JP3645453B2 - 中空形材押出ダイスおよびその設計方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶着材料をダイス穴から押し出して中空形材を成形する中空形材押出ダイスおよびその設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
押出成形加工は、金属や非金属等の押出材料からなるビレットをコンテナに収容した後、コンテナに設けられた押出ダイス方向に押圧し、押出ダイスのエントリーポート部でビレットを分流させながら押出材料を押出ダイス内に圧入する。そして、これらの押出材料を押出ダイス内のチャンバー部で再び合流させた後、ベアリング部のダイス穴から押し出すことによって、各種の断面形状の中空形材を一体的且つ連続的に成形するものである。
【０００３】
この際、押出ダイスのエントリーポート部やチャンバー部、ベアリング部の関係が不適切であると、ベアリング部のダイス穴の形状が所望の断面形状に対応して形成されている場合でも、中空形材の断面形状に歪みが生じたり、押出方向に反りが生じたりする。そこで、従来においては、中空形材の断面形状を基にして各部が最適な関係となるように経験的に押出ダイスを設計して製作した後、この押出ダイスを用いて中空形材を成形する。そして、中空形材の状態を基にしてベアリング部を修正し、修正した押出ダイスにより再び中空形材を成形してベアリング部を修正するという作業を繰り返すことによって、押出ダイスを完成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように、押出ダイスの各部を経験的に設計して製作した後、中空形材の成形およびベアリング部の修正を繰り返すという試行錯誤により押出ダイスを完成する方法では、試行錯誤の開始点となる修正前の押出ダイスが経験に基づいて設計されるものであるため、中空形材の断面形状が未経験の形状であったり、設計者の経験に基づく判断が誤っていると、最終的な押出ダイスを得るまでに多くの試行錯誤が必要になる。さらに、押出ダイスの設計内容によっては試行錯誤の開始点が大きく外れる場合があり、この場合には、修正を繰り返しても所望の中空形材を得ることができないため、新たに押出ダイスを設計し直すことが必要になる。
【０００５】
このように、従来の方法では、押出ダイスを完成するまでに多くの試行錯誤や再設計が必要になって生産コストや生産のリードタイムが増加するという問題がある。また、従来の方法で完成された押出ダイスでは、押出ダイス内の押出材料を強制的に補正することにより所望の断面形状の中空形材としているため、中空形材を高品質および高精度に成形することが困難であるという問題もある。
【０００６】
尚、押出ダイスを修正する際に、押出ダイスに対する押出材料の出口側に対応するベアリング部と共に、押出ダイスに対する押出材料の入口側に対応するエントリーポート部を修正対象にすることによって、少ない回数の試行錯誤で押出ダイスを完成する方法も考えられる。ところが、エントリーポート部は、押出ダイスの強度に密接に関係し、ベアリング部の修正（加工）に比較して極めて困難な修正（加工）になるため、エントリーポート部を修正対象に含めることは現実的でない。
【０００７】
そこで、本発明は、少ない回数のベアリング部の修正でもって中空形材を高品質および高精度に成形することができる中空形材押出ダイスおよびその設計方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、溶着材料を複数のエントリーポートで分流し、これらエントリーポートを通過させて合流および溶着させた後にダイス穴から押し出して中空形材を成形する中空形材押出ダイスにおいて、前記中空形材の溶着部間の体積配分比と、次式関係により決定する前記エントリーポートの通過流量比Ｘｉとが一致するように、前記エントリーポートがそれぞれ設定されていることを特徴としている。Ｘｉ＝ｆ（ｒｉ） * ｇ（Ｓｉ，Ｌｉ，Ｈｉ） * ｈ（Ｓｉ，Ｈｉ）。ここで、前記エントリーポートの、開口面積をＳｉ、周長をＬｉ、深さをＨｉ、ダイス中心Ｏに対する中心位置をｒｉ、位置流速比関数ｆ（ｒｉ）と、形状流速比関数ｇ（Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈｉ）と、寸法流速比関数ｈ（Ｓｉ、Ｈｉ）とし、 " ｉ " は、各エントリーポートを特定するための変数であり、ｉ＝１〜ｎ（ｎは自然数）である。上記の構成によれば、溶着部間の体積配分に対応するように各エントリーポートの通過流量が設定されているため、エントリーポートで分流された後に合流および溶着した押出材料は、無理なねじれを伴うことなく均等にダイス穴から順次押し出される。従って、ダイス穴を押し出されて成形された中空形材は、高い寸法精度および押出直線性を有することになる。そして、このように良好な品質の中空形材を基にしてダイス穴を修正することになるため、僅かな回数の修正（試行錯誤）でもって極めて高品質の中空形材を高精度に成形することができる。
【０００９】
請求項２の発明は、溶着材料を複数のエントリーポートで分流し、これらエントリーポートを通過させて合流および溶着させた後にダイス穴から押し出して中空形材を成形する中空形材押出ダイスの設計方法において、中空形材の溶着部位置を決定すると共に、該溶着部間の体積配分比を求め、前記体積配分比と下記式関係により決定する前記エントリーポートの通過流量比Ｘｉとが一致するように、前記エントリーポートポート仕様をそれぞれ求めることを特徴としている。Ｘｉ＝ｆ（ｒｉ） * ｇ（Ｓｉ，Ｌｉ，Ｈｉ） * ｈ（Ｓｉ，Ｈｉ）。ここで、前記エントリーポートの、開口面積をＳｉ、周長をＬｉ、深さをＨｉ、 ダイス中心Ｏに対する中心位置をｒｉ、位置流速比関数ｆ（ｒｉ）と、形状流速比関数ｇ（Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈｉ）と、寸法流速比関数ｈ（Ｓｉ、Ｈｉ）とし、 " ｉ " は、各エントリーポートを特定するための変数であり、ｉ＝１〜ｎ（ｎは自然数）である。上記の構成によれば、溶着部間の体積配分比と各エントリーポートの通過流量比とを一致させるという比較的に単純な計算処理によりエントリーポートのポート仕様を決定することができるため、目的とする中空形材押出ダイスを容易に得ることができる。また、各関数を用いて通過流量比を求める処理、通過流量比と体積配分比とを比較する処理、および両比が一致する設計特徴値を求める処理は、情報処理装置により容易に実行させることができることから、極めて短時間のうちにエントリーポートのポート仕様を求めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図６に基づいて以下に説明する。本実施の形態に係る中空形材押出ダイスは、押出成形機に着脱可能に設けられている。押出成形機は、図４に示すように、ビレット６を収容する収容部１ａを備えた円筒形状のコンテナ１と、コンテナ１の収容部１ａに対して進退移動可能に設けられた棒状の押出具２と、押出具２を進退移動させると共にコンテナ１内のビレット６を矢符方向に所定の押圧力で押圧する加圧装置３とを有している。尚、ビレット６は、鉛やアルミニウム、マグネシウム、亜鉛、銅、ニッケル、鉄、チタン等の金属、これらの金属を組み合わせた合金、またはセラミック杯度や合成樹脂等の非金属材料の押出材料を円柱形状に形成したものである。
【００１１】
上述のコンテナ１の先端面には、収容部１ａの開口を囲むようにしてダイホルダ４が設けられている。ダイホルダ４には、両端面にかけて連通された保持部４ａが形成されており、保持部４ａには、ポートホールダイス方式の中空形材押出ダイス５が嵌合されている。中空形材押出ダイス５は、雄型７と雌型８とをビレット６側からこの順に有している。雄型７は、図１に示すように、複数のエントリーポート７ａ・７ｂを外周部に有している。これらのエントリーポート７ａは、ビレット６側の一方面から雌型８側の他方面にかけて連通されており、ビレット６を開口面積に応じた通過量で分流させることにより押出材料を雌型８に導入する。さらに、雄型７は、雌型８方向に突設された雄側ベアリング７ｃを有している。雄側ベアリング７ｃは、雄型７の他方面における中央部に配置されており
、端面が長方形状に形成されている。
【００１２】
上記のエントリーポート７ａ・７ｂは、中空形材９の溶着部９ａ・９ａ間の体積配分に対応するようにポート仕様（重心位置や開口面積等）がそれぞれ決定されている。具体的には、各エントリーポート７ａ・７ｂにおける押出材料の通過流量比が中空形材９の溶着部９ａ・９ａ間の体積配分比に対して一致するように、エントリーポート７ａ・７ｂのポート仕様（重心位置や開口面積等）が決定されている。尚、体積配分とは、溶着部９ａ・９ａ間の個別体積のことである。また、体積配分比とは、中空形材９の単位長さ当たりの全体積に対する溶着部９ａ・９ａ間の個別体積の比のことである。また、通過流量比とは、全エントリーポート７ａを通過する全流量に対する各エントリーポート７ａを通過する個別流量の比のことである。
【００１３】
上記の雄型７は、雌型８の一方面に着脱可能に密嵌されている。雌型８は、雄型７の各エントリーポート７ａ・７ｂに連通され、エントリーポート７ａ・７ｂにより分流されたビレット６の押出材料を合流させるチャンバ８ａと、上述の雄側ベアリング７ｃを内周側に位置させるように、他方面の中央部に形成された雌側ベアリング８ｂとを有している。雌側ベアリング８ｂは、雄側ベアリング７ｃの端面形状よりも僅かに大きな開口形状となるように形成されており、これらのベアリング７ｃ・８ｂは、両者間の隙間により中空形材９の断面形状に一致した長方形状のダイス穴１０を形成している。そして、ダイス穴１０は、エントリーポート７ａ・７ｂで分流された押出材料が合流および溶着した部分を溶着部９ａとして有した断面長方形状の中空形材９を成形する。
【００１４】
上記の構成において、中空形材押出ダイスの設計方法およびその動作について説明する。
【００１５】
先ず、図３に示すように、中空形材９の断面形状に基づいて溶着部９ａの位置を決定する。即ち、断面長方形状の中空形材９を成形する場合には、中空形材９に各種の表面処理を施したときに溶着部９ａが他の部分とは異なった光沢や色等の表面状態になるため、この表面状態が最も目立ち難い部分に位置するように、コーナー部を溶着部９ａの位置として決定する。この後、中空形材９の単位長さ当たりの全体積を算出すると共に、溶着部９ａ・９ａ間の個別体積をそれぞれ算出し、全体積に対する各個別体積の比を算出することによって、各溶着部９ａ・９ａ間における体積配分比Ｖｉを求める。
【００１６】
次に、図２に示すように、エントリーポート７ａ・７ｂのポート仕様を、開口面積、周長、深さおよび中心位置の設計特徴値とする。そして、開口面積をＳｉ、周長をＬｉ、深さをＨｉ、ダイス中心Ｏに対する中心位置をｒｉとする。尚、"ｉ"は、各エントリーポート７ａ・７ｂを特定するための変数であり、４ポートのエントリーポート７ａ・７ｂが存在すれば、変数ｉ＝１〜４となる。そして、これらの設計特徴値Ｓｉ・Ｌｉ・Ｈｉ・ｒｉを用いて位置流速比関数ｆ（ｒｉ）と、形状流速比関数ｇ（Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈｉ）と、寸法流速比関数ｈ（Ｓｉ、Ｈｉ）とを導き出して組み合わせることによって、各エントリーポート７ａ・７ｂの通過流量比Ｘｉを示す関係式（１）とする。
【００１７】
Ｘｉ＝ｆ（ｒｉ）・ｇ（Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈｉ）・ｈ（Ｓｉ、Ｈｉ） …（１）
【００１８】
この後、上式（１）に任意の設計特徴値Ｓｉ・Ｌｉ・Ｈｉ・ｒｉを代入して通過流量比Ｘｉを求め、この通過流量比Ｘｉと上述の体積配分比Ｖｉとを比較する。両比Ｘｉ・Ｖｉが一致していなければ、特定或いは全ての設計特徴値Ｓｉ・Ｌｉ・Ｈｉ・ｒｉを変更し、新たな通過流量比Ｘｉを求めて体積配分比Ｖｉと再比較する。そして、このような設計特徴値Ｓｉ・Ｌｉ・Ｈｉ・ｒｉの変更処理および比較処理をプログラム化し、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置に実行させて繰り返すことによって、体積配分比Ｖｉに一致した通過流量比Ｘｉとなる設計特徴値Ｓｉ・Ｌｉ・Ｈｉ・ｒｉを求める。
【００１９】
上記のようにして設計特徴値Ｓｉ・Ｌｉ・Ｈｉ・ｒｉを求めると、図１に示すように、この設計特徴値Ｓｉ・Ｌｉ・Ｈｉ・ｒｉからなるポート仕様のエントリーポート７ａ・７ｂを備えた雄型７を作成する。また、中空形材９の断面形状に対応したダイス穴１０となるように、雄型７の雄側ベアリング７ｂおよび雌型８の雌側ベアリング８ｂを形成する。そして、雄型７を雌型８に密嵌することによって、中空形材押出ダイス５を組み立てる。
【００２０】
次に、図４に示すように、中空形材押出ダイス５をダイホルダ４の保持部４ａに装着する。この後、加圧装置３を後退させることによりコンテナ１の収容部１ａを開口し、収容部１ａに押出材料からなるビレット６を挿入して押出温度まで加熱する。この後、加圧装置３を矢符方向に一定速度で進出させることによって、押出具２を介してビレット６を加圧する。ビレット６は、図１に示すように、端面が雄型７の一方面に押しつけられることによって、ビレット６を構成する押出材料を雄型７の各エントリーポート７ａ・７ｂに分流させながら雌型８方向に流動させる。各エントリーポート７ａ・７ｂの押出材料は、エントリーポート７ａを通過した後に雌型８のチャンバ８ａで合流して溶着する。
【００２１】
合流した押出材料は、雄側ベアリング７ｂと雌側ベアリング８ｂとの隙間により形成されたダイス穴１０を介して外部に押し出される。この際、各エントリーポート７ａ・７ｂの通過流量比が溶着部９ａ・９ａ間の体積配分比（通過流量比）に一致するように設定されているため、チャンバ８ａで合流および溶着した押出材料は、無理なねじれを伴うことなくダイス穴１０に流動し、ダイス穴１０から順次押し出される。従って、ダイス穴１０を押し出されて成形された中空形材９は、予め溶着部位置として決定されたコーナー部に溶着部９ａを有することになると共に、高い寸法精度および押出直線性を有することになる。そして、このように良好な品質の中空形材９を基にして雄側ベアリング７ｂおよび雌側ベアリング８ｂを修正することになるため、僅かな回数の修正（試行錯誤）でもって極めて高品質の中空形材９を成形可能な中空形材押出ダイス５を得ることができる。
【００２２】
尚、本実施形態においては、ポートホールダイス式の中空形材押出ダイス５およびその設計方法について説明しているが、本実施形態の中空形材押出ダイス５およびその設計方法は、ブリッジダイス方式やスパイダーダイス方式に適用することもできる。
【００２３】
また、本実施形態の中空形材押出ダイス５およびその設計方法は、中空形材９の断面が長方形状である場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、正方形状や台形状等の矩形状や、三角形状や五角形状等の多角形状、円形状や楕円形状の断面を有した中空形材９に適用することができる。さらに、二重や三重等の多重構造の中空形材９に適用することもできるし、各種断面形状の中空形材９を並列して成形する場合においても適用することができる。
【００２４】
例えば図５に示すように、ダイス穴１０をダイス中心Ｏに対して左右対称に並列配置すると共に、各ダイス穴１０の四方向にエントリーポート７ａを配置した中空形材押出ダイス５においても、本実施形態の設計方法を適用することができる。そして、このようにダイス穴１０を並列配置した中空形材押出ダイスにおいて、本実施形態のように溶着部９ａ・９ａ間の体積配分に基づいてエントリーポート７ａ・７ｂを決定して作成された中空形材押出ダイスを用いて中空形材９を成形した場合と、従来の方法で中空形材押出ダイスを試行錯誤しながら修正して中空形材９を成形した場合とで、中空形材９の成形状態の良否を調べたところ、図６の結果が得られた。即ち、本実施形態の設計方法によれば、第１回目の成形時点で真円度偏差が極めて小さな中空形材９を成形可能な中空形材押出ダイスを得ることができるのに対し（図６の（６））、従来の方法では、中空形材押出ダイスを作成した後、ベアリング７ｂ・８ｂの修正を５回繰り返しても中空形材９の真円度偏差を十分に小さくすることができないことが確認された（図６の（１）〜（５））。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、溶着材料を複数のエントリーポートで分流し、これらエントリーポートを通過させて合流および溶着させた後にダイス穴から押し出して中空形材を成形する中空形材押出ダイスにおいて、前記中空形材の溶着部間の体積配分比と、次式関係により決定する前記エントリーポートの通過流量比Ｘｉとが一致するように、前記エントリーポートがそれぞれ設定されていることを特徴としている。Ｘｉ＝ｆ（ｒｉ） * ｇ（Ｓｉ，Ｌｉ，Ｈｉ） * ｈ（Ｓｉ，Ｈｉ）。ここで、前記エントリーポートの、開口面積をＳｉ、周長をＬｉ、深さをＨｉ、ダイス中心Ｏに対する中心位置をｒｉ、位置流速比関数ｆ（ｒｉ）と、形状流速比関数ｇ（Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈｉ）と、寸法流速比関数ｈ（Ｓｉ、Ｈｉ）とし、 " ｉ " は、各エントリーポートを特定するための変数であり、ｉ＝１〜ｎ（ｎは自然数）である。上記の構成によれば、溶着部間の体積配分に対応するように各エントリーポートの通過流量が設定されているため、エントリーポートで分流された後に合流および溶着した押出材料は、無理なねじれを伴うことなく均等にダイス穴から順次押し出される。従って、ダイス穴を押し出されて成形された中空形材は、高い寸法精度および押出直線性を有することになる。そして、このように良好な品質の中空形材を基にしてダイス穴を修正することになるため、僅かな回数の修正（試行錯誤）でもって極めて高品質の中空形材を高精度に成形することができるという効果を奏する。
【００２６】
請求項２の発明は、溶着材料を複数のエントリーポートで分流し、これらエントリーポートを通過させて合流および溶着させた後にダイス穴から押し出して中空形材を成形する中空形材押出ダイスの設計方法において、中空形材の溶着部位置を決定すると共に、該溶着部間の体積配分比を求め、前記体積配分比と下記式関係により決定する前記エントリーポートの通過流量比Ｘｉとが一致するように、前記エントリーポートポート仕様をそれぞれ求めることを特徴としている。Ｘｉ＝ｆ（ｒｉ） * ｇ（Ｓｉ，Ｌｉ，Ｈｉ） * ｈ（Ｓｉ，Ｈｉ）。ここで、前記エントリーポートの、開口面積をＳｉ、周長をＬｉ、深さをＨｉ、ダイス中心Ｏに対する中心位置をｒｉ、位置流速比関数ｆ（ｒｉ）と、形状流速比関数ｇ（Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈｉ）と、寸法流速比関数ｈ（Ｓｉ、Ｈｉ）とし、 " ｉ " は、各エントリーポートを特定するための変数であり、ｉ＝１〜ｎ（ｎは自然数）である。上記の構成によれば、溶着部間の体積配分比と各エントリーポートの通過流量比とを一致させるという比較的に単純な計算処理によりエントリーポートのポート仕様を決定することができるため、目的とする中空形材押出ダイスを容易に得ることができるという効果を奏する。また、各関数を用いて通過流量比を求める処理、通過流量比と体積配分比とを比較する処理、および両比が一致する設計特徴値を求める処理は、情報処理装置により容易に実行させることができることから、極めて短時間のうちにエントリーポートのポート仕様を求めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 中空形材押出ダイスにより中空形材を成形する状態を示す説明図である。
【図２】 エントリーポートの状態を示す説明図である。
【図３】 中空形材の要部斜視図である。
【図４】 押出成形機の動作状態を示す説明図である。
【図５】 エントリーポートの状態を示す説明図である。
【図６】 中空形材の押出長と真円度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ コンテナ
２ 押出具
３ 加圧装置
４ ダイホルダ
５ 中空形材押出ダイス
６ ビレット
７ 雄型
７ａ エントリーポート
７ｂ エントリーポート
７ｃ 雄側ベアリング
８ 雌型
８ａ チャンバ
８ｂ 雌側ベアリング
９ 中空形材
９ａ 溶着部
１０ ダイス穴

Claims (2)

1. 溶着材料を複数のエントリーポートで分流し、これらエントリーポートを通過させて合流および溶着させた後にダイス穴から押し出して中空形材を成形する中空形材押出ダイスにおいて、
   前記中空形材の溶着部間の体積配分比と、次式関係により決定する前記エントリーポートの通過流量比Ｘｉとが一致するように、前記エントリーポートがそれぞれ設定されていることを特徴とする中空形材押出ダイス。
   Ｘｉ＝ｆ（ｒｉ） * ｇ（Ｓｉ，Ｌｉ，Ｈｉ） * ｈ（Ｓｉ，Ｈｉ）
   ここで、前記エントリーポートの、開口面積をＳｉ、周長をＬｉ、深さをＨｉ、ダイス中心Ｏに対する中心位置をｒｉ、位置流速比関数ｆ（ｒｉ）と、形状流速比関数ｇ（Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈｉ）と、寸法流速比関数ｈ（Ｓｉ、Ｈｉ）とし、 " ｉ " は、各エントリーポートを特定するための変数であり、ｉ＝１〜ｎ（ｎは自然数）である。
2. 溶着材料を複数のエントリーポートで分流し、これらエントリーポートを通過させて合流および溶着させた後にダイス穴から押し出して中空形材を成形する中空形材押出ダイスの設計方法において、
   中空形材の溶着部位置を決定すると共に、該溶着部間の体積配分比を求め、
   前記体積配分比と下記式関係により決定する前記エントリーポートの通過流量比Ｘｉとが一致するように、前記エントリーポートポート仕様をそれぞれ求めることを特徴とする中空形材押出ダイスの設計方法。
   Ｘｉ＝ｆ（ｒｉ） * ｇ（Ｓｉ，Ｌｉ，Ｈｉ） * ｈ（Ｓｉ，Ｈｉ）
   ここで、前記エントリーポートの、開口面積をＳｉ、周長をＬｉ、深さをＨｉ、ダイス中心Ｏに対する中心位置をｒｉ、位置流速比関数ｆ（ｒｉ）と、形状流速比関数ｇ（Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈｉ）と、寸法流速比関数ｈ（Ｓｉ、Ｈｉ）とし、 " ｉ " は、各エントリーポートを特定するための変数であり、ｉ＝１〜ｎ（ｎは自然数）である。

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