JP5148277B2 - 高速押し出し成型 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の前段部分に述べられた押し出し成型装置に関する。

押し出し成型は、コンテナに収納された供給原料であるビレットを供給し、ラムによってダイスの開口部に押し込められることにより、一定の切断面を有する断面または外形が形成される製造方法である。ダイスの形状および大きさにより生産物の切断面が決められる。多くの金属にとって、この１回分または半連続的な製法は、材料の延性を高めるため、および／または機械的負荷を相殺するために温度を高めて行われる。

押し出し成型は、多種多様な形状および大きさを有する切断面を製造する、十分に確立された手段である。押し出し成型設備は、工業世界の至る所で稼動されている。押し出し成型は、非鉄金属（例えば、アルミニウム、銅、マグネシウム、チタニウム）および合金と同様に、鉄（例えば、鋼、ステンレス鋼）にも適用される。この製法において、アルミニウムは、現在のところ圧倒的に普及されている材料である。いわゆる角ダイス（square dies）は、通常、中実断面を生産するのに用いられる。単一および多数の中空断面は、スパイダーダイス、ポートホールダイス、およびブリッジダイスとして知られているより複雑な工具構造物が必要となる。これらのダイスは、内部にあるマンドレルの支持物の周りの金属の流れを分断して一体化させることができる。

金属の押し出し成型製法においては、熱間脆さとしても知られている高温割れが起こることに主要な限界がある。この表面欠陥は、過度の温度上昇により塑性領域における材料の初期溶融によって起こる。そして、ダイスベアリングへの機械的圧力と組み合わされて割れが発生する。この現象は、流れの圧力および初期（つまり非平衡）溶融温度としてのこのような特性によるため、金属および合金に特有のことである。さらに、押し出し速度が高くなればなるほど、ますます断熱のような状態で加工される。そのため実質的には、上質であって健全な生産物を得るために、高温割れにより速度が決められる。

熱間脆さは、金属押し出し成型においてはこのように重大な特徴であるため、この限界を延ばすために、多数の研究および技術開発の努力がなされてきた。特に、アルミニウムとマグネシウムとの合金からなる製法に関連して研究がなされた。合金の配合とビレットの調整方法（例えば、鋳造、均質化）、代替の押し出し成型方法（例えば、間接押し出し法、静水圧押し出し法）、および適応される製法と工具（例えば、等温押し出し法における閉回路制御システム、冷却ダイス）である。

請求項１に記載の前段部分に述べられた装置は、ＦＲ９８０７８１に開示されている。

金属押し出し成型における冷却ダイスに関して、ダイスベアリングの背後に設けられたすきま空洞（clearance cavity）に向けてダイスの中を冷媒が案内されることにより、
押し出し成型ダイスを冷却するための開放型システムがＪＰ３１３８０１８およびＪＰ３１３８０１９に開示されている。

金属押し出し成型ダイスを冷却する構造については、ＷＯ９１１２０９７に述べられている。その構造は、ダイスの中の供給通路を通って冷却媒体を案内するように用いられる。また、冷却媒体は、分配通路（distribution passage）によって円周方向に分断され、すきま空洞においてダイスベアリングの背後で近接して排出されるようになっている。

ＪＰ３１８０１８、ＪＰ３１８０１９およびＷＯ９１１２０９７には、角ダイスについて開示され、ダイスベアリングの背後に設けられたすきま空洞においては、流体の蒸発潜熱が、この角ダイスを冷却するために使われている。

本発明の目的は、金属押し出し成型における製法と工具を改善することである。特に、高温割れがない、または高温割れがある場合でも許容範囲内において押し出し速度を増大させることができる、金属押し出し成型における製法と工具を改善することを本発明の目的とする。

それに加えて、本発明では、請求項１に記載の押し出し成型装置、および請求項１８に記載のダイスの製造方法を提供する。

本体の材料は、冷却通路を形成するために熱伝導率が相違していることにより、工具材料が有する相対的に低い熱伝導率を大いに増大させることができる。

熱伝導率は、粉末、例えば粒子焼付、焼結構造物により、圧粉体からなる多孔質構造を構成することによって局所的に増大させることが好ましい。伝導性のある材料を用いていくつかの場所にある微細孔を充填することにより、冷却通路を形成することができる。高強度材料を用いてその他の場所にある微細孔を充填することにより、高強度区域を形成することができる。冷却導管と流体連通する開口をもった多孔質構造の部分を設けることにより、多孔性の冷却導管部分を設けることができる。

多孔質構造は、いわゆるラピッドプロトタイピングまたはラピッドマニュファクチャリング技術により製造させることができる。このような技術により、各々独自の冷却システムが設けられた装置が可能となる。

多孔質構造に増大された密度の領域を設けることにより、例えば冷却通路、（多孔性の）冷却導管、または高強度区域として境界を形成することができる。

本体は、多孔質構造として少なくとも部分的に形成されることが望ましい。しかしながら、本体はまた、熱伝導率において本体の材料を局所的に差異を設けるために挿入物を有していても良い。

多孔質構造は、金属および／またはセラミックス粒子のような粒子からなる圧粉体構造として形成されることが望ましい。その後、圧粉体構造は、焼結されて高強度多孔質構造を形成する。例えば、この圧粉体構造は、より高い熱伝導率を有する材料、および／またはより高い強度を有する材料を用いて微細孔を充填することに耐えることができる。より高い熱伝導率を有する材料が例えば銅である場合には、銅が毛管作用により微細孔に注入される。同様に、高強度材料は溶融された鋼からなる。

その後、多孔質構造は、焼結のように一般に行われているダイス製造技術に使用される場合には、挿入物として使用される。

しかしながら、装置はまた、ラピッドプロトタイピングまたはラピッドマニュファクチャアリング技術を用いることにより形成される。さらにまた、多孔質構造は、スライスされたCADコンピュータファイルを用いるマニュファクチャリングに基づいた積層から形成されることが望ましい。適切なラピッドマニュファクチャリング技術は、例えば、EOS社から販売されている直接金属レーザ焼結、Trumpf社から販売されている直接金属レーザ溶融、およびPro-metal社から販売されている浸透性をもった粒子焼付けである。

ベアリング開口部を離れる前に、加工される材料表面が冷却区域に沿って通過することにより、所望位置におけるピーク温度を頂点にさせることができる。そのため加工された材料表面が初期溶融温度に到達するのを防止することができる。このように、押し出し成型は高速で行うことができるのに対し、依然として健全な生産物を得ることができる。さらに、機械的負荷がかかる領域において温度のピークが減少することにより、ダイスの寿命を延ばすことができる。加えて、ダイスのたわみが減ることにより、生産物の精度を改善させることができる。

材料表面がベアリング開口部を離れる前に所望の場所における表面領域を冷却することにより、溶融により弱まった局所的な表面領域において割れが形成されることを防止することができる。

ダイスのベアリング開口部の表面の少なくとも一部を冷却することにより、最も重大な領域を冷却させることができる。

ベアリング開口部の入り口区域の表面の少なくとも一部を冷却することにより、より多くの領域を冷却させることができる。また、より多くの時間をかけて移動している加工材料から熱を除去させることができる。

好ましい実施の形態では、加工材料の表面は、流れの方向に先細状に形成される入口区域に沿って通過していく。そのため、比較的大きな領域を冷却させることができる。加えて同時に、加工材料への不必要な作業を減らすことができる。それによって、加工材料の温度上昇を減らすことができる。ダイスの入口区域は円錐形が望ましい。

本発明によるさらに有利な実施の形態を以下に述べ、添付された特許請求の範囲を明確にさせる。

図に示された好ましい実施の形態を用いることにより本発明について説明する。

これらの図において、一致する部分は同一の符号を用いて示す。これらの図は、典型的な実施の形態の概略的な説明を示しているにすぎず、本発明の例としては制限されることがない。

図１は金属押し出し成型における装置１を示す。装置は、加工される金属が押し込められるベアリング開口部３を有するダイス２を備えている。そのため、加工される金属は一定の断面を有する外形に形成される。

ベアリング開口部３は、ダイスのベアリング開口部入口面４とベアリング開口部出口面５との間に延びるベアリング開口部表面３Ａを含んでいる。出口面により、外形８の外表面７とダイスのすきま表面（clearance sruface）９との間に形成されたすきま空洞６の下流方向に隣接して、ダイスの開口部３が形成される。

さらに装置１は、ダイス２によって閉ざされるコンテナ１０を有している。コンテナ１０は、室１２内に収納された加工される金属からなるビレット１１を保持している。さらに装置１は、ビレット１１からなる材料をダイス２のベアリング開口部３へ押し込めるために室１２の内部へ押し付けることのできるラム１３を有している。これにより外形８が形成される。また押し出し成型加工はこれとは違った構成をもっていてもよい。例えば、静水圧押し出し成型の改良型では、室は流体で充填され、ラム１３はビレット１１をダイス２のベアリング開口部３へ間接的に押し込めるために作用する。

装置は、ベアリング開口部３の出口表面５の上流に位置する冷却手段１４を有している。

この構成では、冷却手段は、ダイス２の入口区域１６に延びる冷却回路からなる冷却導管１５を有している。本実施の形態においては、ダイス２は、コンテナ１０とベアリング開口部を含むダイスの製品形成の部分との間に配置された入口リング２Ａを有するモジュール構造からなる。入口リングはベアリング開口部３の入口表面４の方向へ円錐形状に先細状に形成される入口区域を形成する。ダイスホルダー２Ｂとともに入口リングは、ベアリング開口部を有するダイス２の製品形成の部分を保持する。ベアリング開口部の表面の少なくとも一部および／または入口区域の表面の少なくとも一部に延びる冷却手段を設けることができることは明らかである。

本実施の形態においては、冷却区域はこのようにコンテナの外側に少なくとも部分的に配置される。

ダイスの入口開口部は円錐形状であることにより、ビレットの所望の領域の中で発生する熱量が減らされる。

さらに、ベアリング開口部３の出口面の上流側を冷却することにより、ビレット１１の所望の領域から熱を伝導させることができる。本実施の形態においては、このことはダイス２における導管１５を通して冷媒が通過または循環することによりなされる。これはダイス２の熱容量を増大させる手段としてみなすことができる。ダイスの入口区域１６が円錐形状であることにより、大きな接触面積が確保され、また冷却表面の領域と加工される材料との間において十分な相互作用時間を有することが可能となる。このように、熱の発生が制限されると同時に熱の拡散が促される。

図２は、ダイス２により形成される本体を有する本発明における装置の第１の実施例の概略断面を示す。

ダイス２の本体材料は、熱伝導率が相違しているため、冷却通路２０が形成される。ダイス２は、例えば高強度鋼のように高強度ダイス部分２１から形成される。ダイス２の本体はさらに、例えば銅のように高い伝導性のある材料からなる挿入物２２を有している。

ダイス２の本体はまた、冷却導管１５が設けられている支持ダイス部分２３を有している。

図３は、本発明における第２の実施の形態の概略断面を示す。ダイス２は、ラピッドプロトタイピングにより製造され、各々独自の冷却システムを有している。

ダイス２の本体は、マニュファクチャリングに基づいた階層を用い、粉状にされた鋼粒子から形成されている。

圧粉体の構造物を製造する間、増大された密度の領域が設けられることにより、冷却通路、冷却導管および高強度領域の境界が形成される。

焼結された後、冷却通路２０は、銅を用いて境界間における材料の微細孔を充填することにより形成される。

高強度区域２４（ハッチングで図示）は、鋼を用いて微細孔を充填することにより形成される。また、冷却流体が流れる冷却導管１５は、増大された密度の境界間における空隙領域として形成される。

図３ｂで示されるように、多孔質構造には孔があるため、冷却流体は構造物内における多孔質区域２５を通って流れる。

本発明は、以上に述べた実施の形態に制限されるものではないことは明らかである。実質的には、本発明は上述した中実断面に適用されるだけではなく、（多数の）中空断面のように、より複雑な形状を有する断面にも適用させることができる。

冷却されたダイスの部分は、熱せられたコンテナとは断熱されていることが望ましい。

先に述べたように、ダイスの構造は、冷却された入口リング、交換可能な製品形成のダイス、および機械的に支持をするための個々のダイスケーシングなどの一般的目的をもつ構成要素とともにモジュール化させることができる。

ダイスは、例えば伝統的な方法により、または例えば膜堆積（layer deposition）に基づいたラピッドマニュファクチャリング技術を用いることにより製造される。後者を選択する場合は、例えば個々に調整された冷却システムのような各々独自の冷却システム、および／またはベアリング開口部の所望の領域に適用される冷却導管の分配、および／またはベアリング開口部の幾何学的特徴を提供できるという利点がある。

さらに、ダイスの入口は熱交換のための大きな接触表面領域が設けられた他の形状とさせることができる。

ダイス、特にダイスの入口の一部分は、コーティングを設けることができる。このようにビレットとダイス材料との間における中間層は熱的および機械的負荷に耐えることができ、良好な摩擦上の条件および／またはインターフェース条件を与えることができる。

冷却回路は、ダイスの外周に渡って等しく冷却されるか、または各々独自の方法により冷却されるよう配置される。後者は所望の位置（“ホットスポット”）を局所的に軽減することができ、および／または残留応力および生産物の断面ひずみ（ゆがみ、ねじり）を減ずることができる。

冷却回路は、閉回路または開回路となっており、これにより、冷媒が、循環（ダイスへ向けておよびダイスから移送されることを含む）されるか、または利用後に外方へ排出される。これらの選択の両方とも、付加的な冷却メカニズムとして、冷媒の蒸発潜熱を用いることができる。

冷却回路には、制御装置を設けることができる。そうすることにより、押し出し成型加工の間、および／または押し出し成型加工間において冷却作用を、押し出し成型の継続時間に渡って、および／または製造工程全体に渡ってフラッシュ温度を均一化するよう適応させることができる。

冷却回路は冷却するために用いることができるが、ダイスを予熱するためにも用いることができる。このことは生産を始動する間、そして休止する間には、および／またはビレットが冷えるのを避けるために有益である。

これらのバリエーションは熟練作業者には明らかなことであり、また添付された請求項で明らかにした発明の範囲内である。

図１は、本発明による押し出し成型装置の概略断面を示す。 図２は、本発明による熱伝導率が相違しているダイス本体の第１の実施の形態における概略断面を示す。 図３ａは、本発明によるダイスの第２の実施の形態における概略断面を示し、図３ｂは、図３ａに示されたダイスの多孔質構造の詳細を示す。

Claims (23)

1. 押し出し成型装置において、
   押し出される材料の通路を形成するダイスを備え、
   ダイスは、ベアリング開口部の入口表面とベアリング開口部の出口表面との間に延びるベアリング開口部を有するダイス部分を含み、
   ベアリング開口部の出口表面の上流側に押し出し成型通路を形成したダイスに冷却手段が設けられ、
   ダイスは、ダイス部分の熱伝導率とは相違する熱伝導率を有する材料からなる冷却通路を含み、
   冷却通路は、増大した熱伝導率の区域を有することを特徴とする押し出し成型装置。
2. ダイスは、多孔質構造からなることを特徴とする請求項１に記載の押し出し成型装置。
3. 冷却通路は、周囲の材料および／または多孔質構造からなる材料よりも高い熱伝導率を有する材料を用いて微細孔を充填することにより形成され、熱伝導率が増大された区域を含むことを特徴とする請求項２に記載の押し出し成型装置。
4. ダイスは、冷媒を流すための冷却導管を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の押し出し成型装置。
5. ダイスは、冷却導管と流体連通する開口をもった多孔質構造の部分により形成される通路を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の押し出し成型装置。
6. ダイスは、多孔質構造からなり、強度が増大された区域は、周囲の材料および／または多孔質構造からなる材料よりも高い強度を有する材料を用いて微細孔を充填することにより形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の押し出し成型装置。
7. 多孔質構造は、焼結された粒子からなることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の押し出し成型装置。
8. 多孔質構造は、冷却通路および／または冷却導管の境界が形成される増大された密度の領域を有することを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の押し出し成型装置。
9. 多孔質構造は、積層から形成されることを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載の押し出し成型装置。
10. 多孔質構造は、鋼からなることを特徴とする請求項２乃至９のいずれかに記載の押し出し成型装置。
11. 冷却通路を形成するために充填される材料は、銅からなることを特徴とする請求項３に記載の押し出し成型装置。
12. 冷却手段は、ダイス部分のベアリング開口部の表面の少なくとも一部を冷却するために設けられていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の押し出し成型装置。
13. ベアリング開口部の入口表面の上流側に設けられた入口区域の表面の少なくとも一部は、冷却されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の押し出し成型装置。
14. ベアリング開口部の入口表面の上流側に設けられた入口区域は、ベアリング開口部に向けて先細状に形成されることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の押し出し成型装置。
15. ベアリング開口部の入口表面の上流側に設けられた入口区域は、円錐形を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の押し出し成型装置。
16. ベアリング開口部の入口表面とベアリング開口部の出口表面との間に延びるベアリング開口部を有するダイス部分を通って押し出されるための材料の通路を形成し、ダイス部分の材料とは熱伝導率が相違した材料で冷却通路を形成することにより、ベアリング開口部の出口表面の上流側に押し出し成型通路を形成したダイスに冷却手段が設けられ、冷却通路は、増大された熱伝導率の区域を有し、
    ダイスは、少なくとも部分的に多孔質構造として形成され、
    冷却通路は、周囲の材料および／または多孔質構造からなる材料よりも高い熱伝導率を有する材料を用いて微細孔を充填することにより形成されることを特徴とする冷却通路の製造方法。
17. 冷却導管は、冷媒を流すためにダイスに設けられることを特徴とする請求項１６に記載の冷却通路の製造方法。
18. 強度が増大された区域は、周囲の材料および／または多孔質構造からなる材料よりも高い強度を有する材料を用いて微細孔を充填することにより形成されることを特徴とする請求項１６または１７に記載の冷却通路の製造方法。
19. 多孔質構造は、粒子からなる圧粉体構造として形成されることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれかに記載の冷却通路の製造方法。
20. 粒子は、金属またはセラミックスからなることを特徴とする請求項１９に記載の冷却通路の製造方法。
21. 圧粉体構造は、焼結されることを特徴とする請求項１９または２０に記載の冷却通路の製造方法。
22. 圧粉体構造は、積層から形成されることを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれかに記載の冷却通路の製造方法。
23. 圧粉体構造は、ラピッドプロトタイピングまたはラピッドマニュファクチャリング技術を用いて製造されることを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれかに記載の冷却通路の製造方法。

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