金属せん断刃物について

せん断刃物について

せん断は金属の破断を伴う機械加工の一つで、非常に短時間で加工できるという特徴があります。このHPでは、金属せん断刃物の基本内容や寿命延長のヒントなどを紹介しています。
なお、ここでは、主として 鋼板用刃物を対象にしており、刃先の鋭利な刃物については対象外です。

このHPの写真の多くは、せん断刃物と熱処理加工で著名な、第一鋼業(株)様の協力で使用させていただいています。

直刃

1. はじめに

ここでは ①刃物の基本的性質 ②せん断機やせん断法について説明します。

金属せん断刃物は、材料、熱処理、加工に関係する項目などが刃物を「いかに長く使えるか?」につながります。 この長寿命化は、製造する側や刃物自体の問題に加えて、 せん断機や使用する場合の要素が加わるので、それを含めて考える必要があります。
これらが全てではありませんが、長寿命化のヒントにしていただければ幸いです。


2.鉄鋼と刃物製造の歴史背景

私は大阪市にある第一鋼業(株)に勤務してせん断刃物や熱処理技術の仕事をしていましたが、その社史に、1930年代に、日本鋼管(現在のJFEスチール)鶴見製鉄所のせん断機用替え刃を製造した・・・という記事がありました。

当時の工具用鋼材のほとんどは、 焼入性の低い炭素工具鋼か低合金鋼のようなもので、均一な硬さに焼入れすることも難しかったようで、工具鋼メーカーや大学などの協力で、再研磨しても硬さ低下しない、真っ直ぐで強度の高い刃物を作り始めたようです。

その後、鉄鋼業が日本の基幹産業になっていったのですが、それに伴ってせん断刃物の需要も増大し、1970年代には、 造船業の好況などを背景に、厚さ40mm幅5mを超える厚板用の長大刃物などが使用されるなど、鉄鋼産業が全盛期を迎えましたが、中国(CHINA)の鉄鋼生産量が突出してから以降は、製鉄製鋼メーカーは、普通鋼以外の高張力鋼板や珪素鋼板などの高品質で特徴のある性質を持った鋼板などにシフトしたことで、刃物品質と長寿命化の要求はその後も高まる一方です。

国内の粗鋼量生産は令和2年現在は世界3位で、1970年以降を見ても大幅な減少はしていませんが、製鉄所などの鉄鋼業界も再編や業界全体の縮小傾向は変わらずに今日に至っている状況です。


3.せん断加工の理論について

せん断とは、刃物を品物に食い込ませて破断する金属加工法を言いますが、現在でも「せん断」による加工は最も基本的で重要な塑性加工法であり、加工速度は切削などに比べて非常に速いということが大きな特徴です。

「金属せん断に関する研究」は、 1980年ごろまではさかんでしたが、その後には下火になってます。 せん断機には電子技術が多用されていますし、ユーザーの運用(作業)技術改良などはあっても、基礎理論研究は進んでいるようには見えません。

せん断技術研究に携わる研究者も少なく、 せん断機構の新技術などはあっても、画期的な新技術開発は低調な状況です。

それもあって、このHPの内容も昭和年代の資料を多く引用しています。 もっとも、剪断機メーカーの剪断機へのノウハウ移入は確実に進んでいるのですが、汎用的に利用できる実験結果や基礎技術などについては、あまり進んでいない感じです。


4.刃物材料

せん断刃物材料(鋼種)については、1950年ごろから焼入れ性の高い高合金工具鋼が市場に多く出回り、2000年ごろまでには様々な合金添加によって鋼種の多様化が進み、それと並行して、鋼材の品質による刃物性能が非常に向上しました。

具体的なものでは、製鋼造塊時の溶解技術、脱ガス技術、造塊技術などの開発改良による 高清浄化、高均質化粉末技術表面処理技術などですが、これらによる刃物材料の品位の上昇で刃物性能が飛躍的に向上したのですが、その刃物品質のレベルアップ以上に、せん断する鋼板の品質の高まりがあって、さらなる高品質の刃物が求められている状況は今も変わっていません。



刃物用鋼材を特徴づける合金成分の多くはレアメタルであり、日本は鉱物資源が乏しさから、鋼材原料のフェロアロイの価格上昇や変動の直撃で、刃物用材料価格が上昇していますし、工具鋼の製造メーカーの採算性改善の必要性もあって、製造鋼種の集約化や効率化が進み、それまでのように刃物メーカーが独自に新鋼種開発することが進みにくい状況になっています。

これを言い換えると、従来は鋼材成分による多様化でいろいろなせん断条件に刃物を適応させていたものが、限られた刃物用鋼種を用いなければならないことで、いかに長寿命化を図るか・・・ということに変わってきていると言えます。

もちろん、多くの刃物製造業者はJISなどの鋼材規格にない鋼種を保有して、せん断用途の隙間を埋めることや、JIS以上の品質をもつ刃物鋼材を使用して長寿命化を図っているのですが、今後は価格面の制約で新しい刃物材料に期待できないとなると、刃物製造者の努力だけでの高寿命化は難しくなっていきそうです。

打開策の一つは、刃物製造者、工具鋼メーカー、せん断機メーカー、刃物使用者などがお互いに情報を持ち寄って協力して問題点を共有して対策していくことですが、協業する業界団体がないことなどで、まだまだこれも難しい状況です。

このHPでは、これらの背景や問題点をふくめて、刃物製造者が考える刃物寿命の延長についての見方や考え方なども紹介しています。


このHPで用いる用語などについて

せん断とは

ここでの「せん断」とは、切断機についた刃物を被加工物(被切断材)に「食い込ませて」「破断させて切り離す」 という機械加工法です。包丁のような鋭利な刃先を食い込ませて分断する方法などは含みません。

せん断対象(被切断材)

一般的に、せん断用刃物の対象(被切断材)は、 鉄鋼、銅・アルミなどの 非鉄金属を冷間(常温)でせん断するものが対象です。

もちろん、金属スクラップせん断のように、鋼板のせん断とは異なる機構でせん断する刃物や、さらには、紙・木材 などの非金属や都市ごみなどの雑芥などに及んでいるので、それらもスクラップせん断と同様に考えていきますが、赤熱状態のものを切断したり、複合材料を切断するなどの用途の刃物は考えていません。

刃物材料

せん断刃物は多用途に使用されていますが、このHPでは、最も需要の多い、全鋼製で鉄鋼類を常温でせん断する直刃や丸刃を中心として、 刃物の 特性(「欠け」「摩耗」など)や刃物の寿命に関係する要素について解説しています。

鉄鋼用刃物には、ここで説明する全鉄鋼製の刃物以外に、タングステンカーバイドの粉末合金(超硬合金)やファインセラミックなどの焼成刃物のほかに、 刃先に異種の材質を「つけ刃」したり肉盛をする刃物もありますが、ここでは全鋼製の刃物以外は、ほとんど触れていません。

直刃の例
直刃(薄板せん断用)の例
丸刃の例
丸刃(スリッター用)の例


せん断用語について

このHPで使用する用語について、簡単に示します。

1)せん断・剪断・切断
これらは、同じ意味で使用しており、ここでは、せん断・切断という言葉を使っています。
2)切断する材料
切断材、せん断材、被切断材、などで記していますが、同じ意味です。
3)加圧力・せん断力
せん断の様式は、丸刃などの連続せん断と、直刃などの断続せん断があります。
せん断中の力の状態

通常の鋼板せん断では、加圧力が鋼板に作用する(または作用させる)力を「せん断力」(上図の「P」の力)といい、 さらに、その分力を、刃物の運動方向に加わる力を「主せん断力」、刃物の側面方向に加わる力を「側方力」(上図の「F」の力)として説明しています。

直刃の切断機(シャー・シャーリングマシン)はプレス機械に分類され、主にクランクプレスシャー(メカニカルシャー)と 油圧プレスシャーがあります。

メンテナンスが簡単で、運動速度が早いクランクプレスによるシャーが主流ですが、高い加圧力が必要な用途には、油圧シャーが使用されます。

クランクプレスのシャーでは、 フライホイルなどに蓄えた力をクランク機構で上下動に変換しますので、下死点で加圧力が最大になる構造のために、切り始め位置では、それ以下の加圧力になっているので、それを考慮してシャーの能力が決められています。

これに対して、油圧のシャーでは、 加工位置(ラムの上下位置)にかかわらず、せん断過程で必要な一定の加圧力が加わってせん断が進行するという違いがあります。

一般的な直刃のせん断過程を見ると、刃物が鋼板に食い込んで、その切り口が板に沿って水平方向に移動しながらせん断が進行します。

シャーによるせん断力
その時の刃物に加える荷重が「せん断力」ですが、一定の速度で切り進むので、このとき、刃物が受ける力(せん断に必要な力) は一定ですので、これを「定常せん断荷重(せん断力)」 といいます。


4)刃先面の呼び方

直刃については、慣例で、主せん断力が加わる幅の狭い刃先面を「こば面(コバ面)」、刃物の側面(取り付け面)を「ひら面(平面)」 または「刃物の側面」とよびます。

「こば」は、小端などと表示される場合もありますが、幅の小さい端面 という意味で、慣例に従って、ここでもこの呼び方をしています。

丸刃では、 主せん断力が加わる刃先面を「外周面」、刃物側面の幅の広い面を「ひら面」または 「側面」とよびます。

この呼び方はその他の言い方もあり、定まっていませんので注意ください。


5)シャー角

直刃においては、片側の刃物(通常は、可動側の刃物)に角度をつけることで、切断に必要な力を減少し、一方向から連続して切り進むことできれいな切り口を得るようになっています。

その傾き角度(上刃と下刃の開き角度)を「シャー角」と言います。

丸刃では、刃物外形寸法や刃物の重なり(ラップ)量によって切断材に食い込み始める点の角度が決まるために、それらがシャー角に対応するものと言えます。

シャー刃の説明

シャー角αを大きくすると「最大せん断力」が小さくなり、シャー(切断機)のパワーも小さく できるという利点がありますが、シャー角が大きくなるにつれて、 切断時の曲りやねじれが大きくなったり、板の寸法が切りはじめと切り終わり側で異なってくる・・・など、せん断する製品の品質・品位が低下します。


極端な場合は、切断中にすべりが生じて、せん断面が悪くなったり、刃物の寿命を短くするなどの問題が出ます。


6)クリアランス

上下刃のすきまの大きさによって、切り口の良否や必要なせん断力、側方力などが変化します。

この 「すきま」のことを、「クリアランス」といいます。「ギャップ」と呼ばれる場合がありますが、 ここでは「クリアランス」に統一しています。

せん断機メーカーでは、切断する板厚やいくらかの鋼種分類でクリアランス値の標準値を示している場合も多いのですが、被切断材の機械的性質の違いや機械精度、 板押さえ力などに切り口の性状(良否)が変わるために、標準値では対応できないと考えていいでしょう。

近年は、非常に鋼板の種類も多様化し、 その機械的性質の特徴も様々ですので、上下刃のせん断面の変化や良否をみてクリアランス量の調整をする必要があります。

クリアランスの量は、板厚に対する隙間の大きさを%で決める(または表示される)ことが多いようです。

例えば、3mmの板厚に対して10%のクリアランスを取る・・・といえば、ここでは上下刃間に0.3mmのすきまを設定することとして説明しています。

切断された品物の品質基準は、JISなどに規定されているものもありますが、取引条件によってさらにシビヤーになっていますので、それに合わせた製品を切断するには、 常にせん断面や寸法精度を見ながら、せん断状況を把握しつつ、クリアランスなどの機械の状態を調整するという、高度な切断者の技量(技術や勘) に支えられているのは言うまでもありません。


7)切断面の名称
切断面の名称

この図は、上の右半分が切り口を正面から見た図で、左側はその断面を示しています。刃物が板に食い込んで いく段階で、「だれ」が生じ、 刃物が食い込んだ跡の「せん断面」と、一気に切り離れる部分の「破断面」、 切り離れるときに、上下刃のクリアランスによって生成する「かえり」という部分が見られます。

これらは、切断材の板厚や機械的性質、シャーのセット条件(シャー角やクリアランス)、シャーの運動精度などで変わります。

刃物で切断された鋼板の向かい合わせの面をみると、上刃が食い込んだ面と下刃が食い込んだ面になっていて、切離れた面を反転して見ると、よく似た切断面になっています。

しかし、たとえば、直刃で切断した切り離し面の前後(両端)の切断面を詳しく観察すると、若干異なっているのが普通で、切り落とされる側 (通常は下刃が食い込んだ切断面で、下刃せん断面という言い方をします)は、刃物台に乗っている側のように「板押さえ」がなく、 板を下から支える機構などもない場合が多いので、これらのせん断機の構造的な要因から、向かい合った せん断面は微妙に異なっているのが通例です。

このように、両側のせん断面を見比べることで、いろいろなせん断における適否などの情報を得ることができるでしょう。

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ここで、「良いせん断面」とは、「だれやかえり」が少なく、せん断面や破断面が滑らかで、切り口が直角にせん断されているもの・・・と言えるのですが、 通常のシャーによるせん断では、この状態は試行錯誤で決める場合が通例です。

これは、切断する板厚やその機械的性質(鋼板の引張強さなど)だけでなく、いろいろな要素が加わるためです。

このために、最適条件を見つける時間の余裕がない場合には、 どこかで妥協しなければならない場合も多いのですが、切断面の性状の可否とともに、刃物の寿命にも影響するので、経験によってそれに対処しなくてはならないところも多分にあります。

一つの例を挙げると、せん断面を直角に近づけるためには「クリアランスを小さくする」のが有効ですが、そうすると、せん断中の側方力が増して、刃物の摩耗が早まりますし、板押さえ力を増す必要などが出てきます。

これらについての完璧な対処方法については、機械(シャー)の強度や剛性、切断速度などが複合的に関与する場合が多いようです。


【切り口(切断面)の評価の仕方や評価条件は様々なようです】

一般的なせん断面では、全面が刃物が食い込んだ剪断面(これを全せん断面という言い方をする場合があります)にならないで、必ず、破断する部分(破断面)があるので、上図のようにせん断した面の全面が直角になることはありません。

このようにせん断面を直角になるように切断する方法は「直角せん断」と呼ばれており、色々な方法が考案されていますが、せん断の機構がここで紹介するものと異なるために、ここでは触れませんが、直角の切断面は、特殊な方法を用いないとえられません。

例えば、クリアランスを極端に小さくするようにすると、きれいなせん断面が得られる・・・と説明する人もいますが、刃物寿命を縮めるなどの影響も出てきますし、切り口の歪みなどが発生する場合があるなど、切断面の様子だけでその良否を決められません。

この、せん断面の角度を表現する場合にも、図にあるαβγの角度をいうのではなくて、 「クリアランス(上下刃のすきま)と板厚とのなす角度」という意味で表現する場合や、だれや せん断面、破断面など、すべてをふくむ「切り口の傾き」で表現する場合があるようです。

このように、せん断面の良し悪しの評価の基準も一定ではなく、さらに、用途や個人の判断による場合も多く、一義で決められない場合も多々あるので、注意しておかなければなりません。

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刃物の製作者側は、刃物への負担が少ない状況が望ましいと考えるので、たとえば、クリアランスの適正値は「せん断負荷が最も小さくなる量」ととらえていますが、 使用する側では、「最も好ましい切り口の状態」となるので、クリアランスの適正値と言っても、刃物を作る側と使う側では異なっています。

そのために、当然、 「もっとせん断した製品のせん断面角度を直角に近づけたい」 「破断面ができるだけ少ないほうが 見栄えがいい」・・・などの目的があれば、使用する側が色々独自に調整する必要が出てきます。

それがせん断技術やせん断ノウハウなのですが、このことは、刃物への負担が増えて、寿命が短くなる要素になる場合も多々あります。

また、切断材によっては、例えば、極軟質材などでは、 いくらクリアランスを調節しても、 求める切断面の状況にならない場合もあって、通常以上に刃物に無理な力をかけることになって、刃物の摩耗を極端に早めることになっている場合もあります。

こういう事例に対しては、ここに書いてある標準仕様的な考え方ではない刃物の使用法を試行錯誤するなどで対策しなければなりません。


より良い刃物をもとめて・・・

刃物が鋼板のせん断に耐えうるのは、とりもなおさず、刃物の持つ機械的性質(例えば、硬さ)が、鋼板よりも「はるかに高い値」を持っているからです。

例えば、引張強さでいえば、鋼板の引張強さは500Mp(およそ50kg/mm?)程度ですが、刃物の引張強さは、2000Mpを超えていますので、その違いで、 刃物は摩耗しにくく、変形しにくく、その形状が保たれていることになります。

ここで、現状の刃物で、引張強さの高い鋼板を切れば、寿命が短くなるのは自明です。

それに対応するために、さらに強い刃物が作る必要があるのですが、 「強さ」が高くなると「もろさ」が増す・・・などの、その他の鋼の特性での限界などがあって、簡単な状況ではありません。

・・・といっても、「鋼の限界」は今に始まったことではありませんので、これまでのように、じん性が高く、耐摩耗性が優れた刃物を作る努力をし続ければ、 遅々ではありますが、刃物性能は進歩し続けると考えています。

ただ、先にも書いていますが、せん断理論の停滞感があることや、せん断機の改良の遅れ、新鋼種開発に対する自由度の低下、 刃物の高級化に伴う価格上昇などがその進歩を遅らせる要因ですし、何よりも、被せん断材の多様化に伴う刃物に対する要求度は、 刃物の性能アップの速度をしのいでいる状態ですので、単純には、刃物メーカーだけの対応では対応しきれない感があります。

そして常に、「オールマイティーな刃物はない」ということも示していると言えます。

これは重要なことで、万能の刃物があれば、正直言って苦労しません。 せん断する鋼板の機械的性質を把握して、それに打ち勝つ刃物で長寿命化をはかることが求められています。

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   次のページでは、基礎的なせん断理論と刃物設計について書いています。


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このページの目次

1.はじめに
2.刃物を作って3/4世紀
3.このHPでの対象について
4.用語について
5.良い刃物をもとめて

せん断刃物の全目次


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