JP5965891B2 - 半凝固金属の製造装置、半凝固金属の製造方法及び半凝固金属を用いた成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、半凝固金属の製造装置、半凝固金属の製造方法及び半凝固金属を用いた成形方法に関する。成形方法は、例えば、半凝固ダイカスト法である。

半凝固金属は、液状の金属材料が容器内にて冷却されることにより形成される。金属材料は、半凝固状になる過程において容器の内面に密着するから、金属材料が半凝固状となった後、容器を逆さにしても容器から半凝固金属を円滑に取り出すことができないことがある。

そこで、特許文献１では、容器から半凝固金属を取り出すための方法として、以下のような方法を開示している（特許文献１の図４及び図５）。まず、上下端が開口する中空部材と、中空部材の下方の開口を塞ぐ底部材とで、容器を構成する。その容器に液状の金属材料を注ぎ、半凝固金属を形成する。半凝固金属が形成されると、容器から底部材を取り外し、半凝固金属が充填された状態の中空部材を金型内に通じる射出スリーブ上に位置させる。そして、棒状部材を中空部材の一方の開口から挿入し、棒状部材により半凝固金属を中空部材の他方の開口へ押し出す。押し出された半凝固金属は射出スリーブ内に落下する。このようにして、半凝固金属が容器から取り出される。なお、落下した半凝固金属は、金型内に射出される。

なお、半凝固金属の製造方法ではなく、半溶融金属の製造方法に係る文献であるが、特許文献２においても、同様の構成が開示されている。

特開２００６−３３４６６５号公報 特表２００３−５３４９１６号公報

しかし、特許文献１の技術では、成形機の射出スリーブ近傍に大掛かりな装置を設けることになるから、成形機における各種装置の配置に係る設計を困難なものにしていた。また、特許文献１，２では、半凝固金属を容器から取り出すために、容器内にある半凝固金属と容器との摺動抵抗に勝りながら連続的に半凝固金属を押す駆動力を備えた押出装置、あるいは、容器の移動とともに容器内にある半凝固金属が移動しないように、半凝固金属を保持し続ける保持力（剛性）を備えた保持機構が必要であった。これは、成形機乃至は半凝固金属の製造装置（供給装置）の設計の自由度を低くすることになる。

従って、設計の自由度が高い半凝固金属の製造装置、半凝固金属の製造方法及び半凝固金属を用いた成形方法が提供されることが望ましい。

本発明の半凝固金属の製造装置は、液状の金属材料が注がれる容器と、前記容器内にて半凝固状となった前記金属材料を前記容器の深さよりも小さいストロークで押して前記金属材料を前記容器からずらす押圧装置と、を有する。

好適には、前記押圧装置は、前記金属材料に複数回衝撃を与えて前記金属材料を前記容器からずらす。

好適には、前記製造装置は、前記容器の少なくとも一部を構成し、ずらされた後の前記金属材料を保持している構成部材を、前記押圧装置から離れた位置へ搬送し、当該離れた位置にて前記構成部材の向きを変えて前記構成部材から前記金属材料を落下させる搬送装置を更に有する。

本発明の半凝固金属の製造方法は、液状の金属材料を容器に注ぐステップと、前記容器内にて半凝固状となった前記金属材料を前記容器の深さよりも小さいストロークで押して前記金属材料を前記容器からずらすステップと、前記容器の少なくとも一部を構成し、前記金属材料を保持している構成部材を搬送するステップと、前記構成部材から前記金属材料を落下させるステップと、を有する。

好適には、前記ずらすステップでは、前記金属材料に複数回衝撃を与える。

本発明の半凝固金属を用いた成形方法は、液状の金属材料を容器に注ぐステップと、前記容器内にて半凝固状となった前記金属材料を前記容器の深さよりも小さいストロークで押して前記金属材料を前記容器からずらすステップと、前記容器の少なくとも一部を構成し、前記金属材料を保持している構成部材を金型内に通じるスリーブの供給口上へ搬送するステップと、搬送された前記構成部材から前記供給口へ前記金属材料を落下させるステップと、前記供給口を介して前記スリーブ内へ落下した前記金属材料を前記金型内に押し出すステップと、を有する。

本発明によれば、設計の自由度を高くすることができる。

本発明の実施形態に係る半凝固金属の製造装置を含む成形機の要部の構成を示す模式図。 図１の半凝固金属の製造装置の容器周辺部分を示す斜視図。 図２のIII−III線における断面図。 図４（ａ）〜図４（ｄ）は半凝固金属の製造装置の動作を中心として成形機の動作を説明するための模式図。 図５（ａ）〜図５（ｄ）は図４（ｄ）の続きを説明する模式図。 第２の実施形態に係る半凝固金属の製造装置の押圧装置の構成を示す模式図。 図６（ａ）〜図６（ｄ）は第２の実施形態における半凝固金属の取り出し方法を説明する模式図。

図１は、本発明の実施形態に係る半凝固金属の製造装置１を含む成形機（成形装置）１０１の要部の構成を示す模式図である。

成形機１０１は、金属材料Ｍを金型１０３のキャビティ１０３ａ内にて凝固させて、成形品を製造するものである。成形機１０１は、例えば、ダイカストマシンである。この場合、金属材料Ｍは、例えば、アルミニウム合金である。

成形機１０１は、液状の金属材料Ｍから半凝固状の金属材料Ｍを製造する製造装置１と、その半凝固状の金属材料Ｍを金型１０３内のキャビティ１０３ａに射出する射出装置１０５と、製造装置１及び射出装置１０５等を制御する制御装置１０７とを有している。なお、特に図示しないが、この他、成形機１０１は、金型１０３を型締する型締装置、金型１０３にて形成された成形品を押し出す押出装置等を有しており、制御装置１０７は、型締装置、押出装置等も制御する。

射出装置１０５は、金型１０３内のキャビティ１０３ａに通じるスリーブ１０９と、スリーブ１０９内を摺動して金属材料Ｍを押し出すプランジャ１１１と、プランジャ１１１を駆動する不図示の駆動装置とを有している。スリーブ１０９の上面には、供給口１０９ａが開口している。半凝固状の金属材料Ｍは、供給口１０９ａを介してスリーブ１０９内に投下される。

制御装置１０７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び外部記憶装置を含むコンピュータにより構成されている。なお、制御装置１０７は、成形機１０１に含まれる各種装置毎に設けられた制御装置から構成されてもよいし、成形機１０１に含まれる全ての装置を制御する１つの制御装置から構成されてもよいし、成形機１０１に含まれる複数の装置を制御する制御装置とそれら以外を制御する制御装置から構成されてもよい。

製造装置１は、例えば、液状の金属材料Ｍを保持する保持炉３と、保持炉３から液状の金属材料を汲み出す注湯装置５と、注湯装置５により液状の金属材料が注がれ、注がれた液状の金属材料を半凝固状態とする半凝固化装置７とを有している。

保持炉３は、公知の構成とされてよい。また、保持炉３は、溶解炉を兼ねるものであってもよい。例えば、保持炉３は、金属材料Ｍを収容する炉体１１と、炉体１１に収容されている金属材料Ｍを加熱する加熱装置１３と、炉体１１に収容されている金属材料Ｍの温度を検出する第１温度センサ１５とを有している。

炉体１１は、例えば、特に図示しないが、セラミック等の断熱性に優れた材料からなる容器内に、金属材料Ｍの液相線温度よりも固相線温度若しくは融点が高い金属からなる容器が配置されて構成されている。加熱装置１３は、例えば、金属材料Ｍを電磁誘導により加熱するコイル、若しくは、ガスを燃焼して金属材料Ｍを加熱する燃焼装置を含んで構成されている。第１温度センサ１５は、例えば、熱電対式の温度センサ若しくは放射温度計により構成されている。

注湯装置５は、公知の構成とされてよい。例えば、注湯装置５は、ラドル１７と、ラドル１７を駆動可能なラドル搬送装置１９とを有している。

ラドル１７は、金属材料Ｍの液相線温度よりも固相線温度若しくは融点が高い材料からなる、注ぎ口１７ａを有する容器であり、１ショット分の金属材料Ｍを収容可能である。ラドル搬送装置１９は、例えば、多関節ロボットにより構成されており、ラドル１７を上下方向及び水平方向へ移動させることが可能であるとともに、注ぎ口１７ａを上下させるようにラドル１７を傾斜させることが可能である。

半凝固化装置７は、例えば、注湯装置５により液状の金属材料Ｍが注がれる容器２１と、容器２１に液状の金属材料を注ぐ前に容器２１を冷却するプレ冷却装置２３と、容器２１に液状の金属材料Ｍが注がれるときに容器２１が載置される載置装置２５と、容器２１を搬送する容器搬送装置２７とを有している。

容器２１は、金属材料Ｍの液相線温度よりも固相線温度若しくは融点が高く、好適には熱伝導率が比較的高い材料（好適には金属）により構成されている。容器２１は、１ショット分の金属材料Ｍを収容可能である。

プレ冷却装置２３は、例えば、容器２１を冷却媒体に浸すことにより容器２１を冷却する。冷却媒体は、気体であってもよいし、液体であってもよい。後述するように、載置装置２５も容器２１の冷却機能を有する。載置装置２５に加えてプレ冷却装置２３を設けることにより、例えば、載置装置２５に載置された容器２１に金属材料Ｍを注ぎつつ、次に金属材料が注がれる容器２１をプレ冷却装置２３により冷却し、サイクルタイムを短縮できる。

容器搬送装置２７は、例えば、多関節ロボットにより構成されており、容器２１を上下方向及び水平方向へ移動させることが可能であるとともに、容器２１の上下方向の向きを変える（容器２１を逆さにする）ことが可能である。容器搬送装置２７は、容器２１のプレ冷却装置２３から載置装置２５への移送及び容器２１の載置装置２５からスリーブ１０９上への移送等を行う。

図２は、半凝固金属の製造装置１の容器２１周辺部分を示す斜視図である。図３は、図２のIII−III線における断面図である。

容器２１は、当該容器２１の壁部を構成する中空部材３１と、容器２１の底部を構成する底部材３３とを有しており、これらは分離可能となっている。容器２１の上方には、容器２１へ液状の金属材料Ｍを注ぐことを容易化するための漏斗３５が配置される。

また、載置装置２５は、容器２１を冷却するための補助冷却装置３７（図３）と、容器２１内の金属材料Ｍの温度を検出する第２温度センサ３９と、半凝固状の金属材料Ｍの容器２１からの取り出しを容易化するための押圧装置４１とを有している。

中空部材（構成部材）３１は、上下両端が開口する中空形状に形成されている。中空部材３１の開口方向に見た形状は適宜に設定されてよいが、金属材料Ｍを均等に冷却する観点からは円形が好ましい（中空部材３１は筒状であることが好ましい。）。また、中空部材３１の内径は、上方側が下方側よりも大きくされている。中空部材３１の厚みは、例えば、一定である。

底部材３３は、例えば、概ね板状の部材である。底部材３３の平面形状は適宜に設定されてよく、本実施形態では円形を例示している。底部材３３の平面視における外形は、中空部材３１の開口よりも広く設定されている。底部材３３の厚みは、例えば、一定とされている。ただし、中央側と外周側とで厚みが異なっていてもよい。また、底部材３３の上面３３ａは、中央側と外周側とで高さが異なるなど、傾斜が設けられていてもよい。

中空部材３１が底部材３３の上面３３ａに載置されて、中空部材３１の下方の開口が底部材３３により塞がれることにより、容器２１が構成される。図２において、上面３３ａのうち点線で囲って示した領域は、容器２１の底面２１ｂを構成する。

なお、中空部材３１と底部材３３との間には、金属材料Ｍが流出不可能で、空気（気体）が流出可能な比較的微小な隙間が形成されていてもよい。このような隙間は、金属材料Ｍを容器２１に注いだときに空気を逃がし、金属材料Ｍに空気が巻き込まれることを抑制することに役立つ。

中空部材３１及び底部材３３は、例えば、底部材３３が載置装置２５の基体４３に支持され、中空部材３１が漏斗３５により上から押さえつけられることにより、互いに固定される。漏斗３５は、例えば、容器搬送装置２７又は他のロボットにより位置保持され、中空部材３１を押さえ付けるための力を付与される。

なお、中空部材３１及び底部材３３は、適宜なクランプ手段によって互いに固定されてもよい。また、底部材３３は、基体４３に固定されていることが好ましい。例えば、底部材３３は、不図示のねじにより基体４３に固定されている。中空部材３１及び底部材３３は、水平方向において互いに位置決めするための位置決め部を有していてもよい。例えば、底部材３３には、中空部材３１の下方の縁部を収容する溝部が形成されていてもよい。

底部材３３を構成する材料は、例えば、中空部材３１を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料により構成されている。例えば、中空部材３１がステンレス鋼により構成されているのに対して、底部材３３は、銅（純銅）により構成されている。ただし、底部材３３及び中空部材３１は、互いに同一の材料により構成されていてもよい。また、底部材３３は、中空部材３１の厚みよりも厚く構成されていてもよい。

漏斗３５は、金属材料Ｍの液相線温度よりも固相線温度若しくは融点が高く、好適には熱伝導率が比較的高い材料（好適には金属）により構成されている。漏斗３５は、上方側ほど径が大きくなる中空状の部材であり、下方端は容器２１の上方の開口に挿入される。なお、漏斗３５の内壁の傾斜は、容器２１の内壁の傾斜よりも大きいことが好ましい。

補助冷却装置３７（図３）は、例えば、容器２１のうち底部材３３の冷却を行う。補助冷却装置３７は、例えば、底部材３３に形成された流路３３ｃと、流路３３ｃを流れる冷媒を冷却する熱交換器４５と、冷媒の流れを生じさせるポンプ４７とを含んで構成されている。

冷媒は例えば水である。流路３３ｃの形状は適宜に設定されてよい。図３では、底部材３３の中心回りに周回する形状の流路３３ｃを例示している。熱交換器４５及びポンプ４７は、公知の構成のものとされてよい。

第２温度センサ３９は、例えば、接触型の温度センサであり、より具体的には、例えば、熱電対式の温度センサである。第２温度センサ３９は、底部材３３に配置されている。より具体的には、例えば、第２温度センサ３９は、底部材３３を上下に貫通する孔部に嵌合されており、底面２１ｂにて容器２１内に露出している。従って、第２温度センサ３９は、容器２１に注がれた金属材料Ｍに当接して金属材料Ｍの温度を直接的に検出することができる。第２温度センサ３９の頂面は、容器２１の底面２１ｂに段差が生じないように底部材３３の上面３３ａと連続していることが好ましい。第２温度センサ３９は、底面２１ｂのうちの適宜な位置に配置されてよく、本実施形態では、底面２１ｂの中心から少しずれた位置に配置された場合を例示している。

押圧装置４１は、容器２１内の金属材料Ｍを底面２１ｂ側から押すための押圧部材４９と、押圧部材４９を駆動するアクチュエータ５１（図３）とを有している。

押圧部材４９は、容器２１の底面２１ｂにおいて底部材３３を上下に貫通する孔部を摺動するように構成されている。すなわち、押圧部材４９は、底面２１ｂの一部範囲において容器２１内へ進退移動可能である。進退移動は、例えば、押圧部材４９の頂面と底面２１ｂとが連続する位置（退避位置）と、押圧部材４９が底面２１ｂから突出する位置（突出位置）との間の範囲でなされる。なお、押圧部材４９は、底面２１ｂのうち、適宜な位置に配置されてよく、本実施形態では、底面２１ｂの中心に配置された場合を例示している。

押圧部材４９のストローク（退避位置と突出位置との距離）は、容器２１の深さ（中空部材３１の下方の開口から上方の開口までの距離）よりも小さい。例えば、当該ストロークは、容器２１の深さの１／２未満、１／３未満又は１／４未満である。

アクチュエータ５１は、エアシリンダ、油圧シリンダ、リニアモータ等の適宜なアクチュエータにより構成されてよい。アクチュエータ５１は、載置装置２５の基体４３に支持される固定部５１ａと、固定部５１ａに対して往復動可能であり、押圧部材４９と固定された可動部５１ｂとを有している。なお、可動部５１ｂは、押圧部材４９と一体に形成されていてもよい。

なお、補助冷却装置３７は、押圧部材４９及び／又は可動部５１ｂも冷却してもよい。例えば、補助冷却装置３７は、押圧部材４９及び可動部５１ｂに形成された流路３７ｃを有しており、熱交換器４５により冷却された冷媒をポンプ４７により流路３７ｃに送出する。

（製造装置の動作）
次に、製造装置１の動作を中心として成形機１０１の動作を説明する。

制御装置１０７は、第１温度センサ１５の検出値に基づいて加熱装置１３を制御し、炉体１１に収容されている金属材料Ｍの温度を所定の第１温度Ｔ_１に維持する。第１温度Ｔ_１は、金属材料Ｍの液相線温度よりも高い温度であり、金属材料Ｍは、その全部が液状とされている。

容器２１のうち底部材３３は、成形機１０１の全工程を通じて載置装置２５の基体４３に載置されたままの状態とされる。制御装置１０７は、不図示の温度センサ又は第２温度センサ３９の検出値に基づいて補助冷却装置３７を制御し、金属材料Ｍが容器２１に注がれる前の底部材３３の温度を所定の第２温度Ｔ_２にする。第２温度Ｔ_２は、金属材料Ｍの液相線温度よりも低い温度である。

容器２１のうち中空部材３１は、容器搬送装置２７に搬送されることにより、プレ冷却装置２３、載置装置２５及びスリーブ１０９上の間で移動可能である。制御装置１０７は、中空部材３１をプレ冷却装置２３に搬送するように容器搬送装置２７を制御するとともに、中空部材３１の温度を所定の第３温度Ｔ_３にするようにプレ冷却装置２３を制御する。第３温度Ｔ_３は、金属材料Ｍの液相線温度よりも低い温度である。

なお、Ｔ_２＝Ｔ_３であってもよいし、Ｔ_２＜Ｔ_３としてもよい。Ｔ_２＜Ｔ_３の場合、Ｔ_２＝Ｔ_３に比較して、容器２１の底側において金属材料Ｍの凝固が進みやすくなる。これにより、後述する半凝固状の金属材料Ｍを容器２１から取り出す過程において、金属材料Ｍの底部から液相部分が垂れることが抑制される。

図４（ａ）〜図４（ｄ）及び図５（ａ）〜図５（ｄ）は、上述のように、金属材料Ｍがまだ注がれていない底部材３３及び中空部材３１を冷却した後の工程を説明する模式図である。

図４（ａ）に示すように、プレ冷却装置２３により中空部材３１が冷却されると、制御装置１０７は、中空部材３１を底部材３３上に搬送するように容器搬送装置２７を制御する。これにより、中空部材３１及び底部材３３からなる容器２１が構成される。

次に、図４（ｂ）に示すように、制御装置１０７は、漏斗３５を中空部材３１上に搬送するように容器搬送装置２７又は他の不図示のロボットを制御する。これにより、既に述べたように、中空部材３１は、漏斗３５により押さえ付けられて位置保持される。

次に、図４（ｃ）に示すように、制御装置１０７は、ラドル１７により液状の金属材料Ｍを漏斗３５を介して容器２１に注ぐようにラドル搬送装置１９を制御する。

容器２１内へ注がれた金属材料Ｍは、容器２１に接触することにより急冷され、これにより、金属材料Ｍ内には多数の結晶核が生成される。多数の結晶核は、金属材料Ｍがある程度の高さから容器２１内へ注がれることにより生じた流れにより攪拌される。これにより、析出した樹枝状結晶の枝が、せん断力により切断若しくは溶融して切断され、更に結晶核が増殖する。

容器２１は、金属材料Ｍが注がれることにより急激に温度が上昇し、容器２１の金属材料Ｍを冷却する機能は急激に低下する。その結果、多数の結晶核が形成された後、結晶成長速度は急激に低下し、結晶は樹枝状に成長せずに丸く成長する。

図４（ｄ）に示すように、上記の金属材料Ｍの冷却の過程において、制御装置１０７は、第２温度センサ３９の検出する温度を監視する。第２温度センサ３９の検出温度は、液状の金属材料Ｍが容器２１に注がれ、金属材料Ｍが第２温度センサ３９に当接することにより急激に上昇し、その後、金属材料Ｍの熱が容器２１に奪われることによって低下していく。制御装置１０７は、この低下していく温度が所定の目標温度Ｔ_ｔに到達するか否かを判定する。

目標温度Ｔ_ｔは、原理的には、金属材料Ｍの固相線温度よりも高く、液相線温度よりも低い温度である。すなわち、目標温度Ｔ_ｔは、金属材料Ｍにおいて液相と固相とが混在する温度である。金属材料Ｍの温度と、金属材料Ｍの固相率との間には相関があり、目標温度Ｔ_ｔは、所望の固相率に応じて設定される。

なお、例えば、底部材３３が中空部材３１を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料により構成されたり、底部材３３が中空部材３１の厚みよりも厚く構成されたり、Ｔ_２＜Ｔ_３とされたりすると、金属材料Ｍの底部は、金属材料Ｍの中部及び上部よりも固相率が高くなる。また、第２温度センサ３９は、補助冷却装置３７の影響を受けるから、製造装置１の構成によっては、第２温度センサ３９の検出温度は、金属材料Ｍの底部の温度よりも低くなることもある。従って、目標温度Ｔ_ｔは、金属材料Ｍの固相線温度よりも必ずしも高い必要は無い。

また、第２温度センサ３９の検出温度（金属材料Ｍの温度）が目標温度Ｔ_ｔに到達する前に容器２１及び金属材料Ｍが熱平衡に至らないように、容器２１は予め十分に冷却される、及び／又は、金属材料Ｍを注いだ後も補助冷却装置３７による冷却は継続される。

第２温度センサ３９の検出する温度が目標温度Ｔ_ｔに到達すると、制御装置１０７は、金属材料Ｍの冷却を停止して金属材料Ｍを容器２１から取り出すための処理を開始する。

具体的には、まず、図５（ａ）に示すように、制御装置１０７は、押圧部材４９により半凝固状の金属材料Ｍを押すように押圧装置４１を制御する。一方、容器２１は、漏斗３５により上方から押さえ付けられている。従って、金属材料Ｍは、容器２１に対してずらされ、容器２１との密着が解消される。すなわち、金属材料Ｍは、容器２１から排出されやすくなる。

次に、図５（ｂ）に示すように、制御装置１０７は、ずらされた金属材料Ｍを保持している中空部材（構成部材）３１を底部材３３（載置装置２５）からスリーブ１０９上へ搬送するように容器搬送装置２７を制御する。この際、中空部材３１は、下方側ほど縮径するように形成されていることから、半凝固状の金属材料Ｍは中空部材３１の下方の開口から落下しない。

なお、金属材料Ｍは、適宜な方法により底部の固相率が十分な大きさとされることにより、底部から液相部分が垂れることが抑制されている。例えば、既に述べたように、金属材料Ｍの底部は補助冷却装置３７により冷却される。また、例えば、底部材３３は、中空部材３１よりも熱伝導率が高くされている。また、例えば、底部材３３は、中空部材３１の厚みよりも厚く構成されている。また、例えば、底部材３３は、中空部材３１の温度よりも低い温度に冷却されている。従って、底部材３３付近においては、金属材料Ｍは、結晶核が多く発生しやすく、及び／又は、結晶が成長しやすい。その結果、金属材料Ｍは、底部付近において固相率が高くなる。

図５（ｃ）に示すように、制御装置１０７は、中空部材３１がスリーブ１０９の供給口１０９ａ上に搬送されると、中空部材３１を逆さにするように容器搬送装置２７を制御する。なお、ここでいう逆さは、中空部材３１の上方の開口（液状の金属材料Ｍが注がれた開口）が多少なりとも下方を向く状態であればよく、上方の開口が真下を向かなくてもよい。

中空部材３１が逆さにされると、金属材料Ｍは、中空部材３１からスリーブ１０９内に落下する。金属材料Ｍは、予め押圧装置４１により押されることによって中空部材３１との密着が解消されていることから、中空部材３１内に残ってしまう蓋然性は低い。

その後、図５（ｄ）に示すように、プランジャ１１１がスリーブ１０９内を前進する。これにより、金属材料Ｍが金型１０３内に（より具体的には、金型１０３内のキャビティ１０３ａに）射出される。そして、金属材料Ｍがキャビティ１０３ａ内にて冷却されて凝固することにより、成形品が形成される。

以上のとおり、本実施形態に係る半凝固金属の製造装置１は、液状の金属材料Ｍが注がれる容器２１と、容器２１内にて半凝固状となった金属材料Ｍを押して金属材料Ｍを容器２１からずらす押圧装置４１と、容器２１の少なくとも一部を構成し、ずらされた後の金属材料Ｍを保持している構成部材（本実施形態では中空部材３１）を押圧装置４１から離れた位置へ搬送し、当該離れた位置にて中空部材３１の向きを変えて中空部材３１から金属材料Ｍを落下させる容器搬送装置２７と、有する。

また、本実施形態に係る半凝固金属の製造方法は、液状の金属材料Ｍを容器２１に注ぐステップ（図４（ｃ））と、容器２１内にて半凝固状となった金属材料Ｍを押して金属材料Ｍを容器２１からずらすステップ（図５（ａ））と、容器２１の少なくとも一部を構成し、ずらされた後の金属材料Ｍを保持している構成部材（中空部材３１）を、金属材料Ｍを押した位置から離れた位置へ搬送するステップ（図５（ｂ））と、その離れた位置にて中空部材３１の向きを変えて中空部材３１から金属材料Ｍを落下させるステップ（図５（ｃ））とを有する。

また、本実施形態に係る半凝固金属を用いた成形方法は、液状の金属材料Ｍを容器２１に注ぐステップ（図４（ｃ））と、容器２１内にて半凝固状となった金属材料Ｍを押して金属材料Ｍを容器２１からずらすステップ（図５（ａ））と、容器２１の少なくとも一部を構成し、ずらされた後の金属材料Ｍを保持している構成部材（中空部材３１）を、金属材料Ｍを押した位置からキャビティ１０３ａに通じるスリーブ１０９の供給口１０９ａ上へ搬送するステップ（図５（ｂ））と、搬送された中空部材３１から供給口１０９ａへ金属材料Ｍを落下させるステップ（図５（ｃ））と、供給口１０９ａを介してスリーブ１０９内へ落下した金属材料Ｍをキャビティ１０３ａに押し出すステップ（図５（ｄ））とを有する。

すなわち、特許文献１及び２では、金属材料を「押す」という動作を金属材料の容器からの排出そのものに利用しているのに対して、本実施形態では、金属材料を「押す」という動作を金属材料を容器から抜け易くすることに利用している。このような思想の相違から、例えば、以下の効果が奏される。

まず、押圧装置４１は、金属材料Ｍを容器２１からずらすだけでよく、金属材料Ｍを押し出す必要が無いから、そのストロークが小さくてよい。すなわち、押圧装置４１は小型である。また、押圧装置４１は、金属材料Ｍを押し出すものではないことから、スリーブ１０９上に配置されなくてもよい。以上のことから、成形機１０１の設計の自由度が向上する。

また、本実施形態では、押圧装置４１は、容器２１の底面２１ｂ内の一部範囲にて容器２１内へ進退移動可能な押圧部材４９を有する。従って、容器２１の底面２１ｂ全体で金属材料Ｍを押すような場合に比較して、押圧装置４１をより小型化できる。また、容器２１の底面２１ｂは移動する必要が無くなるから、流路３３ｃに冷媒を供給することも容易化される。

また、本実施形態では、容器２１は、上下両端が開口しており、上方の開口から金属材料Ｍが注がれる中空部材３１と、中空部材３１の下方の開口を閉塞可能であり、且つ、中空部材３１と分離可能な底部材３３と、を有する。容器搬送装置２７は、中空部材３１及び底部材３３のうち中空部材３１のみを搬送する。

従って、中空部分と底部分とが一体形成された容器の底部に孔部を形成し、当該孔部を介して押圧部材４９を進退移動させる場合（この場合も本願発明に含まれる）に比較して、種々の設計上の優位点がある。例えば、押圧部材４９の摺動によって変形しないように底部材３３を厚くすることが容易である。また、例えば、一体形成された容器を載置装置２５に載置するときは、底部の孔部と押圧部材４９との位置合わせをしなければならないが、そのような位置合わせは不要である。

また、本実施形態では、底部材３３には、冷媒が流れる流路３３ｃが形成されている。従って、既に述べたように、金属材料Ｍの底部を直接的に冷却して当該底部の固相率を十分な大きさとすることができ、中空部材３１のみによって半凝固状の金属材料Ｍを搬送したときに、金属材料Ｍの底部から液相部分が垂れることが抑制される。底部材３３は搬送されないことから、冷媒を底部材３３に供給する流路（管）を設けることが容易であり、このような構成が可能となる。底部材３３を冷却して金属材料Ｍを冷却することから、中空部材３１及び金属材料Ｍを底部材３３から離せば金属材料Ｍの冷却を停止乃至は緩和することができ、温度に基づく固相率管理が容易化される。

また、本実施形態では、製造装置１は、底部材３３に配置された第２温度センサ３９を更に有する。従って、第２温度センサ３９を容器２１内へ出し入れするような機構は不要である。また、底部材３３は、中空部材３１とともに搬送されないから、第２温度センサ３９と制御装置１０７とを接続するケーブルが容器２１の移動に伴って移動するということがない。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態は、容器からの半凝固金属の取り出し方法及び当該方法に係る構成のみが第１の実施形態と相違する。第１の実施形態においては、中空部材３１を底部材３３に載置したままの状態で半凝固金属を底側から押して半凝固金属を中空部材３１からずらし、その後、中空部材３１をスリーブ１０９上へ搬送して半凝固金属を落下させた。これに対して、本実施形態では、中空部材３１を底部材３３に載置したままの状態で半凝固金属を底側から押すことはせず、中空部材３１をスリーブ上へ搬送した後、半凝固金属を底側から押して、半凝固金属を落下させる。具体的には、以下のとおりである。

図６は、第２の実施形態に係る半凝固金属の製造装置の押圧装置２２９の構成を示す模式図である。

押圧装置２２９は、スリーブ１０９（図１参照）の上方にて、中空部材３１に保持されている金属材料Ｍを底側から押すための装置である。押圧装置２２９は、例えば、エアシリンダ２４９と、エアシリンダ２４９に空気を供給する空圧回路２５１とを有している。

エアシリンダ２４９は、例えば、ばね付きの単動形シリンダによって構成されており、シリンダ部２５３と、シリンダ部２５３内を摺動可能なピストン２５５と、ピストン２５５に固定され、シリンダ部２５３から延び出るピストンロッド２５７と、ピストン２５５を付勢するばね２５９とを有している。

ピストン２５５は、シリンダ部２５３の内部を前方（ピストンロッド２５７側）のロッド側室２５３ｒと、後方（ピストンロッド２５７とは反対側）のヘッド側室２５３ｈとに区画している。そして、ヘッド側室２５３ｈに空気が供給されることによって、ピストン２５５及びピストンロッド２５７は前進する。なお、ロッド側室２５３ｒは、例えば、大気開放されている。

ばね２５９は、例えば、ロッド側室２５３ｒに収容されており、シリンダ部２５３に対してピストン２５５を後方に付勢している。従って、ヘッド側室２５３ｈの圧抜きがなされると、ピストン２５５及びピストンロッド２５７は後退する。

エアシリンダ２４９は、例えば、スリーブ１０９の供給口１０９ａよりも上方、且つ、供給口１０９ａに対して後側に、スリーブ１０９に対して固定的に設けられている。また、エアシリンダ２４９は、鉛直方向に対して前後方向に斜めに、且つ、ピストンロッド２５７が延び出る方向を供給口１０９ａに向けるように配置されている。なお、エアシリンダ２４９は、その全体が供給口１０９ａの全体よりも後側に位置している必要は無い。

一方、供給口１０９ａとエアシリンダ２４９との間には、半凝固状となった金属材料Ｍを保持している中空部材３１が搬送される。中空部材３１は、鉛直方向に対してエアシリンダ２４９と概ね同一の方向に傾斜され、上部側が供給口１０９ａに向けられ、底部側がエアシリンダ２４９に向けられる。

従って、中空部材３１を保持している容器搬送装置２７の保持部２７ａをエアシリンダ２４９側に移動させることにより、及び／又は、ピストンロッド２５７をシリンダ部２５３から突出させることにより、ピストンロッド２５７は、半凝固状の金属材料Ｍの底部に当接可能である。

空圧回路２５１は、特に図示しないが、ポンプ、アキュムレータ、バルブ等を含んで構成されており、制御装置１０７（図１参照）からの制御信号に基づいて動作する。空圧回路２５１は、ヘッド側室２５３ｈに接続されており、ヘッド側室２５３ｈの圧力を制御可能である。

例えば、空圧回路２５１は、アキュムレータとヘッド側室２５３ｈとの間のバルブを開閉することにより、アキュムレータに蓄圧された所定の圧力の空気を適宜なタイミング及び時間長さでヘッド側室２５３ｈに供給可能である。また、空圧回路２５１は、空圧回路２５１の外部（大気雰囲気）とヘッド側室２５３ｈとの間のバルブを開閉することにより、適宜なタイミング及び時間長さでヘッド側室２５３ｈの圧抜きが可能である。

さらに、空圧回路２５１は、上述のような、ヘッド側室２５３ｈへの空気の供給と、ヘッド側室２５３ｈの圧抜きとを適宜な周期で繰り返すことが可能である。この場合、ピストンロッド２５７は、ヘッド側室２５３ｈの圧力による前進と、ばね２５９による後退とを繰り返す。すなわち、押圧装置２２９は、ピストンロッド２５７を、半凝固状の金属材料Ｍに近接・離間する方向において往復動（振動）させることが可能である。

図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第２の実施形態における半凝固金属の取り出し工程を説明する模式図である。この工程前までは、第１の実施形態の図４（ａ）〜図４（ｄ）と同様である。

なお、本実施形態では、既に述べたように、中空部材３１を底部材２３３に載置したままの状態で中空部材３１内の金属材料Ｍを押すことはしないことから、図７（ａ）に示すように、底部材２３３には、押圧部材４９は配置されていない。それ以外については、底部材２３３は、底部材３３と概ね同様の構成であり、例えば、第２温度センサ３９や流路（図７（ａ）では不図示）が配置されている。この底部材２３３と中空部材３１とで容器２２１が構成されている。

第１の実施形態と同様に、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示した工程が行われ、第２温度センサ３９の検出する温度が目標温度Ｔ_ｔに到達すると、制御装置１０７は、金属材料Ｍの冷却を停止して金属材料Ｍを容器２２１から取り出すための処理を開始する。

具体的には、まず、漏斗３５（図２参照）を取り外すように容器搬送装置２７又は他の不図示のロボットを制御し、さらに、図７（ａ）に示すように、中空部材３１を持ち上げるように容器搬送装置２７を制御する。半凝固状の金属材料Ｍは、中空部材３１に保持されており、中空部材３１とともに底部材２３３から離間される。

なお、図７（ａ）等において、金属材料Ｍの底部を中部及び上部とは異なるハッチングにより示したのは、底部側の固相率が中部及び上部の固相率よりも高いことを表わしたものである。

次に、図７（ｂ）に示すように、制御装置１０７は、金属材料Ｍを保持している中空部材３１をスリーブ１０９の供給口１０９ａとエアシリンダ２４９との間に搬送するように容器搬送装置２７を制御する。中空部材３１は、鉛直方向に対して斜めに、また、底部側をエアシリンダ２４９に、上部側を供給口１０９ａに向けて配置される。

この時点においては、金属材料Ｍの底面は、ピストンロッド２５７の先端に当接していない。例えば、金属材料Ｍの底面は、ピストンロッド２５７（の先端）のストローク外に位置するか、ピストンロッド２５７のストローク内であって、後退限に位置するピストンロッド２５７から所定の距離だけ離れた位置に位置している。

次に、図７（ｃ）に示すように、制御装置１０７は、ピストンロッド２５７を往復運動させる（矢印ｙ１参照）ように空圧回路２５１を制御するとともに、中空部材２３１をエアシリンダ２４９に近づける（矢印ｙ２参照）ように容器搬送装置２７を制御する。なお、中空部材３１をエアシリンダ２４９に近づける速度は、ピストンロッド２５７が後退する速度よりも遅い。また、中空部材３１の移動及びピストンロッド２５７の振動は、いずれが先に開始されてもよいし、同時に開始されてもよい。

上記のような動作の結果、ピストンロッド２５７は、容器２２１の深さよりも小さいストロークで、金属材料Ｍを繰り返し押す。別の観点では、ピストンロッド２５７は、半凝固状の金属材料Ｍの底面に繰り返し衝突する。衝突により、金属材料Ｍは、中空部材３１の内面から剥がされ、中空部材３１から落下する。つまり、金属材料Ｍは、上記のような動作により、ピストンロッド２５７より衝撃が与えられて（加えられて）、中空部材３１の内面から剥がされ、中空部材３１から落下する。

なお、エアシリンダ２４９のストローク、エアシリンダ２４９の動作、及び、容器搬送装置２７の動作等は、金属材料Ｍが中空部材３１に対して最初の位置からある程度ずれた後は、重力のみにより金属材料Ｍが中空部材３１の外へ落下するように設定されてもよいし、金属材料Ｍの概ね全体が中空部材３１の外に位置するまでピストンロッド２５７が金属材料Ｍに当接するように設定されてもよい。

中空部材３１から落下した金属材料Ｍは、供給口１０９ａを介してスリーブ１０９内に収容される。中空部材３１は、上方の開口をスリーブ１０９の後方から前方に向けるように、鉛直方向に対して斜めに傾斜して逆さにされているから、金属材料Ｍは、スリーブ１０９内において、上部を金型１０３（キャビティ１０３ａ）側に、底部をプランジャ１１１側に向ける。

その後、図７（ｄ）に示すように、プランジャ１１１がスリーブ１０９内を前進すると、金属材料Ｍが金型１０３内のキャビティ１０３ａに射出される。そして、金属材料Ｍがキャビティ１０３ａ内（金型１０３内）にて冷却されて凝固することにより、成形品が形成される。

このとき、金属材料Ｍのうち、固相率が高い底部は、方案部（ビスケット）に収まる。方案部の大きさは、例えば、プランジャ１１１の移動方向において、１５ｍｍ〜３０ｍｍである。固相率が高い底部は、例えば、その半分以下の量である。

以上の第２の実施形態においても、半凝固状となった金属材料Ｍを容器２２１の深さよりも小さいストロークで押して金属材料Ｍを容器２１からずらすことから、第１の実施形態と同様の効果が奏される。また、第２の実施形態では、押し部材（本実施形態ではピストンロッド２５７）を半凝固状の金属材料Ｍに（好適には複数回）衝突させることにより（衝撃を与えることにより）、好適に金属材料Ｍを中空部材３１から引き剥がすことができる。

なお、ピストンロッド２５７が金属材料Ｍを押すストロークは、容器搬送装置２７による容器２２１とエアシリンダ２４９との相対位置及び相対移動に影響されるから、エアシリンダ２４９のストロークと同一ではない。従って、エアシリンダ２４９のストロークは、容器２２１の深さよりも大きくてもよい。もちろん、エアシリンダ２４９のストロークが容器２２１の深さよりも小さい方が、装置が小型化されて好ましい。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

半凝固金属の製造装置は、成形機の一部でなくてもよい。すなわち、製造装置により製造された半凝固金属は、直接に射出装置のスリーブへ供給されるのではなく、急冷凝固されて、半溶融状金属の素材（ビレット）とされてもよい。

半凝固金属の製造装置の全体構成は、保持炉から液状の金属材料をラドルにより汲み出して容器に注ぐ構成に限定されない。例えば、保持炉及びラドルに代えて、１ショット分の金属材料を溶融するるつぼを用い、当該るつぼにより容器に金属材料を注いでもよい。また、例えば、保持炉から容器へ適宜な流路を介して液状の金属材料を注いでもよい。

半凝固金属の製造は、その全ての工程が製造装置により自動的に行われる必要はない。例えば、加熱装置の制御、注湯装置の制御及び半凝固化装置の制御の少なくともいずれか一つは、作業者により行われてもよい。また、例えば、加熱、注湯及び冷却の少なくともいずれか一つについては、装置といえるほどの設備によらずに実現されてもよい。

本実施形態では、ある程度の高さから液状の金属材料を容器に注ぐだけで半凝固金属を攪拌したが、容器を運動させるような攪拌装置や金属材料内で部材を運動させるような攪拌装置が設けられてもよい。また、本実施形態では、半凝固金属から液相部分の一部の排出を全く行わなかったが、当該排出が行われてもよい。

容器の底部材に配置される（第２）温度センサは、容器内に露出しなくてもよい（金属材料に当接しなくてもよい。）。例えば、底部材に薄い部分を形成し、当該薄い部分に下方から温度センサを当接させるように温度センサを配置してもよい。

プレ冷却装置及び補助冷却装置の一方は設けられなくてもよい。補助冷却装置は、容器の底部材を外部から冷却するものであってもよい（冷媒を流すための流路が底部材に形成されなくてもよい）し、底部材だけでなく中空部材も冷却するものであってもよい。

容器は、互いに分離可能な中空部材及び底部材を有するものに限定されない。例えば、容器は、一体形成されたものであってもよいし、互いに接合された中空部材及び底部材を有するものであってもよい。

容器を構成する中空部材は、下方側が縮径している必要は無い。例えば、中空部材の内径が上方から下方へ亘って一定であっても、中空部材を横にして搬送することなどにより、搬送中に中空部材から半凝固状の金属材料が落下しないようにすることができる。この場合、中空部材の上方の開口（液状の金属材料が注がれた開口）を下に向けるのではなく、下方の開口を下に向けて、当該下方の開口から半凝固状の金属材料を落下させてもよい。ただし、この場合には、図５（ｃ）や図７（ｃ）と同様に、落下された金属材料Ｍの上部が金型１０３と対向するように、つまり、金属材料Ｍの底部がプランジャ１１１と対向するように、金属材料Ｍを落下させることが好ましい。すなわち、本発明では、金属材料Ｍは、上部側が金型１０３側を、底部側がプランジャ１１１側を向くようにスリーブ１０９内に収容されるように落下されることが好ましい。

押圧装置は、容器の底側から金属材料を押すものに限定されない。例えば、上述のように容器の径が上方から下方に亘って一定の場合においては、中空部材を横にした後、上方の開口から金属材料を押して金属材料を容器からずらし、その後、スリーブ上へ搬送することも可能である。また、押圧装置は、容器の底面全体を中空部材に対して押し上げるものであってもよい。

容器の底面の一部範囲において容器内へ進退移動可能な押圧部材は、容器の底面から突出しなくてもよい。例えば、押圧部材は、容器の底面よりも下方へ退避した位置から、容器の底面と連続する位置へ移動して、半凝固状の金属材料を押し、金属材料を容器からずらしてもよい。

搬送装置は、押圧装置を兼ねていてもよい。例えば、金属材料を保持した中空部材を固定された押圧部材に対して移動させることにより、押圧部材に金属材料を押させ、容器から金属材料をずらしてもよい。

金属材料を押すストロークが容器の深さよりも小さいという条件は、金属材料を容器からずらすときに満たされればよい。従って、例えば、第２の実施形態において、容器の深さよりも小さいストロークで金属材料を押して（繰り返し衝撃を与えて）金属材料を容器からずらした後、容器の深さよりも大きいストロークで金属材料を容器から押すように、容器搬送装置によって容器をエアシリンダ側へ大きく移動させるものも本願発明に含まれる。

なお、「容器の深さよりも小さい『ストローク』で押し」であるから、例えば、特許文献１のように、容器の深さよりも大きいストロークで容器内の金属材料をひと押しするときに、その初期に金属材料が容器からずれる現象が生じ、そのずれる現象が生じるまでに押した距離が容器の深さよりも短かったとしても、それはストロークの一部が容器の深さよりも小さいに過ぎず、本願発明の要件を満たしたことにはならない。

第２の実施形態では、ピストンロッドを繰り返し金属材料に衝突させて、金属材料に繰り返し衝撃を与えた。しかし、繰り返しの衝突無しに、金属材料に繰り返し衝撃を与えることも可能である。例えば、第１の実施形態において、アクチュエータ５１を、比較的早い立ち上がり時間で駆動力を押圧部材４９に付与する構成とする。そして、アクチュエータ５１により押圧部材４９を駆動したときに、押圧部材４９が突出位置に到達する前に金属材料Ｍからの反力によって押圧部材４９が停止してしまった場合、一度押圧部材４９への駆動力の付与を停止して、再度、駆動力を押圧部材４９に付与するようにアクチュエータ５１を制御する。駆動力の付与の停止の際、押圧部材４９が後退しなければ、押圧部材４９は、金属材料Ｍに当接したまま、金属材料Ｍに繰り返し衝撃を与えることになる。

１…製造装置、２１…容器、２７…容器搬送装置、３１…中空部材、３３…底部材、３９…第２温度センサ、４１…押圧装置、Ｍ…金属材料。

Claims (7)

1. 金型内に通じるスリーブとは分離されており、液状の金属材料が注がれる容器と、
   前記容器内にて半凝固状となった前記金属材料を前記容器の深さよりも小さいストロークで押して前記金属材料を前記容器からずらす押圧装置と、
   を有する半凝固金属の製造装置。
2. 前記容器の内壁は、前記容器の上方側の内径が前記容器の下方側の内径よりも大きくなるように傾斜しており、
   前記押圧装置は、前記容器の下方側から上方側へ前記金属材料を押す
   請求項１に記載の半凝固金属の製造装置。
3. 前記押圧装置は、前記金属材料に複数回衝撃を与えて前記金属材料を前記容器からずらす
   請求項１又は２に記載の製造装置。
4. 前記容器の少なくとも一部を構成し、ずらされた後の前記金属材料を保持している構成部材を、前記押圧装置から離れた位置へ搬送し、当該離れた位置にて前記構成部材の向きを変えて前記構成部材から前記金属材料を落下させる搬送装置
   を更に有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造装置。
5. 液状の金属材料を容器に注ぐステップと、
   前記容器内にて半凝固状となった前記金属材料を前記容器の深さよりも小さいストロークで押して前記金属材料を前記容器からずらすステップと、
   前記容器の少なくとも一部を構成し、前記金属材料を保持している構成部材を搬送するステップと、
   前記構成部材から前記金属材料を落下させるステップと、
   を有する半凝固金属の製造方法。
6. 前記ずらすステップでは、前記金属材料に複数回衝撃を与える
   請求項５に記載の半凝固金属の製造方法。
7. 液状の金属材料を容器に注ぐステップと、
   前記容器内にて半凝固状となった前記金属材料を前記容器の深さよりも小さいストロークで押して前記金属材料を前記容器からずらすステップと、
   前記容器の少なくとも一部を構成し、前記金属材料を保持している構成部材を金型内に通じるスリーブの供給口上へ搬送するステップと、
   搬送された前記構成部材から前記供給口へ前記金属材料を落下させるステップと、
   前記供給口を介して前記スリーブ内へ落下した前記金属材料を前記金型内に押し出すステップと、
   を有する半凝固金属を用いた成形方法。

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