JP5130838B2

JP5130838B2 - 厚鋼板の剪断反り解消方法、剪断方法および剪断ライン

Info

Publication number: JP5130838B2
Application number: JP2007237295A
Authority: JP
Inventors: 伸行紫垣
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP2009066699A

Description

本発明は、厚鋼板を剪断した際に生じる剪断反りの解消方法、それを用いた剪断方法および適用するのに好適な剪断ラインに関する。

厚鋼板の製造において、鋼板の長さ調整は精整ライン上にある剪断機（別名：ダウンカット式シャー）にて先尾端を切断して行われる。剪断機は、その高い処理能力と広範な適用範囲により、従来から広く用いられているが、近年、厚鋼板の高強度化，厚肉化の進展は著しく、剪断機にかかる負荷は次第に大きくなってきている。

一般に剪断荷重は材料強度に比例するため、引張り強さ１０００ＭＰａ級の高強度材になると、引張り強さ５００ＭＰａ級が多い一般材に比べて剪断機で切断可能な板厚は３〜４割程度小さくなり、剪断できない板厚の鋼板は全てガス切断に回される。

ガス切断の処理能力は剪断機に比べると著しく低いため、ガス切断の仕掛り量が多くなると次第にガス切断の処理能力で制約される、ガス切断処理能力ネックで生産制約が生じてしまう。

処理能力の低いガス切断を回避するため、剪断機による剪断可能な板厚の大幅な拡大が求められ、例えば、特許文献１に開示されるように、鋼板にノッチを入れて剪断荷重を抑える方法等が提案されている。しかし、鋼板にノッチを入れる事自体が剪断速度よりも遥かに遅いため、ノッチ自体が生産能率阻害要因となり、積極的には導入されていないのが現状である。
特開平３−３７１７号公報

図８は剪断機の概略構造を示し、鋼板１を上刃２と下刃３で剪断する際の剪断荷重を低減するための最も簡便な方法は、剪断時のレーキ角（鋼板１と上刃（剪断刃）２の角度）θを大きくする事である。剪断荷重Pは下式で表される（最新塑性加工要覧第２版（日本塑性加工学会編）ｐ．２２９）。

レーキ角θが小さい場合、ｔａｎθ≒θで近似されるため、例えばレーキ角θを２倍にすると、剪断荷重Pは半分に低減され、結果として剪断可能な板厚ｔを１．４１倍拡大する事が可能である。

しかし、レーキ角を大きくすると剪断反りが発生するので、レーキ角θは１〜３度程度に制約されている。即ち、図９に示すように、レーキ角が大きい上刃２と下刃３で鋼板１を剪断する場合、上刃１で矢印ａに押し込まれる側となる鋼板１の端部１１は曲げながら押し込まれるために図１０に示すように端部１１に端部幅反りの生じた形状となる。端部幅反りが生じると歪不良でプレス矯正工程が新たに発生し、生産性が低下する。

剪断反りは、強加工される剪断面近傍の残留応力によって生じるため、レーキ角θが大きいほど反りが大きくなる傾向がある。したがって、一般的には、この剪断反りが生じない程度のレーキ角θが予め設定され、そのレーキ角θと設備耐荷重との関係で最大剪断可能板厚が決定されている。

上述したように、レーキ角θが大きくなると剪断可能な板厚が増大し、また、剪断荷重も低下して装置寿命も延びるので好ましく、剪断反り解消技術が強く要望されていた。

そこで、本発明は、剪断反りをプレス矯正を用いずに解消する剪断反り解消方法、それを用いた剪断方法および適用するのに好適な剪断装置を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．厚鋼板の剪断後に生じる剪断反りを解消する剪断反り解消方法であって、剪断後、剪断面を剪断反りが解消するまで前記剪断面自体に熱源を指向して加熱することを特徴とする厚鋼板の剪断反り解消方法。
２．剪断後、剪断反りの生じた厚鋼板を平板状態に拘束しつつ、剪断面を剪断反りが解消するまで前記剪断面自体に熱源を指向して加熱することを特徴とする厚鋼板の剪断反り解消方法。
３．加熱温度がＡｃ_１温度以上であることを特徴とする１または２記載の厚鋼板の剪断反り解消方法。
４．剪断機または前記剪断機の下流側に剪断面を剪断反りが解消するまで前記剪断面自体に熱源を指向して加熱する加熱装置を配設したことを特徴とする厚鋼板の剪断ライン。
５．レーキ角θが可変の剪断機による厚鋼板の剪断方法であって、厚鋼板を剪断する際、剪断予測荷重が前記剪断機の設備耐荷重の上限値以下となる範囲で最も小さいレーキ角θを選定し、剪断反りが生じた場合は、１乃至３のいずれか一つに記載の剪断反り解消方法を用いることを特徴とする厚鋼板の剪断方法。

本発明によれば、簡単な方法で剪断反りが解消でき産業上極めて有用である。

本発明は、剪断後の剪断面を加熱して、剪断面近傍の残留応力を開放することを特徴とする。

図１は、鋼板の剪断前後の状況を示す模式図で、（ａ）は剪断前、（ｂ）は剪断後の残留応力の発生場所でもある剪断時の変形領域を示す。上刃２と下刃３の剪断による鋼板１の変形領域は剪断面１２の近傍の局所領域に限定されるので、剪断後に剪断面１２を加熱して、残留応力を低減すれば剪断反りを低減する事が可能である。

剪断面の加熱は、剪断反りが解消するまで行い、加熱時間や加熱方法は特に限定しない。
本発明で剪断面を加熱するとは、剪断面自体に熱源を指向（照射等）して加熱することを意味する。

厚鋼板は、一般に端部近傍を切断または溶接して使用されるので、前記剪断面加熱を行う際に、剪断面より内側となる領域が加熱されることは差し支えない。また、剪断反りが解消するまでとは、剪断反りが問題とならない程度（例えば、需要家要求や社内基準等を満たす程度）に低減するまで加熱することを意味し、剪断反りがゼロになるまで加熱しなければならない訳ではない。

より、効果的に剪断反りを解消する場合、剪断面を、厚鋼板を板厚方向上下から拘束し平板状態として加熱を行う。剪断反りが生じたままの状態で剪断面加熱を行うと、剪断面の残留応力は反り状態での釣り合い応力を元に緩和されるため、反り矯正効果は限定的である。

図２は剪断反りの生じた鋼板を上下に拘束した状態を説明する模式図で、剪断後、反りが生じている鋼板の剪断面１２の上下に拘束板５を配置し、拘束し、平板状態とした鋼板の剪断面１２ａには、図３に示すように反りの大きさに応じた応力分布が生じる。

この状態で剪断面の加熱を行うと、剪断面近傍の材料が塑性変形を起こす際、剪断面の上側と下側で鋼板の板幅方向の塑性歪差が生じ、この歪差に応じて端部反りが矯正される。拘束板５として、加熱装置直近に油圧制御による板拘束装置を設けるものとするが、剪断機自体が有する剪断用の板拘束装置を利用しても良い。

剪断面の加熱を剪断機下流側の剪断ライン上で行う場合、生産性を阻害しないように極めて短時間、実用上１０ｓｅｃ程度の加熱処理が要求される。

図４は、剪断面を含む剪断面近傍を誘導加熱にて常温から目標温度まで１０ｓｅｃで急速加熱した際の剪断面到達温度と板厚方向および板幅方向の残留応力の関係を示し、図より、剪断面到達温度がＡｃ_１温度（鋼の場合、７２３℃前後）以上で剪断面の残留応力が低減されている。尚、剪断面が目標温度に到達後、直ちに加熱を停止した。よって、短時間加熱とする場合、剪断面の目標加熱温度はＡｃ_１温度以上とする。

尚、一般に歪回復やクリープ変形主体で応力緩和を図る場合には、４５０℃を超える程度まで加熱して保持すれば一定の効果を得る事が可能である。従って、短時間加熱に制約されない場合であっても、剪断面の目標加熱温度をＡｃ_１温度以上とした場合、剪断反りが解消されることは言うまでもない。

本発明では、剪断面の加熱装置とその配置位置は特に限定しない。加熱装置として、一般的に用いられるバーナー加熱，誘導加熱，プラズマ加熱，レーザー加熱等の方法を用いることが可能である。

拘束板として、剪断機自体が有する剪断用の板拘束装置を利用する場合は、剪断機そのものに加熱装置を取り付ける。但し、剪断機そのものに加熱装置を取り付ける場合にはスペース的な制約が大きいため、剪断機の下流側に別途拘束装置と加熱装置を設けることも可能である。

本発明に係る剪断反り解消方法を用いると、生産性を大きく阻害することなく、剪断反りの解消が可能であるが、剪断の際、剪断予測荷重が剪断機の設備耐荷重の上限値以下となる範囲で最も小さいレーキ角θを選定すると、剪断反りが発生したとしても反りによる変形は小さい。そして、剪断反りが生じた場合には、本発明に係る剪断反り解消方法を用いることにより、剪断荷重や剪断反りの問題を生じることなく厚鋼板の剪断を効率的に行うことができる。

この場合、剪断機はレーキ角θが可変の剪断機とし、予め、試験材を用いて、材質ごとに板厚に応じた、剪断荷重が剪断機の設備耐荷重となるレーキ角θを求めておく。

レーキ角１．５度で剪断して剪断反りが発生しているサンプル３．２×３０×４００ｍｍについて、剪断直後の反り曲率を曲率計で測定した後、剪断面１２から１ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍだけ離れた板表面に熱電対６を取り付けた（図５）。

次に、図６に示すように剪断面１２を、アセチレンバーナー７の火炎８にて速度Ｖで矢印ｂの方向に送りながら加熱を行った。速度Ｖは、４００〜１０００ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させた。この時の剪断面の目標加熱温度はＡｃ_１温度以上とした。

加熱時の板拘束状態としては、端部のみを拘束板５で拘束した状態（一端拘束：実質的に板拘束無し）（図６（ａ））と、全幅拘束して板を平坦化した平板状態（全幅拘束）（図６（ｂ））の２条件とした。

図７に一端拘束と全幅拘束の場合における加熱前後での反り高さを測定した結果を示す。図の縦軸は厚鋼板の製品サイズに合うように、板厚及び板幅を１０倍に拡大換算した値で示している。尚、速度Ｖによる反り低減効果の差は小さかったので、測定結果は実施サンプルの平均値とした。

図より、加熱前（剪断まま）に対して加熱後は反り高さが低減している。一端拘束の場合は剪断反り低減効果は４０％程度であるのに対し、全幅拘束したものは９０％程度まで上昇しており、全幅拘束による顕著な矯正効果が確認された。

また、熱電対による温度測定結果では、剪断面から１ｍｍ深さ位置の温度上昇でも高々２５０℃程度であり、今回の加熱条件が端面近傍のみの局所加熱である事も確認された。

このように、剪断面加熱により剪断反りを大幅に低減する事が可能で、当該効果を利用すれば、剪断機のレーキ角θを剪断荷重が設計耐荷重となるまで拡大しても、剪断反りが生じたとしても迅速に解消することが可能である。

鋼板の剪断前後の状況を示す模式図で、（ａ）は剪断前、（ｂ）は剪断後の残留応力の発生場所でもある剪断時の変形領域を示す図。剪断反りが生じた鋼板を拘束して平板状態とした図。図２に示す鋼板の残留応力分布を示す図。急速加熱の際の、剪断面の残留応力に及ぼす剪断面到達温度の影響を示す図。実施例。実施例で（ａ）は一端拘束、（ｂ）は全幅拘束を説明する図。実施例。剪断機の概略構造を示す図剪断作業において剪断反りの発生状況を説明する図。剪断反りを説明する図。

符号の説明

１鋼板
２上刃
３下刃
４剪断機の拘束装置
５拘束板
６熱電対
７アセチレンバーナー
８火炎
１１端部
１２、１２ａ剪断面

Claims

厚鋼板の剪断後に生じる剪断反りを解消する剪断反り解消方法であって、剪断後、剪断面を剪断反りが解消するまで前記剪断面自体に熱源を指向して加熱することを特徴とする厚鋼板の剪断反り解消方法。
剪断後、剪断反りの生じた厚鋼板を平板状態に拘束しつつ、剪断面を剪断反りが解消するまで前記剪断面自体に熱源を指向して加熱することを特徴とする厚鋼板の剪断反り解消方法。
加熱温度がＡｃ_１温度以上であることを特徴とする請求項１または２記載の厚鋼板の剪断反り解消方法。
剪断機または前記剪断機の下流側に剪断面を剪断反りが解消するまで前記剪断面自体に熱源を指向して加熱する加熱装置を配設したことを特徴とする厚鋼板の剪断ライン。
レーキ角θが可変の剪断機による厚鋼板の剪断方法であって、厚鋼板を剪断する際、剪断予測荷重が前記剪断機の設備耐荷重の上限値以下となる範囲で最も小さいレーキ角θを選定し、剪断反りが生じた場合は、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の剪断反り解消方法を用いることを特徴とする厚鋼板の剪断方法。