JP6844938B1

JP6844938B1 - 金型温度制御システム

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Publication number: JP6844938B1
Application number: JP2020145509A
Authority: JP
Inventors: 清水　健一; 健一清水; 貴弘川本; 隆三浦
Original assignee: Toflo Corp
Current assignee: Toflo Corp
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2040-08-31
Also published as: JP2022040686A; CN114101627A; US20220062981A1

Abstract

【課題】系統数の多い大きな金型においても的確に温度管理することが可能な金型温度制御システムを提供する。【解決手段】本発明に係る金型温度制御システム１は、ダイカスト機２の金型３の温度を制御するシステムであって、金型３の各部位の温度を検出する温度センサ６と、金型３の各部位を冷却する冷却水の瞬間流量を制御するフローコントローラ１７と、温度センサ６により検出された金型温度を取得して、生産サイクルの周期毎に目標の金型温度と現在の金型温度の偏差を算出し、流量値に換算してフローコントローラ１７に転送する制御装置７を備え、生産時に一定流量で制御していた冷却水の流量を１ショット内で変更するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、ダイカスト機の金型の温度を制御する金型温度制御システムに関する。

アルミダイカスト製品を鋳造するダイカスト機において、金型はショット毎にアルミの湯が金型中央に入り込むため、冷却による温度制御が重要である。特に、金型のサイズが大きくなると部位毎に温度ムラが発生し易く、この温度ムラを無くすためには、適切な部位に適切な冷却水量で排熱する必要があり、部位毎に冷却水量を変える必要がある。ところが、大きな金型はその部位が極めて多いことから、管理方法が複雑であり、通常の方法では管理することが困難である。

従来の管理方法に関する文献を見てみると、例えば、特許文献１の金型温度制御装置や特許文献２の金型温度制御システムがあるが、単に金型温度に応じて冷却水量を調節する旨の記載があるだけで、多くても２〜３のゾーンに分けて可変するレベルの管理方法である。温度の制御方法については他の文献も含めて件数は多いが、系統数が多い金型に関する管理方法についてはほとんど無いのが現状である。

実際に４気筒のエンジンブロックの金型冷却孔は多いもので１２０系統もあり、固定型と可動型とで入熱も異なる。また、金型のサイズが２〜３ｍ角と大きいことから、各系統についてどの箇所の温度を目指して制御すれば良いかを判断することができない。更に、各系統の金型温度が一定になるように１２０系統の各箇所を個別に制御すると、隣の系統との相互干渉により想定通りに制御することができず、期待通りの温度管理が行えないという問題があった。

特開平１１−４７８８３号公報特開平１０−１０９３４３号公報

そこで、本発明はこのような問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、系統数の多い大きな金型においても的確に温度管理することが可能な金型温度制御システムを提供することにある。

前記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。

請求項１に記載の金型温度制御システムは、ダイカスト機の金型の温度を制御するシステムであって、前記金型の各部位の温度を検出する温度センサと、前記金型の各部位を冷却する冷却水の瞬間流量を制御するフローコントローラと、前記温度センサにより検出された金型温度を取得して、生産サイクルの周期毎に目標の金型温度と現在の金型温度の偏差を算出し、流量値に換算して前記フローコントローラに転送する制御装置を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の金型温度制御システムは、請求項１に記載のシステムにおいて、前記制御装置は、前記金型の各部位における代表の金型温度と現在の金型温度を比較して偏差を算出し、その偏差から流量の補正値を決定することを特徴とする。

請求項３に記載の金型温度制御システムは、請求項２に記載のシステムにおいて、前記補正値が前記金型の部位毎に同じ値であり、全体の流量値を一定量調整するものであることを特徴とする。

請求項４に記載の金型温度制御システムは、請求項２に記載のシステムにおいて、前記補正値が前記金型の部位毎に異なる値であり、前回の生産サイクル時の値を１００％とし、その値から部位毎の比率で流量値を調整するものであることを特徴とする。

請求項５に記載の金型温度制御システムは、請求項３または請求項４に記載のシステムにおいて、前記制御装置は、前記生産サイクル中の流量を可変させた流量プログラムが予め設定されており、その流量プログラムの波形を変えずに前記補正値を追加することを特徴とする。

請求項６に記載の金型温度制御システムは、請求項１に記載のシステムにおいて、前記制御装置は、前記生産サイクルの１周期をタイマーによりＴ１、Ｔ２、Ｔ３の順に３つの時間帯に区分して、Ｔ１とＴ３の流量については予め決められた流量値とし、Ｔ２の流量については生産サイクル終了後の金型温度を取得し、次回の生産サイクルの流量値を算出して補正することを特徴とする。

請求項７に記載の金型温度制御システムは、請求項６に記載のシステムにおいて、前記補正は、前記Ｔ２の流量値を増減することにより行われることを特徴とする。

請求項８に記載の金型温度制御システムは、請求項６に記載のシステムにおいて、前記補正は、前記生産サイクルの１周期をＴ４としたとき、Ｔ４の定められた時間内で前記Ｔ２の時間を増減することにより行われることを特徴とする。

本発明によれば、冷却水の瞬間流量を制御するフローコントローラを使用することにより、設置スペースやコストを抑え、多くの冷却系統の金型温度制御を実現することができるという効果がある。また、生産時に一定流量で制御していた冷却水の流量を１ショット内で変更することにより、凝固速度を変化させ、製品の特性を向上させることができるという効果がある。更に、生産時の１ショット内の温度フラツキの高さを調節することが可能になり、薄肉や複雑な形状の製品を製造する際に、製品の品質や歩留まりが向上するという効果もある。

本発明に係る金型温度制御システムの全体構成を示す概念図である。同システムにおける流量制御ユニットの構造を示す部分断面図である。同システムにおけるフローコントローラの内部構造を示す断面図である。同システムによる制御方法を示すフローチャート図である。金型温度特性データの一例を示す説明図である。生産サイクルにおける金型温度と冷却水流量の関係を示すグラフ図である。演算処理の詳細を示すブロック図である。基準温度と基準流量の関係を示すテーブル図である。流量の補正値の例を示すグラフ図である。流量プログラムの波形に補正値を加える例を示すグラフ図である。生産サイクル中のＴ２の流量値を増加する補正例を示すグラフ図である。生産サイクル中のＴ４の定められた時間内でＴ２の時間を増加する補正例を示すグラフ図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態の金型温度制御システム１は、アルミダイカスト製品を生産（鋳造）するダイカスト機２において、生産時に一定流量で制御していた冷却水の流量を変更することにより、金型３の温度を制御するシステムである。金型３はダイカスト機２の一部を構成しており、射出装置に設けられる固定型４と、型締装置に設けられる可動型５とから構成されている。

金型３（固定型４と可動型５）の各部位には、熱電対または測温抵抗体からなる温度センサ６（〜６ｎ）が取り付けられている。温度センサ６は、生産サイクル内での金型３の最高温度、最低温度、平均温度、現在温度をリアルタイムで検出する。検出された金型３の温度情報は、電気信号に変換され、後述の演算処理を行う制御装置７に出力される。

ダイカスト機２の外部には、金型３の温度を調節する手段として、冷却水を循環させる冷却水循環装置８が設けられている。冷却水循環装置８は、クーリングタワー９、熱交換器１０、タンク１１、ポンプ１２を備えて構成されている。タンク１１内の水は、クーリングタワー９により熱交換器１０を介して冷却される。その冷却水は、ポンプ１２によって給水配管１３を通って金型３の各部位に設けられた冷却水孔に供給され、戻り配管１４を通ってタンク１１へと循環する。

金型３（固定型４と可動型５）には、それぞれ流量制御ユニット１５が取り付けられている。流量制御ユニット１５は、図２に示すように、給水配管１３に接続されるマニホールド１６と、マニホールド１６に連装される複数個のフローコントローラ１７（〜１７ｎ）の集合体からなる。マニホールド１６には、給水配管１３からの冷却水がストレーナ（図示略）を経由してキャビティ１８内に導入され、複数個のポート１９（〜１９ｎ）で分岐して個々のフローコントローラ１７（〜１７ｎ）に供給される。

フローコントローラ１７は、金型３（固定型４と可動型５）の各部位を冷却する冷却水の瞬間流量を制御する流量制御装置である。フローコントローラ１７は、図３に示すように、流量調節弁２０と、流量測定部２１と、制御部２２を備えて構成されており、互い違いに連結された２個のジョイントアダプタ２３，２３を介してマニホールド１６のポート１９に接続されている。

流量調節弁２０は、本実施形態ではボールバルブ機構を採用している。このボールバルブ機構は、モータアクチュエータ２４の回転軸に接続された弁体２５と、弁体２５の先端に設けられて弁開度を調節可能なボール部２６とを有する。

流量測定部２１は、本実施形態では羽根車式流量計を採用している。この羽根車式流量計は、流路内で回転可能に支持された羽根車２７と、羽根車２７の回転数を測定するセンサユニット２８とを有する。センサユニット２８は、センサ基板２９と、ＧＭＲセンサ３０と、バイアスマグネット３１を含み、ＧＭＲセンサ３０で検知した羽根車２７の回転数を測定し、測定結果に応じたパルス信号（回転数信号）を制御部２２に出力する。

制御部２２は、マイクロコンピュータである。制御部２２は、流量測定部２１から出力された回転数信号に基づいてモータアクチュエータ２４を制御し、流量調節弁２０の開度をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）する。

以上が本実施形態の金型温度制御システム１の構成であるが、次にその制御方法を図４に基づいて説明する。

〈ＳＴＥＰ４０１〉
はじめに、制御装置７においてシステムの起動を行う。

〈ＳＴＥＰ４０２〉
温度制御を行うにあたって、事前に適正な金型温度分布により、冷却水量のパラメータから金型温度特性データを作成する。金型温度特性データは、まず適正な金型温度分布になるように冷却水を調整し、このときの温度を制御時の目標温度（ＳＶ）とする。また、冷却水量を記録し、このときの流量値を基準流量（ＳｔＦＷｎ）とする。

次に、図５に示すように、金型３の部位毎に冷却水のグループ分けを行う。グループ分けをした中で、基準位置となる部位（冷却Ｎｏ．）を決定する。基準位置は、各部位の温度を調節する際に、中央に近い部位で、かつ変化が現れ易く、温度センサ６を取り付け易い部位が好ましい。なお、既に金型温度特性データが作成されている場合には、既存データの読み込みを行う。

〈ＳＴＥＰ４０３〉
ダイカスト機２による捨て打ち鋳造が終了し、生産が開始されると、金型温度制御状態となる。

〈ＳＴＥＰ４０４〉
工程トリガ信号にて、金型温度制御（演算処理）を開始する。

〈ＳＴＥＰ４０５〉
工程トリガ信号間を生産サイクル間隔とし、時間計測を行う。この時間計測結果を演算周期に設定し、実際の生産サイクルと演算周期とが一致するように調整する。

〈ＳＴＥＰ４０６〉
温度センサ６により金型温度を検出する。図６に示すように、金型温度としては、生産サイクル内での最高温度（ＭＡＸ）、最低温度（ＭＩＮ）、平均温度（ＡＶＥ）、現在温度（ＤＩＲ）を取得保持し、そのうちのいずれかの温度を、演算処理を行う際の金型温度（ＰＶ）に設定する。

〈ＳＴＥＰ４０７〉
演算周期を監視する。

〈ＳＴＥＰ４０８〉
周期毎に目標温度（ＳＶ）と金型温度（ＰＶ）、本実施形態では現在温度（ＤＩＲ）を監視し、両温度を比較してＳＶ−ＰＶ偏差を算出し、ＰＩＤ演算を実行する。

〈ＳＴＥＰ４０９〉
ＰＩＤ演算を行い、得られた結果をフローコントローラ１７の流量値に換算する流量値換算処理を行う。

〈ＳＴＥＰ４１０〉
流量値換算処理により得られた流量値を、制御装置７からフローコントローラ１７へ転送する。

〈ＳＴＥＰ４１１〉
鋳造工程における生産サイクルは、製品の取り出し処理などによって時間に遅れが発生し、予め設定した演算周期では生産サイクルと演算処理にズレが生じることがある。このため、工程トリガの入力間隔を生産サイクル間隔として計測し、演算周期の補正を行う。

〈ＳＴＥＰ４１２〉
生産終了後、システムを停止する。

以上のように、演算周期（タイムアップ）後に演算処理が行われ、演算処理は生産開始後、生産終了まで周期的に行われる。なお、この演算処理は、グループ分けされた冷却水グループの基準点についてのみ行われる。

ここで、演算処理について更に詳しく説明すると、図７に示すように、基準点の設定流量値は、ＰＩＤ演算された値をそのまま流量値に変換する。基準点以外の設定流量値は、基準点の現在の設定流量値（ＳｖＦＷｎ）と基準流量（ＳｔＦＷｎ）との増加減率（ＩＤｒ）を利用して設定流量値に変換する。

図８に示すように、例えば基準点（冷却Ｎｏ．Ｃ００２）の基準温度（ＳＶ）が１２２℃、基準流量（ＳｔＦＷ００２）が１．７Ｌ／ｍｉｎであり、同じグループの冷却Ｎｏ．Ｃ００３の基準流量（ＳｔＦＷ００３）が２．５Ｌ／ｍｉｎであったとする。このとき、ある時点の基準点（冷却Ｎｏ．Ｃ００２）の温度が１４５℃であり、演算結果として設定流量値（ＳｖＦＷ００２）が２．３Ｌ／ｍｉｎであった場合、同じグループの冷却Ｎｏ．Ｃ００３の設定流量値は、次のように算出される。

ＩＤｒ＝ＳｖＦＷ００２／ＳｔＦＷ００２
＝２．３／１．７
≒１．３５
ＳｖＦＷ００３＝ＳｔＦＷ００３＊ＩＤｒ
＝２．５＊１．３５
≒３．３８Ｌ／ｍｉｎ

次に、流量値の補正について説明する。金型温度特性データに基づいて定められた各部位の流量は、あくまでも現在の環境による最適配分であり、アルミ湯の温度、外気温、クーリングタワー９からの冷却水温は、季節や朝昼でも違いが出るため、予め決められた流量を流しても、この外乱によって金型温度は時間と共に変化してしまう。外乱を補正するには、冷却水の流量を調節する必要があるが、注意すべきは排熱配分を変えてはならないことである。この配分を変えてしまうと、全体の温度分布が崩れてしまうので注意が必要であり、配分を変えないように流量を増減し、温度制御することが重要になる。

本実施形態では、金型温度特性データに基づいて定められた流量の冷却水を金型３の各部位に供給した後、代表の金型温度と現在の金型温度を比較して偏差を算出し、その偏差から流量の補正値を決定する。この補正値は、あくまでも全体の補正値であり、補正値を変化率（％）とし、この変化率を各系統の現在の流量（初回は予め決められた流量）に与え、流量を増減して金型３の温度制御を行う。

ここで、図９（Ａ）に示すように、補正値を金型３の部位（系統）毎に同じ値とし、全体の流量値を一定量調整することができる。また、図９（Ｂ）に示すように、補正値を金型３の部位（系統）毎に異なる値とし、部位（系統）毎に割合を調整しても良い。例えば、前回の生産サイクル時の値を１００％とし、その値から部位（系統）毎の比率で流量値を調整することもできる。

この場合において、生産サイクルの１ショット内の流量は、成形ショット毎に一定であって良い。これにより、金型温度の検出は一つの代表値（基準点）のみで良く、補正値も一つであるため、系統数が増えても管理方法に変わりはなく、金型３のサイズが大きくても容易に温度管理を行うことができる。温度センサ６の個数については、複数個（２〜３個）取り付けて、加重平均によって一つの値にしても良い。補正値の算出に関しても、ＰＩＤ演算としたが、他のデータテーブルから算出する（ステップ制御）方法でも良い。なお、金型３は固定型４と可動型５が独立しているため、代表温度は各１個で合計２個となり、個々の固定型４と可動型５の温度が一定になるように、実際には個々の代表温度で制御して運用するのが望ましい。

また、生産サイクル中の流量を更に複雑に可変させると、より良い品質の製品を短いサイクル時間で提供することが可能になる。例えば図１０に示すように、制御装置に生産サイクル中の流量を可変させた流量プログラムが予め設定されていて、その流量プログラムの波形をそのまま変えずに補正値を追加して流量を増減させる。その調整代は、図９（Ａ）のように補正値が同じであっても良いし、図９（Ｂ）のように比率によって補正値が異なっていても良い。

また、以下に説明する実施形態は、３個のタイマーを用いて冷却水の流量を変更するものである。図１１に示すように、生産サイクルの１周期を３個のタイマーによりＴ１、Ｔ２、Ｔ３の順に３つの時間帯に区分する。そして、Ｔ１とＴ３の流量については予め決められた流量値とし、Ｔ２の流量については生産サイクル終了後の金型温度を取得し、次回の生産サイクルのＴ２に流す流量値をＰＩＤ演算により算出して補正する。

大きな金型で系統数が多い場合には管理が困難であるため、予め赤外線サーモグラフィカメラ（図示略）等で金型温度分布を撮像し、最適時の金型温度分布になるように各系統の冷却水量を予め決定する。また、温度センサ６も代表的な部位に設置し、その温度が一定になるように系統毎にＴ２の流量を補正することにより、容易に金型温度の管理と温度波形の調整を行うことができる。

なお、この実施形態では、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の３個のタイマーを使用したが、これに代えて、Ｔ１とＴ２、またはＴ２とＴ３の２個のタイマーのみで冷却水の流量を変更しても良い。また、補正についても、Ｔ２の流量値を増減することにより行うものとしたが、図１２に示すように、生産サイクルの１周期をＴ４としたとき、Ｔ４の定められた時間内でＴ２の時間のみを増減することにより補正しても良い。

以上の実施形態は、生産サイクル内の金型温度の波形カーブを調整するものである。このように波形カーブを調整することにより、製品の仕上がり状態（凝固による湯ジワやヒケなど）の調整が可能となる。よって、製品の歩留まりが向上するだけでなく、最終的には１サイクルのショット時間の短縮にも繋がる。特に、薄肉の製品の場合には、これらの管理が必須となる。

１：金型温度制御システム
２：ダイカスト機
３：金型
４：固定型
５：可動型
６：温度センサ
７：制御装置
８：冷却水循環装置
９：クーリングタワー
１０：熱交換器
１１：タンク
１２：ポンプ
１３：給水配管
１４：戻り配管
１５：流量制御ユニット
１６：マニホールド
１７：フローコントローラ
１８：キャビティ
１９：ポート
２０：流量調節弁
２１：流量測定部
２２：制御部
２３：ジョイントアダプタ
２４：モータアクチュエータ
２５：弁体
２６：ボール部
２７：羽根車
２８：センサユニット
２９：センサ基板
３０：ＧＭＲセンサ
３１：バイアスマグネット

Claims

ダイカスト機の金型の温度を制御するシステムであって、
前記金型の各部位の温度を検出する温度センサと、
前記金型の各部位を冷却する冷却水の瞬間流量を制御するフローコントローラと、
前記温度センサにより検出された金型温度を取得して、生産サイクルの周期毎に目標の金型温度と現在の金型温度の偏差を算出し、流量値に換算して前記フローコントローラに転送する制御装置を備えたことを特徴とする金型温度制御システム。
請求項１に記載のシステムにおいて、前記制御装置は、前記金型の各部位における代表の金型温度と現在の金型温度を比較して偏差を算出し、その偏差から流量の補正値を決定することを特徴とする金型温度制御システム。
請求項２に記載のシステムにおいて、前記補正値が前記金型の部位毎に同じ値であり、全体の流量値を一定量調整するものであることを特徴とする金型温度制御システム。
請求項２に記載のシステムにおいて、前記補正値が前記金型の部位毎に異なる値であり、前回の生産サイクル時の値を１００％とし、その値から部位毎の比率で流量値を調整するものであることを特徴とする金型温度制御システム。
請求項３または請求項４に記載のシステムにおいて、前記制御装置は、前記生産サイクル中の流量を可変させた流量プログラムが予め設定されており、その流量プログラムの波形を変えずに前記補正値を追加することを特徴とする金型温度制御システム。
請求項１に記載のシステムにおいて、前記制御装置は、前記生産サイクルの１周期をタイマーによりＴ１、Ｔ２、Ｔ３の順に３つの時間帯に区分して、Ｔ１とＴ３の流量については予め決められた流量値とし、Ｔ２の流量については生産サイクル終了後の金型温度を取得し、次回の生産サイクルの流量値を算出して補正することを特徴とする金型温度制御システム。
請求項６に記載のシステムにおいて、前記補正は、前記Ｔ２の流量値を増減することにより行われることを特徴とする金型温度制御システム。
請求項６に記載のシステムにおいて、前記補正は、前記生産サイクルの１周期をＴ４としたとき、Ｔ４の定められた時間内で前記Ｔ２の時間を増減することにより行われることを特徴とする金型温度制御システム。