JP6262166B2 - ベンディングプレス成形用金型 - Google Patents

Description

本発明は、３点曲げプレスにより、板材をその送給方向に沿い逐次押圧して曲げ加工を施すことによって、例えば、ラインパイプ等に使用される大径、かつ厚肉の鋼管を効率的に製造するのに適したベンディングプレス成形用金型に関するものである。

ラインパイプ等に使用される大径、かつ厚肉の鋼管を製造する技術としては、所定の長さ、幅、板厚を有する鋼板を、Ｕ字状にプレス加工し、次いで、О字状にプレス成形したのちその端部を、溶接により突き合わせ接合して鋼管となし、さらに真円度を高めるべく、その径を拡大（いわゆる拡管）する、いわゆるＵＯＥ成形技術が広く普及している。

しかし、上記ＵＯＥ成形技術では、鋼板をプレス加工してＵ字状、О字状に成形する工程において高いプレス圧力を必要とすることから大掛かりなプレス機械を使用せざるを得ない状況にある。

このため、最近では、この種の鋼管を製造するに当たっては、プレス圧力を軽減する技術の検討がなされている。

この点に関する先行技術としては、鋼板の幅方向の端部に予め曲げ加工を施し（端曲げ）、次いで、複数回の３点曲げプレスにより鋼板をほぼ円形に成形したのち、さらに、形状を矯正して鋼管とするベンディングプレス成形技術が実用化されている。

図９は、かかるベンディングプレス成形を行う場合の実施する形態の一例を示した図である。図における符号１０１は、板材Ｓの搬送経路内に配置されたダイである。このダイ１０１は、板材Ｓをその搬送方向に沿って２箇所で支持する左右一対の棒状部材１０１ａ、１０１ｂから構成されており、成形すべき鋼管のサイズに応じてその相互間隔ｅが変更できるようになっている。ただし、１枚の板材Ｓをプレス成形して１体のオープン管を製造する過程の中では、相互間隔ｅは変更されない。

また、１０２は、ダイ１０１に近接、離隔する向きに移動可能としたパンチである。このパンチ１０２は、板材Ｓに直接接して該板材Ｓを凹形状に押圧する下向き凸状の加工面Ｋを有するパンチ先端部１０２ａと、このパンチ先端部１０２ａの背面につながり、該パンチ先端部１０２ａを支持するパンチ支持体１０２ｂからなる。通常、パンチ先端部１０２ａの最大幅とパンチ支持体１０２ｂの幅（厚さ）とは等しくなっている。また、１０３は、板材Ｓの搬送経路を形成するローラである。

そして、上記の３点曲げプレスを適用した加工では、加工時における負荷や製品形状を考慮に入れて加工回数や使用する工具（特に形状）を経験的に決めているのが普通である（例えば、工具の加工幅１２０ｍｍ、加工回数５０〜６０回程度）。

ところで、この曲げ加工方式は、加工回数が増大し効率的な製造を行うのが難しく、このための取り組みとして、例えば、特許文献１には、鋼板の幅方向におけるプレス成形に当たって、該鋼板の幅方向における両端部分と中間の特定部分とに、それぞれ所望長さの直状部が残存しかつ直状部間を円弧部として曲げ形成するとともに、継ぎ目部を溶接して半成形丸鋼管を形成し、この半成形丸鋼管の全体を加熱したのち、その成形面を最終半径に対応する半円状とした複数の成形ロールの間を通して熱間成形することによって形状を整える方法が提案されている。

しかしながら、上記特許文献１に開示されたものは、プレス成形後の成形体が４角形に近い形状を有しており、形状を矯正するための工程（熱間）を別途に設けることが不可欠であって、加熱にかかる熱エネルギーの消費量を含めると製造コストの著しい上昇を招くという問題がある。

また、この方法は、強度や靭性、溶接性を兼備するために加工熱処理プロセスを経て製造された板材を原板として用いる場合に、その特性を損なうおそれもある。

一方、特許文献２には、上工具として機能するパンチと、それを支持する曲げボード（上記パンチ支持体に相当する）との接続部において作用する応力を緩和しながら、３点曲げプレスでの加工回数を減じる方法が提案されている。

上記特許文献２によれば、該パンチの加工幅は曲げボードの幅よりも広いので、上掲図９に示した如きパンチの場合に比べ、３点曲げプレスでの加工回数を減じることができる。また、該パンチが、曲げボードに対して回転自在に取り付けられていることから、該曲げボードには、回転部の摩擦によって生じる小さな曲げモーメント以外に作用することがないため設備にかかる負荷が軽減される利点がある。しかしながら、回転支持部は、曲げボードの幅よりも小さくなるため、その部位に大きな面圧が作用し、該回転支持部の摩耗や変形を引き起こすことが懸念され、早期のうちに回転機能が維持できなくなる可能性がある。

特開２００５−３２４２５５号公報 特開２００４−８２２１９号公報

上述したように、従来技術においては、ベンディングプレス成形で使用するパンチの加工幅を単純に広げることは容易ではなく、パンチの加工幅を広げつつパンチ先端部とパンチ支持体との接続部に過大な負荷が加わらないようにするためには、パンチ支持体の幅（厚さ）を十分に大きくすることが有用である。

しかし、近年、ベンディングプレス成形の後の工程での精度向上を図る観点から、ベンディングプレス成形で使用するパンチのパンチ支持体の幅（厚さ）を小さくすることが要求されている。

また、ベンディングプレス成形により板材を円筒状に成形して管体となす場合、被成形材である管体をパンチから外す際に該管体をその長手方向に沿って抜き出すようにしたとしても、管体において互いに向かい合う板端部相互の間隔は、パンチ支持体の幅（厚さ）よりも小さくすることは原理的にできない。

こうした、板材を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おらずギャップを有する状態の管体（以下、このような管体をオープン管とも称する）において、互いに向かい合う板端部（以下、このような部位をシーム部とも称する）を溶接する際に、管体の外部から力を加えて管体を変形させ、互いに向かい合う板端部を相互に突き合わせてギャップをなくす必要がある。ここで、ベンディングプレス成形においては、板端部におけるギャップが小さいほど該板端部を相互に突き合わせるのに必要な力が小さくてすむとともに、真円度低下などの形状不良も生じにくくなる。このようにベンディングプレス成形において、パンチの加工幅を広げつつもパンチ支持体の幅（厚さ）の増加を極力抑える技術の要請が高まっている。

そこで、本発明の目的は、３点曲げプレスにより板材から鋼管を製造するに当たり、加工工具の摩耗や変形を引き起こしたり、製品品質を損なったりすることなしに、効率的に曲げ加工を施すことができるベンディングプレス成形用金型を提案するところにある。

本発明は、板材の送給方向に沿い間隔をおいて配置され、該板材を二箇所において支持するダイと、このダイに近接、離隔する向きに移動可能で、かつ、前記ダイに支持された前記板材をその送給方向に沿って逐次押圧して曲げ加工を施すパンチとを備えたベンディングプレス成形用金型であって、前記パンチは、前記板材に直に当接して前記板材を押圧するパンチ先端部と、該パンチ先端部の背面に連結保持され、該パンチ先端部を支持するパンチ支持体を備え、前記パンチ先端部に、前記パンチ支持体の軸芯に合致する加工中心を有し、その幅方向の中央域における半径を最大半径とする非一様円弧にて形成された加工面を設けたことを特徴とするベンディングプレス成形用金型である。

上記の構成からなるベンディングプレス成形用金型において、
１）非一様円弧が、連続円弧または不連続円弧からなること、
２）非一様円弧が、インボリュート曲線からなること、
３）非一様円弧が、連続円弧または不連続円弧から構成される場合において、該連続円弧、不連続円弧を、加工すべき円筒体の内径に対応する半径を有し、前記加工中心を境にして左右同等の加工長さ（接触長さ）を有する主円弧と、この主円弧の幅端縁につながり、該半径よりも小さい半径を有する副円弧にて構成すること、さらに
４）非一様円弧のうち、主として曲げ加工に寄与する円弧は、板材の送り量の０．９０倍未満の加工長さを有すること
５）連続円弧、不連続円弧において、主円弧は、板材の送り量の０．９０倍未満の加工長さを有すること、
が本発明の課題解決のための具体的手段として好ましい。

上記の構成からなる本発明のベンディングプレス成形用金型によれば、パンチ先端部に、前記パンチ支持体の軸芯に合致する加工中心を有し、その幅方向の中央部における半径を最大半径とする非一様円弧からなる加工面を設けるようにしたため、板材の曲げ範囲が増大していっても、加工面の幅端が板材に強く接触することがなく、パンチの変形や損傷を引き起こすような過大な曲げモーメントの発生を抑制することができ、しかも、従来よりも幅広の板材を一度に加工することができるため、少ない加工回数で真円度の高い鋼管を得ることができる。また、板材を加熱するような工程も不要であり、板材（原板）の製造工程で得られた強度、靭性、溶接性といった特性をそのまま維持することが可能となる。

また、本発明にかかるベンディングプレス成形用金型によれば、非一様円弧を、異なる半径を有する少なくとも２つの円弧を組み合わせた連続円弧または不連続円弧としたため、曲げ加工時にパンチの加工面の幅端が板材に強く接触することがなくなる。このため、パンチの変形や損傷を引き起こす過大な曲げモーメントが発生するのを回避することが可能となる。また、比較的簡単に加工面を形成することができる。

また、上記の構成からなるベンディングプレス成形用金型によれば、非一様円弧を、インボリュート曲線からなるものとすることにより、パンチの加工面を容易に形成することができる。

さらに、本発明のベンディングプレス成形用金型によれば、連続円弧、不連続円弧を、加工すべき鋼管の内径に対応する半径を有し、前記加工中心を境にして左右同等の加工長さを有する主円弧と、この主円弧の幅端縁につながり、該主円弧の半径よりも小さい半径を有する副円弧とによって構成するようにしたため、板材の未変形部と既変形部とで、板材とパンチとの接触開始点からパンチ中心までの距離の差を小さくしてパンチに働く力のアンバランスを小さくすることが可能となり、パンチの加工幅を広く確保しながら、パンチ先端部とパンチ支持体との接続部に極度の負荷がかかるのを回避することができる。

上記の構成からなる本発明のベンディングプレス成形用金型によれば、非一様円弧が形成された加工面の、主として曲げ加工に寄与する円弧が形成された領域の加工長さを、板材の送り量の０．９０倍未満とすることにより、パンチに過大な曲げモーメントが生じることがないため、パンチの寿命が延長され、長期にわたり安定した曲げ加工を行うことが可能であり、しかも、鋼管の真円度を高めることができる。とくに、非一様円弧を、連続円弧あるいは不連続円弧とし、この連続円弧あるいは不連続円弧を主円弧と副円弧にて構成したものにおいては、該主円弧が主として曲げ加工に寄与することになるので、該主円弧が形成された領域の加工長さを板材の送り量の０．９０倍未満とすることで過大な曲げモーメントが生じるのを抑制し得る。

図１は、本発明にしたがうベンディングプレス成形用金型の実施の形態を示した図である。 図２は、図１に示したベンディングプレス成形用金型を用いて押圧した場合における板材の変形状態を模式的に示した図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、ベンディングプレス成形用金型の他の実施の形態を示した図である。 図４は、ベンディングプレス成形による曲げ加工要領を示した図である。 図５は、一様な円弧を有するパンチを用いてベンディングプレス成形を行った場合の板材の変形状況を模式的に示した図である。 図６は、金型の曲げ加工に寄与する加工長さｎ_iの説明図である。 図７は、実施例で使用したパンチの具体的寸法を示した図である。 （ａ）は、鋼管の局部真円度を評価する際に使用したダイヤルゲージを示した図であり、（ｂ）は、局部真円度の測定要領を示した図である。 従来法に従ってベンディングプレス成形を行う場合の実施の形態の一例を示した図である。

以下、本発明を図面を用いてより具体的に説明する。
図１は、本発明に従うベンディングプレス成形用金型の実施の形態を示した図である。

図における符号１は、板材Ｓの搬送経路内に配置されたダイである。このダイ１は、板材Ｓをその送給方向に沿って２箇所で支持する左右一対の棒状部材１ａ、１ｂから構成されており、成形すべき鋼管のサイズに応じてその相互間隔ｅが変更できるようになっている。ただし、１枚の板材Ｓをプレス成形して１体のオープン管を製造する過程の中では、相互間隔ｅは変更されない。

また、２は、ダイ１に近接、離隔する向きに移動可能としたパンチである。パンチ２は、板材Ｓに直接接して該板材を凹形状に押圧する下向き凸状の加工面Ｋを有するパンチ先端部２ａと、このパンチ先端部２ａの背面につながり、該パンチ先端部２ａを支持するパンチ支持体２ｂを備える。また、３は、板材Ｓの搬送経路を形成するローラである。

上記パンチ２のパンチ支持体２ｂは、具体的な構造については図示はしないが、その上端部が、油圧シリンダーの如き駆動手段に連結しており、該駆動手段によってパンチ先端部２ａに押圧力を付与することができるようになっている。

パンチ支持体２ｂの幅（厚さ）は、被成形材である板材Ｓの板厚・強度や、成形すべき管体の形状により、適宜設計される。また、パンチ支持体２ｂは、板材Ｓの端部と接触することがあるので、パンチ支持体２ｂの表面に、交換可能な摩耗板を備えておくことができる。該摩耗板は、それを適宜交換することにより、パンチ支持体２ｂを摩耗させることなく長期間使用することが可能となるので好ましい。

また、パンチ２のパンチ先端部２ａは、その要部を図２に示すように、パンチ支持体２ｂの軸芯ｑに合致する加工中心Оを有するものであって、その先端部に設けられた加工面Ｋには、幅方向の中央域における半径ｒ_１を最大半径（他の部位は半径ｒ_１よりも小さい半径ｒ_２を有する）とする非一様円弧が形成されている。

ここに、本発明において規定する非一様円弧とは、異なる半径を有する少なくとも２つの円弧の組み合わせた図３（ａ）〜（ｃ）に示すような組み合わせからなるもの、すなわち、加工中心部Ｏに位置する半径ｒ_１の円弧（以下、この円弧を主円弧Ｋ_１という）と、この主円弧Ｋ_１よりも小さい半径ｒ_２を有する円弧（以下、この円弧を副円弧Ｋ_２という）から構成されるものをいうものとする。図３において、（ａ）は、主円弧Ｋ_１と副円弧Ｋ_２の接続点で共通の接線を有するもの（主円弧Ｋ_１の接線と副円弧Ｋ_２の接線のなす角度が０°となる場合）であり、（ｂ）は、主円弧Ｋ_１の接線と副円弧Ｋ_２の接線が角度をなしてつながるもの（角度が０°でないもの）であり、（ｃ）は、主円弧Ｋ_１の接線と副円弧Ｋ_２の接線のなす角度は０°であるが段差ｄを介してつながるものであって、（ａ）に示すような形態の円弧を以下、連続円弧（インボリュート曲線等のように、共通の接線を有しながら、半径が徐々に変化するものも含む）と称し、（ｂ）（ｃ）に示すような形態の円弧を以下、不連続円弧と称することとする。なお、不連続円弧としては、円弧の半径が徐々に変わるものも含まれる。

パンチ２は、基本的には、上述したように、パンチ先端部２ａとパンチ支持体２ｂを備えたもので構成されるが、パンチ先端部２ａとパンチ支持体２ｂとの間には図示はしないスペーサを介在させておくことができる。スペーサを介在させておくことにより、例えば、パンチ支持体２ｂへのパンチ先端部２ａの取り付け角度を微調整する場合に、パンチ支持体２ｂ自体ではなくスペーサの形状を調整するだけで、該取り付け角度を適切な角度に調整することが可能となる。また、パンチ先端部２ａがダイ１の長手方向に分割されている場合には、分割された複数個のパンチ先端部２ａを単一のスペーサで保持することにより、パンチ先端部２ａを保管する場合やパンチ先端部２ａをパンチ支持体２ｂに装着する場合のハンドリング効率を向上させることができる。以上述べたような利点があるため、パンチ先端部２ａとパンチ支持体２ｂとの間に図示しないスペーサを介在させておくことが好ましい。

上記の構成からなる金型を用いてベンディングプレスにより板材Ｓに曲げ加工を施すには、該板材Ｓをダイ１の上に載置し、板材Ｓを所定の送り量で間欠的に送給しながら、図４に示す如き要領で、該板材Ｓを左右ともにその幅方向の縁部から中央部に向けてパンチ２により逐次、３点曲げ加工を行っていけばよい。なお、図４は、予め端曲げ加工（後述する）を施した板材Ｓに対して、左列の上から下へ、次いで、中央列の上から下へ、さらに、右列の上から下へと曲げ加工および板材Ｓの送給を実施することにより右側最下図に示す如きオープン管を成形する工程を示した図であって、この図４中、板材Ｓあるいはパンチ２に付されている矢印は、それぞれの工程における板材Ｓあるいはパンチ２の移動方向を示している。

ところで、上記のような要領で板材Ｓに曲げ加工を施す場合（押圧時）、板材Ｓは、その全体が傾いた状態でダイ１に接触することとなり、パンチ先端部２ａの加工中心Оを基準にすると、該板材Ｓは左右非対称の状態で変形していくことになる。

このような状態で板材Ｓの曲げ加工が進められていくと、パンチ２およびダイ１との接触状態を維持するために、板材Ｓは、パンチ２の幅方向の中央（加工中心О）よりも未成形側において大きく傾き（パンチに対する板材Ｓの倣い角度が大きくなる）、図５に示すように、パンチ２が板材Ｓに接触する接触範囲（曲げ加工範囲）は、既成形側に比べ未成形側で広くなる。

パンチ２は、上記の接触範囲の両端で成形反力を受けることになるので、パンチ２の幅方向の中心（加工中心О）から接触範囲の両端までの距離（Ｌ_３、Ｌ_４）に差が生じると、パンチ先端部２ａとパンチ支持体２ｂとの接続部において曲げモーメントＭ（＝Ｐ（Ｌ_３−Ｌ_４））が作用することとなる。そして、とくに、単一の円弧からなる加工面を有するパンチを用いた３点曲げ加工では、過大な曲げモーメントが作用し、これにより、パンチ先端部２ａやパンチ支持体２ｂに変形をきたしたり損傷を引き起こしたりすることが懸念される。

本発明のベンディングプレス成形用金型は、図２に示すように、加工面Ｋが非一様円弧からなっており、しかも、副円弧Ｋ_２の半径が主円弧Ｋ_１の半径よりも小さいため、単一の加工面を有するパンチに比較して非対称範囲を狭くすることが可能であり、従って、板材Ｓの加工が進行していてもパンチ２の幅端部域における負荷が極端に大きくなることはなく、その結果として過大な曲げモーメントが発生するのを抑制することができる。

本発明においては、ベンディングプレス成形により真円度の高い鋼管を得るために、加工面Ｋに形成した主円弧Ｋ_１は、前記加工中心Оを起点にして左右同等の接触長さ有するものとする。

また、主円弧Ｋ_１と副円弧Ｋ_２は、連続円弧あるは不連続円弧にて構成することとしたが、円弧の数はとくに限定されることはない。

また、加工面Ｋの長さ（周長）は、加工すべき鋼管のサイズや押圧回数によって決定されるが、加工面Ｋの、主として曲げ加工に寄与する円弧で形成された領域の加工長さは、パンチ２に生じる曲げモーメントを軽減しかつ、押圧回数を減らして効率的な曲げ加工を実現するため、板材の送り量（送り長さ）の０．９０倍未満（主として曲げ加工に寄与する円弧が形成された領域の加工長さをｎ_ｉとし、板材Ｓの送り量をδとした場合に、該加工長さｎ_ｉと板材Ｓの送り量δとの比（ｎ_i／δ）が０．９０倍未満）とするのが好ましい。加工面Ｋが主円弧Ｋ_１と、副円弧Ｋ_２から構成されるパンチ２にあっては、主円弧Ｋ_１が主として曲げ加工に寄与することになるため、主円弧Ｋ_１で形成された領域の加工長さを板材の送り量δの０．９０倍未満とする。

ここに、主として曲げ加工に寄与する円弧が形成された領域の加工長さｎ_ｉとは、図６に示すように、パンチ２の加工面Ｋで加工中心Ｏを中心にして目標とする曲げ成形量（一回当たりの曲げ角度）θ_ｉが設定されている場合において、この目標とする曲げ成形量θ_ｉの範囲に対応する加工面Ｋ上の長さ（円弧の長）をいうものとする。なお、目標とする曲げ成形量θ_ｉは、加工回数をＮとすると、加工すべき板材を、端曲げと併せて３６０°のパイプ状に曲げ加工することから、（３６０°−２×端曲げ角度）／Ｎが１回当たりの曲げ成形量の目安になる。

本発明のパンチ２を使用するベンディングプレスにおいて、加工回数Ｎは通常３回以上であるから、１回当たりの曲げ成形量の目安は、端曲げ角度を０°と仮定した場合に計算される値である１２０°であれば十分である。したがって、パンチ２の加工面Ｋにおける曲げ成形量を１２０°以下（パンチ２の加工中心Ｏを基準にして片側６０°以下に相当）とすることができ、さらに小さく９０°以下（パンチ２の加工中心Ｏを基準にして片側４５°以下に相当）としてもよい。

一般に、ベンディングプレス成形により板材を管状に成形する場合、ベンディングプレス成形に先立って、板材の板幅端部に端曲げ加工（クリンピング加工とも称される）が施される。これは、ベンディングプレス成形にて板幅中央部に曲げ加工を施す場合に比べて相対的に曲げ難い板幅端部について、高い真円度を確保するために実施されるものである。そして、その後のベンディングプレス成形と合わせて３６０°の曲げ加工を施すことで、パイプ状となるので、ベンディングプレス成形では、端曲げで付与された分を除いて曲げ成形を付与することになる。ベンディングプレスにおける１回当たりの曲げ成形量（角度）θ_ｉは、（３６０°−２×端曲げ角度）／Ｎであり、また、１回当たりの曲げが付与される範囲が送り量（送り長さ）となる。つまり、送り量毎に曲げ成形量θ_ｉの曲げを付与することで板材はパイプ状となる。

このとき、板材がパンチ２の加工面Ｋに沿うとすると、パンチ２上で曲げ成形量（中心角）θ_ｉの範囲の形状が転写されてベンディングプレス後の形状となる。この曲げ成形量θ_ｉの区間の加工面Ｋに沿った長さ（周長（又は円弧長さ））を板材の送り量に近づけるほど、曲率が付与される部分が広くなり、高い真円度を確保できることになる。しかし、曲げ加工範囲が広くなると、成形反力（加工反力）を受ける位置がパンチ２の加工面Ｋの加工中心Ｏから遠くなり、パンチ支持体２ｂとパンチ先端部２ａとの接続部における曲げモーメントが大きくなる不具合がある。このような不具合を軽減するため、本発明では、主として曲げ加工に寄与する円弧が形成された領域の加工長さｎ_ｉを、板材の送り量（長さ）の０．９０倍未満とすることとしたものである。

また、製品の半径に比べて小さい半径を有するパンチ２で板材Ｓを曲げ加工する場合、板材Ｓの曲げ部の曲率半径も小さくなる。この場合、被成形体である管体にも局所的に曲率半径が他よりも小さな曲げ成形部が形成されるため、そのまま製品に残存するとその形状は劣ったものとなる。加工面Ｋの副円弧Ｋ_２の半径は、主円弧Ｋ_１の半径よりも小さいので、このような不具合の発生に注意する必要がある。このため、副円弧Ｋ_２での曲げ加工範囲は、副円弧Ｋ_２の中心角で１５°以下とするのが好ましい。

なお、板材との接触する加工面の長さが短くなると、曲率が付与されない（つまり平坦な）部分が多くなり真円度が損なわれるおそれもあるので、対象とする製品の仕様（強度、管厚、寸法形状）に応じて主として曲げ加工に寄与する円弧が形成された領域の加工長さ（距離）ｎ_ｉを適宜設定するのが好ましい。

板材Ｓの送給方向に沿う寸法が３７１３ｍｍ、板厚２５．４ｍｍ、引張強さ７４５〜７５７ＭＰａになる鋼板（鋼種：ＡＰＩグレード．Ｘ８０）を９枚準備し、曲率半径３８０ｍｍの金型により各鋼板の両端部を２１５ｍｍの範囲にわたり１６．９度の角度となるように端曲げを行った。

続いて、鋼板の中心（送給方向に沿う寸法の中心）から片側１４９２ｍｍの位置を加工開始点として、送りピッチ２９８ｍｍ／回、曲げ成形量２９．６°／回、プレス回数５回の条件のもとに鋼鈑の中心に向けて左右両側からそれぞれ３点曲げ加工を実施した。

そして、３点曲げ加工を施した鋼板につき、さらに、その中心で１回の３点曲げ加工を行い（合計１１回の曲げ加工）、鋼板両端の突き合わせ部の間隔を１２５ｍｍとした後、その部位を溶接して外径寸法が１２１９ｍｍになる鋼管を製造し、得られた鋼管の品質およびパンチ先端部を支持するパンチ支持体に作用した応力についての調査を行った。その結果を、単一の円弧からなる加工面を備えたパンチ２を用いて曲げ加工を行った場合の結果とともに表１に示す。

なお、この曲げ加工においては、先端部の半径が７５ｍｍ、棒状部材１ａ、１ｂの相互間隔ｅ（中心間の距離）を５５０ｍｍに設定したダイを用いた。また、パンチ先端部は幅が４００ｍｍになるものを用い、それを支持するパンチ支持体としては、図７に示すように、本体部分の幅（厚み）が１００ｍｍでその先端部にパンチ先端部を固定、保持する幅４００ｍｍの受け部を備えたものを用い、その本体部分と受け部との接続部に設けた半径５０ｍｍのＲの端部（Ｒの開始部位）にひずみゲージを取り付け、該ゲージによってパンチ支持体２ｂに作用した応力を測定することとした。

また、表１の項目において加工面の形態が連続円弧とは、主円弧と副円弧がパンチ先端部の加工中心Оから角度１５°の位置で、該主円弧の接線と該副円弧の接線とのなす角度が０°でもってつながる加工面を有するパンチを用いて曲げ加工を行った場合である。加工面の形態がインボリュートとは、インボリュート曲線によりパンチ先端部の加工中心Ｏから離れるに従って半径が漸次小さくなる加工面を有するパンチを用いて曲げ加工を行った場合である。このインボリュートの場合、主円弧の半径とは、加工中心Ｏにおける半径の値（すなわち半径の最大値）を、また、副円弧の半径とは、加工中心Ｏから曲げ成形量θ_ｉ：２９．６°の１／２離れた位置、すなわち、主として曲げ加工に寄与する範囲の半径の最小値を、それぞれ示すものとする。さらに、加工面の形態が不連続円弧とは、主円弧と副円弧がパンチ先端部２ａの加工中心Ｏから１５°の位置で、該主円弧の接線と該副円弧の接線とのなす角度が６°の差をもってつながる加工面を有するパンチを用いて曲げ加工を行った場合である。

また、表１の、疲労限応力に対するパンチ支持体に作用した応力の比において、パンチ支持体に作用した応力とは、１１回の曲げ加工の中で最も大きな値を表示したものである。ただし、実施に考慮すべきものは、パンチ支持体に作用する応力が疲労限応力に対してどの程度の量になるかである。そこで、表１においては、パンチ支持体に作用した応力を、当該パンチ支持体について、社団法人日本鋼構造協会編「鋼構造の疲労設計指針・同解説」における２×１０^６回応力繰り返し数での基本許容応力範囲で除した値、すなわち、基本許容応力範囲に対するパンチ支持体に作用した応力の比を示した。

パンチの評価は、パンチ支持体に作用する応力が疲労限応力を下回るものを、すなわち、疲労限応力に対するパンチ支持体に作用した応力の比が１未満のものを◎（優）、応力比の比が１．２５以下のものを○（可）、それ以上のものを×（不可）として表示したものである。ここで、応力繰り返し数が１×１０^６回以上となる応力の比１．２５を閾値とした。なお、この閾値以下であれば、パイプ１本につき１０回（最後１１回目はほぼ対称な形成となり曲げによる応力はほとんど作用せず疲労寿命に影響を与えない）の繰り返し応力が作用するので１×１０^５本（標準的な４０ｆｔ長さの場合、１２１９ｋｍ相当）のパイプの製造に耐えることができ、実用上問題ない。

さらに、表１において鋼管の評価は、局部真円度について実施した。局部真円度とは、例えば、図８（ａ）に示すような、脚間距離がＤになる一対の脚部４ａ、４ｂを有するダイヤルゲージ４を使用し、該脚部４ａ、４ｂの脚端４ｃ、４ｄを、得られた鋼管の周面に接触させるとともに、さらにスピンドル４ｅの先端に備えられた測定子（図示せず）を鋼管の周面に接触させ、鋼管の目標形状である仮想真円からの径方向の変位を読み取ることにより測定されるものであり、その値が小さいほど真円に近いことを意味する。本実施例では、パンチやダイが当たった部分とそうでない部分との形状の変動の評価指標となる。ここでは、脚間距離Ｄが１５０ｍｍのダイヤルゲージを用い、図８（ｂ）に示すような局部真円度を鋼管の周面の円周方向に沿って測定し、測定された局部真円度の最大値を求め、この値が鋼管の代表的な規格であるＡＰＩ規格のＡＰＩ―２Ｂの公差２．０ｍｍ以下のものを◎（優）、ＡＰＩ―５Ｌの公差３．２ｍｍ以下のものを○（良）、それを超える値のものを×（不可）として表１に表示した。

表１より明らかなように、本発明に適合するパンチＮｏ．Ａ〜Ｈは、曲げ加工の際にパンチ支持体にかかる応力の比が1．２５以下であり、パンチの変形や損傷は見られなかっ
た。また、パンチＮо．Ａ〜Ｈのパンチによって成形された鋼管は局所真円度が２．３ｍｍ以下であり、ＡＰＩ規格を充分に満足することが確認された。

とくに、パンチ先端部の加工面が連続円弧によって形成されたもの（Ｎｏ．Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ）にあっては、鋼管の局部真円度が２．０ｍｍ以下であり、ＡＰＩ規格の中でも厳格な２Ｂ規格を満足しており、余計な工程を付加することなしに品質の良好な鋼管を成形できることが明らかとなった。

なお、パンチ先端部の加工面に連続円弧を適用した場合において、副円弧の半径を最も小さくしたパンチＮｏ．Ａは、接合部における応力の比は、０．８７と最も小さく、かかるパンチ支持体については半永久的に使用可能であることが判明した。

これに対して、主として曲げ加工に寄与する領域の加工長さ（ｎ_ｉ）と板材の送り量（δ）との比（ｎ_ｉ／δ）が０．９０となるパンチＮо．Ｉでは、非一様円弧にした場合でも、パンチ支持体にかかる応力の比が１．３０と大きく、パンチの変形や損傷が懸念される。

さらに、単一の円弧からなる加工面を有するパンチ先端部を有するパンチを用いた曲げ加工において、半径が４８０ｍｍになる加工面を有するパンチＮо．Ｊを適用した場合には、パンチ支持体にかかる応力の比が高くなりパンチの変形や損傷が懸念される一方、半径が４５５ｍｍ、４２０ｍｍになる加工面を有するパンチＮｏ．Ｋ、Ｌを適用した場合においては、鋼管の局部真円度が劣化する傾向にあることがわかった。

本発明によれば、過大な曲げモーメントの発生によるパンチの変形や損傷への影響が抑制され、真円度の高い鋼管を長期にわたって安定的、かつ効率的に成形し得るベンディングプレス成形用金型が提供できる。

１、１０１ ダイ
１ａ、１０１ａ 棒状部材
１ｂ、１０１ｂ 棒状部材
２、１０２ パンチ
２ａ、１０２ａ パンチ先端部
２ｂ、１０２ｂ パンチ支持体
３、１０３ ローラ
４ ダイヤルゲージ
４ａ 脚部
４ｂ 脚部
４ｃ 脚端
４ｄ 脚端
４ｅ スピンドル
Ｓ 板材
ｅ 相互間隔
Ｋ_１ 主円弧
Ｋ_２ 副円弧
ｒ_１ 半径
ｒ_２ 半径
О 加工中心
ｑ 押圧軸芯

Claims (6)

1. 板材の送給方向に沿い間隔をおいて配置され、該板材を二箇所において支持するダイと、このダイに近接、離隔する向きに移動可能で、かつ、前記ダイに支持された前記板材をその送給方向に沿って逐次押圧して曲げ加工を施すパンチとを備えたベンディングプレス成形用金型であって、
   前記パンチは、前記板材に直に当接して前記板材を押圧するパンチ先端部と、該パンチ先端部の背面に連結され、該パンチ先端部を支持するパンチ支持体とを備え、
   前記パンチ先端部に、前記パンチ支持体の軸芯に合致する加工中心を有し、その幅方向の中央域における半径を最大半径とする非一様円弧にて形成され、１回当たりの曲げ成形量が１２０°以下の加工面を設けたことを特徴とするベンディングプレス成形用金型。
2. 前記非一様円弧が、異なる半径を有する少なくとも２つの円弧を組み合わせた連続円弧または不連続円弧であることを特徴とする請求項１に記載したベンディングプレス成形用金型。
3. 前記非一様円弧が、インボリュート曲線からなることを特徴とする請求項１に記載したベンディングプレス成形用金型。
4. 前記連続円弧または不連続円弧が、加工すべき鋼管の内径に対応する半径を有し、前記加工中心を境にして左右同等の加工長さを有する主円弧と、この主円弧の幅端縁につながり、該半径よりも小さい半径を有する副円弧からなることを特徴とする請求項２に記載したベンディングプレス成形用金型。
5. 前記非一様円弧の、主として曲げ加工に寄与する円弧が形成された領域は、前記板材の送り量の０．９０倍未満の加工長さを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載したベンディングプレス成形用金型。
6. 前記連続円弧または不連続円弧の、主円弧が形成された領域は、前記板材の送り量の０．９０倍未満の加工長さを有することを特徴とする請求項４に記載したベンディングプレス成形用金型。

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