(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各スタンドに複数の孔型圧延ロールを備えた複数のスタンドからなる定径圧延装置を用いて管を定径圧延する工程を含む管の製造方法であって、
前記各スタンドにおいて互いに隣接する孔型圧延ロールの対向するエッジ部にそれぞれ接線を引き、当該接線の成す角度の全スタンドでの最小値をβ（ｄｅｇ）、前記定径圧延装置出側での管の外径をＤ（ｍｍ）、前記定径圧延装置出側での管の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合に、１０（％）＜ｔ／Ｄ＜４０（％）において、前記角度βが以下の式（１）を満足するような孔型圧延ロールを用いて、５０％以上の外径加工度で定径圧延する工程を含むことを特徴とする管の製造方法。
β≧１．１３×１０×Ｌｎ（ｔ／Ｄ×１００）＋１．３７×１０２  ・・・（１）
ただし、外径加工度は、前記定径圧延装置入側での管の外径をＤｉ（ｍｍ）とした場合に、以下の式（２）で定義される値である。
外径加工度＝（Ｄｉ−Ｄ）／Ｄｉ×１００（％）  ・・・（２）
【請求項２】
前記管が炭素鋼管であることを特徴とする請求項１に記載の管の製造方法。
【請求項３】
各スタンドに複数の孔型圧延ロールを備えた複数のスタンドからなり、５０％以上の外径加工度で管を定径圧延する定径圧延装置であって、
前記各スタンドにおいて互いに隣接する孔型圧延ロールの対向するエッジ部にそれぞれ接線を引き、当該接線の成す角度の全スタンドでの最小値をβ（ｄｅｇ）、前記定径圧延装置出側での管の外径をＤ（ｍｍ）、前記定径圧延装置出側での管の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合に、１０（％）＜ｔ／Ｄ＜４０（％）において、前記角度βが以下の式（１）を満足することを特徴とする定径圧延装置。
β≧１．１３×１０×Ｌｎ（ｔ／Ｄ×１００）＋１．３７×１０２  ・・・（１）
ただし、外径加工度は、前記定径圧延装置入側での管の外径をＤｉ（ｍｍ）とした場合に、以下の式（２）で定義される値である。
外径加工度＝（Ｄｉ−Ｄ）／Ｄｉ×１００（％）  ・・・（２）
【請求項４】
前記管が炭素鋼管であることを特徴とする請求項３に記載の定径圧延装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各スタンドに２ロール以上の複数の孔型圧延ロールを備えた定径圧延装置によって管の定径圧延を行うに際し、管の内面に発生し得るしわの発生乃至進展を効果的に抑制することのできる管の製造方法及び定径圧延装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、管の外径を所定値に仕上げる工程において、サイザ、ストレッチレデューサ等の定径圧延装置を用いる。斯かる定径圧延装置は、各スタンドに圧下方向のなす角が１２０°である３つの孔型圧延ロール（以下、適宜、「圧延ロール」という）を備えた３ロール式の定径圧延装置が知られている。また、各スタンドに圧下方向のなす角が９０°である４つの孔型圧延ロールを備えた４ロール式の定径圧延装置も知られている。さらに、各スタンドに対向する２つの孔型圧延ロールを備えた２ロール式の定径圧延装置も知られている。【０００３】
ところで、最近では、地球環境を保護する必要性が高まる中、自動車の車体についても、省エネルギー効果をより一層達成することが要請されている。この目的のため、車体軽量化のニーズが高まり、自動車部品の中のドライブシャフトを中実部材から中空部材（管）に変更する試みがなされている。【０００４】
自動車用ドライブシャフトは、エンジンの回転軸のトルクをタイヤに伝達する重要保安部品であるため、十分な耐疲労強度を確保しておく必要がある。したがって、自動車用ドライブシャフトとして管を用いる場合には、管の耐疲労強度を著しく低下させる管内面のしわ状の凹凸（以下、「しわ」という）を極力抑制する必要がある。【０００５】
そして、このしわは、管の製造工程中の管外径を所定値に仕上げる工程において多発する。この理由は、定径圧延装置は管内面を拘束する工具を用いないで管を定径圧延するため、管内面にしわが発生し易くなるためと考えられる。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するべくなされたものであり、発明者らが新たに見出した知見に基づくものである。つまり、定径圧延工程における管のしわの発生乃至進展には、複数のスタンドを備える定径圧延装置の入側から出側に至るまでの全体としての管に対する圧下率（外径加工度）が大きく影響することを見出した。
【０００７】
具体的には、図５に示すように、定径圧延装置による管の外径加工度が大きくなるに従って、管内面にしわが発生して進展（しわの深さが深くなる）する。特に外径加工度が５０％となる点を境にして急速に進展することを見出した。なお、外径加工度とは、定径圧延装置入側の管外径をＤｉ、定径圧延装置出側の管外径（仕上径）をＤとすれば、以下の式（２）で定義される値である。
外径加工度＝（Ｄｉ−Ｄ）／Ｄｉ×１００（％）  ・・・（２）
【０００８】
さらに、図５から、外径加工度がおよそ５０％以上となる場合において、「●」でプロットした管のエッジ部相当位置（何れかのスタンドにおいて圧延ロールのエッジ部で圧延された管の部位であり、３ロール式の定径圧延装置で圧延する場合には管の周方向に計６箇所）において、しわが集中的に発生乃至進展していることも分かる。
【０００９】
この管のエッジ部相当位置においてしわが集中的に発生乃至進展している理由は、圧延ロールの孔型プロフィールが楕円であるため、圧延ロールのエッジ部から管に付加される圧縮力が、他の部分に比べて顕著に大きいためであると考えられる。
【００１０】
以上の知見によれば、しわの発生乃至進展を効果的に抑制する方法として、外径加工度の上限を規制する（たとえば、外径加工度を５０％未満とする）ことが考えられる。
【００１１】
しかしながら、外径加工度の上限を規制する方法は、一つの定径圧延装置で多種の管を製造する場合に、それに応じて多種の外径の素管を用意する必要がある。つまり、生産効率が悪くなるという問題が生じる。
【００１２】
従って、外径加工度の上限を規制することなく、すなわち外径加工度が５０％以上であっても、しわの発生乃至進展を効果的に抑制する方法が求められる。
【００１３】
そこで、本発明の発明者らは、さらに鋭意検討した結果、管のエッジ部相当位置の内面の曲率半径、管の平均内半径（短径と長径との平均値）及びしわの深さの間には一定の関係を有することを見出した。
【００１４】
より具体的に説明すれば、各スタンドに複数の孔型圧延ロールを備えた複数のスタンドからなる定径圧延装置を用いて管を定径圧延する場合において、管のエッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比の全スタンドでの平均値が０．５５以上となる条件で圧延すれば、外径加工度が５０％以上であっても管の内面に発生し得るしわの発生乃至進展を効果的に抑制できることを見出した。なお、「管のエッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比の全スタンドでの平均値」とは、各スタンド出側における管のエッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比を、全スタンドに亘って平均化した値を示す。
【００１５】
本発明の発明者らは、管のエッジ部相当位置でしわが集中的に発生乃至進展しているのは孔型圧延ロールの孔型プロフィールが楕円形状であることに起因しているという前述の知見を踏まえて、より真円に近い孔型プロフィールを有し、且つ、前述したように管のエッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比の全スタンドでの平均値が０．５５以上となる孔型圧延ロールの条件を鋭意検討した。その結果、本発明の発明者らは、各スタンドにおいて互いに隣接する孔型圧延ロールの対向するエッジ部にそれぞれ接線を引き、当該接線の成す角度の全スタンドでの最小値を、定径圧延装置出側での管の肉厚と外径との比に応じて規定すれば良いことを見出し、本発明を完成させた。
【００１６】
すなわち、本発明は、各スタンドに複数の孔型圧延ロールを備えた複数のスタンドからなる定径圧延装置を用いて管を定径圧延する工程を含む管の製造方法であって、前記各スタンドにおいて互いに隣接する孔型圧延ロールの対向するエッジ部にそれぞれ接線を引き、当該接線の成す角度の全スタンドでの最小値をβ（ｄｅｇ）、前記定径圧延装置出側での管の外径をＤ（ｍｍ）、前記定径圧延装置出側での管の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合に、１０（％）＜ｔ／Ｄ＜４０（％）において、前記角度βが以下の式（１）を満足するような孔型圧延ロールを用いて、５０％以上の外径加工度で定径圧延する工程を含むことを特徴とする管の製造方法を提供するものである。
β≧１．１３×１０×Ｌｎ（ｔ／Ｄ×１００）＋１．３７×１０２  ・・・（１）
ただし、外径加工度は、前記定径圧延装置入側での管の外径をＤｉ（ｍｍ）とした場合に、以下の式（２）で定義される値である。
外径加工度＝（Ｄｉ−Ｄ）／Ｄｉ×１００（％）  ・・・（２）
【００１７】
斯かる発明によれば、角度βが上記式（１）を満足する孔型圧延ロールを用いることにより、管の外径加工度が５０％以上であっても、管のエッジ部相当位置に付加される圧縮力が緩和（分散）される。その結果、管のエッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比の全スタンドでの平均値を０．５５以上とすることができ、管の内面に発生し得るしわの発生乃至進展を効果的に抑制することが可能である。
なお、前記管は、例えば炭素鋼管とされる。
【００１８】
また、本発明は、各スタンドに複数の孔型圧延ロールを備えた複数のスタンドからなり、５０％以上の外径加工度で管を定径圧延する定径圧延装置であって、前記各スタンドにおいて互いに隣接する孔型圧延ロールの対向するエッジ部にそれぞれ接線を引き、当該接線の成す角度の全スタンドでの最小値をβ（ｄｅｇ）、前記定径圧延装置出側での管の外径をＤ（ｍｍ）、前記定径圧延装置出側での管の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合に、１０（％）＜ｔ／Ｄ＜４０（％）において、前記角度βが以下の式（１）を満足することを特徴とする定径圧延装置としても提供される。
β≧１．１３×１０×Ｌｎ（ｔ／Ｄ×１００）＋１．３７×１０２  ・・・（１）
ただし、外径加工度は、前記定径圧延装置入側での管の外径をＤｉ（ｍｍ）とした場合に、以下の式（２）で定義される値である。
外径加工度＝（Ｄｉ−Ｄ）／Ｄｉ×１００（％）  ・・・（２）
なお、前記管は、例えば炭素鋼管とされる。
【００１９】
本発明に係る管の製造方法及び定径圧延装置によれば、定径圧延装置によって管の定径圧延を行うに際し、管の内面に発生し得るしわの発生乃至進展を効果的に抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る管の製造方法が適用される３ロール式の定径圧延装置を概略的に示す図である。
【図２】図２は、管の外径加工度が５０％以上である場合において、管のエッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比の全スタンドでの平均値と、管の内面に生じたしわの深さとの関係を示すグラフである。
【図３】図３は、孔型圧延ロールのエッジ部に引いた接線の成す角度を説明するための説明図である。
【図４】図４は、図３に示す角度βｏの全スタンドでの最小値β、定径圧延装置出側での管の肉厚ｔと外径Ｄとの比、及び、管のエッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比の全スタンドでの平均値の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、定径圧延装置の外径加工度と、圧延された管内面に生じたしわの最大深さとの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、本実施形態に係る孔型圧延ロールの孔型プロフィールを概略的に示す図である。
【図７】図７は、本発明の他の実施形態に係る孔型圧延ロールの孔型プロフィールを部分的に示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る管の製造方法が適用される３ロール式の定径圧延装置を概略的に示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る定径圧延装置（本実施形態では、熱間定径圧延を行うストレッチレデューサ）１には、複数（Ｎ個、本実施形態では、Ｎ＝１７）のスタンド＃１〜＃Ｎのそれぞれに圧下方向のなす角が１２０°である３つの孔型圧延ロール１０が備えられており、隣接するスタンド間で圧延ロール１０の圧下方向が６０°ずらして交互に配置されている。各スタンドの各圧延ロールで形成される孔型には、圧延対象である管Ｐが挿通され、最終スタンド＃Ｎの出側において外径が予め定めた所定値になるように定径圧延される。なお、各スタンドの圧延ロール１０は、定径圧延装置１入側の管Ｐの外径をＤｉ、出側の外径をＤとすれば、以下の式（２）で定義される外径加工度となるように、その寸法や設置位置が設定されている。
外径加工度＝（Ｄｉ−Ｄ）／Ｄｉ×１００（％）  ・・・（２）【００２３】
図２は、外径加工度が５０％以上である場合において、管Ｐのエッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比の全スタンド＃１〜＃Ｎでの平均値αと、管Ｐの内面に生じたしわの深さとの関係を、本発明の発明者らが調査した結果を示すグラフである。より具体的に説明すれば、図２に示すグラフは、各スタンドに備えられた孔型圧延ロール１０の孔型プロフィールの条件を種々変更しながら、外径１００ｍｍで肉厚１１ｍｍの炭素鋼管を外径４０ｍｍで肉厚９．６ｍｍに定径圧延した場合における、管Ｐのエッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比の全スタンド＃１〜＃Ｎでの平均値αと、管Ｐの内面に生じたしわの深さとの関係を示す。【００２４】
ここで、平均値αは、各スタンド出側において管Ｐのエッジ部相当位置の内面の曲率半径及び平均内半径を三次元形状測定器（東京精密社製）を用いて測定し、当該測定値に基づき各スタンド出側毎に算出した両者の比を、全スタンド数で平均化した値である。平均値αは以下の手順（ａ）〜（ｃ）で得られる値である。
（ａ）管Ｐのエッジ部相当位置の内面の曲率半径及び平均内半径を測定する対象の各スタンド出側において、管Ｐの圧延を中止（管Ｐを定径圧延装置１から取り外す、或いは、当該スタンドより後段のスタンドでは圧延せずに搬送する）し、当該管Ｐの一部をサンプルとして切り出す。
（ｂ）切り出したサンプルについて、三次元形状測定器を用いてエッジ部相当位置の内面の曲率半径及び平均内半径を測定し、両者の比を算出する。
より具体的には、先ず最初に、三次元形状測定器を用いて測定した管Ｐの一断面についての内面形状データ（内面を構成する各部位の座標データ）に基づいて、管Ｐ内面の重心位置を算出する。そして、孔型圧延ロールのフランジ部に相当する位置にある管Ｐの内面部位（すなわち、隣接する孔型圧延ロールの対向するエッジ部の間隙の中間位置に相当する位置にある管Ｐの内面部位）の座標と、前記部位から前記算出した重心周りに約±５°の位置にある管Ｐの各内面部位の座標とを用いて、これら３つの部位を通る円の半径を算出し、当該算出した半径をエッジ部相当位置の内面の曲率半径とする。次に、前記重心と管Ｐの内面を構成する各部位との距離を内半径とし、管Ｐの周方向に沿った内半径の平均値を平均内半径とする。以上のようにしてエッジ部相当位置の内面の曲率半径及び平均内半径をそれぞれ算出し、両者の比を計算する。
（ｃ）上記（ａ）及び（ｂ）の手順を全スタンドの出側において繰り返し、全スタンド分の測定値（エッジ部相当位置の内面の曲率半径と平均内半径との比）を平均化してαを算出する。【００２５】
以上に説明した手順を、具体例を挙げて説明すれば、例えば、図２に示すデータ点ａ（α＝０．４２、しわ深さ＝０．１３５ｍｍ）、点ｂ（α＝０．５７、しわ深さ＝０．０５）及び点ｃ（α＝０．９２、しわ深さ＝０．０４ｍｍ）のαは、それぞれ以下の表１に示すように、各スタンド出側毎に算出したエッジ部相当位置の内面の曲率半径ｒ／平均内半径ｄを全スタンド数で平均化して得られた値である。
【表１】
0004650747.tif 000002
【００２６】
また、図２に示すしわ深さとは、定径圧延装置１出側で測定した管Ｐのしわ深さの最大値を意味し、圧延後の管Ｐの一部をサンプルとして切り出し、断面をミクロ観察することにより測定した値である。【００２７】
図２に示すように、αが０．５５前後を境にして、これより小さくなれば、しわの深さは急速に大きくなることが分かる。従って、逆にαを０．５５以上とすれば、管Ｐの内面に発生し得るしわの発生乃至進展を効果的に抑制することが可能である。【００２８】
そこで、本実施形態に係る定径圧延装置１においては、定径圧延装置１によって圧延される管Ｐのαが０．５５以上となるような条件の圧延ロール１０を配置している。以下、斯かる圧延ロール１０の条件を設定した理由及び設定条件について、具体的に説明する。【００２９】
まず、図３に示すように、各スタンドに備えられた一の圧延ロール１０ａのエッジ部Ｅａに接線（エッジ部Ｅａ近傍の孔型プロフィールの接線）Ｌａを引き、圧延ロール１０ａに隣接する圧延ロール１０ｂのエッジ部の内、エッジ部Ｅａに対向するエッジ部Ｅｂに接線（エッジ部Ｅｂ近傍の孔型プロフィールの接線）Ｌｂを引いて、両接線Ｌａ、Ｌｂの成す角度βoを算出した。なお、本実施形態に係る各圧延ロール１０の孔型プロフィールは、図６に示すように、孔型中心（圧延パスライン中心）Ｏより外方に（圧延ロール１０の溝底Ｃから遠ざかる方向に）オフセット（オフセット量Ｓ）した中心Ｏ’を有する半径Ｒの円弧を有し、当該円弧が圧延ロール１０のフランジ側壁面Ｆと直接交差する形状である。そして、圧延ロール１０のエッジ部Ｅ（すなわち、孔型プロフィールＰＲの端部）は、前記半径Ｒの円弧の端部に相当する。前記角度βoは、当該孔型プロフィールに基づいて幾何学的に算出したものである（各スタンド毎に算出される３箇所の角度βoは全て同一の値）。【００３０】
次に、角度βｏの全スタンド＃１〜＃Ｎでの最小値をβ（ｄｅｇ）とし、定径圧延装置１出側での管Ｐの外径（狙い外径）をＤ（ｍｍ）、定径圧延装置１出側での管Ｐの肉厚（狙い肉厚）をｔ（ｍｍ）とした場合、本発明の発明者らの調査により、β、ｔ／Ｄ及びαは図４に示すような関係になることが分かった。ここで、図４の横軸はｔ／Ｄ（％）、縦軸はβ（ｄｅｇ）を示しており、「○」でプロットしたデータは、圧延された管Ｐのαが０．５５であったものを、「●」でプロットしたデータは、圧延された管Ｐのαが０．５５より大きかったものを、「×」でプロットしたデータは、αが０．５５未満であったものを示す。【００３１】
より具体的に説明すれば、例えば、図４に示すデータ点Ａ（ｔ／Ｄ＝２４．０％、β＝１７３ｄｅｇ）は、以下の表２に示す条件により、外径１００ｍｍで肉厚１１ｍｍの炭素鋼管を外径４０ｍｍで肉厚９．６ｍｍに定径圧延した場合に得られたデータである。すなわち、表２に示す条件では、角度βｏの全スタンド＃１〜＃１７での最小値βは１７３ｄｅｇであり、定径圧延装置１出側（つまり、＃１７スタンド出側）でのｔ／Ｄ＝２４．０％であるため、図４に示す座標にプロットされることになる。
【表２】
0004650747.tif 000003
【００３２】
図４から分かるように、αを０．５５以上にするには、各ｔ／Ｄに対してβを所定の値以上に設定すれば良い。そこで、本実施形態では、各ｔ／Ｄについてαが０．５５となったβの値をｔ／Ｄを変数とする関数（自然対数関数）で近似した後、βが当該近似関数以上の値となるように圧延ロール１０の孔型プロフィールを設定している。より具体的には、角度βが以下の式（１）を満足するように圧延ロール１０の孔型プロフィールを設定している。
β≧１．１３×１０×Ｌｎ（ｔ／Ｄ×１００）＋１．３７×１０２  ・・・（１）【００３３】
以上のような設定がなされた圧延ロール１０を用いて圧延すれば、前述のように、管Ｐのαを０．５５以上とすることができるため、管Ｐの内面に発生し得るしわの発生乃至進展を効果的に抑制することが可能である。【００３４】
なお、本実施形態に係る各圧延ロール１０の孔型プロフィールＰＲは、図６を参照して前述したように、半径Ｒの単一の円弧を有し、圧延ロール１０のエッジ部Ｅ（すなわち、孔型プロフィールＰＲの端部）は、前記半径Ｒの円弧の端部に相当する。ただし、本発明に係る各圧延ロール１０の孔型プロフィールは、これに限るものではなく、図７に示すような各種の孔型プロフィールを有する圧延ロールを採用することも可能である。図７は、本発明の他の実施形態に係る孔型圧延ロールの孔型プロフィールについて、図６の点線で囲んだ領域に対応する箇所を示す図である。図７（ａ）に示すように、本発明に係る各圧延ロール１０の孔型プロフィールＰＲとしては、半径の異なる複数の円弧からなり、フランジ側壁面Ｆと直接交差する形状を採用することも可能であり、この場合における圧延ロール１０のエッジ部Ｅは、最もフランジ側に位置する円弧（半径Ｒｎ）の端部に相当する。また、単一の円弧或いは複数の円弧からなる孔型プロフィールＰＲと圧延ロール１０のフランジ側壁面Ｆとの間に、内方に向けて（孔型中心に向けて）凸状の円弧（半径ｒ）からなる所謂「逃がし」を設けた形状（図７（ｂ））や、直線からなる「逃がし」を設けた形状（図７（ｃ））を採用することも可能である。これらの場合における圧延ロール１０のエッジ部Ｅは、孔型プロフィールＰＲを構成する円弧の端部（最もフランジ側に位置する円弧の端部）に相当する。【００３５】
また、本実施形態では、３ロール式の定径圧延装置を例に挙げて説明したが、本発明は、これに限るものではなく、４ロール式や２ロール式など、各スタンドに複数の孔型圧延ロールを備えた定径圧延装置に対して同様に適用可能である。
【図１】
0004650747.tif 000004
【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】
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