JPS6317521B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属加工に係り、より詳しくは、穿孔
ミルに用いるマンドレルを製造する方法に関す
る。

本発明は穿孔ミルに装着する水冷式非着脱型マ
ンドレルの製造に好適に利用することができる。

本発明は、また、同様の目的に使用する非冷却
式着脱型マンドレルの製造に有利に利用すること
ができる。

継目無鋼管に対する需要が絶えず増大している
とともに鋼管の熱間圧延用設備を高度に自動化し
かつその生産性を高めることが要請されているこ
とから、高品質の信頼のおける耐久性のある鋼管
圧延工具を提供することが必要とされている。

白熱した中実の鋼塊に孔あけをするために用い
る穿孔マンドレルは、高くかつ変化する圧力およ
び温度条件ならびに強度の接触応力条件下で使用
されるので、最も早く磨耗する工具の一つであ
る。ピルガミルの生産効率、製品鋼管内面の品
質、および、鋼管製造産業の効率、のような多数
の因子はマンドレルが前掲の諸荷重に対抗し得る
能力に依存していると言つても過言ではない。し
かしながら、穿孔マンドレルの使用条件は苛酷な
ものであるため、その寿命は短かく、その結果、
その需要が余計に増大することとなる。

鋼管の表面仕上げを良好に行なうためには、マ
ンドレルを頻繁に交換することが必要であるが、
そうすれば圧延の生産性が低下するとともにそれ
だけ多数のマンドレルが必要となる。

構造上は、マンドレルは流線形の輪郭を有する
紡錘形の物体である。マンドレルの先行端部（ま
たはマンドレルの作用部）には先細のノーズが形
成してあり、マンドレルの後従端部にはマンドレ
ル装着部として作用する円錐形の空洞が形成され
ている。マンドレルの作用部と装着部との間には
サイジング帯が設けられる。炭素鋼や中間的合金
鋼から鋼管を圧延する場合には、深い冷却用空洞
とマンドレルをロツドにピツタリと嵌合するため
の円錐形空洞とを形成した水冷式（非着脱型）マ
ンドレルを用いるのが好ましい。加工困難な高合
金鋼や合金から管を圧延する場合には、浅い装着
用空洞を形成した非冷却式（着脱型）マンドレル
が使用される。

水冷マンドレルは0.1〜0.2％Ｃ，１％Cr，３〜
４％Ni，１％Ｖを含有する中間的合金鋼から製
作される。非冷却マンドレルは同様の品位の鋼
や、Ｗ，Mo，Co等を含む高合金鋼や合金から製
作される。

形状に関しては、いずれの型式のマンドレルも
製作困難であつて、多かれ少なかれ、マンドレル
表面の異なる部分に多くの機械加工を施すことが
必要である。しかしながら、マンドレルは圧延の
初期段階においてブランク（鋼塊または鋼片）に
孔を形成するために用いられるものであることを
考慮すれば、マンドレル表面の所望の粗さ（Ra
＝300〜100μC程度）は鋳造と鍛造によつて得る
ことができる。

次のようなマンドレル製造方法が知られている
（Steel Magazine No.１，PP.55〜56，1979，B.
D.Kopysky，E.I.Semerov，L.F.Kandyba等によ
る記事参照）。

(イ) 空洞を有するまたは有さない成形された鋳造
物を処理し、次にこの空洞の完全または部分的
な機械処理を行うことからなる方法。

(ロ) 空洞を有するまたは有さない中実のまたは管
状のブランクを鍛造し、次に、マンドレル外面
および空洞の完全または部分的な機械処理を行
うことからなる方法。

仕上げされたマンドレルは酸化性雰囲気で焼鈍
に付され、必要に応じ、マンドレルのノーズは高
温材料で被覆または表面仕上げされる。

鋳造によつてマンドレルを製作する方法はかな
り効率的かつ効果的な方法である。しかしなが
ら、金属の固結過程の物理的特性により、かかる
マンドレルにおける金属組織は、マンドレル外面
に対してならびに素管金属の摺動方向に対して垂
直に走向する実質的に半径方向の配向をもつたも
のとなり、その結果マンドレルの作用面と鋼塊と
の間の摩擦係合が不充分となるとともに、マンド
レルの円錐形装着部に作用する接線方向の引張応
力に対する抵抗力が低下する。金属の硬化した外
殻の下層に不可避的に形成される孔隙や空洞はマ
ンドレル内部を弱化させるとともに、それらは操
業中マンドレル表面に発展して鋼管内面に欠陥を
発生させる原因となる。したがつて、鋳造によつ
て製造したマンドレルの品質が不安定であること
は圧延条件が不安定となりかつ仕上げ鋼管の品質
が低下することに結びつく。公知の方法は、追加
的合金法や金属鋳型の使用により鋳造マンドレル
の品質の改善を図つてはいるが、その性能がさほ
ど改善されないにも拘らずマンドレル製作費は大
幅に増加している（英国特許第1441052号、同第
2176174号、米国特許第3962827号参照）。

今日では、マンドレルの軸線に沿つて実質的に
配向した緻密な変形された組織を有する鍛造マン
ドレルが多く使用されつつある。かような組織に
することにより、マンドレルの機械的特性ならび
に性能を改善することが可能となる。

より多くの金属と労力を消費するにも拘らず、
かつ、鋳造法に比して製作費が２倍に上昇するに
も拘らず、鍛造マンドレルの寿命と信頼性は２乃
至３倍に高まる。これが鍛造マンドレルが優先的
に使用される決定的な因子となつている。

しかしながら、鍛造されかつ機械加工されたマ
ンドレルはその金属組織上の見地からは不利であ
る。というのは、組織の金属繊維は機械加工の際
に切断され、その結果表面に鋭角で現れるからで
ある。このような配向の組織はマンドレル材料の
耐用性に悪影響を与え、ひいてはマンドレルの寿
命を短縮させかつその安定した作動を損う。

以上から、従来の方法ではマンドレルの適正な
性能特性を確保するために必要な金属組織をもつ
たマンドレルを製造することはできないものと考
えられる。

本発明の目的は鍛造によつて穿孔マンドレルを
製造するための方法を提供することであつて、組
織の金属繊維が穿孔中の素管の金属の流れの方向
において穿孔マンドレル作用表面の輪郭に整合的
に内接し得るようにマンドレル内に緻密な金属組
織を形成することを可能ならしめ、もつてマンド
レルの機械的処理を実質的に癈止し得るような、
鍛造による穿孔マンドレル製造方法を提供するこ
とである。

上記目的は次のような本発明の方法によつて達
成することができる。すなわち、本発明の方法
は、マンドレル装着部の側において形成した軸方
向の袋穴状の円錐形空洞と、マンドレル作用部の
端部に形成したノーズと、作用部と装着部との間
に配置したサイジング帯、とを有する紡錘形の穿
孔マンドレルを製造するための方法において、(イ)
熱間穿孔により、前記袋穴状円錐形空洞の寸法よ
り大きな寸法の拡大された円錐形空洞を備えたブ
ランクを予備成形し、(ロ)前記拡大円錐形空洞の寸
法が減少し、装着部の端部におけるブランクの外
径がマンドレルサイジング帯の直径の0.9乃至
1.02倍となり、作用部とノーズの外径がマンドレ
ルの対応する各部の直径の0.9乃至１倍となり、
装着部および作用部の区域における肉厚がマンド
レルの肉厚の0.7乃至１倍となるように前記ブラ
ンクを予備サイジングし、(ハ)この様に予備サイジ
ングされたブランクに熱間据込み鍛造を施して、
マンドレルの作用部１の据込み鍛造と同時に変形
により装着部４を成形し、続いて空洞５の最終サ
イジングを行うことを特徴とする。

熱間穿孔とブランク空洞の予備サイジングによ
つて寸法比を前述の如くすれば、ブランクの組織
は必然的に作用を受けて、組織の繊維はマンドレ
ルの作用面の輪郭に整合的に内接することが可能
となるとともに、その後の作業段階、すなわち熱
間据込み鍛造工程とこれにつづく空洞の最終サイ
ジング工程においてマンドレル装着部を適正に成
形することが可能となる。前記諸元から逸脱すれ
ば、装着用空洞の形状が不規則となつてこの面を
追加的に機械加工することが必要となるか、ある
いは、設定どうりの長さの装着部が形成できなく
なつて、修復不能の欠陥を招く。

さらに、前記諸元を確保できない場合には、工
具の仕切り面に沿つてしわやばりが形成し、これ
らがまた修復不能の欠陥となる。

本発明の実施例においては、熱間据込み鍛造な
らびに空洞の予備サイジングに先立つて、円錐形
空洞の形成と同時にマンドレルのノーズの成形を
行う。

ノーズの成形工程を空洞形成工程と結合すれ
ば、ノーズの形成操作、形状、寸法の品質が確保
されるとともに、鍛造力を減少させることが可能
となり、その結果、鍛造プレスの主要部品すなわ
ちダイスやポンチの寿命をかなり改善することが
できる。

好ましくは、空洞の予備サイジングと同時に行
なうブランクの熱間据込み鍛造はブランクの肉厚
が1.25乃至2.5倍に増加するように行ない、また、
作用部の据込み鍛造および最終サイジングと同時
に行なうマンドレル装着部の変形によつて該装着
部の断面を１乃至1.5倍に変化させる。

予め空洞が形成されているような成形鋳造物を
用いる場合には、ブランクの肉厚を減少させてお
くのが好ましい。この場合には、初期鋳造組織は
必要区域においては満足すべきマンドレル性能が
得られる程度に十分に緻密にしておく。

装着部の据込みならびに最終サイジングと同時
に装着部に垂直にブランクの断面を減少すれば、
装着部の線的ならびに角度的寸法の精度を著しく
向上させることができる。

次に、添附図面を参照にして本発明の実施例に
ついて述べる。

第１図乃至第５図はマンドレルを示し、その各
要素および各部は次の順序で形成される。すなわ
ち、まず作用部１が形成され、次に、ノーズ２、
マンドレル冷却用空洞３、装着部４、円錐形装着
用空洞５、サイジング帯６、水出口７が形成され
る。d₁とd₂はマンドレルの円錐形装着用空洞の直
径、d₃は予備サイジングされた円錐形空洞の大き
い方の底部の直径である。D₁とD₂は夫夫マンド
レルのサイジング帯の直径と装着部の直径であ
り、D₃は円錐形空洞予備サイジング段階におけ
るブランクの端面の直径、D₄とD₅は作用部区域
におけるマンドレルの直径、d₄とd₅はマンドレル
のノーズの直径、S₀とS₁は夫々ブランクの作用部
１の肉厚および装着部４の肉厚、S₀′とS₁′は夫々
マンドレルの作用部１の肉厚および装着部４の肉
厚である。

仕上げ後のブランクおよびマンドレルの端面の
面積は第３図および第４図において夫々f₁および
f₂で示した。

圧延棒片の形の初期ブランクは、炉で鍛造温度
に加熱した後、据込み鍛造を行う。据込み鍛造
は、閉鎖ダイ式プレスを用いて、数回のパスにわ
たつて、予め形成された空洞３がダイに衝当しか
つ作用部１の先細端部にノーズ２（第２図）が同
時に形成されるように行なう。

据込み鍛造が進行するにつれて、ブランクに形
成されていた円錐形空洞３は予備サイジングさ
れ、また、円錐形の装着用空洞５は予定された直
径d₂およびd₃に合致するように成形される。この
段階においては、ブランクは次の諸元に加工す
る：D₃＝（0.9乃至1.02）D₁，D₅＝（0.9乃至１）
D₄，d₅＝（0.9乃至１）d₄，S₁＝（0.7乃至１）S₁′，
S₀＝（0.7乃至１）S₀′，（第３図参照）。

最終形状はサイジングダイにおいてマンドレル
に与えられる。すなわち、サイジングダイにおい
ては、装着部４は直径D₂に減少され、装着用空
洞５は直径d₁およびd₂にサイジングされ、他方、
作用部１は直径D₄に減少され、装着部の断面は
f₁／f₂＝１乃至1.5となるように減少される（第４
図）。

鍛造操作の回数を減少させるためには、予め形
成された空洞を有するブランクは鍛造によつて得
ることができる（第５図）。しかしながら、熱間
据込み鍛造による鋳造組織の加工の量を増加させ
るためには、ブランクの壁の種々の区域において
多大な量の変形を行うことが必要であり、ブラン
クの肉厚が切期肉厚の1.25乃至2.5倍となるよう
にすることが必要である。水出口７はドリル穿孔
によつて形成することができる。

本発明の方法に基く寸法比および操作条件に従
えば、最少限の仕上げ加工によつて、あるいは仕
上げ加工を全く必要とすること無く、産業界にお
いて直ちに使用可能なマンドレルを製作すること
が可能である。前記寸法比および操作条件を維持
することができない場合には修復不能の欠陥を招
くことになり、マンドレルは使用に耐えないこと
となる。

次に本発明の実施例について述べる。

0.12％Ｃ，１％Cr，３％Niを含有する鋼から
なる直径65mm、長さ147mmのブランクを用いて、
直径77mm、長さ205mm、重さ3.8Kgのマンドレルを
鍛造した。

ブランクは1250℃に加熱し、次にダイ内に挿入
し、穿孔およびスタンピング作用によつて円錐形
空洞と直径25mmのノーズを形成した（第２図）。
次に、マンドレルの空洞を深さ175mmにサイジン
グし（第３図）、次いで、装着用空洞のサイジン
グと同時にマンドレル作用部を変形させて、この
区域の断面減少率を初期断面の１乃至1.5倍にし
た（第４図）。鍛造完了後、マンドレルにはノー
ズ２の区域において３mmの孔を穿孔した（第１
図）。

本発明の方法に基いて製作したマンドレルは連
続鋼管圧延ミルで試験したところ良好な耐用性を
示した。このマンドレルを穿孔ミルの構成部品と
して用いたところ、平均1920回のパスに耐えるこ
とができた。この回数は同様な条件で操作した鋳
造マンドレルの耐用性430パスの4.5倍であり、ま
た、0.20％Ｃ，１％Cr，４％Ni，１％Ｖを含有
する鋼で作つた旋盤加工した鍛造マンドレルの耐
用性1300パスの1.5倍である。

金属組織の分析を行つたところ、マンドレルの
金属はマンドレル外面に整合して配向した非常に
緻密な繊維状組織を示した。

また、上記組成の鋼を用いて本発明の方法に従
つて製作したマンドレルは追加的な熱処理を行つ
てもその性能特性が改善されないので熱処理は不
要であることが判つた。ただし、これは他の材料
を用いた場合でも焼鈍しが有効ではないことを意
味するものではない。

初期ブランクとして成形鋳造品を用いて直径77
mm、長さ205mmのマンドレルを鍛造したところ、
マンドレルの耐用性は２倍に増加した（430パス
から900パスまで増加）。特に強大な応力が作用す
る区域においては金属は十分に緻密化されてい
た。

次に、本発明の方法により製造したマンドレル
と従来の鍛造法により製造したマンドレルについ
て強度特性を測定した。これらのマンドレルに
は、0.2％Ｃ，１％Cr，４％Ni，１％Ｖを含有す
る同一の鋼合金（ソ連邦規格20XH4FA）を用い
た。従来法による鍛造マンドレルは鍛造後に機械
加工と熱処理を十分に施したものである。測定は
マンドレルから長手方向試片を切り取つて行つ
た。比較のため、マンドレルの初期素材である圧
延ストツクおよびこれに熱処理（焼入れおよび焼
きもどし）を施したものについても測定を行つ
た。得られた結果を第６図のグラフに示す。この
グラフにおいて、σ_T，σ_Bは強度特性を、δ，は
展延性を、α_Kな衝撃強さを示す。このグラフは、
本発明の方法によるマンドレルは、強度特性σ_B、
特に展延性δ，および衝撃強さα_Kにおいて従
来の鍛造マンドレルより優れているだけでなく、
熱処理後の圧延ストツクより優れていることを示
している。

【図面の簡単な説明】

第１図は穿孔ミルに用いるための水冷マンドレ
ルの長手方向断面図、第２図は予め形成した円錐
形空洞を具えたブランクの長手方向断面図、第３
図は予備サイジングした円錐形空洞を具えたブラ
ンクの長手方向断面図、第４図は最終成形段階に
おけるマンドレルの長手方向断面図、第５図は円
錐形空洞を予め形成した成形鋳造品の形のブラン
クを示し、第６図は比較試験の結果を示すグラフ
である。 １…マンドレル作用部、２…マンドレルノー
ズ、３…マンドレルに形成した空洞、４…マンド
レルの装着部、５…装着用円錐形空洞、６…マン
ドレルのサイジング帯、D₁…マンドレルサイジ
ング帯の直径、D₃…マンドレル装着部の端面の
外径、D₄…マンドレル作用部区域の外径、D₅…
ブランクの作用部の外径、d₄…マンドレルノーズ
の直径、S₀′…作用部におけるマンドレルの肉厚、
S₁′…装着部におけるマンドレルの肉厚、d₅…ブ
ランクのノーズの直径、S₀…作用部におけるブラ
ンクの肉厚、S₁…装着部におけるブランクの肉
厚。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マンドレル装着部の側において形成した軸方
   向の袋穴状の円錐形空洞と、マンドレル作用部の
   端部に形成したノーズと、マンドレルの作用部と
   装着部との間に配置したサイジング帯、とを有す
   る紡錘形の穿孔マンドレルを製造する方法であつ
   て、 (イ) 熱間穿孔により、前記袋穴状円錐形空洞３の
   寸法より大きな寸法の拡大された円錐形空洞を
   備えたブランクを予備成形し、 (ロ) 前記拡大円錐形空洞の寸法が減少し、装着部
   ４の端部におけるブランクの外径D₃がマンド
   レルサイジング帯６の直径D₁の0.9乃至1.02倍
   となり、作用部１とノーズ２の外径D₅，d₅が
   マンドレルの対応する各部１，２の直径D₄，
   d₄の0.9乃至１倍となり、装着部４および作用
   部１の区域における肉厚（S₁およびS₀）がマン
   ドレルの肉厚（S₁′およびS₀′）の0.7乃至１倍と
   なるように前記ブランクを予備サイジングし、 (ハ) この様に予備サイジングされたブランクに熱
   間据込み鍛造を施して、マンドレルの作用部１
   の据込み鍛造と同時に変形により装着部４を成
   形し、続いて空洞５の最終サイジングを行うこ
   とを特徴とする穿孔マンドレル製造方法。 ２ マンドレルのノーズ２は円錐形空洞３と同時
   に形成することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の穿孔マンドレル製造方法。 ３ 空洞３の予備サイジングと同時に行うブラン
   クの熱間据込み鍛造はブランクの肉厚が1.25乃至
   2.5倍に増加するように行うことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の穿孔マンドレル製造方
   法。 ４ マンドレルの装着部４の変形はマンドレル断
   面がもとの断面の１乃至1.5倍となるように行う
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の穿
   孔マンドレル製造方法。