アルミニウム合金プロファイルが生活や生産に広く使用されている理由は、その低密度、耐腐食性、優れた導電性、非強磁性、成形性、リサイクル性などの利点が誰もが十分に認識しているからです。
中国のアルミプロファイル産業は、零細から大規模へと成長し、生産量世界一を誇るアルミプロファイルの主要生産国へと発展しました。しかし、アルミプロファイル製品に対する市場の需要が高まり続けるにつれ、アルミプロファイルの生産は複雑化、高精度化、大規模化へと進み、一連の生産上の問題を引き起こしています。
アルミプロファイルは主に押出成形で製造されます。製造工程では、押出機の性能、金型の設計、アルミ棒の組成、熱処理などの工程要因に加え、プロファイルの断面設計も考慮する必要があります。最適なプロファイル断面設計は、工程の難易度を根本から低減するだけでなく、製品の品質と使用効果を向上させ、コストを削減し、納期を短縮することにもつながります。
この記事では、実際の製造事例を通じて、アルミニウム プロファイルの断面設計で一般的に使用されるいくつかの手法をまとめます。
1. アルミニウムプロファイル断面の設計原則
アルミ異形押出加工法は、加熱したアルミ棒を押出バレルに装填し、押出機を通して圧力を加え、所定の形状・大きさのダイス穴から押し出すことで塑性変形を起こし、目的の製品を得る加工方法です。アルミ棒は、変形過程において温度、押出速度、変形量、金型などの様々な要因の影響を受けるため、金属の流れの均一性を制御することが難しく、金型設計に一定の困難をもたらします。金型の強度を確保し、ひび割れ、崩壊、欠けなどを避けるために、異形断面設計では、大きな片持ち梁、小さな開口部、小さな穴、多孔質、非対称、薄肉、不均一な壁厚などを避ける必要があります。設計にあたっては、まず使用性、装飾性などの性能を満たす必要があります。得られた断面は使用可能ですが、最適な解決策ではありません。設計者が押出工程に関する知識や関連設備を理解しておらず、製造工程の要件が過度に高く厳しい場合、合格率が低下し、コストが増加し、理想的なプロファイルが得られない可能性があります。したがって、アルミニウムプロファイル断面設計の原則は、機能設計を満たしながら、可能な限りシンプルなプロセスを採用することです。
2. アルミプロファイルのインターフェース設計に関するヒント
2.1 誤差補正
プロファイル製造において、クロージングはよくある欠陥の一つです。主な原因は以下の通りです。
（１）断面の深い開口部を有するプロファイルは、押し出し加工時に開口部が閉じてしまうことが多い。
（２）プロファイルの伸張と矯正により、閉鎖が強化されます。
（３）特定の構造を有する接着剤注入プロファイルでは、接着剤注入後にコロイドが収縮するため、閉じてしまうこともある。
上記の閉塞が深刻でない場合は、金型設計で流量を制御することで回避できますが、いくつかの要因が重なり、金型設計と関連プロセスで閉塞を解決できない場合は、断面設計で事前補正、つまり事前開放を行うことができます。
型開き補正量は、具体的な構造と過去の型閉じ経験に基づいて決定する必要があります。このとき、型開き図（型開き前）と完成図の設計は異なります（図1）。
2.2 大きなセクションを複数の小さなセクションに分割する
大型アルミプロファイルの開発に伴い、多くのプロファイルの断面設計はますます大型化しており、大型押出機、大型金型、大型アルミ棒などの一連の設備が必要となり、生産コストが急激に上昇しています。接合で実現できる大型断面については、設計段階で複数の小さな断面に分割する必要があります。これにより、コストを削減できるだけでなく、平坦度、曲率、精度を確保しやすくなります（図2）。
2.3 補強リブを設置して平坦性を向上させる
プロファイル断面の設計では、平坦度が求められることがよくあります。小スパンプロファイルは構造強度が高いため、平坦度を確保しやすいです。一方、長スパンプロファイルは押出直後に自重によりたわみが生じ、曲げ応力が最も大きい中央部が最も凹状になります。また、壁パネルが長いため波打ちが発生しやすく、平面の断続性が悪化します。そのため、断面設計においては大型の平板構造は避けるべきです。必要に応じて、中央部に補強リブを設置して平坦度を向上させることができます。（図3）
2.4 二次加工
プロファイル製造工程において、押出加工では対応が難しい部位があります。たとえ可能であっても、加工コストと製造コストが高すぎるため、他の加工方法を検討する必要があります。
ケース1：プロファイル部に直径4mm未満の穴を開けると、金型の強度が不足し、破損しやすく、加工が困難になります。小さな穴を取り除き、ドリル加工で対応することをお勧めします。
ケース2：通常のU字溝の製作は難しくありませんが、溝深さと溝幅が100mmを超える場合、または溝幅と溝深さの比率が不合理な場合、製作時に金型強度不足や開口部確保の難しさなどの問題も発生します。プロファイル断面の設計時に開口部が閉じているとみなすことで、強度不足の元のソリッド金型を安定した分割型に変えることができ、押し出し時の開口部の変形の問題がなく、形状を維持しやすくなります。また、設計時に開口部の両端の接続部分に細かい処理を施すことができます。例えば、V字型のマークや小さな溝などを設定し、最終加工時に簡単に除去できるようにします（図4）。
2.5 外見は複雑だが中身はシンプル
アルミ異形押出金型は、断面にキャビティがあるかどうかによって、ソリッド金型とシャント金型に分けられます。ソリッド金型の加工は比較的簡単ですが、シャント金型の加工にはキャビティやコアヘッドなどの比較的複雑な工程が含まれます。そのため、異形断面の設計には十分な配慮が必要です。つまり、断面の外側の輪郭はより複雑に設計でき、溝やネジ穴などは可能な限り外周に配置し、内部は可能な限りシンプルにし、精度要件を高くしすぎないようにします。このようにして、金型の加工とメンテナンスはどちらもはるかに簡単になり、歩留まりも向上します。
2.6 留保証拠金
アルミプロファイルは、押出成形後、お客様のニーズに応じて様々な表面処理方法を採用しています。中でも、陽極酸化処理と電気泳動処理は、薄膜層のためサイズへの影響が小さいです。一方、粉体塗装などの表面処理方法を採用した場合、角や溝に粉体が堆積しやすく、単層の厚さが100μmに達することがあります。スライダーなどの組み立て箇所では、4層のスプレー塗装が必要になります。厚さが400μmに達すると、組み立てが不可能になり、使用にも影響を及ぼします。
さらに、押し出し回数が増え、金型が摩耗するにつれて、プロファイルスロットのサイズはますます小さくなり、スライダーのサイズはますます大きくなり、組み立てが困難になります。以上の理由から、組み立てを確実に行うためには、設計段階で具体的な条件に応じて適切な余裕を持たせる必要があります。
2.7 公差マーキング
断面設計では、まず組立図を作成し、次にプロファイル製品図を作成します。組立図が正しいからといって、プロファイル製品図が完璧であるとは限りません。設計者の中には、寸法と公差のマーキングの重要性を無視している人もいます。マークされた位置は、一般的に、組立位置、開口部、溝深さ、溝幅など、保証する必要のある寸法であり、測定と検査が容易です。一般的な寸法公差については、国家規格に従って対応する精度レベルを選択できます。重要な組立寸法の中には、図面に特定の公差値をマークする必要があるものがあります。公差が大きすぎると組立が難しくなり、小さすぎると生産コストが増加します。合理的な公差範囲には、設計者の日々の経験の蓄積が必要です。
2.8 詳細な調整
細部が成否を左右しますが、これはプロファイル断面設計にも当てはまります。小さな変更は金型を保護し、流動性を制御できるだけでなく、表面品質を向上させ、歩留まりを向上させることができます。よく使用される手法の1つは、角を丸めることです。押し出し成形されたプロファイルは、ワイヤーカットに使用される細い銅線にも直径があるため、完全に鋭い角を持つことはできません。しかし、角部では流動速度が遅く、摩擦が大きく、応力が集中するため、押し出し痕が目立ち、サイズ制御が難しく、金型が欠けやすい状況がよくあります。したがって、使用に影響を与えない範囲で、丸み半径を可能な限り大きくする必要があります。
たとえ小型の押出機で生産する場合でも、プロファイルの肉厚は0.8mm以上、断面の各部の壁厚の差は4倍以下にする必要があります。設計時には、肉厚の急激な変化部分に斜めの線や円弧の遷移を使用することで、排出形状の規則性を確保し、金型の修理を容易にすることができます。また、薄肉プロファイルは弾力性に優れており、ガセットやバッテンなどの肉厚は1mm程度に抑えることができます。角度調整、方向変更、カンチレバーの短縮、隙間の増加、対称性の向上、公差の調整など、設計上の細部の調整には多くの用途があります。つまり、プロファイル断面設計には継続的な総括と革新が必要であり、金型設計、製造、生産プロセスとの関係を十分に考慮する必要があります。
3. 結論
設計者として、プロファイル製造から最大限の経済的利益を得るためには、ユーザーニーズ、設計、製造、品質、コストなど、製品ライフサイクル全体のあらゆる要素を設計段階で考慮し、製品開発の初回成功を目指します。そのためには、製品製造の日々の追跡と、設計結果を予測し、事前に修正するための一次情報の収集と蓄積が不可欠です。
投稿日時: 2024年9月10日
