JP4766117B2 - 冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属管の冷間抽伸方法に関し、特に金属管の薄肉側の製造可能範囲を飛躍的に拡大し、併せて冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法を提供しようとするものである。

金属管は、熱間仕上げの状態で、品質上、強度上あるいは寸法精度上の要求を満足しない場合には、冷間加工工程に送られる。冷間加工工程としては、ダイスとプラグまたはマンドレルを用いる冷間抽伸法およびコールドピルガミルによる冷間圧延法が一般的である。

冷間抽伸法では、素管の管端を口絞り機により絞り、酸洗を行うことにより表面のスケールなどを除去した後、潤滑処理を行ってダイスを通して抽伸する。冷間抽伸法には、プラグ引き、フローティングプラグ引き、マンドレル引き、そして空引きがあり、これらは全てダイスによる縮径加工によって行われる（“第３版 鉄鋼便覧 第３巻（２） 条鋼・鋼管・圧延共通設備 １１５８〜１１８３頁”など）。

図１は、従来の縮径抽伸法の説明図であり、同図（ａ）はプラグ引き、（ｂ）はマンドレル引きを示す。

同図（ａ）に示されるプラグ引きは最も一般的な抽伸法であり、素管１内にプラグ３を挿入し、素管１の管端をチャック６により掴んでダイス２を通して、図中の符号Ｘにて示す矢印の方向に引き抜く方法である。この方法は、プラグ替えや作業性にも優れており、加工度も大きくとれる。

また、（ｂ）に示されるマンドレル引きは、素管１内にマンドレル５を挿入し、上記の方法と同様にして、ダイス２を通して引き抜く方法である。この方法は、管内面の加工をマンドレルにより行うので、細径管であっても内面が美麗で寸法精度の高い製品管７を製造することができ、原子力用などの高級管の製造に使用される。

冷間抽伸に使用される抽伸機は、モータ駆動によるチェーン式のものが大部分であるが、その他に油圧式や水圧式のものもある。

金属管の冷間抽伸工程では、管材料外面とダイス表面との間、および管材料内面とプラグあるいはマンドレル表面との間に摩擦抵抗があり、これらに抗して抽伸するので、管材料には長手方向に張力が発生する。この張力を抽伸後の断面積により除して得られる張力応力が高くなると、引き細りが始まり、張力応力が管材料の変形抵抗に達すれば破断する。当然ながら、長手方向の張力応力は、管の肉厚が薄くなるほど大きくなり、破断しやすくなるので、肉厚減少率にはおのずから限界がある。したがって、肉厚減少率の大きな抽伸では、抽伸回数を増加させて抽伸作業を繰り返すことが必要になり、その都度、潤滑作業が必要となって、コスト高を招く。また、管材料の加工硬化が著しい場合には、焼鈍作業も必要となる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題は、金属管の薄肉側の製造可能範囲を飛躍的に拡大できる冷間抽伸法とそれによる超薄肉金属管の製造方法を提案することにある。なお、本発明は、薄肉の主として継目無金属管を対象としているが、薄肉の溶接金属管においても溶接部あるいは熱影響部で肉厚の不均一を生じ、その矯正が必要な場合があるので、溶接金属管も対象に含めることとする。

本発明者は、上述の課題を解決するために、従来の問題点を踏まえて研究を進め、下記の知見を得て、本発明を完成させた。

一般に、管材の塑性加工における肉厚加工は、管材料を管の長手方向に延伸加工することによって達成される。すなわち、管材の冷間抽伸では、ダイスとプラグあるいはマンドレルとの間で肉厚加工する場合に縮径しながら抽伸し、長手方向に延伸する。このように、長手方向にのみ延伸しようとするから、肉厚圧下量が制限され、薄肉化が困難となる。

本発明者は、管材を塑性加工して肉厚を圧下する際に、長手方向にのみ延伸しようとするから、肉厚圧下量が制限され、更なる薄肉化が困難になるものと解釈し、冷間抽伸法による管材の肉厚圧下に際しては、長手方向に延伸させると同時に管周方向にも延伸させるようにすれば、上記の問題は回避できるものと考えた。因みに、極端な場合として、リングミルによる環状品の圧延について検討すると、環状素材は、長手方向（軸心方向）には延伸されずに、環周方向にのみ延伸されるので、肉厚の圧下は際限なく可能となる。

抽伸工程において、管周方向に延伸させながら長手方向にも延伸させるためには、例えば、噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が拡大するソリッドダイスと、同じく噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が拡大するプラグまたはテーパマンドレルを採用して、管材料を拡径しながら肉厚を減じ、抽伸すればよい。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）および（２）に示す冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法にある。

（１）抽伸機を用いる超薄肉金属管の製造方法であって、噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かってその径が不変のソリッドダイス内に、管の一端に口拡げ加工を施した素管を挿入し、素管内にダイスの噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が拡大するプラグまたはテーパマンドレルを挿入し、口拡げ加工を施した部分をチャックにより掴んで噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かう方向に素管を引き抜くことにより、ソリッドダイスとプラグまたはテーパマンドレルとの間で、外径を不変のまま、内径のみを拡径して、管材の外径および内径の平均値である肉厚中心径を拡大させながら肉厚を減じて延伸することを特徴とする冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法。この場合に、内径の拡径代を外径の拡径代よりも大きくとらなければ、肉厚の圧下ができないことは当然である。

上記（１）では、外径を不変のまま、内径のみを拡径ししながら肉厚を減じる塑性変形を論じたが、管材の拡径変形とは、必ずしも内外径を同時に拡径させる塑性変形だけを称するわけではない。塑性学的にいえば、管材の肉厚中心径（内径および外径の平均径）を拡大させる塑性変形を拡径変形と総称する。
したがって、外径が不変のまま、内径のみを拡径させても、肉厚中心径は確実に拡大するから、拡径変形となる。

（２）抽伸機を用いる超薄肉金属管の製造方法であって、噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が縮小するソリッドダイス内に、管の一端に口拡げ加工を施した素管を挿入し、素管内にダイスの噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が拡大するプラグまたはテーパマンドレルを挿入し、口拡げ加工を施した部分をチャックにより掴んで噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かう方向に素管を引き抜くことにより、ソリッドダイスとプラグまたはテーパマンドレルとの間で、内径の拡径代を外径の縮径代よりも大きくとりつつ、外径を縮径し、内径を拡径して、管材の外径および内径の平均値である肉厚中心径を拡大させながら肉厚を減じて延伸することを特徴とする冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法。さらにまた、外径が縮径する場合であっても、内径の拡径代が外径の縮径代よりも大きい場合には、肉厚中心径は拡大し、拡径変形となる。

ここで、内径または外径の拡径比とは、冷間抽伸後の金属管の内径または外径を冷間抽伸前の金属管の内径または外径により除した比率を意味する。外径の縮径比とは、外径の拡径比が１よりも小さくなることを意味する。

図１は、従来の縮径抽伸法の説明図であり、同図（ａ）はプラグ引き、（ｂ）はマンドレル引きをそれぞれ示す。
図２は、内径および外径を同時に拡径しながら肉厚を減じて延伸する本発明に係る拡径抽伸法の説明図であり、同図（ａ）はプラグ引き、（ｂ）はマンドレル引きをそれぞれ示す。
図３は、外径を不変のまま、内径を拡径しながら肉厚を減じて延伸する本発明に係る拡径抽伸法の説明図であり、同図（ａ）はプラグ引き、（ｂ）はマンドレル引きをそれぞれ示す。
図４は、外径を縮径し、内径を拡径しながら肉厚を減じて延伸する本発明に係る拡径抽伸法の説明図であり、同図（ａ）はプラグ引き、（ｂ）はマンドレル引きをそれぞれ示す。

本発明は、前記のとおり、抽伸機を用いた冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法である。その第１態様は、抽伸機を用いる超薄肉金属管の製造方法であって、噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が拡大するソリッドダイス内に、管の一端に口拡げ加工を施した素管を挿入し、素管内にダイスの噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が拡大するプラグまたはテーパマンドレルを挿入し、口拡げ加工を施した部分をチャックにより掴んで噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かう方向に素管を引き抜くことにより、ソリッドダイスとプラグまたはテーパマンドレルとの間で、内外径を同時に拡径しながら肉厚を減じて延伸することを特徴とする冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法である。

なお、管材の前記拡径抽伸方法を実用化するためには、冷間抽伸の操業方法を従来の抽伸方法に比べて、下記のとおり変更することが望ましい。

第１に、素管の管端を口拡げ機によりテーパ状に拡径する。口拡げ機としては、例えば、押し拡げ方式を用いればよい。第２に、口拡げ加工された素管を、酸洗、潤滑処理した後、ソリッドダイスの仕上げ出口側からダイス内に導入し、素管の外径よりも大きい内面規制直径を有するプラグあるいはテーパ状マンドレルとソリッドダイスとの間で拡径しながら抽伸する。第３に、プラグあるいはテーパ状マンドレルの支持もダイスの仕上げ出口側から行う。付帯設備がダイスの仕上げ出口側に集中する難点はあるものの、薄肉の金属管を抽伸できるメリットは大きい。

発明の実施の形態を図２に示した。同図（ａ）はプラグ引き、（ｂ）はマンドレル引きを示す。同図（ａ）および（ｂ）に示されるとおり、ダイスの噛み込み入口側（図中のソリッドダイス１２の左側）から仕上げ出口側（図中のソリッドダイス１２の右側）に向かってその径が拡大するソリッドダイス１２の仕上げ出口側から、口拡げ加工された素管１をソリッドダイス１２内に挿入する。さらに、ソリッドダイス１２の入口側から出口側に向かって径が拡大し、仕上げ最大径が素管１の外径よりも大きいプラグ１３またはテーパ状マンドレル１５を素管１内に挿入し、口拡げ加工された素管１の管端をチャック６により掴み、図中の符号Ｘで示す矢印の方向に引き抜く。この操作により、素管１は、プラグ１３またはテーパ状マンドレル１５とソリッドダイス１２との間で拡径しながら抽伸される。

上記のような工程により、外径ｄｏおよび肉厚ｔｏを有する素管１は、外径ｄおよび肉厚ｔを有する製品抽伸管１７へと拡径抽伸される。

その第２態様は、外径を不変のまま、内径のみを拡径しながら肉厚を減じて延伸する冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法であり、また、第３態様は、内径の拡径代を外径の縮径代よりも大きくとりつつ、外径を縮径し、内径を拡径しながら肉厚を減じて延伸する冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法である。それらの発明の実施の形態をそれぞれ図３および図４に示した。同図（ａ）はプラグ引きを、（ｂ）はマンドレル引きをそれぞれ示す。前記の図２において説明したのと同様の方法により、プラグ１３またはテーパ状マンドレル１５とソリッドダイス１２との間で拡径しながら抽伸する。

（実施例）
本発明の冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法の効果を確認するため、下記の３例の試験を行い、その結果を評価した。なお、マンドレル引きの場合の作用および効果は、プラグ引きの場合の作用および効果とほとんど変わらないので、本実施例においては、プラグ引きについて説明する。

（本発明例１）
マンネスマン・マンドレルミルプロセスにより製造された外径３４．０ｍｍ、肉厚３．５ｍｍの１８％Ｃｒ−８％Ｎｉステンレス鋼管を供試素管とし、冷間抽伸工程において、外径５０．８ｍｍ、肉厚１．６ｍｍに拡径抽伸した。

試験条件および結果を以下に要約する。
テーパ状ソリッドダイス径：Ｄ＝３４．０〜５０．８ｍｍ
プラグ径：ｄｐ＝４７．５ｍｍ
素管外径：ｄｏ＝３４．０ｍｍ
素管肉厚：ｔｏ＝３．５ｍｍ
抽伸後の管外径：ｄ＝５０．８ｍｍ
抽伸後の管肉厚：ｔ＝１．６ｍｍ
外径拡径比：ｄ／ｄｏ＝１．４９
延伸比：ｔｏ（ｄｏ−ｔｏ）／｛ｔ（ｄ−ｔ）｝＝１．３６
（肉厚／外径）比：ｔ／ｄ＝３．１５％
肉厚中心径の拡径比：（ｄ−ｔ）／（ｄｏ−ｔｏ）＝１．６１

（本発明例２）
マンネスマン・マンドレルミルプロセスにより製造された外径５０．８ｍｍ、肉厚４．５ｍｍの１８％Ｃｒ−８％Ｎｉステンレス鋼管を供試素管とし、冷間抽伸工程において、外径５０．８ｍｍ、肉厚１．８ｍｍに拡径抽伸した。

試験条件および結果を以下に要約する。
テーパ状ソリッドダイス径：Ｄ＝５０．８〜５０．８ｍｍ
プラグ径：ｄｐ＝４７．８ｍｍ
素管外径：ｄｏ＝５０．８ｍｍ
素管肉厚：ｔｏ＝４．５ｍｍ
抽伸後の管外径：ｄ＝５０．８ｍｍ
抽伸後の管肉厚：ｔ＝１．８ｍｍ
外径拡径比：ｄ／ｄｏ＝１．００
延伸比：ｔｏ（ｄｏ−ｔｏ）／｛ｔ（ｄ−ｔ）｝＝２．３６
（肉厚／外径）比：ｔ／ｄ＝３．５４％
肉厚中心径の拡径比：（ｄ−ｔ）／（ｄｏ−ｔｏ）＝１．０６

（本発明例３）
マンネスマン・マンドレルミルプロセスにより製造された外径５３．４ｍｍ、肉厚５．５ｍｍの１８％Ｃｒ−８％Ｎｉステンレス鋼管を供試素管とし、冷間抽伸工程において、外径５０．８ｍｍ、肉厚２．０ｍｍに拡径抽伸した。

試験条件および結果を以下に要約する。
テーパ状ソリッドダイス径：Ｄ＝５３．４〜５０．８ｍｍ
プラグ径：ｄｐ＝４７．４ｍｍ
素管外径：ｄｏ＝５３．４ｍｍ
素管肉厚：ｔｏ＝５．５ｍｍ
抽伸後の管外径：ｄ＝５０．８ｍｍ
抽伸後の管肉厚：ｔ＝２．０ｍｍ
外径拡径比：ｄ／ｄｏ＝０．９５
延伸比：ｔｏ（ｄｏ−ｔｏ）／｛ｔ（ｄ−ｔ）｝＝２．７０
（肉厚／外径）比：ｔ／ｄ＝３．９４％
肉厚中心径の拡径比：（ｄ−ｔ）／（ｄｏ−ｔｏ）＝１．０２

上記の３例の試験により得られた鋼管の内外面肌は美麗であり、品質上、特に問題はなかった。なお、従来の縮径抽伸法により冷間抽伸した場合には、１８％Ｃｒ−８％Ｎｉステンレス鋼管の製造可能な最小肉厚は、外径５０．８ｍｍの場合で高々２．４ｍｍ程度であり、本発明の拡径抽伸法による効果の著しいことは明瞭である。

本発明の冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法を用いれば、冷間抽伸法による金属管の薄肉側の製造可能範囲を飛躍的に拡大することができる。本発明の方法により、従来の冷間仕上げ継目無金属管のおよそ２／３以下の肉厚を有する継目無金属管が経済的に安定して製造可能となれば、ＴＩＧ溶接管、レーザ溶接管などの薄肉溶接金属管を、本発明法で製造される高い信頼性を有する超薄肉継目無金属管により代替することが可能となる。さらにまた、肉厚０．６〜０．８ｍｍ以下の超薄肉継目無金属管を安定して製造できれば、カラーレーザプリンタの加熱スリーブ、同じく加圧ロール、あるいは燃料電池のセルケースなどのハイテク分野への適用も可能となる。

Claims (2)

1. 抽伸機を用いる超薄肉金属管の製造方法であって、
   噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かってその径が不変のソリッドダイス内に、管の一端に口拡げ加工を施した素管を挿入し、
   素管内にダイスの噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が拡大するプラグまたはテーパマンドレルを挿入し、口拡げ加工を施した部分をチャックにより掴んで噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かう方向に素管を引き抜くことにより、
   ソリッドダイスとプラグまたはテーパマンドレルとの間で、外径を不変のまま、内径のみを拡径して、管材の外径および内径の平均値である肉厚中心径を拡大させながら肉厚を減じて延伸することを特徴とする冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法。
2. 抽伸機を用いる超薄肉金属管の製造方法であって、
   噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が縮小するソリッドダイス内に、管の一端に口拡げ加工を施した素管を挿入し、
   素管内にダイスの噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かって次第にその径が拡大するプラグまたはテーパマンドレルを挿入し、口拡げ加工を施した部分をチャックにより掴んで噛み込み入口側から仕上げ出口側に向かう方向に素管を引き抜くことにより、
   ソリッドダイスとプラグまたはテーパマンドレルとの間で、内径の拡径代を外径の縮径代よりも大きくとりつつ、外径を縮径し、内径を拡径して、管材の外径および内径の平均値である肉厚中心径を拡大させながら肉厚を減じて延伸することを特徴とする冷間抽伸法による超薄肉金属管の製造方法。

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