寄 稿 （レビュー）

Investigation of Rolling Phenomena by in situ Observation
宇都宮裕*

UTSUNOMIYA Hiroshi

Synopsis: Deformation and force characteristics in rolling processes have been predicted numerically by the finite element
method. However, there still exist many unveiled phenomena in rolling processes such as defect formation,
lubricant entrapment on rolling interface, generation of debris from the sheet, coating formation on the rolls,
shear banding in microstructure, strain localization, etc. In order to study mechanisms of these unveiled
phenomena, direct observation of the deforming sheet in the roll bite during rolling is strongly demanded.
However, direct observation has almost never been attempted because of high-speed roll rotation under heavyload. In order to overcome the difficulty, the author invented two novel techniques presented in this review article.
The one technique is ‘Ptolemaic rolling’, where one roll is fixed in the space without rotation, while the otherroll revolves around the fixed roll with rotation. A prototype machine with transparent rolls was fabricated, thenthe lubricant entrapment in the artificial defect on the sheet was observed in solder rolling. The other techniqueis ‘Roll-propelled rolling’ where the rotating rolls move upstream so as not to move a reference point on sheet
to the rolling direction. A prototype machine was manufactured and mounted on a sample stage in an optical
microscope. The changes in speed and strain rate of the sheet in the roll bite were made clear experimentally.
Equations are derived to predict these experimental changes. It is concluded that the proposed in situ techniques
are powerful tools to reveal rolling phenomena and to make mathematical models for industrial applications.
Keywords: Ptolemaic rolling; roll-propelled tolling; visualization; tribology; strain rate.

が実証された 1,2)．しかしながら，圧延におけるその場観

１. はじめに察を用いた研究はこれまでほとんど行われていない．これ
圧延中の被加工材の変形特性や負荷特性は，有限要素法

は，ロールが高速で回転し被加工材も高速に運動するためなどの数値解析ソフトウェアを用いることによって，高精

その場観察が困難なためと考えられる．圧延中に圧延界面度で予測することが容易となっている．しかしながら，圧のその場観察を行った数少ない先行研究として，池らは中

延現象には潤滑剤の引込みやピットの形成，表面欠陥や磨空ロールの表面に観察窓を設け，その内部に反射鏡を設置

耗粉の発生，せん断帯などの加工組織の発展など，十分にして，ネック部に設置した CCD カメラで，アルミニウム

解明されていない現象も存在する．

板圧延中の圧延界面を観察した 3-5)．また，安田は透明なアクリル製ロールの内部にカメラを設置してプラスティシ

これまでの圧延の実験的研究は主として，圧延の前後でンの圧延界面を観察し，流線を求めている 6)．

材料の組織を観察し，あるいは特性を測定して，加工による変化を解明し，ロールバイト中の現象を推定することでところで，圧延を上下ロールと被加工材の三体問題となされてきた．圧延以外の加工では，変形中の被加工材の考えれば，片方のロールを固定しても通常の圧延と相対運

直接観察，いわゆるその場観察もしばしばなされてきた．

動が等しい圧延が実現できることが可能であることが理解

例えば，引抜き加工では，透明ダイスを利用した加工界面される．著者らは，その実現方法として，片方のロールをの観察によって，潤滑剤は被加工材表面の凹部にトラップ固定して，もう一方のロールを固定ロールのまわりを自転され，加工の進行にともなって加工界面に浸み出して再潤させながら公転させる方法を着想し 7)，「天動説型圧延法」

滑 す る（Micro Plast-Hydrodynamic Lubrication） 機 構と名付けた 8,9)．固定ロールを透明材質とすれば，その内原稿受付日：2022年5月9日* 大阪大学大学院工学研究科

マテリアル生産科学専攻教授

3

Sanyo Technical Report Vol.29 (2022) No.1

カーボンニュートラルにつながる予測技術特集

その場観察による圧延現象の解明

その場観察による圧延現象の解明

カーボンニュートラルにつながる予測技術特集

部から圧延界面をその場観察することが可能で，圧延中のそして，これらを通じて圧延プロセスにおける変形中

ロールバイトにおける潤滑剤の挙動を解明することが可能の被加工材のその場観察は，圧延現象の解明の有効な手段である．本稿ではその観察例 10,11) を紹介する．

となることを示す．

さらに，別のその場観察手法として，被加工材中の１２. 天動説型圧延による圧延界面のその場観察

点（材料点）を空間に固定する方法も考えられる．材料点が空間に固定されれば，その点の周囲の変化を顕微鏡の視野内で観察し続けることで圧延現象の微視的解明が可能と

２.１

天動説型圧延の原理なる．そこで材料点を空間に近似的に固定する方法として

この圧延法は 1 本のロール（固定ロール）が回転せず

ロールを回転させながら軸心を上流へ並進させる「ロールに空間に静止していることを特徴とする．そして，もう 1

12)．微視的な観察を実現するた本のロール（移動ロール）は自転しながら固定ロールの周めに光学顕微鏡の観察ステージ上に搭載可能な小型の実験りを公転する . Fig. 1 はその模式図で，移動ロールは時装置を製作し，ロールバイト中の被加工材の速度とひずみ

計回りに自転しながら固定ロールの周りを時計回りに公転

13)

し，板は固定ロールと移動ロールの間のギャップで，幅方自走式圧延」を考案した

速度の変化を調査したので, 後述する．

向を回転軸として時計回りに回転しながら圧延が行われる．Fig. 2 は移動ロールの公転角β によって変化する両ロールと板の幾何学的関係を表したものである．移動ロー
ルは図 (a) から (f) の間に 360°(1 回転 ) 公転し，その間に 720°(2 回転 ) 自転することがわかる．言い換えれば，移動ロールの自転速度を公転速度の 2 倍と設定すること
で板材とロールの相対的な幾何学的関係は通常の圧延と等しくなる．なお，それ以外の速度関係では，上下ロールの周速が異なることとなり異周速圧延に相当する圧延が実現される．

Fig. 1 天動説型圧延法の原理

D ȕ r Į rVRE ȕ r Į rVR

F ȕ r Į r

VR

VR

VR

VR

G ȕ r Į rH ȕ r Į rI ȕ r Į r
VR

VR

VR

VR
VR

VR
Fig. 2 公転にともなうロール配置の変化

4

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その場観察による圧延現象の解明

２.２

試作した天動型圧延機

おける地球と天体の関係に類似しており，移動ロールの軌

天動説型圧延の有効性を確認するために製作した試作

跡は Fig. 3 に示すカージオイド曲線となる．そこで，こ圧延機の写真を Fig. 4 に，その構造を Fig. 5 に示す．圧の圧延法を「天動説型圧延」と称することとする．歴史上，延機は外枠と内枠からなる二重構造とし，外枠は固定され，天動説から地動説への変更には宗教裁判など大きな犠牲を

内枠のみが手回しハンドルの回転に追随して公転運動を行ともない，広く受けいれられるまでに時間を要したことはう．中央の固定ロールは外枠に固定されているため，公転・知られている．ここでは通常圧延から天動説型圧延へと逆

自転ともにせず，移動ロールは内枠内に固定されているたに遷移したが，著者らもこの着想を得て実現するまでに長め，ハンドルの回転とともに公転し，そのとき固定ロー

時間を要した．

ルと上部のリングギヤで連結されているため公転速度の 2

天動説型圧延において，固定ロールは回転することな倍の速度で自転する．被加工材は軟質金属の薄板を想定し，く空間に固定されていることが最大の特徴である，した

立てた状態すなわち板幅方向を鉛直方向として圧延を行がって，固定ロールに透明材料を用いたり観察窓を設けた

う．両ロールの寸法は直径 D=2R が 40mm，胴長が 55mm

り，あるいは放射線を透過させれば，圧延界面のその場観であり，材質は透明なポリカーボネート製とした．固定ロー察が可能となる．その際に，反射鏡を用いればカメラを圧ルの中心軸上に四角柱状の穴をあけ，その中に圧延界面に延機外に配置することも可能で，振動の影響を受けないた

対して 45° に傾斜させて反射鏡が設置されている．そうす

め鮮明な画像を得ることができる利点もある．

ることで反射鏡により光路が 90° 曲げられ，Fig. 4 中に見られる圧延機下に設置された顕微鏡によって圧延界面の静止画または動画を撮影することができる．

y PP

R PP

ȕ r



ȕ r

í






x PP

)L[HGUROOíȕ r

7UDMHFWRU\ &DUGLRLG

Fig. 3 移動ロール上の表面点の軌跡
Fig. 4 天動説型圧延機の試作機

0RYLQJUROO(QFRUGHU)L[HGUROO'ULYLQJKDQGOH

0LUURU,QQHUIUDPH
2XWHUIUDPH:RUNSLHFH&DPHUD

Fig. 5 天動説型圧延試作機の構造

5Sanyo Technical Report Vol.29 (2022) No.1

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固定ロールと移動ロールの幾何学的関係は，天動説に
その場観察による圧延現象の解明

ところで，ロールバイト以外の領域において，標線の x

被加工材の運動と変形

座標の軌跡をベクトル解析により x0 と先進率 fs の関数と厚さ 0.5mm，幅 15mm，長さ 50mm のはんだ (Sn-40%Pb)

して求めると次の式 (1) となる．

板材を被加工材として用い，潤滑・無潤滑の 2 条件で圧下率 10% の圧延を行った．潤滑条件では鉱油ベース圧延
2

油（動粘度 : 7.411 mm /s @313K）を使用した．Fig. 6 に௫బ‫ ݔ‬ൌ ܴߚ െ ܴ ቀߚ െ ோሺଵା௙ቁ ሺͳ ൅ ݂௦ ሻ ߚ
ሻೞ

実験の模式図を示す．x 軸を圧延方向かつカメラ画像の横（1）方向に設定した．板材の表面に板幅方向に平行な標線をあらかじめ記しておき，圧延によって移動するその標線の x

式 (1) を最小自乗法を用いて実験値にフィッテイング

座標を公転角βが 5° 変化するごとに撮影した静止画からすることにより x0 と先進率 fs を求めることが出来る．図

標線の x 座標を計測した．なお，公転角β =0° のときの標中の実線はその回帰式を表しており，無潤滑条件での先進線の x 座標を x0 とする．標線の軌跡の測定結果 8) を Fig.

率は fs = 4.8%，潤滑条件での先進率は fs = 1.0% であった．

7 で表す．丸記号は測定値，点線は最小ロールギャップ位

このことから，板表面上の標線の圧延界面における観察動

置の x 座標を表している．板表面の標線は公転角β が大画から先進率を測定することが可能であり，潤滑により先きくなるにつれて画面上で左から右へ移動し，その x 座標

進率は減少することが確認された．

は負の値から正の値に変化した．この例ではβ =0° 付近
で標線は最小ロールギャップを通過するため，傾きは緩やかとなっている．

0RYLQJUROO:RUNSLHFH



 x

x

x



 ˅

x
 ˅

)L[HGUROO
0DUNHU

9LHZLQJGLUHFWLRQD ȕ 㸫rE ȕ rF ȕ r

Fig. 6 実験の概略図


&RRUGLQDWH[PP

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２．３r 'U\/XEULFDWHG




í
í
í
í

'U\
/XEULFDWHG
fs 
fs x íPP x PPí
5HYROXWLRQDQJOHșr

Fig. 7 標線の軌跡の測定結果

6

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その場観察による圧延現象の解明

た．縦軸に圧痕の面積，横軸に圧延方向の座標をとって圧延界面の潤滑剤のその場観察

被加工材には，はんだ板を使用し，周速 0.19m/min，圧示してある．白抜きの記号は圧痕中に潤滑剤が存在しない

下率 15% の条件で圧延を行った．人工的な潤滑油の捕捉状態を，黒塗りは潤滑剤で満たされている状態を示し，二サイトとしてビッカース硬さの圧痕（対角線長：519μm）

重丸は圧痕が部分的にロールバイト外に出ていることを示

を板幅の中央で圧延方向に沿って圧延面に付与した．潤す．図中には前述の先進率から求めた中立点の位置を矢印

滑・無潤滑の 2 条件で実験を行い，潤滑の場合は，先ので示してある．圧延前の圧痕の面積は 0.143mm² であった

潤滑油に視認性向上のため着色剤を添加して用いた．圧痕が，圧延により無潤滑条件ではロールバイト中で単調に減の軌跡から上述の方法で求めた先進率は，無潤滑の条件で少し 71% 減の 0.042mm² となった一方，潤滑条件では変化

fs=1.5%，潤滑の条件で fs=0.8% であった．Fig. 8 に，そのが小さく 13% 減の 0.125mm² にとどまった．

11)を示す．上から順潤滑条件における圧痕の面積の変化は 2 ステップ状のに A: ロールバイト入口付近，B: ロールバイト中間地点，C:

変化を示した．圧痕がロールバイト入り口に差し掛かるとロールバイト出口付近に差し掛かった圧痕の画像である．

顕著な面積減少を示した．圧痕が完全にロールバイト内に

なお画像中の縦線は固定ロール表面にサインペンで記した

進入しメカニカルシールが達成されたと考えられる A 点

標線である．天動説型圧延では最小ロールギャップの位置

から面積は変化せず，中立点より約 1mm 上流となる B 点

は，観察する圧痕の板中での長手方向位置に依存して変化から再び減少に転じ，中立点までは減少を続けた．中立点

する．そこで，最小ロールギャップ位置を基準として撮影

以降は，面積は 0.135mm で変化しないほぼ一定の領域と画像を圧延方向にシフトさせ，通常圧延に対応するようになり，ロールバイト出口から排出された． B 点での面積配置して示してある．潤滑・無潤滑どちらに関しても圧延の減少は，圧延圧力の増加により捕捉された潤滑剤の静水によって圧痕の面積は減少するが，減少率は無潤滑圧延の圧が増加し，圧延界面に浸み出したことを意味する．そし方が大きい．

て，中立点以降では圧延圧力が減少するため圧痕面積に変場観察された圧延界面の圧痕の画像

圧痕面積の変化11)

2

を Fig. 9 に示す．観察画像における化は生じなかったものと考えられる．

圧痕の面積は，画像編集ソフトを使用して画素数から求め

D ↓₶⁥

E ₶⁥

Fig. 8 圧延界面における圧痕の変化
$UHDRILPSUHVVLRQSPP$UHDRILPSUHVVLRQSPP

5ROOELWH%$
1HXWUDOSRLQW&
5ROOELWH%

1HXWUDOSRLQW

$

&



/XEULFDWHG(PSW\
3DUWO\ILOOHG)LOOHG



í

í
í
&RQWDFWOHQJWK l PP



 

í

í
í
&RQWDFWOHQJWK l PP

D ↓₶⁥



E ₶⁥

Fig. 9 ロールバイト中の圧痕面積の変化

7

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２．４

その場観察による圧延現象の解明

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３. ロール自走式圧延装置による被加工材側面の
その場観察

３．２

試作したロール自走式圧延装置

上述の圧延法の有用性を実証すべく小型の圧延装置を設計・製作した．材料点を完全に静止させるにはロールの３．１

周速 vR に対してロール軸心の上流への移動速度 vt を独立

材料点固定圧延法の原理

Fig. 10(a) に従来圧延法における被加工材の運動を模に制御する必要がある．そして，その制御量は圧延条件に式的に示す．t=0 において被加工材上の一点 A の空間固定

加えて，観察する材料点の初期座標にも依存する．そのたの座標系（グローバル座標系）における X 座標を a0，ロー

めロールの回転と移動をつかさどるモータがそれぞれ必要

ル軸心の X 座標を b0 とすると，点 A がロールバイトを通となり，制御が複雑で装置も大型となる問題がある．そこ

過した後 t=t1 においても，ロール軸心の位置に変化はなで試作した圧延装置（ロール自走式圧延装置）では，ローく（X=b1=b0），被加工材上の点 A の位置は圧延によって，

ルの回転と移動を 1 つのモータで賄うことで小型化を図っ

X=a0 から X=a2 に移動する．したがって，移動量が大きくた．その場合，ロールの移動速度が一定となるため材料点観察し続けることが難しい．提案する材料点固定圧延法のを空間に完全には固定することはできないが，装置をコン

材料点の移動を模式的に Fig. 10(b) に示した．この方法

パクトにできる利点がある．それにより顕微鏡の試料ス

では，ロールを回転させつつ上流に移動させることによっテージに搭載することが可能な実験装置を実現することがて，点 A の空間上の位置が変わらないように（t=t1 においできた．材料点が完全に固定されなくとも移動距離を十分ても a1=a0）保つことを特徴とする．

短くすることができれば，材料点の移動を顕微鏡の視野内に留めることができる．その場合も必要に応じて顕微鏡の試料ステージを補助的に移動させれば，材料点を完全に静止させることも可能である．

;ďͿ᪂ᅽᘏἲ

;ĂͿᚑ᮶ᅽᘏἲ

b

b

X

b

X

b

X

X

Fig. 10 従来圧延法と材料点固定圧延法（新法）の比較

8

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その場観察による圧延現象の解明

３．３

材料点の変位と速度変化

長は 200 mm，全幅は 150 mm，ロール径 D は 20 mm であ

被加工材として，幅 5.0mm 厚さ 0.5mm のはんだ板を用る．ロールをディスク状にして片持ち構造とし，顕微鏡のいた．研磨した材料側面の板厚中心位置にビッカース硬さ

対物レンズを接近して配置し，被加工材の側面を観察すの圧痕をつけて標点とした．モータ回転数は 2000 rpm とる．圧延方向は図の左から右であり，一対のロールを搭載設定した．このときのロール周速 vR は 0.266mm/s，ユニッ

した圧延ユニットは圧延方向と逆向きに，すなわち図では

ト移動速度 vt は 0.282mm/s であった．無潤滑で 2 種の圧

右から左に平行移動する．圧延ユニット下部においてラッ

下率 17%, 60% の１パス圧延を行った．

クとピニオンがあり，ユニットの移動と連動してロールは圧延中を撮影した動画から静止画を抽出して，圧痕の回転する．ユニットは上下の中心で 2 分割できる構造で，位置座標を画像解析ソフトで計測し，移動速度の変化を求その間にシムプレートを差し込むことによって設定ロール

めた．(1) 17% と (2) 60% の 2 つの圧下率条件に対してギャップを調整することができる．駆動は 1/178 の減速

Fig. 12(a) は，グローバル座標系，すなわち空間座標系

器を介しサーボモータにより行った．回転は図の右側の装における標点の位置の変化を，縦軸に圧延時間を取って表置側面に沿って配置された 3 つの中間ギヤを経て圧延ユしたものである．圧下率 (1) 17% の場合は，位置の変化

ニットと連結されたシャフトへと伝達される．シャフトにはほとんどなく , (2) 60% の場合も，上流への 0.5mm 程はねじが加工されており，回転は圧延ユニットの左右方向

度の移動量に抑えられたことが確認できる．Fig. 12 (b)の移動に変換される．

は，(a) の標点の位置の変化を，圧延ユニット上の座標系，

䝴䝙䝑䝖

PP

PP

ࣘࢽࢵࢺࡢ⛣ື᪉ྥ

PP

ᅽᘏ᪉ྥ

࣮ࣔࢱ
Fig. 11 ロール自走式圧延の原理

Fig. 12 (a)グローバル材料系と(b)ローカル座標系における標点の座標変化

9

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Fig. 11 に製作した圧延装置の写真を示した．装置の全滑で 種の圧下率 17%, 60% の１パス圧延を行った．
圧延中を撮影した動画から静止画を抽出して，圧痕の位置座標を画像解析ソフトで計測
圧延中を撮影した動画から静止画を抽出して，圧痕の位置座標を画像解析ソフトで計測し，移動速度の変化を求めた．
移動速度の変化を求めた． 17%
17% とと60%の つの圧下率条件に対してつの圧下率条件に対してし，60%のその場観察による圧延現象の解明
は，グローバル座標系，すなわち空間座標系における標点の位置の変化を，縦軸に圧延時は，グローバル座標系，すなわち空間座標系における標点の位置の変化を，縦軸に圧延時
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間を取って表したものである．圧下率17%の場合は，位置の変化はほとんどなく
すなわちローカル座標系で示したものである．この図は，ないが，高圧下率の場合には，概算法は平均ひずみ速度を間を取って表したものである．圧下率17%の場合は，位置の変化はほとんどなく0%の場合も，上流への0.5mm程度の移動量に抑えられたことが確認できる．
通常圧延における標点の位置の変化に相当する．時間経過
過大評価することが明らかとなった．これは，ε̇̅ mean は，板0%の場合も，上流への0.5mm 程度の移動量に抑えられたことが確認できる．

材の延伸による圧延速度の増加が考慮されていないためでに伴う標点の位置変化はおおむね直線的であるが，高圧下は， の標点の位置の変化を，圧延ユニット上の座標系，すなわちローカル座標系で示しの標点の位置の変化を，圧延ユニット上の座標系，すなわちローカル座標系で示しは，ある．したがって，その場観察結果に基づいて，新たに導率条件では延伸が大きいため，圧延後は圧延前に対して変たものである．この図は，通常圧延における標点の位置の変化に相当する．時間経過に伴たものである．この図は，通常圧延における標点の位置の変化に相当する．時間経過に伴いた式 (3) を応用することで，熱間圧延の組織予測の高精化率が大きい．なお，黒塗りの記号は標点がロールバイト

う標点の位置変化はおおむね直線的であるが，高圧下率条件では延伸が大きいため，圧延
う標点の位置変化はおおむね直線的であるが，高圧下率条件では延伸が大きいため，圧延度化が期待できる．
内に位置することを示している．
後は圧延前に対して変化率が大きい．なお，黒塗りの記号は標点がロールバイト内に位置
標点の座標変化から求めた速度変化 13) を Fig. 13(a)後は圧延前に対して変化率が大きい．なお，黒塗りの記号は標点がロールバイト内に位置することを示している．
に示す．(1) 圧下率 17% の場合，材料点はロール周速よすることを示している．
りも遅い速度 (0.24mm/s) でロールバイトに進入した後増標点の座標変化から求めた速度変化をに示す．
標点の座標変化から求めた速度変化をに示す．

圧下率 17%の場合，材17%の場合，材
圧下率
加し，-0.5mm 付近で中立点に達してロール周速を超え，料点はロール周速よりも遅い速度 0.24mm/s
0.24mm/s でロールバイトに進入した後増加し，-0.5mm
でロールバイトに進入した後増加し，-0.5mm
料点はロール周速よりも遅い速度
最小ロールギャップ通過後は一定速度 (0.28mm/s) で排出付近で中立点に達してロール周速を超え，最小ロールギャップ通過後は一定速度 0.28mm/s
0.28mm/s
付近で中立点に達してロール周速を超え，最小ロールギャップ通過後は一定速度された．(2) 圧下率 60% の場合は，(1)の低圧下率条件よで排出された．
圧下率 60%の場合は，60%の場合は，の低圧下率条件よりも遅い速度 0.11mm/s
0.11mm/s で，で，りも遅い速度(0.11mm/s)
で，ロールバイトに進入した後に，で排出された．
圧下率の低圧下率条件よりも遅い速度

ロールバイトに進入した後に，ほぼ直線的に加速して中立点を経た後に0.28mm/s で排出さで排出さほぼ直線的に加速して中立点を経た後に 0.28mm/s で排出
ロールバイトに進入した後に，ほぼ直線的に加速して中立点を経た後に0.28mm/s
された．Fig.
13(b) は速度変化から求めた相当ひずみ速 を表している．
れた．
は速度変化から求めた相当ひずみ速度の変化
圧下れた．
は速度変化から求めた相当ひずみ速度の変化を表している．
圧下度の変化 13) を表している．(1) 圧下率 17% の場合，相当率 17%の場合，相当ひずみ速度はロールバイト入口で最大値をとり単調に減少するのに対17%の場合，相当ひずみ速度はロールバイト入口で最大値をとり単調に減少するのに対率
ひずみ速度はロールバイト入口で最大値をとり単調に減少
して，圧下率 60%の場合は，ロールバイトの中央付近で最大値をとることが明らかと60%の場合は，ロールバイトの中央付近で最大値をとることが明らかとして，圧下率するのに対して，(2) 圧下率 60% の場合は，ロールバイなった．
トの中央付近で最大値をとることが明らかとなった．
なった．
圧延後厚さを h圧延後厚さを
h11 先進率を
先進率をh1f,fss，，
接触弧を放物線近似してマスフロー一定則を仮定すると最fs，接触弧を放物線近似して先進率を
圧延後厚さを
接触弧を放物線近似してマスフロー一定則を仮定すると最マスフロー一定則を仮定すると最小ロールギャップより上
小ロールギャップより上流の位置における材料点の速度は次式で表される．
小ロールギャップより上流の位置における材料点の速度は次式で表される．
流 x の位置における材料点の速度は次式で表される．

（2）

この式による材料点の移動速度を Fig. 13(a) 中に示した

Fig. 13 ロールバイト付近での板材の(a)速度と(b)相当ひずみ速度の変化

Fig. 13 ロールバイト付近での板材の(a)速度と(b)相当ひずみ速度の変化が．実測された材料点の速度とおおむね一致することが確

この式による材料点の移動速度を中に示したが．実測された材料点の速度とおこの式による材料点の移動速度を中に示したが．実測された材料点の速度とお認される．式 (2) から相当ひずみ速度は次のように表されおむね一致することが確認される．式 から相当ひずみ速度は次のように表される．
から相当ひずみ速度は次のように表される．
おむね一致することが確認される．式る．

=
̇̅ ̇̅ =

４. 結
/̅ /̅

=
=

/̅ /̅

((

4ℎ1 (1 + )=−− 4ℎ1 (1 + ) ∙∙
=
(ℎ1 +
+
√3
(ℎ
√3
1

=
// )) =
2/
2/

2
))2

/̅ /̅

言

本稿では，圧延現象のその場観察方法として，天動説（3）型圧延法とロール自走式圧延法の２法を紹介した．天動説
型圧延では，１つのロールが回転せずに空間に固定されて88いる特徴を有するため，透明ロールを用いることで，ロー式 (3) を Fig. 13(b) 中に曲線で示したが，これも実験値

ルバイト内で変形中の被加工材とロールの界面を直接観察とよく一致している．式 (2) より極値は圧下率 25% 以上可能であることを示した．一方，ロール自走式圧延では，の条件で現れることが新たに明らかとなった．高圧下率でロール軸を上流に移動させつつ回転を行うことで，被圧延ひずみ速度がロールバイト中央で極値を持つ理由は，ロー材側面上の１点を空間に近似的に固定できることが特徴

ルバイト入口付近では板厚減少が大きい反面で速度が遅い

で，光学顕微鏡の視野内で圧延中に起こる変化を観察し続のに対して，出口付近では板厚減少が小さい反面で速度がけることができることを示した．現状，提案した２つのそ速いためと解釈することができる．なお，図中の相当ひずの場観察手法の有効性を，小型の実験装置を試作し軟質材

み速度 ε̅̇ avg は式 (2) の積分で求めた平均値であり，ε̅̇mean は，料を用いて有効性を確認したに留まっている．しかし，両板厚変化による相当ひずみを，通過時間＝（接触長さ / ロー

手法ともに，大型化や高速化上の制限は小さいと考えられル周速）で除すことで，求めた従来概算法の値である．こるので，工業的なプロセスに近い条件で圧延が可能な装置

れは熱間圧延での組織予測の際に広く用いられている概算への改良を続け，製造現場で生じている未知の圧延現象の法である．低圧下率の場合は ε̅̇avg と，ε̅̇mean の差はほとんど

解明に役立てたいと考えている．また，本稿では変形のそ

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Sanyo Technical Report Vol.29 (2022) No.1

その場観察による圧延現象の解明

辞要である．なぜなら，変形やひずみ分布の測定には画像相
関 (DIC) 技術が応用できるが，応力測定は X 線回折など

ここで紹介した２つの実験装置は，著者のおぼろげなを用いるため，分布の迅速な測定は困難なためである．紙

着想を元に大阪大学科学機器リノベーション・工作支援セ面の都合上割愛するが，著者らは応力発光現象を利用したンターで，設計・試作いただくことで具現化したものです．

応力分布のその場測定技術の開発も進めているので，関心

大野功司技術専門職員をはじめとする工作支援室の皆様にがあれば文献 14,15) を参考にされたい．

深甚な謝意を表します．また研究室のスタッフ，修士ある

次の応用としては，天動説型圧延では，圧延界面においは学士論文の研究として実験に取り組んでくれた卒業生

ける潤滑剤の流動・圧力変化や被加工材の表面性状の変化

および学生諸士に感謝します．

など圧延トライボロジー現象の解明が期待できる．また，

参考文献

回転しない固定ロールに測圧ピンやひずみゲージを導入す
れば，圧延圧力分布やロールの弾性変形の圧延最中の動的

1）小豆島明 , 坪内昌生 , 工藤英明 , 古田憲明 , 峯村憲 :

な変化を測定することもできると考えられる．ロール自走

塑性と加工 ,30-347 (1989),1631．

式圧延装置では，被圧延材側面の１点の変化を観察し続け

2） J. Bech, N. Bay and M. Eriksen: Wear, 232 (1999),

ることができるため，局所変形や内部組織の発展過程の解134．

明に役立つものと思われる．走査型電子顕微鏡のチャン
バー内に挿入すれば，EBSD 法などとの組み合わせで圧延

3）池浩 , 辻邦夫 : 特願平 9-133255, 特開平 10-325796．

中の方位変化，すなわち集合組織の発達過程を解明するこ

4）池浩 , 辻邦夫 , 高瀬誠 : 平成 9 年度塑性加工春季講演
大会講演論文集 (1997), 315．

とが可能となる．実験装置を高輝度 X 線放射光施設など

5）H. Ike, K Tsuji and M. Takase: Wear, 252 (2002), 48．

に導入することも有効な可能性がある．

6）安田健一 : 第 66 回塑性加工連合講演会講演論文集

従来，圧延加工の研究は，加工の前後で材料の組織を(2015), 345．

観察し特性を測定することで，加工による変化を明らかに

7）宇都宮裕 , 大野功司 , 松本良 , 薮田豊 : 特願 2021-

して，ロールバイト中の圧延現象を推定することで発達し83743.

てきた．しかしながら，これらは平均値などの統計量の変8）宇都宮裕 , 寺田喜満 , 伊勢家雄次 , 松本良 :2021 年度

化に基づく確率論的なアプローチである．近年は , 機械学
習や AI 技術の発達により確率論的なアプローチが採られ塑性加工春季講演大会講演論文集 (2021), 49.

ることが増えている．しかしながら，その一方で，その場

9）宇都宮裕 , 寺田喜満，松本良 : 材料とプロセス ,34(2021), 278.

観察・計測結果の実験データを積み重ねて物理現象を解明し，数式モデルを構築していくこともまた重要である．予

10) H. Utsunomiya, Y. Terada, K. Ohno and R. Matsu-

測モデルが高精度化すれば，将来は組織や特性を確定論的

moto: CIRP Annals - Manufacturing Technology,な予測が可能となるものと予想される．すなわち，現状の71 (2022), in press.

技術レベルでは，圧延後の粒径を圧延前の粒径から，圧延

11) 寺田喜満 , 大野功司 , 松本良 , 宇都宮裕 : 2022 年度

材の集合組織を圧延前の集合組織から，あるいは圧延後の塑性加工春季講演大会講演論文集 (2022), 233.

表面粗さを圧延前の粗さから予測するに留まることが多い

12) 宇都宮裕 , 望月佑宇馬，大野功司 , 松本良 : 特願
2022-48064.

が，確定論的なモデルが完成すれば，圧延前の組織から圧延後の組織そのものを，圧延前の方位分布から圧延後の方

13) 宇都宮裕 , 望月佑宇馬 , 大野功司 , 松本良 :2022 年度

位分布を，あるいは圧延前の表面トポグラフィから圧延後塑性加工春季講演大会講演論文集 (2022), 231.

のトポグラフィを完全に予測することが可能となる．すな

14) K. Kanamaru and H. Utsunomiya: Scripta Materialia,
209(2022), 114388.

わち，Digital Rolling が実現されることを意味する．さら15) 金丸訓明 , 永棹航太，宇都宮裕 : 軽金属学会 142 回には，逆問題解析を応用することで圧延前の組織や圧延条

春季大会講演概要 , (2022), 27.

件の最適化が実現できると考えられる．

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カーボンニュートラルにつながる予測技術特集

謝の場測定を紹介したが，応力のその場測定方法の開発も重