JP2018075627A - 砂中子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造形型から湿砂が逆流することを抑制することが可能な砂中子の製造方法を提供することである。【解決手段】本発明にかかる砂中子の製造方法は、湿砂１６を造形型２０に充填し、湿砂１６を硬化させて砂中子を製造する砂中子の製造方法であって、加圧ピストン１２を加圧方向に移動させて射出用シリンダ１１内に貯蔵されている湿砂１６を射出して、造形型２０に湿砂１６を充填する工程と、ゲート２３における湿砂が硬化した後、加圧ピストン１２を所定の速度以上で負圧方向に移動させて射出用シリンダ１１内を負圧にし、造形型２０に充填された湿砂のうち供給路２２に残留している未硬化の湿砂を射出用シリンダ１１内に戻す工程と、を備える。【選択図】図２Ｄ

Description

本発明は砂中子の製造方法に関する。

中空部を備える鋳物を形成する際は、中空部の形状に対応した砂中子を用いて鋳造する。この砂中子を製造する技術に関して、特許文献１には湿砂を造形型に充填して砂中子を製造する技術が開示されている。

特開２０１１−４１９７３号公報

特許文献１に開示されている技術のように、砂中子を製造する際は、加熱された造形型に湿砂を充填する。その後、造形型に充填された湿砂の水分を蒸発させて湿砂を硬化させて所定の形状を備える砂中子を形成する。

ここで湿砂は水溶性バインダーを含有するため、造形型に湿砂を充填した後、加熱された造形型の内部において湿砂が硬化する際に、湿砂に含まれている水溶性バインダーの水分が液体から気体になる。これにより水分の体積が膨張して湿砂の体積が膨張し、造形型から湿砂が逆流する場合があった。

具体的に説明すると、図７に示すように、造形型１２０は、砂中子の形状に対応する形状を備えるキャビティ１２１と、キャビティ１２１に湿砂を供給するための供給路１２２と、を備える。砂中子を製造する際は、造形型１２０の吹き込み口１２４から供給路１２２を経由してキャビティ１２１に湿砂を供給する。造形型１２０は所定の温度に加熱されているので、造形型１２０に充填された湿砂が硬化する際に、湿砂に含まれている水分が液体から気体になる。これにより水分の体積が膨張して湿砂の体積が膨張し、図７の右図に示すように、造形型１２０の吹き込み口１２４から湿砂が逆流するという問題があった（逆流した湿砂を符号１３１で示す）。

本発明は、造形型から湿砂が逆流することを抑制することが可能な砂中子の製造方法を提供するものである。

本発明にかかる砂中子の製造方法は、砂中子を造形するためのキャビティと、前記キャビティに連通し、前記キャビティに湿砂を供給するための供給路と、前記供給路から前記キャビティに開口するゲートと、を備える造形型に前記湿砂を充填し、前記湿砂を硬化させて砂中子を製造する砂中子の製造方法であって、射出用シリンダ内に貯蔵されている湿砂を加圧ピストンを加圧方向に移動させて射出し、前記造形型の前記キャビティと前記ゲートと前記供給路とに前記湿砂を充填する工程と、前記ゲートにおける前記湿砂が硬化した後、前記加圧ピストンを所定の速度以上で負圧方向に移動させて前記射出用シリンダ内を負圧にし、前記造形型に充填された湿砂のうち前記供給路に残留している未硬化の湿砂を前記射出用シリンダ内に戻す工程と、を備える。

本発明にかかる砂中子の製造方法では、加圧ピストンを加圧方向に移動させて造形型のキャビティとゲートと供給路とに湿砂を充填する。そして、ゲートにおける湿砂が硬化した後、加圧ピストンを所定の速度以上で負圧方向に移動させて射出用シリンダ内を負圧にし、造形型に充填された湿砂のうち供給路に残留している未硬化の湿砂を射出用シリンダ内に戻している。これにより、造形型に充填された湿砂のうち未硬化の湿砂を射出用シリンダ内に戻すことができ、造形型の内部に未硬化の湿砂が残留することを抑制することができる。よって、造形型から湿砂が逆流することを抑制することができる。

上述した砂中子の製造方法において、前記ゲートの断面積は前記供給路の断面積よりも小さくしてもよい。

このように、造形型のゲートの断面積を供給路の断面積よりも小さくすることで、ゲートにおける湿砂の硬化を促進させることができる。

本発明により、造形型から湿砂が逆流することを抑制することが可能な砂中子の製造方法を提供することができる。

実施の形態にかかる砂中子製造装置を説明するための断面図である。 実施の形態にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。 加圧ピストンの上昇速度と逆流発生率との関係を示すグラフである。 実施の形態にかかる砂中子製造装置の他の構成例を説明するための断面図である。 比較例にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。 比較例にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。 比較例にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態にかかる砂中子の製造方法を用いた場合と比較例にかかる砂中子の製造方法を用いた場合とにおける造形サイクルの比較結果を示すグラフである。 本発明の課題を説明するための断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態にかかる砂中子製造装置を説明するための断面図である。本実施の形態にかかる砂中子の製造方法は、図１に示す砂中子製造装置１を用いて実施される。図１に示すように、砂中子製造装置１は、充填装置１０と、造形型２０と、を備える。

充填装置１０は、造形型２０に湿砂を充填する装置である。充填装置１０は、射出用シリンダ１１と加圧ピストン１２とを備える。加圧ピストン１２は、射出用シリンダ１１の内部において、加圧方向（鉛直方向下側）および負圧方向（鉛直方向上側）に変位可能に配置されている。射出用シリンダ１１の内部には湿砂１６が貯蔵されており、加圧ピストン１２が加圧方向に変位することで、射出用シリンダ１１の内部に貯蔵されている湿砂１６が加圧されて、射出ノズル１３から湿砂１６が射出される。射出用シリンダ１１及び加圧ピストン１２は、例えば金属材料を用いて構成することができる。

射出用シリンダ１１の底部には弁体１４が設けられている。弁体１４は、射出用シリンダ１１の内部空間と射出ノズル１３との間に設けられており、加圧ピストン１２が静止している状態において、湿砂１６が重力の力で下方に漏れることを抑制する。また、加圧ピストン１２が加圧方向に変位すると、射出用シリンダ１１内の圧力が上昇して、射出用シリンダ１１内の湿砂１６が弁体１４を通過して、射出ノズル１３から湿砂１６が射出される。弁体１４は、例えばゴムなどの樹脂材料を用いて構成することができる。

本実施の形態で用いられる湿砂１６は、骨材である砂と水溶性バインダーとを混合した材料である。例えば、水溶性バインダーにはケイ酸ナトリウムなどの水ガラスを用いることができる。また、湿砂１６として、骨材である砂に水ガラスと界面活性剤とを混合した発泡砂を用いてもよい。なお、本実施の形態で用いられる湿砂１６はこれらに限定されることはなく、加熱された際に体積が膨張する性質を有する湿砂であればどのような材料を用いてもよい。

図１に示すように、造形型２０は、砂中子を造形するためのキャビティ２１と、キャビティ２１に連通し、キャビティ２１に湿砂１６を供給するための供給路２２と、供給路２２からキャビティ２１に開口するゲート２３と、を備える。ここで、キャビティ２１の形状は砂中子の形状に対応している。例えば、造形型２０は２つの型を用いて構成されており、２つの型を型締めすることで、キャビティ２１、供給路２２、及びゲート２３が形成される。

砂中子を製造する際は、造形型２０を構成する２つの型を型締めした状態で、造形型２０の吹き込み口２４からキャビティ２１、供給路２２、及びゲート２３に湿砂１６を充填する。造形型２０は金型であり、１５０℃〜３００℃程度に加熱されている。よって、造形型２０のキャビティ２１、供給路２２、及びゲート２３に湿砂１６が供給されると、造形型２０から伝わる熱によって湿砂１６の水分が蒸発して湿砂１６が硬化する。その後、造形型２０を構成する２つの型を開いて、形成された砂中子を取り出す。なお、本実施の形態において、造形型２０を構成する２つの型は、パーティングラインが垂直方向に伸びる垂直割型であってもよく、また、パーティングラインが水平方向に伸びる水平割型であってもよい。なお、図１に示す造形型２０では、パーティングラインの図示を省略している。

次に、本実施の形態にかかる砂中子の製造方法について説明する。図２Ａ〜図２Ｅは、本実施の形態にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。

砂中子を製造する際は、事前に造形型２０を湿砂１６が硬化する温度（例えば、１５０℃〜３００℃程度）に加熱しておく。また、事前に充填装置１０の射出用シリンダ１１に湿砂１６を貯蔵する。例えば、射出用シリンダ１１から加圧ピストン１２を取り除いた状態で、射出用シリンダ１１の内部に原材料である砂と水溶性バインダーとを投入する。そして、射出用シリンダ１１の内部に投入された砂と水溶性バインダーとを攪拌装置（不図示）を用いて攪拌する。その後、射出用シリンダ１１に加圧ピストン１２をセットする。例えば、原材料の投入と攪拌は造形型２０が置かれている場所と離れた位置で行われる。

射出用シリンダ１１に湿砂１６を貯蔵した後、図２Ａに示すように、造形型２０の上に充填装置１０を搬送する。そして、充填装置１０を降下させて、図２Ｂに示すように、造形型２０の吹き込み口２４に充填装置１０の射出ノズル１３を接続する。

その後、図２Ｃに示すように、加圧ピストン１２を加圧方向（鉛直方向下側）に移動させる。これにより、射出用シリンダ１１内に貯蔵されている湿砂１６が射出されて、造形型２０に湿砂１６が充填される。すなわち、図２Ｃに示すように、加圧ピストン１２を加圧方向に移動させると、射出用シリンダ１１内の圧力が上昇して、射出用シリンダ１１内の湿砂１６が弁体１４（図１参照）を通過して、射出ノズル１３から湿砂１６が射出される。射出ノズル１３から射出された湿砂１６は、造形型２０の吹き込み口２４を通過した後、供給路２２およびゲート２３を通過してキャビティ２１に供給される。

本実施の形態では、図２Ｃに示すように、造形型２０のキャビティ２１、ゲート２３、及び供給路２２の全体に湿砂１６が充填される。更に、造形型２０の吹き込み口２４に接続されている射出ノズル１３および射出用シリンダ１１にも湿砂１６が充填された状態となっている。すなわち、本実施の形態では、加圧ピストン１２で湿砂１６を加圧することで、キャビティ２１、ゲート２３、供給路２２、射出ノズル１３、及び射出用シリンダ１１で形成される空間全体に湿砂１６が充填される。

そして、図２Ｃに示す状態、つまり、造形型２０の吹き込み口２４と射出ノズル１３とが接続された状態を所定の時間保持して、造形型２０のゲート２３に充填されている湿砂を硬化させる。

造形型２０のゲート２３に充填されている湿砂が硬化した後、図２Ｄに示すように、加圧ピストン１２を所定の速度以上で負圧方向（鉛直方向上側）に移動させて射出用シリンダ１１内を負圧にし、造形型２０に充填された湿砂１６のうち供給路２２に残留している未硬化の湿砂１６を射出用シリンダ１１内に戻す。

つまり、図２Ｄに示すように、加圧ピストン１２を所定の速度以上で負圧方向に移動させると、射出用シリンダ１１内の圧力が低下し、射出用シリンダ１１の内部が負圧になる。射出用シリンダ１１の内部の圧力が負圧になると、造形型２０に充填された湿砂１６のうち供給路２２に残留している未硬化の湿砂１６が射出用シリンダ１１の内部に吸い込まれる。このとき、射出ノズル１３に残留している湿砂１６も射出用シリンダ１１の内部に吸い込まれる。図２Ｄでは、未硬化の湿砂１６が射出用シリンダ１１の内部に吸い込まれている状態を破線の矢印で示している。

また、本実施の形態では、造形型２０のゲート２３に充填されている湿砂が硬化した後に、加圧ピストン１２を負圧方向に移動させている。よって、加圧ピストンを負圧方向に移動させた際に、キャビティ２１内の湿砂が供給路２２側に移動することを抑制することができる。

つまり、キャビティ２１は体積が大きいので、キャビティ２１内の湿砂が硬化するには時間がかかる。このため、ゲート２３における湿砂が先に硬化し、このタイミングではキャビティ２１には未硬化の湿砂が残留している。しかしゲート２３はキャビティ２１の入り口に位置しているので、ゲート２３の湿砂が硬化した後に加圧ピストンを負圧方向に移動させることで、キャビティ２１内の未硬化の湿砂が供給路２２側に移動することを抑制することができる。

ここで、造形型２０は加熱されているので、造形型２０に充填された湿砂１６のうち、造形型２０と接している部分の湿砂１６に熱が伝わりやすい。このため、造形型２０に充填された湿砂１６は、造形型２０と接している箇所から硬化していく。つまり、図２Ｄに示すように、供給路２２に充填されている湿砂１６のうち、造形型２０と接している箇所の湿砂１６は硬化しているが、供給路２２の内部の湿砂１６は未硬化の状態であり、この部分の湿砂１６が射出用シリンダ１１の内部に吸い込まれている。また、供給路２２のうち、吹き込み口２４に近い部分では湿砂１６に熱が伝わりにくい。このため、図２Ｄに示す例では、供給路２２のうち吹き込み口２４に近い部分において未硬化の湿砂１６が多くなっている。

なお、図２Ｄに示すように、ゲート２３は供給路２２よりも吹き込み口２４から離れた位置に配置されている。よって、ゲート２３に充填されている湿砂は、供給路２２に充填されている湿砂よりも早く硬化する。

また、本実施の形態では、図４に示すように、造形型２０のゲート２３の断面積を供給路２２の断面積よりも小さくしてもよい。このようにゲート２３の断面積を供給路２２の断面積よりも小さくすることで、図２Ｃに示した構成と比べて、砂中子の製造時に、ゲート２３における湿砂１６を供給路２２における湿砂１６よりも、更に早く硬化させることができる。

未硬化の湿砂１６を射出用シリンダ１１内に戻した後、図２Ｅに示すように、充填装置１０を上昇させる。そして、原材料の投入と攪拌を行う場所まで充填装置１０を搬送する。また、造形型２０に充填された湿砂１６が硬化した後、造形型２０を構成する２つの型を開いて、形成された砂中子を取り出す。このような工程により、砂中子が製造される。

上記で説明したように、砂中子を製造する際は、加熱された造形型に湿砂を充填し、その後、造形型に充填された湿砂の水分を蒸発させて湿砂を硬化させて砂中子を形成する。ここで湿砂は水溶性バインダーを含有するため、造形型に湿砂を充填した後、加熱された造形型の内部において湿砂が硬化する際に、湿砂に含まれている水溶性バインダーの水分が液体から気体になる。これにより水分の体積が膨張して湿砂の体積が膨張し、造形型から湿砂が逆流するとう問題があった。

つまり、図７に示すように、砂中子を製造する際は、造形型１２０の吹き込み口１２４から供給路１２２を経由してキャビティ１２１に湿砂を供給する。造形型１２０は所定の温度に加熱されているので、造形型１２０に充填された湿砂が硬化する際に、湿砂に含まれている水分が液体から気体になる。これにより水分の体積が膨張して湿砂の体積が膨張し、図７の右図に示すように、造形型１２０の吹き込み口１２４から湿砂が逆流するという問題があった（逆流した湿砂を符号１３１で示す）。

そこで本実施の形態にかかる砂中子の製造方法では、図２Ｃに示すように加圧ピストン１２を加圧方向に移動させて造形型２０に湿砂１６を充填する。そして、ゲート２３における湿砂が硬化した後、図２Ｄに示すように加圧ピストン１２を所定の速度以上で負圧方向に移動させて射出用シリンダ１１内を負圧にしている。これにより、造形型２０に充填された湿砂１６のうち供給路２２に残留している未硬化の湿砂を射出用シリンダ１１内に戻すことができ、造形型２０の内部に未硬化の湿砂が残留することを抑制することができる。よって、造形型２０から湿砂１６が逆流することを抑制することができる。

図３は、加圧ピストン１２の上昇速度と逆流発生率との関係を示すグラフである。図３に示すように、加圧ビストン１２の上昇速度、つまり加圧ピストン１２が負圧方向に移動する速度が遅い場合は、湿砂１６が逆流（図７の右図参照）する確率が高い。これは、加圧ピストン１２が負圧方向に移動する速度が遅い場合は、射出用シリンダ１１内の圧力が未硬化の湿砂１６を吸い込むほど十分に負圧にならないからである。

一方、加圧ピストン１２の上昇速度が１００ｍｍ／ｓｅｃよりも速い場合は、湿砂１６の逆流を効果的に抑制することができる。つまり、加圧ピストン１２が負圧方向に移動する速度が１００ｍｍ／ｓｅｃよりも速い場合は、射出用シリンダ１１内の圧力を十分な負圧とすることができ、これにより造形型２０内の未硬化の湿砂１６を吸い込むことができる。

次に、本発明の比較例について説明する。図５Ａ〜図５Ｃは、比較例にかかる砂中子の製造方法を説明するための断面図である。なお、比較例にかかる砂中子の製造方法においても図１に示した砂中子製造装置１を用いている。

比較例にかかる砂中子の製造方法においても、事前に、湿砂１６が硬化する温度（例えば、１５０℃〜３００℃程度）に造形型２０を加熱しておく。また、事前に充填装置１０の射出用シリンダ１１に湿砂１６を貯蔵する。

射出用シリンダ１１に湿砂１６を貯蔵した後、図５Ａに示すように、造形型２０の上に充填装置１０を搬送する。そして、充填装置１０を降下させて、図５Ｂに示すように、造形型２０の吹き込み口２４に充填装置１０の射出ノズル１３を接続する。

その後、図５Ｃに示すように、加圧ピストン１２を加圧方向（鉛直方向下側）に移動させる。これにより、射出用シリンダ１１内に貯蔵されている湿砂１６が射出されて、造形型２０に湿砂１６が充填される。つまり、射出ノズル１３から射出された湿砂１６は、造形型２０の吹き込み口２４を通過した後、供給路２２およびゲート２３を通過してキャビティ２１に供給される。

比較例にかかる砂中子の製造方法では、図５Ｃに示す状態、つまり、造形型２０の吹き込み口２４と射出ノズル１３とが接続された状態を、造形型２０に充填されている湿砂１６が硬化するまで保持する。つまり、比較例にかかる砂中子の製造方法では、造形型２０から湿砂が逆流（図７の右図参照）することを防止するために、造形型２０に充填されている湿砂１６が硬化するまで、具体的には、造形型２０の供給路２２に充填されている湿砂１６が全て硬化するまで、造形型２０の吹き込み口２４と射出ノズル１３とが接続された状態を保持している。すなわち、造形型２０の吹き込み口２４を射出ノズル１３を用いて塞いでおり、実際には射出ノズル１３内の湿砂１６が造形型２０の吹き込み口２４を塞いでいる。

そして、造形型２０の供給路２２に充填されている湿砂１６が硬化した後、充填装置１０を上昇させる。その後、造形型２０を構成する２つの型を開いて、形成された砂中子を取り出す。このような工程により、砂中子が製造される。

図６は、本実施の形態にかかる砂中子の製造方法を用いた場合と、比較例にかかる砂中子の製造方法を用いた場合とにおける造形サイクルの比較結果を示すグラフである。ここで造形サイクルとは、１つの砂中子を製造するために必要な時間である。

比較例にかかる砂中子の製造方法では、造形型２０から湿砂１６が逆流することを防止するために、造形型２０に充填されている湿砂１６が硬化するまで、造形型２０の吹き込み口２４を射出ノズル１３を用いて塞いでいる（図５Ｃ参照）。具体的には、造形型２０の供給路２２に充填されている湿砂１６が全て硬化するまで、造形型２０の吹き込み口２４を射出ノズル１３を用いて塞いでいる。このため、比較例にかかる砂中子の製造方法では、１つの砂中子を製造する際の造形サイクルが長くなる。

これに対して本実施の形態にかかる砂中子の製造方法では、造形型２０に湿砂１６を充填し、ゲート２３における湿砂が硬化した後、加圧ピストン１２を負圧方向に移動させて射出用シリンダ１１内を負圧にして、未硬化の湿砂１６を射出用シリンダ１１内に戻している（図２Ｄ参照）。よって、比較例にかかる砂中子の製造方法のように、造形型２０の供給路２２に充填されている湿砂１６が全て硬化するまで保持する必要がないので、比較例にかかる砂中子の製造方法と比べて、１つの砂中子を製造する際の造形サイクルを短くすることができる（図６参照）。

図６に示すように、本実施の形態にかかる砂中子の製造方法を用いた場合の造形サイクルは、比較例にかかる砂中子の製造方法を用いた場合の造形サイクルに対して、約３０％短縮することができる。つまり、比較例にかかる砂中子の製造方法では、供給路２２を塞ぐ時間の分だけ造形サイクルが長くなる。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１ 砂中子製造装置
１０ 充填装置
１１ 射出用シリンダ
１２ 加圧ピストン
１３ 射出ノズル
１４ 弁体
１６ 湿砂
２０ 造形型
２１ キャビティ
２２ 供給路
２３ ゲート
２４ 吹き込み口

Claims (2)

1. 砂中子を造形するためのキャビティと、前記キャビティに連通し、前記キャビティに湿砂を供給するための供給路と、前記供給路から前記キャビティに開口するゲートと、を備える造形型に前記湿砂を充填し、前記湿砂を硬化させて砂中子を製造する砂中子の製造方法であって、
   射出用シリンダ内に貯蔵されている湿砂を加圧ピストンを加圧方向に移動させて射出し、前記造形型の前記キャビティと前記ゲートと前記供給路とに前記湿砂を充填する工程と、
   前記ゲートにおける前記湿砂が硬化した後、前記加圧ピストンを所定の速度以上で負圧方向に移動させて前記射出用シリンダ内を負圧にし、前記造形型に充填された湿砂のうち前記供給路に残留している未硬化の湿砂を前記射出用シリンダ内に戻す工程と、を備える、
   砂中子の製造方法。
2. 前記ゲートの断面積は前記供給路の断面積よりも小さい、請求項１に記載の砂中子の製造方法。

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