取得学位：博士(工学)，学位授与番号：博甲第641号，学位授与年月日：平成16年3月25日,学位授与年：200

Takahashi, Masaya

高橋 昌也

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氏名生年月日本籍学位の種類学位記番号学位授与の日付学位授与の要件学位授‐与の題目論文審査委員(主査）論文審査委員(副査）高橋昌也埼玉県博士（工学）博甲第６４１号平成１６年３月２５曰課程博士（学位規則第４条第１項）アルミニウム合金の等温押出し技術に関する研究米山猛（工学部・教授）山崎光悦（工学部・教授）臼田松男（工学部・教授）香川博之（工学部・講師）大谷吉生（工学部・教授）学位 論 文要 】曰Isothermalextrusionofalunmulnalloysisamethodofmaintainingaconstanttemperatureofanextrudedsectioninthebearingzoneofthedieinordertoobtainallighsteadyqualityofdimensionsandn1echanicalproperties､Intllisstudy,anequationforcalculatingtlleinitialbillettemperaturethatperfbnnsisotllermalextrusionisproposedandconfinned・TheconceptoftheequationfCrisothemalextrusionistoassignanadequateinitialbillettemperature,containertemperatureandramspeedtocqualizetheheatflowfiomtllebillettothecontainerandtheheatgenerationbytheshealingdefmnationofmetalclosetothecontainerwall・UndertlleconsidelationoftheparametersintheheatgenerationintheFEManalysis，adequateextrusionconditionsareobtained～UsmgtheresultSbytheFEManalysis,isothennalextrusionhasbeenrealizedintheextrusionofaluminumalloy6063.Ｌ緒言押出し加工中のダイ出側温度を一定に制御する等温押出し技術は，押出し速度の向上に伴う生産性の向上，品質不良や押出し材の長さ不揃いの減少による歩留りの向上，押出し加工後の寸法矯正工程の省略など，様々なコスト削減効果が期待できる技術として，古くは１９６０年ころから提唱されているが，内容は漠然としており，実施する方法は明らかになっていなかった．しかし，自動車やIT分野などの新たなマーケットへ押出し材の適用範囲を拡げるためには，機械的性質や寸法のばらつきを著しく低減する必要があり丁等温押出し技術の確立が，押出し業界全体の課題となっている．-386-本研究では，新たに等温押出しを実現するための基本的な理論を提案し，ＦＥＭ解析を用いて等温押出し条件式を導出する．さらに実際の押出機にて等温押出しが実現することと，高い品質の押出し材が製造できることを確認する．２．等温押出し条件計算式押出し材長手方向に温度変化が生じる最大の原因は，コンテナ壁面付近のビレットの変形発熱の蓄熱である．したがって，押出し材の長手方向の温度を一定とするには，コンテナ壁面付近のビレットの変形発熱量と，ビレットからコンテナへの流出熱量を等しくすればよいと考えられる．ビレット中に図１に示すように微小長さｃｌｘで輪切り状に区切った要素を考える．コンテナ壁面付近のビレットのせん断変形抵抗をｒ，コンテナ径を、とし，ビレットの微小要素がｘだけ進む間にコンテナ壁面付近のビレットに発生する熱量△Ｑは下式で示される．△９＝ｗｒＤ･ＪＭ】ｃ (1)同じ時期にビレットの微小要素からコンテナへの伝熱量△Q2はビレット要素の温度を７b，コンテナ温度をＺ｡，ビレットとコンテナ間の熱通過率をｕラム速度をＶとすると下式で示される．Ｘ△Ｑ＝兀、Ｕ･(z}－工)･血･▽ （２）△Ｑと△Q2が等しくなり，ビレット温度Ｔｌ,が一定に保たれる場合には次式が成り立つ．図１微少長さの輪切りビレット-387-wDDMr=兀、ひ(Ｍ)伽姜（３）上式を解いて次式を得る．､=各｢+I （４）この式は，ビレットの初期温度をコンテナ温度よりも適切に高い温度に設定しておけば，ビレット温度が一定に保たれることを意味している．ラム速度ｖが大きいほど単位時間あたりの発熱量が大きくなるので，ビレット温度とコンテナ温度との差を大きくして，ビレットからコンテナへの伝熱量を大きくしてやればよい．ＳＦＥM解析条件（４）式から等温押出し条件を求めるには，変形抵抗てとビレットとコンテナ間の熱通過率Ｕを求める必要がある．押出し実験や数値解析で係数「/Ｕを求める場合は，数種類のラム速度においてダイ出側の押出材温度が一定となるビレット温度とコンテナ温度を求めればよい．そこで，(4)式の考え方にもとづいて，ＦＥＭ解析をビレット温度460,470,480,490℃の４条件で行った．コンテナとダミーブロック温度は450℃とし，ダイ温度はビレットの各設定温度とした．押出し条件を表１に示す．と同表１押出し条件-388-Billetheatingtype UniformBillettemperature（℃） 460,470,480,490Dietemperature（℃） 460,470,480,490Billetlength（ｍｌ） 200Containerdiameter（m､） 9４Extrudedroddiameter（､､） 3２Extrusionratio 8.6Ramspeed（､m/s） 1０Containertemperature (℃） 450Dummyblocktemperature (℃） 450Frictioncondition● Shear４解析結果図２はラム速度が１０ｍ/ｓ，コンテナ温度450℃において，ビレット温度を460,470,480,490℃にした場合の押出し材のダイ出側温度の計算結果である．ビレット温度とコンテナ温度の差が大きくなるにつれ，等温押出しに近づいており，ビレット温度が490℃でほぼ等温押出しとなっている．（４）式の意味しているとおり，ビレット温度，コンテナ温度，ラム速度を適切に設定すれば等温押出しが実現する可能性があることがＦＥＭ解析からも明らかになった．510へ５００Ｐ、.／望三490のｐ剣三里員４８０四4700 5０１００l50Ramdisplacement(ｍ、）200図２ビレット予熱温度とダイ出側押出し材温度の対応５押出し実験一ＰＥＭ解析を用いて求めた等温押出し条件で，用いて求めた等温押出し条件で，等温押出しが実現するか確認する．ＦＥＭ解析で求めた等温押出し条件で実験をを行った結果を図３に示す．ダイ出側の押出し材温度は約510℃の等温押出しが実現した．-389-80022002000 Exittempemtu1℃(Z1e）75018001600ｚ】更曰＠日で曰冨○日］凸7001400l265o言のＱ`ＣＯ三、0０Ramload(LかRamload1000800600Dieload(Lの400 550200 ContainerloaCl(Lc）500０二0０５０１００１５０RamC1isplacement（ｎｍ）図３等温押出し実験結果０結言）押出し材長手方向に温度変化が生じる最大の原因は，レットの変形発熱の蓄熱である．したがって，押出し１６（１）押出し材長手方向に温度変化が生じる最大の原因は，コンテナ壁面付近のビ ．したがって，押出し材の長手方向の温度を一定とするには，コンテナ壁面付近のビレットの変形発熱量と，ビレットからコンテナへの流出熱量を等しくすればよい（２）ＰＥＭ解析で求めた押出し条件にて実験を行った結果，等温押出しが実現することを確認した．-390-学位論文審査結果の要旨平成１６年１月２７日に第１回学位論文審査委員会を開催し、平成１６年２月６日に口頭発表ならびに第２回審査委員会を開催して審議した結果、以下のように判定した。本論文は、アルミニウムの熱間押出しにおいてダイス出口温度を一定に保つことによって安定した品質の押出し村を得る新しい方法を考案したものである。本手法の特徴は、アルミニウムビレットとコンテナ間の熱伝導に着目し、押出し中のビレットとコンテナ内面との摩擦によって生ずるビレット内部の加工発熱とビレットからコンテナへの熱伝導とがつり合うように、コンテナ温度よりビレット温度を適切に高く設定し、押出し出口に到達するビレット材の温度を一定に保つことにある。このための基本式を提案し、等温押出しを実現するビレット温度・コンテナ温度・ラム速度条件を算出している。一方コンテナ内の圧力および摩擦応力を検出するセンサを開発して直接測定を行い、摩擦条件を考察してその結果を有限要素法に用いるパラメータに導入し、押出しにおける温度解析を行って等温押出し条件を解析から予測している。さらに実験によって等温押出しが実現することを確認し、従来手法よりも優れたものであることを示している。以上のように本論文は等温押出しに関する優れた工学的成果を生み出すとともに、アルミニウム押出し材の品質向上・生産`性向上という工業的成果を上げている。したがって、その内容は博士（工学）論文に値するものと判定する。－３９１－

アルミニウム合金の等温押出し技術に関する研究

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アルミニウム合金の等温押出し技術に関する研究

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