JP2007301617A - 圧着素材分離装置及び圧着素材分離方法 - Google Patents

圧着素材分離装置及び圧着素材分離方法 Download PDF

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Abstract

【課題】誘導加熱炉内で圧着した素材を、素材に疵や打痕を付けることなく分離する、圧着素材分離装置及び圧着素材分離方法を提供する。
【解決手段】誘導加熱装置の出側から順に設けられた圧着素材後部保持機構、素材支持機構及び分離力付与機構と圧着素材検知センサーからなり、素材の直径D[mm]と、前記素材支持機構と前記分離力付与機構の水平距離L1[mm]と、前記圧着素材後部保持機構と前記素材支持機構の水平距離L2[mm]が、L1>D、L2>Dである圧着素材分離装置によって、前記L1[mm]と、分離力を付与する位置の中心と第一素材と第二素材との圧着面との距離L3[mm]と、素材の直径D[mm]が、D<L3<L1となるように分離力を付与して圧着素材を分離する。
【選択図】図3

Description

本発明は、熱間鍛造に用いられる誘導加熱装置の出側に設置され、誘導加熱装置内で溶着又は圧着した素材を分離する圧着素材分離装置及び圧着素材分離方法に関するものである。
熱間鍛造用素材を誘導加熱炉で加熱する際、高温の素材の端部同士が前後方向に圧着又は溶着して搬送トラブルを生じることがある。以下、誘導加熱装置内又は搬送中に溶着又は圧着した素材を総称して圧着素材という。この場合、誘導加熱炉と熱間鍛造機は搬送コンベアなどを介し直結しているため、鍛造ライン全体が停止し生産に支障をきたすことになる。このような問題に対して、圧着素材を分離する技術が提案されている(例えば特許文献1〜4)。
特許文献1は、溶着した2つの素材のうち、1番目の素材をストッパーで停止し、2番目の素材を第一クランプ及び第二クランプで左右両側方から保持しつつ側方へずらすことにより、圧着素材を分離するものである。しかし、この分離設備は、圧着素材を、溶着部分の温度が低下する搬送ライン上で分離するものである。したがって、必要な分離力が大きくなるため設備が大型となり、初期の導入コストが高いという問題がある。
特許文献2には、圧着素材を検知器によって検知し、検知信号によりロッドを制御して素材に押し付ける分離装置が開示されている。しかし、この装置では、ロッドの押付で上方に回転した素材の角部を、当て板で拘束している。したがって、溶着が強固な場合には、コンベアで搬送されながら当て板に接触した素材の角部に過大な圧力が作用し、すり疵や塑性変形を生じて鍛造品質を損なう。また、ロッドによる押し付け部が素材に打痕となって残る危険性について考慮されたものではない。
本発明者らの一部は、特許文献3に、後部の圧着素材をローラーで支持しつつ、前部の圧着素材を偏芯カムで押下して圧着素材を分離するための装置を提案した。しかし、この方法でも、ローラー及び偏芯カムと圧着素材が接触する位置や、接触する面積を考慮したものではないため、素材に打痕や疵が付く可能性がある。
特許文献4には、誘導加熱炉から抽出された素材が、搬送コンベア上で接触し、圧着した場合に、圧着素材の先端をストッパ手段で保持しながら、接触部位に突き出し手段を突き当て、突き出し手段と対抗して配置されているガイド手段を退避させて、接触部位を分離する装置が開示されている。
この方法では、搬送コンベア上で加熱素材同士が接触して圧着した場合には、極僅かな力で分離可能であり、突き出し手段やガイド手段との接触によって素材に疵や打痕が生じる可能性は小さい。しかし、誘導加熱炉内で素材が溶着した場合、搬送コンベア上で分離しようとすると溶着部分の温度が低下して強度が増し、必要な分離力が大きくなる。また、突き出し手段を溶着部分に接触させると、圧着素材が分離する際に、突き出し手段の角の部分が素材に押し付けられることになる。そのため、接触部分の形状を適切にしなければ、素材に打痕や疵が付く危険性が高くなる。
特開平8−174133号公報 特開平8−3631号公報 特開2006−21207号公報 特開2000−191132号公報
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、誘導加熱炉内で圧着した素材を、誘導加熱炉出口において素材に疵や打痕を付けることなく分離する、圧着素材分離装置及び圧着素材分離方法を提供するものである。
本発明の要旨は以下のとおりである。
(1)入側に素材搬送機構を備えた誘導加熱装置の出側に設置される圧着素材分離装置であって、圧着素材検知センサーと、該誘導加熱装置の出側から順に設けられた圧着素材後部保持機構、素材支持機構、分離力付与機構からなり、素材の直径D[mm]と、前記素材支持機構と前記分離力付与機構の水平距離L1[mm]及び前記圧着素材後部保持機構と前記素材支持機構の水平距離L2[mm]が、それぞれ、L1>D、L2>Dを満足することを特徴とする圧着素材分離装置。
(2)分離力付与機構と素材との接触部の面積S1[mm2]と、圧着素材後部保持機構と前記素材との接触部の面積S2[mm2]及び素材支持機構と前記素材との接触部の面積S3[mm2]と、前記素材の直径D[mm]と、素材支持機構と分離力付与機構との水平距離L1[mm]及び圧着素材後部保持機構と前記素材支持機構の水平距離L2[mm]が、それぞれ、S1>0.04D2、S2>0.04D2×L1/L2、S3>0.04D2×(L1+L2)/L2を満足することを特徴とする前記(1)記載の圧着素材分離装置。
(3)分離力付与機構が素材の上方から垂直に分離力を付与する機能を有することを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の圧着素材分離装置。
(4)前記(1)〜(3)の何れかに記載の圧着素材分離装置を用いた圧着素材分離方法であって、先行する第二素材の後端と後続の第一素材の先端が圧着したことを圧着素材検知センサーにより検知し、該圧着素材検知センサーからの検知情報に基づいて、圧着素材後部保持機構を作動させて上方から前記第一素材の後方を保持し、素材支持機構で前記第一素材の前方を支持し、分離力素材保持機構を作動させて前記第二素材に分離力を付与するに際し、前記素材支持機構と前記分離力付与機構の水平距離L1[mm]、前記分離力を付与する位置の中心と前記第一素材と前記第二素材の圧着面との距離L3[mm]と、素材の直径D[mm]が、D<L3<L1を満足することを特徴とする圧着素材分離方法。
(5)分離力を第二素材の上方から垂直に付与することを特徴とする前記(4)に記載の圧着素材分離方法。
(6)素材の加熱温度が1100℃以上1400℃未満であることを特徴とする前記(4)又は(5)に記載の圧着素材分離方法。
本発明により、誘導加熱炉内で圧着又は溶着した素材を簡単かつ確実に分離できるため、搬送トラブルを未然に防ぎ安定的な生産が可能となる。また分離の際に素材に打痕や疵などを付けることが無いため、鍛造品質を低下させることがない。
図1は、誘導加熱炉及びその出側に設置された本発明の圧着素材分離装置の一例を示す正面模式図である。図1において、誘導加熱炉1の入側(圧着素材分離装置の反対側)には、図示しないが、プッシャー等の素材搬送手段を有し、加熱炉内には、レールを有する。図2は、図1の誘導加熱炉及び圧着素材分離装置の平面模式図であり、図3は図1の圧着素材分離装置を拡大した正面模式図である。
本発明の圧着素材分離装置において、分離力付与機構5は誘導加熱炉1(以下、単に加熱炉1ともいう。)の出口直後に設置する。通常、誘導加熱炉内で溶着又は圧着した素材の分離は、誘導加熱炉の出側から鍛造機までの搬送中に行えば良いが、本発明では加熱炉1の出側に近接して圧着素材分離装置を設け、後続の第一素材7(以下、単に第一素材7ともいう。)に圧着した先行する第二素材8(以下、単に第二素材8ともいう。)を加熱炉1の出口に近い位置で分離する。これは、圧着素材の圧着面の温度低下による圧着強度の増加、即ち、素材に付与すべき分離力の増大を防止するためである。必要な分離力が大きくなると、素材に打痕が付き易くなり、分離装置の大型化にもつながる。
したがって、分離力付与機構5と誘導加熱炉1の出口との距離は、圧着素材後部保持機構3(以下、単に素材保持機構3ともいう。)などの、各装置の設置位置による制限の範囲内で、可能な限り短くすることが好ましい。
本発明の圧着素材分離装置は、圧着素材を検知する圧着素材検知センサー2を備える。この圧着素材検知センサー2には、例えば投光器及び受光器からなる光電センサーが用いられる。図2では、圧着素材検知センサー2を、素材保持機構3及び分離力付与機構5の設置位置よりも誘導加熱炉1から遠い側に設置した態様を示している。通常の圧着していない素材は、後続の素材から離れて、シュート10から搬送コンベア11に搬送されるため、圧着素材検知センサー2により検知されないが、後続の第一素材7に圧着した先行する第二素材8の先端が、通常の圧着していない素材の先端の位置を超えて圧着素材検知センサー2の位置に到達した場合、圧着素材の発生が検知される。
素材保持機構3及び分離力付与機構5は、素材の上方から垂直に保持力あるいは分離力を付与する機能を有するもので、これらの機構には、例えば、エアシリンダが用いられる。先行する第二素材8の後端と後続の第一素材7の先端が圧着されたことを圧着素材検知センサー2が検知すると、該圧着素材検知センサー2からの検知情報に基づいて、圧着素材後部保持機構3を作動させて上方から前記第一素材7の後方を保持し、素材支持機構4で前記第一素材7の前方を支持し、分離力付与機構5を作動させて前記第二素材8に分離力を付与して第二素材8を第一素材7から分離する。このとき用いる素材支持機構4は、素材の下部を支持するものであり、ロールや矩形の台等が用いられる。なお、誘導加熱炉1の出側に複数の搬送ロールを設ける場合には、誘導加熱炉1からの距離が最大であるものを素材支持機構4とする。
素材保持機構3及び分離力付与機構5の動作は、圧着素材の搬送速度、圧着素材検知センター2、素材保持機構3、素材支持機構4及び分離力付与機構5の位置に基づき、必要とされる分離力が小さくなるように制御することが好ましい。そのため、素材保持機構3、素材支持機構4及び分離力付与機構5の配置が重要である。
素材支持機構4と分離力付与機構5の水平距離L1[mm]は素材の直径D[mm]に対して、L1>Dとし、圧着素材保持機構3と素材支持機構4との水平距離L2[mm]は、L2>Dとする。図3に示すように、これらの水平距離は、圧着素材保持機構3、素材支持機構4及び分離力付与機構5それぞれの、水平方向の中心間の距離である。
このような位置関係を有する圧着素材保持機構3、素材支持機構4及び分離力付与機構5により、分離力を圧着素材(第二素材8)に付与すると、第一素材7と第二素材8との圧着面9には、剪断力と曲げモーメントによる引張力が作用する。この剪断力と曲げモーメントによる引張力の合力が圧着力を超えた場合に圧着素材は分離される。剪断力は圧着面9と分離力を付与する位置の中心との距離L3[mm]には依存しないが、曲げモーメントはL3[mm]に比例する。そのため、L3[mm]を大きくするほど分離力付与機構5により付与される分離力を小さくすることができる。これにより、第一素材7と第二素材8とを小さな分離力で分離することが可能になり、素材への打痕や疵などの発生を防止することができる。
図4は、素材の直径Dを100mmとし、圧着面9と分離力を付与する位置の中心との距離L3[mm]と、分離力付与機構5により付与された分離力との関係を示す検討結果の一例である。圧着面9と分離力を付与する位置の中心との距離L3[mm]は、素材の搬送速度を一定とし、圧着素材検知センサー2が圧着した第一素材8の先端を検知してから、分離力付与機構5が分離力を付与するまでの時間を変化させて調整した。
図4において、横軸は、圧着面と分離力を付与する位置の中心との距離L3[mm]の素材の直径Dに対する比L3/Dである。L3[mm]を0、即ちL3/Dを0とすると20000N近い分離荷重が必要であるが、L3[mm]を大きくすると分離荷重は著しく減少し、素材の直径Dと同じ100mm、即ちL3/Dを1にすると4000Nの分離荷重で分離可能である。したがって、分離力を付与する位置の中心との距離L3[mm]と素材の直径D[mm]の関係を、L3>Dとすることが好ましい。
一方、第一素材7と第二素材8との圧着面9が素材支持機構4よりも炉側の位置にある場合、分離力付与機構5で付与された分離力は圧着面9に伝わらず、分離できないか、分離できたとしても素材支持機構4との接触によって素材に打痕、疵を生じることがある。そのため、素材支持機構4と分離力付与機構5の水平距離L1[mm]、分離力を付与する位置の中心と第一素材7と第二素材8の圧着面9との距離L3[mm]の関係は、L1>L3を満たすことが必要である。
ここで、圧着素材保持機構3により付与される保持力と分離力付与機構5により付与される分離力は、素材支持機構4を支点として釣り合うことになる。そのため、圧着素材後部保持機構3と素材支持機構4との水平距離L2[mm]を素材の直径Dよりも大きくする、即ち、L2>Dとすることにより、圧着素材保持機構3が第一素材7を保持するのに必要とする保持力を小さくすることができ、設備の小型化が可能になる。
なお、分離力を小さくするためには、素材支持機構4と分離力付与機構5の水平距離L1を大きくし、分離力による曲げモーメントが大きくなるように、L3を大きくすることが好ましい。したがって、分離力付与機構5の位置は、素材支持機構4と分離力付与機構5の水平距離L1を大きくするように、適宜調整すれば良い。しかし、素材支持機構4と分離力付与機構5の水平距離L1が素材の直径Dよりも短くなると、圧着素材の分離に必要な荷重が大きくなり、分離が困難になることがある。また、本発明の圧着素材分離装置を有効に活用するには、素材の長さLが素材の直径Dよりも大きいことが好ましい。
次に、圧着素材保持機構3、素材支持機構4及び分離力付与機構5と素材とが接触する部位における、打痕、疵の発生について検討を行った。素材に打痕、疵が発生しないようにするには、圧着素材保持機構3、素材支持機構4及び分離力付与機構5と素材との接触部位での面圧が鋼材の降伏応力を超えないよう、圧着素材保持機構3、素材支持機構4及び分離力付与機構5と素材との接触面積を確保することが必要である。
検討の結果、素材直径D[mm]、分離力付与機構5と素材支持機構4との水平距離L1[mm]、素材支持機構4と素材保持機構3との水平距離L2[mm]、分離力付与機構5と素材との接触面積S1[mm2]、素材保持機構3と素材との接触面積S2[mm2]、素材支持機構4と素材との接触面積S3[mm2]との関係が、
1>0.04D2
2>0.04D2×L1/L2
3>0.04D2×(L1+L2)/L2
を満足すれば、打痕や疵の発生を完全に防ぐことができることを知見した。
分離力付与機構5と素材との接触面積S1の下限は、分離力が素材の直径Dの2乗に比例することから、安全係数を掛けて、面圧が素材の降伏強度を超えない範囲になるように決定したものである。
同様に、素材保持機構3と素材との接触面積S2の下限は、圧着素材保持機構3の保持力と分離力付与機構5の分離力の反動に起因する面圧が、素材の降伏強度を超えない範囲になるように決定したものである。素材支持機構4と素材との接触面積S3の下限は、分離力の曲げモーメントと保持力の曲げモーメントに起因する面力が素材の降伏強度を超えない範囲になるように決定したものである。
加熱温度が1100℃未満では素材が圧着又は溶着する頻度が著しく少なく、1400℃以上では素材やスケールが溶融する危険性が高いため、加熱温度が1000℃以上1400℃未満の範囲で、圧着素材の分離試験を行った。分離力を付与する位置の中心と第一素材7と第二素材8の圧着面9との距離L3[mm]を、素材の直径D[mm]以上とした場合、素材加熱温度が1100℃以上1400℃未満の範囲であれば、S1>0.04D2、S2>0.04D2×L1/L2、S3>0.04D2×(L1+L2)/L2を満足させることにより、打痕や疵の発生を完全に防ぐことができることを確認した。
本発明での効果を確認するため、表1に示す条件で圧着素材分離試験を行った。素材には、長さ450mmに切断した直径100mmの機械構造用炭素鋼JISS20Cを用いた。素材保持機構及び分離力付与機構にはそれぞれ最大負荷力9807Nのエアシリンダを用い、ロードセルにて荷重を測定した。表1には、圧着した第一素材と第二素材の分離の可否,打痕の有無,素材保持機構及び分離力付与機構の測定荷重を保持力及び分離力として併記する。
No.1〜18は本発明の条件を満足するものであり、いずれの場合も圧着素材を分離可能であり、素材保持機構及び分離力付与機構の保持力及び分離力は3500N未満であった。また分離後の第一素材及び第二素材には打痕や疵は認められなかった。
一方、No.19は、分離力付与機構と素材支持機構との水平距離L1[mm]と、素材直径D[mm]との関係がL1<Dであり、圧着面と分離力付与位置(分離力付与機構と素材との接触部の水平方向の中心)との水平距離L3[mm]と、素材直径D[mm]との関係がL3<Dであるため、分離力付与機構の最大負荷能力を超え、圧着した第一素材と第二素材を分離できなかった。また第二素材には、分離力付与機構との接触部位に打痕が生じていた。
No.20は、圧着素材保持機構と素材支持機構の水平距離L2[mm]と、素材直径D[mm]との関係がL2<Dであるため、圧着素材の分離はできたものの、圧着素材保持機構の保持力が9415Nと、本発明例の2倍以上必要であった。
No.21は、分離力を付与する位置の中心と第一素材と第二素材の圧着面との距離L3[mm]と、素材の直径D[mm]との関係が、L3<Dであるため、圧着素材の分離はできたものの、分離力付与機構の分離力が7649Nと、本発明例の2倍以上の分離力が必要であり、第二素材には分離力付与機構との接触部位に打痕が生じていた。
No.22は、分離力付与機構と素材支持機構との水平距離L1[mm]と、分離力を付与する位置の中心と第一素材と第二素材の圧着面との距離L3[mm]との関係がL3>L1であるため、分離力付与機構による分離力が圧着面に伝わらず、素材支持機構との接触部位に打痕が生じていた。
更に、素材直径D[mm]、分離力付与機構と素材支持機構との水平距離L1[mm]、素材支持機構と素材保持機構との水平距離L2[mm]、分離力付与機構と素材との接触面積S1[mm2]、素材保持機構と素材との接触面積S2[mm2]、素材支持機構と素材との接触面積S3[mm2]との関係が、S1>0.04D2を満たしていないNo.23、S2>0.04D2×L1/L2を満たしていないNo.24、S3>0.04D2×(L1+L2)/L2を満たしていないNo.25は、いずれも圧着素材は分離可能であり、分離力付与機構及び素材保持機構の分離力及び保持力も3500N未満と本発明と同じ範囲であった。しかし、No.23では第二素材の分離力付与機構との接触部位に、No.24では第一素材の素材保持機構との接触部位に、No.25では第一素材の素材支持機構との接触部位において、それぞれ打痕が認められた。
Figure 2007301617
誘導加熱炉、圧着素材分離装置及び搬送装置を示す正面図である。 誘導加熱炉、圧着素材分離装置を示す平面図である。 圧着素材分離装置の正面図である。 分離力とL3/Dとの関係を示す図である。
符号の説明
1 誘導加熱炉
2 圧着素材検知センサー
3 圧着素材後部保持機構
4 素材支持機構
5 分離力付与機構
6 素材
7 圧着した第一素材
8 圧着した第二素材
9 圧着面
10 シュート
11 搬送コンベア

Claims (6)

  1. 入側に素材搬送機構を備えた誘導加熱装置の出側に設置される圧着素材分離装置であって、圧着素材検知センサーと、該誘導加熱装置の出側から順に設けられた圧着素材後部保持機構、素材支持機構、分離力付与機構からなり、素材の直径D[mm]と、前記素材支持機構と前記分離力付与機構の水平距離L1[mm]及び前記圧着素材後部保持機構と前記素材支持機構の水平距離L2[mm]が、それぞれ、
    1>D、
    2>D
    を満足することを特徴とする圧着素材分離装置。
  2. 分離力付与機構と素材との接触部の面積S1[mm2]と、圧着素材後部保持機構と前記素材との接触部の面積S2[mm2]及び素材支持機構と前記素材との接触部の面積S3[mm2]と、前記素材の直径D[mm]、前記素材支持機構と前記分離力付与機構との水平距離L1[mm]及び前記圧着素材後部保持機構と前記素材支持機構の水平距離L2[mm]が、それぞれ、
    1>0.04D2
    2>0.04D2×L1/L2
    3>0.04D2×(L1+L2)/L2
    を満足することを特徴とする請求項1記載の圧着素材分離装置。
  3. 分離力付与機構が素材の上方から垂直に分離力を付与する機能を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧着素材分離装置。
  4. 請求項1〜3の何れか1項に記載の圧着素材分離装置を用いた圧着素材分離方法であって、先行する第二素材の後端と後続の第一素材の先端が圧着したことを圧着素材検知センサーにより検知し、該圧着素材検知センサーからの検知情報に基づいて、圧着素材後部保持機構を作動させて上方から前記第一素材の後方を保持し、素材支持機構で前記第一素材の前方を支持し、分離力素材保持機構を作動させて前記第二素材に分離力を付与するに際し、前記素材支持機構と前記分離力付与機構の水平距離L1[mm]、前記分離力を付与する位置の中心と前記第一素材と前記第二素材の圧着面との距離L3[mm]と、素材の直径D[mm]が、
    D<L3<L1
    を満足することを特徴とする圧着素材分離方法。
  5. 分離力を第二素材の上方から垂直に付与することを特徴とする請求項4に記載の圧着素材分離方法。
  6. 素材の加熱温度が1100℃以上1400℃未満であることを特徴とする請求項4又は5に記載の圧着素材分離方法。
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