JP4158039B2 - アルミニウム合金パイプの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高強度のアルミニウム合金パイプの製造方法に関するものであり、特に二輪車のフロントフォークアウターチューブに適用される同方法に関する。

従来よりＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Cu系アルミニウム合金（以下、Ａ７０００系アルミニウム合金という。）等の高強度のアルミニウム合金パイプを使用した二輪車のフロントフォークの外筒（アウターチューブ）の製造方法の一つとして、時効硬化後の高強度アルミニウムパイプを切削加工により成形する方法があり、図１０に示す工程で製造される。即ち、
（１）溶体化処理の工程（以下、適宜、「溶体化工程」という。）１
（２）抽伸処理の工程（以下、適宜、「抽伸工程」という。）２
（３）人工時効処理の工程（以下、適宜、「人工時効工程」という。）３
（４）切削加工処理の工程（以下、適宜、「切削工程」という。）４
の順序で製造される。

また、もう一つの方法として、図１１に示す工程で製造される方法がある。即ち、
（１）軟化処理の工程（以下、適宜、「軟化工程」という。）５
（２）塑性加工処理（詳細には、塑性変形加工処理）の工程（以下、適宜、「塑性加工工程」という。）６
（３）溶体化処理の工程１
（４）人工時効処理の工程３
（５）切削加工処理の工程４
の順序で製造される。

上述の方法でオートバイのフロントフォークの外筒を成形することによって、部材全体の軽量化の要請と、部分的な強度の確保という観点から、一体化された一つの部材であっても部分的に強度が異なるようにしているのである。（例えば、特許文献１参照。）。
実開平２−１４３２９３

しかしながら、図１０に示す製造方法では（１）素材重量が重くなり無駄が多い。（２）切削時間が長くなる。（３）切り粉処理費が高くなる。（４）抽伸では大きなリダクションを与えることができず、加工硬化による強度の増強が困難なため素材段階で高強度の材料が必要になり、素材単価が高くなる。（５）人工時効時間が長く熱処理費が高い。という課題があった。

また、図１１に示す製造方法では（１）溶体化前の材料は脆く、大きな塑性変形を与えることができないため、軟化が必須となり工程が増える。（２）溶体化処理は高温で行うためひずみが発生し、切削加工において取り代を多くとる必要がある。（３）溶体化後に塑性加工がないため加工硬化が利用できないことから、高強度の素材が必要になり、素材単価が高くなる。（４）人工時効時間が長く熱処理費が高い。という課題があった。

本発明は上記点に鑑み、安価な素材を使用しながら加工工程を増やすことなく比較的短時間で製造することができるアルミニウム合金パイプの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、押出し成形された析出硬化型の高硬度アルミニウム合金パイプを素材として溶体化処理する溶体化工程と、該溶体化されたパイプを自然時効処理する自然時効工程と、該自然時効されたパイプをスピニング加工処理するスピニング加工工程と、該スピニング加工されたパイプを人工時効処理する人工時効工程とを有している高強度アルミニウム合金パイプの製造方法である。

請求項１の発明は、また、スピニング加工工程は、素材温度を急激に上昇させる復元工程と、該復元処理されたパイプを塑性加工する塑性加工工程とを備えていることを特徴とする高強度アルミニウム合金パイプの製造方法である。

請求項２の発明は、復元工程においては、ローラと素材との摩擦による発熱と素材の変形による発熱を主軸回転数により調節するとともにクーラントにより冷却することなく素材を局部的に加熱することを特徴とする請求項１に記載の高強度アルミニウム合金パイプの製造方法である。

本発明は、押出し成形された析出硬化型の高硬度アルミニウム合金パイプを溶体化処理する溶体化工程と、該溶体化されたパイプを自然時効処理する自然時効工程と、該自然時効されたパイプをスピニング加工処理するスピニング加工工程と、該スピニング加工されたパイプを人工時効処理する人工時効工程とを有する高強度アルミニウム合金パイプの製造方法である。

本発明は、押出し成形された析出硬化型の高硬度アルミニウム合金パイプを溶体化処理する溶体化工程と、該溶体化されたパイプを自然時効処理する自然時効工程と、該自然時効されたパイプを復元処理する復元工程と、前記パイプをスピニング加工処理するスピニング加工工程と、該スピニング加工されたパイプを人工時効処理する人工時効工程とを有する高強度アルミニウム合金パイプの製造方法である。

本発明は、押出し成形された析出硬化型の高硬度アルミニウム合金パイプを溶体化し、該溶体化されたパイプをスピニング加工し、該スピニング加工されたパイプに人工時効処理を施すことにより得られるものであって、該人工時効処理を施した後のアルミニウム合金パイプの外側面と内側面の硬さが略均一となり、且つ該アルミニウム合金パイプの外側面が過時効の状態となっている高強度アルミニウム合金パイプである。

本発明は、押出し成形された析出硬化型の高硬度アルミニウム合金パイプを溶体化し、該溶体化されたパイプを自然時効し、該自然時効されたパイプをスピニング加工し、該スピニング加工されたパイプに人工時効処理を施すことにより得られるものであって、該人工時効処理を施した後のアルミニウム合金パイプの外側面と内側面の硬さが略均一となり、且つ該アルミニウム合金パイプの外側面が過時効の状態となっている高強度アルミニウム合金パイプである。

請求項３の発明は、塑性加工工程において、外側面のひずみが大になるように塑性加工し、人工時効工程において、少なくとも外側面を過時効とすることを特徴とする請求項１または２記載の高強度アルミニウム合金パイプの製造方法である。

本発明では、溶体化後にスピニング加工を行うことから、加工硬化を利用して安価な素材を高強度化することができる。また、人工時効時間を短くすることができるので、熱処理費の低減を図ることができる。

請求項１の発明では、スピニング加工によって復元処理を行うことから、従来のようにオイルバスや誘導加熱を使用しなくても良く、安全性の向上およびコストの低減を実現することができる。

本発明ではスピニング加工の前に復元を行う。即ち、溶体化後に自然時効が進行することによって、硬さが増したパイプの析出物を再固溶させた後にスピニング加工を行うことから塑性加工性（スピニング加工性）を向上できる。

本発明では、外気に接して応力腐食割れを起こし易いパイプの外面を過時効の状態とすることで、耐応力腐食割れ性を向上させた高強度のアルミニウム合金パイプを製造することができる。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るアルミニウム合金パイプの製造方法の第１の実施形態を示す説明図である。

まず、本発明におけるアルミニウム合金パイプの素材としては、析出硬化型の高硬度アルミニウム合金を使用するものであるが、その一例として、Ａ７０００系アルミニウム合金を挙げることができる。このＡ７０００系アルミニウム合金は強度が高い分、伸びが小さいという性質をもった部材である。このＡ７０００系アルミニウム合金を予め押出し成形して析出硬化型の高硬度アルミニウム合金パイプとしておくのである。

そして、この析出硬化型の高硬度アルミニウム合金パイプを加熱して溶体化させる工程（溶体化工程）１を行うのである。ここで、溶体化処理する温度の最適値としては４５０℃〜５００℃の範囲が好ましい。

そして、溶体化工程１を経た後、急冷し、常温に戻してスピニング加工の工程（スピニング加工工程）６ａを行うのである。ここで、スピニング加工工程６ａ（特に回転しごきスピニング加工という。）とは、図５に示すように、パイプ状の部材（素材）（以下、便宜上、「パイプ」という。）１３を回転させながら、この部材の側面にローラー１２を押し当てて部材を伸ばすことによって成形を行う加工方法であり、加工の度合いによって部材内部に生じるひずみの大きさに変化を与えることができるものである。ここで、図面のローラ１２は、片面のみがテーパ状となっているが、パイプ１３を往復して加工する場合には、両面がテーパ状となっているものを使用すれば良い。また、回転は、ローラー１２を回転させても、パイプ１３を回転させても良く、パイプ１３を該パイプ１３の軸方向に移動させても、ローラー１２をパイプ１３の軸方向に移動させても良い。

したがって、パイプ１３の肉厚を変化させて、強度を確保する部分と伸びを確保する部分とを一体化された１本のパイプ１３に部分的に形成させたい場合に有効な加工方法である。

また、主軸回転数を速くすると単位時間あたりの発熱量（ローラー１２と素材（パイプ１３）間の摩擦熱、変形による素材からの発熱）が多くなるため、熱源を必要とせず温間加工が可能である。

さらに、スピニング加工工程６ａの両側に配設されたノズル１４よりクーラントを吹き付けて冷却することにより、熱伝導率の高いアルミ製のパイプ１３中を熱が伝達してしまうことを防止して、所望の形状に加工することが可能となる。

尚、溶体化工程１とスピニング加工工程６ａの間に自然時効の工程を設けてもよい。

次に、スピニング加工工程６ａが終了した部材を人工時効処理の工程（人工時効工程）３へと移すのである。この人工時効による加熱の最適値としては１００℃〜１９０℃の温度範囲で部材を加熱するのが好ましい。

この人工時効工程３を経ることによって、図２の時間と強度の関係を示すグラフにおけるピークの強度７へと短時間で到達させることができるのである。

ここで、図３に示すように、部材内部のひずみが大きい場合８と小さい場合９とでは、時間と強度の関係を示す波形が異なっている。これは、ひずみが大きい程、部材内の析出物（Ａ７０００系アルミニウム合金の場合ではＭｇＺｎ２等）の析出が早いためである。上述したスピニング加工を用いる理由はこの点にもある。即ち、スピニング加工の度合いが大きい部分は部材内部のひずみも大きくなるので、ピークの強度への到達時間が短時間となる。反対にスピニング加工の度合いが小さい部分は部材内部のひずみも小さくなるので、ピークの強度への到達時間はスピニング加工の度合いが大きい部分よりも長時間となる。

したがって、ひずみが小さい部分が最高強度となる時間まで人工時効を行った場合には、ひずみが大きい（即ち、肉厚の薄い）部分は既に最高強度を超えて強度が低下する過時効の状態となっているのであり、強度が低下した分、伸びが大きくなっているのである。

また、スピニング加工ではローラー１２と接する外面のひずみが大きくなる。このため、図４に示すようにスピニング加工後は外側面近傍が硬化するが、人工時効が進むにつれ転位密度が高い外側面で時効の進行が早く、過時効となり硬さが低下する。一方、内部は時効の進行が遅いため硬さの変化が少ない。

したがって、本発明ではパイプの外側面及び内部の硬さは略均一とすることができるが、外気に接して応力腐食割れを起こし易い外側面は過時効の状態とすることができ、耐応力腐食割れ性が強く、高強度なアルミパイプを製造することが可能となる。

図６は本発明に係るアルミニウム合金パイプの製造方法の第２の実施形態を示す説明図である。同実施形態は第１の実施形態と比較して溶体化工程１の直後にスピニング加工工程６ａを行わず、自然時効処理の工程（自然時効工程）１０を経て、復元処理の工程（復元工程）１１後にスピニング加工工程６ａを行うところが異なる部分である。

これは、通常、部材メーカーと加工メーカーとは異なるため、部材が溶体化された直後に加工するのは難しく、溶体化処理の終了している部材を部材メーカーから仕入れて倉庫に保管することにより自然時効が進行し、塑性加工性が低下したものを再加熱する復元処理を行うことで塑性加工性を向上している。

この復元工程１１における加熱温度の最適値としては１５０℃〜２５０℃の温度範囲で行うのが好ましい。更には、昇温速度を早くするために、１５０℃〜３００℃の油の中に浸ける方式（図７参照）を採用したり、誘導加熱方式（図示せず）を採用することが好ましい。

そして、復元工程１１をした後に塑性加工の一つであるスピニング加工工程６ａを行うのである。また、スピニング加工工程６ａが終了した部材は人工時効工程３へと移すのである。

このスピニング加工工程６ａ及び人工時効３は、第１の実施形態で示したものと同様であるから説明は省略する。

図８は本発明に係るアルミニウム合金パイプの製造方法の第３の実施形態を示す説明図である。同実施形態は第２実施形態と比較して、自然時効工程１０後に行う台形状の復元工程１１を、三角形状の復元工程１１ａとしたところが異なる部分である。

図９は、復元工程１１ａの詳細を説明する。復元工程１１ａにおいては、スピニング加工によりローラー１２と素材であるパイプ１３との摩擦による発熱と、パイプ１３の塑性変形による発熱を利用するのである。この際、昇温効果を高めるために、クーラントを使用することなく（即ち、冷却することなく）、且つ、主軸回転数をスピニング加工工程６ａ時よりも速くすることにより、パイプ１３を局部的に急速に加熱するようにしている。例えば、数十センチの長さのパイプ１３を復元する場合には、スピニング加工を数十秒間程度、実施される。

このようにすれば、アルミ材は熱伝導率が高いために、短時間で昇降することが可能となる。されば、自然時効（常温時効ともいう）が進行した素材（パイプ１３）であっても、塑性加工性を向上させることができ、その直後（数秒から数十秒）に実行されるスピニング加工工程６ａにおいては容易に高加工度のスピニング加工を実現することが可能となる。

また、オイルバス等を利用した（第２の実施形態における）復元工程１１においては、加熱時間が長いために、加熱後に冷却処理が必要であったが、復元工程１１ａにおいては、発生する熱が局部的に熱量も小さいために、自己冷却で十分冷却が可能であると考えられる。

更に、スピニング加工工程６ａにおいては、上述のとおりローラー１２の両脇よりクーラントを吹き付けて冷却しているので、このクーラントによる冷却を利用すれば、復元工程１１ａにおいては、自己冷却による冷却が不足する場合にも、復元工程１１ａの直後に実行されるスピニング加工工程６ａにより冷却効果を十分に得ることが可能となる。

尚、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の実施形態をとるこができることは言うまでもない。上記実施形態においては、析出硬化型の高硬度アルミニウム合金の一例として、Ａ７０００系アルミニウム合金を挙げているがこれに限定されないことは言うまでもない。

また、人工時効時間は、ひずみが最も小さい部分の最高強度到達時間以上であれば、その部材に生じているひずみに対応する強度の全てを過時効とすることができるので、その部材の伸びを大きくすることができるとともに、耐応力腐食割れ性も向上することができるのである。

尚、本発明の特許請求の範囲の記載においては、スピニング加工工程より、復元工程及び塑性加工工程の両工程が実施されるという観点より表現されている。しかしながら、本発明は、復元処理工程を従来の方式に代えてスピニング加工方式により行うという観点より表現することも可能である。以下、特許請求の範囲の記載に適合するように記載する。

復元処理工程は、スピニング加工によりローラと素材との摩擦による発熱と素材の変形による発熱を主軸回転数により調節するとともに冷却することなく素材を局部的に加熱することにより行われることを特徴とする高強度アルミニウム合金パイプの製造方法。

本発明に係るアルミニウム合金パイプの製造方法の第１の実施形態を示す説 明図である。 析出硬化型の高硬度アルミニウム合金の時間と強度の関係を示すグラフであ る。 ひずみがある場合の析出硬化型の高硬度アルミニウム合金の時間と強度の関 係を示すグラフである。 人工時効時間と硬さの関係を示す図である。 第１の実施形態におけるスピニング加工工程を示す説明図である。 本発明に係るアルミニウム合金パイプの製造方法の第２の実施形態を示す説 明図である。 第２の実施形態における復元工程を示す説明図である。 本発明に係るアルミニウム合金パイプの製造方法の第３の実施形態を示す説明図である。 第３の実施形態における復元工程を示す説明図である。 従来のアルミニウム合金パイプの製造方法を示す説明図である。 従来のアルミニウム合金パイプの製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１ 溶体化処理の工程（溶体化工程）
２ 抽伸処理の工程（抽伸工程）
３ 人工時効処理の工程（人工時効工程）
４ 切削加工処理の工程（切削加工工程）
５ 軟化処理の工程（軟化工程）
６ 塑性加工処理の工程（塑性加工工程）
６ａ スピニング加工処理の工程（スピニング加工工程）
１０ 自然時効処理の工程（自然時効工程）
１１ 復元処理の工程（復元工程）
１１ａ 復元処理の工程（復元工程）
１２ ローラー
１３ パイプ
１４ ノズル

Claims (3)

1. 押出し成形された析出硬化型の高硬度アルミニウム合金パイプを素材として溶体化処理する溶体化工程と、該溶体化されたパイプを自然時効処理する自然時効工程と、該自然時効されたパイプをスピニング加工処理するスピニング加工工程と、該スピニング加工されたパイプを人工時効処理する人工時効工程とを有し、
   スピニング加工工程は、溶体化後に自然時効されたパイプを復元処理する復元工程と、該復元処理されたパイプを塑性加工する塑性加工工程とを備えていることを特徴とする高強度アルミニウム合金パイプの製造方法。
2. 復元工程においては、ローラと素材との摩擦による発熱と素材の変形による発熱を主軸回転数により調節するとともにクーラントにより冷却することなく素材を局部的に加熱することを特徴とする請求項１に記載の高強度アルミニウム合金パイプの製造方法。
3. 塑性加工工程において、外側面のひずみが大になるように塑性加工し、人工時効工程において、少なくとも外側面を過時効とすることを特徴とする請求項１または２記載の高強度アルミニウム合金パイプの製造方法。

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