JP6474031B2 - 鋳造装置及び鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、保持炉の溶湯を、ストークを介して成形型に充填する構造を備えた鋳造装置及び鋳造方法に関するものである。

従来において、保持炉、ストーク及び成形型を備えた鋳造装置は、代表的には低圧鋳造装置であり、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の鋳造装置は、溶湯を蓄えた保持炉の上部に成形型を配置すると共に、保持炉と成形型のキャビティとをストークで連通させた構造である。この鋳造装置は、保持炉の内部空間を空気等で加圧することで、ストークを介して成形型のキャビティに溶湯を加圧充填し、溶湯が凝固した後、成形型を開放して成形品（鋳造品）の取り出しを行うこととなる。

特開平１１−３００４６４号公報

ところが、上記したような鋳造装置では、ストーク内において、溶湯が広い範囲を頻繁に上下動することで、湯面に酸化被膜が繰り返し生成され、その酸化被膜が蓄積される。この酸化被膜は、キャビティに入ると、湯廻り不良や引け巣の原因になるだけでなく、材料特性や実体強度を著しく低下させる原因になる。

また、従来の鋳造装置では、保持炉内の溶湯の使用量に応じて、その減じた高さ分に相当する加圧力（保持炉の内部空間の加圧力）を補正しながら溶湯の充填を行うことで、繰り返し鋳造しても溶湯を充填する時間及び圧力を一定に保つようにしている。ところが、従来の鋳造装置では、溶湯の充填制御の精度が低く、湯流れにばらつきが生じて品質に影響を及ぼす虞があることから、溶湯の充填制御の高精度化が要望されていた。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、ストーク内における溶湯の湯面に発生する酸化被膜の量を抑制することができると共に、溶湯の充填制御の高精度化を実現することができる鋳造装置及び鋳造方法を提供することを目的としている。

本発明に係わる鋳造装置は、保持炉内に蓄えた溶湯を、ストークを介して成形型のキャビティに充填する構造を有するものである。そして、鋳造装置は、ストークに、その内部の溶湯に対してキャビティ内への推力を付与する電磁ポンプを備え、前記ストーク内の湯面の位置を検出するための第１湯面センサと、前記成形型を開放した状態において前記ストーク内の湯面の位置を検出するための第２湯面センサとを備え、前記第２湯面センサが、非接触式のセンサであって、離型した成形品が載置されるパレットの下面に取り付けてあるた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わる鋳造方法は、上記の鋳造装置を用いて鋳造を行うに際し、電磁ポンプにより成形型のキャビティに溶湯を充填した後、電磁ポンプを制御してストーク内の溶湯の湯面を湯口の下側近傍の位置で保持し、その後、次の鋳造工程に移行することを特徴としている。

本発明に係わる鋳造装置では、電磁ポンプにより成形型のキャビティに溶湯を充填した後、電磁ポンプを制御してストーク内の溶湯の湯面を湯口の下側近傍の位置で保持することが可能であり、ストーク内の湯面の位置を検出するセンサとして第１湯面センサ及び非接触式の第２湯面センサを備えると共に、電磁ポンプを電気的に制御するので、湯面の位置を正確に保持することが容易である。これにより、鋳造装置は、ストーク内における溶湯の湯面の上下動範囲を小さくして湯面の乱れを防止することで、湯面に発生する酸化被膜の量を大幅に抑制することができると共に、溶湯の充填制御の高精度化を実現することができる。

本発明に係わる鋳造方法によれば、ストーク内における溶湯の湯面に発生する酸化被膜の量を抑制することができると共に、溶湯の充填制御の高精度化を図ることができる。

本発明に係わる鋳造装置の第１実施形態を示す説明図である。 鋳造工程を順に説明する各々断面図（Ａ）〜（Ｅ）である。 電磁ポンプの推力及びキャビティ内の圧力の変化を示すグラフである。 本発明に係わる鋳造装置の第２実施形態を示す説明図である。 本発明に係わる鋳造装置の第３実施形態を示す説明図である。

〈第１実施形態〉
図１に示す鋳造装置１は、基盤２により保持された成形型３と、成形型３の下側に配置した保持炉４と、保持炉４に蓄えた溶湯５を成形型３のキャビティ６に充填するためのストーク７とを備えている。そして、鋳造装置１は、ストーク７に、その内部の溶湯５に対してキャビティ６内への推力を付与する電磁ポンプ８を備えている。

図示例の成形型（金型・鋳型）３は、基盤２に固定した下型３Ｌと、下型３Ｌに対向して昇降可能な上型３Ｕと、下型３Ｌと上型３Ｕの間に配置した中型３Ｍとを備え、これらの間で成形空間としてのキャビティ６を形成する。下型３Ｌは、ストーク７の上側に連通する湯口９を備えている。

また、鋳造装置１は、基盤２上で成形型３を覆うチャンバー１０と、成形型３のキャビティ６内を減圧する吸引装置１１を備えている。チャンバー１０は、開閉可能な上下のハウジング１０Ｕ，１０Ｌで構成されており、上部ハウジング１０Ｕと、成形型３の上型３Ｕとが一体化してある。

吸引装置１１は、チャンバー１０の上側のハウジング１０Ｕを貫通する配管１１Ａと、減圧制御弁１１Ｂと、真空タンク等で構成された吸引源１１Ｃなどを備えている。この吸引装置１１は、チャンバー１０内を吸引することにより、成形型３の各型の隙間を通してキャビティ６内を吸引する。つまり、この実施形態の吸引装置１１は、チャンバー１０を介してキャビティ６内を減圧させるものとなっている。

保持炉４は、上方への開放部４Ａを備えると共に、この開放部４Ａにおいてストーク７の上部を保持しており、そのほか、溶湯５を加熱するためのヒーター（図示せず）などを備えている。

ストーク７は、下端部が保持炉４内の溶湯５に没していると共に、先述したように上端部が成形型３の湯口９に連通しており、外周部に電磁ポンプ８が設けてある。電磁ポンプ８は、図示しないコアを備え、溶湯５とコアとの間に移動磁界を生じさせて溶湯５にキャビティ方向（上方向）の推力を付与するものである。また、電磁ポンプ８は、その駆動装置として、電源等で構成される駆動源８Ａ、電力調整器８Ｂ、及び瞬間電力センサ８Ｃなどを備えている。

上記の鋳造装置１は、第１〜第３の湯面センサＳ１〜Ｓ３と、これらのセンサＳ１〜Ｓ３の検出データに基づいて電磁ポンプ８を制御するポンプ制御装置１２を備えている。

第１湯面センサＳ１は、ストーク７内の湯面の位置を検出するためのものであって、成形型３の下型３Ｌの下面に取り付けられている。よって、第１湯面センサＳ１は、ストーク７の上部、すなわち湯口９の下側近傍の位置で湯面を検出するものである。この第１湯面センサＳ１は、溶湯５に浸漬しても繰り返し使用可能な接触式のセンサであって、高さを異ならせた２つの検出部Ｓａ，Ｓｂを備えている。

第２湯面センサＳ２は、成形型３を開放した状態においてストーク７内の湯面の位置を検出するためのものであって、離型した成形品（鋳造品）Ｆを載置するパレットＰの下面に取り付けられている。この第２湯面センサＳ２は、熱影響の少ない位置から高精度の検出を行うもので、例えばレーザーを用いた非接触式のセンサである。なお、図示の成形品Ｆは、成形時に使用した中子５０を有している。

第３湯面センサＳ３は、保持炉４内の湯面の位置を検出するためのものであって、保持炉４の内側上部に取り付けられている。この第３湯面センサＳ３は、高温の保持炉４内においても繰り返し使用可能な非接触式のセンサである。

ポンプ制御装置１２は、コンピュータであって、第１湯面センサＳ１の検出データに基づいて電磁ポンプ８を制御する。具体的には、ポンプ制御装置１２は、第１湯面センサＳ１の検出データや瞬間電力センサ８Ｃの検出データに基づいて、電磁ポンプ８の電力調整器８Ｂを調整し、電磁ポンプ８による推力を増減させる制御を行う。換言すれば、電磁ポンプ８による推力が増減するように、電力調整器８Ｂを調整する。

ここで、この実施形態の鋳造装置１では、高さが異なる２つの検出部Ｓａ，Ｓｂを備えた第１湯面センサＳ１を用いているので、この第１湯面センサＳ１の検出データに基づいて電磁ポンプ８による推力を調整することにより、ストーク７内における溶湯５の湯面を上下の検出部Ｓａ，Ｓｂ間の位置、すなわち湯口９の下側近傍の位置に保持する制御が可能である。

さらに、ポンプ制御装置１２は、第２湯面センサＳ２の検出データに基づいて、保持炉４内の湯面の位置や、成形型３を開放した状態でのストーク７内の湯面の位置を算出し、これらの算出結果に基づいて電磁ポンプ８の制御の補正を行う。この際、第２湯面センサＳ２の検出データに加えて、第３湯面センサＳ３の検出データを用いることもできる。

次に、図２及び図３に基づいて、上記の鋳造装置１を用いた鋳造方法を説明する。
まず、図２（Ａ）に示すように保持炉４に溶湯５を充填し、成形型３には中子５０をセットして、同成形型３を閉じる。この際、チャンバー１０も閉じられる。

その後、図２（Ｂ）に示すように、電磁ポンプ８に電力を供給してストーク７内の溶湯５に推力を付与し、溶湯５が湯口９付近にまで押し上げられたところで、吸引装置１１によりチャンバー１０を通してキャビティ６内を減圧し（図３中の符号Ｋ１）、同キャビティ６に溶湯５を充填する。また、溶湯５の充填が完了したところで、吸引装置１１の作動を停止し（図３中の符号Ｋ２）、湯口９内の溶湯５が凝固するまで電磁ポンプ８による加圧を継続する（図３中の符号Ｋ３）。

次に、図２（Ｃ）に示すように、湯口９内の凝固が完了したところで、ポンプ制御手段１２により電磁ポンプ８に供給する電力を徐々に下げ、これにより推力を下げて（図３中の符号Ｋ４）、ストーク７内の湯面を下げる。この際、ポンプ制御手段１２は、第１湯面センサＳ１の上下の検出部Ｓａ，Ｓｂからの検出データに基づいて、上下の検出部Ｓａ，Ｓｂ間の領域に湯面が移動するように、電磁ポンプ８に供給する電力を調整する（図３中の符号Ｋ５）。この工程では、ストーク７内における溶湯５の移動距離が従来に比べて著しく短くなるので、溶湯５の湯面における酸化被膜の生成量が著しく少なくなる。

その後、図２（Ｄ）に示すように、成形型３を開放し、中子５０を含む成形品Ｆを取り出したところで、第２湯面センサＳ２の検出データに基づいてストーク７内の湯面の高さ補正を行う（図３中の符号Ｋ６）。つまり、この鋳造装置１では、上下の検出部Ｓａ，Ｓｂから成る第１湯面センサＳ１によりストーク７内の湯面の位置をラフに検出し、成形型３を開放した後、第２湯面センサＳ２で湯面の位置を高精度に検出することで、湯面の高さ補正を行う。

上記の第２湯面センサＳ２は、高温や粉塵などの厳しい環境から距離を隔てて短時間で使用するので、高精度の測定機器を使用することが可能であり、パレットＰ等のように一定動作を繰り返す取り出し装置に設ければ、測定作業がより安定し、一連の鋳造工程中で測定作業を行うことが可能である。この第２湯面センサＳ２の検出データをポンプ制御装置１２にフィードバックすることで、毎ショットの度に、ストーク７内の湯面を同じ高さに保持することができる。

そして、図２（Ｅ）に示すように、成形型３に中子５０をセットし、２ショット目の鋳造を行う（図３中の符号Ｋ７〜Ｋ９）。この際、鋳造装置１では、ストーク７内の溶湯５が湯口９の下側近傍の位置に保持されているので、キャビティ６内への溶湯５の充填が速やかに行われる。また、ストーク７内の湯面の高さを高精度で補正しているので、毎ショットの度に、加圧及び吸引の制御の時間が一定となるために、キャビティ６内での溶湯５の流れが安定する。

さらに、鋳造装置１では、第３湯面センサＳ３により保持炉４内における溶湯５の湯面の位置（高さ）を検出して、溶湯５の残量を常に把握している。これにより、保持炉４内には、成形品Ｆとほぼ同等の体積の空気しか流入しないために、湿度の高い時期であっても、保持炉４内の溶湯に水分が入ることで生じる水素量の増加も低く抑えられ、ピンホールや引け巣といった鋳造欠陥の発生も抑制できる。

上記実施形態で説明した鋳造装置１は、電磁ポンプ８により成形型３のキャビティ６に溶湯５を充填した後、電磁ポンプ８を制御してストーク７内の溶湯５の湯面を湯口９の下側近傍の位置で保持することが可能である。また、電磁ポンプ８を電気的に制御するので、湯面の位置を正確に保持することが容易である。

これにより、鋳造装置１は、ストーク７内における溶湯５の湯面の上下動範囲を小さくして湯面の乱れを防止することで、湯面に発生する酸化被膜の量を大幅に抑制することができると共に、溶湯５の充填制御の高精度化を実現することができる。しかも、鋳造装置１は、ストーク７内での溶湯５の移動量が小さいので、酸化被膜の生成量の低減により、成形品の品質向上や鋳造のサイクルタイムの短縮化に貢献することができる。

また、上記実施形態で説明した鋳造方法によれば、ストーク７内における溶湯５の湯面に発生する酸化被膜の量を抑制することができると共に、溶湯５の充填制御の高精度化を図ることができる。

さらに、上記の鋳造装置１は、ストーク７内の湯面の位置を検出するための第１湯面センサＳ１と、第１湯面センサＳ１の検出データに基づいて電磁ポンプ８を制御するポンプ制御装置１２を備えているので、簡単な構成でストーク７内の湯面の位置制御を行うことができる。

さらに、上記の鋳造装置１は、成形型３を開放した状態においてストーク７内の湯面の位置を検出するための第２湯面センサＳ２を備え、ポンプ制御装置１２が、第２湯面センサＳ２の検出データに基づいて、電磁ポンプ８の制御の補正を行うので、保持炉４の溶湯５の量の変動を受けることなく、キャビティ６への溶湯５の充填時間が安定する。

さらに、上記の鋳造装置１は、成形型３のキャビティ６内を減圧する吸引装置１１を備えているので、キャビティ６における充填挙動が安定して湯流れ性が良好になり、充填時間も安定することから、成形品Ｆが薄肉物である場合でも高品質に成形し得る。

図４及び図５は、本発明の鋳造装置及び鋳造方法の第２及び第３の実施形態を説明する図である。なお、以下の実施形態において、第１実施形態と同じ構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

〈第２実施形態〉
図４に示す鋳造装置は、電磁ポンプ８を設けたストーク７を複数（図示例では２つ）備え、ポンプ制御装置１２が、各ストーク７の電磁ポンプ８を個別に制御するものとなっている。このため、成形型３は、個々のストーク７に対応した湯口９を備えている。各電磁ポンプ８は、その駆動装置として、電力調整器８Ｂ及び瞬間電力センサ８Ｃを個別に備えると共に、共通の駆動源Ａを備えている。

上記構成を備えた鋳造装置１は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができると共に、各電磁ポンプ８の推力調整による溶湯５の供給量調整は、応答性が高く、短い充填時間内でも自由に供給量を調整できるため、キャビティ６内の溶湯５の流れるパターンをコントロールすることができ、エアロックによる湯境等の不良発生を抑制することができる。

また、鋳造装置１は、湯口のゲート断面積等で固定的にキャビティ内の溶湯の流れるパターンをコントロールする方法に対して、湯口９のゲート部の凝固時間差等の制約に縛られることなく、充填時間内に各ストーク７間の流量比を大きく変化させることも可能であり、コントロールの自由度が大きいものとなる。

〈第３実施形態〉
図５に示す鋳造装置１は、ストーク７の軸線方向において、複数（図示例では２つ）の電磁ポンプ８，８を配置した構成になっている。また、図示の鋳造装置は、保持炉４内を加圧する加圧装置１３を備えている。

図示例の鋳造装置１では、保持炉４の外部に延出したストーク７の上端部に上側の電磁ポンプ８を配置し、保持炉４内において、ストーク７の下端部に下側の電磁ポンプ（点線で示す）８を配置している。これらの電磁ポンプ８は、第２実施形態と同様に、共有のポンプ制御装置１２により制御することができる。

加圧装置１３は、供給側装置１４と排気側装置１５とで構成されており、ポンプ制御装置１２により制御される。なお、ポンプ制御装置１２は、先述したようにコンピュータであるから、電磁ポンプ８以外の制御を行うことも可能であり、システム制御装置としての機能を有する。

供給側装置１４は、配管１４Ａと、ポンプ制御装置１２により制御される電空比例弁１４Ｂと、配管１４Ａにおいて並列に配置した２系統のボリュームブースター１４Ｃ，１４Ｃ及び給気弁１４Ｄ，１４Ｄと、加圧流体（空気）の供給源１４Ｅを備えている。供給側装置１４に関しては、ポンプ制御装置１２において、第１〜第３の湯面センサＳ１〜Ｓ３の検出データが用いられる。

他方、排気側装置１５は、配管１５Ａと、配管１５Ａにおいて並列に配置した２つの排気弁１５Ｂ，１５Ｂとを備えている。この排出側装置１５に関しては、ポンプ制御装置１２において、第１及び第３の湯面センサＳ１，Ｓ３の検出データが用いられる。なお、上記の加圧装置１３を備えた構成においては、保持炉４に、２つの圧力センサＰＳ１，ＰＳ２及び圧力計ＰＩが設けてある。

上記構成を備えた鋳造装置１は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができると共に、夫々の電磁ポンプ８を、設置する雰囲気の温度に応じた耐熱性の部品で構成することができ、装置の費用を抑えることができる。この実施形態では、上側の電磁ポンプ８には、下側の電磁ポンプ８よりも耐熱性の低いものを用いることができる。

また、鋳造装置１は、加圧装置１３を備えているので、この加圧装置１３及び上側の電磁ポンプ８により、溶湯５をキャビティ６に充填することができる。つまり、加圧装置１３により保持炉４の内部空間を加圧して、ストーク７の溶湯５を電磁ポンプ８の位置まで上昇させれば、電磁ポンプ８により溶湯５をキャビティ６に充填することができる。

上記加圧装置１３を採用した場合には、下側の電磁ポンプ８を不要にすることができ、保持炉４の外側に配置した上側の電磁ポンプ８のみで構わない。これにより、電磁ポンプ８の一部又は全体が溶湯５に浸漬され続けることがないので、電磁ポンプ８の曝される平均温度が低くなる。その結果、電磁ポンプ８に関しては、寿命を長くすることができるほか、耐熱性の高くない部品を使用して安価に得ることができ、故障時のメンテナンス性も向上する。

本発明に係わる鋳造装置及び鋳造方法は、その具体的構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。

１ 鋳造装置
３ 成形型
４ 保持炉
５ 溶湯
６ キャビティ
７ ストーク
８ 電磁ポンプ
９ 湯口
１１ 吸引装置
１２ ポンプ制御装置
１３ 加圧装置
Ｓ１ 第１湯面センサ
Ｓ２ 第２湯面センサ

Claims (8)

1. 保持炉内に蓄えた溶湯を、ストークを介して成形型のキャビティに充填する鋳造装置において、ストークに、その内部の溶湯に対してキャビティ内への推力を付与する電磁ポンプを備え、
   前記ストーク内の湯面の位置を検出するための第１湯面センサと、
   前記成形型を開放した状態において前記ストーク内の湯面の位置を検出するための第２湯面センサとを備え、
   前記第２湯面センサが、非接触式のセンサであって、離型した成形品が載置されるパレットの下面に取り付けてあることを特徴とする鋳造装置。
   
2. 第１湯面センサの検出データに基づいて電磁ポンプを制御するポンプ制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
   
3. ポンプ制御装置が、第２湯面センサの検出データに基づいて、電磁ポンプの制御の補正を行うことを特徴とする請求項２に記載の鋳造装置。
   
4. 成形型のキャビティ内を減圧する吸引装置を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳造装置。
5. 電磁ポンプを設けたストークを複数備え、
   ポンプ制御装置が、各ストークの電磁ポンプを個別に制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋳造装置。
6. ストークの軸線方向において、複数の電磁ポンプを配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋳造装置。
7. 保持炉内を加圧する加圧装置を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋳造装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の鋳造装置を用いて鋳造を行うに際し、
   電磁ポンプにより成形型のキャビティに溶湯を充填した後、電磁ポンプの推力制御によりストーク内の溶湯の湯面を湯口の下側近傍の位置で保持し、その後、次の鋳造工程に移行することを特徴とする鋳造方法。

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