JP2005034851A - 半凝固金属成形体鍛造方法及びその鍛造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、下金型に成形キャビティの容積を調整する可動ロッドを位置決め制御し、半凝固金属成形体を鍛造成形して得た製品の品質を向上できる半凝固金属成形体の鍛造装置を提供する。
【解決手段】上金型１を油圧シリンダ３の作動で下降させ、上金型１と下金型２とに形成された成形キャビティＣ１、Ｃ２内で半凝固金属成形体５を鍛造成形する。下金型には、成形キャビティに係る面の一部となる先端面が形成され、半凝固金属成形体に係る容積調整データに応じて位置決めされる可動ロッド４１が備えられる。容積調整データは、当該半凝固金属成形体の生成工程で得られた成形体計測値と設定基準値とにより演算され、更には、当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、上金型が所定ストローク距離を下降したときのキャビティ内圧力と予め設定された基準圧力との偏差によって修正される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上下の金型で形成されるキャビティ内に搬入された半凝固金属成形体を鍛造成形する鍛造方法とその鍛造装置に関し、特に、下金型に形成された成形キャビティの内面の一部となる先端面を有する可動ロッドを位置決め制御し、半凝固金属成形体を鍛造成形して得た製品の品質を向上させることができる半凝固金属成形体の鍛造方法とその鍛造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、上下２個の金型を用いて、アルミニウム合金などの金属素材を用いて、上下金型で形成されるキャビティ内で圧縮変形し、金型と同一形状の製品を加工する型鍛造が行われている。近年では、例えば、自動車部品などの製造において、部品の軽量化を図るため、金属素材としてアルミニウム合金などが多用され、その製造には、この型鍛造が利用されている。
【０００３】
型鍛造に用いられる金属素材は、液体と固体の場合があり、一般的には、固体の金属素材によって、製品加工されているが、液体である金属溶湯を金型のキャビティに収容し、該金属溶湯を加圧成形する溶湯鍛造も多く利用されている。この溶湯鍛造によって製造された製品の不良率を改善する試みが、種々提案されている。
【０００４】
例えば、上下金型で形成される成形キャビティ内に、射出スリーブに給湯された溶湯金属を加圧成形する溶湯鍛造装置において、上金型の成形キャビティに連通する空間部内で上下するピストンを設けることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。溶湯金属が、該成形キャビティに加圧充填されるときには、該ピストンは、キャビティ面に位置され、キャビティ内の溶湯金属が半凝固状態になったときに、ピストンを引き上げて、低圧の空間部を生成する。この低圧によって、キャビティ内の半凝固金属における低融点成分からなる未凝固金属が該空間部に流入される。これによって、成形された製品の中央部に、低融点成分の偏析が起こることを防止している。
【０００５】
また、下金型のキャビティに給湯された溶湯金属を上金型で直接加圧して製品を成形する鍛造装置において、下金型のキャビティに開口したシリンダ空間内を摺動するバルブと、該バルブが先端に固定されたピストンを有する圧力感知駆動機構とを設けることが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。加圧成形時に、キャビティ内の圧力を設定圧に維持するため、設定圧を感知して、シリンダ空間内のバルブを後退させる。これによって、キャビティ内に給湯された溶湯金属量が変動しても、常に設定圧で加圧成形され、過剰な溶湯金属をキャビティ外の空間に逃すことができる。
【０００６】
以上では、溶湯金属を加圧成形する型鍛造の場合であったが、この型鍛造に、液体と固体の中間である半凝固金属を用いることもできる。最近、注目されている新しい成形技術として、チクソキャスティング法、レオキャスティング法等の半凝固金属（スラリ）による成形法がある。これらの成形法は、従来の鋳造法に比べて収縮巣や偏析が少なく、半凝固金属内の金属組織が均一であるために、成形された製品の機械的性質が優れており、しかも、金型の寿命が長いことや、成形サイクルが短いこと等によるコスト低減の利点がある。
【０００７】
そこで、従来の機械撹拌法や電磁撹拌法によらずに、自動的かつ連続的に、簡便容易に、かつ、低コストで、微細かつ球状のチクソ組織を有している半凝固金属の成形体を大量に生産する装置が開発されている。更に、所望の固相率を有する半凝固金属を生成することができる種々の半凝固金属生成装置が提案されている。例えば、レオキャスティング鋳造が本来有する生産性を有効に利用して、鍛造ショットに合わせて連続的に半凝固金属を自動的に生成する半凝固金属生成装置が開発されている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００８】
この装置では、溶湯金属を収容する複数の溶湯カップが回転テーブル上に載置されており、該テーブルが、鋳造ショットの速さに合わせて回転される。該テーブルの回転に合わせて、夫々の溶湯カップが段階的に移送され、給湯工程、複数の冷却工程、そして加熱工程で順次処理される。該加熱工程が終了すると、所望する固相率を有する半凝固金属が溶湯カップ内で生成されている。そこで、溶湯カップ内で生成された半凝固金属成形体が、搬出用ロボットによって、成形装置の射出スリーブに搬送され、挿入される。
【０００９】
この様に、この製造装置によれば、回転テーブル上に順次供給される複数の溶湯カップが、各処理工程において順次冷却及び加熱されることにより、鋳造ショットに合わせて、半凝固金属成形体が、自動的に連続して製造される。
【００１０】
【特許文献１】
特開昭６２−１０１３６６号公報
【特許文献２】
特開２０００−１５４２２号公報
【特許文献３】
特開２０００−２８００６４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この鍛造成形に用いられる半凝固金属成形体では、塊状となっている半凝固金属が持っている熱エネルギーは、成形時の溶湯金属が持っている熱エネルギーに比較して、非常に少なくなっている。そのため、鍛造後の成形品質を高めるには、半凝固金属成形体の鍛造成形において、この少ない熱エネルギーが消失する前に、成形工程を完了していなければならない。そこで、鍛造成形の最終加圧力を達成するためには、０．０１秒単位の加圧制御が要求される。
【００１２】
さらに、この最終加圧力は、成形品の投影面積当りで見て、例えば、１００〜２００ＭＰａの高圧力となる必要がある。一般の自動車部品の成形においても、同様の高圧力が得られなければならない。これまで、この最終加圧力を得る手段として、一般的な油圧プレス装置が使用されている。
【００１３】
また、この半凝固金属成形体の鍛造成形に係る前段階として、特許文献３に開示されているような製造装置において、半凝固金属成形体が、鍛造サイクルに合わせて、連続生産される。生産された半凝固金属成形体が、鍛造装置に、順次搬入されるよになっている。しかし、ここで、順次生産される半凝固金属成形体の品質は、鍛造成形された製品の品質に強く影響を与える。特に、半凝固金属成形体の容積は、鍛造成形の最終加圧力の発生に重要な要素となっている。この容積が変動することによって、最終加圧力が得られなくなるばかりでなく、製品の体積に影響し、製品の品質を維持することができない。
【００１４】
一方、鍛造成形された製品の体積を一定にする鍛造装置が、特許文献１又は２に開示されているが、この鍛造装置における技術を、半凝固金属成形体の鍛造成形に利用しようとしても、これらの鍛造装置では、溶湯金属の圧力によった逃しであるため、最終成形工程における加圧力が変化し、しかも、高い最終加圧力の発生が困難となる。そのため、半凝固金属成形体の鍛造成形では、素材の持つ熱エネルギーが大幅に少ない状態において、加圧力が不安定となり、製品の品質を劣化させるものとなる。
【００１５】
そこで、本発明は、半凝固金属成形体の鍛造成形において、最終加圧力が確保され、しかも、製品の体積が一定に維持されるように、下金型に形成された成形キャビティの内面の一部となる先端面を有する可動ロッドを位置決め制御し、半凝固金属成形体を鍛造成形して得た製品の品質を向上できる半凝固金属成形体の鍛造方法とその鍛造装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明では、上金型と下金型とに形成された成形キャビティ内で半凝固金属成形体を鍛造成形する鍛造方法において、前記成形キャビティに係る面の一部となる先端面が形成された可動ロッドを前記半凝固金属成形体に係る容積調整データで位置決めし、前記成形キャビティの容積を調整して該半凝固金属成形体を鍛造成形することとし、当該半凝固金属成形体の生成工程で得られた成形体計測値と設定された基準値とに基づいて前記容積調整データを演算し、当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記可動ロッドを該容積調整データで位置決めすることとした。
【００１７】
そして、当該半凝固金属成形体の鍛造成形後の製品から得られた製品計測値と設定された基準値とに基づいて前記容積調整データを演算し、次の半凝固金属成形体の鍛造成形において前記可動ロッドを演算された該容積調整データで位置決めすることとした。
【００１８】
さらに、位置決めされた前記可動ロッドの前記先端面は、前記成形キャビティに係る面を超えないこととし、前記基準値は、目標値より小さく設定されるようにした。
【００１９】
また、当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記上金型が前記所定ストローク距離を下降したときのキャビティ内圧力を取得し、該キャビティ内圧力と予め設定された基準圧力との偏差に基づいて前記容積調整データを修正し、次の半凝固金属成形体の鍛造成形において、修正された該容積調整データで前記可動ロッドの位置決めを行うこととし、或いは、前記キャビティ内圧力が最終成形圧力に到達したときの前記上金型のストローク位置を取得し、該ストローク位置と最終型閉ストローク位置との偏差に基づいて前記容積調整データを修正し、次の半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記可動ロッドを修正された該容積調整データで位置決めすることとした。
【００２０】
さらに、当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記上金型が前記所定ストローク距離を下降したときに取得したキャビティ内圧力と予め設定された基準圧力との偏差と、前記キャビティ内圧力が最終成形圧力に到達したときの前記上金型のストローク位置と最終型閉ストローク位置との偏差とに基づいて前記容積調整データを修正し、次半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記可動ロッドを修正された該容積調整データで位置決めすることとした。
【００２１】
そして、前記先端面の位置調整は、前記半凝固金属成形体が載置される前記下金型の前記成形キャビティの底面で行われるようにした。
【００２２】
また、本発明による鍛造装置では、上金型及び下金型を備え、該上金型を駆動装置の作動で下降させることにより、該上金型と該下金型とに形成された成形キャビティ内で半凝固金属成形体を鍛造成形し、前記下金型は、前記成形キャビティに係る面の一部となる先端面が形成され、前記半凝固金属成形体に係る容積調整データに応じて位置決めされる可動ロッドを備えることとした。
【００２３】
そして、前記可動ロッドに備えられた調整装置が、前記容積調整データに応じて作動し、前記先端面の位置を調整し、該位置を保持するものとした。さらに、前記調整装置に制御装置を備え、該制御装置が、上述した鍛造方法を実施できるように、前記可動ロッドの位置決め制御を実行するようにした。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による半凝固金属成形体の鍛造方法及びその鍛造装置に係る実施形態について、図を参照しながら説明する。
【００２５】
先ず、最初に、本実施形態における鍛造成形に用いられる半凝固金属成形体の生成工程を、図８を参照して説明する。図８に示された半凝固金属成形体の生成工程は、本実施形態に係る鍛造成形の前段階となるものであり、前出の特許文献３に開示された半凝固金属成形体を連続生成する製造装置で実行されている。
【００２６】
この製造装置では、溶湯金属を収容する複数の溶湯カップ３２が、図示されていない回転テーブル上に載置されており、該テーブルが、鍛造ショットの速さに合わせて回転される。該テーブルの回転に合わせて、夫々の溶湯カップ３２が段階的に移送される。計量工程において、溶湯金属が、溶湯容器３１から所定量を計測されて給湯される。回転テーブルの回転に伴って、給湯された溶湯カップ３２は、回転テーブルの回転により複数の冷却工程を経て、徐々に冷却される。そして、計測工程において、加熱処理が終了すると、所望の固相率を有する半凝固金属成形体が生成され、ここで、種々の計測が行われる。
【００２７】
そこで、溶湯カップ３２内で生成された半凝固金属成形体が、図示されていない搬出用ロボットによって、鍛造装置の下金型に形成されているキャビティに搬送される。この様に、この製造装置によって、回転テーブル上に順次供給される複数の溶湯カップが、各処理工程において順次冷却及び加熱されることにより、鍛造ショットの速さに合わせて、当該鍛造成形に適した固相率と容積に調整された半凝固金属成形体が、自動的に連続して製造される。
【００２８】
この製造装置から連続的に供給される半凝固金属成形体の品質は、鍛造成形後の製品の品質に強く影響する。この品質に係る要素には、半凝固金属成形体の生成工程にフィードバックされるものと次の鍛造成形工程に必要なものとがある。ここで、次の鍛造成形工程に必要な要素としては、半凝固金属成形体の固相率情報と容積情報とがある。固相率情報は、半凝固金属成形体の生成工程の制御データとして、また、容積情報は、主として、半凝固金属成形体の鍛造成形工程の制御データとして、リアルタイムに取り込まれる必要がある。
【００２９】
一方、鍛造成形工程の後工程には、鍛造成形された製品の品質検査が行われ、この検査では、製品の内部組織調査と外形寸法チェックが行われるが、鍛造成形システムに直接的及び間接的にフィーバックすることができるのは、外形寸法情報である。この外形寸法情報は、半凝固金属成形体の生成工程における給湯工程にフィードバックされるのが、一般的である。しかし、半凝固金属成形体の鍛造成形では、その応答性が悪く、長期的な良品率の向上につながらない。
【００３０】
さらに、生成された半凝固金属成形体に係る固相率情報を得るには、その計測に時間を要し、即時対応が困難である。そのため、固相率に代る半凝固金属成形体の品質を管理する制御データとしては、キャビティ内のメタル圧に関するデータを管理することが有効となる。
【００３１】
図８に示された半凝固金属成形体の製造装置と、半凝固金属成形体の鍛造装置とが一体的に組み込まれたトータルシステムになっている場合には、生成された個々の半凝固金属成形体に係る容積情報は、生成工程中に取得が可能であり、各半凝固金属成形体の個別のデータとして識別される。この生成工程中において計測が可能な半凝固金属成形体の個々のデータとしては、温度、固相率、容積など、種々あり、半凝固金属成形体の個々の鍛造条件として入力し、鍛造成形された製品の品質を高位安定化させることができる。ここで、本実施形態の鍛造成形の制御には、鍛造成形された製品の品質に最も影響が大きいと考えられる半凝固金属成形体の容積に注目し、この容積変化に対応することとした。
【００３２】
そこで、図１に、本実施形態による半凝固金属成形体の鍛造成形を行う鍛造装置の基本的構成を示しめした。この鍛造装置は、キャビティＣ１を備えた上金型１と、キャビティＣ２を備えた下金型２とを有し、キャビティＣ２内に搬入された半凝固金属成形体５に対し、上金型１が下降されて鍛造成形が行われる。上金型１は、油圧シリンダ３によって上昇又は下降され、そのストロークＳが制御される。そして、キャビティＣ１及びＣ２の容積と、半凝固金属成形体５の体積とは、上金型１が下降制御されて型閉状態になったとき、半凝固金属成形体への加圧力が設定された最終加圧力に到達するように設計されている。
【００３３】
この様な鍛造装置において、下金型２の下面側に、本実施形態の特徴となるキャビティ容積の調整手段が設けられている。このキャビティ容積の調整手段は、基本的には、ロッド位置調整装置４であり、ロッド位置調整装置４は、可動ロッド４１の位置を調整し、その位置を保持する機能を備えている。可動ロッド４１は、下金型２の下部に設けられ、キャビティＣ２に開口した空間部を上下に摺動される。そして、可動ロッド４１の先端部は、キャビティの内面の一部を形成している。従って、可動ロッド４１が上下することにより、キャビティの容積が可変される。
【００３４】
図８において、上金型１が下降し、半凝固金属成形体に対する鍛造成形の途中の状態にある上金型を、破線で示している。その状態における上金型１の下面と下金型２の上面との距離、つまり、ストローク偏差を、ΔＳで表している。ΔＳ＝０のときが、型閉状態を示している。そして、可動ロッド４１の調整量をＸとし、Ｘ＝０のときが、可動ロッド４１の先端部が、キャビティ内面と一致している。
【００３５】
次に、図１に示された鍛造装置に備えられた可動ロッド４１の位置調整について説明する。先ず、キャビティＣ２に半凝固金属成形体が搬入されたとき、図８に示された半凝固金属成形体の製造装置における計測工程で得られた当該半凝固金属成形体に係る容積情報を取得する。ここで、鍛造成形の前段階における計測工程において、生成された半凝固金属成形体の体積を、直接的に計測することは、難しいので、簡単に計測可能な当該半凝固金属成形体の重量を計測し、（体積）＝ｋ×（重量）として、容積情報として、重量Ｗで代用する。
【００３６】
そこで、取得した当該半凝固金属成形体に係る重量と、予め設定されている基準容積値とを比較し、可動ロッド４１の位置調整用の制御値を算出する。この算出手法としては、可動ロッド４１の調整ストローク量をＸ、基準容積値をＷ０、計測工程で求めた実容積値（実重量計測値）をＷとしたときに、
Ｘ＝α・（Ｗ０−Ｗ）＋β （１）
の関係式が成立する。なお、α及びβは、定数である。
【００３７】
この関係に従って、重量偏差（Ｗ０−Ｗ）を横軸として、可動ロッドの調整ストローク量の変化を、図２に示した。ここで、定数αの大きさは、ロッド位置調整手段の機械的寸法などによって決まり、定数βは、重量の変動に比例しない部分に係る半凝固金属成形体の圧縮率を設定するものであり、例えば、半凝固金属成形体の鍛造比が設定される。定数βの大きさによって、図２に示されるように、破線による直線から、細い実線による直線までの範囲で、上記の関係式がグラフ上で上下する。
【００３８】
なお、基準容積値Ｗ０については、調整ストローク量が、負にならないように、つまり、可動ロッドが、キャビティ内面より突き出ることがないように、算出したストローク量の、例えば、９５％の大きさに、予め設定される。これは、可動ロッドの先端部が、成形された製品の内部に入らないようにして、不良品になることを防止している。
【００３９】
上記関係式が、図２において、太い実線の直線で表せたとしたとき、ある重量偏差が（Ｗ０−Ｗ）であった場合、調整ストローク量Ｘが、図示のように、Ｘ０のときには、搬入された当該半凝固金属成形体によって鍛造成形された製品の体積が、キャビティの容積に一致し、設定された最終加圧力が加えられたものであるといえる。調整ストローク量Ｘが、増大する方向あれば、搬入された半凝固金属成形体のメタル量が過多となっており、また、減少する方向であれば、そのメタル量が不足していることを示している。
【００４０】
以上の様に、本実施形態の鍛造装置では、キャビティ容積を調整できる可動ロッドが設けられているので、鍛造成形の前段階で生成された半凝固金属成形体に対して鍛造成形するとき、当該半凝固金属成形体に係る容積情報を取得し、この容積情報に基づいて、上記関係式に従って調整ストローク量が演算される。そして、演算された調整ストローク量に応じて、可動ロッドの位置が調整、保持されたうえで、当該半凝固金属成形体の鍛造成形が実行されるので、当該半凝固金属成形体の体積が変動していても、鍛造成形された製品の体積値は、設計値を満足しており、製品の品質を向上することができる。
【００４１】
なお、本実施形態の鍛造装置では、半凝固金属成形体に係る容積情報が上流工程から取得されて、当該半凝固金属成形体に係る鍛造成形時におけるキャビティ容積の調整に反映されるところから、上述した可動ロッドの位置調整の制御を、直接フィードフォワード制御ということができる。
【００４２】
ところで、この直接フィードフォワード制御では、上流工程で得られる容積情報として、生成された半凝固金属成形体の個々の重量を代用していた。この代用は、（体積）＝ｋ・（重量）の関係が成立することを前提とするものであった。この関係を成立させるには、半凝固金属成形体の温度、結晶組成、比重などが一定に管理されていることを必要とする。実際には、これらを、精緻に一定に管理することは難しく、素材の特性、環境温度、設備のバラツキなどで微小に変化する。前述したように、これらの条件を、直接フィードフォワード制御の制御データとして取り込むには、非現実的である。
【００４３】
しかし、これらの条件の変化は、急変するものではなく、比較的緩やかに変化するので、前サイクルの鍛造成形状態が把握して、次サイクル鍛造成形に反映することは、次サイクルにおける鍛造成形時のキャビティ容積の修正に、有効な手法となる。そこで、本実施形態による鍛造装置では、鍛造成形におけるキャビティ容積のより精度向上を目指し、製品の品質向上を図るため、この直接フィードフォワード制御を、可動ロッド位置の粗調整と位置付け、さらに可動ロッド位置を微調整する間接フィードフォワード制御といえるロッド位置調整制御を採用することとした。
【００４４】
この間接フィードフォワード制御においては、当該半凝固金属成形体の鍛造成形工程におけるメタル圧と、鍛造成形完了時における油圧シリンダのストロークとに基づいて、次の半凝固金属成形体に係る鍛造成形時のキャビティ容積の調整制御を行うようにした。この調整制御に対する基本的考え方を説明するため、図３に、油圧シリンダのシリンダストロークに対するキャビティ内の加圧力の変化をグラフで示した。
【００４５】
図３において、横軸は、油圧シリンダ３のシリンダストロークＳを、そして、縦軸は、キャビティ内の圧力Ｐを夫々示している。シリンダストロークＳは、油圧シリンダ３に取付けられているシリンダ位置を検出する上金型位置検出器によって、計測され、圧力Ｐは、ロッド位置調整装置４の可動ロッド４１に関連して取付けられたキャビティ内圧力検出器で計測される。
【００４６】
図３に示された太い実線による曲線は、鍛造成形される半凝固金属成形体の体積が、鍛造成形のキャビティ容積の設計値に合致している場合であって、その曲線は、理想的なシリンダストロークに対するキャビティ内の加圧力特性を示している。この場合は、キャビティ内に、搬入された半凝固金属成形体のメタル量が適切であり、シリンダストロークがＳｍａｘのとき、つまり、上下金型の型閉状態ΔＳ＝０で、最終加圧力Ｐｍａｘに到達している。
【００４７】
ところが、搬入された半凝固金属成形体のメタル量がキャビティ容積に対して不足している場合には、図３において破線で示されるように、加圧後における上下金型は合さって、型閉状態になり、シリンダストロークＳが、Ｓｍａｘになるが、加圧力Ｐは、最終加圧力Ｐｍａｘには、到達しない。例えば、シリンダストロークＳのＳｍａｘより短い位置に基準位置Ｓ０を設け、この基準位置Ｓ０における理想的特性曲線に従った基準加圧力をＰ０とすると、そのメタル量が不足している場合には、基準位置Ｓ０における加圧力Ｐは、基準加圧力Ｐ０を圧力偏差ΔＰだけ下回ったものとなる。
【００４８】
また、搬入された半凝固金属成形体のメタル量がキャビティ容積に対して多過ぎる場合には、図３において細い実線で示されるように、加圧後における上下金型が合さる以前に、半凝固金属成形体に対する加圧力が最終加圧力Ｐｍａｘに到達してしまい、上下金型が型閉状態にならない。上下金型は、ΔＳを残したまま、加圧動作が停止される。
【００４９】
以上により、前サイクルにおける加圧後の型閉限Ｓｍａｘからの偏差ΔＳと、鍛造成形の加圧途中の基準位置Ｓ０における加圧力Ｐを計測することによって、鍛造成形された当該半凝固金属成形体に係るメタル量の過不足を判断することができる。そこで、これらの計測値に基づいて、上述した直接フィードフォワード制御で算出した可動ロッドに対する調整ストローク量の調整指示値Ｘ１の修正値ΔＸを算出すればよい。
【００５０】
なお、偏差ΔＳに関するデータは、上金型位置検出器の検出値から求められるが、鍛造成形が終了した時点で、偏差ΔＳが存在するということは、成形された製品の外形寸法も設計値より大きくなっていることを意味するので、偏差ΔＳに関するデータを、成形された製品の成形体計測情報から取得することもできる。
【００５１】
ここで、ΔＰによる修正係数をｋ１、ΔＳによる修正係数をｋ２とすると、修正値ΔＸは、
ΔＸ＝ｋ１・ΔＰ＋ｋ２・ΔＳ （２）
の式で演算され、求められる。そこで、直接フィードフォワード制御を考慮した間接フィードフォワード制御に係る調整ストローク量の調整指示値をＸ２とすれば、
Ｘ２＝Ｘ１＋ΔＸ （３）
の式に従って、２サイクル目以降に鍛造成形する時におけるキャビティ容積の調整制御のために、調整ストローク量に対する調整指示値Ｘ２が求められる。
【００５２】
なお、修正値ΔＸを求めるとき、ｋ２の値について、ｋ１に対して重みを大きく設定するようにし、いち早く偏差ΔＳが０となる修正を行い、ΔＳ＝０に至った後においては、ｋ１・ΔＰによる修正を緩やかに行うこともできる。
【００５３】
以上に説明してきたように、図１に示された本実施形態の鍛造装置に設けられたキャビティ容積調整装置を使用して、直接フィードフォワード制御及び間接フィードフォワード制御に従ったキャビティ容積の調整制御に関する手順を、図４のフローチャートとして示した。
【００５４】
このフローチャートに従って、キャビティ容積の調整制御を説明する。先ず、実験的に、半凝固金属成形体の鍛造成形を実施し、所望する品質の製品が得られたとき、この製品を鍛造成形に係る加圧力曲線を理想的加圧力特性のものであるとして、基準位置Ｓ０のときの加圧力を求め、この加圧力を基準位置Ｓ０における基準圧力Ｐ０とする。そして、基準位置Ｓ０と基準圧力Ｐ０を設定する（ステップＳ１）。
【００５５】
次いで、上金型１が、油圧シリンダ３の動作で上昇され、半凝固金属成形体を搬入するスペースが空けられる。鍛造成形の前段階として組み込まれた半凝固金属成形体の生成工程で生成された半凝固金属成形体が、キャビティ内に搬入される。そのとき、当該半凝固金属成形体に係る重量値が、生成工程おける計測工程から、取得される。この重量値を使って、前述の（１）式に従い、可動ロッド４１の調整ストローク量Ｘが演算され、この調整ストローク量に対する調整指示値Ｘ１が求められる。そして、この指示値Ｘ１に従って、可動ロッドの位置が調整され、保持される（ステップＳ２）。
【００５６】
そこで、１サイクル目として、油圧シリンダ３を作動させて、上金型１を下降させ、搬入された当該半凝固金属成形体の鍛造成形が実施される。このときのキャビティ容積は、直接フィードフォワード制御によって、所定の容積値になっている。ここで、上金型検出器から測定されたストロークＳに基づいて、ストローク偏差ΔＳが求められ、キャビティ内圧力検出器から測定された基準位置Ｓ０に対応する加圧力Ｐに基づいて、圧力偏差ΔＰが求められる（ステップＳ３）。なお、偏差ΔＳに関しては、ストローク偏差値の代りに、成形された製品の成形体計測情報に含まれる製品の外形寸法と設計値との比較による偏差値であってもよい。
【００５７】
ここで、求められたストローク偏差ΔＳが、０であるかどうかが判断され（ステップＳ４）、このとき、ΔＳ＝０であれば（Ｙ）、次に、求められた圧力偏差ΔＰが、所定値γより小さいかどうかが判断される（ステップＳ５）。この判断においても、ΔＰ＜γである場合には（Ｙ）、調整指示値Ｘ１に従った可動ロッド４１の位置に保持されたままで、ステップＳ３と同様に、２サイクル目以降の半凝固金属成形体に対する鍛造成形が実施される。そして、半凝固金属成形体毎の鍛造成形の結果から、夫々、ストローク偏差ΔＳと圧力偏差ΔＰとが求められ（ステップＳ７）、ステップＳ４、ステップＳ５の判断が実行される。
【００５８】
一方、ステップＳ４において、ΔＳ＝０ではないと判断された場合には（Ｎ）、前述の（２）式に従って、修正値ΔＸが演算され、そして、前述の（３）式に従って、調整指示値Ｘ２が求められ、可動ロッド４１の調整ストローク量が変更されてロッドストローク位置が調整され保持される（ステップＳ６）。ここで、直接フィードフォワード制御に間接フィードフォワード制御が考慮される。その後、ステップＳ７に進んで、２サイクル目以降の半凝固金属成形体に対する鍛造成形が実施される。
【００５９】
また、ステップＳ５において、ΔＰ＜γではないと判断された場合にも（Ｎ）、ステップＳ６に進み、直接フィードフォワード制御に間接フィードフォワード制御が考慮され、調整指示値Ｘ２が求められ、可動ロッド４１の調整ストローク量が変更されてロッドストローク位置が調整され保持される。そして、ステップＳ７に進んで、２サイクル目以降の半凝固金属成形体に対する鍛造成形が実施される。
【００６０】
以上のように、本実施形態の鍛造装置において、直接フィードフォワード制御及び間接フィードフォワード制御に従って、上流工程で生成された半凝固金属成形体が鍛造成形される毎に、キャビティ容積の調整制御が行われ、鍛造成形された製品の体積を安定化し、最終加圧力Ｐｍａｘが達成されるので、製品の品質を向上することができる。
【００６１】
次に、これまで説明してきたキャビティ容積の調整制御を実行できる本実施形態の鍛造装置の具体例について、説明する。図５に、その具体例による鍛造装置の構成が、縦断面の形式で示されている。図では、半凝固金属成形体５がキャビティ内に搬入され、鍛造成形開始の状態が示されている。
【００６２】
本実施形態の鍛造装置は、キャビティＣ１を有する上金型１と、キャビティＣ２を有する下金型２とを備えている。上金型１は、可動盤６の下面に取付けられている。そして、その可動盤６は、図５では図示を省略された油圧シリンダ３の作動により、タイロッド７及び８を摺動しながら、上昇又は下降される。一方、下金型２は、台盤９上に載置されており、基台１０に備えられた加圧力制御油圧シリンダ１１及び１２の作動によって、上昇又は下降される。
【００６３】
なお、図５に示された本実施形態の鍛造装置では、キャビティ内の半凝固金属成形体に加えられる圧力が、図３において太い実線で表された加圧力曲線となるように、鍛造成形工程について、半凝固金属成形体を圧縮変形する速度制御工程と、最終加圧力Ｐｍａｘを達成する加圧力制御工程とに分け、速度制御工程における加圧は、油圧シリンダ３が分担し、加圧力制御工程における加圧は、加圧力制御油圧シリンダ１１及び１２が担っている。
【００６４】
上金型１は、ダイハイト調整装置によって、基準高さに調整され、その後、油圧シリンダ３によって所定ストロークＳ１だけ下降制御される。この所定ストロークＳ１の間が、半凝固金属成形体の鍛造成形における速度制御工程に対応している。また、この速度制御工程の後に、加圧力制御油圧シリンダ１１及び１２によって、下金型２が所定ストロークＳ２だけ上昇制御されると、鍛造成形の加圧力制御工程となる。
【００６５】
鍛造装置の下部中央には、キャビティ容積調整装置４が備えられている。このキャビティ容積調整装置４は、可動盤９の下面に支持体を介して固定されており、中央部で上下可動に位置調整される可動ロッド４１を有している。この可動ロッド４１の先端部面は、キャビティＣ２の内面の一部を構成するものであり、可動ロッド４１は、下金型２、台盤９、そして基台１０を一直線に貫通する通路に挿通されている。可動ロッド４１の下部は、上下に位置調整する調整機構に接続されている。さらに、可動ロッド４１の下端部には、可動ロッドの位置調整ストローク量を確認するロッド位置検出器４２が取付けられている。そして、可動ロッド４１には、キャビティ内の加圧力を検出するためのキャビティ内圧力検出器が仕組まれている。
【００６６】
ここで、ロッド位置調整装置４に係る平面図を、図６に示した。可動ロッド４１の上下位置調整は、ウォーム４３と、ウォーム歯車４５と、そして可動ロッド４１の下部に形成されたボールネジ機構とによって行われる。ウォーム４３には、回転駆動機４４が接続されている。
【００６７】
そこで、ウォーム４３が回転駆動機４４によって回転すると、ウォーム歯車４５が回転され、ボールネジ機構によって、可動ロッド４１が、可動ロッド軸方向に調整される。調整指示値に対応する駆動信号に応じて、回転駆動機４４の回転、反転、回転数が制御され、可動ロッド４１が、指定の調整方向で、位置調整される。そいて、回転駆動機４４の回転が停止されると、可動ロッド４１の調整後の位置が保持される。
【００６８】
以上の様に構成された本実施形態の鍛造装置において、半凝固金属成形体の鍛造成形を実行するための制御システムについて、図７を参照して説明する。図７は、本実施形態の鍛造装置における制御システムの概要が、ブロック構成で示されている。
【００６９】
この制御システムは、制御装置２０、入力手段２２、表示器２３、記憶手段２４、ダイハイト調整装置２５、圧力制御装置２６、キャビティ容積調整装置２７、上金型位置検出器２８、キャビティ内圧力検出器２９、そして、素材情報取得手段３０を有している。
【００７０】
制御装置２０は、キーボード、ＧＵＩなどによる入力手段２２から入力される情報や、上金型位置検出器２８、キャビティ内圧力検出器２９、図示されていない加圧力制御油圧シリンダの位置検出器によって検出された位置情報、圧力情報、更には、記憶手段２４に設定された制御情報に基づいて、ダイハイト調整装置２５、圧力制御装置２６、キャビティ容積調整装置２７を駆動制御し、制御システム全体を管理している。
【００７１】
ここで、ダイハイト調整装置２５は、油圧シリンダ３が取付けられたトッププラテンの高さを調整する。圧力制御装置２６は、油圧シリンダ３と加圧力制御油圧シリンダ１１及び１２を動作させて、可動盤６を上昇又は下降させ、或いは、台盤９を上昇又は下降させる。キャビティ容積調整装置２７は、ロッド位置調整装置４を制御して、可動ロッド４１の位置調整を行う。
【００７２】
また、上金型位置検出器２８は、油圧シリンダ３に取付けられており、該シリンダロッドの出入位置を検出し、可動盤６の上昇又は下降に合わせて、上金型１の下面に係るストローク距離を検出する。そして、キャビティ内圧力検出器２９は、ロッド位置調整装置４の可動ロッド４１に備えられ、キャビティ内の加圧力を検出する。
【００７３】
素材情報取得手段３０は、図８に示された鍛造成形の前段階に備えられた半凝固金属成形体の製造装置から、半凝固金属成形体に係る素材情報を取得する。取得される素材情報には、計測工程で計測された半凝固金属成形体毎の重量、温度、結晶組成、比重などに関連するデータが含まれる。さらに、素材情報取得手段３０が、成形された製品の成形体計測情報を取得するようにしてもよい。
【００７４】
制御装置２０には、キャビティ容積制御手段２１が備えられている。このキャビティ容積制御手段２１は、素材情報取得手段３０から取得された半凝固金属成形体毎の重量データ又は成形体計測情報の外形寸法と、上金型位置検出器２８及び加圧力制御シリンダ位置検出器で検出されたストローク距離と、キャビティ内圧力検出器２９で検出されたキャビティ内の加圧力とに基づき、図４に示された制御手順に従って、直接フィードフォワード制御に係る指示値Ｘ１を求め、さらに、間接フィードフォワード制御が考慮されて修正された指示値Ｘ２を求める。
【００７５】
求められた指示値Ｘ１及びＸ２は、半凝固金属成形体の鍛造成形時に、キャビティ容積調整装置２７に送信される。これらの指示値に従って、半凝固金属成形体毎に、可動ロッド４１の位置調整が行われる。この位置調整によって、鍛造成形される半凝固金属成形体の体積が変動しても、鍛造成形された製品の体積が一定化され、しかも、最終加圧力が確保されるので、所定の品質を有する製品が連続して鍛造成形される。
【００７６】
なお、以上において説明した半凝固金属成形体の鍛造成形に係る本実施形態では、図７に示されるように、キャビティ内圧力検出器２９によって検出されたキャビティ内圧力に基づいて圧力偏差ΔＰが求められ、この圧力偏差ΔＰによって可動ロッドのストローク位置を修正することによって、キャビティ容積の調整制御が実行される。ここでは、キャビティ内の加圧力を検出するためのキャビティ内圧力検出器２９が、可動ロッド４１に仕組まれている場合であった。
【００７７】
しかし、半凝固金属成形体の鍛造成形における実際においては、上下金型で形成されるキャビティの形状は、図１に示したように簡単な形状ばかりでなく、複雑な形状となっている場合も多い。そのため、可動ロッドに仕組まれた圧力検出器によったのでは、キャビティ内の圧力を正確に検出できない場合も有り得る。そこで、可動ロッドに仕組まれた圧力検出器でキャビティ内圧力を測定する代りに、図１に示された油圧シリンダ３に取付けられた圧力検出器を使用し、上金型１による半凝固金属成形体への加圧力を検出するようにしてもよい。
【００７８】
図３に、シリンダスロークＳに対するキャビティ内圧力Ｐの変化が示されているが、同図に示された圧力変化は、可動ロッドに仕組まれた圧力検出器でキャビティ内の圧力を検出している場合であった。可動ロッドに仕組まれた圧力検出器を使用する代りに、油圧シリンダ３に取付けられた圧力検出器を使用して、上金型１による加圧力が検出される場合においては、図中で示された半凝固金属成形体の体積が不足しているときの圧力曲線（太い破線で示してある）の変化が異なってくる。
【００７９】
つまり、可動ロッドに仕組まれた圧力検出器を使用した場合には、図３に示されているように、ストロークＳが型閉状態であるストロークＳｍａｘになっても、キャビティ内圧力は、最終圧力Ｐｍａｘに到達せず、例えば、基準圧力Ｐ０より小さい圧力で終了している。ところが、油圧シリンダ３に取付けられた圧力検出器を使用した場合には、上金型のストロークＳが型閉状態であるストロークＳｍａｘに到達するため、半凝固金属成形体の体積が不足しているときの圧力曲線における最終圧力は、Ｐｍａｘに到達する。
【００８０】
この様に、半凝固金属成形体の体積が不足しているときの圧力曲線における最終圧力が異なったものとなるが、その最終圧力に至るまでの過程での圧力変化は、可動ロッドに仕組まれた圧力検出器を使用した場合と、油圧シリンダ３に取付けられた圧力検出器を使用した場合とで、変わりが無いので、油圧シリンダ３に取付けられた圧力検出器を使用しても、可動ロッドに仕組まれた圧力検出器を使用した場合と同様に、圧力偏差ΔＰを求めることができ、可動ロッドに係るストローク位置の調整を実行することができ、キャビティ容積を調整制御できる。
【００８１】
【発明の効果】
以上の様に、本発明では、上金型と下金型とに形成された成形キャビティ内で半凝固金属成形体を鍛造成形するとき、成形キャビティに係る面の一部となる先端面が形成された可動ロッドを半凝固金属成形体に係る容積調整データで位置決めし、該先端面がその位置で保持されるようにしたので、前記成形キャビティの容積が、鍛造成形される半凝固金属成形体の体積に合されて調整され、しかも、最終加圧力が確保される。そのため、鍛造成形される半凝固金属成形体の体積が変動しても、該半凝固金属成形体が鍛造成形された製品の体積は一定となり、製品の品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態による半凝固金属成形体の鍛造成形を行う鍛造装置の基本的構成を示す概要図である。
【図２】半凝固金属成形体の重量偏差に対する可動ロッドの調整ストロークの変化を説明するグラフの図である。
【図３】半凝固金属成形体の鍛造成形時における上金型のストロークに対するキャビティ内圧力の変化を説明する図である。
【図４】本実施形態による鍛造装置における可動ロッドの位置決め制御を説明するフローチャートである。
【図５】本実施形態による鍛造装置の適用例を説明する構成図である。
【図６】図５に示された鍛造装置のロッド位置調整装置の具体的構成を説明する図である。
【図７】本実施形態による鍛造装置の制御システムを説明するブロック構成図である。
【図８】本実施形態の鍛造装置において鍛造成形される半凝固金属成形体の製造工程を説明する図である。
【符号の説明】
１…上金型
２…下金型
３…油圧シリンダ
４…ロッド位置調整装置
４１…可動ロッド
４２…ロッド位置検出器
４３…ウォーム
４４…回転駆動機
４５…ウォーム歯車
５…半凝固金属成形体
６…可動盤
７、８…タイロッド
９…台盤
１０…基台
１１、１２…加圧力制御油圧シリンダ
２０…制御装置
２１…キャビティ容積制御手段
２２…入力手段
２３…表示器
２４…記憶手段
２５…ダイハイト調整装置
２６…圧力制御装置
２７…キャビティ容積調整装置
２８…上金型位置検出器
２９…キャビティ内圧力検出器
３０…素材情報取得手段
３１…溶湯容器
３２…カップ
Ｃ１、Ｃ２…キャビティ

Claims (20)

1. 上金型と下金型とに形成された成形キャビティ内で半凝固金属成形体を鍛造成形する鍛造方法において、
   前記成形キャビティに係る面の一部となる先端面が形成された可動ロッドを前記半凝固金属成形体に係る容積調整データで位置決めし、前記成形キャビティの容積を調整して該半凝固金属成形体を鍛造成形することを特徴とする鍛造方法。
2. 当該半凝固金属成形体の生成工程で得られた成形体計測値と設定された基準値とに基づいて前記容積調整データを演算し、
   当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記可動ロッドを該容積調整データで位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の鍛造方法。
3. 当該半凝固金属成形体の鍛造成形後の製品から得られた製品計測値と設定された基準値とに基づいて前記容積調整データを演算し、
   次の半凝固金属成形体の鍛造成形において前記可動ロッドを演算された該容積調整データで位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の鍛造方法。
4. 位置決めされた前記可動ロッドの前記先端面は、前記成形キャビティに係る面を超えないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鍛造方法。
5. 前記基準値は、目標値より小さく設定されていることを特徴とする請求項４に記載の鍛造方法。
6. 当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記上金型が前記所定ストローク距離を下降したときのキャビティ内圧力を取得し、該キャビティ内圧力と予め設定された基準圧力との偏差に基づいて前記容積調整データを修正し、
   次の半凝固金属成形体の鍛造成形において、修正された該容積調整データで前記可動ロッドの位置決めを行うことを特徴とする請求項１に記載の鍛造方法。
7. 当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記キャビティ内圧力が最終成形圧力に到達したときの前記上金型のストローク位置を取得し、該ストローク位置と最終型閉ストローク位置との偏差に基づいて前記容積調整データを修正し、
   次の半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記可動ロッドを修正された該容積調整データで位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の鍛造方法。
8. 当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記上金型が前記所定ストローク距離を下降したときに取得したキャビティ内圧力と予め設定された基準圧力との偏差と、前記キャビティ内圧力が最終成形圧力に到達したときの前記上金型のストローク位置と最終型閉ストローク位置との偏差とに基づいて前記容積調整データを修正し、
   次半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記可動ロッドを修正された該容積調整データで位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の鍛造方法。
9. 前記先端面の位置調整は、前記半凝固金属成形体が載置される前記下金型の前記成形キャビティの底面で行われることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の鍛造方法。
10. 上金型及び下金型を備え、該上金型を駆動装置の作動で下降させることにより、該上金型と該下金型とに形成された成形キャビティ内で半凝固金属成形体を鍛造成形する鍛造装置において、
    前記下金型は、前記成形キャビティに係る面の一部となる先端面が形成され、前記半凝固金属成形体に係る容積調整データに応じて位置決めされる可動ロッドを有することを特徴とする鍛造装置。
11. 前記可動ロッドは、調整装置を備え、
    前記調整装置は、前記容積調整データに応じて作動し、前記先端面の位置を調整し、該位置を保持することを特徴とする請求項１０に記載の鍛造装置。
12. 制御装置が備えられ、
    前記制御装置が、前記調整装置に前記容積調整データを供給し、前記半凝固金属成形体を前記成形キャビティ内で鍛造成形する制御を実行することを特徴とする請求項１１に記載の鍛造装置。
13. 前記制御装置は、当該半凝固金属成形体の生成工程で得られた成形体計測値と設定された基準値とに基づいて前記容積調整データを演算し、当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記可動ロッドを該容積調整データで位置決めすることを特徴とする請求項１２に記載の鍛造装置。
14. 前記制御装置は、当該半凝固金属成形体の鍛造成形後の製品から得られた製品計測値と設定された基準値とに基づいて前記容積調整データを演算し、次の半凝固金属成形体の鍛造成形において前記可動ロッドを演算された該容積調整データで位置決めすることを特徴とする請求項１２に記載の鍛造装置。
15. 前記制御装置は、位置決めされた前記可動ロッドの前記先端面が、前記成形キャビティに係る面を超えない前記容積調整データを演算することを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の鍛造装置。
16. 前記制御装置は、目標値より低く設定された前記基準値に基づいて前記容積調整データを演算することを特徴とする請求項１５に記載の鍛造装置。
17. 前記制御装置は、当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記上金型が前記所定ストローク距離を下降したときのキャビティ内圧力を取得し、該キャビティ内圧力と予め設定された基準圧力との偏差に基づいて前記容積調整データを修正し、次の半凝固金属成形体の鍛造成形において、修正された該容積調整データで前記可動ロッドの位置決めを行うことを特徴とする請求項１２に記載の鍛造装置。
18. 前記制御装置は、当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記キャビティ内圧力が最終成形圧力に到達したときの前記上金型のストローク位置を取得し、該ストローク位置と最終型閉ストローク位置との偏差に基づいて前記容積調整データを修正し、次の半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記可動ロッドを修正された該容積調整データで位置決めすることを特徴とする請求項１２に記載の鍛造装置。
19. 前記制御装置は、当該半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記上金型が前記所定ストローク距離を下降したときに取得したキャビティ内圧力と予め設定された基準圧力との偏差と、前記キャビティ内圧力が最終成形圧力に到達したときの前記上金型のストローク位置と型閉ストローク位置との偏差とに基づいて前記容積調整データを修正し、次半凝固金属成形体の鍛造成形において、前記可動ロッドを修正された該容積調整データで位置決めすることを特徴とする請求項１２に記載の鍛造装置。
20. 前記可動ロッドは、前記下金型の下部に備えられ、
    前記先端面の位置調整が、前記半凝固金属成形体が載置される前記下金型の前記成形キャビティの底面で行われることを特徴とする請求項１０乃至１９のいずれか一項に記載の鍛造装置。

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