JP6799375B2 - プロファイル成形金属帯板の製造方法および装置 - Google Patents

Description

詳細な説明

本発明は、プロファイル成形金属帯板の製造方法に関するものである。

金属成形作業によって金属体にプロファイルを形成することは、一般に知られていることである。しかし、このような金属成形技法には多くの費用がかかる。

韓国特許公開第1996-0006031号では、両側が型押しされるステンレス鋼板を開示している。裏面に型押しされた模様が表側に押し出されることにより、凹形の圧痕をステンレス鋼板の裏側に形成でき、表側にはエンボス面が形成される。表側の模様は不規則な模様となるのに対し、裏側に形成される模様は連続的な均一の模様となる。このような場合、例えば、上部および下部型押しロールを備えるゼンジミア圧延機スタンドを使用する。これは、上部型押しロールが裏面模様の面透過度を模様の深さによって調整し、上部型押しロールが連続運転式圧延機スタンドにおいて自動制御装置の減厚条件の変更を利用し打刻によって表出させるものである。

この方法でプロファイル成形されたステンレス鋼板は、模様付き帯板およびシートと称され、例えば、ティッセンクルップニロスタ社の2005年3月版内容見本(創造的アクセント：模様付き帯板およびシート)第4巻に例示されている。

パターン化作業中、通常はパターンロールを一方の側に使用して表面に図柄を型押しする。反対側には一般に平滑ロールを使用する。この場合、裏側には模様の半貫通圧痕が生じる。パターンロール側の型押し深さは、最大で30μmである。裏側の半貫通圧痕は1μmより浅いものの、それでもなお、粗い図柄では目立ってしまう。

個々の場合に応じて、例えば上述の韓国特許公開第1996-0006031号に開示されるように、用途に合わせた粗面化ロールまたは模様の異なるロールを裏側に用いる。各模様は互いに対して幾何学的に正確には適合しないため、圧痕の深さは各側において常に約30μmほどにしかならない。この場合、圧痕は別のロールによる半貫通圧痕と重なる。

この方法は、裏側には別の模様の貫通圧痕が生じて型押し図柄が不鮮明になってしまうため、実際的な用途ではあまり普及していない。

国際公開第2011/008860号公報には、伸長加工した長尺状帯板で密閉装置用のスペーサを形成する工程が記載されている。伸長加工は、長尺状帯板部材の両端に張力をかけることによって行われる。張力によって、長尺状帯板は少なくとも２組の離間したローラの間を通過し、その際、第１の組のローラは第１の速度で、また第２の組のローラは第２の速度で作動する。

特開平07-001045号公報は、蛇行状コルゲート体の製造方法および装置に関するものであり、これは、平面後行波相当部における幅寄せ率が平面先行波相当部における幅寄せ率より大きくなっている。開始材料は交差コルゲート状金属シートである。

英国特許出願第2272662号公報は特定の種類のシート材料の製造方法に関するものであり、これは、２本のロールのそれぞれに複数の歯が設けられ、両ロールは、相対的に回転するように装着されて、一方のロールの歯が他方のロールの歯の間の隙間に延伸し、両ロールは同じ速度で駆動され、シート材が両ロールの間を通過するようになっている。さらに、全体の厚さは、シート材の両面にある突起の高さで決まり、材料の規格より実質的に大きい(３〜４倍を超えない)。

英国特許出願第2063735号公報には１枚のシート材に突起を形成する方法が記載され、シート材は１対のロールの間を通過し、各ロールの周縁部にはそれぞれシート材の対向面と係合する形成体を有している。一方のロールの形成体は、他方のロールの隣接する形成体の間の隙間内に押入される。これらの形成体は、列状または螺旋列状に配列されている。

英国特許出願第2385816号公報には、無地のシートを加工して鋸歯状金属シートを形成する装置および方法が記載されている。この装置には１対の離間した円柱の列が設けられ、それぞれのロールの周縁部にはさらに、等間隔に歯が並んだ周縁部歯列が複数列、設けられている。

ドイツ特許出願第3416841号公報には給湯機の製造方法が記載され、その搬水部は、外方に向いたノブを有する二重壁板として設計され、螺旋状に巻回される。ノブは、搬水部の半殻の押出し加工直後、ロールを使ってまだ熱い材料内に形成される。

本発明は、とりわけステンレス鋼板の前面および裏面に、必要に応じて様々な幾何学的プロファイルのプロファイル成形を連続作業で施すことのできる方法を供するという目的に基づくものであり、本方法により、最大限の圧痕深さを有する圧延プロファイルの形成が可能となるであろう。

また、本発明は、あらかじめ画成可能な最大限の圧痕深さを有する様々なプロファイルを、とくにステンレス鋼からなるシートの両側に形成できる装置を供することを目的とする。

本目的は次のようなプロファイル成形金属帯板の製造方法により達成される。すなわち本方法では、あらかじめ材料厚が規定可能な、とくにステンレス鋼からなる金属帯板をコイルに巻き取って、複数のロールを備えた圧延機スタンドを通るように案内して、少なくとも金属帯板と有効に接するロールにあらかじめ規定可能なトポグラフィを施し、これによって、ロールのトポグラフィの幾何学形状に応じて、プロファイル深さが250μmより深いプロファイルを金属帯板の両側に形成でき、金属帯板はプロファイル成形後にコイルに巻き取って、必要に応じて熱後処理を施す。

本発明に係る方法の有利性を高める特徴事項は、対応する処理に関する従属請求項に記載する。

また、本発明の目的は次のようなプロファイル成形金属帯板の製造装置によって達成される。すなわち、本装置は複数のローラを含む圧延機スタンドを備え、少なくとも１本の上部ローラおよび少なくとも１本の下部ローラは、圧力の作用下で金属帯板の上面および下面に接し、金属帯板の表面に接する上部および下部ローラには、金属帯板に形成されプロファイル深さが250μm超のプロファイルに対応する凸凹トポグラフィが施されている。

本発明に係る装置の有利性を高める特徴事項は、対応する目的に関する従属請求項に記載する。

したがって従来技術とは対照的に、とくにステンレス鋼からなる巻き取られたシート（コイル）の両面に圧延処理、とくに冷間圧延処理を連続作業にて施すことが可能であり、これにより、1000μmを超すプロファイル深さを実現できる。

これは、金属シートの上表面および下表面にそれぞれ有効に接する上部および下部ローラの表面に、それぞれ互いに正確に適合する２つの凸凹トポグラフィを施すことにより実現される。

従来技術と同様に、例えばゼンジミア圧延機スタンドなどの多段圧延機スタンドを使用して同様のプロファイルを技術的に実現することも可能である。

この点に関し以下の原理が適用できる。すなわち、金属帯板の金属材料が柔らかいほど、使用するロール数が少ないものを選択できる。

本発明の目的によれば、連続圧延処理、とくに単段式または多段式の冷間圧延処理によって、とりわけ多段圧延機スタンドで、とくにステンレス鋼からなる金属シートを、圧延方向に波型構造を有する程度まで成形することが可能になる。さらに、この方法で台形構造、隆起構造、またはハニカム構造の金属帯板を製造することも可能になる。

例えばゼンジミア圧延機スタンドの力が大きいのは、素材の延性（表面拡大）を十二分に利用して、従来技術よりもかなり深い構造を形成可能にするためである。例えば、原厚0.50mmの平板材料から、有効厚さが1.1mmの波形金属シートを作成することも可能であろう。波形金属シート構造では、畝間の間隔は少なくとも金属シートの厚さの３倍となるようにすべきであるが、約2cmを超えない程度とする。

既述のとおり、一方では本発明に係る方法ならびに他方では本発明に係る装置は、最大限可能なプロファイル深さを有する圧延プロファイルの作成を可能とする。プロファイルが深いほど、プロファイル成形金属シートの曲げ強度が高くなる。プロファイルの型押しには、金属シートの変形および厚さ減少が伴う。プロファイルの深さを選んで、破損が生じる直前まで各材料の最大変形性を活用する。

プロファイル成形コイルは、圧延処理後に焼鈍して金属シート本来の変形性を復元させる。焼鈍処理したプロファイル材によれば、適切な成形作業を経ると剛性が著しく向上し、金属シート厚が減少した部材の製造が可能となる。

波形プロファイルの他に、本発明に係る方法および本発明に係る装置はそれぞれに、突起状プロファイルの作成も可能になる。波形プロファイルは一方向における剛性が著しく高くなる。突起状プロファイルにおける剛性の向上の程度は、波形プロファイルの場合に比べて、波長および振幅が違わなければ約半分ほどであるが、各方向ともほぼ均一となる。

以下の限界条件は、材料に依存する最大プロファイル深さを圧延作業中に達成するために重要であり、また波形プロファイルや突起状プロファイルにも同様に適用される。すなわち、
−プロファイルの波長は金属シートの元の厚さの３倍超とすべきであり、さもないと金属シートは上部ロールと下部ロールの間を自在に走行できなくなる。
−突起状／波形プロファイルの頂部の半径は金属シートの元の厚さの0.4倍超とすべきであり、さもないと頂部がひび割れる可能性が非常に高くなる。
−プロファイルの圧延方向に平行な側面における角度（元の金属シートの平面の法線から測定した角度）は30度超とすべきであり、さもないと圧延作業中にロール間のプロファイル部が破損する可能性が高くなる。
−上述の幾何学的基準に従って、ロールにおけるプロファイルの振幅は波長の0.6倍より狭くするか、あるいはそれ以上にならないようにする。
−圧延するプロファイル成形金属シートの振幅または厚さは圧延力を利用して調整する。プロファイルの最大深さは、対応する素材／成形パラメータに関する文献に基づいてプロファイル成形を施す材料ごとに決定する。

本発明に係る方法および本発明に係る装置はそれぞれ、好適には1.4301型のステンレス鋼板の処理を企図し、当該対象素材の厚さは最大で約45％まで減少できるであろう。

考え得る適用分野は、例えば、熱交換器、燃料電池用バイポーラプレート、触媒コンバータ用プレートなどが挙げられ、またその他に、装飾用にも使用できる。

本発明の目的に関する実施例を図面に示すとともに、その詳細を以下に述べる。
金属帯板をプロファイル成形する種々の圧延機スタンドの概略図である。 変形基準チャートを示す図である。 後続の冷間変形および別の巻取り操作によってコイルに巻き取られる金属帯板の概略図である。 および 各金属帯板に異なるプロファイルを形成する様々なロールトポグラフィを示す図である。 金属帯板のプロファイル成形工程の斜視図である。 プロファイル成形金属帯板の概略図である。 別のプロファイル成形金属帯板の概略図である。

図１は圧延機スタンドのいくつかの例W1〜W4の概略図を示し、圧延機スタンドを用いることにより、例えばステンレス鋼からなる金属帯板１に様々なプロファイルを形成することができる。これに関し、金属帯板１と有効に直接接触する上部加工ロール２および下部加工ロール３のトポグラフィがとくに重要となる。各圧延機スタンドW1、W2、W3、W4は、側面図で示されている。金属帯板１は、矢印方向に案内されて、各圧延機スタンドW1〜W4を通る。

図１の下部分は、上部加工ロール２、下部加工ロール３、およびこれらの加工ロール間を通る金属帯板１の各トポグラフィを示し、本例ではこれらのトポグラフィを長手方向から見た図を示している。本例では、金属帯板１は波形構造を備えているものとする。

図２は、波状プロファイルまたは突起状プロファイルを形成するための金属帯板の変形基準を表すチャートを示す。プロファイル成形とは、金属帯板の40％を変形させることを含意する。このような極度の変形は、精選した鉄材を使用することによってのみ可能となる。図に示す寸法（半径、角度、帯板厚）は正確に計測しなければならない。さもなければ、金属帯板が破損したり、各圧延機スタンドが損傷したりしてしまう。上部および下部ロールの整合精度はきわめて重要である。１％未満の寸法誤差の計測が必要であり、さもなければ、ロールが互いにずれて、圧延機スタンドが損傷したり、それどころか破壊したりしてしまう恐れもある。

図３は、コイル４に巻き取られた金属帯板1’の概略図を示す。圧延方向を矢印で示す。図１を考慮すると、本図は、上部ロール２および下部ロール３を含む、いわゆる４段圧延機スタンドW1を例示しているに過ぎない。ロール２、３と有効に接する補助ロール2’、3’により、それぞれ同じ力Ｆが金属帯板1’の方向に加わる。金属帯板1’は、圧延機スタンドW1を通り抜けると、再び別のコイル５に巻き取られる。

図４および図５は、図３を拡大して示す。上部ロール２および下部ロール３のみを表示して、概観をより理解しやすくしている。ロール２、３の金属帯板1’に対向する各表面６、７には、それぞれ異なるトポグラフィ８、９を施して異なる突起状構造を形成し、上述のトポグラフィが図４および図５に示すように互いに係合することにより、金属帯板1’は上部ロール２と下部ロール３との間を自由に走行できる。

例えば、材料型1.4301のステンレス鋼板をプロファイル成形する場合、上述の方法によって厚さを45％まで減らすことが可能である。金属帯板1’のプロファイル10、11は、ロール２、３のぞれぞれのトポグラフィ８、９によって調節可能であり、図４および図５の右側部分に示されている。

図６は図５に対応する図であるが、斜視図表示されている。本図は上部ロール２、下部ロール３、および金属帯板1’を示している。また本例でも、圧延方向を矢印で示す。金属帯板1’は図示しないコイルから巻き戻され、ロール２、３に案内されてロール間を通り抜けたところで、プロファイル11が形成される。図３によると、このプロファイル成形された金属帯板1’は次に再度コイルに巻き取り可能である。プロファイル成形金属帯板1’の使用目的に応じて、圧延作業後にプロファイル成形コイルを焼鈍処理すれば、金属シートの当初の変形状態を復元することも可能である。このようにプロファイル成形材を焼鈍処理することにより、適切な成形方法を用いれば、剛性が大幅に向上し金属シートの厚さが減少した部材を製造できる。

図７は、プロファイル成形された金属帯板1’の一部分の概略図を示す。本例では、例えば、図６によるプロファイル11を金属帯板1’に形成できる。

図８は、金属帯板1’の一実施形態を示す概略図であり、プロファイル12が波形構造として具現されている。

Claims (7)

1. 素材の厚さがあらかじめ規定可能であって、とくにステンレス鋼からなる金属帯板をコイルに巻き取って、ゼンジミア圧延機スタンドを通るように案内して、プロファイル成形金属帯板を圧延により製造する方法において、該方法は、前記金属帯板と有効に接する少なくとも１本の上部ロールおよび少なくとも１本の下部ロールの全面に、あらかじめ規定可能なトポグラフィを施し、該トポグラフィの少なくとも一部が互いに噛合し、これによって、該ロールのトポグラフィの外面形状に応じて、波状プロファイルまたは突起状プロファイルについてプロファイル深さが250μmより深いプロファイルを前記金属帯板の両側全面に形成でき、前記圧延される金属帯板の厚さは圧延力によって調整可能であり、プロファイル成形後に前記金属帯板をコイルに巻き取り、熱後処理を施す、
   前記プロファイル深さとは、前記金属帯板の１の表面上で形成された波状構造または突起状構造の頂部から前記表面上における前記波状構造または突起状構造の底部までの垂直距離であり、
   トポグラフィプロファイルの波長が元の金属シートの厚さの３倍より大きく、
   トポグラフィプロファイルの突起頂部／波頭の半径が元の金属シートの厚さの0.4倍より大きく、
   トポグラフィプロファイルの前記元の金属シートの平面の法線から測定した角度が30度より大きく、
   前記ロールにおけるトポグラフィプロファイルの振幅が波長の0.6倍以下であることを特徴とするプロファイル成形金属帯板の製造方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記コイルから巻き戻される金属帯板には、プロファイル深さが250μmより深い突起状構造または波形構造を形成することを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、少なくとも４本のロール、具体的には6〜20本のロールを備えた圧延機スタンドを使用して前記金属帯板をプロファイル成形することを特徴とする方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記圧延されるプロファイル成形金属帯板の振幅または厚さを圧延力によって調整することにより、波状プロファイルまたは突起状プロファイルの材料に応じた最大プロファイル深さを達成することを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、1.4301型の材料をステンレス鋼からなる金属帯板に用い、圧延作業中、該材料の厚さは最大で45％まで低減することを特徴とする方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、前記金属帯板に有効に接する前記ロールに凸凹表面トポグラフィを前記金属帯板の走行を阻害することなく形成し、あらかじめ規定可能な圧延力にて1000μm超のプロファイル深さを実現できることを特徴とする方法。
7. ゼンジミア圧延機スタンドを具備し、プロファイル成形金属帯板を圧延により製造する装置において、少なくとも１本の上部ロールおよび少なくとも１本の下部ロールが圧力の作用下で金属帯板の上面および下面と相接し、該金属帯板の表面全面と相接する前記上部ロールおよび下部ロールの全面には、該金属帯板に形成され波状プロファイルまたは突起状プロファイルについてプロファイル深さが250μm超のプロファイルに対応する凸凹面トポグラフィが施され、該トポグラフィの少なくとも一部が互いに噛合し、前記圧延される金属帯板の厚さは圧延力によって調整可能であり、
   前記プロファイル深さとは、前記金属帯板の１の表面上で形成された波状構造または突起状構造の頂部から前記表面上における前記波状構造または突起状構造の底部までの垂直距離であり、
   前記上部ロールおよび下部ロールのトポグラフィの波長は、前記金属帯板の元であった金属シートの厚さの３倍より大きく、
   突起頂部／波頭の半径は、前記金属帯板の元であった金属シートの厚さの0.4倍より大きく、
   トポグラフィプロファイルの前記元であった金属シートの平面の法線から測定した角度は30度より大きく、
   前記ロールのトポグラフィプロファイルの所定の外面形状における振幅は波長の0.6倍以下であることを特徴とするプロファイル成形金属帯板の製造装置。

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