JP2021090978A - ダイキャスト装置及びダイキャスト製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽薄短小な製品が求める生産要件を具備するダイキャスト製造技術を提供する。【解決手段】第１の鋳込み金型26と、第２の鋳込み金型28と、第１の鋳込み金型26と第２の鋳込み金型28を重ね合わせることによって形成される金型空間34と、第１の鋳込み金型26または第２の鋳込み金型28に形成された、金型空間34に連通する導入口54と、材料金属46を収納する耐熱ノズル22と、耐熱ノズル22を囲繞し、通電によって材料金属46を加熱・溶融させる誘導加熱用コイル24と、導入口54に連通接続される耐熱ノズル10の下端開口53を備えた第１のダイキャスト装置20。【選択図】図６

Description

この発明は、ダイキャスト装置及びダイキャスト製品の製造方法に係り、特に、薄肉部位からなる軽薄短小な金属製品の製造に好適なダイキャスト技術に関する。

アルミ製品の多くは、直接切削法以外に、グラビティ―などに代表される砂型を用いたキャスティングおよび金型を用いたダイキャスティングで生産される。
特にダイキャスティングは、ヒートシンクなどの小物製品からエンジンブロックなどの大物製品までを生産できる手法として、工業的に利用されている。

ダイカストマシンの構造：ダイカストの基礎知識３ インターネットURL：https://www.ipros.jp/technote/basic-die-cast3/ 検索日：令和１年１１月１９日 ダイカストについて インターネットURL：http://www.tokyodiecast.co.jp/diecast/ 検索日：令和１年１１月１９日

このプロセスには、大別してコールドランナーとホットランナーの２種があるが、溶湯アルミを金型キャビティ―内に鋳込み、冷却して製品を取り出す原理は共通である。
そのため、アルミ塊を溶解する大きな加熱炉を保有し、溶湯アルミをランナー等の比較的長い流路を介してキャビティ―内に搬送し、割り型を圧力で締め、金型キャビティ―内に溶湯アルミを鋳込み、保持し、金型を冷却する過程が不可欠となる。

また型内のフル充填、冷却時の引け防止などのため、製品以外の部位も鋳込む必要があり、製品歩留まりは、製品の小サイズ化・形状複雑化に伴い、大きく低下する。
すなわち、(1) 溶解用の加熱炉、(2) 型締力負荷機構、(3) 均一鋳込み・冷却時の引け防止等をはかる余剰部位増大・歩留まり低下、(4) 金型の多重流路による強制冷却、が必須の要素となる。

アルミヒートシンク、アルミ端子、電子情報関連アルミ部品に代表される、薄肉部位からなる軽薄短小なアルミ製品では、一回の鋳込み量は微小であることに加え、タクト時間の短縮、薄肉精度の確保、アルミ素材歩留まりの向上などが、コスト競争上で必須となるため、従来のダイキャスティングの必要事項である前記(1)〜(4)が生産設備上の大きな負荷となっている。
また、ダイキャスティングの場合、多数個取りの型構造とすることで、１個の製品あたりのタクト時間短縮および歩留まり改善をはかる努力がなされているが、軽薄短小アルミ部品における薄肉精度の確保、溶湯アルミ流れの高品位制御は、きわめて困難となる。

この発明は、従来の前記問題を解決するために案出されたものであり、軽薄短小な製品が求める生産要件を具備する技術を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載したダイキャスト装置は、第１の鋳込み金型と、第２の鋳込み金型と、前記第１の鋳込み金型と前記第２の鋳込み金型を重ね合わせることによって形成される金型空間と、前記第１の鋳込み金型または前記第２の鋳込み金型に形成された、前記金型空間に連通する導入口と、材料金属を収納する耐熱ノズルと、前記導入口に連通接続される前記耐熱ノズルの開口部と、前記耐熱ノズルを囲繞し、通電によって前記材料金属を加熱・溶融させる誘導加熱用コイルを備えたことを特徴としている。

また、請求項２に記載したダイキャスト装置は、請求項１のダイキャスト装置であって、前記第１の鋳込み金型が平板状のコアプレートよりなり、前記第２の鋳込み金型が平板状のキャビプレートよりなり、これらコアプレート及びキャビプレート間に挟持される平板状の製品形状プレートを備え、前記製品形状プレートは、製品の形状に対応した貫通孔を有しており、この貫通孔によって前記金型空間が形成されることを特徴としている。

請求項３に記載したダイキャスト装置は、請求項１または２のダイキャスト装置であって、前記耐熱ノズル、前記誘導加熱用コイル及び前記導入口が複数設けられており、各導入口に前記耐熱ノズルの開口部がそれぞれ連通接続されていることを特徴としている。

請求項４に記載したダイキャスト製品の製造方法は、第１の鋳込み金型及び第２の鋳込み金型を重ね合わせることによって、両者間に金型空間を形成する工程と、前記第１の鋳込み金型及び前記第２の鋳込み金型の少なくとも一方に形成された、前記金型空間に連通する導入口に、耐熱ノズルの先端開口部を連通接続する工程と、前記耐熱ノズルの内部に材料金属を導入する工程と、前記耐熱ノズルの周囲に誘導加熱用コイルを配置する工程と、前記誘導加熱コイルに電流を流して、前記材料金属を加熱・溶融させる工程と、溶融した材料金属を前記導入口から金型空間に充填する工程と、材料金属の冷却・固化後に前記第１の鋳込み金型及び第２の鋳込み金型を分離し、製品を取り出す工程を備えたことを特徴としている。

この発明の場合、従来のアルミダイキャスティングと異なり、以下の特性を備えている。
(1) アルミ金属・アルミ合金素材等の材料金属を保持する耐熱ノズルを、誘導加熱用コイルで直接加熱することで、溶解用加熱炉が不要となる。また、溶湯を高圧で金型内に射出するための機構も不要となる。
(2) 型締力負荷機構による型締めが不可欠な従来の割り型を用いず、耐熱ノズルと一体化した金型への直接鋳込みにより、型締め力を最小化あるいはゼロ化することができる。
(3) 耐熱ノズルから金型空間への直接鋳込みにより、１個あるいは多数個の製品をキャスティングするため、ゲート部以外の余剰部位は発生しない。
(4) 型加熱・保持温度も低く抑制できるため、型冷却はより少ない流路（例えば単一流路）で対応可能となる。

図１は、この発明の基本原理を説明する模式図であり、鋼製の耐熱ノズル10と、所定の距離を隔てて耐熱ノズル10の周囲を取り囲む誘導加熱用コイル12とを備えている。
耐熱ノズル10内には、ペレット状の材料金属（アルミ金属・アルミ合金素材等）14が充填されている（図２(a)参照）。
図中の符号18は、誘導加熱用コイル12の通電によって発生した磁界を表している。

このプロセス技術は、加熱炉を保有せず、材料金属14を保持、溶解、射出する耐熱ノズル10内で、誘導加熱用コイル12を用いて、直接その場で溶解させる。
すなわち、誘導加熱用コイル12に高周波電流（例えば４００KHz）を加えると、図２(b)及び(c)に示すように、耐熱ノズル10内において材料金属14が直に溶融する。

誘導加熱用コイル12により発生した磁束と、材料金属14及び耐熱ノズル10内に発生する誘導電流との積で与えられるジュール熱により、材料金属14及び耐熱ノズル10は直接加熱され、極めて高速に熔解温度に達することができる。
例えば図３に示すように、加熱開始から１分程度で耐熱ノズル10内の温度が28.4℃から755.1℃まで急上昇する。
このグラフによれば、30秒程度でアルミ溶解温度である650℃に到達することが読み取れる。

溶融した材料金属14は、耐熱ノズル10の下端に形成されたノズル口16から外部に落下する。
図４は、耐熱ノズル10のノズル口16から溶湯アルミが自由噴出する様子を高速度カメラにて撮影したものであり、10mmピッチ（一目盛10mm）での到達時間（上段の数字）と速度（下段の数字）を示している。
図４(b)に示す通り、落下当初から目標値である100mm/sを大幅にクリアする高速にて射出されていることが確認できる。

図５は、前記の基本原理を応用した第１のダイキャスト装置20を示すものであり、一対の耐熱ノズル22と、所定の距離を隔てて各耐熱ノズル22を囲繞する一対の誘導加熱用コイル24と、第１の鋳込み金型（コア）26と、第２の鋳込み金型（キャビティ）28を備えている。

第１の鋳込み金型26の上面には比較的低い凸面30が形成されると共に、第２の鋳込み金型28の内面には比較的浅い凹面32が形成されており、両者間には製品形状に対応した金型空間34が形成されている。
第１の鋳込み金型26と第２の鋳込み金型28は、ボルト等の型締手段（図示省略）によって固定されている。

各耐熱ノズル22は、円筒状の胴部36と、その上端に嵌合された蓋状部材38と、その下端に嵌合された漏斗状部材40を備えている。
各蓋状部材38は、第１の導入管42と、第２の導入管44が形成されている。
この第１の導入管42から耐熱ノズル22の胴部36内に、アルミニウム等のペレット状の材料金属46が導入される。
漏斗状部材40は、径大な上部開口部48と、径小な管状部50と、下に向かって径が窄まる傾斜面52を備えている。管状部50の下端開口53が、ノズル口として機能する。

前記第２の鋳込み金型28には、前記金型空間34に繋がる一対の導入口54が形成されており、各耐熱ノズル22は、それぞれの管状部50が前記導入口54に嵌合するように位置決めされ、図示しない治具等によって固定されている。

ここで、誘導加熱用コイル24に高周波電流を流して耐熱ノズル22内の材料金属46を加熱すると、図６に示すように、溶融した材料金属46が下端開口53から流出し、金型空間34内に広がっていく。
この際、各耐熱ノズル22の第２の導入管44から圧縮空気を供給し、溶融した材料金属46を加圧する。

その後、材料金属46が冷却・固化した時点で、第２の鋳込み金型28を第１の鋳込み金型26から分離し、金型空間34内の製品56を取り出す。
アルミ金属・アルミ合金部品は、その高い電気的・熱的特性に加え、高い比強度も重要な因子であり、電気部品では銅端子などの代替として、熱伝達部品ではヒートシンクとして、高比強度部品では、携帯電話外装品として用いられている。
それらの生産時のエネルギーコスト・タクト時間・余剰素材量などを大幅に低減することで、アルミ金属・アルミ合金の利用範囲を拡大する。
特に、軽薄短小部品では、形状寸法精度低下の原因となるバリを発生せず、２mm以下の薄板構造のダイキャスティングが可能となる。

図７は、製品56の一例であるスマートフォンの金属製外装ケース57を示すものであり、ゲート対応部分に円筒状の余剰部位58がわずかに突出しているだけであり、バリなども一切生じていない。

本技術は、一般的な割り型構造を用いず、複数のゲートを通じて金型と一体化された耐熱ノズル22から溶湯アルミ金属・溶湯アルミ合金を直接金型内に鋳込む仕組みであるため、高圧で溶湯を金型内に射出するための機構が不要となり、型締め力を最小限に抑えることができると共に、余計なランナーを設ける必要がなく、材料消費量を低減することが可能となる。

図８は、第２のダイキャスト装置60を示すものであり、一対の耐熱ノズル22と、平板状のコアプレート62と、平板状のキャビプレート64と、平板な製品形状プレート66を備えている。

製品形状プレート66は、中央に製品形状に対応した貫通孔を備えたフレーム状をなしており、コアプレート62及びキャビプレート64で上下を挟むことにより、製品形状に対応した金型空間68が形成される。
コアプレート62とキャビプレート64は、ボルト等の型締手段（図示省略）によって固定されている。

この第２のダイキャスト装置60の場合、耐熱ノズル22は第１のダイキャスト装置20における耐熱ノズル22と同じ構造を備えているため、重複の説明を省略する。

前記キャビプレート64には、前記金型空間68に繋がる一対の導入口70が形成されており、各耐熱ノズル22は、それぞれの管状部50が前記導入口70と嵌合するように位置決めされ、図示しない治具によって固定されている。

ここで、誘導加熱用コイル24に高周波電流を流して耐熱ノズル22内の材料金属46を加熱すると、溶融した材料金属46が下端開口53から流出し、金型空間68内に広がっていく。
この際、各耐熱ノズル22の第２の導入管44から圧縮空気を供給し、溶融した材料金属46を加圧する。
その後、材料金属46が冷却・固化した時点で、キャビプレート64をコアプレート62から分離し、製品72を取り出す。

この発明に係る技術は、図５、図６、図８に示されたように、ダイキャスティングで標準的に用いられている割り型構造ではなく、材料金属46を溶融させる耐熱ノズル22と金型とが一体化した構造を用いるため、射出する溶湯アルミ金属・アルミ合金量は、製品体積に最小の余剰量を加算するだけで、製品形状を獲得できる。

図９(a)及び(b)は、前記第１のダイキャスト装置20を用い、型締め力ゼロの状態で鋳込んだ小判形状の第１の試験片を示す写真であり、最大余剰部位がゲート部の出っ張りとなっていることが確認できる。
図９(c)は、Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography ）による第１の試験片内部の状態を示す画像であり、空洞や亀裂などの不具合が一切発生していないことが確認できる。

因みに、製品サイズは50mm×16mm×５mmあり、製品重量が10.11g、余剰部位の重量が0.14g、全重量に占める余剰部位の比率が1.3％となっている。
前記の通り、型締め力ゼロの状態で鋳込んだため、僅かなバリが発生しているが、この程度であれば簡単に除去可能であり、材料損失も最小限で済む。

図１０(a)は、前記第１のダイキャスト装置20を用い、型締め力ゼロの状態で鋳込んだ矩形状の第２の試験片を示す写真であり、やはり最大余剰部位がゲート部の出っ張りのみとなっている。
図１０(b)は、Ｘ線ＣＴによる第２の試験片内部の状態を示す画像であり、空洞や亀裂などの不具合は生じていない。

図１１(a)及び(b)は、前記第１のダイキャスト装置20を用い、型締め力ゼロの状態で鋳込んだ端子形状の第３の試験片を示す写真であり、この場合も最大余剰部位がゲート部の出っ張りのみとなっている。
図１１(c)は、Ｘ線ＣＴによる第３の試験片内部の状態を示す画像であり、空洞や亀裂などの不具合は生じていない。

図１２(a)は、前記第１のダイキャスト装置20を用い、型締め力ゼロの状態で鋳込んだ歯車形状の第４の試験片を示す写真であり、こちらも最大余剰部位がゲート部の出っ張りのみとなっている。
図１２(b)は、Ｘ線ＣＴによる第４の試験片内部の状態を示す画像であり、空洞や亀裂などの不具合は生じていない。

この発明の基本原理を説明する模式図である。 ペレット状の材料金属が誘導加熱用コイルの作用により、耐熱ノズル内で直に溶融する様子を示す写真である。 誘導加熱用コイルの作用により、耐熱ノズル内の温度が急上昇する様子を示すグラフである。 耐熱ノズルのノズル口から溶湯アルミが自由噴出する様子を高速度カメラにて撮影した写真である。 第１のダイキャスト装置の構造を示す断面図である。 第１のダイキャスト装置の構造を示す断面図である。 第１のダイキャスト装置によって製造したスマートフォンの外装ケースを例示する斜視図である。 第２のダイキャスト装置の構造を示す断面図である。 第１のダイキャスト装置によって製造した小判形状の第１の試験片を示す写真及びＸ線ＣＴ画像である。 第１のダイキャスト装置によって製造した矩形状の第２の試験片を示す写真及びＸ線ＣＴ画像である。 第１のダイキャスト装置によって製造した端子形状の第３の試験片を示す写真及びＸ線ＣＴ画像である。 第１のダイキャスト装置によって製造した歯車形状の第４の試験片を示す写真及びＸ線ＣＴ画像である。

10 耐熱ノズル
12 誘導加熱用コイル
14 材料金属
16 ノズル口
18 磁界
20 第１のダイキャスト装置
22 耐熱ノズル
24 誘導加熱用コイル
26 第１の鋳込み金型
28 第２の鋳込み金型
34 金型空間
36 胴部
38 蓋状部材
40 漏斗状部材
42 第１の導入管
44 第２の導入管
46 材料金属
50 管状部
53 下端開口
54 導入口
56 製品
57 金属製外装ケース
58 余剰部位
60 第２のダイキャスト装置
62 コアプレート
64 キャビプレート
66 製品形状プレート
68 金型空間
70 導入口
72 製品

Claims (4)

1. 第１の鋳込み金型と、
   第２の鋳込み金型と、
   前記第１の鋳込み金型と前記第２の鋳込み金型を重ね合わせることによって形成される金型空間と、
   前記第１の鋳込み金型または前記第２の鋳込み金型に形成された、前記金型空間に連通する導入口と、
   材料金属を収納する耐熱ノズルと、
   前記導入口に連通接続される前記耐熱ノズルの開口部と、
   前記耐熱ノズルを囲繞し、通電によって前記材料金属を加熱・溶融させる誘導加熱用コイルと、
   を備えたダイキャスト装置。
2. 前記第１の鋳込み金型が、平板状のコアプレートよりなり、
   前記第２の鋳込み金型が、平板状のキャビプレートよりなり、
   これらコアプレート及びキャビプレート間に挟持される平板状の製品形状プレートを備え、
   前記製品形状プレートは、製品の形状に対応した貫通孔を有しており、この貫通孔によって前記金型空間が形成されることを特徴とする請求項１に記載のダイキャスト装置。
3. 前記耐熱ノズル、前記誘導加熱用コイル及び前記導入口が複数設けられており、
   各導入口に前記耐熱ノズルの開口部がそれぞれ連通接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のダイキャスト装置。
4. 第１の鋳込み金型及び第２の鋳込み金型を重ね合わせることによって、両者間に金型空間を形成する工程と、
   前記第１の鋳込み金型及び前記第２の鋳込み金型の少なくとも一方に形成された、前記金型空間に連通する導入口に、耐熱ノズルの先端開口部を連通接続する工程と、
   前記耐熱ノズルの内部に材料金属を導入する工程と、
   前記耐熱ノズルの周囲に誘導加熱用コイルを配置する工程と、
   前記誘導加熱コイルに電流を流して、前記材料金属を加熱・溶融させる工程と、
   溶融した材料金属を前記導入口から金型空間に充填する工程と、
   材料金属の冷却・固化後に前記第１の鋳込み金型及び第２の鋳込み金型を分離し、製品を取り出す工程と、
   を備えたことを特徴とするダイキャスト製品の製造方法。

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