JP5376487B2 - 流体送給管管端継手部の加工方法および加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、建造物等に配管されて消火活動に使用される連結送水管、上下水道衛生配管及び空調配管等の流体送給管の管端継手部の加工方法および加工装置に関する。

建造物等に配管されて消火活動に使用される連結送水管、上下水道衛生配管及び空調配管等の流体送給管は、所定の長さの管体をハウジング型の管継手により接続して敷設されている。
これらのハウジング型の管継手としては、例えば特許文献１に記載されているように、接続すべき管体の端部外周に亘って嵌合されたリング状のガスケットと、このガスケットを抱持するようにして両端部が固着具により連結された一対のハウジングからなるものであって、各ハウジングの内周面側開口縁が、管体の端部外周面に形成された環状溝や管体端部外周面に溶接接合された環状係止部材に係合することにより、ハウジングより管体が抜け出すのを防止する構造のものが一般的であった。

しかし、管体の端部外周面に形成された環状溝を用いるものは、環状溝の形成が比較的容易にできるため低コストであるという利点があるものの、環状溝とガスケットの係合の信頼性が低いという問題や、環状溝を形成するため管体の内径が減少し、流路抵抗が増大するという問題があった。また、管体の端部外周面に環状係止部材を溶接接合するものは、係止部材とガスケットとの係合の信頼性は高いものの、係止部材および溶接作業が必要なことから高コストになるという問題があった。

そのため、特許文献２および特許文献３では、図１に示すように、ハウジング型の管継手１において、ハウジング１aより管体２が抜け出すことを防止する構造として、管体２の端部外周面に環状の係止突条２aを形成し、かかる係止突条２aをハウジング１aの内周側開口縁１dに内側より係合する構造が提案されている。
さらに、上記特許文献２および特許文献３には、管体の端部外周面へかかる係止突条を形成する方法として、図２に示すとおり、被加工管体２の内側に位置させた成形突条５bを有する内側転造ロールと５、被加工管体２の外側に位置させた成形環状溝６bを有する外側転造ロール６を、被加工管体２の円周方向に沿って回転させながら互いに接近する方向へ加圧することにより、管体の端部外周面に係止突条を転造することが記載されている。
特開２００３−４２３６１号公報 特開２００６−１３２６２６号公報 特開２００７−７８０５２号公報

特許文献２および特許文献３で提案された、管体の端部外周面に転造により形成した係止突条を用いた流体送給管の継手構造は、管体の端部外周面に形成された環状溝を用いるものと比較して、管体の内径の減少による流路抵抗の増大の心配がない。また、管体の外周面に溶接された環状の係止部材を用いるものと比較して、特許文献２および特許文献３に記載された方法で係止突条を形成することにより、係止突条の形成が短時間で容易にでき、コストの面でも有利なものである。

しかし、特許文献２および特許文献３に記載の方法で係止突条が形成された管体を仔細にみると、係止突条の両側にへこみが生じたものや、係止突条の高さが不十分であるものがあり、製品として品質的に不安定であった。かかるへこみの発生や高さの不足は、加工される管体が小径の場合や厚肉の場合に比較的多く発生していた。また、かかるへこみの発生や高さの不足がないものでも、加工による減肉の大きなものがあった。この結果は、特許文献２および特許文献３に記載の方法では、種々の管体に高品質の係止突条を安定的に形成することができないことを意味している。
係止突条の両側のへこみは、管体内径を小径化して流路抵抗の増大を招くし、十分な高さのない係止突条はハウジングとの係合を不確実にする。よって、これらは施工後の液漏れや抜管の原因となるため、流体送給管管端継手部の係止突条として、あってはならないものである。

本発明は、このような問題を解消するために案出されたものであり、流体送給管の管端継手部外周面に係止突条を転造法で形成するに当たり、管体の径の大小によらず、また、管体の肉厚寸法によらず、種々の管体に対して高品質の係止突条を安定的に形成する加工方法およびそのための装置を提供することを目的とする。

本発明の流体送給管継手部の加工方法は、その目的を達成するため、回転する被加工管体の内側に位置させた内側転造ロールと、前記管体の外側に位置させた成形環状溝を有する外側転造ロールを用いて、転造法により前記管体の端部外周面に係止突条を形成する流体送給管管端継手部の加工方法において、前記管体に対して該管体の軸方向の押圧力を付与しながら、かつ前記管体を変形に伴って偏芯させながら係止突条を形成することを特徴とする。
管体に対する該管体の軸方向への押圧力の付与は、転造工程の開始時から行ってもよいし、転造工程の途中から行ってもよい。

また、本発明の流体送給管継手部の加工装置は、その目的を達成するため、内側転造ロールと、成形環状溝を有する外側転造ロールを備え、前記内側転造ロールの駆動により被加工管体の端部外周面に係止突条を形成する流体送給管管端継手部の加工装置において、被加工管体の前記内側転造ロールの駆動側と反対側の端面に位置し、前記被加工管体の回転および偏芯に伴って回転および偏芯する押圧プレートと、該押圧プレートを介して前記管体に該管体の軸方向の押圧力を付与する軸押しシリンダーとを備えたことを特徴とする。
押圧プレートが管体の回転および偏芯に伴って回転および偏芯するように、前記軸押しシリンダーはスライドプレートに固定されており、前記押圧プレートは可動プレートに固定されており、前記スライドプレートのスライド面は前記可動プレートのスライド面より面積が大きくされているとともに、前記スライドプレートと前記可動プレートは互いのスライド面が摺動可能になるように相対して取り付けられていることが好ましい。

本発明の流体送給管管端継手部の加工方法によれば、回転する被加工管体に対し、該管体に軸方向の押圧力を付与しながら、かつ前記管体を変形に伴って偏芯させながら転造を行うことにより、係止突条の形成に必要な管体材料が十分に流動し、管体の径の大小や肉厚寸法によらず、各種の管体に対して形状、高さおよび肉厚が均等な係止突条を安定的に形成することができる。
さらに、本発明の流体送給管管端継手部の加工装置によれば、回転する被加工管体に対する該管体への軸方向の押圧力の付与、および被加工管体の変形に伴っての偏芯を確実に行うことができる。

本発明者等は、上記の問題を解決するために、特許文献２および特許文献３に記載された方法による係止突条形成の際の管体材料の流動について検討を重ねた。その過程で、上記のへこみの発生や係止突条の高さ寸法の不足の問題は、内側転造ロールと外側転造ロールを回転させながら互いに接近させることにより係止突条を転造するときに、係止突条の形成に必要な管体材料の流動が不十分であることに起因するものであることを見出した。そして、その解決方法として、被加工管体に対して該管体の軸方向に押圧力を付与しながら転造を行うことが有効であることを見出した。
以下にその詳細を説明する。

図３は、本発明の流体送給管管端継手部の加工装置の断面図であり、図４は係止突条を転造する際の管体材料の流動状況を説明する説明図である。
本発明の流体送給管管端継手部の加工装置は、図３に示すように、一方側に係止突条を転造する機構が、他方側に被加工管体に押圧力を付与する機構が配置されている。
係止突条を転造する機構は、内側転造ロール５、外側転造ロール６を備えている。また、内側転造ロール５には図２に５ａとして示されているような位置決めフランジ（図示せず）が設けられている。
図示はしないが、さらに、内側転造ロール５に接続する駆動源が転造加工装置本体内に設けられており、外側転造ロール６を下方に押圧する機構が設けられている。

被加工管体への押圧力の付与は、軸押しシリンダー８により行われる。内側転造ロール５に接続する駆動源とは反対側の被加工管体２の端面位置に押圧プレート７が設けられており、この押圧プレート７を軸押しシリンダー８で押圧することによって、被加工管体２に押圧力が付与される。押圧プレート７は、管体２の端面を覆う面積を有している。図３に示すように、押圧プレート７の中心位置が管体の軸心の位置になるように、被加工管体に押圧力を付与する軸押しシリンダー８を配することが好ましい。

転造時、被加工管体２は内側転造ロール５の回転に従動して回転しているので押圧プレート７も回転する必要がある。また、転造法で係止突条が形成される段階では、被加工管体２は、例えば図３上では外側転造ロール６の下方への押圧により下方に移動されることになるので、押圧プレート７も下方に移動する必要がある。したがって、押圧プレート７および軸押しシリンダー８で被加工管体２に軸押し力を付与しつつ係止突条を円滑に形成するためには、押圧プレート７を軸押しシリンダー８に対して、回転自在、偏芯自在な形態で接続させることが必要となる。
以下に、好ましい形態について説明する。

押圧プレート７の背面には、可動プレート９が固設されている。可動プレート９は、平板部９aと管体側に立設された凸部９bとなり、その凸部９bが押圧プレート７の背面に固着された構造となっている。
一方、軸押しシリンダー８は、被加工管体２の軸方向に配置されており、押圧プレート７を管体２に押し付ける方向に作動する。軸押しシリンダー８の先端にはスライドプレート１０がボルト１２等で固定されている。スライドプレート１０の周囲に固定された断面Ｌ字状のロックプレート１１が、可動プレート９の前面に立設された凸部９bにより形成される押圧プレート７の裏面と可動プレート９の平板部９aの前面との間の空隙部に入り込む形態で、前記可動プレート９の平板部９aの周囲を拘束している。また、スライドプレート１０の摺動面１０aは可動プレート９の平板部９a裏面の摺動面より大きくなるような構造とされている。なお、図３中、１２はスライドプレート１０を軸押しシリンダーに固定するためのボルトである。また、１３はロックプレート１１をスライドプレート１０に固定するためのボルトである。

そして、スライドプレート１０の摺接面１０aと可動プレート９の平板部９a裏面との間には、図示していないが、スラストべアリングを介在させている。
上記のような構造とすることにより、スライドプレート１０に対して、押圧プレート７は回転可能であり、偏芯可能、図３上では上下方向に移動可能となっている。すなわち、被加工管体２の回転および偏芯に追従して押圧プレート７の回転および偏芯が可能なため、軸押しシリンダー８による押圧力が押圧プレート７を介して被加工管体２に適切に付与されることになる。
なお、可動プレート９の凸部９bとロックプレート１１との間隔、およびスライドプレート１０の摺動面１０aと裏面が摺動面となる可動部プレート９の平板部９aの大きさは、押圧プレート７が必要な範囲で偏芯できるような関係で決められる必要がある。

次に、本発明装置を用いて管体の管端継手部に係止突条を成形する方法を説明する。
被加工管体２の端部外周に係止突条２aを成形するに当っては、まず鋸盤等の切断手段（図示せず）を使用して、各管体２の端部を管軸に対し直角となるよう切断し、切断時発生したバリを除去し、端面角部の面取りを行う。
そして、内側転造ロール５が被加工管体２の内側となるように、管体２を流体送給管管端継手部の加工装置にセットする。管体２の反対側の端部に、押圧プレート７を介して押圧力を付与するように軸押しシリンダー８をセットする。

流体送給管管端継手部の加工装置の運転を開始すると、内側転造ロール５に接続され駆動源により内側転造ロール５が回転され、この内側転造ロール５の回転に伴い、被加工管体２が内側転造ロール５と同方向に回転される。また、軸押しシリンダー８により被加工管体２と密着された押圧プレート７も被加工管体２の回転に伴って回転する。
外側転造ロール６を下方に押圧する機構により外側転造ロール６を下方に移動させて被加工管体２に達すると、外側転造ロール６も、被加工管体２の回転に従動して内側転造ロール５と反対方向に回転される。

さらに、外側転造ロール６を下方に押圧すると、内側転造ロール５により被加工管体２の外周面に係止突条２aが、外側転造ロール６に設けられた成形環状溝６b内に入り込むように転造・形成される。それに伴って被加工管体２は、図３上では下降する。
この際、被加工管体２の回転、下降に伴って押圧プレート７は回転しながら下降する。その結果、軸押しシリンダー８による被加工管体２への均一な押圧力が維持される。

ここで、被加工管体２に付与される軸方向押圧力の作用・効果について説明する。図４は、係止突条を転造する際の管体材料の流動を説明する説明図である。
図４に示すように、外側転造ロールを下方に押圧する機構により外側転造ロール６が下方に移動して被加工管体２を加圧することにより、内側転造ロール５が被加工管体２を内側から押圧して係止突条２aを形成する力が働き、被加工管体２を構成する材料が移動することにより係止突条２aが形成される。このとき、被加工管体２の径が大きい場合や、小径でも肉厚寸法が小さい場合は、被加工管体２を構成する材料の形状拘束、すなわち、管体の形状を保持しようとする力が小さいため、内側転造ロール５の係止突条２aを形成する力により、被加工管体２を構成する材料の流動がスムーズに行われ、両側にへこみのない所望の高さ寸法の成形突条が形成される。

しかし、被加工管体２の径が小さい場合や、大径でも肉厚寸法が大きい場合は、被加工管体２を構成する材料の形状拘束が大きくなるため、内側転造ロール５による係止突条２aを形成する力だけでは、被加工管体２を構成する材料の流動がスムーズに行われなくなり、外側転造ロール６の加圧の程度を上げても十分な高さの成形突条の形成ができなくなる。さらに、成形突条の高さが一定になると、加工硬化の影響も加わり、成形突条の両側にへこみが生じてしまう。

本発明では、被加工管体に対して該管体の軸方向の押圧力を付与しながら係止突条を形成するため、係止突条の形成に際し被加工管体２を構成する材料の流動がスムーズになる。よって、形状拘束が大きい小径の管体や、大径でも肉厚寸法が大きい管体に対しても、へこみのない寸法精度の高い係止突条の形成が可能となる。
さらに、大径で薄肉の被加工管体２に係止突条を形成する場合においても、被加工管体２を構成する材料の流動がスムーズなため、係止突条を加工することによる減肉が緩和され、管体の肉厚の均一化が計れる。

本発明方法において、押圧力の付与は、転造工程の開始時から行っても良いが、転造工程の途中から行うことによって所定の目的を達成することも可能である。
一般的に、係止突条の両側に発生するへこみは、転造工程の開始後、目的とする突起高さに至る前の段階で発生する。たとえば、直径７６．３ｍｍ厚さ１．５ｍｍの管体に５ｍｍ高さの係止突条を形成しようとしても、係止突条の高さが２〜３ｍｍになるとへこみが発生する。したがって、へこみの出ない突起高さ２〜３ｍｍまでの転造加工の初期は押圧力を付与することなく転造加工を行い、その後押圧力を付与しながら転造加工を続行することにより、目的の高さの係止突条を形成することができる。ただし、転造工程の開始時から押圧力の付与を行うことにより、最初から板厚減少が抑制されるため加工安定性が向上するという利点はある。

ところで、本発明方法を実施するに当たっては、被加工管体の両側から押圧力を付与することも可能であるが、図３に示すように、被加工管体の内側転造ロールの駆動側と反対側から押圧力の付与を行うことが現実的である。被加工管体の両側から同一条件で軸押しすることにより形状の対称性が向上するという利点はあるが、内側転造ロールの駆動側から軸押ししようとすると、本体が邪魔になり、駆動源と軸押し源を確保するための大幅な設備改造を伴うことになる。
もともと管体に係止突条を転造する装置には、管端から常に同じ位置に係止突条を形成するために、内側転造ロール５の端面に図２に示すようなガイドフランジ５aが設けられているので、押圧力を被加工管体の内側転造ロールの駆動側と反対側の端面からのみ付与しても、このガイドフランジ５aが位置決め機能に加え押圧力に対する反力を与える機能を発揮するため、転造加工時に係止突条の両側の管体材料の流れ込みを促進させてへこみの発生を抑制することになる。

一方、管体に付与する押圧力の大きさについては、被加工管体の機械的特性を考慮して決める必要がある。
被加工管体に対し押圧力を付与した場合に管体が変形・座屈しない大きさが上限であり、その下限は係止突条の両側のへこみが解消できる大きさである。ただし、被加工管体がへこみの発生の問題のない管体の場合は、板厚減少が抑制される圧力が下限となる。係止突条の形成時には、管体外側へ材料が張出されると同時に管体の軸方向には縮む作用が伴う。このため、実際には押圧力は素材の降伏応力の１／１０以下で十分である。

押圧力の大きさは、係止突条の両側にへこみが発生せず、板厚減少がゼロとなる値が理想である。押圧力が必要以上に大きいと、材料の流れ込みが必要以上に促進されて軸方向への縮みが先行するため、目的とする突起高さが出しにくくなる。また押圧力があまりに大きくなると、内側転造ロールと被加工管体が同期回転しにくくなり、内側転造ロールのガイドフランジと管体端面との摺擦によって管体端面にキズが発生しやすくなる問題も発生する。
係止突条の成形中は材料の加工硬化が生じるため、それを見込んだ一定の押圧力を付与すればよい。また、係止突条の成形の進行に伴って押圧力を段階的に増加させてもよい。
軸押しシリンダーは油圧シリンダーでも良いが、エアーシリンダーで十分である。実際に必要なストローク量は、被加工管体の大きさや突起の高さ・形状にもよるが最大５０ｍｍ程度である。

図３に示す装置を使用し、外径７６．３ｍｍ、肉厚１．５ｍｍのＳＵＳ３０４鋼管の管端に、係止突条を形成した。
この際、内側転造ロールとして、外径直径６１ｍｍ、幅５．０ｍｍ、コーナーのＲ１．５ｍｍの寸法を、外側転造ロールとして外形直径１１７ｍｍ、溝幅９ｍｍ、溝深さ１７ｍｍ、パイプ接触部のコーナーのＲ１．５ｍｍの寸法を有する図４に示す形状の転造ロールを用いた。

内側転造ロールの回転速度を一定とし、外側転造ロールの圧下量を外側転造ロールが鋼管に接した状態から３ｍｍの位置で一定にし、少し動かして突起を形成し、円周方向の均一性を確保するため５回転程度その圧下を保持し、さらに同様の操作を所定の圧下量まで繰り返した。その間、軸押しシリンダーの押圧力を０．１〜１．０ＭＰａの範囲で種々変更して付与し、係止突条を形成した。
そして、加工された管体に対して、形成された係止突条の頂部位置における管体の平均外径を測定するとともに、突条の高さ（加工された管体の平均外径と被加工管体の外径から算出される値）を算出した。併せて、加工された管体の突条形状を観察するとともに、その縦断面から、係止突条部の内側転造ロールのコーナー部近傍に対応する位置、すなわち係止突条の両側から立ち上がり部にかけての最小板厚を測定した。

表１に示したように、押圧力を付与せずに係止突条を形成した場合、係止突条の両側にくぼみがみられ、形状が不良であり、係止突条の高さも若干低い。この例では、押圧力を０．２ＭＰａ以上としたことで、くぼみ等の形状不良の改善効果がみられ、係止突条の高さの向上効果がみられる。
現実に係止突条を形成する場合の好ましい押圧力は、被加工管体の材質、管体の外径、肉厚寸法により適宜定めるものである。

従来例の係止突条を用いたハウジング型の管継手の説明図 従来例の係止突条を転造により形成する方法を説明する説明図 本発明の流体送給管管端継手部の加工装置の断面図 係止突条を転造する際の管体材料の流動を説明する説明図

符号の説明

１：ハウジング型の管継手 ２：被加工管体 ５：内側転造ロール
６：外側転造ロール ７：押圧プレート ８：軸押しシリンダー
９：可動プレート １０：スライドプレート １１：ロックプレート

Claims (5)

1. 回転する被加工管体の内側に位置させた内側転造ロールと、前記管体の外側に位置させた成形環状溝を有する外側転造ロールを用いて、転造法により前記管体の端部外周面に係止突条を形成する流体送給管管端継手部の加工方法において、前記管体に対して該管体の軸方向の押圧力を付与しながら、かつ前記管体を変形に伴って偏芯させながら係止突条を形成することを特徴とする流体送給管管端継手部の加工方法。
2. 前記管体に対する該管体の軸方向への押圧力の付与を、転造工程の開始時から行う請求項１に記載の流体送給管管端継手部の加工方法。
3. 前記管体に対する該管体の軸方向への押圧力の付与を、転造工程の途中から行う請求項１に記載の流体送給管管端継手部の加工方法。
4. 内側転造ロールと、成形環状溝を有する外側転造ロールを備え、前記内側転造ロールの駆動により被加工管体の端部外周面に係止突条を形成する流体送給管管端継手部の加工装置において、被加工管体の前記内側転造ロールの駆動側と反対側の端面に位置し、前記被加工管体の回転および偏芯に伴って回転および偏芯する押圧プレートと、該押圧プレートを介して前記管体に該管体の軸方向の押圧力を付与する軸押しシリンダーとを備えたことを特徴とする流体送給管管端継手部の加工装置。
5. 前記軸押しシリンダーはスライドプレートに固定されており、前記押圧プレートは可動プレートに固定されており、前記スライドプレートのスライド面は前記可動プレートのスライド面より面積が大きくされているとともに、前記スライドプレートと前記可動プレートは互いのスライド面が摺動可能になるように相対して取り付けられている請求項４に記載の流体送給管管端継手部の加工装置。

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