JP2021023949A - 連続ねじを持つ棒鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ねじ節棒鋼においてねじ山が欠落している圧延圧下側面にもねじ山を形成して連続ねじとするとともに、ねじ部質量の増加を抑制する。【解決手段】 ねじ節棒鋼と同様に１台の仕上げ圧延機によってねじ山を形成する。オーバルから異形への孔型圧延において、１）同期する上下ロールの半円孔型にねじ溝を設け、２）ロール隙を零としてオーバーフィルを防止し、３）圧延機上流側又は下流側又は両側で被圧延材に軸方向の圧縮力を作用させて圧下側面のねじ山形成を促進する。ねじ部の質量増加を抑制するため、大ピッチ台形ねじのねじ山裾幅に対するねじ底幅の比βをねじ節（β＝１．１）よりも大きく（β＝１．４〜３．０）する。【選択図】 図１

Description

本発明はナットねじ構造により接続や定着が可能な熱間圧延異形棒鋼やＰＣ（プレストレスト・コンクリート）用鋼棒の製造方法に関している。

ＰＣ鋼棒は当初丸棒に端部をねじ成形することによってナットねじ方式で定着や連結がなされていた。その後熱間圧延に際してねじ節を形成することが可能となり、作業性その他の種々の効果が得られ、現在両方法が使用されている。
他方、異形棒鋼、通称鉄筋の表面にはコンクリートとの密着性を良くするため節とリブが形成されているが、上記熱延ねじ節が鉄筋にも応用され、作業性の向上等が得られて現在着実に需要が成長している。

ねじ節を持つ異形棒鋼には次の問題がある。
ねじ節は断面がオーバル（又はフラット）の被圧延材がラウンドカリバーに彫り込まれたねじ溝を持つ２本のロールから成る最終仕上げ圧延機によって圧下され、上下面に形成される。側面は円柱状であって１周の約半分はねじ山が無い。本来連続ねじが望ましいが圧延による成形ではやむ終えない。

連続ねじを持つ棒鋼が製造できれば以下の長所が期待される。第１は結合部品コストである。ねじ節ＰＣ鋼棒では結合・締結・定着のためナットや特殊継ぎ手が使用される。連続ねじになるとねじ部の引抜強度が倍増するので当該部品の必要長さが半減する。ＰＣ鋼棒は高強度であるから部品もまた高強度であり、且つ高価となり、ねじの連続化による部品寸法・質量の軽減は有意義な経済効果をもたらす。

第２に、ねじ節とも同様であるがコンクリートとの密着性が大きく、ＰＣ鋼材として優れる。第３に、鋼棒を曲げて使用する場合、例えば柱から梁への配筋の場合、ねじ節では曲げ性が方向により異なり扱いにくい。棒にわずかでもネジレがあるとさらに作業困難になる。連続ねじには異方性が無い。

ＰＣ鋼棒におけるねじの形状・寸法に関して２種を比較する。丸棒の両端を冷間転造によってねじを形成する場合、ねじ部強度（加工硬化により補強される）と加工の容易性からメートルねじが基本となる。
熱延ねじ節では大ピッチ（メートルねじの約１０倍）の台形ねじ節が採用される。熱延であるから寸法精度の許容度が多少大きく、且つねじ山に鋭角部や挟撃部を持たず粗ねじの感触になる。これは三つの長所を生む。一つは圧延・成形が容易になる。第２にメートルねじのような突起が無いので圧延後の冷却に際して局所急冷が生じない。そして第３には高強度材の切り欠き靱性に対して鈍感になる。
大ピッチ台形ねじを持つ熱延ねじ節棒鋼が連続ねじを持つ棒鋼に発展することが期待される。

ねじ節と連続ねじとの比較においてねじ節にも長所がある。熱延に際して圧下側面にねじ山が形成されない分、歩留まりが数％有利になる。連続ねじを市場に出す場合、当該問題を克服しておくことが望ましい。
特許文献１にはねじ節棒鋼において、台形ねじの形状改良による製品の軽量化方法が開示されている。しかし全く採用されていない。なぜなら現行形状は各社共通の寸法として市場に定着しているのでよほどの理由や効果が無い限り煩わしく感じられる。連続ねじと当該方法即ちねじ部軽量化との組み合わせは悪くない。本体の棒と部品の同時変更は心理的な抵抗が軽減される。

他に、特許文献２に見られるように、ねじ山欠落を利用してナットと棒側面に生ずる隙間にキーを打ち込みナットの緩み止めを図ること、
特許文献３にはねじ節棒鋼をボルトに展開し、同様にねじ山欠落部を利用してねじ部にグラウト（セメント乳液）を浸透させ防蝕を図ることが開示されている。

特定の用途に便利な連続ねじを持つ棒鋼が製造されることがある。
特許文献４には全長連続ねじを持つステンレス鋼棒鋼が開示されている。その製造方法は熱延丸棒を素材として、冷間又は温間でローラーねじ転造加工を施すものである。
問題は２次加工を加えるので当然コスト高であり、転造であるから低生産能率である。
特殊品の小ロット生産には不都合は無い。

特許文献５には連続ねじを持つ異形棒鋼、特にＰＣ用鋼棒の製造方法が開示されている。ねじ節棒鋼を開発した同一メーカー同一発明者によるもので、製造方法はねじ節棒鋼と同様に熱間圧延でなされる。ねじ山の欠落を無くすため仕上げ圧延機を２台使用し、第１圧延機でねじ節棒鋼と同様に圧下面にねじ節を形成し、第２圧延機により側面を圧下して欠落部にねじ山を形成してねじを連続させる。

問題は、第１に２台のねじ節圧延機を要し、高価・高コストになる。ねじ節では通常の異形である節・リブと比較してロールの改削方法が異なる。精密を要し、且つロール周長と節ピッチの整合のため改削可能回数が少なくコスト負担になっている。
第２に、上下ロールの同期は当然であるが、第１パスと第２パスとの同期も不可欠であり、高度の制御を要する。同期には節の位置とピッチの両方が正確に一致しなければならない。該文献にはその困難性の一部が開示されている。

特許第４０２５８５１号 公開特許公報２０１４−０５１８００ 特許第４３９０１５７号 公開特許公報２０１３−０４０５５０ 公開特許公報平１−１４８４３３

ねじ節異形棒鋼は現場作業性の良さと妥当な価格水準からＰＣ鋼材においてもまた鉄筋にも便利に使用されているが、熱間圧延によってねじ節が形成されるので、ねじ節の実効長さは周長の約半分である。ねじ節の弱点はナット等の結合部品の長さが本来の必要長さの約２倍になりコスト上の問題があること、曲げに対して異方性があることである。他方ねじの連続はその分だけ質量が増加すること（単重ｋｇ／ｍが不利になる）である。本願発明は連続ねじを持つ棒鋼を従来のねじ節棒鋼と同様に１台の熱間圧延機によって製造可能とすることと同時に、ねじの連続化による質量損を回避することを解決すべき課題とする。

第１の発明は、異形棒鋼の熱間圧延の最終パスにおいて、
互いに同期する上下ロールにそれぞれ棒径と同一半径の半円孔型と該半円孔型内に所定形状のねじ溝を設け、両ロールの外周面間の隙間をゼロとし、圧延の上流側又は下流側又は両側においてピンチロールによって駆動又は制動して被圧延材に軸方向の圧縮力を作用させることを特徴とする連続ねじを持つ棒鋼の圧延方法である。

第２の発明は、ねじ形状が棒軸方向のねじ山裾幅に対するねじ底幅の比が１．４以上３以下であり、ねじ山の頂部が丸みを持った台形ねじ状であることを特徴とする第１発明に記載した連続ねじを持つ棒鋼の圧延方法である。

第３の発明は、下流側ピンチロールのローラー外周にはゴム又はプラスチック又は木材のどれか一つの軟質材のタイヤを嵌め込み、該タイヤは常時水ジェットにより水冷されることを特徴とする第１発明又は第２発明に記載した連続ねじを持つ棒鋼の圧延方法である。

述語の定義として、『同期する』とは上下ロール内に設けたねじ溝が互いにずれずに連続することである。
『ねじ山裾幅』、『ねじ底幅』は図５においてａ，ｂで示す。

本発明の異形棒鋼は連続ねじを持つので定着部品や接続部品の必要長さが従来のねじ節棒鋼と比較して半減しコスト低減が得られる。且つ軽量化は作業性にも良く、建設工事費が節減される。

曲げ加工や曲げ配筋に際して異方性が無いのでねじ節棒鋼のような曲がり癖が無く、作業性が良い。

１台の圧延機によりねじ山が形成されるので、従来のねじ節と比較してコスト上の不利は無い。先行例の２台の異形圧延方式に比較して設備・作業上極めて有利である。

本発明の連続ねじ棒鋼を製造する仕上げ圧延機の概略を示す。 圧延機下流側で制動力を作用させるピンチロールの構造を示す。 仕上げ孔型と被圧延材の断面形状との関係を説明する図である。 本発明の連続ねじ棒鋼（上）とねじ節棒鋼（下）の外観を示す。 ねじ形状の諸要素を定義する図である。

図１に従って本発明の連続ねじを持つ異形棒鋼の製造方法を説明する。最終１段前のパスから走行して来た被圧延材１は断面形状がオーバルであり、同形状のカリバーを持つ上流側ピンチロール２により圧下駆動されて仕上げ圧延機４の孔型５に強力に押し込まれ。その結果、被圧延材には軸方向の圧縮力が作用する。圧縮力により被圧延材１は挫屈が危惧されるので両側面を摺動拘束する挫屈拘束ガイド３を設ける。

孔型５は製品外形の半周分と全く同一の裏型、即ち同一径であり、且つ該孔型５内に同一形状の台形ねじ溝を持つ。
圧延機４の上下ロールは互いにねじ溝が連続するよう正確に同期するメカニズムを付設している。
上下ロールの外周は互いに接した状態であり、いわゆるロール隙が無く、圧下によってロール隙に塑性流れが噛み出すことが無い。塑性流れは孔型に追随して延伸しつつ一部は溝に向かってのし上がる。ある程度の圧下率や減面率があると圧下面には容易にねじ山が形成されるが圧下側面では盛り上がりが弱い。

圧延では圧下歪みは延伸歪みと拡幅歪みに分解する。軸方向に圧縮力が作用していると延伸分が抑制され拡幅歪みが増加する。上流側だけでなく下流側でも該現象が発現し、両側に圧縮力が作用していると拡幅は加算的になる。
本願発明においては圧縮力による拡幅は圧下側面におけるねじ山形成を補助する。

圧延機を通過した連続ねじを持つ棒鋼６は下流側ピンチロール８によって制動され、上流側と同様に軸方向圧縮力の作用を受け、ねじ山形成が補助される。
圧延機４と下流側ピンチロール８間には任意方向の挫屈を摺動拘束する管状の挫屈拘束ガイド７を設ける。

下流側ピンチロール８は通常の鋼製ローラーではねじ山の角を凹ませるので使用することはできない。圧痕の対策が不可欠である。
図２は下流側ピンチロール８の構造を示す。鋼製ローラー２３の外周にゴム製のタイヤ２４（空気は不要）がはめ込まれる。約１０００℃の棒鋼２１と接触したタイヤ２４は燃焼するようだが挟み込み近傍において該タイヤ表面に水ジェット・ノズル２２により水を吹き付けることにより防止される。赤熱棒鋼とタイヤとの接触時間は一瞬であるから水冷は有効である。本手段はねじ山を痛めず意外に耐久性がよい。タイヤ２４は着脱容易としておく。
２本の回転軸２５間には圧下力を作用させるメカニズムを設ける（図示せず）。
タイヤ材料としてはゴムを挙げたがプラスチックでも木材でも良い。

本願発明において孔型設計は極めて重要な条件となる。図３にそって孔型を説明する。 被圧延材の断面形状３１はオーバルであり、孔型３２は半円であり、該孔型３２にねじ溝３３が設けられる。両ロールの外周面３５，３６は互いに接し、ロール隙３４は無い。 ねじ節の場合はある程度の圧下率があると圧下面にねじ山が形成される。圧下側面では被圧延材のオーバル幅とカリバー側面に適度の隙があるとほぼ正確に充満して、円柱状に成形される。噛みだしや拡幅不足を避けることは困難ではない。

連続ねじを形成する場合、被圧延材の表面においてねじ溝への盛り上がりが螺旋状に高速（圧延速度約１０ｍ／ｓの約２倍）で走る。圧下側面において最下点手前で噛み出しを起こさず、また必要な盛り上がりを誘導するには、被圧延材のオーバル形状・圧下率・幅充填率・圧縮応力・摩擦係数・圧延温度・ロール径等の諸要因が関係する。
最適オーバル形状を解明するには、実機において各種寸法の鉛製オーバル試験片を低速で圧延試験して求める。側面にある程度の盛り上がりを確認することができれば後は圧縮力で補助すればよい。

異形棒鋼におけるねじ形状を図４に示す。連続ねじ棒鋼では基準円柱（棒径に相当）に台形ねじ山４２が巻き付き、該円柱がねじ底４１となる。ねじ節の場合も同様に台形のねじ節山４４とねじ節底４３が形成され、側面はねじ節欠落部４５となる。

連続ねじを形成する際の問題は２点ある。一つはねじ部の質量増加対策、他はねじ形成のし易さ、即ち、圧下側部でのねじ溝への流れ易さである。
ねじ節棒鋼における大ピッチ台形ねじの形状を調査・検討すると、図５に示すように、棒軸方向のねじ山裾幅ａとねじ底幅ｂの比β（＝ｂ／ａ；ねじ底幅比）は約１．１である。
引用文献１には該比を大きくすることによってねじ節部の質量を軽減することが提起されている。本願発明においては当該方法を採用して質量問題を解決する。
ねじ底幅比β＝ｂ／ａ＝１．４〜３．０

ねじ底幅比βの増加はねじ形成にも有利に作用する。なぜなら同一ねじピッチのおいて、ねじ山裾幅ａは従来よりも小さくなりねじ底幅ｂは大きくなる。ねじ溝への塑性流れによる盛り上がり易さは非圧下面積（ねじ溝部）に対する圧下面積（ねじ底部）の比に依存するからである。ねじ溝への塑性流れが幾分容易になる。
流れ込み圧力は圧下面では大きいが圧下側面では弱い。溝幅が小さくなることは有利だが、角張った台形ねじの隅々まで充満するには不足することもある。台形形状は自然に流れ込み易くなるようねじ山の頂部に丸みを持たせる。

圧延機上流側で被圧延材に圧縮力を作用させる他の方法として、通常の圧延ではスタンド間は無張力としているが、前段パスの速度を制御して押し込み圧延に持ち込むことも有効である。ピンチロールが不要となるが圧縮区間がスタンド間距離となってピンチロールを近接配置するよりも長くなる。
圧縮力を作用させる区間は、被圧延材の前端後端部では逆に圧縮力が作用しない区間でもある。当該部では側面のねじ山高さが不足する。該区間を短くすることは歩留まりと挫屈防止に望ましい。

本願発明ではロール隙をゼロとするが普通はそんなことはやらない。隙が無いとロールの摩耗に対処する寸法調整が不能となる、噛み出しが発生した場合流れの逃げ場が無く、材料食い込みによるロール停止の危険性が生ずる。オーバーフィルによる側面筋キズの発生を防止するためにはこの条件、隙無しは必要である。ロール材質としては超硬の超耐摩性物質が適切である。

本発明による連続ねじを持つ棒鋼の新規のねじ形状を表１にまとめる。上の表はＰＣ鋼棒、下の表は鉄筋である。
引用文献１に開示されたねじ形状を採用する。ねじの連続化によりねじ部質量は、ＰＣ鋼棒ではねじ節質量の２倍、鉄筋ではねじ節質量の１．８倍に増加するが、表から新形状により該質量は従来のねじ節とほぼ同等であることが解る。

本発明の連続ねじを持つ異形棒鋼は既存のねじ節棒鋼に容易に代替可能である。

１；被圧延材 ２；上流側ピンチロール ３；挫屈拘束ガイド ４；仕上げ圧延機 ５；カリバー ６；棒鋼 ７；挫屈拘束ガイド ８；下流側ピンチロール ２１；棒鋼 ２２；水ジェットノズル ２３；鋼製ローラー ２４；タイヤ ２５；回転軸 ３１； 被圧延材 ３２；半円カリバー ３３；ねじ溝底 ３４；ロール隙 ３５；上ロール外周面 ３６；下ロール外周面 ４１；ねじ底 ４２；ねじ山 ４３；ねじ節底 ４４；ねじ節山 ４５；ねじ節欠落部

Claims (3)

1. 異形棒鋼の熱間圧延の最終パスにおいて、互いに同期する上下ロールにそれぞれ棒径と同一半径の半円孔型と該半円孔型内に所定形状のねじ溝を設け、両ロールの外周面間の隙間をゼロとし、圧延の上流側又は下流側又は両側においてピンチロールによって駆動又は制動して被圧延材に軸方向の圧縮力を作用させて連続ねじを形成することを特徴とする連続ねじを持つ棒鋼の圧延方法。
2. ねじ形状において棒軸方向のねじ山裾幅に対するねじ底幅の比が１．４以上３．０以下であり、ねじ山の頂部が丸みを持った台形ねじ状であることを特徴とする請求項１に記載した連続ねじを持つ棒鋼の圧延方法。
3. 下流側ピンチロールの外周にはゴム又はプラスチック又は木材のどれか一つの軟質材のタイヤを嵌め込み、該タイヤは常時水ジェットにより水冷されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した連続ねじを持つ棒鋼の圧延方法。

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