JP5767139B2 - 砂型造型装置及び砂型の造型方法 - Google Patents

Description

本発明は、金型に砂を充填し固化させて砂中子等の砂型を造型する砂型造型装置及び砂型の造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（砂型）が用いられる。砂中子は、例えば、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。

これに対して、例えば特許文献１に記載されているように、水、水溶性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砂型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、硬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、表層部に水溶性バインダー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。このため、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。

特許第４４４１９１６号公報

しかしながら、発泡砂を用いて砂型を造型する場合、次のような問題がある。
発泡砂による造型工程においては、発泡砂を砂槽から充填ノズルを通して加熱された金型のキャビティ内に充填した後、砂槽は、金型から分離され、適宜、骨材、水、水溶性バインダーが補充、撹拌されて、次の充填工程に備える。このとき、充填ノズル内に残留した発泡砂は、金型からの熱の伝達により加熱され、水分が蒸発して固化が始まっている。この状態で、砂槽に発泡砂が補充され、撹拌が行われても、充填ノズル内の発泡砂は、充分に撹拌することができない。その後、次の充填工程で砂槽の発泡砂を金型のキャビティに充填する際、充填ノズル内の固化が進んだ発泡砂が金型のキャビティ内に充填されることになる。固化が進んだ発泡砂は、流動性に劣るため、キャビティの末端まで充填され難く、充填不良の原因となる。

なお、発泡砂以外の砂であっても、水溶性のバインダーを用いた湿砂等の、加熱により固化し、砂槽から金型のキャビティに充填した後、充填ノズル内に砂が残留するような場合、同様の問題を生じることになる。

本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、砂槽から充填ノズルを通して砂を金型のキャビティ内に充填する際、充填ノズル内に砂が残留して固化するのを防止するようにした砂型造型装置及び砂型の造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、砂を貯留する砂槽と、前記砂槽内の砂を撹拌する撹拌手段と、前記砂槽に設けられて前記砂槽を金型のキャビティに接続する充填ノズルと、前記砂槽内の砂を加圧して前記充填ノズルを通して前記金型のキャビティに充填する加圧手段とを備えた砂型造型装置において、
砂を前記金型のキャビティに充填した後、前記充填ノズルに挿入して前記充填ノズル内の砂を前記砂槽内に押込む押込み棒を備えていることを特徴とする。
また、本発明は、砂槽内で砂を撹拌し、前記砂槽内の砂を加圧して、前記砂槽に設けられた充填ノズルを通して金型のキャビティに充填する砂型の造型方法において、
砂を前記金型のキャビティに充填した後、押込み棒を前記充填ノズルに挿入して前記充填ノズル内の砂を前記砂槽内に押込むことを特徴とする

（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（２）、（５）、（７）及び（８）の内容が請求項１乃至４にそれぞれ対応する。
（１）砂を貯留する砂槽と、前記砂槽内の砂を撹拌する撹拌手段と、前記砂槽に設けられて前記砂槽を金型のキャビティに接続する充填ノズルと、前記砂槽内の砂を加圧して前記充填ノズルを通して前記金型のキャビティに充填する加圧手段とを備えた砂型造型装置において、
砂を前記金型のキャビティに充填した後、前記充填ノズルに挿入して前記充填ノズル内の砂を前記砂槽内に押込む押込み棒を備えていることを特徴とする砂型造型装置。
充填ノズル内に残留した砂は、押込み棒によって砂槽内に押し込むことにより、撹拌手段により再度撹拌することができるので、砂の固化を防止して、金型のキャビティへの円滑な充填が可能になる。
（２）（１）の構成において、前記充填ノズルに挿入した前記押込み棒の先端部からエアを吹出して、前記砂槽内の砂を撹拌するエア吹出し手段を備えていることを特徴とする砂型造型装置。
撹拌手段によって撹拌し難い充填ノズル近傍の砂をエアの吹出しにより撹拌することができ、砂の撹拌を促進することができる。
（３）（２）の構成において、前記エア吹出手段のエアの吹出口は、砂の粒子が侵入しない大きさに形成されていることを特徴とする砂型造型装置。
エアの吹出口への砂の侵入を確実に防止する。
（４）（３）の構成において、前記吹出口は、スリット状であることを特徴とする砂型造型装置。
（５）（１）乃至（４）の構成において、砂は、発泡砂であることを特徴とする砂型造型装置。
（６）砂槽内で砂を撹拌し、前記砂槽内の砂を加圧して、前記砂槽に設けられた充填ノズルを通して金型のキャビティに充填する砂型の造型方法において、
砂を前記金型のキャビティに充填した後、押込み棒を前記充填ノズルに挿入して前記充填ノズル内の砂を前記砂槽内に押込むことを特徴とする砂型の造型方法。
（７）（６）の構成において、前記充填ノズルに挿入した前記押込み棒の先端部からエアを吹出して砂を撹拌することを特徴とする砂型の造型方法。
（８）（６）又は（７）の構成において、砂は、発泡砂であることを特徴とする砂型の造型方法。

本発明に係る砂型造型装置及び砂型の造型方法によれば、砂槽から充填ノズルを通して砂を金型のキャビティ内に充填する際、充填ノズル内に砂が残留して固化するのを防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る砂型造型装置による発泡砂の撹拌及び金型のキャビティへの充填工程を示す概略図である。 図１に示す砂型造型装置の要部を拡大して示す概略縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る砂型造型装置の要部を拡大して示す概略縦断面図である。 発泡砂の組成を示すイメージ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１実施形態に係る砂型造型装置１は、造型用の砂である発泡砂Ｓを金型２のキャビティＣ内で固めて砂中子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、発泡砂Ｓを撹拌し金型２のキャビティＣ内に充填する撹拌充填装置３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、混練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（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、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と撹拌充填装置３の砂槽１２に取付けられた充填ノズル１３が接続される充填口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。金型２は、１５０℃〜３００℃程度に加熱され、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。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、撹拌充填装置３は、発泡砂Ｓを貯留する砂槽１２と、砂槽１２内の発泡砂Ｓを撹拌する撹拌機構１４（撹拌手段）（図１（Ａ）参照）と、砂槽１２内の発泡砂Ｓを加圧する加圧機構１５（加圧手段）（図１（Ｂ）参照）と、砂槽１２の充填ノズル１３を閉塞する砂押込み機構１６とを備えている。撹拌機構１４は、砂槽１２に対して進退動可能に設けられた略長方形の回転羽根１７を有し、回転羽根１７を砂槽１２内に挿入してモータ等の駆動源（図示せず）に連結された回転軸１８によって回転させることにより、砂槽１２内の発泡砂Ｓを撹拌する。回転羽根１７は、砂槽１２の寸法、形状等に応じて、１つ又は複数（図示の例では３つ）設けられ、砂槽１２の内面に接触することなく、また、回転羽根１７どうしが互いに接触することなく、砂槽１２内の発泡砂Ｓを全体にわたって均等に撹拌できるように配置される。撹拌機構１４は、加圧機構１５を使用する際には、砂槽１２内から後退させることができる。

図１（Ｂ）に示すように、加圧機構１５は、砂槽１２に対して進退動可能に設けられて砂槽１２内に摺動可能に嵌合して発泡砂Ｓを加圧するピストン１９を有している。撹拌充填装置３を金型２上にセットし、ピストン１９を油圧又はエアシリンダ等の駆動源（図示せず）によって推進して砂槽１２内の発泡砂Ｓを加圧することにより充填ノズル１３を通して金型２のキャビティＣに充填する。加圧機構１５は、撹拌機構１４を使用する際には、砂槽１２内から後退させることができる。

図１（Ａ）に示すように、砂槽１２には、金型２に対向する底部に、金型２の充填口５に接続して砂槽１２の内部と金型２のキャビティＣ５とを連通させる充填ノズル１３が取付けられている。充填ノズル１３には、砂槽１２の内部と充填口５とを連通させる直穴１３Ａが貫通されている。充填ノズル１３と金型２との接続部には、シール部材（図示せず）が介装されて発泡砂の漏れを防止する。充填口５及び充填ノズル１３は、金型２のキャビティＣの寸法、形状等に応じて、１つ又は複数（図示の例では５つ）設けることができる。

図１（Ｃ）及び（Ｄ）、並びに、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、砂押込み機構１６は、砂槽１２の下方に昇降動可能に設けられたプレート２０を備えている。プレート２０には、砂槽１２に取付けられた１つ又は複数の充填ノズル１３の直穴１３Ａにそれぞれ挿入、嵌合される１つ又は複数の円柱状の押込み棒２１が立設されている。プレート２０は、油圧又はエアシリンダ等の駆動手段（図示せず）により、砂槽１２の充填ノズル１３に対して進退動可能となっている。そして、図１（Ｄ）に示すように、プレート２０を上昇させて押込み棒２１を充填ノズル１３の直穴１３Ａに挿入することにより、充填ノズル１３の直穴１３Ａ内の発泡砂Ｓを砂槽１２内に押込むようになっている。押込み棒２１は、充填ノズル１３の直穴１３Ａに挿入されたとき、その先端部が砂槽１２の内底面とほぼ面一、あるいは、砂槽１２の内底面から僅かに突出して、充填ノズル１３内の発泡砂Ｓを全て砂槽１２内に押込むことができると共に、砂槽１２内で回転する撹拌機構１４の回転羽根１７に干渉しないようになっている。また、砂押込み機構１６は、撹拌充填装置３を金型２にセットする際には、砂槽１２から後退させることができる。

次に、砂型造型装置１により、砂中子Ｗを造型する工程について説明する。
先ず、事前に金型２を加熱しておく、次に、図１（Ａ）を参照して、充填ノズル１３を砂押込み機構１６の押込み棒２１によって閉塞した砂槽１２内に、骨材である砂、水ガラス（ケイ酸ナトリウム）、水及び界面活性剤を投入し、撹拌機構１４の回転羽根１７を挿入して回転させ、撹拌、混練することにより発泡砂Ｓを生成する。

図２（Ａ）を参照して、砂槽１２から撹拌機構１４及び砂押込み機構１６を後退させる。このとき、砂槽１２内の発泡砂Ｓは、適度な粘性を有しているので、充填ノズル１３から押込み棒２１を引抜いても自然に落下することなく、砂槽１２内で保持される。上型２Ａと下型２Ｂとを型締めしてキャビティＣを形成した金型２に砂槽１２をセットし、充填ノズル１３を金型２の充填口５に接続する。また、砂槽１２に加圧機構１５をセットする。そして、加圧機構１５を作動させてピストン１９により砂槽１２内の発泡砂Ｓを加圧し、充填ノズル１３を通して、加熱された金型２のキャビティＣに充填する。

発泡砂Ｓを金型２のキャビティＣに充填した後、加圧機構１５を作動させてピストン１９を上昇させる。そして、砂槽１２を金型２から上昇させる。このとき、図１（Ｃ）及び図２（Ａ）に示すように、砂槽１２内及び充填ノズル１３の直穴１３内に残った発泡砂Ｓは、その粘性により、自然に落下することなく保持される。充填ノズル１３の直穴１３Ａ内の発泡砂Ｓは、金型２からの熱の伝達によって加熱されて、ある程度水分が蒸発して固化し始めている。砂押込み機構１６のプレート２０を砂槽１２の下方にセットし、上昇させて、図１（Ｄ）及び図２（Ｂ）に示すように、押込み棒２１を充填ノズル１３の直穴１３Ａに挿入して、直穴１３Ａ内の発泡砂Ｓを砂槽１２内に押込む。

そして、図１（Ａ）を参照して、砂槽１２に、適宜、発泡砂Ｓの原料となる砂、水ガラス、水及び界面活性剤を補充し、撹拌機構１４をセットして回転羽根１７を回転させ、撹拌、混練して発泡砂Ｓを生成する。このとき、充填ノズル１３の直穴１３Ａ内で固化し始めた発泡砂Ｓは、砂槽１２内で再度、撹拌、混練されることにより、均一な発泡砂Ｓとなり、次の充填工程で金型２のキャビティＣ内に円滑に充填することができる。

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。そして、金型２を開いて固化した砂中子Ｗを離型する。

次に本発明の第２実施形態について、図３を参照して説明する。なお、以下の説明において、要部である砂押込み機構１６の一部のみを図示し、上記第１実施形態に対して、同様の部分には同じ参照符号を用いて異なる部分についてのみ詳細に説明する。

図３に示すように、本実施形態では、砂押込み機構１６の押込み棒２１は、中空で内部にエア通路２１Ａが形成されている。エア通路２１Ａは、一端部が押込み棒２１の先端部に開口し、他端部は、プレート２０の内部に形成された通路２３を介して、圧縮空気の供給源であるエア源２４に接続されている。エア源２４として、各種エアツール等に圧縮エアを供給する工場設備であるエア配管をプレート２０の通路２３に接続してもよい。押込み棒２１のエア通路２１Ａの先端開口部には、通気ノズル２２（エア吹出し手段）が設けられている。通気ノズル２２は、エア通路２１Ａから砂槽１２内にエアを吹出す複数のスリット状の吹出口を有するスリットベントとすることができる。スリット状の吹出口は、砂槽１２内の発泡砂Ｓの粒子が侵入しない程度の大きさとなっている。

そして、上述のように発泡砂Ｓを金型２のキャビティＣに充填した後、金型２から引離された砂槽１２の充填ノズル１３に、砂押込み機構１６の押込み棒２１を挿入し、充填ノズル１３内の発泡砂Ｓを砂槽１２内に押込む。その後、エア源２４から圧縮エア供給して、通気ノズル２２から砂槽１２内にエアを吹出す。これにより、撹拌機構１４の回転羽根１７がとどき難い充填ノズル１３の近傍の発泡砂Ｓをエアの吹出しにより撹拌することができ、また、回転羽根１７に向って移動させて回転羽根１７による撹拌を促進することができる。その結果、砂槽１２内の発泡砂Ｓを全体にわたって均等に撹拌、混練することができ、金型２のキャビティＣに円滑に充填することができる。

なお、上記第１及び第２実施形態では、一例として、発泡砂Ｓを用いて砂中子Ｗを造型する場合について説明しているが、本発明は、発泡砂以外の砂であっても、水溶性のバインダーを用いた湿砂等の、加熱により固化し、砂槽から金型のキャビティに充填した後、充填ノズル内に残留するような砂を用いて造型を行う場合にも同様に適用することができる。これにより、充填ノズル内での砂の固化を防止して、金型のキャビティへの砂の円滑な充填が可能になる。

１…砂型造型装置、２…金型、１２…砂槽、１３…充填ノズル、１４…撹拌機構（撹拌手段）、１５…加圧機構（加圧手段）、２１…押込み棒、Ｃ…キャビティ、Ｓ…発泡砂（砂）

Claims (4)

1. 砂を貯留する砂槽と、前記砂槽内の砂を撹拌する撹拌手段と、前記砂槽に設けられて前記砂槽を金型のキャビティに接続する充填ノズルと、前記砂槽内の砂を加圧して前記充填ノズルを通して前記金型のキャビティに充填する加圧手段とを備えた砂型造型装置において、
   砂を前記金型のキャビティに充填した後、前記充填ノズルに挿入して前記充填ノズル内の砂を前記砂槽内に押込む押込み棒と、
   前記充填ノズルに挿入した前記押込み棒の先端部からエアを吹出して、前記砂槽内の砂を撹拌するエア吹出し手段と、を備えていることを特徴とする砂型造型装置。
2. 砂は、発泡砂であることを特徴とする請求項１に記載の砂型造型装置。
3. 砂槽内で砂を撹拌し、前記砂槽内の砂を加圧して、前記砂槽に設けられた充填ノズルを通して金型のキャビティに充填する砂型の造型方法において、
   砂を前記金型のキャビティに充填した後、押込み棒を前記充填ノズルに挿入して前記充填ノズル内の砂を前記砂槽内に押込み、
   前記充填ノズルに挿入した前記押込み棒の先端部からエアを吹出して砂を撹拌することを特徴とする砂型の造型方法。
4. 砂は、発泡砂であることを特徴とする請求項３に記載の砂型の造型方法。

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