JPWO2014188468A1 - ベンディングプレス装置およびベンディングプレス方法ならびに鋼管の製造装置および鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

オープン管のシームギャップ量を適切に管理することが可能なベンディングプレス装置、および、鋼管の製造装置を提供する。オープン管のシームギャップ量を測定してパンチの圧下量を設定するオープンシームエッジ測定装置を備えたベンディングプレス装置であって、前記オープンシームエッジ測定装置は、前記パンチに設けられた投光器と受光器と検出回路と制御部を有し、パンチ支持部と被成形材であるオープン管のオープンシームエッジとのギャップ量を測定し、このギャップ量に基づいて、パンチ圧下量を制御することを特徴とするベンディングプレス装置。

Description

本発明は、鋼管を製造するベンディングプレス装置およびベンディングプレス方法、ならびに、鋼管の製造装置および鋼管の製造方法に関する。

ベンディングプレス（bending press）は、複数パス押して（プレスして）所望の形状の製品を製造する際に用いるプレス方法である（例えば特許文献１）。鋼管を対象とした場合、ベンディングプレスは、素材である鋼板の異なる部分を逐次成形して略円形の断面形状を有する鋼管を製造する方法である。このため、全周を一括成形するＵＯＥ方式の場合に比べて少ない力で、より厚肉高強度の鋼管を成形することが可能となる。

図５はベンディングプレスによる鋼管の成形方法を示す。図５（ａ）において、白抜きはプレス前の鋼板の両端を端曲げ（edge crimping）したものである。まずパンチ２により、鋼板１の板幅中心より右側を例えば４〜８パスで成形する（ａ）。次に鋼板１の板幅中心より左側を右側と同じパス数（例えば４〜８パス）で成形する（ｂ）。最後に板幅の中心部をプレスすることで断面円状に成形する（ｃ）。最終時に押すパスのことを最終プレスと呼び、成形された鋼板をオープン管（open seam pipe）３と呼ぶ。

図６はオープン管の模式図である。図６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ａ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。

特開平１１−１２９０３１号公報

ベンディングプレス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により、鋼管を製造することができる。この溶接工程では、まず、シームギャップを成形後の連続仮付け（continuous tack welding）工程で、オープン管を連続仮付け装置（continuous tack welder）で拘束して、オープン管のシームギャップを閉じる。この状態で、仮溶接（temporary welding）をした後、本溶接（main welding）として、はじめに内面溶接（inside welding）を、次いで外面溶接（outside welding）を、一般的にはサブマージアーク溶接（submerged arc welding）により行う。

連続仮付け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量（図５（ｃ）のａ）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、連続仮付け溶接もできない。

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量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ッャ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、シームギッャプは大きくなりがちである。

従来、最終プレスの時のシームギャップ量の確認は作業者の目視のみで行っていた。このため、パンチ圧下量が不足して連続仮付け拘束不能なほどの広いシームギャップ量のまま最終プレスを終了したり、逆に、パンチ圧下量が過剰で、シームギャップ量が小さくなりすぎたりするおそれがある。

そこで、本発明は、オープン管のシームギャップ量を適正に管理することが可能なベンディングプレス装置、および、ベンディングプレス方法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で解決可能である。
１． パンチと、
一定のスペースを隔てて平行に配置された２本の直線状のダイとを備え、
前記２本のダイ上に載置された板状の被成形材の前記スペース上方の部分を前記パンチで圧下することによって、互いに向かい合うオープンシームエッジを有するオープン管に成形するベンディングプレス装置であって、
前記成形されたオープン管の前記オープンシームエッジの間を貫通して前記パンチを支持し、前記パンチとともに前記被成形材を圧下する方向に、もしくは、前記圧下を開放する方向に移動するパンチ支持部と、
前記パンチ支持部に設けられた投光器と受光器とを備え、前記投光器から発射されて前記成形されたオープン管の外側と内側との間を結ぶ光路を通り前記受光器に到達する測定光の強度の、前記光路が前記オープン管のオープンシームエッジによって遮られることによる変化に基づいて、前記パンチ支持部と前記オープンシームエッジとの間のギャップ量を測定するオープンシームエッジ測定装置と、
前記オープンシームエッジ測定装置が測定したギャップ量に基づいて前記パンチを圧下する量を制御する制御部とをさらに備えることを特徴とするベンディングプレス装置。
２． 前記測定光がレーザ光であることを特徴とする、１に記載のベンディングプレス装置。
３． 前記投光器が、前記成形されたオープン管の外側に設けられていることを特徴とする、１または２に記載のベンディングプレス装置。
４． 前記オープンシームエッジ測定装置が、少なくとも前記パンチの長手方向の始終端近傍と略中央部の３箇所に取り付けられていることを特徴とする１〜３のいずれかに記載のベンディングプレス装置。
５． １〜４のいずれかに記載のベンディングプレス装置を有する鋼管の製造装置。
６． パンチと、
一定のスペースを隔てて平行に配置された２本の直線状のダイとを備えたベンディングプレス装置を用いて、
前記２本のダイ上に載置された板状の被成形材の前記スペース上方の部分を前記パンチで圧下することによって、互いに向かい合うオープンシームエッジを有するオープン管に成形するベンディングプレス方法であって、
前記成形されたオープン管の前記オープンシームエッジの間を貫通して前記パンチを支持し、前記パンチとともに前記被成形材を圧下する方向に、もしくは、前記圧下を開放する方向に移動するパンチ支持部に、投光器と受光器とを設け、
前記投光器から発射されて前記成形されたオープン管の外側と内側との間を結ぶ光路を通り前記受光器に到達する測定光の強度の、前記オープン管のオープンシームエッジが前記光路を遮ることによる変化に基づいて、前記パンチ支持部と前記オープンシームエッジとの間のギャップ量を測定し、
前記測定した間隔に基づいて前記パンチを圧下する量を制御することを特徴とする、
ベンディングプレス方法。
７． 最終回のプレスを実施した後に圧下を開放した状態において前記ギャップ量を測定し、
前記測定されたギャップ量があらかじめ定められた所定量以下であれば、そのままプレスを終了し、
前記測定されたギャップ量があらかじめ定められた所定量を超えていれば、前記計測されたギャップ量に基づいた圧下量のプレスをさらに実施する、
ことを特徴とする、６に記載のベンディングプレス方法。
８． ６または７に記載のベンディングプレス方法を用いて成形したオープン管の、前記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。

本発明によれば、オープン管のシームギャップ量を適正に管理して、ベンディングプレスすることが可能である。このため、オープン管の製造能率が向上し、これにともない鋼管の製造能率も向上するので、産業上極めて有用である。

本発明の一実施形態に係るベンディングプレス装置のオープンシームエッジ測定装置の構成と、オープン管のシームギャップ量測定方法を説明する模式図。 オープンシームエッジ測定装置およびパンチ圧下量の制御系の概略構成例を示す模式図。 オープンシームエッジ測定装置を使用しないで最終プレス作業を行った場合のギャップ量の分布を示す図。 オープンシームエッジ測定装置を使用して最終プレス作業を行った場合のギャップ量の分布を示す図。 ベンディングプレスによる鋼管の成形方法を説明する図。 オープン管を説明する図。

本発明の一実施形態に係るベンディングプレス装置は、オープン管の最終プレスにおけるシームギャップ量の監視が可能なオープンシームエッジ測定装置を備え、当該測定装置で測定された情報を基にしてパンチ圧下量を制御可能であることを特徴とする。

図１は、本発明の一実施形態に係るベンディング装置のオープンシームエッジ測定装置の構成と、それによる、オープン管のシームギャップ量測定方法を説明する模式図で、管軸方向と直交する方向の断面図を示す。図において、３はオープン管、４は投光器、５は受光器、６は光線、２２はパンチ、２１はパンチ支持部である。２１ａはパンチ支持部２１の上部、２１ｂはパンチ支持部２１の下部であり、それぞれ、最終回のパンチを行う時にオープン管３の外側および内側に位置する。ａはシームギャップ量、ａ１，ａ２は、それぞれ、パンチ支持部２１とオープン管のオープンシームエッジとの間隔、すなわちギャップ量を示す。

図示したベンディングプレス装置のオープンシームエッジ測定装置は、パンチ２２のパンチ支持部２１の上部２１ａに取り付けた投光器４と、パンチ支持部２１の下部２１ｂに投光器４の光線発射方向に相対して取り付けた受光器５を有する。これにより、投光器４と受光器５との間に、オープン管３の内側と外側との間を結ぶ光路が形成される。シームギャップ量ａ１，ａ２が小さくなると、この光路の一部もしくは全体がオープンシームエッジによって遮られる。従って、この光路を通って受光器５に到達する測定光の強度の変化を検出することにより、シームギャップ量ａ１，ａ２量を測定することが可能である。

投光器４および受光器５は、光線の直線性や強度の観点から、それぞれ、レーザ投光器およびレーザ受光器であることが好ましい。投光器４としては、高輝度のＬＥＤ（発光ダイオード（light-emitting diode））を用いることも可能で、その場合には、投光器４の光の波長に応じた受光器５を設ければよい。

投光器４および受光器５は、パンチ支持部２１の長手方向（オープン管の管軸方向）と直交するようにパンチ支持部２１の左右に取り付け、受光器５も、夫々のレーザ投光器に相対するようにパンチ支持部２１の左右に取り付ける。パンチ支持部２１は、パンチとともに、鋼材を圧下する方向、および、圧下を開放する方向に移動する。従って、投光器４、受光器５は、パンチ支持部２１に、プレス作業時の振動を遮断する素材や機構で構成された部材を介して取り付けることが、ギャップ測定精度を高めるので好ましい。例えば、振動吸収機能を有する樹脂層を介して取り付けることが可能である。

投光器４から受光器５に向けて発射される光線は、最終回のパンチ圧下開始時におけるパンチ支持部２１とオープン管３のオープンシームエッジ３１ａ、３１ｂとの間のギャップ量ａ１，ａ２が測定できるだけの幅を有するものであれば良く、特に照射形状は規定しない。すなわち、投光器４の光源としては、ギャップ量ａ１，ａ２が測定できるだけの幅の断面を有する光線を発射できる光源一つでもよい。あるいは、ギャップ量ａ１，ａ２が測定できるだけの幅の範囲に複数の微小な光源を並べたものでもよい。投光器４を、複数のレーザ光源を直線上に等間隔で配置したものとし、受光器５も、それぞれ対向する位置でレーザ光を測定できるものとすると、シームギャップ量ａを求める計算が容易で好ましい。

シームギャップ量ａは、パンチ支持部２１の厚みと、ギャップ量ａ１とギャップ量ａ２との合計となる。光源としてレーザ光を用いる場合、レーザ光線の種類は特に限定しないが、作業員が目視できる可視光線が望ましい。

オープンシームエッジ測定装置は、シームギャップ量ａを演算因子の一つとしてパンチ２２の圧下量を演算する計算機能と、得られた圧下量をベンディングプレス装置のプレス機能に出力する制御機能を備える。

なお、以上の説明では、投光器４が受光器５の上方（オープン管の外側）にある場合について説明したが、これとは逆に、受光器５が投光器４の上方（オープン管の外側）にあってもかまわない。また、投光器４と受光器５とを対向して設ける代わりに、たとえば、は、図の４の位置に投光器と受光器の機能を併せ持つ機器を配置するとともに、５の位置には、４の位置から発射された光を４の位置に反射する反射板を設けてもよい。この場合は、投光器から発射された光は、オープン管の外側と内側との間を結ぶ光路を往復して受光器に到達する。この場合にも、受光器に到達した光の強度から、オープン管３のオープンシームエッジ３１ａ、３１ｂの位置がわかり、ギャップ量ａ１，ａ２を測定することができる。

図２は、オープンシームエッジ測定装置およびパンチ圧下量の制御系の概略構成例を示す模式図である。投光器４から発射された光線６は受光器５に届く。投光器４と受光器５との間にオープン管３のオープンシームエッジ３１ａや３１ｂが存在すると、投光器４から発射された光線６のうち、一部のみが受光器５に届く。この受光部５の検出出力が検出回路４０に入力され、パンチ支持部２２とオープン管のオープンシームエッジ３１ａや３１ｂとの間隔であるギャップ量ａ１、ａ２が測定される。

測定されたギャップ量ａ１、ａ２の情報は、制御部４２の中のパンチ圧下量制御部４２１へ送られる。パンチ圧下量制御部４２１は、事前の予備試験の結果、あるいは、過去の実績を元にして、ギャップ量ａ１、ａ２に対して、さらにどれだけのパンチ圧下量で圧下することが必要かを計算し、パンチ２へパンチ圧下量を指示する。パンチ２は指示されたパンチ圧下量での圧下を実施する。

オープンシームエッジ測定装置は、オープン管の管軸方向、すなわち、パンチ支持部２１の長手方向の少なくとも３箇所（両端近傍と略中央）にも受けることが好ましい。これにより、オープン管の管軸方向全体にわたり、シームギャップ量の変化傾向が把握できる。この把握に基づいて、例えば、パンチ圧下量をパンチ長手方向で調整することにより、オープン管の管軸方向全長に対してシームギャップ量を小さく、かつ均一にすることが可能となる。

本発明に係るベンディングプレス装置による好ましいプレス作業は以下のようである。

オープン管を圧下したのち、パンチを上昇させて圧下を開放すると、オープン管ではスプリングバックが発生する。このため、オープン管のシームギャップ量は圧下力を除荷した状態で測定することが好ましい。

最終回のプレスでは、所定の圧下量で圧下を実施して塑性変形を加える。圧下量は、例えば、オープン管のオープンシームエッジがパンチ支持部に接触しない範囲内、あるいは、接触しても圧下力を除荷すればオープンシームエッジがパンチ支持部から離れる範囲内とする。その後、圧下力を除荷し、除荷した状態のオープン管のシームギャップ量を測定する。そのシームギャップ量に基づいてパンチ圧下量設定を増加させ、再び圧下する。この作業を所定のシームギャップ量となるまで繰り返す。シームギャップ量に基づくパンチ圧下量の設定は、予備試験の結果、あるいは、過去の実績を参照することにより可能である。

本発明の一実施形態に係る鋼管の製造装置は、上述のベンディングプレス装置のほかに、連続仮付け溶接装置、内面溶接装置、外面溶接装置のほか、必要に応じて、拡管装置を備えることが好ましい。

上記の構成からなる製造装置を用いて鋼管を製造するには、前記の方法によりベンディングプレス装置を用いて製造されたオープン管をベンディングプレス装置から搬出する。次に、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れ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２０ｉｎｃｈ〜５６ｉｎｃｈ、管厚１２．７ｍｍ〜５０．８ｍｍの鋼管を、本発明に係るベンディングプレス装置のオープンシームエッジ測定装置を使用した場合と使用しない場合との２条件で製造した。オープンシームエッジ測定装置はベンディングプレス装置の最終プレス時に適用した。

図３にオープンシームエッジ測定装置を使用しないで、目視によりシームギャップ量を管理して最終プレス作業を行った場合の、図４にオープンシームエッジ測定装置を使用した場合の、ギャップ量（最終プレス後に測定した値）の分布を示す。オープンシームエッジ測定装置を使用した場合、シームギャップ量のばらつきを少なくすることが可能であった。このため、シームギャップ量の最大値を小さくすることが可能であり、連続板付け装置で拘束できないことはなかった。またオープンシームエッジがパンチ支持部へ強く接触することもなかった。

以上、本発明の好ましい実施形態に沿って説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、様々な変形、改善等が可能である。

例えば、投光器および受光器をパンチ支持部の左右に設けた場合、左右のギャップ量ａ１，ａ２を同一にそろえることができない場合にもシームギャップ量を正確に測定することが可能である。しかし、左右のギャップ量ａ１，ａ２を同一にそろえることができる場合には、投光器および受光器を左右のいずれか一方のみに設けることも可能である。

光源を、所定の幅の断面を有するものとすることにより、もしくは、所定の幅の範囲に複数の微小な光源を並べたものとすることにより、ギャップ量測定の分解能を高めることが可能になる。しかし、パンチ支持部の左右の両方、もしくは、左右の一方のみに、１つの微小な光源を設けるだけでも、ギャップ量がある値を下回ったことを検出することが可能になる。この場合でも、例えば、最終プレスでパンチ圧下量を増やすステップを小さくすれば、ギャップ量の適切な管理が可能である。

１ 鋼板
２、２２ パンチ
３ オープン管
４ 投光器
５ 受光器
６ 光線
２１パンチ支持部
２１ａ 上部
２１ｂ 下部
３１ａ、３２ｂ オープンシームエッジ
４０ 検出回路
４２ 制御部
４２１ パンチ圧下量制御部
ａ シームギャップ量
ａ１，ａ２ ギャップ量
Ｌ 管軸方向

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。

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。

なお、以上の説明では、投光器４が受光器５の上方（オープン管の外側）にある場合について説明したが、これとは逆に、受光器５が投光器４の上方（オープン管の外側）にあってもかまわない。また、投光器４と受光器５とを対向して設ける代わりに、たとえば、図の４の位置に投光器と受光器の機能を併せ持つ機器を配置するとともに、５の位置には、４の位置から発射された光を４の位置に反射する反射板を設けてもよい。この場合は、投光器から発射された光は、オープン管の外側と内側との間を結ぶ光路を往復して受光器に到達する。この場合にも、受光器に到達した光の強度から、オープン管３のオープンシームエッジ３１ａ、３１ｂの位置がわかり、ギャップ量ａ１，ａ２を測定することができる。

Claims (8)

1. パンチと、
   一定のスペースを隔てて平行に配置された２本の直線状のダイとを備え、
   前記２本のダイ上に載置された板状の被成形材の前記スペース上方の部分を前記パンチで圧下することによって、互いに向かい合うオープンシームエッジを有するオープン管に成形するベンディングプレス装置であって、
   前記成形されたオープン管の前記オープンシームエッジの間を貫通して前記パンチを支持し、前記パンチとともに前記被成形材を圧下する方向に、もしくは、前記圧下を開放する方向に移動するパンチ支持部と、
   前記パンチ支持部に設けられた投光器と受光器とを備え、前記投光器から発射されて前記成形されたオープン管の外側と内側との間を結ぶ光路を通り前記受光器に到達する測定光の強度の、前記光路が前記オープン管のオープンシームエッジによって遮られることによる変化に基づいて、前記パンチ支持部と前記オープンシームエッジとの間のギャップ量を測定するオープンシームエッジ測定装置と、
   前記オープンシームエッジ測定装置が測定したギャップ量に基づいて前記パンチを圧下する量を制御する制御部とをさらに備えることを特徴とするベンディングプレス装置。
2. 前記測定光がレーザ光であることを特徴とする、請求項１に記載のベンディングプレス装置。
3. 前記投光器が、前記成形されたオープン管の外側に設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のベンディングプレス装置。
4. 前記オープンシームエッジ測定装置が、少なくとも前記パンチの長手方向の始終端近傍と略中央部の３箇所に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のベンディングプレス装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のベンディングプレス装置を有する鋼管の製造装置。
6. パンチと、
   一定のスペースを隔てて平行に配置された２本の直線状のダイとを備えたベンディングプレス装置を用いて、
   前記２本のダイ上に載置された板状の被成形材の前記スペース上方の部分を前記パンチで圧下することによって、互いに向かい合うオープンシームエッジを有するオープン管に成形するベンディングプレス方法であって、
   前記成形されたオープン管の前記オープンシームエッジの間を貫通して前記パンチを支持し、前記パンチとともに前記被成形材を圧下する方向に、もしくは、前記圧下を開放する方向に移動するパンチ支持部に、投光器と受光器とを設け、
   前記投光器から発射されて前記成形されたオープン管の外側と内側との間を結ぶ光路を通り前記受光器に到達する測定光の強度の、前記オープン管のオープンシームエッジが前記光路を遮ることによる変化に基づいて、前記パンチ支持部と前記オープンシームエッジとの間のギャップ量を計測し、
   前記測定した間隔に基づいて前記パンチを圧下する量を制御することを特徴とするベンディングプレス方法。
7. 最終回のプレスを実施した後に圧下を開放した状態において前記ギャップ量を測定し、
   前記測定されたギャップ量があらかじめ定められた所定量以下であれば、そのままプレスを終了し、
   前記測定されたギャップ量があらかじめ定められた所定量を超えていれば、前記計測されたギャップ量に基づいた圧下量のプレスをさらに実施することを特徴とする、請求項６に記載のベンディングプレス方法。
8. 請求項６または７に記載のベンディングプレス方法を用いて成形した前記オープン管の、前記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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