JP2006224135A - 塑性加工装置及び塑性加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工業化が可能な簡便な方法で、高いひずみを効果的に導入できる塑性加工装置及び塑性加工方法を提供する。
【解決手段】被加工材料の結晶粒を分断及び細分化する目的でひずみを導入する塑性加工装置であって、ひずみ導入領域Ｒstを有する加工型と、荷重（Ｌ）印加手段とを有し、ひずみ導入領域は、所定の一方向（加工方向ＰＤ）に延伸し、内側を被加工材料が通過するときに被加工材料にひずみを導入する領域であり、ひずみ導入領域の開始点における一方向に対して垂直な断面の形状と異なる形状、位置と異なる位置、または、形状及び位置と異なる形状及び位置の断面を有する部分がひずみ導入領域内に存在し、ひずみ導入領域内のいずれの位置においても断面の断面積が等しく形成されており、荷重印加手段はひずみ導入領域の内側を通過するように被加工材料に荷重を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、塑性加工装置及び塑性加工方法に関し、特に高いひずみを効果的に導入することができる塑性加工装置及び塑性加工方法に関する。

各種産業分野において、機器や装置の高性能化に伴い、軽量で強度、靭性及び耐食性に優れた材料の開発が求められている。また、資源制約のある合金元素の依存度を極力低減し、希少資源の代替化及び節約を図ることも求められている。

このような状況の下、合金化などの従来の方法に代わり、材料の内部構造や微細組織を制御して材料が持つ特性を極限まで向上させた新材料を開発しようとする試みが活発化している。その中で画期的な成果をあげているのが結晶粒微細化である。

従来、強度と靭性は相反関係であったが、結晶粒微細化を行うことで延性及び靭性を損なうことなく強度を向上させることが可能になった。例えば、低炭素鋼に結晶粒微細化を行うと延性を損なうことなく耐力及び引張強度を約２倍に増加させることができる。また、マグネシウム合金（ＡＺ３３）では、引張強度３２２ＭＰａ、０．２％耐力２５６ＭＰａ、伸び２０％に達し、アルミニウム合金鍛造材の引張特性の規格値を大きく上回っている。さらに、汎用ステンレス鋼では、強度及び靭性ともに約２倍になる製造技術が開発されている。

結晶粒微細化とは、金属のような多結晶体の結晶粒を物理的な力や加熱処理を施すなどして、結晶の粒を分断、細分化することである。
結晶粒を微細化することによって、合金元素を添加せずに材料の持つ特性を極限まで向上させることが可能である。

結晶粒微細化を行う方法としては、強ひずみ加工法がある。強ひずみ加工法とは、通常の塑性加工では与えることのできない非常に大きなひずみを付与することにより、結晶粒を物理的に分断、細分化する方法である。代表的な強ひずみ加工法としては、ＥＣＡＰ（Equal-Channel Angular Pressing）法（例えば非特許文献１及び２参照）、ＨＰＴ（High-Pressure Torsion）法（例えば非特許文献3参照）、及びＡＲＢ（Accumulative Roll-Bonding）法（例えば非特許文献４参照）などが知られている。

現在様々な強ひずみ加工法により、材料の特性を飛躍的に向上させることができるという結果が研究室規模で得られているが、工業化が可能な強ひずみ加工法が求められている。

従って、結晶粒微細化法の中でも種々の強ひずみ加工法に着目し、既存のＥＣＡＰ法やＨＢＴ法の欠点を克服して工業化が可能な強ひずみ加工法を提供することが求められている。
Segal, V. M., Reznikov, V. I., Drobyshevsky, A. E. and Kopylov, V. I.: Russian Metallurgy, 1, p.99 (1981) Valiev, R. Z., Krasilnikov, N. A. and Tsenev, N. K.: Mater. Sci. Eng. A, 137, p.35 (1991) Smirnova, N. A., Levit, V. I., Pilyugin, V. I., Kuznetsov, R. I., Davydova, L. S. and Sazonova, V. A.: Fiz. Met. Metalloved., 61, p.1170 (1986) 斎藤好弘、宇都宮裕、辻伸泰、左海哲夫、洪仁国：日本金属学会誌、６３、ｐ．７９０（１９９９）

解決しようとする問題点は、工業化が可能な簡便な方法で、高いひずみを効果的に導入することが困難であるということである。

上記の課題を解決するため、本発明の塑性加工装置は、被加工材料の結晶粒を分断及び細分化する目的でひずみを導入する塑性加工装置であって、所定の一方向に延伸し、内側を前記被加工材料が通過するときに前記被加工材料にひずみを導入するひずみ導入領域を有する加工型と、前記ひずみ導入領域の内側を通過するように前記被加工材料に荷重を印加する荷重印加手段とを有し、前記加工型は、前記ひずみ導入領域の開始点における前記一方向に対して垂直な断面の形状と異なる形状、位置と異なる位置、または、形状及び位置と異なる形状及び位置の断面を有する部分が前記ひずみ導入領域内に存在し、前記ひずみ導入領域内のいずれの位置においても前記断面の断面積が等しく形成されている。

上記の本発明の塑性加工装置は、被加工材料の結晶粒を分断及び細分化する目的でひずみを導入する塑性加工装置であって、ひずみ導入領域を有する加工型と、荷重印加手段とを有する。
ひずみ導入領域は、所定の一方向に延伸し、内側を被加工材料が通過するときに被加工材料にひずみを導入する領域であり、ひずみ導入領域の開始点における一方向に対して垂直な断面の形状と異なる形状、位置と異なる位置、または、形状及び位置と異なる形状及び位置の断面を有する部分がひずみ導入領域内に存在し、ひずみ導入領域内のいずれの位置においても上記の一方向に対して垂直な断面の断面積が等しく形成されている。
また、荷重印加手段はひずみ導入領域の内側を通過するように被加工材料に荷重を印加する。

上記の本発明の塑性加工装置は、好適には、前記ひずみ導入領域が、曲率が連続的に変化する曲面で構成される形状の部分を有する。

上記の本発明の塑性加工装置は、好適には、前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として同一の形状が位置を変えながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する。

さらに、好適には、前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として同一の形状が前記一方向に延伸して前記同一の形状の中心を通る軸を回転軸として回転しながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する。
またさらに好適には、前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として同一の形状が前記一方向に延伸して前記同一の形状の中心を通る軸の位置を所定の軸ずらし方向にずらしながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有し、さらに好適には、前記同一の形状が矩形であり、前記軸ずらし方向が前記矩形の辺の方向であり、あるいはさらに好適には、前記同一の形状が矩形であり、前記軸ずらし方向が前記矩形の角の方向である。
あるいはさらに好適には、前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として同一の形状が前記一方向に延伸して前記同一の形状の中心を通る軸を回転軸として回転し、前記軸の位置を所定の軸ずらし方向にずらしながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有し、さらに好適には、前記同一の形状が矩形であり、前記軸ずらし方向が前記矩形の辺の方向であり、あるいはさらに好適には、前記同一の形状が矩形であり、前記軸ずらし方向が前記矩形の角の方向である。

上記の本発明の塑性加工装置は、好適には、前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として形状が連続的に変化しながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する。
さらに好適には、前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として一の形状のアスペクト比が連続的に変化しながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有し、またさらに好適には、前記一の形状が矩形、多角形、円または楕円である。

上記の課題を解決するため、本発明の塑性加工方法は、被加工材料の結晶粒を分断及び細分化する目的でひずみを導入する塑性加工方法であって、所定の一方向に延伸し、内側を前記被加工材料が通過するときに前記被加工材料にひずみを導入するひずみ導入領域を有する加工型であって、前記ひずみ導入領域の開始点における前記一方向に対して垂直な断面の形状と異なる形状、位置と異なる位置、または、形状及び位置と異なる形状及び位置の断面を有する部分が前記ひずみ導入領域内に存在し、前記ひずみ導入領域内のいずれの位置においても前記断面の断面積が等しく形成されている加工型の前記ひずみ導入領域の内側を、荷重を印加して前記被加工材料を前記一方向に通過させて、前記被加工材料にひずみを導入する。

上記の本発明の塑性加工方法は、好適には、前記一方向に往復して前記被加工材料を通過させて、前記被加工材料にひずみを導入する。

本発明の塑性加工装置によれば、簡単な構成の加工型を備えた装置であるので容易に工業化が可能であり、さらに高いひずみを効果的に導入することができる。

また、本発明の塑性加工方法によれば、簡単な構成の加工型を用いており、容易に工業化が可能な簡便な方法で、高いひずみを効果的に導入することができる。

以下に、本発明に係る塑性加工装置及びそれを用いた塑性加工方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１は、本実施形態に係る塑性加工装置の加工型の模式斜視図である。
加工型は、所定の一方向である加工方向ＰＤに延伸し、内側を被加工材料が通過するときに被加工材料にひずみを導入するひずみ導入領域Ｒstと、ひずみ導入領域Ｒstに被加工材料を誘導する誘導部Ｒinと、ひずみ導入領域Ｒstを通過してひずみが導入された被加工材料を取り出す取出し部Ｒoutとを有する。

ひずみ導入領域Ｒstは、２つの小領域Ａ，Ｂとそれらを接続する領域から構成される。
図２（ａ）は、小領域Ａの開始点における加工方向ＰＤに垂直な断面Ｓ₀と、終了点における断面Ｓ₁との相対的な位置関係を示す模式図であり、また、図２（ｂ）は、小領域Ｂの開始点における加工方向ＰＤに垂直な断面Ｓ₂と、終了点における断面Ｓ₃との相対的な位置関係を示す模式図である。
開始点の断面と終了点の断面との相対位置が図示の関係であることから、小領域Ａ，Ｂはそれぞれ、一方向である加工方向ＰＤに対して垂直な断面として、1辺が１０ｍｍの正方形である同一の形状が、加工方向ＰＤに延伸して上述の正方形形状の中心を通る軸を回転軸として例えば２０°回転し、軸の位置を正方形形状の辺の方向である所定の軸ずらし方向にずらしながら、加工方向ＰＤに移動したときの軌跡で表される形状となっている。
ここで、小領域Ｂは、小領域Ａにおける回転と軸のずれ分をもとに戻すように逆向きにしており、小領域ＡとＢを経てもとの位置に戻っていることを示している。
小領域Ａ，Ｂの加工方向ＰＤの長さは、例えば２０ｍｍであり、小領域Ａ，Ｂを接続する接続部や、誘導部Ｒin及び取出し部Ｒoutの長さは、例えば１０ｍｍである。

上記のようにして、本実施形態の塑性加工装置の加工型は、ひずみ導入領域の開始点における一方向に対して垂直な断面の位置と異なる位置の断面を有する部分がひずみ導入領域内に存在し、ひずみ導入領域内のいずれの位置においても上記の一方向に対して垂直な断面の断面積が等しく形成されている。

上記の実施形態の塑性加工装置を用いて、誘導部Ｒinに例えば１０ｍｍ³の体積の被加工材料を投入し、荷重印加手段により加工方向への荷重Ｌを印加することで、被加工材料を加工型の内側を通過させ、これによって被加工材料にひずみを導入することができる。このとき、被加工材料には、材料自身を支持するために、加工方向と反対側に作用する力も印加され、一定速度で被加工材料が加工型の内側を通過するようにする。
このとき、好ましくは、一方向に往復して被加工材料を通過させて、被加工材料にひずみを導入する。一方向に往復させる簡単な動作で高い均一なひずみを導入することができる。

本実施形態の塑性加工装置は、簡単な構成の加工型を備えた装置であるので容易に工業化が可能であり、高いひずみを効果的に導入することができる。
また、本実施形態の塑性加工方法は、簡単な構成の加工型を用いており、容易に工業化が可能な簡便な方法で、高いひずみを効果的に導入することができる。

本実施形態の加工型において、小領域Ａ，Ｂの開始点から終了点までの間の型の形状は、平面や曲率が変化しない曲面などで構成されてもよいが、曲率が連続的に変化する曲面で構成される形状の部分を有することが好ましい。これにより、より効率的にひずみを導入することができる。

（実施例１）
図１及び図２に示す構成の加工型を有する塑性加工装置を、解析ソフト（ＭＳＣ．ｓｕｐｅｒｆｏｒｍ）を使用してシミュレーション上で構築し、被加工材料を通してひずみを導入したときに被加工材料に加工方向にかけられた荷重の値と、被加工材料に導入された相当ひずみの値をシミュレーションにより算出した。ここで、使用する被加工材料は、アルミニウムーマグネシウム合金（５０５６合金）とし、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさとした。
荷重とひずみは、ストロークに対してプロットした。ここで、各ストロークの値は、図１における各部の長さの総和に相当する。即ち、ひずみ導入領域の開始点Ｓ₀を基準位置（ストローク０ｍｍ）とし、加工方向へ荷重がかけられて被加工材料の先端面が至らされた位置をストローク数として示している。即ち、小領域Ａの終了点に至ったところがストローク２０ｍｍ、小領域Ｂの開始点に至ったところがストローク３０ｍｍ、小領域Ｂの終了点に至ったところがストローク５０ｍｍ、被加工材料全体がひずみ導入領域Ｒstから取り出されたところがストローク６０ｍｍとなる。

図３は、荷重の値をストロークに対してプロットした図である。
荷重は４０〜８０ｋＮ程度の範囲で推移し、妥当な値が得られた。

図４（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、ストロークが１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍのときに導入された相当ひずみの値を等ひずみ線で示したものである。
被加工材料全体が小領域Ａを通過したところであるストローク３０ｍｍでは０．６程度の相当ひずみが導入され、さらに小領域Ａ，Ｂを含むひずみ導入領域から取り出されたところであるストローク６０ｍｍでは１．７程度の高い相当ひずみが均一に導入されることがわかった。

図５は、被加工材料上の３点（中央部（○）、外周近傍部（△）、それらの中間（□））における相当ひずみの値をストロークの値に対してプロットした図であり、３点において似たような相当ひずみの変化を示し、６０ｍｍのストロークにおいて最終的に導入された相当ひずみが１．７程度となったことがわかった。

第２実施形態
図６は、本実施形態に係る塑性加工装置の加工型の模式斜視図である。
加工型は、第１実施形態と同様に、所定の一方向である加工方向ＰＤに延伸し、内側を被加工材料が通過するときに被加工材料にひずみを導入するひずみ導入領域Ｒstと、ひずみ導入領域Ｒstに被加工材料を誘導する誘導部Ｒinと、ひずみ導入領域Ｒstを通過してひずみが導入された被加工材料を取り出す取出し部Ｒoutとを有する。

ひずみ導入領域Ｒstは、４つの小領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとそれらを接続する領域から構成される。
図７（ａ）は、小領域Ａの開始点における加工方向ＰＤに垂直な断面と、終了点における断面との相対的な位置関係を示す模式図であり、また、図７（ｂ）は、小領域Ｂの開始点における加工方向ＰＤに垂直な断面と、終了点における断面との相対的な位置関係を示す模式図であり、第１実施形態の小領域Ａ，Ｂと実質的に同様の構成となっている。
図７（ｃ）は、小領域Ｃの開始点における加工方向ＰＤに垂直な断面と、終了点における断面との相対的な位置関係を示す模式図であり、また、図７（ｄ）は、小領域Ｄの開始点における加工方向ＰＤに垂直な断面と、終了点における断面との相対的な位置関係を示す模式図であり、小領域Ａ，Ｂと同様であるが、軸のずれる方向が小領域Ａ，Ｂとは逆の関係となっている。
小領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ、一方向である加工方向ＰＤに対して垂直な断面として、1辺が１０ｍｍの正方形である同一の形状が、加工方向ＰＤに延伸して上述の正方形形状の中心を通る軸を回転軸として例えば２０°回転し、軸の位置を正方形形状の辺の方向である所定の軸ずらし方向にずらしながら、加工方向ＰＤに移動したときの軌跡で表される形状となっている。小領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの加工方向ＰＤの長さは、例えば２０ｍｍであり、小領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄをそれぞれ接続する接続部や、誘導部Ｒin及び取出し部Ｒoutの長さは、例えば１０ｍｍである。
従って、本実施形態の加工型は、第１実施形態の加工型を２つ直列に、軸のずらす方向を１８０°ずらして、接続した構成となっている。

上記のようにして、本実施形態の塑性加工装置の加工型は、ひずみ導入領域の開始点における一方向に対して垂直な断面の位置と異なる位置の断面を有する部分がひずみ導入領域内に存在し、ひずみ導入領域内のいずれの位置においても上記の一方向に対して垂直な断面の断面積が等しく形成されている。

上記の実施形態の塑性加工装置を用いて、誘導部Ｒinに例えば１０ｍｍ³の体積の被加工材料を投入し、荷重印加手段により加工方向への荷重Ｌを印加することで、被加工材料を加工型の内側を通過させ、これによって被加工材料にひずみを導入することができる。このとき、被加工材料には、材料自身を支持するために、加工方向と反対側に作用する力も印加され、一定速度で被加工材料が加工型の内側を通過するようにする。
このとき、好ましくは、一方向に往復して被加工材料を通過させて、被加工材料にひずみを導入する。一方向に往復させる簡単な動作で高い均一なひずみを導入することができる。

本実施形態の塑性加工装置は、簡単な構成の加工型を備えた装置であるので容易に工業化が可能であり、高いひずみを効果的に導入することができる。
また、本実施形態の塑性加工方法は、簡単な構成の加工型を用いており、容易に工業化が可能な簡便な方法で、高いひずみを効果的に導入することができる。

本実施形態の加工型において、小領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの開始点から終了点までの間の型の形状は、平面や曲率が変化しない曲面などで構成されてもよいが、曲率が連続的に変化する曲面で構成される形状の部分を有することが好ましい。これにより、より効率的にひずみを導入することができる。

（実施例２）
図６及び図７に示す構成の加工型を有する塑性加工装置を、解析ソフト（ＭＳＣ．ｓｕｐｅｒｆｏｒｍ）を使用してシミュレーション上で構築し、被加工材料を通してひずみを導入したときに被加工材料に加工方向にかけられた荷重の値と、被加工材料に導入された相当ひずみの値をシミュレーションにより算出した。ここで、使用する被加工材料は、アルミニウムーマグネシウム合金（５０５６合金）とし、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさとした。
各ストロークの値は、図６における各部の長さの総和に相当する。

図８は、荷重の値をストロークに対してプロットした図である。
荷重は４０〜８０ｋＮ程度の範囲で推移し、妥当な値が得られた。

図９（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、ストロークが７０ｍｍ、８０ｍｍ、９０ｍｍ、１００ｍｍ、１１０ｍｍ、１２０ｍｍのときに導入された相当ひずみの値を等ひずみ線で示したものである。なお、ストロークが１０ｍｍ〜６０ｍｍのときの相当ひずみの値は、第１実施形態の図４と同様の結果となる。
被加工材料全体が小領域Ａ，Ｂ，Ｃを通過したところであるストローク９０ｍｍでは２．４程度の相当ひずみが導入され、さらに小領域Ａ〜Ｄを含むひずみ導入領域から取り出されたところであるストローク１２０ｍｍでは３．５程度の高い相当ひずみが均一に導入されることがわかった。

図１０は、被加工材料上の３点（中央部（○）、外周近傍部（△）、それらの中間（□））における相当ひずみの値をストロークの値に対してプロットした図であり、３点において似たような相当ひずみの変化を示す、１２０ｍｍのストロークにおいて最終的に導入された相当ひずみが３．５程度となったことがわかった。

上記の第１及び第２実施形態において、ひずみ導入領域が、一方向に対して垂直な断面として同一の形状が一方向に延伸して同一の形状の中心を通る軸を回転軸として回転しながら一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する構成としてもよい。この場合、上記の実施形態のように同一の形状は矩形やその他の形状としてもよい。
また、ひずみ導入領域が、一方向に対して垂直な断面として同一の形状が一方向に延伸して同一の形状の中心を通る軸の位置を所定の軸ずらし方向にずらしながら一方向に移動したときの軌跡で表される形状としてもよい。この場合、上記の実施形態のように同一の形状が矩形であり、軸ずらし方向が矩形の辺の方向、角の方向、あるいはその他のいずれの方向とすることも可能であり、また、上記の同一の形状としては矩形以外の形状としてもよい。
あるいは、ひずみ導入領域が、一方向に対して垂直な断面として同一の形状が一方向に延伸して同一の形状の中心を通る軸を回転軸として回転し、軸の位置を所定の軸ずらし方向にずらしながら一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有し、ここで、上記の同一の形状が矩形であり、軸ずらし方向が矩形の角の方向など、辺の方向以外のいずれの方向としてもよい。また、上記の同一の形状としては矩形以外の形状としてもよい。
上記のように、ひずみ導入領域が、一方向に対して垂直な断面として同一の形状が位置を変えながら一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する構成とすることで、被加工材料にひずみを導入できる加工型を構成できる。

また、上記の第１及び第２実施形態において、一方向に対して垂直な断面として同一の形状が一方向に延伸して同一の形状の中心を通る軸を回転軸として回転しながら一方向に移動したときの軌跡で表される形状とするとき、回転する角度は上記のように２０°に限らず、所望のいずれの角度で回転させることも可能である。

第３実施形態
図１１は、本実施形態に係る塑性加工装置の加工型の模式斜視図である。
加工型は、第１実施形態と同様に、所定の一方向である加工方向ＰＤに延伸し、内側を被加工材料が通過するときに被加工材料にひずみを導入するひずみ導入領域Ｒstと、ひずみ導入領域Ｒstに被加工材料を誘導する誘導部Ｒinと、ひずみ導入領域Ｒstを通過してひずみが導入された被加工材料を取り出す取出し部Ｒoutとを有する。

ひずみ導入領域Ｒstは、加工方向ＰＤ（一方向）に対して垂直な断面として形状が連続的に変化しながら加工方向ＰＤに移動したときの軌跡で表される形状の部分を有し、例えば、加工方向ＰＤに対して垂直な断面として矩形形状のアスペクト比が連続的に変化しながら加工方向ＰＤに移動したときの軌跡で表される形状の部分を有するものである。加工方向ＰＤに対して垂直な断面としては、矩形形状のほか、多角形形状、円形形状あるいは楕円形形状など、どのような形状としてもよい。

ひずみ導入領域Ｒstは、２つの小領域Ａ，Ｂとそれらを接続する領域から構成される。
図１１は、小領域Ａの開始点における加工方向ＰＤに垂直な断面Ｓ₀と、終了点における断面Ｓ₁との間で、矩形形状のアスペクト比が連続的に変化していることを示し、また、小領域Ｂは、断面Ｓ₁と同一の形状である開始点の断面Ｓ₂と、断面Ｓ₀と同一の形状である終了点の断面Ｓ₃との間で、矩形形状のアスペクト比が連続的に変化していることを示す。
但し、ひずみ導入領域内のいずれの位置においても一方向に対して垂直な断面Ｓの断面積が等しくなるように、上記のようにアスペクト比が変化しているものである。

上記のようにして、本実施形態の塑性加工装置の加工型は、ひずみ導入領域の開始点における一方向に対して垂直な断面の形状と異なる形状の断面を有する部分がひずみ導入領域内に存在し、ひずみ導入領域内のいずれの位置においても断面の断面積が等しく形成されている。

上記の実施形態の塑性加工装置を用いて、誘導部Ｒinに被加工材料を投入し、荷重印加手段により加工方向への荷重Ｌを印加することで、被加工材料を加工型の内側を通過させ、これによって被加工材料にひずみを導入することができる。このとき、被加工材料には、材料自身を支持するために、加工方向と反対側に作用する力も印加され、一定速度で被加工材料が加工型の内側を通過するようにする。
このとき、好ましくは、一方向に往復して被加工材料を通過させて、被加工材料にひずみを導入する。一方向に往復させる簡単な動作で高い均一なひずみを導入することができる。

本実施形態の塑性加工装置は、簡単な構成の加工型を備えた装置であるので容易に工業化が可能であり、高いひずみを効果的に導入することができる。
また、本実施形態の塑性加工方法は、簡単な構成の加工型を用いており、容易に工業化が可能な簡便な方法で、高いひずみを効果的に導入することができる。

本実施形態の加工型において、小領域Ａ，Ｂの開始点から終了点までの間の型の形状は、平面、曲率が変化しない曲面、あるいは曲率が連続的に変化する曲面で構成される形状の部分を有し、特に曲率が連続的に変化する曲面で構成される形状の場合には、より効率的にひずみを導入することができるので好ましい。

ひずみ導入領域の開始点と終了点における、一方向に対して垂直な断面の形状は、同一でも異なっていてもよい。例えば、断面が円形である円柱状の被加工材料を、断面が矩形である角柱状の材料に形を変形させることが可能である。断面が等断面積となるようにしているので、繰り返し加工ができ、また、本発明の加工方法を繰り返し行った後で、断面積を小さくした、いわゆる絞り加工のような加工も行うことができる。

（実施例３）
図１１に示す構成の加工型を有する塑性加工装置を、解析ソフト（ＭＳＣ．ｓｕｐｅｒｆｏｒｍ）を使用してシミュレーション上で構築し、被加工材料を通したときに、被加工材料に導入された相当ひずみの値をシミュレーションにより算出した。ここで、使用する被加工材料は、アルミニウムーマグネシウム合金（５０５６合金）とし、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍの大きさとした。加工温度は２９７Ｋとし、摩擦係数は０．０７とした。加工方向に垂直な断面の形状のアスペクト比を下記のように種々の値に変化させて行った。

図１２（ａ）〜（ｃ）は、図１１に示す加工型において、Ｓ₀とＳ₃が正方形（縦の辺：横の辺の比が１：１）であり、Ｓ₁とＳ₂がそれぞれ（０．８：１．２５）、（０．６：１．５６２５）、（０．５：２）のアスペクト比の矩形形状とし、小領域Ａを経たときに導入された相当ひずみの値を等ひずみ線で示したものである。
（０．８：１．２５）のアスペクト比の場合には０．３程度の相当ひずみが導入され、（０．６：１．５６２５）のアスペクト比の場合には０．６程度の相当ひずみが導入され、（０．５：２）のアスペクト比の場合には０．９程度の相当ひずみが導入されることがわかった。

また、図１３（ａ）〜（ｃ）は、図１１に示す加工型において、Ｓ₀とＳ₃が正方形（縦の辺：横の辺の比が１：１）であり、Ｓ₁とＳ₂がそれぞれ（０．８：１．２５）、（０．６：１．５６２５）、（０．５：２）のアスペクト比の矩形形状とし、小領域Ａ，Ｂを経て取出し部にまで到達したときに導入された相当ひずみの値を等ひずみ線で示したものである。
（０．８：１．２５）のアスペクト比の場合には０．６程度の相当ひずみが導入され、（０．６：１．５６２５）のアスペクト比の場合には１．１程度の相当ひずみが導入され、（０．５：２）のアスペクト比の場合には１．８〜２．０程度の相当ひずみが導入されることがわかった。

（実施例４）
図１１に示す構成の加工型を有する塑性加工装置を、解析ソフト（ＭＳＣ．ｓｕｐｅｒｆｏｒｍ）を使用してシミュレーション上で構築し、被加工材料を通したときに、被加工材料に導入された相当ひずみの値をシミュレーションにより算出した。ここで、使用する被加工材料は、アルミニウムーマグネシウム合金（５０５６合金）とし、直径１０ｍｍの円に収まる程度の各断面形状×２０ｍｍ厚の大きさとした。加工温度は２９７Ｋとし、摩擦係数は０．０７とした。加工方向に垂直な断面の形状を下記のように種々に変化させて行った。

図１４（ａ）〜（ｅ）は、図１１に示す加工型において、Ｓ₀とＳ₃がそれぞれ正五角形、正六角形、正八角形、正十二角形、正二十角形であり、Ｓ₁とＳ₂がそれぞれ（０．６：１．５６２５）のアスペクト比まで変形された形状とし、小領域Ａを経たときに導入された相当ひずみの値を等ひずみ線で示したものである。
正五角形、正六角形、正八角形、正十二角形、正二十角形の場合で、それぞれ、０．６〜０．７程度の相当ひずみが導入されることがわかった。

また、図１５（ａ）〜（ｃ）は、図１１に示す加工型において、Ｓ₀とＳ₃がそれぞれ正五角形、正六角形、正八角形、正十二角形、正二十角形であり、Ｓ₁とＳ₂がそれぞれ（０．６：１．５６２５）のアスペクト比まで変形された形状とし、小領域Ａ，Ｂを経て取出し部にまで到達したときに導入された相当ひずみの値を等ひずみ線で示したものである。
正五角形、正六角形、正八角形、正十二角形、正二十角形の場合で、それぞれ、１．１〜１．２程度の相当ひずみが導入されることがわかった。

上記の本実施形態に係る塑性加工装置及びそれを用いた塑性加工方法によれば、以下の効果を享受できる。
（１）一度の加工で多方向のひずみを導入でき、導入したひずみが均等である。
（２）被加工材料に導入できるひずみの量が大きい。
（３）バルク状で加工できる。
（４）加工前後に材料形状が同一とすることもできる。
（５）往復押し出し加工ができる。加工加重は従来方法程度の妥当な値である。
（６）上記のように既存のＥＣＡＰ法やＨＢＴ法の欠点を克服し、工業化が可能である。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、第１及び第２実施形態においては、ひずみ導入領域の開始点における一方向に対して垂直な断面の位置と異なる位置の断面を有する部分がひずみ導入領域内に存在するようにしており、第３実施形態においては、ひずみ導入領域の開始点における一方向に対して垂直な断面の形状と異なる形状の断面を有する部分がひずみ導入領域内に存在するような場合を示しているが、この他、ひずみ導入領域の開始点における一方向に対して垂直な断面の形状と異なる形状、位置と異なる位置、または、形状及び位置と異なる形状及び位置の断面を有する部分がひずみ導入領域内に存在するような場合も適用可能である。例えば、所定の形状をある中心軸を回転軸として回転し、及び／またはこの軸を所定の軸ずらし方向にずらしながら、さらにこの所定の形状のアスペクト比を連続的に変化させるなど、形状を連続的に変化させながら、一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する構成の加工型としてもよい。
また、第１及び／または第２実施形態の加工型と、第３実施形態の加工型を直列に接続した構成の加工型を構成してもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明の塑性加工装置は、金属多結晶体の結晶粒を微細化する強ひずみ加工を行う装置に適用できる。
本発明の塑性加工方法は、金属多結晶体の結晶粒を微細化する強ひずみ加工方法に適用できる。

図1は第１実施形態に係る塑性加工装置の加工型の模式斜視図である。 図２（ａ）は図１に示す小領域Ａの、図２（ｂ）は、小領域Ｂの、それぞれ開始点と終了点における断面の相対的な位置関係を示す模式図である。 図３は実施例１の加重の値をストロークに対してプロットした図である。 図４（ａ）〜（ｆ）は実施例１で導入された相当ひずみの値を示した図である。 図５は実施例１で被加工材料上の３点（中央部、外周近傍部、それらの中間）における相当ひずみの値をストロークの値に対してプロットした図である。 図６は第２実施形態に係る塑性加工装置の加工型の模式斜視図である。 図７（ａ）は図６に示す小領域Ａの、図７（ｂ）は、小領域Ｂの、図７（ｃ）は小領域Ｃの、図７（ｄ）は小領域Ｄの、それぞれ開始点と終了点における断面の相対的な位置関係を示す模式図である。 図８は実施例２の加重の値をストロークに対してプロットした図である。 図９（ａ）〜（ｆ）は実施例２で導入された相当ひずみの値を示した図である。 図１０は実施例２で被加工材料上の３点（中央部、外周近傍部、それらの中間）における相当ひずみの値をストロークの値に対してプロットした図である。 図１１は第３実施形態に係る塑性加工装置の加工型の模式斜視図である。 図１２（ａ）〜（ｃ）は実施例３において導入された相当ひずみの値を示す図である。 図１３（ａ）〜（ｃ）は実施例３において導入された相当ひずみの値を示す図である。 図１４（ａ）〜（ｅ）は実施例４において導入された相当ひずみの値を示す図である。 図１５（ａ）〜（ｅ）は実施例４において導入された相当ひずみの値を示す図である。

符号の説明

Ｒst…ひずみ導入領域
Ｒin…誘導部
Ｒout…取出し部
ＰＤ…加工方向
Ｌ…荷重

Claims (17)

1. 被加工材料の結晶粒を分断及び細分化する目的でひずみを導入する塑性加工装置であって、
   所定の一方向に延伸し、内側を前記被加工材料が通過するときに前記被加工材料にひずみを導入するひずみ導入領域を有する加工型と、
   前記ひずみ導入領域の内側を通過するように前記被加工材料に荷重を印加する荷重印加手段と
   を有し、
   前記加工型は、
   前記ひずみ導入領域の開始点における前記一方向に対して垂直な断面の形状と異なる形状、位置と異なる位置、または、形状及び位置と異なる形状及び位置の断面を有する部分が前記ひずみ導入領域内に存在し、
   前記ひずみ導入領域内のいずれの位置においても前記断面の断面積が等しく形成されている
   塑性加工装置。
2. 前記ひずみ導入領域が、曲率が連続的に変化する曲面で構成される形状の部分を有する
   請求項１に記載の塑性加工装置。
3. 前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として同一の形状が位置を変えながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する
   請求項１に記載の塑性加工装置。
4. 前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として同一の形状が前記一方向に延伸して前記同一の形状の中心を通る軸を回転軸として回転しながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する
   請求項３に記載の塑性加工装置。
5. 前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として同一の形状が前記一方向に延伸して前記同一の形状の中心を通る軸の位置を所定の軸ずらし方向にずらしながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する
   請求項３に記載の塑性加工装置。
6. 前記同一の形状が矩形であり、前記軸ずらし方向が前記矩形の辺の方向である
   請求項５に記載の塑性加工装置。
7. 前記同一の形状が矩形であり、前記軸ずらし方向が前記矩形の角の方向である
   請求項５に記載の塑性加工装置。
8. 前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として同一の形状が前記一方向に延伸して前記同一の形状の中心を通る軸を回転軸として回転し、前記軸の位置を所定の軸ずらし方向にずらしながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する
   請求項３に記載の塑性加工装置。
9. 前記同一の形状が矩形であり、前記軸ずらし方向が前記矩形の辺の方向である
   請求項８に記載の塑性加工装置。
10. 前記同一の形状が矩形であり、前記軸ずらし方向が前記矩形の角の方向である
    請求項８に記載の塑性加工装置。
11. 前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として形状が連続的に変化しながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する
    請求項１に記載の塑性加工装置。
12. 前記ひずみ導入領域が、前記一方向に対して垂直な断面として一の形状のアスペクト比が連続的に変化しながら前記一方向に移動したときの軌跡で表される形状の部分を有する
    請求項１１に記載の塑性加工装置。
13. 前記一の形状が矩形である
    請求項１２に記載の塑性加工装置。
14. 前記一の形状が多角形である
    請求項１２に記載の塑性加工装置。
15. 前記一の形状が円または楕円である
    請求項１２に記載の塑性加工装置。
16. 被加工材料の結晶粒を分断及び細分化する目的でひずみを導入する塑性加工方法であって、
    所定の一方向に延伸し、内側を前記被加工材料が通過するときに前記被加工材料にひずみを導入するひずみ導入領域を有する加工型であって、前記ひずみ導入領域の開始点における前記一方向に対して垂直な断面の形状と異なる形状、位置と異なる位置、または、形状及び位置と異なる形状及び位置の断面を有する部分が前記ひずみ導入領域内に存在し、前記ひずみ導入領域内のいずれの位置においても前記断面の断面積が等しく形成されている加工型の前記ひずみ導入領域の内側を、荷重を印加して前記被加工材料を前記一方向に通過させて、前記被加工材料にひずみを導入する
    塑性加工方法。
17. 前記一方向に往復して前記被加工材料を通過させて、前記被加工材料にひずみを導入する
    請求項１６に記載の塑性加工方法。
    

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