JP6380329B2 - 中子造型装置及び中子造型方法 - Google Patents

Description

本発明は、中子造型装置及び中子造型方法に関する。

従来より、成形型のキャビティ内に鋳物砂を吹き込み充填して中子を造型する中子造型装置が知られている。特許文献１には、中子を含む鋳型を造型するための鋳型造型装置において、鋳物砂を収容し、下部に該鋳物砂をキャビティに吹き込むブローノズルを有するブローヘッドと、上記鋳物砂の吹き込み時の加圧気体を上記ブローヘッド内に供給する加圧気体供給装置と、上記ブローヘッド内の上記鋳物砂の温度を検出する砂温検出手段と、上記ブローヘッド内の上記鋳物砂の量を検出する砂量検出手段と、上記ブローヘッド内の上記鋳物砂に溶剤を噴霧する溶剤噴霧装置と、上記砂温検出手段で検出した上記ブローヘッド内の上記鋳物砂の温度と上記砂量検出手段で検出した上記鋳物砂の量とに基づき、上記溶剤噴霧装置から噴霧する溶剤の量を制御する噴霧量制御手段と、を備えたものが開示されている。

特許第２００８−１４９３５２号公報

ところで、近年では、エンジンにおける燃焼室付近の冷却性能を向上させるために、冷却水の高流速化や冷却面積の確保の要請があったり、ヒータ熱量の確保と排気温度の維持との両立の要請があったりして、ウォータジャケットの幅を小さくかつ表面積を広くすることが求められている。このような要請を満たすためには、ウォータジャケットを形成するための中子を薄肉化する必要がある。

一般に、中子を薄肉化させるとき、薄肉化された中子を造型するためのキャビティは、鋳物砂が充填される領域が狭くなるため、キャビティ内に鋳物砂が充填されにくくなる。この結果、キャビティ内の鋳物砂の充填密度が低下し、造型された中子の強度が所望の強度を満たさなくなるおそれがある。特に、キャビティに鋳物砂を吹き込み充填して鋳型を造型する鋳型造型装置では、通常、吹き込みノズルから、鋳物砂と共に加圧気体が吹き込まれる。上記キャビティにおける鋳物砂の充填領域が狭くなっていると、上記キャビティからは、上記加圧気体が抜けにくくなる。これにより、上記キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂間には、上記加圧気体が残留して、隙間が形成されやすい。この結果、キャビティに鋳物砂が十分に充填されなくなる。

特許文献１に記載の鋳型造型装置では、砂温検出手段で検出したブローヘッド内の鋳物砂の温度と砂量検出手段で検出した鋳物砂の量とに基づき、溶剤噴霧装置から噴霧する溶剤の量を制御することで、粘着剤と混練された鋳物砂を成形型に吹き込む前に、該粘着剤が硬化するのを防止して、粘着剤の硬化による鋳物砂の充填密度の低下を防止している。

しかしながら、上記特許文献１に記載の鋳型造型装置では、鋳物砂間に形成された隙間を埋める手段がなく、薄肉化の要請のある中子の強度を十分に満足できないおそれがある。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中子強度を向上させることで、薄肉化された中子の量産化を実現するとともに、造型された中子の寸法精度を向上させることにある。

上記課題を解決するために、本発明は、鋳物砂を収容するブローヘッドと、該ブローヘッド内に連通するように配設されたブローノズルと、上記ブローヘッド内に加圧気体を供給することで、上記ブローノズルを介して成形型のキャビティ内に上記鋳物砂を吹き込み充填させる加圧気体供給装置と、を備えた中子造型装置を対象として、上記キャビティ内に吹き込まれた上記鋳物砂に振動を加える加振手段と、上記キャビティ内に吹き込まれた上記鋳物砂を、上記キャビティの上面側に引き寄せるように吸引する吸引手段と、上記加圧気体供給装置、上記加振手段及び上記吸引手段の動作を制御可能な制御手段と、をさらに備え、上記制御手段は、上記加圧気体供給装置により上記鋳物砂を吹き込む期間と、上記キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂に上記加振手段により振動を加える期間と、上記キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を上記吸引手段により吸引する期間と、が全て重複する期間が存在するように各動作を実行するように構成されており、さらに上記制御手段は、上記加圧気体供給装置による上記鋳物砂の吹き込みを開始してから第１所定時間が経過した後に、上記加振手段による上記鋳物砂への加振を開始し、上記加振手段による上記鋳物砂への加振を開始してから、第２所定時間が経過した後に、上記吸引手段による上記鋳物砂の吸引を開始し、上記吸引手段による上記鋳物砂の吸引を終了させる時に、上記加圧気体供給装置による上記鋳物砂の吹き込み及び上記加振手段による上記鋳物砂への加振も終了させるように構成されている、ものとした。

この構成によると、キャビティへの鋳物砂の充填密度を上げて、中子の強度を向上させることができる。

すなわち、加圧気体供給装置によってブローヘッド内に加圧気体を供給し、ブローノズルを介してキャビティ内に鋳物砂を吹き込むと、鋳物砂と共に供給された加圧気体によって、キャビティ内の鋳物砂間に隙間が生じる。この状態で、加振手段によって、このキャビティ内の鋳物砂に振動を加えると、該振動によって鋳物砂が転がる。このとき、鋳物砂は、密度の低い部分である上記隙間の部分へ向かって転がり、隙間に残留していた加圧気体は、上記隙間から解放される。これにより、上記隙間が埋められて、鋳物砂は、自重によってキャビティの底側へ充填される。鋳物砂がキャビティの底側に充填されたことにより、キャビティの上面側には空隙が生じる。そして、該空隙には、ブローノズルから、さらに鋳物砂が吹き込まれる。これにより、上記隙間を鋳物砂によって埋めることができる。

また、吸引手段によって、ブローノズルから吹き込まれた鋳物砂を、キャビティの上面側に引き寄せるように吸引させることができる。これにより、鋳物砂が充填されにくい部分である、キャビティの上部にまで鋳物砂を充填させることができる。

したがって、制御手段によって、加圧気体供給装置により鋳物砂を吹き込む期間と、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂に加振手段により振動を加える期間と、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を吸引手段により吸引する期間と、が全て重複する期間が存在するように各動作を実行することで、ブローノズルからキャビティ内に鋳物砂を吹き込みながら、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を、加振手段によって転がしてキャビティの底側に充填させ、さらに、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を、吸引手段によってキャビティの上面側に引き寄せて、キャビティの上面側に充填させることができる。これにより、鋳物砂間の隙間を埋めながら、キャビティ内に鋳物砂を充填させることができるため、キャビティ内の鋳物砂の充填密度が高くなり、中子の強度が向上される。この結果、薄肉化された中子の量産化を実現することができる。

また、鋳物砂間の隙間を埋めながら、キャビティ内に鋳物砂を充填させることで、造型された中子の密度が均一になる。これにより、造型された中子を用いて鋳造を行った際の中子の変形（膨張など）が、中子全体で均一になる。この結果、造型された中子の各部分における寸法ばらつきが減少するため、中子の寸法精度を向上させることができる。

上記中子造型装置において、上記制御手段は、上記加振手段による上記鋳物砂への加振を開始してから上記第２所定時間が経過するまでの間は、上記加圧気体供給装置による上記鋳物砂の吹き込みを一時的に停止させ、上記第２所定時間が経過した後に、上記加圧気体供給装置による上記鋳物砂の吹き込みを再開させるように構成されていてもよい。

このことによると、キャビティの底側及び上面側に鋳物砂をさらに効率的に充填させることができる。

上記中子造型装置において、鋳物砂は、無機バインダを用いた鋳物砂である、ことが望ましい。

すなわち、無機バインダを用いた鋳物砂で中子を造型することにより、有機バインダを用いるよりも中子の強度をさらに向上させることができる。

また、本発明の別の態様は中子造型方法の発明であり、この発明は、鋳物砂を収容するブローヘッド内に加圧気体を供給することで、上記ブローヘッド内に連通するように配設されたブローノズルを介して、上記鋳物砂を、成形型のキャビティ内に吹き込み充填する吹き込み工程を含む中子造型方法を対象として、上記キャビティ内に吹き込まれた上記鋳物砂に振動を加える加振工程と、上記キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を、上記キャビティの上面側に引き寄せるように吸引する吸引する吸引工程と、をさらに含み、上記吹き込み工程が実行される期間と、上記加振工程が実行される期間と、上記吸引工程が実行される期間と、が全て重複する期間を有し、上記吹き込み工程を開始してから第１所定時間が経過した後に、上記加振工程を開始し、上記加振工程を開始してから第２所定時間が経過した後に、上記吸引工程を開始し、上記吸引工程が終了する時に、上記吹き込み工程及び上記加振工程も終了する、という構成とした。

この構成によると、吹き込み工程が実行されて、ブローヘッド内に加圧気体が供給され、ブローノズルを介してキャビティ内に鋳物砂が吹き込まれる。このとき、鋳物砂と共に供給された加圧気体により鋳物砂間には隙間が生じる。キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂には、加振工程で、振動が加えられる。これにより、振動によって鋳物砂が転がり、上記隙間が埋められるとともに、キャビティの底側に鋳物砂が充填されて、キャビティの上面側に空隙が生じる。また、吸引工程では、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂が、キャビティ内の上面側へ引き寄せられるように吸引される。

したがって、吹き込み工程が実行される期間と、加振工程が実行される期間と、吸引工程が実行される期間と、が全て重複する期間を有することによって、ブローノズルから鋳物砂を吹き込みながら、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を、加振によって転がしてキャビティの底側に充填させ、さらに、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を、キャビティの上面側に引き寄せるように吸引して、キャビティの上面側に充填させるができる。これにより、鋳物砂間の隙間を埋めながら、キャビティ内に鋳物砂を充填させることができるため、キャビティ内の鋳物砂の充填密度が高くなり、中子の強度が向上される。この結果、薄肉化された中子の量産化を実現することができる。

さらに、鋳物砂間の隙間を埋めながら、キャビティ内に鋳物砂を充填させることで、造型された中子の密度が均一になる。これにより、造型された中子を用いて鋳造を行った際の中子の変形（膨張など）が、中子全体で均一になる。この結果、造型された中子の寸法のばらつきが減少するため、中子の寸法精度を向上させることができる。

また、中子の造型では、先ず、吹き込み工程が実行されて、加圧気体供給装置によってブローヘッド内に加圧気体が供給され、ブローノズルを介してキャビティ内に鋳物砂が吹き込まれる。次に、鋳物砂の吹き込みを開始してから第１所定時間経過が経過した後、加振工程が実行されて、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂に振動が加えられる。これにより、振動によって鋳物砂が転がり、鋳物砂間の隙間が埋められるとともに、キャビティの底側に鋳物砂が充填されて、キャビティの上面側に空隙が生じる。そして、鋳物砂への加振を開始してから、第２所定時間経過が経過した後、吸引工程が実行されて、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂がキャビティ内の上面側へ引き寄せられるように吸引される。これにより、鋳物砂が充填されにくい部分である、キャビティの上部にまで鋳物砂が充填される。

このように、吹き込み工程、加振工程及び吸引工程を段階的に開始することにより、キャビティの底側に鋳物砂を充填させてから、キャビティの上面側に鋳物砂を充填させるように、キャビティ内に鋳物砂を段階的に充填させることができる。これにより、キャビティの底側及び上面側に鋳物砂をより効率的に充填させることができる。

吹き込み工程を開始してから第１所定時間が経過した後に、加振工程を開始し、加振工程を開始してから第２所定時間が経過した後に、吸引工程を開始し、吸引工程が終了する時に、吹き込み工程及び加振工程も終了する場合の中子造型方法において、上記加振工程を開始してから上記第２所定時間が経過するまでの間は、上記吹き込み工程を一時的に停止し、上記第２所定時間が経過した後に、上記吹き込み工程を再開する、ようにすることが望ましい。

この構成によると、加振工程を開始してから第２所定時間が経過までの間、吹き込み工程を一時的に停止することで、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を、加振によってキャビティの底側に充填させている間は、キャビティ内への鋳物砂の吹き込みが行われないため、鋳物砂及び加圧気体の両方がキャビティ内に供給されない。これにより、吹き込み工程で吹き込まれた鋳物砂を、キャビティの底側に確実に充填させることができる。そして、加振工程を開始してから第２所定時間が経過した後、鋳物砂の吹き込みを再開させるとともに、吹き込まれた鋳物砂の吸引を開始させることで、キャビティの上面側に鋳物砂を充填させることができる。これにより、キャビティの底側及び上面側に鋳物砂をさらに効率的に充填させることができる。

また、第２所定時間の間は、キャビティ内への鋳物砂の吹き込みを実行しないため、ランニングコストを節約することができる。

上記中子造型方法において、上記鋳物砂は、無機バインダを用いた鋳物砂である、ことが望ましい。

上述したように、無機バインダを用いた鋳物砂で中子を造型することにより、有機バインダを用いるよりも中子の強度をさらに向上させることができる。

以上、説明したように、本発明の中子造型装置及び中子造型方法によると、キャビティ内に鋳物砂を吹き込みながら、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂に振動を加えて転がすことで、キャビティの底側に充填させ、さらに、キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を、キャビティの上面側に引き寄せるように吸引して、キャビティの上面側に充填させることができる。これにより、鋳物砂間の隙間を埋めながら、キャビティ内に鋳物砂を充填させることができるため、キャビティ内の鋳物砂の充填密度が高くなり、中子強度が向上される。その結果、薄肉化された中子の量産化を実現することができる。

また、鋳物砂間の隙間を埋めながら、キャビティ内に鋳物砂を充填させることで、造型された中子の密度が均一になる。これにより、造型された中子を用いて鋳造を行った際の中子の変形が、中子全体で均一になる。この結果、造型された中子の各部分における寸法ばらつきが減少するため、中子の寸法精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る中子造型装置を示す概略構成図である。 バイブレータによってキャビティ内の鋳物砂に振動を加えている際の、キャビティ内の鋳物砂の動きを示す模式図である。 真空ポンプによってキャビティ内の鋳物砂を吸引している際の、キャビティ内の鋳物砂の動きを示す模式図である。 コントローラによる中子造型時の処理動作を示すフローチャートである。 吹き込み工程、加振工程及び吸引工程を実行した際の、キャビティ内における鋳物砂の充填密度の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る中子造型装置５０の概略構成図を示す。この中子造型装置５０は、鋳物砂４１を収容する密閉状の収容部２を有するブローヘッド１を備えている。鋳物砂４１は、水ガラス（珪酸ナトリウム）を主体とする無機バインダを用いた鋳物砂であって、砂表面が該無機バインダにより覆われている。尚、図１では、収容部２の上端の一部が開放されたような状態になっているが、実際には、収容部２の上端は後述のシャッター５によって閉じた状態になっている。

鋳物砂４１は、収容部２の上側に配設された混練部３で生成されて、収容部２へと供給される。詳しくは、混練部３に、珪砂などの砂と上記無機バインダが投入され、これらが混練部３内に設けられた混練機（図示せず）によって均一に混練されて、砂の表面が無機バインダによって覆われることで、鋳物砂４１が生成される。収容部２と混練部３との間には、シャッター駆動機構６によって開閉されるシャッター５が配設されており、シャッター５がシャッター駆動機構６により開かれることで、鋳物砂４１が混練部３から自重によって落下して、収容部２に供給される。

上記ブローヘッド１の下端には、ブロープレート７が取り付けられており、該ブロープレート７には、収容部２内に連通するように配設された複数本（図１では３本）のブローノズル８の上端側が装着されている。ブローノズル８の下端側は、ブロープレート７から下方に延びた後、中子造型装置５０におけるブロープレート７の下方に配置された成形型３５の上型３５ａに装着される。成形型３５内には、キャビティ３６が形成されており、上型３５ａに装着されたブローノズル８の下端側は、キャビティ３６内に臨んでいる。すなわち、ブローヘッド１とキャビティ３６とは、ブローノズル８によって連通されている。ブローヘッド１の収容部２内に収容された鋳物砂４１は、ブローノズル８を介して、キャビティ３６内に吹き込み充填され、中子造型装置５０により造型される中子の形状となる。中子造型装置５０により造型される中子としては、例えば、シリンダヘッドのウォータジャケットを形成するための中子が挙げられる。尚、ブローノズル８は、常開式であっても開閉式であってもよく、複数本のブローノズル８のうち、一部を常開式、残りを開閉式としてもよい。

一方、ブローヘッド１の収容部２を構成する側壁面における上部には、収容部２内に加圧エア（加圧気体）を供給するためのエア供給口２ａが設けられている。このエア供給口２ａは、電磁弁１１を介してエアタンク１２と接続されている。エアタンク１２内には、工場エアがレギュレータ（図示せず）によって一定圧力（０．２ＭＰａ〜１ＭＰａ程度）とされた状態で貯蔵されている。鋳物砂４１をキャビティ３６内に吹き込むときには、電磁弁１１が作動して、エアタンク１２内の加圧エアがブローヘッド１の収容部２内に供給される。これにより、収容部２内の鋳物砂４１が、上記ブローノズル８を介して、キャビティ３６内に吹き込み充填される。このことから、電磁弁１１及びエアタンク１２は、ブローヘッド１内に加圧エアを供給することで、ブローノズル８を介して成形型３５のキャビティ３６内に鋳物砂４１を吹き込み充填させる加圧気体供給装置を構成する。尚、鋳物砂４１と共にキャビティ３６内に供給された加圧エアは、成形型３５の下型３５ｂに複数（図１では４つ）形成された下側エアベント３７を介して、キャビティ３６外へと抜け出るようになっている。

中子造型装置５０は、キャビティ３６の外側から、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１に振動を加える加振手段としての２つのバイブレータ２０を備えている。２つバイブレータ２０は、下型３５ｂの外周部と接触するようにかつ下型３５ｂを挟むように配置されている。バイブレータ２０は、所定の振動数の振動を、成形型３５の下型３５ｂを介してキャビティ３６内に伝達させることで、キャビティ３６内の鋳物砂４１に振動を加えるものである。このとき、キャビティ３６内の鋳物砂４１には、水平方向、鉛直方向及び水平方向と鉛直方向との間の斜め方向を含むあらゆる方向の振動が加えられる。詳しくは後述するが、バイブレータ２０によって、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１に振動を加えることで、該鋳物砂４１がキャビティ３６の底側に充填される。尚、バイブレータ２０は、下型３５ｂではなく上型３５ａと接触させるようにしてもよいが、振動を加えることで、鋳物砂４１をキャビティ３６の底側に充填させるには、キャビティ３６の底側を形成する下型３５ｂと接触させるようにする方が望ましい。

上記バイブレータ２０からの振動が中子造型装置５０全体に伝達されないようにするために、上型３５ａの上面には、環状の上側防振材５２が設けられるとともに、下型３５ｂの下面には、環状の下側防振材５３が設けられている。さらに、中子造型装置５０における上側防振材５２の上側には、上側防振材５２の形状に対応するように上側プレート５４が設けられ、中子造型装置５０における下側防振材５２の下側には、下側防振材５３の形状に対応するように下側プレート５５が設けられている。すなわち、成形型３５は、上側及び下側防振材５２，５３を介して、上側及び下側プレート５４，５５に挟まれるように配置されている。

中子造型装置５０における上側プレート５４とブロープレート７との間には、リング状のシール部材５６が設けられている。シール部材５６が配置されることにより、図１に示すように、ブロープレート７の下面の一部、シール部材５６の内側面、上側プレート５４の上面の一部、上側プレート５４の内周面及び上型３５ａの上面によって、吸引空間２１が形成されている。

吸引空間２１は、後述する真空ポンプ２４を介してキャビティ３６内に充填された鋳物砂４１を吸引するため空間である。吸引空間２１は、上型３５ａにおける最も上側に位置する部分である最上部に形成された上側エアベント３８を介して、キャビティ３６内と連通している。

吸引空間２１からは、吸引ノズル２２が、シール部材５６を貫通して吸引空間２１の外に延びている。該吸引ノズル２２の一端側は、吸引空間２１に臨んだ状態でシール部材５６に装着されている一方、吸引ノズル２２の他端側は、真空タンク２３に装着されている。該真空タンク２３には、真空ポンプ２４が取り付けられている。

上記真空ポンプ２４は、吸引ノズル２２を介して吸引空間２１内の空気を真空タンク２３内へと吸引する。これにより、吸引空間２１内の圧力が低下するため、上側エアベント３８を介して、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１が、キャビティ３６の上面側に引き寄せられる。このことから、吸引空間２１、吸引ノズル２２、真空タンク２３及び真空ポンプ２４は、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１を、キャビティ３６の上面側に引き寄せるように吸引する吸引手段を構成する。尚、真空ポンプ２４による吸引の強さは、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１のうちキャビティ３６の上面側近傍に位置する鋳物砂４１を引き寄せる程度の強さである。

また、中子造型装置５０における上型３５ａ及び下型３５ｂには、キャビティ３６内の温度を上昇させるためのヒータ３９が内蔵されている。詳しくは後述するが、無機バインダを硬化させて、鋳物砂４１同士を結合させる際には、キャビティ３６内の温度を上昇させて、高温乾燥を行う必要がある。その際に上記ヒータ３９が用いられる。

さらに、中子造型装置５０におけるブローヘッド１の収容部２内には、収容部２内に供給された鋳物砂４１を撹拌する撹拌部材２５が設けられている。この撹拌部材２５は、鋳物砂４１をほぐすものであって、上下方向に延びかつ回転可能に支持された回転軸２５ａと、この回転軸２５ａの下端部に固定されかつ水平方向に延びる基板２５ｂと、この基板２５ｂ上に設けられた複数本（図１では４本）の撹拌棒２５ｃとから構成されている。上記回転軸２５ａの上端部は、撹拌部材駆動機構２６と連結されている。撹拌部材駆動機構２６は、駆動モータ２６ａと、駆動モータ２６ａの回転軸と上記回転軸２５ａとを連結する、例えば曲げ自在なワイヤ等からなる連結部材２６ｂと、駆動モータ２６ａを駆動するための駆動回路（図示せず）とを有している。

また、中子造型装置５０は、電磁弁１１、バイブレータ２０及び真空ポンプ２４の動作を含めて、中子造型装置５０全体の作動制御を行う制御手段としてのコントローラ１００を備えている。コントローラ１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号を入出力する入出力（Ｉ／Ｏ）バスとを備えている。

ここで、特に、シリンダヘッドのウォータジャケットを形成するための中子等、薄肉化の要請がある中子を造型するとき、該中子を造型するためのキャビティ３６は、鋳物砂４１が充填される領域が狭くなるため、キャビティ３６内に鋳物砂４１が充填されにくくなる。この結果、キャビティ３６内の鋳物砂４１の充填密度が低下し、造型された中子の強度が所望の強度を満たさなくなることがある。特に、本実施形態のように、キャビティ３６内に鋳物砂４１を吹き込み充填して中子を造型する中子造型装置５０では、上述したように、加圧エアによって鋳物砂４１をキャビティ３６内に吹き込むため、ブローノズル８からは、鋳物砂４１と共に加圧エアが吹き込まれる。このとき、上記キャビティ３６は、鋳物砂４１が充填される領域が狭くなっているため、上記キャビティ３６からは、上記加圧エアが抜けにくくなっている。これにより、上記キャビティ３６内における鋳物砂４１間には、上記加圧エアが残留して、隙間が形成されやすい。この結果、キャビティ３６に鋳物砂４１が十分に充填されなくなる。

そこで、本実施形態では、電磁弁１１及びエアタンク１２により鋳物砂４１を吹き込む期間と、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１にバイブレータ２０により振動を加える期間と、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１を真空ポンプ２４等により吸引する期間と、が全て重複する期間が存在するようにして、キャビティ３６内の鋳物砂４１の充填密度を向上させるようにしている。

具体的には、コントローラ１００は、キャビティ３６内に鋳物砂４１を吹き込み充填する吹き込み工程を開始させてから、第１所定時間が経過した後、キャビティ３６に吹き込まれた鋳物砂４１に、バイブレータ２０によって振動を加える加振工程を開始させる。加振工程を開始させるとき、コントローラ１００は、上記吹き込み工程を一時的に停止させる。そして、加振工程を開始してから、第２所定時間が経過した後、コントローラ１００は、キャビティ３６に吹き込まれた鋳物砂４１を、真空ポンプ２４等によってキャビティ３６の最上部に引き寄せるように吸引する吸引工程を開始させる。吸引工程を開始させるとき、コントローラ１００は、上記吹き込み工程を再開させるとともに、上記加振工程を継続させる。そして、上記吸引工程を終了させるときに、上記吹き込み工程及び上記加振工程を終了させる。これにより、吸引工程が実行されている間は、吹き込み工程が実行される期間と、加振工程が実行される期間と、吸引工程が実行される期間と、が全て重複するようになる。尚、第１及び第２所定時間は、例えば１秒程度である。

以下に、図２及び図３を参照しながら、上記加振工程におけるキャビティ３６内の鋳物砂４１の動き及び上記吸引工程におけるキャビティ３６内の鋳物砂４１の動きについて詳細に説明する。

図２は、バイブレータ２０によってキャビティ３６内の鋳物砂４１に振動を加えている際の、キャビティ３６内の鋳物砂４１の動きを示す。バイブレータ２０によって、キャビティ３６内の鋳物砂４１に振動が加えられると、該振動によって、鋳物砂４１は、他の鋳物砂４１の表面と接触して転がる。このとき、鋳物砂４１は、密度の低い部分、すなわち、加圧エアによって形成された隙間の部分へ向かって転がり、該隙間に残留していた加圧エアは、上記隙間から解放される。これにより、鋳物砂４１は、上記隙間を埋めるとともに、自重によってキャビティ３６の底側に充填されていく。尚、図２では、振動の方向の例として左右方向のみを矢印で示しているが、実際には、紙面に垂直な方向、鉛直方向及びそれらの間の斜め方向を含むあらゆる方向の振動が鋳物砂４１に加えられている。

そして、鋳物砂４１がキャビティ３６の底側に充填されたことにより、キャビティ３６の上面側に空隙が生じる。該空隙には、ブローノズル８から鋳物砂４１が吹き込み充填される。これにより、鋳物砂４１間に形成された隙間が鋳物砂４１によって埋められる。

図３は、真空ポンプ２４等によってキャビティ３６内の鋳物砂４１を吸引している際の、キャビティ３６内の鋳物砂４１の動きを示す。上述したように、真空ポンプ２４によって吸引空間２１内の圧力が下げられることで、キャビティ３６内の鋳物砂４１は、吸引空間２１と連通する上側エアベント３８に向かって引き寄せられる。上側エアベント３８は、キャビティ３６の最上部に設けられているため、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１は、キャビティ３６の最上部に向かって引き寄せられる。これにより、鋳物砂４１が充填されにくい部分であるキャビティ３６の最上部にまで鋳物砂４１が充填される。

加振工程及び吸引工程において、キャビティ３６内の鋳物砂４１は、上述のような動きをするため、コントローラ１００によって、吹き込み工程が実行される期間と、加振工程が実行される期間と、吸引工程が実行される期間と、が全て重複する期間が存在するように制御することで、キャビティ３６に吹き込まれた鋳物砂４１を、バイブレータ２０によって転がして、キャビティ３６の底側に充填させ、キャビティ３６の上面側に空隙を形成させて、該空隙にブローノズル８から鋳物砂４１を吹き込み、上記空隙に吹き込まれた鋳物砂４１を、真空ポンプ２４等によってキャビティ３６の最上部に向かって引き寄せて、キャビティ３６の上面側に充填させることができる。これにより、鋳物砂４１間に形成された隙間を埋めながら、キャビティ３６内に鋳物砂４１を充填させることができるため、キャビティ３６内の鋳物砂４１の充填密度を向上させることができる。

また、上記吹き込み工程を開始させてから、第１所定時間が経過した後、上記加振工程を開始し、上記加振工程を開始してから、第２所定時間が経過した後、上記吸引工程を開始させることで、先ず、キャビティ３６に鋳物砂４１を吹き込み、吹き込まれた鋳物砂４１を、上記加振工程によってキャビティ３６の底側に充填させてから、上記吸引工程によってキャビティ３６の上面側に鋳物砂４１を充填させることができる。これにより、鋳物砂４１がキャビティ３６内に段階的に充填される。この結果、キャビティ３６の底側及び上面側に、鋳物砂４１を確実に充填させることができる。

さらに、加振工程を開始してから、第２所定時間が経過するまでの間、鋳物砂４１の吹き込みを停止させることによって、キャビティ３６内の鋳物砂４１をキャビティ３６の底側に充填させている間は、鋳物砂４１及び加圧エアの両方がキャビティ３６内に供給されないため、最初の吹き込み工程で吹き込まれた鋳物砂４１を、キャビティ３６の底側に確実に充填させることができる。そして、加振工程を開始してから第２所定時間が経過した後、鋳物砂４１の吹き込みを再開することによって、キャビティ３６の上面側に形成された空隙に、該空隙に鋳物砂４１を吹き込むことができる。また、加振工程を開始してから第２所定時間が経過した後には、吸引工程も開始されるため、キャビティ３６の上面側に吹き込まれた鋳物砂４１が、キャビティ３６の上面側における最上部にまで充填される。これにより、キャビティ３６の底側及び上面側に、鋳物砂４１を効率的に充填させることができる。また、第２所定時間の間は、加圧エアの供給を実行させないため、ランニングコストを節約することができる。

次に、図４に示す、コントローラ１００による中子造型時の処理動作を示すフローチャートを参照しながら、中子造型装置５０により中子を造型する方法を説明する。以下に説明する方法では、例えば、シリンダヘッドのウォータジャケットを形成するための中子が造型される。

先ず、ステップＳ１０１において、コントローラ１００は、混練機を駆動させて、混練部３に供給された珪砂などの砂と水ガラスを主体とする無機バインダとを混練させる。これにより、砂の表面が無機バインダによって覆われて鋳物砂４１が生成される。

次のステップＳ１０２では、コントローラ１００は、シャッター駆動機構６を駆動して、混練部３の底部に設けられたシャッター５を開ける。これにより、鋳物砂４１が、混練部３からブローヘッド１の収容部２に供給される。収容部２に供給された鋳物砂４１は、撹拌部材２５によってほぐされる。

続いて、ステップＳ１０３では、コントローラ１００は、電磁弁１１に指令を送り、吹き込み工程を開始して、キャビティ３６内に鋳物砂４１を吹き込み充填させる。吹き込み工程では、電磁弁１１が開放されて、エアタンク１２内の加圧エアが収容部２内に供給される。これにより、収容部２内の鋳物砂４１が、ブローノズル８を介して、成形型３５のキャビティ３６内に吹き込み充填される。

次に、ステップＳ１０４では、コントローラ１００は、上記吹き込み工程が開始されてから、第１所定時間が経過したか否かを判定する。判定の結果、第１所定時間が経過しているＹＥＳのときは、ステップＳ１０５に進み、第１所定時間が経過していないＮＯのときには、ステップＳ１０３に戻って吹き込み工程を継続させる。

上記ステップＳ１０５では、コントローラ１００は、上記吹き込み工程を一時的に停止させるとともに、加振工程を開始させて、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１に振動を加える。つまり、このステップＳ１０５では、加振工程のみが実行される。加振工程では、バイブレータ２０が駆動されて、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１に、キャビティ３６の外側から振動が加えられる。これにより、キャビティ３６内の鋳物砂４１は、上記吹き込み工程において、鋳物砂４１と共に供給された加圧エアによって形成された隙間を埋めるとともに、自重によって、キャビティ３６の底側に充填される。鋳物砂４１がキャビティ３６の底側に充填されると、キャビティ３６の上面側には空隙が形成される。

次のステップＳ１０６では、コントローラ１００は、上記加振工程を開始してから、第２所定時間が経過したか否かについて判定する。判定の結果、第２所定時間が経過しているＹＥＳのときは、ステップＳ１０７に進み、第２所定時間が経過していないＮＯのときには、ステップＳ１０５に戻って、上記吹き込み工程を停止させた状態で、加振工程を継続させる。

上記ステップＳ１０７では、コントローラ１００は、上記加振工程を継続させた状態で、上記吹き込み工程を再開させるとともに、吸引工程を開始させる。吹き込み工程が再開されることで、加振工程によって、キャビティ３６の上面側に形成された空隙に、さらに鋳物砂４１が吹き込まれる。また、吸引工程では、コントローラ１００は、真空ポンプ２４を駆動させ、吸引空間２１内の空気を、吸引ノズル２２を介して真空タンク２３に吸引させることで、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１を、キャビティ３６の最上部に形成された上側エアベント３８に向かって引き寄せる。これにより、鋳物砂４１は、キャビティ３６の上面側における最上部にまで充填される。そして、フローチャートには示していないが、コントローラ１００は、吸引工程を開始してから第３所定時間が経過した後、吸引工程を終了させ、吹き込み工程及び加振工程も終了させる。すなわち、コントローラ１００は、吸引工程を実行している間は、吹き込み工程が実行される期間と、加振工程が実行される期間と、吸引工程が実行される期間と、が全て重複するように制御する。尚、第３所定時間は、鋳物砂４１がキャビティ３６の底側から上面側まで充填されるのに十分な時間である。

次のステップＳ１０８では、上型３５ａ及び下型３５ｂに設けられたヒータ３９によって、キャビティ３６内の温度を上昇させ、鋳物砂４１を高温乾燥させる。これにより、水ガラス内の余分な水分が蒸発して水ガラスが硬化し、中子が造型される。

次のステップＳ１０９では、成形型３５を外して、上記ステップＳ１０８で造型された中子を取り出す。以上により、中子の造型が終了する。

図５は、本実施形態に係る中子造型装置５０を用いて、上記吹き込み工程、加振工程及び吸引工程を実行した際の、キャビティ３６内における鋳物砂４１の充填密度の変化を示すグラフである。図５において、縦軸は、鋳物砂４１の充填密度を表し、横軸は、鋳物砂４１の充填時間を表している。横軸の下側に示す矢印は、コントローラ１００によって、吹き込み工程、加振工程及び吸引工程が実行されているか否かを表すものであり、矢印が記載されている部分では、該矢印に対応する工程が実行されていることを表し、矢印が記載されていない部分では、該矢印に対応する工程は実行されていないことを表している。また、図５のグラフ中に示す２本の破線のうち、下側の破線は、吹き込み工程のみでキャビティ３６内に鋳物砂４１を充填したときの充填密度を表し、上側の破線は、吹き込み工程が実行される期間と、加振工程が実行される期間と、吸引工程が実行される期間と、が全て重複する期間を設けて、キャビティ３６内に鋳物砂４１を充填したときの充填密度を表す。

図５を参照すると、先ず、吹き込み工程が開始され、鋳物砂４１がキャビティ３６内に吹き込まれることで、キャビティ３６内の充填密度が上昇する。この吹き込み工程によって、充填密度は、吹き込み工程のみでキャビティ３６内に鋳物砂４１を充填したときの充填密度まで上昇する。尚、グラフには、キャビティ３６の底側の充填密度の変化と、キャビティ３６の上面側の充填密度の変化とを示しているが、吹き込み工程のみを実行している間は、キャビティ３６の底側及び上面側ともに、同程度の割合で充填密度が上昇するため、２つのグラフが重なって見えている。

上述したように、吹き込み工程を開始してから第１所定時間（図５ではｔ１）が経過した後は、吹き込み工程が一時的に停止されるとともに、加振工程が実行される。加振工程が実行されると、キャビティ３６内の鋳物砂４１は、キャビティ３６の底側に充填されるため、図５に示すように、キャビティ３６の底側の充填密度は上昇する。一方、キャビティ３６の上面側には、空隙が形成されるため、図５に示すように、キャビティ３６の上面側の充填密度は低下する。

そして、上述したように、加振工程が開始されてから、第２所定時間（図５ではｔ２）が経過した後は、加振工程が実行されたまま、吹き込み工程が再開されるとともに、吸引工程が開始される。これにより、キャビティ３６内にさらに吹き込まれた鋳物砂４１は、キャビティ３６の底側に充填され、キャビティ３６の底側の充填密度は上昇する。その後、キャビティ３６の底側全体に鋳物砂４１が充填されると、キャビティ３６の底側には鋳物砂４１が充填される領域がなくなるため、キャビティ３６の底側の充填密度は飽和する。一方、吹き込み工程及び吸引工程によって、キャビティ３６の上面側には、新たに鋳物砂４１が充填されるため、キャビティ３６の上面側の充填密度は上昇する。吸引工程を開始してから第３所定時間（図５ではｔ３）が経過すると、キャビティ３６の上面側全体にまで鋳物砂４１が充填され、キャビティ３６の上面側の充填密度は飽和する。このとき、吸引工程によって、キャビティ３６の最上部にまで鋳物砂４１が充填されるため、キャビティ３６の底側の充填密度と上面側の充填密度とは、略同じ値に飽和する。

すなわち、図５に示すように、本実施形態に係る中子造型装置５０によって、キャビティ３６内の鋳物砂４１の充填密度が上昇することがわかる。このように、充填密度が向上されることにより、中子強度が向上されるため、シリンダヘッドのウォータジャケットを形成するための中子等、薄肉化の要請がある中子の量産化を実現することができる。また、キャビティ３６内の充填密度が飽和傾向を示すまで鋳物砂４１を充填させることにより、造型された中子の密度が均一になるため、造型された中子を用いて鋳造を行った際の中子の変形が、中子全体で均一になる。この結果、造型された中子の寸法のばらつきが減少するため、中子の寸法精度を向上させることができる。

したがって、本実施形態では、鋳物砂４１を収容するブローヘッド１と、該ブローヘッド１内に連通するように配設されたブローノズル８と、ブローヘッド１内に加圧エアを供給することで、ブローノズル８を介して成形型３５のキャビティ３６内に鋳物砂４１を吹き込み充填させる電磁弁１１及びエアタンク１２と、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１に振動を加えるバイブレータ２０と、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１を、キャビティ３６の上面側に引き寄せるように吸引する真空ポンプ２４等と、電磁弁１１、バイブレータ２０及び真空ポンプ２４等の動作を制御可能なコントローラ１００と、を備え、コントローラ１００は、電磁弁１１及びエアタンク１２により鋳物砂４１を吹き込む期間と、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１にバイブレータ２０により振動を加える期間と、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１を真空ポンプ２４等により吸引する期間と、が全て重複する期間が存在するように各動作を実行するように構成されている。

この構成により、ブローノズル８からキャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１を、バイブレータ２０によって転がして、上記鋳物砂４１をキャビティ３６の底側に充填させ、さらに、キャビティ３６内に吹き込まれた鋳物砂４１を、真空ポンプ２４等によってキャビティ３６の最上部に引き寄せて、上記鋳物砂４１をキャビティ３６の上面側に充填させることができる。これにより、鋳物砂４１間の隙間を埋めながら、キャビティ３６内に鋳物砂４１を充填させることができるため、キャビティ３６内の鋳物砂４１の充填密度が高くなり、中子強度が向上される。この結果、薄肉化された中子の量産化を実現することができる。

また、キャビティ３６内への鋳物砂４１の充填密度が向上することで、造型された中子の密度が均一になる。これにより、造型された中子を用いて鋳造を行った際の中子の変形が、中子全体で均一になる。この結果、造型された中子の寸法のばらつきが減少するため、中子の寸法精度を向上させることができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、本実施形態では、砂と水ガラスを主体とする無機バインダとを混練させることで、鋳物砂４１を生成しているが、これに限らず、砂と有機バインダとを混練させることで鋳物砂４１を生成してもよい。このとき、有機バインダとしては、例えば、フェノール樹脂及びポリイソシアネート化合物を主体とする有機バインダを用いることができる。

また、本実施形態では、加振工程を開始してから第２所定時間が経過するまでの間、吹き込み工程を停止させるようにしているが、これに限らず、第２所定時間の間も吹き込み工程を継続させてもよい。

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、キャビティ内に鋳物砂を吹き込み充填して中子を造型する中子造型装置及び中子造型方法に有用である。

１ ブローヘッド
８ ブローノズル
１１ 電磁弁（加圧気体供給装置）
１２ エアタンク（加圧気体供給装置）
２０ バイブレータ（加振手段）
２１ 吸引空間（吸引手段）
２２ 吸引ノズル（吸引手段）
２３ 真空タンク（吸引手段）
２４ 真空ポンプ（吸引手段）
３５ 成形型
３６ キャビティ
４１ 鋳物砂
５０ 中子造型装置
１００ コントローラ（制御手段）

Claims (6)

1. 鋳物砂を収容するブローヘッドと、該ブローヘッド内に連通するように配設されたブローノズルと、上記ブローヘッド内に加圧気体を供給することで、上記ブローノズルを介して成形型のキャビティ内に上記鋳物砂を吹き込み充填させる加圧気体供給装置と、を備えた中子造型装置であって、
   上記キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂に振動を加える加振手段と、
   上記キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を、上記キャビティの上面側に引き寄せるように吸引する吸引手段と、
   上記加圧気体供給装置、上記加振手段及び上記吸引手段の動作を制御する制御手段と、をさらに備え、
   上記制御手段は、上記加圧気体供給装置により上記鋳物砂を吹き込む期間と、上記キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂に上記加振手段により振動を加える期間と、上記キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を上記吸引手段により吸引する期間と、が全て重複する期間が存在するように各動作を実行するように構成されており、
   さらに上記制御手段は、
   上記加圧気体供給装置による上記鋳物砂の吹き込みを開始してから第１所定時間が経過した後に、上記加振手段による上記鋳物砂への加振を開始し、
   上記加振手段による上記鋳物砂への加振を開始してから、第２所定時間が経過した後に、上記吸引手段による上記鋳物砂の吸引を開始し、
   上記吸引手段による上記鋳物砂の吸引を終了させる時に、上記加圧気体供給装置による上記鋳物砂の吹き込み及び上記加振手段による上記鋳物砂への加振も終了させるように構成されている
   ことを特徴とする中子造型装置。
2. 請求項１に記載の中子造型装置において、
   上記制御手段は、上記加振手段による上記鋳物砂への加振を開始してから上記第２所定時間が経過するまでの間は、上記加圧気体供給装置による上記鋳物砂の吹き込みを一時的に停止させ、上記第２所定時間が経過した後に、上記加圧気体供給装置による上記鋳物砂の吹き込みを再開させるように構成されている
   ことを特徴とする中子造型装置。
3. 請求項１又は２に記載の中子造型装置において、
   上記鋳物砂は、無機バインダを用いた鋳物砂である
   ことを特徴とする中子造型装置。
4. 鋳物砂を収容するブローヘッド内に加圧気体を供給することで、上記ブローヘッド内に連通するように配設されたブローノズルを介して、上記鋳物砂を、成形型のキャビティ内に吹き込み充填する吹き込み工程を含む中子造型方法であって、
   上記キャビティ内に吹き込まれた上記鋳物砂に振動を加える加振工程と、
   上記キャビティ内に吹き込まれた鋳物砂を、上記キャビティの上面側に引き寄せるように吸引する吸引工程と、をさらに含み、
   上記吹き込み工程が実行される期間と、上記加振工程が実行される期間と、上記吸引工程が実行される期間とが全て重複する期間を有し、
   上記吹き込み工程を開始してから第１所定時間が経過した後に、上記加振工程を開始し、
   上記加振工程を開始してから第２所定時間が経過した後に、上記吸引工程を開始し、
   上記吸引工程が終了する時に、上記吹き込み工程及び上記加振工程も終了する
   ことを特徴とする中子造型方法。
5. 請求項４に記載の中子造型方法において、
   上記加振工程が開始されてから上記第２所定時間が経過するまでの間は、上記吹き込み工程を一時的に停止し、上記第２所定時間が経過した後に、上記吹き込み工程を再開することを特徴とする中子造型方法。
6. 請求項４又は５に記載の中子造型方法において、
   上記鋳物砂は、無機バインダを用いた鋳物砂である
   ことを特徴とする中子造型方法。

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