鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工方法
【課題】ワイヤロープの曲げ直径を十分に大きくすることができ、ワイヤロープの疲労寿命の向上ができる、更に加工後の管の減肉率や曲げ半径の制御が容易な鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工方法を提供することを目的とする。
【解決手段】鋼管１の外周面の一部を環状に加熱する加熱手段１２と、前記加熱部に圧縮力を付加する圧縮力付加手段７、９と、前記加熱手段により加熱される加熱部近傍を環状に冷却する冷却手段１７と、前記圧縮力の方向を前記加熱部の軸方向と平行に保つとともに、前記圧縮力付与手段の力点の位置を前記鋼管の加熱部の軸を挟んでその両側に保つための圧縮力案内部材４と、曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する拘束部材６と、前記曲げられた鋼管と前記加熱手段と前記冷却手段とを、未だ曲げられていない鋼管の軸方向へ相対移動させる駆動手段とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工装置。
【解決手段】鋼管１の外周面の一部を環状に加熱する加熱手段１２と、前記加熱部に圧縮力を付加する圧縮力付加手段７、９と、前記加熱手段により加熱される加熱部近傍を環状に冷却する冷却手段１７と、前記圧縮力の方向を前記加熱部の軸方向と平行に保つとともに、前記圧縮力付与手段の力点の位置を前記鋼管の加熱部の軸を挟んでその両側に保つための圧縮力案内部材４と、曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する拘束部材６と、前記曲げられた鋼管と前記加熱手段と前記冷却手段とを、未だ曲げられていない鋼管の軸方向へ相対移動させる駆動手段とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
外径５０ｍｍ以下の小口径ボイラーチューブを外径と同等あるいはそれ以下の小さな半径で曲げる従来の曲げ加工方法は図１１に示すように曲げ半径の内側だけを加熱し、金型を用いて回転引き曲げ法により曲げている。しかしこの方法は偏加熱により曲げ半径外側の肉厚減少を抑えようとするものであるから、金属組織的にも好ましいものではなく肉厚減少の抑制も顕著とは言えなかった。このような小口径ボイラーチューブを外径と同等あるいはそれ以下の小さな半径で曲げる加工に於いて、本出願人の発明した例えば、特許文献１の曲げ方法を適用しようとすると、機械設計上極めて小さな曲率でワイヤロープを曲げることになり、ワイヤロープのメーカーが推奨する曲率に適合させることが難しい。
【０００３】
図１２に本出願人の発明になる特許文献１の曲げ技術を用いてパイプを曲げるときのワイヤロープの位置を示す。ワイヤロープの位置は、曲げようとする側の「Ｄ／２」の範囲の中に設定している。
【０００４】
ワイヤロープメーカーのガイドブックによれば、図１３および図１４のようにワイヤロープの曲げを案内する円板外周の溝（シーブ）の径をＡとし、ワイヤロープの上素線径をδ（ｍｍ）としたときに、δ／Ａが大きいと（Ａ／δが小さいと）ワイヤロープの曲げ応力が大きくなり、ロープには早く疲労破断が生じて寿命が短くなることから次のような目安を提示している。
【０００５】
希望値 （Ａ／δ）＞１，０００
推奨値 （Ａ／δ）＞ ６００
最低値 （Ａ／δ）＞ ４５０
限度値 （Ａ／δ）＞ ３００
上記の目安を元にしてワイヤロープ径とシーブ径の関係を算出すると、表１となる。
【０００６】
例えば、ロープ径１０ｍｍを用いる場合は、シーブ径Ａを５７０ｍｍより大きくすることを提示している。
【０００７】
【表１】
【特許文献１】特許第３７９３７６２号公報
【特許文献２】特許第２９６７４８２号公報
【特許文献３】特許第３４００７６７号公報
【非特許文献１】東京製綱株式会社発行 ワイヤロープ（Ｎｏ．１８）６３ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記図１２の特許文献１の曲げ技術を用いて、ワイヤロープ（δ＝１０．０ｍｍ）の設定位置ｅを曲げようとする側の「パイプ外径／２」の範囲内に設定して（例えば１２．５ｍｍ）外径５０ｍｍ以下の小口径ボイラーチューブを、その外径と同等の５０ｍｍあるいはそれ以下の曲げ半径で曲げようとすると、パイプの曲げ半径Ｒとワイヤロープの曲げ直径Ａの関係はＡ＝２・（Ｒ−ｅ）であるから、ワイヤロープの曲げ直径はＡ＝７５ｍｍとなる。この値は前表に提示した（Ａ／δ）＞３００の目安値によるシーブ径（ワイヤロープの曲げ直径）１７１ｍｍよりも更に厳しい使用条件となるから、疲労寿命が早期に訪れることが予想される。
【０００９】
このような事態を設計の段階で回避するには、より細い上素線径δを持つ細いワイヤロープを複数列配置することで改善が可能であるが、特許文献１の装置及び方法においては、ワイヤロープの設定位置ｅを、曲げようとする側の「パイプ外径／２」の範囲内に限定しているために、ワイヤロープ径を細くすることによる改善効果も限定されていた。また、ワイヤロープ以外の索条としてチェーンも検討したが、パイプを曲げるに十分な強さのチェーンのコマは寸法も大きくなるので、チェーンの位置を曲げようとする側の「パイプ外径／２」の範囲に納めることができなかった。このようなことから、小口径でかつ小半径の曲げ加工を肉厚減少を抑制しながら曲げるには、ワイヤロープの位置を曲げようとする側の「パイプ外径／２」の範囲の外側に置くことができる装置及び方法を開発しなければならなかった。
【００１０】
更に、ワイヤロープの設定位置ｅを曲げようとする側の「パイプ径／２」の範囲内に設定しているため管の減肉率の制御や、曲げようとする管の半径Ｒの制御が非常に困難であるという問題があった。
【００１１】
本発明は、以上の点に着目してなされたものでワイヤロープの曲げ直径を十分に大きくすることができ、ワイヤロープの疲労寿命の向上ができる、更に加工後の管の減肉率や曲げ半径の制御が容易な鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工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】
【００１２】
本発明は、上述の目的を達成するため、以下（１）〜（５）の構成を備えるものである。
【００１３】
（１）鋼管の外周面の一部を環状に加熱する加熱手段と、前記加熱部に圧縮力を付加する圧縮力付加手段と、前記加熱手段により加熱される加熱部近傍を環状に冷却する冷却手段と、前記圧縮力付加手段の力点の位置を、前記鋼管加熱部の軸を挟んでその両側に保ち、前記圧縮力の方向を前記加熱部の軸方向と平行に保ちながら、前記鋼管加熱部を挟んだその両側の鋼管の作用点に圧縮力を付与するための圧縮力案内部材と、曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する拘束部材と、前記曲げられた鋼管と前記加熱手段と前記冷却手段とを、未だ曲げられていない鋼管の軸方向へ相対移動させる駆動手段とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工装置。
【００１４】
（２）前記圧縮力付加手段が、前記加熱された鋼管に圧縮力が付加されたときの塑性中立軸が所定の半径を形成するように、圧縮力を前記加熱された鋼管に付加するように制御されることを特徴とする前記（１）記載の鋼管曲げ加工装置。
【００１５】
（３）前記圧縮力付加手段が、ワイヤロープ又はチェーンによって、前記加熱された鋼管に圧縮力を付加する手段であることを特徴とする前記（１）又は（２）記載の鋼管曲げ加工装置。
【００１６】
（４）鋼管の外周面の一部を環状に加熱する工程と、前記加熱する工程により加熱された加熱部に、その軸方向の圧縮力を前記鋼管の軸を挟んでその両側から付加する工程と、前記加熱部近傍を環状に冷却する工程と、前記曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する工程と、前記曲げられた鋼管と前記加熱部及び前記冷却手段により冷却された冷却部を、未だ曲げられていない鋼管の軸方向に相対移動させる工程とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工方法。
【００１７】
（５）前記加熱する工程により加熱された加熱部に、その軸方向の圧縮力を前記鋼管の軸を挟んでその両側から付加する工程が、前記加熱及び圧縮された部分の塑性中立軸が、所定の半径を有するように圧縮力を付加する工程であることを特徴とする前記（４）記載の鋼管曲げ加工方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の鋼管曲げ加工装置及び方法は、ワイヤロープの位置を曲げようとする側の（パイプ外径／２）の範囲の外側に置くことができるので、ワイヤロープの曲げ直径Ａを十分に大きくすることができ、ワイヤロープの疲労寿命の向上ができるという利点がある。ボイラー鋼管の曲げ加工において、本発明を用いることにより曲げ加工による肉厚減少を防止でき、均熱曲げができるので、材料の節減および曲げ後の熱処理が不要となった。また本発明は、小口径パイプの小半径曲げ加工に限定されることなく大口径パイプの曲げ加工においても適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。
【実施例１】
【００２０】
図３に、外径Ｄ、長さＬのパイプが半径Ｒ、曲げ角度θで曲がったときの一般的な軸方向変形挙動を示す。曲げる前と曲げた後において、軸方向長さＬが変化しない位置の半径を塑性中立半径ｂとする。半径ｂより大きい位置においては軸方向に伸びが生じ、半径ｂより小さい位置においては軸方向に圧縮されている。いま塑性中立半径ｂに注目すると、半径ｂの仮想円が仮想直線Ｘ−Ｘ′に接しながら互いに滑らずに転がることにより、曲げ半径Ｒ及び曲げ角度θで曲げられていると考えることができる。従ってこの運動は、半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながらサイクロイド運動していると見ることができるのである。
【００２１】
図４に半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながら滑ることなく１８０°転がったときのサイクロイド運動の軌跡を示す。前記の図３に示した外径Ｄで長さＬのパイプが、半径Ｒで曲がったときの塑性中立半径ｂの運動に注目して示している。
【００２２】
図５では、半径ａおよび半径ｂの２つの円が一体となって同心円に置かれたモデルを考える。その同心円が前記図４と同様に半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながら互いに滑ることなく１８０°転がったときのサイクロイド運動の軌跡を示す。半径ｂの円が角度θだけ転がったときＸ方向の円板移動距離Ｓは、Ｓ＝ｂθである。
【００２３】
次に図５をＸＹ座標上のサイクロイド運動として解析する。円板の半径をａとし曲げ管の塑性中立半径をｂとする。パイプ先端は円板に固定されている。塑性中立半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′と互いに滑ることなく右方向にころがるときの半径ａの円板外周の座標（Ｘａ、Ｙａ）および塑性中立半径ｂの座標（Ｘｂ、Ｙｂ）のサイクロイド運動は次のように表すことができる。
【００２４】
ａ：円板の半径、ｂ：塑性中立半径、θ：ころがり角度、Ｓ：ころがり距離、λ：ａ／ｂ、Ｄ：パイプ外径とすると、
Ｘａ＝ｂ（θ−λｓｉｎθ）、Ｙａ＝ｂ（λｃｏｓθ−１）
Ｘｂ＝ｂ（θ―ｓｉｎθ）、Ｙｂ＝ｂ（ｃｏｓθ−１）
図６には半径ａおよび半径ｂの円板が一体となって同心円に置かれたモデルを考える。このモデルにおいて半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながら互いに滑ることなく角度θだけ転がったときのサイクロイド運動を示す。このとき半径ａの円板の外周にはワイヤロープを案内する溝があり、その溝に沿ってワイヤロープが巻かれている。転がる前のワイヤロープの両端末をＦおよびＧとし、円板が角度θだけ転がった後のワイヤロープの両端末をＦ′およびＧ′とする。端末Ｆの移動距離は（ａ＋ｂ）θであり、端末Ｇの移動距離は（ａ−ｂ）θである。従って逆に言えば、端末Ｆを（ａ＋ｂ）θだけ引張り、端末Ｇを（ａ−ｂ）θだけ繰り出せば、半径ｂの円板は直線Ｘ−Ｘ′に接しながら滑ることなく角度θだけ転がり、Ｓ＝ｂθだけ移動することになる。従って以上のことから、図５のようにワイヤロープを操作すれば図１の曲げ加工が実行できることがわかる。以下、具体的にその方法について述べる。
【００２５】
図７に本発明の課題であった、「ワイヤロープの位置を曲げようとする側の（パイプ外径／２）の範囲の外側に置く」ための原理を示す。パイプの両端に押圧板を置き、パイプを高周波加熱コイルにより円環状に加熱する。次に（パイプ外径／２）の範囲の外側に圧縮荷重ＷＦおよびＷＧを負荷する。圧縮荷重ＷＦおよびＷＧの総和Ｗ＝ＷＦ＋ＷＧは、パイプ加熱部を十分に圧縮できる大きさの荷重である。圧縮荷重ＷＦによる押圧板の移動量ΔＬＦおよび圧縮荷重ＷＧによる押圧板の移動量ΔＬＧの関係は、ΔＬＦ＞ΔＬＧである。このようにしてパイプを軸方向に圧縮すると、パイプは曲げ角度θに曲げられる。次にこの原理を具体化した装置の構造を以下に説明する。
【００２６】
図１に本発明の構造を示す。外径Ｄのパイプ１はクランプ２により半径ａの円板４に固着されている。高周波加熱コイル１１によりパイプ１の外周を円環状に加熱し、同コイルからパイプ１の外周を円環状に冷却するための冷却水１７が噴出している。円板４の外周にはワイヤロープ７を案内する溝が掘られており、そのワイヤロープ７の両端はジャッキ８およびジャッキ９と結合されている。いま、ジャッキ８および９に引張り力を発生させて円板４を図の右方向に引き寄せるとパイプ１には軸方向の圧縮力が発生する。するとパイプ加熱部１２の変形抵抗は隣接している非加熱部のパイプ１の変形抵抗よりも小さいので、加熱部１２にのみ塑性変形が集中する。このときジャッキ８および９の操作は次の様にして行う。
【００２７】
半径ｂの仮想円が図の右方向に反時計回りで転がるときの直線移動距離をＳとすると、半径ｂの仮想円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながら互いに滑らないで、Ｓ＝ｂθの関係をもって反時計回りで転がるようにジャッキ８および９の操作すると同時に、加熱コイル１１をＳだけ右へ移動する。するとパイプ１は曲げ半径Ｒ、曲げ角度θで曲がり、長さｂθだけ加熱コイルを通過して曲げられるのである。尚、曲げが進行するに従って曲がり部の外側半径部に順次に拘束板６を装着することにより、曲げ部の変形を防止する。
【００２８】
前記の操作は半径ｂの仮想円が、これと接する仮想直線と互いに滑らずに反時計回りに転がるようにジャッキ８および９を操作することであるから、半径ｂの仮想円板がサイクロイド運動をしていることになる。従って、半径ｂの仮想円板をサイクロイド運動させるためのジャッキ８および９の操作を
ジャッキ８の引張り長さ ΔＬＦ＝（ａ＋ｂ）θ
ジャッキ９の繰り出し長さΔＬＧ＝（ａ−ｂ）θ
とすることにより実現される。
【００２９】
前記までは半径ｂの仮想円が、これと接する仮想直線と「すべらないで」反時計回りに転がるようにジャッキ８および９を操作した。次に応用として、半径ｂの仮想円が、これと接する仮想直線と「すべりながら」時計回りに転がるようにジャッキを操作することもできる。
【００３０】
すべりながら転がる態様としてはＳ＞ｂθおよびＳ＜ｂθの２つがある。
【００３１】
Ｓ＞ｂθとする場合はΔＬＦおよびΔＬＧの長さを同じ比率で増加させる。すると塑性中立半径ｂが増大し、パイプを押し縮める効果が増大するので曲がり部の肉厚は、Ｓ＝ｂθの場合より増加する。
【００３２】
Ｓ＜ｂθとするときはΔＬＦおよびΔＬＧの長さを同じ比率で減少させる。すると塑性中立半径ｂが減少し、パイプを押し縮める効果が減少するので曲がり部の肉厚は、Ｓ＝ｂθの場合より減少する。さらにもう一つのすべりながら転がる態様としては、ΔＬＦおよびΔＬＧの長さをそれぞれ異なる比率で減少あるいは増加させることもできる。
【００３３】
図２は、図１と構造が同じである。図１においては架台１０を固定し円板４を移動させているが、図２はこれと逆に架台１０を距離Ｓだけ移動させ、円板４は固定したものである。図１および図２ともにジャッキ８および９の運動は同じである。
【００３４】
本発明は以上述べたような構造であるから、ワイヤロープの配置位置を、曲げようとする側の（パイプ外径／２）の範囲の外側に置くことができるので、ワイヤロープの曲げ直径Ａ＝２ａを十分に大きくすることが可能となった。これによりワイヤロープの疲労寿命を向上することとなる。
【００３５】
更に、従来に比較して加工後の管の減肉率と曲げ半径の制御が容易な鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工方法を提供することができる。
【実施例２】
【００３６】
図８に第２の実施例を示す。曲げようとするパイプ１は前部押圧板２と後部押圧板３に固着されており、前部押圧板２は円板４に固着され、後部押圧板３は架台１０に固着されている。円板４は台車１３に載せられており、円板の外周はスプロケット加工されていてチェーン７を介して引張りジャッキ８および繰り出し９につながれている。引張りジャッキ８および繰り出しジャッキ９は架台１０に固定されており、引張りジャッキ８は引張り速度Ｖ１Ｆおよび引張り力ＷＦを発生し、繰り出しジャッキ９は繰り出し速度Ｖ１Ｇおよび引張り力ＷＧを発生することによりパイプ１を軸方向に圧縮する。このときジャッキ８の引張り速度Ｖ１Ｆはジャッキ９の繰り出し速度Ｖ１Ｇよりも大きく設定している。台車１３はレール１５の上を車輪１４で自在に走行できる。加熱コイルおよび冷却コイルは、パイプの円周を局部的に狭い幅で加熱冷却しながら図外の移動装置により速度Ｖ２でパイプの軸方向に移動することにより、加熱部１２を狭い幅に保っている。すると加熱部１２は集中的に軸圧縮されるのであるが、加熱部断面の軸方向圧縮速度は不均等な傾きを与えられているので、圧縮速度の傾きによる圧縮量の傾きに応じて圧縮されるから、加熱部は曲げ角度θ曲げ半径Ｒをもつ形状に曲がる。このような局部的な圧縮加工が連続的に行われるので曲げ加工は連続して進行する。円板４には拘束板６を挿入する穴５があり、曲がり部の外側半径部分に拘束板６を挿入することにより曲がり部の変形を防止している。図９は円板４が１枚で構成された実施例であって、パイプ１を片持ちで支えている。図１０は円板４が２枚で構成された実施例であって、パイプ１を両持ちで支えている。
【００３７】
以上述べたように、チェーンを使用した場合においても、本発明の鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工方法を実現でき、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１の装置を示す図
【図２】本発明の実施例１の他の装置を示す図
【図３】曲げ加工によるパイプの軸方向長さ変化量と塑性中立半径の説明図
【図４】塑性中立半径ｂのサイクロイド運動の説明図
【図５】半径ａおよびｂからなる同心円のサイクロイド運動説明図
【図６】半径ａの円板を操作して半径ｂの円板をサイクロイド運動させる説明図
【図７】パイプ圧縮荷重の力点を（パイプ外径／２）の外側に置く説明図
【図８】本発明の実施例２の装置を示す図
【図９】実施例２において、円板４を１枚の構成とした装置の説明図
【図１０】実施例２において、円板４を２枚の構成とした装置の説明図
【図１１】従来の小口径パイプの曲げ加工方法を示す図
【図１２】特許文献１のワイヤロープ位置の説明図
【図１３】ワイヤロープの曲げ直径Ａの説明図である。
【図１４】ワイヤロープの断面形状と上素線径の説明図
【符号の説明】
【００３９】
１ パイプ
２ 前部押圧板
３ 後部押圧板
４ 円板
５ 拘束板挿入穴
６ 拘束板
７ ワイヤロープ、チェーンなどの索条
８ 引張りジャッキ
９ 繰り出しジャッキ
１０ 架台
１１ 高周波加熱コイル
１２ 加熱部
１３ 走行台車
１４ 車輪
１５ レール
１６ サポートローラー
１７ 冷却水
ａ 円板４の半径
Ａ ワイヤロープの曲げ直径
ｂ 塑性中立半径
Ｒ 曲げ半径
θ 曲げ角度
Ｄ パイプの外径
ｅ 特許文献１のワイヤロープ偏心位置
ＷＦ 引張りジャッキ８の引張り荷重
ＷＧ 繰り出しジャッキ９の引張り荷重
Ｗ 引張りジャッキ８の引張り荷重と繰り出しジャッキ９の引張り荷重の和
ΔＬＦ 引張りジャッキ８の引張り長さ
ΔＬＧ 繰り出しジャッキ９の繰り出し長さ
Ｖ１Ｆ 引張りジャッキ８の引張り速度
Ｖ１Ｇ 繰り出しジャッキ９の繰り出し速度
Ｖ２ パイプと高周波加熱コイルの相対移動速度および走行台車の移動速度
Ｓ パイプと高周波加熱コイルの相対移動距離および走行台車の移動距離
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
外径５０ｍｍ以下の小口径ボイラーチューブを外径と同等あるいはそれ以下の小さな半径で曲げる従来の曲げ加工方法は図１１に示すように曲げ半径の内側だけを加熱し、金型を用いて回転引き曲げ法により曲げている。しかしこの方法は偏加熱により曲げ半径外側の肉厚減少を抑えようとするものであるから、金属組織的にも好ましいものではなく肉厚減少の抑制も顕著とは言えなかった。このような小口径ボイラーチューブを外径と同等あるいはそれ以下の小さな半径で曲げる加工に於いて、本出願人の発明した例えば、特許文献１の曲げ方法を適用しようとすると、機械設計上極めて小さな曲率でワイヤロープを曲げることになり、ワイヤロープのメーカーが推奨する曲率に適合させることが難しい。
【０００３】
図１２に本出願人の発明になる特許文献１の曲げ技術を用いてパイプを曲げるときのワイヤロープの位置を示す。ワイヤロープの位置は、曲げようとする側の「Ｄ／２」の範囲の中に設定している。
【０００４】
ワイヤロープメーカーのガイドブックによれば、図１３および図１４のようにワイヤロープの曲げを案内する円板外周の溝（シーブ）の径をＡとし、ワイヤロープの上素線径をδ（ｍｍ）としたときに、δ／Ａが大きいと（Ａ／δが小さいと）ワイヤロープの曲げ応力が大きくなり、ロープには早く疲労破断が生じて寿命が短くなることから次のような目安を提示している。
【０００５】
希望値 （Ａ／δ）＞１，０００
推奨値 （Ａ／δ）＞ ６００
最低値 （Ａ／δ）＞ ４５０
限度値 （Ａ／δ）＞ ３００
上記の目安を元にしてワイヤロープ径とシーブ径の関係を算出すると、表１となる。
【０００６】
例えば、ロープ径１０ｍｍを用いる場合は、シーブ径Ａを５７０ｍｍより大きくすることを提示している。
【０００７】
【表１】
【特許文献１】特許第３７９３７６２号公報
【特許文献２】特許第２９６７４８２号公報
【特許文献３】特許第３４００７６７号公報
【非特許文献１】東京製綱株式会社発行 ワイヤロープ（Ｎｏ．１８）６３ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記図１２の特許文献１の曲げ技術を用いて、ワイヤロープ（δ＝１０．０ｍｍ）の設定位置ｅを曲げようとする側の「パイプ外径／２」の範囲内に設定して（例えば１２．５ｍｍ）外径５０ｍｍ以下の小口径ボイラーチューブを、その外径と同等の５０ｍｍあるいはそれ以下の曲げ半径で曲げようとすると、パイプの曲げ半径Ｒとワイヤロープの曲げ直径Ａの関係はＡ＝２・（Ｒ−ｅ）であるから、ワイヤロープの曲げ直径はＡ＝７５ｍｍとなる。この値は前表に提示した（Ａ／δ）＞３００の目安値によるシーブ径（ワイヤロープの曲げ直径）１７１ｍｍよりも更に厳しい使用条件となるから、疲労寿命が早期に訪れることが予想される。
【０００９】
このような事態を設計の段階で回避するには、より細い上素線径δを持つ細いワイヤロープを複数列配置することで改善が可能であるが、特許文献１の装置及び方法においては、ワイヤロープの設定位置ｅを、曲げようとする側の「パイプ外径／２」の範囲内に限定しているために、ワイヤロープ径を細くすることによる改善効果も限定されていた。また、ワイヤロープ以外の索条としてチェーンも検討したが、パイプを曲げるに十分な強さのチェーンのコマは寸法も大きくなるので、チェーンの位置を曲げようとする側の「パイプ外径／２」の範囲に納めることができなかった。このようなことから、小口径でかつ小半径の曲げ加工を肉厚減少を抑制しながら曲げるには、ワイヤロープの位置を曲げようとする側の「パイプ外径／２」の範囲の外側に置くことができる装置及び方法を開発しなければならなかった。
【００１０】
更に、ワイヤロープの設定位置ｅを曲げようとする側の「パイプ径／２」の範囲内に設定しているため管の減肉率の制御や、曲げようとする管の半径Ｒの制御が非常に困難であるという問題があった。
【００１１】
本発明は、以上の点に着目してなされたものでワイヤロープの曲げ直径を十分に大きくすることができ、ワイヤロープの疲労寿命の向上ができる、更に加工後の管の減肉率や曲げ半径の制御が容易な鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工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】
【００１２】
本発明は、上述の目的を達成するため、以下（１）〜（５）の構成を備えるものである。
【００１３】
（１）鋼管の外周面の一部を環状に加熱する加熱手段と、前記加熱部に圧縮力を付加する圧縮力付加手段と、前記加熱手段により加熱される加熱部近傍を環状に冷却する冷却手段と、前記圧縮力付加手段の力点の位置を、前記鋼管加熱部の軸を挟んでその両側に保ち、前記圧縮力の方向を前記加熱部の軸方向と平行に保ちながら、前記鋼管加熱部を挟んだその両側の鋼管の作用点に圧縮力を付与するための圧縮力案内部材と、曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する拘束部材と、前記曲げられた鋼管と前記加熱手段と前記冷却手段とを、未だ曲げられていない鋼管の軸方向へ相対移動させる駆動手段とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工装置。
【００１４】
（２）前記圧縮力付加手段が、前記加熱された鋼管に圧縮力が付加されたときの塑性中立軸が所定の半径を形成するように、圧縮力を前記加熱された鋼管に付加するように制御されることを特徴とする前記（１）記載の鋼管曲げ加工装置。
【００１５】
（３）前記圧縮力付加手段が、ワイヤロープ又はチェーンによって、前記加熱された鋼管に圧縮力を付加する手段であることを特徴とする前記（１）又は（２）記載の鋼管曲げ加工装置。
【００１６】
（４）鋼管の外周面の一部を環状に加熱する工程と、前記加熱する工程により加熱された加熱部に、その軸方向の圧縮力を前記鋼管の軸を挟んでその両側から付加する工程と、前記加熱部近傍を環状に冷却する工程と、前記曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する工程と、前記曲げられた鋼管と前記加熱部及び前記冷却手段により冷却された冷却部を、未だ曲げられていない鋼管の軸方向に相対移動させる工程とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工方法。
【００１７】
（５）前記加熱する工程により加熱された加熱部に、その軸方向の圧縮力を前記鋼管の軸を挟んでその両側から付加する工程が、前記加熱及び圧縮された部分の塑性中立軸が、所定の半径を有するように圧縮力を付加する工程であることを特徴とする前記（４）記載の鋼管曲げ加工方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の鋼管曲げ加工装置及び方法は、ワイヤロープの位置を曲げようとする側の（パイプ外径／２）の範囲の外側に置くことができるので、ワイヤロープの曲げ直径Ａを十分に大きくすることができ、ワイヤロープの疲労寿命の向上ができるという利点がある。ボイラー鋼管の曲げ加工において、本発明を用いることにより曲げ加工による肉厚減少を防止でき、均熱曲げができるので、材料の節減および曲げ後の熱処理が不要となった。また本発明は、小口径パイプの小半径曲げ加工に限定されることなく大口径パイプの曲げ加工においても適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。
【実施例１】
【００２０】
図３に、外径Ｄ、長さＬのパイプが半径Ｒ、曲げ角度θで曲がったときの一般的な軸方向変形挙動を示す。曲げる前と曲げた後において、軸方向長さＬが変化しない位置の半径を塑性中立半径ｂとする。半径ｂより大きい位置においては軸方向に伸びが生じ、半径ｂより小さい位置においては軸方向に圧縮されている。いま塑性中立半径ｂに注目すると、半径ｂの仮想円が仮想直線Ｘ−Ｘ′に接しながら互いに滑らずに転がることにより、曲げ半径Ｒ及び曲げ角度θで曲げられていると考えることができる。従ってこの運動は、半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながらサイクロイド運動していると見ることができるのである。
【００２１】
図４に半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながら滑ることなく１８０°転がったときのサイクロイド運動の軌跡を示す。前記の図３に示した外径Ｄで長さＬのパイプが、半径Ｒで曲がったときの塑性中立半径ｂの運動に注目して示している。
【００２２】
図５では、半径ａおよび半径ｂの２つの円が一体となって同心円に置かれたモデルを考える。その同心円が前記図４と同様に半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながら互いに滑ることなく１８０°転がったときのサイクロイド運動の軌跡を示す。半径ｂの円が角度θだけ転がったときＸ方向の円板移動距離Ｓは、Ｓ＝ｂθである。
【００２３】
次に図５をＸＹ座標上のサイクロイド運動として解析する。円板の半径をａとし曲げ管の塑性中立半径をｂとする。パイプ先端は円板に固定されている。塑性中立半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′と互いに滑ることなく右方向にころがるときの半径ａの円板外周の座標（Ｘａ、Ｙａ）および塑性中立半径ｂの座標（Ｘｂ、Ｙｂ）のサイクロイド運動は次のように表すことができる。
【００２４】
ａ：円板の半径、ｂ：塑性中立半径、θ：ころがり角度、Ｓ：ころがり距離、λ：ａ／ｂ、Ｄ：パイプ外径とすると、
Ｘａ＝ｂ（θ−λｓｉｎθ）、Ｙａ＝ｂ（λｃｏｓθ−１）
Ｘｂ＝ｂ（θ―ｓｉｎθ）、Ｙｂ＝ｂ（ｃｏｓθ−１）
図６には半径ａおよび半径ｂの円板が一体となって同心円に置かれたモデルを考える。このモデルにおいて半径ｂの円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながら互いに滑ることなく角度θだけ転がったときのサイクロイド運動を示す。このとき半径ａの円板の外周にはワイヤロープを案内する溝があり、その溝に沿ってワイヤロープが巻かれている。転がる前のワイヤロープの両端末をＦおよびＧとし、円板が角度θだけ転がった後のワイヤロープの両端末をＦ′およびＧ′とする。端末Ｆの移動距離は（ａ＋ｂ）θであり、端末Ｇの移動距離は（ａ−ｂ）θである。従って逆に言えば、端末Ｆを（ａ＋ｂ）θだけ引張り、端末Ｇを（ａ−ｂ）θだけ繰り出せば、半径ｂの円板は直線Ｘ−Ｘ′に接しながら滑ることなく角度θだけ転がり、Ｓ＝ｂθだけ移動することになる。従って以上のことから、図５のようにワイヤロープを操作すれば図１の曲げ加工が実行できることがわかる。以下、具体的にその方法について述べる。
【００２５】
図７に本発明の課題であった、「ワイヤロープの位置を曲げようとする側の（パイプ外径／２）の範囲の外側に置く」ための原理を示す。パイプの両端に押圧板を置き、パイプを高周波加熱コイルにより円環状に加熱する。次に（パイプ外径／２）の範囲の外側に圧縮荷重ＷＦおよびＷＧを負荷する。圧縮荷重ＷＦおよびＷＧの総和Ｗ＝ＷＦ＋ＷＧは、パイプ加熱部を十分に圧縮できる大きさの荷重である。圧縮荷重ＷＦによる押圧板の移動量ΔＬＦおよび圧縮荷重ＷＧによる押圧板の移動量ΔＬＧの関係は、ΔＬＦ＞ΔＬＧである。このようにしてパイプを軸方向に圧縮すると、パイプは曲げ角度θに曲げられる。次にこの原理を具体化した装置の構造を以下に説明する。
【００２６】
図１に本発明の構造を示す。外径Ｄのパイプ１はクランプ２により半径ａの円板４に固着されている。高周波加熱コイル１１によりパイプ１の外周を円環状に加熱し、同コイルからパイプ１の外周を円環状に冷却するための冷却水１７が噴出している。円板４の外周にはワイヤロープ７を案内する溝が掘られており、そのワイヤロープ７の両端はジャッキ８およびジャッキ９と結合されている。いま、ジャッキ８および９に引張り力を発生させて円板４を図の右方向に引き寄せるとパイプ１には軸方向の圧縮力が発生する。するとパイプ加熱部１２の変形抵抗は隣接している非加熱部のパイプ１の変形抵抗よりも小さいので、加熱部１２にのみ塑性変形が集中する。このときジャッキ８および９の操作は次の様にして行う。
【００２７】
半径ｂの仮想円が図の右方向に反時計回りで転がるときの直線移動距離をＳとすると、半径ｂの仮想円が直線Ｘ−Ｘ′に接しながら互いに滑らないで、Ｓ＝ｂθの関係をもって反時計回りで転がるようにジャッキ８および９の操作すると同時に、加熱コイル１１をＳだけ右へ移動する。するとパイプ１は曲げ半径Ｒ、曲げ角度θで曲がり、長さｂθだけ加熱コイルを通過して曲げられるのである。尚、曲げが進行するに従って曲がり部の外側半径部に順次に拘束板６を装着することにより、曲げ部の変形を防止する。
【００２８】
前記の操作は半径ｂの仮想円が、これと接する仮想直線と互いに滑らずに反時計回りに転がるようにジャッキ８および９を操作することであるから、半径ｂの仮想円板がサイクロイド運動をしていることになる。従って、半径ｂの仮想円板をサイクロイド運動させるためのジャッキ８および９の操作を
ジャッキ８の引張り長さ ΔＬＦ＝（ａ＋ｂ）θ
ジャッキ９の繰り出し長さΔＬＧ＝（ａ−ｂ）θ
とすることにより実現される。
【００２９】
前記までは半径ｂの仮想円が、これと接する仮想直線と「すべらないで」反時計回りに転がるようにジャッキ８および９を操作した。次に応用として、半径ｂの仮想円が、これと接する仮想直線と「すべりながら」時計回りに転がるようにジャッキを操作することもできる。
【００３０】
すべりながら転がる態様としてはＳ＞ｂθおよびＳ＜ｂθの２つがある。
【００３１】
Ｓ＞ｂθとする場合はΔＬＦおよびΔＬＧの長さを同じ比率で増加させる。すると塑性中立半径ｂが増大し、パイプを押し縮める効果が増大するので曲がり部の肉厚は、Ｓ＝ｂθの場合より増加する。
【００３２】
Ｓ＜ｂθとするときはΔＬＦおよびΔＬＧの長さを同じ比率で減少させる。すると塑性中立半径ｂが減少し、パイプを押し縮める効果が減少するので曲がり部の肉厚は、Ｓ＝ｂθの場合より減少する。さらにもう一つのすべりながら転がる態様としては、ΔＬＦおよびΔＬＧの長さをそれぞれ異なる比率で減少あるいは増加させることもできる。
【００３３】
図２は、図１と構造が同じである。図１においては架台１０を固定し円板４を移動させているが、図２はこれと逆に架台１０を距離Ｓだけ移動させ、円板４は固定したものである。図１および図２ともにジャッキ８および９の運動は同じである。
【００３４】
本発明は以上述べたような構造であるから、ワイヤロープの配置位置を、曲げようとする側の（パイプ外径／２）の範囲の外側に置くことができるので、ワイヤロープの曲げ直径Ａ＝２ａを十分に大きくすることが可能となった。これによりワイヤロープの疲労寿命を向上することとなる。
【００３５】
更に、従来に比較して加工後の管の減肉率と曲げ半径の制御が容易な鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工方法を提供することができる。
【実施例２】
【００３６】
図８に第２の実施例を示す。曲げようとするパイプ１は前部押圧板２と後部押圧板３に固着されており、前部押圧板２は円板４に固着され、後部押圧板３は架台１０に固着されている。円板４は台車１３に載せられており、円板の外周はスプロケット加工されていてチェーン７を介して引張りジャッキ８および繰り出し９につながれている。引張りジャッキ８および繰り出しジャッキ９は架台１０に固定されており、引張りジャッキ８は引張り速度Ｖ１Ｆおよび引張り力ＷＦを発生し、繰り出しジャッキ９は繰り出し速度Ｖ１Ｇおよび引張り力ＷＧを発生することによりパイプ１を軸方向に圧縮する。このときジャッキ８の引張り速度Ｖ１Ｆはジャッキ９の繰り出し速度Ｖ１Ｇよりも大きく設定している。台車１３はレール１５の上を車輪１４で自在に走行できる。加熱コイルおよび冷却コイルは、パイプの円周を局部的に狭い幅で加熱冷却しながら図外の移動装置により速度Ｖ２でパイプの軸方向に移動することにより、加熱部１２を狭い幅に保っている。すると加熱部１２は集中的に軸圧縮されるのであるが、加熱部断面の軸方向圧縮速度は不均等な傾きを与えられているので、圧縮速度の傾きによる圧縮量の傾きに応じて圧縮されるから、加熱部は曲げ角度θ曲げ半径Ｒをもつ形状に曲がる。このような局部的な圧縮加工が連続的に行われるので曲げ加工は連続して進行する。円板４には拘束板６を挿入する穴５があり、曲がり部の外側半径部分に拘束板６を挿入することにより曲がり部の変形を防止している。図９は円板４が１枚で構成された実施例であって、パイプ１を片持ちで支えている。図１０は円板４が２枚で構成された実施例であって、パイプ１を両持ちで支えている。
【００３７】
以上述べたように、チェーンを使用した場合においても、本発明の鋼管曲げ加工装置及び鋼管曲げ加工方法を実現でき、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１の装置を示す図
【図２】本発明の実施例１の他の装置を示す図
【図３】曲げ加工によるパイプの軸方向長さ変化量と塑性中立半径の説明図
【図４】塑性中立半径ｂのサイクロイド運動の説明図
【図５】半径ａおよびｂからなる同心円のサイクロイド運動説明図
【図６】半径ａの円板を操作して半径ｂの円板をサイクロイド運動させる説明図
【図７】パイプ圧縮荷重の力点を（パイプ外径／２）の外側に置く説明図
【図８】本発明の実施例２の装置を示す図
【図９】実施例２において、円板４を１枚の構成とした装置の説明図
【図１０】実施例２において、円板４を２枚の構成とした装置の説明図
【図１１】従来の小口径パイプの曲げ加工方法を示す図
【図１２】特許文献１のワイヤロープ位置の説明図
【図１３】ワイヤロープの曲げ直径Ａの説明図である。
【図１４】ワイヤロープの断面形状と上素線径の説明図
【符号の説明】
【００３９】
１ パイプ
２ 前部押圧板
３ 後部押圧板
４ 円板
５ 拘束板挿入穴
６ 拘束板
７ ワイヤロープ、チェーンなどの索条
８ 引張りジャッキ
９ 繰り出しジャッキ
１０ 架台
１１ 高周波加熱コイル
１２ 加熱部
１３ 走行台車
１４ 車輪
１５ レール
１６ サポートローラー
１７ 冷却水
ａ 円板４の半径
Ａ ワイヤロープの曲げ直径
ｂ 塑性中立半径
Ｒ 曲げ半径
θ 曲げ角度
Ｄ パイプの外径
ｅ 特許文献１のワイヤロープ偏心位置
ＷＦ 引張りジャッキ８の引張り荷重
ＷＧ 繰り出しジャッキ９の引張り荷重
Ｗ 引張りジャッキ８の引張り荷重と繰り出しジャッキ９の引張り荷重の和
ΔＬＦ 引張りジャッキ８の引張り長さ
ΔＬＧ 繰り出しジャッキ９の繰り出し長さ
Ｖ１Ｆ 引張りジャッキ８の引張り速度
Ｖ１Ｇ 繰り出しジャッキ９の繰り出し速度
Ｖ２ パイプと高周波加熱コイルの相対移動速度および走行台車の移動速度
Ｓ パイプと高周波加熱コイルの相対移動距離および走行台車の移動距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管の外周面の一部を環状に加熱する加熱手段と、
前記加熱部に圧縮力を付加する圧縮力付加手段と、
前記加熱手段により加熱される加熱部近傍を環状に冷却する冷却手段と、
前記圧縮力付加手段の力点の位置を、前記鋼管加熱部の軸を挟んでその両側に保ち、前記圧縮力の方向を前記加熱部の軸方向と平行に保ちながら、前記鋼管加熱部を挟んだその両側の鋼管の作用点に圧縮力を付与するための圧縮力案内部材と、
曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する拘束部材と、
前記曲げられた鋼管と前記加熱手段と前記冷却手段とを、未だ曲げられていない鋼管の軸方向へ相対移動させる駆動手段とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工装置。
【請求項２】
前記圧縮力付加手段が、前記加熱された鋼管に圧縮力が付加されたときの塑性中立軸が所定の半径を形成するように、圧縮力を前記加熱された鋼管に付加するように制御されることを特徴とする請求項１記載の鋼管曲げ加工装置。
【請求項３】
前記圧縮力付加手段が、ワイヤロープ又はチェーンによって、前記加熱された鋼管に圧縮力を付加する手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼管曲げ加工装置。
【請求項４】
鋼管の外周面の一部を環状に加熱する工程と、
前記加熱する工程により加熱された加熱部に、その軸方向の圧縮力を前記鋼管の軸を挟んでその両側から付加する工程と、
前記加熱部近傍を環状に冷却する工程と、
前記曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する工程と、
前記曲げられた鋼管と前記加熱部及び前記冷却手段により冷却された冷却部を、未だ曲げられていない鋼管の軸方向に相対移動させる工程とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工方法。
【請求項５】
前記加熱する工程により加熱された加熱部に、その軸方向の圧縮力を前記鋼管の軸を挟んでその両側から付加する工程が、前記加熱及び圧縮された部分の塑性中立軸が、所定の半径を有するように圧縮力を付加する工程であることを特徴とする請求項４記載の鋼管曲げ加工方法。
【請求項１】
鋼管の外周面の一部を環状に加熱する加熱手段と、
前記加熱部に圧縮力を付加する圧縮力付加手段と、
前記加熱手段により加熱される加熱部近傍を環状に冷却する冷却手段と、
前記圧縮力付加手段の力点の位置を、前記鋼管加熱部の軸を挟んでその両側に保ち、前記圧縮力の方向を前記加熱部の軸方向と平行に保ちながら、前記鋼管加熱部を挟んだその両側の鋼管の作用点に圧縮力を付与するための圧縮力案内部材と、
曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する拘束部材と、
前記曲げられた鋼管と前記加熱手段と前記冷却手段とを、未だ曲げられていない鋼管の軸方向へ相対移動させる駆動手段とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工装置。
【請求項２】
前記圧縮力付加手段が、前記加熱された鋼管に圧縮力が付加されたときの塑性中立軸が所定の半径を形成するように、圧縮力を前記加熱された鋼管に付加するように制御されることを特徴とする請求項１記載の鋼管曲げ加工装置。
【請求項３】
前記圧縮力付加手段が、ワイヤロープ又はチェーンによって、前記加熱された鋼管に圧縮力を付加する手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼管曲げ加工装置。
【請求項４】
鋼管の外周面の一部を環状に加熱する工程と、
前記加熱する工程により加熱された加熱部に、その軸方向の圧縮力を前記鋼管の軸を挟んでその両側から付加する工程と、
前記加熱部近傍を環状に冷却する工程と、
前記曲げられた鋼管が所定の曲げ半径を保つように前記鋼管を拘束する工程と、
前記曲げられた鋼管と前記加熱部及び前記冷却手段により冷却された冷却部を、未だ曲げられていない鋼管の軸方向に相対移動させる工程とからなることを特徴とする鋼管曲げ加工方法。
【請求項５】
前記加熱する工程により加熱された加熱部に、その軸方向の圧縮力を前記鋼管の軸を挟んでその両側から付加する工程が、前記加熱及び圧縮された部分の塑性中立軸が、所定の半径を有するように圧縮力を付加する工程であることを特徴とする請求項４記載の鋼管曲げ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−１３１８６７（Ｐ２００９−１３１８６７Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０８７０６（Ｐ２００７−３０８７０６）
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（３９８００８２８４）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（３９８００８２８４）
【Ｆターム（参考）】
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