基本的に、圧延機は回転する円筒（ロール）の力を使って材料を加工します。基本的な動作原理は、物質をこれらのロール間の隙間に通して物理的特性を変化させることですが、具体的なメカニズムは、ミルの設計と意図された目的に完全に依存します。これは、金属を平らにするための巨大な圧縮力を加えることから、ペーストを混合するための高いせん断力を発生させることまで多岐にわたります。
「圧延機」という用語は広く、いくつかの異なる技術を網羅しています。動作原理は一つではなく、主な目的（固体を圧縮によって成形する、ペーストをせん断によって混合する、または粉末を摩耗によって粉砕するなど）によって定義されます。
圧縮の原理：固体金属の成形
これは古典的で最も一般的なタイプの圧延機であり、冶金学で広く使用されています。その機能は、金属のワークピースの厚さを減らすか、特定の形状を与えることです。
動作原理
2つ以上の重いロールが互いに反対側に配置され、同じ速度で逆方向に回転します。インゴットやスラブなどの金属は、より展性を持たせるために加熱され、それらの間の隙間に供給されます。
この隙間は、入ってくる金属の厚さよりも意図的に小さく設定されています。ロールによって加えられる巨大な圧縮力が材料を押しつぶし、その厚さを減らし、長さを伸ばします。ロールと金属表面との間の摩擦がワークピースを前方に引き込みます。
主な目的
目的は塑性変形です。このプロセスは、鋼板やアルミホイルなどの平坦な製品から、I形鋼やレールなどの構造形状に至るまで、あらゆるものの製造に使用されます。
せん断の原理：粘性材料の混合
三本ロールミルとして知られる別のクラスの機械は、濃厚な液体やペーストの混合と分散という全く異なる作業のために、異なる原理を使用します。
動作原理
これらのミルは、互いに非常に近接して配置された3つの平行なロールで構成されています。重要なのは、各ロールが前のロールよりも段階的に速い速度で回転することです。
材料（印刷インク、チョコレート、軟膏など）は、最初の2つの、より低速で動くロール間の隙間に供給されます。それがより高速で動くロール間の隙間に移動するにつれて、表面速度の差が強烈なせん断力を生み出します。この力が粒子の塊を引き裂き、ペースト全体に均一に分散させます。
主な目的
目的は均質化と分散です。このミルは固体の厚さを減らすのではなく、粘性混合物のテクスチャを洗練させ、滑らかで一貫した製品を保証します。
摩耗の原理：粉末の粉砕
ボールミルやジャーミルとして知られる第3のカテゴリーは、微粉砕を達成するためにロールを支持的な役割で使用します。
動作原理
このセットアップでは、粉砕される材料は、セラミックや鋼球などの硬い粉砕メディアと一緒に、密閉されたシリンダーまたはジャーの中に入れられます。このジャーは、その後、2つのローラーの上に置かれて回転させられます。
外部のローラーは材料を直接加工しません。それらの唯一の仕事はジャーを回転させることです。内部では、転がり、カスケードする動きが粉砕ボールを持ち上げ、それらが落下して材料を粉砕します。この粉砕とこすり合わせのプロセスは摩耗（attrition）として知られています。
主な目的
目的は粉砕（comminution）、つまりサイズ削減です。この方法は、粗い固体をしばしば数ミクロンサイズまで非常に細かい粉末に変換するために使用されます。
トレードオフの理解
単一の圧延機原理が普遍的に適用できるわけではありません。それぞれが特定のタスクのために設計されており、固有の限界があります。
圧縮ミル（金属圧延）
これらの機械は巨大であり、莫大なエネルギーを必要とし、重荷重の成形のために作られています。それらは、破壊することなく変形できる延性材料（金属など）にのみ適しています。
せん断ミル（三本ロール）
これらはペーストや濃厚な液体には非常に効果的ですが、乾燥した固体の加工や金属の成形には全く役に立ちません。非常に細かい分散を得るには、材料をミルに複数回通す必要がある場合があり、時間がかかることがあります。
摩耗ミル（ボール/ジャー）
幅広い脆性材料から微粉末を作成するのに優れていますが、このプロセスは遅くなる可能性があります。粉砕メディア自体が時間とともに摩耗するため、軽微な汚染のリスクもあります。
材料の目的に合ったミルの選択
適切なプロセスを選択するには、まず目的を定義する必要があります。
- 固体の金属の成形と厚さの削減が主な焦点である場合： 対向するロールを持つ圧縮ベースの圧延機が必要です。
- ペーストを混合し、滑らかで均質なものを作成することが主な焦点である場合： 差動ロール速度を持つせん断ベースの三本ロールミルが必要です。
- 固体材料を微粉末に粉砕することが主な焦点である場合： 粉砕メディアを使用する摩耗ベースのボールミルまたはジャーミルが必要です。
必要な力が圧縮、せん断、または摩耗のどれであるかを理解することが、材料加工の課題を克服するための鍵となります。
要約表：
| 原理 | 主な力 | 主な用途 | 主な特徴 |
|---|---|---|---|
| 圧縮 | 対向するロール間の絞り込む力 | 固体金属の成形と薄化（例：シート、梁） | 延性材料の塑性変形 |
| せん断 | 異なる速度のロールによる高い摩擦 | 粘性ペーストの混合と分散（例：インク、チョコレート） | 均質化とテクスチャの洗練 |
| 摩耗 | 粉砕メディアによる粉砕と摩擦 | 脆性固体を微粉末に粉砕する | 粒子サイズの削減（粉砕） |
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