JP4327535B2

JP4327535B2 - 成形品の製造装置

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Publication number: JP4327535B2
Application number: JP2003307166A
Authority: JP
Inventors: 勝則野田; 信雄北田; 博文岡田
Original assignee: Kurimoto Ltd; Nissin Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd; Nissin Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005074462A

Description

本発明は、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム合金などのような非鉄金属によって各種の成形品を製造する製造装置に関し、より詳しくは、成形品用の溶湯を収容する成形空間を形成する少なくとも２つの金型を備え、その２つの金型の少なくとも一方が加圧用金型に構成されている成形品の製造装置に関する。

このような成形品の製造装置としては、鋳造用の金型を備えた鋳造装置が一般的で、金型により形成される成形空間に溶湯を注入し加圧用金型により加圧しながら凝固させて成形品を製造する加圧鋳造用の装置が知られている。
そして、従来の加圧鋳造用の装置においては、加圧用金型が単一の金型により構成され、その単一の金型をひとつの加圧手段により加圧するように構成されていた（加圧鋳造用の装置はあまりにも一般的で、引用するのに適した特許文献は見当たらない）。

したがって、従来の加圧鋳造装置では、加圧鋳造のみによって所望寸法の鋳造品を製造しようとすると、鋳造品の容積に見合った量の溶湯を成形空間内に注入する必要がある。
しかしながら、実際の作業において必要量の溶湯を正確に注入するのはきわめてむずかしく、従来では、多少多目の量の溶湯を注入して鋳造し、その後、機械加工により所望寸法の製品に仕上げていたのが実情であり、機械加工による仕上げ作業が必要不可欠であった。

本発明は、このような従来の問題点に着目したもので、その目的は、加圧用金型を特殊な構造に構成することにより、従来不可欠であった機械加工による仕上げ作業を不要にして、鋳造品を安価に製造することができ、しかも、材料特性や強度の面で鋳造品よりも優る鍛造品をも製造することのできる成形品の製造装置を提供することにある。

本発明の第１の特徴構成は、成形品用の溶湯を収容する成形空間を形成する少なくとも２つの金型を備え、その２つの金型の少なくとも一方が、前記成形空間内に注入された溶湯に対して加圧する加圧用金型に構成され、
前記加圧用金型が、前記成形空間に対する遠近方向に沿って互いに相対移動自在な主加圧用金型と流動部形成用の副加圧用金型を備え、前記主加圧用金型が主加圧手段により、前記副加圧用金型が副加圧手段により、それぞれ別々に加圧されるように構成されており、前記２つの金型によって鋳造された半成形品に対して、前記主加圧用金型及び前記副加圧用金型によって加圧しながら、前記主加圧用金型の加圧力のみを増加させるように、前記主加圧手段と副加圧手段の加圧力と加圧時間を制御する制御手段が設けられているところにある。

本発明の特徴構成によれば、成形品用の溶湯を収容する成形空間を形成する少なくとも２つの金型のうち、少なくとも一方の加圧用金型が、成形空間に対する遠近方向に沿って互いに相対移動自在な主加圧用金型と流動部形成用の副加圧用金型を備え、主加圧用金型が主加圧手段により、副加圧用金型が副加圧手段により、それぞれ別々に加圧されるように構成されているので、溶湯を注入する際に多目の量の溶湯を注入し、その余剰分を流動部形成用の副加圧用金型によって主加圧用金型から逃がして余肉部を形成することにより、従来不可欠であった機械加工による仕上げ作業が不要になる。

具体的には、多目の量の溶湯を成形空間に注入し、主加圧用金型と副加圧用金型により加圧して半成形品を鋳造するとともに、主加圧用金型を副加圧用金型よりも大きな加圧力により加圧しながら所望する寸法になるまで押圧して成形するのである。
すると、主加圧用金型に対する副加圧用金型の相対移動によって、余剰部分が塑性変形しながら主加圧用金型から逃がされて余肉部を形成する。それによって、鋳造品は主加圧用金型により所望どおりの寸法に成形され、その後、余肉部を切除するだけの作業で済むため、従来不可欠であった機械加工による仕上げ作業を不用にし、鋳造品を安価に製造することができるのである。

また、主加圧用金型と副加圧用金型により加圧して半成形品を鋳造した後、主加圧用金型を鍛造用の大きな加圧力により加圧し、その加圧力よりも小さな加圧力で副加圧用金型を加圧することによって、鋳造品を金型から取り出すことなく鍛造品にすることもできる。
それによって、半成形品では鋳造組織であったものが、鍛造用の大きな加圧力による鍛錬効果とともに、主加圧用金型に対する副加圧用金型の相対移動による塑性流動によって、均質で微細な鍛造組織にすることができる。
その結果、同じ金型を使用して鋳造と鍛造を一連の作業で行うことが可能となり、製造工程の簡略化と低廉化を図りながら、寸法精度の向上および材料特質と強度の面において優れた鍛造品を安価に製造することができる。

さらに、本発明の特徴構成によれば、主加圧手段と副加圧手段を制御する制御手段が設けられて、その制御手段が、主加圧手段と副加圧手段の加圧力と加圧時間を制御するので、主加圧用金型と副加圧用金型に対して、鋳造時には鋳造に適した加圧力と加圧時間を維持し、また、鍛造時には鍛造に適した加圧力と加圧時間を維持して、均質で微細な組織を有する優れた成形品をより一層確実に製造することができる。

本発明による成形品の製造装置につき、その実施の形態を図面に基づいて説明する。
この製造装置は、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの非鉄金属により各種の成形品、つまり、鋳造成形品や鍛造成形品を製造するための装置で、特に、高い強度と寸法精度の要求される成形品の製造に適し、図１に示すように、成形品用の溶湯を収容する成形空間Ｓを形成する下金型１と上金型２の少なくとも２つの金型１，２を備えている。

下金型１は、底盤３、底盤３上に設置された筒状の側型４、および、側型４内に上下方向に移動自在に設置された底型５などを備え、底型５は、図外のシリンダなどに連動するピストン棒６によって上下方向に移動可能に構成されている。
底型５の上面近傍には、冷却水用の冷却路７が設けられ、その冷却路７に連通する入水路７ａと出水路７ｂが底盤３と底型５にわたって設けられていて、冷却路７に冷却水を通流させることにより底型５を冷却するように構成されている。
さらに、必要に応じて、側型４にも冷却路を設けることができ、また、図示はしないが、底型５や側型４には、予熱用の加熱手段が設けられている。

上金型２は、加圧用金型として機能するもので、下金型１の側型４内に挿入自在な主加圧用金型としての第１上型８と、上下方向に相対移動自在に構成された副加圧用金型としての第２上型９を備えている。換言すると、加圧用金型としての上金型２が、成形空間Ｓに対する遠近方向に沿って互いに相対移動自在な第１上型８と第２上型９を備えている。
そして、第１上型８は主加圧手段としての第１加圧装置１０により、第２上型９は副加圧手段としての第２加圧装置１１により、それぞれ別々に加圧されるように構成され、第１上型８の下面近傍にも、冷却水用の冷却路１２が設けられて、その冷却路１２に連通する入水路１２ａと出水路１２ｂが第１上型８に設けられ、冷却路１２に冷却水を通流させることにより第１上型８を冷却するように構成されている。なお、図示はしないが、この第１上型８にも予熱用の加熱手段が設けられている。

この製造装置は、その作動が全て制御手段１３により制御されるように構成されていて、具体的には、下記のように制御作動される。
まず、制御手段１３による制御の下で、図外の加熱手段により上下の金型１，２が予熱され、図２の（イ）に示すように、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの非鉄金属の溶湯１４ａが下金型１内に注入される。
そして、図２の（ロ）に示すように、第１と第２の加圧装置１０，１１により第１と第２の上型８，９に１次加圧力Ｐ１が予め設定された加圧時間にわたって加えられ、かつ、図外のポンプの制御作動により、両金型１，２の冷却路７，１２に冷却水が通流されて金型１，２が冷却され、金型１，２により半凝固状態または凝固状態の半成形品１４ｂが鋳造される。

その後、金型１，２から半成形品１４ｂを取り出すことなく、図２の（ハ）および図１に示すように、第２加圧装置１１により第２上型９に１次加圧力Ｐ１が加えられたままで、第１加圧装置１０により第１上型８に１次加圧力Ｐ１よりも大きな２次加圧力Ｐ２が予め設定された加圧時間にわたって加えられる。
この２次加圧力Ｐ２の作用により半凝固状態または凝固状態にある半成形品１４ｂを加圧し、第２上型９の上方への相対移動により半成形品１４ｂの一部を塑性変形させて余肉部１４ｃを移動させる。つまり、第２上型９が、余肉部１４ｃを形成する流動部形成用の副金型として機能する。
その後、図２の（ニ）に示すように、上金型２と底型５が上昇されて余肉部１４ｃを一体的に有する成形品１４が取り出され、余肉部１４ｃが切除されて鋳造組織の成形品１４となるのである。

つぎに、この製造工程を図３のタイムチャート図および図４の状態概念図を参照しながら、より一層具体的に説明する。
例えば、耐熱・耐磨耗アルミニウム合金（４０３２系合金）製の成形品１４を製造する場合であれば、金型１，２は１５０〜３００℃（４２３〜５７３Ｋ）に予熱され、図４に示すように、７５０℃（１０２３Ｋ）程度にまで加熱したアルミニウム合金の溶湯１４ａが注入されて、１次加圧力Ｐ１として１７５ＭＰａ前後の圧力が加えられる。
この１次加圧によって、液体状態にあった溶湯１４ａは、半凝固状態から凝固状態へと変化して半成形品１４ｂとなり、その半成形品１４ｂの表面温度が４００℃（６７３Ｋ）程度、内部温度が５００℃（７７３Ｋ）程度になった時点で、４６０ＭＰａ前後の２次加圧力Ｐ２が加えられて鋳造成形品１４が製造されるのである。

つぎに、図５に基づいて別の実施形態について説明するが、重複説明を避けるため、先の実施形態で説明した構成部品や同じ作用を有する構成部品については、先の実施形態と同じ符号を付すことにより説明を省略し、主として先の実施形態と異なる構成について説明する。

この図５に示す別の実施形態では、下金型１が、筒状の側型４とその側型４内に位置する底型５により構成され、かつ、その底型５が、第１底型５ａと第２底型５ｂにより構成されている。
第１底型５ａと第２底型５ｂは、上下方向に互いに相対移動自在に構成され、加圧用金型として機能する第１底型５ａは、加圧手段としての第３加圧装置１５により加圧されるように構成され、第２底型５ｂの方は、側型４に対して相対移動しないように固定されている。
なお、図示はしないが、第１底型５ａ、第１上型８、および、側型４には、冷却水用の冷却路と予熱用の加熱手段が設けられている。

この製造装置においても、その作動の全てが制御手段１３により制御され、図６の（イ）に示すように、溶湯１４ａが下金型１内に注入され、図６の（ロ）に示すように、第１と第２の上型８，９に１次加圧力Ｐ１が予め設定された加圧時間にわたって加えられ、かつ、両金型１，２が冷却されて、半凝固状態または凝固状態の半成形品１４ｂが鋳造される。
その後、金型１，２から半成形品１４ｂを取り出すことなく、図６の（ハ）に示すように、第１と第２の上型８，９に１次加圧力Ｐ１よりも大きな鍛造用の２次加圧力Ｐ２が、また、第１底型５ａには第３加圧装置１５により所定の背圧Ｐ３が、それぞれ予め設定された加圧時間にわたって加えられ、その後、図６の（ニ）および図５に示すように、第２上型９への加圧力が低減される。
それによって、半凝固状態または凝固状態にある半成形品１４ｂが鍛造され、塑性流動による変形で材料特性が大幅に改善されるとともに、第２上型９の上方への相対移動により余肉部１４ｃが形成されるのであり、その後、図６の（ホ）に示すように、上金型２が上昇され、図６の（ヘ）に示すように、第１底型５ａの上昇により余肉部１４ｃを有する成形品１４が取り出され、余肉部１４ｃが切除されて鍛造組織の成形品１４となる。

この製造装置においても、例えば、耐熱・耐磨耗アルミニウム合金（４０３２系合金）製の鍛造成形品１４を製造する場合であれば、金型１，２は１５０〜３００℃（４２３〜５７３Ｋ）に予熱され、７５０℃（１０２３Ｋ）程度にまで加熱したアルミニウム合金の溶湯１４ａが注入されて、１次加圧力Ｐ１として１７５ＭＰａ前後の圧力が加えられる。
そして、その半成形品１４ｂの表面温度が４００℃（６７３Ｋ）程度、内部温度が５００℃（７７３Ｋ）程度になった時点で、４６０ＭＰａ前後の２次加圧力Ｐ２が加えられて鍛造成形品１４が製造されるのである。

ただし、上述した温度や加圧力は単なる一例であり、実際の実施に際しては、使用する合金の種類や成形品１４の形状などに応じて、最適な温度や加圧力が選択されて制御手段１３により制御されることになる。
この点に関して種々の実験を行ったところ、図４の右側に示すように、１次加圧力Ｐ１としては、５０〜２５０ＭＰａの範囲内が、また、２次加圧力Ｐ２としては、１００ＭＰａ以上、特に、１００〜１０００ＭＰａの範囲内で、１次加圧力Ｐ１よりも大きな圧力を選択するのが好ましいことが判明した。
その１次加圧と２次加圧時における溶湯１１ａおよび半成形品１４ｂの温度は、図４の左側に示すように、１次加圧時で３５０〜７３０℃（６２３〜１００３Ｋ）、２次加圧時で２００〜５５０℃（４７３〜８２３Ｋ）程度であった。

〔別実施形態〕
これまでの実施形態では、アルミニウム合金製の成形品１４を製造する例について説明したが、アルミニウムやアルミニウム合金以外にも、マグネシウムやマグネシウム合金などの各種の非鉄金属製の成形品を製造する場合にも適用することができる。
製造の対象となる成形品１４については、特に制限はなく、したがって、使用する金型についても、これまでの実施形態で示した金型１，２に限るものではなく、各種の形状や構成を有する金型を使用することができる。

成形品の製造装置を示す概念図成形品の製造工程を示す概念図製造工程のタイムチャート図製造工程の状態概念図別の実施形態による成形品の製造装置を示す概念図別の実施形態による成形品の製造工程を示す概念図

符号の説明

１金型
２加圧用金型
８主加圧用金型
９副加圧用金型
１０主加圧手段
１１副加圧手段
１３制御手段
１４成形品
Ｓ成形空間

Claims

成形品用の溶湯を収容する成形空間を形成する少なくとも２つの金型を備え、その２つの金型の少なくとも一方が、前記成形空間内に注入された溶湯に対して加圧する加圧用金型に構成され、
前記加圧用金型が、前記成形空間に対する遠近方向に沿って互いに相対移動自在な主加圧用金型と流動部形成用の副加圧用金型を備え、前記主加圧用金型が主加圧手段により、前記副加圧用金型が副加圧手段により、それぞれ別々に加圧されるように構成されており、前記２つの金型によって鋳造された半成形品に対して、前記主加圧用金型及び前記副加圧用金型によって加圧しながら、前記主加圧用金型の加圧力のみを増加させるように、前記主加圧手段と副加圧手段の加圧力と加圧時間を制御する制御手段が設けられている成形品の製造装置。