1. せん断に必要な力(直刃)

板厚t、板のせん断抵抗sの被せん断材をαのシャー角で連続的に切るときの切断に要する加圧力(定常せん断力)Psは  板厚と刃物が接触する下の三角形の面積で表されます。

Ps=k×t×t×cot[α°]×s (kg) 

図の三角形の部分の面積に、せん断抵抗sと、 板厚に関する係数kを乗じたものがtの板を切断するために必要な力ということです。
せん断力(プレス便覧より引用)

この「せん断抵抗s」の値は、プレス便覧等にも掲載されていますが、鉄鋼ではおおむね引っ張り強さの0.8倍程度のものが多く、例えば、40kg/?の 引っ張り強さの鋼板のせん断抵抗は32kg/?程度と見積もることができます。

引っ張り強さは「抗張力(こうちょうりょく)」ともよばれ、「硬さ」との相関があって、硬さ換算表には、 その値も掲載されています。

シャー角をつけた上下刃で鋼板をせん断する場合の加圧力(せん断力)は、上図のように、一定の定数kを乗じたものです。
このkは 「板厚に関係する定数」で、少し詳しい値は「プレス便覧」などに紹介されていますが、 板厚3mmで0.6、10mmでは0.4、20mmでは0.3程度と、 切断する板厚が大きくなるとkは小さくなっていきます。すなわち、板厚が厚くなるにつれて、せん断中の「破断」が生じやすくなって、板厚から想定するよりも小さな力でせん断できるということです。

これは、刃物が被切断材に食い込む際に、ある程度食い込んだところで割れ目が生じて破断しますが、その食い込み跡が、 切断面の模式図でいう「せん断面」で、 kの値は板厚が厚くなるに従って値が小さくなっていますが、これは、厚さの割合でみると、厚板のほうが破断しやすくなっていて、 板厚が5倍になっても切断力は5倍以下だというようにイメージすればいいでしょう。

直刃の場合の加圧力の大きさは、油圧シャーの場合には、 ストローク位置(切断位置) がどこであっても最大加圧力が変わりませんので、 圧力計などを利用すれば比較的簡単に実測できます。しかし、クランクプレスシャーの場合には、加圧力がストローク位置によって変動しますし、 加圧スピードも大きな要素になりますので、加圧力とクランク位置などのせん断機の特性には注意が必要です。(せん断機の仕様書にはこれらの関係が示されています)

このほかにも、せん断力は、他の要素によって変わりますので、例えば、定数kやせん断抵抗については、個々の値はあえて紹介せず、考え方のみを示していますの必要な場合は、プレス便覧などの書籍をご覧ください。


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2. 丸刃のせん断力計算について 

丸刃の場合には、下図のように、板厚と刃物とで囲まれた部分の面積で概算されるようです。しかし、刃物の重なり(ラップ量)によっては、 下図の式が適用できないなどの指摘があるので、それを加味した計算式などがありますが、実際に計算するとなると、いろいろな要素が加わり、直刃とは違って、 せん断力の算出は容易でありません。
多くのシャー設計者(メーカー)は、経験的にせん断機に必要な電動機パワーなどを把握しており、そのトルクなどから必要なせん断力などのパワーを設計されているようですが、設計者ではないので、おおよその値をつかむ方法としては、下記の内容でもいいと思いますので、簡単に、以下を紹介します。

丸刃のせん断力(例)

せん断力Fv=網かけ部の面積Axせん断抵抗k
=1/2{t(√[ 4Rt-t^2])-R^2(πω°/90-sin2ω)}xk
(プレス便覧より引用)

ここでは、ラップ(刃物の上下の重なり)の制限などの問題もありますが、せん断力は、刃物径、板厚、せん断抵抗で計算できます。つまり、図で、 丸刃が食い込んでいる部分の面積にせん断抵抗を乗じることでせん断力が算出できることが示されています。

丸刃せん断では、当初はパワーの余裕をもってライン設計されていても「切断条数を増やした」「切断板厚が増した」 「被切断材の種類が変わった」という場合には、 設計通りにうまく切れない場合もあります。また、刃物の厚さなどや外形寸法の問題で、切断時に刃物が逃げてしまったり、刃物セットの仕方によってもパワー不足が露呈することがあります。

せん断力に問題があれば、焼き付きや刃欠け、異常摩耗などによって刃物の寿命が短くなったり、設定した通りの寸法にうまく切ることができない・・・ などのトラブルが発生することもあります。その要素を絞っていって、トラブルのないせん断装置を作り上げるのは、 単純な計算ではうまくいかず、やはりそれを設計するには、経験の知識が蓄積されていなければいけません。


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3. せん断刃物の設計

直刃の刃物寸法について設計する場合を考えてみます。基本的に検討する要素としては、
1)刃物寸法
2)材質・硬さ
3)寸法公差・幾何公差
などがあります。
刃物の寸法は、せん断機(シャー)の諸元が基本になります。

せん断機は「プレス機械」ですので、剛性や精度がJISなどに定められています。 しかし一時期、刃物断面寸法を小さくすることがはやった時期がありました。刃物価格も安くなるし、軽くなって、取り扱いもやりやすくなります。しかし、 「躯体が貧弱で、切断精度が出ない」とか、「クリアランス調整に苦労する」・・・という話もしばしば聞かれました。

今日では、機械メーカーの乱立もなく、 経験豊富なシャーメーカーが多いようですので、そのような問題もないでしょうが、過去のせん断機の設計者の中には、「刃物は剛体で完全体である」ことを基準に考えて、 「刃物がしっかり作られておれば、設計通りにせん断できる」「刃物の寸法精度が確かであれば、良好なせん断面が得られる」と、 刃物に過剰精度を要求する例も多々ありました。

せん断力が刃物に加われば、刃物自体も弾性変形しますし、シャーフレーム全体の弾性変形量も、 刃物に要求される(たとえば真直度などの)精度を簡単に超えてしまいます。

肝心のJISでも、動的精度の規格化が困難であるという理由から、 いまだにそれが規定されていないのですが、これらもあって、機械設計では、経験的なところは、昔と変わらないでしょう。
ここでは、標準的な一例としてそれらを見ていきましょう。


1)刃物寸法
刃物の断面寸法を考える場合には、おおむね、プレス便覧の寸法を基準にするといいでしょう。

刃物断面寸法(例)

この刃物断面形状では平面に溝がありますが、近年は、溝があれば、切った板がそこにはまり込んで、板にキズをつけたり、板が跳ね上がったりすることを嫌って、溝のないものが主流に なっています。しかし、溝があることで、研磨時間が短縮されるとともに、 厚さの研磨精度を上げることができるなどの利点があります。


2)刃物材質・硬さ
刃物用鋼のじん性・耐摩耗性イメージ比較

この図には、よく知られているJISの基本鋼種SKD61・SKD11・SKH51を例にして、相対的な位置づけを示しています。

これらは「基本鋼種」と呼ばれるもので、多くの刃物メーカーでは、 これらの鋼種以外の中間的な各社独自の鋼種を保有して、様々な鋼種を使用をします。
ここでは、耐摩耗性とじん性の説明のために、簡略化して表示しています。

鉄鋼製の刃物においては、じん性と耐摩耗性は相反する性質ですので、本質的には、図のような右下がりの傾向になります。

耐摩耗性は、マクロ的には「刃物の硬さ」と関係があり、ミクロ的には、組織を構成する炭化物量と炭化物組成によるのが基本です。また、じん性(例えばシャルピー値などの衝撃じん性)は、硬さと組織に関係します。ただ残念なことに、耐摩耗性と靭性に影響する硬さは相反するもので、耐摩耗性を上げるために硬さを上げると、じん性値は低下する・・・という関係にな炉ます。
極端な言い方をすれば、「いずれにも優れるオールマイティーの刃物はない」といえます。

そのほかに、耐摩耗性に影響するものに、熱の影響があります。

せん断時に刃先は鋼材との摩擦熱で発熱しますし、図のように、鋼板が破断する際に高い温度に発熱します。大半の熱は熱伝導によって飛散しますが、それが刃物に蓄積すると、刃先の硬さが低下して摩耗が起きやすくなります。

一般的には、SKD61などの熱間工具鋼に使われるような系統の材質では、摩擦熱に対する耐熱強度や耐衝撃じん性に優れています。しかしその反面で、耐摩耗性が相対的に低いために、それが不足する場合には硬さを若干高めにするなどで対応する場合もありますが、なお、 硬さや耐摩耗性に不足があれば、炭素量の高くて耐摩耗性の高いSKD11系統などの冷間工具鋼の系統の材料で対応しなければなりません。

しかし、いろいろな状況に対処するために、刃物メーカーでは、JISにある鋼種以外に、上図のC・D・Eなどの特殊な鋼種を保有しています。

これらは、特殊溶解をして特性を向上させたものもありますが、基本的にはすべてに優れた鋼種はないので、極端に鋼材自体の特性が優れているというものではなく、成分が異なる鋼種を用いて条件が優れた状態に熱処理をしてその特性を出す・・・ということでそのような特性を出しています。

もちろん、独自鋼種には、 鋼中の合金量(C・Cr・Moなど)の含有量を調整して強度や耐摩耗性を調整したり、特殊な製鋼法(真空溶解やESRなど)によって強靭性を高める工夫をするなどの特徴を持たせた鋼種もありますが、目的とする対象(仕様)に合わせて硬さの調節や熱処理を工夫することで優れた性能を付加しているといっていいでしょう。

刃物の耐摩耗性は「硬さ」と深い関係があります。
刃物で主に考える摩耗形態は「凝着摩耗」で、一般的には、硬さが高いほうが耐摩耗性が高いといえます。 少し専門的ですが、マトリックス中の合金量や炭化物の種類や量などの成分が関係します。

炭化物の多いほど、また、炭化物の硬さが高いほど耐摩耗性が高いものになりますが、 それにつれてじん性が低下しますので、単純には成分だけで優劣を決めるのは難しい点があります。

この耐摩耗性の評価は摩耗試験によって行いますが、これについても、 相手材の種類や摩擦速度などの試験条件によって、全く違った結果になる場合も少なくなく、一つの摩耗試験によって一意に最適材質を決めることが難しいことも多く、 統一した摩耗試験方法も決めにくい状況です。

当社では、主に、大越式迅速摩耗試験機で試験し、その結果を、SKD11・SKD61などの基本鋼種と比較をすることで、 上表の位置関係つかんで評価することが多いようです。

このように、鉄鋼材料である限りは、耐摩耗性が高くなるにつれて、じん性(強靭性)は低下するのは避けられないものですが、 これに対する最近の対応策としては、鋼材のマトリックス強化、清浄度や均質性を高めた特殊溶解材料の使用、刃物用途に応じた鋼塊設計、 熱処理などによって、図のC・D・Eなどにシフトした刃物材の検討などで対応することになります。

しかし、このように要求にあわせて鋼種を開発したり選定していくのは、鋼種の多様化や鋼材在庫の増加を招き、しいては、刃物価格を上昇させることは否めません。これは、刃物を購入する側にとっても、好ましいことではありませんので、使用する側でも、被切断材を限定したり、こまめにシャーの設定を調整するなどで、オールマイティーな刃物を望まないこともコストパフォーマンスを高めることになるでしょう。

下図に、軟鋼を切断する時の標準硬さを示します。

直刃の標準硬さ

この図は、永年の経験で得られた数値を示したものですが、 これをもとに、板厚範囲や被せん断材の機械的性質、シャーの特性などを加味した硬さ範囲をつけて、鋼材の持つ熱処理性質と機械的特性を考慮して刃物を製作します。

「硬さ」はいろいろな特性を代替えする重要な指標で、硬さに伴って、圧縮強度やじん性値などの機械的性質が変わりますが、上図のように、 板厚に対応する硬さが一意と考えると、せん断したい板厚範囲が広いと、一つの硬さで対応するのは無理だということが言えます。

例えば、1mm~6mm用のシャーを考えてみましょう。
図では、1mmの最適硬さは61.0HRC、6mmのそれは58.5HRCです。通常はショアー硬さが広く使われますので、 換算すると63HS~79HSになりますが、ここで、何のせん断情報もなければ、刃物メーカーでは6mmの鋼板を切ったときに、欠けないような刃物にするのは当然です。つまり、79HSの刃物を製作して納入するのですが、この使用であっても、実際には1mmの鋼板しか切らないのであれば、摩耗しやすい刃物になってしまいます。

これは、いくら高級な刃物材を使っても、刃物の硬さがせん断する板厚に適合していないので、満足な使用結果は得られないでしょう。
これを避けるためには、製作する前に、適切なせん断情報を刃物メーカーに伝えないといけないのです。

このように、事前情報が正しくなければ、刃物メーカーでは、刃欠けの危険性を考えて、常用する最大の板厚に合わせて硬さを決定することになりますので、 うすい板を多く切る場合には寿命が短くなります。つまり、 理由もなしに板厚範囲を広げた刃物を要求するのは適切ではありません。

切断する板厚と被切断材の硬さなどで、刃物の「硬さ」や刃物材料の候補が決まります。しかし、軟鋼でなく、特殊な鋼板を切る場合には、上表を無視した対応をとることもあります。
せん断情報は非常に重要です。

以下に、当社の鋼種名における、標準的な材質と板厚に対する適用範囲の例を示します。
第一鋼業の刃物材適用表


3)寸法公差・幾何公差
下表に、一例として、プレス便覧の数値を示します。
刃物の寸法精度(例)

刃物に関する公差は、価格にも影響するのですが、刃物メーカーとせん断機メーカーならびに刃物を使用するユーザーなどで それぞれの要求・要望が異なります。

ほとんどの刃物は「オーダーメード」といえますので、最終的には、個々についての仕様を協議して決めますが、 当然、発注者側は「高精度であるべき」と考えますし、刃物製造者は「そこまで必要でない」と考えがちです。

現状の要求される公差は、上表よりも、かなり厳しくなっている場合が多いようですし、加工機械の精度が向上していますので、 上表よりも高精度に刃物を加工するのには問題はない状況です。しかし、熱処理前に加工する取付穴公差などは、この公差を外れるものもあります。

熱処理することで組織変化に伴う体積変化が生じるために、それを予測して機械加工するのですが、そのばらつき範囲が要求される公差範囲を簡単に超えてしまっているのが現状で、これは、刃物メーカーが対策しなければいけないというものの、材料メーカーやシャーの設計者にも理解して協力していただかないと解決しない問題で、実に頭の痛い問題です。

ピッチ問題以外に、幾何公差その他についても、問題がないわけではありません。平行度、真直度、直角度、表面あらさ等について規定される場合も多いのですが、 刃物は細く長いために、 その検証方法(試験方法)も一意に定まっていない状況です。また、何mのものでは、測定の精度を保証する トレーサビリティーも取れません。また、 現実的には、測定の条件や方法によってもその値は変わってきます。その問題の難しさなどは、共有していく必要があるでしょう。現状では、 これらの「精度」については標準化が望ましいのですが、当面は難しい見通しです。それが問題にならないように、事前に打合せして決めるしかない状態です。

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このページの目次

1.せん断に必要な力(直刃)
2.丸刃のせん断力について
3.せん断刃物の設計

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