JP2023169573A - 低圧鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧室あるいは給湯室内の溶湯の湯面高さを正確に計測して、金型キャビティ内への溶湯の充填状態を適正に制御し、高品質な鋳造品の安定生産を可能とする低圧鋳造装置を提供することを目的とする。【解決手段】密閉された加圧室内に圧力および流量が調整された加圧ガスを導入し、加圧室内の溶湯の湯面高さを制御して、加圧室と連通した給湯室内の溶湯の湯面を上昇させ、金型キャビティ内への溶湯の充填状態を調整する低圧鋳造装置において、加圧室には、湯面高さを計測する湯面センサと、加圧ガスの導入を行う加圧ガス導入部と、加圧ガス導入部と加圧室を接続し加圧ガスを加圧室に放出する加圧ガス導入管とを備え、加圧ガス導入管は加圧ガスの放出角度を調整する導入管先端部を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、密閉された加圧室内に圧力および流量が調整された加圧ガスを導入し、加圧室内の溶湯の湯面高さを制御して、加圧室と連通した給湯室内の溶湯の湯面を上昇させ、金型キャビティ内への溶湯の充填状態を調整する低圧鋳造装置に関する。

アルミニウム合金等の溶湯を金型キャビティ内に充填する鋳造成形に使用される鋳造装置は、横型鋳造装置と竪型鋳造装置に分類される。横型鋳造装置は、給湯ロボット等を用いて溶解炉から所定量の溶湯を射出スリーブに給湯し、プランジャを高速高圧で前進させて充填と加圧を行う。余剰な溶湯は射出スリーブ内で冷却固化させ、鋳造品から切断後に溶解炉に回収され、再溶解して鋳造成形に再利用される。大物製品や薄肉製品の鋳造成形に適しているとされるが、充填時の溶湯流動の乱れが生じやすく、空気やガスの巻き込み、ボイドやブリスター、湯ジワ、湯境、鋳バリ等の溶湯流動の乱れに起因する鋳造不良の対策を講じることが望まれる。

これに対して、竪型鋳造装置は、加圧室内の溶湯を押圧して、押圧された溶湯が給湯管内を流動し、金型キャビティ内に充填され加圧される。余剰な溶湯は、給湯管内を流動して、冷却固化することなく溶湯保持炉に回収され、溶湯保持炉内の溶湯と混ざって、次ショットの鋳造成形に用いる。そのため、溶湯の回収効率は、横型鋳造装置と比べて高い。また、充填時の溶湯流動の乱れも少なく、溶湯流動の乱れに起因する鋳造不良を抑えることができ、気密性や製品強度を要する部品の鋳造成形に適しているとされている。また、密閉された加圧室内に圧力および流量が調整された加圧ガスを導入し、加圧室内の溶湯の湯面高さを制御して、加圧室と連通した給湯室内の溶湯の湯面を上昇させ、金型キャビティ内への溶湯の充填状態を調整する低圧鋳造装置が、装置の簡素化、密閉による溶湯の酸化防止効果等の利点により、竪型鋳造装置を用いた鋳造成形の現場で広く採用されている。本発明においては、この低圧鋳造装置を対象とする。

ここで、低圧鋳造装置において、金型キャビティ内への溶湯の充填状態を高精度に制御するために、加圧室あるいは給湯室内の溶湯の湯面高さを正確に計測することが望まれる。例えば、特許文献１に示すような、湯面検知手段を備えた筒体を用いて溶湯の湯面高さを計測することが提案されている。これによると、湯面に浮遊している溶湯酸化物の除去により、溶湯の湯面高さを正確に計測することができるとされている。なお、特許文献１に示す湯面検知手段は、溶湯と接触することで湯面を検知できる接触式検知センサであり、例えば、上限湯面位置や下限湯面位置等、予め設定した計測位置と計測点数のみの湯面検知であり、金型キャビティ内への溶湯の充填状態に連動した湯面高さの連続的な変化は計測できない。

そのため、特許文献２に示すような、超音波センサやレーザセンサ等の非接触式センサを用いることが提案されている。これにより、金型キャビティ内への溶湯の充填状態に連動した湯面高さの連続的な変化の計測を可能とする。さらに、反射板を湯面に浮遊させることで、湯面高さの計測精度を高めることができるとされている。

特開平１－１４３７５４号公報 特開平７－７５８６５号公報

ここで、特許文献１において、筒体内は完全に密閉されていないので、次第に溶湯の酸化が進み、筒体内においても溶湯酸化物が浮遊すると考えられる。同様に、特許文献２においても、溶湯の酸化による溶湯酸化物が浮遊することが考えられる。その結果、時間の経過とともに湯面に浮遊する溶湯酸化物の増加によって、筒体内の溶湯の湯面高さを正確に計測することが困難となる。なお、特許文献２においては、湯面に浮遊させた反射板により、溶湯酸化物の浮遊に関係なく湯面高さの正確な計測ができるとされている。しかしながら、湯面の揺動現象により反射板が大きく揺れて、その結果、超音波センサやレーザセンサの反射波が乱れて、湯面高さの計測精度は大きく低下する。つまり、特許文献１および特許文献２は、湯面高さの計測精度が安定せずに、金型キャビティ内への溶湯の充填状態の制御が不安定となり、高品質な鋳造品の安定生産を確保することが困難である。

そこで本発明は、加圧室あるいは給湯室内の溶湯の湯面高さを正確に計測して、金型キャビティ内への溶湯の充填状態を適正に制御し、高品質な鋳造品の安定生産を可能とする低圧鋳造装置を提供することを目的とする。

本発明の低圧鋳造装置は、
密閉された加圧室内に圧力および流量が調整された加圧ガスを導入し、前記加圧室内の溶湯の湯面高さを制御して、前記加圧室と連通した給湯室内の溶湯の湯面を上昇させ、金型キャビティ内への溶湯の充填状態を調整する低圧鋳造装置において、
前記加圧室には、前記湯面高さを計測する湯面センサと、前記加圧ガスの導入を行う加圧ガス導入部と、前記加圧ガス導入部と前記加圧室を接続し前記加圧ガスを前記加圧室に放出する加圧ガス導入管、とを備え、
前記加圧ガス導入管は、前記加圧ガスの放出角度を調整する導入管先端部、を備えたことを特徴とする。

本発明の低圧鋳造装置において、
前記導入管先端部の前記加圧ガスが通過する経路の通過断面積は、前記加圧ガス導入管の経路の前記加圧ガスが通過する通過断面積と等しいかまたは大きい、ことが好ましい。

また、本発明の低圧鋳造装置において、
前記湯面センサは、レーザ変位計であり、前記レーザ変位計から前記加圧室内の溶湯に向けて照射するレーザ照射波と、溶湯に反射したレーザ反射波との時間差から溶湯の湯面高さを計測する、ことが好ましい。

本発明によれば、加圧室あるいは給湯室内の溶湯の湯面高さを正確に計測して、金型キャビティ内への溶湯の充填状態を適正に制御し、高品質な鋳造品の安定生産を可能とする低圧鋳造装置を提供することができる。

本発明に係る低圧鋳造装置を示す概念図である。 図１に示す低圧鋳造装置を用いた実施形態を示す図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが、各請求項に係る発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、本実施形態においては、各構成要素の尺度や寸法が誇張されて示されている場合や、一部の構成要素が省略されている場合がある。

（低圧鋳造装置）
先ず、本発明に係る低圧鋳造装置について、図１を用いて説明する。図１に示す低圧鋳造装置１００は、溶湯保持炉１０と、加圧室２０と、給湯室３０と、連通室４０と、鋳造金型５０と、を備える。

鋳造金型５０は、給湯室３０の上方に配置され、固定盤５１に支持される固定金型５２と、可動盤５３に支持される可動金型５４と、を備える。図示しない型締装置を操作して、固定金型５２と可動金型５４を型締することで金型キャビティ５５が形成される。また、固定金型５２には、金型キャビティ５５に溶湯を充填するゲート５５Ｇを設ける。固定金型５２と可動金型５４は、図示しない加熱手段等により、金型キャビティ５５に充填される溶湯の流動と冷却に適切な温度に加熱制御される。また、必要に応じて、溶湯の充填前に、金型キャビティ５５に離型剤が塗布される。

溶湯保持炉１０は、鋳造品の用途等に応じて適宜選択し所定の組成に調整された、例えば、アルミニウム合金等の金属材料を所定の温度に溶解保持させた溶湯Ｍを貯蔵する。そのため、通電ヒータ等の温度調整手段１３を備える。また、開閉制御部１２で開閉弁１１を操作して、溶湯保持炉１０から連通室４０に所定量の溶湯Ｍが定期的に供給される。また、溶解炉等の溶湯Ｍを製造する手段を別に設け、溶湯保持炉１０に溶湯Ｍを定期的に補充するようにしても良い。また、蓋１４を閉じることで溶湯保持炉１０内は密閉状態となり、図示しない不活性ガス供給装置等を用いて、アルゴンや窒素等の不活性ガスを溶湯保持炉１０内に充満させて、溶湯保持炉１０内の溶湯Ｍの酸化防止を行うことが好ましい。

連通室４０は、溶湯保持炉１０から供給された溶湯Ｍを貯蔵する。連通室４０内の溶湯Ｍは、通電ヒータ等の温度調整手段４１により所定の温度に保持される。また、連通室４０の溶湯Ｍは、加圧室２０と給湯室３０に接続されている。

給湯室３０は、鋳造金型５０の下方に配置され、内部に連通室４０に接続される溶湯Ｍを貯蔵する。給湯室３０には図示しない温度調整手段等を備え、給湯室３０内の溶湯Ｍは、連通室４０と同様に所定の温度に加熱保持される。また、給湯室３０と鋳造金型５０のゲート５５Ｇは給湯管３１で接続されており、給湯室３０内の溶湯Ｍは給湯管３１を経由して金型キャビティ５５内に充填される。そのために、給湯管３１は、例えば、断熱性を有し溶湯Ｍとの濡れ性の少ないセラミックス素材とする。さらに、給湯管３１内を流動する溶湯Ｍの温度が安定するように、図示しない温度調整手段等を用いて、給湯管３１およびゲート５５Ｇを所定の温度に加熱保持されることが好ましい。

加圧室２０は、給湯室３０とは異なる位置に配置され、内部に連通室４０に接続される溶湯Ｍを貯蔵する。加圧室２０には図示しない温度調整手段等を備え、加圧室２０内の溶湯Ｍは、連通室４０および給湯室３０と同様に所定の温度に加熱保持される。加圧室２０の上部を気密部材２７で閉じることで、溶湯Ｍと気密部材２７の間に密閉された空間部２１が形成される。また、気密部材２７には加圧ガス導入管２２を備えており、加圧ガス導入部２３から加圧ガス導入管２２を経由して、圧力および流量が調整された加圧ガスが空間部２１に導入される。その結果、空間部２１内の圧力が上昇し、加圧室２０内の溶湯Ｍが押圧されて湯面高さは下降する。押圧された加圧室２０内の溶湯Ｍは、連通室４０を経由して給湯室３０内に流動し、給湯室３０内の溶湯Ｍの湯面が上昇する。その結果、給湯室３０内の溶湯Ｍは、給湯管３１およびゲート５５Ｇを経由して金型キャビティ５５内に充填され加圧が行われる。この一連の動作によって鋳造成形が行われる。

ここで、加圧室２０内の溶湯Ｍの湯面高さの変化の程度は、金型キャビティ５５内の溶湯Ｍの充填状態の制御に関係する。そのために、加圧室２０内の溶湯Ｍの湯面高さの変化を正確に計測する湯面センサを備えることが好ましい。この湯面センサを用いて、加圧ガス導入部２３による加圧ガスの導入制御を正確に行うものとする。なお、加圧室２０は密閉構造であることから、湯面センサは加圧室２０の外側に配置することが好ましい。さらに、加圧室２０内の溶湯Ｍは、比較的高い温度状態にあるので、熱に対する保護の観点から加圧室２０から離れた位置に湯面センサを配置することが好ましい。そこで、本発明においては、離れた位置からも正確に湯面高さの変化を計測できる湯面センサとして、レーザ変位計２４を用いる。レーザ変位計２４から照射されたレーザ照射波は、気密部材２７に設けた透明製の計測窓２６を透過して、加圧室２０内の溶湯Ｍの湯面ＭＨに到達する。レーザ照射波は湯面ＭＨで反射してレーザ反射波となる。このレーザ反射波は、計測窓２６を透過してレーザ変位計２４で受信される。レーザ変位計２４と接続した計測部２５は、レーザ照射波とレーザ反射波の時間差を演算し、溶湯Ｍの湯面高さとして計測する。詳しくは、図２を用いて説明する。

なお、空間部２１に導入する加圧ガスは、安価な圧縮空気を用いても良いが、加圧室２０内の溶湯Ｍの酸化防止による品質安定化の観点からは、アルゴンや窒素等の不活性ガスを用いることが好ましい。その際に、加圧室２０内は不活性ガスで充満状態を維持することが好ましい。また、窒素ガスにおいては、分離膜や吸着膜等を用いて空気中から窒素ガスのみを分離収集する窒素ガス発生装置を、加圧ガス導入部２３に用いても良い。同様に、給湯室３０および給湯管３１内もアルゴンや窒素等の不活性ガスで充満させて、溶湯Ｍの酸化防止を講じることがより好ましい。また、加圧室２０内に導入した加圧ガスの圧力を低減させることで、給湯室３０内の溶湯Ｍの湯面は低下し、給湯管３１内に残った溶湯Ｍを給湯室３０内に回収することができる。

（湯面高さの計測）
次に、図１に示した低圧鋳造装置１００を用いて、加圧室２０内の湯面高さの計測を行う実施形態について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は従来技術を示し、図２（ｂ）～（ｄ）は本発明に係る実施形態を示す。また、図２（ａ）～（ｄ）において、気密部材２７に取付けられた加圧ガス導入管２２は、加圧室２０の上面から下方の溶湯Ｍに向かって配置されている点は共通である。また、離れた位置に配置したレーザ変位計２４から、計測窓２６を介して加圧室２０内の溶湯Ｍの湯面高さを計測することも共通である。その他の箇所については表示を割愛している。

先ず、図２（ａ）に示す従来技術において、空間部２１に向けて導入された加圧ガスが、加圧ガス導入管２２から勢いよく放出され、溶湯Ｍの湯面ＭＨに衝突して、湯面ＭＨは大きく揺動現象が生じている状態である。そのために、レーザ変位計２４から発信されたレーザ照射波ＲＳは、揺動現象の湯面ＭＨによってレーザ反射波ＲＨが大きく乱れて、湯面高さの計測が正確にできない状態となる。この時の加圧ガス導入管２２内の加圧ガスの通過断面積Ｑ１、加圧ガス導入管２２出口からの加圧ガスの放出速度Ｇ１とする。

次に、図２（ｂ）に示すように、加圧ガスの放出角度を調整する導入管先端部２２１を加圧ガス導入管２２の先端に配置する。これにより、空間部２１内に放出する加圧ガスの向きを変えることができ、放出された加圧ガスが溶湯Ｍの湯面ＭＨに直接衝突することを回避でき、湯面ＭＨの揺動現象を抑制することができる。その結果、加圧室２１内の湯面ＭＨは平滑状態を維持でき、湯面ＭＨからのレーザ反射波ＲＨが乱れることなく、正確な溶湯Ｍの湯面高さの計測を確保することができる。なお、図２（ｂ）においては、加圧ガスの放出角度を湯面ＭＨに対して水平方向とし、加圧ガスの放出口を４個としたが、これに限定されることなく、例えば、湯面ＭＨから離れる上向きであっても良く、レーザ照射波ＲＳおよびレーザ反射波ＲＨから離れる向きに放出するとしても良い。また、放出口を４個より少なくしても良く、逆に多くしても良い。

ここで、図２（ｂ）において、導入管先端部２２１から放出される加圧ガスの通過断面積Ｑ２が、通過断面積Ｑ１よりも等しいかまたは大きい（Ｑ２≧Ｑ１）とする。これにより、導入管先端部２２１から放出される加圧ガスの放出速度Ｇ２が低減され（Ｇ２≦Ｇ１）、湯面ＭＨの揺動現象の鎮静化効果を確実なものとする。

次に、図２（ｃ）に示すような、加圧ガスの放出角度を調整する導入管先端部２２２を加圧ガス導入管２２の先端に配置する。これにより、空間部２１内に放出する加圧ガスの向きを変えることができ、放出された加圧ガスが溶湯Ｍの湯面ＭＨに直接衝突することを回避でき、湯面ＭＨの揺動現象を抑制することができる。さらに、導入管先端部２２２から放出される加圧ガスの通過断面積Ｑ３を、通過断面積Ｑ１よりも等しいかまたはより大きい（Ｑ３≧Ｑ１）とする。これにより、導入管先端部２２２から放出される加圧ガスの放出速度Ｇ３を確実に低減することができ（Ｇ３≦Ｇ１）、湯面ＭＨの鎮静化を確実なものとする。その結果、湯面ＭＨからのレーザ反射波ＲＨは乱れることなく、湯面高さの高精度な計測を可能とする。

なお、図２（ｃ）において、加圧ガスの放出角度を湯面ＭＨに対して水平方向とし、レーザ照射波ＲＳおよびレーザ反射波ＲＨと異なる方向としたが、これに限定されることなく、例えば、レーザ照射波ＲＳおよびレーザ反射波ＲＨの方向に加圧ガスを放出するとしても良い。この場合、湯面ＭＨを揺動することなく、湯面ＭＨの表面に浮遊する異物を湯面高さの計測位置から移動させることが期待でき、浮遊物による湯面高さの計測誤差を回避することができる。また、導入管先端部２２２の放出角度を計測窓２６に向けることで、異物等が計測窓２６に付着することを防止でき、レーザ照射波ＲＳおよびレーザ反射波ＲＨの計測窓２６の透過を確保して、湯面高さの正確な計測の維持が期待できる。

次に、図２（ａ）に示す加圧ガス導入管２２に隣接して、図２（ｄ）に示すように、加圧ガスの放出角度を調整する導入管先端部２２３を別に配置する。加圧ガス導入管２２から放出された加圧ガスは、導入管先端部２２３により放出角度が大きく変わり、湯面ＭＨへの衝突が回避され湯面ＭＨの揺動現象が抑制される。この時の、導入管先端部２２３と加圧ガス導入管２２とで囲まれた通過断面積Ｑ４は、通過断面積Ｑ１よりも等しいかまたは大きく設定する（Ｑ４≧Ｑ１）。これにより、導入管先端部２２３から放出される加圧ガスの放出速度Ｇ４は低減され（Ｇ４≦Ｇ１）、湯面ＭＨの鎮静化を確実なものとし、レーザ変位計２４による湯面高さの正確な計測を実現でき、金型キャビティ５５への溶湯Ｍの充填状態の緻密な制御を可能とする。

また、導入管先端部２２３には、湯面ＭＨに向かって僅かな加圧ガスＧ５（Ｇ５＜Ｇ４）が放出されるように設定されている。この僅かな加圧ガスＧ５の放出により、湯面ＭＨの揺動を抑えつつ、湯面ＭＨに浮遊する異物を完全に除去することができる。これによって、浮遊物による湯面高さの計測誤差を確実に抑制することができる。

なお、図２（ｂ）～図２（ｄ）に示した導入管先端部（２２１～２２３）は、加圧ガス導入管２２の先端部に配置するとしたが、加圧ガス導入管２２を導入管先端部（２２１～２２３）のように設定しても良い。また、加圧ガス導入管２２は１つとしたが、複数の配置であっても良く、複数の導入管先端部（２２１～２２３）を組み合わせて配置するとしても良い。

（効果）
このように、密閉された加圧室２０内に加圧ガス導入管２２から加圧ガスを導入して、加圧室２０内の溶湯の湯面高さを制御して、加圧室２０と連通した給湯室３０内の溶湯の湯面を上昇させ、金型キャビティ５５内への溶湯の充填状態を調整する低圧鋳造装置１００において、加圧ガスの放出角度を調整し、加圧ガスの通過断面積を拡大した導入管先端部（２２１～２２３）を備え、レーザ照射波ＲＳを湯面ＭＨに向けて照射し、湯面ＭＨに反射したレーザ反射波ＲＨとの時間差から湯面高さを計測するレーザ変位計２４を設けるとした。これにより、溶湯の湯面ＭＨの揺動現象を抑制し沈静化を図り、加圧室２０内の溶湯の湯面高さの変動を正確に計測することができ、給湯室３０内の湯面の上昇を緻密に制御して、金型キャビティ５５内への溶湯の充填状態を適正に制御することができる。その結果、高品質な鋳造品の安定生産を可能とする。

また、既存の低圧鋳造装置１００の大掛かりな改造等を必要とせず、導入管先端部（２２１～２２３）を追加するだけの簡単で安価な改造で、高精度な低圧鋳造装置１００を提供することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に記載された範囲には限定されない。上記の実施形態には多様な変更または改良を加えることが可能である。

１００ 低圧鋳造装置
１０ 溶湯保持炉
１１ 開閉弁
１２ 開閉制御部
１３、４１ 温度調整手段
１４ 蓋
２０ 加圧室
２１ 空間部
２２ 加圧ガス導入管
２２１～２２３ 導入管先端部
２３ 加圧ガス導入部
２４ レーザ変位計
２５ 計測部
２６ 計測窓
２７ 気密部材
３０ 給湯室
３１ 給湯管
４０ 連通室
５０ 鋳造金型
５１ 固定盤
５２ 固定金型
５３ 可動盤
５４ 可動金型
５５ 金型キャビティ
５５G ゲート
Ｍ 溶湯
ＭＨ 湯面
ＲＳ レーザ照射波
ＲＨ レーザ反射波
Ｑ１～Q4 通過断面積
Ｇ１～Ｇ５ 放出速度

Claims (3)

1. 密閉された加圧室内に圧力および流量が調整された加圧ガスを導入し、前記加圧室内の溶湯の湯面高さを制御して、前記加圧室と連通した給湯室内の溶湯の湯面を上昇させ、金型キャビティ内への溶湯の充填状態を調整する低圧鋳造装置において、
   前記加圧室には、前記湯面高さを計測する湯面センサと、前記加圧ガスの導入を行う加圧ガス導入部と、前記加圧ガス導入部と前記加圧室を接続し前記加圧ガスを前記加圧室に放出する加圧ガス導入管、とを備え、
   前記加圧ガス導入管は、前記加圧ガスの放出角度を調整する導入管先端部、を備えたことを特徴とする低圧鋳造装置。
2. 前記導入管先端部の前記加圧ガスが通過する経路の通過断面積は、前記加圧ガス導入管の前記加圧ガスが通過する経路の通過断面積と等しいかまたは大きい、請求項１記載の低圧鋳造装置。
3. 前記湯面センサは、レーザ変位計であり、前記レーザ変位計から前記加圧室内の溶湯に向けて照射するレーザ照射波と、溶湯に反射したレーザ反射波との時間差から溶湯の湯面高さを計測する、請求項１記載の低圧鋳造装置。

Images