JP5342857B2 - スタンプ成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形型内に収容された半凝固スラリーとワークとを互いに接合して接合成形品を得るスタンプ成形方法に関する。

組成が互いに相違する異種金属材同士を接合して接合成形品を得る手法の１つとして、いわゆる鋳ぐるみが知られている。この手法は、ワーク（被鋳ぐるみ材）を収容した成形型内に金属溶湯を充填して固化するものである。金属溶湯は成形型のキャビティの形状に従って固化し、この際にワークに接合する。

別の手法としては、半凝固スラリーを用いた射出成形が挙げられる。すなわち、成形型内にワークを収容し、型締めを行った後に半凝固スラリーを注入して該半凝固スラリーをキャビティの形状に対応する形状に成形するとともに、該半凝固スラリーを前記ワークに接合する手法である（例えば、特許文献１参照）。ここで、「半凝固スラリー」とは、特許文献１にも記載されている通り、固液共存状態のスラリーを指称する。なお、一般的に、半凝固スラリーは、加圧された際にはじめて流動性を示す程度に軟質である。

しかしながら、鋳ぐるみ・射出成形のいずれにおいても、異種金属材同士の接合強度を大きくすることは容易ではない。この理由は、ワークと金属溶湯ないし半凝固スラリーとの間の接合界面に酸化物膜等が存在するためであると推察される。

そこで、特許文献２記載の発明では、鋳ぐるみを行う際、固液共存温度とした金属溶湯をワークに押圧することで該ワークの表面の酸化物膜を除去することを試みている。

特開２００１−５８２５３号公報 特開平１０−９９９６１号公報

半凝固スラリーは、射出成形で成形することが一般的である。成形が比較的容易であるからである。ここで、半凝固スラリーがＡｌ合金等の場合、該半凝固スラリーが高温であるので、その表面に酸化物膜が容易に生成する。このため、ワークに対する濡れ性を確保することが容易ではなく、結局、射出成形後におけるワークと半凝固スラリーとの接合強度を大きくすることが容易ではないという不具合が惹起される。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、半凝固スラリーの酸化物膜を除去することが可能であり、このためにワークと半凝固スラリーとの接合強度を大きくし得るスタンプ成形方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、成形型内に収容された半凝固スラリーとワークとを互いに接合することで接合成形品を得るスタンプ成形方法であって、
前記ワークの前記半凝固スラリーが通過する部位に、該半凝固スラリーの流動方向下流側で断面積が減少する絞り部となることで該半凝固スラリーの流動抵抗を上昇させる凸部を流動方向上流側から流動方向下流側に沿って突出形成し、
型締めによってキャビティを形成した際、前記凸部によって前記絞り部を形成し、
前記半凝固スラリーに荷重を付加することで該半凝固スラリーを流動させるとともに、前記凸部における前記半凝固スラリーの流動方向上流側に位置する起端部から前記絞り部を通過させ、
この際、前記起端部によって前記半凝固スラリーに摩擦を付与することで該半凝固スラリーの表面の酸化物膜を破壊して内部のスラリーを流出させ、
少なくとも、前記起端部と前記スラリーとを接合することを特徴とする。

本発明においては、絞り部によって半凝固スラリーの流動抵抗を上昇させる。流動抵抗が上昇した半凝固スラリーは、前記絞り部を形成する凸部を大きな力で押圧するようになる。すなわち、凸部に対する半凝固スラリーの押圧力が上昇する。

これに伴い、半凝固スラリーと凸部との間の摩擦力が大きくなる。その結果、半凝固スラリーの表面に存在する不動態（酸化物膜）が破壊され、内部の未凝固のスラリーが流出する。

このスラリーには、酸化物膜が存在しない。このため、ワークに対する濡れ性が良好である。すなわち、本発明によれば、ワークがスラリーによって良好に濡れるようになり、この状態でスラリーが冷却固化して成形体となることに伴い、該成形体とワークとが堅牢に接合する。換言すれば、異種金属材同士であっても接合強度が優れた接合成形品を得ることができる。

なお、絞り部によって流動抵抗を過度に上昇させると、半凝固スラリーをキャビティに充填させることが容易でなくなる。このため、絞り部による断面減少率を１０〜４０％に設定することが好ましい。

本発明によれば、キャビティに絞り部を設け、この絞り部によって半凝固スラリーの流動抵抗を上昇させるようにしている。このため、半凝固スラリーと、絞り部を形成する凸部との間の摩擦力が大きくなり、その結果、半凝固スラリーの表面の酸化物膜が破壊されて内部の未凝固のスラリーが流出する。

このスラリーには酸化物膜が存在しないので、該スラリーはワークに良好に濡れ密着するようになる。従って、半凝固スラリーが冷却固化することによって得られた成形体と、ワークとが互いに堅牢に接合した接合成形品を得ることができる。

以下、本発明に係るスタンプ成形方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、スタンプ成形を行うための金型装置１０の要部概略縦断面図である。この金型装置１０は、接合成形品としてのホイールを得るためのものである。なお、図１中の参照符号１２、１４は、それぞれ、ワークとしてのリム、ディスクの原材料である半凝固スラリーを示す。本実施の形態において、リム１２と半凝固スラリー１４は互いに別種の金属材である。

該金型装置１０は、成形型としてのダイ１６、第１パンチ１８及び第２パンチ１９を有する。この中、ダイ１６には環状挿入部２０が形成されており、リム１２は大部分がこの環状挿入部２０に挿入され、その上端部のみが露呈している。また、ダイ１６における環状挿入部２０から離間した所定部位には、円柱体形状に近似される半凝固スラリー１４が載置される。

第１パンチ１８の略中央部には挿通孔２１が形成されており、第１パンチ１８及び第２パンチ１９がダイ１６から最も離間する位置においては、第２パンチ１９は、この挿通孔２１に挿入される。すなわち、第１パンチ１８は、第２パンチ１９で囲繞された状態となる。

これら第１パンチ１８及び第２パンチ１９は、各々、図示しない昇降機構の作用下に、ダイ１６に対して個別に接近又は離間することが可能である。例えば、図２に示すように、第２パンチ１９が停止した状態で第１パンチ１８が降下し、ダイ１６に対して接近する。

その後、第２パンチ１９が降下し、ダイ１６に対して最大に接近することで型締めがなされ、これに伴ってキャビティ２２（図３参照）が形成される。第１パンチ１８には、キャビティ２２を形成するための凹部２４が形成される。

ここで、リム１２における環状挿入部２０から突出した上端部には、第１パンチ１８及び第２パンチ１９側に指向して延在する環状凸部２６（図１参照）が突出形成されている。半凝固スラリー１４は、この環状凸部２６の中心に略合致する位置に配置される。

後述するように、型締めが行われた際には、この環状凸部２６によってキャビティ２２に絞り部２８（図３参照）が形成される。流動した半凝固スラリー１４が絞り部２８を通過する際には、該絞り部２８によって流動抵抗が上昇する。

絞り部２８における断面積減少率は、図４中に示されるＡ、Ｂを用い、下記の式（１）で表される。
断面積減少率［％］＝１００×（Ａ−Ｂ）／Ａ …（１）

ここで、Ａは環状凸部２６の起端部３０におけるキャビティ２２の断面積であり、Ｂは絞り部２８の最小断面積である。

断面積減少率が過度に小さいと、半凝固スラリー１４の流動抵抗を上昇させる効果に乏しい。その一方で、過度に大きいと、半凝固スラリー１４を流動させることが容易でなくなる。以上のような不具合を回避するべく、断面積減少率を１０〜４０％に設定することが好ましい。すなわち、断面積減少率が１０〜４０％となるように環状凸部２６の高さを設定すると、半凝固スラリー１４に適切な流動抵抗が付与されるので好適である。

次に、本実施の形態に係るスタンプ成形方法につき、上記のように構成された金型装置１０において実施する場合を例示して説明する。

はじめに、ダイ１６の環状挿入部２０にリム１２を挿入した後、該ダイ１６の所定部位に半凝固スラリー１４を載置する。ここで、半凝固スラリー１４は、別の金型装置において製造された固液共存状態のものである。従って、ダイ１６に載置された状態の半凝固スラリー１４が流動することはほとんどない。

半凝固スラリー１４は、内部が未凝固であることから諒解される通り高温である。従って、その表面が大気中の酸素によって酸化され、このためにいわゆる不動態としての酸化物膜が生成する。

次いで、図２に示すように、前記昇降機構の作用下に第１パンチ１８を下降させる。この下降が終了した後、第２パンチ１９を下降させて半凝固スラリー１４に押接させる。

この押接に伴い、半凝固スラリー１４に押圧力が付与される。その結果、半凝固スラリー１４が圧潰されて流動を開始する。この場合、半凝固スラリー１４が環状凸部２６の略中心に位置しているため、半凝固スラリー１４は、環状凸部２６側に向かって流動する。

第２パンチ１９が最大に下降して型締めがなされると、図３に示すように、キャビティ２２が形成される。そして、半凝固スラリー１４は環状凸部２６に沿って上昇し、凹部２４を充填する。

ここで、環状凸部２６は、半凝固スラリー１４をディスクの形状に変形するために必要なものではない。すなわち、図５に示すように、通常のリム１２には、環状凸部２６は設けられていない。この場合、半凝固スラリー１４は、その流動抵抗がほとんど変化することなく凹部２４に到達する。

これに対し、本実施の形態においては、図１〜図４に示すように、リム１２の上端部に環状凸部２６が形成され、このために半凝固スラリー１４の流動経路が狭小化されている。すなわち、絞り部２８は、環状凸部２６が半凝固スラリー１４の流動を妨げる方向に指向して延在することによって形成されている。従って、半凝固スラリー１４が凹部２４に向かって流動するときに絞り部２８を通過する際には、その流動抵抗が上昇する。

半凝固スラリー１４の流動抵抗が上昇することに伴い、該半凝固スラリー１４が環状凸部２６を押圧する押圧力が大きくなる。これにより半凝固スラリー１４と環状凸部２６との間の摩擦力が大きくなり、この摩擦力を受け、半凝固スラリー１４の表面に存在する酸化物膜が破壊される。

換言すれば、本実施の形態においては、半凝固スラリー１４が絞り部２８を通過する直前に環状凸部２６から摩擦抵抗を受けることで表層が破壊され、これに伴い、内部のスラリーが流出する。このスラリーは酸化しておらず、従って、他の金属材に対する濡れ性も良好である。

濡れ性が良好なスラリーは、環状凸部２６の起端部３０である流動方向上流側に接触する。すなわち、起端部３０がスラリーによって濡れ密着される。この状態でスラリーを冷却固化させれば、起端部３０とスラリーとの間に酸化物膜が生成することを回避しながら起端部３０とスラリーとを接合することができ、接合成形品としてのホイールが得られる。

このようにして得られたホイールにおいては、リム１２とディスクとの接合強度が大きい。上記から諒解されるように、環状凸部２６の起端部３０とスラリーとの間、換言すれば、リム１２とディスクとの間に酸化物膜が介在することが回避されているからである。

すなわち、本実施の形態によれば、キャビティ２２に絞り部２８を形成することで半凝固スラリー１４の流動抵抗を上昇させ、これにより半凝固スラリー１４の表面の酸化物膜を破壊するようにしているので、異種金属材同士を堅牢に接合させることが可能となる。

なお、この実施の形態では、リム１２（ワーク）に環状凸部２６を設けることで絞り部２８を形成するようにしているが、例えば、第１パンチ１８ないし第２パンチ１９に環状凸部２６を設けることで絞り部２８を形成するようにしてもよいことは勿論である。

図６は、アルミニウム合金であるＡ５１８２（ＪＩＳ）からなるリム１２に対し、ＡＣ４ＣＨ（ＪＩＳ）からなり固相率が５０％である半凝固スラリー１４を用いて成形したディスクを接合したときの断面減少率と、リム１２とディスクとの接合強度との関係を示す図表である。図６中、成形型の断面積減少率は、成形型に形成された絞り部２８による断面減少率を意味し、ワークの断面積減少率は、リム１２に形成された絞り部２８による断面減少率を意味する。なお、成形型及びリム１２のいずれにも絞り部２８を設けていない場合を比較例として示している。

接合強度は、引っ張り試験を行うことで評価した。すなわち、実施例１〜９及び比較例の各々につき５個のサンプルを作製し、接合されたディスクとリム１２とを互いに逆方向に引っ張り、全てのサンプルでリム１２に破断が生じた場合を「良好」、全てのサンプルで接合箇所からディスクとリム１２に分離した場合を「不良」、リム１２の破断と、ディスクとリム１２との分離とが混在する場合を「やや良好」とした。

図６から諒解されるように、実施例１〜９のサンプルにおいては「不良」が全く認められなかったのに対し、比較例のサンプルは全て「不良」であった。この結果から、キャビティ２２に絞り部２８を形成した場合、接合強度が大きくなることが明らかである。

なお、上記した実施の形態においては、成形型としてホイールを得るものを例示しているが、成形型が特にこれに限定されるものではないことは勿論である。

金型装置を構成する成形型の要部概略縦断面図である。 図１の金型装置を構成する第１パンチのみが降下したときの成形型の要部概略縦断面図である。 図２に続き、第２パンチが降下して型締めがなされたときの成形型の要部概略縦断面図である。 図３の状態にある成形型の一部拡大図である。 絞り部が形成されていない場合の一部拡大図である。 絞り部による断面減少率と、接合成形品の接合箇所の接合強度を示す図表である。

符号の説明

１０…金型装置 １２…リム
１４…半凝固スラリー １６…ダイ
１８…第１パンチ １９…第２パンチ
２２…キャビティ ２６…環状凸部
２８…絞り部 ３０…起端部

Claims (2)

1. 成形型内に収容された半凝固スラリーとワークとを互いに接合することで接合成形品を得るスタンプ成形方法であって、
   前記ワークの前記半凝固スラリーが通過する部位に、該半凝固スラリーの流動方向下流側で断面積が減少する絞り部となることで該半凝固スラリーの流動抵抗を上昇させる凸部を流動方向上流側から流動方向下流側に沿って突出形成し、
   型締めによってキャビティを形成した際、前記凸部によって前記絞り部を形成し、
   前記半凝固スラリーに荷重を付加することで該半凝固スラリーを流動させるとともに、前記凸部における前記半凝固スラリーの流動方向上流側に位置する起端部から前記絞り部を通過させ、
   この際、前記起端部によって前記半凝固スラリーに摩擦を付与することで該半凝固スラリーの表面の酸化物膜を破壊して内部のスラリーを流出させ、
   少なくとも、前記起端部と前記スラリーとを接合することを特徴とするスタンプ成形方法。
2. 請求項１記載の成形方法において、前記絞り部による断面減少率を１０〜４０％とすることを特徴とするスタンプ成形方法。

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