JP2015205316A - アルミニウム合金製鋳物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の鋳造機を用いた製造方法では、薄肉のアルミニウム合金製鋳物を製造しようとする場合、鋳物の良好な離型性が確保できなくなる可能性があった。
【解決手段】低圧鋳造法によりアルミニウム合金製鋳物ＳＭを製造するに際し、型開き時に鋳物ＳＭを付着状態に保持する上型９Ｕと、保持炉５に連通する湯口１５Ａを有する下型９Ｌと、湯口１５Ａからキャビティ９Ｃに至るゲートＧを備えた金型９を用い、溶湯Ｍをキャビティ９Ｃに供給し、キャビティ９Ｃ内の温度を測定すると共に、温度測定値が第１閾値Ｔ１以下になった時点で溶湯Ｍの供給を停止させ、温度測定値が第１閾値Ｔ１よりも低い第２閾値Ｔ２以下になった時点で金型９の型開きを行う製造方法とし、薄肉のアルミニウム合金製鋳物ＳＭを製造する場合でも、強力な押し出し機構を必要とせずに鋳物ＳＭの良好な離型性が得られるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、低圧鋳造法に基づいてアルミニウム合金製の鋳物を製造するのに利用されるアルミニウム合金製鋳物の製造方法に関するものである。

この種の鋳物の製造方法としては、例えば、鋳造機の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の鋳造機は、低圧鋳造法に基づいて鋳造を行うものであって、下金型におけるキャビティよりも溶湯が遅く凝固する部位として、ランナー部に温度センサを設けている。そして、鋳造機では、湯口及びランナーからキャビティに溶湯を加圧供給し、ランナー部の測定温度に基づいて、溶湯の加圧を停止したり、金型を型開きしたりするようにしており、これにより、鋳造のサイクルタイムを必要最小限に短縮するものである。

また、一般的に、低圧鋳造法では、引け巣と呼ばれる空隙状の欠陥を防止するために、湯口から遠い部位から溶湯を凝固させ、湯口を最終凝固部位とするような金型温度の選択、あるいは湯口の形状や配置の選択を行っている。また、低圧鋳造法では、金型の下側に保持炉が配置してあり、下型側に鋳物の押し出し機構を配置することができないので、上型側に押し出し機構を配置し、型開き時に鋳物を上型に付着させた状態にして、その後、鋳物を離型させるようにしている。

特開２００５−２０５４３５号公報

しかしながら、上記したような従来の鋳造機を用いた製造方法では、薄肉のアルミニウム合金製鋳物を製造しようとする場合、鋳物の良好な離型性が確保できなくなる可能性があった。

つまり、薄肉のアルミニウム合金製鋳物の製造では溶湯の温度が低下し易く、これに対して、従来の鋳造機では型開きの時期をランナー部の温度で決定しているので、型開きの時点で鋳物の温度が下がり過ぎ、鋳物が収縮して上型への食い付き力が増大しているおそれがある。その結果、鋳物の良好な離型性が損なわれ、これに対処するために強力な押し出し機構が必要になるなどの問題点があることから、これらの問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、薄肉のアルミニウム合金製鋳物を製造する場合でも、強力な押し出し機構を必要とせずに鋳物の良好な離型性を得ることができ、鋳造のサイクルタイムの短縮化を図ることができるアルミニウム合金製鋳物の製造方法を提供することを目的としている

本発明に係わるアルミニウム合金製鋳物の製造方法は、低圧鋳造法に基づいてアルミニウム合金製の鋳物を製造するに際し、型開き時に鋳物を付着させた状態にして保持する上型と、保持炉に連通する湯口を有し且つ上型との間でキャビティを形成する下型と、湯口からキャビティに至るゲートを備えた金型を用いる。そして、製造方法は、保持炉の溶湯を湯口及びゲートを通してキャビティに供給し、キャビティ内の温度を測定すると共に、温度測定値が第１閾値以下になった時点で溶湯の供給を停止させ、温度測定値が第１閾値よりも低い第２閾値以下になった時点で金型の型開きを行う構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わるアルミニウム合金製鋳物の製造方法は、キャビティ内の温度すなわち溶湯の温度を直接測定し、第１及び第２の閾値に基づいて、溶湯の供給を停止する時期や、金型の型開きの時期を決定するので、キャビティ内の溶湯が凝固し、鋳物が所定の温度を維持している状態で型開きを行うことが可能である。これにより、上記のアルミニウム合金製鋳物の製造方法によれば、薄肉のアルミニウム合金製鋳物を製造する場合でも、強力な押し出し機構を必要とせずに鋳物の良好な離型性を得ることができ、鋳造のサイクルタイムの短縮化を図ることができる。

本発明のアルミニウム合金製鋳物の製造方法が適用可能な低圧鋳造装置を説明する断面図である。 図１中の湯口及びゲートの部分を拡大して示す断面図（Ａ）、要部の平面図（Ｂ）、及び鋳物の一部の断面図（Ｃ）である。 アルミニウム合金製鋳物の一例である自動車用フロントサスペンションメンバを示す平面図（Ａ）及び湯口の配置を兼ねた底面図である。 時間経過に伴う各部の溶湯の温度変化を示すグラフである。

図１は、本発明に係わるアルミニウム合金製鋳物の製造方法が適用可能な低圧鋳造装置１を示す図である。
すなわち、低圧鋳造装置１は、ベース２と、ベース２上に立設した複数のガイドポスト３と、ガイドポスト３の中間に固定された固定盤４と、固定盤４とベース２の間に配置した保持炉５を備えている。また、鋳造装置１は、ガイドポスト３に沿って昇降駆動される可動盤６と、ガイドポスト３の上端部に架設したフレーム７を備え、フレーム７には、可動盤６を昇降駆動する油圧シリンダ８が設けてある。さらに、低圧鋳造装置１は、可動盤６と固定盤４との間に金型９を備えている。

保持炉５は、溶湯Ｍを収容すると共に、固定盤４の下側に組み合わされる蓋体５Ａや、図示しない加熱手段（保温手段）などを備えており、蓋体５Ａには、金型９のキャビティ９Ｃに溶湯Ｍを供給するためのストーク１０が設けてある。ストーク１０は、上端部を後記する湯口部材１５に連通させると共に、下端部を溶湯Ｍに浸漬状態にしている。

金型９は、可動盤６に配置した上型９Ｕと、固定盤４に配置した下型９Ｌとを備え、双方の間に鋳造空間であるキャビティ９Ｃを形成する。上型９Ｕは、可動盤６に固定する型ホルダ１１と、キャビティ９Ｃを形成する型本体（９Ｕ）との間に、押し出しプレート１２を昇降可能に備えている。この押し出しプレート１２は、型本体（９Ｕ）との間に複数のスプリング１３が介装してあると共に、型本体（９Ｕ）を貫通する複数の押し出しピン１４を備えている。

押し出しプレート１２は、図１に示すように金型９を閉じた状態では、スプリング１３により型本体（９Ｕ）との間に隙間を形成し、各押し出しピン１４の先端が型本体（９Ｕ）の底面に対して没入している。また、押し出しプレート１２は、油圧シリンダ８の収縮駆動による可動盤６の上昇過程において、その途中でストッパ（図示せず）により上昇が阻止され、その後、可動盤６がスプリング１３を圧縮しつつ上昇限に達する間に、各押し出しピン１４の先端が形本体（９Ｕ）の底面から突出して鋳物を離型させる。

また、金型９の下型９Ｌには、低圧鋳造において保持炉５の溶湯をキャビティ９Ｃに充填するための湯口部材１５と、キャビティ９Ｃ内の温度を測定するための温度センサ２０が設けてある。さらに、低圧鋳造装置１は、保持炉５の内部を気体により加圧するための加圧手段１６と、金型９のキャビティ９Ｃ内を吸引排気して減圧させるための減圧手段１７と、これらを制御する制御手段１８を備えている。

湯口部材１５は、図２に示すように、上型９Ｕと下型９Ｌとの間に設けてあって、湯口部１５Ａと、ゲート部１５Ｂとを有し、断熱材料で形成してある。図示例の湯口部材１５は、上型９Ｕ及び下型９Ｌの空洞部の内壁に、断熱材料を所定の厚さに塗布し、これを硬化させた塗型により形成されている。

湯口部１５Ａは、上端部を閉塞し且つ下端部を開放させた空間を形成しており、下端部が保持炉５のストーク１０に連通している。図示例の湯口部１５Ａは、全体として、下方向に向けて開口面積が増大する概略円錐台形状を成している。

ゲート部１５Ｂは、湯口部１５Ａの側部において、キャビティ９Ｃよりも低い位置に形成されると共に、キャビティ９Ｃに連通している。このゲート部１５Ｂは、金型９の合わせ面（上型９Ｕと下型９Ｌとの合わせ面）に形成してあって、その合わせ面の部分に形成された金型側ゲート部９Ｇを通してキャビティ９Ｃに連通している。

そして、湯口部材１５のゲート部１５Ｂと金型側ゲート部９Ｇは、互いに連通し、キャビティ９Ｃ側に上がり勾配を有する傾斜ゲートＧを形成している。さらに、湯口部１５Ａは、その側部となる金型９の合わせ面にゲート部１５Ｂを設けたことで、ゲート部１５Ｂよりも上側の部分が上型２Ｕに形成されており、この上部が、溶湯表面の酸化被膜を収容するトラップ空間１５Ｃになっている。

温度センサ２０は、下型９Ｌにおいて、傾斜ゲートＧの近傍に設けてある。図示例では、下型９Ｌのキャビティ９Ｃの内壁に凹部２１を形成し、この凹部２１内に温度検知部が配置されるように設けてある。

加圧手段１６は、不活性ガス等の加圧用ガスを貯留したタンクや、タンクから保持炉５に連通する供給管１６Ａを備え、供給管１６Ａの途中には流路を開閉する調整弁１６Ｂが設けてある。この加圧手段１６は、保持炉５内に気体を加圧供給し、溶湯Ｍの表面に圧力を付与し、これにより、ストーク１０及び湯口部材１５を通して溶湯Ｍをキャビティ９Ｃに供給する。

減圧手段１７は、入口側に吸気管１７Ａを有し且つ出口側に排気管１７Ｂを有する真空タンク１７Ｃと、真空タング１７Ｃの排気管１７Ｂに接続した真空ポンプ１７Ｄと、吸気管１７Ａの途中を開閉する開閉弁１７Ｅ及びフィルタ１７Ｆを備えている。この減圧手段１７は、予め真空ポンプ１７Ｄにより真空タンク１７Ｃ内を吸引排気しておき、キャビティ９Ｃに溶湯Ｍを供給する際に、開閉弁１７Ｅを開放することで、キャビティ９Ｃ内を急激に吸引排気し、加圧手段１６の動作と相俟って溶湯Ｍのキャビティ９Ｃへの充填を促進させる。

制御手段１８は、加圧手段１６，減圧手段１７のほか、可動盤６を昇降駆動する油圧シリンダ８などの動作を制御し、この際、温度センサ２０の測定値に基づいてこれらの動作を制御することができる。

図３は、アルミニウム合金製鋳物の一例として、自動車用フロントサスペンションメンバＳＭを示す図である。サスペンションメンバＳＭは、自動車のボディとアクスルを連結すると同時にエンジンを積載するための骨格部材であって、図示例のものは、フロントクロスメンバ部Ｍ１と、ボディ側となるリヤクロスメンバ部Ｍ２と、左右のサイドメンバ部Ｍ３，Ｍ３を一体的に有している。

また、サスペンションメンバＳＭは、両クロスメンバ部Ｍ１，Ｍ２、及びサイドメンバ部Ｍ３における両クロスメンバ部Ｍ１，Ｍ２の間の部分が、中空状（閉断面構造）になっている。この中空部の形成には、キャビティ９Ｃ内に配置される中子を使用する。このようなサスペンションメンバＳＭは、強度向上や軽量化を実現したものであって、鋳物としては全体的に均等な肉厚を有する薄肉鋳物であり、且つ比較的大型のものである。

さらに、サスペンションメンバＳＭは、とくに図３（Ｂ）に示す底面に、強度を確保するための多数のリブＲを有しており、この底面が上向きになる姿勢で鋳造される。つまり、低圧鋳造装置１では、リブＲを有する底面を上向きとすることで、下型９ＬとサスペンションメンバＳＭとの接触面積よりも、上型９ＵとサスペンションメンバＳＭとの接触面積の方が大きくなるようにする。これにより、低圧鋳造装置１は、金型９を開いた際に、サスペンションメンバＳＭが上昇する上型９Ｕに付着して保持されるようにし、その後のサスペンションメンバＳＭの取り出し作業を容易にする。

さらに、低圧鋳造装置１は、鋳物が上記のサスペンションメンバＳＭである場合には、図３（Ｂ）に示すように、複数箇所の湯口部材１５を配置する。なお、図３（Ａ）及び（Ｂ）は、サスペンションメンバＳＭの平面図及び底面図であるが、金型９のキャビティ９Ｃも同様の形状であるから、図３（Ｂ）に湯口部材１５の配置を例示している。

上記の低圧鋳造装置１を構成する金型９は、型開き時に鋳物（ＳＭ）を付着させた状態にして保持する上型９Ｕと、保持炉５に連通する湯口（湯口部１５Ａ）を有し且つ上型９Ｕとの間でキャビティ９Ｃを形成する下型９Ｌと、湯口（湯口部１５Ａ）からキャビティ９Ｃに至るゲート（傾斜ゲートＧ）を備えたものになっている。

本発明に係わるアルミニウム合金製鋳物の製造方法は、上記の金型９を用い、加圧手段１６により、保持炉５の溶湯Ｍを湯口部１５Ａ及び傾斜ゲートＧを通してキャビティ９Ｃに供給すると共に、減圧手段１７によりキャビティ９Ｃ内を吸引排気して溶湯Ｍの供給を促進させ、温度センサ２０でキャビティ９Ｃ内の温度を測定する。

このとき、温度センサ２０は、キャビティ９Ｃ内の傾斜ゲートＧの近傍に設けた凹部２１に設けてあるので、キャビティ９Ｃ内の温度、すなわちキャビティ９Ｃに供給された溶湯Ｍの温度を測定する。より正確には、温度センサ２０は、凹部２１に流入した溶湯Ｍの温度を測定し、また、溶湯Ｍが凝固しても測定を継続する。

そして、アルミニウム合金製鋳物の製造方法は、温度センサ２０による温度測定値が第１閾値Ｔ１以下になった時点で溶湯Ｍの供給を停止させる。そして、温度センサ２０による温度測定値が第１閾値Ｔ１よりも低い第２閾Ｔ２値以下になった時点で金型９の型開きを行う。

上記の第１及び第２の閾値Ｔ１，Ｔ２は、予め試験的に求めることが可能であり、プログラムとして制御手段１８に記憶させておくことができる。低圧鋳造装置１では、図４に示すように、各部における溶湯Ｍの温度（アルミ温度）が異なる。すなわち、低圧鋳造装置１では、湯口部材１５の湯口部１５Ａ内の溶湯温度に対して、湯口部材１５のゲート部１５Ｂの溶湯温度が若干低くなり、これに対して、キャビティ９Ｃにおける傾斜ゲートＧの近傍部分では、溶湯温度が大幅に低くなる。温度センサ２０は、キャビティ９Ｃのゲート近傍部分の温度を測定している。

そこで、アルミニウム合金製鋳物の製造方法では、図４中に示すように、キャビティ９Ｃ内の溶湯Ｍが凝固状態で且つ湯口（１５Ａ）内の溶湯Ｍが未凝固状態を示す温度を第１閾値Ｔ１とし、第１閾値Ｔ２よりも低い温度を第２閾値Ｔ２としている。この第２閾値Ｔ２は、溶湯Ｍが凝固して鋳物（ＳＭ）となった状態において所定値以上の温度であり、若しくは、離型性に影響が生じる過剰冷却に至らない温度である。

アルミニウム合金製鋳物の製造方法では、温度センサ２０による温度測定値が第１閾値Ｔ１以下になった時点で、加圧手段１６による保持炉５への気体の供給を停止させ、キャビティ９Ｃへの溶湯Ｍの加圧供給を停止させる。このとき、湯口部１５Ａ内の溶湯Ｍは、未凝固状態であるから、加圧力の解放とともに保持炉５内に落下する。また、キャビティ９Ｃ内の溶湯Ｍは、凝固して鋳物（ＳＭ）となる。

その後、アルミニウム合金製鋳物の製造方法では、温度センサ２０による温度測定値が第２閾値Ｔ２以下になった時点で、油圧シリンダ８を収縮駆動させ、可動盤６とともに上型９Ｕを上昇させて、金型９の型開きを行う。このとき、鋳物（ＳＭ）は、完全に冷却されることなく、所定温度を維持しており、上型９Ｕに付着した状態で保持される。

次に、アルミニウム合金製鋳物の製造方法では、図４に示すように、鋳物（ＳＭ）の押し出しを行う。この押し出しは、先に低圧鋳造装置１の構成を説明したように、可動盤６の上昇過程において、押し出しプレート１２の上昇を規制することにより、上型９Ｕから押し出しピン１４を突出させて行われる。つまり、押し出しは、金型９の型開きに連続して機械的に行われる。このとき、鋳物（ＳＭ）は、所定温度を維持しているので、押し出しピン１４の押圧力により上型９Ｕから容易に離型させることができる。

この実施形態のように、アルミニウム合金製の鋳物が、全体的に均等な肉厚を有する薄肉鋳物であって、具体的には、中空部を有するサスペンションメンバＳＭのように薄肉で且つ比較的大型である場合、キャビティ９Ｃに充填した溶湯Ｍの温度が低下し易い。そして、鋳物（ＳＭ）の温度が下がり過ぎると、収縮して上型９Ｕに強く食い付くおそれがある。これに対して、アルミニウム合金製鋳物の製造方法では、鋳物（ＳＭ）が所定の温度を維持しているとき、すなわち鋳物（ＳＭ）の温度が下がり過ぎる前に、金型９の型開きを行うので、その後の鋳物（ＳＭ）の離型を容易に行うことができる。

このように、アルミニウム合金製鋳物の製造方法は、キャビティ９Ｃ内の温度すなわち溶湯Ｍの温度を直接測定し、第１及び第２の閾値Ｔ１，Ｔ２に基づいて、溶湯Ｍの供給を停止する時期や、金型９の型開きの時期を決定するので、薄肉のアルミニウム合金製の鋳物（ＳＭ）を製造する場合でも、強力な押し出し機構を必要とせずに鋳物（ＳＭ）の良好な離型性を得ることができ、鋳造のサイクルタイムの短縮化や生産効率の向上などを図ることができる。また、鋳物（ＳＭ）の離型性が良いので、押し出し機構の小型化や簡略化を図ることも可能である。

さらに、アルミニウム合金製鋳物の製造方法は、キャビティ９Ｃ内の傾斜ゲートＧの近傍位置、すなわちキャビティ９Ｃ内に充填した溶湯Ｍが最後に凝固する位置で温度の測定を行うので、キャビティ９Ｃに充填した溶湯Ｍが全て凝固したことを容易に判断することができ、第１及び第２の閾値の決定に貢献し得る。

さらに、アルミニウム合金製鋳物の製造方法は、第１閾値が、キャビティ９Ｃ内の溶湯Ｍが凝固状態で且つ湯口部１５Ａ内の溶湯Ｍが未凝固状態を示す温度であるから、この第１閾値以下になった時点でキャビティ９Ｃへの溶湯Ｍの供給を停止することで、未凝固状態の溶湯Ｍを保持炉５に戻して、材料の歩留まりを向上させることができる。また、湯口部１５Ａ内の溶湯Ｍが未凝固状態であるから、下型９Ｌへの湯口かじりや湯口残りといった不良がなくなる。

さらに、アルミニウム合金製鋳物の製造方法により製造した鋳物（ＳＭ）は、図２（Ｃ）に示すように、凹部２１及び温度センサ２０の跡である小さな突起２２が形成され、この突起２２が、溶湯Ｍの温度を直接測定して製造した鋳物（ＳＭ）の印にもなる。また、この実施形態のように、薄肉で且つ比較的大型の鋳物（サスペンションメンバＳＭ）を製造する場合であっても、凹部２１及び温度センサ２０の跡が突起２２になるので、肉厚や強度を損なうことがない。

さらに、上記実施形態で説明した低圧鋳造装置１は、断熱材料から成る湯口部材１５を備えているので、キャビティ９Ｃの内壁の断熱性に対して、湯口部１５Ａの断熱性が圧倒的に高くなる。つまり、湯口部１５Ａの保温性も高くなる。これにより、低圧鋳造装置１は、キャビティ９Ｃ内の溶湯Ｍが凝固し且つ湯口部１５Ａ内の溶湯Ｍが未凝固である状態を形成し易くなるので、本発明のアルミニウム合金製鋳物の製造方法が適用可能な装置として極めて有用なものとなる。

また、湯口部材１５は、下方向に向けて開口面積が増大する形状の湯口部１５Ａとしたので、未凝固の溶湯Ｍが保持炉５に落下し易くなり、湯切れが良好である。さらに、湯口部材１５は、保持炉５内の溶湯Ｍをキャビティ９Ｃに充填する際に、溶湯Ｍの表面に生じた酸化被膜をトラップ空間１５Ｃに入り込ませて、酸化被膜がキャビティ９Ｃに流入するのを防止し、酸化被膜の混入による鋳造不良の発生を未然に阻止することができる。

なお、本発明のアルミニウム合金製鋳物の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することができる。さらに、上記の製造方法は、アルミニウム合金以外の鋳物の製造にも適用可能ではあるが、溶湯の温度を直接測定して溶湯の供給停止や金型を型開きの時期を決定することから、キャビティへの充填後に溶湯の温度が低下し易いものとして、薄肉のアルミニウム合金製鋳物の製造に非常に好適である。

１ 低圧鋳造装置
９ 金型
９Ｃ キャビティ
９Ｌ 下型
９Ｕ 上型
１５Ａ 湯口部（湯口）
２０ 温度センサ
Ｇ 傾斜ゲート（ゲート）
ＳＭ サスペンションメンバ（アルミニウム合金製の鋳物）

Claims (3)

1. 低圧鋳造法に基づいてアルミニウム合金製の鋳物を製造するに際し、
   型開き時に鋳物を付着させた状態にして保持する上型と、保持炉に連通する湯口を有し且つ上型との間でキャビティを形成する下型と、湯口からキャビティに至るゲートを備えた金型を用い、
   保持炉の溶湯を湯口及びゲートを通してキャビティに供給し、
   キャビティ内の温度を測定すると共に、温度測定値が第１閾値以下になった時点で溶湯の供給を停止させ、温度測定値が第１閾値よりも低い第２閾値以下になった時点で金型の型開きを行うことを特徴とするアルミニウム合金製鋳物の製造方法。
2. キャビティ内のゲート近傍の温度を測定することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製鋳物の製造方法。
3. 第１閾値が、キャビティ内の溶湯が凝固状態で且つ湯口内の溶湯が未凝固状態を示す温度であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金製鋳物の製造方法。

Images