中空轻金属构件的挤压加工方法、中空挤压加工用模以及中空轻金属挤压构件

摘要

本发明目的在于实现和确立一种新型的挤压加工技术，其利用桥式孔型挤压模等的中空模，正常稳定地制造具有优异的机械性质的中空轻金属构件(制品)，并且能够低成本高效率地制造与所要求的强度水平相匹配的制品。作为其解决方法，按如下方式进行，其在利用中空挤压模对轻金属原材料进行分流以及合流·熔敷后，通过模孔挤压加工为所希望的截面形状时，将施与此合流·熔敷后的轻金属原材料的应变量维持在1.8以上而进行此挤压加工。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过挤压加工制造由铝等轻金属形成的中空构件(制品)的技术，特别是涉及一种从实心的轻金属原材料中得到具有各种截面形状的中空构件的挤压加工技术。

背景技术

以往，作为利用热挤压加工制造由以铝合金为代表的轻金属形成的中空构件的方法，如图5所示的方法已被周知。该方法将作为坯锭而成型的轻金属原材料1以加热状态导入到挤压装置的容器2内，并由顶杆3从所述轻金属原材料1的后方(从图中的箭头A的方向)施加压力，并通过设置在与所述容器2相连的模座9中的中空对偶模4，从具有给定截面形状的模孔向前方(图中箭头B所示的方向)挤压，从而得到作为制品的中空构件5(在本例中是矩形管)。

在此方法中，作为所述中空对偶模4，使用了桥式孔型挤压模、多孔拉拨模、异形孔模等空心型材挤压模。图6示出了作为所述空心型材挤压模的例子的多孔拉拨模。

此中空对偶模4，具有位于坯锭侧的阳模4a和位于中空构件5侧的阴模4b，两个模4a、4b以嵌合为一体的状态而使用。

所述阳模4a，具有穿过设在其圆周部的多个射入口6(在图中虽然是4种类型，但是省略为图示1个)，阳支座7a(轴承部)从其中央部向挤压方向的下游侧(阴模4b侧)突出。在所述阴模4b中，凹陷设有对应于所述阳模4a的各个射入口6的大致呈十字状的熔敷室8，在此熔敷室8的中央位置，设有沿轴向贯通阴模4b的孔的阴支座7b。此阴支座7b形成所述阳模4a的阳支座7a可以嵌入的特定形状(图中为薄壁长方体状)的间隙，并以此状态可以挤压成形具有与所述间隙的形状相对应的截面的中空构件5。

根据图6简单地说明使用此中空对偶模4的挤压加工的原理。首先，从箭头A的方向被挤压的轻金属原材料1，被挤压入阴模4b的四个射入口6，分流到各射入口6。即，所述轻金属原材料1被分为四个部分1a、1b、1c、1d。各分流部分1a～1d，通过所述射入口6后在接下来的阴模4b的熔敷室8中合流，在此被相互熔敷而再次成为一体。此外，一体化的轻金属原材料1，从具有矩形截面的阳支座7a的外周面和此阳支座7a保持间隙地所嵌入的具有矩形状截面的阴支座7b的内周面之间的间隙，沿箭头B的方向被挤压出，由此形成具有与所述间隙的形状相对应的矩形中空截面的中空构件(矩形管)5。因此，所成形的中空构件5在其四条棱线的部分具有熔敷部5a。

即，由此方法而得到的制品的中空构件5，由于经过在通常使用的整体模的方法中没有的“分流”和“合流·熔敷”的过程而被挤压出，因此在此中空构件5中必定存在与所述中空对偶模4的射入口6的数量和位置相对应的熔敷部5a。因此，此熔敷部和裸露部(非熔敷部)的冶金密封性会很大程度地支配中空构件的抗拉强度、屈服点、所谓延展的机械特性，由其是强度。若此熔敷部的密封性不足，在其后的二次加工或制品的使用时会导致裂纹和变形，就有可能不能充分地保证其品质。

另外，即使在中空模中特别是使用桥式孔型挤压模的挤压加工中，虽然具有其冲压模的寿命相比于其他中空模较长的优点，但是相反也具有确保熔敷部强度的作业较为困难的缺点。例如在铝合金的情况下，虽然如JIS3000系和JIS6000系不需要较高的强度的一部分构件不存在那样的问题，但是在JIS7000系等要求高强度的制品的情况下，很难确保为了保持其冶金特性的熔敷部中的充分地强度。此外，至于JIS5000系，由于使用中空冲压模的挤压在本领域中是不可能的，因此，其开发也就处于被放弃的状态。

另外，与现状相伴的还有，没有对熔敷部进行预先评价的适当方法，现实中所进行的是通过扩管试验之类的制造后的检查而开始确认，为此强度不足的制品也时有发生，具有制品成品率低的问题。在发现这种强度不足的情况下，仅以经验知识或变更试行错误的模具形状和挤压条件而应对，在对策中缺乏再现性和通用性，不能充分且迅速地对应无经验的新制品形状和要求特性，并且模的制造变得徒劳，不得不说是极端地低效率。

本发明鉴于如此的现状，其目的为实现和确立一种新型挤压加工技术，其能够一举消除使用桥式孔型挤压模等的中空模的挤压加工中的所述熔敷部的强度的基本问题，并且在稳定地制造具有优异机械性质的中空轻金属构件(制品)的同时，能够低成本高效率地制造与所要求的强度水平等匹配的制品。

发明内容

为达到所述目的，本发明采用以下结构。

即本发明是利用中空挤压模对轻金属原材料挤压加工的方法，其中，包括将所述轻金属原材料一度分流后合流并相互熔敷的工序，以及通过所述中空挤压模的模孔将此合流后的轻金属原材料挤压加工为所希望的截面形状的工序，在此挤压加工的工序中，将施加于所述合流·熔敷后的轻金属原材料的应变量维持在1.8以上而进行此挤压加工。

另外，这里所谓“应变量”表示从熔敷室截面到达模出口部制品截面之间在轻金属原材料中所产生的相当应变分布量的平均值的意思。

通过将这种应变量维持在1.8以上，能够将制品中的熔敷部的抗拉强度提高到大致接近裸露部的抗拉强度的强度。

此方法可以适用于种种轻金属原材料，但是对于述构成所述中空轻金属构件的金属是铝合金的情况特别有效。

还有本发明，是利用中空挤压模将轻金属原材料分流以及合流·熔敷后挤压加工为所希望的截面形状的中空轻金属构件的挤压加工方法，其中，求出施加于所述合流·熔敷后的轻金属原材料的应变量与挤压加工后的制品的熔敷部的熔敷强度的相关关系，基于此相关关系以与所述熔敷强度的目标值相对应的应变量为目标应变量而进行设定，将施加于所述合流·熔敷后的轻金属原材料的应变量维持在所述目标应变量以上而进行此轻金属原材料的挤压加工。

另外，本发明在对轻金属原材料进行分流以及合流·熔敷后，在用于挤压加工为所希望的截面形状的中空轻金属构件的挤压加工的中空挤压模中，被设为能够将施加于所述合流·熔敷后的轻金属原材料的应变量维持在1.8以上而进行挤压。

作为此中空挤压模，桥式孔型挤压模，空心模，或异形孔模较为合适。

另外，本发明是通过将轻金属原材料在进行了分流以及合流·熔敷后挤压加工为所希望的截面形状而得到的中空轻金属构件，是通过将施加于所述合流·熔敷后的轻金属原材料的应变量维持在1.8以上进行挤压而得到的中空轻金属构件，其熔敷部的强度为裸露部的强度的90％以上。

附图说明

图1(a)是表示用于中空挤压成形的中空模的例子的立体图；(b)是同一挤压模的截面正视图。

图2是表示所述中空模中的各部位的成形材料的截面面积变化的情况的截面俯视图。

图3(a)、(b)是用于说明各种中空模的尺寸的部分截面正视图。

图4是基于使用中空模的挤压加工实验结果而表示应变量和熔敷强度的关系的曲线。

图5是表示中空挤压装置的概要的截面说明图。

图6表示用于所述中空挤压装置的中空模的一例的截面立体图。

具体实施方式

以下，详细地说明本发明其原理·作用以及优选实施方式。

本发明者们为了解决所述问题，着眼于影响熔敷部强度的因素而不断地进行实验·研究，最终得出，定量地支配其的并非通常所想的是制品温度，而是在中空模内的特定部位中轻金属原材料所受到的应变量。此外，进行研究的结果通过实验能够判明，若此应变量为某一定极限值以上，则能够将熔敷部的强度改善为接近裸露部的强度。因此，基于如此的事实判明了，对应变量和中空模的形状、构造之间的关系进行定量化，并通过将此结果反映到模具的设计中，从而不仅能够得到熔敷强度高、品质优异的中空构件，还能够自由地制造综合了各种要求强度水平的中空构件。

在明确了此应变量的对熔敷强度的影响后，本发明者们首先推断了被加压提供到容器内的原材料的坯锭通过中空模而作为制品被挤压出的过程中所受到的变形和其截面积的变化。

图1(a)、(b)是表示桥式孔型挤压模4的例子的图。图2(a)～(d)是模式性地表示所述模的各部位的金属(形成坯锭的成形材料)的存在区域即截面形状的图。另外，出于简便省略了这些图中构成模4的周边的外壁和其他构件。

所述模4，具有互相嵌合的阳模4a和阴模4b。阳模4a一体地具有十字状的桥式主体41，和从此桥式主体41的四个端部向下方突出的脚部42b，阳支座7a从所述桥式主体41的中央部向下方突出。阴模4b具有在其上面所述阳模4a的各脚部42被嵌入的凹部43，在凹部43的底面中央位置设有沿轴向贯通此阴模4a的孔的阴支座7b。两个支座7a、7b的相对关系与所述图5和图6所示的相同。

在此模4中，与所述图5所示的装置相同，作为坯锭所成型的轻金属原材料1从箭头A方向进入容器内，到最终成为制品沿B方向被挤压出之间，此轻金属原材料1的截面形状显著地变化，图2是着眼于图1(a)所示的圆周角45°的扇形区域S而表示其截面形状的推移的图。

具体地说，图2(a)、(b)、(c)、(d)分别表示图1(b)所示的①-①线、②-②线、③-③线、④-④线的高度位置的轻金属原材料1的截面形状。另外，在轻金属原材料1中，生成在所述模4内的中央侧的流动部分和在其外侧残余的不流动的滞留部分，但在图2(a)、(b)、(c)、(d)中，轻金属原材料1的流动部分1a作为细网眼部分，非流动部分1b作为粗网眼部分，而分别被示出。

首先，在所述①-①线的位置，即比模4更上游侧的容器内的位置，轻金属原材料1的流动部分1a占据了整个截面区域，在②-②线的位置即作为桥式主体41存在的位置且比脚部42更上游侧的位置，轻金属原材料1由于此桥式主体41的存在而如图2(b)所示分流到四个地方，其分离断开的面积相当于桥式主体41间的开口面积而减少。

其后，分流部分经过桥式主体41，到达脚部42存在的③-③线的位置，并在形成于所述桥式主体41的下方且各脚部42的内侧的位置的熔敷室8内再次合流，互相熔敷。因此，这里的金属(成形材料)的截面形状变得如图2(c)所示。

于是，在两支座7a、7b存在的④-④线的位置，如图2(d)所示，金属截面面积被限制为形成于两支座7a、7b之间的间隙的面积，从图2(c)所示的截面面积显著地减少。

本发明者们，研究所述的截面形状的推移的结果从而得知，所述各部位中，从如图2(c)所示的合流后的熔敷室8的部位到同图(d)中所示成形后的部位之间，施与金属的应变量对熔敷强度产生很大的影响。另外，这里所说的应变量，如上所述，表示从熔敷室截面到模出口部制品截面的相当应变分布量的平均值。

根据以上事实，此应变量很大程度受熔敷室8的原材料流动部分1a的截面面积(Ae)和制品的截面面积(Atp)的影响，并且根据图3(a)、(b)所示熔敷室高度尺寸H_M和模厚度H_D发生变化。另外，图3(a)表示具有桥式主体41的桥式孔型挤压模或异形孔模时的尺寸，同图(b)表示具有射入口6的多孔拉拨模时的尺寸，在这些图中，分别有X表示射入口面的位置，Y表示熔敷室上面(合流部上面)的位置，Z表示模开口面的位置。

本发明者们得出，若对这种模具设计因子和所述应变量的关系进行定量化，则能够基于此进行模具设计，从而能够根本地解决熔敷强度的问题。这里虽然没有涉及其设计因子和应变量之间的具体的定量化(定式化、函数化)方法，但是若确定了模具形状则可利用有限元素法或差分法等周知的数值分析方法计算应变量，因此能够比较容易地求出此模具设计因子和应变量之间的相关关系。

本发明者们对如此的熔敷强度和应变量及其支配因子的关系进行了研究讨论，并确认其在实际的技术中是否能够有效地适用，并以7000系等铝合金为供试材，使用具有各种不同形状的中空模进行挤压加工实验，得到此时的应变量，从而测定中空构件的抗拉强度。下述表1表示其实验条件，表2表示其实验结果。

表1

  编号  供试材  (铝合金种类)  模具的  种类  模具的  厚度  H_D(mm)  熔敷室  高度  H_M(mm)  制品截面  面积Atp  (mm²)  EP面积  Am(mm²)  1  JIS7N01  桥式孔型  145  35  1053  18188  2  JIS7N01  射入型  160  30  4005  27760  3  JIS7075  多孔型  185  35  4475  37468  4  JIS7003  异形孔型  50  10  1906  15768  5  JIS7N01  桥式孔型  30  20  255  9488  6  JIS7003  异形孔型  30  8  255  9488  7  JIS7N01  多孔型  30  20  255  5251  8  JIS7075  桥式孔型  30  8  255  5251  9  JIS7N01  桥式孔型  100  25  1562  33970  10  JIS7075  多孔型  100  20  1102  29517  11  JIS7N01  桥式孔型  60  10  725  10378

表2

  编号  应变量  熔敷部的抗拉强度/裸露部的抗拉强度  1  1.59  ×  2  0.75  ×  3  0.87  ×  4  0.90  ×  5  3.22  ○  6  2.37  ○  7  2.64  ○  8  1.83  ○  9  2.41  ○  10  3.15  ○  11  1.78  ×

从表2的试验结果可知，应变量为1.8以上的材料，与应变量低的供试材相比，任一个抗拉强度比均为90％以上，熔敷部的强度与裸露部的强度没有太大差别。因此，通过将应变量的极限值设为1.8，相同的应变量维持在此值以上而进行挤压加工，从而能够稳定地制造熔敷部的强度高，优异的中空构件。

此外，图4是在这些结果上添加另外进行的追加试验的结果，使N数增加，从而将应变量和熔敷强度之间关系同样地进行了整理的曲线。在图中分别有，位于熔敷部和裸露部的抗拉强度比为100％处，且与X轴平行的实线表示裸露部(非熔敷部)的抗拉强度，虚曲线表示熔敷部的抗拉强度。

从此图可知，应变量和熔敷强度之间是明确的正相关，应变量为1.8以上时强度比为90％以上，在熔敷部中也能得到优异的强度。而且可知，特别是若应变量在2.4以上的范围，则能够得到强度比为95％以上的非常高强度的熔敷部，从而提供一种几乎不逊色于裸材强度的品质更为优良的中空构件。即，根据这些试验结果，为了得到所述抗拉强度比为90％以上的中空金属构件，则必须将所述应变量维持在1.8以上而进行挤压加工，特别是若将所述应变量维持在2.4以上而进行挤压加工，则可得到强度特性更为优异的中空轻金属构件。

如此，求出应变量和熔敷强度的相关关系，并基于此关系而决定对应于成为目标的熔敷强度的应变量，以此应变量为目标应变量，将从所述合流·熔敷后的阶段到挤压成型后的阶段之间施加于轻金属原材料上的应变量维持在所述目标应变量以上，从而对中空挤压加工用模具进行设计，并通过使用相同模具进行此挤压成形，从而能够稳定地得到具有充分的熔敷强度的中空轻金属挤压构件。

另外，在上述的实施例中，虽然对铝合金证实了本发明的优异效果，但本发明适用于其他轻金属(包括合金)，例如锡、锑、钛、镁、铍等的挤压加工中，也能够得到同样的效果。