(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管外表面に塑性変形量測定用の複数の円模様が描かれている液圧バルジ加工用スクライブド金属管であって、円模様を構成している曲線が酸化スケールからなっていることを特徴とする液圧バルジ加工用スクライブド金属管。
【請求項２】
金属管外表面に塑性変形量測定用の複数の円模様が描かれている液圧バルジ加工用スクライブド金属管であって、金属管表面が酸化スケールで覆われており、円模様を構成している曲線部分のスケールが除去されていることを特徴とする液圧バルジ加工用スクライブド金属管。
【請求項３】
金属管の一管端を把持するためのチャックと、チャックを介して把持した金属管を周方向へ回転制御するための割り出しモータと、チャックと割り出しモータを搭載するスライドテーブルと、把持した金属管をその軸方向にスライドテーブルを移動させるための軸方向送りモータと、把持された金属管の表面へレーザを照射するためのレーザマーキング装置と、レーザの発振、割り出しモータの回転およびスライドテーブルの軸方向送り量を制御するための制御装置とを具備していることを特徴とする液圧バルジ加工用スクライブド金属管の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、上下一対の金型内に収納した金属管を、その金属管内に導入した液体による内圧と金属管の軸方向圧縮力とを組み合わせて膨出加工する液圧バルジ加工における材料の変形量を測定するための液圧バルジ加工用スクライブド金属管およびその製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属管を液圧バルジ加工する場合に大きな問題となるのは、バルジ加工中に被加工材の変形能以上の内圧を負荷した場合に生じる金属管の破断である。
【０００３】
この問題を解消するには、金属管に課す変形量をその金属管の変形能力以下に押さえる必要がある。変形量は変形能力より適度に小さいことが重要であるが、変形能力に近すぎると成形加工時に変形量がばらついて破断が生じる可能性があり、そのような場合における破断を防止するためには使用材料のグレードアップが必要となる。つまりバルジ加工における変形量の把握は適正な製造条件の選定、材料のグレードの決定に不可欠なものである。
【０００４】
従来、液圧バルジ加工での変形量は、バルジ加工終了後に成形品を切断して肉厚を測定して得られた肉厚分布状態から求められていた。しかし、この方法では製品の切断や多数箇所の肉厚の測定が必要となり、時間と労力がかかるため簡便な測定方法の開発が望まれている。
【０００５】
鋼板のプレス成形における材料の変形量の測定には、円または格子状のマークを予め鋼板表面に描いた鋼板が用いられる。
【０００６】
図１は、鋼板表面に描かれた円模様（以下、スクライブドサークルと記す場合がある）の一例を示す図である。鋼板へのスクライブドサークルを描く方法としては、電解腐食法または写真焼付け法が通常用いられている。
【０００７】
図２は、スクライブドサークルによる成形加工時の材料の変形量を求める方法を説明するための図で、図２（ａ）は成形加工前の一つのスクライブドサークル、図２（ｂ）は成形加工により変形したスクライブドサークルを示す。変形量は成形加工後の変形したスクライブドサークルの長軸方向および短軸方向の伸びおよび縮み（ひずみ）で表される。変形後の楕円長径の直径をＬｘ、短径の直径をＬｙとすると各方向の対数ひずみεｘ、εｙは次式で計算される。
【０００８】
εｘ＝ｌｎ（Ｌｘ／Ｌｏ）
εｙ＝ｌｎ（Ｌｙ／Ｌｏ）
ここで、Ｌｏはバルジ成形前のスクライブドサークルの直径で、通常直径５〜２０ｍｍのサークルが使われれる。
【０００９】
変形後のサークルの長径と短径の方向が主ひずみの方向となるため、スクライブドサークルは寸法精度が高くかつ、測定精度の点からサークルの線が細いことが要求される。また、材料の変形や、工具との摩擦によってサークルの線が消えたりせず、成形後も鮮明に線が残っていることが必要である。
【００１０】
このような鋼板のプレス成形において用いられているスクライブドサークルを、液圧バルジ成形用の金属管に利用することが考えられるが、金属管の表面にスクライブドサークルを描く際、鋼板で用いられているような電解腐食法または写真焼付け法を適用したのでは下記の問題が生じる。
【００１１】
１）液圧バルジ成形における成形時の金属管外表面の面圧は、全面がその金属の降伏点と同オーダの面圧となって金型と接触して金属管材料と金型が滑り、金属管外表面は過酷な加工をうける。そのため、金属管の表面に電解腐食法および写真焼付け方法により描画した線は、加工時に薄くなって成形加工後のサークルの径の測定が困難になったり、消失してしまい測定不能になる場合がある。
【００１２】
２）電解腐食法または写真焼付け方法により金属管表面にスクライブドサークルをマーキングする場合、電解腐食法では模様を構成する線部に電解液を浸透させるステンシルと称する膜を、また写真焼き付け法では模様の線部のみ光が透過するネガティブフィルムを金属管外表面に密着させる必要がある。しかし、鋼管表面は曲面であることおよびシートの大きさに制約があることから鋼管全長にシートを精度良く貼り付けるのは困難である。
【００１３】
３）さらに、シートを管に密着させるためには、シートを引っ張りながら管に巻き付ける必要があり、シートが伸びるため高精度なスクライブドサークルを描くことができない。
【００１４】
４）通常の液圧バルジ加工においては、金型内は水で濡れるので、写真焼付け法で描かれた線は耐水性がないため、線が成形時に消失し易い。
【００１５】
５）ノルマライズ処理された鋼管を用いる場合、表面に薄い酸化スケールが存在しているため電解腐食法を適用することはできない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、金属管の液圧バルジ加工における金属管の変形量を、正確かつ容易に測定することのできるスクライブド金属管およびその製造装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋼板のプレス成形において使用されているスクライブド鋼板による材料の変形量を測定する技術を、液圧バルジ加工に適用することに着目し、金属管の外表面にスクライブドサークルを正確に描け、液圧バルジ加工後も消えないマーキング方法を開発するため種々実験、検討した結果下記の知見を得た。
【００１８】
ａ）表面に酸化スケールが存在しない金属管には、その外表面にリング状（以下円状と記す）にレーザを照射して照射部に酸化スケールを生成させて円模様にするのがよい。
【００１９】
ｂ）表面に酸化スケールが存在する金属管には、その表面に円状にレーザを照射して照射部の酸化スケールを除去して円模様とするのがよい。
【００２０】
本発明は上記知見に基づきなされたもので、その要旨は以下の通りである。
【００２１】
（１）金属管外表面に塑性変形量測定用の複数の円模様が描かれている液圧バルジ加工用スクライブド金属管であって、円模様を構成している曲線が酸化スケールからなっている液圧バルジ加工用スクライブド金属管。
【００２２】
（２）金属管外表面に塑性変形量測定用の複数の円模様が描かれている液圧バルジ加工用スクライブド金属管であって、金属管表面が酸化スケールで覆われており、円模様を構成している曲線部分のスケールが除去されている液圧バルジ加工用スクライブド金属管。
【００２３】
（３）金属管の一管端を把持するためのチャックと、チャックを介して把持した金属管を周方向へ回転制御するための割り出しモータと、チャックと割り出しモータを搭載するスライドテーブルと、把持した金属管をその軸方向にスライドテーブルを移動させるための軸方向送りモータと、把持された金属管の表面へレーザを照射するためのレーザマーキング装置と、レーザの発振、割り出しモータの回転およびスライドテーブルの軸方向送り量を制御するための制御装置とを具備している液圧バルジ加工用スクライブド金属管の製造装置。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明のスクライブド金属管を製造するための装置の一例を示す図であり、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は正面図である。
この装置は、スクライブドサークルを描く金属管２の一管端３を把持するためのチャック４と、チャックを介して把持した金属管を周方向への回転を制御するための割り出しモータ５と、これらチャックと割り出しモータとを搭載するスライドテーブル１と、そのスライドテーブルを把持された金属管２の軸方向に移動させるための軸方向送りモータ６と、把持された金属管２の表面にレーザを照射することが可能なように設けたレーザマーキング装置７と、レーザの発振、割り出しモータ５およびスライドテーブル１の軸方向送り量を制御するための制御装置８を具備している。
【００２５】
本装置例では、スライドテーブル１は、その下部に車輪１１が設けられておりレール１１上を走行可能となっている。スライドテーブルを移動させる手段は、スライドテーブルを摺動盤上を摺動移動させる手段等でもよい。スライドテーブル１は、図３に示すように親ネジ送り機構で移動する。すなわち、スライドテーブルは、その下部に固定されたナット１２が軸方向送りモータ６により回転するボールネジ９により移動することによりレール１１上を移動する。スクライブドサークルを描く金属管２は、スクライブドテーブル１上に設けられた割だしモータ５により回転するチャック４により把持され、支持ローラ１０で支持されている。
【００２６】
本装置は、割り出しモータ５による金属管の周方向への回転と、軸方向送りモータ６による金属管の軸方向への移動およびレーザの発振とが制御装置８により制御されるので、任意の大きさおよび数の円模様を金属管表面のどのような位置にでも描くことができる。
【００２７】
レーザマーキング装置は、市販の装置でよい。例えば、ミヤチテクノス製のＹＡＧレーザマーキング装置が好適である。
【００２８】
図４は、一般のレーザマーキング装置の概念図である。レーザは、シャッター１４の外側に設けられている全反射ミラー１３と出力ミラー１５間を往復して励起ランプにより励起されて増幅したレーザは、出力ミラー１５から出力され、ミラー１６を経由して被加工材１８に照射される。このとき、レーザはモータ１７で自由に回動させることのできるミラー１６により制御されて被加工材表面に任意の形状に照射可能となっている。
【００２９】
ＹＡＧレーザマーキング装置の発振法には連続発振、パルス発振、Ｑスイッチパルス発振法があるが、Ｑスイッチパルス発振法を用いた場合、出力が同じでもパルスの周波数を大きくすると金属表面を深く彫り込むことなく照射部に熱がこもり金属面を酸化させやすい。したがって、表面に酸化スケールが存在していない金属管表面に、曲線が黒色の酸化スケールからなるスクライブドサークルを描く場合は、周波数を大きくするのがよい。例えば２０ｋＨｚ以上とするのが好ましい。
【００３０】
逆に周波数を小さくしてピーク出力の高いレーザ光を断続的に照射することで、金属面表面への入熱量をおさえて金属面表面を深く彫り込むことができる。したがって、表面に酸化スケールを有する金属管表面にレーザを照射する場合は、パルスの周波数を小さくすると、金属管表面を深く彫り込んで酸化スケールを除去することができ、新たな金属面を酸化させることなく金属管表面の酸化スケールの黒色の面に白色（金属面）の線でスクライブドサークルを描くことができる。好ましい周波数は、５ｋＨｚ以下である。
【００３１】
また、レーザによるマーキングでは線の太さの自由度は高く、スクライブドサークルに適当な０．１〜０．２ｍｍ程度の線幅の線を描くことも容易である。
【００３２】
図５は、金属管の表面に真円模様を描くためのレーザ照射方法を説明するための図であり、図５（ａ）は金属管における座標を示す図で、図５（ｂ−１）および（ｃ−１）はＺ−Ｘ面（平面）に照射したレーザの軌跡図、図５（ｂ−２）および（ｃ−２）はＺ−Ｓ面（金属管の表面）に描かれた円の状態を示す図である。
【００３３】
以下の説明で用いる金属管における座標は、図５（ａ）に示すように金属管の上下方向をＹ、水平方向をＸ、軸方向をＺおよび周方向をＳと表示する。
【００３４】
金属管の表面は曲面であるため、Ｘ−Ｚ面の平面に真円［図５（ｂ−１）］を描く要領で鋼管表面にレーザを照射すると、鋼管表面の曲面（Ｓ−Ｚ面）上では周方向の径が大きくなってしまう［図５（ｂ−２）］。
【００３５】
そこで、金属管の表面の曲面のＳ−Ｚ面で真円［図５（ｃ−２）］となるようにレーザの照射形状を決定する必要がある。
【００３６】
金属管表面とレーザ発振部が十分離れていれば、金属管表面に真円を描くためのＸ−Ｚ平面上でのレーザ照射形状は、鋼管の半径Ｒ、スクライブドサークルの半径ｒとしたとき次式で表される。
【００３７】
【数１】
0003591418.tif 000002
すなわち、Ｚ−Ｘ面上で図５（ｃ−１）に示すよにＸ方向が長径となるような楕円形状にレーザを照射すれば、金属管表面に図５（ｃ−２）に示すような真円模様を描くことができる。
レーザマーキング装置は、通常金属管の長さ方向に３０〜３００ｍｍの範囲を一度にマーキングできるため、軸方向には複数のサークルを一度に描画できる。周方向への複数列の描画は、レーザは焦点距離の変化が大きくなるので避けることが望ましく、Ｚ方向に１列描画した後鋼管を所定の角度回転させて位置を替えマーキングを繰り返すことが望ましい。
【００３８】
本発明のスクライブド金属管は、上記の装置、方法により製造することができる。金属管の種類は特に限定されるものでなく、代表的な管は鋼管、銅管、アルミニウム管等である。金属管表面に描く模様を円としたのは、主歪みの方向を得るためである。
【００３９】
【実施例】
（実施例１）
図３に示した装置を用い、下記２種の鋼管を用意し、それらの表面に直径６．３５ｍｍの円模様をレーザによりマーキングした後、液圧バルジ加工を施して加工後の円模様の線の鮮明度を目視で観察した。
【００４０】
用いた鋼管は、下記の材質、寸法の（１）表面に酸化スケールのない圧延まま材と、（２）表面に酸化スケールがあるノルマライズ材の２種であった。
【００４１】
材質：ＪＩＳ  ＳＴＫＭ１１Ａ
寸法：外径８９．１ｍｍ、肉厚４．２ｍｍ、長さ３００ｍｍ
図６は、上記鋼管の表面に描いた円模様を示す図で、円周方向に描いた円の中心と鋼管断面の中心Ｏとを結ぶ線が１５度ピッチとなるように円周方向に２４個を描き、管軸方向に一列に並べた円の線同士が接触するように全長にわたりマーキングした。
【００４２】
レーザによるマーキングの条件は以下の通りであった。
【００４３】
レーザマーキング装置：ミヤチテクノス製のＹＡＧレーザマーキング装置
励起ランプへの供給電流    ：２０Ａ
周波数    ：  圧延まま材−２０ｋＨｚ、ノルマライズ材−２ｋＨｚ
マーキング時の線速度  ：１００ｍ／秒
レーザマーキング後、圧延まま材の鋼管表面には、レーザ照射により生成した黒色の酸化スケールからなる線の太さが０．１ｍｍの円模様を描くことができた。また、ノルマライズ材は酸化スケールを彫り込み、金属面の地肌を出すことで白色の太さ０．１ｍｍの線からなる円模様を描くことができた。
【００４４】
比較例として、上記の表面に酸化スケールのない圧延まま材の鋼管表面に電解腐食法および写真焼付け法にて上記と同じ円模様を描いた。円を構成する曲線の太さは、上記レーザマーキング法と同様の０．１ｍｍとした。
【００４５】
これら鋼管表面に描いた円のうち鋼管の軸方向１列の円（４７個）の直径をスクライブドサークル測定用ゲージにより測定した。測定結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
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鋼管表面に描いた円の直径を測定した後のスクライブド鋼管に、下記条件で液圧バルジ加工を施した。
【００４７】
図７は、液圧バルジ加工に用いた金型を示す図で、図７（ａ）は縦断面図、図７（ｂ）は側面図である。金型は上金型２１と下金型２２とからなり、鋼管の軸方向中央部に隆起部をバルジ加工するための空隙部２３が設けられている。
【００４８】
金型のの寸法は、平行部の内径Ｄ１＝８９．１ｍｍ、隆起部内径Ｄ２＝８９．１ｍｍとした。
【００４９】
また、液圧バルジ加工における最終内圧は４９００ＭＰａ  、軸押し量は６０ｍｍとした。
【００５０】
図８は、液圧バルジ加工後の形状を示す側面図である。長さＬは１８０ｍｍ、隆起部高さＨは６５ｍｍであった。
【００５１】
液圧バルジ成形後、各成形品の表面の円模様の鮮明さをを目視により観察した。レーザで描いた円模様は、圧延まま材およびノルマライズ材共に成形品のすべての部分で歪量の測定に何ら問題にならない程度に明瞭な線が残っていた。一方、電解腐食法および写真焼付け法で描いた円模様は、図８の斜線部の円模様の線が不明瞭となり歪量の測定ができる状態ではなかった。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、金属管の液圧バルジ加工における金属管の変形量を正確かつ容易に測定することが可能となり、液圧バルジ加工条件の決定に大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】スクライブド鋼板の代表的模様を示す図である。
【図２】スクライブドサークルの成形加工による変形例を示す図である。
【図３】スクライブド金属管の製造装置を示す図である。
【図４】レーザ発振器の概念図である。
【図５】金属管の表面に真円模様を描くためのレーザ照射法を説明するための図である。
【図６】実施例で用いた鋼管の表面に描いた円模様を示す図である。
【図７】液圧バルジ加工に用いた金型を示す図である。
【図８】液圧バルジ加工後の成型品の図である。
【符号の簡単な説明】
１  スライドテーブル
２  金属管
４  チャック
５  割り出しモータ
６  軸方向送りモータ
７  レーザマーキング装置
８  制御装置
１３  全反射ミラー
１５  出力ミラー
１７  モ−タ
【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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【図７】
0003591418.tif 000010
【図８】
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