油圧チューブ不足時の生産動向 そのⅡ

ウィン・カーンズ、インディアナ地下鉄株式会社

編集者注: この記事は、高圧用途向けの小径流体輸送ラインの市場と製造に関する 2 部構成のシリーズの 2 番目です。 第 1 部では、これらの用途向けの従来製品の国内供給状況が不足していることについて説明しました。 パート II では、この市場向けの 2 つの型破りな製品について説明します。

自動車技術会によって指定された 2 種類の溶接油圧チューブ (SAE-J525 および SAE-J356A) は共通の起源を持っており、その仕様書も同様です。 平鋼帯を幅方向にスリットし、ロール成形により管状に成形します。 フィンロールツールでストリップのエッジを研磨した後、チューブを高周波電気抵抗溶接で加熱し、加圧ロール間で鍛造して溶接シームを形成します。 溶接後、OD バリは通常炭化タングステン製の固定ツールで除去されます。 ID フラッシュは固定工具で取り外すか、設計上の最大高さに制御されます。

この溶接プロセスの説明は一般的なものであり、実際の製造では多くの小さなプロセスの違いが存在します (図 1 を参照)。 それにもかかわらず、この 2 つは多くの共通の機械的特性を持っています。

チューブの破損、および一般的な破損モードは、引張荷重または圧縮荷重に分類できます。 ほとんどの材料では、引張下での破損は圧縮時よりも低い応力値で発生します。 つまり、ほとんどの材料は引張よりも圧縮の方がはるかに強いのです。 コンクリートはその一例です。 圧縮には非常に強いのですが、内部に鉄筋（鉄筋）のネットワークを入れて鋳造しない限り、簡単に引き裂いてしまいます。 このため、鋼は引張荷重下で試験され、極限引張強さ (UTS) が決定されます。 3 つの油圧チューブ仕様にはすべて、UTS 310 MPa (45,000 PSI) という同様の要件があります。

圧力チューブは油圧に耐える能力が必要なため、別途計算や破壊試験、破裂試験が必要となる場合があります。 計算により、壁の厚さ、材料の UTS、および OD を考慮した理論上の極限破裂圧力を決定できます。 J525 チューブと J356A チューブは同じ寸法にすることができるため、唯一の変数は UTS です。 一般的な引張値である 50,000 PSI を与えると、0.500 x 0.049 インチでの予測破裂圧力となります。 チューブは両方の製品で同じ 10,908 PSI です。

計算では同じ結果が予測されますが、実際のアプリケーションにおける違いの 1 つは、実際の壁の厚さに関係します。 J356A では、仕様に概説されているように、内径溶接バリはチューブの直径に基づいて最大寸法に制御されます。 バリを除去した製品である J525 の場合、フラッシュスカーフプロセスでは ID を意図的に約 0.002 インチアンダーカットすることが多く、その結果溶接部で局所的な肉厚の薄肉化が生じます。 肉厚は後の冷間加工によって埋められますが、残留応力と結晶粒方位が母材とは異なる可能性があり、肉厚は J356A として指定される同等のチューブよりわずかに薄い場合があります。

これにより、実際には、J356A と比較して J525 のバースト圧力が低下するシナリオが作成される可能性があります。

チューブの最終用途に応じて、主に単層フレアエンド形状の場合、潜在的な漏れ経路を排除するために ID フラッシュを除去するか平らにする (または滑らかにする) 必要があります。 J525 はスムーズな ID を備えているため、リーク パスの可能性がないと一般的に受け入れられていますが、これは誤解です。 J525 チューブは不適切な冷間加工により ID 縞が発生し、接続部に漏れ経路が発生する可能性があります。

バリの除去は、ID 壁から溶接ビードをせん断 (またはスカーフィング) することから始まります。 ローラーで支持されたマンドレルに固定されたスカーフィング ツールは、溶接ステーションを過ぎた直後のチューブ内に設置されます。 スカーフィング ツールが溶接ビードを除去している間、ローラーが誤って溶接スパッタの破片の上を転がり、溶接スパッタの破片をチューブの ID の表面に押し込みます (図 2 を参照)。 これは、削られたチューブやホーニングされたチューブなど、軽く加工されたチューブの場合に問題になります。

フラッシュを真空管の内部から取り外すのは簡単ではありません。 スカーフィングのプロセスにより、フラッシュは長く絡み合ったカミソリのように鋭い鋼に変わります。 削除することは必須ですが、通常、削除は手動で行われる不完全なプロセスです。 スカーフのストランドを含むチューブがチューブメーカーの敷地から出て、顧客に出荷されることがあります。

図 1. SAE-J525 材料はバッチで生産され、非常に資本と労働力がかかる作業です。 SAE-J356A 向けに製造された同様のチューブ製品は、インライン アニーリングを備えたチューブ ミルで完全に処理されるため、プロセスがはるかに効率的になります。

直径 20 mm 未満の流体ラインなどの小さなチューブの場合、これらの直径には追加の ID 仕上げ手順がないため、ID フラッシュの除去は通常それほど重要ではありません。 唯一の注意点は、合意されたフラッシュ制御高さが問題を引き起こすかどうかをエンドユーザーが考慮するだけでよいということです。

ID フラッシュ制御のベスト プラクティスは、正確なストリップのコンディショニング、スリット、溶接の実践から始まります。 実際、J356A には冷間サイジングプロセスが含まれるため、結晶粒径、酸化物介在物、その他の製鋼パラメーターがより制限されているため、J356A の原材料特性は J525 よりも厳しくなければなりません。

最後に、ID スカーフィングには通常、冷却剤が必要です。 ほとんどのシステムはロール ツールと同じミル冷却剤を使用しますが、これには問題が生じる可能性があります。 ろ過やスキミングにもかかわらず、工場冷却液には通常、少なからぬ量の金属微粉、トランプグリースやオイル、その他の汚染物質が含まれています。 その結果、J525 チューブには熱アルカリ浴での洗浄サイクルまたはその他の同等の洗浄ステップが必要です。

コンデンサー、自動車システム、その他の同様のシステムにはきれいなチューブが必要であり、ミル上で十分な洗浄を行うことができます。 J356A は、クリーンな ID、制御された水分含有量、最小限の残留物を持って工場から出荷されます。 最後に、出荷前に各チューブに不活性ガスを充填して腐食を防ぎ、端をシールするのが一般的です。

J525 チューブは溶接後に正規化され、その後冷間加工 (絞り) 操作が行われます。 冷間加工後、チューブは再び正規化され、すべての機械的特性要件を満たすようになります。

正規化、延伸、および 2 番目の正規化のステップでは、チューブを炉、延伸ベンチ、そして再び炉に輸送する必要があります。 これらのステップには、操作の詳細に応じて、ポインティング (描画前)、酸洗い、矯正などの別のサブステップが必要です。 これらの手順には費用がかかり、時間、労働力、現金という計り知れないリソースを消費します。 冷間引抜管は製造時に 20% のスクラップロスを伴います。

J356A チューブは溶接後、ミル上にある間に正規化ステップを受けます。 チューブは地面に触れず、初期の成形ステップから完成したチューブまで、ミル上の連続した 1 つの一連の段階で進行します。 J356A のような溶接されたままのチューブは、生産時に 10% のスクラップ損失を伴います。 他の条件がすべて同じであれば、これは、J356A 管が J525 よりも低コストで製造できることを意味します。

2 つの製品は同様に機能しますが、冶金学的観点からは同一ではありません。

冷間引抜 J525 チューブには、溶接後と引抜後の 2 回、焼きならし前処理が必要です。 焼きならし温度 (1,650°F または 900°C) により表面酸化物が生成されますが、これは通常、鉱酸、通常は硫酸または塩酸によるアニーリング後に除去されます。 酸洗は、大気への排出や金属が豊富な廃棄物の流れという点で環境に大きな影響を与えます。

さらに、ローラーハース炉の還元雰囲気で温度を正規化すると、鋼の表面の炭素が消耗する可能性があります。 このプロセスである脱炭では、元の材料よりも強度がはるかに低い表面層が残ります (図 3 を参照)。 これは、薄肉チューブの場合に特に重要です。 壁の厚さが 0.030 インチの場合、厚さ 0.003 インチのわずかな脱炭層でも有効壁は 10% 減少します。 この弱くなったチューブは、使用中に負荷や振動によって故障する可能性があります。

図 2. ID スカーフィング ツール (図示せず) は、チューブの ID に沿って動くローラーによってサポートされています。 優れたローラー設計により、チューブ壁に巻き込まれる溶接スパッタの量が減少します。 ネルソンツール株式会社

J356 チューブはバッチで処理されるため、ローラーハース炉での焼きなましが必要ですが、それだけでは終わりません。 バリエーションである J356A は、ローラーハース炉よりもはるかに高速な加熱プロセスであるインライン誘導を使用したミルで完全に処理されます。 これにより、焼鈍時間が短縮され、脱炭の機会が数分 (場合によっては数時間) から数秒に短縮されます。 これにより、J356A は酸化物や脱炭皮膜がなく、均一な焼鈍が行われます。

油圧ラインで使用するために作られたチューブは、必要な曲げ、フレア、成形に十分な延性を備えていなければなりません。 油圧作動油を点 A から点 B に運ぶには、途中でさまざまなねじれや曲がりを経て曲げが必要ですが、フレア加工は端部接続を行う方法を提供するための鍵となります。

卵が先か鶏が先かというシナリオでは、単層フレア接続用に絞り加工チューブ (したがって滑らかな内径を持つ) が開発されました。あるいは、おそらくその逆が起こりました。 この接続スタイルでは、チューブの内面が雄継手のシートに対してシールされます。 漏れ防止の金属間シールを作成するには、チューブの表面仕上げが可能な限り滑らかでなければなりません。 このフィッティングは、1920 年代にアメリカ陸軍の初期の航空部門である航空隊で使用するために誕生しました。 このフィッティングは後に、現在一般的に使用されている標準的な 37 度のフレアになりました。

バブル フレアや二重壁フレアなど、他のフレアは多くの状況で機能します (図 4 を参照)。

新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の流行が始まって以来、スムーズな内径を持つ引抜チューブの供給が大幅に減少しました。 入手可能な材料は、以前よりもリードタイムが大幅に長くなる傾向があります。 サプライチェーンにおけるこの変化は、エンドコネクションを再設計することで解決できます。 たとえば、単層フレアを要求し、J525 を指定する見積依頼は、代替品である二重壁フレアの候補となります。 この端部接続では、あらゆるタイプの油圧チューブを使用できます。 これにより、J356A を使用する機会が開かれます。

フレアタイプの接続に加えて、特に高圧システムでは O リング面シール (図 5 を参照) が一般的に使用されます。 この接続タイプはエラストマーシールを使用しているため、単壁フレアよりも漏れが少ない傾向にあるだけでなく、より多用途であり、一般的な油圧チューブタイプの端に形成することができます。 これにより、管製造業者はサプライチェーンの選択肢が広がり、長期的な経済性が向上します。

業界の歴史を見れば、従来の製品が定着しすぎて勢いがつき、市場の方向転換が難しくなる例は数多くあります。 競合製品が、たとえ著しく安価で、元の製品の要件をすべて満たしていることが示されている場合でも、疑いの目で見られれば、市場に足がかりを得るのは困難になる可能性があります。 これは、購買担当者や仕様エンジニアが既存製品の型破りな代替品を検討する場合によく発生します。 認識されたリスクを冒そうとする人はほとんどいません。

場合によっては、変更が保証されるだけでなく、必要となる場合もあります。 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックにより、鋼製流体ライン用の特定のタイプおよびサイズのバルクチューブの入手可能性に予期せぬ変化が生じました。 影響を受ける製品分野は、自動車、家電製品、重機、その他特に流体動力用の高圧ラインを使用するチューブ製造アプリケーションです。

このギャップは、確立されているがニッチなタイプの鋼管を検討することで、おそらく総コストを低く抑えて埋めることができます。 用途に適した製品を選択するには、流体の適合性、動作圧力、機械的負荷、接続タイプを決定するために少し調査する必要があります。

仕様を詳しく見ると、J356A が真の J525 と同等であることがわかります。 パンデミックにもかかわらず、実績のあるサプライチェーンを通じて低価格で入手できます。 最終形状の問題への対処が J525 の調達よりも負担が少ないのであれば、OEM が新型コロナウイルス感染症の時代および将来にわたって物流上の課題を解決するのに役立つ可能性があります。