JP2005305466A - 溶湯鍛造装置および溶湯鍛造法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状が複雑で、かつ、健全な金属組織が要求される金属部材に対し、生産性が高い製造装置を提供する。
【解決手段】型のキャビティＣ内の溶湯にプレス圧力を加えて、溶湯を成形、凝固させる溶湯鍛造装置１であって、溶湯が注湯される湯だまりＢとキャビティＣとの間に、湯だまりＢに注湯された溶湯をキャビティＣに導く湯道Ｒを設ける。湯だまりＢ内の溶湯に圧力を加える第１加圧ピストン４と、キャビティＣ内の溶湯に圧力を加える第２加圧ピストン１５とを設け、湯だまりＢ、湯道ＲおよびキャビティＣ内に溶湯が供給された状態で、湯だまりＢ内とキャビティＣ内の溶湯に圧力を加えて、溶湯をキャビティＣの形状に成形、凝固させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状が複雑で、かつ、健全な金属組織が要求される金属部材の製造方法に関し、特に溶湯鍛造法およびその装置に関する。

例えば、自動車のアンチロックブレーキシステム・ハウジング（以下、「ＡＢＳハウジング」という）などの金属部品（部材）は、形状が複雑であり、また、金属組織や機械的特性が良好（素材の特性どおりであること）かつ均質であることが要求される。このような金属部材を製造する方法としては、鋳造法、ダイカスト法または、押し出し材を機械加工（切削、研削加工など）する方法などがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１６１３２６号公報

ところで、鋳造法やダイカスト法では、溶湯（例えば、溶融アルミニウム）中のガスや、溶湯を金型のキャビティ内に充填する際に巻き込まれたガス（外気）などが、ピンホールやブローホール（気泡）となって製品（部材）内部に封じ込められる場合がある。この他、収縮巣（最後に凝固する部分に収縮が集まってできる空洞）や凝固組織（結晶粒）の不均一化などの鋳造欠陥が生じる場合がある。特に、製品の形状が複雑な場合により発生し得る。そして、このような鋳造欠陥は、ＡＢＳハウジングなど金属組織や機械的特性が良好かつ均質であることが求められる部材では、あってはならないものであり、不良品として扱われる。

また、押し出し材を機械加工する方法では、機械的特性などが良好かつ均質である押し出し材を用いるため、上記のような鋳造欠陥はないが、機械加工するため、膨大な製造稼働を要し、また、歩留まりも低く、製造費が高くなってしまう。

そこで本発明は、形状が複雑で、かつ、健全な金属組織が要求される金属部材に対し、生産性が高い製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、型のキャビティ内の溶湯にプレス圧力を加えて、溶湯を成形、凝固させる溶湯鍛造装置において、溶湯が注湯される湯だまりとキャビティとの間に、湯だまりに注湯された溶湯をキャビティに導く湯道を設ける。また、湯だまり内の溶湯に圧力を加える第１加圧ピストンと、キャビティ内の溶湯に圧力を加える第２加圧ピストンとを設け、湯だまり、湯道およびキャビティ内に溶湯が供給された状態で、湯だまり内とキャビティ内の溶湯に圧力を加えて、溶湯をキャビティの形状に成形、凝固させることを特徴としている。
（作用）
第１加圧ピストンによって湯だまり内の溶湯が加圧されるため、溶湯がキャビティの隅々に隙間なく充填されるとともに、この加圧によって充填時のガスの巻き込み（残留）が抑制され、さらに収縮巣が発生しない。また、第１加圧ピストンによる鍛造効果によって、製品（キャビティ内の溶湯）が均質化、高密度化され、機械的性質が向上する。さらに、第１加圧ピストンによる加圧によって、溶湯とキャビティとの間にエアギャップが発生せず、溶湯の冷却速度が速くなり、この結果、微細な凝固組織が得られる。
しかも、第２加圧ピストンによってキャビティ内の溶湯も加圧されるため、これらの作用が向上する。すなわち、第１加圧ピストンにより間接押込溶湯鍛造の効果が得られ、第２加圧ピストンにより直接押込溶湯鍛造の効果が得られる。この結果、複雑な製品形状に対しても、ニアネットシェイプ（一度の加工で最終形状に近い形状に成形すること）が可能となる。

請求項２に記載の発明は、第２加圧ピストンの加圧方向が湯道に対向するように、第２加圧ピストンを配置したことを特徴としている。
（作用）
キャビティ内の溶湯が、湯道側からは第１加圧ピストンにより加圧され、この加圧方向の対向側からは第２加圧ピストンにより加圧される。この結果、キャビティ内の溶湯に対する上記の加圧、鍛造作用がさらに向上される。

請求項３に記載の発明は、湯道の湯だまり側開口を、注湯された溶湯が一旦溜まる湯だまりの底部よりも高く位置させたことを特徴としている。
（作用）
湯だまりに注湯された溶湯は一旦底部に溜まり、この底部から溢れた溶湯が湯道を介してキャビティへと流入する。このため、キャビティへ流入する溶湯は非乱流となり、溶湯がキャビティ内に隙間なく充填され、かつ、外気（空気）を巻き込むことがない。

請求項４に記載の発明は、湯だまりから等距離に複数のキャビティを配置したことを特徴としている。
（作用）
キャビティが複数設けられているため、一度に複数の製品が得られるとともに、各キャビティが湯だまりから等距離に配置されているため、各キャビティに対する湯流れ（湯廻り）、加圧が均等になり、各キャビティから均質な製品が得られる。

請求項５に記載の発明は、湯道の温度を調節する湯道温度調節手段が設けられ、キャビティ内の溶湯が凝固した後に、湯道内の溶湯が凝固するように、湯道の温度を調節することを特徴としている。
（作用）
キャビティ内の溶湯が凝固した後に湯道内の溶湯が凝固するため、湯道内に偏析が生じ、キャビティ内すなわち製品内は、偏析のない健全な組織となる。

本発明によれば、第１加圧ピストンによる間接押込溶湯鍛造の効果と、第２加圧ピストンによる直接押込溶湯鍛造の効果とにより、複雑な製品形状に対しても、気泡や収縮巣がなく、凝固組織が微細で機械的性質が均質な製品（金属部材）を製造することができる。しかも、溶湯鍛造は機械加工に比べて生産性がはるかに高く、かつ、本発明によればニアネットシェイプが可能であるため、生産性がさらに向上される。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る溶湯鍛造装置１であって、上型６とサイド型１４とを閉じた状態を示す断面図である。

図中２は、溶湯鍛造プレスの上ボルスタであり、この上ボルスタ２の下に上ラム３が配置され、この上ラム３はアウターラムポンプ（図示せず）によって上下動するようになっている。また、図中４は第１加圧ピストンであり、インナーラムポンプ（図示せず）によって上ラム３とは独立して上下動できるようになっている。

上ラム３には、接続部材５を介して上型６が取り付けられ、この上型６の中心部に湯だまりＢを形成するスリーブ７が設けられている。すなわち、上型６は円盤形をしており、その中心に円筒形のスリーブ７がインサートされ、スリーブ７を中心として４つの上キャビティ６ａが放射線状（スリーブ７から等距離で９０度毎）に形成されている。また、スリーブ７には各上キャビティ６ａにつながるスリット７ａが形成され、このスリット７ａと後述する下型１３とによって、湯道Ｒが形成されるようになっている。また、各上キャビティ６ａの外周側には、型締めした際に後述する各サイド型１４を固定するロッキングブロック８が取り付けられている。
接続部材５と上型６との間には断熱板９が設けられ、上型６の熱放出を抑制するようになっている。さらに、上型６の外周には、上型６を昇温、保温する金型昇温装置１０が設けられている。

一方、図中１１は、溶湯鍛造プレスの下ボルスタであり、この下ボルスタ１１に下型ホルダー１２を介して下型１３が取り付けられている。なお、下ボルスタ１１と下型ホルダー１２との間、および、下型ホルダー１２と下型１３との間には、上記の断熱板９と同様の役目をする断熱板１７，１８がそれぞれ設けられている。
この下型１３は、図２に示すように、上型６と同様に円盤形をしており、その中心に摺動穴１３ａが形成され、この摺動穴１３ａを中心として４つの下キャビティ１３ｂが、上記上型６の上キャビティ６ａに対応する位置に形成されている。そして、図１，２に示すように、各下キャビティ１３ｂの外周側で、摺動穴１３ａと対向する位置に、サイド型１４が配置されている。
このサイド型１４には第２加圧ピストン１５が内設され、サイド型１４および第２加圧ピストン１５は、油圧シリンダー１６によって往復動（水平方向に前進、後退）するようになっている。すなわち、サイド型１４および第２加圧ピストン１５は、下型１３の摺動穴１３ａに対向して往復動し、サイド型１４が摺動穴１３ａ側に前進し型締めした際に、上型６の上キャビティ６ａ、下型１３の下キャビティ１３ｂおよび、サイド型１４によってキャビティＣが形成されるようになっている。また、下型１３には、図２に示すように、摺動穴１３ａと各下キャビティ１３ｂとをつなぐスリット１３ｃが形成され、このスリット１３ｃとスリーブ７のスリット７ａおよび上型６とによって、湯道Ｒが形成されるようになっている。さらに、スリット１３ｃとスリット７ａには断熱材（湯道温度調節手段、図示せず）が設けられ、後述する冷却装置によって上型６および下型１３が冷却されても、湯道Ｒの温度がキャビティＣ内の温度よりも高くなるようになっている。これにより、キャビティＣ内の溶湯が凝固した後に、湯道Ｒ内の溶湯が凝固するようになっている。
なお、図１に示すように、第２加圧ピストン１５と油圧シリンダー１６との間には、上記の断熱板９と同様の役目をする断熱板１９が設けられている。さらに、下型１３の外周には、金型昇温装置１０が設けられている。また、第２加圧ピストン１５には、摺動性と耐熱性とを高めるために、ＴｉＮコーティングやＴｉＡｌＮコーティングなどの表面処理が施されている。
図１中２０は下ラムであり、下ラムポンプ（図示せず）によって上下動するようになっている。この下ラム２０の上には、エジェクターホルダー２１を介してブロック状のエジェクター２２が取り付けられており、このエジェクター２２の上部は、下型１３の摺動穴１３ａ内に上下動可能に嵌合されている。そして、型締めした際に、このエジェクター２２とスリーブ７とによって、湯だまりＢが形成されるようになっている。また、エジェクター２２の上面には凹部２２ａが形成されており、型締めした際に、この凹部２２ａが湯だまりＢの底部となり、湯道Ｒがこの凹部２２ａ（底部）よりも上に（高く）位置し、湯だまりＢと各キャビティＣとがほぼ水平に位置するようになっている。また、エジェクターホルダー２１には、各キャビティＣに対してエジェクトピン２３が配置され、下ラム２０が上昇すると、このエジェクトピン２３が下型１３の下キャビティ１３ｂから突出するようになっている。

なお、図示していないが、上型６，下型１３，第１加圧ピストン４および第２加圧ピストン１５を冷却するための、冷却装置（ポンプによって冷却媒体を供給、循環させる装置）が設けられている。また、この冷却装置と金型昇温装置１０とを制御装置（図示せず）で制御することで、金型温度を制御するようになっている。

次に、このような構成の溶湯鍛造装置１によって、ＡＢＳハウジングなどの複雑な形状を有する製品を製造する工程について説明する。なお、本実施形態では、溶湯Ｙの材質を、ＡＢＳハウジングに一般に用いられているアルミニウム合金ＡＣ４Ｃとする。

まず、図３に示すように、型開きした状態で上型６および下型１３の温度を所定の温度まで上昇させ、保温しておく。これにより、製造開始前の待ち時間を短くできる。この状態で、上型６（上キャビティ６ａ），下型１３（下キャビティ１３ｂ），第１加圧ピストン４および第２加圧ピストン１５に、離型剤を霧状に塗布する。ここで、離型剤には、溶湯Ｙと金型６，１３間との断熱性に優れ、かつ、金型６，１３と素形材Ｓ（製品部と湯だまり部、湯道部が一体となった被溶湯鍛造物）との離型性に優れた断熱性離型剤を用いる。また、離型剤を霧状に塗布することで、離型剤の塗布量が過剰にならず、金型６，１３の温度低下や、溶湯充填時に溶湯Ｙ中に離型剤が混入するのを防ぐことができる。さらに、過剰な離型剤のエアーブロー除去も必要なくなる。

次に、油圧シリンダー１６によって、サイド型１４と第２加圧ピストン１５とをエジェクター２２側に前進させ、かつ、上ラム３を下降させて、図４に示すように、上型６およびスリーブ７を閉じる。このとき、ロッキングブロック８がサイド型１４の上部に嵌合し、これによりサイド型１４が固定（ロック）される。この後、油圧シリンダー１６によって第２加圧ピストン１５を後退させる。この型締めにより、湯だまりＢ、湯道ＲおよびキャビティＣが形成される。

この状態で、図５に示すように、溶湯Ｙをとりべ２４から注湯ロート（図示せず）を介して湯だまりＢ（スリーブ７）に注湯する。すると溶湯Ｙは、一旦湯だまりＢの底部（エジェクター２２の凹部２２ａ）に溜まり、この底部から溢れた溶湯Ｙが湯道Ｒを介して各キャビティＣへと流入する。このように、湯だまりＢの底部から溶湯Ｙが溢れて流れ出るため、キャビティＣへ流入する溶湯Ｙは非乱流となり、溶湯ＹがキャビティＣ内に隙間なく供給され、かつ、外気（空気）を巻き込むことがない。しかも、湯だまりＢを中心として４つのキャビティＣが、等距離で放射線状に形成されているため、各キャビティＣに対する湯流れが均一、かつ同時に行われる。なお、本実施形態では、溶湯Ｙをとりべ２４によって注湯しているが、溶湯タンクからポンプによって溶湯Ｙを自動注湯するダイレクト注湯であってもよい。

そして、湯だまりＢ、湯道Ｒおよび各キャビティＣ内に溶湯Ｙが供給された直後に、図６に示すように、第１加圧ピストン４を下降させて湯だまりＢ内の溶湯Ｙを加圧する。そして、この加圧によって、溶湯ＹがキャビティＣ内に隙間なく充填される。同時に、各油圧シリンダー１６によって第２加圧ピストン１５を湯だまりＢ側に前進させ、キャビティＣ内の溶湯Ｙを加圧する。これにより、溶湯ＹのキャビティＣ内への充填がさらに促進される。
続いて、冷却装置によって、上型６，下型１３，第１加圧ピストン４および第２加圧ピストン１５を冷却し、溶湯Ｙが凝固するまで、第１加圧ピストン４および第２加圧ピストン１５による加圧を保持する。このように加圧を保持することで、溶湯Ｙが凝固収縮しても溶湯ＹとキャビティＣとの間に隙間を発生させずに、常に溶湯ＹがキャビティＣ内に隙間なく充填された状態にすることができる。
このように、第１加圧ピストン４によって湯だまりＢ内の溶湯Ｙを加圧することで、間接押込溶湯鍛造の効果が得られ、溶湯ＹがキャビティＣの隅々にまで充填されるとともに、加圧によって、気泡の残留や収縮巣の発生が抑制される。さらに、加圧によって、製品（キャビティＣ内の溶湯）が均質化、高密度化され、機械的性質が向上する。また、金型などの強制冷却によって、溶湯Ｙの冷却速度が速くなるとともに、加圧によって、溶湯ＹとキャビティＣとの間にエアギャップが発生せず、溶湯Ｙの冷却速度が速くなる結果、微細な凝固組織が得られる。

そしてこのような効果は、第２加圧ピストン１５によってさらに向上される。すなわち、第２加圧ピストン１５によって各キャビティＣ内の溶湯Ｙを加圧することで、直接押込溶湯鍛造の効果が得られ、第１加圧ピストン４による間接押込溶湯鍛造の効果との相乗効果が得られる。しかも、第２加圧ピストン１５の加圧方向が湯道Ｒに対向するため、キャビティＣ内の溶湯Ｙが、湯道Ｒ側からは第１加圧ピストン４により加圧され、この加圧方向の対向側からは第２加圧ピストン１５により加圧され、加圧効果が高まる。この結果、第２加圧ピストン１５によってキャビティＣ内の溶湯Ｙの湯廻りが向上し、複雑な製品形状に対しても、ニアネットシェイプが可能となり、生産性が向上する（追加の機械加工などが不要、軽減される）。
ところで、上記のように、スリット１３ｃとスリット７ａ（湯道Ｒ）には断熱材が設けられているため、冷却装置によって冷却されたキャビティＣ内の溶湯が凝固した後に、湯道Ｒ内の溶湯が凝固する。このため、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ共晶などによる偏析が湯道Ｒ内に発生し、キャビティＣ（製品）内は、偏析のない健全な組織となる。これは、比較的融点が低い共晶が最後に凝固する部位に発生することに起因するものであり、湯道ＲをキャビティＣよりも遅く冷却するようにしたことによる。この偏析は、製品の伸び、塑性変形能（かしめ性）を低下させるが、本実施形態では、湯道Ｒ内に偏析が発生するため、製品に悪影響を与えることがない。

次に、溶湯Ｙが凝固した後に、上型６を上昇させるとともに、油圧シリンダー１６によって、サイド型１４と第２加圧ピストン１５とを後退させる。その後、図７に示すように、下ラム２０を上昇させて、エジェクター２２およびエジェクトピン２３を下型６から突出させ、素形材Ｓを下型６から取り出す。この素形材Ｓは、１つの湯だまり部と４つの製品部および湯道部とが一体となったもので、製品部を切り離すことで、最終製品（ＡＢＳハウジング）が得られる。

以上が１サイクルであり、このサイクルを繰り返して製品の製造を行うものである。

このように、キャビティＣが４つ設けられているため、１サイクルで４つの製品が得られるとともに、各キャビティＣが湯だまりＢを中心として等距離で放射線状に配置されているため、各キャビティＣに対する湯流れ、加圧が均等になり、各キャビティＣから均質な製品が得られる。
このように本実施形態によれば、溶湯鍛造によって健全な金属組織を有する製品が製造されるため、機械加工に比べて生産性がはるかに高い。しかも、ニアネットシェイプが可能であり、かつ、多数個取りのため、生産性がさらに向上される。そして、このような生産性の向上が、製造費の低減に寄与するものである。

本発明の実施形態に係る溶湯鍛造装置であって、上型とサイド型とを閉じた状態を示す断面図。 本発明の実施形態に係る溶湯鍛造装置の下型部を示す平面図。 本発明の実施形態に係る溶湯鍛造装置の型開きした状態を示す断面図。 本発明の実施形態に係る溶湯鍛造装置の型閉じした状態を示す断面図。 本発明の実施形態に係る溶湯鍛造装置に溶湯を注湯している状態を示す断面図。 本発明の実施形態に係る溶湯鍛造装置によって、溶湯を加圧している状態を示す断面図。 本発明の実施形態に係る溶湯鍛造装置から素形材を取り出した状態を示す断面図。

符号の説明

１ 溶湯鍛造装置
４ 第１加圧ピストン
６ 上型
７ スリーブ
１３ 下型
１４ サイド型
１５ 第２加圧ピストン
１６ 油圧シリンダー
２０ 下ラム
２２ エジェクター
Ｃ キャビティ
Ｂ 湯だまり
Ｒ 湯道
Ｙ 溶湯
Ｓ 素形材

Claims (6)

1. 型のキャビティ内の溶湯にプレス圧力を加えて、前記溶湯を成形、凝固させる溶湯鍛造装置であって、
   溶湯が注湯される湯だまりと前記キャビティとの間に、前記湯だまりに注湯された溶湯を前記キャビティに導く湯道が設けられ、
   前記湯だまり内の溶湯に圧力を加える第１加圧ピストンと、前記キャビティ内の溶湯に圧力を加える第２加圧ピストンとが設けられ、
   前記湯だまり、前記湯道および前記キャビティ内に前記溶湯が供給された状態で、前記湯だまり内と前記キャビティ内の溶湯に圧力を加えて、前記溶湯を前記キャビティの形状に成形、凝固させる、
   ことを特徴とする溶湯鍛造装置。
2. 前記第２加圧ピストンの加圧方向が前記湯道に対向するように、前記第２加圧ピストンを配置した、
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶湯鍛造装置。
3. 前記湯道の湯だまり側開口を、注湯された前記溶湯が一旦溜まる前記湯だまりの底部よりも高く位置させた、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の溶湯鍛造装置。
4. 前記湯だまりから等距離に複数のキャビティを配置した、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の溶湯鍛造装置。
5. 前記湯道の温度を調節する湯道温度調節手段が設けられ、前記キャビティ内の溶湯が凝固した後に、前記湯道内の溶湯が凝固するように、前記湯道の温度を調節する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の溶湯鍛造装置。
6. 型のキャビティ内の溶湯にプレス圧力を加えて、前記溶湯を成形、凝固させる溶湯鍛造法であって、
   湯だまりに溶湯を注湯して、湯道を介してキャビティ内に溶湯を供給し、前記湯だまり、前記湯道および前記キャビティ内に前記溶湯が供給された状態で、第１加圧ピストンによって、前記湯だまり内の溶湯に圧力を加えるとともに、第２加圧ピストンによって、前記キャビティ内の溶湯に圧力を加えて、前記溶湯を前記キャビティの形状に成形、凝固させる、
   ことを特徴とする溶湯鍛造法。
   
   

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