(57)【要約】【課題】鋳造時における冷却水の沸騰現象の有無を把握することで鋳造金型の温度管理をより高精度に行う。【解決手段】本発明に係る鋳造金型の温度管理方法は、冷却水通路の有効冷却領域近傍の金型温度を測定する工程Ｓ１と、測定した金型温度に基づいて沸騰の発生の有無を判定する工程Ｓ２と、沸騰が発生し又は発生するおそれが高いと判定した場合に、鋳造金型の冷却能力を高める向きに冷却水の冷却条件を制御する工程Ｓ３とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造金型に形成された冷却水通路を流れる冷却水の沸騰の有無を把握することで前記鋳造金型の温度を管理するための方法であって、
前記冷却水通路の有効冷却領域近傍の金型温度を測定する工程と、
前記測定した金型温度に基づいて前記沸騰の発生の有無を判定する工程と、
前記沸騰が発生し又は発生するおそれが高いと判定した場合に、前記鋳造金型の冷却能力を高める向きに前記冷却水の冷却条件を制御する工程とを具備する鋳造金型の温度管理方法。
【請求項２】
前記冷却水の沸騰の有無は、前記測定した金型温度、及び前記冷却水の流量に基づいて判定される請求項１に記載の鋳造金型の温度管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造金型の温度管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳造金型には、溶湯から受け取った熱を外部に排出することで、鋳造金型の温度を管理するための冷却手段が設けられており、その汎用性や低コスト性から、冷却水を用いた冷却手段が一般的に採用されている。この種の温度管理は、例えば、予めＣＡＥなどの熱解析により最適な鋳造金型の温度履歴を求めておき、この最適温度履歴に実際の鋳造金型の温度履歴が極力一致するよう、鋳造金型の温度を熱電対などで測定しつつ、鋳造金型に設けた冷却系統（冷却水通路）に流す冷却水の条件を調整することで行われる。
【０００３】
ここで、下記特許文献１には、検出した鋳造金型の金型温度に基づいて該金型温度の時間変化率を算出し、この時間変化率に基づいて予測した将来の金型温度に応じて冷却水の流量を制御する方法が記載されている。具体的には、測定した金型温度に基づき、当該金型温度が上昇傾向にあると判定した場合には、流量制御弁を応答性良く開いて冷却水の流量を増加させ、金型温度が低下傾向にあると判定した場合には、流量制御弁を応答性良く閉じて冷却水の流量を減少させることになり、金型温度を理想範囲に収めて安定した鋳造を図る旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−４７８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、実際の製造現場においては、冷却水が鋳造金型内の所定の箇所において沸騰することで、鋳造品質に影響が及んだ事例が報告されている。冷却水の沸騰が生じた場合、沸騰時の気化熱により冷却水による金型の冷却能力が急激に向上するものと推測されるが、このような局所的な冷却能力の向上は、精密な金型温度管理を必要とされる鋳造技術においては不要であり、むしろ極力排除すべき事象ともいえる。しかしながら、既存の鋳造設備は、冷却水の沸騰を考慮に入れた設計をしたものではないため、実際の沸騰現象を把握することは非常に難しく、そのために鋳造金型の正確な温度制御ができない、との問題が生じていた。
【０００６】
上記特許文献１は、実際に測定した金型温度に基づいて冷却水の流量を制御するものであるが、冷却水の沸騰の発生については一切考慮していない。そのため、この制御技術により鋳造金型の温度管理を行ったとしても、沸騰の発生を考慮すべき領域を有する鋳造金型においては温度管理が十分であるとはいえない。
【０００７】
以上の事情に鑑み、本発明により解決すべき課題は、鋳造時における冷却水の沸騰現象の有無を把握することで鋳造金型の温度管理をより高精度に行うことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題の解決は、本発明に係る鋳造金型の温度管理方法によって達成される。すなわち、この温度管理方法は、鋳造金型に形成された冷却水通路を流れる冷却水の沸騰の有無を把握することで鋳造金型の温度を管理するための方法であって、冷却水通路の有効冷却領域近傍の金型温度を測定する工程と、測定した金型温度に基づいて沸騰の発生の有無を判定する工程と、沸騰が発生し又は発生するおそれが高いと判定した場合に、鋳造金型の冷却能力を高める向きに冷却水の冷却条件を制御する工程とを具備する点をもって特徴付けられる。なお、ここでいう有効冷却領域とは、冷却水通路の出入口を除く領域であって、主にキャビティに近接する位置を通過し、鋳造金型を介して溶湯との間で実質的な熱交換が行われているものと認識し得る領域を意味するものとする。また、有効冷却領域の近傍とは、後述するように、沸騰の発生時と非発生時とで測定される金型温度に明確な違いが見出せる程度に金型温度の測定位置から冷却水通路までの距離が近いことを意味するものとする。
【０００９】
冷却水が沸騰する際には気化熱を必要とすることから、その分だけ多くの熱交換が隣接する金型との間で行われた結果、当該領域においては他の領域に比べて低温となるものと推測される。よって、本発明では、冷却水通路のうち、冷却水の沸騰が発生するおそれのある有効冷却領域近傍の金型温度を測定し、測定した金型温度に基づいて沸騰の発生の有無を判定するようにした。これにより、リアルタイムで沸騰の発生の有無を把握することができる。また、温度センサを設置して当該領域における冷却水の温度を直接測定することも可能だが、その場合には冷却水通路中に設置した温度センサが冷却水の流れを阻害するおそれがあるのに対し、本発明では、冷却水通路の有効冷却領域近傍の金型温度を測定するようにしたので、上述の如き不具合は発生しない。また、本発明では、沸騰が発生し又は発生するおそれが高いと判定した場合に、鋳造金型の冷却能力を高める向きに冷却水の冷却条件を制御するようにした。鋳造金型の温度が所望の温度よりも低い場合には、冷却水による冷却作用が過剰だとして冷却能力を抑える向きに制御するのが通常であるのに対し、本発明では、沸騰が発生し又は発生するおそれが高いと判定した場合、すなわち沸騰が原因で、測定した金型温度が通常の鋳造サイクル時のそれよりも低い場合に、従来とは逆に、冷却能力を高める向きに冷却水の冷却条件を制御するようにした。これにより、ばらつきが大きく安定性に欠ける沸騰現象を未然に防止することができ、あるいは発生したとしても即時にこれを除去することができる。従って、より高精度かつ安定的な鋳造金型の温度管理を行うことが可能となる。
【００１０】
また、本発明に係る鋳造金型の温度管理方法は、金型温度の測定が、有効冷却領域のうち冷却水通路が往復して形成される領域の近傍に設置した温度センサにより成されるものであってもよい。
【００１１】
これは、例えば鋳造金型に設けられる鋳抜きピンの如き部位に温度センサを設置することを想定したものである。従来の金型温度の測定は、金型全域にわたる温度分布を監視及び制御の対象とすることから、冷却水通路が往復して形成されるような狭小かつ突出した領域は温度測定の対象とはなっていなかった。これに対して、本発明では、冷却水通路が往復して形成される領域の近傍に温度センサを設置し、当該近傍領域の金型温度を測定するようにした。これにより、有効冷却領域の中でも特に冷却水の沸騰の蓋然性が高いと推測される領域近傍の金型温度を測定することができるので、より高精度かつ信頼性の高い判定結果を得ることができる。
【００１２】
あるいは、本発明に係る鋳造金型の温度管理方法は、冷却水の沸騰の有無が、測定した金型温度、及び冷却水の流量に基づいて判定されるものであってもよい。
【００１３】
冷却水の沸騰は液体から気体への変態を伴うことから、結果的に測定される冷却水の流量が沸騰（蒸発）した分だけ減少するものと推測される。そのため、上述のように、冷却有効領域近傍の金型温度に加えて、冷却水の流量を沸騰の発生有無の判定基準に用いることで、より信頼性の高い判定結果を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、鋳造時における冷却水の沸騰の有無を正確に把握することができ、かつ把握した沸騰の状況を加味してより高精度に鋳造金型の温度管理を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る鋳造金型の温度管理方法のフローチャートである。
【図２】本発明の一実施形態に係る温度管理方法が適用される一の鋳造金型の要部拡大断面図、及びこの鋳造金型を備えた温度管理装置の概要を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る温度管理方法が適用される他の鋳造金型の要部拡大断面図、及びこの鋳造装置を備えた温度管理装置の概要を示す図である。
【図４】沸騰が発生したときの冷却有効領域近傍の金型温度と、沸騰が発生していないときの冷却有効領域近傍の金型温度として評価される標準金型温度との比較結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係る鋳造金型の温度管理方法を図１〜図４に基づき説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る鋳造金型の温度管理方法のフローチャートである。同図に示すように、この温度管理方法は、冷却水通路の有効冷却領域近傍の金型温度を測定する工程Ｓ１と、測定した金型温度に基づいて沸騰の発生の有無を判定する工程Ｓ２と、沸騰が発生し又は発生するおそれが高いと判定した場合に、鋳造金型の冷却能力を高める向きに冷却水の冷却条件を制御する工程Ｓ３とを具備する。
【００１８】
また、図２は、本温度管理方法が適用可能な鋳造金型１０及びこの鋳造金型１０を備えた温度管理装置の一構成例を示している。この鋳造金型１０は、型締め状態でキャビティ１１を形成する上型１２及び下型１３と、上型１２に取り付けられ、一部がキャビティ１１に突出する鋳抜きピン１４とを有する。また、上型１２と鋳抜きピン１４には、冷却水を流通可能とする冷却水通路１５が形成されている。冷却水通路１５は、この図示例では、鋳抜きピン１４の内部にその長手方向に沿って伸びる往路部１５ａと復路部１５ｂとを有しており、これら往路部１５ａと復路部１５ｂとが１本の連続する穴形状とされている。ここで、往路部１５ａの入口は上型１２に設けた流入ポート１５ｃとつながると共に、復路部１５ｂの出口は上型１２に設けた流出ポート１５ｄとつながっており、これにより流入ポート１５ｃから鋳抜きピン１４内部に流入した冷却水が鋳抜きピン１４の基端側から先端側（往路部１５ａ）、そして先端側から基端側（復路部１５ｂ）を通過して、流出ポート１５ｄから鋳抜きピン１４の外部に流出されるようになっている。この場合、少なくとも鋳抜きピン１４の内部に設けた冷却水通路１５の往路部１５ａと復路部１５ｂとが有効冷却領域に相当する。
【００１９】
鋳抜きピン１４に設けた冷却水通路１５の有効冷却領域（往路部１５ａ又は復路部１５ｂ）の近傍には、温度センサとしての熱電対１６が配設される。この図示例では、熱電対１６はその先端（温度検出部１６ａ）を鋳抜きピン１４の先端側に向けた状態で冷却水通路１５の往路部１５ａと復路部１５ｂとの間に配設されている。これにより、冷却水通路１５の有効冷却領域近傍としての鋳抜きピン１４の先端側領域の金型温度Ｔｄを測定できるようになっている。
【００２０】
なお、鋳抜きピン１４に設けられる冷却水通路１５としては、図２に示す構造の他、例えば図３に示すような構造が採用可能である。この図示例に係る冷却水通路１５が、鋳抜きピン１４の内部にその長手方向に沿って伸びる往路部１５ａと復路部１５ｂとを有する点については図２に示す構造と同じであるが、各々の形態が異なる。すなわち、図２に示す鋳抜きピン１４においては、その内部に、内筒部１７を収容可能な収容穴１８が形成されており、内筒部１７の内周が往路部１５ａとなっている。また、内筒部１７を収容穴１８に収容した状態で収容穴１８の内周面と内筒部１７の外周面との間、すなわち内筒部１７を介して往路部１５ａの外径側に形成される筒状の隙間が復路部１５ｂとなっている。そして、内筒部１７の基端側開口部が上型１２に設けた流入ポート１５ｃとつながると共に、収容穴１８の基端側開口部が流出ポート１５ｄとつながっており、これにより流入ポート１５ｃから鋳抜きピン１４内部に流入した冷却水が鋳抜きピン１４の基端側から先端側（往路部１５ａ）、そして先端側から基端側（復路部１５ｂ）を通過して、流出ポート１５ｄから鋳抜きピン１４の外部に流出されるようになっている。この場合も、少なくとも鋳抜きピン１４の内部に設けた冷却水通路１５の往路部１５ａと復路部１５ｂとが有効冷却領域に相当する。
【００２１】
また、この場合、温度センサとしての熱電対１６の温度検出部１６ａは、鋳抜きピン１４のうち、キャビティ１１に突出している部位よりも基端側の領域で、かつ有効冷却領域としての往路部１５ａ又は復路部１５ｂの近傍に設置されている。これにより、冷却水通路１５の有効冷却領域近傍としての鋳抜きピン１４の基端側領域の金型温度Ｔｄを測定できるようになっている。
【００２２】
また、冷却水通路１５は上記図示した範囲を含めて鋳造金型１０の広範囲にわたって配設されており、その入口側には、冷却水通路１５に所定条件の冷却水を供給する冷却水供給部１９が配設されると共に、出口側には、冷却水通路１５を流通する冷却水の流量（排出量）を測定する流量測定部２０が配設される。これら冷却水供給部１９と流量測定部２０、及び温度センサとしての熱電対１６はいずれも、冷却水通路１５に流通させる冷却水の各種冷却条件（流量、水温、水圧、出口側からの吸引圧力など）を調整するための調整手段２１と例えば電気的に接続されている。そして、調整手段２１の内部に組み込まれた沸騰判定手段２２により得られた判定結果に基づき、調整手段２１による冷却条件の調整指令（例えば冷却水の流量の増加指令や、水圧の増加指令）が冷却水供給部１９に必要に応じて送られるようになっている。
【００２３】
この調整手段２１には、例えば図４中の破線で示すように、有効冷却領域において沸騰が生じていないときに熱電対１６で測定される基準金型温度Ｔｓの温度履歴データが予め記憶されている。そして、沸騰判定手段２２は、熱電対１６により取得した金型温度Ｔｄと基準金型温度Ｔｓの温度履歴データとを比較し、その温度差が所定値以上になったら、すなわち、実際に測定した金型温度Ｔｄが基準金型温度Ｔｓよりも所定値以上低い値を示す場合、対応する冷却水通路１５の有効冷却領域において冷却水の沸騰が発生し又は発生するおそれが高いと判定するようになっている。なお、上記した所定値（許容され得る最大の温度減少幅）は、例えば冷却水の沸騰が発生していないと鋳造品から推定できる通常の鋳造サイクル時に熱電対１６で測定された金型温度Ｔｄの測定データの平均、ばらつき、経時変化量などに基づいて設定することができる。また、基準金型温度Ｔｓは、予め実験的に求めてもよいし、ＣＡＥなどの熱解析により求めてもよい。
【００２４】
次に、上記構成の温度管理装置を用いた温度管理方法の一例について説明する。
【００２５】
（Ｓ１）金型温度の測定工程
まず、各回の鋳造サイクルごとに、鋳造金型１０の所定領域（冷却水通路１５の有効冷却領域近傍）における金型温度Ｔｄを熱電対１６により測定する。本測定作業は、例えば鋳造サイクルの開始時（注湯開始時）から終了時（型開き時）まで行う。取得した金型温度Ｔｄは調整手段２１へと送られ、沸騰判定手段２２による比較判定に用いられる。
【００２６】
（Ｓ２）沸騰判定工程
こうして得た金型温度Ｔｄと、予め取得しておいた基準金型温度Ｔｓとの比較を行うことにより、対象となる冷却水通路１５の有効冷却領域における冷却水の沸騰の発生の有無を判定する。具体的には、例えば、鋳造開始以後、随時測定された金型温度Ｔｄが、鋳造サイクルの間で最も高い値を示す基準金型温度Ｔｓから所定値を減じた値（しきい値）よりも高い場合には、沸騰発生していないものと判定し、そのまま型開き作業まで鋳造を続行する。
【００２７】
一方、測定された金型温度Ｔｄが、しきい値よりもさらに低い場合には、冷却水通路１５の有効冷却領域において冷却水の沸騰が発生し、又は発生するおそれが高いと判定する。また、この実施形態のように、冷却水通路１５の出口側に、冷却水通路１５を流通する冷却水の流量を測定する流量測定部２０が配設されている場合、流量測定部２０による測定結果と併せて沸騰の発生の有無を判定する。すなわち、熱電対１６で測定された金型温度Ｔｄが基準金型温度Ｔｓに基づくしきい値をさらに下回った場合で、かつ流量測定部２０により測定した流量の値が、沸騰が発生していないものと（例えば鋳造品から）推定できる通常の鋳造サイクル時に流量測定部２０で測定された流量の値よりも小さい場合に、沸騰が発生し、又は発生するおそれが高いものと判定する。
【００２８】
（Ｓ３）冷却条件制御工程
このようにして、冷却水通路１５の有効冷却領域において冷却水の沸騰が発生しているものと判定された場合、調整手段２１から冷却水供給部１９へ冷却条件の変更指令が送られ、所定の冷却条件を、冷却水による冷却能力を高める向きに制御する。例えば、冷却水の流量を増大する制御、あるいは冷却水の水圧を高める制御がなされる。
【００２９】
このように、本発明では、冷却水通路１５のうち、冷却水の沸騰が発生するおそれのある有効冷却領域近傍の金型温度Ｔｄを測定し、測定した金型温度Ｔｄに基づいて沸騰の発生の有無を判定するようにした。これにより、リアルタイムで沸騰の発生の有無を把握することができる。また、本発明では、沸騰が発生し又は発生するおそれが高いと判定した場合に、鋳造金型１０の冷却能力を高める向きに冷却水の冷却条件を制御するようにした。すなわち、沸騰が原因で、測定した金型温度Ｔｄが通常の鋳造サイクル時のそれ（基準金型温度Ｔｓ）よりも相当程度低い場合に、従来とは逆に、冷却能力を高める向きに冷却水の冷却条件を制御、具体的には流量を増加させるようにした。これにより、ばらつきが大きく安定性に欠ける沸騰現象を未然に防止することができ、あるいは発生したとしても即時にこれを除去することができる。従って、より高精度かつ安定的な鋳造金型１０の温度管理を行うことが可能となる。また、これにより、今まで以上に高精度な金型温度制御、並びに凝固制御が可能となり、欠陥の少ない鋳造品の製造が可能となる。
【００３０】
また、この実施形態では、鋳抜きピン１４のように、冷却水通路１５が往復して形成される領域（往路部１５ａと復路部１５ｂ）の近傍に熱電対１６を設置し、当該近傍領域の金型温度Ｔｄを測定するようにした。これにより、有効冷却領域の中でも特に冷却水の沸騰の蓋然性が高いと推測される領域近傍の金型温度Ｔｄを測定することができるので、より高精度かつ信頼性の高い判定結果を得ることができる。
【００３１】
また、この実施形態では、冷却水の沸騰の有無を、熱電対１６で測定した金型温度Ｔｄ、及び流量測定部２０で測定した冷却水の流量に基づいて判定するようにしたので、同時期に基準金型温度Ｔｓからの大幅な乖離、及び通常時と比べて流量の大幅な減少が検出された場合に、はじめて沸騰が発生し、又は発生するおそれが高いものと判定される。これにより、さらに信頼性の高い判定結果を得ることが可能となる。
【００３２】
以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明は、その意図を反映した構成を逸脱しない限りにおいて、上記以外の構成を採ることも可能である。
【００３３】
例えば、上記実施形態では、鋳造時に測定された金型温度Ｔｄと、鋳造サイクル中で最も高い値を示す基準金型温度Ｔｓとの比較で、沸騰の発生の有無を判定したが、これ以外の基準に基づいて沸騰の有無を判定してもよい。例えば、図４に示すように、注湯開始時から最高温度到達時までの間の基準金型温度Ｔｓの上昇勾配と、実際に測定された金型温度Ｔｄの同期間の上昇勾配とを比較することで、沸騰の発生の有無を判定するようにしてもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、１本の鋳抜きピン１４に着目してその冷却構造とその沸騰発生有無の判定プロセス及び冷却制御プロセスについて説明したが、もちろん、複数本の鋳抜きピン１４それぞれに熱電対１６を設置して、上述のように沸騰判定と冷却制御とを行うようにしてもよい。もちろん、本発明に係る温度管理方法は、鋳抜きピン１４内部の冷却水通路１５に限らず、冷却水通路１５が往復して形成される領域、ひいては、キャビティ１１側に突出し、溶湯と近距離にある時間（通路長）が長い有効冷却領域についても適用可能なことはもちろんである。
【符号の説明】
【００３５】
１０    鋳造金型
１１    キャビティ
１２    上型
１３    下型
１４    鋳抜きピン
１５    冷却水通路
１６    熱電対
１９    冷却水供給部
２０    流量測定部
２１    調整手段
２２    沸騰判定手段
Ｔｄ    金型温度
Ｔｓ    基準金型温度
【図１】
2014108434.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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