JP2007021585A - ホットチャンバ加圧鋳造機械を駆動する方法とそのためのホットチャンバ加圧鋳造機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ホットチャンバ加圧鋳造方法では最終圧力がより低いにもかかわらず、コールドチャンバ方法で形成された加圧鋳造部品と同じ特性を有する加圧鋳造部品が形成できるようにする。
【解決手段】ホットチャンバ加圧鋳造機械を駆動する方法において、型の充填後に登り孔とオリフィスと型の間の結合部の、少なくとも最も狭い断面において圧力振動が発生され、それが溶湯の急速な凝固を阻止する。このようにして、従来のホットチャンバ加圧鋳造方法に比べて、型内の溶湯に作用する追加圧力を高くし、それによってより高い品質の鋳造部品を得ることが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ホットチャンバ加圧鋳造機械を駆動する方法に関するものであって、同方法においては金属溶湯が鋳込み容器から登り孔、オリフィスおよび結合部を介して型内へ圧入される。本発明は、この方法を実施することのできるホットチャンバ加圧鋳造機械に関する。

ホットチャンバ方法においては、液状の金属は鋳込み容器と鋳込みピストンを介して型内へ給送される。その場合に鋳込み容器と鋳込みピストンは、常に金属浴液内にある。ピストン運動の間およびピストン運動の最後においても、それぞれ金属溶湯温度に従ってピストンリングと鋳込み容器孔との間で損失が発生する。従ってホットチャンバ方法においては、約４２０℃の金属浴液温度を有する、亜鉛を鋳造する場合に、充填プロセスの最後に約３００バールの金属圧力を発生させることができる。約６５０℃の金属浴液温度を有するマグネシウムを加圧鋳造する場合には、同様に充填プロセスの最後において約２５０バールの金属圧力しか達成することができない。

また、コールドチャンバ加圧鋳造方法（ＤＥ２９２２９１４Ｃ２）も存在し、同方法においては型充填段階は、ホットチャンバ加圧鋳造方法におけるのと同様に遂行される。鋳込み容器と鋳込みピストンが液状の溶湯内に配置されない、コールドチャンバ方法においては、４００バールから７００バールの大きさのより高い最終圧力を発生させることが可能である。これは、コールドチャンバ方法においては金属圧力が高いために、より高い密度を有する部品を形成することができることを意味している。これはまた、加圧鋳造部品の空隙率が少なく、剛性と伸び率がより高く、かつ表面密度がより高いことを意味している。

ホットチャンバ加圧鋳造方法においては、型の充填プロセスは、約７ｍｓから２０ｍｓ続く。充填プロセスの最後には、すでに説明したように、最大の鋳込み圧力が構築される。この鋳込み圧力は、結合部を介してすでに型中空室内にある金属に作用する。結合部の厚みは部品の材圧と表面品質および後処理に依存しており、かつ結合部の最も薄い材料厚みはゲートの厚みであるので、金属溶湯はまずこの個所で凝固する。それによって結合部は型中空室から隔離され、鋳込みピストンからもたらされる後期圧力はもはや、あるいはもはや完全には、作用しない。説明するために指摘しておくが、ゲートの最も薄い材厚はたとえば亜鉛部品の場合には０．３ｍｍから０．６ｍｍであり、マグネシウム部品の場合には０．４ｍｍから０．８ｍｍである。この領域で発生する冷却によって、材料はこの個所において比較的急速に凝固する。

本発明の課題は、冒頭で挙げた種類の方法において、ホットチャンバ加圧鋳造方法では最終圧力がより低いにもかかわらず、コールドチャンバ方法で形成された加圧鋳造部品と同じ特性を有する加圧鋳造部品が形成できるようにすることである。

この課題を解決するために、冒頭で挙げた種類の方法において、型充填プロセスの最後に、少なくとも結合部の最も狭い断面において圧力振動が発生され、それが溶湯の急速な凝固を阻止することが、提案される。圧力を変化させることによって、金属溶湯内で運動が得られ、それによって上述した、薄い材厚を有するゲート断面は余り急速に凝固せず、従って「凍結」しない。このようにして圧力が型内へ長く作用し、それに伴って溶湯の体積に基づく収縮にも拮抗作用することができる。

本発明の望ましい形態においては、タイミング素子を介して圧力は所定の期間後に増大され、その場合に脈動が維持されるので、溶湯がいわゆる準固体状態に達した場合に、最高の圧縮が発生する。この段階においては、加圧鋳造部品の外側輪郭にもはやバリは形成されない。比較的高い周波数で導入することのできる振動によって、圧力は型内にある金属へ完全に伝達される。このようにして、充填された型へのある種のハンマーが生じ、それが材料の最終圧縮をもたらす。

本発明の望ましい形態においては、その場合に電動駆動装置を介して移動される鋳込みピストンが存在する、方法において、脈動する圧力は駆動装置に振動が重畳されることによって発生される。この振動は、本発明の望ましい形態においては、約３００Ｈｚであって、鋳込みピストン速度が予め定められたように減速された場合に導入される。鋳込みピストン速度は、公知のように距離に従って求められるので、脈動する圧力を必要とする時点を求めるのに問題はない。

本発明の望ましい形態においては、圧力を最大の鋳込み圧力に対して脈動しつつ低下または増大させることができ、その場合にすでに示唆したように、圧力は最終段階において、溶湯の完全な凝固が生じる前に、第１の短い期間の間低下され、第２の期間の間増大される。

本発明はまた、それによって新しい方法を実施することのできる、ホットチャンバ加圧鋳造機械に関する。このホットチャンバ加圧鋳造機械は、鋳込みピストン駆動装置とそれを制御する制御装置とを有しており、その場合に鋳込みピストン駆動装置には、充填プロセスの最終段階において接続可能な脈動装置が付設されており、その脈動装置の振動が鋳込みピストンの駆動軸に作用する。鋳込みピストン駆動装置が電動駆動される鋳込みピストンを有する場合には、脈動装置は電気的なサーボ駆動装置とそれに作用する制御装置とからなり、その場合にこの制御装置は、適切に設計されたソフトウェアによって駆動される電子的な計算機とすることができる。サーボ駆動装置自体は、低い振動モーメントを有するブラシレス電動機とすることができる。この種の駆動装置は、慣性力が鋳込みピストンに作用するのをほぼ防止するが、その慣性力は公知のように駆動モータと鋳込みピストンとの間に弾性的な部材を介在させることによって、あるいはサーボ駆動装置を制御して制限することによっても緩和させることができる。

本発明を、実施例を用いて添付図面を参照し、以下で説明する。

図１は、金属溶湯を加工するホットチャンバ加圧鋳造機械の圧入ユニットを示しており、そのホットチャンバ加圧鋳造機械にはその他知られているように、溶湯浴液内に配置された鋳込み容器、その中で圧入ユニットを介して移動可能な鋳込みピストンおよび登り孔とその端部に配置されたオリフィスが設けられている。鋳込みプロセスにおいては、同様に公知の方法で、金属溶湯がオリフィスから結合部を介して型へ案内される。

図１に示す圧入ユニットにおいては、電動機１、たとえば非同期モータまたは、詳しく図示されていないトランスミッションおよび結合部分２を有するサーボモータの他の変形例が設けられており、その電動機はねじスピンドル３を駆動して回転運動させる。ねじスピンドル３は、保護ハウジング５内でシールされて案内されている。そのねじスピンドル上で、スピンドル３のねじと協働するナット４が案内されており、そのナットの案内カム６がハウジング５の内部の溝７へ嵌入して、それによってナットはハウジング５内で回動しないように案内されている。ナット４は、スピンドル３の自由端部を把持する延長部８を介してスライドロッド９と結合されており、そのスライドロッドはハウジング５からシールされて導出されており、かつより小さい直径を備えた突出部１０を有している。突出部１０上で第１のディスク１１が移動可能に案内されており、そのディスクは圧力センサ１２に添接しており、その圧力センサはたとえば圧電素子の形式で形成することができる。この圧力センサ１２は、信号導線１３を介してマルチパラメータ制御器２０と接続されており、そのマルチパラメータ制御器を介してモータ１はその回転数を制御される。

突出部１０上にはさらに、終端ディスク１５を備えたジャケット１４が摺動可能に軸承されており、その場合に終端ディスク１５と、圧力センサ１２に添接しているディスク１１との間には、プラスチックリング１６の形状のばね部材が配置されており、そのばね部材も同様に突出部１０によって貫通されている。ジャケット１４の、ディスク１５とは反対側の端部には、図示されていない鋳込みピストンと接続するための接続端部１７が設けられており、その場合に突出部１０の自由端部には、より大きい直径の段部１８が設けられており、その段部はジャケットを突出部１０に保持し、かつプラスチックリング１６を所定に付勢するためにも用いることができる。この段部１８は、ジャケット１４の内側の終端面１９から距離区間ａだけ離れている。この圧入ユニットは、金属溶湯を公知の方法でホットチャンバ加圧鋳造機械のるつぼから型へ圧入使用とする場合に、駆動される。その場合に電気駆動装置１は、マルチパラメータ制御器２によってスピンドル３を回転させるように励磁され、それによってナット４は図示の位置からスピンドル３に沿って下方へ移動し、その場合にスライドロッド９を同様に下方へ、特に鋳込み型の充填プロセスに必要な速度で、押圧する。

型が充填された場合には、スピンドル３の回転駆動装置を速度制御からトルク制御へ切り換えなければならない。その場合に鋳込みピストンが駆動装置の質量に基づく慣性によってさらに、型内にある非圧縮性の溶湯を押圧して、それによって駆動機構内に、損傷をもたらす恐れのある望ましくない圧力ピークが発生することを防止するために、ばね部材１６が設けられており、そのばね部材が圧縮されて、そうでない場合に鋳込みピストンがさらに移動したはずの距離を吸収する。

その場合に配置は、駆動装置がさらに移動する距離が、寸法ａよりも小さいように考慮される。従ってばね部材１６は、ａよりもわずかに小さい距離だけ圧縮されて、付勢される。その場合に配置は、ばね部材１６によってジャケット１４と鋳込みピストンへもたらされる反応力が十分に大きく、それによって溶湯内にたとえば７から８トン（７０から８０キロＮ）の力に基づく必要な後期圧力がもたらされるように、設計することができる。

図２は、電動機１の回転数とトルクを制御するために、制御器２０に鋳込みピストンのための目標位置２１が設けられ、その目標位置が、駆動装置の出力において取り出される実際位置２２と比較されることを、示している。制御器２０にはさらに、目標速度と目標トルクが供給される。それからもたらされる目標回転数２４が詳しく図示されていない、モータ１のためのデジタルまたはアナログの回転数およびトルク制御へ供給されて、実際回転数２５と実際トルクがその後、公知のようにして、３つの公知の型充填段階において、溶融材料の供給（充填プロセス）をもたらす。その位置において型が充填されている、実際位置（２２）が達成されると、上述したようにトルク制御へ切り換えられて、ここでは鋳込みピストン速度が予め定められた減速値に達した時点で、トルクに振動が重畳される。

図３は、この圧入プロセスが詳細にはどのように行われるかを示している。その場合に図３においては、ｘ座標上に型充填時間が記載され、ｙ座標上にはピストン速度Ｖと前進する鋳込みピストンによって溶湯内に発生される圧力Ｐが記載されている。図３は、線分２６によって特徴づけられる第１の時間部分において、充填段階がまず３つの−あるいはそれより多くの−異なる速度で行われ、その場合にその後線分２６と線分２７によって示唆される時点の間で、ピストンおよび充填速度の著しい上昇が行われることを示している。線分２７の時点からは、時間ｔＦにわたって型の充填プロセスが行われる。従ってこの充填プロセスは、高い速度で行われ、その場合に圧力Ｐも、型が充填された場合にその最終上昇の直前で、ピストン速度Ｖが再びゼロへと減少する時に、再度最終圧力へ上昇するために、強制的にそれに応じて上昇する。

図３は、ピストンおよび充填速度の、（秒当たり約１．２ｍの値から下降する）秒当たり０．１ｍの、予め定められた所定の減速値Ｖ_Zに達した場合に、圧入ユニット（図１）によってもたらされる圧力に、第１の期間ｔ１の間振動が、値ΔＰを中心に脈動する圧力が発生するように重畳され、その最大値はまず達成された最終圧力となる。それに対して第２の時間部分ｔ２においては、圧力は元の最終圧力に対して値ΔＰだけ増大されるが、その場合に作動された振動にさらされ続ける。

この手段によって、冒頭ですでに説明したように、型が充填された場合に型中空室とホットチャンバ加圧鋳造機械のオリフィスとの間の結合部内に、そしてまた溶湯によって占められている全空間内にも、時間部分ｔ１とｔ２の間圧力変動が発生する。それによって、ゲート内に生じる、結合部の最も狭い断面内でも、この時点で脈動する圧力が発生し、その圧力が、ここで溶湯が早期に凝固して、従って型中空室への接続が遮断されることを防止する。従って期間ｔ２の間に行われる圧力上昇は、さらに型中空室全体とそこにある溶湯にも作用することができる。この時点で、溶湯はいわゆる準固体状態にあって、本発明によれば、ここで最高の圧縮を達成することが可能となる。この段階において、型内の加圧鋳造部品の外側輪郭にバリはもはや形成されない。値ΔＰを中心とする振動によって、鋳込みピストンから溶湯へもたらされる圧力は、型内にある金属にある種のハンマー作用を伝達し、その金属はそれによって、そうでない場合にホットチャンバ加圧鋳造方法において通常圧縮されるよりも多く圧縮されることが可能である。新しい方法によって、その密度、剛性および空隙率が、そうでない場合にはコールドチャンバ加圧鋳造方法においてのみ形成可能であったものに相当する、加圧鋳造部品が得られることが、明らかにされた。

本発明に基づく方法を、圧入ユニットが電気的なサーボモータを介して駆動される、実施例を用いて説明する。この種のサーボ制御される機械においては、充填プロセスの最後に制動点を設定することができる。それによって、−冒頭で述べたように−制動されない充填プロセスの最後に発生した、圧力ピークの発生を防止することができる。従って充填速度は型充填の終了前に低下されるので、この手段によってバリのない部品を生産することができる。従って予め定められた減速が存在する、この制動点を、圧力振動の開始点として設けることができる。

しかしまた容易に考えられるように、液圧を供給される鋳込みピストンを備えたホットチャンバ加圧鋳造機械において、型の充填後に液圧装置を適当な圧力変動の下におくことができるので、この種の装置によっても本発明を実現することができる。そしてまた、別体の装置を介して、型の充填後の決定的な段階において結合部内およびゲート内で振動を発生させ、それによって結合部内での溶湯のいわゆる「凍結」を防止することも、考えられる。その場合いは、鋳込みピストンを介しての脈動する圧力供給は、不要である。

電動駆動される鋳込みピストンを備えた圧入ユニットにおいて新しい鋳込み方法を図示のように使用することは、もちろん、極めて簡単に実現される。というのは、電子的な計算機を介して制御するための適切なソフトウェアを提供し、その計算機が図３を用いて説明した時点でトルク制御へ切り換える際に所望の振動を導入すれば十分だからである。

本発明によれば、ホットチャンバ加圧鋳造方法では最終圧力がより低いにもかかわらず、コールドチャンバ方法で形成された加圧鋳造部品と同じ特性を有する加圧鋳造部品が形成できる。

図１は、電動機と振動を発生させる制御装置とを備えた鋳込みピストン駆動装置の概略図である。 図２は、制御装置の一部を概略的に示すブロック回路図である。 図３は、本発明に基づく方法による圧入プロセスの圧力および体積推移を示すグラフである。

符号の説明

１ 電動機（モータ）
２ 結合部分
３ ねじスピンドル
４ ナット
５ 保護ハウジング
６ 案内カム
７ 溝
８ 延長部
９ スライドロッド
１０ 突出部
１１ 第１のディスク
１２ 圧力センサ
１３ 信号導線
１４ ジャケット
１５ 終端ディスク
１６ プラスチックリング
１７ 接続端部
１８ 段部
１９ 終端面
２０ マルチパラメータ制御器
２１ 目標位置
２２ 実際位置
２４ 目標回転数
２５ 実際回転数
２６ 線分
２７ 線分

Claims (11)

1. ホットチャンバ加圧鋳造機械を駆動する方法であって、金属溶湯が鋳込み容器から登り孔、オリフィスおよび結合部を介して型内へ圧入される型充填プロセスを含む方法において、
   型充填プロセスの最後のみに、少なくとも結合部の最も狭い断面において、溶湯が急速に凝固するのを阻止する圧力振動が発生されることを特徴とするホットチャンバ加圧鋳造機械を駆動する方法。
2. 型充填プロセスの最後に、鋳込みピストンの速度（Ｖ）が予め定められた所定の減速値Ｖｚに達したときに、上記圧力振動が開始されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 鋳込みピストンが圧入プロセスの複数の型充填段階で移動し、かつ充填プロセスの最後において最大の鋳込み圧力を供給され、かつ
   鋳込みピストンは、充填プロセスの最後に、脈動する圧力（ΔＰ）を供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 電動駆動装置（１）を介して駆動される鋳込みピストンを有し、かつ 脈動する圧力は、駆動装置に振動が重畳されることによって発生されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 鋳込みピストンの速度が所定値（Ｖｚ）まで低下したときに、３００Ｈｚの振動が開始されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 圧力（Ｐ）が、最大の鋳込み圧力（Ｐｍａｘ）に対して脈動しつつ低下または増大されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. 圧力（Ｐ）は最終段階において、溶湯の完全な凝固が生じる前に、第１の短い期間（ｔ１）の間低下され、かつ第２の期間（ｔ２）の間増大されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の方法を実施するためのホットチャンバ加圧鋳造機械において、
   鋳込みピストン駆動装置とそれを制御する制御装置とを有し、かつ
   鋳込みピストン駆動装置（１）に脈動装置が付設されており、前記脈動装置が型充填プロセスの最後にのみ鋳込みピストンの駆動軸（１０）に圧力振動を供給することを特徴とするホットチャンバ加圧鋳造機械。
9. 電動駆動される鋳込みピストンを有し、かつ
   脈動装置が、電気的なサーボ駆動装置（１）とそれに作用する制御装置（２０）とからなることを特徴とする請求項８に記載のホットチャンバ加圧鋳造機械。
10. 制御装置（２０）は、ソフトウェアによって駆動される、マルチパラメータ制御器（２０）の形状の電子的な計算機であることを特徴とする請求項９に記載のホットチャンバ加圧鋳造機械。
11. サーボ駆動装置（１）は、ブラシレス電動機であることを特徴とする請求項９に記載のホットチャンバ加圧鋳造機械。

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