JPH0780009B2 - マンドレルの自励振動防止方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、金属管の冷間引き抜き加工において、マンド
レルに発生する自励振動を短時間で確実に解消すること
ができるマンドレルの自励振動防止方法および装置に関
する。

（従来の技術） 金属材料の冷間引き抜き加工は、金属管、例えば継目無
鋼管または溶接鋼管の 外径を減少すること、 表面を美しく仕上げること、さらには 寸法精度を向上させること 等を目的として行う冷間加工の１種であって、熱間加工
で製造された金属管を工具（ダイス）の孔を通して前方
から順に引き抜き、断面積を小さくしたり形状を変更す
る操作を１回以上、通常数回繰り返す加工法であって、
所定の寸法、強度等を付与して、製品であるボイラーチ
ューブ、機械構造用鋼管等に加工する手段である。

第４図に冷間引き抜き加工法による製管装置の一例を示
す。一端を固定されたマンドレル１の他端に取りつけら
れた円筒形のプラグ２をダイス３の孔の内部に設置し、
前記ダイス３の孔径より大きい外径を有する金属管４を
キャリッジにより牽引しながらダイス孔を通過させて、
所望の断面形状を有する成品５を得ている。この際、金
属管４の外面および内面に潤滑油を滴下し、プラグ２と
金属管４との間に発生する摩擦力を減じて加工性の向上
を図っている。

ところで、このような金属管の冷間引き抜き加工法にお
いて、プラグ２と金属管４の内面との間の相対速度に関
する摩擦力の変化率が負の値である場合、すなわちプラ
グ２と金属管４の内面との潤滑が充分でない場合に、プ
ラグ２に振動が発生する。すなわち、プラグ２と金属管
４の内面との間の摩擦力はこれら両者の相対速度により
決定される値であり、例えばプラグ２と金属管４との相
対速度が０のとき（付着、つまりスティック状態のと
き）には、摩擦力が大きいためプラグは引き込まれ、あ
る程度引き込まれるとすべり状態（スリップ状態）とな
り両者の相対速度は増加し摩擦力は減少するため、この
振動は徐々に成長し大きくなる。一般的に、かかる振動
は、スティック・スリップ現象と呼ばれるものである。

第５図に、プラグの滑り速度と、プラグ〜金属管内面の
摩擦力との関係をグラフで示す。第５図に示すグラフ
は、金属の管として鋼管を用い、第４図に示す装置によ
り引き抜き加工を行った際に得たデータから作成したも
のである。第５図中の区間‐Ａあるいは‐Ａ′にお
いては、プラグの滑り速度の増加（または減少）に伴
い、プラグと引き抜き管内面の間の摩擦力が減少（また
は増加）し（負性抵抗と呼ばれる）、プラグの滑り速度
がＡ′‐Ａ間で変化すると摩擦力のエネルギーを受け
て、自励振動を起こすものと考えられる。

そこで、かかるスティック・スリップ現象を解析的に表
現するため、第４図に示した製管装置を模式化して第６
図に振動モデルを用いて近似的に示す。第６図において
プラグ２に関する運動方程式は、 Ｍ＋Ｃ＋kx＝ｆ ……（１） となり、また第５図に示す区間Ａ′‐Ａにおけるプラグ
の滑り速度とプラグ〜金属管内面の摩擦力との関係か
ら、 ｆ＝−α（Ｖ−）＋β（ただしα＞０、β＞０）…
…（２） ただし、k:マンドレルのばね定数 c:マンドレルの減衰係数 M:マンドレルおよびプラグの等価質量 f:プラグ〜金属管間の摩擦力 x:プラグの変位 と近似することができる。

したがって、（１）式および（２）式より Ｍ＋Ｃ＋kx＝−α（Ｖ−）＋β よって、 Ｍ＋（Ｃ−α）＋kx＝−αＶ＋β ここで、上式の左辺から求めた特性方程式を用いること
により、自励振動を起こす条件は、 となるが、この定数αは主としてプラグと金属管との間
の潤滑状態により決定されるものであるために、加工中
にαが（３）式に示す条件を満足してしまうことがあ
り、自励振動を発生してしまう。

かかる振動が発生すると引き抜き材料の表面性状を悪化
するだけでなく、工具の損耗を早め、最終的には設備損
傷に至る。

したがって、この振動が加工中に発生した場合、「引き
抜き速度を低減して振動の発生しない加工速度に調節し
振動を弱める方法」（特開昭50-128665号公報）が従来
広く行われていた。また、加工速度を低下しても振動が
収束しない場合には、加工度を低下して振動の発生しな
いスケジュールに変更する対策や、加工時に使用する潤
滑剤をより高級な性質のものに変更する対策が行われて
いた。

また、プラグの振動を低減するための提案として「超音
波でプラグを加振し、摩擦特性を改善して、プラグの振
動を防止する方法」（特開昭51-116157号公報、同51-12
6368号公報等）が公知である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、これらの方法では生産性を低下させずに
引き抜き加工中にプラグに発生する振動を防止すること
ができない。すなわち、特開昭50-128665号公報に開示
された方法はいずれも引き抜き加工の加工能率を低下さ
せるものである。すなわち、加工速度を低下すると当然
に加工能率は低下し、また加工度を低下させると最終寸
法に仕上げるまでの工程が増加するため、いずれの方法
によっても加工能率は低下してしまう。

また、潤滑剤をより高級なものに変更する対策は補助的
な対策であるのみならず、変更に際し余分な工数・費用
を要することとなる。したがって、かかる対策を用いる
と、引き抜き加工の生産性は著しく低下するとともにプ
ラグ２に発生する振動を基本的には防止することができ
なかったのである。

さらに、特開昭51-116157号公報、同51-126338号公報等
に開示された方法では、超音波を発生しこれをプラグに
付与するために高価で大規模な設備を要し、実際上採用
することができない。

また、雑誌（TUBE INTERNATIONAL,1986年３月号、p.39
〜p.43）には、マンドレルを静水圧スラストベアリング
を介して固定し、この静水圧スラストベアリングの減衰
効果を利用してマンドレルおよびプラグの振動を低減す
る方法が開示されている。しかし、この方法ではスラス
トベアリングのばね定数および減衰係数の調整が困難な
のであって、引き抜き加工時にプラグ２に発生する振動
を除去することはできなかったのである。

ここに、本発明の目的は、金属管の冷間引き抜き加工に
おいて、マンドレルに発生する自励振動を短時間で確実
に解消することができるマンドレルの自励振動防止方法
および装置を提供することにあり、さらに具体的には、
前述の（２）式中の定数αが式を満足するような値で
ある場合にも、マンドレルに発生する自励振動を短時間
で確実に解消することができるマンドレルの自励振動防
止方法および装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者は上記課題を解決するため種々検討を重ねた結
果、マンドレルを直接固定するのではなく、マンドレル
を流体圧シリンダーを介して設置することにより、マン
ドレルおよびプラグに発生する振動を完全に防止するこ
とが可能となることを知り、先に特開平2-99216号公報
（特願昭63-251351号）により、「一端を固定された芯
金の他端に取りつけられたプラグをダイスの穴の内部に
設置し、前記ダイスの孔径よりも大きい外径を有する金
属の管を牽引しながらダイスの孔を通過させることによ
り孔径に応じた断面を有する製品を得る、金属の管の引
き抜き加工法において、 芯金を流体圧シリンダーを介して、引き抜き方向へ移動
可能に設置するとともに、 加工時にはシリンダー内においてピストンが流体層を介
して支持された状態を維持しつつ加工を行う ことを特徴とする、金属の管の引き抜き加工法。」を提
案した。

第７図に、この提案において用いる装置を模式化して振
動モデルを用いて近似的に示す。この装置は、第６図に
その振動モデルを示された装置に、さらに質量、バネお
よびダンパー系を加えたものである。第７図に示すよう
に、質量、バネおよびダンパーをマンドレルの後端に取
りつけたこの装置のマンドレルに関する運動方程式は、 Ｍ＋Ｃ（−_P）＋Ｋ（ｘ−x_P）＝ｆ ……（４）
M_{P p}＋C_P（_P−）＋K_P(x_P−ｘ）＝０ ……（５）
ただし、Mp:ピストンの等価質量 Cp:ピストンの等価減衰係数 Kp:ピストンの等価ばね剛性 xp:ピストンの変位 となり、さらに摩擦力ｆは、（２）式と同様に、 ｆ＝−α（Ｖ−）＋β （ただし、α＞０、β＞０） ……（２）′ となる。

ここで、（４）式、（５）式および（２）′式におい
て、M,K,Cおよびαは既知の値であるために、Mpを適当
な値に決定すれば、マンドレルが自励振動を発生しない
KpおよびCpの値を決定することができる。例えば、Ｍ＝
38.37kg、Ｋ＝7.02×10⁶N/m、Ｃ＝5.08×10³Ｎ・S/m、M
p＝10kgおよびα＝7000N・S/mとした場合のプラグの安
定条件を計算した例を第８図に示す。第８図からも明ら
かなように、付加されたバネ、ダンパーのばね定数Kp
（N/m）および粘性係数Cp（NS/m）を第８図中の斜線部
内の値に制限することにより、プラグに発生する自励振
動を防止することが可能となる。

しかし、本発明者らのその後の検討によれば、この特願
昭63-251351号により提案した手段は、確かにマンドレ
ルに発生する自励振動を防止することが可能な方法であ
るが、第８図に示すように、バネ定数Kpに対しては許容
範囲が広いが、粘性係数Cpに対しては極めて狭い許容範
囲（7.0×10³〜1.2×10⁵Ｎ・S/m）しか有さないことが
わかった。また、第８図に示すプラグの安定条件（斜線
部）はプラグと金属の管内面との接触状況、すなわち
（２）式のαの値により変化してしまうという問題もあ
り、実際の操業中にプラグの安定条件を確実に得ること
はむずかしかったのである。

そこで、本発明者らはさらに検討を重ねた結果、上記の
特願昭63-251351号により提案した方法の有する問題を
解決するためには、所望の粘性係数Cpとバネ定数Kpとが
得られ、特に粘性係数Cpがある程度調節可能な機構を実
現することが有効であり、かつ必要であることを知見し
た。そして、さらに検討を重ねて、本発明を完成するに
至ったのである。

ここに、本発明の要旨とするところは、金属管の冷間引
き抜き加工におけるマンドレルの自励振動防止方法であ
って、前記マンドレルをその後端で、その油の流入・流
出の際の抵抗を調整するサーボバルブを有する油圧シリ
ンダーを介して設置するとともに、前記油圧シリンダー
の伸縮方向にバネ力を生ぜしめる装置を前記油圧シリン
ダーに設置し、引き抜き加工時には、前記サーボバルブ
のスプール弁の開度をサーボバルブを介して、シリンダ
ー側の油圧と反シリンダー側の油圧との差、すなわち、
サーボバルブの流入・流出の差圧の絶対値の平方根に比
例するように調整することを特徴とするマンドレルの自
励振動防止方法である。

また、別の面からは、金属管の冷間引き抜き加工におけ
るマンドレルの自動振動防止装置であって、 （ｉ）マンドレルの先端に取りつけられて、ダイスの孔
の内部に設けられたプラグと、 （ii）前記マンドレルの後端と固定部との間に設けら
れ、その油の流入・流出の際の抵抗を調整するサーボバ
ルブを有する油圧シリンダーと、 （iii）前記油圧シリンダーの伸縮方向にバネ力を生ぜ
しめる装置と、 （iv）前記サーボバルブのスプール弁の開度を調整する
装置と を有することを特徴とするマンドレルの自励振動防止装
置である。

（作用） 以下、本発明を添付図面を参照しながら、詳述する。

第１図は、本発明にかかるマンドレルの自励振動防止装
置を示す略式説明図である。第１図において、ダイス
（図示せず）の孔の内部に設置されたプラグ２はマンド
レル１の先端側に設置されている。

マンドレル１の後端側は、その油圧を調整するサーボバ
ルブ７を有する油圧シリンダー６に設置されている。サ
ーボバルブ７の型式、寸法等は何ら制限を要するもので
はないが、応答性、メンテナンス性さらにはコストの観
点から電気油圧式のサーボバルブを用いることが好適で
ある。また、油圧シリンダー６についても何ら制限を要
するものではない。

そして、前記油圧シリンダー６には、その伸縮方向にバ
ネ力を生ぜしめる装置11が設けられている。前述したよ
うに、本発明にかかる装置に所定のバネ定数Kpを付与し
て、マンドレル１に発生する自励振動を吸収・解消する
ためである。第１図に示す実施例では、このような装置
として、前記油圧シリンダー６の内部にコイルバネ11を
設けているが、特にこの態様にのみ限定されるものでは
なく、例えば後述する実施例において示すように、アキ
ュムレーター（第２図の11′）を用いて実現してもよ
い。また、この「バネ力を生ぜしめる装置11」の設置
は、油圧シリンダー６の伸縮方向（第１図中の矢印方
向）についてバネ力を生ぜしめることが可能なようにし
て行う。ただし、厳密に油圧シリンダー６の伸縮方向と
平行にバネ力を生ぜしめる必要はなく、油圧シリンダー
６に減衰能を持たせることが可能なようにして設置すれ
ばよい。

なお、第１図において、10および10′はサーボバルブで
発生する差圧（シリンダー側の油圧と反シリンダー側の
油圧との差圧）を検出することができる油圧計であり、
８は演算器９からの信号をサーボバルブに出力するアン
プであり、９は前記油圧計10、10′が検出した２つの油
圧の値の差により、後述するように、サーボバルブ７に
おける最適なスプール弁の開度を演算して、スプール弁
の開度をこの演算値通りに変更せしめる演算器である。
なお、前述の２つの油圧の値により、サーボバルブ７に
おける最適なスプール弁の開度を求めるには、後述する
（10）式を用いて演算すればよい。

さらに、サーボバルブ７に設けられているスプール弁
は、周知のように、スリーブ内を摺動するスプールが、
前記スリーブにより形成されるストロークで往復移動す
ることにより、開度を０〜100％（２つのストロークエ
ンドにあるときの開度が100％であり、ストロークの中
間位置にあるときの開度が０％である。）の範囲で連続
的に変化せしめることが可能な構成となっているため、
後述する（10）式により得られたスプール弁開度を、例
えばサーボアンプを介して、サーボバルブに出力するこ
とにより、前記演算値通りの開度を常時維持することが
できる。

次に、本発明にかかる装置の作動について説明する。

今、時刻ｔから時刻（ｔ＋Δｔ）の間における、ピスト
ンの変位がΔx_P、サーボバルブ７側の油圧がΔｐだけ変
化した場合に、ピストンの断面積をＡとするとともに油
の圧縮性を無視すると、サーボバルブ７を通過する油の
体積ΔＶ、および油の流量Δｑは、 ΔＶ＝Ａ・Δx_P ……（６） となる。

一方、サーボバルブ７の流量特性から、Ksvを定数、Xs
をサーボバルブのスプール弁の開度とすれば、 と表わされる。

また、粘性係数をCpとすると、ピストンに加わる粘性力
Δfpは、 したがって、式（６）ないし式（９）により、 が導かれる。

すなわち、第１図に示す本発明にかかる装置において
は、圧力計10により（10）式中のΔＰを与えるシリンダ
ーおよびサーボバルブのそれぞれにおける圧力を測定
し、演算器９により（10）式により与えられるスプール
弁の開度Xsを演算し、このように演算して得たスプール
弁の開度Xsを実際のサーボバルブ７のスプール弁の開度
となるように調整するのである。具体的には、サーボア
ンプの入力レンジである±10Vに対して、サーボバルブ
のスプールを−100〜＋100％まで連続的に変化させるこ
とができる。このようにして、サーボバルブ７のスプー
ル弁の開度を調節することにより、油圧シリンダー６内
の油がサーボバルブ７内を通過するときの抵抗の大きさ
をできるだけピストンの移動速度の大きさに比例させ
て、所望の粘性係数Cpにできるだけ近い値の実現を図っ
たものである。

また、このような手段によれば、前述のプラグ変位、プ
ラグ速度といった、測定が容易でない信号を必要とせず
に、比較的単純な装置とすることができ、実用上の観点
からも大きな効果がある。

なお、この装置の実際の使用に際して、サーボバルブ７
の作動の遅れ、油圧検出機器の作動の遅れ等を完全に解
消することは現在の技術では不可能であるため、最終的
に希望するような一定の粘性係数Cpを得ることは容易で
はない。しかし、実用上、自励振動の周波数に対してあ
る程度大きな値のカットオフ周波数を有するサーボバル
ブ７（例えば数10Hzの自励振動に対しては100Hz程度の
カットオフ周波数を有するサーボバルブ）を選定すれ
ば、自励振動の解消という観点からは何ら問題はない。

さらに、本発明の効果を実施例を用いて、より定量的に
明らかにするが、これは本発明を例示するものであっ
て、これにより本発明が限定的に解釈されるものではな
い。

実施例 第２図に示す構成の本発明にかかるマンドレルの自励振
動防止装置を準備した。第２図において、マンドレル１
の後端部は油圧シリンダー６のピストンに設置されてい
る。また、前記の油圧シリンダー６内の油圧を調整する
ためのサーボバルブ７およびアキュムレーター11′が設
けられている。したがって、シリンダー内の圧とアキュ
ームレータ気体圧との差圧をとっているが、この場合、
シリンダー内＝サーボバルブのシリンダー側圧に相当
し、アキュームレータの気体圧＝サーボバルブの反シリ
ンダー側圧に相当する。また、本実施例においては、第
１図に示す装置におけるバネ11の代わりにアキュムレー
タ11′を「油圧シリンダーの伸縮方向にバネ力を生ぜし
める装置」として用いている。このように、アキュムレ
ータ11′を用いる場合は、アキュムレータ11′内に予め
所定の圧力で封入された気体の断熱圧縮により、バネ力
を生ぜしめているのである。

上記以外の構成は、第１図に示す装置と同じであり、図
中符号も第１図と同じであるためこれ以上の説明は省略
する。なお、第２図に示す実施例では油圧計10は、油圧
シリンダー６、アキュムレーター11′にそれぞれ独立し
て設けられているが、第１図に示す実施例と本質的な機
能において異なるものではない。また、シーケンサ内で
の演算は、下記式により行った。

ただし、U:サーボアンプ入力 A:ピストン断面積 Cp:目標粘性係数 Ksv:サーボバルブ流量係数 この第２図に示す本発明にかかるマンドレルの自励振動
防止装置を用いて、外径57.0mm、肉厚7.8mmの継目無鋼
管の引き抜き加工における自励振動の抑制結果を第３図
に示す。

第３図は、加工中のプラグの振動速度が、本発明にかか
る装置の起動の前後でどのように変化したかを示すグラ
フである。第３図からも明らかであるように、起動後約
0.5秒でプラグの自励振動は解消されたことがわかる。

（発明の効果） 本発明により、構造が簡単で安価な装置を用いて、金属
管の引き抜き加工時にダイス穴内部に芯金を介して設置
されたプラグに発生する振動を完全に防止することが可
能となった。このため、 （ｉ）高加工度での引き抜き加工が可能であり、工程を
短縮化できる。

（ii）高引き抜き速度で加工可能であり、生産性が向上
する。

（iii）低級潤滑剤又は潤滑方法で加工が可能であり、
コスト低減が図れる。

（iv）工具に生じていた負荷を吸収できるため、工具損
傷を防止することができ、コスト低減・生産性向上が図
れる。

（ｖ）振動による材料管の表面模様の発生を防止でき、
寸法精度を向上できるため、製品品質・歩留りが向上す
る。

（vi）プラグと金属管の内面との潤滑状態があまりよく
なくても、サーボバルブ内の油の流動抵抗をスプール弁
の開度を変更することにより調整することにより、安定
した引き抜き加工を行うことが可能となる。

という効果が得られた。かかる効果を有する本発明の実
用上の意義は極めて著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかるマンドレルの自励振動防止装
置の一実施例を示す略式説明図； 第２図は、本発明にかかるマンドレルの自励振動防止装
置の他の実施例を示す略式説明図； 第３図は、第２図に示す装置の自励振動制御効果を示す
グラフ； 第４図は、従来の引き抜き加工装置を示す略式説明図； 第５図は、第４図に示す装置の加工中の、プラグの滑り
速度とプラグ〜金属管内面の摩擦力との関係を示すグラ
フ； 第６図は、第４図に示す装置を模式化して振動モデルを
用いて近似的に示した略式説明図； 第７図は、特願昭63-251351号により提案した方法を実
施するための装置を模式化して振動モデルを用いて近似
的に示す略式説明図；および 第８図は、第７図に示す装置において、安定的にマンド
レルの自励振動を抑制することができる範囲を、バネ定
数Kpと粘性係数Cpとの関係で示すグラフである。 1:マンドレル、2:プラグ 3:ダイス、4:金属の管 5:成品、6:油圧シリンダー 7:サーボバルブ、8:サーボアンプ 9:演算器、10:圧力計 11:ばね、11′：アキュムレーター

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属管の冷間引き抜き加工におけるマンド
   レルの自励振動防止方法であって、前記マンドレルをそ
   の後端で、その油の流入・流出の際の抵抗を調整するサ
   ーボバルブを有する油圧シリンダーを介して設置すると
   ともに、前記油圧シリンダーの伸縮方向にバネ力を生ぜ
   しめる装置を前記油圧シリンダーに設置し、引き抜き加
   工時には、前記サーボバルブのスプール弁の開度を、サ
   ーボバルブを介して、シリンダー側の油圧と反シリンダ
   ー側の油圧との差の絶対値の平方根に比例するように調
   整することで粘性係数を所定の範囲内にくるようにする
   ことを特徴とするマンドレルの自励振動防止方法。
2. 【請求項２】金属管の冷間引き抜き加工におけるマンド
   レルの自励振動防止装置であって、 （ｉ）マンドレルの先端に取りつけられて、ダイスの孔
   の内部に設けられたプラグと、 （ii）前記マンドレルの後端と固定部との間に設けら
   れ、その油の流入・流出の際の抵抗を調整するサーボバ
   ルブを有する油圧シリンダーと、 （iii）前記油圧シリンダーの伸縮方向にバネ力を生ぜ
   しめる装置と、 （iv）前記サーボバルブのスプール弁の開度を調整する
   装置と を有することを特徴とするマンドレルの自励振動防止装
   置。