JPH0253127B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は鋼管等の直管を連続的に曲げ加工する
方法及び装置に関し、特に小さな曲げ半径での曲
げ（以下小Ｒ曲げという）に好適な曲げ加工方法
及び装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、各種配管のうち、特に曲げ半径の小さい
部分にはエルボが多用されている。エルボを用い
ると、配管組立の際当然接手部が多くなり、接手
衝合せ精度、溶接姿勢方向等の点で信頼性の高い
接手を得るには高度の技術を要し且つ工期、経費
上も不利な点が多かつた。これを解決するには、
直管自身の一部を直接小さな曲げ半径で曲げ、エ
ルボの場合必要な接手を省略することが考えられ
る。

ところで、従来より、第３図に示すように、金
属管１を、冷却液３を噴射する手段を備えた高周
波誘導子等の環状の加熱装置２に挿通し、その先
端部を支点Ｏを中心として旋回する曲げアーム４
にアームクランプ５で把持させておき、加熱装置
２によつて金属管１を環状狭幅に加熱しながら、
管を前進させ、曲げアーム４の旋回により加熱軟
化部に曲げモーメントを作用させて曲げ変化さ
せ、その直後を冷却液３で冷却することにより曲
げ変形部を固定する方法が知られている。従つ
て、この方法により前記した小半径の曲げ部を形
成することが考えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このように管に曲げモーメント
を加えて曲げ変形させる方法では、第４図に示す
ように、直管部における同じ長さの部分A₁，B₁，
C₁が、曲げ変形後はA₂，B₂，C₂となり、曲げ外
周側では引張り応力が作用して減肉が生じ、曲げ
内周側では圧縮応力が作用して増肉が生じ、しか
も全体的に偏平化する。このような増肉、減肉、
偏平化は半径が小さくなると共に増大する。更に
曲げ外周側の減肉を防止するには、曲げ加工時に
管に圧縮力を加える方法或いは曲げ外周側の温度
を内周側に比べて低くし、あまり伸びないように
することが考えられるが、その分だけ曲げ内周側
の圧縮量が増加する。以上の結果、曲げ内周側に
フクレ、シワ、ジヤバラと通称される不規則な変
形（以下「不規則変形」という）が生じ易く、現
在のところ、第１図の方法で曲げ加工する際の曲
げ半径は、1.5〜2D（Ｄは管の外径）が限度とい
われ、エルボに用いられるような小Ｒ曲げを行う
には何等の手段を講じなければならないという問
題点がある。

この問題点を解決する方法として、本出願人は
先に特開昭49−59067号を提案している。この特
許出願に開示の方法は、管の内外に配置される芯
金とガイド体を設け、且つ曲げ内周側と曲げ外周
側の温度分布を変えながら管内周面から加熱する
方法である。この方法では管内外に対設した芯金
とガイド体によつて、主として曲げ内周側の不規
則変形を良く防止している。しかしながら、反
面、これらの衰朽摩耗が多く、且つ伝熱量が多く
なることもあり、加熱温度の設定が困難であり、
しばしば変形自体が安定せず、従つて品質にばら
つきが生ずることがあり、且つ装置自体相当複雑
な構成をとつているという問題が残つた。従つ
て、芯金やガイド体を使用することなく、小Ｒ曲
げを行うことが望まれる。

本発明はこれらの要望に基づいて為されたもの
で、芯金やガイド体のように金属管に接触して不
要な変形を防止する手段を用いることなく、小Ｒ
曲げを正確且つ容易に行うことができる方法及び
装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕

本発明者は、第１図に示す従来の方法により曲
げ加工を行う際に、曲げ内周側に生じる不規則変
形の特性や発生のメカニズムを検討し、次の知見
を得た。以下、その理由を第４図を参照して説明
する。金属管１の加熱された帯域は、熱膨脹によ
り半径方向外方に膨脹する。また、曲げ加工を開
始する時、管１に前進力が加わり、かつ曲げアー
ムの動きに従つて管１とくに曲げ内周側には管軸
方向の圧縮力が作用し、変形しやすい加熱部は圧
縮変形する。圧縮変形により、体積不変を考えれ
ば当然他の方向即ち円周方向及び肉厚方向に拡張
される。円周長が長くなれば、比例して半径が大
きくなる。従つて、曲げ開始時には熱膨脹及び圧
縮力により管壁が半径方向外方に膨出する傾向即
ちいわゆるバレリング変形が生じ、従つて曲げ内
周部１Ａの管壁も当然半径方向外方に（即ち、曲
げ中心Ｏ方向に）膨出することとなる。一方、曲
げが進行している途中を考えると、前記曲げ中心
Ｏの方向に膨出することは結果的に曲げ弧を短縮
することとなり、管軸方向の圧縮量を増すことと
なる。然るに、既に曲げに伴い管軸方向は圧縮さ
れているので、これ以上圧縮量を増しきれなくな
つて、やむを得ず逆に曲げ内周部の管壁は管中心
に向かつて、即ち、曲げ中心Ｏとは反対方向に膨
出しようとする。このように、曲げ内周側では曲
げ開始時には主として管外方に変形した管が、或
る時点から管内方に変形させる力に支配される
が、この過渡期は荷重の状態が極めて不安定とな
つているので、何等かのきつかけがあれば、反転
して逆に管壁が管内方に押し込まれることとな
る。これに従つて応力状態が急変し、肉厚変動が
急に促進され、加熱状況が不安定となり、管壁の
脈動が励起されて、これの結果前述の不規則変形
を起こすこととなる。

本発明者等の検討の結果、このような不規則変
形の防止には、加熱装置及び冷却装置により塑性
加工可能な温度に加熱されている部分の加熱幅が
極めて重要であることが判明した。この加熱幅は
広きに過ぎると、座屈、凹入、偏平等を起こし易
く、狭きに過ぎると急激、不連続な変形により不
規則変形を誘発し易く、これらを考慮すると、加
工可能の加熱幅（鋼管では通常約700℃以上）は、
通常当該部の厚さの２倍程度がもつともよいこと
が分かつた。勿論、この範囲は、加熱面、曲げ半
径、肉厚、送り速度、熱膨脹率、剛性等によつて
許容範囲が微妙に変動するので、実際に即して適
切に設定する必要がある。従つて、本発明では曲
げ内周側の加熱幅を実際に即して増肉時の不規則
変形を生じない最適な幅に設定する。

更に、不規則変形を防止するには、曲げ開始時
における管外方への膨出を極力抑制し、なるべく
早い時期に管壁が管内方に増肉するようにし、不
安定な荷重状態を少なくすればよいと考えられ
る。そこで、本発明方法では、曲げ内周側管壁に
おける加熱温度を、管外面側が管内面側よりも低
くなるように設定する。このような温度分布とす
ると、管外面部の剛性が管内面部の剛性よりも高
くなり、管外面への膨出が抑制され、曲げ初期か
ら、増肉による管壁の膨出が主として管内面側に
生じ、その後安定して滑らかに変形し、不規則変
形が避けられる。

一方、曲げ外周側においては、減肉量を減ずる
ため、曲げ内周側に比べ許容範囲で加熱温度を低
く保つ。加熱温度を下げると、管壁が変形しにく
くなり、管に作用する曲げモーメントによる引張
り応力が作用してもあまり伸びず、減肉量の減少
に役立つ。また、曲げ外周側では、曲げ内周側の
ような圧縮応力が作用しないので、この加熱幅を
曲げ内周側における最適な加熱幅と同じにする必
要はない。逆に、曲げ外周側加熱幅を曲げ内周側
と同じにすると、変形可能領域が長すぎて、管の
偏平が多くなることが判明した。従つて、本発明
方法では曲げ外周側加熱幅を、曲げ加工が可能で
ある範囲内で短くし、管の偏平を防止する。

このように、本発明方法は曲げ内周側において
管内面側加熱温度を外面側よりも高温とし、また
曲げ外周側の加熱温度及び加熱幅を曲げ内周側よ
りも低く且つ狭くすることを特徴とし、これによ
り、曲げ外周側の減肉、偏平化を防止し、曲げ内
周側の不規則変形の発生を防止し、小Ｒ曲げを可
能にするものである。

また、曲げ加工した製品の減肉が特に厳しく制
限される場合には、曲げアームの旋回に制動をか
けること等によつて、前記金属管の曲げられた部
分の移動速度を曲げられてない直管部分の移動速
度よりも小さく規制して減肉を防ぐ曲げ加工方法
が知られている。この場合には曲げ内周側の増肉
が更に大きくなるため、圧縮によるしわ等の不規
則変形が発生し易い。この曲げ加工方法にも本発
明は適用可能であり、本発明を適用することによ
り、不規則変形を防止し、減肉の少ない曲げ管を
得ることが可能となる。なお、曲げられた部分の
移動速度を規制する方法としては、曲げアームに
制動トルクを付与する方法でも良いし、或いは曲
げアームの旋回速度をコントロールし、曲げられ
た部分の移動速度が所定の値になるように規制す
る方法でも良い。曲げる前の直管部分を一定速度
で前進させ、曲げられた部分の移動速度も一定の
値に規制すると、曲げ内周側管壁に不安定な荷重
状態が生じても、変形量が規制されるため脈動が
発生しにくく、不規則変形を防止する効果が得ら
れる。

更に、一般に小Ｒ曲げでは、曲げ始め及び曲げ
終わりで曲げ半径を一挙に変えると、軸方向の圧
縮が急激に起こるため、なめらかな肉厚変化が不
可能となり、不規則変形を誘発する原因となるの
で、曲げ始め及び曲げ終わりで曲げ半径を緩やか
に変える、いわゆるぼかし曲げが行われる。この
場合にも本発明は適用可能であり、本発明を適用
することにより、曲げ半径の特に小さい良好な形
状の曲げ管を容易に得ることが可能となる。

上記本発明方法を実施するための本発明装置
は、曲げ加工すべき金属管を軸方向に移動させる
駆動装置と、前記金属管の内部に配置され、金属
管を環状に局部的に加熱する加熱装置と、前記金
属管の外部に配置され、金属管外面に冷却媒体を
噴射して金属管を環状に冷却する冷却装置と、前
記金属管を把持して旋回可能な曲げアームと、前
記曲げアームの旋回を規制して金属管の曲げられ
た部分の移動速度を曲げられない直管部分の移動
速度より小さくする旋回規制装置とを具備し、前
記加熱装置は管の曲げ内周側を曲げ外周側よりも
高温に加熱する特性を有しており、前記加熱装置
と冷却装置とはそれぞれ金属管に対して単独に移
動可能であり、且つ少なくとも一方が金属管に対
して角度を変形可能していることを特徴とする金
属管の曲げ加工装置である。

上記のように、加熱装置を管内に配置し、且つ
冷却装置を管外に配置することにより、曲げ内周
側の管壁において管内面を管外面よりも高温に加
熱することが可能となる。また、加熱装置と冷却
装置の少なくとも一方の金属管に対する角度を変
更可能とすることにより、曲げ内周側及び外周側
における加熱幅がそれぞれ単独に調整可能とな
る。これにより、曲げ内周側、外周側をそれぞれ
単独で所望の好適な加熱幅とすることができる。
旋回規制装置は管の曲げられた部分の移動速度
を、曲げられていない直管部分の移動速度よりも
低く保つことにより、管の加熱部を圧縮保持し、
曲げ加工時の減肉を防止する。また、加熱装置と
冷却装置とを金属管に対して移動可能とすること
により、曲げ開始時及び曲げ終了時に、両者を同
期して移動させ、曲げ変形位置を曲げアームの旋
回中心に対して変化させて曲げ半径が徐々に変化
するぼかし曲げを行うことが可能となる。

〔実施例〕

以下、図面に示す本発明の好適な実施例を説明
する。第１図は本発明の一実施例による曲げ加工
装置を示す平面図である。同図において、１１は
曲げ加工されるべき管であり、その後端（図面で
は上端）をテールストツク（図示せず）に保持さ
れ、軸方向に前進させられるようになつている。
１２は管１１に曲げモーメントを付与するための
曲げアームであり、垂直なアームポスト１３と、
このアームポスト１３に回転可能に保持されたア
ームボス１４と、このアームボス１４に固定され
たアーム本体１５と、このアーム本体１５に保持
され管１１を把持するクランプ治具１６と、この
クランプ治具１６を開閉する油圧シリンダ１７等
からなる。アームボス１４にはワイヤ１８を介し
て制動油圧装置１９が接続されている。この制動
油圧装置１９は、管１１の前進により曲げアーム
６が図示の実線位置から二点鎖線で示す位置に旋
回させられる時にこの曲げアーム６の旋回速度を
規制し、管を必要量圧縮保持して曲げ外周部の減
肉率を所望の値になるように規制するものであ
る。２０は管１１の移動位置を規制するガイドロ
ーラである。

２２は管１１内に配置され、管１１を局部的に
環状に加熱する高周波誘導子、２３はこの高周波
誘導子２２のリード線、２４は冷却パイプ、２５
は高周波誘導子２２を保持する支持体、２６はサ
ポートである。サポート２６の後端には、サポー
ト２６を軸線方向に移動させる誘導子移動装置
（図示せず）が連結されており、従つて、高周波
誘導子２２は管１１内で管１１の軸線方向に移動
可能である。高周波誘導子２２は曲げアーム６の
旋回中心Ｏを通り管１１の直管部に直角な線OX
にほぼ平行に配置されており、且つその加熱特性
は、管１１の曲げ内周側が曲げ外周側よりも高温
になるように定められる。２８は管１１の外部に
配置された冷却環である。冷却環２８は管外面に
冷却液を噴射して管を環状に冷却するものであ
り、この冷却液の噴射線を図中に符号ａ，ｂで示
している。第２図に示すように、冷却環２８は管
１１の曲げ外周部近傍を支持体２９に設けられた
支軸３０に回転可能に保持され、曲げ内周部近傍
を支持体２９に保持されたスリーブ３１に摺動可
能な軸３２に保持されている。従つて、軸３２を
スリーブ３１に対して摺動させ且つ適当な位置で
固定することにより、冷却環２８を支軸３０を中
心に旋回させ、冷却環２８の管１１及び高周波誘
導子２２に対する傾斜角を任意に設定可能であ
る。更に、冷却環２８を保持した支持体２９には
支持体２９を管１１の直管部に沿つて移動させる
駆動装置（図示せず）が連結されている。

次に上記曲げ加工装置による金属管の曲げ加工
動作を説明する。曲げ加工すべき金属管１１を第
１図のようにガイドローラ２０間に通し、その先
端を曲げアーム１２のクランプ治具１６で保持
し、管後端をテールストツクに保持させる。高周
波誘導子２２を管１１内で所定位置に、例えば直
線OXより僅かに管後端方向にずれた位置にセツ
トし、冷却環２８を管１１外で所定位置にセツト
する。冷却環２８のセツト位置は、第２図に拡大
して示すように、管１１の曲げ外周側では冷却線
ａが高周波誘導子２２による加熱部の近くに噴射
され、管１１の曲げ内周側では冷却線ｂが高周波
誘導子２２による加熱部から少し離れた位置に噴
射されるように設定される。管１１に対する冷却
線の吹付位置は管１１の冷却位置を決めるもので
あり、換言すれば管１１の加熱幅を決めるもので
あるので、曲げ外周側、内周側とも、最適になる
ように設定される。第２図中にハツチングで示す
部分１１ａ，１１ｂは曲げ変形可能な加熱範囲を
示している。高周波誘導子２２及び冷却環２８を
所定位置に正確にセツトした後、高周波誘導子２
２による加熱及び冷却環２８からの冷却液噴射を
開始し、曲げアーム１２に制動油圧装置１９によ
る制動力を作用させた状態で、管１１を前進させ
る。管１１の前進により、曲げアーム１２が旋回
中心Ｏのまわりに旋回し、管１１に曲げモーメン
トを付与する。管１１は高周波誘導子２２により
局部的に環状に変形可能温度にまで加熱されてい
るので、その加熱部分１１ａ，１１ｂが変形し、
その後冷却環２８からの冷却液で冷却され、変形
した状態に固定される。以上により、管１１の進
行に伴い曲げ加工が連続的に行われる。

ここで、高周波誘導子２２は管１１の曲げ内周
側管壁において、管外面側が管内面側よりも低く
なるように加熱する。この為、管外面部の剛性が
管内面部の剛性よりも高くなり、管内周側管壁に
作用する圧縮力により管壁が増肉するに際し管外
面への膨出が抑制され、曲げ初期から、管壁の膨
出が主として管内面側に生じ、その後安定して滑
らかに変形し、不規則変形が避けられる。また、
この時の冷却線ｂの位置が所望の加熱幅を確保す
る位置に設定されているので、この点からもなめ
らかな変形が行われる。一方曲げ外周側において
は、曲げ内周側に比べ許容範囲で加熱温度を低く
保つと共に、加熱幅を狭くしている。これにより
管壁が変形しにくくなり減肉量が少なくなると共
に偏平化が少なくなる。かくして、減肉の少な
い、且つ滑らかな増肉部を有する曲げ管が得られ
る。

なお上記実施例では高周波誘導子２２及び冷却
環２８を所定位置に位置決めした後、その位置に
固定して曲げ加工を行つた場合を示したが、曲げ
開始時及び曲げ終了時に、この高周波誘導子２２
及び冷却環２８を管１１に沿つて移動させ、換言
すれば旋回中心Ｏに対する管の変形位置を変化さ
せることにより、曲げ半径が連続的に変化するぼ
かし曲げを行うことも可能である。このようなぼ
かし曲げを行うと一層小半径による曲げが可能と
なる。更に上記実施例では、冷却環を傾斜可能と
し、冷却線の位置を調整して加熱幅を管の曲げ内
周側、外周側でそれぞれ最適値に設定可能とした
が、この代わりに管内部に配置する高周波誘導子
を管１１に対して傾斜させうるようにし、高周波
誘導子の傾斜により加熱幅を調整するようにして
もよい。

更に、上記実施例では、管１１を前進させ、定
位置に固定された支点Ｏのまわりに旋回する曲げ
アームにより曲げモーメンを付与して曲げ加工を
行つているが、本発明方法はこれに限定されず、
管１１を定位置に固定しておき、高周波誘導子２
２、冷却環２８、曲げアーム１２等を全体として
管１１に沿つて移動させる形式の曲げ加工方法に
も適用可能である。

実施例 第１図に示す曲げ加工装置を使用し、次の条件
で曲げ加工を行い、次の結果を得た。

供試管 材質 STPG38 直径 216.3mm 厚さ Sch40 曲げ 曲げ半径 203mm 曲げ角度 90゜ 曲げ条件 曲げ速度 1.5mm／Sec 高周波誘導子及び冷却環の位置 高周波誘導子 曲げ内周側 −３mm 曲げ外周側 −３mm 冷却環 曲げ内周側 ＋６mm 曲げ外周側 −４mm なお、この数値はアーム回転中心Ｏを通り直
管部に直行する面を基準として各装置の前面の
位置が管前進方向にあれば＋、逆方向にあれば
−とした。

結果 肉 厚 曲げ前 曲げ後 曲げ内周部 8.2 19.3 曲げ中央部 8.2 10.2 曲げ外周部 8.2 7.5 直 径 曲げ面内 217 208 同直角面 217 219 曲げ加工により得られた曲げ管の曲げ内周側を
切断しその断面を調査したところ、第５図に示す
形状であり、不規則変形ののない良好な断面であ
つた。

比較例 比較のため、第３図に示す従来の曲げ加工装置
による曲げ実験を行い、以下の結果を得た。

供試管 同上 曲げ半径 同上 曲げ条件 曲げ速度 1.5mm／Sec 高周波誘導子及び冷却環は一体構造のものを
管外側に配置 配置位置 曲げ内周側 −４mm 曲げ外周側 −４mm 結果 肉 厚 曲げ前 曲げ後 曲げ内周部 8.2 13〜20 曲げ中央部 8.2 9.9 曲げ外周部 8.2 7.1 直 径 曲げ面内 217 201〜209 同直角面 217 220 曲げ加工により得られた曲げ管の曲げ内周側を
切断しその断面を調査したところ、第６図に示す
形状であり、特に曲げ開始部Ａに大きい不規則変
形が生じていた。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明は小Ｒ曲げにお
いて過大な減肉及び偏平並びに不規側変形を防止
することができ、種々の配管に適用できる優れた
形状の曲管を、安定した品質で、且つ経済的に製
造することができるという効果を有しており、本
発明により製造された曲管は化学プラント、動力
プラント等で狭溢な箇所に十分適切に使用できる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になる曲げ加工装置
を示す平面図、第２図はその装置による曲げ加工
中の状況を拡大して示す断面図、第３図は従来の
代表的な曲げ加工装置を示す平面図、第４図はそ
の装置における曲げ加工中の状況を拡大して示す
断面図、第５図は本発明の実施例において製造し
た管の曲げ内周側断面図、第６図は従来の曲げ加
工装置で製造した管の曲げ内周側断面図である。 １１……管、１２……曲げアーム、１９……制
動油圧装置、２２……高周波誘導子、２８……冷
却環、２９……支持体、３０……支軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 曲げ加工すべき金属管を局部的に環状に加熱
   し、この加熱部を金属管の軸方向に移動させなが
   ら該加熱部に曲げモーメントを加えて変形させ、
   その直後を冷却することによつて前記金属管を曲
   げ加工する方法において、前記加熱部の加熱幅
   を、曲げ内周側では曲げ外周側よりも広くし、且
   つ加熱部の加熱温度を曲げ内周側では曲げ外周側
   よりも高くし、更に、前記加熱部における曲げ内
   周側の管壁温度を内面が外面よりも高くなるよう
   にしたことを特徴とする金属管の曲げ加工方法。 ２ 前記加熱部に曲げモーメントを加えて変形さ
   せる際、前記金属管の曲げられた部分の移動速度
   を曲げられていない直管部分の移動速度より小さ
   く規制することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の金属管の曲げ加工方法。 ３ 前記金属管の曲げ始めにおいては、直管部か
   ら曲げ半径をゆるやかに縮小させ、曲げ終り部で
   は、逆に曲げ半径をゆるやかに増加させることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の金属管の曲げ加工方法。 ４ 曲げ加工すべき金属管を軸方向に移動させる
   駆動装置と、 前記金属管の内部に配置され、金属管を環状に
   局部的に加熱する加熱装置と、 前記金属管の外部に配置され、金属管外面に冷
   却媒体を噴射して金属管を環状に冷却する冷却装
   置と、 前記金属管を把持して旋回可能な曲げアーム
   と、 前記曲げアームの旋回を規制して金属管の曲げ
   られた部分の移動速度を曲げられない直管部分の
   移動速度より小さくする旋回規制装置とを具備
   し、 前記加熱装置は管の曲げ内周側を曲げ外周側よ
   りも高温に加熱する特性を有しており、 前記加熱装置と冷却装置とはそれぞれ金属管に
   対して単独に移動可能であり、且つ少なくとも一
   方が、金属管に対する角度を変更可能であること
   を特徴とする金属管の曲げ加工装置。