(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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】
0004742447.tif 000002
【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
【図１】
0004742447.tif 000003
【図２】
0004742447.tif 000004
【図３】
0004742447.tif 000005
【図４】
0004742447.tif 000006
【図５】
0004742447.tif 000007
【図６】
0004742447.tif 000008