JP2012520179A - 駆動シャフト及びローラリングを備えるローラ並びにこのようなローラを組立てる方法 - Google Patents

Abstract

一方では一定の外径と一定の長さとを有する円筒形の外表面（６）を有する駆動シャフト（１）と、他方ではより短いローラリング（２）とを具備するタイプのローラであって、ローラリングが、硬い材料から作成される外部リング（４）と、外部リングと同軸であると共により延性のある材料から作成される内部リング（３）とを含み、内部リングが、一定の内径を有する円筒形の内面を含み、かつ一方では冶金的なやり方で外部リングに永続的に結合され、他方では、駆動シャフトから外部リングにトルクを伝達するために、駆動シャフトと回転方向に固く接続されるローラに関する。本発明によれば、駆動シャフトとローラリングとの間における、回転方向に固い結合作用は、締りばめ接合のみからなり、この締りばめ接合は、駆動シャフトの外表面と内部リングの内面との間で行われ、駆動シャフトの外径の少なくとも０．０１％の締めしろを有する。

Description

第一の態様では、本発明は、一方では一定の外径と一定の長さとを有する円筒形の外表面を有する駆動シャフトと、他方ではローラリングとを具備するタイプのローラであって、ローラリングは、硬い材料から作成される外部リングと、外部リングと同軸であると共により延性のある材料から作成される内部リングとを含み、内部リングは、一定の内径を有する円筒形の内面を含み、かつ一方では冶金的なやり方で外部リングに永続的に結合され、他方では、駆動シャフトから外部リングに駆動トルクを伝達するために、駆動シャフトと回転方向に固く接続される、ローラに関する。

さらなる態様では、本発明はこのようなローラを組立てる方法にも関する。

上記記載において概ね言及されたタイプのローラは、当業者にコンビローラ（ｃｏｍｂｉ ｒｏｌｌｅｒｓ）と称され、実際には、ワイヤ、バー、チューブなどの金属の細長い製造物の熱間圧延又は冷間圧延に使用される。このために、ローラリングには、所望の配列の製造物を形成する１又は複数の円周溝が形成される。ローラリングは、細長片などの平坦な物体を圧延する場合には、全体的に平滑であってもよい。一部のローラでは、ローラリングは、例えばノジュラ鉄（ｎｏｄｕｌａｒ ｉｒｏｎ）である鉄を原材料とした鋳造合金から作成される内部リングと１又は複数の外部リングとから製造されるタイプのいわゆる複合ローラリングからなる。外部リングは、内部リングに埋め込まれ、超硬合金などの耐磨耗性でありかつ耐熱性である硬い材料から形成されている。外部リングは、冶金的なやり方で内部リングに永続的に結合され、さらに厳密には、鋳造の際に合金に外部リングを埋め込むことによって、永続的に結合される。

このような類のローラにおいて、超硬合金から作成されるローラリングを使用することには長年の開発の歴史がある。この長年の歴史は、超硬合金リングを駆動シャフトと単なる機械的なやり方（楔、突起（ｌｕｇｓ）、バー又は他の駆動体）で直接に接続しようとしていた簡易なローラ構成から、個々の超硬合金リングが通常はより延性のある材料から作成される内部リングを用いて冶金的に結合され、次いで超硬合金リングに起こる邪魔な応力現象なしに、内部リングを駆動シャフトに取り付けることができる、今日の構成まで至るものである。近年では、開発は、２つの主な問題点に、すなわち、第一にローラリングの材料の選択、ひいては特に内部リングの適切な材料の選択と、第二にローラリングを駆動シャフトに対して回転するように確実に固定させるという問題とに注目されている。内部リングの材料に関する他のもの（特許文献１参照）の間における材料の開発により、分散した球状黒鉛を含むマグネシウム含有の（ｍａｇｎｅｓｉｏｕｓ）ノジュラ鉄を使用する結果となった。マグネシウムノジュラ鉄を、熱処理によって、例えばベイナイトに変換することによって適切な量の残留オーステナイトを除くことができる。第２の問題を解決するための試験により、すなわち大きなトルクを駆動シャフトからローラリングに、これらが互いに対して摺動することなしに伝達することができるようにする試験により、多数の解決策の提案がもたらされ、これらの解決策は、特許文献に十分に記されている（上述の特許文献１に加えて、さらに特許文献２〜５も参照すること。）。しかしながら、これまでに知られている解決策に共通していることは、駆動シャフトからローラリングへのトルクが未だに、何らかの形で駆動シャフトとローラリングの内部リングとの間で作用する機械的なロック手段を介してもたらされていることである。ロック手段の１つのカテゴリは雄及び雌の要素からなり、雄及び雌の要素は、互いに係合し、内部リングの内面と駆動シャフトの外表面との間の接触面に、又はローラリングと互いに押圧される駆動シャフトの外側で協働する複数のリングとの端面に配置される（両方の場合において、特許文献１参照）。別のカテゴリのロック手段は協働する表面同士の間の摩擦接合に依存する。さらに、この場合では、この接合作用は、内部リングの内面と駆動シャフトの外表面との間の接触面に、又はローラリングと協働する、リングのリング形状をした端面に位置してもよい。このような摩擦接合を実現するために、楔、ロックナット、液圧装置等を使用することができる。

しかしながら、最も簡易な機械的なロック手段の欠点は、このロック手段が何らかの形で必須の旋削、すなわちフライス削り、穿孔加工、ネジ山形成加工等に加えて切削加工又はチップ除去加工（ｃｈｉｐ ｒｅｍｏｖｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）を必要とすることにある。このような追加的な加工作用の各々は、個々の作業に時間がかかるという事実の結果としてだけではなく、場合によってはとりわけ、準備時間を含めた、様々な加工部署同士の間で部品を移動しなければならないという事実の結果として、製造をより高価なものにする。機械的なロック手段の別の欠点は、所与のローラ幅の範囲内にローラリング（ローラリングの溝）をいくつ取り付けることができるかによって決定されるローラの収容能力を、機械的なロック手段が減少させることにある。ローラの収容能力は駆動シャフトの事実上の長さによって決められる。ロック手段がローラの幅に割り込むならば、当然に事実上のローラの溝の数が減少する。このときに、ロック手段はさらに、ローラリングに有害な応力現象を引き起こすおそれがある。加えて、具体的には、それぞれの構成要素の雌型の凹部は、ローラ構成の全体を脆弱にするおそれがある。

欧州特許第０３７４１１６号明細書 米国特許第５５５８６１０号明細書 米国特許第５７３５７８８号明細書 米国特許第６６８５６１１号明細書 欧州特許第１７３３８１６号明細書 欧州特許第０７５３５９４号明細書

本発明の目的は、上述の既知のローラの欠点を防ぎ、改善したローラを提供することにある。したがって、本発明の第一の目的はローラであって、従来の機械的なロック手段なしに、このローラのローラリングを駆動シャフトに対して信頼性のあるやり方で回転方向に固定することができる、ローラを提供することにある。さらなる目的は、駆動シャフトの長さ延長部に沿ってローラリング及びローラの溝の両方又は一方について最適な収容能力を有するローラを提供することにある。本発明のさらなる目的は、ローラであって、このローラの２つの主構成要素、すなわち駆動シャフトと１又は複数のローラリングとを、加工作用を絶対的に最小にすることによって製造することができる、ローラを提供することにある。

本発明によれば、少なくとも第一の目的は、請求項１の特徴的な条項に定義されている特徴によって達成される。さらに、本発明に係るローラの好ましい実施形態が従属請求項２〜４で定義されている。

さらなる態様において、本発明はさらに、本発明に係るローラを組立てる方法に関する。この方法の特徴は独立請求項５に記載されている。

本発明は、正確な応力計算と駆動シャフトに対するローラリングの非常にバランスが取られた寸法設定とにより実現することのできる十分に強固な締まりばめ接合が、ローラリングを駆動シャフトに対して回転方向に固定するのに十分であるという、驚くべき理解に基づくものである。したがって、当該駆動シャフトの直径の少なくとも０．０１％の締めしろ又は締まりばめ作用を用いた締まりばめ接合を施すことによって、２つの構成要素同士の間で全てのタイプの機械的なロック手段を排除したという事実にもかかわらず、駆動シャフトにおいて摺動することなくローラリングが十分なトルクを受けることができるということになる。したがって、直接的に、従来の設計理念に反して、必須な２つの主構成要素、すなわち駆動シャフト及び１つの（又は複数の）ローラリング以外に何も追加的な細部なしに、本発明に係るローラを製造することができる。

組立てられた状態にある、本発明に係るローラの断面斜視図。 組立てられた状態にある、本発明に係るローラの縦方向断面図。 ローラに含まれたローラリングのみによる縦方向断面図。 ローラの駆動シャフトのみの縦方向図。 図３の線Ｖ−Ｖの断面図。 図４の線ＶＩ−ＶＩの断面図。 図３のＶＩＩ部分の詳細拡大図。

図面では、参照番号１は、ローラ又は駆動シャフトを全体的に示し、参照番号２は、ローラ又は駆動シャフトの外側に取り付けられたローラリングを示す。前記ローラリング２は、その外表面に内部リング３と２つの外部リング４とを備える。細長い製造物を回転させるための、外部リング４の周ローラ溝５が形成される。

駆動シャフト１は、円筒形外表面６（図４参照）の形状のロールバレルを含む。このロールバレルは、駆動シャフトの中心軸線Ｃ１と同軸であり、互いに対向する端部では、減少した直径を有するシャフトジャーナル又はシャフト軸頚７を形成する外表面に変形している。この場合では、シャフトの２つの端部は、２つのシャフト軸頸７の平端面８からなる。シャフトの全長Ｌ１は、２つの端面８同士の間の距離によって決定される。各シャフト軸頸７が一定の長さＬ２を有するので、外表面６の軸線方向延長部又は軸線方向長さＬ３は、シャフトの全長Ｌ１よりも短い。外表面６にそったシャフトの外径はＯＤ１となる（図６参照）。

ローラリング２の内部リング３は外表面９と内表面又は内面１０とを含み、これらの両方は、基本的には円筒形状を有し、ローラリングの中心軸線Ｃ２と同軸である。内部リングの２つの対向する端部はリング形状をした平面１１からなり、これら端部の互いからの距離は、内部リングの軸線方向長さＬ４を決定する。図３及び図５では、内部リング３の内径がＩＤとなる一方で、内部リング３の外径がＯＤ２となる。２つの外部リング４のそれぞれは、冶金的なやり方で内部リングに永続的に結合するように、内部リング３の外表面で鋳造される（ｃａｓｔ−ｉｎ）。この場合では、個々の外部リング４の外径（参照表示せず）は内部リングの外径ＯＤ２よりも大きい（これらは同じ大きさでもよい。）一方で、外部リングの内面は、一方では内部リングの外径よりも小さいが、しかし他方では内径ＩＤよりも大きな直径を有する。ローラが組立てられると、ローラリング２の中心軸線Ｃ２が駆動シャフト１の中心軸線Ｃ１と一致することにも言及されるべきである。

実際には、スチール以外の材料も、特に（炭素の含有量の高い）比較的高い硬度を有する鋳鉄も使用可能であるものの、駆動シャフト１をスチールから製造することが好ましい。ローラリング２の外部リング４の材料として、有利には、従来の超硬合金、すなわちＷＣ及び結合相（ｂｉｎｄｅｒ ｐｈａｓｅ）、例えばＣｏ又はＣｏ＋Ｎｉ＋Ｃｒを含む超硬合金粉を圧縮し焼結することによって得られる粉末冶金材料が使用される。従来の超硬合金以外にも他の硬い材料を、例えば高速度鋼を使用することができることも指摘されるべきである。最後に、内部リング３の材料は、一般的に、金属又は金属合金などの、外部リングの硬い材料よりも延性のある材料からなる。ほとんどの場合では、ノジュラ鉄が好ましく、特許文献６に開示されているタイプのものが好ましい。

ローラの２つの主構成要素の製造は別々の作用によってもたらされる。駆動シャフト１は、円筒形ブランク（ｂｌａｎｋ）から、外表面６及び軸頸７の外側を外部縦方向旋削することと端面８を表面旋削することとによって製造される。ローラリング２はブランクを鋳造することによって製造され、このブランクでは、あらかじめ形成されている超硬合金リングが、内部リングを形成すべきである液体のノジュラ鉄に埋め込まれる。このブランクは、旋削によって、すなわち外表面９の外部縦方向旋削と内面１０の内部縦方向旋削と端面１１の表面旋削とによって加工される。場合によっては、ローラリングの内表面１０と駆動シャフトの外表面６とは、良好な寸法精度を提供するために研磨されてもよい。

プロトタイプの実施形態では、駆動シャフト１の外表面６の長さＬ３は７５６ｍｍであり、ＯＤ１は室温では２００ｍｍになる。測定のＬ３は最大のローラ幅を示す。この場合では、ローラリング２の長さＬ４はローラ幅よりも短く、７００ｍｍになる。室温では、ローラリングは、駆動シャフトの径ＯＤ１よりも小さい内径を有し、プロトタイプの実施形態では、ローラリングの内径は１９９．８４ｍｍになる。このことは、ＩＤとＯＤ１との間の差は０．１６ｍｍとなり、又は駆動シャフトの外径ＯＤ１の０．０８％となることを意味する。

構成要素１，２同士の組立ては、ローラリングを駆動シャフト上で収縮させることによってもたらされる。この組立てを様々なやり方で施すことができ、そのうちの１つは、駆動シャフト１を冷却して、ローラリング２を室温に維持することである。駆動シャフトが、そのプロトタイプの実施形態において、（例えば液体窒素によって）−１７０℃まで冷却されたならば、外表面６の外径ＯＤ１は２００ｍｍから１９９．５５ｍｍに減少する。したがってこの状態では、ＯＤ１はＩＤよりも０．２９ｍｍ小さくなる。このようにして、駆動シャフトをローラリングの内部に挿入することができる。２つの構成要素を互いに対して所望の位置に位置決めした後に、２つの要素の温度は室温と等しくなる。これにより、駆動シャフトが拡張すると共に締まりばめ接合を提供し、その締まりばめ接合の締めしろは０．１６ｍｍになる。この強度の締まりばめ接合が、（ローラが高荷重及び頻繁な温度変動などの厳しい外部条件下で動作したときでも、）ローラリングが駆動シャフトに対して摺動せずに、駆動シャフトからローラリングに相当のトルクを伝達するのに十分であるという、実施された試験が示された。

締まりばめ工程の際に駆動シャフト１をローラリング２に挿入することを容易にするために、ローラリングの内部リング３の個々の端面１１に隣接する円錐形表面１２が形成され（図７参照）、この円錐形表面は、半径がＲである半径移行部を介して、内部リングの内部円筒形表面１０に変形する。この例では、円錐形表面１２の円錐角αは１５°（２ｘα＝３０°）になり、この表面の軸線方向拡張部又は長さＬ５は、少なくとも５ｍｍになり、適切には少なくとも１０ｍｍであるべきである。ローラリングの雌型の円錐形表面１２を駆動シャフトの外表面６に隣接した雄形状の円錐表面と結合させることも実現可能である。

上述の具体例では、施された締まりばめ結合の締めしろは、駆動シャフトの直径の０．０８％（０．１６／２００）になる。この締めしろのサイズは、ローラ寸法及び所望のトルクに応じて変更することができるものの、いずれにせよ、少なくとも０．０１％、適切には０．０５％、さらに適切には０．０７％となるべきである。他方では、この締めしろのサイズは、ローラリングでの有害な応力現象のリスクを適切に防ぐために、０．１２％よりも大きくなるべきではない。有利には、接合作用は、０．０７〜０．１０％の範囲内の締めしろによってもたらされる。

本発明の本質的な利点は、このローラの複合ローラリングを、いかなる機械的なロック手段又は結合手段なしに、信頼性のある容易なやり方で駆動シャフトに対して回転方向に固定することができることにある。さらに、駆動シャフトの外表面に沿った利用可能なスペースに侵入するどのような結合手段もないという理由から、最善のやり方で事実上のローラの幅を利用することができる。さらに、複雑でありかつコストを上昇させる加工作用なしにローラの２つの主構成要素を製造することができる。本質的に、すべての所望のチップ除去加工を旋削の形でもたらすことができるからである。言い換えれば、２つの構成要素のブランクを、互いに異なる機械加工部署同士の間で移動させる必要がないからである。さらに、機械的な結合手段、具体的には溝、孔、皿穴などの形状をした雌形状の手段がないことにより、構成要素のうちのいずれもが不必要に脆弱にならない。それと共に、これらの要因は、ローラの製造の総コストを減少させることができることを意味する。ローラの構成要素の数を絶対的に最小に減少させて、ローラミルが作用しているときに、さらに反対に作用しているときに、故障や活動停止等のリスクを減少させたからである。

本発明は、上述のような実施形態及び図面に示されているような実施形態のみに制限されない。したがって、２つ又は複数のローラリングを有する駆動シャフトを装備することが実現可能であり、これらのローラリングは個々に１及び複数の超硬合金リングを含んでもよい。さらに、個々のローラリングの締まりばめは、駆動シャフトを冷却すること以外に別のやり方によって実施されてもよい。したがって、駆動シャフトは、ローラリングがその内部を拡げるために加熱されると同時に、室温を維持してもよい。駆動シャフトを冷却すると共にローラリングを加熱することも実現可能である。結論として、本発明によれば、この取り付け方法を、新しいローラの製造にだけではなく使用済みのローラの修復にも適用することができることが、指摘されるべきである。よって、ローラの２つの構成要素のうちの一方が破損した又は磨耗した場合に、締まりばめ接合の分離の後に、さらに厳密には新しい又は修復された構成要素に対して固く収縮することによって、他方の構成要素を再利用することができる。駆動シャフトの外表面とローラリングの内面との間で完全な表面接触をする締まりばめを提供することが好ましいものの、必要とされるならば、部分的な表面接触で満足することも実現可能である。

Claims (5)

1. 一方では一定の外径（ＯＤ１）と一定の長さ（Ｌ３）とを有する円筒形の外表面（６）を有する駆動シャフト（１）と、他方ではより短いローラリング（２）とを具備するローラであって、
   ローラリングが、硬い材料から作成される外部リング（４）と、外部リングと同軸であると共により延性のある材料から作成される内部リング（３）とを含み、
   内部リングが、一定の内径（ＩＤ）を有する円筒形の内面（１０）を含み、かつ一方では冶金的なやり方で外部リング（４）に永続的に結合され、他方では、駆動シャフトから外部リング（４）にトルクを伝達するために、駆動シャフト（１）と回転方向に固く接続されている、
   ローラにおいて、
   駆動シャフト（１）とローラリング（２）との間における、回転方向に固い結合作用は、締りばめ接合のみからなり、
   この締りばめ接合は、駆動シャフトの外表面（６）と内部リングの内面（１０）との間で行われ、駆動シャフト（１）の外径（ＯＤ１）の少なくとも０．０１％の締めしろを有する、
   ローラ。
2. 締りばめ接合の締めしろが、駆動シャフト（１）の外径（ＯＤ１）の少なくとも０．０５％になる、
   請求項１に記載のローラ。
3. 締りばめ接合の締めしろが、駆動シャフト（１）の外径（ＯＤ１）の少なくとも０．０７％になる、
   請求項１又は２に記載のローラ。
4. ローラリング（２）の内部リング（３）の端面（１１）に隣接する円錐形表面（１２）が形成され、
   この円錐形表面が、半径移行部（Ｒ）を介して、内部リングの内面（１０）に変形する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のローラ。
5. 一方では一定の直径と一定の長さとを有する円筒形の外表面を有する駆動シャフトと、他方ではより短いローラリングとを具備するタイプのローラを組立てる方法であって、
   ローラリングが、硬い材料から作成される外部リングと、外部リングと同軸であると共により延性のある材料から作成される内部リングとを含み、
   内部リングが、一定の直径を有する円筒形の内面を含み、かつ一方では冶金的なやり方で外部リングに永続的に結合され、他方では、駆動シャフトから外部リングにトルクを伝達するために、駆動シャフトと回転方向に固く接続されている、
   ローラを組立てる方法において、
   駆動シャフトとローラリングとの温度にそれぞれ差異を設ける段階と、
   駆動シャフトをローラリングに挿入する段階と、
   温度を均一化しつつ、回転方向に固い結合作用のみを形成すると共に駆動シャフトの外径の少なくとも０．０１％の締めしろを有する締りばめ接合を行う段階と、
   によって特徴付けられた、
   ローラを組立てる方法。

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