JPH0479728B2

JPH0479728B2 -

Info

Publication number: JPH0479728B2
Application number: JP1498387A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Kojima
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-01-24
Filing date: 1987-01-24
Publication date: 1992-12-16
Also published as: JPS63183720A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞この発明は、管壁の座屈や偏肉を生じることな
く、しかも高い材料歩留りでエルボを製造する方
法に関するものである。

通常、各種プラント等における配管の曲がり部
には第４図に示す如きエルボ１が使用されるが、
このエルボは中心角〔θ〕を基準として“45°エ
ルボ”、“90°エルボ”等のような種類分けがなさ
れている。また、一方でエルボの外径〔Ｄ〕ごと
に大小二種類の軸心曲率半径〔Ｒ〕のものが規定
されており、各々“ロングエルボ”及び“シヨー
トエルボ”と称されている。なお、ロングエルボ
のＲ／Ｄは約1.11〜1.76、シヨートエルボのＲ／
Ｄは約0.74〜1.0である。

この発明は、中心角が45°のロングエルボ及び
シヨートエルボであつて、かつｔ／Ｄ（ｔは肉厚）
が0.05以下の薄肉品を製造するのに好適なエルボ
の製造方法に関するものである。

＜従来技術とその問題点＞一般に45°エルボを製造する場合には、まず90°
エルボを成形し、これを２分割して２個の製品を
得る方法が“歩留り”及び“加工能率”の点から
みて有利とされている。そして、前記ｔ／Ｄが約
0.1以下の薄肉90°エルボを直管材から成形する最
も普通の方法として“マンドレル成形法”をあげ
ることができる。

第５図は前記マンドレル成形法の一例を示すも
のであるが、この方法においては、先端部に向か
つて徐々に太径となると共に先端近傍の軸心曲率
半径がほぼ製品エルボの曲率半径Ｒに等しいキセ
ル形状のマンドレル２が使用される。そして、成
形は予め90°エルボ１個が採取できる長さに切断
した直状素管３をマンドレル２の細径側から連続
して差し込むと共に、これら素管３を繰り出し装
置（図示せず）にてマンドレル先端に向かつて押
し込み前進させることにより実施されるが、マン
ドレル２に沿つて前進する素管３は加熱炉４で加
熱されて変形抵抗を減じられ、マンドレル形状に
なじむように拡管しつつ曲げられてほぼエルボの
曲率通りの半成品５となる。

このマンドレル成形法は、ワークの外側面を拘
束していないので、それのみで半成品５の全長に
わたつ円断縁談面を確保することが困難であり、
従つてこれに続く“仕上げ成形”が必要である。
そのため半成品５の断面は、通常、第５図に示す
ようにD_a＝1.05D_b〜1.10D_b程度の楕円形状でかつ
D_bが製品エルボの径Ｄよりわずかに小さくなる
ように成形されている。そして、仕上げ成形は、
第６図に示す如く、製品エルボの外郭形状と同一
形状のダイス穴を構成する上下一対のダイス６_a，
６_bを用い、これにより前記半製品５をプレス成
形して所定寸法の真円断面形状とする形態で実施
される。

第７図ａは上述のような工程を経て得られる仕
上げ成形品７を示しているが、この仕上げ成形品
７は破線８_a，８_b，８_cの位置で切断されて45°エ
ルボの半成品９_a，９_bとされ、次いで加熱時に生
じたスケールの除去が行われると共に、必要に応
じて熱処理が施され、第７図ｂに示す45°エルボ
１０となされる。

このマンドレル成形法は、第５図で示したよう
に長尺のマンドレル２に多数の直状素管３を直列
に挿入し、次から次へと押し出す加工法であるた
め生産能率が高い成形法であるが、反面、次のよ
うな問題点を有していた。即ち、 (a) 半成品５の内面にマンドレル２の先端太径部
との摺動による擦り疵が生じ易い。

(b) 素管３には拡管に伴う軸圧縮力が作用し、
ｔ／Ｄが極端に小さい場合には、加熱開始点付
近で素管３と先行材３′に第８図に示す如き
“しわ”１１が生じる。

そして、前記(a)の内面擦り疵に対して素管３の
内面に潤滑剤を塗布する対策が必要であるが、そ
のための工数はばかにならず、しかもマンドレル
表面の平滑保持にも多大の注意が必要であつた。
その上、ステンレス鋼等の擦り疵を生じ易い材質
に対してはエルボ内面の研磨手入工程を必要とす
るケースが多く、生産能率が低下すると言う不都
合も無視できなかつた。

また、前記(b)で指摘した“しわ”１１を生ずる
ことなしに成形できる限界のｔ／ＤはＤが大きい
ほど小さくなる傾向にあり、また炭素鋼よりもス
テンレス鋼の方が大きい（例えばＤ＝114.3mmの
場合にはロングエルボ、シヨートエルボともに炭
素鋼が0.025でステンレス鋼が0.035、そしてＤ＝
60.5mmの場合には、炭素鋼が0.045でステンレス
鋼が0.06）。従つて、小径の薄肉管、それもステ
ンレス鋼管においてはマンドレル成形方の適用は
大きな制限を受けていたのである。

もつとも、マンドレル成形法で成形できない薄
肉のエルボを直管素材から成形する方法としては
“液圧バルジ成形法”が知られている。第９図は
その一例としての特開昭57−19114号公報に開示
されている方法を示すもので、この方法は、第９
図ａに示す如くまず直状素管３を上金型１２と押
え型１３，１３′で挟むと共に素管両端をピスト
ン１４，１４′で保持し、素管内を油で置換すべ
く油注入口１５から油を注入し素管内を充満させ
て内圧を付加する。なお、符号１６は空気抜き孔
を示している。この操作に続いて、下型１７が図
示しない装置によつて上昇せしめられると同時に
ピストン１４，１４′の前進が開始され、第９図
ｂに示すように上下金型が密着して曲げ加工が完
了する。

ここで、成形に際して内圧を付加するのは、曲
げによる管壁の座曲や真円度不良を生じにくくす
るのためであるが、それでもエルボの曲率半径が
小さくかつ素管のt₀／D₀（t₀は肉厚、D₀は外径）
が小さい場合には座屈や真円度不良を避けること
は極めて困難であつた。そのため、このような問
題を生じるときには、曲げが完了した時点で内圧
を高めてワーク外面を上下金型に十分なじませる
仕上げ成形が行われていた。

しかしながら、座屈が大きい場合には上記仕上
げ成形方法によつても矯正しきれないので、例え
ば特開昭55−77934号公報に記載されているよう
な、軸方向の引張力と内圧とを同時に付加しなが
ら曲げる方法等を格別に適用しなければならなか
つた。勿論、この場合には管端シーリング機構の
複雑な装置を採用する必要があり、そのための成
形コストアツプは非常に大きなものであつた。

しかも、これら液圧バルジ成形法は何れもエル
ボの曲率を金型による曲げ加工で得ようとするも
のであるので、エルボの腹側（第４図中のイ，
ロ）が背側（第４図中のハ，ニ）よりも厚肉とな
るのは避けられないとの問題もあつた。これを避
けるために偏肉した素管を使用することも考えら
れるが、この場合には素管の製作コストが高くな
るのを如何ともし難かつた。

更に、成形の際の軸力を有効に伝達しなければ
成らないため、素管の曲げ形状は第９図に示され
るものに限定されてしまい、従つて１個の素管か
ら採取できる45°エルボの数は第１０図に示すよ
うに高々４個に過ぎないと言う製造能率や材料歩
留り上の不満も解消できなかつた。

＜問題点を解決するための手段＞この発明は、上記の如き従来のマンドレル成形
法や液圧バルジ成形法を利用したエルボ製造法に
見られる各問題点を解消し、挫屈や偏肉を生じる
ことなく、しかも十分に満足できる作業能率や材
料歩留りの下で所望寸法・形状のエルボを安定し
て製造すべく行われた本発明者等の研究により完
成されたものであり、「エルボの製造に際して、製品エルボよりも小
径の直状素管を成形ダイスで保持すると共に、該
素管に軸圧と内圧とを付加して中央部の一方の管
壁｛Ｘ：第２図ｂ参照｝を管軸と直交する一つの
方向に、また該中央部を挟む２カ所の前記とは反
対側の管壁Ｙ，Ｚを前記方向とは反対方向にそれ
ぞれ製品エルボ外径まで膨張隆起させてエルボ背
側形状に成形し、次いでこれら隆起部に隣接した
左右管端側に同様の膨張隆起加工を施す（成形エ
ルボの数が多い場合にはこれを順次繰り返す）こ
とによつてエルボの背側と腹側が長手方向に交互
に組み合わされた蛇行形状の管となした後、これ
を輪切り切断することにより前記目的を達成した
点」に特徴を有するものである。

以下、第１乃至２図に基づいてその内容をより
詳細に説明する。

まず、この発明の方法に従つた直状素管の成形
によつて得られるエルボの中間製品は、第１図に
その一例を示す如く、複数個のエルボ部分１８の
背側及び腹側が交互に組み合わされた蛇行管１９
である。ここで、蛇行部の外径Ｄ及び軸心曲率半
径Ｒはそれぞれ製品たる45°エルボのそれらに等
しくなつている。

なお、第１図において、隣接する各エルボ部分
１８，１８間に破線で示したリング状部分２０
は、成形完了後にエルボを切り出し採取するため
の切断余長であり、該切断はこのリング状部分２
０の中間位置でなされる。そして、切断後は必要
に応じて熱処理や管端ベベル加工が施こされて製
品エルボとされる。

また、エルボの中間製品である蛇行管１９の両
端にはエルボ部分１８の腹側に連なる小さなふく
らみ２１が設けられているが、これは蛇行管１９
の両端に位置する膨張隆起部分（エルボ部分１
８）からも正常なエルボを採取するためのもので
あり、このふくらみ２１が存在しないでこの部分
が直状素管形状のままだと、蛇行管両端に位置す
る膨張隆起部分からは正常なエルボを切り出せな
いことは第１図からも容易に理解されるはずであ
る。なお、蛇行管１９の両端部での外径D₀は素
管の外径に等しく、蛇行部の外径Ｄと該D₀との
関係はＤ＞D₀で示される。

このような蛇行管１９は、第２図で示すような
液圧バルジ成形工程を経て直状素管から製造され
る。

まず、外径D₀、肉厚t₀、長さl₀の直状素管３
は、第２図ａに示される如く、上下一対の成形ダ
イス２２，２２′にセツトされ保持される。

なお、この上下の成形ダイス２２，２２′は図
示しない加圧装置によつて互いに密着保持されて
おり、図中の破線２３は両者の合わせ面を示す。
そして、該上下成形ダイス２２，２２′は、両端
側に内径D₀のストレート部２４と、中央部に内
径Ｄ、軸心曲率半径Ｒ（Ｄは製品エルボ外径、Ｒ
は製品エルボの軸心曲率半径）の蛇行部２５を有
するダイス穴を構成しており、蛇行部２５は状成
形ダイス側に１ケ所、下成形ダイス側にこれを挟
んで２ケ上形成された凹部によつて構成されてい
る。

符号２６で示されるものはダイス穴のストレー
ト部２４内を摺動するピストンであるが、直状素
管３が成形ダイスにセツトされると該ピストン２
６，２６がダイス穴に侵入し、それぞれ直状素管
の両端に密着する。

これに続いて、ピストン２６，２６に設けた空
気抜き孔を兼ねた小孔２７を通して素管３内に作
動液が注入・充満される。この作動液によつて素
管３の内圧を高めると共にピストン２６，２６を
両端側から対向して前進させると、第２図ｂに示
されるように、素管３は外方に膨出してその外面
をダイス穴の蛇行部２５の内面壁に密着すること
となり一次成形品２８が得られる。

ここで、素管３の変形挙動に着目すると、素管
３は内圧により蛇行部２５において外径がD₀か
らＤまで膨張する際、蛇行部２５内の部分は軸方
向に縮もうとするが、ダイ穴ストレート部２４と
素管との摩擦がこれを阻害することとなる。そし
て、このように縮み変形が阻害されると蛇行部２
５内に位置する部分の素管肉厚は減少し、材料に
よつては破断に至る危険がある。従つて、これを
防止するためピストン２６，２６による軸圧力で
材料の軸方向移動を助けなければならない。

上記一次成形加工が終わると、得られた一次成
形品２８内の作動液が排出され、ピストン２６，
２６の後退が行われると共に上下成形ダイス２
２，２２′が分離されて一次成形作業が完了する。

次いで、一次成形品２８は、第２図ｃに示すよ
うに、新たな上下の成形ダイス２９，２９′にセ
ツトされて保持され、前記成形部以外の部分に液
圧バルジ加工が施される。このとき使用される成
形ダイス２９，２９′は、一次成形品２８の蛇行
部の左右管端側隣接部に新たなる蛇行部をそれぞ
れ形成するためのダイス穴を有している。そし
て、ピストン２６，２６による軸圧及び内圧の付
加方法は第一次成形作業の時と同様であり、成形
終了の状態を第２図ｄに示す。

この第２図は、２回の液圧バルジ加工によつて
蛇行管１９を成形する場合について示したが、蛇
行部が更に長く続くものであつても中央部から左
右に蛇行部を順次広げていく成形方式は同様で、
単に成形回数を増加させるのみで安定な成形が行
える。

ところで、第３図で示すように、蛇行管１９を
成形するに際し直状素管３を始めから上下の成形
ダイス３０，３０′にセツトして一挙に成形する
方法も考えられるが、この場合には素管３のエル
ボの背側となる部分、即ち上成形ダイス３０の凹
部３１，３１…及び下成形ダイス３０′の凹部３
１′，３１′…に軸方向張力が発生して大きな減肉
を生じ、破断を引き起こし易いので決して好まし
い方法とは言えない。

これに対し、この発明の方法に係る液圧バルジ
加工においても拡管に伴つた素管の減肉は生じる
が、この場合の減肉は蛇行部全域でほぼ均等なも
のであるので、均一肉圧のエルボの成形を安定し
て実施することができる。

上述のように、この発明の方法はエルボの形状
を内圧による拡管で得る点に一つの大きな特徴を
有しており、第１１図に矢印ｍ，m′で示すよう
に、上、下成形ダイス２２，２２′の内郭形状に
沿わせることに伴う曲げは肉厚断面に加えられる
に過ぎない。諏訪ち、座屈や偏肉の原因となる素
管断面全体の曲げ加工は作用しない。

また、第１２図における拡管比Ｄ／D₀（D₀：素
管外径、Ｄ：エルボ外径）は幾何学的に次の(1)式
で計算される。

Ｄ／D₀＝１／１−２（１−cosθ）Ｒ／Ｄ−ｇ／Ｄsinθ
……(1) ここで、θはエルボの中心半角、Ｒはエルボ軸
心の曲率半径、ｇは切断余長部（リング状部分）
２０の幅である。

従つて、Ｒ／Ｄが小さいほどＤ／D₀が小さく
なる。即ち、Ｒ／Ｄが小さいほど円周方向の変形
量が減少する。

従来の管断面全体の曲げによる製造法では、エ
ルボに加えられる変形量はＲ／Ｄが小さいほど増
加することから、本発明に係る加工法は従来法に
見られない特徴を有することが分かる。

次に、上記(1)式で拡管比Ｄ／D₀を試算してみ
る。まず、ｇ／Ｄを0.1と仮定し、θ＝22.5°（45°
エルボ）とする。この場合、エルボの規格のＲ／
Ｄの最小値0.74に対してはＤ／D₀＝1.18、Ｒ／Ｄ
の最大値1.76に対してはＤ／D₀＝1.44となる。

一方、本発明者等の実験によると、例えば
SUS304ステンレス鋼の焼鈍材ではＤ／D₀＝1.8、
そして炭素含有量0.2重量％の炭素鋼ではＤ／D₀
＝1.5まで拡管が可能であることが明らかとなつ
たので、本発明に係る成形法によると全〔Ｒ／
Ｄ〕値での成形が可能であることは明らかであ
る。

また、仮に延性が乏しくてこれらの拡管に耐え
られない材料の場合であつても、バルジ加工を一
旦中断し、中間焼鈍を行つてから再度バルジ加工
を行えば円滑な成形が可能である。

なお、この発明の方法においては、素管３の肉
厚t₀は概ね次式に従つて設定すればよい。

t₀＝Ｄ／D₀・ｔ［但し、Ｄ：エルボの外径、 D₀：素管２２の直径、ｔ：エルボの肉厚］。

また、素管の長さl₀は拡管に伴う軸方向収縮量
を見込んで設定する必要があることは言うまでも
ない。

以上の説明では45°エルボについて述べてきた
が、前記(1)式からも明らかなように、エルボ中心
半角θの増加と共にＤ／D₀が増大する。即ち、
45°エルボよりも90°エルボの方が加工が厳しくな
るが、素管の延性が極めて良好であるか、或いは
中間焼鈍を付加すれば90°エルボにも本発明法が
適用できることは勿論である。

次に、この発明を実施例によつて説明する。

＜実施例＞外径〔Ｄ〕：89.1mm、公称肉厚〔ｔ〕：4.2mm、
軸心曲率半径〔Ｒ〕：114.3mmのSUS S304ステン
レス鋼からなる45°ロングエルボ70個を、第２図
で示した如きバルジ加工工程を取り入れたこの発
明の方法によつて製作した。

なお、直状素管としては外径〔D₀〕：68.2mm、
肉厚〔t₀〕：4.6mm、長さ〔l₀〕：740mmのものを10
本用意し、第１図で示したように１本からそれぞ
れ７個の45°エルボを採取した。この45°エルボ１
個当たりの素管重量は763ｇであつた。

一方、これとは別に、比較として第５乃至７図
で示したような従来の熱間マンドレル成形法を含
む工程で外径〔D₀〕：70.0mm、肉厚〔t₀〕：4.5mm、
長さ〔l₀〕：260mmの直状素管35本からまず90°エル
ボを成形し、これを45°エルボに２分割して70個
のロングエルボを製造したが、このとき45°エル
ボ１個当たりの素管重量は945ｇであつた。

従つて、歩留りの点を取つてみても、本発明の
方法では従来の熱間マンドレル成形法を採用した
場合より約19％も向上することが確認された。

更に、本発明の方法ではエルボ内面の擦り疵が
完全に防止されたため、比較法に比べて仕上工程
に要する工数が約1/3に減少することも確認され
た。

＜効果の総括＞以上に説明した如く、この発明によれば、各種
材質・寸法の直状素管か管壁の座屈や偏肉、或い
は内面の擦り疵等を生じることなく、しかも高い
材料歩留りでエルボを安定製造することが可能と
なるなど、産業上有用な効果がもたらされるので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る方法で得られる蛇行管
の１例を示す概略模式図、第２図は、本発明に係
る方法で蛇行管を製造する工程を説明した概略模
式図であり、第２図ａ乃至第２図ｄはその各工程
をそれぞれ示すもの、第３図は、蛇行管を直状素
管から一挙に成形しようとする場合の状況を示す
模式図、第４図は、製品エルボの形状を説明した
概略図、第５図は、従来の熱間マンドレル成形法
を説明した概念図、第６図は、熱間マンドレル成
形法によつて得られたエルボ半成品の仕上げ成形
工程を示す概念図、第７図は、第６図で示す仕上
げ成形工程で得られた成形品から製品エルボを製
造する過程を示す模式図てあり、第７図ａは仕上
げ成形品を、そして第７図ｂは製品たる46°エル
ボをそれぞれ示すもの、第８図は、熱間マンドレ
ル成形の際の“しわ”の発生状況を説明する概略
模式図、第９図は、従来の液圧バルジ成形法によ
るエルボ成形工程を示す概略模式図であり、第９
図ａは液圧バルジ成形法による曲げ加工開始時
を、そして第９図ｂは同曲げ加工終了時をそれぞ
れ示すもの、第１０図は、素管からの45°エルボ
採取例を示す説明図、第１１図は、本発明法での
素管の変形状況を示す説明図、第１２図は、本発
明法での素管の変形量に関する説明図である。図面において、１……エルボ、２……マンドレ
ル、３……直状素管、３′……直状素管の先行材、
４……加熱炉、５……半製品、６ａ……上ダイ
ス、６ｂ……下ダイス、７……仕上げ成形品、１
０……45°エルボ、１１……しわ、１２……上金
型、１３……押え型、１４，１４′……ピストン、
１５……油注入口、１６……空気抜き孔、１７…
…下型、１８……エルボ部分、１９……蛇行管、
２０……リング状部分、２１……ふくらみ、２
２，２９，３０……上成形ダイス、２２′，２
９′，３０′……下成形ダイス、２３……上下ダイ
スの合わせ面、２４……ストレート部、２５……
蛇行部、２６……ピストン、２７……小孔、２８
……一次成形品、３１……上成形ダイスの凹部、
３１′……下成形ダイスの凹部。

Claims

【特許請求の範囲】

１製品エルボよりも小径の直状素管を成形ダイ
スで保持すると共に、該素管に軸圧と内圧とを付
加して中央部の一方の管壁Ｘを管軸と直交する一
つの方向に、また該中央部を挟む２カ所の前記と
は反対側の管壁Ｙ，Ｚを前記方向とは反対方向に
それぞれ製品エルボ外径まで膨張隆起させてエル
ボ背側形状に成形し、次いでこれら隆起部に隣接
した左右管端側に同様の膨張隆起加工を施すこと
によつてエルボの背側と腹側が長手方向に交互に
組み合わされた蛇行形状の管となした後、これを
輪切り切断することを特徴とするエルボの製造方
法。