(57)【要約】【課題】丸管を複数段の成形ロールに通して角形管に変形させる際、管外面からのみの成形による簡素な手段で、切り口変形の少ない角形管等の多角形断面を持つ管のロール成形方法を提供する。【解決手段】多数の成形ロールにより逐次変形を加えて素材である丸管から多角形の断面形状を持つ管材を連続的にロール成形する際に、最終段或いは最終段に近い成形ロールとして、ロールカリバーがほぼ平坦で、被成形材と接触する円筒あるいは円錐面の一部により構成される成形ロールのカリバー面の母線に垂直な面内における曲率半径が被成形材の厚みの２００倍以上であるロールを用いて仕上げ成形を行う。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の成形ロールにより逐次変形を加えて素材である丸管から多角形の断面形状を持つ管材を連続的にロール成形する際に、最終段或いは最終段に近い成形ロールとして、ロールカリバーがほぼ平坦で、被成形材と接触する円筒あるいは円錐面の一部により構成される成形ロールのカリバー面の母線に垂直な面内における曲率半径が被成形材の厚みの２００倍以上であるロールを用いて仕上げ成形を行うことを特徴とする切り口変形の少ない多角形断面を持つ管のロール成形方法。
【請求項２】
被成形材と接触する成形ロールのカリバー面が、頂角１５０°以上の円錐面の一部により構成されるロールを用いる請求項１に記載の切り口変形の少ない多角形断面を持つ管のロール成形方法。
【請求項３】
成形品の断面形状が長方形或いは正方形等の矩形である請求項１又は２に記載の切り口変形の少ない多角形断面を持つ管のロール成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、丸管素管をロール成形により再成形して、正方形あるいは長方形等の多角形断面を有する管材を得る方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
断面が正方形あるいは長方形等の多角形状を有する角管は、一般的には丸管を複数段の成形ロールに通して所定の形状に変形されている。
そして、ロール成形によって得られた成形品には、その成形過程に起因する残留応力が発生し、切り口の断面形状が変形する原因となっている。このような現象は切断端面どうしあるいは切断端面と他の部材を接合する場合に不都合が生じることになる。例えば非特許文献１に見られる通りである。
【０００３】
このような課題を解決するための方法が種々検討されている。例えば非特許文献２では、溝形断面材等の開放断面の場合に、一旦目的とする曲げ角度よりも過剰に曲げた後に曲げ戻す、いわゆるオーバーベンドによって残留応力を低減させようとしている。角形管等の閉塞断面においても、例えば特許文献１で、成形の最終工程において辺が内側に凸となるように過剰に変形させた後、管内面に挿入したロールあるいはシュー等の工具により辺を外側に張り出す、開放断面と同様の原理に基づく方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９‐３８７２２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】長町ほか：平成22年塑加春講論，(2010)，335．
【非特許文献２】小奈ほか：塑性と加工，24‐268 (1983)，434．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、溝形材等の開放断面の場合は過剰に曲げた後に曲げ戻す際に、容易に反対側にロールを設けることが可能であり、広く実用化されている。
しかしながら本発明が対象とする角形管等の閉塞断面の場合は前記特許文献１にて開示されているように、曲げ戻しの際に管内部にロール等の工具を配置する必要があり、実用面で種々の問題が生じる。例えば、管内面に挿入する工具は機械的強度を保つためにある程度の大きさが必要となり、小断面には適用できない。
【０００７】
また、帯板より丸形管を製造する工程に引き続いて角形断面への成形を同一工程で行うことは広く一般的に行われているが、このような製造プロセスに特許文献１の技術を適用する場合、帯板が溶接されて閉断面になる溶接工程の上流側から曲げ戻しのための工具を挿入して支持することが必要となるが、例えば高周波誘導溶接の場合に管内面に設置されるインピーダーや、その他にも内面ビードカット装置や内面ビード屑等との干渉は避けられず、実現は容易ではない。
さらに、一旦円管を所定の長さに切断した後、角形管へのロール成形を行う場合は、管内部に挿入する工具を支持することが困難となる。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、管外面からのみの成形による簡素な手段で、切り口変形の少ない角形管等の多角形断面を持つ管のロール成形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の切り口変形の少ない多角形断面を持つ管のロール成形方法は、その目的を達成するため、多数の成形ロールにより逐次変形を加えて素材である丸管から多角形の断面形状を持つ管材を連続的にロール成形する際に、最終段或いは最終段に近い成形ロールとして、ロールカリバーがほぼ平坦で、被成形材と接触する円筒あるいは円錐面の一部により構成される成形ロールのカリバー面の母線に垂直な面内における曲率半径が被成形材の厚みの２００倍以上であるロールを用いて仕上げ成形を行うことを特徴とする。
【００１０】
最終段或いは最終段に近い成形ロールとして、さらに被成形材と接触する成形ロールのカリバー面が、頂角１５０°以上の円錐面の一部により構成されるロールを用いることが好ましい。
本発明のロール成形方法により、成形品の断面形状が長方形或いは正方形等の矩形である切り口変形の少ない多角形断面を持つ管がロール成形される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、丸管を複数段の成形ロールに通して多角形の断面形状を持つ管材にロール成形する際に、最終段或いは最終段に近い成形ロールとして、ロールカリバーがほぼ平坦で、被成形材と接触する円筒あるいは円錐面あるいは円錐面に類似した曲面の一部により構成される成形ロールを用い、その円筒状あるいは円錐面状カリバー面を被成形材と接触させてロール成形している。
このため、ロールカリバー面の曲率を増大させることができ、その結果として、ロール成形に素板に加えられる曲げ曲げ戻し変形が小さくなって、残留応力が抑制され、切り口変形の発生が抑制される。
したがって、本発明により、管の内部にロール等の工具を挿入すること無しに、切口変形の発生が抑制された角形管を低コストで製造することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】φ54mm、肉厚2.0mmのフェライト系ステンレス鋼管を素材とし、ロール成形によって一辺42.5mmの正方形角鋼管を得る場合に、傾斜角0°の円筒形ロールの半径（R）が切口変形（高さ寸法及び幅寸法）に与える影響を示す図
【図２】φ54mm、肉厚2.0mmのフェライト系ステンレス鋼管を素材とし、ロール成形によって一辺42.5mmの正方形角鋼管を得る場合に、最大外径（φDo）がφ162mmの傾斜ロールの傾斜角度が切口変形（高さ寸法及び幅寸法）に与える影響を示す図
【図３】φ54mm、肉厚2.0mmのフェライト系ステンレス鋼管を素材とし、ロール成形によって一辺42.5mmの正方形角鋼管を得る場合に、最大外径（φDo）がφ162mmの傾斜ロールのロールカリバー面を構成する円錐の頂角αが、円錐の母線に垂直な面内におけるロールの曲率半径に与える影響を示す図
【図４】仕上げ成形における傾斜ロールの配置図
【図５】傾斜ロールの各部の寸法を表す記号の説明図
【図６】通常の円筒形ロールにより円管から角形鋼管をロール成形する方法の説明図
【符号の説明】
【００１３】
Di：ロール内側外径                Do：ロール外側外径
Ri、Rave、Ro：ロールカリバー面の母線に直交する面内におけるロールの曲率半径
ｒ１、ｒ２、ｒ３：ロールカリバー面の曲率半径（ロールカリバー面の母線に沿った曲率半径）
α：ロールカリバー面を形成する円錐の頂角
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者らは、丸管を複数段の成形ロールに通して多角形の断面形状を持つ管材を連続的に成形する際に、角管の切り口に変形が発生する原因を鋭意調査、検討した。その過程で、以下の知見を得た。
非特許文献３（日本塑性加工学会編：ロール成形，(1990)，20．コロナ社）に示されているように、ロール成形過程においては、成形される素板は曲げひずみやせん断ひずみ等の付加的変形を伴いながら所定の断面形状に成形されていく。そして、これらの付加的変形に起因する残留応力により切り口断面の変形が引き起こされることになる。
【００１５】
一方、角形鋼管の切口変形を抑制する手段として提案されている前記特許文献１では、角形鋼管のロール成形過程において、長手方向の曲げ変形による曲げ残留応力と板厚面内せん断変形による残留先端応力の影響により先行端とも切口が開く方向の変形を生じるとの発生機構が提案されており、当該特許文献１に提案されている残留応力抑制手段もこのような発生機構に基づいて考案されたものである。
【００１６】
これに対して本発明者らは、非特許文献４（長町ほか：第61回塑加連講論，(2010)，241．）に示すように、三次元有限要素法を用いて円管から正方形管を成形する過程を詳細に数値解析することにより角形管のロール成形過程における残留応力ならびに切口変形の発生機構を調査した。
その結果、前記特許文献１において切口変形の原因とされた管の肉厚面内のせん断変形はほとんど発生しないこと、および管の内外面において逆向きの管の長手‐周方向（面内）せん断変形が発生していることが明らかとなった。
【００１７】
これは表現を変えると、被成形材に生じている変形は曲げひずみのみであることを示している。この曲げひずみはロールとの接触点を取り囲む領域に発生しており、その方向は接触点を取り囲む領域に対して放射状に、管の長手方向に対してあらゆる方向に曲げ・曲げ戻し変形が生じていることがあきらかとなった。このような曲げ変形に起因する残留応力が切口変形の主原因であると考えられた。
以上に説明したように、切口変形の原因となる残留応力がロールによる素材の曲げ曲げ戻し変形のみによるものであることが明らかとなったことから、本発明者らは、残留応力を抑制することを目的にロール成形条件と曲げ曲げ戻し変形の関係について、さらに調査した。
【００１８】
第一の対策として、ロールによる曲げ変形を小さくすることを目的に成形ロール径の拡大について検討した。
検討に当たって、素材となる円管はφ54mm、肉厚2.0mmのフェライト系ステンレス鋼管とし、最終形状が一辺42.5mmの正方形角鋼管とした。
角管へのロール成形は３段の成形ロールを使用し、ロールカリバー面はＮｏ．１成形ロール（初段）がｒ１=97.50mm（凹）、Ｎｏ．２成形ロールがｒ２=236.86mm（凹）、最終段となるＮｏ．３成形ロールがｒ３=−531.46（凸）とした。
【００１９】
Ｎｏ．３成形ロールは実質的には平坦なカリバーであるが、スプリングバックにより成形後の辺が若干外側に膨らむのを防止するために若干凸のカリバー形状としている。図１にロール半径（カリバー中央のロールスロート部の曲率半径。図5のRave。円筒ロールの場合はRi=Rave=Ro）と切口変形（高さ寸法と幅寸法）の関係を示す。
この結果より、ロールの曲率半径を400mm（素材厚みの200倍）以上とすることで切口変形を問題のない程度に抑制できる。
【００２０】
以上のようなロール径を拡大する手段は切口変形を抑制する手段として有効であるが、ロール径の拡大はロールコストの増大を招き、また一般的なロールの数倍以上の径のロールを組み込むためには専用の特殊なスタンドが必要になり設備コストの増大も懸念される。
そこで、このような欠点を解決するためにさらに検討した。
ロールの外径を抑えながらロールカリバー面の曲率を増大させる方法としては、図４に示す円錐の一部を輪切りにしたカリバー面を持つロールが有効である。このため、ロール外径Do＝φ162mmの条件で、円錐の頂角αと切口変形量の関係を調査した。
【００２１】
結果を図２に示す。
図５中、α／２で示す角度を70°以上、すなわち円錐の頂角αを140°以上とすることにより径の大きいロールを用いたのと同様の切口変形抑制効果が得られる。頂角αとロールカリバー面の曲率半径の平均値Raveとの関係を表すと図３のようになり、頂角αを大きくすることで図１のロール径を大きくした場合と同様の効果が得られる。
例えば図１におけるロール半径R=400mmと同程度の効果を得るためには、第２図において頂角をα／２=75°とする必要があるが、その時のロールカリバー面の平均曲率半径は図３に示すようにRave=400mm程度である。
【００２２】
このようなロールの最大外径はDo=162mmであり、同等の切り口変形抑制効果を持つ円筒形状のロール（外径φ800mm）よりもかなり小さくなる。
このようなロールスロート部の半径R（Rave）が素材厚みの200倍以上となるようなロール形状を適用するロールの条件としては、そのロールである程度の大きさの塑性変形が行われること、すなわちその前段のロールとのロールカリバー形状の差がある程度あること、ならびにそのロールより後段のロールで加えられる塑性変形がわずかであることの2点が必要である。前者は、切口変形の原因となる塑性変形が生じるロールに適用することで効果が得られるためであり、後者は切口変形対策を行った後でさらにロールによる塑性変形を与えると、新たな切口変形の原因となる残留応力を生じるためである。
【００２３】
以上、母線が直線である円錐面によりロールカリバー面が構成されている場合について説明したが、母線に直交する方向の曲率と同等以上の大きい曲率で母線が曲がっている、例えば中央部がわずかに膨出した放物面や中央部がわずかに窪んだ双曲面等に類似した三次曲面でロールカリバー面が構成されている場合についても本発明と同様の効果が得られる。
ロールカリバー面が完全な円錐面ではなく、円錐面を元に若干の凸面或いは凹面とした３次曲面で構成されている場合、ロールカリバー面の内側（ロール外径D=Di）およびカリバー面の外側（ロール外径D=Do）のみにおいてロールカリバー面と一致する円錐面の頂角α／２が75°を超えて90°に近くなるに連れてロールと管の接触開始点および離反開始点付近において管の表面に沿った速度ベクトルとロールカリバー面に沿った速度ベクトルの方向の相違が大きくなり、結果として成形された管とロールカリバー面が干渉し表面疵あるいは変形等を生じるおそれがあることから、カリバー形状に応じた円錐面の頂角を選定する必要がある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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