JP2026048009A - 鋳造システムの冷却構造を有する金型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイカスト法などによる鋳造に用いる金型の脱熱能力を向上することのできる冷却構造を提供する。
【解決手段】 鋳造システムの、金属溶湯が注入されて鋳造物が成形されるキャビティが画定されている金型２を有する装置１は、金型の外側からキャビティ側２ａへ向かって窪んだ形状のプール構造２ｂが形成されており、プール構造内に配置され、その内側形状に概ね相補的な形状に外形が形成され、プール構造の内側表面とそれに対向した表面との間にて冷却媒体の流通可能な表面流路５を画定している埋め込み部材３を有し、埋め込み部材の内部には、埋め込み部材の外から表面流路へ冷却媒体を送出する内部流路６が形成されており、内部流路へ冷却媒体を流入する流入口８と表面流路から冷却媒体を流出させる流出口９とが設けられ、表面流路に冷却媒体を流通させて冷却されるよう構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイカスト法などを用いた鋳造システムの金型に係り、より詳細には、鋳造システムの金型に於ける冷却構造に係る。

複雑な形状の金属製（アルミニウム合金製など）の成形物を鋳造するためのダイカスト法などの鋳造法による鋳造システムに用いられる金型の内部に冷却水を流通して金型の温度を冷却する構造に関して、種々の構成が提案されている。例えば、特許文献１では、金型の外部から内部へ直線状に穿たれた直孔に中空パイプを挿入して、孔の内壁と中空パイプと伝熱部材を介して接続し、冷却媒体が中空パイプの内側を通り、孔の先端に到達した後に孔と中空パイプとの間を通って金型の外へ流出するよう構成された冷却孔構造を、金型に複数設けた構造が提案されている（図５参照）。

特開２０１６－７８３７９

ダイカスト法などによる鋳造に於いては、近年、生産性の向上に向けて、鋳造のサイクルタイムが従来よりも短くなっている。また、ギガキャストなど大物ボデー部品に置いては鋳込み量が多いため入熱が増え、形状も複雑で型の冷却がより難しくなりつつある。それらに伴って、金型の脱熱時間が減り、金型温度が上昇すると、鋳型物に於ける焼き付き／かじり不良や金型の熱疲労によるヒートクラックが惹起されることとなるので、より一層良好に金型の冷却が可能となることが好ましい。この点に関し、従前の図５に描かれている如き金型２に穿孔された直線状の冷却孔２０の如き冷却構造の場合、冷却能を増大するべく、冷却孔の本数を増やそうとしても、孔の間で割れが生じ易くなったり、冷却水の漏れを防ぐためのシール部品２１等の部品点数が多くなって、保全性が悪くなったりするので、金型に形成できる冷却孔の本数に限界があり、脱熱能力に限界がある。

上記の事情に鑑み、本発明の主な課題は、ダイカスト法などによる鋳造に用いる金型の脱熱能力を向上することのできる冷却構造を提供することである。

この点に関し、金型の金属溶湯が注入されるキャビティ側（鋳型物が形成される側）の反対の側（金型の外側）をくり抜いたように窪んだ形状にして、金型の肉厚を低減すると共に、窪んだ空間（プール構造と称する。）内にて冷却媒体が、プール構造に於ける金型表面に沿って流入出されるようにすれば、金型表面に順次接触する冷却媒体へ次々と金型の熱が伝達され、金型の脱熱がより良好に達成されることが期待される。そのためには、プール構造に於ける金型表面に沿って冷却媒体を速やかに流すための流路を形成することが好ましい。本発明に於いては、この知見が利用される。

本発明の一つの態様によれば、上記の課題は、鋳造システムの、金属溶湯が注入されて鋳造物が成形されるキャビティが画定されている金型を有する装置であって、
前記金型にてその外側からキャビティ側へ向かって窪んだ形状のプール構造が形成され
前記プール構造内に配置され、前記プール構造の内側形状に概ね相補的な形状に外形が形成され、前記プール構造の内側表面とそれに対向した表面との間にて冷却媒体の流通可能な表面流路を画定している埋め込み部材を有し、
前記埋め込み部材の内部に、前記埋め込み部材の外から前記表面流路へ冷却媒体を送出する内部流路が形成されており、
前記内部流路へ冷却媒体を流入する流入口と前記表面流路から冷却媒体を流出させる流出口とが設けられ、
前記表面流路に冷却媒体を流通させて冷却されるよう構成された装置によって達成される。

上記の構成に於いて、「金型」は、真空ダイカスト法、ダイカスト法などの任意の鋳造法を用いて金属溶湯からキャビティの形状に象られた鋳物を成形する鋳造システムに用いられる金型であってよく、ＳＫＤ鋼材などのこの分野で通常用いられる材料にて形成されてよい。なお、キャビティ側とは、金属溶湯が注入される側であり、外側とは、キャビティ側の反対側である。この金型に於いて、本発明では、その冷却のための構造として、まず、金型の外側からキャビティ側へ向かって窪んだ形状、即ち、金型の外側から金型の肉部分をくり抜いたような形状のプール構造が形成される。かかるプール構造は、従前の直線状の穿たれた冷却孔の構造ではなく、金型が全体的に、より肉薄となるように、金型の外側がより広い範囲にて任意の形状にてキャビティ側へ窪んだ状態であってよい。かかるプール構造内には、上記の如く、プール構造の内側形状に概ね相補的な形状に外形が形成され、プール構造の内側表面とそれに対向した表面との間にて冷却媒体の流通可能な表面流路を画定している埋め込み部材が配置され、埋め込み部材の内部には、その外から表面流路へ冷却媒体を送出する内部流路が形成されると共に、内部流路へ冷却媒体を流入する流入口と表面流路から冷却媒体を流出させる流出口とが任意の態様にて設けられる。かくして、上記の構成に於いて、冷却媒体が内部通路を通して表面流路へ流通され、これにより、金型が冷却されることとなる。冷却媒体は、典型的には、水であってよい。埋め込み部材は、金型から伝達される熱に耐え得る任意の材料で形成されてよく、典型的には、ABS樹脂、各種エンジニアリングプラスチック又はスーパーエンジニアリングプラスチックなどの材料で形成されてよい。或いは、埋め込み部材は、金属製であってもよい。表面流路の厚み（プール構造の内側表面と埋め込み部材表面との間隔）は、実験的に決定されてよい（例えば、１ｍｍ～５ｍｍであってよいが、これに限定されない。）。

上記の構造によれば、既に触れた如く、プール構造に於ける金型の表面と埋め込み部材の表面との間に形成された表面流路内を冷却媒体が流通することで、金型表面に新たな冷却媒体が金型のプール構造の表面に順次接触することとなり、これにより、冷却媒体へ次々と金型の熱が伝達され、金型の脱熱がより良好に達成されることが期待される。

上記の本発明の金型の構成に於いて、好適には、プール構造の形状は、キャビティ側の形状に概ね沿うように象られていてよい。これにより、キャビティの形状に沿って冷却媒体の表面流路が形成され、キャビティから全体的により良く熱が冷却媒体へ吸収されることが期待される。なお、プール構造の形状は、プール構造の内側表面とキャビティの面との肉部分の厚みができる限り全体的に概ね等しくなるように象られてよく、これにより、キャビティ面のできる限り全域からムラなく熱が冷却媒体へ伝達されるようになっていてよい。その際、プール構造の内側表面とキャビティの面との肉部分の厚みは、金型が割れない程度に厚く、且つ、より良好に熱が伝達される厚みであることが好ましく、実験的に決定されてよい（例えば、肉部分の厚みは、１０～１５ｍｍであってよいが、これに限定されない。）。

上記の本発明の金型のプール構造に於いて、周囲より凹んだ部位が存在する場合、かかる凹んだ部位は冷却媒体が滞留し易くなる。そこで、冷却媒体の滞留を防止するために、プール構造に於いて周囲より凹んだ部位に対向する埋め込み部材の表面に内部流路からの冷却媒体の噴出孔が形成されていてよい。かかる構成によれば、周囲より凹んだ部位に冷却媒体が噴き付けられて、冷却媒体の流れが発生し、冷却媒体の滞留が防止されることとなる。

また、上記の本発明の金型のプール構造に於いて、周囲よりも強く冷却したい部位が存在する場合、かかる強く冷却したい部位に対向する埋め込み部材の表面に内部流路からの冷却媒体の噴出孔が形成されていてよい。かかる構成により、強く冷却したい部位に内部流路からの温度の低い冷却媒体が直接に噴き付けられるので、より良好に強く冷却したい部位から脱熱できることとなる。

上記の本発明の金型に於ける埋め込み部材は、その外形がプール構造の内側形状に概ね相補的な形状に象られると共に、内部に内部流路が形成されるので、３Ｄプリンタにより、好適に形成可能である。従って、上記の金型の埋め込み部材を形成する方法に於いては、埋め込み部材は３Ｄプリンタにより形成されてよい。３Ｄプリンタとしては、埋め込み部材が樹脂に製造される場合には、樹脂を材料とする３Ｄプリンタが廉価に用いられるところ、金属を材料とする３Ｄプリンタが用いられてもよい。なお、埋め込み部材は、切削や放電加工にて製造されてもよく、その場合も本発明の範囲に属する。

内部流路へ冷却媒体を流入する流入口と表面流路から冷却媒体を流出させる流出口とは、任意の態様にて埋め込み部材又は金型と埋め込み部材との間に設けられてよい。この点に関し、本発明に於いては、流入口と流出口とが一対設けられ、埋め込み部材の内部で、流入口と流出口と間が複数の流路に分岐された構造であってよい。従って、流入口と流出口の周囲の冷却媒体のシール構造も流入口と流出口とのそれぞれに一つずつで足り、従前のように個々の冷却孔の流入出口にシール構造を設ける場合よりもシール構造の数が低減される点で有利である。

かくして、本発明の金型と埋め込み部材とから成る装置の構造に於いては、埋め込み部材の内部通路から送出される冷却媒体がキャビティを画定する金型のプール構造の表面の略全域に亙って流通することとなり、これにより、金型が全体的に冷却媒体により冷却されるので、従前に比して、金型の脱熱能力が向上されることが期待される。本発明の構成は、種々の鋳造システムに適用されてよい。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１は、本実施形態による金型と埋め込み部材とからなる装置（金型装置）の模式的な断面図である。 図２（Ａ）は、本実施形態の金型装置に於ける金型の模式的な断面図である。図２（Ｂ）は、本実施形態の金型装置に於ける埋め込み部材の模式的な斜視図である。 図３（Ａ）～（Ｃ）は、金型の一部を拡大した模式的な断面図である。（Ａ）は、金型の肉厚が適正な場合であり、（Ｂ）は、金型の肉厚が厚過ぎる場合であり、（Ｃ）は、金型の肉厚が薄過ぎる場合である。 図４（Ａ）、（Ｂ）は、金型のプール構造に於ける凹んだ部位の近傍の模式的な断面図である。（Ａ）は、凹んだ部位に対向する埋め込み部材の表面に冷却媒体の噴出孔が形成されていない場合であり、（Ｂ）は、凹んだ部位に対向する埋め込み部材の表面に冷却媒体の噴出孔が形成されている場合である。図３（Ｃ）は、金型に於いて強く冷却したい部位の近傍の模式的な断面図である。強く冷却したい部位に対向する埋め込み部材の表面に冷却媒体の噴出孔が形成されている。 図５は、従前の直線状の冷却孔が形成されている金型の模式的な断面図である。

１…金型装置，２…金型，２ａ…キャビティ側表面，２ｂ…プール構造，２ｃ…プール構造内側表面，３…埋め込み部材，３ａ…埋め込み部材の外表面，５…表面通路，６…内部通路，６ａ…噴出孔，７…冷却板，７ａ…締結ボルト，８…流入口，８ａ…冷却媒体受入口，９…流出口，９ａ…冷却媒体排出口，１０…シール構造，２０…冷却孔（従来技術），２１…シール構造（従来技術）

金型装置の構成
本実施形態による構成は、真空ダイカスト法、ダイカスト法などの任意の鋳造法を用いて金属溶湯からキャビティの形状に象られた鋳物を成形する鋳造システムに用いられる金型と、その冷却構造とから成る装置（金型装置）に適用される。図１、図２（Ａ）、（Ｂ）に示されている如く、本実施形態による金型装置１に於いては、金属溶湯が注入されるキャビティを画定する金型２と、金型２の外側（キャビティ側の表面２ａと反対の側）に、金型の外側からキャビティ側へ向かって窪んだ形状に形成されるプール構造２ｂの内部に配置される埋め込み部材３とから構成される。

金型２は、通常の、ダイカスト法等の鋳造法に用いられるＳＫＤ鋼材などのこの分野で通常用いられる材料にて形成された金型であってよい。かかる金型２の外側に於いて、本実施形態の場合には、その冷却のために、上記の如く金型の外側から金型の肉部分をくり抜いたような形状のプール構造２ｂが形成される。プール構造２ｂは、図示の如く、金型２の外側を全体的に広くくり抜いたような窪みに形成されてよい。また、好適には、プール構造２ｂの表面２ｃは、キャビティ側の表面形状、即ち、鋳造物の表面形状を象った形状に形成されてよい。このプール構造２ｂは、例えば、金型２の外側を切削或いは放電加工により形成することができる。

埋め込み部材３は、図示の如く、プール構造２ｂの外側からプール構造２ｂを封鎖するように配置される冷却板７に締結ボルト７ａ等に固定された状態で、金型２のプール構造２ｂの内部に配置されてよい。埋め込み部材３に於いては、プール構造２ｂの表面２ｃに対向する外表面３ａが、プール構造２ｂの内側形状に概ね相補的な形状に象られ、且つ、プール構造の内側表面２ｃとの間にて冷却媒体の流通可能な表面流路５が画定されるように形成される。また、埋め込み部材３の内部には、埋め込み部材３の外から流入される冷却媒体を噴出孔６ａから表面流路５へ流出させる内部通路６が形成される。埋め込み部材３の内部通路６は、冷却板７に当接した面にて形成された流入口８を介して、冷却媒体の受入口８ａに連通し、これにより、受入口８ａにて受容された冷却媒体が、図中の矢印に沿って内部通路６を流れ、噴出孔６ａから表面流路５へ流出し、プール構造２ｂの内側表面２ｃ上を流通するようになっていてよい。なお、内部通路６は、一つの流入口８から複数に分岐され、埋め込み部材３の外表面３ａにて、それぞれの分岐された内部流路に噴出孔６ａが形成されていてよい。そして、埋め込み部材３には、更に、表面流路５から冷却媒体を受け入れて埋め込み部材３の外へ流出させる流出口９が設けられていてよい。流出口９は、冷却板７に形成された冷却媒体排出口９ａに連通されていてよい。なお、上記の流入口８と流出口９に於いては、埋め込み部材３と冷却板７との当接面への冷却媒体の漏洩を阻止するべく、任意の形式のシール構造１０が適用されていてよい。本実施形態の構成に於いては、流入口８と流出口９は、一つずつであってもよいので、従前の冷却孔が複数形成された金型（図５）に比して、シール構造１０の数が低減できる点でも有利である。ただし、流入口８と流出口９は、それぞれ、複数設けられていてもよく、そのような場合も本実施形態の範囲に属する。

上記の如く金型２のプール構造２ｂの表面２ｃと埋め込み部材３の外表面３ａとの間に画定された表面流路５に冷却媒体が流通することにより、金型２の広い範囲にて新しい低温の冷却媒体が逐次的に接触することとなり、金型２の広い範囲から脱熱が達成できることが期待される。特に、プール構造２ｂの内側表面２がキャビティの形状を象るように形成されている場合には、キャビティ表面からより万遍なく熱が表面流路５を流れる冷却媒体まで伝達され、より良好な金型２の冷却が期待される。

上記の本実施形態の金型装置１に於いて、金型２の肉厚は、キャビティの形状に沿って略一様に調整され、これにより、より均等に冷却が達成できるようになっていてよい。この点に関し、図３（Ａ）～（Ｃ）に模式的に描かれている如く、図３（Ｂ）の如く、金型２の肉厚δが厚過ぎると、脱熱が良好に達成されず、図３（Ｃ）の如く、金型２の肉厚δが薄過ぎると、金型２に割れＣｒが発生し易くなる。従って、金型２の肉厚δは、図３（Ａ）の如く、脱熱が良好に達成されると共に、割れなどが生じない強度を有する厚さに設定されることが好ましい。或る例では、金型２の肉厚δは、１０～１５ｍｍであってよいが、これに限定されない。

表面流路５の厚み、即ち、プール構造２ｂの内側表面２ｃと埋め込み部材３の表面３ａとの間隔は、冷却媒体がスムーズに流通し、金型から良好に脱熱できる流速が得られるように、実験等を通じて適宜調整されてよい。或る例では、表面流路５の厚みは、例えば、１ｍｍ～５ｍｍであってよいが、これに限定されない。金型からの脱熱のムラを抑えるべく、埋め込み部材３の表面３ａの形状は、図１、図２（Ｂ）の如く、できるだけ、プール構造２ｂの内側形状に相補的になるよう象られていることが好ましい。冷却媒体は、典型的には、水であってよい。

埋め込み部材３は、発明の概要の欄に触れた如く、金型２から伝達される熱に耐え得る任意の材料で形成されてよい。典型的には、金型２は４００～５００℃に達するところ、金型２と埋め込み部材３との間には、冷却媒体が介在するので、埋め込み部材３の温度は、数十度～１５０℃程度となることが想定される。埋め込み部材３には、かかる温度環境で耐性を有する任意の材料が採用されてよい。典型的には、埋め込み部材３は、ABS樹脂、各種エンジニアリングプラスチック又はスーパーエンジニアリングプラスチックなどの材料で形成されてよい。或いは、埋め込み部材は、金属製であってもよい。

埋め込み部材に於ける噴出孔の位置
上記の本実施形態の構成に於いて、埋め込み部材３からの冷却媒体の噴出孔６ａは、プール構造２ｂの内側表面２ｃに対向する埋め込み部材３の外表面の任意の部位に設けられてよい。この点に関し、プール構造２ｂの内側表面２ｃに於いて、図４（Ａ）の如く、周囲より凹んだ部位２ｘが存在する場合、その部位にて冷却媒体の流れに淀み（冷却媒体の滞留）が生じ、冷却媒体が交換されずに、冷却能が低下する可能性がある。そこで、本実施形態に於いては、周囲より凹んだ部位２ｘに於いて冷却媒体の滞留を防止するべく、図４（Ｂ）の如く周囲より凹んだ部位２ｘに対向して、噴出孔６ａが設けられていてよい。これにより、周囲より凹んだ部位２ｘに冷却媒体が噴き付けられて、冷却媒体の流れが発生し、逐次的に冷却媒体が交換され、良好な冷却が達成されることが期待される。また、プール構造２ｂの内側表面２ｃに於いて、図４（Ｃ）の如く、特に強く冷却したい部位２ｚ等が存在する場合には、その部位に対向して、噴出孔６ａが設けられていてよい。これにより、冷却媒体の流通時に、特に強く冷却したい部位２ｚに常に新たな低温の冷却媒体が噴き付けられて、脱熱がより良好に達成できることが期待される。

埋め込み部材の製造
本実施形態の埋め込み部材３は、任意の方法にて製造されてよい。この点に関し、埋め込み部材３は、その外形が金型２のプール構造２ｂに略相補的に象られるだけでなく、内部通路も形成され、やや複雑な構造となるので、埋め込み部材３の製造に於いては、３Ｄプリンタが有利に用いられる。埋め込み部材３が樹脂で製造される場合には、比較的廉価に埋め込み部材３の製造が達成できる点で有利である。

本実施形態の装置に於いては、通常、鋳造工程を実施している間、冷却媒体は常時流通される。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (5)

1. 鋳造システムの、金属溶湯が注入されて鋳造物が成形されるキャビティが画定されている金型を有する装置であって、
   前記金型にてその外側からキャビティ側へ向かって窪んだ形状のプール構造が形成され
   前記プール構造内に配置され、前記プール構造の内側形状に概ね相補的な形状に外形が形成され、前記プール構造の内側表面とそれに対向した表面との間にて冷却媒体の流通可能な表面流路を画定している埋め込み部材を有し、
   前記埋め込み部材の内部に、前記埋め込み部材の外から前記表面流路へ冷却媒体を送出する内部流路が形成されており、
   前記内部流路へ冷却媒体を流入する流入口と前記表面流路から冷却媒体を流出させる流出口とが設けられ、
   前記表面流路に冷却媒体を流通させて冷却されるよう構成された装置。
2. 請求項１の装置であって、前記プール構造の形状が前記キャビティ側の形状に概ね沿うように象られている装置。
3. 請求項１の装置であって、前記プール構造に於いて周囲より凹んだ部位に対向する前記埋め込み部材の表面に前記内部流路からの冷却媒体の噴出孔が形成されている装置。
4. 請求項１の装置であって、前記プール構造に於いて周囲よりも強く冷却したい部位に対向する前記埋め込み部材の表面に前記内部流路からの冷却媒体の噴出孔が形成されている装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかの装置の前記埋め込み部材を形成する方法であって、前記埋め込み部材が３Ｄプリンタにより形成される方法。