JP5136169B2 - 半溶融金属成形用金型 - Google Patents

Description

本発明は半溶融金属成形用金型に係り、特に、成形品に軸受部となる環状部を有して、該環状部で半溶融金属が合流した際に発生する湯境を防止して良好な成形品を得るようにした半溶融金属成形用金型に関する。

チクソキャスト法とも呼ばれる半溶融金属の成形方法は、アルミニウム、マグネシウム又はアルミニウム合金等の軽金属を半溶融状態で金型キャビティ内に加圧充填することによって成形品を得る方法である。

しかし、半溶融金属の成形方法では、成形する際の溶融金属の温度が従来のダイカスト法に比べて低いことから、半溶融金属の合流部等にガス欠陥等を含む湯境が発生し易いといった問題を有している。この湯境は、複雑な形状の成形品、例えばキャビティ内で半溶融金属が合流して一体となるような部分を有する場合において特に発生し易く、湯境の発生によりその部分の成形品強度が著しく低下することから、品質の低下が避けられない、という問題があった。

例えば、特許文献１には、湯境の生じる合流部を外部から挟んだ対向位置に連絡通路を介し、金型の開閉方向に広く、開閉方向と交差する方向に浅く、環状部の長さに略一致するようにオーバーフロー部を配設して、湯境をオーバーフロー部に流れ込ませて成形品の欠陥を防止する半溶融金属成形用金型が提案されている。しかしながら、環状部の中心穴をコアピンで形成するとともに、環状部の肉厚が一様ではなく肉厚が変化している成形品で環状部の軸心を金型の開閉方向と交差する方向に構成した場合、前記オーバーフロー部の充填が先に完了して湯境をオーバーフロー部に排出することができず、品質の低下を避けることができない。

図６は、環状部の軸心方向にオーバーフローを設けた構成の従来の半溶融金属成形用金型のキャビティ部概要図である。図６に示すように、環状部１０２の軸心は金型の開閉方向と交差する方向とし、環状部の中心穴はコアピン１２６により形成される。コアピン１２６は抜け勾配を有するので、環状部１０２のコアピン挿入方向の断面積と肉厚は軸心方向で変化する。そして、オーバーフローゲート１０３及びオーバーフロー１０５により構成されるオーバーフロー部１０８は、環状部１０２の長さに略一致して設けられた構成となっている。

図７は、図６に示すキャビティ部１００に半溶融金属を加圧充填した場合の挙動を示す概念図である。図７を用いて半溶融金属の挙動を説明する。金型キャビティの環状部１０２に流入した半溶融金属は、図７（１）に示したように徐々に環状部１０２と厚肉側からオーバーフロー１０５に流入しながら前進する。前述したように環状部１０２はコアピン１２６の挿入方向に対して断面積が変化している。このため、図７（２）に示すように金型キャビティ内に充填された半溶融金属は厚肉側を優先して流れオーバーフロー１０５が先に完全充填される。次いで、図７（３）に示すように、薄肉側の湯先である半溶融金属の合流部Ｊがオーバーフロー１０５に排出されることなく充填が完了する。
このように、従来型の半溶融金属成形用の金型を用いて成形した場合には、成形品の薄肉部に湯境Ｙが取り残されることで、品質が低下する。図７に記載の矢印は半溶融金属を加圧充填した際の挙動を示す。また、湯境Ｙは最終充填位置の合流部に発生している。

特開２００４−７４２７０号公報

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、簡便な構造により半溶融金属の湯境や残留ガスによる成形品の欠陥を防止するようにした半溶融金属成形用金型を提供することを目的とするものである。

このような問題を解決するために、本発明に係る第１の発明では、肉厚変化を有する環状部に半溶融金属を充填し、該充填した際に生じる前記半溶融金属の合流部にオーバーフローを形成した半溶融金属成形用金型であって、前記オーバーフローは、前記環状部の軸線方向に複数分割して設けられたことを特徴とする。

第１の発明を主体とする第２の発明では、前記複数に分割して設けたオーバーフローは、それぞれ独立してエアベントを備えたことを特徴とする。

本発明に係る半溶融金属成形用金型によれば、オーバーフローを成形品の肉厚が変化する方向且つ、半溶融金属の合流部に複数に分割して形成したので、環状部に発生する湯境をオーバーフローに排出することが可能となり、環状部の肉厚の変化にかかわらず湯境やガスの残留に伴う成形品の欠陥を防止するようにしたことにより、機械強度の高い成形品を安定して製造することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付した図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るオーバーフローを環状部の軸線方向と一致する位置に配設した半溶融金属成形用金型のキャビティ部概要図、図２は半溶融金属の挙動を説明するための説明図、図３はオーバーフローを環状部の軸線方向と一致する位置に配設した金型の要部断面図である。図４は、オーバーフロー部の寸法構成を説明する説明図である。図５は、本発明に係る他の実施形態のオーバーフローを環状部の軸線方向と一致する位置に配設した半溶融金属成形用金型のキャビティ部概要図である。

図１と図３を用いて半溶融金属成形用金型の構造を説明する。符号１は成形品のキャビティ部、８はオーバーフロー部を示す。オーバーフロー部８は第１オーバーフローゲート３、第１オーバーフロー５、第２オーバーフローゲート１３及び第２オーバーフロー１５により構成される。
キャビティ部１は、成形品本体部の末端部に環状部２が形成され、半溶融金属を加圧充填した際に最終充填位置となる環状部２の軸線方向にオーバーフロー部８が設けられた構成となっている。符号２６は環状部２の中心穴を形成するコアピンであり、駆動手段２５により軸線方向に進退自在に移動する構成となっている。

図１に示すように、キャビティ部１の環状部２と第１オーバーフロー５、第２オーバーフロー１５との間は、第１オーバーフローゲート３と第２オーバーフローゲート１３とでそれぞれ接続されている。第１オーバーフローゲート３と第２オーバーフローゲート１３のゲート断面積は、オーバーフローゲートにオーバーフローを一部重ねて形成したので、成形品キャビティ側の開口面積に比してオーバーフロー側の開口面積を大きく設定した構成となっている。
そして、環状部２の軸線方向、即ちコアピンの抜け勾配によって形成される肉厚の変化する方向にオーバーフロー５、１５が分割して設けられている。

図３に示すように、半溶融金属成形用金型１０は、固定金型２０と可動金型３０とを備えており、両金型２０、３０の内部には、成形品の形状に対応するキャビティ部１が形成されている。
固定金型２０と可動金型３０の下端部には、半溶融金属Ｍをキャビティ部１に加圧充填するための傾転自在な射出装置３４が設けられている。この射出装置３４とキャビティ部１との間には、保持容器から半溶融金属Ｍの装填された射出スリーブ３６を固定金型２０と可動金型３０の下端部に当接させてキャビティ部１に加圧充填するための注入口３２が設けられている。

符号２５は、コアピン２６の駆動手段であり、駆動に流体圧シリンダを用いる構成とした。そして、符号３８は半溶融金属Ｍを金型に形成したキャビティ部１に加圧充填する為の射出プランジャロッドである。
符号６、１６は第１オーバーフロー５、第２オーバーフロー１５にそれぞれ設けられたガス抜きのためのエアベントである。金型キャビティ内の残留ガスは、半溶融金属の充填に伴い前記ガスベントから金型外へ排出される。

次に、図２を用いて半溶融金属成形用金型１０を用いた半溶融金属成形方法について説明する。
先ず、半溶融金属の製造方法について述べる。給湯手段のラドルから図示しない熱伝導率が少なくとも１ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃以上の材質を有する保持保持容器に、液相線に対して過熱度を５０℃未満に保持した結晶核促進元素を含むものであって、結晶核を含む成形温度以上の固液共存状態のアルミニウム合金溶湯を、冶具を使用せずに直接注湯した後、保持容器の外部より冷却用エアーを吹き付けて保持容器内のアルミニウム合金溶湯の温度が均一となるように冷却する。

成形に適した液相率として成形温度まで冷却し、３０秒から３０分間保持することにより、微細な初晶を溶湯金属中に晶出させる過程で誘導装置（加熱用コイル）により保持容器内のアルミニウム合金溶湯各部の温度を、遅くとも成形するまでに所定の液相率を示す目標成形温度範囲内（本実施の形態では、６００℃）に収まるように温度調整したものである。

なお、微細球状結晶を得るために添加する微細化剤の量は、Ｔｉ単独添加の場合、その量が０．０３％未満では微細化効果は小さく、０．３％を超えれば粗大なＴｉ化合物が発生し延性が低下するので、Ｔｉは０．０３％〜０．３％とする。
Ｔｉ、Ｂ複合添加では、Ｔｉが０．００５％未満であれば微細化効果は小さく、０．３％を超えれば粗大なＴｉ化合物が発生し延性が低下するので、Ｔｉは０．００５％〜０．３％とする。ＢはＴｉと相俟って微細化を促進するが、０．００１％未満であれば微細化効果は小さく、０．０１％を超えて添加してもそれ以上の効果を期待できないので、Ｂは０．００１％〜０．０１％とする。

図３に示すように、前記保持容器内で溶湯金属が目標の均一温度になった時点で、出来上がった半溶融金属Ｍを射出装置３４の射出スリーブ３６内に充填する。半溶融金属Ｍを射出装置３４の射出スリーブ３６内に充填する際に、すでに金型１０は閉じられており。固定金型２０と可動金型３０との間にキャビティ部１が形成されている。
そして、射出充填の操作を行うと、射出装置３４の射出プランジャロッド３８が前進し、キャビティ部１に半溶融金属Ｍの充填を開始する。射出プランジャロッド３８の前進に伴い、半溶融金属Ｍはキャビティ部１を流動しながら充填し、流動している先端部の半溶融金属Ｍは、やがて環状部２の入口に到達する。

図２（１）に示すように、環状部２の入口に到達した半溶融金属Ｍは、環状部２の形状に合わせて左右に分岐した後、除々に環状部２を時計回り方向と反時計回り方向とに流動する。環状部２は軸線方向でその肉厚を異にしており、半溶融金属Ｍの先端部は環状部２を充填するとともに、厚肉側に設けられた第１のオーバーフローゲート３から第１のオーバーフロー５に流入し第１のオーバーフロー５が充填完了する。
環状部２を流動する反溶融金属Ｍの先端部は、薄肉側で先端部が合流する。先端を流動する半溶融金属Ｍは、キャビティ部１を流動する際に温度が低下し、温度低下した半溶融金属Ｍの先端部が互いに合流しても、完全に一体化しない。そのため、図２（２）に示すように、合流部Ｊには、合流する直前の半溶融金属Ｍの流動方向に対して直交する方向に延在するように湯境Ｙが発生する。

合流部Ｊで湯境Ｙが発生した後、半溶融金属Ｍは引き続き第２オーバーフローゲート１３を介して第２オーバーフロー１５に流入する。この時湯境Ｙの殆どは第２オーバーフローゲート１３を介して第２オーバーフロー１５の内部へ流動する半溶融金属Ｍによって押し流され、第２オーバーフロー１５の内へ流れ込む。そして、第２オーバーフロー１５が充満されることによってキャビティ部１の充填も完了する図２（３）。
環状部の中心穴側に湯境Ｙが残留するが、残留する湯境Ｙは極僅かであり環状部の強度に影響を及ぼすことはない。また、例えば、切削加工等により容易に切除することができる。

充填が完了すると、所定の時間成形品を冷却し、冷却が完了後に成形品を可動金型３０に残した状態で可動金型３０を型開させる。次いで押出しピンを移動させて成形品を可動金型３０から離型させる。金型１０から取り出された成形品は、次工程で第１オーバーフロー５及び第２オーバーフロー１５がゲート部より切断分離されることで、最終成形品となる。

次に、図４を用いてオーバーフロー部８の寸法構成について説明する。前述したようにオーバーフロー部８は、成形品の環状部２で半溶融金属Ｍが合流する合流部Ｊに環状部２の軸線方向に分割して第１オーバーフロー５と第２オーバーフロー１５が設けられた構成となっている。このため、環状部２の合流部Ｊで発生する湯境Ｙをオーバーフロー部８へ排出し成形品に湯境Ｙが残らないよう除去することが可能である。図４に示すように、環状部２の成形品の肉厚はコアピンの抜き出し方向へＴ１からＴ２へ薄くなるよう変化している。

第１オーバーフローゲート３と第２オーバーフローゲート１３の断面は矩形形状を有しており、それぞれの厚みと幅はＧ１ｘｔ１及びＧ２ｘｔ２で表わされる。オーバーフローゲートの断面積は、成形品の合流部Ｊで発生する湯境Ｙをオーバーフロー側にスムースに排出するために、成形品の断面積に比して小さく設定されオーバーフローゲート内の半溶融金属の流動速度を速くするようになっている。成形品流動部の断面積とオーバーフローゲートの断面積の比率は、３０％〜７０％の範囲に設定することが好ましい。
また、オーバーフローをオーバーフローゲートにラップさせて設けることで、オーバーフローに流れ込む側の断面積を成形品から流出する側の断面積に比べて大きくすることとした。

オーバーフローゲート３、１３の幅方向の寸法Ｗ１及びＷ２は、ゲートの分割壁Ｓにより分割され、その合計寸法は成形品の環状部２の軸線方向長さに略同一として設定される。そして、オーバーフローゲート３、１３の各寸法Ｗ１とＷ２及びＧ１とG２、ｔ１とｔ２は成形品の形状を勘案して所定の寸法に設定されることが好ましい。
本実施の形態では、オーバーフローゲートを分割壁Ｓで分割する構成としたが、分割壁が湯境Ｙのオーバーフローへの排出を妨げる場合においては、分割壁を設けることなくオーバーフローゲートを一体化し、オーバーフローは分割して設ける構成であっても良い。
また、本実施例では、分割壁を１箇所設けてオーバーフローを２箇所設けた構成としたが本実施の形態限らず、分割壁を２箇所以上、オーバーフローを３箇所以上設けた構成であっても良い。さらに、オーバーフローゲート３、１３の幅方向の寸法Ｗ１及びＷ２は環状部２の軸線方向で略同一寸法としたが、これに限定されることなく寸法Ｗ１及びＷ２それぞれが異なる寸法で設定されても良い。

図５は、本発明の他の実施形態を説明するオーバーフローを環状部の軸線方向と一致する位置に配設した半溶融金属成形用金型のキャビティ部概要図であって、図３の横型締め竪射出方式と射出の方向が９０度異なるが、基本構造は同一である。本発明は、型締め方向及び射出方向の組合せに限定されるものではなく、環状部にオーバーフローを分割して設けることにで、環状部の最終充填部に形成される湯境を防止することができる。

以上説明したように、本発明では肉厚変化を有する環状部を有した半溶融金属の成形品を成形する金型において、肉厚が変化する環状部の軸線方向にオーバーフロー部を形成すると共に、オーバーフロー部を同一平面上に直列、且つ複数に分割して設けたので、半溶融金属の成形時に発生する湯境やガスの残留に伴う欠陥を防止することができ、機械強度の高い成形品を安定して得ることができる。また、それぞれのオーバーフローにエアベントを設けてキャビティ内のガスを容易に排出する構成としたので、キャビティ内のガスが湯流れを制約して成形品にガスを巻き込むことがない。

本発明に係るオーバーフローを環状部の軸線方向と一致する位置に配設した半溶融金属成形用金型のキャビティ部概要図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の半溶融金属の挙動を説明するための説明図である。 本発明のオーバーフローを環状部の軸線方向と一致する位置に配設した金型の要部断面図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 本発明のオーバーフロー部の寸法構成を説明する説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の他の実施形態であるオーバーフローを環状部の軸線方向と一致する位置に配設した半溶融金属成形用金型のキャビティ部概要図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 従来の環状部の軸心方向にオーバーフローを設けた構成の半溶融金属成形用金型のキャビティ部概要図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 従来のキャビティ部に半溶融金属を加圧充填した場合の挙動を示す概念図である。

符号の説明

１ キャビティ部
２ 環状部
３ 第１オーバーフローゲート
５ 第１オーバーフロー
６ エアベント
８ オーバーフロー部
１０ 半溶融金属成形用金型
１３ 第２オーバーフローゲート
１５ 第２オーバーフロー
１６ エアベント
２０ 固定金型
２５ コアピン駆動手段
２６ コアピン
３０ 可動金型
３２ 注入口
３４ 射出装置
３６ 射出スリーブ
３８ 射出プランジャロッド
Ｊ 半溶融金属合流部
Ｍ 半溶融金属
Ｓ 分割壁
Ｙ 湯境

Claims (2)

1. 肉厚変化を有する環状部に半溶融金属を充填し、該充填した際に生じる前記半溶融金属の合流部にオーバーフローを形成した半溶融金属成形用金型であって、
   前記オーバーフローは、前記環状部の軸線方向に複数分割して設けられたことを特徴とする半溶融金属成形用金型。
2. 前記複数に分割して設けたオーバーフローは、それぞれ独立してエアベントを備えたことを特徴とする請求項１に記載の半溶融金属成形用金型。

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