JP5967302B2 - 鋼管のプレス成形方法および鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレス曲げ加工による厚肉鋼管の成形方法および鋼管の製造方法に関するものである。

厚肉鋼管の成形方法として、図３に示す上下金型を用いたプレス成形方法（以下、ベンディングプレス（bending press）とも呼ぶ）がある。

該成形方法は、所定の幅、長さを有する鋼板を、長さ方向を管軸方向とする鋼管に成形する際に、前記鋼板の幅端部に曲げ加工（以下端曲げ（edge crimping）と呼ぶ）を行い、続いて鋼板幅方向に複数回の曲げ加工を行い円筒に成形する方法である。

端曲げに引き続く本成形工程では、図３に示すように下金型の２つのダイス１ａ、１ｂを所定間隔に調整し、その上に鋼板Ｓをセットし、上金型のパンチ２の先端部であるパンチ先端部２２を２つのダイス１ａ、１ｂ間に相当する位置に押し込むことで曲げ変形を加え、次に鋼板Ｓを幅方向に所定長さ移動し、再度上金型を押し込むことを複数回繰り返す。

通常は、鋼板の幅方向一方側の端部（図中Ａ）から該鋼板の幅方向中央部（図中Ｃ）に向かって順次成形し（前半）、前記鋼板幅方向中央部の手前まで成形した後、前記鋼板幅方向反対側の端部（図中Ｂ）から前記鋼板幅方向中央部（図中Ｃ）に向かって順次成形し（後半）、最後に前記鋼板幅方向中央部（図中Ｃ）に圧下を加える（最終）。このようにして、円筒状に成形して互いに向かい合う板端部が溶接されていない状態の管体であるオープン管が製造される。なお、図３において、点線は、パンチ２が鋼板Ｓに接触していない状態の鋼板Ｓの位置である。図３において、ダイス１ａ、１ｂの左右には図示しないテーブルローラが設けられている。テーブルローラは、例えば図３の左上図の点線状にＢ点やＣ点を支持するとともに、鋼板Ｓを図中の左右方向に搬送することが可能である。

図４はオープン管の模式図である。図４に示すようにオープン管３は素材である板材を円筒状に成形して、互いに向かい合う板端部（オープンシームエッジ（open seam edges））３１ａ、３１ｂが溶接されていない状態の管である。向かい合うオープンシームエッジの間隔ｇがシームギャップ（seam gap）である。オープン管３の管軸方向Ｌは、パンチの長手方向と一致する。

オープン管は、この後、鋼管長手方向（紙面垂直方向）に搬送し、次工程に送られる。このため、最終回の曲げ加工である最終パス成形の後には、オープン管３のシームギャップｇは上金型のパンチ先端部２２を支えるパンチビーム２１の厚さより広くしなければならない。

そして、オープン管３の前記シームギャップｇを閉じるように圧下装置で拘束し、その状態で、突き合わされたオープンシームエッジを溶接機で溶接し、ストレートシームの溶接鋼管とする。なお、必要に応じて、溶接鋼管に拡径や縮径加工を加えることによって円筒形状の矯正を行う。

この際のプレス条件の調整や設定には特許文献１に開示されている下金型のダイスの間隔の調整機構を設けたプレス金型を用いることができる。

日本国特開平１１−１２９０３１号公報

オープン管のシームギャップを閉じるように圧下装置で拘束し、その状態で突き合わされたオープンシームエッジを溶接機で溶接するにあたり、圧下装置の拘束力には上限がある。このため、鋼管サイズによって決められた一定量以上のシームギャップを有するオープン管を拘束してオープンシームエッジを突き合わせることができない。その結果、突き合わさせたオープンシームエッジを溶接することもできない。

そのため、ベンディングプレス時の最終プレスではできるだけシームギャップを小さくすることが求められている。

最終プレスでは徐々にパンチ圧下量を増やすことで、オープン管のシームギャップ量の調整を行なっている。最終プレスのパンチ圧下量を大きくするとシームギャップ量は少なくなり、逆にパンチ圧下量が小さいとシームギャップ量は大きい状態となる。

パンチ圧下を開放すると、スプリングバックが発生するので、圧下開放後のオープン管のシームギャップは圧下中のオープン管のシームギャップよりも大きくなる。このため、圧下開放後のスプリングバックを小さくすることを目的として、最終プレスにおいて、パンチ圧下量を増加させていってオープンシームエッジがパンチ支持部に接触してからもさらにパンチ圧下量を増やしてオープン管に曲げ加工を加える技術がある。

ところが、パンチ圧下量が過剰であると、オープン管のオープンシームエッジがパンチ支持部を強く挟み込み、管を除去するためには管を全長にわたって切断しなければならない、というトラブルが発生するおそれがある。

このようなトラブルを避けるため、通常は、パンチ圧下量が過剰とならないように留意されるが、その結果、シームギャップは大きくなりがちである。

これに加えて、鋼板の降伏強度もシームギャップに影響を及ぼす。これは、鋼板に曲げ変形を加えた場合、曲げ変形後のスプリングバック量は、鋼板の降伏強度によって異なるからである。たとえば、同一のプレス条件で最終パスのプレス成形を実施してプレス荷重を完全に除去した場合、鋼板Ｓの降伏強度が低い場合はシームギャップが小さく、鋼板Ｓの降伏強度が高い場合はシームギャップが大きくなる。

前述のように、通常は、パンチ圧下量が過剰にならないように留意されるので、シームギャップは大きくなりがちである。ここで、さらに鋼板の降伏強度の影響が重なることにより、シームギャップのばらつきも大きくなる。前記シームギャップが大きすぎると、溶接時に前記シームギャップを閉じて拘束するのに必要な拘束力が大きくなるため圧下装置が大型となる。また、シームギャップのばらつきに対応するためには、前記溶接機において、手動により圧下装置の圧下量を調整する場合には多大な時間が必要となる。

そこで、プレス後のシームギャップのばらつきを抑えるために、鋼板毎にプレス条件を調整するか、予め鋼板の降伏強度とプレス条件の関係をテーブル化して、該テーブルに基づいてプレス条件を定める技術がある。

特許文献１に記載の技術では、下金型のダイス間隔を調整することにより、曲げ形状を調整できるようになっている。スプリングバック量のばらつきに対しては、第１ステップで鋼板を鋼管に成形した後の形状を計測した後、第２ステップで下金型のダイス間隔を調整し修正加工を施すようになっている。言い換えれば、特許文献１に記載の技術によれば、前記第１ステップの成形加工の後、除荷された状態、すなわちスプリングバックが発生した状態における曲げ形状を計測し、その計測結果に応じて、圧下量や荷重や下金型のダイス間隔などのプレス条件を調整することにより、第２ステップである修正加工が実施される。そのため、下金型のダイス間隔を再設定する場合には前記再設定するための時間が必要となる。特に１本の鋼管の成形に複数回の修正加工を行う場合は、形状計測の回数も複数回となるため生産能率が大きく低下するという問題がある。そして、このような修正加工の条件の設定は、鋼板ごとに実施する必要があるため、スプリングバック量にばらつきを有する多数の鋼板から鋼管を製造する場合には、生産能率の大幅な低下が避けられない。

そこで、本発明は、シームギャップのばらつきが少ない鋼管のプレス成形方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、以下の通りである。

［１］鋼板に複数回のプレス曲げ加工を加えて鋼板を成形して鋼管を成形する方法であって、被成形材であるオープン管が最終回のプレス曲げ加工中に特定のシームギャップとなった状態からさらに必要とされる追加圧下量と前記特定のシームギャップとの間について、あらかじめ求められた関係に従い、被成形材であるオープン管が最終回のプレス曲げ加工中に前記特定のシームギャップとなった状態から前記の関係に基づく前記追加圧下量の加工を前記オープン管に施すことを特徴とする鋼管のプレス成形方法。

［２］前記特定のシームギャップが、鋼板のオープンシームエッジが上金型のパンチビームに接触した時点のシームギャップであることを特徴とする［１］記載の鋼管のプレス成形方法。

［３］前記［１］または［２］に記載のプレス成形方法で成形されたオープン管のオープンシームエッジを突き合わせて溶接することを特徴とする鋼管の製造方法。

本発明により、予め定められた条件でプレスすることで、シームギャップのばらつきの少ないプレス材が得られるため、修正加工や下金型のダイス間隔の設定調整の必要がなく生産効率が大きく向上する。

図１は本発明による降伏強度差とシームギャップとの関係を示す図である。 図２は従来技術による降伏強度差とシームギャップとの関係を示す図である。 図３は鋼管製造工程のうち成形工程を説明する模式図である。 図４はオープン管の模式図である。 図５は端曲げ成形工程を説明する模式図であり、図５Ａは端曲げ時のセット状態、図５Ｂは端曲げ負荷終了時の状態、図５Ｃは端曲げ除荷後の状態を示す。 図６はプレス成形工程を説明する模式図であり、図６Ａは荷重負荷状態、図６Ｂは荷重除荷後の状態、図６Ｃはプレス成形後の管断面形状を示す。

ストレートシーム溶接鋼管の主たる用途であるラインパイプの一般的な規格であるＡＰＩ規格において、Ｘ８０グレードの溶接鋼管の降伏強度の上限から下限までのレンジは、１３８ＭＰａとなっており、溶接鋼管の素材となる鋼板でも降伏強度のレンジは同程度の範囲となっている。特に、降伏強度の高い鋼管を製造する場合には、素材となる鋼板は、ＴＭＣＰ法により製造されるので、成分条件、圧延条件や冷却条件のばらつきによりその降伏強度もばらつきやすくなる。

以下、外径１２１９ｍｍ、管厚３１．８ｍｍのＡＰＩ Ｘ８０グレード鋼管を、成形する場合について説明するが、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

初めに、成形方法を図５に示すように、端曲げを実施した。図５において、４１は端曲げ下金型であり、４２は端曲げ上金型である。鋼板幅方向端部の幅２４０ｍｍの範囲ｈ（図５Ａ）にプレス負荷時に端曲げ角度ｊ（図５Ｂ）が２８度となるように端曲げを行った。プレス荷重除荷後の鋼板幅方向端部の曲げ角度ｋ（図５Ｃ）は２３度であった。

次いで図６Ａに示すパンチ先端部２２の半径Ｒが４１５ｍｍのパンチ２（上金型）により鋼板幅方向端部から鋼板幅方向に順次１１回の曲げ加工を行った。このときの成形方法を図６に示す。図６Ａでパンチ２（上金型）は、パンチビーム２１とパンチ先端部２２からなり、下金型はダイス１ａ、１ｂから成り立っている。この１１回の曲げ角度の合計値と、前記端曲げの曲げ角度とを合わせて全体でシームギャップを除いた全体の曲げ角度（図６Ｃのｆ）となる。具体的には、降伏強度６４０ＭＰａの鋼板で、除荷後の曲げ角度（図６Ｂのｅ）が２９度となるように、曲げ加工１回あたりの負荷時の曲げ角度（図６Ａのｄ）を３５度として曲げ加工を行った。鋼板Ｓの曲げ範囲は、図６Ａの範囲ａが前回までの曲げ範囲、図６Ａの範囲ｂが今回の曲げ範囲、図６Ａの範囲ｃが次回以降の曲げ範囲を示す。このような曲げ加工において、曲げ加工量の調整は、パンチ２の移動量をプレス装置で直接制御する方式が一般的である。ここでは鋼板の上面位置にパンチ先端部２２が接触した状態からパンチ２が下降した量（以下、ある基準点からのパンチ２の下降量を圧下量と称し、特に断りがない場合は鋼板の上面位置を基準とする）を一定として加工を行った。

鋼板の降伏強度の基準値である６４０ＭＰａに対する鋼板の降伏強度の差である降伏強度差とプレス後に除荷した状態のシームギャップの関係を図２に示す。

曲げ負荷時すなわち圧下中の状態における曲げ形状が同一形状でも、降伏強度が高い素材では、スプリングバック量が大きくなる。そのため、成形後の曲げ角度が小さくなり、除荷した状態でのシームギャップが大きくなる。図２に示すように、素材鋼板の降伏強度が１６０ＭＰａ異なるとプレス後の除荷した状態でのシームギャップの差は１７０ｍｍとなる。これは外径の１４％に相当し、非常に大きな値である。

そこで、途中工程での曲げ加工は、従来の成形方法で行い、最終成形パス（１１回目）での圧下量を変更した場合の降伏強度差とプレス後の除荷した状態でのシームギャップの関係を図１に示す。なお、図１には、参考として図２に示した従来技術の結果（グラフｂ）を記入している。

グラフｃが本発明例で、最終成形パス（１１回目）での変形量が同一となるように、オープンシームエッジが上金型のパンチビーム２１に接触後更に９ｍｍ圧下した場合である。プレス後の除荷した状態でのシームギャップの差は２０ｍｍと小さく、鋼板の降伏強度によらずほぼ一様のシームギャップが得られることがわかる。

グラフａはオープンシームエッジが上金型のパンチビーム部に接触するまで圧下した例である。従来技術（グラフｂ、圧下一定）に比較するとプレス後の除荷した状態でのシームギャップの偏差は小さくなっているが、除荷した状態でのシームギャップが前述の本発明例に比べて大きい。

オープンシームエッジが上金型のパンチビーム２１と接触してからさらに９ｍｍ圧下したのは、次のような技術思想に基づくものである。

同一サイズの鋼管を複数製造する場合には、まず、同一サイズの複数のオープン管を成形する。ここで、そのプレス条件は、基本的に一定であるので、素材である鋼板からオープン管への変形様式も基本的に同一である。よって、最終プレスの途中の或る特定の形状を基準として、その状態からさらに追加すべき圧下量を一定にすれば、最終プレス後に除荷した状態でのシームギャップも一定になる。

前述のように、２つのダイス１ａ、１ｂと１つのパンチ２を用いて鋼板からオープン管を成形する場合には、前記のさらに追加すべき圧下量を一定とする最終プレスの途中のある特定の形状の指標として、シームギャップを採用することが、簡便であり、かつ有効である。

前述の例では、かかる、さらに追加すべき圧下量を一定とする最終プレスの途中のある特定の形状の指標であるシームギャップとして、両側のオープンシームエッジが上金型のパンチ２のパンチビーム２１に両方ともに接触した時点を採用した。ここで、両側のオープンシームエッジが上金型のパンチ２のパンチビーム２１に両方ともに接触した時点から、さらに追加すべき圧下量は、事前に予備成形を実施したり、あるいは、過去の製造実績を参照したりすることにより把握・決定しておく。

なお、さらに追加すべき圧下量を一定とする形状の指標であるシームギャップの基準を、両側のオープンシームエッジが上金型のパンチ２のパンチビーム２１に両方ともに接触した時点とした場合、すなわち、シームギャップがパンチビーム２１の厚さと一致した場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。たとえば、シームギャップが特定の値に達したことの判定は、たとえば、板端位置を随時測定できる形式の検出器や、ある位置に到達したことを判定する形式の簡易な検出器を用いることにより可能である。

具体的には、例えば、パンチビーム２１に投光器と受光器を設け、投光器から受光器への航路をオープン管のオープンシームエッジが遮ることにより受光器における受光光量が変化することに基づき、オープンシームエッジの位置を検出することができる。また、オープンシームエッジが上金型のパンチ２のパンチビーム２１に接触した時点を検知するのであれば、板端部の位置を必ずしも随時測定することはない。たとえば、オープンシームエッジとパンチビーム２１とが接触することにより、電気的導通状態が変化することや、あるいは、接触予定部に圧電素子をあらかじめ設けて接触有無を確認したりすることにより、実現できる。

最終プレスの圧下中にオープン管が特定のシームギャップになった状態から、さらに必要とされる追加圧下量の加工を施す制御方法としては、たとえば、前記特定のシームギャップ量になった時点で、プレス成形装置の圧下制御装置に信号を送り、この信号をトリガーとして、別途、事前に決定されている追加圧下量の加工を実施すればよい。追加圧下量の測定は、パンチ２の移動量を測定することにより可能である。なお、前記特定のシームギャップがパンチビーム２１の厚さと同じ場合、すなわち、オープンシームエッジがパンチビーム２１に接触した時点を基準とする場合には、パンチビーム２１に接触したオープンシームエッジがパンチビーム２１上を摺り上っていく量を検知して、この摺り上る量を基準にして追加圧下量を制御することも可能である。

上記のプレス成形方法により製造されたオープン管を用いて鋼管を製造するには、前記連続仮付け溶接装置を用いてオープン管のオープンシームギャップを連続仮付け溶接し、その後、内面溶接、ついで外面溶接、の順番で本溶接を実施すればよい。本溶接を実施した鋼管に対して、拡管装置を用いて拡管することにより、鋼管の真円度を向上させることができるので好ましい。拡管工程において拡管率（拡管前の管の外径に対する拡管前後の外径変化量の比）は、通常、０．３％〜１．５％の範囲で実施される。真円度改善効果と拡管装置に要求される能力とのバランスの観点から、拡管率は０．５％〜１．２％の範囲であることが好ましい。

外径１２１９ｍｍ、管厚３１．８ｍｍ、長さ１２ｍの鋼管を製造するためにＡＰＩ Ｘ８０グレードで長さ２４ｍの鋼板を１０枚準備し、各鋼板を長手方向に３分割して、試験材を１０枚／組×３組準備した。これらの鋼板の板幅を３６９３ｍｍに機械加工し、鋼板幅方向両端部の各々について、幅１８０ｍｍの範囲をＲ３８０ｍｍの金型で端曲げを行った後にプレス成形を実施した。

プレス成形は、上金型のパンチ２はパンチ先端部２２の半径がＲ４１５ｍｍのものを用い、下金型のダイス１はＲ１００ｍｍの金型を間隔５４０ｍｍ（間隔は下金型の２つのダイス１ａ、１ｂの頂点部間の距離）にセットし、１１回に分けて行った。なお、パンチビーム２１の厚みは１００ｍｍである。

１パス目から１０パス目までの幅方向セット位置（下金型の２つのダイスの中心の板幅中央からの距離）と圧下量を表１に示す。圧下量は鋼板の降伏強度６１５ＭＰａの時に端曲げと１１回のプレス成形との合計でシームギャップ部を除いたほぼ全周の曲げになるように定めた。

本成形工程の成形順序としては、図３のプレス工程図に示すように、パス１〜５が前半工程、パス６〜１０が後半工程を意味する。前半工程にあたるパス１〜５は、鋼板の幅方向一方側の端部から該鋼板の幅方向中央部に向かって順次成形し、該鋼板幅方向中央部でプレス１回分の幅だけ手前まで成形する。次に、後半工程にあたるパス６〜１０は、前記鋼板の幅方向反対側の端部から前記鋼板幅方向中央部に向かって順次成形する。最後（１１パス目）に前記鋼板幅方向中央部に圧下を加える。

降伏強度の異なる１０枚の鋼板（鋼板Ｎｏ．Ａ〜Ｊ）を使って、表１で示した鋼板幅方向位置（表中鋼板幅方向位置は鋼板幅中央ＣからＡ方向距離を＋、Ｂ方向距離を−で表示した）で、各々の鋼板について１０パスのプレスを行い、その後１１パス目のプレスを行ってプレス後の除荷した状態でのシームギャップを測定した。その結果（鋼板降伏強度とプレス後のシームギャップの関係）を表２に示す。

最終パス（１１パス目）では、板幅中央が下金型中心となるようにセットし、本発明例では、降伏強度６１５ＭＰａの鋼板でプレス後のシームギャップが１２５ｍｍとなるように、鋼板の幅端部、すなわちオープン管のオーブンシームエッジがパンチビーム２１に接触した後、更に９ｍｍ圧下した。比較例１では、降伏強度が最も低い５６０ＭＰａの鋼板でプレス後の除荷した状態でのシームギャップが１００ｍｍとなるように、鋼板の上面位置からパンチ２を下降させる量である圧下量を４８．６ｍｍとした。比較例２では、まず、オープン管のオーブンシームエッジがパンチビーム２１に接触するまで圧下し、そのプレス後の除荷した状態でのシームギャップを確認して、下金型のダイス１ａ、１ｂの間隔を調整後、再度圧下を繰り返した。

本発明例は１０本の鋼管のプレス後のシームギャップのばらつき（＝最大値―最小値）も小さく、プレス成形の所要時間も短く、良好な鋼管形状と高い作業能率が両立している。
一方、比較例１ではプレス成形の所要時間は若干小さいものの、最も降伏強度の低い鋼板Ｊでは、オープンシームエッジがパンチビーム２１を挟み込んだ状態となったため、成形材（オープン管）を取り出すためにラインを停止する必要が発生したため、工業生産としての採用は困難であった。また、比較例２では、形状は安定しているものの所要時間が本発明例の１．４倍かかっており生産能率が劣っている。

本発明の鋼管のプレス成形方法、鋼管の製造方法は、大径厚肉の鋼管の製造に限定されるものではなく、３点曲げプレスを行なって鋼管を製造する方法の全てに適用することができる。

１ａ、１ｂ ダイス
２ パンチ
２１ パンチビーム
２２ パンチ先端部
３ オープン管
３１ａ、３１ｂ 板端部
４１ 端曲げ下金型
４２ 端曲げ上金型

Claims (3)

1. 鋼板に複数回のプレス曲げ加工を加えて鋼板を成形して鋼管を成形する方法であって、被成形材であるオープン管が最終回のプレス曲げ加工の押圧中に特定のシームギャップとなった状態からさらに必要とされる追加圧下量と前記特定のシームギャップとの間について、あらかじめ求められた関係に従い、被成形材であるオープン管が最終回のプレス曲げ加工の押圧中に前記特定のシームギャップとなった状態から前記の関係に基づく前記追加圧下量の加工のための押圧を引き続き前記オープン管に施すことを特徴とする鋼管のプレス成形方法。
2. 前記所定のシームギャップが、鋼板のオープンシームエッジが上金型のパンチビームに接触した時点のシームギャップであることを特徴とする請求項１記載の鋼管のプレス成形方法。
3. 請求項１または２に記載のプレス成形方法で成形されたオープン管のオープンシームエッジを突き合わせて溶接することを特徴とする鋼管の製造方法。

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