JP2004230444A - 金属材料の供給装置ならびに金属製品の成形装置および成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不純物等の少ない半溶融金属をスリーブから成形型に供給することができ、かつ、その不純物等をスリーブから容易に除去することのできる金属材料供給装置、その供給装置を用いた成形装置および成形方法を提供する。
【解決手段】金属材料供給装置１０は、スリーブ１２の内周との間に環状の隙間を形成するプランジャ１４を備える。半溶融状態にある金属材料５０をスリーブ１２に投入してプランジャ１４を上昇させると、スリーブ内の金属材料５０のうち表層部分５４を残して軸芯部分５２が押し上げられ、金型４０に供給される。次いで、プランジャ１４の外周から張出部材２０を突出させ、この状態でプランジャ１４を下降させると、スリーブ１２の壁面に残された表層部分５４が張出部材２０により掻き落とされてスリーブ１２の下方から排出される。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料を用いて金属製品を成形する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】キャビティ（成形空間）を有する金型にスリーブを取り付け、該スリーブ内を往復移動するプランジャによってスリーブ内の溶湯をキャビティ内に押し出して成形（溶融成形）する金属製品の成形方法が知られている。スリーブ内の溶湯をキャビティ内に押し出す際には、凝固層や酸化膜等の不純物が溶湯とともにキャビティ内へ侵入することを防ぐことが望ましい。例えば特許文献１には、金型製品部より一定の距離だけプランジャの外径よりもスリーブの内径を数ｍｍ大きくすることによって、スリーブ壁面に形成される凝固層等が製品内に押し込まれることを防止する技術が開示されている。溶湯とともに不純物がキャビティ内へ侵入することを防ぐことに関する他の先行技術文献としては特許文献２および３が挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭５６−９１６６５号公報
【特許文献２】
実開昭６０−１０８４５８号公報
【特許文献３】
特開昭５７−１００８６２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、特許文献１〜３に開示された技術は、スリーブに供給された溶湯のうちキャビティに供給されなかった部分の処理（例えば、かかる部分をスリーブ内から除去する際の操作性）等の点で、なお改良の余地があるものであった。
一方、固液共存状態（セミソリッドメタルともいう。）にある金属材料を金型のキャビティ内に供給して成形する半溶融成形方法（いわゆるレオキャスト法、チクソキャスト法、半凝固ダイカスト法等、固液共存状態で成形型に供給する成形方法を広く意味する。以下同じ。）も知られている。かかる成形方法においても、キャビティ内への不純物（酸化物等の介在物や塊状の凝固片）の混入を抑制することが望ましい。
【０００５】
そこで本発明は、金属材料をスリーブから成形型に供給するにあたって不純物が混入することを抑制し得るとともに、その不純物等をスリーブから容易に除去することのできる金属材料供給装置を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、そのような供給装置を含んで構成された金属製品成形装置を提供することである。さらに他の目的は、かかる供給装置または成形装置を用いた金属製品成形方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用と効果】本発明者は、スリーブとの間に環状の隙間を形成する形状のプランジャを用いるとともに、そのプランジャに出し入れ可能な張出部材を設けることにより、上記課題を解決できることを見出して本発明を完成した。
【０００７】
本発明は、金属材料（典型的には、固液共存状態にある金属材料）を成形型のキャビティに供給する装置に関する。その装置は、成形型のキャビティに連なる材料供給路に接続可能なスリーブを備える。また、そのスリーブ内を往復移動可能に設けられたプランジャを備える。そのプランジャは、スリーブの内周との間に環状の隙間を形成する外周形状を有する。さらに、プランジャの外周から突出させることおよび該プランジャに収容することが可能な張出部材を有する。
固液共存状態等の流動状態にある金属材料に酸化物等の介在物が含まれている場合、そのような介在物は金属材料の外表面付近（表層部分）に集まりやすい。また、金属材料のうちスリーブの壁面と接する表層部分では凝固片等が生成しやすい。本発明の供給装置に備えられるプランジャは、スリーブの内周との間に環状の隙間を形成する外周形状を有する。このことによって、プランジャを成形型側に移動させる際、スリーブ内にある金属材料のうち上記表層部分をこの隙間に残して、不純物や凝固片等の比較的少ない中央部分（軸芯部分）を押し出すことができる。このプランジャには突出および収容が可能な張出部材が設けられている。したがって、金属材料を押し出した後、上記張出部材を突出させた状態でプランジャを反成形型側に移動させる（後退させる）ことにより、スリーブ内に残されていた金属材料（表層部分）をスリーブの壁面から除去することができる。
【０００８】
本発明の供給装置は、典型的には固液共存状態にある金属材料をプランジャで押し出して成形型に供給するものである。かかる固液共存状態にある金属材料は、液相状態にある金属材料（溶湯）に比べて粘度が高い。このことから、上述した溶融成形のように溶湯を押し出す場合とは異なり、上記環状の隙間がプランジャの背面側（すなわち反成形型側）に開放されていても（塞がれていなくても）、該隙間を通じて背面側に金属材料が逃げるという現象が起こりにくい。したがって、隙間がプランジャの背面側に開放された構成であっても、スリーブ内の金属材料を適切に押し出すことができる。このような構成は、例えば、スリーブの壁面から除去した表層部分等をプランジャの背面側から回収する（排出する）場合に有利である。
【０００９】
本発明の金属製品成形装置は、キャビティおよびそのキャビティに連なる材料供給路を有する成形型と、本発明のいずれかの金属材料供給装置とを備える。このような成形装置によると、上述した供給装置を備えることから、介在物や凝固片等の少ない金属材料をキャビティに供給することができる。したがって高品質の金属製品（成形品）を製造し得る。
【００１０】
かかる成形装置の好ましい態様では、材料供給路の少なくとも一部範囲は前記スリーブの成形型側端部よりもその開口幅が絞られている（例えば小径である）。このことによって、プランジャを成形型側に移動させる際、スリーブの内壁に接する表層部分をより確実にスリーブ内に留めておくことができる。上記一部範囲では、スリーブの成形型側端部から不連続的に（段差を介して）開口幅が絞られていることが好ましい。
【００１１】
他の好ましい態様では、成形型の材料供給路に、スリーブと接続される部分に続いて、プランジャの外周にほぼ接してプランジャを案内するプランジャ案内部が形成されている。このプランジャ案内部では、プランジャの外周と材料供給路の内周との間が実質的にシールされている。かかる構成とすることにより、スリーブからキャビティ内に供給した金属材料を、プランジャによって十分に加圧することができる。
【００１２】
また、本発明によると、成形型と、スリーブと、そのスリーブ内を往復移動可能に設けられているとともに該スリーブの内周との間に環状の隙間を形成する外周形状を有するプランジャとを用いて金属製品を成形する方法が提供される。その成形方法は、スリーブに金属材料を受入れる受入工程を備える。また、成形型のキャビティに連なる材料供給路にそのスリーブの一端を接続する接続工程を備える。また、プランジャを成形型側に移動させ、スリーブに受入れられた金属材料のうちのスリーブの壁面に接する表層部分をスリーブ内に残して軸芯部分をキャビティ内に供給する前進工程を備える。また、プランジャを反成形型側に移動させる後退工程を備える。この後退工程の少なくとも一部では、プランジャの外周から張出部材を突出させた状態でプランジャを移動させることにより、前進工程でスリーブに残された金属材料をスリーブの壁面から除去する。
かかる成形方法によると、スリーブ内にある金属材料のうちの不純物や凝固片等の比較的少ない中央部分（軸芯部分）を前進工程によって押し出した後、スリーブ内に残された表層部分を後退工程によってスリーブの壁面から容易に除去することができる。
【００１３】
このような成形方法は、スリーブに受入れられた金属材料の少なくとも軸芯部分（好ましくは実質的に全体）が固液共存状態にあるようにして前進工程を実施することが好ましい（半溶融成形）。かかる固液共存状態を実現する方法としては、固液共存状態にある金属材料をスリーブに受入れさせ、その固液共存状態を維持しつつ前進工程を行う方法を好ましく採用することができる。また、固相状態の金属材料をスリーブに受入れさせ、その後、スリーブ内で金属材料の一部を溶融させて固液共存状態（半溶融状態）としてもよい。あるいは、液相状態の金属材料（溶湯）をスリーブに受入れさせ、その後、スリーブ内で金属材料の一部を凝固させて固液共存状態としてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】この発明はまた、下記の形態で実施することができる。
（形態１）
本発明に係る供給装置が縦型の供給装置である。すなわち、この供給装置は、成形型の材料供給口に（典型的にはその下方に）、そのプランジャの移動方向が鉛直方向またはそれに近似する方向となるように（例えば、鉛直方向に対して±４５°以内、好ましくは±１５°以内の方向となるように）接続して用いられる。または、本発明の金属製品成形装置において、その成形装置を構成する供給装置は、プランジャの移動方向がほぼ鉛直方向またはそれに近似する方向となるようにして成形型の材料供給口に接続される。
【００１５】
（形態２）
プランジャから張出部材を突出させたとき、その張出部材はスリーブの内壁に当接可能である。すなわち、プランジャとスリーブ内周との距離と同等以上に、プランジャの外周から張出部材を突出させることができる。かかる構成とすることにより、例えば、上記後退工程の際に、スリーブの壁面に付着した金属材料を張出部材によって効率よく除去する（掻き落とす）ことができる。
【００１６】
（形態３）
プランジャの背面側（反成形型側）に、スリーブの壁面から除去した（掻き落とした）金属材料を回収するための捕集容器を備える。かかる構成とすることにより、例えば、上記後退工程でスリーブの壁面から除去した（掻き落とした）金属材料を捕集容器内に集め、この金属材料に適切な処理（精製、還元、再溶解等）を施して再利用することができる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明を適用して金属製品を成形する実施例につき図面を用いて説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
【００１８】
図１に示すように、金属製品成形装置１は、金型４０と、この金型４０に金属材料を供給する金属材料供給装置１０とを備える。金型４０の内部にはキャビティ４２が区画されている。このキャビティ４２は、材料供給路４４を介して金型４０の外部に開口している。材料供給路４４は、キャビティ側から順に、小径部４４２、プランジャ案内部４４４およびスリーブ接続部４４６を有する。また、材料供給路４４の断面形状（開口形状）ほぼ円形状であって、その内径は、小径部４４２、プランジャ案内部４４４、スリーブ接続部４４６の順に段階的に大きくなっている。
【００１９】
供給装置１０は、略円筒状のスリーブ１２と、このスリーブ１２内に収容された略円柱状のプランジャ１４と、プランジャ１４の一端面（背面；図１の下側）から延びるロッド１６とを備える。ロッド１６の一端はプランジャ１４に一体的に取り付けられており、他端は図示しない駆動手段に接続されている。この駆動手段によって、プランジャ１４およびロッド１６をスリーブ１２の軸方向に往復移動させることができる。この供給装置１０は、さらに、スリーブ１２内の金属材料５０を所定の相状態に維持する等のために、図示しないヒータ等の温度調節手段を備えることができる。
【００２０】
スリーブ１２の内周とプランジャ１４の外周との間には環状の隙間Ｋが形成されている。この隙間Ｋは、プランジャ１４の背面に開放されている。隙間Ｋの平均厚さ［（スリーブ１２の内径−プランジャ１４の外径）×（１／２）］は、例えば０．０１〜２０ｍｍの範囲とすることができる。通常は０．１〜１０ｍｍの範囲（例えば５ｍｍ程度）とすることが好ましい。かかる平均厚さの隙間Ｋが形成されるように、スリーブ１２の内径とプランジャ１４の外径との関係を設定することが好ましい。また、プランジャ１４の外径は、金型４０のプランジャ案内部４４４に挿入可能であって、この挿入時にプランジャ１４の外周とプランジャ案内部４４４とがシールされる（ほぼ接する）程度とすることが好ましい。例えば、プランジャ１４の外周とプランジャ案内部４４４の内周とのクリアランスを１０〜５００μｍの範囲とすることができる。通常は、５０〜２５０μｍの範囲とすることが適当である。
プランジャ１４の周方向の四箇所には張出部材２０が備えられている。この張出部材２０は、後述する張出部材制御手段等によって、任意の時期にプランジャ１４の外周から外方に突出させたり、プランジャ１４の内部または外周上に収容したりすることが可能である。
【００２１】
以下、この成形装置１の一使用例について説明する。
まず、原料となる金属材料（例えばアルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄合金等）から、典型的には固体状態で、一回の成形工程を実施するために使用する分量の金属材料（ビレット）を分取する。このビレットを常法により加熱して半溶融状態（固液共存状態）の金属材料を調製する。図１に示すように、スリーブ１２の成形型側端部１２ａを上にして配置された供給装置１０に、半溶融状態にある金属材料５０をスリーブ１２の上端から投入する（受入工程）。前述のように、プランジャ１４の外周とスリーブ１２の内周との間には、プランジャ１４の背面に開放された環状の隙間Ｋが形成されている。ここで、スリーブ１２に投入される金属材料５０は半溶融状態にあるので隙間Ｋから下方に流失してしまうことはない。すなわち、受入れた金属材料５０をプランジャ１４上に保持することができる。なお、このとき張出部材２０は、プランジャ１４の内部または外周上に収容された状態にある。
【００２２】
次いで、金属材料５０を受入れた供給装置１０を、金型４０の材料供給路４４に接続する。具体的には、図１に示すように、スリーブ１２の上端（成形型側端部１２ａ）をスリーブ接続部４４６に下方から嵌合させる（接続工程）。このことによってスリーブ１２内の空間とキャビティ４２内の空間とが連通する。
【００２３】
そして、スリーブ１２内の金属材料５０を半溶融状態に維持しつつ、図示しない駆動手段によってプランジャ１４を上方（金型側）に移動させる（前進工程）。すると、プランジャ１４の外周はスリーブ１２の内周よりも小径であることから、図２に示すように、金属材料５０のうち軸芯部分５２（プランジャ１４の直上に位置する部分にほぼ相当する）はプランジャ１４とともに押し上げられ、スリーブ１２から押し出されて材料供給路４４に供給される。一方、金属材料５０のうちスリーブ１２の壁面に接している表層部分（外周表面およびその近傍）５４は、プランジャ１４の移動（上昇）から取り残される。
引き続き、プランジャ１４をさらに上昇させて、図３に示すように、材料供給路４４のプランジャ案内部４４４にまで進入させる。これにより、スリーブ接続部４４６とプランジャ案内部４４４との間で金属材料５０の軸芯部分５２と表層部分５４が分割される。ここで、スリーブ接続部４４６とプランジャ案内部４４４との段差（上述した隙間Ｋとクリアランスとの差）は、軸芯部分５２をスリーブ１２内に留めておくストッパとして機能する。また、プランジャ１４の外周はプランジャ案内部４４４とほぼ接しているので、プランジャ１４のキャビティ側にある金属材料（軸芯部分５２）がプランジャ１４の背面側に逃げることが防止されている。したがって、キャビティ４４（図１参照）に充填された金属材料５０（軸芯部分５２）をプランジャ１４によって十分に加圧することができる。
【００２４】
このようにして金属材料５０（軸芯部分５２）を金型４０に供給した後、プランジャ１４を下降させる（後退工程）。張出部材２０がスリーブ１２内に戻る位置までプランジャ１４が下降したら、図４に示すように、この張出部材２０をプランジャ１４の外周から突出させる。そして、張出部材２０を突出させた状態でプランジャ１４をさらに下降させることにより、前進工程の際にスリーブ１２内に残された金属材料５０（表層部分５４）をスリーブ１２の壁面から除去する（掻き落とす）。なお、張出部材２０はプランジャ１４の外周よりも突出していればよく、必ずしもスリーブ１２の内周壁面に当接していなくてもよい。前述のように、スリーブ１２とプランジャ１４との隙間Ｋはプランジャ１４の背面側に開放されているので、除去された表層部分５４はこの背面側に落下する。スリーブ１２の下方には、掻き落とした表層部分５４を回収するための捕集容器６０が用意されている。このようにして、表層部分５４をスリーブ１２の壁面から除去するとともに、この表層部分５４をスリーブ１２から排出（回収）して次回の成形に備えることができる。
【００２５】
かかる後退工程においてプランジャ１４から張出部材２０を突出させたり収容したりする手段（張出部材制御手段）は特に限定されない。例えば図５〜７に示すような機構を採用することができる。
図５に示す例では、プランジャ１４の内部に圧力室３０が区画されている。この圧力室３０は、貫通孔３５を介してプランジャ１４の外周に開口している。張出部材２０は、大径の頭部２２と小径の脚部２３とを備える。頭部２２は圧力室３０に収容され、脚部２３は貫通孔３５に挿通されている。圧力室３０の壁面と頭部２２との間にはコイルスプリング２４が配置されている。張出部材２０は、このコイルスプリング２４によってプランジャ１４の内周側に付勢されている。圧力室３０は、頭部２２によってプランジャ１４の内周側と外周側とに分割されている。その内周側と外周側とは、頭部２２の外周に設けられたシール部材２６によって気密にシールされている。圧力室３０のうちの頭部２２よりも内周側は、第一の圧力系統３１ａが連絡された第一圧力室３１を構成している。一方、頭部２２の外周側は貫通孔３５を通じて大気に開放されている。
【００２６】
張出部材２０を突出させるときには、第一の圧力系統３１ａから第一圧力室３１に気体（例えば空気）を供給する。これにより、第一圧力室３１の内圧と大気圧との圧力差を利用して、コイルスプリング２４の付勢力に抗して張出部材２０をプランジャ１４の外周側（図５の左側）へ移動させることができる。一方、張出部材２０の突出を解除する（張出部材２０を収容する）ときには、第一圧力室３１の圧力を逃せば、コイルスプリング２４の付勢力によって張出部材２０がプランジャ１４の内周側（図５の右側）に移動する。なお、ここでは第一圧力室３１の圧力を変化させるために気体を用いた例につき説明したが、気体の代わりに油等の液体を用いてもよい。
【００２７】
図６は、張出部材制御手段の他の例を示している。この例では、圧力室３０のうちの頭部２２よりも外周側が、第二の圧力系統３２ａが連絡された第二圧力室３２を構成している。この第二圧力室３２の気密性を維持するため、貫通孔３５と脚部２３との間がシール部材２７によって気密にシールされている。また、図５に示す例とは異なり、張出部材２０をプランジャ１４の内周側に付勢するコイルスプリング２４は設けられていない。その他の部分の構成は図５に示す例と同様である。図６に示す例では、第一の圧力系統３１ａおよび第二の圧力系統３２ａによって、第一圧力室３１と第二圧力室３２との圧力差を調整することにより、張出部材２０をプランジャ１４の外周側および内周側へ移動させることができる。
【００２８】
図７は、張出部材制御手段のさらに他の例を示している。この例で用いる張出部材２０は板状であって、プランジャ１４の外周表面に配置されている。この張出部材２０の上端はプランジャ１４の外周に蝶番状に取り付けられている。また、プランジャ１４には電気（または油圧、空気圧等）により駆動されるシリンダ２８が内蔵されている。このシリンダ２８に連結されたピン２９によって張出部材２０を裏側（プランジャ１４側）から押圧すると、張出部材２０がその上端を中心に回転してプランジャ１４から突出する。ピン２９による押圧を解除すると、張出部材２０が自重等によりプランジャ１４の外周上に収容される。なお、ピン２９は張出部材２８の裏面に接続されていてもいなくてもよい。
【００２９】
上記後退工程（図４参照）で張出部材２０を突出させてプランジャ１４を下降させる際、プランジャ１４を回転させつつ下降させることができる。このことによって、スリーブ１２に残された金属材料５０（表層部分５４）をより効率よく除去することができる。また、上記実施例ではプランジャ１４の四箇所に張出部材２０を設けたが、張出部材２０の数はこれに限定されるものではない。例えば図８に示すように、それぞれプランジャ１４の直径方向の二箇所に設けられた二つの張出部材から構成される三組の張出部材群２０ａ〜２０ｃを、プランジャ１４の軸方向（図８の上下方向）に位置をずらし、かつプランジャ１４の周方向に位置をずらして配置することができる。かかる構成とすることにより、スリーブ１２（図４参照）に残された金属材料５０（表層部分５４）をより効率よく除去することができる。
【００３０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る成形装置を示す模式的断面図である。
【図２】成形装置の作動を示す模式的断面図である。
【図３】成形装置の作動を示す模式的断面図である。
【図４】成形装置の作動を示す模式的断面図である。
【図５】張出部材を突出させる機構を例示する模式的断面図である。
【図６】張出部材を突出させる機構を例示する模式的断面図である。
【図７】張出部材を突出させる機構を例示する模式的断面図である。
【図８】張出部材を設ける位置を例示する模式的側面図である。
【符号の説明】
１：成形装置（金属製品成形装置）
１０：供給装置（金属材料供給装置）
１２：スリーブ
１４：プランジャ
２０：張出部材
４０：金型（成形型）
４２：キャビティ
４４：材料供給路
４４４：プランジャ案内部
４４６：スリーブ接続部
５０：金属材料
５２：軸芯部分
５４：表層部分
６０：捕集容器

Claims (6)

1. 成形型のキャビティに金属材料を供給する装置であって、
   その成形型のキャビティに連なる材料供給路に接続可能なスリーブと、
   そのスリーブ内を往復移動可能に設けられたプランジャとを備え、
   そのプランジャは、該スリーブの内周との間に環状の隙間を形成する外周形状を有するとともに、該プランジャの外周から突出させることおよび該プランジャに収容することが可能な張出部材を有することを特徴とする金属材料供給装置。
2. 前記環状の隙間が前記プランジャの背面側に開放されていることを特徴とする請求項１に記載の供給装置。
3. キャビティおよびそのキャビティに連なる材料供給路を有する成形型と、
   請求項１または２に記載の供給装置とを備える金属製品成形装置。
4. 前記材料供給路には、前記スリーブと接続される部分に続いて、前記プランジャの外周にほぼ接してプランジャを案内するプランジャ案内部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の成形装置。
5. 成形型と、スリーブと、そのスリーブ内を往復移動可能に設けられているとともに該スリーブの内周との間に環状の隙間を形成する外周形状を有するプランジャとを用いて金属製品を成形する方法であって、
   スリーブに金属材料を受入れる受入工程と、
   成形型のキャビティに連なる材料供給路にそのスリーブの一端を接続する接続工程と、
   プランジャを成形型側に移動させ、スリーブに受入れられた金属材料のうちのスリーブの壁面に接する表層部分をスリーブ内に残すとともに軸芯部分をキャビティ内に供給する前進工程と、
   プランジャを反成形型側に移動させる後退工程とを備え、
   この後退工程の少なくとも一部では、プランジャの外周から張出部材を突出させた状態でプランジャを移動させることにより前進工程でスリーブに残された金属材料をスリーブの壁面から除去することを特徴とする金属製品成形方法。
6. 固液共存状態にある金属材料をスリーブに受入れさせ、その固液共存状態にある金属材料をキャビティに供給することを特徴とする請求項５に記載の金属製品成形方法。

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