JP2016215243A - 鋳造装置の溶湯充填制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の圧力制御装置は、溶湯の充填が短時間である鋳造の場合、圧力制御弁の動作に遅れが生じて溶湯の流れを正確に制御することが難しいという問題点があった。【解決手段】保持炉３と、金型６と、ストーク７と、ストーク７内の溶湯２にキャビティ５方向への推力を付与する電磁ポンプ８と、キャビティ減圧手段９とを備えた鋳造装置１を用いて、溶湯２をキャビティ５に加圧充填すると共に、キャビティ５内を減圧しながら鋳造を行うに際し、電磁ポンプ８によるゲート部４の溶湯２の流速とキャビティ減圧手段９によるゲート部４の溶湯２の流速との和が所定値以下になるように、電磁ポンプ８及びキャビティ減圧手段９の少なくとも一方の動作を設定して鋳造を行う溶湯充填制御方法とし、キャビティ５への溶湯２の充填が短時間で行われる鋳造においても、溶湯２の流れの制御能力を向上させた。【選択図】図２

Description

本発明は、キャビティに溶湯を加圧充填すると共に、キャビティ内を減圧しながら鋳造を行う際に用いる鋳造装置の溶湯充填制御方法に関するものである。

従来、鋳造装置の溶湯充填制御方法としては、例えば、鋳造機用圧力制御装置の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の圧力制御装置は、溶湯を保持した保持炉内を加圧する炉内圧力制御弁と、炉内圧力を検知する炉内圧力センサと、炉内圧力制御処理手段とを備えている。炉内圧力制御処理手段は、炉内圧力センサで検知した圧力値に基づき、炉内圧力制御パターンに従って弁作動態様を決定して炉内圧力制御弁を開閉動作させる。

また、圧力制御装置は、金型キャビティ内を吸引して減圧するキャビティ内圧力制御弁と、キャビティ力を検知するキャビティ内圧力センサと、キャビティ内圧力制御処理手段とを備えている。キャビティ内圧力制御処理手段は、キャビティ内圧力センサで検知した圧力値に基づき、キャビティ内圧力制御パターンに従って弁作動態様を決定してキャビティ内圧力制御弁を開閉動作させる。

そして、圧力制御装置は、各圧力制御処理手段を、各圧力制御弁の開閉動作可能な所定の単位処理時間毎に平行して実行させるフィードバック制御を行うことにより、炉内圧力及びキャビティ内圧力を夫々の圧力制御パターンに追従させ、複雑な形態の製品を成形するために必要となる溶湯充填態様を適正に生成するようにしている。

特開２００５−１４４５２１号公報

しかしながら、上記したような従来の圧力制御装置では、センサで検知した炉内及びキャビティ内の圧力値に基づいて圧力制御弁を開閉動作させるフィードバック制御を行っていることから、キャビティへの溶湯の充填が短時間で行われる鋳造では、圧力制御弁の機械的動作に遅れが生じるおそれがあり、溶湯の流れを正確に制御することが難しい。また、薄肉の製品を鋳造する場合、加圧及び減圧の影響が大きくなると、ゲート部での溶湯の流れに乱れが生じることがあり、これによりガスの巻き込み等が発生し易くなることから、これらの問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、キャビティ内に溶湯を加圧充填すると共に、キャビティ内を減圧しながら鋳造を行うことで、キャビティへの溶湯の充填が短時間で行われる鋳造においても、溶湯の流れの制御能力を向上させることができる鋳造装置の溶湯充填制御方法を提供することを目的としている。

本発明に係わる鋳造装置の溶湯充填制御方法は、溶湯を蓄えた保持炉と、ゲート部及びキャビティを有する金型と、保持炉内から金型のゲート部に至るストークと、ストーク内の溶湯に対してキャビティ方向への推力を付与する電磁ポンプと、キャビティ内を吸引排気して減圧させるキャビティ減圧手段とを備えた鋳造装置を用いる。

そして、鋳造装置の溶湯充填制御方法は、電磁ポンプにより溶湯をキャビティに加圧充填すると共に、キャビティ減圧手段によりキャビティ内を減圧しながら鋳造を行うに際し、電磁ポンプによるゲート部の溶湯の流速とキャビティ減圧手段によるゲート部の溶湯の流速との和が所定値以下になるように、電磁ポンプ及びキャビティ減圧手段の少なくとも一方の動作を設定して鋳造を行う構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わる鋳造装置の溶湯充填制御方法によれば、キャビティ内に溶湯を加圧充填すると共に、キャビティ内を減圧しながら鋳造を行うことで、キャビティへの溶湯の充填が短時間で行われる鋳造においても、溶湯の流れの制御能力を向上させることができる。しかも、上記の溶湯充填制御方法では、キャビティへの溶湯充填に電磁ポンプを採用しているので、溶湯の流れの制御がより正確なものとなる。

これにより、鋳造装置の溶湯充填制御方法では、キャビティへの溶湯の充填が短時間で行われる鋳造であっても、フィードバック制御のように圧力制御弁の動作の遅れが生じることがないので、溶湯の流れを正確に制御することができ、また、薄肉の製品を鋳造する場合であっても、ゲート部における溶湯の乱流を防止して、ガスの巻き込み等の不具合を未然に阻止し、鋳造欠陥の無い高品質の製品を製造することができる。。

本発明に係わる鋳造装置の溶湯充填制御方法が適用可能な鋳造装置を示す断面説明図である。 電磁ポンプによる溶湯の流量変化及びゲート部の流速変化を説明するグラフである。

図１に示す鋳造装置１は、溶湯２を蓄えた保持炉３と、ゲート部４及びキャビティ５を有する金型６と、保持炉３内から金型６のゲート部４に至る溶湯２の上昇経路であるストーク７とを備えると共に、金型６及び保持炉３を上下に配置するための基板１１とを備えている。

また、鋳造装置１は、ストーク７内の溶湯２に対してキャビティ５方向への推力を付与する電磁ポンプ８と、キャビティ５内を吸引排気して減圧させるキャビティ減圧手段９と、電磁ポンプ８及びキャビティ減圧手段９を制御するための主制御器１０を備えている。

保持炉３は、上側の開口部３Ａにおいてストーク８の上部を保持しており、溶湯２を加熱するためのヒーター（図示せず）などを備えている。ストーク８は、その下端部を保持炉３内の溶湯２に浸漬した状態にして、上端部が金型６のゲート部４に連通しており、中間部の外周に電磁ポンプ８が設けてある。電磁ポンプ８は、図示しないコアを備え、溶湯２とコアとの間に移動磁界を生じさせて溶湯２にキャビティ５方向（上方向）の推力を付与するものである。

金型（成形型・鋳型）６は、基盤１１に固定された下型６Ｌと、下型６Ｌに対向して昇降可能に配置された上型６Ｕと、下型６Ｌと上型６Ｕの間に配置され且つ水平方向に進退可能な中型６Ｍとを備えている。そして、図示例の金型６は、中子１２とともに鋳造空間としてのキャビティ５を形成している。下型６Ｌには、ストーク７とキャビティ５とを連通させるゲート部４が設けてある。図示例のゲート部４は、複数の湯口４Ａから成る構造である。

中子１２は、中子砂とバインダーとの混合物を所定形状に成形して硬化させたものであって、両側に巾木１２Ａを有しており、金型６内においては、下型６Ｌと中型６Ｍとの間に巾木１２Ａを挟んだ状態にして位置決めされている。

キャビティ減圧手段９は、真空タンク９Ａと、真空タンク９Ａから金型６のキャビティ５に至る排気配管９Ｂと、排気配管９Ｂの途中を開閉する排気バルブ９Ｃと、真空タンク９Ａ内を吸引排気する真空ポンプ９Ｄとを備えている。なお、キャビティ減圧手段９としては、図示例のようにキャビティ５内を直接的に吸引排気するものでも良いし、金型６を収容する筐体（図示せず）の内部を吸引排気してキャビティ５内を間接的に減圧するものでも良い。

主制御器１０は、コンピュータであって、電磁ポンプ８や、キャビティ減圧手段９の排気バルブ９Ｃ及び真空ポンプ９Ｄを制御する。主制御器１０は、これらの制御機能の他に、金型６の上型６Ｕ及び中型６Ｍの開閉駆動手段、保持炉３における溶湯２の保温手段、中子の搬入手段、及び製品（成形品・鋳造品）の搬出手段などを制御する機能をもたせることも可能である。

上記構成を備えた鋳造装置１は、電磁ポンプ８により溶湯２をキャビティ５に加圧充填すると共に、キャビティ減圧手段９によりキャビティ５内を減圧しながら鋳造を行うこととなる。具体的には、電磁ポンプ８の作動により、ストーク７内の溶湯２に上方向への推力を付与してキャビティ４に溶湯２を加圧充填し、その一方で、キャビティ減圧手段９において、排気バルブ９Ｃを開放し、キャビティ５内の空気を排気配管９Ｂを通して真空タンク９Ａに吸引排気し、キャビティ５内を減圧させる。

この際、鋳造装置１の溶湯充填制御方法では、電磁ポンプ８によるゲート部４の溶湯２の流速とキャビティ減圧手段９によるゲート部４の溶湯２の流速との和が所定値以下になるように、電磁ポンプ８及びキャビティ減圧手段９の少なくとも一方の動作を設定して鋳造を行う。

また、鋳造装置１の溶湯充填制御方法は、より好ましい実施形態として、電磁ポンプ８によるゲート部４の溶湯２の流速とキャビティ減圧手段９によるゲート部４の溶湯２の流速との和が所定値以下になるように、電磁ポンプ８の動作を設定して鋳造を行う。さらに、鋳造装置１の溶湯充填制御方法は、より好ましい実施形態として、キャビティ５への溶湯充填が完了した後、電磁ポンプ８の動作を継続しつつキャビティ減圧手段９の動作を先に停止する。

図２は、電磁ポンプ８による溶湯２の流量変化及びゲート部４の流速変化を説明するグラフである。なお、図２上段には、一般的な低圧鋳造の圧力変化を点線（従来例）で示している。一般的な低圧鋳造では、初期において保持炉内を低圧で加圧し、溶湯がゲート部に到達した後、保持炉内の圧力を増加させてキャビティに溶湯を充填する。

これに対して、本発明の溶湯充填制御方法は、図２上段に実線（発明例）で示すように、電磁ポンプ８による溶湯２の初期の流量を設定し、ゲート部４に溶湯２が到達するまでは電磁ポンプ８のみを動作させる。そして、ゲート部４に溶湯２が到達したところで、電磁ポンプ８による溶湯２の流量を増加させると共に、キャビティ減圧手段９による減圧を開始する。

上記の溶湯充填制御方法において、ゲート部４の溶湯２の流速（Ｖ）は、流量をゲート部４の開口面積で割ることにより算出できる。また、電磁ポンプ８の制御による溶湯２の加圧力と、キャビティ減圧手段９の制御による減圧力と、ゲート部４における溶湯２の流速との関係は、ベルヌーイの定理と質量保存則に基づいて、以下の式（１）〜（３）で表すことができる。

なお、式（１）〜（３）において、ｈ_１は保持炉３内における溶湯２の表面の高さ、ｈ_２はゲート部４の高さ、Ｐ_１は電磁ポンプ８による溶湯２の加圧力、Ｐ_２はキャビティ４の減圧力、ρは溶湯２の密度、ｇは重力加速度、ｖ_１は電磁ポンプ８の制御によるゲート部４の溶湯２の流速、ｖ_２はキャビティ減圧手段９の制御によるゲート部４の溶湯２の流速、Ｓ_１は保持炉３内における溶湯２の表面積、Ｓ_２はゲート部４の開口面積（湯口４Ａの総開口面積）である。

すなわち、キャビティ減圧手段９による減圧の影響は、上記の式（１）となり、この式（１）においてゼロのものを削除すると式（２）になる。これにより、式（３）により電磁電磁ポンプ８の制御によるゲート部４の溶湯２の流速ｖ_１を求めることができる。実際のゲート部４での溶湯２の流速（Ｖ）は、図２下段に実線で示すように、電磁ポンプ８の制御による流速（大点線）と、キャビティ減圧手段９の制御による流速（小点線）との和であり、電磁ポンプ８による加圧にキャビティ減圧手段９による減圧を加えることで、溶湯２の流速が増し、キャビティ５内での湯廻り性が向上する。

ここで、ゲート部４の高さを１０ｍｍとし、溶湯２がアルミニウム合金であり、その粘度及び密度を考慮した場合、電磁ポンプ８により制御されるゲート部４の溶湯２の流速ｖ_１とキャビティ減圧手段９により制御される溶湯２の流速ｖ_２との和Ｖ（ｖ_１＋ｖ_２）が１．０ｍ／ｓを超えると、レイノルズ数が１０^４を超えて完全乱流になる。そこで、ゲート部４における溶湯２のガスの巻き込みを防ぐには、溶湯２の流速Ｖを１．０ｍ／ｓ以下とした方が良いが、この実施形態では、完全乱流の影響を極力阻止するために、安全性を考慮して溶湯２の流速Ｖを半分の０．５ｍ／ｓとし、これを閾値とする。

つまり、上記の溶湯充填制御方法においては、ゲート部４の流速Ｖ＝０．５ｍ／ｓになる溶湯２の供給量を算出する。減圧による効果は真空タンク９Ａの容量によって上限が決まるため、それを元に電磁ポンプ８による供給量を設定する。

キャビティ減圧手段９による減圧は、キャビティ５内に溶湯２が入ってから、キャビティ５に溶湯２が充填完了に至るまで行い、充填完了後、電磁ポンプ８よりも先に減圧動作を停止する。充填完了時間は、ゲート部４の溶湯２の流速を製品の体積で割ることにより算出可能である。ゲート部４の溶湯２の速度と製品の体積とから溶湯２の充填時間が求まるので、これにより減圧の制御時間を決めることができる。

その後は、図２上段の実線で示すように、溶湯２の凝固完了まで、電磁ポンプ８によって凝固収縮分に相当する溶湯２を供給し続け、凝固完了により溶湯２が供給できなくなった時点で電磁ポンプ８の動作を停止する。

このように、鋳造装置１の溶湯充填制御方法では、電磁ポンプ８によるゲート部４の溶湯２の流速ｖ_１とキャビティ減圧手段９によるゲート部４の溶湯２の流速ｖ_２との和（流速Ｖ）が所定値以下、すなわち完全乱流が生じる値未満、より望ましくは先述の閾値以下になるように、電磁ポンプ８及びキャビティ減圧手段９の少なくとも一方の動作を設定する。より望ましくは、電磁ポンプ８の動作を設定する。これらの設定は、鋳造前の段階で行われることとなり、鋳造中のフィードバック制御は不要になる。

上記の鋳造装置１の圧力製造方法によれば、キャビティ内に溶湯を加圧充填すると共に、キャビティ内を減圧しながら鋳造を行うことで、キャビティへの溶湯の充填が短時間で行われる鋳造においても、溶湯２の流れの制御能力を向上させることができる。これにより、キャビティ５への溶湯２の充填が短時間で行われる鋳造であっても、フィードバック制御のような圧力制御弁の開閉動作の遅れは無視できるので、溶湯２の流れを正確に制御することができ、また、薄肉の製品を鋳造する場合であっても、ゲート部４における溶湯２の乱流を防止して、ガスの巻き込み等を未然に阻止し、鋳造欠陥の無い高品質の製品を製造することができる。

しかも、上記の鋳造装置１の溶湯充填制御方法では、ストーク７内の溶湯２に対してキャビティ５方向への推力を付与する電磁ポンプ８を採用しているので、溶湯２の流れの制御がより正確なものとなる。

さらに、上記の鋳造装置１の溶湯充填制御方法では、電磁ポンプ８によるゲート部４の溶湯２の流速ｖ１とキャビティ減圧手段９によるゲート部４の溶湯２の流速ｖ２との和（流速Ｖ）が所定値以下になるように、電磁ポンプ８の動作を設定して鋳造を行うことから、溶湯２の流れの制御がより正確で且つ応答性も良好であるため、その応答時間の分だけ鋳造のサイクルタイムを短縮することができ、大量生産においては生産時間の大幅な短縮を実現することができる。

ここで、本発明の印鋳造装置１の溶湯充填制御方法では、ゲート部４での溶湯２の流速（Ｖ）が所定値以下になるように、電池ポンプ８及びキャビティ減圧手段９の両方の動作、若しくはキャビティ減圧手段９だけの動作を設定することも可能である。ただし、電磁ポンプ８は、その出力を電気的に制御するだけで溶湯２の流量を直接的に変えることができるので、上記実施形態のように、電池ポンプ８の動作設定を行うようにすれば、溶湯２の流れの制御を容易に且つ正確に行うことができる。

さらに、鋳造装置１の圧力製造方法は、キャビティ４への溶湯２の充填が完了した後、キャビティ減圧手段９の動作を停止することから、とくに、中子の砂間に溶湯２が侵入する差し込みを確実に防止することができ、焼き付き等の鋳造不良を未然に阻止することができる。

本発明に係わる鋳造装置の溶湯充填制御方法は、その具体的構成が上記各実施形態のみ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で構成の細部を適宜変更することが可能である。

１ 鋳造装置
２ 溶湯
３ 保持炉
４ ゲート部
５ キャビティ
６ 金型
７ ストーク
８ 電磁ポンプ
９ キャビティ減圧手段

Claims (3)

1. 溶湯を蓄えた保持炉と、ゲート部及びキャビティを有する金型と、保持炉内から金型のゲート部に至るストークと、ストーク内の溶湯に対してキャビティ方向への推力を付与する電磁ポンプと、キャビティ内を吸引排気して減圧させるキャビティ減圧手段とを備えた鋳造装置を用いて、電磁ポンプにより溶湯をキャビティに加圧充填すると共に、キャビティ減圧手段によりキャビティ内を減圧しながら鋳造を行うに際し、
   電磁ポンプによるゲート部の溶湯の流速とキャビティ減圧手段によるゲート部の溶湯の流速との和が所定値以下になるように、電磁ポンプ及びキャビティ減圧手段の少なくとも一方の動作を設定して鋳造を行うことを特徴とする鋳造装置の溶湯充填制御方法。
2. 電磁ポンプによるゲート部の溶湯の流速とキャビティ減圧手段によるゲート部の溶湯の流速との和が所定値以下になるように、電磁ポンプの動作を設定して鋳造を行うことを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置の溶湯充填制御方法。
3. キャビティへの溶湯充填が完了した後、キャビティ減圧手段の動作を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造装置の溶湯充填制御方法。

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