JP6424900B2 - 低圧鋳造装置及び低圧鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低圧鋳造装置及び低圧鋳造方法に係り、更に詳細には、湯面に生じる酸化物の生成量を低減できる低圧鋳造装置及び低圧鋳造方法に関する。

低圧鋳造装置は、一般的に保持炉の上部に設置された分割可能な鋳型と、保持炉から鋳型に連通するストークとを備え、保持炉内の溶湯を加圧してストークを通じて鋳型内に充填し、該鋳型内の溶湯を凝固させることで成形品を形成する。
一方、ストーク内に残留した溶湯は、保持炉内の加圧を停止し開放することで、重力により保持炉内に戻り、ストーク内の湯面と保持炉内の湯面とが同じ高さになる。

特許文献１には、保持炉内を吸引減圧することで、ストーク内の湯面をストークの下端まで下げ、ストーク内の溶湯を保持炉内の溶湯に合流させることで、ストーク内の溶湯温度を注湯に必要な温度まで速やかに上昇させてサイクルタイムを短縮することが開示されている。

また、溶湯は時間の経過と共に、酸化物や金属間化合物の生成により、清浄度が低下する。そして、上記酸化物は溶湯面近傍に浮遊して溶湯面を覆い、上記金属間化合物は保持炉底部に沈殿する。しかし、注湯等に伴って溶湯に乱流が生じると、溶湯面が波立ち、溶湯面の酸化被膜が破れ、酸化被膜のない新たな溶湯が露出して酸化物が生じ、また、保持炉底部の金属間化合物がまき上げられてストークに侵入し、成形品に混入し品質を低下させる。

特許文献２には、溶湯保持炉を溶湯保持室と加圧室との２室で構成し、溶湯を加圧するための加圧室と溶湯保持室とを遮断弁で遮断することで、溶湯保持炉内の溶湯が空気と接触することを防止して溶湯の酸化を防止することが開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の低圧鋳造装置にあっては、ストーク内の溶湯を全て保持炉内に戻すものであるため、ストーク内の溶湯が移動する距離が長く、該溶湯の移動に伴って乱流が生じて溶湯が波立ち、酸化被膜のない新たな溶湯面が露出して多量の酸化被膜が生成すると共に、保持炉内の沈殿物が巻き上げられてしまう。

また、特許文献２に記載される２室型溶湯保持炉を有する低圧鋳造装置にあっては、加圧室の加圧を停止し圧力を解放するのに伴って、湯口から加圧室に向かって溶湯が逆流する。そして、遮断弁を解放することで、今度は溶湯保持室から加圧室に溶湯が流れるため、加圧室内の溶湯が撹拌される。したがって、金属間化合物等の沈殿物の巻き上げや、湯面が波立つことで生じる溶湯の酸化を防止できない。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶湯の酸化を最小限にし、成形品中への不純物の混入を防止すると共に、サイクルタイムを短縮できる低圧鋳造装置及び低圧鋳造方法を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、ストーク内に湯面センサを設け、ストーク内の溶湯面を保持炉内の溶湯面よりも高い位置で保持することにより、溶湯の移動量を最小限にすることができ、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の低圧鋳造装置は、溶湯を保持する保持炉と、該保持炉内の溶湯に下端が浸漬され湯口を介して鋳型内に溶湯を供給するストークと、該ストーク内の溶湯を移動させて鋳型内に充填する圧力制御装置と、湯面センサとを有する。
そして、上記湯面センサがストーク内に設けられたストーク内湯面センサと、鋳型を開いた際に湯口からストーク内の湯面を検知する非接触式の湯面センサとを備え、
上記圧力制御装置が、溶湯を鋳型に供給し凝固させた成形品を取り出す先の鋳造工程から次の鋳造工程への移行する際、上記ストーク内の溶湯面を保持炉内の溶湯面よりも高い位置で保持する制御を行い、さらに上記非接触式の湯面センサで検知された湯面に基づき、湯面高さの補正及び／又は次の鋳造工程での溶湯の充填制御補正を行うことを特徴とする。

また、本発明の低圧鋳造方法は、ストーク内に設けられた湯面センサによる検知湯面に基づき、ストーク内の溶湯面を保持炉内の溶湯面よりも高い位置で保持し、湯口を介して非接触式の湯面センサでストーク内の湯面を検知し、湯面高さの補正及び／又は次の充填工程での充填制御を補正することを特徴とする。

本発明によれば、ストーク内の溶湯面を保持炉内の溶湯面よりも高い位置で保持することとしたため、先の鋳造工程と次の鋳造工程との間における溶湯の移動距離が短く、溶湯に乱流が発生することが防止される。したがって、溶湯表面が乱れて酸化被膜のない新たな溶湯が露出し溶湯が酸化されることが防止されると共に、保持炉底部の沈殿物が巻き上げられることがない。さらに、ストーク内を移動する溶湯の移動距離が短いため、サイクルタイムが短縮された低圧鋳造装置及び低圧鋳造方法が提供される。

本発明の低圧鋳造装置の一例を示す断面図である。 １ショット目の鋳型を閉じた状態の一例を示す図である。 キャビティに溶湯が充填された状態の一例を示す図である。 キャビティの溶湯が凝固した状態の一例を示す図である。 成形品を取り出した後に次のショットを開始する前の状態の一例を示す図である。 保持炉の加圧と鋳型内の減圧との関係の一例を示す図である。

本発明の低圧鋳造装置と該低圧鋳造装置を用いた低圧鋳造方法について詳細に説明する。
図１に本発明の低圧鋳造装置の一例の断面図を示す。本発明の低圧鋳造装置１は、密閉された保持炉２と、ストーク３と、圧力制御装置４と、ストーク内湯面センサ５とを少なくとも有し、上記ストーク内湯面センサ５は湯口６直下のストーク３内上部に設けられる。

ストーク３は保持炉２内の溶湯７にその下端が浸漬される。溶湯７は圧力制御装置４によって保持炉２内に二酸化炭素等の不活性ガスが圧送されると、上記ストーク３内を上昇し湯口６を介して分割可能な鋳型８内に供給・充填される。

上記圧力制御装置４は、保持炉内の圧力を検知する圧力センサＰと、給気弁９ ボリュームブースター１０、電空比例弁１１、図示しない加圧ポンプと、保持炉２内のガスを排出する排気弁１２、及びこれらを制御するプログラマブルコントローラ（以下、ＰＬＣということがある）とを有する。

上記ストーク内湯面センサ５としては、接触式センサを使用することができ、長さが異なる２つのセンサを吊り下げたり、２つのセンサを異なる高さに設けたりすることで、およその湯面を検知することができる。

鋳型８には、該鋳型８内に形成されるキャビティ１３を吸引するための吸引口１４を設けてもよく、また、鋳型８内に中子１５を設置することで中空の成形品１６を鋳造することができる。

次に本発明の低圧鋳造装置の動作について説明する。
必要に応じて鋳型８内に中子１５を設置し鋳型８を閉じる。１ショット目である場合は、図２に示すように、ストーク３内の溶湯７面の高さと保持炉２内の溶湯７面の高さは同じである。

圧力制御装置４は、図３の矢印で示すように、不活性ガスを圧送して保持炉２内の加圧し、保持炉内の湯面を押し下げ、ストーク３内の溶湯７を上昇させてキャビティに溶湯７を充填する。

キャビティに充填された溶湯７が凝固して成形品１６が形成された後、圧力制御装置４は、排気弁１２を僅かに開放し、保持炉２内の圧力を徐々に下げて湯口６より下に溶湯面を下げる。
ストーク内湯面センサ５によって、ストーク内の湯面が湯口６よりも下がったことを検知すると、圧力制御装置４は排気弁１２を閉め、図４に示すように、保持炉内の圧力を維持してストーク３内の溶湯面を保持炉２内の溶湯面よりも高い位置で保持する。

ストーク３内の溶湯面を湯口直下の高い位置で保持することで、溶湯がストーク３内を移動する距離が短くなるため、湯面が乱れることが防止される。さらに、保持炉２の底部に沈殿している金属間化合物や凝固殻等の不純物が巻き上げられることがなく、上記不純物が鋳型８内に充填されることが防止される。
加えて、保持炉２内を加圧している不活性ガスの一部しか排気せず、保持炉内の圧力を維持するため、次工程での不活性ガスの圧送量が減少し、不活性ガスの圧送に伴って保持炉２内に入る水分量が減少する。したがって、該水分に由来する水素等による成形品の品質低下、材料特性の低下が防止される。

上記ストーク３は、ヒータを有することが好ましい。本発明は、溶湯を鋳型に供給し凝固させた成形品を取り出す先の鋳造工程から次の鋳造工程への移行を、上記ストーク内の溶湯面を保持炉内の溶湯面よりも高い位置で保持したまま行うため、ストーク内の溶湯が冷えやすい。ストーク内の溶湯を加熱することで、溶湯温度が低下することを防止でき、次工程での湯廻り不良を防止することができる。

また、キャビティ１３に溶湯７を充填する際には、キャビティ１３に溶湯７が流入する前、又はキャビティ１３に溶湯７の流入開始と同時にキャビティ１３を吸引することが好ましい。
キャビティ１３に溶湯７が流入する以前に、鋳型８の吸引口１４からキャビティ１３を吸引することで、溶湯７の熱によって中子１５等が加熱されて生じるガスが速やかに排出されて気泡の巻き込みが防止される。さらに、溶湯の流れが滑らかになり、湯廻りの挙動が安定してバラツキが低減され、成形品間での均一性が向上する。
また、鋳型８全体を覆うチャンバ１７を吸引することで、吸引口１４からの吸引に伴って、鋳型８の隙間からキャビティにガスが侵入することを防止できる。

鋳型８内の成形品１６は、図１に示すように、分割可能な鋳型８を開くことで成形品１６が取り出される。この型開き工程中に、非接触式の湯面センサ１９で、湯口６を介してストーク内の湯面を検知することが好ましい。非接触式の湯面センサ１９で検知された湯面を圧力制御装置にフィードバックして、湯面高さの補正及び／又は次の鋳造工程での溶湯の充填制御補正を行うことで、均一が成形品を得ることができる。

上記湯面高さの補正は、非接触式の湯面センサ１９で検知したストーク内の正確な湯面に基づき、保持炉２内の圧力を調節して、湯面を所定の位置に補正するものである。また、充填制御補正は、保持炉２内の圧力とストーク３内の湯面との関係等から、次の鋳造工程での加圧パターンを補正し、湯廻りの挙動を一定にするものである。

低圧鋳造法は、気体を保持炉内に圧送して加圧することで溶湯面を押し下げ、ストーク内の溶湯を上昇させてキャビティに溶湯を充填する。そして、前記加圧に用いられる気体は、固体や液体に比して膨張・収縮が大きく、体積が変化しやすいため、湯面を高精度で制御することが困難であり、ストーク内に設けられた接触式のストーク内湯面センサで湯面を検知しても数センチメートルの誤差が生じてしまう。
また、溶湯を使用して保持炉内の溶湯が減ると、保持炉２内の溶湯面が下がり、湯口までの距離がショットごとに変化するため、保持炉内の圧力からはストーク内の湯面を正確に窺知することは困難である。

そして、ストーク内の溶湯面から湯口までの距離が正確でないと、１段目の加圧と２段目の加圧との切り替えタイミングと、溶湯がキャビティに流れこむタイミングとにずれが生じ、ショット間の湯廻りの挙動を均一にすることが困難である。
特に、薄肉成形品においては溶湯が凝固しながら流れることから、湯廻りの挙動がバラつくと成形品の品質及び成形品間での均一性が低下してしまう。

非接触式の湯面センサ１９は、ストーク内の正確な湯面を検知し、圧力制御装置にフィードバックする。圧力制御装置のＰＬＣは、正確な湯面に基づいて電空比例弁を制御して湯面高さを所定の位置に補正する。したがって、ストーク内の湯面位置が毎ショット同じ高さに保たれる。
そして、前記補正された湯面高さと保持炉内の圧力との関係から加圧パターン補正をすることで、保持炉内の溶湯量、すなわち、保持炉内の圧力とストーク内の溶湯面の高さとの関係が変化してもショットごとの湯廻りの挙動が均一化され、均一で高品質な成形品を形成できる。

また、保持炉２内の溶湯面を検知する保持炉内湯面センサ２０を設けることが好ましい。保持炉２内の溶湯量と合わせて補正することでより湯廻り挙動を均一化できる。
なお、本発明の圧力制御装置４は、無段階制御が可能な電空比例弁、及び、ボリュームブースターを備え、上記電空比例弁からの空気信号に基づいてボリュームブースターが出力圧力を制御するため、高精度の湯面補正、及び充填制御が可能である。

上記非接触式の湯面センサ１９に用いられるセンサとしては、レーザ光等を用いた光学式センサを使用することができる。非接触式のセンサは、短時間かつ溶湯から離れた場所から測定することが可能であるため、高温かつ粉塵等が多い厳しい環境に長時間曝されることを防止でき、長期に亘り高精度な測定が可能である。

上記非接触式の湯面センサ１９は、図１に示すように、台座１８等の製品を取り出す取出装置に設けることが好ましい。上記取出装置に設けることで、新たに湯面測定工程を設けることなく、取り出し工程と並行して湯面の測定ができ、速やかに次工程に移行できる。

そして、成形品１６の取り出し、先の鋳造工程が終了すると、図５示すように、必要に応じて中子１５を鋳型８内に設置し鋳型８を閉じて、次の鋳造工程に移行する。このとき、溶湯７の湯面が湯口６のすぐ下にあり溶湯７の移動距離が短いため、酸化被膜のない清浄な溶湯面の露出が低減され、酸化物の発生量が少なくなる。

ここで、保持炉の加圧と鋳型内の減圧とのタイミングを、図６を用いて説明する。図６中、Ａでは保持炉２内の一段目の加圧によりストーク３内を溶湯が上昇する。溶湯７が湯口６に達すると、Ｂの充填速度が制御された二段目の加圧に切り替えると共に、キャビティ１３の吸引を開始する。キャビティ１３が溶湯７で満たされると、Ｃで示すように保持炉２の加圧を停止し、溶湯７が凝固するまで圧力を維持する。一方、キャビティの吸引はキャビティが溶湯７で満たされてもしばらくの間継続する。吸引を継続することで、不純物を含む先湯が吸引口１４から出て成形品の品質が向上する。

キャビティに充填された溶湯が凝固したら、Ｄに示すように保持炉２の圧力を徐々に下げて湯面が湯口下の所定の位置まで下げる。そして、保持炉２内の圧力を維持し、ストーク３内の溶湯面を保持炉２内の溶湯面よりも高い位置で保持した状態で鋳型８を開いて成形品１６を取り出す。

Ｅの成形品を取り出す工程において、ｅ１で非接触式の湯面センサ１９によってストーク３内の湯面を検知し、ｅ２で湯面の高さ補正を行う。湯面が一定の高さに補正されることで、次の鋳造工程での充填工程において、溶湯７が湯口６に達し二段目の加圧に切り替えるタイミングや、キャビティに溶湯７を充填する速度や、保持炉２の加圧を停止するタイミングにバラツキが生じない。したがって、所望の挙動で湯廻りさせることができ、高品質の成形品を成形できる。

上記では、溶湯の充填制御を圧力制御装置４で保持炉２内を加圧して行うものについて説明したが、溶湯の充填制御は電磁ポンプにより行ってもよい。

１ 低圧鋳造装置
２ 保持炉
３ ストーク
４ 圧力制御装置
５ ストーク内湯面センサ
６ 湯口
７ 溶湯
８ 鋳型
９ 給気弁
１０ ボリュームブースター
１１ 電空比例弁
１２ 排気弁
１３ キャビティ
１４ 吸引口
１５ 中子
１６ 成型品
１７ チャンバ
１８ 台座
１９ 非接触式の湯面センサ
２０ 保持炉内湯面センサ

日本国特開平１１−３００４６４号公報 日本国特開平１１−１３８２５０号公報

Claims (5)

1. 溶湯を保持する保持炉と、該保持炉内の溶湯に下端が浸漬され湯口を介して鋳型内に溶湯を供給するストークと、該ストーク内の溶湯を移動させて鋳型内に充填する圧力制御装置と、湯面センサとを有する低圧鋳造装置であって、
   上記湯面センサがストーク内に設けられたストーク内湯面センサと、鋳型を開いた際に湯口からストーク内の湯面を検知する非接触式の湯面センサとを備え、
   上記圧力制御装置が、溶湯を鋳型に供給し凝固させた成形品を取り出す先の鋳造工程から次の鋳造工程への移行する際、上記ストーク内の溶湯面を保持炉内の溶湯面よりも高い位置で保持する制御を行い、さらに上記非接触式の湯面センサで検知された湯面に基づき、湯面高さの補正及び／又は次の鋳造工程での溶湯の充填制御補正を行うことを特徴とする低圧鋳造装置。
2. 成形された成形品を取り出す取出装置をさらに有し、上記非接触式の湯面センサが、上記取出装置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の低圧鋳造装置。
3. 上記鋳型が吸引口を有するものであり、鋳型内に溶湯が流入する以前に鋳型内を吸引することを特徴とする請求項１又は２に記載の低圧鋳造装置。
4. 保持炉内の溶湯を、ストーク内を上昇させて型に充填する充填工程と、
   上記充填を停止し、ストーク内の溶湯を下げる充填停止工程と、
   上記鋳型を開けて成形品を取り出す型開け工程と、
   上記型開け工程中に、ストーク内の湯面を検知し補正する補正工程と、
   を有する低圧鋳造方法であって、
   上記充填停止工程が、ストーク内に設けられたストーク内湯面センサが検知した湯面に基づいて、ストーク内の溶湯面を保持炉内の溶湯面よりも高い位置で保持するものであり、
   上記補正工程が、湯口を介して非接触式の湯面センサでストーク内の湯面を検知し、湯面高さの補正及び／又は次の充填工程での充填制御を補正するものであることを特徴とする低圧鋳造方法。
5. 鋳型内を吸引する吸引工程をさらに有し、該吸引工程が、溶湯が鋳型に流入する以前に鋳型内の吸引を開始するものであることを特徴とする請求項４に記載の低圧鋳造方法。

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