(57)【要約】【課題】アンダーシューティングを確実に回避しながら、円形断面の金属素材をこれよりも小径の円形断面の目的形状に縮径加工することができる金属素材の縮径加工方法を提供する。【解決手段】円形断面の金属素材をダイスに通し、素材直径よりも小径の円形断面の目的形状に縮径加工する金属素材の縮径加工方法である。本発明では、ダイス孔の内部に複数の突部１１を形成してダイス孔の中心軸に垂直な断面形状を楕円や擬似多角形などの非円形としておき、この突部形成位置までの前半部において前記突部１１により金属素材の断面上の複数部分を強く縮径加工し、この突部１１を通過後の後半部におけるアンダーシューティングを防止する。【選択図】図２
2009160608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形断面の金属素材をダイスに通し、素材直径よりも小径の円形断面の目的形状に縮径加工する金属素材の縮径加工方法において、ダイス孔の内部に複数の突部を形成してダイス孔の中心軸に垂直な断面形状を非円形としておき、この突部形成位置までの前半部において前記突部により金属素材の断面上の複数部分を強く縮径加工することにより加工硬化させ、突部形成位置を通過後の後半部におけるアンダーシューティングを防止することを特徴とする金属素材の縮径加工方法。
【請求項２】
金属素材が金属丸棒または金属管であることを特徴とする請求項１に記載の金属素材の縮径加工方法。
【請求項３】
ダイス孔の突部形成位置におけるダイス孔の中心軸に垂直な断面形状が、楕円であることを特徴とする請求項１に記載の金属素材の縮径加工方法。
【請求項４】
ダイス孔の突部形成位置におけるダイス孔の中心軸に垂直な断面形状が、複数の凸部を有する擬似多角形であることを特徴とする請求項１に記載の金属素材の縮径加工方法。
【請求項５】
ダイス孔の突部形成位置における突部間の最小直径が、目的形状の直径と同一であることを特徴とする請求項１に記載の金属素材の縮径加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円形断面の鋼管、中実鋼材、アルミ管などの金属素材を、ダイスによって縮径加工する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
円形断面の金属素材をダイスに通し、素材直径よりも小径の円形断面の目的形状に縮径加工する金属素材の縮径加工方法は、従来から押出し加工方法、引抜き加工方法として広く知られている。これらの場合には、特許文献１の図１に示されるように、テーパー状のダイス孔を持つダイスによって縮径加工するのが普通である。なお特許文献１の図１に示されるように、ダイスにはテーパー状部に続いてストレート部と逆テーパー状の逃げ部が形成されている。
【０００３】
このような従来型のダイスを用いた縮径加工方法においては、金属素材はテーパー状部において均等に縮径加工され、ストレート部に沿った外径寸法の製品となってダイスから出るはずである。しかし実際にはアンダーシューティングと呼ばれる現象が発生し、ストレート部の直径よりも小径となったり、しわや偏肉が生じたりすることがある。
【０００４】
このアンダーシューティングについては、非特許文献１である鉄鋼協会秋季講演大会論文集（CAMP−ISIJ) Vol.20(2007) 978〜981頁に記載されている。この論文では、テーパーダイスを用いた場合にはアンダーシューティングの発生を避けることは困難であること、アンダーシューティングを抑制するには、テーパー角度を２段としたダイスを使用するのが有利であることなどが述べられている。
【０００５】
また前記した特許文献１の図２や図３にも、テーパー状部を多段にしたり円弧状としたりしてダイスの出口側における縮径量を小さくし、アンダーシューティングを抑制することが開示されている。しかし目的形状への縮径量が大きい場合には、このような従来技術を用いてもなおアンダーシューティングを防止することは容易ではなかった。
【特許文献１】実開昭５７−２００３１０号公報
【非特許文献１】鉄鋼協会秋季講演大会論文集（CAMP−ISIJ) Vol.20(2007) 978〜981頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、アンダーシューティングを確実に回避しながら、円形断面の金属素材をこれよりも小径の円形断面の目的形状に縮径加工することができる金属素材の縮径加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するためになされた本発明は、円形断面の金属素材をダイスに通し、素材直径よりも小径の円形断面の目的形状に縮径加工する金属素材の縮径加工方法において、ダイス孔の内部に複数の突部を形成してダイス孔の中心軸に垂直な断面形状を非円形としておき、この突部形成位置までの前半部において前記突部により金属素材の断面上の複数部分を強く縮径加工することにより加工硬化させ、突部形成位置を通過後の後半部におけるアンダーシューティングを防止することを特徴とするものである。
ここで複数の突部を形成する突部形成位置は、必ずしも中間押しぬき位置とは限らない。あまり出側に持っていく事は望ましくなく、むしろ中間押しぬき位置より入側に位置させるべきである。中間押しぬき位置とは、ダイス孔の最小径位置を意味する。
【０００８】
本発明においては請求項２に記載のように、金属素材を金属丸棒または金属管とすることができる。また請求項３に記載のように、ダイス孔の突部形成位置におけるダイス孔の中心軸に垂直な断面形状を楕円としたり、あるいは請求項４に記載のように複数の凸部を有する擬似多角形としたりすることができる。また請求項５に記載のように、ダイス孔の突部形成位置における突部間の最小直径を、目的形状の直径と同一とすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の金属素材の縮径加工方法によれば、ダイス孔の入口から突部形成位置までの前半部において、金属素材の断面上の複数部分を突部によって強く縮径加工し、加工硬化させる。このためこれらの部分は変形抵抗性が高まり、それ以上の縮径が生じにくくなる。一方、その他の部分は加工硬化が比較的小さく、突部形成位置を通過後の後半部においてもなお縮径加工されるが、隣接する強く加工硬化した部分により変形が拘束されるために過度の縮径が防止されアンダーシューティングが防止される。このため本発明の金属素材の縮径加工方法によれば、アンダーシューティングを効果的に抑制しつつ、円形断面の目的形状に縮径加工することができる。
【００１０】
なお上記の作用効果は、金属素材が金属丸棒であっても金属管であっても同様に得ることができる。またダイス孔の突部形成位置におけるダイス孔の中心軸に垂直な断面形状を楕円としても、複数の凸部を有する擬似多角形としても、同様の作用効果を得ることができる。またダイス孔の突部形成位置における突部間の最小直径を目的形状の直径と同一としておけば、突部に対応する部分は突部形成位置までの前半部において強く縮径加工されるため、アンダーシューティングをより確実に防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明の実施形態を説明するが、最初にアンダーシューティングの発生メカニズムについて説明する。
図１において１はダイスであり、ダイス１の内周面２は軸線方向に対して角度θのテーパー状となっているものとする。ベクトルＦは金属素材に加えられるダイス軸線方向の押込力を示す。この押込力Ｆは内周面２に対して垂直な抗力Ｔと、内周面２に平行な加工力とに分解することができ、この抗力Ｔに摩擦係数μを乗じた摩擦力Ｔμが内周面２と平行に発生する。このため、内周面２に平行な加工力はこの摩擦力Ｔμの分だけ減少し、実効加工力はベクトルＥで示すとおりとなる。この結果、金属素材の流れ方向はベクトルＧで示すとおり、中心軸に対して角度Φだけ内側を向く。
【００１２】
金属素材の外周部がダイス１のテーパー状の内周面２に添って流れているときには、この流れ方向の変化は特に問題ではないが、テーパー状の内周面２に続くストレート部３に達した直後においても、この流れ方向が維持される。このため金属素材の外周部はダイス１のストレート部３よりも内側に入り込み、これがアンダーシューティングとなる。なお角度Φの大きさは角度θによって変化し、角度θとともに角度Φも増加することはいうまでもない。
【００１３】
従来の２段テーパー型のダイスは、ストレート部３に近い部分の角度θを入口部分よりも小さくすることによって角度Φを小さくし、アンダーシューティングを抑制しようとするものである。しかし金属素材の直径と目的形状の直径との差分は絞込みが必要であるから、角度θを小さくするとダイス１の全長が長くなり設備が大型化する上、ダイス内に留まりデッドとなる素材体積も増しコスト上好ましくないこととなる。
【００１４】
これに対して、本願発明では金属素材と目的形状とがともに円形断面であるにもかかわらず、ダイス孔の中間部分に複数の突部を形成してダイス孔の中心軸に垂直な断面形状を非円形とするという全く異なった発想により、アンダーシューティングを抑制する。図２と図３はその一例を示す図であり、ここでは説明の便宜上、金属素材の直径を７２ｍｍ、目的形状の直径を４８ｍｍ、加工中の平均径を６０mmとする。なお図２の左半部は図３のＸ−Ｘ断面、右半部はＹ−Ｙ断面である。
【００１５】
図２、図３に示した第１の実施形態では、ダイス１０は内部に４つの円弧状の突部１１を備えている。この実施形態では突部形成位置は図２の断面Ａ−Ａの位置であり、単純テーパーであれば平均径の６０mmとなる部分である。なお断面Ｂ−Ｂは目的径である４８ｍｍまで絞り込まれた位置を示す。その下方にはストレート部１２と逆テーパー部１３とが形成されている。本明細書ではダイス１０の入口から断面Ａ−Ａの位置までを「突部形成位置までの前半部」と呼び、断面Ａ−Ａから断面Ｂ−Ｂまでを「突部形成位置を通過後の後半部」と呼ぶ。前記したように、これらの突部１１はダイス孔の内部の中間位置よりも入口寄りに形成しておくことが好ましい。
【００１６】
このようにダイス孔の中心軸に垂直な断面形状を複数の突部１１を有する非円形形状としたダイス１０を用いて円形断面の金属素材の縮径加工を行うと、ダイス１０に突部１１が形成された４箇所の位置では金属素材は突部形成位置までの前半部において強く縮径加工される。その結果として、これらの位置では加工硬化が生じて変形抵抗性が高まり、それ以上の変形が抑制される。しかも図２の左半部に示されるように、Ａ−Ａ断面を通過した後、Ｂ−Ｂ断面までは縮径加工量はゼロであるか、ごくわずかであるので、正確に目的径である４８ｍｍに成形される。
【００１７】
一方、突部１１が形成されていないその他の部分については、図２の右半部に示されるようにダイス１０の入口からＢ−Ｂ断面までテーパー状となっている。このためＡ−Ａ断面に達するまでに直径は７２ｍｍから６０mmまで縮径され、Ｂ−Ｂ断面に達するまでにさらに目的径である４８ｍｍに縮径される。このように、突部形成位置を通過後の後半部においては金属素材のうち、ダイス１０に突部１１が形成されている部分はほとんど変形せず、その他の部分が集中的に加工されることとなる。
【００１８】
しかし突部１１を通過後の後半部においては、縮径される部分の左右に既に加工硬化した部分が存在するので、これらの加工硬化した部分が縮径される部分を両側から支え、金属素材の過度の縮径を抑制してアンダーシューティングを防止する。この結果、全体としてアンダーシューティングなく円形断面に縮径された製品を得ることができる。なおこの実施形態ではダイス孔の内部における突部１１間の最小直径を目的形状の直径と同一としたが、金属素材の直径と目的形状の直径との差の０.７〜１.０倍の範囲で設定することができる。この値が０.７倍未満では本発明の効果を十分に得ることができず、１.０倍を越えると過度の絞込みとなって却ってアンダーシューティングを引き起こすからである。
【００１９】
突部１１の数は上記の実施形態では４であって擬似多角形（複数の突部を有する形状）となっているが、後記するようにこれに限定されるものではない。しかし突部１１の配置は点対称または線対称とすることが好ましい。これは不均一に突部１１を形成すると、ねじれなどの成形不良を生ずる可能性があるためである。また突部１１の側面はなだらかな曲線とし、しわの発生を防止することが必要である。
【００２０】
図４に示した第２の実施形態では、直径が７２ｍｍの金属素材を直径が６０mmの円形断面の目的形状に縮径するためのダイスの内部を、楕円形とした。この場合にもダイス孔の内部に複数の突部１１を形成しダイス孔の中心軸に垂直な断面形状を非円形としたことは第１の実施形態と同様である。図４はダイスの孔のうち、ストレート部１２や逆テーパー部１３を除いた部分の形状を示す斜視図である。
【００２１】
なお、真円を基準として規則的に凹凸を繰り返す突部形成位置の断面形状は、数１の一般式により表わすことができる。この式中、rは径方向の凸高さまたは凹深さ、r0は平均径差、θは周方向の位置[rad]、nは自然数、anとbnはnに対応する任意の係数、ωは周期に対応する基本角速度である。
【００２２】
【数１】
2009160608.tif 000003
【実施例１】
【００２３】
直径が７６ｍｍで肉厚が５ｍｍの４４０ＭＰａ級の鋼管をダイスを用いて押出し成形により縮径し、直径４８ｍｍで肉厚が６ｍｍの鋼管に成形した。このときダイスとして、従来一般的によく用いられる円錐形のものではなく、押出し中間位置において平均径が６２ｍｍで径方向の凹凸が５ｍｍとなる楕円形としたものを使用した。この楕円形状は数２の式により表わすことができ、その形状は図５に示すとおりである。従来のテーパーダイスを用いた縮径を行った場合のアンダーシューティング量は最大２ｍｍであったが、実施例１では１．２ｍｍにまで減少した。
【００２４】
【数２】
2009160608.tif 000004
【実施例２】
【００２５】
直径が７６ｍｍで肉厚が５ｍｍの５０００系アルミニウム管をダイスを用いて押出し成形により縮径し、直径４８ｍｍで肉厚が７ｍｍに成形した。このときダイスとして、従来一般的によく用いられる円錐形のものではなく、押出し中間位置において凹凸が６０°毎に３回連続する異形断面形状を使用した。この楕円形状は数３の式により表わすことができ、その形状は図６に示すとおりである。従来のテーパーダイスを用いた縮径を行った場合のアンダーシューティング量は最大２．２ｍｍであったが、実施例２では１．６ｍｍにまで減少した。
【００２６】
【数３】
2009160608.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】アンダーシューティングの発生メカニズムの説明図である。
【図２】第１の実施形態を示すダイスの縦断面図である。
【図３】図２の平面図である。
【図４】第２の実施形態におけるダイスの孔の形状を示す斜視図である。
【図５】実施例１における突部形成位置の断面形状を示すグラフである。
【図６】実施例２における突部形成位置の断面形状を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１  ダイス
２  内周面
３  ストレート部
１０  ダイス
１１  突部
１２  ストレート部
１３  逆テーパー部
【図１】
2009160608.tif 000006
【図２】
2009160608.tif 000007
【図３】
2009160608.tif 000008
【図４】
2009160608.tif 000009
【図５】
2009160608.tif 000010
【図６】
2009160608.tif 000011