JP5088069B2 - ダウンカット式クロップシャー用上刃 - Google Patents

Description

本発明は、ダウンカット式クロップシャーの上刃に関し、特に切断能力に優れ、高強度鋼の切断に好適なものに関する。

近年、厚板需要分野では、例えば、ラインパイプ材用にＡＰＩ規格Ｘ１２０鋼の商用試作生産も開始されるなど鋼材の高強度化が進んでいる。
厚板を製造する製鉄所の厚板工場では、所定の厚さに圧延された鋼板の形状を矩形とすべく、幅方向両端部をサイドシャーで切断後、長手方向両端部をダウンカット式クロップシャーで切り落としているが、鋼材の高強度化にともない、剪断作業への負荷は増大する傾向で、剪断能力の向上が要望されている。

図６はダウンカット式クロップシャーの構造を模式的に示し、門型ハウジング（図では省略）の内部でレーキ角θを有する上刃１と下刃３を有しており、上刃を上方に吊り上げてのち下刃3との間に載置した鋼板２に、上刃１を落下（落下方向：矢印５）させて剪断する。上方に吊り上げた上刃１と下刃３の間隔は、鋼板２の全厚ｔを剪断するのに十分なストローク４が得られるように設定されている。

ダウンカット式クロップシャーの切断力は、上刃１の被切断材への押し付け力と上刃１のレーキ角θに依存し、レーキ角θは一般に０．５〜５°のものが使用されているが、硬くて厚い等難切断材料を切断する場合は、押し付け力を増大させるか、レーキ角θを大きくする。

押し付け力の増大は上刃の駆動装置の増強や門型フレームの補強が必要で大掛かりな設備工事となるため容易に実施できない。

一方、レーキ角を大きくするには、１．上刃の大きさ（刃元での刃先高さ）は変えず、レーキ角のみを大きくする、２．上刃の大きさもレーキ角も大きくする、の2つの方法がある。既設の装置において、１．上刃の大きさを変えずにレーキ角のみを大きくする方法は、図７に示すように鋼板の板厚ｔによっては、刃先においてストローク４が不足して切り残し部２１が発生する。また、２．上刃の大きさもレーキ角も大きくする方法は図８に示すように、鋼板２の板厚ｔによっては、上刃１を吊り上げた状態において、刃元に接触する部分２２が発生し、切断しようとする鋼板２を上刃の下に移動させることができない。

特許文献１は、ダウンカット式クロップシャーにおいて、上刃のレーキ角を、中央部は一定で、両端部にかけて大きくし刃先の幅方向の形状を略鍋底状とすることで、切断時の門型フレームへの負荷を減少させる厚鋼板用剪断機が記載されている。
実開平２−７９１１号公報

特許文献１記載の厚鋼板用剪断機は、切断力は向上するが、用いられる上刃の形状が複雑なため、既存の設備で切断できる鋼板寸法が制限されるという問題がある。更に、複雑な形状ゆえ上刃の生産性に劣り、結果的に高価となるという問題もある。
ダウンカット式クロップシャーにおいて、上刃は消耗品で適宜新品と交換され、例えば、製鉄所の厚鋼板製造分野では約４週間に1回の頻度で実施されるので、上刃が高価になることは、厚板のコストアップに繋がる。

従って、本発明は、既設のダウンカット式クロップシャーの切断能力を向上させ、且つ製造が容易な上刃およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、直線状の刃（以下、直刃）を有する上刃を用いるダウンカット式クロップシャーの切断では、切断荷重のピークが切断初期に発生し、その後低下することに着目し、切断能力を向上させるには、尖頭荷重が低減するように、切断初期に材料に食い込む刃のレーキ角を、尖頭荷重が生じた後に材料に新たに食い込みはじめる刃のレーキ角より大きくすればよいことを見出し、上刃のうち、切断初期を受け持つ領域の刃先のレーキ角を大きくする着想を得た。
本発明の課題は以下の手段により達成可能である。

１．以下の手順で求めた、刃幅方向に屈折点を挟んで、連続する二つの直刃の、刃元側の直刃のレーキ角θ_１が刃先側の直刃のレーキ角θ_２より大きいダウンカット式クロップシャー用上刃。
手順１：レーキ角θ_２の直刃からなる上刃で、上刃の食い込み量と切断荷重の関係を求め、尖頭荷重経過後、該尖頭荷重の８０〜４５％となる切断荷重が得られる上刃の食い込み量ｄを求める。
手順２：ＸＹ座標上に、レーキ角θ_２の直刃からなる上刃形状を、刃元側端部をY軸、その先端部を原点としてプロットし、前記上刃形状の刃上でｄ／ｔａｎθ_２がＸ座標となる点を最大屈折点として求める。
手順３：手順２において前記上刃形状の刃上で０．５ｄ／ｔａｎθ_２がＸ座標となる点を最小屈折点として求める。
手順４：手順２で求めた最大屈折点からレーキ角θ_１の直線を引き、Y軸との交点を、新たな刃元側端部の最大先端部とする。
手順５：手順４で求めた最小屈折点からレーキ角θ_１の直線を引き、Y軸との交点を、新たな刃元側端部の最小先端部とする。
手順６：手順４で求めた刃元側の最大先端部と手順２で求めた最大屈折点を結ぶ直線と、手順５で求めた刃元側の最小先端部と手順３で求めた最小屈折点を結ぶ直線間でこれらと平行で、一端が前記最大屈折点と最小屈折点を上下限とする範囲内で、他端が最大先端部と最小先端部を上下限とする範囲内にある直線をレーキ角θ_１の刃元側の直刃とし、前記最大屈折点と前記最小屈折点を上下限とする範囲内の屈折点から刃先先端部を結ぶ直線をレーキ角θ_２の刃先側の直刃とする。

本発明によれば，以下の効果が得られ産業上極めて有用である。
１．既存設備の切断において、切断時の尖頭荷重が小さくなるので、切断時にフレームと刃先に作用する反力が低下し、設備寿命と上刃寿命が延長する。
２．切断時の尖頭荷重が小さくなるので、既存設備で、より高強度の鋼材の切断が可能で、更に、刃先が２段に屈折した形状のため、切断可能寸法を変更する必要がない。
３．既存設備より小型で、既存設備と同じ切断能力を備えた設備が可能である。

図３は、ダウンカット式クロップシャーの切断における、鋼材への食い込み量と切断荷重の関係を模式的に示す図で、ダウンカット式クロップシャーの切断荷重は、切断の初期において、最初のピーク値（以下、尖頭荷重）に達した後、次第に安定して定常最大荷重となる。図５は尖頭荷重／定常最大荷重比と切断荷重の関係を示す図で、図より、尖頭値荷重は定常最大荷重の１．２５倍〜約２倍である。

図４は尖頭荷重が発生する際の食い込み量と材料板厚の関係を示す図で、食い込み量が板厚の約３０〜８０％となると尖頭荷重が発生する。

本発明では、尖頭荷重を低減するように、切断初期に材料に食い込む刃のレーキ角を、尖頭荷重が生じた後に材料に新たに食い込みはじめる刃のレーキ角より大きくすることを特徴とする。

図１は、本発明に係る上刃の形状を模式的に説明する上面図で、図において１は上刃、１１、１２は直刃、１３は背、１４は刃元、１５は刃先、ｈ_１は刃元における刃面高さ、ｈ_２は刃先における刃面高さ、ｈ_３は屈折点における刃面高さを示す。

上刃１は刃幅Ｗの方向に屈折点ｃを挟んで、連続する二つの直刃１１、１２を有し、刃元側の直刃１１のレーキ角θ_１が刃先側の直刃１２のレーキ角θ_２より大きい。

切断初期は、刃元側の直刃１１が受けもつので、刃先側の直刃１２と同じレーキ角θ_２の直刃からなる上刃で切断する場合と比較して、尖頭荷重が減少し、定常荷重状態に早く移行する。
以下、図１に示す上刃形状を決定する手順について、図２を用いて具体的に説明する。

図２はレーキ角θ_２の単一の直刃からなる上刃（以下、レーキ角θ_２の直刃からなる上刃）にレーキ角θ_１の直刃を付加した外観形状をＸＹ座標軸上において示す図で、図において１´はレーキ角θ_２の直刃１２からなる上刃で、四周部をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとし、レーキ角θ_１の直刃はＢ、Ｂ’、Ｅとする。

手順１：レーキ角θ_２の直刃からなる上刃１´で、図３に一例を示した上刃の食い込み量と切断荷重の関係を求め、尖頭荷重経過後、切断荷重が定常荷重（通常、当該尖頭荷重の８０〜４５％）となる上刃の食い込み量ｄを求める。

次に、尖頭荷重を当該尖頭荷重の８０〜４５％の大きさの切断荷重まで低減させるため、直刃１２において、切断開始から尖頭荷重が発生するまでの切断を受け持つ部分のレーキ角をレーキ角θ_２より大きくする。

レーキ角θ_２の直刃からなる上刃１´で尖頭荷重が発生する際の食い込み量をｄとすると、鋼板表面における、鋼板端部からの切断長さはｄ／ｔａｎθ_２となるので、図２に示す幾何学的関係を用いて屈折点Ｅの位置が特定される。

しかし、刃元側レーキ角θ１と刃先側レーキ角θ２の２つのレーキ角を持つ刃による切断の場合，定常荷重に移行するときの食い込み量ｄ‘はレーキ角θ２の単一レーキ角刃で切断したときの定常荷重に移行する食い込み量ｄとは一致しない。

図９に刃元側レーキ角θ１と刃先側レーキ角θ２の２つのレーキ角を持つ刃と単一レーキ角θ２の直線刃の場合における、食い込み量（図では刃変位（ストローク））と切断荷重の関係を示す。２段レーキ角刃は切断開始時の尖頭値のピークが低く，定常荷重状態になるのがはやい。

図に示す現象は、レーキ角θ2より大きいレーキ角θ1の直線刃で切断したことにより，刃の食い込みによって始まる板の剪断において，亀裂が板厚方向に貫通して破断が早く進行した結果であると推察される。

すなわち、一旦，板端部で亀裂が板厚方向に貫通すれば破断に至り切断荷重が下がるのでレーキ角の大きい直線刃で切断すると剪断から破断への進行が早くなり、定常荷重状態に早く移行する。

本発明者等が、レーキ角を鋼板用ダウンカット式クロップシャーの一般的なレーキ角θ：１°〜２°とした直刃と、２段レーキ角刃を用いて図９に示す関係を求めたところ、２段レーキ角刃において食い込み量（ストローク量）ｄ´は単一レーキ角θ_２の直線刃における食い込み量（ストローク量）ｄの５０％〜６０％であることが判明した。

前記２段レーキ角刃における元刃のレーキ角θ_１は、２段レーキ角刃としたことによるストローク増加分が厚板工場で許容される範囲内となるように選定した。

従って，本発明では、屈曲点Ｅの位置を尖頭荷重が得られる食い込み量（ストローク量）ｄ´が０．５ｄ〜ｄの範囲内となるように定める。

手順２：ＸＹ座標上に、レーキ角θ_２の直刃１２からなる上刃１´の形状を、刃元側の端部１４´をY軸、その先端部Ｂを原点としてプロットし、前記直刃１２の刃上においてｄ／ｔａｎθ_２がＸ座標となる点を最大屈折点Ｅとする。

手順３：手順２において前記上刃形状の刃上で０．５ｄ／ｔａｎθ_２がＸ座標となる点を最小屈折点として求める。

手順４：手順２で求めた最大屈折点Ｅからレーキ角θ_１の直線を引き、Y軸との交点を、刃元側の端部１４´の新たな刃元側端部の最大先端部Ｂ´とする。

手順５：手順３で求めた最小屈折点Ｅ´からレーキ角θ_１の直線を引き、Y軸との交点を、新たな刃元側端部の最小先端部Ｂ´´とする。

手順６：一端（屈折点）が、直線ＢＣ上の最大屈折点Ｅと最小屈折点Ｅ´を上下限とする範囲内にあり、他端（先端部）がＹ軸上で最大先端部Ｂ´と最小先端部Ｂ´´を上下限とする範囲内にある直線であって、手順４で求めた直線ＥＢ´（刃元側の最大先端部Ｂ´と手順２で求めた最大屈折点Ｅを結ぶ直線）、または手順５で求めた直線Ｅ´Ｂ´´（刃元側の最小先端部Ｂ´´と手順３で求めた最小屈折点Ｅ´を結ぶ直線）と平行の直線をレーキ角θ_１の刃元側の直刃とし、最大屈折点Ｅと前記最小屈折点Ｅ´を上下限とする範囲内に求まる前記一端（屈折点）から刃先先端部を結ぶ直線をレーキ角θ_２の刃先側の直刃とする。

尚、屈折点から刃元側の直刃のレーキ角θ_１は刃先側の直刃のレーキ角θ_２より大きければ良く特に規定しない。但し、図１０に示すようにレーキ角θ_１が大きすぎると、鋼材に未切断領域が発生するので、切断する鋼材寸法に応じて適宜決定することが必要である。

以上の説明では、屈折点が一つの場合について述べたが、更に刃元側の直刃に屈折点を設け、刃元側から刃先側にかけて逐次レーキ角が大きくなるようにすると、切断初期における切断荷重の上昇がなだらかとなり、表面性状に優れる切断面が得られ好ましい。

本発明例。 本発明例。 切断荷重と食い込み量の関係を示す図。 食い込み量と切断材の板厚の関係を示す図。 切断荷重における尖頭荷重と定常最大荷重の関係を示す図。 従来例。 従来例。 従来例。 食い込み量（図では刃変位（ストローク））と切断荷重の関係を示す図。 ２段レーキ刃による切断ストロークが不足することを説明する模式図で（ａ）は従来例、（ｂ）は２段レーキ刃の場合を示す図。

符号の説明

１ 上刃
１１、１２ 直刃
１３ 背
１４ 刃元
１５ 刃先
２ 非切断材（鋼材）
２１ 未切断部
２２ 接触部
３ 下刃
４ ストローク
５ 圧下方向
ｈ_１ 刃元高さ
ｈ_２ 刃先高さ
ｈ_３ 屈折点における刃の高さ
θ、θ_１、θ_２ レーキ角

Claims (1)

1. 以下の手順で求めた、刃幅方向に屈折点を挟んで、連続する二つの直刃の、刃元側の直刃のレーキ角θ_１が刃先側の直刃のレーキ角θ_２より大きいダウンカット式クロップシャー用上刃。
   手順１：レーキ角θ_２の直刃からなる上刃で、上刃の食い込み量と切断荷重の関係を求め、尖頭荷重経過後、該尖頭荷重の８０〜４５％となる切断荷重が得られる上刃の食い込み量ｄを求める。
   手順２：ＸＹ座標上に、レーキ角θ_２の直刃からなる上刃形状を、刃元側端部をY軸、その先端部を原点としてプロットし、前記上刃形状の刃上でｄ／ｔａｎθ_２がＸ座標となる点を最大屈折点として求める。
   手順３：手順２において前記上刃形状の刃上で０．５ｄ／ｔａｎθ_２がＸ座標となる点を最小屈折点として求める。
   手順４：手順２で求めた最大屈折点からレーキ角θ_１の直線を引き、Y軸との交点を、新たな刃元側端部の最大先端部とする。
   手順５：手順３で求めた最小屈折点からレーキ角θ_１の直線を引き、Y軸との交点を、新たな刃元側端部の最小先端部とする。
   手順６：手順４で求めた刃元側の最大先端部と手順２で求めた最大屈折点を結ぶ直線と、手順５で求めた刃元側の最小先端部と手順３で求めた最小屈折点を結ぶ直線間でこれらと平行で、一端が前記最大屈折点と最小屈折点を上下限とする範囲内で、他端が最大先端部と最小先端部を上下限とする範囲内にある直線をレーキ角θ_１の刃元側の直刃とし、前記最大屈折点と前記最小屈折点を上下限とする範囲内の屈折点から刃先先端部を結ぶ直線をレーキ角θ_２の刃先側の直刃とする。

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