JPWO2006054346A1 - 鋳型の製造装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

複雑形状の鋳型を安定した品質で得ることができる鋳型の製造装置および方法を提供する。この製造方法には、内部にキャビティを有するモールドと、蒸気供給ユニットと、キャビティへの蒸気吸気路と、複数の蒸気排出路と、蒸気排出路に配置され、キャビティから排出される蒸気量を調節する流量調整手段と、流量調整手段を制御する制御手段とを具備する装置が使用される。耐火骨材にバインダー樹脂を被覆してなるレジンコーテッドサンドを、加熱されたモールドのキャビティ内に充填した後、キャビティ内に過熱水蒸気を供給する。この際、キャビティ内に過熱水蒸気が均一に充填されるように流量調整手段が制御手段によって制御される。

Description

本発明は、鋳造に使用される鋳型の製造装置およびその製造方法に関するものである。

従来、耐火骨材に熱硬化性樹脂などの粘結剤を被覆してなるレジンコーテッドサンドを、加熱した金型のキャビティ内に吹き込み、粘結材を熱硬化させて鋳型を製造する方法が知られている。この方法によれば、高い生産性と安定した品質の鋳型の製造を行えるが、金型を高い温度に加熱する必要があり、フェノール樹脂等の粘結剤が硬化する際の急激な反応に伴ってアンモニアガスやホルムアルデヒドなどの有毒物質が発生し、作業環境の悪化を招くという問題があった。

これらの問題点を改善するため、例えば、日本公開特許公報2000-107835号に作業環境の悪化を防ぐとともに、より短時間で安定な鋳型を製造できる方法が開示されている。この方法は、レジンコーテッドサンドを金型内に充填した後、過熱水蒸気を金型内に吹き込むことで粘結剤を瞬時に硬化させることを特徴としており、金型に接していない内側のレジンコーテッドサンドに瞬時に蒸気の熱が伝わるため、金型の加熱温度を従来よりも低く設定しても短時間で鋳型を製造でき、有毒ガスの発生も大幅に低減できるという長所がある。

しかしながら、複雑形状の鋳型を製造する場合は、金型のキャビティに充填されたレジンコーテッドサンドの隅々にまで均一に過熱水蒸気を供給することが困難で、硬化不十分のために鋳型の品質にバラツキを生じる恐れがある。また、金型に充填されたレジンコーテッドサンドの空隙率が低い場合は、空隙率が高い場合よりも過熱水蒸気が通過し難く、充填されたレジンコーテッドサンドへの均一な熱供給を行い難いという問題もある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、作業環境の安全性と、高い製造効率を維持しながら、複雑形状の鋳型を製造する場合においても安定した品質の鋳型を得ることができる鋳型の製造方法を提供することにある。

すなわち、本発明の鋳型の製造装置は、以下の構成を含む：
内部にキャビティを有するモールド；
過熱水蒸気をキャビティ内に供給する蒸気供給手段；
前記キャビティから過熱水蒸気を排出する複数の蒸気排出路；
前記蒸気排出路の少なくとも１つに配置され、キャビティから排出される蒸気量を調節する流量調整手段；
キャビティ内に過熱水蒸気が均一に充填されるように流量調整手段を制御する制御手段。

本発明の製造装置において、蒸気排出路の各々の入口付近に温度センサーを配置し、制御手段は、温度センサーによって検出された温度が所定の温度範囲内となるように流量調整手段を制御することが好ましい。

また、流量調整手段は、電磁弁を含み、制御手段は電磁弁の開口量を制御することが好ましい。さらに、本発明の製造装置は、複数の蒸気排出路の少なくとも一つに接続される吸引ポンプを含み、制御手段は吸引ポンプの排気量を制御することが好ましい。

本発明の特に好ましい実施形態として、流量調整手段は、電磁弁を含み、複数の蒸気排出路が末端において合流することにより形成される排気口に吸引ポンプが接続され、制御手段は電磁弁の開口量及び吸引ポンプの排気量を制御する。この構成によれば、後述するように、本発明の目的をより効果的に達成することができる。

また、制御手段は、キャビティ内に充填されたレジンコーテッドサンドの空隙率に基づいて上記流量調整手段を制御することが好ましい。レジンコーテッドサンドの空隙率は、キャビティ内に充填されたレジンコーテッドサンドへの蒸気の浸透に大きな影響を及ぼすので、このパラメータに基づく制御は、キャビティ内における温度分布の均一性のさらなる改善に有効である。

本発明のさらなる目的は、上記目的を達成するための製造方法を提供することにある。すなわち、本発明の製造方法は、上記した製造装置を使用して、耐火骨材にバインダー樹脂を被覆してなるレジンコーテッドサンドを加熱されたモールドのキャビティ内に充填するステップと、前記レジンコーテッドサンドの硬化可能温度もしくはそれ以上の温度で、蒸気圧が1.5〜10kgf／cm^２の過熱水蒸気を前記キャビティ内に吹き込み、レジンコーテッドサンドを硬化させるステップとを含み、前記した硬化ステップにおいて、キャビティ内に過熱水蒸気が均一に充填されるように流量調整手段を制御手段によって制御することを特徴とする。

上記製造方法においては、制御手段による流量調整手段の制御パラーターが、蒸気排出路内の温度、およびキャビティに充填されたレジンコーテッドサンドの空隙率の少なくとも一つを含むことが好ましい。これらのパラメータを制御することにより、モールドのキャビティ内に信頼性よく均一な温度分布を提供することができる。

本発明のさらなる目的および効果は、以下の発明を実施するための最良の形態からより明確に理解することができる。

本発明の好ましい実施形態にかかる鋳型の製造装置の概略図である。 レジンコーテッドサンドの狭い粒度分布を示すグラフである。 狭い粒度分布を有するレジンコーテッドサンドの充填状態を示す概略図である。 レジンコーテッドサンドの広い粒度分布を示すグラフである。 広い粒度分布を有するレジンコーテッドサンドの充填状態を示す概略図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態に基づく鋳型の製造装置および製造方法について詳述する。

本実施形態の鋳型の製造装置は、図１に示すように、内部に所望の形状のキャビティ40を有するモールド1と、レジンコーテッドサンドをキャビティ内に供給するサンド供給ユニット3と、過熱水蒸気をキャビティ内に供給する蒸気供給ユニット7と、蒸気供給ユニット7から過熱水蒸気をキャビティ40内に供給する蒸気吸入路10と、キャビティから過熱水蒸気を排出する複数の蒸気排出路(20, 21, 22)と、蒸気排出路の各々に配置される電磁バルブ(30, 31, 32)と、蒸気排出路が末端において合流することにより形成される排気口に接続される吸引ポンプ5と、キャビティ内に過熱水蒸気が均一に充填されるように電磁バルブおよび吸引ポンプを制御する制御ユニット4とで主として構成される。図中、番号2は、キャビティ内に充填された、耐火骨材に熱硬化性樹脂などの粘結剤を被覆してなるレジンコーテッドサンドであり、番号60は、モールド加熱用のヒーターである。また、吸引ポンプの上流側には、必要に応じてサージタンクを設けてもよい。

モールドを構成する材料としては、金属材料や耐熱性樹脂材料を使用することができる。モールドの構造、形状については特に制約はない。例えば、複数のセグメント型により構成され、それらを一体に連結することで内部に所望の形状のキャビティを提供するモールドを用いることができる。図１に示すモールドは、上型と下型とに分割可能であり、上型と下型を連結した状態で内部にキャビティ40が形成される。

サンド供給ユニット3は、レール80上をスライドさせることによって、蒸気吸入路10に連結させることができる。蒸気吸入路10は、サンド供給ユニット3が連結される場合、レジンコーテッドサンド2をキャビティ40内に射出するためのサンド供給路として使用される。

蒸気供給ユニット7は、例えば、110℃〜180℃の温度の水蒸気を生成することができる蒸気発生器70と、蒸気発生器70から供給される蒸気の圧力を大幅に増加させることなく、蒸気温度を高めて過熱水蒸気を生成する加熱器72とを含む。蒸気の過熱にはマイクロ波を用いることが好ましい。尚、過熱水蒸気とは、飽和蒸気をさらに加熱してその飽和温度以上に高めたものとして定義され、本発明においては、蒸気圧が1.5〜10kgf／cm^２で、温度が150〜700℃、より好ましくは200〜600℃の過熱水蒸気をキャビティ内に供給することが好ましい。

尚、図１に示すように、セグメント型を連結することで内部にキャビティ40を形成する場合は、その連結部を介しての過熱水蒸気の逃げを防ぐため、連結部にシール材を設けることが好ましい。特に、モールドの連結部に発泡ゴムでなるシール材を配置可能な凹部を設けるとともに、シール材に空気を注入するための空気供給路を設けることが好ましい。この場合は、凹部に配置したシール材に空気供給路を介して空気を注入して膨張させ、膨張した発泡ゴムをセグメント型の連結面に押し当てることで、過熱水蒸気の逃げを効果的に防止することができる。また、周囲の作業環境を悪化させることなく安全に鋳型の製造を行なえる。

流量調整手段である電磁バルブ(31, 32, 33)の各々の開口量は、対応する蒸気排出路の入口付近に配置された温度センサー(50, 51, 52)の出力に基づいて制御ユニット4によって制御される。すなわち、各蒸気排出路に引き込まれる蒸気の量は、対応する電磁バルブの開口量に応じて増減する。したがって、複雑形状のキャビティの蒸気が到達し難い箇所に蒸気排出路を設け、蒸気排出路に設置した温度センサーによって検出された温度が所望の温度範囲内となるように電磁バルブの開口量を制御することにより、キャビティの隅々まで均一に蒸気を行き渡らせることができる。

また、キャビティ内に充填されたレジンコーテッドサンド2の空隙率を電磁バルブの制御パラメータに含めることが、キャビティ内に蒸気をより均一に充填する観点から好ましい。すなわち、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、レジンコーテッドサンド2の粒度分布が狭い場合は、充填されたレジンコーテッドサンドの粒子同士の間に比較的大きな間隙が形成されるので、空隙率が相対的に大きくなる。この場合、キャビティ内に供給された過熱水蒸気はこれらの空隙を介してレジンコーテッドサンド内に浸透しやすく、蒸気排出路20からの蒸気排出量が多くなるため、結果的に蒸気排出路21, 22に供給される蒸気量が減少する恐れがある。そこで、本発明においては、蒸気排出路20に配置された電磁バルブの開口量を減らすとともに、蒸気排出路21, 22に配置された電磁バルブの開口量を増やすようにこれらの電磁バルブの動作が制御ユニット4によって制御される。

一方、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、レジンコーテッドサンドの粒度分布が広い場合は、充填されたレジンコーテッドサンドの比較的大きな粒径の粒子間に粒径の小さな粒子が充填されるので、空隙率は相対的に小さくなる。この場合、キャビティ内に供給された過熱水蒸気はレジンコーテッドサンド内に浸透しにくくなり、レジンコーテッドサンドの粒度分布が狭い場合に比べて蒸気排出路20に配置された電磁バルブの開口量を大きくする必要がある。その結果、蒸気排出路21, 22からの蒸気排出量が少なくなる可能性があるので、吸引ポンプは排気量が大きくなるように制御される。要するに、蒸気排出路20の入口付近への蒸気の到達を確保するために、蒸気排出路20に配置された電磁バルブの開口量をやや大きくし、一方、蒸気排出路21, 22の入口に達する蒸気量を確保するために、蒸気排出路21, 22に配置された電磁バルブの開口量を十分に大きくするとともに、吸引ポンプの排気量を増やすように電磁バルブおよび吸引ポンプの動作が制御ユニット4によって制御される。

また、肉厚の鋳型を製造する場合、キャビティ内に充填されたレジンコーテッドサンドの中心部への熱供給が不十分となり、加熱されたモールドの内表面に接するレジンコーテッドサンドのみ硬化される恐れがある。従来は、この問題を解消するためにモールドとして金型を用いてこれを高温に加熱していたので、粘結剤が硬化する際の有毒ガスの発生による作業環境の悪化が避けられなかった。しかしながら、本発明によれば、強制的に蒸気排出路に蒸気を吸引することでキャビティ内に充填されたレジンコーテッドサンドの中心部へも迅速且つ均一に熱供給を行えるので、従来に比べてモールドを高温に加熱する必要がなく、より安全な作業環境の下で鋳型を製造できるとともに、金属以外の耐熱性樹脂材料製のモールドを使用することができる。結果として、モールドの設計自由度の増加と製造コストの低減を図れる。

尚、モールドに充填されたレジンコーテッドサンドの空隙率は、予備実験によって予め求めておき、この空隙率を制御ユニット4に設けた入力手段(図示せず)を介して入力することで、空隙率も加味して電磁バルブの開口量を決定することも好ましい。空隙率は、例えば、次の方法で測定した数値として定義される。

まず、200 mlのメスシリンダーに水：メタノール＝7：3(重量比)の混合溶液100 mlを入れ、これに別のメスシリンダーで測定したレジンコーテッドサンド100 mlを徐々に加えた後の密閉し、気泡が出なくなったのを確認した後メスシリンダーの液面を読み、この数値(M ml)と200 mlの目盛りとの差を空隙率とする。したがって、空隙率（%）＝200−Mと定義される。用いる溶液としては、上記水とメタノールの混合溶液の他に、水に界面活性剤を加えたものや、他の液体を使用してもよい。

上記した装置を用いた鋳型の製造方法について以下に詳細に説明する。まず、レジンコーテッドサンド2をサンド供給ユニット3により加熱されたモールド1内に充填する。レジンコーテッドサンドは、耐火骨材に熱硬化性樹脂などの粘結剤(バインダー樹脂)を被覆してなり、熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、イソシアネート化合物、アミンポリオール樹脂、ポリエーテルポリオール樹脂などを使用することができる。モールドの加熱温度は、使用するレジンコーテッドサンドの硬化可能温度もしくはそれ以上の温度とすることが好ましく、例えば、130℃〜200℃である。

次に、レジンコーテッドサンド2の硬化可能温度もしくはそれ以上の温度、好ましくは200〜600℃の温度で、蒸気圧が1.5〜10kgf／cm^２の過熱水蒸気を、蒸気供給ユニット7によりモールド1のキャビティ40内に吹き込み、レジンコーテッドサンドを硬化させる。吹き込まれた過熱水蒸気は、キャビティ内のレジンコーテッドサンドを硬化に必要な温度に均一に加熱した後、キャビティから蒸気排出路(20, 21, 22)を介して排出される。この際、キャビティ内に過熱水蒸気が均一に充填されるように電磁バルブ(30, 31, 32)および吸引ポンプ5が制御ユニット4によって制御される。

本発明によれば、過熱水蒸気を使用して、キャビティ内に供給された蒸気を複数箇所に設けられた蒸気排出路に強制的に吸引することで、キャビティ全体に均一に蒸気を行き渡らせることができるので、複雑な形状の鋳型を製造する場合であっても、鋳型の硬化処理に要する時間を大幅に短縮できるとともに、品質のバラツキを抑えて均質な鋳型を安定して供給することができる。また、上記した温度の過熱水蒸気を使用して熱硬化性樹脂粘結剤を硬化させるので、アンモニアやホルムアルデヒド、フェノールなどの有毒ガスの発生を顕著に低減することができる。また、仮に微量の有毒ガスが発生したとしても、蒸気に吸収されて排気されるので、作業環境を悪化させる臭気の発生を防ぐことができる。このように、作業環境の悪化を防止しながら、鋳型の製造効率の改善と歩留まりの向上を達成することができる。

過熱水蒸気の供給をレジンコーテッドサンドが硬化するまで継続した後、硬化したレジンコーテッドサンドでなる鋳型をモールドから取り出す。得られた鋳型内に水分が残留するのを防ぐために、後工程として鋳型を乾燥機によって乾燥しても良い。尚、本発明によれば、複雑な形状のキャビティ全体に均一に供給された蒸気は、蒸気排出路を介して強制的に除去され、鋳型の内部で蒸気が凝結しにくいので、この乾燥工程を省略することができる。

本実施形態においては、レジンコーテッドサンドおよび過熱蒸気を単一の供給路を介してキャビティ内に導入したが、キャビティの形状やサイズに応じて、複数の供給路を介してレジンコーテッドサンドおよび過熱蒸気をキャビティ内に導入しても良い。また、本実施形態においては、３つの蒸気排出路を有する装置について説明したが、キャビティの形状に応じて、２つもしくは４つ以上の蒸気排出路を適所に設けてもよい。また、電磁バルブは必ずしもすべての蒸気排出路に設ける必要はない。さらに、所定の蒸気排出路の末端にのみ吸引ポンプを設けてもよい。

実施例
（実施例１〜３および比較例１〜３）
以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

本実施例で使用するレジンコーテッドサンドを以下のようにして調製した。まず、反応容器にフェノールを680重量部、37％ホルマリンを680重量部、ヘキサメチルテトラミンを101重量部の混合物を入れ、約60分かけて70℃まで昇温し、そのまま5時間放置して反応させた。得られた反応生成物を100 Torrで90℃まで減圧脱水した後、冷却して軟化点が80℃のレゾール型フェノール樹脂を得た。

次に、145℃に加熱したフラッタリーサンド30 kgをワールミキサー入れ、上記のレゾール型フェノール樹脂を450 g加えて30秒間混練した。その後、450 gの水を添加し、砂粒が崩壊するまで混練した。さらに、ステアリン酸カルシウム30 gを添加して30秒間混練した後、エアレーションを行って樹脂量が重量比で1.5 %のレジンコーテッドサンドを得た。このレジンコーテッドサンドの空隙率は42 %であった。

鋳型の製造には図１の装置を用いた。160℃に加熱した金型1のキャビティ40に、蒸気吸入路10に接続したサンド供給ユニット3から上記したレジンコーテッドサンド2を2.5 MPaの圧力で射出した。次に、サンド供給ユニット3を蒸気吸入路10から分離し、蒸気供給ユニット7を蒸気吸入路10に接続した。蒸気発生器70により7 kgf/cm²の圧力下で165℃の飽和水蒸気を生成し、加熱器72を用いて飽和水蒸気を過熱して400℃の過熱蒸気を得た。この過熱蒸気をレジンコーテッドサンドが充填された金型1のキャビティ40内に10、20、30秒間供給して鋳型を製造した。尚、比較例１〜３においては、キャビティ形状が同じであるが、流量調整手段である電磁弁、吸引ポンプおよび制御ユニットを有していない装置を使用して鋳型を製造した。

表１に各蒸気排出路(20, 21, 22)の入口付近の温度および金型から取り出した鋳型の評価結果を示す。鋳型の評価基準として、”○”は良好な鋳型であることを示し、”△”は、鋳型の一部に未硬化部分を有することを示し、”×”は鋳型として使用不能であることを示している。

実施例１〜３においては、蒸気排出路の温度が比較的均一であり、蒸気の供給時間が短い場合でもキャビティ内を均一に加熱することができ、品質の安定した鋳型を製造することができた。これに対して、比較例１〜３においては、蒸気排出路への蒸気の吸引が制御されていないので、蒸気排出路21, 22の入口付近の温度が低く、蒸気供給時間を長くすれば品質の若干の改善が見られるものの、蒸気の供給時間が短い場合にはキャビティ内の不均一な温度分布に起因して鋳型の不良が発生した。

このように、本実施例の結果は、複雑形状を有する鋳型を短時間の蒸気供給によって安定して製造できることを示している。

（実施例４〜６および比較例４〜６）
実施例１〜３で使用したフラッタリーサンドの代わりに、ユニミン90を用いた以外は、実施例１〜３と同様にしてレジンコーテッドサンドを調製した。尚、このレジンコーテッドサンドの空隙率は37 %であった。このレジンコーテッドサンドを用い、実施例１〜３と同様にして鋳型を製造した。同様に、このレジンコーテッドサンドを用い、比較例１〜３と同様にして鋳型を製造した。結果を表２に示す。

本発明によれば、蒸気排出路の温度が比較的均一に制御してキャビティ内を均一に加熱することができので、空隙率のより小さいレジンコーテッドサンドを使用したにもかかわらず、品質の安定した鋳型を製造することができた。一方、比較例４〜６においては、レジンコーテッドサンドの空隙率の低下により、キャビティ内の温度分布が不均一になるとともに、上記供給時間を最も長くしても、蒸気排出路21, 22付近の温度を十分に高めることができず、結果的に今回採用した蒸気供給時間内では使用可能な鋳型を製造することができなかった。

このように、本実施例の結果は、空隙率が低いレジンコーテッドサンドを使用した場合でも、複雑形状を有する鋳型を短時間の蒸気供給によって効率よく製造できることを示している。

上記したように、本発明は、複雑形状の鋳型を製造する場合に、入り組んだ箇所への過熱水蒸気の供給量を増加させることにより、モールド内のレジンコーテッドサンドを均一に硬化できるという格別の効果を奏する。また、日本公開特許公報2000-107835号に記載された高温の過熱水蒸気を用いた鋳型の製造方法によってもたらされる長所を損なうことなく、種々の形状の鋳型製造に柔軟に対処することができ、品質のバラツキの少ない鋳型を安定に且つ効率よく製造することができる。このように、本発明は、過熱水蒸気を用いた鋳型の製造方法のさらなる利用の拡大をもたらすと期待される。

Claims (10)

1. 以下の構成を含む鋳型の製造装置：
   内部にキャビティを有するモールド；
   過熱水蒸気をキャビティ内に供給する蒸気供給手段；
   前記キャビティから過熱水蒸気を排出する複数の蒸気排出路；
   前記複数の蒸気排出路の少なくとも１つに配置され、キャビティから排出される蒸気量を調節する流量調整手段；
   キャビティ内に過熱水蒸気が均一に充填されるように流量調整手段を制御する制御手段。
2. 請求項１に記載の製造装置は、上記排出路の各々の入口付近に配置された温度センサーを含み、上記制御手段は、前記温度センサーによって検出された温度が所定の温度範囲内となるように上記流量調整手段を制御する。
3. 請求項１に記載の製造装置において、上記流量調整手段は、電磁弁を含み、制御手段は電磁弁の開口量を制御する。
4. 請求項１に記載の製造装置は、上記複数の蒸気排出路の少なくとも一つに接続される吸引ポンプを含み、制御手段は吸引ポンプの排気量を制御する。
5. 請求項１に記載の製造装置において、上記流量調整手段は、電磁弁を含み、上記複数の蒸気排出路が末端において合流することにより形成される排気口に吸引ポンプが接続され、前記制御手段は電磁弁の開口量及び吸引ポンプの排気量を制御する。
6. 請求項１に記載の製造装置において、上記制御手段は、キャビティ内に充填されたレジンコーテッドサンドの空隙率に基づいて上記流量調整手段を制御する。
7. 内部にキャビティを有するモールドと、過熱水蒸気をキャビティ内に供給する蒸気供給手段と、前記キャビティから過熱水蒸気を排出する複数の蒸気排出路と、前記複数の蒸気排出路の少なくとも１つに配置され、キャビティから排出される蒸気量を調節する流量調整手段と、前記流量調整手段を制御する制御手段とを具備する装置を用いた鋳型の製造方法であって、前記製造方法は、耐火骨材にバインダー樹脂を被覆してなるレジンコーテッドサンドを加熱されたモールドのキャビティ内に充填するステップと、前記レジンコーテッドサンドの硬化可能温度もしくはそれ以上の温度で、蒸気圧が1.5〜10kgf／cm^２の過熱水蒸気を前記キャビティ内に吹き込み、前記レジンコーテッドサンドを硬化させるステップとを含み、しかるに、前記硬化ステップにおいて、前記キャビティ内に過熱水蒸気が均一に充填されるように流量調整手段が制御手段によって制御される。
8. 請求項７に記載の製造方法において、上記装置は、上記排出路の各々の入口付近に配置された温度センサーを含み、上記制御手段は、前記温度センサーによって検出された温度が所定の温度範囲内となるように上記流量調整手段を制御する。
9. 請求項７に記載の製造方法において、上記装置は、複数の蒸気排出路の少なくとも一つに接続される吸引ポンプを含み、上記制御手段は、吸引ポンプの排気量を制御する。
10. 請求項７に記載の製造方法において、上記制御手段による流量調整手段の制御パラーターは、蒸気排出路内の温度、およびキャビティに充填されたレジンコーテッドサンドの空隙率の少なくとも一つを含む。

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