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JP6272717B2 - 板材のベンディングプレス成形方法及びそのベンディングプレス成形方法を用いた鋼管の製造方法 - Google Patents

板材のベンディングプレス成形方法及びそのベンディングプレス成形方法を用いた鋼管の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、3点曲げプレスにより、板材をその送給方向に沿い逐次押圧して曲げ加工を施すことによって、例えば、ラインパイプ等に使用される大径、かつ厚肉の鋼管を効率的に製造するのに適したベンディングプレス成形方法及びその成形方法を用いて鋼管を製造する製造方法に関する。
ラインパイプ等に使用される大径、かつ厚肉の鋼管を製造する技術としては、所定の長さ、幅、板厚を有する鋼板を、U字状にプレス加工し、次いで、О字状にプレス成形したのちその端部を、溶接により突き合わせ接合することによって鋼管となし、さらに真円度を高めるべく、その径を拡大(いわゆる拡管)するようにした、いわゆるUOE成形技術が広く普及している。
しかし、上記UOE成形技術では、鋼板をプレス加工してU字状、О字状に成形する工程において高いプレス圧力を必要とすることから大掛かりなプレス機械を使用せざるを得ない状況にある。
このため、最近では、この種の鋼管を製造するに当たっては、プレス圧力を軽減する技術の検討がなされている。
この点に関する従来技術としては、鋼板の幅方向の端部に予め曲げ加工を施し(端曲げ)、次いで、複数回の3点曲げプレスにより鋼板をほぼ円形に成形したのち、さらに、形状を矯正して鋼管とするベンディングプレス成形技術が実用化されている。
図7はかかるベンディングプレス成形を実施する形態の一例を示した図である。図における符号101は、板材Sの搬送経路内に配置されたダイ(下型)である。このダイ101は、板材Sをその送給方向内の2箇所で支持する左右一対の棒状部材101a、101bから構成されており、成形すべき鋼管のサイズに応じてその相互間隔eが変更できるようになっている。また、102は、ダイ1に近接、離隔する向きに移動可能としたパンチ(上型)である。パンチ102は、板材Sに直接接して該板材を凹形状に押圧する下向き凸状の加工面Kを有するパンチ先端部102aと、このパンチ先端部102aの背面につながり、該パンチ先端部102aを支持するパンチ支持体102bからなる。通常、パンチ先端部102aの最大幅とパンチ支持体102bの幅(厚さ)とは等しい。また、103は、板材Sの搬送経路を形成するローラである。
ところで、上記従来の曲げ加工方式においては、上型および下型の長手方向の両端部(すなわち、鋼管の管軸方向の両端部)については十分な加工を施すことができるためとくに問題がない。これに対して、下型の中央部(鋼管の胴体中央部に相当する部分)では、成形力により下型上面は凹状に撓むのが避けられない。このため、得られたオープン管(板材を円筒状に成形して互いに向き合った板端部が溶接されていない状態の管体)の開放部の開き量、および、真円からのズレ(真円から開放部板端までの距離)が鋼管の管軸方向内で不均一となり、後の溶接作業において支障を来すとともに、鋼管の品質(真円度等)に影響を与えるおそれもある。
このため、従来は、特許文献1に開示されているように、下型(下部の曲げ工具)を担持するテーブルと下部横材との間にピストン・シリンダユニット装置を配置し、板材を上から押圧するのみでなく、下からも押圧するようにして上型の撓みを阻止しオープン管の品質の改善を図るようにしている。この技術によれば、上型は上方から、また、下型は下方から、それぞれ押圧されるので、上型と下型のいずれも上型および下型の長手方向(すなわち管軸方向に相当)の直線性が良好に保たれ、その結果、板材の反発力により押し戻されることによる撓みも発生せず、良好な形状の鋼管を得ることができる。
特開平6−31340号公報
しかしながら、上記のような従来技術においては、ピストン・シリンダユニット装置の増設が不可避であり、設備コストの上昇が避けられない。
そこで、本発明の目的は、ダイの長手方向に沿う撓みによる影響を、設備コストの上昇を伴うことなしに軽減して品質の良好な鋼管を効率的に製造できる板材のベンディングプレス成形方法及びそのベンディングプレス成形方法を利用した鋼管の製造方法を提案するところにある。
本発明は、板材の送給経路に配置されたダイにより板材を2個所で支持し、該板材の間欠送りのもとに該ダイの支持相互間で該板材にパンチを押し当てて3点曲げ加工を施すことによりオープン管を成形する板材のベンディングプレス成形方法において、前記ダイ及び前記パンチのそれぞれにつき、その長手方向の少なくとも3個所の変位を計測し、その計測結果に基づいて前記パンチの押圧力を変更して、該パンチの撓みを前記ダイの撓みと一致させる制御を行いつつ3点曲げ加工を施すことを特徴とする板材のベンディングプレス成形方法である。なお、本発明において、オープン管とは、板材を円筒状に成形して互いに向き合った板端部が溶接されていない状態の管体のことを称する。
上記の構成からなる板材のベンディングプレス成形方法においては、ダイの変位の計測とパンチの変位の計測とをダイ及びパンチの長手方向の同一位置で行うこと、また、変位の計測を、ダイおよびパンチの長手方向において板材の中央とその両側端部に対応する位置で行うこと、が本発明を実施するための具体的手段として好ましい。
また、本発明は、板材の送給経路に配置されたダイにより板材を2個所で支持し、該板材の間欠送りのもとに該ダイの支持相互間で該板材にパンチを押し当てて3点曲げ加工を施すことによりオープン管を成形した後、該オープン管の開放部を突き合せ接合することによって鋼管を製造する方法において、前記ダイ及び前記パンチのそれぞれにつき、その長手方向の少なくとも3箇所の変位を計測し、その計測結果に基づいて前記パンチの押圧力を変更して、該パンチの撓みを前記ダイの撓みと一致させる制御を行いつつ3点曲げ加工を施すことを特徴とする鋼管の製造方法である。
上記の構成からなる本発明の鋼管の製造方法においては、ダイの変位の計測とパンチの変位の計測とをダイおよびパンチの長手方向の同一位置で行うこと、また、変位の計測を、ダイおよびパンチの長手方向において板材の中央とその両端部に対応する位置で行うこと、が本発明を実施するための具体的手段として好ましい。
上記の構成からなる本発明のベンディングプレス成形方法によれば、ダイ及びパンチのそれぞれにつき、その長手方向の少なくとも3個所の変位を計測し、その計測結果に基づいてパンチの押圧力を変更して該パンチの撓みをダイの撓みと一致させる制御を行いつつ3点曲げ加工を施すようにしたため、ダイの撓みによる影響が軽減され、開放部の開き量、および、真円からのズレが管軸方向、すなわち、管の長手方向の全長にわたってほぼ均一なオープン管を得ることができる。
また、本発明のベンディングプレス成形方法によれば、パンチ、ダイの変位の計測を、ダイの変位の計測とパンチの変位の計測とをダイおよびパンチの長手方向の同一位置で行うようにしたため、変位を正確に計測することができる。また、変位の計測を、ダイおよびパンチの長手方向において板材の中央とその両端部に対応する位置で行うこととしたため、板材を精度よく加工することができる。
本発明の鋼管の製造方法によれば、板材の送給経路に配置されたダイにより板材を2個所で支持し、該板材の間欠送りのもとに該ダイの支持相互間で該板材にパンチを押し当てて3点曲げ加工を施すことによりオープン管を成形した後、該オープン管の開放部を突き合せ接合するに当たって、ダイ及び前記パンチのそれぞれにつき、その長手方向の少なくとも3箇所の変位を計測し、その計測結果に基づいて前記パンチの押圧力を変更して該パンチの撓みが前記ダイの撓みと一致するように制御を行いつつ3点曲げ加工を施すようにしたため、ダイの撓みによる影響が軽減され、開放部の開き量、および真円からのズレが管軸方向の全長にわたってほぼ均一なオープン管を得ることが可能となり、このオープン管を溶接、拡管することで品質の高い鋼管を製造することができる。
また、本発明の鋼管の製造方法によれば、ダイの変位の計測とパンチの変位の計測とをダイおよびパンチの長手方向の同一位置で行うようにしたため、変位を正確に計測することができる。
さらに、パンチ、ダイの変位を、ダイおよびパンチの長手方向において板材の中央とその両側端部で計測することにより板材の加工精度が高まる。
(a)(b)は、本発明を実施するのに用いて好適な装置を模式的に示した図である。 図1に示した装置に組み込まれたパンチとダイを、板材及び板材を搬送する搬送ローラとともに示した外観斜視図である。 パンチの要部を拡大して示した図である。 板材に3点曲げ加工を施してオープン管とするまでの成形要領を示した図である。 変位センサ支持フレームの構成を示した図である。 (a)は、オープン管の開放部の開き量と真円からのズレを示した図であり、(b)はその要部を拡大して示した図である。 従来技術においてベンディングプレス成形を実施する形態の一例を示した図である。
以下、本発明を図面を用いてより具体的に説明する。
図1(a)(b)は、本発明に従うベンディングプレス成形方法、鋼管の製造方法を実施するのに用いて好適な装置の構成を示した図であり、図2は、図1に示した装置に組み込まれたパンチとダイを、板材及び該板材を搬送する搬送ローラとともに示した外観斜視図である。
図における符号1は、加工すべき板材(12.7〜50.8mm程度の厚さを有するラインパイプ用鋼板等)Sの搬送経路を形成するローラ(図2参照)、2は、板材Sを搬送方向の2箇所で支持するダイである。このダイ2は、頂部にRが施された左右一対の棒状部材からなるものを例として示してあり、成形すべき鋼管のサイズに応じてその支持相互間の間隔を変更することができるものであって、ホルダ3を介してベース(ベッド)4に配置される。
また、5は、ダイ2の支持相互間で板材Sに押し当てて該板材に3点曲げ加工を施すパンチである。
パンチ5は、その要部を拡大して図3に示すように、板材Sに直接接触して該板材を押圧する加工面Kを有し、板材Sの長手方向(図2のX方向)に沿って延伸する長尺のパンチ先端部5aと、このパンチ先端部5aの背面に一体的につながり、該パンチ先端部5aに押圧力を付与する長尺のパンチ支持体5bと、このパンチ支持体5bに接続するスライダ5cから構成されている。
また、6(6a〜6f)は、スライダ4cの上面で、その長手方向に沿い間隔をおいて連結、配置されたシリンダーロッドである。このシリンダーロッド6a〜6fは、例えば、油圧等によって駆動可能な駆動機構を備えており、該駆動機構によりシリンダーロッド6a〜6fを作動させることによってパンチ支持体5b、パンチ先端部5aをスライダ5cとともに昇降させることができるようになっている。
上記の構成からなる製造装置を用いて鋼管を製造するには、該板材Sをダイ2の上に載置し、板材Sを所定の送りピッチで間欠的に送給しながら、図4に示す如き要領で、該板材Sを先端側、後端側からともにその中央部に向けてパンチ5により逐次押圧していき3点曲げベンディングプレスを行う。
そして、該板材Sの中央部を最後に押圧して開放部を有するC字形状のオープン管Sとした後、該オープン管Sを3点曲げベンディングプレスを行う部分から搬出するとともに溶接機の設置位置へと搬送し、溶接機にてオープン管Sの開放部を溶接により突き合わせ接合し、必要に応じてさらにその下流で拡管を施す。なお、図4は、予め端曲げ加工(後述する)を施した板材Sに対して、左列の上から下へ、次いで、中央列の上から下へ、さらに、右列の上から下へと曲げ加工及び板材Sの送給を実施することにより右側最下図に示す如きオープン管を成形する工程を示した図である。この図4中、板材Sあるいはパンチ5に付されている矢印は、それぞれの工程における板材Sあるいはパンチ5の移動方向を示している。
ところで、上記のような要領にしたがう鋼管の製造においては、パンチ5により押圧力を付加したとき、ダイ2が、図1(a)の点線で示す如く、長手方向に沿い凹状に撓むこととなり、これにより、均一な幅、真円からのズレをもった開放部を有するオープン管Sを得ることができず、溶接作業に支障を来すことがあり、鋼管の品質(真円度)にも影響を与えることが懸念される。
本発明は、図1(a)(b)に示すように、ダイ2及びパンチ5のそれぞれにつき、その長手方向の少なくとも3個所、とくに長手方向中央、両端部に変位センサ7a〜7c、8a〜8cを配置し、この変位センサ7a〜7c、8a〜8cにてダイ2、パンチ5の変位をそれぞれ計測し、その計測結果に基づいてパンチ5の押圧力を変更して該パンチ5の撓みをダイ2の撓みと一致させる制御を行うようにしたものである。これにより、板材Sはその長手方向において均等に押圧されることとなり、開き量、および、真円からのズレが管軸方向において揃った開放部を有するオープン管を得ることができる。
変位センサ7a〜7c、8a〜8cとしては、例えば、精度が1/100mm程度の磁歪式リニアセンサを適用することができる。測定箇所はダイ2、パンチ5のそれぞれの長手方向の3個所に限定されることはなく、適宜変更が可能である。
とくに、変位センサ7a〜7c、8a〜8cによる変位の計測は、ダイ2およびパンチ5の長手方向において板材Sの中央とその両側端部で行うのが好ましく、これにより、板材Sの曲げ加工の精度が高まる。
変位センサ7a〜7c、8a〜8cによる変位の計測位置は可変式あるいは固定式のいずれを用いることも可能である。変位センサ7a〜7c、8a〜8cによる変位の計測位置を可変式とする場合には、計測位置を調整することにより、ダイ2およびパンチ5の長手方向において板材Sの中央とその両側端部で変位を計測する。変位の計測位置を固定式とする場合には、どのようなサイズの板材であっても必ず板材が存在する位置で計測されるようにすることを目的として、ダイ2およびパンチ5の長手方向において板材Sの両側端部としては、当該ベンディングプレス装置において成形する管の長さの最小値が確保できるような位置に配置することが好ましい。この場合、前記最小値よりも長い管を製造する場合には、厳密な意味での管端部ではなく、管端の近傍部における変位が計測されることとなるが、この場合においても、本発明の効果は発揮される。また、変位センサ7a〜7c、8a〜8cの配置位置を上下で一致させることにより変位の正確な計測が可能となる。
変位センサ7a〜7c、8a〜8cは、パンチ5による押圧力の影響を避け、正確な計測ができるように、装置とは別途に変位センサ支持フレームを設け、この支持フレームを基準にして計測するのが望ましい。
本発明で用いられるベンディングプレス成形装置において、ダイ2やパンチ5を備えるプレスフレーム9の剛性が無限に大きければ、前記変位センサを該プレスフレーム9の一部に支持させて設置することにより、ダイ2やパンチ5の撓みの影響のない計測が可能である。しかし、現実には、プレスフレーム9の剛性を大きくすることには限界がある。このため、微小な変位を計測し、得られる管体の形状をさらに良好なものとするためには、変位センサを支持する支持フレームを前記プレスフレーム9から独立させ、直接、土台(地面)から配設させることが好ましい。
このようにすれば、ダイ2やパンチ5の変位を、プレスフレーム9を基準としてではなく、直接、土台(地面)を基準として検出することができる。よって、プレスフレーム9の撓みの影響を受けることがなくダイ2やパンチ5の変位をより正確に測定することが可能となり、得られる管体の形状をさらに良好なものとするうえで有効である。
図5は、本発明において適用することができる変位センサ支持フレームを示した図である。この変位センサ支持フレームは、複数の棒状部材を組み合わせて構成されるものであり、パンチ5の変位を計測するには、例えば、スライダ5cの上面に間隔を隔てて配置される支持フレーム10a〜10cに変位センサ7a〜7cをそれぞれ取り付け、該スライダ5cの上面の垂直方向の位置を検出する。
また、ダイ2の変位を計測するには、ダイ2を保持するホルダ3の脚部3aを貫通し、かつ、ベース4に間隔を隔てて配置される支持フレーム11a〜11cに変位センサ8a〜8cをそれぞれ取り付け、該ベース4の上面の垂直方向の位置を検出する。
上記の構成例では、パンチ5の変位を、スライダ5cを介して間接的に計測し、ダイ2の変位をベース4を介して間接的に計測した場合について説明したが、本発明は、図示した構成のものに限定されることはない。
上記の構成からなる変位センサ7a〜7c、8a〜8cによりパンチ5、ダイ2の変位をそれぞれ計測し、該パンチ5の撓みがダイ2の撓みと一致するようにパンチ5の押圧力を変更して板材Sに対して曲げ加工を施すことで、板材Sは長手方向の全域で同等の断面形状をもったオープン管Sに仕上げられる。ダイ2の撓みもパンチ5の撓みも弾性変形範囲内の撓みであり、パンチ5の撓みとダイ2の撓みを平行にすることで開放部の開き量、および、真円からのズレが管軸方向において均一になるストレートなオープン管となる。
パンチ5の押圧力の変更は、変位センサ7a〜7c、8a〜8cによる計測結果を、シリンダーロッド6a〜6fの駆動機構の制御系にフィードバックすることにより行う。具体的には、中央部シリンダーの出力を上げて、パンチ5の撓みをダイ2の撓みと一致させる。
なお、パンチ5、ダイ2の変位を計測する変位センサ7a〜7c、8a〜8cのうち、その両端側に位置する変位センサ7a、7c、8a、8cについては、パンチ5やダイ2の撓みの影響をさらに小さくして、変位を計測する精度を高めることを目的として、最も端部に位置するシリンダーロッド6a、6fの近傍に設けるのがよい。
3点曲げ加工によって得られたオープン管Sを、その加工部分から効率的に搬出するために該オープン管Sを図2のX方向に向けて搬出する搬送手段(図示せず)を設けておくことができる。搬送手段としては、例えば、ダイ2の相互間に配置され、該ダイ2にて支持されるオープン管Sに向けて近接、離隔可能な搬送ローラ群を適用することが可能である。搬送ローラ群によるオープン管Sの搬送は、該搬送ローラ群を直接駆動することにより行ってもよいし、該搬送ローラ群に駆動系を設けず、該搬送ローラ群とは別に、オープン管Sの長手方向端部を押圧する押圧機構を設け、この押圧機構を使用して搬出するようにしてもよい。
また、本発明に係る鋼管の製造方法においては、3点曲げ加工を行う部分の他、プレス加工によって成形されたオープン管Sの開放部を突き合わせた状態で溶接して鋼管とされる。接合手段である溶接機としては、例えば、仮付溶接機、内面溶接機、外面溶接機という3種類の溶接機で構成されるものを適用する。係る溶接機において、仮付溶接機は、ケージロールにより突き合わせ面を適切な位置関係で連続的に密着させ、密着部をその全長にわたって溶接するものである。
仮付された管は、次に、内面溶接機により突き合わせ部の内面から溶接(サブマージアーク溶接)され、さらに、外面溶接機により突き合わせ部の外面から溶接(サブマージアーク溶接)される。
上記溶接機(接合手段)と3点曲げ加工を行う部分との位置関係はとくに限定されず、任意に変更される。
上掲図1、図2に示した構成からなる装置を用い、厚さ31.8mm、サイズ365×1200mmのラインパイプ用鋼板(APIグレード X100)を製造すべく、下記の条件のもとに3点曲げ加工を施し、得られたオープン管の開口部(開先部)における開き量と真円からのズレ(真円から開放部板端までの距離)(図6(a)(b)参照)の変動状況について調査を行った。なお、オープン管の開放部の開き量(曲げ加工を終えた状態で板材の端部における相互間隔)と真円からのズレの許容値は、仮付け機(溶接機)の仕様の制約から、管中央部の開き量と管端部の開き量との差が50mm以下、管中央部における真円からのズレと管端部における真円からのズレとの差が10mm以下とする。
押圧力(曲げ荷重):60MN、
板材の送り量:60mm、
押圧回数:55回(板材の先端側から27回、後端側から27回、中央1回)、
ダイ:先端部の半径:75mm、相互間距離e(中心間距離):450mm、
パンチ:幅200mm、長手方向における長さ15.4m、加工面の円弧の半径400mm、
シリンダーロッド:パンチ長手方向に6本、
変位センサ:磁歪式リニアセンサ、
を使用し、板材の長手方向中央、端部の3個所で計測。
その結果、6本のシリンダーロッドにて、それぞれ、10MNの力を加えて合計60MNの力でパンチを押すことにより、パンチの押圧力をその長手方向で一定にして曲げ加工を行った場合(比較例)においては、オープン管の管端を基準(ゼロ)とすると、管の中央部における開き量は、60mm、真円からのズレは40mmであった。
これに対して、パンチ、ダイの長手方向における撓みに基づき、パンチの撓みがダイの撓みと一致するように6本のシリンダーロッドに対応する部位の押圧力を調整しながら荷重を与えて上記板材について曲げ加工を行った場合(適合例)、オープン管の管端を基準(ゼロ)とすると、管の中央部における開き量は、5mm、真円からのズレは5mmであり、本発明にしたがってベンディングプレスを行うことによって形状の良好な管を成形できることが確認された。なお、この適合例では中央の2本(シリンダーロッド6c、6d)に対応する部位の押圧力は10.6MN、その他の4本(シリンダーロッド6a、6b、6e、6f)に対応する部位の押圧力は9.7MNであった。
本発明によれば、パンチの長手方向における撓みの影響を、製造コストの上昇を伴うことなしに軽減して品質の良好な鋼管を安定供給することができる。
1 ローラ
2 ダイ
3 ホルダ
3a 脚部
4 ベース
5 パンチ
5a パンチ先端部
5b パンチ支持体
5c スライダ
6 シリンダーロッド
7a〜7c 変位センサ
8a〜8c 変位センサ
9 プレスフレーム
10a〜10c 支持フレーム
11a〜11c 支持フレーム
101 ダイ
101a、101b 棒状部材
102 パンチ
102a パンチ先端部
102b パンチ支持体
103 ローラ
S 板材
オープン管
K 加工面

Claims (6)

  1. 板材の送給経路に配置されたダイにより板材を2個所で支持し、該板材の間欠送りのもとに該ダイの支持相互間で該板材にパンチを押し当てて3点曲げ加工を施すことによりオープン管を成形する板材のベンディングプレス成形方法において、
    前記ダイ及び前記パンチのそれぞれにつき、その長手方向の少なくとも3個所の変位を計測し、その計測結果に基づいて前記パンチの押圧力を変更して、該パンチの撓みを前記ダイの撓みと一致させる制御を行いつつ3点曲げ加工を施すことを特徴とする板材のベンディングプレス成形方法。
  2. 前記ダイの変位の計測と前記パンチの変位の計測とをダイおよびパンチの長手方向の同一位置で行うことを特徴とする請求項1に記載した板材のベンディングプレス成形方法。
  3. 前記変位の計測を、前記ダイおよび前記パンチの長手方向において前記板材の中央部とその両側端部に対応する位置で行うことを特徴とする請求項1または2に記載した板材のベンディングプレス成形方法。
  4. 板材の送給経路に配置されたダイにより板材を2個所で支持し、該板材の間欠送りのもとに該ダイの支持相互間で該板材にパンチを押し当てて3点曲げ加工を施すことによりオープン管を成形した後、該オープン管の開放部を突き合せ接合することによって鋼管を製造する方法において、
    前記ダイ及び前記パンチのそれぞれにつき、その長手方向の少なくとも3箇所の変位を計測し、その計測結果に基づいて前記パンチの押圧力を変更して、該パンチの撓みを前記ダイの撓みと一致させる制御を行いつつ3点曲げ加工を施すことを特徴とする鋼管の製造方法。
  5. 前記ダイの変位の計測と前記パンチの変位の計測とをダイおよびパンチの長手方向の同一位置で行うことを特徴とする請求項4に記載した鋼管の製造方法。
  6. 前記変位の計測を、前記ダイおよび前記パンチの長手方向において前記板材の中央とその両側端部に対応する位置で行うことを特徴とする請求項4または5に記載した鋼管の製造方法。
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