(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非駆動の前段４方ロールタークスヘッドと動力駆動の後段４方ロールタークスヘッドとを組み合わせた成形ユニットがタンデムに配列され、前記動力駆動の４方ロールタークスヘッドの成形ロールは、縦横のいずれかの強加工側の一対のロールの２軸が駆動され、該成形ロールの少なくも駆動側ロールの径は、被成形材の厚さの７０倍以上の径を有する大径ロールであることを特徴とする異形線材の成形装置。
【請求項２】
前記成形ユニット又は複数の成形ユニット列の後方に仕上げ列の非駆動の４方ロールタークスヘッドがタンデムに配列されたことを特徴とする請求項１に記載の異形線材の成形装置。
【請求項３】
前記成形ユニットの前段非駆動タークスヘッドと後段動力駆動タークスヘッドとの間の被成形材にかかる張力を３００Ｎ以下にし、前記複数の成形ユニットの間及び成形ユニットと仕上げタークスヘッドとの間の被成形材にかかる張力を５０〜２００Ｎに制御して成形することを特徴とする請求項２に記載の異形線材の成形装置。
【請求項４】
前記複数の成形ユニットの間及び成形ユニットと仕上げタークスヘッドとの間に被成形材の張力を制御する張力制御手段が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の異形線材の成形装置。
【請求項５】
疑似Ｈ形異形線材の成形装置において、ウエブの圧下率を、非駆動タークスヘッドのロール孔型において１０〜５０％、動力駆動タークスヘッドのロール孔型において２０〜６０％としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の異形線材の成形装置。
【請求項６】
前記異形線材は、ピストンリング材であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の異形線材の成形装置。
【請求項７】
非駆動の前段４方ロールタークスヘッドと動力駆動の後段４方ロールタークスヘッドとを組み合わせた成形ユニットがタンデムに配列され、前記動力駆動の４方ロールタークスヘッドの成形ロールは、縦横のいずれかの強加工側の一対のロールの２軸が駆動され、該成形ロールの少なくも駆動側ロールの径が被成形材の厚さの７０倍以上の径を有する大径ロールである成形機により成形することを特徴とする異形線材の成形方法。
【請求項８】
前記成形ユニット又は複数の成形ユニット列の後方に仕上げ列の非駆動の４方ロールタークスヘッドがタンデムに配列された成形機により成形することを特徴とする請求項７に記載の異形線材の成形方法。
【請求項９】
前記成形ユニットの前段非駆動タークスヘッドと後段動力駆動タークスヘッドとの間の被成形材にかかる張力を３００Ｎ以下にし、前記複数の成形ユニットの間及び成形ユニットと仕上げタークスヘッドとの間の被成形材にかかる張力を５０〜２００Ｎに制御して成形することを特徴とする請求項８に記載の異形線材の成形方法。
【請求項１０】
前記仕上げ列のタークスヘッドの減面率を１０％以下にすることを特徴とする請求項８に記載の異形線材の成形方法。
【請求項１１】
疑似Ｈ形異形線材の成形において、ウエブの圧下率を、非駆動タークスヘッドのロール孔型において１０〜５０％、動力駆動タークスヘッドのロール孔型において２０〜６０％としたことを特徴とする請求項７に記載のピストンリング異形線材の成形方法。
【請求項１２】
前記異形線材は、ピストンリング材であることを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載の異形線材の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン用ピストンリングなどに用いられる異形線材、とくにオイルリングに用いられる疑似Ｈ形異形線材の成形に適する成形方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの高回転、高出力の方向により、高負荷のピストンリングは従来の鋳鉄製から鋼製に変わり、高合金ステンレスなどの特殊鋼が用いられるようになっている。とくにオイルリングは一例を図７に示すような疑似Ｈ形断面などの複雑な異形断面を有するものが使用され、しかも厳しい寸法精度が要求される。
【０００３】
現在、このような異形断面のピストンリング材の成形は、丸線を矩形線に成形した後、多くは図９に示すような４方ロール７、７´を有する非駆動の４方ロールタークスヘッド４を複数タンデムに配列して引抜き成形されている。そして、これを３〜５回の多回数繰り返して所定の断面形状に成形仕上げされている。この場合にステンレスなどの特殊鋼のピストンリング材では、成形加工の途中に数回の歪取り焼なましが必要である。とくに高合金鋼の異形断面材の場合には、引抜き成形回数と中間焼なまし工程が多くなるので工数が増しコストが上昇するという問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、コスト低減のために、１回当たりの減面率を高めて引抜き成形回数を減し、中間焼なまし回数を少なくしたいという要請がある。しかしながら、前記非駆動タークスヘッドの成形では、通常キャプスタンなどの引抜き力によって線材を引抜いて成形するので、タークスヘッドの減面率を高めると大きな引抜き力を要する。これにより、線材に掛かる張力が大きくなって線材が延伸するため、図３に一例を示すようなウエブ８とフランジ９を有する疑似Ｈ型の断面形状の異形線材を成形する場合には、線材が長さ方向に伸びるだけでフランジ部９がロール孔型に十分に充填されない。このために、上記従来のタークスヘッドにより異形線材を成形する場合、充填率を上げるためには線材に掛かる張力を減すように減面率を減じなければならず、成形回数を減すことができなかった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点を解決して、充填率を向上して成形回数と中間焼なまし回数を減し、少ない成形機で高能率で高精度の異形線材を成形する成形方法および装置を提供することを目的とする。とくに本発明は複雑な断面形状の高合金鋼の異形ピストンリング材の成形に適するものであるが、ピストンリング材に限らず広く異形線材の成形に適用できる。
【０００６】
なお、ここでいう異形線材とは、単純な角、矩形、円、楕円などの断面形状を除き、Ｈ，Ｉ，Ｌ，Ｍ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｘ形状などの複雑な断面形状の線材をいい、その一例として前記図７に示すような疑似Ｈ形断面のピストンリング材などがある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
成形加工の回数を減すためには、成形における１回の減面率を上げる必要があるが、前述のように現在行われているタークスヘッドのロールは、駆動装置がなく非駆動で、線材がキャプスタンに引っ張られてロールが回転して成形される引抜き成形であるために、引抜き成形時に線材に大きな引張り力が働き、線材が長手方向に延伸してロール孔型の断面に充填し難い。また、減面率を大きくすると、この張力による長手方向の延伸によって、材料の加工限界を超えて表面クラックが発生し、さらには破断まで至ることがある。
【０００８】
したがって、いたずらにタークスヘッドのスタンド数を増やすだけでは、張力の増加を招き線材の破断の危険性が高まる。そこで従来は、前述した図３に示すような異形線材の成形には、引抜き回数を３〜５回に分けて成形しなければならず、引抜きの中間に歪取り焼なましすることが必要であった。さらに従来の非駆動のタークスヘッドの成形では、フランジ部の充填率が低いために素材の寸法を大きくしなければならず、全体の加工率が上がって中間歪取り焼なまし回数が増加した。
【０００９】
そこで発明者らは、孔型の充填率を上げて成形回数を減すことを目標として実験を重ね、その結果以下のことを見出だした。
▲１▼  タークスヘッドを駆動ロール方式にすることにより、線材に張力を掛けないで成形することができ、疑似Ｈ形異形材のフランジ部の充填率が向上して成形回数を減ずることができる。
▲２▼  タークスヘッドのロールの径を大きくするとことにより、フランジ部の充填率が向上する。
▲３▼  一方、非駆動タークスヘッドの方が寸法精度が得やすい場合がある。
▲４▼  その他付随的に、小ロット多品種生産のための段取り性の良いこと、ロールの孔型自由度が高く、剛性の確保が容易であることを考慮する必要がある。
【００１０】
そこで、上記知見に基づいて目的を達成するために、本発明の異形線材の成形方法と装置は、非駆動の前段４方ロールタークスヘッドと動力駆動の後段４方ロールタークスヘッドとを組み合わせた成形ユニットが１ユニット又はタンデムに複数ユニット配列されたことを特徴とするものである。
【００１１】
すなわち、成形ユニットを前段の非駆動タークスヘッドと後段の動力駆動タークスヘッドを組み合わせたユニットとし、前段の非駆動タークスヘッドに要する引抜き力を後段の動力駆動のタークスヘッドにより与えて、寸法精度の良い非駆動タークスヘッドと成形材に張力を掛けないで成形する動力駆動のタークスヘッドの特性を組み合わせた成形ユニットとしたものである。言い換えれば、前段の非駆動タークスヘッドにより寸法精度を維持しながら、後段の動力駆動のタークスヘッドにより孔型の充填率を上げて１回の成形の減面率を増加し、成形回数を減少するものである。
【００１２】
本発明はこのような成形ユニットの１又は複数をタンデムに配列して、前記形状のピストンリングも１〜２回の成形によって成形するものである。これによって、従来３〜５回に別けて成形し、その中間に歪取り焼なまししていた工程を、１〜２回で成形し中間の歪取り焼なましを省略もしくは削減することにより、大幅な能率向上とコスト低減ができる。
【００１３】
なお、ここでいう成形ユニットは、非駆動の前段タークスヘッドと動力駆動の後段タークスヘッドが一体に構成されたもののみを意味するのでなく、両者が別個でも機能的に組み合わされたものをいう。また、後段駆動タークスヘッド１スタンドに対し前段非駆動タークスヘッドが１スタンドの場合のみでなく、複数の前段非駆動タークスヘッドを組み合わせて構成される場合も含むものである。
【００１４】
前記動力駆動の４方ロールタークスヘッドの成形ロールは、縦横いずれかの強加工側の一対のロールの２軸が駆動されることが望ましい。ここで強加工側のロールとは、前述の疑似Ｈ型断面の成形の場合、側面の平面側でなくフランジ孔型が設けられる大きな成形加工を行う側のロールをいう。これにより前記充填率を向上するとともに、段取りなど取り扱いが容易で簡易な構造で目的を達成することができる。
【００１５】
前記成形ユニットの少なくも動力駆動タークスヘッドの成形ロールは、被成形材の厚さの７０倍以上の径を有する大径ロールであることが望ましい。前述したように、発明者らは実験結果からロール径が大きい方が孔型充填率が高いことを見出だした。従来の非駆動タークスヘッドはロール径が大きくなると大きな引抜き力を要するので、被成形材の厚さの５０倍程度の径のロールが使用されていた。本発明は、これを被成形材厚さの７０倍以上の大径ロールにして駆動ロールにすることにより、孔型充填率を上げたものである。また、孔型充填率の向上の上で、強加工側の成形ロールの径のみを大きくしてもよい。
【００１６】
なお、非駆動タークスヘッドの成形ロールも、ロール径が大きい方が孔型充填率の向上には望ましいが、設備費とのバランスを考慮する必要がある。
【００１７】
また、前記成形ユニット又は複数の成形ユニット列の後方に仕上げ列の非駆動の４方ロールタークスヘッドがタンデムに配列されることが望ましい。また、この仕上げ列のタークスヘッドの減面率は１０％以下、さらには３％以下にすることが望ましい。こうすれば、成形ユニットにより高い減面率で成形された線材の寸法精度を仕上げ列のタークスヘッドにより向上することができる。この仕上げ列のタークスヘッドは１または複数で構成される。
【００１８】
また、前記成形ユニットの前段非駆動タークスヘッドと後段動力駆動タークスヘッドとの間の被成形材にかかる張力を３００Ｎ以下にし、前記複数の成形ユニットの間及び前記成形ユニットと仕上げタークスヘッドとの間の被成形材にかかる張力を５０〜２００Ｎに制御して成形することが望ましい。
【００１９】
前述したように成形材に与えられる張力が大きいとロール充填率が低下し、素材寸法を大きくしなければならなくなるので張力を制御する必要がある。本発明の成形ユニットは、後段動力駆動タークスヘッドにより被成形材に引抜き力を与えるものであり、動力駆動タークスヘッドによる引抜き力を大きくし過ぎるとロールにスリップが生ずる。そこで、前段非駆動タークスヘッドと後段動力駆動タークスヘッドとの間の被成形材にかかる張力は３００Ｎ以下にすることが望ましい。この張力は孔型設計と後段動力駆動タークスヘッドの回転数制御により行うことができる。
【００２０】
一方、成形ユニットの間及び成形ユニットと仕上げタークスヘッドとの間の張力は０にすることもできるが、成形材の直伸度を上げて成形するために、張力を５０〜２００Ｎにすることが望ましい。
【００２１】
上記の複数の成形ユニットの間及び成形ユニットと仕上げタークスヘッドとの間に被成形材の張力を制御する張力制御手段が設けられることが、簡易に所定張力を確保するために望ましい。
【００２２】
また、疑似Ｈ形異形線材の成形において、ウエブの圧下率を、非駆動タークスヘッドのロール孔型において１０〜５０％、動力駆動タークスヘッドのロール孔型において２０〜６０％とすることが望ましい。ここで疑似Ｈ型とは例えば図３に一例を示すようなウエブ８とフランジ９を有する断面形状をいう。またウエブの圧下率とは、圧延前のウエブ寸法Ｔ1 、圧延後のウエブ寸法Ｔ2 として、圧下率％＝（（Ｔ1 −Ｔ2 ）／Ｔ1 ）×１００をいう。非駆動タークスヘッドの圧下率を１０％以下にすると成形回数が増し、５０％以上にすると材料張力が大きすぎて引張り力を与える動力駆動タークスヘッドのロールに滑りが生ずる。また、動力駆動タークスヘッドの圧下率を２０％以下にすると、疑似Ｈ形のフランジ部の孔型充填が十分に行われない。圧下率を６０％以上にすると、ロール強度が不足してロール破損のおそれが生ずる。
【００２３】
上記本発明の異形線材の製造方法及び装置は、広く複雑な断面形状の異形線材の成形に適用できるが、とくに異形ピストンリング材の成形に適する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
［成形実験］
まず、異形線材の成形装置の設計に当たり、図９に示す非駆動タークスヘッドと図２に示すロール配列の動力駆動タークスヘッドを用いて、以下の条件で成形実験を行った。動力駆動タークスヘッドは図２の上下ロールを駆動した。
【００２５】
素材材質：０．８５Ｃ−１７Ｃｒ鋼
実験成形工程：実験成形の工程を図４に示す。
１．図４（Ａ）の厚さ／幅：Ｈ0 ／Ｗ0 ＝２．３０／３．２０ｍｍの矩形断面の線材を用い、
２．図９の非駆動タークスヘッドにより、図４（Ｂ）のフランジ高さＨ1 ／ウエブ寸法Ｔ1 ／幅Ｗ1 ＝２．３０／１．５０／３．１０ｍｍの粗成形寸法に粗成形した。
３．図４（Ｂ）の粗成形素線を使用し、下記のようにタークスヘッドのロール径及びウエブ圧下率を変えて、非駆動及び動力駆動タークスヘッドにより図４（Ｃ）に示す断面形状に仕上げ成形した。
【００２６】
0004457336.tif 000002
【００２７】
その実験結果を図５に表示し、図６に図５の結果をまとめて図示した。ここで、圧下率とは圧延前のウエブ寸法Ｔ1 、圧延後のウエブ寸法Ｔ2 として、圧下率％＝（（Ｔ1 −Ｔ2 ）／Ｔ1 ）×１００をいい、充填率とは圧延前のフランジ高さＨ1 、圧延後のフランジ高さＨ2 、充填率＝（Ｈ2 ／Ｈ1 ）をいうものとする。
【００２８】
成形実験による図５、６の結果から以下のことが判った。
▲１▼  φ２５０動力駆動タークスは、φ１２５及びφ２５０非駆動タークスに比して充填率が高い。
▲２▼  φ１２５及びφ２５０非駆動タークスでは、成形後のフランジ高さが素材の厚さよりやや減少して素材を超えることはないが、φ２５０動力駆動タークスでは素材の厚さより成形後のフランジ高さが高くなる、すなわち充填率を大きくすることができる。
▲３▼  φ１２５及びφ２５０非駆動タークスのいずれも、圧下率が上がるほど線材に掛かる張力が大きくなるので充填率が下がるが、φ２５０動力駆動タークスでは圧下率が上がるほど充填率が高くなる。
▲４▼  非駆動タークスではφ１２５の小径ロールよりφ２５０の大径ロールが充填率が高い。
【００２９】
上記の実験結果に基づき本発明の異形線材の成形装置を設計した。以下、図示の実施形態について具体的に説明する。図１は本発明の異形線材の成形装置の全体を示す概念図である。
【００３０】
図において、左から、巻出機１１、成形ユニット１５、仕上げタークスヘッド２１、キャプスタン２３、巻取機２４が配列されている。巻出機１１と成形ユニット１５との間、及び成形ユニット１５と非駆動仕上げタークスヘッド２１との間に、それぞれダンサロール２５が配置されて線材の張力制御の制御手段を構成し、その位置によってロール間の被成形材の張力を所定値になるように制御している。
【００３１】
成形ユニット１５は、１スタンドの非駆動の前段タークスヘッド１６と動力駆動の後段タークスヘッド１７から構成されている。
【００３２】
非駆動の前段タークスヘッド１６は、縦ロール７、横ロール７´を有する４方ロールタークスヘッドで、ロール径が（素材フランジ高さＨ×５０）ｍｍφのロールを使用した。動力駆動の後段タークスヘッド１７は、縦ロール１８、横ロール１９を有する４方ロールタークスヘッドで、ロール径が（素材フランジ高さＨ×１００）ｍｍφのロールを使用し、縦上下ロール１９のみがモータ駆動される。
【００３３】
仕上げタークスヘッド２１は、前段タークスヘッド１６と同じ非駆動４方ロールタークスヘッドでキャプスタン２３により引抜き力が与えられて引抜き成形される。この仕上げタークスヘッド列により高寸法精度の異形線材が得られる。
【００３４】
本実施形態では、前段タークスヘッド１６を後段タークスヘッド１６に対して１：１スタンドとしたが、前段タークスヘッド１６を２スタンド以上にすることができる。また本実施形態では、１ラインの成形ユニット１５を１ユニットとしたが、２以上の複数のユニットをタンデムに配列することもできる。その場合は各ユニット間にダンサロール２５を配置してユニット間の線材の張力を制御する。また本実施形態では、仕上げタークスヘッド２１を１スタンドとしたが、２以上の複数にすることもできる。
【００３５】
［実施例］
上記構成の異形線材の成形装置を用いて、鋼種０．６５Ｃ−１３Ｃｒの素材から図８に示す断面形状の異形ピストンリング材の量産成形を行った。前段非駆動タークスヘッド１６と後段動力駆動タークスヘッド１７の間の被成形材の張力は約２００Ｎにし、成形ユニット１５と仕上げタークスヘッド２１の間の張力は１００Ｎに制御して成形した。
【００３６】
その結果、２回の成形で中間焼なましなしに、フランジ寸法Ｈ、幅Ｗともに±１０μｍの高精度の成品が得られた。
【００３７】
従来の装置では、本実施例の形状の異形ピストンリング材を製造する場合、タンデムに配列した３スタンドの非駆動タークスヘッドを用いて引抜き成形した。そして、３回に分けて繰り返して引抜きし、その間に２回の中間焼なましを行っていた。これを本発明では、図１に示す計３スタンドで２回成形で成形し、中間焼なましを省略できた。
【００３８】
以上説明したように、本発明の異形線材の製造方法および装置は、４方ロールの非駆動タークスヘッドと動力駆動のタークスヘッドを前後段に組み合わせた成形ユニットにより成形するので、寸法精度の良い非駆動タークスヘッドと成形材に張力を掛けないで充填率の高い成形ができる動力駆動のタークスヘッドの特性が組み合される。
【００３９】
これによって、従来は３〜５回に別けて成形し、２〜３回の中間歪取り焼なまししを行なっていた複雑な断面形状の異形線材が、１〜２回の成形で中間の歪取り焼なましを１回又は焼なましなしで成形できる。
【００４０】
また、動力駆動のタークスヘッドの成形ロールは、２軸のみ駆動であるので、構造が簡易で、ロール替えなどの段取りが容易である。
【００４１】
また、動力駆動タークスヘッドの成形ロールは、被成形材の厚さの７０倍以上の径の大径ロールであるので、孔型充填率が高く成形回数が低減できた。
【００４２】
また、前段非駆動タークスヘッドと後段動力駆動タークスヘッドとの間の被成形材の張力を３００Ｎ以下に、成形ユニット間の張力を５０〜２００Ｎに制御して成形されるので、動力駆動タークスヘッドのロールのスリップがなく、直伸度が高い成品を得ることができる。
【００４３】
また、成形ブロック列の後方に仕上げ列の非駆動の４方ロールタークスヘッドがタンデムに配列されているので、成形ユニットにより高い減面率で成形し、仕上げ列のタークスヘッドで寸法精度を向上させる。
【００４４】
また、疑似Ｈ形異形線材の成形の場合は、ウエブの圧下率を非駆動タークスヘッドのロール孔型で１０〜５０％に、動力駆動タークスヘッドで２０〜６０％にすることにより充填率が向上する。
【００４５】
以上により、例えば従来は３、３、３の計９スタンドロールで３回に分けて成形を行い、途中に２回の中間焼なましを行っていた製造工程が、３スタンドで２回成形、中間焼なましなしの成形することができた。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の異形線材の成形方法および装置によれば、高い精度の異形線材が、中間焼なましなしで１〜２回の成形でできるので、大幅なコスト低減と生産能力の向上を図ることができる。本発明の異形線材の成形方法および装置は、ピストンリング材の成形に適するが、その他用途の異形線材の成形にも広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の異形線材の成形装置の全体の構成を示す図である。
【図２】  本発明の成形実験のタークスヘッドのロール配列を示す図である。
【図３】  本発明の成形実験の仕上げ成形の形状を示す図である。
【図４】  本発明の成形実験の成形工程を示す図である。
【図５】  本発明の成形実験の実験結果の数値を示す表である。
【図６】  本発明の成形実験の実験結果をまとめた図である。
【図７】  オイルリングの形状の一例を示す図である。
【図８】  本発明の異形線材の成形装置により量産成形した成品の断面形状を示す図である。
【図９】  非駆動タークスヘッドを示す斜視図である。
【符号の説明】
１  ピストンリング、２  コイルエキスパンダ、４  非駆動タークスヘッド、７、７´  ロール、８  ウエブ、９  フランジ、１１  巻出機、１５  成形ユニット、１６  前段非駆動タークスヘッド、１７  後段動力駆動タークスヘッド、１８  駆動縦ロール、１９ 非駆動横ロール、２１  仕上げ列非駆動タークスヘッド、２３  キャプスタン、２４  巻取機、２５  ダンサロール
【図１】
0004457336.tif 000003
【図２】
0004457336.tif 000004
【図３】
0004457336.tif 000005
【図４】
0004457336.tif 000006
【図５】
0004457336.tif 000007
【図６】
0004457336.tif 000008
【図７】
0004457336.tif 000009
【図８】
0004457336.tif 000010
【図９】
0004457336.tif 000011