JP5082544B2

JP5082544B2 - 板の曲げ成形装置および曲げ成形方法

Info

Publication number: JP5082544B2
Application number: JP2007090606A
Authority: JP
Inventors: 正之堀江; 治山本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008246533A

Description

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^２・・・」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［１］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_Ａと回転中心の距離
ＬB：支え部に作用する反力ベクトルＦ_Ｂ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前記［３］に記載の板の曲げ成形方法。

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_ＡがＡ点に作用し、反力Ｆ_ＢがＢ点に作用している。

この反力Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ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、
Ｌ_Ａ：反力ベクトルＦ_Ａと回転中心３５の距離
Ｌ_Ｂ：反力ベクトルＦ_Ｂ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_Ａ、Ｆ_Ｂ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_Ａ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_Ａ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Ｆ_A、Ｆ_B 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
１２Ｕ管
１３素管
１４製品
２１クリンピングプレス
２２Ｕプレス
２３Ｏ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

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。
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１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_Ａと回転中心の距離
ＬB：支え部に作用する反力ベクトルＦ_Ｂ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。
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 _Ａと回転中心の距離
ＬB：支え部に作用する反力ベクトルＦ _Ｂ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