JP5658420B1 - 板曲げ中空ロールの製造方法および鋼板製造プロセス装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
そのうち比較的大径のロールに関しては、コスト削減を目的として、中実ロールではなく板を曲げて溶接して円筒形状を形成した中空ロールが多く適用されてきている。
以前は、搬送する鋼板からの継続的な圧力や摩擦などの負荷によりロール表面の形状が変化し、表面処理層の亀裂やはく離を生じる場合があり、その形状が鋼板へ転写されて搬送する鋼板の表面品質を低下させることがあった。そこで、中空ロールの表面硬度を上げて表面形状の変化を軽減する必要があった。
しかしながら、この様な高炭素鋼のロール母材を板曲げ加工の上で溶接材料を用いて端面を溶接して中空ロールを形成した場合、その溶接により熱影響を受けた部分に割れなどの欠陥が生じる可能性があるため、予熱処理や後熱処理などが必要となる。
例えば、溶接材料を用いると、ショットブラストによる表面粗度付与工程で溶接線部にショットが深く食い込み、大きな粗度になってしまう。この溶接線部の粗いロール表面粗度は、鋼板に転写することがある。特に、亜鉛めっき等を施された高級表面処理鋼板では、その転写が顕著に表れ、製品不良の原因ともなっていた。
更に、この溶接線の転写を回避するために、鋼板の張力を低く設定する傾向にあることから、鋼板の蛇行やスリップの原因ともなる。つまり、設備の生産能力を十分に発揮することができず、歩留りが低下してしまうとの問題が生じていた。
特許文献1に記載の方法では、溶接材料を使用せずにロール母材自体を電子ビーム等で溶融接合してロールを製作する様にしている。
また、特許文献2に記載の方法では、液相拡散接合法でロール母材端面を接合してロールを製作する様にしている。
また、特許文献3に記載の方法では、溶接材料を使用して、ロール母材端面の接合後にロール母材と溶接材料との境界線部分を全て溝状に削り取り、その後にその削った溝を再び埋め直す様にしている。
また、電子ビーム溶接を行っている為に、大掛かりな超高真空設備の中での作業が必要で、高コスト且つ作業性も悪いとの問題がある。
更に、板の両端部辺を曲げずに平坦な部分を残した扁平形状を形成した状態で、平行に接合端面を突き合わせる様にしているが、仮にレーザビームによる溶接を行ったとしても、そのようにして得られた端面位置の形成状態では直角度、直線性及び端面同士の平行度に関して精度の高い溶接面の突き合わせ状態を確保することが容易でないとの問題がある。また、上述した真円に矯正し直す問題を解決する必要がある。
その上、仮に金属板の板曲げ加工前に金属端面の機械加工を行った場合でも、板曲げ加工の際に生じる歪により金属板の突き合わせ部の突き合わせの精度が低下して、レーザビーム溶接に必要な突き合わせ精度を確保することが非常に困難となり、レーザビーム溶接による溶接が困難となる。
従って、上述した従来技術のような表面硬度差の影響により必要であった溶接部分の削り取り工程、そしてその部分の埋め直し工程等を必要としないこと、そして溶接材料を介在させずに低入熱溶接(高エネルギー密度溶接)であるレーザビーム溶接での高精度な接合を実現可能としたことにより、溶接材料が介在した溶接線の存在による粗度不均一部が生成されず、鋼板へのロール表面形状の転写を無くし、設備の生産能力を十分に発揮させた状態で鋼板の表面品質を高く維持したまま搬送することが可能となる板曲げ中空ロールを効率的に且つ低コストで製造することができる。
また、押圧時に極めて高精度な平行状態となる様に、突き合わせ部の機械加工時に外周側が開いたテーパ形状に形成するため、隙間を狭めた際の両端面の密着度を向上させることが可能となり、溶接端面の突き合わせ精度を更に向上させることができる。
よって、転写を懸念することなく十分なライン張力を付与でき、高級表面処理鋼板において設備生産能力を十分に発揮した操業稼働を可能とするとともに、製品歩留まりの向上が期待できる。
従って、本発明の第4の発明によって、鋼板の製造プロセスで数多く使用される搬送ロールの製造コスト及び交換が必要となった際のメンテナンスコストなどを削減することができ、且つ生産される鋼板の表面品質をより高く維持することができる鋼板製造プロセス装置が得られる。このため、製鉄産業などにて有益に利用することができる。
本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第1の実施例を、図1乃至図4を用いて説明する。
図1に示すように、円筒形状の金属板13であり、円筒状に板曲げ加工された金属板12の突き合わせ左端面2aと突き合わせ右端面2bとが、突き合わせ部1において、溶接材料を介在させずにレーザビーム溶接によって接合されたものである。
この金属板は、炭素鋼の他に、ステンレス鋼,焼入れ性ないしは耐摩耗性を強化したクロム鋼,あるいはクロムモリブデン鋼などを用いることができる。
また、板曲げ加工の方法は、公知の方法によればよい。
また、本発明においては、合わせ加工とは、金属板12の突き合わせ部1を形成する突き合わせ左端面2aと突き合わせ右端面2bとに対して同時に機械加工処理を行う加工工程のことをいう。
更に、この機械加工工程は、上述した突き合わせ部1に対するエンドミルによる合わせ加工が好ましいが、例えば、金属板12の両端面を突き合わせた状態のままで、エンドミル等によって各々の端面を順に機械加工することもできる。
このC型固定冶具7は、図3に示す様なねじ切りされたブロック5dにねじ係合している押圧ボルト(2対の上部押圧ボルト5a,2対の側部押圧ボルト5b,2対の下部押圧ボルト5c)を備えたC型形状のフレーム5eをロール軸方向で複数有するものである。
次いで、この複数のフレーム5eを先の機械加工工程において合わせ加工した後の金属板12の軸方向の複数の位置に配置し、円筒状に曲げた金属板12の外周面側を各々のフレーム5eの押圧ボルト5a,5b,5cによって押圧することで、突き合わせ左端面2aと突き合わせ右端面2bとを押圧により突き合わせて突き合わせ部1を形成し、隙間を狭めた状態を保持する。
この押圧による突き合わせ部1の隙間は0.8mm以下、より好ましくは0.5mm以下に隙間を狭めた状態とし、極力0に近づける様に調整する。
なお、図3は、C型固定冶具7によって固定した際の次工程であるレーザビーム溶接工程の説明図である。
なお、C型固定冶具7における押圧ボルト5a,5b,5cが計6つの場合について説明したが、押圧ボルトの数は6つに限られず、合わせ加工した後の金属板12を外周面側から均等に押圧することができる任意の個数とすることができる。
また、C型固定冶具7は、フレーム5eがロール軸方向で複数の場合について説明したが、フレーム5eはロール軸方向で単数とすることができる。
この場合は、突き合わせ部1を機械加工した金属板12の内面側にレーザビーム溶接装置6のレーザビーム溶接ヘッド6bを導入し、突き合わせ部1に対して内面側からレーザビームにより溶接を行う。
また、図4においては下向きの溶接方向としているが、上向きでも良い。
このリング型固定冶具4における押圧ボルト5a,5b,5cも、図4に示すような6つに限定されず、合わせ加工した後の金属板12を外周面側から均等に押圧することができる任意の個数とすることができる。
また、リング型固定冶具4は、フレーム5fがロール軸方向で複数の場合について説明したが、フレーム5fはロール軸方向で単数とすることができる。
次いで、円筒形状の金属板13の外表面粗加工および/またはロール径の粗調整を任意で行う。
次いで、表面硬化熱処理を実施する。この表面硬化熱処理は、いわゆる高周波焼入れを行うことが多く、焼入れ後には焼き戻しを行い、靱性がある表面硬化層を得ることが可能となる。
次いで、円筒形状の金属板13のロール径仕上げ加工を実施する。
最後に、円筒形状の金属板13のロール表面最外層の粗度調整と硬質クロムメッキ等の施工を経て、最終製品である板曲げ中空ロールを完成させる。
このレーザビームによるロール母材間の直接溶接は、溶接線が異種成分の層となることがなく、高エネルギー密度溶接により熱影響部も少なく表面の硬度が均一な溶接を実現することができる。また、溶接線の熱影響部が少ないため、溶接後の円筒形状の変形もほとんど無くすことが可能である。この溶接線には一時的に硬化層が発現するが、後工程の熱処理で簡単に除去でき、ロール母材と溶接線が同一の組成となり、最終製品では同じ硬度が得られる。
その上、仮に金属板の板曲げ加工前に金属端面の機械加工を行った場合でも、板曲げ加工の際に生じる歪により金属板の突き合わせ部の突き合わせの精度が低下して、レーザビーム溶接に必要な突き合わせ精度を確保することが非常に困難となり、レーザビーム溶接による溶接が困難となる。これに対し、本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第1の実施例では板曲げ後に機械加工を行うことにより、レーザビーム溶接に必要な突き合わせ精度を確保することができ、外周側から押圧力を加えて両端部の端面間の隙間を狭めた状態を保持することでレーザビーム溶接を実施することが可能となる。
他の固定方法としては、例えば、仮止め溶接を実施せずに前述のC型固定冶具7を装着し、金属板12の突き合わせ左端面2aと突き合わせ右端面2bとを突き合わせた状態で突き合わせ部1を機械加工することも可能である。この場合は、必要に応じて内面からも油圧ジャッキ等の手段により押圧をかけて固定することが望ましい。
本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第2の実施例を図5および図6を用いて説明する。
ここで、テーパ形状の角度θは、例えば、図6に示す様に、約10mmの間隔で開いた金属板12の両端面(2a,2b)の中間点から円周方向における反対側に位置する金属板12部分の、厚さ方向の中央部の点8を基準にして金属板12の両端面(2a,2b)に向かって放射状に開いた時の角度を基準とする。
また、本発明におけるテーパ形状とは、円筒状の金属板12の中心軸に対して垂直な方向から見たときに、両端面(2a,2b)の隙間を狭めた状態にした時に、両端面(2a,2b)全面が平行となるように外周面側が内周面側に比べて開いた形状のことである。
なお、図5はテーパ形状の機械加工工程の説明図、図6はテーパ角度の基準点の説明図である。
溶接が完了した後に、上述のC型固定冶具7は取り外す。固定冶具は、実施例1と同様にリング型固定冶具4としても良い。
また、実施例1と同様に、必要に応じて内面から油圧ジャッキ等の手段を用いた上でC型固定冶具7又はリング型固定冶具4を装着し、仮止め溶接を実施せずに金属板12の両端面(2a、2b)を突き合わせた状態で突き合わせ部1の機械加工を行っても良い。
その後、円筒形状の金属板13の両側面に対する側板および軸の取り付け、ロール径仕上げ加工、ロール表面最外層の粗度調整と硬質クロムメッキ等の施工を経て、最終製品である板曲げ中空ロールを完成させる。
加えて、突き合わせた金属板12の両端部の合わせ加工後の端面を外周側が開いたテーパ形状に形成することで、金属板12の両端部の端面間の隙間を狭めた状態としたときに両端部の端面全面が平行になり、突き合わせ部1を押圧時に極めて高精度な平行状態となる様に形成することができ、隙間を狭めた際の金属板12の両端面の密着度を向上させることが可能となり、溶接端面の突き合わせ精度の更なる向上を図ることが可能である。
本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第3の実施例を図7を用いて説明する。
図7はアーム型ロボットによるレーザビーム溶接工程の説明図である。
この際に、図7に示す様に、レーザビーム溶接をアーム型ロボット6を使用して行う。
この場合、まず、アーム型ロボット6のロボットアーム部6cの先端にレーザビーム溶接ヘッド6aを装備し、ロール母材である金属板12の各種溶接条件(板の材質、板厚、ロール径など)に合わせて事前に検討した必要な設定値(例えば、ロールの表面からの距離、レーザビーム溶接ヘッドの入射角度、送り速度、レーザ強度等)の設定を行う。その後、上述のレーザビーム溶接ヘッド6aが先端に装備されたアームを、金属板12の外表面側、又は金属板12の内表面側へ導入し、レーザビーム溶接を行う。
金属板12の外表面から溶接を行う際には図3に示すC型固定冶具7を使用し、金属板12の内表面から溶接を行う際には図4に示すリング型固定具4を使用することが望ましい。
その後、円筒形状の金属板13の両側面に対する側板および軸の取り付け、ロール径仕上げ加工、ロール表面最外層の粗度調整と硬質クロムメッキ等の施工を経て、最終製品である板曲げ中空ロールを完成させる。
加えて、レーザビーム溶接においてアーム型ロボットを用いることにより、板の材質、板厚、ロール径等によりその都度調整を要するロールの表面からの距離、レーザビーム溶接ヘッドの入射角度、送り速度、レーザ強度等のパラメータの変更を自動的に行うことが可能となり、作業の効率化、時間短縮そしてそれらに伴う製造費用の削減を図ることが可能となる。
本発明の板曲げ中空ロールおよび鋼板製造プロセス装置の実施例である第4の実施例を図8を用いて説明する。
図8に示すように、鋼板製造プロセス装置のうち主に、CAL(連続焼鈍ライン;Continuous Annealing Line)や、CGL(連続溶融めっきライン;Continuous Galvanizing Line)等における搬送設備において、特に直径400mm〜1500mmの中空ロールRに、上述の第1〜第3の実施例で例示する本発明の板曲げ中空ロールの製造方法により製造された板曲げ中空ロールを使用する。
なお、上述の第1〜第3の実施例で例示する本発明の板曲げ中空ロールの製造方法により製造された板曲げ中空ロールの使用先は、図8に示すような鋼板製造プロセス装置に限定されない。
従って、本発明の板曲げ中空ロールや鋼板製造プロセス装置の第4の実施例によれば、鋼板への転写を懸念することなく十分なライン張力を付与でき、例えば高級仕様の表面処理鋼板においても設備生産能力を十分に発揮した操業稼働を可能とすることができる。このため、鋼板の生産能力が十分に発揮されるとともに、生産される鋼板の表面品質を高い状態を保って搬送することができる。また、表面硬度差及びそれに伴う溶接部表面の変形の低減による搬送ロールの交換頻度の低下等から大きな費用削減の効果が期待でき、鋼板の製造プロセスで数多く使用される搬送ロールの製造コスト及び交換が必要となった際のメンテナンスコストなどを削減することができる。
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。
2a…突き合わせ左端面、
2b…突き合わせ右端面、
3a…機械加工装置、
3a1…ストレート形状のエンドミル、
3b…機械加工装置、
3b1…テーパ形状のエンドミル、
4…リング型固定具、
5a…上部押圧ボルト、
5b…側部押圧ボルト、
5c…下部押圧ボルト、
5d…ブロック、
5e…(C型形状の)フレーム、
5f…(リング形状の)フレーム、
6…アーム型ロボット、
6a…外面側レーザビーム溶接ヘッド、
6b…内面側レーザビーム溶接ヘッド、
6c…ロボットアーム部、
7…C型固定冶具、
8…テーパ角度基準点、
12…円筒状の金属板(溶接前)、
13…円筒形状の金属板(溶接後)、
R…本発明に係る板曲げ中空ロール。
Claims (4)
- 矩形の金属板を円筒状に曲げる板曲げ加工を施した後に、前記円筒状に曲げた金属板の両端部の端面を突き合わせた状態とし、
この状態でその突き合わせた両端部の端面に機械加工を施して前記端面を平滑にし、
その後、前記円筒状に曲げた金属板に外周側から押圧力を加えて前記両端部の端面間の隙間を狭めた状態とし、
この状態で前記両端部の端面間に溶接材料を介在させずに、前記金属板の前記両端部をレーザビームで溶接して、前記円筒状に曲げた金属板を円筒形状に形成する工程を有し、
前記突き合わせた両端部の端面に機械加工を施す工程では、前記突き合わせた両端部の端面を外周側が開いたテーパ形状に形成することを特徴とする板曲げ中空ロールの製造方法。 - 請求項1に記載の板曲げ中空ロールの製造方法において、
前記レーザビームによる溶接をアーム型ロボットを用いて行うことを特徴とする板曲げ中空ロールの製造方法。 - 請求項1または2に記載の板曲げ中空ロールの製造方法において、
前記円筒状に曲げた金属板に外周側から押圧力を加えて前記両端部の端面間の隙間を狭めた状態とする工程は、
押圧手段を備えた固定冶具を用いて前記円筒状に曲げた金属板を外周側から押圧して前記両端部の端面間の隙間を狭めた状態とすることを特徴とする板曲げ中空ロールの製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の板曲げ中空ロールの製造方法を用いて中空ロールを製造する工程と、
この工程で製造された板曲げ中空ロールを使用して鋼板製造プロセス装置を製造する工程と、
を有することを特徴とする鋼板製造プロセス装置の製造方法。
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