JP4518012B2

JP4518012B2 - 金型の冷却構造および冷却方法

Info

Publication number: JP4518012B2
Application number: JP2005355510A
Authority: JP
Inventors: 達也増田; 洋道久米; 健次八下田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP2007152425A

Description

本発明はいわゆる広義の金型鋳造法（ダイカスト鋳造法）や樹脂成形法に用いる金型の冷却構造および冷却方法に関し、特に金型冷却用の冷却孔内に冷却媒体を通流させて強制冷却するようにした金型の冷却構造および冷却方法に関する。

例えば、いわゆる広義の金型鋳造法の一つである低圧鋳造法においては、金型内に充填された溶湯の凝固を促進してサイクルタイムの短縮化を図るために金型を冷却することが行われている。

この種の技術としては、金型に貫通形成した冷却孔内に冷却媒体を通流させ、冷却媒体と金型との間で直接的に熱交換する直接冷却タイプの冷却技術のほか、前記冷却孔にその冷却孔とほぼ同径で熱伝導性の良い冷却パイプを挿入し、その冷却パイプ内に冷却媒体を通流させることで、冷却媒体が冷却パイプを介して金型との間で熱交換する間接冷却タイプの冷却技術とがあり、これら双方の技術が特許文献１に記載されている。また、間接冷却タイプの冷却技術では、冷却パイプのうち製品の特定部位に対応する位置にて冷却パイプの外周面を局部的に切り欠いて薄肉化することで金型と冷却パイプとの間に空気断熱層を形成し、この空気断熱層を形成した部分とそうでない部分とで冷却媒体が金型に及ぼす冷却効果に差を持たせて、金型の各部位を適切な冷却条件で冷却することも提案されている。
特許第２７６２５６３号公報

金型を冷却する上では、製品各部の肉厚や鋳造方案等に応じて金型の各部位を適切な冷却条件で冷却する必要があり、良好な品質の製品を得るためには金型のうち要冷却部位とそうでない部位とで冷却媒体が金型に及ぼす冷却効果に顕著な差を持たせて、金型全体としての温度をできるだけ下げずに金型の要冷却部位のみを部分的に冷却することが望ましい。

しかしながら、前記直接冷却タイプの冷却技術では、冷却媒体が金型の要冷却部位のみならず冷却孔の全長にわたって常に金型と直接接触しているため金型全体としての温度低下を免れず、金型の特定部位のみを部分的に冷却するのにも限界がある。

また、前記間接冷却タイプの冷却技術では、冷却媒体と金型との間には常に冷却パイプが介在しているため冷却媒体が金型に及ぼす冷却効果は全体として緩慢となる上に、パイプと金型との間に空気断熱層を設けたとしてもその空気断熱層の厚みはパイプの肉厚により制限されるため、金型の各部位間における冷却効果の差を持たせにくいという不具合がある。

本発明は上記課題に着目してなされたものであり、金型の要冷却部位とそうでない部位との冷却効果の差を顕著なものとして、金型の要冷却部位を部分的に且つ効率よく冷却できるようにした金型の冷却構造および冷却方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、製品形状部空間に溶融材料を充填して冷却固化させることにより所定形状の製品を成形する金型の一部に冷却孔を貫通形成するとともに、その冷却孔には冷却媒体を通流させるパイプを挿入して、金型の特定部位を強制冷却するようにした金型の冷却構造であることを前提とした上で、冷却孔の両端からそれぞれパイプを挿入するとともに、その冷却孔のうち金型の特定部位に対応する位置にて双方のパイプの先端同士を非連続に所定距離だけ離間させて非突き合わせ状態とすることにより、冷却孔の一部に当該冷却孔の内壁面と冷却媒体が直接接触し且つ冷却孔の他の部位よりも冷却効果の大きな冷却チャンバーを形成して、この冷却チャンバーをもって金型の特定部位を強制冷却するようにしたことを特徴としている。

ここで、金型としてはいわゆる広義の金型鋳造法に用いられる金型のほか、射出成形法に代表されるような樹脂成形法に用いられる金型も対象としている。

さらに、請求項２に記載のように、双方のパイプの内周面と冷却孔の内壁面との間に断熱層を設けてあることが、冷却チャンバーとそれ以外の部分での冷却効果に大きな差をもたせる上で望ましく、具体的には、請求項３に記載のように、双方のパイプと冷却孔の内壁面との間に空気断熱層を設けるとともに、双方のパイプの先端部には冷却チャンバーと空気断熱層とを隔離しつつ両者の間をシールするシール部を設けるものとする。

請求項７に記載の発明は請求項１に記載の技術を冷却方法として捉えたものであって、製品形状部空間に溶融材料を充填して冷却固化させることにより所定形状の製品を成形する金型の一部に冷却孔を貫通形成するとともに、その冷却孔にパイプを挿入し、そのパイプに冷却媒体を通流させて金型の特定部位を強制冷却する金型の冷却方法であることを前提とした上で、冷却孔の両端からそれぞれパイプを挿入するとともに、その冷却孔のうち金型の特定部位に対応する位置にて双方のパイプの先端同士を非連続に所定距離だけ離間させて非突き合わせ状態とすることにより、冷却孔の一部に冷却孔の他の部位よりも冷却効果の大きな冷却チャンバーを形成し、この冷却チャンバーにて冷却孔の内壁面と冷却水を直接接触させて金型の特定部位を強制冷却することを特徴としている。

したがって、少なくとも請求項１，７に記載の発明では、金型内を通流する冷却媒体は冷却孔のうち特定の部位で冷却孔の内壁面と直接接触して金型を強制冷却する一方で、冷却孔の他の部位では冷却媒体と冷却孔の内壁面を直接接触させずに断熱することで冷却媒体が金型に及ぼす冷却効果が著しく緩慢なものとなる。その結果として、金型の特定部位以外の他の部位に熱的影響を与えることなく、局部的に限定された金型の特定部位のみを効率よく冷却することが可能となる。

請求項１，７に記載の発明によれば、冷却孔の特定の部位では冷却媒体と金型とが直接接触するのに対して、冷却孔の他の部位では冷却媒体が金型と直接接触しないため、金型の特定部位に対する冷却効果が金型の他の部位に対する冷却効果よりも著しく大きくなり、金型を全体として冷却することなく金型の特定部位のみを効果的に冷却できる効果がある。

図１は本発明の好ましい実施の形態として本発明に係る金型の冷却構造が適用される低圧鋳造用の金型１を示す垂直断面図である。

金型１は上型２および下型３からなり、図１に示すように上型２および下型３の型締め状態をもってキャビティＲが製品形状部空間として形成される。このキャビティＲに例えばＡｌ合金やＺｎ合金等の溶融材料たる溶湯を充填して冷却固化させることにより所定形状の製品を鋳造することとなる。

下型３にはその下型３を水平方向に貫通する均一径で且つストレート状の冷却孔４が穿設されており、冷却孔４にはその両端から後述する流入パイプ５および流出パイプ６をそれぞれ挿入しつつ着脱可能に固定してある。流入パイプ５および流出パイプ６はともに耐熱性があり下型３の材料よりも熱膨張係数が大きい金属製で、それぞれが同一形状の円管であり、流入パイプ５は冷却孔４の一端に結合された流入ニップル７を介して金型１外部の流入ホース８に接続される一方、流出パイプ６は冷却孔４の他端に結合された流出ニップル９を介して金型１外部の流出ホース１０に接続されている。これによって温度調節された冷却水が冷却媒体として流入パイプ５および流出パイプ６の内部を通流するようになっている。なお、冷却媒体としては水のほか、油等の液体や圧縮空気等の気体を用いてもよい。

また、冷却孔４のうち凝固遅れによる鋳造欠陥を防止するために冷却が必要な要冷却部位Ｐに対応する位置にて双方のパイプ５，６の先端同士を非連続に所定距離だけ離間させて非突き合わせ状態とすることで、冷却水の通流を許容する冷却チャンバー１１を形成している。すなわち、流入パイプ５と冷却チャンバー１１および流出パイプ６で冷却媒体が通流する冷却管路を構成している。

双方のパイプ５，６は一般部５ｂ，６ｂとその先端にフランジ状に張設されたシール部５ａ，６ａとからなる。一般部５ｂ，６ｂの外径を冷却孔４よりも小径に設定することで一般部５ｂ，６ｂの外壁面と冷却孔４の内壁面との間に空気断熱層１２を介在させてあるとともに、シール部５ａ，６ａの外径を冷却孔４とほぼ同径に設定することで、シール部５ａ，６ａにて空気断熱層１２と冷却チャンバー１１とを隔成しつつ両者１１，１２の間をシールしてある。

以上のように構成された金型１の冷却構造では、鋳造作業中に高温となった下型３が熱膨張して冷却孔４は大径となるが、それ以上にシール部５ａ，６ａが熱膨張することでシール部５ａ，６ａと下型３との間に隙間がなくなっていわゆる締り嵌め状態となり、空気断熱層１２と冷却チャンバー１１の間が確実にシールされる。

冷却水が冷却孔内を通流する過程では、冷却チャンバー１１内にて冷却水が冷却孔４の内壁面と直接接触して下型３との間で直接的に熱交換する一方で、冷却チャンバー１１へ冷却水を供給および排出する双方のパイプ５，６内では冷却水が冷却孔４の内壁面と直接接触することがない上に空気断熱層１２により冷却水と下型３との間が確実に断熱されているため、下型３のうち冷却チャンバー１１に対応する部位とその他の部位での冷却効果を大きく異ならしめることができる。

したがって以上のような冷却構造によれば、下型３に対して確実に断熱しつつ冷却チャンバー１１に冷却水を供給および排出するため、下型３のうち冷却チャンバー１１に対応する部位は低温の冷却水にて直接的に強制冷却されるのに対し、下型３のうちその他の部位における冷却効果は著しく緩慢となり、金型１の要冷却部位とそうでない部位とで冷却効果を大幅に変化させたいわゆるめりはりのある冷却をすることができる。すなわち、金型１全体としての温度を下げることなく製品の要冷却部位Ｐに対応する金型１の特定部位のみを部分的に効率よく冷却することが可能となる。

その上、何回かの鋳造を行って製品の仕上がり状態をチェックした段階で冷却条件の見直しが必要となった場合には、双方のパイプ５，６の長さを変えて冷却チャンバー１１の位置および長さを調整することで、金型１を作り直すことなく容易に冷却条件を変更でき、金型１を作り直すのに比べてコスト的にも時間的にも有利となる。

また、特に冷却孔４が長い場合には、冷却孔４の両端から穴を穿設してそれぞれの穴を連続させることで冷却孔４を下型３に貫通形成するが、冷却チャンバー１１内には双方のパイプ５，６が存在しないため、冷却孔４を貫通形成する際にそれぞれの穴の連続部となる冷却チャンバー１１にて多少の段差を生じても双方のパイプ５，６を冷却孔４に挿入する上では差し支えなく、冷却孔４の加工が容易となりコスト的に有利となる。

なお、以上の実施の形態では本発明に係る金型の冷却構造を下型３のみに適用したが、必要に応じて上型２等の他の金型要素にも適用できることは言うまでもない。

図２は本発明の第２の実施の形態を示す図で、低圧鋳造用の金型１３のうち下型１４内の冷却管路を示す水平断面図である。なお、図２において先に説明した図１と同様または相当部分には図１と同一の符号を付してある。

第２の実施の形態は、図２に示すように冷却管路の基本構造を第１の実施の形態と同様とした上で、下型１４に貫通形成された冷却孔１５を冷却チャンバー１６に相当する位置にて所定角度だけ曲折させたものである。また、下型１３に結合する流出ニップル９の座面の座りをよくするために、冷却孔１５の冷却水流出側端部に座ぐり部１７を設けてある。したがって、冷却水が冷却チャンバー１６にて下型１４と直接接触する一方で、双方のパイプ５，６内の冷却水は下型１４に対して断熱されていることは第１の実施の形態と同様であり、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。その上、冷却チャンバー１１にて冷却孔４を曲折させているため冷却管路のレイアウトの自由度が高く、鋳造設備の他の装置類との整合性のほか作業性や安全性を確保する上で有利となるメリットがある。

図３〜５は本発明の第３〜５の実施の形態を示す図であって、第１の実施の形態における冷却管路の変形例を示している。なお、図３〜５において先に説明した図１と同様または相当部分には同一の符号を付してある。

図３に示す第３の実施の形態は、金型１８のうち下型１９に貫通形成した冷却孔２０を冷却水の上流側から穿設した小径冷却孔２０ａと冷却水の下流側から穿設した小径冷却孔２０ａよりも大径の大径冷却孔２０ｂとからなるいわゆる段付きタイプとし、冷却チャンバー２１を小径冷却孔２０ａおよび大径冷却孔２０ｂの両者にまたがるように設けたものである。また、流入パイプ５の内径に対して流出パイプ２２の内径を大径とするとともに、流出ニップル２３および流出ホース２４の内径もそれぞれ流入ニップル７および流入ホース８の内径よりも大径としてある。なお、冷却管路の基本構造は第１の実施の形態と同様であり、流出パイプ２２はシール部２２ａおよび一般部２２ｂからなる。

この第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られるほか、冷却水が冷却チャンバー２１にて下型１９と接触すると、冷却水が爆発的に気化することで冷却水の通流抵抗が増加するが、流出パイプ２２の内径を流入パイプ５の内径よりも大径としたことで膨張した冷却水が冷却チャンバー２０からスムーズに排出されるため、冷却水を通流させてから冷却効果が現れるまでの間に生じるタイムラグを緩和し、金型１８における冷却効果の応答性が向上するメリットがある。

図４に示す第４の実施の形態は、それぞれシール部２５ａ，２６ａおよび一般部２５ｂ，２６ｂからなる流入パイプ２５および流出パイプ２６のうちシール部２５ａ，２６ａをそれぞれの内径が他方のパイプに向かって拡径するテーパ状としたものであって、双方のパイプ２５，２６の内周面と冷却孔４の内壁面を段差なく連続させてある。なお、冷却管路の基本構造は第１の実施の形態と同様としている。

この第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られる上に、冷却水が流入パイプ２５から冷却チャンバー１１へ流入する際および冷却チャンバー１１から流出パイプ２６へ排出される際における冷却管路の断面積変化を緩やかにすることで、冷却水の通流抵抗が小さくなり冷却性能が向上する利点がある。

図５に示す第５の実施の形態は、冷却管路の基本構造を第１の実施の形態と同様とした上で、金型２７のうち下型２８に貫通形成された冷却孔２９における冷却チャンバー３０のほぼ中央にその断面積を縮小化した絞り部３１を設けたものであり、第１の実施の形態の効果に加えて、冷却水の流れの断面積が絞り部３１にて減少することで冷却水の流速が上がるとともに、冷却水と下型２８との接触面積が増加するため冷却性能が向上する利点がある。

なお、例えば第２の実施の形態のように冷却孔を曲折させると同時に第３の実施の形態のように冷却孔を段付きタイプとすることが可能であるほか、以上に説明した第２〜５の実施の形態における冷却管路の特徴を組み合わせて用いることも勿論可能である。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、低圧鋳造用金型の垂直断面図。本発明の第２の実施の形態を示す図で、低圧鋳造用金型のうち下型の水平断面図。本発明の第３の実施の形態を示す図で、低圧鋳造用金型の垂直断面図。本発明の第４の実施の形態を示す図で、低圧鋳造用金型の垂直断面図。本発明の第５の実施の形態を示す図で、低圧鋳造用金型の垂直断面図。

符号の説明

１…金型
４…冷却孔
５…流入パイプ
５ａ…シール部
６…流出パイプ
６ａ…シール部
１１…冷却チャンバー
１２…空気断熱層
１３…金型
１５…冷却孔
１６…冷却チャンバー
１８…金型
２０…冷却孔
２１…冷却チャンバー
２２…流出パイプ
２２ａ…シール部
２５…流入パイプ
２５ａ…シール部
２６…流出パイプ
２６ａ…シール部
２７…金型
２９…冷却孔
３０…冷却チャンバー
３１…絞り部
Ｒ…キャビティ（製品形状部空間）

Claims

製品形状部空間に溶融材料を充填して冷却固化させることにより所定形状の製品を成形する金型の一部に冷却孔を貫通形成するとともに、その冷却孔には冷却媒体を通流させるパイプを挿入して、金型の特定部位を強制冷却するようにした金型の冷却構造において、
冷却孔の両端からそれぞれパイプを挿入するとともに、その冷却孔のうち金型の特定部位に対応する位置にて双方のパイプの先端同士を非連続に所定距離だけ離間させて非突き合わせ状態とすることにより、冷却孔の一部に当該冷却孔の内壁面と冷却媒体が直接接触し且つ冷却孔の他の部位よりも冷却効果の大きな冷却チャンバーを形成して、この冷却チャンバーをもって金型の特定部位を強制冷却するようにしたことを特徴とする金型の冷却構造。
双方のパイプの内周面と冷却孔の内壁面との間に断熱層を設けてあることを特徴とする請求項１に記載の金型の冷却構造。
双方のパイプと冷却孔の内壁面との間に空気断熱層を設けてあるとともに、双方のパイプの先端部には冷却チャンバーと空気断熱層とを隔離しつつ両者の間をシールするシール部を設けてあることを特徴とする請求項２に記載の金型の冷却構造。
一方のパイプを冷却媒体の流入パイプとするとともに他方のパイプを冷却媒体の流出パイプとして、流出パイプの内径を流入パイプの内径よりも大径としたことを特徴とする請求項３に記載の金型の冷却構造。
双方のパイプの先端部をその内径が他方のパイプに向かって連続的に拡径するテーパ状のものとして、両パイプの内周面と冷却チャンバーにおける冷却孔の内壁面とを段差なく連続させたことを特徴とする請求項３に記載の金型の冷却構造。
冷却チャンバーにはその一部の断面積を縮小化することで絞り部を形成してあることを特徴とする請求項３に記載の金型の冷却構造。
製品形状部空間に溶融材料を充填して冷却固化させることにより所定形状の製品を成形する金型の一部に冷却孔を貫通形成するとともに、その冷却孔にパイプを挿入し、そのパイプに冷却媒体を通流させて金型の特定部位を強制冷却する金型の冷却方法であって、
冷却孔の両端からそれぞれパイプを挿入するとともに、その冷却孔のうち金型の特定部位に対応する位置にて双方のパイプの先端同士を非連続に所定距離だけ離間させて非突き合わせ状態とすることにより、冷却孔の一部に冷却孔の他の部位よりも冷却効果の大きな冷却チャンバーを形成し、この冷却チャンバーにて冷却孔の内壁面と冷却水を直接接触させて金型の特定部位を強制冷却することを特徴とする金型の冷却方法。