JP2022170594A - ホットチャンバ鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶湯への空気の巻き込みによる巣の発生を抑制するとともに、高品質の成型品を連続的かつ安定的に鋳造できる等のホットチャンバ鋳造装置を提供すること。
【解決手段】ホットチャンバ鋳造装置１は、射出チャンバ３と、射出ノズル５と、射出チャンバ３及び射出ノズル５との間に配置した切換バルブ６とを備える。切換バルブ６は、溶湯の射出工程で射出チャンバ３の溶湯吐出路３２と射出ノズル５の射出湯路５１とが連通する第一位置、及び、溶湯の供給工程で溶湯吐出路３２がポット２の溶湯Ｗで開放する第二位置に切り換え可能な構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミ等のダイキャスト品を製造するホットチャンバ鋳造装置に関する。

アルミ合金を材料とする鋳造法は、高温の溶湯（溶融した金属材料）に浸漬したチャンバで射出を行うホットチャンバ方式と、横置きのスリーブ内に溶湯を供給しながら射出を行うコールドチャンバ方式とに大別される。そのうち、ホットチャンバ方式は、コールドチャンバ方式に比較して、高品質で比較的肉薄の成型品を高速かつ連続的に鋳造できるという点で優れている。

従来のホットチャンバ鋳造装置は、縦型の射出チャンバを有する方式のものが主流である（例えば特許文献１、２参照）。この種のホットチャンバ鋳造装置は、セラミック製の射出チャンバ全体がポットに貯留された溶湯内に浸漬して設置されている。射出チャンバは、その内部に、シリンダと、シリンダ内の溶湯を吐出させるための「グースネック」と称される溶湯吐出路と、ポット内の溶湯をシリンダ内へ流入させて供給するための溶湯供給路が形成されている。シリンダにはプランジャが上下に移動可能に嵌挿されている。プランジャは、その上方の油圧シリンダのロッドに連結しており、油圧シリンダを駆動してプランジャをシリンダ内で上下に移動させることで、溶湯の供給及び射出動作が行われる。

ところで、高温のアルミ溶湯は鉄系合金をはじめとする多くの金属材料を溶損・侵食するため、成型品の材料としてアルミニウムを用いるホットチャンバ鋳造装置においては、射出チャンバや射出ノズル等の溶湯に直接触れる構造部材に金属材料を使うことができない。そのため、射出チャンバや射出ノズル等の材料としては、金属ではなく耐熱性と剛性とを兼ね備えたセラミックが用いられている。その一方で、セラミック製の射出ノズルの先端部に例えば離型剤が接触すると急冷して割れるおそれもあることから、成型品の離型の際には金型が射出ノズルの先端部から一旦切り離される。

シリンダ内に溶湯を供給するため、金型を射出ノズルから切り離した状態でプランジャを上昇させたとき、射出ノズルの先端部の出口から空気がシリンダに吸い込まれるが、その空気の大部分はシリンダの壁に形成された溶湯供給路を介してシリンダに流入する溶湯と入れ替わる形でポット側に吐き出される。しかし、シリンダの溶湯に混入した空気（気泡）が僅かでも残留すると、金型に射出される溶湯にもその空気が巻き込まれ、それが成型品に巣を発生させる一要因となっている。また、溶湯に混入した空気により酸化物が発生し、その酸化物がシリンダやプランジャ等を構成しているセラミックスを摩耗又は損傷させるおそれもある。

この課題に関連し、例えば特許文献２には、ノズルと金型との間に開閉バルブを設け、プランジャを上昇させ溶湯をポットに供給する供給工程中に開閉バルブを閉じることで、シリンダへの空気の混入を防ぐホットチャンバーダイカスト装置が記載されている。

特開２０１１－１１０５６６号公報 特開２０１３－２０２６４７号公報

しかし、特許文献２に記載のダイカスト装置では、供給工程中に開閉バルブを閉じることでシリンダ内が真空引き状態となり、かえって溶湯にキャビテーションが発生し易くなるという課題がある。また、シリンダが真空状態となることから、プランジャを原点位置に戻すまで大きな引き上げ力が必要となり、チャンバの耐久性や機械的効率においても課題がある。更に、射出ノズルや開閉バルブ等の部材は溶湯には浸漬されていないため、これらを常時適度な高温状態に保つための温度制御ヒータも必要となる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、溶湯への空気の巻き込みによる巣の発生を抑制するとともに、高品質の成型品を連続的かつ安定的に鋳造できる等のホットチャンバ鋳造装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明のホットチャンバ鋳造装置は、溶融した金属材料である溶湯を貯留するポットと、前記ポットに貯留された溶湯内に浸漬した状態で設置される射出チャンバであって、垂直縦長のシリンダ及び該シリンダの下部に連通する溶湯吐出路を有するチャンバ本体と、前記シリンダ内で上昇及び下降可能に嵌挿されるプランジャとを有している射出チャンバと、前記射出チャンバから吐出された溶湯を外部の金型に導く射出ノズルとを備えているホットチャンバ鋳造装置であって、前記ポットに貯留された溶湯内に浸漬した状態で前記射出チャンバと前記射出ノズルとの間に配置され、前記溶湯吐出路と前記射出ノズルの射出湯路とが連通する第一位置、及び、前記溶湯吐出路が前記溶湯内で開放する第二位置に切り換え可能な切換バルブを備えている。

ホットチャンバ鋳造装置は、前記切換バルブが前記第二位置に切り換えられたとき前記射出ノズルの前記射出湯路も前記溶湯内で開放することが好ましい。

また、ホットチャンバ鋳造装置は、前記切換バルブが、バルブ本体と、該バルブ本体を縦方向に貫通する無底のスリーブ内で上下動可能に嵌挿されるスプールとを有し、前記バルブ本体には、前記スリーブと、該スリーブから入口側横方向に向かって突き抜け前記射出チャンバの前記溶湯吐出路に連通する入口側ポートと、該スリーブから出口側横方向に向かって突き抜け前記射出ノズルの前記射出湯路に連通する出口側ポートとが形成されており、前記スプールには連通部が形成されており、前記第一位置では、前記スプールの前記連通部を介して前記入口側ポート及び前記出口側ポートが連通し、前記第二位置では、前記スプールの底面が、前記入口側ポート及び前記出口側ポートよりも上方に位置することが好ましい。

また、ホットチャンバ鋳造装置は、前記連通部が前記スプールの本体を横方向に貫通する流路孔であることが好ましい。また、前記連通部が前記スプールの本体の移動軸方向に所定幅を有する小径部であってもよい。

また、ホットチャンバ鋳造装置は、前記プランジャを下降させ前記シリンダの溶湯を前記金型に射出する射出工程においては前記切換バルブが前記第一位置に切り換えられ、前記プランジャを上昇させ前記ポットの溶湯を前記シリンダに供給する供給工程においては前記切換バルブが前記第二位置に切り換えられることが好ましい。

本発明によれば、プランジャを上昇させる溶湯の供給工程でシリンダ内の溶湯に空気が混入するのを防ぐことができる。それにより、射出される溶湯に空気が巻き込まれなくなり、成型品における巣等の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態によるホットチャンバ鋳造装置の構成を模式的に示す断面図である。 図１の射出チャンバ及び切換バルブの断面図である。 他の実施形態による射出チャンバ及び切換バルブの断面図である。 ホットチャンバ鋳造装置の動作を説明するための射出チャンバ及び切換バルブの断面図である。 ホットチャンバ鋳造装置の動作を更に説明するための射出チャンバ及び切換バルブの断面図である。 ホットチャンバ鋳造装置の動作を更に説明するための射出チャンバ及び切換バルブの断面図である。 ホットチャンバ鋳造装置の動作を更に説明するための射出チャンバ及び切換バルブの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るホットチャンバ鋳造装置の好適な実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態によるホットチャンバ鋳造装置１の構成を模式的に示す断面図である。

本実施形態によるホットチャンバ鋳造装置１は、高温に溶融した金属材料である溶湯Ｗを貯留するポット２と、ポット２に貯留された溶湯Ｗ内に浸漬した状態で設置される射出チャンバ３と、射出チャンバ３から吐出された溶湯Ｗを金型９に導く射出ノズル５とを備えている。また、ホットチャンバ鋳造装置１は、射出チャンバ３と射出ノズル５との間に切換バルブ６を備えている。切換バルブ６も溶湯Ｗ内に浸漬した状態で射出チャンバ３に接続して設置されている。

ポット２には、公知の溶解炉から高温の溶湯Ｗが適宜に補給され、それにより溶湯Ｗの液面レベル（これを「溶湯面」という。）が一定に保持されている。また、ポット２には電気ヒータ８が設置され、それにより溶湯Ｗは、例えば７００℃以上の一定温度の溶融状態に加熱保持される。

本実施形態のホットチャンバ鋳造装置１により鋳造される成型品の金属材料としては、アルミ、アルミ合金（例えば、Ａｌ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｃｕ系）、銅合金、マグネシウム合金、亜鉛合金などがある。特に、ホットチャンバ鋳造装置１は、不純物の混入を防ぐことができ、また高温低圧での射出成型が可能である点において、例えば熱伝導率が高い純アルミを材料とする精密部品の鋳造に適している。

射出チャンバ３は、セラミック製で略円柱状のチャンバ本体３０と、チャンバ本体３０を保持する同じくセラミック製のアウタスリーブ４０とを備えて構成されている。

チャンバ本体３０の内部には、上部が開口し垂直縦長の円筒状の室であるシリンダ３１が形成されている。シリンダ３１内には略円柱状でセラミック製のプランジャ３８が上下移動可能に嵌挿されている。また、チャンバ本体３０には、シリンダ３１の下部に連通し、一般にグースネックとも称される溶湯吐出路３２が形成されている。

なお、本明細書において、プランジャ３８を上昇させてシリンダ３１内を負圧にしながら、ポット２内の溶湯をシリンダ３１へ供給する工程を「供給工程」と称している。また、プランジャ３８を下降させてシリンダ３１内の溶湯を加圧し、溶湯を金型９に射出する工程を「射出工程」と称している。

アウタスリーブ４０は、チャンバ本体３０と略同程度の内径を有する筒状の容器であり、チャンバ本体３０を筒内に嵌挿させて安定保持するために設けられる部材である。アウタスリーブ４０の上部には、半径方向に張り出たフランジ部４１が一体形成されている。アウタスリーブ４０に嵌挿されたチャンバ本体３０は、アウタスリーブ４０の内壁及びチャンバ本体３０の外壁に形成された縦溝にセラミック片（図示略）がキー止めされることにより回転不能に保持される。

アウタスリーブ４０には、溶湯面と略同じレベルとなる高さ位置に１箇所又は複数個所の開口部４３と、溶湯吐出路３２の出口側で同じく溶湯面と略同じレベルとなる高さ位置に、前記の開口部４３よりも若干大きい開口寸法を有する吐出側開口部４４が形成されている。

切換バルブ６は、例えば図２に詳細に示されるように、バルブ本体６０と、バルブ本体６０のスリーブ６１内で上下動可能に嵌挿されるスプール６４とを有して構成される。バルブ本体６０及びスプール６４は、射出チャンバ３と同様にセラミックで形成される。スリーブ６１は、バルブ本体６０を縦（上下）方向に貫通する空洞として形成されている。すなわち、スリーブ６１の下部は無底の下開口部６１ａとなっている。また、バルブ本体６０には、スリーブ６１の略中間位置から入口側横方向に向かって突き抜ける流路である入口側ポート６２と、入口側ポート６２とは反対の出口側においてスリーブ６１から横方向に向かって突き抜ける流路である出口側ポート６３とが形成されている。

バルブ本体６０において、入口側ポート６２の入口部６２１は凸型半球状に形成されている。一方、チャンバ本体３０の溶湯吐出路３２の出口部３２１は、バルブ本体６０の入口部６２１の形状に適合して凹状となっている。チャンバ本体３０の出口部３２１にバルブ本体６０の入口部６２１が接続して配置されることで、射出チャンバ３の溶湯吐出路３２と切換バルブ６の入口側ポート６２とが連通している。

また、バルブ本体６０の出口側ポート６３の出口部６３１は、射出ノズル５の基端部５０ｂの形状（凸型半球状）に適合して凹状となっている。射出ノズル５の基端部５０ｂがバルブ本体６０の出口部６３１に接続することで、射出ノズル５の射出湯路５１と切換バルブ６の出口側ポート６３とが連通している。なお、射出ノズル５の先端部５０ａは、図１にしめしたように金型９の溶湯注入口９２に接続している。

スプール６４は、連通部として例えば本体を横方向に貫通する流路孔６５を有している。また、他の実施形態として、連通部は、例えば図３に示すように、スプール６４の本体の移動軸方向に所定の幅を有する小径部６６であってもよい。

切換バルブ６は、スプールの連通部（流路孔６５又は小径部６６）が入口側ポート６２及び出口側ポート６３に一致する第一位置（例えば図４Ａ、４Ｂ参照）と、スプール６４の底面が入口側ポート６２及び出口側ポート６３よりも上方に位置する第二位置（例えば図４Ｃ、４Ｄ参照）とに切り換え可能である。

上記の第一位置では、連通部（流路孔６５又は小径部６６）を介して入口側ポート６２及び出口側ポート６３が連通し、それにより、射出チャンバ３の溶湯吐出路３２と射出ノズル５の射出湯路５１も連通している。ただし、スプール６４により下開口部６１ａが閉塞されるので、溶湯吐出路３２及び射出湯路５１ともに、ポット２内の溶湯Ｗとは遮断されている。

上記の第二位置では、スプール６４の底面が入口側ポート６２及び出口側ポート６３よりも上方に位置する。そのため、溶湯吐出路３２及び射出湯路５１ともに、下開口部６１ａを通じてポット２内の溶湯Ｗ内に開放される。

射出ノズル５は、内部に射出湯路５１を有する長尺の筒体であり、射出チャンバ３や切換バルブ６と同様に耐熱性と剛性とを兼ね備えたセラミックで形成されている。射出ノズル５の先端部５０ａ及び基端部５０ｂは、それぞれ凸型半球状に形成されている。射出ノズル５の先端部５０ａには射出湯路５１の湯出口があり、射出ノズル５の基端部５０ｂには射出湯路５１の湯入口がある。

射出ノズル５の本体部は、ポット２の上端が一部Ｕ字状に切り欠かれた溝部２１に斜めに設置されている。すなわち、切換バルブ６に接続する射出ノズル５の基端部５０ｂ（湯入口）よりも、金型９に接続する先端部５０ａ（湯出口）の方が高い位置にある。溝部２１と射出ノズル５の本体部との間は、溶湯Ｗが漏れないよう、ガラス繊維等の耐熱性のあるシール材で水密に封止されている。また、射出ノズル５の本体のうちポット２の外に突き出た部分にはノズルヒータ５５が設置されている。射出湯路５１内の溶湯をノズルヒータ５５で加熱することで、その溶融状態を維持し、凝固化や詰まりを防いでいる。

ポット２の両サイド及び上方には、「サドル構造」と称される鉄製の支持構造体７が架設されている。より具体的に、支持構造体７は、主として、ポット２の両サイドに設置されたサイドフレーム部７１と、ポット２の上方で各サイドフレーム部７１から内側に張り出たブラケット部７２と、左右のサイドフレーム部７１間の上部に掛け渡されたトッププレート部７３とを少なくとも有している。

射出チャンバ３は、チャンバ本体３０をアウタスリーブ４０に保持した状態で、アウタスリーブ４０のフランジ部４１が溶湯面よりも上の位置で支持構造体７のブラケット部７２に支持されている。そして、供給工程時（プランジャ３８を引き上げた時）に、射出チャンバ３がブラケット部７２から抜け出ないようにするために、プレート７４が、チャンバ本体３０及びフランジ部４１の上面に当接してブラケット部７２にボルト等で固定されている。

このように、射出チャンバ３は、その上部で支持構造体７のブラケット部７２に吊り下げられた状態で、略大部分がポット２の溶湯Ｗ内に浸漬して設置されている。

支持構造体７のトッププレート部７３に固定された油圧シリンダ８０は、射出チャンバ３のプランジャ３８を駆動するための駆動手段である。油圧シリンダ８０のロッド８１は、その移動方向の中心軸（移動軸）とプランジャ３８の長手方向中心軸とを一致させて、カップリング８２を介してプランジャ３８に連結している。油圧シリンダ８０へ供給する圧油を切り換え制御することで、シリンダ３１内でプランジャ３１を上昇及び下降させることができる。

また、トッププレート部７３に固定されたもう１つの油圧シリンダ８５は、切換バルブ６のスプール６４を駆動するための駆動手段である。油圧シリンダ８５のロッド８６は、カップリング８７を介してスプール６４に連結している。

次に上記構成のホットチャンバ鋳造装置１の動作を説明する。

（射出工程）
溶湯Ｗの射出工程では、先ず、図４Ａに示すように、油圧シリンダ８０を駆動して射出チャンバ３のプランジャ３８を上位置である原点位置に移動させる。また、シリンダ３１内に溶湯Ｗを充満させた後、油圧シリンダ８５を駆動して切換バルブ６のスプール６４を第一位置にセットする。

次に、切換バルブ６のスプール６４を第一位置にセットした状態で、プランジャ３８を図４Ｂに示す下位置まで下降させ、シリンダ３１内の溶湯Ｗを加圧する。スプール６４が第一位置では、射出チャンバ３の溶湯吐出路３２と射出ノズル５の射出湯路５１とは連通しているので、加圧したシリンダ３１内の溶湯Ｗが射出チャンバ３から射出ノズル５を通して金型９のキャビティ９１に射出される。射出が完了すると金型９が開かれ成型品が取り出される。

（供給工程）
成型品を離型した後の溶湯Ｗの供給工程では、先ず、図４Ｃに示すように切換バルブ６のスプール６４を第二位置に切り換える。これにより、下開口部６１ａがスプール６４によって開かれ、溶湯吐出路３２及び射出湯路５１がポット２内の溶湯Ｗ内で開放する。

そして、油圧シリンダ８０を駆動して、図４Ｄに示すように射出チャンバ３のプランジャ３８を原点位置へと上昇させる。プランジャ３８が上昇すると、シリンダ３１内が負圧となるため、ポット２の溶湯Ｗを下開口部６１ａ、入口側ポート６２及び溶湯吐出路３２を介してシリンダ３１に流入させることができる。

また、スプール６４が第二位置にあるとき、射出ノズル５内の溶湯Ｗはポット２内の溶湯Ｗと連通しているので、これらは同一圧力に維持される。そのため、プランジャ３８が上昇しシリンダ３１内が負圧となっても、射出ノズル５の先端部５０ａからは空気が吸い込まれることはない。したがって、シリンダ３１の溶湯Ｗに空気が混入するのを防ぐことができる。

以上説明した本実施形態のホットチャンバ鋳造装置１によれば、溶湯Ｗの供給工程でシリンダ３１内の溶湯Ｗに空気が混入するのを防ぐことができる。それにより、金型９に射出される溶湯Ｗに空気が巻き込まれなくなり、成型品における巣等の充填不足が発生するのを防ぐことができる。
また、シリンダ３１内の溶湯Ｗには空気が混入しないため酸化物の発生を防ぐことができ、セラミックス可動部材の耐久性も向上する。
したがって、高品質の成型品を連続的かつ安定的に鋳造できるホットチャンバ鋳造装置を提供することができる。

１ ホットチャンバ鋳造装置
２ ポット
３ 射出チャンバ
５ 射出ノズル
６ 切換バルブ
７ 支持構造体（架設フレーム）
８ 電気ヒータ
３０ チャンバ本体
３１ シリンダ
３２ 溶湯吐出路
３８ プランジャ
４０ アウタスリーブ
６０ バルブ本体
６１ スリーブ
６２ 入口側ポート
６３ 出口側ポート
６４ スプール
６５ 流路孔（連通部）
６６ 小径部（連通部）
８０、８５ 油圧シリンダ
Ｗ 溶湯

Claims (6)

1. 溶融した金属材料である溶湯を貯留するポットと、
   前記ポットに貯留された溶湯内に浸漬した状態で設置される射出チャンバであって、垂直縦長のシリンダ及び該シリンダの下部に連通する溶湯吐出路を有するチャンバ本体と、前記シリンダ内で上昇及び下降可能に嵌挿されるプランジャとを有している射出チャンバと、
   前記射出チャンバから吐出された溶湯を外部の金型に導く射出ノズルと
   を備えているホットチャンバ鋳造装置であって、
   前記ポットに貯留された溶湯内に浸漬した状態で前記射出チャンバと前記射出ノズルとの間に配置され、前記溶湯吐出路と前記射出ノズルの射出湯路とが連通する第一位置、及び、前記溶湯吐出路が前記溶湯内で開放する第二位置に切り換え可能な切換バルブを備えているホットチャンバ鋳造装置。
2. 前記切換バルブが前記第二位置に切り換えられたとき前記射出ノズルの前記射出湯路も前記溶湯内で開放する、請求項１に記載のホットチャンバ鋳造装置。
3. 前記切換バルブが、バルブ本体と、該バルブ本体を縦方向に貫通する無底のスリーブ内で上下動可能に嵌挿されるスプールとを有し、
   前記バルブ本体には、前記スリーブと、該スリーブから入口側横方向に向かって突き抜け前記射出チャンバの前記溶湯吐出路に連通する入口側ポートと、該スリーブから出口側横方向に向かって突き抜け前記射出ノズルの前記射出湯路に連通する出口側ポートとが形成されており、
   前記スプールには連通部が形成されており、
   前記第一位置では、前記スプールの前記連通部を介して前記入口側ポート及び前記出口側ポートが連通し、前記第二位置では、前記スプールの底面が、前記入口側ポート及び前記出口側ポートよりも上方に位置する、請求項２に記載のホットチャンバ鋳造装置。
4. 前記連通部が前記スプールの本体を横方向に貫通する流路孔である、請求項３に記載のホットチャンバ鋳造装置。
5. 前記連通部が前記スプールの本体の移動軸方向に所定幅を有する小径部である、請求項３に記載のホットチャンバ鋳造装置。
6. 前記プランジャを下降させ前記シリンダの溶湯を前記金型に射出する射出工程においては前記切換バルブが前記第一位置に切り換えられ、前記プランジャを上昇させ前記ポットの溶湯を前記シリンダに供給する供給工程においては前記切換バルブが前記第二位置に切り換えられる、請求項１～５の何れか１項に記載のホットチャンバ鋳造装置。

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