JP4601321B2 - 厚鋼板の切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧延加工の終了した厚鋼板の幅方向側部をシャー切断する時に用いられる厚鋼板の切断装置に関するものである。

従来から、圧延加工の終了した厚鋼板の端部を成形するために、シャー切断を行い耳部を切り落としていた。耳部の切断に関しては、１つの刃物にて厚鋼板の幅方向切断と長手方向切断を同時に行う「パンチカット方式」や、厚鋼板の幅方向端部を長手方向へ切断し、切り落とされた帯状の耳部を別の刃物で適当な長さに切断する「フリーカット方式」がある。
パンチカット方式においては、刃物が厚鋼板を切断していくにしたがって、厚鋼板の長手方向切断線とそれに交わる幅方向切断線とのコーナー部（交点部）へ向かう材料流れが発生し、それに起因した圧縮応力が発生し切断不良が起こる。加えて、材料流れによるカニリ（バリ）やティアマークと言われる品質不良が発生し、厚鋼板製造工程での大きな問題となっていた。

このような切断不良痕の発生を防止するために、例えば、特許文献１には、厚鋼板の幅方向両端部（切り捨て部）を加熱すると共に、切り捨て部より内側部分を加熱しないことにより、両部位に温度差を付与し、その状態で切断を行う技術が開示されている。
特開平６−１９０６２７号公報（第３頁〜第５頁、図２）

しかしながら、特許文献１に記載された技術を厚板圧延ラインに適用した場合、加熱装置を新たに設ける必要があり、コストが嵩む原因となっていた。また、特許文献１の従来技術を適用したとしても、厚鋼板の長手方向切断線とそれに交わる幅方向切断線との交点部分にカエリやティアマークの発生が起こるとの報告が現場の実績として挙がってきている。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、切断不良痕が発生しないような厚鋼板の切断装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明における課題解決のための技術的手段は、長手方向と幅方向とを有する厚鋼板の幅方向側部をパンチカット方式でシャー切断する厚鋼板の切断装置において、前記厚鋼板の長手方向切断線と幅方向切断線とが成すコーナー部の角度であるコーナー角を、当該厚鋼板の切断面に切断不良痕が発生しない角度としていることを特徴とする。
前述したコーナー部への材料流れ、及びそれに起因するコーナー部での切断不良痕の発生はパンチカット方式特有のものであり、フリーカット方式すなわち切断線にコーナー部が存在しない切り方では、カエリ等の切断不良痕は発生しないことが現場の実績より明らかとなっている。そこで、本願出願人は、パンチカット方式においても、切断線に存在するコーナー部の角度を１８０度に近づけ直線状とし、その部分のみに着目すれば、フリーカット方式に近づくようなシャー切断を行うことを考えた。

さらに、切断不良痕の発生とコーナー角との関係を数々な実験を行うことで明らかにし、コーナー部での切断不良痕の発生を確実に防ぐコーナー角を探索した。
その結果として、切断不良痕を防ぐためのコーナー角は、好ましくは、コーナー角を１１０°以上１８０°未満の範囲とするよいことを明らかにした。
しかしながら、コーナー角が直線に近い状態であると、次の耳部切断を行う際、すなわち、前記コーナーを切断開始点とした厚鋼板の幅方向側部のシャー切断を行うに際し、材料逃げが発生して刃物が厚鋼板に食い込むことができず、切り込み不良が発生して、切断線ズレや刃物の焼付きなどが発生する。

そこで、本願出願人は、前記コーナー部を再切断の開始点とするシャー切断を行うに際し、切断開始時に切り込み不良が発生しないように前記コーナー角を設定している。
好ましくは、前記コーナー角は１７０°以下にするとよい。
これにより、切断開始時に、刃物で厚鋼板の耳部を確実に曲げ、切断を開始することができるようになる。
なお、本発明における課題解決のための最も好ましい技術的手段として、長手方向と幅方向とを有する厚鋼板の幅方向側部をパンチカット方式でシャー切断する刃物を備えた厚鋼板の切断装置において、前記刃物は、厚鋼板の幅方向側部を長手方向切断線に沿って切断する長手方向刃先と、幅方向切断線に沿って切断する幅方向刃先とを有し、前記厚鋼板の切断面に切断不良痕が発生することを防ぐべく、前記長手方向刃先と幅方向刃先とが成すコーナー部の角度であるコーナー角を１１０°以上１８０°未満の範囲としていることを特徴とする厚鋼板の切断装置を採用してもよい。

本発明によれば、厚鋼板の幅方向端部をパンチカット方式で切断する際に、切断不良痕が発生しないようになる。

以下、本発明にかかる厚鋼板の切断装置を、図を基に以下説明する。
図１に示す如く、厚板圧延装置（図示せず）により圧延が終了した厚鋼板１（圧延材）は、切断装置２に搬入され、幅方向端部の不定形部すなわち耳部３が切り落とされる。本切断装置２は、上下一対の刃物４，５にて厚鋼板１の耳部３を長手方向と幅方向とに同時に切断するパンチカット方式を採用している。
切断装置２は帯状の厚鋼板１の幅方向両側に配置された一対の切断ドラム６，６を有している。この切断ドラム６の回動軸芯は、厚鋼板１の長手方向を向いており、その周壁には前記軸芯に平行となっているシャー切断用の上部刃物４が取り付けられている。この上部刃物４は、切断ドラム６が前記軸芯周りに回動することで上下に動き、厚鋼板１に上から押しつけられる。

一方、厚鋼板１の下側で前記上部刃物４に対応する位置には、下部刃物５が配置されている。この下部刃物５は固定されており、かかる上部刃物４と下部刃物５とで厚鋼板１の耳部３を上下に挟み込むことでシャー切断が行われる。
図２には、本発明にかかる切断装置２の上部刃物４の形状が示してあり、上部刃物４は厚鋼板１を長手方向に切断する長手方向刃先７と、長手方向刃先７の先端から平面視で厚鋼板１外側に斜め方向を向いている幅方向刃先８と、幅方向刃先８の先端から厚鋼板１の外側に逃げる逃げ刃先９とを有している。かかる逃げ刃先９を設けた理由については後述する。

図３には、前記上下刃物４，５により切断される厚鋼板１が示されている。この図の如く、厚鋼板１の端部は直線状に成形されると共に、切り落とされた耳部３は短冊状のスクラップとなる。長手方向刃先７が厚鋼板１を剪断するラインが厚鋼板１の長手方向切断線Ｌ１であり、幅方向刃先８が厚鋼板１を剪断するラインが厚鋼板１の幅方向切断線Ｌ２である。
図３の斜線は、切断装置２で今まさに切断されようとしている耳部３を示している。厚鋼板１が図の右から左へ移送されることで、次の耳部３（斜線部の右側の耳部３）が切断される。

前記刃物４，５の長手方向刃先７と幅方向刃先８とが成すコーナー部ＣＮの角度であるコーナー角θ１、言い換えるならば、厚鋼板１の長手方向切断線Ｌ１と幅方向切断線Ｌ２とが成す交差部の角度θ１をどのように設定するかは、非常に重要な事項であり、その設定如何によっては、切断面にティアマークやカエリ等の切断不良痕が発生し製品不良の原因となる。
以下、適切なコーナー角θ１の設定に関して述べる。
図４には、図３のＡ−Ａの断面図が示されており、長手方向切断線Ｌ１に沿って厚鋼板１が剪断されていく様子が示されている。

まず、図４（ａ）に示されているように、上部刃物４および下部刃物５により、厚鋼板１はその厚み方向に互いに押し込まれるように変形する。刃物角部１０では厚鋼板１（材料）が刃物角部１０に対して凸状に曲がり、その部位に引っ張り応力が発生する。上部刃物４および下部刃物５がさらに押し込まれると、それぞれの刃先を結ぶ面上で剪断滑りが生じ、剪断が進むと共に引っ張り応力が上昇してゆく。
その後、引っ張り応力が破断応力以上となった所から、材料内に亀裂が発生しそれが進展してゆく。（図４（ｂ））
最終的に、上下方向から進展してきた亀裂がつながったときに、厚鋼板１の切断が完了する。（図４（ｃ））
以上のことからわかるように、厚鋼板１のシャー切断においては、刃物４，５直下の材料に引っ張り応力が適切に発生することが必要である。

ところが、図５に示すように、コーナー部ＣＮでは、上部刃物４及び下部刃物５が互いに厚鋼板１を挟み込んでゆくにしたがって、長手方向切断線Ｌ１及び幅方向切断線Ｌ２に沿ってコーナー側に材料が流れ込むようになる（図５の矢印Ｃ）。この流れ込んだ材料はコーナーの角部に集中した後、下方へ流れ込み、破断面にティアマークを発生させたりコーナー角θ１部の下側に材料が一部突出するカエリやバリの原因となる。
また、材料流れに伴う圧縮応力により、コーナー部ＣＮにおける引っ張り応力が小さいものとなり、破断に必要な引っ張り応力が十分確保できなくなる。これは、コーナー部ＣＮの切断不良につながる。

このようなコーナー部ＣＮへの材料流れ、及びそれに起因するコーナー部ＣＮでの圧縮応力の発生は、パンチカット方式特有のものであり、フリーカット方式すなわち、厚鋼板製品とスクラップとの切り離し線である切断線にコーナー部ＣＮが存在しない切り方では、前記圧縮応力の発生やカエリ等の形状不良は発生しないことが現場の実績より明らかとなっている。
そこで、パンチカット方式においても、コーナー部ＣＮの角度をなるべく直線状に近づけ、その部分のみに着目した場合、近似的なフリーカット方式のようなシャー切断となるようにすればよいことになる。

そこで、本願出願人は、カエリやティアマークが発生しないようなコーナー角θ１を見つけるべく、数々の実験を繰り返し、図７に示すような破線グラフを得ることができた。
図の横軸はコーナー角θ１度であって、縦軸には重なり体積比を示している。重なり体積比とは、長手方向切断線Ｌ１を形成する方形の刃物と幅方向切断線Ｌ２を形成する方形の刃物とが重なる部分の体積を意味するものであって、コーナー部ＣＮへの材料流れを程度を示す指標となる。重なり体積比が大きいほど、材料流れが大きいことを意味する。
かかる破線グラフの斜線部分においては、ティアマーク等の切断不良痕の発生が認められ、それ以外の所では切断不良痕の発生は認められなかった。

詳しくは、本願出願人は、従来はコーナー角θ１を１０９．５°としており、耳部３を切断すると厚鋼板製品に切断不良痕が発生していた。そこで、このコーナー角θ１を１１０°以上に変更したところ切断不良痕の発生は認められなかった。つまり、コーナー角θ１を１１０°以上１８０°未満の範囲とすると、カエリやティアマーク等の切断不良痕の発生を抑えることができるとの結論を得た。
しかしながら、コーナー角θ１が１８０°に近い場合、前記コーナー部ＣＮを再切断開始点とした厚鋼板１の側部のシャー切断を行う（二度切りを行う）際に、材料逃げや刃物４，５の横方向逃げが発生して、例えば上部刃物４自体が厚鋼板１に食い込むことができない等の切り込み不良が発生する。この現象は切断線Ｌ１，Ｌ２ズレや刃物４，５の焼付きなどの原因ともなりうる。

この状況は、ハサミで紙を切る際に、紙の端部にほぼ並行に切り込みを入れることが困難であることと同じである。
図６には、コーナー部ＣＮを二度切りする際に、切り込み不良が発生する様子が模式的に示している。
コーナー部ＣＮの角部に位置する三角柱状の先端部Ｂ１を考えると、二度切りの際には、このＢ１が材料が製品側に引き込まれて曲げが生じず、上部刃物４が食い込まない状況が発生する。かかる先端部Ｂ１は、上部刃物４により下方側に流されるように塑性変形され、切断後のカエリ発生の原因となる。

実際に上部刃物４が材料に食い込み始め、通常の切断が行われるのは、前記先端部Ｂ１の厚鋼板長手方向側を向く側面すなわちＢ２で示した部分からであって、Ｂ２は約５ｍｍ程度の幅となることが数々の実験から明らかになっている。つまり、Ｂ２は切断可能幅Ｂ２と考えることができる。
この切断可能幅Ｂ２の位置を、なるべくコーナー部ＣＮの角部近傍にもってゆき、先端部Ｂ１の体積を小さくすることで、材料流れを起こす先端部Ｂ１の体積を極力小さくし、刃物がなるべく早期に材料に食い込むようにすることができる。切断可能幅Ｂ２を大きくするためには、コーナー角θ１を可能な限り９０°に近づけるすなわち１８０°としないようすることが好ましい。

この考えを基に、本願出願人は、二度切り時に切断不良が発生しないようなコーナー角θ１を見つけるべく、数々の実験を繰り返し、図７の実線で示すような結果を得た。
図の横軸はコーナー角θ１度であって、縦軸には二度切り部体積が示してある。
かかる実線グラフの斜線部分においては二度切りによるカエリが発生し、それ以外においては発生していないことが明らかとなっている。つまり、前記コーナー角θ１を１７０°以下にすることにより、コーナー部ＣＮの切断開始時に、刃物４，５で厚鋼板１の耳部３を確実に曲げ、再切断を開始することができるようになる。

以上のことをふまえて、図７に示すように、コーナー角θ１を１１０°以上１７０°以下とすることで、パンチカット方式における切断不良痕を発生させず、しかも再切断時に切り込みをスムーズにし切り込み部に切り込み不良を生じさせないようにすることができる。
もっとも好ましいコーナー角θ１は、前記角度範囲のほぼ中間値である１４５°であることが判明している。
このコーナー角θ１を採用して刃物４，５形状を決めたものが、図３の刃物４，５である。

この刃物４，５ではコーナー角θ１が鈍角（例えば１４５°）であるため、そのままでは幅方向刃先８が極端に長くなり、結果として、刃物４，５全体の長さが長くなりハウジングを大きくせざるを得ない等の設備的問題が生じる。そこで、本実施形態の場合、上記不都合を回避するため、幅方向刃先８の先端に前述した逃げ刃先９を設け、逃げ刃先９との成す角度θ２を１００°程度としている。
θ２の部分には、従来通り切断不良痕が発生することになるが、切断不良痕は次のシャー切断により切り取られるスクラップ上に位置するため、何ら問題はない。

図８には、厚み２５ｍｍ、４０ｍｍの厚鋼板１に対し、コーナー角θ１が１０９．５°、１７０°、１４５°の刃物４，５で耳部３のカッティングを行った結果を示している。
これからわかるように、コーナー角θ１が１４５°であれば、切断不良痕（ティアマーク、カエリ）は解消すると共に、タング痕は改善され、さらに、二度切りにおける切断不良も発生しないことが明らかとなった。

本発明にかかる切断装置の概略図である。 刃物形状と厚鋼板の切断面形状を示した図である。 厚鋼板の平面図である。 長手方向切断線における切断状況を示した断面図である。 厚鋼板の切断面形状および切断面各部における応力状態を示した図である。 二度切りをした際の切断面の変化状況を示した図である。 コーナー角を変化させた場合の不良発生状況を示した図である。 不良発生状況を表にて示したものである。

符号の説明

１ 厚鋼板
２ 切断装置
４ 上部刃物
５ 下部刃物
ＣＮ コーナー部
Ｌ１ 長手方向切断線
Ｌ２ 幅方向切断線
θ１ コーナー角

Claims (2)

1. 長手方向と幅方向とを有する厚鋼板の幅方向側部をパンチカット方式でシャー切断する刃物を備えた厚鋼板の切断装置において、
   前記刃物は、厚鋼板の幅方向側部を長手方向切断線に沿って切断する長手方向刃先と、幅方向切断線に沿って切断する幅方向刃先とを有し、
   前記厚鋼板の切断面に切断不良痕が発生することを防ぐべく、前記長手方向刃先と幅方向刃先とが成すコーナー部の角度であるコーナー角を１１０°以上１８０°未満の範囲としていることを特徴とする厚鋼板の切断装置。
2. 前記コーナー部を再切断の開始点とするシャー切断を行うに際して、切断開始時に切り込み不良が発生することを防ぐべく、前記コーナー角を１７０°以下に設定していることを特徴とする請求項１に記載の厚鋼板の切断装置。

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