JP2000504632A - チクソ成形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 チクソ成形装置で、成形ダイキャビティを充填する際に、材料の流れがとっさに停止し引き続いて無秩序なコースを辿って成形ダイキャビティの充填が不完全になる原因になる領域が生じないことを確保するために、少なくとも２個の鋳込みフィッティングが備えられる。

Description

【発明の詳細な説明】 チクソ成形装置 成形部品を製造するには鍛造及びその他の成形技術の他に、鋳造技術を利用す ることもできる。鋳造技術は、鍛造では製造できない極めて複雑な、場合によっ ては断片的な薄壁の部品を製造しなければならない場合に問題になる。鍛造の場 合、材料は半流動体であるので、適度な圧力を考慮に入れると、ある一定の最小 断面積を下回ってはならない。 これに対して、鋳造の場合は、材料は比較的にかなり液状になっている。液状 材料は鋳型のダイキャビティ内の狭いスリットを通して鋳込むことができ、複雑 な空間でも簡単に充填することができる。 いわゆる「砂型鋳造又は重力鋳造」の場合は、液状材料は重力によって湯口か ら鋳型内に流入する。凝固は鋳型が完全に満たされてから始まらなければならな い。それに対応してサイクル時間も長くなり、時期尚早に部分的に冷却が生じる 恐れがない場合のような鋳型しか製造できない。冷却部位があると、鋳造の欠陥 が生ずるであろう。 ダイカストの場合のように、上記のような臨界条件を厳守しなくてもよい場合 はサイクル時間を速めることができる。 ダイカストの装置は、その鋳型半部がダイキャビティを含んでいる分割可能な 鋳型から成っている。鋳型には平坦な鋳込み路が付属する鋳込みフィッティング が連結され、この鋳込み路はダイキャビティの方向に幅広になり、液状金属を収 容する鋳込み室でその断面積が最小になる。鋳造プロセスにおいて、鋳込み室内 に収容されている液状金属は室内で移動するピストンを利用して鋳込み路を通っ てダイキャビティ内に鋳込まれる。ダイカストの場合の流速は４０ｍ／秒であり 、 ６０ｍ／秒までにすることができる。このように速い流速により、噴流に渦流が 生じ、鋳込み路及びダイキャビティ内の金属噴流が分かれることがある。それに よって、鋳型と鋳込み路内に含まれている空気が蛇口での気泡のように半流動体 の金属に混入する。冷却後、完成した鋳造部品内に封入された空気は小さな空洞 を形成し、それによって強度に悪影響を及ぼす。 液状金属がプレス室から制御されない状態で流出することがないように、鋳込 み室はダイカスト型の下に配置しなければならない。ダイキャビティはその構造 と速い流速により鋳込み路又は鋳込み室から最も離れたダイキャビティの端部か ら満たされる。ダイキャビティはいわば材料の流入方向とは逆方向から満たされ る。 原理的にはダイカスト技術によって極めて薄壁の部品を製造することができる ものの、そのようにして製造された部品は、例えば自動車の車体部品の場合に対 するような要求基準を満たすことはできない。ダイカスト部品は、充分に確実に は、必要な引張り強さ及び剛さには達しないが、その理由の一つは使用される材 料にあり、もう一つはダイカスト技術では避けられない空気の封入にある。 従って、これまでにも、既に、材料中の気泡を防止するために金属を注入する 前にダイカスト型を真空排気することが試みられてきた。 ダイカスト技術に付随するもう一つの欠点は、金属を完全に液状の形態で取り 扱わなければならないということにある。それには、使用場所で固形材料を完全 に溶解させるか、又は、液状融解物の形熊で例えばアルミニウム工場のような製 造場所から鋳造工場まで運搬するかが前提となる。 特に、マグネシウムを主成分とする比較的大きい平坦な部品をダイカスト加工 するには、ドイツ特許明細書第３９３１１９４号から熱室ダイカスト機を使用す ることが公知である。この例では、鋳込み室は鋳込みユニットを接続可能な複数 個の湯口を有している。鋳込み室内部への材料供給の方法は上記の文献には記載 されていない。その他の点で、この機械では上記に既に記載した問題点が生ずる 。 その点では、例えば、ドイツ特許明細書第１９５１８１２７号から公知である ようないわゆるチクソ成形が著しく好適である。それに使用される鋳造機械には ダイカスト機とある程度の類似性があるものの、チクソトロピー（疑液性）材料 の流動特性は液状材料の流動特性とは基本的に異なっており、従ってダイカスト 機は改造しなければチクソ成形には使用できない。ダイキャビティを欠陥なく満 たすためにどのような特別の改造が必要であるのかは上記の文献からは知ること はできない。上記の文献は鋳造機械を概略的に示すことに限定されている。 チクソ成形の場合は、使用される材料によって左右される温度範囲で、固体と 液体との中間状態になる合金が使用される。専門分野では、材料は上記の温度で は未だ固体であるが、液状部分が内部に埋まっている変形可能な構造を有するも のと考えられている。チクソ成形の場合、材料の約５０％から６０％が液状であ り、他方、残りの２０％が固体の凝集状態にある。 チクソ成形では、チクソ成形温度に加熱され、容積が仕上げ加工物の容積に溢 れ分の容積を加えたものに相当するピンがプレス室に装入される。チクソトロピ ー材料は鋳込みピストンを用いて鋳型内に押し込まれる。チクソ成形材料はそれ 自体は流動することができないので、鋳込み室の状態は問題にはならない。材料 は独自で鋳込み室から流出することはできない。 長くてほぼ棒状の部品を製造するには、チクソ成形は既に極めて好適であるこ とが実証されている。材料の流れは半流動状態であり、従って、鋳型内にある空 気は材料内に侵入することができずに材料から排除されるので、ダイカストの場 合に発生する空気の封入は完全に回避される。チクソ成形における温度は比較的 低く、このことはエネルギの節減を意味し、その上、鋳込み室には危険なく取り 扱うことができる準固体のピンが充填されている。チクソ成形では自動車で街路 を通って使用場所までの高温の融解物を危険な状態で輸送することは必要でない 。 従って、ダイカスト技術では一般的である鋳込みフィッティングを使用して、 チクソ成形を平坦で薄壁の部品にも転用することが試みられてきた。しかしなが ら望まれる結果は未だ得られていない。 上記に基づき、本発明の目的は平坦な部品を製造することができるチクソ成形 装置を製造することにある。 発明者によって、チクソ成形に適した材料がダイカスト鋳型の鋳込み路を流れ る際に、見かけ上自発的かつ偶発的に一部が凝固することが判明した。供給され る材料はこのように凝固した部分を再び流動化させることはできず、強制的にそ の箇所を迂回して流れ、その際にこのように詰まっている材料の領域の後方に空 洞が生じ、又は予測されない方向に材料が流れる。前記の双方ともダイキャビテ ィを満たす際に悪影響を及ぼす。材料の流れの部分的な凝固はダイカストの場合 には鋳込み路の平板な形状によって促進される。ダイカストの場合、鋳込み路は 鋳込み室から湯口の方向に拡がり、それに対応して流速が遅くなる。流速が遅す ぎると自発的な凝固を招くことがある。 少なくとも２つの鋳込み路を使用することによって、平板な部品で上記のよう な自発的な凝固を回避することができる。その際、鋳込み路の形状は、材料の流 れの前面がそれ自体で、又は別の材料の流れとともに、材料の流れの前面のその 都度の部位にあるダイキャビティの断面を実質的に完全に満たすような材料の流 れが生ずるような形状が選択される。 このような流れは層になって流れるか、又は相応する広い幅を覆うべき場合に 、同方向に鋳型を貫流して流れることができ、前者の場合は突き合わせ部位に融 合状態が生じる。最後に、流速が遅いために自発的な凝固が発生する可能性があ る部位が生じないようにするため、ダイキャビティの壁又は鋳込み路から強制的 に 送りこまれるような材料の流れを生じるようにして双方の充填方法を同時に導入 することも考えられる。 その他の点は、本発明の別の実施熊様は従属クレームの対象になっている。 本発明の対象の実施例を図面を参照して説明する。 図１は、鋳型を解放した状態での、従来技術のダイカスト機の極めて大まかな 概略図である。 図２は、図１のダイカスト機の縦断面図である。 図３は、ダイキャビティを解放した状態での、本発明に基づくチクソ成形装置 の概略平面図である。 図４は、図３に記載の本発明の装置の、ダイキャビティスリットに対して直角 の縦断面図である。 本発明をより明解に理解するため、先ず図１及び図２を参照してダイカスト技 術による従来の技術を説明する。 ダイカストのためには、平板なダイキャビティスリット４で当接した下部と上 部の鋳型半体（成形半体）２，３から成るダイカスト鋳型１が使用される。双方 の鋳型半体２，３の互いに接合した双方の側には製造される加工物に対して凹面 の成形ダイキャビティ５，６が形成されている。本実施形態の場合は、製造され る加工物は、成形ダイキャビティ５，６の互いに平行な４つの狭側面７，８，９ ，１１と、２つの平坦な側面とによって仕切られる方形の板であるものと想定さ れる。 ダイカスト鋳型１の下端部には極めて大まかに示した単一の鋳込みフィッティ ング１２が接続されており、これは、内部を移動可能に案内されている鋳込みピ ストン１５を有する鋳込み室１３と、扇形に広がった鋳込み路１６とから構成さ れている。鋳込みピストンロッド１７を介して鋳込みピストンを移動させるため の鋳込み用駆動装置は簡略にするために図示していない。 鋳込み路１６の内部には、ダイカスト機では一般的なようにスリット状の管路 １８が含まれており、この管路は鋳込み室１３の出口１９から加工物の広い方の 狭側面７の方向に扇形に広がっている。これと垂直な方向に管路１８は出口１９ から出てダイキャビティ５，６の方向に先細になっている。管路１８はいわゆる 湯口２１の部位で双方のダイキャビティ５，６によって境界が形成されている空 洞内に接続している。 図示のように、鋳込み路１６内に含まれている管路１８は絞り部分を経てダイ カスト鋳型１の空洞内に移行している。 ダイカストを行うために鋳込み室１３に溶解した材料が充填される。金属は鋳 込み室１３に充填された後、鋳込みピストン１５を用いて高圧で鋳型に射入され る。その際に、溶解材料は噴水池のように、下方から程度の差こそあれ密な液状 材料の噴流２２として管路１８を通って、対向面９に達するまで上方の鋳型１の 空洞内に噴射される。次に射入される液状材料は内在する運動エネルギによって 既に射入された材料を壁９へと押圧する。 ダイカストの場合、材料の前面２３ａ、２３ｂ及び２３ｃで示すように、鋳型 の空洞は次第に上方から下方へと、即ち、射入された材料の流れ方向とは逆に充 填される。材料の前面２３ａは材料の前面２３ｂが生ずる前に形成される。 金属の射入は、鋳込み路１６内の管路１８も充填されるまで継続される。 金属の射入速度は４０及び至６０ｍ／秒の間である。このような速い速度では 金属噴流内に、特に湯口２１の先細構造に誘発されて渦が発生し、そのため金属 噴流は鋳型内１に含まれており凝固した金属内に微細に分布する空洞を形成する 空気と混合される。 図３及び図４は面積が比較的大きい部品を原型によって製造するためにチクソ 成形用に備えられた装置３１を極めて概略的に示している。そのために、金属に よって左右される温度以上では、金属の約４０％−５０％の部分が液状の凝集状 態にあり、残りの部分は未だ固体の凝集状態にあるというチクソトロピー特性を 有するチクソトロピー（疑液性）金属合金が使用される。このようなチクソトロ ピー合金は剪断応力が高まるとともに粘性が低下する粘性特性を呈する。 本発明に基づく装置は複数個の鋳込みフィッティング３３ａ，３３ｂ，３３ｃ に連結された鋳型３２からなっている。 鋳型自体は鋳型下半体（成形下半体）３４と鋳型上半体（成形上半体）３５か ら成り、これらは間に鋳型上半体３５内の成形ダイキャビティ３７と鋳型下半体 ３４内の成形ダイキャビティ３８とから成るダイキャビティ３６を構成している 。必要な鋳型閉鎖装置は本発明の理解には必要ないので図示していない。 本発明を説明するため、図３の平面図に示すように、製造される加工物はほぼ 台形であり、側面がダイキャビティ３６の縁部３９、４１、４２及び４３、並び に、湯口の位置を同時に表す仮想破線４４、４５及び４６によって輪郭が形成さ れている形状を有するものとする。 鋳込みフィッティング３３ａ，．．．，３３ｃは同一形状のものであり、従っ て、個々の構成部には同一の参照番号を使用し、鋳込みフィッティングに対応す る文字を補ってある。 鋳込みフィッティング３３ａには鋳込み路４７ａが付属しており、その管路４ ８ａは鋳込み室４９ａをダイキャビティ３６と連通させている。鋳込み路４８ａ は破線４４で終っているものとする。即ち、破線４４はダイカスト技術では湯口 と呼ばれている部分に相当する。 鋳込み室４９ａ内には鋳込みピストンロッド５２ａを介して駆動される鋳込み ピストン５１ａが移動可能に案内されている。鋳込みピストン駆動装置は、これ も本発明の理解には必要ないので図示しない。 図４の断面図に示すように、管路４８ａはさしたる制限がなくダイキャビティ ３６内に移行している。更に、管路４８ａは互いにほぼ平行な側面５３と５４を 備えており、その幅は本実施例では湯口４４の長さに対応している。 鋳込みフィッティング３３ｂ及び３３ｃの双方では、付属する管路４８ｂ乃至 ４８ｃの断面寸法は湯口の長手方向から見て製造される加工物の当該の縁の長さ よりも短い。管路４８ｂ及び４８ｃ双方の間にはダイキャビティ半体３７及び３ ８双方の構成部分である壁４１が隆起している。しかし、この鋳込みフィッティ ング３３ｂ及び３３ｃの場合も、鋳込み路４７ｂ及び４７ｃ内の管路４８ｂ及び ４８ｃは、実際には、成形ダイキャビティ３６の方向に末広に分散せずに形成さ れている。 鋳型３２内では、ダイキャビティ３７及び３８の双方に溢れ管５６が形成され ており、その状態は下記の機能説明で明らかにされる。 鋳造に際しては、鋳込み室４９ａ，．．．，４９ｃを開き、鋳込み室にチクソ トロピー合金から成り対応する容積で配分された加熱ピンを装入する。その後で 鋳込み室４９ａ，．．．，４９ｃが閉じられる。 同時に、又はピンを鋳込み室４９ａ，．．．，４９ｃに充填する前に、鋳型閉 鎖装置（図示せず）によって可動鋳型半体、即ち、鋳型半体３４又は鋳型半体３ ５が固定鋳型半体３４，３５に押圧される。 引き続いて、鋳込みピン５１ａ，．．．．，５１ｃ用の鋳込み駆動装置（これ も図示せず）がほぼ同時に始動され、鋳込み室４９ａ，．．．，４９ｃから４ｍ ／秒乃至１５ｍ／秒の流速で材料が押し出される。鋳込み室４９ａから押し出さ れた材料は材料の噴流を形成し、それの前面５７が管路４８ａの断面全体を満た し、鋳込み室４９ａからダイキャビティ３６の方向に移動する。管路４８ａの形 状と湯口４４の位置は、材料の流れの前面５７がどの位置でも管路４８ａ及びダ イキャビティ３６の境界壁との接触を絶やさず、かつ、材料の流れの前面の全て の位置で材料の流れが維持されるように構成されている。 鋳込み室４９から出た材料の流れはダイキャビティ３６の中央の方向である矢 印５８の方向に移動する。線５７ａ，．．．，５７ｃによって材料の流れの前面 が一時的に現れる種々の位置を示している。 鋳込みフィッティング３３ａと３３ｃ双方用の鋳込み駆動装置も同時に始動さ れるので、それらの鋳込み路４７ａ及び４７ｃからも材料の流れが噴出され、そ れらの材料の噴流の前面５１乃至６１も実際にはどの位置でも当該の管路５３ｂ 乃至５３ｃの断面を満たす。 材料噴流の前面５９及び６１が湯口４５乃至４６を越えると直ちに、材料噴流 の前面５９及び６１は双方が接触するまで壁４１に沿って層になって走行し、そ れによって管路４８ｂ及び４８ｃから出た双方の材料噴流は互いに融合する。そ の後、噴流は共通の前面６２を形成して材料噴流の前面５７の方向に移動する。 管路４８ｂ及び４８ｃから出た材料噴流の流れ方向は矢印６３及び６４で示され ている。 溢れ管５６の下で材料噴流の前面５７と６２が互いに衝突し、そこで融合する 。 溢れ管５６は未だ空いている満たされていない唯一の空間であるので、一体化し た材料噴流はＴ字形の溢れ管５６内に流入し、それによってダイキャビティ３６ は全く空乏になることがなく充填される。 湯口４４、４５及び４６の状態、並びに管路４８ａ，．．．，４８ｃの形状は 、成形ダイキャビティ３６の形状と関連して、材料噴流の前面５７，５９，６１ ，６２の全ての位置で詰まる恐れなく強制的に流動が維持されるように選択され ている。このような条件は、材料噴流の前面５７，５９，６１，６２がキノコの 頭状になったり、材料噴流の前面が壁のいずれかの位置で、又は、成形ダイキャ ビティ３６内部で停止したりすることがないようにすることで好適に満たされる 。 チクソ成形及び新規の装置を使用した鋳造とダイカストとを比較すると、ダイ カストの場合は、ダイキャビティの充填は溶解材料の流入方向とは逆方向で行わ れるのに対して、チクソ成形はダイキャビティの充填は材料の流れ方向で行われ る。従って、ダイカストの場合は先ず装入された材料がダイキャビティの縁部に 接触するのに対して、チクソ成形では先ず圧入された材料が成形ダイキャビティ の中央部により多く接触し、それに対応して逆方向の流れが材料の流れに衝突す る。 図３及び図４では基本原理だけを示し、このようにして上記の条件を満たすよ うな適宜の数の鋳込みフィッティング３３を使用して、例えば自動車の横担体（ 計器板担体）又はＢ支柱のような任意の複雑な平板構造体を製造することができ る。その場合、鋳込みフィッティング３３ｂ及び３３ｃからの材料の噴流の場合 の例として示したように、材料の噴流が同方向でダイキャビティ３６を完全に充 填するのか、材料の噴流が互いに逆方向に流れるのか、又は、図示のように可能 な全ての流れ方向を利用するのかはいずれでもよい。更に、管路４８は厳密に定 まった断面積を有する必要はなく、上記の流動条件が保たれる限りはやや拡張し てもよい。 更に、管路４８ができるだけ制限なく成形ダイキャビティ内に接合することと 、即ち、湯口４４，４５，４６の領域で不要な人工的な断面の変形を加えないこ とに留意することが重要である。そのようにすると、湯口の領域で製造される加 工物がこの部位にある押し湯の残滓とほぼ同じ厚みを有するので、一般には突き 合わせ方式で押し湯を分離しなければならないという結果を招いてしまう。利点 は勿論、チクソトロピー物質を充填することが困難である不要なアンダーカット を回避できる点に認められる。 開示した実施例とは別に、鋳込みフィッティングを適宜に配置すれば、材料を ダイキャビティ区分に対して垂直に成形ダイキャビティ内に流入させることもで きる。その場合は金属は湯口を越えた後で、その位置に応じて同方向又は逆方向 にダイキャビティ内に流入する。即ち、湯口を越えた後、材料の流れは２つの材 料噴流に分割される。 チクソ成形装置では、成形ダイキャビティを充填する際に、材料の流れが自発 的に凝固し、引き続いて無秩序なコースを辿って、成形ダイキャビティの充填が 不完全になる原因になるような領域が生じないように、少なくとも２個の鋳込み フィッティングが備えられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．チクソ成形装置（３１）において、 製造される加工物に対応する成形ダイキャビティ（３６）を仕切る２つの型半 体（３４，３５）と、 少なくとも２つの鋳込み路（４７）であって、その各々が頭部で材料噴流の前 面（５７，５９，６１，６２）を形成する流動的材料から成る少なくとも１つの 材料の流れを生じるように形成され、該材料噴流の前面（５７，５９，６１，６ ２）の各々はそれが存在するそれぞれの位置で成形ダイキャビティ（３６）の実 質的に全面積を充填し、材料の流れが実質的に層になって移動し、各々の材料の 流れの一部はそれらが衝突するまで前方へ流れる状態で前記成形ダイキャビティ （３６）を充填するように構成された鋳込み路と、 少なくとも２つの材料の流れが衝突する位置にある少なくとも２つの溢れ管（ ５６）と、 前記鋳込み路（４７）の少なくとも１つに材料を供給する少なくとも１つの充 填室（４９）と を設けて成ることを特徴とするチクソ成形装置。 ２．チクソ成形装置（３１）において、 製造される加工物に対応する成形ダイキャビティ（３６）を仕切る２個の鋳型 半体（３４，３５）と、 少なくとも２つの鋳込み路（４７）であって、その各々が頭部で材料噴流の前 面（５７，５９，６１，６２）を形成する流動的材料から成る材料の流れを生じ るように形成され、少なくとも２つの材料噴流の前面（５７，５９，６１，６２ ）はそれが存在するそれぞれの位置で共通して前記成形ダイキャビティ（３６） の実質的全面積を充填し、材料の流れが同方向に移動し、各々の材料の流れの一 部は前方へ流れる状態で前記成形ダイキャビティ（３６）を充填する鋳込み路と 、 前記鋳込み路（４７）の少なくとも１つに材料を供給する少なくとも１つの充 填室（４９）と を設けて成ることを特徴とするチクソ成形装置。 ３．少なくとも３つの鋳込み路（４７）が設けられ、これら鋳込み路は、同方向 に流れる少なくとも２つの材料の流れと、これら同方向に流れる材料の流れとは 逆方向に流れる少なくとも１つの材料の流れとを生ずるようにされていることを 特徴とする請求の範囲１又は２の少なくとも１項に記載の装置。 ４．各鋳込み路（４７）に独自の鋳込み室（４９）が設けていることを特徴とす る請求の範囲１又は２の少なくとも１項に記載の装置。 ５．複数の鋳込み路（４７）に共通の鋳込み室（４９）を設けていることを特徴 とする請求の範囲１又は２の少なくとも１項に記載の装置。 ６．材料の流れがダイキャビティ部分に対して平行に成形ダイキャビティ（３６ ）内に流入するように前記鋳込み路（４７）を構成したことを特徴とする請求の 範囲１又は２の少なくとも１項に記載の装置。 ７．材料の流れがダイキャビティ部分に対して垂直に成形ダイキャビティ（３６ ）内に流入するように鋳込み路（４７）を構成したことを特徴とする請求の範囲 １又は２の少なくとも１項に記載の装置。 ８．材料の流れが層流を形成することを特徴とする請求の範囲１又は２の少なく とも１項に記載の装置。 ９．前記鋳込み路（４７）が制限なく成形ダイキャビティ（３６）内に合するこ とを特徴とする請求の範囲１又は２の少なくとも１項に記載の装置。