(57)【要約】      （修正有）【課題】ロッカーダイ式Ｕプレス金型に簡単な改造を加えるだけで、高強度厚物ＵＯ鋼管を製造できるようにする。【解決手段】端曲げ、Ｕプレス、Ｏプレス、端部溶接、拡管を経て製造するＵＯ鋼管製造プロセスにおけるロッカーダイ式Ｕプレス成形において、ロッカーダイ式Ｕプレス金型の支点から上下工具の共通接線へ下ろした垂線の足と上工具における接点との間の距離ａ1に対し、前記垂線の足と下工具における接点との間の距離ａ2を０．７〜１．０倍とすると共に、以下の関係Ｌ／２≧ｒ＋a2cosθ＋ｘsinθ…（１）Ｌ／２≦t＋ｒ＋ｘ＋ｙ…（２）を満たすようにする。【選択図】      図４
2005021910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端曲げ、Ｕプレス、Ｏプレス、端部溶接、拡管を経て製造するＵＯ鋼管製造プロセスにおけるロッカーダイ式Ｕプレス成形において、
ロッカーダイ式Ｕプレス金型の支点から上下工具の共通接線へ下ろした垂線の足と上工具における接点との間の距離ａ１に対し、前記垂線の足と下工具における接点との間の距離ａ２を０．７〜１．０倍とするとともに、
以下の関係
Ｌ／２≧ｒ＋ａ２ｃｏｓθ＋ｘｓｉｎθ…（１）
Ｌ／２≦ｔ＋ｒ＋ｘ＋ｙ…（２）
（ここにおいて、
Ｌ：左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型の支点の間の距離
ｒ：ロッカーダイ式Ｕプレス金型の下工具の曲率半径
ｘ：ロッカーダイ式Ｕプレス金型の支点から上下工具を結ぶ接線へ下ろした垂線と、台座との交点を求め、該支点から該交点までの距離
θ：上下工具の共通接線の水平方向に対する角度
ｙ：パンチの水平方向寸法
ｔ：鋼板の板厚）
を満たすようにすることを特徴とするＵＯ鋼管製造プロセスにおけるロッカーダイ式Ｕプレス成形方法。
【請求項２】
前記請求項１のロッカーダイ式Ｕプレス成形方法において、パンチが下降して鋼板と接触し成形を開始するときの、上下工具の共通接線の水平方向に対する角度θ０を４５〜９０°の範囲とすることを特徴とするロッカーダイ式Ｕプレス成形方法。
【請求項３】
支点から上下工具の共通接線へ下ろした垂線の足と上工具における接点との間の距離ａ１に対し、前記垂線の足と下工具における接点との間の距離ａ２を０．７〜１．０倍としたことを特徴とするＵＯ鋼管製造用ロッカーダイ式Ｕプレス金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＵＯ鋼管製造プロセスにおけるロッカーダイ式Ｕプレス成形方法およびロッカーダイ式Ｕプレス金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大径鋼管の代表的な成形方法として、ＵＯ成形方式がある。このＵＯ成形方式による溶接鋼管（以下、ＵＯ鋼管）の製造プロセスの概要を図２に示す。
【０００３】
これは、（Ａ）厚鋼板（以下、鋼板）１の幅端部をミーリング機２でエッジミーリング開先加工して、製品ＵＯ鋼管外径から決まる周長に、素材である鋼板の幅を調整するとともに、溶接に好適な開先形状に幅端部を加工後、（Ｂ）Ｃプレス３により端曲げ加工を行い、つづいて（Ｃ）Ｕプレス４にてＵ字形に成形し、その後、（Ｄ）Ｏプレスすなわち略半円筒状に上下に開いたＯ金型５での挟圧を行って、Ｏ字形すなわち円筒形に成形する、という製造プロセスである。その後、（Ｅ）端部溶接、（Ｆ）拡管等が施される。
【０００４】
Ｕプレス後の鋼板６は、幅端部を曲げられた状態であるが、Ｏプレス金型５に挿入出来るよう、上下に開いたＯ金型５に収まる全体形状である必要がある。Ｕプレス４の油圧力には設備仕様上の上限があるので、被成形素材である鋼板は仕様上の荷重上限以下で成形可能な必要がある。また、鋼板のスプリングバックが生じると鋼板の両幅端部が口を開き、Ｏプレス金型５に収まらないという問題が生じることもある。よって、ＵＯ鋼管、中でも大きな成形力が必要となる、Ｘ６５クラス以上で肉厚３０ｍｍ以上の高強度厚物鋼管の製造には、Ｕプレス４の金型、およびＵプレス装置の設計と、その使用方法が重要になる。
【０００５】
ちなみに、Ｘ７０という呼称に示す７０等の数値は、製品として許容される最小降伏応力を、ｋｉｌｏｐｏｕｎｄ  ｐｅｒ  ｓｑｕａｒｅ  ｉｎｃｈ（ｋｐｓｉ）で示したものであり、ラインパイプ規格ＡＰＩ  ５Ｌでは、１ｋｐｓｉ＝６．８９４７６ＭＰａと規定されている。
【０００６】
ところで、Ｕプレス成形方法には、図２のものとはタイプ的に異なる、図３に示した、ロッカーダイ式といって、パンチと呼ばれる図中に２０で示される金型に沿わせるようにロッカーダイと呼ばれるＵプレス用金型（以下、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０）を回動させ、その間に鋼板を挟むようにして行うものがあるが、その成形反力はパンチ２０の側に作用する。
【０００７】
ところで、図３に示した一般的なロッカーダイ式Ｕプレス金型１０には、図４（ａ）に示すように上工具１２、下工具１４が備えられていて、支点１６を中心に回動するようになっているが、上下工具１２、１４の位置関係に関する各寸法には制約がある。その制約の要因について以下に順を追って説明する。
【０００８】
図４（ａ）にａで示す上下工具間距離の最大値は、製品ＵＯ鋼管外径により制限される。ａが製品ＵＯ鋼管外径の割に大きすぎると、パンチ２０を下降させ、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０を回動させて鋼板１を曲げ切った際に鋼板１がパンチ２０とロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の間でたるんでしまう場合がある。また、逆に小さすぎると、成形反力が大きくなり、鋼板１を所望のＵ形状に十分に成形できなくなる場合が出てくる。
【０００９】
左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の支点１６間の距離Ｌ（図４（ａ）中にはＬ／２を表示。図示しない左半分があり、左右対称。）には、パンチ２０との幾何学的関係による制限が存在する。
【００１０】
すなわち、（１）このＬ／２が小さすぎると、図４（ａ）中の、パンチ２０が下降して鋼板１と接触し成形を開始するときの、上下工具１２、１４の共通接線の、水平方向に対する角度θ（初期状態でのロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の傾斜角度）が、左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の干渉により、小さな角度まで回動できなくなる。
【００１１】
図４（ａ）中のθ（ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の傾斜角度）が、左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の干渉により、小さな角度まで回動できなくなると、Ｕプレス成形過程での成形反力が増加して不利になる。
【００１２】
また、（２）このＬ／２が大きすぎると、パンチ２０を下降させていく過程で、まだ十分に鋼板１がＵ字形に曲げられる以前に、鋼板１が左右の下工具１４間からすり抜けて落ちてしまう。
【００１３】
図５は、従来の一般的なロッカーダイ式Ｕプレス金型１０で鋼板１をＵ字形に成形する場合の、鋼板１と、パンチ２０の移動方向位置（ストロークＳ）との関係を、その時間的な変化のようすとして示したものである。なお、このときのロッカーダイ式Ｕプレス金型１０が鋼板から受ける成形反力の変化のようすを図６の下側のグラフに示す。
【００１４】
パンチ２０が下降し始めると、やがて、図５の（１）に示すように、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の上工具と鋼板１が接触位置Ａで接触するとともに、パンチ２０と鋼板１が接触位置Ｂで接触する（図示しない左半分も含め３点曲げの状態になる）。
【００１５】
しばらくすると、（２）接触位置Ｂはパンチ２０の外形に沿って次第に移動し（図示しない左半分も含め４点曲げの状態になる）、その接触位置Ｂとロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の上工具１２と鋼板１の接触位置Ａとの間の距離が次第に短くなり、パンチ２０の外形上、どこかにあるその接触位置Ｂを支点とする曲げモーメントのアームが短くなって、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０側に作用する成形反力は鉛直方向にその成分が増大する。しかし、成形がすすむにつれ、鋼板１が水平に対して傾斜する角度θが次第に大きくなる仕組になっているため、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０側に作用するその成形反力の鉛直成分の増大は、間もなく小さくなり、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０側に作用する成形反力は水平方向成分が次第に大きくなり、鉛直方向の成分は次第に減少する。
【００１６】
更にパンチ２０が下降すると、（３）鋼板１とロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の下工具１４が接触位置Ｃで接触するタイミングで（図示しない左半分も含め６点曲げの状態になる）成形反力は急激に増大する。
【００１７】
ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の下工具１４に鋼板１が接触するまでは、パンチ２０と鋼板１の接触位置Ｂとロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の上工具１２で鋼板１を曲げるのに足りるモーメントを負担する必要があるが、それには、そのモーメントをモーメントアームで割った値に相当する力がその鉛直成分として必要になる。しかし、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の下工具１４に鋼板１が接触して以降は、更にロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の支点１６まわりのモーメントが釣り合う必要があり、通常のロッカーダイ式Ｕプレス装置１００は、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の支点１６から上下工具１２、１４の共通接線へ下ろした垂線の足と下工具１４における接点との間の距離ａ２が前記垂線の足と上工具１２における接点との間の距離ａ１に対して短いため、（２）４点曲げから（３）６点曲げへ移るタイミングＴで大幅な成形反力の増大が避けられない。
【００１８】
この問題に関する先行技術としては、特許文献１が存在する。これは、パンチ２０が下降し、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０が回動し始めるタイミングで、別に設置した油圧による横押し機構も同時に使用して成形反力に抗する、というものである。
【００１９】
又、特許文献２には、ロッカーダイの下金具を移動可能としてアーム長さを調整可能とし、成形可能域を拡大することが記載されている。
【００２０】
又、特許文献３には、ロッカーダイの初期設定角度を所定範囲とすることが記載されている。
【００２１】
【特許文献１】
特開昭５５−２４７７９号公報
【特許文献２】
実開昭５８−１６０６１６号公報
【特許文献３】
特開昭５４−１３８８５６号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１による技術では、従来の設備に対し、パンチ２０を挟む左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型１０にそれぞれ油圧による横押し機構を追加して設置する必要があり、設備費がかかる問題があった。
【００２３】
又、特許文献２には、ロッカーダイの支点から下工具迄の長さを大きくすると、鋼板を曲げるための荷重が小さくて済むことが記載されているが、具体的な数値関係については記載されていなかった。
【００２４】
又、特許文献３には、ロッカーダイ自体の形状や寸法関係については、記載されていなかった。
【００２５】
本発明は、かような従来技術の問題を解決するべくなされたもので、ロッカーダイ式Ｕプレス金型に簡単な改造を加えるだけで、高強度厚物ＵＯ鋼管の製造ができるようにすることを課題とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第一に、端曲げ、Ｕプレス、Ｏプレス、端部溶接、拡管を経て製造するＵＯ鋼管製造プロセスにおけるロッカーダイ式Ｕプレス成形において、ロッカーダイ式Ｕプレス金型の支点から上下工具の共通接線へ下ろした垂線の足と上工具における接点との間の距離ａ１に対し、前記垂線の足と下工具における接点との間の距離ａ２を０．７〜１．０倍とするとともに、以下の関係
Ｌ／２≧ｒ＋ａ２ｃｏｓθ＋ｘｓｉｎθ…（１）
Ｌ／２≦ｔ＋ｒ＋ｘ＋ｙ…（２）
（ここにおいて、
Ｌ：左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型の支点の間の距離
ｒ：ロッカーダイ式Ｕプレス金型の下工具の曲率半径
ｘ：ロッカーダイ式Ｕプレス金型の支点から上下工具を結ぶ接線へ下ろした垂線と、台座との交点を求め、該支点から該交点までの距離
θ：上下工具の共通接線の水平方向に対する角度
ｙ：パンチの水平方向寸法
ｔ：鋼板の板厚）
を満たすようにすることを特徴とするＵＯ鋼管製造プロセスにおけるロッカーダイ式Ｕプレス成形方法である。
【００２７】
上記第一の本発明においては、前記ロッカーダイ式Ｕプレス成形方法において、パンチが下降して鋼板と接触し成形を開始するときの、上下工具の共通接線の水平方向に対する角度θ０を４５〜９０°の範囲とするのが好ましい。
【００２８】
また、本発明は、第二に、支点から上下工具の共通接線へ下ろした垂線の足と上工具における接点との間の距離ａ１に対し、前記垂線の足と下工具における接点との間の距離ａ２を０．７〜１．０倍としたことを特徴とするＵＯ鋼管製造用ロッカーダイ式Ｕプレス金型である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
発明者らは、Ｕプレスに供するロッカーダイ式Ｕプレス金型の形状を種々変更してシミュレーションを行い、以下の知見を得た。
【００３０】
本発明の一つの実施の形態と、その実施の形態をとった場合にロッカーダイ式Ｕプレス金型１０が鋼板１から受ける成形反力の変化のようすを図１に示す。図６に示した従来の場合と比較してみるとよくわかるが、ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０が矢印で示すように下方に長くなっている。ロッカーダイ式Ｕプレス金型２０の支点１６から上下工具１２、１４の共通接線へ下ろした垂線の足と上工具１２における接点との間の距離をａ１とし、その垂線の足と下工具１４における接点との間の距離をａ２とすると、従来の場合は、ａ２がａ１の０．３５倍程度であったのに対し、本発明の一つの実施の形態をとった場合は０．７倍となっている。
【００３１】
そのため、４点曲げから６点曲げに移るタイミングＴでの成形反力の増大分が、従来の場合に比べ、約５０％減少し、成形反力の絶対値としても約３０％減少している。このため、油圧による横押し機構を追加して設置する必要はなくなる。
【００３２】
次に、ａ２とタイミングＴでの成形反力の絶対値の減少の関係を実験により検証した。実験に用いた鋼板の厚さは、４０ｍｍ、製品ＵＯ鋼管の外径は６０インチ、グレードはＸ７０である。パンチ幅は、製品ＵＯ鋼管の外径の７０％とした。結果を表１に示す。ちなみに、θ０は、初期状態（パンチが下降して鋼板に接するときの状態）での上下工具の共通接線の水平方向に対する傾斜角度である。
【００３３】
【表１】
2005021910.tif 000003
【００３４】
ａ１に対するａ２の比率を大きくすると、従来の場合に対し、６点曲げへ移るタイミングＴでの成形反力の増大分が減少するが、ａ２をａ１の１．０倍を超えて大きくしても、成形反力の増大分が減少する効果は飽和していく一方、パンチが下降して鋼板と接触し成形を開始するときの、ロッカーダイ式Ｕプレス金型の上下工具の共通接線の水平方向に対する角度を小さくしようとしたときに、左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型の下工具が機械干渉して成形不可能（成形可否が×）になる場合が生じてくる。よって、ａ２≦ａ１とする。
【００３５】
また、発明者らは、更に研究を重ねた結果、高強度な鋼板ほど、そして、板厚の厚い鋼板ほど、そして、成形反力そのものが低いほど、ａ２の延長が有効であることがわかった。定量的には、従来のような油圧による横押し機構が必要なくなるまでに成形反力の増大分を減少するには、ａ２≧ａ１×０．７が必要であることがわかった。
【００３６】
なお、図４（ａ）に示した本発明のロッカーダイ式Ｕプレス金型の各部の取り合いからすると、
（１）パンチ２０が下降して鋼板１と接触し成形を開始するときの、上下工具１２、１４の共通接線の、水平方向に対する角度θが、左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型の下工具の機械干渉により、小さな角度まで回動できなくなる。これを防止するため、幾何学的に、以下の関係が成立する。
【００３７】
Ｌ／２≧  ｒ（１−ｓｉｎθ）＋ａ２ｃｏｓθ＋（ｘ＋ｒ）ｓｉｎθ
これを変形すると、
Ｌ／２≧ｒ＋ａ２ｃｏｓθ＋ｘｓｉｎθ…（１）
ここにおいて、
Ｌ：左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型の支点の間の距離
ｒ：ロッカーダイ式Ｕプレス金型の下工具の曲率半径
ｘ：ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の支点１６から上下工具を結ぶ接線へ下ろした垂線と、台座１８との交点を１７とし、支点１６から交点１７までの距離
ａ２：ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の支点１６から上下工具を結ぶ接線へ下ろした垂線の足１９と下工具１４における接点との間の距離
θ：上下工具の共通接線の水平方向に対する角度をそれぞれ意味するものとする。
【００３８】
なお、ｒは、パンチが下降して鋼板に接して以降、成形が完了するまでに接触位置が移動していく範囲では一定となるようにする。また、曲率円の中心はその範囲では台座１８上で一定して動かないようにする。
【００３９】
一方、（２）パンチ２０を下降させていく過程で、鋼板１が左右の下工具１４間からすり抜けて落ちてしまうのを防止する観点から、図４（ｂ）に示した各部の取り合いからすると、幾何学的に、以下の関係も成立する。
【００４０】
Ｌ／２≦ｔ＋ｒ＋ｘ＋ｙ…（２）
ここにおいて、
ｙ：パンチ２０の水平方向寸法
ｔ：鋼板１の板厚
をそれぞれ意味するものとする。
【００４１】
（実施の形態２）
続いて、上記した本発明の一つの実施の形態を小径のＵＯ鋼管の製造に適用した結果について述べる。製品外径は２０インチ、鋼板は板厚が３０ｍｍのＸ６５のものを用いた。成形反力が小さくなるように、ａ２はａ１の０．７倍とし、初期状態（パンチが下降して鋼板に接するときの状態）での上下工具の共通接線の水平方向に対する傾斜角度θ０を４０〜９２ｄｅｇの範囲で変更し、成形反力の増大分が減少する効果、左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型の下工具の機械干渉による成形可否（可…○、否…×）を調査した。結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
2005021910.tif 000004
【００４３】
これにより、例えば製品外径２０インチというような、小径のＵＯ鋼管の製造を行うと、ロッカーダイ式Ｕプレス金型の下方への延長（ａ２／ａ１）を本発明範囲内としても、初期状態でのロッカーダイ式Ｕプレス金型の傾斜角度θを４５ｄｅｇ未満というように小さくした場合、左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型の下工具が機械干渉して成形不可能（否）となること、逆に初期状態でのロッカーダイ式Ｕプレス金型の傾斜角度θを大きくすると、成形反力の増大分、ひいてはその絶対値も大きくなることがわかる。これはタイミングＴよりもむしろ、ロッカーダイ式Ｕプレス金型の下工具に鋼板が接触する以前の成形反力が大きくなることに起因しており、こういう場合、所望のＵ形状に鋼板を成形しにくくなる。
【００４４】
そこで、初期状態でのロッカーダイ式Ｕプレス金型の傾斜角度θを４５〜９０ｄｅｇとすれば、成形反力の低減を図れると同時に、製品外径２０インチというような、小径のＵＯ鋼管であっても、所望のＵ形状に十分に成形することが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、ロッカーダイ式Ｕプレス金型に簡単な改造を加えるだけで、さほど設備費をかけずに、大きな成形力が必要となる、高強度厚物ＵＯ鋼管の製造ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態を示す図
【図２】ＵＯ鋼管の製造プロセスの概要を示す図
【図３】ロッカーダイ式Ｕプレス装置の概要を示す図
【図４】本発明のロッカーダイ式Ｕプレス金型の各部の取り合いを説明するための図
【図５】従来の一般的なロッカーダイ式Ｕプレス金型で鋼板をＵ字形に成形する場合の、鋼板と、パンチのストロークとの関係を、その時間的な変化のようすとして示した図
【図６】従来技術の問題を説明するための図
【符号の説明】
１、６…鋼板
２…ミーリング機
３…Ｃプレス
４…Ｕプレス
５…Ｏ金型
１０…ロッカーダイ式Ｕプレス金型
１２…上工具
１４…下工具
１６…ロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の支点
１７…交点
１８…台座
１９…垂線の足
２０…パンチ
ａ…上下工具間距離
ａ１…ロッカーダイ式Ｕプレス金型の支点から上下工具を結ぶ接線へ下ろした垂線の足と上工具における接点との間の距離
ａ２…前記垂線の足と下工具における接点との間の距離
Ｌ…左右のロッカーダイ式Ｕプレス金型１０の支点１６間の距離
Ｓ…パンチ２０の移動方向位置（ストローク）
ｔ…鋼板１の板厚
Ｔ…４点曲げから６点曲げに移るタイミング
【図１】
2005021910.tif 000005
【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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