(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材を押出す押出し部と、
押出された素材と対向して配置され、押出された素材に中空を形成するマンドレルと、
を備え、
押出し部とマンドレルとは、押出された素材を屈曲させてせん断変形させるせん断変形加工路を設けて配置され、
押出された素材をせん断変形加工路に通してせん断変形させることにより、組織制御された中空材を製造する中空材の製造装置であって、
押出し部とマンドレルとは、各々複数の段を含み、せん断変形加工路が複数の屈曲を有するように配置されることを特徴とする中空材の製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の中空材の製造装置であって、
マンドレルを回転させるマンドレル回転手段を有することを特徴とする中空材の製造装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の中空材の製造装置により中空材を製造することを特徴とする中空材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空材の製造装置及び中空材の製造方法に係り、特に、素材を押出す押出し部と、押出された素材と対向して配置され、押出された素材に中空を形成するマンドレルとを備え、押出し部とマンドレルとは、押出された素材を屈曲させてせん断変形させるせん断変形加工路を設けて配置され、押出された素材をせん断変形加工路に通してせん断変形させることにより、組織制御された中空材を製造する中空材の製造装置及び中空材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金やマグネシウム合金等の軽金属材料等を用いて製造される管材（パイプ)等の中空材は、例えば、押出し加工等により製造される。そして、押出し加工により中空材を製造する中空材の製造装置は、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の素材（ビュレット)を押出す押出し部と、押出された素材に中空を形成するためのマンドレルとを備えている。マンドレルは、圧延ロールまたはダイス等と押出された素材をせん断変形させてせん断歪を付与するせん断変形加工路を設けて配置される。そして、押出された素材を、せん断変形加工路に通してせん断変形させる強ひずみ加工により、結晶粒の微細化された中空材が製造される。
【０００３】
特許文献１には、円錐台状部及びこの円錐台状部の周囲との間に鈍角をなして連なる大径軸部を備えるマンドレル、大径軸部と間に管素材通路を形成して配置されたリング形ダイ、及び円錐台状部の周囲との間に管素材通路に連通する加工通路を形成して配置された略鼓状をなす複数の加工ロールとを備える加工部と、この加工部に対して金属製管素材を軸方向に押込む押込み部とを具備した組織制御装置が示されている。そして、特許文献１には、この組織制御装置に管素材を往復させて通しながら、この管素材に鈍角部分でＥＣＡＰ（Ｅｑｕａｌ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ａｎｇｕｌａｒ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）法によるせん断変形を連続的に与えることにより、管素材の少なくとも管径を変化させる強ひずみ加工を管素材に繰返し施すことが示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ＥＣＡＰ法とは、例えば、直角などのある角度を有する曲がった流路（ダイキャビティ）を利用した高せん断歪み付加プロセスであり、直角又は傾斜したダイキャビティに凝固材を供給して押出し−引抜きを行うことで角度部において高いせん断歪みを付与するように被加工材を塑性加工する方法であり、強加工により結晶粒の微細化が達成できることが示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７４５６３号公報
【特許文献２】特開２００３−１３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような組織制御装置で中空材を製造する場合には、素材が管材等に限定されてしまう場合がある。また、ＥＣＡＰ法等の強ひずみ加工により中空材の結晶粒を微細化する組織制御を行う場合には、素材にせん断変形加工を繰返し行う必要がある。上記のような組織制御装置では、素材を組織制御装置に１回通すことにより、素材に１回のせん断変形を生じさせる。そのため、素材にせん断変形加工を繰返し行うためには、せん断変形加工回数の増加や１ラインに複数個の組織制御装置を導入するなど、中空材における生産性の低下や製造コストの上昇等が生じる場合がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、中空材の生産性をより向上させて、製造コストを更に抑えた中空材の製造装置及び中空材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る中空材の製造装置は、素材を押出す押出し部と、押出された素材と対向して配置され、押出された素材に中空を形成するマンドレルとを備え、押出し部とマンドレルとは、押出された素材を屈曲させてせん断変形させるせん断変形加工路を設けて配置され、押出された素材をせん断変形加工路に通してせん断変形させることにより、組織制御された中空材を製造する中空材の製造装置であって、押出し部とマンドレルとは、各々複数の段を含み、せん断変形加工路が複数の屈曲を有するように配置されることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る中空材の製造装置は、マンドレルを回転させるマンドレル回転手段を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る中空材の製造方法は、素材を押出す押出し部と、押出された素材と対向して配置され、押出された素材に中空を形成するマンドレルとを備え、押出し部とマンドレルとは、押出された素材を屈曲させてせん断変形させるせん断変形加工路を設けて配置され、押出された素材をせん断変形加工路に通してせん断変形させることにより、組織制御された中空材を製造する中空材の製造装置であって、押出し部とマンドレルとは、各々複数の段を含み、せん断変形加工路が複数の屈曲を有するように配置される中空材の製造装置により中空材を製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記中空材の製造装置及び中空材の製造方法によれば、中空材の生産性をより向上させて、製造コストを更に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、中空材の製造装置１０を示す模式図である。中空材の製造装置１０は、素材１２を押出す押出し部１４と、押出された素材１２に中空を形成するマンドレル１６とを備えている。
【００１３】
素材１２には、アルミニウムまたはアルミニウム合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金、銅または銅合金等の軽金属材料が用いられる。勿論、他の条件次第では、素材１２は、これらの軽金属材料に限定されることはなく、鉄または鉄合金、ニッケルまたはニッケル合金等を用いることができる。素材１２は、例えば、アルミニウム合金またはマグネシウム合金等のインゴットを溶解した後、鋳造して、所定の形状に加工等することにより製造される。素材１２には、例えば、円柱状の棒材等が用いられる。また、素材１２は、熱間で押出すために予め所定の温度となるように加熱炉等により予備加熱されてもよい。
【００１４】
コンテナ１８は、素材１２を収納する圧力容器であり、押出し部１４に配置される。コンテナ１８は、素材１２が収納される素材収納室２０を有している。素材１２が円柱状の棒材である場合には、素材収納室２０の断面形状は、略円形状が好ましい。勿論、他の条件次第では、素材収納室２０の断面形状は、略円形状に限定されることはない。また、素材１２には、素材１２とコンテナ１８内壁との摩擦による発熱を抑制するために固体潤滑剤を塗布することもできる。
【００１５】
コンテナ１８は、マンドレル１６と、押出された素材１２を屈曲させてせん断変形させるせん断変形加工路２２を設けて配置される。コンテナ１８は、せん断変形加工路２２をマンドレル１６と設けるために、素材収納室２０の素材１２が押出される側に、素材収納室２０と連結された複数の段２４を含んでいる。そして、各々の段２４における断面形状は、中空材が管材である場合には、略円形状である。勿論、他の条件次第では、各々の段２４における断面形状は、略円形状に限定されることはない。図１に示す中空材の製造装置１０は、３個の段２４を含むコンテナ１８を備えている。勿論、コンテナ１８に含まれる段数は、３段に限定されることはない。
【００１６】
コンテナ１８に含まれる各々の段２４における角度αは、略直角であることが好ましい。角度αを略直角とすることで、押出された素材１２により大きなせん断変形を生じさせて、更に大きなせん断歪を付与することができる。勿論、他の条件次第では、コンテナ１８に含まれる各々の段２４における角度αは、鋭角でもよいし、鈍角でもよく、略直角に限定されることはない。コンテナ１８に含まれる段２４の加工は、一般的な機械加工により行なうことができる。
【００１７】
コンテナ１８は、図示されないヒータ等の加熱装置で加熱される。コンテナ１８が加熱されることにより、コンテナ１８の素材収納室２０に収納された素材１２を加熱して熱間で押出すことができる。素材１２がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合には、素材１２の押出温度は、略２５０℃以上略５５０℃以下であることが好ましい。勿論、他の条件次第では、素材１２の押出温度は、この温度範囲に限定されることはない。コンテナ１８の材料には、熱間加工用工具鋼、耐熱鋼または高融点金属材料等を用いることができる。
【００１８】
ステム２６は、コンテナ１８の素材収納室２０に収納された素材１２を押出す機能を有しており、押出し部１４に配置される。ステム２６は、コンテナ１８の一端から素材収納室２０に挿入される。そして、ステム２６は、図示されないラム等の加圧力を素材収納室２０に収納された素材１２に伝達させて、素材１２に圧縮力を付与することができる。また、ステム２６は、その先端に素材１２と接触させるディスク２８またはダミーブロックが取り付けられる。そして、ステム２６は、所定の押出し圧力、所定の押出し速度で素材１２を矢印方向２９へ押出すことができる。ステム２６等には、軽金属材料等の押出し加工で使用される、一般的なステム２６等を用いることができる。
【００１９】
マンドレル１６は、押出された素材１２に中空を形成する機能を有しており、押出された素材１２と対向して配置される。マンドレル１６の断面形状は、中空材として管材を製造する場合には、略円形状が用いられる。勿論、他の条件次第では、マンドレル１６の断面形状は、略円形状に限定されることはない。
【００２０】
マンドレル１６は、押出し部１４のコンテナ１８と、押出された素材１２を屈曲させてせん断変形させるせん断変形加工路２２を設けて配置される。マンドレル１６は、コンテナ１８と、せん断変形加工路２２を設けるために、マンドレル１６の先端に複数の段３０を含んでいる。図１に示す中空材の製造装置１０は、３個の段３０を含む段付きのマンドレル１６を備えている。勿論、マンドレル１６に含まれる段数は、３段に限定されることはない。
【００２１】
マンドレル１６に含まれる各々の段３０における角度βは、略直角であることが好ましい。角度βを略直角とすることで、押出された素材１２に、より大きなせん断変形を生じさせて、更に大きなせん断歪を付与することができる。勿論、他の条件次第では、マンドレル１６に含まれる各々の段３０における角度βは、鋭角でもよいし、鈍角でもよく、略直角に限定されることはない。マンドレル１６における段３０の加工は、一般的な機械加工により行なうことができる。
【００２２】
押出し部１４のコンテナ１８と、マンドレル１６とは、コンテナ１８に含まれる複数の段２４と、マンドレル１６に含まれる複数の段３０とにより、図１に示すように、せん断変形加工路２２が複数の屈曲を有するようにして配置される。これにより、押出された素材１２を複数の屈曲を有するせん断変形加工路２２に通して、押出された素材１２に繰返しせん断変形を生じさせることができる。そして、１度の押出し加工により、押出された素材１２により大きなせん断歪を付与させて強ひずみ加工することができる。
【００２３】
せん断変形加工路２２は、押出された素材１２に更に大きなせん断歪を付与するために略直角に屈曲していることが好ましい。そして、せん断変形加工路２２の屈曲を略直角とするために、コンテナ１８とマンドレル１６とは、コンテナ１８に含まれる複数の段２４の角度αと、マンドレル１６に含まれる複数の段３０の角度βとを、図１に示すように、略直角にして各々配置される。勿論、他の条件次第では、せん断変形加工路２２における屈曲の角度は、鋭角でもよいし、鈍角でもよく、略直角に限定されることはない。また、図１では、せん断変形加工路２２における全ての屈曲の角度は、略直角であり同じであるが、各々の屈曲の角度を異なる角度とすることもできる。
【００２４】
マンドレル１６は、マンドレル１６を回転させるマンドレル回転手段である図示されないモータ等の回転装置と接続される。マンドレル１６を所定の回転速度で回転させて押出された素材１２に中空を形成することにより、押出された素材１２にねじり変形を生じさせて更に大きなせん断歪を付与することができる。マンドレル１６の回転方向は、時計回りでもよいし、反時計回りでもよい。マンドレル１６には、熱間加工用工具鋼、耐熱鋼または高融点金属材料等を用いることができる。
【００２５】
図２は、別な形状のマンドレル４２を備える中空材の製造装置４０を示す模式図である。図２に示すように、マンドレル４２に含まれる段数や形状等を変えることにより、製造される中空材４４、例えば管材の直径等の大きさを変えることができ、管材の直径等の大きさを制御することができる。
【００２６】
再び、図１に戻り、つぎに、上記構成における中空材の製造装置１０の作用について説明する。まず、円柱状の棒材等の素材１２が押出し部１４におけるコンテナ１８の素材収納室２０に収納される。コンテナ１８に収納された素材１２は、熱間で押出し加工するために所定の温度となるように加熱される。その後、コンテナ１８に収納された素材１２は、ディスク２８を介してステム２６により、所定の押出し圧力、所定の押出し速度で矢印方向２９に押出される。
【００２７】
押出された素材１２は、マンドレル１６により中空が形成される。そして、押出された素材１２は、複数の段２４を含むコンテナ１８と複数の段３０を含むマンドレル１６とが配置されることにより設けられた複数の屈曲を有するせん断変形加工路２２を通過する。それにより、押出された素材１２を圧縮力が負荷された状態で、繰返しせん断変形を生じさせて、繰返しせん断歪を付与される。そして、このような強ひずみ加工により結晶粒が微細化されて組織制御された中空材３２が製造される。
【００２８】
また、モータ等の回転装置でマンドレル１６を回転させることにより、押出された素材１２に、ねじり変形を生じさせる。そして、押出された素材１２をねじり変形させることにより、更に、押出された素材１２にせん断歪が付与される。そして、このような強ひずみ加工により結晶粒が、更に、微細化されて組織制御された中空材３２が製造される。
【００２９】
以下に図面を用いて本発明に係る他の実施の形態に付き、詳細に説明する。なお、同様な要素は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図３は、中空材の製造装置５０を示す図である。中空材の製造装置５０は、素材５２を押出す押出し部５４と、マンドレル５６とを備えている。
【００３０】
素材５２には、上述したアルミニウム合金、マグネシウム合金または銅合金等の軽金属材料等が用いられる。勿論、他の条件次第では、素材５２は、これらの軽金属材料に限定されることはない。素材５２には、管状等の中空状の素材５２が用いられる。このような中空状の素材５２は、円柱状の棒材等に穿孔機による穴あけ加工等して製造することができる。
【００３１】
コンテナ１８は、中空状の素材５２を収納する圧力容器であり、押出し部５４に配置される。コンテナ１８は、中空状の素材５２が収納される素材収納室２０を有している。また、中空状の素材５２とコンテナ１８内壁との摩擦による発熱を抑制するために固体潤滑剤を中空状の素材５２に塗布することもできる。
【００３２】
コンテナ１８は、マンドレル５６と、押出された中空状の素材５２を屈曲させてせん断変形させるせん断変形加工路２２を設けて配置される。コンテナ１８は、せん断変形加工路２２をマンドレル５６と設けるために、素材収納室２０における中空状の素材５２が押出される側に、素材収納室２０と連結された複数の段２４を含んでいる。図３に示す中空材の製造装置５０は、３個の段２４を含むコンテナ１８を備えている。勿論、コンテナ１８に含まれる段数は、３段に限定されることはない。また、各々の段２４における角度αは、略直角であることが好ましい。勿論、他の条件次第では、各々の段２４における角度αは、鋭角でもよいし、鈍角でもよく、略直角に限定されることはない。
【００３３】
コンテナ１８は、図示されないヒータ等の加熱装置で加熱される。これにより、素材収納室２０に収納された中空状の素材５２を加熱して熱間で押出すことができる。中空状の素材５２がアルミニウム合金等の場合には、中空状の素材５２の押出温度は、上述したように、略２５０℃以上略５５０℃以下であることが好ましい。勿論、他の条件次第では、中空状の素材５２の押出温度は、この温度範囲に限定されることはない。
【００３４】
ステム５８とディスク６０とは、コンテナ１８に収納された中空状の素材５２を押出すために、押出し部５４に配置される。ステム５８及びディスク６０は、マンドレル５６の一部を内挿させて中空状の素材５２を押出すために中空状の形状を有している。ステム５８は、所定の押出し圧力、所定の押出し速度で中空状の素材５２を矢印方向６１へ押出すことができる。ステム５８またはディスク６０には、軽金属材料等の押出し加工で使用される、一般的なステム５８またはディスク６０を用いることができる。
【００３５】
マンドレル５６は、押出された中空状の素材５２に、更に中空を形成する機能を有しており、押出された中空状の素材５２と対向して配置される。マンドレル５６は、中空状の素材５２、ステム５８及びディスク６０に一部が内挿されて配置される。そして、マンドレル５６は、上述したように、マンドレル５６を回転させるマンドレル回転手段である図示されないモータ等の回転装置と接続されている。
【００３６】
マンドレル５６は、押出し部５４のコンテナ１８と、押出された中空状の素材５２を屈曲させてせん断変形させるせん断変形加工路２２を設けて配置される。マンドレル５６は、せん断変形加工路２２をコンテナ１８と設けるために、マンドレル５６の先端部に複数の段３０を含んでいる。図３に示す中空材の製造装置５０は、３個の段３０を含む段付きのマンドレル５６を備えている。勿論、マンドレル５６に含まれる段数は、３段に限定されることはない。また、上述したように、マンドレル５６に含まれる段数や形状等を選択することにより、製造される中空材６２、例えば、管材の直径等の大きさを変えることができ、管材の直径を制御することができる。また、マンドレル５６に含まれる各々の段３０における角度βは、略直角であることが好ましい。勿論、他の条件次第では、マンドレル５６に含まれる各々の段３０における角度βは、鋭角でもよいし、鈍角でもよく、略直角に限定されることはない。
【００３７】
押出し部５４のコンテナ１８と、マンドレル５６とは、コンテナ１８に含まれる複数の段２４と、マンドレル５６に含まれる複数の段３０とにより、図３に示すように、せん断変形加工路２２が複数の屈曲を有するようにして配置される。これにより、押出された中空状の素材５２を複数の屈曲を有するせん断変形加工路２２に通して、押出された中空状の素材５２に繰返しせん断変形を生じさせることができる。そして、１度の押出し加工により、中空状の素材５２に更に大きなせん断歪を付与させて強ひずみ加工することができる。
【００３８】
せん断変形加工路２２は、押出された中空状の素材５２に更に大きなせん断歪を付与するために略直角に屈曲していることが好ましい。そして、コンテナ１８とマンドレル５６とは、せん断変形加工路２２の屈曲を略直角とするために、コンテナ１８に含まれる複数の段２４の角度αと、マンドレル５６に含まれる複数の段３０の角度βとを、図３に示すように、略直角にして各々配置される。勿論、他の条件次第では、せん断変形加工路２２における屈曲の角度は、鋭角でもよいし、鈍角でもよく、略直角に限定されることはない。また、図３では、せん断変形加工路２２における全ての屈曲は、略直角であり同じであるが、各々の屈曲を異なる角度とすることもできる。
【００３９】
つぎに、上記構成における中空材の製造装置５０の作用について説明する。まず、中空状の素材５２が押出し部５４におけるコンテナ１８の素材収納室２０に収納される。コンテナ１８に収納された中空状の素材５２は、熱間で押出し加工するために所定の温度となるように加熱される。その後、コンテナ１８に収納された中空状の素材５２は、ディスク６０を介してステム５８により、所定の押出し圧力、所定の押出し速度で矢印方向６１へ押出される。
【００４０】
そして、押出された中空状の素材５２は、マンドレル５６により、更に、中空が形成される。そして、押出された中空状の素材５２は、複数の段２４を含むコンテナ１８と複数の段３０を含むマンドレル５６とが配置されることにより設けられた複数の屈曲を有するせん断変形加工路２２を通過する。それにより、押出された中空状の素材５２に圧縮力が負荷された状態で、繰返しせん断変形を生じさせて、繰返しせん断歪が付与される。そして、このような強ひずみ加工により結晶粒が微細化されて組織制御された中空材６２が製造される。
【００４１】
また、モータ等の回転装置でマンドレル５６を回転することにより、押出された中空状の素材５２には、ねじり変形が生じる。そして、押出された中空状の素材５２をねじり変形させることにより、更に、せん断歪が付与される。それにより、強ひずみ加工により結晶粒が、更に、微細化されて組織制御された中空材６２が製造される。
【００４２】
以上、上記構成によれば、棒状の素材または中空状の素材を用いて、１度の押出し加工で、押出された素材を複数の屈曲を有するせん断変形加工路に通して、押出された素材に繰返しせん断変形を生じさせて強ひずみ加工することにより、結晶粒が微細化されて組織制御された中空材を製造することができる。そのため、せん断変形加工回数の増加や１ラインに複数個の組織制御装置を導入することなく、生産性をより向上させて、製造コストを更に抑えて中空材を製造することができる。
【実施例】
【００４３】
素材としてアルミニウム合金を使用して、上述した中空材の製造装置におけるマンドレルの条件を変えて中空材を製造した。ここで、アルミニウム合金には、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合金であるＡ６０６３合金を用いた。そして、Ａ６０６３合金素材は、Ａ６０６３合金のインゴットを溶解した後、鋳造して、所定の形状に加工することにより製造した。Ａ６０６３合金素材をコンテナ１８に収納し、略２５０℃以上略５５０℃以下となるように加熱した。その後、コンテナ１８に収納されたＡ６０６３合金素材を、ディスクを介してステムにより押出した。
【００４４】
実施例１は、マンドレルに３個の段を含む段付マンドレルを使用し、マンドレルを回転させないで中空材を製造した。実施例２は、マンドレルに３個の段を含む段付マンドレルを使用し、マンドレルを回転させながら中空材を製造した。比較例１は、マンドレルに段を含まないマンドレルを使用し、マンドレルを回転させないで中空材を製造した。なお、比較例１の押出比は１０とした。ここで、押出比は、Ａ６０６３合金素材の断面積と製造された中空材の断面積との比である。
【００４５】
実施例１と実施例２、比較例１により製造された中空材について平均結晶粒径を測定した。平均結晶粒径の測定は、後方散乱電子回折像法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎ：ＥＢＳＰ法）または金属顕微鏡観察等により行った。表１は、製造された中空材における平均結晶粒径の測定結果である。
【００４６】
【表１】
0004696980.tif 000002
【００４７】
実施例１における中空材の平均結晶粒径は、３．５μｍであり、実施例２における中空材の平均結晶粒径は、１．２μｍであり、比較例１における中空材の平均結晶粒径は、１７．９μｍであった。実施例１と比較例１とを比較すると、段付マンドレルを使用した場合のほうが中空材の平均結晶粒径が小さくなることがわかった。また、実施例１と実施例２とを比較すると、段付マンドレルを回転させた場合のほうが中空材の平均結晶粒径が更に小さくなることがわかった。これらのことから、段付マンドレル回転させて中空材を製造する場合が、強ひずみ加工による結晶粒の微細化に最も効果があることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態である中空材の製造装置１０を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態である別な形状のマンドレルを備える中空材の製造装置４０を示す模式図である。
【図３】本発明の他の実施の形態である中空材の製造装置５０を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０,４０,５０  中空材の製造装置、１２,５２  素材、１４,５４  押出し部、１６,４２,５６  マンドレル、１８  コンテナ、２０  素材収納室、２２  せん断変形加工路、２４,３０  段、２６,５８  ステム、２８,６０  ディスク、３２,４４,６２  中空材。
【図１】
0004696980.tif 000003
【図２】
0004696980.tif 000004
【図３】
0004696980.tif 000005