JP4144438B2 - 熱間押広げ穿孔用プラグおよびそれを用いた加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ユージン・セジュルネ製管に供給される中空ビレットの熱間押広げ穿孔に用いられるプラグおよびそれを用いた加工方法に関し、さらに詳しくは、前記中空ビレットの熱間押広げ穿孔に際し、ビレットの内面に発生する横切れ疵等の欠陥を防止し、押切時に発生するビレットのバリ残りを抑制することができるプラグおよびそれを用いた加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
通常、高合金等の難加工性の材料からなる継目無管の製造では、ガラスを潤滑剤とするユージン・セジュルネ製管法が多用されている。この熱間製管法では、押出プレスに供給される中空ビレットを予備加工する必要があるが、この予備加工として冷間での機械加工による方法と、熱間でのプレス穿孔による方法とに区分される。
【０００３】
後者のプレス穿孔方法で予備加工を行う場合には、直接穿孔法（ピアシング法）に比べ、比較的長いビレットで穿孔でき、生産性および加工歩留まりに優れることから、押広げ穿孔による方法（エキスパンション法、本明細書では「熱間押広げ穿孔」という）が採用されている。
【０００４】
図１は、熱間押広げ穿孔による加工工程を説明する図である。同図は非特許文献１、ｐ９４３から引用している。図１（ａ）はコンテナ内にビレットを装入する工程を示し、（ｂ）〜（ｄ）はガラス潤滑剤の塗布、穿孔およびせん断押切の各工程を示している。
【０００５】
予め機械加工された２０〜３０ｍｍのガイドホールを持った中空ビレット１を１１００〜１２００℃程度に加熱した後、コンテナ３内に装入する。その後、図１（ｂ）に示すように、中空ビレット１の上面にガラス潤滑剤４を施す。
【０００６】
次に、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、所定径のエキスパンションノーズ２（本明細書では、単に「プラグ」という）をマンドレル５に装着し、中空ビレット１の内径を押広げながら穿孔して、最終的にビレット１を押切る。このとき、プラグ２の表面には押し滓１ａが付着する。その後、押広げ穿孔されたビレット１は、コンテナ３から抽出されてユージン・セジュルネ製管に供される。
【０００７】
図２は、熱間押広げ穿孔に用いられるプラグの形状例を示す図である。押広げ穿孔に用いられるプラグ２は、一定のテーパを有する円錐形をしている。熱間押広げ穿孔法では押し滓の調整が困難であり、ビレットの穿孔径が大きくなると押し滓によるロスが大きくなることがある。
【０００８】
このため、非特許文献１によれば、熱間押広げ穿孔に用いられるプラグの半頂角αは、ガラス潤滑剤の保持性と押し滓の重量を考慮して定められており、一般には１３〜２０°が適当としている。すなわち、プラグの半頂角αが小さいほど潤滑剤の保持性が改善されるが、小さすぎると押出プレスのストロークや工具素材費が増加するとともに、押切時に発生するビレットのバリ残りが増えることになる。
【０００９】
熱間押広げ穿孔で発生する欠陥疵としては、素材の品質に起因して発生する内面の横切れ疵や、潤滑不良によって発生する工具焼き付き、およびそれに起因する引っかき疵が主体となる。
【００１０】
図３は、ビレット内面に発生した横切れ疵の特徴を示す図である。同図に示すように、横切れ疵は管軸に直角または斜めに発生する切れ目状または三日月状の疵となる。このような横切れ疵の発生は、高Ｃｒ−高Ｎｉ−高Ｍｏ系の組成で構成され、合金元素を多く含む高合金、例えば、ハステロイＣ２７６等において顕著になる。
【００１１】
通常、熱間押広げ穿孔でビレット内面に横切れ疵が発生すると、熱間押出後の継目無管にも残存し、製品不良の原因となる。前述の通り、横切れ疵は被加工材の品質、すなわち熱間加工性の不足に起因するものである。そこで、横切れ疵の発生を防止するため、押広げ穿孔加工での歪み速度が低くなるように穿孔スピードを低速にしたり、また、加工度が低減するように中空ビレットの下方のガイドホールを大きくしている。
【００１２】
しかしながら、穿孔スピードを低速にすれば、熱間押広げ穿孔での生産性が著しく低下し、またガイドホールを大きく加工すれば、ビレットの加工費を増大させ、加工歩留まりでのロスが大きくなる。したがって、上述の横切れ疵の防止策は有効な対策にならない。
【００１３】
特許文献１では、連続鋳造素材を熱間押出加工した場合に、押出製品の内外表面に、押出方向にスジ状欠陥が多発し、商品価値を損なうことから、連続鋳造された素材に穿孔を行ない、穿孔穴よりも大きな鋼球をその穿孔穴の内面に通過させた後、加熱してその後に熱間押出加工する合金管の製造方法を提案している。
【００１４】
提案の製造方法を適用すれば、連続鋳造素材を熱間押出加工に適用する場合でも、分塊素材を用いた場合と同等以上の内表面品質を有する熱間押出合金管の製造が可能になるが、鋼球を穿孔穴の内面を通過させるための新たな加工が必要になり、しかもその加工速度は低速にならざるを得ない。したがって、この方法を採用すれば、熱間押出加工での生産性が低下し、製造コストが大幅に上昇することになる。
【００１５】
【特許文献１】
特開平１０−２４３１９号公報
【非特許文献１】
日本鉄鋼協会編「鉄鋼便覧第３版第３巻条鋼・鋼管・圧延設備」丸善（株）、昭和５７年１月２０日、ｐ．９４２〜９４８
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、熱間押広げ穿孔加工においては、素材品質に起因する内面横切れ疵や潤滑不良に起因する工具焼き付き、引っかき疵等の欠陥疵の他に、押切時に発生するビレットのバリ残りが問題となる。すなわち、ビレット後端に残存するバリが多くなると、以降の工程でビレットの搬送が困難になり、押出時にバリを噛み込むことによって管内面に疵が発生するという問題を生じることによる。
【００１７】
このため、従来からプラグ形状をガラス潤滑剤の保持性と押し滓の重量を考慮して決定したり、さらに、欠陥疵の発生を防ぐために穿孔条件（穿孔スピードの低速化、加工度の低減等）を変更しているが有効な対策となっていない。
【００１８】
本発明は、このような熱間押広げ穿孔が包含する問題点に鑑みてなされたものであり、中空ビレットの熱間押広げ穿孔に際し、ビレットの内面に発生する横切れ疵や焼き付き疵等の欠陥を防止し、押切時に発生するビレットのバリ残りを適切に抑制することができるプラグおよびそれを用いた加工方法を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するため、種々の被加工材を用い、プラグ形状を変更して熱間押広げ穿孔を行い、発生する横切れ疵等を防止するとともに、残存するバリを抑制するのに最適な加工方法を検討した。この検討によれば、例えば、ＦＥＭ解析の結果から、プラグ形状が被加工材表面の歪み速度に影響を及ぼし、プラグの半頂角を２０°から１５°に変更すると最大歪み速度が半減することなどが明らかになる。
【００２０】
図４は、プラグの半頂角αを２０°および１５°とした場合の押広げ穿孔の加工状況およびメタルフロー状況を説明する図である。一般に、熱間押広げ穿孔におけるメタルフローは、３つの領域に区分することができる。すなわち、加工開始時における非定常領域、メタルフローが広範囲に安定する定常領域、および押切前の非定常領域である。
【００２１】
したがって、図４では、押広げ穿孔の加工状況を（ａ）に示す加工開始時、（ｂ）に示す加工定常時、（ｃ）に示す押切完了前、および（ｄ）に示す押切完了後に区分して示す。ただし、いずれの場合も中空ビレット１の内面にガラス潤滑が充分に塗布されていることを前提としている。
【００２２】
加工開始時には、ビレット１の内面と接触を開始するプラグ２先端側で加工度が高く、面圧が最も高くなる。プラグの半頂角αを２０°で用いる場合には、加工開始時で中空ビレット１の内面コーナー部のメタルを噛み込むことがあり、次の加工定常時になると高面圧のためメタルの脱落や焼き付きの発生がある。また、難加工性の被加工材になると歪み速度が大きいため、横切れ疵の発生も見られる。
【００２３】
これに対し、プラグの半頂角αを１５°で用いる場合には、加工開始時にビレット１の内面と接触を開始するプラグ２先端側で面圧が高くなるが、加工定常時になると面圧の低下によりガラス潤滑を引き込み、良好な潤滑性を発揮できる。
【００２４】
押広げ穿孔の加工後半において、プラグの半頂角αを２０°で用いる場合には、押切完了前でせん断力が大きくなり、押切完了後にプラグ２に押し滓１ａが形成されるが、ビレット１に残存するバリを抑制することができる。一方、プラグの半頂角αを１５°で用いる場合には、押切完了前でせん断力が小さく、押切完了後にプラグに付着する押し滓１ａは少ないが、ビレット１に残存するバリ１ｂは増大することになる。
【００２５】
換言すると、プラグの半頂角αを大きくすることによって、加工開始から加工定常時にかけて、焼き付きや横切れ疵の発生のおそれがある。逆に、プラグの半頂角αを小さくすると、押切時の被加工材と押し滓とのせん断力を弱めることになり、ビレット後端面に多くのバリを残存させることになる。ビレットに残存するバリが多くなると、前述の通り、以降の工程での支障を生じることになり、残存量を抑制する必要がある。
【００２６】
本発明者は、さらに検討を進めた結果、押広げ穿孔の加工プロセスに応じて、適正なプラグの半頂角を選択できることを明らかにした。特に、ビレット後端面のバリ残存量は、押広げ穿孔加工の最終段階でプラグがビレットを押し切る際のせん断力により決定されるので、押切時におけるビレットと接触するプラグの後端側が重要な役割を担うことになる。そのため、プラグの先端側の半頂角とは別個に、後端側の半頂角を適切に調整すれば、加工定常時での焼き付きや横切れ疵の発生をなくし、ビレット後端部のバリ残存を抑制できることを知見した。
【００２７】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）、（２）の熱間押広げ穿孔用プラグ、および（３）の加工方法を要旨としている。
（１）先端から後端に亘り２段テーパを有し、先端側テーパの半頂角が１０〜１７°であり、後端側テーパの半頂角が１８〜２３°であることを特徴とする熱間押広げ穿孔用プラグである（以下では、単に「２段テーパプラグ」という）。
【００２８】
上記２段テーパプラグでは、前記後端側テーパの長さを１０〜５０ｍｍにするのが望ましい。
（２）先端から後端に亘り連続テーパを有し、先端側テーパの半頂角が１０〜１７°で始まり、後端側テーパの半頂角が１８〜２３°で終わることを特徴とする熱間押広げ穿孔用プラグである（以下では、単に「連続テーパプラグ」という）。
（３）上記の２段テーパプラグおよび連続テーパプラグのいずれかを用いて、中空ビレットの熱間押広げ穿孔を行うことを特徴とする加工方法である。
【００２９】
本発明で規定する「連続テーパ」とは、プラグの先端側の半頂角が低角度で連続的に角度が大きくなり、後端側の半頂角が高角度となるテーパ形状をいい、さらに、プラグの先端側の半頂角が低角度で後端側の半頂角が高角度となる場合に、２段階を超えて断続的に大きくなるテーパ形状も含むものとする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図５は、本発明の２段テーパプラグの形状を示す図である。前述の通り、熱間押広げ穿孔において被加工材の歪み速度が最も速くなるのが、前記図４に示す加工開始時にビレットの内面と接触を開始するプラグ先端側である。このため、プラグ先端側で加工度が高く、面圧が最も大きくなる。
【００３１】
このようなプラグ先端側での加工状況に対応するため、本発明の２段テーパプラグでは、先端側テーパの半頂角を１０〜１７°にする。焼き付きや横切れ疵の発生をなくすには、プラグの半頂角を小さくする必要があるが、プラグの半頂角を小さくし過ぎると、プラグ長さを確保しなければならず工具費用が増大する。
【００３２】
このため、先端側テーパの半頂角を１０〜１７°にする。さらに、横切れ疵の発生防止を優先する場合には、先端側テーパの半頂角を１０〜１５°にするのが望ましい。
【００３３】
さらに、本発明の２段テーパプラグでは、後端側テーパの半頂角を１８〜２３°にする。押し滓の押切時にビレットに残存するバリをなくするには、プラグの半頂角を１８°以上にして、せん断力を確保する必要がある。しかし、プラグの半頂角が２３°を超えて大きくなると、潤滑ガラスの供給不足にともなうビレットとの焼き付きによる摩耗が生ずるという問題が発生する。したがって、後端側テーパの半頂角を１８〜２３°にする必要がある。
【００３４】
図５に示す２段テーパプラグでは、先端側テーパの長さＬ２と後端側テーパの長さＬ１で構成されている。後端側テーパの長さＬ１は、押し滓の押切時にビレットとプラグが接触している長さに相当するが、押広げ加工中の潤滑ガラスの安定供給を確保する観点から、１０〜５０ｍｍとするのが望ましい。
【００３５】
図６は、本発明の連続テーパプラグの形状を示す図である。熱間押広げ穿孔に連続テーパプラグを用いる場合であっても、前記図５に示す２段テーパプラグと同様に、プラグ先端側で加工度が高く、面圧が最も大きくなる。
【００３６】
前述の通り、焼き付きや横切れ疵の発生をなくすには、プラグの半頂角を小さくする必要があるが、プラグの半頂角を小さくし過ぎると、工具費用が上昇するので、本発明の連続テーパプラグでは、先端側テーパの半頂角を１０〜１７°で始まるようにする必要がある。
【００３７】
また、押し滓の押切時のせん断力を確保してビレットに残存するバリを抑制するとともに、潤滑ガラスの供給不足にともなうビレットとの焼き付きによる摩耗の問題を解消するため、後端側テーパの半頂角を１８〜２３°で終わることが必要である。
【００３８】
本発明の加工方法では、図５に示す２段テーパプラグまたは図６に示す連続テーパプラグを用いて熱間押広げ穿孔を行うことにより、ビレットの内面に発生する横切れ疵や焼き付き疵等の発生を防止し、押し滓の押切時に発生するビレットのバリ残りをなくし、または適切に抑制することができる。
【００３９】
【実施例】
本発明の２段テーパプラグおよび連続テーパプラグを用いて、中空ビレットを熱間押広げ穿孔した場合の効果を説明する。使用したプラグは、比較例として１段テーパプラグ、前記図５に示す２段テーパプラグ、および図６に示す連続テーパプラグとした。
【００４０】
被加工材として高合金のハステロイＣ２７６を用い、予め機械加工によりビレットを全長９５０ｍｍ、外径２８５ｍｍ、内径１３４ｍｍの寸法に加工した。得られたビレットを約１２００℃まで加熱し、熱間押広げ穿孔用のコンテナ内に装入した。次に、潤滑処理として、ビレットの外面にはガラス潤滑剤Ｃ−１０５（商品名、千代田化学株式会社製）を、内面にはガラス潤滑剤Ｚ（商品名、同社製）を散布した。
【００４１】
熱間押広げ穿孔では、表１に示すプラグ形状の各プラグを用いた。熱間押広げ穿孔を行った後、コンテナから加工された中空ビレットを取り出して、熱間押広げ穿孔による加工状況を観察した。その結果を表１に示す。
【００４２】
取り出されたビレットは全長１１３５ｍｍ、外径２９５．５ｍｍ、内径１７５ｍｍであった。熱間押広げ穿孔による加工状況の観察は、ビレット内面の横切れ疵の発生状況と後端面のバリ残りを目視により確認した。
【００４３】
観察結果は、ユージン・セジュルネ製管に供給するビレットとして使用できないものを“大”、微小な横切れ疵またはバリ残りが若干あるものを“小”、横切れ疵およびバリ残りがないものを“なし”として評価した。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１に示す結果から、１段テーパで構成される比較例では、プラグの半頂角が２０°と大きくなるとビレット内面に横切れ疵の発生があり、またプラグの半頂角が１５°と小さくなるとビレット後端のバリ残存量が多くなり、いずれも熱間押出用のビレットとして使用できない。
一方、２段テーパまたは連続テーパで構成される本発明例では、先端側テーパの半頂角θ２および後端側テーパの半頂角θ１が本発明で規定する範囲を満足するので、良好な押広げ穿孔の結果であり、いずれも熱間押出に用いることができるビレットであった。そのうち、試験Ｎｏ．３において、後端側テーパの長さが５ｍｍと短いためバリ残りが若干発生したが、熱間押出に用いることができる程度であった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の熱間押広げ穿孔用プラグによれば、中空ビレットの熱間押広げ穿孔に際し、ビレットの内面に発生する横切れ疵や焼き付き疵等の欠陥を防止し、押切時に発生するビレットのバリ残りを適切に抑制することができる。したがって、本発明のプラグを用いた加工方法を採用すれば、ユージン・セジュルネ製管による熱間製管を高い生産性で、かつ良好な歩留まりで効率的に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱間押広げ穿孔による加工工程を説明する図である。
【図２】熱間押広げ穿孔に用いられるプラグの形状例を示す図である。
【図３】ビレット内面に発生した横切れ疵の特徴を示す図である。
【図４】プラグの半頂角αを２０°および１５°とした場合の押広げ穿孔の加工状況およびメタルフロー状況を説明する図である。
【図５】本発明の２段テーパプラグの形状を示す図である。
【図６】本発明の連続テーパプラグの形状を示す図である。
【符号の説明】
１：ビレット、 ２：エキスパンションノーズ、プラグ
３：コンテナ、 ４：ガラス潤滑剤
５：マンドレル
１ａ：押し滓、 １ｂ：バリ残り

Claims (4)

1. 先端から後端に亘り２段テーパを有し、先端側テーパの半頂角が１０〜１７°であり、後端側テーパの半頂角が１８〜２３°であることを特徴とする熱間押広げ穿孔用プラグ。
2. 前記後端側テーパの長さが１０〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の熱間押広げ穿孔用プラグ。
3. 先端から後端に亘り連続テーパを有し、先端側テーパの半頂角が１０〜１７°で始まり、後端側テーパの半頂角が１８〜２３°で終わることを特徴とする熱間押広げ穿孔用プラグ。
4. 前記請求項１〜３のいずれかに記載のプラグを用いて、中空ビレットの熱間押広げ穿孔を行うことを特徴とする加工方法。

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