JP5755575B2

JP5755575B2 - 離型方法

Info

Publication number: JP5755575B2
Application number: JP2012013159A
Authority: JP
Inventors: 智和須田; 浩庸渡辺; 正臣光武; 加藤　裕介; 裕介加藤; 敏彦善甫
Original assignee: Sintokogio Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Sintokogio Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2032-01-25
Also published as: JP2013151008A

Description

本発明は、発泡砂を金型に充填して固化させた造型品を金型から離型するための離型方法に関するものである。

エンジンのシリンダブロックやシリンヘッド等を鋳造する際、ウォータジャケットや吸排気ポート等の中空部を形成するために崩壊性の砂中子が用いられる。砂中子は、例えば特許文献１に記載されているように、熱可塑性樹脂で被覆したシェル砂を砂吹込み装置のノズルから圧縮空気によって金型に吹込み、キャビティ内に充填し、加熱して固めることによって所定の形状に形成される。そして、金型のキャビティ内で固化した造型品は、型開きし、上方のシェル砂の吹込み口に押出ピンを挿入して押出すことにより、離型される。

実開平５−８８７４１号公報

これに対して、水ガラスを含むバインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を用いて中子等の造型を行う技術がある。このように、発泡砂を金型のキャビティに充填して造型を行う場合、発泡砂の加熱、固化の過程で水分の蒸発及び気泡の熱膨張により、キャビティの内圧が高まるため、造型品は、表層部に水ガラス及び骨材が集積して緻密で強度の高い硬化層が形成される一方、内部に密度が低く脆い脆弱部が形成される。これにより、発泡砂により造型された中子は、鋳造時には、中子として充分な強度を確保しつつ、鋳造後は、崩壊性に優れ、鋳造品から容易に取除くことができる。

しかしながら、上記従来の押出ピンを用いて金型から造型品を押出すようにした離型方法を発泡砂による造型に適用した場合、次のような問題を生じる。
上述のように、発泡砂は、金型のキャビティ内で固化する際、表層に硬化層が形成され、内部に脆い脆弱部が形成されるため、押出ピンを金型の発泡砂の充填口に挿入して造型品を押し出そうとすると、押出ピンが脆弱部に貫入してしまい、造型品をうまく押し出すことができず、離型不良が発生する。

そこで、造型品の内部の強度を高めるため、発泡砂の充填時間を長くし、充填圧力を高くし、あるいは、金型の加熱温度を低くすることが考えられる。しかしながら、充填時間を長くすると、造型に時間がかかり効率が悪い。充填圧力を高くすると、金型のパーティングラインにバリが生じ易くなり、更に、造型品が金型にはり付き易くなるため、離型不良の原因となる。また、金型の加熱温度を低くすると、発泡砂の硬化時間が長くなり、効率が悪く、更に、造型品に水分が残留し易くなり、鋳造時に水素ガスの発生によるピンポール欠陥が生じ易くなる。もとより、造型品の内部の強度を高めると、鋳造後の崩壊性が損なわれることにもなる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、発泡砂による造型品を押出ピンを用いて円滑に金型から離型することができる離型方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、水ガラスを含むバインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を金型のキャビティ内に充填して固化させた造型品を前記金型から離型させるための離型方法であって、
充填口を通して前記金型のキャビティに前記発泡砂を充填し、前記充填口内の前記発泡砂を固化させて前記充填口内の周囲に硬化層を形成し、前記充填口に前記発泡砂を再度充填して固化させて、前記硬化層の内側に新たな硬化層を形成し、これを繰り返して前記硬化層を複数回積層して厚みを大きくし、前記充填口に押出ピンを挿入して該押出ピンにより前記硬化層を押圧して前記キャビティ内の造型品を押し出すことを特徴とする。

（発明の態様）
以下に、本発明において特許請求が可能と認識される発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の（１）の内容が請求項１に対応する。
（１）水ガラスを含むバインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を金型のキャビティ内に充填して固化させた造型品を前記金型から離型させるための離型方法であって、
充填口を通して前記金型のキャビティに前記発泡砂を充填し、前記充填口内の前記発泡砂を固化させて前記充填口内の周囲に硬化層を形成し、前記充填口に前記発泡砂を再度充填して固化させて、前記硬化層の内側に新たな硬化層を形成し、これを繰り返して前記硬化層を複数回積層して厚みを大きくし、前記充填口に押出ピンを挿入して該押出ピンにより前記硬化層を押圧して前記キャビティ内の造型品を押し出すことを特徴とする離型方法。
発泡砂を充填口に再充填し、硬化層を積層して厚くすることにより、押出ピンにより、硬化層を押圧することができ、押出ピンによる造型品の押出しが可能になる。
発泡砂の再充填は、硬化層の必要な厚さに応じて、適宜の回数行うことができる。

本発明に係る離型方法によれば、発泡砂による造型品を押出ピンを用いて円滑に金型から離型することができる。

本発明の一実施形態に係る離型方法を適用する造型装置による発泡砂を用いた砂中子の造型工程を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る離型方法による離型工程を示す概略図である。金型のキャビティ内で発泡砂が固化する過程を示す説明図である。発泡砂の組成を示すイメージ図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る離型方法を適用する砂型造型装置１は、発泡砂Ｓを固めて砂中子Ｗを造型するものであって、砂中子Ｗを造型するためのキャビティＣを有する金型２と、金型２のキャビティＣ内に発泡砂Ｓを充填するための充填装置３と、キャビティＣ内で造型された砂中子Ｗを離型するための離型装置４とを備えている。

本実施形態において使用する発泡砂Ｓは、骨材である砂を水ガラス（ケイ酸ナトリウム）、水及び界面活性剤を含む水溶性無機バインダーと混合し、混錬して発泡状態としたものである。発泡砂Ｓを構成する粒子の状態のイメージを図４に示す。図４（Ａ）は、砂の粒子７の表面に泡８が吸着した状態を示し、図４（Ｂ）は、泡８の一部を拡大して示している。図４（Ｂ）に示すように、発泡砂Ｓは、水ガラス水溶液（水を符号１０、水ガラスを符号１１で示す）の表面を界面活性剤９で覆って泡８を形成し、この泡８が界面活性剤９を介して砂の粒子７の表面に吸着して発泡状態となっており、適度な粘性を有している。ここで、砂に対して、水ガラスのモル比１．０〜３．０、重量比０．４〜３．０％、水の重量比１．５〜５．０％、界面活性剤の重量比０．００３〜２．０％程度とすることにより、適度な粘性を有する発泡砂Ｓを得ることができる。

図１を参照して、金型２は、水平方向のパーティングラインＰを有する上型２Ａと下型２Ｂとを備え、上型２Ａと下型２Ｂとを型締めしてキャビティＣを形成する。金型２には、キャビティＣと充填装置３の砂槽１２とを連通する充填口５が設けられている。充填口５は、造型された砂中子Ｗの離型性を考慮して抜き勾配が設けられて、下型２Ｂ側に向って拡開するテーパ状に形成されている。

充填装置３は、発泡砂Ｓを混錬し、貯留する砂槽１２と、砂槽１２内の発泡砂Ｓを加圧する加圧機構１３を備えている。そして、型締めされた金型２上に砂槽１２をセットし、加圧機構１３によって砂槽１２内の発泡砂Ｓを加圧することにより、充填口５を通して金型２のキャビティＣ内に発泡砂Ｓを充填する。金型２は、１５０℃〜３００℃程度に加熱されており、キャビティＣに充填された発泡砂Ｓの水分を蒸発させて発泡砂Ｓを固化させる。その後、金型２を開いて造型された砂中子Ｗを取出す。このとき、充填口５内の発泡砂Ｓが砂中子Ｗと一体に固化されてテーパ状の充填棒１６が形成される。充填棒１６は、砂中子Ｗを使用する際には取除かれる。

図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、離型装置４は、充填装置３により金型２のキャビティＣに発泡砂Ｓを充填し、固化させた後、金型２にセットされる平板状の押出板１４を備えている。押出板１４には、金型２の充填口５の開口部に対向させて押出ピン１５が立設されている。押出板１４は、金型２の開閉に連動して昇降動可能となっており、図１（Ｂ）に示すように、金型２が閉じた状態のとき、上型２Ａの上方に配置され、図１（Ｃ）に示すように、型開き時には、上型２Ａ上に下降して押出ピン１５を充填口５に挿入し、充填棒１６に当接させてキャビティＣ内の砂中子Ｗを押し出す。

押出ピン１５は、円柱状の部材であり、テーパ状に形成された充填口５の小径側の開口部に所定の隙間をもって挿入可能な外径を有している。押出ピン１５の外径は、金型２及び押出ピン１５の熱膨張及び収縮を考慮して、充填口５に干渉しないように決定され、例えば、充填口５の開口の直径７〜８ｍｍ程度に対して、押出ピン１５の直径４〜５ｍｍ程度として、これらの間の隙間を１．５ｍｍ程度とする。

ここで、金型２のキャビティＣに充填された発泡砂Ｓが固化する過程について、図３を参照して説明する。
金型２のキャビティＣ内に充填された発泡砂Ｓは、金型２の加熱により、水分が蒸発して固化する。このとき、図３（Ａ）に示すように、加熱により、発泡砂Ｓ中の気泡８及び水蒸気が膨張してキャビティＣの内圧が上昇する。そして、図３（Ｂ）に示すように、気泡８及び水蒸気が金型２のキャビティＣの内壁に沿ってパーティングラインＰ等によって形成される排気流路を通って外部へ排出される際、発泡砂Ｓを組成する水ガラス（バインダー）及び骨材がキャビティＣの内壁側に押しやられて、キャビティＣの内壁付近の水ガラス及び骨材の密度が高まる。その結果、図３（Ｃ）に示すように、キャビティＣ内で固化した砂中子Ｗは、キャビティＣの内壁に接した表層部に水ガラス及び骨材の密度が高く、緻密な硬化層１７が形成され、内部の密度が低下し、中心部には、崩壊し易い脆弱部１８、あるいは、脆弱部１８と共に空洞が形成される。

これにより、図２（Ｂ）に示すように、金型２の充填口５内に形成される充填棒１６においては、充填口５の内壁に接した表層部には、水ガラス及び骨材の密度が高く、緻密な硬化層１７Ａが形成され、内部の密度が低下し、中心部には、崩壊し易い脆弱部１８Ａが形成されることになる。特に、充填口５の内部は、金型２との接触面積に対して容積が小さく、加熱による影響を受け易いので、充填口５内の周囲に硬化層１７Ａが形成され、その内部に脆弱部１８Ａ、あるいは、脆弱部１８Ａと共に空洞が生じ易い。

次に、金型２のキャビティＣ内の砂中子Ｗを離型する工程について、図１及び図２を参照して説明する。
図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示すように、充填装置３を下降させて、型締めされて加熱された金型２上にセットし、砂槽１２から金型２のキャビティｃ内に発泡砂ｓを充填した後、充填装置３を上昇させる。図２（ｂ）に示すように、キャビティｃ内の発泡砂ｓは、金型の加熱により、水分が蒸発して固化する。このとき、充填口５内では、上述のように加熱による内圧の上昇により、充填棒１６の表層部に硬化層１７Ａが形成され、内部に脆弱部１８Ａが形成される。このとき、内圧の上昇により、充填口５の開口部から発泡砂が噴出することがあるが、この場合、適宜、スクレパー等によって金型２上に噴出した発泡砂を掻き取ってもよい。

その後、金型２に充填装置３をセットし、砂槽１２から発泡砂Ｓを充填口５に再度、充填した後、充填装置３を上昇させる。これにより、図２（Ｃ）に示すように、再充填された発泡砂Ｓは、硬化層１７Ａの内側の脆弱部１８ＡをキャビティＣ側に押し込み、金型２の加熱により固化する。このとき、内圧の上昇により、硬化層１７Ａの内側に新たな硬化層１７Ｂが形成され、その内側に新たな脆弱部１８Ｂが形成される。

そして、再度、金型２に充填装置３をセットし、砂槽１２から発泡砂Ｓを充填口５に再度、充填した後、充填装置３を上昇させる。これにより、上記と同様、図２（Ｄ）に示すように、再充填された発泡砂Ｓは、硬化層１７Ｂの内側の脆弱部１８ＢをキャビティＣ側に押し込み、金型２の加熱により固化する。このとき、内圧の上昇により、硬化層１７Ｂの内側に更に新たな硬化層１７Ｃが形成され、その内側に更に新たな脆弱部１８Ｃが形成される。

このように充填口５に対して発泡砂Ｓの再充填、固化を繰り返すことにより、充填口の開口部に硬化層１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、…を積層して、厚みを充分大きくした硬化層１７を形成する。その後、金型２に離型装置４をセットし（図１（Ｂ）参照）、図２（Ｅ）に示すように、金型２を型開きし、押出板１４を下降させて押出ピン１５を充填口５に挿入して、充填棒１６を押圧する（図１（Ｃ）参照）。このとき、充填棒１６は、硬化層１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃが積層され、硬化層１７の厚みが充分大きくなっているので、押出ピン１５で硬化層１７を押圧することができ、押出ピン１５が充填棒１６に貫入したり、充填棒１６が崩壊したりすることがない。これにより、押出ピン１５により、砂中子Ｗを上型２Ａから円滑に押し出して離型させることができる。硬化層１７の厚みが大きくなるので、押出ピン１５と充填口５との隙間を小さくする必要がなく、熱膨張、収縮を考慮したこれらの寸法公差を大きくとることが可能になる。なお、充填口５に対する発泡砂Ｓの再充填、固化の反復回数は、硬化層１７の必要な厚さに応じて、適宜決定することができる。

また、金型２の充填口５は、上記実施形態では１つのみ図示されているが、キャビティＣの大きさ及び形状に応じて複数設けることができ、これに応じて押出ピン１５を複数設けて、複数の充填口５の一部又は全てに押出ピン１５を挿入するようにしてもよい。

２…金型、４…離型装置、５…充填口、１５…押出ピン、１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ…硬化層、Ｃ…キャビティ、Ｓ…発泡砂、Ｗ…砂中子（造型品）

Claims

水ガラスを含むバインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を金型のキャビティ内に充填して固化させた造型品を前記金型から離型させるための離型方法であって、
充填口を通して前記金型のキャビティに前記発泡砂を充填し、前記充填口内の前記発泡砂を固化させて前記充填口内の周囲に硬化層を形成し、前記充填口に前記発泡砂を再度充填して固化させて、前記硬化層の内側に新たな硬化層を形成し、これを繰り返して前記硬化層を複数回積層して厚みを大きくし、前記充填口に押出ピンを挿入して該押出ピンにより前記硬化層を押圧して前記キャビティ内の造型品を押し出すことを特徴とする離型方法。