アルミニウム合金は軽量で美しく、耐腐食性に優れ、優れた熱伝導性と加工性能を備えているため、IT産業、エレクトロニクス産業、自動車産業、特に現在台頭しているLED産業において、放熱部品として広く使用されています。これらのアルミニウム合金放熱部品は優れた放熱機能を有しています。生産において、これらの放熱器プロファイルを効率的に押し出し成形するための鍵となるのは金型です。これらのプロファイルは一般的に、大きくて密な放熱歯と長い吊り下げ管という特徴を持っているため、従来の平型、割型、半中空プロファイルなどの金型構造では、金型強度と押し出し成形の要件を十分に満たすことができません。
現在、企業は金型鋼の品質に大きく依存しており、金型の強度を高めるために高価な輸入鋼材を躊躇なく使用しています。金型コストは非常に高く、実際の金型の平均寿命は3t未満であるため、ラジエーターの市場価格は比較的高く、LEDランプの普及促進に深刻な制約となっています。そのため、ひまわり型ラジエータープロファイル用の押出金型は、業界のエンジニアリングおよび技術者から大きな注目を集めています。
本稿では、長年にわたる研究と度重なる試作を経て得られたひまわりラジエーター異形押出ダイの各種技術を、実際の生産現場での事例を通じて紹介し、同業者の方々の参考とします。
1. アルミニウムプロファイル断面の構造特性の分析
図1は、典型的なひまわり型放熱器アルミプロファイルの断面を示しています。プロファイルの断面積は7773.5mm²で、放熱歯は合計40本あります。歯間に形成される最大垂下開口寸法は4.46mmです。計算後、歯間の舌状比は15.7です。同時に、プロファイルの中央には3846.5mm²の大きなソリッドエリアがあります。
プロファイルの形状特性から判断すると、歯間空間は半中空プロファイルとみなされ、ラジエータープロファイルは複数の半中空プロファイルで構成されています。したがって、金型構造を設計する際には、金型の強度をどのように確保するかが鍵となります。半中空プロファイルの場合、業界では「カバー付きスプリッター金型」、「カットスプリッター金型」、「吊り橋スプリッター金型」など、さまざまな成熟した金型構造が開発されています。ただし、これらの構造は複数の半中空プロファイルで構成される製品には適用できません。従来の設計では材料のみを考慮していましたが、押出成形において強度に最も影響を与えるのは押出工程中の押し出し力であり、金属成形工程が押し出し力を生成する主な要因です。
ソーラーラジエータープロファイルの中央のソリッドエリアが大きいため、押し出し加工中にこの領域全体の流量が速くなりやすく、歯間吊り管の先端に追加の引張応力が発生し、歯間吊り管の破損につながります。したがって、金型構造の設計では、金属の流量と流量の調整に重点を置き、押し出し圧力を低減し、歯間吊り管の応力状態を改善して金型の強度を向上させるという目的を達成する必要があります。
2. 金型構造と押出プレス能力の選択
2.1 金型構造形態
図1に示すひまわり型ラジエータープロファイルは、中空部を持たないものの、図2に示すように分割型構造を採用する必要があります。従来のシャント型構造とは異なり、上型に金属製のはんだ付けステーションチャンバーを配置し、下型にインサート構造を採用することで、金型コストの削減と金型製造サイクルの短縮を図っています。上型と下型はどちらも汎用性があり、再利用が可能です。さらに重要なのは、ダイホールブロックを独立して加工できるため、ダイホールワークベルトの精度をより確実に確保できることです。下型の内穴は段差状に設計されています。上部とダイホールブロックはクリアランスフィットを採用し、両側の隙間値は0.06～0.1mです。下部は締まりばめを採用し、両側の締まりばめ量は0.02～0.04mです。これにより、同軸度を確保し、組み立てを容易にし、インレイの嵌合をよりコンパクトにし、同時に熱による締まりばめによる金型の変形を回避できます。
2.2 押出機容量の選択
押出機の容量選定は、一方では、押出バレルの適切な内径と、押出機が押出バレル部にかける最大比圧力を決定し、金属成形時の圧力に対応することです。他方では、適切な押出比を決定し、コストに基づいて適切な金型サイズ仕様を選択することです。ひまわりラジエーターアルミプロファイルの場合、押出比は大きすぎることはできません。主な理由は、押し出し力は押出比に比例するためです。押出比が大きいほど、押し出し力も大きくなります。これは、ひまわりラジエーターアルミプロファイル金型にとって非常に有害です。
経験上、ひまわりラジエーター用アルミプロファイルの押し出し比は25未満です。図1に示すプロファイルでは、押し出しバレルの内径が208 mmの20.0 MN押し出し機を選択しました。計算後、押し出し機の最大比圧は589MPaで、より適切な値です。比圧が高すぎると金型への圧力が大きくなり、金型の寿命に悪影響を及ぼします。比圧が低すぎると、押し出し成形の要件を満たすことができません。経験上、550〜750 MPaの範囲の比圧が、さまざまなプロセス要件をよりよく満たすことができます。計算後、押し出し係数は4.37です。金型サイズの仕様は、350 mmx200 mm（外径x度）に選択されています。
3. 金型構造パラメータの決定
3.1 上型構造パラメータ
（1）分岐穴の数と配置。ひまわり型ラジエータープロファイルのシャント金型の場合、シャント穴の数は多いほど良いです。同様の円形プロファイルの場合、通常3～4個の従来のシャント穴が選択されます。その結果、シャントブリッジの幅が広くなります。一般的に、20mmより大きい場合、溶接数は少なくなります。ただし、ダイ穴の作業ベルトを選択する際には、シャントブリッジの下部にあるダイ穴の作業ベルトを短くする必要があります。作業ベルトの選択に正確な計算方法がない場合、作業ベルトの違いにより、押し出し時にブリッジ下のダイ穴と他の部品で流量が正確に同じにならないのは当然です。この流量の違いは、カンチレバーに追加の引張応力を生じさせ、放熱歯のたわみを引き起こします。したがって、歯数が密なひまわり型ラジエーター押出ダイでは、各歯の流量が一定であることを保証することが非常に重要です。シャントホールの数が増えると、それに応じてシャントブリッジの数も増え、金属の流量と流れの分布がより均一になります。これは、シャントブリッジの数が増えるほど、シャントブリッジの幅を狭くすることができるためです。
実用データによると、シャント穴の数は一般的に6個または8個、あるいはそれ以上です。もちろん、一部の大型ヒマワリ型放熱プロファイルでは、上型はシャントブリッジ幅≤14mmの原則に従ってシャント穴を配置することもできます。違いは、金属の流れを事前に分配・調整するために、前部分岐板を追加する必要があることです。前部分岐板における分岐穴の数と配置は、従来の方法で行うことができます。
また、シャント穴の配置にあたっては、上型を用いて放熱歯のカンチレバー先端部を適切に遮蔽し、金属がカンチレバーチューブの先端部に直接当たるのを防ぎ、カンチレバーチューブの応力状態を改善することを考慮する必要があります。歯と歯の間のカンチレバー先端部の遮蔽部分は、カンチレバーチューブの長さの1/5～1/4程度とすることができます。シャント穴の配置は図3に示されています。
（2）シャント穴の面積関係。高温歯の根元は肉厚が薄く、高さが中心から遠く、物理的な面積が中心から大きく異なるため、金属成形が最も難しい部分です。そのため、ひまわり型ラジエータープロファイル金型の設計における重要なポイントは、中央のソリッド部分の流動速度をできるだけ遅くして、金属が最初に歯の根元を満たすようにすることです。このような効果を得るためには、一方では作業ベルトの選択であり、さらに重要なのは、分岐穴の面積、主に分岐穴に対応する中央部分の面積を決定することです。テストと経験値によると、中央分岐穴の面積S1と外側の単一分岐穴の面積S2が次の関係を満たす場合に最良の効果が得られます。S1=(0.52~0.72)S2
さらに、中央スプリッター穴の有効金属流路は、外側スプリッター穴の有効金属流路より20～25mm長くする必要があります。この長さは、金型の補修マージンと可能性も考慮に入れています。
（3）溶接室の深さ。サンフラワーラジエータープロファイル押出ダイは、従来のシャントダイとは異なり、溶接室全体を上型に配置する必要があります。これは、下型の穴ブロック加工精度、特に作業ベルトの精度を確保するためです。従来のシャントダイと比較して、サンフラワーラジエータープロファイルシャントダイの溶接室の深さを深くする必要があります。押出機の容量が大きいほど、溶接室の深さも大きくなり、15～25mmになります。例えば、20MNの押出機を使用する場合、従来のシャントダイの溶接室の深さは20～22mmですが、サンフラワーラジエータープロファイルのシャントダイの溶接室の深さは35～40mmにする必要があります。これの利点は、金属が完全に溶接され、吊りパイプへの応力が大幅に軽減されることです。上型溶接室の構造を図4に示します。
3.2 ダイス穴インサートの設計
ダイホールブロックの設計には、主にダイホールのサイズ、作業ベルト、ミラーブロックの外径と厚さなどが含まれます。
（１）ダイス穴サイズの決定。ダイス穴サイズは、主に合金熱処理のスケーリングを考慮して、従来の方法で決定することができる。
（2）作業ベルトの選択。作業ベルトの選択の原則は、まず歯根底部への全金属供給が十分であることを確保し、歯根底部の流速が他の部分よりも速くなるようにすることです。したがって、歯根底部の作業ベルトは最短で0.3～0.6mmとし、隣接部分の作業ベルトは0.3mmずつ増やします。中心に向かって10～15mmごとに0.4～0.5mmずつ増やすのが原則です。次に、中心の最大固体部分の作業ベルトは7mmを超えないようにします。作業ベルトの長さの差が大きすぎると、銅電極の加工や作業ベルトの放電加工に大きな誤差が生じます。この誤差により、押し出し加工中に歯のたわみが簡単に破損する可能性があります。作業ベルトを図5に示します。
（3）インサートの外径と厚さ。従来のシャント金型では、ダイ穴インサートの厚さは下金型の厚さと同じです。しかし、ヒマワリラジエーター金型では、ダイ穴の有効厚さが大きすぎると、押出・排出時にプロファイルが金型に衝突しやすくなり、歯の凹凸、傷、さらには歯の詰まりが発生し、歯の破損につながります。
また、ダイス穴の厚さが長すぎると、放電加工時の加工時間が長くなる一方で、電食偏差が発生しやすく、押し出し時に歯の偏差も発生しやすくなります。もちろん、ダイス穴の厚さが小さすぎると、歯の強度が保証されません。したがって、これらの2つの要素を考慮すると、経験上、下型のダイス穴インサート度は一般的に40〜50であり、ダイス穴インサートの外径は、ダイス穴の最大端からインサートの外円まで25〜30mmである必要があります。
図1に示すプロファイルの場合、ダイホールブロックの外径と厚さはそれぞれ225mmと50mmです。ダイホールインサートを図6に示します。図中のDは実寸大で、公称サイズは225mmです。その外寸の限界偏差は、下型の内孔に合わせて調整し、片側隙間が0.01〜0.02mmの範囲内になるようにします。ダイホールブロックを図6に示します。下型に配置されたダイホールブロックの内孔の公称サイズは225mmです。実際の測定サイズに基づいて、ダイホールブロックは片側0.01〜0.02mmの原則に従って調整されます。ダイホールブロックの外径はDとして得ることができますが、取り付けの便宜上、図に示すように、送り端でダイホールミラーブロックの外径を0.1mの範囲内で適切に縮小することができます。
4. 金型製造の主要技術
サンフラワーラジエータープロファイル金型の加工は、一般的なアルミプロファイル金型の加工とそれほど変わりません。明らかな違いは、主に電気処理に表れています。
（1）ワイヤーカットにおいては、銅電極の変形を防止する必要があります。放電加工に用いられる銅電極は重量が重く、歯が小さく、電極自体が柔らかく剛性が低いため、ワイヤーカット時に発生する局所的な高温により、ワイヤーカット中に電極が変形しやすくなります。変形した銅電極を用いてワークベルトや空刃を加工すると、歯の歪みが発生し、加工中に金型が破損しやすくなります。そのため、オンライン製造工程においては、銅電極の変形を防止する必要があります。主な対策としては、ワイヤーカット前にベッドで銅ブロックを水平にし、ダイヤルゲージを用いて切断開始時の垂直度を調整します。ワイヤーカットの際は、まず歯の部分から切断し、最後に厚肉部を切断します。切断部には、時々、銀線スクラップを充填します。ワイヤーカット後、ワイヤーカット機を用いて、切断した銅電極の長さに沿って約4mmの短い部分を切断します。
（2）放電加工は明らかに通常の金型とは異なります。ひまわり型ラジエーターのプロファイル金型の加工において、放電加工は非常に重要です。たとえ設計が完璧であっても、放電加工にわずかな欠陥があると金型全体が廃棄される可能性があります。放電加工はワイヤーカットのように設備に依存せず、作業者の操作スキルと熟練度に大きく依存します。放電加工では、主に以下の5つの点に注意を払います。
①放電加工電流。加工初期には7～10Aの電流値を使用し、加工時間を短縮します。仕上げ加工には5～7Aの電流値を使用します。低電流値を使用する目的は、良好な加工面を得るためです。
②金型端面の平坦度と銅電極の垂直度を確保します。金型端面の平坦度が悪い場合や銅電極の垂直度が不十分な場合、放電加工後のワークベルトの長さが設計したワークベルト長さと一致することを保証することが困難になります。放電加工が失敗したり、歯付きワークベルトを貫通したりすることが容易になります。そのため、加工前にグラインダーを使用して金型の両端を平坦化し、精度要件を満たすようにし、ダイヤルゲージを使用して銅電極の垂直度を修正する必要があります。
③ 空刃間の隙間が均一であることを確認してください。加工初期には、加工3～4mmごとに空刃が0.2mmずつオフセットされているか確認してください。オフセットが大きいと、その後の調整で修正が困難になります。
④放電加工中に発生した残留物を適時に除去してください。放電腐食により大量の残留物が発生するため、速やかに除去する必要があります。そうしないと、残留物の高さの違いにより、加工ベルトの長さが変わってしまいます。
⑤放電加工前に金型を脱磁する必要があります。
5. 押し出し結果の比較
図1に示すプロファイルは、従来の分割型と本論文で提案する新しい設計スキームを用いて試験された。結果の比較を表1に示す。
比較結果から、金型構造が金型寿命に大きな影響を与えていることがわかります。新しい設計方式で設計された金型には明らかな利点があり、金型寿命が大幅に向上しました。
6. 結論
ひまわりラジエーター異形押出金型は、設計・製造が非常に難しい金型であり、設計・製造は比較的複雑です。そのため、押出成功率と金型の耐用年数を確保するには、以下の点を満たす必要があります。
（1）金型の構造形式を合理的に選択する必要があります。金型構造は、放熱歯によって形成される金型カンチレバーへの応力を低減するために、押し出し力を低減するのに役立ち、それによって金型の強度を向上させる必要があります。重要なのは、シャント穴の数と配置、シャント穴の面積などのパラメータを合理的に決定することです。第一に、シャント穴間に形成されるシャントブリッジの幅は16mmを超えてはなりません。第二に、分割比が可能な限り押出比の30％以上になるように分割穴面積を決定する必要があります。同時に、金型の強度を確保する必要があります。
（2）作業ベルトを合理的に選択し、電気加工時に合理的な措置を講じる。これには銅電極の加工技術と電気加工の電気標準パラメータが含まれる。第一のポイントは、銅電極はワイヤーカット前に表面研磨し、ワイヤーカット時には挿入法を用いて確実に研磨することである。これにより、電極が緩んだり変形したりすることが防止される。
（3）電気加工工程では、歯のずれを防ぐために電極を正確に位置合わせする必要があります。もちろん、合理的な設計と製造を前提として、高品質の熱間加工用金型鋼と3段階以上の焼き戻し真空熱処理プロセスを採用することで、金型のポテンシャルを最大限に引き出し、より良い結果を得ることができます。設計、製造、押出生産に至るまで、各工程の精度が保たれている場合にのみ、ひまわり型ラジエータープロファイル金型の押出成形を保証できます。
投稿日時: 2024年8月1日
