JPH0472619B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は鋼管等の管を矯正するロール式管矯正
機のロール位置設定方法に関する。 〔従来技術〕 各種製管法により製造される鋼管は、所定の品
質を得るために各種処理を施して精整する必要が
ある。 矯正工程はこのような精整工程の一つであり、
管の曲りを除去し、真直とすることを目的として
いる。曲り矯正方法としては、相対向する１組の
ロールを３組以上有し、少くとも１組のロール
は、他のロールに対して、管に曲げ加工が与えら
れるように配設し、各ロールを回転させ、各組の
相対向するロール間に、外圧を与えつつ管を移動
させて管を真直及び真円とするいわゆるロール式
矯正機が一般的に用いられている。 従来、このロール式管矯正機において、各ロー
ルの位置を設定する方法としては、管の矯正時に
おける歪、応力等が実験的、理論的に解明されて
いないこともあつて、作業者が管の曲りを目視判
断して過去のデータを基に、作業者の経験による
方法が一般的であつた。このため、作業者の経験
差によつて、矯正精度、降伏強度等の管の品質が
変化し、一度の曲げ矯正では所望の品質が得られ
ないために、再度矯正を行う必要がしばしば生
じ、また設定に長時間を要するという不都合があ
つた。 〔目的〕 本発明に斯かる事情に鑑みてなされたものであ
り、ロールのオフセツトによつて生じる変形の塑
性域を表わす指標と、オフセツト量との予め求め
られた関係に基づいてオフセツト量を定め、また
クラツシユによつて生じる変形の塑性域を表わす
指標と、クラツシユ量との予め求められた関係に
基づいてクラツシユ量を定めることにより、上記
不都合を解消し、一定の矯正効果が得られて製品
の品質向上が図れると共に、作業時間の短縮を可
能としたロール式管矯正機のロール位置設定方法
の提供を目的とする。 〔原理〕 以下に本発明の原理を説明する。 第１図はロール式管矯正機の模式図、第２図は
第１図の−線における断面模式図である。こ
のロール式管矯正機は各軸を相互に傾斜させて相
対向する上下各１個の鼓型ロールを有するスタン
ドを３組並設した、いわゆる２−２−２型と呼ば
れているものであり、第１図に白抜矢符で示すよ
うに図面の左側から右側へ管１０が回転されつつ
移動させられる。左側の第１スタンド１１及び右
側の第３スタンド１３の各ロールに対し、中央の
第２スタンド１２のロールは、管１０に曲げ加工
を与えるべく、上方に平行移動させられた、いわ
ゆるオフセツト状態とされており、そのオフセツ
ト量はδ₀で示される。 また、各スタンド１１，１２，１３の各ロール
間間隙は、管１０に外圧を与えるべく、管１０の
真円外径（製品目標外径）よりも若干小さく設定
されて、管１０はいわゆるクラツシユされてお
り、このため管１０は第２図に示すように編平楕
円状となる。クラツシユ量δcは、真円外径（管１
０の周長によつて定まる真円外径）ｄとロール間
距離（従つて編平楕円となつた管の短径）との差
によつて表わされる。 矯正中の管１０は、オフセツトに対しては繰返
し曲げによる軸方向の引張及び圧縮を、クラツシ
ユに対しては繰返し編平による周方向の引張及び
圧縮を受け、軸及び周２方向の変形の相互作用の
為に矯正現象は極めて複雑なものとなり、厳密な
理論的取扱いは困難である。このため、以下の説
明においてはオフセツトとクラツシユによる変形
を考えるに際し、各変形を分離して扱い、材料を
理想材料として取扱う。 まず、オフセツト量δ₀と管１０の変形について
考える。第３図は外径ｄ、内径di、厚さｔの管１
０に、曲率半径ρの曲げが生じている場合の模式
図、第４図はその−線における断面図であ
る。管１０の中央部には図に示すような軸方向応
力が働き、歪εが生じる。 今、管１０の応力σと歪εの関係を次の式にて
定義する。 σ＝Ｅ・ε σ＝Yp＋Ｈ（ε−εe）（弾性域） （塑性域） …(1) ただし、 Yp：降伏強度 εe：弾性限界における歪 Ｅ：ヤング率 Ｈ：加工硬化係数 第５図は(1)式をグラフとして表わしたものであ
る。 (1)式から、管１０の軸方向中央部断面におい
て、一定量（＝εe）以上の歪が生じていれば、そ
の部分は塑性域であり、また一定量（＝εe）以下
であれば弾性域であると考えられる。第４図は、
管断面の塑性域と弾性域を示したものであり、斜
線部分が塑性域となる。 さて、弾性域の上下方向の長さをη₀とし、管１
０の曲りによる管断面の塑性域の割合を示す指標
として塑性率ξ₀を下記(2)式にて定義する。 ξ₀＝１−（η₀／ｄ） …(2) この塑性率ξ₀がオフセツトによる矯正時の変形
の程度を表わし、オフセツトによる塑性域の指標
となる。 次にクラツシユによる変形について考える。第
６図は管１０に上方及び下方から荷重が加わつて
いる厚さｔの管の断面を示し、第７図はその上部
の拡大図である。荷重を受けている管断面の上側
部分には、第７図に示すような周方向応力が働
き、歪εが生じる。そして、(1)式からこの歪εの
大きさに基づいて、管断面は塑性域及び弾性域に
分けられる。第６図において斜線部分は塑性域を
表わし、管断面における荷重が加わる上、下部及
び左、右の各側部では、厚み方向の中程が弾性域
となり、その外側及び内側が塑性域となる。 いま、荷重が加わる管断面上部において、弾性
域の上下方向長さをηcとし、上下方向からの荷
重による管断面における塑性域の割合を示す指標
として塑性率ξcを下記(3)式にて定義する。 ξc＝１−（ηc／ｔ） …(3) この塑性率ξcがクラツシユによる矯正時の変
形の程度を表わし、クラツシユによる塑性域の指
標となる。 本発明方法は、このオフセツト及びクラツシユ
による塑性率ξ₀、ξcが夫々オフセツト量δ₀、クラ
ツシユδcに対応して定まることに着目してなされ
たものである。 次にオフセツトによる塑性率ξ₀とオフセツト量
δ₀との関係について説明する。第８図は、第２ス
タンド１２をδ₀だけオフセツトさせた矯正機によ
り、外径ｄ、内径di、厚さｔの管を矯正している
状態の模式図であり、スタンドのロールスパンを
Ｓ、管の曲げの曲率半径をρとし、さらに管１０
には第２スタンド１２のロールにより荷重Ｐが加
わつているものとする。 管１０のたわみ量をｖとすると、第１スタンド
１１のロール中心から距離ｘの位置に生じるたわ
み量ｖは、幾何学的関係から次式にて表される。 d²v／dx²＝１／ρ …(4) 第２スタンド１２のロール中心におけるたわみ
量、即ち第１スタンド１１のロール中心からの距
離Ｓにおけるたわみ量がオフセツト量δ₀になる。
従つてオフセツト量δ₀は曲率半径ρの関係とな
る。 一方、管10に生じる曲げモーメントＭを考える
と、管１０は、外径ｄの中実棒から外径（管１０
の内径）diの中実棒を取り除いたものと考えれば
よいので、その曲げモーメントＭは外径ｄの中実
棒における曲げモーメントM₀と外径diの中実棒
における曲げモーメントMiとの差になる。 Ｍ＝M₀−Mi …(5) ここで ただし、 I₀＝（π／64）d₀ ⁴ Ii＝（π／64）di⁴ r₀＝ｄ／２ ri＝（di）／２ と表わされ、曲げモーメントＭは曲率半径ρの関
数となる。 曲げモーメントＭの分布は下記(6)式にて表わさ
れる。 Ｍ＝Ｐ／２ｘ …(6) 従つて第２スタンド１２のロール中央における
曲げモーメントＭは荷重Ｐにより定まり、荷重Ｐ
から曲率半径ρが求まる。 第２スタンド１２のロール中央における管断面
は、前述のように塑性域と弾性域に分れ、その境
界における歪量は(1)式より次のようになる。 εe＝Yp／Ｅ …(7) また、この歪εeは管段面中心より距離η₀／２だ
け上方又は下方に離隔した位置に生じているか
ら、 εe＝η₀／2ρ …(8) で表わされる。従つて(7)、(8)式より次の関係が導
き出される。 Yp／Ｅ＝η₀／2ρ ∴η₀＝2Yp／Ｅρ …(9) (9)式よりη₀は曲率半径ρの関数として表わされ
る。 一方、オフセツト量δ₀は曲率半径ρの関数とな
つているため、η₀は曲率半径ρをパラメータとし
てδ₀の関数として表わされる。従つてオフセツト
による塑性率ξ₀はオフセツト量δ₀の関数となり、
塑性率ξ₀の定めておけばオフセツト量δ₀が定ま
る。塑性率ξ₀とオフセツト量δ₀との関係は、管の
寸法、強度により定まる。 次に計算例を示す。第１表は管１０の寸法、強
度等の計算条件を示し、第１表の欄は外径ｄが
60mm、厚さｔが５mm、降伏強度Ypが30Kg／mm²の
鋼管を使用し、ロールスパンＳが600mmの条件の
場合、欄は降伏強度Ypを40Kg／mm²であり、他
は欄と同様の条件の場合、欄は外径ｄが40mm
で他は欄と同様の条件の場合である。また各条
件における後述の弾性限界オフセツト量δoeを併
記している。第９図は第１表の結果を表わすグラ
フである。 第９図より明らかなように、管の外径ｄ、厚み
ｔ等の寸法、降伏強度Yp、ヤング率Ｅ等の強度、
ロールスパンＳ等の矯正機の条件等により、オフ
セツト量δ₀とその塑性率ξ₀との関係は定まり、塑
性率ξ₀を予め設定しておけば、オフセツト量δ₀は
材質、強度に応じて定まることになる。 さらに、塑性率ξ₀が０の場合におけるオフセツ
ト量、即ち、オフセツト位置の管断面にオフセツ
トに起因して生じる変形において、塑性域が存せ
ず、全てが弾性域となる弾性限界オフセツト量
δoeを考えると、このオフセツト量δoeは次式で
表わされる。 δoe＝0.6・Yp／Ｅ・S²／ｄ …(10) 今、第１表各欄の条件に基づいて、塑性率ξ₀
を、オフセツト量δ₀と弾性限界オフセツト量δoe
との比、即ち、無次元化オフセツトδ₀／δoeにて
整理すると、第１０図のように塑性率ξ₀は一義的
に定まることがわかつた。 従つて、塑性率ξ₀を予め設定しておけば、第１
０図より無次元化オフセツトδ₀／δoeが、管の寸
法、材質等に拘わらず一義的に定まることにな
り、オフセツト量δ₀は容易に求まる。 次にクラツシユによる塑性率ξ₀とクラツシユ量
δcとの関係について説明する。第１１図は、外径
ｄ、内径di、厚さｔの管１０の上方及び下方より
荷重Ｐが加えられた場合の断面を示している。
今、管１０が変形する前の平均半径をr₀｛＝（ｄ−
ｔ）／２｝とすると、この管１０におけるクラツ
シユ量は、材料力学における初期曲率半径r₀の曲
り梁の問題として扱える。管１０の中心を通る水
平線より角度φの位置には荷重Ｐによつて曲げモ
ーメントM′が働き、平均半径がr₀からｒに変化
するものとすると、曲げモーメントM′は次式で
表わされる。 ただし、 I′＝t³／12（管長は単位長さとする） １／re−１／r₀＝2εe／ｔ＝2Yp／Et １／ｒ：曲率 １／ｒ−１／r₀：曲率の変化 次に曲げモーメントM′の分布を考える。この
場合、管断面は、中心を通る水平軸及び鉛直軸に
対して対称であるから、第１２図に示す断面の1/
４の部分について考える。第１２図の水平端面
（ψ＝０）に作用する曲げモーメントをMo′とす
ると、曲げモーメントM′は下式によつて表わさ
れる。 M′＝M₀′−1/2Ｐ・r₀・（１−cosψ） …(12) ここでM₀′は変形の鉛直軸における対称性によ
り、水平端面（ψ＝０）及び鉛直端面（ψ＝π／
２）は、変形後も水平状態及び鉛直状態を維持す
るという条件から求まる。 一方、管１０の偏平による垂直直径の変化、即
ちクラツシユ量δcは、曲り管におけるたわみ量と
考えることができ、次式で表わされる。 δc＝2r₀∫〓^/2 ₀（１／ｒ−１／r₀）cosψdψ …(13) 以上(11)、(12)、(13)式から角度ψの値の変化後の管
の曲率１／ｒはクラツシユ量δcの関数となる。 一方、管断面の弾塑性境界における歪量εeは、
(1)式より次のように表わされる。 εe＝Yp／Ｅ ……(14) またこの歪量は εe＝ηc／２（１／ｒ−１／r₀）…(15) で表わされるので、両式から ηc＝2Yp／Ｅ／（１／ｒ−１／r₀）…(16) となる。 またクラツシユによる塑性率ξcは(3)式よりηc
の関数であるため、クラツシユによる塑性率ξc
は管の曲率１／ｒをパラメータとしてクラツシユ
量δcの関数として表わされる。従つてクラツシユ
による塑性率ξcはクラツシユ量δcの関数となり、
塑性率ξcを定めておけばクラツシユ量δcが定ま
る。塑性率ξcとクラツシユ量δcとの関数は管の
寸法、強度により定まる。 次に計算例を示す。第２表は管の寸法、強度等
の計算条件を示し、各、、欄は、前述の第
１表、、欄と夫々同様の条件となつてお
り、また各条件における後述の弾性限界クラツシ
ユ量を夫々併記している。第１３図は第２表の結
果を示すグラフである。 第１３図より明らかなように、管の外径ｄ、厚
みｔ等の寸法、ヤング率Ｅ等の強度により、クラ
ツシユ量δcとその塑性率ξcとの関係は定まり、
塑性率ξcを予め設定しておけば、クラツシユ量
δcは材質、強度に応じて定まることになる。 さらに塑性率ξcが０の場合におけるクラツシ
ユ量、即ちクラツシユ位置に管断面に、クラツシ
ユに起因して生じる変形において、塑性域が発生
せず全てが弾性域となる弾性限界オフセツト量
δceを考えると、このオフセツト量δceは次式で表
わされる。 δce＝0.2・Yp／Ｅ・（ｄ−ｔ）²／ｔ …(17) 今、第２表各欄の条件に基づいて、塑性率ξc
を、クラツシユ量δcと弾性限界クラツシユ量δce
との比、即ち無次元化クラツシユδc／δceにて整
理すると、第１４図に示すように、塑性率ξcは
一義的に定まることがわかつた。 従つて、塑性率ξcを予め設定しておけば、第
１４図より無次元化クラツシユδc／δceが、管の
寸法、材質等に拘わらず一義的に定まることにな
り、クラツシユ量δcは容易に求まる。 〔構成〕 以上のように本発明は、オフセツト位置の管断
面にオフセツトに起因して生じる変形の塑性域を
表わす指標と、オフセツト量或いはオフセツト量
とその変形における弾性限界となるオフセツト量
との比との予め求められら関数に基づいてオフセ
ツト量を定め、またクラツシユ位置の管断面にク
ラツシユに起因して生じる変形の塑性域を表わす
指標と、クラツシユ量或いはクラツシユ量とその
変形における弾性限界となるクラツシユ量との比
との予め求められた関数に基づいてクラツシユ量
を定めるものである。 〔実施例〕 以下に本発明方法の実施例を示す。 第１５図、第１６図、第１７図は、本発明方法
によりロール設定したロール式管矯正機による鋼
管の矯正試験の結果を示すグラフである。第１５
図は予め設定するオフセツト塑性率ξ₀を10〜90％
の適当な値を選択することにより設定オフセツト
量δ₀を変更して、鋼管を矯正した場合における鋼
管の残留曲りを示しており、鋼管としては外径60
mm、厚さ５mmのSTB42鋼管を使用し、矯正前の
曲りを２mm／ｍとした。またクラツシユ量δcはク
ラツシユ塑性率50％の場合の値を採用した。オフ
セツト塑性率ξ₀が過小及び過大の場合には残留曲
りが大きく形状不良となり、オフセツト塑性率ξ₀
が40〜70％の場合に残留曲りが最小となつた。 第１６図は予め設定するクラツシユ塑性率ξc
を10〜90％の適当な値を選択することにより設定
クラツシユ量δcを変更して、外径60mm、厚さ５mm
のSTB42鋼管を、矯正前の楕円率を３〜４％と
して矯正した場合の残留楕円率を示すグラフであ
る。この場合オフセツト量δ₀をオフセツト塑性率
50％の場合の値とした。この場合も上述の試験と
同様、クラツシユ塑性率ξcが過小及び過大な場
合には残留楕円率が大きくなつて形状不良となつ
ている。クラツシユ塑性率ξcが50〜80％の場合
に残留楕円率が最小となつた。 第１７図は予め設定するクラツシユ塑性率ξc
を10〜90％の適当な値を選択することによりクラ
ツシユ量δcを変更して、外径60mm、厚さ５mmの
STB42鋼管を、オフセツト塑性率ξ₀が50％の場
合のオフセツト量δ₀にて矯正した場合における降
伏強度Ypの変化を示している。クラツシユ塑性
率ξcが過大（60％以上）である場合は、強度外
れ及びそれに伴う伸びの低下を招来し、またスパ
イラルマーク疵も発生し、さらには形状が悪化す
る虞れもある。以上の結果より、オフセツト塑性
率ξ₀及びクラツシユ塑性率ξcを50〜60％としてオ
フセツト量δ₀及びクラツシユ量δcを夫々定めれ
ば、形状矯正効果及び品質とも良好な結果が得ら
れる。 本発明方法によりロールを設定してロール式管
矯正機により鋼管を矯正した場合における矯正後
の鋼管の不良率の発生状況を、従来方法による場
合と比較する。対象鋼管として、外径60mm、厚さ
５mmのSTB42鋼管を1600本使用し、オフセツト
塑性率ξ₀、クラツシユ塑性率ξcを夫々50％として
ロール位置を設定した。不良の判定として、曲り
不良は１／100mm／ｍ以上の場合を不良と判定し、
強度外れは降伏強度Ypの変化量が3.5Kg／mm²以上
の場合を不良と判定する。またスパイラルマーク
疵は目視にて判定する。結果を第１８図に示す。
なお、従来の設定方法は各作業者の判断によるも
のであり、各作業者によつてロール位置は大きく
相違し、塑性率に換算するとオフセツト塑性率ξ₀
が５〜70％、クラツシユ塑性率ξcが20〜90％で
あつた。 従来方法によれば、不良率の発生が0.5％以上
であつたのに対し、本発明方法によれば0.2％以
下となつた。またロール設定時間は従来方法の1/
３以上短縮された。 〔効果〕 以上の如く第１の本発明方法にあつてはオフセ
ツト位置の管断面にオフセツトに起因して生じる
変形の塑性域を表わす指標と、オフセツト量との
予め求められた関係に基づいてロールのオフセツ
ト量を定め、またクラツシユ位置の管断面にクラ
ツシユに起因して生じる変形の塑性域を表わす指
標と、クラツシユ量との予め求められた関係に基
づいてロールのクラツシユ量を定めることとして
いるから、従来経験的に設定されていたオフセツ
ト量、クラツシユ量を夫々に起因して生じる変形
の塑性域を表わす指標を考慮することで、これら
の量を製品品質との関係で適正に、しかも容易に
設定することが出来、作業者の経験差によつてば
らつくこともなく、矯正精度、降伏強度等の管品
質が安定した作業時間の短縮が図れる等本発明は
優れた効果を奏する。 また第２の本発明方法にあつては、オフセツト
に起因して生じる変形の塑性域を表わす指標と、
オフセツト量及びその変形における弾性限界とな
るオフセツト量の比との関係に基づいてロールの
オフセツト量を、またクラツシユに起因して生じ
る変形の塑性域を表わす指標と、クラツシユ量及
びその変形における弾性限界となるクラツシユ量
の比との関係に基づいてロールのクラツシユ量を
定めることとしているから、前記第１の発生の効
果に加えて、このような無次元化によつて管の寸
法、材質等の如何にかかわらずオフセツト量、ク
ラツシユ量を一義的に求めることが出来て、これ
らを求める作業が一層容易となる効果が得られ
る。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図はロール式矯正機の管矯正状態を示す模
式図、第２図は第１図の−線における拡大断
面図、第３図は曲り管に働く力の模式図、第４図
は第３図の−線における断面模式図、第５図
は応力と歪との関係を示すグラフ、第６図は管断
面の模式図、第７図は管断面の一部に働く応力の
模式図、第８図はロール式管矯正機の管矯正状態
を示す模式図、第９図はオフセツト量とオフセツ
ト塑性率の関係を示すグラフ、第１０図は無次元
化オフセツトとオフセツト塑性率との関係を示す
グラフ、第１１図は管断面の模式図、第１２図は
その要部の模式図、第１３図はクラツシユ量とク
ラツシユ塑性率との関係を示すグラフ、第１４は
無次元化クラツシユと塑性率との関係を示すグラ
フ、第１５〜１８図は本発明方法の実施例を示す
ものであり、第１５図はオフセツト塑性率と残留
曲りとの関係を示すグラフ、第１６図はクラツシ
ユ塑性率と残留楕円率との関係を示すグラフ、第
１７図はクラツシユ塑性率と降伏強度の変化量と
の関係を示すグラフ、第１８図は本発明方法と従
来方法との不良率を比較したグラフである。 １０……管、１１，１２，１３……スタンド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 相対向する１組のロールを３組以上有し、少
   くとも１組のロールは他のロールに対してオフセ
   ツトされており、相対向するロールにて管をクラ
   ツシユさせつつ移動させることにより管を真直と
   するロール式管矯正機において、オフセツト位置
   の管断面にオフセツトに起因して生じる変形の塑
   性域を表わす指標と、オフセツト量との予め求め
   られた関係に基づいてロールのオフセツト量を定
   め、またクラツシユ位置の管断面にクラツシユに
   起因して生じる変形の塑性域を表わす指標と、ク
   ラツシユ量との予め求められた関係に基づいてロ
   ールのクラツシユ量を定めることを特徴とするロ
   ール位置設定方法。 ２ 相対向する１組のロールを３組以上有し、少
   くとも１組のロールは他のロールに対してオフセ
   ツトされており、相対向するロールにて管をクラ
   ツシユさせつつ移動させることにより管を真直と
   するロール式管矯正機において、オフセツト位置
   の管断面にオフセツトに起因して生じる変形の塑
   性域を表わす指標と、オフセツト量及びその変形
   における弾性限界となるオフセツト量の比との予
   め求められた関係に基づいてロールのオフセツト
   量を定め、またクラツシユ位置の管断面にクラツ
   シユに起因して生じる変形の塑性域を表わす指標
   と、クラツシユ量及びその変形における弾性限界
   となるクラツシユ量の比との予め求められた関係
   に基づいてロールのクラツシユ量を定めることを
   特徴とするロール位置設定方法。