JP5644254B2 - 異形断面管の製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、管（金属管例えば鋼管）の長さ方向の一部を方形（正方形又は矩形）断面形状に成形して異形断面管となす異形断面管の製造方法及び装置に関する。

管長さ方向で断面形状の異なる管を異形断面管という。管（円管、或いは、長手方向に一様な非円形（楕円形、多角形等）断面形状を有する管）から異形断面管への成形方法として、管体内に液圧を負荷しつつ管体を所定形状の金型でプレス成形する方法が知られている（特許文献１〜３）。尚、管全長を角管（一定の四角形断面形状）にするロール成形法は周知である（例えば特許文献４）が、ロール成形法によって管の一部を角管とする異形断面管の製造例は見当たらない。

特開昭５５−７７９３４号公報 特開昭５５−５５８１９号公報 特開平８−９００９７号公報 特開２００６−１５０３７７号公報

従来は、管から異形断面管を得るために、管体内に液圧を負荷しつつ管体を所定形状の金型でプレス成形していたが、プレス成形装置及び液圧負荷装置を必要とし、設備が大掛かりにならざるを得ず、コスト低減が難しいという課題があった。

前記課題を解決するためになされた本発明は次のとおりである。
（１） 素材が管である被成形材の長手方向の一部を冷間で、成形ロールスタンドに配設した上下左右の成形ロールで方形断面形状にロール成形して異形断面管となす異形断面管の製造方法であって、前記被成形材又は前記成形ロールスタンドを前記被成形材長手方向に往復移動させつつ前記成形ロールのロールギャップを変化させることを特徴とする異形断面管の製造方法。

（２） 前記被成形材の長手方向の両端部に管端変形拘束芯金を装着した状態で前記ロール成形を行うことを特徴とする前記（１）に記載の異形断面管の製造方法。

（３） 前記素材として引張強度９８０ＭＰａ以上の鋼管を用い、最終成形品のコーナ部外面曲率半径を肉厚の２．５倍以上とすることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の異形断面管の製造方法。
（４） 素材が管である被成形材の長手方向の一部を方形断面形状に成形して異形断面管となす異形断面管の製造装置であって、被成形材を支持する支持手段と、被成形材長手方向の一部を方形断面形状にロール成形する上下左右の成形ロールを配設した成形ロールスタンドと、被成形材又は成形ロールスタンドを被成形材長さ方向に往復移動させる移動付勢手段と、前記成形ロールのロールギャップを変化させるギャップ調整手段と、該ギャップ調整手段を駆動するギャップ調整用駆動手段と、を有することを特徴とする異形断面管の製造装置。

（５） 前記被成形材又は成形ロールスタンドの特定部位通過時点を検出する通過センサと、前記成形ロールのロールギャップを計測するギャップセンサと、前記通過センサにより検出された特定部位通過時点を制御起点として、前記移動付勢手段を介して加工位置をプリセット制御するとともに、前記ギャップセンサによるロールギャップの計測値を用い前記ギャップ調整用駆動手段を介して前記加工位置におけるロールギャップをフィードバック制御するコントロールユニットと、を有することを特徴とする前記（４）に記載の異形断面管の製造装置。

（６） 前記被成形材の長手方向の両端部に装着する管端変形拘束芯金を有することを特徴とする前記（４）又は（５）に記載の異形断面管の製造装置。

本発明によれば、ロール成形によるから、プレス成形による従来と比べて、格段に低い（例えば１/１０程度の）成形荷重で成形ができるため、設備をコンパクトなものにでき、コスト低減が容易である。また、成形ロールは被成形材との接触面積がプレス金型より小さく、より高い面圧が作用するため、被成形材の表面粗さを小さくできて、より表面品質が良好な異形断面管が得られる。

本発明の実施形態の１例を示す(a)概略全体図及び(b)部分断面図 図１の成形ロールスタンドを示す正面図 図１の実施形態における(a)成形過程の概略平面図及び(b)当該実施形態に用いる所定のパススケジュール例の模式図 図３(b)の1Step目の詳細を示す(a)上下間ロールギャップの推移図及び(b)上下方向成形過程の断面図 本発明の実施形態の１例（前掲図の例とは異なる）を示す平面図 本発明の実施形態の１例（前掲図の例とは異なる）を示す平面図 本発明の実施形態の１例（前掲図の例とは異なる）を示す平面図

以下、図１〜図７を用いて、本発明を説明する。本発明では、図１に示すように、素材が管である被成形材100の長手方向の一部を冷間で、成形ロールスタンド10に配設した上下左右の成形ロール1,2,3,4で方形断面形状にロール成形して異形断面管となす異形断面管の製造方法であって、被成形材100を被成形材長手方向に移動20させつつ成形ロール1,2,3,4のロールギャップを変化させることを特徴とする。又、被成形材100を移動20させる代わりに、成形ロールスタンド10を移動20させてもよい。

尚、ロール成形を冷間（常温〜１００℃程度）で行うこととしたのは、熱間成形を行う際の問題点として、・成形スタンド耐久性（シャフト、軸受等）のため水冷要、・成形ロールの熱衝撃対応、・熱膨張による成形ギャップ変化対応等が必要であり、設備が大掛かりになるからである。さらに、スケール生成による表面性状の劣化を回避するためである。

これにより、被成形材100の長手方向の一部（例えば長手方向の両端部を除いた部分）を方形断面形状に成形することができる。尤も、一回のみの片道（＝０．５往復）移動の間に成形を完了しようとすると、素材強度や所要成形量によってはロール成形中に被成形材100が座屈変形して目標形状が得られない場合があるから、移動20は１往復以上の往復移動とする。

被成形材100を支持する支持手段として、管底部を支える管底ガイドロール30（図３、図５）、或いは管両端部を支える固定型の管端ガイド40（図６）や可動型の管端ガイド40A（図７）などを用いうる。管底ガイドロール30と可動型の管端ガイド40Aは併用してもよい（図５）。
成形ロールスタンド10は、上下左右の成形ロール1,2,3,4を保持する。成形ロール1,2,3,4のロール回転軸は被成形材100の長手方向に直交する同一平面内に配置される（図２）。成形ロールスタンド10は、成形ロール1,2,3,4のロールギャップを変化させるための、例えばスクリュー式のギャップ調整手段1A,2A,3A,4Aを有する（図２）。ギャップ調整手段1A,2A,3A,4Aは、例えばモータ式のギャップ調整用駆動手段18で駆動するとよい。

被成形材100を被成形材長手方向に移動20させる移動付勢手段16としては、可動型の管端ガイド40Aをシリンダロッドとして用いた駆動シリンダ70が挙げられる（図５、図７）。
又、被成形材100は固定として、成形ロールスタンド10を移動20させる場合は、被成形材100の両管端を固定型の管端ガイド40で支持した状態とし、一方、成形ロールスタンド10は、案内レール60で移動可能に支持した状態として、その移動20を駆動シリンダ70にて付勢するとよい（図６）。

又、被成形材100の長手方向両端部が何らかのはずみで変形してしまうことがないように、当該両端部には管端変形拘束芯金50を装着した状態で前記ロール成形を行うことが好ましい（図７）。
又、本発明をより能率的に且つより高精度に実施するには、本発明の異形断面管の製造装置は、例えば図１に示すような、被成形材100又は成形ロールスタンド10（以下、便宜上、これらの総称を移動対象物という）の特定部位通過時点を検出する通過センサ14と、成形ロール1,2,3,4のロールギャップを計測するギャップセンサ12と、通過センサ14により検出された移動対象物の特定部位通過時点を制御起点として、移動付勢手段16を介して加工位置をプリセット制御するとともに、ギャップセンサ12によるロールギャップの計測値を用いギャップ調整用駆動手段18を介して前記加工位置におけるロールギャップをフィードバック制御するコントロールユニット22と、を有する装置であることが好ましい。

移動対象物の特定部位としては、移動対象物が被成形材の場合はその管端部位など、成形ロールスタンド場合はそのロール軸位置近傍部位などが挙げられる。通過センサ14による前記特定部位の通過時点検出を容易ならしめるために、前記特定部位には適宜のマーカを固定しておくとよい。
前記移動付勢手段16を介してのプリセット制御では、操作対象になる移動付勢手段16（例えば図５の駆動シリンダ70である）を所定の往復動作シーケンスに沿って操作し、被成形材の長手方向位置座標軸上の成形ロール位置点である加工位置を、前記制御起点からの時間座標軸上の時点と対応付ける。

前記所定の往復動作シーケンスは、素材形状から目標成形形状までの成形加工計画に基づいて予め作成された、駆動シリンダ70のピストンロッドの前進後進運動の速度と時間の関係を規定した情報であり、数式或いはテーブルの形でコントロールユニット22に格納されている。コントロールユニット22は前記所定の往復動作シーケンスどおりに駆動シリンダ70を動作させる制御信号を生成し、駆動シリンダ70に送信してこれを操作することで、前記加工位置を前記制御起点からの時間座標軸上で移動させる。

前記ギャップ調整用駆動手段18を介してのフィードバック制御では、操作対象になるギャップ調整用駆動手段18（例えば図２のスクリュー式ギャップ調整手段1A,2A,3A,4Aを駆動するスクリュー駆動用モータである）を、加工位置のロールギャップが所定のパススケジュールから逸脱しないように、操作するが、その際、ギャップセンサ12によるロールギャップの計測値を用い、この計測値と、前記所定のパススケジュール上で対応するロールギャップの目標値とを比較して、目標値に対する計測値のずれ量を算出し、このずれ量がゼロとなるようにスクリュー駆動用モータ18を操作することで、加工位置のロールギャップを制御する。

前記所定のパススケジュールは、素材形状から目標成形形状までの成形加工計画に基づいて予め作成された、加工位置におけるロールギャップの推移（経時変化）を規定した情報であり、数式或いはテーブルの形でコントロールユニット22に格納されている。尚、加工位置は前述のとおりプリセット制御によって前記制御起点からの時間座標軸上を移動させられる。コントロールユニット22は、前記ずれ量がゼロとなる操作信号を生成し、スクリュー駆動用モータ18に送信してこれを操作することで、加工位置のロールギャップを増減させる。前記ずれ量がゼロの場合は何もしない。

尚、ロールギャップに対して、加工位置に対するのと同様なプリセット制御を行うのは、外乱等によって実成形加工過程が前記所定のパススケジュールからずれた場合、そのずれを解消することができず、成形不良を招くことになるが、前記フィードバック制御によれば、かかる成形不良の発生を抑制することができる。
ギャップセンサ12としては、例えばリニアエンコーダ、レーザー距離計等が好ましく用いうる。通過センサ14としては、例えばレーザ―ドップラー式、超音波式等が好ましく用いうる。又、コントロールユニット22は、通常のパソコンを用いて構成することができる。

図３(b)に模式図で示す所定の成形パススケジュール例は、素材円管を方形断面部が矩形断面形状である異形断面管に成形する場合の例であり、加工位置におけるロールギャップ（略してはギャップ）は上下間を実線、左右間を点線で表わしている。ここで移動対象物は被成形材100である（図３(a)）。移動20での往復は、１．５往復であり、1Step目（正転）と2Step目（逆転）とで１往復、3Step目（正転）で残りの０．５往復になる。ここで正転、逆転は成形ロールの回転の向き（正方向回転、逆方向回転）を表す。又、図３(a)の移動20においては、加減速時は別として、定速時における移動速度は1Step目から3Step目にかけての全域にわたり略一定としている。

左右間ギャップは、パイプセット段階では大開の状態から被成形材100に成形ロール3,4が軽く接触する状態へ移行し、次いで1Step目から3Step目にかけてはその全域で同前の状態を保ち、次いでパイプ取出し段階では大開の状態に戻る。
上下間ギャップは、パイプセット段階では大開の状態から成形ロール1,2が被成形材100に軽く当接する状態へと移行する。次いで1Step目から3Step目にかけては、何れのStepでも逆ハット型の折れ線に沿うように、且つその逆ハット型の底部では前Stepの同部よりも小さいギャップとなるように変化し、次いでパイプ取出し段階では大開の状態に戻る。

図４には、(a)として図３の1Step目の詳細を示し、(b)として(a)のA,B,C,D各点に対応する成形過程の断面図を示す。
図４(a)の逆ハット型折れ線の左水平部はギャップが変化しない領域であって、加工位置は成形加工始端側の端部非成形域内にある。この領域内のA点では図４(b)の対応断面図に示されるように、停止中の被成形材100の成形加工始端側に成形ロール1,2が軽く接した状態にある。

前記左水平部に連なる左斜線部はギャップが徐々に狭まる領域であって、加工位置は断面形状が素材断面側から異形断面側へと徐々に変化する徐変部領域内にある。この領域内のB点では図４(b)の対応断面図に示されるように、正転方向に移動中の被成形材100を成形ロール1,2で徐々に押圧していく状態にある。
前記左斜線部に連なる中央水平部はギャップが変化しない領域であって、加工位置は定常的な方形断面（この例では矩形断面）成形域内にある。この領域内のC点では図４(b)の対応断面図に示されるように、正転方向に移動中の被成形材100を、ギャップを固定した成形ロール1,2で押圧している状態にある。

前記中央水平部に連なる右斜線部はギャップが徐々に広がる領域であって、加工位置は断面形状が異形断面側から素材断面側へと徐々に変化する徐変部領域内にある。
前記右斜線部に連なる右水平部はギャップが変化しない領域であって、加工位置は成形加工終端側の端部非成形域内にある。この領域内のD点では図４(b)の対応断面図に示されるように、正転方向に移動中の被成形材100に対する成形ロール1,2の押圧を解除する直前の状態にある。

上記の製造装置を用いることで、被成形材の加工位置とそこでのロールギャップを高精度に制御することができて、異形断面管を高能率且つ高寸法精度に製造することができる。
尚、移動対象物の定速時の移動速度は、速くし過ぎると徐変部領域においてロールのスリップ等による寸法形状不良等の成形不良を生じ易いため、１０ｍ/分以下とするのが好ましい。又、ロールギャップを徐々に狭めていく時のギャップ減少速度は、速くし過ぎると対応徐変部領域においてロールのスリップやギャップコントロール不良による寸法形状不良等の成形不良を生じ易いため、２０ｍｍ/秒以下とするのが好ましい。又、１つのStep内のギャップ変化量（＝前記逆ハット型折れ線における、左水平部ギャップ値−前記中央水平部ギャップ値）は、大きくし過ぎると徐変部領域において座屈等の成形不良を生じ易いため、２０ｍｍ以下とするのが好ましい。

ところで、前記素材として、引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼管を用いるとき、最終成形品のコーナ部外面曲率半径を肉厚の２．５倍未満とすると、加工割れ、曲げ内側の折れ込み、遅れ破壊等の成形不良が生じ易くなる。このため、本発明では、前記素材として引張強度９８０ＭＰａ以上の鋼管を用いるとき、最終成形品のコーナ部外面曲率半径を肉厚の２．５倍以上とすることが好ましい。

実施例として、図１に示した装置を用い、表１に示す素材鋼管（素管）を被成形材として、表１に示す往復回数のパススケジュールでロール成形し、表１に示す最終成形形状の異形断面管を製造した。尚、一部の被成形材は両端に管端変形拘束芯金を装着した。又、移動対象物は被成形材とし、その定速時の移動速度は３ｍ/分、ギャップ減少速度は１０ｍｍ/秒、１つのStep内のギャップ変化量は１０ｍｍとした。

このときの成形不良の有無を調べた結果を表１に示す。本発明により、異形断面管を製造できたことが分かる。但し、片道移動とした参考例(No.4)、あるいは引張強度(TS)が９８０ＭＰａ以上の素管を用い、最終成形品のコーナ部外面曲率半径を肉厚の２．５倍未満とした場合（No.8、No.9）は、成形不良が生じた。

尚、比較例として、実施例のNo.1と同様の素管を同様の形状の異形断面管に成形するにあたり、管体内に液圧を負荷しつつ管体を所定形状の金型でプレス成形する方法を試行した。比較例では、所望の製品形状が得られたものの、設備が大掛かりとなり、実施例と比べて２倍以上のコストを要した。

1,2,3,4 成形ロール(1,2：上下、3,4：左右)
1A,2A,3A,4A ギャップ調整手段（スクリュー式）
10 成形ロールスタンド
12 ギャップセンサ
14 通過センサ
16 移動付勢手段
18 ギャップ調整用駆動手段（スクリュー駆動用モータ）
20 移動（被成形材長手方向に沿った被成形材又は成形スタンドの移動）
22 コントロールユニット
30 管底ガイドロール
40 管端ガイド（固定型）
40A 管端ガイド（可動型）
60 案内レール
70 駆動シリンダ
100 被成形材

Claims (6)

1. 素材が管である被成形材の長手方向の一部を冷間で、成形ロールスタンドに配設した上下左右の成形ロールで方形断面形状にロール成形して異形断面管となす異形断面管の製造方法であって、前記被成形材又は前記成形ロールスタンドを前記被成形材長手方向に往復移動させつつ前記成形ロールのロールギャップを変化させることを特徴とする異形断面管の製造方法。
2. 前記被成形材の長手方向の両端部に管端変形拘束芯金を装着した状態で前記ロール成形を行うことを特徴とする請求項１に記載の異形断面管の製造方法。
3. 前記素材として引張強度９８０ＭＰａ以上の鋼管を用い、最終成形品のコーナ部外面曲率半径を肉厚の２．５倍以上とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の異形断面管の製造方法。
4. 素材が管である被成形材の長手方向の一部を方形断面形状に成形して異形断面管となす異形断面管の製造装置であって、被成形材を支持する支持手段と、被成形材長手方向の一部を方形断面形状にロール成形する上下左右の成形ロールを配設した成形ロールスタンドと、被成形材又は成形ロールスタンドを被成形材長さ方向に往復移動させる移動付勢手段と、前記成形ロールのロールギャップを変化させるギャップ調整手段と、該ギャップ調整手段を駆動するギャップ調整用駆動手段と、を有することを特徴とする異形断面管の製造装置。
5. 前記被成形材又は成形ロールスタンドの特定部位通過時点を検出する通過センサと、前記成形ロールのロールギャップを計測するギャップセンサと、前記通過センサにより検出された特定部位通過時点を制御起点として、前記移動付勢手段を介して加工位置をプリセット制御するとともに、前記ギャップセンサによるロールギャップの計測値を用い前記ギャップ調整用駆動手段を介して前記加工位置におけるロールギャップをフィードバック制御するコントロールユニットと、を有することを特徴とする請求項４に記載の異形断面管の製造装置。
6. 前記被成形材の長手方向の両端部に装着する管端変形拘束芯金を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の異形断面管の製造装置。

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