JP2009269070A - 重力鋳造装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 重力鋳造装置において、押湯の冷却を開始するタイミングをより的確に決定することができる技術を提供する。
【解決手段】 重力鋳造装置は、金型１２と第２熱電対２４と変位計２０と冷却装置３６を備える。金型１２は、製品空間２８と製品空間２８に連通孔２６を介して連通された押湯空間１６を有する。第２熱電対２４は、製品空間２８と押湯空間１６との境界における溶湯６０の温度を測定する。変位計２０は、製品空間２８と押湯空間１６との境界における溶湯の硬度を測定する。冷却装置３６は、第２熱電対２４と変位計２０で測定された温度と硬度が所定値に達したときに押湯空間１６内の溶湯６０の冷却を開始する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、重力鋳造装置に関する。特に、押湯空間の溶湯（押湯）を冷却する技術に関する。

重力鋳造装置では、金型内の製品を成形する空間（製品空間）に導入された溶湯が凝固して収縮することによって発生するいわゆる引け巣を防止するために、製品空間の上方に押湯を貯留する押湯空間が金型に設けられている。押湯は、製品空間内の溶湯よりも凝固するタイミングを遅くする必要がある。そのため、押湯が注入される押湯空間の周りには、断熱材が配置されていることが多い。押湯空間の周りに断熱材が配置されているため、押湯が凝固するまでに時間がかかってしまう。鋳造された製品を金型から取り出す場合、押湯が凝固してからでないと取り出すことができない。したがって、押湯の凝固に時間がかかると、鋳造のサイクルタイムが長くなってしまう。

上記した問題点に対して、押湯を冷却する技術が開示されている（例えば特許文献１，２）。特許文献１には、押湯にミストを吹き付けて冷却する重力鋳造装置が開示されている。特許文献１の鋳造装置では、押湯空間の中間位置における押湯の温度を測定し、測定温度が所定温度になった段階で、押湯空間にミストを吹き付けて冷却を開始する。
特許文献２には、押湯空間に冷却ピンを押し込むことによって、押湯空間の溶湯を冷却して凝固させる重力鋳造装置が開示されている。特許文献２の鋳造装置では、製品空間内の溶湯の凝固がほぼ終了するタイミングで押湯空間の冷却を開始する。

特開平８−１９８５２号公報 特開２００５−１９３２４６号公報

特許文献１の鋳造装置では、押湯に直接ミストを吹き付けるため、押湯の表面が凝固するまで冷却を開始することができない。特許文献２の鋳造装置では、押湯の冷却を開始するタイミングが早すぎると、製品空間の溶湯よりも押湯のほうが早く凝固してしまい、製品に引け巣が発生してしまう虞がある。逆に、押湯の冷却を開始するタイミングが遅いと、鋳造のサイクルタイムが長くなってしまう。

本発明は上述した事情を鑑みてなされたものであり、押湯の冷却を開始するタイミングをより的確に決定することができる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の重力鋳造装置は、金型と第１検知手段と冷却手段を備える。金型は、製品空間と製品空間に連通された押湯空間を有する。第１検知手段は、製品空間と押湯空間との境界における溶湯の固相率に対応する指標を検知する。冷却手段は、第１検知手段で検知された指標が第１基準値に達したときに押湯空間内の溶湯の冷却を開始する。
製品空間内の溶湯が凝固して収縮すると、押湯空間内の溶湯（以下、押湯という）が製品空間内に流入する。しかしながら、製品空間と押湯空間との境界に位置する溶湯がある程度凝固すると、押湯が製品空間に流入できなくなる。製品空間と押湯空間との境界に位置する溶湯の凝固の進行状況を知るには、製品空間と押湯空間との境界に位置する溶湯の固相率を検知すればよい。溶湯の固相率が変化すると、それに追従して変化する指標がある。例えば、製品空間と押湯空間との境界近傍の溶湯の温度や、製品空間と押湯空間との境界近傍の溶湯の硬度等がある。

この重力鋳造装置では、冷却手段が製品空間と押湯空間との境界における溶湯の固相率に対応する指標が第１基準値に達したときに押湯空間内の溶湯の冷却を開始する。第１基準値とは、製品空間と押湯空間との境界に位置する溶湯の凝固によって、押湯が製品空間に流入できなくなるときの溶湯の固相率に対応する指標の値である。押湯が製品空間に流入できなくなるときの溶湯の固相率は、製品空間と押湯空間とを連通する連通孔の大きさや溶湯の材質等によって異なる。例えば、連通孔が小さい場合には、連通孔が大きい場合と比べて、溶湯の凝固率が低い段階で押湯が製品空間に流入できなくなる。また、例えば、溶湯の粘度が高い場合には、粘度が低い場合と比べて、溶湯の凝固率が低い段階で押湯が製品空間に流入できなくなる。第１基準値は、製品空間と押湯空間とを連通される連通孔の大きさや溶湯の材質に応じて予め決めておく。
この重力鋳造装置では、製品空間と押湯空間との境界における溶湯の固相率によって押湯の冷却開始タイミングを決定している。この重力鋳造装置によれば、押湯の凝固が早すぎて製品に引け巣が形成されることを防止するとともに、押湯の凝固が遅すぎて鋳造時間が長くなってしまうことを防止することができる。

この重力鋳造装置では、第１検知手段は、製品空間と押湯空間との境界近傍の溶湯の温度と硬度の少なくとも一方を測定することが好ましい。
製品空間と押湯空間との境界近傍の溶湯の温度や硬度は、製品空間と押湯空間との境界の固相率に対応して変化する。従って、製品空間と押湯空間との境界近傍の溶湯の温度と硬度の少なくとも一方を測定することによって、容易に製品空間と押湯空間との境界の固相率を知ることができる。

この重力鋳造装置では、押湯空間内の溶湯の固相率に対応する指標を検知する第２検知手段をさらに備えていることが好ましい。冷却手段は、第２検知手段で検知された指標が第２基準値に達したときに冷却を停止することが好ましい。
冷却手段で押湯を冷却すると、押湯空間周辺の金型も冷却される。連続して鋳造が実施される場合、押湯空間周辺の金型の温度が低いと、押湯が製品空間内の溶湯よりも早く凝固してしまう虞がある。この重力鋳造装置では、例えば、押湯の温度等の押湯空間内の溶湯の固相率に対応する指標を検知して、冷却を停止するタイミングを決定する。第２基準値とは、例えば、押湯が完全に凝固したときの指標の値である。例えば、指標が押湯の温度の場合、第２基準値は押湯の固相線温度である。

この重力鋳造装置では、冷却手段は、金型に形成された冷媒通路に冷却液を供給する冷却液供給手段と、冷媒通路に気体を供給して冷却液を排出させる冷却液排出手段を備えていることが好ましい。この場合、冷却液供給手段は、第１検知手段で検知された指標が第１基準値に達したときに冷却液の供給を開始するとともに第２検知手段で検知された指標が第２基準値に達したときに冷却液の供給を停止することが好ましい。冷却液排出手段は、第２検知手段で検知された指標が第２基準値に達したときに気体の供給を開始することが好ましい。
押湯の冷却開始タイミングでは、冷却液供給手段が冷媒通路に冷却液を供給することによって、押湯を冷却する。一方において、押湯の冷却停止タイミングでは、冷却液排出手段が冷媒通路に空気等の気体を供給して冷媒通路内の冷却液を外部に排出させることによって冷却を停止する。この構成によれば、冷却している状態から素早く冷却を停止することができる。これにより、必要以上に押湯周辺の金型が冷却されることを防止することができる。

本発明では、重力鋳造方法も提供する。この重力鋳造方法は、製品空間と製品空間に連通された押湯空間を有する金型を用いる。この重力鋳造方法は、溶湯導入工程と検知工程と冷却工程を備える。溶湯導入工程は、製品空間と押湯空間に溶湯を導入する。検知工程は、製品空間と押湯空間との境界における溶湯の固相率に対応する指標を検知する。冷却工程は、検知工程で検知された指標が第１基準値に達したときに押湯空間内の溶湯の冷却を開始する。
この重力鋳造方法によっても、上記した重力鋳造装置と同様の効果を得ることができる。

本発明によると、押湯の冷却を的確に開始することができる。これにより、鋳造のサイクルタイムを短縮することができるため、短時間でより多くの製品を製作することができる。

下記の実施例の技術的な特徴について列記する。
（形態１） 冷媒通路は、金型内を通過しており、その一部が押湯空間内に位置している。
（形態２） 冷媒通路の金型内を通過する部分の少なくとも一部の周りには、断熱部が形成されている。

本発明を具現化した実施例に係る重力鋳造装置を図面を参照して説明する。図１は、重力鋳造装置１０の縦断面図である。図１では、一部の構成（変位計２０の一部と冷却装置３６の一部）をブロック図で示している。重力鋳造装置１０は、金型１２と冷却装置３６と第１熱電対１８と第２熱電対２４と変位計２０と制御装置５０（図３参照）を備えている。金型１２は、上型１４と下型３２を有している。上型１４と下型３２によって製品空間２８が形成されている。
上型１４には、湯口２２と押湯空間１６が形成されている。湯口２２は、金型１２の上方に開口している。押湯空間１６の周囲は、断熱材１７で覆われている。押湯空間１６は、その下端において、連通孔２６を介して製品空間２８と連通している。図２に示すように、連通孔２６は、後述する冷却装置３６の周りを一巡して形成されている。

第１熱電対１８は、押湯空間１６内の溶湯（押湯）６０の上方の温度を測定するように配置されている。変位計２０は、押湯空間１６と製品空間２８の境界近傍の押湯６０の硬度を測定する。変位計２０は、押湯空間１６まで貫通する貫通孔２１に挿入された押し付け捧２０ａを押湯６０に押し付けることによって硬度を測定する。押し付け捧２０ａは、例えばその押湯６０との接触部分の直径が５ｍｍである。また、変位計２０は、例えば押し付け捧２０ａを１ｋｇ重の荷重で押し付ける。第２熱電対２４は、押湯空間１６と製品空間２８との境界の温度を測定するように配置されている。
図２に示すように、変位計２０と第２熱電対２４は、位置Ｘにおける溶湯６０の硬度と温度を測定する。位置Ｘは、連通孔２６のうち最も幅の広い位置である。即ち、変位計２０と第２熱電対２４は、押湯空間１６と製品空間２８の境界の最も肉厚な部分の溶湯６０の硬度と温度を計測している。

下型３２には、冷却装置３６の冷却ピン３７が挿入されている。冷却ピン３７の上端部は、押湯空間１６内に位置している。冷却ピン３７の上端は、押湯空間１６の周囲を覆う断熱材１７の下面に当接している。冷却ピン３７の周囲には、断熱スリット３０と断熱スリット３０の下方に位置する空気層３８が形成されている。断熱スリット３０と空気層３８は、冷却ピン３７によって下型３２が冷却されることを抑制している。冷却ピン３７の内部には、第１冷水路４２が挿入されている。第１冷水路４２と冷却ピン３７との間には、第２冷水路４０が形成されている。第１冷水路４２の一端には、冷水タンク４８が接続されている。冷水タンク４８には、冷水が貯留されている。冷水タンク４８内の冷水は、冷水ポンプ４６によって、第１冷水路４２に導入される。第１冷水路４２に導入された冷水は、第１冷水路４２を通過して、第１冷水路４２の上端から排水される。第１冷水路４２から排水された冷水は、第２冷水路４０を通過して冷水タンク４８に戻る。冷却装置３６には、第２冷水路４０を通過して冷水タンク４８に戻る冷却水を冷却する装置が配置されていてもよい。また、第１冷水路４２には、エアポンプ４４が接続されている。エアポンプ４４が駆動されると、第１冷水路４２に空気が導入される。
また、下型３２には、製品空間２８内の溶湯６０を冷却するための冷水管３４が形成されている。

次に、重力鋳造装置１０の制御系統について説明する。図３は、重力鋳造装置１０の制御系統を示すブロック図である。制御装置５０には、第１熱電対１８と第２熱電対２４と変位計２０と冷水ポンプ４６とエアポンプ４４とメモリ５２が通信可能に接続されている。メモリ５２は、冷却開始温度と冷却開始変位と冷却停止温度が記憶されている。冷却開始温度と冷却開始変位と冷却停止温度は、溶湯６０の材質や連通孔２６の形状等によって決定され、作業者が予めメモリ５２に記憶させておく。

次に、重力鋳造装置１０を用いた鋳造方法について説明する。作業者は、湯口２２から溶湯６０を導入する。湯口２２に導入された溶湯６０は、製品空間２８に充満され、押湯空間１６に導入される（ステップＳ１２）。次に、作業者は、下型３２の冷水管３４に冷却水を導入させる（ステップＳ１４）。制御装置５０は、第２熱電対２４で測定される溶湯６０の温度が、メモリ５２に記憶されている冷却開始温度以下になるまで、熱電対２４で測定される溶湯６０の温度を監視している（ステップＳ１６）。熱電対２４で測定される溶湯６０の温度が冷却開始温度以下になると（ステップＳ１６でＹＥＳ）、制御装置５０は、変位計２０を作動させて（ステップＳ１８）、押し付け捧２０ａを押湯空間１６と製品空間２８の境界近傍の押湯６０に押し付ける。変位計２０は、押し付け捧２０ａの変位量情報を制御装置５０に送信する。制御装置５０は、変位計２０から送信された変位量から押し付け捧２０ａが変位したか否かを確認する（ステップＳ２０）。押し付け捧２０ａが変位した場合（ステップＳ２０でＹＥＳ）、制御装置５０は、再度変位計２０を作動させて（ステップＳ１８）、押し付け捧２０ａの変位量を計測させる。制御装置５０は、所定の間隔を空けて変位計２０を再度作動させてもよい。

押し付け捧２０ａが変位しなくなった場合（ステップＳ２０でＮＯ）、制御装置５０は、冷水ポンプ４６を駆動させる。冷水ポンプ４６が駆動されると、第１冷水路４２に冷水が供給される。これにより、押湯空間１６内の押湯６０が冷却される。重力鋳造装置１０では、第２熱電対２４によって製品空間２８と押湯空間１６との境界の溶湯６０の温度を測定し、変位計２０によって製品空間２８と押湯空間１６との境界の溶湯６０の硬度を測定している。これにより、冷却開始タイミングが決定される。２つの指標を測定することで、測定誤差によって誤って冷却が開始されることを防止している。しかしながら、溶湯６０の温度又は硬度のいずれか一つのみを指標としてもよい。制御装置５０は、第１熱電対１８で測定される押湯６０の温度がメモリ５２に記憶されている冷却停止温度以下になるまで第１熱電対１８の温度を監視している（ステップＳ２４）。第１熱電対１８で測定される押湯６０の温度が冷却停止温度以下の場合（ステップＳ２４でＹＥＳ）、冷水ポンプ４６を停止する（ステップＳ２６）。制御装置５０は、エアポンプ４４を駆動させる（ステップＳ２８）。エアポンプ４４が駆動されると、第１冷水路４２に空気が供給される。これにより、第１冷水路４２と第２冷水路４０内の冷水が冷水タンク４８に排水される。制御装置５０は、エアポンプ４４を駆動させてから所定時間（例えば、エアポンプ４４によって供給された空気によって、第１冷水路４２と第２冷水路４０内の略全ての冷水が排水されるために必要な時間以上）が経過する（ステップＳ３０）と、エアポンプ４４を停止して（ステップＳ３２）処理を終了する。

重力鋳造装置１０では、金型１２に押湯空間１６を設けて、製品空間２８内の溶湯６０が収縮したときに押湯空間１６内の押湯６０が製品空間２８内に導入される。これにより、製品空間２８内の溶湯６０が凝固収縮することによって発生する引け巣が防止されている。製品空間２８と押湯空間１６との境界の溶湯６０がある程度凝固すると、押湯空間１６内の押湯６０が製品空間２８内に導入されなくなる。重力鋳造装置１０では、製品空間２８と押湯空間１６との境界近傍の溶湯６０の温度と硬度によって、押湯空間１６内の押湯６０の冷却開始タイミングを決定している。重力鋳造装置１０によれば、押湯空間１６内の押湯６０が製品空間２８に導入されなくなるときの製品空間２８と押湯空間１６との境界の溶湯の固相率によって、押湯６０の冷却を開始することができる。これにより、押湯６０の冷却を的確に開始することができる。特に、製品空間２８と押湯空間１６とを連通する連通孔２６が小さい場合には、製品空間２８と押湯空間１６との境界の溶湯６０が完全に凝固しなくても、押湯６０が製品空間２８に流入しなくなる。

重力鋳造装置１０では、製品空間２８と押湯空間１６とを連通する連通孔２６のうち最も幅の広い位置における溶湯６０の温度と硬度を測定している。即ち、押湯空間１６と製品空間２８の境界の最も肉厚な部分の溶湯６０の硬度と温度を計測している。最も肉厚な部分の溶湯６０の温度と硬度がそれぞれ、冷却開始温度と冷却開始変位に達していれば、他の部分の溶湯６０の温度と硬度もそれぞれ、冷却開始温度と冷却開始変位に達しているということができる。押湯空間１６と製品空間２８の境界の最も肉厚な部分の溶湯６０の温度と硬度を計測することで、他の位置での温度と硬度を測定する必要がない。これにより、熱電対や変位計の数を少なくすることができる。

発明者が実施した実験では、溶湯６０にアルミニウム合金を用いて、連通孔２６を比較的に小さくした場合、製品空間２８と押湯空間１６との境界のアルミニウム合金の固相率がおよそ０．４に到達すると、押湯空間１６から製品空間２８に溶湯６０が導入されなくなった。このタイミングで押湯６０の冷却を開始することにより、鋳造時間を大幅に低減することが可能となった。

重力鋳造装置１０では、押湯空間１６内に冷却ピン３７が配置されている。この構成によれば、押湯空間１６内の導入すべき溶湯６０の量が少なくて済む。これにより、製品の歩留まりを向上させることができる。
また、重力鋳造装置１０では、第１熱電対１８の測定温度によって、押湯空間１６内の押湯６０の凝固の進行状況を確認している。制御装置５０は、押湯６０の凝固が略終了すると、冷水を停止して、冷却ピン３７内から冷水を排水させる。この構成によれば、押湯空間１６が必要以上に冷却されることを防止することができる。これにより、続けて鋳造を行う場合に、押湯空間１６に導入された押湯６０が製品空間２８に導入された溶湯６０よりも早く凝固することを防止することができる。また、下型３２を通過する冷却ピン３７の周囲には、断熱スリット３０と空気層３８が形成されている。これにより、冷却ピン３７内を通過する冷水によって、下型３２が冷却されることを防止するとともに、押湯空間１６近傍に到達する前に、冷水が暖められることを抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施例の重力鋳造装置を示す平面図。 図１のII-II断面を示す断面図。 本実施例の重力鋳造装置の制御系統を示すブロック図。 本実施例の鋳造の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１０：重力鋳造装置
１２：金型
１６：押湯空間
１８：第１熱電対
２０：変位計
２２：湯口
２４：第２熱電対
２６：連通孔
２８：製品空間
３０：断熱スリット
３６：冷却装置
３８：空気層
５０：制御装置
５２：メモリ

Claims (5)

1. 製品空間と製品空間に連通された押湯空間を有する金型と、
   製品空間と押湯空間との境界における溶湯の固相率に対応する指標を検知する第１検知手段と、
   第１検知手段で検知された指標が第１基準値に達したときに押湯空間内の溶湯の冷却を開始する冷却手段、
   を備える重力鋳造装置。
2. 第１検知手段は、製品空間と押湯空間との境界近傍の溶湯の温度と硬度の少なくとも一方を測定することを特徴とする請求項１に記載の重力鋳造装置。
3. 押湯空間内の溶湯の固相率に対応する指標を検知する第２検知手段をさらに備えており、
   冷却手段は、第２検知手段で検知された指標が第２基準値に達したときに冷却を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の重力鋳造装置。
4. 冷却手段は、
   金型に形成された冷媒通路に冷却液を供給する冷却液供給手段と、
   冷媒通路に気体を供給して冷却液を排出させる冷却液排出手段、
   を備えており、
   冷却液供給手段は、第１検知手段で検知された指標が第１基準値に達したときに冷却液の供給を開始するとともに第２検知手段で検知された指標が第２基準値に達したときに冷却液の供給を停止し、
   冷却液排出手段は、第２検知手段で検知された指標が第２基準値に達したときに気体の供給を開始することを特徴とする請求項３に記載の重力鋳造装置。
5. 製品空間と製品空間に連通された押湯空間を有する金型を用いる重力鋳造方法であって、
   製品空間と押湯空間に溶湯を導入する溶湯導入工程と、
   製品空間と押湯空間との境界における溶湯の固相率に対応する指標を検知する検知工程と、
   検知工程で検知された指標が第１基準値に達したときに押湯空間内の溶湯の冷却を開始する冷却工程、
   を備える重力鋳造方法。

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