JP2014121719A

JP2014121719A - 鋳型の冷却装置および冷却方法

Info

Publication number: JP2014121719A
Application number: JP2012279255A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Nigana; 靖人仁賀奈
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-07-03

Abstract

【課題】鋳巣を生じ易い特定部位を直接的に冷却して、鋳造品の鋳巣の発生を十分に抑制できる鋳型の冷却装置および冷却方法を提供する。
【解決手段】鋳型１０に設けられて鋳造品の鋳巣が発生し易い特定部位Ｐを冷却する冷却装置１であって、先端部７１がキャビティＣに連通し、鋳造中にキャビティＣ内の空気Ｂを外部へ排出するとともに外部から冷却空気Ａが供給される通気孔７と、先端部７１に設けられて、キャビティ内の空気および冷却空気Ａを通し、キャビティＣ内の溶湯Ｍを通さないフィルタ部材８とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、主としてアルミニウム合金のような金属の低圧鋳造法に好適した鋳型の冷却装置および冷却方法に関する。

従来、例えばアルミニウム合金のような金属の低圧鋳造法において、肉厚の変化が大きくなる部位では、肉厚の大きい箇所と小さい箇所で溶湯が凝固するタイミングにずれが生じることにより、凝固の遅い厚肉の箇所に収縮巣のような鋳巣が発生することがある。この鋳巣の発生は鋳造品にとって好ましくなく、これを回避するために様々な技術が開発されている。例えば、鋳巣が生じ易い特定部位の近傍の金型を部分的に空気によって冷却する方法がある（特許文献１）。また、金型の内表面に空気を吹き込むことにより冷却するものがある（特許文献２）。

特開平１０−１１８７５５号公報特開平８−１３２１７５号公報

しかしながら、前記特許文献１は、空気が金型自体を部分的に冷却するものであり、鋳造品の鋳巣を生じ易い特定部位を直接的に冷却するものではない。また、特許文献２によるものでは、空気の導入は鋳造後に開始されるものであって、やはり、鋳造品の鋳巣を生じ易い箇所が直接的に冷却されるものではない。このように、特許文献１，２のいずれの場合も金型に対する冷却であって、その効果が限定的で、鋳巣の発生を十分に防止できるものではなかった。

本発明の目的は、鋳造品の鋳巣を生じ易い特定部位を直接的に冷却して、鋳巣の発生を十分に抑制することができる鋳型の冷却装置および冷却方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明にかかる鋳型の冷却装置は、鋳型に設けられて鋳造品の鋳巣が発生し易い特定部位を冷却する冷却装置であって、先端部がキャビティに連通し、鋳造中に前記キャビティ内の空気を外部へ排出するとともに外部から冷却空気が供給される通気孔と、前記先端部に設けられて、前記キャビティ内の空気および前記冷却空気を通し、前記キャビティ内の溶湯を通さないフィルタ部材とを備えている。

この構成によれば、通気孔の先端部がキャビティに連通しているので、前記先端部と鋳造品の巣が発生し易い特定部位とが接触状態となり、前記特定部位をフィルタ部材を通った冷却空気で直接的にかつ効率的に冷却できる。これにより、鋳造品の鋳巣の発生を十分に抑制できる。しかも、フィルタ部材はキャビティ内の溶湯を通気孔側に通さないので、前記特定部位の溶湯が通気孔に漏れ出すことがない。また、キャビティへの溶湯の充填中にキャビティ内の空気がフィルタ部材を通って通気孔から外部（大気中）に放出される、いわゆるガス抜きがなされるので、キャビティ内に空気が閉じ込められて溶湯の充填不足が生じるのを防止できる。

本発明において、さらに、キャビティ内の溶湯の固体化が始まったのち、固相線に達する前に前記冷却空気を通気孔に供給させる空気供給制御手段を備えていることが好ましい。この構成によれば、冷却空気は、空気供給制御手段によって、キャビティ内の溶湯の固体化が始まったのちの正確なタイミングで、通気孔に供給されるから、空気の圧力によって、固まりつつあるキャビティ内の溶湯の表面に風紋が生じるのを防止できる。また、冷却空気は、固相線に達する前に通気孔に供給されるから、鋳巣の発生しやすい部分が完全に固化する前に冷却される。つまり、空気供給制御手段により、鋳造品の鋳巣が発生しにくいタイミングで通気孔に冷却空気を供給し、鋳造品の鋳巣が発生し易い特定部位を直接的に冷却するので、鋳造品の鋳巣の発生を効果的に抑制できる。

本発明において、前記フィルタ部材は複数の平行なスリットを有することが好ましい。この構成によれば、冷却空気がスリットを通過することで、冷却空気とフィルタ部材との接触面積が増大するとともに、フィルタ部材が均一に冷却される。その結果、鋳造品の巣が発生し易い特定部位が、効果的に、かつムラなく冷却される。

本発明において、前記フィルタ部材は、複数の平行なスリットを有する前壁と、前記通気孔に嵌合する周壁とを有するキャップからなることが好ましい。この構成によれば、フィルタ部材がキャップであることで、通気孔の先端部への嵌め込みが容易で、メンテナンス時における先端部からの取り外しも容易に行える。しかも、複数のスリットはキャップの前壁に設けられているので、キャビティに向けた冷却空気の吹き出しがスムーズとなり、効率的な冷却ができる。

本発明において、前記通気孔内に、前記冷却空気を導入する導入通路を内側に形成する空気導入パイプが挿入され、前記空気導入パイプと前記通気孔の内面との間に、前記溶湯を冷却した後、前記冷却空気を外部に排出する排出通路が形成されていることが好ましい。この構成によれば、空気導入パイプを用いることで、その内側と外側に冷却空気の導入通路と排出通路をそれぞれ形成しているので、構造が簡単になる。

本発明にかかる鋳型の冷却方法は、鋳型における鋳造品の巣が発生し易い特定部位を冷却する冷却方法であって、前記鋳型に通気孔を形成して、その先端部をキャビティに連通させ、前記先端部に、冷却空気をキャビティに通し、前記キャビティ内の溶湯を前記通気孔に通さないフィルタ部材を取り付け、鋳造中に前記通気孔に前記冷却空気を供給して前記特定部位を冷却する。

この構成の冷却方法によれば、前述の冷却装置と同様に、鋳造品の鋳巣の発生を十分に抑制できるとともに、溶湯のロスを発生させない。

前記鋳型の冷却方法においてもやはり、キャビティ内の溶湯の固体化が始まったのち、固相線に達する前に前記冷却空気を通気孔に供給することが好ましい。

本発明にかかる鋳型の冷却装置および冷却方法によれば、通気孔の先端部がキャビティに連通しており、前記先端部と鋳造品の巣が発生し易い特定部位とが接触状態にあるから、前記特定部位を冷却空気で直接的にかつ効果的に冷却できるので、鋳造品の鋳巣の発生を十分に抑制できる。しかも、フィルタ部材によって、前記特定部位の溶湯が通気孔に漏れ出すのを防止できるとともに、キャビティ内のガス抜きを行なって、溶湯の充填不足を防止できる。

鋳造品の一例を示す斜視図である。本発明の一実施形態にかかる鋳型の冷却装置の概念構成を示すブロック図である。同冷却装置の要部を示す縦断面図である。同冷却装置に用いるキャップの斜視図である。同冷却装置による冷却を行った場合の溶湯温度の時間経過を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる冷却装置を使用した鋳型によって製造される鋳造品の一例であるエンジンのシリンダヘッドＧを示す斜視図である。同図に示すシリンダヘッドＧでは、鋳造時に鋳巣が発生しやすい特定部位Ｐは、シリンダヘッドＧの側端部にあって、オイルレベルセンサのような部品の単一の支持ブラケット（図示しない）を取り付ける複数のボス１０ａ，１０ｂ，１０ｃのうち、肉厚の変化が大きくなるボス１０ａの部分である。鋳造品においては、一般に肉厚の大きい箇所と小さい箇所で溶湯が凝固するタイミングにずれが生じることにより、凝固の遅い厚肉の箇所に収縮巣のような鋳巣が発生する。そこで、この実施形態では、図２に示すような冷却装置１によって、鋳造時に鋳巣が発生しやすい特定部位Ｐであるボス１０ａを直接的に冷却しつつ、鋳造することにより、鋳巣の発生を抑制する。

冷却装置１は、鋳型１０の外部に、空気供給制御手段３を含むコントローラ２と、冷却装置１に冷却空気Ａを供給する空気源４と、この空気源４と冷却装置１とを制御弁６を介して連結する空気導入パイプ５とを備えている。前記制御弁６は、コントローラ２の空気供給制御手段３から指令信号ｆを受けて開閉動作し、「開」の指令信号ｆ1で開いて、空気源４から冷却空気Ａを空気導入パイプ５に導入し、「閉」の指令信号ｆ2で前記制御弁６を閉じて、冷却空気Ａの供給を停止する。前記空気供給制御手段３による指令ｆは、鋳造時、空気源４からの冷却空気Ａを、後述する一定のタイミングで特定部位Ｐに向けて供給するように、コントローラ２によりプログラムされている。

図３は冷却装置１の要部を拡大して示す縦断面図である。冷却装置１が適用される鋳型を形成する金型１０は、シリンダヘッドＧの内側上部を形成する上型１１と、内側下部を形成する下型１２と、外側を形成する周方向に４分割された外型１３とを有している。これらの型１１〜１３で形成される鋳型空間であるキャビティＣに、アルミニウム合金のような金属の溶湯Ｍが下型１２の湯道１５から注入される。

注入された溶湯Ｍのうち、肉厚の変化が大きくなるボス１０ａに相当する、鋳巣が発生しやすい特定部位Ｐ（一点鎖線で囲む部分）に向けて、外型１３に、金型１０の外部からの冷却空気Ａが供給される通気孔７が設けられている。この通気孔７の先端部７１はキャビティＣに連通しており、前記先端部７１に冷却空気ＡをキャビティＣに通し、キャビティＣ内の溶湯Ｍを通気孔７に通さないフィルタ部材８が設けられている。前記通気孔７内には、空気導入パイプ５が挿入され、この空気導入パイプ５の内側に外部からの冷却空気Ａを導入する導入通路５０が形成されている。空気導入パイプ５の外周面と通気孔７の内面との間に、溶湯Ｍを冷却した後の昇温した冷却空気Ａａを金型１０の外部に排出する円環状の排出通路９が形成されている。

キャビティＣへの溶湯Ｍの充填中には、キャビティＣ内の空気Ｂがフィルタ部材８を通って、通気孔７内の排出通路９から金型１０の外部に排出される、いわゆるガス抜きがなされる。

前記フィルタ部材８は、例えば図４に示すキャップの形状に形成されている。図４において、通気孔７の先端部７１側となる円形の前壁８２には複数のほぼ平行なスリット８１が形成されている。スリット８１は互いに±５°程度の交差角度を持っていてもよい。フィルタ部材８の周壁８３にはローレット加工により、軸方向に延びるローレット溝８４が等間隔で全周に刻まれている。周壁８３は、ローレット溝８４により通気孔７の内周面に強固に嵌合される。前記スリット８１の開口幅Ｗは、好ましくは０．１５〜０．２５ｍｍであり、この例では０．２ｍｍである。スリット８１の開口幅Ｗが０．２５ｍｍを超えると、スリット８１から図３に示す溶湯Ｍが通気孔７側に入り込むおそれがあり、０．１５ｍｍ未満であると加工性が低下する。

図５に示すグラフは、本発明による冷却装置により鋳造品の鋳巣が発生し易い特定部位Ｐと、その上流側の部位の温度変化を示す。溶湯Ｍの温度は図３に示す特定部位Ｐに望む特定位置Ｑ１と、湯道１５から特定部位Ｐへ向かう中途の供給位置Ｑ２とで測定した。溶湯注入が開始されたのち、溶湯Ｍが特定位置Ｑ１と供給位置Ｑ２とに達した時点ｔ０からの測温データが図５に示されている。

図５の溶湯到達時点ｔ０で、特定位置Ｑ１の温度（特定部位温度）Ｔ１と、供給位置Ｑ２の温度（供給部位温度）Ｔ１は、放熱により既に液相線Ｌ（５９０°）を若干下回っている。溶湯到達時点ｔ０から特定部位温度Ｔ１および供給部位温度Ｔ２はさらに下降を続け、約５５０℃位から固体化が始まる。このとき、肉厚の小さい部位を測定している供給部位温度Ｔ２の方が、特定部位温度Ｔ１よりも放熱が進んで低温となり、先に固体化が始まる。

特定部位温度Ｔ１および供給部位温度Ｔ２が固相線Ｓ（５２０°）に達する前の時点ｔｓで、図２の空気供給制御手段３が制御弁６を開いて、通気孔７に冷却空気Ａを供給し（空冷開始）、特定部位Ｐを冷却する。

この空気冷却により、図５の特定部位温度Ｔ１が供給部位温度Ｔ２よりも低下し、供給部位温度Ｔ２よりも先に固相線Ｓに達し、特定部位Ｐ（図３）が凝固する。その後、供給部位温度Ｔ２が固相線Ｓに達し、図３の特定部位Ｐよりも上流側の部位（供給位置Ｑ２）が凝固する。このように、鋳巣が発生し易い特定部位Ｐが凝固した時点では、その上流側の部位は未だ凝固していないので、この上流側の部位を通して、特定部位Ｐが凝固するまで溶湯Ｍによる鋳造圧力が特定部位Ｐに付加される。これにより、特定部位Ｐにおける鋳巣の発生を効果的に抑制できる。

冷却空気Ａの供給は、特定部位温度Ｔ１および供給部位温度Ｔ２が適温に低下するまで続行される。この間の冷却空気Ａの供給により、特定部位温度Ｔ１は供給部位温度Ｔ２よりも低く保たれる。冷却空気Ａの供給停止のタイミングが早いと、終了時の金型の温度が高くなるので好ましくなく、次回の鋳造において、金型の温度が上がり過ぎず、かつ下がり過ぎない適温になるように、冷却空気Ａの供給停止タイミングを決定する。

量産時の鋳造作業においては、図３の金型１０への温度センサの装着が困難であることから、温度管理は実用的でないので、時間管理によって冷却空気Ａの供給・停止を制御する。すなわち、空気供給制御手段３による制御弁６の開閉制御が時間管理で行われ、溶湯ＭのキャビティＣへの注入開始時点から一定時間経過した時点ｔｓ（図５）で、通気孔７に冷却空気Ａを供給する（空冷開始）。図５に示した温度特性は予め試験運転によって得られているので、空冷開始のタイミングｔｓを、液相線Ｌと固相線Ｓの間の最適なタイミングに選ぶことができる。冷却空気Ａの供給は、前記注入開始時点ｔｓから所定時間に達した時点ｔｅで停止する（空冷停止）。なお、この時間管理は、金型の大きさ、季節を含めた外部環境、溶湯の材料、キャビティの大きさ等によって、適宜調整される。

上記構成にかかる冷却装置の動作を説明する。鋳造が開始されると、図３の湯道１５からキャビティＣに溶湯Ｍが注入される。キャビティＣへの溶湯Ｍの充填中には、図２の制御弁６は閉じられており、図３のキャビティＣ内の空気Ｂがフィルタ部材８を通って、通気孔７内の排出通路９から金型１０の外部に排出される。したがって、キャビティＣ内に空気Ｂが閉じ込められて溶湯Ｍの充填不足が生じるのを防止できる。

溶湯Ｍは、注入が完了した時点から温度低下し始め、溶湯Ｍの固体化が始まったのち（約５５０℃）、固相線Ｓに達する前の空冷開始時点で、図２に示すコントローラ７の空気供給制御手段３から「開」の指令ｆ１によって制御弁６を開放し、空気源４から、図３の冷却装置１の通気孔７内の空気導入パイプ５に冷却空気Ａを供給する。この冷却空気Ａは通気孔７を矢印ａ方向に移動し、通気孔７の先端部７１に設けたフィルタ部材８を通過して、キャビティＣ内の溶湯Ｍに対して吹付けられて、溶湯Ｍを直接的に冷却する。これにより、溶湯Ｍが十分冷却される。

溶湯Ｍを冷却した後の昇温した冷却空気Ａａは、図３の矢印で示すように、排出通路９を折り返して金型１０の外部に排出される。注入開始時点から所定時間継続後、空気供給制御手段３からの「閉」の指令信号ｆ２によって、制御弁６を閉じ、冷却空気Ａの供給を停止する。こうして得られたシリンダヘッドＧは特定部位Ｐに鋳巣が存在しないことが確認された。

ここで、図３に示すように、通気孔７の先端部７１がキャビティＣに連通しているので、前記先端部７１と鋳造品の巣が発生し易い特定部位Ｐとが接触状態となり、前記特定部位Ｐを冷却空気Ａで直接的にかつ効率的に冷却できる。これにより、鋳造品の鋳巣の発生を十分に抑制できる。しかも、前記先端部７１には冷却空気Ａのみを通過させ、キャビティＣ内の溶湯Ｍを通さないフィルタ部材８を備えているので、前記特定部位Ｐの溶湯Ｍが通気孔７に漏れ出すことがない。

図２に示すように、空気供給制御手段３による制御弁６の開放により、冷却空気Ａは、キャビティＣ内の溶湯Ｍの固体化が始まったのちの正確なタイミングで、通気孔７に供給されるから、空気の圧力によって、固まりつつあるキャビティＣ内の溶湯Ｍの表面に風紋が生じるのを防止できる。また、冷却空気Ａは、固相線Ｓに達する前に通気孔７に供給されるから、キャビティＣ内の溶湯Ｍにおける鋳巣の発生しやすい部分が、完全に固化する前に冷却される。つまり、空気供給制御手段３により、鋳造品の鋳巣が発生しにくいタイミングで通気孔７に冷却空気Ａを供給し、鋳造品の鋳巣が発生し易い特定部位Ｐを直接的に冷却するので、鋳造品の鋳巣の発生を効果的に抑制できる。

図４に示すように、フィルタ部材８は複数の平行なスリット８１を有しているから、冷却空気Ａがスリット８１を通過することで、冷却空気Ａとフィルタ部材８との接触面積が増大してフィルタ部材８が効果的に冷却されるとともに、フィルタ部材８１が場所的に均一に冷却される。その結果、鋳造品の巣が発生し易い特定部位が、十分かつ均一に冷却されたフィルタ部材８により効果的にムラなく冷却される。

さらに、フィルタ部材８はキャップ形状であるので、通気孔７の先端部７１への嵌め込みが容易で、メンテナンス時における先端部７１からの取り外しも容易に行える。しかも、図４の複数のスリット８１はキャップの前壁８２に設けられているので、図３のキャビティＣに向けた冷却空気Ａの吹き出しがスムーズとなり、効率的な冷却ができる。

冷却装置１の通気孔７の内面と、冷却空気Ａを導入する空気導入パイプ５の外面との間に、溶湯Ｍを冷却した後の冷却空気Ａを外部に排出する排出通路９が形成されている、つまり、空気導入パイプ５の内側と外側に冷却空気Ａの導入通路と排出通路９をそれぞれ形成しているので、構造が簡単になる。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１…冷却装置
２…コントローラ
３…空気供給制御手段
４…空気源
５…空気導入パイプ
７…通気孔
９…排出通路
１０…金型（鋳型）
５０…導入通路
７１…先端部
８…フィルタ部材
８１…スリット
８２…前壁
８３…周壁
Ａ…冷却空気
Ｂ…キャビティ内の空気
Ｃ…キャビティ
Ｇ…シリンダヘッド
Ｌ…液相線
Ｍ…溶湯
Ｐ…鋳巣が発生し易い特定部位
Ｓ…固相線

Claims

鋳型に設けられて鋳造品の巣が発生し易い特定部位を冷却する冷却装置であって、
先端部がキャビティに連通し、鋳造中に前記キャビティ内の空気を外部へ排出するとともに外部から冷却空気が供給される通気孔と、
前記先端部に設けられて、前記キャビティ内の空気および前記冷却空気を通し、前記キャビティ内の溶湯を通さないフィルタ部材とを備えた鋳型の冷却装置。
請求項１に記載の冷却装置において、さらに、前記キャビティ内の溶湯の固体化が始まったのち、固相線に達する前に前記冷却空気を前記通気孔に供給させる空気供給制御手段を備えた鋳型の冷却装置。
請求項１に記載の冷却装置において、前記フィルタ部材は複数のほぼ平行なスリットを有する鋳型の冷却装置。
請求項３に記載の冷却装置において、前記フィルタ部材は、前記複数の平行なスリットを有する前壁と、前記通気孔に嵌合する周壁とを有するキャップからなる鋳型の冷却装置。
請求項１から４のいずれかに記載の冷却装置において、前記通気孔内に、前記冷却空気を導入する導入通路を内側に形成する空気導入パイプが挿入され、前記空気導入パイプと前記通気孔の内面との間に、前記溶湯を冷却した後、前記冷却空気を外部に排出する排出通路が形成されている鋳型の冷却装置。
鋳型における鋳造品の巣が発生し易い特定部位を冷却する冷却方法であって、
前記鋳型に通気孔を形成して、その先端部をキャビティに連通させ、
前記先端部に、冷却空気をキャビティに通し、前記キャビティ内の溶湯を前記通気孔に通さないフィルタ部材を取り付け、
鋳造中に前記通気孔に前記冷却空気を供給して前記特定部位を冷却する鋳型の冷却方法。
請求項６の冷却方法において、キャビティ内の溶湯の固体化が始まったのち、固相線に達する前に前記冷却空気を通気孔に供給する鋳型の冷却方法。