JP5617629B2 - 金属材料の剪断方法 - Google Patents
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Description
厚鋼板の製造工程では、所定の厚さに圧延された鋼板の形状を矩形とすべく、幅方向両端部をローリングカット式サイドシャー(ローリングカットシャー)で剪断後、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、鋼材の高強度化に伴い、剪断作業への負荷は増大する傾向にあり、シャーの剪断能力の向上が要望されている。
P=Kt2/tanθ …(i)
θ=tan−1(t/L) …(ii)
但し t:被剪断材の板厚(mm)
K:被剪断材の剪断抵抗(=α・σTS)(MPa)
σTS:被剪断材の引張り強度(MPa)
θ:相対レーキ角(被剪断材と上刃とのなす角度)(deg)
L:剪断長(mm)
ここで、相対レーキ角θとは、図19に示すように、被剪断材e(金属材料)の剪断方向において、上刃1の円弧状の刃先100が被剪断材下面と交わる点をpとした場合、円弧状の刃先100の点pにおける接線fと、被剪断材長手方向と平行な直線とがなす角度を指す。
一般にローリングカットシャーでは、長手方向で均一な剪断能力、剪断品質を保証するため、図18(F)に示すように、上刃1の最下点到達時の上下刃ラップ代が長手方向にほぼ0〜10mm近傍で一定となるように設計されている(下刃は図示せず)。この場合、一般に上刃(刃先)形状は、曲率半径R6〜12m程度の下側に凸の円弧形状であって、相対レーキ角θが上刃長手方向で2.0〜5.0deg程度に構成される。ここで、剪断品質とは、残留応力による被剪断材の力学的特性の変化、曲がりを指す。
一方、相対レーキ角θを大きくするには、上刃1の移動軌跡を決定しているクランク機構を改造する方法が考えられるが、これも大掛かりな設備工事となるため容易には実施できない。特許文献1には、ダウンカット方式におけるレーキ角の決定方法が記載されているが、これは、ダウンカット方式においては上下刃のなすレーキ角θが上刃形状に依ってのみ決定されることが前提となっており、本発明が対象とするようなローリングカット式の剪断設備への適用は困難である。
本発明はこのような着想の下になされたもので、以下を要旨とするものである。
上下刃による金属材料の剪断を複数回繰り返すことにより金属材料をその長手方向で剪断加工する際に、
下記(1)式により、金属材料を1回剪断した時の材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PSU(x)を求め、
P(x)=Kt2/tanθ(x) …(1)
但し P:剪断荷重(N)
t:金属材料の板厚(mm)
K:金属材料の剪断抵抗(MPa)
θ(x):材料剪断方向xでの相対レーキ角分布(deg)
金属材料の1回目の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PSU(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Pa以下となるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御し、
前記1回目の剪断時に、材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)を測定し、2回目以降の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Pa以下となるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御することを特徴とする金属材料の剪断方法。
[3]上記[2]の剪断方法において、材料位置の制御では、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Paとなるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御することを特徴とする金属材料の剪断方法。
[4]上記[1]〜[3]のいずれかの剪断方法において、材料位置の制御では、金属材料の標準材料位置Xmに対する位置補正量ΔXmを求め、この位置補正量ΔXmから目標材料位置Xmaを決定することを特徴とする金属材料の剪断方法。
P(x)=Kt2/tanθ(x) …(1)
但し P:剪断荷重(N)
t:金属材料の板厚(mm)
K:金属材料の剪断抵抗(MPa)
θ(x):材料剪断方向xでの相対レーキ角分布(deg)
図3によれば、材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布P(x)は、実測値PJI(x)と計算値PSU(x)とがよい一致を示しており、材料剪断方向xでの相対レーキ角分布θ(x)にしたがい、上刃1の円弧状の刃先のうち円弧極小点kよりも材料入側方向では、円弧極小点kから離れるほど鉛直方向剪断荷重Pは減少している。
本発明による剪断方法の1つは、剪断時における鉛直方向剪断荷重Pの実測値、すなわち材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Pa以下となるよう(好ましくは目標剪断荷重Paの80%以上となるよう、特に好ましくは目標剪断荷重Paとなるよう)、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御する方法である。すなわち、この剪断方法では、上下刃による金属材料(被剪断材)の剪断を複数回繰り返すことにより金属材料をその長手方向で剪断加工する際に、金属材料の1回目の剪断時に、材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)を測定し、2回目以降の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Pa以下となるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御する。
図4は、検出器としてハウジング3の入側位置と出側位置に歪みゲージ20A,20Bを貼り付け、剪断時に上刃1が受ける反力を簡易的に検出できるようにしたものである。図5は、歪みゲージ20A,20Bによる鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)の測定原理を示す説明図である。上刃1と被剪断材eとの間に発生する鉛直方向剪断荷重Pは、最終的にはハウジング3の入側位置と出側位置の各部分でその反力を受け持つことになる。図に示すように、入側反力Pen及び出側反力Pdeと、鉛直方向剪断荷重Pの作用点から入側及び出側のハウジング部分までの距離Len、Ldeの間にはモーメントの釣り合い式が成り立つ。図6に、歪みゲージ20A(入側位置)と歪みゲージ20B(出側位置)の各出力チャートの一例と、それから求められる鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)を示す。これによれば、剪断初期はLde<LenであるためPde>Penとなり、剪断中期はPde≒Pen、剪断後期はPde<Penとなる。そして、鉛直方向剪断荷重Pは、鉛直方向荷重の釣り合い式よりP=Pen+Pdeにより得られるので、Pen,Pdeに基づき図6に示すような鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)が得られる。
図9は、図7のような実施形態におけるロードセル21A,21Bの設置例を示す説明図であり、クランク機構6,8の支点部となる各ハウジング部分には、クランク支持用ブロック22が設置され、これら各クランク支持用ブロック22に、リンク5a,7aの各一端部が支持固定される回転軸(図示せず)が配置され、リンク5a,7aの支点50,70が設けられる。各クランク支持用ブロック22は、ハウジング3に設けられた保持用の空間24内に上下スライド可能に保持され(図中の25は、クランク支持用ブロック22のスライド面)、その下面とハウジング部分との間にプリロード用スプリング23が設けられるとともに、上面とハウジング部分との間にロードセル21(21A,21B)が配置され、プリロード用スプリング23はクランク支持用ブロック22を上方に付勢し、ロードセル21に押しつけている。ここで、ロードセル21A,21Bでは、剪断荷重に基づく入側反力Pen及び出側反力Pdeとプリロード用スプリング23による押し付け力Ppre(プリロード荷重)の和が、入側反力Pen´と出側反力Pde´として検出される。したがって、入側反力Penと出側反力Pdeは、Pen=Pen´−Ppre、Pde=Pde´−Ppreで求められる。
図4及び図7のいずれの場合においても、アンプを介して増幅させた信号について、入側と出側の出力値の和を演算することで、剪断時における上刃1と被剪断材eとの接触反力に応じた鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)を測定することができる。
P(x)=Kt2/tanθ(x) …(1)
但し P:剪断荷重(N)
t:金属材料の板厚(mm)
K:金属材料の剪断抵抗(MPa)
θ(x):材料剪断方向xでの相対レーキ角分布(deg)
前記鉛直方向剪断荷重分布PSU(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Pa以下となるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御する。
また、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Paとならなくても、概ね鉛直方向目標剪断荷重Paの80%以上(好ましくは90%以上)であれば、生産性の面から一応効率的であると言えるので、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Paの80%以上(好ましくは90%以上)となるよう、上記位置補正量ΔXmを求め、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御してもよい。
図13に、被剪断材eの1回目の剪断時には、従来法通りに標準材料位置Xmで剪断するとともに、この1回目の剪断時に、材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)を測定し、2回目以降の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Paとなるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御した場合における、鉛直方向剪断荷重分布P(x)の一例を示す。図中に示すように、被剪断材eを目標材料位置Xmaに位置制御することにより、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxを鉛直方向目標剪断荷重Paとすることができている(図中、計算値PSU(x)は参考として示したものである)。
P(x)=Kt2/tanθ(x) …(1)
但し P:剪断荷重(N)
t:金属材料の板厚(mm)
K:金属材料の剪断抵抗(MPa)
θ(x):材料剪断方向xでの相対レーキ角分布(deg)
金属材料の1回目の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PSU(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Pa以下となるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御し、前記1回目の剪断時に、材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)を測定し、2回目以降の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Pa以下となるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御する。
また、本発明が対象とするローリングカットシャーは、実施形態に示したようなクランク機構により上刃を吊持・駆動する方式のものに限定されるものではなく、上刃が同じような態様の動きをするものであれば、例えば、油圧シリンダ或いは油圧シリンダと他の機械要素を組み合わせた機構により上刃を吊持・駆動する方式、スキッドとローラ機構を組み合わせた機構により上刃を吊持・駆動する方式など、種々の方式のものを対象とすることができる。
本発明によれば、既存設備に対して大幅な設備改造を行うことなく、剪断能力を大きく向上させることができる。例えば、既存設備の剪断能力では剪断困難であった高強度材についても剪断可能となり、大きな設備改造を伴うことなく、ラインパイプ材用にAPI規格X120鋼などの高強度材の安定生産が達成できるようになる。さらに、比較的低強度の被剪断材において、既存設備の剪断能力に余力が生ずる場合には、1回当たりの剪断量を増加させることが可能となり、設備的な負荷を増大させることなく、剪断能率を向上させることができる。
本発明の好ましい実施形態である、剪断時における鉛直方向剪断荷重Pの実測値と計算値を利用した被剪断材の位置制御を行った。すなわち、(1)式により、被剪断材を1回剪断した時の材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PSU(x)を求め、被剪断材の1回目の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PSU(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Paとなるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御し、前記1回目の剪断時に、材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)を測定し、2回目以降の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Paとなるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御した。
また、図16に、厚鋼板の低強度材(汎用鋼板、板厚30mm、引張強さ540MPa)を剪断加工した際の1回目及び2回目の剪断時の鉛直方向剪断荷重分布P(x)を示すが、高強度材の実施例と同様に、1回目の剪断から目標剪断荷重Paでの剪断が実施できたことが判る。
2 下刃
3 ハウジング
5a,5b,7a,7b リンク
6,8 クランク機構
10 剪断荷重測定段
11 演算手段
12A,12B,12C 演算手段
13 制御手段
14 材料送り装置
20A,20B 歪みゲージ
21A,21B ロードセル
22 クランク支持用ブロック
23 プリロード用スプリング
24 空間
25 スライド面
51,52,71,72 枢着部
50,70 支点
100 刃先
e 被剪断材
Claims (4)
- ローリングカットシャーによる金属材料の剪断方法において、
上下刃による金属材料の剪断を複数回繰り返すことにより金属材料をその長手方向で剪断加工する際に、
下記(1)式により、金属材料を1回剪断した時の材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PSU(x)を求め、
P(x)=Kt2/tanθ(x) …(1)
但し P:剪断荷重(N)
t:金属材料の板厚(mm)
K:金属材料の剪断抵抗(MPa)
θ(x):材料剪断方向xでの相対レーキ角分布(deg)
金属材料の1回目の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PSU(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Pa以下となるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御し、
前記1回目の剪断時に、材料剪断方向xでの鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)を測定し、2回目以降の剪断時には、前記鉛直方向剪断荷重分布PJI(x)に基づき、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Pa以下となるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御することを特徴とする金属材料の剪断方法。 - 材料位置の制御では、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Paの80%以上となるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御することを特徴とする請求項1に記載の金属材料の剪断方法。
- 材料位置の制御では、鉛直方向最大剪断荷重Pmaxが鉛直方向目標剪断荷重Paとなるよう、剪断時における材料送り方向での材料位置を制御することを特徴とする請求項2に記載の金属材料の剪断方法。
- 材料位置の制御では、金属材料の標準材料位置Xmに対する位置補正量ΔXmを求め、この位置補正量ΔXmから目標材料位置Xmaを決定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の金属材料の剪断方法。
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