JP3997431B2 - 中子砂造型方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、金型を使用して水溶性バインダを含む中子砂を造型するに際し、中子砂を金型中に吹き込む吹込口の跡を平坦化し、中子の表面品質および寸法精度を改良する技術に関する。

鋳型に溶湯を圧入し、冷却凝固させて鋳造品を製造する精密鋳造技術が行われている。この技術では、機械部品等の鋳造品の内部に空間を設けるために、中子砂を硬化してなる中子が広く利用されている。例えば、アルミ合金を用いたシリンダの内部空間や、エキゾースト内部の冷却媒体通路の形成には、中子の使用が不可欠である。

前記中子は、金型中に中子砂を充填し、その後加圧して製造される。こうして製造される中子は、溶湯の圧入の際に加わる力や衝撃により破壊しない程度の強度を有さねばならない。そこで、中子の強度を増加させるために、中子砂粒子同士を結合するバインダが使用されている。該バインダとしては例えば、熱硬化性やガス硬化性の樹脂が知られており、また近年、金属塩等を含んでなる水溶性バインダも開発されつつある。

ここで、中子に関する問題の一つとして、製造時に金型中へ中子砂を吹き込む吹込口の跡が中子に形成されることがある。一般に中子を製造する際には、中子の製品形状となる中子砂に加え、ある程度の余剰な中子砂が吹込口に存在する。そしてこの吹込口余剰中子砂がそのまま硬化すると吹込口跡となる。該吹込口跡が中子に残存すると、該中子を使用して製造した鋳造品にも該吹込口跡が転写されることとなり鋳造品の品質を著しく損なう。従って、該吹込口跡を消去し、中子表面を平坦化することが求められている。

この問題を解決する手段として、型に設けた吹込口に砂吹込ノズルを嵌入して中子砂を吹き込んだ後に、該型の吹込口より小径でかつ該砂吹込ノズルの吹込口より大径の押圧部材を該型の吹込口に所定の深さまで嵌入させて吹込口跡を平坦にし、その後に鋳型を硬化させることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法は、通ガスするまで流動可能なガス硬化性バインダを使用する中子砂の場合に有効であり、金型中に中子砂を充填した後、湿砂状態で押圧部材を押し付けることにより吹込口跡を平坦化し、そして後に通ガスして硬化させることにより、吹込口跡のない中子を製造することができる。
特開昭５８−５０１５４号公報

しかしながら、上記の押圧部材を使用した吹込口跡の平坦化は、熱硬化性バインダを使用する中子砂に対して適用することができない。何故ならば、該中子砂の場合、熱硬化性バインダを硬化させるために金型を高温に加熱する必要があり、中子砂を金型中に吹き込むと、金型からの熱の伝導により直ちに硬化が開始して湿砂状態での平坦化ができないからである。従って、熱硬化性バインダを使用する中子の製造では、製品形状とならない中子副木部分に吹込口を設け、製造形状となる部分に吹込口跡が残存しないようにしている。

ところで、水溶性バインダを使用する中子砂は、省エネルギー、無臭、廃棄物ゼロを特徴とし、熱硬化性またはガス硬化性のバインダを使用するものを越える利点を有するが、吹込口跡の問題はより重大である。即ち、水溶性バインダを使用する中子砂は湿砂状態から乾燥することにより硬化するものであり、係る乾燥は熱硬化性バインダの場合ほど高温
ではないにしても通常は金型を加熱して行われるので、中子砂の吹き込み直後から中子砂の硬化が開始し、金型中に充填した中子砂を成型ピンで押しても、硬化済みの部分の中子砂が崩れるのみで平坦化は達成し得ない。さらに、水溶性バインダは一般に流動性が低く、例えば同じ形状の中子を製造する場合であっても、水溶性バインダを使用する中子砂では熱硬化性バインダを使用するもとの比較して１．５〜２倍以上の数の吹込口を設ける必要がある。従って、水溶性バインダを使用する中子砂では中子幅木部分に吹込口を設けるだけでは不十分であり、製品形状となる部分にも吹込口を設けねばならない。即ち、水溶性バインダを使用する中子砂では、熱硬化性およびガス硬化性のバインダで採用されていた吹込口跡の解決手段が双方ともに有効でないのである。

さらに、中子を製造した後に吹込口跡に削り加工を行って仕上ることも考えられるが、一般的に行われている手法でなく、また精度確保および手間の面からも好ましい方法であるとは言えない。

従って本発明は、水溶性バインダを使用する中子の製造において、吹込口の跡が残らず、表面品質および寸法精度が良好な中子を製造し得る技術の提供を課題とする。

上記の課題を解決するために鋭意研究を行った結果、吹込口から中子砂を吹き込んだ後、該吹込口に少量の液体を添加することで、金型が加熱されている場合でも、吹込口近傍の中子砂を湿砂状態に維持して成型ピンの押圧による整形が可能となることを見出して本発明を完成させた。
従って本発明は、
水溶性バインダを含む中子砂を金型に設けられた吹込口から金型中に吹き込み、その後乾燥により中子砂を硬化することからなる中子砂を造型する方法において、
中子砂の吹き込み後に吹込口から補給液を添加して中子砂を湿砂状態に維持し、中子砂の硬化前に成型ピンを吹込口に所定の深さだけ嵌入して吹込口跡を整形することを特徴とする、中子砂造型方法
に関する。

本発明の好ましい態様は、
前記補給液は、水または前記水溶性バインダの水溶液であることを特徴とする前記中子砂造型方法、および
前記補給液の添加量は、前記吹込口に残存する吹込口余剰中子砂の１００重量部に対して、５ないし２０重量部であることを特徴とする前記中子砂造型方法
である。

また本発明は、
中子砂を吹き込むための吹込口を備えた金型と、
中子砂を該金型中に吹き込む中子砂吹込手段と、
該吹込口から補給液を定量添加し得る補給液供給手段と、
該吹込口に密接に嵌入する成型ピン
とからなり、該補給液供給手段は、吹込口一ヶ所につき０．５〜２ｍＬの範囲の補給液を定量添加し得ることを特徴とする、中子砂造型装置
にも関する。

本発明の中子砂造型技術によれば、中子砂を金型中に吹き込んだ後に補給液を吹込口から添加することにより、吹込口近傍の中子砂の温度を低下させ、中子砂の急速な乾燥・硬化を防止して、湿砂状態での成型ピンによる吹込口跡の整形が可能となる。また吹き込み
直後に中子砂が一部硬化した場合でも、硬化した中子砂は補給液により再溶解して湿砂状態に戻り、成型ピンによる整形ができる。その結果、本発明では水溶性バインダを使用する際の大きな欠点であった多数の吹込口跡を平坦に整形することができ、表面品質および寸法精度に優れた中子を提供し得る。

本発明の水溶性バインダは、例えば無機金属塩、無機微粒子、その他の二次バインダ等を含んでなり、乾燥により中子砂粒子同士を結合させ得るものである。従って、水溶性バインダを使用する中子砂の造型では、熱硬化性バインダの場合のように高温ではないけれども、中子砂内部まで確実に乾燥硬化させるため、また乾燥を迅速化するために温風の吹き込みや金型の加熱による加熱が行われる。係る加熱温度は、例えば１００〜１４０℃程度である。

一方、水溶性バインダは、乾燥により硬化した後であっても、補給水の添加により水溶性バインダが溶解して硬化した中子砂を再溶解することができる。本発明はこの水溶性バインダの有する特性に着目して成されたものであり、中子砂の吹き込み後に吹込口から補給水を添加して、中子砂を整形可能な湿砂状態に維持することを特徴とする。ここで言う湿砂状態とは、中子砂が流動可能であって、例えば成型ピン等の押圧により容易に整形でき、かつ整形後には乾燥により硬化し得る状態を表す。

本発明の補給液は、第一に、吹込口近傍の中子砂を冷却して急激に乾燥することを防ぐ作用を有する。つまり、吹込口から添加された補給液はそれ自身が低温であることによりおよび気化熱により中子砂を冷却し、湿砂状態にある時間を延長させ、その間に成型ピンによる整形を可能にする。補給液の第二の作用は、一度硬化してしまった中子砂を再溶解することである。添加された補給液は硬化した中子砂に含まれる水溶性バインダを溶解し、中子砂を湿砂状態に戻す。こうして湿砂状態に維持された中子砂を整形することにより、吹込口跡を平坦化し得る。

前記補給液の好ましい例としては水が挙げられる。水は水溶性バインダを溶解することができ、また入手が極めて容易であるので、非常に好ましい補給液である。

また水溶性バインダの水溶液を補給液として使用することも好ましい。中子砂造型装置では、中子砂の乾燥を迅速化するために圧縮空気や温風の吹き込みを行う場合があるが、この吹き込みにより、中子砂に含まれる水溶性バインダが金型の内部に移動し、吹込口近傍で水溶性バインダ量が不足する傾向がある。該バインダ量の不足は、製造される中子の強度低下に繋がり好ましくない。しかしながら、補給液として水溶性バインダの水溶液を添加すると、吹込口近傍の水溶性バインダ量を補うことができ、係る強度低下の発生を防止できる。さらに必要な場合には、高濃度で水溶性バインダを含む補給液を添加することにより、吹込口近傍の中子砂の強度を他の部分と比較して高めることもできる。

吹込口に添加される補給液の量は、吹込口余剰中子砂の量、中子砂の性状等に従って変化するが、一般に吹込口余剰中子砂の量が増加すると共に必要な補給液の量も増加する。また必要最小限の添加量は、補給液が吹込口跡を形成することとなる吹込口余剰中子砂を冷却および／または再溶解し得る量であるが、吹込口内への補給液の均等添加が困難であること、および中子砂を整形するためには吹込口近傍のみならず吹込口近傍の下部の中子砂も湿砂状態にする必要があることのために、最小の必要量よりも多めの補給液を添加することが好ましい。好ましい補給液の添加量は、吹込口余剰中子砂の１００重量部に対して、５ないし２０重量部である。また具体的な補給液の量としては０．５〜２ｍＬ程度である。補給液の添加量が少な過ぎると吹込口跡を良好に成型することができず、一方、多過ぎると硬化時間が長くなる。

また補給液の添加量を徐々に増加させると、補給液は吹込口余剰中子砂から次第に金型内部の中子砂まで浸透することとなる。金型内部まで到達した補給液は、初期に充填され金型内部で既に硬化した中子砂を湿砂状態に戻し、これにより吹込口に成型ピンを押圧するときに吹込口近傍の中子砂と共に金型内部の中子砂もある程度移動することとなる。この作用を利用し、吹込口余剰中子砂の量および補給液の添加量を共に増加させ、成型ピンによる成型量を増加させることにより、より多量の吹込口余剰中子砂が金型内に押し込まれることとなり、中子砂の充填密度を上昇させることができ、より高強度の中子の製造に繋がる。

次いで、図面を参照して、本発明の中子砂造型装置および中子砂造型工程を説明する。図１は、本発明の中子砂製造装置を図示する模式図である。

図１に図示するように、本発明では、上金型１と下金型２とを合わせた状態で中子砂３を吹込口４から吹込ノズルにより吹き込んで金型内に充填する。この際、吹込口４には吹込口余剰中子砂５が製品形状となる部分の上側に残存している。ここで、上金型１および下金型２は通常１００〜１４０℃程度に加熱されているため、充填された中子砂３および吹込口余剰中子砂５は金型からの熱の伝導により直ちに乾燥硬化を始め、吹込口跡８が形成してしまう。

ここで補給液６を各々の吹込口４から添加すると、補給液６により吹込口４近傍の中子砂の温度が低下して急激な乾燥硬化が防がれ、湿砂状態をより長い間保つことができる。また、既に中子砂が硬化している場合であっても、補給液６により硬化した中子砂は再溶解されて湿砂状態に戻る。

補給液６の添加後、吹込口跡８の形状に対応した成型ピン７を上金型１の吹込口４から嵌入し、そして湿砂状態にある中子砂３および吹込口余剰中子砂５に押圧すると、吹込口余剰中子砂５の凹凸面が押し潰され、成型ピン７の先端形状（図１では平面）に一致した形状に整形される。ここで、吹込口部分の成形跡の高さは成形ピン７の押し付け量で決定されるので、該押し付け量を別途設置したストッパー等で調節する必要がある。

この後、所定の乾燥時間が経過すると中子砂は硬化し、離型すると所望の形状の中子が得られる。得られる中子は吹込口跡が無く、良好な表面品質および寸法精度を有する。

図１は、本発明の中子砂製造装置を図示する模式図である。

符号の説明

１ 上金型
２ 下金型
３ 中子砂
４ 吹込口
５ 吹込口余剰中子砂
６ 補給液
７ 押圧部材
８ 吹込口跡

Claims (4)

1. 水溶性バインダを含む中子砂を金型に設けられた吹込口から金型中に吹き込み、その後乾燥により中子砂を硬化することからなる中子砂を造型する方法において、
   中子砂の吹き込み後に吹込口から補給液を添加して中子砂を湿砂状態に維持し、中子砂の硬化前に成型ピンを吹込口に所定の深さだけ嵌入して吹込口跡を整形することを特徴とする、中子砂造型方法。
2. 前記補給液は、水または前記水溶性バインダの水溶液であることを特徴とする、請求項１記載の中子砂造型方法。
3. 前記補給液の添加量は、前記吹込口に残存する吹込口余剰中子砂の１００重量部に対して、５ないし２０重量部であることを特徴とする、請求項１記載の中子砂造型方法。
4. 中子砂を吹き込むための吹込口を備えた金型と、
   中子砂を該金型中に吹き込む中子砂吹込手段と、
   該吹込口から補給液を定量添加し得る補給液供給手段と、
   該吹込口に密接に嵌入する成型ピン
   とからなり、該補給液供給手段は、吹込口一ヶ所につき０．５〜２ｍＬの範囲の補給液を定量添加し得ることを特徴とする、中子砂造型装置。

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