JP2586193B2 - 圧延用孔型ロール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、管材や棒材の孔型圧延に使用される圧延
ロールに係り、ロール本体とロール軸とから組合さた圧
延用孔型ロールに関する。

従来技術 管材や棒材の孔型圧延に使用される圧延用孔型ロール
は、第８図に示すごとく孔型（１−１）を有する中空の
ロール本体（１）と、該ロール本体の中空部に密かに内
嵌するロール軸（２）との組合せからなっている。

この圧延用孔型ロールの場合、圧延時にはロール本体
（１）の孔型（１−１）に働く面圧Ｐのために、ロール
本体の孔型底断面には引張応力σｔが働く。この引張応
力σｔの分布はロール本体（１）の孔型底表面で最大値
となり、この最大値をσtmaxとすると、圧延条件によっ
ては面圧Ｐが高くその結果σtmaxが高くなり、このσtm
axがロール本体の材料強度を超えると孔型底表面にクラ
ックが入りロール本体に割れが発生する。

また、ロール本体の孔型底表面は、加工熱や潤滑油に
よる冷却で繰返し熱応力が働くためクラックがより発生
し易くなる。

このロール割れ対策として、従来、ロール材質をより
強度の高い材質に変更する方法がこうじられているが、
ロールコストが高価につくと、また一般に高強度材ほど
靭性が低下し、衝撃による割れを発生し易いという問題
がある。

また、他の方法として、ロール本体とロール軸との接
触面に管隙を設ける方法が知られている（特公昭59−25
61号公報、特開昭61−216807号公報参照）。

この方法は、いずれもロール本体の中央部またはこれ
に対応するロール軸位置に凹部を形成することによっ
て、圧延中の面圧の垂直方向成分によりロールを撓ませ
て孔型底に圧縮応力を発生させ、圧延力により生じる孔
型底の引張応力を軽減させるものである。

すなわち、ロール反力によりロール孔型底断面に曲げ
応力を発生させ、その曲げ応力がロール孔型表面では圧
縮応力となるため、この圧縮応力により前記の引張応力
最大値σtmaxを軽減させて割れ防止をはかる方法であ
る。

発明が解決しようとする課題 しかし、前記のロール本体中央部またはこれに対応す
るロール軸位置に凹部を形成する方法によっても、クラ
ックやロール割れを十分に防止することができなかっ
た。その理由を冷間ピルガー圧延機の孔型ロールを例に
とり説明する。

冷間ピルガー圧延機の孔型ロールは第10図（Ａ）
（Ｂ）に示すごとく、管径を絞り加工するために素管径
より若干大きい孔型（51−2a）を入口部とし、該入口部
から周方向に漸減し、最終的に圧延仕上径となる孔型
（51−2b）が形成された周方向テーパ孔型（51−２）を
有するロール本体（51）と、該ロール本体に内嵌するロ
ール軸（52）との組合せからなる孔型ロールである。第
９図はこの孔型ロールに加わる面圧の垂直方向成分（ロ
ール反力）Ｐと、水平方向成分により生じる孔型底表面
の引張応力σＴ（第８図のσtmaxに相当）とのロール周
長方向分布値の一例を示すもので、横軸のセクションN
o.はロール周方向の位置を示し、第10図（Ｂ）に示すご
とく、入口を０、加工終了点を1.0として、その入口か
ら加工終了点までの円周を均等分割した値のことであ
り、縦軸はロール反力、引張応力である。

すなわち、この図によれば、ロール反力Ｐが最大とな
るのは、ロール周方向位置のセクションNO.0.3付近であ
り、孔型底表面に引張応力σＴが最大となるのはセクシ
ョンNO.0.55付近であることがわかる。

このように、ロール反力最大位置に対し、孔型底表面
に引張応力最大位置が図右方向すなわち孔型半径が小さ
い方にずれているのは、孔型半径が小さくなるにつれて
孔型底表面の引張応力σＴは応力集中により増加するた
め、両者の影響により図示のように孔型底表面の引張応
力σＴが最大となる位置は孔型半径の小さい方にずれる
のである。

また、図中の孔型ロールの割れ多発領域は、孔型底表
面の引張応力σＴが最大位置と一致している このような分布を示す孔型ロールに、前記の凹部形成
技術を採用した場合、ロール孔型底に発生する圧縮応力
は、ロール反力そのものの大きさに依存しているため、
ロール割れ発生区間では、ロール反力最大位置で生ずる
圧縮応力より小さく、したがって孔型底表面の引張応力
最大位置における圧縮応力による効果が少なく、ロール
割れが発生する。

この発明はこのような実状よりみて、ロール本体中央
部またはこれに対応するロール軸位置に凹部を形成する
方法の前記問題点を解決し、高寿命、低コストの圧延用
孔型ロールを提供しようとするものである。

課題を解決するための手段 この発明は、孔型を有する中空のロール本体とロール
軸とを組合せた状態で、ロール軸の焼きばめまたは冷し
ばめ代をロール本体の幅方向の両側で大きく中央部に向
って漸減することによって、前記孔型の底部にロール本
体の幅方向の圧縮応力が付与されていること、およびこ
の圧縮応力付与に加えてロール本体の軸方向中央部内面
とこれに対応するロール軸の外面とのいずれか一方また
は両方に凹状空隙部が設けられてなる圧延用孔型ロール
を要旨とするものである。

作用 孔型を有する中空のロール本体とロール軸とからなる
圧延用孔型ロールにおいて、孔型の底部にロール本体の
幅方向の圧縮応力を付与することにより、クラックや割
れの原因となる孔型底表面の引張応力σＴの最大値σTm
axを低下させることができる。

前記圧縮応力の付与手段としては、ロール本体とロー
ル軸とを焼きばめまたは冷しばねにより組立てる際に、
焼きばめまたは冷しばめ代をロール本体の幅方向の両側
で大きく中央部に向って漸減することによって孔型の底
部に圧縮応力を付与することができる。

さらにこの際、ロール本体の軸方向中央部内面とこれ
に対応するロール軸の外面とのいずれか一方または両方
に凹状空隙部を設けることによって孔型表面に生じる圧
縮応力と、焼きばめまたは冷しばね代をロール本体の幅
方向の両側で大きく中央部に向って漸減することによっ
て孔型底部に生ずる圧縮応力とにより、孔型底部に大き
な圧縮応力を付与することができる。

すなわち、焼きばめまたは冷しばめ代をロール本体の
幅方向の両側で大きく中央部に向って漸減する具体的な
方法としては、次に記載する手段を用いることができ
る。

（ａ）ロール軸の焼きばめまたは冷しばめ部に、外径が
ロール本体中央部に向ってテーパ状に漸減するロール軸
を内径等径のロール本体に焼きばめまたは冷しばめする
方法。

（ｂ）外径等径のロール軸と、内径がロール本体幅方向
中央部に向ってテーパ状に増加する中空部を有するロー
ル本体とを焼きばめまたは冷しばめする方法。

（ｃ）内径等径のロール本体の中空部に凹状空隙部を設
け、外径がロール本体中央部に向って漸減するテーパ付
きロール軸が焼きばめまたは冷しばめする方法。

（ｄ）内径がロール本体幅方向中央部に向ってテーパ状
に増加する中空部に凹状空隙部を設け、外径等径のロー
ル軸を焼きばめまたは冷しばめする方法。

実施例 第１図〜第４図はこの発明に係る圧延用孔型ロールの
ロール本体とロール軸を例示したもので、それぞれ図
（Ａ）はロール軸、図（Ｂ）はロール本体を一部省略し
て示す縦断面図であり、いずれも焼きばめまたは冷しば
め代がロール本体の幅方向の両側で大きく中央部に向っ
て漸減するものである。

第１図は内径等径の中空部（11−１）を有するロール
本体（11）と、焼きばめまたは冷しばめ部の外径がロー
ル本体両端部から中央部に向ってテーパ状に漸減するロ
ール軸（12）とを組合せてなる孔型ロールであり、焼き
ばめまたは冷しばめ代（11−３）を付与したものであ
る。

すなわち、この孔型ロールの場合は、ロール本体とロ
ール軸を焼きばめまたは冷しばめした際、ロール軸（1
2）のテーパ作用によりロール孔型（11−２）の底部に
圧縮応力が生じる。

第２図は外径等形のロール軸（22）と、内径がロール
本体幅方向中央部に向ってテーパ状に増加する中空部
（21−１）を有するロール本体（21）とを組合せてなる
孔型ロールであり、焼きばめまたは冷しばめ代（21−
３）を付与したものであり、この孔型ロールの場合も焼
きばめまたは冷しばめにより孔型（21−２）の底部に発
生する圧縮応力は、前記第１図のものと実質的に等価で
ある。

第３図は内径等径の中空部（31−１）のロール幅方向
中央部に凹状空隙部（31−３）を設けたロール本体（3
1）と、第１図に示すロール軸と同じテーパ付きロール
軸（32）とを組合せてなる孔型ロールである。この場合
は、焼きばめまたは冷しばめ代（31−４）による圧縮応
力と、凹状空隙部（31−３）によるロールの撓みにより
発生する圧縮応力が孔型（31−２）の底部に発生する。

第４図は内径がロール本体中央部に向ってテーパ状に
増加する中空部（41−１）のロール軸方向中央部に凹状
空隙部（41−３）を設けたロール本体（41）と、外径等
径のロール軸（42）とを組合せてなる孔型ロールであ
り、この場合も前記と同様、焼きばめまたは冷しばめ代
（41−４）による圧縮応力と、凹状空隙部（41−３）に
よるロールの撓みにより発生する圧縮応力が孔型（41−
２）の底部に発生する。

ここで、ロール内面をテーパ状に加工した場合の焼き
ばめまたは冷しばめによる圧縮応力の発生機構について
説明すると、第５図、第６図に示すごとく焼きばめまた
は冷しばめ代はロール本体幅方向中心でδmin、両端部
でδmaxであり、焼きばめまたは冷しばめを実施する破
線状にロールが変形し孔型（21−２）（41−２）の底部
に圧縮応力が付与されるのである。

次に、焼きばめまたは冷しばめ代の決定方法について
説明する。

平均焼きばめまたは冷しばめ代（δmean） 従来のピルガー圧延用の孔型ロール（テーパ加工な
し、凹状空隙部なし）の場合、ロール本体とロール軸と
のスリップを防止するために、焼きばめまたは冷しばめ
力が設計仕様として設計されており、この焼きばめまた
は冷しばめ力を確保するために焼きばめまたは冷しばめ
代も設定されている。

したがって、焼きばめまたは冷しばめ代が第５図に示
すごとく、ロール本体両側でδmax、中央部でδminの場
合、平均焼きばめまたは冷しばめ代δmean｛（δmax＋
δmin×1/2）｝が前記設定焼きばめまたは冷しばめ代以
上となるようにする。

最大焼きばめまたは冷しばね代（δmax） ロール軸およびロール本体は例えばJIS−SKD11種の素
材とし、最終焼入れおよび焼戻しにより強度が調整され
ており、焼戻し温度は鋼種により異なるが、低いもので
は、250℃程度である。

なお焼きばめの場合のロール本体加熱温度は、前記焼
き戻し温度以上になるのを避ける必要があり、またロー
ル本体表面の軟化を防止するためには200℃程度以下の
温度とするのが好ましい。

したがって、最大焼きばめ代δmaxは、ロール本体の
加熱による熱膨張代を基準とし、また最大冷しばね代δ
maxはロール軸の冷却による収縮代を基準とし、これに
作業性等を考慮して決定される。

最小焼きばめまたは冷しばめ代（δmin） 平均焼きばめまたは冷しばね代（δmean）、最大焼き
ばめまたは冷しばね代（δmax）が決定されれば、δmin
は下記式で計算できる。

δmin＝２δmean−δmax 上記のごとくδmax、δminを決定し、ロール本体両側
がδmax、同中央部がδminとなるように、ロール軸また
はロール本体の中空部をテーパ状に加工する。

なお、第６図に示すように、ロール本体中央部に凹状
空隙部を有する孔型ロールの場合、凹状空隙部は焼きば
めまたは冷しばめ時の焼きばめまたは冷しばめ力確保に
寄与しないため、凹状空隙部の幅に応じて両側の平均焼
きばめまたは冷しばめ代δmeanを大きくとり、最大焼き
ばめまたは冷しばめ代と最小焼きばめまたは冷しばめ代
を決定する。

以上のようにして焼きばめまたは冷しばめ代を決定す
ると、焼きばめまたは冷しばめ代のテーパ角度（第５図
α、第６図β）に応じてロール本体のフランジ部が孔型
方向に倒れ、孔型の底部に前記テーパ角度α、βに応じ
た圧縮応力σＡが働く。

ところで、前記のようにして焼きばめまたは冷しばめ
代のテーパ角度を決めた結果、孔型底部に働く圧縮応力
σＡが大きくなり、またこれに伴い中空部中央に働く引
張応力σＢも大きくなり、圧延中に孔型底表面に働くσ
Tmaxから前記の予め付与された圧縮応力σＡを減算した
ものが、中空部中央に働く引張応力σＢより小さくなる
ことがある。

このような状態になると、孔型底部からのロール割れ
は防止できるものの、中空部中央からのロール割れが生
じるおそれがある（引張応力σＢが大のため）。この時
は、σTmaxからσＡを減算した値が約σＢになるよう
に、焼きばめまたは冷しばめ代のテーパ角度を小さくす
る。

また、ロール本体中空部に凹状空隙部を設けたロール
の場合は、凹状空隙部によるロールの撓みにより底部に
圧縮応力が作用する。この圧縮応力と、前記焼きばめま
たは冷しばめ代のテーパ角度によって生じる圧縮応力と
を加算したものを、圧延中に働く引張応力σTmaxから減
算した結果が中空部中央に働く引張応力σＢより小さく
なる場合と同様にすればよい。

実 施 例１ 第１表に示す条件で圧延した際の結果を第２表に示
す。本実施例では第７図に示す周方向テーパ孔型のロー
ル（Ａ）（Ｂ）を用いた。

供試No.1は内面フラットロール、No.2は内面フラット
ホールに第１図に示す本発明を適用した例、No.3はロー
ル内面に溝加工を施したロール、No.4はロール内面に溝
加工を施したロールに第３図に示す本発明を適用した例
であり、いずれも焼きばめ法によったものである。

第２表の結果より明らかなごとく、内面フラットロー
ルに、テーパ付きロール軸を試用してロール孔型底部に
圧縮応力を付与した本発明ロールの場合は、従来の３〜
４倍のロール寿命が得られた。

また、ロール内面に溝加工を施したロールの場合は、
テーパ着きロール軸の作用により生ずる圧縮応力に、ロ
ール内面の凹状空隙部によるロールの撓みにより生じる
圧縮応力が加わるため、従来ロールの３倍以上のロール
寿命が得られた。

また、さらに、冷しばめ法によった場合も同様の結果
が得られた。

発明の効果 この発明は上記のごとく、ロール本体中空部がフラッ
トの孔型ロール、あるいはロール本体中空部に溝を有す
る孔型ロールの、ロール本体とロール軸との焼きばめま
たは冷しばめ代を、ロール本体の幅方向の両側で大きく
中央部に向って漸減せしめ、焼きばめまたは冷しばめ力
により、孔型底部にロール本体の幅方向の圧縮応力を付
与してなるから、ロール本体の割れ防止効果が極めて大
きく、高価な強度の高いロール材質を使用することな
く、ロール寿命を著しく延長させることができるという
大なる効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図この発明の圧延用孔型ロールを例示した
もので、第１図（Ａ）はテーパ付きロール軸を示す側面
図、同図（Ｂ）は内径等径の中空部を有するロール本体
を一部省略して示す縦断側面図、第２図（Ａ）は外径等
径のロール軸を示す側面図、同図（Ｂ）はテーパ付き中
空部を有するロール本体を一部省略して示す縦断側面
図、第３図（Ａ）はテーパ付きロール軸を示す側面図、
同図（Ｂ）は内径等径の中空部に凹部を設けたロール本
体を一部省略して示す縦断側面図、第４図（Ａ）は外径
等径のロール軸を示す側面図、同図（Ｂ）はテーパ付き
中空部に凹部を設けたロール本体を一部省略して示す縦
断側面図、第５図はテーパ付き中空部を有するロール本
体と外径等径のロール軸とからなる孔型ロールの焼きば
めまたは冷しばめによる圧縮応力の発生機構を示す説明
図、第６図はテーパ付き中空部に凹部を有するロール本
体と外径等径のロール軸とからなる孔型ロールの焼きば
めまたは冷しばめによる圧縮応力の発生機構を示す説明
図、第７図（Ａ）（Ｂ）はこの発明の実施例におけるロ
ールタイプを示す図、第８図は面圧Ｐによる圧延ロール
の孔型底断面に働く引張応力σＴの分布を示す説明図、
第９図は同上孔型ロールに加わる面圧の垂直方向成分
と、これにより生じる引張応力とのロール周長方向分布
値の一例を示す図、第10図（Ａ）（Ｂ）は周方向で半径
が漸減する孔型が形成された冷間ピルガー圧延機の孔型
ロールを例示したもので、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正
面図である。 11、21、31、41、51……ロール本体 12、22、32、42、52……ロール軸 11−１、21−１、31−１、41−１……中空部 11−２、21−２、31−２、41−２、51−２……ロール孔
型 11−３、21−３、31−３、41−３……焼きばめ代 31−３、41−３……凹部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】孔型を有する中空のロール本体と、該ロー
   ル本体の中空部に焼きばめまたは冷しばめにより密に内
   嵌するロール軸とからなる圧延用孔型ロールであって、
   前記焼きばめまたは冷しばめ代をロール本体の幅方向の
   両側で大きく中央部に向って漸減することによって、前
   記孔型の底部にロール本体の幅方向の圧縮応力が付与さ
   れていることを特徴とする圧延用孔型ロール。
2. 【請求項２】請求項１に記載の圧延用孔型ロールにおい
   て、ロール本体の幅方向中央部内面と、これに対応する
   ロール軸の外面とのいずれか一方または両方に凹状空隙
   部を有することを特徴とする圧延用孔型ロール。