JP4360148B2 - 管の絞り圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管等の金属管を絞り圧延する際に用いられる、管の絞り圧延方法に関する。

例えばＮ＝３の場合を図１に示すように、管（金属管）１の絞り圧延は、複数のＮロールスタンド２をタンデムに配置した絞り圧延装置（以下、Ｎロールレデューサあるいは該Ｎに２以上の自然数を代入して例えば３ロールレデューサ等という。）を用いて行なわれる。ここで、Ｎロールスタンドとは、Ｎ個のカリバーロール（以下、単にロールという。）２を円周方向に等間隔に配置した圧延機スタンド（以下、単にスタンドという。）をいう。Ｎロールレデューサでは、プラグ等の内面工具は使用されない。

各スタンドにおいて各ロール中心軸に共通する面内でパスライン中心を回転中心とする動径を、該回転中心から鉛直上方に伸ばした半直線と該動径が重なる位置を起点に、入側（：材料（管）を入れる側）からみて右回りに回転させたとき、該動径が最初に交差するロールのカリバ中心点までの回転角度をそのスタンドの位相角と呼ぶことにすれば、３ロールレデューサの場合、隣り合うスタンド同士の位相角は、通常６０°（Ｎロールレデューサでは通常１８０°／Ｎ）ずらして、すなわち互いの位相角差が６０°となるように、設定される（図２参照）。しかし、隣り合うスタンド同士の位相角差を通常の６０°にすると、この６０°のピッチで材料の円周方向に他の部位よりも肉厚が薄くなろうとする部位が生じ、この部位は、内面工具のない（したがって拘束されていない）内面側において角張った断面形状を呈するようになり、その結果、絞り圧延後の製品に内面六角張りと呼ばれる管内面の形状不具合が発生して偏肉が大きくなる問題がある。同様に、２ロールレデューサでは前記位相角差を通常の９０°にすると内面四角張り、４ロールレデューサでは前記位相角差を通常の４５°にすると内面八角張りがそれぞれ発生する問題がある。

この所謂内面角張りの発生による偏肉を軽減する技術として、例えば特許文献１では、隣り合うスタンド同士の位相角差を１８０°／ＮとされたＮロールレデューサにおいて、少なくとも一対の隣り合うスタンド同士の位相角差を９０°／Ｎに変更し、さらに少なくとももう一対のそれを４５°／Ｎに変更することが提案されている。その一例として示した図３では、第ｉ＋１スタンドと第ｉ＋２スタンド同士の位相角差が通常の１８０°／３＝６０°から９０°／３＝３０°に変更されている。
特開昭６１−２１６８０６号公報

しかし、前スタンドとの位相角差が９０°／Ｎあるいは４５°／Ｎになるスタンドさらには一般に−１８０°／Ｎ、１８０°／Ｎのいずれにも一致しないスタンドは、すべて非対称圧延を行なうスタンド（以下、非対称圧延スタンドという。）になる。非対称圧延スタンドでは、例えばＮ＝３の場合を図４（ａ）に示すように、噛み込み位置で管１とロール３とが非対称に接触６する（噛み込み位置での材料１とロール３との接触点がカリバー中心点からずれる。）。これに対し前スタンドとの位相角差の絶対値が１８０°／Ｎに一致するスタンドは対称圧延を行うスタンド（以下、対称圧延スタンドという。）になる。非対称圧延スタンドでは、例えば図４（ｂ）に示すように、噛み込み位置で管１とロール３とが対称に接触６する（噛み込み位置での材料１とロール３との接触点がカリバー中心点に一致する。）。
非対称圧延スタンドを設けることは、前述のように内面角張りの発生による偏肉を低減する面では有効であるが、このスタンドでは、図４（ａ）に示すように、前スタンドのカリバー端部で圧延されて尖った形状になっている材料部位が、このスタンドの噛み込み位置でカリバー端部に近いところに接触することになるため、材料１にねじれ７が発生し、いびつな内面角張りが発生して偏肉が大きくなるという問題があった。また、カリバー端同士の隙間からの材料の噛み出しが起こりやすくなり、この噛み出しによる疵が製品に発生しやすいという問題もあった。
本発明は、この問題を解決し、内面角張りの発生による偏肉を低減し、さらには製品外面の疵発生を防止しうる管の絞り圧延方法を提供することを目的とする。

発明者らは、前記目的を達成するために鋭意検討し、その結果、Ｎロールレデューサを用いた管の絞り圧延において、第ｉスタンドの位相角をθ_ｉ（値域は０°≦θ_ｉ＜３６０°／Ｎとする。）、次スタンド（第ｉ＋１スタンド）との位相角差をΔθ_ｉ＝θ_ｉ＋１−θ_ｉとすると、｜Δθ_ｉ｜≠π／Ｎ（ただし、π＝１８０°である。以下同じ。）なるスタンド（すなわち次スタンドが非対称圧延スタンドになるスタンド）全部の位相角θ_ｉの非重複値を昇順に並べた数列φ_１，φ_２，‥‥，φ_ｍ（ｍ；次スタンドが非対称圧延スタンドになるスタンドの個数）の後に該数列の初項φ_１＋２π／Ｎを付加してなる数列φ_１，φ_２，‥‥，φ_ｍ，φ_ｍ＋１の隣接項差の最大値Δφ_maxがπ／Ｎ以下となるように、全スタンドの位相角を設定することにより、非対称圧延に起因する偏肉を管周方向に分散させることができて、偏肉を有効に低減できることを見いだした。さらに、｜Δθ_ｉ｜≧２５°とすることで、偏肉低減に加え噛み出しによる疵の発生防止をも達成できることを見いだした。

すなわち、本発明は、Ｎロールレデューサを用いて行う管の絞り圧延方法において、該Ｎロールレデューサをなすスタンドのうち次スタンドが非対称圧延スタンドになるスタンド全部の位相角θ（０°≦θ＜３６０°／Ｎ）の非重複値を昇順に並べた数列の後に該数列の初項＋２×１８０°／Ｎを付加してなる数列の隣接項差の最大値が１８０°／Ｎ以下となるように、全スタンドの位相角を設定したことを特徴とする管の絞り圧延方法（ただし、第１スタンド〜第２４スタンドの位相角θ［°］が、第１スタンドから順に、０，６０，３０，９０，１５，７５，１０５，４５，０，６０，３０，９０，１５，７５，１０５，３０，０，６０，０，６０，０，６０，０，６０である場合、および、０，６０，３０，９０，１５，７５，１０５，４５，０，６０，３０，９０，１５，７５，１０５，３０，０，６０，９０，３０，０，６０，９０，３０である場合を除く）である。

本発明では、隣接スタンド間の位相角差の絶対値を２５°以上とするのが好ましい。

本発明によれば、次スタンドが非対称圧延スタンドになるスタンド全部の位相角θ（０°≦θ＜３６０°／Ｎ）の非重複値を昇順に並べた数列の後に該数列の初項＋２π／Ｎを付加してなる数列の隣接項差の最大値がπ／Ｎ以下となるから、非対称圧延に起因する偏肉が管周方向に分散して、偏肉を有効に低減することができる。さらに、隣接スタンド間の位相角差の絶対値を２５°以上とすることで、前記偏肉低減に加え、噛み出しによる疵の発生防止をも達成することができる。

本発明において、Ｎロールレデューサの各スタンドのロール個数Ｎ（：２以上の自然数）は４以下が好ましい。Ｎ≧５では装置が複雑になって設備コストが嵩む。全スタンド数は、本発明ではとくに限定しないが、好ましくは６〜４０である。この好適範囲を下回ると非対称圧延による十分な偏肉分散効果が得られない点で不利であり、一方、上回ると設備コストが増大する点で不利である。また、とくに限定されないが、非対称圧延スタンドの個数は、少なすぎると偏肉低減効果が小さくなり、多すぎると疵発生防止効果が小さくなるから、全スタンド数に対する割合で２０〜８０％とするのが好ましい。各スタンドの位相角は、第１スタンドを適宜の値（例えば０°またはπ／Ｎ）に設定し、他のスタンドについては、前スタンドとの位相角差が４５°／Ｎ（＝π／（４Ｎ））の整数倍になるように設定するのが、設定しやすさの点で好ましい。

また、絞り圧延を実行する際に設定される、各スタンドの楕円率および縮径率は、本発明ではとくに限定されず、製品サイズや圧延能率等を勘案して適宜決定すればよい。なお、楕円率は、パスライン中心点からカリバー中心点までの距離ｂ（≦カリバー曲率半径Ｒ）と、パスライン中心点からカリバー端点までの距離ａ（＞ｂ）とを用いて、式：（ａ−ｂ）／ａ（×100％）で定義される。また、第ｉスタンドの縮径率は、該第ｉスタンドの入側の管外径Ｄ_ｉ−１と出側の管外径Ｄ_ｉを用いて、式：１−Ｄ_ｉ／Ｄ_ｉ−１（×100％）で与えられる。
本発明では、用いるＮロールレデューサを、対称圧延スタンド（前スタンドとの位相角差の絶対値＝π／Ｎ）と非対称圧延スタンド（前スタンドとの位相角差の絶対値≠π／Ｎ）との混合で編成する（なお、第１スタンドは前スタンドをもたないが、便宜上対称圧延スタンドに含める）。この点については従来と同様であるが、こうするだけでは、非対称圧延によるいびつな内面角張りが発生する場合がある。
例えば全１６スタンドの４ロールレデューサにおいて、各スタンドの位相角を０°またはπ／１６（＝１１．２５°）の整数倍とし、対称圧延スタンドと非対称圧延スタンドとを従来の方法で配列した場合の、各スタンドのカリバー端点の円周方向角度位置（パスライン中心点の鉛直上方位置を角度０°とし、スタンドの入側からみて右回りの角度で表す。）をスタンド番号順にプロットして図５に示す。図５中、●は次スタンドが非対称圧延スタンドになるスタンドのプロット点であり、○はそれ以外のスタンドのプロット点である。すなわち、●のプロット点は、次スタンドの噛み込み位置でロールと非対称に接触する管の当該非対称接触部分（：管の非対称接触部）の円周方向角度位置を示すものにもなっている。この管の非対称接触部の円周方向角度位置は、圧延全体を通してみたとき、０〜３６０°の全角度範囲内の４等分点近傍の計４つの局所領域Ｚ内に偏在している。すなわち、管は全周の４等分点近傍の局部で集中的に非対称圧延による力を受けていることになり、このことが、いびつな内面角張り発生の原因となっていた。

そこで、本発明では、管の非対称接触部が円周方向の局所に偏在しないようにするために、次スタンドが非対称圧延スタンドになるスタンド全部の位相角θ（０°≦θ＜３６０°／Ｎ）の非重複値を昇順に並べた数列の後に該数列の初項＋２π／Ｎを付加してなる数列の隣接項差の最大値がπ／Ｎ以下となるようにした。この数列には、図５の従来例ではφ_１，φ_２，‥‥，φ_５（φ_５＝φ_１＋２π／４）が該当し、その隣接項差のうちではφ_５−φ_４が最大であるが、該最大値Δφ_maxは５６．２５°（＝５π／１６）となり、π／４を超えている。そのため、図５の従来例では管の局部が集中的に非対称圧延による力を受けていた。

これに対し、本発明では、例えば、図５の従来例において、各スタンドの位相角を、前記最大値Δφ_maxがπ／４以下（例えばπ／８＝２２．５°）となるように変更した場合について、図５と同様にプロットして図６に示すように、圧延全体を通してみたとき、管の非対称接触部が管の全周にわたって略一様に分散することになるから、いびつな内面角張りの発生を有効に防止することができる。

もっとも、Ｎロールレデューサの中に、隣接スタンド間の位相角差の絶対値が２５°未満になるスタンドが一対でも存在すると、カリバー端同士の隙間からの材料の噛み出しが顕著になり、製品の外面に疵が発生しやすくなるので、本発明では、全スタンドについて隣接スタンド間の位相角差の絶対値が２５°以上となるようにするのが好ましい。

全１６スタンドの４ロールレデューサを用いて、外径９０ｍｍ×肉厚６ｍｍの電縫鋼管（ＪＩＳ ＳＴＫＭ１３Ａ相当）を素材として表１に示す条件で絞り圧延を試行した。圧延後の製品について、切断した断面を画像解析して円周方向の肉厚分布を測定し、その結果を基に偏肉の程度（許容範囲内：○、許容範囲外：×）を判定し、一方、外面の目視観察により疵の発生程度を２段階（無：○、有：×）に分級評価した。結果を表１に示す。この表に示したように、本発明に則って各スタンドの位相角を設定した発明例では、偏肉は許容範囲内に抑えられ、さらに全スタンドについて隣接スタンド間の位相角差の絶対値を２５°以上とした発明例では疵の発生も抑えられたのに対し、本発明を逸脱した比較例では、許容範囲外の偏肉が発生し、また疵も発生した。

通常の３ロールレデューサを用いた管の絞り圧延方法を示す概念図である。 隣り合うスタンド同士の位相角差が１８０°／Ｎ（Ｎ＝３）の場合に内面六角張りが発生することを示す説明図である。 従来技術の一例を示す説明図である。 従来技術の問題点を示す説明図である。 従来技術では管の非対称接触部が円周方向の局所に偏在することを示す説明図である。 本発明により管の非対称接触部が管の全周にわたって略一様に分散することを示す説明図である。

符号の説明

１ 管（金属管または材料）
２ スタンド（Ｎロールスタンド、３ロールスタンド、４ロールスタンド等）
３ ロール（カリバーロール）
６ （ロールと材料の）接触
７ ねじれ

Claims (2)

1. Ｎロールレデューサを用いて行う管の絞り圧延方法において、該Ｎロールレデューサをなすスタンドのうち次スタンドが非対称圧延スタンドになるスタンド全部の位相角θ（０°≦θ＜３６０°／Ｎ）の非重複値を昇順に並べた数列の後に該数列の初項＋２×１８０°／Ｎを付加してなる数列の隣接項差の最大値が１８０°／Ｎ以下となるように、全スタンドの位相角を設定したことを特徴とする管の絞り圧延方法（ただし、第１スタンド〜第２４スタンドの位相角θ［°］が、第１スタンドから順に、０，６０，３０，９０，１５，７５，１０５，４５，０，６０，３０，９０，１５，７５，１０５，３０，０，６０，０，６０，０，６０，０，６０である場合、および、０，６０，３０，９０，１５，７５，１０５，４５，０，６０，３０，９０，１５，７５，１０５，３０，０，６０，９０，３０，０，６０，９０，３０である場合を除く）。
2. 隣接スタンド間の位相角差の絶対値を２５°以上としたことを特徴とする請求項１記載の管の絞り圧延方法。

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