JP5828602B2 - 半凝固金属材料のプレス成形方法及びプレス成形システム - Google Patents

Description

本発明は、主としてアルミニウム合金などの軽金属やその他の金属を半凝固状態にして成形する半凝固金属材料のプレス成形方法及びプレス成形システムに関する。

従来から、アルミニウム合金等を成形する技術の１つとして鋳造があり、その鋳造方法の１つとして金型に溶融金属を加圧注入し所定形状の製品を得るダイカスト法が用いられている。ただし、ダイカスト法では主として溶湯を用いるため、金型の寿命が短い、引け巣等が発生し製品の品質が十分でないなどの問題がある。

そこで近年は、このダイカスト法において、金型に注入する金属材料として、溶融金属の代わりに、固相成分と液相成分とを共存させた半溶融状態にある金属（半凝固金属又は半溶融金属）を用いて高圧鋳造する方法が使用されてきている。

この方法は、一般的なダイキャスト法と区別され、レオキャスティング法やチクソキャスティング法と呼ばれている。

レオキャスティング法は、凝固途中の金属を電磁的、機械的、あるいは超音波等の手段で強制撹拌することによって、細かい球状晶を液相内に均一に分散させた固液混合の半凝固金属を得て、この半凝固金属をダイカストマシンの鋳型内に圧入し、製品を鋳造成形するものである。

チクソキャスティング法は、溶湯を冷却中に強制撹拌して得られる半凝固金属を得た後、それを一旦急速に冷却して完全凝固させた棒状の鋳塊（ビレット）を成形しておき、製品製造時において、このビレットから必要量を切出した後、半溶融状態（半凝固状態）まで再加熱し、レオキャスティング法と同様にダイカストマシン等により製品を製造する方法である。

いずれの方法も、一長一短があるが、いずれも半凝固金属（以下半溶融金属も含めて表示する）を鋳型内で加圧成形するという点で共通している。

ところで、これらの方法で金属材料を金型内に圧入するには、半凝固金属を鋳込スリーブにセットしてプランジャー等の加圧手段によって鋳型内に押出す（射出する）ことが必要であるが、半凝固金属をスリーブに挿入した段階で、金属はスリーブに接触して熱を奪われるので凝固層が発生しやすい。そのため、凝固層が製品に含有するのを防ぐ工夫が必要となる。

また、半凝固金属の充填中にはスリーブ等にはプランジャーとスリーブ終端との挟まったビスケットと称する加圧部分と金型へのランナー（湯道）等がダイカストと同様必要であり、また、流入速度を制限する（流入速度を遅くしたい）ことから断面積の大きなランナーが必要である。これらの部分は製品とは成らない部分で無駄が多く、歩留りが低く、製造コスト上昇の一因になっている。

また、半凝固金属はスリーブや金型との摩擦が溶湯よりも大きいため、プランジャーの押圧力を溶湯よりも大きくする必要があり、溶湯に比べてプランジャーの押圧力を大きな設備が必要となり設備費が高くなる等の問題もあり製造コスト上昇の一因となっている。

このような状況に鑑み、成形用の金型の中に、直接、半凝固金属（又は半溶融金属）を挿入して成形する方法が開発されている。

例えば、特許文献１には、保持容器にて保持された半凝固金属下型の凹部内に反転して載置し、上型を下降させ静かに圧縮変形させて基本形状を整え、次いで、最終形状の製品に成形する技術が開示されている。

また、特許文献２には、半溶融金属（半凝固金属）をプレスの金型（下型）のキャビティ内に投入し、上型を下降させて、キャビティ内の金属の温度が凝固終了温度に達する温度まで圧力を加え続けて一次成形し、その後、第２の加圧手段によってキャビティの形状を変化させて製品を二次成形する方法が開示されている。

また、特許文献３には、金型内に半溶融金属又は半凝固金属を投入し、金型に第１の加圧（一次型締め）を行い、その後第２の加圧（最終製品とする二次型締め）を行う成形方法が開示されている。

また、特許文献４には半凝固金属の投入位置修正を可能とするために半凝固金属を適当な固相率として液相成分を減少させ液相成分のタレ落ちや半凝固金属の崩れを防ぐ方法が開示され、これにより良好な製品が得られるとしている。

これら４つの方法は、金型のキャビティ内に半溶融金属（半凝固金属）を投入し、その後加圧成形を行う点では同様の技術である。

特開２００３−１３６２２３公報 特開２００７−１１８０３０号公報 特開２０１１−６７８３８号公報 特開２０１４−１８８２３号公報

上述したような、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４による成形方法を用いれば、半溶融金属又は半凝固金属を用いて、引け巣がない高品質な製品を低コストで製造することができると考えられる。

ところで、このような金型のキャビティ内に半凝固金属を投入し加圧により製品を製造する方法では、一般に、半凝固金属の金型への投入の取扱いの容易さや引け巣の低減などの品質向上のため、金属の固相率は比較的高めに調整した半凝固金属を用いている。

例えば、特許文献１では、半凝固金属の固相率を３０〜９９．９％、としている。半凝固金属の型内への投入に際しては、所定の固相率に調整された半凝固金属を容器に収容しておき、この容器を金型のキャビティ位置まで搬送し、容器を傾けるなどにより金型のキャビティに半凝固金属を投入する。

しかし、このような工夫をして、慎重に金型のキャビティ内に投入しても、金型のキャビティ内に半凝固金属を均質で一様な状態で投入することは難しいといった実情がある。

特許文献４には、金型のキャビティ内への半凝固金属（溶融金属）の投入の際、溶融金属収容容器（金属容器）からの半凝固金属（溶融金属）の落下の仕方がその都度異なることから、金型内での半凝固金属の落下位置などにバラツキが生じ、修正等する必要があることについての記載がある。また、崩れるスラリーの場合は修正も困難であることも記載されている。

金型のキャビティ内への半凝固金属（溶融金属）の投入の際、すなわち、半凝固金属を金属容器から排出する場合、金属容器には抜き勾配があり離形潤滑剤が塗布されてはいるが、固相率が３０％〜９９．９％と比較的固相率の高い場合には金属容器壁厚さや、注湯温度や注湯量のバラツキと離型潤滑剤の塗布のバラツキ等により金属容器からの排出にかかる時間は一定ではない。

このため、金属容器内の半凝固金属にあっては、金属容器を傾けて行く途中で排出するものや、完全に反転した後、時間をおいて排出するもの等があり、更に固相率が低い場合には形状が崩れるものもあり、金型への投入位置にバラツキを発生させるといった現象が生じるおそれがある。金型への投入位置のバラツキは、充填する部分に半凝固金属の過不足を生じ、寸法精度を悪化させるといった実情がある（特許文献４参照）。

更に、半凝固金属の生成方法としては、経済性に優れていることから、溶湯を金属容器内に注ぎ、その金属容器内の溶湯を液相温度以下へと低下させながら、電磁、機械、振動等の撹拌を与えて液相と固相の混ざった半凝固金属とする方法が広く使用されている。

この場合、溶湯の熱移動は金属容器内の溶湯から金属容器へ移動し、金属容器から外気へ移動するので、金属容器内に収容されている半凝固金属に関しては、金属容器の径方向において、金属容器側が低温で、中心側が高温となり、高温側の中心部に液相が多くなる傾向がある。

このような状態の半凝固金属を投入する際、金属容器を傾けると中心部の液相の多い部分が流出して金型内へ先に流下する現象が発生する。かかる場合には、先に流下した液相の多い部分の上に固相が多い大部分の半凝固金属が投入されてしまうことになる。

このような態様で投入された材料で成形してしまうと、先に流入した液相の多い成分は金型と接触して先に凝固し、その後に固相の多い半凝固金属が成形加圧されるので、液相の多い成分が固相の多い全体に付着したような、あるいは液相が固相内から滲み出したような製品となってしまうといった実情がある。この場合、製品は異質のものが付着したよう外観となり、一般的にダイカスト製品では「湯冠り」や「染み出し」と呼ばれる外観不良に相当する。

また、液相のみが凝固した箇所はその他の箇所と比べ、液相主成分の化合物が多数凝固析出するので延性が乏しくなる。外表皮部分は内部に比べ、曲げ変形を強く受けるので、液相が外表皮に付着して凝固した箇所が曲げ割れの起点となってしまう可能性があり、機械的強度の低下も懸念される。

本発明は、上述した実情に鑑みなされたもので、半凝固金属材料を用いて均質で高品質な製品をプレス機械により製造するに際し、生産性を維持しつつ、外観的にも機械強度的にも優れた均質で高品質な製品を製造することができる半凝固金属材料のプレス成形方法及びプレスシステムを提供することを目的とする。

このため、本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形方法は、
金属材料の溶湯を上側開口の容器に注ぎ、この注がれた溶湯を撹拌しながら冷却して半凝固金属材料を該容器内に製造する半凝固金属材料製造ステップと、
半凝固金属材料を収容している前記容器を上下反転させて一時置場に保管する半凝固金属材料反転ステップと、
反転させたことを利用して、半凝固金属材料から液相部分を排出させる液相部分排出ステップと、
液相部分が排出された半凝固金属材料をプレス機械内の金型に供給してプレス加工を行うプレス成形ステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明において、前記半凝固金属材料製造ステップにおいて、容器内で半凝固金属材料を製造しているときに、半凝固金属材料の上面側を冷し蓋を用いて冷却する冷し蓋による冷却ステップが実行されることを特徴とすることができる。

本発明において、前記冷し蓋は、少なくとも半凝固金属材料の上面側の径方向中心部付近を冷却するように半凝固金属材料の上面と接触して置かれることを特徴とすることができる。

本発明に係る半凝固金属材料のプレス成形システムは、
金属材料の溶湯を上側開口の容器に注ぎ、この注がれた溶湯を撹拌装置により撹拌しながら冷却して半凝固金属材料を該容器内に製造する半凝固金属材料製造装置と、
半凝固金属材料を収容している前記容器を上下反転させて一時置場に保管する半凝固金属材料反転装置と、
反転させたことを利用して、半凝固金属材料から液相部分を排出させる液相部分排出装置と、
液相部分が排出された半凝固金属材料を金型に供給してプレス加工を行うプレス機械と、
を含むことを特徴とする。

本発明において、前記半凝固金属材料製造装置により容器内で半凝固金属材料を製造しているときに、半凝固金属材料の上面側に冷し蓋を接触させて半凝固金属材料を冷却すると共に、所定期間冷却後に冷し蓋を退避させる装置が備えられることを特徴とすることができる。

本発明において、前記冷し蓋は、少なくとも半凝固金属材料の上面側の径方向中心部付近を冷却するように半凝固金属材料の上面と接触して置かれることを特徴とすることができる。

本発明において、
前記半凝固金属材料反転装置は、
前記半凝固金属材料製造装置において半凝固金属材料を収容している容器の上端側に、開口部を備えた開口部付属台を載置すると共に、
その状態から、半凝固金属材料を収容している容器及び開口部付属台を同時に上下反転させて開口部付属台を下にして中間置場に置くように構成され、
前記液相部分排出装置は、
前記開口部付属台に載置された半凝固金属材料の液相部分を、当該開口部付属台の開口部を介して外部へ排出するように構成されたことを特徴とすることができる。

本発明によれば、半凝固金属材料を用いて均質で高品質な製品をプレス機械により製造するに際し、生産性を維持しつつ、外観的にも機械強度的にも優れた均質で高品質な製品を製造することができる半凝固金属材料のプレス成形方法及びプレス成形システムを提供することができる。

（Ａ）は溶解炉より溶湯を給湯・注湯機（ラドル）により汲み出す様子を示している図であり、（Ｂ）は電磁撹拌装置内の容器へ溶湯を注ぐ様子を示している図である（この注湯開始時点から電磁撹拌は行われている）。 容器の開口部より生成中の半凝固材料の開口端に接触させるように冷し蓋を設置した状態を示す図である（冷し蓋は、生成中の半凝固材料と接する面には離型剤（ＢＮの粉末）が塗布され、１５０〜２００℃に加熱乾燥されている。冷し蓋は溶湯の注湯完了後、ロート後退後にロボットにより配置され、撹拌終了後の鎮静中または鎮静終了後に取り出される）。 （Ａ）は円盤状の冷し蓋の詳細断面図を示した図であり、（Ｂ）は（Ａ）の底面図である。 （Ａ）は開口部付属台の一例を示す正面図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は右側面図である。 （Ａ）は、冷し蓋が取り除かれ、半凝固材料を収納する容器がカップ昇降機（容器昇降機）により電磁撹拌装置より上方へ押し出された後、ロボットにて開口部付属台が容器上端面に設置された状態を示した正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の開口部付属台、容器、ロボットを抜き出して示す平面図である。 ロボットにて開口部付属台及び容器を電磁撹拌装置より中間置場上まで持ち運び、中間置場上にて開口部付属台及び容器を反転させて容器から半凝固材料を分離（落下）させて半凝固材料を開口部付属台上に載置させた状態とした後、ロボットにより容器のみを持ち運ぼうとした状態を示した図である（反転時半凝固材料より液垂れが発生した場合、その垂れ落ちた材料は中間置場台に設けた溝を通じヒータ付属の液垂れ受け台により回収ボックスに回収されるように構成されている）。 （Ａ）は半凝固材料からの液垂れするのが終了するまで保存される中間置場及びアイドルステージを示す平面図であり、（Ｂ）は搬出用のプッシャーによりロボットへ送られる様子を示す平面図であり、（Ｃ）はロボットにより搬出される半凝固材料及びこれを載置している開口部付属台の様子を示す（Ｂ）の側面図である。 ロボットによって材料排出ステージから半凝固素材を受け取り、成形ステージであるプレス機械内の金型へ半凝固材料を投入する様子を示す正面図である。 使用し終わった容器（使用済容器）を再利用するため、ロボットにて搬送しながら、冷却→脱水→清掃→離型剤の塗布の各工程を連続して行っている様子を示す正面図である（冷却蓋も同様の手法により再利用可能である）。 本実施の形態に係るシステム全体のレイアウトの一例を示す平面図である。 本実施の形態に係る容器内に収容されている半凝固材料の径方向中心部Ｘ付近の領域に生じるおそれのある液相部分を模式的に示す断面図である。 （Ａ）は本実施の形態に係る開口部付属台の他の形状の一例を示す平面図（半凝固材料の載置面方向から見た図）であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。 半凝固材料が入っている容器を上下反転させた状態から、ロボットによって容器のみを取り除き、取り除いた容器を容器排出コンベアに搬出する様子の一例を示す正面図である。 （Ａ）は本実施の形態に係る半凝固金属（半凝固材料）製造工程を模式的に示す斜視図であり、（Ｂ）は半凝固材（半凝固材料）反転載置工程＆搬送工程を模式的に示す正面図であり、（Ｃ）は成形工程（プレス成形）を模式的に示す正面図である。 （Ａ）は半凝固材料を載せた開口部付属台を下金型から突出している押出しピンの上に持ち来した状態を示す正面図であり、（Ｂ）は半凝固材料を押出しピンに渡した開口部付属台がプレス機械から退避する様子を示す正面図であり、（Ｃ）は押出しピンが下降しながら半凝固材料を下金型内へ収める一方で、上金型が下降してプレス成形を開始する様子を示す正面図であり、（Ｄ）は半凝固材料を下金型と上金型とによりプレス成形している様子を示す正面図である。 図１４（Ｂ）の半凝固材（半凝固材料）反転載置工程＆搬送工程における制御（半凝固金属材料反転ステップ）の一例を示すフローチャートである。 図１４（Ｃ）の成形工程（プレス成形）における制御（プレス成形ステップ）の一例を示すフローチャートである。 本実施の形態に係る半凝固材料の作成（製造）手順の一例を示すフローチャートであり、（Ａ）は冷し蓋を利用して半凝固材料の上部中央部付近を冷却することで液相部分をより積極的に排除しながら半凝固材料の作成（製造）する場合の一例を示すフローチャートであり、（Ｂ）は冷し蓋を利用せずに半凝固材料の作成（製造）する場合の一例を示すフローチャートである。

以下に、本発明の一実施の形態に係る半凝固金属材料のプレス成形方法及びプレス成形システムについて、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

発明者等は、半凝固金属材料内に発生し、流下する特性を有する液相成分（液相部分）を減少させ、流出し難い状態とする方法と装置を考案した。また、残存する液相成分を排除して連続作業を可能とし、半凝固金属（半凝固材料）をプレス機械の金型内へ正確に投入する方法と装置を考案した。

本実施の形態では、図１０に概略的に示すように、溶解炉２から給湯・注湯機４を介して溶湯３を電磁撹拌装置５内の容器（上側開口の容器）３に供給して半凝固材料７を製造（或いは作成）する。製造された半凝固材料７を中間置場１１及びアイドルステージ１６（一時置場）にて一時保管し、その保管中に半凝固材料７から液相を排除（排出）し、その後、その半凝固材料７を用いて、プレス機械２０にて成形を行う方法を採用した。本実施の形態において、溶湯や半凝固材料の金属材料としては、例えば、アルミニウム合金などとすることができるが、他の金属或いは合金とすることができる。

以下、より詳細に説明する。
本実施の形態では、プレス機械２０におけるプレス成形に供される素材である半凝固材料（半凝固金属材料）７の作成には電磁撹拌装置５を用いる。

＜半凝固金属材料製造（作成）工程（ステップ）＞
図１（Ａ）や図１４に示すように、溶解炉２から給湯・注湯機（ラドル）４によって汲み上げられた溶湯（例えば、アルミニウム合金など）３を、図１（Ｂ）や図１４（Ａ）に示すように給湯・注湯機４を傾け、金属製（例えば非磁性のＳＵＳ３０４等）の容器６にロート５ａを介して注ぎ、この容器６が置かれた電磁撹拌装置５によって容器６内の溶湯を撹拌しながら冷却することで、半凝固材料（半凝固金属材料）７を製造（取得）する（この注湯開始時点から電磁撹拌は行われている）。
かかる工程（ステップ）が、本発明に係る半凝固金属材料製造工程（ステップ）に相当する。また、溶湯３、容器６、電磁撹拌装置５などが、本発明に係る半凝固金属材料製造装置に相当する。

ここで、容器６に注がれた溶湯３は、容器６の外壁や底で冷却されることから、図１１に示すように、容器６の外壁や底から最も距離のある上面側（開口部６Ａ側）の径方向中心部Ｘが高温となるため、この箇所は半凝固状態とはならずに流下（或いは滴下）し易い液相成分が残り易くなる。

この液相成分が多く残っていると、既述したように、金型に投入して成形する際に、「湯冠り」や「染み出し」と呼ばれる外観不良を招くと共に、成形品の表面に析出して強度低下を招くおそれがある。

＜冷し蓋による冷却工程（ステップ）＞
このため、本実施の形態では、この径方向中心部Ｘの温度を下げ、半凝固状態として液相を消失させる方法として、図２に示すように、容器６に収容されている半凝固材料７の上面側の径方向中心部Ｘの付近に半凝固材料７に接触させるように冷し蓋８ｂを置くこととにした。
かかる工程が、本発明に係る冷し蓋による冷却工程（ステップ）に相当する。
ここでは、半凝固材料７の上面側の径方向中心部Ｘの付近に半凝固材料７に接触させるように冷し蓋８ｂを置く場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷し蓋という要素を用いて、半凝固材料７の上面側を冷却するという概念を利用するものは本発明の範囲に含まれるものである。

なお、冷し蓋８ｂの材質は、電磁撹拌の際に影響が少なくなるよう非磁性の容器６と同様のＳＵＳ３０４とし、冷し蓋８ｂの面積は、一例として、上面側（容器６の開口部６Ａ側）の溶湯面積の約６０％とした。

但し、半凝固材料７に生じる液相が少ない場合や、中間置場１１及びアイドルステージ１６にて半凝固材料７を一時保管する際に半凝固材料７から液相の排出が少ない場合や無い場合などにあっては、図１４（Ａ）、（Ｂ）等に示すように、冷し蓋８ｂを置くことを省略することも可能である。

本実施の形態に係る半凝固材料の作成（製造）手順の一例を示すフローチャートを図１８に示しておく。図１８（Ａ）は冷し蓋を利用して半凝固材料の上部中央部付近を冷却することで液相部分をより積極的に排除しながら半凝固材料の作成（製造）する場合の一例を示し、図１８（Ｂ）は冷し蓋を利用せずに半凝固材料の作成（製造）する場合の一例を示している。

冷し蓋８ｂを置く作業手順（工程）は、図１（Ｂ）における注湯が終了し、ロート５ａが後退（退避）した後、予め１５０°Ｃ〜２００°Ｃに加温して乾燥させた状態の冷し蓋８ｂを、ロボット８のアーム８Ａの先端に取り付けられているフィンガ８Ｂにより把持して持ち来たして、電磁撹拌装置５にて電磁縦撹拌中の溶湯の径方向中心部の盛り上がっている部分の上に載せ、さらに、盛り上がり高さの略１/２の距離まで押し下げる。その時の押し下げ荷重を圧力センサ８ａにて検知して所定圧力となるように制御する。但し、冷し蓋８ｂを半凝固材料７の上表面付近に置いておくといった方法とすることもできる。
ここで、冷し蓋８ｂ、ロボット８などが、本発明に係る冷し蓋による冷却装置の一部に相当する。

これを電磁縦撹拌後の鎮静の終了まで継続して、冷し蓋８ｂを取り出す。なお、電磁撹拌装置５は、例えば、作業中は常時作動させた状態として、容器６に溶湯３が注ぎ込まれると同時に撹拌が開始される構成とすることができる。

電磁撹拌装置５による容器６内での溶湯３（半凝固材料７）に対する撹拌の方向は、図２に示すように、容器６内の外側上方から下方へ向けて半凝固材料７が進行し、底部付近で中央へ向かって進路を変えて、底部中央付近で相互衝突して上方へと進路を変えるといった縦流れＹを形成し、この縦流れＹによって撹拌する構成とすることができる。

かかる縦流れＹは、図１１の径方向中心部Ｘの液相領域（高温領域）を小さくすることができて好適であるが、縦流れＹとは逆向きの縦流れとすることも可能であるし、例えば周方向流れを作って撹拌を図ることも想定される。周方向流れの場合には、遠心力によって、図１１の径方向中心部Ｘの液相領域（高温領域）が大きくなるおそれがある。

しかしながら、冷し蓋８ｂを利用することで、縦流れＹ、縦流れＹとは逆向きの縦流れ、周方向流れであっても、径方向中心部Ｘに形成される液相領域を低減することは可能である。

冷し蓋８ｂは、図１０に示すように、冷し蓋供給コンベア８０により供給されて使用された後、冷し蓋排出コンベア８１上でフィンガ８Ｂから解放し、冷し蓋排出コンベア８１によって排出（搬出）されて、水冷、清掃し、離型剤を塗布して加温、乾燥し、再利用できるようになっている。

上記のように冷し蓋８ｂを用いて、容器６内の材料中心（径方向中心部Ｘ）の温度を下げることで、液相成分の発生を抑制するとともに、容器６内の半凝固材料７の固相率の範囲を４０％〜５５％程度までとすることができた。なお、今回行った試験では、この冷し蓋８ｂを用いたところ、半凝固材料７の上面側（開口部６Ａ側）の表皮に固相成分が多くなり、金型への投入の際や後述する中間置場１１での液相成分の流下は認められなかった。

ところで、容器６内の溶湯３（半凝固材料７）の上面側（開口部６Ａ側）の形状は、電磁縦撹拌では縦流れＹのため中央付近が盛り上がり形状となるが、冷し蓋８ｂによりこれを押さえ付けるので、図２や図５（Ａ）に示すように、中央付近の盛り上がりの小さい、平坦に近い高原形状とすることができる。

このことには、容器６に図２の状態で収容されている半凝固材料７の上面側（開口部６Ａ側）を、図６の右図に示すように、下となるように反転して垂直に置くような場合に、安定して垂直に立てて置くことができることに有利に働くという利点がある。

今回の試験で用いた冷し蓋８ｂは、図３に示すように、円盤状で、外縁に１０ｍｍの立ち上げ部８ｂ１があり、冷し蓋８ｂの厚みは容器６の底板の厚みの１．５倍の厚みとし、平坦な皿状で皿の内面中央にネジをつけたボス８ｂ２があり、フィンガ８Ｂによる把持が可能なφ８の丸棒８ｂ３がネジ込まれたものを用いた。

なお、液相部分の冷え度合いを調整するために、冷し蓋８ｂを半凝固材料７に接触させておく時間を調整することができることは勿論、冷し蓋８ｂの熱容量（液相部分の冷え度合い）を調整するために、冷し蓋８ｂの厚みや形状を適宜選択することができると共に、丸棒８ｂ３等の付属物や丸棒８ｂ３と接触するフィンガ８Ｂの長さや径や形状等を適宜選択可能である。

また、冷し蓋８ｂのうち半凝固金属（半凝固材料７）に接する面８ｂ４には容器６と同じＢＮ粉末を塗布して試験を行った。冷し蓋８ｂのうち半凝固金属（半凝固材料７）と接する面８ｂ４は半凝固金属が付着し難い状態であることが望ましいため、この面には離型剤の塗布や各種の表面処理を施すことができる。

但し、冷し蓋８ｂの形状は、上記の形状に限らず、球状でも、棒状でも、カップ底形状で底面（８ｂ４）の中央部に半凝固金属（半凝固材料７）側に凸の棒状や円錐の突起のある形状等、いずれでも良く、また、冷却効果を高めるため表面積を増やす微小な波状や凹凸があっても良いが、付着するアルミニウム合金や半凝固アルミ合金などの金属材料を除去しやすい表面形状とすることが望ましい。

その他、冷し蓋８ｂを用いることのメリットとしては、冷し蓋８ｂを用いることで容器６の冷却能が増加し、半凝固金属生成時間の短縮が可能となることが挙げられる。但し、用いる容器６の大きさ等により、冷し蓋８ｂの形状、厚み等は適宜異なるものとすることができる。

なお、本実施の形態では、冷し蓋８ｂを採用しない場合、或いは冷し蓋８ｂを採用する場合であっても半凝固材料の作成（生成）の時間の短縮化等を図りたい場合で半凝固材料７に液相が残るような場合には、図６に示すように、プレス機械２０による成形前に液相のある半凝固材料７を反転させ、成形前の中間置場１１やアイドルステージ１６（図６、図７、図１０等を参照）の一時置場にて液相を排出させる構成とすることができる。

＜半凝固金属材料反転工程（ステップ）及び液相部分排出工程（ステップ）＞
具体的には、冷し蓋８ｂを容器６から取り外した後、図４〜図６に示すように、ロボット１０の先端のアーム１０ｂが挿入される方向と反対方向が開口されるＵ字状の開口部９Ａを備えた開口部付属台９（開口部９Ａは、容器６及び容器６に収容されている半凝固材料７を反転したときに、この開口部９Ａにより液相成分を接触させないように流下させることができる形状となっている）を、容器６の上端側（開口部６Ａ側）に載置した状態（図５、或いは図６の左図参照）で、図６の右図や図１４（Ｂ）に示すように、ロボット１０により上下反転させる。
かかる工程（ステップ）が、本発明に係る半凝固金属材料反転工程（ステップ）に相当する。

これにより、半凝固材料７全体は容器６から分離されて落下するが、容器６は、図４に示す容器支持部９ｄに支持される一方で、落下した半凝固材料７は、図４に示す材料支持部９ｃによって支持されることになる。このようにして、半凝固材料７は開口部付属台９に載置されて支持された状態となり下方へ落下することが規制されるが、半凝固材料７の径方向中心部Ｘ付近に生成され易い液相成分が存在する場合には、この液相成分のみが、開口部９Ａを介して下方に排出されることになる（図１４（Ｂ）等参照）。
かかる内容が、本発明に係る液相部分排出工程（ステップ）に相当する。

また、本実施の形態では、排出（流下）された液相が微量でもこれを回収し再利用可能とするために、半凝固材料７が反転されて置かれる中間置場１１及びアイドルステージ１６の中間置場台１３には、図６の右図に示したように、流下した液相を回収するための溝１３ａが設けられている。

なお、溝１３ａによって回収された液相分は、図７に示すように、液垂れ受け台１４によって回収されて回収ボックス１５に収容されるようになっている。半凝固材料７の重量を厳しく管理したい場合には、半凝固材料７のうち排出された液相量を確認し、排出相当量分、注湯の際の溶湯量を予め増量しておくこともできる。
ここにおいて、開口部付属台９、一時置場である中間置場１１及びアイドルステージ１６の中間置場台１３、溝１３ａなどが、本発明に係る液相部分排出装置の一部に相当する。

ここで、図７に示すように、半凝固材料７は、液垂れするのが終了するまでアイドルステージ１６上に保管され、液垂れが完了した後、順番に、半凝固材料７の位置決めのためプッシャー（エアシリンダ等）１７にてストッパー１８ａに半凝固材料７を突き当てるまで図７上方に移送される。図７では、材料排出ステージ１８において、ストッパー１８ａと、半凝固材料７を載置している開口部付属台９と、の間で位置調整が行われ、半凝固材料７を正確に開口部付属台９上に載置した状態を示している（アイドルステージ１６の長さは半凝固材料７の大きさにより変わるが、中間置場１１から半凝固材料７が運び込まれるステージからプッシャー１７までの間で、例えば１〜５ステージ程度とすることができる。
このような本実施の形態に係る中間置場１１及びアイドルステージ１６（一時置場）が、本発明に係る液相部分排出工程（ステップ）に相当している。

なお、アイドルステージ１６にて半凝固材料７が所定以上に冷却される場合には、図１４（Ｂ）に示すように、アイドルステージ１６上の半凝固材料７をヒータ（保温装置）等にて加熱する構成とすることができる）。
図１４（Ｂ）の半凝固材（半凝固材料）反転載置工程＆搬送工程における制御については、図１６に示すフローチャートに例示しておく。

本実施の形態に係る開口部付属台９は、プレス機械２０内の金型へ半凝固材料７を投入するまで半凝固材料７の置き台として使用することから、半凝固材料７を入れた容器６との間での位置合わせ精度が重要である。このため、精度の高い位置合わせを簡単に行うことができるように、本実施の形態に係る開口部付属台９には、図４に示したように、容器６に対して３方向から当接して位置決めするためのコ字状に配置されたストッパー（縦壁９ａ）が備えられている。

すなわち、本実施の形態に係る開口部付属台９は、ベース部９ｅにはＵ字状の開口部９Ａが形成されていると共に、ベース部９ｅのＵ字状の開口部９Ａの開口端以外の３方（閉塞側と両サイド）には、容器６の開口端に載置される際に、図４、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すような、容器６の開口端を径方向への位置決めを行いつつ支持するストッパー（縦壁９ａ）が備えられている。

また Ｕ字状の開口部９Ａの長手方向に沿った方向に延びるベース部９ｅの両サイドには、ロボット１０のアーム１０ｂ１、１０ｂ２が挿入されるロボットアーム挿入溝９ｂが備えられている。

ロボット１０には容器６を把持するためのアーム１０ａ１、１０ａ２が備えられ、図６の左図のようにして、容器６及び容器６の開口部６Ａに載置された開口部付属台９を一体として搬送して、図６の右図のように、関節１０Ａによって、これらを上下反転させる。

この反転動作により、容器６に収容されている半凝固材料７全体は容器６から分離されて落下するが、容器６は、図４の容器支持部９ｄに支持される一方で、落下した半凝固材料７は、図４の材料支持部９ｃ（ベース部９ｅの半凝固材料７側面）によって支持されることになる。このようにして、半凝固材料７は開口部付属台９に載置されて支持された状態となり下方へ落下することが規制されるが、半凝固材料７の径方向中心部Ｘ付近に生成され易い液相成分が存在する場合には、この液相成分のみが、開口部９Ａを介して下方に排出されることになる。

なお、図４は、半凝固材料７の長軸Ｈを略鉛直にして金型に搬入する場合の形状を想定している。半凝固材料７の長軸Ｈを略水平にして金型に搬入するような利用形態の場合には、半凝固材料７の下端付近の外周と接触する縦壁部９ａ１の長さを長く採った形状とし、図６の右図のように一旦上下反転させて液相成分が垂れ落ちた後に、開口部付属台９をロボット１０等にて９０度傾けることで半凝固材料７の長軸Ｈを略水平にセットすることができる。

開口部付属台９の形状は、半凝固材料７を材料支持部９ｃ（ベース部９ｅの半凝固材料７側面）に載置した状態で液相成分の排出が可能で、容器６との位置合わせ精度が良好で、かつ、金型内の各種装置と干渉しない構造であれば、例に限定されるものではなく、例えば、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すような形状とすることもできるものである。

開口部付属台９の半凝固材料７との接触面には、接触した半凝固材料７を急冷させない材質と半凝固材料７が付着しない表面が必要で、また搬送時に正確に動く剛性と強度が必要となる。今回の試験では、開口部付属台９の表面は、６００°Ｃで熱伝導率０．０３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）と静止空気の熱伝導率０．０６ Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも低い断熱材とし、断熱材表面の半凝固材料７との接触面には離型剤を数種重ねて塗布した。

また、搬送時の剛性と精度確保のため鋼材を補強金属材として使用し、移動装置や投入装置、金型との位置合わせや搬入、投入のための切欠きや溝も施工してある。

図６に示したように、ロボット１０により、半凝固材料７が入っている容器６を上下反転して（関節１０Ａを回転させて行う）、容器６の上端側（開口部６Ａ側）を下として垂直に中間置場台１３の上に載置するが、その後、ロボット１０は先端アーム１０ａ、１０ｂを解放して（１０ａ１と１０ａ２の間隔を拡張すると共に、１０ｂ１と１０ｂ２の間隔を拡張して）、中間置場台１３上の開口部付属台９から先端アーム１０ｂを引き抜き動作を開始し、先端アーム１０ａが開口部付属台９のロボットアーム挿入溝９ｂから退避して空振りする位置（図６の右側の図のロボット１０の各アームの２点鎖線を参照）となったら、先端アーム１０ａを狭めて（１０ａ１と１０ａ２の間隔を縮小して）、容器６の外側のみを先端アーム１０ａにより把持して、図１０や図１３に示すように、開口部付属台９上に半凝固材料７を載せた状態で容器６のみを取り除き、容器６を容器排出コンベア８２に搬出し、洗浄待ち置場へ移送するようになっている。

半凝固材料７を載せた状態の開口部付属台９は、中間置場１１に置かれた後、図７に示すように、半凝固材料７の半凝固状態を整えられつつ、順番にアイドルステージ１６の端まで送られ、プッシャー１７により、ロボット１９側の材料排出ステージ１８へ送られる。

ロボット１９側の材料排出ステージ１８へ送られた半凝固材料７を載せた状態の開口部付属台９は、４方向からストッパー（開口部付属台９の３方向からのコ字状の縦壁９ａ、ロボット１９側のストッパー１８ａ）によって正確な位置決めを行うことができるようになっている。

＜プレス成形工程（ステップ）＞
ロボット１９は、半凝固材料７を載せた状態の開口部付属台９の両サイドのロボットアーム挿入溝９ｂに、先端アーム１９ａ（１９ａ１、１９ａ２）を挿入することにより、半凝固材料７を載せた状態で開口部付属台９を、プレス機械２０内の金型へ移送する（図１４（Ｃ）等参照）。
なお、図１４（Ｃ）の成形工程（プレス成形）における制御については、図１７にフローチャートの一例を示している。

ここで、図８は、ロボット１９によって、材料排出ステージ１８からプレス機械２０内の第１工程の金型２１、２２へ半凝固材料７が投入された様子を示している。なお、第１工程（第１工程の金型２１、２２）で成形された半凝固材料７ａは、プレス機械２０内に設置したトランスファ装置２７により第２工程目（第２工程の金型２５、２６）へ搬送され、第２工程目が終了して得られた製品は、プレス機械２０外へ搬出される（図８の状態）。

このとき、本実施の形態では、金型内には製品離形のための押出しピン（押上ピン）２３（成形後に製品を金型から押し出すためのピン）を設置してあるが、下金型２２ａの押出しピン（押上ピン）２３のストロークを型割面上でトランスファ装置２７（成形後の製品の搬出用）の逃げ代を考慮した高さまで延長してあり、この押出しピン２３の上に半凝固材料７を載せるようにする。
その後、押出しピン（押上ピン）２３を下げることで、半凝固材料７が静かに下金型２２ａ内に供給されることになる。

半凝固材料７の中心軸を水平にして使用する場合は、開口部付属台９上に半凝固金属を載せた状態で容器６を取り除き（ここまでは、図６や図１３と同様）、その後、半凝固材料７を載せたまま開口部付属台９を転倒装置に移動し、転倒装置により略９０°傾けて半凝固材料７の中心軸を水平に持ち来たして、水平状態から略９０°傾けられた開口部付属台９の縦壁９ａ（側壁）の下にある側壁台（図示せず）の上に半凝固材料７を載せ替えて、開口部付属台９を退避させる。

なお、側壁台は、半凝固材料７を載置する面を半凝固材料７の側面に沿ったＵ字形状とすることができると共に、ロボット１９等による搬送と位置合わせが可能な切欠きや溝などを、開口部付属台９と同様に設けることができる。更に、開口部付属台９と同様に押出しピン２３との干渉を避けた構成とすることができる。

側壁台の場合も、開口部付属台９の場合と同様に、図８のように、ロボット１９等のピックアップ位置（図１０の材料排出ステージ１８）より搬送して下金型２２ａの押出しピン２３上に半凝固材料７を載せて、開口部付属台９（側壁台）はロボット１９等によりリリース位置（図１０の開口部付属台排出コンベア９５）に排出されるようになっている。なお、開口部付属台９と側壁台とを一体とすることができるが、一体でなくても良いものである。

ところで、押出しピン２３は、プレス機械２０による成形の際には下金型２２ａの一部を構成することになるので、押出しピン２３にはピン断面積分（長手方向に略直交する断面の面積）の成形荷重が作用することになると共に、また、接触している半凝固材料７の急冷を避けることが望ましいため、押出しピン２３の先端２３ａには熱伝達係数が小さく、強度のある材質として、例えば、ジルコニアを採用することができる。

なお、第１工程下金型２２ａ内に予め設置してある押出しピン２３の長軸方向に直交する断面は、円柱形状でも直方体形状でも良いものである。

押出しピン２３の上に半凝固材料７を載置した後、開口部付属台９（側壁台）およびロボット１９等がプレス機械２０の金型内から退避すると同時に、押出しピン２３は下降し、その後直ちに、上金型２１ａが圧下してプレス成形を実施する。
かかる内容が、本発明に係るプレス成形工程（ステップ）に相当する。

半凝固材料７をプレス機械２０へ供給した後の開口部付属台９（側壁台）は、ロボット１９によって、図１０の符号９４、９５へ搬出された後、半凝固生成装置（電磁撹拌装置５）の容器６近くの所定の位置に移送され、表面に付着物がある場合は除去して、付着物がないことを確認して、次の容器６のために再使用されるようになっている。

図９に示すように、使用し終わった容器６（使用済容器）は、再利用のために、ロボット３９にて搬送されて、冷却（容器冷却工程３０）→脱水（容器脱水工程４０）→清掃（容器荒清掃５０、容器清掃６０）→離型剤の塗布（容器への離型剤塗布工程７０）の各工程を順番に連続して処理されるようになっている（冷し蓋８ｂも同様の手法により再利用される）。

なお、図１５（Ａ）〜（Ｄ）に、本実施の形態に係るプレス機械２０内の金型により行われる成形の様子を時系列に示しておく。
図１５（Ａ）は、半凝固材料７を載せた開口部付属台９を下金型２２から突出している押出しピン２３の上に持ち来した状態を示している。
その後、図１５（Ｂ）に示すように、半凝固材料７を押出しピン２３に渡した開口部付属台９は、プレス機械２０から退避する。
次に、図１５（Ｃ）に示すように、押出しピン２３は下降しながら半凝固材料７を下金型２２内へ収めるが、同時に、上金型２１が下降してプレス成形を開始する。
図１５（Ｄ）は、半凝固材料７を下金型２２と上金型２１とによりプレス成形している様子を示している。

以上で説明したように、本実施の形態によれば、半凝固金属材料を用いてプレス機械によりプレス成形することで均質で高品質な製品を製造することができるが、半凝固金属材料の製造（作成）の際に、半凝固金属材料を反転させて液相部分を排除するようにしたので、従来のような「湯冠り」や「染み出し」と言った外観不良や強度低下の問題を解決することができ、以って、歩留まり等の生産性を高く維持しつつ、従来に比べて外観的にも機械強度的にも優れた均質で高品質な製品を製造することができる。

また、本実施の形態では、半凝固金属材料を製造（作成）する過程において半凝固金属材料を反転させる前に、冷し蓋により液相部分を積極的に冷却して一層確実に液相部分を排除するようにしたので、以って、より一層、歩留まり等の生産性を高く維持しつつ、外観的にも機械強度的にも優れた均質で高品質な製品を製造することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、半凝固金属材料を用いて均質で高品質な製品をプレス機械により製造するに際し、生産性を維持しつつ、外観的にも機械強度的にも優れた均質で高品質な製品を製造することができる半凝固金属材料のプレス成形方法及びプレスシステムを提供することができる。

なお、本実施の形態では、電磁撹拌装置５を用いて撹拌する場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の方法によって溶湯３を撹拌しながら冷却して半凝固材料７を作成する場合にも適用可能である。

以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

２ 溶解炉
３ 溶湯（金属材料素材）
４ 給湯・注湯機（ラドル）
５ 電磁撹拌装置
６ 容器（上側開口の容器）
７ 半凝固材料（半凝固金属材料）
８ｂ 冷し蓋
８ ロボット（半凝固金属材料製造用）
９ 開口部付属台
９Ａ 開口部
１０ ロボット（半凝固金属材料反転用）
１１ 中間置場（一時置場）
１６ アイドルステージ（一時置場）
１９ ロボット（半凝固材料のプレス機械への供給用）
２０ プレス機械
２１ａ 第１工程上金型
２２ａ 第１工程下金型
２３ 押出しピン（押上ピン）

Claims (7)

1. 金属材料の溶湯を上側開口の容器に注ぎ、この注がれた溶湯を撹拌しながら冷却して半凝固金属材料を該容器内に製造する半凝固金属材料製造ステップと、
   半凝固金属材料を収容している前記容器を上下反転させて一時置場に保管する半凝固金属材料反転ステップと、
   反転させたことを利用して、半凝固金属材料から液相部分を排出させる液相部分排出ステップと、
   液相部分が排出された半凝固金属材料をプレス機械内の金型に供給してプレス加工を行うプレス成形ステップと、
   を含むことを特徴とする半凝固金属材料のプレス成形方法。
2. 前記半凝固金属材料製造ステップにおいて、容器内で半凝固金属材料を製造しているときに、半凝固金属材料の上面側を冷し蓋を用いて冷却する冷し蓋による冷却ステップが実行されることを特徴とする請求項１に記載の半凝固金属材料のプレス成形方法。
3. 前記冷し蓋は、少なくとも半凝固金属材料の上面側の径方向中心部付近を冷却するように半凝固金属材料の上面と接触して置かれることを特徴とする請求項２に記載の半凝固金属材料のプレス成形方法。
4. 金属材料の溶湯を上側開口の容器に注ぎ、この注がれた溶湯を撹拌装置により撹拌しながら冷却して半凝固金属材料を該容器内に製造する半凝固金属材料製造装置と、
   半凝固金属材料を収容している前記容器を上下反転させて一時置場に保管する半凝固金属材料反転装置と、
   反転させたことを利用して、半凝固金属材料から液相部分を排出させる液相部分排出装置と、
   液相部分が排出された半凝固金属材料を金型に供給してプレス加工を行うプレス機械と、
   を含むことを特徴とする半凝固金属材料のプレス成形システム。
5. 前記半凝固金属材料製造装置により容器内で半凝固金属材料を製造しているときに、半凝固金属材料の上面側に冷し蓋を接触させて半凝固金属材料を冷却すると共に、所定期間冷却後に冷し蓋を退避させる装置が備えられることを特徴とする請求項４に記載の半凝固金属材料のプレス成形システム。
6. 前記冷し蓋は、少なくとも半凝固金属材料の上面側の径方向中心部付近を冷却するように半凝固金属材料の上面と接触して置かれることを特徴とする請求項５に記載の半凝固金属材料のプレス成形システム。
7. 前記半凝固金属材料反転装置は、
   前記半凝固金属材料製造装置において半凝固金属材料を収容している容器の上端側に、開口部を備えた開口部付属台を載置すると共に、
   その状態から、半凝固金属材料を収容している容器及び開口部付属台を同時に上下反転させて開口部付属台を下にして中間置場に置くように構成され、
   前記液相部分排出装置が、
   前記開口部付属台に載置された半凝固金属材料の液相部分を、当該開口部付属台の開口部を介して外部へ排出するように構成された
   ことを特徴とする請求項４〜６の何れか１つに記載の半凝固金属材料のプレス成形システム。
   
   

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