JP6018251B1 - 半凝固合金の鍛造方法及びその鍛造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半凝固材料が流動性を維持している間に、半凝固材料を金型内全域に可能な限り素早く充填させ、全体に十分な圧力がかけられた良好な品質の製品を製造可能な半凝固合金の鍛造方法及びその鍛造装置を提供する。【解決手段】対となる金型１２、１３を用いてＡｌ合金又はＭｇ合金からなる半凝固材料１１を加圧し成形する半凝固合金の鍛造方法及びその鍛造装置１０であり、一方の金型１３には、半凝固材料１１を配置する凹部１５が形成され、他方の金型１２は、半凝固材料の加圧部１８と、その加圧方向に移動可能に設けられた閉空間形成部２０とを有し、金型１３の凹部１５内に半凝固材料１１を配置した後、この金型１３のパーティング面１９と閉空間形成部２０のパーティング面２７とを突き合わせ、これらパーティング面１９、２７への半凝固材料１１の差し込みを抑制しながら、加圧部１８により凹部１５内の半凝固材料１１を加圧し成形する。【選択図】図１

Description

本発明は、合金からなる半凝固状態の材料（半凝固合金）の鍛造方法及びその鍛造装置に関する。

半凝固状態の材料（以下、半凝固材料とも記載）の成形法として、鋳造法と鍛造法が用いられているが、従来一般的に用いられてきた成型技術を踏襲した場合、半凝固材料の特性（流動性）が固体状態や液体状態の材料とは大きく異なるため、様々な障害が発生することとなる。
中でも鍛造法は、固体状態の材料を、下型（金型）の凹部内に据え置き、この下型に対して上型（金型）をプレス機による圧力で押し下げ、上型（可動面）と下型の凹部とで形成される空間部の形状となるように、材料の形状を変形（塑性変形）させることで成形する方法である。

このため、従来の鍛造の成形概念をそのまま半凝固材料の鍛造に適用した場合、材料の加圧による流動性（移動距離）の違いにより、固体状態の材料に比較して大きな加圧力は要しなくなるものの、以下の問題が発生する。
・半凝固材料が金型のパーティング面（合わせ面）に先に差し込み、製品となる部分（凹部内の半凝固材料）の加圧が不十分になる障害。
・金型に触れた半凝固材料の表面（外周面）と内部との温度差による流動性の差。
・半凝固材料を用いることに起因した圧力の伝わり方の差異。
これらが原因で、金型の空間部内全体に半凝固材料を充填させることができず、その結果、安定した性能を備えた良品を製造することが困難となっていた。

上記した問題を解決するため、様々な技術の研究により、例えば、以下の方法が模索されている。
１）半凝固材料の固相率を上げ、より固化された状態とし、加圧による半凝固材料の流動性を抑制して鍛造する方法。
２）金型そのものを昇温させ、金型の内表面に触れた半凝固材料の急激な温度低下を抑制して流動性（湯回り）を確保し、金型の空間部内全体に半凝固材料を充填させる方法。
３）成形する半凝固材料（製品）の体積と金型の空間部の容積とを合致させることで、パーティング面への半凝固材料の差し込みを抑制しようとする、計量方法に焦点を絞った方法（例えば、特許文献１参照）。

しかし、上記した１）〜３）の方法を用いても、以下の問題があった。
１）の方法では、固体状態の材料を鍛造する従来法との差異が小さくなるため、金型のパーティング面へ半凝固材料が差し込む障害を、一定程度抑制することは可能となる。しかし、半凝固材料の特性である流動性を損なうことから、加圧による半凝固材料の移動距離が制約されるため、従来法と同様、大きな加圧力で半凝固材料の移動距離を確保することが必要となり、機械設備の大型化を免れず、これが製品コストの増加に直結する。
更に、複雑な形状を成形し難いことなど、従来の鍛造設備が抱えていた課題も解決できない。

２）の方法では、半凝固材料の温度低下が抑制されるため、前記した金型のパーティング面への半凝固材料の差し込みという課題を増幅させるばかりでなく、金型への加温や冷却ラインの配置など金型構成を複雑化させ、また、鍛造の操業方法も複雑化させるなど、製造コストが増大して製品コストの上昇に繋がる。
更に、合金の機械的性能の向上に最も求められる、半凝固材料の急速冷却を行うことができず、その結果、半凝固材料内部の結晶粒を肥大化（粗大化）させてしまい、求められた製品品質の確保が困難となる。

３）の方法では、金型の空間部内への半凝固材料の適正な量の充填が、重要な要素であることに間違いないものの、パーティング面への半凝固材料の差し込み、金型内で半凝固材料が局部冷却されることで生じる未成形部位（欠損）の発生、半凝固材料全体への加圧不足による不良品の発生、を防ぐことができない。
なお、加圧については、例えば、成形開始から製品が完成するまで、材料に直接圧力を加え続ける方法（例えば、特許文献２参照）や、半凝固材料を加圧成形した後、固体状態となった材料に対して更に加圧成形する方法（例えば、特許文献３参照）もある。しかし、この方法を用いても、上記した従来の鍛造設備が抱えていた課題を解決できない。

前記した半凝固材料の最大のメリットは、固体状態の材料と比較して流動性があることである。
これにより、従来の鋳造法が得意とする、複雑な形状や薄い形状の成形が求められる部位の隅々まで、材料を送り込むことが可能となる上に、鋳造法では必ず課題となる引け巣（鋳巣や巻き込み巣ともいう）の発生を抑制でき、また、鍛造特有の加圧による強度向上も可能となる。

しかし、その反面として、従来技術である溶湯の鋳造や固体の鍛造では問題とならなかった点、例えば、半凝固材料の表面と内部の性質（酸化など）の差や、内外温度差から派生する流動性の差、更には加圧方向と半凝固材料の流れ方向が異なる場合の半凝固材料への圧力伝達率の違いによる加圧力不足、等を原因とした不良品の発生など、新たな課題となることが判明した。
このため、これらの課題の解決なくしては、安定した品質の製品を効率良く製造できないことが分かった。

特に、製品形状ごとに行われる金型の計画時には、これらの課題を十分考慮し実行されなければならない。
しかし、前記した３）の半凝固材料の充填量の適正化のみならず、パーティング面への半凝固材料の差し込みや金型内の半凝固材料の湯回り（流動性）等の課題を個別に解決するだけでは、半凝固材料の鍛造により本来得られるメリット（機械的性能向上など）を十分に製品へ付与できないのが実状である。

特開２００５−３４８５１号公報 特許第４３７９６２１号公報 特開２００５−４０８１３号公報

半凝固材料を用いた鍛造法では、図１０に示すように、流動性を保持した半凝固材料９０を、下型（金型）９１の凹部９２内に投入し、上方に配置された上型（金型）９３を下降させることで、下型９１に据え置かれた半凝固材料９０に圧力が加わり、半凝固材料９０はその形状を保持できず容易に変形を始めて、下方や抵抗の最も少ない方向に移動を開始することとなる。詳細には、まず、上方からの圧力により、最も抵抗の少ない下方に移動した半凝固材料９０は、下型９１に接触した部位から凝固を開始し、下型９１の凹部９２内全面に行き渡ることなく、より抵抗の少ない上方にも移動を始め、最も抵抗が少ない上型９３と下型９１の合わせ面となるパーティング面９４、９５側へも移動する。
このはみ出した部位の材料分が、製品の欠損部位（材料が足りない状態）を生み出し、更に製品部より先に固化するため加圧力を受けてしまい、金型の下方への移動を妨げる要素となり、製品となる材料への加圧不足の原因となる。

なお、材料投入当初から下型９１に接触している半凝固材料９０の一部は、この接触部位から熱を奪われ徐々に固化を開始するが、計画している製品の厚みよりも厚く固化してしまった場合、この局部的な固化部位が上型９３の下降を妨げる要素となる。
従って、この場合においても、下型９１に対して上型９３は正常に閉じられず、加圧不足や製品の欠損部位を生み出し、不良品となるおそれがある。

また、局部的な固化部位が発生せず、下型９１に対して上型９３が正常に閉じられ、金型内全域に半凝固材料が行き渡った（満充填状態）としても、製品への加圧不足が発生するおそれもある。この事例としては、材料の加圧方向に対する材料の流れ方向の違いにより材料への圧力伝達率が変化し、各方向へ移動しようとする材料の移動スピードに違いが生じ、材料の表面となって凝固を始めた部位が湯境となり、加圧不足による製品の内部欠陥の原因となる場合がある。なお、湯境とは、材料表面が製品内部に差し込み、この差し込んだ部分を境とする材料同士が融合できずに、境目が生じてしまう現象を意味する。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、半凝固材料が流動性を維持している間に、半凝固材料を金型内全域に可能な限り素早く充填させ、全体に十分な圧力がかけられた良好な品質の製品を製造可能な半凝固合金の鍛造方法及びその鍛造装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る半凝固合金の鍛造方法は、対となる、固定配置した下型と、上下方向に昇降可能な上型を用いてＡｌ合金又はＭｇ合金からなる半凝固材料を加圧し成形する半凝固合金の鍛造方法において、
前記下型には、前記半凝固材料を配置する凹部が形成され、前記上型は、前記半凝固材料を加圧する加圧部と、該加圧部の加圧方向に移動可能に設けられた閉空間形成部とを有し、
前記下型の凹部内に前記半凝固材料を配置した後、前記下型のパーティング面と、前記閉空間形成部のパーティング面とを突き合わせ、これらパーティング面への前記半凝固材料の差し込みを抑制しながら、前記加圧部により前記凹部内の前記半凝固材料を加圧し成形するに際し、
前記下型の凹部内に常時は突出状態で設けられた可動部材により、前記半凝固材料の下面の一部を支持し、前記可動部材の突出状態を維持して前記上型の加圧部を下降させ、該加圧部と前記閉空間形成部で形成される前記上型の凹部内に前記半凝固材料を行き渡らせた後、前記上型の加圧部の更なる下降に伴い前記可動部材を下降させる。

ここで、前記可動部材で支持する前記半凝固材料の下面の一部は、成形後の前記半凝固材料の中で強度が必要な部分であるのがよい。
また、前記半凝固材料の成形後に、前記可動部材を前記下型の凹部の底面から上方へ突出させ、成形後の前記半凝固材料を前記下型の凹部から取外すこともできる。

第１の発明に係る半凝固合金の鍛造方法において、前記上型の加圧部に設けられた調整手段により、前記加圧部による加圧後の前記半凝固材料を更に加圧することが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係る半凝固合金の鍛造装置は、Ａｌ合金又はＭｇ合金からなる半凝固材料を加圧し成形する対となる、固定配置した下型と、上下方向に昇降可能な上型を有する半凝固合金の鍛造装置において、
前記下型には、前記半凝固材料を配置する凹部が形成され、
前記上型は、前記半凝固材料を加圧する加圧部と、該加圧部の加圧方向に移動可能に設けられ、前記半凝固材料の前記加圧部による加圧前に前記下型のパーティング面に突き合わせて、前記加圧部による加圧時の前記パーティング面への前記半凝固材料の差し込みを抑制する閉空間形成部とを有し、
前記下型の凹部内には、常時は突出状態で設けられて前記半凝固材料の下面の一部を支持し、前記上型の加圧部の下降により該加圧部と前記閉空間形成部で形成される前記上型の凹部内に前記半凝固材料が行き渡るまで突出状態を維持し、かつ、前記上型の加圧部の更なる下降に伴って下降する可動部材が設けられている。

第２の発明に係る半凝固合金の鍛造装置において、前記閉空間形成部は、弾性部材により、前記加圧部に対して相対移動可能となっていることが好ましい。

第２の発明に係る半凝固合金の鍛造装置において、前記可動部材は更に、前記半凝固材料の成形後に、前記下型の凹部の底面から上方へ突出して、成形後の前記半凝固材料を前記下型の凹部から取外す機能を備えることもできる。

第２の発明に係る半凝固合金の鍛造装置において、前記上型の加圧部には、該加圧部による加圧後の前記半凝固材料を更に加圧する調整手段が設けられていることが好ましい。

本発明に係る半凝固合金の鍛造方法及びその鍛造装置は、下型の凹部内に半凝固材料を配置した後、下型のパーティング面と上型の閉空間形成部のパーティング面を突き合わせ、このパーティング面への半凝固材料の差し込みを抑制しながら、加圧部により凹部内の半凝固材料を加圧し成形するので、半凝固材料が流動性を維持している間に、半凝固材料を金型内部（凹部）の隅々に行き渡らせ、全体に十分な圧力がかけられた良好な品質の製品を製造できる。これにより、例えば、量産時における良品率の向上が図れる。
特に、半凝固材料の流動性を保持させたままで、その成形を可能としているため、例えば、プレス機の小型化や省力化が図れ、簡単な構成で、合金性能の向上と製造コストの低下を図ることができる。

本発明の一実施の形態に係る半凝固合金の鍛造装置の説明図である。 同半凝固合金の鍛造装置に適用する鍛造方法の閉空間形成工程の説明図である。 同鍛造方法の加圧工程の説明図である。 同鍛造方法の調整工程の説明図である。 変形例に係る半凝固合金の鍛造装置の説明図である。 同半凝固合金の鍛造装置に適用する鍛造方法の閉空間形成工程の説明図である。 同鍛造方法の第１の加圧工程の説明図である。 同鍛造方法の第２の加圧工程の説明図である。 同鍛造方法の調整工程の説明図である。 従来例に係る半凝固合金の鍛造方法の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１〜図４に示すように、本発明の一実施の形態に係る半凝固合金の鍛造装置（以下、単に鍛造装置とも記載）１０は、Ａｌ合金（アルミニウム合金）又はＭｇ合金（マグネシウム合金）からなる半凝固材料１１を加圧し成形する対となる下型（一方の金型の一例）１３と上型（他方の金型の一例）１２を有するものであり、半凝固材料１１から良好な品質の製品を製造可能な装置である。以下、詳しく説明する。

下型１３は、固定配置されたものであり、上型１２は、この固定配置された下型１３に対し、上下方向に昇降可能なものである。
上型１２と下型１３は、例えば、工具鋼製であるが、セラミックス製でもよく、また、半凝固材料１１との接触面に耐摩耗材の表面処理を行ったものでもよい。
この上型１２と下型１３によって内部に形成される空間部１４は、最終的に得られる製品の形状に対応（転写）した形状である。ここでは、下型１３に形成され、半凝固材料１１が配置される平面視して四角形の凹部１５と、上型１２の平坦な押圧面１６とで、空間部１４（即ち、製品形状）が形成されているが、例えば、上型に形成された平面視して四角形の凹部と下型の凹部とで空間部を形成することもできる。

上型１２は、断面が逆凹状となった加圧ベース１７と、この加圧ベース１７の中央に下方へ突出した状態で一体的に設けられ、凹部１５内に配置された半凝固材料１１を加圧する加圧部１８と、半凝固材料１１の加圧部１８による加圧前に（加圧部１８が半凝固材料１１に加圧するよりも先に）、下型１３のパーティング面１９に突き合わせられる（当接させる）閉空間形成部２０とを有している。
なお、ここでは、加圧ベース１７、加圧部１８、及び、閉空間形成部２０のいずれも、平面視して四角形となっているが、例えば、空間部の形状（製品形状）に応じて、他の形状とすることもできる。

閉空間形成部２０は、加圧部１８の外周面２１に沿って加圧部１８の加圧方向（ここでは、上下方向）に移動可能となるように、配置されている。具体的には、平面視して四角形の加圧部１８の外周面２１に対し、角筒状となった閉空間形成部２０の内周面２２が、摺動可能になっている。
また、加圧ベース１７には、その外周に、断面Ｌ字状の吊持部２３が、下方へ突出した状態で設けられ、この吊持部２３によって閉空間形成部２０が吊持（挟持）されている。具体的には、吊持部２３の先端部（下端部）に、加圧部１８側へ突出状態で設けられたスライド部２４が、閉空間形成部２０の側壁の周方向に渡って形成されたスライド溝２５内に配置され、このスライド溝２５に沿って上下方向に摺動可能になっている。

加圧ベース１７と閉空間形成部２０との間には、複数の圧縮コイルばね（弾性部材の一例）２６が配置され、常時は（自由状態では）、閉空間形成部２０のパーティング面２７（下面）が、加圧部１８の押圧面１６（下面）よりも下方へ突出した状態となっている。
この各圧縮コイルばね２６により、閉空間形成部２０は、加圧部１８に対して相対移動可能となり、しかも、上型１２の昇降に伴い、閉空間形成部２０を加圧部１８と共に昇降させることができる。なお、閉空間形成部２０と加圧部１８とが相対移動可能であれば、圧縮コイルばね２６以外の機械的構造等を用いることもできる。

このように構成することで、使用にあっては、下型１３に対して上型１２を下降させることにより、まず、下型１３のパーティング面１９に閉空間形成部２０のパーティング面２７が当接する（図２参照）。更に上型１２を下降させることで、加圧部１８の下降を妨げることなく、パーティング面１９、２７同士の接触状態を維持した状態で、パーティング面１９、２７への半凝固材料１１の差し込みを抑制しながら、加圧部１８によって凹部１５内の半凝固材料１１を加圧し成形できる（図３参照）。
従って、閉空間形成部２０の下降時は、半凝固材料１１の加圧を目的としないため、半凝固材料１１の加圧力よりも低い圧力で十分である（高圧力が不要である）。

上記した加圧部１８の押圧面１６の輪郭形状（平面形状）は、下型１３の凹部１５の平面形状（下型１３のパーティング面１９の内周輪郭形状）と同一形状となっている。なお、ここでは、加圧部１８の押圧面１６は平坦面であるが、例えば、製品の形状に応じて、凹凸を設けることもできる。
また、閉空間形成部２０のパーティング面２７の形状は、下型１３のパーティング面１９の形状と同一形状（各内周輪郭形状が同一形状）となっている。なお、ここでは、いずれのパーティング面１９、２７も平坦であるが、必要に応じて凹凸を設けることもできる。

上記したように、加圧部１８による加圧は、下型１３のパーティング面１９に対して行われることなく、半凝固材料１１に対してのみ行われればよい。
このため、例えば、製品の形状によって、加圧部の押圧面の輪郭形状を、下型の凹部の平面形状よりも、小さな形状とすることもできる（（加圧部の押圧面の面積）＜（下型の凹部の平面形状の面積））。この場合、閉空間形成部のパーティング面の内周輪郭形状を、加圧部の押圧面の輪郭形状に合わせて、下型のパーティング面の内周輪郭形状よりも、小さくする。なお、このとき、閉空間形成部のパーティング面が半凝固材料を押圧しても構わないが、この押圧は、平面視して下型のパーティング面よりも内側に位置する半凝固材料に対してのみ行う。
これにより、加圧部の半凝固材料に対する加圧時に、パーティング面への半凝固材料の差し込みを抑制できるが、例えば、パーティング面にシール材（例えば、Ｏリング）を設けることで、差し込みの更なる抑制を図ることもできる。

下型１３の凹部１５内には、下型１３との接触による半凝固材料１１の冷却固化を抑制するため、半凝固材料１１の下面の一部を支持する可動ピン（可動部材の一例）２８が設けられている。なお、可動ピン２８は、例えば、工具鋼製やセラミックス製の断面円形のものであるが、材質や形状はこれに限定されるものではない。
可動ピン２８は、下型１３に組み込まれており、圧縮コイルばね（弾性体）２９により、常時は、支持する半凝固材料１１の重量に耐え、凹部１５の底面３０から突出した状態を維持するように、設けられている。ここで、常時とは、半凝固材料１１を支持した状態で、かつ、上型１２の加圧部１８による半凝固材料１１への加圧がない状態（無加圧状態）を意味する。

使用にあっては、図２、図３に示すように、上型１２の加圧部１８の下降に伴って（半凝固材料１１の押圧により）、可動ピン２８の上面（支持面）３１が、下型１３の凹部１５の底面３０と同一高さレベルとなるまで下降する。
従って、可動ピン２８を動作させることができれば、圧縮コイルばねの代わりに、例えば、油圧シリンダーを用いることもできる。この場合、上型の加圧部からの加圧力に対応して、油圧リリーフ弁により圧油を逃がす方法や、また、加圧部の下降位置に対応して、可動ピンの下げ位置を対応させるプログラム制御が、有効である。

なお、可動ピン２８の下型１３への設置本数は、ここでは１本としているが、特に限定されるものではなく、半凝固材料（製品）の形状や体積に応じて、２本以上の複数本でもよい。
また、可動ピンの設置位置（昇降位置）は、成形後の半凝固材料の中で強度が必要となる部分（例えば、製品の底面等）に対して、可動ピンの上面が接触するように、調整することが好ましい。これは、可動ピンとの接触部分が急速冷却されることで、結晶粒を微細化でき、製品品質の更なる向上が図れることによる。

更に可動ピンは、半凝固材料の成形後に、下型の凹部の底面から上方へ突出して、成形後の半凝固材料を下型の凹部から取外す機能を備える（即ち、押出しピンとして利用する）こともできる。
この場合、凹部に固着状態となっている製品を凹部から剥離するために要する加圧機構を、下型に設けることが必要である。
なお、上記した可動ピンは、必要に応じて下型に設ければよく、不要であれば設けなくてもよい。この場合、半凝固材料は下型の凹部に配置する。

上型１２の加圧部１８には、加圧部１８による加圧後の半凝固材料１１を更に加圧する調整手段３２が設けられている。この調整手段３２は、加圧ピン３３と、この加圧ピン３３を動作させる油圧ライン３４とを有している。
加圧ピン３３は、側面視してＴ字状となった断面円形のものであり、加圧部１８内に形成された空間３５内を昇降可能となって、しかも、その加圧面３６（下面）が、加圧部１８の押圧面１６から下方へ突出可能な状態（空間部１４内の半凝固材料１１を局部的に加圧可能な状態）で設けられている。
油圧ライン３４は、空間３５内への油の供給と空間３５内からの油の排出を行って、加圧ピン３３を昇降させるものである。

使用にあっては、以下のように動作する。
加圧部１８の下降時には、加圧ピン３３の動作を停止して待機させた状態（即ち、加圧部１８の押圧面１６と加圧ピン３３の加圧面３６が同一高さレベルとなった状態）とする。
図４に示すように、加圧部１８の下降が停止した後は、油圧ライン３４により、加圧ピン３３を動作させる（即ち、加圧部１８の押圧面１６から加圧ピン３３の加圧面３６を下方へ突出させる）。
これにより、空間部１４内の半凝固材料１１は、更に加圧状態に曝され、強度向上に結びつくのみならず、空間部１４の容積に対する半凝固材料１１の体積の誤差（１０体積％以下程度）も調整できる。なお、加圧ピン３３により得られる効果は、上記した誤差の調整（緩和）や強度の向上のみならず、鋳造や鍛造の技術で課題となる合金の冷却に伴う収縮を原因とした引け巣対策にも有効である。

なお、加圧ピン３３で加圧された部分には凹みが発生するため、成形後の半凝固材料１１に後加工を施し、凹みを除去するのがよい。従って、加圧ピンは、最終製品の形状を考慮し、後加工を施すことが可能な部分（例えば、下型でもよい）に設置することが好ましい。
また、加圧ピン３３の加圧部１８への設置本数は、ここでは１本としているが、２本以上の複数本でもよい。このように、加圧ピンを複数本設けることで、１本のみ設けた場合と比較して、成形後の半凝固材料に生じる凹み深さを浅くすることもできる。
なお、上記した加圧ピンは、必要に応じて設ければよく、不要であれば設けなくてもよい。

続いて、本発明の一実施の形態に係る半凝固合金の鍛造方法について、図１〜図４を参照しながら説明する。
＜準備工程＞
まず、図１に示すように、下型１３内に突出状態で配置された可動ピン２８に、Ａｌ合金又はＭｇ合金からなる半凝固材料１１を載置する。ここで、Ａｌ合金とは、例えば、Ａｌ（アルミニウム）を６０質量％以上含み、このＡｌ、合金元素、及び、不可避的不純物で構成され、また、Ｍｇ合金は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）を６０質量％以上含み、このＭｇ、合金元素、及び、不可避的不純物で構成された合金である。
これにより、半凝固材料１１の下面は、可動ピン２８の上面３１のみに接触することになり、下面が下型１３の凹部１５の底面３０に接触することを防止できる。

この半凝固材料１１とは、予め合金元素を添加して溶製したＡｌ合金又はＭｇ合金を冷却して温度調整したものであり、固体状態の材料よりも流動性を保持した状態物である。
このような半凝固材料としては、固相率が、例えば、４５％以上５５％以下のものがあり、この場合、下型の凹部内に配置される半凝固材料の温度を、例えば、状態図に基づいて、上記した固相率となる温度に調整する。
なお、半凝固材料は、固体状態の材料よりも流動性を備え、例えば、可動ピンの上面に載置可能な状態であれば、上記した固相率のものに限定されるものではない。
また、下型の凹部内に配置される半凝固材料の体積は、上型と下型とで形成される空間部の容積（製品の体積）と等しいことが望ましいが、例えば、半凝固材料の体積の計測が難しい場合にあっては、空間部の容積より半凝固材料の体積を若干多くしてもよい。

＜閉空間形成工程＞
次に、図２に示すように、下型１３に対して上型１２（加圧部１８と閉空間形成部２０）を下降させ、下型１３のパーティング面１９と、上型１２の閉空間形成部２０のパーティング面２７とを突き合わせる。
これにより、上型１２と下型１３の内部が、外部から閉じられた状態となる。
ここで、加圧部１８の押圧面１６が、半凝固材料１１に接触する場合は、半凝固材料１１が下方へ押され、可動ピン２８が下降し始める。

＜加圧工程＞
引き続き、図３に示すように、下型１３に対して上型１２を下降させる。
ここでは、圧縮コイルばね２６の作用により、閉空間形成部２０によって加圧部１８の下降が妨げられることなく、加圧部１８が下降する。このとき、加圧部１８の下降に伴って、可動ピン２８の上面３１も、下型１３の凹部１５の底面３０と同一高さレベルとなるまで下降する。
なお、ここでは、加圧部１８の下降を、押圧面１６が、閉空間形成部２０のパーティング面２７と同一高さレベルとなるまで行っているが、パーティング面２７よりも高い位置でもよく、また、パーティング面２７よりも低い位置でもよい。

これにより、下型１３のパーティング面１９と、上型１２の閉空間形成部２０のパーティング面２７とが接触した状態を維持しながら、即ち、パーティング面１９、２７間の半凝固材料１１の差し込みを抑制しながら、加圧部１８により空間部１４内の半凝固材料１１が加圧される。このため、パーティング面１９、２７間等の抵抗が少ない部位を塞がれた半凝固材料１１は、抵抗の少ない場所を探しながら変形し、最終的に、空間部１４内全域に行き渡り、製品形状に近い状態となる。
従って、パーティング面１９、２７間への半凝固材料１１の差し込みを抑制しながら、加圧部１８により空間部１４内の半凝固材料１１を加圧し成形できる。

＜調整工程＞
空間部１４内の半凝固材料１１の体積が、空間部１４の容積を下回ることは、製品欠陥の原因となることから、半凝固材料１１の体積は常に、空間部１４の容積以上となるように計画されなければならない。
しかし、前記したように、例えば、半凝固材料の体積の計測が難しい場合にあっては、空間部の容積より半凝固材料の体積を若干多くしてもよい。

この場合、図４に示すように、下型１３のパーティング面１９と、上型１２の閉空間形成部２０のパーティング面２７とを突き合わせた状態で、かつ、加圧部１８により半凝固材料１１を加圧した状態で、加圧ピン３３を動作させ、半凝固材料１１に圧力を加える。
これにより、過剰に供給された半凝固材料の誤差の調整（緩和）や強度の向上を図ることができる。

＜最終工程＞
そして、半凝固材料１１を加圧状態で凝固させた後、上型１２と下型１３を分離し、必要に応じて可動ピン２８を用い、凹部１５から凝固させた半凝固材料１１を取り出す。
この取り出した半凝固材料１１に対し、必要に応じて後加工を施すことで、最終製品となる。

次に、図５〜図９を参照しながら、変形例に係る半凝固合金の鍛造装置（以下、単に鍛造装置とも記載）４０について説明するが、この鍛造装置４０は、前記した鍛造装置１０と略同様の構成であるため、同一部材には同一番号を付し、異なる構成について詳しく説明する。

鍛造装置４０は、半凝固材料１１を加圧し成形する対となる下型（一方の金型の一例）４２（下型１３に相当）と上型（他方の金型の一例）４１（上型１２に相当）を有するものである。
この上型４１と下型４２によって内部に形成される空間部４３（空間部１４に相当）は、最終的に得られる製品の形状に対応した形状であり、ここでは、上型４１の凹部４４と下型４２の凹部４５（凹部１５に相当）とで空間部４３が形成されている。

上型４１は、加圧ベース１７の中央に下方へ突出した状態で一体的に設けられ、凹部４５内に配置された半凝固材料１１を加圧する加圧部４６（加圧部１８に相当）と、半凝固材料１１の加圧部４６による加圧前に、下型４２のパーティング面４７（パーティング面１９に相当）に突き合わせられる閉空間形成部４８（閉空間形成部２０に相当）とを有している。つまり、この加圧部４６と閉空間形成部４８により、上記した上型４１の凹部４４が形成される。

なお、閉空間形成部４８は、加圧部４６に沿って加圧部４６の加圧方向に移動可能となるように配置され、しかも、加圧ベース１７に設けられた吊持部２３によって吊持されている。
この加圧ベース１７と閉空間形成部４８との間には、複数の圧縮コイルばね（弾性部材の一例）４９（圧縮コイルばね２６に相当）が配置され、常時は、閉空間形成部４８のパーティング面５０（パーティング面２７に相当）が、加圧部４６の押圧面５１（押圧面１６に相当）よりも下方へ突出した状態となっている。なお、加圧部４６の下端部には凸部５２が設けられ、加圧部４６の押圧面５１が階段状になっている。

下型４２の凹部４５内には、半凝固材料１１の下面の一部を支持する可動板（可動部材の一例）５３が設けられている。なお、可動板５３は、例えば、工具鋼製やセラミックス製の板状のものであるが、材質や形状はこれに限定されるものではない。
可動板５３は、下型４２に組み込まれており、圧縮コイルばね５４（圧縮コイルばね２９に相当）により、常時は、支持する半凝固材料１１の重量に耐え、凹部４５の底面５５とは間隔を有して突出した状態を維持するように、設けられている。

この圧縮コイルばね５４を圧縮状態にするには、上記した圧縮コイルばね４９を圧縮状態にするよりも、大きな荷重が必要である。つまり、上型４１を下降させるに際しては、圧縮コイルばね４９が圧縮状態となった後、圧縮コイルばね５４が圧縮状態となる。
このような動作が可能であれば、圧縮コイルばねの代わりに、例えば、油圧シリンダーを用いることもできる。この場合、前記した油圧リリーフ弁により圧油を逃がす方法やプログラム制御が有効である。

以上の構成により、使用にあっては、下型４２に対して上型４１を下降させることで、まず、下型４２のパーティング面４７に閉空間形成部４８のパーティング面５０が当接する（図６参照）。
更に上型４１を下降させることで、加圧部４６の下降を妨げることなく、パーティング面４７、５０同士の接触状態を維持した状態で、かつ、可動板５３の突出状態を維持した状態で、上型４１の加圧部４６が下降する。これにより、パーティング面４７、５０への半凝固材料１１の差し込みを抑制しながら、半凝固材料１１が最も移動しずらい上型４１の凹部４４内に、半凝固材料１１を素早く充填し行き渡らせることができる（図７参照）。
更に上型４１を下降させることで、加圧部４６の更なる下降に伴い、可動板５３を下降させて、パーティング面４７、５０への半凝固材料１１の差し込みを抑制しながら、加圧部４６により下型４２の凹部４５内の半凝固材料１１を加圧し成形できる（図８参照）。

なお、この可動板に、前記した可動ピン２８を設け、可動板との接触による半凝固材料の冷却固化を抑制することもできる。
また、可動板は、半凝固材料の成形後に、下型の凹部の底面から上方へ突出させて、成形後の半凝固材料を下型の凹部から取外す機能を備える（即ち、押出し板として利用する）こともできる。

上型４１の加圧部４６には、加圧ピン５６（加圧ピン３３に相当）と油圧ライン３４とを有する調整手段５７（調整手段３２に相当）が設けられている。
使用にあっては、以下のように動作する。
加圧部４６の下降時には、加圧ピン５６の動作を停止して待機させた状態（即ち、加圧部４６の押圧面５１と加圧ピン５６の加圧面５８（加圧面３６に相当）が同一高さレベルとなった状態）とする。そして、図９に示すように、加圧部４６の下降が停止した後は、油圧ライン３４により、加圧ピン５６を動作させ、加圧部４６の押圧面５１から加圧ピン５６の加圧面５８を下方へ突出させる。
これにより、空間部４３内全域に行き渡った半凝固材料１１に対し、加圧部４６による圧力に加えて更に、加圧ピン５６による適正な圧力を加えることができ、半凝固材料１１全体を融合させ、前記した湯境などの欠陥要因を排除できる。

続いて、変形例に係る半凝固合金の鍛造方法について、図５〜図９を参照しながら説明するが、前記した実施の形態に係る半凝固合金の鍛造方法と略同様であるため、異なる構成について詳しく説明する。
＜準備工程＞
まず、図５に示すように、下型４２内に突出状態で配置された可動板５３に、Ａｌ合金又はＭｇ合金からなる半凝固材料１１を載置する。

＜閉空間形成工程＞
次に、図６に示すように、下型４２に対して上型４１（加圧部４６と閉空間形成部４８）を下降させ、下型４２のパーティング面４７と、上型４１の閉空間形成部４８のパーティング面５０とを突き合わせる。
これにより、上型４１と下型４２の内部が、外部から閉じられた状態となる。
このとき、加圧部４６の押圧面５１が半凝固材料１１に接触し、半凝固材料１１が下方へ押されても、可動板５３は突出状態（現状の高さレベル）を維持する。

＜第１の加圧工程＞
引き続き、図７に示すように、下型４２に対して上型４１を下降させる。
ここでは、圧縮コイルばね４９の作用により、閉空間形成部４８によって加圧部４６の下降が妨げられることなく、加圧部４６が下降する。具体的には、下型４２のパーティング面４７と、上型４１の閉空間形成部４８のパーティング面５０とが接触した状態を維持しながら、即ち、パーティング面４７、５０間の半凝固材料１１の差し込みを抑制しながら、かつ、可動板５３の突出状態を維持した状態で、上型４１の加圧部４６が下降する。
これにより、パーティング面４７、５０間等の抵抗が少ない部位を塞がれた半凝固材料１１を、半凝固材料１１が最も移動しずらい上型４１の凹部４４内に、素早く充填し行き渡らせることができる。

＜第２の加圧工程＞
更に、図８に示すように、下型４２に対して上型４１を下降させる。
ここでは、加圧部４６の更なる下降に伴い、可動板５３が下降する。具体的には、下型４２のパーティング面４７と、上型４１の閉空間形成部４８のパーティング面５０とが接触した状態を維持しながら、即ち、パーティング面４７、５０間の半凝固材料１１の差し込みを抑制しながら、可動板５３が下降する。
これにより、パーティング面４７、５０間等の抵抗が少ない部位を塞がれた半凝固材料１１は、抵抗の少ない場所を探しながら変形し、最終的に、空間部４３内全域に行き渡り、製品形状に近い状態となる。
従って、加圧部４６により空間部４３内の半凝固材料１１を加圧し成形できる。

＜調整工程＞
図９に示すように、下型４２のパーティング面４７と、上型４１の閉空間形成部４８のパーティング面５０とを突き合わせた状態で、かつ、加圧部４６により半凝固材料１１を加圧した状態で、加圧ピン５６を動作させ、半凝固材料１１に圧力を加える。
これにより、半凝固材料１１全体を融合させ、前記した湯境などの欠陥要因を排除できる。

＜最終工程＞
そして、半凝固材料１１を加圧状態で凝固させた後、上型４１と下型４２を分離し、必要に応じて可動板５３を用い、凹部４５から凝固させた半凝固材料１１を取り出す。
この取り出した半凝固材料１１に対し、必要に応じて後加工を施すことで、最終製品となる。

以上のことから、本発明の半凝固合金の鍛造方法及びその鍛造装置を用いることで、半凝固材料が流動性を維持している間に、半凝固材料を金型内全域に可能な限り素早く充填させることができ、全体に十分な圧力がかけられた良好な品質の製品を製造できる。
なお、本発明者らが、本発明の半凝固合金の鍛造方法及びその鍛造装置を用いて半凝固材料の鍛造を行ったところ、欠陥のない製品が得られることを確認できた。この欠陥のない製品とは、パーティング面への半凝固材料の差し込みに起因したバリの発生がなく、形状が整った製品を意味する。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の半凝固合金の鍛造方法及びその鍛造装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。

１０：半凝固合金の鍛造装置、１１：半凝固材料、１２：上型（他方の金型）、１３：下型（一方の金型）、１４：空間部、１５：凹部、１６：押圧面、１７：加圧ベース、１８：加圧部、１９：パーティング面、２０：閉空間形成部、２１：外周面、２２：内周面、２３：吊持部、２４：スライド部、２５：スライド溝、２６：圧縮コイルばね（弾性部材）、２７：パーティング面、２８：可動ピン（可動部材）、２９：圧縮コイルばね、３０：底面、３１：上面、３２：調整手段、３３：加圧ピン、３４：油圧ライン、３５：空間、３６：加圧面、４０：半凝固合金の鍛造装置、４１：上型（他方の金型）、４２：下型（一方の金型）、４３：空間部、４４、４５：凹部、４６：加圧部、４７：パーティング面、４８：閉空間形成部、４９：圧縮コイルばね（弾性部材）、５０：パーティング面、５１：押圧面、５２：凸部、５３：可動板（可動部材）、５４：圧縮コイルばね、５５：底面、５６：加圧ピン、５７：調整手段、５８：加圧面

Claims (8)

1. 対となる、固定配置した下型と、上下方向に昇降可能な上型を用いてＡｌ合金又はＭｇ合金からなる半凝固材料を加圧し成形する半凝固合金の鍛造方法において、
   前記下型には、前記半凝固材料を配置する凹部が形成され、前記上型は、前記半凝固材料を加圧する加圧部と、該加圧部の加圧方向に移動可能に設けられた閉空間形成部とを有し、
   前記下型の凹部内に前記半凝固材料を配置した後、前記下型のパーティング面と、前記閉空間形成部のパーティング面とを突き合わせ、これらパーティング面への前記半凝固材料の差し込みを抑制しながら、前記加圧部により前記凹部内の前記半凝固材料を加圧し成形するに際し、
   前記下型の凹部内に常時は突出状態で設けられた可動部材により、前記半凝固材料の下面の一部を支持し、前記可動部材の突出状態を維持して前記上型の加圧部を下降させ、該加圧部と前記閉空間形成部で形成される前記上型の凹部内に前記半凝固材料を行き渡らせた後、前記上型の加圧部の更なる下降に伴い前記可動部材を下降させることを特徴とする半凝固合金の鍛造方法。
2. 請求項１記載の半凝固合金の鍛造方法において、前記可動部材で支持する前記半凝固材料の下面の一部は、成形後の前記半凝固材料の中で強度が必要な部分であることを特徴とする半凝固合金の鍛造方法。
3. 請求項１又は２記載の半凝固合金の鍛造方法において、前記半凝固材料の成形後に、前記可動部材を前記下型の凹部の底面から上方へ突出させ、成形後の前記半凝固材料を前記下型の凹部から取外すことを特徴とする半凝固合金の鍛造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半凝固合金の鍛造方法において、前記上型の加圧部に設けられた調整手段により、前記加圧部による加圧後の前記半凝固材料を更に加圧することを特徴とする半凝固合金の鍛造方法。
5. Ａｌ合金又はＭｇ合金からなる半凝固材料を加圧し成形する対となる、固定配置した下型と、上下方向に昇降可能な上型を有する半凝固合金の鍛造装置において、
   前記下型には、前記半凝固材料を配置する凹部が形成され、
   前記上型は、前記半凝固材料を加圧する加圧部と、該加圧部の加圧方向に移動可能に設けられ、前記半凝固材料の前記加圧部による加圧前に前記下型のパーティング面に突き合わせて、前記加圧部による加圧時の前記パーティング面への前記半凝固材料の差し込みを抑制する閉空間形成部とを有し、
   前記下型の凹部内には、常時は突出状態で設けられて前記半凝固材料の下面の一部を支持し、前記上型の加圧部の下降により該加圧部と前記閉空間形成部で形成される前記上型の凹部内に前記半凝固材料が行き渡るまで突出状態を維持し、かつ、前記上型の加圧部の更なる下降に伴って下降する可動部材が設けられていることを特徴とする半凝固合金の鍛造装置。
6. 請求項５記載の半凝固合金の鍛造装置において、前記閉空間形成部は、弾性部材により、前記加圧部に対して相対移動可能となっていることを特徴とする半凝固合金の鍛造装置。
7. 請求項５又は６記載の半凝固合金の鍛造装置において、前記可動部材は更に、前記半凝固材料の成形後に、前記下型の凹部の底面から上方へ突出して、成形後の前記半凝固材料を前記下型の凹部から取外す機能を備えていることを特徴とする半凝固合金の鍛造装置。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の半凝固合金の鍛造装置において、前記上型の加圧部には、該加圧部による加圧後の前記半凝固材料を更に加圧する調整手段が設けられていることを特徴とする半凝固合金の鍛造装置。

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