JP2002102982A - 塑性加工装置及び塑性加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の材料の塑性加工方法では、一定方向
に偏った粒子の形成が起こっているため、歪が蓄積した
等方性結晶を得るためには、材料の方向を変化させて塑
性加工を繰り返して行う必要があり、操作が煩雑にな
る。 【解決手段】 筒状の流路11の内面に、複数のバリア体
13を軸方向に非対称になるように設置し、この流路内に
塑性加工すべき加工対象金属材料22を加熱下で圧入す
る。複数のバリア体が存在するため、単一の圧入操作に
より複数回の塑性加工と同等の効果が得られる。更にバ
リア体が非対称に設置され加えられる応力の方向が異な
るため、結晶の偏位が少なくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、塑性加工により金
属の集合組織制御や結晶粒微細化など所定の組織制御の
目的に合わせた所定の歪み状態の材料として得るための
塑性加工装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の塑性加工は、被加工材に圧延、押
出及び引抜等の強い加工を施こすことにより行われ、該
塑性加工を行うと、いわゆる集合組織の形成は避けられ
ず、加工された材料は異方性を有する材料特性を示す。
該異方性を積極的に利用することもあるが、該異方性が
望ましくない場合は熱処理などにより前記異方性を除く
処理が行われる。従って前記塑性加工状態では等方性材
料は得られない。

【０００３】他方、最近強加工を施して結晶の微細化を
達成する研究開発が活発に行われており、例えば次の文
献にレビューとして開示されている（例えばF.J.Humphr
eys,P.B.Prangnell and R.Priestner, "Fine-Grained A
lloys by ThermomechanicalProcessing", Proceedings
of the Fourth International Conference on Recrysta
llization and Related Phenomena, edited by T.Sakai
and H.G. Suzuki,1999, p69)。

【０００４】前記文献に開示された強加工法のうち、例
えば直角などのある角度を有する曲がった流路（ダイキ
ャビティ）を利用した高剪断歪み付加プロセスが注目さ
れている。このプロセスはＥＣＡＥ（equal-channel-an
gular-extrusion)プロセスと呼ばれ、直角又は傾斜した
ダイキャビティに凝固材を供給して押出し−引抜きを行
うことで角度部において高い剪断歪みを付与するように
被加工材を塑性加工する方法であり、強加工により結晶
粒の微細化が達成できることが立証された。しかるに塑
性加工された被加工材には一方向に偏った粒子の微細化
やリボン化が起こっているため、等方微細化結晶を得る
ためには、傾斜角90度で被加工材の方向を少なくとも４
回（90度ずつ回転）変化させて工程を繰り返す必要があ
ることが前記文献のP301にZ.Horitaらにより開示されて
いる。

【０００５】このＥＣＡＥプロセスを図３及び図４に基
づいて説明する。図３はＥＣＡＥプロセスに使用可能な
ダイの斜視図、図４は図３の要部の拡大縦断面図であ
る。図３に示すように、直方体のダイ１には、上面の開
口部２から下降し、右方向に直角に折れ曲がった後に、
ダイ１の側面の達して開口するダイキャビティ３が穿設
されている。このダイ１を加熱しながら、プランジャー
（図示略）を使用して直方体状の被加工材４を前記開口
部２からダイキャビティ３中に圧入すると、該被加工材
はダイキャビティ３中の直角部分で剪断力を受けて対応
するダイキャビティ３の形状に応じて図４に示すように
変形する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この際に被加工材４の
結晶粒には圧縮場で滑り帯が生じて旧結晶粒を剪断破壊
して、一定方向に偏った粒子の微細化が起こる。そして
図４の状態にある被加工材４に更に力を加えあるいは引
張応力を加えると、ダイ１の側面の開口部５から塑性加
工された被加工材６として取り出される。この方法によ
り、実際に１μｍオーダーの塑性加工された高剪断歪み
を有するアルミニウム合金やマグネシウム合金が実験室
規模で得られており、有効な方法であるといえる。しか
し塑性加工された被加工材には前述した通り一定方向に
偏った粒子の微細化が起こっているため、等方微細化結
晶を得るためには、被加工材の方向（位相）を変化させ
て再度ダイ１を通して塑性加工を行う必要がある。

【０００７】このように前記ＥＣＡＥプロセスは圧入さ
れる材料のフローの方向が２方向に限定され、繰り返し
工程により高剪断歪みを被加工材に与えられるという利
点はあるものの、等方微細化結晶を得るには工程が複雑
すぎて生産性が向上しないという欠点がある。又マグネ
シウムのように成形性が悪い材料では、加熱状態で塑性
加工する必要があるが、前述の工程を繰り返すと、材料
の酸化等による劣化が起こってしまう。

【０００８】更に被加工材に付与される歪みは材料全体
に均一に分布していることが望ましいが、その歪みの程
度は高ければ良い訳ではなく、被加工材の用途に応じた
歪みが付与できることが望ましい。前述のＥＣＡＥ法で
は材料がダイキャビティ３中の直角部分で剪断力を受け
て対応するダイキャビティ３の形状に変化するため、強
い応力を受けて高歪みが発生し、比較的小さい歪みを有
する材料を塑性加工で得ることは困難である。このよう
に従来は低歪み状態から高歪み状態までの任意の歪み量
を有する被加工材を得ること及び比較的簡単な操作で高
歪み状態の塑性加工した被加工材を得ることが実質的に
不可能であった。従って本発明は、より簡便な手法で好
ましくは被加工材を加工用コンテナから外部に取り出す
ことなく塑性加工して、所定の性能、特に低歪み状態か
ら高歪み状態までの任意の歪み量を有する被加工材、あ
るいは高歪みや等方微細化結晶を有する被加工材を得る
ことができる塑性加工装置及び塑性加工方法を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、筒状コンテナ
の流路に被加工材を強制流通させて塑性加工を行う装置
において、前記筒状コンテナ流路の内面に複数のバリア
体を設置し、該筒状コンテナ内に被加工材を供給し該被
加工材を前記バリア体に接触させることにより、筒状コ
ンテナ内に筒状コンテナ断面内で非対称な被加工材フロ
ーを形成し、多重歪みを前記被加工材内に創出すること
を特徴とする被加工材の塑性加工装置、筒状コンテナの
流路の内面に、複数のバリア体を筒状コンテナ断面内で
非対称となるように設置した被加工材の塑性加工装置の
前記流路の一方端から、被加工材を圧入し、該被加工材
の押出により、設置されたバリア体で構成された流路を
通過させる工程で生ずる多重応力場で、前記被加工材に
多重歪みを創出し、前記被加工材の塑性加工を行うこと
を特徴とする方法である。

【００１０】以下本発明を詳細に説明する。本発明の塑
性加工の対象となる被加工材は、アルミニウム、マグネ
シウム、鉄及びチタン等の純金属、及びそれらの合金又
は金属間化合物、セラミックス、樹脂及びこれらの複合
体であるハイブリッド材等を含む。本発明では、このよ
うな材料から成る加工対象材（被加工材）を、塑性加工
装置のその内面に複数のバリア体が形成された筒状コン
テナの流路に圧入する。各バリア体は筒状コンテナの流
路の一部を閉塞するように設置されているため、筒状コ
ンテナの流路に圧入された被加工材は、前記バリア体に
接触して流路が変更され、設置されたバリア体及び筒状
コンテナ内壁で構成された流路を通過させる工程で生ず
る多重応力場で、前記被加工材の塑性加工が行われて、
該被加工材中に歪みが生成する。

【００１１】そして前記バリア体は複数個形成されてい
るため、前記被加工材は各バリア体との接触ごとにこの
ような多重応力系が形成し、かつ塑性加工が行われる。
従ってバリア体の数と同じ回数の塑性加工を受けること
になり、バリア体の数の増加に伴ってより均一でより微
細な構造が得られることになる。更に全てのバリア体が
筒状コンテナ断面内で非対称に配置されているため、各
バリア体により塑性加工中の被加工材が異なった方向に
変形するため、加工中の被加工材を筒状コンテナの流路
内に再圧入させることなく、被加工材に印加される応力
の方向を変えることができる。ここで筒状コンテナ断面
内の「断面」とは筒状コンテナ内壁に対して垂直方向の
面をいう。本発明のバリア体は、前述の通り筒状コンテ
ナの流路の一部を閉塞するような形状を有すれば良く、
特に限定されないが、断面が円弧状、矩形、多角形状又
はそれらの組合せ等とし、その表面形状が多面体形状
や、球形及び楕円形等の曲面形状であることが好まし
い。このバリア体は筒状コンテナの内面に接するように
設置されるが、該バリア体は筒状コンテナと一体成形し
ても、又は筒状コンテナに穿設した孔に嵌合しても、あ
るいは平面又は曲面状の前記筒状コンテナ内面に接着剤
により接着するようにしても良い。

【００１２】又このバリア体は被加工材と接触し流れの
方向を変える働きをするから、該バリア体との接触によ
り被加工材中に空洞が生じたり、被加工材に欠陥を生じ
させたりすることがないように配慮することが望まし
く、例えばバリア体のコーナーに相当する部分に僅かな
湾曲を付して加工対象の被加工材の損傷を防止する。更
に該バリア体は加工対象の被加工材が円滑に接触するこ
とが好ましく、所謂デッドスペースが生じると処理効率
が低下する。各バリア体は被加工材と反応せずかつ被加
工材に対する耐性を有すれば、どのような材料であって
も良い。

【００１３】なお本発明で使用する被加工材は加工前に
は直方体状又は円柱状等の通常の形状を有していること
が望ましく、加工後にも当初の形状と同じ又はそれに近
い取扱いを行いやすい形状とすることが好ましい。本発
明のように筒状流路を有する装置で塑性加工を行うと装
置からは前記筒状流路と同じ断面形状の塑性加工済みの
被加工材として得られ、例えば筒状流路が円筒状流路で
あると円筒形の被加工材として、又四角形の筒状流路で
あると直方体形の被加工材として得られる。これら以外
の形状として被加工材を得たい場合には、装置端部に、
又は装置と連続して所定の型を設置して形状の調節を行
う。しかし単なる押出加工では、強加工により変形した
被加工材が元の形状やサイズに戻りにくくなる。より円
滑に元の又はそれに近い形状に戻すためには、被加工材
の前部側より後部側に大きな応力を加えれば良く、これ
を達成するためには、例えば本発明装置に精密油圧装置
を２個設置し、両油圧装置をリンクしながら駆動して応
力を調節すれば良い。このような構成にすると、加工さ
れる被加工材と筒状コンテナ間にデッドスペースが生じ
にくくなる。

【００１４】多数のバリア体を設置しておくと多数の塑
性加工を受けることになり、単一回の押出加工で、従来
のＥＣＡＥプロセス等で、加工対象の被加工材の圧入−
単一塑性加工処理−加工された被加工材の取り出し−被
加工材の再圧入の繰り返し処理を行うのとほぼ同等の処
理効果が得られる。従って筒状コンテナの流路への被加
工材の単一回の圧入により所定特性の塑性加工された被
加工材を得ることも可能になる。しかし単一回の圧入に
よる塑性加工処理では所定の特性が得られない場合は、
従来のように装置から取り出し、再度装置の筒状流路に
圧入しても良いが、塑性加工装置を往復処理が可能なよ
うな構造とし、バリア体が設置されたエリアから離脱し
たが依然として前記流路内にある被加工材を再度バリア
体が設置されたエリアに圧力を加えながら戻すことによ
り、複数回の塑性加工処理を受けさせても良く、この場
合には更に塑性加工つまり高歪み化が進行し、所定の特
性の被加工材が得られる。

【００１５】筒状コンテナの流路中にバリア体が設置さ
れているという特殊性から、往復押出加工を行うために
は、加工対象の被加工材以外にダミー材料を使用する。
このダミー材料自体は加工を意図しないため、被加工材
以外の材料でも良く、適度な硬度を有し、筒状流路内で
変形した加工対象の被加工材をバリア体設置エリア以外
に押し出し、かつ前記流路の内面に応じた形状に変形さ
せる役割を有する。しかしこのダミー材料自身もバリア
体と接触して塑性加工を受けるため、加工対象の被加工
材と同じ材料又は被加工材として使用可能な材料とする
と、該被加工材と同等又はやや劣った塑性加工条件で加
工されて、ある程度の歪みと等方微細化結晶を有する塑
性加工済材料が得られ、用途によっては本来の加工対象
の被加工材と同じようにして高歪み及び等方微細化結晶
を有する塑性加工された被加工材として使用することも
できる。

【００１６】本発明では単一回の加工対象被加工材の筒
状流路への圧入により、例えば従来のＥＣＡＥプロセス
の場合の単一回の圧入処理を複数回繰り返すのと同等の
効果が得られる。従って単一の押出加工により所定の特
性の被加工材が得られることがあり、又仮に単一の圧入
操作で所定の特性の被加工材が得られなくても、往復押
出加工を数回繰り返すことにより優れた性能の被加工材
が得られ、この繰り返し回数は従来より遙かに低く抑え
ることができる。そして本発明によると、高歪みを有す
る被加工材が得られるだけでなく、バリア体の数や形状
（流路を閉塞する度合い）、及び往復回数等を調節する
ことにより、所定の歪み度を有し更に該歪みがほぼ均一
に分散している被加工材が得られる。

【００１７】次に本発明による被加工材の塑性加工の理
論解析及びモデル実験に関し、図１のダイアグラムを用
いて説明する。図１は流路断面が直方体であり流路の上
面内壁にバリア体を、下面内壁にバリア体を設置し
た筒状コンテナに図の左側から被加工材を圧入して右側
から塑性加工を施した被加工材を取り出すモデルを示し
ている。なお図１中、両端の影の部分及び両者を結ぶ折
れ線部分（中に矢印を含む）は被加工材の微小部分の移
動状況を示す。又バリア体は断面が図示の通り三角形で
図面と垂直方向に延びる三角柱の形状を有し、三角形の
斜面の部分が前記流路の上下の内壁のいずれかに接触し
ている。

【００１８】このモデルを使用して、金属が受ける歪み
を上界法により説明する。この上界法では次のように仮
定する。 筒状コンテナは剛体とする。 金属はミゼスの応力−歪み速度法則に従う（金属が
弾性変形をせず、一定の降伏応力の値を維持し、加工硬
化もしない剛完全塑性体である）。 金属の変形は運動学的可容である（２つの領域が隣
合う境界面では、この境界面に対する両領域の垂直速度
成分は互いに等しい）。 筒状コンテナと金属の接触面は速度不連続面であ
る。 筒状コンテナ内は金属で満たされている。 筒状コンテナと金属間、及び金属とバリア体間の界
面の摩擦損失を考慮しない。

【００１９】更に図１では前述の通り筒状コンテナの流
路を４角が全て直角な直方体とし、従って金属は筒状コ
ンテナの流路内で平面歪み変形を被る。図１において、
三角領域ＢＣＤは辺ＢＣと辺ＣＤを等辺とする二等辺三
角形であるバリア体を示し、同様に三角領域Ｂ′Ｃ′
Ｄ′はバリア体を示す。両バリア体は同一形状及
び寸法である。バリア体に対するバリア体の点Ｄ′
は∠Ｄ′ＣＩ′＝α／２となる軸方向位置に配置されて
いる。向かい合う筒状コンテナの内壁間の間隔をｔ０と
し、バリア体の頂点Ｃとそれに向かい合うコンテナ内
壁までの垂直距離をｔ１とする。

【００２０】剪断境界（剪断を受ける境界面）を用い
て、金属の剛体移動（変形せず並進のみ）と変形を次の
領域に分割して算出する（図１参照）。 Ａ．領域Ｉ・・・剛体移動（未変形領域） Ｂ．剪断境界Γ１・・・領域Ｉからの金属がこの面上で
剪断変形を受け、領域IIでの収斂流れに変わる境界面を
表す。Γ１に沿う速度不連続により剪断歪みを被る。 Ｃ．変形領域II・・・扇形の頂点Ｏに向かってΓ２に至
るまで収斂流れによる歪みを被る領域を表す。 Ｄ．剪断境界Γ２・・・領域IIで収斂流れを経た金属が
この面上で剪断変形を受け、領域III の剛体移動に変わ
る境界面を表す。Γ２に沿う速度不連続により金属は剪
断歪みを被る。 Ｅ．領域III ・・・剛体移動を行う（コンテナ内壁に平
行な並進） Ｆ．剪断境界Γ３・・・領域III の金属がこの面上で剪
断変形を受け、領域IVでの剛体移動に変わる境界面を表
す。Γ３に沿う速度不連続により金属は剪断歪みを被
る。

【００２１】Ｇ．領域IV・・・剛体移動を行う（バリア
体の面ＣＤとバリア体の面Ｄ′Ｃ′により構成され
た平行領域で金属は並進する） Ｈ．剪断境界Γ３′・・・領域IVの剛体移動から領域II
I ′の剛体移動に変わる境界面を示す。Γ３′に沿う速
度不連続により金属は剪断歪みを被る。 Ｉ．領域III ′・・・剛体移動を行う（コンテナ内壁に
平行な並進） Ｊ．剪断境界Γ２′・・・領域III の剛体移動から、領
域II′の拡散流れに変わる境界面を表す。Γ２′に沿う
速度不連続により、剪断歪みを被る。 Ｋ．変形領域II′・・・扇形の頂点Ｏ′を通る半径線上
で、剪断境界Γ２′から発した金属がΓ１′に至るまで
の拡散流れ領域を示す。この領域で拡散流れによる歪み
を被る。 Ｌ．剪断境界Γ１′・・・領域II′で拡散流れを経た金
属が剪断変形を受け、領域Ｉ′の剛体移動に変わる境界
面を表す。Γ１′に沿う速度不連続により、剪断歪みを
被る。 Ｍ．領域Ｉ′・・・剛体移動を行う（変形終了域）。

【００２２】次に各領域又は境界面で金属が被る歪みに
ついて説明する。ａ．編成領域II及びII′の歪み 変形領域IIの収斂流れによる平均相当歪みε_IIの値は下
式の通りになる。 ε_II＝（２／３^1/2 ）×ln(t0/t1) ×Ε（３^1/2 ／２，α）／sin α (1) ここでΕ（３^1/2 ／２，α）／sin αは楕円積分の値で
ある。変形領域II′の拡散流れによる平均相当歪み
ε_II′は領域IIの平均相当歪みに等しく、次式となる。 ε_II＝ε_II′ (2)

【００２３】ｂ．円弧状剪断境界面Γ１、Γ２、Γ２′
及びΓ１′での平均剪断歪み 円弧状剪断境界面Γ１、Γ２、Γ２′及びΓ１′での平
均剪断歪みγ₁ 、γ₂、γ₂ ′及びγ₁ ′は次のように
求められる。剪断境界面Γ１での相当剪断歪みγ₁ は式
（3)で与えられる。 γ₁ ＝（１／３^1/2 ）×〔tan(α／２）〕 （3) 剪断境界面Γ２、Γ２′及びΓ１′での平均剪断歪みも
γ₁ に等しく式（4)で与えられる。 γ₂ ＝γ₂ ′＝γ₁ ′＝γ₁ （4)ｃ．平面剪断境界面Γ３及びΓ３′での歪み 剪断境界面Γ３での剪断歪みγ₃ は式（5)で与えられ
る。 γ₃ ＝（２／３^1/2 ）×〔tan(α／２）〕 （5) 剪断境界面Γ３′での歪みγ₃ ′もγ₃ に等しく式（6)
で与えられる。 γ₃ ′＝γ₃ （6)

【００２４】ｄ．領域Ｉから領域Ｉ′までに金属が被る
歪み 式（1)から（6)を組合せてそれぞれ特徴ある領域と剪断
境界面での歪みを算出できる。 ｉ）平均相当歪みの値をεcdとすると、領域IIでの歪み
の式（1)と領域II′での歪みの式（2)との和からεcdが
下式のように算出できる。 εcd＝（４／３^1/2 ）×ln(t0/t1) ×Ε（３^1/2 ／２，α）／sin α （7) ii) 円弧状剪断境界面Γ１、Γ２、Γ２′及びΓ１′の
歪みの和をεspとすると、式（3)と式（4)の和からεsp
が下式のように算出できる。 εsp＝（４／３^1/2 ）×〔tan(α／２）〕 （8) iii)平面剪断境界面Γ３及びΓ３′での歪みの和をεｐ
とすると、式（5)と式（6)によりεｐは下式のように算
出できる。 εｐ＝（４／３^1/2 ）×〔tan(α／２）〕 （9)

【００２５】次にこれらの値から歪みの総和εsum を計
算すると式(10)のようになる。 εsum ＝（４／３^1/2 ）×ln(t0/t1) ×Ε（３^1/2 ／２，α）／sin α＋（８ ／３^1/2 ）×〔tan(α／２）〕 (10) そしてバリア体及びの傾斜角α＝20°と仮定する
と、楕円積分（Ε（３^{1/ 2} ／２，α）／sin α）の値は
1.005 となる。そしてln(t0/t1) ＝ln（1/0.75）＝0.29
である。従ってεsum ＝0.67＋0.81＝1.48となり、この
ように図１に示した筒状コンテナを使用して金属の塑性
加工する場合の上界法モデルにより算出される金属中に
蓄積される歪みが得られる。

【００２６】断面減少率が99％である強加工での歪みは
約4.6 に相当する。従って図１のモデルの塑性加工を４
回繰り返すこと、例えばバリア体の数を４個とし、プラ
ンジャ（図示略）を１回往復運動させることであるいは
バリア体の数を８個とすることで4.6 を超える歪を有す
る金属を製造できる。更に前述の計算式の傾斜角αを０
に近づけると歪みが小さくなる。そしてこの傾斜角は連
続的に変化させられるため、この傾斜角を調節すること
により任意の歪みを有する金属を提供できる。又このモ
デルでは、バリア体を上下のみに設置したが直方体の４
辺に設置したり、筒状コンテナを円筒状としてその内壁
にバリア体を放射状に設置するなどして歪みの分散をよ
り以上に均一化することもできる。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の被加工材の塑性加工装置
及び方法の実施の態様を、添付図面に基づいてより詳細
に説明する。図２ａから２ｃは、本発明装置により加工
対象の被加工材を塑性加工する要領を例示する一連の縦
断面図である。図２ａから２ｃに示す被加工材の塑性加
工装置は、角筒状の流路11を有する筒状コンテナ12から
成り、前記流路11の中央部の上側にはやや離間して、前
記筒状コンテナ12と一体成形された三角柱状の２個のバ
リア体13が隆起して配置されている。

【００２８】又前記流路11の中央部の下側にはやや離間
して、前記筒状コンテナ12と一体成形された三角柱状の
２個のバリア体13が、上側のバリア体13とは互い違いに
隆起するように配置され、図２ａの例では角筒状流路11
内に計４個のバリア体13が設置されている。前記バリア
体13は図示の例では三角柱状としているが、半円柱状等
でも良く、なるべく角部が存在しないゆるやかな湾曲面
で形成され、加工対象の被加工材に損傷を与えないよう
にすることが望ましい。

【００２９】角筒状流路11内部の左側には、図２ａに示
すように、第１プランジャ20ａが、角筒状流路11の内面
に沿って摺動自在に設置され、該プランジャ20ａの押圧
面20ｂが前記４個のバリア体13が設置された流路内に予
め圧入して存在するダミー材料21に接するように位置し
ている。次いで角筒状流路11内に右側の開口部からマグ
ネシウム合金等の角柱状の加工対象の被加工材22を供給
し、更に押圧面23ｂを有する第２プランジャ23ａにより
被加工材22を圧入して加熱下又は室温下で押出加工を行
う。

【００３０】第２プランジャ23ａによる圧入で被加工材
22は、まず図２ｂに示す下側内壁面の右側のバリア体13
に接触する。該バリア体13は角筒状流路11内で下側に偏
位しているため、加工対象の被加工材22は角筒状流路11
内の上半分を移動する。被加工材22は続いて上側内壁面
の右側のバリア体13に接触して、角筒状流路11内の下半
分を移動する。更に加工対象の被加工材22は残りの２個
のバリア体13に接触して同様の加工を受け、最終的に被
加工材22はバリア体13及び筒状コンテナ12の流路11内面
に対応した形状に変形する（図２ｂ）。

【００３１】図２ｂの状態から第１プランジャ20ａを図
面の右方向に移動させると、ダミー材料21が変形した被
加工材22を右方向に押圧しながら移動する。この際に変
形した被加工材22は再度各バリア体13に接触して変形し
歪みが蓄積される。バリア体13との接触が終了した被加
工材22は更に右方向に移動して流路11の内壁に接触して
成形されて当初の形状に戻る（図２ｃ）。この際にダミ
ー材料21は図２ｃに示すような形状に戻る。なお、この
際に第２プランジャ23ｂと第１プランジャ20ａの相互の
移動速度のバランスをとってコンテナと被加工材との間
に空隙が生じないようにすることが望ましい。このよう
に加工対象の被加工材22はバリア体13による変形から復
元する。図２ｃの状態で既に所定の特性を有する被加工
材となっている場合には角筒状流路11の右端の開口部か
ら取り出し原料として使用すれば良い。

【００３２】しかしこの単一の押出による塑性加工で
は、加工対象の被加工材22は十分な特性を付与されない
場合には、再度第２プランジャ23ａを左方向に移動させ
図２ｂに示すように被加工材22に変形を付与し、更に第
１プランジャ20ａを右方向に移動させる。これにより加
工対象の被加工材22は再度バリア体13による変形を受
け、更に特性が向上する。図２ｂと図２ｃの工程を必要
回数繰り返すと、加工対象の被加工材22に十分な特性が
生じ、角筒状流路11から取り出して適宜の用途に使用で
きる。この繰り返し工程を実施する場合でも、被加工材
22を筒状コンテナ12外に取り出す必要はなく、酸化しや
すい被加工材の場合でも該材料の特性を劣化させること
なく、塑性加工を実行できる。

【００３３】なおこれまでの説明でも分かるように、本
実施態様の塑性加工方法では、被加工材22だけでなく、
ダミー材料21もバリア体13による塑性加工を受けて、所
定特性又はそれに近い特性を有する材料となる。従って
本実施態様で説明したダミー材料として所定の被加工材
を使用すると本来の被加工材以外にも同等又はそれに近
い被加工材を得ることができる。又本実施態様ではダミ
ー材料を１個使用する例を示したが、被加工材の両側に
２個のダミー材料を位置させても良い。

【００３４】又本実施形態では、角筒状流路内の上側及
び下側に交互に位置する４個のバリア体による塑性加工
を例示したが、バリア体の数及び配置はこれに限定され
ず、例えば３個のバリア体がそれぞれが120 °ずつ離れ
た放射状配置としたり、４個のバリア体がそれぞれが90
°ずつ離れた放射状配置としたりすることができ、これ
らの場合には被加工材がより良好に変形して所定の被加
工材を製造できる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、筒状コンテナの流路に被加工
材を強制流通させて塑性加工を行う装置において、前記
筒状コンテナ流路の内面に複数のバリア体を設置し、該
筒状コンテナ内に被加工材を供給し該被加工材を前記バ
リア体に接触させることにより、筒状コンテナ内に筒状
コンテナ断面内で非対称な被加工材フローを形成し、多
重歪みを前記被加工材内に創出することを特徴とする被
加工材の塑性加工装置（請求項１）である。この塑性加
工装置を使用して被加工材の塑性加工を行うと、該被加
工材が筒状流路内のバリア体に接触して変形し該被加工
材中に歪みが生成する。複数のバリア体を使用するため
歪みの偏りが少なくなり、良好な特性の被加工材が得ら
れる。又バリア体の数を増減させることにより所定の歪
み量、換言すると低歪みから高歪みまでの実質的に任意
の歪み量を有する被加工材を得ることができる。

【００３６】そして本発明では、バリア体を設置した筒
状コンテナの一方端から被加工材を圧入し、該被加工材
を押出し、設置されたバリア体で構成された流路を通過
させる工程で生ずる多重応力場で、前記被加工材に多重
歪みを創出することができる（請求項２）。従って従来
のＥＣＡＥ法のように１工程ごとに外部に取り出し、被
加工材の位相を変えて再圧入するといった煩雑な工程を
必要とすることなく、多重歪みを創出できる。バリア体
の形状は、多面体状、曲面形状又はそれらの組合せ等特
に限定されないが（請求項３）、鋭角的な箇所を形成せ
ずに、加工される被加工材を損傷しないようにすること
が望ましい。又複数のバリア体の少なくとも１個を筒状
コンテナ流路の内面に沿って移動可能としておくと（請
求項４）、バリア体を交換することなく、歪み量や歪み
の方向性を調節できる。

【００３７】又本発明装置では、筒状コンテナの流路内
の被加工材の両側に１対のプランジャを設置し、該プラ
ンジャと前記筒状コンテナの相対移動により筒状コンテ
ナ断面内で対称な被加工材フローを形成することができ
る（請求項５）。この相対移動とは、プランジャ単独又
は筒状コンテナ単独あるいは両者の移動を含み、加工対
象の被加工材がバリア体に接触すればどの部材を移動さ
せても良い。又本発明方法は、筒状コンテナの流路の内
面に、複数のバリア体を筒状コンテナ断面内で非対称と
なるように設置した被加工材の塑性加工装置の前記流路
の一方端から、被加工材を圧入し、該被加工材の押出に
より、設置されたバリア体で構成された流路を通過させ
る工程で生ずる多重応力場で、前記被加工材に多重歪み
を創出し、前記被加工材の塑性加工を行うことを特徴と
する方法である。

【００３８】この塑性加工方法を使用して被加工材の塑
性加工を行うと、該被加工材が筒状流路に筒状コンテナ
断面内で非対称に設置されているバリア体に接触して加
工対象の被加工材の流路が変更されて多重応力場が生じ
て前記被加工材の塑性加工が行われて、該被加工材中に
高歪みが生成する。そしてこの場合の歪み量はバリア体
の数や形状により容易に調節できる。更に本発明方法
は、ダミー材料を併用し、プランジャを使用する押出加
工として実施することもでき（請求項７）、特にプラン
ジャを往復させる往復押出加工としても実施すると、被
加工材を外部に取り出すことなく、複数回の塑性加工を
実施できる。又本発明方法では、加工を冷間、温間又は
熱間のいずれで行っても良い（請求項８）。

【図面の簡単な説明】

【図１】上界法モデルを説明するための図。

【図２】図２ａ〜２ｃは、本発明により塑性加工を行う
一連の工程を示す縦断面図。

【図３】従来法による塑性加工の要領を示す斜視図。

【図４】図３の装置の部分縦断面図。

【符号の説明】

11 流路 12 筒状コンテナ 13 バリア体 20ａ 第１プランジャ 21 ダミー材料 22 被加工材 23ａ 第２プランジャ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０Ｋ ６８０ ６８０ ６８５ ６８５Ｚ 1/06 1/06 1/18 1/18 Ｈ (71)出願人 500453577 一之瀬 和夫 東京都新宿区西新宿１−24−２ 工学院大 学工学部機械システム工学科内 (72)発明者 丹羽 直毅 東京都新宿区西新宿１−24−２ 工学院大 学工学部機械システム工学科内 (72)発明者 一之瀬 和夫 東京都新宿区西新宿１−24−２ 工学院大 学工学部機械システム工学科内 (72)発明者 高原 秀房 埼玉県上尾市原市1333−２ 三井金属鉱業 株式会社総合研究所内 (72)発明者 守谷 英明 埼玉県上尾市原市1333−２ 三井金属鉱業 株式会社総合研究所内 (72)発明者 藤倉 信夫 千葉県千葉市若葉区若松町407−９ Ｆターム(参考） 4E087 AA02 CA22 CB01 CB02 CB03 EC11 4K032 CA00 CB00

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状コンテナの流路に被加工材を強制流
   通させて塑性加工を行う装置において、前記筒状コンテ
   ナ流路の内面に複数のバリア体を設置し、該筒状コンテ
   ナ内に被加工材を供給し該被加工材を前記バリア体に接
   触させることにより、筒状コンテナ内に筒状コンテナ断
   面内で非対称な被加工材フローを形成し、多重歪みを前
   記被加工材内に創出することを特徴とする被加工材の塑
   性加工装置。
2. 【請求項２】 バリア体を設置した筒状コンテナの一方
   端から被加工材を圧入し、該被加工材を押出し、設置さ
   れたバリア体で構成された流路を通過させる工程で生ず
   る多重応力場で、前記被加工材に多重歪みを創出するよ
   うにした請求項１に記載の塑性加工装置。
3. 【請求項３】 バリア体の形状が、多面体状、曲面形状
   又はそれらの組合せである請求項１又は２に記載の塑性
   加工装置。
4. 【請求項４】 複数のバリア体の少なくとも１個を筒状
   コンテナ流路の内面に沿って移動可能とした請求項１か
   ら３までのいずれかに記載の塑性加工装置。
5. 【請求項５】 筒状コンテナの流路内の被加工材の両側
   に１対のプランジャを設置し、該プランジャと前記筒状
   コンテナの相対移動により筒状コンテナ断面内で非対称
   な被加工材フローを形成するようにした請求項１から４
   までのいずれかに記載の塑性加工装置。
6. 【請求項６】 筒状コンテナの流路の内面に、複数のバ
   リア体を筒状コンテナ断面内で非対称となるように設置
   した被加工材の塑性加工装置の前記流路の一方端から、
   被加工材を圧入し、該被加工材の押出により、設置され
   たバリア体で構成された流路を通過させる工程で生ずる
   多重応力場で、前記被加工材に多重歪みを創出し、前記
   被加工材の塑性加工を行うことを特徴とする方法。
7. 【請求項７】 筒状コンテナ、該筒状コンテナの流路内
   面に軸に対して非対称となるように設置した複数のバリ
   ア体、及び前記筒状流路内の該複数のバリア体の両側に
   設置した１対のプランジャを有する塑性加工装置の、前
   記１対のプランジャ間に、被加工材及びダミー材料とを
   位置させ、前記両プランジャ及び／又は筒状コンテナの
   運動により前記被加工材及びダミー材料とを運動させ、
   少なくとも前記被加工材を前記バリア体に接触させて歪
   みを与えることを特徴とする被加工材の塑性加工方法。
8. 【請求項８】 加工を冷間、温間又は熱間で行うように
   した請求項６又は７に記載の塑性加工方法。