JP7308488B2

JP7308488B2 - 中子砂除去装置及び中子砂除去方法

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Publication number: JP7308488B2
Application number: JP2020022310A
Authority: JP
Inventors: 雄二堀; 真大塚; 秀典秋山
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2040-02-13
Also published as: JP2021126671A

Description

本発明は中子砂除去装置及び中子砂除去方法に関する。

鋳造品の中子砂が詰まった中子孔からその中子砂をアーク放電による衝撃波によって崩壊させて除去することが知られている。例えば、特許文献１には、水を貯えた水槽に鋳造品を浸漬させた状態で、鋳造品の表面に開口した中子孔の開口部に電極部材を対向させ、この電極部材にパルス高電圧を印加してアーク放電による衝撃波を発生させ、中子孔に詰まった中子砂を崩壊させることが記載されている。中子孔の開口部から中子砂の一部が崩壊して排出される度に、電極部材を中子孔に進入させて衝撃波を発生させることを繰り返すことで、中子砂が除去される。

特開２０１７－９４３８７号公報

特許文献１に記載された中子砂の除去方法によれば、例えば無機バインダーを用いた中子砂であっても、これを崩壊させて中子孔から除去することができる。しかし、中子砂を部分的に崩壊させる都度、電極部材を中子孔の奥に進めていく方式であるから、中子砂の除去に時間がかかることは否めない。また、中子孔の形状が迷路のように複雑になると、電極部材を中子孔の奥の方まで進入させることが難しくなる。

そこで、本発明は、上記アーク放電による衝撃波によって中子砂を短時間で除去できるようにすること、中子孔の形状が複雑になっていても中子砂を除去できるようにすることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、パルス衝撃波の大きさを変化させるようにした。

ここに開示する中子砂除去装置は、鋳造品を液中に浸漬させた状態で、該鋳造品の中子砂が詰まった中子孔からその中子砂をアーク放電によって発生する衝撃波によって崩壊させて除去する装置であって、
上記アーク放電を発生させるための電極部材と、
上記電極部材を上記鋳造品の表面に開口した上記中子孔の開口部に対向させ、該開口部から内部の中子砂の一部が上記衝撃波によって崩壊して排出されることに応じて上記電極部材を上記中子孔に進入させていく電極移動装置と、
上記電極部材に上記アーク放電のためのパルス電圧を印加し、且つ上記電極部材が上記開口部から所定深さまで進入したときに、上記衝撃波が強くなるように上記電極部材にパルス電圧を印加する電源装置とを備えていることを特徴とする。

また、ここに開示する中子砂除去方法は、鋳造品を液中に浸漬させた状態で、該鋳造品の中子砂が詰まった中子孔からその中子砂をアーク放電によって発生する衝撃波によって崩壊させて除去する方法であって、
電極部材を上記鋳造品の表面に開口した上記中子孔の開口部に対向させ、該電極部材にパルス電圧を印加して上記中子砂を上記アーク放電による衝撃波によって崩壊させながら、当該電極部材を上記中子孔に進入させていく第１工程と、
上記電極部材が上記開口部から所定深さまで進入したときに、上記電極部材によって発生させる上記衝撃波が強くなるようにする第２工程とを備えていることを特徴とする。

上記中子砂の除去装置及び除去方法のいずれにおいても、電極部材が鋳造品の開口部から中子孔に所定深さまで進入したときに液中アーク放電による衝撃波が強くなる。このように、中子孔の内部において強い衝撃波を発生させるから、その衝撃波が中子孔内の中子砂に効率良く伝わる。従って、中子砂を一気に崩壊させることも可能になり、中子砂の除去に要する時間の短縮に有利になる。また、衝撃波を強くしても、中子孔の中子砂全てが崩壊しないときは、当該所定深さの位置において或いは電極部材の進入をさらに深くして、再度同じ強さの衝撃波を発生させ、或いは異なる強さの衝撃波を発生させて、中子砂の崩壊を進めることができる。いずれにしても、電極部材１１を中子孔の奥深くまで進入させなくても、中子砂を除去することができるようになる。従って、電極部材を奥深くまで進入させることが難しい複雑形状の中子孔であっても、中子砂の除去が容易になる。

一実施形態では、上記鋳造品は、各々該鋳造品の表面に開口し上記中子孔によって連通する複数の開口部を有するものであり、
上記中子砂除去装置は、
上記電極部材を複数備え、
上記複数の電極部材が各々の対応する上記開口部から所定深さまで進入したときに、上記複数の電極部材のうちの一部の電極部材について上記衝撃波が強くなるように上記パルス電圧が印加され、残りの電極部材に対する上記パルス電圧の印加が停止される。

これにより、強い衝撃波を発生させたときの、中子孔内部での圧力干渉を抑えて、圧力を電圧の印加が停止された電極部材が存する開口部側に向かわせることができ、中子砂の崩壊、排出が進みやすくなる。

一実施形態では、上記鋳造品は多気筒エンジンのシリンダヘッドであり、
上記中子孔は該シリンダヘッドのウォータジャケットとなるものであり、
上記シリンダヘッドの下面には各気筒毎に上記ウォータジャケットとなる上記中子孔の開口部が設けられており、
上記シリンダヘッドの各気筒毎に順に上記第１工程及び上記第２工程を繰り返していく。

これにより、ウォータジャケット形成用の中子砂を短時間に効率良く除去することができる。

上記電極部材としては、アーク放電用の隙間を存して配置した２つの電極（電源装置の高圧側端子に接続された電極と電源装置の低圧側端子に接続された電極）よりなる構成とすることができる。或いは、電極部材としては、電源装置の高圧側端子に接続された電極部材のみとし、この電極部材と鋳造品との間にアーク放電を発生させてパルス衝撃波を得るようにしてもよい。

本発明によれば、電極部材によって液中アーク放電による衝撃波を発生させて鋳造品の開口部から中子孔の内部へと中子砂を掘り進め、電極部材が開口部から所定深さまで進入したときに、衝撃波が強くなるようにするから、この強い衝撃波を中子砂に効率良く伝えることができ、従って、中子砂の除去に要する時間の短縮に有利になり、また、電極部材を奥深くまで進入させることが難しい複雑形状の中子孔であっても、中子砂を除去することができるようになる。

中子砂除去装置の使用例を示す斜視図。中子砂除去装置の電源回路図。電源装置の放電電流波形を示すグラフ図。電極部材の一例を一部断面にして示す側面図。図２の電極部材のＡ方向矢視図。電極部材を中子孔の開口部に対向させた状態を示す断面図。電極部材を中子孔に所定深さまで進入させた状態を示す断面図。中子砂除去装置を適用した鋳造品としてのエンジンのシリンダヘッドの底面図。中子砂除去装置の他の例の電源回路図。電極部材の他の例を示す断面図。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜中子砂除去装置＞
図１において、１は中子砂除去装置であって、水２が貯えられた水槽３に鋳造品４を浸漬させた状態で、この鋳造品４の中子孔５に詰まった中子砂を水中アーク放電によって発生する衝撃波で崩壊させて除去する。鋳造品４は、中子孔５によって互いに連通し鋳造品４の表面に開口した複数の開口部６を備えている。中子砂は、後述する電極部材１１を進入させる開口部６から或いは該開口部６に連通する他の開口部６から排出される。なお、上記中子砂除去装置１は、水２を利用しているが、水に代えて、海水や油等を利用することもできる。

中子砂除去装置１は、水中アーク放電を発生させるための電極部材１１と、この電極部材１１を移動させる電極移動装置１２と、電極部材１１にパルス電圧を印加する電源装置１３とを備えてなる。先に、電極移動装置１２及び電源装置１３について説明する。

電極移動装置１２は、電極部材１１を鋳造品４の開口部６に対向させ、該開口部６から内部の中子砂が排出されることに応じて電極部材１１を中子孔５に進入させていくものである。本実施形態の電極移動装置１２はスカラロボットによって構成されており、電極部材１１はスカラロボット１２の手首軸１４に取り付けられている。

図２に示すように、本実施形態の電源装置１３は、定電流電源１５と、定電流電源１５に並列接続されたダイオード１６及びコンデンサ１７と、コンデンサ１７から放電スイッチ１８を介して供給される静電エネルギーを磁気エネルギーとして貯えるインダクタ１９とを備えている。図２において、２１は電源装置１３の高圧側端子、２２は電源装置１３の低圧側端子であり、高圧側端子２１と低圧側端子２２に電極部材１１が導線２３によって接続されている。

この電源装置１３の場合、定電流電源１５によってコンデンサ１７が充電される。放電スイッチ１８が閉じられると、インダクタ１９を通して電極部材１１に電流が流れる（図２のＡループ）。このとき、コンデンサ１７の蓄積エネルギー（静電エネルギー）Ｃ・Ｖ^２／２がインダクタ１９の蓄積エネルギーである磁気エネルギーＬ・Ｉ^２／２に変換される。電極部材１１でのエネルギー消費があるため、Ｃ・Ｖ^２／２＞Ｌ・Ｉ^２／２となる。

その後、コンデンサ１７の蓄積エネルギーＣ・Ｖ^２／２が零になったとき、電流はダイオード１６を通して流れる（図２のＢループ）。このＢループで電流が流れる間も電極部材１１でエネルギーが消費され、最終的には電流値が零になる。

なお、Ｃはコンデンサ１７のキャパシタンス、Ｖはコンデンサ１７の充電電圧、Ｌはインダクタ１９のインダクタンス、Ｉは電流値である。

電流波形は図３のようになり、Ａループによる電流の流れによって電流値が増大した後、Ｂループによる電流の流れによって電流値が減少していくパルス放電となる。すなわち、電源装置１３によって電極部材１１にパルス電圧が印加される。

ここに、コンデンサ１７の充電電圧Ｖに応じてコンデンサ１７の蓄積エネルギーＣ・Ｖ^２／２が変化する。従って、この充電電圧Ｖの制御によって電極部材１１の１パルスあたりの消費エネルギーを変える、すなわち、アーク放電による衝撃波の強さを変えることができる。充電電圧Ｖの制御は、定電流電源１５の出力電圧を測定し、或いはコンデンサ１７の電圧を測定し、所期の電圧値になったときに定電流電源１５をオフにすることで行なうことができる。

次に、電極部材１１について説明する。図４に示すように、電極部材１１は、電源装置１３の高圧側端子２１に接続された高圧側電極３１と、電源装置１３の低圧側端子２２に接続された（又は接地された）低圧側電極３２を備えてなる。両電極３１，３２は、絶縁被覆３３，３４によって互いに電気的に絶縁した状態に設けられ、棒状支持体３５に支持されている。

図５に示すように、低圧側電極３２は環状の円板形に形成された環状電極である。この低圧側の環状電極３２の内側、すなわち、孔３６の内に高圧側電極３１が配置されている。高圧側電極３１は、環状電極３２の環内に配置されていることから、以下では、これをコア電極３１と称する。コア電極３１は、断面円形の直棒状に形成されていて、環状電極３２と同心に設けられている。コア電極３１及び環状電極３２各々の軸心は棒状支持体３５の長手方向に配向されている。

コア電極３１と環状電極３２の間にパルス高電圧が印加されると、コア電極３１の外周部と環状電極３２の内周部の間の一箇所（電極間隔が最も狭くなった箇所）でアーク放電が発生し、衝撃波が周囲に放射される。そのとき、コア電極３１及び環状電極３２に衝撃力が加わる。

強い衝撃波を発生させるアーク放電回数が多くなってくると、片持ち支持になったコア電極３１が構造的にリジットな環状電極３２の内側において上記衝撃力により変位してくる。すなわち、コア電極３１は、アーク放電の発生箇所付近で最も強い衝撃力を受けるから、アーク放電発生箇所の反対側に変位する。コア電極３１の上記反対側への変位が大きくなると、当該反対側のコア電極３１の外周部と環状電極３２の内周部の間隔が狭くなる。そのため、当該反対側において両電極間３１，３２にアーク放電を生ずるようになる。その結果、コア電極３１は、今度は逆方向に衝撃力を受けるため、環状電極３２の中心に近づくように上記反対側への変位が戻されていく。

このように、コア電極３１は、衝撃力を受けて変位すると、それに伴ってアーク放電の発生箇所が変わり、その結果、衝撃力を受ける部位が変わるため、特定の方向に変位することがない。つまり、コア電極３１は環状電極３２の中心に近づくように変位が戻される。従って、ショット数が多くなっても、電極の変形によってコア電極３１と環状電極３２の間隔が広くなることはなく、安定したアーク放電を発生させることができる。もちろん、両電極３１，３２がショートすることもない。

＜中子砂除去方法＞
（第１工程）
図１に示すように、電極部材１１を電極移動装置１２によって移動させて、水槽３の水中に浸漬させた鋳造品４の中子孔５の開口部６に対向させる。図６に示すように、電極部材１１は開口部６に露出した中子砂３７に対向する。その状態で、電源装置１３の定電流電源１５によってコンデンサ１７に充電して定電流電源１５をオフにし、放電スイッチ１８を閉じる。これにより、電極部材１１にＡループ及びＢループで電流が流れ、すなわち、電極部材１１のコア電極３１と環状電極３２の間にパルス電圧が印加されてアーク放電が発生する。

この水中でのアーク放電によって衝撃波が発生し、中子孔５内の中子砂３７に衝撃力が加わって開口部６に臨む中子砂が崩壊して開口部６から排出される。そこで、この崩壊した中子砂の排出に伴って生ずる中子孔５の空間に電極部材１１を電極移動装置１２によって進入させて、衝撃波を発生させることにより、中子砂３７をさらに崩壊させていく。すなわち、電極部材１１によって中子砂３７を掘り進めていく。

（第２工程）
図７に示すように、電極部材１１が鋳造品４の開口部６から中子孔４内に所定深さまで進入したときに、電源装置１３におけるコンデンサ１７の充電電圧Ｖを高くする。従って、コンデンサ１７の蓄積エネルギーが大きくなって、アーク放電によって発生する衝撃波が強くなる。このように中子孔４の内部において強い衝撃波を発生させるから、その衝撃波が中子孔４内の中子砂３７に効率良く伝わる。従って、中子砂の崩壊が進みやすくなる。

ここに、電源装置１３のパルス放電は、例えば、パルス幅が３～５μｓ、放電印加回数が１～５０回程度となるようにすればよい。上記強い衝撃波を発生させるときの電極部材１１の進入深さ（上記所定深さ）は、例えば、５ｍｍ以上４０ｍｍ以下程度、好ましくは１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすればよい。

強い衝撃波を発生させるときのコンデンサ１７の蓄積エネルギーは、中子砂を掘り進めるときの１０倍以上１００倍以下、さらには２０倍以上５０倍以下とすることが好ましい。例えば、中子砂を掘り進めるときの蓄積エネルギーを２０Ｊ以上５００Ｊ以下、好ましくは５０Ｊ以上２００Ｊ以下とし、強い衝撃波を発生させるときの蓄積エネルギーを１ｋＪ以上１０ｋＪ以下、好ましくは２ｋＪ以上５ｋＪ以下とすることができる。具体的には、例えば、定格がＶ＝５ｋＶ、Ｃ＝４００μＦ（静電エネルギーＣ・Ｖ^２／２＝５ｋＪ）のコンデンサを用いるケースでは、中子砂を掘り進めるときは、１ｋＶ、２００Ｊとし、強い衝撃波を発生させるときに定格の５ｋＶ、５ｋＪとすればよい。

これにより、中子砂に無機バインダーを使用している場合でも、電極部材１１を所定深さまで進入させた状態での強い衝撃波によっても中子孔４に残る当該中子砂を、ほとんどの場合、一気に崩壊させて排出することが可能になる。

＜鋳造品がシリンダヘッドである例＞
次に中子砂を除去するべき鋳造品が図８に示す多気筒エンジンのシリンダヘッド４１である例について説明する。

図８に示すように、シリンダヘッド４１の下面側には、各々吸気口４２及び排気口４３が開口した複数の燃焼室４４がシリンダヘッド４１の長手方向に間隔をおいて形成されている。燃焼室４４の周囲にはウォータジャケットとなる中子孔の複数の開口部６が形成されている。この開口部６は、シリンダブロックのウォータジャケットから冷却水が流入する穴となるものである。全ての開口部６は、ウォータジャケットとなる中子孔を介して互いに連通している。

このシリンダヘッド４１のウォータジャケット用中子孔の中子砂を除去する装置は４つの電極部材４５を備えている。図９に示すように、４つの電極部材４５は、電源装置１３の高圧側端子２１に各々スイッチ４６を介して並列接続されている。

図１０に示すように、電極部材４５は、高圧側電極３１のみで構成された単一電極である。この例では、高圧側電極３１は、円板状又は円柱状の形状を有し、導電性軸３８によって棒状支持体３５に支持して、棒状支持体３５と同心に設けられている。高圧側電極３１の直径は棒状支持体３５の直径よりも小さくなっている。高圧側電極３１とシリンダヘッド４１の間にアーク放電を発生させて衝撃波を得るべく、シリンダヘッド４１が接地されている。

シリンダヘッド４１の中子砂の除去にあたっては、シリンダヘッド４１を水中に浸漬し、各気筒毎に順に上記アーク放電による衝撃波によって中子砂を除去していく。

すなわち、第１工程では、電極移動装置１２に４つの電極部材４５を支持して、図８に示すように、この４つの電極部材４５を１つの燃焼室４４まわりの４つの開口部６に対向させる。スイッチ４６を順にオンとオフの状態にする。或いは図２の電極部材１１を複数直列に接続してもよい。そして、電源装置１３によって４つの電極部材４５にパルス電圧を印加することにより、シリンダヘッド４１との間にアーク放電を発生させ、このアーク放電による衝撃波によって各開口部６から中子砂を同時に掘り進めていく。

図１０に示すように、第１工程によって各電極部材４５が中子孔５に所定深さまで進入したとき、第２工程では、４つの電極部材４５のうちの３つについてはスイッチ４６をオフにし、残る１つの電極部材４５に対して電源装置１３からパルス電圧を印加する。このとき、コンデンサ１７の充電電圧を高くすることにより、アーク放電によって発生する衝撃波を強くする。

従って、強い衝撃波は１つの電極部材４５のみから発せられるから、中子孔４５の内部において圧力干渉を生ずることがない。すなわち、１つの電極部材４５から発生する圧力を、中子孔を通してパルス電圧の印加が停止された電極部材４５が存する開口部側に向かわせることができ。従って、中子砂の崩壊、排出が進みやすくなる。

１つの気筒について、その燃焼室４４まわりの開口部６から中子砂の除去を実行した後、次に上記４つの電極部材４５を別の気筒（例えば隣の気筒）の燃焼室４４まわりの４つの開口部６に移動させて、上記第１工程及び第２工程による中子砂の除去を実行する。このように第１工程及び第２工程を気筒毎に順に繰り返して、全気筒について中子砂の除去を行なう。

高圧側電極３１に対して中子孔５に進入した状態で高電圧を印加すると、シリンダヘッド４１の中子孔５の内周部と高圧側電極３１の外周部の間の一箇所（両者の間隔が狭くなった箇所）でアーク放電が発生し、衝撃波が放射される。そのとき、高圧側電極３１はアーク放電の発生箇所付近で衝撃力を受ける。

強い衝撃波を発生させるアーク放電回数が多くなってくると、片持ち支持になった高圧側電極３１が中子孔５内において上記衝撃力によりアーク放電発生箇所の反対側に変位する。

本実施形態の場合も、先のコア電極３１及び環状電極３２の組み合わせと同じく、高圧側電極３１の上記反対側への変位が大きくなると、当該反対側の高圧側電極３１の外周部と中子孔５の内周部の間隔が狭くなることにより、当該反対側においてアーク放電を生ずるようになる。その結果、高圧側電極３１は、今度は逆方向に衝撃力を受けるため、中子孔５の中心に近づくように上記反対側への変位が戻されていく。従って、ショット数が多くなっても、高圧側電極３１の外周部と中子孔５の内周部の間隔が広くなることはない。また、高圧側電極３１と棒状支持体３５は同心に設けられ、且つ高圧側電極３１の直径は棒状支持体６の直径よりも小さい。従って、中子孔５内では、棒状支持体３５の外周部が中子孔５の内周部に当たるため、高圧側電極３１がシリンダヘッド４１にショートすることは避けられる。

＜電極部材の他の例＞
図４及び図５に示す電極部材１１では、２つの電極、すなわち、高圧側のコア電極３１及び低圧側の環状電極３２各々の軸心を棒状支持体３５の長手方向に配向させているが、コア電極３１及び環状電極３２各々の軸心は棒状支持体３５の長手方向に対して直交する方向に配向させてもよい。

高圧側電極と低圧側電極によって電極部材を構成する場合、それらの電極形状は上記実施形態に限定しなければならないものではなく、一対の棒状又は板状の電極を平行に配置して電極部材とするなど、適宜の電極形状を採用することができる。

また、単一電極よりなる電極部材にあっても、その電極形状は、図１０に示す円板状又は円柱状に限らず、球状、棒状など適宜の形状にすることができる。

また、鋳造品の開口部から中子砂を掘り進めるときは、図４及び図５に示すような高圧側電極と低圧側電極を備えた電極部材を用い、図２において、電極部材を複数直列に接続してもよい。中子孔における開口部から所定深さの位置で強い衝撃波を発生させるときは、図１０に示すような単一電極の電極部材を用いるようにしてもよい。

１中子砂除去装置
３水槽
４鋳造品
５中子孔
６開口部
１１電極部材
１２電極移動装置
１３電源装置
３７中子砂
４１シリンダヘッド
４４燃焼室
４５電極部材

Claims

鋳造品を液中に浸漬させた状態で、該鋳造品の中子砂が詰まった中子孔からその中子砂をアーク放電によって発生する衝撃波によって崩壊させて除去する中子砂除去装置であって、
上記アーク放電を発生させるための電極部材と、
上記電極部材を上記鋳造品の表面に開口した上記中子孔の開口部に対向させ、該開口部から内部の中子砂の一部が上記衝撃波によって崩壊して排出されることに応じて上記電極部材を上記中子孔に進入させていく電極移動装置と、
上記電極部材に上記アーク放電のためのパルス電圧を印加し、且つ上記電極部材が上記開口部から所定深さまで進入したときに、上記衝撃波が強くなるように上記電極部材にパルス電圧を印加する電源装置とを備えていることを特徴とする中子砂除去装置。
請求項１において、
上記鋳造品は、各々該鋳造品の表面に開口し上記中子孔によって連通する複数の開口部を有するものであり、
上記電極部材を複数備え、
上記複数の電極部材が各々の対応する上記開口部から所定深さまで進入したときに、上記複数の電極部材のうちの一部の電極部材について上記衝撃波が強くなるように上記パルス電圧が印加され、残りの電極部材に対する上記パルス電圧の印加が停止されることを特徴とする中子砂除去装置。
鋳造品を液中に浸漬させた状態で、該鋳造品の中子砂が詰まった中子孔からその中子砂をアーク放電によって発生する衝撃波によって崩壊させて除去する中子砂除去方法であって、
電極部材を上記鋳造品の表面に開口した上記中子孔の開口部に対向させ、該電極部材にパルス電圧を印加して上記中子砂を上記アーク放電による衝撃波によって崩壊させながら、当該電極部材を上記中子孔に進入させていく第１工程と、
上記電極部材が上記開口部から所定深さまで進入したときに、上記電極部材によって発生させる上記衝撃波が強くなるようにする第２工程とを備えていることを特徴とする中子砂除去方法。
請求項３において、
上記鋳造品は多気筒エンジンのシリンダヘッドであり、
上記中子孔は該シリンダヘッドのウォータジャケットとなるものであり、
上記シリンダヘッドの下面には各気筒毎に上記ウォータジャケットとなる上記中子孔の開口部が設けられており、
上記シリンダヘッドの各気筒毎に順に上記第１工程及び上記第２工程を繰り返していくことを特徴とする中子砂除去方法。