(57)【要約】【課題】溶湯の給湯完了の時期を遅れなく検知でき、金型の冷却モードを適切に切り換え可能な鋳造装置を提供することにある。【解決手段】溶湯を受け入れるキャビティ２ｃと冷却流路とを備えた金型２、キャビティ２ｃに溶湯を供給する給湯装置、冷却流路に冷却用流体を流す冷媒供給装置、金型温度を測定する温度センサ、キャビティ２ｃへの給湯完了を検出する着湯センサ２２、着湯センサ２２によって検出された着湯信号に基づいて、冷媒供給装置を互いに冷却効率の異なる２つの冷却モードの間で切り換える第１制御部、および温度センサによって検出された温度測定値に基づいて、各冷却モードにおける冷却状態を制御する第２制御部を設けた。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を受け入れるキャビティと冷却用流体が通過する冷却流路とを備えた金型、
前記キャビティに溶湯を供給する給湯装置、
前記冷却流路に前記冷却用流体を流す冷媒供給装置、
前記金型の温度を測定する温度センサ、
前記給湯装置による前記キャビティへの溶湯の給湯完了を検出する着湯センサ、
前記着湯センサによって検出された着湯信号に基づいて、前記冷媒供給装置を互いに冷却効率の異なる２つの冷却モードの間で切り換える第１制御部、および
前記温度センサによって検出された温度測定値に基づいて、前記各冷却モードにおける冷却状態を制御する第２制御部、を備えた鋳造装置。
【請求項２】
前記着湯センサが前記金型に給湯された導電性の前記溶湯によって閉じられる電気回路と、前記電気回路の開閉を電気的に検出する通電検知部とを有し、
前記第１制御部は、前記着湯センサからの鋳造製品の離間によって発生する離型信号に基づいて、前記冷媒供給装置を第１冷却モードから、より冷却効率の低い前記第２冷却モードに切り換える請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項３】
前記着湯センサと前記温度センサとが共通のセンサ本体に取り付けられている請求項１または２に記載の鋳造装置。
【請求項４】
前記温度センサは、閉じられた先端が前記キャビティの内壁面に露出するように前記金型に取り付けられた筒状のセンサ本体と、前記センサ本体の内部に挿入された露出型シース熱電対と、露出型シース熱電対を前記センサ本体の内部に閉じ込めた状態で前記センサ本体の後端をシールするシール部材とを有する１から３のいずれか一項に記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶湯を受け入れるキャビティと冷却用流体が通過する冷却流路とを備えた金型、前記キャビティに溶湯を供給する給湯装置、前記金型の温度を測定する温度センサ、および、前記温度センサによって検出された温度測定値に基づいて、前記冷却流路に冷却用流体を流す冷媒供給装置を備えた鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の鋳造装置に関連する先行技術文献情報として下記に示す特許文献１がある。この特許文献１に記された鋳造装置は、冷却流路に水を流す強冷却モードと冷却流路に空気を流す弱冷却モードとの間で切り換える切り換え部を備えている。キャビティに近接して配置された温度センサによって検出される金型の温度から、溶湯（溶融金属）の給湯時期と、給湯後の凝固時期とを判別し、大きな冷却速度を必要とする給湯時期には短時間で適切な凝固が得られるように冷却効率の高い水を流し、凝固時期には金型が冷え過ぎないように冷却効率が低めの空気を流す構成をとっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２４１６４７号公報（００１０段落、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記された鋳造装置の場合、キャビティへの給湯が完了するタイミングから、キャビティに近接して配置された温度センサに溶湯の熱が伝達して検出されるまでにタイムラグが生じるため、溶湯の給湯完了の時期を高精度で検知することは困難であった。したがって、強冷却モードでの冷却を開始するのが遅れがちとなるため、金型に焼けが生じる虞や、凝固に要する時間が長くなるという問題などがあった。
【０００５】
本発明の目的は、前述した従来技術に見られる課題に鑑みて、溶湯の給湯完了の時期を遅れなく検知でき、同検知に基づいて金型の冷却モードを適切に切り換え可能な鋳造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る鋳造装置は、
溶湯を受け入れるキャビティと冷却用流体が通過する冷却流路とを備えた金型、
前記キャビティに溶湯を供給する給湯装置、
前記冷却流路に前記冷却用流体を流す冷媒供給装置、
前記金型の温度を測定する温度センサ、
前記給湯装置による前記キャビティへの溶湯の給湯完了を検出する着湯センサ、
前記着湯センサによって検出された着湯信号に基づいて、前記冷媒供給装置を互いに冷却効率の異なる２つの冷却モードの間で切り換える第１制御部、および
前記温度センサによって検出された温度測定値に基づいて、前記各冷却モードにおける冷却状態を制御する第２制御部、を備える。
【０００７】
すなわち、本発明に係る鋳造装置では、制御装置がキャビティへの溶湯の給湯完了を、着湯センサによって検出された着湯信号に基づいてタイムラグ無しに認識し、冷媒供給装置を冷却効率の高い冷却モードに切り換えできるため、金型温度の過熱によって金型に焼けが生じる虞や、凝固に要する時間が長くなる等の問題が抑制される。
【０００８】
本発明に係る制御装置の他の特徴構成は、前記着湯センサが前記金型に給湯された導電性の前記溶湯によって閉じられる電気回路と、前記電気回路の開閉を電気的に検出する通電センサとを有し、
前記第１制御部は、前記着湯センサによって検出された成形品の離型信号に基づいて、前記冷媒供給装置を第１冷却モードから、より冷却効率の低い第２冷却モードに切り換える点にある。
【０００９】
この構成によれば、着湯センサを、金型に給湯された溶湯によって閉じられる電気回路と、電気回路の開閉を電気的に検出する通電センサとを備えた簡単で安価な機構で実現することができる。
また、上記構成によれば、制御装置は凝固した溶湯が着湯センサから離間して、電気回路が開かれる際に生じる信号に基づいて、冷媒供給装置をより冷却効率の低い第２冷却モードに戻すことができる。したがって、凝固した成形品が金型から外されるタイミングに遅れることなく、冷媒供給装置による冷却効率を低下させることで、金型の過冷却や同過冷却による成形品の欠陥を防止できる。
【００１０】
本発明に係る制御装置の他の特徴構成は、前記着湯センサと前記温度センサとが共通のセンサ本体に取り付けられている点にある。
【００１１】
この構成によれば、金型内に必要なセンサ用の設置スペースを小さくでき、金型内におけるセンサの設置場所をより自由に選択可能となる。
【００１２】
本発明に係る制御装置の他の特徴構成は、前記温度センサは、閉じられた先端が前記キャビティの内壁面に露出するように前記金型に取り付けられた筒状のセンサ本体と、前記センサ本体の内部に挿入された露出型シース熱電対と、露出型シース熱電対を前記センサ本体の内部に閉じ込めた状態で前記センサ本体の後端をシールするシール部材とを有する点にある。
【００１３】
この構成によれば、温度検出感度の優れた露出型熱電対を用い、しかも、露出型熱電対を収納したセンサ本体がキャビティの内壁面に露出するように設置されているので、露出型熱電対の熱接点は、キャビティの内壁面または充填される溶湯からセンサ本体の薄い壁面のみで隔てられた位置に配置されることになる。したがって、金型の中でも充填される溶湯に極近い箇所の温度を迅速に測定できるので、成形品の品質を高く維持可能な理想的な温度制御ができる。また、金型は溶湯の充填と型外しとの繰り返しによって急激な温度変化を受けるため、特に金型の外周に結露を生じやすいが、この構成によれば、冷却とセンサ本体の後端がシールされているので、シースの孔や露出型熱電対のシースとセンサ本体の境界から水分が浸入して露出型熱電対の熱接点や素線を傷める虞がない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】鋳造装置の全体を示す概略図である。
【図２】金型センサを示す拡大図である。
【図３】温度センサの先端部と後端部を示す拡大図である。
【図４】コントロールユニットの構成を示すブロック図である。
【図５】鋳造工程と冷却モードの関係を示す説明図である。
【図６】第１制御部による温度調節ルーチンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
図１に示す鋳造装置１００は、固定型２ａと可動型２ｂとを備えた金型２、および、金型２のキャビティ２ｃにアルミニウム合金などの溶湯を供給する給湯装置３を備える。可動型２ｂは着脱装置（不図示）によって、固定型２ａに密着された鋳造位置と、固定型２ａから離間した離型位置との間で切り換え可能に支持されている。
【００１６】
給湯装置３は、固定型２ａの一部に装着された給湯スリーブ４と、給湯スリーブ４に設けられた給湯口４ａから溶湯を流し込むラドルなどからなる給湯容器（不図示）と、給湯スリーブ４に流し込まれた溶湯をキャビティ２ｃに押し出すプランジャ６とを備える。プランジャ６は油圧式などのシリンダ７によって往復操作される。
金型２には、溶湯の凝固後に、離型位置に切り換えられた可動型２ｂから成形品を押し出すイジェクトピン８が設けられている。
可動型２ｂには、キャビティ２ｃの上方に配置されたオーバーフロー部２ｄが設けられており、オーバーフロー部２ｄの上端は、固定型２ａと可動型２ｂの間に形成されたガス抜き孔Ｇに連通している。
【００１７】
（冷却装置）
固定型２ａと可動型２ｂには、金型２を冷却する冷却用流体を流すための冷却流路９が形成されている。冷却流路９は、流体入口９ａから金型２内に入ってキャビティ２ｃ付近に向かって延び、例えば、キャビティ２ｃを取り囲む流路を経て流体出口９ｂに至る管状経路等で構成されている。
冷却流路９の流体入口９ａに至る冷却配管９ｃには、給水管１０と給気管１１とが同時に接続されている。給水管１０は、冷却流路９に冷却用流体として水を流す冷媒供給装置の一部をなし、給気管１１は、冷却流路９に冷却用流体として空気を流す冷媒供給装置の一部をなす。
【００１８】
給水管１０には、水源１４の水を冷却配管９ｃに圧送可能なポンプ１５と、ポンプ１５の下流側で給水管１０を開閉操作する第１電磁弁Ｖ１とが、第１冷媒供給装置として設けられている。ポンプ１５はインバータ１６によって回転数を可変のモータＭ１によって運転される。
【００１９】
給気管１１には、冷却用の空気を冷却配管９ｃに圧送可能なコンプレッサ１８と、コンプレッサ１８の下流側で給気管１１を開閉操作する第２電磁弁Ｖ２とが、第２冷媒供給装置として設けられている。
冷却配管９ｃの一部には、冷却流路９に供給される直前の流体の圧力を測定する第１圧力センサ１９ａが設けられている。また、流体出口９ｂから延びた排出管９ｄの端部付近には、中を流れる流体の圧力を調整可能な調圧弁２０が設けられ、調圧弁２０よりも上流側には、冷却流路９から出た流体の圧力を測定する第２圧力センサ１９ｂが設けられている。
【００２０】
金型２の冷却方法は、第１電磁バルブＶ１や第２電磁バルブＶ２の切り換えに基づいて、冷却流路９に給水管１０によって水を流す強冷却モード（第１冷却モード）と、給気管１１によって水よりも熱容量の小さな空気を流す弱冷却モード（第２冷却モード）との間で切り替えることができる。この冷却モードの切り換え操作、および、各冷却モードにおける冷却状態（冷却用流体の流量）の制御は、後述する制御部６０によって行われる。
【００２１】
（金型センサ）
固定型２ａのキャビティ２ｃとオーバーフロー部２ｄとを連通接続している狭いランナー２ｅの付近には、給湯装置３によるキャビティ２ｃへの溶湯の給湯完了をリアルタイムで検出する着湯センサ２２と、金型２のキャビティ２ｃ付近の温度を測定する温度センサ２３とが、鋼鉄製の円筒状を呈したセンサ本体２４の内部に一体的に組み込まれた金型センサ３０が配置されている。
【００２２】
着湯センサ２２は、センサ本体２４の内面に挿通されたスリーブ状の絶縁体２５と、絶縁体２５の内面に挿通された針金状の検出端子２６とを有する。検出端子２６は熱膨張率の低い特殊金属（例えばＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金）で形成されている。センサ本体２４の内面は長手方向の両端共に開放されており、絶縁体２５と検出端子２６とは、いずれもセンサ本体２４の先端部にて露出し、この先端部では、センサ本体２４と絶縁体２５と検出端子２６との各端面が互いに略一つの平面を形成している。
【００２３】
検出端子２６の基端部には導線２７が接続されており、導線２７の他端はアースされている。導線２７には、導線２７の両端に電圧を発生されるためのバッテリなどの電源部２８と、導線２７を流れる電流を検出可能な通電検知部２９とが直列に接続されている。導線２７は、溶湯が充填される前の状態では着湯センサ２２の先端部にて電気的に開かれている電気回路を形成している。この電気回路は、センサ本体２４と検出端子２６の先端とが、ランナー２ｅの付近に達した溶湯によって短絡された時に、検出端子２６から導線２７へ、導線２７から別途アースされている固定型２ａを経てセンサ本体２４に至る閉回路となり、導線２７に電流が流れる。したがって、溶湯がランナー２ｅ付近に達したことを、通電センサ２９を介して判定可能となる。
【００２４】
温度センサ２３としては、Ｋ型（アルメル／クロメル）の熱電対４５で、ステンレス鋼製のシース４４の先端から熱接点を露出させた露出型のものが用いられている。図３に示すように、金型センサ３０のセンサ本体２４には、シース４４の外径（１ｍｍ）と略一致する内径を備え、着湯センサ２２と平行に延びる細孔２４ａが形成されており、熱電対４５はこの細孔２４ａにシース４４ごと挿通されている。細孔２４ａの先端部は貫通しておらず、厚さが３〜５ｍｍのセンサ本体２４の部位によって閉じられた形になっている。
【００２５】
シース４４の後端部は、熱電対４５の一対の素線を挿通させたワッシャ状の閉鎖部材４６によって閉じられ、閉鎖部材４６とシース４４の境界部は全周にわたって合金による蝋付け４７で封鎖されている。また、閉鎖部材４６と熱電対４５の素線との間も熱可塑性樹脂などによって封鎖されている。これらの封鎖によりシース４４の内部に水や水蒸気が浸入して、熱接点や素線が損傷を受けることが防止されている。
【００２６】
（コントロールユニット）
図４に示すように、この鋳造装置１００はコントロールユニット５０（制御装置の一例）を含む。このコントロールユニット５０は鋳造装置１００の各種制御要素を制御する機能を有する。このため、このコントロールユニット５０は、コンピュータシステムとして構成されている。コントロールユニット５０には、出力デバイスとして、給水管１０用のインバータ１６、給気管１１用のコンプレッサ１８、第１電磁バルブＶ１および第２電磁バルブＶ２、調圧弁２０などが接続されている。また、その入力デバイスとして、着湯センサ２２の通電検知部２９、温度センサ２３、第１圧力センサ１９ａおよび第２圧力センサ１９ｂなどが接続されている。
【００２７】
各種入力デバイスから入力された信号を処理して、要求される出力信号を各種出力デバイスに出力するため、コントロールユニット５０には、実質的にはプログラムとプログラム実行デバイスからなる制御部６０が備えられている。この制御部６０における特に本発明に関係する機能部は、冷却装置を強冷却モード（第１冷却モード）と弱冷却モード（第２冷却モード）との間で切り替えるモード切り換え操作部４１（第１制御部）、および、各冷却モードにおける冷却状態（冷却用流体の流量）を制御する温度制御部４２（第２制御部）である。
【００２８】
（鋳造工程）
図５（ａ）に示すように、鋳造工程は、固定型２ａを可動型２ｂに押し付けた状態で固定する「型閉め」、給湯口４ａから給湯スリーブ４に溶湯を流し込む「給湯」、プランジャ６で溶湯を金型２に送り出し、プランジャ６による圧力を保持する「射出充填」、金型２を水による強冷却モードで冷却することでキャビティ２ｃの溶湯を急速に凝固させる「凝固／成形」、凝固の完了後に可動型２ｂを移動して金型２を開放する「型開き」、成形品をイジェクトピン８で可動型２ｂから押出す「成形品押出し」、成形品を鋳造装置１００から搬出する「成形品搬出」、金型２の内面に離型剤を塗布する「離型剤塗布」、離型剤塗布に際して金型２の内部に進入した水分を圧搾空気で吹き飛ばす「エアブロー」の順に進められる。「エアブロー」の後は通常は次のショット（溶湯充填）のための「型閉め」に戻る。
【００２９】
「射出充填」が完了した後では、急速に金型２を冷却することで、「凝固／成形」に掛かる時間を短縮でき、「型開き」の時期を早めることができる。急速冷却の開始が遅れると成形品にヤケなどの欠点が生じる虞がある。また、もしも十分な凝固が得られない状態で「型開き」を行うと、成形品に歪が生じる虞もある。
次に、溶湯の凝固が完了したら、直ぐに金型２の冷却を緩慢にすることで、金型２の過冷却を防ぐことができる。金型２が過冷却された状態で「射出充填」を行うと、成形品にヒケなどの欠点が生じる虞がある。
【００３０】
したがって、上記の鋳造工程の繰り返しによる連続的な鋳造成形をできるだけ高い能率で、しかも、成形品に欠点がないように実施するためには、金型２への溶湯の射出充填が完了したら、それにできるだけ遅れることなく強冷却モードによる冷却を開始すること、および、凝固が完了したら、過冷却を防ぐために、できるだけ早く弱冷却モードに切り換えることが必要と考えられる。
【００３１】
（温度調節ルーチン）
前述した強冷却モードと弱冷却モードとの切り換えをできるだけ理想的なタイミングで行うために、制御部６０のモード切り換え操作部４１（第１制御部）は、図６に示す温度調節ルーチンに基づいて、冷却装置による金型２の冷却を行う。
すなわち、制御部６０による冷却装置の制御を実施中には、着湯センサ２２がＯＮ状態かＯＦＦ状態かの判定が行われ（＃０１）、着湯センサ２２がＯＮ状態（ｙｅｓ判定）では第１電磁弁Ｖ１のみを開位置にすることで水による強冷却モードによる冷却が行われ（＃０２）。他方、着湯センサ２２がＯＦＦ状態（ｎｏ判定）では第２電磁弁Ｖ２のみを開位置にすることで空気による弱冷却モードによる冷却が行われる（＃０３）。
【００３２】
この温度調節ルーチンの流れを図５（ａ）の鋳造工程に沿って見ると、「射出充填」によって溶湯がキャビティ２ｃに充填されると、着湯センサ２２がＯＮ状態となる（図５（ｂ）を参照）ので、モード切り換え操作部４１によって弱冷却モードから強冷却モードに切り換えられ、急速な冷却が開始される。
次に、「凝固／成形」の完了に続いて、「型開き」が実施されると、成形品が着湯センサ２２から離間されるので（図５（ｃ）を参照）、モード切り換え操作部４１によって強冷却モードから弱冷却モードに切り換えられ、次の「射出充填」によって着湯センサ２２がＯＮ状態になる迄、弱冷却モードによる緩慢な冷却が継続される。
【００３３】
強冷却モードにおいては、温度制御部４２（第２制御部）が、金型２のキャビティ２ｃ付近の温度を測定する温度センサ２３から送られる温度信号に基づいて、インバータ１６を制御することでポンプ１５の回転数を調節し、温度センサ２３の検出温度が予め設定された目標温度に近づくようにフィードバック制御する。適切な目標温度値は、ラドル内での溶湯温度が７００℃前後のアルミ合金の場合、一例として２５０〜３００℃の範囲とすればよい。但し、適切な目標温度値は、キャビティ２ｃの体積、金型２の質量、冷却装置の能力などによっても大きく左右されるので、上記範囲は一例に過ぎない。
弱冷却モードにおいても、同様に、温度制御部４２が、第１圧力センサ１９ａおよび第２圧力センサ１９ｂから送られる圧力信号に基づいて、調圧弁２０の開度を調節し、温度センサ２３の検出温度が予め設定された目標温度（例えば２００〜２５０℃の範囲内）となるようにフィードバック制御する。
【００３４】
〔別実施形態〕
〈１〉キャビティへの着湯のタイミングをリアルタイムで精度良く判定する「着湯センサ」として、前述の溶湯の導電性を利用したもの以外に、例えば、溶湯の充填に基づく金型の重心移動を、金型の下面の複数箇所に配置した歪みゲージの出力値の差分によって検出するセンサ、或いは、オーバーフロー部の温度を斜め上方の離間位置から測定することで、溶湯の充填に基づくオーバーフロー部への溶湯面の現出を検出する赤外線放射温度センサなどを適用することが可能である。
【００３５】
〈２〉上記実施形態のように、互いに冷却効率の異なる強冷却モードと弱冷却モードとの間の切り換えを、冷却用流体の種類変更によって行うのではなく、単一種類の冷却用流体を用いながら、強冷却モードと弱冷却モードとの間の切り換えを行うことも可能である。一例として、金型２の内部を通る冷却流路９として２系統の流路を設け、双方の流路に冷却用流体を流す状態（強冷却モード）と一方の流路に冷却用流体を流す状態（弱冷却モード）との間で切り換える流路切り換え弁を設け、第１制御部がこの流路切り換え弁を制御する構成によって実現できる。
【００３６】
〈３〉個々の冷却モードにおける温度制御は、冷却用流体の流量の調整のみによる方法に限らず、冷却用流体の加熱や冷却を行う機構を金型の外に設けることで、流される冷却用流体自体の温度をフィードバック制御で調節する構成によって実現してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
溶湯を受け入れるキャビティと冷却用流体が通過する冷却流路とを備えた金型、キャビティに溶湯を供給する給湯装置、冷却流路に冷却用流体を流す冷媒供給装置、金型の温度を測定する温度センサ、金型に対して行われる工程の進行に応じて、冷媒供給装置を互いに冷却効率の異なる２つの冷却モードの間で切り換え、温度センサによって検出された温度測定値に基づいて、各冷却モードにおける冷却状態を制御する制御部を備えた鋳造装置を改良する発明として利用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
２：金型
２ａ：固定型
２ｂ：可動型
２ｃ：キャビティ
３：給湯装置
６：プランジャ
９：冷却流路
１０：給水管
１１：給気管
１５：ポンプ
１６：インバータ
１８：コンプレッサ
１９ａ：第１圧力センサ
１９ｂ：第２圧力センサ
２２：着湯センサ
２３：温度センサ
２４：センサ本体
２６：検出端子
２９：通電検知部
３０：金型センサ
４１：モード切り換え操作部（第１制御部）
４２：温度制御部（第２制御部）
５０：コントロールユニット
６０：制御部
１００：鋳造装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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