JP5327610B2

JP5327610B2 - ピストンリング用異形線材の成形装置

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Publication number: JP5327610B2
Application number: JP2009052360A
Authority: JP
Inventors: 行隆水谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP2010201492A; CN101823086A

Description

本発明は、エンジン用ピストンリング等に用いられる異形断面の線材の成形等に適する異形線材の成形装置に関するものである。

近年のエンジンの高回転、高出力の方向により、高負荷のピストンリングは、従来の鋳鉄製から鋼製に変わり、高合金ステンレスなどの特殊鋼が用いられるようになっている。
ピストンリングには、断面形状が疑似Ｈ形のオイルリング、断面形状が左右で異なるサイドレール、スペーサーおよび圧力リングがあり、それぞれ異形断面を有する。このピストンリングのうち、オイルリングには、断面が疑似Ｈ形の複雑な異形断面を有するものが使用され、素材となるピストンリング用線材に対しては、厳しい寸法精度が要求される。

現在、このような異形断面のピストンリング用線材の成形は、たとえば特許文献１に開示されるように、丸線を矩形線に成形した後、非駆動の前段４方ロールタークスヘッドと、動力駆動の後段４方ロールタークスヘッドとを組み合わせた成形ユニットを、１ユニットまたはタンデムに複数ユニット配列した成形装置で成形することが提案されている。
この提案は、従来３〜５回に別けて成形し、その中間に歪取り焼なまししていた工程を、１〜２回で成形し中間の歪取り焼なましを省略もしくは削減することにより、大幅な能率向上とコスト低減ができるという点で優れたものである。

特開２００３−３９１０３号公報

上述した特許文献１に開示される成形装置は、大幅な能率向上とコスト低減ができるという点では有利であるものの、たとえば前工程で矩形線に成形した状態で線材に曲がりやねじれが残存した素材を異形線材に成形すると、４方ロールタークスヘッドに噛み込んだ際や圧延中に、ロール孔型への充填状態が不均一となり所定の形状に成形されないという問題があった。
また、圧延中のロール磨耗や熱膨張等により、成形後の線材において曲がりが発生するという問題があった。これらの問題は、異形線材の成形性および次工程での加工に大きな影響を及ぼす。
本発明の目的は、異形線材の成形前後の線材に生じる曲がりの問題を解決し、成形性に優れた高い寸法精度の異形線材の成形装置を提供することである。

本発明者は、異形線材の成形前後に生じる曲がりの問題を検討し、成形前後に曲がり矯正手段を採用することで、異形線材の寸法精度と次工程での成形性を大きく改善できることを見出し本発明に到達した。

すなわち本発明は、非駆動の４方ロールタークスヘッドと動力駆動の４方ロールタークスヘッドをタンデムに配置する成形ユニットがタンデムに複数ユニット配列されるピストンリング用異形線材の成形装置であって、巻出機の後段にアキュームダンサーロールが配置され、該アキュームダンサーロールの後段には非駆動の前段ローラーレベラーと前記成形ユニットが順に配置され、前記成形ユニットの後段には、単数または複数の非駆動の４方ロールタークスヘッドを有する仕上げユニットが配置され、該仕上げユニットの後段には非駆動の後段ローラーレベラーが配置され、前記仕上げユニットと前記後段ローラーレベラーとを通過する線材はキャプスタンを経由して巻取機により巻き取られるピストンリング用異形線材の成形装置である。

本発明によれば、４方ロールタークスヘッドでなる成形ユニットの前段と後段にレベラーを配置することにより、異形線材の成形前後に生じる曲がりを抑制することができ、ピストンリング等に用いられる異形線材の製造を飛躍的に向上できる。

本発明の異形線材の成形装置の一例を示す図である。実施例で成形した異形線材の断面を示す図である。異形線材に発生した横曲がり量を表した模式図である。本発明の異形線材の成形装置に備えられるローラーレベラーの配列の一例を示す図である。本発明の異形線材の成形装置に備えられるローラーレベラー（上下方向）のインターメッシュ量の一例を示す模式図である。本発明の異形線材の成形装置の別の例を示す図である。本発明の異形線材の成形装置の別の例を示す図である。

本発明の最も重要な特徴は、４方ロールタークスヘッドでなる成形ユニットの前段と後段にレベラーを配置することにある。
上述したように、線材がドラム等に巻き付けられていると、線材には巻き癖等の変形が生じている場合が多い。線材に曲がりやねじれ等の変形が残存した線材を、４方ロールタークスヘッドを使用して異形線材に成形すると、ロール孔型の面に対して垂直に線材が進入することができなくなる。その結果、ロール孔型への充填状態が不均一となり、所定の形状に成形されなくなったり、曲がりを増大させることとなる。
所定の異形の断面形状を得るためには、圧延の際にロール孔型の面に対して線材を垂直に噛み込ませることが重要である。したがって、本発明では、線材をロール孔型に噛み込ませる前に線材の曲がりを矯正するために、成形ユニットの前段にレベラーを配置する。

また、圧延中の４方ロールタークスヘッドにおいて、左右の同じ孔型形状のロールを用いて圧延したときに、たとえばロール孔型の磨耗状態が左右のロールで異なると、線材をロールに噛み込ませた際の潤滑状態が異なり、圧延された線材のメタルフローに差異が生じる。その結果、左右での線材の伸びが異なるため、線材に曲がりを発生させる。
また、左右で異なるロール孔型を用いて異形線材を成形したときには、ロールによって線材に与えられる左右各辺での歪に差異が生じ、左右での線材の伸びが異なることがあるため、線材に曲がりが発生する場合がある。また、連続で異形線材の成形を行なうと、４方ロールタークスヘッドに用いるロールの孔型形状によっては、各ロールによって異形線材に与えられる変形量が異なるため、各ロールに与えられる線材からの加工熱量が異なる場合がある。これにより各ロールにおける熱膨張量がそれぞれで異なるため、各ロールの直径に差が生じる。このような場合には、各ロールにおける圧下量が異なることとなり、その結果、線材の各辺に与えられる歪量が異なるため、曲がりが発生する。したがって、本発明では、成形が完了した異形線材に生じた曲がりを矯正するために、成形ユニットの後段にレベラーを配置する。

本発明の異形線材の成形装置で適用できるレベラーには、ローラーレベラー、ワイヤーストレッチャー、テンションレベラー、テンションアニーリング、ロータリストレーナ等があり、製造する異形線材の形状寸法に合わせて適宜選択できる。
ワイヤーストレッチャー、テンションレベラーは、矯正時に過大な張力を負荷するため、線材のロール孔型への充填不足および線材の伸びによる寸法変動（縮小）の発生を抑制するための張力調整が必要となる。そこで、本発明の異形線材の成形装置では、比較的線材に張力を負荷しなくとも矯正が可能なローラーレベラー、テンションアニーリング、ロータリストレーナ等を使用することが好ましい。

成形ユニットの前段では、ローラーレベラー、テンションアニーリング、ロータリストレーナ等を使用することが好ましい。
また、成形ユニットの後段では、線材が異形形状に加工されており、圧延によって得られた高精度な寸法精度を維持する必要があるため、冷間における矯正であるローラーレベラーを使用することが好ましい。中でもローラーレベラーは、比較的構造が簡単であるため、メンテナンスが容易であり、省スペース化を図る上でも優れており、成形装置にインラインで容易に配置することができるため、最も好ましい。ローラーレベラーとは、上下方向もしくは横方向に千鳥状に配置された非駆動の円筒形のロールを複数段有し、異形線材に発生した曲がりを矯正する装置である。
このローラーレベラーに用いるローラーは、外周面が平面のもの、または凹状に孔型加工されたものを使用することができる。これは、コバ面（幅方向の両側面）がＲ形状の線材を横方向からローラーで圧下して矯正する場合、または平面（厚さ方向の上下面）がテーパ状の線材を上下方向からローラーで圧下して矯正する場合に、線材がローラーから脱線することを抑制しつつ矯正できるためである。

ローラーレベラーは、上述した線材に生じた変形（曲がり）の形状度合に応じて上下方向と横方向の組み合わせ、またはそれぞれ単体で使用することができる。
異形線材に成形される前の線材は、リールまたはドラム等に巻き付けられているため、巻出機から巻出された線材には巻き癖等の変形（平曲がり、横曲がり）を有していることが多い。この巻き癖等により発生した平曲がりを解消するためには、前段に備えた上下方向のローラーレベラーで平曲がりの矯正を行なうことで解消できる。また、横曲がりの解消は、前段に備えた横方向のローラーレベラーによって横曲がりの矯正を行なうことで解消できる。
また、異形断面に成形後の異形線材においては、線材に生じた曲がり状態に応じて、後段に備えた上下方向のローラーレベラー、および横方向のローラーレベラーを組み合わせ、またはそれぞれ単体で配置することにより、成形後に生じた曲がりを矯正して、高い寸法精度の異形線材を得ることができる。また、たとえば、ピストンリング用線材のうちサイドレール用線材やスペーサー用線材のように、成形後の線材の厚さ寸法に対する幅寸法の割合が大きい線材の横曲がりの矯正には、上下方向のローラーレベラーを用いて線材を圧下する矯正が好ましい。

本発明の異形線材の成形装置の一例を図１に示す。図１に示すように、本発明の異形線材の成形装置の一例では、巻出機１の直後にアキュームダンサーロール１０、前段ローラーレベラー（上下方向）２、および前段ローラーレベラー（横方向）３を配置し、その後段には成形ユニットとして非駆動の４方ロールタークスヘッド４と動力駆動の４方ロールタークスヘッド５をタンデムに２ユニット配列し、その後段には非駆動の４方ロールタークスヘッドからなる仕上げユニット６、後段ローラーレベラー（上下方向）７および後段ローラーレベラー（横方向）８、ダブルキャプスタン１２、巻取機９を配置した構成をとる。
巻出機１と前段ローラーレベラー（上下方向）２の間に配置したアキュームダンサーロール１０および動力駆動の４方ロールタークスヘッド５と仕上げユニット６との間に配置したダンサーロール１１は、それぞれその間の張力を一定に保つように、直前に配置した巻出機１、動力駆動の４方ロールタークスヘッド５の回転数を制御する。

図１に示した異形線材の成形装置の一例には、成形ユニットとして前段の非駆動の４方ロールタークスヘッド４を１段しか配置していないが、２以上の非駆動の４方ロールタークスヘッドを配置することができる。また、後段の動力駆動の４方ロールタークスヘッド４は、１段しか配置していないが、２以上の動力駆動の４方ロールタークスヘッドを配置することができる。また、成形ユニットは、非駆動の４方ロールタークスヘッド４と動力駆動の４方ロールタークスヘッド５とをタンデムに複数ユニット配列することもできる。また、非駆動の４方ロールタークスヘッドからなる仕上げユニット６を１段しか配置していないが、２以上の非駆動の４方ロールタークスヘッドを配置することができる。
また、図１では、前段ローラーレベラー（上下方向）２、前段ローラーレベラー（横方向）３の順で配置しているが、この配置の順序は前後してもよい。また、前段ローラーレベラー（上下方向）２、前段ローラーレベラー（横方向）３をそれぞれ１段しか配置していないが、２以上の複数段を配置してもよい。
また、後段ローラーレベラー（上下方向）７、後段ローラーレベラー（横方向）８の順で配置しているが、この配置の順序は前後してもよい。また、後段ローラーレベラー（上下方向）７、後段ローラーレベラー（横方向）８をそれぞれ１段しか配置していないが、２以上の複数段を配置してもよい。

本発明の異形線材の成形装置の別の例を図６に示す。図６に示すように、本発明の異形線材の成形装置では、巻出機１の後段にアキュームダンサー１０、前段ローラーレベラー（上下方向）２、前段ローラーレベラー（横方向）３を配置し、その後段には非駆動の４方ロールタークスヘッド４と動力駆動の４方ロールタークスヘッド５とをタンデムに配置した成形ユニットをタンデムに３ユニット配列し、それぞれの成形ユニットの後段には非駆動の４方ロールタークスヘッド４を配置し、最後段の成形ユニットの後段には仕上げユニット６をタンデムに２ユニット配列し、その後段には後段ローラーレベラー（上下方向）７、後段ローラーレベラー（横方向）８、ダブルキャプスタン１２、巻取機９を配置した構成としてもよい。このように成形ユニットを配置することで、オイルリング用線材、サイドレール用線材、スペーサー用線材および圧力リング用線材を高い寸法精度で成形することができ、中でもオイルリング用線材の成形に最適である。

また、本発明の異形線材の成形装置の別の例を図７に示す。図７に示すように、本発明の異形線材の成形装置では、巻出機１の後段にアキュームダンサー１０、前段ローラーレベラー（上下方向）２、前段ローラーレベラー（横方向）３を配置し、その後段には非駆動の４方ロールタークスヘッド４と動力駆動の４方ロールタークスヘッド５とをタンデムに配置した成形ユニットをタンデムに３ユニット配列し、その後段には仕上げユニット６をタンデムに５ユニット配列し、その後段には後段ローラーレベラー（上下方向）７、後段ローラーレベラー（横方向）８、ダブルキャプスタン１２、巻取機９を配置した構成としてもよい。このように成形ユニットを配置することで、オイルリング用線材、サイドレール用線材、スペーサー用線材および圧力リング用線材を高い寸法精度で成形することができ、中でも圧力リング用線材の成形に最適である。

本発明の異形線材の成形装置における成形ユニットは、非駆動の４方ロールタークスヘッド４と動力駆動の４方ロールタークスヘッド５とをタンデムに配置する。
成形ユニットに非駆動の４方ロールタークスヘッド４を用いることにより、圧下率を小さくすることができ、その結果、圧延荷重も小さくなる。これにより、線材からの４方ロールタークスヘッドに対する反力も小さくなるため、４方ロールタークスヘッドの剛性が低い領域で圧延することができる。４方ロールタークスヘッドの剛性が低い領域で圧延することで、ロール振れによる寸法変動を抑制できるため、高い寸法精度の異形線材を成形することができる。
また、成形ユニットに動力駆動の４方ロールタークスヘッド５を用いることにより、異形線材に巻取機側から加わる前方張力を低減することができる。これにより、非駆動の４方ロールタークスヘッド４に比べて圧下率を大きくしても前方張力が増加しないため、線材の伸びによる寸法変動（縮小）および破断を抑制することができ、ロール孔型への高い充填率を確保することができる。

本発明の異形線材の成形装置における成形ユニットは、非駆動の４方ロールタークスヘッド４と動力駆動の４方ロールタークスヘッド５とをタンデムに複数ユニット配列する。これにより、４方ロールタークスヘッド１スタンド当たりの圧下率を小さく抑えることででき、ロールの磨耗および破損を低減することができる。
また、成形ユニットをタンデムに複数ユニット配列することにより、ロールの孔型形状を徐々に製品形状に近付けるようなパススケジュールで線材を成形することができ、線材のメタルフローを阻害せずに線材の成形が行なえる。これにより、高い寸法精度の異形線材を成形することができる上、圧延回数および中間焼なましを省略することができる。

本発明の異形線材の成形装置は、前記タンデムに複数ユニット配列される成形ユニットの最後段には、単数または複数の非駆動の４方ロールタークスヘッドからなる仕上げユニット６を配置する。高い寸法精度の異形線材を得るためには、最終段での圧下を、軽圧下することが必要である。動力駆動の４方ロールタークスヘッドを最終段に配置して圧下率を小さく抑えて成形した場合は、動力駆動の４方ロールタークスヘッドの駆動力によりロールスリップが発生し、異形線材に疵を発生させる恐れがある。このため、駆動力の影響がない非駆動の４方ロールタークスヘッドからなる仕上げユニット６を用いることで、圧下率を低く抑えてもロールスリップを抑制でき、疵のない高い寸法精度の異形線材を成形することができる。
また、仕上げユニット６に非駆動の４方ロールタークスヘッドを用いることにより、圧下率を小さくすることができ、圧延荷重も小さくなる。これにより、線材からの４方ロールタークスヘッドに対する反力も小さくなるため、４方ロールタークスヘッドの剛性が低い領域で圧延することができる。４方ロールタークスヘッドの剛性が低い領域で圧延することにより、ロール振れによる寸法変動を抑制できるため、さらに高い寸法精度の異形線材を成形することができる。

図１に示すように、巻出機１の後段にアキュームダンサー１０、前段ローラーレベラー（上下方向）２、前段ローラーレベラー（横方向）３を配置し、その後段には非駆動の４方ロールタークスヘッド４と動力駆動の４方ロールタークスヘッド５をタンデムに配置した成形ユニットをタンデムに２ユニット配列し、その後段には非駆動の４方ロールタークスヘッドからなる仕上げユニット６、後段ローラーレベラー（上下方向）７、後段ローラーレベラー（横方向）８、ダブルキャプスタン１２、巻取機９を配置した異形線材の成形装置を用いて圧延を行なった。素材には、直径がφ１．３８ｍｍの０．８％Ｃ−１７％Ｃｒ鋼（質量％）を用い、図２に示す、厚さが０．６５ｍｍ、幅が１．８５ｍｍで、左右のコーナー形状がそれぞれＲ０．３３ｍｍ、Ｒ０．３７ｍｍと異なる異形線材を成形した。
このとき、線材の後段ローラーレベラー（上下方向）７の通過速度は３０ｍ／ｍｉｎ、ローラーレベラーの入側での線材の後方張力は１３０Ｎとした。また、得られた異形線材の曲がり量の測定は、図３に示すような、線材１ｍあたりの幅方向の横曲がり量を測定した。

後段ローラーレベラー（上下方向）７は、図４に示すように、直径が２８ｍｍの円筒形の非駆動ロール２１〜２７を千鳥状に７段配置させ、ローラーピッチをＰ_１＝４０ｍｍ、Ｐ_２＝４２ｍｍ、Ｐ_３＝４４ｍｍ、Ｐ_４＝４６ｍｍに調整し、インターメッシュ量を表１に示す条件に調整して矯正を行なった。ここで、インターメッシュ量とは、図５の模式図に示すように、レベラー上段ローラー２２の異形線材の平面に対する押し込み量のことである。
今回の成形実験では、素材の平曲がり量および横曲がり量が少なかったため、図１に示す成形ユニットの前段ローラーレベラー（上下方向）２、前段ローラーレベラー（横方向）３は使用しなかった。また、圧延後の異形線材には、平曲がりの発生量が少なかったため、後段ローラーレベラー（横方向）８は使用しなかった。

成形実験の結果を表１に示す。表１に示すように、図１の異形線材の成形装置でローラーレベラー（上下方向）２、７とローラーレベラー（横方向）３、８を全く使用しないで異形線材を成形すると、横曲がり量は、１ｍ当たり４７ｍｍであった。
一方、本発明の異形線材の成形装置のローラーレベラー（上下方向）７を使用して成形した異形線材の横曲がり量は、いずれも１ｍ当たり１０ｍｍ以下に矯正されており、本発明の有効性が確認できた。

１．巻出機、２．前段ローラーレベラー（上下方向）、３．前段ローラーレベラー（横方向）、４．非駆動４方ロールタークスヘッド、５．動力駆動４方ロールタークスヘッド、６．仕上げユニット、７．後段ローラーレベラー（上下方向）、８．後段ローラーレベラー（横方向）、９．巻取機、１０．アキュームダンサーロール、１１．ダンサーロール、１２．ダブルキャプスタン、２１．第１ローラー、２２．第２ローラー、２３．第３ローラー、２４．第４ローラー、２５．第５ローラー、２６．第６ローラー、２７．第７ローラー

Claims

非駆動の４方ロールタークスヘッドと動力駆動の４方ロールタークスヘッドをタンデムに配置する成形ユニットがタンデムに複数ユニット配列されるピストンリング用異形線材の成形装置であって、巻出機の後段にアキュームダンサーロールが配置され、該アキュームダンサーロールの後段には非駆動の前段ローラーレベラーと前記成形ユニットが順に配置され、前記成形ユニットの後段には、単数または複数の非駆動の４方ロールタークスヘッドを有する仕上げユニットが配置され、該仕上げユニットの後段には非駆動の後段ローラーレベラーが配置され、前記仕上げユニットと前記後段ローラーレベラーとを通過する線材はキャプスタンを経由して巻取機により巻き取られることを特徴とするピストンリング用異形線材の成形装置。