JP5061964B2 - 加圧鋳造金型及びその温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、加圧鋳造金型及びその温度制御方法に関するものである。

ダイカスト鋳造法において、凝固過程で生じる鋳造品の引け巣欠陥を抑制するために、射出プランジャー或いは局部スクイズといった加圧手段を用いて溶湯の圧力を高めることがしばしば行われる。しかしながら、圧力を高めることは設備及び金型の大型化と費用の増大を招くため、このように圧力を高めることなく引け巣欠陥を抑制する技法が求められており、そのような技法の一つとして、湯口から遠い湯先部分若しくは先端部分から湯口へ向けて鋳物を順次凝固させる指向性凝固が知られている。この指向性凝固を実現するために金型又は鋳型を冷却又は加熱する技術が特許文献１及び２に記載されている。

特許文献１には、低圧鋳造用金型の冷却方法が記載されており、この方法は、指向性凝固を進行させる方向に沿って複数の温度センサを設置し、かつ金型の特定の部分の外側に複数の金型冷却手段を設置し、金型冷却手段を選択的に作動させて、各温度センサの検出温度が所定の温度勾配を有するようにフィードバック制御するものである。

特許文献２には、精密鋳造の指向性凝固方法が記載されており、この方法は、上部に湯口が設けられたほぼ円筒状の一つの鋳型の上中下の３つの領域にそれぞれヒータを設け、各ヒータの温度を上から例えば１３００℃、１０００℃、８００℃に設定することにより、下方から上方への指向性凝固を促進するものである。

特開２０００−６１６１０号公報 特開平１１−５７９８４号公報

特許文献１及び２に記載されたいずれの方法も、鋳型（金型）に温度分布又は温度勾配を能動的に付与することが可能であるが、特に鋳物の肉厚の変化が激しい場合には、連続体である鋳型の温度分布を、指向性凝固を実現する所望の分布に設定することが困難であると考えられる。

本発明は前述した従来技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、加圧鋳造法において、指向性凝固を促進する金型及び金型温度の制御方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を達成するための技術的手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の金型及び金型温度の制御方法を提供する。

請求項１に記載された発明は、加圧鋳造用金型（１）であって、該金型（１）に配設された少なくとも一つの加熱手段（１４）及び／又は冷却手段（１５）と、加熱手段（１４）及び／又は冷却手段（１５）が配設された金型の領域を少なくとも部分的に区画する少なくとも一つの断熱層（１７）とを具備することを特徴としている。

金型（１）に断熱層（１７）を設けることによって、断熱層（１７）によって区画された金型の領域間の熱の移動が抑制され、その結果金型の各領域に対して、より熱的に独立した温度調節が可能になる。かくして、金型の温度変化の勾配を大きくすることも可能となり、指向性凝固が進行し難い例えば肉厚の急変部が存在する鋳物に対しても適切な金型温度を設定することが可能になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の加圧鋳造用金型（１）が、断熱層（１７）に沿って分割可能な複数の金型要素（Ｄｔｎ，Ｄｂｎ）を含むことを特徴としている。このように金型を分割することにより断熱層（１７）の配置の自由度を高めることが可能になる。

前記断熱層（１７）は、空気の層又はセラミック材料の層から形成されてよい。

請求項５に記載の発明は、加圧鋳造用金型（１）に配設された少なくとも一つの加熱手段（１４）及び／又は冷却手段（１５）と、加熱手段（１４）及び／又は冷却手段（１５）が配設された金型の領域を少なくとも部分的に区画する少なくとも一つの断熱層（１７）とを具備する加圧鋳造用金型（１）の温度制御方法が、断熱層（１７）を含んで延びる仮想金型分割面（２１）によって金型（１）を複数の金型要素（Ｄｔｎ，Ｄｂｎ）へ仮想的に分割する段階と、複数の金型要素（Ｄｔｎ，Ｄｂｎ）の各々に対して、指向性凝固を実現するための金型要素温度（Ｔｄｎ）を設定する段階と、設定された金型要素温度（Ｔｄｎ）を達成するように、少なくとも一つの加熱手段（１４）及び／又は冷却手段（１５）の発熱量及び／又は吸熱量を調節する段階と、を含むことを特徴としている。

仮想的に分割された金型要素（Ｄｔｎ，Ｄｂｎ）は、加熱手段（１４）及び／又は冷却手段（１５）が配設され且つ断熱層によって実際に区画された金型の領域に一致するので、各金型要素（Ｄｔｎ，Ｄｂｎ）の温度調節が容易になると共に、隣接する金型要素との間の温度変化の勾配を大きくすることも可能になる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の温度制御方法において、前記金型要素温度（Ｔｄｎ）を設定する段階が、金型（１）により形成される鋳物（１０）を、前記仮想金型分割面（２１）に連続する仮想鋳物分割面（２０）によって、複数の鋳物要素（Ｃｎ）へ仮想的に分割する段階と、前記複数の鋳物要素（Ｃｎ）の各々について、溶湯の温度（Ｔｃｎ）を予測する段階と、前記複数の鋳物要素（Ｃｎ）の各々について、指向性凝固を実現するための凝固時間（ｔｎ）を設定する段階と、前記複数の鋳物要素（Ｃｎ）の各々について、凝固するまでに必要な抜熱量（Ｑｎ）を計算する段階と、前記複数の鋳物要素（Ｃｎ）に接する前記複数の金型要素（Ｄｔｎ，Ｄｂｎ）の各々について、下式から前記金型要素温度（Ｔｄｎ）を求める段階と、から構成されることを特徴としている。
（Ｔｃｎ−Ｔｄｎ）・ｋｎ＝Ｑｎ／ｔｎ
但し上記式中のｋｎは、各鋳物要素（Ｃｎ）と金型要素（Ｄｔｎ，Ｄｂｎ）との間の伝熱面積（Ｓｎ）に溶湯の熱伝達率を乗じた係数である。

これにより、各鋳物要素の抜熱量は各鋳物要素の体積、伝熱面積、及び温度から求めることができるので、指向性凝固を実現するための各金型要素温度をより高精度に求めることが可能になる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本明細書で用いられる用語の「加圧鋳造法」は、溶湯圧力が高圧（ＭＰａオーダー）で溶湯の注入速度が高速（ｍ／ｓｅｃオーダー）のダイカスト法、高圧低速のスクイズキャスティング法及び低圧鋳造法等も含んでいる。

本発明の第１の実施形態による金型１について、金型１の中心軸線Ａｘの右半分を示す模式的断面図である図１を参照して説明する。この金型１は、可動側金型を構成する上型２と固定側金型を構成する下型３とから構成されている。上型２は上断熱板４及び受けブロック５を介して上取付板６に固定されており、下型３は下取付板７に固定されている。また上型２の上方に配置された押出板８に保持された押出ピン９が上型２を貫通している。この金型１で鋳造される鋳物１０は、上型２と下型３が組み合わされて形成されるキャビティ１１に一致する図１のハッチングを施した領域で表され、概ね有底円筒形をしていて、前記円筒の底部中央から下方へ延びる突出部１２を有しており、前記突出部１２の下端に湯口１３が設けられている。また、上型２と下型３との分割面Ｐｓは湯口１３から最も遠い鋳物１０の先端面と同レベルに設けられている。また、本実施形態の金型１の材料は合金工具鋼であり、鋳物１０の材料はアルミニウム合金である。

上型２にはそれを加熱するための加熱手段として、図１において矩形で模式的に表された４個のヒータ１４及び冷却するための冷却手段として３本の冷却水管１５が埋設されており、下型３には８個のヒータ１４と１本の冷却水管１５が埋設されている。ヒータ１４は湯口１３から最も遠い鋳物１０の先端部以外の金型１の各部に配設され、冷却水管１５は前記先端部に接する金型１の部分に埋設されている。図１のヒータ１４は、リング状にしたシーズヒータを用いているが、板状のセラミックヒータを用いることもできる。またヒータの出力は挿入位置によって異なった出力（0.1KWから2KWまで）のものを用い、ヒータ挿入部分の隙間には、熱伝導性の高い充填剤を充填している。一方、図１の冷却手段１５としては、水を冷媒として用いているが、代わりに、エア、CO2ガスなどの冷媒を用いることもできる。また気化熱を奪い冷却する手段（ミスト、ドライアイス粒）を用いることもできる。

金型１に埋設された各ヒータ１４の間及び冷却水管１５とヒータ１４との間の金型１の部分には、細長い矩形穴により形成される間隙１６が多数形成されている。前記間隙１６は、上型２及び下型３のそれぞれの端縁より内側に形成されており、ヒータ１４又は冷却水管１５を挟むようにもしくはヒータ１４又は冷却水管１５が配設された金型１の領域を少なくとも部分的に区画するように配置されている。間隙１６は、その中の空気を断熱層１７として利用するために設けられたものであり、この空気の断熱層１７によって、あるヒータ１４が配設された金型１のある領域と、隣りのヒータ１４或いは冷却水管１５が配設された金型１の他の領域との間の熱の移動が抑制される。その結果断熱層１７によって少なくとも部分的に区画された金型１の各領域に対して、より熱的に独立した温度調節が可能になる。かくして、金型１の温度変化の勾配を大きくすることも可能となり、指向性凝固が進行し難い例えば肉厚の急変部が存在する鋳物１０に対しても適切な金型温度を設定することが可能になる。ところで、本実施形態では前記間隙１６には空気が含まれるが、断熱効果を高めるために、前記間隙１６を密閉空間にしかつ真空にしてもよい。

また、本実施形態では、下型３は一体であるが、上型２は間隙１６を形成するために複数の分割面１８によって５個の金型要素Ｄｔ₁〜Ｄｔ₅に分割されている。上型２は、各金型要素Ｄｔｎの分割面１８に沿って間隙１６を形成するための凹部を切削加工した後、各金型要素Ｄｔｎを図示しない複数の連結ボルトによって一体に結合することにより作り出される。

また、各ヒータ１４は、金型１の外部に配設された図示しないコントローラに図示しない電気ケーブルによって接続されており、前記コントローラを操作することによって発熱量の調節が個別に可能であるように構成されている。各冷却水管１５は、循環路を形成しており、金型１の外部において図示しない熱交換器に接続されている。また各冷却水管１５には図示しない弁が設けられていて、この弁を操作することによって冷却水量を調節できるようになっている。また温調回路によって、冷却水温を調整できるようになっている。

次に第２の実施形態の金型を図２に示す。この金型１では、下型３も断熱層１７に沿って複数の分割面１９によって９個の金型要素Ｄｂ₁〜Ｄｂ₉に分割されており、分割された９個の金型要素Ｄｂｎは、図示されない複数のボルトによって互いに結合されている。

次に第３の実施形態について図３を参照しながら以下に説明する。この実施形態の金型は、第２の実施形態の金型とほぼ同様の構成を有しているが、図３において太線で表現されている断熱層１７がセラミック製の板により構成されている点及びそのセラミック製の板の断熱層１７がキャビティ１１に達するまで延びてキャビティ１１の一部を形成している点で異なっている。図３においては、一つの断熱層１７を構成するセラミック板は連続して一体であるように表現されているが、実際にはその屈曲部において分割されている。また、図３において上型２内で鉛直方向に延びる断熱層１７はセラミックのパイプ材の縦断面を示している。但し、寸法誤差を吸収する等の目的でパイプ材を例えば４分割した９０度の中心角を有する円弧状部材を組み合わせることによって前記パイプ材と同等の断熱層１７を形成してもよい。また、本実施形態ではセラミック材料には窒化珪素が用いられているがアルミナ等の他のセラミック材料を用いることも可能である。

また第３の実施形態では、多数のヒータ１４が全体的に配置されて上型２及び下型３が全体的に分割されているが、例えば上型及び／又は下型の一部分にだけヒータを配設する構造とし、ヒータが配設された金型の部分を入れ子として形成し、その入れ子の周囲に断熱層を設けることによってその入れ子をおも型部分から熱的に区画することも可能である。このような構造は、例えば鋳物に部分的な薄肉部分がある場合に適しており、その薄肉部分に対応してヒータを配置することによりその薄肉部分の凝固時間を延ばすことが可能になる。

次に、本発明の第４の実施形態による金型温度の制御方法について以下に説明する。この実施形態による金型温度の制御方法は、前述の第１〜第３の実施形態のいずれかの金型を用いて実施されるが、本実施形態の方法は図３に示される第３の実施形態の金型を用いて実施されるものとして説明する。

以下、第４の実施形態による金型温度の制御方法の手順を示す。
まず、下型３及び上型２を仮想金型分割面２１によって複数の金型要素Ｄｔｎ，Ｄｂｎへ仮想的に分割する。このとき、仮想金型分割面２１は断熱層１７及び実際の金型分割面１８及び１９に沿って延びるように金型１を仮想的に分割する。従って、図３の実施形態における仮想的に分割された金型要素Ｄｔｎ，Ｄｂｎは実際の金型要素Ｄｔｎ，Ｄｂｎに、実質的に一致する。なお、第１の実施形態の金型１の下型３の場合、仮想金型分割面２１は断熱層１７に沿ってキャビティ１１及び下型３の端縁まで延長される。

次に、各金型要素Ｄｔｎ，Ｄｂｎに対して、指向性凝固を実現するための金型要素温度Ｔｄｎを設定する。この金型要素温度Ｔｄｎは、各金型要素Ｄｔｎ，Ｄｂｎのキャビティを形成する面の温度であって、湯口１３からの距離及び鋳物の肉厚等を考慮して決定される。

次に、設定された各金型要素温度Ｔｄｎを達成するように、ヒータ１４の発熱量を図示しないコントローラによって及び冷却水管１５の流水量を図示しない弁によってそれぞれ調節する。なお、金型各部の温度を確認する方法としては、例えばキャビティ１１を形成する金型各部の表面に温度センサを貼り付けて温度を確認する方法、或いは温度センサを金型の内部に埋め込んでおく方法等があり、前者の方法は金型を稼動させる前の金型条件出し試験の一環として実施可能であり、後者の方法は溶湯を注入した直後からの金型温度を確認することができる。

次に第５の実施形態による金型温度の制御方法について、やはり図３を参照して説明する。また鋳物１０の各部の温度及び放出熱量を模式的に表す図４も参照する。第５の実施形態による金型温度の制御方法は、金型要素温度Ｔｄｎを下記の手順に従って設定する点で第４の実施形態による方法と異っているが、それ以外の手順は第４の実施形態と同様である。

第５の実施形態による方法における金型要素温度Ｔｄｎの設定手順は、まず鋳物１０を図３の点線で表される仮想鋳物分割面２０によって複数の鋳物要素Ｃｎへ仮想的に分割する。このとき、仮想鋳物分割面２０は、仮想金型分割面２１及び従って金型分割面１８、１９に連続するようにする。図３では８個の鋳物要素Ｃ₁〜Ｃ₈に仮想的に分割されている。

次に、各鋳物要素Ｃｎに対して、指向性凝固を実現するための凝固時間ｔｎを定める。この凝固時間ｔｎは、生産性を考慮しつつ、指向性凝固を実現することを条件として定める。従って通常は鋳物の先端部を最も短く、湯口部分を最も長くなるように設定する。つまり、鋳物要素Ｃｎの凝固時間ｔｎを先端部側からｔ₁、ｔ₂、ｔ₃.....ｔ₈とした場合、それはｔ₁＜ｔ₂＜ｔ₃＜.....＜ｔ₈を満足するように設定される。

次に、鋳物要素Ｃｎの各々について、溶湯の温度Ｔｃｎを予測する。溶湯の温度Ｔｃｎは、例えば「ＡＤＳＴＥＦＡＮ」（登録商標）等の３次元の鋳造ＣＡＥシステムを利用して求めることができる。

次に、鋳物要素Ｃｎの各々について、凝固するまでに必要な放出熱量即ち抜熱量Ｑｎを計算する。各鋳物要素Ｃｎの抜熱量Ｑｎは、各鋳物要素Ｃｎの、重量をＷｎ、溶湯金属の固相線温度をＴｓ、溶湯の比熱をＣｐ、及び凝固潜熱をＱ_Lとすると、下式によって求めることができる。
Ｑｎ＝Ｗｎ（Ｃｐ・（Ｔｃｎ−Ｔｓ）＋Ｑ_L）
抜熱量Ｑｎは図４において鋳物要素Ｃｎから金型要素Ｄｔｎ，Ｄｂｎへ向かう３本又は２本の波形矢印で表される。鋳物要素Ｃ₁からの抜熱量Ｑ₁は金型に３面で接しているのでＱ_1a，Ｑ_1b，Ｑ_1cの３本の波形矢印で表され、鋳物要素Ｃ₂からの抜熱量Ｑ₂は金型に２面で接しているので２本の波形矢印Ｑ_2a及びＱ_2bで表される。

次に、各鋳物要素Ｃｎに接する金型要素Ｄｔｎ，Ｄｂｎの各々について、金型要素温度Ｔｄｎを、下記の方程式を解くことによって求める。
（Ｔｃｎ−Ｔｄｎ）・ｋｎ＝Ｑｎ／ｔｎ
ここで、上記方程式中の符号ｋｎは、各鋳物要素Ｃｎと金型要素Ｄｔｎ，Ｄｂｎとの間の接触面積（伝熱面積）Ｓｎにアルミニュウム溶湯の熱伝達率を乗じた係数である。また、上記方程式を解く際、一つの鋳物要素Ｃｎに関する複数の伝熱面の金型温度Ｔｄｎは等しいものとする。

次に本発明の第６の実施形態による金型について図５を参照しながら以下に説明する。図５は、金型の中心軸線より右側の下型３の主要部とキャビティ１１を示す模式的断面図である。この実施形態の金型は、第３の実施形態の金型とほぼ同様の構成を有しており、各金型要素Ｄｂｎの間にセラミック製の板を断熱層１７として有し、また各金型要素Ｄｂｎは加熱手段１４又は冷却手段１５を備えている。但し、図５において下型３の分割された金型要素Ｄｂｎの材質を熱伝導率の異なる合金（例えば、合金工具鋼、銅、ヘビーアロイ）を組み合わせて用いている。湯先側の金型要素Ｄｂ_１に熱伝導率の高い材質を用い、湯口側の金型要素Ｄｂ_５に熱伝導率の低い材質を用いることによって、湯先から湯口に向けて、傾斜的な金型温度分布を設定することができる。

次に第７の実施形態の金型について図６を参照しながら以下に説明する。この実施形態の金型は、第３の実施形態の金型とほぼ同様の構成を有しているが、図６において下型３の分割された金型要素Ｄｂｎの板厚を湯先側の金型要素Ｄｂ_１が最も厚く、湯口側の金型要素Ｄｂ_４が最も薄くなるようにしている。このように湯先から湯口に向かって板厚を段階的に変化させることにより、断熱層１７で区切られた各金型要素Ｄｂｎの熱容量が傾斜的に変化し、金型温度分布を傾斜的に設定することができる。

次に第８の実施形態の金型について図７を参照しながら以下に説明する。この実施形態の金型は、第３の実施形態の金型とほぼ同様の構成を有しているが、図７において下型３の分割された金型要素Ｄｂｎの間の断熱層１７の厚さを、湯先側は薄く、湯口側は厚くしている。このように湯先から湯口に向かって断熱層１７の厚さを段階的に変化させることにより、各金型要素間の温度ギャップが傾斜的に変化し、湯先側に近いほど金型要素温度が低い温度に近づき、湯口側に近いほど金型要素温度が高い温度で維持されることから、金型温度分布を傾斜的に設定することができる。

次に第９の実施形態について図８を参照しながら以下に説明する。この実施形態の金型は、第３の実施形態の金型とほぼ同様の構成を有しているが、図８において下型３の分割された金型要素に挿入する加熱手段としてのヒータ１４の挿入位置を、湯先側は鋳物又はキャビティ１１から遠く配置し、湯口側は鋳物に近い位置に配置している。このように湯先から湯口に向かって加熱手段１４（ヒータ）を配置する位置つまり鋳物からのヒータの距離を段階的に変化させることにより、湯口側の温度を一定の高い温度で保持することができ、湯先側から湯口側に向けて金型温度分布を傾斜的に設定することができる。また本実施形態に加えて、加熱手段の発熱量（ヒータ出力）を湯先側から湯口側に向けて段階的に大きくすることによって、金型温度分布をより傾斜的に設定し易くすることも可能である。

次に第１０の実施形態の金型について図９を参照しながら以下に説明する。この実施形態の金型は、第３の実施形態の金型とほぼ同様の構成を有しているが、図９において下型３の分割された金型要素Ｄｂｎに挿入する冷却手段１５の挿入位置を、湯先側は鋳物又はキャビティ１１に近く配置し、湯口側は鋳物から遠い位置に配置している。このように湯先から湯口に向かって冷却を配置する位置を鋳物からの距離を段階的変化させることにより、湯先側から湯口側に向けて、金型温度分布を傾斜的に設定することができる。また本実施形態に加えて、冷却手段１５の水量を湯先側から湯口側に向けて段階的に小さくすること、または冷却手段１５の水温を湯先側から湯口側に向けて段階的に高くすることによって、金型温度分布をより傾斜的に設定し易くすることも可能である。

次に第１１の実施形態の金型について図１０を参照しながら以下に説明する。この実施形態の金型は、第３の実施形態の金型とほぼ同様の構成を有しているが、図１０において下型３の分割された金型要素Ｄｂｎに接する加熱手段１４を可動可能な状態で配置し、湯先側から湯口側に向かって複数配置している。この加熱手段１４を湯先から湯口に向かって順に金型要素から離していくことにより、湯先側から湯口側に向けて、金型温度分布を傾斜的に設定することができる。また本実施形態に加えて、加熱手段の発熱量（ヒータ出力）を湯先側から湯口側に向けて段階的に大きくすることによって、金型温度分布をより傾斜的に設定し易くすることも可能である。

次に第１２の実施形態の金型について図１１を参照しながら以下に説明する。この実施形態の金型は、第３の実施形態の金型とほぼ同様の構成を有しているが、図１１において下型３の分割された金型要素Ｄｂｎにある一定距離だけ離した位置に冷却手段１５を可動可能な状態に配置し、湯先側から湯口側に向かって複数配置している。この冷却手段１５を湯先から湯口に向かって順に金型要素に接触させていくことにより、湯先側から湯口側に向けて、金型温度分布を傾斜的に設定することができる。また本実施形態に加えて、冷却手段１５の水量を湯先側から湯口側に向けて段階的に小さくすること、または冷却手段１５の水温を湯先側から湯口側に向けて段階的に高くすることによって、金型温度分布をより傾斜的に設定し易くすることも可能である。

第１の実施形態による金型の模式的断面図である。 第２の実施形態による金型の模式的断面図である。 第３の実施形態による金型の模式的断面図である。 鋳物及び金型の各部の温度及び抜熱量を模式的に表す図である。 第６の実施形態による金型の模式的断面図である。 第７の実施形態による金型の模式的断面図である。 第８の実施形態による金型の模式的断面図である。 第９の実施形態による金型の模式的断面図である。 第１０の実施形態による金型の模式的断面図である。 第１１の実施形態による金型の模式的断面図である。 第１２の実施形態による金型の模式的断面図である。

符号の説明

１ 金型
２ 上型
３ 下型
１４ 加熱手段
１５ 冷却手段
１７ 断熱層
２０ 仮想鋳物分割面
２１ 仮想金型分割面
Ｃｎ 鋳物要素
Ｄｔｎ 金型要素
Ｄｂｎ 金型要素

Claims (1)

1. 加圧鋳造用金型（１）であって、
   該金型（１）に配設された少なくとも一つの加熱手段（１４）及び／又は冷却手段（１５）と、
   前記加熱手段（１４）及び／又は前記冷却手段（１５）が配設された金型の領域を少なくとも部分的に区画する少なくとも一つの断熱層（１７）と、
   前記断熱層（１７）に沿って分割可能な複数の金型要素（Ｄｔｎ，Ｄｂｎ）と、を具備し、
   前記断熱層（１７）が、セラミック材料の層から形成されており、
   前記複数の金型要素が互いに異なる厚さを有していて、該加圧鋳造用金型の湯口に近い金型要素ほど薄い厚さを有することを特徴とする、加圧鋳造用金型（１）。

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