特許 5909725 押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5909725

(24)【登録日】2016年4月8日

(45)【発行日】2016年4月27日

(54)【発明の名称】押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法

(51)【国際特許分類】

   B21C 51/00 20060101AFI20160414BHJP

   B21C 31/00 20060101ALI20160414BHJP

   G01N 23/04 20060101ALI20160414BHJP

【ＦＩ】

   B21C51/00 L

   B21C31/00

   G01N23/04

【請求項の数】3

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-10016(P2013-10016)

(22)【出願日】2013年1月23日

(65)【公開番号】特開2014-140860(P2014-140860A)

(43)【公開日】2014年8月7日

【審査請求日】2015年2月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】591155242

【氏名又は名称】鹿児島県

(74)【代理人】

【識別番号】100081709

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴若 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】牟禮 雄二

【審査官】 石黒 雄一

(56)【参考文献】

【文献】 特許第４７７１３３８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００８−２２４２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２２１２４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２１Ｃ ２３／００−３５／０６

Ｂ２１Ｊ １／００−１３／１４

Ｂ２１Ｊ １７／００−１９／０４

Ｂ２１Ｋ １／００−３１／００

Ｂ２１Ｃ ５１／００

Ｇ０１Ｎ ２３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属材料の変形特性を再現できるモデル材料と、材質が前記モデル材料の密度以下であるモデル型を使用して、所定形状の前記モデル材料の外周部のみに球体を埋め込む工程と、
前記モデル型に装填した前記モデル材料を最終ストロークまで止めることなく連続的に押出し加工する工程と、
前記押出し加工に同期して、視差を形成するＸ線とＸ線Ｉ．Ｉ．カメラにより撮像する工程と、
前記球体の３次元座標を一定時刻間隔で演算する工程と、
前記球体の移動軌跡と前記モデル型の形状データとを重ね合わせて表示する工程と、
前記球体の移動軌跡と前記モデル型の形状データとを重ね合わせて表示した結果に基づいてデッドゾーンの３次元形状を特定する工程とを有することを特徴とする押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法。

【請求項2】

金属材料の変形特性を再現できるモデル材料と透明なモデル型を使用して、前記モデル材料の外周部に球体を埋め込む工程と、
前記モデル型に装填した前記モデル材料を、止めることなく連続的に押出し加工する工程と、
前記押出し加工に同期して、前記球体が前記モデル材料の外周部から内部へ沈み込み視認不可となる直前の時点まで前記球体が移動する様子を、視差を形成する２方向から可視光下でビデオカメラにより撮像する工程と、
前記モデル材料の外周部から内部へ沈み込み視認不可となる直前の時点の前記球体の３次元座標を演算して前記モデル材料の外周部におけるデッドゾーン高さを特定する工程と、
前記モデル材料の外周部から内部へ沈み込む時点の前記球体の重心とダイス図心を通る断面において、前記断面とダイス上端面との交点を原点とし、前記原点からダイス上端面上の外周へ向かう方向をＸ軸の正方向、前記原点から加工方向とは逆方向をＹ軸の正方向と定義する座標系を定義し、前記原点および前記モデル材料の外周部から内部へ沈み込む時点の座標を利用して数値解析的に下に凸なる二次曲線で近似する工程と、
全ての前記２次曲線と前記モデル型の形状データとを重ね合わせて表示した結果に基づいてデッドゾーンの３次元形状を特定する工程とを有することを特徴とする押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法。

【請求項3】

前記モデル材料の外周部に、加圧軸に対して垂直な少なくとも１つ以上の平面であり、前記平面の高さはデッドゾーン高さより高い位置に等間隔で放射状に少なくとも１つ以上埋め込むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、アルミ合金等の金属製押出し加工品の加工時における曲がりの要因となる３次元デッドゾーン形状の特定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

軽量かつ強度と耐食性に優れ、再生性に富むアルミ合金製の押出し製品が、運輸機器（新幹線のボディ）や電子機器の構成部品及び建材（アルミサッシ）など広く利用されている。

【0003】

押出し加工は、図１４に示すように、コンテナ１００内の例えばアルミ合金等の円柱素材１０１をステム１０２で加圧し、コンテナ１００の端部に設けた製品断面と同じダイス孔１１０ａを持つダイス１１０から円柱素材１０１を塑性流動（塑性：加圧時に永久変形を生じる物質の性質）させる加工法である。

【0004】

一般的な形材押出し加工では、長尺の各種断面形状製品を押出し方向に真っ直ぐに成形加工することが要求される。同時にアルミ合金の熱間押出し加工では、加工品表層部に現れる表面再結晶（べび皮模様）の発生を抑える必要がある。

【0005】

押出し加工では、ダイス１１０のダイス孔１１０ａの各所における材料の不均一な流出速度が原因で、製品に曲がりやゆがみなど製品欠陥が発生する。発生原因は、図１５に示すように、ダイス孔１１０ａの出口付近の材料の流出速度差によるものであり、速度差の要因は、デッドゾーン（被加工材料の内部において、加工開始から加工終了まで材料が塑性流動せずに全く動かず滞留している領域）形状が左右非対称（起伏を有するため３次元的な形状となる）となり、図１５に示すとおり、その高さと押出し方向軸に対する傾きが不均一なためである。

【0006】

流出速度を均一化するには、図１４に示すように、一般にフローガイド１２０（塑性流動制御板、すなわち材料流出速度を促進または抑制する機能を果たす）を円柱素材１０１とダイス１１０間に設置するが、フローガイド１２０の設計は経験と勘に依存している。適正な塑性流動の制御機能を発揮するフローガイド１２０を設計するには、ダイス孔１１０ａの近傍における塑性流動を３次元的に可視化し、デッドゾーン形状を正確に把握し、材料の流出速度の不均一分布を高精度で計測しておく必要がある。また、表面再結晶は、押出し加工過程の材料塑性流動と密接な関係があるため、ダイス孔１１０ａ付近の速度ベクトルを高精度に把握しておく必要がある。

【0007】

鍛造加工や押出し加工等の金属の塑性加工においては、３次元的に変形する複雑形状部品の内部変形情報をモデル実験で可視化して、加工プロセス設計、金型設計又は加工欠陥対策等を評価・検討することを目的とする塑性加工の３次元実験シミュレーション方法及び装置に関するものがある（特許文献１）。このシミュレーション実験に用いるモデル材料として、粘土質材料でありながら加工中の各種金属材料の変形過程を再現できるモデル材料に関するものがある（特許文献２）。

【0008】

また、金属の押出し加工時のデッドゾーンの特定など３次元的な塑性流動を実験的に解明する研究（非特許文献１乃至非特許文献５）、押出し加工の塑性流動を数学モデルのみで表現し、計算機で数値解析（有限要素法）的に解明する研究（非特許文献６乃至非特許文献８）など多くの試みが行われてきた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許第４７７１３３８号公報

【特許文献2】特開２００９−１９７０９１号公報

【非特許文献1】塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第４１巻第４７６号第９０６頁乃至第９１０頁

【非特許文献2】塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第４２巻第４８８号第９５４頁乃至第９５８頁

【非特許文献3】塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第４１巻第４７６号第８９１頁乃至第８９５頁

【非特許文献4】塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第３１巻第３５１号第５０２頁乃至第５０８頁

【非特許文献5】塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第３７巻第４２８号第９３３頁乃至第９３８頁

【非特許文献6】塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第３０巻第３４４号第１２６７頁乃至第１２７４頁

【非特許文献7】塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第３０巻第３４２号第９７５頁乃至第９８１頁

【非特許文献8】塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第３１巻第３４９号第２０２頁乃至第２０７頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

前述の実験的に解明する研究では、ダイス孔近傍の塑性流動を動的に（時々刻々と変化する様子を）３次元で可視化した例は無く、その上、モデル材料を用いた場合、塑性流動（内部変形量）を定量化する際、加工品を型から取り出す必要があるため加工品の取り扱い時に人的に変形させる（モデル材料は軟質であるため）こともあるので精度の観点から問題があった。また、実験時およびデータ解析時に膨大な手間と時間（数日）を要し、実用性に乏しかった。

【0011】

一方、数値解析的に解明する研究では、３次元塑性流動の場合、数日から週単位の膨大な解析時間を要するため技術的検討の中断を余儀なくされる。また、特に３次元変形の場合、得られた解析結果を物理的に検証する術は無い。

【0012】

この発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、かつ確実にアルミ合金等の金属製押出し加工品の加工時における曲がりの要因となる３次元デッドゾーン形状の特定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。

【0014】

請求項１に記載の発明は、金属材料の変形特性を再現できるモデル材料と、材質が前記モデル材料の密度以下であるモデル型を使用して、所定形状の前記モデル材料の外周部のみに球体を埋め込む工程と、
前記モデル型に装填した前記モデル材料を最終ストロークまで止めることなく連続的に押出し加工する工程と、
前記押出し加工に同期して、視差を形成するＸ線とＸ線Ｉ．Ｉ．カメラにより撮像する工程と、
前記球体の３次元座標を一定時刻間隔で演算する工程と、
前記球体の移動軌跡と前記モデル型の形状データとを重ね合わせて表示する工程と、
前記球体の移動軌跡と前記モデル型の形状データとを重ね合わせて表示した結果に基づいてデッドゾーンの３次元形状を特定する工程とを有することを特徴とする押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法である。

【0015】

請求項２に記載の発明は、金属材料の変形特性を再現できるモデル材料と透明なモデル型を使用して、前記モデル材料の外周部に球体を埋め込む工程と、
前記モデル型に装填した前記モデル材料を、止めることなく連続的に押出し加工する工程と、
前記押出し加工に同期して、前記球体が前記モデル材料の外周部から内部へ沈み込み視認不可となる直前の時点まで前記球体が移動する様子を、視差を形成する２方向から可視光下でビデオカメラにより撮像する工程と、
前記モデル材料の外周部から内部へ沈み込み視認不可となる直前の時点の前記球体の３次元座標を演算して前記モデル材料の外周部におけるデッドゾーン高さを特定する工程と、
前記モデル材料の外周部から内部へ沈み込む時点の前記球体の重心とダイス図心を通る断面において、前記断面とダイス上端面との交点を原点とし、前記原点からダイス上端面上の外周へ向かう方向をＸ軸の正方向、前記原点から加工方向とは逆方向をＹ軸の正方向と定義する座標系を定義し、前記原点および前記モデル材料の外周部から内部へ沈み込む時点の座標を利用して数値解析的に下に凸なる二次曲線で近似する工程と、
全ての前記２次曲線と前記モデル型の形状データとを重ね合わせて表示した結果に基づいてデッドゾーンの３次元形状を特定する工程とを有することを特徴とする押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法である。

【0016】

請求項３に記載の発明は、前記モデル材料の外周部に、加圧軸に対して垂直な少なくとも１つ以上の平面であり、前記平面の高さはデッドゾーン高さより高い位置に等間隔で放射状に少なくとも１つ以上埋め込むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法である。

【発明の効果】

【0017】

前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。

【0018】

この発明では、金属材料の塑性変形を高精度に再現可能な粘土質のモデル材料を用いて、球体を必要最小限の個数だけモデル材料の外周に埋め込み加工前の素材とし、押出し加工によるモデル材料の塑性流動に伴う球体の移動軌跡をステレオ構成にてＸ線撮影することで、押出し加工品の曲がりの要因となる３次元デッドゾーン形状を短時間で簡単かつ確実に特定することができる。また、球体がモデル材料の外周部からその内部へ沈み込み視認不可となるまでを可視光下でステレオ構成にてビデオカメラ撮影するだけで、ある断面のデッドゾーン形状を二次曲線で近似でき、全ての断面の二次曲線を３次元的に再構成することで、３次元デッドゾーン形状を短時間で簡単かつ確実に特定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】押出し加工におけるＸ線Ｉ．Ｉ．カメラを用いた３次元デッドゾーン形状の特定方法の工程を説明する図である。

【図2】押出し加工におけるビデオカメラを用いた３次元デッドゾーン形状の特定方法の工程を説明する図である。

【図3】モデル材料の外周部に球体を埋め込んだ構造を示す図である。

【図4】３次元塑性流動可視化システムを示す図である。

【図5】金属材料の変形を再現できるモデル材料（特殊な粘土）と変形の相似性を説明する図である。

【図6】３次元可視化システムの構成を説明する写真である。

【図7】３次元可視化システムを説明する回路図である。

【図8】実験用モデル型の外観図である。

【図9】実験用モデル型の断面図である。

【図10】実験で使用したダイスを示す図である。

【図11】モデル実験・可視化結果を示す図である。

【図12】座標系とデッドゾーン高さを推定するための説明図である。

【図13】推定した二次曲線で表したデッドゾーンと実施例１との比較を示す図である。

【図14】押出し加工工具の構造を示す図である。

【図15】デッドゾーン及び製品欠陥を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、この発明の金属材料の押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法の実施の形態について説明する。この実施の形態は、この発明の好ましい形態を示すものであるが、この発明はこれに限定されない。

【0021】

［押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法１］
この実施の形態の押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法は、図１に示すように、球体３を埋め込む工程Ａ１、押出し加工する工程Ｂ１、撮像する工程Ｃ１、演算する工程Ｄ１、表示する工程Ｅ１、３次元デッドゾーン形状を特定する工程Ｆ１の手順で実施される。なお、工程Ｂ１と工程Ｃ１は、撮像しながら押出し加工（すなわち、同期して実施）する。

【0022】

球体３を埋め込む工程Ａ１は、モデル型１を使用し、かつ金属材料の変形特性を再現できるモデル材料２を使用して、所定形状（図の場合は円柱）のモデル材料２の外表面に球体３を埋め込む工程である。この球体３を埋め込む工程Ａ１において、球体３は、図３に示すように、円柱状のモデル材料２の外周部に、加圧軸に対して垂直な少なくとも１つの平面上（図の場合は２つの平面）に等間隔で放射状に少なくとも１つ以上埋め込む。なお、加圧軸に対して垂直な平面の素材に対する高さ方向の位置は、外周部におけるデッドゾーン高さより高く設定する必要がある。外周部におけるデッドゾーン高さが不明な場合は、予備的なモデル実験として球体３を１個だけ円柱状のモデル材料２の高さ方向で中心部と上端部（ダイス１１０とは反対側）の間に埋め込み押出し加工を実施すればよい。すなわち、球体３がモデル材料２の外周部から内部へ沈み込むので、その位置が外周部におけるデッドゾーン高さとなる。図３の場合は、加圧軸に対して垂直であり、加圧軸方向の高さが異なる２つの平面に球体３を埋め込んである。こうすることで真横からＸ線撮影した時の球体３同士の重なりを回避し、放射状に埋め込んだ全ての球体３の位置座標を特定できる。なお、モデル材料２への球体３の埋め込みは、軟質な粘土状モデル材料２に対して硬質な金属製球体３を予めマーキングした所定位置に指で球体３の直径分だけ押し込むことにより容易に実施できる。

【0023】

押出し加工する工程Ｂ１は、モデル型１に装填したモデル材料２を最終ストロークまで止めることなく連続的に押出し加工する工程である。この押出し加工によって、モデル材料２の外周部のみに埋め込まれた必要最小限の個数の球体３が、モデル材料２の３次元的な塑性流動に伴い移動する。

【0024】

撮像する工程Ｃ１は、押出し加工の非定常変形状態（加工開始から定常変形状体の前までであり、材料内部の変形領域が時々刻々と変化する過程）から定常変形状態（時間が経過しても材料内部の変形領域が変化しない過程）を経て球体３がダイス孔１１０ａから流出するまでの球体３を、視差を形成する２方向からのＸ線と１台のＸ線Ｉ．Ｉ．カメラにより撮像する工程である。

【0025】

演算する工程Ｄ１は、球体３の３次元座標と速度ベクトルを一定時刻間隔で演算する工程である。

【0026】

表示する工程Ｅ１は、３次元座標での球体３の形状データあるいは速度ベクトルとモデル型１の形状データとを重ね合わせて表示する工程である。

【0027】

３次元デッドゾーン形状を特定する工程Ｆ１は、球体３の形状データとモデル型１の形状データとを重ね合わせて表示した結果に基づいて加圧軸を含む２次元断面を複数表示することで金型設計者等が認識しやすいようにデッドゾーンの３次元形状を特定する工程である。以上の工程Ａ１からＦ１までに要する操作時間は１時間以内であり、他方法に比べて実用的である。

【0028】

［押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法２］
この実施の形態の押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法は、図２に示すように、球体３を埋め込む工程Ａ２、押出し加工する工程Ｂ２、撮像する工程Ｃ２、球体の沈み込み時点の３次元座標を演算し、デッドゾーン高さを演算する工程Ｄ２、１つの断面のデッドゾーン形状を二次曲線で近似する工程Ｅ２、３次元デッドゾーン形状を特定する工程Ｆ２の手順で実施される。なお、工程Ｂ２と工程Ｃ２は、撮像しながら押出し加工（すなわち、同期して実施）する。

【0029】

球体３を埋め込む工程Ａ２は、透明なモデル型１を使用し、かつ金属材料の変形特性を再現できるモデル材料２を使用して、円柱のモデル材料２の外表面に球体３を埋め込む工程である。球体３を埋め込む工程Ａ２は、図３に示す円柱状のモデル材料２の外周部に、加圧軸に対して垂直な１つの平面上のみに等間隔で放射状に少なくとも１つ以上埋め込む。なお、加圧軸に対して垂直な平面のダイス１１０上端面からの高さは、外周部におけるデッドゾーン高さより高く設定する必要がある。外周部におけるデッドゾーン高さが不明な場合は、段落［００２２］に記載の手順に従って設定する。この実施の場合は、透明なモデル型１を使用するので、可視光下で外表面の球体３を追跡することができ、特定方法１の様に重なりを回避する必要はない。

【0030】

押出し加工する工程Ｂ２は、モデル型１に装填したモデル材料２を途中で止めることなく連続的に押出し加工する工程である。この押出し加工によって、モデル材料２の外周のみに埋め込まれた必要最小限の個数の球体３が、モデル材料２の３次元的な塑性流動に伴い移動する。

【0031】

撮像する工程Ｃ２は、押出し加工開始からのモデル材料２の外周部から内部へ沈み込む（見えなくなる）時点までの球体３を、視差を形成する２方向からのビデオカメラ１９により可視光下で撮像する工程である。なお、放射状に埋め込まれた球体３の内、モデル材料２の裏側にあり、見えない球体３については、回転台１１を見える位置まで回転させ、複数回の押出しモデル実験を繰り返せばよい。

【0032】

デッドゾーン高さを演算する工程Ｄ２は、塑性流動が進みモデル材料２の外周部から内部へ沈み込む（見えなくなる）時点の球体３の３次元座標を演算し、ダイス１１０の上端面からの距離を演算する工程である。この工程を全ての球体３について繰り返す。

【0033】

１つの断面のデッドゾーン形状を二次曲線で近似する工程Ｅ２は、着目した１つの球体３について、モデル材料２の外周部から内部へ沈み込む時点の球体３の重心とダイス図心を通る断面において、その断面とダイス１１０上端面との交点を原点とし、原点からダイス１１０上端面上の外周へ向かう方向をＸ軸の正方向、原点から加工方向とは逆方向をＹ軸の正方向とする座標系を定義し、座標が既知である原点とモデル材料２の外周部でのデッドゾーン高さを利用して数値解析的に下に凸なる２次曲線で近似する工程である。この工程を全ての球体３について繰り返す。

【0034】

３次元デッドゾーン形状を特定する工程Ｆ２は、得られた全ての２次曲線とモデル型１の形状データとを重ね合わせて表示した結果に基づいて金型設計者等が認識しやすいようにデッドゾーンの３次元形状を特定する工程である。以上のＡ２からＦ２までに要する操作時間は１時間以内であり、他方法に比べて実用的である。

【0035】

特定方法１および２のように、金属材料の塑性変形を高精度に再現可能なモデル材料２を用いて、モデル材料２の外周部に必要最小限の個数の球体３を埋め込み、モデル材料２の塑性流動に伴う球体３の移動軌跡をＸ線撮影あるいは外周部に埋め込んだ球体３がモデル材料内部に沈み込むまでを可視光下でビデオ撮影することで、金属材料の押出し加工品の押出し時における曲がりの要因となる３次元デッドゾーン形状を短時間で簡単かつ確実に特定することができる。

【0036】

この実施の形態の押出し加工における３次元デッドゾーン形状のいずれの特定方法においても図４に示す３次元塑性流動可視化システムと、図５（ａ）に示す金属材料の変形を再現できるモデル材料（特殊な粘土）を用いたモデル実験を実施した。なお、図５（ａ）、（ｂ）は、モデル材料とアルミ合金の変形の相似性を実証した結果である。変形模様が類似しており、モデル材料で金属材料の塑性変形特性を再現できることを示している。

【0037】

図４に示す３次元塑性流動可視化システムは、Ｘ線防御壁１０で覆われた装置内に、回転台１１、押圧装置１２、Ｘ線発生器１３、Ｘ線Ｉ．Ｉ．カメラ１４又はビデオカメラ１９が配置され、回転台１１の上に樹脂製押出しモデル型１を置き、押圧装置１２によりモデル型１内の円柱形状のモデル材料２を加圧しながらモデル型１にＸ線発生器１３によりＸ線を照射し、Ｘ線Ｉ．Ｉ．カメラ１４により撮影するか、あるいは透明なモデル型１をビデオカメラ１９により撮影する構造である。

【0038】

モデル実験では、モデル材料２の外表面に塑性流動を検知する球体３として金属（超硬合金）製微小球（直径０．５〜１．５ｍｍ）を少なくとも１つ以上埋め込み、樹脂製押出しモデル型１内で加圧すると、その塑性流動は球体３の移動軌跡として表される。ここで、同移動軌跡（３次元座標）は、特定方法１の場合は、照射時期を制御したＸ線発生器１３（２台）と１台のＸ線Ｉ．Ｉ．カメラ１４を用いた立体視撮影によって、特定方法２の場合は２台のビデオカメラ１９を用いた立体視撮影によって３次元で高精度に計測できる。

【0039】

［実施例］
次に、押出し加工における３次元デッドゾーン形状の特定方法の実施例（２件）を説明する。
［実施例１−Ｘ線Ｉ．Ｉ．カメラを用いたデッドゾーン特定方法］
（可視化システム）
可視化システムの写真と模式図を、図６及び図７に示す。可視化システムは、ステレオ構成のＸ線発生器１３（最大管電圧１００ｋＶ、最大管電流０．１ｍＡ、Ｘ線発生器間距離（視差間隔）１２０ｍｍ）とＸ線Ｉ．Ｉ．カメラ１４（視野：１１２ｍｍ×８６ｍｍ）を相対して設置した。その他、押圧装置１２（最大加圧能力９．８ｋＮ）、３６０°回転と３軸動作（上下０〜２００ｍｍ、Ｘ線照射方向０〜１５０ｍｍ、Ｘ線照射軸直角方向０〜３００ｍｍ）が可能な回転台１１、制御装置１６、画像キャプチャーボード１５、表示部１７、ＰＣ３０およびデータ処理ソフト（図示せず）で構成した。また、加工力とパンチ変位は、システムに組み込んだ計測器１８により計測した。

【0040】

可視化システムのシステム操作は、まず、ＰＣ３０から制御装置１６を制御して回転台１１の位置と角度を調整し、次に、ＰＣ３０から制御装置１６へ押出し加工の加圧量を入力した。次に、Ｘ線発生器１３とＸ線Ｉ．Ｉ．カメラ１４の間に置いたモデル型１を用い、押圧装置１２で加圧を開始した。ここで、加圧変形と同時に２台のＸ線発生器１３のＯＮとＯＦＦを電子シャッターでＮＴＳＣ（ビデオ）信号の１フレーム（１／３０秒）ごとに切り換えながらＸ線を照射した。最後に、Ｘ線Ｉ．Ｉ．カメラ１４で撮影されたＮＴＳＣ（ビデオ）信号を画像キャプチャーボード１５経由でＰＣ３０に取り込む（記憶装置３１に保存する）とともに表示部１７に表示した。

【0041】

その後、記憶装置３１に保存したデータをＸ線照射方向別に分別し、ステレオ画像（ＪＰＥＧ形式，８ｂｉｔモノクロ，６４０×４８０画素）として記憶装置３１に再保存した。得られたステレオ画像から画像処理により連続フレームごとに球体３の２次元（重心）位置座標を同定した。以上の時系列かつＸ線照射方向別の球体３の２次元位置座標をもとに三角測量の原理で３次元位置座標を算出すると、球体移動座標の実時間３次元計測が可能となる。ここで、ＮＴＳＣ（ビデオ）信号のフレーム間の時刻間隔は既知であるため、球体３の速度ベクトルが算出可能となる。速度ベクトルが判明すると曲がりの要因である速度差の程度を把握できる。

【0042】

（可視化実験に使用したモデル型）
図８は可視化実験に使用したモデル型１の外観図であり、図９はモデル型１の断面図である。モデル型１は、回転台１１上に設置されたモデル型設置台１１ａおよびモデル型設置蓋１１ｂに取り付けられ、押圧装置１２（詳細図は省く）のプレスシリンダー１２ａにより押圧される。モデル型１は、コンテナ２１内にダイスベース２２、ダイス２３が配置され、フローガイド２４を円柱形状のモデル材料２とダイス２３間に設置し、モデル材料２を押圧プレート２５を介して押圧する構造である。

【0043】

モデル型１は、塑性変形量を追跡するための球体３の視認性を向上させるためＸ線を透過しやすい樹脂製とした。こうすることで、密度の大きい球体３（黒い点として撮像される）が密度の小さい樹脂型（薄いグレーの背景として撮像される）の中にコントラスト良くＸ線撮像されるため、球体３のみを追跡することが可能となる。なお、押圧装置１２のプレスシリンダー１２ａと回転台１１は金属製であるが、Ｘ線Ｉ．Ｉ．カメラ１４の視野外であるため球体３の撮影には邪魔にならない。実験で押出されたモデル材料２は、下方のスライドベース５０上を滑り、緩やかに曲げられて型外へ排出する構造となっている。モデル材料２は円柱であり、直径５０ｍｍ，高さ５０ｍｍとした。コンテナ２１は、Ｘ線の透過を容易にするために可能な限り薄く（肉厚３ｍｍ）した。

【0044】

（ダイス孔形状）
モデル実験で使用したダイス２３のダイス孔２３ａの形状を図１０に示す。ダイス孔２３ａの形状は、実生産の押出し加工において多く実施されているＣ形（Ｃ−Ｃｈａｎｎｅｌ）で、ダイス２３は、厚さ２ｍｍの円盤状プレートである。

【0045】

（実験条件）
モデル材料２は、特許文献２に示す材料を用い、アルミ合金の熱間加工の塑性変形状態を再現できるように成分を調整した。モデル材料２による素材の作製は、真空土練機でモデル材料２を混練・脱気後、直径５０ｍｍ，高さ５０ｍｍの円柱状に押出し成形した。次に、機械的性質を安定させるために恒温器内に２０℃で２４時間以上保持した。モデル材料２への球体３の埋め込みは、実験効率の向上、低コスト化、データ処理の迅速性および精度向上など様々な事情を考慮すると、埋め込み個数を最小限とすべきである。そこで実験に先立ち、以下の仮説を想定した。

【0046】

＜仮説＞
「押出し加工では、加圧の初期にデッドゾーンが形成され、塑性流動しない塊体となった３次元的なデッドゾーン上を材料が滑るように塑性流動する」と仮定した。

【0047】

この仮説が真ならば、球体３をモデル材料２内部へは埋め込む必要がなく、外周部のみに埋め込むことで球体個数を最小限とすることができる。すなわち、外径部からダイス孔２３ａへ塑性流動する球体３の移動軌跡を撮影することで、デッドゾーンの３次元形状が特定できると考えた。

【0048】

そこで、実験では図３に示すとおり、２２．５°間隔で１６個の球体３を埋め込んだ。図３（ａ）はモデル材料２の正面図、図３（ｂ）はモデル材料２の上面図、図３（ｃ）はモデル材料２の斜視図である。全ての球体３を個別に視認し、時系列での軌跡を追跡するため、底面より１４ｍｍの位置に８個、１２ｍｍの位置に８個の２段構造で埋め込んだ。モデル実験は、潤滑剤として石けん水を用い、加圧速度０．３ｍｍ／ｓで加圧量が３５ｍｍに達するまで途中で止めることなく連続的に加圧した。Ｘ線は、管電圧１００ｋＶ、管電流０．１ｍＡとし、加圧の１秒前からＸ線照射と撮影を開始し、加圧終了と同時に終了した。なお、この実験で球体３を埋め込まない場合との比較を実施し、球体３がモデル材料２の塑性流動を阻害することが無いことを確認した。なお、フローガイド２４が無い場合、どの程度の曲がりが発生するかを見るために、この実験ではフローガイド２４を設置していない。

【0049】

［デッドゾーン特定結果］
モデル実験・可視化結果を図１１に示す。図１１（ａ）はデッドゾーン形状の３次元表示である。１６個の球体３を時系列（１０秒間隔）で表示するだけで球体３とダイス２３間の空間で示されるデッドゾーン形状を特定することができた。すなわち、段落〔００４６〕の＜仮説＞は立証されたと言える。図１１（ｂ）は上面から見た（ｃ）に対応する断面番号を示し、図１１（ｃ）は各断面におけるデッドゾーン形状を２次元表示したものである。

【0050】

Ｃ形（Ｃ−Ｃｈａｎｎｅｌ）は線対称であるため、断面（１）以外はデッドゾーン形状が対称となり、断面（１）の非対称性が加工品の曲がりを生じさせる要因であることがわかった。なお、断面（１）のデッドゾーン高さはそれぞれ７ｍｍ、８ｍｍであった。また、フローガイド２４を用いない場合は、押出し加工の初期曲がり角は１５．８６°であった。なお、加工品の曲がりは、図１５に示すとおり加圧軸と材料流出方向が成す角度として定義し、曲がり角と呼ぶ。

【0051】

［実施例２−ビデオカメラを用いたデッドゾーン特定方法］
（可視化システム）
可視化システムは、Ｘ線発生器１３とＸ線Ｉ．Ｉ．カメラ１４をビデオカメラ１９に置き換えた以外は実施例１と同様である。なお、２台のビデオカメラ１９の視差間隔は１２０ｍｍとした。

【0052】

可視化システムのシステム操作は段落［００４０］と同様である。加圧変形と同時に２台のビデオカメラ１９でモデル材料２の外周部に埋め込んだ球体３がモデル材料内部に沈み込むまでをビデオ撮影した。最後に、撮影したＮＴＳＣ（ビデオ）信号を画像キャプチャーボード１５経由でＰＣ３０に取り込む（記憶装置３１に保存する）とともに表示部１７に表示した。

【0053】

その後、記憶装置３１に保存したステレオ画像（ＪＰＥＧ形式，８ｂｉｔモノクロ，６４０×４８０画素）から画像処理により一定時刻間隔のフレームごとに球体３の２次元（重心）位置座標を同定した。以上の時系列かつ視差画像別の球体３の２次元位置座標をもとに三角測量の原理で３次元位置座標を算出した。

【0054】

（可視化実験に使用したモデル型）
可視化実験に使用したモデル型は、実施例１と同様である。

【0055】

モデル型１の内、コンテナ２１は、塑性変形量を追跡するための球体３を可視光下でも視認できる様に透明な樹脂製とした。実験で押出されたモデル材料２は、下方のスライドベース５０上を滑り、緩やかに曲げられて型外へ排出する構造となっている。モデル材料２は円柱であり、直径５０ｍｍ，高さ５０ｍｍとした。コンテナ２１は、透明性を確保するために可能な限り薄く（肉厚３ｍｍ）した。

【0056】

（ダイス孔形状）
モデル実験で使用したダイス２３のダイス孔２３ａは、実施例１と同様である。

【0057】

（実験条件）
モデル材料２の材質は実施例１と同様である。モデル材料２による素材の作製は、実施例１と同様である。モデル材料２への球体３の埋め込みは、実験効率の向上、低コスト化、データ処理の迅速性および精度向上など様々な事情を考慮すると、埋め込み個数を最小限とすべきである。そこで実験に先立ち、以下の仮説を想定した。

【0058】

＜仮説＞
「押出し加工が進むと共に、モデル材料２の外周部に埋め込んだ球体３が外周部を加圧方向に直線的に動き、その後、加圧の初期に形成されたデッドゾーン上に到達した時にモデル材料内部に沈み込み（可視光下のビデオカメラでは見えなくなる）、その後、デッドゾーンを二次曲線で近似した軌跡をたどり、ダイス孔１１０ａに達し、流出する。」と仮定した。なお、二次曲線での近似は、実際の物理現象である実施例１の図１１（Ｃ）のデッドゾーン形状から判断しても妥当である。

【0059】

［モデル実験について］
実験に使用したモデル材料２の形状と球体３の個数は実施例１と同様である。これらの球体３の中で、仮説を立証するために図１１（ｂ）に示す断面（１）の右側（デッドゾーン高さ８ｍｍ側）に相当する１個の球体３のみをビデオ撮影してデータ処理した。モデル実験条件についても撮影方法以外は、実施例１と同様である。

【0060】

［断面におけるデッドゾーン形状の推定方法］
モデル実験・可視化結果を図１２に示す。図１２（ａ）は、ダイス１１０の上端面図、図１２（ｂ）は、外周部から内部への沈み込み時点の球体の重心とダイス図心を通る断面を表示してある。沈み込み時点の球体の３次元座標を演算して外周部におけるデッドゾーン高さＨを特定したところ８ｍｍであった。次に、断面とダイス上端面との交点を原点とし、原点からダイス上端面上の外周へ向かう方向をＸ軸の正方向、原点から加工方向とは逆方向をＹ軸の正方向とする座標系を定義した。ここで、原点からモデル材料２の外周までの距離（既知）をＲとし、断面（１）のデッドゾーン形状を二次曲線
Ｙ＝ａＸ^２＋ｂＸ＋Ｃ ・・・式（１）
で近似する。
ここで、（Ｘ、Ｙ）＝（０、０）および（Ｘ、Ｙ）＝（Ｒ、Ｈ）は既知であるので、Ｘ＝０、Ｙ＝０の時、式（１）は、Ｃ＝０であるので式（１）は
Ｙ＝ａＸ^２＋ｂＸ ・・・式（２）
となる。Ｘ＝Ｒの時、Ｙ＝Ｈであるから
Ｈ＝ａＲ^２＋ｂＲ ・・・式（３）
ここで、二次曲線は下に凸であるからａ＞０の条件で数値解析的にａ、ｂを求めると二次曲線すなわち、ある断面におけるデッドゾーン形状を推定することができる。式（３）の場合ａ＝Ｈ／２Ｒ^２、ｂ＝Ｈ／２Ｒであり、次の式（４）が求める二次曲線である。
Ｙ＝（Ｈ／２Ｒ^２）Ｘ^２＋（Ｈ／２Ｒ）Ｘ ・・・式（４）
図１３に示すとおり、得られた二次曲線は実施例１の実測のデッドゾーン形状とほぼ一致している。すなわち、段落〔００５８〕の＜仮説＞は立証されたと言える。

【0061】

［３次元デッドゾーン形状の推定方法］
以上の断面において二次曲線で近似したデッドゾーン形状をすべての球体３に対して適用し、推定した２次曲線とモデル型１の形状データとを重ね合わせて表示した結果に基づいてデッドゾーンの３次元形状を推定することができる。

【0062】

このように、金属材料の塑性変形を高精度に再現可能なモデル材料を用いて、素材外周に必要最小限の個数の金属製球体を埋め込み、モデル材料の塑性流動に伴う球体の移動軌跡を撮影することで、押出し加工品の曲がりの要因となる３次元デッドゾーン形状を簡単かつ確実に特定することができる。

【産業上の利用可能性】

【0063】

この発明は、押出し加工品の曲がりの要因となる３次元デッドゾーン形状の特定方法に適用され、簡単な構成で、かつ確実に押出し加工品の曲がりの要因となる３次元デッドゾーン形状を定量化することができる。

【符号の説明】

【0064】

Ａ１ 球体を埋め込む工程
Ｂ１ 押出し加工する工程
Ｃ１ 撮像する工程
Ｄ１ 演算する工程
Ｅ１ 表示する工程
Ｆ１ ３次元デッドゾーン形状を特定する工程
Ａ２ 球体を埋め込む工程
Ｂ２ 押出し加工する工程
Ｃ２ 撮像する工程
Ｄ２ デッドゾーン高さを演算する工程
Ｅ２ １つの断面のデッドゾーン形状を二次曲線で近似する工程
Ｆ２ ３次元デッドゾーン形状を特定する工程
１ モデル型
２ モデル材料
３ 球体
１０ Ｘ線防御壁
１１ 回転台
１２ 押圧装置
１３ Ｘ線発生器
１４ Ｘ線Ｉ．Ｉ．カメラ
１５ 画像キャプチャーボード
１６ 制御装置
１７ 表示部
１８ 計測器
１９ ビデオカメラ
２１ コンテナ
２２ ダイスベース
２３ ダイス
２４ フローガイド
２５ 押圧プレート
３０ ＰＣ
３１ 記憶装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】