JPH0818051B2

JPH0818051B2 - 内面溝付管の冷間圧延用マンドレル

Info

Publication number: JPH0818051B2
Application number: JP1035607A
Authority: JP
Inventors: 宗勝古堅
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-02-15
Filing date: 1989-02-15
Publication date: 1996-02-28
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: JPH02217105A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は管軸方向にストレートな溝が内面周方向に複
数形成された内面溝付管を、冷間圧延で製造する際に用
いるマンドレルに関する。

〔従来の技術〕

従来より、エチレンプラントの熱分解管等の熱交換用
管材には、熱交換効率をあげるために、管軸方向にスト
レートな溝又は傾斜した溝を内面周方向に複数形成して
管内周長を長くした内面溝付管が用いられている。この
内面溝付管は、長尺のものが要求され、切削加工等の機
械加工では加工長さが制限されるため、従来は、ストレ
ートな溝を有する内面溝付管は熱間押出しによって製造
し、傾斜した溝を有する内面溝付管はこれを捩り加工し
て製造していた。しかし、熱間押出しによって製造した
ものは、寸法精度が悪く、また高Ni−高Cr鋼の如き難加
工材の場合は、押出しプレス能力の面から小径薄肉のも
のが製造できないという制約がある。

熱間押出し法に比べて、寸法精度の良い製管法として
は、周知のように、冷間加工法があり、内面溝付管の場
合もコールドピルガーミルによる冷間圧延法が適用され
ている。そして、この冷間圧延法で前記のようなストレ
ートな溝を有する内面溝付管を製造する場合に使用され
るマンドレルが、特開昭60−166108号公報及び特開昭62
−212006号公報に開示されている。

特開昭60−166108号に開示されているマンドレルは、
第４図（イ）に示すように、凸部外径Ｈが圧延開始点Ａ
から圧延終了点Ｂまで徐々に減少し、整形領域であるＢ
〜Ｂ′の間は同じ外径である。また内面溝付管の山頂内
径に対応する凹部外径Ｇは、圧延開始点Ａから途中の
Ａ′点までは外径縮小割合より大きい割合で縮小し、
Ａ′点から圧延終了点Ｂまでの外径縮小割合と同程度に
縮小しており、管が圧延される初期は、管の断面形状が
仕上り管の断面形状と相似形となるようにしてある。

特開昭62−212006号に開示されているマンドレルは、
第４図（ロ）に示すように、凸部外径Ｈ及び凹部外径Ｇ
が、圧延開始点から圧延終了点まで所定の式（マンネス
マンの推奨する式）に従って漸減しており、内面溝付管
の山部形状を山の先端が溝底と常に一致するようにマン
ドレル軸方向に移動させた軌跡をマンドレル凹部形状と
したものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの従来マンドレルのうち、前者のマンドレル
は、管の断面形状が仕上がり管の断面形状と相似形とな
るようにしてあるため、マンドレルの軸長方向各位置に
おける断面形状が夫々異なることになる。このようなマ
ンドレルは例えばミーリングカッタの如き機械加工のみ
では製作できず、手作業が伴うのでマンドレル製作に要
する工数が極めて大きい。

これに対し、後者のマンドレルでは、例えばマンドレ
ルの凸部中心から隣接する凸部の中心までの総型の刃を
有するカッタを用いれば、マンドレル外径からのカッタ
押込み量を圧延開始点から圧延終了点に向けて大きくす
ることで加工できる。したがって、前者のマンドレルの
如く、マンドレル製造上の問題はない。しかし、このマ
ンドレルで、例えばエチレンプラントの熱分解管に用い
られる内面８条の溝を有する内面溝付管を製造すると、
材料がマンドレルの凹部内に充満しにくいと言う問題が
ある。この問題を第４図（ロ）により詳しく説明する。

同図はマンドレルの断面形状を軸方向の３位置につい
て示しており、ａは圧延開始点と圧延終了点間長をほぼ
３等分した時の圧延開始点から1/3入ったところの断
面、ｂは同じく2/3のところの断面、ｃは圧延終了点の
断面を示す。

同図で理解されるように、このマンドレルは圧延開始
点側での外径が圧延終了点側での外径より大きいため、
圧延終了点に比べて圧延開始点側の周長が長い。また、
圧延終了点に比べて圧延開始点側の凹部深さが浅い。こ
のことから、圧延終了点より圧延開始点側にはマンドレ
ルの凸部に円周方向に平滑部1a,1bが形成される。この
平滑部1a,1bの周方向長さは、圧延開始点に近づくほど
長くなる。

そして、圧延にあたっては、マンドレルに対向して設
けた一対の溝付ロールを転動させるのであるが、圧延開
始点近傍では管はロールとマンドレルの平滑部とで減肉
圧延されて主として軸方向に延び、凹部への張り出しは
ほとんど生じない。平滑部は、前述のように圧延終了点
側に近づくにつれて、周方向長さが短くなるので、管は
減肉圧延される領域が少なくなって、マンドレルの凹部
に張り出す。しかし、圧延初期にマンドレルの凹部への
材料充満が不充分となるため、得られた内面溝付管の山
部には未充満部が生じ、難加工材の場合は特にこの傾向
が大きい。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消し、製作が容易
で、しかも圧延終了までにマンドレルの凹部へ材料を確
実に充満させ得るマンドレル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〕

本発明のマンドレルは、管軸方向にストレートな溝部
と山部とが内面周方向に交互に形成され、前記溝部の溝
底中心と管中心とを結ぶ線の延長線に、側壁の延長線が
溝底より外方で交差する内面溝付管を冷間圧延で製造す
る際に用いるマンドレルであって、少なくとも圧延開始
点から圧延終了点までの間を圧延開始点から圧延終了点
に向かって漸減する外径を有し、外面周方向に交互に形
成された凸部及び凹部が少なくとも圧延開始点から圧延
終了点までの全長に亘って内面溝付管の溝部及び山部と
それぞれ実質同一形状であり、前記外径の漸減に対応し
て凸部外径Ｈが圧延開始点から圧延終了点に向かって漸
減すると共に、凸部と凹部とを結ぶ斜辺の傾斜角度が少
なくとも圧延開始点から圧延終了点までの全長に亘って
内面溝付管の側壁の傾斜角度と実質同一となるように凹
部外径Ｇが圧延開始点から圧延終了点に向かって凸部外
径Ｈよりも緩やかに減少し、凸部外径Ｈと凹部外径Ｇの
減少差を吸収するべく前記斜辺の長さが圧延開始点から
圧延終了点に向かって短くなり、圧延終了点では凸部外
径Ｈ、凹部外径Ｇ及び斜辺の長さが内面溝付管の溝底内
径d₁、山頂内径d₃及び側壁の長さとそれぞれ実質同一で
あることを特徴としてなる。

〔作用〕

本発明のマンドレルにおいては、その外面周方向に交
互に形成される凸部および凹部が、製品である内面溝付
管の溝部および山部と圧延有効部全域で実質同一形状に
なっており、マンドレルの軸長方向の外径変化に伴う凸
部と凹部との間隔変化および凸部に対する凹部の深さ変
化は、凸部と凹部とを結ぶ斜辺の長さで調節されてい
る。したがって、凸部および凹部に夫々対応する形状の
刃物を用意すれば、その切り込み深さの調節だけでマン
ドレルが製作できる。また圧延にあたっては、単に凹部
へ順次材料が充満するだけでなく、凸部に周方向の平滑
部が存在しないので、管の軸方向への減肉圧延が殆ど生
じず、圧延開始点近傍より凹部への材料充満が積極的に
行われ、得られた内面溝付管の山部に未充満部は生じな
い。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を第１図、第２図に基づき説明
する。

第１図（イ）（ロ）は本発明が対象とする内面溝付管
の断面形状が一例を示すものである。内面溝付管10の内
面には、円弧の一部で形成された溝部11と山部12とが周
方向に交互に複数（図示例では夫々８つ）形成され、溝
部11と山部12は管軸方向にストレートである。隣接する
溝部11と山部12とは、直線の側壁13で結ばれている。

溝部11、山部12および側壁13を第１図（ロ）により詳
説すると、溝部11は管中心Ｏまわりに角θ（本例では2
2.5゜）で区分される直線上の点Ｄを中心として管中心
Ｏの反対側に描いた所要半径の円弧のうち、角度２βの
範囲で構成されている。また、山部12は、溝部11の中心
を通る線からθの位置の線上の点Ｅを中心として管中心
Ｏ側に描いた所要半径の円弧のうち、角度２γの範囲で
構成されている。以後、溝部11のβについては溝部半
角、山部12のγについては山部半角と称す。

側壁13は溝部11,山部12の各終点における共通の接線
で構成される直線であり、この側壁13の延長線l₁,l
₂は、溝部11の中心Ｄと管中心Ｏとを結ぶ線の延長線ｍ
に溝部11の溝底より外方の点Ｆで交わっている。両延長
線l₁,l₂の交角２αは、溝部11の溝部半角βおよび山部1
2の山部半角γ、対向する溝部11の底間距離である溝底
内径d₁、対向する山部12の頂間距離である山頂内径d₃及
び溝深さ（山高さ）により決まる。なお、αは以後、側
壁傾斜角と称す。

第２図は、第１図の内面溝付管を冷間圧延で製造する
に際して用いる本発明マンドレルの一例を示している。

同図（イ）は側面図、（ロ）は圧延終了点における断
面図である。なお、内面溝付管10の溝底内径d₁に相当す
るマンドレル外径は凸部外径と称してＨで表わしてい
る。また山頂内径d₃に相当するマンドレル外径は凹部外
径と称してＧで表わしている。

マンドレル20の外面周方向８箇所には、内面溝付管10
の溝部11に対応する凸部21がマンドレル軸線方向に形成
してあり、隣接する凸部21の間には、内面溝付管10の山
部12に対応する凹部22が形成してある。そして、圧延開
始点Ａと圧延終了点Ｂとの間では、凸部外径Ｈが圧延終
了点Ｂ側に向かって同一角度でテーパ状に漸減してお
り、圧延終了点Ｂにおける凸部外径Ｈは、内面溝付管10
として要求される溝底内径d₁に一致させてある。

第２図（ハ）はマンドレルの拡大断面図、（ニ）は断
面変化を軸方向に段階的に示す拡大図であり、第２図
（ニ）におけるｅは圧延開始点Ａ、ｆは中間点、ｇは圧
延終了点Ｂにおける断面を夫々示している。両図で判る
ように、凸部21は、全長にわたり内面溝付管10の溝部11
と実質同一の円弧（半径Rb、半角β）の一部であり、ま
た、凹部22も全長にわたり、内面溝管10の山部12と実質
同一の円弧（半径Rt、半角γ）の一部である。

隣接する凸部21の凹部22を結ぶ斜辺23は、圧延開始点
Ａから圧延終了点Ｂまでの全長にわたり、内面溝付管10
の側壁13の傾斜角αと同一の傾斜角度とされている。す
なわちマンドレル20の軸心OMと凸部中心とを結ぶ線ｎと
斜辺13の延長線とのなす角度が全長にわたりαである。
これを実現するために、凹部外径Ｇは圧延開始点Ａから
圧延終了点Ｂにかけて凸部外径Ｈよりも緩やかに減少し
ている。その結果、斜辺23の長さは圧延開始点Ａから圧
延終了点Ｂに向かって短くなり、圧延終了点Ｂでは内面
溝付管10の側壁13と同じ長さになっている。従って、マ
ンドレル20の外面形状は、圧延開始点Ａから圧延終了点
Ｂへかけての縮小に伴い斜辺23の長さのみが短くなり、
圧延終了点Ｂで内面溝付管10の内面形状と完全に同一と
なる。

なお、圧延開始点Ａより基端側には第２図（イ）に示
すように、圧延開始点Ａに連続する同一テーパ外径部20
aと、これに続く等径の外径部20bとが形成してあり、凹
部は圧延開始点Ａより基端側において、適宜のアールに
より逃してある。また、圧延終了点Ｂより先端側には、
圧延終了点Ｂにおける断面形状と同一断面形状の整形部
20cが形成してある。

上記形状のマンドレル20は、次のようにして製作され
る。先ず、第３図に示すように、凸部21と斜辺23に対応
する総型の山カッタ31と、凹部22と斜辺23に対応する総
型の谷カッタ32を準備する。次に、丸材または両端を夫
々等径とし、中間部をテーパ状に粗加工したマンドレル
用素材に、山カッタ31の刃底が前記テーパ状の外径に沿
うよう基端側から先端側に向かって押し込み量を増やし
ながら上記山カッタ31で切削する。その後、山カッタ31
で切削された対向する側壁間を谷カッタ32で、この谷カ
ッタ32の斜辺を前記山カッタ31で切削された斜辺に一致
させて切削する。これによりマンドレル20が容易に製作
できる。

このようなマンドレル20を用いて冷間圧延を行うと、
圧延開始点Ａにおいてマンドレル20には、内面溝付管10
の溝部11に対応する形状の円弧状の凸部21が形成されて
いるため、ロールとマンドレル平滑部による減肉圧延は
実質行われずに、凸部21が管内面に食い込み、余肉が凹
部22の側へ張り出す。圧延開始点Ａ近傍では余肉の凹部
22への張り出しが少なく、また凹部22も深いため、凹部
22は完全には充満されないが、圧延が更に進行すると余
肉の張り出しの増加と、凹部22が浅くなることにより、
凹部22は充満され、圧延終了点Ｂ近傍では凸部21、凹部
22および斜辺23の全体で圧延されることとなって、マン
ドレル20の圧延終了点形状に一致した内面溝付管10が得
られる。

本発明のマンドレルの使用結果を次に説明する。

対象管は第１図に示すエチレンプラントの熱分解管
で、内面に管軸方向にストレートな溝を周方向に８本有
している。この管を冷間圧延で製造するに際して使用し
たマンドレルは、第２図に示したもので、圧延開始点Ａ
から圧延終了点Ｂまでの距離は720mmである。

具体的に説明すると、25Cr−25Ni（0.2C）からなる外
径75mm、内径44mm、肉厚15.5mmの素管に対して、第１表
に示す２種類のマンドレルを使用して冷間圧延を行っ
た。製造された２種類の間の寸法を第２表に示す。No.1
の管はNo.1のマンドレルを用いて製造され、No.2の管は
No.2のマンドレルを用いて製造されたものである。いず
れの管においてもその山部は全長にわたって完全な形状
を有していた。

なお、上記実施例では、マンドレル20の凸部外径Ｈは
圧延開始点Ａと圧延終了点Ｂとの間でテーパ状に変化さ
せてあるが、これに限ることなく、例えばマンネスマン
が推奨する式や、この式の改良したものにより計算した
ものであってもよい。

また、内面溝付管10として溝部11と山部12が直線の側
壁13で結合されたものについて説明したが、直線部がな
く、溝部11の円弧と山部12の円弧が直接つながっている
ものでもよい。但し、この場合であっても両円弧の共通
の接線が、溝部中心と管部中心とを通る直線に、溝底よ
り外方で交わった形状のものとすることが必要である。

更に溝部11,山部12については円弧に限らず、所謂台
形状、三角形状等のものでもよい。

〔発明の効果〕

本発明のマンドレルは、製作が容易で、したがって低
コストであり、しかも内面溝付管の山部で十分な材料充
満を行なわしめ、その品質向上に大きな効果を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明マンドレルの対象管材の説明図、第２図
はその管材に適用される本発明マンドレルの説明図、第
３図はその製作法の説明図、第４図は従来のマンドレル
の説明図である。図中、10:内面溝付管、11:溝部、12:山部、20:マンドレ
ル、21:凸部、22:凹部、23:斜辺。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管軸方向にストレートな溝部と山部とが内
周面方向に交互に形成され、前記溝部の溝底中心と管中
心とを結ぶ線の延長線の側壁の延長線が溝底より外方で
交差する内面溝付管を冷間圧延で製造する際に用いるマ
ンドレルであって、少なくとも圧延開始点から圧延終了
点までの間を圧延開始点から圧延終了点に向かって漸減
する外径を有し、外面周方向に交互に形成された凸部及
び凹部が少なくとも圧延開始点から圧延終了点までの全
長に亘って内面溝付管の溝部及び山部とそれぞれ実質同
一形状であり、前記外径の漸減に対応して凸部外径Ｈが
圧延開始点から圧延終了点に向かって漸減すると共に、
凸部と凹部とを結ぶ斜辺の傾斜角度が少なくとも圧延開
始点から圧延終了点までの全長に亘って内面溝付管の側
壁の傾斜角度と実質同一となるように凹部外径Ｇが圧延
開始点から圧延終了点に向かって凸部外径Ｈよりも緩や
かに減少し、凸部外径Ｈと凹部外径Ｇの減少差を吸収す
るべく前記斜辺の長さが圧延開始点から圧延終了点に向
かって短くなり、圧延終了点では凸部外径Ｈ、凹部外径
Ｇ及び斜辺の長さが内面溝付管の溝底内径d₁、山頂内径
d₃及び側壁の長さとそれぞれ実質同一であることを特徴
とする内面溝付管の冷間圧延用マンドレル。