鋼線・棒鋼引抜き：精密金属加工プロセスの解説

鋼棒から鋼線を引き抜くことは、棒の断面積を減らす金属加工プロセスです。同様に、より大きな直径の鋼丸鋼から棒鋼を引き抜きます。引抜き中は体積が一定であるため、引き抜かれた線や棒の長さは増加します。単一または一連の引抜きダイを通して線/棒を引くことで実施。一連の引抜きダイの場合、後続の引抜きダイは前のダイより小さい穴径を持つ必要があります。引抜きは通常室温で丸断面で実施されるため、冷間加工プロセスに分類されます。ただし、大径線では力を減らすため高温で実施可能です。

引抜きプロセスは最も頻繁に丸断面製造に使用されますが、角形やその他形状も引抜き可能。線/棒引抜きは商業製品を提供する重要な産業プロセスです。棒・線製品は非常に幅広い用途をカバー：動力伝達用シャフト、機械・構造部品、ボルト・リベット用ブランク、電気配線、ケーブル、フェンス用線材、釘・ねじ・リベット・ばね製造用棒材など多数。鋼丸鋼から棒鋼を引き抜くことは、機械加工、鍛造、その他プロセス用棒材生産に使用されます。

引抜きの利点

上記用途における引抜きの利点：（1）厳密な寸法管理、（2）良好な表面仕上げ、（3）強度・硬度など機械的特性の改善、（4）経済的なバッチまたは大量生産への適応性。

引抜きプロセスでは、長い棒や線の断面積を、ダイ（引抜きダイ）を通して引く（したがって「引抜き」と呼ばれる）ことで減らしたり変更したりします。ダイの出口側に引張力を加えることで棒をダイを通して引きます。塑性流動は、金属とダイの反力から生じる圧縮力によって引き起こされます。

したがって、引抜きと押出しの基本的違いは、押出しでは材料をダイを通して押し出すのに対し、引抜きでは引っ張って通す点です。引抜きでは引張応力の存在が明らかですが、圧縮も重要な役割を果たします。鋼材料がダイ開口を通過する際に絞り込まれるためです。この理由で、引抜きで発生する変形は間接圧縮と呼ばれることもあります。

引抜きの主要加工変数は、断面積減少、ダイ角度、ダイ-ワークピース界面摩擦、引抜き速度。ダイ角度は引抜き力と引抜き製品品質に影響します。

棒引抜きと線引抜きの基本的違いは、加工される出発材料のサイズです。バー引抜きは鋼丸鋼から棒鋼を引き抜く用語、ワイヤー引抜きは鋼線材から鋼線を引き抜く用語。ワイヤー引抜きでは0.03mmまでの微細サイズが可能。

鋼の引抜き速度は、極細線で通常最大10m/秒。引抜きでは、パスあたりの断面積減少率は最大約45%。通常、初期断面が小さいほどパスあたり減少率は小さい。極細線は通常15-25%減少/パス、大型サイズは20-45%/パス。軽減少（サイジングパス）を棒に与えて表面仕上げと寸法精度を改善することも可能。

丸鋼からの棒引抜きは一般にシングルドラフトオペレーションで達成、すなわち丸鋼を1つのダイ開口を通して引き抜きます。出発丸鋼は大径のため、コイルではなく直線円筒形状であり、引き抜き可能な棒長さが制限されます。対照的に、線は数百メートルのコイル状線材から引き抜かれ、一連の引抜きダイを通過。ダイ数は通常4-12本。

線/棒引抜きのプロセス特性：（1）ワイヤーロッド/丸鋼をダイを通して引き抜き直径縮小、（2）引抜きで直径減少に伴い長さ増加、（3）小径線では複数ダイを連続（タンデム）使用、（4）冷間加工により引抜き線/棒特性改善、（5）線材テンパーはスウェージング、引抜き、焼鈍処理で制御可能。

引抜きプロセスは棒または線をダイを通して引くため、材料の伸長・延伸と断面積減少をもたらします。引張力は鋼材料の強度によって制限。線/棒を強く引きすぎると材料破断。線/棒をダイを通して引くのに必要な力は、断面積減少の程度で決定。減少が大きいほど必要な力大。したがって、引き抜かれる鋼の降伏強度によって達成可能な最大直径減少が制限されることがわかります。

降伏強度は鋼組成に依存し、典型的にダイを通る面積減少は15-45%領域。より大きな減少が必要な場合、前より小さいダイを系列で通して引抜き実施。しかし、ダイを通過する際に鋼棒/線が経験する塑性変形は硬度を増し延性を低下させる傾向。ここで延性とは鋼が変形しやすさを指します。系列引抜きプロセスで断面減少が難しくなるため、連続引抜き間に焼鈍プロセスを実施して鋼変形を助けることがしばしば必要。一方、引抜きによる引張強度増加はしばしば非常に望ましい材料特性と見なされます。

非常に小さな直径は、段階的に小さな直径のダイを通した連続引抜きオペレーションで取得可能。各減少セット前の焼鈍で大きな減少率を許容。鋼引抜きプロセスでは焼鈍プロセスを「パテント処理」とも呼びます。

ワイヤー引抜きは通常冷間で実施されますが、延性向上のため鋼棒/線を熱間引抜きするケースもあります。ダイ潤滑は冷間引抜きで良好な表面仕上げ達成とダイ寿命最大化に不可欠。

ワイヤー引抜きは金属を所望形状に伸ばすもので、除去プロセスではなく変形プロセスと見なされます。引抜きの顕著な利点は材料廃棄が非常に少ないこと。しかしこの利点は、ダイの高コストと加工硬化対抗のため焼鈍が必要になる可能性と天秤にかける必要があります。

引抜きプロセスを図1に示します。図中「Do」は棒初期直径、「Df」は引抜き後直径。「F」は加力。「Alpha」はダイ角度、「Lc」は接触線。

棒または線をダイを通して引くことで断面積減少。面積減少率（%r）は次の式で与えられます。「%r = 100 × (Ao - Af)/Ao」 ここで「Ao」は初期面積、「Af」は引抜き後線/棒最終面積。

引抜きプロセス

実際の引抜き前、引き抜く材料を適切に準備。これには3ステップ：（1）焼鈍、（2）洗浄、（3）ポインティング。焼鈍の目的は、引抜き中の変形を受け入れるため出発材料の延性を高めること。連続引抜きではステップ間で焼鈍が必要な場合も。ワイヤーロッド/丸鋼の洗浄は、作業表面と引抜きダイの損傷防止に必要。化学ピクリングまたはショットブラストによる表面汚染物（スケール、錆等）除去が含まれます。場合によっては洗浄後、作業表面のプレ潤滑実施。ポインティングは、ワイヤーロッド/丸鋼の出発端直径を減らし、引抜きダイを通して挿入してプロセス開始可能にすること。通常スウェージング、ローリング、旋削で達成。ポインティングされたワイヤーロッド/丸鋼端をキャリッジジョーまたは他デバイスでグリップして引抜きプロセス開始。

ステンレス鋼線/棒引抜きの場合、まずワイヤーロッド/丸鋼表面を検査。引張試験と硬度試験、直径測定で実施。表面処理は酸ピクリング（フェライト・マルテンサイト鋼）またはアルカリ溶液（オーステナイト鋼）で実施。処理済み表面を潤滑剤でコーティング。ダイヤモンドダイまたは超硬ダイで冷間引抜きを所望直径まで実施。オイル/潤滑剤洗浄、その後熱処理（約1100℃焼鈍またはスキンパス）。

引抜き設備

大径棒引抜きはドローベンチで実施。エントリーテーブル、ダイスタンド（引抜きダイ含む）、キャリッジ、出口ラックで構成。キャリッジでストックを引抜きダイを通して引く。油圧シリンダーまたはモーター駆動チェーンで駆動。ダイスタンドはしばしば複数ダイ保持設計で、複数本棒を各ダイを通して同時に引抜き可能。

ワイヤー引抜きは連続引抜き機で実施。複数引抜きダイで構成、ダイ間に蓄積ドラムを配置。各ドラム（キャプスタンまたはブロックと呼ばれる）はモーター駆動で、上流ダイを通してワイヤーストックを引く適切な引張力を提供。また、ワイヤーが系列の次引抜きダイに進行する際に控えめなテンションを維持。各ダイで一定量のワイヤー減少を提供し、系列で所望総減少を達成。処理鋼と総減少に応じて、系列ダイグループ間でワイヤー焼鈍が必要な場合あり。

棒引抜き用ドローベンチと連続ワイヤー引抜きを図2に示します。

引抜きダイ

棒/線引抜き用典型ダイの用語を図3に示します。典型的引抜きダイには4つの識別領域があります。（1）エントリー、（2）アプローチ角、（3）ベアリング面（ランド）、（4）バックリリーフ。エントリー領域は通常ベル形マウスでワークと接触せず。ベル形状が静水圧を高め、潤滑剤のダイ内流入促進、引き抜かれるワイヤーロッド/丸鋼とダイ表面のスコアリング防止。アプローチは引抜きプロセスが発生する領域。円錐形で角度（半角）通常6-20度範囲。適切角度はワイヤーロッド/丸鋼材料により変化。ベアリング面（ランド）が最終引抜きワイヤー/棒サイズを決定。ワイヤー/棒に摩擦ドラッグを生じさせ、ダイ摩耗による表面損傷を寸法変更なしで除去。最後にバックリリーフは出口ゾーン。約30度のバックリリーフ角（半角）を持つ。バックリリーフは鋼材料がダイを出る際にわずかに膨張することを許容し、引抜き停止時やダイ芯ズレ時の摩耗最小化にも寄与。

引抜きダイは工具鋼または超硬合金製。熱間引抜きでは鋳鋼ダイ使用、高温での優れた耐摩耗性のため。高速ワイヤー引抜きオペレーション用ダイは、摩耗面にダイヤモンド（合成・天然両方）インサートを頻繁に使用。超硬合金はチタン、タングステン、ニッケル、モリブデン、タンタルのカーバイドで構成。超硬合金は優れた強度、靭性、耐摩耗性のため引抜きダイに最も広く使用。ダイヤモンドダイは2μm〜1.5mm径の極細線引抜きに使用。単結晶ダイヤモンドまたは金属マトリックス中のダイヤモンド粒子を持つ多結晶形（コンパクト）で製造。多結晶ダイヤモンドはワイヤー引抜きダイに使用され、より長いダイ寿命、高い耐摩耗性、クラックまたはベアリング耐性を発揮。超硬とダイヤモンドダイは通常インサートまたはニブとして使用、鋼ケーシングで支持。

ワイヤー引抜きの力学

ワイヤー/棒引抜き中の変形は、鋼化学成分、アプローチ角、潤滑、引抜き速度、減少など多数の因子に影響され、減少が最も重要。

変形中に体積が失われないことは明らかですが、実は多くの引抜き問題分析の基礎となる非常に有用な概念です。最も一般的な応用の一つは、各スタンドでのワイヤー速度と必要キャプスタン速度の決定。簡単に言えば、体積一定とは、ダイに入るワイヤーの体積流量が出る体積流量と同じであること。引抜き中に断面積が減少するため、同じ体積流量で材料がダイに出入りするには、ワイヤー速度が増加する必要があります。体積流量はワイヤー断面積×ワイヤー速度で定義。

多パス引抜きでは、各ダイから出るワイヤー速度が増加し、すべてのダイで金属流量体積流量が等しくなる必要があります。したがって、出口ワイヤー速度と等しい角速度を持つキャプスタンを使用し、各減少後にダイを通してワイヤーを引きます。これが実施されないと、ダイ間で不均等なワイヤーテンションによりワイヤー破断。

引抜きプロセス中に引抜きダイが摩耗するとワイヤー直径増加。したがって体積一定に基づき、ダイサイズ増加に伴いワイヤー速度低下。新品ダイのワイヤーサイズにプルキャプスタン線速を合わせると、ワイヤー直径増加に伴いキャプスタン速度がワイヤー速度より速くなる。このキャプスタン速度増加がワイヤーに高引張応力を加え、頻繁にワイヤー破断。したがって、多パス引抜きユニットのキャプスタンは、ダイ摩耗とワイヤー速度低下に伴いワイヤーがキャプスタン上でスリップするよう設計。スリップはプルキャプスタン巻き数制限と、引抜き潤滑剤でワイヤーとキャプスタン表面を濡らすことで促進。

ワイヤー引抜きの力とパワーは単純引張で分析可能に見えますが、実際にはダイ表面で生じる圧縮力とドラッグ力により変形条件ははるかに複雑。引抜き力は、ダイ表面摩擦と変形鋼材料抵抗を克服するためにダイブロックに加える必要のある総力。引抜き力は非支持材料で伝達されるため、ダイ外部で塑性変形が発生しないよう引抜き力を制限する必要。したがって引き抜かれたワイヤーの降伏応力が許容引抜き応力の上限を表します。一般的引抜きプラクティスでは引抜き応力を引き抜かれたワイヤー降伏強度の60%に制限。引抜き応力は引抜き力を引き抜かれたワイヤー断面積で割って算出。

与えられた引抜きスタンドでの仕事やエネルギー消費が材料と減少量で決まるように見えますが、実際に必要な量は実践では相当高くなります。これは変形中に存在する非効率性によるもので、主にアプローチ角によって支配されます。このような非効率性は断面積減少に有用な貢献をせず、一般にエネルギー要求増大とワイヤー/棒品質悪化にのみ寄与。引抜きスタンドでの総消費仕事は3成分に分割可能：（1）断面減少に必要な有用均質仕事、（2）摩擦抵抗克服に必要な仕事、（3）流れ方向変更に必要な冗長（不均質）仕事。

均質仕事はドラフティング（減少）で決定され、本質的にアプローチ角に非依存。摩擦仕事と冗長仕事はダイ形状と密接に結合し、アプローチ角変更で逆の効果。通常引抜き条件下、典型的損失は摩擦仕事で約20%、冗長仕事で約12%。

冗長仕事と摩擦仕事は、エネルギー必要量増大に加え、ワイヤー特性に悪影響。一つの結果は、機械的特性がワイヤー断面全体で均質でないこと。冗長と摩擦変形がワイヤー表面付近に集中するため、表面と近表面層でより高レベルの加工硬化（テンパーローリングに類似）が生じ、断面減少から生じる歪みより大きくなる。また冗長変形は延性に悪影響。

延性は歪みと逆相関するため、冗長変形は焼鈍前の最大パス数と最大減少も制限。これが引抜きで問題にならなくても、延性喪失が曲げや冷間ヘッディングなど後続成形プロセスで破断を招く可能性。

ワイヤー/棒表面層は通常、断面変化だけでなく、ダイ表面が呈するドラッグによりせん断変形も受けます。高度に研磨されたダイ表面と流体動圧潤滑でも、一定量の摩擦仕事は常に存在。摩擦仕事は、与えられた減少に対してアプローチゾーンでの接触長が長くなるため、低ダイ角度で表面ドラッグが増大することで支配的。より大きなアプローチ角使用と、やや程度は劣るが潤滑改善やダイ表面状態改善で摩擦仕事低減可能。摩擦力もダイ荷重に関連するが、通常減少制限で摩擦制御する努力は少ない（追加スタンド必要）。代わりに通常、アプローチ角最適化と潤滑効果最大化が実践。

ワイヤーが引抜きダイのアプローチゾーンに入ると、表面付近の材料層は面積減少と流れ方向変更、すなわちアプローチゾーンからダイのベアリングゾーンへの方向変更への適合（曲げ）により変形。冗長変形は摩擦変形同様、ワイヤー全体に均等分布せず、通常表面で最大、対応する硬度増大。冗長変形は大きなダイ角度で促進。中心線から遠い材料が中心線付近材料より鋭い方向変更を経験し、より高い歪みレベル経験。冗長変形は引抜きワイヤーの残留応力レベルに影響。アプローチ角増加に伴い、表面と中心線間の変形勾配も増大。これにより表面で進行的に高い引張応力、芯で圧縮応力発生。引抜き中に逆効果が発生し、芯部で生成される高引張応力レベルによりセンターバースト発生可能性。

適切ダイ角度選択は、いかなるワイヤー引抜きオペレーションの成功にとって不可欠。摩擦仕事はダイ角度減少で増大、冗長仕事はダイ角度増大で増大する事実に基づき、最適アプローチ角が存在。最適アプローチ角は摩擦と冗長仕事の両方を最小化し、結果として引抜き力を最小化。力要件最小化に加え、最適ダイ角度は表面品質と仕上げも改善。

ダイ作業部分（アプローチゾーン）の幾何学はワイヤー引抜きの鍵因子。この幾何学はデルタファクターで定義可能。デルタファクターは、ダイ面の中点を結ぶ円弧と、ワイヤー/棒とダイ間の接触長の比。低デルタ値（小半角または大きな面積減少）は、アプローチゾーンでの長いワイヤー/棒接触により、大きな摩擦効果と表面加熱を示唆。高デルタ値（大半角または小面積減少）は、流れ中の過度方向変更による冗長変形増大と表面硬化増大を示唆。大きなデルタはボイド形成とセンターバースト傾向増大をもたらすことが多い。デルタ値1.50は多くの商業引抜きオペレーションで良好に機能、3.0超のデルタファクターは一般に回避。

引抜きダイは少量の熱しか取り除けないため、特に後期減少段階ではパス間冷却に適切な注意必要。一部熱はダイに伝達されるが、大半はワイヤーに残り、ダイ冷却でワイヤー温度低減を試みても大半失敗。ダイ冷却効果研究では、ダイが通常ワイヤーで発生熱の5-20%未満しか除去しないことが判明。これはワイヤーの与えられた面積がダイ表面と接触するのがわずか千分の1秒しかないため。ダイがワイヤーから最小限の熱しか除去できないと予想されても、ダイ温度を見逃せず、ダイケース冷却がしばしば必要。特に超硬インサートを鋼ケーシングで使用する場合、熱膨張係数の大きな差があるためこれが特に真実。

乾式引抜き（最初ダイ以外）でのパスあたり温度上昇の経験則：軟鋼で60-80℃、高炭素鋼で100-160℃。湿式引抜きではこれらの値は半分。通常使用される3つのワイヤー冷却モード：（1）直接冷却：水または冷却剤をダイ出口ワイヤーまたはテイクアップキャプスタンに噴霧、（2）間接冷却：水または冷却剤をダイケースに噴霧、またはダイケース内部やテイクアップブロック内部を循環、（3）エアブラスト：強制空気をブロックまたはキャプスタン上のワイヤーに衝突。

パス間冷却はしばしばダイ出口ワイヤーへの直接水冷却を採用し、ワイヤー残留熱で最後の水分を蒸発除去。直接冷却と内部ブロック冷却併用でワイヤー温度を120℃以下に低減可能、これは次の減少のための妥当な開始温度。ブロック内部表面の酸化と汚れ防止により、熱いワイヤーと冷却水間の良好な熱伝達維持が重要。引抜きワイヤーの効果的冷却手段：（1）ワイヤーが可能な限り冷たい状態でダイに入るよう確保、（2）過度減少回避、（3）最良可能潤滑採用、（4）バックプル使用検討、（5）減少間インターバル増加、（6）ブロック巻き数増加、（7）ブロック直径増加。

ダイ寿命を制御する2つの主要変数は圧力と温度。ワイヤー引抜きでダイに作用する圧力は他の冷間成形オペレーションよりはるかに低い。したがって温度がダイ寿命制御ではるかにクリティカルな要因となることが多い。摩耗がアプローチゾーンに沿って均一に発生すると思われますが、実践ではそうではありません。最大摩耗（体積損失測定）は通常、ワイヤー/棒がダイに最初に接触する点で発生。そこでは深い環状クレーターが形成され、通常「摩耗リング」として知られます。リンギングは、ワイヤー/棒のダイへの衝突面がサイズ不規則性とワイヤー振動により平均位置周りで振動するため。結果としてダイボアの狭いゾーンが循環荷重を受け、最終的に皮下疲労破壊。

摩耗リングが発生すると、引抜きダイで接触点より前で変形が発生可能。これは「バルジング」と呼ばれ、ダイの摩耗リング位置で接触が生じる際、ワイヤー近表面領域のバックアップまたはアップセッティングから生じます。ダイ喉部初期接触点でのバルジングは潤滑剤ダイ内進入制限、ダイ摩耗加速。アプローチゾーン接触長に沿ってより少量の摩耗発生、ここでも摩耗は不均一で円形ではなく楕円形摩耗面になることが多い。

ワイヤーが引抜きダイ作業面に対してスライドすることでダイ摩耗発生、したがって摩耗はワイヤー表面積、従ってダイを通過するワイヤー長に依存。ダイ寿命は引き抜かれたワイヤー重量または引抜き時間で測定されることが多い。しかし、これらの測定値を引き抜かれたワイヤー長さに変換して、ダイ摩耗の根本的指標を得る必要。したがって、ダイ寿命の実用的測度は、ダイ直径単位増加あたりの平均引抜きワイヤー長さ。一般規則として、高降伏強度鋼は耐摩耗性が高い。しかし最近の研究ではダイ硬度がダイ摩耗を制御しないことが示唆、すなわちダイ材料硬度増加がダイ寿命の実質的増加につながらない。

引抜き欠陥

引抜きワイヤー/棒欠陥は、出発材料欠陥（シーム、スリバー、パイプ）または変形プロセスで導入されるもののいずれか。

引抜きワイヤー/棒の典型的欠陥はセンタークラッキング。センターバーストまたはクラッキング（カッピング）欠陥は、低ダイ角度で低減少時に発生。センタークラックは、大きなダイ角度、低パス減少、摩擦等で引抜き製品に発生可能。引抜きのもう一つの主要欠陥タイプはシーム、材料の縦スクラッチまたは折れ込み。シームは後続成形オペレーション（アップセッティング、ヘッディング、ねじ転造、棒/線曲げ等）で開口し、深刻な品質管理問題を引き起こす可能性。その他様々な表面欠陥（スクラッチ、ダイマーク等）も、プロセスパラメータ不適切選択、不良潤滑、不良ダイ状態から生じる可能性。

引抜き材料が非均一変形を受けるため、冷間引抜き製品は通常残留応力を持ちます。軽減少（数%のみ）では、縦方向表面残留応力は圧縮（バルクは引張）で疲労寿命向上。逆に重減少では表面引張残留応力誘発（バルクは圧縮）。残留応力は時間経過とともに部品の応力腐食割れ原因となり得る。さらに、後続プロセスで材料層除去（スリッティング、機械加工、研削等）時に部品歪み原因。

十分直線でない棒（またはコイル供給）は、異なる軸に配置されたロール配列を通すことで矯正可能。