JP2005349468A - 砂型の冷却バラシ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を鋳込んだ砂型を迅速に冷却し、ばらすことができる砂型の冷却バラシ装置を提供する。
【解決手段】 アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯が注入された砂型４０が浸漬される冷却水槽３１と、この冷却水槽３１内の冷却水を濾過した後、冷却水槽３１に戻す濾過装置３２と、濾過装置３２と冷却水槽３１とを連結する循環配管３３と、循環配管３３の濾過装置出口側に設けられ循環水の圧力を調整する圧力調整装置３５及び流量を調整する流量調整装置３６と、循環配管３３を経て冷却水槽３１に戻される循環水を冷却水槽３１の水中に開口する噴出口から砂型４０に向けて噴射する噴射ノズル３７とを有する砂型の冷却バラシ装置の噴射ノズル３７から砂型４０の向けてジェット水流を噴射して鋳物を冷却し、回収した後、砂型をばらして再利用する。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車アルミホイール等のアルミニウム又はアルミニウム合金の鋳物を鋳造する鋳造方法に適用される砂型の冷却とバラシを行う装置であって、アルミニウム又はアルミニウム合金を注入した砂型を迅速に冷却し、ばらすことができる砂型の冷却バラシ装置に関する。

従来、所謂アルミホイール等のアルミニウム又はアルミニウム合金製の鋳物は、金型鋳造法等の金型を使用する鋳造方法により製造されている。一方、鋳鉄の場合は、生砂により造型された鋳型（砂型）を使用した鋳造方法も採用されている。これは、鋳鉄の場合には、冷却速度が遅くても、鋳物品質上、問題がなく、また、鋳鉄の場合には、溶湯温度が高いため、金型を使用しにくいという事情があるためである。

このような背景技術のもとで、生砂鋳型を使用し、その冷却速度を考慮した鋳物冷却方法が提案されている（特許文献１：特開２００２−３０７１５８）。この特許文献１には、循環鋳物砂の使用量を少なくできると共に冷却時間を鋳物ごとに調節できることを目的として、生砂鋳型へ溶湯を鋳込んだ後、鋳物の温度が固相線温度より低くなるまで１次冷却をし、その後、生砂鋳型の熱影響を受けていない部分を崩壊させて分離除去し、熱影響を受けた残り砂に包まれた状態の鋳物をそれぞれの鋳物の属性に応じた時間、２次冷却する鋳物の冷却方法が記載されている。なお、この特許文献１には鋳物の材質は記載されていない。

特開２００２−３０７１５８号公報

しかしながら、アルミニウム又はアルミニウム合金の高強度及び高靭性の鋳物を生砂を使用した鋳型で鋳造する方法は、従来、行われておらず、また、特許文献１にもそのような方法は開示されていない。これは、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を鋳込む場合、固相線近傍の冷却速度が十分速くないと、微細な鋳造組織が得られず、鋳造後の鋳物の品質が低いものとなってしまうためである。

即ち、従来の高強度及び高靭性のアルミニウム又はアルミニウム合金鋳物は、必要な冷却速度を確保するために、金型鋳造法等の金型を使用した方法が採用されているのみで、生砂鋳型を用いたアルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造方法は確立されていなかった。また、この鋳造方法に適用する砂型の冷却バラシ装置等に関する技術についても全く確立されていなかった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を砂型に注入した後、鋳物を砂型と共に迅速に冷却すると共に前記鋳物を変形又は摩耗させることなく、砂型をばらすことができる砂型の冷却バラシ装置を提供することを目的とする。

本願発明に係る砂型の冷却バラシ装置はアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を砂型に注入した後、鋳物を砂型と共に冷却し、前記鋳物を回収し、砂型をばらして再利用するアルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造方法に適用される砂型の冷却バラシ装置において、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯が注入された砂型が浸漬される冷却水槽と、この冷却水槽内の冷却水を濾過した後、前記冷却水槽に戻す濾過装置と、この濾過装置と前記冷却水槽とを連結する循環配管と、この循環配管の前記濾過装置出口側に設けられ循環水の圧力を調整する圧力調整装置及び流量を調整する流量調整装置と、前記循環配管を経て冷却水槽に戻される循環水を前記冷却水槽の水中に開口する噴出口から前記砂型に向けて噴射する噴射ノズルと、を有することを特徴とする。

本発明において、噴射ノズルから噴射されたジェット水流に空気を吹き込むバブリング装置と、前記噴射ノズルの噴射口位置を変更する位置変更装置と、この位置変更装置並びに前記圧力調整装置、流量調整装置及びバブリング装置を制御する制御装置を設けることが好ましい。

本発明において、制御装置は、噴射ノズルの噴射口位置が０．４乃至９．４ｃｍ／秒の移動速度で三次元方向に移動するように位置変更装置を制御するものであることが好ましい。

本発明において、制御装置は、噴射ノズルから噴射される冷却水の吐出圧が０．１乃至５．０ＭＰａとなるように圧力調整装置を制御するものであることが好ましい。

また、本発明において、制御装置は、噴射ノズルから噴射されたジェット水流内に０．０５乃至１．０リットル／秒で空気を供給するようにバブリング装置を制御するものであることことが好ましい。

本発明に係る砂型の冷却バラシ装置によれば、噴射ノズルから噴射されるジェット水流によって鋳物を迅速に冷却できるとともに、砂型をばらすことができる。従って、砂型を使用しても、アルミニウム又はアルミニウム合金の微細な鋳造組織を高生産性で得ることができる。

本発明において、噴射ノズルから噴射されたジェット水流に空気を吹き込むバブリング装置と、噴射ノズルの位置変更装置と、各装置の制御装置を設けることにより、噴射ノズルから噴射されたジェット水流と、このジェット水流に向かって供給される空気流との相乗効果によって、ジェット水流中にバブルが拡散し、肥大してジェット水流の強度が緩和され、マイルドなものとなるので、このジェット水流によって、また噴射ノズルの噴射口位置を変更しながら最適条件で鋳物を迅速に冷却できるとともに、鋳物の摩耗及び損傷を防止しつつ砂型をばらすことができる。

本発明において、制御装置を、噴射ノズルの噴射口位置が０．４乃至９．４ｃｍ／秒の移動速度で三次元方向に移動するように位置変更装置を制御するものとしたことにより、必要に応じてジェット水流の直噴と三次元方向へのスクロール噴射とを使い分けることにより、鋳物の冷却及び砂型のバラシ効果を向上させることができる。

本発明において、制御装置を、噴射ノズルから噴射されるジェット水流の吐出圧が０．１乃至５．０ＭＰａとなるように圧力調整装置を制御するものとしたことにより、ジェット水流の吐出圧力を調整することによって、悪影響を与えることなく効率よく鋳物を冷却し、砂型をばらすことができる。

本発明において、制御装置を、噴射ノズルから噴射されたジェット水流内に０．０５乃至１．０リットル／秒で空気を供給するようにバブリング装置を制御するものとしたことにより、バブルの拡散及び肥大の程度を調整することにより、鋳物の冷却効果を高め、且つ鋳物に悪影響を与えることなく効率良く砂型をばらすことができる。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。

図１は本発明装置が適用されるアルミニウム又はアルミニウム合金鋳物の鋳造方法の工程を示す工程図、図２は造型工程を示す縦断面図、図３は溶湯注入工程を示す模式的斜視図、図４は本発明に係る砂型の冷却バラシ装置の模式図である。図２及び図３に示すように、造型及び溶湯注入工程は、同一のライン上で行われる。即ち、先ず、造型チャンバ１内で生砂を使用して鋳型（以下、砂型という）が製造される。この造型チャンバ１においては、その一方の側面に、鋳物製品の半割り状の形状を有する鋳物形状部分３が設けられた金型２がチャンバ１の上方に設けられた水平回転軸４により回転可能に支持されている。そして、造型チャンバ１の他方の側面には、同様に、鋳物製品の半割り状の形状を有する鋳物形状部分５が設けられた金型６が油圧シリンダのピストン７に固定されている。これにより、金型６はピストン７の進出により金型２との間で、それらの間の砂を押圧し、造型するようになっている。なお、造型チャンバ１には、その上面から生砂が供給されるが、この生砂は後述する砂処理により回収されたものであり、砂型用の生砂は循環使用される。

造型後、金型２が回転軸４を中心として上方に回動し、造型後の砂型１０（以下、単位砂型ともいう）が油圧シリンダの駆動により、ピストン７に押されて、前方のコンベア（ＰＭＣ：プレシジョンモードコンベア（商品名））１１上に押し出される。コンベア１１は、金型２と金型６とが対向する方向に延びており、造型チャンバ１内で造型された砂型１０がピストン７により押されてコンベア１１上に移載され、そのままコンベア１１の駆動により、造型チャンバ１から離隔する方向に移動する。

その後、単位砂型１０の前方及び後方の側面に形成された凹部には、中子１２が嵌入され、更に、コンベア１１上の前方の単位砂型１０と後方の単位砂型１０とが夫々その後方側面及び前方側面で重ねられて連結砂型１８となり、この重ね合わされた部分に、鋳込み空間であるキャビティ１４が形成される。なお、この重ね合わせ時に、キャビティ１４の下部に、溶湯注入用の注入口１３が形成される。

その後、図３に示すように、溶解炉２０内で溶解されたアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯２２が加圧式注湯機２１に供給され、溶湯２２はこの加圧式注湯機２１から湯口を介して単位砂型１０間の注湯口１３に加圧供給され、この注湯口１３を介してキャビティ１４内に注入される。

その後、連結砂型１８は、複数個（図示例は３個）の単位砂型１０について、砂型カッター１７により切断される。即ち、図示例の場合は、一つの単位砂型１０の略中間部を連結方向に垂直に切断し、２つの単位砂型１０をおいて、３つ目の単位砂型１０の略中間部を同様に切断する。これにより、造型チャンバ１から送り出されてきた後連結された連結砂型１８が、３個の単位砂型に相当する長さの連結砂型１８に分割される。得られた生砂鋳型は、図４に示した砂型の冷却バラシ装置に搬入され、冷却、鋳物回収及び砂型のバラシが行われる。

図４は砂型の冷却バラシ装置を模式的に示す図である。この装置は、浸漬水と、ジェット水流と、このジェット水流に向かって供給されるバブリング空気を併用するものであり、ジェット水流の圧力、流量、バブリング空気量、噴射位置等を適宜選択して最適範囲に調整することにより、鋳物を変形又は摩耗させることなく冷却すると共に、砂型をばらすものである。

この砂型の冷却バラシ装置はアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を鋳込んだ生砂鋳型４０が浸漬される冷却水槽３１を有している。冷却水槽３１の底部には鋳型載置台４１が設けられており、生砂鋳型４０は、図示省略したリフト装置によって冷却水槽３１内に搬入され、鋳型載置台４１上に載置される。

冷却水槽３１には、冷却水を抜き出し、濾過装置３２を経て冷却水槽３１に戻す冷却水の循環配管３３が設けられている。濾過装置３２は、冷却水中に含まれる固形物、特に生砂鋳型の冷却時又はバラシ時に混入する砂粒を分離、回収する。

循環配管３３の濾過装置３２の出口側には冷却水タンク３４が配置されている。冷却水タンク３４は、冷却水槽３１内の水量を所定量に保つバッファータンクとして機能する。循環配管３３の冷却水タンク３４の出口には循環配管３３内を流れる水流の圧力調整装置として圧力可変式ポンプ３５が配置されており、この圧力可変式ポンプ３５は制御装置４２によって制御され、主として循環配管３３出口の吐出圧を調整する。

圧力可変式ポンプ３５の後流の循環配管３３には循環配管３３内を流れる水流の流量調整装置としての調整バルブ３６が配置されており、この調整バルブ３６は制御装置４２によって制御され、主として循環水量を調整する。循環配管３３の冷却水槽３１内の開口部には噴射ノズル３７が設けられている。噴射ノズル３７は生砂鋳型４０に向かってジェット水流を噴射する。

冷却水槽３１の上部近傍には噴射ノズル３７の噴射口位置を三次元方向に変化させる位置変更装置３８が設けられている。位置変更装置３８は、ＸＹ方向及びＺ方向におけるギヤを介したモータ駆動装置とこれを制御するプログラム装置から構成されている。位置変更装置３８は、制御装置４２によって制御され、冷却及びバラシの対象となる生砂鋳型４０の形状、大きさ等によって、噴射ノズル３７の噴射口をＸ、Ｙ、Ｚの三次元方向に変化させると共に、順次その位置をスクロールするように変化させる。このとき、ノズル先端の噴射口をスクロール移動させることに加え、一点に集中的にジェット水流を当てる直噴を適用することもできる。なお、冷却及びバラシ操作前に予め、冷却及びバラシの対象である生砂鋳型４０の形状、大きさ等によって適宜最適なノズル形状に変更しておくことが好ましい。

冷却水槽３１内の噴射ノズル３７と鋳型載置台４１との間の底部にはバブリング装置３９が配置されている。このバブリング装置３９は制御装置４２によって制御され、噴射ノズル３７から噴射されたジェット水流に空気を供給してジェット水流の噴射強度を緩和すると共に、噴射ノズル３７と協働してバブルの拡散及び肥大効果により、砂型内の鋳物を迅速に冷却し、且つ鋳物を変形又は摩耗させることなく生砂鋳型４０をばらす。

砂型の冷却バラシ装置には冷却及びバラシの対象となる生砂鋳型４０の形状、大きさ等に従って適宜最適な冷却及びバラシ条件が得られるように予めプログラムが組み込まれた制御装置４２が設けられている。この制御装置４２は圧力可変ポンプ３５、調整バルブ３６、ノズル位置変更装置３８及びバブリング装置３９と夫々結線されている。制御装置４２は、図示省略した入力装置から入力されたオペレータからの生砂鋳型４０の形状、大きさ等に関する情報に基づいてこれらを制御する。

次に、このような構成の砂型の冷却バラシ装置の動作について説明する。先ず、冷却水槽３１及び冷却水タンク３４に必要量の水を張る。次に、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を鋳込んだ生砂鋳型４０を図示省略したリフト装置を使用して冷却水槽３１の鋳型載置台４１上に載置し、水中に浸漬する。このとき生砂鋳型４０内の溶湯温度はアルミニウム又はアルミニウム合金の固溶線の直上であることが好ましい。

生砂鋳型４０を冷却水槽３１の鋳型載置台４１に載置した後、予めプログラムが組み込まれた制御装置４２よって圧力可変ポンプ３５と調整バルブ３６を制御し、循環配管３３内に所定の圧力及び流量の循環水流を形成する。

このとき、制御装置４２よってノズルの位置変更装置３８を制御し、噴射ノズル３７の噴射口位置を生砂鋳型４０の冷却及びバラシに好適な位置に順次スクロールするように変化させる。即ち、制御装置４２によって冷却及びバラシの対象である生砂鋳型４０の形状、大きさに最も適したノズル位置を順次決定し、その位置を変化させながら鋳物の冷却及び砂型のバラシを行う。

噴射ノズル３７における噴射口位置の移動速度は０．４乃至９．４ｃｍ／秒に調整される。噴射口位置の移動速度が９．４ｃｍ／秒よりも大きいと十分なバラシ効果が得られにくい。一方、噴射口位置の移動速度が０．４ｃｍ／秒よりも小さいと効率が低下する。

また、このとき予めプログラムが組み込まれた制御装置４２によってバブリング装置３８を制御し、生砂鋳型４０の形状、大きさ等に対応した必要量の空気をジェット水流の下方から供給する。この供給空気は噴射ノズル３７から噴射されるジェット水流と混合し、前記ジェット水流の強度を緩和させるとともに、ジェット水流とバブリング空気との相乗作用により、バブルを拡散させると共にその大きさを肥大させる。

砂型バラシ時のジェット水流の吐出圧は０．１乃至５．０ＭＰａが好ましく、より好ましくは０．１乃至１．０ＭＰａである。またジェット水流量は１．０乃至５．０リットル／分が好ましく、より好ましくは１．０乃至３．０リットル／分である。更にバブリング空気量は０．０５乃至１．０リットル／秒が好ましく、より好ましくは０．０５乃至０．５リットル／秒である。

噴射ノズル３７の噴射口位置を、例えば製品形状に沿うように移動させながら砂型４０に向かってジェット水流を噴射して砂型のバラシを行う。バラシ所用時間は、例えば１５乃至４０秒である。

砂型バラシ時のジェット水流の吐出圧が５．０ＭＰａよりも高いと鋳物が変形する虞があり、０．１ＭＰａよりも低いと十分なバラシ効果が得られない。バラシ時のジェット水量が５．０リットル／分よりも多いと鋳物を損傷させる虞があり、１．０リットル／分よりも少ないと十分なバラシ効果が得られない。バラシ時のバブリング空気量が１．０リットル／秒よりも多いとバラシ効果が低下し、０．０５リットル／秒よりも少ないとジェット水流が強くなって鋳物を損傷させる虞がある。

鋳物の冷却及び砂型のバラシが終了した後、鋳物を図示省略したリフト装置によって液体冷媒槽１から回収し、例えばショトブラストによって表面研磨して製品とする。一方、水中に混入した砂粒は適宜濾過装置３２によって水が分離されて回収され、加熱、乾燥及び冷却された後、生砂鋳型４０の原料として再利用される。これにより、生砂鋳型の砂は循環使用される。また、バブリング空気をエジェクタを用いて噴射ノズルから循環水とともに噴出させても良い。

本実施形態によれば、製品を摩耗、損傷させることなく、鋳物の冷却に引き続いて砂型をばらすことができるので、アルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造方法における必要装置台数を減少できると共に、工程を簡略化することができる。

アルミニウム又はアルミニウム合金を鋳込んだ砂型を迅速に冷却し、連続して製品を変形又は摩耗させることなく砂型のバラシを行うことができる本発明の砂型の冷却バラシ装置は、鋳造分野、特にアルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造分野において有用である。

アルミニウム又はアルミニウム合金鋳物の鋳造の工程を示す工程図である。 造型工程を示す縦断面図である。 溶湯注入工程を示す模式的斜視図である。 本発明の実施形態に係る砂型の冷却バラシ装置の模式図である。

符号の説明

１：造形チャンバ
２、６：金型
３、５：鋳物形状部分
４：回転軸
７：ピストン
１０：単位砂型
１１：コンベア
１２：中子
１３：注湯口
１４：キャビティ
１７：カッター
１８：連結砂型
２０：溶解炉
２１：加圧式注湯機
２２：溶湯
２３：コンベア（メッシュコンベア）
３１：冷却水槽
３２：濾過装置
３３：循環配管
３４：冷却水タンク
３５：圧力可変ポンプ
３６：調整バルブ
３７：噴射ノズル
３８：位置変更装置
３９：バブリング装置
４０：生砂鋳型
４１：鋳型載置台
４２：制御装置

Claims (5)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を砂型に注入した後、鋳物を砂型と共に冷却し、前記鋳物を回収し、砂型をばらして再利用するアルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造方法に適用される砂型の冷却バラシ装置において、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯が注入された砂型が浸漬される冷却水槽と、この冷却水槽内の冷却水を濾過した後、前記冷却水槽に戻す濾過装置と、この濾過装置と前記冷却水槽とを連結する循環配管と、この循環配管の前記濾過装置出口側に設けられ循環水の圧力を調整する圧力調整装置及び流量を調整する流量調整装置と、前記循環配管を経て冷却水槽に戻される循環水を前記冷却水槽の水中に開口する噴出口から前記砂型に向けて噴射する噴射ノズルと、を有することを特徴とする砂型の冷却バラシ装置。
2. 前記噴射ノズルから噴射されたジェット水流に空気を吹き込むバブリング装置と、前記噴射ノズルの噴射口位置を変更する位置変更装置と、この位置変更装置並びに前記圧力調整装置、流量調整装置及びバブリング装置を制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の砂型の冷却バラシ装置。
3. 前記制御装置は、噴射ノズルの噴射口位置が０．４乃至９．４ｃｍ／秒の移動速度で三次元方向に移動するように前記位置変更装置を制御するものであることを特徴とする請求項２に記載の砂型の冷却バラシ装置。
4. 前記制御装置は、噴射ノズルから噴射される冷媒水の吐出圧が０．１乃至５．０ＭＰａとなるように前記圧力調整装置を制御するものであることを特徴とする請求項２又は３に記載の砂型の冷却バラシ装置。
5. 前記制御装置は、噴射ノズルから噴射されたジェット水流内に０．０５乃至１．０リットル／秒で空気を供給するように前記バブリング装置を制御するものであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の砂型の冷却バラシ装置。

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