1. はじめに
金型はアルミニウム異形押出成形において重要なツールです。異形押出成形工程では、金型は高温、高圧、高摩擦に耐える必要があります。長期間使用すると、金型の摩耗、塑性変形、疲労損傷が発生し、深刻な場合には金型破損につながる可能性があります。
2. 金型の故障形態と原因
2.1 摩耗故障
摩耗は押出ダイスの故障につながる主な形態であり、アルミプロファイルのサイズが狂い、表面品質が低下します。押出成形の際、アルミプロファイルは高温高圧下で潤滑処理なしで押出材を通して金型キャビティの開口部に接触します。片側はキャリパーストリップの平面と直接接触し、もう片側は滑り、大きな摩擦が発生します。キャビティの表面とキャリパーベルトの表面は摩耗して故障します。同時に、金型の摩擦プロセス中に、一部のビレット金属が金型の作業面に付着し、金型の形状が変化して使用できなくなります。また、摩耗故障と見なされ、刃先の不動態化、丸みを帯びたエッジ、平面の陥没、表面の溝、剥離などの形で現れます。
金型の摩耗の具体的な形態は、金型材料と加工対象物の化学組成や機械的性質、金型とビレットの表面粗さ、押出工程中の圧力、温度、速度など、摩擦工程の速度など、多くの要因に関係しています。アルミ押出金型の摩耗は主に熱摩耗であり、熱摩耗は摩擦、温度上昇による金属表面の軟化、金型キャビティ表面の噛み合いによって引き起こされます。金型キャビティ表面が高温で軟化した後、その耐摩耗性は大幅に低下します。熱摩耗のプロセスにおいて、温度は熱摩耗に影響を与える主な要因であり、温度が高いほど、熱摩耗は深刻になります。
2.2 塑性変形
アルミプロファイル押出ダイスの塑性変形は、ダイス金属材料の降伏プロセスです。
押出ダイスは作動中に高温、高圧、押し出された金属との高摩擦の状態が長時間続くため、ダイスの表面温度が上昇し、軟化を引き起こします。
非常に高い負荷がかかる条件下では、大きな塑性変形が発生し、ワークベルトが潰れたり楕円形になったりして、製造された製品の形状が変化します。金型に亀裂が生じなくても、アルミプロファイルの寸法精度が保証されないため、金型は不合格となります。
さらに、押出ダイの表面は加熱と冷却の繰り返しによって温度差を受け、表面には引張と圧縮の熱応力が交互に作用します。同時に、微細組織も様々な程度に変化します。これらの複合的な影響により、金型の摩耗と表面の塑性変形が発生します。
2.3 疲労損傷
熱疲労損傷もまた、金型の不具合の最も一般的な形態の一つです。加熱されたアルミニウム棒が押出ダイの表面に接触すると、アルミニウム棒の表面温度は内部温度よりもはるかに速く上昇し、膨張により表面に圧縮応力が発生します。
同時に、金型表面の降伏強度は温度上昇によって低下します。圧力上昇が対応する温度における表面金属の降伏強度を超えると、表面に塑性圧縮ひずみが発生します。成形品が金型から出ると表面温度は低下しますが、成形品内部の温度が依然として高い場合は、引張ひずみが発生します。
同様に、引張応力の増加がプロファイル表面の降伏強度を超えると、塑性引張ひずみが発生します。金型の局所ひずみが弾性限界を超えて塑性ひずみ領域に入ると、小さな塑性ひずみが徐々に蓄積され、疲労き裂が発生する可能性があります。
したがって、金型の疲労損傷を防止または軽減するためには、適切な材料を選定し、適切な熱処理システムを採用する必要があります。同時に、金型の使用環境の改善にも留意する必要があります。
2.4 金型破損
実際の生産工程では、金型の特定の部分に亀裂が分布しています。一定の使用期間を過ぎると、小さな亀裂が発生し、徐々に深くなります。亀裂が一定の大きさまで拡大すると、金型の耐荷重性が著しく低下し、破損につながります。あるいは、金型の初期熱処理・加工時に既に微小亀裂が発生しているため、使用中に金型が膨張し、早期に亀裂が発生しやすくなります。
設計面では、金型の強度設計と継手部のフィレット半径の選択が主な失敗原因です。製造面では、材料の事前検査、加工時の表面粗さや損傷への配慮、そして熱処理や表面処理品質の影響が主な原因です。
使用時には、金型の予熱、押し出し比、インゴット温度の制御、および押し出し速度と金属変形の流れの制御に注意する必要があります。
3. 金型寿命の向上
アルミニウムプロファイルの製造では、プロファイル押し出し製造コストの大部分を金型コストが占めます。
金型の品質は製品の品質に直接影響します。異形押出成形における押出金型の作業環境は非常に過酷であるため、設計・材料選定から金型の最終製造、そしてその後の使用・メンテナンスに至るまで、金型を厳密に管理する必要があります。
特に製造工程においては、金型の耐用年数を延ばし、生産コストを削減するために、金型は高い熱安定性、熱疲労、耐熱摩耗性、十分な靭性を備えている必要があります。
3.1 金型材料の選択
アルミプロファイルの押し出し加工は高温、高負荷の加工工程であり、アルミ押し出し金型は非常に過酷な使用条件にさらされます。
押出ダイは高温にさらされ、局所的な表面温度は600℃に達することがあります。押出ダイの表面は加熱と冷却を繰り返すため、熱疲労が発生します。
アルミニウム合金を押し出す場合、金型は高い圧縮、曲げ、せん断応力に耐える必要があり、その結果、凝着摩耗や研磨摩耗が発生します。
押し出しダイの動作条件に応じて、材料に必要な特性を決定できます。
まず、材料は優れた加工性を備えている必要があります。材料は、精錬、鍛造、加工、熱処理が容易である必要があります。さらに、材料は高強度と高硬度を備えている必要があります。押出ダイスは一般的に高温・高圧下で使用されます。アルミニウム合金を押出加工する場合、ダイス材料の室温での引張強度は1500MPa以上である必要があります。
高い耐熱性、すなわち押出成形時の高温における機械的負荷に耐える能力が求められます。また、応力条件下や衝撃荷重下での金型の脆性破壊を防止するために、常温および高温において高い衝撃靭性および破壊靭性値も求められます。
耐摩耗性が高く、つまり表面が長期間の高温、高圧、潤滑不良の状況下での摩耗に耐える能力を備えており、特にアルミニウム合金を押し出す場合には、金属の付着や摩耗に耐える能力を備えている必要があります。
工具の断面全体にわたって高い均一な機械的特性を確保するには、良好な硬化性が必要です。
押し出されたワークピースと金型自体の局所的な過度の燃焼や機械的強度の過度の低下を防ぐために、ツール金型の作業面から熱を素早く放散するには、高い熱伝導率が必要です。
繰り返しの周期的応力に対する強い耐性、つまり早期の疲労損傷を防ぐための高い持続強度が求められます。また、一定の耐食性と良好な窒化特性も必要です。
3.2 金型の合理的な設計
金型の合理的な設計は、金型寿命を延ばす上で重要な要素です。金型構造を正しく設計することで、通常の使用条件下では衝撃破断や応力集中の可能性がなくなります。そのため、金型設計においては、各部にかかる応力が均一になるように配慮し、鋭角、凹角、肉厚差、平坦で幅広の薄肉部などを避け、過度の応力集中を避ける必要があります。そうしないと、熱処理変形、割れ、脆性破壊、あるいは使用中の早期高温割れなどを引き起こします。また、標準化された設計は、金型の交換、保管、メンテナンスにも役立ちます。
3.3 熱処理と表面処理の品質向上
押出ダイスの耐用年数は熱処理の質に大きく依存します。そのため、金型の耐用年数を向上させるには、高度な熱処理方法と熱処理プロセス、そして強靭化処理や表面強化処理が特に重要です。
同時に、熱処理および表面強化工程を厳格に管理し、熱処理欠陥を防止しています。焼入れ・焼戻し工程のパラメータ調整、前処理、安定化処理、焼戻し回数の増加、温度制御、加熱・冷却強度への配慮、新しい焼入れ媒体の使用、強化・靭化処理や各種表面強化処理といった新しい工程や設備の研究は、金型の耐用年数向上に寄与しています。
3.4 金型製造の品質向上
金型加工において、一般的な加工方法には、機械加工、ワイヤーカット、放電加工などがあります。機械加工は金型加工工程において不可欠かつ重要な工程であり、金型の外観寸法を変えるだけでなく、プロファイルの品質や金型の寿命にも直接影響を与えます。
ダイス穴のワイヤーカットは、金型加工において広く用いられている加工方法です。加工効率と加工精度を向上させる一方で、いくつかの特殊な問題も伴います。例えば、ワイヤーカット加工された金型を焼戻し処理せずにそのまま生産に使用すると、スラグや剥離などが発生しやすく、金型の寿命を縮めます。そのため、ワイヤーカット後に金型を十分に焼戻し処理することで、表面引張応力状態を改善し、残留応力を低減し、金型の寿命を延ばすことができます。
応力集中は金型破損の主な原因です。図面設計の範囲内で、ワイヤーカットワイヤーの直径は大きいほど良いです。これは加工効率を向上させるだけでなく、応力分散を大幅に改善し、応力集中の発生を防ぎます。
放電加工は、放電加工中に発生する材料の蒸発、溶融、加工液の蒸発の重ね合わせによって行われる電食加工の一種です。問題は、加工液に作用する加熱・冷却熱と加工液の電気化学作用により、加工部に変質層が形成され、歪みと応力が生じることです。油の場合は、油の燃焼により分解した炭素原子が拡散してワークに浸炭します。熱応力が増加すると、変質層は脆く硬くなり、割れやすくなります。同時に残留応力が形成され、ワークに付着します。その結果、疲労強度の低下、破壊の促進、応力腐食などの現象が発生します。そのため、加工工程では、上記の問題を回避し、加工品質を向上させるように努める必要があります。
3.5 作業条件と押出工程条件の改善
押出ダイスの作業条件は非常に悪く、作業環境も非常に悪いです。そのため、押出プロセス方法とプロセスパラメータを改善し、作業条件と作業環境を改善することは、ダイスの寿命を向上させるのに有益です。したがって、押出前に、押出計画を慎重に策定し、最適な設備システムと材料仕様を選択し、最適な押出プロセスパラメータ（押出温度、速度、押出係数、押出圧力など）を策定し、押出中の作業環境を改善し（水冷または窒素冷却、十分な潤滑など）、それによって金型の作業負担を軽減し（押出圧力の低減、冷熱と交番負荷の低減など）、プロセス操作手順と安全使用手順を確立および改善する必要があります。
4 結論
近年、アルミニウム業界の動向の発展に伴い、誰もが効率向上、コスト削減、利益増大のためのより優れた開発モデルを模索しています。押出ダイは、アルミニウムプロファイルの製造において、間違いなく重要な制御ノードです。
アルミ押出ダイスの寿命に影響を与える要因は数多くあります。ダイスの構造設計や強度、ダイスの材質、冷間加工・熱処理・電気加工技術、熱処理・表面処理技術といった内部要因に加え、押出工程や使用条件、ダイスの保守・修理、押出製品の材料特性や形状、ダイスの仕様や科学的管理なども影響します。
同時に、影響要因は単一ではなく、複雑な多要因の総合的な問題であり、金型寿命の向上は当然のことながら体系的な問題でもあり、実際の生産および使用プロセスでは、設計、金型加工、使用メンテナンスなどの主要な管理側面を最適化し、金型の寿命を向上させ、生産コストを削減し、生産効率を向上させる必要があります。
MAT AluminumのMay Jiangによる編集
投稿日時: 2024年8月14日
