JP2014087834A - 線材の矯正方法及び矯正装置 - Google Patents

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秀夫 木島
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啓之 福田
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Jfeスチール株式会社
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Abstract

【課題】設備長を大きくすることなく、線材内部の歪みや残留応力が線材の長さ方向及び円周方向で均一になるように線材を矯正すること。
【解決手段】直径軸に対して対称な周面位置に形成された一対の凹部が長さ方向に周期的に存在する線材10を矯正する矯正方法であって、線材10の長さ方向に沿って配列された複数のロール対の間に線材10を挿通し、各ロールの周面に形成された凸部を凹部に嵌合させることによって複数のロール対によって線材10を把持し、隣接するロール対の相対回転角度の向きが交互に反転するように線材10を把持している各ロール対を線材の軸心を回転軸として回転させることによって、線材10の長さ方向に沿って交互に逆方向の捻り変形を加える。
【選択図】図1

Description

本発明は、直径軸に対して対称な周面位置に形成された一対の凹部が長さ方向に周期的に存在する線材の矯正方法及び矯正装置に関するものである。
一般に、棒鋼は、熱間圧延工程において線材を螺旋状に巻き取ることによって形成されたコイルを素線として、コイルから線材を払い出し、切断機を利用して線材を所定の長さに切断することによって製造される。ところが、線材には、コイル状にしたことによる曲がりや捻り、切断機に導入することによって発生する捻りにより、長さ方向に不均一な癖がついている。このような背景から、この長さ方向の不均一な癖を連続的に矯正し、線材を連続的に直線状にする技術が提案されている。具体的には、特許文献1には、螺旋状の巻き癖を円弧状の曲がり癖に矯正した後、複数個のローラによって円弧を含む矯正平面内で線材を直線状に矯正する技術が記載されている。
特許文献2には、線材を両側から挟むようにローラを千鳥状に配置した矯正機を3個以上直列に配設し、線材の状況に応じて矯正機の矯正方向を設定する技術が記載されている。特許文献3〜5には、矯正機を利用して線材に曲げ曲げ戻しを付与しながら矯正機全体を線材の進行方向まわりに回転させるスピンナー矯正技術が記載されている。非特許文献1,2には、ロータリーストレーナーと呼ばれる矯正機を利用して線材に曲げ曲げ戻しを付与する技術が記載されている。直線状に矯正された線材は、所定の長さに切断されて棒鋼となり、棒鋼は、様々な形状に曲げ加工されて例えばコンクリート構造物の鉄筋として利用される。なお、線材は、曲げ加工後に所定の長さに切断されて棒鋼とされることもある。
特開2011−110569号公報 特開平09−262634号公報 特開平06−39466号公報 特開平05−138278号公報 特開平04−339532号公報
生産研究、第8巻、第3号、p.97-102 矯正加工、p.130-155,202-205、コロナ社
ところで、近年、鉄筋としての棒鋼の利用技術が発達し、複雑な形状に精度よく曲げ加工できる線材が求められている。複雑な形状に精度よく曲げ加工できる線材を製造するためには、線材が長さ方向に沿って直線状に矯正されているだけでなく、線材内部の歪みや残留応力が線材の長さ方向及び円周方向で均一になっていることが必要である。これは、線材内部の歪みや残留応力が長さ方向及び円周方向で均一でないと、曲げ加工後の線材の形状にばらつきが生じるためである。
しかしながら、特許文献1,2や非特許文献1,2記載の繰り返し曲げ矯正技術によれば、線材の長さ方向の歪みや残留応力を均一にすることはできるが、円周方向の歪みや残留応力は原理的に均一にすることはできない。なお、特許文献2記載の技術のように線材の長さ方向に沿って矯正機を複数台直列に並べて線材を多軸で矯正すれば、矯正機の台数を増やすほど円周方向の歪みや残留応力の均一性は良好になる。しかしながら、この場合には、設備長が著しく長くなり、また原理的には矯正機の台数をどんなに増やしても円周方向の歪みや残留応力は完全に均一にはならない。
一方、特許文献3〜5記載のスピンナー矯正技術によれば、僅かな捻り変形が加わるために、単純な曲げ曲げ戻し方式の矯正技術よりは円周方向の歪みや残留応力の均一性は向上する。しかしながら、スピンナー矯正技術の主な加工は曲げ曲げ戻し加工であり、曲げの軸が線材の長手方向で変化するために、線材の長さ方向における歪みや残留応力は均一にならない。
一般に、線材の内部には、熱間圧延後に残留する歪み、コイルからの払い出しによる歪み、矯正機への挿入に伴う歪み等、様々な歪みや残留応力が長さ方向及び円周方向に存在している。このような背景から、複雑な形状に精度よく曲げ加工できる線材を製造するために、線材内部の歪みや残留応力が線材の長さ方向及び円周方向で均一になるように線材を矯正可能な技術の提供が期待されていた。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、設備長を大きくすることなく、線材内部の歪みや残留応力が線材の長さ方向及び円周方向で均一になるように線材を矯正可能な線材の矯正方法及び矯正装置を提供することにある。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る線材の矯正方法は、直径軸に対して対称な周面位置に形成された一対の凹部が長さ方向に周期的に存在する線材を矯正する線材の矯正方法であって、前記線材の長さ方向に沿って配列された複数のロール対の間に前記線材を挿通し、各ロールの周面に形成された凸部を前記凹部に嵌合させることによって複数のロール対によって線材を把持する把持ステップと、隣接するロール対の相対回転角度の向きが交互に反転するように線材を把持している各ロール対を線材の軸心を回転軸として回転させることによって、線材の長さ方向に沿って交互に逆方向の捻り変形を加える捻り変形ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明に係る線材の矯正方法は、上記発明において、前記捻り変形ステップは、線材の最も入側にある一組目のロール対は回転させずに、二組目以後のロール対の相対回転角度を線材の入側から出側に向かって減少させるステップを含むことを特徴とする。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る線材の矯正装置は、直径軸に対して対称な周面位置に形成された一対の凹部が長さ方向に周期的に存在する線材を矯正する線材の矯正装置であって、前記線材の長さ方向に沿って配列され、前記線材が挿通された際に周面に形成された凸部を前記凹部に嵌合させることによって線材を把持する複数のロール対と、隣接するロール対の相対回転角度の向きが交互に反転するように線材を把持している各ロール対を線材の軸心を回転軸として回転させる回転機構と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る線材の矯正方法及び矯正装置によれば、設備長を大きくすることなく、線材内部の歪みや残留応力が線材の長さ方向及び円周方向で均一になるように線材を矯正することができる。
図1は、本発明の一実施形態である矯正装置の構成を示す模式図である。 図2は、図1に示す矯正装置によって矯正される線材を示す図である。 図3は、図1に示すロールの構成を示す模式図である。 図4は、本発明の一実施形態である線材の矯正方法を説明するための概念図である。
本発明の発明者らは、線材内部の歪みや残留応力を線材の長さ方向及び円周方向で均一にするためには、曲げ曲げ戻し方式による矯正ではなく捻り捻り戻し方式による矯正が有効であることを知見した。また、厳しい加工精度が要求される線材のうち、異形線材には、リブと呼ばれる線材の長さ方向に伸びる突起が線材の直径軸に対して対称な周面位置に設けられている。また、異形線材には、節と呼ばれる線材の周方向に伸びる突起が線材の周面位置に設けられており、この節は線材の長さ方向に周期的に設けられている。従って、線材の周面におけるリブと節とで囲まれる部分は凹部となっており、この凹部も直径軸に対して対称な周面位置に形成され、且つ、線材の長さ方向に周期的に存在するものとなる。本発明の発明者らは、線材の矯正の際にこの凹部を積極的に利用することとした。以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である線材の矯正装置及びその矯正方法について説明する。
〔矯正装置の構成〕
始めに、図1〜図3を参照して、本発明の一実施形態である矯正装置の構成について説明する。図1は、本発明の一実施形態である矯正装置の構成を示す模式図である。図2は、図1に示す矯正装置によって矯正される線材を示す図である。図3は、図1に示すロールの構成を示す模式図である。なお、図1では、矯正装置の入側に配置されるコイルからの線材の払い出し装置や矯正装置の出側に配置される切断機や曲げ加工機等の図示を省略している。また、以下では、線材の長さ方向(送り方向)をx軸方向、水平面内においてx軸方向と直交する方向をy軸方向、x軸方向及びy軸方向と直交する鉛直方向をz軸方向と定義する。
図1に示す矯正装置1によって矯正される線材10は、図2に示すように、直径軸に対して対称性を有する周面位置に形成された一対の凹部11a,11b及び一対の凹部11c,11d(凹部11dの図示は省略)をx軸方向に沿って周期的に有している。より詳しくは、一対の凹部11a,11bは、線材10の入側から見た場合、x軸方向に沿って所定間隔毎に線材10の左右位置に形成されている。また、一対の凹部11c,11d(凹部11dの図示は省略)は、線材10の入側から見た場合、x軸方向に沿って所定間隔毎に線材10の上下位置に形成されている。
図1に示すように、矯正装置1は、z軸方向を回転軸とするロール対20a,20b、ロール対21a,21b、ロール対22a,22b、及びロール対23a,23bを備えている。また、各ロール対は、x軸方向に沿って配列されている。なお、本実施形態では、矯正装置1は4組のロール対を備えているが、ロール対の組数は最低3組あればよく、好ましく5組以上9組以下である。ロール対の組数に上限はないが、組数が多くなると、設備長が大きくなり、また設定やメンテナンスが煩雑になってしまうので望ましくない。
図3に示すように、ロール対を構成する各ロールの周面には、線材10に形成された一対の凹部11a,11bに嵌合する複数の凸部24a,24b,24c,24d(凸部24dは図示せず)が線材10に形成された凹部の長さ方向の間隔と同じ間隔でロールの周方向に沿って配列されている。各ロール対は、線材10に形成された一対の凹部11a,11bに凸部を嵌合させることによって、y軸方向から線材10を把持(グリップ保持)することができる。また、各ロール対は、図示しない回転機構によって線材10の軸心Oを中心としてyz平面内で一体で回転可能に構成されている。
〔矯正方法〕
次に、図4を参照して、図1に示す矯正装置1による線材10の矯正方法について説明する。
図4は、本発明の一実施形態である線材の矯正方法を説明するための概念図である。図1に示す矯正装置1により線材10を矯正する際には、始めに、各ロール対を構成するロールの回転軸の向きをz軸方向に合わせた後、線材10の先端部をロール対を構成するロール間に導入し、線材10をx軸方向に搬送する。この際、各ロール対を構成するロールに形成された凸部が線材10に形成された一対の凹部11a,11bに嵌合するようにしてy軸方向から線材10を把持する。なお、本実施形態では、ロールに形成された凸部は一対の凹部11a,11bに嵌合することとしたが、ロールの回転軸がy軸方向に平行になるように線材10の軸心Oを中心として各ロール対を回転させることによって凸部を一対の凹部11c,11dに嵌合させてもよい。
次に、図4に示すように、隣り合うロール対の相対回転角度(相対捻り角度)の向きがx軸方向に交互に反転するように各ロール対を線材10の軸心Oを中心として回転させる。すなわち、入側から二組目のロール対21a,21bの把持方向を一組目のロール対20a,20bの把持方向(図の例ではy軸方向)から時計回りに傾けた方向とし、三組目のロール対22a,22bの把持方向を二組目のロール対21a,21bの把持方向から反時計回りに傾けた方向とし、四組目のロール対23a,23bの把持方向を三組目のロール対22a,22bの把持方向から時計回りに傾けた方向とする。具体的には、一組目のロール対20a,20bの把持方向に対する、二組目のロール対21a,21bの把持方向の角度をψ、三組目のロール対22a,22bの把持方向の角度をψ、四組目のロール対23a,23bの把持方向の角度をψとしたとき、ψ>ψ及びψ>ψを満足させるように、各ロール対を線材の軸心Oを中心として図示矢印で示したように回転させる。この際、入側一組目のロール対20a,20bは線材10の向きを安定させ、他のロール対の回転角度の基準とするため、ロールの回転軸の向きをz軸方向に合わせて固定する。これにより、線材10に対してx軸方向に沿って交互に逆方向の捻り変形を加えることができる。
なお、各ロール対の直前のロール対に対する相対回転角度の絶対値は出側に向かって漸減していくことが好ましい。すなわち、始めにロール対21a,21bによって線材10内に存在する歪みより大きな歪みを線材10に与えて線材10内の歪みを円周方向で均一にし、後段のロール対によって交互に逆転しながら漸減する歪みを線材10に与えるようにして円周方向の歪みを均一に小さくすることが望ましい。これは、各ロール対の隣り合うロール対との相対回転角度を以下のように設定することで行うことができる。すなわち、上述の通り、二組目から四組目の各ロール対の把持方向について、一組目のロール対に対してそれぞれ角度ψをもたせたとき、|ψ|>|ψ−ψ|>|ψ−ψ|を満足するようにする。これにより、図4に示すように、各ロール対の回転軸の傾け方向は入側一組目のロール対20a,20bに対して同一の方向(本例では入側から見て時計回り方向の回転)になり、最終的に長さ方向及び円周方向の歪み及び残留応力を均一にすることができる。なお、図4の例では四組のロール対をx軸方向に配列した場合について説明したが、隣り合うロール対の相対回転角度の向きが反転するように各ロール対の軸心Oを中心として回転させれば、x軸方向に配列されるロール対の数はこれに限定されない。この場合においても、各ロール対の直前のロール対に対する相対回転角度の絶対値は出側に向かって漸減していくことが好ましい。
また、少なくとも二組目のロール対21a,21bの回転軸の一組目のロール対20a,20bの回転軸に対する相対回転角度ψは絶対値で以下に示す数式(1)により算出される値より大きいことが望ましい。ここで、数式(1)中、パラメータLはx軸方向におけるロール対のピッチ[mm]、パラメータDは線材10の直径を表している。なお、相対回転角度ψの上限は特にないが、負荷が大きくなりすぎたり、ロール対が線材10を把持できなくなったりすることを抑制するために、数式(1)から求められる値の10倍以下とすることが好ましい。
〔実施例〕
本実施例では、本発明及び特許文献1記載の矯正方法を利用して、直径1000[mm]のコイルから深さ1[mm]の長方形状(円周方向3.5[mm]×長さ方向2[mm]のリブが長さ方向に6[mm]間隔で付与された直径6[mm]の線材(S45C鋼)を払い出して線材を矯正した。本発明の矯正方法では、ロール対の組数を9組、ロールピッチを50[mm]、一組目のロール対に対する二組目のロール対の相対回転角度ψを12[°]、一組目のロール対に対する九組目のロール対の相対回転角度ψを0.5[°]とし、二組目〜九組目のロールの前組目ロール対に対する相対回転角度の絶対値は直線状に漸減するように設定した。また、隣り合うロール対の相対回転角度の向きが交互に反転するようにした。特許文献1記載の方法は該特許文献1の段落0049〜0051記載の方法を利用した。
本発明及び特許文献1記載の矯正方法によって矯正された線材を切断して300[mm]ピッチで20本の線材を作製した。その結果、線材の真直度K(特許文献1の段落0050参照)はいずれの矯正方法でもほぼゼロであった。次に、各鋼線を100[mm]ピッチで同一平面内で折り曲げてコの字型に成形し、平面上に静置したときの先端の面外変形量を測定した。その結果、本発明の矯正方法では、いずれの鋼線でも面外変形量は全くなかった。これに対して、特許文献1記載の矯正方法では、平均3[mm]、最大10[mm]の面外変形が発生した。以上のことから、本発明の矯正方法によって、設備長を長くすることなく、線材内部の歪みや残留応力が線材の長さ方向及び円周方向で均一になるように線材を矯正し、線材を複雑な形状に精度よく加工できることが確認された。
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
1 矯正装置
10 線材
11a,11b,11c 凹部
20a,20b,21a,21b,22a,22b,23a,23b ロール
24a,24b,24c 凸部

Claims (3)

  1. 直径軸に対して対称な周面位置に形成された一対の凹部が長さ方向に周期的に存在する線材を矯正する線材の矯正方法であって、
    前記線材の長さ方向に沿って配列された複数のロール対の間に前記線材を挿通し、各ロールの周面に形成された凸部を前記凹部に嵌合させることによって複数のロール対によって線材を把持する把持ステップと、
    隣接するロール対の相対回転角度の向きが交互に反転するように線材を把持している各ロール対を線材の軸心を回転軸として回転させることによって、線材の長さ方向に沿って交互に逆方向の捻り変形を加える捻り変形ステップと、
    を含むことを特徴とする線材の矯正方法。
  2. 前記捻り変形ステップは、線材の最も入側にある一組目のロール対は回転させずに、二組目以後のロール対の相対回転角度を線材の入側から出側に向かって減少させるステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の線材の矯正方法。
  3. 直径軸に対して対称な周面位置に形成された一対の凹部が長さ方向に周期的に存在する線材を矯正する線材の矯正装置であって、
    前記線材の長さ方向に沿って配列され、前記線材が挿通された際に周面に形成された凸部を前記凹部に嵌合させることによって線材を把持する複数のロール対と、
    隣接するロール対の相対回転角度の向きが交互に反転するように線材を把持している各ロール対を線材の軸心を回転軸として回転させる回転機構と、
    を備えることを特徴とする線材の矯正装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104588540A (zh) * 2015-02-06 2015-05-06 国家电网公司 一种钢筋捋直装置
CN104959491A (zh) * 2015-06-30 2015-10-07 上海建工二建集团有限公司 钢筋快速调直机及利用其调直钢筋的方法
CN110586696A (zh) * 2019-09-26 2019-12-20 海盐富鑫高强度紧固件有限公司 棒材调直机

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