JPH05293532A - 疲労特性に優れた鋼線の伸線方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 伸線ライン上において鋼線表面に効率よく均
一に圧縮残留応力を導入する。 【構成】 １mm以上の鋼線の表面に鋼球を押しつけなが
ら鋼線の回りを回転させて鋼線表面にスパイラル状の圧
痕を導入し、引き続き軽減面率で伸線することにより鋼
線表面に効率よく均一に圧縮残留応力を導入する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は疲労特性に富んだ１．０
mm以上の高強度鋼線を製造するための鋼線材の伸線方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】林業、漁業、鉱業、建設業分野において
使用されるクレーンのワイヤーロープは、強度の他に疲
労強度が重要な特性要素であるにもかかわらず、円形断
面を持ったワイヤーロープ素線の疲労特性を積極的に高
めたワイヤーロープはいまだ開発されていない。この理
由は、ワイヤーロープの製造コストに見合った低コスト
で生産性の高い疲労特性付与技術が確立されていないた
めである。

【０００３】鋼線の疲労特性を向上させる技術として
は、これまでにショットピーニングやバニシング加工等
が利用されている。ボルトや歯車に適用しているショッ
トピーニングやパイプに利用されているバニシングにお
ける圧縮残留応力を導入するための条件は、カバレージ
が最も重要であると考えられている。例えば、日本ばね
工業会の発行しているＪＳＭＡ Ｎｏ１の１９８２年度
版によれば通常行われているショットピーニング処理で
は、アークハイトとカバレージが最も重要な管理指標で
あり、これらの値を高くするために処理時間を長くした
り、複数回処理することが必要になる。

【０００４】現在鋼線の圧縮残留応力導入用として考え
られているショットピーニング方法としては特願昭６２
−３３５１６３があるが、この方法においてはショット
ブラストユニットを複数段設けるほうが好ましいとして
いる。

【０００５】また近年、バニシング加工においては圧縮
残留応力の付与技術としてではなく、主に溝付け加工や
表面凹凸調整技術として利用されているのが現状であ
る。鋼線への応用例としては特願昭６０−２１４９７７
があるが、この方法では鋼線に対してローラーで表面を
圧延し、０．２から１０％の歪を与えると規定している
が、この歪は表面全体を加工することを意味している。

【０００６】よって、鋼線の疲労特性を向上させるため
にはカバレージを大きくする必要があると考えられ、そ
のためには鋼線をキャプスタンに巻き付けるなどして繰
り返し処理する方法が行われている。しかし、カバレー
ジを大きくするほど生産性が低下したり、装置が大がか
りになったり、作業性が著しく低下したりするので、鋼
線に圧縮残留応力を導入する方法が実機化されている例
は少ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、疲労特性に
優れた１mm以上の鋼線を伸線ラインの生産性を落とさず
に連続的に製造するための伸線方法を提供するものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ダイスにより
鋼線が引き抜かれてから巻取られるまでの間において、
最終の熱処理線径から計算した断面減少率で７０％以上
加工された線径１mm以上の走行する鋼線に、鋼線の線径
の０．５倍以上１．５倍以下の直径を持った鋼球を、
０．６μｍ以上１０μｍ以下の深さの圧痕が付くように
押し付け、この鋼球を鋼線の回りを回転させて０．４mm
以上５０mmピッチ以下の間隔のらせん状の圧痕を導入
し、引き続いてダイス１パスで３％以上１０％以下の減
面の伸線加工することを特徴とする、疲労特性に優れた
鋼線の伸線方法である。

【０００９】

【作用】上述したように、現在行われているショットピ
ーニングやバニシングにおける加工条件は、カバレージ
が重要であると考えられている。しかし本発明は、多く
の実機伸線ラインにおける試験の結果から鋼球押し付け
による圧痕のカバレージは少なくても、引続き軽く伸線
加工することにより鋼線全体に均一でより大きな圧縮残
留応力が導入できることを見いだしたものである。その
ため本発明は、高速で伸線されている鋼線に焼き付きや
断線を起こさずに圧痕を導入するための条件、ピッチの
粗い圧痕を導入する工程、そして軽い減面率で伸線する
工程から成り立っている。

【００１０】はじめに本発明による方法において加工の
対象となるサンプルの条件を示す。まず、断面減少率で
７０％以上加工された鋼線を対象にするのは、減面率が
７０％未満であると疲労特性が十分改善されないためで
ある。１mm以上の線径の鋼線を対象にする理由は、鋼線
表面に鋼球を押し付けて圧痕を導入するためには、鋼線
の線径が１mmより小さいと鋼線の剛性が小さいために線
が捻れたり振動したりして、加工が困難になるためであ
る。また伸線中の鋼線に加工する必要があるのは、鋼線
の長手方向全体に効率よく加工するためである。

【００１１】つぎに、高速で伸線されている鋼線に焼き
付きや断線を起こさずに圧痕を導入するための条件につ
いて説明する。伸線時に焼き付きや断線を起こさないた
めには、押し付ける鋼球の大きさと、押し付け深さが重
要な要素になる。鋼球の直径が鋼線の直径に対して大き
いと、圧痕が大きくなりすぎて鋼線表面の疵になった
り、鋼線と鋼球の摩擦抵抗が大きいために焼付きを起こ
し疲労特性を低下させる恐れがある。圧痕の深さが大き
いと鋼線と鋼球の潤滑が十分に行われなくなるために焼
付きが発生し、疲労特性は改善されない。またこの段階
で焼付きが発生しなくても、最後の軽減面率での伸線工
程において、折れ込み疵になったり焼付きの原因になり
疲労特性は改善されない。逆に、押し付ける鋼球の大き
さや押し付け深さが小さいと十分な圧縮残留応力を導入
できないために必要な疲労特性の改善が得られない。そ
こで本発明では、鋼球の直径は鋼線の直径の０．５倍以
上１．５倍以下、圧痕の深さは０．６μｍ以上１０μｍ
以下が適当である。

【００１２】次に、ピッチの粗い圧痕を導入する工程に
ついて説明する。まず圧痕のピッチとは、１本の圧痕か
ら鋼線の長手方向にある次の圧痕までの距離である。本
発明は鋼線の長手方向に対して、従来では考えられない
ほどの粗いピッチでも、圧縮残留応力を導入し疲労特性
が改善できることを見いだした。そのため、本発明では
圧痕のピッチを０．４mm以上５０mm以下と規定してい
る。ピッチが５０mmより大きくなると鋼線の疲労特性に
ばらつきが大きくなる。０．４mmよりピッチが小さくて
も疲労特性の改善はあるが、この条件では生産性が非常
に低下してしまうことになるので実用上意味がない。

【００１３】本発明では伸線中の鋼線に小さいピッチの
圧痕を導入する方法が重要な構成の一つである。鋼線に
つける圧痕のピッチは、鋼線の送り速度と鋼球の回転数
及び鋼球の数との関係で決まるので、これらの条件の組
合せについて詳しく説明する。

【００１４】鋼球を１つと固定して考えた場合、線の送
り速度を低速にして回転数をきわめて速くする必要があ
る。例えば、０．４mmピッチにするための線の送り速度
と鋼球の回転数の組合せを考えると、鋼線の送り速度を
２０m/min で回転数が５００００rpm の場合が考えられ
る。しかしこの場合、線の送り速度が非常に遅いために
生産性が著しく低くなるだけでなく、鋼球の回転数も５
００００rpm 以上の回転数を出すことのできるモーター
は特殊な軸受けなどが必要になり、現実には２０m/min
、５００００rpm は実用上困難な条件である。

【００１５】以上のことから本発明で規定するピッチの
条件を満たすためには、伸線速度と回転数の他に鋼球の
数を増やすことが必要である。そのためには、鋼線の長
手方向に垂直な一つの面上に配置できる鋼球の数は３な
いし４程度であるので、その面を何列にも長手方向に重
ねていくことが考えられる。しかし、鋼球の数を増やす
と鋼球の潤滑が困難になるために発熱や焼付きが発生し
たり、鋼線に振動や捻れが発生したり、既につけられた
圧痕の上に次の鋼球が通ると、鋼球の数を増やしても圧
痕の本数が増えることにならない等の問題が発生し、鋼
球を増やしてもその分の効果が得られなくなる。多くの
実験から鋼球の数の上限は２４個（１面に４個×６面）
である。

【００１６】ピッチを小さくする場合、ピッチが約３．
３mmまでは線の送り速度は８００m/min と生産性を落と
さずに、回転数を１００００rpm に鋼球の数を２４個
（１面に４個×６面）に増やすことにより対応できる。
生産性を落とさずにピッチを３．３mm以下にするために
は、さらに回転数を上げるか鋼球の個数を増やしていく
ことが考えられる。しかし、回転数を１００００rpm 以
上にするには特殊なモーターが必要になったり、高速な
回転による発熱により安定した加工ができなくなる可能
性もあり実用的ではない。また鋼球の個数を増やすとし
ても鋼球の潤滑が困難になるために発熱や焼付きが発生
したり、鋼線に振動や捻れが発生したり、既につけられ
た圧痕の上に次の鋼球が通ると鋼球の数を増やしても圧
痕の本数が増えることにならない等の問題が発生するた
めに実用性は少ない。通常使われている連続伸線機の最
も遅い仕上げ伸線速度が１００m/min 程度であるとすれ
ば、鋼球の数２４個、回転数１００００rpm でピッチが
約０．４mmの条件が実用上考えられる最も細かいピッチ
の条件である。

【００１７】一方、ピッチを大きくするには線の送り速
度を速くして鋼球の回転数を小さくすればよいので条件
としては簡単であるが、圧痕の間隔が粗いために疲労特
性の改善効果が得られなくなる。圧痕のピッチを約５０
mmにするには、例えば鋼線の送り速度を８００m/min で
鋼球の回転数を１８００rpm で鋼球の数を９個（一つの
平面上に３個の球を配置して、この面を３面重ねる構造
とする。）の条件であり、実用性及び疲労特性の改善効
果も十分得られる。しかし、５０mmより大きくなると疲
労特性の改善効果が得られない。

【００１８】最後に、軽い減面率で伸線する工程につい
て説明する。上述した圧痕をつける工程だけでは、圧痕
のピッチは通常考えられているよりも非常に粗いため
に、これだけでは十分な疲労特性の改善が得られないば
かりか、ピッチが粗くなるにつれてばらつきも大きくな
る。この点を改善するために多くの試験を試みた結果、
上述した条件の圧痕を導入した鋼線を軽減面率で伸線す
ることにより、いっそう大きな圧縮残留応力を得ること
が可能であることが確認された。さらにこの圧縮残留応
力は鋼線全面に均一に導入されていることを見いだし
た。これによって鋼線の疲労特性は飛躍的に向上し、か
つ生産性を落とさずに疲労特性の高い鋼線を得ることが
可能になった。ところで、この工程にはスパイラル状の
圧痕をなくして通常の鋼線と同じ表面肌にする役割や、
仕上がりの鋼線の線癖及び伸直性を向上させる役割も兼
ね備えている。

【００１９】以上のような理由から、ダイス１パスで３
％以上１０％以下の減面の伸線加工する理由は、３％以
下では減面率が小さすぎるために鋼線が振動して安定し
た伸線ができなくなったり、上工程での圧痕導入に悪影
響を及ぼしたりする。さらに圧縮残留応力が均一化され
ないために疲労特性にばらつきが残ることもある。１０
％以上になると加工が強すぎるために鋼線表面に引張残
留応力が導入され疲労特性は改善されないためである。

【００２０】

【実施例】次に本発明に基づいて試験した実施例につい
て説明する。図１に実施例で用いた実験装置の外観図を
示す。本実施例では鋼線材１にＳＷＲＨ８２Ａ相当材を
用いた。実施例で用いた伸線ラインは伸線機２ａ、２
ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇと伸線ダイス４ａ、
４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇと供給コイル６お
よび伸線ダイス４ｈと鋼線１を引き抜く伸線機２ｈと捲
取りコイル７で構成される８頭連続伸線ラインである。
そしてこのラインの伸線機２ｇと伸線ダイス４ｈとの間
に圧痕付与装置３、とガイドローラー５を直列に配置し
て伸線実験を行った。

【００２１】図２は圧痕付与装置３の概略図である。鋼
線１はガイドローラー５を経由してモーター９の中を通
過し、圧痕付与部１０に導かれる。圧痕付与部１０はモ
ーター９により最大１００００rpm の速さで回転するこ
とができる。また、圧痕付与部１０は潤滑オイル供給ノ
ズル８ａ、８ｂにより潤滑および冷却が行われている。
潤滑オイル供給ノズル８ａ、８ｂから供給されたオイル
は、オイルカバー１１により回収され循環ポンプユニッ
ト１２により再び潤滑オイル供給ノズル８ａ、８ｂに送
られる。

【００２２】図３は圧痕付与部１０の１つの断面つまり
圧痕付与ユニットを示した図であり、１つのユニット内
に４つの鋼球１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを配置し
た例を示す。このように圧痕付与ユニットは鋼球１３
ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄとそれらを保持する鋼球ホ
ルダー１４から構成されている。そして鋼球１３ａ、１
３ｂ、１３ｃ、１３ｄの内側に接するように描かれる包
絡円１５の直径が鋼線１の直径より小さくすることによ
り圧痕の大きさを規定する。鋼球ホルダー１４の厚みは
鋼球１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの直径と同じであ
り、圧痕付与ユニットを複数重ねることにより鋼球の数
を増やすことが可能になる。

【００２３】以上の装置により伸線した鋼線の疲労特性
は、中村式回転曲げ疲労試験機で評価した。疲労限は、
回転数５０００rpm で繰り返し曲げ応力を加えて、１０
⁷ 回以上でも破断が起きない応力を求めた。それぞれの
実験条件と実験結果は表１に示す。

【００２４】水準０は、従来材つまり圧痕や本発明にか
かる条件を全く利用せずに通常の伸線だけを行った鋼線
である。疲労限は３３kgf であった。以下に説明する実
施例では、比較のために仕上がり線径をできるだけ２．
０mmになるように伸線し水準０に対してどの程度疲労限
が向上しているかで疲労限の改善代を評価した。

【００２５】水準１は本発明による試験結果であり、実
施例で試験した水準の基本条件となる水準である。この
条件では、従来材で３３kgf の疲労限が４４kgf に向上
していることがわかる。水準２は、鋼線の最終熱処理か
らの減面率が６５％と小さいために、鋼線表面の引張残
留応力がそれほど大きくないために疲労限の改善効果は
現れていない。むしろ引張強さが低い分疲労限も低い値
になっている。

【００２６】水準３、４は圧痕付与加工時の線径が１．
０mmと０．９mmの場合である。鋼線の線径が細くなると
剛性が足りなくなるために鋼線が捻れたり異常振動によ
る断線が発生するようになる。本実施例の結果から、圧
痕付与可能な鋼線の最小線径は１．０mmであることがわ
かる。

【００２７】水準５、６、７は圧痕付与に及ぼす鋼球径
の影響である。鋼球の小さい水準５では十分な圧縮残留
応力が得られないために、疲労特性の改善は得られな
い。また鋼球の径が大きい水準７では鋼球が鋼線に焼付
き、表面が荒れたために疲労特性が低下している。水準
６は本発明による条件であり良好な加工が可能であり疲
労特性も向上している。

【００２８】水準８、９、１０、１１は疲労特性改善に
及ぼす圧痕深さの影響である。０．５μｍ以下では疲労
特性の改善効果がなく、０．６μｍから１０．０μｍま
で疲労特性が向上していることがわかる。しかし、水準
１２では圧痕深さが大きすぎたために、一部で焼付きが
生じたために疲労限が低くなっている。

【００２９】水準１３、１４、１５、１６、１７、１８
は疲労限に及ぼすピッチの影響を調査したものである。
この結果から、ピッチが０．２mmと小さいものは線の送
り速度つまり線速が遅すぎるために８頭連続伸線ライン
で処理できなかったが、ピッチが０．４mm以上ではピッ
チは小さいほど疲労特性が改善する傾向を示しており、
ピッチが５０mmまでは疲労特性の改善効果があることが
わかる。しかし、ピッチが６０mmと大きすぎると疲労特
性にばらつきが大きいために疲労限は低くなる。ただ
し、所定のピッチをつけるための鋼球の数や線速及び回
転数は、装置上の制約や操業条件により任意に選択する
ことが可能である。

【００３０】水準１９、２０、２１、２２は圧痕を付与
した後の伸線減面率の影響である。水準１９のように減
面率が２％と小さいと鋼線がダイスで引き抜かれるとき
に振動が発生し、それにともない圧痕付与部においても
振動が発生し安定した伸線ができなかった。焼き付き及
び断線が発生し加工できなかった。減面率が３．０％以
上では安定した加工ができたが、水準２２のように減面
率が大きくなると圧痕付与部において導入された圧縮残
留応力が解消されてしまい、疲労特性は改善できなかっ
た。

【００３１】最後に、水準２３と水準２４は圧痕付与と
伸線最終パスでの軽減面率伸線をそれぞれ別々に行った
場合の疲労特性である。この結果から圧痕付与と伸線最
終パスでの軽減面率伸線のどちらか一方だけでは十分な
疲労特性改善効果が得られていないことがわかる。つま
り圧痕付与と伸線最終パスでの軽減面率伸線を組み合わ
せることにより、疲労特性の改善効果が得られることが
わかる。

【００３２】以上の実験の結果から、これまで１mm以上
の鋼線には実用化されていなかった、圧縮残留応力の付
与による疲労特性改善効果が、伸線工程において効率的
に行うことが可能になった。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【発明の効果】本発明により、疲労特性に優れた１mm以
上の線径の鋼線を伸線ラインの生産性を落とさずに連続
的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実験装置の外観図である。

【図２】圧痕付与装置３の拡大図である。

【図３】圧痕付与部１０の１つの断面つまり圧痕付与ユ
ニットを示したものである。

【符号の説明】

１ 鋼線 ２ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ 伸線機 ３ 圧痕付与装置 ４ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ ダイス ５ ガイドローラー ６ 供給コイル ７ 捲取りコイル ８ａ，ｂ 潤滑オイル供給ノズル ９ モーター １０ 圧痕付与部 １１ オイルカバー １２ 循環ポンプユニット １３ａ，ｂ，ｃ，ｄ 鋼球 １４ 鋼球ホルダー １５ 包絡円

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイスにより鋼線が引き抜かれてから巻
   取られるまでの間において、最終の熱処理線径から計算
   した断面減少率で７０％以上加工された線径１mm以上の
   走行する鋼線に、鋼線の線径の０．５倍以上１．５倍以
   下の直径を持った鋼球を、０．６μｍ以上１０μｍ以下
   の深さの圧痕が付くように押し付け、この鋼球を鋼線の
   回りを回転させて０．４mm以上５０mm以下のピッチを持
   ったらせん状の圧痕を導入し、引き続いてダイスにより
   ３％以上１０％以下の減面の伸線加工することを特徴と
   する、疲労特性に優れた鋼線の伸線方法。