KR101319188B1 - 압출 다이스 - Google Patents

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KR101319188B1
KR101319188B1 KR1020117015516A KR20117015516A KR101319188B1 KR 101319188 B1 KR101319188 B1 KR 101319188B1 KR 1020117015516 A KR1020117015516 A KR 1020117015516A KR 20117015516 A KR20117015516 A KR 20117015516A KR 101319188 B1 KR101319188 B1 KR 101319188B1
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고우이찌 다나까
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쇼와 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

심봉에 맨드릴 링을 외부 끼움하는 압출 다이스에 있어서, 맨드릴 링의 고정 안정성을 높이고, 유지 보수를 간단하게 행할 수 있도록 한다.　 압출 다이스는, 압출재의 내면을 성형하는 맨드릴(30)이, 심봉(32)과, 상기 심봉(32)에 외부 끼움되는 맨드릴 링(35)을 갖고, 상기 맨드릴 링(35)은, 기재가 심봉(32)보다도 열팽창 계수가 작은 재료로 이루어지는 재료로 구성되고, 상기 심봉(32)의 외주면(32a) 및 맨드릴 링(35)의 내주면(35a)이, 맨드릴 링(35)을 심봉(32)에 외부 끼움한 상태에 있어서, 상온시에 양자(32)(35) 사이에 간극이 있고, 압출시의 다이스 온도시에, 맨드릴(30)의 축선 방향의 적어도 일부에 있어서 그 간극이 없어져 양자(32)(35)가 접촉하도록 설정되어 있다.

Description

압출 다이스{EXTRUSION DIE}
본 발명은, 중공재의 압출 가공에 사용하는 압출 다이스에 관한 것이다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위의 기재에 있어서, 압출재 및 압출 재료의 진행되는 방향을 하류 또는 하류측이라고 칭하고, 역방향을 상류 또는 상류측이라고 칭한다.
압출 다이스에 있어서는, 베어링부에 내마모성을 부여하기 위하여, 베어링부를 포함하는 다이스의 일부에 초경 합금이나 세라믹 등의 초경 재료가 사용되고 있다(특허문헌 1 내지 3 참조).
특허문헌 1에는, 공구강으로 이루어지는 다이 케이스의 오목부 내에 초경 재료로 이루어지는 링 형상 다이스를 가열 끼워 맞춤한 다이스가 기재되어 있다. 특허문헌 2에는, 맨드릴의 심봉을 공구강으로 형성하고, 이 심봉에 초경 재료로 이루어지는 맨드릴 링을 외부 끼움하고, 심봉의 선단에 빠짐 방지용 너트를 설치하여 맨드릴 링을 심봉에 고정하도록 구성된 포트홀 다이스의 수형이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 3에 기재되어 있는 다이스는, 심봉과 맨드릴 링 사이에 심봉보다도 부드러운 슬리브를 개재시켜 맨드릴 링을 가열 끼워 맞춤한 것이다.
일본 특허 공개 평6-15348호 공보 일본 특허 공개 제2003-181525호 공보 일본 특허 공고 평4-69009호 공보
그러나, 초경 재료를 가열 끼워 맞춤하는 타입의 다이스는, 압출의 준비 공정이나 유지 보수에 수고가 들게 되는 문제점이 있다.
또한, 초경 재료는 공구강보다도 열팽창 계수가 작고, 또한 공구강보다도 인장력이 약하다는 특성이 있다. 이로 인해, 공구강으로 이루어지는 심봉에 초경 재료로 이루어지는 맨드릴 링을 외부 끼움하는 경우, 열간 압출시에 심봉이 팽창하여, 맨드릴 링에 대한 체결력이 지나치게 강하면 파손될 우려가 있다. 반대로, 체결력이 지나치게 약하면, 맨드릴 링이 확실하게 고정되지 않아, 압출재의 압박 이음부에 주름이 발생하거나, 두께에 편차가 생길 우려가 있다. 또한, 압출 재료의 흐름에 의해 맨드릴 링이 심봉으로부터 빠질 우려가 있다.
또한, 맨드릴 링의 치수나 강도를 장기간 유지하여 다이스 수명을 향상시키는 것이 요망되고 있다.
본 발명은, 상술한 기술 배경을 감안하여, 심봉에 맨드릴 링을 외부 끼움하는 압출 다이스에 있어서, 맨드릴 링을 안정되게 고정할 수 있고, 유지 보수를 간단하게 행할 수 있으며, 또한 수명이 긴 압출 다이스의 제공을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 [1] 내지 [15]에 기재된 구성을 갖는다.
[1] 압출재의 내면을 성형하는 맨드릴이, 심봉과, 상기 심봉에 외부 끼움되는 맨드릴 링을 갖고,
상기 맨드릴 링은, 기재가 심봉보다도 열팽창 계수가 작은 재료로 이루어지는 재료로 구성되고,
상기 심봉의 외주면 및 맨드릴 링의 내주면이, 맨드릴 링을 심봉에 외부 끼움한 상태에 있어서, 상온시에 양자간에 간극이 있고, 압출시의 다이스 온도시에, 맨드릴의 축선 방향의 적어도 일부에 있어서 그 간극이 없어져 양자가 접촉하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압출 다이스.
[2] 상온(T1)시의 간극이 최소가 되는 부분에 있어서, 압출시의 다이스 온도(T2)에 있어서의 심봉과 맨드릴 링의 조임도(tightening degree)(XT2)가 하기 수학식으로 나타내어질 때, 상온(T1)시에 있어서의 상기 심봉의 외경(AT1) 및 맨드릴 링의 내경(BT1)이 상기 조임도(XT2)가 0 내지 0.3%가 되도록 설정되어 있는 전항 1에 기재된 압출 다이스.
Figure 112011051319881-pct00001
단, α1: 심봉을 구성하는 재료의 열팽창 계수
α2: 맨드릴 링의 기재를 구성하는 재료의 열팽창 계수(α1＞α2)
T1: 상온
T2: 압출시의 다이스 온도(＞T1)
AT1: 상온(T1)시의 심봉의 외경
BT1: 상온(T1)시의 맨드릴 링의 내경(＞AT1)
[3] 상기 심봉의 선단에 맨드릴 링의 탈락을 방지하는 억제 부재가 착탈 가능하게 설치되는 전항 1 또는 2에 기재된 압출 다이스.
[4] 상기 심봉의 단면 형상이 비원형인 전항 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 압출 다이스.
[5] 상기 심봉이 중실인 전항 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 압출 다이스.
[6] 상기 맨드릴 링은 초경 재료로 이루어지는 전항 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 압출 다이스.
[7] 상기 맨드릴 링은 세라믹 재료로 이루어지는 전항 6에 기재된 압출 다이스.
[8] 상기 맨드릴 링은 베어링부의 상류측 및 하류측 중 적어도 한쪽에 릴리프부를 갖는 전항 1 내지 7 중 어느 하나에 기재된 압출 다이스.
[9] 상기 맨드릴 링은 축선 방향의 중앙보다도 하류측에 베어링부가 형성되어 있는 전항 8에 기재된 압출 다이스.
[10] 상기 맨드릴 링은 축선 방향의 전역이 베어링부로 이루어지고 있는 전항 1 내지 7 중 어느 하나에 기재된 압출 다이스.
[11] 상기 맨드릴 링은, 상기 기재의 적어도 외주면에 경질인 내알칼리 피막이 형성되어 이루어지는 전항 1 내지 10 중 어느 하나에 기재된 압출 다이스.
[12] 상기 맨드릴 링은, 기재의 외주면 및 내주면에만 내알칼리 피막이 형성되어 이루어지는 전항 11에 기재된 압출 다이스.
[13] 압출재의 내면을 성형하는 맨드릴이, 심봉과, 상기 심봉에 외부 끼움되는 맨드릴 링을 갖고, 상기 맨드릴 링은, 기재가 심봉보다도 열팽창 계수가 작은 재료로 이루어지는 재료로 구성된 압출 다이스를 사용하고,
상온(T1)시의 간극이 최소가 되는 부분에 있어서, 하기 수학식으로 나타내어지는 심봉과 맨드릴 링의 조임도(XT2)가 0 내지 0.3%가 되는 다이스 온도(T2)에서 압출하는 것을 특징으로 하는 압출 방법.
Figure 112011051319881-pct00002
단, α1: 심봉을 구성하는 재료의 열팽창 계수
α2: 맨드릴 링의 기재를 구성하는 재료의 열팽창 계수(α1＞α2)
T1: 상온
T2: 압출시의 다이스 온도(＞T1)
AT1: 상온(T1)시의 심봉의 외경
BT1: 상온(T1)시의 맨드릴 링의 내경(＞AT1)
[14] 상기 압출 다이스의 맨드릴 링은, 상기 기재의 적어도 외주면에 경질인 내알칼리 피막이 형성되어 이루어지고, 압출 후의 다이스 유지 보수에 있어서 알칼리 세정을 행하는 전항 13에 기재된 압출 방법.
[15] 압출재의 내면을 성형하는 맨드릴이, 심봉과, 상기 심봉에 외부 끼움되는 맨드릴 링을 갖고, 상기 맨드릴 링은, 기재가 심봉보다도 열팽창 계수가 작은 재료로 이루어지는 재료로 구성된 압출 다이스를 사용하고,
상온(T1)시의 간극이 최소가 되는 부분에 있어서, 하기 수학식으로 나타내어지는 심봉과 맨드릴 링의 조임도(XT2)가 0 내지 0.3%가 되는 다이스 온도(T2)에서 압출하는 것을 특징으로 하는, 압출재의 제조 방법.
Figure 112011051319881-pct00003
단, α1: 심봉을 구성하는 재료의 열팽창 계수
α2: 맨드릴 링의 기재를 구성하는 재료의 열팽창 계수(α1＞α2)
T1: 상온
T2: 압출시의 다이스 온도(＞T1)
AT1: 상온(T1)시의 심봉의 외경
BT1: 상온(T1)시의 맨드릴 링의 내경(＞AT1)
상기 [1]에 기재된 발명에 따르면, 심봉에 맨드릴 링을 외부 끼움한 맨드릴에 있어서, 다이스가 압출시의 온도가 되면, 심봉과 맨드릴 링의 열팽창 계수의 차에 의해 양자간에 간극이 없어지고, 맨드릴 링은 심봉이 팽창하고자 하는 직경 방향의 힘에 의해 체결되어 심봉에 고정된다. 이와 같이, 맨드릴 링이 심봉에 고정된 상태에서 압출을 행하면, 압출재의 두께의 편차가 억제되어 고품질의 압출재를 제조할 수 있다. 또한, 상온시에는 심봉과 맨드릴 링 사이에 간극이 있으므로, 맨드릴 링의 심봉에의 착탈이 용이하여, 맨드릴 링의 교환 등의 유지 보수를 간단하게 행할 수 있다.
상기 [2]에 기재된 발명에 따르면, 압출시의 다이스 온도에 있어서의 심봉과 맨드릴 링 사이의 조임도(XT2)가 적정 범위로 설정되어 있으므로, 안정된 고정 상태를 얻을 수 있고, 또한 맨드릴 링의 파손을 피할 수 있다.
상기 [3]에 기재된 발명에 따르면, 억제 부재에 의해 맨드릴 링이 압출 축방향으로도 고정되므로, 맨드릴 링의 탈락이 방지되어 더욱 안정된 고정 상태를 얻을 수 있다. 또한, 억제 부재에 의해 압출 축방향의 어긋남을 억제함으로써, 심봉의 팽창력에 의한 체결만으로 고정하는 경우보다도, 조임도(XT2)를 작게 할 수 있으므로, 조임도(XT2)의 증대에 의한 맨드릴 링의 파손의 위험성을 피할 수 있다.
상기 [4]에 기재된 발명에 따르면, 맨드릴 링의 둘레 방향의 회동을 저지할 수 있다. 이에 의해, 둘레 방향의 어긋남이 없어져 고정 안정성이 높아짐과 함께, 맨드릴 링의 위치 결정을 행할 수 있다.
상기 [5]에 기재된 발명에 따르면, 심봉이 중실이므로 맨드릴의 강도가 높다.
상기 [6], [7]에 기재된 각 발명에 따르면, 내마모성이 우수한 압출 다이스를 제공할 수 있다.
상기 [8]에 기재된 발명에 따르면, 맨드릴 링에 릴리프부를 설치함으로써 맨드릴 링의 강도를 확보할 수 있다.
상기 [9]에 기재된 발명에 따르면, 맨드릴 링에 릴리프부를 형성하지 않음으로써 맨드릴 링의 제작 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 [10]에 기재된 발명에 따르면, 암형의 릴리프 구멍 내로의 맨드릴의 돌출량을 작게 할 수 있고, 다이스의 조립시 및 해체시의 암형의 베어링부에의 맨드릴의 접촉을 저감시킬 수 있다.
상기 [11]에 기재된 발명에 따르면, 맨드릴 링의 기재의 적어도 외주면에는 경질인 내알칼리 피막이 형성되어 기재가 보호되어 있으므로, 압출 중에 있어서는 압출 재료에 의한 기재의 마모를 방지하고, 압출 후의 다이스 유지 보수에 있어서는 알칼리 세정에 의한 기재 표면에 있어서의 함유 성분의 용해를 방지하여 기재의 마모를 방지할 수 있다. 또한, 내알칼리 피막의 내마모성에 의해, 압출에 의한 피막 자체의 마모가 방지되어, 용해 방지 효과를 장기간 유지할 수 있다. 또한, 심봉으로부터 제거한 맨드릴 링에 대하여 내알칼리 피막을 재형성하는 것도 가능하므로, 내알칼리 피막에 의한 기재의 보호 효과와 내알칼리 피막의 재형성에 의해, 맨드릴 링의 강도를 장기간 유지하여 수명을 연장시킬 수 있다.
상기 [12]에 기재된 발명에 따르면, 압출 재료가 부착되는 맨드릴 링의 외주면에 더하여 내주면에도 내알칼리 피막이 형성되어 있다. 이로 인해, 압출 후의 다이스 세정에 있어서 맨드릴 링과 심봉 사이에 발생한 간극에 세정액이 침입해도, 기재의 내주면은 내알칼리 피막에 의해 보호되어 있으므로, 세정액에 의한 내주면의 용해가 방지되어 맨드릴 링 내경 변화를 방지할 수 있다. 이에 의해, 맨드릴 링의 내경이 유지되므로, 맨드릴 링의 직경 방향에 있어서의 고정 안정성을 유지할 수 있다. 또한, 맨드릴 링의 단부면에 내알칼리 피막이 형성되어 있지 않음으로써 표면 처리 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 [13]에 기재된 발명에 따르면, 압출은 맨드릴 링이 심봉에 고정된 상태에서 행해지고 있으므로, 압출재의 두께의 편차를 억제할 수 있다.
상기 [14]에 기재된 발명에 따르면, 맨드릴 링의 기재가 경질인 내알칼리 피막에 의해 보호되어 있으므로, 압출 중에 있어서는 압출재에 의한 기재의 마모가 방지되고, 압출 후의 다이스 유지 보수에 있어서는 알칼리 세정에 의한 기재 표면에 있어서의 함유 성분의 용해를 방지하여 기재의 마모가 방지되므로, 장기간에 걸쳐서 고품질의 압출재를 제조할 수 있다.
상기 [15]에 기재된 발명에 따르면, 압출은 맨드릴 링이 심봉에 고정된 상태에서 행해지고 있으므로, 두께의 편차가 억제된 고품질의 압출재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 수형을 구비하는 포트홀 다이스를 도시하는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 포트홀 다이스의 조립 상태를 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 1의 포트홀에 있어서의 맨드릴의 분해 상태를 도시하는 단면도이다.
도 4는 온도와, 심봉의 외경 및 맨드릴 링의 내경의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5a는 도 3의 맨드릴의 상온시의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 5b는 도 3의 맨드릴의 압출시의 다이스 온도시의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 5c는 도 3의 맨드릴의 상온시에 있어서의 다른 상태를 도시하는 단면도이다.
도 6a는 도 3의 맨드릴에 있어서, 너트에 의한 맨드릴 링의 구속을 설명하는 상온시의 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 압출시의 다이스 온도에 있어서의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 7a는 도 3의 맨드릴에 있어서, 너트에 의한 맨드릴 링의 구속을 설명하는 상온시의 단면도이다.
도 7b는 도 7a의 압출시의 다이스 온도에 있어서의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 8a는 둘레 방향으로 위치 결정되는 맨드릴 링의 형상을 도시하는 단면도이다.
도 8b는 둘레 방향으로 위치 결정되는 맨드릴 링의 다른 형상을 도시하는 단면도이다.
도 8c는 둘레 방향으로 위치 결정되는 맨드릴 링의 다른 형상을 도시하는 단면도이다.
도 9a는 맨드릴 링의 베어링부의 다른 형상을 도시하는 단면도이다.
도 9b는 맨드릴 링의 베어링부의 다른 형상을 도시하는 단면도이다.
도 9c는 맨드릴 링의 베어링부의 다른 형상을 도시하는 단면도이다.
도 9d는 맨드릴 링의 베어링부의 다른 형상을 도시하는 단면도이다.
도 10a는 맨드릴 링에 있어서의 내알칼리 피막의 형성예를 도시하는 단면도이다.
도 10b는 맨드릴 링에 있어서의 내알칼리 피막의 다른 형성예를 도시하는 단면도이다.
도 10c는 맨드릴 링에 있어서의 내알칼리 피막의 다른 형성예를 도시하는 단면도이다.
도 10d는 맨드릴 링에 있어서의 내알칼리 피막의 다른 형성예를 도시하는 단면도이다.
도 10e는 도 10b의 맨드릴 링을 사용한 다른 맨드릴을 도시하는 단면도이다.
도 11은 기재의 외주면에만 내알칼리 피막을 형성한 맨드릴 링을 사용한 맨드릴을 도시하는 단면도이다.
도 12는 실시예에 사용한 심봉과 맨드릴 링의 치수를 나타내는 개략 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시하는 포트홀 다이스(10)는, 중공 압출재(1)의 외주면을 성형하는 암형(11)과 내주면을 성형하는 수형(20)이 조합되어 이루어지고, 상기 수형(20)이 본 발명의 압출 다이스의 일 실시 형태이다.
암형(11)은, 중앙부에 베어링 구멍(12)을 갖고, 베어링 구멍(12)의 하류측에는 릴리프 구멍(13)이 형성되고, 상류측에는 용착실용 오목부(14)가 형성되어 있다.
상기 수형(20)은, 다이스 기반(21)의 중앙으로부터 하류측으로 맨드릴(30)이 돌출되고, 이 맨드릴(30)의 주위에 압출 방향으로 관통하는 복수개의 포트홀(22)을 갖고 있다. 인접하는 포트홀(22)(22) 사이에는, 하류측으로 돌출되는 상기 맨드릴(30)을 그 기단부(31)로 지지하는 다리부(23)가 형성되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 맨드릴(30)에 있어서, 기단부(31)의 선단측에 직경이 작은 심봉(32)이 일체로 형성되고, 상기 기단부(31)와 심봉(32)의 직경차에 의해 이들 사이에는 단차부(33)가 형성되어 있다. 상기 심봉(32)의 선단측은 더욱 직경이 작게 되어, 외주면에 나선 형상의 나사 홈이 형성된 볼트부(34)가 일체로 형성되어 있다. 상기 기단부(31), 심봉(32) 및 볼트부(34)는 동축 상에 형성되어 있다. 맨드릴 링(35)은, 외주면에, 압출재(1)의 내주면을 성형하는 베어링부(36)가 돌출 설치된 환형체이다. 너트(37)는 본 발명에 있어서의 억제 부재이며, 상기 볼트부(34)의 나사 홈에 나사 결합되는 나사 구멍(38)을 갖고 있다. 그러나, 상기 심봉(32)에 맨드릴 링(35)을 외부 끼움하여 단차부(33)에 접촉시키고, 볼트부(34)에 너트(37)의 나사 구멍(38)을 나사 결합시키면, 맨드릴 링(35)은 단차부(33)와 너트(37)에 끼워져, 압출 축방향의 소정 위치에 배치된다. 상기 심봉(32) 및 맨드릴 링(35)의 재료 특성 및 치수에 대해서는 이후에 상세하게 설명한다.
상기 암형(11)과 수형(20)을 조합하면, 암형(11)의 베어링 구멍(12) 내에 수형(20)의 맨드릴 링(35)의 베어링부(36)가 끼워 넣어져 이들 사이에 환형의 성형용 간극(부호 없음)이 형성되고, 암형(11)의 용착실용 오목부(14)의 일부가 수형(20)의 단부면에서 막혀 포트홀(22)에 연통되는 용착실을 형성한다. 그리고, 각 포트홀(22)에 유입한 압출 재료는 용착실에서 합류하고, 성형용 간극으로부터 중공부(2)를 갖는 압출재(1)로서 압출된다.
〔맨드릴의 형상〕
본 발명의 맨드릴은, 맨드릴 링을 심봉에 외부 끼움한 상태에 있어서, 상온시에 양자간에 간극이 있고, 압출시의 다이스 온도에 있어서, 맨드릴의 축선 방향의 적어도 일부에 있어서 그 간극이 없어져 양자가 접촉하도록 설정되어 있는 한, 상기 심봉의 외주면 및 맨드릴 링의 내주면의 형상은 임의로 설정할 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서의 맨드릴의 형상에 관한 조건은 하기 (1), (2)이다.
(1) 상온시에 맨드릴 링을 심봉에 외부 끼움할 수 있는 간극이 있는 것
(2) 압출시의 다이스 온도에 있어서, 축선 방향의 적어도 일부에 있어서 그 간극이 없어져 심봉과 맨드릴 링이 접촉하는 것
본 발명에 있어서의 「압출시의 다이스 온도」라 함은, 심봉(32) 및 맨드릴 링(35)이 고온 압출시에 소정의 온도가 되며, 그때의 온도를 말한다.
도 3 및 도 5a는, 본 실시 형태의 맨드릴(30)의 상온(T1)시에 있어서의 주요부 단면도이다. 이 맨드릴(30)은, 도 1 및 도 2에 도시한 압출 다이스(10)의 수형(20)의 일부를 구성하는 맨드릴이다.
상기 맨드릴(30)은, 심봉(32)의 외주면(32a) 및 맨드릴 링(35)의 내주면(35a)이 맨드릴(30)의 축선과 평행하게 형성되고, 심봉(32)의 외경(AT1) 및 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)은 축선 방향에 있어서 일정하다. 상기 심봉(32)에 맨드릴 링(35)을 외부 끼움하면, 양자간에 축선에 평행한 일정 간극(S1)이 존재한다.
본 발명에 있어서, 심봉(32)과 맨드릴 링(35) 사이에 「간극(S1)이 있다」라 함은, 심봉(32)과 맨드릴 링(35)의 접촉의 유무를 의미하는 것은 아니며, 상온(T1)에 있어서의 심봉의 외경(AT1)과 맨드릴 링의 내경(BT1)이 「BT1＞AT1」되는 관계를 만족하고, 양자 사이에 클리어런스가 존재하는 것을 의미한다. 또한, 상온(T1)시의 간극(S1)의 크기는 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)과 심봉(32)의 외경(AT1)의 차(BT1-AT1)로 나타내는 것으로 한다.
또한, 도 5a는 맨드릴 링(35)의 내주면(35a)과 심봉(32)의 외주면(32a) 사이의 거리가 둘레 방향에 있어서도 일정 크기로 된 상태를 나타내고 있지만, 상온(T1)에 있어서는 맨드릴 링(35)과 심봉(32)의 축 맞춤이 이루어져 있지 않으므로, 양자간의 거리는 둘레 방향에서 반드시 일정하게 되지는 않는다. 예를 들어, 맨드릴(30)의 축선이 수평하게 되는 자세로 조립을 행하면, 도 5c에 도시한 바와 같이, 맨드릴 링(35)의 내주면(35a)의 상부가 심봉(32)의 외주면(32a)의 상부에 접촉하여 양자간의 거리는 제로이며, 둘레 방향을 따라 하방으로 감에 따라서 양자간의 거리가 확대되어, 하부에 있어서 거리가 최대가 된다. 또한, 맨드릴 링(35)은 너트(37)로 체결되어 임시 고정된 상태에 있으므로, 전체 둘레에 있어서 양자는 접촉하고 있지 않지만, 양자간의 거리에는 치우침이 있는 경우도 있다. 따라서, 본 발명에 있어서 「간극이 있다」라 함은, 맨드릴 링(35)과 심봉(32)의 접촉의 유무를 의미하는 것은 아니며, 상온(T1)에 있어서의 심봉(32)의 외경(AT1)과 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)이 「BT1＞AT1」되는 관계를 만족하고, 양자 사이에 클리어런스가 존재하는 것을 의미한다. 또한, 맨드릴 링(35)과 심봉(32)이 상술한 어느 위치 관계에 있는 경우에 있어서도, 본 발명에 있어서의 간극(S1)의 크기는 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)과 심봉의 외경(AT1)의 차(BT1-AT1)로 나타내어진다.
또한, 본 발명은 심봉의 외주면 및 맨드릴 링의 내주면은 맨드릴의 축선에 대하여 평행인 것을 필요로 하지 않고, 심봉의 외주면 및 맨드릴 링의 내주면 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 축선에 대하여 경사지는 테이퍼면으로 형성되어 있는 맨드릴, 축선 방향의 일부가 테이퍼면으로 형성되어 있는 맨드릴도 본 발명에 포함된다. 따라서, 양자간의 간극의 크기가 축선 방향에서 변화하기도 하고, 본 발명에 있어서의 간극(S1)이라 함은, 축선 방향에 있어서 맨드릴 링의 내경(BT1)과 심봉의 외경(AT1)의 차(BT1-AT1)가 최소가 되는 부분에 있어서의 간극이다.
또한, 상기 맨드릴(30)에서는 강도 확보를 목적으로 하여 중실의 심봉(32)을 채용하고 있지만, 냉각용 매체의 유통로 등의 중공부를 갖는 심봉을 사용할 수도 있다.
상기 맨드릴(30)은, 상온(T1)시에 심봉(32)과 맨드릴 링(35)을 조립할 때에는, 양자 사이에 간극(S1)이 있으므로 맨드릴 링(35)을 심봉(32)에 외부 끼움하는 것은 용이하다. 또한, 너트(37)를 설치하여 체결하면, 심봉(32)에는 압출 방향의 인장력이 발생하고, 맨드릴 링(35)에는 압출 방향의 압축력이 발생한다.
〔맨드릴의 재료〕
본 발명에 있어서, 맨드릴 링은 내마모성을 갖는 기재의 단독재 또는 이 기재의 표면에 내알칼리 피막을 형성한 것이다.
본 실시 형태의 맨드릴 링(35)은 기재의 단독재로 구성된 것이며, 기재의 표면에 내알칼리 피막이 형성된 맨드릴 링에 대해서는 이후에 상세하게 설명한다.
상기 맨드릴 링(35)의 기재를 구성하는 재료는 내마모성이 우수하고, 또한 그 열팽창 계수(α2)와 심봉(32)을 구성하는 재료의 열팽창 계수(α1)가 α1＞α2의 관계를 만족하는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 본 실시 형태에 있어서는, 심봉(32)을 포함하는 부분(이하, 간단히 「심봉」이라고 함)이 공구강으로 형성되어 있는 데 반하여, 맨드릴 링(35)의 기재는 상기 공구강보다도 내마모성이 높은 초경 재료로 구성되어 있다. 초경 재료로서는, WC-Co 등의 초경 합금, 고속도 공구강, 분말 고속도 공구강, 세라믹스 등을 예시할 수 있다. 표 1에, 이들 초경 재료 및 공구강의 일례 및 그들 열팽창 계수를 나타낸다. 또한, 심봉(32) 및 맨드릴 링(35)의 기재의 열팽창 계수가 α1＞α2의 관계를 만족하면 되므로, 예시한 재료는 표 1에 기재한 용도에 한정되지 않는다. 예를 들어, 분말 고속도 공구강의 심봉에 초경 합금이나 세라믹스의 맨드릴 링을 조합하는 경우도 본 발명에 포함된다.
본 발명에 있어서, 맨드릴 링의 기재로서 심봉보다도 열팽창 계수가 작은 재료를 사용함으로써, 압출시의 가공 발열에 의한 맨드릴 링의 팽창률이 작아지므로, 압출재는 보다 안정된 치수의 것을 얻을 수 있다. 즉, 심봉(공구강)에 열팽창 계수가 작은 맨드릴 링을 조합한 맨드릴에서는, 압출하고 있지 않을 때와 가공 발열 최대시의 외경차가, 공구강만으로 제작한 맨드릴에 있어서의 외경차보다도 작아지므로, 압출재의 두께가 안정된다. 그리고, 압출재의 치수가 안정되어 있으면, 후가공 후의 제품 품질도 안정된 것이 된다. 예를 들어, 압출 후에 인발 가공을 행하는 경우, 압출재에 두께의 편차가 없이 두께가 일정하면, 인발재의 두께도 일정해진다. 또한, 압출재의 두께가 일정하면, 인발 완료의 길이도 일정해진다. 또한, 기재의 재료는 내마모성이 높으므로 마모분의 발생이 적어, 마모분의 압출재로의 혼입도 감소한다. 압출재에 이물질인 다이스의 마모분이 혼입되어 있으면, 압출재의 품질이 저하되는 것는 물론 인발재의 표면 결함이 된다. 압출재에의 마모분의 혼입량이 적으면, 인발재에 발생하는 표면 결함도 적어진다. 이러한 점에서, 본 발명의 압출 다이스를 사용하여 제조한 압출재는, 압출재로서의 품질이 우수한 것는 물론, 후가공용 소재로서도 품질이 우수한 것이 된다.
Figure 112011051319881-pct00004
〔맨드릴 링의 직경 방향에 있어서의 고정〕
도 4는, 온도(T)에 대한 심봉(32)의 외경(A) 및 맨드릴 링(35)의 내경(B)의 변화를 나타낸 것이다.
심봉(32) 및 맨드릴 링(35)은 모두 열팽창에 의해 치수가 확대된다(AT, BT). 이 도면에 도시한 바와 같이, 상온(T1)에 있어서, 맨드릴 링의 내경(BT1)은 심봉의 외경(AT1)보다도 크고, 실제 치수로서 BT1-AT1의 간극이 있다. 온도(T)가 상승하면, 심봉(32) 및 맨드릴 링(35)은, 각각의 열팽창 계수(α1)(α2)에 따라서 직경이 커진다. T2＞T1을 만족하는 임의의 온도(T2)에 있어서의 심봉(32)의 외경(AT2) 및 맨드릴 링(35)의 내경(BT2)은, 하기의 수학식 1 및 수학식 2로 나타내어진다.
Figure 112011051319881-pct00005
Figure 112011051319881-pct00006
단, α1: 심봉을 구성하는 재료의 열팽창 계수
α2: 맨드릴 링의 기재를 구성하는 재료의 열팽창 계수
T1: 상온
T2: 고온(＞T1)
AT1: 상온(T1)시의 심봉의 외경
BT1: 상온(T1)시의 맨드릴 링의 내경(＞AT1)
도 5a에 도시한 바와 같이, 상온(T1)에 있어서 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)을 심봉(32)의 외경(AT1)보다도 큰 치수로 제작하면, 양자의 치수차에 의해 심봉(32)의 외주면과 맨드릴 링(35)의 내주면 사이에는 간극(S1)이 있으므로, 용이하게 외부 끼움할 수 있다.
그리고, 도 5b에 도시한 바와 같이, 다이스 온도가 상승하면, 심봉(32)의 외경 확대량이 맨드릴 링(35)의 내경 확대량을 상회하므로 간극(S1)은 감소해 가고, 이 간극(S1)이 없어지면 맨드릴 링(35)은 심봉(32)에 고정된다.
열팽창 계수는 α1＞α2이므로, 도 4에 참조되는 바와 같이, 온도 상승에 수반하여, 온도(TZ)에 있어서 심봉(32)의 외경(ATZ)과 맨드릴 링(35)의 내경(BTZ)이 동일해진 시점에서 간극(S1)이 없어지고, 맨드릴 링(35)은 심봉(32)으로부터 빠지지 않게 되어 고정된 상태로 된다. 또한 온도가 상승하면, 심봉(32)의 외경(AT)이 맨드릴 링(35)의 내경(BT)을 상회한다. 심봉(32)의 외경(AT)이 맨드릴 링(35)의 내경(BT)을 상회하는 온도 영역(T＞TZ)에서는, 심봉(32)의 팽창력이 맨드릴 링(35)을 내측으로부터 체결하는 힘으로서 작용하고, 맨드릴 링(35)에 둘레 방향의 인장력이 부여되므로, 점점 심봉(32)으로부터 빠지기 어려워져 확실하게 고정된다.
〔심봉과 맨드릴 링의 조임도〕
압출시, 다이스는 소정 온도로 가열되어 상온(T1)보다도 고온으로 된다. 따라서, 도 4 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 압출시의 다이스 온도(T2)에 있어서, 심봉(32)의 외경(AT2)이 맨드릴 링(35)의 내경(BT2)과 동일해지거나, 심봉(32)의 외경(AT2)이 맨드릴 링(35)의 내경(BT2)을 상회하도록, 상온(T1)시의 심봉(32)의 외경(AT1) 및 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)을 설정하면, 맨드릴 링(35)을 심봉(32)에 고정한 상태에서 압출을 행할 수 있다. 그리고, 맨드릴 링(35)이 심봉(32)에 고정된 상태에서 압출을 행하면, 압출재(1)의 두께의 편차가 억제되어 고품질의 압출재(1)를 제조할 수 있다. 단, 심봉(32)의 팽창력이 과잉이 되어 맨드릴 링(35)의 인장력의 한계를 초과하면 맨드릴 링(35)이 파손되므로, 재료의 열팽창 계수(α1, α2)와 압출시의 다이스 온도(T2)를 감안하여, 고온시에 적당한 인장력을 발생시키도록, 상온(T1)시의 심봉(32)의 외경(AT1) 및 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)을 설정한다.
여기서, 임의의 온도(T)에 있어서의 심봉(32)과 맨드릴 링(35)의 조임 상태 및 느슨함 상태를, 심봉(32)의 외경(AT)과 맨드릴 링(35)의 내경(BT)의 비율에 기초하여, 하기 수학식 3의 조임도(XT)로서 정의한다. AT＜BT, 즉 양자 사이에는 간극이 있는 상태에서는 XT＜0이 되고, 조임도(XT) 값이 작아질수록 느슨함이 큰 것을 나타내고 있다. 한편, AT＞BT, 즉 양자간에는 간극이 없고 맨드릴 링(35)이 내측으로부터 심봉(32)에 체결되어 있는 상태에서는 XT＞0이 되고, 조임도(XT)의 값이 커질수록 체결력이 큰 것을 나타내고 있다. AT=BT(XT=0)는, 양자간에 간극은 없지만 체결력이 발휘되고 있지 않은 상태이다.
Figure 112011051319881-pct00007
또한, 수학식 3에 의해, 상온(T1)시 및 고온(T2)시(압출시의 다이스 온도)에 있어서의 심봉(32)과 맨드릴 링(35)의 조임도(XT1)(XT2)는, 각각 수학식 4 및 수학식 5에 의해 나타내어진다.
Figure 112011051319881-pct00008
Figure 112011051319881-pct00009
심봉(32) 및 맨드릴 링(35)은, 상온(T1)시에 AT1＜BT1이 되도록 제작되므로 XT1＜0이 되고, 조임도(XT1)는 양자간의 간극이 있어서 느슨해진 상태를 나타내고 있다. 한편, 압출시의 다이스 온도(T2)에 있어서 양자간의 간극이 없어져 AT2≥BT2이므로, 그 조임도(XT2)는 0 또는 플러스값이 되고, 체결력이 발휘되고 있는 상태를 나타내고 있다. 또한, XT2＜0은, 압출시의 다이스 온도(T2)에 있어서도 느슨함이 있어서 맨드릴 링(35)이 심봉(32)에 고정되어 있지 않은 상태를 나타내고 있다.
상기 조임도(XT2)가 커질수록 체결력도 강해져, 맨드릴 링(35)이 확실하게 고정되어 빠지기 어려워지지만, 상술한 바와 같이 체결력이 과도하게 커지면 맨드릴 링(35)이 파손될 우려가 있다. 또한, 압출시에는 재료 흐름에 의해 압출 방향의 힘도 가해진다. 이들을 감안하면, 상기 조임도(XT2)는 0.3% 이하가 바람직하다. 상기 조임도(XT2)가 0 또는 플러스값인 한 하한값은 규정되지 않지만, 확실하게 고정하기 위하여 0.05% 이상이 바람직하다. 특히 바람직한 조임도(XT2)는 0.15 내지 0.25%이다. 또한, 조임도(XT2)의 적정 범위는, 심봉(32) 및 맨드릴 링(35)의 재질, 맨드릴 링(35)의 두께 등에 따라 상이하다.
따라서, 상온(T1)시에 간극(S1)이 최소가 되고 압출시의 다이스 온도(T2)시에 체결력이 최대가 되는 부분에 있어서, 고온(T2)시의 조임도(XT2)가 0 내지 0.3%가 되도록 심봉(32)의 외경(AT1) 및 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)을 설정하면 된다. 그 밖의 부분에 있어서의 조임도는, 상온(T1)시의 간극(S1)의 크기에 따른 값이 된다.
또한, 상온(T1)시의 조임도(XT1)는 마이너스값인 한 한정되지 않는다. 심봉(32)의 외경(AT1)이 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)보다도 작으므로, 이들 조립 작업은 용이하다. 압출 다이스는, 압출이 끝나고 상온(T1)으로 냉각되면 상온(T1)시의 조임도(XT1)로 복귀되어 느슨함이 발생하므로, 심봉(32)으로부터 맨드릴 링(35)을 제거할 수 있다. 따라서, 마모한 맨드릴 링의 제거, 새로운 맨드릴 링의 설치와 같은 유지 보수를 용이하게 행할 수 있다.
또한, 도 5a 내지 도 5c는 직경 방향의 열팽창을 설명하기 위한 모식도이며, 압출 축방향의 열팽창은 나타내어져 있지 않다.
〔맨드릴 링의 압출 축방향에 있어서의 고정〕
상기 실시 형태의 맨드릴(30)에 있어서는, 심봉(32)의 선단에, 맨드릴 링(35)의 내경보다도 직경이 큰 너트(37)가 착탈 가능하게 설치되어 있다. 고온(T2)시의 맨드릴 링(35)은 심봉(32)에 의해 직경 방향으로 체결되어 고정되지만, 압출 중에는 재료의 흐름에 의해 하류측으로의 힘이 가해진다. 따라서, 상기 맨드릴(30)에 있어서는, 너트(37)를 설치함으로써 맨드릴 링(35)의 탈락을 확실하게 막아, 고정 안정성을 높이고 있다. 또한, 너트(37)를 설치하여 압출 축방향의 구속력을 가함으로써, 심봉(32)의 팽창력에 의한 체결만으로 고정하는 경우보다도, 조임도(XT2)를 작게 할 수 있으므로, 조임도(XT2)의 증대에 의한 맨드릴 링(35)의 파손의 위험성을 피할 수 있다.
또한, 너트(37)를 설치하는 맨드릴(30)에 있어서는, 심봉(32) 및 맨드릴 링(35)의 압출 축방향에 있어서의 치수에도 상온(T1)시에 차를 마련해 두고, 고온(T2)시에 너트(37)가 맨드릴 링(35)에 접촉하여, 맨드릴 링(35)이 너트(37)에 의해 확실하게 구속되도록 하는 것이 바람직하다.
도 6a 및 도 6b는, 심봉(32) 및 맨드릴 링(35)의 압출 축방향에 있어서의 바람직한 치수 관계를 나타내고 있다. 도 6a에 나타내는 상온(T1)시에 있어서, 심봉(32)의 길이는 맨드릴 링(35)의 길이보다도 짧고, 볼트부(34)에 나사 결합시킨 너트(37)는 맨드릴 링(35)을 체결하고 있다. 심봉(32)에는, 심봉(32)과 너트(37) 사이의 간극(S2)에 따른 인장력이 부여되어, 맨드릴 링(35)은 압출 축방향에 구속되어 있다. 도 6b는, 도 6a의 압출시의 다이스 온도(T2)시의 상태를 도시하는 도면이며, 심봉(32) 및 맨드릴 링(35)이 각각에 팽창한 상태를 나타내고 있다. 심봉(32)의 열팽창 계수(α1)와 맨드릴 링(35)의 기재(61)의 열팽창 계수(α2)는 α1＞α2의 관계에 있으므로, 심봉(32)의 치수 확대량이 맨드릴 링(35)의 치수 확대량을 상회하고, 상기 간극(S2)은 감소 방향으로 변화한다. 이 간극(S2)의 감소에 의해, 심봉(32)에 부여되는 인장력은 감소하고, 맨드릴 링(35)에 대한 체결력은 감소하지만, 간극(S2)이 있는 한계까지가 너트(37)에 의한 억제가 발휘되고 있으므로, 맨드릴 링(35)이 압출 축방향에 어긋나는 일은 없다. 즉, 맨드릴 링(35)은 직경 방향과 압출 축방향의 양방향에 구속되어 고정되어 있다. 이와 같이, 압출 축방향의 구속이 가해짐으로써, 상술한 직경 방향의 조임도(XT2)를 작게 해도, 맨드릴 링(35)의 고정 안정성을 유지할 수 있다. 나아가서는, 맨드릴 링(35)에 부여되는 둘레 방향의 인장력을 경감하여, 조임도(XT2)의 증대에 의한 파손을 피할 수 있다.
이에 대하여, 도 7a는, 상온(T1)에 있어서 심봉(32)과 맨드릴 링(35)의 길이가 동일하고, 심봉(32)과 너트(37) 사이에 간극(S2)이 없는 상태를 나타내고 있다. 도 7b는, 도 7a의 압출시의 다이스 온도(T2)에 있어서의 상태를 도시하는 도면이며, 열팽창에 의해 심봉(32)이 맨드릴 링(35)보다도 길어져, 맨드릴 링(35)과 너트(37) 사이에 간극(S3)이 발생하고 있다. 이와 같은 상태에서는, 맨드릴 링(35)에 대하여 너트(37)에 의한 억제가 발휘되지 않게 되고, 압출 축방향의 고정 안정성이 저하된다. 또한, 이와 같은 상태에서 맨드릴 링(35)의 어긋남을 확실하게 저지하기 위해서는, 직경 방향의 조임도(XT2)를 충분히 크게 할 필요가 있으므로, 맨드릴 링(35)이 파손될 가능성도 증대한다.
또한, 도 6a 및 도 6b에서는 상온(T1)시에 심봉(32)이 맨드릴 링(35)보다 짧은 경우를 나타냈지만, 그 차가 작아 압출시의 다이스 온도(T2)시에 길이가 역전하여 심봉(32)이 맨드릴 링(35)보다도 길어지면, 도 7b와 같이 너트(37)에 의한 억제가 발휘되지 않게 된다.
이상에서, 압출시의 다이스 온도(T2)에 있어서 맨드릴 링(35)에 너트(37)에 의한 체결력이 작용하도록, 상온(T1)시의 심봉(32) 및 맨드릴 링(35)의 압출 축방향의 치수를 설정해 두는 것이 바람직하다. 다이스의 온도 상승에 수반하여, 맨드릴 링(35)과 너트(37)는 느슨해지는 방향으로 변화하므로, 압출시의 다이스 온도(T2)시에 너트(37)에 의한 체결력을 확실하게 발휘시키기 위해서는, 적어도 상온(T1)시에 너트(37)가 맨드릴 링(35)을 체결하고 있을 필요가 있다.
〔맨드릴 링의 둘레 방향에 있어서의 위치 결정〕
맨드릴에 있어서는, 심봉 및 맨드릴 링의 구멍의 단면 형상을 비원형으로 형성함으로써, 맨드릴 링의 둘레 방향의 회동을 저지할 수 있다. 이에 의해, 둘레 방향의 어긋남이 없어져 고정 안정성을 높임과 함께, 맨드릴 링의 위치 결정을 행할 수 있다. 특히, 압출재의 중공부의 형상이 원 이외인 경우에는, 둘레 방향의 위치 결정이 필요해지므로, 적용 의의가 크다.
도 8a 내지 도 8c는 원형 이외의 형상예이다. 도 8a의 심봉(40)은 단면 형상이 다각형(도시예는 육각형)이며, 다각형의 구멍을 갖는 맨드릴 링(41)이 외부 끼움되어 있다. 도 8b의 심봉(42)은 단면에 있어서의 윤곽선의 일부가 직선(43)으로 형성되고, 맨드릴 링(44)에는 심봉(42)의 단면 형상에 대응하는 구멍이 형성되어 있다. 도 8c는, 심봉(45)의 외주면 및 맨드릴 링(46)의 내주면에 반원형의 오목부(47)(48)가 형성되고, 이들 오목부(47)(48)의 위치를 맞추어 형성되는 원형 구멍에 핀(49)을 때려 넣은 것이다.
〔맨드릴 링에 있어서의 베어링부의 위치〕
도 1 내지 도 7b의 맨드릴 링(35)은, 축선 방향의 중앙에 베어링부(36)를 형성하고, 베어링부(36)의 상류측 및 하류측에 릴리프부(39a)(39b)를 설치함으로써 맨드릴 링(35)의 강도를 확보하고 있다. 본 발명에 있어서의 맨드릴 링은, 베어링부의 위치를 상기 예에 한정하는 것은 아니며, 또한 릴리프부의 유무도 관계없다. 베어링부는 적절히 변경할 수 있다. 이하에, 축선 방향에 있어서의 베어링부의 위치의 예를 나타낸다.
도 9a의 맨드릴 링(50)은, 축선 방향의 전역이 베어링부(36)이며, 릴리프부가 없다. 베어링부(36)만으로 강도를 확보할 수 있는 경우에는 반드시 릴리프부를 필요로 하지 않는다. 이러한 형상의 맨드릴 링(50)은 대형재의 압출에 적합하다. 또한, 릴리프부를 형성하지 않음으로써 맨드릴 링의 제작 비용을 저감시킬 수 있다.
도 9b의 맨드릴 링(52)은, 도 1 내지 도 7b의 맨드릴 링(35)과 축선 방향의 길이가 동일하지만, 베어링부(36)를 축선 방향의 중앙보다도 하류측에 근접시킨 것이다. 상기 맨드릴 링(35)과 비교하면, 상류측 릴리프부(39a)가 길고, 하류측 릴리프부(39b)가 짧게 되어 있다. 또한, 도 9c의 맨드릴 링(54)도 또한 도 1 내지 도 7b의 맨드릴 링(35)과 축선 방향의 길이가 동일하지만, 하류측에 릴리프부를 설치하지 않고 하류측 단부에 베어링부(36)를 설치한 것이다. 이들 맨드릴 링(52)(54)은, 베어링부(36)가 도 1 내지 도 7b의 맨드릴 링(35)보다도 하류측에 근접해 있으므로, 베어링부(36)의 하류 단부로부터 너트(37)의 하류측 단부면, 즉 맨드릴의 선단까지의 거리(P)가 짧아져, 암형(11)의 베어링 구멍(12) 내로의 맨드릴의 돌출량(P)이 작아진다. 베어링 구멍(12) 내로의 맨드릴의 돌출량(P)을 작게 함으로써, 다이스의 조립시 및 해체시에 맨드릴이 암형의 베어링부에 접촉할 위험성을 피할 수 있다.
또한, 본 발명은 베어링부의 위치를 하류측에 근접하는 데 한정하는 것이 아니며, 도 9d에 도시한 바와 같이, 베어링부(36)를 상류측에 근접시킨 맨드릴 링(56)도 본 발명에 포함된다.
〔맨드릴 링의 표면 처리〕
본 발명에 있어서, 상술한 맨드릴 링의 특성을 장기간 유지하기 위한 수단으로서, 맨드릴 링을 구성하는 기재의 표면에 내알칼리 피막을 형성하여 기재를 보호하는 것을 권장한다.
압출 후의 다이스에는 압출재가 부착되어 있으므로, 압출 후의 다이스 유지 보수에 있어서 가성 소다 등의 강알칼리액으로 다이스를 세정한다. 이때, 표 1에 나타내는 맨드릴 링의 기재의 재료 중에는, 바인더로서 함유하는 성분이 용해되어 탈락하는 것이 있다. 예를 들어 WC-Co에서는 바인더의 Co가 강알칼리액에 의해 선택적으로 부식ㆍ용해되고, Co의 탈락에 의해 표면 강도가 저하되어 마모된 상태가 된다. 이러한 현상에 대하여, 본 발명에서는 기재의 표면에 경질이며 내마모성을 갖는 내알칼리 피막을 형성하여 기재를 보호한다. 상기 내알칼리 피막은, 기재 표면에 있어서의 함유 성분의 용해를 방지하여 기재의 마모를 방지한다. 또한, 내알칼리 피막은 고경도이며 내마모성을 갖고 있으므로, 압출에 의한 피막 자체의 마모가 방지되어 용해 방지 효과를 장기간 유지할 수 있다.
도 10a 내지 도 10d에 나타낸 맨드릴은, 도 1 내지 도 7b의 맨드릴(30)과 마찬가지로 축선 방향의 중앙에 베어링부(36)를 갖는 맨드릴 링(60)(64)(66)(68)을 구비하고 있지만, 맨드릴 링이 기재(61)의 표면에 내알칼리 피막(62)을 갖고 있는 것이 상이하다. 또한, 도 10e에 나타낸 맨드릴은, 맨드릴 링(64)이 기재(61)의 표면에 내알칼리 피막(62)을 갖고 있는 것 및 너트(37)의 형상이 상이하다. 또한, 도 10a 내지 도 10e에 있어서, 도 1 내지 도 7b와 공통 부호는 동일한 것을 나타내는 것으로서 중복되는 설명을 생략한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 맨드릴 링은 심봉과의 열팽창 계수의 차를 이용하여 압출시의 다이스 온도에 있어서 심봉에 고정되고, 또한 적정한 조임도(XT2)가 설정되므로, 맨드릴 링의 내경(BT1)은 상기 내알칼리 피막(62)의 두께를 포함하는 치수로서 설정된다.
도 10a의 맨드릴 링(60)은, 기재(61)의 외주면(61a), 내주면(61b), 상류측 단부면(61c), 하류측 단부면(61d)의 모든 면에 내알칼리 피막(62)을 형성한 것이다.
내알칼리 피막(62)은, 내알칼리성 및 내마모성을 갖는 한 그 종류는 한정되지 않고, 표 2에 기재한 피막을 예시할 수 있다. 상기 내알칼리 피막(62)은, 기재(61)보다도 높은 경도를 갖고 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 초경 합금(WC-Co)의 HRA 경도는 85 정도(HV 경도에서 900)이며, 내알칼리 피막(62)의 바람직한 HV 경도는 900 이상, 특히 바람직하게는 1800 이상이다. 기재(61)보다도 고경도인 내알칼리 피막(62)을 형성함으로써, 맨드릴 링(35)의 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있다. 표 2에 기재한 피막은 모두 HV 경도가 1800 이상이다. 내알칼리 피막(62)의 두께도 한정되지 않지만, 충분한 상기 효과를 얻기 위해서는 1㎛ 이상인 것이 바람직하다. 특히 바람직한 두께는 2 내지 8㎛이다. 상기 내알칼리 피막(62)은, 소정 형상으로 성형한 기재(61)에 대하여, CVD, PVD 등의 주지의 표면 처리를 실시함으로써 형성할 수 있다.
또한, 맨드릴 링(60)에 있어서, 압출시의 다이스 온도(T2)와 상온(T1)의 상태가 반복됨으로써, 기재(61)는 팽창과 수축을 반복하게 되지만, 상기한 내알칼리 피막(62)의 두께이면 그 피막에 균열을 발생시키지 않고, 균열된 부분으로부터의 알칼리 세정액에 의한 용해는 발생하지 않는다.
Figure 112011051319881-pct00010
상기 맨드릴 링(60)에 있어서, 상기 내알칼리 피막(62)은 압출 재료가 부착되는 외주면(61a)뿐만 아니라, 내마모성이 요구되지 않는 내주면(61b) 및 단부면(61c)(61d)에도 형성되어 있는 이유는 이하와 같다. 세정시의 다이스 온도는 상온(T1) 또는 압출시의 온도(T2)보다도 저하되어 있으므로, 심봉(32) 및 맨드릴 링(60)은 각각에 수축하여 조임도가 느슨해져, 양자간에는 간극(S1)이 발생하고 있다. 그리고, 세정액은 심봉(32)의 볼트부(34)와 너트(37)의 나사 결합부로부터 이 간극(S1)에도 인입할 우려가 있고, 맨드릴 링(60)의 내주면(61b)도 세정액에 접촉할 가능성이 있다. 맨드릴 링(60)의 내주면(61b)이 용해되어 내경이 확대되면, 맨드릴 링(60)의 직경 방향에 있어서의 고정 안정성이 저하되고, 나아가서는 압출 안정성이 저하되는 원인으로 된다. 이로 인해, 조임도의 느슨함에 의해 세정액이 접촉할 우려가 있는 내주면(61b)에도 내알칼리 피막(62)이 형성되어 있다.
또한, 본 실시 형태와 같이 맨드릴 링이 축선 방향에 있어서 하류측으로부터 너트 등의 억제 부재에 의해 구속되어 있는 경우는, 맨드릴 링(60)의 양단부면(61c)(61d)은 다이스 기반(31)의 단차부(33)와 너트(37)에 강하게 가압되어 있으므로, 이들 이음매로부터 세정액이 인입할 가능성은 매우 낮고, 압출 안정성에 악영향을 미치는 세정액의 침입은 일어나지 않는다. 게다가, 〔맨드릴 링의 압출 축방향에 있어서의 고정〕의 항에서 설명한 바와 같이, 압출시의 다이스 온도(T2)로 상승하였을 때에, 열팽창 계수의 차에 의해 축선 방향에 있어서 맨드릴 링(60)이 느슨해지지 않도록, 상온(T1)시는 고온(T2)시보다도 너트(37)가 맨드릴 링(60)을 강하게 체결하고 있으므로, 맨드릴 링(60)의 단부면(61c)(61d)을 통하여 세정액이 침입할 가능성은 한층 더 낮아진다.
따라서, 상온(T1)시의 상태를 감안하면, 도 10b에 나타내는 맨드릴 링(64)과 같이, 기재(61)의 외주면(61a) 및 내주면(61b)에 내알칼리 피막(62)이 형성되어 있으면, 양단부면(61c)(61d)에 내알칼리 피막(62)이 형성되어 있지 않아도, 세정액이 내주면(61b)에 접촉할 가능성은 매우 낮아, 맨드릴 링(64)의 고정 안정성을 저하시키지 않는다.
도 10a의 맨드릴 링(60) 및 도 10b의 맨드릴 링(64)은, 그 릴리프 직경이 너트(37)의 플랜지(37a)의 직경보다도 크고, 하류측 단부면(61d)의 외측 가장자리부가 플랜지(37a)로부터 밀려나오고 있으므로 세정액이 접촉한다. 따라서, 하류측 단부면(61d)이 내알칼리 피막으로 덮여 있지 않은 도 10b의 맨드릴 링(64)에서는, 하류측 단부면(61d)의 외측 가장자리부가 세정액에 접촉하여 기재(61)에 용해가 발생한다. 그러나, 하류측 단부면의 외측 가장자리부가 세정시에 용해되었다고 해도, 그 용해에 의해 발생하는 정도의 치수 변화에 의해 맨드릴 링의 고정 안정성이 저하되는 일은 없으므로, 단부면의 내알칼리 피막은 필수 요건은 아니다.
따라서, 상기 구조의 맨드릴에 있어서는, 맨드릴 링의 기재의 외주면 및 내주면에 내알칼리 피막이 형성되어 있으면 충분하고, 양단부면에 내알칼리 피막이 형성되어 있지 않은 맨드릴 링을 사용한 경우도, 세정에 의해 고정 안정성이 손상되는 일이 없어, 안정된 압출을 반복해서 행할 수 있다.
또한, 본 발명은, 맨드릴 링 단부면의 내알칼리 피막을 배제하는 것은 아니며, 도 10a에 나타낸 기재(61)의 전체 표면에 내알칼리 피막(62)을 형성한 맨드릴 링(60), 도 10c 및 도 10d에 도시한 바와 같이 기재(61)의 상류측 단부면(61c) 및 하류측 단부면(61d) 중 어느 한쪽에만 내알칼리 피막(62)을 형성한 맨드릴 링(66)(68)도 본 발명에 포함된다.
또한, 맨드릴 링의 하류측 단부면은 용해되어도 고정 안정성에 악영향을 미치지 않는다고 하더라도, 맨드릴 링의 수명을 가급적 길게 하는 데 있어서, 하류측 단부면의 외측 가장자리부가 용해되는 것보다도 용해되지 않는 쪽이 바람직한 것은 명백하다. 맨드릴 링의 하류측 단부면을 세정액에 접촉시키지 않는 방법으로서는, 도 10e와 같이 너트(37)의 플랜지(37b)의 직경을 확대하여 맨드릴 링(64)의 릴리프 직경과 동일 치수로 하고, 플랜지(37b)로 기재(61)의 하류측 단부면(61d)을 덮는 구조를 권장할 수 있다. 또한, 도 10a 및 도 10c의 맨드릴(60)(66)과 같이, 기재(61)의 하류측 단부면(61d)에 내알칼리 피막(62)을 형성하여 기재(61)를 보호하는 것도 바람직하다.
또한, 세정액이 맨드릴 링의 내주면에 접촉하지 않는 경우에는, 내주면에 내알칼리 피막을 형성하지 않는 것도 선택할 수 있다. 예를 들어, 도 11의 맨드릴(70)은 심봉(71)이 기반부의 받침대(24)에 대하여 착탈 가능하게 이루어지고, 맨드릴 링(78)을 심봉(71)의 본체부(72)의 상류측으로부터 끼우는 구조이다. 도면 중 (72a)는 본체부의 외주면이다. 이와 같은 구조에 있어서는, 본체부(72)의 상류측 단부에 나사부를 형성하고, 받침대(24)에의 나사의 체결 상태에 따라 헤드부(74)에 의한 맨드릴 링(78)에의 구속력을 조절할 수 있으므로, 헤드부(74)를 본체부(72)로부터 제거할 필요가 없고, 헤드부(74)는 본체부(72)로부터 연속해서 일체로 형성되어 있다. 상기 심봉(71)에는, 도 10a 내지 도 10d에 있어서의 너트(37)에 대응하는 헤드부(74)에 나사 결합부가 존재하지 않으므로, 하류측으로부터 간극(S1)에의 세정액의 침입은 없다. 또한, 기재(61)의 양단부면(61c)(61d)은 받침대(24)와 헤드부(74)의 플랜지(77)에 의해 강하게 가압되어 있으므로, 도 10a 내지 도 10d의 맨드릴과 마찬가지로, 기재(61)의 양단부면(61c)(61d)으로부터 세정액이 침입하는 일도 없다. 따라서, 맨드릴 링(78)의 내주면이 세정액에 접촉하지 않는다. 따라서, 심봉의 선단측(하류측)으로부터 세정액이 침입하지 않는 맨드릴 구조에 있어서는, 도 11에 도시한 바와 같이, 기재(61)의 외주면(61a)에만 내알칼리 피막(62)을 형성하고, 상류측 단부면(61c), 하류측 단부면(61d) 및 내주면(61b)에 내알칼리 피막(62)을 형성하지 않는 맨드릴 링(78)을 사용해도 내알칼리 피막에 의한 효과를 얻을 수 있다.
이상으로부터, 맨드릴 링은 기재의 적어도 외주면에 내알칼리 피막이 형성되어 있으면, 내알칼리 피막에 의한 기재 보호 효과를 얻어 맨드릴 링의 수명을 연장시키는 것이 가능하고, 그 밖의 면에 있어서는 맨드릴의 구조에 따라서 피막을 형성함으로써 기재에 대한 보호 효과를 한층 더 높일 수 있다.
맨드릴 링에 있어서, 기재의 일부의 면에 내알칼리 피막을 형성하지 않는 것에 의한 장점은, 내알칼리 피막 형성을 위한 표면 처리의 비용을 저감시킬 수 있는 것이다. 표면 처리 방법으로서 앞서 예시한 CVD 및 PVD에서는, 전체 표면에 피막을 형성하는 처리와 일부의 면에 피막을 형성하지 않는 처리에서 처리 비용에 차가 있으므로, 비용면에서 유리하다. 단, 맨드릴 링의 고정 안정성에 악영향을 미치지 않는 면에 내알칼리 피막이 존재하고 있어도 전혀 문제는 없으므로, 기재에 대한 보호 효과를 한층 더 높이거나, 혹은 본의 아닌 세정액의 접촉이나 맨드릴의 분해 세정 등에 구비하여 단부면이나 내주면에 내알칼리 피막을 형성하는 것은, 반드시 불필요하다고는 할 수 없다.
상술한 바와 같이, 상온시에 심봉과 맨드릴 링 사이에 간극이 있으므로, 맨드릴 링의 심봉에의 착탈이 용이하여, 맨드릴 링의 교환 등의 유지 보수를 간단하게 행할 수 있다. 그리고, 심봉으로부터 제거한 맨드릴 링에 대하여 내알칼리 피막을 재형성하는 것도 가능하므로, 내알칼리 피막에 의한 기재의 보호 효과와 내알칼리 피막의 재형성에 의해, 맨드릴 링의 강도를 장기간 유지하여 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명의 압출 다이스는, 폐쇄된 중공부를 갖는 중공재의 압출 뿐만 아니라, 중공부의 일부가 개구된 반중공재의 압출에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 압출 다이스를 사용하여 성형하는 재료는 금속인 한 전혀 한정되지 않고, 알루미늄, 구리, 철 및 이들의 합금을 예시할 수 있다.
<실시예>
〔시험 1〕
도 1 내지 도 3에 나타내는 포트홀 다이스(10)에 있어서, 수형(20)의 맨드릴(30)의 심봉(32)을 포함하는 부분을 공구강(SKD61)으로 제작하고, 맨드릴 링(35)을 초경 합금(WC-Co)으로 제작하고, 고온으로 가열하여 맨드릴 링(35)의 고정 상태를 조사하였다.
도 12에 도시한 바와 같이, 심봉(32)은, 외경(D2)이 18㎜, 21㎜, 24㎜의 3종류를 준비하고, 맨드릴 링(35)은 베어링부(36)의 외경(D3)이 30㎜이고, 3종류의 심봉(32)의 외경(D2)에 대응하는 구멍을 갖는 것을 조합하는 것으로 하였다.
가열 시험은, 상온(T1)을 20℃, 고온(T2)시의 온도를 압출시의 다이스 온도에 상당하는 550℃로 하였다. 표 1에 기재한 열팽창 계수보다, 심봉(32)의 열팽창 계수(α1)는 13×10-6/℃이고, 맨드릴 링(35)의 열팽창 계수(α2)는 7×10-6/℃이다. 3종류의 외경(D2)의 심봉(32)과 맨드릴 링(35)의 조합에 있어서, 고온(T2)시의 조임도(XT2)가 표 2에 나타내는 7단계의 범위의 값이 되도록, 상온(T1)시의 심봉(32)의 외경(AT1) 및 맨드릴 링(35)의 내경(BT1)을 미세 조정하였다. 이에 의해, 21종류의 맨드릴(30)을 갖는 수형(20)을 준비하였다.
상기 맨드릴(30)은, 상온(T1)에서 심봉(32)에 맨드릴 링(35)을 외부 끼움하여 조립한 후 550℃(T2)로 가열하였다. 그리고, 고온(T2) 상태에 있어서의 맨드릴 링(35)의 고정 상태에 대하여 관찰하고, 하기의 기준에서 평가하였다. 평가 결과를 표 3에 나타낸다.
××: 심봉과 맨드릴 링이 느슨하게 되어 있어 고정되어 있지 않다.
○: 맨드릴 링은 심봉에 고정된다. 또한, 압출재는 「◎」보다도 두께의 편차가 크다.
◎: 맨드릴 링은 「○」보다도 심봉에 확실하게 고정되고, 압출재의 두께의 편차도 작다.
×: 맨드릴 링이 파손되었다.
Figure 112011051319881-pct00011
표 3으로부터, 고온시에 적당한 조임도(XT2)가 됨으로써, 심봉(32)에 맨드릴 링(35)이 안정되게 고정되는 것을 확인하였다.
〔시험 2〕
시험 1에서 사용한 21종류의 수형 중, 심봉(32)의 외경(D2)이 21㎜이고, 고온시의 조임도(XT2)가 -0.05≤XT2＜0, 0.05≤XT2＜0.10, 0.20≤XT2＜0.25인 3종류에 대하여, 암형(11)과 조합한 포트홀 다이스(10)에 의해 압출 시험을 행하고, 압출된 중공의 압출재(1)의 두께의 편차를 조사하였다.
압출 재료는 직경 160㎜×길이 500㎜의 A3003 알루미늄 합금 빌렛이며, 압출재(1)는, 외경 35㎜, 내경 30㎜의 원통관이다. 그리고, 압출시의 다이스 온도가 550℃가 되도록 조절하고, 각 다이스에 대하여 12개의 빌렛을 압박하여 이으면서 압출을 행하였다. 그리고, 압출재(1)에 있어서의 각 빌렛의 선단부와 후단부에 대응하는 부분의 두께의 편차값을 조사하였다. 두께의 편차값이라 함은, 원통관의 두께에 있어서의 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 차이다. 각 포트홀 다이스(10)에 의한 두께의 편차값을 표 4에 나타낸다.
Figure 112011051319881-pct00012
표 4로부터, 조임도(XT2)를 0% 이상으로 함으로써 두께의 편차를 억제할 수 있고, 또한 조임도(XT2)를 크게 설정함으로써 두께의 편차값을 작게 할 수 있는 것을 확인하였다.
본원은, 2009년 1월 6일에 출원된 일본 특허 출원의 특허 출원 제2009-739호의 우선권 주장을 수반하는 것이며, 그 개시 내용은 그대로 본원의 일부를 구성하는 것이다.
여기에 사용된 용어 및 표현은, 설명을 위하여 사용된 것이며 한정적으로 해석하기 위하여 사용된 것은 아니고, 여기에 개시되고 또한 설명된 특징 사항이 어떠한 균등물도 배제하는 것은 아니며, 본 발명의 청구된 범위 내에 있어서의 각종 변형도 허용되는 것이라고 인식되어야만 한다.
<산업상 이용가능성>
본 발명의 압출 다이스는, 중공부 또는 반중공부를 갖는 각종 압출재의 제조에 이용할 수 있다.
1: 압출재
10: 포트홀 다이스
11: 암형
20: 수형(압출 다이스)
21: 다이스 기반
30, 70: 맨드릴
32: 심봉
32a, 72a: 심봉의 외주면
35, 50, 52, 54, 56, 60, 64, 66, 68, 78: 맨드릴 링
35a: 맨드릴 링의 내주면
36: 베어링부
37: 너트(억제 부재)
39a, 39b: 릴리프부
61: 기재
61a: 기재의 외주면
61b: 기재의 내주면
62: 내알칼리 피막
72: 심봉의 본체부(심봉)

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 압출재의 내면을 성형하는 맨드릴이, 심봉과, 상기 심봉에 외부 끼움되는 맨드릴 링을 갖고,
    상기 맨드릴 링은, 기재가 심봉보다도 열팽창 계수가 작은 재료로 이루어지는 재료로 구성되고,
    상기 심봉의 외주면 및 맨드릴 링의 내주면이, 맨드릴 링을 심봉에 외부 끼움한 상태에 있어서, 상온시에 양자간에 간극이 있고, 압출시의 다이스 온도시에, 맨드릴의 축선 방향의 적어도 일부에 있어서 그 간극이 없어져 양자가 접촉하도록 설정되며,
    상온(T1)시의 간극이 최소가 되는 부분에 있어서, 압출시의 다이스 온도(T2)에 있어서의 심봉과 맨드릴 링의 조임도(XT2)가 하기 수학식으로 나타내어질 때, 상온(T1)시에 있어서의 상기 심봉의 외경(AT1) 및 맨드릴 링의 내경(BT1)이 상기 조임도(XT2)가 0 내지 0.3%가 되도록 설정되어 있는 압출 다이스.
    Figure 112013012841880-pct00014

    단, α1: 심봉을 구성하는 재료의 열팽창 계수
    α2: 맨드릴 링의 기재를 구성하는 재료의 열팽창 계수(α1＞α2)
    T1: 상온
    T2: 압출시의 다이스 온도(＞T1)
    AT1: 상온(T1)시의 심봉의 외경
    BT1: 상온(T1)시의 맨드릴 링의 내경(＞AT1)
  4. 제3항에 있어서, 상기 심봉의 선단에 맨드릴 링의 탈락을 방지하는 억제 부재가 착탈 가능하게 설치되는 압출 다이스.
  5. 제3항에 있어서, 상기 심봉의 단면 형상이 비원형인 압출 다이스.
  6. 제3항에 있어서, 상기 심봉이 중실인 압출 다이스.
  7. 제3항에 있어서, 상기 맨드릴 링은 초경 재료로 이루어지는 압출 다이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 맨드릴 링은 세라믹 재료로 이루어지는 압출 다이스.
  9. 제3항에 있어서, 상기 맨드릴 링은 베어링부의 상류측 및 하류측 중 적어도 한쪽에 릴리프부를 갖는 압출 다이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 맨드릴 링은 축선 방향의 중앙보다도 하류측에 베어링부가 형성되어 있는 압출 다이스.
  11. 제3항에 있어서, 상기 맨드릴 링은 축선 방향의 전역이 베어링부로 이루어져 있는 압출 다이스.
  12. 제3항에 있어서, 상기 맨드릴 링은, 상기 기재의 적어도 외주면에 경질인 내알칼리 피막이 형성되어 이루어지는 압출 다이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 맨드릴 링은, 기재의 외주면 및 내주면에만 내알칼리 피막이 형성되어 이루어지는 압출 다이스.
  14. 압출재의 내면을 성형하는 맨드릴이, 심봉과, 상기 심봉에 외부 끼움되는 맨드릴 링을 갖고, 상기 맨드릴 링은, 기재가 심봉보다도 열팽창 계수가 작은 재료로 이루어지는 재료로 구성된 압출 다이스를 사용하고,
    상온(T1)시의 간극이 최소가 되는 부분에 있어서, 하기 수학식으로 나타내어지는 심봉과 맨드릴 링의 조임도(XT2)가 0 내지 0.3%가 되는 다이스 온도(T2)로 압출하는 것을 특징으로 하는 압출 방법.
    Figure 112013012841880-pct00015

    단, α1: 심봉을 구성하는 재료의 열팽창 계수
    α2: 맨드릴 링의 기재를 구성하는 재료의 열팽창 계수(α1＞α2)
    T1: 상온
    T2: 압출시의 다이스 온도(＞T1)
    AT1: 상온(T1)시의 심봉의 외경
    BT1: 상온(T1)시의 맨드릴 링의 내경(＞AT1)
  15. 제14항에 있어서, 상기 압출 다이스의 맨드릴 링은, 상기 기재의 적어도 외주면에 경질인 내알칼리 피막이 형성되어 이루어지고, 압출 후의 다이스 유지 보수에 있어서 알칼리세정을 행하는 압출 방법.
  16. 압출재의 내면을 성형하는 맨드릴이, 심봉과, 상기 심봉에 외부 끼움되는 맨드릴 링을 갖고, 상기 맨드릴 링은, 기재가 심봉보다도 열팽창 계수가 작은 재료로 이루어지는 재료로 구성된 압출 다이스를 사용하고,
    상온(T1)시의 간극이 최소가 되는 부분에 있어서, 하기 수학식으로 나타내어지는 심봉과 맨드릴 링의 조임도(XT2)가 0 내지 0.3%가 되는 다이스 온도(T2)에서 압출하는 것을 특징으로 하는, 압출재의 제조 방법.
    Figure 112013012841880-pct00016

    단, α1: 심봉을 구성하는 재료의 열팽창 계수
    α2: 맨드릴 링의 기재를 구성하는 재료의 열팽창 계수(α1＞α2)
    T1: 상온
    T2: 압출시의 다이스 온도(＞T1)
    AT1: 상온(T1)시의 심봉의 외경
    BT1: 상온(T1)시의 맨드릴 링의 내경(＞AT1)
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