JP2005169447A - 金属材料の加工方法及び金属加工品 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンネル、アングル、ハット鋼など形鋼の外角部の二次元投影長さＬｐを小さくできる金属材料の加工方法、および二次元投影長さＬｐが小さく、肌が美麗な金属加工品を提供する。
【解決手段】長尺の金属素材を冷間フォーミング成形することにより、少なくとも１つの直角曲げ部を有する所定断面形状の予成形部材とする予成形工程と、冷間または温間で前記予成形部材の角部とともに該角部近傍の外辺部を外側に膨出させ、膨出部を有する一次成形部材を形成する第１の圧延工程と、冷間または温間で前記膨出部を角部の内側に向けて押込み、曲率半径Ｒｏが小さい外角部を有する二次成形部材を形成する第２の圧延工程とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、建材や構造用に供される肌が美麗で、少なくとも１個所にシャープな直角曲げ部（以下「ピン角（かど）」という）を有するチャンネル、アングル、ハット鋼などの形鋼を加工する金属材料の加工方法、およびシャープなピン角を有する金属加工品に関する。

チャンネルやアングル等の形鋼を製造する方法は、熱間圧延による方法と冷間圧延による方法との２つに大別されるが、その他に熱間圧延と冷間圧延を組み合わせた方法、局部加熱して冷間圧延する方法、あるいは冷間成形（フォーミング）後に冷間圧延する方法などが知られている。

熱間圧延による方法は、材料の変形抵抗が小さいため直角曲げ部の内角部曲率と外角部曲率は意図するものを比較的容易に得ることはできるが、金属の溶解設備や酸洗設備を必要とし、また出来上がった表面の肌が荒れるため建材用外壁や自動車部品などの意匠性を要求される部分に使用する場合には表面研摩が必須となる。このため例えば特許文献１の方法では、中間工程に表面研摩工程を組み入れる必要がある場合もある。しかし、表面研摩工程は非常に手間が掛かり、コスト高となり、作業環境の点でも問題がある。

特許文献２には、加工硬化の生じていない凸部を中央に持つ帯状部材を冷間フォーミングでＬ字形に曲げ、更に水平ロールと垂直ロールにて内外頂角部分を所定のＲに圧延する方法が開示されている。しかしながら、特許文献２の方法では、冷間フォーミング工程の前段で、加工硬化の生じていない凸部を中央に持つ帯状部材を熱間で製造する余分な工程を必要とすることに加え、加工硬化が生じていないとはいえ、両端部より厚さの厚い帯状部材を曲げるには通常の均一な厚みの曲げに比較して困難さを伴うことは明白である。また、曲げ終わった時に内角部にシワを生じると考えられ、発生したシワを取り除かない限り水平および垂直ロールで潰した場合、内角部にシワの潰しこみによる欠陥発生の問題点が残る。

特許文献３に開示されている方法では、材料の長さ方向に潰す力が逃げるため、曲げ後の外角部の二次元投影長さＬｐが所望する程小さくならないと考えられる。

特許文献４には、ステンレス鋼帯を冷間フォーミング成形した後、アングルの辺を上下から押し潰すことにより剛性の大きい辺Ａの角に近い側がそのままの形で平行移動し、内外の曲率Ｒの部分を含む辺Ｂ全体が辺Ａの端部ａ１方向に変形することにより曲率Ｒが直線と接する部分が潰れる。この動作を各辺について行なうことにより冷間フォーミングで形成した外角部の円弧長を減少させることにより略直角の外角を有するアングルを得る方法が開示されている。
特開平４−０５９１０１号公報 特開平６−２４６３０２号公報 特開平６−２４６３０１号公報 特開平１０−００５９０９号公報

しかし、上記特許文献１〜４のいずれの方法によっても、曲げ加工による製品では外角部の曲率Ｒの寸法（二次元投影長さ）が小さくシャープにならず、通常は板厚以上に留まることが多い。また、特許文献１のように熱間圧延成形によるチャンネルは外角部の曲率が比較的小さくなるが、製品表面の肌が粗くなるという問題がある。

従来のチャンネル２０Ｃは、図８（ａ）に示すように、角部ｃ１の外角曲率半径Ｒ１が大きい。このように大きな外角曲率半径Ｒ１の角部ｃ１をもつチャンネル２０Ｃを、例えば図９に示すように、平行に並べて、隣り合うチャンネル２０Ｃとチャンネル２０Ｃとの間をアーク溶接機１３０で溶接して建物の外壁を形成する場合に、角部ｃ１に大きな曲率Ｒがついているために、溶接アーク１３１が２つのチャンネルの相互接触部１３２まで十分に入っていかず、溶接不良を生じる。

また、チャンネル、アングル、ハット鋼などの一般構造用軽量形鋼（JIS G 3350）は建物の外壁に取り付けられ、外装パネルとして装飾的に用いられる場合が多いことから、チャンネルの外角部ｃ１に大きなＲがついていると、ウェブ２０ａ面と角部ｃ１の外観がかなり違って見え、美観上から言ってもユーザーに好まれていない。フランジ２０ｂの面を外壁として露出させる場合にもこれと同様の問題を生じる。

また、図１０（ａ）に示す従来のアングル３００の外角部ｃ２についても同様の問題を生じる。さらに、図１１（ａ）に示す従来のハット鋼４００の外角部ｃ３，ｃ４についても同様の問題を生じる。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、チャンネル、アングル、ハット鋼など形鋼の外角部の二次元投影長さＬｐを小さくできる金属材料の加工方法、および外角部の二次元投影長さＬｐが小さく、肌が美麗な金属加工品を提供することを目的とする。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明は以下に示す手段を用いている。

（１）本発明の金属材料の加工方法は、長尺の金属素材を冷間フォーミング成形することにより、少なくとも１つの直角曲げ部を有する所定断面形状の予成形部材とする予成形工程と、冷間または温間で前記予成形部材の角部とともに該角部近傍の外辺部を外側に膨出させ、膨出部を有する一次成形部材を形成する第１の圧延工程と、冷間または温間で前記膨出部を角部の内側に向けて押込み、曲率半径Ｒｏが小さい外角部を有する二次成形部材を形成する第２の圧延工程とを有することを特徴とする。

（２）本発明の金属材料の加工方法は、第２の圧延工程では、前記二次成形部材の外角部の二次元投影長さをＬｐ、辺の厚さをｔ、角部の内角頂部から外角頂部までの頂部厚さをＴとしたときに、０．５ｍｍ≦Ｌｐ≦０．３ｔ、およびｔ＜Ｔの関係を同時に満たす前記（１）記載の方法である。

（３）本発明の金属材料の加工方法は、第１の圧延工程では、外側に膨出させる外辺部の長さは角部の両側にそれぞれの辺長さの１／２以下とする前記（１）または（２）のうちいずれか一方に記載の方法である。

（４）本発明の金属材料の加工方法は、第１の圧延工程では、予成形部材の内角部に当接する縦ロールのロールエッジの曲率半径Ｒｅを予成形部材の内角部の曲率半径Ｒｉよりも小さくする前記（１）乃至（３）のうちいずれか１記載の方法である。

（５）本発明の金属材料の加工方法は、さらに、第２の圧延工程の後に、二次成形部材の断面形状が所望の形状となるように矯正する第３の圧延工程を有する前記（１）乃至（４）のうちいずれか１記載の方法である。

（６）本発明の金属加工品は、前記（１）乃至（５）のうちいずれか１の方法を用いて成形され、外角部の二次元投影長さＬｐが０．５ｍｍ以上で、辺の厚さｔの０．３倍以下である。

本発明は、少なくとも１つの直角曲げ部を含む種々の断面形状の形鋼、特にチャンネル、アングル、ハット鋼などの一般構造用軽量形鋼に好適に用いることができる。

また、本発明は炭素鋼（軟鋼）およびステンレス鋼などの鉄系の金属材料ばかりでなく、チタン等の非鉄金属材料にも好適に用いることができる。

また、本発明は、厚さｔが３〜６ｍｍの範囲で好適に用いられ、特に厚さｔが３〜４．５ｍｍの範囲において最も好適に用いられる。なお、厚さｔが３ｍｍ未満の場合であっても本発明を用いることにより同様の効果が得られるものと推察される。

なお、本明細書中において、外角部の二次元投影長さＬｐとは、ＸＹ面に投影した写像のＸ軸長さまたはＹ軸長さのことをいうものと定義する。

本発明によれば、少なくとも１つの直角曲げ部をもつ金属加工品において角部の外角曲率半径を小さくでき、特にチャンネルにおいて両外角部（エッジ）の曲率半径を小さくすることができるので、これを建物の外壁やエレベータホールの枠材に用いたときに一様な反射面をもつ優れた外観が得られ、また施工面でも溶接しやすいシャープな形状となる。

また、本発明は、冷間または温間で圧延するので、熱間圧延のような表面の肌荒れが生じなくなり、表面の肌が金属光沢のある美麗な金属加工品を得ることができる。

本願の出願人は、先願にあたる特許文献４においてアングルの外角部Ｒの円弧長さを小さくする方法を提案している。しかし、特許文献４の方法では、辺を潰した時にアングル内角部の表面にシワが発生する。この内角部のシワは強度に実質的な影響を及ぼすものではないが、ユーザーに亀裂と誤認されやすいため、外観上あまり好ましいものではないという不都合がある。また、特許文献４の方法では、外角部Ｒの円弧長さを通常の冷間フォーミング品に比べて格段に小さくできるが、元の冷間フォーミングでの外角部Ｒがほぼそのままの形状で残るため、あたかも面取りした外角部を有するものであるかのような印象を与える外観をもつアングルになるという問題がある。さらに、特許文献４の方法では、外角部Ｒを形成するときに内角部Ｒも小さくなるため、角部の厚さが減少するという問題も生じる。

そこで、本発明者らは、アングルと関連付けてチャンネルの製造技術に関して鋭意研究を積み重ねた結果、特許文献４の方法におけるアングルの外角部Ｒを小さくするときに発生する上記問題がチャンネルでも同様に発生することを見出し、この問題解決のために冷間ロールフォーミングで成形されたフォーミング・チャンネルを縦横ロール面の形状を種々変えた４方向圧延機により冷間または温間で圧延する試行錯誤を繰り返し、本発明を完成させるに至った。

以下、本発明の実施例を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明方法を実施するために用いた製造ラインの一例を示す概略図である。製造ライン１には上流側から順にアンコイラー３、冷間ロールフォーミング装置４、油切装置５、加熱装置６、角出し用多段圧延機８、矯正機９、切断機１０、搬送テーブル１１が並んでいる。本実施例では金属素材２として厚さ３ｍｍの熱間圧延ステンレス鋼帯を用いて、製造ライン１により所定サイズのチャンネルを製造した。その製造は次のようにして行った。

まず熱間圧延ステンレス鋼帯２をアンコイラー３に装着する。素材となるステンレス鋼帯２は、熱間圧延後に表面研磨工程を経て、所定の幅で長手方向に裁断した後に、アンコイラー３に装着されたものである。

ステンレス鋼帯２は、アンコイラー３から図中の矢印方向に送り出され、コイル中継装置により中継され、入側ガイドを介して冷間ロールフォーミング装置４に入る。冷間ロールフォーミング装置４において、ステンレス鋼帯２は多段のフォーミングロールにより冷間または温間で徐々に折り曲げられ、図６（ａ）に示す断面形状の予成形部材２０の形状に成形される。

ここまでの工程は上記の特許文献３に記載された工程と実質的に同じである。但し、予成形部材２０の角部ｃ１の曲率を特許文献３記載の方法で製造された従来品のそれより大きくしている点で、本実施例の予成形工程は従来法の工程と異なっている。すなわち、図８（ａ）に示す従来のチャンネル２０Ｃでは角部ｃ１の内角曲率半径Ｒ２を板厚ｔと等しく（Ｒ２＝ｔ）し、外角曲率半径Ｒ１を板厚ｔの２倍（Ｒ１＝２ｔ）とするのに対して、図６（ａ）に示す予成形部材２０では角部ｃ１の内角曲率半径Ｒｉが板厚ｔを超え（Ｒｉ＞ｔ）、外角曲率半径Ｒｏが板厚ｔの２倍を超える（Ｒｏ＞２ｔ）ように冷間ロールフォーミングしている。また、予成形部材２０では内角頂部から外角頂部までの頂部厚さＴを従来のチャンネル２０Ｃよりも厚くしている。さらに、外角部の二次元投影長さＬｐが板厚ｔの２倍を超える（Ｌｐ＞２ｔ）ように大きくしている。

通常、冷間のロールフォーミングではロールとステンレス鋼帯２との摩擦を低減し、発熱するステンレス鋼帯２を冷却する目的で加工油（水溶性加工油）が使用されるが、次工程でステンレス鋼帯２を加熱するため、冷間ロールフォーミングが終わった時点で油切装置５にて油切りを行う。

油切りが行われた予成形部材２０は、次の加熱装置６により少なくとも角部ｃ１を外側から２００℃以下の温度に局部加熱される。本実施例では加熱装置６として高周波誘導加熱器を用いたが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、熱風発生装置などの他の手段を用いて加熱するようにしてもよい。この局部加熱の狙いは次工程の角出し用多段圧延機８の４方向圧延成形ロールに過度の負荷をかけずに温間で加工し易くするところにあるが、特に加熱することなく冷間で加工することも可能である。すなわち、本発明の加工方法は冷間でも温間でも実施可能である。

角部ｃ１を局部加熱された予成形部材２０は、角出し用多段圧延機８に入ると、第１段の４方向圧延機８１Ａ、第２段の４方向圧延機８２、第３段の４方向圧延機８３を連続して通るうちに、その断面形状が図６の（ａ）から（ｂ）へ、（ｂ）から（ｃ）へ、（ｃ）から（ｄ）へ次々に変わる。すなわち、第１段の圧延機８１Ａでは予成形部材２０（図６（ａ））から一次成形部材２０１（図６（ｂ））に成形され、第２段の圧延機８２では一次成形部材２０１（図６（ｂ））から二次成形部材２０２（図６（ｃ））に成形され、第３段の圧延機８３では二次成形部材２０２（図６（ｃ））から仕上成形部材２０３（図６（ｄ））に成形される。

次に、図２、図３、図６を参照して角出し用多段圧延機のうち第１段の４方向圧延機およびその作用について詳しく説明する。

第１段の４方向圧延機８１Ａは、図２に示すようにワークが通過するパスラインを上下左右から取り囲むように配置された縦ロール８１１，８１２および横ロール８１３，８１４を備えている。縦ロール８１１，８１２の各軸は図示しない駆動軸にそれぞれ連結されている。上部の縦ロール８１１は基準水平線に平行なｘ１軸まわりに回転駆動され、下部の縦ロール８１２は基準水平線に平行なｘ２軸まわりに回転駆動されるようになっている。左右の横ロール８１３，８１４は回転自由に支持されたフリーロールであり、ワークの進行に従って鉛直線に平行なｙ１軸、ｙ２軸まわりにそれぞれ従動回転するようになっている。

図３は第１段の４方向圧延機８１Ａの一部を拡大して示した概略断面図である。左右の横ロール８１３，８１４は実質的に同じ構成であるので、図では右側の横ロール８１４のみを示し、左側の横ロール８１３を省略している。

上部縦ロール８１１は大径部および小径部を有する駆動ロールである。圧延時において大径部のロール面８１１ａはワークのウェブ内面ａ１に接し、大径部のロール側面８１１ｂはワークのフランジ内面ｂ１に接する。大径部のロールエッジは、その曲率半径Ｒｅがワーク（図６（ａ）の予成形部材２０）の内角部の曲率半径Ｒｉより小さい（Ｒｅ＜Ｒｉ）。この上部縦ロール８１１は、圧延時にロールエッジで図６（ａ）に示すワーク角部ｃ１とその近傍の内側にある余分な肉を外側に押し出すものである。ロール８１１の大径部と小径部との間には段付部８１１ｃが形成されている。この段付部８１１ｃは、圧延時にワークのフランジ端面ａ３を規定しながらフランジ２０ｂの上方への延び出しを防ぎ、ワークの断面を所定形状に整えるものである。

下部縦ロール８１２は、平坦部８１２ａ、テーパー部８１２ｂおよび凹部８１２ｃからなるロール面を有する駆動ロールである。凹部８１２ｃとワークのウェブ外面ａ２との間には膨出部形成用の間隙Ｓ３が形成されている。下部縦ロール８１２の入側では平坦部８１２ａのみがワークのウェブ外面ａ２に接し、テーパー部８１２ｂおよび凹部８１２ｃはワーク２０から離れて非接触の状態にあるが、出側では上部縦ロール８１１によって外側に押出された材料がテーパー部８１２ｂおよび凹部８１２ｃにそれぞれ接触するようになり、その結果、角部ｃ１とその近傍のウェブ面ａ２が外側に膨出する。

左右の横ロール８１３，８１４は同じ構成であるので、ここでは代表して右側の横ロール８１４を説明する。横ロール８１４は大径部および小径部を有する回転自由なフリーロールである。ロール８１４の大径部のロール面は、上側から順に平坦部８１４ａ、テーパー部８１４ｂ、凹部８１４ｃを備えており、ワーク２０と接していない（実質的に非接触）。なお、横ロール８１４の大径部と小径部との間には段付部８１４ｄが形成されている。段付部８１４ｄは上下の縦ロール８１１，８１２の側面と接触干渉しないようになっている。

大径部ロール面の平坦部８１４ａとワークのフランジ外面ｂ２との間には間隙Ｓ１が形成されている。この間隙Ｓ１は、縦横ロール８１１，８１４間に発生するバリを防止するためのものである。テーパー部８１４ｂおよび凹部８１４ｃはワークのフランジ外面ｂ２から更に離れている。凹部８１４ｃとワークのフランジ外面ｂ２との間には膨出部形成用の間隙Ｓ２が形成されている。このように横ロール８１４の入側では平坦部８１４ａ、テーパー部８１４ｂ、凹部８１４ｃともにワーク２０から離れて非接触の状態にあるが、出側では上部縦ロール８１１によって外側に押出された材料がテーパー部８１４ｂおよび凹部８１４ｃにそれぞれ接触するようになり、その結果、角部ｃ１とその近傍のフランジ面ｂ２が外側に膨出する。

次に、図４〜図６を参照して角出し用多段圧延機の第２段と第３段の４方向圧延機およびその作用についてそれぞれ詳しく説明する。

第２段の４方向圧延機８２は、図４に示すようにワークが通過するパスラインを上下左右から取り囲むように配置された縦ロール８２１，８２２および横ロール８２３，８２４を備えている。縦ロール８２１，８２２の各軸は図示しない駆動軸にそれぞれ連結されている。上部の縦ロール８２１は基準水平線に平行なｘ１軸まわりに回転駆動され、下部の縦ロール８２２は基準水平線に平行なｘ２軸まわりに回転駆動されるようになっている。左右の横ロール８２３，８２４は回転自由に支持されたフリーロールであり、ワークの進行に従って鉛直線に平行なｙ１軸、ｙ２軸まわりにそれぞれ従動回転するようになっている。

図５は第２段の４方向圧延機８２の一部を拡大して示した概略断面図である。左右の横ロール８２３，８２４は実質的に同じ構成であるので、図では右側の横ロール８２４のみを示し、左側の横ロール８２３を省略している。

上部縦ロール８２１は大径部および小径部を有する駆動ロールである。圧延時において大径部のロール面８２１ａはワークのウェブ内面ａ１に接し、大径部のロール側面８２１ｂはワークのフランジ内面ｂ１に接する。ロール８２１の大径部と小径部との間には段付部８２１ｃが形成されている。この段付部８２１ｃは、圧延時にワークのフランジ端面ａ３を規定しながらフランジ２０ｂの上方への延び出しを防ぎ、ワークの断面を所定形状に整えるものである。

下部縦ロール８２２は、平坦部８２２ａのみからなるロール面をもつ駆動ロールである。上下の縦ロール８２１，８２２によりワークのウェブ２０ａの全長を圧下する。その結果、外側に膨出した角部ｃ１とその近傍のウェブ面ａ２の材料が内方に押し戻される。

左右の横ロール８２３，８２４は同じ構成であるので、ここでは代表して右側の横ロール８２４を説明する。横ロール８２４は大径部および小径部を有する回転自由なフリーロールである。なお、左右の横ロール８２３，８２４の間隔は、図６（ｂ）に示すフレア状に外側に開いたフランジ２０ｂにロール面８２４ａが出側で接するように設定されている。また、横ロール８２４の大径部と小径部との間には段付部８２４ｂが形成されている。段付部８２４ｂは上下の縦ロール８２１，８２２の側面と接触干渉しないようになっている。

横ロール８２４でワークの幅方向への変位を制限しながら、上部縦ロール８２１によりワークのフランジ全長を圧下する。これにより、外側に膨出した角部ｃ１とその近傍のフランジ２０ｂの材料が内方に押し戻され、下部縦ロール８２２によりウェブ２０ａのほうから押し戻される材料と相俟ってワークの角部ｃ１に材料（肉）が寄り集まる。その結果、図６（ｃ）に示すように角部ｃ１がシャープになり、外角部の二次元投影長さＬｐが小さい二次成形部材２０２となる。二次成形部材２０２は表面の肌が美麗であり、優れた外観を有している。

図４、図５では第３段の圧延機８３を第２段の圧延機８２と同じように示したが、両者は横ロールが実際には異なり、第３段の圧延機８３では左右の横ロールをスプリングバック矯正用のオーバーベンドロールとしている。すなわち、第２段の圧延機８２の横ロールではロール面８２４ａを平坦にしているが、第３段の圧延機８３の横ロールではロール面の上部を内側に僅かに傾斜させたテーパー面としている。テーパーロール面の傾斜角度は数度程度とし、図６（ｃ）に示す二次成形部材２０２のフランジ２０ｂを内方に僅かに曲げてスプリングバックを矯正し、図６（ｄ）に示す仕上成形部材２０３とする。

以上のようにして外角部の二次元投影長さＬｐが板厚ｔの０．３倍以下のシャープなピン角をもつチャンネル（仕上成形部材２０３）が得られる。次いで、チャンネル２０３の捩れ、反り、横曲がり（キャンバー）を矯正機９により矯正し、チャンネル２０３に直線性をもたせる。次いで、これを切断機１０に送り、所定の長さに切断した後に、搬出テーブル１１により搬出する。

以上の成形処理はすべて図示するように連続する一連の工程で行われる。また、チャンネルの角部ｃ１は溶接作業など実際の現場においては真に直角であればある程、作業性は良い。しかし、反面チャンネルを手で扱う場合真に直角であればある程、作業者が手を切るおそれがあり、僅かにＲ部を有する物の方が安全性の観点からは扱い易い。よって、本発明では外角部の二次元投影長さＬｐの最小値を０．５mmとすることが望ましい。

（実施例１）
実施例１の供試材として熱間圧延ステンレス鋼帯（JIS Ｇ 4306, SUS304-HS, t3.0mm）を表面研磨し、スリッターにて長手方向に裁断した材料２（厚み３ｍｍ×幅１３２〜１３７ｍｍ×長さ５〜６ｍ）を準備した。

上記ステンレス鋼帯材料２を冷間ロールフォーミング装置４に通過させることにより、図６（ａ）に示した予成形チャンネル２０を得た。予成形チャンネル２０は、厚みｔ１が３ｍｍ、フランジ長さＢ１が２７〜２８ｍｍ、ウェブ長さＨ１が６２ｍｍ、外角部曲率半径Ｒｏが５〜６ｍｍであった。

ゴム製ワイパー（油切装置５）により予成形チャンネル２０から水溶性加工油を取り除いた後、高周波誘導加熱装置（加熱装置６）にて材料温度（チャンネル角部ｃ１の温度）が１７０〜１９０℃になるように局部加熱し、これを第１段、第２段、第３段の４方向圧延機８１Ａ，８２，８３に連続して通過させた。

本実施例の角出し用多段圧延機として、上部縦ロールの大径部の直径Ｄ１を２３０〜２５０ｍｍ程度、上部縦ロールの小径部の直径Ｄ２を１８０〜２００ｍｍ程度、上部縦ロールの段付部の長さを８〜１０ｍｍ程度、上部縦ロールのロールエッジの曲率半径Ｒｅを０．５〜１．０ｍｍの範囲とし、下部縦ロールの平坦部の直径を２１０〜２３０ｍｍ程度とし、横ロールの大径部の直径Ｄ３を６０〜７０ｍｍ程度、横ロールの小径部の直径Ｄ４を４０〜５０ｍｍ程度、横ロールの段付部の長さを５〜７ｍｍ程度とした３段の４方向圧延機を用いた。

また、本実施例では、横ロールの平坦部の長さＬ１を１０〜１５ｍｍ程度、テーパー部の長さＬ２を８〜１０ｍｍ、横ロールのテーパー部の傾斜角θ１を鉛直線に対して数度だけ傾け、凹部の長さＬ３を４〜６ｍｍ、圧延前のワークと横ロールの平坦部との間隙Ｓ１を０．４〜０．６ｍｍ、圧延前のワークと横ロールの凹部との間隙Ｓ２を０．７〜０．９ｍｍとした。

さらに、本実施例では、下部縦ロールのテーパー部の長さＬ５を８〜１０ｍｍ、下部縦ロールのテーパー部の傾斜角θ２を基準水平線に対して数度だけ傾け、下部縦ロールの凹部の長さＬ４を１０〜１２ｍｍ、圧延前のワークと下部縦ロールの凹部との間隙Ｓ３を０．５〜０．７ｍｍとした。

なお、第１段、第２段、第３段の４方向圧延機８１Ａ，８２，８３の各縦横ロールのセッティング位置は、上記の予成形チャンネル２０のサイズ（厚み３ｍｍ、フランジ長さ２７〜２８ｍｍ、ウェブ長さ６２ｍｍ）により予め定められたロール寸法及びロール間隔に従って調整した。

すなわち、第１段の４方向圧延機８１Ａでは上部縦ロール８１１の大径部と下部縦ロール８１２との間隔を３ｍｍにセットすれば、上部縦ロールの段付部８１１ｃと下部縦ロール８１２との間隔は２７〜２８ｍｍとなるように上部縦ロール８１１は製作されている。ただし、段付部８１１ｃは予成形チャンネル２０のフランジ端面ａ３に対して非接触とし、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度離した位置にくるように縦ロール８１１，８１２をセットした。一方、左側の横ロール８１３と右側の横ロール８１４との間隔は、バリ防止用の間隙Ｓ１（０．５ｍｍ）を考慮して所望値に設定した。これら２組４個のロール８１１，８１２，８１３，８１４は、開先を付けたフォーミング材を通しても設定した値が変化しないようにロールハウジング、ロールのジャーナル部など充分な剛性を持っている。

第２段の４方向圧延機８２の縦ロール８２１，８２２は第１段の４方向圧延機８１Ａのそれとほぼ同様に設定した。但し、左側の横ロール８２３と右側の横ロール８２４との間隔は、ワークのフランジ部２０ｂの反りを考慮して所望値に設定した。

第３段の４方向圧延機８３の縦ロール８３１，８３２は第２段の４方向圧延機８２のそれとほぼ同様に設定した。但し、左側の横ロール８３３と右側の横ロール８３４との間隔は、ワークのフランジ部２０ｂの反りを考慮して所望値に設定した。

ワークは、角出し用多段圧延機８に入ると、第１段の４方向圧延機８１Ａ、第２段の４方向圧延機８２、第３段の４方向圧延機８３を連続して通るうちに、その断面形状が図６の（ａ）から（ｂ）へ、（ｂ）から（ｃ）へ、（ｃ）から（ｄ）へ次々に変えられる。すなわち、第１段の圧延機８１Ａでは、上部縦ロール８１１によって外側に押出された材料がテーパー部８１４ｂおよび凹部８１４ｃにそれぞれ規制されて、角部ｃ１とその近傍のフランジ面ｂ２を外側に膨出させる一方で、上部縦ロール８１１によって外側に押出された材料がテーパー部８１２ｂおよび凹部８１２ｃにそれぞれ規制されて、角部ｃ１とその近傍のウェブ面ａ２を外側に膨出させた。このように一次成形ワーク２０１では角部の厚さＴを予め厚くし、角部ｃ１に余分の材料（余肉）をため込んでおく。

第２段の圧延機８２では、横ロール８２４でワークの幅方向への変位を制限しながら、上部縦ロール８２１によりワークのフランジ全長を圧下した。これにより、外側に膨出した角部ｃ１とその近傍のフランジ２０ｂの材料が内方に押し戻され、下部縦ロール８２２によりウェブ２０ａのほうから押し戻される材料と相俟ってワークの角部ｃ１に材料（肉）を寄り集めた。その結果、図６（ｃ）に示すように角部ｃ１がシャープになり、外角部の二次元投影長さＬｐが小さくなった。この二次成形ワーク２０２は表面の肌が美麗であり、優れた外観を有していた。

フランジ先端部のフレア状の反りは第３段の４方向圧延機８３を通すことにより矯正した。第３段の４方向圧延機８３の横ロールは、チャンネルフランジ２０ｂのスプリングバックを矯正するオーバーベンドロールとして機能するものであり、下方から上方に向けて僅かに増径するテーパー状のロール面を備えている。本実施例ではテーパー状ロール面の鉛直線に対する傾斜角度を数度の程度とした。

このような第３段の圧延機８３により二次成形ワーク２０２のフランジ２０ｂを内方に僅かに曲げてスプリングバックを矯正し、図６（ｄ）に示すワーク２０３に仕上げた。第３段の圧延機８３を通過した図６（ｄ）に示す仕上成形ワーク２０３は、厚みｔ３、フランジ長さＢ３、ウェブ長さＨ３は図６（ｃ）に示す二次成形ワーク２０２と実質的に同じであり、外角部ｃ１の二次元投影長さＬｐ（ＸＹ面に投影した写像のＸ軸長さ又はＹ軸長さ）が０．６〜０．８mmであるチャンネル２０３を得た。

本実施例で得たチャンネル２０３は、フランジ長さＢ３が２５ｍｍ、ウェブ長さＨ３が５０ｍｍ、厚みｔが３ｍｍであり、図７に示す外角部の二次元投影長さＬｐが０．５ｍｍ以上０．３ｔ以下の関係を満足するシャープな形状のピン角を有するものであった。なお、外角部の二次元投影長さＬｐは、例えばレーザ距離計のような光学機器を用いて非破壊的に測定した。

また、本実施例で得たチャンネル２０３は、肉眼による外観検査の結果が非常に良好であり、ウェブおよびフランジともに金属光沢のある美麗な表面肌を有するものであった。

（実施例２）
実施例２として、上記の実施例１と同じ材料を準備し、冷間ロールフォーミング後に引き続き冷間で３段の角出し圧延を行った。本実施例２では、角出し圧延前に材料をまったく加熱することなく冷間圧延を行うことを除いては、上記実施例１と同一の条件で製造した。

本実施例２のサンプルを調べたところ実施例１のサンプルと比べて外観および機械的強度ともに遜色ない結果が得られた。しかし、実施例２（冷間角出し圧延）は実施例１（温間角出し圧延）に比べてロールの消耗が著しくなり、作業性が低下した。また、実施例２の方法は実施例１に比べて歩留まりが低かった。

（比較例）
次に、比較例について説明する。なお、比較例が上記の実施例と重複する部分の説明は省略する。
比較例では、第１段の圧延を除いて、圧延条件および加熱条件など他の条件は上記の実施例と同じとした。比較例の第１段の４方向圧延機として、上記実施例の第１段の４方向圧延機の横ロールおよび下部縦ロールのロール面をそれぞれ変えたものを用いた。すなわち、比較例の第１段の４方向圧延機では、横ロールの凹部の長さＬ３を４〜５ｍｍ、圧延前のワークと横ロールの平坦部との間隙Ｓ１を０．４〜０．６ｍｍ、圧延前のワークと横ロールの凹部との間隙Ｓ２を１．５〜１．６ｍｍとし、下部縦ロールのテーパー部の合計長さＬ５を２〜４ｍｍ、下部縦ロールの凹部の長さＬ４を１０〜１２ｍｍ、圧延前のワークと下部縦ロールの凹部との間隙Ｓ３を０．７〜０．９ｍｍとし、上部縦ロールのロールエッジの曲率半径Ｒｅを０．５ｍｍとした。なお、第２段、第３段の４方向圧延機は上記実施例と同じものを用いた。

このような比較例の角出し用３段圧延機を用いて上記実施例と同一サイズ、同一材質の予成形部材２０を角出し圧延した。比較例の方法を用いて成形した図８（ｂ）に示す一次成形チャンネル２０Ｂは膨出部が過大になり、最終の仕上製品としてウェブ２０ａおよびフランジ２０ｂのそれぞれに膨出部と平坦部との境界に沿って筋状の線欠陥が明りょうに生じた。この線欠陥はチャンネルの外観上の美観を大きく損なうものであった。線欠陥の発生原因は、下部縦ロールと横ロールにおいて平坦部からテーパー部への移行が急激であったこと、および間隙Ｓ２，Ｓ３が大きすぎたことに因るものであると考えられる。すなわち比較例では、図８（ｂ）に示すように、第１の圧延工程での外側への膨出量が過大になり（肉の溜め過ぎ）、角部ｃ１に膨出した部分を第２の圧延工程で内側へ十分に押込むことができなかったものと考えられる。

この比較例と上記実施例との比較考察から、次にかかげる事項を一応の結論として導き出せた。
（i）ロール面とワーク外角部との間に大きな間隙を設けることは逆効果となるので、ロール面における凹部の凹みを適正量とする。

（ii）ロール面の平坦部から凹部へ急激に移行させることは逆効果となるので、テーパー部の傾斜角度を緩やかにして、テーパー部の長さを十分に長くする。

本発明はチャンネル以外の他の形鋼、例えばアングルやハット鋼にも適用することができる。

図１０（ａ）は従来の方法により製造したアングルの概略断面図であり、図１０（ｂ）は本発明の方法により製造したアングルの概略断面図である。従来品３００の外角部ｃ２の曲率半径Ｒ１は板厚ｔの０．３倍以下を満足しない（Ｒ１＞０．３ｔ）のに対して、本発明品３０１の外角部ｃ２の二次元投影長さＬｐは板厚ｔの０．３倍以下を満足するものであった（Ｌｐ≦０．３ｔ）。

図１１（ａ）は従来の方法により製造したハット鋼の概略断面図であり、（ｂ）は本発明の方法により製造したハット鋼の概略断面図である。従来品４００の外角部ｃ３の曲率半径Ｒ１は板厚ｔの０．３倍以下を満足しない（Ｒ１＞０．３ｔ）のに対して、本発明品４０１の外角部ｃ３の二次元投影長さＬｐは板厚ｔの０．３倍以下を満足するものであった（Ｌｐ≦０．３ｔ）。

本発明は、種々の断面形状をもつ形鋼、特にチャンネル、アングル、ハット鋼などの一般構造用軽量形鋼に利用され、材質としては炭素鋼およびステンレス鋼などの鉄系金属材料のみに限定されず、チタンなどの非鉄金属材料にも利用されるものである。

本発明の実施の形態に係る金属材料の加工方法に用いた製造ラインの概略図。 本発明の実施の形態に係る金属材料の加工方法に用いた第１段の４方向圧延機を示す概略断面図。 図２に示す第１段の４方向圧延機の主要部を示す拡大断面図。 本発明の実施の形態に係る金属材料の加工方法に用いた第２段以降の４方向圧延機を示す概略断面図。 図４に示す第２段以降の４方向圧延機の主要部を示す拡大断面図。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態に係る金属材料の加工方法を示すフローチャート。 本発明方法を用いて加工したチャンネルの曲げ部分を拡大して示す図。 （ａ）は従来のチャンネルの概略断面図、（ｂ）は比較例のチャンネルの概略断面図。 従来のチャンネルを並べて溶接するときの欠点を説明するための概略断面図。 （ａ）は従来のアングルの概略断面図、（ｂ）は本発明のアングルの概略断面図。 （ａ）は従来のハット鋼の概略断面図、（ｂ）は本発明のハット鋼の概略断面図。

符号の説明

３…アンコイラー
４…冷間ロールフォーミング装置
５…油切装置
６…加熱装置
８…角出し用多段圧延機
８１Ａ…第１段の４方向圧延機（実施例）
８２…第２段の４方向圧延機
８３…第３段の４方向圧延機
８１１，８１２，８２１，８２２…縦ロール
８１３，８１４，８２３，８２４…横ロール
８１１ａ，８１２ａ，８１４ａ，８２１ａ，８２２ａ，８２４ａ…ロール面の平坦部
８１２ｂ，８１４ｂ…ロール面のテーパー部
８１２ｃ，８１４ｃ…ロール面の凹部
８１１ｂ，８１２ｄ，８２１ｂ，８２２ｂ…ロール側面
９…矯正機
１０…切断機
２０…予成形部材（角出し加工前のフォーミング・チャンネル）
２０１…一次成形部材（一次成形ワーク）
２０２…二次成形部材（二次成形ワーク）
２０３…仕上成形部材（仕上成形ワーク）
２０Ｂ…比較例のチャンネル
２０Ｃ…従来のチャンネル
３００…従来のアングル
３０１…本発明のアングル
４００…従来のハット鋼
４０１…本発明のハット鋼
Ｓ１〜Ｓ６…間隙
ａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３…ワークの各面
ｃ１〜ｃ４…角部（直角曲げ部）
Ｌｐ…二次元投影長さ

Claims (6)

1. 長尺の金属素材を冷間フォーミング成形することにより、少なくとも１つの直角曲げ部を有する所定断面形状の予成形部材とする予成形工程と、
   冷間または温間で前記予成形部材の角部とともに該角部両側近傍の外辺部を外側に膨出させ、膨出部を有する一次成形部材を形成する第１の圧延工程と、
   冷間または温間で前記膨出部を角部の内側に向けて押込み、曲率半径Ｒｏが小さい外角部を有する二次成形部材を形成する第２の圧延工程と、
   を有することを特徴とする金属材料の加工方法。
2. 前記第２の圧延工程では、前記二次成形部材の外角部の二次元投影長さをＬｐ、辺の厚さをｔ、角部の内角頂部から外角頂部までの頂部厚さをＴとしたときに、０．５ｍｍ≦Ｌｐ≦０．３ｔ、およびｔ＜Ｔの関係を同時に満たすことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記第１の圧延工程では、外側に膨出させる前記外辺部の長さは前記角部の両側にそれぞれの辺長さの１／２以下とすることを特徴とする請求項１または２のいずれか一方に記載の方法。
4. 前記第１の圧延工程では、前記予成形部材の内角部に当接する縦ロールのロールエッジの曲率半径Ｒｅを前記予成形部材の内角部の曲率半径Ｒｉよりも小さくすることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１記載の方法。
5. さらに、前記第２の圧延工程の後に、前記二次成形部材の断面形状が所望の形状となるように矯正する第３の圧延工程を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１記載の方法。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか１の方法を用いて成形され、外角部の二次元投影長さＬｐが０．５ｍｍ以上で、辺の厚さｔの０．３倍以下であることを特徴とする金属加工品。

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