JP2010515585A - 圧延機及び圧延ロール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は圧延機及びその圧延ロールに関し、より詳細には、別途に製作された回転軸に結合して回転軸と共に回転しながら圧延加工を行う圧延ロールに関する。
【解決手段】本発明による圧延ロールは、内周面と、外周面と、両側面とを備え、両側面のうち少なくとも一つの側面には前記外周面より前記内周面に隣接して少なくとも一つのキー溝が形成され、前記キー溝は凹曲面形状であり球面または楕円体面の一部である。
【選択図】図７

Description

本発明は、圧延ロール及び圧延機に関し、より詳細には、別途に製作された回転軸に結合して回転軸と共に回転しながら圧延加工を行う圧延ロールとそのような圧延ロールを備える圧延機に関する。

圧延ロールはキーにより結合した回転軸と一体になって共に回転する。
そのような圧延ロールの例が図１〜図３に示されている。この圧延ロール１のキー溝（ｋｅｙ ｗａｙ）２は圧延ロールの一側面から他側面まで延びている。

図２及び図３は、回転軸３と結合して圧延工程を遂行中である圧延ロール１の使用状態を示している。圧延ロール１のキー溝２と回転軸３のキー溝４で形成される空洞にキー（ｋｅｙ）５が挿入されており、圧延ロール１と回転軸３は一体に回転しながら被圧延材７を圧延加工する。

矢印６、８は、圧延ロール１のキー溝２に作用する応力を示している。図２に示すように、回転軸３が回転をすれば、キー５がキー溝２の前端部を押して圧延ロール１を回転軸３と共に回転させる。このため、キー溝２の前端部には圧縮応力６が作用する。キー５が被圧延材７に接近すれば被圧延材７の変形抵抗がキー５の進行（即ち、圧延ロールの回転）を妨害する方向に作用するため、キー溝２前端部の圧縮応力６は増加する。

一方、図３に示すように、圧延ロール１が回転しながらキー溝２が被圧延材７から遠くなる時は、キー溝２の前端部は依然として圧縮応力６を受けるが、キー溝２の後端部は引張応力８を受ける。特に、圧延ロール１と被圧延材７との間の摩擦力がキー５の進行を妨害する方向に作用するため、キー溝２の後端部は大きい引張応力８を受けるようになる。従って、圧延ロールには引張強度が高い炭素鋼（ｓｔｅｅｌ）などの金属材料が主に用いられる。

一方、被圧延材と接触する圧延ロールのロール表面には圧縮応力と熱応力が反復的に作用する。これによって圧延ロールの表面が摩耗したり疲労亀裂で破損されると、圧延表面の品質が大きく低下し、修理や交換のために圧延工程が中断されるようになる。これを防止するためには圧延ロールは耐摩耗性、耐熱性、耐疲労性が大きいことが要求される。

タングステンカーバイド（ＷＣ）を含む超硬合金（ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｃａｒｂｉｄｅ；ＣＴＣ）は、耐摩耗性と高温での機械的性質に非常に優れるため、超硬合金で製造された圧延ロールを用いれば、炭素鋼などで製造された金属ロールに比べて、圧延製品の表面品質を高めることができ、また圧延速度を向上させることができる。超硬合金圧延ロールは熱間圧延による線材または鉄筋の生産などに用いられている。しかし、超硬合金圧延ロールは圧縮応力には非常に強いが引張応力には脆弱である。従って、図１〜図３に示す形状のキー結合構造が適用される、超硬合金圧延ロールと回転軸が圧延工程に用いられれば、キー溝で発生する大きい引張応力のため、超硬合金圧延ロールが破損しやすくなるという問題がある。

このような理由で、図４に示すように、キー溝を全く備えない超硬合金圧延ロール１１が用いられている。このような構造の超硬合金圧延ロール１１は両側面がボルト（図５参照）や油圧装置により軸方向加圧され、圧延ロール１１と回転軸との間の摩擦力で回転軸の回転力が伝達される。超硬合金圧延ロール１１の場合、回転軸と超硬合金圧延ロール１１との間の摩擦力だけで回転力が伝達される。そうして、大きい回転力が回転軸に加えられれば、圧延ロール１１と回転軸との間ですべり（ｓｌｉｐ）が発生し、回転力が十分に伝達できないという問題がある。超硬合金圧延ロールはそのような理由で回転トルクが約１０００ｋｇｆ・ｍ以上の場合には適用するのは難しい。

一方、日本特許出願公開昭５９−２１４１５号には図６のように側面にキー溝が形成されたセラミック圧延ロール２１が開示されている。セラミック圧延ロール２１には側面に径方向に直線状キー溝２２が形成されており、金属回転軸２３にはキー溝２２に結合する直線状突出部２４が形成されている。セラミック圧延ロール２１と回転軸２３との間の回転力伝達がキー溝２２と突出部２４との広い接触面を通じてなされるため、そのような圧延ロールが始動する時に作用する衝撃力が低減される。しかし、圧延ロール２１の側面にキー溝が径方向に長く形成され、圧延ロール２１の外周面にも半円形状の凹部が生じるようになるので、外周面の一部を圧延に用いることができなくなり、それによって圧延ロールをさらに大きく製造しなければならず、製造費用も増加するという問題がある。また、製造公差によって２対のキー溝とキーの結合の中で特定の１対のキー溝とキーとの結合のみが主に接触するようになり、その１対のキー溝とキーとの間でのみ応力が集中的に作用するようになって圧延ロールが割れやすくなるという問題がある。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するためのものであって、回転軸とのキー結合に用いられるキー溝に作用する引張応力が小さな圧延ロールと、そのような圧延ロールを有する圧延機を提供することを目的とする。

また、本発明は、回転軸との間で大きい回転トルクの伝達が可能な超硬合金またはセラミック圧延ロールと、そのような圧延ロールを有する圧延機を提供することを目的とする。

また、本発明は、キー溝に応力が均等に分散する圧延ロールとそのような圧延ロールを有する圧延機を提供することを目的とする。

本発明は、この他にも以下の説明から自明な他の目的も有している。

前記のような目的を達成するために、本発明の圧延ロールは、内周面と、外周面と、両側面と、両側面のうち少なくとも一つの側面に形成された少なくとも一つのキー溝とを備える。少なくとも一つのキー溝は前記外周面より前記内周面に隣接して形成され、凹曲面形状である。好ましくは、前記凹曲面は球面または楕円体面の一部である。

本発明の圧延ロールは好ましくは超硬合金で製造される。

本発明の圧延機は、圧延ロールと、回転軸と、前記圧延ロールと回転軸を一体に結合させる少なくとも一つのキーとを備える。前記圧延ロールは、内周面と、外周面と、両側面とを有するシリンダ形状になっている。両側面のうち少なくとも一つの側面には少なくとも一つのキー溝が形成され、前記キー溝は凹曲面形状であり、前記回転軸は圧延ロールのキー溝に対応するキー溝を有し、前記キーは前記圧延ロールのキー溝と前記回転軸のキー溝で形成される空洞に収容される。前記キーの体積は前記空洞の体積より大きい。前記キーは好ましくは前記圧延ロールのキー溝表面より硬度が小さい。

本発明によれば、圧延ロールのキー溝に応力が均一に作用し、特に、作用する引張応力が顕著に少なくなって引張応力の集中が解消される。従って、超硬合金またはセラミックからなる圧延ロールの寿命が増加し、超硬合金またはセラミック圧延ロールの作業回転トルクが増大し、圧延速度が増大して圧延製品の表面状態が向上する。

また、本発明によれば、キーが圧延ロールのキー溝と比較して硬度が低く体積が大きいので、キーが圧延ロールのキー溝内で押されながら変形を引き起こしてキーとキー溝が十分に接触するようになる。従って、キーとキー溝との間の特定部分への応力集中が予防される。また、複数のキーを用いても、ある特定の一つのキーとキー溝との間に応力が集中せず、複数のキーとキー溝全体に応力が均等に分散する。

従来の圧延ロールの斜視図である。 図１の圧延ロールの使用状態図である。 図２の状態からキーの位置が前進移動した状態を示した使用状態図である。 従来の超硬合金圧延ロールの斜視図である。 図４の超硬合金圧延ロールの軸方向加圧装置の斜視図である。 従来の他のセラミック圧延ロールの斜視図である。 本発明の第１の実施例による圧延ロールの斜視図である。 本発明の第２の実施例による圧延ロールの斜視図である。 本発明の第３の実施例による圧延ロールの側面図である。 図９の圧延ロールの部分拡大図であって、キーを共に示した図面である。 図９の圧延ロールと、複数のキーと、回転軸を備える圧延機の分解図である。 本発明の圧延ロールの内周面の接線方向に沿うキー溝の断面図である。 本発明の圧延ロールの内周面の接線方向に沿う他のキー溝の断面図である。 図１の圧延ロールの部分拡大図である。 図１４の圧延ロールの応力分布図である。 凹んだシリンダ形状のキー溝が形成された圧延ロールの部分拡大図である。 図１６の圧延ロールの応力分布図である。 本発明の第２の実施例による圧延ロールの部分拡大図である。 図１８の圧延ロールの応力分布図である。

図７には、本発明の第１の実施例による圧延ロール３１が示されている。圧延ロール３１は内周面３６と、外周面３８と、両側面３４を有するシリンダ形状であり、前記両側面３４には複数のキー溝３２が形成されている。前記キー溝３２は凹曲面形状になっている。本発明と関連して“凹曲面形状”というのは、面の接線方向が急激に変わらないで滑らかに連続的に変わる凹部を指す。好ましくは、前記凹曲面のキー溝３２は球面または楕円体面の一部の形状からなっている。

一般に圧延ロールは、反復使用時に圧延効率を高めるために圧延ロールの外周面を再研磨して用いられる。この時、圧延ロールが数回再研磨されてもキー溝３２が圧延ロール３１の外周面３８に現れないようにするために、キー溝３２は圧延ロール３１の外周面３８より内周面３６に隣接して配置されている。

図８には、本発明の第２の実施例による圧延ロール４１が示されている。本発明の第２の実施例による圧延ロール４１においてはキー溝４２が圧延ロール４１の内周面４６に開放された形態で形成されている。キー溝４２は、圧延ロール４１の内周面４６に開放された第１の部分４２ａと、前記第１の部分４２ａの半径方向に外周面に続いて配置された第２の部分４２ｂとを備える。圧延ロール４１の内周面４６の接線方向に沿うキー溝４２の断面は球面または楕円体面の一部の形状である。

図９は、本発明の第３の実施例による圧延ロール５１を示す。圧延ロール５１は側面に三つのキー溝５２を備える。前記三つのキー溝５２は互いに一定の間隔（１２０゜）で離れて配置されている。圧延ロールのキー溝の個数は回転トルクの大きさに応じて異にすることができる。

図１０は、本発明による圧延ロール５１の部分拡大図であって、キーを共に示したものである。圧延ロール５１のキー溝５２にはキー５５が嵌められる。キー５５は、圧延ロール５１のキー溝５２に挿入される部分と回転軸のキー溝５４（図３）に挿入される部分とからなっている。キー溝５２に挿入される部分はキー溝５２より若干大きい大きさであり、キー溝５２の凹部の形状に対応する形状を有する。好ましくは、キー溝５２の凹部に対応するキー５５の形状はキー溝５２の凹部の形状と最大限類似しなければならない。

図１１は、図９の圧延ロール５１と、複数のキー５５と、回転軸５３とを備える圧延機の分解図である。回転軸５３にも側面に三つのキー溝５４が形成されている。キー５５は前記圧延ロール５１のキー溝５２と前記回転軸５３のキー溝５４とで形成される空洞（ｃａｖｉｔｙ）に収容され、前記キー５５の体積は前記空洞の体積より大きい。回転軸５３のキー溝５４には圧延ロール５１のキー溝５２から突出したキー５５の部分が挿入される。

キー５５は、圧延ロール５１のキー溝５２より硬度が低い。キー５５の硬度が圧延ロール５１より低いため、キー５５がキー溝５２に押し込まれて結合される時にキー５５はキー溝５２の形状に応じて適切に変形されてキー溝５２を埋める。従って、回転軸５３と圧延ロール５１との間で回転トルクが伝達される時にも、キー５５はキー溝５２内で一方へかたよらず、キー溝５２のほぼ全面で接触を維持するので、回転軸５３は圧延ロール５１と一体に作動することができる。また、圧延工程中に発生する応力は全てのキーとキー溝との間に均等に分散する。従って、キーとそれに対応するキー溝との間の特定部分にまたは特定のキーとそれに対応するキー溝との間に応力が集中するのを防止できる。

好ましくは、キー５５の硬度は、ＨＲＣ４０を超えない。キーの硬度がＨＲＣ４０を超えれば、キー５５が圧延ロール５１のキー溝５２内で変形を引き起こすのが難しく、それによってキー５５とキー溝５２との間の接触面積を増加させることができないため、応力集中を防止する効果を期待するのが難しい。

図１２及び図１３は、本発明による圧延ロールのキー溝を圧延ロールの内周面の接線方向（線Ｘ−Ｘ）に切ったキー溝の断面を示す。図１２は、円弧状であるキー溝の断面を示す。前記キー溝は幅（Ａ）、深さ（Ｂ）、曲率半径（Ｃ）で定義できる。好ましくは、キー溝４２の幅（Ａ）は１２〜３６ｍｍであり、深さ（Ｂ）は２〜６ｍｍであり、曲率半径（Ｒ）は１０〜３０ｍｍである。さらに好ましくは、キー溝４２の幅（Ａ）は２１ｍｍであり、深さ（Ｂ）は３ｍｍであり、曲率半径（Ｒ）は２０ｍｍである。

図１３に示すように、本発明による圧延ロールのキー溝の断面は楕円形状の一部であることも有り得る。前記キー溝は長幅（Ｗ）と、短幅（Ｓ）と、深さ（ｄ）で定義できる。好ましくは、長幅（Ｗ）は１５〜４５ｍｍであり、短幅（Ｓ）は５〜２０ｍｍであり、深さ（ｄ）は２〜６ｍｍである。例えば、キー溝５２の長幅（Ｗ）は２８ｍｍであり、短幅（Ｓ）は１１ｍｍであり、深さ（ｄ）は３ｍｍである。キー溝５２は曲面上の位置に応じて１１〜３６ｍｍの範囲内の多様な曲率半径長さを有する。

本発明の発明者は、本発明によるキー溝がキーが圧延工程中で図３の位置にある時に従来の圧延ロールの他のキー溝形状と比較して応力分布を顕著に改善させることを確認した。図１４〜図１９は本発明によるキー溝形状と異なるキー溝形状とを有する、小型にモデリングした圧延ロールのそれぞれの形状及び引張応力分布を示す。各応力分布はキー溝の形状のみを異にし、圧延ロールの大きさ及び材質、回転軸の回転トルクなどのその他の全ての条件を同一にして測定される。図１４〜図１９に表示された応力の数値は単に相対的な値である。

図１４は、従来の圧延ロールのキー溝の形状を示したものであって、図１５は、図１４の圧延ロールのキー溝周辺に作用する応力分布を示したものである。図１５に示すように、引張応力が集中して引張応力が３００Ｍｐａ以上と高い部位がキー溝の後端部の側面に広く分布している。

図１６は、平らな底面部１０２と底面部１０２に垂直な側面部１０４を有するキー溝を備えた圧延ロールを示したものであって、図１７は図１６の圧延ロールのキー溝周辺に作用する応力分布を示したものである。図１７に示すように、引張応力が集中して引張応力が３００Ｍｐａ以上に高い部位がキー溝の側面部１０４に広く分布している。

図１８は、本発明の第２の実施例による圧延ロールを示したものであって、図１９は図１８の圧延ロールのキー溝の周辺に作用する応力分布を示したものである。図１９に示すように、本発明によれば、引張応力が過度に集中する部分がなく、全体的に応力が均等に分布している。特に、本発明はキー溝周辺に作用する引張応力を顕著に減少させるので、超硬合金材またはセラミック材圧延ロールにも容易に適用できる。

本発明を添付図面に示された実施例と関連して説明したが、これは例示的なものであって、本発明は多様な形態で具現できる。

Claims (9)

1. 内周面と、外周面と、両側面とを備え、
   前記両側面のうち少なくとも一つの側面には前記外周面より前記内周面に隣接して少なくとも一つのキー溝が形成され、
   前記キー溝は凹曲面形状である、
   圧延ロール。
2. 前記圧延ロールは、超硬合金からなる、請求項１に記載の圧延ロール。
3. 前記凹曲面は、球面の一部である、請求項１または２に記載の圧延ロール。
4. 前記キー溝の幅は、１２〜３６ｍｍであり、深さは２〜６ｍｍであり、曲率半径は１０〜３０ｍｍである、請求項３に記載の圧延ロール。
5. 前記凹曲面は楕円体面の一部である、請求項１または２に記載の圧延ロール。
6. 前記キー溝の長幅は１５〜４５ｍｍであり、深さは２〜６ｍｍである、請求項５に記載の圧延ロール。
7. 圧延ロールと、回転軸と、前記圧延ロールと回転軸を一体に結合させる少なくとも一つのキーとを備え、
   前記圧延ロールは内周面と、外周面と、両側面と、前記両側面のうち少なくとも一つの側面に前記外周面より前記内周面に隣接するように形成されて凹曲面形状の少なくとも一つのキー溝とを有し、
   前記回転軸は前記圧延ロールのキー溝に対応する少なくとも一つのキー溝を有し、
   前記キーは前記圧延ロールのキー溝と前記回転軸のキー溝とで形成される空洞に収容され、前記キーの体積は前記空洞の体積より大きい、
   圧延機。
8. 前記キーは、前記圧延ロールのキー溝表面より硬度が小さい、請求項７に記載の圧延機。
9. 前記圧延ロールは、超硬合金からなっており、前記キーの硬度はＨＲＣ４０以下である、請求項８に記載の圧延機。

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