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鋳造法によるアルミニウム合金中空形材用半球状押出しダイスの開発

開発した半球状ダイスの静的強度解析結果の等応力線図

図1 開発した半球状ダイスの静的強度解析結果の等応力線図

開発した半球状ダイスの凝固熱解析結果図

図2 開発した半球状ダイスの凝固熱解析結果図

開発した半球状ダイス

図3 開発した半球状ダイス

押出し圧力と押出し時間の関係

図4 押出し圧力と押出し時間の関係

鋳造半球状ダイスと鋳造半球状ダイスのビレット押出本数増加に伴うダイス形状の変化

図5 鋳造半球状ダイスと鋳造半球状ダイスのビレット押出本数増加に伴うダイス形状の変化

1.はじめに

 建材のアルミニウムサッシは,主要部材として,熱間直接押出加工法で製造したアルミ形材を用いている.サッシ用形材の製造においても,多品種少量短納期生産の必要性から,使用ダイス数が非常に増加し,かつ大型化している.これまで一個のダイス重量は数10kgが主であったが,最近では,一個数100kgのダイスが増え,中には,1t近くになる場合もあり,取扱いに大きな設備と人手を必要とするようになってきている.

 サッシ用中空形材用ダイスは,従来,主にポートホールダイスが使用されてきた.このダイスは,厚みを増すことにより強度は確保できるが,ダイス重量も増し,さらに押出しの際にメタルフロー抵抗が増大し,押出し速度を低下させる結果となる.そこで,ダイスを薄く,かつ強度を増すために,ポートホールダイスの梁構造を半球状耐圧構造にすることを考案した.これは,押出し圧力を受けるダイスコアのビレット側端面を半球状にしたもので,半球状ダイスと呼んでいる.この方式を採用すると,従来方式では押出しの際に引張応力が生じ亀裂が発生しやすい部分の応力状態が圧縮側に移行し,応力状態が改善される.

 しかし,半球状ダイスを円柱状の鍛造材より削りだし製作すると,円柱状のポートホールダイスの場合に比べて加工量が多く,加工歩留りも悪くなり,加工時間も長くなる.そこで,鋳造法でダイス粗形状ブロックを作り,これより所要の半球状ダイスを製作する技術を開発した.まず,有限要素法で押出し時の負荷応力分布を解析し,負荷応力に耐えられる材質を得る凝固制御鋳造法を凝固熱解析法を使って開発した.その結果,極めて信頼性も高く,従来のダイスコアに比べて重量も約1/10で,製作コスト上も有利かつ,押出し生産性も高いダイスを開発することに成功した.

2,技術の特徴

 有限要素法でそれぞれのダイスの静的強度を解析し,最大引張応力の発生箇所と,その大きさを確認した.その結果,従来型のダイスでは,392N/mm2の等分布荷重を負荷した場合,最大引張応力は900N/mm2となること,同じ条件で,半球状ダイスの場合図1の矢印に示すように,238N/mm2となること,重量も前者が11.3kgに対し,1.3kgと約1/10となること,などが判明した.筆者らは,これまでに,ダイスを鋳造化した際,鋳造材の機械的性質と凝固時の熱的パラメータとの関係を調べ,凝固時の温度こう配が3K/mm以上有れば鍛造材と同等の機械的性質が得られることを実証した.

 そこで,内接点前進差分法凝固熱解析法を用いて,最大引張応力を受ける部分の凝固時の温度こう配が3K/mm以上となるような鋳造方案(図2参照)を設計し,これにより粗形状ブロックを製作した.図3に粗形状ブロックと仕上げ加工後の半球状ダイスを示す.この粗形状ブロックから半球状ダイスを製作する場合,鍛造むく材から作る場合に比べて,素材重量および加工時間は約半分になる.

 ダイスの押出し性については,同じ押出し速度の場合,ポートホールダイスに比べて,半球状ダイスは被加工材との接触表面積が小さいため,抵抗が小さく,押出し圧力が低下し(図4参照)省エネ効果が向上した.押出しダイスはビレット押出し本数が増加するに従いたわみも増加するが,この点についても,押出し本数10本目までは鋳造材,鍛造材ともにたわみ量にあまり差はない(図5参照)が,それ以降は鋳造材の方が小さく,ダイス寿命としても有利である.

3.おわりに

 今回開発した鋳造半球状ダイスは,ポートホールダイスの鋳造化技術とメタルフローバランスのノウハウを基礎として開発した.製作時間の短縮によって短納期化に効果を発揮し,生産性向上と省エネ効果があり,さらに軽量化によってダイス段取り工程の設備が軽装で済むなど利点が多く,今後の押出し工程の自動化を推進する上で極めて有効な技術と考えられる.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、1993年、沖善成(三協アルミニウム工業(株))、津野亮二(同左)、吉田善博(富山軽金属工業(株))、山下友一(富山合金(株))、上坂美治(シーケー金属(株))に日本機械学会賞(技術賞)を贈った。

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キーワード

アルミニウムサッシ、ダイス、ポートホールダイス、半球状ダイス、凝固制御鋳造法、凝固熱解析法
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