JP2014188551A - 砂型造型方法及び砂型造型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発泡砂を金型のキャビティに充填し、加熱、固化して造型品を得る際、発泡砂の加熱、固化時に生じる水蒸気及びガスをキャビティから円滑に排出する。
【解決手段】金型２を型締めしてキャビティＣを形成し、キャビティＣ内に発泡砂Ｓを充填する。発泡砂Ｓを加熱、固化する際、型締め力を低下させて、キャビティＣを維持しつつ、金型２間に僅かな隙間Ｌを形成する。発泡砂Ｓを加熱、固化する際に生じるガス及び水蒸気がキャビティＣ内から隙間Ｌを通って外部に円滑に排出されるので、発泡砂Ｓの焼成時間を短縮することができる。固化したバインダーがスリット１６に堆積した場合でも、隙間Ｌにより、確実にキャビティＣ内からガス及び水蒸気を外部に排出することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、金型に発泡砂を充填し固化して砂中子等の砂型を造型する砂型造型方法及び砂型造型装置に関するものである。

エンジンのシリンダブロックやシリンヘッド等を鋳造する際、ウォータジャケットや吸排気ポート等の中空部を形成するために崩壊性の砂中子（砂型）が用いられる。砂中子は、例えば、熱可塑性樹脂で被覆したシェル砂を砂吹込み装置のノズルから圧縮空気によって金型に吹込み、キャビティ内に充填し、加熱して固めることによって所定の形状に形成される。

これに対して、水、水溶性バインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を用いて中子等の砂型の造型を行う技術がある。このように、発泡砂を金型のキャビティに充填して造型を行う場合、発泡砂の加熱、硬化（焼成）の過程で水分の蒸発及び気泡の熱膨張により、キャビティの内圧が高まるため、造型品は、表層部に水溶性バインダー及び骨材が集積して緻密で強度の高い硬化層が形成される一方、内部に密度が低く脆い脆弱部が形成される。このため、発泡砂により造型された中子は、鋳造時には、中子として充分な強度を確保しつつ、鋳造後は、崩壊性に優れ、鋳造品から容易に取除くことができる。

発泡砂は、金型内で加熱、硬化する際、水蒸気及びガスを発生するため、これらを金型のキャビティの外部に円滑に排出する必要がある。そこで、発泡砂の造型用の金型には、水蒸気及びガスを排出するためのスリット、あるいは、通路が設けられる。また、特許文献１には、発泡砂用のものではないが、金型にガス抜き孔を設けて、シェル砂を金型のキャビティ内で焼成する際、発生するガスを金型のキャビティから排出する点が記載されている。

特開２００２−１９２３０５

発泡砂を用いて砂型を造型する場合、次のような問題がある。
発泡砂の加熱、硬化時間（焼成時間）を短縮するためには、水蒸気をいかに早く金型のキャビティから排出するかが重要である。しかし、発泡砂が加熱、硬化する過程で、水蒸気及びガスと共に水溶性のバインダーがガス抜き用のスリット、通路にから流出するため、造型の繰返しにより、ガス抜き用のスリット、通路に固化したバインダーが堆積して、水蒸気及びガスの排出が妨げられることがある。水蒸気及びガスの円滑な排出が妨げられると、発泡砂の焼成に時間がかかり、問題となる。

本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、発泡砂を金型のキャビティ内で加熱、硬化する際、キャビティ内から水蒸気及びガスを円滑に排出して硬化時間を短縮することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、バインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を金型のキャビティに充填し、加熱、固化して造型品を得る砂型造型方法及び砂型造型装置において、
前記金型を型締めして前記キャビティを形成し、該キャビティ内に発泡砂を充填した後、前記金型を僅かに開いて前記キャビティを維持しつつ前記金型間に隙間を設けることを特徴とする。

（発明の態様）
以下に、本発明において特許請求が可能と認識される発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の（１）乃至（４）の内容が請求項１乃至４にそれぞれ対応する。

（１）バインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を金型のキャビティに充填し、加熱、固化して造型品を得る砂型造型方法において、
前記金型を型締めして前記キャビティを形成し、該キャビティ内に発泡砂を充填した後、前記金型を僅かに開いて前記キャビティを維持しつつ前記金型間に隙間を設けることを特徴とする砂型造型方法。
（２）（１）において、前記金型の型締め力を低下させて、前記金型からの反力により前記金型間に隙間を設けることを特徴とする砂型造型方法。
（３）型締めによりキャビティを形成する金型と、前記金型を開閉する型締め装置と、バインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を前記キャビティに充填する充填装置と、前記キャビティ内の発泡砂を加熱する加熱装置と、を備え、
前記型締め装置は、前記キャビティ内に発泡砂を充填した後、前記金型を僅かに開いて前記キャビティを維持しつつ前記金型間に隙間を形成することを特徴とする砂型造型装置
（４）（３）において、前記型締め装置は、型締め力を低下させて、前記金型からの反力により前記金型間に隙間を形成することを特徴とする砂型造型装置。
（１）及び（３）の砂型造型方法及び装置によれば、金型のキャビティ内で発泡砂を加熱、硬化する際、金型間に微小な隙間を設けることにより、水蒸気及びガスが金型間の隙間から円滑に外部に排出されるので、硬化時間を短縮することができる。
金型のキャビティから水蒸気及びガスを排出する通路に固化したバインダーが堆積した場合でも、金型間の隙間により、水蒸気及びガスをキャビティから外部に確実に排出することができる。
このとき、金型間の隙間が充分小さく、キャビティの形状及び寸法が維持されるので、造型品の寸法精度に影響することがない。
また、（２）及び（４）の砂型造型方法及び装置によれば、金型からの反力に応じて金型間の隙間を調整することができる。
（５）（４）において、前記型締め装置は、エアシリンダによって前記金型の型締めを行い、前記エアシリンダに供給する圧縮エアの圧力を低下させて型締め力を低下させることを特徴とする砂型造型装置。

本発明によれば、発泡砂を金型のキャビティ内で加熱、硬化する際、金型間の隙間を通してキャビティ内から水蒸気及びガスを円滑に排出することができ、硬化時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態に係る砂型造型装置を示す概略図である。 図１の砂型造型装置による発泡砂の造型工程を示す図である。 図１の砂型造型装置において、型締め設定圧力と金型間の隙間との関係を示す図表である。 図１の砂型造型装置において、型締め設定圧力と金型間の隙間との関係を示すグラフ図である。 図１の砂型造型装置において、型締め設定圧力と造型品の良否との関係を示す図表である。 発泡砂の組成を示すイメージ図である。 金型のキャビティ内で発泡砂が加熱、硬化する過程を示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る砂型造型装置１は、発泡砂を固めて砂中子（砂型）を造型するものであって、キャビティＣを形成する金型２と、金型２のキャビティＣに発泡砂Ｓを充填するための充填装置３と、金型２の開閉を行う型締め装置４とを備えている。

本実施形態において使用する発泡砂Ｓは、骨材である砂と、水ガラス（ケイ酸ナトリウム）、水及び界面活性剤を含む水溶性無機バインダーと混合し、混練して発泡状態としたものである。発泡砂Ｓを構成する粒子の状態のイメージを図６に示す。図６（Ａ）は、砂の粒子７の表面に泡８が吸着した状態を示し、図６（Ｂ）は、泡８の一部を拡大して示している。図６（Ｂ）に示すように、発泡砂Ｓは、水ガラス水溶液（水を符号１０、水ガラスを符号１１で示す）の表面を界面活性剤９で覆って泡８を形成し、この泡８が界面活性剤９を介して砂の粒子７の表面に吸着して発泡状態となっており、適度な粘性を有している。ここで、砂に対して、水ガラスのモル比１．０〜３．０、重量比０．４〜３．０％、水の重量比１．５〜５．０％、界面活性剤の重量比０．００３〜２．０％程度とすることにより、適度な粘性を有する発泡砂Ｓを得ることができる。

図１を参照して、金型２は、パーティングラインＰによって分割された固定型１２と可動型１３とを備え、固定型１２と可動型１３とを型締めしてキャビティＣを形成する。固定型１２は、固定ベース１４に固定されている。可動型１３は、移動可能な可動ベース１５に固定され、可動ベース１５と共に移動して金型２の開閉を行う。固定型１２及び可動型１３は、ヒータ等の加熱装置Ｈによって１５０℃〜３００℃程度に加熱され、キャビティＣに充填された発泡砂Ｓの水分を蒸発させて発泡砂Ｓを固化させる。金型２には、キャビティＣ内において、発泡砂Ｓが加熱、硬化する際にガス及び水蒸気を外部に排出するためのスリット１６等の排出通路を設けてもよい。

金型２の固定型１２及び可動型１３には、それぞれ離型装置１７が設けられている。離型装置１７は、キャビティＣ内に向って進退動可能に設けられた複数の押出ピン１８と、複数の押出ピン１８の基部に連結された押出板１９と、固定ベース１４及び可動ベース１５と押出板１９との間に設けられた押出バネ２０とを備えている。そして、押出バネ２０のバネ力により、押出板１９を介して複数の押出ピン１８を押圧して、押出ピン１８の先端部をキャビティＣ内に突出させるようになっている。両側の押出板１９には、それぞれ先端部が互いに対向する後退ピン２１が取付けられている。そして、固定型１２と可動型１３とを閉じたとき、これらの後退ピン２１の先端部が互いに当接して、押出板１９を押出バネ２０のバネ力に抗して移動させることにより、押出ピン１８をキャビティＣから後退させるようになっている。これにより、押出ピン１８は、金型２の開閉に連動し、金型２を閉じたとき、キャビティＣ内から後退し、金型２を開いたとき、キャビティＣ内に突出して造型した中子を離型する。

充填装置３は、発泡砂Ｓを混練し、貯留する砂槽２２と、砂槽２２内の発泡砂Ｓを加圧する加圧機構２３と、砂槽２２を金型２のキャビティＣに接続する充填口２４とを備えている。そして、固定型１２と可動型１３とを閉じて型締めした金型２上に砂槽２２をセットし、加圧機構２３によって砂槽２２内の発泡砂Ｓを加圧することにより、充填口２４を介して金型２のキャビティＣ内に発泡砂Ｓを充填する。

型締め装置４は、可動ベース１５を駆動する複動式のエアシリンダ２６と、エアシリンダ２６に圧縮エアを供給するエア源２７と、エア源２７からエアシリンダ２６への圧縮エアの供給を切換えて、可動ベース１５を前進及び後退させる切換弁２８と、エアシリンダに供給する圧縮エアの圧力を調整する圧力調整弁２９と、エアシリンダ２６に供給された圧縮エアの圧力を検出する圧力計３０と、切換弁２８及び圧力調整弁２９の作動を制御する制御装置３１とを備えている。

制御装置３１は、切換弁２８を制御し、圧縮エアの供給を切換えて複動式のエアシリンダ２６の作動ロッド２６Ａを伸縮させることにより、可動ベース１５と共に可動型１３を進退動させて金型２の開閉を行う。また、型締め時に圧力計３０の検出圧力に基づいて圧力調整弁２９を作動させ、エアシリンダ２６に供給する圧縮エアの圧力を調整することにより、型締め力を調整する。これにより、金型２のキャビティＣ内で発泡砂Ｓが加熱、硬化する際、エアシリンダ２６による型締め力を低下させると、キャビティＣ内の圧力、離型装置１７の押出バネ２０のバネ力、及び、金型２の反りによる反力により、可動型１３が僅かに後退して、固定型１２と可動型１３とのパーティングラインＰに微小な隙間Ｌ（図２（Ｃ）参照）が形成され、この隙間Ｌを調整することができる。

次に、砂型造型装置１により、砂中子を造型する工程について説明する。
図２（Ａ）に示すように、型締め装置４により可動型１３を駆動して金型２を閉じ、型締めしてキャビティＣを形成し、金型２に充填装置３をセットする。このとき、離型装置１７の押出ピン１８は、上述のように型締めに連動してキャビティＣから後退する。金型２を加熱装置Ｈによって予め加熱した状態で、充填装置３の加圧機構２３を作動させて、砂槽２２内の発泡砂Ｓを充填口２４を通して加熱された金型２のキャビティＣに充填する。発泡砂ＳのキャビティＣへの充填が完了した状態を図２（Ｂ）に示す。金型２のキャビティＣ内に充填された発泡砂Ｓは、加熱により水分が蒸発して硬化する。

ここで、キャビティＣ内に充填された発泡砂Ｃが加熱、硬化する過程について図７を参照して説明する。図７（Ａ）に示すように、金型２のキャビティＣ内では、加熱により、発泡砂Ｓの気泡８が膨張してキャビティＣの内圧が上昇する。そして、図７（Ｂ）に示すように、気泡８が金型２のキャビティＣの内壁に沿って移動してパーティングラインＰに設けられたスリット１６等によって形成された通路を通って外部へ排出される。このとき、発泡砂Ｓを組成する水ガラス（バインダー）及び骨材がキャビティＣの内壁側に押しやられて、キャビティＣの内壁付近の水ガラス及び骨材の密度が高まる。その結果、キャビティＣ内で固化した砂中子Ｗは、キャビティＣの内壁に接した表層部に水ガラス及び骨材の密度が高く緻密な硬化層３３が形成され、内部の密度が低下し、中心部には、崩壊し易い脆弱部３４が形成される。

また、キャビティＣの内壁側に押しやられた水ガラス（バインダー）は、水蒸気及びガスと共にスリット１６等からなる通路に侵入して外部に放出される。この通路に侵入したバインダーは、硬化して通路に固着する。このようにして通路に固着したバインダーが堆積して通路が塞がれると、水蒸気及びガスの円滑な排出が阻害され、焼成時間が長くなり、造型不良の原因となる。

本実施形態では、金型２のキャビティＣへの発泡砂Ｓの充填完了後、型締め装置４のコントローラ３１により、圧力計３０の検出圧力に基づき、圧力調整弁２９を作動させてエアシリンダ２６への圧縮エアの供給圧力を所定圧力だけ減圧し、型締め力を低下させる。これにより、図２（Ｃ）に示すように、発泡砂Ｓの加熱、硬化により上昇したキャビティＣ内の圧力、離型装置１７の押出バネ２０のバネ力、及び、金型２の反りによる反力により、可動型１３が僅かに後退して、固定型１２と可動型１３とのパーティングラインＰに微小な隙間Ｌが形成される。そして、金型２のキャビティＣ内で発泡砂Ｓの加熱、硬化時に生じるガス及び水蒸気がこの微小な隙間Ｌを通して外部に円滑に排出される。その結果、発泡砂Ｓの固化を促進することができ、焼成時間を短縮することができる。

このとき、微小な隙間Ｌは、ガス及び水蒸気を円滑に排出できる程度の僅かな隙間であり、可動型１３の移動量も僅かであるから、キャビティＣの形状及び寸法が維持されるので、造型する中子の形状及び寸法精度に影響しない。また、キャビティＣ内の圧力、離型装置１７の押出バネ２０のバネ力、及び、金型２の反りの反力により、可動型１３が僅かに移動して固定型１２との間に微小な隙間Ｌを形成するので、金型２間のパーティングラインＰ、スリット１６へのバインダーの堆積量にかかわらず、一定の微小な隙間Ｌを確保することができる。その結果、発泡砂Ｓの加熱、硬化時に生じるガス及び水蒸気を確実に外部に排出することができ、焼成時間を短縮して良好な造型品を得ることができる。

金型２のキャビティＣ内の発泡砂Ｓが固化した後、制御装置３１により切換弁２８を作動させ、複動式のエアシリンダ２６への圧縮エアの供給を切換えて、可動ベース１５と共に可動型１３を後退させて金型２を開き、造型された砂中子を取出す。このとき、型開きに連動して離型装置１７の後退ピン２１の先端部が離間し、押出バネ２０のバネ力により押出板１９が移動し、押出ピン１８がキャビティＣ内に突出して造型した砂中子を離型する。

次に、上述の工程において、金型２間のパーティングラインＰに隙間Ｌを形成する際（図２（Ｃ）参照）のエアシリンダ２６に供給する圧縮エアの圧力と、隙間Ｌの大きさ、及び、造型された砂中子の良否との関係について図３乃至図５を参照して説明する。

図３及び図４に示すように、型締め時のエアシリンダ２６への圧縮エアの供給圧力０．３５ＭＰａに対して、供給圧力を低下させて、０．１５ＭＰａ、０．１０ＭＰａ及び０．０５ＭＰａとすることにより、隙間Ｌは、それぞれ、平均で０．２２ｍｍ、０．２５ｍｍ及び０．３６ｍｍとなった。これにより、図５に示すように、供給圧力を型締め時のまま０．３５ＭＰａとして、隙間Ｌを設けない場合には、造型品は、良品６０％、不良品４０％であるのに対して、供給圧力を０．１０ＭＰａに低下させて隙間Ｌを設けた場合、良品８０％、不良品２０％となり、さらに供給圧力を０．０５ＭＰａに低下させて隙間Ｌを増大した場合、１００％の良品を得ることができた。

なお、上記実施形態では、型締め装置４のエアシリンダ２６への圧縮エアの供給圧力（型締め力）を低下させて、金型２間の反力により固定型１２と可動型１３との間に隙間Ｌを形成するようにしているが、可動型１３の移動量を直接制御することにより、所定の隙間Ｌを形成するようにしてもよい。

１…砂型造型装置、２…金型、Ｃ…キャビティ、Ｈ…加熱装置、Ｌ…隙間、Ｓ…発泡砂

Claims (4)

1. バインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を金型のキャビティに充填し、加熱、固化して造型品を得る砂型造型方法において、
   前記金型を型締めして前記キャビティを形成し、該キャビティ内に発泡砂を充填した後、前記金型を僅かに開いて前記キャビティを維持しつつ前記金型間に隙間を設けることを特徴とする砂型造型方法。
2. 前記金型の型締め力を低下させて、前記金型からの反力により前記金型間に隙間を設けることを特徴とする請求項１に記載の砂型造型方法。
3. 型締めによりキャビティを形成する金型と、前記金型を開閉する型締め装置と、バインダーを骨材と共に撹拌して発泡させた発泡砂を前記キャビティに充填する充填装置と、前記キャビティ内の発泡砂を加熱する加熱装置と、を備え、
   前記型締め装置は、前記キャビティ内に発泡砂を充填した後、前記金型を僅かに開いて前記キャビティを維持しつつ前記金型間に隙間を形成することを特徴とする砂型造型装置。
4. 前記型締め装置は、型締め力を低下させて、前記金型からの反力により前記金型間に隙間を形成することを特徴とする請求項３に記載の砂型造型装置。

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