JPH0452024A - 金属の押出し加工制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 金属（ないしは合金）材料、その他サーメットの如き金
属基複合材料も含めて、これらを素材とする押出し加工
制御方法に関連してとくに上記素材の半溶融つまり固液
共存温度域における押出し加工を有利に実現することに
ついての開発研究の成果をここに開示する。

（従来の技術） 金属材料の押出し加工は、一般に熱間押出しつまり固相
状態にて昇温することにより可塑性の増大を利用する場
合を主流とし、最近に至って小物部材の冷間押出しも普
及しつつあるが、何れも変形抵抗がかなり大きい。

ところで金属又は合金の融体を冷却下に攪拌することに
よって得られる固液共存下のスラリー状態における成形
加工が企図され始めようとしているがいまだその押出し
加工については実用段階から程速く、文献記載も見当ら
ない。

すなわち半溶融状態における押出し加工については、あ
らかじめ半溶融状態にした材料をコンテナー内へ供給し
、これを押出し成形することが企てられ、この点従来の
一般的な金属押出しが固相の材料を均熱炉で加熱してコ
ンテナー内へ装入するのと対応し、いずれにしてもコン
テナー内で加熱するようにはなっていない。

それ故押出しプランジャーチップは、直接高温の素材と
接触してその押出しのための加工力の負荷を受けること
から材質面での難点が著しい。

また半溶融すなわち固液共存状態の材料につき、その固
相率を検出するセンサの開発すら未だ十分でないため押
出し加工により適正な成形体を得るのに必要な制御手段
もない。

上記した半溶融状態における金属ないしは合金材料や金
属基複合材料を押出し成形加工しようとするとき、 １、　素材が熱間押出し加工の場合よりもはるかに高温
となるので、半溶融状態の高温素材を直接プランジャー
チップで加工しようとすると、プランジャーチップの材
質がまず問題であること、２、均質な成形品を得るため
には一定の固相率で押出し加工をする必要があり、また
、操業の安定のためにもそれが不可欠であって、もし固
相率が高すぎると、ダイス内で固化し、押出不能となり
、また逆に低すぎると、ダイス出口でブレークアウトす
るような不利があること、３、　固相率一定で押出加工
するには固相率を検出し、それを加熱装置へフィードバ
ックし、被加工材の固相率を制御する方法が考えられる
が、ここに必要な固相率センサーは見当らないこと、４
、固液共存状態にある半溶融材料は時間とともに結晶成
長し、粗大化し易いところ、材料全体の高温加熱の下で
は材料の先端から後端までの間の押出し加工時間経過の
ために先端部と後端部で結晶粒径がことなり均質な成形
品が得られないし、また押出時間が長くなると結晶が粗
大化して、良好な品質の成形品が得られないこと、など
が問題点として指摘される。

（課題を解決するための手段） この発明は固相の金属材料又は金属基複合材料よりなる
素材を押出し機コンテナ内に装入し、押出しダイスの直
前で固液共存温度域に達するように加熱し、この固液共
存状態における、流動ないし変形特性に対応して予め設
定した圧力を、押出しシリンダに負荷することによって
押出しダイスから半溶融状態の成形体を押出し成形し、
押出しダイス出口にて冷却を施し再凝固させる金属の押
出し加工に際して、押出しシリンダにおける負荷圧力の
設定圧力に対する変動に応じて、押出し機コンテナ内の
素材加熱温度を調整することを特徴とする、金属の押出
し加工制御方法であり、また、押出しダイスから押出さ
れる半溶融状態の成形体の押出し速度を、素材加熱温度
の調整範囲に応じて制限することを特徴とする、金属の
押出し加工制御方法である。

この発明の上記構成は次の知見に基くものである。

押出し素材は合材または温材でコンテナー内に装入すれ
ばよく、というのは、押出し成形加工はダイスによって
行われるのであるから、ダイス入口直前で所定の固相率
に達するように加熱されれば、十分であり、そこで押出
しダイス人口を加熱する。ここに素材のプランジャーチ
ップと接する部分は直接加熱されることはないので高温
にならずプランジャーチップに材質上の問題を生ずるこ
とはない。

この押出しダイスの入口の直近に配置する加熱手段とし
ては、誘導加熱、抵抗加熱の何れでもよい。

押出しコンテナーに固相のまま挿入した材料を押出シリ
ンダーにより設定圧力で加工すると同時に押出しダイス
付近の加熱手段にて昇温させ半溶融状態にする。半溶融
状態の素材を押出すための設定圧力は、材質、押出比を
パラメータとする押出圧力〜固相率の関係から求めるこ
ともでき、また、これを試押出して求めるようにとても
よい。

−例として、Ｃｕ−１５％八！へ金について、固相率と
押出し圧力との関係を第１図に示した。

次にこの発明に従う押出し加工制御方法の実施に適合す
る装置の具体例を第２図に示した。

第２図において１は押出しプランジャー　２はプランジ
ャーチップ、３は押出し機コンテナ、４は素材、５は加
熱手段、６は押出しダイス、７はダイスホルダー、８は
スリーブであり、９は加熱手段５の電源制御装置、１０
は油圧装置、１１は圧力変換器、１２は油圧配管、１３
は押出しシリンダ、１４は半溶融状態で押出される成形
体、１５はその冷却再凝固のための冷却ゾーンである。

（作　用） 素材を昇温することにより半溶融状態で想定した固相率
に達すると押出しが開始される。そこであらかじめ設定
した速度で押出す。

なお設定した押出速度に対して加熱手段の出力が不足し
た場合は当然固相率の上昇を伴って押出圧力がたかまる
。そこで加熱手段の出力を大きくする。

遂に加熱手段の出力が過大な場合は固相率が小さくなっ
て押出圧力が低下するので、加熱手段の出力を小さくす
る。

以上により、一定速度、一定固相率での押出加工が達成
できる。ここに固相率センサーをとくに用いるまでもな
く固相率〜押出圧の関係で対処するわけである。素材の
加熱は上記のように押出しコンテナー３内の押出しダイ
ス付近で局所加熱することにより、素材全長を均熱炉で
加熱する従来方法に比し、極めて加熱時間が短く、結晶
粒成長はほとんどない。

この発明において押出し圧力の設定は、半凝固素材の変
形特性曲線（σ〜ｆｓ曲線、σは変形応力、変形抵抗ま
たは流動応力、ｆｓは固相率）からσを求め、これと押
出比、大型から理論計算で押出し圧力Ｐ０を求めること
ができるが、試押出しを実施して実験的に押出し圧力Ｐ
０を決定してもよい。

素材の押出しコンテナー３への装入に際して電材でもよ
いが予め均熱、予熱した温材とするのが好ましく、この
温材の均熱温度はプランジャーチップ２の耐熱温度以下
とする。押出しコンテナー３に装入した素材は、上記の
ように設定し押出圧力Ｐ０で押出しダイス６に向けてプ
ランジャーチップ２で押す。ここに押出しダイス６の直
近に設定した加熱手段５によって、素材４の先端部すな
わち押出しダイス６に接する部分を局所的に加熱する。

上記のようにして第３図に示した押出し運転制御シーケ
ンスに示すごとく、設定固相率で一定速度で押出成形さ
れる。押出しダイス６から押出された成形体１４は、固
液共存状態にあるので、ダイスの直後に冷却ソゾーン１
５を設け、成形体１４を冷却再凝固させる。

冷却量は押出速度・押出固相率および押出比によって決
められるが、押出固相率と押出比は定数であり、押出速
度のみの関数である。しかもこの速度は、加熱能力不足
による速度変更以外は定数であるので、容易に制御でき
る。

（実施例） （１）押出力の設定 第４図はＣｕ　１０％−Ａｌ１を押出比−７で押出した
ときのσ〜ｆｓ曲線である。

スリーブ８の内径をＤＩＩｌ［１１ ダイス６の穴径をｄ鵬 とすると、押出比＝Ｄ２／ｄ２である。

Ｄ　＝　２００皿、　ｄ＝７５．６エ　すなわち、押出
比＝７で、Ｃｕ　１０％−Ａｆ金合金ｆｓ＝０．５で押
出し加工を実施するには第４図からσ＝０．７　ｋｇｆ
／ｍｍ２であるので、 ２　　ｔｆ である。そこで、押出シリンダー１３の出力が２２　ｔ
ｆになるように押出シリンダー１３の油圧力Ｐ０を設定
する。

（２）加熱 素材はスリーブ８の内径２００ｍより若干小さい（１９
８ａａ程度）ものとし、これを押出コンテナー３に挿入
し、押出しシリンダー１３に油圧力Ｐ。を負荷し、これ
により、素材に２２　ｔｆの押出力が負荷される。次に
ダイス付近に設置しである加熱装置５に電力を負荷する
と、ダイス６の入り側近傍の素材の温度が上り、やがて
固相率が０．５に達し、押出しが開始される。このとき
、スリーブ８およびコンテナー３と素材の間には若干の
間隙があるので、軟化した素材はこの間隙を通って、後
方にも流れるが、加熱装置より後方の素材およびコンテ
ナーの温度は素材を流動させる程高温には達しておらず
、やがて間隙に流入した素材は凝固し、その結果、密閉
され、加熱装置近傍の高温素材が外気と接触するのを防
ぎ、素材の酸化を防止している。

このとき加熱装置は常用最大能力の６０％程度に設定し
ておく。

（３）押出速度の設定 押出速度ｖ　（ｍ／ｓ）の設定値ｖ　０（ｍ／ｓ）は次
のよして求める。第５図はＣｕ　１０％−Ａｊ２合金の
温度Ｔ〜固相率ｆ８の関係で図中のＴｓは固相線の温度
、ＴＬは液相線温度である。同図からｆ、　＝　０．５
に対応する温度は６０５°Ｃである。すなわち、素材の
装入温度を２５℃とすると、ｆ、　＝　０．５にするに
は６０５−２５＝　５８０°Ｃ の昇温（＝ΔＴ）が必要である。

二二で　Ｃｕ　１０％−Ａｆ金合金物性値は比　熱Ｃ＃
　１０００　Ｊ／ｋｇ　−ｋ融解熱ｑ＝　３９０Ｘ　１
０３Ｊ／ｋｇ密　度ρ＝　３．３ｋｇ／ｍ’ であるから 単位体積当り、ΔＴの昇温に要する熱量はＱ＝ρＣ・Δ
Ｔ　＋　ｐｇ−ｆｓ　（Ｊ／ｍ３）＝３．３Ｘ１０’Ｘ
５８０＋３．３Ｘ３９０Ｘ１０３Ｘ０．５＝２．５６Ｘ
１０’Ｊ／ｍ’ −２，６Ｘ　１０’Ｊ／ｍ３ である。したがって、押出し速度をｖ　（ｍ／ｓ　）と
し、材料の断面積をＳ　（ｍ”〕とすると、素材により
与えるべき毎秒の熱量ｗ　（ｈ　）はＷ＝ＱＳｖ　（Ｊ
／ｓ　） ＝ＱＳｖ（Ｗ／） で、 となる。

しかるに、加熱装置の出力ｗ′はその全部が素材の加熱
に消費されるのではなく、スリーブ８、ダイス６、ダイ
スホルダー７等々周辺の物体にも伝熱される。この熱ロ
スは機械の大きさや構造、または、その構成部材の熱伝
導率や構成部材間の熱伝達などによって異なるが、本装
置では凡そ素材に入熱する毎秒の熱量−は Ｗ　′ｉ　０．５　Ｗ’ であるので、 加熱装置の出力−′を５００００　（Ｗ　）とするとＷ
　＝　５００００Ｘ０．５　＝　２５０００　（Ｗ　）
したがって押出速度ｖ　Ｃｍ／ｓ　）はＱ＝　２．６Ｘ
１０”Ｊ／ｍ’　、　Ｓ　＝ｔｔ　ｘｏ、２”ｘｌ／４
　’＝　０．０３ｍ”だから Ｖ　＃　０．３　ｍ／ｓ となる。これが設定速度ｖ０である。

（４）制御 次に設定速度ｖ０の一定速度で押出シリンダーを起動さ
せる。そのときダイス６の入側の素材が想定した固相率
ｆｓ　　（たとえばｆｓ　＝　０．５）に相当する温度
Ｔ　（たとえばＣｕ　１０％−Ａ２合金は６０５°Ｃ）
に達していなければ、素材のｆｌｏｅｅ　５ｔｒｅｓｓ
は初めに設定したものより大きいので、押出力が大きく
なり、その結果押出シリンダーに負荷する油圧力Ｐは設
定油圧Ｐ０より大きくなる。そこで、加熱出力−′を太
き（すれば、素材の昇温速度が速くなり、所定の温度す
なわち所定の固相率が得られる。しかし、加熱装置に余
裕がなく、加熱出力−′を増加できない場合は設定速度
ｖ０を小さく、昇温に要する熱量を小さくすることによ
り、素材温度を高め、所定の固相率が得られる。また、
油圧力Ｐが設定油圧力Ｐ０より小さい場合は、素材温度
Ｔが高く（所定の固相率より実際の固相率が小さい）の
で、これに対しては加熱装置の出力を小さくすることで
対処する。以上第３図に示す制御フローチャートに従っ
て、油圧力Ｐを測定してこれを設定油圧力Ｐ０と比較し
、ｐ　−ＰａＯ差の正、負により、これを加熱装置また
は押出シリンダーの油圧装置へフィードバックすること
により本押出加工の制御が達成できる。

（発明の効果） この発明によれば押出し機コンテナーに装入した素材を
、とくに押出しダイスの近傍にて半溶融状態にまで昇温
させ、押出し圧力を設定することにより、その変動に応
じる加熱手段の制御を加えて適切な押出し速度が設定さ
れ、これによって半溶融状態での押出し加工が安定に行
われる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＣｕ−１５％八！へ金の押出し圧力と固相率と
の関係グラフ、 第２図はこの発明の押出し加工制御方法の実施に適合す
る押出し装置の説明図、 第３図は押出し機運転制御シーケンス図、第４図は押出
比崎７における、Ｃｕ　１０％−八２合金の固相率−押
出し圧力相関図、 第５図はＣｕ　１０％−八！合金の固相率−温度相関図
である。 ３・・・押出し機コンテナー ４・・・素材　　　　　　５・・・加熱手段６・・・押
出しダイス　　９・・・加熱手段電源制御装置１１・・
・圧力変換機　　　１３・・・押出しシリンダ１５・・
・冷却ゾーン 第１図 ０．３　　　　０．４ Ｅ朗肇 第３図 第４図 固相率

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固相の金属材料又は金属基複合材料よりなる素材を
   押出し機コンテナ内に装入し、押出しダイスの直前で固
   液共存温度域に達するように加熱し、この固液共存状態
   における、流動ないし変形特性に対応して予め設定した
   圧力を、押出しシリンダに負荷することによって押出し
   ダイスから半溶融状態の成形体を押出し成形し、押出し
   ダイス出口にて冷却を施し再凝固させる金属の押出し加
   工に際して、押出しシリンダにおける負荷圧力の設定圧 力に対する変動に応じて、押出し機コンテナ内の素材加
   熱温度を調整することを特徴とする、金属の押出し加工
   制御方法。 ２、請求項第１項の方法において、押出しダイスから押
   出される半溶融状態の成形体の押出し速度を、素材加熱
   温度の調整範囲に応じて制限することを特徴とする、金
   属の押出し加工制御方法。