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技術 複雑形状を有する異形金属棒の冷間連続加工法

出願人 日本製鉄株式会社
発明者 舘山道昭三木武司甲賀孝彦宮木隆成
出願日 1993年3月26日 (27年9ヶ月経過) 出願番号 1993-068791
公開日 1994年10月4日 (26年2ヶ月経過) 公開番号 1994-277744
状態 特許登録済
技術分野 金属の引抜加工
主要キーワード 荷重制御方式 結シュー 突起部位 連続加工装置 異形棒 後方圧 形状ダイス 断面減少
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1994年10月4日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

目的

複雑形状を有する異形面金属棒を極めて効率的に製造する方法を提供する。

構成

素材降伏応力の0.2〜1.0倍の後方圧力と、被加工材降伏応力の0.1〜1.0倍の前方張力とを、0.95σf ′+1.7σb ′≧1.0の範囲内で適宜組合わせて付加するとともに、後方圧力か前方張力かのどちらか一方を一定値に制御する。

概要

背景

従来から、金属棒を連続的に異形断面に加工するには、所定形状を有するダイスを通してダイス前方へ引抜きする方法が一般的であるが、この手段では通常10〜20%ずつ減面するので、断面素材を希望異形断面形状に加工するためには幾台ものダイスと引抜き機および熱処理炉とを組合わせる必要があり、加工工程が複雑となって作業の調整を行うには非常な熟練が必要とされている。

また、貴金属類異形線の製造方法として、特公平1−26761号公報に記載されている如く、正確な形状、寸法が要求される異形線を製造する際、頂角頂点成形ロールに設けて効率よく加工できる方法がある。これは軟金属で用いられるもので、高強度材延性の低い材料には適用できない。

さらには、非鉄金属類断面減少や異形断面加工として、例えばWire Journal,4−1976,P64によりライネックス法として知られているが、この手段は(図示していない)平板状の素材を上下のグリッパーで挟み素材との摩擦力を利用してダイス穴から円形状の製品を単に押出す加工法として紹介されているが、この方法は加工後の曲がりが大きく、後で矯正しなければならないことが多い上、メタルフロー乱れて、製品品質劣化するため高強度材や、延性の低い難加工材に適用する場合は押出し比の比較的小さい場合の加工に限られる。

このように、従来法はいずれも高強度材や、延性の低い難加工材に適用する場合は、一度に大きな断面減少率をとることが困難であったり、製品品質不良を生じたりする。断面減少率を大きくするには、加工を繰り返し行わなければならないが、その場合には加工の繰り返しによって生じる加工力の上昇や、素材延性の低下による破断の発生を防ぐために、途中で数回焼鈍を施さなければならないなど、複雑な工程を通す必要があった。

そこで、複雑形状を有する異形断面金属棒の製造には、熟練した技術者が必須であるほか、設備費、加工費が膨大なものとならざるを得ないことが多い。また、複雑な形状であれば、加工を数回繰り返しても実現できない形状も多くある。

最近これらの問題に対処する方法として押出しと引抜きを組合わせる技術が提案されている。特開平2−229615号公報は回転ホイール外周部に固定シュー素線押し付けることによってダイス押込み力を与えるとともに、一対の連結シューで素線を挟み込み、ダイスからの引抜き力を付加するものである。これは高強度材の大減面率加工に有効な技術ではあるが、単純な形状ならともかく、フィンなどの複雑な異形成形ではシューとの摩擦や、ホイールとの強い押し付けあいによる疵が出やすく、高強度材や難加工材には向かない。

また、特開平3−254311号公報に示される二対の連結シューにより素材をダイスに対して押込みと引抜きを組合わせる方法によれば上記のような固定シューとの摩擦や、ホイールからの疵が出ないなどの利点があるものの、単純な異形棒の加工技術を提供するものに外ならない。即ち、ことに外形凹凸の著しい複雑断面成形の難しい高強度材や難加工材に対しては操業する方法が与えられていない。このように、複雑形状を有する異形断面金属棒の製造は、多大の費用とともに熟練技術者が必須要件となる上、製造できる形状にも大きな制限があった。

概要

複雑形状を有する異形断面金属棒を極めて効率的に製造する方法を提供する。

素材降伏応力の0.2〜1.0倍の後方圧力と、被加工材降伏応力の0.1〜1.0倍の前方張力とを、0.95σf ′+1.7σb ′≧1.0の範囲内で適宜組合わせて付加するとともに、後方圧力か前方張力かのどちらか一方を一定値に制御する。

目的

本発明は、従来技術で非常に手数をかけていた、複雑形状を有する異形断面金属棒の製造に関して、熟練技術者を必要とすることなく極めて効率的に実施する技術を提供するものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

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請求項1

二対の連結シューによる被加工材ダイスに対する押込み、引抜きを組合わせて1パスで複雑形状を有する異形金属棒の冷間連続加工法において、該ダイスの後方における素材に、該素材の加工前の降伏応力の0.2〜1.0倍の押込み後方圧力と、該ダイスの前方における被加工材にその加工後の降伏応力の0.1〜1.0倍の引抜き前方張力とを、下記の式の範囲内で適宜組合わせて付加するとともに、後方圧力か前方張力かのどちらか一方を一定値に制御することを特徴とする、複雑形状を有する異形金属棒の冷間連続加工法。0.95σf ′+1.7σb ′≧1.0ここに、前方張力比σf ′=σf /σy2、後方圧力比σb ′=σb /σy1であり、σf は前方張力、σy2は素材の加工後の降伏応力、σb は後方圧力、σy1は素材の加工前の降伏応力、である。

技術分野

0001

本発明は、ダイス後方素材金属棒に押込みする力と、ダイス前方で加工金属棒に引抜きする力とを組合わせて付与することにより、複雑形状を有する異形金属棒を効率的に成形する連続加工法に関するものである。

背景技術

0002

従来から、金属棒を連続的に異形断面に加工するには、所定形状を有するダイスを通してダイス前方へ引抜きする方法が一般的であるが、この手段では通常10〜20%ずつ減面するので、断面素材を希望異形断面形状に加工するためには幾台ものダイスと引抜き機および熱処理炉とを組合わせる必要があり、加工工程が複雑となって作業の調整を行うには非常な熟練が必要とされている。

0003

また、貴金属類異形線の製造方法として、特公平1−26761号公報に記載されている如く、正確な形状、寸法が要求される異形線を製造する際、頂角頂点成形ロールに設けて効率よく加工できる方法がある。これは軟金属で用いられるもので、高強度材延性の低い材料には適用できない。

0004

さらには、非鉄金属類断面減少や異形断面加工として、例えばWire Journal,4−1976,P64によりライネックス法として知られているが、この手段は(図示していない)平板状の素材を上下のグリッパーで挟み素材との摩擦力を利用してダイス穴から円形状の製品を単に押出す加工法として紹介されているが、この方法は加工後の曲がりが大きく、後で矯正しなければならないことが多い上、メタルフロー乱れて、製品品質劣化するため高強度材や、延性の低い難加工材に適用する場合は押出し比の比較的小さい場合の加工に限られる。

0005

このように、従来法はいずれも高強度材や、延性の低い難加工材に適用する場合は、一度に大きな断面減少率をとることが困難であったり、製品品質不良を生じたりする。断面減少率を大きくするには、加工を繰り返し行わなければならないが、その場合には加工の繰り返しによって生じる加工力の上昇や、素材延性の低下による破断の発生を防ぐために、途中で数回焼鈍を施さなければならないなど、複雑な工程を通す必要があった。

0006

そこで、複雑形状を有する異形断面金属棒の製造には、熟練した技術者が必須であるほか、設備費、加工費が膨大なものとならざるを得ないことが多い。また、複雑な形状であれば、加工を数回繰り返しても実現できない形状も多くある。

0007

最近これらの問題に対処する方法として押出しと引抜きを組合わせる技術が提案されている。特開平2−229615号公報は回転ホイール外周部に固定シュー素線押し付けることによってダイス押込み力を与えるとともに、一対の連結シューで素線を挟み込み、ダイスからの引抜き力を付加するものである。これは高強度材の大減面率加工に有効な技術ではあるが、単純な形状ならともかく、フィンなどの複雑な異形成形ではシューとの摩擦や、ホイールとの強い押し付けあいによる疵が出やすく、高強度材や難加工材には向かない。

0008

また、特開平3−254311号公報に示される二対の連結シューにより素材をダイスに対して押込みと引抜きを組合わせる方法によれば上記のような固定シューとの摩擦や、ホイールからの疵が出ないなどの利点があるものの、単純な異形棒の加工技術を提供するものに外ならない。即ち、ことに外形凹凸の著しい複雑断面成形の難しい高強度材や難加工材に対しては操業する方法が与えられていない。このように、複雑形状を有する異形断面金属棒の製造は、多大の費用とともに熟練技術者が必須要件となる上、製造できる形状にも大きな制限があった。

発明が解決しようとする課題

0009

本発明は、従来技術で非常に手数をかけていた、複雑形状を有する異形断面金属棒の製造に関して、熟練技術者を必要とすることなく極めて効率的に実施する技術を提供するものである。

課題を解決するための手段

0010

本発明者らは、上記のような従来技術の欠点を解消し、複雑形状を有する異形断面金属棒において、かかる手段の適用を可能とすることについて種々検討の結果、加工ダイスの後方における素材に、押込み後方圧力と、該ダイスの前方の製品に引抜き前方張力とを同時に付与する技術を見いだした。この技術によって従来法の宿命であった、金属棒の座屈や破断をほぼ完全に防止し、高減面率で効率的に複雑形状を有する異形断面金属棒を成形加工することが可能となる。

0011

ここで言う、複雑形状とは単なる三角形四角形多角形を言うのではなく、図4で説明するフィンと呼ぶ複数個突起部位形状を有し、例えば、その高さHが、(イ)の場合の円形においては内接円半径rに対し、また(ロ)の場合のような矩形断面においては内接円の半径rに対して、0.2〜0.8の割合で形成している形状を意味する。

0012

即ち本発明の要旨は、二対の連結シューにより被加工材のダイスに対する押込み、引抜きを組合わせて1パスで複雑形状を有する異形金属棒の冷間連続加工法において、該ダイスの後方における素材に、該素材の加工前の降伏応力の0.2〜1.0倍の押込み後方圧力と、該ダイスの前方における被加工材にその加工後の降伏応力の0.1〜1.0倍の引抜き前方張力とを、下記式の範囲内で適宜組合わせて付加するとともに、後方圧力か前方張力かのどちらか一方を一定値に制御することを特徴とする複雑形状を有する異形金属棒の冷間連続加工法にある。
0.95σf ′+1.7σb ′≧1.0
ここに、前方張力比σf ′=σf /σy2、後方圧力比σb ′=σb /σy1であり、σf は前方張力、σy2は素材の加工後の降伏応力、σb は後方圧力、σy1は素材の加工前の降伏応力、である。

0013

図1は、無限軌道4,4′により加工前の素材1を把持して加工ダイスの後方における素材に押込み後方圧力σb を与え、同様の無限軌道5,5′により、加工後の被加工材2を把持してダイス前方で引抜き前方張力σf とを付与する複雑形状を有する異形金属棒の連続加工装置の一例を示す。

0014

この図において、一対の連結シュー4,4′を連続的に配置結合してなる無限軌道式押出し装置を、加工ダイス3の後方に設置して、素材1に押込みする後方圧力σb を与える。一方、加工ダイス3の前方にも同様に一対の連結シュー5,5′を連続的に配置結合してなる無限軌道式引抜き装置によって、前方張力σfを被加工材2に後方圧力σb と同時に与える。

0015

このとき、後方圧力σb を一定とする荷重制御方式とし、前方張力σf は加工に必要な一部を分担する方法と、これとは逆に、前方張力σf を一定とする荷重制御方式で、後方圧力σb は加工に必要な一部を分担する方法のいずれか一方を用いる。本装置を用いてコイル状あるいは直線状の素材を連続的に加工する。加工後の製品は再びコイルに巻取る場合や、直線のままで定尺切断する場合など任意に作業できる。

0016

本発明において、加工ダイスの後方における素材に、押込み後方圧力を付与することは、引抜き前方張力によって加工する場合と比べて圧縮応力が高くなり、ダイス内の型充満に極めて有効に作用する。ここで、後方圧力を該素材の加工前の降伏応力の1.0倍以下とするのは、素材金属棒に座屈を生じさせない範囲とするためであり、0.2倍以上とするのは、これ未満では後方圧力が型充満に作用する度合いが弱まることと、減面率を大きく取ることが困難になることによる。

0017

また、該ダイスの前方で前方張力を適宜組合わせると、加工金属棒を後方圧力との組合わせによって大きな減面率を容易に付与して、希望の型充満を可能とするのみならず、張力の作用によって加工後の素材の曲がりを極めて小さくすることができる。ここで、前方張力を被加工材にその加工後の降伏応力の1.0倍以下としたのは破断を防止するためであり、0.1倍以上とするのは、これ未満では製品の曲がりが大きくなるためである。なお、ここに言う降伏応力とはJIS Z2241に記載された降伏点または0.2%耐力を指す。

0018

以上のように、ダイス前方張力と後方圧力の組合わせにより複雑形状ダイスの型充満、破断防止、曲がりの抑制など、従来技術の問題点の多くが解消される。なお、後方圧力か前方張力かのどちらか一方を一定値に制御する機構を有することによって、後方圧力や、前方張力が限界に近い状態で操業しているときも両者の変動を抑制することによって、破断、座屈を防止するとともに、金属棒の断面形状を長手方向に均一かつ高精度に加工することができる。さらには、異形断面鋼線のように直線状でしかも規定の長さとして製品とする場合には切断機を配置することが望ましい。

0019

このように本発明は金属棒の座屈や破断の生じない高減面率加工法で、しかも有効に複雑形状を有する異形断面金属棒の成形加工を可能とするものである。特に鋼や高強度合金などの高強度材や延性の低い難加工金属材の異形断面金属棒の冷間連続加工に有効な技術を提供するものである。

0020

図2は、フィン付き丸型断面金属棒の斜視図で、四方向のフィンを長手方向に連続して設けたものを示す。この形状はフィンを成形しにくく、フィン高さが型充満の尺度として極めて良好な尺度となるので、本形状を中心に本発明の有効性を評価した。

0021

素材1は降伏応力60kgf/mm2 、直径10.2mmの円形断面を有する中実S53C圧延線材コイルを用い、潤滑には燐酸塩金属石鹸を上乗せした。加工金属棒の引抜き速度は、初期加工時30m/minで、定常加工時には70m/minに制御できる機構にした。

0022

ここに、素材金属棒に付加する力としては、加工前の降伏応力σy1の0.0〜1.14倍のダイス後方圧力と、素材金属棒の加工後の降伏応力σy2の0.0〜1.11倍以下の前方張力を種々組合わせて与えた。用いたダイスは図2の形状にて、内接円の半径r=3mm、フィン幅が2mm、高さHが0.9mmとし、このフィンに素材が充満すれば型充満が充分であると判断した。

0023

表1に結果を示す。

0024

0025

番号A〜Jが型充満しているが、K〜Mはダイス後方で座屈して加工不可能となり、N,Oはダイス前方で破断して加工不可能となった。P〜Xはフィン高さが0.9mm未満となり、ダイスに充満しなかった。これらの結果を図3のように、横軸に前方張力比σf ′=σf /σy2、縦軸に後方圧力比σb ′=σb /σy1を取って示す。

0026

この図では、正常に型充満した場合は○、ダイス前方で破断した場合は×、ダイス後方で座屈した場合は+、型充満が不足であった場合を●で示す。型充満した製品が得られるのは下記の各式を同時に満足するときであることが分かる。
σf ′≦1.0、 σb ′≦1.0
また、直線dより上、即ち、
0.95σf ′+1.7σb ′≧1.0
さらに、既に述べたように、押込み力はσb ′≧0.2、引抜き力はσf ′≧0.1の制限を加えると、図3斜線を施した領域が所定の成形が可能な領域となっており、本発明の有効性が示されている。

発明の効果

0027

本発明は従来手段のダイス前方の巻取り機による引抜き力を、単に素材に与えることによって異形金属棒を加工する際に生じる断線などの問題や、直棒状をなしている鋼線を連続加工する際の欠点を克服して、複雑形状を有する異形金属棒、とくに難加工材や高強度材などの加工を効率的かつ連続的に行うことを可能としたものである。しかも本発明によれば曲げぐせを大幅に抑制できるので、精密機械部品には最適の加工が施せる。加工素材は中実材に限らず中空材は勿論、管内部に非金属物質あるいは、異種金属充填したものでも適用可能であり工業的に価値が大きいことは明らかである。

図面の簡単な説明

0028

図1本発明を構成する加工ダイスの後方圧力と前方張力とを付与する異形金属棒の連続加工装置の説明図である。
図2本発明で実施可能なフィン付き異形金属棒の斜視図の説明図である。
図3前方張力比と後方圧力比との図表である。
図4(イ)及び(ロ)は本発明の形状の説明図である。

--

0029

1素材
2被加工材
3ダイス
4,4′,5,5′無限軌道連結シュー

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