(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の長手方向の狭幅領域を加熱し、その加熱領域に塑性変形を生じさせると共に、その加熱領域を金属材料の長手方向に移動させることで金属材料に連続的に塑性変形を生じさせ、同時にその塑性変形を生じた領域の下流側に冷却媒体を吹き付けて冷却、固化する連続熱間加工方法において、前記加熱領域の後端の冷却媒体吹き付け位置若しくはその上流で、金属材料の表面に生じている粗鬆なスケールを、工具を用いた機械的な方法で除去することを特徴とする連続熱間加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載の連続熱間加工方法に用いるスケール除去装置であって、へら工具を、金属材料の表面に当接し、金属材料の長手方向とは略直角な方向に摺動させて、金属材料表面の粗鬆なスケールを除去するように構成したスケール除去装置。
【請求項３】
請求項１に記載の連続熱間加工方法に用いるスケール除去装置であって、金属材料の表面に沿って且つ長手方向とは直角方向に移動可能な移動台と、該移動台を往復動させる駆動装置と、前記金属材料の表面に弾性的に押し付けられるように前記移動台に保持されたへら工具とを有するスケール除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管等の長尺の金属材料に対して連続的に熱間曲げ加工や熱間増肉加工を行う方法並びにその方法に用いるスケール除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、鋼管等の長尺の金属材料を曲げ加工する方法として、金属材料に曲げモーメントを作用させた状態でその金属材料の長手方向の狭幅領域を加熱し、その加熱領域に曲げの塑性変形を生じさせると共にその加熱領域を金属材料の長手方向に移動させることで金属材料に連続的に曲げの塑性変形を生じさせ、同時にその塑性変形を生じた領域の下流側に冷却水を吹き付けて冷却、固化する連続熱間曲げ加工方法が知られている。また、鋼管等の長尺の金属材料の長手方向の所望領域を増肉加工する方法として、金属材料に長手方向の圧縮力を作用させた状態でその金属材料の長手方向の狭幅領域を加熱し、その加熱領域に増肉の塑性変形を生じさせると共にその加熱領域を金属材料の長手方向に移動させて金属材料に連続的に増肉の塑性変形を生じさせ、同時にその塑性変形を生じた領域の下流側に冷却水を吹き付けて冷却、固化する連続熱間増肉加工方法も知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した従来の連続熱間曲げ加工方法及び連続熱間増肉加工方法（以下、連続熱間加工方法と総称する）では、塑性変形を大きくした場合などに、加工中に好ましくない変形が生じ、製品の外観を悪くするという問題があった。例えば、曲げ加工の場合には、曲げ内側で、じゃばらと呼ばれる不安定な増肉が生じることがあった。また、増肉加工の場合には、加熱され増肉変形を生じている部分が長手方向の軸線に対して直角方向に不安定に変位し、このため金属材料の増肉部分に好ましくない曲がりを生じたり、また曲げの場合と同様のじゃばらを生じたりすることがあった。
【０００４】
本発明はかかる問題点を解決せんとするもので、金属材料に対して好ましくない変形を生じることなく熱間曲げ加工或いは熱間増肉加工等を行うことを可能とする金属材料の連続熱間加工方法を提供することを目的とする。
また、本発明はその連続熱間加工方法の実施に用いるためのスケール除去装置を提供することも目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記した従来の問題点の原因を検討した結果、これが、金属材料表面に生じるスケールに起因した冷却むらによって生じていることを見出した。すなわち、金属材料の熱間加工の際には、高温に（例えば赤熱状態）に加熱された材料の塑性変形に伴ってその表面に、粗い突起状、うろこ状等の粗鬆なスケールがむら状に生じており、その上に冷却水を吹き付けて冷却すると、冷却水が不均一に飛び散って塑性変形中の加熱領域に冷却スポットを生じるとか、スケールと金属材料の表面との間に形成されている微小な空隙によって冷却効果が悪くなり、その部分の冷却固化、即ち塑性変形の停止が遅れ、塑性変形が不均一に進行してじゃばらや好ましくない曲がりを生じていた。
【０００６】
本発明はかかる知見に基づいてなされたもので、金属材料の熱間加工時において、加熱され、塑性変形を生じている領域の、冷却水等の冷却媒体を吹き付ける位置若しくはその上流で、金属材料の表面に生じている粗鬆なスケールを、工具を用いた機械的な方法で除去することを特徴とする。このように粗鬆なスケールを除去した後の表面に冷却媒体を吹き付けることにより、均一な冷却が可能となり、曲げや増肉の塑性変形が安定し、じゃばらや曲がりという好ましくない変形を生じることなく所望の熱間加工を行うことができる。
【０００７】
本発明はまた、このスケール除去を行う装置として、へら工具を、金属材料の表面に当接し、金属材料に対する熱間加工の進行方向と略直角な方向に摺動させる構成のものを用いたものである。塑性変形した金属材料の表面に生じる粗鬆なスケールは、細い突起状或いは一部が材料表面から浮き上がったような形態で付着しているため、へら工具で機械的に擦る、払う乃至は掃くという簡単な動作を行うことにより除去可能であり、本発明装置により除去できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、金属材料の長手方向の狭幅領域を加熱し、その加熱領域に塑性変形を生じさせると共に、その加熱領域を金属材料の長手方向に移動させることで金属材料に連続的に塑性変形を生じさせ、同時にその加熱領域の後端に冷却媒体を吹き付けて冷却、固化する連続熱間加工方法において、前記加熱領域の後端の冷却媒体吹き付け位置若しくはその上流で、金属材料の表面に生じている粗鬆なスケールを、工具を用いた機械的な方法で除去することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の対象とする金属材料は、主として、丸形鋼管、角型鋼管等の鋼製管材であるが、その他の金属材料の管材でもよい。また、Ｈ型材、Ｉ型材、Ｌ型材、棒材、板材等の管材以外のものでもよく、その場合、材質は通常は鋼材であるが、その他の金属材料に適用されてもよい。熱間加工の種類としては、曲げ加工、増肉加工を挙げることができる。冷却媒体には、通常は冷却水が使用されるが、もちろん、冷却油等の水以外の冷却媒体を用いてもよい。
【００１０】
スケールを除去する位置は、冷却媒体吹き付け位置若しくはその上流であるが、好ましくは、冷却媒体吹き付け位置に隣接する直ぐ上流の位置である。本発明で除去するスケールは、塑性変形に伴って発生する粗鬆なスケールであるので、あまり上流に設定すると、スケール除去後の部分が冷却媒体吹き付け位置に達するまでに再び粗鬆なスケールが生じる恐れがある。また、通常、塑性変形は、正常に進行している場合には、冷却媒体吹き付け位置より少し上流で終了するため、その位置よりも下流では表面位置が安定しており、スケール除去がし易い。一方、冷却媒体吹き付け位置でスケール除去を行う構成とすると、場所によってはスケール除去前のタイミングで冷却媒体の吹き付けが行われることとなり、その部分の冷却むら、あるいはその部分からの冷却媒体の飛散による加熱領域内の温度むらが生じる場合がある。このため、スケール除去位置は、上記したように、冷却媒体吹き付け位置の直ぐ上流の位置が好ましい。
【００１１】
本発明で除去するスケールは、上記したように粗鬆なスケールである。一般に鋼材等の金属材料を加熱して塑性変形させた際に生じるスケールとしては、表面に薄い皮膜状（一様な膜状）に密着したものと、粗い突起状、うろこ状等に付着した粗鬆なものがあるが、前者の皮膜状のスケールはさほど冷却むらを生じない。従って、本発明では後者の粗鬆なスケールのみを除去すればよい。この場合、粗鬆なスケールを完全に除去する必要はなく、その大部分を除去すればよく、粗鬆なスケールの除去の具体的な程度としては、例えば、表面粗さが０．５〜２ｍｍ程度の粗鬆なスケールがある場合において、表面粗さを０．２ｍｍ程度以下とすればよい。
【００１２】
本発明の方法において粗鬆なスケールを除去するには、粗鬆なスケールを除去しうる、工具を用いた機械的な方法を使用する。その機械的な方法としては、例えば、ブラシやサンドペーパ等で擦る方法、グラインダーで削る方法、細長い棒、板等によってへら状に作ったへら工具で擦り落とす方法等を挙げることができる。なかでも、へら工具を用いる方法は、装置が簡単となるので好ましい。
【００１３】
本発明は、また、粗鬆なスケールの除去に使用するのに好適なスケール除去装置を提供するものであり、そのスケール除去装置は、へら工具を、金属材料の表面に当接し、金属材料の長手方向とは略直角な方向に摺動させて、金属材料表面の粗鬆なスケールを除去するように構成している。このようにへら工具を、金属材料の長手方向とは略直角な方向に摺動させることにより、金属材料の長手方向の一部領域の外周を効率良くへら工具で払って粗鬆なスケールを除去することができ、且つそのへら工具は細いので冷却媒体の吹き付けにほとんど干渉しないという効果が得られる。
【００１４】
ここで、へら工具を金属材料に対して摺動させる機構は、任意であり、例えば、金属材料の表面に沿って且つ長手方向とは直角方向に移動可能な移動台と、該移動台を往復動させる駆動装置とを設け、前記へら工具を、金属材料の表面に弾性的に押し付けられるようにその移動台に保持させる構成とすることができる。この構成とすると、へら工具を金属材料の表面に押し付けた状態で往復動させることができ、へら工具の両面を有効に利用してスケール除去を行うことができる。なお、この場合において、金属材料が角筒状の場合には、４面に対応してそれぞれへら工具及びそれを保持した支持台を設けることが好ましい。
【００１５】
また、へら工具の柄を長くしておき、その柄の先端を中心に旋回させることにより、へら工具の金属材料に当接する部分を大きい円弧状に移動させ、熱間加工の進行方向と略直角な方向に摺動する構成とすることもできる。
【００１６】
前記へら工具は、棒材、線材或いは板材によって作り、材質としては、耐熱性の点で金属、セラミックス、あるいは金属母材にセラミックスやサーメットを被覆した複合材が適するが、加熱手段として誘導加熱法を採用した場合には非磁性材によるのが良い。これは、磁性材であると誘導加熱コイルによる引力が作用して支障を来たす場合があるからである。ＳＵＳ３０４のような非磁性のステンレスは、耐熱性にも優れており、鋼材を汚染することもないので好適な材料である。
【００１７】
【実施例】
以下、図面に示す本発明の好適な実施例を説明する。図１は本発明を角形鋼管の増肉加工に適用した実施例を示す概略断面図である。図１において、１は増肉加工すべき金属材料であり、本実施例では角形鋼管が用いられている。この金属材料１には、図示しない加圧機構によって長手方向の圧縮力Ｐが付与されるようになっている。２は、その金属材料を取り囲むように配置された誘導加熱コイルであり、その内側に位置する金属材料１の長手方向の狭幅領域を加熱することができる。この誘導加熱コイル２は移動装置（図示せず）に連結されており、増肉加工時には金属材料１に沿って矢印Ａ方向に移動し、金属材料１の加熱領域１ａを金属材料１の長手方向に移動させるようになっている。４は誘導加熱コイル２と一緒に移動するように設けられ、金属材料１の加熱領域１ａの下流側に冷却水等の冷却媒体５を吹き付ける冷却装置である。
【００１８】
そして、この装置による増肉加工は次のように行われる。すなわち、金属材料１に長手方向の圧縮力Ｐを作用させた状態で、誘導加熱コイル２が金属材料１の長手方向の狭幅領域を、塑性変形を容易に行いうる状態に、例えば赤熱状態に加熱し、その加熱領域１ａに塑性変形による増肉を生じさせると共に、誘導加熱コイル２を金属材料１の長手方向に連続的に移動させることによってその加熱領域１ａを金属材料の長手方向に連続的に移動させ、それによって金属材料１に連続的に塑性変形を生じさせ、同時にその塑性変形を生じた領域の下流側に冷却装置４が冷却媒体５を吹き付けて冷却、固化してゆく。これによって、金属材料１の長手方向の所望領域に連続的に増肉を生じさせてゆくことができる。ここで、増肉加工中における加熱領域１ａの長さＬ（誘導加熱コイル２が加熱する領域の先端７から冷却媒体５の吹き付け位置８までの距離）は、増肉率によっても異なるが、通常、金属材料１の増肉前の厚さｔの２〜５倍程度に選定している。このように選定しておくと、増肉が比較的ゆっくりと進行するためか、安定した増肉変形が可能である。また、この時、図面に誇張して示すように、所定量の増肉変形は加熱領域１ａの後端即ち冷却媒体５の吹き付け位置８よりも少し上流で完了しており、冷却媒体５は平坦となった領域に吹き付けられるため、冷却効果も安定する利点が得られる。
【００１９】
ところで、従来の技術の欄で説明したように、赤熱状態で増肉のための塑性変形を行うと、その表面に粗鬆なスケールが生じており、それが冷却媒体の吹き付けによる冷却を不均一にし、加熱領域１ａに温度むらを生じさせており、このため、増肉加工を生じている加熱領域１ａを全体的に金属材料１の中心軸線から直角方向に変位させて曲がりを生じるとか、局部的に不安定な増肉を生じてじゃばら状の変形を生じさせることがあった。本実施例ではこれを防止するため、誘導加熱コイル２の下流に、スケール除去装置１０を設けている。以下、このスケール除去装置１０を詳細に説明する。
【００２０】
図２は図１のＢ−Ｂ矢視概略断面図である。図１、図２において、１１は金属材料１を通過させる大きい開口を備えたベース板であり、増肉加工のための所定位置にセットされた金属材料１の長手方向に対して直角となるように配置され、且つ誘導加熱コイル２と一緒に移動するように設けられている。１２は、その金属材料１の一つの平面に平行になるようにベース板１１に取り付けられたガイドロッド、１３はそのガイドロッド１２に移動可能に保持された移動台、１４はガイドロッド１２に平行に設けられ、移動台１３を往復動させるロッドレスシリンダ、１６はそれぞれ、金属材料１の他の三つの平面に平行になるようにベース板１１に取り付けられたスライドベッド、１７は各スライドベッド１６に移動可能に保持された移動台、１８は、全ての移動台１３、１７を直列に連結するチェーン、１９は金属材料１の四つの角部の外方に配置されたチェーンスプロケットであり、チェーン１８を保持している。かくして、ロッドレスシリンダ１４で一つの移動台１３を往復動させると、他の三つの移動台１７も一緒に往復動することとなり、各移動台１３、１７は、金属材料１の表面に沿って且つ長手方向とは直角方向に往復動する。従って、これらのロッドレスシリンダ１４、チェーン１８、チェーンスプロケット１９等は移動台１３、１７を往復動させる駆動装置を構成する。
【００２１】
各移動台１３、１７には、図３、図４（移動台１７についてのものであるが、移動台１３についても同様な構造である）に拡大して示すように、ばね付ヒンジ２３を介してへら取付具２４が回動可能に連結されており、そのへら取付具２４には３本のへら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃが取り付けられている。なお、へら工具の使用個数は３本に限るものでなく、スケール除去の難易度に応じて適宜変更可能である。ばね付ヒンジ２３に設けられているばね（図示せず）は、へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃに対して図１及び図４で矢印Ｆ方向の回転力を作用させるように配置されており、これにより、通常は、へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃを金属材料１の表面に弾性的に押し付けるように作用する。
【００２２】
へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃは、金属材料１の表面を拭って粗鬆なスケールを除去可能なものであればその形状は任意であり、本実施例では、金属材料表面の一定幅を効率良く拭うことができるように、先端に直線部２６を備えている。この直線部２６の長さとしては、１〜５ｍｍ程度が好ましく、更には２〜３ｍｍ程度が一層好ましい。また、へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃは、断面が丸や四角の棒材又は線材、或いは細長い板材を折り曲げて容易に製造でき、本実施例では、へら工具２５ａ、２５ｃに線径が約３ｍｍの線材を用い、へら工具２５ｂに幅４ｍｍ、厚さ２ｍｍの板材を用いている。へら工具の材料としては、当然、熱的な損傷を受けにくい材質のものが選定されており、誘導加熱法による加熱が行われている場合には、オーステナイトステンレス、セラミックスのような非磁性材料によることが望ましい。
【００２３】
へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃの金属材料１に対する接触位置は、金属材料１に対する冷却媒体５の吹き付け位置８の直ぐ上流の位置で、増肉変形をほぼ終わった領域とする。
【００２４】
図２において、金属材料１の各平面に平行に往復動する移動台１３、１７の移動ストロークの一端には、へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃを金属材料１の表面から離す方向に作用するカム３０が設けられている。このカム３０は図５に拡大して示すように、ベース板１１に取り付けられたカム取付具３１に高さ方向の位置を調整可能に取り付けられており、且つベース板１１に面する側にカム面３０ａを備えている。そして、各移動台１３、１７（図２参照）が対応するカム３０に接近して来ると、図６に示すように、ばね付ヒンジ２３先端の先端側がカム面３０ａに係合して回動させられ、これにより、保持しているへら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃが金属材料１の表面から離され、金属材料１の出し入れに干渉しない位置となる。
【００２５】
次に上記構成のスケール除去装置１０の動作を説明する。このスケール除去装置１０は、金属材料１に対する増肉加工中連続して運転され、ロッドレスシリンダ１４は連続的に往復動を繰り返す。これにより、各移動台１３、１７が金属材料１の各平面に沿って連続的に往復動し、へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃが金属材料１の表面に弾性的に押し付けられた状態で、各平面の全幅を連続的に往復動し、粗鬆なスケールをかき落とす。かくして、金属材料１の冷却媒体５を吹き付けられる表面では、粗鬆なスケールが除去された状態となっているので、吹き付けられた冷却媒体５が不均一に飛び散るとか、スケールと金属材料の表面との間に微小な空隙があって冷却効果が悪くするということがなく、均一な冷却が行われる。これにより、加熱領域の温度分布が均一に保持され、増肉変形が安定して生じ、良好な増肉加工を行うことができる。
【００２６】
ここで、へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃが金属材料１の平面のみのスケール除去を行っており、角部でのスケール除去を行っていないが、角部は小さいのでさほど問題とはならない。もし、必要なら、角部のスケール除去を行う適当な装置を設けてもよい。また、へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃは金属材料１に吹き付けられる冷却媒体５を横切って移動しているが、へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃはきわめて細いため、それによる悪影響はほとんどない。
【００２７】
へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃによるスケール除去に当たっての、へら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃの移動速度としては、金属材料１の平面のほぼ全領域を拭うことができるように選定することが好ましい。例えば、へら工具の直線部２６の長さを２ｍｍ、増肉加工速度（誘導加熱コイル２の金属材料１に対する移動速度）を１．６ｍｍ／ｓ、金属材料１の１辺の長さを３００ｍｍとすると、金属材料１の平面の全領域を確実に拭うためには、へら工具の移動速度を２４０ｍｍ／ｓ（＝３００ｍｍ×１．６／２．０）とすることが必要となる。実際には、へら工具で拭わない領域が多少あっても良い場合もあるし、また、少し重複して拭うことが望ましい場合もあるので、上記例の場合はへら工具の移動速度は２００〜３００ｍｍ／ｓ程度に設定することが好ましい。
【００２８】
金属材料１の増肉加工を終了した時には、ロッドレスシリンダ１４は移動台１３、１７をカム３０のところに移動させ、その位置で停止する。このため、各移動台１３、１７が保持しているへら工具２５ａ、２５ｂ、２５ｃはカム３０により金属材料１の表面から離れた位置に保持される。この状態で増肉加工済の金属材料１が抜き出され、また、新たな金属材料１が挿入され、次の増肉加工に備える。
【００２９】
以上に本発明を角形鋼管の増肉加工に適用した実施例を説明したが、本発明は角形鋼管以外の金属材料、例えば丸形鋼管の増肉加工に適用することも可能である。また、増肉加工に限らず曲げ加工に適用することも可能である。曲げ加工に適用する場合、不安定な塑性変形を主として曲げ内側に生じるので、スケール除去は、主として曲げ内側について行うのみでもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明方法は、金属材料の熱間加工時において、加熱され、塑性変形を生じている領域の、冷却水等の冷却媒体を吹き付ける位置若しくはその上流で、金属材料の表面に生じている粗鬆なスケールを除去する構成としたことにより、粗鬆なスケールによる冷却むらを無くして金属材料の均一な冷却が可能となり、曲げや増肉の塑性変形が安定し、じゃばらや曲がりという好ましくない変形を生じることなく所望の熱間加工を行うことができ、高品質の製品を得ることができるという効果を有している。
【００３１】
また、本発明のスケール除去装置は、へら工具を、金属材料の表面に当接し、金属材料の長手方向とは略直角な方向に摺動させる構成としたことにより、単純な構造のへら工具を用いて、金属材料表面の粗鬆なスケールを除去することができ、これを熱間加工装置に組み合わせることにより、安定した熱間加工を行うことができるという効果を有している。また、本発明のスケール除去装置は構造が簡単であり、熱間加工装置に対して容易に取り付けることができるという効果も有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を角形鋼管の増肉加工に適用した実施例を示す概略断面図
【図２】図１のＢ−Ｂ矢視概略断面図
【図３】図２に示す装置において、移動台１７にへら工具を取り付けている部分を拡大して示す概略平面図
【図４】図３に示す部分の概略側面図
【図５】図２のＣ−Ｃ矢視概略断面図
【図６】図５において、移動台に保持されたばね付ヒンジ２３及びへら工具等がカム３０の位置に移動して来た状態を矢印Ｄ−Ｄ方向に見た概略断面図
【符号の説明】
１  金属材料
１ａ  加熱領域
２  誘導加熱コイル
４  冷却装置
５  冷却媒体
１０  スケール除去装置
１１  ベース板
１３  移動台
１４  ロッドレスシリンダ
１６  スライドベッド
１７  移動台
２３  ばね付ヒンジ
２４  へら取付具
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ  へら工具
２６  直線部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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