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発明の名称 中空押出し材の製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−180348
公開日 平成10年(1998)7月7日
出願番号 特願平8−341073
出願日 平成8年(1996)12月20日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】大川 宏
発明者 野々山 史男
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】加圧ポンチにより被加工材に押出しのための加圧を加え、ダイスと下ポンチで構成されるクリアランスから半径方向に被加工材を流出させ、その後、半径方向に設けたダイスより被加工材を軸方向に流動させて成形するラジアル押出し法を利用した中空押出し材を製造する方法において、該下ポンチ、半径方向に設けた該ダイスの少なくとも一方を可動とし、該下ポンチ、半径方向に設けた該ダイスの少なくとも一方を移動させることにより被加工材の肉厚、断面形状の少なくとも一方を変化させることを特徴とする中空押出し材の製造方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、ラジアル押出し法を利用して不等断面中空押出し形材を製造する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】自動車の軽量化を目的にスペースフレームなどの軽量構造の検討が行われ、アルミニウム合金の押出し形材が注目されている。例えば、バンバーリーンホースメント(バンパー補強材)などには既に押出し形材が使用されている。押出し形材を軽量かつ剛性の高い構造とするには、長手方向に断面形状が変化していることが望ましいが、一般にアルミニウム合金の押出し形材の断面は長手方向に一定である。この形材の断面形状を部分的に変更する場合には、バルジ成形、スピニングなどの手段を用いて行われる。これらの二次加工(チューブフォーミング)は、形材のコストアップにつながるだけでなく、形状変更の自由度も制約される。特に肉厚の大幅な変更や任意の形状に制御することができない。
【0003】従来、形材の長手方向に断面形状を変化させる不等断面押出し法としては、(1)押出しダイスを二重構造にして途中で断面形状を変更する方法(特公昭30−607号公報)、(2)マンドレルの断面形状を軸方向で変化させる方法(特公昭37−15015号公報、特公昭39−832号公報)、(3)押出しダイス穴近傍に設けた仕切板を出し入れする方法(特公昭38−10321号公報、特開平6−285539号公報)などが提案されている。上記の(1)、(2)の方法では形状変化の自由度が乏しいことや、(1)、(3)の方法では、押出し時の高い変形圧力のためダイス(あるいはその一部)を可動させるのに多大の力を必要とすることなどの問題があり、実用化された例は見当たらない。
【0004】また,PETボトルなどの合成樹脂のブロー成形用素材であるパリソンの製造法として、回転翼式でダイス穴形状を変化させる方法(特開平3−150110号公報)があるが、この方法を金属素材の押出しに応用した場合、金属素材の高い変形抵抗により回転翼にかかる面圧が非常に高くなり、回転翼が可動できなくなるという不具合が予想される。
【0005】一方、比較的小型の装置で、大口径の押出し形材を低荷重で製造する方法としてラジアル押出し法が開示されている(米国特許第3263468号公報)。しかし、この特許公報に記載された内容のラジアル押出し法では、下ポンチのサイズに対してラジアル方向に大きく拡大することができないため、ダイス形状を大幅に変更することはできない。したがって、長手方向に断面サイズを大きく変更した押出し形材を製造することできないと考えられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、従来不可能であった長手方向に断面形状(肉厚、サイズ)が任意に変化した不等断面形状の中空押出し形材の製造方法を確立することを課題とする。特に(1)ダイスの一部(可動ダイス、下ポンチなど)を制御しながら可動することによって任意の断面形状(断面サイズ、肉厚)が連続した中空押出し形材(不等断面押出し形材)の製造、(2)下ポンチの断面サイズに対して、少なくとも2倍以上の断面サイズを持つ中空押出し材が製造できるラジアル押出し法を適用して、断面サイズが少なくとも2倍以上に変更できる不等断面ラジアル押出し材を製造することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の中空押出し材の製造方法は、加圧ポンチにより被加工材に押出しのための加圧を加え、ダイスと下ポンチで構成されるクリアランスから半径方向に被加工材を流出させ、その後、半径方向に設けたダイスより被加工材を軸方向に流動させて成形するラジアル押出し法を利用して中空押出し材を製造する方法において、該下ポンチ、半径方向に設けた該ダイスの少なくとも一方を可動とし、該下ポンチ、半径方向に設けた該ダイスの少なくとも一方を移動させることにより被加工材の肉厚、断面形状の少なくとも一方を変化させることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施態様】本発明が課題とする不等断面中空押出し形材の二三の具体的形状を図1に例示する。図1のaは肉厚と径の拡大を、bは肉厚を薄くしながら径を拡大し、cは外径を拡大しながら中空内部の肉厚を周期的に変化させたもの、dは内径を縮小しながら肉厚を周期的に変化させたものである。
【0009】ラジアル押出し法の概念図を図2に示す。ラジアル押出し法はダイス1上部のコンテナ部(図示せず)に挿入した被加工材2を、上ポンチ3によって加圧して押出す際に、下ポンチ4によって被加工材2の流動方向を半径方向に変更し、ダイス1と下ポンチ4のクリアランス5から被加工材2を流出させ、さらにダイス1下面に設けたアール部6に添って流動方向を再び軸方向に変更して、中空材を製造する方法である。
【0010】本発明の中空押出し材の製造方法は、図3aに示すようにラジアル押出し法において、(1)下ポンチ4を可動としその位置を移動することによりダイス1と下ポンチ4との間のクリアランス5を変更して被加工材2の肉厚を変化させる。
(2)ダイス1下面のアール部6をダイス1から分離し、半径方向に移動できる可動ダイス7とすることによって、被加工材2の流動方向を軸方向に変更する位置を変えることにより被加工材の中心からの距離を変更し、中空押出し材の断面サイズを拡大させる。この下ポンチ4および可動ダイス7の位置の移動は一方のみ、あるいは両方共に可動として被加工材2の肉圧と断面形状をそれぞれ、または共に変化させることができる。
【0011】この方法のうち、可動ダイス7は固定して、ダイス1と可動の下ポンチ4との間のクリアランス5を変更することによって肉厚が長手方向に変化した被加工材2を形成し、その直後または後工程で上記の被加工材2をロール成形などの方法で断面サイズおよび形状を変更しても良い。被加工材2の断面サイズを少なくとも2倍まで変化させるには、下ポンチ4に対して2倍以上に半径方向に被加工材を拡大できるラジアル押出し法でなければならない。このため半径方向に押出す際に、図4に示すようにダイス1の下面および下ポンチ4の形状を変え被加工材2の進行方向に対して反対の方向に斜め上向きに押出す形状とすることが望まれる。この押出し角度は図4に示したように5゜から35゜の範囲とするのが望ましい。押出し角度が5゜未満では被加工材2の進行方法が軸方向に変化しやすくなり、断面サイズを2倍まで変化させることができないので好ましくない。また押出し角度が35゜を超えると被加工材2を半径方向から軸宝庫に流動変えるときの抵抗が大きく、下ポンチ4から流出部分での肉厚増加が著しくなり、断面サイズを2倍まで変化させることができないので好ましくない。
【0012】さらに、断面サイズの変化を容易にするためには、ダイス1の下面および可動ダイス7のアール部6面における摺動抵抗を小さくすることが望まれる。この手段としてはダイス1より摺動面に潤滑剤を供給して摺動抵抗を小さくすることが望ましい。ダイス1の下面における被加工材2との接触圧力は低いため、例えば図6に示す下ポンチ4から被加工材が流出してくる位置のダイスの下面に潤滑剤供給部10を設けることにより摺動面に容易に潤滑剤を供給することができる。なお、上記のダイス1と下ポンチ4とのクリアランスから押出される被加工材2の角度は15゜から25゜の範囲であれば、ダイス1の下面への潤滑剤の供給不良による摺動抵抗の多少の変動に対しても問題なく半径方向に被加工材の断面形状は拡大できる。
【0013】下ポンチ4あるいは可動ダイス7の軸方向の移動方法については油圧方式、機械的な方法などが適用できるが特に限定されない。しかし、所定の軸方向の肉厚分布を得るためには上ポンチ3の加圧速度と連動して移動し、さらにダイス1と下ポンチ4で構成されるキャビティ内の被加工材2を加圧しながらクリアランスを変更できるのに十分な加圧力を有していなければならない。
【0014】しかし、所定の軸方向の断面外寸法を得るためには上ポンチ3の加圧速度と連動して移動し、さらに被加工材2の流動方向を変更し、かつ断面外寸法を変更できるのに十分な加圧力を有していなければならない。被加工材2の断面サイズを大きく拡大していくような場合は、可動ダイス7を移動したのみでは、被加工材2は既に成形された断面サイズの小さいパイプ部分の拘束を受けて、図5に示すように中空押出し材が可動ダイス7のアール部6まで到達しないで、軸方向に流動が変わってしまう場合がある。このような場合には、既に成形されたパイプ部分に軸方向で上向きの補助力8を与えることによって軸方向への流動を抑制し、半径方向に拡大させることによって解決することができる。この補助力8を与える手段としては、成形されたパイプ部分にローラ等を接触させるなどの方法が適用できる。
【0015】ダイス1と下ポンチ4で構成されるキャビティ形状は、中心部から材料流出部に向かって、ダイス1と下ポンチ4の距離(クリアランス)が短くなっていなければならない。なぜなら、被加工材2は半径方向への流出にともなって厚さが減少する。これによって下ポンチ4との接触圧力が低下すると、流出後のダイス1下面の傾斜に添って拡大しなくなる。
【0016】下ポンチ4にかかる負荷は、ダイス1に設けた材料流入部の断面積とダイス1と下ポンチ4のクリアランスに強く依存する。したがって、図7に示すようにビレット断面積に対するダイス1に設けた材料流入部の断面積を小さくすることによって、大型のビレットを使用しても荷重の多くはダイス1上面で受けるため下ポンチ4にかかる負荷を小さくすることができ、ダイス1と下ポンチ4との間のクリアランスを容易に変更することができる。
【0017】また、下ポンチ4の中央に図7に示すように突起(マンドレル9)を付けることによって、成形されたパイプの肉厚方向の塑性歪みを均一化することができる。この際、図9に示すように下ポンチ4をマンドレル9を通して上部で固定することにより、装置をコンパクトにできるだけでなく、長尺の連続押出しが可能になる。ただし、下ポンチ4にかかる圧力は高くなるため、ダイス1と下ポンチ4のクリアランス変更に要する力は大きくしなければならない。
【0018】
【発明の効果】本発明の製造方法では、被加工材の断面形状あるいは断面サイズ(外寸法)は、半径方向に流出する被加工材を下ポンチ4とダイス1との間のクリアランスの変更および可動ダイス7のアール部6で軸方向に流動方向を変更することによっておこなう。したがって、可動ダイスにかかる負荷は軸方向に流動方向を変更するだけの圧力のみで非常に低く、従来例に記載された押出しダイス近傍に設けた仕切り板のように高い圧力が作用しない。したがって、本発明の方法では可動ダイス7の移動が容易にできる。
【0019】また、一般に押出し比が大きいほど押出し圧力は高くなる。この方法におけるダイス1と下ポンチ4で構成されるキャビティでは、被加工材が流入する部分の断面積と被加工材が流出する部分のクリアランスから求められる断面積で押出し比が決定される。この値は通常の押出しに比べて小さいだけでなく、図7に示したように、ビレット断面積に対する材料流入部の断面積を小さくすることにより、大型のビレットを使用しても、加圧力を多くはダイス1の上面で受けるため、下ポンチ4にかかる負荷を低くできる。したがって、ダイス1あるいは下ポンチ4の移動に必要な力も小さくなり、ダイス1と下ポンチ4との間のクリアランスの変更も容易にできる。
【0020】このような方法で、不等断面押出し形材が得られれば、部分的に断面形状を変更する二次加工が不要となる。また新素材として構造設計の自由度が増すと考えられる。さらに鍛造、プレス成形、チューブフォーミングなどの二次加工用の新素材としての用途も拡大する。また、従来の不等断面押出し法に関する方法に比べて、(1)長手方向に断面形状(肉厚、サイズ)を自由に変更できる。また、断面サイズを2倍以上に変更できる。このように形状変化の自由度が大きい。(2)押出し後に可動ダイスで形状を変更するため、可動ダイスにかかる負荷は小さく、ダイスの可動が容易にできる。またダイスに設けた材料流入部の断面積を適正化することにより下ポンチにかかる負荷も低くでき、ダイスと下ポンチとの間のクリアランスの変更も容易にできる。
【0021】
【実施例】以下実施例により具体的に説明する。アルミニウム合金材(A6063)を用いて図1aに示す形状の不等断面中空押出し形材を図3に示す構成の押出し型を用いて製造および検討した。この型はダイス1、上ポンチ3、下ポンチ4、可動ダイス7とからなり、上ポンチ3により被加工材2を加圧し、ダイス1と下ポンチ4で構成されるキャビティのクリアランス5から半径方向に被加工材2を流出させ、その後、半径方向に設けた可動ダイス7より被加工材2を軸方向に流動させる構成である。可動ダイス7は図3aに示すように四辺を可動とし内部空間を適宜変更して被加工材2の外径を変化させることができる。以下に本発明のラジアル押出し製造の要点について説明する。
【0022】キャビティからの被加工材の押出し角度について被加工材2の断面サイズを変化させるためには、被加工材2はダイス1下面に添って、下ポンチ4の外寸法以上に半径方向に拡大できなければならない。軸方向と直角な方向すなわち押出し角度を0゜とした場合、図10aに示すように、ダイス1の下面に添わないで、前方(図で下向き)に押出される。そこで、半径方向に押出すための条件を押出し角度の面から検討した。FEM(有限要素法)で押出し角度を0゜から40゜の間で変化させると共にダイス面の摩擦係数を変えて検討した。その結果を表1、図10、図11に示した。図10は、ダイス面の摩擦係数を0.02とした時の被加工材の押出し角度の違いによる流動状態a(0゜)、b(11.3゜)、c(21.0゜)、d(31.0゜)のFEM解析結果を示した。図10および表1より摩擦係数が0.02の時は、押出し角度が10゜から35゜の範囲では径の拡大が可能であることを示している。図11はダイス面の摩擦係数を0.5とした場合のFEM解析結果でa(20゜),b(25゜)、c(30゜)における材料の流動状態を示した。以上のように、半径方向に押出す際に、被加工材の進行方向に対して反対の方向に斜め(図で上向き)に押出すことによって、ダイス1下面に添って被加工材を半径方向に拡大させることができた。
【0023】
【表1】

【0024】ただし、ダイス面の摩擦係数が0.02の場合でも成形可能な押出し角度の範囲は表1に示すように10゜から35゜であった。押出し角度が10゜未満では前方に押し出され、ダイス1下面に沿って半径方向に大きく拡大できなかった。また、35゜を越えると可動ダイス7で軸方向に流動を変えるときの抵抗が大きくなり、この位置で拘束されて流動しなくなり、下ポンチ4から流出する部分で肉厚が増加するようになった。
【0025】また、図11のように、ダイス1下面や可動ダイス7のアール部6面の摩擦係数が大きい場合には、押出し可能な押出し角度の範囲は狭くなり、押出し角度が20゜から30゜の範囲でのみ成形可能であった。したがって、上記のように被加工材の径の拡大を大きくする場合にはダイス1面の摩擦係数を低下させることが望ましい。そこで潤滑剤による摩擦係数の低下を検討した。
【0026】潤滑剤の供給について図11のFEMで検討した結果から分かるように、ダイス1下面や可動ダイス7のアール部6面の摩擦抵抗は、ダイス1下面に添って半径方向に拡大できる条件の範囲を著しく狭くする。したがって、これらの面の摩擦抵抗を低減しなければならない。これらの面に予め潤滑剤を塗布しておくことが簡便であるが、押出し加工では、被加工材が連続して接触するため途中で潤滑剤がなくなってしまう。ダイス1と下ポンチ4で構成されるキャビティ部分の型表面は、高い圧力が作用しているが、流出部以降のダイス1下面や可動ダイス7のアール部6面に作用している圧力レベルはほんのわずかである。そこで、図6に示すようにダイス1と下ポンチ4で構成されるキャビティから流出する部分からわずかに離れた位置のダイス1下面に細いスリットを付け、押出しの間中絶えず、潤滑剤を圧送する潤滑剤供給部10を設けて供給した。この方法でダイス1下面や可動ダイス7のアール部6面の摩擦抵抗を低減でき、被加工材を安定して成形することができた。
【0027】ダイス1に設けた材料流入部の断面積について被加工材に対する押出し圧力は、押出し比の関数(簡単な塑性変形理論では押出し比の対数に比例)で表され、押出し比が大きいほど押出し圧力は高くなる。この方法におけるダイス1と下ポンチ4で構成されるキャビティ部分では、被加工材が流入する部分の断面積と被加工材が流出する部分のクリアランスから求められる断面積で押出し比が決定される。したがって、下ポンチ4に作用する面圧は、材料流入部の断面積に強く依存する。図6に示したように、ビレットの断面積に対する材料流入部の断面積を小さくすることにより、大型のビレットを使用しても荷重の多くはダイス1上面に作用するため、下ポンチ4にかかる負荷を低くできる。すなわち、図12に図7の金型各部の面圧分布を示した。図12に示すようにダイス上面の面圧に比べて、下ポンチに作用する面圧は約半分である。したがって、ダイス1あるいは下ポンチ4の移動に必要な力も小さくなり、ダイス1と下ポンチ4のクリアランスの変更も容易にできる。
【0028】図13にFEMによって求めた被加工材の相当歪み分布を示したが、図13aに示す下ポンチの中央に突起のない場合には、下ポンチに近い部分の塑性変形が著しく、成形後のパイプの内面側と外周面側の歪みに大きな差が生じ、製品品質上問題となることも考えられる。しかし、この問題は、図7に示したように下ポンチの中央に突起(マンドレル)を付けることによって、解決できる。図13bに下ポンチの中央に突起を付けた場合の相当歪み分布を示したが、相当歪みは均一化されている。
【0029】




 

 


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