JP5637100B2

JP5637100B2 - 異種材料の結合形材の製作方法

Info

Publication number: JP5637100B2
Application number: JP2011183066A
Authority: JP
Inventors: 渡邊　俊之; 俊之渡邊
Original assignee: 近畿車輌株式会社
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2031-08-24
Also published as: JP2013043207A

Description

本発明は、車両の内部に使用される形材であって、一つの形材で複数の条件を満たすことのできる結合形材、例えば装飾用に用いる部分と溶接用に用いる部分を有する結合形材の製作方法に関する。即ち、ソリッドダイスだけでなく、ホローダイス（ポートホールダイス・スパイダーダイス・ブリッジダイス等）等を用いてビレット（材料（素材））を長手方向に押し出し加工して、分割・接合して組み合わせをすることで形材のうち複数の材料（以下、複合素材或いは複合材料とする。）を使用する形材の製作方法に関する。

鉄道車両に用いる形材には、例えばアルミ合金の場合、押出加工して製作するものがある。押出加工とはコンテナと呼ばれる筒型（つつがた）の工具中に素材（ビレット）（例えば高温度（約５００℃程度）に加熱して柔らかくしたアルミ合金製の（ビレット）を挿入して一方より加圧し、他端部に取り付けた金型（ダイス）のスリットを通して該ダイスから流出させ、種々の形状の製品を製作する加工方法である。この加工方法の特徴は一段の変形で複雑な製品形状が得られ、しかも高精度に加工できるため、機械加工等の後工程を省略もしくは最小限度に減らすことが可能となることである。また，形状が比較的自由に選べ、しかも金型費が安価であるため様々な分野で広く用いられている。工業的にはアルミニウム合金の押出加工法としては直接押出法、間接押出法等がある（このような技術は、下記の非特許文献１に詳しい。）。

図３は押出加工をする場合の主要部の構成側面図であるが、説明は後述する。

通常の押し出し形材では、金型ダイスを使用して、１つの形材には１つの材質を押し出して製造している。特に鉄道車両に使用されている形材は、材質により装飾用と溶接用とに区分する必要があり、双方の条件を１つの部材として用いることは現状では行われてはいない。その為に部材を二つ以上に分けて形材を作り、何らかの手法で結合（溶接、ビス止め、接着、等）する、といった２次的な作業が必要となる。しかしながらこの様な作業は溶接部の強度不足や歪の除去や熱処理等の２次作業による工数が発生してしまうという難点がある。

アルミニウムハンドブック日本アルミニウム協会標準化総合委員会編集（２００１年１０月１５日発行）

通常の押し出し形材は、金型ダイスを使用して１つの条件には１つの形材を用い、複数の条件には複数の材質の形材をそれぞれ製作して何らかの方法で結合（例えば溶接）するという方法が用いられるが、上記するように２次作業を必要とするので煩雑である。また、装飾用の材料と溶接用の材料とは材質が異なり、このように材料の材質の異なるものを使用するには、通常溶接するが一部が強度不足となったり、強度が大きく過剰品質となったり、ビス止めを必要としたり溶接作業する余計な工数が必要となる。また、アルミサッシとして多用される６０００番代（Al-Zn-Si系のアルミ合金）の形材は熱処理を行うことで取り付けに合った強度を確保することはできるが、溶接取り付けを行った場合、溶接の熱影響により溶接部近傍の強度が低下するということが使用の注意点となっている。

本発明は上記課題に対処するためになされたものであり、複数の素材で1つの形材を作り、この１つの形材で複数の条件を満たすことにより部材点数を減らし、また、必要部分に必要とする強度に合致する適正な材料を用いることのできる結合形材の製作方法を提供することを目的としている。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
駆動源を備えた押圧器２と、該押圧器により高圧で駆動され先端部にステム４を取り付けたピストン３と、ビレットWを挿入する筒型容器１と、金型ダイスを保持するダイホルダー１０と、台座１１の上に固定してピストン３等からの押圧力を受け止めるように固定した固定台１２と、で構成される形材の製作方法において、
前記筒型容器１の穴１aに種類の異なる複数の金属素材から作られた複合材料のビレットを挿入し、ステム４とビレットWを押圧器２でピストン３を加圧し、金型ダイスを通して形材８を取り出し、該形材が種類の異なる複数の金属素材のアルミ合金であり、該アルミ合金に耐食性酸化被膜処理（アルマイト処理）をすることで表面状態の変化を知り、溶接の可否を判断することを特徴とするものである。

の
また、請求項２に記載委の発明は、異種材料の結合形材の製作方法が、金型ダイスのホローダイスのソッリド材である請求項１に記載の異種材料の結合形材の製作方法であることを特徴とするものである。。

本発明を上記手段とすれば、複数の条件に合う複合材料を１つの形材として性質の異なる形材を製作することができる。また、複数の素材のビレットで製作された形材は、必要とする部分に必要とする材料を用いる事ができる。このため１つの形材として製作する場合、装飾用で強度を必要としない材料と強度を必要とする材料とを組み合わせて接合して製作することができる。したがって製作コストも安価である。また、作業工数を減らすことができるのでこの面からもコストを低減することができる。さらに、本発明の上記方法によればアルミ合金の場合、熱処理をすることで６０００番代のアルミ合金特有の強度を確保することができる。この場合、本発明の形材は溶接取り付けの部分は５０００番代のアルミ合金（Al-Mg系合金で、耐食性、溶接、表面光沢などに強い）であれば熱影響による強度低下を回避することができるが、溶接するに当たり、形材の接合部分W3を把握することが重要である。しかし、通常、形材表面を見ただけでは判断できないが、アルマイト処理をすることで６０００番代と５０００番代との表面状態の変化によって容易に溶接可能か否か判断することができる。

本願発明の異種材料の結合形材の製作方法を実施するための形材を製作する形材押し出し装置の主要部の断面図である。図２（A）はソリッド形材の斜視図を示す図であり、図２（B）はホロー形材の斜視図を示す図であり、図２（C）はセミホロー形材の斜視図を示す図である。図３は本願発明の形材の製作方法で使用される形材製作装置の全体図である。図４（A）は、ソリッド形材を製作するためのダイスアッセンブリであり、図４（B）は図４（B）はホロー形材を製作する場合のダイスアッセンブリである。図５（A）は、コストの安い装飾用の材料とコストの高い溶接用の材料とを合わせて円柱状の材料（素材）を断面エ型の形材を製作するときの材料とダイスと製品の斜視図、図５（B）は、ビレットの側面にV溝を設けた場合の図、５（C）は、ビレットの前面にV溝を設けた場合の図である。図6（A）および図６（B）は、図５に示すビレットとダイスと製品の製作途中の断面図であり、図６（A）は前記ビレットを前記ホローダイスに当て高圧のピストンに付けたステムで加圧して形材を取り出す断面図、図６（B）は、ホローダイスの代わりに、ソリッドダイスを使用した場合の断面図である。図７は、図４（B）の詳細な斜視図である。

図１は、本願発明の異種材料の結合形材の製作方法を実施するための形材押し出し装置の断面図である。すなわち、この発明の結合形材の製作方法は、コンテナと呼ばれる筒型容器１の穴１aに円柱状の材料（素材）の複数の金属素材で作成されたビレットWを挿入し、ステム４とビレットWとの間にダミーブロック５を置いて該ステム４を設けた押圧器のピストン３で該ビレットWを加圧し、金型ダイス７を通して製品としての形材８を取り出す方法である。この形材製品８は１台分の車両の長さ近くの長さとなる場合もある。例えば、車両の天井部に取り付ける形材として用いる。

前記形材８には、図２に示すようにソリッド形材（図２（A））、ホロー形材（図２（B））、セミホロー形材（図２（C））とダイスによって種々のものが製作可能である。これらの形材は、それぞれ金型ダイスのソリッドダイスか、ホローダイスである。

図３は、本願発明の形材の製作方法で使用される形材製作装置の全体図の主要部を示す側面図である。本装置は、駆動源を備え高圧を発生させる押圧器２と、該押圧器２によって油圧（高圧）で駆動され先端部にステム４を取り付けたピストン３と、ビレットWを挿入するコンテナ１と、金型ダイス（この図３には示していない）と、該金型ダイスをはめ入れるダイスホルダー１０と、台座１１の上に固定してピストン等からの押圧力を受け止めるように固定した固定台１２と、で構成されている。

図４（A）および図４（B）は、図３に示すダイホルダー１０部分の詳細な構成斜視図である。図４の実施例では二種類のソリッド形材を製作するためのダイスアッセンブリを示す。図４（A）は、図３に示すダイスホルダー１０部分の詳細な構成斜視図であって、前記ダイスホルダー１０には、ダイス７が保持される。すなわち、種々のソリッド形材（図２参照）を製作するためダイス７と、該ダイス７に加わる押出圧力から該ダイス７をバックアップするダイバッカー１３と、で構成される。さらに、全押出圧力を受け圧力を逃げないようにボルスター１５及びサブボルスター１４が設置される。そして、ビレットWはピストン３のステム４によってコンテナ１内でダイス７に押圧されて形材を取り出すことになる。

また、図４（B）はホロー形材を製作する場合のダイスアッセンブリである。この図に示すように、金型ダイスのホローダイス６と、該ホローダイス６に加わる押出圧力をバックアップし、前記ダイバッカー１３を兼ねるサブボルスター１４とで構成されるが、さらに圧力が逃げないように全押出圧力を受けるボルスター１５及びサブボルスター１４が設置される。例えば、結合形材断面エ型の形材を製作する場合は、図５の斜視図に示すように、ビレットWとして２種類の素材が使用され、ダイス６は雄型６aと雌型６bと、を連結させて使用され形材を取り出す。ホローダイス６としては、ポートホールダイス・スパイダーダイス・ブリッジダイス等が用いられる。

次に、図５は、コストの安い装飾用の材料とコストの高い溶接用の材料とを合わせて円柱状の材料（素材）を断面エ型の形材を製作するときの材料とダイスと製品の斜視図であり、図6は、図５に示すビレットとダイスと製品の製作途中の断面図である。これらの図を使用して形材の製作方法について説明する。

例えば図５（A）に示すような装飾用と溶接用の形材であって、断面エ型の形材８を製作する場合、コストの安い装飾用の材料W1とコストの高い溶接用の材料W２とを合わせて円柱状のビレットWとする。なお、図５（A）に示すビレットWは、円柱状であるため確実に接合部分を誘導できるよう図５（B）および図５（C図）に示すようにビレットW側面や前面にV字状の溝１６または１７を設けたり、ビレットWの先端を少し広げたりすることも可能である。そして図５（B）の場合、V字状の溝１６の先端部は意図した通りにダイスにかかるように少し広げ、図５（C）の場合、ビレットWの先端に切込み１７を入れることでダイスの穴に誘導しやすくしてある。

そして、図６（A）に示すように、前記ビレットWを前記ホローダイス６に当て、該ビレットWの背後から高圧のピストン３（図１参照）に付けたステム４で加圧してホローダイス６の形状孔から通過させ形材を取り出す。なお、図６（B）は、前記ホローダイス６の代わりに、ソリッドダイス７を使用した場合の断面図である。
さらに、具体的には図７（図４（B）の詳細な斜視図で穴が二つの場合でホローダイス６でなく）に示すように、高温の素材（ビレット）Wを二つに分割し、穴（７c、７d）を設けたソリッドダイス７に当て、素材（ビレット）Wを分割し、後半部７bで二つのビレットWに圧力をかけて接触させて一体に溶着するようになっている。こうして製造される形材は、必要に応じて必要な長さとすることができる。長いもので１車両の長さに近い長さとすることもできるし、短い長さとすることもできる。
上記のように、品質の異なる材料を合わせて円柱状とし、該形状に応じてダイス７に二つに分けた穴や四つに分けた穴、さらに多数の穴を設け前半部で分割し、後半部で接合すると、コストの安い材料やコストの高い材料或いは強度を必要とする部分と強度を必要としない部分のものを一体の形材として製作することができる。よって本願発明によれば目的に応じて合理的に形材を作ることができる。

図２（B）に示すようなホロー形材を製作する場合、例えば図４（B）に示すように四つのポート穴を有するホローダイス６を使用する。この場合、材料（素材）は四種類のものを一つの円筒状としてホローダイスに加圧することも可能である。すると四つに分かれた材料（素材）は、後半部で接合され、ホロー形材となる。この場合、部分によって材料（素材）の種類を変えると部分的に性質の異なる１つのホロー形材を製造することができる。

上記するように、本願発明による形材の製作方法によれば、例えば断面エ型だけでなくH型、Ｗ型、断面から見て多数の突起を有する板材の形材等断面形状が種々のソリッド形材を製作することができる。また、この場合各部に強度の弱い材料と強度の強い材料とを組み合わせた形材、コストの異なる材料を組み合わせた形材、円筒状のもの、矩形のもの、多角形のホロー形材等目的の異なる複数の素材を用いて一つの形材とすることが可能となる。なお、ダイスとしては内部のスリットを形材に合わせて種々変更することができる。

さらに、本発明の上記方法によればアルミ合金の場合、熱処理をすることで６０００番代のアルミ合金特有の強度を確保することができる。この場合、本発明の形材は溶接取り付けの部分は５０００番代のアルミ合金（Al-Mg系合金で、耐食性、溶接、表面光沢などに強い）であれば熱影響による強度低下を回避することができるが、溶接するに当たり、形材の接合部分W3を把握することが重要である。しかし、通常、形材表面を見ただけでは判断できないが、耐食性酸化被膜処理（アルマイト処理）をすることで６０００番代と５０００番代との表面状態の変化によって容易に溶接可能か否か判断することができる。

本願発明の異種材料の結合形材の製作方法は、鉄道車両用としては勿論のこと、建材や店頭内部のインテリアの材料素材等広い分野の産業で製造し、利用することができる。

１筒型容器
２押圧器
３ピストン
４ステム
５ダミーブロック
６ホローダイス
７ソリッドダイス
８形材（製品）
９押圧器
１０ダイホルダー
１１台座
１２固定台
１３ダイバッカー
１４サブボルスター
１５ボルスター
１６ V溝（側面）
１７ V溝（前面）

Claims

駆動源を備えた押圧器２と、該押圧器により高圧で駆動され先端部にステム４を取り付けたピストン３と、ビレットWを挿入する筒型容器１と、金型ダイスを保持するダイホルダー１０と、台座１１の上に固定してピストン３等からの押圧力を受け止めるように固定した固定台１２と、で構成される形材の製作方法において、
前記筒型容器１の穴１aに種類の異なる複数の金属素材から作られた複合材料のビレットを挿入し、ステム４とビレットWを押圧器２でピストン３を加圧し、金型ダイスを通して形材８を取り出し、該形材が種類の異なる複数の金属素材のアルミ合金であり、該アルミ合金に耐食性酸化被膜処理（アルマイト処理）をすることで表面状態の変化を知り、溶接の可否を判断することを特徴とする異種材料の結合形材の製作方法。
前記金型ダイスが、ホローダイスのソッリド材であることを特徴とする請求項１に記載の異種材料の結合形材の製作方法。