JP2011079046A - 押出し加工装置、及び、押出し加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】押出し荷重を低減し、難加工性の押出し材や、難加工形状の押出し加工を可能とする押出し加工装置の提供。
【解決手段】押出し方向軸Ａ上で移動可能に押出し材を保持するコンテナ１０６と、押出し材２００を所定の形状に加工する加工孔１７１を有するダイ１０７と、押出し材２００に対しダイ１０７に向かう力を付与する押出し体１０８と、ダイ１０７を通過する押出し材２００が挿通される挿通孔１１１を押出し方向軸に沿って有し、加工孔１７１と挿通孔１１１とが連通するように配置され、押出し方向軸上で振動する超音波振動をダイ１０７に伝達するホーン１０１と、ホーン１０１に超音波振動を発生させる超音波振動発生手段１０２とを備える。
【選択図】図１

Description

本願発明は、押出し加工装置、押出し加工方法に関し、特に、アルミニウム材などの金属や難押出材の押出し、押出し加工が困難な形状の押出しを可能とする押出し加工装置、押出し加工方法に関する。

一般的にアルミニウム材などの金属を固体状態のまま押出し加工する場合において、押出し比（ダイ出口（加工孔）の面積に対する押出し材の断面積の比）が大きいと、押出しに要する荷重が大きくなる。このような状態では、押出し加工装置のステムへの負荷が大きくなるとともに、コンテナやダイにかかる負荷も大きくなる。一方、押出し加工装置への負荷を軽減するためには、押出し材の温度を高くして、変形抵抗を下げる方法が考えられる。しかし、あまり押出し材の温度を上げすぎると加工中の発熱で押出し材が溶融したり、加工後の製品に適切な結晶組織が得られないなど押出し材の温度を高めるにも限界がある。

また、押出し比が小さい場合でも押出し速度を上げすぎると変形抵抗が大きくなったり、加工時の発熱による押出し材の変質が問題になるために、押出し速度を低速にしなければならない場合もある。

一方、金属材料の加工時に超音波振動を加えると加工荷重が低減することが知られている。例えば、引き抜き加工や打ち抜き加工、切削加工などにおいては、工具に超音波振動を当てることで、加工荷重を低減できることが明らかとなっている。

また、樹脂の押出し加工の分野においては、ダイに超音波振動を当てることで高速に押出しが可能となる技術が開示されている（特許文献１参照）。さらに、超音波振動を金属の押出し加工に適用し、効果があることも開示されている（非特許文献１参照）。

特開２００１−８８１９４号公報

Mousavi,S.A.A.A., Feizi, H., Madoliat, R.,Material Processing Techonology, 187-188(2007)657-661.

ところが、樹脂の押出し加工装置と金属などの押出し加工装置とは、押出し荷重に大きな相違があるため装置構成が大幅に異なり、開示されている樹脂の押出し加工装置に適用される技術を金属の押出し加工装置に適用することは困難である。また、金属等の押出し加工に超音波振動を適用して効果が得られるという結果は、有限要素法による解析の結果であり、押出し加工装置として具体的にどのように超音波振動を適用するかは開示されていない。

本願発明は、以上のような状況下においてなされたものであり、超音波振動を用いて押出し荷重を低減し、加工速度を向上させることのできる押出し加工装置、押出し加工方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明にかかる押出し加工装置は、固体の押出し材を押出し加工する押出し加工装置であって、押出し方向軸上で移動可能に押出し材を保持するコンテナと、押出し材を所定の形状に加工する加工孔を有するダイと、押出し材に対し押出し方向軸上の前記ダイに向かう力を付与する押出し体と、前記ダイを通過する押出し材が挿通される挿通孔を押出し方向軸に沿って有し、前記ダイの加工孔と前記挿通孔とが連通するように配置され、押出し方向軸上で振動する超音波振動を前記ダイに伝達するホーンと、前記ホーンに超音波振動を発生させる超音波振動発生手段とを備えることを特徴とする。

これにより、押出し材の加工中に発生する押出し荷重を低減することができ、また、加工速度の向上を図ることが可能となる。

また、前記ダイは、押出し方向軸に移動可能に前記コンテナに保持され、前記ホーンは前記ダイを介して押出し材に押出し方向軸上の前記押出し体向きの力を付与することが好ましい。

これにより、押出し方向軸上を移動可能なダイに押出し方向軸に振れる超音波振動が伝達されるため、超音波振動を押出し加工に効果的に影響させることが可能となる。

また、前記ダイの押出し方向の厚さは、５ｍｍ以下であることが望ましい。

これによれば、ホーンから伝達される超音波振動の効果を有効に発揮させることが可能となる。また、ダイの加工を容易にすると共に、ダイの交換作業の作業性を向上させることも可能となる。

また、上記目的を達成するために、本願発明に係る押出し加工方法は、固体の押出し材を押出し加工する押出し加工方法であって、前記コンテナに押出し材を収容し、前記コンテナに収容される押出し材を前記押出し体と前記ダイとで挟んで加圧し、前記加圧と共に前記ダイに押出し方向軸上で振れる超音波振動を前記ダイに印加することを特徴とする。

これにより、押出し材の加工中に発生する押出し荷重を低減することができ、また、加工速度の向上を図ることが可能となる。

本願発明に係る押出し加工装置によれば、押出し方向軸上で振動する超音波振動をダイに付加しながら、押出し加工を行うことができる。従って、押出し荷重を大幅に低減することができる。これによって、通常は加熱しなければ押出しを行うことができない押出し材でも室温のまま押出し加工を行うこともできる。また押出し比が大きくて押出し荷重が押出し装置の最大加圧力を超えるために押出しを行えない断面形状であっても押出し加工が可能となる。同じ押出し比の押出し加工条件においては、押出し荷重が低減し、押出し速度を促進することができる。

本願発明に係る押出し加工装置を模式的に示す斜視図である。 ホーン周辺を一部切り欠いて示す側面図である。 押出し加工時のダイの周辺を断面で示す側面図である。 ダイの一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は中心軸を通る面で切断した状態を示す側面図である。 本実施の形態における押出し加工時のダイの周辺を断面で示す側面図である。 本実施の形態における押出し加工時のダイの周辺を断面で示す側面図である。 本実施の形態におけるダイの変形例を断面で示す側面図である。 ストロークと押出し荷重との関係を示すグラフである。

次に、本願発明に係る押出し加工装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

（実施の形態１）
図１は、本願発明に係る押出し加工装置を模式的に示す斜視図である。

同図に示すように、押出し加工装置１００は、金属や合金などの固体の押出し材を押出し加工する装置であって、ホーン１０１と、超音波振動発生手段１０２と、基台１０３と、コンテナ保持具１０４と、加圧手段１０５とを備えている。

基台１０３は、押出し加工時に発生する力を全て受け止めることができる十分な強度と剛性を有する構造体であり、床などに載置状態で設置される板体１３１と、板体１３１に２本固定される柱体１３２と、２本の柱の上部に張り渡される梁体１３３とを備えている。

加圧手段１０５は、基台１０３の梁体１３３に垂下状に取り付けられ、押出し加工に必要な力を発生させる装置である。加圧手段１０５は、例えば、油圧によりシリンダを梁体１３３に対して突出させて力を発生させる油圧装置を例示することができる。また、加圧手段１０５は、ホーン１０１を保持する為の円筒形状の接続具１５１を備えている。

なお、加圧手段１０５は、梁体１３３と接続具１５１との間に配置されることに限定されるものではない。例えば、梁体１３３に接続具１５１が直接固定され、コンテナ保持具１０４と板体１３１との間に加圧手段１０５が配置されてもかまわない。また、梁体１３３と接続具１５１との間、および、コンテナ保持具１０４と板体１３１との間の両方に加圧手段１０５を配置してもかまわない。

図２は、ホーン周辺を一部切り欠いて示す側面図である。

同図に示すように、超音波振動発生手段１０２は、ホーンに超音波振動を発生させる装置であって、超音波で振動する振動子１２２と、振動子１２２の振動を制御する制御装置１２１とを備えている。

超音波振動発生手段１０２が発生させる振動数は、１０ｋＨｚ以上、４０ｋＨｚ以下の範囲から選定されることが好ましい。選定される振動数がこの範囲から外れると押出し荷重の低減効果が著しく減少するからである。また、超音波振動発生手段１０２が発生させる振動の大きさは、ホーン１０１が共振した場合においてホーン１０１の先端面の振幅が１μｍ以上、３０μｍ以下の範囲となる大きさが好ましい。ホーン１０１の先端面の振幅が１μｍ未満の場合、押出し荷重の低減効果があまり認められず、３０μｍを越えると、押出し加工された製品の表面にビビリなどの表面状態の異常が顕著に見られるようになるからである。

ホーン１０１は、振動子１２２により発生する押出し方向軸Ａ上の超音波振動をダイ（後述）に伝達する部材であり、加工後の押出し材（製品）が挿通される挿通孔１１１を押出し方向軸Ａに沿って有する部材である。本実施の形態の場合、ホーン１０１は、挿通孔１１１を同軸上に有する円筒形状であり、下方の端部（ホーン１０１の先端部）は、同一軸に沿った細い径の円筒形状となっている。また、ホーン１０１は、長さ方向の中間部近傍で接続具１５１に保持されている。ホーン１０１が接続具１５１に保持されている部分は、超音波振動発生手段１０２が発生させる超音波振動によりホーン１０１に定在波が発生した際の振動の節に該当する部分となっている。一方、ホーン１０１が保持されている部分から下方端部までの長さは、定在波が発生した際、ホーン１０１の先につけたダイ（後述）の表面（ダイと押出し材２００とが接触する界面）で最大振幅となるように調整されている。

図３は、押出し加工時のダイの周辺を断面で示す側面図である。

同図に示すように、押出し加工装置１００は、コンテナ１０６と、ダイ１０７と、押出し体１０８とを備えている。

コンテナ１０６は、押出し方向軸Ａ上で移動可能に押出し材２００（ビレット）を保持する部材である。本実施の形態の場合、コンテナ１０６は、肉厚の厚い円筒形状となっている。また、コンテナ１０６は、コンテナ保持具１０４によって、基台１０３の板体１３１に固定されている。なお、コンテナ１０６をコンテナ保持具１０４を介して板体１３１に締結しているものはボルトである。

ダイ１０７は、押出し材２００を所定の形状に加工する加工孔を有する部材である。

図４は、ダイの一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は中心軸を通る面で切断した状態を示す側面図である。

本実施の形態の場合、ダイ１０７は、コンテナ１０６の中心軸と同軸に設けられている孔に嵌め合うことのできる外径を有する薄い円板であり、中央部には押出し方向に貫通した加工孔１７１が設けられている。

ダイ１０７の厚さは特に限定されるものではないが、超音波振動を押出し加工に有効に作用させるには、ダイ１０７の厚さは５ｍｍ以下（０ｍｍを含まない）であることが好ましい。ダイ１０７の厚さが５ｍｍよりも厚いと、ダイ１０７と押出し材２００とが接触する界面で最大振幅とすることが困難（つまり、前記界面が最大振幅となるようなホーン１０１の形状を決定することが困難）となり、超音波振動の効果が抑制されるためである。なお、上記の作用から考えるとダイ１０７の厚さは薄いほどよいと考えられるが、ダイ１０７を構成する材質がＳＫＤ５１などのダイス鋼の場合、ダイ１０７の強度を考慮し、ダイ１０７の厚さは０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましいと考えられる。

なお、加工孔１７１の形状は、所望の製品の形状に依存するものであり、十字形状に限定されるものではない。

押出し体１０８は、図３に示すように、押出し材２００に対し押出し方向軸Ａ上であってダイ１０７に向かう力を付与する部材である。本実施の形態の場合、押出し体１０８は、基台１０３の板体１３１に嵌入状態となっており、コンテナ１０６と板体１３１に挟持されて固定されている。従って、本実施の形態の押出し体１０８は、コンテナ１０６の端部に固定されており、いわゆるステムのようにコンテナ１０６に対して移動し、積極的に押出し材２００を押し出すものではない。

次に、上記押出し加工装置１００を用いた押出し方法を説明する。

まず、コンテナ１０６と押出し体１０８とを基台１０３の板体１３１に配置し、コンテナ保持具１０４をコンテナ１０６に被せてボルトで固定する。

次に筒状のコンテナ１０６内に押出し材２００を挿入する。さらに、押出し材２００の上方であってコンテナ１０６の中にダイ１０７を挿入する。

次に、加圧手段１０５を用いて、ホーン１０１を押出し体１０８の方向（図３に矢印で示す）に移動させ、ホーン１０１の先端部をコンテナ１０６内に挿入し、ホーン１０１の先端面をダイ１０７に当接させる。そしてさらに、加圧手段１０５によってホーン１０１を進めることで、コンテナ１０６に収容される押出し材２００を押出し体１０８とダイ１０７とで挟んで加圧する。

一方、前記加圧と共に超音波振動発生手段１０２は、振動子１２２を振動させ、ホーン１０１を共振させる。これによりダイ１０７に押出し方向軸Ａ上で振れる超音波振動が印加される。

上記加圧状態を維持すると、ダイ１０７の加工孔１７１から押出し材２００が加工孔１７１の形状に従って押し出されて行く。

加工後の押出し材２００である製品は、ホーン１０１の挿通孔１１１に挿通される。

以上によって押出し加工を行うことができる。

以上の押出し加工装置１００、押出し加工方法によれば、ダイ１０７に押出し方向軸Ａ上の超音波振動を加えながら、コンテナ１０６内の押出し材２００にダイ１０７を押し込んで押出し加工をすることができる。従って、超音波振動の付加とダイ１０７の押出し材２００への押込みが同じ箇所で行われ、押出し材２００の変形がダイ１０７直下で起こる。つまり、押出し材２００が変形する部分に効率よく超音波振動が加わるので、超音波振動による荷重低減の効果が非常に高い。また、本実施の形態の場合、ダイ１０７の大部分は圧縮方向に荷重がかかっているため、ダイ１０７の厚みを薄くすることができる。従って、より効果的に超音波振動を作用させることが可能となる。また、超音波振動を加工部分に作用させることにより、従来押出し加工が困難であった形状、例えば、図４に示す加工孔１７１によって得られる十字形状の製品も押出し加工によって得ることが可能となる。

また、ダイ１０７は消耗品であり、押出し加工の操業を長期間行うには定期的に取り替える必要があるが、ダイ１０７の重量を軽くすることができるため、ダイ１０７の交換作業が容易になり、さらに、ダイ１０７の価格を抑えることができる為、製造コストを低減することが可能となる。

（実施の形態２）
次に、本願発明に係る押出し加工装置１００の他の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、上記実施の形態１と同様の作用や機能を実現する部材や手段や装置等は同じ符号を付し、説明を省略する場合がある。

図５は、本実施の形態における押出し加工時のダイの周辺を断面で示す側面図である。

同図に示すように、コンテナ１０６は、コンテナ保持具１０４によって基台１０３に固定されている。また、ホーン１０１は、加圧手段１０５を介すこと無く接続具１５１を介し基台１０３に対し固定されている（図示せず）。すなわち、本実施の形態の場合、ホーン１０１及びダイ１０７は、基台１０３に対し固定されている（超音波振動は発生する）。

押出し体１０８は、本実施の形態の場合いわゆるステムとして機能しており、コンテナ１０６に挿入可能な形状である。なお、押出し材２００と押出し体１０８との間には押し板１８１（ダミーブロック）が配置されている。なお押し板１８１は必須の構成要素ではない。

押出し体１０８は、加圧手段１０５に接続されており（図示せず）、同図中の矢印に示す方向に押出し材２００を加圧することができるようになっている。

本実施の形態の場合、押出し材２００は、コンテナ１０６に対し摺動することになるため、押出し材２００とコンテナ１０６内面との摩擦が低減するように潤滑剤を施すことが望ましい。

以上の構成によれば、ダイ１０７とホーン１０１の先端部とをコンテナ１０６内に押し込む必要がない。従って、ホーン１０１先端部の外径をコンテナ１０６の内径よりも小さくする必要が無い。また、ホーン１０１の先端部の長さと製品の長さとが無関係であるため、ホーン１０１の先端部を製品の長さに合わせて長くする必要がない。したがって、全体的に剛性の高いホーン１０１を押出し加工装置１００に使用できるため、押出し加工装置１００全体の剛性を高めることが可能となる。また、比較的大型の部材であり、振動子１２２等が取り付けられるホーン１０１を移動させる必要が無い。一方、押出し体１０８は比較的小型で、ホーン１０１のように超音波振動を発生させるために保持する場所が限定されることがないため、押出し方向軸Ａからぶれることなくまっすぐに押し出すことが可能となる。従って、精密に押出し加工を行うことが可能となる。

（実施の形態３）
次に、本願発明に係る押出し加工装置１００の他の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、上記実施の形態１や実施の形態２と同様の作用や機能を実現する部材や手段や装置等は同じ符号を付し、説明を省略する場合がある。

図６は、本実施の形態における押出し加工時のダイの周辺を断面で示す側面図である。

同図に示すように、コンテナ１０６は、コンテナ保持具１０４によって基台１０３に固定されている。さらに、ダイ１０７は、コンテナ１０６と基台１０３との間で周縁部が挟まれた状態で固定されている。また、ホーン１０１は、加圧手段１０５を介すこと無く接続具１５１により基台１０３に対し固定されている（図示せず）。

押出し体１０８は、いわゆるステムとして機能しており、コンテナ１０６に挿入可能な形状となっている。なお、押出し材２００と押出し体１０８との間には押し板１８１（ダミーブロック）が配置されている。なお押し板１８１は必須の構成要素ではない。

押出し体１０８は、加圧手段１０５に接続されており（図示せず）、同図中の矢印に示す方向に押出し材２００を加圧することができるようになっている。

以上の構成によれば、押出し加工時に発生する力がホーン１０１にかかりにくくなり、効果的に超音波振動をダイ１０７に伝達することができる。従って、ホーン１０１を保護しつつ押出し荷重を低減し、加工速度を向上させることが可能となる。

図７は、本実施の形態におけるダイの変形例を断面で示す側面図である。

同図に示すダイ１０７は、ダイ１０７を固定する部分は厚みを持たせてダイ１０７全体の剛性の向上と固定の強度向上を図りつつ、加工孔１７１周縁のホーン１０１と当接する部分のみ押出し方向の厚さを薄くしたものである。なお、当該薄くした部分の厚さが特許請求の範囲における「ダイの厚さ」に該当する。このようなダイ１０７を採用した場合、大荷重を要する押出し加工においても、比較的小荷重に耐えるホーン１０１でダイ１０７を振動させ、押出し荷重を低減させることが可能となる。

なお、本願発明に係る押出し加工装置１００は、上述した実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態１〜３で示す構成要素を任意に組み合わせて実現される別の実施の形態も本願発明の実施の形態である。また、上記構成要素に対して本願発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる押出し加工装置１００や押出し加工方法も本願発明に含まれる。

例えば、ホーン１０１の挿通孔１１１の形状は、ダイ１０７の加工孔１７１が内接する円よりも大きい断面形状の孔であればよい。また、挿通孔１１１の断面形状は円ではなく、加工孔１７１の形状と相似形状でもかまわない。

また、押出し体１０８にホーン１０１を接続し、押出し体１０８に超音波振動を印加してもかまわない。

次に、具体的な実施例を示す。

上記実施の形態１で示した押出し加工装置１００を用い、純アルミニウム（Ａ１０５０）からなる押出し材２００に対し押出し加工を行った。

押出し比：４（押出し材２００：直径８ｍｍの丸棒、ダイ１０７の加工孔１７１：直径４ｍｍの円形）、ホーン１０１の移動速度：０．１ｍｍ／ｓ、超音波振動発生手段１０２の振動子１２２振動：２０ｋＨｚ。以上の条件で押出し加工を行った。

なお、上記条件においてホーン１０１は共振し、ホーン１０１のダイ１０７と接触する面（ホーン１０１の先端面）の振幅は１５μｍであった。

図８は、ストロークと押出し荷重との関係を示すグラフである。

同グラフが示すように、ダイ１０７に超音波振動を印加していない場合（超音波なし）に比べ、ダイ１０７に超音波振動を印加している場合（超音波付加）、押出し荷重が少なくとも４０％低減していることがわかる。

本願発明によって、複雑な断面形状の製品を押出し加工により製造することができ、従来よりも複雑な断面形状の製品を得ることが可能となる。また、低荷重で押出し加工することが可能となるため従来不可能とされていた硬い押出し材などに対して押出し加工を行うことが可能となる。また、高い加工速度で製品を加工できるため、生産効率を高めることが可能となる。

１００ 押出し加工装置
１０１ ホーン
１０２ 超音波振動発生手段
１０３ 基台
１０４ コンテナ保持具
１０５ 加圧手段
１０６ コンテナ
１０７ ダイ
１０８ 押出し体
１１１ 挿通孔
１２１ 制御装置
１２２ 振動子
１３１ 板体
１３２ 柱体
１３３ 梁体
１５１ 接続具
１７１ 加工孔
１８１ 押し板
２００ 押出し材

Claims (5)

1. 固体の押出し材を押出し加工する押出し加工装置であって、
   押出し方向軸上で移動可能に押出し材を保持するコンテナと、
   押出し材を所定の形状に加工する加工孔を有するダイと、
   押出し材に対し押出し方向軸上の前記ダイに向かう力を付与する押出し体と、
   前記ダイを通過する押出し材が挿通される挿通孔を押出し方向軸に沿って有し、前記ダイの加工孔と前記挿通孔とが連通するように配置され、押出し方向軸上で振動する超音波振動を前記ダイに伝達するホーンと、
   前記ホーンに超音波振動を発生させる超音波振動発生手段と
   を備える押出し加工装置。
2. 前記ホーンは、前記超音波振動発生手段が発生させる超音波振動と共振すると共に、前記ダイと接触する端部が最大振幅となる長さを備え、最小振幅部分で保持され、
   前記超音波振動発生手段は、前記ホーンが保持される部分に対し、前記ダイと接触する部分と反対側の前記ホーンの部分に接続される超音波で振動する振動子
   を備える請求項１に記載の押出し加工装置。
3. 前記ダイは、押出し方向軸に移動可能に前記コンテナに保持され、
   前記ホーンは前記ダイを介して押出し材に押出し方向軸上の前記押出し体向きの力を付与する
   請求項１または請求項２に記載の押出し加工装置。
4. 前記ダイの押出し方向の厚さは、５ｍｍ以下である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の押出し加工装置。
5. 固体の押出し材を押出し加工する押出し加工方法であって、
   コンテナに押出し材を収容し、
   前記コンテナに収容される押出し材を押出し体とダイとで挟んで加圧し、
   前記加圧と共に前記ダイに押出し方向軸上で振れる超音波振動を前記ダイに印加する
   押出し加工方法。

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