JP2009220201A - 厚鋼板の剪断方法及び剪断設備 - Google Patents

Abstract

【課題】厚鋼板の剪断方法および装置を提供する。
【解決手段】厚鋼板の剪断予定位置を深さ２ｍｍまで表層焼入れして、硬化させた後、剪断刃を当て剪断を行う。表層焼入れ装置とマーキング装置とマーキング位置検出装置と搬送装置と剪断機を具備した厚鋼板の剪断設備であって、前記表層焼入れ装置は厚鋼板の剪断予定位置に表層焼入れを施し、前記マーキング装置は表層焼入れされた前記剪断予定位置にマーキングを施し、前記マーキング位置検出装置はマーキングが施された前記剪断予定位置を検出し、前記搬送設備は前記マーキング位置検出装置からの検出信号をもとに前記厚鋼板の剪断予定位置を前記剪断機の剪断位置まで搬送する。
【選択図】図２

Description

本発明は、厚鋼板の剪断方法及び剪断設備に関し、特に剪断荷重を低減するものに関する。

近年、厚鋼板のハイテン化は著しく、製造工程において、圧延、冷却プロセスや、精整プロセスに多大な負荷が生じている。

精整プロセスの一つに切断設備があり、機械切断であるシャー剪断、熱切断であるガス切断，プラズマ切断，レーザー切断などが使用されている。これらのうち、シャー剪断が最も能率が良いが、ハイテン化に伴い剪断可能板厚が低下し、低能率な熱切断への依存度が高まっている。

厚鋼板３をシャー剪断すると、上刃１で下方に押し込まれる部分と下刃２で支えられる部分で単純剪断が生じ、その後、剪断予定位置を挟む板厚方向の狭い領域が剪断される薄層剪断が生じて最後に破断する（図２）。

特許文献１はシャー剪断による剪断可能な板厚の拡大を目的とし、剪断前に予め、鋼板にノッチを入れて剪断荷重を抑えることが記載されている。しかし、鋼板にノッチを入れる作業は時間を要し、剪断速度よりも遥かに遅いため、積極的には導入されていないのが現状である。
特開平３−３７１７号公報

ところで、シャー剪断における剪断加重Ｐは、上刃のレーキ角θが無い場合、即ち上刃が鋼板に平行な状態で剪断される場合は、式（１）により「断面積×剪断抵抗」で求められる。レーキ角θがある場合は、式（２）で求められ、レーキ角θを一定とすると、剪断荷重Pは係数mに比例する。

図１は、レーキ角θの上刃１で、板厚ｔ，板幅Ｗの鋼板３をシャー切断する際、上刃が板に食い込んだ後に板が破断するまでの上刃押し込み量、即ち上刃破断ストローク（破断ストローク）がｔ_１の場合を示す。

式（１）、（２）より、係数ｍは破断ストロークｔ１が板厚ｔに占める割合を実質的に意味し、剪断荷重Pは、レーキ角θと破断ストロークｔ_１により決まる剪断幅（同時に剪断される幅）での「断面積×剪断抵抗」に相当する。

この剪断幅の外側では、上刃が鋼板に触れていないか、或いは既に剪断が終了した状態となっており、剪断荷重には影響しない。

・・・・・・・・・ （１）

・・・・・・・・・（２）
但し、m：係数，t：板厚，b：板幅，K：剪断抵抗（=α・σ_TS），σ_TS：引張り強度，θ：剪断レーキ角
レーキ角θを一定とした場合、剪断荷重低減のためには係数ｍの低減が必要である。即ち、板厚ｔに対する破断ストロークｔ_１を小さくしなくてはならない。しかし、従来、係数ｍは被剪断材の材質により決定されるものとされ、積極的に制御する方法は検討されていない。

そこで、本発明は厚鋼板で剪断しようとする領域の材質（剪断抵抗）を制御して、係数ｍを変化させた場合と同じ効果を引き出して、剪断加重を低減させる厚鋼板の剪断方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．厚鋼板の剪断方法であって、前記厚鋼板の剪断予定位置を硬化させた後、剪断刃を当て剪断を行う事を特徴とする、厚鋼板の剪断方法。
２．前記剪断予定位置を、表層焼入れにより硬化させることを特徴とする、１記載の厚鋼板の剪断方法。
３．厚鋼板の表層から板内部へ２ｍｍを上限として硬化させることを特徴とする２記載の厚鋼板の剪断方法。
４．表層焼入れ後の剪断予定位置をマーキングした後、視覚センサーにより剪断予定位置を検出して、剪断する事を特徴とする２または３記載の厚鋼板の剪断方法。
５．被剪断材である厚鋼板を剪断機の板押えで拘束した状態で表層焼入れを行い、引き続き剪断刃を当て剪断を行う事を特徴とする２または３記載の厚鋼板の剪断方法。
６．前記表層焼入れはレーザー照射して行うことを特徴とする２乃至５のいづれか一つに記載の厚鋼板の剪断方法。
７．表層焼入れ装置とマーキング装置とマーキング位置検出装置と搬送装置と剪断機を具備した厚鋼板の剪断設備であって、前記表層焼入れ装置は厚鋼板の剪断予定位置に表層焼入れを施し、前記マーキング装置は表層焼入れされた前記剪断予定位置にマーキングを施し、前記マーキング位置検出装置はマーキングが施された前記剪断予定位置を検出し、前記搬送設備は前記マーキング位置検出装置からの検出信号をもとに前記厚鋼板の剪断予定位置を前記剪断機の剪断位置まで搬送することを特徴とする厚鋼板の剪断装置。
８．厚鋼板の剪断機に具備された板押えに、厚鋼板の剪断予定位置に表層焼入れを施す表層焼入れ装置が、厚鋼板幅方向に移動可能に設けられていることを特徴とする厚鋼板の剪断装置。
９．前記表層焼入れ装置が、レーザーであることを特徴とする７または８記載の厚鋼板の剪断装置。

本発明によれば、従来、ガス切断等により切断を行っている高強度厚物材を剪断機を用いて高能率で切断する事が可能で、生産性が大幅に向上し、産業上極めて有用である。

本発明は、厚鋼板の剪断予定位置を予め硬化させた後、剪断を行う事を特徴とする。
図３は本発明に係る剪断方法による、剪断予定位置の硬化から剪断終了までのプロセスを模式的に示す図で、厚鋼板３の上方に配した表層焼入れ装置４で、剪断予定位置に表層焼入れを行い（ａ）、その後、剪断予定位置を上刃１と下刃２で剪断開始すると、表層が硬化した剪断予定位置には表層割れ３２が発生する（ｂ）。

更に、上刃１を押し下げると、発生した表層割れ３２が進展して厚鋼板３を破断させる。図７に表層焼入れ後の状態を模式的に示す。

図４は、剪断後の剪断面の性状を模式的に示し、剪断面は、厚鋼板３の表層側は滑り面３３で、それ以降は破断面３４を呈する。一般に軟質材ほど滑り面３３の割合が大きくなる。尚、滑り面３３とは、剪断中に上刃側面と剪断面が押し付けられた状態で相対滑りを起こす部分で、割れ発生までの上刃ストロークと概ね一致し、ここから更に上刃を押し込んで割れを進展させ、上刃ストロークが破断ストロークに到達した時点で板が破断される。破断面３４は、剪断面のうち、割れ進展により破断された部分である。

剪断予定位置の硬化は、一般的に用いられている高周波焼入れやレーザー焼入れ等の方法により表面焼入れすることが好ましい。レーザーを用いた場合、焼入れ部が局所化され、また、自動制御機構に組み入れることが容易であるという点で好ましい。一方、レーザー焼入れ性は表面性状に依存するため、安定性の面では高周波焼入れが優れる。

また、焼入れ強度、即ち硬化層の硬度及び厚さは、例えばＪＩＳ−Ｇ０５５９規定による高周波焼入れ時の有効硬化層深さとして制御する。予め試験的に鋼板を焼入れした後、硬化層の深さを実測して焼入れ条件との相関を求めておく。

尚、硬化層は、母材側への熱影響を抑制するため、表層から板内部へ２ｍｍまでとすることが好ましい。

本発明法による剪断では、表面近傍に形成された硬化層に、上刃が食い込み始めた早い段階で割れが生じるため、滑り面が非常に小さく、ほぼ全断面が破断面の様相を呈する。

最終的な破断に至るまでには、割れを発生させた後、当該割れを板厚方向に進展させる上刃の押し込みが必要となる。そのため、滑り面を極小化しても破断ストロークが極端に小さくなる事はないが、当該押し込み量を含めた上でも従来法との比較では破断ストロークは顕著に低減される。

尚、焼入れされた領域は母材部とは材質が異なるが、厚鋼板は通常、剪断面を切削ないし切除し、更に溶接されて使用されるため、最終製品において品質上問題は無い。

本発明に係る厚鋼板の剪断方法に使用して好ましい剪断装置は、表層焼入れ装置とマーキング装置とマーキング位置検出装置を具備し、搬送装置により、剪断しようとする厚鋼板の剪断予定位置を適宜の位置に移動させる。

表層焼入れ装置は厚鋼板の剪断予定位置に表層焼入れを施すもので、剪断機の上流に別装置として設置する。

マーキング装置は表層焼入れされた剪断予定位置にマーキングを施し、マーキング位置検出装置は剪断機入側まで搬送されてきた厚鋼板のマーキングが施された剪断予定位置を検出する。搬送設備は前記マーキング位置検出装置からの検出信号をもとに前記厚鋼板の剪断予定位置を前記剪断機の剪断位置まで搬送する。

尚、表層焼入れ装置を剪断機と別装置とした場合、剪断機の改造は不要であるが、表層焼入れ後に鋼板が斜行したり、元々の鋼板に形状不良がある場合、剪断のため剪断機で板押えをすると硬化層位置と実際の剪断位置が一致しないことが生じ、一方、この硬化層位置と剪断位置のずれ発生を考慮して予め焼入れ領域を広くすることは品質上、制約がある。そのため、剪断機の一部として構成することも可能である。

図５は、本発明の実施に供する他の実施形態として、表層焼入れ装置を剪断機の一部として構成した場合の装置と剪断作業を模式的に示したものである。表層焼入れ装置４は、厚鋼板を挟んで下刃に対向して設けられた剪断機の板押え５の側面に設けたレールに移動可能に取り付けた焼入れトーチにより構成され（図５（ａ））、下刃２と板押え５で厚鋼板３を板押えをした状態で表層焼入れ装置４により表層焼入れを行った後、上刃１を下降させて剪断する（図５（ｂ））。

硬化層位置と剪断位置が必ず一致するため、確実に剪断荷重を減らす事が可能で、焼入れ領域も極限まで狭くする事が出来るため、母材品質の懸念が解消される。但し、下刃２が剪断位置に触れた状態で表層焼入れを行うため、下刃側の表層焼入れを行う事が出来ない。

しかし、片側のみに板押えを設けた一般的な剪断機では上刃側から亀裂が進展し易い事に加え、一度亀裂が生じると、亀裂先端の応力集中により材料はごく短いストロークで破断されるため、片面側のみの表層焼入れでも従来法と比較すると作業性の向上は著しい。

表層焼入れ装置を剪断機の構成の一部とした場合、表層焼入れ前に予め剪断予定位置を厚鋼板上にマーキングする場合を除いて、マーキング装置およびマーキング位置検出装置は不要である。

被剪断材としてＳ３５Ｃ鋼板２２^Ｔ×１００^Ｗ×３００^Ｌを用意し、長手方向５０ｍｍ位置における１０ｍｍ長さ領域３１において高周波焼入れを行い試験材３とした。

焼入れ時の有効硬化層、即ちＪＩＳ−Ｇ０５５９規定による硬度Ｈｖ４００以上の硬化層厚みについては、焼入れ強度を調整して有効硬化層１ｍｍした。図６に試験材３の斜上外観図を示す。また、試験材３と同じ寸法で、剪断予定位置に表層焼入れを施さない厚鋼板を比較材として準備した。

次に、レーキ角１．５°の剪断機を用いて焼入れ位置を図７に示す点線位置で剪断し、剪断時の破断ストロークｔ_１を高速度カメラにより測定した。

表１に剪断結果を示す。試験材３の剪断面形状は、最初に焼入れした１ｍｍの薄い層のみに滑り面が生じるため滑り面厚さが非常に小さく、ほぼ全厚が破断面となった。破断ストロークｔ_１は、一般的な剪断方法の比較材に比べて半分程度に短縮された。

レーキ角θを有する剪断機における剪断荷重発生位置を示す図。 厚鋼板のシャー剪断プロセスを説明する図。 本発明法。 図３による剪断面を説明する図。 本発明法で（ａ）は装置、（ｂ）は剪断状況を説明する図。 実施例の試験材を説明する図。 表層焼入れの状態を説明する図。

符号の説明

１ 上刃
２ 下刃
３ 厚鋼板（試験材）
４ 表層焼入れ装置
５ 板押え
３１ 硬化部（表層焼入れ部）
３２ 表層割れ
３３ 滑り面
３４ 破断面

Claims (9)

1. 厚鋼板の剪断方法であって、前記厚鋼板の剪断予定位置を硬化させた後、剪断刃を当て剪断を行う事を特徴とする、厚鋼板の剪断方法。
2. 前記剪断予定位置を、表層焼入れにより硬化させることを特徴とする、請求項１記載の厚鋼板の剪断方法。
3. 厚鋼板の表層から板内部へ２ｍｍを上限として硬化させることを特徴とする請求項２記載の厚鋼板の剪断方法。
4. 表層焼入れ後の剪断予定位置をマーキングした後、視覚センサーにより剪断予定位置を検出して、剪断する事を特徴とする請求項２または３記載の厚鋼板の剪断方法。
5. 被剪断材である厚鋼板を剪断機の板押えで拘束した状態で表層焼入れを行い、引き続き剪断刃を当て剪断を行うことを特徴とする請求項２または３記載の厚鋼板の剪断方法。
6. 前記表層焼入れはレーザー照射して行うことを特徴とする請求項２乃至５のいづれか一つに記載の厚鋼板の剪断方法。
7. 表層焼入れ装置とマーキング装置とマーキング位置検出装置と搬送装置と剪断機を具備した厚鋼板の剪断設備であって、前記表層焼入れ装置は厚鋼板の剪断予定位置に表層焼入れを施し、前記マーキング装置は表層焼入れされた前記剪断予定位置にマーキングを施し、前記マーキング位置検出装置はマーキングが施された前記剪断予定位置を検出し、前記搬送設備は前記マーキング位置検出装置からの検出信号をもとに前記厚鋼板の剪断予定位置を前記剪断機の剪断位置まで搬送することを特徴とする厚鋼板の剪断装置。
8. 厚鋼板の剪断機に具備された板押えに、厚鋼板の剪断予定位置に表層焼入れを施す表層焼入れ装置が、厚鋼板幅方向に移動可能に設けられていることを特徴とする厚鋼板の剪断装置。
9. 前記表層焼入れ装置が、レーザーであることを特徴とする請求項７または８記載の厚鋼板の剪断装置。