(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管（１）の両端を掴む支持部（２）と、金属管内へ流体圧を負荷する内圧負荷増圧装置（３）と，金属管に軸方向に応力を負荷する軸方向荷重制御装置（４）と、金属管の軸方向歪測定装置（５）と，金属管の円周方向径測定装置（６）と、前記軸方向歪測定装置（５）により測定した金属管軸方向歪と前記円周方向径測定装置（６）により測定した金属管円周方向径に基づいて金属管の軸方向に働く応力σφと金属管の円周方向に働く応力σθの応力比σφ／σθを制御する応力比制御手段（７）を有することを特徴とする金属管の加工性評価装置。
【請求項２】
金属管の両端を支持し、金属管内の軸方向に加える流体圧と金属管の軸方向に加える応力を制御しながら金属管の２次加工性を評価する方法において、金属管の軸方向歪と円周方向径を測定し、前記軸方向歪と前記円周方向径に基づいて金属管の軸方向に働く応力σφと金属管の円周方向に働く応力σθの応力比σφ／σθを求め、金属管が破断するまで前記応力比が一定となるように金属管に加える流体圧に応じて金属管の軸方向に加える応力を制御することを特徴とする金属管の加工性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼管，チタン管等の金属管の２次加工性を評価するための装置及び方法に関する。特に管の塑性異方性ｒ値や加工硬化指数ｎ値や肉厚ｔ、肉厚管径比鋼管寸法ｔ／Ｄなどの違いによる金属管の円周方向の加工性を一律に評価することができる。特に近年自動車用の構造部材のハイドロフォームを用いた成形を行う鋼管の製造時の加工性評価に適している。
【０００２】
【従来の技術】
一般に鋼管の材料の機械的な特性を評価する方法はＪＩＳ１１号の管の引張試験やＪＩＳ１２号による鋼管から弧状引張試験を行う方法が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の材料試験法は鋼管の軸方向の単軸引っ張りの応力状態での応力−ひずみの関係しか評価できないという問題がある。
本発明は、金属管の種々の加工での変形に近い状態での材料の加工性を評価する装置及び評価方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
係る課題を解決するため、本発明の要旨とするところは、
（１）金属管１の両端を掴む支持部２と、金属管内へ流体圧を負荷する内圧負荷増圧装置３と，金属管に軸方向に応力を負荷する軸方向荷重制御装置４と、金属管の軸方向歪測定装置５と，金属管の円周方向径測定装置６と、前記軸方向歪測定装置５により測定した金属管軸方向歪と前記円周方向径測定装置６により測定した金属管円周方向径に基づいて金属管の軸方向に働く応力σφと金属管の円周方向に働く応力σθの応力比σφ／σθを制御する応力比制御手段７を有することを特徴とする金属管の加工性評価装置，
（２）金属管の両端を支持し、金属管内の軸方向に加える流体圧と金属管の軸方向に加える応力を制御しながら金属管の２次加工性を評価する方法において、金属管の軸方向歪と円周方向径を測定し、前記軸方向歪と前記円周方向径に基づいて金属管の軸方向に働く応力σφと金属管の円周方向に働く応力σθの応力比σφ／σθを求め、金属管が破断するまで前記応力比が一定となるように金属管に加える流体圧に応じて金属管の軸方向に加える応力を制御することを特徴とする金属管の加工性評価方法，にある。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明を詳細に説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）に本発明の実施例の評価装置を示す。
鋼管１をシールし、かつ軸方向の荷重の負荷により鋼管がすべらないように支持部２で左右を支持し、軸方向に応力を付与するシリンダーを鋼管両端に配置する。内圧負荷増圧装置３は金属管内に水，エマルジョン系の潤滑材やソリブル油等の水溶性潤滑材を添加した水等の流体に圧力を加える際に、油圧ポンプにより発生した１次圧の面積比を小さくさせて、増圧させる。
油圧等の１次圧の圧力を電磁減圧比例弁やサーボ弁を用いて１次圧を制御し、２次側の液体の圧力を増加させるものである。増圧装置としては、単動型、複動型があるが、どちらを用いてもよい。
【０００６】
軸方向の荷重制御装置４はサーボバルブを用いてシリンダーのロッドとヘッド側の圧力と受圧面積からデジタルシグナルプロセッサー（ＤＳＰ）を用いたデジタル制御を行う。鋼管の着脱等の位置決めを行う場合の位置制御はシリンダーに内蔵したデジタル変位計を用いた精密な位置のフィードバック制御により行う。
【０００７】
まず鋼管１と支持部２を位置あわせし、鋼管１を固定する、その後、内圧の上昇に伴い、軸方向の荷重制御をシリンダーのロッド受圧面積とロッド負荷圧力の積と、ヘッド受圧面積とヘッドの負荷圧力との積の差分から計算できる荷重により鋼管へ力を負荷するシリンダーの軸荷重制御を行う。荷重はロードセルなどで直接測定するか、圧力検出から軸荷重を求めて制御してもよい。
【０００８】
また、軸方向、円周方向の曲率により応力状態は変化するので、管中央部に間隔をＬ０とする２本の罫書線（マーカー）を描き（図１（ｂ）参照）、軸方向歪み測定装置５としてリニアＣＣＤを用いた画像処理により罫書線の間隔の変化量から軸方向の歪を測定し，後述する（１３）式により軸方向の歪を求め，円周方向径測定装置６としてリニアCCDセンサーを内蔵したカメラを管軸方向に３箇所設置し，半径方向変位を非接触のレーザで３箇所測定し、軸方向の曲率半径ＲＺ［ｍｍ］を求めた
軸方向の曲率ＲＺは管軸方向の３点の測定点より３点を通る円の計算より，求められる。測定位置を(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)とすると
B=（(x1−x3)(x12−x22＋y12−y22)−（ｘ1−ｘ2）(x12−x32＋y12−y32) ）
/{(−2(y1−y2)(x1−x3)＋2(y1−y3)(x1−x2))                    （１）
A=(−2B（ｙ1−ｙ2）＋ｘ12−ｘ22＋ｙ12−ｙ22）/(2(x1−x2))    （２）
Rz=SQR（（ｘ2−A）2＋(y2−B)2）                              （３）
中央部のセンサーの半径方向位置から求めた周方向の曲率半径ＲＢ［ｍｍ］は以下のように求められる。
周方向の曲率半径ＲＢは初期の鋼管径Ｄ［ｍｍ］と加圧により貼り出した量ΔＲＢ［ｍｍ］により，
ＲＢ＝Ｄ／２+ΔＲＢにより求められる。
応力比制御手段７では、前記軸方向歪測定装置５により測定した金属管軸方向歪と前記円周方向径測定装置６により測定した金属管円周方向径に基づいて，後述するように金属管の軸方向に働く応力σφと金属管の円周方向に働く応力σθの応力比σφ/σθを算出し、金属管が破断するまで前記応力比が一定となるように金属管に加える流体圧に応じて金属管の軸方向に加える応力を制御する。
【０００９】
円周方向径測定装置６の測定結果に基づいて算出した曲率を用いて応力計算を行い（計算式は後述）、内圧負荷時に発生する鋼管端面受圧部に発生する荷重に加え、前述の応力状態によって規定されるシリンダー軸に与える荷重（計算式は後述）にてシリンダー軸荷重を制御する。また、内圧により周方向に鋼管が変形すると、管外径が変化し、カメラ５と罫書線までの距離が変化するので，円周方向径測定の結果を用いて補正する。
後述の（１２）式により鋼管の初期の鋼管までの距離をＨ0として、鋼管の貼り出し量ΔＲＢだけ近づく分の距離変化が補正できる。
また、鋼管の変形により、肉厚も変化するので管円周方向および管軸方向の２軸ひずみから体積一定の条件より肉厚ひずみを算出して（計算式は後述）、肉厚を求めて上述の応力の釣り合い計算を行い（計算式は後述）、軸荷重を決定することを時事刻々繰り返し制御を行う。
【００１０】
以下に計算方法を詳細に説明する。
鋼管の肉厚中央の主曲率半径を鋼管の子午線方向曲率半径Ｒφ［ｍｍ］、円周方向曲率半径Ｒθ［ｍｍ］とする。
金属管の軸方向に働く応力σφ［ＭＰa］，金属管の円周方向に働く応力σθ［MPa］とする。
内圧ｐ［MPa］、軸方向荷重W［N］が作用すると、力の釣り合い条件から子午線方向の釣り合いは
0003756798.tif 000002
となり、管の厚みをｔ［ｍｍ］とすれば、内圧との釣り合いは
0003756798.tif 000003
となる。
ここで応力比α＝σφ/σθとすると、内圧によって変化する軸方向荷重を示すＷｐ［ＭＰa］は
0003756798.tif 000004
となる。内圧ｐが作用したときに、鋼管軸方向に対して圧力のかかる冶具端面荷重ＷＡは（４）式で表せるので、（５）式に示すように冶具端面荷重ＷＡ［Ｎ］と形状変化と応力比により規定される荷重Ｗｐ［Ｎ］にて制御を行う。
0003756798.tif 000005
0003756798.tif 000006
0003756798.tif 000007
ＲＺ：3点の軸方向に配置したセンサーによる半径方向位置より求めた子午線方向外面半径［ｍｍ］
0003756798.tif 000008
ＲＢ：中央部のセンサーの半径方向位置から求めた周方向外面半径［ｍｍ］
管子午線方向の長さＬ［ｍｍ］は
0003756798.tif 000009
となる。ここで、観測点からの距離変化（カメラから被測定物との距離）を考慮して，カメラからの距離をＨ0［ｍｍ］，鋼管中央部の変位ΔＲＢ［ｍｍ］、Ｌ0は素管の罫書き長さＬＮ［ｍｍ］とすれば、
0003756798.tif 000010
となる。内圧ｐに応じて応力比α＝σφ/σθを決め、軸方向の荷重を変形した管中央部の子午線、周方向曲率に応じて制御することで、一定の応力状態を保つことが可能となる。
α＝σφ/σθを応力比として管軸方向の罫書き線の長さ変化より、子午線方向ひずみεφ、周方向ひずみεθ、板厚方向ひずみεｔはそれぞれ下記（１3）〜（１5）式のようになる。
0003756798.tif 000011
0003756798.tif 000012
0003756798.tif 000013
変形中の鋼管の肉厚は周方向の応力負荷のみであれば
α＝０                                    （16）
となり、子午線と周方向の応力比が１：２であればα＝０．５で平面ひずみ状態となる。
本発明では管中央部分の子午線の長さ変化と周方向の径（曲率）、子午線方向の曲率の変化を考慮し管中央部の応力状態を制御して子午線・周方向のひずみも求めることができる。
よって、ハイドロフォーム加工時にいろいろ方向に応力が作用するが、本発明のように応力比を一定にして制御することにより、応力比の違いによる鋼管のハイドロフォーム加工性が評価できる。これにより、軸方向と円周方向の主曲率で管中央部の円周方向の応力σθと子午線方向応力σφの応力比を変えて試験を行うことで、鋼管の各応力比での応力歪線図と破断限界線が得られる。
このように応力状態を一定にして、鋼管を変形させ、破断までの挙動を捉えることにより、板材と同様な加工限界を求めることができる。
【００１１】
【実施例】
第２図に本発明の装置により、φ６０．５ｍｍ肉厚ｔ＝１．６ｍｍの冷延板を成形した長さ３００ｍｍの鋼管を用いてσφ/σθ＝０の場合と平面歪の状態σφ/σθ＝０．５の場合に加工硬化係数ｎ値を変えた場合（鋼管成形のひずみが大きい場合と小さい場合）のひずみ履歴を示す。
同一板材を鋼管に成形・溶接した溶接管を製造した場合、加工硬化係数が高い方が、加工限界が高く、加工性に優れることがわかる。
このように応力状態を一定にして、鋼管を変形させ、破断までの挙動を捉えることにより、板材と同様な加工限界を求めることができる。
円周方向単軸状態でのひずみから、管円周方向の塑性異方性を表すｒθ値を測定することが可能となる（第３図）。ｒθは単軸応力状態（管軸方向の応力がゼロのとき）で円周方向に膨くらむ際、軸方向と肉厚方向の歪増分（18式）より計算できる。
ｒθ値は各歪の変化量から計算でき、εφ，εθは計測により求まり、ある時間ごとの歪の変化量（増分）は体積一定の条件より（14）式で表せる。
ｄεφ+ｄεθ+ｄεｔ＝0    （17）  の関係式から
肉厚方向の歪増分ｄεｔがもとめられ  円周方向の異方性を示すｒθ値
ｒθ＝ｄεφ/ｄεｔ              （18）
を用いて算出できる。
ほぼ板材と同等な板材の円周方向の塑性異方性ｒθ値を得られていることが確認できている。
これにより従来の評価が困難であった、鋼管の塑性異方性を求めることが可能であり、かつ軸方向および円周方向の応力−ひずみ関係も求めることができた。
上述の計算により求められた軸方向は縦軸σφと、横軸εφを、円周方向は縦軸σθ、横軸にεθをプロットすればよい。
【００１２】
【発明の効果】
以上詳述したように、従来技術では鋼管においては管引張りや切り出しによる引張り試験では軸（子午線）方向の応力−ひずみ関係しか捉えることができなかったが、本発明により、円周方向塑性異方性：ｒθ値を単軸応力場で測定することや、材料異方性により歪履歴が変化する挙動も捕らえることが可能である等優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明例の試験装置を示す全体概要図で、図１（ａ）は、初期状態を示す全体概要平面図、図１（ｂ）は、初期状態を示す全体概要立面図、図１（ｃ）は、試験時を示す全体概要図平面図。
【図２】本発明の制御に用いる鋼管の変形を示す説明図。
【図３】本発明例の評価装置を用いて、加工ｎ値を変えた場合の破断限界線を求めた説明図。
【符号の説明】
１  金属管（鋼管）
２  支持部
３  内圧負荷増圧装置
４  軸方向荷重制御装置（シリンダーのデジタルサーボ制御）
５  軸方向歪測定装置
６  円周方向径測定装置
７  応力比制御手段
【図１】
0003756798.tif 000014
【図２】
0003756798.tif 000015
【図３】
0003756798.tif 000016