JP3111896B2 - 内面加工金属管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内面加工金属管の製
造方法及び装置に関し、特に、回転ホイール押出法を利
用して内面螺旋状フィンを付した金属管を製造する製造
方法と製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の内面螺旋状フィン付金属管の製造
方法として、例えば、図３に示されるものがある。

【０００３】多くの場合銅系金属管から構成される原材
料２１を、まずダイス２２とフローティングプラグ２３
との間に供給し、こゝで縮管を行う。

【０００４】次に、この縮管された管体２１ａを、フロ
ーティングプラグ２３から伸長されたタイロッド２４の
先端の加工プラグ２５と、これを取り囲むように配置さ
れた複数個の鋼球２６、２６・・・とから構成される加
工部２７へと供給する。

【０００５】こゝにおいて、外周面に螺旋溝２８を有す
る加工プラグ２５はタイロッド２４に対して回転自在に
取り付けられており、一方鋼球２６、２６・・・はこの
プラグ２５の周りを外部駆動源によって公転し且つ同時
にそれぞれが自転できるように構成されている。

【０００６】鋼球２６、２６・・・は、管体２１ａをさ
らに縮管するような位置に配置されており、従って、こ
れら加工プラグ２５と鋼球２６、２６・・・との間に管
体２１ａを供給すると、管体２１ａは鋼球２６、２６・
・・側から縮管方向への力を受け、それにより加工プラ
グ２５に対して押し付けられる。

【０００７】加工プラグ２５は、管体２１ａによって回
転させられ、その結果管体２１ａの内面には加工プラグ
２５の外周面の螺旋溝２８が転写され、これによって螺
旋状フィン１３を内面に有する管体２１ｂが作られる。

【０００８】その後管体２１ｂは、さらに空引ダイス２
９によって縮管加工され、所定寸法の内面フィン付金属
管３０とされる。

【０００９】この方法は、一般には転造加工法の名で知
られ、例えば、空調用熱交換器に使用される内面フィン
付銅管製造に適していることから、この方面では高く評
価されており、広く活用されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の製造方
法によると、これを適用できるのは銅系金属のように変
形抵抗の大きなものに限られ、例えば、アルミニウム系
のような金属管にこの方法を適用する場合には、その変
形抵抗が小さいので、内面のフィン１３を充分な高さに
形成することが困難となる。

【００１１】すなわち、アルミニウムのように変形抵抗
の小さな金属の場合、転造加工時の材料の流れは材料引
き抜き方向へと流れやすく、このため加工プラグ２５の
螺旋溝２８の全体に充満することが難しくなる。

【００１２】従って、高伝熱性のための狭いフィン幅
と、大きなフィン高さとを要求されるいわゆるスリムフ
ィンをこの転造加工方式によってアルミニウム管に形成
することは不可能であった。

【００１３】また、図３からも明らかなように、この種
転造加工作業における引抜力としては、ダイス２２とフ
ローティングダイス２３の間、加工プラグ２５と鋼球２
６の間、及び空引ダイス２９の中を金属管がそれぞれ通
過する際に生ずる各抵抗力の総和以上の力が必要となる
が、アルミニウムのような破断強度の小さな金属材料の
場合には加工中に破断する惧れがある。このような現象
を防止する意味から、付加可能な引抜力にはおのずと制
約があり、従って、この点からも転造加工方式によるア
ルミニウム系金属管の内面加工は困難であった。

【００１４】空調器等の小型軽量化は時代の趨勢であ
り、従って、軽量化に最も適しているアルミニウム系金
属への適用が困難な転造加工方式は、明らかに問題であ
った。

【００１５】従って、本発明の目的は、アルミニウム系
金属のような変形抵抗が小さく且つ破断強度の弱い金属
管を加工の対象としたような場合であっても、その内面
に対して幅が狭く且つ高さの高いフィンを確実に形成す
ることのできる内面加工金属管の製造方法とそのための
製造装置とを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため、押し出される金属材料を収容する集合室
に設けられた押出ダイスと同軸状に、かつ、所定の間隙
を有して回転可能な溝付加工部材を配置し、前記集合室
に前記金属材料を強制的に供給して前記金属材料を前記
集合室で高温および高圧にし、前記金属材料の塑性変形
によって前記間隙から前記金属材料を金属管として押し
出しながら前記金属管の内面に前記溝付加工部材の溝形
状に応じた加工を施すことを特徴とする内面加工金属管
の製造方法を提供するものである。

【００１７】本発明によると、回転ホイールによって材
料集合室内に送り込まれる金属材料は、この送り込まれ
る過程における摩擦熱や変形熱によって高温に加熱さ
れ、集合室に至って高圧となり、これら高温、高圧の状
態のもとでダイス部から外へと押し出される。

【００１８】ダイス部から押し出されるときの金属材料
は、小さな変形抵抗性と高圧力とからくる高い塑性変形
によって回転するマンドレルの先端加工部に対して強く
押し付けられる。

【００１９】この結果、例えば、回転マンドレルの先端
加工部に螺旋溝を形成しておけば、この部分は金属材料
によって隙間なく充満されることになる。従って、押し
出される金属管の内面には、大きなフィン高さと狭いフ
ィン幅とによって特長づけられる高伝熱スリムフィンが
確実に形成される。

【００２０】しかも、この間金属管には、従来の製造方
法におけるような過大な引抜力は作用せず、従ってアル
ミニウムのような破断強度の弱い材料を適用した場合で
あっても、製品破断の危険性を完全に払拭した状態で作
業を遂行することができる。

【００２１】このように、過大な引抜力が作用せず、そ
して使用材料の変形抵抗性に制約のないので、アルミニ
ウムあるいはアルミニウム合金等の内面加工金属管を製
造する場合に、特に効果的である。

【００２２】もちろん、本発明をアルミニウム系以外
の、例えば、銅系の金属材料に適用することは、決して
これを否定するものではない。

【００２３】なお、シューブロックの内部等に補助ヒー
タを設け、これによって金属材料の昇温を助けることは
当然考えられる。

【００２４】本発明における回転マンドレルの先端加工
部には、多くの場合螺旋溝が形成されるが、この溝の形
状は必ずしも螺旋状に限定されることはなく、ストレー
ト状の溝であってもよい。

【００２５】ストレート、あるいは螺旋のいずれの溝を
採用するかは、押し出される金属材料の材質に応じて選
定すべきであり、例えば、せん断抵抗の小さな純アルミ
ニウム系（例えばＡ１０５０やＡ１０７０のような１０
００番台のアルミニウム）を対象とする場合には、スト
レート溝の適用が可能であり、一方せん断抵抗の大きな
合金系アルミニウム（例えばＡ３００３やＡ６０６３の
ような３０００番あるいは６０００番台のアルミニウ
ム）の場合には、螺旋溝であることが望ましい。

【００２６】純アルミニウム系に対して螺旋溝を適用す
ることは差し支えない。

【００２７】また、せん断抵抗の大きな材料の場合に、
マンドレル回転による金属管内面のメタルフローが金属
管の外周面に影響して、押し出される金属管全体がねじ
られる傾向があり、さらには、形成する螺旋状フィンの
条数、螺旋状フィンのリード角度、フィンの高さあるい
は金属管の肉厚等の条件によっても同様にねじられる傾
向が生ずるようになるが、溝形状をストレートにするか
螺旋にするかは、これら諸点を考慮した総合的な加工性
に基づいて選択すべきである。

【００２８】本発明における回転ホイールとしては、１
個のホイールに１条の溝部を形成するのが普通である
が、必要によっては１個のホイールに複数条の溝部を形
成し、それによって金属材料の供給量を増やし、押出容
量を上げることは考えられる。

【００２９】また、材料集合室へ供給され、ダイス部を
経て押し出される金属材料の流れを均一化する目的か
ら、押出ダイスからの押出方向の軸心を中心として互い
に対向配置された一対のホイールによって回転ホイール
機構を構成することも考えられる。その場合には、各ホ
イールに対して複数条の溝部を形成し、これによって金
属材料の供給量を増やすことは当然可能である。

【００３０】回転マンドレルの駆動源として可変速の駆
動源を使用し、これによって金属管内面に形成されるフ
ィンの角度を、金属管の押し出し中に変更することは考
えられる実施形態である。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明における一つの実施の形態
を図１により説明する。

【００３２】１は周面に溝部２を形成した回転ホイー
ル、３はこの回転ホイール１に接するように設けられた
シューブロック、４はシューブロック３の内部に形成さ
れた材料集合室、５はこの材料集合室４と連通するよう
に設けられた押出ダイス部、６はシューブロック３を貫
通して取り付けられたマンドレルを示す。

【００３３】このマンドレル６は、外面にストレート溝
７ａを形成した先端加工部８をダイス部５のダイスベア
リング部９内に位置させるように取り付けられており、
さらに駆動源１０によって回転させられるように構成さ
れている。

【００３４】１１は回転ホイール１の溝部２に供給され
た荒引線から成る金属材料を示し、その断面寸法は溝部
２よりも大きく、回転ホイール１によってシューブロッ
ク３内へと引き込まれる過程において、その摩擦熱と変
形熱とにより高い温度に昇温させられる。

【００３５】その結果、材料集合室４へと送り込まれる
金属材料１１は、この集合室４に至って高圧となり、こ
の高い圧力のもと、ダイス部５から外部へと押し出され
て金属管１２となる。

【００３６】金属材料１１がダイス部５から押し出され
る際、材料１１はマンドレル６の先端加工部８に対して
強く押し付けられることになり、その結果押し出された
金属管１２の内面には、先端加工部８の外面に設けられ
たストレート溝７ａの転写によるフィン１３が明確に刻
印されることになる。

【００３７】このフィン１３は、マンドレル６が回転し
ながらの転写形成となる結果、その形状は螺旋状とな
り、しかも、材料１１が高い温度下での小さな変形抵抗
性と高圧力とからくる高い塑性変形のもとで溝７ａに押
し付けられることから、このフィン１３としては狭幅で
高さの高い、いわゆるスリムフィン状に形成することが
可能となり、この点は特にアルミニウム系材料を加工の
対象とする場合に、従来の転造加工方法からは到底得る
ことのできない利点である。

【００３８】本実施形態の利点として、以下の諸事項を
挙げることができる。

【００３９】従来の製造方法の場合には、金属管は加工
の過程においてかなりの硬さにまで硬化変質することに
なり、従って製品を軟化させるための焼鈍処理が不可欠
となるが、本発明の場合にはその必要がなく、経済的に
明らかに有利である。

【００４０】また、一旦、管状体を作ってこれを加工原
料とする従来の方法は、荒引線を原材料とする本実施形
態に比べると経済的に不利であり、さらに従来の方法の
場合には、管体２１ｂの表面に鋼球２６による押し込み
模様が付着すると共に寸法精度も悪く、従って空引ダイ
ス２９による外観および寸法仕上げのための縮管加工が
必ず必要となるが、本実施形態の場合にはこの必要もな
い。

【００４１】金属管内面に形成されるフィンの螺旋角度
の面でも、本実施形態の場合には従来方法には見られな
い利点を有している。

【００４２】すなわち、従来の加工の原理は、材料を引
抜縮管する際の材料の流れによって加工プラグ２５を回
転させるが、この回転を確実なものとするためには加工
プラグ２５の表面の螺旋溝２８の螺旋角度は最大４５°
が限界となる。

【００４３】従って、この限界を超える角度の螺旋状フ
ィンの形成は不可能であり、さらにこの最大角度は、そ
の後の加工である空引ダイス２９による縮管加工によっ
て、実際には４０°程度に小さくなってしまうのが普通
である。

【００４４】この点、本実施形態においては、螺旋状フ
ィン１３の角度は金属材料の押出速度とマンドレル６の
回転速度とによって基本的に自在であり、従って、従来
の製造方法では不可能であった４５°を超える角度の螺
旋状フィンの形成も当然可能となる。

【００４５】図２は本発明における他の実施形態を示し
たもので、互いに上下に対向する一対のホイール１ａ、
１ｂによって回転ホイール機構を構成している点におい
て、図１と異なっている。

【００４６】従って、金属材料は１１ａ、１１ｂとし
て、ホイール１ａ、１ｂの溝部２ａ、２ｂにそれぞれ供
給され、ホイール１ａ、１ｂの回転とともにシューブロ
ック３内の材料集合室４へと送り込まれる。

【００４７】この過程において発熱した材料１１ａ、１
１ｂは、材料集合室４内において完全に一体化された金
属材料１１となり、押出ダイス部５から金属管１２とし
て押し出されることになる。

【００４８】押出ダイス部５のダイスベアリング部９の
内側には、ホイール１１ａ、１１ｂの中間位置を通るよ
うにシューブロック３を貫通した回転マンドレル６の先
端加工部８が位置させられており、押し出される金属管
１２の内面にはこの回転する先端加工部８の螺旋溝７ｂ
によって螺旋状のフィン１３が形成される。

【００４９】形成された螺旋状フィン１３は、金属材料
１１が高温による小さな変形抵抗性と高い圧力とに基づ
く高塑性変形性の状態のもとでの螺旋溝７ｂに押し付け
られて、図１の場合と同様にスリムフィンの形成が可能
となる。従って、前述した従来の製造方法との対比にお
いて列挙した利点が同じように得られる。

【００５０】この実施形態の場合には、金属材料１１
ａ、１１ｂの供給が、金属管１２の押出方向の軸心を中
心として対向関係に配置された一対の回転ホイール１
ａ、１ｂによって行われるので、材料集合室４、押出ダ
イス５を通る金属材料１１の流れが均質なものとなり、
その結果押し出される金属管１２の遍肉を防止して品質
を安定させることができる。

【００５１】図２の実施形態の場合における金属材料の
具体的な寸法等は、例えば、金属材料１１ａ、１１ｂを
アルミニウム荒引線によって構成する場合、その寸法は
外径９ｍｍ程度であり、押し出される金属管１２の寸法
は外径７ｍｍ、底肉厚０．４ｍｍ程度である。

【００５２】金属管１２の押出速度（Ｕｍ／分）とマン
ドレル６の回転数（Ｎｒ・ｐ・ｍ）との関係は、マンド
レル６先端の螺旋溝７ｂの角度をα、同外径をＤｍｍと
したときに、Ｎ＝１０００×ｔａｎα÷（π×Ｄ）×Ｕ
によって表すことができる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、金属材料
を回転ホイールによって材料集合室へ供給し、この過程
で金属材料を高温に加熱し、材料集合室において金属材
料の圧力を高め、これをダイス部から押し出し、そして
この押し出しの際に、ダイス部内側に配置された回転マ
ンドレルの先端加工部によって押出内面を加工するよう
にしたので、高温且つ高圧によって高い塑性変形性を有
する金属材料が回転マンドレルの先端加工部を完全に充
満した状態となり、従って押し出される金属管内面に対
して所定の形状のフィンを確実に加工することができ
る。

【００５４】また、金属管内面への加工の間、製造され
る金属管には従来の転造加工方法における引抜力のよう
な過大な荷重が作用しないので、特にアルミニウム系金
属のように破断強度の弱い金属材料を適用した場合であ
っても製造中に製品が破断するような恐れはなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による内面加工金属管の製造方法におけ
る一つの実施形態を示す説明図。

【図２】本発明による内面加工金属管の製造方法におけ
る他の実施形態を示す説明図。

【図３】従来の内面金属管の製造方法を示す説明図。

【符号の説明】

１ 回転ホイール １ａ 〃 １ｂ 〃 ２ 溝部 ２ａ 〃 ２ｂ 〃 ３ シューブロック ４ 材料集合室 ５ ダイス部 ６ マンドレル ７ａ ストレート溝 ７ｂ 螺旋溝 ８ 先端加工部 ９ ダイスベアリング部 １０ 駆動源 １１ 金属材料 １１ａ 〃 １１ｂ 〃 １２ 金属管 １３ フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 外木 達也 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電 線株式会社 システムマテリアル研究所 内 (72)発明者 永井 雅大 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日 立電線株式会社パワーシステム研究所内 (72)発明者 大島 雅夫 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日 立電線株式会社パワーシステム研究所内 (72)発明者 山岸 久修 茨城県日立市川尻町４丁目10番１号 日 立電線株式会社 豊浦工場内 (56)参考文献 特開 平２−241612（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−95418（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21C 23/21 B21C 23/10

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】押し出される金属材料を収容する集合室に
   設けられた押出ダイスと同軸状に、かつ、所定の間隙を
   有して回転可能な溝付加工部材を配置し、 前記集合室に前記金属材料を強制的に供給して前記金属
   材料を前記集合室で高温および高圧にし、 前記金属材料の塑性変形によって前記間隙から前記金属
   材料を金属管として押し出しながら前記金属管の内面に
   前記溝付加工部材の溝形状に応じた加工を施すことを特
   徴とする内面加工金属管の製造方法。
2. 【請求項２】前記金属材料の強制的な供給は、回転ホイ
   ールと固定シューブロックの間に形成され、前記集合室
   に通じる溝にこの溝の内径より大なる外径を有するアル
   ミニウム線材を供給するとともに前記回転ホイールの供
   給方向への回転によって行われる請求項１項記載の内面
   加工金属管の製造方法。
3. 【請求項３】前記溝付加工部材は、前記集合室の外部か
   ら内部へ通されたマンドレルの先端に支持されながら回
   転する請求項１項記載の内面加工金属管の製造方法。
4. 【請求項４】金属回転ホイールは、前記固定シューブロ
   ックに対して対称的に配置された２個の回転ホイールを
   有し、 前記２個の回転ホイールは、前記アルミニウム線材を供
   給する少なくとも１つの前記溝をそれぞれ有する請求項
   ２記載の内面加工金属管の製造方法。