JP4092306B2 - Hollow light metal member extrusion method, hollow extrusion die, and hollow light metal extrusion member - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム等の軽金属からなる中空部材(製品)を押出し加工によって製造する技術に関するものであり、特に、中実の軽金属素材から各種の断面形状を有する中空の部材を得る押出し加工技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for manufacturing a hollow member (product) made of a light metal such as aluminum by extrusion, and particularly to an extrusion technique for obtaining hollow members having various cross-sectional shapes from a solid light metal material. Is.
従来、アルミニウム合金に代表される軽金属からなる中空部材を熱間押出し加工を利用して製造する方法としては、第5図に示すようなものが知られている。この方法は、中実のビレットとして成形された軽金属素材1を加熱状態で押出し装置のコンテナ2内に導入し、前記軽金属素材1の後方から(図の矢印Aの方向から)ステム3により圧力をかけ、前記コンテナ2と連なるダイスホルダ9内に設けられた中空カップルダイス4を通して所定断面形状を有するダイス穴から前方に(図の矢印Bの方向に)押出すことにより、製品である中空部材5(本図例では矩形管)を得るものである。
Conventionally, a method shown in FIG. 5 is known as a method for producing a hollow member made of a light metal typified by an aluminum alloy using hot extrusion. In this method, a
この方法において、前記中空カップルダイス4としては、ブリッジダイス、ポートホールダイス、スパイダーダイス等のホローダイスが用いられる。第6図は、前記ホローダイスの例としてポートホールダイスを示したものである。 In this method, as the hollow couple die 4, a loader die such as a bridge die, a porthole die, or a spider die is used. FIG. 6 shows a porthole die as an example of the horodice.
この中空カップルダイス4は、ビレット側に位置する雄ダイス4aと中空部材5側に位置する雌ダイス4bとを備え、両ダイス4a,4bが一体的に嵌合された状態で使用される。
The
前記雄ダイス4aは、その円周部に穿設された複数のエントリーポート6(図では4個のタイプであるが、1個は省略して図示)を有し、その中央部からは押出し方向下流側(雌ダイス4b側)に向けて雄ベアリング7a(マンドレル部)が突出している。前記雌ダイス4bには、前記雄ダイス4aの各エントリーポート6に対応する略十字状の溶着室8が凹設されており、この溶着室8の中央位置に雌ダイス4bを軸方向に貫通する孔である雌ベアリング7bが設けられている。この雌ベアリング7bは、前記雄ダイス4aの雄ベアリング7aが特定形状(図の例では薄肉角筒形状)の隙間をおいて嵌入することが可能な形状とされており、この状態で前記隙間の形状に対応した断面を有する中空部材5を押出し成形することが可能となっている。
The
この中空カップルダイス4を用いた押出し加工のメカニズムを前記第6図に基づいて簡単に説明する。まず、矢印Aの方向から押された軽金属素材1は、雌ダイス4bの4つのエントリーポート6に押し込まれて各エントリーポート6に分流する。すなわち、前記軽金属素材1は4つの部分1a,1b,1c,1dに分けられる。各分流部分1a〜1dは、前記エントリーポート6の通過後に次の雌ダイス4bの溶着室8で合流し、ここで互いに溶着されて再び一体となる。さらに、一体化された軽金属素材1は、矩形状断面を有する雄ベアリング7aの外周面と、この雄ベアリング7aが隙間を持って嵌入される矩形状断面を有する雌ベアリング7bの内周面との隙間から矢印B方向に押出され、これにより、前記隙間の形状に対応した矩形状の中空断面を有する中空部材(矩形管)5が成形される。従って、成形された中空部材5はその4本の稜線の部分に溶着部5aを有することになる。
The extrusion mechanism using the
すなわち、この方法により得られる製品である中空部材5は、通常のソリッドダイスを用いる方法にはない「分流」及び「合流・溶着」過程を経て押出されるため、当該中空部材5には前記中空カップルダイス4のエントリーポート6の数と位置に対応した溶着部5aが必ず存在することになる。そして、この溶着部とベア部(非溶着部)との冶金的な密着性が、中空部材の引張強度、耐力、伸びといった機械的特性、とりわけ強度、を大きく支配することになる。この溶着部の密着性が不足すると、その後の2次加工の際や製品の使用時における割れや変形を招き、その品質を十分に保証できないおそれも出てくるのである。
That is, since the
また、中空ダイスの中でも特にブリッジダイスを用いる押出し加工においては、そのダイス寿命が他の中空ダイスに比べて長い利点がある反面、溶着部の強度を確保する操業が困難であるという欠点がある。例えばアルミニウム合金の場合、JIS3000系やJIS6000系のように比較的高い強度が要求されない一部のものはさほど問題がないが、JIS7000系など高強度が要求される製品の場合には、その冶金的特性のために溶着部において十分な強度を確保することが非常に困難である。さらにJIS5000系に至っては、中空ダイスを用いた押出しは本業界では不可能とさえいわれ、その開発すら断念されている状況である。 In addition, among the hollow dies, in particular, extrusion using a bridge die has an advantage that the die life is longer than that of other hollow dies, but there is a drawback that it is difficult to operate to ensure the strength of the welded portion. For example, in the case of an aluminum alloy, there are no problems with some products that do not require relatively high strength, such as JIS 3000 and JIS 6000, but in the case of a product that requires high strength such as JIS 7000, its metallurgical Due to the characteristics, it is very difficult to ensure a sufficient strength at the weld. Furthermore, in the JIS 5000 series, extrusion using a hollow die is said to be impossible in this industry, and even its development has been abandoned.
また、かかる従来の状況に相俟って、あらかじめ溶着部の強度を評価する適切な手法もなく、現実には拡管試験などの製造後の検査によってはじめて確認することが行われており、このため強度不足の製品もしばしば発生し、製品歩留が低いという問題を抱えている。このような強度不足を発見した場合は、経験的な知識や試行錯誤的にダイス形状や押出し条件の変更によって対処しているものの、かかる対策では再現性や汎用性に欠き、経験のない新たな製品形状や要求特性に十分且つ迅速に対応できないと共にダイスの製作が無駄になり、極めて非効率と言わざるを得なかった。 In addition, in conjunction with the conventional situation, there is no appropriate method for evaluating the strength of the welded part in advance, and in fact, it is actually confirmed for the first time by post-manufacturing inspection such as a pipe expansion test. Insufficient products often occur, and the product yield is low. If such a lack of strength is discovered, it is dealt with through empirical knowledge and trial and error by changing the die shape and extrusion conditions, but such measures lack new reproducibility and versatility, and have no experience. The product shape and required characteristics could not be dealt with sufficiently and quickly, and the production of the dice was wasted, which had to be said to be extremely inefficient.
本発明はこうした従来の状況に鑑み、ブリッジダイスなどの中空ダイスを用いた押出し加工における前記溶着部の強度における基本的な問題を一挙に解消し、優れた機械的性質を備えた中空軽金属部材(製品)を安定して製造しうると同時に、要求される強度のレベルなどにマッチした製品を低いコストで効率的に造り込むことが可能な新たな押出し加工技術の実現と確立を目的としてなされたものである。 In view of such a conventional situation, the present invention eliminates all the basic problems in the strength of the welded portion in the extrusion process using a hollow die such as a bridge die, and is a hollow light metal member having excellent mechanical properties ( Product) was able to be manufactured stably, and at the same time, it was made for the purpose of realizing and establishing a new extrusion technology that can efficiently produce products that match the required strength level at a low cost. Is.
前記目的を達成するため、本発明は次のような構成を採用した。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration.
すなわち本発明は、軽金属素材を中空押出しダイスを用いて押出し加工する方法であって、前記軽金属素材を一旦分流させた後に合流させて相互に溶着する工程と、その合流後の軽金属素材を前記中空押出しダイスのダイス穴を通して所望の断面形状に押出し加工する工程とを含み、この押出し加工する工程では、前記押出しダイスの溶着室入口断面から出口部製品断面に至るまでの軽金属素材に付与される相当歪分布量の平均値が2.4以上になるように、溶着室における素材流動部分の断面積(Am)、製品の断面積(Atp)、溶着室の高さ寸法(HM)及びダイス厚み(HD)からなるダイス設計因子を数値解析手法により解析、決定し、決定した該設計因子に基づいて設計されたダイスを用いて、当該押出し加工を行うものである。 That is, the present invention is a method of extruding a light metal material using a hollow extrusion die, the light metal material is once shunted, merged and welded to each other, and the light metal material after the merge is formed into the hollow And extruding into a desired cross-sectional shape through a die hole of an extrusion die, and in this extruding step, it is applied to the light metal material from the welding chamber inlet cross section to the outlet section product cross section of the extrusion die. so that the average value of the distortion distribution amount is less than 2.4, the cross-sectional area of the material flow part in the welding chamber (Am), the cross-sectional area of the product (Atp), the height of the welding chamber (H M) and the die thickness The die design factor (H D ) is analyzed and determined by a numerical analysis method, and the extrusion process is performed using a die designed based on the determined design factor. The
なお、ここでいう「歪み量」とは、溶着室入口断面からダイス出口部製品断面に至るまでの間に軽金属素材に生ずる相当歪み分布量の平均値を意味する。 Here, the “strain amount” means an average value of the equivalent strain distribution amount generated in the light metal material from the welding chamber inlet cross section to the die outlet portion product cross section.
このような歪み量を1.8以上に維持することにより、製品における溶着部の引張強度をベア部の引張強度にほぼ近い強度まで高めることが可能になる。 By maintaining such an amount of strain at 1.8 or more, it becomes possible to increase the tensile strength of the welded portion in the product to a strength that is substantially close to the tensile strength of the bare portion.
この方法は、種々の軽金属素材に適用することが可能であるが、前記中空軽金属部材を構成する金属がアルミニウム合金である場合に特に有効である。 This method can be applied to various light metal materials, but is particularly effective when the metal constituting the hollow light metal member is an aluminum alloy.
この中空押出しダイスとしては、ブリッジダイス、ポートホールダイス、またはスパイダーダイスが好適である。 As this hollow extrusion die, a bridge die, a port hole die, or a spider die is suitable.
以下、本発明についてその原理・作用並びにその好ましい実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, the principle and action of the present invention and preferred embodiments thereof will be described in detail.
本発明者等は前記課題解決を目指して、溶着部の強度を左右する因子に着目して実験・検討を続けたところ、これを定量的に支配しているのは一般的に想定されている製品温度などではなく、中空ダイス内の特定部位において軽金属素材が受ける歪み量であることを究明するに至った。さらに、研究を進めた結果、この歪み量がある一定の閾値以上になると、溶着部の強度がベア部(溶着に関与していない部分)の強度に近い強度まで改善されることも実験により突き止めることができた。そして、こうした事実をもとに歪み量と中空ダイスの形状、構造との関係を定量化して、この結果をダイスの設計に反映させることにより、溶着強度の高い優れた品質の中空部材を得ることができることは勿論のこと、様々な要求強度レベルに見合った中空部材を自在に製造できることが判明した。 With the aim of solving the above problems, the present inventors have continued experimentation and examination focusing on factors that influence the strength of the welded portion, and it is generally assumed that this is quantitatively controlled. We have determined that this is not the product temperature, but the amount of strain experienced by light metal materials at specific locations within the hollow die. Furthermore, as a result of further research, it is also experimentally determined that when the amount of strain exceeds a certain threshold, the strength of the welded portion is improved to a strength close to the strength of the bare portion (the portion not involved in welding). I was able to. Based on these facts, the relationship between the amount of strain and the shape and structure of the hollow die is quantified, and the result is reflected in the die design to obtain a hollow member with high welding strength and excellent quality. As a matter of course, it has been found that hollow members suitable for various required strength levels can be produced freely.
この歪み量の溶着強度への影響を明確にするに当って、本発明者等は先ず、コンテナ内に加圧供給された素材ビレットが中空ダイスを通して製品として押出される過程でどのような変形を受けるのか、その断面積の変化を考えてみることにした。 In clarifying the effect of this amount of strain on the welding strength, the inventors first changed what deformation during the process in which the material billet supplied under pressure in the container is extruded as a product through a hollow die. I decided to consider the change in the cross-sectional area.
第1図(a)(b)は、ブリッジタイプのダイス4の例を示したものであり、第2図(a)〜(d)は前記ダイスの各部位におけるメタル(ビレットを形成する成形材料)の存在領域すなわち断面形状をモデル的に示したものである。なお、これらの図ではダイス4を構成する周囲の外壁部や他の部材などは便宜上省略している。
1 (a) and 1 (b) show an example of a bridge-
前記ダイス4は、互いに嵌合される雄ダイス4a及び雌ダイス4bを備えている。雄ダイス4aは、十字状のブリッジ本体41と、このブリッジ本体41の4つの端部から下方に突出する脚部42bとを一体に有し、前記ブリッジ本体41の中央部から下方に雄ベアリング7aが突出している。雌ダイス4bは、その上面に前記雄ダイス4aの各脚部42が嵌入される凹部43を有し、この凹部43の底面中央の位置に当該雌ダイス4aを軸方向に貫通する孔である雌ベアリング7bが設けられている。両ベアリング7a,7bの相対関係は前記図5及び図6に示したものと同様である。
The die 4 includes a
このダイス4において、前記第5図に示した装置と同様にビレットとして成形された軽金属素材1が矢印A方向からコンテナ内に入り、最終的にB方向に製品となって押出されるまでの間に、当該軽金属素材1の断面形状は著しく変化することになるが、第2図は、その断面形状の推移を第1図(a)に示す中心角45°の扇形領域Sに着目して示したものである。
In this
具体的に、第2図(a)(b)(c)(d)はそれぞれ第1図(b)に示す(1)−(1)線、(2)−(2)線、(3)−(3)線、(4)−(4)線の高さ位置における軽金属素材1の断面形状を示している。なお、軽金属素材1には、前記ダイス4内の中央側で流動する部分と、その外側で取り残されて流動せずに滞留する部分とが生ずることになるが、第2図(a)(b)(c)(d)では、軽金属素材1の流動部分1aが細かい網目部分として、非流動部分1bが粗い網目部分としてそれぞれ示されている。
Specifically, FIGS. 2 (a), (b), (c), and (d) are the lines (1)-(1), (2)-(2), (3) shown in FIG. 1 (b), respectively. The cross-sectional shape of the light metal
先ず、前記(1)−(1)線の位置、すなわち、ダイス4よりも上流側のコンテナ内の位置では、軽金属素材1の流動部分1aが全断面領域を占めるが、(2)−(2)線の位置、すなわち、ブリッジ本体41が存在する位置であって脚部42よりも上側の位置では、軽金属素材1が当該ブリッジ本体41の存在によって第2図(b)に示すように4箇所に分流し、その分断面積はブリッジ本体41間の開口面積に相当して減少することになる。
First, at the position of the line (1)-(1), that is, the position in the container on the upstream side of the
その後、分流部分はブリッジ本体41を過ぎて脚部42が存する(3)−(3)線の位置に達すると前記ブリッジ本体41の下方でかつ各脚部42の内側の位置に形成された溶着室8内で再び合流し、互いに溶着する。従って、ここでのメタル(成形材料)の断面形状は第2図(c)に示すようになる。
After that, when the branch part passes the
そして、両ベアリング7a,7bが存する(4)−(4)線の位置では、第2図(d)に示すようにメタル断面積は両ベアリング7a,7bの間に形成される隙間の面積に制約され、第2図(c)に示される断面積からは著しく減少することになる。
At the position of line (4)-(4) where both
本発明者等は、前記のような断面形状の推移を検討した結果、前記各部位のうち、第2図(c)に示されるような合流後の溶着室8の部位から同図(d)に示すような成形後の部位に至るまでの間にメタルに付与される歪み量が溶着強度に大きな影響を与えているのではないかとのとの知見に至った。なお、ここで言う歪み量とは、上述のように、溶着室入口断面からダイス出口部製品断面に至るまでの相当歪分布量の平均値を意味するものである。
As a result of studying the transition of the cross-sectional shape as described above, the inventors of the present invention started from the portion of the
この歪み量は、上記のことから溶着室8における素材流動部分1aの断面積(Am)と製品の断面積(Atp)に大きく支配されるととともに、第3図 (a)(b)に示す溶着室高さHMやダイス厚みHDによっても変化する。なお第3図(a)はブリッジ本体41を有するブリッジダイスまたはスパイダーダイスの場合の寸法、同図(b)はエントリーポート6を有するポートホールダイスの場合の寸法を示しており、これらの図においてXはエントリーポート面の位置、Yは溶着室上面(合流部上面)の位置、Zはダイス開口面の位置をそれぞれ表している。
From the above, this distortion amount is largely governed by the cross-sectional area (Am) of the
本発明者等は、このようなダイス設計因子と前記歪み量との関係を定量化すれば、これに基づいたダイスの設計を行うことができ、溶着強度の問題を根本的に解決し得るとの明確な指針を得た。その設計因子と歪み量との具体的な定量化(定式化、関数化)手法についてはここで詳細に触れないが、ダイス形状が決まれば有限要素法や差分法など周知の数値解析手法を利用して歪み量を算出することが可能であるから、当該ダイス設計因子と歪み量との相関関係は比較的容易に求めることができるものである。 If the present inventors quantify the relationship between the die design factor and the amount of distortion, the die can be designed based on this, and the problem of welding strength can be fundamentally solved. Got clear guidelines. The specific quantification (formulation, functionalization) method of the design factor and the distortion amount will not be described in detail here, but if the die shape is determined, a well-known numerical analysis method such as the finite element method or the difference method is used. Thus, since the distortion amount can be calculated, the correlation between the die design factor and the distortion amount can be obtained relatively easily.
本発明者等は、こうした溶着強度と歪み量並びにその支配因子との関係に対する検討、考察を踏まえ、これが実際の技術において効果的に適用できるか否かを確認すべく、7000系などのアルミニウム合金を供試材として各種の異なった形状を有する中空ダイスを使用して押出し加工実験を行い、そのときの歪み量と得られ中空部材の引っ張り強度を測定した。下記の表1はその実験条件を、また表2はその実験結果を示すものである。なお、表2の溶接部の引張強度/ベア部の引張強度の欄において○印はその強度比が90%以上を示したもの、×印はその強度比が90%未満を示したものを表している。 Based on the examination and consideration of the relationship between the welding strength, the strain amount, and its controlling factor, the present inventors have investigated whether or not this can be effectively applied in the actual technology, such as an aluminum alloy such as 7000 series. Extrusion processing experiments were conducted using hollow dies having various different shapes as test materials, and the amount of strain at that time and the tensile strength of the resulting hollow member were measured. Table 1 below shows the experimental conditions, and Table 2 shows the experimental results. In Table 2, in the column of tensile strength of welded portion / tensile strength of bare portion, ◯ indicates that the strength ratio is 90% or more, and X indicates that the strength ratio is less than 90%. ing.
なお、本実験の押出し加工は、押出し温度が450〜550℃、押し出し力が1500〜3500t、押し出し比が10〜140の範囲に収まるようなプロセス条件で行った。また、表1の「EP」はエントリーポートの略である。 The extrusion process in this experiment was performed under process conditions such that the extrusion temperature was 450 to 550 ° C., the extrusion force was 1500 to 3500 t, and the extrusion ratio was 10 to 140. “EP” in Table 1 is an abbreviation for entry port.
表2の実験結果から、歪み量を1.8以上としたものは、それ未満とした供試材と比べ、いずれも引張強度比が90%以上となっており、溶着部の強度がベア部のそれとあまり差がないことがわかる。従って、歪み量の閾値を1.8として同歪み量がこの値以上に維持して押出し加工を行うことにより、溶着部の強度が高い、優れた中空部材を安定して製造できるものである。 From the experimental results shown in Table 2, when the strain amount is 1.8 or more, the tensile strength ratio is 90% or more, and the strength of the welded portion is bare, compared to the specimens less than that. It turns out that there is not much difference from that. Therefore, an excellent hollow member having a high weld strength can be stably manufactured by performing extrusion processing with the strain amount threshold being 1.8 and maintaining the strain amount to be equal to or higher than this value.
さらに、第4図は、これらの結果に、別に追加実験を行った結果も加えてN数を増やして、歪み量と溶着強度と関係を同様に整理したグラフである。図において、溶着部とベア部の引張強度比が100%のところに位置したX軸と平行な実線はベア部(非溶着部)の引張強度を示し、点線の曲線は溶着部の引張強度をそれぞれ表している。 Further, FIG. 4 is a graph in which the relationship between the amount of strain and the welding strength is similarly arranged by increasing the number of N in addition to the results of additional experiments in addition to these results. In the figure, the solid line parallel to the X-axis, where the tensile strength ratio between the welded part and the bare part is 100%, indicates the tensile strength of the bare part (non-welded part), and the dotted curve indicates the tensile strength of the welded part. Represents each.
この図によって分かるように、歪み量と溶着強度には明確な正の相関がみられ、やはり歪み量が1.8以上で90%以上の強度比となっており、溶着部においても優れた強度が得られていることが判明する。しかも、特に歪み量を2.4以上の範囲とすれば強度比で95%以上の非常に高い強度の溶着部が得られ、ベア材の強度とほとんど遜色のない一層優れた品質の中空部材が提供されことがわかる。すなわち、これらの実験結果によれば、前記引張強度比が90%以上の中空軽金属部材を得るためには前記歪み量を1.8以上に維持して押出し加工を行うことが必須であり、特に前記歪み量を2.4以上に維持して押出し加工をすれば、より強度特性に優れた中空軽金属部材が得られることになる。 As can be seen from this figure, there is a clear positive correlation between the strain amount and the welding strength, and the strain ratio is 1.8 or more and the strength ratio is 90% or more. It turns out that is obtained. In addition, when the strain amount is in the range of 2.4 or more, a very high strength welded portion with a strength ratio of 95% or more can be obtained, and a hollow member of better quality that is almost the same as the strength of the bare material can be obtained. You can see that it is provided. That is, according to these experimental results, in order to obtain a hollow light metal member having a tensile strength ratio of 90% or more, it is essential to perform extrusion while maintaining the strain amount at 1.8 or more. If extrusion is carried out while maintaining the strain amount at 2.4 or more, a hollow light metal member having more excellent strength characteristics can be obtained.
このように、歪み量と溶着強度との相関関係を相関関係を求めておき、その相関関係に基づいて目標となる溶着強度に対応する歪み量を決定し、この歪み量を目標歪み量として、前記合流・溶着後の段階から押出し成形後の段階に至るまでの間に軽金属素材に与えられる歪み量を前記目標歪み量以上に維持するように中空押出し加工用ダイスを設計し、同ダイスを用いて当該押出し成形を行うことにより、十分な溶着強度をもつ中空軽金属押出し部材を安定して得ることが可能になる。 Thus, the correlation between the strain amount and the welding strength is obtained as a correlation, the strain amount corresponding to the target welding strength is determined based on the correlation, and the strain amount is set as the target strain amount. A hollow extrusion die is designed so that the amount of strain imparted to the light metal material is maintained above the target strain amount from the stage after joining and welding to the stage after extrusion molding. Thus, by performing the extrusion molding, it becomes possible to stably obtain a hollow light metal extruded member having sufficient welding strength.
なお、上述した実施例では、アルミニウム合金について本発明の優れた効果を実証したが、本発明は他の軽金属(合金を含む)、例えば錫、アンチモン、チタン、マグネシウム、ベリリウムなどの押出し加工に適用しても同様の効果を得ることが可能である。 In addition, in the Example mentioned above, although the outstanding effect of this invention was demonstrated about the aluminum alloy, this invention is applied to the extrusion process of other light metals (including an alloy), for example, tin, antimony, titanium, magnesium, beryllium, etc. However, the same effect can be obtained.
1:ビレット
2:コンテナ
3:ステム
4:中空(カップル)ダイス 4a:雄ダイス 4b:雌ダイス
5:中空材 6:エントリーボード
7a:雄ベアリング 7b:雌ベアリング 8:溶着室
41:ブリッジ本体 HM:溶着室の高さ HD:ダイス厚み
1: Billet 2: Container
3: Stem
4: Hollow (couple) die 4a: Male die 4b: Female die
5: Hollow material 6:
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