JP4742447B2 - 摩擦押出方法及び該方法に用いるツール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製押出形材の押出加工方法及び該方法に用いるツールに関する。
【0002】
【従来の技術】
アルミニウム等の金属製押出形材の押出加工は、従来より、図5に示すように、ダイス1’と、ダイス1’の後部に配設されたコンテナ5と、コンテナ5内のビレットSにその後方より押出力を付与するステム6とを備えた押出加工装置を用いるものが一般的である。そして、コンテナ5内に装填されたビレットSをステム6にて後方より押圧してダイス1’に設けた所定形状の成形隙間3’に通し、所定形状の押出形材Wを得るものである。
【0003】
ところが、このような押出加工は、コンテナ5内に装填する前に予めビレットSを押出可能な温度まで加熱しておかなければならないため、作業効率が悪いという欠点がある。
【0004】
この欠点を解消する方法として、図6に示すように、加熱しない常温の丸ビレットSを円筒形のコンテナ5内に装填し、ステム6をその軸周りに高速回転させながら丸ビレットSを後方より押圧することにより、丸ビレットSとステム6、ダイス1’、コンテナ5との間で摩擦熱を発生させて金属素材を塑性流動させ、これをダイス1’の成形隙間3’に通して所定形状の押出形材Wを得る、という摩擦押出方法が既に開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような摩擦押出方法では、ワイヤのような小径の押出形材を押出加工するときに、次のような問題が発生する。
(1)押出形材Wの断面積が小さくなるほど押出比(ビレットSの断面積/押出形材Wの断面積)が大きくなるため、高い押出力を付与できる大型の設備を要する。このため、小径の押出形材を製造することが極めて困難であり、たとえば小径のワイヤを製造するには、可能な径の押出形材を押出加工した後、数段階の引抜加工を経て小径化しなければならない。
(2)押出比を小さくするためにステム6の外径(コンテナ5の内径)を小さくすると、ビレットSの容積が小さくなってしまう。したがって、押出加工できる押出形材Wの長さが短くなってしまうばかりでなく、ビレットSを頻繁に装填する手間がかかって生産効率が低くなる。
(3)押出比を小さくしたままビレットSの容積を保つためには、ビレットSの長さLを大きくしなければならないが、この場合、ステム6の高速回転によりビレットSに後方から入力される熱がビレットSの前方にまで充分に達せず、押出加工できなくなってしまうことがある。
(4)これらの問題は、変形抵抗の高い材料(アルミニウム合金だと5000系合金、7000系合金)を用いた場合、特に顕著である。
【0006】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、押出圧力をそれほど高くせずとも、連続的かつ効率的に大量の摩擦押出加工を行うことができる摩擦押出方法を提案することにある。また、このような摩擦押出方法に用いられるツールを提案することも目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る摩擦押出方法は、ツールの先端部を金属素材に押圧しながら前記ツールを回転させつつ、前記金属素材の表面に沿って移動させることにより前記金属素材を摩擦攪拌し、これを前記ツールに貫通形成された押出孔に通す摩擦押出方法であって、前記ツールの先端部に、前記押出孔に連通する凹部が形成されており、前記凹部の全部又は一部が、前記ツールの先端部の外周縁から前記押出孔に向かって該ツールの回転方向と逆回転方向に収束する渦巻形状であることを特徴とする摩擦押出方法である。
【0008】
かかる摩擦押出方法は、ツールの先端部を金属素材に押圧しながら該ツールを回転させつつ、前記金属素材の表面に沿って移動させることにより、押圧面において金属素材に直接的に摩擦熱を発生させて金属素材を塑性流動させ、これをツールに貫通形成された押出孔に通して、金属素材を押出加工するものである。つまり、図6に示した従来の摩擦押出方法とは逆に、ビレットに相当する金属素材を固定支持しておき、これに対して、ダイスに相当するツールを回転押圧するものである。このような構成を採用することによって、金属素材の表面積、断面積、容量等によってツールの先端部にかかる押出圧力が変わるということがなくなるため、連続的に押出形材を大量生産する場合であっても押出圧力が高くならず、したがって、押出圧力をそれほど高くせずとも、連続的に大量の摩擦押出加工を行うことができるようになる。また、従来の摩擦押出方法のようにビレットの後方で熱を発生させるのではなく、ツールと金属素材との間で直接的に摩擦熱を発生させる構成であるため、必要部位だけに摩擦熱を発生させたエネルギー効率のよい押出加工が可能となる。また、押出孔に連通した凹部がツールの先端部に形成されているため、摩擦攪拌された金属素材がこの凹部に溜まってスムーズに押出孔に導入され、エネルギー効率や作業効率が向上する。さらに、摩擦攪拌された金属素材がツールの回転方向と逆回転方向に、ツールの外周縁から押出孔に向かって確実に集められ、エネルギー効率や作業効率が格段に向上する。
【0009】
また、本発明の請求項2に係る摩擦押出方法は、請求項1に記載の摩擦押出方法において、前記凹部が、前記押出孔に向かって次第に深くなるように形成されたことを特徴とする。
【0010】
かかる摩擦押出方法においては、ツールの先端部の凹部が押出孔に向かって次第に深くなるように形成されているため、摩擦攪拌され凹部に溜まった金属素材が押出孔に導入されやすくなって、エネルギー効率や作業効率がさらに向上する。
【0011】
また、本発明の請求項3に係る摩擦押出用ツールは、先端部を通る押出孔が貫通形成されるとともに、前記先端部に前記押出孔に連通する凹部が形成された摩擦押出用ツールであって、前記凹部の全部又は一部が、前記先端部の外周縁から前記押出孔に向かって収束する渦巻形状であることを特徴とする。
【0012】
かかる摩擦押出ツールを用いて、ツールの先端部を金属素材に押圧しながら該ツールを回転させつつ、前記金属素材の表面に沿って移動させることにより、押圧面において金属素材に直接的に摩擦熱を発生させて金属素材を塑性流動させ、これをツールに貫通形成された押出孔に通して、金属素材を押出加工すれば、押出圧力をそれほど高くせずとも、連続的に大量の摩擦押出加工を行うことができるようになる。また、従来の摩擦押出方法のようにビレットの後方で熱を発生させるのではなく、ツールと金属素材との間で直接的に摩擦熱を発生させる構成であるため、必要部位だけに摩擦熱を発生させたエネルギー効率のよい押出加工が可能となる。また、押出孔に連通した凹部がツールの先端部に形成されているため、摩擦攪拌された金属素材がこの凹部に溜まってスムーズに押出孔に導入され、エネルギー効率や作業効率が向上する。さらに、摩擦攪拌された金属素材がツールの回転方向と逆回転方向に、ツールの外周縁から押出孔に向かって確実に集められ、エネルギー効率や作業効率が格段に向上する。
【0013】
さらに、本発明の請求項4に係る摩擦押出用ツールは、摩擦押出用ツール請求項3に記載の摩擦押出用ツールにおいて、凹部が、押出孔に向かって次第に深くなるように形成されたことを特徴とする。
【0014】
かかる摩擦押出用ツールにおいては、ツールの先端部の凹部が押出孔に向かって次第に深くなるように形成されているため、摩擦攪拌され凹部に溜まった金属素材が押出孔に導入されやすくなって、エネルギー効率や作業効率がさらに向上する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略するものとする。
【0016】
図1は、本発明に係る摩擦押出方法の一実施形態を示す斜視図であり、略円柱形のツール1の先端部2をアルミニウム合金等からなる素材板Sに押し付けるとともにその中心軸CLまわりに高速回転させながら素材板Sの表面に沿って移動させていくことにより、素材板Sの表面素材を摩擦攪拌し、これをツール1の押出孔3に導入してその後端から連続的に押し出し、アルミ合金製の断面円形の押出形材W(たとえばワイヤ)を押出加工するものである。
【0017】
図2(a)はツール1の先端部2の平面図であり、図2(b)は図2(a)のA−A断面図である。これらの図に示すように、押出孔3は断面円形であり、その中心軸がツール1の断面中心軸CLと一致するように、ツール1の前後方向に貫通形成されている。押出孔3の断面径は、入口がd1で、そこから次第に小さくなってd2となり、さらに奥に進むとd3となる(d2<d1<d3)。
【0018】
また、ツール1の先端部2には、押出孔3に連通する凹部4が形成されている。この凹部4は、摩擦攪拌により塑性流動化された素材を溜めてこれをツール1の中心の押出孔3に向かって寄せ集める機能を果たす。具体的には、この凹部4は、ツール1の先端部2の外周部に形成された第一凹部4aと、この第一凹部4aの内側で押出孔3の周囲に形成された第二凹部4cとで構成されている。ここで、第二凹部4cは第一凹部4aよりも一段深く形成されている。そして、第一凹部4aは、ツール1の外周縁から押出孔3に向かって第二凹部4cに連通するように、ツール1の回転方向と逆回転方向に収束する渦巻形状となっている。さらに、この第一凹部4aは、断面視で角度θをもって、押出孔3に向かって次第に深くなるように傾斜形成されている。このときの傾斜角度θは、後述するように5°以上30°未満の範囲であることが望ましい。
【0019】
したがって、ツール1を中心軸CLまわりに高速回転させつつその先端部2を素材板Sに押圧していくと、押圧面における金属素材はツール1の先端部2の肩部との摩擦熱により溶融温度以下で塑性流動し、これがツール1の外周縁から第一凹部4aに取り込まれる。第一凹部4aに取り込まれた金属素材は、第一凹部4aの押出孔3に向かっての傾斜および押出孔3に向かって収束する渦巻形状に形成された第一凹部4aを渦巻方向と逆方向に回転させることにより生ずる押出孔3方向への求心力によって押出孔3方向に誘導されて、第二凹部4cに溜まる。第二凹部4cに溜まった金属素材は、押出孔3に導入され、押出孔3を通過する間に冷却されて、その後端から径d2のアルミ合金製の押出形材Wとして押し出される。
【0020】
以上のように、ツール1の先端部2を素材板Sに押圧しながらこれをその中心軸CLまわりに高速回転させることにより、押圧面における素材板Sの金属素材を摩擦攪拌し、これをツール1の押出孔3から導出するという構成を採用すれば、塑性流動させるのに必要十分な先端部2の面積を有するツール1を用いて押出孔3の近傍で直接的に素材板Sに摩擦熱を発生させるため、従来の摩擦押出方法よりも小さな入熱量でエネルギー効率のよい押出加工が可能となる。また、素材板Sの表面積、断面積、容量等を増加させてもツール1の先端部2にかかる押出圧力は変わらないため、ツール1を素材板Sの表面に沿って連続的に移動させていけば、無限長(理論的には、素材板Sが消耗され尽くすまで)の押出形材Wを容易に生産することができる。
【0021】
また、本実施形態のような小径の押出形材W(たとえばワイヤ)の場合、従来の押出加工のみで製造するのは困難で、可能な径の押出形材を加工した後、数段階の引抜加工で小径化する必要があったが、本発明によれば、最終径に近い径まで一度で押出加工でき、引抜加工は寸法精度を出す目的で用いるのみで済むため、作業効率が大幅に改善される。
【0022】
なお、本発明は、本実施形態に限定されず、様々な変更を加えられる。例えば、押出孔3の断面形は円に限定されず、中空円やその他の任意の断面形とすることが可能であり、しかも押出孔3をツール1の断面に対して偏心配置することもできる。また、ツール1の外形は円柱形に限定されず、任意の形状とすることができる。さらに、ツール1の回転軸はツール1の断面の中心軸CLに限らず、押出孔3の断面中心と一致させてもよいし、そうでなくてもよい。ただし、ツール1の回転効率の観点や摩擦攪拌された金属素材の押出孔への導入の容易性といった観点からは、上記実施形態に示すようにツール1の外形を円柱形とし、断面形が円(中空円でもよい)の押出孔3をツール1の中心に配置するとともに、ツール1の回転軸をその断面の中心軸CLと一致させることが望ましい。なお、ツール1の先端部2の向きは任意であって下向きに限らず、横向きでも上向きでもよいことはいうまでもない。
【0023】
また、ツール1の先端部2の形状は、図3、図4に示すように、他にも種々の態様が挙げられる。
図3(a)に示す凹部4は、肩部2aの傾斜によって形成されたものである(図3(a1)参照)。
図3(b)〜(e)に示す凹部4は、図2に示したツールの第一凹部4aに相当する部分が渦巻形状になっていないものである。これらの例において、図2に示したツールの第二凹部4cに相当する部分は、図示のようにツール1の中心軸CLに垂直な平坦面であってもよいし、押出孔3に向かって次第に深くなるように傾斜形成されていてもよい。一方、肩部2aは、図3(b1),(c1),(d1),(e1)に示すようにツール1の中心軸CLに垂直な面に対して傾斜形成されていることが望ましい。
【0024】
図4(f),(g)に示す凹部4は、図2に示したツールの第二凹部4cに相当する部分がなく、外周縁から押出孔3に向かって収束する渦巻形状の第一凹部だけで形成されている。これらの例において図2に示したツールの第一凹部4aに相当する部分は、図4(f1)、(g1)に示すようにツール1の中心軸CLに垂直な平坦面であってもよいし、図4(f2)、(g2)に示すように押出孔3に向かって次第に深くなるように傾斜形成されていてもよい。
【0025】
【実施例】
凹部の傾斜角度θの適正値を求めるべく、θを様々に変化させたツールを用いて摩擦押出を行った。ツールの先端部の形状は、図3(a)に示したパターン(ツールタイプa)、図4(f)に示したパターン(ツールタイプf)とした。ツールの外径は25mm、押出孔の径d2は3.2mmとした。また、素材板は板厚10mmの1100系アルミニウム合金を用いた。ツールの回転数は890rpmとし、移動速度を200mm/minとした。結果を表1に示す。
【0026】
【表1】
【0027】
ツールタイプaにおいてθ=0、つまり肩部の傾斜のないツールを用いたときには、摩擦押出による押出形材を得ることができなかった(比較例2)。5≦θ≦20のときには、内部に欠陥のない押出形材を得ることができた(実施例1〜3)。θ=30のときには、摩擦押出は可能であったが、加工された押出形材の内部に欠陥がみられた(比較例1)。このことから、傾斜角度θは5≦θ<30が望ましいことが分かる。
ただし、実施例4、実施例5から、渦巻形状の凹部を有するツール(図4(f),(g)参照)の場合には、θ=0でも良好な摩擦押出加工が可能であることが分かる。
【0028】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に係る摩擦押出方法によれば、金属素材の表面積、断面積、容量等によってツールの先端部にかかる押出圧力が変わるということがなくなるため、連続的に押出形材を大量生産する場合であっても押出圧力が高くならず、したがって、押出圧力をそれほど高くせずとも、連続的に大量の摩擦押出加工を行うことができるようになる。また、ツールと金属素材との間で直接的に摩擦熱を発生させる構成であるため、必要部位だけに摩擦熱を発生させたエネルギー効率のよい押出加工が可能となる。
【0029】
また、請求項2又は請求項5に係る発明によれば、摩擦攪拌された金属素材が凹部に溜まってスムーズに押出孔に導入され、エネルギー効率や作業効率が向上する。
【0030】
また、請求項3又は請求項6に係る発明によれば、摩擦攪拌され凹部に溜まった金属素材が押出孔に導入されやすくなって、エネルギー効率や作業効率がさらに向上する。
【0031】
また、請求項4又は請求項7に係る発明によれば、摩擦攪拌された金属素材がツールの回転方向と逆回転方向に、ツールの外周縁から押出孔に向かって確実に集められ、エネルギー効率や作業効率が格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る摩擦押出方法の一実施形態を示す斜視図である。
【図2】(a)は図1のツールの先端部の平面図であり、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図3】ツールの先端部の他の実施形態を表すための、ツールの先端部の平面図及び断面図である。
【図4】ツールの先端部の他の実施形態を表すための、ツールの先端部の平面図及び断面図である。
【図5】従来の押出加工方法を説明する断面図である。
【図6】従来の摩擦押出方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
1 … ツール
1’ … ダイス
2 … (ツールの)先端部
2a … 肩部
3 … 押出孔
3’ … 成形隙間
4 … 凹部
4a … 第一凹部
4b … 渦巻凸部
4c … 第二凹部
5 … コンテナ
6 … ステム
CL … 中心軸
S … 素材板(ビレット)
W … 押出形材
Claims (4)
- ツールの先端部を金属素材に押圧しながら前記ツールを回転させつつ、前記金属素材の表面に沿って移動させることにより前記金属素材を摩擦攪拌し、これを前記ツールに貫通形成された押出孔に通す摩擦押出方法であって、
前記ツールの先端部に、前記押出孔に連通する凹部が形成されており、
前記凹部の全部又は一部が、前記ツールの先端部の外周縁から前記押出孔に向かって該ツールの回転方向と逆回転方向に収束する渦巻形状である
ことを特徴とする摩擦押出方法。 - 前記凹部が、前記押出孔に向かって次第に深くなるように形成されたことを特徴とする請求項1に記載の摩擦押出方法。
- 先端部を通る押出孔が貫通形成されるとともに、前記先端部に前記押出孔に連通する凹部が形成された摩擦押出用ツールであって、
前記凹部の全部又は一部が、前記先端部の外周縁から前記押出孔に向かって収束する渦巻形状である
ことを特徴とする摩擦押出用ツール。 - 前記凹部が、前記押出孔に向かって次第に深くなるように形成されたことを特徴とする請求項3に記載の摩擦押出用ツール。
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