JPH0441066A - 金型温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金型温度制御方法に係わり、詳しくは、金型の
冷却曲線を常に一定に保つことにより高品質の鋳造品を
得ることのできる金型鋳造法における金型温度制御方法
に関するものである。

〔従来の技術〕

金型を用いて鋳造品を得る鋳造法は大きくは重力金型鋳
造法、低圧鋳造法、高圧鋳造法に分類することかできる
。

これらについて簡単に説明すれば、重力金型鋳造法は、
金型内のキャビティに金属溶、易を重力により流入させ
て充填させるものである。低圧鋳造法は、密閉容器内に
保持されｆ二金属溶場表面を気体圧で加圧することによ
り金型キャビティに溶湯を流入充填させるものである。

また、高圧鋳造法は、金型キャビティ内に金属溶湯を高
速高圧で充填するもの　（ダイカスト法）、あるいはキ
ャビティに溶湯を低速充填後、溶湯に高圧を付加するも
の（溶湯鍛造法）などがある。これら、各鋳造法の選択
は、生産性１品質、コスト、合金材質等に鑑みてなされ
る。

上記各鋳造法は何れも、金型による熱抽出により合金を
凝固冷却させて鋳物を形成するものであるが、型閉じ一
注湯一凝固一型開き、の鋳造サイクルにおいて、自然冷
却、強制冷却の何れかを採用している。

第８図は自然冷却法による型温変化を、また第９図は強
制冷却法による型温変化をそれぞれ示したものである。

この場合の強制冷却法は、注湯の最終段階から冷却を開
始した例である。なお、両図の縦横スケールは同一であ
るとする。また、図中各符号は下記の通りである。

ｔ０〜ｔ１　　・　鋳造サイクルタイムＴｏ　　：　注
湯開始時における金型温度Ｔｍａｘ　　：　　最高金型
温度 ΔＴ　　・　最終型温バラツキ 両図から解るように、第８図の自然冷却法ではｔ０〜ｔ
ｉ　（鋳造サイクル）が長く徐冷タイプとなる。従って
、鋳物品質としては組織の粗大化、肉厚変動部での内部
欠陥などが生じ、健全な鋳物は得られ難い。

一方、第９図の強制冷却法ではｔｏ＝ｔＩが短縮され、
また最高型温Ｔ　ｒｎａｘも強制冷却の開始により抑え
られていることが判る。

強制冷却法は、このような鋳造サイクルの短縮の他、指
向性凝固の確保による鋳物の内部欠陥（引は巣等）の発
生防止等を目的としてもなされる。

つまり、型温の特に高くなるところ、あるいは肉厚で冷
却の遅れるところ、あるいはまた強度を出すために急冷
を要する部位などを局部的に強制冷却するわけである。

そして従来、これら強制冷却法としては、前記鋳造サイ
クルにおける任意の時間帯を設定し、定量の水あるいは
空気を金型内に導くことなどにより行なわれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記従来の金型の強制冷却法、すなわち一定
量の水あるいは空気等を金型内に通すものにあっては、
確かに上記の如き効果を奏することができるものの下記
の如き問題が残されている。

すなわち、上記両図において図中ΔＴで示すものは、多
数回にわたり繰り返し実施される鋳造作業での溶湯凝固
過程における型温のバラツキである。これら型温のバラ
ツキは、注湯直前の金型温度、注湯温度、注湯量、注湯
速度、あるいは気温等の日変化および季節変化等の周囲
環境に左右されるものであり、金型温度の冷却曲線は常
に一定とは成り得ない。そして、図示の如き型温のバラ
ツキ、すなわち溶湯の凝固収縮時における温度バラツキ
はそのまま製品品質のバラツキとなる。さらに、この上
うな型温のバラツキは、上記従来の強制冷却法でも解決
されないばかりでなく、前記水、空気等の冷却媒体自体
の温度もそれら周囲環境の影響を受けるため、第９図に
示すように上記従来の強制冷却法ではかえって型温バラ
ツキΔＴが大きくなることもある。

つまり、上記従来の強制冷却法では、鋳造サイクルの短
縮、および徐冷による弊害の除去といったことは図れる
ものの、鋳物製品の均質化を実現し得るには至っていな
いのである。

そこで、このような問題を解決する一手段として、特開
平１−１４８４４９号公報「低圧鋳造法における金型温
度制御方法」に開示されている方法も試みられている。

この金型温度制御方法は、金型内のキャビティに溶湯を
充填した後、該金型の型温度を実際に測定し、この型温
度と鋳造条件に基づいて溶湯の指向性凝固を可能とすべ
く予め設定した金型の冷却曲線とを比較して前記金型に
供給する冷却水の水量を制御し、該金型を前記冷却曲線
に則して冷却する方法である。

上記の金型温度制御方法では、実際の金型温度を、予め
設定した基準金型温度に近付けることから、強制冷却法
でありながら上記の如き型温のバラツキを極力阻止する
ことか可能である。

しかしながら、上記の金型温度制御方法は、測定した金
型温度を段階的な温度ゾーンに分割対応させ、それら各
温度ゾーンに対してそれぞれ予め流量を設定されｒ二冷
却水を供給するように制御する方法であるため、制御に
おける入力変化か段階的なものとなる。このため、確か
に、実質金型温度を、該温度が所定の温度ゾーン内に位
置するように制御することは可能となるものの、各ゾー
ン内において温度制御を行うことができない。各温度ゾ
ーンは、当然ある程度の幅を有するものであり、このよ
うにゾーン内での温度制御が不可能であることは、指向
性凝固実現する上において、微細な組織までを考慮した
場合には、厳密な温度制御はなされていない。すなわち
、指向性凝固を実現する上で非常に厳密な温度制御を要
求される鋳造においては、上記の温度制御方法を以てし
てもなお不十分であるわけである。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、溶湯凝固時の型温をバラツキな（常に
一定変化状態に、しかも予め設定した所望する冷却曲線
と極カ一致した一定変化状態に制御することができ、以
て凝固に伴う内部欠陥を極限まで減少させることのでき
る金型温度制御方法を提供せんとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る金型温度制御方法は、金型内のキャビティ
に金属溶湯を充填させる金型鋳造法を行うにあたり、前
記金属溶湯を前記キャビティに充填させる最終段階ある
いは充填完了時より、予め設定した金型冷却曲線と実際
の金型温度とを比較演算し、該演算結果に基づき水ある
いは空気等の冷却媒体を、その流量をＰＩＤ制御により
連続的に制御しながら前記金型の所定位置に供給するこ
とを特徴とするものである。

〔作用　〕

予め設定した金型冷却曲線と実際の金型温度とを比較演
算し、冷却媒体をその流量をＰＩＤ制御により連続的に
制御しながら金型の所定位置に供給することにより、金
型温度を、外因に影響されることなく、連続的に理想的
な金型冷却曲線とほぼ一致した状態で変化させることが
できる。

その際、冷却のために供給する水量または空気量の制御
は、いわゆるＯ　Ｎ１０　Ｆ　Ｆ制御あるいは段階的制
御ではなく連続したＰＩＤ制御により行うものであるか
ら、予め設定した金型冷却曲線に極めて近似した冷却曲
線を再現することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すもので、本発明を重力
金型鋳造に適用した例を示すものである。

図中符号１は金型であり、ＩＡは上型、ＩＢは下型、２
は上型ＩＡと下型ＩＢとにより形成されるキャピテイ、
３は溶湯をキャビティ２内に注湯するための湯口、４は
上型ＩＡの上部に形成された押湯である。

前記金型ｌにおける前記キャビティ２に近接した所定位
置には冷却水を通すための導水路５．６か形成されてい
る。第２図に示すように金型ｌの側面には導水路５，６
の給水０５ａ、６ａと排水口５　ｂ、　６　ｂとがそれ
ぞれ形成されており、前記給水口５ａ　６ａには、給水
ライン７．８の一端がそれぞれ接続されている。給水ラ
イン７．８の他端は共に流量制御装置１０に接続されて
いる。

前記流量制御装置！０は前記導水路５．６に供給する冷
却水量を制御するものである。該流量制御装置１０にお
いて、符号１１は主給水ライン、符号Ｉ２はストップバ
ルブである。主給水ライン１１は、前記ストップバルブ
１２の後段にて、前記一方の給水ライン７に接続される
第１の制御系１３Ａと、他方の給水ライン８に接続され
る第２の制御系１３Ｂとに分岐される。これら両制御系
１３Ａ、１３Ｂ　　はそれぞれストップバルブ１５１６
、制御バルブ１９．２０、流量計２１．２２より構成さ
れている。制御バルブ１９．２０はそれぞれバルブ制御
装置１７．１８の駆動により作動されるものとなってい
る。

さらに、前記金型１内のキャビティ２に近接した所定位
置、すなわち前記導水路５，６の近傍てこれら導水路５
．６のキャビティ２側には、温度センサー２３．２４が
それぞれ埋設しである。実施例ではこれらの温度センサ
ー２３．２４を熱電対により構成している。また、これ
ら温度センサー２３．２４はプログラム温度制御装置２
５に接続されている。

前記プログラム温度制御装置２５は、前記温度センサー
２３．２４からの検知信号を受けて所定の演算処理を行
い、前記バルブ制御装置１７．１８に制御信号を送出す
るものである。このプログラム温度制御装置２５には、
前記金型ｌにより所定の合金の鋳造を行う際の金型１の
最適冷却曲線、すなわち経過時間と金型温度との関係が
入力されている。この最適冷却曲線は先行実験により予
め求めた値である。

次に、上記構成とされた金型１およびそれに係る前記温
度制御装置の作用に基づき本発明に係る金型温度制御方
法について説明する。

まず、本鋳造を実施するに当ｆこって予備鋳造テスト　
（先行実験）を行い、内部欠陥の最小となる金型冷却膨
曲線、すなわち最適冷却曲線を求めておく。ここで、最
適冷却曲線は下記の要領により求める。

まず、鋳物製品図より加工代、鋳造法案等を配慮した鋳
物素材図を作成し、次に金型分割方式、鋳造法案を決定
した後、温度測定位置ならびに冷却対象位置を決めて金
型を作製する。この金型を用いて冷却パターンを様々に
変化さけ、かつ型温を測定しながら鋳造テストを行い、
鋳物の外観観察と内部欠陥検査を実施して厳密なる最適
冷却曲線を決定する。内部欠陥検査は例えば透過Ｘ線検
査、断面カラーチエツク、あるいは断面・ミクロ組織観
察などにより行う。

上記先行実験により金型ｌの最適冷却曲線が決定された
ならば、該最適冷却曲線つまり経過時間と金型温度との
関係を前記プログラム温度制御装置２５にインプットす
る。なお、ここでの経過時間は、金型温度が、設定した
所定の温度に達してからの経過時間である。

さて、実際の鋳造において、第３図に示すように注湯開
始時ｔ０より金型温度が上昇しＴ、（を時間経過）に達
したら金型１の冷却を開始する。

前記金型温度Ｔ、は、金属溶湯をキャビティ２に充填す
る最終段階あるいは充填完了直後に出現するように設定
されている。

金型ｌの冷却は、前記主給水ライン１１より前記第１の
制御系１３Ａおよび第２の制御系１３Ｂ、さらに前記両
給水ライン７．８を介して前記両導水路５．６内に冷却
水を通すことによりなされる。

また冷却水の導通は、前記金型温度Ｔ、が前記温度セン
サー２３．２４によって検知され、それに基づき前記プ
ログラム温度制御装置２５から前記バルブ制御装置１７
．１８に信号が送出され、制御バルブ１９．２０が開と
されることにより開始される。

ところで前記プログラム温度制御装置２５には、上記性
へたように、金型１により所定の合金の鋳造を行う際の
金型ｌの最適冷却曲線が人力されており、このプログラ
ム温度制御装置２５は、上記の如く冷却か開始されると
同時に実際の金型温度とこの最適冷却曲線との比較作業
を行い、下記の制御動作を実行する。

すなわち、実際の金型温度（実質金型温度）をＴＭ、プ
ログラム温度制御装置２５に入力されに最適冷却曲線温
度をＴＭ′　またそれら実質金型温度ＴＭと最適冷却曲
線温度ＴＭ′との差分（ＴＭ−ＴＭ′）をθ、導水路５
，６に供給する冷却水流量をＱとすると、流量Ｑは、 Ｋｐ：比例動作係数 ＴＩ：積分時間 ＴＤ：微分時間 により制御される。

実際には、前記流量Ｑは、前記制御バルブ１９２０を駆
動させるバルブ制御装置１７．１８に前記プログラム温
度制御装置２５より制御信号か送出されることにより制
御される。つまり、前記流量Ｑは、実質金型温度ＴＭ　
と最適冷却曲線温度ＴＭ′　との比較に基づき、ＰＩＤ
　　（比例積分微分）制御により連続的に制御されるわ
けである。ここにおいて、上記ＰＩＤ制御は前記プログ
ラム温度制御装置２５の備えるＰＩＤ制御調節計により
なされる。

ここで、上記ＰＩＤ制御を表す式において、右辺の、 Ｋｐθ の項はＰ動作（比例動作）を表すものである。

このＰ動作は、目標値と測定値の間に残留偏差（オフセ
ット）生ずるため、このオフセットを手動にてリセット
する必要かある。そこで、これに■動作（積分動作）を
加えＰＩ動作（比例積分動作）、すなわち、 ■ Ｋｐ（θ十−１θｄｔ　　） Ｉ とすることにより、上記のオフセットか自動リセットさ
れる。

ただし、このＰＩ動作も、制御プロセスか、大きいむだ
時間を有する場合は、制御結果か振動的となりやすく、
これにＤ動作（微分動作）を加えたもの、 すなわち、ＰＩＤ動作により、上記ＰＩ動作の過渡不安
定の安定化がなされるものとなる。

ただし、本発明において言うＰＩＤ制御は、上記のＰＩ
制御、あるいはＰＤ制御（比例微分制御）、さらには単
なるＰ制御をも含むものである。

というのは、通常一般の調節計においては、Ｐ動作（比
例動作）、１動作（積分動作）、Ｄ動作（微分動作）の
３つの動作を兼ね備えた形式のものが多く、これら動作
の割合を調節できるようになっているからである。つま
り、遅れの小さいプロセスにおいてＤ動作は不要であり
、遅れが大きい場合にはＩ動作を小さくする、等の操作
は、その時々のプロセスの特性に応じ任意かつ容易に行
うことが可能であるからである。

第４図は上記条件により制御される冷却水ｉｌＱの変化
を第３図に対応させて示したものである。

この第４図より、冷却水量Ｑが連続制御されていること
、すなわち冷却水量Ｑが連続的になめらかに変化してい
ることが解る。

繰り返し鋳造を行う際には、次の鋳造のための注湯を開
始するまで、金型温度はＴｏで制御されているため、常
に一定の型温で注湯開始が可能となる。

第５図は、上記第３図を、先の第８図および第９図と対
比させ、これら第８図、第９図と同一スケールにて示し
たグラフである。この図では線図イが最適冷却曲線を、
また線図口および線図口がそれぞれ実質金型温度曲線の
上限ラインおよび下限ラインを示している。

この第５図より、鋳造サイクル全体が第９図に示した単
なる強制冷却法に比してさらに短縮されていることはも
とより、実質金型温度ＴＭ（線図口〜口′）が最適冷却
曲線温度ＴＭ’　　（線図イ）とほぼ一致した曲線を呈
することが解る。

また、一連の鋳造サイクルｔ。−Ｌｏ′　においてｔ０
〜Ｌ１時間（注湯開始〜金型温度かＴ　ｍａｘとなるま
での時間）およびｔ、〜Ｌｏ′　時間（型開き〜次の注
湯開始までの時間）の再現性については、前者は注湯温
度等により後者は作業時間のバラツキ等により若干の変
動はあるが、　ｔ１〜ｔｓ　　時間すなわち溶湯の凝固
過程ではバラツキがほとんどなく、全体として金型温度
変化パターンと鋳造サイクルは再現性が極めて良好であ
ることが解る。

したがって、上記金型温度制御方法によれば、溶湯の少
なくとも金型ｌにおける前記導水路５６か設けられた部
分に対応した部位は常に最適冷却曲線にほぼ一致した冷
却過程を経、よって最も品質の優れた鋳造品を効率良く
得ることができ、かつ鋳造回数あるいは周囲環境に拘わ
らず常に同一品質の鋳造品を得ることができる。特に本
発明では、供給する冷却水量を、最適冷却曲線温度ＴＭ
′　との比較においていわゆる０Ｎ１０ＦＦ制御でなく
連続的に変化させるものであるｊ二め、実質金型温度Ｔ
Ｍのたとる曲線は最適冷却曲線温度ＴＭ′により近似し
たものとなり、最適冷却曲線の再現性か極めて高いもの
となる。

ここで、本実施例では導水路５．６の設置を図に示した
２箇所としたか、これは、上記実施例では、−例として
この２箇所における指向性凝固を確保することを目的と
したためてあり、必要に応じてその他の部位に上記同様
の導水路を設け、その部位の指向性凝固を上記同様に確
保することか適宜可能であることは言うまでもない。

第６図および第７図は、それぞれ本発明により制御され
る金型温度の制御状態のその他の例を模式的に表したも
のである。

上記第３図あるいは第５図に示したものが、水冷開始（
１，時間経過）後金型を所定の曲線に沿マて冷却仕しめ
、型開き　（５１時間経過）前に金型温度をある一定温
度（上記例ではＴｏ）に所定時間保持した曲線であった
のに対し、第６図のものは、型開き時間（１１時間）ま
で所定の冷却を連続的に実施し几ものである。また、第
７図のものは、金型温度がＴ、に達した後、該金型温度
を所要時間たけて、に保持し、その後水冷を開始して所
定の曲線に沿って冷却されるようにしたものである。勿
論、これらの曲線も、それぞれの最適冷却曲線温度ＴＭ
′を再現すべく制御された結果のものである。

このように、供給すべき冷却水の流ｊＩＱを上記の如＜
ＰＩＤ制御により行えば、最適冷却曲線か如何なるカー
ブを描くものであっても、最適冷却曲線をほぼ忠実に再
現することができるのである。

また、上述した如く本発明は、最適冷却曲線温度に基づ
く冷却水量Ｑの制御を、ＰＩ副制御あるいはＦＤ副制御
さらにはＰ制御のみによって行うことも妨げないが、上
記説明したＰＩＤ制御（比例積分微分制御）によるのが
最も好ましいものであることは言うまでない。しかしな
がら、例え流量Ｑの制御を、それらＰＩ副制御ＰＤ制御
、Ｐ制御のみによって実施したとしても、流ｊＩＱは連
続的に制御されるものであるから、流１１Ｑを段階的に
制御した場合よりは、実質金型温度曲線が最適冷却温度
曲線により近付いたものとなることは明白である。

なお、上記第３図において繰り返し鋳造を行うにあたっ
ては、金型温度がＴ。で温度制御されているため、次の
注湯開始時ｔｏ′　に型温を常にＴｏとすることができ
る。これにより、凝固過程のみならず注湯過程において
も型温変化の再現性を高めることができ、より一層の鋳
物製品の品質向上、お上び同質化を短い凝固時間で実現
することができる。

また、上記実施例では、本発明を重力金型鋳造に適用し
た例を示したが、本発明は、重力鋳造法に限らず、その
他の金型鋳造法すなわち低圧鋳造法あるいは高圧鋳造法
に適用することも可能であり、それら重力鋳造法以外の
金型鋳造の場合にも、上記同様の効果を得ることができ
る。

さらに、実施例では冷却媒体として水を用いた例のみを
説明したが、水に替えて空気、あるいはその他の冷却媒
体を用いても良く、その場合にも上記同様の作用を得る
ことかできる。

また、一連の鋳造サイクルｔ０〜ｔｏ′　において金型
Ｉ全体の型温か下がり過ぎる場合には周知の手段、すな
わち金型Ｉ内にシースヒータ等を埋設することなどによ
り金型ｌ全体を加執しても一層にかまわないが、その場
合でも上記条件に基づく局部冷却を行うことにより導水
路５．６の設置された部位の最適冷却を行うようにすれ
ば、所要部位（この場合、導水路５．６の設置された部
位）の指向性凝固を確保することができる。

加えて、本発明は金属鋳造を目的としてなされたもので
あるが、必要あらば金型を用いてなされる樹脂成形に適
用することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり本発明は、金型内のキャビティに金
属溶湯を充填させる金型鋳造法を行うにあたり、前記金
属溶湯を前記キャピテイに充填さける最終段階あるいは
充填完了時より、予め設定した金型冷却曲線と実際の金
型温度とを比較演算し、該演算結果に基づき水あるいは
空気等の冷却媒体を、その流量をＰＩＤ制御により連続
的に制御しながら前記金型の所定位置に供給するように
したものである。

そして本発明に係る金型温度制御方法によれば、目的と
する部位の型温変化のバラツキを排除するとともに、型
温の連続的な制御により目標とする予め設定した金型冷
却曲線、例えば最適冷却曲線に極力近似した型温変化を
ほぼ忠実に再現することができる。したがって、溶湯は
最も望ましい冷却過程を経、これにより鋳物各部位での
最良の凝固条件を確保して、凝固に伴う外部および内部
欠陥を極限まで減少させて品質の極めて優れた鋳造品を
得ることができ、かつ鋳造回数あるいは周囲環境に拘わ
らず常に同一品質の鋳造品を得ることができる。また、
これにより凝固時間を理想的に短縮することができ、特
に金属の鋳造においては強度、靭性等の結晶粒微細化に
よる機械的特性を向上させることができる。そして、こ
れらより、非常に厳密な温度制御を要求される鋳造品の
量産が高レベルで実現可能となる、等の優れた効果を奏
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る金型とその温度制御手
段を示す概略構成図、第２図は金型の上面図、第３図は
鋳造サイクルと金型温度の関係を示す線図、第４図は鋳
造サイクルと冷却水量との関係を示す線図、第５図は当
実施例による作用を説明するもので経過時間と型温との
関係を示す線図、第６図および第７図は本発明により制
御された金型温度の冷却曲線のその他の形態を示した線
図、第８図は自然冷却法における経過時間と型温との関
係を示す線図、第９図は従来の強制冷却法における経過
時間と型温との関係を示す線図である。 ・・・・・・金型、 ・・・・・キャビティ１ ．６　・・・・・・導水路、 ０・・・・・・流量制御装置、 ３．２４・・・・・・温度センサー ５・・・・・・プログラム温度制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金型内のキャビティに金属溶湯を充填させる金型鋳造法
   を行うにあたり、前記金属溶湯を前記キャビティに充填
   させる最終段階あるいは充填完了時より、予め設定した
   金型冷却曲線と実際の金型温度とを比較演算し、該演算
   結果に基づき水あるいは空気等の冷却媒体を、その流量
   をＰＩＤ制御により連続的に制御しながら前記金型の所
   定位置に供給することを特徴とする金型温度制御方法。