JP5688704B2 - アルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法及びアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金を高速で恒温鍛造することにより、高強度、高靭性で高品質な部品を成形することができる量産性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法及びアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置に関する。

金属の強度、品質を向上させる手段として、従来から鍛造が知られている。
金型を加熱しない熱間鍛造法では、加工中に急速に素材温度が下がり、成型性が低下するため、欠陥が発生し易く、形状自在性に欠け、切削工程などの後加工が必要となり、量産性に欠け、用途が限定されるという問題点があった。
また、恒温鍛造法では、強度や品質を向上させることができるが、大型プレス機を用いて加工速度を極端に遅くして加工する方法であるため、大量生産品や小型部品の製造には不向きであり、航空機の機体や脚などのような大型の少量部品の生産にしか採用されておらず、量産品に適用できないという問題点があった。
特に、自動車、鉄道車両、航空機等の部品製造において、近年の燃費規制、排ガス規制などの環境問題への対応から、車体や機体の重量の軽量化が求められ、一部の部品がアルミニウム合金化されているが、強度、品質確保の面から、軽量合金への転換は進んでおらず、高速加工が可能で量産性に優れた恒温鍛造技術の確立が強く望まれていた。
また、電力機器、住宅関連設備などの各種金属製部品についても、搬送性、取扱い性、耐久性などを向上させるため、軽量化、高強度化が可能な製造技術の開発が望まれていた。
一方、アルミニウム合金等の金属を再結晶温度以下で加熱、加圧することにより、結晶粒を微細化し、強度を向上させる金属材料の製造方法が提案されている。
例えば、（特許文献１）には、「アルミニウム若しくはアルミニウム合金製の塊状アルミニウム材を再結晶温度以下に加熱し、この再結晶温度以下に加熱した塊状アルミニウム材をｘ軸方向，ｙ軸方向及びｚ軸方向から繰り返し温間鍛造することで塊状アルミニウム材中の結晶粒を超微細結晶粒とすることを特徴とする超微細結晶粒を有するアルミニウム及びアルミニウム合金材の製造方法。」が開示されている。
また、（特許文献２）には、「可塑性金属材料を再結晶温度未満の温度で金型の間に挟み、金属材料を間歇的に少しずつ搬送しながら金型で瞬時に大きな繰り返し荷重を加えて圧下加工する工程を備えることを特徴とする微細結晶粒金属材料の製造方法。」が開示されている。
特開２００４−１７６１３４号 特開２００５−２００７２５号

しかしながら、上記従来の技術においては、以下のような課題を有していた。
（１）（特許文献１）では、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の各軸方向から繰り返し鍛造を行うが、各鍛造毎に試料を９０°回転させ、毎回５２３Ｋに１．２ｋｓの再加熱を行う必要があるので、工程が複雑で加工に時間を要し、量産性に欠けるという課題を有していた。
また、所望の形状を得るためには、切削や研磨などの様々な後加工を施す必要があり、省資源性に欠けるという課題を有していた。
また、各鍛造毎に再加熱を行うことにより、試料の温度が上昇と低下を繰り返し、加熱温度がばらつき易く、結晶粒の均一性に欠け、剛性や靭性のばらつきが生じて歩留まりが低下し易く、品質の安定性、量産性に欠けるという課題を有していた。
（２）（特許文献２）は、金属材料を間歇的に少しずつ搬送しながら金型で瞬時に大きな繰り返し荷重を加えて圧下加工するものであり、圧下加工後、必要により熱処理を施すと共に、その後の圧延において、材料の厚さを調整したり、表面状態を仕上げたり、用途に合わせた断面形状に加工したりする必要があり、加工工程が複雑で加工に時間を要し、量産性に欠けるという課題を有していた。
（３）（特許文献１）、（特許文献２）は、いずれも素材の加熱温度を再結晶温度未満とすることにより、結晶粒の微細化を図るための金属材料の製造方法であるが、具体的な加熱方法や加熱温度の測定及び管理方法或いはそれらを実現するための装置の構成や構造については記載も示唆もされていなかった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、金型内のアルミニウム合金を簡便かつ確実に所定の温度に維持することができ、鍛造成型時の加工速度を適正に保持して、素材が所定の温度以上に加熱されることを確実に防止することができ、結晶粒を微細化して、高強度、高靭性で高品質な部品を高速加工することができ、加工後の熱処理が不要で、後加工を最小限に抑えることができる量産性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法の提供、簡素な構造で断熱性に優れ、金型からの放熱を低減することができ、金型加熱の効率性に優れ、金型内の素材を確実に所定の温度に維持することができ、成型性、加工の均一性に優れると共に、加圧力を低減して小型化を図ることができ、高速加工が可能で、ばらつきの少ない信頼性、耐久性に優れた高品質な鍛造成型部品を製造することができる量産性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために本発明のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法及びアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置は、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法は、上金型と下金型を加熱する金型加熱工程と、前記上金型及び／又は前記下金型の温度を測定監視する金型温度監視工程と、前記金型温度監視工程で測定される前記温度に基づいて金型内部の表面温度を加工温度に収束させ維持するように前記金型加熱工程における加熱温度を調整する加熱温度調整工程と、溶体化されたアルミニウム合金を１００℃以上で前記アルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱する素材加熱工程と、前記素材加熱工程で加熱された前記アルミニウム合金を前記加熱温度調整工程で前記加工温度に温度調整された金型内に投入して前記アルミニウム合金の再結晶温度以下で製品形状に鍛造成型する一軸の鍛造成型工程と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）上金型と下金型を加熱する金型加熱工程と、上金型及び／又は下金型の温度を測定監視する金型温度監視工程と、金型温度監視工程で測定される温度に基づいて金型内部の表面温度を加工温度に収束させ維持するように金型加熱工程における加熱温度を調整する加熱温度調整工程を有することにより、金型内部及び金型内のアルミニウム合金の温度を所定の加工温度に保持することができるので、後工程の鍛造成型工程における製造条件を略一定に保つことができ、ばらつきの少ない高品質で均一性に優れた鍛造成型部品を製造することができ、品質の信頼性、量産性に優れる。
（２）予め素材加熱工程で加熱されたアルミニウム合金を加熱温度調整工程で加工温度に温度調整された金型内に投入してアルミニウム合金の再結晶温度以下で製品形状に鍛造成型する一軸の鍛造成型工程を有するので、アルミニウム合金が冷えることがなく、加工圧力を低減して高速加工することができ、量産性に優れる。また、冬季や夏季を問わず、効率よく略一定の条件で成型を行うことができ、生産の効率性、安定性に優れる。
（３）溶体化されたアルミニウム合金を１００℃以上でアルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱する素材加熱工程と、素材加熱工程で加熱されたアルミニウム合金を加熱温度調整工程で加工温度に温度調整された金型内に投入してアルミニウム合金の再結晶温度以下で製品形状に鍛造成型する一軸の鍛造成型工程を有することにより、従来の冷間鍛造において別々に行われていた結晶粒微細化と析出硬化を同時に行わせることができ、鍛造成型工程後に、別途、熱処理などを行うことなく、高強度、高靭性で高品質な鍛造成型部品を製造することができ、しかも製品の最終形状に近い形状に成型することができるので、切削などの後加工が不要で、加工工数を大幅に低減することができると共に、材料歩留まりを向上させることができ、量産性、省資源性に優れる。

ここで、この恒温鍛造成型方法で加工される金属素材は、アルミニウム合金である。
金型温度監視工程では、上金型及び／又は下金型で設定した任意の位置で金型の温度を測定監視することができるが、設定した測定位置での温度と、金型の内部の表面温度（金型内表面温度）との関係を予め求めておくことにより、金型の内部（内表面）温度が所定の加工温度となるように、金型加熱工程における加熱温度を設定することができる。よって、金型の形状や加熱温度などに応じて、適宜、温度の測定位置やその数を選択することができ、金型温度監視工程では必ずしも金型の内部（内表面）温度を直接、測定する必要がなく、金型の外部（外表面）や金型の外表面から穿設した挿通孔の内部で熱電対などを用いて簡便かつ確実に金型の温度を測定することができる。

鍛造成型工程における加圧力は、製造する部品の形状、寸法等に応じて、適宜、選択することができるが、金型が加熱されていることにより、通常よりも加圧力を低く抑えることができ、加工速度を高速化することができる。また、その結果、金型への負担も軽減することができ、金型の長寿命化を図ることができる。

鍛造成型工程におけるアルミニウム合金の温度は、１００℃以上好ましくは１２０℃以上、更に好ましくは１５０℃以上で、アルミニウム合金の再結晶温度以下であることが好ましい。鍛造成型工程におけるアルミニウム合金の温度が、１５０℃よりも低くなるにつれ、成型性が低下し易くなる傾向があり、アルミニウム合金の再結晶温度よりも高くなるにつれ、結晶粒の粒径が大きくなり、強度や靭性が低下し易くなる傾向がある。また、鍛造成型工程におけるアルミニウム合金の温度が、１２０℃若しくは１００℃よりも低くなると、アルミニウム合金の種類や製品の大きさにもよるが、物性の低下が著しくなり、複雑な形状を成型することが困難になる傾向がある。
再結晶温度はアルミニウム合金の種類やその組成によって異なるが、２５０℃〜３００℃程度である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法であって、前記金型温度監視工程で測定される前記温度に基づいて、前記鍛造成型工程における加工速度を調整する加工速度調整工程を備えた構成を有している。
この構成により、請求項１の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）金型温度監視工程で測定される金型の温度に基づいて、鍛造成型工程における加工速度を調整する加工速度調整工程を有するので、鍛造成型工程での加工速度が速くなり過ぎることによってアルミニウム合金の温度が所定の加工温度よりも高くなることを防止でき、製造条件の均一性に優れる。

ここで、鍛造成型工程における加工速度は、アルミニウム合金の種類やその組成、製造する部品の形状、寸法等によって異なるが、１００ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓが好ましい。
鍛造成型工程における加工速度が１００ｍｍ／ｓより遅くなるにつれ、量産性が低下する傾向があり、５００ｍｍ／ｓより速くなるにつれ、アルミニウム合金の温度が上昇し易くなり、所定の加工温度を維持することが困難になって、品質にばらつきが発生し易くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
尚、加工速度調整工程では、金型温度監視工程で測定される温度に基づいて、鍛造成型工程における加工速度を調整するが、金型温度監視工程で測定される温度と、金型内部の表面温度との関係が予め分かっているので、金型内部におけるアルミニウム合金の実際の温度に適した加工速度で鍛造成型工程を行うことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法であって、前記金型温度監視工程で測定される前記温度が、前記上金型及び／又は前記下金型の内部の表面近側部の温度である構成を有している。
この構成により、請求項１又は２の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）金型温度監視工程で測定される温度が、上金型及び／又は下金型の内部の表面近側部の温度であることにより、上金型や下金型の内部表面温度とほぼ等しい温度を測定することができると共に、熱電対などの温度センサ（金型温度測定部）を金型で保護してアルミニウム合金との接触を防止することができ、温度測定の確実性、温度管理の信頼性に優れる。

ここで、上金型や下金型の内部の表面近側部の温度は、上金型や下金型の外表面から内表面側に挿通孔を穿設し、挿通孔の内部に熱電対などの温度センサ（金型温度測定部）を挿通して測定することができる。このとき、上金型や下金型の内部表面（内周面）側に熱電対などの温度センサ（金型温度測定部）を保護できる肉厚の内壁を残して挿通孔を形設すればよい。特に、内壁の挿通孔側の表面温度が、上金型や下金型の内部表面（内周面）とほぼ同等の温度となるように内壁の肉厚を設定した場合、簡便かつ確実に金型の内部表面温度を検出することができ、温度制御の確実性、容易性に優れる。

本発明の請求項４に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置は、請求項１乃至３の内いずれか１項に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法に用いるアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置であって、下金型と、前記下金型の外周に配設される下金型用誘導加熱コイルと、前記下金型に対向配置される上金型と、前記上金型の外周に配設される上金型用誘導加熱コイルと、前記上金型及び／又は前記下金型の温度を測定する金型温度測定部と、前記金型温度測定部で測定される前記温度に基づいて前記上金型及び前記下金型の内部表面温度を加工温度に収束させ維持するように調整する温度調整部と、予め溶体化され１００℃以上で前記アルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱された前記アルミニウム合金を前記加工温度に温度調整された前記上金型と前記下金型で挟持して前記アルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱しながら一方向のみから製品形状に加圧し鍛造成形が終了したらノックアウトピンによって金型から製品を取出す加圧部と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）下金型用誘導加熱コイルや上金型用誘導加熱コイルが下金型や上金型の外周に配設されるので、下金型や上金型との着脱が容易で、簡便に下金型や上金型の交換作業を行うことができ、メンテナンス性、取扱い性に優れる。
（２）上金型及び／又は下金型の温度を測定する金型温度測定部を有するので、簡便かつ確実に上金型や下金型の必要な温度を測定することができ、温度測定の確実性に優れる。
（３）金型温度測定部で測定される温度に基づいて上金型及び下金型の内部表面温度を加工温度に収束させ維持するように調整する温度調整部を有することにより、金型内部及び金型内のアルミニウム合金の温度を加工温度に保持することができるので、鍛造成型時の製造条件を略一定に保つことができ、ばらつきの少ない高品質で均一性に優れた鍛造成型部品を製造することができ、品質の信頼性、量産性に優れる。
（４）予め加熱されたアルミニウム合金を温度調整された上金型と下金型で挟持してアルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱しながら一方向のみから製品形状に加圧し鍛造成形が終了したらノックアウトピンによって金型から製品を取出す加圧部を有することにより、アルミニウム合金を所望の加工温度に加熱しながら加圧することができるので、加工圧力を低減して高速加工することができ、量産性に優れる。また、加工圧力を低減でき、省力性に優れると共に、加圧部をコンパクト化することができ、省スペース性に優れる。

ここで、下金型用誘導加熱コイル及び上金型用誘導加熱コイルは、それぞれ下金型及び上金型の外周に非接触の状態で固定される。下金型用誘導加熱コイル及び上金型用誘導加熱コイルの内周と下金型及び上金型の外周との間の要所に絶縁性及び耐熱性を有する緩衝材を配設することにより、下金型用誘導加熱コイル及び上金型用誘導加熱コイルと下金型及び上金型との間に確実に隙間を形成することができ、両者が接触してショートが発生することを防止できる。緩衝材の材質としては、下金型用誘導加熱コイル及び上金型用誘導加熱コイルによる加熱に耐えるだけの耐熱性を有していればよく、耐熱樹脂が好適に用いられる。

金型温度測定部は、上金型及び／又は下金型の外表面の温度や外表面から穿設した挿通孔の内部の温度（上金型や下金型の内部の表面近側部の温度）を測定できるものであればよい。金型温度測定部（温度センサ）は接触式でも非接触式でもよく、熱電対や赤外線放射温度計などが好適に用いられる。金型温度測定部の数や配置は金型の大きさや形状などに応じて、適宜、選択することができる。
温度調整部では、金型温度測定部で測定される金型の所定の位置における温度に基づいて、下金型用誘導加熱コイル及び上金型用誘導加熱コイルに電力を供給する電源の出力を調整することにより、上金型及び下金型の内部表面温度が設定温度に収束するように、温度調整を行う。複数の金型温度測定部を備えた場合、各々の金型温度測定部で検出した温度から金型全体の温度分布を知ることができ、斑無く確実かつ効率的に金型の加熱を行うことができ、加熱の均一性、温度制御の信頼性に優れる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置であって、前記下金型が固設される下受けベースと前記下金型との接触面及び／又は前記上金型が固設される上受けベースと前記上金型との接触面に形成された表面凹部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項４の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）下受けベースと下金型との接触面及び／又は上受けベースと上金型との接触面に形成された表面凹部を有することにより、下受けベースや上受けベースと下金型や上金型との接触面積を低減できると共に、表面凹部に空気層を形成することができ、下金型や上金型から下受けベースや上受けベースへの熱伝達を抑え、下金型や上金型の温度低下を防ぐことができ、金型加熱の効率性、省エネルギー性に優れる。

ここで、下受けベース及び上受けベースの材質としては、高強度で衝撃に強く、熱伝導率の低いステンレス等の金属を用いることが好ましい。耐久性に優れると共に、下金型や上金型の熱が下受けベースや上受けベースに吸収されて温度が低下することを防止でき、金型加熱の効率性を高めることができる。

表面凹部は、下受けベースや上受けベースに形成してもよいし、下金型や上金型に形成してもよい。特に、下受けベースや上受けベースに表面凹部を形成する場合、表面凹部の形状自在性、加工性に優れると共に、下金型や上金型の強度低下が発生することがなく、信頼性に優れる。
表面凹部は、円形状や多角形状等の任意の横断面形状を有する複数の凹部を配置して形成してもよいし、環状に形成された複数の凹条溝を同心円上に配置して形成してもよい。
表面凹部の深さは、１０ｍｍ以内の深さに形成することが好ましい。表面凹部の深さが、１０ｍｍより深くなるにつれ、加工性が低下すると共に、強度が不足して耐久性が低下し易くなる傾向があるためである。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置であって、前記上金型及び／又は前記下金型の外周に環装された保温リングを備えた構成を有している。
この構成により、請求項４又は５の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）上金型及び／又は下金型の外周に環装された保温リングを有することにより、上金型や下金型の外周面からの放熱を防止することができ、金型加熱の効率性、省エネルギー性に優れる。

ここで、保温リングの材質としては、前述の下受けベースや上受けベースと同様のものが好適に用いられる。保温リングを金型の外周に焼きばめで固定した場合、両者を密着させて強固に固定することができ、固定安定性に優れる。

請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６の内いずれか１項に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置であって、前記保温リングと前記上金型及び／又は前記下金型との接触面に形成された側面凹部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項４乃至６の内いずれか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）保温リングと上金型及び／又は下金型との接触面に形成された側面凹部を有することにより、保温リングと上金型や下金型との接触面積を低減できると共に、側面凹部に空気層を形成することができ、上金型や下金型から保温リングへの熱伝達を抑え、上金型や下金型の温度低下を効果的に防ぐことができ、金型加熱の効率性、省エネルギー性を向上させることができる。

ここで、側面凹部は、保温リングの内周面に形成してもよいし、上金型や下金型の外周面に形成してもよい。特に、保温リングに側面凹部を形成する場合、側面凹部の形状自在性、加工性に優れると共に、上金型や下金型の強度低下が発生することがなく、信頼性に優れる。
側面凹部は、円形状や多角形状などの複数の凹部を配置して形成してもよいし、周面に沿って環状に形成された凹条溝を高さ方向に複数列、配置して形成してもよい。
保温リングに形成する側面凹部の深さは、１０ｍｍ以内に形成することが好ましい。側面凹部の深さが、１０ｍｍより深くなるにつれ、加工性が低下すると共に、強度が不足して耐久性が低下し易くなる傾向があるためである。

以上のように、本発明のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法及びアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、以下のような効果を有する。
（１）金型温度監視工程と加熱温度調整工程により、金型内部及び金型内の金属素材の温度を加工温度に保持することができ、後工程の鍛造成型工程においてアルミニウム合金が冷えることがなく、加工圧力を低減して高速加工することができ、冬季や夏季を問わず、製造条件を略一定に保ち、効率よく成型を行うことができ、ばらつきの少ない高品質で均一性に優れた鍛造成型部品を製造することができる品質の信頼性、量産性、生産の効率性、安定性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法を提供することができる。
（２）一度溶体化されたアルミニウム合金を素材加熱工程において、１００℃以上好ましくは１２０℃以上、更に好ましくは１５０℃以上でアルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱した上で、加熱温度調整工程で加工温度に温度調整された金型内に投入し、アルミニウム合金の再結晶温度以下で製品形状に鍛造成型する一軸の鍛造成型工程を行うことにより、結晶粒微細化と析出硬化を同時に発現させ、高強度、高靭性で高品質な鍛造成型部品を製造することができ、従来のように、鍛造成型工程後に、別途、熱処理などを行う必要がなく、さらに製品の最終形状に近い形状に成型することができ、切削などの後加工も不要で、加工工数を大幅に低減することができると共に、材料歩留まりを向上させることができる量産性、省資源性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法を提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）鍛造成型工程の加工速度調整工程において、金型温度監視工程で測定される金型の温度に基づいて加工速度を適正に調整することができ、鍛造成型工程での加工速度が速くなり過ぎることによってアルミニウム合金の温度が所定の加工温度よりも高くなることを確実に防止できる製造条件の均一性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法を提供することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）熱電対などの温度センサ（金型温度測定部）がアルミニウム合金と接触することを確実に防止しつつ、上金型や下金型の内部表面温度とほぼ等しい金型内部の表面近側部の温度を測定することができる温度測定の確実性、温度管理の信頼性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法を提供することができる。

請求項４に記載の発明によれば、以下のような効果を有する。
（１）金型温度測定部でされる温度に基づいて、温度調整部で金型内部及び金型内のアルミニウム合金の温度を設定した加工温度に保持することができ、鍛造成型時の製造条件を略一定に保ち、ばらつきの少ない高品質で均一性に優れた鍛造成型部品を製造することができる品質の信頼性、量産性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置を提供することができる。
（２）設定した加工温度に維持された上金型と下金型でアルミニウム合金を挟持してアルミニウム合金の再結晶温度以下で略一定の加工温度に加熱しながら、加圧部で加圧することにより、加工圧力を低減して高速加工することができ、量産性、省力性に優れ、加圧部をコンパクト化することができ、省スペース性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置を提供することができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項４の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）下受けベースと下金型との接触面及び／又は上受けベースと上金型との接触面に表面凹部を形成することにより、下受けベースや上受けベースと下金型や上金型との接触面積を低減できると共に、表面凹部に空気層を形成することができ、下金型や上金型から下受けベースや上受けベースへの熱伝達を抑え、下金型や上金型の温度低下を防ぐことができる金型加熱の効率性、省エネルギー性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置を提供することができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項４又は５の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）上金型及び／又は下金型の外周に保温リングを環装することにより、上金型や下金型の外周面からの放熱を防止することができる金型加熱の効率性、省エネルギー性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置を提供することができる。

請求項７に記載の発明によれば、請求項４乃至６の内いずれか１項の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）保温リングと上金型及び／又は下金型との接触面に側面凹部を形成することにより、保温リングと上金型や下金型との接触面積を低減できると共に、側面凹部に空気層を形成することができ、上金型や下金型から保温リングへの熱伝達を抑え、上金型や下金型の温度低下を効果的に防ぐことができ、金型加熱の効率性、省エネルギー性を向上させることができる量産性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置を提供することができる。

本発明の恒温鍛造成型方法及び恒温鍛造成型装置について、以下図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１の恒温鍛造成型方法に用いる恒温鍛造成型装置の構成を示す要部断面模式図である。
図１中、１は実施の形態１の恒温鍛造成型装置、２は恒温鍛造成型装置１の下型ベース、３は下型ベース２の上面側に配設された恒温鍛造成型装置１の下受けベース、４は下受けベース３の上面に固定リング４ａにより固設された下金型、４ｂは下金型４の外周に固設された保温リング、４ｃは下金型４の外周面から内周面側に向かって穿設された熱電対挿通孔、５は下金型４の外周に配設された恒温鍛造成型装置１の下金型用誘導加熱コイル、５ａは下金型４の外周と下金型用誘導加熱コイル５との間の要所に配設された緩衝材、６は下型ベース２に対向配置された恒温鍛造成型装置１の上部ベース、７は上部ベース６の下面側に配設された恒温鍛造成型装置１の上受けベース、８は上受けベース７の下面に固定リング８ａにより固設された上金型、８ｂは上金型８の外周に固設された保温リング、８ｃは上金型８の外周面から内周面側に向かって穿設された熱電対挿通孔、９は上金型８の外周に配設された恒温鍛造成型装置１の上金型用誘導加熱コイル、９ａは上金型８の外周と上金型用誘導加熱コイル９との間の要所に配設された緩衝材、１０は高周波ケーブル１０ａによって下金型用誘導加熱コイル５及び上金型用誘導加熱コイル９に接続され電力を供給する電源、１１ａ，１１ｂは熱電対挿通孔４ｃ，８ｃに挿通される熱電対により下金型４及び上金型８の内部の表面近側部の温度を測定する恒温鍛造成型装置１の金型温度測定部としての金型内部温度測定部、１２は金型内部温度測定部１１ａ，１１ｂで測定される温度に基づいて下金型４及び上金型８の内部表面温度を設定されたアルミニウム合金２０の加工温度に収束させ維持するように電源１０の出力を調整する温度調整部、１３は予め加熱されたアルミニウム合金２０を加工温度に温度調整された下金型４と上金型８で挟持して加圧する恒温鍛造成型装置１の加圧部、１３ａは加圧部１３のポンチ、１３ｂは加圧部１３のノックアウトピンである。

次に、実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下受けベースの構造について説明する。
図２は実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下受けベースの模式斜視図である。
図２中、３Ａは下受けベース３における下金型４との接触面に横断面形状が円形状や多角形状等の複数の凹部３ａを配置して形成された表面凹部、３ｂは加圧部１３のポンチ１３ａを挿通させるための貫通孔である。
本実施の形態では、下受けベース３を高強度で衝撃に強く、熱伝導率の低いステンレス等の金属で形成した。耐久性に優れると共に、下金型４の熱が下受けベース３に吸収されて温度が低下することを防止でき、金型加熱の効率性を高めることができるためである。
また、下金型４との接触面に形成する表面凹部３Ａ（凹部３ａ）の深さは、１０ｍｍ以内の深さに形成した。表面凹部３Ａの深さが、１０ｍｍより深くなるにつれ、加工性が低下すると共に、強度が不足して耐久性が低下し易くなる傾向があることがわかったためである。この表面凹部３Ａ（凹部３ａ）により、下受けベース３と下金型４との接触面積を低減すると共に、表面凹部３Ａに空気層を形成し、下金型４から下受けベース３への熱伝達を抑え、下金型４の温度低下を防ぐことができた。

次に、実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下受けベースの変形例について説明する。
図３（ａ）は実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下受けベースの変形例を示す模式斜視図であり、図３（ｂ）は実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下受けベースの変形例を示す模式断面図である。
変形例における下受けベース３’が実施の形態１における下受けベース３と異なる点は、環状に形成された複数の凹条溝３ｃを同心円上に配置して表面凹部３Ｂが形成されている点である。これにより、下受けベース３と同様の作用を得ることができる。
尚、上受けベース７は、下受けベース３と上下対称に配置されるだけで、下受けベース３と同様に形成されるので、説明を省略する。

本実施の形態では、下受けベース３及び上受けベース７に表面凹部３Ａ（凹部３ａ）を形成したが、保温リング４ｂ，８ｂと下金型４及び上金型８との接触面にも側面凹部を形成することができる。これにより、保温リング４ｂ，８ｂと下金型４及び上金型８との接触面積を低減できると共に、側面凹部に空気層を形成することができ、下金型４及び上金型８から保温リング４ｂ，８ｂへの熱伝達を抑え、下金型４及び上金型８の温度低下を効果的に防ぐことができ、金型加熱の効率性、省エネルギー性を向上させることができる。

次に、実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下金型用誘導加熱コイルの取付け構造について説明する。
図４は実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下金型用誘導加熱コイルの取付け構造を示す要部模式平面図である。
図４中、５ｂは下金型４に下金型用誘導加熱コイル５を螺子止めによって固定するコイル取付け部である。
コイル取付け部５ｂで下金型用誘導加熱コイル５を固定する際に、下金型４の外周と下金型用誘導加熱コイル５との間に絶縁性及び耐熱性を有する緩衝材５ａを配設することにより、下金型用誘導加熱コイル５と下金型４との間に確実に隙間を形成することができ、両者が接触してショートが発生することを防止できる。本実施の形態では、緩衝材５ａとして、耐熱樹脂を用いたが、緩衝材５ａは、下金型用誘導加熱コイル５による加熱に耐えるだけの耐熱性を有していればよい。
尚、上金型用誘導加熱コイル９は、下金型用誘導加熱コイル５と同様に固定されるので、説明を省略する。

以上のように構成された恒温鍛造成型装置の動作に基づいて、実施の形態１の恒温鍛造成型方法を説明する。
まず、図１において、金型加熱工程により、下金型用誘導加熱コイル５と上金型用誘導加熱コイル９で、下金型４と上金型８を加熱する。
下金型４と上金型８の加熱が開始されると、金型温度監視工程により、金型内部温度測定部１１ａ，１１ｂで下金型４及び上金型８の内部の表面近側部の温度を測定監視する。
次いで、加熱温度調整工程により、金型温度監視工程で測定される温度に基づいて金型の内部表面温度を加工温度に収束させ維持するように温度調整部１２で電源１０の出力を調整し、金型加熱工程における加熱温度を調整する。
尚、製品部分（金属素材２０）と接する金型内部表面温度を最適なものとするため、金型内部温度測定部１１ａ，１１ｂの位置を設定し、加熱温度調整工程による加熱温度の調整を行っている。従って、金型内部温度測定部１１ａ，１１ｂの位置や数は本実施の形態に限定されるものではなく、下金型４や上金型８の形状、大きさ、設定温度などに応じて、適宜、選択することができる。

加熱温度調整工程によって下金型４及び上金型８の金型内部表面温度が加工温度に収束したら、鍛造成型工程において、金属素材２０を金型内に投入し、下金型４と上金型８で挟持したアルミニウム合金２０を加圧部１３のポンチ１３ａで鍛造成型する。尚、アルミニウム合金２０は鍛造成型工程で金型内に投入する前の素材加熱工程において、予め溶体化されたアルミニウム合金２０を１５０℃以上でアルミニウム合金２０の再結晶温度以下に加熱したものである。一度溶体化させたアルミニウム合金２０を再結晶温度以下に加熱し恒温鍛造することにより、結晶粒の微細化を析出硬化が同時に発生するためである。
鍛造成型が終了したら、ノックアウトピン１３ｂによって金型から製品を取り出す。
以下、金型温度監視工程により下金型４及び上金型８の各部の温度を測定監視し、加熱温度調整工程で下金型４及び上金型８の金型内部表面温度を加工温度に保持しながら、鍛造成型工程を繰り返す。

鍛造成型工程におけるアルミニウム合金２０の温度（加工温度）は、アルミニウム合金の種類や組成によっても異なるが、１００℃以上好ましくは１２０℃以上、更に好ましくは１５０℃以上で、アルミニウム合金２０の再結晶温度以下にした。鍛造成型工程におけるアルミニウム合金２０の温度が、１５０℃よりも低くなるにつれ、成型性が低下し易くなる傾向があり、その再結晶温度よりも高くなるにつれ、結晶粒の粒径が大きくなり、強度や靭性が低下し易くなる傾向があることがわかったためである。また、鍛造成型工程におけるアルミニウム合金の温度が、１２０℃若しくは１００℃よりも低くなると、アルミニウム合金の種類や製品の大きさにもよるが、物性の低下が著しくなり、複雑な形状を成型することが困難になる傾向があることがわかった。
例えば、アルミニウム合金２０としてＡ６０６１を加工する場合、アルミニウム合金２０と下金型４及び上金型８の内部（内表面）の温度（加工温度）が１００℃〜３００℃程度となるように、加熱温度調整工程で温度調整を行った。
尚、金型温度監視工程で測定される温度に基づいて、鍛造成型工程における加工速度を調整する加工速度調整工程を有する場合、鍛造成型工程での加工速度が速くなり過ぎることによってアルミニウム合金２０の温度が所定の加工温度よりも高くなることを防止でき、製造条件の均一性に優れる。
また、加圧部１３は、温度調整部１２からの電気信号により、加圧回数を制御することもできる。

以上のように実施の形態１におけるアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法によれば、以下の作用を有する。
（１）上金型と下金型を加熱する金型加熱工程と、上金型及び／又は下金型の温度を測定監視する金型温度監視工程と、金型温度監視工程で測定される温度に基づいて金型内部の表面温度を加工温度に収束させ維持するように金型加熱工程における加熱温度を調整する加熱温度調整工程を有することにより、金型内部及び金型内のアルミニウム合金の温度を所定の加工温度に保持することができるので、後工程の鍛造成型工程における製造条件を略一定に保つことができ、ばらつきの少ない高品質で均一性に優れた鍛造成型部品を製造することができ、品質の信頼性、量産性に優れる。
（２）予め素材加熱工程で加熱されたアルミニウム合金を加熱温度調整工程で加工温度に温度調整された金型内に投入してアルミニウム合金の再結晶温度以下で製品形状に鍛造成型する一軸の鍛造成型工程を有するので、アルミニウム合金が冷えることがなく、加工圧力を低減して高速加工することができ、量産性に優れる。また、冬季や夏季を問わず、効率よく略一定の条件で成型を行うことができ、生産の効率性、安定性に優れる。
（３）溶体化されたアルミニウム合金を１００℃以上好ましくは１２０℃以上、更に好ましくは１５０℃以上で、アルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱する素材加熱工程と、素材加熱工程で加熱されたアルミニウム合金を加熱温度調整工程で加工温度に温度調整された金型内に投入してアルミニウム合金の再結晶温度以下で製品形状に鍛造成型する一軸の鍛造成型工程を有することにより、従来の冷間鍛造において別々に行われていた結晶粒微細化と析出硬化を同時に行わせることができ、鍛造成型工程後に、別途、熱処理などを行うことなく、高強度、高靭性で高品質な鍛造成型部品を製造することができ、しかも製品の最終形状に近い形状に成型することができるので、切削などの後加工が不要で、加工工数を大幅に低減することができると共に、材料歩留まりを向上させることができ、量産性、省資源性に優れる。
（４）金型温度監視工程で測定される温度が、上金型及び下金型の内部の表面近側部の温度であることにより、上金型や下金型の内部表面温度とほぼ等しい温度を測定することができると共に、熱電対を用いた金型温内部度測定部を金型で保護してアルミニウム合金との接触を防止することができ、温度測定の確実性、温度管理の信頼性に優れる。

以上のように実施の形態１におけるアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置によれば、以下の作用を有する。
（１）下金型用誘導加熱コイルや上金型用誘導加熱コイルが下金型や上金型の外周に配設されるので、下金型や上金型との着脱が容易で、簡便に下金型や上金型の交換作業を行うことができ、メンテナンス性、取扱い性に優れる。
（２）上金型及び下金型の内部の表面近側部の温度を測定する金型内部温度測定部や下金型及び上金型の外表面温度を測定する金型外表面温度測定部を有するので、簡便かつ確実に上金型や下金型の必要な温度を測定することができ、温度測定の確実性に優れる。
（３）金型温度測定部で測定される温度に基づいて上金型及び下金型の内部表面温度を加工温度に収束させ維持するように調整する温度調整部を有することにより、金型内部及び金型内のアルミニウム合金の温度を加工温度に保持することができるので、鍛造成型時の製造条件を略一定に保つことができ、ばらつきの少ない高品質で均一性に優れた鍛造成型部品を製造することができ、品質の信頼性、量産性に優れる。
（４）予め加熱されたアルミニウム合金を温度調整された上金型と下金型で挟持してアルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱しながら一方向のみから製品形状に加圧し鍛造成形が終了したらノックアウトピンによって金型から製品を取出す加圧部を有することにより、アルミニウム合金を所望の加工温度に加熱しながら加圧することができるので、加工圧力を低減して高速加工することができ、量産性に優れる。また、加工圧力を低減でき、省力性に優れると共に、加圧部をコンパクト化することができ、省スペース性に優れる。
（５）下受けベースと下金型との接触面及び／又は上受けベースと上金型との接触面に形成された表面凹部を有することにより、下受けベースや上受けベースと下金型や上金型との接触面積を低減できると共に、表面凹部に空気層を形成することができ、下金型や上金型から下受けベースや上受けベースへの熱伝達を抑え、下金型や上金型の温度低下を防ぐことができ、金型加熱の効率性、省エネルギー性に優れる。
（６）上金型及び／又は下金型の外周に環装された保温リングを有することにより、上金型や下金型の外周面からの放熱を防止することができ、金型加熱の効率性、省エネルギー性に優れる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施の形態１で説明した恒温鍛造成型方法及び恒温鍛造成型装置により、恒温鍛造成型を行った。
アルミニウム合金（Ａ６０６１−Ｔ６材）を溶体化処理（５３０℃で１時間加熱後水冷）したものを１７０℃（再結晶温度以下）に加熱して使用し、圧縮率５０％〜７０％で成形した。
また、アルミニウム合金と下金型及び上金型の内部表面温度は、１００℃〜３００℃程度となるように、加熱温度調整工程で温度調整を行った。
このようにして得られた成型品から試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１「金属材料引張試験方法」に準拠して、０．２％耐力、引張強さ、伸びを測定した。
その結果、０．２％耐力は３１０〜３２０Ｎ／ｍｍ²、引張強さは３３０〜３４０Ｎ／ｍｍ²、伸びは１３〜１６％であった。
従来の鍛造加工品における０．２％耐力、引張強さ、伸びのＪＩＳ規格値は、それぞれ＞２４５Ｎ／ｍｍ²、＞２６５Ｎ／ｍｍ²、＞１０％であり、本実施例では、いずれもＪＩＳ規格値を大きく上回る結果となった。
以上の結果から、本実施例によれば、従来のような鍛造加工後の熱処理を行うことなく、それを超える機械的強度が得られることがわかった。また、従来の鍛造成形品では、強さとしなやかさを兼ね備えることは困難であったが、本実施例によれば、優れた強さとしなやかさを有する鍛造成形品を実現できることがわかった。これらの結果は、結晶の微細化と析出硬化が同時に行われるためと考えられる。

本発明は、金型内のアルミニウム合金を簡便かつ確実に所定の温度に維持することができ、鍛造成型時の加工速度を適正に保持して、素材が所定の温度以上に加熱されることを確実に防止することができ、結晶粒を微細化して、高強度、高靭性で高品質な部品を高速加工することができ、加工後の熱処理が不要で、後加工を最小限に抑えることができる量産性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法の提供、簡素な構造で断熱性に優れ、金型からの放熱を低減することができ、金型加熱の効率性に優れ、金型内の素材を確実に所定の温度に維持することができ、成型性、加工の均一性に優れると共に、加圧力を低減して小型化を図ることができ、高速加工が可能で、ばらつきの少ない信頼性、耐久性に優れた高品質な鍛造成型部品を製造することができる量産性に優れたアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置の提供を行うことにより、アルミニウム合金製の部材を高品質で安定供給することができ、自動車、電力機器、住宅関連設備などの各種金属製部品の高品質化、軽量化に貢献することができる。

実施の形態１の恒温鍛造成型方法に用いる恒温鍛造成型装置の構成を示す要部断面模式図 実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下受けベースの模式斜視図 （ａ）実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下受けベースの変形例を示す模式斜視図（ｂ）実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下受けベースの変形例を示す模式断面図 実施の形態１の恒温鍛造成型装置の下金型用誘導加熱コイルの取付け構造を示す要部模式平面図

１ 恒温鍛造成型装置
２ 下型ベース
３，３’ 下受けベース
３ａ 凹部
３Ａ，３Ｂ 表面凹部
３ｂ 貫通孔
３ｃ 凹条溝
４ 下金型
４ａ，８ａ 固定リング
４ｂ，８ｂ 保温リング
４ｃ，８ｃ 熱電対挿通孔
５ 下金型用誘導加熱コイル
５ａ，９ａ 緩衝材
５ｂ コイル取付け部
６ 上部ベース
７ 上受けベース
８ 上金型
９ 上金型用誘導加熱コイル
１０ 電源
１０ａ 高周波ケーブル
１１ａ，１１ｂ 金型内部温度測定部
１２ 温度調整部
１３ 加圧部
１３ａ ポンチ
１３ｂ ノックアウトピン
２０ アルミニウム合金

Claims (7)

1. 上金型と下金型を加熱する金型加熱工程と、前記上金型及び／又は前記下金型の温度を測定監視する金型温度監視工程と、前記金型温度監視工程で測定される前記温度に基づいて金型内部の表面温度を加工温度に収束させ維持するように前記金型加熱工程における加熱温度を調整する加熱温度調整工程と、溶体化されたアルミニウム合金を１００℃以上で前記アルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱する素材加熱工程と、前記素材加熱工程で加熱された前記アルミニウム合金を前記加熱温度調整工程で前記加工温度に温度調整された金型内に投入して前記アルミニウム合金の再結晶温度以下で製品形状に鍛造成型する一軸の鍛造成型工程と、を備えたことを特徴とするアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法。
2. 前記金型温度監視工程で測定される前記温度に基づいて、前記鍛造成型工程における加工速度を調整する加工速度調整工程を備えたことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法。
3. 前記金型温度監視工程で測定される前記温度が、前記上金型及び／又は前記下金型の内部の表面近側部の温度であ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部品の恒温鍛造成型方法。
4. 請求項１乃至３の内いずれか１項に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型方法に用いるアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置であって、
   下金型と、前記下金型の外周に配設される下金型用誘導加熱コイルと、前記下金型に対向配置される上金型と、前記上金型の外周に配設される上金型用誘導加熱コイルと、前記上金型及び／又は前記下金型の温度を測定する金型温度測定部と、前記金型温度測定部で測定される前記温度に基づいて前記上金型及び前記下金型の内部表面温度を加工温度に収束させ維持するように調整する温度調整部と、予め溶体化され１００℃以上で前記アルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱された前記アルミニウム合金を前記加工温度に温度調整された前記上金型と前記下金型で挟持して前記アルミニウム合金の再結晶温度以下に加熱しながら一方向のみから製品形状に加圧し鍛造成形が終了したらノックアウトピンによって金型から製品を取出す加圧部と、を備えていることを特徴とするアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置。
5. 前記下金型が固設される下受けベースと前記下金型との接触面及び／又は前記上金型が固設される上受けベースと前記上金型との接触面に形成された表面凹部を備えていることを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置。
6. 前記上金型及び／又は前記下金型の外周に環装された保温リングを備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置。
7. 前記保温リングと、前記上金型及び／又は前記下金型と、の接触面に形成された側面凹部を備えていることを特徴とする請求項４乃至６の内いずれか１項に記載のアルミニウム合金部品の恒温鍛造成型装置。

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