JP2006263773A - 鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 金型と砂型とでなる鋳型を用いる鋳造装置において、簡素な構成で正確にキャビティへの溶湯の充填を検知する。
【解決手段】 砂型と、該砂型の上部に配置されて該砂型とでキャビティを形成する金型とでなる鋳型４０を有する鋳造装置１であって、前記金型の成形面に導電性を有する塗型層が形成されていると共に、前記鋳型４０のキャビティに砂型側から溶湯Ｍを供給する電磁ポンプ装置２１と、溶湯Ｍの塗型層への接触により該溶湯Ｍと金型とが電気的に導通したことを検出し、シーケンサ５１は、この検出結果に基いて前記電磁ポンプ装置２１を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、砂型と金型とでなる鋳型を用いる鋳造装置に関し、鋳造技術の技術分野に属する。

従来、自動車用エンジンのシリンダヘッドやシリンダブロック等を鋳造するときに、低圧鋳造法が広く利用されている。この低圧鋳造法では、アルミニウム合金等の軽合金からなる溶湯を密封容器内に加熱保持した状態で、比較的低圧の不活性ガス又は空気により溶湯表面を加圧して溶湯を押し上げることにより、該溶湯を鋳型のキャビティに充填するようになっている。

このとき、キャビティに充填する溶湯の流速が低いと、充填中に溶湯が冷却され、湯周り性が低下して鋳物の表面に湯しわの発生等の欠陥が生じるおそれがある。

これを防止するためには、キャビティに充填する溶湯の流速が高くなるように、溶湯の供給圧を高めればよいが、砂型を有する鋳型を用いて鋳造を行う場合、キャビティへの充填完了時に高い供給圧により溶湯が砂型内に滲み出るいわゆる溶湯の差込が生じ、鋳物表面の粗度が低下するという新たな問題が生じる。

そこで、充填完了までは高い供給圧を維持すると共に、充填完了時には供給圧を低くするように溶湯の供給を制御することが考えられるが、このとき、充填完了をいかに検知するかが課題となる。

なお、特許文献１には、金型を用いた鋳造装置において、上型側の金型に充填検知センサを取り付け、該センサに溶湯の液面が接触したことを検出して、充填完了を検知するようにした鋳造装置が開示されている。
特開平７−６０４２９号公報

ところで、前記特許文献１に開示された鋳造装置では、溶湯の充填検知を行うために特別にセンサが設けられており、コストや部品点数が増大するという問題を有している。また、充填検知センサが取付け可能になるように金型を加工する必要があるので、金型の構造が複雑になり、さらに、１つのセンサを複数の金型で兼用する場合、金型の交換毎にセンサの取付け取外しの作業を行わなければならない。

そこで、本発明は、金型と砂型とでなる鋳型を用いる鋳造装置において、簡素な構成で正確にキャビティへの溶湯の充填を検知することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、砂型と、該砂型の上部に配置されて該砂型とでキャビティを形成する金型とでなる鋳型を有する鋳造装置であって、前記金型の成形面に導電性を有する塗型層が形成されていると共に、前記鋳型のキャビティに砂型側から溶湯を供給する溶湯供給装置と、溶湯の塗型層への接触により該溶湯と金型とが電気的に導通したことを検出する充填検出装置と、該充填検出装置による検出結果に基いて前記溶湯供給装置を制御する制御手段とが備えられていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の鋳造装置において、前記制御手段は、前記充填検出装置により溶湯と金型との導通が検出されたときに、前記溶湯供給装置による溶湯の供給圧を低下させることを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記請求項１または請求項２に記載の鋳造装置において、金型に接触して該金型を砂型にクランプする導電性のクランプ部材が備えられ、前記充填検出装置は、該クランプ部材を介して溶湯と金型との導通を検出することを特徴とする。

そして、請求項４に記載の発明は、前記請求項１に記載の鋳造装置において、塗型層は、珪藻土と黒鉛とを混合させてなる材料で形成されていることを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、溶湯供給装置により砂型側から溶湯が供給され、該溶湯の液面が上昇して、砂型の上部の金型の成形面に形成された導電性を有する塗型層に溶湯が接触したときに、溶湯と金型とが電気的に導通することになる。そして、その金型と溶湯との導通が充填検出装置により検出され、この導通に基いて溶湯供給装置が制御されるので、別途センサ等を取付けることなく溶湯供給装置を制御することが可能となる。

従って、従来の専用のセンサを用いるものと比べて部品点数及びコストの削減を図ることができる。さらに、この装置によれば、金型側に特別な加工が必要なくなるという利点もある。

そして、特に請求項２に記載の発明によれば、溶湯と金型との導通によりキャビティへの溶湯の充填が検出された際に溶湯の供給圧が低下されるので、充填途中は溶湯の流速を高くして途中で冷えることによる前述の不具合を回避しながら、充填完了後における溶湯の砂型への差込が防止され、鋳物表面の粗度の低下を防止することができる。

一方、請求項３に記載の発明によれば、金型に接触してクランプするクランプ部材として導電性を有するものを用いることにより、クランプ部材を充填検出装置の一部として利用することができ、該検出装置の簡素化が実現される。また、この構成によれば、金型交換時にセンサの取付け取外しの作業が不要になって、作業性が向上する。

そして、請求項４に記載の発明によれば、塗型層が転写性に優れた珪藻土と導電性や熱伝導性に優れた黒鉛とを混合してなる材料で形成されるので、珪藻土により転写性が確保されると共に、黒鉛により導電性及び熱伝導性が確保され、前述の充填検知機能や離型性に加えて、鋳物の金型接触面における金属組織の緻密化が実現される。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態に係る鋳造装置のシステム図を示す。この鋳造装置１は、主な構成要素として、溶湯供給ユニット２、鋳造ユニット３、及び制御ユニット５を有している。

図１に示すように、前記溶湯供給ユニット２は、保持炉２０と電磁ポンプ装置２１とを有している。前記保持炉２０は、加熱保持されたポンプ室２０ａを有し、該ポンプ室２０ａには、金属溶湯Ｍが収納されている。また、前記電磁ポンプ装置２１は、下部が前記ポンプ室２０ａの溶湯Ｍに浸されている共に、内部に溶湯Ｍが通るための連通路２１ａが設けられ、該連通路２１ａは鋳造ユニット３側に開口して設けられた接続部２１ｃに接続されている。また、電磁ポンプ装置２１の連通路２１ａの回りにはコイル２１ｂが配設され、このコイル２１ｂへの通電により電磁誘導を発生させ、矢印Ａで示すように、ポンプ室２０ａの溶湯Ｍを引き上げる。なお、コイル２１ｂに印加する電圧値を調整することにより溶湯Ｍの供給圧が制御されることになる。

図２に示すように、前記鋳造ユニット３は、鋳造機３０と鋳型４０とを有している。前記鋳造機３０は、本体３１に支持されたベース３２と、該ベース３２に支持された上下クランプ部材３３，３４と、アンテナプレート３５とを有する構造とされている。また、前記ベース３２には、上下に延びるガイドレール３２ａが設けられ、上部クランプ部材３３の係合部３３ａが該ガイドレール３２ａにスライド可能に支持されている。さらに、前記ベース３２の下部にはシリンダ３６が固設され、該シリンダ３６のロッド先端が前記上部クランプ部材３３に連結されている。また、上部クランプ部材３３の鋳型４０との接触部には、絶縁板３７を介して導電性の金属板３８が配設されている。

一方、図３に示すように、前記鋳型４０は、砂型４１と金型４２とで構成されている。金型４２は、砂型４１の上部に配置されて該砂型４１とでキャビティ４３を構成する。前記砂型４１には、前記電磁ポンプ装置２１から溶湯Ｍが注入される注入口４１ａと、該注入口４１ａに連通する押し湯部４１ｂと、該押し湯部４１ｂからキャビティ４３に連通する複数の湯道４１ｃ…４１ｃとが設けられている。また、前記金型４２の成形面には塗型層４４が形成されている。この塗型層４４は、珪藻土と黒鉛とをそれぞれ５０重量％ずつ混合させてなる材料で形成されている。

また、図１に示すように、前記制御盤５は、シーケンサ５１と、信号発生器５２と、アンテナプレートアンプ５３とを有している。シーケンサ５１と前記ポンプ室２０ａの溶湯Ｍに浸された電極５４とは導線５５を介して電気的に接続されていると共に、前記信号発生器５２と前記上部クランプ部材３３の金属板３８とは導線５６を介して電気的に接続されている。また、前記アンテナプレート３５からの信号がアンテナプレートアンプ５３に入力されると共に、該アンテナプレート５３及び信号発生器５２からの信号が前記シーケンサ５１に入力される。そして、シーケンサ５１は前記電磁ポンプ装置２１に制御信号を出力する。

なお、前記電磁ポンプ装置２１は請求項１に記載の鋳造装置の溶湯供給装置に相当し、前記信号発生器５２は同じく鋳造装置の充填検出装置に相当し、前記シーケンサ５１は同じく鋳造装置の制御手段に相当する。また、前記金属板３８は請求項３に記載の鋳造装置のクランプ部材に相当する。

次に、この鋳造装置１の作用について説明する。

まず、砂型４１の注入口４１ａが電磁ポンプ装置２１の連通路２１ａに連通する位置で、鋳型４０が鋳造機３０の上下クランプ部材３３，３４でクランプされる。そして、電磁ポンプ装置２１のコイル２１ｂへの通電により発生した電磁誘導により、ポンプ室２０ａの溶湯Ｍは、連通路２１ａ、接続部２１ｃ、砂型４１の注入口４１ａ、押し湯部４１ｂ、湯道４１ｃを介してキャビティ４３に供給される。そして、図４に示すように、キャビティ４３に溶湯Ｍが供給され、キャビティ４３内で溶湯Ｍの液面が上昇し、該溶湯Ｍが金型４２の成形面に形成された塗型層４４に接触したときに、溶湯Ｍと金型４２とが電気的に導通することになる。このとき、信号発生器５２からシーケンサ５１に信号としての電圧が印加され、この信号に基いてシーケンサ５１は電磁ポンプ装置２１を制御する。

また、溶湯Ｍ、金型４２、塗型層４４、金属板３８、シーケンサ５１、信号発生器５２、電極５４、及び導線５５，５６を直列に連結して構成された回路において、溶湯Ｍが塗型層４４に接触することにより該回路が閉じることになるので、このとき信号発生器５２により溶湯Ｍと金型４２との電気的な導通が検出されることになる。

一方、充填初期では、充填する溶湯Ｍにある程度の流速を確保しないと、溶湯Ｍの冷却により湯周り性が低下して、湯しわの発生等が生じる。また、充填完了後も高い供給圧を維持した場合、溶湯Ｍの砂型４１への差込の問題が生じうる。そのため、キャビティ４３への溶湯Ｍの充填は、充填初期では高い流速で、即ち高い供給圧で供給することが望ましく、充填完了後は供給圧を低下させることが望ましい。

これに対して、前記鋳造装置１では、充填初期においては、アンテナプレート３５によりキャビティ４３への溶湯Ｍの充填速度を観測し、これに基いて理想的な充填速度に近づくように電磁ポンプ装置２１による溶湯供給圧のフィードバック制御を行い、溶湯Ｍと金型４２とが電気的に導通したことが検出された後は供給圧を低下させる制御を行う。

上記アンテナプレート３５による充填速度は、該アンテナプレート３５とキャビティ４３に充填される溶湯Ｍの該アンテナプレート３５に対向する面との間の静電容量を測定することによって観測している。なお、検出した静電容量はアンテナプレートアンプ５２により電圧に換算した後、シーケンサ５１に入力される。

このプロセスを図５のタイムチャートを用いて説明すると、充填開始直後は電磁ポンプ装置２１の溶湯供給圧は急激に上昇するように制御され、充填中は比較的高い充填速度が維持される。このとき、予め設定された理想的な充填速度の推移に対してアンテナプレート３５により検出された実際の充填速度が近づくように、溶湯供給圧のフィードバック制御が行われる。そして、時刻ｔ１において、キャビティ４３内の溶湯Ｍが塗型層４４に接触し、信号発生器５２からシーケンサ５１に信号が入力される。この信号に基いて時刻ｔ１〜ｔ２間で溶湯供給圧を低下制御し、時刻ｔ２後は低下させた溶湯供給圧を維持する。このように、時刻ｔ２後に溶湯供給は完全に停止せずに充填した溶湯Ｍを保持すると共に、このときの溶湯供給圧は充填中に比べて低下されているので、溶湯Ｍの砂型４１への差込が防止される。

一方、金型の変形例を図６に示す。この金型１４２は、成形面に凹凸が設けられており、この成形面の凹凸に沿って塗型層１４４が形成されている。このような金型１４２により形成されたキャビティ１４３に溶湯Ｍを充填する場合は、時刻ｔ３でまず塗型層１４４の下端１４４ａが溶湯Ｍと接触してシーケンサ５１に信号が送られることになる。このとき、金型１４２の凹凸により形成された隙間１４４ｂには溶湯Ｍが充填されていない状態であるが、時刻ｔ３〜ｔ４間で高い充填速度が維持されるので、この間にキャビティ１４３全体への溶湯Ｍの充填が完了されることになる。なお、時刻ｔ４は、金型１４２の形状に応じて予め設定される。そして、時刻ｔ４〜ｔ５で溶湯供給圧を低下させ、時刻ｔ５後は低下させた供給圧を維持するように制御される。

次に、塗型層４４を構成する材料として、珪藻土と黒鉛との重量比率を変化させたときの転写性、熱伝導性、電導性について調べたところ、表１に示す実験結果が得られた。なお、ここでは各評価結果を０〜１０ポイントで表示しており、８ポイント以上を合格と評価する。また、実験に用いた珪藻土の平均粒径は１５〜２０μｍ、黒鉛の平均粒径は約５μｍである。

これによると、転写性は、黒鉛比率が半分以上においては黒鉛比率の増加に伴ってポイントが減少し、熱伝導性は、黒鉛の増加に伴ってポイントが上昇し、電導性は、珪藻土１００％のときはゼロで黒鉛比率の増加に伴って電導性が増してポイントは上昇した。そして、珪藻土と黒鉛との重量比率が５：５のとき、転写性、熱伝導性、及び電導性共に最も良好な結果が得られた。そして、この実験結果を図６に示すグラフにプロットすると、転写性、熱伝導性、及び電導性共に８ポイント以上となる珪藻土：黒鉛の重量比率は、６：４〜３：７であり、この範囲内であれば塗型層４４として良好に使用することができる。

以上のように、電磁ポンプ装置２１により砂型４１側から溶湯Ｍが供給され、該溶湯Ｍの液面が上昇して、砂型４１の上部の金型４２の成形面に形成された導電性を有する塗型層４４に溶湯Ｍが接触したときに、溶湯Ｍと金型４２とが電気的に導通することになる。そして、その溶湯Ｍと金型４２との導通が検出され、この導通に基いて電磁ポンプ装置２１が制御されるので、別途センサ等を取付けることなく電磁ポンプ装置２１を制御することが可能となる。

従って、従来の専用のセンサを用いるものと比べて部品点数及びコストの削減を図ることができる。さらに、この装置１によれば、金型４２側に特別な加工が必要なくなるという利点もある。

そして、溶湯Ｍと金型４２との導通によりキャビティ４３への溶湯Ｍの充填が検出された際に溶湯Ｍの供給圧が低下されるので、充填途中は溶湯Ｍの流速を高くして途中で冷えることによる不具合の発生を回避しながら、充填完了後における溶湯Ｍの砂型４２への差込が防止され、鋳物表面の粗度の低下を防止することができる。

一方、鋳造機３０の金型４２に接触してクランプする部分に導電性を有する金属板３８を用いることにより、該金属板３８を充填検出のために利用することができ、充填検出のための機構の簡素化が実現される。また、この構成によれば、金型交換時にセンサの取付け取外しの作業が不要になって、作業性が向上する。

そして、塗型層４４が転写性に優れた珪藻土と導電性や熱伝導性に優れた黒鉛とを混合してなる材料で形成されるので、珪藻土により転写性が確保されると共に、黒鉛により導電性及び熱伝導性が確保され、前述の充填検知機能や離型性に加えて、鋳物の金型４２の接触面における金属組織の緻密化が実現される。

本発明は、金型と砂型とでなる鋳型を用いる鋳造装置において、簡素な構成で正確にキャビティへの溶湯の充填を検知することを目的とする。本発明は、砂型と金型とでなる鋳型を用いる鋳造装置に関し、鋳造技術の技術分野に広く好適である。

本発明の実施の形態に係る鋳造装置のシステム図である。 鋳造機の拡大正面図である。 鋳物の拡大断面図である。 溶湯の充填の説明図である。 溶湯供給圧の制御に係るタイムチャートである。 金型の変形例の正面図である。 図６の金型を用いた場合の溶湯供給圧の制御に係るタイムチャートである。 珪藻土と黒鉛との比率に応じて行った実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 鋳造装置
２２ 電磁ポンプ装置
３８ 金属板
４０ 鋳型
４１ 砂型
４２ 金型
４３ キャビティ
４４ 塗型層
５１ シーケンサ
５２ 信号発生器

Claims (4)

1. 砂型と、該砂型の上部に配置されて該砂型とでキャビティを形成する金型とでなる鋳型を有する鋳造装置であって、
   前記金型の成形面に導電性を有する塗型層が形成されていると共に、
   前記鋳型のキャビティに砂型側から溶湯を供給する溶湯供給装置と、
   溶湯の塗型層への接触により該溶湯と金型とが電気的に導通したことを検出する充填検出装置と、
   該充填検出装置による検出結果に基いて前記溶湯供給装置を制御する制御手段とが備えられていることを特徴とする鋳造装置。
2. 前記請求項１に記載の鋳造装置において、
   前記制御手段は、前記充填検出装置により溶湯と金型との導通が検出されたときに、前記溶湯供給装置による溶湯の供給圧を低下させることを特徴とする鋳造装置。
3. 前記請求項１または請求項２に記載の鋳造装置において、
   金型に接触して該金型を砂型にクランプする導電性のクランプ部材が備えられ、前記充填検出装置は、該クランプ部材を介して溶湯と金型との導通を検出することを特徴とする鋳造装置。
4. 前記請求項１に記載の鋳造装置において、
   塗型層は、珪藻土と黒鉛とを混合させてなる材料で形成されていることを特徴とする鋳造装置。
   

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