JP3910125B2 - 鋳型の温度制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重力鋳造法（グラビティ・ダイ・キャスティング）による鋳造方法に関し、特に重力鋳造法に用いる鋳型の温度制御方法に関するものである。
【０００２】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、重力鋳造法に用いられる鋳型は、鋳型に配設された冷却流路にＯＮ−ＯＦＦバルブを介して冷却水を流通させることで鋳型を冷却する冷却手段と、鋳型に配設された熱電対等のセンサにより鋳型の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段によって検出された鋳型の温度にしたがって冷却手段を制御する制御手段によって鋳型の温度を制御していた。
【０００３】
具体的には、図３のグラフに示す様に、全てのサイクルを通じて一定の目標値である設定温度Ｔ５を設定し、制御手段のメモリに設定温度５を記憶させ、検出手段によって鋳型の温度と制御手段のメモリの設定温度Ｔ５を比較し、鋳型の温度が設定温度Ｔ５を超えたら、制御手段が冷却手段のバルブをＯＮさせて冷却水を流し、鋳型の温度が設定温度を下回ったらバルブをＯＦＦさせて冷却水を停止させていた。
【０００４】
そして、設定温度Ｔ５を中心に上限温度Ｔ８と下限温度Ｔ９をほぼ対称にとった監視領域４１が設定されていたが、図３のグラフに示す様にその上限温度Ｔ８と下限温度Ｔ９がほぼ一定であったため、最も高温になる製品凝固時点の温度と最も低温になる注湯開始時点Ａの温度に対する監視領域４１としては有効であるものの、鋳造工程の各段階における温度監視を細かく行うことができなかった。したがって、鋳造工程で一時的に異常な温度変化があってもそれを確認することができなかった。
【０００５】
本発明は、１サイクル内で鋳型の温度の監視領域を変化させて設定し、鋳造工程の途中における温度異常を発見することのできる鋳型の温度制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の鋳型の温度制御方法においては、前記鋳型への注湯開始時点から次サイクルの注湯開始時点までの期間中の複数ポイントにて、前記鋳型の温度をそれぞれ検出する段階と、検出される温度と予め設定された温度−時間目標特性とに基づいて、前記鋳型を流通する冷却媒体の制御を行う段階と、検出された温度が温度監視領域から外れた場合には、異常信号を出力する段階と、を有し、前記温度監視領域は、温度−時間目標特性を挟んで設定される上限温度及び下限温度を有し、かつ、前記温度−時間目標特性が、注湯開始時点からの経過時間に応じて変化する時間帯を含み、前記温度監視領域では、前記注湯開始から前記最高温度到達時までの昇温期間中の前記温度−時間目標特性は、前記最高温度に基づいて設定された一定温度とされ、前記最高温度到達時から前記鋳型の押湯口の溶湯が凝固完了した時点の温度までの温度降下期間の前記温度−時間目標特性は、第１の温度降下特性を示し、前記鋳型の押湯口の溶湯が凝固完了した時点の温度から次のサイクルの注湯開始時点まで急速に冷却する強制冷却期間の前記温度−時間目標特性は、前記第１の温度降下特性よりも温度降下速度が速い第２の温度降下特性を示すことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、鋳型の型開き開始時点からの経過時間に応じて上限温度と下限温度を変化させて設定させることができ、鋳造工程の進行程度に応じて鋳型から検出される温度に異常がないかどうかを詳細に設定できるため、鋳造製品の不良を発見することができる。また、経過時間に応じて変化する前記温度−時間目標特性（設定温度）に応じて温度監視領域を設定することができ、温度監視領域の基準を複数の異なる設定温度としたことで、その時点の設定温度から大きく外れた異常も監視することができる。特に、重力鋳造法で最も重要な注湯開始時点における温度を制御するための温度−時間目標特性を、経過時間に応じて温度監視領域を設定することができ、この第２の温度降下特性から鋳型の検出される温度が一時的に大きく外れた不良の鋳型製品なども監視することができる。さらに、このような構成とすることで、鋳造工程の早い時点から強制的に冷却する第２の温度降下特性を設定することができる。
【００１４】
また、前記温度監視領域は、注湯開始時点から次サイクルの注湯開始時点までの期間中に複数の温度監視分割領域を含み、前記上限温度は、前記温度監視分割領域毎に設定された複数の上限温度−時間特性を有し、前記下限温度は、前記温度監視分割領域毎に設定された複数の下限温度−時間特性を有していることができる。
【００１５】
このような構成とすることで、複数の温度監視分割領域毎に上限温度−時間特性と下限温度−時間特性をそれぞれ設定することができ、各温度監視分割領域に合わせた上限温度と下限温度とすることができる。
【００１６】
さらに、前記温度−時間目標特性は、前記鋳型で鋳造したときの前記鋳型の温度変化の実際値に基づいて設定されており、前記複数の温度監視分割領域の各々における上限温度−時間特性と下限温度−時間特性との間の幅が、前記温度−時間目標特性に対する前記実際値の偏差が少ない温度監視領域になるにしたがって、狭く設定されるすることができる。
【００１７】
このような構成とすることで、実際の鋳型の温度（実際値）と温度−時間目標特性との偏差が少ない温度監視分割領域になるにしたがって、上限温度−時間特性と下限温度−時間特性との幅を狭く設定することで、異常な温度変化を確実に確認することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態に係る重力鋳造方法の鋳型１の温度制御システム１００を説明する図である。
【００２０】
鋳型１は、例えばアルミニウム溶湯を用いて、重力鋳造法により例えば自動車用ナックルを製造するための鋳型１であり、図１の前後方向に開閉する割型で構成されている。注湯工程では、型閉じされた鋳型１の上方に設けられた湯口４から溶湯を注湯して鋳物製品２を規定するキャビティ３を満たし、さらに湯口４の横に設けられた押湯口５に到達するまで注湯を行う。溶湯が十分に凝固したら鋳型１を型開きして鋳物製品２を鋳型１から取り出し、再び鋳型１を型閉じして次サイクルの注湯が開始される。
【００２１】
鋳型１には、所望個所に複数、本実施の形態においては２つの冷却流路６、７が設けられ、冷却水供給系１２で所定温度に冷却された冷却媒体例えば冷却水が自動流量調節バルブ８，９を介して鋳型１に供給される。
【００２２】
冷却流路６，７は、鋳型１のキャビティ３の内、冷却が必要とされる所望冷却箇所、例えば鋳物製品２の厚肉部を規定するキャビティ面Ｘ、Ｙを十分に冷却できる様に配設されている。この厚肉部を規定するキャビティ面Ｘ、Ｙと冷却流路６，７の中心との最短距離を結ぶ線分上にあって、さらに線分上のできるだけキャビティ３に近い位置に鋳型温度検出手段として各々熱電対１０，１１が配置されている。
【００２３】
熱電対１０，１１の出力は、ＣＰＵとメモリを有する制御手段１３に０．１秒ごとに検出され、制御手段１３は、予め設定されてメモリに記憶させたプログラムに基づいて、各検出時点毎に自動流量調節バルブ８，９を制御して、鋳型１に流通する冷却水の流量を調節することができる。
【００２４】
次に、図２の温度-時間グラフを用いて、本発明の一実施の形態に係る鋳型１の温度制御方法について説明する。なお、図２の縦軸の鋳型１の温度は、図１の熱電対１０によって検出された厚肉部を規定するキャビティ面Ｘの温度であり、この検出温度に基づいて制御手段１３によって自動流量調節バルブ８を制御することで、冷却流路６を流通する冷却水の流量を調節して得られたものである。
【００２５】
ここでは、注湯開始時点Ａから次サイクルの注湯開始時点Ａまでの間を鋳造加工の１サイクルとしている。
【００２６】
制御手段１３に記憶されたプログラムには、１サイクルの経過時間によって変化する制御目標値である設定温度が、鋳型にテスト鋳造したときの前記鋳型の実際の温度変化の実際値を基づいて設定されている。本実施の形態における設定温度は、注湯開始時点Ａから最高温度到達時点Ｂまでを一定値である温度３２（Ｔ２）と、最高温度到達時点Ｂから湯口凝固時点Ｃ（湯口及び押湯口が凝固する時点）までの温度−時間目標特性３１と、湯口凝固時点Ｃから次サイクルの注湯開始時点Ａまでの温度−時間目標特性３０とを連続させた制御グラフからなり、制御手段１３のメモリに記憶されている。
【００２７】
また、制御手段１３に記憶されたプログラムは、メモリに記憶された設定温度に対して、熱電対１０の検出温度（鋳型１の温度）が高ければ、自動流量調節バルブ８を開放して鋳型１に冷却水を流通させ、鋳型１の熱電対１０の検出温度が低ければ、自動流量調節バルブ８を閉鎖して鋳型１への冷却水の流通を止めるようにプログラムされている。
【００２８】
この制御手段１３のプログラムに基づいて制御された鋳型１の温度２０は、図２に示すように、注湯開始時点Ａの温度Ｔ１から急激に上昇して最高温度到達時点Ｂ付近において設定温度３２（温度Ｔ２）に基づいて制御され、そして湯口凝固時点Ｃの温度Ｔ３に向けて緩やかに下降し、かつ設定温度３２から連続する温度−時間目標特性３１（第１の温度降下特性）に基づいて制御され、さらに温度−時間目標特性３１に連続して湯口凝固時点Ｃから次サイクルの注湯開始時点Ａの温度Ｔ１に向けて急速冷却する温度−時間目標特性３０（第２の温度降下特性）に基づいて制御される。
【００２９】
このとき、重力鋳造法においてもっとも重要な注湯開始時点Ａの温度Ｔ１は、毎サイクルとも常に一定の最適注湯開始温度となるように制御されている。
【００３０】
本実施の形態においては、最高温度到達時点Ｂから湯口凝固時点Ｃまでの温度−時間目標特性３１は、冷却水を通水しないテスト鋳造の実測値とほとんど同じであるため、このＢ−Ｃ間においてはほとんど冷却水を通水させることはない。したがって、テスト鋳造によるＴ１〜Ｔ３までの温度変化のグラフは、図２のＴ１〜Ｔ２の曲線とほとんど同じである。
【００３１】
さらに、制御手段１３に記憶されたプログラムは、検出手段１０によって検出された鋳型１の温度２０が設定温度に対して高すぎたり、低すぎたりしていないかを監視する温度監視領域が設定されている。
【００３２】
本実施の形態の温度監視領域は、Ａ−Ｂ間、Ｂ−Ｃ間、Ｃ−Ｄ間のそれぞれに対応して第１監視領域５２、第２監視領域５５、第３監視領域５８に分割されている。
【００３３】
第１監視領域５２においては、鋳型１の温度２０が急激に上昇することと、この領域においては、ほとんど冷却水を流通させる制御を行わないため、設定温度３２（最高温度到達時点Ｂの温度Ｔ２）よりも少し高い温度をＡ−Ｂ間において一定の上限温度５０とし、最適注湯開始温度Ｔ１よりも少し低い温度をＡ−Ｂ間において一定の下限温度５１としている。
【００３４】
第２監視領域５５においては、設定温度である温度−時間目標特性３１にしたがって変化する上限温度−時間特性（上限温度）５３と下限温度−時間特性（下限温度）５４が設定されている。上限温度−時間特性（上限温度）５３と下限温度−時間特性（下限温度）５４は、図２に示されるように、温度−時間目標特性３１に対して平行に設定されている。この第２監視領域５５においては、温度−時間目標特性３１が冷却水を流通させないテスト鋳造の実際の温度変化とほぼ同じ（つまり、温度−時間目標特性３１に対する実際値との偏差が小さい）で、ほとんど冷却水を流通させる制御を行わないため、温度−時間上限温度特性（上限温度）５３と温度−時間下限温度特性（下限温度）５４は、設定温度の温度−時間目標特性３１を中心に対称で比較的狭い幅の温度監視領域に設定されている。
【００３５】
第３監視領域５８は、設定温度である温度−時間目標特性３０にしたがって変化する上限温度−時間特性（上限温度）５６と下限温度−時間特性（下限温度）５７が設定されている。この第３監視領域５８においては、温度−時間目標特性３０がＣ−Ａ間で最適注湯開始温度Ｔ１まで急速に冷却するように設定されているため、比較的鋳型１の実際の温度にもバラツキが大きくなる（つまり、温度−時間目標特性３１に対する実際値との偏差が大きい）ので、温度−時間上限温度特性（上限温度）５６と温度−時間下限温度特性（下限温度）５７は、設定温度の温度−時間目標特性３０を中心に対称で比較的広い幅の温度監視領域に設定されている。
【００３６】
図２に示すＣ−Ａ間の鋳型１の温度５９のように、温度監視領域を外れた（上限温度５６よりも高い）温度が検出された場合には、制御手段１３は異常信号を表示手段１６に出力する。この表示手段１６に表示された異常発生出力を鋳造加工者が確認し、鋳造加工後、取り出された鋳物製品２を詳細に検査し、不良品を発見することができる。
【００３７】
また、鋳型１の別の厚肉部を規定するキャビティ面Ｙにおいても、厚肉部を規定するキャビティ面Ｙの鋳造温度特性にしたがって設定温度及び温度監視領域を作成し、制御手段１３のメモリに記憶させて、同様に制御を行っている。
【００３８】
図２に示されるように、鋳造製品２と鋳型１から離型する鋳型１の型開開始時点Ｄから次サイクルの注湯開始時点Ａの間は、比較的鋳型１の温度は安定する。そこで、Ｄ−Ａ間における鋳型１の設定温度である温度−時間目標特性３０は、Ｃ−Ａ間と同じであるが、温度監視領域の幅をより狭くすることができる。
【００３９】
このように、設定温度の関数が同じでも、時間の経過によって設定温度に対する温度の変動が少ないような場合には、途中から温度監視領域の幅を狭くしてもよいし、また逆に温度の変動が大きくなるが、あまり鋳物製品２の品質に影響のない時間帯では、途中から温度監視領域の幅を広く設定してもよい。
【００４０】
なお、本発明は、本実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態に変形可能である。
【００４１】
例えば、前記実施の形態では、冷却媒体を冷却水としたが、鋳型の温度によっては、温調した油を用いてもよいし、効率よく鋳型を温調できるものであれば一般的に用いられる各種温調流体を用いることができる。
【００４２】
また、前記実施の形態では、自動流量調節バルブを開放、閉鎖していわばＯＮ-ＯＦＦ制御によって冷却水を制御したが、自動流量調節バルブによって流量を複数段階で調節することにより、メモリに記憶された下降速度関数３０、３１にスムーズに近似させる様に制御することも可能であるし、冷却水供給系１２の温調機能を利用して鋳型１に供給する冷却水の温度を変化させることで鋳型１の温度を制御してもよい。
【００４３】
さらに、前記実施の形態では、２つの冷却流路と熱電対を用いた冷却回路であったが、その数は特に限定されるものではない。
【００４４】
また、前記実施の形態では、１サイクル中に異なる設定温度が複数あり、さらにその設定温度の内の２つが異なる温度−時間目標特性である場合について説明したが、これに限らず、設定温度が１つであるものや、設定温度が時間経過とともに変化する複数の点で構成されるものでもよい。
【００４５】
またさらに、前記実施の形態では、異常信号を表示手段１６に出力していたが、アラーム音、回転灯、プリンターなどに出力してもよいし、複数の鋳造システムを統括管理するコンピュータがある場合には、そのコンピュータに出力してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る鋳型の温度制御システムを示す説明図
【図２】本発明の一実施の形態に係る鋳型の温度制御方法を説明するグラフ
【図３】従来の鋳型の温度制御方法を説明するグラフ
【符号の説明】
１ 鋳型
２ 鋳物製品
３ キャビティ
４ 湯口
５ 押湯口
６、７ 冷却流路
８，９ 自動流量調節バルブ
１０，１１ 熱電対
１２ 冷却水供給系
１３ 制御手段
１６ 表示手段
３０、３１、３２ 設定温度
５０、５３、５６ 上限温度（上限温度−時間特性）
５１、５４、５７ 下限温度（下限温度−時間特性）
５２ 第１監視領域
５５ 第２監視領域
５８ 第３監視領域
１００ 温度制御システム
Ａ 注湯開始時点
Ｔ１ 最適注湯開始温度
Ｔ２ 最高温度到達時点Ｂの温度
Ｔ３ 湯口凝固時点Ｃの温度

Claims (3)

1. 重力鋳造用の鋳型の温度制御方法であって、
   前記鋳型への注湯開始時点から次サイクルの注湯開始時点までの期間中の複数ポイントにて、前記鋳型の温度をそれぞれ検出する段階と、
   検出される温度と予め設定された温度−時間目標特性とに基づいて、前記鋳型を流通する冷却媒体の制御を行う段階と、
   検出された温度が温度監視領域から外れた場合には、異常信号を出力する段階と、
   を有し、
   前記温度監視領域は、温度−時間目標特性を挟んで設定される上限温度及び下限温度を有し、かつ、前記温度−時間目標特性が、注湯開始時点からの経過時間に応じて変化する時間帯を含み、
   前記温度監視領域では、
   前記注湯開始から前記最高温度到達時までの昇温期間中の前記温度−時間目標特性は、前記最高温度に基づいて設定された一定温度とされ、
   前記最高温度到達時から前記鋳型の押湯口の溶湯が凝固完了した時点の温度までの温度降下期間の前記温度−時間目標特性は、第１の温度降下特性を示し、
   前記鋳型の押湯口の溶湯が凝固完了した時点の温度から次のサイクルの注湯開始時点まで急速に冷却する強制冷却期間の前記温度−時間目標特性は、前記第１の温度降下特性よりも温度降下速度が速い第２の温度降下特性を示すことを特徴とする鋳型の温度制御方法。
2. 請求項１記載の重力鋳造用の鋳型の温度制御方法において、
   前記温度監視領域は、注湯開始時点から次サイクルの注湯開始時点までの期間中に複数の温度監視分割領域を含み、
   前記上限温度は、前記温度監視分割領域毎に設定された複数の上限温度−時間特性を有し、
   前記下限温度は、前記温度監視分割領域毎に設定された複数の下限温度−時間特性を有していることを特徴とする鋳型の温度制御方法。
3. 請求項２記載の重力鋳造用の鋳型の温度制御方法において、
   前記温度−時間目標特性は、前記鋳型で鋳造したときの前記鋳型の温度変化の実際値に基づいて設定されており、
   前記複数の温度監視分割領域の各々における前記上限温度−時間特性と前記下限温度−時間特性との間の幅が、前記温度−時間目標特性に対する前記実際値の偏差が少ない温度監視領域になるにしたがって、狭く設定されることを特徴とする鋳型の温度制御方法。

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