JP2005515902A - 金属フォーム鋳造装置及び方法 - Google Patents

Abstract

金属フォームから物品を鋳造する方法であって、溶融金属浴とフォーム形成手段とを有する。フォームは、加熱したチャンバー内で、フォームサンプルを鋳型まで搬送する取鍋に引き入れられる。取鍋は、フォームサンプルを鋳型の中へ溜め、そして、鋳型は閉じられる。一旦冷却され、硬化して、形成された物品が取り出される。本発明のシステムは、溶融金属浴と、加熱したフォームを集めるチャンバーと、フォームのサンプルを取り出し、かつ、そのサンプルを鋳型まで搬送するための取鍋と、を有する。本発明は、その方法を実行するための装置を提供する。

Description

本発明は、金属フォーム物体を鋳造するための装置及び方法に関する。

自動車等のような製品の製造においては、高い強度対重量比を有する材料から作られるべき、構成部品の要求が増している。この要求を満たすため、かかる構成部品を製造するための重量が相当に軽く、強度が高い材料の発見に非常に重きが置かれた。

金属フォームは、一般的に、溶融金属フォームを形成するように、ガスを溶融金属浴中に発生させることによって作られる。次いで、溶融金属フォームは、取り出されて冷却される。金属フォームは、上述の高い強度対重量比、衝撃吸収特性、及び吸音特性を満たすような普通の金属との置き換えとして種々の利点を示す。先行技術は、米国特許第５，２２１，３２４号及び５，６２２，５４２号におけるように、金属フォームを作り出す種々の方法を教示する。上述のガスを発生させる既知の方法は、特に、（１）ガスを溶融金属中に吹き込み又は注入するガス供給器の使用と、（２）加熱されるとガスを解放するガス発生剤又は発泡剤の使用と、（３）所望のガスを溶融金属浴内に吸い込むインペラーの使用と、を含む。溶融金属に多くの添加剤を供給して、発泡したセルの完全性を維持することで、フォームを助けることも当該技術分野で知られている。

先行技術は、所望の寸法形状に切断することができる金属フォームスラブを作り出すための種々の方法を提供するけれども、フォームをより複雑な幾何学的形態の三次元（３Ｄ）形状に形成する方法の教示は実に少ない。米国特許第５，８６５，２３７号は、一つのかかる方法を教示する。この参照文献では、金属粉末及びガス放出発泡剤をチャンバー内で加熱して、金属フォームを作る。フォームを発生させながら、溶融混合物を鋳型キャビティ内へ押し入れる。次いで、フォームが鋳型キャビティの全容積を確実に満たすように、混合物を鋳型内で発泡させ続ける。

この先行技術の方法によって教示された方法は種々の欠点を有する。第一に、その方法は、バッチ方法で行われなければならない。すなわち、単一部品の生産は、チャンバに所望の粉末を装填し、粉末を溶融させ、材料を鋳型の中に押し入れ、最後に、発泡処理を完了し、鋳型を冷却し、完成した物品を抜き出す各ステップを伴う。この理由のために、米国特許第５，８６５，２３７号において教示された方法は、大変時間がかかる。さらに、発泡材料を鋳型キャビティの中に押し入れるステップは、発泡セルに力を加えることを必要とする。この力は、必然的に、発泡セルのいくらかに損傷を与えることとなり、その結果、発泡材料の利点のいくらかを減ずる。さらに、その特許は、発泡材料を鋳型の中に押し入れるピストンの使用を必要とする。金属で作られた米国特許第５，８６５，２３７号のピストンは、溶融金属をその状態に維持する温度に加熱されたチャンバー内部に維持されるから、加熱によって引き起こされた損傷により、焼付く傾向を有することを理解すべきである。さらに、移送後、十分な発泡が起るようにするために、発泡材料の移送を、工程の非常に特定の時間に行わなければならない。最後に、米国特許第５，８６５，２３７号によって教示された、発泡材料を鋳型キャビティの中へ押し入れる方法は、かかる材料の正確な計量を許さない。その結果、最終製品の寸法及び密度は一貫しない。

本発明は、当該技術分野で既知の欠点の少なくとも幾つかを緩和する金属フォーム鋳造装置及び方法を提供することを目的とする。

かくして、一つの実施形態において、本発明は、金属フォームから物品を鋳造するための装置を提供し、
溶融金属浴と、
溶融金属浴内の金属フォーム発生器と、
コンジットを介して溶融金属浴に接続されたチャンバーと、
金属フォームのサンプルを受け入れるための、チャンバ内の取鍋と、
取鍋をチャンバから引き出すための手段と、
物品と相補的な形状を有する鋳型キャビティを有する鋳型と、を有する。

他の実施形態では、本発明は、物品を金属フォームから鋳造する方法を提供し、
溶融金属を準備し、
溶融金属からフォームを発生させ、
フォームのサンプルを引き出し、
サンプルを鋳型に搬送し、
鋳型を冷却し、
形成した物品を引き出すステップを有する。

本発明の好ましい実施形態のこれら及び他の特徴は、添付の図面を参照する以下の詳細な説明においてより明らかになるであろう。

図１には、本発明の装置の実施形態が示されている。その装置は、中に溶融金属１４が入った溶融金属浴１２に連結された加熱チャンバー１０を有する。溶融金属浴１２は、既知の種類の加熱装置を使用して、金属を溶融状態に維持するのに十分な温度に維持される。ガス入口又は注入ポート１６が、溶融金属浴１２の底に設けられ、それを通って、ガス１３が注入される。ガス１３を、溶融金属１４の中に泡立たせ、それによって、溶融金属１４からフォーム１８を形成させる。ガスポート１６は、ガスが透過できる多孔質ノズルを有するのがよい。変形例として、ガスポートは、ガスを溶融金属の中に泡立たせるための他の既知の構造を有してもよい。当該技術分野で知られているように、上昇するガス泡により、フォーム１８を溶融金属１４の上面に形成させる。

好ましい実施形態では、溶融金属浴１２は、分割壁２０によって、二つの部分に分割され、それによって、溶融金属浴のフォーム形成部分２２を作る。図に示すように、ガスポート１６は、好ましくは、フォーム形成部分２２の下に位置決めされ、それによって、フォーム１８をフォーム形成部分２２内に形成させる。ガス泡のほぼ垂直な上昇により、フォーム形成がフォーム形成部分２２内で優先的に起こることが認識されるであろう。これを確保するために、分割壁２０は、溶融金属１４中に、部分的に沈められる。

分割壁２０は、上昇するフォーム１８を加熱チャンバー１０に差し向けるための手段の一例である湾曲ダイバーター２４を有する。 チャンバー１０内には、フォーム移送容器、即ち取鍋２６が設けられる。取鍋２６は往復棒２８に連結され、往復棒２８により、取鍋をチャンバー内で横に移動される。取鍋２６を移動させるための他の方法を使用してもよいことが理解されるであろう。図１に示すように、取鍋２６は、最初に、溶融金属浴１２に近接して位置決めされる。さらに、取鍋２６は、その開口３０が、ほぼ溶融金属浴１２の側壁と同じ高さにあるように、チャンバー１０内に設けられる。かかる縦の位置決めは、ダイバーター２４によって差し向けられたフォーム１８が、取鍋２６に入って、取鍋２６を満たすことができるように行われる。フォーム１８による取鍋の充填を依然として可能にしながら、取鍋２６のどんな向きも可能であることが認識されるであろう。例えば、他の実施形態では、取鍋を、溶融金属浴１２の僅か上方に位置決めしてもよく、或いは、更なるダイバーター機構を利用して、フォームを取鍋に充填させてもよい。更に他の実施形態では、フォーム１８を掬って取鍋に入れてもよいし、或いは別の方法で、取鍋の中へ入れてもよい。ダイバーター２４は上述した目的にかなうために、どんな形状又は向きのものでもよいことも理解されよう。

一旦、取鍋２６がフォームサンプル２７で満たされると、往復棒２８が引き出され、それによって、取鍋をチャンバー１０から取り出す。図２が、取鍋２６を引き出した、本発明の装置を示す。図示したように、加熱チャンバー１０の、溶融金属浴１２と反対側の側壁３２には、開閉可能な開口３４が設けられ、その開口３４を通って、取鍋２６を通過させることができる。理解されるように、開口３４は、取鍋２６が、図２に示す用に通過することになるまで、好ましくは、図１に示すように、閉位置に維持される。このようにすれば、チャンバー１０からの熱損失が最小にされる。しかしながら、開口３４を開き放しにし、チャンバー１０内の温度を維持するのに他の手段を利用してもよいことが理解されるであろう。さらに、図２に示すように、開口３４は、取鍋２６の隙間を最小にするように寸法決めされる。これにより、取鍋２６が取り出される際に、開口の上端３１が、取鍋の開口３０の高さを超える全てのフォームを掻き落とすのに役立つ。これにより、取鍋２７によって取り出されたフォームサンプル２７の体積は、一方の抜き取りから他方の抜き取りまで一貫する。その上、かかる掻き取り動作を使用し、且つ、フォームを取鍋に詰め込まないことによって、フォームを形成するセルの一体性が維持される。

これも理解されるように、チャンバー１０を加熱状態に維持する目的は、（以下に更に説明するように）発泡段階が完了するまで、フォーム１８が冷えて固まらないようにすることである。好ましい実施形態では、チャンバー１０は、約５００〜７００℃の温度に維持される。

図２はまた、溶融金属浴１２から溢れ、チャンバー１０の底に集まる溶融金属とフォームのプール３６を示す。かかる溢れたものを再利用して、溶融金属浴１２に戻すことができる。

図３は、チャンバーから完全に引き出された取鍋と、鋳型３９の位置決めされた二つの半部とを示す。鋳型３９は、第一半部３８と、第二半部４０とを含む。鋳型３９の各半部には、形成されるべき物品の外形に一致する鋳型キャビティを一緒に形成するキャビティ４２、４４がそれぞれ設けられる。キャビティ４２，４４の各々には、また、部分的なノッチ４５が設けられている。鋳型の半部が一緒にされるとき、ノッチ４５は組み合わさって、物品の周りに溢れ空間を形成する。これを以下で更に説明する。

一旦、取鍋が図３のように鋳型半部の間に位置決めされると、取鍋の中身が鋳型半部のキャビティの一つの中へ注がれなければならない。好ましくは、鋳型の半部は、取鍋の上下に設けられ、その結果、取鍋は、下側の鋳型キャビティの中へ単に注ぐだけでよい。

図３乃至図５は、フォームサンプル２７を鋳型キャビティに注ぐのを容易にするように設計された取鍋２６の好ましい実施形態を示す。この実施形態では、取鍋は、四つの部分で形成され、二つの部品は、底４６及び４８を形成し、二つの部品は、側面５０及び５２を形成する。部品４６，４８，５０及び５２が互いに連結され、それらは、図３に示すように完成な取鍋を形成する。フォームサンプル２７が、鋳型キャビティ内へ注がれるようになるとき、取鍋２６は、種々の部品を分離することによって分解される。一つの実施形態では、図４及び図５に示すように、分解工程は、底の部品４６及び４８を互いに離れるように摺動することによって、最初に分離される底の部品４６及び４８で始まり、続いて、側面の部品５０及び５２が同様な仕方で分離される。底の部品の最初の除去は、フォームサンプル２７を、鋳型キャビティの中へ注ぐために、所望の寸法に維持されるようにする。

図６は、フォームサンプル２７を鋳型キャビティ内に閉じ込める、閉位置の鋳型３９を示す。図示するように、鋳型３９が閉位置にあるときに、上述のノッチ４５は組合わさって、鋳型キャビティの容積を超える余分なフォームが流れ込む溢れ空間５４を形成する。鋳型が冷却された後、形成された金属フォーム物品を取り出すことができる。

好ましい実施形態では、鋳型３９は、当該技術分野で普通に知られているように、砂で形成される。鋳型を形成するとき、砂は、低材料及び鋳型製造コスト、かつまた、非常に低熱伝導を含む種々の利点を示す。後者の側面について、不良熱伝導体として、砂により鋳型内のフォームをその近溶融状態温度にとどまらせる。しかしながら、砂の鋳型を、同様に、スチールの鋳型に置き換えることができる。かかるスチールの鋳型は、当該技術分野で知られているように、フォームの早期冷却及び硬化を防ぐために、加熱することを必要とする。スチールの鋳型を使用する方法は、例えば、米国特許第５，８６５，２３７号に教示されている。

フォームサンプル２７を加熱チャンバーから閉じた鋳型の中へ移す間、フォームを発泡性溶融状態に保つために、フォームを溶融温度に維持すべきであることが理解されるであろう。好ましい実施形態では、溶融フォームの冷却が、フォームサンプルを鋳型に急速に移し、鋳造工程を完了することによって妨げられる。かかる急速な移送は、あらゆる外部加熱の要求の必要性を回避する。さらに、鋳型は、好ましくは、水分と一緒に保持された砂で作られるので、どんな外部加熱も、水分の蒸発、及び鋳型の崩壊をもたらす。他の実施形態では、取鍋が移動する領域は、フォームサンプルが冷えないように、チャンバー１０と同様に加熱されるのがよい。かかる場合、砂の鋳型が使用される場合には、鋳型自身は上述の理由のために加熱されないことが理解されるであろう。さらに、金属の鋳型が使用された場合、取鍋の通過領域全体及び鋳型自身を、所望の温度に加熱することができることが認識されるであろう。かかる場合、鋳造フォームの硬化を可能にするために、鋳型を閉鎖後に冷却することができる。

図７及び図８は、それぞれ、図６の鋳型から取り出されたフォーム物品５８の上面図及び側面図を示す。図示するように、フォーム物品５８は、溢れ空間５４に入った余分の泡からなるリング６０を有する。

図８は、形成した物品のリング６０を取り除くための、トリムプレス（trim press）又はニッピングプレス（nipping press）６２を示す。プレス６２は、第一ブレード６６を有する、フォーム物品５８を支持するためのベース６４を有する。フォーム物品は、リング６０が第一ブレード６６に載るように、ベース６４上に置かれる。プレスはまた、第二ブレード７０を有するプレス部分６８を含み、第二ブレード７０は、第一ブレード６６と協働してニップを形成する。ベース６４及びプレス部分６８の両方とも、フォーム物品５８を収容するために、それぞれのブレードの間にキャビティを有する。作業にあたって、フォーム物品５８を、前に示したように、ベース６４の上に位置決めする。次いで、プレス部分６８を、ベース６４に向かって移動させ、二つのブレードを接触させる。このようにして、リング６０は、協働するブレード６６及び７０の切断作用によって、フォーム物品５８からはさみ切りされ、或いは、切り取られる。

図９Ａ及び図９Ｂは、トリミング工程後のフォーム物品を示す。

上述の説明では、発泡工程を、溶融金属浴内に、ガス供給ポートを使用することとして説明した。しかしながら、他の発泡工程を使用することができることが認識されるであろう。例えば、米国特許第５，８６５，２３７号及び他の引用文献に教示されているように、金属フォームを、ガス供給手段の代わりに、溶融金属中に発泡剤を使用して発生させてもよい。さらに、溶融金属に、溶融金属から形成された泡を安定させるのに知られている種々の添加剤を供給してもよい。他の実施形態では、空気を溶融金属の中に引き入れるインペラーを、溶融金属浴１２に設けてもよい。他の実施形態では、本発明のガスポート１６はまた、回転インペラー又は振動ノズルからなってもよい。

本発明を、種々の濃度の金属フォームから物品を形成するのに使用することができることが、当業者によって理解されるであろう。（寸法、及び、泡を形成するセルの肉厚の関数である）フォームの密度は、ガスの添加速度、溶融金属に添加された発泡剤の量及び種類のような、種々の要因に依存するであろう。

本発明の鋳型の他の実施形態を図１０及び図１１に示す。ここで、前の図面と共通する要素は、共通の参照番号で示される。この実施形態では、鋳型は、全体的に７４で示される。鋳型７４は、形成されるべき最終物体の形状と一致するダイ領域７６と、漏斗領域、即ちライザー８０と、を有する。漏斗領域８０は、フォームサンプル２７を取鍋２６から案内するのに役立つ。上述のように、取鍋２６は、好ましくは、上述のように四つ部分、即ち、側壁５０及び５２と、部品４６及び４８で形成された底である。図１０には、底部品４６及び４８は、フォームサンプル２７を鋳型の中へ落とし込むことができる分離位置で示される。この工程では、鋳型７４の漏斗領域８０の内壁８２は、フォームサンプルをダイ領域７６の中へ差し向ける。鋳型７４を、スチール、セラミック、グラファイト、砂又は他の材料で形成することができる。

一つの実施形態では、プランジャー（図示せず）を、フォームサンプル２７をダイ領域７６の中へ押し入れるのに使用する。かかるプランジャーは、漏斗領域８０の寸法形状に一致することが理解されるであろう。変形例として、鋳型７４を、フォームサンプル２７をダイ領域７６の中へ押し入れるために、振動してもよい。他の実施形態では、フォームサンプルを、真空を使用してダイ領域の中へ押し込んでもよい。種々の他の手段が、当業者に明らかであろう。

図１１は、フォームサンプルがダイ領域７６の中へ供給された後の鋳型７４を示す。取鍋は、この図には示されない。

認識されるように、この実施形態の鋳型は、最終製品を形成するのに閉じる必要がない。しかしながら、鋳型は、形成した製品の取り出しを可能にするために、分離することができる。漏斗領域の比率は、鋳型の特徴を示すため、誇張されており、また、実際の比率及び寸法は作られている最終製品に依存し、当業者によって容易に決定されるであろう。

図１２は、図１０及び図１１の鋳型の中に形成された物品８４を示す。分かるように、形成した物品８４の部分８６が、鋳型７４の漏斗領域８０の下部分と一致する。上のように、物品のこの部分８６を、切断又は他の手段によって要因に切り取ることができ、その結果、最終の所望の物品８７となり、その外形は、ダイ領域、即ちキャビティ７６の形状に対応する。さらに、切り取られた部分８６の比率は、この実施形態を示すために、誇張されている。

図１０を再び参照すると、鋳型７４のダイ領域７６には、発泡しなかった全ての液体材料を集めるための孔又はくぼみ８８が設けられている。図１１は、液体、即ち、非発泡材料が集められるくぼみ８８を示した。図１２は、くぼみ８８の中に集まる溶融材料に対応する、固体金属片９０を示す。理解されるように、かかる不要片９０は、所望の仕上げ物品から容易に切り離される。

図１３は、所望の物品を形成した後の、鋳型９２を開位置で示す。鋳型は、内側が砂９６で満たされた金属の注型９４からなる。鋳型の内側部分は、砂の中に形成されたダイキャビティ９６を有する。鋳型の上端には、上述のような漏斗又はガイドが設けられるが、図１３には示されていない。鋳型の下端は、上述したようにくぼみ１００を含む。図示したようなくぼみは、「鳩尾」形状のものである。

図１４は、仕上げ前の、図１３の鋳型の中で形成された物品１０２である。分かるように、物品１０２は、（上述の）漏斗の部分の形状に対応する第一端１０４を有する。第二端１０６は、くぼみ１００に入った液体金属に対応する。

図１５は、第一及び第二端の切り取り後の、図１４の物品１０２を示す。

本発明は、先行技術のような、停止されることによる、フォームの発生段階を要求しない鋳造工程を提供する。その結果、本発明は、フォームを発生させるための連続処理を可能にし、フォームの一部分を鋳型の中に引き入れて鋳ることができる。他の実施形態では、装置は、各々サンプルを同じチャンバから順次の時間に掬う多くの取鍋を備えることができる。次いで、かかる取鍋はサンプルを異なる鋳型に注入する。このように、本発明は、金属フォーム物品を鋳造するための連続工程を提供する。

好ましい実施形態では、金属はアルミニウムである。しかしながら、あらゆる他の材料を本発明に利用することができることが認識されるであろう。

本発明は、ある特定の実施形態を参照して説明されたけれども、添付の特許請求の範囲に概説されたような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の種々の変更が当業者によって明らかであろう。

発泡段階における、本発明の実施形態による鋳造装置の断面図である。 フォームサンプルが取り出された後の鋳造装置の断面図である。 フォーム移送容器を備えた、開位置での鋳型の断面図である。 容器の除去段階での鋳型の断面図である。 容器の除去段階での鋳型の断面図である。 閉位置での鋳型の断面図である。 トリミング前のフォーム物品の上面図である。 トリミング前のフォーム物品の側断面図である。 トリムプレスの断面図である。 トリミング後のフォーム物品の上面図である。 トリミング後のフォーム物品の側断面図である。 本発明の鋳型の他の実施形態を示す。 本発明の鋳型の他の実施形態を示す。 図１０及び図１１の鋳型の中に形成された物品を示す。 所望の物品を形成後の、開位置の鋳型を示す。 仕上げ前の、図１３の鋳型の中で形成された物品を示す。 第一及び第二端の切り取り後の図１４の物品を示す。

Claims (17)

1. 金属フォームから物品を鋳造するための装置であって、
   溶融金属浴と、
   前記溶融金属浴内の金属フォーム発生器と、
   コンジットを介して前記溶融金属浴に接続されたチャンバーと、
   前記金属フォームのサンプルを受けるための、前記チャンバー内の取鍋と、
   前記取鍋を前記チャンバーから引き出すための手段と、
   前記物品と相補的な形状を有する鋳型キャビティを有する鋳型と、を有する装置。
2. 前記チャンバーは、前記金属フォームを溶融発泡状態に維持するように加熱される、請求項１記載の装置。
3. 前記金属はアルミニウムであり、前記チャンバーは、約５００乃至７００℃の温度に維持される、請求項２記載の装置。
4. 前記チャンバーは、前記チャンバーに出入りする前記取鍋の通過を可能にする開口を有する、請求項１記載の装置。
5. 前記金属フォームのサンプルの所定の体積を得るための計量手段を更に有する、請求項１記載の装置。
6. 前記金属フォーム発生器は、ガス入口ポートからなる、請求項１記載の装置。
7. 前記金属フォーム発生器は、ガス源に接続されたガス透過性ノズルからなる、請求項６記載の装置。
8. 前記金属フォーム発生器は、前記ガスをガス源から前記溶融金属の中へ気泡として放出するための出口を有する回転インペラーを有する、請求項６記載の装置。
9. 前記金属フォーム発生器は、前記溶融金属に溶解した熱活性化学発泡剤を有する、請求項１記載の装置。
10. 前記金属フォーム発生器は、空気を前記溶融金属中に引き入れるための回転インペラーを有する、請求項１記載の装置。
11. 前記物品から余分な金属フォームを除去するためのトリマーを更に有する、請求項１記載の装置。
12. 前記金属フォームのサンプルを前記取鍋の間へ移送するための移送手段を更に有する、請求項１記載の装置。
13. 物品を金属フォームから鋳造する方法であって、
    溶融金属を準備するステップと、
    前記溶融金属からフォームを発生させるステップと、
    前記フォームのサンプルを掬い出すステップと、
    前記フォームのサンプルを鋳型に搬送するステップと、
    前記鋳型を冷却するステップと、
    前記形成した物品を取り出すステップと、を有する方法。
14. 前記フォームのサンプルは取鍋で掬い出される、請求項１３記載の装置。
15. 前記フォームのサンプルは所定の体積のものである、請求項１３記載の装置。
16. フォームのサンプルの前記所定の体積は、前記鋳型に搬送されたフォームの量を計量することによって達成される、請求項１３記載の装置。
17. 前記形成した物品を切って、余分な材料を除去するステップを更に有する、請求項１３記載の装置。

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