JP6456979B2 - 真空環境で金属を溶解して成形する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属を成形する装置及び方法に関し、特に真空環境で金属を溶かして鋳造又は鍛造して成形することができるようにする、真空環境で金属を溶解して成形する装置及び方法に関する。

金属を鋳造する鋳造装置及び鍛造する鍛造装置には、水平式ダイカスト機、垂直式ダイカスト機、スクイズカスト機、低圧鋳造機、金型重力鋳造機及び溶湯鍛造機などがある。このような装置は連続作業のために別に備えられた溶解炉で金属を溶かすことになる。この際、大気中で金属を溶かすことになる。

ところが、大気中で金属を溶かすと、溶けた金属溶湯が大気と接触して急速に酸化すると同時に金属溶湯に不純物が浸入してドロス（Ｄｒｏｓｓ）が生成される。ドロスは大気との接触を防止する効果が多少はあるが、金属が溶ける過程での持続的な撹拌を妨げ、良質の金属溶湯を連続的に供給しにくくする。

このような問題を解決するために、真空環境で金属を溶かして成形する装置及び方法が提案されている。韓国登録特許第１０−０１１４４７７０−００００号の「電磁撹拌を用いた軽金属真空溶解装置及びこれを用いた真空溶解方法」、登録特許第１０−１１２３６４５−００００号の「軽金属を真空環境で金型鋳造成形する方法及びその装置」、登録特許第１０−１１４４７６７−００００号の「軽金属の真空融解装置及びこれを用いた真空融解方法」、登録特許第１０−１０１３２０７−００００号の「軽金属の真空溶解装置及びこれを用いた真空溶解方法」、登録特許第１０−０５５０１４４−００００号の「ダイカスト機の真空装置」、登録特許第１０−０５７２５８９−００００号の「垂直真空溶湯鍛造機」、登録特許第１０−０５７２５８１−００００号の「真空重力金型鋳造機」、登録特許第１０−０５７２５８３−００００号の「垂直真空スクイズカスト機の製品成形方法及びその装置」などがそれである。

本発明は従来提案された真空環境で金属を溶解して成形する装置及び方法を一層改善して、構造を簡略化しながらも高度の真空環境を具現し、そのような真空環境で金属を溶かして成形することができるようにすることで、高品質の精密金属製品を生産できるようにすることにその目的がある。

本発明では、金属を成形する装置の内部で金属を溶かして金型キャビティに充填して成形するようにし、装置の内部に外部空気が流入しないようにした状態で、装置の内部空気を外部に抜き出して高度の真空状態が具現された環境で金属を溶解して成形することができるようにすることにより、前記目的を達成する。

本発明による真空環境で金属を溶解して成形する装置は、内部を高度の真空状態にした状態で金属を溶解して成形することができ、金属溶湯が空気と接触しながら物性が変わることを防止することができるとともに、加圧プランジャーの後方に空間を形成し、金属を成形する過程で発生する残滓を別に収集することで、残滓が成形される金属に混ざることを防止することができるので、品質に優れた精密金属製品を成形することができることとなる。

本発明による真空環境で金属を溶解して成形する装置の概略的な構成を概念的に示す例示図である。 本発明の他の実施例による溶解スリーブを下降させて金属を投入することを示す例示図である。 本発明に適用される加圧プランジャーを冷却する構造を示す例示図である。 本発明による装置によって真空環境で金属を溶解して成形する過程を示す例示図である。 本発明による装置によって真空環境で金属を溶解して成形する過程を示す例示図である。 本発明による装置によって真空環境で金属を溶解して成形する過程を示す例示図である。 本発明による装置によって真空環境で金属を溶解して成形する過程を示す例示図である。 本発明の他の実施例による、真空環境で金属を溶解して成形する装置の概略的な構成を概念的に示す例示図である。 本発明の他の実施例による、真空環境で金属を溶解して成形する装置の概略的な構成を概念的に示す例示図である。 本発明の他の実施例による、真空環境で金属を溶解して成形する装置の概略的な構成を概念的に示す例示図である。 本発明の他の実施例による、真空環境で金属を溶解して成形する装置の概略的な構成を概念的に示す例示図である。

本発明では、金属を成形する金型装置の内部に高度の真空環境を具現し、その真空環境で金属を溶かして成形することができるようにするために、

金属を成形する金型キャビティを有する金型、内部が空いており、前記金型キャビティの下部に連通するように設けられ、投入された金属を溶解する溶解スリーブ、及び前記溶解スリーブの内部で前進し、溶解した金属を金型キャビティに押し込んで充填する加圧プランジャーを備え、前記溶解スリーブの内部と金型キャビティを密封状態で維持することができ、前記加圧プランジャーの後方で溶解スリーブと連通するとともに外部空気の流入は遮断する空間が形成され、排気装置が設けられて、前記空間、金型キャビティ及び溶解スリーブの内部を真空状態に形成する、真空環境で金属を溶解して成形する装置及びその方法を提案する。

以下、本発明を添付図面の図１〜図１１を参照して詳細に説明する。

図１は本発明による真空環境で金属を溶解して成形する装置の概略的な構成を概念的に示す例示図、図２は溶解スリーブを下降させて金属を投入することを示す例示図、図３は本発明に適用される加圧プランジャーを冷却する構造を示す例示図である。

図示のように、本発明による真空環境で金属を溶解して成形する装置は、金属を成形する空間である金型キャビティ（３０２）を有する金型（３００）、前記金属を溶解する溶解スリーブ（４００）、及び前記溶解スリーブ（４００）で溶解した金属を押して前記金型（３００）に充填する加圧プランジャー（５００）を含む。

金型（３００）は可動金型（３２０）と固定金型（３４０）に分離され、可動金型（３２０）が上昇すると金型キャビティ（３０２）が開放される構成である。可動金型（３２０）と固定金型（３４０）との当接箇所にはパッキンが設けられ、互いに接触したときに金型キャビティ（３０２）を密閉することになる。

固定金型（３４０）は、上面が板状を成し所定面積を有する固定プラテン（２００）の上面に堅固に固定される。固定プラテン（２００）はボティーフレーム（１００）によって床面から所定高さ隔たって支持される。

可動金型（３２０）は、下端が前記固定プラテン（２００）に固定的に立設されるタイバー（８２０）に沿って昇降することになる。タイバー（８２０）には可動プラテン（８００）が形成される。可動プラテン（８００）に前記可動金型（３２０）が固定され、可動プラテン（８００）が前記タイバー（８２０）に沿って昇降することによって可動金型（３２０）が昇降することになるものである。

可動プラテン（８００）の昇降は、金型開閉シリンダー（９００）によってなされる。金型開閉シリンダー（９００）は、タイバー（８２０）の上端に固定されているシリンダー支持部（９２０）に固定され、シリンダーロッド（９１０）の前進及び後進の動作によって可動プラテン（８００）を作動させることになる。

可動金型（３２０）には、金型キャビティ（３０２）内で成形された製品を脱型するエジェクター板（７００）が取り付けられることができる。エジェクター板（７００）は、可動金型（３２０）を貫いて金型キャビティ（３０２）に至るエジェクターピン（７１０）を備え、エジェクターピン（７１０）が前進しながら、金型キャビティ（３０２）内で成形された製品を可動金型（３２０）から取り離すことができるように形成される。

溶解スリーブ（４００）は内部が空いている管状を有する。また、溶解スリーブ（４００）の材質は、セラミックからなる絶縁体で形成することができる。溶解スリーブ（４００）は、その外周に誘導加熱コイル（４１０）が巻き付けられ、溶解スリーブ（４００）内の金属を直接誘導加熱することができるように形成される。溶解スリーブ（４００）は、固定プラテン（２００）を貫いて上端が固定金型（３４０）の下部に接触するように取り付けられる。したがって、溶解スリーブ（４００）の内部と金型キャビティ（３０２）が互いに連通する。この際、溶解スリーブ（４００）と下部金型（３００）との当接箇所を密閉するために、パッキンが取り付けられなければならないのは言うまでもない。

溶解スリーブ（４００）は、図２に示したように、昇降するように構成することができる。スリーブ支持部（４６０）が溶解スリーブ（４００）の下端を支持するように設けられ、前記スリーブ支持部（４６０）が、上端が固定プラテン（２００）に固定されている支持棒（４７０）に沿って昇降することにより、溶解スリーブ（４００）が昇降することになる構成である。この構成によると、溶解スリーブ（４００）を下降させることで、溶解すべき金属を溶解スリーブ（４００）に投入することができることになる。

溶解スリーブ（４００）は、下端が密閉されるように形成される。スリーブ支持部（４６０）に溶解スリーブ（４００）の下端が差し込まれる溝が形成されることにより、溶解スリーブ（４００）の下端がスリーブ支持部（４６０）に差し込まれて固定される。スリーブ支持部（４６０）には溶解スリーブ（４００）の内部と連通する孔が貫設され、前記孔の下端が密閉されることによって溶解スリーブ（４００）の下端が密閉されるものである。これにより、溶解スリーブ（４００）の上端が固定金型（３４０）に当接して密閉された状態であるので、溶解スリーブ（４００）の内部に空気が流入しないように密閉されることができることになる。

前記孔は溶解スリーブ（４００）の内径と一致する大きさに形成されることが好ましいが、これに限定されるものではない。

前記孔の密閉は密閉フランジ（４８０）によってなされることができる。密閉フランジ（４８０）は、スリーブ支持部（４６０）に形成された孔の下端を塞ぐように固定される。この際、後述するプランジャーロッド（５１０）が前記密閉フランジ（４８０）を貫くことになり、スリーブ支持部（４６０）と密閉フランジ（４８０）が接触する箇所及びプランジャーロッド（５１０）が貫く箇所にはパッキンが取り付けられ、密閉性能を極大化する。

加圧プランジャー（５００）はピストン状のもので、溶解スリーブ（４００）の内部で前進及び後進を行い、シリンダーによって作動するプランジャーロッド（５１０）の上端に形成されて前進及び後進を行うことになる。プランジャーロッド（５１０）は、シリンダーによって前進及び後進を行うシリンダーロッドにカップリングで連結されることができる。

溶解スリーブ（４００）の内部に投入された金属が溶解したら、加圧プランジャー（５００）が前進して、金型キャビティ（３０２）内に金属溶湯を押し込んで充填することになる。このような加圧プランジャー（５００）の後方には所定の大きさの空間（４０２）が形成される。前記空間（４０２）は、加圧プランジャー（５００）が最後まで後進しても密閉フランジ（４８０）に触れない状態を維持するように形成できる。このような空間（４０２）には、金属を成形する過程で加圧プランジャー（５００）と溶解スリーブ（４００）の内壁面との間の隙間を介して落下する金属残滓が集まることになる。よって、金属残滓が成形される金属に混合しなくなる。

加圧プランジャー（５００）は、冷却手段を備えることによって冷却される。このために、図３に示したように、プランジャーロッド（５１０）と加圧プランジャー（５００）の内部が中空に形成され、その内部を管が貫通し、前記管を通じて冷却水を投入することによって冷却する構成を採択することができる。しかし、これに限定されず、必要に応じて他の手段を採択することもできることは言うまでもない。

本発明では、前記のように金属を成形する装置の内部を真空に形成するために、排気装置（６００）が設けられる。排気装置（６００）は、多数の排気管（６１０）を介して、金型キャビティ（３０２）と溶解スリーブ（４００）の内部、及び加圧プランジャー（５００）の後方に形成される空間（４０２）を真空に形成する。金型キャビティ（３０２）と溶解スリーブ（４００）は連通しているので、一つの排気管（６１０）は金型キャビティ（３０２）に連通して金型キャビティ（３０２）と溶解スリーブ（４００）の内部から空気を抜き出すことになり、他の一つの排気管（６１０）は前記空間（４０２）と連通して空気を抜き出すことになる。このように、空気を同時に抜き出すことにより、本発明は前記のように真空環境で金属を溶解して成形する装置の内部を速やかに真空状態に形成することができることになる。

以上で説明した本発明による、真空環境で金属を溶解して成形する装置は、その装置の内部を全く密閉することができるので、装置の内部を高度の真空状態にした状態で金属を溶解して成形することができることになる。また、加圧プランジャー（５００）の後方に空間（４０２）を形成して金属残滓を別に収集することができるので、金属残滓が金属に混合することを防止しながら成形作業を繰り返し行うことができるものである。

以下、前記のような本発明による、真空環境で金属を溶解して成形する装置によって真空環境で金属を溶解して成形する過程を説明する。図４〜図７は、本発明による装置によって金属を真空環境で溶解して成形する過程を示す例示図である。

まず、溶解すべき金属を溶解スリーブ（４００）の内部に投入しなければならない。図４に示した可動金型（３２０）を上昇させて金型キャビティ（３０２）を開放させ、高圧の空気を噴射して内部を掃除した後、離型剤と潤滑油を噴射する。その後、加圧プランジャー（５００）を溶解スリーブ（４００）の入口より少し低い位置まで上昇させ、溶解すべき金属を加圧プランジャー（５００）に載せる。この状態は加圧プランジャー（５００）を上昇させた状態なので、金属を上面に軽く載せることで加圧プランジャー（５００）の損傷を防止することができる。

その後、図５に示したように、加圧プランジャー（５００）を下降させ、投入された金属を加熱し始めるとともに可動金型（３２０）を下降させて固定金型（３４０）と合体させることによって金型キャビティ（３０２）を密閉する。そして、加圧プランジャー（５００）を、金属に電磁気誘導力が容易に伝達されるようにする位置まで下降させる。これと同時に、排気装置（６００）を作動させることで、排気管（６１０）を介して金型キャビティ（３０２）、溶解スリーブ（４００）、及び加圧プランジャー（５００）の後方に形成された空間（４０２）の内部から空気を同時に抜き出して高度の真空状態を作る。

前記のように空気を同時に抜き出すことになるので、金型キャビティ（３０２）及び溶解スリーブ（４００）の内部と、加圧プランジャー（５００）の後方に形成された空間（４０２）との間の気圧差は、存在しないか、極めて小さくなる。したがって、加圧プランジャー（５００）の後方に形成された空間（４０２）に集まり得る不純物が含まれた金属残滓が溶解スリーブ（４００）の内壁面と加圧プランジャー（５００）との間の隙間を介して溶解スリーブ（４００）側に吸い込まれる現象が発生しなくなる。結果として、溶解スリーブ（４００）の内部で溶解する金属に不純物が含まれた金属残滓が混合することを防止して、良質の金属溶湯を得ることができることになる。

投入された金属が充分に加熱されて溶解したら、図６に示したように、加圧プランジャー（５００）を上昇させて、溶解した金属を金型キャビティ（３０２）の内部に充填する。その後、所定の時間の間放置して冷却することにより、金型キャビティ（３０２）の形状に金属が成形される。

冷却が完了したら、図７に示したように、可動金型（３２０）を上昇させる。この際、成形された製品は可動金型（３２０）に付いたままで上昇する。このとき、加圧プランジャー（５００）を後進させた後、エジェクター板（７００）を下降させ、エジェクターピン（７１０）により、成形された製品を可動金型（３２０）から取り離す。その後、研磨や塗布などの後処理を経て製品が完成することになる。

前記過程を繰り返しながら真空環境で金属を溶解して成形することになる。金属を成形する過程で、加圧プランジャー（５００）と溶解スリーブ（４００）の内壁面との間の隙間から落下する金属残滓は空間（４０２）に集まるので、定期的に前記空間（４０２）を掃除する。

以下では本発明の技術思想に属する多様な実施例を説明する。図８〜図１１は本発明の実施例による、真空環境で金属を溶解して成形する装置の概略的な構成を概念的に示す例示図である。

図２に示したように、金型（３００）が合体した状態で溶解スリーブ（４００）を下降させて金型（３００）から分離し、溶解すべき金属を溶解スリーブ（４００）内に装入した後、溶解スリーブ（４００）を上昇させて金型（３００）と密接させ、金型キャビティ（３０２）、溶解スリーブ（４００）、及び加圧プランジャー（５００）の後方に形成された空間（４０２）から空気を同時に抜き出して高度の真空状態にしながら金属を加熱する。その後、加圧プランジャー（５００）を上昇させることにより、溶解した金属を金型キャビティ（３０２）の内部に充填することになる。

図８に示したように、金型キャビティ（３０２）と溶解スリーブ（４００）を地平線を基準として斜線（斜線）上に垂直に配置することができる。すなわち、地平線を基準として傾くように形成されるものである。この構成は、金型キャビティ（３０２）内に、溶解した金属を斜めに充填するために採択する構成である。

図９に示したように、溶解スリーブ（４００）は多数備えられることができる。それぞれの溶解スリーブ（４００）には、加圧プランジャー（５００）が設けられる。この構成によると、多数の溶解スリーブ（４００）で金属を溶解して金型キャビティ（３０２）に充填することができることになるので、金属を成形する速度を向上させることができ、さらに成形される製品のサイズが大きい場合、多量の金属を一度に充填することが可能になり、多様な製品を簡便に成形することができることになる。

図１０に示したように、加圧プランジャー（５００）の後方に形成される空間（４０２）がベローズ（４２０）からなることができる。ベローズ（４２０）はしわ管状をなし、上端はスリーブ支持部（４６０）に堅固に密着するように締結され、下端は密閉した状態となり、下端をプランジャーロッド（５１０）が貫通することになる。このように、ベローズ（４２０）で空間（４０２）を形成することにより、十分な大きさの空間（４０２）を確保して多量の金属残滓を収容することができ、プランジャーロッド（５１０）の昇降によってベローズ（４２０）が収縮及び膨脹するので、プランジャーロッド（５１０）の外周との摩擦を最小限に抑えることができるようになる。

図１１に示したように、本発明は、真空環境で金属を溶解して鍛造する装置に適用することができる。この場合、可動金型（３２０）にパンチ部（３２２）が設けられることにより、溶解した金属が加圧プランジャー（５００）によって押し上げられると、前記可動金型（３２０）が下降するとともに、前記パンチ部（３２２）が溶解した金属に圧力を加えながら成形することになる。この際、加圧プランジャー（５００）は相当な圧力を受けて、後方に押す力を受けることになるので、プランジャーロッド（５１０）を安定的に支持することができる手段が採択されることになる。その手段はまさに支持ブロック（５２０）である。

例えば、プランジャーロッド（５１０）は、シリンダーによって前進及び後進するシリンダーロッドにカップリングで連結されることによって前進及び後進することができる。この場合、「コ」字形の溝が形成されてシリンダーロッドを取り囲み、カップリングの下部を支持する支持ブロック（５２０）が設けられることによって支持されるものである。

一方、前記のように金属を鍛造する場合、前記パンチ部（３２２）が溶解された金属に圧力を加えるとき、加圧プランジャー（５００）と同時に加圧することもできる。

Claims (9)

1. 金型キャビティが形成され、金属を成形する金型と、
   内部が空いており、前記金型キャビティの下部に前記内部が連通し、地平線を基準として立てて設置された、前記内部に投入された金属が誘導加熱コイルにより溶解される溶解スリーブと、
   前記溶解スリーブの内部でプランジャーロッドによって押されて前進し、溶解した前記金属を前記金型キャビティ内に押し込んで充填する加圧プランジャーと、
   を備え、
   前記加圧プランジャーの後方に、前記溶解スリーブと連通する空間が形成されることで、前記金属が成形される過程で前記加圧プランジャーと前記溶解スリーブの内壁面との間の隙間を介して落ちる金属残滓が前記空間に収集され、
   前記溶解スリーブの内部と前記金型キャビティは密封状態で維持されるとともに前記空間への空気の流入を遮断するように形成され、
   前記金型キャビティと前記空間にそれぞれ連通する排気管を有する排気装置を備えることで、前記排気装置によって前記金型キャビティ、前記溶解スリーブ、及び前記空間から空気が同時に抜き出された、真空環境で金属を溶解して成形する装置。
2. 前記金型キャビティ及び前記溶解スリーブは、地平線を基準として垂直又は斜線に配置される、
   請求項１に記載の真空環境で金属を溶解して成形する装置。
3. 前記溶解スリーブは多数備えられ、それぞれの前記溶解スリーブで金属を溶解して前記金型キャビティに充填する、
   請求項１に記載の真空環境で金属を溶解して成形する装置。
4. 前記空間はベローズによって形成される、
   請求項１に記載の真空環境で金属を溶解して成形する装置。
5. 前記溶解スリーブが前記金型から分離可能に形成されることで、前記溶解スリーブが前記金型から分離された状態で溶解すべき金属を前記溶解スリーブに投入することができる、
   請求項１に記載の真空環境で金属を溶解して成形する装置。
6. 前記金型は、固定金型、及び、前記固定金型の上面に設けられ、前記固定金型とともに前記金型キャビティを形成する可動金型からなり、前記可動金型にパンチ部が設けられることで、前記パンチ部が溶解した金属に圧力を加えて金属を鍛造することができることになり、
   前記プランジャーロッドを支持する支持ブロックが設けられて荷重を支持する、
   請求項１に記載の真空環境で金属を溶解して成形する装置。
7. 前記パンチ部が溶解した金属に圧力を加えるとき、前記加圧プランジャーが上昇して前記パンチ部と一緒に圧力を加える、
   請求項６に記載の真空環境で金属を溶解して成形する装置。
8. 金属を成形する金型キャビティを有する金型、
   内部が空いており、前記金型キャビティの下部に連通し、地平線を基準として立てて設置された、前記内部に投入された金属が誘導加熱コイルにより溶解される溶解スリーブ、
   前記溶解スリーブの内部でプランジャーロッドによって押されて前進し、溶解した金属を前記金型キャビティに押し込んで充填する加圧プランジャー、及び、
   前記加圧プランジャーの後方に形成されて前記溶解スリーブと連通するとともに、外部空気の流入は遮断されて、金属が成形される過程で前記加圧プランジャーと前記溶解スリーブの内壁面との間の隙間を介して落ちる金属残滓を収集する空間、を含む、真空環境で金属を溶解して成形する装置を用意し、
   前記溶解スリーブを開放して溶解すべき金属を投入し、前記溶解すべき金属の前記溶解スリーブへの投入が完了し、前記金型を合体させた状態で前記金型キャビティ、前記溶解スリーブ、及び前記空間から空気を同時に抜き出して真空状態を形成する、真空環境で金属を溶解して成形する方法。
9. 前記加圧プランジャーを前記溶解スリーブの入口の近くの位置まで前進させた状態で溶解すべき金属を前記加圧プランジャーに載せた後、前記加圧プランジャーを後進させて溶解すべき金属を前記溶解スリーブに投入する、
   請求項８に記載の真空環境で金属を溶解して成形する方法。
   

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