JP6897538B2 - 中子の造型方法及び造型装置 - Google Patents

Description

本発明は、中子の造型方法及び造型装置に関する。

一般的に、鋳造する際に用いられる中子は、樹脂や水ガラスなどのバインダー及び砂を含む原料を造型型に充填して造型される。ここで、特許文献１には、フランジ部、フランジ部の略中央から突出するガス抜きピン、及びフランジ部におけるガス抜きピンの根元部分に形成された開口部に挿入された押出ピンを備える中子の離型装置が開示されている。このような離型装置は、ガス抜きピンが造型型のキャビティーの内部に突出するように当該造型型に設けられ、キャビティーの内部に原料が充填された際に、ガス抜きピンの先端部は充填された原料の内部まで到達する。

特開平７−２９９５４４号公報

原料が硬化する際に当該原料の周面全域に外殻層が形成されるが、特許文献１の離型装置のガス抜きピンは、外殻層が形成される前段階から原料の内部に挿入されているため、外殻層が形成された際に当該外殻層の外部にガス抜きピンが配置されてしまい、外殻層で囲まれた部分（即ち、外殻層の内部）で発生するガスや水蒸気などの気体を良好に排出することが難しい。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、原料を硬化させる際に外殻層の内部で発生するガスや水蒸気などの気体を良好に排出することができる中子の造型方法及び造型装置を実現する。

本発明の一態様に係る中子の造型方法は、バインダーと砂とを含む原料から成る中子の造型方法であって、
造型型のキャビティーの内部に前記原料を充填する工程と、
前記原料を硬化させて外殻層を形成する工程と、
内部ピンが内部に挿入されて当該内部ピンで排気孔が閉塞された排気管の先端部を、前記造型型に設けられた開口部を介して、前記外殻層で囲まれた部分まで挿入する工程と、
前記内部ピンを移動させて前記排気孔を開放する工程と、
を備える。
これにより、原料が硬化して形成された外殻層の内部に排気管を挿入して、外殻層に開口部を形成し、当該開口部から排気管を介して、原料を硬化させる際に外殻層の内部で発生する気体を、造型型の外部に良好に排出することができる。

上述の中子の造型方法において、前記原料の周面全域に前記外殻層が形成された直後である当該外殻層の形成初期段階で、前記内部ピンで排気孔が閉塞された排気管の先端部を前記外殻層で囲まれた部分まで挿入することが好ましい。
これにより、原料の硬化が開始してから短時間で中子を脱型することができ、その結果、中子の造型サイクルを短縮することができる。

本発明の一態様に係る中子の造型装置は、バインダーと砂とを含む原料から成る中子の造型装置であって、
前記原料が充填される造型型と、
前記原料が硬化して形成された外殻層で囲まれた部分で発生する気体を排気する排気機構と、
を備え、
前記排気機構は、
前記造型型に形成された開口部を介して、先端部を前記造型型のキャビティーの内部に挿入及び当該キャビティーの外部に抜去可能な排気管と、
前記排気管の内部に形成された排気孔を開閉するために、前記排気管の内部で移動可能な内部ピンと、
を備える。
これにより、原料が硬化して形成された外殻層の内部に排気機構を挿入して、外殻層に開口部を形成し、当該開口部から排気機構を介して、原料を硬化させる際に外殻層の内部で発生する気体を、造型型の外部に良好に排出することができる。

本発明によれば、原料を硬化させる際に外殻層の内部で発生するガスや水蒸気などの気体を良好に排出することができる中子の造型方法及び造型装置を実現できる。

実施の形態の中子の造型装置を模式的に示す部分断面図である。 造型型のキャビティーの内部に充填された原料が硬化して外殻層が形成された初期段階を模式的に示す部分断面図である。 外殻層の内部に排気機構を挿入した状態を模式的に示す部分断面図である。 外殻層の内部で発生した気体を排気管から排気する様子を模式的に示す部分断面図である。 外殻層の内部で発生する気体を排気せずに中子を造型した場合での、外殻層の内部圧力と外殻層の強度との関係を示す図である。 本実施の形態の中子の造型方法で中子を造型した場合での、外殻層の内部圧力と外殻層の強度との関係を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

先ず、本実施の形態の中子の造型装置（以下、単に造型装置と省略する場合がある。）の構成を説明する。図１は、本実施の形態の中子の造型装置を模式的に示す部分断面図である。なお、以下の説明では、説明を明確にするために、三次元（ＸＹＺ）座標系を用いて説明する。

本実施の形態の造型装置１は、樹脂や水ガラスなどのバインダー及び砂を含む原料から中子を造型する際に好適に用いられ、図１に示すように、射出用シリンダー２、射出用ピストン３、造型型４及び排気機構５を備えている。ここで、造型する中子は、無機中子に限らず、有機中子でもよい。また、バインダーは、樹脂や水ガラスに限らず、一般的に用いられているバインダーを用いることができる。

射出用シリンダー２には、例えば、バインダーと砂とが混練された原料Ｍが投入される。射出用シリンダー２は、例えば、有底筒状体を基本形態としており、Ｚ軸−側に配置された底部に開口部２ａを備えている。そして、射出用シリンダー２は、開口部２ａに接続された導出管２ｂを備えている。

射出用ピストン３は、図示を省略した第１の駆動源の駆動力に基づいて、射出用シリンダー２の内部でＺ軸方向に移動可能であり、導出管２ｂを介して射出用シリンダー２の内部に投入された原料Ｍを造型型４に押し出す。

造型型４は、射出用シリンダー２に対してＺ軸−側に配置されており、第１の型４ａ及び第２の型４ｂを備えている。そして、第１の型４ａと第２の型４ｂとをＹ軸方向で相対的に近付けて閉じることで、内部にキャビティー４ｃが形成される。但し、造型型４の配置は、射出用シリンダー２からの原料Ｍの押し出し方向などに応じて、適宜、変更することができる。

つまり、第１の型４ａに形成された凹部４ｄと第２の型４ｂに形成された凹部４ｅとをＹ軸方向に向かい合わせた状態で、第１の型４ａと第２の型４ｂとを閉じると、第１の型４ａの凹部４ｄと第２の型４ｂの凹部４ｅとでキャビティー４ｃが形成される。キャビティー４ｃは、造型される中子に対応する形状とされている。

造型型４は、キャビティー４ｃの内部に原料Ｍを充填するための第１の開口部４ｆを備えている。第１の開口部４ｆは、造型型４のＺ軸＋側の部分でＺ軸方向に貫通するように形成されており、Ｚ軸−側の端部がキャビティー４ｃに到達し、Ｚ軸＋側の端部が造型型４の外部に到達している。そして、第１の開口部４ｆは、射出用シリンダー２の導出管２ｂに接続されている。

これにより、射出用ピストン３で押し出された原料Ｍは、射出用シリンダー２の導出管２ｂ及び第１の開口部４ｆを介してキャビティー４ｃの内部に充填される。なお、図１では、第１の型４ａと第２の型４ｂとが閉じた状態で、第１の開口部４ｆは、第１の型４ａと第２の型４ｂとを跨ぐように形成されているが、第１の型４ａに形成されても、第２の型４ｂに形成されてもよい。

排気機構５は、詳細は後述するが、原料Ｍが硬化して形成された外殻層で囲まれた部分（即ち、外殻層の内部）で発生するガスや水蒸気などの気体を排気する。排気機構５は、排気管５ａ及び内部ピン５ｂを備えている。

排気管５ａは、例えば、Ｙ軸方向に延在しており、排気管５ａのＹ軸−側の端部が第２の型４ｂにＹ軸方向に貫通するように形成された第２の開口部４ｇに挿入されている。排気管５ａは、造型型４の第２の開口部４ｇのＸＺ断面形状と略等しい外形がＹ軸方向に連続する筒状体を基本形態としている。そして、排気管５ａの内部におけるＹ軸−側の端部は、ＸＺ断面積が絞られており、当該絞られた小径部分５ｃの内部が排気孔５ｄとされている。

このような排気管５ａは、図示を省略した第２の駆動源の駆動力に基づいて排気管５ａの軸方向（即ち、Ｙ軸方向）に移動し、排気管５ａのＹ軸−側の端部がキャビティー４ｃの内部に挿入可能で、且つキャビティー４ｃの外部に抜去可能である。なお、排気管５ａの形状及び配置は、上述の限りでなく、造型型４のキャビティー４ｃに対して挿抜可能であればよく、造型型４に形成される第２の開口部４ｇの配置は、排気管５ａの配置に応じて、適宜、変更される。

内部ピン５ｂは、排気管５ａの排気孔５ｄを開閉する。内部ピン５ｂは、例えば、Ｙ軸方向に延在する棒状体であり、排気管５ａの排気孔５ｄのＸＺ断面形状と略等しいＸＺ断面形状がＹ軸方向に連続する。

このような内部ピン５ｂは、図示を省略した第３の駆動源の駆動力に基づいて排気管５ａの内部で内部ピン５ｂの軸方向（即ち、Ｙ軸方向）に移動する。なお、内部ピン５ｂの形状や配置は、排気管５ａの排気孔５ｄのＸＺ断面形状や排気管５ａの配置に応じて、適宜、変更される。

次に、上述の造型装置１を用いた中子の造型方法を説明する。ここで、図２は、造型型のキャビティーの内部に充填された原料が硬化して外殻層が形成された初期段階を模式的に示す部分断面図である。図３は、外殻層の内部に排気機構を挿入した状態を模式的に示す部分断面図である。図４は、外殻層の内部で発生した気体を排気管から排気する様子を模式的に示す部分断面図である。なお、図２乃至図４では、図を簡略化するために、射出用シリンダー２及び射出用ピストン３などを省略している。

初期状態としては、第１の型４ａと第２の型４ｂとは、閉じた状態とされ、排気管５ａにおけるＹ軸−側の端面及び内部ピン５ｂにおけるＹ軸−側の端面は、第２の型４ｂの凹部４ｅと略面一となるように配置されている。つまり、この状態では、排気管５ａの排気孔５ｄは、内部ピン５ｂによって塞がれている。また、第２の型４ｂの第２の開口部４ｇは、排気管５ａ及び内部ピン５ｂによって塞がれている。

このような状態で、射出用ピストン３をＺ軸−方向に移動させて原料Ｍを射出用シリンダー２から押し出し、当該原料Ｍを導出管２ｂ及び第１の開口部４ｆを介してキャビティー４ｃの内部に充填する。

そして、第１の型４ａ及び第２の型４ｂを加熱すると、図２に示すように、原料Ｍの周面に外殻層Ｃが形成される。その後、外殻層Ｃは、原料Ｍの周面全域に形成される。このとき、外殻層Ｃの内部における原料Ｍの未硬化部分で、ガスや水蒸気などの気体が発生し、発生した気体は、外殻層Ｃの内部に閉じ込められる。そのため、外殻層Ｃの内部圧力が上昇する。

ちなみに、図２乃至図４では、外殻層Ｃと原料Ｍの未硬化部分との境界を一点鎖線で示しているが、実際には、外殻層Ｃと原料Ｍの未硬化部分との境界は、明確に現れず、大凡、充填された原料Ｍの内部から外部に向かうに従って当該原料Ｍの未硬化部分に対する外殻層Ｃの容積比が多くなる。

次に、原料Ｍの周面全域に外殻層Ｃが形成された直後である当該外殻層Ｃの形成初期段階で、図３に示すように、排気管５ａ及び内部ピン５ｂをＹ軸−方向に、つまり、内部ピン５ｂで排気孔５ｄが塞がれた状態の排気管５ａをＹ軸−方向に移動させて、排気管５ａ及び内部ピン５ｂのＹ軸−側の端部を外殻層Ｃの内部まで挿入する。これにより、外殻層Ｃに開口部が形成される。

次に、図４に示すように、内部ピン５ｂをＹ軸＋方向に移動させて排気管５ａの排気孔５ｄを開放する。これにより、外殻層Ｃの内部で発生した気体は、排気管５ａから造型型４の外部に排気される。このとき、排気管５ａの排気孔５ｄから内部ピン５ｂを抜去させた際に、排気管５ａの排気孔５ｄを介して当該排気管５ａにおける小径部分５ｃに対して内部が拡径された大径部分５ｅの内周面と内部ピン５ｂの周面との隙間から気体を良好に排気することができる。

その後、原料Ｍの硬化が進むと、中子の造型が終了する。ちなみに、第１の型４ａと第２の型４ｂとをＹ軸方向で相対的に離間させると、造型された中子を脱型することができる。

このように本実施の形態の中子の造型方法及び造型装置１は、原料Ｍが硬化して形成された外殻層Ｃの内部に排気機構５を挿入して、外殻層Ｃに開口部を形成し、当該開口部から排気機構５を介して、原料Ｍを硬化させる際に外殻層Ｃの内部で発生する気体を、造型型４の外部に良好に排出することができる。

また、本実施の形態では、初期状態において、排気管５ａにおけるＹ軸−側の端面及び内部ピン５ｂにおけるＹ軸−側の端面を、第２の型４ｂの凹部４ｅと略面一となるように配置するので、外殻層Ｃが第２の型４ｂの凹部４ｅに沿って形成され、第２の型４ｂに対する排気管５ａ及び内部ピン５ｂの移動量が少なくて済む。そのため、造型装置１の小型化に寄与できる。

しかも、排気管５ａの排気孔５ｄを内部ピン５ｂで閉塞した状態で、排気機構５を外殻層Ｃの内部に挿入するので、排気管５ａの排気孔５ｄに原料Ｍが詰まることを抑制できる。

ここで、外殻層Ｃの内部圧力が外殻層Ｃの強度より高い場合、造型された中子を脱型すると、中子が変形する。そのため、外殻層Ｃの内部圧力が外殻層Ｃの強度より低くならないと、造型された中子を脱型することはできない。

図５は、外殻層の内部で発生する気体を排気せずに中子を造型した場合での、外殻層の内部圧力と外殻層の強度との関係を示す図である。図６は、本実施の形態の中子の造型方法で中子を造型した場合での、外殻層の内部圧力と外殻層の強度との関係を示す図である。

なお、図５及び図６では、外殻層の内部圧力を破線で示し、外殻層の強度を実線で示している。また、図５及び図６では、脱型した際に中子が変形する、原料Ｍの硬化が開始してからの時間と、脱型した際に中子が略変形しない（即ち、良品を得ることができる）、原料Ｍの硬化が開始してからの時間と、の境界を一点鎖線で示している。

外殻層Ｃの内部で発生する気体を排気せずに中子を造型する場合、図５に示すように、原料Ｍの硬化時間が経過して外殻層Ｃが形成されるのに伴って、外殻層Ｃの内部圧力が上昇し、その後、外殻層Ｃの微小隙間から当該外殻層Ｃの内部で発生する気体が漏れ、外殻層Ｃの内部圧力が低下する。一方、原料Ｍの硬化時間の増加に伴って、外殻層Ｃの厚さが増して当該外殻層Ｃの強度は上昇する。このとき、外殻層Ｃの内部で発生する気体が当該外殻層Ｃの微小隙間から漏れる量は、微量であるため、外殻層Ｃの強度の上昇を待ってから、中子を脱型する必要がある。

一方、本実施の形態の中子の造型方法で中子を造型する場合、図６に示すように、原料Ｍの硬化時間が経過して外殻層Ｃが形成されるのに伴って、外殻層Ｃの内部圧力が上昇するが、外殻層Ｃの形成初期段階で、外殻層Ｃの内部に排気機構５を挿入するため、外殻層Ｃの内部で発生する気体の排気を当該外殻層Ｃが形成されてから早い段階で開始することができる。

そのため、本実施の形態の中子の造型方法で中子を造型する場合、外殻層Ｃの内部で発生する気体を排気せずに中子を造型する場合に比べて、原料Ｍの硬化が開始してから短時間で、外殻層Ｃの内部圧力を当該外殻層Ｃの強度より小さくすることができる。これにより、本実施の形態の中子の造型方法で中子を造型する場合、外殻層Ｃの内部で発生する気体を排気せずに中子を造型する場合に比べて、原料Ｍの硬化が開始してから短時間で中子を脱型することができ、その結果、中子の造型サイクルを短縮することができる。

本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施の形態では、外殻層Ｃの形成初期段階で、外殻層Ｃの内部に排気管５ａ及び内部ピン５ｂを挿入しているが、原料Ｍの周面の略全域に外殻層Ｃが形成された後であれば、外殻層Ｃの内部に排気管５ａ及び内部ピン５ｂを挿入するタイミングは、特に限定されない。

上記実施の形態では、内部ピン５ｂを移動させて排気管５ａの大径部分５ｅの内周面と当該内部ピン５ｂの周面との隙間から気体を排気しているが、排気管５ａから内部ピン５ｂを抜去して気体を排気してもよい。

１ 中子の造型装置
２ 射出用シリンダー、２ａ 開口部、２ｂ 導出管
３ 射出用ピストン
４ 造型型
４ａ 第１の型、４ｄ 凹部
４ｂ 第２の型、４ｅ 凹部
４ｃ キャビティー
４ｆ 第１の開口部
４ｇ 第２の開口部
５ 排気機構
５ａ 排気管、５ｃ 小径部分、５ｄ 排気孔、５ｅ 大径部分
５ｂ 内部ピン
Ｃ 外殻層
Ｍ 原料

Claims (3)

1. バインダーと砂とを含む原料から成る中子の造型方法であって、
   造型型のキャビティーの内部に前記原料を充填する工程と、
   前記原料を硬化させて外殻層を形成する工程と、
   内部ピンが内部に挿入されて当該内部ピンで排気孔が閉塞された排気管の先端部を、前記造型型に設けられた開口部を介して、前記外殻層で囲まれた部分まで挿入する工程と、
   前記内部ピンを移動させて前記排気孔を開放する工程と、
   を備える、中子の造型方法。
2. 前記原料の周面全域に前記外殻層が形成された直後である当該外殻層の形成初期段階で、前記内部ピンで排気孔が閉塞された排気管の先端部を前記外殻層で囲まれた部分まで挿入する、請求項１に記載の中子の造型方法。
3. バインダーと砂とを含む原料から成る中子の造型装置であって、
   前記原料が充填される造型型と、
   前記原料が硬化して形成された外殻層で囲まれた部分で発生する気体を排気する排気機構と、
   を備え、
   前記排気機構は、
   前記造型型に形成された開口部を介して、先端部を前記造型型のキャビティーの内部に挿入及び当該キャビティーの外部に抜去可能な排気管と、
   前記排気管の内部に形成された排気孔を開閉するために、前記排気管の内部で移動可能な内部ピンと、
   を備える、中子の造型装置。

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