JP2023172792A - 中子造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形される中子の品質低下を抑制する。【解決手段】原料中の水分量と相関関係のある、混練材が射出されたときのピストンの移動速度が取得されるので、原料の粘度評価をすることができ、混練槽内の水分量が低下していることを適時に知ることができる。そして、ピストンの移動速度が低い場合には、ピストンの移動速度が高い場合に比べて、混練槽への原料の供給量における水の量の割合が大きくされるので、原料中の水分量の低下が抑制される。よって、造形される中子の品質低下を抑制することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、鋳造用の中子を造形する中子造形装置に関するものである。

少なくとも水を含む複数種類の原料が供給される混練槽と、前記混練槽内において前記原料が混ぜられて練られることによって作られた混練材が内部に形成された空洞内に充填されて中子を造形する金型と、前記混練材を前記混練槽から前記金型に射出して前記空洞内に充填するように移動させられるピストンと、前記混練槽への前記原料の供給量を制御する制御装置と、を備えた中子造形装置が良く知られている。例えば、特許文献１に記載された中子造形装置がそれである。この特許文献１には、射出完了時のピストンの位置とピストンの所定基準位置との差に基づいて原料の供給量を決定することが開示されている。

特開２０１８－６９３０１号公報

ところで、例えば金型から熱を受け取ることにより混練槽内の水分が蒸発すること等に起因して、射出の回数が重なるにつれて原料中の水分量が低下し易くなる可能性があり、造形される中子の品質低下につながるおそれがある。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、造形される中子の品質低下を抑制することができる中子造形装置を提供することにある。

第１の発明の要旨とするところは、（ａ）少なくとも水を含む複数種類の原料が供給される混練槽と、前記混練槽内において前記原料が混ぜられて練られることによって作られた混練材が内部に形成された空洞内に充填されて中子を造形する金型と、前記混練材を前記混練槽から前記金型に射出して前記空洞内に充填するように移動させられるピストンと、前記混練槽への前記原料の供給量を制御する制御装置と、を備えた中子造形装置であって、（ｂ）前記制御装置は、前記混練材が射出されたときの前記ピストンの移動速度を取得し、前記移動速度が低い場合には、前記移動速度が高い場合に比べて、前記混練槽への前記原料の供給量における前記水の量の割合を大きくすることにある。

前記第１の発明によれば、原料中の水分量と相関関係のある、混練材が射出されたときのピストンの移動速度が取得されるので、原料の粘度評価をすることができ、混練槽内の水分量が低下していることを適時に知ることができる。そして、ピストンの移動速度が低い場合には、ピストンの移動速度が高い場合に比べて、混練槽への原料の供給量における水の量の割合が大きくされるので、原料中の水分量の低下が抑制される。よって、造形される中子の品質低下を抑制することができる。

本発明が適用される中子造形装置の概略構成を説明する図であると共に、中子造形装置における各種制御の為の制御系統の要部を説明する図である。 混練槽内において中子の複数種類の原料が混練されるときの状態を示す図である。 混練材を収容した混練槽が金型上に移動させられた状態であって、混練材の金型への射出開始時の状態を示している。 混練材の金型への射出完了時の状態を示している。 制御装置の制御作動の要部を説明するフローチャートであり、造形される中子の品質低下を抑制する為の制御作動を説明するフローチャートである。 射出回数に対する、射出速度と中子重量との各々の推移の一例を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される中子造形装置１０の概略構成を説明する図であると共に、中子造形装置１０における各種制御の為の制御系統の要部を説明する図である。図１において、中子造形装置１０は、原料供給装置２０、混練槽３０、台座４０、金型５０、ピストン６０、シリンダ７０、及び制御装置８０などを備えている。中子造形装置１０は、例えば鋳造用の中子９０（後述する図４参照）を造形する為の装置である。

原料供給装置２０は、ホッパ２１、シャッタ２２、秤量皿２３、秤量計２４、砂投入シュート２５、第１ポンプ２６、第２ポンプ２７、及び第３ポンプ２８などを備えている。

ホッパ２１は、混練槽３０に供給される砂９２Ｓを貯蔵するものである。シャッタ２２は、ホッパ２１の排出口に開閉自在に取り付けられている。これにより、ホッパ２１から秤量皿２３へ投下される砂９２Ｓの量が調整され得る。シャッタ２２の開閉及び開度は、制御装置８０から出力される制御信号Ｓstによって制御される。砂９２Ｓは、中子９０の複数種類の原料９２のうちの一つである。

秤量皿２３は、秤量計２４上に載置されている。これにより、秤量皿２３へ投下された砂９２Ｓの質量が計測される。秤量計２４は例えばロードセルを内蔵しており、秤量計２４によって計測された砂９２Ｓの質量は質量信号Ｓmsとして制御装置８０へ出力される。秤量皿２３は、砂投入シュート２５側に傾転可能に構成されている。これにより、秤量皿２３に投下された砂９２Ｓの質量が予め定められた所定の供給量に到達した場合には、秤量皿２３上の砂９２Ｓが砂投入シュート２５を介して混練槽３０に供給される。

第１ポンプ２６は、水９２Ｗを混練槽３０に供給する為のダイアフラムポンプである。第２ポンプ２７は、水ガラス９２Ｇを混練槽３０に供給する為のダイアフラムポンプである。第３ポンプ２８は、界面活性剤９２Ｋを混練槽３０に供給する為のダイアフラムポンプである。水９２Ｗ、水ガラス９２Ｇ、界面活性剤９２Ｋは、各々、中子９０の複数種類の原料９２のうちの一つであって、液状の添加剤である。水ガラス９２Ｇは、バインダである。バインダは、水ガラス９２Ｇに限定されない。第１ポンプ２６から供給される水９２Ｗの量は、制御装置８０から出力される制御信号Ｓwによって制御される。第２ポンプ２７から供給される水ガラス９２Ｇの量は、制御装置８０から出力される制御信号Ｓgによって制御される。第３ポンプ２８から供給される界面活性剤９２Ｋの量は、制御装置８０から出力される制御信号Ｓkによって制御される。

混練槽３０は、上部つまり鉛直方向上側が開口していると共に、底部３０ｂを有する円筒状の部材である。混練槽３０には、開口している上部から中子９０の原料９２（９２Ｓ、９２Ｗ、９２Ｇ、９２Ｋ）が供給される。混練槽３０内において、原料９２が混ぜられて練られることによってつまり混練されることによって混練材９４（後述する図２－４参照）が作られる。

混練槽３０の底部３０ｂには、混練材９４を射出する貫通孔３０ｈが設けられている。貫通孔３０ｈには、例えばゴム状の弁３２が取り付けられている。これにより、混練槽３０に供給された原料９２や混練された後の混練材９４が混練槽３０から漏れることが抑制される。尚、弁３２の中央部には貫通した切り込みが設けられている為、混練槽３０内の混練材９４を加圧して射出する際には、弁３２が開口させられ得る。

混練槽３０は、台座４０の鉛直方向上側の水平面上に載置されている。台座４０の水平面には、混練槽３０の底部３０ｂに設けられた貫通孔３０ｈと嵌合する凸部４０ｃが形成されている。貫通孔３０ｈに凸部４０ｃが嵌合した状態では、弁３２が開口させられないように鉛直方向下側から支持される。これにより、混練中においても、混練材９４が混練槽３０から漏れることが抑制される。

図２は、混練槽３０内において中子９０の原料９２が混練されるときの状態を示す図である。図２において、中子造形装置１０は、更に、混練羽根３４、回転ロッド３６を備えている。混練羽根３４は、鉛直方向に延設された回転ロッド３６に固定された単数又は複数の板状部材である。回転ロッド３６は、例えば不図示のモータなどに連結されている。混練羽根３４は、モータが駆動させられることによって、回転ロッド３６を軸として回転させられる。これにより、混練槽３０に供給された中子９０の原料９２が混練されて混練材９４が得られる。尚、混練羽根３４は回転ロッド３６と共に鉛直方向に移動可能に設けられている。図１には、混練羽根３４が鉛直方向上側に退避している状態が示されている。図２には、混練羽根３４が鉛直方向下側つまり混練槽３０側に移動して、混練槽３０に挿入され、回転している状態が示されている。

台座４０上に載置された混練槽３０内において中子９０の原料９２が混練された後、混練材９４を収容した混練槽３０は、台座４０上から金型５０上に移動させられる（図１の二点鎖線、後述する図３参照）。

図１に戻り、金型５０は、上型５２と下型５４とを備えている。金型５０の内部には、上型５２と下型５４との間に空洞つまりキャビティ５６が形成されている。金型５０は、混練材９４がキャビティ５６内に充填されて中子９０を造形する（後述する図４参照）。

ピストン６０は、シリンダ７０によって鉛直方向に移動可能に設けられている。つまり、ピストン６０は、混練材９４を混練槽３０から金型５０に射出してキャビティ５６内に充填するように移動させられる（後述する図３、４参照）。シリンダ７０は、シリンダ本体７２とシリンダロッド７４とを備えている。ピストン６０は、シリンダロッド７４の先端に取り付けられている。シリンダ７０には、例えばリニアエンコーダなどの位置センサ７６が内蔵されている。これにより、シリンダ７０からは、ピストン６０の位置であるピストン位置Ｐpt（後述する図３参照）を示す位置信号Ｓppが制御装置８０へ出力される。尚、位置センサ７６は、シリンダ７０に内蔵されている必要はない。

図３は、混練材９４を収容した混練槽３０が金型５０上に移動させられた状態であって、混練材９４の金型５０への射出開始時の状態を示している。図４は、混練材９４の金型５０への射出完了時の状態を示している。図３、図４において、ピストン６０がシリンダ７０によって鉛直方向下側つまり金型５０側に移動させられると、弁３２が開口させられ、混練槽３０内の混練材９４が貫通孔３０ｈから金型５０に射出される。混練槽３０から射出された混練材９４がキャビティ５６内に充填されて中子９０が造形される。

制御装置８０は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えた所謂マイクロコンピュータを含んで構成された電子制御装置である。ＣＰＵはＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつ予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って信号処理を行うことにより中子造形装置１０の各種制御を実行する。

制御装置８０は、混練槽３０に中子９０の原料９２を供給する為の制御信号Ｓst、制御信号Ｓw、制御信号Ｓg、制御信号Ｓkを出力する。つまり、制御装置８０は、混練槽３０への原料９２の供給量を制御する。制御装置８０は、原料９２の供給後、原料９２を混練する為の制御信号を出力し、混練材９４を作る。

制御装置８０は、混練材９４を収容した混練槽３０を台座４０上から金型５０上に移動させる制御信号を出力する。制御装置８０は、混練槽３０を金型５０上に移動させた後、混練材９４を混練槽３０から金型５０に射出してキャビティ５６内に充填するように、ピストン６０を移動させる為の制御信号を出力し、中子９０を造形する。

制御装置８０は、中子９０を造形する際には、位置センサ７６からの位置信号Ｓppに基づいて、混練材９４の金型５０への射出完了時におけるピストン位置Ｐpt、つまり混練材９４の射出時にピストン６０が停止したときのピストン位置Ｐptである射出停止位置Ｐsp（図４参照）を取得する。制御装置８０は、射出停止位置Ｐspと、予め定められた基準のピストン位置Ｐptである基準位置Ｐsd（図３、４参照）と、の差であるピストン位置差ΔＰpt（＝Ｐsp－Ｐsd）に基づいて、今回の射出で使用された混練材９４の量を取得する。制御装置８０は、この混練材９４の量に基づいて、次回に中子９０を造形するときの原料９２の供給量を算出する。制御装置８０は、予め定められた計算式を用いて、次回の原料９２の供給量として、砂９２Ｓの供給量、水９２Ｗの供給量、水ガラス９２Ｇの供給量、及び界面活性剤９２Ｋの供給量を算出する。尚、初回に中子９０を造形するときの原料９２の供給量は、例えば予め定められた値が用いられる。

ところで、ピストン６０が混練材９４に圧力を加えることで水分が絞られて失われる。又は、金型５０から熱を受けることにより、混練材９４の表面から水分が蒸発していく。そうすると、射出の回数が重なるにつれて混練材９４中の水分量が低下し易くなり、中子９０の品質低下につながるおそれがある。一方で、失われる水分を補給する為に、常時多めに水９２Ｗを供給すると、混練槽３０内の水分量が徐々に増加し、焼成不良が発生するおそれがある。他方で、外気温の変動、砂９２Ｓの品質などによっても最適な水９２Ｗの添加量が変化する。

これに対して、中子９０の原料９２の供給量における水９２Ｗの供給量が低下することによって混練材９４の粘度が増大し、混練材９４が射出されたときのピストン６０の移動速度、つまりピストン６０の射出速度Ｖptが低下することに着目した。本実施例では、ピストン６０の射出速度Ｖptに基づいて、原料９２の供給量における水９２Ｗの供給量を変化させる。

制御装置８０は、中子９０を造形する際には、位置センサ７６からの位置信号Ｓppに基づいて、ピストン６０の射出速度Ｖptを取得する。例えば、制御装置８０は、位置センサ７６からの位置信号Ｓppに基づいて、混練材９４の金型５０への射出開始時におけるピストン位置Ｐptである射出開始位置Ｐstを取得する。制御装置８０は、射出開始位置Ｐstから射出停止位置Ｐspまでの距離と、その距離を移動するのに要した時間と、を取得し、それらの距離及び時間に基づいてピストン６０の射出速度Ｖptを算出する。

制御装置８０は、ピストン６０の射出速度Ｖptが低い場合には、射出速度Ｖptが高い場合に比べて、混練槽３０への中子９０の原料９２の供給量における水９２Ｗの量の割合を大きくする。例えば、制御装置８０は、射出速度Ｖptが基準値Ｖsd以下であるか否かを判定する。制御装置８０は、射出速度Ｖptが基準値Ｖsdを超えていると判定した場合には、次回の原料９２の供給量を、ピストン位置差ΔＰptに基づく混練材９４の量に基づいて算出した次回の原料９２の供給量とする。制御装置８０は、射出速度Ｖptが基準値Ｖsd以下であると判定した場合には、ピストン位置差ΔＰptに基づく混練材９４の量に基づいて算出した次回の原料９２の供給量における水９２Ｗの供給量を予め定められた一定量分だけ増加する。基準値Ｖsdは、例えば混練材９４の水分量が不足しているか否かを判断する為の予め定められた閾値である。

制御装置８０は、例えば必要な中子９０の数が得られたか否かに基づいて、中子９０の造形を終了するか否かを判定する。又は、制御装置８０は、例えば人為的に終了操作が為されたか否かに基づいて、中子９０の造形を終了するか否かを判定しても良い。制御装置８０は、中子９０の造形を終了しないと判定した場合には、算出した、次回の原料９２の供給量を用いて原料９２を混練槽３０に供給し、混練する。

図５は、制御装置８０の制御作動の要部を説明するフローチャートであって、造形される中子９０の品質低下を抑制する為の制御作動を説明するフローチャートであり、例えば中子９０の造形時に実行される。

図５において、フローチャートの各ステップは制御装置８０の機能に対応している。ステップ（以下、ステップを省略する）Ｓ１０において、混練槽３０に中子９０の原料９２となる砂９２Ｓ、水９２Ｗ、水ガラス９２Ｇ、界面活性剤９２Ｋ等が供給され、原料９２が混練される。次いで、Ｓ２０において、混練して得られた混練材９４を収容した混練槽３０が台座４０上から金型５０上に移動させられた後、混練材９４がピストン６０によって混練槽３０から金型５０に射出され、キャビティ５６内が充填させられて中子９０が造形される。次いで、Ｓ３０において、位置センサ７６からの位置信号Ｓppに基づいて、ピストン６０の射出停止位置Ｐspが取得される。次いで、Ｓ４０において、射出停止位置Ｐspと基準位置Ｐsdとの差であるピストン位置差ΔＰptに基づいて、射出された混練材９４の量が取得され、この混練材９４の量に基づいて次回の原料９２の供給量が算出される。次いで、Ｓ５０において、同じ位置センサ７６からの位置信号Ｓppに基づいて、ピストン６０の射出速度Ｖptが算出される。次いで、Ｓ６０において、射出速度Ｖptが基準値Ｖsd以下であるか否かが判定される。このＳ６０の判断が肯定される場合はＳ７０において、上記Ｓ４０にて算出された次回の原料９２の供給量における水９２Ｗの供給量が予め定められた一定量分だけ増加される。上記Ｓ６０の判断が否定される場合は、又は、上記Ｓ７０に次いで、Ｓ８０において、中子９０の造形を終了するか否かが判定される。このＳ８０の判断が否定される場合は上記Ｓ１０に戻され、上記Ｓ４０及び上記Ｓ７０（実行された場合のみ）にて決定された原料９２の供給量となるように混練槽３０に原料９２が供給され、原料９２が混練される。上記Ｓ８０の判断が肯定される場合は本ルーチンが終了させられる。

図６は、射出回数に対する、射出速度Ｖptと中子９０の重量である中子重量Ｗmdとの各々の推移の一例を示す図である。図６において、横軸は中子９０の造形を繰り返し行った際の射出回数であり、左側の縦軸はピストン６０の射出速度Ｖptであり、右側の縦軸は中子重量Ｗmdである。又、射出速度Ｖptの基準値Ｖsdは、安定した品質の中子９０が造形できることが確認された値に設定されている。又、実線で繋いだ各印（●、■）は射出速度Ｖptを示し、破線で繋いだ各印（○、□）は中子重量Ｗmdを示している。又、丸印（●、○）は、例えば図５のフローチャートに示す制御作動を実行した場合の本実施例の一例を示している。又、四角印（■、□）は、水分が不足する条件下で中子９０の造形を続けた場合、例えば図５におけるＳ５０～Ｓ７０のステップが除かれたフローチャートを実行した場合の比較例の一例を示している。比較例では、射出回数が増えるにつれて混練槽３０内の水分が奪われ易くなり、混練材９４の粘度が増大することによって、射出速度Ｖptが徐々に低下している。その為、比較例では、射出速度Ｖptの減少に伴って中子重量Ｗmdは徐々に軽くなり、混練材９４の充填不良に繋がるおそれがある。これに対して、本実施例では、射出速度Ｖptが基準値Ｖsd以下であった場合に原料９２中の水９２Ｗの割合を増やすことによって、射出速度Ｖptが基準値Ｖsdの近傍で安定した中子９０の造形が行われる。これにより、本実施例では、射出回数が増えても中子重量Ｗmdが軽くならず、品質の安定した中子９０の連続した造形が可能となる。加えて、本実施例では、水９２Ｗを過剰に供給し過ぎることによる焼成不良も抑制又は防止することができる。

上述のように、本実施例によれば、原料９２中の水分量と相関関係のある、ピストン６０の射出速度Ｖptが取得されるので、原料９２の粘度評価をすることができ、混練槽３０内の水分量が低下していることを適時に知ることができる。そして、射出速度Ｖptが低い場合には、射出速度Ｖptが高い場合に比べて、混練槽３０への原料９２の供給量における水９２Ｗの量の割合が大きくされるので、原料９２中の水分量の低下が抑制される。例えば、射出速度Ｖptが低下した際に、原料９２の供給量における水９２Ｗの供給量が増加される。これにより、混練材９４の充填不良を抑制又は防止することができる。よって、造形される中子９０の品質低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

例えば、前述の実施例では、基準値Ｖsd以下の射出速度Ｖptのときに一定量分だけ水９２Ｗの供給量を増加したが、この態様に限らない。例えば、射出速度Ｖptが低い程、水９２Ｗの供給量を増加しても良い。又は、水９２Ｗの供給量を変化させるのではなく、水９２Ｗ以外の原料９２の供給量を変化させることで、原料９２の供給量における水９２Ｗの量の割合を変化させても良い。

また、前述の実施例では、位置センサ７６を用いて射出速度Ｖptを取得したが、この態様に限らない。例えば、加速度センサ等からの信号を用いて射出速度Ｖptを取得するなど、射出速度Ｖptの取得方法は種々の方法が用いられ得る。

尚、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０：中子造形装置
３０：混練槽
５０：金型
５６：キャビティ（空洞）
６０：ピストン
８０：制御装置
９０：中子
９２：原料
９２Ｗ：水
９４：混練材

Claims (1)

1. 少なくとも水を含む複数種類の原料が供給される混練槽と、前記混練槽内において前記原料が混ぜられて練られることによって作られた混練材が内部に形成された空洞内に充填されて中子を造形する金型と、前記混練材を前記混練槽から前記金型に射出して前記空洞内に充填するように移動させられるピストンと、前記混練槽への前記原料の供給量を制御する制御装置と、を備えた中子造形装置であって、
   前記制御装置は、前記混練材が射出されたときの前記ピストンの移動速度を取得し、前記移動速度が低い場合には、前記移動速度が高い場合に比べて、前記混練槽への前記原料の供給量における前記水の量の割合を大きくすることを特徴とする中子造形装置。

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