JP2015047607A - 鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望のキャビティー部分とほぼ等しい体積の溶湯を通気性鋳型に重力注湯し、溶湯が充填される前に湯口部からガスを送気して所望のキャビティー部分に溶湯を充填させる鋳造方法において、重力注湯段階からガス送気段階へ速やかに切り替えが可能な鋳造装置を提供する。
【解決手段】 鋳型内に湯口部と湯道部と製品部とを有する通気性鋳型と、前記湯口部に溶湯を注湯する注湯装置と、注湯後に湯口部に接続可能に配置されるガス送気装置と、を具備し、前記湯口部は、前記湯道への流路となる導入管部と、前記注湯装置から流下された溶湯を受ける前記導入管部よりも拡径された湯口カップ部を有しており、前記注湯装置は、少なくとも注湯終了の前までに、前記ガス送気装置の動作空間から退避し、注湯終了後、ガス送気装置を湯口部に接続し、該ガス送気装置からガスを送気し溶湯を押し込み、製品部に溶湯を充填するものであることを特徴とする鋳造装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通気性鋳型を用いて所望の物品を得る鋳造装置に関するものである。

重力注湯における鋳造物品の製造には、通気性鋳型である砂粒子を用いて造型された鋳型、いわゆる砂型が最も一般的に用いられている。このような通気性鋳型を使用すれば、特定形状のキャビティーに溶湯が充填される際に、残留する気体（一般には空気）がキャビティー表面から押し出されることになり、キャビティー全体に金属溶湯（以下、溶湯ともいう）が回り、キャビティーと実質同一の鋳物を得ることができる。鋳型のキャビティーは、一般に湯口部、湯道部、押湯部及び製品部を有するものであり、この順で溶湯が供給される。そして、従来の技術においては、製品部を満たすだけの溶湯ヘッド高さを湯口部に形成して注湯が終了する。

こうして凝固した鋳造物品を見ると、湯口部、湯道部、押湯部及び製品部が鋳物として連結した形態となっている。ここで、押湯部は製品の健全化のために設定されるキャビティーであり不要な部分とはいえないが、湯口部や湯道部は製品部までの溶湯の経路に過ぎず、本来全く不要な部分である。したがって、湯口部や湯道部に溶湯が充填された状態で凝固させる限り、注入歩留まりの大幅な改善を図ることはできない。また、不要な部分が連結した鋳物であると、後工程である製品部の分離工程において製品部と不要な部分との仕分け作業に相当な工数を要し、生産効率の低下をきたす。従い、重力注湯において、鋳物として湯口部や湯道部の存在は大きな問題であった。

ところで、最近、上記のような問題に対して画期的な手法が、特許文献１及び特許文献２に提案されている。その手法とは、通気性鋳型のキャビティーのうちの一部である所望のキャビティー部分に金属溶湯を充填するため、鋳型キャビティーの全体の体積よりも小さく、所望のキャビティー部分とほぼ等しい体積の溶湯を重力注湯し、注湯された溶湯が所望のキャビティー部分に充填される前に、湯口部から圧縮ガスを送気して所望のキャビティー部分に溶湯を充填して凝固させるものである。この手法によれば、溶湯ヘッド高さによって必要であった圧力が、圧縮ガスによって補填されるため、湯口部はもちろん、湯道部の溶湯も、ほぼ不要とすることが可能となると期待されている。

特開２００７−７５８６２号公報 特開２０１０−２６９３４５号公報

本発明者らは、上記特許文献１および特許文献２に記載される手法を実現化するための検討を行なった。その結果、本手法においては、重力注湯段階からガス送気段階への切り替えが必須であることから、この切り替えのタイミングにおいて製品部に導入された溶湯が停滞して、湯境や照らされなどの不良を発生する可能性があることを認識した。このような溶湯の停滞における問題を解決するためには、製品部で溶湯の停滞をできるだけ起こさないように、前記切り替えをできるだけ早く行なうことのできる鋳造装置が必要である。

本発明は、上記課題に鑑み、重力注湯段階からガス送気段階へ速やかに切り替えが可能な鋳造装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記湯口部に溶湯を注湯する注湯装置を、少なくとも注湯終了の前までに、前記ガス送気装置の動作空間から退避するものとすることで、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。

すなわち本発明は、金属溶湯を通気性鋳型に重力注湯して鋳造物品を得る鋳造装置であって、鋳型内に湯口部と湯道部と製品部とを有する通気性鋳型と、前記湯口部に溶湯を注湯する注湯装置と、注湯後に湯口部に接続可能に配置されるガス送気装置と、を具備し、前記湯口部は、前記湯道への流路となる導入管部と、前記注湯装置から流下された溶湯を受ける前記導入管部よりも拡径された湯口カップ部を有しており、前記注湯装置は、少なくとも注湯終了の前までに、前記ガス送気装置の動作空間から退避し、注湯終了後、ガス送気装置を湯口部に接続し、該ガス送気装置からガスを送気し溶湯を押し込み、製品部に溶湯を充填するものであることを特徴とする鋳造装置である。

また、本発明においては、注湯装置は、注湯初期においては、溶湯の流線を、前記導入管部直上近傍に位置させ、注湯後期においては、溶湯の流線を、前記湯口カップ内の範囲であって前記導入管部直上近傍から離間する位置に移動させるものであることが好ましい。

また、本発明においては、湯口カップ部は、導入管部に形成した開口が、導入管部から離間する一方向に延びた形状であることが好ましい。また、前記湯口カップ部は、椀状の２つの窪みが連結した形状に形成されたものとすることができる。

本発明によれば、注湯後に湯口部にガス送気装置を速やかに接続することが可能となる。これにより、溶湯が停滞して湯境や照らされなどの不良の発生を抑制することが可能となる。

本発明の鋳造装置の動作の一例を示す図である。 本発明に係る湯口カップ部の一例を示す図である。 本発明に係る湯口カップ部の別の例を示す図である。 本発明に係る湯口カップ部の別の例を示す図である。 本発明に係るガス送気装置の湯口部への接続の一例を示す図である。

従来の重力注湯による鋳造においては、注湯時の重力のみで製品部が充填されるに必要な溶湯量を湯口部から供給するため、溶湯の停滞という問題は鋳造装置の異常等が起こらない限り発生しない。

一方、特許文献１及び特許文献２に提案されるような重力注湯段階からガス送気段階への移行を伴う鋳造にあっては、溶湯を製品部に充填するための駆動力を途中で切り替えることになる。そのため、切り替えのタイミングにおいて、溶湯を全く停滞させないか、あるいは停滞したとしても、品質に影響を及ぼさない極わずかな時間とすることが必要となる。

本発明者は、重力注湯段階からガス送気段階への切り替えの高速化を阻害する要因の一つとして、従来の鋳造装置におけるレードル等の注湯装置が、できるだけ湯口部直上近傍に溶湯を流下するように調整されていることに起因し、注湯後に注湯装置を退避させないと、ガス送気装置を湯口部に接続できないことにあることを突き止めた。

そこで、本発明においては、注湯装置は、少なくとも注湯終了の前までに、前記ガス送気装置の動作空間から退避する装置構成を採用したものである。以下、本発明の要部を詳しく説明する。

まず、本発明において、湯口部は、前記湯道への流路となる導入管部と、前記注湯装置から流下された溶湯を受ける前記導入管部よりも拡径された湯口カップ部を有するものとする。このように拡径された湯口カップ部を有することで、注湯装置が前記ガス送気装置の動作空間から退避しても、注湯の終了時点まで溶湯を受け続けることができる。

本発明においては、少なくとも注湯終了の前までに、注湯装置が前記ガス送気装置の動作空間から退避すればよく、注湯初期から湯口部直上から離間した位置に溶湯を流下させ、拡径された湯口カップ部で受けるものとしても良い。しかし、この構成だと、湯口カップの内周面に溶湯の全量が常に接触するものとなってしまい、溶湯による鋳型の損傷、空気の巻き込み、溶湯の酸化という点で不利である。

一方、注湯初期においては、溶湯の流線を、前記導入管部直上近傍に位置させ、注湯後期においては、溶湯の流線を、前記湯口カップ内の範囲であって、前記導入管部直上近傍から離間する位置に移動させるものとすれば、上記の問題の発生を抑制することが可能となる。

本発明における具体的な注湯装置としては、レードル、注湯管、注湯樋その他の注湯手段が適用できる。退避にあっては、注湯装置を導入管部から離間する一方向（導入管部の有する軸線に対して垂直方向）に移動させる方法が簡便であるため好ましい。

また、本発明において、湯口カップの拡径部が広ければ広いほど、注湯装置が退避できる空間が広くなる。しかし、上記の通り、注湯装置は一方向に退避することが最も簡便な装置となるため、湯口カップ部は、導入管部に形成した開口が、導入管部から離間する当該一方向（導入管部の有する軸線に対して垂直方向）に延びた形状であることが好ましい。

また、本発明において、湯口カップ部における拡径部とは、前記導入管部よりも広い間口部を意味するものであって、椀状、円錐状、角錐状、円錐台状、角錐台状等であってもよい。

なお、湯口カップ部の形成には、通常平板にＵ字状の縁面を形成した基材を回転して鋳型を切削する湯口カッターを用いることが多い。このような湯口カッターを使用した場合は、椀状あるいは円錐状もしくはこれらが延伸した形状にすることができる。このとき、前記導入管部上にカップ状の窪みを形成した後、前記湯口カッターを導入管部から離間する一方向に移動することで、椀状の２つの窪みが連結した形状に形成することができる。また、湯口カップ部は、導入管部から離間する方向に次第に浅くなるように形成してもよい。このように形成することで、湯口カップ部での溶湯の滞留をより減らすことができる。

本発明においては、注湯終了後、ガス送気装置を湯口部に接続し、該ガス送気装置からガスを送気し溶湯を押し込み、製品部に溶湯を充填する。

本発明においては、上記の通り、注湯装置は、少なくとも注湯終了の前までに、前記ガス送気装置の動作空間から退避されているため、即座にガス送気装置を湯口部に接続し、送気を行なうことができる。

本発明において、ガス送気装置における湯口部との接続部は、ノズル状とすることが好ましい。ノズル状とすることで、ノズルを湯口部に嵌め合わせること、言い換えれば、差し込むこと、で迅速にかつ送気漏れし難い接続ができるという利点がある。また、上記ノズルとしては、さらにテーパ状側面を形成しておくことが嵌め合わせ易いので好ましい。また、さらに湯口部にテーパ状壁面を形成しておけば、ノズルと湯口部とを確実に嵌め合わせることが可能となる。

また、本発明に適用するガスの種類は特に制限されないが、コスト面からは空気を使用してもよく、溶湯の酸化防止という面からは非酸化性ガスである例えばアルゴン、窒素または二酸化炭素などを使用してもよい。また、ガスに加えて冷却を促進するミスト等の冷却媒体を供給したり、湯道を遮断するため特許文献２に示されるような耐火物粒子等の固形物を供給したりしても良い。

以下、本発明の基本的な要件である鋳型について説明する。本発明は、金属溶湯を通気性鋳型に重力注湯して鋳造物品を得る鋳造装置であって、鋳型内に湯口部と湯道部と製品部、及び必要に応じて押湯部とを有する通気性鋳型に適用する。

通気性鋳型とは生砂型、シェル型、自硬性型その他の砂粒子を用いて造型された鋳型が一般的であるが、セラミックス粒子や金属粒子を用いて造型された鋳型も適用できる。また、石膏などのほとんど通気性のない鋳型でも、通気性材料を混在させる、または部分的に通気性材料を用いて十分な通気性を持たせることによって通気性鋳型として使用可能である。また、金型のように全く通気性のない材料を用いた鋳型であっても、ベントホール等その他の通気孔を設けて通気性を持たせた場合には通気性鋳型として使用可能である。

（実施の形態１）
次に、本発明の実施の形態１に係る鋳造装置について図面を用いつつ説明する。図１は、本発明の鋳造装置の動作の一例を示す図である。具体的には、図１は、本発明の実施の形態１に係る鋳造装置を用いて金属溶湯を重力注湯し、ガスを送気して製品部に溶湯を充填する工程を示す概略図である。図１では、本発明におけるガス送気装置１の一部を構成する送気ノズル１ａの態様は、ストレートな側面、すなわちテーパのない側面を有する送気ノズルを用いる場合を、また、本発明における注湯装置の態様はレードル２である場合を、また、本発明における湯口カップ部５ａの態様は導入管部５ｂの中心軸から拡径された椀状である場合を示すが、本発明は、これらに限定されるものではない。

鋳型３は通気性鋳型である生砂型を使用する一例として示す。鋳型３は上枠３ａ及び下枠３ｂに型合わせされて定盤３ｃの上に配置される。鋳型キャビティー４は、溶湯流路を形成する湯口カップ部５ａ及び導入管部５ｂで構成される湯口部５と、湯道部６、押湯部７、及び製品部８から構成される。また、押湯部７は設けられない場合もあるが、図１で説明する実施の形態１では、所望のキャビティー９は製品部８及び押湯部７で構成される例として示す。

図１（ａ）は注湯初期の段階である。レードル２はその一部が、二点鎖線で囲まれた領域で示す送気ノズルの動作空間１０の範囲内にある。レードル２からは溶湯１１が、流線１３ａを形成しつつ湯口カップ部５ａの内壁に流下して後、導入管部５ｂ、湯道部６、押湯部７を経て製品部８へと導入される状態を示すものである。

次いで、図１（ｂ）は注湯後期の段階であり、引き続きレードル２から溶湯１１が流線１３ｂを形成して湯口部５に重力注湯されつつ、レードル２は移動して送気ノズルの動作空間１０の範囲外に退避して、送気ノズル１ａは湯口部５の直上（図１（ｂ）の場合では導入管部５ｂの真上）に移動した状態を示す。

次いで、図１（ｃ）は、重力注湯の終了直後に、送気ノズル１ａが湯口部５に向けて降下して接続した（この場合は導入管部５ｂに嵌合した）状態を示す。

そして、図１（ｄ）は、図１（ｃ）の状態の後において、溶湯１１の凝固が開始する前に、複数の矢印線で示すガス１２が送気装置１から送気ノズル１ａを経て湯口部５に送気されて湯道部６に進入し、このガス１２の送気圧によって、溶湯１１が所望のキャビティー９に充填された状態を示す。

このように、注湯終了の前までに、注湯装置２が送気ノズルの動作空間１０から退避することで、ガス送気装置１を速やかに湯口部５に接続することができる。

本態様では、注湯初期においては、図１（ａ）に示すように、流線１３ａを、導入管部５ｂ直上近傍に位置させることによって、湯口カップ部５ａの内壁での溶湯の飛散を抑制でき、また効率よく短時間に導入管部５ｂに溶湯１１を流下させることができる。そして、注湯後期においては、図１（ｂ）に示すように、流線１３ｂを、湯口カップ部５ａの範囲内であって導入管部５ｂ直上近傍から離間する位置に移動させることにより、送気ノズル１ａを重力注湯中の溶湯に曝すことなく、導入管部５ｂの真上に移動させることができる。

（実施の形態２）
図２は、図１に示した注湯装置の湯口カップ部５ａの形状を変更した例を示すものであり、湯口カップ部５ｃの導入管部５ｂに形成した開口が、導入管部５ｂから離間する、矢印線で示す一方向Ａに延びた形状に形成した例を示す。なお、図２は、湯口カップ部５ｃの付近を拡大したもので、図２（ａ）は鋳型３の上方からの平面図、図２（ｂ）は断面図である。

注湯後期においては、レードル２は導入管部５ｂの中心軸に垂直な、ある特定の一方向の動作で離間することが迅速で効率的である。そのため、湯口カップ部は、図１に示す湯口カップ部５ａのように導入管部５ｂの中心軸に対称な椀状の形状であるよりも、導入管部５ｂに形成した開口は、レードル２が導入管部５ｂから離間する一方向Ａに延びた湯口カップ部５ｃのような形状とする方が合理的である。なお、湯口カップ部５ｃの一方向Ａに延びた長さは、注湯後期の溶湯の流線１３ｂが湯口カップ部の範囲内に十分に収まるような長さとすることが好ましい。

（実施の形態３）
図３は、図１に示した注湯装置の湯口カップ部５ａの形状を変更した別の例を示すものであり、湯口カップ部５ｄの導入管部５ｂに形成した開口が、導入管部５ｂから離間する一方向Ａに延びた形状であって、椀状の２つの窪み１４ａと１４ｂが連結した形状に形成した例を示す。なお、図３は、湯口カップ部５ｄの付近を拡大したもので、図３（ａ）は鋳型３の上方からの平面図、図３（ｂ）は断面図である。

湯口カップ部５ｂの形状とすることにより、注湯後期の溶湯の流線１３ｂを湯口カップ部の範囲内に収め易く、湯口外への溶湯の飛散を抑制できる。また、湯口カップ部５ｂの形状は、椀状の窪み１４ａを形成する湯口カッターを、導入管部から離間する一方向Ａに椀状の窪み１４ｂの位置まで移動させて鋳型３を削除することによって容易に形成できるため、湯口部の形成に必要な時間の増大を抑制することができる。

（実施の形態４）
図４は、図１に示した注湯装置の湯口カップ部５ａの形状を変更した別の例を示すものである。図４は、図３と同様に湯口カップ部５ｅの導入管部５ｂに形成した開口が、導入管部５ｂから離間する一方向Ａに延びた形状であって、椀状の２つの窪み１４ａと１４ｂが連結した形状であるが、図３のように湯口カップ部は水平な底を有するのではなく、導入管部から離間する方向に次第に浅くなるように形成した例である。なお、図４は、湯口カップ部５ｅの付近を拡大したもので、図４（ａ）は鋳型３の上方からの平面図、図４（ｂ）は断面図である。

湯口カップ部５ｅの形状とすることにより、溶湯が効率よく導入管部５ｂへ流下される効果があり好ましい。また、湯口カップ部５ｅの形状は、椀状の窪み１４ａを形成する湯口カッターを、上傾斜角をもって一方向Ａに椀状の窪み１４ｂの位置まで移動させて鋳型３を削除することによって容易に形成できる。

（実施の形態５）
図５は、図１に示した注湯装置におけるガス送気装置の湯口部への接続の一例を示す図であり、湯口カップ部は図３に示した湯口カップ部５ｄの形状を有する例で示すものである。

図５においては、重力注湯終了後に、先端近傍にテーパ状壁面１５が形成された送気ノズル１ｂを、同様のテーパ面を形成した導入管部５ｆに嵌合させた状態を示す。このような送気ノズルの形状と導入管部の形状とすることによって、導入管部に対する位置合わせをより容易に行うことができるため、重力注湯完了からガスを送気開始するまでの期間を更に短縮できる。

１ ガス送気装置
１ａ 送気ノズル
１ｂ 送気ノズル
２ レードル
３ 鋳型
３ａ 上枠
３ｂ 下枠
３ｃ 定盤
４ 鋳型キャビティー
５ 湯口部
５ａ 湯口カップ部
５ｂ 導入管部
５ｃ 湯口カップ部
５ｄ 湯口カップ部
５ｅ 湯口カップ部
５ｆ 導入管部
６ 湯道部
７ 押湯部
８ 製品部
９ 所望のキャビティー
１０ 送気ノズルの動作空間
１１ 溶湯
１２ ガス
１３ａ 流線
１３ｂ 流線
１４ａ 椀状の窪み
１４ｂ 椀状の窪み
１５ テーパ状壁面
Ａ 導入管部から離間する一方向

Claims (4)

1. 金属溶湯を通気性鋳型に重力注湯して鋳造物品を得る鋳造装置であって、鋳型内に湯口部と湯道部と製品部とを有する通気性鋳型と、前記湯口部に溶湯を注湯する注湯装置と、注湯後に湯口部に接続可能に配置されるガス送気装置と、を具備し、前記湯口部は、前記湯道への流路となる導入管部と、前記注湯装置から流下された溶湯を受ける前記導入管部よりも拡径された湯口カップ部を有しており、前記注湯装置は、少なくとも注湯終了の前までに、前記ガス送気装置の動作空間から退避し、注湯終了後、ガス送気装置を湯口部に接続し、該ガス送気装置からガスを送気し溶湯を押し込み、製品部に溶湯を充填するものであることを特徴とする鋳造装置。
2. 注湯装置は、注湯初期においては、溶湯の流線を、前記導入管部直上近傍に位置させ、注湯後期においては、溶湯の流線を、前記湯口カップ内の範囲であって前記導入管部直上近傍から離間する位置に移動させるものであることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
3. 湯口カップ部は、導入管部に形成した開口が、導入管部から離間する一方向に延びた形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造装置。
4. 湯口カップ部は、椀状の２つの窪みが連結した形状に形成されたものであることを特徴とする請求項３に記載の鋳造装置。

Images