JP2010000516A - マグネシウム合金の精密鍛造加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鍛造加工中においてマグネシウム合金素材に動的再結晶を生じさせることにより材料に加工軟化を生じさせ、適切に空気抜き機構を配置することにより複雑な形状を有する鍛造品であっても優れた形状精度を確保することができるマグネシウム合金の精密鍛造加工方法を提供する。
【解決手段】パンチ６を加圧方向に対して垂直方向に成形部７とスペーサ８とパンチホルダ９とに分割した構造とし、成形部７に変形部１２を形成するための開口部１３を貫通状に設けると共に、スペーサの成形部とは反対側の面に外周方向へ抜ける空気抜き溝２１を形成し、開口部に流動する素材の未充満部２２の位置に応じて特定されたスペーサの成形部側の空気が抜けない部位とスペーサの空気抜き溝とを連通する連通溝２４を形成し、金型内に収容されたマグネシウム合金の動的再結晶による加工軟化によって流動性を有するに到った素材を金型の加圧によって開口部に充満する際、未充満部の空気を連通溝と空気抜き溝とを経て外方へ抜き出すようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、複雑な形状を有する鍛造品の成形精度を向上するようにしたマグネシウム合金の精密鍛造加工方法に関する。

近年、自動車、家電、ＯＡ機器等の各種製品について軽量化の要求が高まっている。また、製品の軽量化に伴って、その組み立てに使用されるボルト、ナット等の各種部品等にも軽量化が求められている。このような軽量化に適する素材としては、アルミニウム合金等が知られているが、近年においては、アルミニウム合金よりもさらに軽量であり、比強度にも優れているマグネシウム合金が各種工業製品の軽量化と高性能化に有益な高強度軽金属素材として注目されている。

このマグネシウム合金は、室温では塑性変形能が低く、脆性材料であるが、３００〜４００℃で鍛造加工が可能となり、加圧するほど変形抵抗が低下するという加工軟化現象を示すなど、他の金属とは異なる特性を有する金属として知られている。ただし、他の延性金属と比較して、マグネシウム合金は転位すべり面の数が少ないため、複雑な塑性流動を伴う鍛造加工は困難である。

また、鍛造加工においては、例えばスクロール部品の羽根部を形成するために設けられた金型内の開口部に流動素材を充填する際、開口部内の空気が圧縮されることによって反発を受け、開口部の奥に流動素材の未充満部ができるため、背圧をかけないと形状精度に優れた鍛造品を得ることができないという問題があった。

そこで、このような問題に対処した従来技術を検討した結果、マグネシウム合金に関する技術は見出せなかったが、Ａｌ−Ｓｉ系合金で可動スクロールを製造する方法として特許文献１を見出すことができた。この文献は、「可動スクロールの製造法」と称するものであり、その技術は、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末をプレス成形して圧粉体とし、この圧粉体を熱間鍛造することにより羽根部、軸部および支持体部からなる熱間鍛造体を製作し、次いでこの熱間鍛造を機械加工して所定の寸法に仕上げ加工する可動スクロールの製造法において、上記圧粉体を熱間鍛造して熱間鍛造体を製作する際に、上記羽根部および軸部に背圧を施しつつ熱間鍛造することを特徴とするものである。

この文献のプレス構造に関する基本的技術は、図９に示すものと同様であると思われる。即ち、ダイス３１とパンチ３２との間に金型３０の成形空間３３を形成し、この成形空間３３に材料３４を収容して昇温により材料３４を軟化すると共に、パンチ３２の背後に油圧タンク３５に連結された背圧機構３６を設け、この背圧機構３６によって作動する背圧棒３７を介してパンチ３２を押圧することにより、成形空間３３内で軟化した材料３４を成形空間３３の開口部３８に背圧をかけながら成形するようにしたものである。

ところが、このような技術によると、油圧タンク３５、背圧機構３６及び背圧棒３７等の設備が複雑となり、設備費が高騰するという不都合があった。
特開平５―１７１２１２号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、鍛造加工中においてマグネシウム合金素材に動的再結晶を生じさせることにより材料に０．２ｍｍの微細空間であっても塑性流動が生じる加工軟化を生じさせ、複雑な形状を有する鍛造品であっても、複雑な油圧機構を用いることなく、優れた形状精度を確保することができるマグネシウム合金の精密鍛造加工方法を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するために、本発明における請求項１のマグネシウム合金の精密鍛造加工方法は、金型内に固体のマグネシウム合金素材を収容して押出し加工することにより当該素材を塑性変形して、ダイスあるいはパンチ開口部と同じ断面形状を有する板状又は棒状からなる変形部を有する鍛造品を形成するマグネシウム合金の精密鍛造加工方法において、変形部を形成するための開口部を有するパンチ又は成形ダイスを加圧方向に対して垂直方向に分割することによって成形部とスペーサとパンチホルダが連続してなる分割構造とし、成形部に素材が流動する開口部を貫通状に設けると共に、スペーサの成形部とは反対側の面に外周方向へ抜ける空気抜き溝を形成し、さらに成形部の開口部に流動する素材の未充満部の位置に応じて特定されたスペーサの成形部側の空気が抜けない部位とスペーサの空気抜き溝とを連通する連通溝を形成し、金型内に収容されたマグネシウム合金素材の動的再結晶による加工軟化に到った素材を金型の加圧によって成形部の開口部に充満する際、開口部内の未充満部の空気を連通溝と空気抜き溝とを経て外周方向へ抜き出すようにしたことを特徴とする。

また、本発明における請求項２は、請求項１において、成形部とスペーサとパンチホルダが連続してなる分割構造は、後方押出しの場合には開口部付きパンチとして構成され、前方押出しの場合には成形ダイスとして構成されることを特徴とする。

また、本発明における請求項３は、請求項１又は２において、スペーサとパンチホルダの直径を成形部の直径よりも僅かに縮小することによってスペーサ及びパンチホルダとダイスの内周との間にできる外周隙間を形成し、開口部の未充満部の空気を連通溝と空気抜き溝とを経て外周隙間へ抜き出すようにしたことを特徴とする。

また、本発明における請求項４は、請求項１、２又は３において、成形部とスペーサとパンチホルダが連続してなる分割構造の結合用ボルト穴等の穴部を介して、連通溝と空気抜き溝とを連通するようにしたことを特徴とする。

また、本発明における請求項５は、請求項１、２、３又は４において、開口部の未充満部の領域の数と位置を数値計算、モデル実験又は実試作によって決定することを特徴とする。

さらに、本発明における請求項６は、請求項１、２、３、４又は５において、金型内に収容する加工前のマグネシウム合金素材のプリフォーム形状を開口部の未充満部の体積に応じて決定することを特徴とする。

さらに、本発明における請求項７は、請求項１、２、３、４、５又は６において、加工前のマグネシウム合金素材のプリフォーム形状は、開口部の未充満部の領域の数と位置に応じて、数値計算、モデル実験又は実試作で得られた結果から未充満部に相当する体積に応じて決定することを特徴とする。

本発明によれば、金型内にマグネシウム合金素材を収容し素材の再結晶温度付近で加圧することによってマグネシウム合金素材に動的再結晶による加工軟化を生じさせ、０．２ｍｍ程度の微細な空隙にも流入することが可能となるため、この流動素材を利用することによって複雑な形状の鍛造加工を行うことが可能となる。

また、パンチ又は成形ダイスの分割構造における成形部の開口部に流動する素材の未充満部の位置に応じて特定されたスペーサの成形部側の空気が抜けない部位とスペーサに設けられた空気抜き溝とを連通する連通溝が形成されたことにより、鍛造加工中に開口部内の未充満部の空気を外周方向へ抜き出すことにより、流動素材を開口部に完全充満させることができ、これによって複雑な形状の鍛造品であっても優れた成形精度を確保することが可能となる。

さらに、本発明方法は、パンチ又は成形ダイスの構造を成形部とスペーサとパンチホルダが連続してなる分割構造とし、スペーサに空気抜き溝を形成すると共に、成形部の開口部に流動する素材の未充満部の位置に応じて特定されたスペーサの成形部側の空気が抜けない部位とスペーサの空気抜き溝とを連通するようにした連通溝を形成するという簡単な構造によって実現でき、背圧をかけるなどの複雑な油圧機構を用いることがないため、設備費の高騰を抑えることが可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本実施例では、図１(ａ)、（ｂ）に示すようなスクロール部品１を成形目的の鍛造品としている。このスクロール部品１は、円盤状のフランジ部２と、フランジ部２の一方の面に形成された渦巻状の羽根部３と、フランジ部２の他方の面に形成された取付部４とから構成され、例えば自動車用エアコン等のスクロール型コンプレッサに可動スクロールとして使用することができる。

また、本実施例においては、図２（ａ）の後方押出しに適用される金型５Ａの内部構造を図３（ｂ）に示すことによって、後方押出しの金型５Ａを用いた鍛造加工方法について説明してある。本実施例では、図６（ａ）に示すように、後方押出しの金型５Ａ（図２参照）に用いられるパンチ６を加圧方向に対して垂直方向に三分割することにより、成形部７とスペーサ８とプレスへの取付部であるパンチホルダ９とからなる分割構造としている。

なお、本発明は、前方押しの金型にも適用することが可能である。この前方押出しの場合、図２（ｂ）に示すように、成形ダイス１１を成形部７とスペーサ８とパンチホルダ９とからなる分割構造とすればよい。

図３（ｂ）に示す後方押出しの金型５Ａの構造は、ダイス１０の内部にて上下一対に垂直方向に作動するパンチ６とカウンターパンチ１４を有し、ダイス１０はアンビル１５に対して固定用ボルト１５ａで固定され、アンビル１５の上部に設けられたカウンターパンチホルダ１４ａの内部をカウンターパンチ１４が収容されている。

パンチ６は上記のように加圧方向に対して垂直方向に分割することにより、成形部７とパンチホルダ９との間にスペーサ８を介在した構造としている。成形部７には、上記のスクロール部品１の羽根部３（即ち、変形部１２）の形状に応じて当該変形部１２を形成するための開口部１３（図６（ｂ）参照）が貫通状に設けられている。なお、変形部１２に相当するスクロール部品１の羽根部３は曲面をなす板状の形状を有するが、他に、変形部１２の形状としては、ヒートシンクのように断面形状が四角形あるいは円形あるいは楕円形の棒状を有するものとしてもよい。

また、成形部７とスペーサ８とパンチホルダ９とを上下方向に貫通したピン穴１７（図３（ａ）参照）に加工品取り出し用のノックアウトピン１８が設けられている。また、成形部７とスペーサ８とパンチホルダ９とからなる分割構造を結合するための締結用ボルト１６を挿通する締結用ボルト穴１９（図３（ａ）参照）が形成され、その他、不図示のプレス機にパンチホルダ９を固定するための固定用ボルト穴２０（図３（ａ）参照）が形成されている。

上記の構成においては、図５(ａ)、(ｂ)又は(ｃ)に示すように、成形部７とは反対側のスペーサ面８ａにスペーサ８の中心を通って外周へ貫く空気抜き溝２１が形成されている。このスペーサ８のスペーサ面８ａには、ピン穴１７と締結用ボルト穴１９とが貫通して形成され、空気抜き溝２１はこれらの穴１７、１９を包含する形で形成されている。

また、空気抜き溝２１は、成形部７の開口部１３に流動する素材Ｓの未充満部２２の位置に応じて特定されたスペーサの成形部側の空気が抜けない部位とスペーサ８の空気抜き溝２１とを連通する連通溝２４とが連結された構造を有する。即ち、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、スペーサ８に上記の空気抜き溝２１が形成されていない場合、変形部１２である羽根部３の上端面に流動素材Ｓの未充満部２２が生じると、この未充満部２２の領域が、例えば図４(ｂ)の２点鎖線の斜線部で示すような不完全形状２３ｂとなり、羽根部３の上端面が波打ったような形状となるため、後加工が必要となる。これに対して、開口部１３に素材Ｓが充満した場合、羽根部３の上端面が均一に揃った完全形状２３ａとなる。

そこで、図５(ａ)の開口部の上端形状１３ａ（２点鎖線で示す仮想線）において未充填部２２が生じる領域の数と位置を数値計算、モデル実験又は実試作によって決定する。このように決定した部位に連通溝２４を形成する。この連通溝２４はスペーサ８の成形部７に対面する側の面８ｂに形成するため、各連通溝２４をその近傍のピン穴１７又はボルト穴１９に連通することによって、開口部１３の未充満部２２が連通溝２４からピン穴１７又はボルト穴１９を経て空気抜き溝２１に抜けるようにしている。なお、空気抜き溝２１の深さは、本事例の場合は、０．３ｍｍ程度であるが、成形圧力次第では弾性変形による溝の閉塞を生じるため、別途数値計算等で成形圧力を求めて決定する。

さらに、本実施例においては、図６（ａ）に示すように、上記の成形部７とスペーサ８とパンチホルダ９の分割構造のうち、スペーサ８とパンチホルダ９の直径を成形部７の直径よりも僅かに縮小することにより、図３（ｂ）に示すダイス１０の内周との間にできる外周隙間２５を形成し、これによって未充満部２２の空気を連通溝２４とピン穴１７又はボルト穴１９と空気抜き溝２１とを経て外周隙間２５から外方へ抜き出すようにしている。なお、本実施例においては、連通溝２４と空気抜き溝２１とを連結する手段としてピン穴１７又はボルト穴１９を用いてあるが、スペーサ８の成形部７側に設けられた連通溝２４をスペーサ８の内部に開けた貫通穴（不図示）を通じて空気抜き溝２１に連通する構成としてもよい。

本実施例においては、上記の構成を有する金型を用いて鍛造加工を実施する際、図３（ｂ）に示す金型５Ａ内に固形のマグネシウム合金素材Ｓを素材の再結晶温度付近で加圧することによって塑性変形に伴う動的再結晶による加工軟化が生じ、流動性が高くなった素材Ｓを用いている。

この流動性能は、φ１ｍｍ以下の微細空隙、実験によれば０．２ｍｍの微細空隙にも流動する性能を有することが確認されている。

なお、図８に、マグネシウム合金の鍛造加工方法を用いた変形特性試験に基づく真応力―真ひずみ曲線を示してある。この変形特性試験において、パンチの加工速度は５mm／Ｓである。

上記の動的再結晶による加工軟化によって、マグネシウム合金素材Ｓに亀裂や破断等が発生することを抑制された状態で塑性流動が進み、軟化されたマグネシウム合金素材Ｓが金型５Ａの各開口部１３に流動することによって所定の変形部１２を有する鍛造品が形成されることとなる。

なお、上記の塑性加工においては、金型５Ａ内のマグネシウム合金素材Ｓを後方押出しによって塑性流動させることにより、デッドメタルゾーン（材料流動がない領域）が発生せず、ひけ等の欠陥が発生しない鍛造品を得ることができるため、鍛造品の精度向上に有益となる。

上記の構成により、各開口部１３内の空気は、パンチ６の加圧に従って連通溝２４から空気抜き溝２１を経て外部に抜き出される結果、軟化したマグネシウム合金素材Ｓは各開口部１３に完全充満し、各開口部１３の型形状に忠実な成形精度に優れた鍛造品を得ることが可能となる。

さらに、本実施例において、図７に示すように、金型５Ａ内に収容する加工前のマグネシウム合金素材Ｓのプリフォーム２６の形状を未充満部２２の高さに応じて決定することにより、鍛造品の成形精度を向上することが可能である。この場合、加工前のプリフォーム２６の形状は、未充満部２２の領域または深さを考慮して、数値計算、モデル実験又は実試作で得られた結果から、未充満部に相当する体積に応じて決定するとよい。

本発明のマグネシウム合金の精密鍛造加工方法は、鍛造加工中においてマグネシウム合金素材に動的再結晶を生じさせることにより加工軟化を生じた素材を用いると共に、金型内の開口部に流動素材の未充満部が生じないように構成したことによって、設備費が高騰することなく、形状精度に優れた鍛造品を形成することができるマグネシウム合金の精密鍛造加工方法として利用可能である。

（ａ）は本発明によるマグネシウム合金の精密鍛造加工方法に係るスクロール部品の斜視図であり、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。 (ａ)は本発明によるマグネシウム合金の精密鍛造加工方法において後方押出しの金型を示す斜視図であり、(ｂ)は前方押出しの金型を示す斜視図である。 （ａ）は本発明によるマグネシウム合金の精密鍛造加工方法に使用する金型の平面図であり、(ｂ)はその金型の正面からの断面図である。 (ａ)は開口部の未充満部の状況を示す断面図であり、(ｂ)は空気抜き溝を設けていない場合のスクロール部品における羽根部の上端面の形成状況を示す平面図である。 (ａ)は連通溝の形成状況を示すスペーサの成形部に接する面であり、(ｂ)は空気抜き溝を形成したスペーサの成形部に接する面の反対面であり、(ｃ)は開口部の未充満部と空気抜き溝とを連通溝とピン穴を介して連通した状態を示す断面図である。 (ａ)は本発明によるマグネシウム合金の精密鍛造加工方法に用いるパンチ又は成形ダイスの分割構造を示す側面図であり、(ｂ)は成形型の下端面を示す下面図である。 (ａ)は本発明によるマグネシウム合金の精密鍛造加工方法における流動素材の未充満部の発生箇所を示すスクロール部品の羽根部を示す平面図であり、(ｂ)はその未充満部に応じて形成したマグネシウム合金のプリフォームを示す斜視図である。 本発明によるマグネシウム合金の精密鍛造加工で用いたマグネシウム合金ＡＺ３１Ｂの変形特性試験に基づく真応力―真ひずみ曲線を示すグラフである。 従来の鍛造加工方法を説明するための背圧構造を有する金型の断面図である。

符号の説明

１ スクロール部品
２ フランジ部
３ 羽根部
４ 取付部
５Ａ 後方押出し用金型
５Ｂ 前方押出し用金型
６ パンチ
７ 成形部
８ スペーサ
８ａ 成形部と反対側の面
８ｂ 成形部に接する面
９ パンチホルダ
１０ ダイス
１１ 成形ダイス
１２ 開口部へ塑性流動した素材
１３ 開口部
１３ａ 開口部の上端形状（仮想線）
１４ カウンターパンチ
１４ａ カウンターパンチホルダ
１５ アンビル
１５ａ アンビルとダイスの締結用ボルト穴
１６ 締結用ボルト
１７ ピン穴
１８ ノックアウトピン
１９ 締結用ボルト穴
２０ プレスへの固定用ボルト穴
２１ 空気抜き溝
２２ 未充満部
２３ａ 羽根部（変形部）の完全充満部
２３ｂ 羽根部（変形部）の未充満部
２４ 連通溝
２５ 外周隙間
２６ プリフォーム
Ｓ マグネシウム合金素材

Claims (7)

1. 金型内に固体のマグネシウム合金素材を収容して押出し加工することにより当該素材を塑性変形して、ダイスあるいはパンチ開口部と同じ断面形状を有する板状又は棒状からなる変形部を有する鍛造品を形成するマグネシウム合金の精密鍛造加工方法において、変形部を形成するための開口部を有するパンチ又は成形ダイスを加圧方向に対して垂直方向に分割することによって成形部とスペーサとパンチホルダが連続してなる分割構造とし、成形部に素材が流動する開口部を貫通状に設けると共に、スペーサの成形部とは反対側の面に外周方向へ抜ける空気抜き溝を形成し、さらに成形部の開口部に流動する素材の未充満部の位置に応じて特定されたスペーサの成形部側の空気が抜けない部位とスペーサの空気抜き溝とを連通する連通溝を形成し、金型内に収容されたマグネシウム合金素材の動的再結晶による加工軟化に到った素材を金型の加圧によって成形部の開口部に充満する際、開口部内の未充満部の空気を連通溝と空気抜き溝とを経て外周方向へ抜き出すようにしたことを特徴とするマグネシウム合金の精密鍛造加工方法。
2. 成形部とスペーサとパンチホルダが連続してなる分割構造は、後方押出しの場合には開口部付きパンチとして構成され、前方押出しの場合には成形ダイスとして構成されることを特徴とする請求項１記載のマグネシウム合金の精密鍛造加工方法。
3. スペーサとパンチホルダの直径を成形部の直径よりも僅かに縮小することによってスペーサ及びパンチホルダとダイスの内周との間にできる外周隙間を形成し、開口部の未充満部の空気を連通溝と空気抜き溝とを経て外周隙間へ抜き出すようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載のマグネシウム合金の精密鍛造加工方法。
4. 成形部とスペーサとパンチホルダが連続してなる分割構造の結合用ボルト穴等の穴部を介して、連通溝と空気抜き溝とを連通するようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載のマグネシウム合金の精密鍛造加工方法。
5. 開口部の未充満部の領域の数と位置を数値計算、モデル実験又は実試作によって決定することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のマグネシウム合金の精密鍛造加工方法。
6. 金型内に収容する加工前のマグネシウム合金素材のプリフォーム形状を開口部の未充満部の体積に応じて決定することを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載のマグネシウム合金の精密鍛造加工方法。
7. 加工前のマグネシウム合金素材のプリフォーム形状は、開口部の未充満部の領域の数と位置に応じて、数値計算、モデル実験又は実試作で得られた結果から未充満部に相当する体積に応じて決定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載のマグネシウム合金の精密鍛造加工方法。