JP5362389B2 - 酸素置換ダイカスト鋳造装置および鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、主としてアルミニウム合金からなるダイカスト製品を鋳造する酸素置換ダイカスト鋳造装置および鋳造方法に関する。

従来、金型のキャビティ内の空気等の気体を酸素ガス（酸素という）と置換し、その状態でキャビティ内に溶湯を供給する酸素置換ダイカスト法（ＰＦ法）が知られている。また、金型のキャビティ内に溶湯を射出する前工程において、キャビティ内に高圧の酸素を充満した後、射出直前まで低圧の酸素を注入し続けて充満状態を維持するダイカスト法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

発明協会公開技報公技番号２００５−５０２１８４号

前記酸素置換ダイカスト法（ＰＦ法）には、鋳造サイクル内において酸素供給量を可変させるという概念がなかった。このため、製造コストを低減しながらも生産性及び品質を向上することが困難であるという問題があった。また、前記非特許文献１のダイカスト法では、キャビティ内のガスを吸引した状態でキャビティ内に溶湯を射出する真空ダイカスト法を併用しているため、射出時にキャビティ内の酸素量が吸引により減る、または、金型の隙間から外部の空気や水分が侵入することによって、製品含有ガス量が増えて品質の低下を招くという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、製造コストを低減しながらも生産性及び品質を向上することのできる酸素置換ダイカスト鋳造装置および鋳造方法を提供することにある。

第１の発明は、キャビティを形成する金型と、キャビティ内に溶湯を射出する射出手段と、キャビティ内に置換用酸素を供給する置換用酸素供給手段と、キャビティ内に保圧用酸素を供給する保圧用酸素供給手段と、キャビティ内を一定圧に保持するように該キャビティ内の酸素を排出する酸素排出手段とを備えることを特徴とする酸素置換ダイカスト鋳造装置である。この構成によると、置換用酸素供給手段により金型のキャビティ内に置換用酸素を供給することによって、キャビティ内を酸素雰囲気とした後、射出手段によりキャビティ内に溶湯（溶融金属）を射出する。このとき、溶湯と酸素との反応によりキャビティ内の酸素圧が低下するため、保圧用酸素供給手段によりキャビティ内に保圧用酸素を供給することによって、キャビティ内を保圧用酸素で保圧する。キャビティ内に対する溶湯の射出が終了に近づくにつれて、キャビティ内の気相部の容積が減少するにともないキャビティ内の圧力が上昇するため、酸素排出手段によりキャビティ内の酸素が排出されることによって、キャビティ内が一定圧に保持される。したがって、キャビティ内に２段階で酸素の供給すなわち置換用酸素の供給と保圧用酸素の供給とがなされる。置換用酸素として高圧の酸素を用いることにより、キャビティ内の酸素の置換を短時間で行うことができる。このため、生産性を向上することができる。また、保圧用酸素として低圧で溶湯と酸素との反応に応じた量の酸素を用いることにより、酸素使用量を減少し、製造コストを低減することができるとともに、窒素、二酸化炭素等のガスの巻込みを抑えることにより、製品含有ガス量を低減し、品質を向上することができる。よって、製造コストを低減しながらも生産性及び品質を向上することができる。

第２の発明は、金型のキャビティ内に置換用酸素を供給する第１工程と、キャビティ内に溶湯を射出する第２工程と、キャビティ内に保圧用酸素を供給する第３工程と、キャビティ内を一定圧に保持するように該キャビティ内の酸素を排出する第４工程とを備えることを特徴とする酸素置換ダイカスト鋳造方法である。この構成によると、第１工程で金型のキャビティ内に置換用酸素を供給することによって、キャビティ内を酸素雰囲気とした後、第２工程で射出手段によりキャビティ内に溶湯（溶融金属）を射出する。このとき、溶湯と酸素との反応によりキャビティ内の酸素圧が低下するため、第３工程でキャビティ内に保圧用酸素を供給することによって、キャビティ内を保圧用酸素で保圧する。キャビティ内に対する溶湯の射出が終了に近づくにつれて、キャビティ内の気相部の容積が減少するにともないキャビティ内の圧力が上昇するため、第４工程でキャビティ内の酸素が排出されることによって、キャビティ内が一定圧に保持される。したがって、キャビティ内に２段階で酸素の供給すなわち置換用酸素の供給と保圧用酸素の供給とがなされる。置換用酸素として高圧の酸素を用いることにより、キャビティ内の酸素の置換を短時間で行うことができる。このため、生産性を向上することができる。また、保圧用酸素として低圧で溶湯と酸素との反応に応じた量の酸素を用いることにより、酸素使用量を減少し、製造コストを低減することができるとともに、窒素、二酸化炭素等のガスの巻込みを抑えることにより、製品含有ガス量を低減し、品質を向上することができる。よって、製造コストを低減しながらも生産性及び品質を向上することができる。

第３の発明は、第２の発明において、前記金型が型閉じする前から前記第１工程における置換用酸素の供給を行うことを特徴とする。この構成によると、金型が型閉じする前から第１工程における置換用酸素の供給を行うことにより、型閉じ完了に先立ってキャビティの周りに酸素雰囲気を形成することができる。このため、キャビティ内に酸素雰囲気の形成に要する時間を短縮することができる。なお、金型が型閉じする前とは、金型が型開き状態から型閉じを完了する直前までの全開状態から全閉直前状態までが相当する。

第４の発明は、第２又は３の発明において、前記第２工程における溶湯の射出時間のうちの初期と末期とを除いた時間において、前記第３工程における保圧用酸素の供給を行うことを特徴とする。この構成によると、第２工程における溶湯の射出時間のうちの初期と末期とを除いた時間において、第３工程における保圧用酸素の供給を行うことにより、保圧用酸素の使用量を必要最小限とすることができる。

本発明の一実施例に係る酸素置換ダイカスト鋳造装置を示す構成図である。 鋳造の開始から終了までの工程１〜４を示す説明図である。 鋳造の開始から終了までの動作を示すタイムチャートである。 実施例と比較例とを比較した結果を示す評価表である。 変更例に係る酸素置換ダイカスト鋳造装置を示す構成図である。 変更例に係る酸素置換ダイカスト鋳造装置を示す構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。

本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。なお、本実施例では、アルミダイカスト製品を鋳造する酸素置換ダイカスト鋳造装置を例示する。図１は酸素置換ダイカスト鋳造装置を示す構成図である。
図１に示すように、酸素置換ダイカスト鋳造装置１０は、ダイカストマシン（図示省略）に設けられた金型１２を備えている。金型１２は、固定ダイプレート１４に設けられた固定型１５と、可動ダイプレート１７に設けられた可動型１８とを備えている。可動ダイプレート１７は、型締め装置（図示省略）により図１において左右方向に移動可能となっている。これにより、固定型１５に対する可動型１８の型閉じ（型締めを含む）及び型開きがなされるようになっている。固定型１５に可動型１８を型閉じすることにより、両型１５，１８間に閉鎖されたキャビティ２０及び湯道２２が形成される。また、固定ダイプレート１４及び固定型１５の下端部に、注湯口２５を有する射出スリーブ２４が設けられている。射出スリーブ２４内には、溶湯射出用の射出チップ２７が前後方向（図１において左右方向）に進退移動可能に設けられている。射出チップ２７は、射出シリンダ（図示省略）に連接されており、その射出シリンダにより進退移動されるようになっている。射出シリンダにより射出チップ２７が後退されることによって、射出スリーブ２４の注湯口２５が開放される。この状態で、ラドル２９を用いて、アルミニウム合金の溶湯３０が注湯口２５から射出スリーブ２４内に注湯すなわち流し込まれる。射出スリーブ２４内に注湯された溶湯３０は、射出シリンダにより射出チップ２７が進出（図１において左方へ移動）されることによって、湯道２２からキャビティ２０内へ射出すなわち充填される。

前記可動型１８の上端部には、前記キャビティ２０内を外部に連通するコモン通路３１が形成されている。コモン通路３１には、酸素ボンベ等で構成される酸素供給源３３が酸素供給経路３４を介して接続されている。酸素供給経路３４には、酸素置換用レギュレータ４５及び酸素置換用バルブ３５が設けられている。また、酸素供給経路３４には、酸素置換用レギュレータ４５及び酸素置換用バルブ３５をバイパスする迂回路３７が設けられている。迂回路３７には、酸素保圧用レギュレータ４６及び酸素保圧用バルブ３８が設けられている。酸素置換用バルブ３５及び酸素保圧用バルブ３８は、それぞれ電磁弁からなり、ダイカストマシンの制御装置４０によって開閉制御されるように構成されている。また、酸素供給経路３４の酸素置換用レギュレータ４５は、酸素置換用バルブ３５に流れる酸素供給圧を所定圧に調圧する。また、迂回路３７の酸素保圧用レギュレータ４６は、酸素保圧用バルブ３８に流れる酸素供給圧を所定圧に調圧する。また、酸素供給経路３４には、酸素供給源３３から酸素置換用レギュレータ４５及び酸素保圧用レギュレータ４６に流れる酸素供給圧を前もって所定圧に調圧する前段用レギュレータ４４が設けられている。なお、前段用レギュレータ４４は、必要に応じて設けられるもので省略される場合もある。

また、コモン通路３１には、ガス（主に酸素）を排出する酸素排出経路４２が分岐されている。酸素排出経路４２には、リリーフバルブからなる酸素排出用バルブ４３が設けられている。酸素排出用バルブ４３は、通常は閉止状態にあり、キャビティ２０内の圧力が一定圧（規定圧）を越えたときに開くことによって、キャビティ２０内のガス（酸素）を逃がす。なお、酸素排出用バルブ４３は、リリーフバルブに代えて、図５に示すように、制御装置４０によりキャビティ２０内の圧力が一定圧となるように開閉制御される電磁弁４８を用いてもよい。また、酸素排出経路４２の下流端は大気に開放されているが、図６に示すように、キャビティ２０内のガス（酸素）を吸引する真空ポンプ５０に接続してもよい。

なお、射出スリーブ２４、射出チップ２７、射出シリンダは、本明細書でいう「射出手段」を構成している。また、酸素供給源３３、酸素供給経路３４、酸素置換用バルブ３５、前段用レギュレータ４４、酸素置換用レギュレータ４５は、本明細書でいう「置換用酸素供給手段」を構成している。また、酸素供給源３３、迂回路３７を通る酸素供給経路３４、酸素保圧用バルブ３８、前段用レギュレータ４４、酸素保圧用レギュレータ４６は、本明細書でいう「保圧用酸素供給手段」を構成している。また、酸素排出経路４２、酸素排出用バルブ４３は、本明細書でいう「酸素排出手段」を構成している。また、制御装置４０は、本明細書でいう「制御手段」に相当する。なお、制御装置４０は、ダイカストマシンの型締め装置、射出シリンダ等の作動を制御するものである。

次に、前記酸素置換ダイカスト鋳造装置１０の動作とともに酸素置換ダイカスト鋳造方法について説明する。図２は鋳造の開始から終了までの工程１〜４を示す説明図、図３は鋳造の開始から終了までの動作を示すタイムチャートである。なお、図２における図（Ａ）は工程１（型閉じスタート工程）を示し、図（Ｂ）は工程２（型閉じ完了、注湯工程）を示し、図（Ｃ）は工程３（射出スタート工程）を示し、図（Ｄ）は工程４（射出完了直前工程）を示している。また、図３における時点ｔ０〜ｔ１２は、便宜上、等間隔で表されているが、実際は等間隔とは限らない。また同様に、時間ΔＴ１、ΔＴ２も限定されない。なお、本実施例では、時間ΔＴ１、ΔＴ２は同じ時間となっている。

初期状態（図３の時点ｔ０）において、金型１２は型開き状態、酸素置換用バルブ３５は閉じ状態、溶湯３０の注湯は停止状態、射出チップ２７は後退（戻り）状態、酸素保圧用バルブ３８は閉じ状態にある（図２（Ａ）参照）。この状態から酸素置換ダイカスト鋳造装置１０の動作がスタートする。
まず、図３の時点ｔ１で、金型１２の型閉じが開始される。また同時に、酸素置換用バルブ３５が開かれることにより、酸素供給源３３（図１参照）の酸素（酸素ガス）が置換用酸素として、酸素供給経路３４、コモン通路３１を通じて、固定型１５と可動型１８との間に供給される（図２（Ａ）中、矢印参照）。このように、キャビティ２０内に対する置換用酸素の供給を型開き状態から行うことにより、型閉じに先立ってキャビティ２０の周りに酸素雰囲気が形成されることになる。なお、図３の時点ｔ１からｔ５までの時間ΔＴ１の間において、酸素置換用バルブ３５は開状態を継続する。また、時間ΔＴ１は、例えば２秒（２ｓ）である。また、酸素置換用レギュレータ４５により調圧された置換用酸素の供給圧力は、例えば０．４ＭＰａである。

続いて、図３の時点ｔ２で、金型１２の型閉じ（型締めを含む）が完了する（図２（Ｂ）参照）。また、酸素置換用バルブ３５が開かれたままであるため、置換用酸素が型締め状態のキャビティ２０内に供給されることにより、キャビティ２０内の既存のガスが湯道２２から射出スリーブ２４内を経て注湯口２５から排出される（図２（Ｂ）中、矢印参照）。したがって、キャビティ２０（湯道２２、射出スリーブ２４内を含む）内に酸素が充満すなわち置換される。なお、キャビティ２０内に置換用酸素を供給する工程が本明細書でいう「第１工程」に相当する。

また、図３の時点ｔ２で、射出スリーブ２４内への溶湯３０の注湯が開始される（図２（Ｂ）参照）。そして、図３の時点ｔ４で、その注湯が終了する。また、注湯の終了後、射出チップ２７の進出すなわち射出が開始される。しかしながら、この状態においても、酸素置換用バルブ３５は開状態であるため、置換用酸素のキャビティ２０内への供給が継続している。なお、キャビティ２０内に溶湯３０を射出する工程が本明細書でいう「第２工程」に相当する。

続いて、図３の時点ｔ５で、酸素置換用バルブ３５が閉じられることにより、置換用酸素のキャビティ２０内への供給が停止される。また同時に、酸素保圧用バルブ３８が開かれることにより、酸素供給源３３（図１参照）の酸素（酸素ガス）が保圧用酸素として、迂回路３７を通る酸素供給経路３４、コモン通路３１を通じて、キャビティ２０内へ供給される（図２（Ｃ）中、矢印参照）。この保圧用酸素は、溶湯３０と酸素との反応によりキャビティ２０内の酸素圧が低下する分を補うものである。なお、図３の時点ｔ５からｔ９までの時間ΔＴ２の間、酸素保圧用バルブ３８は開状態を継続する。なお、キャビティ２０内に保圧用酸素を供給する工程が本明細書でいう「第３工程」に相当する。また、時間ΔＴ２は、例えば２秒（２ｓ）である。また、酸素保圧用レギュレータ４６により調圧された保圧用酸素の供給圧力は、例えば０．０５ＭＰａである。

続いて、射出チップ２７の進出が終了（図３の時点ｔ１０参照）に近づくにつれて、キャビティ２０内の気相部の容積が減少するにともないキャビティ２０内の圧力が上昇する。そして、図３の時点ｔ８で、キャビティ２０内の圧力が一定圧（規定圧）を越えると、酸素排出用バルブ４３が開かれることによって、キャビティ２０内の酸素がコモン通路３１から酸素排出経路４２を通じて排出いわゆるガス抜きされる（図２（Ｄ）中、矢印参照）。これにより、キャビティ２０内の圧力を酸素排出用バルブ（リリーフバルブ）４３で調圧することによって、キャビティ２０内が一定圧に保持される。そして、図３の時点ｔ１０で、射出チップ２７の進出が終了すると同時に酸素排出用バルブ４３が閉じる。なお、キャビティ２０内を一定圧に保持するように該キャビティ２０内の酸素を排出する工程が本明細書でいう「第４工程」に相当する。

また、射出チップ２７の進出の終了（図３の時点ｔ１０参照）の直前、すなわち図３の時点ｔ９で、酸素保圧用バルブ３８が閉じられることにより、保圧用酸素のキャビティ２０内への供給が停止される。そして、図３の時点ｔ１０で、射出チップ２７の進出が終了する。その後、所定時間経過し、キャビティ２０内の溶湯３０が冷却により凝固したダイカスト製品が取り外し可能になったならば、金型１２を型開きしてからダイカスト製品を取り出せばよい。その後、射出チップ２７が射出シリンダにより後退され、図３の初期状態（時点ｔ０参照）に戻る。このようにして、１鋳造サイクルいわゆる１ショットが終了する。

前記した酸素置換ダイカスト鋳造装置１０によると、置換用酸素供給手段（酸素供給源３３、酸素供給経路３４、酸素置換用バルブ３５、前段用レギュレータ４４、酸素置換用レギュレータ４５）により金型１２のキャビティ２０内に置換用酸素を供給することによって、キャビティ２０内を酸素雰囲気とした後、射出手段（射出スリーブ２４、射出チップ２７、射出シリンダ）によりキャビティ２０内に溶湯３０を射出する。このとき、溶湯３０と酸素との反応によりキャビティ２０内の酸素圧が低下するため、保圧用酸素供給手段（酸素供給源３３、迂回路３７を通る酸素供給経路３４、酸素保圧用バルブ３８、前段用レギュレータ４４、酸素保圧用レギュレータ４６）によりキャビティ２０内に保圧用酸素を供給することによって、キャビティ２０内を保圧用酸素で保圧する。キャビティ２０内に対する溶湯３０の射出が終了に近づくにつれて、キャビティ２０内の気相部の容積が減少するにともないキャビティ２０内の圧力が上昇するため、酸素排出手段（酸素排出経路４２、酸素排出用バルブ４３）によりキャビティ２０内の酸素が排出されることによって、キャビティ２０内が一定圧に保持される。したがって、キャビティ２０内に２段階で酸素の供給すなわち置換用酸素の供給と保圧用酸素の供給とがなされる。置換用酸素として高圧（例えば、０．４ＭＰａ）の酸素を用いることにより、キャビティ２０内の酸素の置換を短時間で行うことができる。このため、生産性を向上することができる。また、保圧用酸素として低圧（例えば、０．０５ＭＰａ）で溶湯３０と酸素との反応に応じた量の酸素を用いることにより、酸素使用量を減少し、製造コストを低減することができるとともに、窒素、二酸化炭素等のガスの巻込みを抑えることにより、製品含有ガス量を低減し、品質を向上することができる。よって、製造コストを低減しながらも生産性及び品質を向上することができる。

また、前記した酸素置換ダイカスト鋳造方法によると、第１工程で金型１２のキャビティ２０内に置換用酸素を供給することによって、キャビティ２０内を酸素雰囲気とした後、第２工程で射出手段（射出スリーブ２４、射出チップ２７、射出シリンダ）によりキャビティ２０内に溶湯３０を射出する。このとき、溶湯３０と酸素との反応によりキャビティ２０内の酸素圧が低下するため、第３工程でキャビティ２０内に保圧用酸素を供給することによって、キャビティ２０内を保圧用酸素で保圧する。キャビティ２０内に対する溶湯３０の射出が終了に近づくにつれて、キャビティ２０内の気相部の容積が減少するにともないキャビティ２０内の圧力が上昇するため、第４工程でキャビティ２０内の酸素が排出されることによって、キャビティ２０内が一定圧に保持される。したがって、キャビティ２０内に２段階で酸素の供給すなわち置換用酸素の供給と保圧用酸素の供給とがなされる。置換用酸素として高圧（例えば、０．４ＭＰａ）の酸素を用いることにより、キャビティ２０内の酸素の置換を短時間で行うことができる。このため、生産性を向上することができる。また、保圧用酸素として低圧（例えば、０．０５ＭＰａ）で溶湯３０と酸素との反応に応じた量の酸素を用いることにより、酸素使用量を減少し、製造コストを低減することができるとともに、窒素、二酸化炭素等のガスの巻込みを抑えることにより、製品含有ガス量を低減し、品質を向上することができる。よって、製造コストを低減しながらも生産性及び品質を向上することができる。

また、金型１２が型閉じする前から第１工程における置換用酸素の供給を行うことにより、型閉じ完了に先立ってキャビティ２０の周りに酸素雰囲気を形成することができる（図２（Ａ）中、矢印参照）。このため、キャビティ２０内に酸素雰囲気の形成に要する時間を短縮することができる。

また、第２工程における溶湯３０の射出時間のうちの初期（図３における時点ｔ４〜ｔ５が相当する）と末期（図３における時点ｔ９〜ｔ１０が相当する）とを除いた時間（図３における時点ｔ５〜ｔ９が相当する）において、第３工程における保圧用酸素の供給を行うことにより、保圧用酸素の使用量を必要最小限とすることができる。

また、前記実施例の酸素置換ダイカスト鋳造方法と従来のダイカスト法とによる酸素使用量、マシンサイクルタイム、製品含有ガス量とを比較し、コスト、生産性、品質、トータルを評価したところ、図４の評価表に示す結果が得られた。
図４において、比較例１は、従来の真空ダイカスト法によるものである。また、比較例２〜５は、従来の酸素置換ダイカスト法によるもので、酸素供給量を一定の制御したものである。また、比較例２は酸素供給量が０．４ＭＰａ×４ｓの場合、比較例３は酸素供給量が０．１ＭＰａ×４ｓの場合、比較例４は酸素供給量が０．１ＭＰａ×５ｓの場合、比較例５は酸素供給量が０．１ＭＰａ×６ｓの場合である。また、実施例は、実施例の酸素置換ダイカスト鋳造方法によるもので、酸素供給量を可変制御したものである。実施例は、置換用酸素供給量が０．４ＭＰａ×２ｓで、保圧用酸素供給量が０．０５ＭＰａ×２ｓの場合である。また、コスト、生産性、品質の評価は○印、×印の２段階で表記され、また、トータルの評価はコスト、生産性、品質の評価の○印の数が３個のものに○印、×印の数が１個のものに△印、×印の数が２個のものに×印が付されている。

比較例２は、酸素使用量（l/shot）がその他の例と比較して格段に多いため、コストが高い。また、比較例４、５は、マシンサイクルタイム（ＭＣＴ（s））がその他の例と比較して長いため、生産性が低い。また、比較例１、３、４は、製品含有ガス量（cc/100g）がその他の例と比較して多いため、品質が劣る。したがって、トータルの評価から分かるように、実施例がその他の例と比較して、コスト、生産性、品質の面で優れていると認められる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、置換用酸素のキャビティ２０内への供給開始は、型締め後で注湯の開始前、注湯開始直後、注湯中でもよい。また、酸素供給量を２段階で制御したが、３段階以上で制御することもできる。

１０…酸素置換ダイカスト鋳造装置
１２…金型
２０…キャビティ
３０…溶湯
２４…射出スリーブ
２７…射出チップ
３３…酸素供給源
３４…酸素供給経路
３５…酸素置換用バルブ
３７…迂回路３７
３８…酸素保圧用バルブ
４２…酸素排出経路
４３…酸素排出用バルブ
４４…前段用レギュレータ
４５…酸素置換用レギュレータ
４６…酸素保圧用レギュレータ

Claims (4)

1. キャビティを形成する金型と、
   前記キャビティ内に溶湯を射出する射出手段と、
   前記キャビティ内に置換用酸素を供給する置換用酸素供給手段と、
   前記キャビティ内に保圧用酸素を供給する保圧用酸素供給手段と、
   前記キャビティ内を一定圧に保持するように該キャビティ内の酸素を排出する酸素排出手段と
   を備えることを特徴とする酸素置換ダイカスト鋳造装置。
2. 金型のキャビティ内に置換用酸素を供給する第１工程と、
   前記キャビティ内に溶湯を射出する第２工程と、
   前記キャビティ内に保圧用酸素を供給する第３工程と、
   前記キャビティ内を一定圧に保持するように該キャビティ内の酸素を排出する第４工程と
   を備えることを特徴とする酸素置換ダイカスト鋳造方法。
3. 請求項２に記載の酸素置換ダイカスト鋳造方法であって、
   前記金型が型閉じする前から前記第１工程における置換用酸素の供給を行うことを特徴とする酸素置換ダイカスト鋳造方法。
4. 請求項２又は３に記載の酸素置換ダイカスト鋳造方法であって、
   前記第２工程における溶湯の射出時間のうち、射出の開始からキャビティ内への置換用酸素の供給の停止までの初期と射出の終了の直前から射出の終了までの末期とを除いた時間において、前記第３工程における保圧用酸素の供給を行うことを特徴とする酸素置換ダイカスト鋳造方法。

Images