JP3623857B2

JP3623857B2 - テーパー鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP3623857B2
Application number: JP17794696A
Authority: JP
Inventors: 基文小弓場; 幸久栗山; 泰行黒田; 隆司宮城; 秀保秋吉; 重雄村田
Original assignee: Nihon Spindle Manufacturing Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Nihon Spindle Manufacturing Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-07-08
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2016-07-08
Also published as: JPH1024323A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、テーパー鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
テーパー鋼管の製造方法としては、図５に示すようなＵＯ方式、即ち、素板を台形状に切断し、これを通常のＵＯ鋼管製造方式と同様に成形し、長手方向に溶接することにより、先と元で径の異なる鋼管（テーパー鋼管）を製造する方式が一般的である。
しかし、この方式では、▲１▼板素材を台形に切断するため材料のロスが大きい、▲２▼溶接部が溶接後の冷却過程で収縮することにより生ずる長手方向の曲り矯正に手間が掛かる、といった問題がある。
【０００３】
また、管を素材としてテーパー鋼管を製造する方式としては、図６に示すスピニング加工によりテーパー鋼管を製造する方法があるが、これは従来、アルミ管を対象とするため常温の加工であり、また、１ローラでの加工である。
しかし、この図６の方式で鋼管をテーパー加工しようとすると、材料強度が高いため十分な加工を行えず、元径に対して５０〜６０％の径まで先径を加工するのが限界である。また、冷間で縮径率５０〜６０％の強加工を行うと、材料が大きな加工硬化を受け、塑性が低下してしまうといった問題があり、加工後に熱処理を施す必要があるといった課題がある。
【０００４】
また、１ローラでは半径方向の縮径加工にともない、図７に示すように、曲げが発生し素管が撓んでしまい、工具の設定位置から幾何学的に定まる縮径量が狂ってしまい精度の高い加工が困難であるといった問題がある。
さらに、テーパー加工においては、加工速度を上げると、管表面とローラとの相対辷りにより、表面肌が荒れるといった問題があり、甚だしい場合には焼き付きとなってしまい、加工速度を制限せざるを得ないといった問題もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のＵＯ方式・ベンディングプレス曲げ方式でテーパー鋼管を製造するには、材料ロスや曲り矯正の手間が掛かる問題がある。また、この方式よりも生産性の高いスピニング加工によるテーパー加工方式では、上述のように、アルミ管を対象にしたものであることから、縮径限界があるとともに、鋼管に適用すると、管の撓み変形が大きくなってしまい、工具位置で定める所定の縮径量が得られないといった問題がある。
また、上記の問題を解決すべく鋼管を温間で加工したところ、縮径率は３０％程度まで可能となったが、ローラと管との相対辷りのため管表面に肌荒れが発生し、ひどい場合には焼き付きとなってしまうといった別の問題が生じた。
【０００６】
本発明は、３ローラでスピニング加工を行うに際し、ローラの傾斜角度を適正化することにより上記の問題を解決し、加工度の大きなテーパー加工を高精度に行い、かつ、表面肌を美麗に保持して加工を行うことができる、テーパー鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、
（１）鋼管を素材として、鋼管を３つのローラで把持し、この３つのローラと鋼管を管長手方向に相対的に移動させるとともに、ローラを管半径方向に移動させることにより、鋼管にテーパー加工を施すテーパー鋼管の製造方法において、ローラの長手方向相対移動速度と管の回転数により定まる幾何学的なスパイラル角に対するローラ傾斜角との差が１度以内となるように、ローラを長手方向に傾斜させることを特徴とするテーパー鋼管の製造方法、
（２）ローラ長手方向傾斜角を、ローラと管の長手方向の相対移動に追随して変更せしめ、常にスパイラル角と同じ角度に保持することを特徴とする（１）記載のテーパー鋼管の製造方法、
（３）加工温度を１００℃以上かつ鋼管材のＡｃ_１変態点以下の温度とすることを特徴とする（１）又は（２）記載のテーパー鋼管の製造方法、にある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
テーパー鋼管の製造方式として、台形板を曲げ成形してテーパー鋼管に加工する方式に比べ、スピニングにより管を素材としてテーパー鋼管を製造する方式の方が、材料ロス、加工後の曲り矯正が不要といった点で有用である。
【０００９】
このような管を素材として鋼管をテーパー加工する際に、常温で加工を行うと変形能が小さいため、縮径率が大きいと割れが発生してしまい、元径の５０〜６０％までしか加工を行うことができない。これに対し、本発明では素管を１００℃以上かつ鋼管材のＡｃ_１変態点以下の温度に加熱して加工することにより、材料の変形能が増すため元径の３０％以下まで縮径が可能となる。
【００１０】
また、このようなテーパー加工を行う際、１ローラでは図７に示すように、縮径のための半径方向の押し付け力により素管に撓みが発生し、ローラ設定位置で幾何学的に求まる径に縮径加工ができない、また曲げによる余分な変形が加わるため限界縮径率が大きくなってしまうという問題がある。
【００１１】
これに対し本発明では図１に示すように、３ローラ１によりスピニング加工を行うため、図１（ｂ）で明らかな如く半径方向の縮径のための負荷が断面内で釣り合うため、素管２に撓みが発生せず、高精度で縮径加工を実施できる。また、１ローラでは曲げの反力を受けるため把持機構は必須であるが、３ローラでは断面内で力の釣合いがとれているため、把持機構４は必ずしも必要ではなくなるという利点もある。なお、３は素管２の一端をつかんで管軸周りの回転を付与するためのチャックである。
【００１２】
さらに、例えばローラは長手方向に移動するため、図２に示すように、ローラ１と素管２の接触点の軌跡５はスパイラル状になる。このため図１のようにローラ１の傾斜がない場合、管回転方向には転がりとなるが、管長手方向にはローラ１と素管２とは引きずり状態となり、この辷りのため管表面に肌荒れが発生する。これが場合によっては焼き付きとなる。
【００１３】
そこで本発明においては、図２に示す如くローラ１（図では便宜上１個のローラを示しているが、実際には３個のローラが存在する）を管長手方向に傾斜させることにより、管とローラの相対辷りを抑制し、上記した表面肌荒れや焼き付きを防止する。このローラ傾斜角βは、ローラの長手方向移動速度と管の回転数により定まる幾何学的なスパイラル角φに対して、少なくとも±１°以内、好ましくは同じ角度に保持すれば、肌荒れ、焼き付きを効果的に防止することができる。
【００１４】
なお、スパイラル角φは、次のように表される。
ｔａｎ φ＝Ｆ／（πＤＲ） φ＝ｔａｎ^−１［Ｆ／（πＤＲ）］
ここで、Ｆ：長手方向移動速度（ｍｍ／ｍｉｎ）
Ｄ：管外径（ｍｍ）
Ｒ：管回転数（ｒｐｍ）
【００１５】
【実施例】
次に、本発明の実施例について述べる。表１にテーパー加工に用いた素管の寸法・材質を示す。
【表１】

【００１６】
加工温度を変えて加工可能な先端径を調べたところ、図３に示すように、４５０℃以上であれば、元径の３０％以下まで先径を縮径可能であることが認められた。また、この加工の際に併せて先端部の靭性をシャルピー吸収エネルギで評価した結果を図４に示す。図４に示す如く４５０℃以上で加工すれば、加工部の靭性の劣化もなく、後熱処理が不要である。
【００１７】
また、ローラ数の影響についての実施例を示すと、加工温度を４５０℃とし、１ローラと３ローラで加工可能最小径を調べた。また、ローラ設定位置から幾何学的に定まる先端径と実際の加工径を比較して表２に示した。表２から１ローラでは設定径との差が大きく、また、付加的に発生する曲げの影響で加工可能最小径を小さくできないが、３ローラではこれらを解消できることが分かる。
【００１８】
【表２】

【００１９】
更に、傾斜角の影響の実施例について述べる。ローラを該ローラを保持するローラホルダーごと傾斜可能な機構とし、下記の実測値及び設定値を用いてスパイラル角を計算し、この計算スパイラル角に一致するように、ローラをローラホルダーごと傾斜させて加工を行った。管とローラの長手方向の相対移動に関しては、この実施例では、ローラを移動して行った。そこで、ローラの送り量を実測し、設定テーパー量とローラ送り量から当該加工位置の管外径Ｄを計算し、長手方向相対移動速度はローラ送り速度の設定値Ｆを用い、管回転数は実測の管回転数Ｒを用いて、これらの諸量からφ＝ｔａｎ^−１［Ｆ／（πＤＲ）］によりスパイラル角を求め、このスパイラル角φに対するローラ傾斜角βの差が一定となるように、ローラ傾斜角を制御した。ここではローラの送り速度を１０００ｍｍ／ｍｉｎとし回転数を１００ｒｐｍと２００ｒｐｍの２水準で、ローラ傾斜角を変更して４５０℃の温間で３ローラで加工を行った。素管は表１に示す寸法及び材質のものを用いた。幾何学的に定まるスパイラル角φに対するローラ傾斜角βの差を０°〜６°まで変更して加工を行った。
【００２０】
表面肌の評価は、先端の径が細い部分ほど加工が厳しくなり、肌荒れ、焼き付きが発生し易いので、先端部分で評価した。また、評価方法としては、ロールマークが付くため粗度計などでの評価が難しいため、目視で焼き付き、肌荒れなどの評価を行った。表３にローラ傾斜による肌荒れ抑制の結果を示す。表３に示すように角度差が１°以内であれば、加工後の表面肌を良好にすることができることが判る。
【００２１】
【表３】

【００２２】
上記のように、ローラ傾斜角を制御し、常にスパイラル角との差が１°以内とすれば肌荒れが生じないことが判った。そこで次に、ローラ傾斜角を固定のままで、加工開始から加工終了までスパイラル角とローラ傾斜角が±１°以内になるように、ローラ傾斜角を設定した加工を行った。即ち、表１の材料で初期外径１６５ｍｍを最終加工径４５．２ｍｍまでテーパー加工を行うこととし、送り速度を１０００ｍｍ／ｍｉｎ、管回転数２００ｒｐｍでローラ傾斜角を１．２５°とした。この加工条件では、初期外径１６５ｍｍではスパイラル角は０．５５°であり、最終加工外径４５．２ｍｍではスパイラル角は２．０２°となることから、ローラ傾斜角を１．２５°とすれば、加工初期で＋０．７０°の差、最終加工時で−０．７７°の差であり、加工全長にわたりスパイラル角とローラ傾斜角が±１°以内にすることができる。
【００２３】
上記の固定ローラ傾斜角１．２５°で加工を行った際の、表面肌の評価結果を表４に示す。表４に示すように、ローラ傾斜角を固定しても、スパイラル角との差が±１°以内であれば、加工後の表面肌を良好にすることができる。また、図４に示すように、温間加工のため靭性の劣化がなく、冷間加工の場合に必要な靭性回復のための熱処理が不要となる。
【００２４】
【表４】

【００２５】
【発明の効果】
上記の実施例でも明らかなように、本発明により縮径率３０％以上のテーパー加工が可能となり、また、温間で加工するため靭性の劣化がなく、加工後の熱処理が不要となる利点がある。さらに、素管の撓みがなく高精度の縮径加工が可能となると共に、ローラと素管の相対辷りを抑制することにより表面肌が良好となる。
なお、本発明の方法は、単純な縮径一方の加工だけでなく、径が長手で大きくなったり小さくなったりするような加工にも当然適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明で採用する３ローラのスピニング加工を説明する図、（ｂ）は（ａ）Ａ−Ａ線断面図。
【図２】ローラに傾斜角を付与してスピニング加工を行う場合の説明図。
【図３】加工温度と先端加工可能径との関係を示す図。
【図４】加工温度と先端部靭性との関係を示す図。
【図５】台形板曲げによるテーパー鋼管の製造工程を示す図。
【図６】１ローラの常温スピニング加工を説明する図。
【図７】１ローラのスピニング加工で発生する撓みの説明図。
【符号の説明】
１ローラ
２素管
３把持機構
４チャック
５ローラと素管の接触点の軌跡

Claims

鋼管を素材として、鋼管を３つのローラで把持し、この３つのローラと鋼管を管長手方向に相対的に移動させるとともに、ローラを管半径方向に移動させることにより、鋼管にテーパー加工を施すテーパー鋼管の製造方法において、ローラの長手方向相対移動速度と管の回転数により定まる幾何学的なスパイラル角に対するローラ傾斜角との差が１度以内となるように、ローラを長手方向に傾斜させることを特徴とするテーパー鋼管の製造方法。
ローラ長手方向傾斜角を、ローラと管の長手方向の相対移動に追随して変更せしめ、常にスパイラル角と同じ角度に保持することを特徴とする請求項１記載のテーパー鋼管の製造方法。
加工温度を１００℃以上かつ鋼管材のＡｃ_１変態点以下の温度とすることを特徴とする請求項１又は２記載のテーパー鋼管の製造方法。