JP2009106950A - 半凝固金属製品の成形金型構造および半凝固金属製品の成形方法ならびにそれらにより成形される半凝固金属製品 - Google Patents

Abstract

【課題】半凝固金属の成形性を良好に保持し、同時に材料、製作コストの低減、仕上げ作業の簡易化を達成させることのできる半凝固金属製品の成形金型構造および半凝固金属製品の成形方法ならびにそれらにより成形される半凝固金属製品を提供する。
【解決手段】 下型と上型との型閉め状態で形成されるキャビティ内に半凝固金属を充填させた状態で同下型と上型の加圧相対移動により半凝固金属を圧縮させて成形させる半凝固金属製品の成形金型構造である。その上型であって成形後の製品の窓部に対応する平面位置であり型閉め途中でキャビティ部に連通する半凝固金属の逃げ用空隙を設ける。加圧時に窓部対応金属は上型の逃げ用空隙内に入ることで、加圧力の低減、成形機の小型化、仕上げ処理の簡素化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、半凝固金属製品の成形金型構造および半凝固金属製品の成形方法ならびにそれらにより成形される半凝固金属製品に関し、特に金型に半凝固金属を載置して、直接にプレス成形することで高品質の窓部付き成形品を成形する半凝固金属製品の成形金型構造および半凝固金属製品の成形方法並びにそれらにより成形される半凝固金属製品に関する。

近時、金属ビレットの加熱あるいは溶湯の冷却による、粒状の固相と液相を共存させた例えば冷却曲線で５４０℃〜６５０℃程度の半凝固（溶融）状態での加工が、溶融状態からの加工に比して保形性に優れ、同時に加工性にも優れる点で種々の製品に採用されつつある。これに対し、例えばアルミニウム合金材料による自動車用ホイールの半凝固（半溶融）成形については、成形する金型に液体から温度を低下させて製造した半凝固金属あるいは固体状態の材料を加熱させた半溶融金属を一旦スリーブに移し、しかる後、上金型を移動させて加圧成形するダイカストマシンを用いた成形方法が知られている。しかしながら、この方法では、スリーブに挿入した段階で固液共存状態の金属はスリーブに接触して急速に熱を奪われるために凝固層が生成しやすい。このために、チップの動きに合わせて凝固層が混入しやすく機械的性質のばらつきの原因になりやすい。また、スリーブ内に残されたビスケット部分と製品までのランナーを加えた製品以外の部分の全鋳込み重量に対する割合が高い。特に小型製品の場合にはその割合が高くなる。その結果、製品価格が高くなる、という問題がある。これに対して特許文献１の方法が提案されている。

特開２００３−１２６９５５号

特許文献１の方法では、図１８〜図２０に示すように、キャビティ部７０に連通するランナ部７２と圧縮部７４を上下金型６６、６８に一体的に設けたもの（図１８（１）、（２））、ランナ部や圧縮部を設けずに金型内に半凝固金属を載置し直接成形するもの（図１９（１）、（２））、上金型６６に上下移動可能な第二金型７６もしくはピストンを設置して、必要に応じて部分加圧をするもの（図２０（１）、（２））が示されている。しかしながら、図１８の方法では、まず圧縮部に半凝固金属が接触し、さらに、ビスケット部７８、ランナ部７２を経由してキャビティ７０内に金属が流入するようになっているので金属は急速に熱を奪われることによる凝固層の混入、機械的性質のバラツキ、全鋳込み重量に対する非製品部分の割合が高く、製品価格を高くさせる、等の問題は依然として解消されない。

また、図１９の方法によれば、上金型６６が半凝固材８０を押し潰しながら下降する際、空間であるキャビティ内に半凝固材を押し出していく。そして、成形初期の材料は温度も高く、流動性が良いためキャビティ内へ押し出されていくが、上型の下降に伴い半凝固材は金型に熱を奪われて流動性が急激に低下し所定の製品形状を得る前に凝固する問題が生じるおそれがある。また、キャビティ内に半凝固金属のビレットを置いて成形するから、安定させるため下型上面と密着性の良い部分に載置する結果、半凝固金属の底面は凝固層を早期に形成しやすい。また、半凝固金属を保持する容器を反転して半凝固金属を下型内に載置して成形する場合に容器の底部に滞留していた酸化物を金属内に混入させるおそれがある。また、例えば自動車用のホイールのように空洞部が複数存在する製品の場合には、半凝固金属を複数載置しなければならず、載置させるための駆動、搬送、反転構造が複雑となり、高コスト化するばかりでなく、材料の半凝固温度での投入量の高精度管理が必要であった。また、上下型閉じと同時にキャビティ内部を密閉する構成であるから、いわゆる湯回りに相当する半凝固金属のキャビティの隅々への充填作用が弱く、成形性に劣るという問題があった。

また、図２０の方法では、製品（ホイール）中央に半凝固金属ビレット８０を載置しているので、リム部までの流動長が非常に長くなり、半凝固金属の流動性を考慮すると、例えばリム部の湯回り不良、充填圧不足による微細な内部欠陥などによるリム部成形不良を生じさせるおそれがあった。また、この方法では、上型で材料をほぼ最終形状に近く成形し、その後、局部肉厚部を加圧ピンにより圧縮し、その後その加圧ピンで打ち抜くものであるが、この方式においても、上型の下降に伴い半凝固材は金型に熱を奪われて流動性が急激に低下し所定の製品形状を得る前に凝固する問題を生じるおそれがある。また、窓部を有する製品の場合には、上型で最終形状に成形し、型閉め状態で加圧ピンで圧縮することにより窓抜きを行うことは現実には不可能であり、使用範囲が限定されて実用性が劣る問題があった。さらに、金属ビレットをキャビティ内の安定した下型水平面に載置する結果、半凝固金属の底面は凝固層を早期に形成し、巣を生じさせるおそれがあった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製品として窓部を有する半凝固金属の成形に着目し、窓部を鋳抜く金型構造を改良することにより、半凝固金属の成形性を良好に保持し、同時に材料、製作コストの低減、仕上げ作業の簡易化を達成させることのできる半凝固金属製品の成形金型構造および半凝固金属製品の成形方法ならびにそれらにより成形される半凝固金属製品を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、下型１８と上型１６との型閉め状態で形成されるキャビティ２０内に半凝固金属１１を充填させた状態で同下型と上型の加圧相対移動により半凝固金属を圧縮させて成形させる半凝固金属製品の成形金型構造であり、上型１６であって成形後の製品１４の窓部１２に対応する平面位置であり型閉め途中でキャビティ部２０に連通する半凝固金属の逃げ用空隙２４を設けた半凝固金属製品の成形金型構造１０から構成される。上型が半凝固金属に当たって加圧下降する際に下型の窓部対応位置部分に受けられて窓部対応位置の半凝固金属が上型の逃げ用空隙内に入り始め、最終的に上型が下型に密接した状態で、窓部対応位置の半凝固金属のほとんどが逃げ用空隙内に、他のキャビティ部内の製品部金属と分離孤立状態で入る。したがって、窓部を除く製品部の半凝固金属についてのみ加圧力が加わるから、所要の圧縮力の成形機で必要部位に無駄なく加圧する結果、そのぶん湯回りを良好に保持できる。また、鋳込みに必要な材料の適正量管理を確実に行え、材料コスト節約、成形後の仕上げ処理の簡易化を実現する。

その際、逃げ用空隙２４の大きさＶ１が、キャビティ２０内に載置される半凝固金属１１であって、製品窓部１２の平面輪郭を上下に投影して形成される仮想立体形状により画成される半凝固金属１１ｍの体積Ｖ２の８０％よりも大とするとよい。

また、本発明は、下型１８と上型１６との型閉め状態で形成されるキャビティ２０内に半凝固金属１１を充填させた状態で同下型と上型の加圧相対移動により半凝固金属を圧縮させて成形させる半凝固金属製品の成形金型構造であり、上型１６であって成形後の製品１４の窓部１２に対応する平面位置に本体上型３０に独立して上下に移動可能であり、本体上型の加圧下降移動に先立って加圧下降移動する上補助金型３２を設け、該上補助金型３２であってその下降移動途中でキャビティ部２０に連通する半凝固金属の逃げ用空隙３４を設けた半凝固金属製品の成形金型構造から構成される。平面窓部対応位置に位置する上補助金型を本体上型より先に加圧下降して下型と協働して窓部対応半凝固金属を窓部対応部分外に押し出して窓部用打抜き動作を予め実行しておき、この後、本体上型で最終成形するから、本来の製品部についての半凝固金属に対する加圧力を集中的に加えることができる上に、上補助金型の加圧下降時に 窓部対応位置の半凝固金属を逃げ用空隙３４内に逃げさせるから、これらが相乗的に作用し、高効率な加圧、材料コスト削減、仕上げ処理簡素化を実現できる。

また、本発明は、下型と上型との型閉め状態で形成されるキャビティ内に型開き状態で半凝固金属を下型上に載置させて加圧成形するに際し、予め、上型であって成形後の製品の窓部に対応する平面投影位置であり型閉め途中でキャビティ部に連通する半凝固金属の逃げ用空隙を設けておき、上型または下型による相対加圧移動により窓部対応部分の半凝固金属を逃げ用空隙内に逃げさせながら圧縮成形する半凝固金属製品の成形方法から構成される。

さらに、本発明は、下型と上型との型閉め状態で形成されるキャビティ内に型開き状態で半凝固金属を下型上に載置させて加圧成形するに際し、予め、上型であって成形後の製品の窓部に対応する平面投影位置に本体上型に独立して上下に移動可能な上補助金型を用意し、本体上型の加圧下降移動に先立って上補助金型を加圧下降移動させて下型との中間に存在する半凝固金属をキャビティ部側に押し出させ、その後に本体上型を加圧下降移動させる半凝固金属製品の成形方法から構成される。その際、上補助金型であってその下降移動途中でキャビティ部に連通する半凝固金属の逃げ用空隙を設けるとよい。さらに、その際、下型上に載置する半凝固金属が製品成形後の窓部の略平面輪郭形状を有するある程度の肉厚を持った扁平構造体であるとよい。

また、本発明は、上記の成形金型構造、または成形方法を用いて成形された半凝固金属製品から構成される。

本発明の半凝固金属製品の成形金型構造およびその成形方法によれば、成形機による加圧時のキャビティ内の湯回りを良好に保持でき、高品質の成形製品を製造することができる。また、鋳込みに必要な材料の適正量管理を確実に行え、材料コスト節約、成形後の仕上げ処理の簡易化を実現することが可能である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明を実施するための最良の形態について説明する。本実施形態の半凝固金属製品の成型金型構造は、例えば図６のようにハブ部２１０と、リム部２１２と、これらを連結するスポーク部２１４と、それらに区画される複数の窓部１２を有する自動車用ホイール製品１４を成形する例を示す。

図１ないし図７に基づき、本発明の第１実施形態について説明する。図７は、本実施形態の半凝固金属製品の成型金型構造１０の圧縮による型閉め状態を示す縦断面図であり、本実施形態では、スライド型を有する構造の例を示している。なお、図７の状態は、上型を駆動させて上下型を閉めた状態であるが、半凝固金属については図示を省略している。本実施形態の成形金型構造１０は、図示しない作業手順のシーケンス制御あるいは記憶装置によるプログラム制御等を行う制御装置の制御に基づき油圧プレス等により駆動されて上下に相対移動可能な上型１６と、下型１８と、上型と下型の型閉め状態で形成されるキャビティ部２０に向けて横方向から進退自在にスライド移動するスライド型２２と、を含む。スライド型２２は平面視で例えばキャビティの周囲の対称位置からキャビティ部に向けて進退移動し、その進出位置で上下型とともに成形製品の側部外形輪郭を決めてキャビティ部２０を形成させる。

本実施形態の半凝固金属製品の成型金型構造１０は、下型と上型との型閉め状態で形成されるキャビティ内に半凝固金属を充填させた状態で同下型と上型の加圧相対移動により半凝固金属を圧縮させて所望の製品を成形させるものであり、キャビティ部２０内には半凝固金属１１が投入される。半凝固金属は、凝固開始温度と凝固終了温度の範囲の半凝固（半溶融）状態の特性の金属であり、それぞれの合金組成に対応する半凝固温度範囲を有している。半凝固金属は、温度の上昇（固相率の低下）に伴い結晶（固相成分）が球状化し、それが次第に分離する。アルミニウム合金では、固相率が３０％から７０％ではその内部組織は球状の固相粒が液相中に浮遊した状態となっており、適度の軟質性、流動性とともに、粒状の均一な組織を得ることができる。この性質から、半凝固金属による成形では、さらに、（イ）低温の半凝固状態で金型に鋳込むため凝固収縮量が減少し引け傾向が減少する。（ロ）冷却速度が速まり微細な組織が得られ内部欠陥を低減でき、機械的性質に優れた製品を製造できる。（ハ）半凝固状態で鋳こむため、粒状の均一な組織を得ることができる。本実施形態では、半凝固金属材料１１は図１に示すように、製品ホイールの平面形状に対応し、かつある程度の厚みを有する円盤形状で形成され、この円盤形状の半凝固金属が上下型を開いた状態で下型の上面側に載置される。半凝固金属材料１１はキャビティ部の平面輪郭大きさと略同じ大きさかあるいはそれよりもやや大きい平面輪郭大きさでキャビティ部に対応する下型上に載置される。なお、上下型の中間位置に挿入される半凝固金属は必ずしも厚板円盤形状とする必要はなく、製品成形後の窓部の略平面輪郭形状を有するある程度の肉厚を持った扁平構造体であるとよい。さらにいうと、理想的には可能な限りキャビティ部形状に近似させた形状とするのが好ましい。また、図中、上下金型のキャビティ部において、製品の窓部１２を鋳込み形成させる部分を（１２）で示している。

図７において、本実施形態における一つの特徴的事項は、上型１６に半凝固金属の逃げ用空隙２４を設けたことである。図１にも示すように、上型であって成形後の製品の窓部に対応する平面位置に空隙２４が設けられている。空隙２４は、図１、図７上、下面側を開口２４ａし上方に向けて穿穴したメクラ穴からなり、上型１６の型閉め動作のために下降する際にキャビティ部２０に連通するように設けられている。したがって、上型の下降動作時に開口２４ａの周囲の上型部分がまず下型上に載置された半凝固金属に当たり、そのまま窓部１２に対応する部分を下降させて空隙２４内に反凝固金属を誘導させて入らせながら下型１８に当接する。

詳細には、上型１６の窓部に対応する平面位置部分には窓部１２の平面輪郭にある程度の壁厚を有する縁壁部２６を円形状に形成しており、この縁壁部２６の内側に逃げ用空隙２４が設けられている。上型１６の縁壁部２６が先に半凝固金属に当たり、さらに上型１６を下降させることにより縁壁部２６の内部に半凝固金属を取り込み、最終的に加圧終了時に縁壁部の内外を仕切って内側の空隙２４部分において製品の窓部を形成させる。

図２において、逃げ用空隙２４の大きさは、下型上に載置された半凝固金属の窓部１２に対応する部分の大きさの少なくとも８０％よりも大きく設定されている。すなわち、図２、図５において、上型による圧縮前（上下型閉め前）にキャビティ部２０に載置される半凝固金属であって、製品窓部１２の平面外形輪郭１２ｆ（図６参照）を上下に投影して形成される柱状の仮想立体形状２８により画成される半凝固金属１１ｍの体積Ｖ２の８０％よりも大となるように、逃げ用空隙２４の大きさＶ１が設定されている。逃げ用空隙により、窓部に対応する部分の半凝固金属１１ｍは上型の圧縮時に該空隙２４内に入り、その他のキャビティ部２０内に圧入される半凝固金属への加圧力を減殺しないようにするとともに、縁壁部２６により空隙２４内の半凝固金属のみを閉鎖しており、型を開けたときに窓部対応の半凝固金属１１のみを容易に分離して取り出すことができる。半凝固金属１１の体積Ｖ２の８０％よりも逃げ用空隙２４の大きさＶ１が小さいと、窓部に対応する位置の半凝固金属が十分に空隙内に逃げることができず、成形圧が加わる結果、いわゆる湯回り不良、成形不良を生じるおそれがある。なお、逃げ用空隙２４の大きさは仮想立体形状２８により画成される半凝固金属１１ｍの体積Ｖ２と同体積（１００％）でも良いし、上型の機能を損なわない材厚の限度において体積Ｖ２以上の大きさ（１００％以上）としてもよい。

本実施形態の金型は、固定配設された下型１８に上方から加圧力Ｐ１で下降する上型１６が密接したときに製品キャビティ部２０が形成される。そして、半凝固金属は平面視において必ず製品キャビティ部２０より大のものが下型に載置される。図１のように下型１８上に円盤状の半凝固金属１１を載置させ、上型１６を加圧下降させる。このとき、スライド型２２は、前進位置にあって、側部あるいは周囲のキャビティ部形状を画成し、所望の製品形状を得られるキャビティを形成した状態となっている。上型１６の加圧下降に伴い、図３のように窓部に対応する部分に載置されている半凝固金属１１ｍは空隙開口２４ａから上型１６の逃げ用空隙２４内に入る。したがって、この窓部１２部分については半凝固金属１１ｍは金型による圧縮力を受けない。そして、最終的に図４のように上下型が密接し成形が終了する。図４の状態で縁壁部２６により仕切られた内部空隙２４内に窓部に対応して位置する半凝固金属１１ｍが他のキャビティ部に充填される金属と分離して封入状態で収容され、これらの金属には成形機の加圧力は加わらない。これによって、成形機の最終成形圧を低減することができ、成形機自体のサイズダウン、ひいては設備コストを低減し得る。

最終成形圧の低減は、窓部に材料が残らないことにより、窓部は最終圧を受けることがなく、最終成形圧は製品形状の投影面積のみに相関することによる。例えば１４インチホイールについて、次の仕様を与えるとする。＜＜製品投影面積：８７３ｃｍ^２、窓部投影面積：３０２ｃｍ^２（６０．４ｃｍ^２×４箇所）、キャビティ総投影面積：１１７５ｃｍ^２（８７３ｃｍ^２＋３０２ｃｍ^２）＞＞。必要成形圧を５００Ｋｇｆ／ｃｍ^２（４９０３Ｎ／ｃｍ^２）とすると、比較例方法、従来方法（図１５〜図１７、図１９参照）では１１７５ｃｍ^２×５００Ｋｇｆ／ｃｍ^２≒５８８Ｔｏｎ。本実施形態方法では、８７３ｃｍ^２×５００Ｋｇｆ／ｃｍ^２＝４７３Ｔｏｎ、となり、約２０％の荷重削減が可能となる。

また、流動性低下による窓部対応部分の硬化残り部分が生じないから、仕込み材料の削減、ひいては材料コスト低減を達成し得る。例えば、図１５〜図１７の方法で窓部を形成した場合、肉厚が４〜７ｍｍとすると材料の重量は３２６ｇ〜５７０ｇとなり、その材料を再溶解でリサイクルしたとして、約１２円〜２１円の費用を要する。本実施形態では、窓部が成形されないので、その分、コストダウンとなる。

また、後仕上げとして硬化残り部分の板状アルミニウム合金材の打抜き工程、プレス成形機、打抜き金型、作業人件コスト等を含む加工コスト削減に寄与し得る。例えば、図１５〜図１７、図１９の方法で窓部を形成した場合、肉厚４ｍｍ〜７ｍｍの板状アルミニウムを打ち抜く工程が必要となり、プレス機、打ち抜き金型、作業員人件コストが必要となる。この円盤形状の半凝固金属が上下型を開いた状態で下型の上面側に載置される。半凝固金属材料１１はキャビティ部の平面輪郭大きさと略同じ大きさかあるいはそれよりもやや大きい平面輪郭大きさでキャビティ部に対応する下型上に載置される。

なお、この実施形態では、半凝固金属はある程度の厚みを有する扁平な円盤形状で形成され、これを下型上に作業ロボットに把持させて挿入載置させることにより、半凝固金属を保持する容器を反転して投入することによる半凝固金属底面の早期の凝固層形成や、底部滞留の酸化物の金属内混入の問題を生じないようにし得る。また、投入する半凝固金属もキャビティ部の平面大きさと同等あるいはそれ以上の大きさの１個の半凝固金属を下型上に載置するだけでよい。

上記は、キャビティ部の周囲あるいは側部にキャビティ部に向けて進退移動するスライド型２２を設けた金型構造の例を示したが、図８に示すように、本発明の金型構造は、スライド型２２を設けずに上下型のみで最終成形を行うタイプの金型構造についても、有効に適用しうる。

次に、図９ないし図１２により、本発明の第２実施形態について説明するが、第１実施形態と同一部材には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。この第２実施形態では、下型１８と上型１６との型閉め状態で形成されるキャビティ２０内に半凝固金属１１を充填させた状態で同下型と上型の加圧相対移動により半凝固金属１１を圧縮させて成形させる半凝固金属製品の成形金型構造である点は第１実施形態と同様である。

この第２実施形態では、成形後の製品の窓部に対応する平面位置となる上型１６に、本体上型３０に独立して上下に移動可能に上補助金型３２を設けたことが第１実施形態と異なる。上補助金型３２は、平面上でキャビティ部２０内の窓部１２に対応した位置に配置され、本体上型３０の例えば内部において上下に打ち抜いた孔を穿孔し、この孔に縦に摺動自在に筒形の上補助金型３２を設けている。上補助金型３２は、窓部が形成される際の下型１８の窓部用下型平面１８ａに対向する窓部用上型平面３２ａを有しており、上補助金型３２が下降して下型に接したときに窓部を形成するようにその部分の半凝固金属１１ｍをキャビティ部内の製品部側に押し出させる。

上補助金型３２は、本体上型３０に独立して上下に移動可能であり、本体上型の加圧下降移動に先立って加圧下降移動する。すなわち、図９に示すように、型開き状態で下型１８上にキャビティ部と略同じ平面輪郭、大きさの円盤状の半凝固金属１１を載置させる。そして、本体上型３０の加圧に先立って、まずこの上補助金型３２が加圧下降移動し、窓部に対応する平面位置（製品窓部の平面輪郭を上下に投影して形成される立体形状により画成される半凝固金属）に存在する半凝固金属１１ｍに当たり（図９）、さらに下方に向けて押圧駆動させる（図１０）。窓部用下型平面１８ａと窓部用上型平面３２ａ間の半凝固金属は圧縮されながら窓部対応位置からその周囲側のキャビティ部２０内に押し出され、ついには上補助金型３２は下型１８上に当着し窓部を抜いた状態となる（図１１）。次に、本体上型３０が加圧下降移動し、窓部対応位置から周囲に押し出された半凝固金属を加圧し製品キャビティを形成するように最終成形する（図１２）。このように、予め、上型であって成形後の製品の窓部に対応する平面投影位置に本体上型に独立して上下に移動可能な上補助金型を用意し、本体上型の加圧下降移動に先立って上補助金型を加圧下降移動させて下型との中間に存在する半凝固金属をキャビティ部側に押し出させ、その後に本体上型を加圧下降移動させることにより、窓部に対応する金型部分を先に押動させて予めキャビティ内を窓抜き状態とし、この状態で本体上型３０を加圧駆動させるから、キャビティ内の窓部を除く製品部のみについての半凝固金属について加圧力を生じさせればよい。したがって、成形機の最終成形圧を低減することができ、成形機自体のサイズダウン、ひいては設備コストを低減し得る。また、流動性低下による窓部対応部分の硬化残り部分が生じないから、仕込み材料の削減、ひいては材料コスト低減を達成し得る。さらに、後仕上げとして硬化残り部分の板状Ａｌ合金材の打抜き工程、プレス成形機、打抜き金型、作業人件コスト等を含む加工コスト削減を達成し得る。

次に、図１３、図１４により、本発明の第２実施形態の他の例を示す。図１３，図１４の実施形態では、下型１８と上型１６との型閉め状態で形成されるキャビティ２０内に半凝固金属１１を充填させた状態で同下型と上型の加圧相対移動により半凝固金属１１を圧縮させて成形させる半凝固金属製品の成形金型構造である点は第１実施形態と同様である。

この実施形態では、成形後の製品の窓部に対応する平面位置に本体上型に独立して上下に移動可能であり、本体上型の加圧下降移動に先立って加圧下降移動する上補助金型を設け、さらに、該上補助金型であってその下降移動途中でキャビティ部に連通する半凝固金属の逃げ用空隙を設けたことが第１実施形態と異なる。この図１３，図１４の実施形態では、本体上型３０の加圧下降移動に先立って加圧下降する上補助金型に逃げ用空隙３４が設けられているので、上補助金型３２が加圧下降移動し、窓部に対応する平面位置（製品窓部の平面輪郭を上下に投影して形成される立体形状により画成される半凝固金属）に存在する半凝固金属１１ｍに当たり（図１３）、さらに下方に向けて押圧駆動させる。このとき、上補助金型３２の逃げ用空隙３４の開口３４ａから窓部対応位置の半凝固金属１１ｍがキャビティ部２０に進入すると窓部対応位置に存在した半凝固金属は同開口３４ａから逃げ用空隙３４内に入る。さらに上補助金型３２は下降し、下型の窓部用上型平面３２ａに縁壁部３６が当たり、逃げ用空隙３４と製品部のキャビティ部２０部分とを分断し、窓部対応の半凝固金属１１ｍとその他の製品部半凝固金属とを分離させる。上補助金型３２の下型への当着後、本体上型３０が下降動作しキャビティ内の製品部の半凝固金属部分を加圧し、最終成形する（図１４）。この実施形態では、逃げ用空隙３４内に入る半凝固金属には金型による圧縮力は加わらないので、成形機の最終成形圧の低減、成形機自体のサイズダウン、設備コスト低減をし得る。また、材料コスト低減、後仕上げ処理の簡素化による工程数削減、人件コスト削減等を達成する。同時にこの例では、本体上型３０による加圧構成と分断して、予め窓部対応の半凝固金属部分を非加圧領域として確保しておき、その状態で本体上型による加圧を行うので、この点においても、成形機コストの低減、材料コスト低減、工程数削減、人件コスト削減等の技術上の有利な効果を相乗的に奏し得る。

次に、本発明の効果を確認した実施例について、説明する。前記した実施形態の半凝固金属製品の成形金型構造および半凝固金属製品の成形方法について、逃げ用空隙の大きさについて、本発明の範囲に入る場合を実施例とし、入らない場合を比較例として、主に湯回りを含む成形状況を比較した。

実施例及び比較例に用いた試料は、ＡＣ４ＣＨ相当合金、ＡＣ２Ｂ相当合金の半凝固金属を用いて成形した。鋳込み製品としては自動車用ホイールを想定して形状を簡略化した窓部を有する円盤形状のものとした。半凝固金属は、予め微細化処理とデンドライトを破砕した円盤状素材を電気炉中で半凝固温度に加熱して成形した。実施例に用いた金型の温度は３２０〜４００℃であり、成形前に上下金型のキャビティ部の表面に離型材を塗布した。使用した成形機は、型閉め力１２００ｔのものである。最終製品形状は、標準肉厚８ｍｍ、最大肉厚１８ｍｍ、φ３９０ｍｍの円盤形状である。

表１に、各実施例（図１〜図４に示す構成のもの）及び比較例を示す。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６が比較例、Ｎｏ．７〜Ｎｏ．１０に実施例を示した。表中、空隙大きさ（％）は、製品窓部の平面輪郭を上下に投影して形成される仮想立体形状により画成される半凝固金属の体積Ｖ２に対する逃げ用空隙の体積Ｖ１の大きさの百分率表示である。

比較例１〜６では、上型側の空隙大きさＶ１が窓部対応の半凝固金属体積Ｖ２の２０％〜６０％であり、圧縮力を５００ｔｏｎで一定にしたものでは、逃げ用空隙（２４，３４）側に逃げさせる半凝固金属量が充分ではなく、そのぶん空隙内に入ることができなかった金属に金型の加圧力が加わり、湯回り不良や、やや成形不良となる状況であった。これに対し、Ｖ１＞Ｖ２×０．８の実施例Ｎｏ．７〜１０では、充分な量の半凝固金属を空隙側に逃げさせることができ、良好な成形が得られることが確認された。本実施例では、半凝固金属の合金材料としてＡＣ４ＣＨ相当合金、ＡＣ２Ｂ相当合金を用いたが、別途実施したＡＣ４ＣのＣｕ量、Ｓｉ量をやや下げたＡＣ４Ｃ改を用いても同様な結果が得られた。

比較例

次に、本発明の第１の実施形態（図１〜図５）の比較例として、上型に逃げ用空隙２４を設けない概略構成について、図１５〜図１７により説明する。なお、金型の半截縦断面のみを示し第１実施形態と同一部材には同一符号を付している。この比較例では、上型１６に逃げ用空隙２４を設けていない点以外は、第１実施形態の構成と同様であり、下型１８と上型１６との型閉め状態で形成されるキャビティ２０内に半凝固金属１１を充填させた状態で同下型と上型の加圧相対移動により半凝固金属１１を圧縮させて成形させる半凝固金属製品の成形金型構造である。図１５に示すように、半凝固材料をキャビティ部２０に置いて、上型１６が半凝固金属を押し潰しながら下降してくる。上型下降に伴い、半凝固材料は押し潰されながら、キャビティ部内の他の空間へ押し出されていく。成形初期の材料は温度も高く、流動性が良いためキャビティ部２０内へ押し出されていく（図１６）が、上型の下降に伴い、金型に熱が奪われて流動性が急激に低下して最終的に凝固し、図１７で示すように本来密接する窓部において、上下の型間に隙間Ｈが存在して材料が残った状態で成形完了となった。実験では、初期厚３５ｍｍの円盤状の半凝固金属は成形完了時に窓部で４ｍｍ〜７ｍｍの厚みで残った。その結果、上型は最終位置（上下型の窓部が密接する位置）まで下降できず、所定の製品形状が得られなかった。

本発明の第１実施形態に係る半凝固金属製品の成形金型構造の半凝固金属を下型上に載置して上型で加圧作動させる前の状態の縦断面図である。 図１の成形金型構造において、窓部に対応する位置の半凝固金属と上型に設ける逃げ用空隙との空間的位置関係を説明する説明図である。 図１の成形金型構造において、上型の加圧作動時の半截縦断面作用説明図である。 図１の成形金型構造において、上型の加圧作動完了時の半截縦断面作用説明図である。 図１の成形金型構造の上型の逃げ用空隙と窓部対応半凝固金属と下型との側面視の位置対応関係を示す拡大説明図である。 本発明の成形金型構造により成形する例示製品の正面図である。 図１の第１実施形態の成形金型構造の上下金型の成形終了時の型閉め状態を示す縦断面図で、キャビティ及び逃げ用空隙内の金属を省略して示した図である。 本発明の第１実施形態で、スライド型を不要とするキャビティを有する場合の金型についての適用を示した縦断面図であり、上型で加圧作動させる前の状態を示している。 本発明の第２の実施形態に係る半凝固金属製品の成形金型構造の半凝固金属を下型上に載置して上補助金型で加圧作動させる前の状態の縦断面図である。 図９の成形金型構造において、上補助金型の加圧作動時の半截縦断面作用説明図である。 図９の成形金型構造において、上補助金型の加圧作動終了時の半截縦断面作用説明図である。 図９の成形金型構造において、本体上型の加圧作動終了時の半截縦断面作用説明図である。 本発明の第２実施形態において、上補助金型に逃げ用空隙を設けた例の半截縦断面構成兼作用説明図である。 本発明の第２実施形態において、上補助金型に逃げ用空隙を設けた例の成形終了時の半截縦断面構成兼作用説明図である。 本発明の第１実施形態に関連した比較例についての縦断面構成兼作用説明図である。 図１５の比較例の縦断面作用説明図である。 図１５の比較例の成形終了時の縦断面作用説明図である。 従来の半凝固金属の金型成形方法を示すである。 従来の半凝固金属の他の金型成形方法を示すである。 従来の半凝固金属の他の金型成形方法を示すである。

符号の説明

１０ 半凝固金属製品の成形金型構造
１１ 半凝固金属
１１ｍ 窓部対応の半凝固金属
１２ 窓部
１４ 製品
１６ 上型
１８ 下型
２０ キャビティ部
２４ 逃げ用空隙
２４ａ 空隙開口
２６ 縁壁部
２８ 仮想立体形状
３０ 本体上型
３２ 上補助金型
３４ 逃げ用空隙
３４ａ 空隙開口
３６ 縁壁部

Claims (8)

1. 下型と上型との型閉め状態で形成されるキャビティ内に半凝固金属を充填させた状態で同下型と上型の加圧相対移動により半凝固金属を圧縮させて成形させる半凝固金属製品の成形金型構造であり、
   上型であって成形後の製品の窓部に対応する平面位置であり型閉め途中でキャビティ部に連通する半凝固金属の逃げ用空隙を設けたことを特徴とする半凝固金属製品の成形金型構造。
2. 逃げ用空隙の大きさが、キャビティ内に載置される半凝固金属であって、製品窓部の平面輪郭を上下に投影して形成される仮想立体形状により画成される半凝固金属の体積の８０％よりも大としたことを特徴とする請求項１記載の半凝固金属製品の成形金型構造。
3. 下型と上型との型閉め状態で形成されるキャビティ内に半凝固金属を充填させた状態で同下型と上型の加圧相対移動により半凝固金属を圧縮させて成形させる半凝固金属製品の成形金型構造であり、
   上型であって成形後の製品の窓部に対応する平面位置に本体上型に独立して上下に移動可能であり、本体上型の加圧下降移動に先立って加圧下降移動する上補助金型を設け、
   該上補助金型であってその下降移動途中でキャビティ部に連通する半凝固金属の逃げ用空隙を設けたことを特徴とする半凝固金属製品の成形金型構造。
4. 下型と上型との型閉め状態で形成されるキャビティ内に型開き状態で半凝固金属を下型上に載置させて加圧成形するに際し、
   予め、上型であって成形後の製品の窓部に対応する平面投影位置であり型閉め途中でキャビティ部に連通する半凝固金属の逃げ用空隙を設けておき、
   上型または下型による相対加圧移動により窓部対応部分の半凝固金属を逃げ用空隙内に逃げさせながら圧縮成形することを特徴とする半凝固金属製品の成形方法。
5. 下型と上型との型閉め状態で形成されるキャビティ内に型開き状態で半凝固金属を下型上に載置させて加圧成形するに際し、
   予め、上型であって成形後の製品の窓部に対応する平面投影位置に本体上型に独立して上下に移動可能な上補助金型を用意し、
   本体上型の加圧下降移動に先立って上補助金型を加圧下降移動させて下型との中間に存在する半凝固金属をキャビティ部側に押し出させ、
   その後に本体上型を加圧下降移動させることを特徴とする半凝固金属製品の成形方法。
6. 上補助金型であってその下降移動途中でキャビティ部に連通する半凝固金属の逃げ用空隙を設けたものであることを特徴とする請求項５記載の半凝固金属製品の成形方法。
7. 下型上に載置する半凝固金属が製品成形後の窓部の略平面輪郭形状を有するある程度の肉厚を持った扁平構造体である請求項１ないし６のいずれかに記載の半凝固金属製品の成型方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の構造または方法を用いて成形された半凝固金属製品

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