JP6544270B2 - 鋳造装置および鋳造製品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造装置および鋳造製品の製造方法に関する。

従来、型閉じ時に可動金型と固定金型との間に形成される空間であるキャビティに溶融金属を流し込んで製品形状を成形する鋳造が製法として用いられている。特許文献１に記載のように、キャビティに対し前進後退可能な可動入れ子が鋳造金型内部に設けられている鋳造装置が知られている。

特開２００２−０５９２５２号公報

一般に、ハーゲン・ポアズイユの式で表されるように、溶融金属のような粘性流体の流れにおいて、キャビティにおける狭い流路を溶融金属が流れる速さは、広い流路を溶融金属が流れる速さよりも遅くなる。このため、薄肉部と厚肉部とが混在する偏肉部を有する鋳造製品を製造する場合、薄肉部における溶融金属の流れが遅いため、溶融金属がキャビティの一部を未充填のまま凝固する湯回り不良が発生する。または、溶融金属が熱量不足で十分融合しないまま凝固する湯境等の欠陥が発生する。

湯回り不良または湯境等の問題を防止するため、特許文献１に記載のような可動入れ子が用いられる。可動入れ子は、キャビティに溶融金属を注入する前である初期状態において後退している。キャビティに溶融金属を注入し充填した後、可動入れ子は前進し、溶融金属を押し退けながら、偏肉部を有する製品形状を形成する。

可動入れ子が前進するとき、溶融金属と摩擦し、可動入れ子は溶融金属から抵抗を受ける。このため、可動入れ子に比較的大きな力を加えて、可動入れ子と金型とが摺動する。比較的大きな力で可動入れ子と金型とが摺動するとき、可動入れ子と金型との摩擦力が大きくなり、可動入れ子と鋳造金型との摩耗が増大する。

また、キャビティ内における溶融金属が凝固して鋳造製品が完成し、鋳造製品を取り出すとき、鋳造製品は可動入れ子に付着している。このため、鋳造製品を取り出すために、可動入れ子が後退するとき、比較的大きな力を加えて、鋳造製品と可動入れ子とを引き剥がす。このとき、鋳造製品が変形する虞がある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、偏肉部を有する鋳造製品を製造可能にし、鋳造金型における摩耗を抑制し、鋳造製品の変形を抑制する鋳造装置および鋳造製品の製造方法を提供することにある。

本発明は、薄肉部（３１）と厚肉部（３２）とが混在する偏肉部（３３）を有する製品を鋳造する鋳造装置であって、可動金型（１０）、固定金型（７）、注入部（６０）、可動入れ子（１５）、金型温度センサ（１３）、溶融金属保持炉（６２）、配管（６４）、溶融金属温度センサ（６６）および入れ子制御部（２５）を備える。、
可動金型は、筒状で開閉方向に移動可能である。
固定金型は、型閉じ時に可動金型との間にキャビティ（８）を形成する。
注入部は、溶融金属（５）を加圧してキャビティに注入する。
可動入れ子は、可動金型に収容され、キャビティに対し前進後退可能に形成されており、前進したときキャビティ内における溶融金属により薄肉部および厚肉部を成形する。
金型温度センサは、可動金型の温度である金型温度（Ｔｄ）を測定可能である。
溶融金属保持炉は、溶融金属を貯蔵する。
配管は、溶融金属保持炉と固定金型とを連通する。
溶融金属温度センサは、配管内の溶融金属の温度である溶融金属温度（Ｔｍ）を測定可能である。
入れ子制御部は、可動入れ子がキャビティに対し前進する時刻である入れ子前進時刻（ｘ＿ｎｓ）を制御可能である。

また、可動入れ子は、可動金型における内側壁（１４１）と対向する外側面（１５３）に、キャビティに向かって径が縮小するように傾斜する傾斜面（１５４）が形成されている。可動入れ子は、キャビティに対し前進したとき、先端面と固定金型の対向する面との間に厚肉部を成形し、傾斜面と固定金型の対向する面との間に薄肉部を成形する。
さらに、可動金型における内側壁と傾斜面との間に、キャビティと連通し薄肉部として成形される溶融金属が注入される隙間（１５５）が形成されている。
注入部が溶融金属をキャビティに注入したときの時刻を注入時刻（ｘ＿ｉｎ）とする。
入れ子制御部は、注入時刻における金型温度である注入時金型温度（Ｔｄ＿ｉｎ）および注入時刻における溶融金属温度である注入時溶融金属温度（Ｔｍ＿ｉｎ）に基づいて、入れ子前進時刻を決定する。

本発明の鋳造装置は、可動入れ子によって、薄肉部または厚肉部が混在する偏肉部を有する鋳造製品を製造可能にする。また、可動入れ子の傾斜面および隙間が形成されていることによって、可動入れ子が前進するときに生じる溶融金属との抵抗力が低減する。これにより、可動入れ子が前進するときに加える力を小さくすることができ、鋳造装置の摩耗を抑制することができる。さらに、可動入れ子の傾斜面が形成されていることによって、可動入れ子が後退するときに生じる鋳造製品との抵抗力が低減する。これにより、可動入れ子が後退するときに加える力を小さくすることができ、鋳造製品の変形を抑制することができる。

また、本発明は、上記鋳造装置を用いた鋳造製品の鋳造方法として提供される。
この鋳造製品の製造方法は、溶融金属を注入したときから溶融金属が凝固完了するまでに、可動入れ子がキャビティに向かって前進し、キャビティ内における溶融金属に薄肉部または厚肉部を形成する偏肉部成形工程（Ｓ４０５）を含む。また、可動入れ子が前進した状態で溶融金属を凝固させ、溶融金属が凝固完了後、可動入れ子がキャビティとは反対側に向かって後退する凝固工程（Ｓ４０６）を含む。これにより上記鋳造装置と同様の効果を奏する。

本発明の第１実施形態による鋳造装置の断面図。 本発明の第１実施形態による金型温度制御部が行う処理を説明するためのフローチャート。 本発明の第１実施形態による溶融金属温度制御部が行う処理を説明するためのフローチャート。 本発明の第１実施形態による入れ子制御部が行う処理を説明するためのフローチャート。 本発明の第１実施形態による可動金型と固定金型とが型閉じしたときにおける鋳造装置の断面図。 図５におけるＶＩ部拡大図。 本発明の第１実施形態によるキャビティに溶融金属が注入されたときにおける鋳造装置の断面図 図７におけるＶＩＩＩ部拡大図。 本発明の第１実施形態による可動入れ子が前進したときにおける鋳造装置の断面図。 図９におけるＸ部拡大図。 本発明の第１実施形態による可動入れ子が前進するときにおける力の作用図。 本発明の第１実施形態による可動入れ子が後退するときにおける力の作用図。 本発明の第１実施形態による金型温度、可動入れ子のストロークおよび溶融金属注入してから凝固するまでのサイクルタイムの関係を示す特性図。 本発明の第１実施形態による溶融金属温度、可動入れ子のストロークおよび溶融金属注入してから凝固するまでのサイクルタイムの関係を示す特性図。 本発明の第２実施形態による可動入れ子が前進したときにおける断面図。 本発明の第１実施形態による鋳造製品の製造方法を説明するためのフローチャート。 比較例の可動入れ子が前進するときにおける力の作用図。 比較例の可動入れ子が後退するときにおける力の作用図。

以下、本発明の実施形態による鋳造装置１を図面に基づいて説明する。複数の実施形態の説明において、第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明する。また、「本実施形態」という場合、第１および第２実施形態を包括する。これらの実施形態の鋳造装置は、例えば、鋳造方法の１つである低圧鋳造法に用いられる。

（第１実施形態）
図１に示すように、鋳造装置１は、固定金型７、支持部９、可動金型１０、金型駆動部５１、金型温度制御部５２、注入部６０を備える。
固定金型７は、可動金型１０と対向し、型閉じ時に可動金型１０との間に空間であるキャビティ８を形成する。
支持部９は、２つのスプリング９１、９２を介して可動金型１０を支持している。スプリング９１、９２は、開閉方向に可動金型１０を付勢する。

可動金型１０は、筒状に形成されており、開閉方向に移動可能である。また、可動金型１０は、筒部１１、金型ヒータ１２、金型温度センサ１３、固定入れ子１４、可動入れ子１５および入れ子駆動部１６を有する。
筒部１１は、可動金型１０に収容され、開閉方向に延びるように筒状に形成されており、可動金型１０内を摺動可能である。可動金型１０における閉方向側の先端部１１１および先端部１１１とは反対側に基端部１１２を含む。

金型ヒータ１２は、棒状に形成され、筒部１１に収容されている。また、金型ヒータ１２は、加熱部１２１を先端部１１１側に含む。
加熱部１２１は、可動金型１０を加熱可能で、アルミナや窒化珪素等のセラミックスに発熱体が内蔵されるセラミックヒータである。

金型温度センサ１３は、棒状に形成されており、筒部１１の内部に設けられている。金型温度センサ１３は、例えば、２種類の金属線の先端同士が接触した回路を作り、接合点に発生する熱起電力を通じて温度差を測定する熱電対である。金型温度センサ１３は、例えば、ＪＩＳ規格熱電対であるＫ熱電対が用いられる。
金型温度センサ１３は、先端部１１１側に温度測定部１３１を含み、温度測定部１３１は、可動金型１０における温度である金型温度Ｔｄ［℃］を測定可能である。

固定入れ子１４は、奥行方向における断面がＬ字形状で、先端部１１１側に収容されている。
可動入れ子１５は、固定入れ子１４に収容され、円筒状に形成されている。可動入れ子１５の内側面１５１と先端部１１１の外側壁１１３とが係合している。

また、可動入れ子１５は、外側面１５３に摺動面１５２と後述の傾斜面１５４を有する。摺動面１５２は、固定入れ子１４の内側壁１４１に沿って摺動する。可動入れ子１５は、筒部１１、金型ヒータ１２および金型温度センサ１３とともにキャビティ８に対し前進後退可能である。可動入れ子１５がキャビティ８に対し前進したとき、キャビティ８内における溶融金属５を押し退け、溶融金属５に薄肉部３１または厚肉部３２を形成する。

さらに、可動入れ子１５は、材料としてチタン合金が用いられている。チタン合金は、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）または鉄（Ｆｅ）の少なくとも１つの元素を含むチタン合金である。

入れ子駆動部１６は、リンク機構１７、エアシリンダ１８および入れ子制御部２５を含む。
リンク機構１７は、第１連結部材１９、第２連結部材２０および回転体２１で構成されている。
第１連結部材１９は、一端１９１が基端部１１２に連結しており、他端１９２が回転体２１に連結している。
第２連結部材２０は、一端２０１が回転体２１に連結しており、他端２０２がエアシリンダ１８のピストン２２に連結している。
第１連結部材１９と第２連結部材２０とは、回転体２１の軸方向において互いに異なる面で連結しており、回転体２１の径方向において互いに異なる位置で連結されている。

エアシリンダ１８は、可動金型１０に取り付けられる架台１８１に搭載され、ピストン２２を収容する。エアシリンダ１８は、圧縮空気を機械的な動力に変え、ピストン２２が第２連結部材２０とともに開閉方向に向かって直線運動を行う。エアシリンダ１８に代替して、油圧を機械的な動力に変える油圧シリンダを用いてもよい。

エアシリンダ１８内に圧縮空気を導入しない初期状態では、第２連結部材２０は第１連結部材１９よりも閉方向に位置している。
エアシリンダ１８内に圧縮空気を導入するとき、圧縮空気の圧力によってピストン２２は開方向に移動する。第２連結部材２０が開方向に移動し、回転体２１が回転する。回転体２１が反時計回りに回転して、第１連結部材１９が閉方向に移動する。このとき、第１連結部材１９とともに、筒部１１、金型ヒータ１２、金型温度センサ１３および可動入れ子１５が閉方向に移動する。

エアシリンダ１８内に圧縮空気の導入を止めたとき、エアシリンダ１８内の圧力が低下し、ピストン２２は閉方向に移動する。第２連結部材２０が閉方向に移動し、回転体２１が回転する。回転体２１が時計回りに回転して、第１連結部材１９が開方向に移動する。このとき、第１連結部材１９とともに、筒部１１、金型ヒータ１２、金型温度センサ１３および可動入れ子１５が開方向に移動する。

入れ子制御部２５は、マイコンを主体として構成されている。入れ子制御部２５における処理は、ＲＯＭ等の実体的なメモリ装置に予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。

入れ子制御部２５は、エアシリンダ１８内に圧縮空気を導入し、エアシリンダ１８内の圧力を制御可能である。入れ子制御部２５は、圧力制御をすることによって、可動入れ子１５がキャビティ８に対し前進後退する時刻を制御可能になる。
入れ子制御部２５は、後述の注入部６０からキャビティ８に溶融金属５を注入した時刻である注入時刻ｘ＿ｉｎを取得する。

注入時刻ｘ＿ｉｎにおける金型温度Ｔｄである注入時金型温度Ｔｄ＿ｉｎ［℃］とし、注入時刻ｘ＿ｉｎにおける後述の溶融金属温度Ｔｍを注入時溶融金属温度Ｔｍ＿ｉｎ［℃］とする。
入れ子制御部２５は、注入時金型温度Ｔｄ＿ｉｎと注入時溶融金属温度Ｔｍ＿ｉｎに基づいて、可動入れ子１５がキャビティ８に対し前進する時刻である入れ子前進時刻ｘ＿ｎｓを制御する。

金型駆動部５１は、図示しないエアシリンダが用いられる。金型駆動部５１によって可動金型１０が開閉方向に移動可能になる。また、金型駆動部５１は、油圧シリンダを用いてもよい。
金型温度制御部５２は、入れ子制御部２５と同様に、マイコンを主体として構成されている。

金型温度制御部５２は、金型温度センサ１３が測定した金型温度Ｔｄに基づいて金型ヒータ１２を加熱し、可動金型１０の金型温度Ｔｄを制御可能である。金型温度制御部５２は、破線矢印で示すように、金型温度センサ１３からの信号が入力され、金型温度Ｔｄを検出する。金型温度制御部５２は、金型温度Ｔｄを制御することによって、キャビティ８内の温度およびキャビティ８内における溶融金属５の温度を制御可能である。

注入部６０は、溶融金属５を加圧して、キャビティ８に溶融金属５を注入する。
注入部６０は、材料投入部６１、溶融金属保持炉６２、加圧制御部６３、配管６４、配管ヒータ６５、溶融金属温度センサ６６および溶融金属温度制御部６７を有する。
材料投入部６１は、溶融する材料が投入される。溶融する材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）が用いられる。材料投入部６１の周囲に設けられる投入部ヒータ６１１によって、材料を加熱溶融し、溶融金属５を生成可能にする。

溶融金属保持炉６２は、奥行方向における断面がＬ字形状で筒状に形成されている。溶融金属保持炉６２は、材料投入部６１と連結しており、材料投入部６１によって生成した溶融金属５を貯蔵する。溶融金属保持炉６２は、図示しないヒータが内蔵されており、溶融金属５が固体化しない温度になっており、溶融金属５を保持する。図中において、溶融金属５の所在を明確にするため、溶融金属５をドット柄で記載している。

加圧制御部６３は、溶融金属保持炉６２が保持する溶融金属５に空気圧を用いて加圧し、溶融金属５を配管６４に供給する。
配管６４は、溶融金属保持炉６２と固定金型７とを連通する。配管６４を介して加圧された溶融金属がキャビティ８に注入される。

配管ヒータ６５は、シース外径が１．０〜６．４ｍｍの細管シース型マイクロヒータが用いられており、配管６４の外側面に巻き付けられている。また、配管ヒータ６５に、高純度のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）およびシリカ（ＳｉＯ₂）を主成分とした人造無機繊維であるセラミックファイバーに、発熱体を一定の配列で埋め込まれたセラミックファイバーヒータを用いてもよい。

溶融金属温度センサ６６は、配管６４の側部に挿入されており、配管６４における溶融金属５の温度である溶融金属温度Ｔｍ［℃］を測定可能である。配管６４における配管温度を測定することによって、キャビティ８に注入される溶融金属温度Ｔｍを測定可能である。溶融金属温度センサ６６は、例えば、金型温度センサ１３と同様に、ＪＩＳ規格熱電対であるＫ熱電対が用いられる。

溶融金属温度制御部６７は、入れ子制御部２５や金型温度制御部５２と同様に、マイコンを主体として構成されている。
溶融金属温度制御部６７は、溶融金属温度センサ６６が測定した溶融金属温度Ｔｍに基づいて配管ヒータ６５を加熱し、溶融金属温度Ｔｍを制御可能にする。破線矢印に示すように、溶融金属温度センサ６６から溶融金属温度Ｔｍが溶融金属温度制御部６７に入力される。

（作用）
金型温度制御部５２、溶融金属温度制御部６７および入れ子制御部２５が行う処理について説明する。
金型温度制御部５２が行う処理について、図２のフローチャートに基づき説明する。以下、フローチャートにおいて、記号「Ｓ」はステップを意味する。可動金型１０における予め設定された温度を金型設定温度Ｔｓとする。金型設定温度Ｔｓは、溶融する材料、実験またはシミュレーション等によって求めることができる。金型設定温度Ｔｓは、例えば、数百度以上から千数百度以下である。

ステップ１０１において、金型温度センサ１３によって測定された金型温度Ｔｄを取得する。
ステップ１０２において、金型温度Ｔｄと金型設定温度Ｔｓから５℃を減算した値Ｔｓ−５とを比較する。金型温度ＴｄがＴｓ−５を下回るとき、ステップ１０３に移行する。
ステップ１０３において、金型ヒータ１２によって可動金型１０を加熱し、金型温度Ｔｄが上昇し、ステップ１０１に戻る。

一方、ステップ１０２において、金型温度ＴｄがＴｓ−５以上になるとき、ステップ１０４に移行する。
ステップ１０４において、金型温度Ｔｄと金型設定温度Ｔｓに５℃を加算した値Ｔｓ＋５とを比較する。金型温度ＴｄがＴｓ＋５を下回るとき、ステップ１０５に移行する。

ステップ１０５において、金型温度Ｔｄと金型設定温度Ｔｓとを比較し、金型温度Ｔｄが金型設定温度Ｔｓを下回るとき、ステップ１０６に移行する。
ステップ１０６において、金型ヒータ１２によって可動金型１０を加熱し、金型温度Ｔｄが上昇し、ステップ１０４に戻る。
一方、ステップ１０４おいて、金型温度ＴｄがＴｓ＋５以上となるとき、終了する。また、一方、ステップ１０５において、金型温度Ｔｄが金型設定温度Ｔｓ以上となるとき、終了する。

金型温度制御部５２は、金型温度Ｔｄが金型設定温度Ｔｓとなるように制御しつつ、金型温度Ｔｄが、Ｔｓ−５以上でＴｓ＋５以下の範囲となるように、すなわち、Ｔｓ−５≦Ｔｄ≦Ｔｓ＋５ となるように制御する。ここで、「＝」は、常識的な誤差範囲を含む。以下、「＝」、「等しく」、「等しい」は、同様に拡大解釈するものとする。

溶融金属温度制御部６７が行う処理について説明する。配管６４内の溶融金属５における予め設定された温度を溶融金属設定温度Ｔｐとする。溶融金属設定温度Ｔｐは、金型設定温度Ｔｓと同様に求めることができる。
溶融金属温度制御部６７が行う処理は、金型温度制御部５２の処理において、金型温度Ｔｄを溶融金属温度Ｔｍに置換し、金型設定温度Ｔｓを溶融金属設定温度Ｔｐに置換した処理と同様である。

溶融金属温度制御部６７が行う処理について、図３のフローチャートに基づき説明する。
ステップ２０１において、溶融金属温度センサ６６によって測定された溶融金属温度Ｔｍを取得する。
ステップ２０２において、溶融金属温度Ｔｍと溶融金属設定温度Ｔｐから５℃を減算した値Ｔｐ−５とを比較する。溶融金属温度ＴｍがＴｐ−５よりも下回るとき、ステップ２０３に移行する。
ステップ２０３において、配管ヒータ６５によって配管６４を加熱し、配管６４の温度が上昇する。溶融金属温度Ｔｍが上昇し、ステップ２０１に戻る。

一方、ステップ２０２において、溶融金属温度ＴｍがＴｐ−５以上になるとき、ステップ２０４に移行する。
ステップ２０４において、溶融金属温度Ｔｍと溶融金属設定温度Ｔｐに５℃を加算した値Ｔｐ＋５とを比較する。溶融金属温度ＴｍがＴｐ＋５を下回るとき、ステップ２０５に移行する。

ステップ２０５において、溶融金属温度Ｔｍと溶融金属設定温度Ｔｐとを比較する。溶融金属温度Ｔｍが溶融金属設定温度Ｔｐを下回るとき、ステップ２０６に移行する。
ステップ２０６において、配管ヒータ６５によって配管６４を加熱し、配管６４の温度が上昇する。溶融金属温度Ｔｍが上昇し、ステップ２０４に戻る。

一方、ステップ２０５において、溶融金属温度ＴｍがＴｐ＋５以上になるとき、終了する。一方、ステップ２０６において、溶融金属温度Ｔｍが溶融金属設定温度Ｔｐ以上になるとき、終了する。

溶融金属温度制御部６７は、溶融金属温度Ｔｍが溶融金属設定温度Ｔｐとなるように制御しつつ、溶融金属温度ＴｍがＴｐ−５以上でＴｐ＋５以下の範囲となるように、すなわち、Ｔｐ−５≦Ｔｍ≦Ｔｐ＋５となるように制御する。

入れ子制御部２５が行う処理について、図４のフローチャートに基づき説明する。可動入れ子１５がキャビティ８に向かって前進する時刻を入れ子前進時刻ｘ＿ｎｓとする。
ステップ３０１において、注入部６０における加圧制御部６３が溶融金属５を加圧し、キャビティ８に注入した注入時刻ｘ＿ｉｎを取得する。
ステップ３０２において、注入時金型温度Ｔｄ＿ｉｎを金型温度制御部５２から取得し、注入時溶融金属温度Ｔｍ＿ｉｎを溶融金属温度制御部６７から取得する。

ステップ３０３において、注入時金型温度Ｔｄ＿ｉｎおよび注入時溶融金属温度Ｔｍ＿ｉｎに基づいて、入れ子前進時刻ｘ＿ｎｓを決定する。
ステップ３０４において、入れ子前進時刻ｘ＿ｎｓにおいて、圧縮空気を導入する指令をエアシリンダ１８にし、可動入れ子１５が前進する。

鋳造装置１の作用について説明する。
初期状態では、可動金型１０は開いており、エアシリンダ１８に圧縮空気は導入されていない。また、金型温度制御部５２によって金型温度Ｔｄは制御されており、溶融金属温度制御部６７によって溶融金属温度Ｔｍは制御されている。さらに、注入部６０において溶融金属５が生成され、溶融金属保持炉６２に貯蔵されている。

図５、６に示すように、金型駆動部５１によって可動金型１０が閉方向に移動したとき、スプリング９１、９２が可動金型１０を閉方向に付勢し、可動金型１０と固定金型７とが密閉される。このとき、可動金型１０と固定金型７との間にキャビティ８が形成され、金型温度Ｔｄは、金型設定温度Ｔｓに調整される。

図７、８に示すように、固定金型７と可動金型１０と型閉じ後、加圧制御部６３が溶融金属５を加圧し、配管６４を介してキャビティ８に溶融金属５が注入される。このとき、溶融金属温度Ｔｍは、溶融金属設定温度Ｔｐに調整されている。
破線矢印に示すように、加圧制御部６３から入れ子制御部２５に注入時刻ｘ＿ｉｎが入力される。入れ子制御部２５は金型温度制御部５２から注入時金型温度Ｔｄ＿ｉｎを取得し、溶融金属温度制御部６７から注入時溶融金属温度Ｔｍ＿ｉｎを取得する。
入れ子制御部２５は、注入時金型温度Ｔｄ＿ｉｎおよび注入時溶融金属温度Ｔｍ＿ｉｎに基づいて、入れ子前進時刻ｘ＿ｎｓを決定する。

図９、１０に示すように、キャビティ８に溶融金属５が充填され、入れ子制御部２５が決定した入れ子前進時刻ｘ＿ｎｓに、エアシリンダ１８に圧縮空気が導入される。圧縮空気が導入され、ピストン２２と第２連結部材２０とが開方向に移動する。回転体２１が反時計回りに回転し、第１連結部材１９が閉方向に移動する。

第１連結部材１９が閉方向に移動し、可動入れ子１５がキャビティ８に向かって前進する。可動入れ子１５が前進したとき、薄肉部３１と厚肉部３２とが混在する偏肉部３３を有する製品形状に、キャビティ８内における溶融金属５を成形する。薄肉部３１は、厚肉部３２と比較して、流路の幅が狭くなるように調整されている。
可動入れ子１５が前進した状態で溶融金属５が凝固完了後、入れ子制御部２５がエアシリンダ１８内に圧縮空気の導入を停止する。エアシリンダ１８内の圧力が低下し、可動入れ子１５が後退する。可動入れ子１５が後退後、金型駆動部５１によって可動金型１０が開方向に移動し、鋳造製品６が完成する。図中において、鋳造製品は、溶融金属５と区別するため、斜線のハッチングで示す。

図１７に示すように、従来、比較例１である鋳造装置９００において、可動入れ子９０１が溶融金属５を押し退けるため、可動入れ子９０１に比較的大きな力を加えて、可動入れ子９０１が前進していた。可動入れ子９０１がキャビティ９０３に向かって前進する方向に加える力をＦａとし、可動入れ子９０１と可動金型９０２との摩擦力をＦｃとし、可動入れ子９０１と溶融金属５との生じる抵抗力（せん断力）をτｓとする。

可動入れ子９０１が前進するとき、以下関係式（１）が満たされている。可動入れ子９０１に力Ｆａを加えるとき、溶融金属５から力Ｆａと同等の抵抗力（せん断力）が可動入れ子９０１に発生し、可動入れ子９０１の摩耗が増大していた。
Ｆａ＞Ｆｃ＋τｓ ・・・（１）

また、可動入れ子９０１が前進した状態で溶融金属５が凝固完了後、可動入れ子９０１は、鋳造製品９０と付着している。このため、可動入れ子９０１に比較的大きな力を加えて可動入れ子９０１が後退し、可動入れ子９０１と鋳造製品９０とを引き剥がしていた。可動入れ子９０１が後退する方向に加える力をＦｂとし、可動入れ子９０１の外側面９０５と鋳造製品９０４との間に働く抵抗力をＦｓとし、可動入れ子９０１の端面９０７と鋳造製品９０４との間に働く抵抗力をＦｐとする。
抵抗力Ｆｓは、可動入れ子９０１が後退するときの可動入れ子９０１の外側面９０５と鋳造製品９０４とに摩擦力によって生じる。抵抗力Ｆｐは、端面９０７と鋳造製品９０４とが付着力によって生じる。

図１８に示すように、可動入れ子９０１が後退するとき、以下関係式（２）が満たされている。可動入れ子９０１に力Ｆｂを加えるとき、力Ｆｂによって鋳造製品９０４が変形する虞があった。
Ｆｂ＞Ｆｃ＋Ｆｓ＋Ｆｐ ・・・（２）
そこで、本実施形態では、偏肉部を有する鋳造製品を製造可能にし、鋳造金型における摩耗を抑制し、鋳造製品の変形を抑制するため、可動入れ子１５に「ある工夫」をしている。以下、本実施形態の特徴構成を説明する。

（特徴構成）
図６に戻って、本実施形態における可動入れ子１５は、固定入れ子１４の内側壁１４１と対向する外側面１５３に、キャビティ８に向かって可動入れ子１５の径が縮小するように傾斜する傾斜面１５４が形成されている。

傾斜面１５４は、外側面１５３において摺動面１５２を除く範囲Ａｉに形成されている。範囲Ａｉにおける可動入れ子１５はテーパ状に形成されている。固定入れ子１４の内側壁１４１に平行する面と傾斜面１５４とのなす角度を勾配角度θとする。勾配角度θは、数度から十数度である。図中において、傾斜面１５４は、特徴を示すために、誇張して記載している。

また、固定入れ子１４の内側壁１４１と傾斜面１５４との間に、隙間１５５が形成されている。固定入れ子１４の内側壁１４１から傾斜面１５４までの最小距離を隙間１５５における距離である隙間距離Ｌとする。範囲Ａｉにおける可動入れ子１５の最大径をＤｍａｘとし、範囲Ａｉにおける可動入れ子１５の最小径をＤｍｉｎとし、最大径Ｄｍａｘと最小径Ｄｍｉｎとの差の２分の１を差分ΔＤとする。
隙間距離Ｌは、差分ΔＤよりも大きくなるように、すなわち、Ｌ＞ΔＤ となるように、隙間１５５が形成され、固定入れ子１４および可動入れ子１５の径が調整されている。

（効果）
［１］本実施形態における可動入れ子１５は、薄肉部または厚肉部が混在する偏肉部を有する鋳造製品を製造可能にし、キャビティ８に向かって径が縮小するように傾斜する傾斜面１５４が形成されている。傾斜面１５４によって、可動入れ子１５を前進後退するときに加える力を低減でき、可動入れ子１５の摩耗および鋳造製品６の変形を抑制することができる。

可動入れ子１５がキャビティ８に向かって前進する方向に働く力をＦａ＿ｖとする。
図１１に示すように、可動入れ子１５が前進するとき、力Ｆａ＿ｖ、摩擦力Ｆｃおよび抵抗力（せん断力）τｓ×ｃｏｓθが加わる。可動入れ子１５と固定入れ子１４との摩擦力は、摩擦力Ｆｃと働く方向および力の大きさは同一である。また、可動入れ子１５が前進するときに溶融金属５から受ける抵抗力は、可動入れ子９０１が前進するときに溶融金属５から受ける抵抗力τｓと働く力の方向は異なるが、力の大きさは同一である。

可動入れ子１５が前進するとき、以下関係式（３）が満たされる。関係式（１）と関係式（３）とを比較すると、可動入れ子１５が前進するのを妨げる方向（後退方向）に向く抵抗力τｓの成分が勾配角度θによって低減し、力Ｆａ＿ｖは力Ｆａよりも低減する。したがって、可動入れ子１５の摩耗を抑制することができる。
Ｆａ＿ｖ＞Ｆｃ＋τｓ×ｃｏｓθ ・・・（３）

可動入れ子１５が前進した状態で溶融金属５が凝固後、可動入れ子１５が後退方向に加える力をＦｂ＿ｖとする。
図１２に示すように、可動入れ子１５が後退するとき、力Ｆｂ＿ｖ、摩擦力Ｆｃ、抵抗力Ｆｓおよび抵抗力Ｆｐが加わる。傾斜面１５４と鋳造製品６との抵抗力は、抵抗力Ｆｓと働く力の方向は異なるが、力の大きさは同一である。また、抵抗力Ｆｐは働く方向および力の大きさは同一である。

可動入れ子１５が後退するとき、以下関係式（４）が満たされる。関係式（２）と関係式（４）とを比較すると、可動入れ子１５が後退するのを妨げる方向（前進方向）に向く抵抗力Ｆｓの成分が勾配角度θによって低減し、力Ｆｂ＿ｖは力Ｆｂよりも低減する。したがって、鋳造製品６の変形を抑制することができる。
Ｆｂ＿ｖ＞Ｆｃ＋Ｆｓ×ｃｏｓθ＋Ｆｐ ・・・（４）

［２］固定入れ子１４の内側壁１４１と傾斜面１５４との間に、隙間距離Ｌが、差分ΔＤよりも大きい隙間１５５が形成されている。隙間が形成されていることによって、充填時に隙間１５５に入り込む溶融金属５の熱容量が大きくなる。このため、内側壁１４１と傾斜面１５４との間に入る溶融金属５が充填中に凝固してしまうことが抑制され、抵抗力τｓが低減する。したがって、可動入れ子１５が前進するときに加える力Ｆａ＿ｖをさらに低減することができる。

［３］金型温度制御部５２は、金型温度ＴｄがＴｓ−５以上で、Ｔｓ＋５以下となるように、制御する。
図１３は、金型温度Ｔｄ、ストロークおよびサイクルタイムの関係を示す特性図である。ストロークは、可動入れ子１５が前進可能な移動量である。金型温度Ｔｄが高くなるに伴い、溶融金属５の粘度が低下し、溶融金属５が流動しやすくなるため、ストロークを大きくすることができる。
サイクルタイムは、溶融金属５を注入してから溶融金属５が凝固するまでの時間である。冷却して凝固する時間が長くなるため、金型温度Ｔｄが高くなるに伴いサイクルタイムは長くなる。

本実施形態に用いられる鋳造装置１のストロークに関する特性に基づいて検討すると、金型温度ＴｄをＴｓ−５以上にすることによって、ストロークが許容値以上となる。
また、サイクルタイムに関する特性に基づいて検討すると、金型温度ＴｄをＴｓ＋５以上にすることによって、サイクルタイムが許容値以下となる。

［４］溶融金属温度制御部６７は、溶融金属温度ＴｍがＴｐ−５以上でＴｐ＋５以下となるように制御する。
図１４は、溶融金属温度Ｔｍ、ストロークおよびサイクルタイムの関係を示す特性図である。金型温度Ｔｄと同様に、溶融金属温度Ｔｍが高くなるに伴い、ストロークは大きくなり、サイクルタイムも長くなる。

本実施形態に用いられる鋳造装置１のストロークに関する特性に基づいて検討すると、溶融金属温度ＴｍをＴｐ−５以上にすることによって、ストロークが許容値以上となる。また、サイクルタイムに関する特性に基づいて検討すると、溶融金属温度ＴｍをＴｐ−５以下にすることのよって、サイクルタイムが許容値以下となる。

［５］可動入れ子１５に、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、または鉄（Ｆｅ）の少なくとも１つの元素を含むチタンであるチタン合金が用いられている。チタン合金は強度が比較的高く、熱伝導率が比較的低いため、可動金型１０の強度と断熱性とを両立して確保することができる。

［６］入れ子制御部２５が、注入時金型温度Ｔｄ＿ｉｎおよび注入時溶融金属温度Ｔｍ＿ｉｎに基づいて、入れ子前進時刻ｘ＿ｎｓが決定されるため、キャビティ８内の溶融金属５の凝固状態を予測して、可動入れ子１５がキャビティ８に対し前進することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の構成では、可動入れ子が前進したとき、可動入れ子が固定金型に接触する点を除き、第１実施形態と同様である。
図１５に示すように、溶融金属５が鋳造装置２におけるキャビティ８に充填され、可動入れ子１５がキャビティ８に向かって前進したとき、可動入れ子１５の外側面１５３と固定金型７の内側面７１とが接触する。可動入れ子１５と固定金型７との接触部である閉塞部１５７が形成されるように、可動入れ子１５および固定金型７の径が調整されている。閉塞部１５７が形成されている状態で、溶融金属５を凝固する。このような構成において、第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、閉塞部１５７が形成されていることによって、孔を有する鋳造製品６が製造可能になる。

（製造方法）
鋳造装置１を用いた鋳造製品６の製造方法について、図１６のフローチャートおよび図３〜１０を参照して説明する。
鋳造製品６の製造方法は、キャビティ形成工程、金型加熱工程、材料溶融工程、溶融金属注入工程、偏肉部成形工程、凝固工程および冷却工程を含む。

ステップ４０１のキャビティ形成工程では、図５、６に示すように、金型駆動部５１によって可動金型１０を閉じ、可動金型１０と固定金型７との間にキャビティ８を形成する。
ステップ４０２の金型温度制御工程では、金型ヒータ１２を加熱する。可動金型１０、固定金型７およびキャビティ８の温度が上昇し、金型温度Ｔｄが上昇する。図３に示すように、金型温度制御部５２によって、金型温度ＴｄがＴｓ−５以上、且つ、Ｔｓ＋５以下になるように調整する。

ステップ４０３の材料溶融工程では、材料投入部６１に材料を投入し、材料投入部６１に設けられる投入部ヒータ６１１によって材料を加熱溶融し、溶融金属５を生成する。加圧制御部６３により生成された溶融金属５を加圧し、配管６４に溶融金属５を供給する。
このとき、図４に示すように、溶融金属温度制御部６７によって、溶融金属温度ＴｍがＴｐ―５以上、且つ、Ｔｐ＋５以下になるように調整する。

ステップ４０４の溶融金属注入工程では、図７、８に示すように、加圧制御部６３によりさらに加圧し、配管６４の溶融金属５をキャビティ８に注入する。
ステップ４０５の偏肉部成形工程では、図９、１０に示すように、溶融金属５を注入したときから注入した溶融金属５が凝固完了するまでの期間内に、可動入れ子１５が前進する。入れ子前進時刻ｘ＿ｎｓに可動入れ子１５が前進し、薄肉部３１と厚肉部３２とが混在する偏肉部３３を有する製品形状にキャビティ８内における溶融金属５を形成する。鋳造装置１を用いるとき、このときの可動入れ子１５の摩耗を抑制することができる。

ステップ４０６の凝固工程では、可動入れ子１５が前進した状態で溶融金属５を冷却し、凝固させる。溶融金属５が凝固完了後、可動入れ子１５がキャビティ８とは反対側に後退する。金型駆動部５１によって可動金型１０を開き、鋳造製品６が完成する。鋳造装置１を用いるとき、可動入れ子１５が後退時に生じる鋳造製品６の変形を抑制することができる。

（その他実施形態）
（ｉ）本実施形態では、可動入れ子を１つとしたが、製品形状によって複数設ける構成にしてもよい。第１実施形態と同様の効果を奏する。
（ｉｉ）可動入れ子は、開閉方向の断面が円形形状に限らず、多角形形状や楕円形状であってもよい。第１実施形態と同様の効果を奏する。

（ｉｉｉ）本実施形態に用いられる鋳造は、低圧鋳造法に限らず、キャビティに溶融金属を高圧で注入するダイカストや、溶融金属を遠心力で注入する遠心鋳造法であってもよい。
（ｉｖ）配管ヒータは、発熱体に耐熱ニッケルクロムリボン線を配線され、マイカ板で絶縁後、金属外装板で圧縮されたヒータであるバンドヒータを用いてもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

５ ・・・溶融金属、
７ ・・・固定金型、
８ ・・・キャビティ、
１０ ・・・可動金型、
１４１ ・・・内側壁、
１５ ・・・可動入れ子、
１５２ ・・・摺動面、 １５３ ・・・外側面、 １５４ ・・・傾斜面、
１５５ ・・・隙間。

Claims (7)

1. 薄肉部（３１）と厚肉部（３２）とが混在する偏肉部（３３）を有する製品を鋳造する鋳造装置であって、
   開閉方向に移動可能な可動金型（１０）と、
   型閉じ時に前記可動金型との間にキャビティ（８）を形成する固定金型（７）と、
   溶融金属（５）を加圧して前記キャビティに注入する注入部（６０）と、
   前記可動金型に収容され、前記キャビティに対し前進後退可能に形成されており、前進したとき前記キャビティ内における溶融金属により前記薄肉部および前記厚肉部を成形する可動入れ子（１５）と、
   前記可動金型の温度である金型温度（Ｔｄ）を測定可能な金型温度センサ（１３）と、
   前記溶融金属を貯蔵する溶融金属保持炉（６２）と、
   前記溶融金属保持炉と前記固定金型とを連通する配管（６４）と、
   前記配管内の溶融金属の温度である溶融金属温度（Ｔｍ）を測定可能な溶融金属温度センサ（６６）と、
   前記可動入れ子が前記キャビティに対し前進する時刻である入れ子前進時刻（ｘ＿ｎｓ）を制御可能な入れ子制御部（２５）と、
   を備え、
   前記可動入れ子は、前記可動金型における内側壁（１４１）と対向する外側面（１５３）に、前記キャビティに向かって径が縮小するように傾斜する傾斜面（１５４）が形成されており、前記キャビティに対し前進したとき、先端面と前記固定金型の対向する面との間に前記厚肉部を成形し、前記傾斜面と前記固定金型の対向する面との間に前記薄肉部を成形し、
   前記可動金型における内側壁と前記傾斜面との間に、前記キャビティと連通し前記薄肉部として成形される溶融金属が注入される隙間（１５５）が形成されており、
   前記注入部が溶融金属を前記キャビティに注入したときの時刻を注入時刻（ｘ＿ｉｎ）とすると、
   前記入れ子制御部は、前記注入時刻における前記金型温度である注入時金型温度（Ｔｄ＿ｉｎ）および前記注入時刻における前記溶融金属温度である注入時溶融金属温度（Ｔｍ＿ｉｎ）に基づいて、前記入れ子前進時刻を決定する鋳造装置。
2. 前記可動金型を加熱可能な金型ヒータ（１２）と、
   前記金型温度に基づいて前記金型ヒータを加熱し、前記金型温度を制御可能な金型温度制御部（５２）と、
   をさらに備え、
   前記金型温度制御部は、予め設定される金型設定温度（Ｔｓ）に対し、前記金型設定温度から５℃を減算した値（Ｔｓ−５）以上で前記金型設定温度に５℃を加算した値（Ｔｓ＋５）以下となるように、前記金型温度を制御する請求項１に記載の鋳造装置。
3. 前記配管を加熱可能な配管ヒータ（６５）と、
   前記溶融金属温度に基づいて前記配管ヒータを加熱し、前記溶融金属温度を制御可能な溶融金属温度制御部（６７）と、
   をさらに備え、
   前記溶融金属温度制御部は、予め設定される溶融金属設定温度（Ｔｐ）に対し、前記溶融金属設定温度から５℃を減算した値（Ｔｐ−５）以上で前記溶融金属設定温度に５℃を加算した値（Ｔｐ＋５）以下となるように、前記溶融金属温度を制御する請求項１または２に記載の鋳造装置。
4. 前記隙間は、前記可動金型の内側壁から前記傾斜面までの距離（Ｌ）が前記傾斜面における前記可動入れ子の最大径（Ｄｍａｘ）と前記可動入れ子の最小径（Ｄｍｉｎ）との差の２分の１（ΔＤ）よりも大きくなるように形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋳造装置。
5. 前記可動入れ子は、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、または鉄（Ｆｅ）の少なくとも１つの元素を含むチタン合金で形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋳造装置。
6. 前記可動入れ子が前進し前記可動入れ子の前記傾斜面が前記固定金型の対向する面に接触したとき、前記キャビティの周方向の少なくとも一部において閉塞部（１５７）を有する請求項１〜３のいずれか一項または２に記載の鋳造装置。
7. 薄肉部（３１）と厚肉部（３２）とが混在する偏肉部（３３）を有する製品を鋳造する鋳造装置を用いた鋳造製品の鋳造方法であって、
   前記鋳造装置は、
   筒状で開閉方向に移動可能な可動金型（１０）と、
   型閉じ時に前記可動金型との間にキャビティ（８）を形成する固定金型（７）と、
   溶融金属（５）を加圧して前記キャビティに注入する注入部（６０）と、
   前記可動金型に収容され、前記キャビティに対し前進後退可能に形成されており、前進したとき前記キャビティ内における溶融金属により前記薄肉部および前記厚肉部を成形する可動入れ子（１５）と、
   前記可動金型の温度である金型温度（Ｔｄ）を測定可能な金型温度センサ（１３）と、
   前記溶融金属を貯蔵する溶融金属保持炉（６２）と、
   前記溶融金属保持炉と前記固定金型とを連通する配管（６４）と、
   前記配管内の溶融金属の温度である溶融金属温度（Ｔｍ）を測定可能な溶融金属温度センサ（６６）と、
   前記可動入れ子が前記キャビティに対し前進する時刻である入れ子前進時刻（ｘ＿ｎｓ）を制御可能な入れ子制御部（２５）と、
   を備え、
   前記可動入れ子は、前記可動金型における内側壁（１４１）と対向する外側面（１５３）に、前記キャビティに向かって径が縮小するように傾斜する傾斜面（１５４）が形成されており、前記キャビティに対し前進したとき、先端面と前記固定金型の対向する面との間に前記厚肉部を成形し、前記傾斜面と前記固定金型の対向する面との間に前記薄肉部を成形し、
   前記可動金型における内側壁と前記傾斜面との間に、前記キャビティと連通し前記薄肉部として成形される溶融金属が注入される隙間（１５５）が形成されており、
   前記注入部が溶融金属を前記キャビティに注入したときの時刻を注入時刻（ｘ＿ｉｎ）とすると、
   前記入れ子制御部は、前記注入時刻における前記金型温度である注入時金型温度（Ｔｄ＿ｉｎ）および前記注入時刻における前記溶融金属温度である注入時溶融金属温度（Ｔｍ＿ｉｎ）に基づいて、前記入れ子前進時刻を決定するものであり、
   溶融金属を注入したときから溶融金属が凝固完了するまでに、前記可動入れ子が前記キャビティに向かって前進し、前記キャビティ内における溶融金属により前記薄肉部および前記厚肉部を成形する偏肉部成形工程（Ｓ４０５）と、
   前記可動入れ子が前進した状態で溶融金属を凝固させ、溶融金属が凝固完了後、前記可動入れ子が前記キャビティとは反対側に向かって後退する凝固工程（Ｓ４０６）と、
   を含む鋳造製品の製造方法。

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