KR101665225B1 - 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강의 제조 방법 및 롤 성형 장치 - Google Patents

Abstract

시트 재료로부터 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강을 제조하기 위한 롤 성형용의 롤 성형 장치가, 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 이랑부를 갖는 제1 금형 롤과, 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 도랑부를 갖는 제2 금형 롤과, 제1 금형 롤과 제2 금형 롤을 위한 구동 장치를 구비한다. 제1 금형 롤의 환상 이랑부의 측면에, 둘레 방향의 전체 둘레에 걸쳐, 제2 금형 롤의 환상 도랑부의 측면에 대한 간극이 반경 방향 내측으로 넓어지도록 클리어런스가 형성되어 있다.

Description

길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강의 제조 방법 및 롤 성형 장치 {METHOD FOR MANUFACTURING SHAPED STEEL THE CROSS-SECTIONAL SHAPE OF WHICH CHANGES IN THE LONGITUDINAL DIRECTION, AND ROLL FORMING DEVICE}

본 발명은 면 형상이 길이 방향으로 변화하는 형강을 롤 성형에 의해 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

형강의 하나인 햇형 형강을 제조하는 방법으로서, 펀치와 다이를 사용한 프레스 성형이 널리 알려져 있다. 프레스 성형에 의한 햇형의 굽힘 성형에서는, 프레스 압력을 제거하면 반력에 의해 재료판이 원래로 되돌아가려고 하는 스프링·백의 문제가 발생하기 쉬우므로, 종래부터 스프링·백을 억제하기 위한 대책이 검토되어 왔다.

그런데 최근에 있어서는, 고장력 강재(High-Tensile Steel)의 이용이 확대되고 있다. 일례로서, 자동차 산업에서는 차체의 경량화가 CO2 배출량의 경감으로 이어진다고 하여, 고장력 강재를 차체 재료에 적극적으로 채용하고 있다. 그로 인해, 형강의 제조 현장에서는, 강재의 고강도 특성에 의한 스프링·백의 문제가 현재화되고 있다. 또한, 최근, 980㎫을 초과하는 인장 강도를 가진 고장력 강재도 제조되고 있다. 일반적인 프레스 성형에서는, 이러한 고장력 강재로부터 설계대로의 햇형 형강을 제조하는 것이 곤란하다.

형강을 제조하는 다른 방법으로서, 롤 성형법이 알려져 있다. 롤 성형은, 예를 들어, 코일로부터 인출된 띠판을 순차적으로 배치된 복수의 스테이션에 설치된 롤 유닛을 통과시키는 연속 굽힘 가공 방법이다. 롤 성형은, 특히 H형강이나 L형강 등의 강재나, 파이프 등의 길이 방향의 단면 형상이 일정한 장척 제품을 성형하는 데 적합하다. 반면, 롤 성형은, 프레스 성형(드로잉)과는 달리, 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강을 성형하는 데에는 적합하지 않다.

특허문헌 1∼3은 분할 롤의 롤 폭을 가변 제어함으로써, 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강을 롤 성형에 의해 제조하는 기술을 개시하고 있다. 그렇지만, 특허문헌 1∼3에 개시되어 있는 롤 성형 방법 및 장치는, 장치의 구조나 제어 방법이 복잡하다고 하는 문제가 있다. 그로 인해, 특허문헌 1∼3의 발명을 실시하기 위해서는, 기존의 설비를 전용하는 것이 곤란하여, 신규로 설비 도입이 필요하므로, 비용 증가로 된다.

또한, 특허문헌 1, 3의 발명과 같이, 롤 성형 중에 분할 롤의 롤 폭을 넓히면, 롤의 전방측의 코너부만이 재료 강판에 선 접촉하거나, 고장력 강재 등의 재료에서는 밀 강성이 부족하여, 대량 생산에는 부적합하다.

일본 특허 출원 공개 평10-314848호 공보 일본 특허 출원 공개 평7-88560호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-500180호 공보

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은, 종래 기술과 같은 복잡한 제어 및 장치가 필요하지 않고, 단순한 롤 성형에 의해 단면 형상이 길이 방향으로 변화하는 형강을 제조할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 단면 형상이 길이 방향으로 변화하는 형강을 롤 성형에 의해 제조함에 있어서, 예를 들어 재료에 고장력 강재를 사용하였을 때에 밀 강성이 부족한 것을 억제할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따르면, 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강을 시트 재료로부터 롤 성형에 의해 제조하는 방법이며, 회전축과, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 이랑부를 갖는 제1 금형 롤을 준비하는 단계와, 상기 제1 금형 롤의 회전축이 시트 재료의 이송 방향에 대해 수직으로 되도록 상기 제1 금형 롤을 배치하는 단계와, 회전축과, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 도랑부를 갖는 제2 금형 롤을 준비하는 단계와, 상기 제1 금형 롤과 제2 금형 롤 사이에 상기 시트 재료의 판 두께와 동등한 간극이 생기고, 또한, 상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부와 상기 제2 금형 롤의 환상 도랑부가 끼워 맞추어지도록, 상기 제2 금형 롤을 배치하는 단계와, 상기 제1 금형 롤과 상기 제2 금형 롤을 동기 회전시키는 단계와, 상기 제1 금형 롤과 제2 금형 롤 사이에 시트 재료를 급송하는 단계를 포함하고,

상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부의 측면에, 둘레 방향의 전체 둘레에 걸쳐, 제2 금형 롤의 환상 도랑부의 측면에 대한 간극이 반경 방향 내측으로 넓어지도록 클리어런스가 형성되어 있는 형강의 제조 방법이 제공된다.

또한, 본 발명은 시트 재료로부터 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강을 제조하기 위한 롤 성형용의 롤 성형 장치에 있어서, 회전축과, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 이랑부를 갖는 제1 금형 롤이며, 상기 제1 금형 롤의 상기 회전축이 시트 재료의 이송 방향에 대해 수직으로 되도록 배치된 제1 금형 롤과, 회전축과, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 도랑부를 갖는 제2 금형 롤이며, 상기 제2 금형 롤의 상기 회전축이 상기 제1 금형 롤의 상기 회전축과 평행해지도록 배치된 제2 금형 롤과, 상기 제1 금형 롤과 상기 제2 금형 롤을 동기시켜 회전 구동하는 구동 장치를 구비하고,

상기 제1 금형 롤과 제2 금형 롤은, 양자간에 상기 시트 재료의 판 두께와 동등한 간극이 생기고, 또한, 상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부와 상기 제2 금형 롤의 환상 도랑부가 끼워 맞추어지도록 상대적으로 배치되어 있고, 상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부의 측면에, 둘레 방향의 전체 둘레에 걸쳐, 제2 금형 롤의 환상 도랑부의 측면에 대한 간극이 반경 방향 내측으로 넓어지도록 클리어런스가 형성되어 있는 롤 성형 장치를 요지로 한다.

본 발명에 따르면, 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 이랑부를 갖는 제1 금형 롤과, 상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부에 대해 형강의 두께분의 간극을 두고 상기 환상 이랑부를 수용하는 환상 도랑부를 갖는 제2 금형 롤을 사용함으로써, 적어도 제1 및 제2 금형 롤을 동기 회전시키는 단순한 제어에 의해, 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강을 제조할 수 있다. 따라서, 단면의 폭을 넓히기 위해 분할 롤의 롤 폭을 가변 제어하는 등의 복잡한 제어는 불필요하다. 또한, 기존의 롤 성형 설비의 롤을 제1 및 제2 금형 롤로 교환함으로써, 본 발명의 롤 성형 장치를 구현화하는 것도 가능하다.

또한 본 발명에 따르면, 전술한 롤 몸통부를 갖는 제1 및 제2 금형 롤을 사용함으로써, 단면 형상이 길이 방향으로 변화하도록 성형해도, 롤 몸통부와 재료가 충분히 면 접촉한 상태에서 성형할 수 있으므로, 예를 들어 재료가 고장력 강재라도, 밀의 강성 부족을 방지 가능하다.

도 1a는 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 햇형 형강의 상방에서 본 사시도이다.
도 1b는 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 햇형 형강의 하방에서 본 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 다단식 롤 성형 장치의 개략 사시도이다.
도 3은 도 2의 다단식 롤 성형 장치의 롤 유닛의 입면도이다.
도 4는 도 3의 롤 유닛의 상하 한 쌍의 금형 롤의 분해 사시도이다.
도 5a는 도 2의 다단식 롤 성형 장치의 각 단계에 있어서의 굽힘 가공 프로세스를 도시하는 도면이며, 햇형 형강의 플랜지부를 형성하는 공정을 도시하는 도면이다.
도 5b는 도 2의 다단식 롤 성형 장치의 각 단계에 있어서의 굽힘 가공 프로세스를 도시하는 도면이며, 햇형 형강의 상벽을 형성하는 공정을 도시하는 도면이다.
도 6은 1개의 롤 유닛에 있어서의 작용을 설명하기 위한 약시 사시도이다.
도 7a는 비드를 가진 햇형 형강의 사시도이다.
도 7b는 도 7b의 햇형 형강을 형성하는 금형 롤의 사시도이다.
도 8은 제2 실시 형태에 의한 금형 롤을 도시한다.
도 9는 도 8의 금형 롤의 부분 단면도이다.
도 10은 상기 금형 롤에 클리어런스를 형성하였을 때의 간극을 나타내는 차트이다.
도 11은 클리어런스량과 x와, 형강의 측벽의 각도 θ 및 하부 롤의 환상 이랑부의 높이 H의 상관 관계를 설명하는 차트이다.
도 12a는 클리어런스를 형성하지 않는 경우의 상부 롤과 하부 롤의 간섭을 나타내는, 햇형 형강과 함께 도시하는 사시도이다.
도 12b는 클리어런스를 형성하지 않는 경우의 상부 롤과 하부 롤의 간섭을 나타내는, 햇형 형강과 함께 도시하는 사시도이다.
도 13a는 클리어런스량과 x와, 형강의 측벽의 각도 θ 및 하부 롤의 환상 이랑부의 높이 H의 상관 관계를 설명하는 차트이다.
도 13b는 클리어런스량 x, 형강의 측벽 각도 θ, 환상 이랑부의 높이 H를 나타내는 하부 롤의 부분 확대도이다.
도 13c는 상하 롤의 최소 간극을 나타내는 표이다.
도 14는 다단식 롤 성형 장치의 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 15는 도 14의 다단식 롤 성형 장치의 각 단계에 있어서의 굽힘 가공 프로세스를 도시하는 도면이다.
도 16a는 클리어런스량과 x와, 형강의 측벽의 각도 θ 및 하부 롤의 환상 이랑부의 높이 H의 상관 관계를 설명하는 차트이다.
도 16b는 클리어런스량 x, 형강의 측벽 각도 θ, 환상 이랑부의 높이 H를 나타내는 하부 롤의 부분 확대도이다.
도 16c는 상하 롤의 최소 간극을 나타내는 표이다.
도 17은 하부 롤의 환상 이랑부에 형성한 클리어런스의 개시점을 도시하는 도면이다.
도 18a는 제3 실시 형태에 의한 형강의 사시도이다.
도 18b는 도 18a의 형강과 함께 도시하는 제3 실시 형태에 의한 금형 롤의 사시도이다.
도 19a는 제4 실시 형태에 의한 형강의 사시도이다.
도 19b는 도 19a의 형강과 함께 도시하는 제4 실시 형태에 의한 금형 롤의 사시도이다.
도 20a는 제5 실시 형태에 의한 형강의 사시도이다.
도 20b는 도 20a의 형강과 함께 도시하는 제5 실시 형태에 의한 금형 롤의 사시도이다.
도 21a는 제6 실시 형태에 의한 형강의 사시도이다.
도 21b는 도 21a의 형강과 함께 도시하는 제6 실시 형태에 의한 금형 롤의 사시도이다.
도 22a는 제7 실시 형태에 의한 형강의 사시도이다.
도 22b는 도 22a의 형강과 함께 도시하는 제7 실시 형태에 의한 금형 롤의 사시도이다.
도 23a는 제8 실시 형태에 의한 형강의 사시도이다.
도 23b는 도 23a의 형강과 함께 도시하는 제8 실시 형태에 의한 금형 롤의 사시도이다.
도 24a는 제9 실시 형태에 의한 형강의 사시도이다.
도 24b는 도 24a의 형강과 함께 도시하는 제9 실시 형태에 의한 금형 롤의 사시도이다.
도 25a는 제10 실시 형태에 의한 형강의 사시도이다.
도 25b는 도 25a의 형강과 함께 도시하는 제9 실시 형태에 의한 금형 롤의 사시도이다.
도 26a는 제11 실시 형태에 의한 형강의 사시도이다.
도 26b는 도 26a의 형강과 함께 도시하는 제9 실시 형태에 의한 금형 롤의 사시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르는 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강의 제조 방법 및 롤 성형 장치에 대해, 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 단, 이하에 설명하는 실시 형태에 의해 본 발명의 기술적 범위는 전혀 한정 해석되는 일은 없다.

(제1 실시 형태)

우선, 본 실시 형태에서 제조하는 형강에 대해 설명한다. 도 1에 도시하는 형강은, 길이 방향(예를 들어, 재료축 방향)으로 단면 형상이 변화하는 안장형의 햇형 형강의 일례이다. 도 1a는 햇형 형강을 상방측에서 본 사시도이며, 도 1b는 하방측에서 본 사시도이다. 햇형 형강(1)은, 상벽과, 상기 상벽의 양측 테두리부를 따라 연장 설치된 측벽과, 각 측벽의 반대측의 테두리부를 따라 연장 설치된 플랜지부를 구비하여, 햇형 형강(1)의 길이 방향에 수직한 단면(횡단면)이 대략 햇형으로 되어 있다.

햇형 형강(1)은, 또한, 상벽의 폭이 L1인 부위(10a, 10b), 상벽의 폭이 L2(＞L1)인 부위(11), 및, 상벽의 폭이 L1로부터 L2로 폭 확대(또는 폭 감소)되는 테이퍼 형상의 천이 부위(12a, 12b)를 갖고 있다. 햇형 형강(1)은, 각 부위(10a∼12b)에 있어서, 측벽이 외측을 향해 경사진 햇 형상의 횡단면을 갖고 있지만, 측벽의 경사각은, 각 부위(10a∼12b)에서 다르도록 해도 되고, 혹은, 각 부위(10a∼12b)에서 동일하게 해도 된다. 또한, 형강의 두께는, 예를 들어 규격이나 용도 등에 따라 다양한 두께로 설정할 수 있다. 단, 본 실시 형태에 있어서는, 각 부위(10a∼12b)를 개별적으로 성형하여 용접 등에 의해 서로 연결하는 것이 아니라, 1매의 시트 재료 또는 띠판을 롤 성형함으로써 일체 성형한다. 따라서, 도 1의 부위간의 경계선은, 설명의 편의상의 선이며, 접합선이나 절곡선은 아니다.

또한, 저면측의 개구부에 길이 방향을 따라 형성되는 플랜지부(13)도, 시트 재료 또는 띠판을 롤 성형에 의해 굽힘 가공된다. 또한, 굽힘 가공된 부분의 코너부는, 예를 들어 도 1에 도시하는 바와 같은 모따기된 형상, 혹은 R(아알) 형상으로 할 수 있다.

재료의 종류 및 강도는 특별히 제한되는 일은 없고, 굽힘 가공 가능한 모든 금속 재료를 대상으로 할 수 있다. 금속 재료의 일례로서, 탄소강, 합금강, 니켈크롬강, 니켈크롬몰리브덴강, 크롬강, 크롬몰리브덴강, 망간강 등의 강재가 있다. 강도에 기초하면, 인장 강도가 340㎫ 이하인 것을 일반 강재, 그 이상의 것을 고장력 강재로 크게 구별할 수 있지만, 본 실시 형태에서는 어느 쪽도 적용 가능하다. 또한, 고장력 강재는 예를 들어 590㎫급, 780㎫급의 것이 있고, 현재에서는 980㎫급의 초고장력 강재라고 불리는 것도 제조되고 있다. 초고장력 강재 정도 되면 종래의 프레스 성형(드로잉)에서는 햇 굽힘이 곤란한 경우가 있지만, 본 실시 형태의 롤 성형에서는 980㎫ 이상의 초고장력 강재도 적용 가능하다. 또한, 강재 이외의 재료의 일례로서, 티탄, 알루미늄 또는 마그네슘, 혹은 그들의 합금을 포함하는 난성형성 재료가 있다.

계속해서, 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강을 제조하기 위한 롤 성형 장치에 대해 설명한다. 도 2는 롤 성형 장치의 일 실시 형태로서, 전술한 햇형 형강을 제조하기 위한 다단식 롤 성형 장치(2)를 도시하고 있다. 다단식 롤 성형 장치(2)는, 예를 들어 시트 재료 또는 띠판의 이송 방향으로 순차적으로 배치된 복수의 롤 유닛(20a∼20k)을 구비하고 있고, 상류측의 롤 유닛(20k)으로부터 하류측의 롤 유닛(20a)을 향해 장척의 시트 재료 또는 띠판(M)을 이송하면서 단계적으로 굽힘 가공하여, 최종적으로 원하는 제품 형상으로 되도록 한다. 최종적으로 성형된 시트 재료 또는 띠판(M)은, 제품 단위로 순차적으로 절단된다.

가장 하류의 스테이션(최종 스테이션)의 롤 유닛(20a)의 금형 롤(이하, 「마무리 롤」이라 칭하는 경우가 있음)이 목적으로 하는 제품 형상에 대응한 형상으로 되어 있고, 상기 마무리 롤보다도 상류측의 각 스테이션의 금형 롤은, 하류측을 향함에 따라 단계적으로 제품 형상에 근접해 가는 중간체가 각 단에서 성형되도록 설계되어 있다. 도 2는 시트 재료 또는 띠판(M)으로부터 10단계 성형에 의해 제품으로 하는 금형 롤의 일례를 나타내고 있다. 전반의 굽힘 공정을 실시하는, 제1 스테이션으로부터 제5 스테이션의 각각에 있어서, 롤 유닛(20j∼20f)은, 볼록 형상의 롤 몸통부를 갖는 롤을 상측에, 오목 형상의 롤 몸통부를 갖는 롤을 하측에 배치하고 있다.

한편, 후반의 굽힘 가공을 실시하는, 제6 스테이션으로부터 제10 스테이션의 각각에 있어서, 롤 유닛(20e∼20a)은, 환상 이랑부를 갖는 롤을 하측에, 환상 도랑부를 갖는 롤을 상측에 배치하고 있다. 그리고, 도입 스테이션[롤 유닛(20k):제0 스테이션]으로부터 제5 스테이션[롤 유닛(20f)]까지를 플랜지부(13)를 형성하는 전반 공정(플랜지부 굽힘 가공)으로 하고, 제6 스테이션[롤 유닛(20e)]으로부터 최종 스테이션 또는 제10 스테이션[롤 유닛(20a)]까지를 햇형 형강(1)의 상벽을 형성하는 후반 공정(상벽의 굽힘 가공)으로 하고 있다.

도입 스테이션의 롤 유닛(20k)은, 상하 모두 플레인한 원통 형상의 금형 롤이 배치되어 있다. 또한, 제1 스테이션으로부터 제5 스테이션까지의 롤 유닛(20j∼20f)은, 상부 롤의 양단 부분은, 선단을 향하는 방향으로 직경이 점차 작아지고 있고, 하부 롤의 롤 몸통부의 양단 부분은, 선단을 향하는 방향으로 직경이 점차 커지고 있다. 그리고, 제1 스테이션으로부터 제5 스테이션의 순으로 롤의 양단 부분의 경사각이 급해져 가고, 제5 스테이션인 롤 유닛(20f)에서 시트 재료 또는 띠판(M)의 양단이 약 90°로 구부러져, 플랜지부(13)를 형성하도록 되어 있다. 각 롤은, 형강의 각 부위(10a∼12b)의 플랜지부(13)가 형성되도록, 둘레 방향에 있어서 롤 몸통부의 중앙의 폭이 좁은 부분과 넓은 부분 및 폭 확대/폭 감소되는 테이퍼의 부분을 갖고 있다.

한편, 제6 스테이션으로부터 최종 스테이션까지의 롤 유닛(20e∼20a)은, 하부 롤의 롤 몸통부의 중앙이 볼록 형상으로 융기한 환상 이랑부를 갖고, 상부 롤의 롤 몸통부의 중앙 부분이 오목 형상으로 오목해진 환상 도랑부를 갖고 있다. 그리고, 보다 상세하게는, 하부 롤의 환상 이랑부 및 상부 롤의 환상 도랑부는, 햇형 형강(1)의 각 부위(10a∼12)의 상벽이 형성되도록, 폭이 좁은 부분과, 폭이 넓은 부분, 및, 폭 확대/폭 감소되는 테이퍼 형상의 부분이 둘레 방향으로 배치되어 있다.

각 롤의 환상 이랑부 및 환상 도랑부의 측면의 경사각은, 제6 스테이션으로부터 최종 스테이션의 순으로 급해져 가고, 최종 스테이션의 롤 유닛(20a)에서 시트 재료 또는 띠판(M)의 측벽이 약 90°로 구부러져 햇의 상벽이 형성되도록 되어 있다. 단, 도 2에 도시하는 금형 롤의 구성은 일례이며, 유닛의 배열수는 적절히 변경할 수 있다. 또한, 마무리 롤보다도 상류측에 배치되는 금형 롤의 형상도 또한 적절히 변경할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 단면 형상을 폭 확대되는 것만으로 그치지 않고, 폭이 최대로 되는 부위(11) 후에 다시 폭 감소된 부위(12b, 10b)를 롤에 의해 성형하므로, 각 롤 유닛(20a∼20k)의 간격을, 적어도 제품의 길이 이상으로 설정한다.

다음으로, 롤 유닛(20a∼20k)의 구성에 대해 설명한다. 도 3은 마무리 롤이 내장된 롤 유닛(20a)의 전체 구조를 도시하고 있다. 롤 유닛(20a)은, 시트 재료 또는 띠판의 이송 방향, 예를 들어 수평 방향으로 연장 설치된 회전축(31)을 갖는 제1 금형 롤[이하, 「하부 롤(3)」이라 칭함]과, 상기 하부 롤(3)의 회전축(31)에 평행한 회전축(41)을 갖고, 하부 롤(3)과 근소한 간극을 개재하여 대향하는 제2 금형 롤[이하, 「상부 롤(4)」이라 칭함]을 구비하고 있다.

각 롤(3, 4)의 회전축(31, 41)은, 예를 들어 볼 베어링 등의 베어링 기구(5)에 의해 스탠드 등의 지지 부재(51)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 롤(3, 4)을 승강 가능하도록 지지하여, 롤끼리의 이격 거리를 조절할 수 있도록 할 수 있다. 또한 유압 실린더 등의 압박 장치를 배치하여 상하 롤(4, 3)의 압박력을 조절할 수 있도록 해도 된다.

상하 롤(4, 3)은, 기어 세트(52)에 의해 동기시켜 회전 구동된다. 기어 세트(52)는, 회전축(31, 41)의 각각에 결합되고, 서로 결합하는 기어(52a, 52b)를 구비한다. 도 3에는, 기어 세트(52)의 일례로서, 평 기어로 구성된 상하의 기어(52a, 52b)가 도시되어 있다. 그리고 하부 롤(3)의 회전축(31)의 일단부측에, 예를 들어 구동 모터 등의 구동 장치(53)가 연결되어 있고, 이 구동 장치(53)에 의해 하부 롤(3)을 회전시키면, 기어 세트(52)를 통해 상부 롤(4)이 종동 회전한다. 이때, 예를 들어 상하의 기어비를 동일하게 설정함으로써, 상하 롤(4, 3)이 동일한 주(周)속도로 동기하여 회전한다. 즉, 기어 세트(52)는, 상하 롤(4, 3)의 동기 회전 장치이기도 하다.

기어 세트(52)는, 상하 롤(4, 3)이 동일한 주속도로 동기 회전할 수 있으면 되고, 도 3에 도시하는 바와 같은 평 기어가 아니더라도 물론 좋다. 또한, 기어 세트(52)를 통해 상부 롤(4)을 종동시키는 구성이 아니라, 상하 롤(4, 3)의 각각에 개별의 구동 기구를 연결해도 된다. 인버터 제어 가능한 구동 모터를 사용하여 회전 속도를 조절할 수도 있다.

최종 스테이션에 배치되는 상하 롤(4, 3)은, 목적으로 하는 제품 형상에 대응한 형상으로 되어 있다. 상세하게는 도 3, 4에 도시하는 바와 같이, 하부 롤(3)은, 플랜지부(13)의 상면을 압하하는 프랭크부(32)와, 상기 프랭크부(32)의 축방향 중앙 부분에서 외표면으로부터 볼록 형상으로 융기하고, 햇 형상의 내면 부분을 압하하는 환상 이랑부(33)를 갖고 있다. 환상 이랑부(33)의 단면 형상은, 제품의 햇 형상에 대응하여 둘레 방향으로 변화하는 사다리꼴을 나타내고 있다.

즉, 환상 이랑부(33)는, 외주면의 폭이 제1 롤 폭으로 설정된 영역(33a)과, 외주면의 폭이 제2 롤 폭으로 설정된 영역(33b)과, 영역(33a, 33b)의 사이에 배치되고 외주면의 폭이 제1 롤 폭으로부터 제2 롤 폭으로 변화하는 테이퍼 형상의 영역(이하의 설명에서는 「천이부」라 칭하는 경우가 있음)(33c, 33d)을 갖고 있다. 환상 이랑부(33)의 좌우 측면은, 회전축(31)측을 향함에 따라 외측으로 넓어지는 경사면을 형성하고 있다. 그리고, 환상 이랑부(33)의 롤 폭 및 높이 및 측면의 경사각은, 목적으로 하는 햇 형상의 폭 및 높이 및 경사각에 각각 대응시킨 치수로 하고 있다. 또한, 환상 이랑부(33)의 외측의 코너부, 및, 프랭크부(43)의 내측의 코너부에는 R(아알)이 형성되거나 혹은 모따기가 이루어져 있다. 또한, 도 4도, 도 1과 마찬가지로, 영역간(33a, 33b, 33c, 33d)의 경계선은, 설명의 편의상, 도시한 것이다.

환상 이랑부(33)의 영역(33b)은, 햇형 형강(1)의 폭 L2의 부위(11)를 성형하고, 영역(33c, 33d)은, 햇형 형강(1)의 테이퍼 형상의 부위(12a, 12b)를 각각 성형한다. 따라서, 영역(33b)의 원호 길이는, 부위(11)의 길이로 설정되어 있고, 영역(33c, 33d)의 원호 길이는, 부위(12a, 12b)의 길이로 각각 설정되어 있다. 한편, 환상 이랑부(33)의 영역(33a)은, 햇형 형강(1)의 부위(10a, 10b)의 양쪽을 성형한다. 따라서, 영역(33a)의 원호 길이는, 부위(10a, 10b)의 길이를 더한 치수로 설정되어 있다. 이 경우, 영역(33a)을 등분하는 중간점이, 당해 롤의 시작점으로 된다. 단, 연속 시트 재료 또는 띠판(M)을 사용하여 연속적으로 성형하고, 최종 성형된 것을 장치의 하류에서 순차적으로 절취해 가는 경우에는, 절단 여유로 되는 영역을 영역(33a)에 추가하도록 해도 된다. 이 경우, 절단 위치를 판별하기 위한 마크(예를 들어, 소직경의 구멍, 돌기 등)를 시트 재료 또는 띠판(M)의 표면에 형성하도록 해도 된다.

한편, 상부 롤(4)은, 햇형 형강(1)의 두께분의 간극을 개재하여 하부 롤(3)의 롤 몸통부와 대향하도록 형성되어 있다. 따라서, 상부 롤(4)은, 햇 형상의 외측 저면을 압하하는 환상 도랑부(42)와, 상기 환상 도랑부(42)의 양측에 형성되어 햇 형상의 외측면 및 플랜지부(13)의 하면을 압하하는 프랭크부(43)를 갖고 있다. 환상 도랑부(42)의 내측면도, 햇형 형강(1)의 두께분의 간극을 개재하여 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 측면과 대향하도록 형성되어 있고, 이에 의해, 상부 롤(4)의 환상 도랑부(42)는 둘레 방향으로 단면 형상이 변화한다.

상부 롤(4)의 환상 도랑부(42)의 측면은, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)와 마찬가지로, 햇형 형강(1)의 부위(11)를 성형하는 영역(43b)과, 테이퍼 형상의 부위(12a, 12b)를 각각 성형하는 영역(43c, 43d)과, 부위(10a, 10b)를 형성하는 영역(43a)이 둘레 방향으로 형성되어 있다. 또한, 환상 이랑부(33)와 마찬가지로, 영역(43a)을 등분하는 중간점이 당해 롤의 시작점으로 되므로, 상하 롤(4, 3)을 장치에 내장할 때에는, 상하 롤(4, 3)의 시작점끼리가 대향하는 위치(동 위상)에서 주회하도록 회전 방향으로 위치 결정된다.

회전축 방향으로 보면, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33) 및 상부 롤(4)의 프랭크부(43)는, 각각의 외주면이 동일한 직경의 원통면으로 되어 있다. 이에 의해, 상하 롤(4, 3)을 동일한 주속도로 회전시키면, 상하 롤(4, 3)의 상대적인 위상은 변화하지 않는다. 상하 한 쌍의 롤의 경우, 소위 「미끄러짐」에 의해 주회하는 상하 롤(4, 3)의 상대적인 위상이 바뀌는 것이 우려된다. 롤의 단면 형상이 둘레 방향에서 일정하면 「미끄러짐」은 그다지 문제로 되지 않지만, 본 실시 형태의 상하 롤(4, 3)은 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 영역을 가지므로, 「미끄러짐」에 의해 상하 롤(4, 3)의 위상이 어긋나면 제품의 두께가 설계값으로부터 벗어나거나, 상하 롤이 충돌하는 것이 우려된다. 따라서, 본 실시 형태에서는 상하 롤(4, 3)의 상대적인 위상을 바꾸지 않고 주회시키는 것이 중요하다. 전술한 동기 회전 기구인 기어 세트(52)에는, 주회하는 상하 롤(4, 3)끼리의 상대적인 위상이 변화하는 것을 방지하는 역할도 있다.

또한, 상하 롤(4, 3)은, 시트 재료 또는 띠판(M)보다도 강성이 높은 재질로 롤 몸통부가 제작되어 있으면 되고, 그 재질이 제한되는 일은 없다. 또한, 환상 이랑부를 갖는 금형 롤을 상측에 배치하고, 환상 도랑부를 갖는 금형 롤을 하측에 배치해도 된다.

도 3은 마무리 롤을 내장한 롤 유닛(20a)을 도시하고 있지만, 마무리 롤의 상류에 배치되는 다른 롤 유닛(20b∼20k)에 대해서도, 롤의 형상이 다른 것을 제외하면, 롤 유닛(20a)과 마찬가지의 구성으로 할 수 있다. 그로 인해, 다른 롤 유닛(20b∼20k)에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 이하의 치수로 한정되는 일은 없지만, 보다 이해를 깊게 하기 위해 하부 롤(3)의 각 영역의 치수의 일례를 나타내 둔다. 우선, 하부 롤(3)의 외주면까지의 반경은, 환상 이랑부(33)가 500㎜, 프랭크부(32)가 450㎜이다. 양자의 차가 햇 형상의 높이에 상당한다. 영역(33a)의 외주면의 폭은 50㎜이며, 원호 길이는 400㎜이다. 또한, 영역(33b)의 외주면의 폭은 80㎜이며, 원호 길이는 400㎜이다. 또한, 영역(33c 및 33d)는, 원호 길이가 300㎜이며, 15°의 경사각으로 폭 확대 또는 폭 감소되고 있다. 상부 롤(4)은 하부 롤(3)과 간극 2㎜를 개재하여 대향하고 있다.

계속해서, 다단식 롤 성형 장치(2)로 햇형 형강(1)을 제조하는 방법에 대해 설명한다. 우선, 각 롤 유닛(20a∼20k)의 상하 롤(4, 3)을 소정의 속도로 회전시킨 상태로 하고, 시트 재료 또는 띠판(M)이 도입 스테이션의 롤 유닛(20k)에 공급된다. 시트 재료 또는 띠판(M)은, 예를 들어 상류의 압연 공정으로부터 이송되어 오는 강판을 사용하거나, 코일 형상으로 권취된 띠판을 사용할 수 있다. 이때, 시트 재료 또는 띠판(M)은, 그 길이 방향이 상하 롤(4, 3)의 회전축 방향과 직교하도록 공급되고, 시트 재료 또는 띠판(M)의 길이 방향으로 롤 성형해 간다. 롤 유닛(20k)으로부터 송출된 시트 재료 또는 띠판(M)(중간체)은, 상하 롤(4, 3)의 회전 동작에 의해 다음 스테이션의 롤 유닛(20j)으로 반송된다. 그리고, 이 2단째의 롤 유닛(20j)에서 길이 방향을 따라 롤 성형이 이루어지고, 또한 다음 스테이션의 롤 유닛(20i)으로 반송된다.

또한, 시트 재료 또는 띠판(M)을 연속적으로 롤 성형하는 경우, 각 스테이션의 롤 유닛(20a∼20k)에서 백·텐션 및/또는 포워드·텐션을 인가하여 성형하도록 해도 된다. 또한, 냉간, 온간 또는 열간에서 롤 성형하도록 해도 된다.

도 5는 시트 재료 또는 띠판(M)이 10단의 롤 유닛(20a∼20k)에서 단계적으로 햇 굽힘되어 가는 모습을 도시하고 있다. 도 5a는 제1∼제5 스테이션에 있어서 롤 유닛(20k∼20f)에 의해 플랜지부(13)가 형성되는 모습을 도시하고 있다. 도 5b는 제6∼최종 스테이션에 있어서 롤 유닛(20e∼20a)에 의해 햇형 형강(1)의 상벽을 형성하는 모습을 도시하고 있다. 또한, 도 5a, 5b는 햇형 형강(1)의 부위(10a)의 단면도인데, 다른 부위(10b, 11, 12a, 12b)에 대해서도 10단의 롤 유닛(20a∼20k)에서 단계적으로 햇 굽힘되어 간다. 따라서, 제9 스테이션에 있어서 롤 성형이 이루어진 재료(중간체)는, 최종 제품에 가까운 형상으로 되어 있고, 10단째의 마무리 롤에 의해 최종 성형이 이루어진다.

마무리 롤이 최종 성형하는 모습을 도 6에 도시한다. 상류로부터 반송되어 오는 시트 재료 또는 띠판(M)(중간체)은, 우선 상하 롤의 영역(33a, 43a)의 시작점으로부터 후반 부분에 의해 폭 L1의 부위(10a)가 성형되고, 다음으로 영역(33c, 43c)에 의해 폭이 점증하는 부위(12a)가 형성되고, 또한 영역(33b, 43b)에 의해 폭 L2의 부위(11)가 성형된다. 다음으로 영역(33d, 43d)에 의해 폭이 점감하는 부위(12b)가 성형되고, 마지막으로 영역(33a, 43a)의 시작점으로부터 전반 부분에 의해 폭 L1의 부위(10b)가 성형된다. 이때의 영역(33a, 43a)의 후반 부분은, 다음 제품의 폭 L1의 부위(10a)를 성형하게 된다.

최종 성형이 완료되어 마무리 롤로부터 송출된 제품은, 종단부로 되는 위치[즉, 부위(10b)의 단부]에서 절단되고, 예를 들어 제품 검사 등의 다음 공정으로 반송된다. 절단하는 위치는, 예를 들어 시트 재료 또는 띠판(M)의 길이 방향으로 간격을 두고 형성한 마크(예를 들어, 소직경의 구멍, 돌기 등)를 센서로 검출함으로써 자동 판별할 수 있다. 마크는, 제품의 길이에 대응하는 간격으로 시트 재료 또는 띠판(M)에 미리 부여해 두어도 되고, 혹은, 롤 성형 중에 부여하도록 해도 된다. 롤 성형 중에 마크를 부여하는 방법으로서는, 전술한 롤의 시작점으로 되는 위치에 마크로 되는 돌기를 형성한 상하 롤(4, 3)을 사용하고, 햇 굽힘 가공과 함께 마크를 전사하는 것을 일례로서 들 수 있다. 마크 이외에도, 롤 몸통부의 표면에 소정의 요철 형상을 형성함으로써, 비드나 엠보스 등의 형상을 성형할 수도 있다. 도 7에 비드(14)와, 비드(14)를 형성하기 위해 롤 몸통부에 형성되는 돌기부(35)의 일례를 나타낸다. 도시는 생략하지만, 상부 롤(4)에는 재료의 두께분의 간극을 개재하여 돌기부(35)에 대응하는 오목부가 형성되어 있다. 비드 및 엠보싱의 형상, 위치 및 개수는 적절히 변경 가능하다.

본 실시 형태에 따르면, 환상 이랑부(33)를 갖는 하부 롤(3)과, 상기 환상 이랑부(33)와 대향하는 환상 도랑부를 갖는 상부 롤(4)을 사용하여 햇형 형강(1)을 제조하는 데 있어서, 환상 이랑부(33)와 환상 도랑부(42)의 형상을, 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 형상으로 함으로써, 상하 롤(4, 3)을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 길이 방향으로 단면 형상(즉, 햇 형상)이 변화하는 햇형 형강(1)을 제조하는 것이 가능해진다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따르는 롤 성형은, 종래와 같은 분할 롤의 롤 폭을 변화시키는 복잡한 제어 방법은 필요하지 않고, 이를 위한 신규의 제어 장치도 도입할 필요가 없다. 따라서, 예를 들어 기존의 롤 성형 장치의 롤을 본 실시 형태의 상하 롤(4, 3)로 교환함으로써, 본 실시 형태의 롤 성형 장치를 구현화하는 것도 가능하다.

또한, 도 2의 다단식 롤 성형 장치(2)는, 롤 유닛(20a∼20k)을 일직선 상에 배열하고 있지만, 롤 유닛(20a∼20k)을 상하 방향으로 만곡된 탠덤 배열로 하면, 길이 방향으로 만곡되는 햇형 형강도 제조 가능해진다.

또한 본 실시 형태에 따르면, 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 롤 몸통부로 함으로써, 롤 몸통부와 재료가 충분히 면 접촉한 상태에서 성형할 수 있으므로, 예를 들어 재료가 고장력 강재라도, 밀 강성이 부족한 것을 억제 가능하다. 따라서, 본 실시 형태의 롤 성형 방법 및 장치는, 인장 강도가 980㎫ 이상인 초고장력 강재도 적용 가능해진다.

(제2 실시 형태)

계속해서, 상술한 제1 실시 형태에서 나타낸 금형 롤의 변형예에 대해 설명한다.

본 실시 형태의 금형 롤에서는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)(사선의 부분)의 외경과, 상부 롤(4)의 프랭크부(43)(사선의 부분)의 외경은 동일하며, 또한, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 측벽에 후술하는 클리어런스가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 특징을 제외하면, 본 실시 형태의 상하 롤(4, 3)은, 제1 실시 형태의 상하 롤(4, 3)과 대략 동일하며, 마찬가지의 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 상세한 설명은 생략한다.

하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 측면에 형성한 클리어런스에 대해, 도 9를 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 9는 상하 롤(4, 3)의 중심 축선을 포함하는 평면에서 절단한 부분 종단도이다. 제1 실시 형태에서는, 둘레 방향의 전체 둘레에 있어서, 상하 롤(4, 3)의 대향하는 저면 및 측면의 간극은 일정하지만, 본 실시 형태에서는, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 측면은, 클리어런스량 x를 가지고 롤의 축 방향 내측에 설계상의 햇형 형강(1)의 내면으로부터 오프셋되어 있다. 이와 같이, 환상 이랑부(33)의 측면에 클리어런스를 형성함으로써, 환상 이랑부(33)의 측면과 환상 도랑부(42)의 측면 사이의 간극은, 환상 이랑부(33) 근본, 즉, 반경 방향 내측을 향할수록 넓어진다. 도면 중의 파선은, 클리어런스를 형성하지 않았을 때의 측면을 나타내고 있다. 최종 스테이션의 하부 롤(3)의 경우에는, 일례로서, 판재의 판 두께 1.0㎜의 재료를 가공하는 경우, 클리어런스량 x는 1.4㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 당해 클리어런스량의 결정 방법은, 이후에 기술한다.

도 10은 클리어런스의 유무에 있어서의 상하 롤(4, 3)간의 간극의 비교 결과를 나타내고 있다. 보다 상세하게는, 도 10은 상하 롤(4, 3)의 시작점(도 4 참조)을 0°로 하고, 상하 롤(4, 3)을 5°마다 회전시켰을 때의, 각 위상에 있어서의 측면간의 최소 거리(최소 간극)를 나타내고 있다. 도 10으로부터 명백해진 바와 같이, 클리어런스를 형성하지 않는 경우에는, 약 45°∼65°의 영역과 100°∼120°의 근처에서 간극이 크게 변화(감소 및 증가)하고 있는 것을 알 수 있다. 도 11a, 11b는 클리어런스를 형성하지 않는 경우의 롤의 간섭을 나타내는 수치 해석 결과이며, 해칭으로 나타내는 부분이 간섭하는 영역을 나타내고 있다. 이 간극이 변화하는 영역은, 상하 롤(4, 3)의 천이부(33c, 33d, 43c, 43d)의 부분에 해당된다.

한편, 클리어런스를 형성한 경우에는, 천이부(33c, 33d, 43c, 43d)에서 간극이 변화하고는 있지만, 그 변화량은 극히 작고, 0°∼180°의 전체를 통해 간극이 대략 일정하게 유지되어 있는 것을 알 수 있다. 형강의 판 두께나 형상에도 의존하지만, 제품 규격 등을 고려한 경우의 바람직한 최소 간극은 판재의 두께 이상이다. 본 실시 형태에 따르면, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 측면에 클리어런스를 형성함으로써, 최소 간극을 판 두께 이상을 확보하는 것이 가능해진다. 또한 비교로서, 도 10에는, 천이부(33c, 33d)에만 클리어런스를 형성하고, 다른 영역에는 클리어런스를 형성하지 않은 경우의 간극을 나타내고 있다. 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 천이부(33c, 33d)에만 클리어런스를 형성한 것만으로는 간극을 일정하게 유지할 수 없다. 또한, 천이부(33c, 33d)에만 클리어런스를 형성하는 가공은, 전체에 클리어런스를 형성하는 가공보다도 작업이 어렵다고 하는 단점이 있다.

둘레 방향에 있어서의 상하 롤(4, 3)간의 간극의 편차는, 결과적으로 제품의 판 두께의 편차로 되는 경우가 있다. 따라서, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 측면에 롤의 축 방향 내측으로 오프셋한 클리어런스를 형성함으로써, 둘레 방향에 있어서의 상하 롤(4, 3)간의 간극을 대략 일정하게 할 수 있었던 것은, 극히 유효한 효과이다. 또한, 환상 이랑부(33)에 클리어런스를 형성한 경우, 간극을 대략 일정하게 유지할 수 있는 것 이외에도, 하부 롤(3)의 측면에서 재료의 미끄러짐이 발생하는 것을 억제하여 주름 발생을 방지할 수 있다고 하는 효과를 발휘하고, 또한, 환상 이랑부(33)의 근본 영역에서 판 두께가 감소(판감)하는 것을 방지하여, 판 두께가 파단 기준을 하회하는 것을 방지 가능해진다. 이상의 내용으로부터, 제2 실시 형태에 있어서도 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있고, 또한 판 두께의 편차가 억제된 형강을 형성하는 것이 가능하다.

또한, 최종 스테이션의 롤 유닛(20a)뿐만 아니라, 상류에 배치되는 다른 롤 유닛(20b∼20k)의 일부 또는 전부에 대해서도, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 측면에 클리어런스를 형성하는 것이 바람직하다. 도 2에 도시한 다단식 롤 성형 장치(2)는, 제6 스테이션으로부터 최종 스테이션(제10 스테이션)까지 5개의 공정에서 햇형 형강(1)의 상벽의 굽힘 가공을 행하므로, 이들 각 스테이션의 하부 롤(3)에 클리어런스를 형성하는 것이 바람직하다.

단, 각 스테이션의 상하 롤(4, 3)은, 각각 롤 형상[특히, 환상 이랑부(33)의 구배]이 다르고, 따라서, 각각에 바람직한 클리어런스량이 있다. 본 발명자들은, 실제로 설계를 행하여 예의 검토한 결과, 바람직한 클리어런스량 x는, 형강의 측벽의 각도 θ 및 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 높이 H에 대해 x＝α×H×tanθ로 되는 상관 관계가 있는 것을 발견하였다. 여기서, 클리어런스량 x, 형강의 측벽 각도 θ, 환상 이랑부(33)의 높이 H는, 각각 도 13b에 나타내는 바와 같다. 도 11을 참조하면, 실제의 클리어런스량 x는, H×tanθ에 상수 α(α＜1)를 곱한 값인 것이 이해될 것이다.

도 13c는 각 스테이션에 있어서 굽힘 가공된 형강의 측벽 각도 θ에 대해, 다양한 클리어런스량(0.1㎜ 간격)을 설정한 경우의 상하 롤(4, 3)간의 최소 간극을 나타내고 있다. 그리고, 도 13c의 결과에 기초하여, 최소 간극이 판재의 두께 미만으로 되는 클리어런스량의 경우에는 성형 불가능이라고 판정하고, 최소 간극이 판재의 두께 이상으로 되는 클리어런스량 x의 최솟값을 확인하였다.

그리고, 클리어런스량 x, 측벽 각도 θ, 환상 이랑부(33)의 높이 H의 상관 관계를 검토한 결과, 도 13a에 나타내는 상관식:x＝0.0046×H×tanθ(단, θ＜85°)로 산출되는 값 이상으로 클리어런스를 형성함으로써, 최소 간극 1㎜ 이상을 확보할 수 있는 것을 확인하였다. 또한, 식 중의 0.0046은, 롤 형상에 의해 정해지는 상수 α이다. 즉, 상벽의 굽힘 가공을 행하는 각 스테이션의 하부 롤(3)에 대해 x＝0.0046×H×tanθ(단, θ＜85°)에 따르는 클리어런스량 x를 설정함으로써, 각 스테이션에 있어서 굽힘 가공된 형강의 판 두께의 편차를 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 바람직한 클리어런스량 x를 상기한 수학식으로부터 산출할 수 있으므로, 예를 들어 롤의 형상을 변경하고자 할 때에도, 바람직한 클리어런스량 x를 용이하게 도출할 수 있다. 이하, 그 일례에 대해 설명한다.

도 2의 다단식 롤 성형 장치(2)는, 전반의 공정에서 플랜지부를 가공하고, 후반의 공정에서 상벽을 굽힘 가공한다(도 5 참조). 이 경우, 예를 들어 목적으로 하는 형강의 형상을 바꿀 때에, 일부의 롤만을 교환하는 것만으로 충분하다고 하는 이점이 있는 반면, 후단의 5개의 공정에서 상벽의 굽힘 가공을 행하므로, 일 공정당 굽힘량이 크고, 경우에 따라서는 재료에 균열 등이 발생할 우려가 있다.

따라서, 다른 예로서, 도 14, 15에 도시하는 다단식 롤 성형 장치(2)는, 제1 스테이션으로부터 제10 스테이션(최종 스테이션)의 모든 스테이션에 있어서, 상벽을 단계적으로 굽힘 가공하는 구성으로 되어 있다. 이 경우, 예를 들어 목적으로 하는 형강의 형상을 바꿀 때에 전부의 롤을 교환해야 한다고 하는 단점이 있는 반면, 일 공정당 굽힘량을 작게 할 수 있으므로, 재료의 균열을 방지할 수 있는 이점이 있다.

이와 같이, 각 스테이션에 있어서의 롤 형상이 바뀐 경우에도, 도 16a∼도 16c에 나타내는 바와 같이, 수학식:x＝0.0046×H×tanθ(단, θ＜85°)에 따르는 클리어런스량 x를 설정함으로써, 1㎜ 이상의 최소 간극을 확보할 수 있는 것을 확인하고 있다.

또한, 상기 수학식에 있어서의 상수 α는, 도 13a∼도 13c 및 도 16a∼도 16c에 나타내는 다양한 데이터를 취득하고, 상관식을 구함으로써 정할 수 있다. 또한, 예를 들어 최종 스테이션의 상하 롤(4, 3)을 동시에 회전시켜, 당해 상하 롤(4, 3)간의 최소 간극을 검증하고, 당해 최소 간극이, 통판(通板)하는 판재의 두께(예를 들어, 1.0㎜)로 되도록 최종 스테이션의 상하 롤(4, 3)의 최적 클리어런스량 x를 결정하고, α(상수)＝x/(H×tanθ)로부터 산출할 수도 있다. 이들 일련의 작업은, 예를 들어 설계 CAD를 사용하여 행할 수 있다.

그리고 최종 스테이션의 롤 형상에 따르는 상수 α가 정해지면, 수학식:x＝α×H×tanθ를 사용하여, 최종 스테이션보다도 전공정의 롤의 최적 클리어런스량이 산출된다. 도 2의 예에서는, 제6 스테이션∼제9 스테이션까지의 롤을 대상으로 하고, 도 17c에서는 제1 스테이션∼제9 스테이션의 롤을 대상으로 한다. 즉, 최종 스테이션의 상하 롤(4, 3)을 사용하여 결정한 상수 α를, 다른 스테이션의 상하 롤의 최적 클리어런스량 x를 구하는 데 활용한다. 이에 의해, 다른 스테이션에 있어서도 최소 간극을 확보하는 것이 가능하고, 또한 복수 있는 다단 롤의 일련의 설계를 효율적으로 행하는 것이 가능해진다. 이 롤의 설계 방법은, 다양한 형상의 롤에 대해서도 적용하는 것이 가능하고, 물론, 후술하는 제3∼제9 실시 형태에 나타내어지는 롤의 형상에도 적용할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 도 17에 도시하는 바와 같이, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 외주면(37)과 측면(39) 사이의 코너부에는 R(아알)을 형성하여 원호 형상으로 만곡시키고, 상기 코너부로부터 측면(39)을 따라 길이 L의 직선 부분을 형성한 위치에 클리어런스의 개시점을 배치한다. 또한, 도 17에 있어서 직선(100)은 설계상의 햇형 형강(1)의 내면을 나타내고 있다. 이와 같이, 설계상의 햇형 형강(1)의 내면을 따라 클리어런스를 형성하고 있지 않은 직선 부분을 환상 이랑부(33)의 측면(39)에 형성함으로써, 워크는, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 외주면(37)과 상부 롤(4)의 환상 도랑부(42)의 저면 사이, 하부 롤(3)의 환상 이랑부(33)의 R(아알)을 형성한 코너부와, 상기 환상 이랑부(33)의 코너부에 대응한 상부 롤(4)의 환상 도랑부(42)의 내면의 R(아알)형의 코너부 사이, 및, 환상 이랑부(33)의 측면에 있어서 R(아알)을 형성한 코너부에 인접한 상기 직선 부분과, 상부 롤(4)의 환상 도랑부(42)의 내면에 있어서 상기 직선 부분에 대응한 직선 부분 사이에서 확실히 끼움 지지된 상태에서 굽힘 가공된다. 이에 의해, 햇형 형강(1)의 상벽에 발생할 수 있는 주름의 발생이 방지된다.

또한, 상술한 실시 형태에 따르는 상하 롤(4, 3)의 형상은, 도 1에 도시한 햇형 형강(1)을 제조하기 위한 일례이다. 목적으로 하는 제품의 형상은, 도 1에 도시한 햇형 형강(1)에 한정되지 않는 것은 물론이다. 예를 들어, 각 부위(10a∼12b)에서 측벽의 경사각이 다르도록 해도 되고, L1, L2와는 다른 폭의 부위를 더 구비하도록 해도 된다. 또한, 도 1의 햇형 형강(1)은, 좌우 방향 및 전후 방향에서 대칭 형상을 나타내고 있지만, 좌우 방향 및 전후 방향에서 비대칭의 형상으로 할 수도 있다.

또한, 제조하는 형강에 대해서도, 햇형 형강에 한정되는 일은 없다. 예를 들어, 환상 이랑부(33)의 단면 형상을 사각형으로 하여, 단면 형상이 ㄷ자형인 형강을 제조할 수도 있고, 환상 이랑부(33)의 정상부를 만곡시켜 단면 형상을 U자로 해도 된다. 또한, 환상 이랑부(33)의 단면 형상을 삼각형으로 하여, 단면 형상이 V자형인 형강을 제조할 수도 있다. 어느 경우나, 환상 이랑부(33)의 단면 형상을 둘레 방향에서 변화시킨 롤을 사용함으로써, 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 ㄷ자형 형강, U자형 형강 또는 V자형 형강을 성형한다. 또한, 예를 들어 햇형으로부터 U자형으로 변화하는 것과 같이, 길이 방향에서 다른 형태로 변화시키도록 해도 된다. 한정되는 것은 아니지만, 제조하는 형강의 변형예와, 그 형강을 성형하는 마무리 롤의 일례에 대해, 도 18a∼도 26b를 참조하면서 설명한다.

(제3 실시 형태)

도 18a는 폭 및 높이가 일정하며 단면이 횡방향으로 이동하는 햇형 형강(1)을 도시하고, 도 18b는 도 18a의 햇형 형강(1)을 최종 성형하는 상하 롤(4, 3)을 도시한다. 즉, 상술한 제1 실시 형태에서는, 재료축이 직선 형상으로 되어 있는 햇형 형강을 제조하고 있지만, 본 실시 형태에서는 재료축이 폭 방향으로 만곡된 햇형 형강(1)을 제조한다. 이 햇형 형강(1)은, 재료축이 직선 형상인 부위(15a)와, 재료축이 만곡되어 있는 부위(15b)를 갖고 있다. 이를 위한 금형 롤로서, 도 18b에 일례를 나타내는 바와 같이, 환상 이랑부와 환상 도랑부를 회전축 방향으로 치우치게 한 상하 롤(4, 3)을 사용한다. 상하 롤(4, 3)을 회전 구동하는 롤 유닛의 전체 구성은, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다.

본 실시 형태에 따르면, 상하 롤을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 길이 방향의 단면 형상이 폭 방향으로 만곡되는 햇형 형강을 제조할 수 있다. 또한, 롤 유닛(20a∼20k)을 상하 방향으로 만곡된 탠덤 배열로 하면, 길이 방향으로 만곡되는 햇형 형강도 제조 가능해진다.

(제4 실시 형태)

도 19a는 높이가 일정하며 단면 형상의 폭이 좌우 비대칭으로 변화하는 햇형 형강(1)을 도시하고, 도 19b는 도 19a에 도시하는 좌우 비대칭의 햇형 형강(1)을 최종 성형하는 상하 롤(4, 3)을 도시한다. 즉, 본 실시 형태에서는, 도 18b에 도시하는 상하 롤(4, 3)을 사용하여, 햇 형상의 한쪽의 측벽(10c)은 일정하지만, 다른 쪽의 측벽(10d)만이 폭 방향으로 변형되는 햇형 형강(1)이 제조된다. 상하 롤(4, 3)을 회전 구동하는 롤 유닛의 전체 구조는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다. 이 경우에도, 상하 롤(4, 3)을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 길이 방향의 단면 형상의 폭이 좌우 비대칭으로 변화하는 햇형 형강을 제조 가능해진다.

(제5 실시 형태)

도 20a는 높이가 일정하며 단면 형상의 폭이 복잡하게 변화하는 햇형 형강(1)을 도시하고, 도 20b는 도 20a에 도시하는 햇형 형강(1)을 위한 최종 스테이션의 상하 롤을 도시하고 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 도 20b에 도시하는 상하 롤(4, 3)을 사용하여, L1, L2와는 다른 폭의 부위를 더 구비하는 햇형 형강(1)이 제조된다. 보다 상세하게는, 본 실시 형태의 햇형 형강(1)은, 직선 형상의 부위(16a, 16b)와, 폭이 각각 다른 부위(16c∼16f)를 갖는다. 상하 롤(4, 3)을 회전 구동하는 롤 유닛의 전체 구조는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다. 이 경우에도, 상하 롤(4, 3)을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 길이 방향의 단면 형상의 폭이 복잡하게 변화하는 햇형 형강을 제조할 수 있다.

(제6 실시 형태)

본 실시 형태에서는, 단면이 U자 형상을 이루는 형강이 제조된다. 도 21a는 높이가 일정하며 단면 형상의 폭이 변화하는 U자형 형강(6)을 도시하고 있고, 도 21b는 도 21a에 도시하는 U자형 형강(1)을 위한 최종 스테이션의 상하 롤(4, 3)을 도시하고 있다. 본 실시 형태의 U자형 형강(6)은, 높이가 일정하며 폭이 확대되는 부위(61a)와, 높이가 일정하며 폭이 감소되는 부위(61b)를 갖는다. 이를 위한 금형 롤로서, 하부 롤(3)의 환상 이랑부는, 단면이 역U자 형상으로 되어 있고, 둘레 방향에 있어서 0°∼180°의 범위까지 폭이 확대되어 가고, 180°∼360°의 범위에서 폭이 축소되어 가는 형상으로 되어 있다. 하부 롤(3)과 대향하는 상부 롤(4)의 환상 도랑부도, 둘레 방향에 있어서 폭이 확대 및 축소되어 가는 U자 형상으로 되어 있다. 상하 롤(4, 3)을 회전 구동하는 롤 유닛의 전체 구조는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다. 이 경우에도, 상하 롤(4, 3)을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 길이 방향의 단면 형상의 폭이 변화하는 U자형 형강(6)을 제조할 수 있다.

(제7 실시 형태)

도 22a, 22b의 U자형 형강(6)은 플랜지부(63)를 구비하고 있는 점을 제외하고, 도 21a, 21b의 U자형 형강(6)과 대략 동일하다. 이 경우에도, 상하 롤(4, 3)을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 길이 방향의 단면 형상의 폭이 변화하는 U자형 형강(6)을 제조할 수 있다.

(제8 실시 형태)

본 실시 형태도, 단면이 U자 형상을 이루는 형강을 제조한다. 단, 상술한 제5 실시 형태가 높이 일정한 것에 반해, 본 실시 형태에서는, 도 23a에 도시하는 바와 같이, 폭이 일정하며 높이가 변화하는 U자형 형강(6)이 제조된다. 보다 상세하게는, 본 실시 형태의 U자형 형강(6)은, 폭이 일정하며 높아져 가는 부위(61c)와, 폭이 일정하며 낮아져 가는 부위(61d)를 갖는다. 도 23b는 도 23a에 도시하는 U자형 형강(6)을 위한 최종 스테이션의 상하 롤(4, 3)을 도시한다. 하부 롤(3)의 환상 이랑부는, 단면의 외형이 역U자 형상으로 되어 있고, 둘레 방향에 있어서 0°∼180°의 범위까지 외경이 확대되어 가고, 180°∼360°의 범위에서 외경이 축소되어 가는 형상으로 되어 있다. 하부 롤(3)과 대향하는 상부 롤(4)의 오목 형상의 부분도, 둘레 방향에 있어서 높이가 변화하는 U자 형상으로 되어 있다. 상하 롤(4, 3)을 회전 구동하는 롤 유닛의 전체 구조는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다. 이 경우에도, 상하 롤(4, 3)을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 길이 방향의 단면 형상의 높이가 변화하는 U자형 형강(6)을 제조할 수 있다.

(제9 실시 형태)

도 24a, 24b의 U자형 형강(6)은 플랜지부(63)를 구비하고 있는 점을 제외하고, 도 22a, 22b의 U자형 형강(6)과 대략 동일하다. 이 경우에도, 상하 롤(4, 3)을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 길이 방향의 단면 형상의 폭이 변화하는 U자형 형강(6)을 제조할 수 있다.

(제10 실시 형태)

본 실시 형태는, 단면이 V자 형상을 이루는 형강을 제조한다. 도 25a는 단면 형상의 폭이 일정하며 높이가 변화하는 V자형 형강(7)을 도시하고, 도 25b는 도 25a에 도시하는 V자형 형강(7)을 위한 최종 스테이션의 상하 롤(4, 3)을 도시한다. 보다 상세하게는, 본 실시 형태의 V자형 형강(7)은, 폭이 일정하며 높아져 가는 부위(71a)와, 폭이 일정하며 낮아져 가는 부위(71b)를 갖는다. 하부 롤(3)의 환상 이랑부는, 단면의 외형이 삼각 형상(V자 형상)으로 되어 있고, 둘레 방향에 있어서 0°∼180°의 범위까지 외경이 확대되어 가고, 180°∼360°의 범위에서 외경이 축소되어 가는 형상으로 되어 있다. 하부 롤(3)과 대향하는 상부 롤(4)의 오목 형상의 부분도, 둘레 방향에 있어서 높이가 변화하는 삼각 형상(V자 형상)으로 되어 있다. 상하 롤(4, 3)을 회전 구동하는 롤 유닛의 전체 구조는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다. 이 경우에도, 상하 롤(4, 3)을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 길이 방향의 단면 형상의 높이가 변화하는 V자형 형강(7)을 제조할 수 있다.

(제11 실시 형태)

도 26a는 단면 형상의 폭과 높이의 양쪽이 변화하는 햇형 형강(1)을 도시하고, 도 26b는 도 26a에 도시하는 형상의 햇형 형강(1)을 위한 최종 스테이션의 상하 롤(4, 3)을 도시한다. 보다 상세하게는, 본 실시 형태의 햇형 형강(1)은, 단면 형상의 폭이 L1이며 높이가 h1인 부위(17a)와, 단면 형상의 폭이 L2이며 높이가 h2인 부위(17b)와, 폭이 L1로부터 L2 및 높이가 h1로부터 h2로 각각 변화하는 부위(17c)를 갖는다. 그로 인해, 상하 롤(4, 3)의 환상 이랑부 및 환상 도랑부를, 둘레 방향으로 단면 형상의 높이와 폭의 양쪽이 변화하는 형상(L1→L2→L1, h1→h2→h1)으로 하고 있다. 상하 롤(4, 3)을 회전 구동하는 롤 유닛의 전체 구조는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다. 이 경우에도, 상하 롤(4, 3)을 동기 회전시키는 간단한 제어에 의해, 단면 형상의 폭과 높이의 양쪽이 변화하는 햇형 형강(1)을 제조할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시 형태에 의거하여 상세하게 설명하였지만, 형식이나 세부에 대한 다양한 치환, 변형, 변경 등이, 특허청구범위의 기재에 의해 규정되는 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈하는 일 없이 행해지는 것이 가능한 것은, 당해 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 사람에게는 명백하다. 따라서, 본 발명의 범위는, 전술한 실시 형태 및 첨부 도면에 한정되는 것이 아니라, 특허청구범위의 기재 및 이것과 균등한 것에 기초하여 정해져야 한다.

1 : 햇형 형강
2 : 다단식 롤 성형 장치
3 : 하부 롤
32 : 프랭크부
33 : 환상 이랑부
4 : 상부 롤
42 : 환상 도랑부
43 : 프랭크부

Claims (11)

1. 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강을 시트 재료로부터 롤 성형에 의해 제조하는 방법이며,
   회전축과, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 이랑부를 갖는 제1 금형 롤을 준비하는 단계와,
   상기 제1 금형 롤의 회전축이 시트 재료의 이송 방향에 대해 수직으로 되도록 상기 제1 금형 롤을 배치하는 단계와,
   회전축과, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 도랑부를 갖는 제2 금형 롤을 준비하는 단계와,
   상기 제1 금형 롤과 제2 금형 롤 사이에 상기 시트 재료의 판 두께와 동등한 간극이 생기고, 또한, 상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부와 상기 제2 금형 롤의 환상 도랑부가 끼워 맞추어지도록, 상기 제2 금형 롤을 배치하는 단계와,
   상기 제1 금형 롤과 상기 제2 금형 롤을 동기 회전시키는 단계와,
   상기 제1 금형 롤과 제2 금형 롤 사이에 시트 재료를 급송하는 단계를 포함하고,
   상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부의 측면에, 둘레 방향의 전체 둘레에 걸쳐, 제2 금형 롤의 환상 도랑부의 측면에 대한 간극이 반경 방향 내측으로 넓어지도록 클리어런스가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 형강의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 금형 롤의 상기 환상 이랑부 및 상기 제2 금형 롤의 환상 도랑부의 각각의 상기 회전축 방향으로 측정한 폭 치수가 둘레 방향으로 변화하는, 형강의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 금형 롤의 상기 환상 이랑부 및 상기 제2 금형 롤의 환상 도랑부의 각각의 상기 회전축에 대해 수직 방향으로 측정한 높이 치수가 둘레 방향으로 변화하는, 형강의 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 형강은, 제1 금형 롤의 환상 이랑부에 의해 내주면이 압하되고, 제2 금형 롤의 환상 도랑부에 의해 외주면이 압하되는 햇형 형강인, 형강의 제조 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 금형 롤의 볼록 형상의 부분은, 그 둘레 방향에 있어서, 제1 롤 폭의 영역, 제2 롤 폭의 영역, 상기 제1 롤 폭으로부터 제2 롤 폭으로 폭 확대 또는 폭 감소되는 테이퍼 형상의 영역을 포함하고 있는, 형강의 제조 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 금형 롤은, 그 둘레 방향에 있어서, 환상 이랑부가 회전축 방향으로 치우쳐 있고, 재료축이 폭 방향으로 만곡되는 형강을 제조하도록 한, 형강의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 금형 롤의 측면의 클리어런스량 x는, 환상 이랑부의 높이를 H, 형강의 측벽 각도를 θ(θ＜85°)로 하였을 때에, 수학식:x＝α×H×tanθ(α:롤 형상에 의해 정해지는 상수)로 산출되는 값 이상으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 형강의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 각각이 제1 금형 롤과 제2 금형 롤을 구비한 복수의 롤 유닛을 시트 재료의 이송 방향으로 직렬로 배열하고, 이들 복수의 롤 유닛에 의해 측벽 각도 θ(단, θ＜85°)가 단계적으로 커지도록 재료를 굽힘 가공하는 데 있어서,
   일부 또는 전부의 롤 유닛의 제1 금형 롤의 측면의 클리어런스량 x가, 상기 수학식:x＝α×H×tanθ로 산출되는 값 이상으로 되어 있는, 형강의 제조 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부의 외경과, 상기 제2 금형 롤의 오목 형상의 저면의 부분의 외경이 동일한, 형강의 제조 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재료는, 초고장력 강재인 것을 특징으로 하는, 형강의 제조 방법.
11. 시트 재료로부터 길이 방향으로 단면 형상이 변화하는 형강을 제조하기 위한 롤 성형용의 롤 성형 장치에 있어서,
    회전축과, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 이랑부를 갖는 제1 금형 롤이며, 상기 제1 금형 롤의 상기 회전축이 시트 재료의 이송 방향에 대해 수직으로 되도록 배치된 제1 금형 롤과,
    회전축과, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 단면 형상이 변화하는 환상 도랑부를 갖는 제2 금형 롤이며, 상기 제2 금형 롤의 상기 회전축이 상기 제1 금형 롤의 상기 회전축과 평행해지도록 배치된 제2 금형 롤과,
    상기 제1 금형 롤과 상기 제2 금형 롤을 동기시켜 회전 구동하는 구동 장치를 구비하고,
    상기 제1 금형 롤과 제2 금형 롤은, 양자간에 상기 시트 재료의 판 두께와 동등한 간극이 생기고, 또한, 상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부와 상기 제2 금형 롤의 환상 도랑부가 끼워 맞추어지도록 상대적으로 배치되어 있고,
    상기 제1 금형 롤의 환상 이랑부의 측면에, 둘레 방향의 전체 둘레에 걸쳐, 제2 금형 롤의 환상 도랑부의 측면에 대한 간극이 반경 방향 내측으로 넓어지도록 클리어런스가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 롤 성형 장치.
    

Images