍ、肉厚１０ｍｍの鉛
製の管を対象に圧延した結果を示している。

【００３５】なお、圧延は、３つのスタンドの孔型中心
をパスセンターに一致させた場合（通常圧延）と、第２
スタンドの孔型中心のみをパスセンターから上方に１ｍ
ｍ変位させた場合（条件１）と、第２スタンドの孔型中
心のみをパスセンターから下方に１ｍｍ変位させた場合
（条件２）との３通りで行った。また、各スタンドの孔
型ロールは、パスセンターからロール軸心までの離間距
離が６０ｍｍのものを用いた。さらに、表２中には第２
スタンド出側のスタンド下部（溝底部２ａ）とスタンド
上部（フランジ部２ｂ）で圧延された部分の管肉厚の絶
対値と、全スタンド通過後の管内面の楕円度を、上下方
向の内径をａ、左右方向の内径をｂとしたとき、下記
（３）式で求められる内面楕円率で示した。

【００３６】 内面楕円率＝｛（ａ−ｂ）／ａ｝×１００（％）……（３） 表２に示す結果から明らかなように、条件１では、第２
スタンド下部の溝底部２ａと第２スタンド上部のフラン
ジ部２ｂで圧延された管肉厚が、通常圧延時に比べて薄
肉となっている。これに対し、条件２では、第２スタン
ド下部の溝底部２ａと第２スタンド上部のフランジ部２
ｂで圧延された管肉厚が、通常圧延時に比べて厚肉とな
っている。また、全スタンド通過後の管内面楕円率は、
通常圧延では０（ゼロ）で真円であるが、条件１では＋
１．１％で上下方向を長径とする内面楕円管が、条件２
では−１．４％で左右方向を長径とする内面楕円管が得
られている。

【００３７】なお、以上は、第２スタンドの孔型中心を
パスセンターから上下方向に変位させた場合について説
明したが、上下方向と１２０°位相した左右いずれかの
斜め方向に変位させた場合にも、上記と同じ理由によ
り、内面楕円管が成形される。従って、上記第２スタン
ドの孔型中心は、孔型を構成する各孔型ロールの溝底中
央に対向する３つのロール隙間Ｇ（図３参照）のうちの
いずれか１のロール隙間延在方向にパスセンターから変
位させればよいことになる。

【００３８】以上の説明から明らかなように、本発明の
方法に従って絞り圧延を行う場合には、特殊な工具を用
いることなく、既存の圧延機の孔型中心位置を変位させ
るのみで、損内面楕円管を高能率に製造することができ
る。

【００３９】なお、内面の楕円度は、孔型のＡおよびＢ
寸法の比、加える加工度およびパスセンターに対する偶
数番目の各スタンドの孔型中心の変位量によってことな
る。従って、これらの関係を予め実験などによって求め
ておき、その結果に基づいてパスセンターに対する偶数
番目の各スタンドの孔型中心の変位量を変化させること
で、所望の楕円度を有する内面楕円管を得るようにすれ
ばよい。

【００４０】

【実施例】表４に示すＡ寸法とＢ寸法（図３参照）の孔
型を有する１７スタンドからなる３ロールサイザを準備
した。この時、孔型ロールとしては、パスセンターから
ロール軸心までの離間距離が２５０ｍｍのものを全ての
スタンドに組み込んだ。

【００４１】

【表４】

【００４２】上記の３ロールサイザを用い、外径１００
ｍｍ、肉厚１０．０ｍｍの炭素鋼製の素管の外径を３
０．０ｍｍに絞り圧延する際、全スタンドの孔型中心を
パスセンターに一致させた場合と、偶数番目の全てのス
タンドの孔型中心を一律にパスセンターから上方（＋）
または下方（−）へ１、３ｍｍと５ｍｍ変位させて設定
した場合の、合計７種類の圧延を行った。

【００４３】そして、得られた製品管の円周方向各位置
の外径と内径を測定し、上記（３）式に基づいて内面楕
円率を調べた。その結果を、表５に示した。

【００４４】なお、外径は、いずれの場合も、ほぼ真円
であった。

【００４５】

【表５】

【００４６】表５に示す結果から明らかなように、全ス
タンドの孔型中心をパスセンターに一致させて圧延して
得られた製品管は、その内面楕円率が０（ゼロ）であ
り、内面楕円管は得られなかった。

【００４７】これに対し、偶数番目の全てのスタンドの
孔型中心を一律にパスセンターから変位させて圧延して
得られた製品管は、その変位方向が上方（＋）である場
合、２．２〜１６．２％の内面楕円率を有する内面縦楕
円管が得られた。また、パスセンターに対する孔型中心
の変位方向が下方（−）である場合には、２．４〜１
５．２％の内面楕円率を有する内面横楕円管が得られ
た。

【００４８】上記の結果からわかるように、内面楕円率
は、孔型中心のパスセンターからの変位量と方向によっ
てことなる。従って、孔型中心のパスセンターからの変
位量と方向を種々変えることにより、所望の内面楕円率
を得ることが可能なことが明らかである。

【００４９】

【発明の効果】本発明の方法によれば、３ロールサイザ
や３ロールストレッチレデューサなどの既存の多スタン
ド定径絞り圧延機を用いて内面楕円型を高能率に製造す
ることが可能である。この結果、製品の製造コスト低減
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】３ロールサイザの一例を示す模式的側面図であ
る。

【図２】３ロールサイザの孔型ロールの配置例を示す模
式的正面図である。

【図３】３ロールサイザの孔型例を示す模式的正面図で
ある。

【図４】本発明の圧延態様を示す図である。

【図５】本発明における肉厚変化メカニズムを説明する
ための図である。

【図６】従来の異形管の一例を示す横断面図である。

【符号の説明】

１：ロールスタンド、 ２：孔型ロール、 ２ａ：溝底部、 ２ｂ：フランジ部、 ３：孔型、

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パスセンター周りに配置されて全体として
   三角形状の丸孔型を構成する３つの孔型ロールが組み込
   まれた複数基の３ロールスタンドからなり、隣合うロー
   ルスタンドの各孔型ロールの圧下方向がパスセンター周
   りに６０°位相するように連設された管圧延機により、
   肉厚が円周方向で均等な中空素管の外径を内面規制工具
   を用いずに絞り圧延する際、隣合うロールスタンドのう
   ちのいずれか一方の孔型中心位置を、孔型を構成する各
   孔型ロールの溝底中央に対向する３つのロール隙間のう
   ちのいずれか１のロール隙間延在方向にパスセンターか
   ら変位させることを特徴とする内面楕円管の製造方法。