JP5082544B2 - 板の曲げ成形装置および曲げ成形方法 - Google Patents

板の曲げ成形装置および曲げ成形方法 Download PDF

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本発明は、板をU字型に曲げる曲げ成形装置および曲げ成形方法に関する。
石油・天然ガスの輸送手段の一つにパイプラインを用いる方法があり、UOE成形法を用いたUOE鋼管が利用されている。
図7はUOE成形工程の一例を示す模式図であり、クリンピングプレス21により両端部に曲げ加工を施された鋼板11にUプレス22による曲げを与え、徐荷後に左右の両辺がおおよそ垂直なU管12に成形した後、Oプレス23にてこのU管12を丸め、おおよそ真円形状の素管13を作製する。さらに、素管13の突合せ部に溶接を行った後、拡管工程で寸法調整を行い、製品14となす。
従来のラインパイプ用のUOE鋼管に要求される強度は、例えばAPI−5L規格ではX65グレード(降伏強度65000psi=448Mpa以上、引張強度77000psi=530Mpa以上)が主流であったが、昨今の活発なエネルギー需要を受け、エネルギー源の遠隔地化が進み、エネルギーを輸送するためのパイプラインも長距離化している。このような長距離パイプラインの建設コストを低減するために、薄肉化による鋼材重量の低減や、高圧操業による運転コストの低減を図るために、X80グレード(降伏強度80000psi=551Mpa以上、引張強度90000psi=620Mpa以上)以上の薄肉高強度管の需要が増加している。
このような高強度管の需要に対応して素材鋼板が高強度化されると、鋼板を曲げた後のスプリングバック量が大きくなるため、成形後に所望の形状が得にくくなり、UOE鋼管の製造において次のような問題が生じる。
図8はその一例であり、Uプレス22でU字形状に曲げ成形された鋼板11のスプリングバック量が大きくなるため、U字形状に曲げ成形された管(U管)12の最上部の幅が広くなる。この幅が次工程のOプレス23の金型幅よりも広くなりすぎると、Oプレス23内へ搬送できず、製造が不可能となる。例えば、U管12の幅を狭めながらOプレス23内に搬送できるように、搬送装置を改造することも考えられるが、設備改造にともない大きな投資や長期の休止が発生するため、好ましくない。
また、図9は別の一例であり、U管12の全体幅を狭くすることで、U管12最上部の幅の開きは小さくなり、Oプレス23への搬送を可能としても、Oプレス後のスプリングバックで元のU管12の形状に戻ろうするため、Oプレス後の素管13の横幅が小さくなり、全体に縦長形状となってしまう。この縦長形状が大きすぎると拡管工程でも、矯正しきれずに最終製品の真円度が確保できない。
これに対して、これまでにも、Uプレス後のU管の形状を最適にするための発明が種々提案されている。
例えば、特許文献1には、底部100〜150度の範囲は、Uプレス後にスプリングバックした後の半径がOプレス工具の内径にほぼ相当した曲率半径となる曲率半径を有し、この底部に連続した両側部における側部曲率半径が底部曲率半径よりも少なくとも30%以上小さい値であるUプレス工具を用いてUプレスを行うことによってU管の形状を最適化し、その後のOプレスや仮付け等の作業性を良好にして品質および生産性をいずれも向上させる技術が提案されている。
また、特許文献2、特許文献3にUプレスのパンチの形状、特にパンチの半径を部分的に小さくし、スプリングバックを抑える方法が提案されている。
なお、通常、Uプレス装置(U曲げ成形装置)は、鋼板をU字形状に曲げ成形を行うために、鋼板から押し込まれる部分(押し込み部)と、鋼板を支える部分(支え部)を備えるとともに、押し込み部の動作を支え部の横方向の動作に変換する機構を有している。代表的なUプレス装置を図5、図6に示す。
図5に示すUプレス装置(U曲げ成形装置)30は、いわゆるバーソン型Uプレス装置であり、押し込み部33と支え部34とが一体の部材となった下型(ロッカーダイ)32を左右に備え、左右の各ロッカーダイ32が回転支点35を中心にして回転するようになっている。そして、パンチ31が鋼板11を押し下げると、押し込み部33が押下されることで、左右のロッカーダイ32が回転し、左右の支え部34が互いに間隔を閉じるように横方向に移動する。これによって、U管12が成形される。なお、図5中の36はクッションである。
一方、図6に示すUプレス装置(U曲げ成形装置)40は、いわゆるカイザー型Uプレス装置であり、押し込み部(サドル)43と支え部(ブレーキロール)44がリンク機構45によって結合されている。そして、パンチ41が鋼板11を押し下げると、押し込み部43が押下され、リンク機構45の働きにより、左右の支え部44が互いに間隔を閉じるように横方向に移動する。これによって、U管12が成形される。
特開昭59−209425号公報 特開2001−252722号公報 特開2004−261845号公報
しかし、特許文献1の技術は、「・・・UOE鋼管の降伏応力が・・・30〜70kg/mm・・・」と記載されていることからも明らかなように、最高でもX75グレードの鋼板を適用対象としており、例えばX80グレード等、昨今要求されている高強度UOE鋼管を対象とすると、U管最上部の幅が広くなりすぎ適用できない。
また、特許文献2、3の方法は、パンチに鋼板が密着することにより初めて所定の効果が得られるが、実際の曲げ過程においてはパンチおよび下部の受けとの間で、力の釣合いを満足する変形状態となるために、4点曲げ状態となることが多く、必ずしもパンチと鋼板は完全には密着していないことが多く見受けられ、その効果が充分に得られていないのが実情である。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、高強度UOE鋼管を製造するに際して、Uプレスによる曲げ(U曲げ)時に、鋼板とパンチの密着性を高めて、素材の高強度鋼板を所定のU字形状に的確に曲げることを可能にする板の曲げ成形装置および曲げ成形方法を提供することを目的とする。
発明者らは、前記目的を達成すべく検討を重ね、高強度UOE鋼管を製造するに際して、U曲げ時の曲げモーメントを適切に制御することにより、U曲げ時にパンチの下側(底部)への鋼板の密着性を高めることが可能であり、それによって、素材の高強度鋼板を所定のU字形状に的確に曲げることができるとの知見を得、以下に示す曲げ成形装置および曲げ成形方法を想到した。
すなわち、本発明は以下のような特徴を有している。
[1]板をU字形状に曲げ成形を行うために、板から押込まれる部分(以下、押し込み部)と、板を支える部分(以下、支え部)とからなり、押し込み部の動作を支え部の横方向の動作に変換する機構を有する曲げ成形装置において、
押し込み部と支え部が一体の部材となっており、該一体の部材を保持する部分を回転中心にして回転することで、支え部が横方向に移動する機構になっていて、
押し込み部に板が接した時に、押し込み部に作用する反力から受ける曲げモーメントが支え部に作用する反力から受ける曲げモーメントより大きくなることを特徴とする板の曲げ成形装置。
[2]押し込み部に板が接触した瞬間に、下式を満たす位置関係となるように配置されていることを特徴とする前記[]に記載の板の曲げ成形装置。
ここで、
LA:押し込み部に作用する反力ベクトルFと回転中心の距離
LB:支え部に作用する反力ベクトルFと回転中心の距離
La:押し込み部での反力作用点Aと鋼板とパンチの接触点aの距離
Lb:支え部での反力作用点Bと鋼板とパンチの接触点bの距離
θpa:パンチと鋼板の接触点aでの接触角度
θpb:パンチと鋼板の接触点bでの接触角度
θdA:押込み部と鋼板の接触点Aでの接触角度
θdB:支え部と鋼板の接触点Bでの接触角度
]板をU字形状に曲げ成形を行うために、板から押込まれる部分(以下、押し込み部)と、板を支える部分(以下、支え部)とからなり、押し込み部の動作を支え部の横方向の動作に変換する機構を有し、
押し込み部と支え部が一体の部材となっており、該一体の部材を保持する部分を回転中心にして回転することで、支え部が横方向に移動する機構になっている曲げ成形装置を用い、
押し込み部に板が接した時に、押し込み部に作用する反力から受ける曲げモーメントが支え部に作用する反力から受ける曲げモーメントより大きくなる状態で、板の曲げ成形を行うことを特徴とする板の曲げ成形方法。
[4]押し込み部に板が接触した瞬間に、下式を満たす位置関係となるように配置されている曲げ成形装置を用いることを特徴とする前記[3]に記載の板の曲げ成形方法。
ここで、
LA:押し込み部に作用する反力ベクトルFと回転中心の距離
LB:支え部に作用する反力ベクトルFと回転中心の距離
La:押し込み部での反力作用点Aと鋼板とパンチの接触点aの距離
Lb:支え部での反力作用点Bと鋼板とパンチの接触点bの距離
θpa:パンチと鋼板の接触点aでの接触角度
θpb:パンチと鋼板の接触点bでの接触角度
θdA:押込み部と鋼板の接触点Aでの接触角度
θdB:支え部と鋼板の接触点Bでの接触角度
本発明においては、U曲げ時に板とパンチとの密着性を高めることができ、U曲げ後に所定の形状を得ることができる。そして、それによって、U管の口開き量を小さくすることができるようになり、後続のOプレス工程が容易になるので、高強度鋼板を用いた高強度UOE鋼管の製造が可能になる。
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、ここでは、図5に示した、バーソン型のUプレス装置(U曲げ成形装置)を例にして説明する。
図1は、バーソン型Uプレス装置30において、パンチ31によって押し下げられた鋼板11が押し込み部33に接触した瞬間の状態を示している。その際、鋼板11はパンチ31と図中のa点〜b点の範囲で接触するとともに、その接触域より上側のB点で支え部34と接触し、下側のA点で押し込み部33と接触し、反力FがA点に作用し、反力FがB点に作用している。
この反力F、Fにより鋼板11とパンチ31の接触点a、bには、それぞれ、Ma、Mbとなる曲げモーメントが作用し、曲げモーメントMaまたはMbの少なくとも何れかが鋼板11の降伏曲げモーメントMeを超えることで変形が進行する。
このとき、Maの方がMbよりも大きければ(Ma≧Mbであれば)、接触点bよりも下側の領域に変形が進行していき、鋼板11がパンチ31の底部に馴染んでいく。すなわち、鋼板11とパンチ31の密着性が向上する。
このようなU曲げ時における反力と曲げモーメントの関係を図2に基づいて詳しく説明する。
鋼板11とパンチ31の下側の接触点aに作用する曲げモーメントMa、鋼板とパンチの上側の接触点bに作用する曲げモーメントMbは、それぞれ、(1)式、(2)式で表される。
ここで、
:反力ベクトルFと回転中心35の距離
:反力ベクトルFと回転中心35の距離
La:反力作用点Aと接触点aの距離
Lb:反力作用点Bと接触点bの距離
θpa:接触点aでの接触角度
θpb:接触点bでの接触角度
θdA:接触点Aでの接触角度
θdB:接触点Bでの接触角度
また、回転中心35(C点)でのモーメントの釣合いより、F、Fには下式の関係がある。
これらより、Ma≧Mbを満足するために、以下の式が導出される。
上記の式(4)の関係を満たすように、パンチ31およびロッカーダイ32の形状や、両者の位置関係を調整することで、接触点bよりも下側の領域に変形が進行していき、鋼板11とパンチ31の密着性が向上する。
ここで、パンチ31とロッカーダイ32の位置関係を調整する例として、図2の状態に比べて、左右のロッカーダイ32の間隔を狭くして、パンチ31の位置をロッカーダイ32に近づけた場合を図3に示す。
この場合には、押し込み部33に鋼板11が接触した瞬間のパンチ31の位置は、図2に比べて、上側に移動するため、Laが大きくなり、Lbが小さくなる。すなわち、式(4)の右辺が小さくなり、式(4)を満たすことができるようになる。同様の効果は、パンチ31の幅を広げることによっても得られる。
また、ロッカーダイ32の形状を変更する例として、図2の状態に比べて、押し込み部33の位置を回転中心35から遠くなるようにした場合を図4に示す。
この場合は、鋼板11と押し込み部33の接触点Aの位置が、図2に比べて、回転中心35から遠くなるため、Laが大きくなり、θdAも大きくなるので、式(4)の右辺が小さくなる。ただし、Lも大きくなるので、左辺も小さくなる。したがって、Laの変化率がLの変化率より大きくなるように考慮する必要がある。
そして、これらの調整方法を実現するためには、U曲げ成形装置に可動部を設けたり、別形状の部品を組み込んだりすることによって可能となる。その機構の簡便さ程度、組み込み時の作業時間、曲げ成形荷重やロッカーダイと鋼板の干渉等のその他の制約を考慮した上で適切な方法を採用すればよい。
なお、上記の実施形態においては、バーソン型Uプレス装置30を例にして説明したが、本発明はカイザー型Uプレス装置40の場合でも同様に適用することができる。
ちなみに、カイザー型Uプレス装置40では、装置全体の負荷の対称性を保つために、押し込み部43を板幅中央部に設置することが多く、それにより、押し込み部43と下側の曲げ点(接触点a)の距離が大きく、接触点aにおいて大きな曲げモーメントが得やすくなっているのに対して、バーソン型Uプレス装置30では、押し込み部33と下側の曲げ点(接触点a)の距離がこれよりは小さくなっており、本発明の曲げモーメント制御の効果は大きくなる。
本発明の実施例として、バーソン型Uプレス装置30を用いて、TS960MPa(APIGr.X120相当)、板厚16mmの鋼板のU曲げを実施した。なお、製品外径は1219mmを狙いとした。
その際、条件Aとして、前記の式(4)を満足できるように、左右の下型32の間隔を狭くした場合(下型間隔1232mm)と、条件Bとして、左右の下型32の間隔を広くした場合(下型間隔1332mm)の2条件で行った。
そして、それぞれの条件について、U曲げ成形中の状態を鋼板長手方向から観察し、鋼板が押し込み部33に接触した時の各部の位置関係(接触角度θdA、距離La 等)を求めるとともに、パンチ31の測定荷重Pから、下記の式(5)、(6)の関係を用いて反力FA、FB を算出した。それらの結果を表1に示す。
また、この結果からa点およびb点の曲げモーメントMa、Mbを算出した。その算出結果を、観察から得られたU曲げ成形終了時のパンチ密着範囲(密着角度)、U曲げ成形終了後のU管の開き量と合せて表2に示す。
その結果、式(4)を満たしてMa>Mbとなっている条件A(本発明例)では、密着角度が63度と大きく、U曲げ成形終了後の開き量が1150mmと小さくなって、目標とする1200mm以下となり、次工程のO成形も可能であった。
これに対して、式(4)を満たさずMa<Mbとなっている条件B(比較例)では、密着角度が49度と小さく、U曲げ成形終了後の開き量が1470mmと大きくなって、目標とする1200mmを超えており、O成形が不可能であった。
これによって、本発明の有効性が確認された。
U曲げ成形装置における成形状況を示す図である。 U曲げ成形装置における反力と曲げモーメントを説明するための図である。 本発明の実施形態の説明図である。 本発明の実施形態の説明図である。 バーソン型Uプレス装置を示す図である。 カイザー型Uプレス装置を示す図である。 UOE鋼管の成形工程の模式図である。 U管の開きによる成形不能の例を示す図である。 Oプレス後の成形不良の例を示す図である。
符号の説明
11 鋼板
12 U管
13 素管
14 製品
21 クリンピングプレス
22 Uプレス
23 Oプレス
30 バーソン型Uプレス装置
31 パンチ
32 下型(ロッカーダイ)
33 押し込み部
34 支え部
35 回転中心
36 クッション
40 カイザー型Uプレス装置
41 パンチ
43 サドル
44 ブレーキロール
45 リンク機構

Claims (4)

  1. 板をU字形状に曲げ成形を行うために、板から押込まれる部分(以下、押し込み部)と、板を支える部分(以下、支え部)とからなり、押し込み部の動作を支え部の横方向の動作に変換する機構を有する曲げ成形装置において、
    押し込み部と支え部が一体の部材となっており、該一体の部材を保持する部分を回転中心にして回転することで、支え部が横方向に移動する機構になっていて、
    押し込み部に板が接した時に、押し込み部に作用する反力から受ける曲げモーメントが支え部に作用する反力から受ける曲げモーメントより大きくなることを特徴とする板の曲げ成形装置。
  2. 押し込み部に板が接触した瞬間に、下式を満たす位置関係となるように配置されていることを特徴とする請求項に記載の板の曲げ成形装置。
    ここで、
    LA:押し込み部に作用する反力ベクトルFと回転中心の距離
    LB:支え部に作用する反力ベクトルFと回転中心の距離
    La:押し込み部での反力作用点Aと鋼板とパンチの接触点aの距離
    Lb:支え部での反力作用点Bと鋼板とパンチの接触点bの距離
    θpa:パンチと鋼板の接触点aでの接触角度
    θpb:パンチと鋼板の接触点bでの接触角度
    θdA:押込み部と鋼板の接触点Aでの接触角度
    θdB:支え部と鋼板の接触点Bでの接触角度
  3. 板をU字形状に曲げ成形を行うために、板から押込まれる部分(以下、押し込み部)と、板を支える部分(以下、支え部)とからなり、押し込み部の動作を支え部の横方向の動作に変換する機構を有し、
    押し込み部と支え部が一体の部材となっており、該一体の部材を保持する部分を回転中心にして回転することで、支え部が横方向に移動する機構になっている曲げ成形装置を用い、
    押し込み部に板が接した時に、押し込み部に作用する反力から受ける曲げモーメントが支え部に作用する反力から受ける曲げモーメントより大きくなる状態で、板の曲げ成形を行うことを特徴とする板の曲げ成形方法。
  4. 押し込み部に板が接触した瞬間に、下式を満たす位置関係となるように配置されている曲げ成形装置を用いることを特徴とする請求項3に記載の板の曲げ成形方法。
    ここで、
    LA:押し込み部に作用する反力ベクトルF と回転中心の距離
    LB:支え部に作用する反力ベクトルF と回転中心の距離
    La:押し込み部での反力作用点Aと鋼板とパンチの接触点aの距離
    Lb:支え部での反力作用点Bと鋼板とパンチの接触点bの距離
    θpa:パンチと鋼板の接触点aでの接触角度
    θpb:パンチと鋼板の接触点bでの接触角度
    θdA:押込み部と鋼板の接触点Aでの接触角度
    θdB:支え部と鋼板の接触点Bでの接触角度
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