JP4379621B2 - アルミニウム合金の成形方法 - Google Patents

Description

本発明はアルミニウム合金の成形方法に係り、特に機械的性質の優れた高精度の製品を成形するアルミニウム合金の成形方法に関する。

従来、アルミニウム合金のダイカスト成形は、固定された金型キャビティ内に、金属キャビティに連通する湯口よりシリンダピストン等でアルミニウム合金の溶湯を注入することによって行っていた（特許文献１）。

しかしながら、ダイカスト成形品は、製造しやすい利点があるが、溶湯の注入時にガスの捲き込みや酸化膜が混入し、また、凝固時に引け巣が発生し、機械的強度が低いという問題がある。

一方、アルミニウム合金の製品の機械的性質を向上させる手法として、鋳造鍛造による製造方法がある（特許文献２）。

特許文献２に記載のアルミニウム合金の鋳造鍛造方法は、まず、アルミニウム合金の溶湯を鋳型に注入して鋳造品（プリフォーム成形体）を鋳造し、続いて、プリフォーム成形体を粗打鍛造に適した温度下で粗打鍛造し、次いで、粗打鍛造時よりも低い仕上鍛造に適した温度下で仕上鍛造している。また、仕上鍛造した鍛造品からバリ材を分離させるトリミング処理や溶体化時効処理（熱処理）を施し、最終の製品を製造するようにしている。
特開２００４−３４４９５６号公報 特開２００３−１３５７号公報

特許文献１等に記載のアルミニウム合金のダイカスト成形法では、低速充填（層流充填）したり、半凝固、半溶融金属を材料とすることにより、ガスの捲き込みを低減することができるが、凝固収縮に伴う引け巣の発生を防止することができないという問題がある。

一方、特許文献２等に記載のアルミニウム合金の鋳造鍛造方法は、ダイカスト成形法よりも製品の機械的性質を向上させることができるが、加工の工程数が多く、製造コストが高くなるという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ガスの巻き込みや酸化膜の混入、及び引け巣のない機械的性質の優れた製品を成形することができるとともに、鋳造鍛造方法に比べて製造コストの低減を図ることができるアルミニウム合金の成形方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に係るアルミニウム合金の成形方法は、アルミニウム合金の溶湯、半溶融又は半凝固金属を、プレス金型のキャビティ内に投入する工程と、前記プレス金型によりキャビティ内のアルミニウム合金に圧力を加えて製品を成形する工程であって、製品が完成するまで前記プレス金型でアルミニウム合金に直接圧力を加え続ける工程と、を含み、
前記プレス金型は、上型と、下型と、前記上型及び下型の少なくとも一方から出没して前記キャビティの形状を変化させるための可動部材とを有し、
前記製品を成形する工程は、前記上型が取り付けられたスライドを駆動する第１の加圧手段によって前記キャビティ内のアルミニウム合金に圧力を加える工程であって、前記キャビティ内のアルミニウム合金の温度が凝固終了温度に達する時点まで圧力を加え続けて製品を一次成形する工程と、前記上型と前記可動部材とを第２の加圧手段によって相対的に駆動してキャビティの形状を変化させる工程であって、前記一次成形後に一次成形された製品の形状変化率が１０〜４０％の範囲になるように前記上型と前記可動部材とを相対的に駆動してキャビティの形状を変化させて製品を二次成形する工程と、を含み、前記キャビティの形状の変化に合わせてアルミニウム合金を成形することを特徴としている。

即ち、本発明は、成形時に移動しないダイカスト金型を使用するのではなく、単一のプレス金型を使用してアルミニウム合金を鋳造鍛造する新規の成形方法であり、特にプレス金型によって製品が完成するまでアルミニウム合金に直接圧力を加え続けるようにしている。これにより、凝固収縮中もプレス金型によりアルミニウム合金に直接圧力をかけ続けるため、金属溶湯の凝固収縮により生じる粗い内壁を持つ空洞状の鋳造欠陥（引け巣）の発生を防止することができる。また、アルミニウム合金の半溶融又は半凝固金属を材料として使用することによりガスの捲き込みを最小限にすることができ、また、アルミニウム合金の溶湯を材料として使用する場合も、プレス金型に投入する溶湯の流動距離を短くすることができるため、ガスの捲き込みを最小限にすることができる。
また、キャビティを固定化せず、キャビティの形状を成形工程で順次変化させて材料を流動させることにより複雑な形状の部位又は製品薄肉部であっても、金属組織の安定した成形ができるようにしている。
更に、アルミニウム合金の温度が凝固終了温度に達した一次成形品を成形し、続いて、この一次成形品の形状変化率が１０〜４０％の範囲になるようにキャビティの形状を変化させて二次成形を行う。一次成形品を、その形状変化率が１０〜４０％の範囲になるように塑性変形させることにより材料の鍛練（鍛造加工）が行われ、これにより、製品の機械的性質の向上を図るようにしている。尚、アルミニウム合金の温度が凝固終了温度に達する時点は、アルミニウム合金の温度を測定して判断したり、例えば、材料をキャビティに投入してからの経過時間（予め測定されている時間）によって判断するようにしてもよい。

請求項２に示すように請求項１に記載のアルミニウム合金の成形方法において、前記アルミニウム合金の溶湯、半溶融又は半凝固金属は、前記製品の成形に必要な容積だけ前記キャビティに投入することを特徴としている。キャビティに投入した材料の全てが製品として成形されるため、材料歩留りが向上し、コストダウンを図ることができる。尚、投入する材料の容積を過不足なくすることで、成形される製品の寸法精度を向上させることができる。

請求項３に示すように請求項１又は２に記載のアルミニウム合金の成形方法において、前記アルミニウム合金の溶湯、半溶融又は半凝固金属は、前記キャビティの長手方向の長さに対応する長さになるように投入することを特徴としている。プレス金型を使用するため、例えば、棒状の製品を成形する場合には、その製品の長さに合わせて長い範囲にわたって材料を投入することができ、これにより材料の流動距離を最小限にすることができる。即ち、材料の流動距離を最小限にすることにより、キャビティ内での流動中の冷却（粘性増加）を抑制し、充填不足や湯流れ不良を防止することができる。

請求項４に示すように請求項１乃至３のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法において、前記可動部材は駆動ピンであり、前記駆動ピンを突出させて前記製品に凹部又は穴部を成形することを特徴としている。即ち、製品の凹部又は穴部の溶湯合流部での金属組織の安定化を図ることができ、特に流動性の低い半溶融又は半凝固金属を材料とした場合に有効である。

請求項５に示すように請求項１乃至３のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法において、前記可動部材を駆動し、製品の薄肉部を成形することを特徴としている。即ち、製品の薄肉部を最初から成形する場合には、充填不足や湯流れ不良が生じやすいが、キャビティの形状を成形工程で変化させて材料を流動させることにより薄肉部であっても金属組織の安定した成形ができる。

請求項６に示すように請求項１乃至５のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法において、前記上型と前記可動部材とを相対的に駆動してキャビティの形状を変化させる際に、前記可動部材を突出する方向に駆動するとともに、前記上型を上昇させることを特徴としている。

請求項７に示すように請求項１乃至５のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法において、前記上型と前記可動部材とを相対的に駆動してキャビティの形状を変化させる際に、前記上型の駆動によってキャビティ内のアルミニウム合金に加わる圧力よりも前記可動部材の駆動によってキャビティ内のアルミニウム合金に加わる圧力を高くし、その差圧によって前記上型を上昇させることを特徴としている。

請求項８に示すように請求項７に記載のアルミニウム合金の成形方法において、前記上型と前記可動部材とを相対的に駆動してキャビティの形状を変化させる際に、前記上型の圧力を低くし、前記可動部材の駆動に伴うキャビティ内のアルミニウム合金の圧力上昇に応じて前記上型を容易に上昇可能にしたことを特徴としている。これにより、前記可動部材の駆動圧力（アルミニウム合金に加わる圧力）を大幅に上昇させることなく、差圧によって上型を容易に上昇させることができる。

請求項９に示すように請求項１乃至８のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法において、前記上型及び可動部材のうちの少なくとも一方の位置を測定するリニアスケールを設け、前記リニアスケールの測定結果に基づいて前記上型及び可動部材のうちの少なくとも一方の位置を制御することを特徴としている。即ち、アルミニウム合金に加える圧力だけでは製品の形状が定まらないが、前記上型及び可動部材のうちの少なくとも一方の位置を制御することにより、製品の形状が定まり、寸法精度の高い製品を成形することができる。

本発明によれば、プレス金型を使用し、製品が完成するまでプレス金型でアルミニウム合金に直接圧力を加え続けるようにしたため、ガスの巻き込みや酸化膜の混入、及び引け巣のない機械的性質の優れた製品を成形することができ、また、同一のプレス金型を使用して鍛造加工も行うことができ、従来の鋳造鍛造方法に比べて製造コストの低減を図ることができる。

以下添付図面に従って本発明に係るアルミニウム合金の成形方法の好ましい実施の形態について詳説する。

［本発明方法に適用される成形装置の構成例］
図１は本発明に係るアルミニウム合金の成形方法に適用される成形装置の一例を示す全体構成図である。

図１に示す成形装置１０は、例えば、油圧プレスであり、ベッド１２、コラム１４及びクラウン１６でフレームが構成され、スライド２０は、コラム１４に設けられたガイド部１８により鉛直方向に移動自在に案内されている。スライド２０は、クラウン１６上に設けられた第１油圧シリンダ２２によって駆動力が伝達され、図１上で上下方向に移動させられる。このスライド２０の下端には上型２４が取り付けられている。

また、スライド２０内には、インナースライド２６が鉛直方向に移動自在に配設されており、インナースライド２６は、第２油圧シリンダ２８によって駆動力が伝達され、スライド２０に対して上下方向に移動させられる。このインナースライド２６の下端には上型スライダ３０が取り付けられている。そして、スライド２０に対して第１インナースライド２６を相対的に移動させると、上型スライダ３０は、上型２４から出没できるようになっている。

一方、成形装置１０のベッド１２に設けられたボルスタ３２上には下型３４が取り付けられている。また、ボルスタ３２と下型３４との間には、第３油圧シリンダ３６によって上下方向に駆動される下型成形ピン駆動プレート３８が配設され、この駆動プレート３８上には、下型成形ピン４０が植設されている。そして、第３油圧シリンダ３６によって駆動プレート３８を上下方向に移動させると、下型成形ピン４０は、下型３４から出没できるようになっている。

尚、この実施の形態では、上記上型２４、下型３４、上型スライダ３０及び下型成形ピン４０によってプレス金型における製品成形用のキャビティが構成される。また、このキャビティの形状は、第１油圧シリンダ２２、第２油圧シリンダ２８及び第３油圧シリンダ３６によって上型２４、上型スライダ３０、及び下型成形ピン４０を移動させることにより変化させることができる。

［アルミニウム合金の成形方法］
次に、本発明に係るアルミニウム合金の成形方法について説明する。

図２乃至図５はそれぞれ本発明方法による成形装置１０の動作状態（成形工程）を示す図であり、図１に示した成形装置１０の要部を示している。また、図６はこの成形装置１０によって形成される製品５０ｄの斜視図である。

＜材料の投入工程＞
図２は成形装置１０への材料の投入工程を示す図である。

同図に示すように、アルミニウム合金の半溶融又は半凝固金属からなる材料５０ａを、下型３４内のキャビティに投入する。

この材料５０ａの投入量は、製品の成形に必要な容積だけキャビティに投入する。投入された材料５０ａは、後述するようにそのまま製品として成形されるため、材料歩留りがよく、製品をコストダウンすることができる。

また、材料５０ａは、下型３４のキャビティの長手方向の長さに対応する長さになるように投入することが好ましい。特に、棒状の製品を成形する場合には、その製品の長さに合わせて長い範囲にわたって材料５０ａを投入する。これにより、後段の成形時における材料５０ａの流動距離を最小限にすることができる。

＜一次成形工程（第１の成形工程）＞
図３は成形装置１０による材料の一次成形工程を示す図であり、一次成形工程中の最初の成形工程（第１の成形工程）に関して示している。

ここで、一次成形工程とは、鋳造工程に相当する工程であり、プレス金型により材料５０ａに圧力を加えながら一次成形品（プリフォーム成形体）を成形する。

図３に示すように、一次成形工程中の第１の成形工程では、第１油圧シリンダ２２（図１参照）のみを駆動し、スライド２０を下降させる。これにより、下型３４のキャビティに投入された材料５０ａは、上型２４及び上型スライダ３０に押圧されて流動し、上型２４、上型スライダ３０、下型３４、及び下型成形ピン４０によって画成されるキャビティの形状に成形される。

この第１の成形工程で成形された材料５０ｂは、キャビティ内を隙間なく充満するように成形される。

＜一次成形工程（第２の成形工程）＞
図４は成形装置１０による材料の一次成形工程を示す図であり、一次成形中の２番目の成形工程（第２の成形工程）に関して示している。

上記第１の成形工程に引き続き、第２の成形工程による一次成形が行われる。

図４に示すように、一次成形工程中の第２の成形工程では、第３油圧シリンダ３６（図１参照）のみを駆動し、駆動プレート３８とともに下型成形ピン４０を上昇させ、下型３４からキャビティ内に下型成形ピン４０を突出させる。これにより、第１の成形工程で成形された材料５０ｂは、下型成形ピン４０によって押圧され、下型成形ピン４０に相当する部分が押し退けられる。

尚、この実施の形態では、軸受け穴部を有する製品の軸受け穴部を、第２の成形工程で成形する場合について説明したが、これに限らず、例えば、凹部を有する製品や、薄肉部を有する製品の場合には、その凹部や薄肉部は、第２の成形工程で成形する。これは、第１の成形工程で、上記軸受け穴等を成形する場合には、材料の充填不足や湯流れ不良が生じやすいからである。

また、下型成形ピン４０の挿入時に材料に加えられる圧力は、スライド２０の押下（第１油圧シリンダ２２による押圧力）によって材料に加えられている圧力よりも大きく、その差圧によってスライド２０は上昇させられる。即ち、下型成形ピン４０の挿入動作に伴ってキャビティ内の圧力が上昇し、これに連動してスライド２０が上昇する。

そして、下型成形ピン４０の挿入によって製品の軸受け穴部を成形したのち、キャビティ内のアルミニウム合金の温度が凝固終了温度（例えば、５５０〜５８０°Ｃ：合金の種類によって異なる）に達する時点まで圧力を加え続ける。尚、アルミニウム合金の温度が凝固終了温度に達する時点は、アルミニウム合金の温度を測定して判断したり、例えば、材料をキャビティに投入してから成形加工に伴って冷却され凝固終了温度に達するまでの一定時間（この一定時間は、凝固終了温度に達するまでの予測時間）によって判断する。

このようにして、凝固終了温度に達したアルミニウム合金の一次成形品５０ｃが成形される。

＜二次成形工程（第３の成形工程）＞
図５は成形装置１０による一次成形品５０ｃの二次成形工程（第３の成形工程）を示す図である。

ここで、二次成形工程は、一次成形品５０ｃ（プリフォーム成形体）に対する鍛造工程に相当する工程であり、上記一次成形工程に引き続いて連続的に行われる。

図５に示すように、第３の成形工程では、スライド２０内の第２油圧シリンダ２８（図１参照）のみを駆動し、インナースライド２６とともに上型スライダ３０を下降させる。これにより、鍛造（熱間鍛造）に適した温度状態の一次成形品５０ｃは、上型スライダ３０によって押圧され、二次成形品（製品）５０ｄの形状になるように成形される。

この上型スライダ３０の移動によるキャビティの形状は、一次成形品５０ｃの形状変化率が１０〜４０％の範囲になるように変化させられる。このようにして一次成形品５０ｃの形状変化率が１０〜４０％の範囲になるように変形させることにより、アルミニウム合金の鍛造が適切に行われ、製品５０ｄの機械的性質を向上させることができる。

尚、第３の成形工程では、図１に示したように第２油圧シリンダ２８によりインナースライド２６を駆動して上型スライダ３０によって一次成形品５０ｃを加圧するため、その反力がスライド２０に加わり、上型２４による押圧力が低くなり、上型２４が上昇しやすくなるが、第２の成形工程と同様に第３の成形工程中のキャビティの形状を変化させる期間は、スライド２０の押圧力を低くし、上型２４が容易に上昇できるようにすることが好ましい。

また、上記のようにして上昇した上型２４を再度下降させ（この場合、上型スライダ３０が上昇する）、製品５０ｄの軸受け部分の鍛造をより確実に行うようにしてもよい。

そして、第３の成形工程の終了後もスライド２０により安定した圧力を製品５０ｄ全体にかけ続ける。

このようにして、製品５０ｄの凝固収縮が終了するまでプレス金型によって製品５０ｄに圧力をかけ続けることで、凝固時の引け巣が無い高精度の製品５０ｄを生産することが可能になる。

尚、この実施の形態では、第１油圧シリンダ２２、第２油圧シリンダ２８及び第３油圧シリンダ３６を圧力制御することによりキャビティの形状を変化させるとともに、キャビティ内の材料に圧力を加えるようにしているが、材料に加える圧力だけでは製品の形状が定まらない。そこで、スライド２０及びインナースライド２６の位置を測定するリニアスケールを設け、このリニアスケールの測定結果に基づいて上型２４や上型スライダ３０の位置制御を行うことにより、製品５０ａの形状が定まり、寸法精度の高い製品５０ａを成形することができる。

また、この実施の形態では、材料５０ａとしてアルミニウム合金の半溶融又は半凝固金属を使用するようにしたが、アルミニウム合金の溶湯を使用するようにしてもよい。

更に、この実施の形態では、成形装置１０として油圧プレスを使用する場合について説明したが、これに限らず、プレス金型に加える圧力を調整することができるものであれば、例えば、スクリュープレス等の他の装置を使用することができる。また、本発明方法は、この実施の形態の形状の製品に限らず、さまざまな形状の製品を成形することができる。

図１は本発明に係るアルミニウム合金の成形方法に適用される成形装置の一例を示す全体構成図である。 図２は本発明方法による成形装置の動作状態（成形工程）を示す図で、成形装置への材料の投入工程を示す図である。 図３は本発明方法による成形装置の動作状態を示す図で、成形装置による材料の一次成形工程中の最初の成形工程（第１の成形工程）を示す図である。 図４は本発明方法による成形装置の動作状態を示す図で、成形装置による材料の一次成形工程中の２番目の成形工程（第２の成形工程）を示す図である。 図５は本発明方法による成形装置の動作状態を示す図で、成形装置による一次成形品の二次成形工程（第３の成形工程）を示す図である。 図６は本発明方法によって形成された製品の斜視図である。

符号の説明

１０…成形装置、１２…ベッド、１４…コラム、１６…クラウン、２０…スライド、２２…第１油圧シリンダ、２４…上型、２６…インナースライド、２８…第２油圧シリンダ、３０…上型スライダ、３２…ボルスタ、３４…下型、３６…第３油圧シリンダ、３８…下型成形ピン駆動プレート、４０…下型成形ピン、５０ａ…キャビティ投入時の材料、５０ｂ…第１の成形工程によって成形された材料、５０ｃ…第２の成形工程によって成形された材料（一次成形品）、５０ｄ…第３の成形工程によって成形された二次成形品（製品）

Claims (9)

1. アルミニウム合金の溶湯、半溶融又は半凝固金属を、プレス金型のキャビティ内に投入する工程と、
   前記プレス金型によりキャビティ内のアルミニウム合金に圧力を加えて製品を成形する工程であって、製品が完成するまで前記プレス金型でアルミニウム合金に直接圧力を加え続ける工程と、を含み、
   前記プレス金型は、上型と、下型と、前記上型及び下型の少なくとも一方から出没して前記キャビティの形状を変化させるための可動部材とを有し、
   前記製品を成形する工程は、
   前記上型が取り付けられたスライドを駆動する第１の加圧手段によって前記キャビティ内のアルミニウム合金に圧力を加える工程であって、前記キャビティ内のアルミニウム合金の温度が凝固終了温度に達する時点まで圧力を加え続けて製品を一次成形する工程と、
   前記上型と前記可動部材とを第２の加圧手段によって相対的に駆動してキャビティの形状を変化させる工程であって、前記一次成形後に一次成形された製品の形状変化率が１０〜４０％の範囲になるように前記上型と前記可動部材とを相対的に駆動してキャビティの形状を変化させて製品を二次成形する工程と、を含み、前記キャビティの形状の変化に合わせてアルミニウム合金を成形することを特徴とするアルミニウム合金の成形方法。
2. 前記アルミニウム合金の溶湯、半溶融又は半凝固金属は、前記製品の成形に必要な容積だけ前記キャビティに投入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の成形方法。
3. 前記アルミニウム合金の溶湯、半溶融又は半凝固金属は、前記キャビティの長手方向の長さに対応する長さになるように投入す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の成形方法。
4. 前記可動部材は駆動ピンであり、前記駆動ピンを突出させて前記製品に凹部又は穴部を成形することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法。
5. 前記可動部材を駆動し、製品の薄肉部を成形することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法。
6. 前記上型と前記可動部材とを相対的に駆動してキャビティの形状を変化させる際に、前記可動部材を突出する方向に駆動するとともに、前記上型を上昇させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法。
7. 前記上型と前記可動部材とを相対的に駆動してキャビティの形状を変化させる際に、前記上型の駆動によってキャビティ内のアルミニウム合金に加わる圧力よりも前記可動部材の駆動によってキャビティ内のアルミニウム合金に加わる圧力を高くし、その差圧によって前記上型を上昇させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法。
8. 前記上型と前記可動部材とを相対的に駆動してキャビティの形状を変化させる際に、前記上型の圧力を低くし、前記可動部材の駆動に伴うキャビティ内のアルミニウム合金の圧力上昇に応じて前記上型を容易に上昇可能にしたことを特徴とする請求項７に記載のアルミニウム合金の成形方法。
9. 前記上型及び可動部材のうちの少なくとも一方の位置を測定するリニアスケールを設け、前記リニアスケールの測定結果に基づいて前記上型及び可動部材のうちの少なくとも一方の位置を制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のアルミニウム合金の成形方法。

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