JP3860065B2 - Compression bending method for metal strip - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管、形鋼等の金属条材を、連続的に曲げ加工する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、鋼管等の金属条材の曲げ加工方法として、図14に示すように、曲げようとする金属条材1を、長手方向の短区間を加熱する誘導コイル等の加熱装置2に通し、加工先端側を、支点Oを中心として回転可能な曲げアーム3に設けているアームクランプ4に固定し、該金属条材1を加熱装置2で加熱しながら条材推進装置(図示せず)によって長手方向に推進させることにより、加熱装置2による加熱部を金属条材1の長手方向に移動させながら、その加熱部に曲げアーム3の旋回により生じる曲げモーメントを作用させて変形させ、その直後の部分を加熱装置2から冷却水5を吹き付けて冷却する曲げ加工方法が知られている。また、この曲げ加工方法において、曲げアーム3に、曲げ加工の進行に伴う曲げアーム3の旋回方向とは逆方向の力Pb を作用させておき、その分、金属条材1に長手方向に付与する推進力Pを大きくし、金属条材1に長手方向の圧縮力を付与した状態で曲げ加工する方法(圧縮曲げ加工方法ともいう)も知られている。圧縮曲げ加工方法では曲げ外周側での減肉を抑制しうる利点を有している。なお、図中、6はガイドローラである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近曲げ半径を極力小さくする要望が生じており、例えば、外径Dの鋼管に対して曲げ半径Rを、1.5D以下の小R曲げの必要性が生じてきた。ところが、このような小R曲げを圧縮曲げ加工方法によって行ったところ、図15に誇張して示すように、曲げ加工後の鋼管1Aのアームクランプでつかんでいた部分1Aaが、アームクランプ根元(C点の位置)で、曲げ方向とは逆方向に折れる現象(首折れという)が生じ、製品にならないという問題が生じた。
【0004】
本発明はかかる状況に鑑みてなされたもので、鋼管等の金属条材を曲げ加工する際に、圧縮曲げで小R曲げを行った場合にも、首折れが生じないようにすることを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は首折れの原因を検討した結果、次の事項を見出した。すなわち、図14に示すように、金属条材1を推進させて曲げアーム3を旋回させ、それによって金属条材1の加熱部(A点)に曲げ変形を生じさせる大きさの曲げモーメントMA を時計方向に作用させて曲げ加工を行っている時、アームクランプ根元(C点)の金属条材1には反作用により反時計方向の曲げモーメントMA が作用している。更に、このアームクランプ根元には、金属条材1に付与している推進力Pによる曲げモーメントMG も作用しており、この曲げモーメントMG は時計方向に作用している。従って、曲げ加工中、曲げアーム3の旋回及び推進力Pによって金属条材1のアームクランプ根元(C点)には、反時計方向を正方向とすると、次の式(4)で示す曲げモーメントMC ′が作用している。
MC ′=MA −MG ……(4)
以下、この曲げモーメントMC ′を基本曲げモーメントと称する。通常の曲げ加工の場合(圧縮力を加えない場合、或いは圧縮曲げを行うとしても曲げ半径があまり小さくなく、従って加える圧縮力が小さい場合など)には、推進力による曲げモーメントMG はあまり大きくなく、問題無かったが、小R曲げを行う場合には、曲げ外周側の減肉率が大きいため、減肉を小さくするには、推進力Pをきわめて大きくして圧縮量を大きくしなければならず、この結果、その推進力Pによる曲げモーメントMG がきわめて大きくなって、アームクランプ根元(C点)に、逆方向(時計方向)に大きい曲げモーメントが作用してしまい、これがアームクランプ根元に永久歪を生じさせて首折れを生じていた。従って、推進力Pによる曲げモーメントが大きくなって首折れの恐れが生じる時には、金属条材のアームクランプ根元に正方向の曲げモーメントを付与することにより、首折れを防止できる。そして、アームクランプ根元に正方向の曲げモーメントを付与するには、曲げ加工中の金属条材の、加熱部近傍の直線部を含み、その直線部から前記曲げアームに至る領域に、曲げ平面内で曲げアームの旋回中心のある側に向かう方向の荷重を加えることが有効である。
【0006】
本発明はかかる知見に基づいてなされたもので、曲げアームに、曲げ加工の進行に伴う曲げアームの旋回方向とは逆方向の力を作用させて金属条材に圧縮力を作用させながら曲げ加工を行う圧縮曲げ加工方法であって、曲げ加工期間中に、曲げアームの旋回及び推進力Pによって金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントM C ′の絶対値が前記金属条材の許容曲げモーメントM P を越える期間が存在する形態の圧縮曲げ加工方法において、曲げ加工期間中の少なくとも、曲げアームの旋回及び推進力Pによって金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメント即ち基本曲げモーメントMC ′の絶対値が前記金属条材の許容曲げモーメントMP を越える期間は、前記金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントによって前記金属条材に首折れが発生するのを防止するため、前記金属条材のアームクランプ根元に作用する全曲げモーメントMC の絶対値が前記許容曲げモーメントMP を越えないように、前記金属条材の加熱部近傍の直線部を含み、その直線部から前記曲げアームに至る領域の金属条材に、曲げ平面内で前記曲げアームの旋回中心のある側に向かう方向の荷重を加えてアームクランプ根元に付加曲げモーメントを作用させながら曲げ加工することを特徴とし、これによって首折れ発生を防止できる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図面の実施形態を参照して本発明を更に詳細に説明する。図1は本発明方法の実施に用いる曲げ加工装置の一例を、曲げ加工途中の状態で示す概略平面図である。図1に示す曲げ加工装置も、従来の曲げ加工装置と同様に、鋼管等の金属条材1の長手方向の短区間を加熱すると共に加熱部位の片側(図面では右側)に冷却水5を吹き付け可能な誘導コイル等の加熱装置2と、金属条材1の加工先端側をクランプするアームクランプ4を有し、支点Oを中心として旋回可能な曲げアーム3と、曲げアーム3に、曲げ加工の進行に伴う曲げアーム3の旋回方向とは逆方向の力Pb を作用させる手段(図示せず)と、金属条材1に長手方向の推進力Pを加え、曲げアーム3に向かって前進させる条材推進装置(図示せず)と、ガイドローラ6等を備えている。更に、この曲げ加工装置は、従来とは異なり、金属条材1のアームクランプ根元Cに正方向(図面では反時計方向)の曲げモーメントを付加するための荷重付与装置11を備えている。この荷重付与装置11は、押しローラ12とそれを金属条材1に押し付ける油圧シリンダ13を備えており、曲げ加工中の金属条材1に、その軸線に直角方向に且つ曲げ平面内で曲げアーム3の旋回中心Oのある側に向かう方向の荷重Fを加えることで、金属条材1のアームクランプ根元Cに正方向(反時計方向)の曲げモーメントを作用させることができる。ここで、荷重付与装置11の設置位置は、金属条材1の加熱部(A点)近傍の直線部(具体的には、ガイドローラ6から加熱装置2までの直線部)を含み、その直線部から曲げアーム3に至る領域内の所望位置に荷重Fを付与しうるように定められる(更に詳細には後述する)。なお、図1に示すように、荷重付与装置11を金属条材1の曲げ部(円弧状に曲げ加工した領域)に荷重Fを付与しうるよう配置する場合は、旋回アーム3がその位置を支障なく通過しうるように、荷重付与装置11全体又は押しローラ12を退避させうる構成としている。
【0008】
この曲げ加工装置においても、従来と同様に、曲げようとする金属条材1を加熱装置2の中に通し、加工先端側を曲げアーム3のアームクランプ4に固定し、金属条材1を加熱装置2で加熱しながら長手方向に推進させることにより、加熱部を金属条材1の長手方向に連続的に移動させ、同時に曲げアーム3を旋回させて加熱部に曲げモーメントを作用させて変形させ、その直後の部分を冷却するという連続的な曲げ加工が行われる。この曲げ加工期間中の所定の期間に、荷重付与装置11が作動して金属条材1に荷重Fを加え、アームクランプ根元に作用する全曲げモーメントMC の絶対値が金属条材1の許容曲げモーメントMP を越えないようにする。以下、荷重付与装置11により荷重Fを付与する位置、付与する期間、荷重Fの大きさ等を説明する。なお、本明細書において、金属条材1の曲げ部内の位置を角度で示す場合、曲げアーム3の旋回中心Oと加熱装置2による加熱中心点Aを結ぶ直線OAを基準線とし、点Oを中心としてその基準線に対する角度を用いる。また、曲げアーム3の位置を角度で示す場合、曲げアーム3が曲げ開始時に占める位置を基準線としてその基準線からの旋回角度(曲げ角度に等しい)を用いる。
【0009】
曲げ加工中、荷重付与装置11を作動させなければ、アームクランプ根元(C点)には、基本曲げモーメントMC ′のみが作用しており、その大きさは、前記したように、
MC ′=MA −MG ……(4)
である。ここで、推進力Pによる曲げモーメントMG は曲げアーム3の角度(曲げ角度)θの関数であるので、式(4)を書き直すと、数3に示す式(5)のようになる。
【数3】
【0010】
式(5)に示す基本曲げモーメントMC ′と曲げ角度θの関係の例を、推進力Pを小さくした場合と大きくした場合を例にとって円グラフに示すと、図2に示す曲線15(推進力Pが小さい場合)、16(推進力Pが大きい場合)のようになる。なお、図中、円弧17は正方向の許容曲げモーメント+MP を、円弧18は逆方向の許容曲げモーメント−MP を、円弧19は曲げモーメント0を示している。図2の曲線15,16から良く分かるように、アームクランプ根元に作用する基本曲げモーメントMC ′は、曲げ開始時には、正方向に作用しているが、曲げの進行に伴って減少し、途中から逆方向に変わり且つ増大してゆく。そして、その基本曲げモーメントMC ′は、推進力Pが小さい場合には、曲線15で示すように、正逆の許容曲げモーメントの範囲内(+MP 〜−MP )にあるが、推進力Pを大きくした場合には、曲線16で示すように、曲げ角度θC で許容曲げモーメント−MP を越えてしまう。このため、この曲げ角度θC を越えて曲げ加工した場合には、首折れが生じてしまう。そこで、本発明では、荷重付与装置11によって正方向の曲げモーメントを加え、アームクランプ根元に作用する曲げモーメントが逆方向の許容曲げモーメント−MP を越えないようにするものである。本明細書では、基本曲げモーメントMC ′が逆方向の許容曲げモーメント−MP に達する曲げ角度θC を限界曲げ角度と称し、且つ荷重Fによって加える曲げモーメントを付加曲げモーメントと称する。
【0011】
本発明において、荷重付与装置11が金属条材1に荷重を付与する位置は、金属条材1のアームクランプ根元に正方向の曲げモーメントを付与しうる位置であればよく、従って、図1において、ガイドロール6から曲げアーム3に至る領域内とすればよく、好適には、ガイドロール6から曲げ先端側の曲げ境界点Bまでの領域内とすればよい。荷重付与装置11による荷重付与位置は1個所に限らず、複数個所としてもよく、また、その荷重付与位置も一定位置に固定する必要はなく、曲げ加工中、変化させてもよい。但し、荷重Fの付与は、少なくとも基本曲げモーメントMC ′が負側の許容曲げモーメントに達する前に、即ち曲げ角度が限界曲げ角度θC に達する前に開始しなければならないので、少なくとも1個の荷重付与装置11は、図1に示すように、曲げアーム3が限界曲げ角度θC に対応する位置を占めている時に、その曲げアーム3とガイドローラ6との間で金属条材1に荷重Fを付与しうる位置に配置している。荷重Fの付加期間は、少なくとも、基本曲げモーメントMC ′が負側の許容曲げモーメントを越えている期間を含むものであれぱよく、具体的には、荷重付与を、上記した限界曲げ角度θC に達する前に開始すればよい。
【0012】
限界曲げ角度θC は、上記したように、基本曲げモーメントMC ′が逆方向の許容曲げモーメント−MP に一致する曲げ角度であるので、上記の式(5)の絶対値が許容曲げモーメントMP に等しいとして、計算することで求めることができる。すなわち、限界曲げ角度θC は、数4に示す式(6)から計算で求めることができる。
【数4】
【0013】
なお、限界曲げ角度θC は上記式(6)から計算で求めることはできるが、かなりの計算量が必要となる。そこで、近似式を作っておくことが好ましい。上記(6)式において、曲げモーメントMA は、金属条材1の曲げ温度における引張強さσh 、断面係数Z及び圧縮率の関数、推進力Pは圧縮率の関数、圧縮率は、曲げ加工後の金属条材1の減肉率αの関数、許容曲げモーメントMP は許容曲げ応力σa 及び断面係数Zの関数である。これらを考慮すると、限界曲げ角度θC は、主として、素材の許容曲げ応力σa 、曲げ温度における引張強さσh 及び減肉率αの関数である。そこで、金属条材1が円管である場合について、これらをファクターとする近似式を求め、数5に示す式(1)を得た。従って、円管に対して曲げ加工を行う場合には、式(1)を用いて、限界曲げ角度θC を求め、少なくとも、その限界曲げ角度θC に到達する前に荷重Fの付与を開始すればよい。なお、荷重Fの付与開始は、限界曲げ角度θC に到達する前であればよいので、必ずしも限界曲げ角度θC を求めておく必要はなく、限界曲げ角度θC の前であると思われる適当な時期に荷重付与開始を行っても良い。
【数5】
【0014】
荷重付与装置11によって付与する荷重の大きさは、曲げ加工中、金属条材1のアームクランプ根元に作用する全曲げモーメントMC (基本曲げモーメントと付加曲げモーメントの総和)の絶対値が許容曲げモーメントMP を越えないように、曲げ加工の条件(具体的には基本曲げモーメントMC ′)に応じて、適切に定めれば良い。以下、荷重付与装置11による荷重付与の位置、タイミング、荷重の大きさ等の具体例を説明する。
【0015】
まず、一定位置に配置した1個の荷重付与装置11を用いる場合を説明する。図1に示すように、荷重付与装置11を金属条材1の曲げ部の角度φの位置に、曲げ中心Oに向かって荷重Fを加えるように配置するものとすると、曲げ角度がθとなった時点での、荷重Fによるアームクランプ根元への付加曲げモーメントMcrは、数6に示す式(8)のようになる。
【数6】
【0016】
アームクランプ根元に作用する全曲げモーメントMC は、
MC =MC ′+Mcr ……(9)
であるので、この式(9)を計算することにより、全曲げモーメントMC を求めることができ、その全曲げモーメントMC の絶対値が許容曲げモーメントMP を越えないように、荷重Fの大きさ及びその付与位置の角度φを求めることができる。
【0017】
今、90度の曲げ加工を行う場合において、アームクランプ根元の基本曲げモーメントMC ′が図3の円グラフに曲線21で示すように、曲げの終わり近傍において、許容曲げモーメント−MP を少し越えるものとする。この場合には、付加曲げモーメントMcrをあまり大きくする必要がないので、荷重Fの付与位置を、図1のA点(角度φ=0の位置、具体的には、加熱部の前又は後)とし、曲げ開始時から連続的に小さい荷重Fを付加する方法を採ることで首折れを防止できる。例えば、図3において、曲げ角度θ=90度の時に、全曲げモーメントMC の絶対値が許容曲げモーメントMP に一致するような荷重Fを、上記した式(8)、(9)から求めておき、その荷重Fを曲げ開始時から付加する。すると、その荷重Fによる付加曲げモーメントMcrは、曲線22で示すようになり、全曲げモーメントMC は曲線23で示すように、全曲げ範囲内で許容曲げモーメント範囲内(+MP 〜−MP の範囲内)に保持される。かくして、首折れを生じることなく曲げ加工を行うことができる。なお、荷重付与位置及び期間はこれに限らず適宜変更可能であり、例えば、荷重Fの付与位置を角度φ=0の位置としたままで、荷重付与開始のタイミングを、曲げがある程度進行した時点(但し、限界曲げ角度θC に到達する前)とするように変更してもよいし、荷重Fの付与位置を、限界曲げ角度θC 以下の任意の位置に変更してもよい。
【0018】
次に、90度の曲げ加工を行う場合ではあるが、アームクランプ根元の基本曲げモーメントMC ′が図4の円グラフに曲線26で示すように、比較的早く許容曲げモーメント−MP を越え、曲げ終わり(曲げ角度θ=90度)には、かなり大きく許容曲げモーメント−MP を越えてしまう場合がある。この場合、荷重Fの付与位置を角度φ=0の位置とし、曲げ角度θ=90度の時に、全曲げモーメントMC の絶対値が許容曲げモーメントMP に一致するような荷重Fを曲げ開始時から付加する方法を採ると、その荷重Fによる付加曲げモーメントMcrは、曲線27で示すようになり、全曲げモーメントMC が曲線28で示すように変化し、曲げの初期領域では、正側の許容曲げモーメントMP を越えてしまい、正方向の首折れを生じてしまう。そこでこれを防ぐため、荷重Fを加えるタイミングを、全曲げモーメントMC が許容曲げモーメントMP より適当に小さくなる時点からとする。例えば、図5(a)に示すように、曲げ角度がθS に到達した時点で荷重Fの付与を開始する。これにより、全曲げモーメントMC は、曲げ角度θ=0〜θS の領域では、曲線26のように変化し、曲げ角度θ=θS 〜90度の領域では、曲線28のように変化することとなり、全曲げ範囲内で許容曲げモーメント範囲内(+MP 〜−MP の範囲内)に保持され、首折れを防止できる。
【0019】
なお、図5(a)に示すように、曲げ角度θがθS に達した時点で所定の大きさの荷重Fの付与を開始すると、その時点で全曲げモーメントMC が急激に増加し、曲げに悪い影響を与える場合がある。そのような恐れのある場合には、金属条材1に付与する荷重を0から徐々に所定の荷重Fにまで増加させる方法を採ることが好ましい。この方法を採用することで、図5(b)に示すように、付加曲げモーメントMcrは、曲線27Aで示すように増加し、荷重が所定の大きさFに到達した後は、曲線27で示すようになり、それに伴い全曲げモーメントMC も、曲線28Aで示すように変化し、次いで曲線28で示すように変化し、急激な曲げモーメントの変化を無くすことができる。なお、付与する荷重Fは、必ずしも、曲げの途中から一定とする必要はなく、付与する全期間に渡って変化させる形態としてもよい。
【0020】
図5に示す実施形態では、荷重Fの付与位置を角度φ=0の位置としているが、これに代えて、図5に示すように、荷重Fの付与位置(角度φ)を、0と限界曲げ角度θC の範囲内の適当な位置とするように変更してもよい。この場合にも、例えば、曲げ角度θ=90度の時に、全曲げモーメントMC の絶対値が許容曲げモーメントMP に一致するような荷重Fを計算で求めておき、図6(a)に示すように、その荷重Fを角度φの位置に、曲げ角度がその角度φより適度に進んだ角度θS に達した時点で付加すると、その荷重Fによる付加曲げモーメント Mcrは、曲線31で示すようになり、それ以後の全曲げモーメントMC は曲線32で示すように変化する。かくして、全曲げ範囲内で許容曲げモーメント範囲内(+MP 〜−MP の範囲内)に保持でき、首折れを生じることなく曲げ加工を行うことができる。なお、この場合においても、金属条材1に付与する荷重Fを0から徐々に所定の荷重Fにまで増加させる方法を採ることができ、その場合には、図6(b)に示すように、付加曲げモーメントMcrと全曲げモーメントMC が、それぞれ曲線31A、32Aに示すように変化することとなり、全曲げモーメントMC の急激な変化を生じさせない利点が得られる。
【0021】
次に、曲げ角度を180度まで行う場合を説明する。今、基本曲げモーメントMC′が図7の円グラフで曲線36のように変化するものとする。荷重Fをφ=0の位置(図1のA点)に付与するものとし、その荷重Fを曲げ角度θC に達した時点から付与を始めると、その荷重Fによる付加曲げモーメントMcrは、曲線37で示すようになり、荷重付与位置からの曲げ角度が90度を越えるあたりから急激に小さくなり、180度よりもかなり小さい或る角度θ D で0になり、それ以後は逆方向の曲げモーメントとなってしまう。このため、全曲げモーメントMC は曲線38のように変化し、例え荷重Fを大きく選定しても、逆方向の首折れを防止するという初期の目的を達成できないばかりか、逆に首折れを助長してしまう。そこで、この場合には、荷重Fの付与位置(角度φ)を、図8,図10に示すように、曲げの進行方向に大きく進んだ位置とし、曲げ終わり(180度)に達した時点でも、付加曲げモーメントMcrを正の値に保つことができるようにする。そして、荷重Fの大きさを適切に、例えば、曲げ角度が180度に達した時に全曲げモーメントMC が負側の許容曲げモーメント−MP に等しくなるように設定することで、その荷重Fによる付加曲げモーメントMcrは、曲線40で示すように変化し、その付加曲げモーメントMcrを加えた全曲げモーメントMC を、曲線41で示すように変化させ、全曲げ範囲内で許容曲げモーメント範囲内(+MP 〜−MP の範囲内)に保持でき、首折れを生じることなく曲げ加工を行うことができる。
【0022】
ここで、荷重Fを付与する位置は、最終曲げ角度(図8の実施形態では曲げ角度180度)に達するまで付加曲げモーメントMcrを正の値に保持しうる位置であればよい。図8、図10において、荷重Fを付加する領域の下限を角度θE とすると、この角度θE の位置は、その位置に荷重Fを作用させて曲げ加工を行い、曲げ終わり(曲げ角度180度)に達した時点での付加曲げモーメントMcrが0となる位置である。この角度θE は上記した付加曲げモーメントMcrを求める式(8)を用いて求めることができる。具体的には、図7において荷重Fの付与位置から付加曲げモーメントMcrが0になる位置までの角度θD を求めると、その角度θD は数7に示す式(10)のようになるので、その角度θD の位置が曲げ終わりの位置に一致するように荷重Fの付与位置を進めておけばよい。又、荷重Fの付与範囲の下限角度θE は、数7の式(2)のようになる。従って、θD を越える曲げ角度の曲げ加工を行う場合、金属条材1に対して荷重Fを加える位置を、式(2)に示す角度θE 以上の領域としておけばよく、これによって曲げ終わりまで、首折れを生じることなる曲げ加工することができる。なお、荷重Fを加える領域の上限は、上記したように荷重Fを曲げ角度が限界曲げ角度θC に達するまでに付与する必要があることから、限界曲げ角度θC に達した時点における曲げアーム位置であり、好適には、限界曲げ角度θC である。従って、90度を越えるような大きい角度の曲げ加工を行う場合には、荷重Fを付与する領域は、図10に示すように、角度θE 〜θC 内の領域とすればよい。
【数7】
【0023】
図8に示す場合においても、金属条材1に付与する荷重を0から徐々に所定の荷重Fにまで適当な角度範囲内で増加させる方法を採ることが好ましく、この方法を採ることにより、図9に示すように、付加曲げモーメントMcr及び全曲げモーメントMC を曲線44,45で示すようになだらかに変化させて行くことができる。なお、図9の実施形態では、荷重Fの付与位置を限界曲げ角度θC よりもある程度小さい角度とし、その角度θC を少し越えた角度θS に達した時点で荷重付加を開始している。
【0024】
図8,図9の実施形態で示したように、180度曲げを行う場合において、荷重Fを1点に加えることで、曲げの全範囲において全曲げモーメントMC を許容曲げモーメント範囲内(+MP 〜−MP の範囲内)に保持することは可能である。しかしながら、荷重付与位置からの曲げ角度が或る程度以上に大きくなると、荷重Fによる付加曲げモーメントが小さくなってしまうため、首折れを防止するには、荷重Fとしてかなり大きい荷重を加える必要があり、これによって曲げ半径の精度が悪くなる場合がある。これを防ぐには、曲げが進行した時点で荷重Fを付与する位置をアームクランプ根元に近い位置に変えるとか、追加することが有効となる。以下、その場合の実施形態を説明する。
【0025】
図11に示す曲げ加工装置では、荷重付与装置11(以下第一荷重付与装置という)に加えて、その第一荷重付与装置11と同様な構造の第二荷重付与装置51を備えている。第一荷重付与装置11は、曲げ角度が限界曲げ角度θC に達する前に荷重Fを付加することができるように設けるものであり、その第一荷重付与装置11による荷重付与位置(第一荷重付与位置という)は、ガイドローラ6から限界曲げ角度θC の位置までの間に設定される。第二荷重付与装置51は、荷重付与位置(第二荷重付与位置という)が、第一荷重付与位置から曲げアーム3に至る領域内に設定されるように設けられる。なお、図面の実施形態では、第一荷重付与位置を角度φ1 =30度の位置とし、第二荷重付与位置を角度φ2 =90度の位置としている。
【0026】
次に、図11に示す曲げ加工装置による曲げ加工中の荷重付与及び曲げモーメント変化を、図12の円グラフを用いて説明する。図中、36は基本曲げモーメントMC ′の変化を示す曲線である。曲げ加工を開始した後、曲げ角度が第一荷重付与位置(角度φ1 =30度)を少し越えた時点(曲げ角度θS1)で第一荷重付与位置への第一荷重F1 の付加を開始する。この時、第一荷重F1 は0から徐々に増加させてゆく。これにより、曲線53Aで示すように付加曲げモーメントMcrが加えられ、全曲げモーメントMC は曲線54Aのように変化し、許容曲げモーメントの範囲内に保たれる。そして、曲げが進行し、曲げ角度が90度を少し越え、第二荷重付与装置51による荷重付加が可能となった時点(曲げ角度 θ S2 )で、第一荷重付与位置に加えていた第一荷重F1 を無くすと同時に、第二荷重付与位置に第二荷重F2 を付加し始め、その後は一定の第二荷重F2 を付加し続ける。ここで加える第二荷重F2 は、例えば、曲げ終了時(曲げ角度θ=180度)の時に、全曲げモーメントMC が負側の許容曲げモーメント−MP に等しくなるように設定しておく。また、第一荷重付与位置への第一荷重F1 は、荷重付与を切り替える時点において、第一荷重F1 による付加曲げモーメントMcrが第二荷重F2 による付加曲げモーメントMcrに等しくなるように設定しておく。これにより、荷重付与切り替え後は、曲線53Bで示すように付加曲げモーメントMcrが加えられ、全曲げモーメントMC は曲線54Bのように変化し、許容曲げモーメントの範囲内に保たれる。かくして、全曲げ範囲に渡って全曲げモーメントMC は許容曲げモーメントの範囲内に保たれ、首折れを生じることなく曲げ加工を行うことができる。この実施形態のように、曲げ角度の大きい位置に第二荷重付与位置を設定し、その位置に第二荷重F2 を加える構成とすると、その第二荷重F2 によってアームクランプ根元に作用させる付加曲げモーメントMcrを大きくすることができ、換言すれば、小さい第二荷重F2 で首折れ防止を図ることができる。かくして、比較的小さい荷重F1 、F2 を加えることで、全曲げモーメントMC を許容範囲内に保持でき、曲げ半径の精度を高く保ちながら、首折れを防止した曲げ加工を行うことができる。
【0027】
なお、上記の説明では、第一荷重付加位置への第一荷重F1 の付加と第二荷重付加位置への第二荷重F2 の付与を切り替えているが、第一荷重F1 の付与を継続しながら、それに並行して第二荷重F2 追加する構成としてもよく、また、その場合、第一荷重F1 を徐々に低下させ、第二荷重F2 を徐々に増加させる構成としてもよい。更に、上記の説明では、荷重F1 を0から徐々に増加するように変化させているが、これに限らず付与開始時から一定の大きさの荷重F1 を加えるように変更してもよく、同様に、荷重F2 についても、最初から一定の大きさの荷重を付与する場合に限らず、適当に変化させながら、付与してもよい。
【0028】
以上に説明した実施形態は、いずれも、荷重付与装置11、51を定まった位置に設置し、曲げ加工中、一定の曲げ角度位置に荷重を付与しているが、これを曲げの進行に伴って移動する構成とすることも可能である。図13はその場合の実施形態を示すものである。この実施形態では、曲げアーム3の旋回中心Oを中心として旋回するように旋回アーム61を設け、その旋回アーム61に荷重付与装置11を保持させている。この曲げ加工装置においては、荷重付与装置11を作動させない状態で曲げ加工を開始し、曲げ角度が限界曲げ角度θC に達する前の適当な時期に、限界曲げ角度θC より小さい角度位置に荷重付与装置11を位置させて作動させ荷重Fを付与し始める。その後、曲げの進行に伴い、旋回アーム61も曲げアーム3の旋回方向に旋回させ、荷重付与位置を進める。これにより、荷重Fによる曲げモーメントを、曲げ角度が大きくなった時点でも有効にクランプ根元に作用させることができ、比較的小さい荷重Fを加えることで、全曲げモーメントMC を許容範囲内に保持でき、曲げ半径の精度を高く保ちながら、首折れを防止した曲げ加工を行うことができる。なお、曲げ加工中、旋回アーム61を、曲げアーム3と同期させて連続的に旋回させてもよいし、曲げ加工中の或る期間は一つの位置に停止し、曲げ加工が進行した時点で次の位置に旋回して停止するといった間欠的な旋回を行うようにしてもよい。また、この実施形態で加える荷重Fも、一定の大きさのものであっても、変化するものであってもよい。
【0029】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、曲げ加工期間中の少なくとも、曲げアームの旋回及び推進力Pによって金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントMC ′の絶対値が前記金属条材の許容曲げモーメントMP を越える期間は、前記金属条材のアームクランプ根元に作用する全曲げモーメントMC の絶対値が前記許容曲げモーメントMP を越えないように、前記金属条材の加熱部近傍の直線部を含み、その直線部から前記曲げアームに至る領域の金属条材に、曲げ平面内で前記曲げアームの旋回中心のある側に向かう方向の荷重を加えてアームクランプ根元に付加曲げモーメントを作用させながら曲げ加工する構成としたことで、小曲げ半径の圧縮曲げを行う場合に生じがちな首折れを防止でき、首折れのない製品を得ることができるといった効果を有している。
【0030】
ここで、金属条材に対して荷重を加える期間を、少なくとも前記曲げアームの旋回角度が、上記した式(1)に示す限界曲げ角度θC に到達する前に開始させる構成とすると、アームクランプ根元に作用する全曲げモーメントMC の絶対値が許容曲げモーメントMP を越える前に、荷重の付与を開始して首折れ発生を防止でき、簡単な計算によって、荷重付加のタイミングを求めることができるという効果が得られる。
【0031】
また、曲げ角度が90度を越えるような曲げ加工を行う際には、金属条材に対して荷重を加える位置を、上記した式(2)に示す角度θE 以上の領域とすると、曲げ角度が大きくなった場合にも、アームクランプ根元に正方向の付加曲げモーメントを作用させることができ、例えば、曲げ角度が180度といった大きい曲げ角度の曲げ加工においても、首折れを防止できるという効果が得られる。
【0032】
また、金属条材に対して荷重を加える位置を、その荷重を加え始める時点では金属条材の加熱部近傍の直管部からその時点での前記曲げアームに至る領域内に設定した第一荷重付与位置とし、その後、所定量の曲げ加工が進行した時点で、前記第一荷重付与位置よりも曲げ方向に前進した第二荷重付与位置に変更若しくは追加する構成とすると、比較的小さい荷重を付加することで、アームクランプ根元に作用する全曲げモーメントを許容曲げモーメント内に保持でき、曲げ半径の精度を悪くすることなく首折れを防止できるという効果が得られる。
【0033】
また、金属条材に対して前記荷重を加える位置を、曲げ加工の進行につれて前記曲げアームの旋回方向に移動させる構成とすると、比較的小さい荷重を付加することで、アームクランプ根元に作用する全曲げモーメントを許容曲げモーメント内に保持でき、曲げ半径の精度を悪くすることなく首折れを防止できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置の概略平面図
【図2】曲げ加工中に金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントの、曲げ角度に対する変化を示す円グラフ
【図3】図1の装置を用いた、本発明の一実施形態に係る曲げ加工方法において、曲げ加工中に金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントの、曲げ角度に対する変化を示す円グラフ
【図4】曲げ開始位置に大きい荷重Fを加えた状態で、金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントの、曲げ角度に対する変化を示す円グラフ
【図5】(a),(b)はそれぞれ、本発明の他の実施形態に係る曲げ加工方法において金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントの、曲げ角度に対する変化を示す円グラフ
【図6】(a),(b)はそれぞれ、本発明の更に他の実施形態に係る曲げ加工方法において金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントの、曲げ角度に対する変化を示す円グラフ
【図7】曲げ角度を180度とした場合において、曲げ開始位置に荷重Fを加えた状態で、金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントの、曲げ角度に対する変化を示す円グラフ
【図8】本発明の更に他の実施形態に係る曲げ加工方法において金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントの、曲げ角度に対する変化を示す円グラフ
【図9】本発明の更に他の実施形態に係る曲げ加工方法において金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントの、曲げ角度に対する変化を示す円グラフ
【図10】大きい曲げ角度での曲げ加工を行う場合における荷重付与領域を示す、曲げ加工装置の概略平面図
【図11】本発明の他の実施形態に係る曲げ加工装置の概略平面図
【図12】図11の装置を用いた、本発明の実施形態に係る曲げ加工方法において金属条材のアームクランプ根元に作用する曲げモーメントの、曲げ角度に対する変化を示す円グラフ
【図13】本発明の更に他の実施形態に係る曲げ加工装置の概略平面図
【図14】従来の曲げ加工装置の概略平面図
【図15】従来の装置で曲げ加工した金属条材(鋼管)を示す概略平面図
【符号の説明】
1 金属条材
2 加熱装置
3 曲げアーム
4 アームクランプ
5 冷却水
6 ガイドローラ
11 荷重付与装置(第一荷重付与装置)
12 押しローラ
13 油圧シリンダ
51 第二荷重付与装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a method for continuously bending metal strips such as steel pipes and section steels.To the lawRelated.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method of bending a metal strip such as a steel pipe, as shown in FIG. 14, the
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Recently, there has been a demand for reducing the bending radius as much as possible. For example, a need has arisen for a small R-bending with a bending radius R of 1.5 D or less for a steel pipe having an outer diameter D. However, when such a small R-bending is performed by the compression bending method, as shown in an exaggerated manner in FIG. 15, the portion 1Aa grasped by the arm clamp of the
[0004]
The present invention has been made in view of such a situation, and when bending a metal strip such as a steel pipe, even when a small R-bending is performed by compression bending, it is an object to prevent neck breakage from occurring. And
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of examining the cause of the neck break, the present inventors have found the following matters. That is, as shown in FIG. 14, the
MC'= MA-MG ...... (4)
Hereinafter, this bending moment MC 'Is called the basic bending moment. In the case of normal bending (when no compressive force is applied, or when the bending is performed, the bending radius is not very small, and therefore the applied compressive force is small, etc.), the bending moment M due to the propulsive force MGHowever, when performing small R-bending, the thinning rate on the outer periphery of the bending is large, so to reduce the thinning, the thrust P is greatly increased to increase the amount of compression. As a result, the bending moment M due to the thrust PGBecomes extremely large, and a large bending moment acts on the arm clamp root (point C) in the reverse direction (clockwise), which causes permanent distortion at the arm clamp root and causes neck breakage. Therefore, when the bending moment due to the propulsive force P increases and the possibility of neck breakage occurs, the neck breakage can be prevented by applying a positive bending moment to the arm clamp base of the metal strip. In order to apply a positive bending moment to the base of the arm clamp, the metal strip being bent includes a straight portion in the vicinity of the heating portion, and the region extending from the straight portion to the bending arm is within the bending plane. Therefore, it is effective to apply a load in a direction toward the side where the turning center of the bending arm is located.
[0006]
The present invention has been made based on such findings,A compression bending method in which bending force is applied to a bending arm while applying a force in the direction opposite to the turning direction of the bending arm as the bending process proceeds to apply a compressive force to the metal strip. The bending moment M acting on the base of the arm clamp of the metal strip by the turning and propulsive force P of the bending arm C The absolute value of ′ is the allowable bending moment M of the metal strip P Compression with a period exceedingIn the bending method, a bending moment, that is, a basic bending moment M that acts on the base of the arm clamp of the metal strip by at least the bending arm turning and propulsion force P during the bending period.C The absolute value of ′ is the allowable bending moment M of the metal stripPThe period exceedingIn order to prevent neck breakage from occurring in the metal strip due to the bending moment acting on the arm clamp base of the metal strip,Total bending moment M acting on the arm clamp base of the metal stripCIs the allowable bending moment MPIn the metal strip in the region extending from the straight section to the bending arm, on the side where the turning center of the bending arm is located in the bending plane. It is characterized by bending while applying an additional bending moment to the arm clamp base by applying a load in the direction toward the neck, thereby preventing neck breakage.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the drawings. FIG. 1 is a schematic plan view showing an example of a bending apparatus used for carrying out the method of the present invention in the middle of bending. The bending apparatus shown in FIG. 1 also heats a short section in the longitudinal direction of the
[0008]
Also in this bending apparatus, the
[0009]
If the
MC'= MA-MG ...... (4)
It is. Here, bending moment M due to propulsive force PGIs a function of the angle (bending angle) θ of the
[Equation 3]
[0010]
Basic bending moment M shown in equation (5)C2 is shown as a pie chart taking the case where the propulsive force P is reduced and the case where the propulsive force P is increased as an example, curves 15 (when the propulsive force P is small), 16 (propulsive force) When P is large). In the figure, the
[0011]
In the present invention, the position where the
[0012]
Limit bending angle θCAs mentioned above, the basic bending moment MC'Is the allowable bending moment in the reverse direction -MPTherefore, the absolute value of the above equation (5) is the allowable bending moment M.PIt can be calculated by calculating that it is equal to. That is, the limit bending angle θCCan be calculated from Equation (6) shown in
[Expression 4]
[0013]
The critical bending angle θCCan be calculated from the above equation (6), but requires a considerable amount of calculation. Therefore, it is preferable to create an approximate expression. In the above equation (6), the bending moment MAIs the tensile strength σ at the bending temperature of the
[Equation 5]
[0014]
The magnitude of the load applied by the
[0015]
First, the case where the one
[Formula 6]
[0016]
Total bending moment M acting on the arm clamp rootCIs
MC= MC'+ Mcr ...... (9)
Therefore, by calculating this equation (9), the total bending moment MCAnd its total bending moment MCThe absolute value of is the allowable bending moment MPThus, the magnitude of the load F and the angle φ of the applied position can be obtained.
[0017]
Now, when bending 90 degrees, the basic bending moment M at the base of the arm clampCAs shown by a
[0018]
Next, in the case of performing bending at 90 degrees, the basic bending moment M at the base of the arm clampCAs shown by a
[0019]
As shown in FIG. 5A, the bending angle θ is θSWhen the application of the load F having a predetermined magnitude is started at the time of reaching the total bending moment MCMay increase sharply and adversely affect bending. In such a case, it is preferable to adopt a method in which the load applied to the
[0020]
In the embodiment shown in FIG. 5, the position where the load F is applied is the position where the angle φ = 0. Instead, as shown in FIG. 5, the position where the load F is applied (angle φ) is limited to 0. Bending angle θCYou may change so that it may become an appropriate position in the range of this. Also in this case, for example, when the bending angle θ = 90 degrees, the total bending moment MCThe absolute value of is the allowable
[0021]
Next, a case where the bending angle is performed up to 180 degrees will be described. Now, basic bending moment MCIt is assumed that 'changes as shown by a
[0022]
Here, the position where the load F is applied is the additional bending moment M until the final bending angle (the bending angle of 180 degrees in the embodiment of FIG. 8) is reached.crAny position can be used as long as it can be held at a positive value. 8 and 10, the lower limit of the region to which the load F is applied is the angle θEThen this angle θEThe position of is subjected to bending by applying a load F to the position, and the additional bending moment M when the bending end (bending
[Expression 7]
[0023]
Also in the case shown in FIG. 8, it is preferable to adopt a method of gradually increasing the load applied to the
[0024]
As shown in the embodiment of FIGS. 8 and 9, when bending 180 degrees, by applying the load F to one point, the total bending moment M in the entire bending rangeCWithin the allowable bending moment range (+ MP~ -MPIt is possible to keep it within the range. However, if the bending angle from the load application position becomes larger than a certain level, the additional bending moment due to the load F becomes small. Therefore, in order to prevent neck breakage, it is necessary to apply a considerably large load as the load F. As a result, the accuracy of the bending radius may deteriorate. In order to prevent this, it is effective to change or add the position to which the load F is applied when the bending progresses to a position close to the arm clamp root. Hereinafter, an embodiment in that case will be described.
[0025]
The bending apparatus shown in FIG. 11 includes a second
[0026]
Next, load application and bending moment change during bending by the bending apparatus shown in FIG. 11 will be described using the pie chart of FIG. In the figure, 36 is a basic bending moment M.CIt is a curve which shows the change of '. After starting the bending process, the bending angle is the first load application position (angle φ1= 30 degrees) (bending angle θ)S1) First load F to the first load application position1Start adding. At this time, the first load F1Gradually increases from zero. As a result, as shown by the
[0027]
In the above description, the first load F to the first load application position.1And second load F to the second load application position2Is switched, but the first load F1In parallel with the second load F2A configuration may be added, and in that case, the first load F1The second load F is gradually reduced.2It is good also as a structure which increases gradually. Furthermore, in the above description, the load F1However, the present invention is not limited to this, but the load F having a certain magnitude from the start of the application is not limited to this.1The load F may be changed as well.2As for the above, it is not limited to the case of applying a constant load from the beginning, but may be applied while appropriately changing the load.
[0028]
In any of the embodiments described above, the
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the bending moment M acting on the base of the arm clamp of the metal strip by the turning and propulsion force P of the bending arm at least during the bending process.C The absolute value of ′ is the allowable bending moment M of the metal stripPThe period exceeding the total bending moment M acting on the arm clamp root of the metal stripCIs the allowable bending moment MPIn the metal strip in the region extending from the straight section to the bending arm, on the side where the turning center of the bending arm is located in the bending plane. By applying a load in the direction of the head and bending while applying an additional bending moment to the base of the arm clamp, neck bending that tends to occur when performing compression bending with a small bending radius can be prevented, and there is no neck bending. It has the effect that a product can be obtained.
[0030]
Here, the period during which the load is applied to the metal strip is set so that at least the turning angle of the bending arm is the limit bending angle θ shown in the above equation (1).CIf the configuration is started before reaching, the total bending moment M acting on the arm clamp rootCThe absolute value of is the allowable bending moment MPBefore the load is exceeded, the application of a load can be started to prevent the neck from being broken, and the load application timing can be obtained by a simple calculation.
[0031]
Further, when performing a bending process in which the bending angle exceeds 90 degrees, the position at which the load is applied to the metal strip is determined by the angle θ shown in the above equation (2).EWith the above region, even when the bending angle becomes large, an additional bending moment in the positive direction can be applied to the arm clamp base. For example, in bending with a large bending angle of 180 degrees, The effect that neck breakage can be prevented is obtained.
[0032]
In addition, the position where the load is applied to the metal strip, the first load set in the region from the straight pipe portion in the vicinity of the heated portion of the metal strip to the bending arm at the time when the load starts to be applied. When the configuration is such that the applied position is changed to or added to the second load applying position that is advanced in the bending direction from the first load applying position when a predetermined amount of bending is performed thereafter, a relatively small load is applied. By doing so, the total bending moment acting on the arm clamp root can be maintained within the allowable bending moment, and the effect of preventing neck breakage without deteriorating the accuracy of the bending radius can be obtained.
[0033]
In addition, when the position where the load is applied to the metal strip is configured to move in the turning direction of the bending arm as the bending process proceeds, all the forces acting on the arm clamp base can be obtained by applying a relatively small load. The bending moment can be maintained within the allowable bending moment, and the effect of preventing neck breakage without deteriorating the accuracy of the bending radius can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a bending apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a pie chart showing the change of the bending moment acting on the arm clamp root of the metal strip during bending, with respect to the bending angle.
3 is a circle showing a change in bending moment of a bending moment acting on an arm clamp root of a metal strip during bending in the bending method according to an embodiment of the present invention using the apparatus of FIG. 1; Graph
FIG. 4 is a pie chart showing the change of the bending moment acting on the arm clamp root of the metal strip with respect to the bending angle with a large load F applied to the bending start position.
FIGS. 5 (a) and 5 (b) are pie charts showing changes in bending moment acting on the arm clamp root of a metal strip with respect to the bending angle in a bending method according to another embodiment of the present invention.
FIGS. 6A and 6B are pie charts showing changes of a bending moment acting on a base of an arm clamp of a metal strip with respect to a bending angle in a bending method according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a pie chart showing the change of the bending moment acting on the base of the arm clamp of the metal strip with respect to the bending angle when the bending angle is 180 degrees and the load F is applied at the bending start position.
FIG. 8 is a pie chart showing a change of a bending moment acting on a base of an arm clamp of a metal strip with respect to a bending angle in a bending method according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a pie chart showing a change of a bending moment acting on a base of an arm clamp of a metal strip with respect to a bending angle in a bending method according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic plan view of a bending apparatus showing a load application area when bending is performed at a large bending angle.
FIG. 11 is a schematic plan view of a bending apparatus according to another embodiment of the present invention.
12 is a pie chart showing a change of a bending moment acting on a base of an arm clamp of a metal strip with respect to a bending angle in the bending method according to the embodiment of the present invention using the apparatus of FIG.
FIG. 13 is a schematic plan view of a bending apparatus according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic plan view of a conventional bending apparatus.
FIG. 15 is a schematic plan view showing a metal strip (steel pipe) bent by a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Metal strip
2 Heating device
3 Bending arm
4 Arm clamp
5 Cooling water
6 Guide roller
11 Load applying device (first load applying device)
12 Push roller
13 Hydraulic cylinder
51 Second load applying device
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