アルミ押出成形とは？
アルミニウム押出成形は、予熱したアルミニウム合金ビレット（350～500℃に軟化させたもの）を押出プレス機の容器内に投入し、圧力を加えることでビレットを金型の開口部（ダイス）から押し出すことで、ビレットを方向性のある塑性変形に導く塑性変形法です。このプロセスにより、所望の断面形状、寸法、および特定の機械的特性を持つ部品または半製品が得られます。
押し出しは歯磨き粉を絞り出すような感じ。
このプロセスでは、アルミニウム合金は塑性流動を起こし、断面が再形成されます。
- ビレット内の金属粒子はダイキャビティの方向に沿って移動します。
- 穀物は引き伸ばされ、再配置されます。
- 変形強化により材料の機械的特性を高めることができます。
図に示す自動車クラッシュビームのような複雑な中空プロファイルの場合、アルミニウムスラグは圧力下で複数の金属流に分割されます。これらの金属流はポートホールを通過し、溶接チャンバー内で合流します。高温、高圧、高真空の条件下で再溶接され、最終的にマンドレルとダイ開口部の隙間から流出します。これにより、必要な寸法と性能を満たす管状または中空プロファイルが形成されます。曲げが必要な場合は、下流の装置に曲げツールを追加します。
押出ダイ
製品構造設計エンジニアとして、私たちはアルミニウム押出成形用金型の設計は行いませんが、最も基本的な金型構造と、それらが様々な押出成形形状を形成するメカニズムを理解することは不可欠です。この知識は、金型コストの削減と押出成形部品の生産効率向上のための設計最適化に役立ちます。
押し出しダイとは何ですか?
押し出しダイスは、基本的に厚い円形の鋼板で、1つまたは複数の開口部が設けられており、所望の形状を成形します。通常、H13工具鋼で作られ、高温のアルミニウムがダイスを通過する際の圧力と熱に耐えられるように熱処理されています。アルミニウムは比較的柔らかい金属ですが、固体のアルミニウムインゴット（ビレット）を薄く多孔質のアルミニウム押し出しダイスに押し込んで所望の形状に成形するには、かなりの圧力が必要です。
金型分類
アルミ押出部品の断面形状に応じて、対応する金型は3種類に分類されます。
- ソリッドダイス
- セミホローダイス
- 中空ダイス
このうち中空金型は構造が最も複雑で、摩耗や破損が生じやすく、コストも最も高くなります。
アルミ押出材
押出成形に適したアルミニウム合金材料には、2XXX、6XXX、7XXXシリーズがあります。6XXXシリーズはコスト効率が高いため、最も広く使用されています。
5XXXシリーズアルミニウム：主に5052。これらのアルミニウムは優れた耐食性を備えていますが、強度は低くなります。建設業界で一般的に見られる、低応力で高い耐食性が求められる用途に適しています。
6XXXシリーズアルミニウム：主に6061、6063、6005、6082です。マグネシウムとシリコンを含有し、良好な押出性を示します。T6熱処理後、適度な強度と低コストが得られます。このシリーズは、新エネルギー車（NEV）で最も多く使用されている押出材です。
例１：モーターケーシングは、冷却チャネルが一体化された複雑な断面形状を組み込むために、6061から押し出し成形されます。6061は放熱性能も優れています（熱伝導率は201 W/m·Kです）。
7XXXシリーズアルミニウム合金：主に7075系。極めて高い強度を有します。押出成形は、より高い圧力と高精度の金型が必要となるため困難です。図に示す自動車用アルミニウム合金押出部品など、強度要求の厳しい部品に適しています。
アルミ押出材のメリット
高次元精度
アルミニウム合金の製造方法によって、得られる精度は異なります。真空ダイカストによる構造部品の場合、熱処理による収縮や変形によって寸法誤差が大きくなることが多く、1～3mmに達することもあります。一方、アルミニウム押出成形では、一般的に断面寸法の精度が高く、寸法がより安定し、制御も容易です。
高精度な金型加工と修正により、自動車用アルミニウム押出形材は、多くの自動車製品の寸法精度要件を完全に満たすことができます。押出形材の断面形状の寸法精度だけでも、通常は製品設計要件を満たし、寸法精度は1mm以内に制御可能です。したがって、寸法精度という点において、アルミニウム押出成形は成熟した、優れた、競争力のあるプロセスと言えます。
製造工程の削減
アルミニウム押出形材は、複雑で多様な断面形状が可能であり、肉厚設計の自由度が高いため、押出成形された粗部品でも高い寸法精度を実現できます。これにより、設計部品数と、押出成形されたブランクから最終完成品までの製造工程数を最小限に抑えることができます。部品は、切断、穴あけ、打ち抜き、機械加工、曲げ加工などの工程のみで納品可能です。機械的性能の調整が必要な場合は、熱処理工程を追加することもできます。
優れた熱伝導性
アルミニウムは、自動車の冷却および暖房用途における熱伝達材として広く使用されています。アルミニウム合金は、他のほとんどの金属材料と比較して、単位重量あたりの熱伝導率が優れています。例えば、電動駆動アクスルコントローラーのヒートシンク、車両前部の冷却モジュール、エアコン用の冷水パイプなどが挙げられます。
アルミ押出形材は、中空形状（チューブ状）に成形することで、液漏れのリスクを回避・低減します。モーターケースの冷却水路、水管コネクタ、バッテリーパックの水冷ラインなど、あらゆる用途にアルミ押出形材が使用されています。さらに、電磁両立性（EMC）要件が求められる用途では、シームレスなアルミ押出形材が優れたシールド効果を発揮します。
簡単な接続と組み立て
アルミニウム合金部品の接合方法は、溶接、摩擦撹拌接合（FSW）、機械的接合（FDSおよびSPRを含む）、接着接合、埋め込み、スナップフィットなど、様々な方法があります。これらの方法はすべて、アルミニウムプロファイルと他の材料の接合に適しています。組み立てにおいては、ボルトで他の部品に固定することで、豊富で柔軟なオプションが得られます。
短い生産サイクル
アルミニウム押し出し部品は、「ミュール」車両やソフトツール部品の少量生産でも、大量生産のハードツール部品でも、短い開発サイクルで大きな利点を提供します。
- シンプルなアルミニウム押し出しプロファイルの場合、金型を開いてから部品を製造するまでのサイクルはわずか 1 ～ 2 週間です。
- モーターケースやシルビームなど、断面が複雑な一部の大型自動車用アルミ押し出しプロファイルの場合でも、金型を開くサイクルはわずか 4 週間程度です。
- 対照的に、鋳造部品やスタンピング部品の金型開放サイクルは通常 4 ～ 16 週間の範囲です。
- ラピッドプロトタイピングは 3D印刷 金属粉末焼結法は単一部品の生産サイクルが短いため、コストが高く、部品の数量や性能の要件を満たせない場合があります。
低い金型コスト
アルミニウムプロファイル用の押し出し金型一式のコストは、数千ドルから数万ドルの範囲です。これは、鋳造やスタンピング金型に必要な数十万ドルから数百万ドルと比較すると、大幅に安価です。OEMメーカーにとって、押し出し部品の採用は、一時的な投資コストを大幅に削減し、その後の設計変更コストを削減し、設計の柔軟性を高めます。
アルミニウム押出成形の課題
金型設計と製造
複雑な断面形状の金型では、局所的な流動が速すぎる（薄肉部などで割れが発生する）か、遅すぎる（充填不足につながる）かを避けるために、金属の流動速度を正確に計算する必要があります。金型の加工精度は0.01mmに達する必要があり、コストが高くなります。
寸法精度
材料の熱膨張・収縮、および押出速度の変動により、部品の寸法誤差（例えば、真直度誤差が0.5mm/mを超えるなど）が生じやすくなります。そのため、伸張・矯正、そしてその後の機械加工による修正が必要となります。
表面品質
キズ、残留酸化スケール、気泡などの欠陥が発生する場合があります。ビレットの表面品質と金型の平滑性（粗さ）（Ra0.8µm以下）を厳密に管理する必要があります。
大型部品の押し出し
NEVバッテリーパックケース（長さ2mを超える）などの部品は、5000トンを超える大トン数の押出プレスが必要であり、金属の流れが不均一なため変形しやすい。
アルミ押出部品の設計上の特徴
押し出し部品の寸法
押し出し部品のサイズは、外接円直径（CCD）によって評価されます。図に示すように、CCDを最小化することが目標となります。
非対称構造を避ける
断面は対称的でシンプルである必要があります。非対称でアンバランスな断面形状は、押出成形の複雑さを増し、品質問題を引き起こしやすくなります。
- 寸法精度の保証が困難。
- 平坦性を保証することが困難。
- パーツが中央部分で歪んでしまいます。
- 生産効率が低い。
- 大量生産では金型が摩耗しやすくなります。
壁の厚さ
押出成形品の肉厚は、材質、形状、そして外接円直径（CCD）に大きく依存します。押出成形品の形状も肉厚設計に影響を与えます。図（管状構造は赤、非管状構造は青）[CCDと最適肉厚の関係を示す図]に示すように、CCDが大きくなるにつれて、最適な肉厚も大きくなります。
マッチング
他の部品（バッテリーモジュールなど）との組立公差は0.1mmに抑える必要があります。これにより、押し出し寸法の変動による組立上の問題を防ぐことができます。同時に、部品の厚さ寸法公差は性能要件を考慮し、設計マージンを確保する必要があります。
