(57)【要約】【課題】造形した中子の品質のばらつきを抑制すること。【解決手段】中子の原料を混練するための混練槽２０と、混練槽２０に原料を供給する原料供給手段３０と、混練槽２０内において混練された原料からなる混練材Ｓ２を収容し、中子を造形する金型７０と、混練槽２０内の混練材Ｓ２を金型７０に射出するピストン５０と、ピストン５０の位置を検出する位置センサ６３と、原料供給手段３０から混練槽２０への原料の供給量を制御する制御部４０と、を備えた中子造形装置。制御部４０は、位置センサ６３によって検出された射出完了時のピストン５０の位置と、予め定められたピストン５０の基準位置との差に基づいて、原料の供給量を決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中子の原料を混練するための混練槽と、
前記混練槽に前記原料を供給する原料供給手段と、
前記混練槽内において混練された前記原料からなる混練材を収容し、前記中子を造形する金型と、
前記混練槽内の前記混練材を前記金型に射出するピストンと、
前記ピストンの位置を検出する位置センサと、
前記原料供給手段から前記混練槽への前記原料の供給量を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記位置センサによって検出された射出完了時の前記ピストンの位置と、予め定められた前記ピストンの基準位置との差に基づいて、前記原料の供給量を決定する、
中子造形装置。
【請求項２】
前記ピストンを駆動するシリンダをさらに備え、
前記位置センサが、前記シリンダに内蔵されている、
請求項１に記載の中子造形装置。
【請求項３】
混練槽に中子の原料を供給するステップと、
前記混練槽内において前記原料を混練するステップと、
前記混練槽内において混練された前記原料からなる混練材をピストンによって金型に射出し、前記中子を造形するステップと、
射出完了時の前記ピストンの位置と、予め定められた前記ピストンの基準位置との差に基づいて、前記混練槽への前記原料の供給量を決定するステップと、を備えた、
中子造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造用の中子を造形するための中子造形装置及び中子造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に開示されているように、一般的に、鋳造用の中子を造形するための中子造形装置では、混練槽内において中子の原料を混練し、得られた混練材をピストンによって金型に射出し、中子を造形する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１８４４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者は、中子造形装置に関し、以下の問題点を見出した。
図８は、本発明が解決しようとする課題を説明するための図であって、中子造形装置の部分断面図である。図８は、混練槽２０内において混練した混練材Ｓ２をピストン５０によって金型７０に射出し、射出が完了した様子を示している。ここで、図８に示すように、金型７０は、例えば上型７１と下型７２とから構成され、両者の間にキャビティ７３が形成されている。シリンダ６０によってピストン５０が前進する（図８に示したｚ軸マイナス方向に移動する）ことにより、混練槽２０から射出された混練材Ｓ２がキャビティ７３内に充填され、中子が造形される。
【０００５】
図８に示した中子造形装置では、射出毎に同じ質量の原料を供給し、中子を繰り返し造形する。そのため、射出完了時のピストン５０の位置は、理想的には射出毎に同じになるはずである。しかしながら、例えば金型７０に生じた隙間からの混練材Ｓ２の漏れなど、種々の要因により、射出完了時のピストン５０の位置は、実際には射出毎にばらついてしまう。
【０００６】
図９は、射出完了時のピストン位置に対する中子の質量及び強度の変化を示したグラフである。横軸は射出完了時のピストン位置（ｍｍ）、左側の縦軸は造形された中子の質量（ｇ）、右側の縦軸は造形された中子の強度（Ｎ）を示している。
【０００７】
図９におけるピストン位置は、ピストン５０が最も後退した状態（図８では、シリンダ本体６１に収容されたシリンダロッド６２の長さが最大となる状態）を０ｍｍとし、ピストン５０が前進するにしたがってピストン位置の値が大きくなる。そのため、射出完了時のピストン位置が小さい程、射出後に混練槽内に残留している原料が多く、射出完了時のピストン位置が大きい程、射出後に混練槽内に残留している原料が少ないことを意味する。
【０００８】
発明者らは、図９に示すように、射出完了時のピストン位置によって、中子の質量や強度が変化することを見出した。すなわち、図８に示した中子造形装置では、射出完了時のピストン５０の位置が射出毎にばらついてしまい、造形した中子の品質も射出毎にばらついてしまう問題があった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、造形した中子の品質のばらつきを抑制することができる中子造形装置及び中子造形方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る中子造形装置は、
中子の原料を混練するための混練槽と、
前記混練槽に前記原料を供給する原料供給手段と、
前記混練槽内において混練された前記原料からなる混練材を収容し、前記中子を造形する金型と、
前記混練槽内の前記混練材を前記金型に射出するピストンと、
前記ピストンの位置を検出する位置センサと、
前記原料供給手段から前記混練槽への前記原料の供給量を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記位置センサによって検出された射出完了時の前記ピストンの位置と、予め定められた前記ピストンの基準位置との差に基づいて、前記原料の供給量を決定するものである。
【００１１】
本発明の一態様に係る中子造形装置では、原料供給手段から混練槽への原料の供給量を制御する制御部が、位置センサによって検出された射出完了時のピストンの位置と、予め定められたピストンの基準位置との差に基づいて、原料の供給量を決定する。
すなわち、射出毎に同じ質量の原料を供給するのではなく、射出毎に射出完了時のピストンの位置から実際に射出された混練材の量を算出して原料の供給量を決定する。そのため、射出完了時のピストンの位置のばらつきが抑制され、造形した中子の品質のばらつきも抑制することができる。
【００１２】
前記ピストンを駆動するシリンダをさらに備え、前記位置センサが、前記シリンダに内蔵されていることがが好ましい。
このような構成により、位置センサの耐久性に優れている。
【００１３】
本発明の一態様に係る中子造形方法は、
混練槽に中子の原料を供給するステップと、
前記混練槽内において前記原料を混練するステップと、
前記混練槽内において混練された前記原料からなる混練材をピストンによって金型に射出し、前記中子を造形するステップと、
射出完了時の前記ピストンの位置と、予め定められた前記ピストンの基準位置との差に基づいて、前記混練槽への前記原料の供給量を決定するステップと、を備えたものである。
【００１４】
本発明の一態様に係る中子造形方法では、射出完了時のピストンの位置と、予め定められたピストンの基準位置との差に基づいて、混練槽への原料の供給量を決定する。
すなわち、射出毎に同じ質量の原料を供給するのではなく、射出毎に射出完了時のピストンの位置から実際に射出された混練材の量を算出して原料の供給量を決定する。そのため、射出完了時のピストンの位置のばらつきが抑制され、造形した中子の品質のばらつきも抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、造形した中子の品質のばらつきを抑制することができる中子造形装置及び中子造形方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係る中子造形装置の全体断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る中子造形装置の部分断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る中子造形装置の部分断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る中子造形装置の部分断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る中子造形装置の実施例と比較例における射出完了時のピストン位置のばらつきを示すグラフである。
【図６】射出完了時のピストン位置に対する中子の質量及び強度の変化を示したグラフである。
【図７】第１の実施形態に係る中子造形方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明が解決しようとする課題を説明するための図であって、中子造形装置の部分断面図である。
【図９】射出完了時のピストン位置に対する中子の質量及び強度の変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１８】
（第１の実施形態）
まず、図１〜図４を参照して、第１の実施形態に係る中子造形装置について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る中子造形装置の全体断面図である。図２〜図４は、第１の実施形態に係る中子造形装置の部分断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る中子造形装置は、台座１０、混練槽２０、原料供給手段３０、制御部４０、ピストン５０、シリンダ６０、金型７０を備えている。
なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。
【００１９】
混練槽２０は、上部が開口していると共に底部を有する円筒状部材である。例えば、内径２５０ｍｍ、高さ２５０ｍｍ程度の寸法を有している。図１に示すように、混練槽２０には、開口している上部から中子の原料となる砂Ｓ１、水、水ガラス、界面活性剤などの液状の添加剤が供給される。砂Ｓ１の具体例としては、エスパール（山川産業社製）、ルナモス（花王クエーカー社製）、グリンビーズ（キンセイマテック社製）、ＡＣアルミナサンド（瓢屋社製）などを挙げることができる。
なお、水ガラスはバインダである。バインダは、水ガラスに限定されるものではなく、適宜選択可能である。
【００２０】
混練槽２０の底部には、混練槽２０の内部において混練された混練材Ｓ２（図２〜図４参照）を射出する貫通孔２１が設けられている。この貫通孔２１には、例えばゴム状の弁２２が取り付けられている。弁２２により、混練槽２０に供給された砂Ｓ１などの原料や混練後の混練材Ｓ２が混練槽２０から漏れることを抑制することができる。他方、弁２２の中央部は、例えば平面視＋（プラス）状であって、上下方向（ｚ軸方向）に貫通した切り込みが設けられている。そのため、図４に示すように、混練槽２０内の混練材Ｓ２を加圧して射出する際には、切り込みによって弁２２が開口することができる。
【００２１】
図１に示すように、混練槽２０は、例えば上面が水平な台座１０上に載置されている。台座１０の上面には、混練槽２０の底部に設けられた貫通孔２１と嵌合する凸部１１が形成されている。すなわち、混練槽２０の貫通孔２１に台座１０の凸部１１が嵌合し、貫通孔２１に取り付けられた弁２２を下側から支持している。このような構成により、例えば図２に示した混練中においても、混練材Ｓ２が混練槽２０から漏れることを抑制することができる。
【００２２】
図２に示すように、混練槽２０に供給された砂Ｓ１などの原料を混練羽根２３により混練することにより、混練材Ｓ２が得られる。混練羽根２３は鉛直方向（ｚ軸方向）に延設された回転ロッド２４に固定された単数又は複数の板状部材から構成されている。混練羽根２３を構成する板状部材の法線方向は、いずれもｚ軸方向と垂直である。回転ロッド２４は図示しないモータなどの駆動源に連結されており、回転ロッド２４を軸として混練羽根２３が回転する。ここで、回転ロッド２４の中心軸と、混練槽２０の中心軸とは一致していることが好ましい。
【００２３】
また、図１、図２に示すように、混練羽根２３は回転ロッド２４と共に、鉛直方向（ｚ軸方向）に移動することができる。図１には、混練羽根２３が上方（ｚ軸プラス側）に退避し、回転していない状態が模式的に示されている。図２には、混練羽根２３が下降して（ｚ軸マイナス側に移動して）、混練槽２０に挿入され、回転している状態が模式的に示されている。
【００２４】
図１に示すように、原料供給手段３０は、ホッパ３１、シャッタ３２、秤量皿３３、秤量計３４、砂投入シュート３５、ポンプ３６〜３８を備えている。
ホッパ３１は、混練槽２０に供給するための砂Ｓ１が貯蔵されている。ホッパ３１の排出口３１ａには、開閉自在なシャッタ３２が取り付けられており、排出口３１ａから秤量皿３３へ投下する砂Ｓ１の量を調整することができる。シャッタ３２の開閉及び開度は、制御部４０から出力される制御信号ｃｔｒ１により制御される。
【００２５】
秤量皿３３は秤量計３４上に載置されており、秤量皿３３上に投下された砂Ｓ１の質量が計測される。秤量計３４には例えばロードセルが内蔵されており、秤量計３４によって計測された質量が、電気信号である質量信号ｍｓとして制御部４０に出力される。すなわち、制御部４０は、質量信号ｍｓに基づいて制御信号ｃｔｒ１を生成し、シャッタ３２の開閉及び開度をフィードバック制御している。
【００２６】
具体的には、制御部４０は、例えば以下のような制御を行う。秤量皿３３への砂Ｓ１の投下が開始される際、制御部４０はシャッタ３２を全開にするための制御信号ｃｔｒ１を出力する。その後、秤量計３４から出力される質量信号ｍｓが、制御部４０が決定しておいた供給量に近付いたら、制御部４０はシャッタ３２の開度を小さくするための制御信号ｃｔｒ１を出力する。そして、秤量計３４から出力される質量信号ｍｓが、制御部４０が決定しておいた供給量に到達したら、制御部４０はシャッタ３２を閉じるための制御信号ｃｔｒ１を出力する。
【００２７】
秤量皿３３上に投下された砂Ｓ１の質量が、制御部４０が決定しておいた供給量に到達したら、例えば秤量皿３３がｙ軸周りに傾転し、秤量皿３３上の砂Ｓ１が砂投入シュート３５を介して混練槽２０に供給される。
【００２８】
ポンプ３６〜３８は、それぞれ水、水ガラス、界面活性剤を混練槽２０に供給するためのダイアフラムポンプである。ポンプ３６から供給される水の量は、制御部４０から出力される制御信号ｃｔｒ２により制御される。同様に、ポンプ３７から供給される水ガラスの量は、制御部４０から出力される制御信号ｃｔｒ３により制御される。同様に、ポンプ３８から供給される界面活性剤の量は、制御部４０から出力される制御信号ｃｔｒ４により制御される。例えば、制御信号ｃｔｒ２〜ｃｔｒ４はパルス信号であって、パルス信号の回数に応じた量の水、水ガラス、界面活性剤が、ダイアフラムポンプであるポンプ３６〜３８から供給される。
【００２９】
台座１０上に載置された混練槽２０内において砂Ｓ１などの原料を混練した後、混練材Ｓ２を収容した混練槽２０は、台座１０上から金型７０上に移送される。図１において、金型７０上の混練槽２０は二点鎖線で示されている。
図３、図４には、混練槽２０内の混練材Ｓ２をピストン５０によって金型７０に射出する様子が示されている。具体的には、図３には射出開始時の様子が示されており、図４には射出完了時の様子が示されている。
【００３０】
図３、図４に示すように、ピストン５０は、シリンダ６０によって鉛直方向（ｚ軸方向）に移動することができる。ここで、ピストン５０が前進するとは、ピストン５０が鉛直下向きに移動することであり、ピストン５０が後退するとは、ピストン５０が鉛直上向きに移動することである。図４に示すように、ピストン５０が前進することにより、混練槽２０内の混練材Ｓ２が金型７０に射出される。
【００３１】
シリンダ６０は、シリンダ本体６１とシリンダロッド６２とから構成されている。シリンダロッド６２の先端にピストン５０が取り付けられている。
また、シリンダ６０には例えばリニアエンコーダなどの位置センサ６３が内蔵されている。そのため、シリンダ６０からピストン位置を示す位置信号ｐｓｔが制御部４０に出力される。位置センサ６３がシリンダ６０に内蔵されているため、外付けの場合に比べて、耐久性に優れている。但し、位置センサ６３は、シリンダ６０に内蔵されている必要はない。
【００３２】
制御部４０は、位置センサ６３によって検出された射出完了時のピストン５０の位置を示す位置信号ｐｓｔ＿ｃｍｐと、予め定められたピストン５０の基準位置ｓｔｄとの差ΔＬに基づいて、原料の供給量を決定する。基準位置ｓｔｄは、制御部が備える図示しない記憶部に格納されている。
【００３３】
基準位置ｓｔｄは、例えば実験により求めることができる。具体的には、例えば基準位置ｓｔｄをある値に設定し、実際に中子を造形した際の射出完了時のピストン５０の位置を測定する。そして、目標とする射出完了時のピストン５０の位置とのずれに基づいて、基準位置ｓｔｄの値を修正する。このような工程を少なくとも１回行って基準位置ｓｔｄを決定することができる。
【００３４】
すなわち、第１の実施形態に係る中子造形装置では、射出毎に同じ質量の原料を供給するのではなく、射出毎に射出完了時のピストン５０の位置から実際に射出された混練材Ｓ２に相当する原料を算出して供給する。そのため、射出完了時のピストン５０の位置のばらつきが抑制され、造形した中子の品質のばらつきも抑制することができる。
【００３５】
以下に、砂Ｓ１の供給量（砂供給量）、バインダ供給量、界面活性剤供給量、及び水供給量の具体的な算出方法の一例を示す。なお、下記の式はあくまでも一例であり、種々の修正が可能である。
まず、上記の差ΔＬから下記式の通り、必要な混練材Ｓ２の量（必要混練材量）を求めることができる。
必要混練材量＝砂比重×ΔＬ×混練槽断面積
【００３６】
次に、この必要混練材量から下記式の通り、バインダ供給量、界面活性剤供給量、及び水供給量を求めることができる。
砂供給量＝必要混練材量×（１−水添加率）×（１−バインダ有効添加率−界面活性剤有効添加率）
バインダ供給量＝必要混練材量×バインダ有効添加率÷バインダ溶液濃度
界面活性剤供給量＝必要混練材量×界面活性剤有効添加率÷界面活性剤溶液濃度
水供給量＝必要混練材量×水添加率−バインダ供給量×（１−バインダ溶液濃度）
−界面活性剤供給量×（１−界面活性剤溶液濃度）＋水浸み出し量
【００３７】
図５は、第１の実施形態に係る中子造形装置の実施例と比較例における射出完了時のピストン位置のばらつきを示すグラフである。比較例では、射出毎に同じ質量の原料を供給した。そのため、射出完了時のピストン５０の位置のばらつきが２６３〜２８１ｍｍ程度の幅すなわち１８ｍｍ程度の幅を有している。これに対し、実施例では、射出毎に射出完了時のピストン５０の位置から実際に射出された混練材Ｓ２に相当する原料を算出して供給した。そのため、射出完了時のピストン５０の位置のばらつきが２４３〜２４７ｍｍ程度の幅すなわち４ｍｍ程度の幅に劇的に改善されている。
【００３８】
図６は、射出完了時のピストン位置に対する中子の質量及び強度の変化を示したグラフである。具体的には、図９に示したグラフに図５に示した実施例及び比較例のばらつき幅の結果を重畳して示したものである。図６に示すように、比較例に比べ、実施例では射出完了時のピストン５０の位置のばらつきを大幅に抑制することができた。その結果、比較例に比べ、実施例では高強度の中子を安定して造形することができた。
【００３９】
次に、図７を参照して、第１の実施形態に係る中子造形方法について説明する。
図７は、第１の実施形態に係る中子造形方法を示すフローチャートである。図７の説明に当たっては、図１〜図４も参照する。
まず、図１に示すように、原料供給手段３０から砂Ｓ１、水、水ガラス、界面活性剤などの原料を混練槽２０に供給する（ステップＳＴ１）。初回に供給する原料の質量は、造形する中子の質量よりも大きく、例えば倍〜数倍程度である。
【００４０】
次に、図２に示すように、混練槽２０内で混練羽根２３により原料を混練する（ステップＳＴ２）。
次に、混練槽２０を金型７０上に移送した後、図３、図４に示すように、混練槽２０内の混練材Ｓ２をピストン５０によって金型７０に射出し、中子を造形する（ステップＳＴ３）。
【００４１】
次に、図４に示すように、制御部４０は、位置センサ６３によって検出された射出完了時のピストン５０の位置を示す位置信号ｐｓｔ＿ｃｍｐと、予め定められたピストン５０の基準位置ｓｔｄとの差ΔＬに基づいて、原料の供給量を決定する（ステップＳＴ４）。
次に、目標射出回数に到達していなければ（ステップＳＴ５ＮＯ）、ステップＳＴ１に戻り、ステップＳＴ４において決定した供給量の原料を混練槽２０に投入する。一方、目標射出回数に到達していれば（ステップＳＴ５ＹＥＳ）、中子の造形を終了する。
【００４２】
第１の実施形態に係る中子造形方法では、射出毎に同じ質量の原料を供給するのではなく、射出毎に射出完了時のピストン５０の位置から実際に射出された混練材Ｓ２に相当する原料を算出して供給する。そのため、射出完了時のピストン５０の位置のばらつきが抑制され、造形した中子の品質のばらつきも抑制することができる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  台座
１１  凸部
２０  混練槽
２１  貫通孔
２２  弁
２３  混練羽根
２４  回転ロッド
３０  原料供給手段
３１  ホッパ
３１ａ  排出口
３２  シャッタ
３３  秤量皿
３４  秤量計
３５  砂投入シュート
３６−３８  ポンプ
４０  制御部
５０  ピストン
６０  シリンダ
６１  シリンダ本体
６２  シリンダロッド
６３  位置センサ
７０  金型
７１  上型
７２  下型
７３  キャビティ
Ｓ１  砂
Ｓ２  混練材
【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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【図７】
2018069301.tif 000009
【図８】
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【図９】
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