JP5268834B2

JP5268834B2 - 成形装置と成形方法

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Publication number: JP5268834B2
Application number: JP2009201987A
Authority: JP
Inventors: 飛舟王; 智康中野; 昭徳猪熊; 紀龍尹; 光朋閼伽井
Original assignee: Nakata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nakata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: JP2011050986A

Description

本発明は、金属コイルや所要長さの帯材料より丸管を製造する成形装置と成形方法に関し、特に成形初期のブレークダウン工程において、成形孔型を外向きに設けたシューを用いて形成したシューブロック列が無限軌道上を旋回移動する構成の旋回ユニットを採用し、シューの孔型で帯材料のエッジ部の一部を拘束するとともにあたかも巨大直径の成形ロールの使用と同様の成形を実現し、従来成形ロールによる局部的な接触応力の発生による問題を著しく低減できる成形装置と成形方法に関する。

長尺金属製品の連続製造プロセスとしては成形ロールを用いる方法が一般的である。その中で電縫溶接管を代表とするプロセスとしては、素材の金属コイルを巻き戻して成形工程に供給する前工程、ブレークダウンロールやクラスターロール、フィンパスロールで行われる初期成形工程、そして対向する帯材縁部同士を例えば高周波溶接する溶接工程、矯正ロールにより管の真円度と真直度の矯正を行うサイジング工程、製造された金属管を所定の長さに切断する切断工程の各工程を経ることが一般的である。

長尺金属製品の成形方法には、主に上述のロール成形とプレス成形がある。プレス成形では、被成形素材が基本的には断面内の2次元変形のみを受け、余分な歪と残留応力が少なく、製品寸法精度も得やすい。しかし、金型を含む設備投資が高く、生産性が悪く、製品長さに制約がある。ロール成形では、設備投資が少ないうえに、連続生産が可能なので生産性も高い。また、製品長さの制約も少ない。しかし、成形ロールによって被成形素材が3次元変形を受けるので、下記の欠点がある。

ロール成形における殆どの問題点の根底は、成形工具が回転体のロールであり、且つその回転半径が製造能力・コストなどの制約で大きくできないことにある。そのため、具体的には、
(1)ロールへの巻き付きを代表とする3次元変形の特徴が強く、成形の目的である断面内の変形だけではなく、他の方向にも様々な付加的変形ひずみが発生する。その結果、トータル歪が大きく残留応力の形態も複雑で、製品の寸法精度と内在品質に悪影響を及ぼす、
(2)ロールと被成形素材との接触領域における周速差が大きく、両者の相対滑りによる製品表面品質が問題になることが多い、
(3)変形が激しい割にロールと被成形素材との接触領域が小さいので、両者間の面圧が高い。この高い面圧と上記周速差の総合効果として、ロールの磨耗が激しく、製品寸法精度を維持するためのコストが高い、
(4)被成形素材が受けるロールからの進入抵抗が大きく、推力不足の問題がしばしば発生し、必要な駆動エネルギーも大きい、という問題を生じる。

例えば、前記金属管の連続製造プロセスでのブレークダウン工程では、上下に配置される一対の凸・凹ロールを用いて内面および外面から帯材料を拘束して所要の断面形状に成形する。従って、これらの成形スタンドでは、通常大きな成形荷重が発生する。また、荷重が狭い圧下領域に集中するため、高い面圧がこの部分のロール表面にかかっている。特に、エッジベンド成形スタンドでは、下ロール(凹ロール)表面に摩耗現象が著しく、頻繁に研磨する必要がある。

また、ブレークダウン工程において、ロール交換作業に伴う操業性、生産性の低下の問題を解決するために、近年、製品外径のある範囲内でのロールの兼用化についての技術開発が盛んに行われてきた。

特開昭63-281713号特開2000-288634号特開平3‐12977号特開平3‐12976号特開2000-288633号特公平08-018075号特表2002-529252 (WO 00/29164)

成形中の素材エッジ部の過大な伸びによる所謂縁波が発生することがあり、一対の凸・凹ロールに入って直ぐに発生するロールへの巻き付きのほか、一対の凸・凹ロールから離れる成形スタンド間で発生したスプリングバックによるものと考えられている。例えばフィンパス工程で発生する縁波はブレークダウン工程又はクラスター工程でのロールへの巻き付きが一因と考えられている。そこで、スプリングバックを抑止するためにブレークダウン成形スタンドの間にサイドロールスタンドを設ける方法が広く使われている。しかし、サイドロールのみではこの縁波を十分に低減することができない。(特許文献1参照)

特許文献2では、成形負荷が集中し易い成形スタンドのロールの表面に発生する摩耗を低減し、縁波などの発生を低減するために、ブレークダウン成形スタンドの下ロールの上流並びに下流側近傍に、素材のエッジ部に当接する小型の補助ロールを配置してエッジ部のパスラインに対する高さを所定高さにすることにより、成形荷重の一部が補助ロールに分担されて下ロールが受ける成形荷重および面圧が低減させているが、補助ロールの摩耗が激しい問題をはじめ、前述の成形ロールの問題は何ら解消されていない。

特許文献3、4に示される成形方法は、曲率の連続的又は段階的に変化する伸開曲線をロールのロールカリバーとして採用し、さらにこれらのロールを移動、回転(ローテーション)させるための位置調整機構を用いることにより、ロール兼用化を実現している。しかし、ロールが兼用化されるほどロール摩耗の抑止は大きな課題となっている。また、上下ロールに適切な伸開曲線カリバーが設けられるが、兼用範囲が広いほど、狭いロール幅に大きな差を有する曲率を与えるため、一段当たりの成形領域が狭くなったり、無理な曲率の選択が必要になる問題がある。

特許文献5では、特許文献3、4に示される成形方法の問題に鑑み、凹凸ロールを用いて目標成形領域となる素板部分を内面および外面から同時に挟んで成形するという従来の常識から離れ、上下ロールによる被成形素材のピンチポイントを素材幅方向の目標成形領域と既成形領域あるいは未成形領域との境目に設定して、当該目標成形領域を曲げ内側にある上ロールの所定カリバーに沿わせて、特に目標成形領域の曲げ外側には下ロールをほとんど当接させないようにして成形する。ロールに沿わせてその曲率を転写することは可能になったが、前述のロールを用いることによる固有の問題から離れることはできない。

以上を要するに、上下の成形ロールの他にケージロールや補助ロールを用いる技術も、成形ロールの兼用化を図る成形ロールの使用方法も、前述する様々な歪みの発生、局所的に発生する高い面圧、ロールの摩耗に関する成形ロールの問題を解消することができない。
本発明は、溶接管の製造に際し、特に従来のブレークダウン相当の初期から中期の成形工程において、従来のロール成形の生産性を損なうことなく、被成形素材へ与える付加的変形歪みが少なく所要の成形を行い、寸法精度が高く高品質の製品を製造できる新規な成形方法と成形装置の提供を目的としている。

発明者らは、ロールの固有の問題を解消できる新規な成形方法と装置の提供を目的に、従来のロール成形やプレス成形などについて検討した結果、例えばブレークダウンに際し、目的管の口径の数十倍、数百倍、数千倍の直径の成形ロールを用いた場合をシミュレーションしたところ、被成形素材寸法などの諸条件で効果の飽和点が存在するが、前述した従来成形ロールによる局部的な接触応力のピークを大きく緩和できることに着目した。

しかし、上記巨大直径の成形ロールは製造自体が非現実的であるため、発明者らは、巨大直径の成形ロールの使用と同等の効果が得られる小型の成形装置の具現化を目指し、巨大成形ロールとは言え被成形素材と接触する部分は極一部の限られた部分であることに着目し、これを実現できる構成について検討を加えた。
その結果、発明者らは、旋回曲面の孔型を有するシューを多数個連結し、孔型を外向きに無限軌道上を連続移動可能にしたシューブロック列を用い、被成形素材と当接して同期移動する成形区間の無限軌道あるいは孔型内の所要位置に、想定される巨大成形ロールの直径を有する仮想円の所要円弧部分と同じ曲率半径と円弧長さを与えることで、成形区間の軌道を通過するシューブロック列が仮想巨大成形ロールと同様の作用を被成形素材に与えることができ、ロールの諸問題を解消できることを知見した。

発明者らは、上述の新規な成形方法及び装置を、例えばエッジベンドやクラスターなどの従来のブレークダウン相当の成形工程に採用すると、被成形素材がロールへ巻き付くことがなく、被成形素材に局部的な接触応力のピークが大きく緩和され、さらに従来のロール成形装置などと比較して、孔型部で被成形素材のエッジの少なくとも一部を拘束できるため、該素材の位置決めが正確にかつローリングを防止して、エッジ部以外の部位に所要の曲率を与えることが可能になり、長手並びに周方向に均一な塑性加工を付与することにより真円度、真直度を向上させ、また生産性も従来のロール成形と同様であること、さらに従来の成形ロールの場合に比較して被成形素材の進入抵抗が小さく、要求される駆動力が小さくなることを知見し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は成形孔型を外向きに設けた複数のシューを備えて無端列を構成しているシューブロック列が無限軌道上を移動する構成の旋回ユニットを対向配置した１組又は複数組を有し、各旋回ユニットのシューの成形孔型が被成形素材の端部の少なくともエッジ部の一部を拘束して該素材と同期移動する間を成形区間とした成形装置を用い、前記成形区間の無限軌道上を通過するシューブロック列が巨大直径の仮想成形ロールと同様の作用を被成形素材に与えるべく、前記成形区間における無限軌道あるいは無限軌道上で被成形素材と接触する各シューの成形孔型に、前記巨大直径の仮想円の半径と所要円弧長さとを与えて前記素材の成形を行う成形方法と成形装置である。

さらに発明者らは、上記構成の成形装置並びに成形方法において、
(a)成形区間にある複数のシューは隣接面を相互に当接させて連続する成形孔型を形成すること、
(b)複数組の旋回ユニットを用いる際に、シューの成形孔型が被成形素材のエッジ部の一部を拘束しない形状を有して該エッジ部以外に当接する旋回ユニットの組を前記旋回ユニットの各組間に配置すること、
(c)複数組の旋回ユニットを用い、対向配置した各組の旋回ユニット間に、被成形素材の下側から複数の下ロールを当接させて成形するに際し、下ロールをロールホルダーに支持させかつ該ホルダーを連結して無端コンベアベルトとして、各組の旋回ユニット間の下ロールを被成形素材の下流側又は上流側へ双方向に移送可能となし、かつ下ロールのロールカリバーの曲率半径が該下流側から上流側へ順次小さくなるように配置され、当該複数組の旋回ユニット下に配置される下ロール列を、前記無端コンベアベルトの位置を移動させることで選択すること、
(d)対向配置した1組の旋回ユニット間に、被成形素材の下側又は上側あるいはその両方から当接する単数又は複数の成形ロールを配置すること、
(e)旋回ユニット内の無限軌道が単数又は複数のローラベアリングで形成され、シューブロック列はその内表面に前記ローラベアリングの外レースが当接して旋回可能であること、を特徴とする成形装置並びに成形方法を提案する。

本発明は、例えば、90度以上の開き角度を有する断面L字型の孔型を有するシューを多数個連結し、孔型を外向きに無限軌道上を連続移動可能にした無端シューブロック列等からなる旋回ユニットを用い、被成形素材と接触する成形区間の無限軌道あるいは孔型内の所要位置に、想定される巨大直径の仮想円の所要円弧部分と同じ曲率半径と長さを与えて、あたかも巨大直径の成形ロールの使用を実現化した構成の成形装置を使用するため、従来のロール成形の特徴である連続性と高生産性を維持しながら、プレス成形とほぼ同じように被成形素材を2次元的に変形させることができる。

本発明による成形装置並びに方法は、上記の構成を有することから、(1)被成形素材に与える3次元的な変形による付加的歪が極力小さく抑止され、さらに残留応力の分布も均一になる、(2)成形工具と被成形素材との周速差による相対滑りが殆どなくなる、(3)接触領域が広く、被成形素材が進入する際の接触応力のピークの発生が抑制され、かかる面圧が格段に低くなる、(4)進入抵抗が大幅に軽減され、駆動エネルギーが大幅に減少される、という作用効果を奏する。

従って、本発明による成形装置並びに方法は、従来のロール成形における前述の欠点が抜本的に改善され、(1)製品の寸法精度、表面品質および内在品質を大幅に向上させる、(2)成形の限界(肉厚外径比や成形可能な材質)を拡大する、(3)成形工具のコストを削減し、その寿命を大幅に伸ばす、(4)省エネの製品製造が可能となる、という作用効果を奏する。

本発明成形装置の一構成例を示すもので、水平の2方向より被成形素材のエッジ部を拘束する構成の斜視説明図である。本発明成形装置の一構成例を示すもので、斜め上方の2方向より被成形素材のエッジ部を拘束する構成の斜視説明図である。図1、図2に示す成形装置と仮想巨大成形ロールとの関係を示す概念説明図である。成形区間にあるシュー列とその軌道並びにシュー列の支持方法を示す概念説明図である。成形区間にあるシュー列とその軌道並びにシュー列の他の支持方法を示す概念説明図である。成形区間にあるシュー列とその軌道との関係を示す概念説明図である。成形方法の実施例を示す説明図であり、全10段の成形装置の配置構成を示す斜視説明図である。図5に示す成形方法における第1段目のエッジベンド工程で、被成形素材の幅方向断面に対する一対の無端シューブロック列と上下成形ロールとの関係を示す説明図である。図5に示す成形方法における第2段目のリバースベンド工程で、被成形素材の幅方向断面に対する上下成形ロールとの関係を示す説明図である。図5に示す成形方法における第3段目のクラスターNo1工程で、被成形素材の幅方向断面に対する一対の無端シューブロック列との関係を示す説明図である。図5に示す成形方法における第4段目のクラスターNo2工程で、被成形素材の幅方向断面に対する一対の無端シューブロック列との関係を示す説明図である。図5に示す成形方法における第5段目のクラスターNo3工程で、被成形素材の幅方向断面に対する一対の無端シューブロック列と複数の下成形ロールとの関係を示す説明図である。図5に示す成形方法における第6段目のクラスターNo4工程で、被成形素材の幅方向断面に対する一対の無端シューブロック列と複数の下成形ロールとの関係を示す説明図である。図5に示す成形方法における第7段目のクラスターNo5工程で、被成形素材の幅方向断面に対する水平配置の一対の無端シューブロック列と複数の下成形ロールとの関係を示す説明図である。図5に示す成形方法における第8段目のクラスターNo6工程で、被成形素材の幅方向断面に対する一対の無端シューブロック列と複数の下成形ロールとの関係を示す説明図である。図5に示す成形方法における第9段目のクラスターNo7工程で、被成形素材の幅方向断面に対する水平配置の一対の無端シューブロック列と複数の下成形ロールとの関係を示す説明図である。図5に示す成形方法における第10段目のクラスターNo8工程で、被成形素材の幅方向断面に対する一対の無端シューブロック列と複数の下成形ロールとの関係を示す説明図である。図5に示す成形方法を実施するための成形装置の斜視説明図である。図7において、第1段と第2段目の装置を除いて、第3段目から第10段目のクラスター工程で使用する成形装置を示す斜視説明図である。図8において、下ロールを除いて、第3段目から第10段目のクラスター工程で使用する旋回ユニットを用いた成形装置のみを示す斜視説明図である。図8において、第3段目から第10段目のクラスター工程で使用する旋回ユニットを除いて、下ロール並びにその交換装置のみを示す斜視説明図である。エッジベンドスタンドにおけるロール外径の違いによる被成形素材の長手方向の位置と、エッジ部の長手方向伸び率との関係を示すグラフである。

本発明による成形方法を図面に基づいて説明する。まず、巨大な成形ロールの使用と同等の作用効果が得られる成形装置を具現化する概念を説明する。図3に示すごとく、巨大な仮想成形ロールRと被成形素板Sと接触する領域に相当する巨大直径の仮想円のある長さの円弧部分のみを使用することが、本発明の基本コンセプトである。
例えば、目標の被成形素管Pの直径が114.3mmである場合、3000mmの半径を有する仮想成形ロールRを用いると、被成形素板Sに当接する仮想成形ロールの円弧部分の長さが約290mm程度である。これを成形区間の軌道あるいは成形孔型の所要位置に設定する。なお、図面では紙面の都合で想定半径よりも小さな半径で作図している。

この半径3000mmの仮想成形ロールRにおける長さ290mm程度の接触領域となる円弧部分を実現するために、図1、図2に示すごとく、一対の旋回ユニット100,100は、成形孔型面を外向きに設けたシュー1sを治具を介して連結して無端シューブロック列を形成し転動体が内蔵される無限軌道上を旋回移動させる構成を有する。

旋回ユニットの内部構造を模式図で説明する図4A,Bに示す例では、旋回ユニット内に内蔵する転動体としてローラーベアリングを選定している。
図4A,Bに示すごとく、連結用治具のシューホルダー2は鞍型で上面がシュー1sの載置面であり、垂下両側面部には前後二対のピン孔3を設けたホルダー連結部を有し、複数のシューホルダー2を同じ方向に並べて該連結部を交互に組み込み、ピン孔3に連結ピンを入れて連結することで、無端シューブロック列4を形成する。
この無端シューブロック列が無限軌道上を旋回移動することで、連結されたシュー1sは所要成形孔型1aを外向きにして連続移動可能となる。

この無端シューブロック列4が無限軌道上を旋回移動するように構成するには、例えば、各シューホルダー2の鞍型部内面には旋回方向の溝部、例えば広幅の1本の溝部あるいは狭幅の3本の溝部を並べて設けることにより、連結するシューホルダー2の鞍型部内に無限軌道面が形成できる。
また、各シューホルダー2の鞍型部内に設けた破線で示す溝部底面に所要半径の円弧部分、ここでは上述の仮想成形ロールRの曲率半径(3000mm)を設定することにより、複数のシュー1s同士が当接して一体となり、無端シューブロック列4が剛体化され、いわゆるブリッジ状態となる区間を成形区間としている。
換言すると、図4A,Bに示すごとく、図示しないビームに軸支されたローラーベアリング5,6をシューホルダー2の鞍型部内に配置して、前記溝部内にローラーベアリング5,6の外レースが当接するようにし、かつ複数のローラーベアリングによりその外レース表面の軌跡を所要半径の円弧部分に設定することで、ローラーベアリングと接触する区間を成形区間として、成形区間の軌道には上述の仮想成形ロールRの曲率半径(3000mm)が与えられている。
成形区間の各シューホルダー2の端面同士が密着してブリッジ状態となっている成形区間での成形荷重は、図4Aに示すごとく、成形区間の両端に位置させたローラーベアリング5,5で受けることができる。
また、図4Bに示すごとく、成形区間中央に外径の大きなローラーベアリング6、成形区間の両端に比較的小さなローラーベアリング5,5を配置して成形荷重をけることもできる。
さらに、成形区間ではシューホルダー2を被成形素材の幅方向からも他のベアリング7で支持することが好ましい。ベアリングには低摩擦シューガイドであってもよい。

無端シューブロック列による旋回ユニットを基本とする成形装置は、シュー1sを載置して連結するシューホルダー2と、ローラーベアリング群とそれを支持するビームとで構成でき、極めて簡単な構成からなる装置である。
また、図4Cに示すごとく、成形装置における旋回するシュー1sは、被成形素材と当接する成形区間とそれ以外の回帰区間を通過することになり、少なくとも成形区間にはローラーベアリング群が配置されて荷重を受けるが、回帰区間では成形荷重を受けないため、小さなローラーベアリング群を配置するなど簡単な構成を採用できる。

この成形方法において、成形区間の軌道が直線ではなく、有限で且つ適切な曲率半径を有する理由は、以下のとおりである。
図4Cに示すごとく、成形区間の前半の弾塑性変形領域では、シューが被成形素材の表面を圧下し続けて変形させるので、その部分の無限軌道は成形区間の入側からシュー圧下の最下点に向かって傾斜しなければならない。
一方、金属変形挙動の特徴として、負荷を除く過程では被成形素材の弾性回復に伴う形状変化が必ず発生するので、成形区間の後半の弾性回復領域では、被成形素材を弾性回復させながらシューと円滑に分離させるためには、シュー圧下の最下点から成形区間の出側に向かって無限軌道を前半と逆方向に傾斜させる必要がある。更に、上記成形区間の全域では連続した成形孔型面を形成しなければならない。従って、上記全ての条件を満足できる無限軌道の軌跡は直線ではなく円弧である。

これに対して従来のシュー列を利用する装置は、本発明の成形方法のごとき成形を行うものではなく、例えば、特許文献5、6のように、所要の孔型を有する多数のシューを連結してチェーン化し、これを小判型、長円形などの無限軌道を回るエンドレス成形シュー群となして用いるように、単なるガイドの機能や推力を目的とする引っ張り装置のような機能を有するもので、素材との当接領域では素材を単に抱えるもので大きな変形を想定しておらず、無限軌道の軌跡を直線にしても問題が発生しない。

本発明において、丸管製造に適用する際、被成形素管の目標口径と仮想成形ロールの直径との関係について説明すると、従来の成形ロールが被成形素材との接触領域における局部的な集中荷重を解消するには、仮想成形ロールの直径が大きいほど好ましいと言える。しかし、ロール直径が大きいほど装置に掛かる荷重が大きくなること、成形対象や成形工程の種類などによって仮想成形ロールの大径化による効果の飽和点が存在することなどを総合的に勘案し、仮想成形ロールの直径を適宜選定する必要がある。

次に被成形素板からほぼ丸管形状まで成形工程、すなわち従来の上下成形ロールによる成形工程に例えると、エッジベンド、ブレークダウン、クラスターの各工程、すなわちフィンパス工程前までの成形を行う、本発明のによる成形方法を図5に基づいて説明する。
図5の左から右へ被成形素板が進み成形されるが、第1段目がエッジベンド工程であり、第2段目がリバースベンド工程、第3段目がクラスターNo1工程、第4段目がクラスターNo2工程、第5段目がクラスターNo3工程、第6段目がクラスターNo4工程、第7段目がクラスターNo5工程、第8段目がクラスターNo6工程、第9段目がクラスターNo7工程、第10段目がクラスターNo8工程である。

図5の第1段目のエッジベンド工程では、図6Aに示すごとく、被成形素板Sの幅方向の中央下から当接する下ロールと幅方向の両端部を上から当接する一対の上ロール、そして図1に示すような旋回ユニットでシュー外面は平坦面を有した一対の旋回ユニット101は、被成形素板Sの両端部を斜め下方向から当接する。
図6Aは被成形素板Sの幅方向断面に対する一対の無端シューブロック列と上下成形ロールとの関係を示す説明図であるが、被成形素板S断面が成形される過程を解析した結果から図面化しており、図の手前から奥側へロールやユニットの長手方向の状態が図示され、また被成形素板Sの長手方向の断面の変化も図示している。

このエッジベンド工程では、一対の旋回ユニット101で被成形素板Sの両端部の下面を押して、上面側にある上ロール51のロールカリバーに沿わせて所要の曲率を被成形素板Sの両端部に転写する、沿い曲げ成形を行っている。ここで旋回ユニット101を使用することで、あたかも巨大直径の成形ロールの使用を実現化しており、被成形素板エッジ部に発生する長手方向の歪みを極小にすることが可能である。

図5の第2段目のリバースベンド工程では、図6Bに示すごとく、広幅で中央部に凹みを有する下ロール52と被成形素板Sの中央部を上から当接する上ロール53とで、被成形素板Sの中央部が少しW型になっているものをU型にするものである。
なお、図6Bの被成形素板Sの断面に明らかなように、エッジ両端部には先のエッジベンド工程での成形が良好に行われていることが明らかである。

図5の第3段目のクラスターNo.1工程では、図6Cに示すごとく、水平に配置された一対の旋回ユニット102によって、第1段目のエッジベンド工程で成形された被成形素板Sの両端部のエッジ部をシューの孔型で拘束しながら、両側から中央部への水平方向の力を加えることで被成形素板Sの幅方向中央部が湾曲していく。

図5の第4段目のクラスターNo.2工程では、図6Dに示すごとく、前段のクラスターNo.1工程と同様に、水平に配置された一対の旋回ユニット103を用い、シューの孔型の前記エッジ部の拘束位置をクラスターNo.1工程よりも高い位置に設定して、被成形素板Sの両端部のエッジ部をシューの孔型で拘束しながら、両側から中央部への水平方向の力を加えることで被成形素板Sの幅方向中央部が湾曲していく。

図5の第5段目のクラスターNo.3工程では、図6Eに示すごとく、被成形素板Sの両端部のエッジ部を斜め上方から拘束できるように一対の旋回ユニット104を傾斜させて配置(図2参照)してあり、既に湾曲してきた被成形素板Sの中央部を支持するように、予め設定した曲率をロールカリバーに与えた下ロール54を複数個、順に長手方向に配置して当接させてある。
この工程では専用の曲率を与えた下ロール54で被成形素板Sの中央部を支持しながら、傾斜させて配置した一対の旋回ユニット104でエッジ部を斜め上方から拘束して力を加えて、被成形素板Sを順次湾曲させていく。

図5の第6段目のクラスターNo.4工程では、図6Fに示すごとく、エッジ部を斜め上方から拘束できる一対の旋回ユニット105の傾斜角度を、クラスターNo.3工程よりもさらに傾斜させて配置し、専用の曲率を与えた下ロール55の曲率半径も、クラスターNo.3工程よりもさらに小さくして複数個を配置し、被成形素板Sをさらに小さな曲率半径へと湾曲させていく。

図5の第7段目のクラスターNo.5工程では、図6Gに示すごとく、専用の曲率を与えた下ロール56で被成形素板Sの中央部を支持しながら、シューの孔型に平坦面を設定して水平に配置された一対の旋回ユニット106を用い、被成形素板Sの幅方向の両端部よりさらに内側部分を押圧できるように構成してある。
この工程は、次ぎの第8段目のクラスターNo.6工程で用いる一対の旋回ユニット107への被成形素板Sの進入を容易にかつ有効にするため、被成形素板Sの湾曲側面を適宜押圧するものである。

図5の第8段目のクラスターNo.6工程では、図6Hに示すごとく、一対の旋回ユニット107を垂直にかつ長手方向には奥側の対向間隔を少し狭めて配置し、専用の曲率を与えた下ロール57で被成形素板Sの中央部を支持しながら、無端シューブロック列にて上方よりエッジ部を拘束して垂直方向の力を加えることで、被成形素板Sの断面はさらに円状へと湾曲していく。

図5の第9段目のクラスターNo.7工程では、図6Iに示すごとく、クラスターNo.5工程と同様に、専用の曲率を与えた下ロール58で被成形素板Sの中央部を支持しながら、シューの孔型に平坦面を設定して水平に配置された一対の旋回ユニット108を用い、被成形素板Sの幅方向の両端部よりさらに内側部分を押圧できるように構成してある。
この工程は、次段の第10段目のクラスターNo.8工程で用いる一対の旋回ユニット109への被成形素板Sの進入を容易にかつ有効にするため、被成形素板Sの湾曲側面を適宜押圧するものである。

図5の第10段目のクラスターNo.8工程では、図6Jに示すごとく、一対の旋回ユニット109を垂直にかつ長手方向には奥側の対向間隔を少し狭めて配置し、専用の曲率を与えた下ロール59で被成形素板Sの中央部を支持しながら、無端シューブロック列にて上方よりエッジ部を拘束して垂直方向の力を加えることで、被成形素板Sの断面はほぼ円状へと成形される。

図5の第1段から第10段の成形を終えた被成形素板Sは、断面はほぼ円状へと成形された被成形素管として、従来公知のフィンパス工程を経てスクイズ工程へと進むことができる。
ここで、エッジベンド、リバースベンド、クラスターの各工程において、従来の成形方法、装置では被成形素板Sのローリング現象が発生することがあるが、図5に示す成形方法の大半の工程では、それぞれ一対の旋回ユニットによりあたかも巨大直径の成形ロールの使用を実現化し、被成形素板Sの両端部のエッジ部を拘束しながら成形を行うことが可能なため、被成形素板Sのローリング現象は発生することがなく、次工程のフィンパス工程とスクイズ工程でのロールへの被成形素管の進入が円滑に行われる。特にスクイズ工程では、対向するエッジ部の位置、エッジ両端面間のクリアランス寸法の制御などが正確に設定、実施可能となるため、レーザー溶接機による連続溶接を容易にかつ精度良く実現できる。

図5に示す成形方法では、旋回ユニットの無端シューブロック列に、平坦面のシューあるいは所要開き角度の断面L字型のシューを用いるため、成形対象となるある範囲の管の口径の違いに兼用されて成形可能であり、被成形素板幅に応じて旋回ユニットの位置を調整可能にした装置を用いると、実施例に示すように口径比が3倍の広範囲の寸法違いの丸型管を製造することができる。

図5に示す成形方法では、クラスター工程での下ロールには、目的とする管口径に応じ、成形段階毎の所定の曲率を各ロールのロールカリバーに設定して、クラスター工程No.3〜8では段階ごとに順次曲率半径が小さくなるように設定しているが、所要曲率半径を設定した兼用ロールを適宜用いることも可能である。

また、上述のようにある口径の場合、工程段階ごとにロールカリバーの曲率が順次小さくなるように設定して、被成形素材の上流側から下流側へ所要個数の下ロールを順次並べて配置しこれを使用する。先の口径よりも小さい口径を想定した場合、工程段階ごとにロールカリバーの曲率半径が順次小さくなるように設定するが、先の口径で使用する下ロールの曲率半径と同じある曲率半径からさらに順次小さな曲率半径を選定する場合がある。従って口径がある範囲で段階的に選定されると、下ロールに設定すべき曲率半径は段階的に小さくなるが、同じ曲率半径を使用する段階も生じ、ある範囲の曲率半径で順次小さくなるように下ロールを並べると、目標とする口径に応じて下ロールの使用範囲が重複する部分が生じる。
そこで実施例に示すごとく、ある範囲で大きい曲率半径から小さな曲率半径をロールカリバーに設けた無端下ロール列を無端シューブロック列のように構成すると、想定したある口径毎に、無端下ロール列の使用する範囲を移動させることで、専用曲率の下ロールを使用することができ、装置の兼用化が可能になる。

図1、図2に基づいて無端シューブロック列を有する旋回ユニットの構成例を説明する。一対の旋回ユニット100,100は、成形孔型面を外向きに設けたシュー1sを載置したシューホルダー2を介して連結して無端シューブロック列を形成してある。先に図4A,Bで説明したように、シューホルダー2の鞍型部内面に設けた溝部には、楕円状の無端シューブロック列の中心部を貫通して配置されるビーム13に軸支されたローラーベアリング群の外レースが当接するように構成され、ローラーベアリング群が形成する無限軌道上を無端シューブロック列が旋回移動する構成を有する。

旋回ユニット100の支持方法は、まず基台10に水平方向に伸縮するジャッキ11が配置されてその先端部にコ字型アーム12が設けてあり、これに旋回ユニット100を貫通するビーム13が接続されることで、旋回ユニット100は内蔵するローラーベアリング群を介してビーム13に支持される。また、旋回ユニット100の成形区間に相当する位置の外面にはシューホルダー2を外面から支える低摩擦係数の樹脂製のガイド板14が設けられ、これもビーム13に支持される。

図1の構成例では、水平方向のコ字型アーム12がジャッキ11にて伸縮することで、一対の旋回ユニット100,100は被成形素材の幅方向に近接離反でき、素材幅が変更になった際に対応できる。
図2の構成例では、コ字型アーム15は斜め下向きに開口部が位置しており、ここに旋回ユニット100を貫通するビーム12を接続すると、成形孔型面を斜め下向きに、被成形素材に当接させることができる。同様に、コ字型アームが斜め上向きに開口部を有する場合は、図6Aのエッジベンド工程用の装置のごとく、その成形孔型面が斜め上向きとなるように旋回ユニット100を配置できる。

図7に示す成形装置は、図5に示す成形方法を実施するためものであり、左側から順にエッジベンドスタンドEB、リバースベンドスタンドRVB、第1クラスタースタンドCL1、第2クラスタースタンドCL2、第3クラスタースタンドCL3、第4クラスタースタンドCL4、第5クラスタースタンドCL5、第6クラスタースタンドCL6、第7クラスタースタンドCL7、第8クラスタースタンドCL8である。

エッジベンドスタンドEBは、立設する脚柱21に上下一対2組の梁部材22,23を掛け、これらを複数のジャッキ24で昇降可能にしたフレームスタンド20からなり、下側の梁部材22には中央部の下ロール50を設け、その両側には平坦な孔型面がが斜め上向きとなるように一対の旋回ユニット101を配置しかつジャッキ25で水平方向に位置を調整できるように構成してあり、上側の梁部材23には一対の上ロール51を配置しかつジャッキ26で水平方向に位置を調整できるように構成してある。
リバースベンドスタンドRVBは、上述のごとき構成のフレームスタンド30の上下の梁部材に、図6Bに示すような上下ロールを軸支してある。

第1クラスタースタンドCL1から第8クラスタースタンドCL8は、図8、図9、図10に示すように、一対の旋回ユニットを配置した8組の成形装置と、下ロール交換装置60とで構成される。
旋回ユニットを配置した8組の成形装置が基準床上に配置されるとすると、下ロール交換装置60は基準床下に設けたピット内に配置されることになる。
第3クラスタースタンドCL3から第8クラスタースタンドCL8の間で水平に張架される無端コンベアベルト72は、その下側に配置する6機の昇降用ジャッキ76が延伸して剛体化支持され、また、回転ドラム73,74の駆動で回転移動が可能になる構成である。

下ロール交換装置70は、下ロール60を軸支するロールホルダー71の多数個を連結してコンベア化し、この無端コンベアベルト72を第3クラスタースタンドCL3と第8クラスタースタンドCL8の下方に位置する一対の回転ドラム73,74で張架してあり、回転ドラム73,74はピット内でジャッキ75によって昇降可能に保持され、回転ドラム73,74の軸支部のハンドルを回すことで無端コンベアベルト72が回転してロールホルダー71に軸支される下ロール60が移動することで、第3クラスタースタンドCL3から第8クラスタースタンドCL8の間で各スタンドで必要とする下ロールを交換配置できる。

図7〜図10に示す成形装置を、丸型管の成形目標口径が38.1mmから114.3mm、肉厚1.2mm〜8.0mmまでの口径比が3倍の兼用を目的とした成形装置として製造した。成形区間の軌道にある仮想円の半径に3000mmを設定した旋回ユニットの寸法はいずれも約550mm×300mmであった。ライン全体の長さは約8500mmであった。
また、下ロール交換装置は、外径は180mmで共通であるが、ロール幅は32mm〜106mmに設定した34種類(個)のロールを用いて作成し、第3クラスタースタンドCL3から第8クラスタースタンドCL8の間で、同時に14個のロールを使用する構成とした。
第8クラスタースタンドCL8の次に、公知のフィンパススタンドを1段、そして高周波溶接機を備えたスクイズスタンドを設置してパイプミルを完成した。

普通鋼鋼板を用い、目標口径×肉厚が、38.1mm×3.6mm、60.5mm×6.0mm、80.0mm×8.0mm、114.3mm×1.2mm、114.3mm×8.0mmの5種の鋼管の製造を実施した。
その結果、t/Dが1%〜10%の範囲で、成形速度が、厚肉では20m/min、薄肉では70m/minの良好な製管が可能であることを確認した。
また、図11の被成形素材の長手方向の位置とエッジ部の長手方向伸び率との関係を示すグラフに示すごとく、本発明による成形(ロール曲率半径3000mm)では、従来のロール曲率半径150mmの成形ロールによる成形と比較して、エッジ部の長手方向伸び率が著しく低減できることが明らかである。

実施例1の装置を用い、高周波溶接機をTIG溶接機に換えて、銅材の製管を行った。目標口径×肉厚が、114.3mm×1.2mmの場合、1m/minの成形速度で良好な製管が実施できた。

実施例1の装置を用い、高周波溶接機をCO₂レーザー溶接機に換えて、ステンレス鋼材の製管を行った。目標口径×肉厚が、114.3mm×2.3mmの場合、15m/minの成形速度で良好な製管が実施できた。

本発明による成形装置並びに成形方法は、実施例で明らかなように、成形能力が高く、製品の寸法精度、表面品質および内在品質を大幅に向上させることが可能となる。
また、本発明による成形装置並びに成形方法は、従来の成形ロールと同等の生産性が維持でき、成形ロールによる成形の限界を拡大するとともに、生産方式を変革し、成形ラインの設備構成を簡素化することが可能となる。

R 仮想成形ロール
S 被成形素板
EV エッジベンドスタンド
RVB リバースベンドスタンド
CL1〜CL8 クラスタースタンド
1s シュー1s
1a 成形孔型1a
2 シューホルダー2
3 ピン孔3
4 無端シューブロック列
5,6 ローラーベアリング
7 ベアリング
10 基台
11 ジャッキ
12,15 コ字型アーム
13 ビーム
14 ガイド板
16 サブベース
20 フレームスタンド
21 脚柱
22,23 梁部材
24 ジャッキ
25,26 ジャッキ
30 フレームスタンド
50,52,54,55,56,57,58,59 下ロール
51,53 上ロール
60 下ロール
70 下ロール交換装置
71 ロールホルダー
72 コンベアベルト
73,74 回転ドラム73,74
75 ジャッキ
76 支持用ジャッキ
100,101,102,103,104,105,106,107,108,109 旋回ユニット

Claims

成形孔型を外向きに設けた複数のシューを備えて無端列を構成しているシューブロック列が無限軌道上を移動する構成の旋回ユニットを対向配置した１組又は複数組を有し、各旋回ユニットのシューの成形孔型が被成形素材の端部の少なくともエッジ部の一部を拘束して該素材と同期移動する間を成形区間とした成形装置を用い、前記成形区間の無限軌道上を通過するシューブロック列が巨大直径の仮想成形ロールと同様の作用を被成形素材に与えるべく、前記成形区間における無限軌道あるいは無限軌道上で被成形素材と接触する各シューの成形孔型に、前記巨大直径の仮想円の半径と所要円弧長さとを与えて前記素材の成形を行う成形方法。
成形区間にある複数のシューは隣接面を相互に当接させて連続する成形孔型を形成したことを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
複数組の旋回ユニットを用いる際に、シューの成形孔型が被成形素材のエッジ部の一部を拘束しない形状を有して該エッジ部以外に当接する旋回ユニットの組を前記旋回ユニットの各組間に配置することを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
複数組の旋回ユニットを用い、対向配置した各組の旋回ユニット間に、被成形素材の下側から複数の下ロールを当接させて成形するに際し、下ロールをロールホルダーに支持させかつ該ホルダーを連結して無端コンベアベルトとして、各組の旋回ユニット間の下ロールを被成形素材の下流側又は上流側へ双方向に移送可能となし、かつ下ロールのロールカリバーの曲率半径が該下流側から上流側へ順次小さくなるように配置され、当該複数組の旋回ユニット下に配置される下ロール列を、前記無端コンベアベルトの位置を移動させることで選択することを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の成形方法。
対向配置した1組の旋回ユニット間に、被成形素材の下側又は上側あるいはその両方から当接する単数又は複数の成形ロールを配置したことを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の成形方法。
旋回ユニット内の無限軌道が単数又は複数のローラベアリングで形成され、シューブロック列はその内表面に前記ローラベアリングの外レースが当接して旋回可能であることを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
成形孔型を外向きに設けた複数のシューを備えて無端列を構成しているシューブロック列が無限軌道上を移動する構成の旋回ユニットを対向配置した１組又は複数組を有し、各旋回ユニットのシューの成形孔型が被成形素材の端部の少なくともエッジ部の一部を拘束して該素材と同期移動する間を成形区間とした成形装置であり、前記成形区間の無限軌道上を通過するシューブロック列が巨大直径の仮想成形ロールと同様の作用を被成形素材に与えるように、前記成形区間における無限軌道あるいは無限軌道上で被成形素材と接触する各シューの成形孔型に、前記巨大直径の仮想円の半径と所要円弧長さとを有する成形装置。
成形区間にある複数のシューは隣接面を相互に当接させて連続する成形孔型を形成したことを特徴とする請求項７に記載の成形装置。
複数組の旋回ユニットを用いた成形装置であり、シューの成形孔型が被成形素材のエッジ部の一部を拘束しない形状を有して該エッジ部以外に当接する旋回ユニットの組を前記旋回ユニットの各組間に配置することを特徴とする請求項７に記載の成形装置。
複数組の旋回ユニットを用いた成形装置であり、対向配置した各組の旋回ユニット間に、被成形素材の下側から複数の下ロールを当接させて成形するに際し、下ロールをロールホルダーに支持させかつ該ホルダーを連結して無端コンベアベルトとして、各組の旋回ユニット間の下ロールを被成形素材の下流側又は上流側へ双方向に移送可能となし、かつ下ロールのロールカリバーの曲率半径が該下流側から上流側へ順次小さくなるように配置され、当該複数組の旋回ユニット下に配置される複数個の下ロール列を、前記無端コンベアベルトの位置を移動させることで選択可能にしたことを特徴とする請求項７又は請求項９に記載の成形装置。
対向配置した１組の旋回ユニット間に、被成形素材の下側又は上側あるいはその両方から当接する単数又は複数の成形ロールを配置したことを特徴とする請求項７又は請求項９に記載の成形装置。
旋回ユニット内の無限軌道が単数又は複数のローラベアリングで形成され、シューブロック列はその内表面に前記ローラベアリングの外レースが当接して旋回可能であることを特徴とする請求項７に記載の成形装置。