JP5921229B2

JP5921229B2 - 管曲げ加工方法、曲管及び管曲げ加工装置

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Publication number: JP5921229B2
Application number: JP2012021354A
Authority: JP
Inventors: 和彦酒井; 伸一前川; タゥ゛インウォンシィリ
Original assignee: AWAJI MATERIA CO., LTD.
Current assignee: AWAJI MATERIA CO., LTD.
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-02-02
Also published as: JP2013158786A

Description

本発明は、管曲げ加工方法、曲管及び管曲げ加工装置に関する。

化学プラント等に用いられる配管は、直管と、エルボ（曲管）、ティー、レジューサ等の管継手とを溶接して構成される。配管を構成する直管と管継手との径及び肉厚は同じである必要がある。

管継手の中でも主要部品の一つであるエルボの主な製造方法は、下記の特許文献１に記載されているマンドレル曲げと呼ばれる手法である。このマンドレル曲げは、直管を必要な長さに切断した素管を、湾曲したマンドレルの後方から挿入し、素管を常温で又は加熱しながら素管の後端をマンドレルの前方に向けて押し出すことにより、素管をマンドレルに沿って曲げるという加工方法である。なお、ここでいうマンドレルとは管曲げに用いられる心棒のことである。

上記の従来技術に係る方法によりエルボを加工する場合には、マンドレルの湾曲した内周側を通過する部分は軸方向に圧縮加工されるため肉厚が厚くなるのに対して、マンドレルの湾曲した外周側を通過する部分は軸方向に引張り加工されるため肉厚が薄くなってしまう。これに対して、マンドレルを後方から前方にかけて次第に大きくなる形状とすることにより、曲げの内周と外周との肉厚の差が生じることを防止する技術も考案されている。

特開２００６−２４７６６４号公報

しかしながら、マンドレルを後方から前方にかけて次第に大きくした場合には、加工前の素管の径よりも加工後のエルボの径や肉厚が変化してしまうことは避けられない。そのため、エルボを加工するために適切な径及び肉厚の素管を特別に入手する必要があった。

本発明は上記の課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、直管から曲管への加工前後において管の肉厚の増減及び不均一の発生を抑制できる管曲げ加工方法、曲管及び管曲げ加工装置を提供することにある。

（１）本発明に係る管の曲げ加工方法は、加熱された金属製の管の両端に一対の湾曲したマンドレルを差し込むとともに、当該一対の湾曲したマンドレルをそれぞれ近づける方向に当該一対の湾曲したマンドレルに力を加えることで、前記管を曲げる曲げ工程を含むことを特徴とする。

（２）（１）において、前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを、前記管の中央位置に対して面対称に配置することとしてもよい。

（３）（１）において、前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを、前記管の中央位置に対して点対称に配置することとしてもよい。

（４）（１）において、前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを、前記管の中央位置に対して面対称に配置した後に、一方のマンドレルを他方のマンドレルに対してマンドレルの先端部の面を中心として所定角度回転させて配置することとしてもよい。

（５）（１）乃至（４）のいずれかにおいて、前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを前記管の中央部分まで押し込むこととしてもよい。

（６）（１）乃至（４）のいずれかにおいて、前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを前記管の中央部分よりも端側に設定した停止位置まで押し込んだ時点で押し込みを停止することとしてもよい。

（７）（１）乃至（６）のいずれかにおいて、前記一対の湾曲したマンドレルにおける湾曲部分の各部が概ね同じ径であることとしてもよい。

（８）（１）乃至（７）のいずれかにおいて、前記曲げ工程の後に、前記一対の湾曲したマンドレルをそれぞれ遠ざける方向に当該一対の湾曲したマンドレルを移動させるとともに、当該移動した各マンドレルの各先端を離す方向に当該各マンドレルを回転させて、前記管から前記各マンドレルをそれぞれ取り外す工程をさらに含むこととしてもよい。

（９）（８）において、前記取り外す工程では、前記曲げ工程で曲げられた管の両端をそれぞれプレートで固定することとしてもよい。

（１０）本発明に係る曲管は、（１）乃至（９）のいずれかの方法で加工された曲管である。

（１１）本発明に係る管の曲げ加工装置は、一対の湾曲したマンドレルと、前記一対の湾曲したマンドレルをそれぞれ保持する一対の保持部と、加熱された金属製の管の両端に前記一対の湾曲したマンドレルを差し込んだ後に、当該一対の湾曲したマンドレルをそれぞれ近づける方向に前記一対の保持部の少なくとも一方を押圧する押圧部を含むことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、管の両側から湾曲した一対のマンドレルを押し込んで管を曲げるようにしたことで、管の曲げ加工前後において管の肉厚の増減及び不均一の発生を抑制できる。

本実施形態に係る管曲げ加工装置の外観図である。マンドレルの断面形状及びマンドレルの移動・回転機構を説明する図である。エルボの製造工程の一例を示すフロー図である。マンドレル曲げ加工の工程（曲げ工程）を説明する図である。マンドレル曲げ加工の工程（曲げ工程）を説明する図である。マンドレル曲げ加工の工程（引き抜き工程）を説明する図である。回転機構を有さない場合にマンドレルを引き抜いた状態の一例を示す図である。本実施形態に係る管曲げ加工装置により加工される素管の一例を示す図である。管曲げ加工装置による他のエルボの加工方法を示す図である。図９による加工方法により製造されるエルボの一例を示す図である。管曲げ加工装置による他のエルボの加工方法を示す図である。図１１による加工方法により製造されるエルボの一例を示す図である。管曲げ加工装置により製造されるエルボの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態（以下、実施形態）について、図面を参照して説明する。

図１には、本実施形態に係る管曲げ加工装置１の外観図を示した。図１に示されるように、管曲げ加工装置１は、第１のマンドレル１０Ａ、第２のマンドレル１０Ｂ、第１のマンドレル１０Ａを保持する第１の保持部２０Ａ、第２のマンドレル１０Ｂを保持する第２の保持部２０Ｂ、油圧シリンダ３０、油圧シリンダ保持部４０、及び複数のロッド５０を備える。なお以下において、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂに共通する内容についてはマンドレル１０、第１の保持部２０Ａと第２の保持部２０Ｂに共通する内容については保持部２０と表記して説明する。

第１のマンドレル１０Ａは第１の保持部２０Ａに取り付けられ、第２のマンドレル１０Ｂは第２の保持部２０Ｂに取り付けられる。そして、油圧シリンダ３０の本体部分は油圧シリンダ保持部４０に取り付けられるとともに、油圧シリンダ３０のピストンロッド３２の先端は第２の保持部２０Ｂに取り付けられている。ここで、油圧シリンダ３０のピストンロッド３２を伸縮することにより、複数のロッド５０により固定された第１の保持部２０Ａと油圧シリンダ保持部４０との間を第２の保持部２０Ｂが摺動（スライド）するスライド機構を有する。このスライド機構により、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを対向させた状態で互いの距離を制御可能としている。

図２には、第１のマンドレル１０Ａ及び第２のマンドレル１０Ｂの断面形状及び第１のマンドレル１０Ａ及び第２のマンドレル１０Ｂの移動・回転機構を説明する図を示した。図２において、Ｘ軸はロッド軸方向、Ｙ軸はマンドレル１０の断面においてＸ軸と垂直な方向、Ｚ軸はマンドレル１０の断面と垂直な方向とする。そして、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、マンドレル１０は湾曲部分１２と取付台部分１４とを有しており、湾曲部分１２における、先端部分の径Ｄ１、中間部分の径Ｄ２、後端部分の径Ｄ３はそれぞれ概ね同じ径となっている。

図２（Ａ）は油圧シリンダ３０のピストンロッド３２を第１のマンドレル１０Ａに対して前進させた状態、図２（Ｂ）は油圧シリンダ３０のピストンロッド３２を第１のマンドレル１０Ａに対して後進させた状態における第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとの相対的位置関係を示している。このように、油圧シリンダ３０のピストンロッド３２を伸縮させることにより、第１のマンドレル１０Ａに対して第２のマンドレル１０ＢをＸ軸方向（ロッド軸方向）に平行移動することができる。

また、図２（Ｃ）に示されるように、第１のマンドレル１０Ａは第１の保持部２０Ａに対して回転軸１６Ａを中心としてＺ軸回りに回転可能に取り付けられており、同様に第２のマンドレル１０Ｂも第２の保持部２０Ｂに対して回転軸１６Ｂを中心としてＺ軸回りに回転可能に取り付けられている。なお、マンドレル１０の回転中心（回転軸）は、マンドレル１０の取付台部分１４に設けることとしてよい。また、保持部２０の形状は、マンドレル１０の取付台部分１４に設定された回転軸を中心として回転する場合にマンドレル１０の取付台部分１４と保持部２０とが接触しない形状とする。例えば、取付台部分１４のＹ軸方向における後端部分が、回転軸１６Ａ（１６Ｂ）を中心とした弧の形状に加工してもよいし、保持部２０のうちマンドレル１０の取付台部分１４が回転した場合に通過する領域をくり抜いて保持部２０を成形することとしてもよい。

次に、管曲げ加工装置１を用いてエルボ（曲管）を製造する工程の流れについて説明する。

図３には、エルボの製造工程の一例を示すフロー図を示した。まず、金属製の直管を必要な長さに切断した素管６０を用意する（Ｓ１０１）。

次に、用意した素管を所定の温度（例えば約摂氏１０００度）まで加熱した後に（Ｓ１０２）、加熱した素管の一部を冷却することとしてもよい（Ｓ１０３）。なお、この冷却工程は省略してもよい。

管局部冷却工程においては、素管を曲げる場合における外周部分の減肉（肉厚が薄くなる現象）を防止するための冷却方法、内周部分の座屈（折れ曲がってしまうこと）を防止するための冷却方法、素管の両端の断面が扁平となることを防止するための冷却方法のいずれか、またはこれらを組み合わせて素管を冷却することとしてよい。

ここで図３のフロー図に戻り説明を続ける。管局部冷却工程を終えると、管曲げ加工装置１に備えられたマンドレル１０を用いて、対象の素管に対して曲げ加工を施す（Ｓ１０４）。以下、マンドレル曲げ加工（Ｓ１０４）の手順の詳細を、図４〜図６を参照しながら説明する。なお、以下の図においては、説明の簡単のため、マンドレル１０と素管６０の関係のみ示している。

図４に示されるように、まず第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを素管６０Ａの両端に差し込み、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとの間に素管６０Ａを固定する。

次に、油圧シリンダ３０のピストンロッド３２を前進させて第２の保持部２０Ｂを第１の保持部２０Ａに向けて徐々に押し込むことで、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを共に素管６０Ａの中に差し込んで行く工程を、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとが図５に示される状態になるまで継続する。上記工程により曲げ加工が施された管を曲管６０Ｂと称する。

次に、曲管６０Ｂからマンドレル１０を引き抜く工程について説明する。まず、図６（Ａ）に示されるように、曲管６０Ｂから第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを同等の状態で引き抜くため、曲管６０Ｂの両端にプレート８０を配置するとともに、配置したプレート８０を固定することとしてもよい。なお、プレート８０で曲管６０Ｂを固定せずに、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを曲管６０Ｂから引き抜くこととしてもよい。

次に、油圧シリンダ３０のピストンロッド３２を後退させて、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを互いに離しながら、図６（Ｂ）の状態に示されるように、第１のマンドレル１０Ａを回転軸１６Ａの回りに、第２のマンドレル１０Ｂを回転軸１６Ｂの回りに互いに回転させる。そして、このまま第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとをさらに回転させ、図６（Ｃ）の状態に達すると、曲管６０Ｂからマンドレル１０のペアを引き抜くことができる。

なお、もし第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとに回転機構を設けない場合には、図７に示されるように、曲管に差し込んだマンドレル１０を引き抜く際に、成形後の曲管が変形してしまう。一方で、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとに回転機構を設けた場合には、図６に示したように、加工後の曲管を変形させることなく、曲管に差し込んだマンドレル１０を引き抜くことができる。

ここで図３のフロー図に戻って説明を続ける。Ｓ１０４のマンドレル曲げ加工が終了した後には、曲げ加工後の曲管をフラット金型で扁平化し（Ｓ１０５）、さらに扁平化された曲管を金型でプレスする金型矯正工程を実行する（Ｓ１０６）。金型矯正工程が終了すると、金型でプレスされた曲管を冷却する冷却工程（Ｓ１０７）を実行して、エルボを製造する。冷却工程（Ｓ１０７）は、自然冷却としてもよい。

なお、図３に示したフロー図は、エルボ（曲管）を製造する工程の一例を示したものであり、これに限定されない。例えば、図３に示したフロー図において、素管の加熱工程（Ｓ１０２）、管局部冷却工程（Ｓ１０３）、扁平加工（Ｓ１０５）、冷却工程（Ｓ１０７）のうち少なくとも一部については省略しても構わない。

以上説明した本実施形態に係る管曲げ加工装置１では、加工前の素管６０Ａの両側からマンドレル１０を押し込むようにしたことで、素管６０Ａの各部に対してせん断による曲げを施して曲げ加工を実現することができる。これにより、マンドレル１０の湾曲部分１２の径を均一化することができるため、加工前の素管６０Ａの径及び肉厚と、加工後の曲管（エルボ）７０の径及び肉厚とを略同一にできる。また、管曲げ加工装置１に、マンドレル１０を回転させる回転機構を設けたことにより、成形後の曲管（エルボ）を変形させることなく、曲管（エルボ）からマンドレル１０を引き抜くことができる。なお、本実施形態に係る管曲げ加工装置１により加工されたエルボは、エルボの内周における一対のマンドレル１０の対向する箇所（例えばエルボの中央部分）に、マンドレル１０が差し込まれた痕（他の部分と表面性状が異なる部分）が形成される。

また、従来の１つのマンドレルを用いた曲げ加工においては、素管６０Ａを後方から押し出すため、図８（Ａ）に示されるように断面形状が直方形であるものを用いる（又は少なくとも後方に位置する部分が垂直に切断されている）必要があった。これに対して、本実施形態に係る管曲げ加工装置１による曲げ加工においては、加工可能な素管６０Ａの断面形状は特に限定されない。例えば、本実施形態に係る管曲げ加工装置１による曲げ加工においては、図８（Ａ）に示される形状の素管６０Ａに加えて、図８（Ｂ）に示されるように断面形状が台形である素管６１も用いることができる。図８（Ｂ）に示される形状の素管６１を用いて曲管を作成した場合には、図８（Ａ）に示される形状の素管６０Ａを用いて曲管を作成した場合に比べて、曲げ加工後の端面付近のトリミング部位（図８（Ａ）における斜線領域）を低減することができるため、歩留まりを向上させることができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態においては、第１のマンドレル１０Ａを保持する第１の保持部２０Ａと、第２のマンドレル１０Ｂを保持する第２の保持部２０Ｂのうち一方を固定し、一方を移動させることにより第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとの相対距離を制御しているが、第１の保持部２０Ａと第２の保持部２０Ｂとの両側に油圧シリンダ３０を設けて、第１の保持部２０Ａと第２の保持部２０Ｂと両方を移動させるようにしても構わない。

また、素管の径及び肉厚、成形すべきエルボの角度に応じて利用するマンドレルの形状を選択し、選択したマンドレルのペアを管曲げ加工装置１の保持部２０にそれぞれ取り付けて、マンドレル曲げ加工を施すこととしてよい。

以下、本発明に係る管曲げ加工方法による他の加工方法の例、及びそれにより加工されるエルボの形状の例について説明する。

図９に示されるように、第２のマンドレル１０Ｂを、図４に示した第２のマンドレル１０ＢをＸ軸回りに１８０度回転（すなわち上下に反転）させて配置し、図９に示した第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを素管６０Ａの中に左右から押し込むことにより、素管６０Ａに曲げ加工を施すこととしてよい。

図１０には、図９に示される加工方法により加工された曲管２００の一例を示した。図１０に示されるように、図９に示される加工方法によれば、一方の断面２０１ａと他方の断面２０１ｂとが反対方向を向いているＺ（Ｓ）形状の曲管２００の加工が可能となる。なお、従来の１つのマンドレルを用いた曲げ加工においては、素管６０Ａをマンドレルの後方から前方に向けて押し出すため、図１０に示す曲管２００は溶接しなければ作成できなかったが、本発明による管曲げ加工方法によれば、マンドレルを用いた加工により図１０に示すようなＺ形状の曲管２００の加工が可能となるため、溶接を不要とすることができる。

また、図１１に示されるように、第２のマンドレル１０Ｂを、図４に示した第２のマンドレル１０ＢをＸ軸回りに９０度回転させて配置し、図１１に示した第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを素管６０Ａの中に左右から押し込むことにより、素管６０Ａに曲げ加工を施すこととしてよい。

図１２には、図１１に示される加工方法により加工された曲管２１０の一例を示した。図１２に示されるように、図１１に示される加工方法によれば、一方の断面２１１ａと他方の断面２１１ｂとが９０度回転した（すなわちねじれの位置にある）ねじれ形状の曲管８０の加工が可能となる。なお、従来の１つのマンドレルを用いた曲げ加工においては、素管６０Ａをマンドレルの後方から前方に向けて押し出すため、図１１に示す曲管２１０は溶接しなければ作成できなかったが、本発明による管曲げ加工方法によれば、マンドレルを用いた加工により図１２に示すようなねじれ形状の曲管２１０の加工が可能となるため、溶接を不要とすることができる。

また、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを図４に示した状態で配置し、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを素管６０Ａの中央部分よりも素管６０Ａの端側の所定位置までで押し込みを停止することにより、図１３に示すように湾曲部分９０ａと、直管部分９０ｂ（被湾曲部分）と備えたコの字形状の曲管２２０を作成することができる。なお、図１３に示した曲管９０においては、端側に２つの湾曲部分２２０ａが設けられ、湾曲部分２２０ａの間に直管部分２２０ｂが設けられる。また、図９及び図１１で説明した加工方法においても同様に、第１のマンドレル１０Ａと第２のマンドレル１０Ｂとを素管６０Ａの中央部分よりも素管６０Ａの端側の所定位置までで押し込みを停止することにより、湾曲部分２２０ａと、直線部分２２０ｂ（被湾曲部分）とを設けることができる。

他にも上記の実施形態で説明した構成を、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成できる構成で置き換えてもよいのはもちろんである。

１管曲げ加工装置、１０マンドレル、１０Ａ第１のマンドレル、１０Ｂ第２のマンドレル、１２湾曲部分、１４取付台部分、２０保持部、２０Ａ第１の保持部、２０Ｂ第２の保持部、３０油圧シリンダ、３２ピストンロッド、４０油圧シリンダ保持部、５０ロッド、６０Ａ素管、６０Ｂ曲管、６１素管、８０プレート、２００曲管、２０１ａ断面、２０１ｂ断面、２１０曲管、２１１ａ断面、２１１ｂ断面、２２０曲管、２２０ａ湾曲部分、２２０ｂ直管部分。

Claims

加熱された金属製の管の両端に一対の湾曲したマンドレルを差し込むとともに、当該一対の湾曲したマンドレルをそれぞれ近づける方向に当該一対の湾曲したマンドレルに力を加えることで、前記管を曲げる曲げ工程を含む
ことを特徴とする管の曲げ加工方法。
前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを、前記管の中央位置に対して面対称に配置する
ことを特徴とする請求項１に記載の管の曲げ加工方法。
前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを、前記管の中央位置に対して点対称に配置する
ことを特徴とする請求項１に記載の管の曲げ加工方法。
前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを、前記管の中央位置に対して面対称に配置した後に、一方のマンドレルを他方のマンドレルに対して前記管の中心軸を回転軸として所定角度回転させて配置する
ことを特徴とする請求項１に記載の管の曲げ加工方法。
前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを前記管の中央部分まで押し込む
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の管の曲げ加工方法。
前記曲げ工程では、前記一対の湾曲したマンドレルを前記管の中央部分よりも端側に設定した停止位置まで押し込んだ時点で押し込みを停止する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の管の曲げ加工方法。
前記一対の湾曲したマンドレルにおける湾曲部分の各部が同じ径である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の管の曲げ加工方法。
前記曲げ工程の後に、前記一対の湾曲したマンドレルをそれぞれ遠ざける方向に当該一対の湾曲したマンドレルを移動させるとともに、当該移動した各マンドレルの各先端を離す方向に当該各マンドレルを回転させて、前記管から前記各マンドレルをそれぞれ取り外す工程をさらに含む
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の管の曲げ加工方法。
前記取り外す工程では、前記曲げ工程で曲げられた管の両端をそれぞれプレートで固定する
ことを特徴とする請求項８に記載の管の曲げ加工方法。
一対の湾曲したマンドレルと、
前記一対の湾曲したマンドレルをそれぞれ保持する一対の保持部と、
加熱された金属製の管の両端に前記一対の湾曲したマンドレルを差し込んだ後に、当該一対の湾曲したマンドレルをそれぞれ近づける方向に前記一対の保持部の少なくとも一方を押圧する押圧部を含む
ことを特徴とする管の曲げ加工装置。