JP2016087658A - 半凝固金属材料のプレス成形装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ低コストな構成でありながら、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができる半凝固金属材料のプレス成形装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、クランク軸２１により往復直線運動されるメインスライド２５により半凝固金属材料をプレス成形するプレスマシン成形装置１００であって、メインスライド２５に対して相対移動可能に取り付けられたサブスライド２６と、メインスライド２５とサブスライド２６の間に設けられた流体圧機構（油圧室２３）と、を備え、メインスライド２５の下降動作により上金型３０を下金型３１に供給された半凝固金属材料に接触させた後、メインスライド２５を所定位置に停止させ、その状態で、前記流体圧機構により、上金型３０をメインスライド２５に対して相対移動させることで、半凝固金属材料に所定圧力を所定時間作用させてプレス成形する。
【選択図】図８

Description

本発明は、主としてアルミニウム合金などの軽金属やその他の金属を半凝固状態にして成形する半凝固金属材料のプレス成形装置及び方法に関する。

従来から、アルミニウム合金等を成形する技術の１つとして、金型に溶融金属を加圧注入し、所定形状の製品を得る鋳造方法のダイカスト法が用いられてきた。溶湯を用いた場合、金型の寿命が短い、引け巣等が発生し製品の品質が十分でないなどの問題がある。

そこで近年は、このダイカストマシンを利用して、金型に注入する金属材料として、溶融金属の代わりに、固相成分と液相成分とを共存させた半溶融状態にある金属（半凝固金属又は半溶融金属）を用いて高圧鋳造する方法が使用されてきている。

この方法は、半凝固金属（以下、半溶融金属も含めて半凝固金属という）を鋳型内で加圧成形するものであるが、凝固する際に半凝固金属で３．５％程度、溶湯金属で７％程度の収縮を伴うため、半凝固金属では溶湯金属の１／２程度の収縮率であるが、成形品に微細な凝固巣、ガスホール等の欠陥が生じることを防止することが困難である。

このようなことから、本出願人は、動力源の回転運動をスライド（金型）の往復直線運動に変換する機構を備えたプレスマシンを利用して半凝固金属を成形する方法を、例えば特許文献１において提案している。かかる方法によれば、ガスの巻き込みや酸化膜の混入、引け巣のない機械的性質に優れた製品を成形することができる。

また、特許文献２には、油圧プレスを利用して、炊飯釜の量産を実施したことが報告されている。

特開２００７−１１８０３０号公報 松尾 司、「８ セミソリッドプレス鍛造加工技術の実用化と今後」、日本塑性加工学会、平成２６年６月２７日、第３０９回 塑性加工シンポジウム「半溶融・半凝固加工の応用最前線とそれを支える基盤技術」、ｐ．６１−６８

しかしながら、上述した特許文献１、特許文献２による成形方法では、半溶融金属又は半凝固金属を用いてプレス成形する際の引け（冷却に伴う体積収縮）に関する検討が十分になされていないのが実情であった。

すなわち、上述した特許文献１、特許文献２による成形方法では、引け（体積収縮）の問題に対処するためには、上金型や下金型を複数に分割するなどし、これら分割された金型を引けに応じて相対移動させ金型のキャビティ容積を変更するなどの必要があり、分割された金型間に微細な隙間などが存在するなどして成形品の品質に悪影響を及ぼすおそれがあると共に、装置や設備が複雑化・高コスト化し、更には高い圧力でのプレス成形への適応も困難であると共に、耐久性・信頼性に関する問題が生じるおそれがあるといった実情があった。

本発明は、上述した実情に鑑みなされたもので、動力源の回転運動をスライドの往復直線運動に変換する機構を備えたプレスマシンを利用して半凝固金属材料をプレス成形するプレス成形装置及び方法であって、簡単かつ低コストな構成でありながら、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができる半凝固金属材料のプレス成形装置及び方法を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形装置は、
動力源の回転運動を往復直線運動に変換する機構を介して往復直線運動されるスライドを備え、該スライドを用いて半凝固金属材料をプレス成形するプレス成形装置であって、
前記スライドに対してスライド往復移動方向に相対移動可能に取り付けられたサブスライドと、
前記スライドと、前記サブスライドと、の間に介装され、前記スライドに対して前記サブスライドを流体圧により相対移動させることが可能な流体圧機構と、
を備え、
前記スライドの下降動作により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を、下金型に供給された半凝固金属材料に接触させた後、前記スライドを所定位置に停止させ、その状態で、前記流体圧機構により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を前記スライドに対して相対移動させることで、半凝固金属材料に所定圧力を所定時間作用させてプレス成形するようにしたことを特徴とする。

なお、前記所定圧力は、例えば、所望の完成品を得るためのプレス成形に必要な圧力（プレス荷重に相当）であり、その圧力が略一定の場合、その圧力を振動させたり圧力の大きさを切り替える場合などを含むものである。また、前記所定時間としては、前記所定圧力の付与を開始してから、実質的に被加工材である半凝固金属材料の凝固・収縮が収束するのを待つ時間が一例として想定される。

また、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形装置において、
前記スライドの下降動作により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を、下金型に供給された半凝固金属材料に接触させた後、前記スライドを所定位置に停止させるまでの間であって、前記スライドが下降動作を行っている間において、
前記サブスライドに取り付けられた上金型を、前記流体圧機構により、前記スライドに対して上方向に相対移動させることで、半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することを特徴とすることができる。

また、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形装置において、
前記半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することが、略一定圧力に制御することであることを特徴とすることができる。

また、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形装置において、
前記半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することが、圧力を所定に振動させる制御であることを特徴とすることができる。

また、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形装置において、
前記半凝固金属材料に所定圧力を所定時間作用させている間に、半凝固金属材料に作用する圧力を所定に変更することを特徴とすることができる。

本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形方法は、
半凝固金属材料をプレス成形するプレス成形方法であって、
動力源の回転運動を往復直線運動に変換する機構を介して往復直線運動されるスライドと、
前記スライドに対してスライド往復移動方向に相対移動可能に取り付けられたサブスライドと、
前記スライドと、前記サブスライドと、の間に介装され、前記スライドに対して前記サブスライドを流体圧により相対移動させることが可能な流体圧機構と、
を備えたプレスマシンを用いて、
前記スライドの下降動作により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を、下金型に供給された半凝固金属材料に接触させた後、前記スライドを所定位置に停止させ、その状態で、前記流体圧機構により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を前記スライドに対して相対移動させることで、半凝固金属材料に所定圧力を所定時間作用させてプレス成形するようにしたことを特徴とする。

また、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形方法において、
前記スライドの下降動作により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を、下金型に供給された半凝固金属材料に接触させた後、前記スライドを所定位置に停止させるまでの間であって、前記スライドが下降動作を行っている間において、
前記サブスライドに取り付けられた上金型を、前記流体圧機構により、前記スライドに対して上方向に相対移動させることで、半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することを特徴とすることができる。

また、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形方法において、
前記半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することが、略一定圧力に制御することであることを特徴とすることができる。

また、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形方法において、
前記半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することが、圧力を所定に振動させる制御であることを特徴とすることができる。

また、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形方法において、
前記半凝固金属材料に所定圧力を所定時間作用させている間に、半凝固金属材料に作用する圧力を所定に変更することを特徴とすることができる。

本発明によれば、動力源の回転運動をスライドの往復直線運動に変換する機構を備えたプレスマシンを利用して半凝固金属材料をプレス成形するプレス成形装置及び方法であって、簡単かつ低コストな構成でありながら、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができる半凝固金属材料のプレス成形装置及び方法を提供することができる。

本発明の実施例１に係る半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（スライド上死点位置）。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（半凝固金属材料（素材）の下金型への供給：ステップ１）。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（半凝固金属材料（素材）に接触するまでの高速下降中；ステップ２）。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（半凝固金属材料（素材）に接触する直前でのスライド速度の低速化；ステップ３）。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（スライド下死点位置；ステップ４）。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（スライド上死点位置にて成形完了品の取り出し；ステップ５）。 （Ａ）は同上実施例に係る成形終了後の成形品形状を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置及び油圧機構（流体圧機構）の一例を概略的に示した図である。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置によるプレス成形を説明するためのタイミングチャートである。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置によるプレス成形におけるスライド位置と荷重（スライド荷重、プレス成形荷重）を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例２に係る半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（上金型と半凝固金属材料（素材）が接触した後、上金型が３ｍｍ圧下した状態；ステップ３’）。 同上実施例２に係る半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（図１１の状態から、上金型を１．５ｍｍ上昇させた状態；ステップ３’）。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（スライド下死点位置；ステップ４）。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（スライド上死点位置にて成形完了品の取り出し；ステップ５）。 本発明の実施例３に係る半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（スライドの仮想下死点位置Ａ；ステップ４’）。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置の正面図である（スライドの真の下死点位置Ｂ；ステップ４’）。 同上実施例の半凝固金属材料のプレス成形装置によるプレス成形におけるスライド位置と荷重（スライド荷重、プレス成形荷重）を示すタイミングチャートである。

以下に、本発明の一実施の形態に係る半凝固金属材料のプレス成形方法及びプレス成形装置について、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

＜速度可変と下死点加圧を使用するプレス成形方法＞
なお、本発明に係るプレス成形装置（プレスマシン）は、図８に示すように、動力源の回転運動を往復直線運動に変換する回転運動・直線運動変換機構（例えば、クランク機構、偏芯カム機構、リンク機構など）に連結されて往復直線運動されるメインスライド２５（本発明のスライド）を備えたプレス成形装置（プレスマシン）である。
実施例１では、以下のステップに従ってプレス成形を実行する。

ステップ１では、本発明に係るプレス成形装置であるプレスマシン１００が上死点の状態（スライドが下死点位置にある状態）にて、上金型３０や下金型３１のキャビティ内面に離型剤や潤滑剤を塗布や噴霧などにより適用する（図１参照）。
その後、予め電磁撹拌装置等によって容器内の溶湯を電磁撹拌しながら冷却することにより製造された固相率３０〜９０％の半凝固金属材料（半凝固材料；半凝固スラリー）（素材、被加工材）を下金型３１のキャビティ（凹部）内に供給する（図２参照）。なお、最終的に得られる成形品は、図７に示すようなリンク部品（例えばコネクティングロッドなど）を一例としている。
上金型３０、下金型３１には、必要に応じて、電熱式のヒータ（図１、図２参照）や温度センサ（熱電対）などを設置し、半凝固金属材料（素材）を所定温度に維持する制御を行う構成とすることができる。

ステップ２は、ステップ１での半凝固金属材料（素材）の投入後、メインスライド２５を下降させて成形動作を開始し、上金型３０が半凝固金属材料（素材）に接触する前まで（図３参照）は、比較的高速でメインスライド２５を下降させる。

ステップ３は、上金型３０と半凝固金属材料（素材）が接触する直前に、接触の衝撃で半凝固金属材料（素材）の溶融部分などが飛散することを防止したり、半凝固金属材料（素材）の流動速度を適切に保つために、メインスライド２５の下降速度を遅くする（図４参照）。なお、メインスライド２５の下降速度を変化させる技術としては、公知の機械プレスのスライドモーション制御装置（例えば、特開２０１３−２２０４７５号公報等参照）を利用することができる。

ステップ４では、メインスライド２５を下死点に向けて下降させて所定位置（例えば下死点位置）に到達したときに（図５参照）メインスライド２５を一時停止させ、半凝固金属材料（成形品）に所定圧力（例えば、略一定の圧力）を所定時間付与する。なお、半凝固金属材料に付与される圧力は、これが作用している面積でスライド荷重或いはプレス荷重を除算したものであり、スライド荷重或いはプレス荷重に比例した値に相当する。

しかし、成形品は半凝固金属材料であるため、経時と共に冷却されて凝固するが、この間に、成形品の体積が収縮してしまう。

従って、クランク軸２１に連結されたメインスライド２５の動作だけでは、成形品の体積収縮に応じてスライド荷重を変化させることは非常に困難である。

すなわち、プレスマシン１００のようなクランク機構等の回転運動‐往復直線運動変換 機構によりスライドを往復移動させる構造の場合、下死点付近ではクランク角度の僅かな変化でスライド荷重が極めて大きく変化してしまう特性があるため、メインスライド２５の位置制御だけでスライド荷重を精度良く制御することは非常に困難である。

このため、実施例１では、プレスマシン１００の油圧機構（流体圧機構）を介して、成形品に作用する圧力（荷重）（すなわち、荷重センサ１８により検出するメインスライド２５に作用するスライド荷重（プレス荷重））を制御することができるように構成されている。
かかる圧力制御の方法としては、公知の機械プレスのプレス荷重制御装置（例えば、特開２０１２−８６２４６号公報等参照）を利用することができる。

具体的には、メインスライド２５を下死点に向けて下降させて、上金型３０と半凝固金属材料（素材）が接触した後は、半凝固金属材料（素材）が上金型３０及び下金型３１で囲まれたキャビティ内に良好に広がって充満するのに必要な圧力で上金型３０により半凝固金属材料（素材）を押圧するが、このとき、メインスライド２５の下降に従って上金型３０を下降させてしまうと圧力が上昇し過ぎてしまうことにもなるため、メインスライド２５の下面と上金型３０との間に備えられているサブスライド２６を介して、上金型３１の下降をメインスライド２５の動作から独立して制御（上金型３１をメインスライド２５に対して相対移動可能に制御）することができるように構成されている。

実施例１では、図８に示すように、サブスライド２６は、油圧室２３を介してメインスライド２５に接続されているため、油圧室２３の油圧の大きさを制御することで、サブスライド２６を下方から押し上げる力に抗して所定圧力をサブスライド２６延いては上金型３０に付与することができるようになっている。

ここで、例えば、サブスライド２６延いては上金型３０を下方（半凝固金属材料）に向けて所定圧力で押圧する場合（メインスライド２５に対してサブスライド２６延いては上金型３０を相対的に下降させたい場合）は、図８に示したように、油圧室２３に接続される油圧ラインに接続される油圧回路に備えられている油圧ポンプ２を電動サーボモータ３により所定に駆動することで、油圧センサ１１により油圧が所定油圧となるように検出しながら油圧回路内の油圧を所定圧に昇圧し、その所定圧に昇圧された油を油圧室２３に供給するようになっている。

この一方で、例えば、サブスライド２６延いては上金型３０が下方（半凝固金属材料）から押し上げられる力に抗して半凝固金属材料に作用する圧力を所定圧力を維持する場合（メインスライド２５に対してサブスライド２６延いては上金型３０を相対的に上昇させたい場合）は、図８に示したように、油圧室２３に接続される油圧ラインに接続される油圧回路に備えられている油圧ポンプ２を油圧室２３側から送られる高圧の油により駆動させるように油圧回路を切り換えると共に、その際に油圧センサ１１により油圧が所定油圧となるように電動サーボモータ３により油圧ポンプ２に作用する負荷の大きさを制御することで、油圧室２３内の油圧を所定圧に維持制御できるようになっている。

なお、図８において、符号１、７はアキュームレータであり、符号４はパイロット操作・チェック弁であり、符号５は電磁弁であり、符号６はリリー弁（安全弁）であり、符号１１、１２は圧力センサであり、符号１３はサーボモータの角速度センサであり、符号１４はクランク軸２１の角速度センサであり、符号１６はクランク軸２１の角度位置センサであり、符号１７はサブスライドの位置センサであり、符号１８はスライドの荷重センサであり、符号２１はクランク軸であり、符号２２はコネクティングロッドである。

そして、ステップ４での成形終了後、ステップ５では、メインスライド２５を下死点位置から上昇動作を開始し、メインスライド２５が所定量（例えば１０ｍｍ程度）下死点位置から上昇するのを待ち、ノックアウト装置により下金型３１内の成形品を上方に押し出すことで、成形品を下金型３１から取り出す（図６参照）。

このように、実施例１では、メインスライド２５の移動動作から独立してサブスライド２６延いてはこれと一体的な上金型３０を移動させることができるようにする（サブスライド２６延いてはこれと一体的な上金型３０を、メインスライド２５に対して相対移動可能に構成する）と共に、メインスライド２５とサブスライド２６との間に設けた油圧室２３の油圧を制御することにより、サブスライド２６延いては上金型３０の下面に作用する圧力（荷重センサ１８により検出されるメインスライド２５に作用するプレス荷重）を所望に制御することができるようにしたので、半凝固金属材料がプレス成形中に経時と伴に冷却されて凝固する際に体積収縮があっても、該体積収縮に応じてサブスライド２６延いては上金型３０をメインスライド２５から独立して下降させ、キャビティ内の半凝固金属材料に対して所定（例えば略一定）の成形圧力（スライド荷重；プレス荷重）を所定時間継続して作用させることができる。
このため、実施例１によれば、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができる。

ここで、実施例１におけるプレス成形について、図９に示したタイミングチャートに従って説明する。
既述したとおり、ステップ（図９では、Ｓと記す。以下同様）２にて、上金型３０と半凝固金属材料（素材）とが接触するまでは比較的高速でメインスライド２５を下降させるが、このとき、サブスライド２６は油圧室（油圧ピストン）２３の油圧によりストッパ部２５Ａに当接されている。

ステップ３（Ｓ３）にて、上金型３０と半凝固金属材料（素材）とが接触する直前にてメインスライド２５の下降速度を遅くする。
そして、実施例１では、図９のＳ３Ａにて、上金型３０と半凝固金属材料（素材）とが接触した後、半凝固金属材料（素材）が下金型３１と上金型３０により囲まれたキャビティ内に充満されるまでの間において、半凝固金属材料（素材）が飛散したりしないように、下金型３１と上金型３０により囲まれたキャビティ内に半凝固材料が充満させることができる適切な速度でメインスライド２５を下降させる。なお、このとき、サブスライド２６は油圧室２３の油圧により下方に付勢されてストッパ部２５Ａに所定圧力で当接されている。すなわち、メインスライド２５に対するサブスライド２６の上方への相対移動のストローク量（図９のＢ参照）が０となっている。

そして、下金型３１と上金型３０により囲まれたキャビティ内に半凝固材料を充満させた後、図９のＳ３Ｂにて、下金型３１と上金型３０により囲まれたキャビティ内の半凝固金属材料（素材）が必要以上に加圧されないように、油圧室（油圧ピストン）２３の油圧を制御し、半凝固金属材料（素材）に所定圧力（略一定の第１所定圧力）を作用させるようになっている（図９のＥ参照）。かかる制御内容が、請求項２、３に記載の発明の内容に相当している。
このときの油圧室（油圧ピストン）２３の油圧制御によって、メインスライド２５が下降するのに応じてサブスライド２６を上向にストロークさせることになる（図９のＢ参照）。

従って、図９のＳ３Ｂで示すように、メインスライド２５の下降量（メインスライド位置）と、サブスライド２６の上方向へのストローク量Ｓ（図９のＢ参照）と、が合計されて、上金型３０の上下方向位置（下金型３１やボルスタの上面からの距離）は略一定に維持される（図９のＣ参照）。これにより、下金型３１と上金型３０により囲まれたキャビティ内の半凝固材料を適切な圧力（第１所定圧力）で充満させることができる。

続くステップ４（Ｓ４）では、メインスライド２５を下死点位置に向けて下降させて所定位置（例えば下死点位置）に到達したときにメインスライド２５を一時停止させ、成形品に所定圧力（例えば、略一定の圧力）を所定時間付与するが、成形品は半凝固金属材料であるため、経時と共に冷却されて凝固するため、この間に、成形品の体積が収縮してしまう。このため、図９のＳ４に示すように、油圧室２３の油圧を制御し、体積収縮があっても半凝固金属材料に所定圧力（第２所定圧力：第２プレス荷重）を所定時間付与できるように（図９のＥ参照）、サブスライド２６を体積収縮に合わせて下方にストロークさせて（図９のＢ参照）、上金型３０を半凝固金属材料に向けて徐々に下降させる（図９のＣ参照）。かかる制御内容が、請求項１に記載の発明の内容に相当している。
なお、ステップ４（Ｓ４）において、メインスライド２５は下死点位置に一時停止させているが、下死点以外の位置であっても所望のプレス荷重を発生させることができる場合には、下死点以外の位置に一時停止させることも可能である。

そして、ステップ４での成形終了後、ステップ５（Ｓ５）を経て、上記ステップ１へ戻り、Ｓ２〜Ｓ５を繰り返すことで、連続的なプレス成形が行われる。
図１０のタイミングチャートに、実際のスライド位置（メインスライドの動きの様子）と、油圧室２３内の圧力（スライド荷重（プレス荷重）に相当）の測定結果を示しておく。

このように、実施例１によれば、メインスライド２５の下死点キャビティ内の半凝固金属材料に対して所定の成形圧力（スライド荷重；プレス荷重）を所定時間継続して作用させることができるため、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができる。

以上のように、実施例１によれば、メインスライド２５の動作から独立して移動可能なサブスライド２６を介して、メインスライド２５に上金型３０を取り付けると共に、メインスライド２５とサブスライド２６の間に油圧室２３等を含んでなる油圧機構（流体圧機構）を設け、それの油圧制御によりメインスライド２５に対するサブスライド２６の相対位置を制御することが可能な構成としたので、メインスライド２５を下降させて所定位置に到達したときに停止させ、その状態で、半凝固金属材料に所定の成形圧力（スライド荷重；プレス荷重）を所定時間継続して付与することができるため（図９のＳ４参照）、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができる。

すなわち、回転運動を往復直線運動に変換するためのクランク軸２１に連結されたメインスライド２５の動作だけでは、成形品の体積収縮に応じてスライド荷重を変化させることは非常に困難である（下死点付近ではクランク角度の僅かな変化でスライド荷重が極めて大きく変化してしまう特性があるため、メインスライド２５の位置制御だけでスライド荷重を精度良く制御することは非常に困難である）が、実施例１では、プレスマシン１００の油圧機構を介して、成形品（被加工材）に作用する圧力（荷重）（すなわち、荷重センサ１８により検出するメインスライド２５に作用するスライド荷重（プレス荷重））を簡単かつ精度良く制御することができ、これにより半凝固金属材料に所定の成形圧力（スライド荷重；プレス荷重）を所定時間継続して付与することができるため、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができる。

更に、実施例１では、メインスライド２５を下降させて上金型３１と半凝固金属材料とを接触させ、その後下金型３１と上金型３０により囲まれたキャビティ内に半凝固金属材料を充満させる際に（図９のＳ３Ａ参照）、下金型３１と上金型３０により囲まれたキャビティ内の半凝固金属材料が必要以上に加圧されないように、油圧室２３の油圧を制御して、半凝固金属材料に所定圧力（第１所定圧力：第１プレス荷重）を作用させるようにメインスライド２５が下降するのに応じてサブスライド２６を上向にストロークさせるようにしたので、図９のＳ４による成形前に、下金型３１と上金型３０により囲まれたキャビティ内の半凝固金属材料を適切な圧力で充満させることができ、以ってキャビティ内の半凝固金属材料を均質に分散させることができるため、素材（半凝固金属材料）の全領域での均質性が担保できず、製品において組織や組成等の局所的なバラツキが生じ、局所的に機械的強度が不足するなど、均質で安定した品質を確保し難くなるといったことを回避することができ、以って均質で機械強度的に優れ高品質のプレス成形製品を得ることができる。

更に、実施例１では、半凝固金属材料（素材）の投入後、メインスライド２５を下降させて成形動作を開始し、上金型３０が半凝固金属材料（素材）に接触する前まで（図３、図９参照）は、比較的高速でメインスライド２５を下降させる（ステップ２参照）ことで、生産スピード延いては生産効率を改善しつつ、上金型３０と半凝固金属材料（素材）が接触する直前に、メインスライド２５の下降速度を遅くするようにしたので、接触の衝撃で半凝固金属材料（素材）の溶融部分などが飛散することを防止したり、半凝固金属材料（素材）の流動速度を適切に保つことができるため、生産性の改善と、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ること、との両立を図ることができる。

以上のように、従来の半凝固金属材料の成形方法では、引け（体積収縮）の問題に対処するためには、上金型や下金型を複数に分割するなどし、これら分割された金型を引けに応じて相対移動させ金型のキャビティ容積を変更するなどの必要があり、分割された金型間に微細な隙間などが存在するなどして成形品の品質に悪影響を及ぼすおそれがあると共に、装置や設備が複雑化・高コスト化し、更には高い圧力でのプレス成形への適応も困難であると共に、耐久性・信頼性に関する問題が生じるおそれがあるといった実情があったが、実施例１によれば、サブスライド２６をメインスライド２５に対して相対移動させるといった比較的簡単な構成により引けの問題に対処できるようにしたので、簡単かつ低コストな構成でありながら、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができる半凝固材料のプレス成形方法及び装置を提供することができる。

なお、実施例１におけるプレスマシン１００は、動力源の回転運動をスライド（金型）の往復直線運動に変換する機構を備えたプレスマシンであり、動力源としては、フライホイールの回転運動、サーボモータなどの何れも採用することができるものである。

実施例２は、実施例１に対して、上金型と素材が接触した以降において上金型に振動ストロークを付与するようにした実施例である。
ステップ１、２は実施例１と同様である。

ステップ３’にて、上金型３０と半凝固金属材料（素材）が接触する直前または接触した直後から、メインスライド２５の動きから独立させて上金型３０を一定距離圧下し、その後、一定距離上金型３０を上昇させるといった上下動動作を繰り返す。例えば、３ｍｍ圧下し（図１１参照）、１．５ｍｍ上昇させる（図１２参照）、といった上下動動作を繰り返し、下死点まで２．５ｓｅｃで到達させる。かかる上下動（振動）の周波数の一例としては、０．８〜１１．６Ｈｚ程度が想定され、振動幅としては上述した例に限定されるものではなく、例えば０．０４ｍｍ以上とすることができる。
なお、かかる下降、上昇のスライドの動作させる技術としては、例えば、特開２０１４−１４４４７０号公報に記載の技術を利用することができる。かかる制御内容が、請求項２、４に記載の発明の内容に相当している。

具体的には、図８に示したように、メインスライド２５に対して相対的にサブスライド２６を上方から下向きに圧下させるための上側の油圧室２３と、メインスライド２５に対して相対的にサブスライド２６を下方から押し上げるための下側油圧室２４と、に対して、交互に油圧付与（アキュームレータ１、１７、油圧ポンプ２、電動サーボモータ３など利用）と、油圧解放と、を繰り返すことで、メインスライド２５の動きから独立して上金型３０を一定距離圧下させ、その後、一定距離上金型３０を上昇させるといった動作を繰り返すことで振動させることができる。

そして、メインスライド２５が所定位置（例えば下死点位置）に到達したとき（図１３参照）には、実施例１と同様のステップ４を実行し、メインスライド２５を一時停止させ、成形品に所定圧力（例えば、略一定の圧力）を所定時間付与する（実施例１と同様のプレス成形を行わせる）。

その後、実施例１と同様に、ステップ５により、メインスライド２５を下死点位置から上昇動作を開始し、メインスライド２５が所定量（例えば１０ｍｍ程度）下死点位置から上昇するのを待ち、ノックアウト装置により下金型３１内の成形品を上方に押し出すことで、成形品を下金型３１から取り出す（図１４参照）。

実施例２によれば、実施例１の作用効果に加え、実施例２では振動加圧を行うため、半凝固金属材料に対して短時間の加圧と短時間の圧力解放が繰り返されるため、半凝固金属材料（半凝固アルミニウム合金スラリー）の内部は半凝固状態、外周部は金型との接触や外気により冷却が進んで熱間変形状態になっているものと推定されるため、短時間の圧力解放によって、半凝固金属材料（半凝固アルミニウム合金スラリー）の外表面に熱間塑性加工で生じた応力の緩和をもたらすことができるため、塑性流動に変化を与えることができ、以って割れなどの欠陥の発生を防止することができる。

また、プレス成形の際の荷重によって金型は弾性変形するが、実施例２のように圧力解放することで、その金型の弾性変形を回復させてから成形することで、寸法精度の高いプレス成形が可能となる。

更に、実施例２のように加圧力を振動させることにより、潤滑剤（油性）の再流入が可能となるため、金型への成形品の凝着等を防止することができる。

実施例３は、実施例１に対して、スライド（上金型）の下死点位置を、仮想下死点位置と、真の下死点位置の２点とし、振動加圧等を与えるようにした実施例である。
ステップ１、２、３は実施例１と同様である。

実施例３では、ステップ４’にて、実際のスライド下死点位置より手前（上方）に設定した仮想下死点位置Ａにメインスライド２５（サブスライド２６延いては上金型３０）が到達した状態（図１５参照）で、実施例１と同様の方法により、半凝固金属材料（素材）に所定圧力を所定時間付与して凝固を完了させる。

その後、プレス成形完成品（製品）として必要な寸法を得るための真の下死点位置Ｂ（ボルスタからの高さ：Ａ＞Ｂ）として、サブスライド２６（上金型３０）を真の下死点位置Ｂまで下降させる（図１６参照）。

その際に、図１７において符号Ｘで示す波線のように、例えば、実施例２の振動加圧方法と同様の方法により、短時間の加圧と短時間の圧力解放を繰り返して半凝固金属材料を成形するような成形方法とすることができる。

または、図１７において符号Ｙで示す曲線のように、例えば、実施例２の振動加圧方法と同様の方法を利用するが、振動加圧の振幅を大きくすると共にサイクル時間（振動周期）を長くして２回の加圧（１回の圧力解放）により成形するような成形方法とすることができる。

または、実施例１や実施例２と同様の方法によってサブスライド２６をメインスライド２５から独立して下降させると共に油圧室２３の圧力を所定に昇圧させ、これにより、図１５において符号Ｚで示す直線のように、仮想下死点位置Ａでの加圧よりも大きな加圧力（スライド荷重）となるように加圧力を急激に切り替えて成形するような成形方法とすることができる（図１７のタイミングチャートの荷重（圧力）の変化を参照）。
上述した各種の制御内容（図１７の符号Ｘ、Ｙ、Ｚに示した制御内容）が、請求項５に記載の発明の内容に相当している。

このように、スライドが下死点（仮想下死点を含む）に到達したときに、キャビティ内の半凝固金属材料に対して所定時間、所定圧力（プレス荷重）を付与してプレス成形する際に、サブスライド２６（上金型３０）により半凝固金属材料（素材）を加圧振動するようにすると、既に凝固している材料に温間塑性加工を与えることができるので、より緻密で、鍛造類似の流動した鍛造組織を得ることができる。

従って、実施例３によれば、実施例１、２と同様、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができるうえに、更に、強度と延性が向上した成形品を得ることができる。

なお、特に、上金型３０と下金型３１とを突き当てるのではなく、上金型３０が下金型３１内に嵌り込み、プレスマシン（スライド）の停止位置の精度により成形品の寸法精度を期待するといった金型の場合、予め、塑性加工分を見積もり、半凝固金属材料（スラリー）の凝固位置（仮想下死点位置Ａ）を決めて、真の下死点位置Ｂまで温間鍛造を加えることで、寸法精度の高精度化を図ることができると共に、材料組織に変化を与えて強度向上などを図ることができる。

なお、上記では、油圧を用いてメインスライド２５に対してサブスライド２６を相対移動させる機構を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の流体圧を用いた機構にも適用可能である。

ところで、半凝固金属材料としては、例えば、アルミニウム合金などとすることができるが、他の金属或いは合金とすることができる。

以上のように、本発明によれば、動力源の回転運動をスライド（金型）の往復直線運動に変換する機構を備えたプレスマシンを利用して半凝固金属材料をプレス成形するプレス成形装置及び方法であって、簡単かつ低コストな構成でありながら、引け巣、凝固巣、ガスホール等の欠陥のない機械的性質に優れた成形品を得ることができる半凝固金属材料のプレス成形装置及び方法を提供することができる。

以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

２ 油圧ポンプ（本発明に係る油圧機構の一部の構成要素に相当）
３ 電動サーボモータ（本発明に係る油圧機構の一部の構成要素に相当）
２１ クランク軸
２３ 油圧室（油圧ピストン）（本発明に係る油圧機構の一部の構成要素に相当）
２４ 下側油圧室（本発明に係る油圧機構の一部の構成要素に相当）
２５ メインスライド（本発明に係るスライド）
２５Ａ ストッパ部
２６ サブスライド
３０ 上金型（上型）
３１ 下金型（下型）
１００ プレスマシン（本発明に係るプレス成形装置）

Claims (10)

1. 動力源の回転運動を往復直線運動に変換する機構を介して往復直線運動されるスライドを備え、該スライドを用いて半凝固金属材料をプレス成形するプレス成形装置であって、
   前記スライドに対してスライド往復移動方向に相対移動可能に取り付けられたサブスライドと、
   前記スライドと、前記サブスライドと、の間に介装され、前記スライドに対して前記サブスライドを流体圧により相対移動させることが可能な流体圧機構と、
   を備え、
   前記スライドの下降動作により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を、下金型に供給された半凝固金属材料に接触させた後、前記スライドを所定位置に停止させ、その状態で、前記流体圧機構により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を前記スライドに対して相対移動させることで、半凝固金属材料に所定圧力を所定時間作用させてプレス成形するようにしたことを特徴とする半凝固金属材料のプレス成形装置。
2. 前記スライドの下降動作により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を、下金型に供給された半凝固金属材料に接触させた後、前記スライドを所定位置に停止させるまでの間であって、前記スライドが下降動作を行っている間において、
   前記サブスライドに取り付けられた上金型を、前記流体圧機構により、前記スライドに対して上方向に相対移動させることで、半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することを特徴とする請求項１に記載の半凝固金属材料のプレス成形装置。
3. 前記半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することが、略一定圧力に制御することであることを特徴とする請求項２に記載の半凝固金属材料のプレス成形装置。
4. 前記半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することが、圧力を所定に振動させる制御であることを特徴とする請求項２に記載の半凝固金属材料のプレス成形装置。
5. 前記半凝固金属材料に所定圧力を所定時間作用させている間に、半凝固金属材料に作用する圧力を所定に変更することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の半凝固金属材料のプレス成形装置。
6. 半凝固金属材料をプレス成形するプレス成形方法であって、
   動力源の回転運動を往復直線運動に変換する機構を介して往復直線運動されるスライドと、
   前記スライドに対してスライド往復移動方向に相対移動可能に取り付けられたサブスライドと、
   前記スライドと、前記サブスライドと、の間に介装され、前記スライドに対して前記サブスライドを流体圧により相対移動させることが可能な流体圧機構と、
   を備えたプレスマシンを用いて、
   前記スライドの下降動作により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を、下金型に供給された半凝固金属材料に接触させた後、前記スライドを所定位置に停止させ、その状態で、前記流体圧機構により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を前記スライドに対して相対移動させることで、半凝固金属材料に所定圧力を所定時間作用させてプレス成形するようにしたことを特徴とする半凝固金属材料のプレス成形方法。
7. 前記スライドの下降動作により、前記サブスライドに取り付けられた上金型を、下金型に供給された半凝固金属材料に接触させた後、前記スライドを所定位置に停止させるまでの間であって、前記スライドが下降動作を行っている間において、
   前記サブスライドに取り付けられた上金型を、前記流体圧機構により、前記スライドに対して上方向に相対移動させることで、半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することを特徴とする請求項６に記載の半凝固金属材料のプレス成形方法。
8. 前記半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することが、略一定圧力に制御することであることを特徴とする請求項７に記載の半凝固金属材料のプレス成形方法。
9. 前記半凝固金属材料に作用する圧力を所定に制御することが、圧力を所定に振動させる制御であることを特徴とする請求項７に記載の半凝固金属材料のプレス成形方法。
10. 前記半凝固金属材料に所定圧力を所定時間作用させている間に、半凝固金属材料に作用する圧力を所定に変更することを特徴とする請求項６〜請求項９の何れか１つに記載の半凝固金属材料のプレス成形方法。

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