圧延加工は金属の加工の一種で、金属が外力によって変形する「塑性」を利用した加工の一つです。製品そのものというより、板や棒といった材料を作るために行われる加工で、比較的安価に、同じ形の金属材料を大量生産できるのが特徴です。今回は圧延加工の種類や圧延加工に使用する機械について解説します。
目次
圧延加工とは？
圧延加工（rolling）とは、回転するロールで金属を押しつぶしながら引き延ばす加工です。パスタマシーンや、昔の洗濯機についていた絞り器などを想像するといいでしょう。金属の塑性加工の一種で、同じ断面形状を持つ、連続した部材を高速で加工できるのが特徴です。金属の板や棒のほか、線路やHやLなどの形のある長いもの、管状の四角や丸の材料を生産します。アルミホイルなども圧延で作られる製品の代表です。
圧延加工で作られた製品は建設現場や製造現場など、幅広い分野で使われますが、特に金属板は、飲料缶や電池のほか自動車のボディなど、非常に多くの場面で使用されます。
圧延加工の種類
圧延加工は加工する際の温度によって、熱間圧延、冷間圧延、温間圧延の3種類に分類できます。
熱間圧延
熱間圧延とは材料の金属を加熱してやわらかくし、加工しやすい状態で圧延する方法です。鋼材の場合には900℃～1,200℃という温度で加工され、赤熱した金属材料がロールの間を通り抜けていくような光景が見られます。熱間圧延のメリットとデメリットは以下のとおりです。
メリット
- 高温により変形抵抗が小さくなっているため、加工性がよい
- 高温下で押しつぶすため結晶構造が強固になり、粘り強い材料が得られる
- 再結晶温度よりも高い温度で加工しているため、加工硬化を起こさない
デメリット
- 加工時と加工後の温度変化が大きいため、寸法精度があまり高くない
- 空気中の酸素と結合して表面にスケール（酸化膜）を生じるため、仕上がりがあまり美しくない
- 材料を加熱するためにエネルギーやコストがかかる
冷間圧延
冷間圧延とは常温や室温で行われる圧延加工です。熱間圧延のように材料を加熱はしませんが、材料が変形する際に発生する熱により材料の温度は上昇します。鋼材系の場合には目安として600℃以下での加工が冷間圧延になります。冷間圧延のメリットとデメリットは以下のとおりです。
メリット
- 材料を加熱する設備が不要で、材料も扱いやすい
- 熱間圧延に比較して寸法精度が高い
- 光沢がある表面が得られ、仕上がりが美しい
デメリット
- 金属の変形抵抗が大きいため、加工に大きな力が必要
- 加工硬化が発生する場合があり、残留応力除去のため、加工後に焼きなましなどの熱処理が必要
温間圧延
温間圧延とは、熱間圧延と冷間圧延の中間に位置する圧延加工です。鋼材の場合、600℃～900℃程度の温度で加工されます。熱間圧延と冷間圧延のデメリットを補うことができる、第三の方法で、アルミホイルの生産などに用いられている方法です。
圧延加工に用いられるおもな圧延機6選
圧延機とは圧延加工に用いられる専用の機械のことです。圧延機は、加工後の形状によって、配置されるロールの場所や本数が変わります。ここでは、製造現場で用いられることの多い6種類の圧延機を紹介します。
2段圧延機（二重式ロール）
2段圧延機とは2本のロールで金属を挟みこむ圧延機で、もっともシンプルな構造をしています。鋳鋼のかたまり（インゴット）から20mm～30mm程度の厚さを持つスラブ（鋼片）を作る粗圧延や、薄板圧延などに用いられます。
4段圧延機（四重式ロール）
4段圧延機とは、２段圧延のような2本のロールの裏側に、それぞれ1本ずつバックアップロールがある圧延機です。ワークロールのたわみをバックアップロールでおさえるため、精度のいい加工ができます。鋼だけでなく、銅やアルミなどの圧延加工にも使われます。ストリップミルという連続で圧延を行う加工の仕上げとしても4段圧延機が使われます。
多段圧延機（クラスターミル）
多段圧延機とは、4段圧延機よりもさらに多く、複数のバックアップロールを持った圧延機です。この複数のバックアップロールから「クラスター（房、かたまり）」という名前がつけられました。多くの支持ロールを持つため高い圧力をかけることができ、ステンレス鋼板のような硬い金属の加工ができます。またワークロールの径が小さくても、たわまずに加工できることから、冷間圧延で銅箔のような極薄の素材が製造できます。
プラネタリー圧延機
大きなバックアップロールの外周に、複数の小さなワークロールが配置されています。小さなワークロールが転がりながら少しずつワークを加工していくため、圧延量の大きな加工が可能です。
ユニバーサル圧延機
水平方向だけでなく垂直方向にもロールを配置し、上下左右のロールで圧延するのが特徴です。横方向にもくぼみのある複雑な形状の作成に向いており、大まかに作られた棒状の材料をH形鋼のような複雑な形に加工します。
穿孔圧延機（マンネスマン鋼管圧延機）
穿孔圧延機とは、継ぎ目のない鋼管を作るのに使われる圧延機です。内側から穴を成形する穿孔プラグと、外側の円錐ロールにより、空洞のある棒状金属に加工します。継ぎ目がない（シームレス）な管が作れるため、石油パイプラインやボイラーのほか、ライフラインなど、液体や気体の輸送用の管に多く使われます。
まとめ
圧延加工とは金属の塑性加工の一種で、ローラーで金属を引き延ばし、板や棒、管などを作る加工です。圧延加工は、加工の温度により熱間加工と冷間加工、さらに温間加工の3種類に分けられます。また圧延加工を行う機械は目的によってさまざまな種類があり、板状の素材の加工には２段圧延機や4段圧延機、クラスター圧延機などが使用されます。ほかにもユニバーサル圧延機ではH形鋼のようなくぼみのある棒材や、穿孔圧延機では継ぎ目のない鋼管などが作られます。
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