JP2005349534A

JP2005349534A - 鍛造素材の熱間グラインダー研削方法

Info

Publication number: JP2005349534A
Application number: JP2004173759A
Authority: JP
Inventors: Atsuro Masunaga; 敦郎益永; Yasuki Tsuchida; 泰規土田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】
鍛造により金属の成形品を製造する過程で、鍛造素材であるビレットの表面に存在するキズを、熱間のグラインダー研削により除去するに当たり、研削を最適な条件において、高い能率をもって実施する方法を提供する。
【解決手段】
ビレットのひとつの面に対して少なくとも３回の研削パスを行なう。第１回はビレット表面温度により決定される上記圧着力の限界に相当する圧着力をもって研削を行ない、第２回は上昇したビレット表面温度に応じてより低い圧着力をもって研削を行ない、その後は徐々に低下するビレット表面温度に応じて、次第に高められた圧着力をもって研削を行なう。最終回は第１回のビレット表面温度および圧着力とほぼ同じ温度および圧着力条件において研削を終了する、という手順を踏む。
【選択図】図８

Description

本発明は、鋼塊を分塊鍛造して鍛造素材となるビレットを用意し、それを仕上げ鍛造により製品とするに先立ち、ビレット表面のキズ取りをするための熱間グラインダー研削を最適条件で実施することにより、高い研削能率をもって熱間グラインダー研削を行なう方法に関する。

この明細書で、「研削能率」の語は、単位時間内にビレット表面から研削除去できる金属量を意味し（単位はkg/ｈ）、「研削比」の語は、グラインダーの研削砥石の単位重量当たり研削除去できる最大の金属量を意味し（単位はkg/kg）、「圧着力」の語は、研削砥石をビレットに押しつける力を意味する（単位はkg）。

鍛造の対象とする金属材料のビレットなどの表面にあるキズを除去する方法としては、一般の鋼に対しては熱間のスカーフィングが、高合金鋼のように難加工性の材料に対しては冷間のグラインダー研削が実施されてきた。スカーフィングは、火焔による素材表面の溶融吹き飛ばしであるから、高温の環境において重労働を強いられ、あまり好ましくないものであり、大量の煤塵が発生するから、環境に与える負荷も大きい。作業者の熟練の度合いによって、歩留まりや品質のバラツキが大きく、「深取り」によって、かえってキズを残すことがある。

冷間グラインダー研削には、キズ残りや環境問題はないが、リードタイムが長いことと、冷却−加熱を経るから、熱の損失が大きいことが難点である。材料の歩留まりも、若干低くなる。ニッケル基超合金のような難加工材を対象としたときには、サーマルショック感受性が大きく、鍛造のために再度加熱炉に入れて復熱させるときに低速加熱しないと、ワレを生じる危険がある。このような復熱は長時間を要し（たとえば、常温から１０００℃に昇温させるのに、１２時間以上を要する）非能率であるから、素材が分塊直後の、まだ高温にある段階でキズ取りを実施したい。

そこで、通常の加工性をもつ材料はもちろん、難加工性の材料に関しても、熱間でグラインダー研削を行なって、スカーフィングのもつ問題を避けるとともに、熱エネルギーと時間のロスを少なくすることが試みられている。熱間のグラインダー研削は、たとえば継目無鋼管の圧延過程におけるものが知られているが（特許文献１）、自由鍛造品の製造、とくに難加工材の鍛造に先立つ作業としては、実施されていなかった。出願人は、復熱時のサーマルショック問題を軽減するため、熱間グラインダー研削の対象を耐火性の保温材で包んで、研削作業中の温度低下を防ぎつつキズ取りを行なうことを試みて好成績を収めたので、すでに提案した（特許文献２）。
特開平７−３９９０８特開２００２−３４０９５

鍛造素材のキズ取りを行なう熱間グラインダー研削には、冷間グラインダー研削には存在しない問題がある。それは、研削砥石の圧着力の大小が研削能率および研削比に及ぼす影響である。冷間グラインダー研削では、ビレットに対する研削砥石の圧着力を種々変化させても、研削能率はあまり大きくは変動しない。たとえば、圧着力を５００kgから９００kgに高めたとき、研削能率は１５０kg/ｈから２００kg/ｈに上昇する程度である。研削比も同様であって、上記と同じ圧着力の変動に対して、１８kg/kgから１５kg/kgに低下する程度である。この事実は、冷間グラインダー研削は作業の自由度が大きく、広い範囲で条件の設定が可能であることを意味する。

これに対して熱間グラインダー研削になると、圧着力の変動は大幅な研削能率および研削比の変化を引き起こす。たとえば、ある鋼を８５０℃においてグラインダー研削した場合に、圧着力を６００kgから１０００kgに高めたとき、研削能率は２００kg/ｈから７００kg/ｈ以上に上昇し、一方で研削比は、５０kg/kgから４０kg/kg以下に低下する。前記の復熱時のサーマルショックが問題にならない材料であっても、熱間グラインダー研削している間にビレットの温度があまり低くなると、グラインダー研削がかえって表面のキズを増やしかねないことがある。

このようなわけで、鍛造素材とするビレットの熱間グラインダー研削は、研削能率を高めて、短時間で、つまりビレット温度が低下しないうちに、効果的に実施すべきである。発明者らは、どのような因子が研削能率を左右するかを探求した。その結果、研削砥石を駆動するモータの負荷電流Ｐ（Ａ）が、ビレット表面の温度により決定される材料の変形抵抗Ｋｆ（kg/mm2）および粘りφ、研削砥石の圧着力および走行速度などにより決定され、それらが全体として研削能率に影響を与えることを知った。つまり、Ｐ＝ｆ（Ｖ，Ｋｆ，φ）の関係である。

本発明の目的は、分塊鍛造によって得た鍛造素材の表面に存在するキズを、熱間のグラインダー研削により除去する場合、その研削を高い能率をもって実施する方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の鍛造素材の熱間グラインダー研削方法は、鍛造の対象とする金属材料のビレットを熱間でグラインダー研削して表面のキズを除去する方法において、ビレットのひとつの面に対して複数回の研削パスを行なうに当たり、研削砥石を駆動するモータの負荷電流が過大にならない限界における、ビレット表面の温度と、ビレットに研削砥石を押しつける圧着力の限界との関係を、金属材料ごとに調べておき、各研削パスを行なう圧着力を、研削されるビレット表層の温度の変化に応じて選択することにより、最大の研削能率を実現しつつ実施することを特徴とする。

代表的な態様を挙げれば、この熱間グラインダー研削は、つぎのように実施する。すなわち、ビレットのひとつの面に対して少なくとも３回の研削パスを行ない、第１回はビレット表面温度により決定される上記圧着力の限界に相当する圧着力をもって研削を行ない、第２回は上昇したビレット表面温度に応じてより低い圧着力をもって研削を行ない、その後は徐々に低下するビレット表面温度に応じて次第に高められた圧着力をもって研削を行ない、最終回は第１回のビレット表面温度および圧着力とほぼ同じ温度および圧着力条件において研削を終了する、という手順を踏む。

本発明に従って鍛造素材とするビレットの熱間グラインダー研削を行なえば、重労働であり環境への負荷が問題のホットスカーフをこれで置き換えることができる。本発明の熱間グラインダー研削は、高い研削能率をもってキズ取りができるから、ビレットの温度があまり低下しないうちに短時間でキズ取り研削を終了することができ、プロセス全体の合理化が可能になる。続く仕上げ鍛造のための復熱作業は、従来の作業にくらべて小さい温度差を回復すればよいから、消費する熱エネルギーと、加熱時間が少なくて済む。鍛造の対象が難加工材である場合、温度が過度に低下したビレットをグラインダー研削することが引き起こす問題が避けられるだけでなく、復熱作業におけるサーマルショックの問題も軽減できるから、本発明の利益はとくに顕著に得られる。

以下に、本発明の成立の経緯を説明する。発明者らはまず、３種の鋼材すなわちＳＵＳ３０４高窒素鋼（ＳＵＳ３０４Ｎ２）、熱間工具鋼（ＳＫＤ６）および炭素鋼（Ｓ４０Ｃ）のビレットを対象に熱間のグラインダー研削を行なって、研削砥石の圧着力と研削能率との関係を調べるとともに、研削砥石を駆動するモータの負荷電流の限界からみた圧着力の限界を決定した。得られた結果は、図１および図２に見るとおりである。図１は圧着力と研削能率との関係を示すグラフであって、圧着力を高めると、それに伴って研削能率が増大するが、その関係は材料によって異なることが、このグラフからわかる。図２は、ビレットの温度と適用できる圧着力との関係を示すグラフであって、その熱間グラインダー研削設備の能力が許す範囲で、温度と圧着力との間に適切な組み合わせがあることが、このグラフは教えている。

研削砥石の走行速度との関係については、図３に示す結果が得られた。図３は、圧着力１６０ｋｇ、研削開始温度７００℃において、低速（１０ｍ／min）と高速（２０ｍ／min）の走行速度で研削したときの研削能率を比較したものであって、高速研削が有利であることを示している。設備能力の限界と走行速度の高低との関係をグラフにすると、図４のようになる。このグラフは、高速走行により、研削作業を実施できるビレット温度範囲が拡大することを示している。

つぎに、前記３種の材料のうちで難加工性であるＳＵＳ３０４Ｎ２をえらび、それと対比するため加工性のよいＳ４０Ｃを対象にして、ビレット温度と研削される深さの関係を調べた。図５はその試験法を示す概念図であって、上記鋼材の試験片（１）に研削砥石（２）を一定の圧力で圧着させ、２０ｍ／min（高速）で２０パスの走行を行なったのち、研削により除去された部分（３）の深さを、デプスゲージで測定した。材料温度は６００℃、７００℃、８００℃の３水準、圧着力は１６０kg、２７０kg、３８０kg、４５０kgの４水準である。研削砥石はエラス社製の「ＮＳ／ＮＺ１０ＺＺ」を用いた。

図６（ＳＵＳ３０４Ｎ２）および図７（Ｓ４０Ｃ）に、ビレット温度と１パス当たりの研削深さの関係を示す。１パス当たりの研削量を稼ぐには、なるべく高い圧着力で研削砥石を当てるべきことがわかる。難加工材においては、温度の低下が研削深さの顕著な減少を招いており、なるべく高い温度で研削を行なうべきことが図６から結論されるが、加工性の高い材料を対象にする場合は、温度の影響はあまり大きくないことが図７から結論された。

グラインダー研削の能率は、ビレットの一面のキズ取りを完了するまでに、研削砥石を何回その面を走行させなければならないか、というパス数が少ないほど高いことになる。パス数は、研削除去すべきビレット表面の厚さ（これを「削り代」と呼ぶ）を、１回のパスで除去できる厚さで割った値である。この傾向を調べるため、上記ＳＵＳ３０４Ｎ２について、圧着力４５０kgで６００℃または７００℃、３８０kgで８００℃における研削を行なって、削り代が０．５〜３．０mmの範囲における、必要パス数との関係をプロットした。得られたグラフが図８である。このデータから、低温になると一定の削り代に対して必要なパス数が著しく増大し、実際的でなくなることがわかる。したがって、キズ取り研削を終了する温度があまりに低くならないよう管理する必要がある。

本発明の熱間グラインダー研削により表面のキズを除去する対象となるビレットは、その一つの面の研削が終わったならば、直ちに軸を中心に９０度回転させて、別の面を研削できるようにした装置を使用して支持することが望ましい。この目的には、一対の櫛型をしたビレット支持片を、それぞれの両側の平行する軸について回転可能に用意し、油圧ピストンなどで交互に上下させることにより、一方の支持片から他方の支持片へ受け渡し、その際に回転させるような機構が好適である。グラインダーは、研削砥石の回転軸を、ビレットの軸に平行な面内で一定の角度範囲において揺動させることができるように構成しておくと、局部的な深い研削が必要な場合に好都合である。

ＳＵＳ３０４Ｎ２のインゴットを分塊圧延して得た、一辺が４０cm×長さ１５０cmのビレットの表面を、８００℃で熱間グラインダー研削によりキズ取りした。表層部の温度および圧着力の変化は、図９に示すとおりである。最初のパスは、表面の温度が低下して７５０℃程度になっているので、もっとも高い圧着力４５０kgを採用した。２パス目は、表層部が削られて内部が露出することにより、温度が約８００℃に高まったので、圧着力を３８０kgに低下させた。続いて５パス、合計７パスの研削を行なったが、その間に表層部の温度は次第に低下していったので、それに応じて圧着力を次第に高めて行った。最後のパスは、再び最高の圧着力４５０kgとした。この方法で熱間グラインダー研削をすることにより、モータの過負荷による停止を避け、高い能率をもってキズ取りを実施することができた。

本発明の成立の過程で得た知見を示す図であって、研削砥石の圧着力と研削能率との関係を表したグラフ。同じく本発明の成立の過程で得た知見を示す図であって、ビレットの温度と適用できる圧着力との関係を表したグラフ。やはり本発明の成立の過程で得た知見を示す図であって、研削砥石の走行速度と研削能率との関係を表したグラフ。これも本発明の成立の過程で得た知見を示す図であって、低速走行および高速走行における研削能率を比較したグラフ。本発明による熱間グラインダー研削の試験方法を示す概念的な図。本発明による熱間グラインダー研削の試験結果を示す図であって、加工性の低い材料について、温度と研削深さとの関係を種々の圧着力において測定したグラフ。同じく本発明による熱間グラインダー研削の試験結果を示す図であって、加工性の良好な材料について、温度と研削深さとの関係を種々の圧着力において測定した、図６と同様なグラフ。やはり本発明による熱間グラインダー研削の試験結果を示す図であって、加工性の低い材料について、研削除去すべきビレット表面の厚さと必要な研削砥石の走行パス数との関係を表したグラフ。本発明の実施例における、ビレット表面の温度とそれに対応して適切な圧着力とが、パス数の進行に伴って変化する様子を示したグラフ。

符号の説明

１試験片
２研削砥石
３研削により除去された部分

Claims

鍛造の対象とする金属材料のビレットを熱間でグラインダー研削して表面のキズを除去する方法において、ビレットのひとつの面に対して複数回の研削パスを行なうに当たり、研削砥石を駆動するモータの負荷電流が過大にならない限界における、ビレット表面の温度と、ビレットに研削砥石を押しつける圧着力の限界との関係を、金属材料ごとに調べておき、各研削パスを行なう圧着力を、研削されるビレット表層の温度の変化に応じて選択することにより、最大の研削能率を実現しつつ実施することを特徴とするビレットの熱間グラインダー研削方法。
請求項１のビレットの熱間グラインダー研削方法において、ビレットのひとつの面に対して少なくとも３回の研削パスを行ない、第１回はビレット表面温度により決定される上記圧着力の限界に相当する圧着力をもって研削を行ない、第２回は上昇したビレット表面温度に応じてより低い圧着力をもって研削を行ない、その後は徐々に低下するビレット表面温度に応じて次第に高められた圧着力をもって研削を行ない、最終回は第１回のビレット表面温度および圧着力とほぼ同じ温度および圧着力条件において研削を終了することを特徴とする熱間グラインダー研削方法。