JP2016010813A - 金型冷却方法及び金型冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造時の金型の温度のバラツキを抑える。
【解決手段】金型冷却システム１０は、金型１２を冷却する冷却水を負圧により流動させる構成となっている。金型１２の内部には、冷却水を流通させる金型側流路２６が設けられる。上流側流路３０には、第１バルブ３８が設けられ、下流側流路３２には、負圧発生部４８よりも上流側に第２バルブ４６が設けられる。さらに、金型冷却システム１０の制御部４０は、第１バルブ３８を閉塞状態とし且つ第２バルブ４６を開放状態とすることにより、第１バルブ３８よりも下流側を減圧して金型１２を冷却する金型温度調整工程を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型により鋳造品を成形する場合に、この金型を冷却するための金型冷却方法及び金型冷却システムに関する。

鋳造品の成形に用いられる金型は、内部に注湯される溶湯により高温化する。そのため、鋳造装置には、金型の高温化を抑制する金型冷却システムが設けられる。

例えば、特許文献１には、金型を冷却する冷却水を、冷却水タンクから金型内に設けられた冷却水路を通して負圧発生器に流動させる金型冷却装置が開示されている。この金型冷却装置は、金型の下流側に負圧発生器を備えることにより、金型の冷却水路に対し負圧を付与して冷却水を流動させる。特許文献１では、このように金型に対し金型冷却装置が冷却水を吸引する（負圧を付与する）ことで、多少のクラックがあっても冷却水の漏出を防止すると共に、不純物を除去してポンプ等にダメージを与えない、とされている。

特開２０００−２６３１８７号公報

ところで、特許文献１には開示されていないものの、鋳造品の製造では、溶湯の注湯前に、型内確認、金網セット、エアブロー、中子セット等の準備作業が、作業員の身体動作（ハンドワーク）により営まれる。この準備作業の実施期間は、人為的に（例えば、作業員の熟練度等に応じて）大きく変動する。そして、準備作業の実施期間中も金型は自然に放熱するため、準備作業の時間が大きく変動してしまうと、準備作業後に鋳造を行う際の金型の温度にバラツキが生じることになる。その結果、金型内での溶湯の凝固状態（凝固の推移等）が変わってしまい、鋳造品の品質が安定化しない原因となる。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、簡単な構成により金型の冷却状態を制御することで、鋳造時の温度のバラツキを抑え、鋳造品の品質を安定化することができる金型冷却方法及び金型冷却システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、金型を冷却する冷媒を負圧により流動させる金型冷却システムの金型冷却方法であって、前記金型の内部には、前記冷媒を流通させる金型側流路が設けられ、前記金型側流路の上流側の流路には、第１バルブが設けられ、前記金型側流路の下流側の流路には、前記負圧の付与源よりも上流側に第２バルブが設けられ、前記第１バルブを閉塞状態とし且つ前記第２バルブを開放状態とすることにより、前記第１バルブよりも下流側を減圧して前記金型を冷却する金型温度調整工程を行うことを特徴とする。

上記によれば、金型冷却方法は、第１バルブを閉塞状態とし且つ第２バルブを開放状態とすることにより、第１バルブよりも下流側を減圧して金型を冷却する金型温度調整工程を行うことで、金型の温度のバラツキを抑えることができる。すなわち、第１バルブよりも下流側で第２バルブよりも上流側にある金型に負圧を付与して流路内を減圧すると、冷媒の相転移を促進し且つ冷媒の乱流を増加させることができ、金型の吸熱を進行させることが可能となる。よって例えば、溶湯の注湯前に金型の温度が所定以上の場合、金型温度調整工程の実施により金型の温度を下げることが可能となり、溶湯の注湯時には温度のバラツキが抑えられる。その結果、金型内での溶湯の凝固状態を略一様とし、鋳造品の品質を安定化させることができる。

この場合、前記金型温度調整工程は、前記金型の型締めから注湯までの間に行われ、型締め直前の前記金型の温度に基づき実施するか否かが判別されることが好ましい。

このように、型締め直前の金型の温度に基づき金型温度調整工程の実施の可否を判別することにより、準備作業の実施期間の変動により準備作業後の金型の温度が変動したとしても、型締め中に金型の温度を良好に調整することができる。

また、前記の目的を達成するために、本発明は、金型を冷却する冷媒を負圧により流動させる金型冷却システムであって、前記金型の内部に設けられる前記冷媒を流通させる金型側流路と、前記金型側流路の上流側の流路に設けられる第１バルブと、前記金型側流路の下流側の流路で、前記負圧の付与源よりも上流側に設けられる第２バルブと、前記第１及び第２バルブの開閉を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１バルブを閉塞状態とし且つ前記第２バルブを開放状態とすることにより前記第１バルブよりも下流側を減圧して前記金型を冷却する金型温度調整工程を行うことを特徴とする。

上記によれば、金型冷却システムは、制御部により金型温度調整工程を行うことで、第１バルブを閉塞し且つ第２バルブを開放した状態を簡単に構築することができ、金型の温度のバラツキを抑えることができる。すなわち、必要に応じて第１バルブと第２バルブの間にある金型に負圧を付与して冷媒による金型の吸熱を進行させることで、金型の温度を下げることが可能となる。その結果、金型内での溶湯の凝固状態を略一様とし、鋳造品の品質を安定化させることができる。

また、前記制御部は、前記金型の型締めから注湯までの間に前記金型温度調整工程を行い、前記型締め直前の前記金型の温度に応じて実施するか否かを判別することができる。

このように、型締め中に金型温度の温度調整工程を実施することで、溶湯の注湯時には、金型の温度のバラツキが少ない状態で、溶湯を注湯及び凝固させていくことができる。

さらに、前記上流側の流路には、前記第１バルブよりも上流側に前記冷媒を圧送するポンプが設けられることが好ましい。

このように、金型冷却システムは、第１バルブよりも上流側に冷媒を圧送するポンプを備えることで、金型を冷却する冷媒の供給を一層スムーズに行うことができる。

本発明に係る金型冷却方法及び金型冷却システムによれば、簡単な構成により金型の冷却状態を制御することで、鋳造時の温度のバラツキを抑え、鋳造品の品質を安定化することができる。

本発明の一実施形態に係る金型冷却システムの全体構成を示す概略図である。 図１の金型を示す概略側面断面図である。 図１の制御部の構成を示すブロック図である。 図１の鋳造装置による鋳造品の製造工程を示す説明図である。 図５Ａは、図４のハンドワーク工程後に金型の検出温度値が温度閾値を下回る場合の制御の一例を示す説明図であり、図５Ｂは、図４のハンドワーク工程後に金型の検出温度値が温度閾値以上の場合の制御の一例を示す説明図である。 図６Ａは、他の実施形態に係る制御部の第１及び第２バルブの制御を示す図表であり、図６Ｂは、図６Ａの制御部の制御の一例を示す説明図である。

以下、本発明に係る金型冷却システムについて金型冷却方法との関係で好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態に係る金型冷却システム１０は、図１に示すように、金型１２を冷却するための冷却回路を構成している。金型１２は、鋳造（例えば、ダイカスト鋳造等）を行う鋳造装置１４において、鋳造品の成形を直に行う構造体であり、その内部に注湯された溶湯を時間経過に伴い凝固させる。

金型１２は、例えば、自動車エンジンのシリンダヘッド（図示せず）を製造する鋳型に構成され、図２に示すように、型締め状態でこのシリンダヘッドを形成し得るキャビティ１６を有する。なお、金型１２が鋳造する鋳造品は、シリンダヘッドに限定されないことは勿論である。

金型１２は、複数のブロック（固定型１８、可動型２０等）に分割可能であり、相互の型の分離によってキャビティ１６を開放する。固定型１８には、例えば、キャビティ１６に連通する湯口系２２（湯口、湯道等）が設けられ、金型１２は、この湯口系２２を介してキャビティ１６内に溶湯を圧入する。シリンダヘッドを成形する場合、固定型１８側のキャビティ１６の構成空間は、例えばシリンダヘッドの下部（燃焼室の一部）及び外形を成形する型形状を呈する。さらに固定型１８は、シリンダヘッドの吸気路及び排気路を形成するための砂中子２４を、型内の所定位置にセットする構成となっている。

一方、可動型２０は、上記の固定型１８の上方において、図示しない変位機構に取り付けられ、固定型１８に対し進退自在となっている。可動型２０は、固定型１８と接触することで型締めしてキャビティ１６を形成すると共に、型開きにより固定型１８と離間することで鋳造品を露出する。シリンダヘッドを成形する場合、可動型２０のキャビティ１６の構成空間は、例えばシリンダヘッドの上部側室内（ポペットバルブ及びカムシャフトの収容空間）を成形する型形状を呈する。なお、金型１２を構成するブロックは、固定型１８と可動型２０の２つに限定されるものではない。例えば、可動型２０を２以上に分割して、固定型１８の上方を上下に進退するブロックの他に、固定型１８の上方の周囲で側方に進退するブロックを設けて、より複雑な鋳造物を成形することができる。要するに、金型１２は、鋳造品を成形するための適宜な構成（型の形状や配置、個数）を採用し得る。

金型１２を構成する材料は、高温でも充分な強度を有すると共に、キャビティ１６に注湯した溶湯が短時間に凝固可能な熱伝導率（例えば、３０〜１００Ｗ・（ｍ・Ｋ）^-1）を有するものが好ましい。この場合、熱間工具鋼を良好に適用することができる。

また、金型１２に注湯される溶湯の材料は、鋳造品に応じて適切なものが選択される。シリンダヘッドを成形する場合は、アルミ合金、マグネシウム合金等を適用することが好ましい。なお、金型１２は、金属材料だけでなく、製品に応じて樹脂材料、つまり樹脂成形品を成形するものであってもよい。

そして、金型１２の内部には、図１及び図２に示すように、金型１２を冷却するための冷却水（冷媒）を流通可能な金型冷却システム１０の金型側流路２６が設けられる。金型側流路２６は、金型１２内に複数本設けられることが好ましい。これにより、個々の金型側流路２６の流入ポート付近と流出ポート付近とで温度差が大きくなることを抑制し、金型１２全体を均一的に冷却することができる。例えば、複数本の金型側流路２６は、湯口系２２付近を回り込む経路と、キャビティ１６の外側付近を回り込む経路とを含むとよい。

なお、図１中では、４本の金型側流路２６を例示しているが、多気筒タイプのシリンダヘッドを成形する場合、数十本（例えば、３６本）の金型側流路２６が設けられる。また、図１中では、金型側流路２６を固定型１８に設けているが、金型側流路２６の設置位置は特に限定されるものではなく、固定型１８及び可動型２０（又は可動型２０のみ）に設けられてもよい。固定型１８と可動型２０に設ける場合は、金型１２よりも上流側の上流側流路３０において、複数に分岐した分岐路４２を固定型１８と可動型２０に分けて接続すればよい。要するに、金型側流路２６の形成状態（経路、位置又は形状等）は、金型１２を効果的に冷却するために任意に設計してよい。

金型冷却システム１０は、上記の金型側流路２６を冷却回路内に含み、冷却水を、金型１２内を通りつつ循環させる循環回路として構成される。なお、冷却回路を循環する冷媒の材料は、水（冷却水）に限定されるものではなく、例えば所定の成分からなる水溶液やオイル等の液体、或いは気体を適用してもよい。金型冷却システム１０は、冷媒の種類に応じて回路を略閉じた系とする適宜な環境に形成されることが好ましい。

金型冷却システム１０は、金型側流路２６の一端側（流入ポート）に連通し金型１２に冷却水を供給する上流側流路３０と、金型側流路２６の他端側（流出ポート）に連通し金型１２から冷却水を排出する下流側流路３２とを有する。上流側流路３０及び下流側流路３２は、例えば、金属パイプや樹脂パイプにより構成され、冷却水を安定的に流動させ得る流路断面積を有している。

金型冷却システム１０の上流側流路３０は、その上流端が冷却水の供給源である第１タンク３４に接続され、下流端に接続されている金型１２までの冷却水の流路を構成している。第１タンク３４から金型１２までの上流側流路３０の途中位置には、第１ポンプ３６（上流側ポンプ）及び第１バルブ３８が設けられる。

第１タンク３４は、冷却水を一時的に貯留する容器であり、第１ポンプ３６の駆動作用下に上流側流路３０に冷却水を流出させる。この第１タンク３４の開口には、後述する第２タンク４４から冷却水（循環した冷却水を含む）を受け入れる還元流路５４の一端が配置されている。

また、第１タンク３４は、冷却回路の外部からタンク内に冷却水を供給するための供給管３４ａと、タンク内から冷却回路の外部に冷却水を排出するための排出管３４ｂとを備える。すなわち、第１タンク３４は、基本的には第２タンク４４から冷却水が還元される構成であるものの、金型冷却システム１０の実施中には、冷却水が偏在して流通不良に陥る可能性がある。このため、第１タンク３４は、冷却水の貯留量が上限貯留値を越えた場合に排出管３４ｂを介して越えた分の冷却水を外部に排出する一方、冷却水の貯留量が下限貯留値を下回った場合に供給管３４ａを介して必要な量の冷却水が外部から供給される構成としている。

第１タンク３４の下流側に設けられる第１ポンプ３６は、第１タンク３４から金型１２に向けて冷却水を圧送する圧送ポンプとして機能する。この第１ポンプ３６は、金型冷却システム１０の制御部４０に接続されており、制御部４０の制御下に、冷却水の流量や供給タイミング等を制御して上流側流路３０内を流動させる。第１ポンプ３６として用いられるポンプの種類は、特に限定されるものではなく、例えば、遠心ポンプや軸流ポンプ等が挙げられる。或いは、金型冷却システム１０は、第１タンク３４と第１ポンプ３６を一体化した構造（リザーバを有するポンプ）を適用してもよい。

第１ポンプ３６の下流側に設けられる第１バルブ３８は、上流側流路３０を開放又は遮断するための電磁弁である。この第１バルブ３８も、制御部４０に接続されており、制御部４０の制御下に、第１バルブ３８内（すなわち、上流側流路３０）の開放又は遮断を切り換える。

第１バルブ３８の内部では、金型１２の複数の金型側流路２６に対応して上流側流路３０を分割している。このため、上流側流路３０は、第１バルブ３８の排出側から金型１２にかけて複数の分岐路４２に分かれ、各分岐路４２は所定の金型側流路２６にそれぞれ接続される。第１バルブ３８は、分岐路４２毎に開閉可能な構成であり、分岐路４２毎の冷却水の流通又は流通停止を制御する。これにより第１バルブ３８は、例えば、金型１２中で局所的に温度が高くなる箇所の金型側流路２６に対し、他の金型側流路２６よりも冷却水を長時間流通させる等の詳細な冷却管理を行うことができ、金型１２をより均一的に冷却することができる。

また、第１バルブ３８は、上流側流路３０を流動する冷却水の流量又は流速を測定する流量計の機能を有している。第１バルブ３８は、上流側流路３０の開放又は遮断状態の情報の他に、測定した冷却水の流量値や流速値を制御部４０に送信する。これにより、制御部４０は、金型１２に圧送する冷却水の流動状態を認識し、第１ポンプ３６又は後述する第２ポンプ５２の流量制御に反映する。

一方、金型冷却システム１０の下流側流路３２は、その下流端が冷却水の排出先である第２タンク４４に接続され、上流端に接続されている金型１２から第２タンク４４までの冷却水の流路を構成している。金型１２から第２タンク４４までの下流側流路３２の途中位置には、第２バルブ４６及び負圧発生部４８（負圧の付与源）が設けられている。また、下流側流路３２には、第２タンク４４から負圧発生部４８に冷却水を流通するための負圧用流路５０が接続される。この負圧用流路５０には、負圧発生部４８に冷却水を流動させる第２ポンプ５２（下流側ポンプ）が設けられている。

第２タンク４４は、第１タンク３４と同様に、冷却水を一時的に貯留する容器であり、供給管４４ａ及び排出管４４ｂを備える。第１タンク３４と第２タンク４４の間には還元流路５４が設けられている。第２タンク４４に貯留された冷却水は、基本的に第１タンク３４の冷却水の貯留状態に応じて第１タンク３４に戻される。なお、金型冷却システム１０は、第１タンク３４と第２タンク４４をまとめて１つのタンクとし、冷却水を流出及び流入する構成としてよい。

還元流路５４には、金型１２により温度上昇した冷却水を放熱する図示しない熱交換器が設けられていてもよい。これにより第１タンク３４には、比較的低温になった冷却水が貯留される。なお、熱交換器の設置位置は特に限定されるものではなく、例えば、下流側流路３２の途中位置に設けられてもよい。

また、第２タンク４４は、還元流路５４とは別に負圧用流路５０が接続されていることで、第２タンク４４に貯留されている冷却水の一部を負圧発生部４８に供給する。負圧用流路５０上で第２タンク４４の下流側に設けられる第２ポンプ５２は、負圧用流路５０を介して負圧発生部４８に冷却水を圧送する機能を有する。第２ポンプ５２は、制御部４０に接続され、制御部４０の制御下に、冷却水の流量や供給タイミング等を制御して下流側に流動させる。この第２ポンプ５２に用いられるポンプの種類も、特に限定されるものではなく、第１ポンプ３６で挙げたものを好適に用いることができる。

負圧発生部４８は、負圧用流路５０の下流端に接続されると共に、下流側流路３２の途中位置に接続されている。これにより負圧発生部４８は、下流側流路３２を、上流側の第１下流側流路５６と下流側の第２下流側流路５８との２つに分割している。この負圧発生部４８は、液体ジェットポンプを内部に有する３ポートコネクタとして構成される。第１ポート４８ａは、第１下流側流路５６の下流端に接続し、第２ポート４８ｂは、第２下流側流路５８の上流端に接続し、第３ポート４８ｃは、負圧用流路５０の下流端と接続している。この場合、第２ポート４８ｂと第３ポート４８ｃは略直線状に連なる筒状体４９ａに形成される一方、第１ポート４８ａは第２及び第３ポート４８ｂ、４８ｃの筒状体４９ａに対し直交方向に交わる突出筒４９ｂに形成される。

第３ポート４８ｃの内部には、負圧用流路５０から供給された冷却水の流速を速めるため、その流路断面積が徐々に小さくなる図示しないテーパ部が設けられている。突出筒４９ｂは、テーパ部の出力部付近に向かって直交方向に交差するように接続される。このように形成された負圧発生部４８は、負圧用流路５０から第３ポート４８ｃに冷却水が供給される。そして、第３ポート４８ｃから第２ポート４８ｂに向かって冷却水が流動する際に、テーパ部により流速が速められて、テーパ部の出力部から冷却水が勢いよく吐出する。これにより負圧発生部４８は、出力部付近を臨む第１ポート４８ａに負圧をかけ、第１下流側流路５６に存在する冷却水を吸引する。第１ポート４８ａ及び第３ポート４８ｃから流入した冷却水は、第２ポート４８ｂを介して負圧発生部４８から排出され、第２下流側流路５８を流動していく。

従って、負圧発生部４８は、負圧用流路５０の冷却水の流動に応じて、第１ポート４８ａから冷却水を適宜吸引することができる。すなわち、制御部４０は、第２ポンプ５２において冷却水の流動（圧送）を制御することで、冷却回路にかける負圧を調整することができる。なお、負圧を付与する構成は、上記の負圧発生部４８、負圧用流路５０及び第２ポンプ５２に限定されず、種々の構成を適用することができ、例えば、下流側流路３２に吸引ポンプを単に設けた構成でもよい。

一方、下流側流路３２（第１下流側流路５６）に設けられる第２バルブ４６は、下流側流路３２を開放又は遮断する電磁弁として構成される。この第２バルブ４６は、制御部４０に接続され、制御部４０の制御下に、下流側流路３２の開放又は遮断の切換を行う。例えば、第２バルブ４６としては、電磁ボールバルブを適用することができる。

第２バルブ４６は、負圧発生部４８よりも上流側に設けられることで、冷却水の吸引のオン／オフ操作を行う。つまり、第２バルブ４６は、金型冷却システム１０の冷却回路、特に第２バルブ４６よりも上流側の第１下流側流路５６及び金型側流路２６、並びに複数の分岐路４２からなる領域（以下、吸引領域６０という）に、負圧を付与するか否かを切り換える機能を有する。具体的には、第２バルブ４６の閉塞状態で冷却水の吸引を停止し、第２バルブ４６の開放状態で負圧発生部４８による冷却水の吸引を実施させる。

金型冷却システム１０は、冷却回路内において負圧を付与することにより、金型１２の冷却を効率的に行うことができる。すなわち、金型冷却システム１０は、金型１２の下流側で負圧をかけて冷却水を流動させることで、金型側流路２６の絶対圧力を低くする。これにより、金型１２内での冷却水の流動が円滑になり、金型１２に多少のクラックがあっても冷却水の漏出を防止することができる。

また、第１バルブ３８の閉塞状態で、下流側流路３２において負圧発生部４８が負圧を付与することで、吸引領域６０に冷却水が供給されないまま冷却水が吸引されるため、吸引領域６０（特に金型側流路２６）が減圧される。この減圧に伴い冷却水の沸点が下がるため、冷却水の相転移が容易に行われるようになり、相転移に基づく吸熱が促進され、金型１２を良好に冷却することが可能となる。

ここで、下流側流路３２の第２バルブ４６よりも上流側には、計測用分流路６２が分岐接続されている。この計測用分流路６２の端部には圧力を計測する圧力計６４が接続される。圧力計６４は、制御部４０に電気的に接続されており、計測用分流路６２（すなわち、吸引領域６０）の圧力を計測し、その圧力値を制御部４０に定期的に（又は制御部４０の指示に応じて）送信する。制御部４０は、圧力値に基づき、第２ポンプ５２による冷却水の流動量を調整、又は第２バルブ４６の開閉を制御する。

そして、本実施形態に係る金型冷却システム１０は、第１バルブ３８の開閉と、第２バルブ４６の開閉とを制御部４０により個別に制御することで、金型１２の温度を調整している。制御部４０は、図示しない演算処理部、記憶部、入出力部等を有するコンピュータを適用することができる。なお、金型冷却システム１０の制御部４０は、金型１２の動作を含む鋳造装置１４全体を制御する構成であることが好ましい。これにより、鋳造品の製造工程を統括的に管理し、作業効率の向上等を図ることができる。

金型１２の温度をモニタリングするため、金型１２内の所定箇所には、金型１２の温度を検出する温度検出センサ６６が設けられる。温度検出センサ６６は、設置箇所周辺の温度を検出して、この温度検出値を定期的（又は制御部４０の指示毎）に制御部４０に出力する。温度検出センサ６６は、金型１２内に複数（例えば、金型側流路２６に対応して）設けられていてもよい。

制御部４０は、記憶部に記憶されている図示しない制御プログラムを演算処理部が実行することで、図３に示すように、温度判別処理部６８と、圧力判別処理部７０と、ポンプ駆動処理部７２とを機能的に構築する。

温度判別処理部６８は、温度検出センサ６６から温度検出値を取得し、第１又は第２バルブ３８、４６の開閉を判別する。具体的には、温度判別処理部６８は、金型１２の温度範囲を設定した温度閾値Ｔを記憶している。この温度閾値Ｔは、金型１２の型締め開始前における金型１２の下限温度であり、型締め前の金型１２の温度が温度閾値Ｔ以上の場合には、第１バルブ３８を閉塞し、且つ第２バルブ４６を開放する弱冷処理（金型温度調整工程）を行う。逆に、型締め前の金型１２の温度が温度閾値Ｔを下回る場合には、第１バルブ３８を閉塞し且つ第２バルブ４６を閉塞する不冷却処理を行う。

ここで、鋳造品の鋳造実施時には、図４に示すように、型締め前に作業員が身体動作で行う各種の工程（以下、ハンドワーク工程という）が営まれる。一方、型締めの開始段階になると、鋳造装置１４により定まった時間毎に鋳造作業を行う各種の工程（以下、マシンコントロール工程という）が営まれる。このため、ハンドワーク工程では、作業者の熟練度や作業状況等に応じて作業時間が異なることになり、金型１２の温度が型締め前に安定化しない原因をつくる。

例えば、ハンドワーク工程にかかる期間が短い場合には、型締め開始時に金型１２の温度があまり低下せず高いままとなる。このように金型１２の温度が高いと溶湯の凝固に時間がかかることになり、作業効率の観点から望ましくない。また、凝固に時間がかかることにより、鋳造品質を悪化させる恐れがある。そこで、制御部４０は、金型１２の温度を低下させるために、上記の弱冷処理を実施する。つまり、金型１２の温度が温度閾値Ｔ以上であることに基づき、型締め時に金型１２の冷却を実施する。逆に、ハンドワーク工程にかかる期間が長い場合には、金型１２の温度が低いことから金型１２の冷却を行わない不冷却処理を行うことになる。

温度判別処理部６８は、弱冷処理を行った場合に、温度検出センサ６６の温度検出値を監視し続けて温度閾値Ｔを下回ると弱冷処理を停止する。つまり、開放していた第２バルブ４６を閉塞し、冷却水の吸引に伴う流動を停止する。これにより、金型１２の温度低下が抑制される。

図３に戻り、制御部４０の圧力判別処理部７０は、第１バルブ３８を閉塞し、第２バルブ４６を開放した場合における、吸引領域６０内の圧力状態を検出して負圧を管理することで、冷却水の沸点を調整する。例えば、圧力判別処理部７０は、予め圧力閾値を記憶しており、弱冷処理における吸引領域６０の圧力が圧力閾値以下になった場合に、第２バルブ４６を閉塞する処理を行う。これにより吸引領域６０の減圧状態が安定化し、金型１２の温度を緩やかに冷却することができる。

また、制御部４０のポンプ駆動処理部７２は、第１バルブ３８の開閉状態に応じて第１ポンプ３６の駆動を制御すると共に、第２バルブ４６の開閉状態に応じて第２ポンプ５２の駆動を制御する。例えば、ポンプ駆動処理部７２は、第１バルブ３８の開放と共に第１ポンプ３６を駆動することで冷却水を円滑に流通させ、第１バルブ３８の閉塞と共に第１ポンプ３６の駆動を停止することで上流側流路３０内の圧力を安定化させる。同様に、ポンプ駆動処理部７２は、第２バルブ４６の開放と共に第２ポンプ５２を駆動することで冷却水を円滑に流通させ、第２バルブ４６の閉塞と共に第２ポンプ５２の駆動を停止することで下流側流路３２内の圧力を安定化させる。なお、第１及び第２バルブ３８、４６の開閉と第１及び第２ポンプ３６、５２の駆動／駆動停止は、その実施タイミングを同時にするだけでなく、実施タイミングを適宜前後にずらすことで、冷却水をより良好に流動させることもできる。

本実施形態に係る金型冷却システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、その作用効果について鋳造作業の流れと共に説明する。

鋳造装置１４によるシリンダヘッドの鋳造では、上述したようにハンドワーク工程と、マシンコントロール工程が行われる。ハンドワーク工程では、例えば図４に示すように、型内確認工程、金網セット工程、エアブロー工程及び中子セット工程が作業員の手作業によって順次実施される。

型内確認工程では、作業員の目視等により、金型１２の状態を確認する作業が行われる。金網セット工程では、作業員の手により、溶湯の不純物を除去するための金網が金型１２の所定位置（湯口系２２等）にセットされる。エアブロー工程では、作業員がエアブロー器具を用いてエアを吹き掛け、キャビティ１６や湯口系２２に付着している溶湯の凝固物を除去する作業が行われる。中子セット工程では、作業員の手により金型１２の所定位置に砂中子２４をセットして、溶湯の注湯によりシリンダヘッドを鋳造可能な状態とする。なお、ハンドワーク工程の各工程において、金型冷却システム１０の制御部４０は、第１及び第２バルブ３８、４６を閉塞状態としており、すなわち冷却回路内での冷却水の流動を停止させている。このため、金型１２の温度は、前回の鋳造による高温状態から自然放熱により緩やかに低下していく。

以上の各工程を実施すると、シリンダヘッドを鋳造するハンドワーク工程が終了し、その後はマシンコントロール工程が行われる。マシンコントロール工程では、型締め工程、注湯・凝固工程、型開き工程及び離型・取り出し工程が鋳造装置１４の機械制御に基づき順次実施される。

型締め工程では、鋳造装置１４が可動型２０を移動して固定型１８に接触させることで、キャビティ１６を形成する。また、鋳造装置１４は、この型締め工程時に、湯口系２２を介して溶湯を供給可能な状態とする（湯口系２２の供給源に溶湯の注湯を行う）。さらに、金型冷却システム１０は、型締め工程時に、金型１２の温度を調整する温度調整判別処理を実施する。この温度調整判別処理については後述する。

注湯・凝固工程では、鋳造装置１４が湯口系２２を介してキャビティ１６内に溶湯を圧入していき、さらに所定時間経過させてキャビティ１６内に充填した溶湯を凝固させることで、鋳造品を成形する。この際、金型冷却システム１０は、冷却水を循環させる処理を行う。

すなわち、金型冷却システム１０の制御部４０は、注湯・凝固工程の開始に伴い第１バルブ３８を開放状態にすると共に、第２バルブ４６を開放状態にする。また、第１及び第２ポンプ３６、５２を駆動して金型側流路２６に冷却水を流通させることで金型１２を冷却する。これにより、金型１２の温度上昇が抑えられ、且つ鋳造品の凝固が促進される。

注湯・凝固工程の終了後、型開き工程では、鋳造装置１４が可動型２０を駆動して固定型１８から引き離すことで、鋳造品を露出させる。この際、金型冷却システム１０は、第１及び第２バルブ３８、４６を開放状態から閉塞状態に切り換えて、冷却水の流動を停止する。これにより金型１２の急速な冷却が防止され、金型１２を緩やかに放熱させていく。

型開き工程の終了後、離型・取り出し工程では、図示しない搬送装置により、固定型１８から露出されている鋳造品を取り出して以降の工程に搬送する。この際も、第１及び第２バルブ３８、４６は閉塞状態であり、冷却水の流動は停止されている。鋳造装置１４は、以上の工程を行うことにより、１つのシリンダヘッドを鋳造することができ、以下同じ工程を繰り返す。

次に、型締め工程時における金型冷却システム１０の温度調整判別処理について説明する。金型冷却システム１０は、上述したように、ハンドワーク工程の実施時に、第１及び第２バルブ３８、４６を閉塞状態にすることで、冷却水の流動を停止させている。このため、金型１２は、徐々に放熱を行い、ハンドワーク工程の実施期間において略比例した温度低下を見せる。その結果、ハンドワーク工程の実施期間に応じて、溶湯の注湯開始時（注湯・凝固工程の初期時）の温度にバラツキが生じる。

例えば、金型１２の温度が緩やかに下降したとしても、ハンドワーク工程に時間を費やした場合等は、図５Ａに示すように、型締めの初期時に温度閾値Ｔを下回ることになる。この場合、制御部４０の温度判別処理部６８は、第１バルブ３８を閉塞し、且つ第２バルブ４６を閉塞した不冷却処理を行う。つまり、冷却水の流動停止状態が継続され、金型１２の温度は緩やかに低下する。その結果、注湯・凝固工程の開始時には、鋳造品を精度よく製造し得る所定の温度範囲（品質安定温度範囲）内に金型１２の温度が含まれるようになる。

また、ハンドワーク工程の実施期間が短いと、図５Ｂに示すように、金型１２の温度は、型締めの初期時に温度閾値Ｔ以上となる。この場合、温度判別処理部６８は、第１バルブ３８を閉塞し、且つ第２バルブ４６を開放する弱冷処理（金型温度調整工程）を行う。この弱冷処理では、金型１２の上流側からの冷却水の流動が第１バルブ３８により遮断され、逆に金型１２の下流側から冷却水を吸引する動作が行われる。その結果、吸引領域６０内の圧力が減圧されることになり、吸引領域６０内に元々存在し温度が高まっていた冷却水でも気化が促されることになる。つまり、冷却水が気化することで熱を吸収するように作用する。また、冷却水は、負圧と気化（相転移）の相乗作用により金型側流路２６内での運動が促されて乱流を増大させる。その結果、金型１２の温度低下がさらに促進する。

この吸引（負圧の付与）に伴う冷却は、冷却回路内を冷却水が循環することによる通常冷却よりも温度の低下を調整し易い。ここで、金型１２の温度制御は、注湯・凝固工程の開始時に、金型１２の温度が品質安定温度範囲内にあることを目的としている。例えば、制御部４０は、第１バルブ３８を開放し、且つ第２バルブ４６を開放することで冷却水を循環して通常冷却することも考えられる。しかしながら、新たな冷却水を金型１２に導入して金型１２を温度変化させると、注湯・凝固工程の開始時に品質安定温度範囲に金型１２の温度をもっていく制御が複雑になる。

これに対し、金型冷却システム１０は、弱冷処理により、型締めの実施期間中に金型１２に存在する冷却水の吸引により金型１２を弱く冷却することができる。このため、金型１２の温度調整を容易に行うことができ、鋳造品の品質を安定化させることができる。

なお、金型冷却システム１０は、金型１２の温度調整を行う処理の他の実施形態として、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、弱冷処理及び不冷却処理の他に、金型１２を一層冷却する通常冷却処理を実施する制御を行ってもよい。具体的には、通常冷却処理は、第１及び第２バルブ３８、４６を共に開放して、金型側流路２６に冷却水を循環させる動作を行う。これにより、金型１２の温度は、急速に低下する。

この場合、金型冷却システム１０の制御部４０は、例えば、第１温度閾値Ｔ１と第２温度閾値Ｔ２を予め記憶しておくことで、通常冷却処理、弱冷処理及び不冷却処理を選択的に実施するとよい。例えば、型締め開始時の金型１２の温度が第１温度閾値Ｔ１以上の場合には、通常冷却処理を実施する。また、金型１２の温度が第１温度閾値Ｔ１を下回り第２温度閾値Ｔ２以上の場合には、弱冷処理を実施する。さらに、金型１２の温度が第２温度閾値Ｔ２を下回る場合には、不冷却処理を実施する。これにより、金型冷却システム１０は、金型１２の温度管理をより詳細に行うことが可能となり、注湯・凝固開始時の温度をより安定させることができる。

以上のように、本実施形態に係る金型冷却システム１０及び金型冷却方法によれば、第１バルブ３８を閉塞状態とし且つ第２バルブ４６を開放状態とする。これにより、第１バルブ３８よりも下流側を減圧して金型１２を冷却する弱冷処理を行い、金型１２の温度のバラツキを抑えることができる。すなわち、第１バルブ３８よりも下流側で第２バルブ４６よりも上流側にある金型１２に負圧を付与して吸引領域６０内を減圧することで、冷却水の相転移を促進して金型１２の吸熱を進行させることができる。よって、溶湯の注湯前に金型１２の温度が所定以上の場合、弱冷処理の実施により金型１２の温度を下げることが可能となり、溶湯の注湯時には温度のバラツキが抑えられる。その結果、金型１２内での溶湯の凝固状態を略一様とし、鋳造品の品質を安定化させることができる。

また、制御部４０は、型締め直前の金型１２の温度に基づき弱冷処理の実施の可否を判別する構成となっている。これより、ハンドワーク工程の実施期間の変動によりハンドワーク工程後の金型１２の温度が変動したとしても、型締め中に金型１２の温度を良好に調整することができる。そして、溶湯の注湯時には、金型１２の温度のバラツキが少ない状態で、溶湯を注湯及び凝固させていくことができる。

さらに、金型冷却システム１０は、第１バルブ３８よりも上流側に冷却水を圧送する第１ポンプ３６を備えることで、金型１２を冷却する冷却水の供給を一層スムーズに行うことができる。

なお、金型冷却システム１０は、金型側流路２６に対し負圧を付与可能であればよく、冷却水を圧送する第１ポンプ３６を備えていなくてもよい。この場合、第２バルブ４６の開放により、負圧発生部４８が金型冷却システム１０の循環回路全体に負圧をかけて冷却水を流動させる。そして、第１バルブ３８を閉じれば、上記弱冷処理を実施することができる。一方、第２バルブ４６の閉塞により、負圧発生部４８の負圧を遮断することができ、冷却水の流動を停止することができる。

また、金型冷却システム１０の制御として、制御部４０が第２ポンプ５２の出力を変えて負圧の大きさを適宜設定し、金型１２の冷却を制御してもよい。例えば、制御部４０は、弱冷処理時や通常冷却処理時は第２ポンプ５２を設定出力で動作させ負圧発生部４８に所定の吸引力（負圧）をかけて金型１２を冷却する。さらに、金型１２の冷却を強力に行う強冷処理として、制御部４０は設定出力よりも大きな出力で第２ポンプ５２を動作させ負圧発生部４８に大きな吸引力を生じさせる。これにより金型１２の温度調整を一層効率的に行うことができる。

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。例えば、金型冷却システム１０は、弱冷処理（金型温度調整工程）を、注湯・凝固工程の途中や型開き工程等に行う構成としてもよい。これにより、金型１２の温度を緩やかに冷却することが可能となり、例えば鋳造品を取り出す際に鋳造品の温度を適切に設定して、容易に取り出させることができる。要するに、鋳造品の製造工程において、金型温度調整工程を実施するタイミングは、特に限定されず、制御内容に応じて行うことが可能である。

また、金型冷却システム１０は、金型冷却方法において、型締め工程後の注湯・凝固工程の開始を金型１２の温度に基づき実施してもよい。すなわち、制御部４０は、金型１２の検出温度を監視して、所定温度になるまで弱冷処理を行い、この間は型締め工程が完了しても注湯・凝固工程の実施を待機する。これにより、注湯・凝固工程の開始時の温度を一層近づけることができ、鋳造品の品質を高めることができる。

さらに、金型冷却システム１０の制御部４０は、金型１２の検出温度値の変化に応じて、吸引領域６０の圧力状態をリアルタイムに変更して、金型１２の温度調整を一層詳細に行ってもよい。この場合、制御部４０は、温度検出センサ６６の検出温度値と、圧力計６４の検出圧力値をマップとして管理することで、金型１２の温度を精度よく調整することができる。

１０…金型冷却システム １２…金型
２６…金型側流路 ３０…上流側流路
３２…下流側流路 ３６…第１ポンプ
３８…第１バルブ ４０…制御部
４６…第２バルブ ４８…負圧発生部
５２…第２ポンプ ６０…吸引領域
Ｔ…温度閾値

Claims (5)

1. 金型を冷却する冷媒を負圧により流動させる金型冷却システムの金型冷却方法であって、
   前記金型の内部には、前記冷媒を流通させる金型側流路が設けられ、
   前記金型側流路の上流側の流路には、第１バルブが設けられ、
   前記金型側流路の下流側の流路には、前記負圧の付与源よりも上流側に第２バルブが設けられ、
   前記第１バルブを閉塞状態とし且つ前記第２バルブを開放状態とすることにより、前記第１バルブよりも下流側を減圧して前記金型を冷却する金型温度調整工程を行う
   ことを特徴とする金型冷却方法。
2. 請求項１記載の金型冷却方法において、
   前記金型温度調整工程は、前記金型の型締めから注湯までの間に行われ、型締め直前の前記金型の温度に基づき実施するか否かが判別される
   ことを特徴とする金型冷却方法。
3. 金型を冷却する冷媒を負圧により流動させる金型冷却システムであって、
   前記金型の内部に設けられる前記冷媒を流通させる金型側流路と、
   前記金型側流路の上流側の流路に設けられる第１バルブと、
   前記金型側流路の下流側の流路で、前記負圧の付与源よりも上流側に設けられる第２バルブと、
   前記第１及び第２バルブの開閉を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第１バルブを閉塞状態とし且つ前記第２バルブを開放状態とすることにより前記第１バルブよりも下流側を減圧して前記金型を冷却する金型温度調整工程を行う
   ことを特徴とする金型冷却システム。
4. 請求項３記載の金型冷却システムにおいて、
   前記制御部は、前記金型の型締めから注湯までの間に前記金型温度調整工程を行い、前記型締め直前の前記金型の温度に応じて実施するか否かを判別する
   ことを特徴とする金型冷却システム。
5. 請求項３又は４記載の金型冷却システムにおいて、
   前記上流側の流路には、前記第１バルブよりも上流側に前記冷媒を圧送するポンプが設けられる
   ことを特徴とする金型冷却システム。

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