JP5452955B2 - プリフォーム加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、強化用繊維からなるプリフォームに溶湯を含浸せしめる前にプリフォームの温度を高める加熱装置に関する。

アルミニウム合金は軽量で伝熱係数が大きいため自動車用エンジンの材料として優れている。一方、アルミニウム合金は、耐摩耗性が低く、また熱膨張性も大きいためそのままでは摺動部に用いることができず、摺動性と低熱膨張性に優れた材料をアルミニウム合金に添加した複合材が提案されている。

複合材の１つとしてアルミナ繊維からなるプリフォームを形成し、このプリフォームにアルミニウム合金等の軽金属の溶湯を含浸させることが行われている。しかしながら、アルミナ繊維はアルミニウム合金との濡れ性（馴染み）が悪く、溶湯が含浸しにくい。
プリフォームがシリンダのライナー部のように厚さが薄い場合には大きな問題にはならないが、ジャーナル部などのように厚肉の部位を複合材にて構成するには溶湯の含浸が問題となる。

そこで、特許文献１および特許文献２に記載されるように、溶湯を含浸させる前にプリフォームを予熱しておき、アルミナ繊維とアルミニウム合金との濡れ性を高めた状態で溶湯を含浸させることが知られている。

特に、特許文献１では複数のプリフォームを整列させて同時に鋳造を行う場合に、加熱（予熱）時に隣接するプリフォームの対面する部分に挟まれた箇所では高温となり、そのまま整列させて鋳造すると、高温となっている箇所に湯が集中して流れ込み過剰な浸透が起きてしまうので、鋳造の際には他面していた箇所を離反せしめる内容が開示されている。

特許文献２には、プリフォームを予熱するための予熱炉（加熱炉）が開示されている。この予熱炉は、熱伝導性金属板からなる遮蔽筐体内に密閉された閉鎖予熱空域を形成し、さらに予熱炉の内壁と遮蔽筐体との間に発熱体を配設して、閉鎖予熱空域に配されたプリフォームに発熱体から発せられた熱が遮蔽筐体を介して伝熱する構造になっている。

特許第３１７０９１９号公報 特開２００４−２５７６１３号公報

プリフォームの材料であるアルミナは熱伝導性が悪いため、厚肉のプリフォームの場合には加熱時間を短縮するには加熱温度を高くしなければならない。そして加熱温度を高くすると、表面と内部との温度差が大きくなりクラック（割れ）が発生してしまう。また、予熱炉からプリフォームを取り出して鋳造金型内にセットするまでの間に、急激に温度が下がる場合にもクラック（割れ）が発生しやすい。

特許文献１では厚肉のプリフォームの加熱を予定しておらず、特別な対策を講じていない。また特許文献２に開示される予熱炉を用いてプリフォームを熱衝撃がないように加熱するには、時間をかけてゆっくり加熱しなければならず、作業効率が悪くなる。

上記課題を解決すべく本発明は、鋳造金型内でプリフォームに溶湯を含浸させる前に、予めプリフォームを加熱するプリフォームの加熱装置であり、この加熱装置はプリフォームを連続して搬送しつつ加熱する加熱炉と、加熱されたプリフォームを加熱炉から取り出し鋳造金型まで搬送するロボットを備え、前記加熱炉は入口側から出口側に向かって順に、ヒータを設けない予熱ゾーン、加熱ヒータを設けた昇温ゾーン及び保温ヒータを設けた保温ゾーンとし、前記ロボットのチャックハンドは開閉自在なカバーにて覆われており、前記ロボットは前記保温ゾーンに搬送され加熱されたプリフォームを前記カバーを開いた状態で前記チャックハンドで保持し、前記チャックハンドで保持され加熱されたプリフォームを前記カバーを閉じた状態で前記加熱炉から前記鋳造金型まで搬送するようにした。
前記予熱ゾーンでは昇温ゾーンからの熱によってゾーン内を雰囲気加熱する。また前記保温ゾーンでは昇温ゾーンからの熱によってゾーン内を雰囲気加熱するとともに、保温ヒータにより雰囲気加熱する。

前記加熱ヒータとしては例えば二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）製のものを使用することが好ましく、また前記ロボットのチャックハンドは開閉自在なカバーにて覆われた構成とすることが好ましい。また、前記保温ヒータとしては例えばニクロム線のような金属ヒータを使用することが好ましい。

本発明に係る加熱装置によれば、加熱炉の入口部をヒータを設けない予熱ゾーンとし、出口部を保温ヒータを設けた保温ゾーンとしたので、急激にプリフォームを加熱したり冷却することを避けることができ、厚肉のプリフォームであっても内部と表層部との温度差を小さくして、クラックの発生を防ぐことができる。

また本発明に係る加熱装置によれば、連続して複数のプリフォームを加熱することができるため、作業効率が高まる。

また、加熱ヒータとして二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）を用いることで、形状の自由度が高くなり、プリフォームの形状に合わせたヒータとすることができ、プリフォームを輻射熱で直接加熱するだけでなく雰囲気全体を加熱するので、均一加熱に効果的である。

更に、ロボットのハンドを開閉自在なカバーで覆い、ロボットがプリフォームを掴む際に該カバーを開き、搬送中などはカバーを閉じておくことで、ハンドのカバー内の雰囲気温度が下がりにくくなり、ハンドの接触やプリフォーム搬送時の外気接触による熱衝撃でプリフォームにクラックが入るのを防止することができる。

本発明に係るプリフォーム加熱装置の内部構造を示す正面図 同プリフォーム加熱装置の内部構造を示す平面図 同プリフォーム加熱装置の内部構造を示す側面図

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。本発明に係るプリフォーム加熱装置はプリフォームＰを連続して搬送しつつ加熱する加熱炉１と、加熱されたプリフォームＰを加熱炉から取り出すロボット２０を備える。

前記加熱炉１はボックス状下半部２内に搬送機構３を配置している。この搬送機構３は循環軌道上にパレットを載置し、パレットを順次押し出すことで搬送する押し出し方式を採用している。これはチェーンを使用すると熱によってチェーンが伸び、位置決め精度が低下するのを避けるためである。
尚、実施例にあっては加熱炉１の幅方向に複数の搬送機構を平行に配列し同時に複数のプリフォームＰを加熱できる構成にしている。

加熱炉１の上流端はプリフォームＰをパレット４に載置するセットゾーンＺ１とされ、このセットゾーンＺ１に続いて入口側から出口側に向かって順に、予熱ゾーンＺ２、昇温ゾーンＺ３及び保温ゾーンＺ４が設けられている。

予熱ゾーンＺ２、昇温ゾーンＺ３及び保温ゾーンＺ４はトンネル状の隔壁５に外部から隔離され、セットゾーンＺ１と予熱ゾーンＺ２との間及び昇温ゾーンＺ３と保温ゾーンＺ４との間にはシャッター６，７が設けられ、プリフォームＰを載置したパレット４が通過する間のみシャッター６，７を開け、予熱ゾーンＺ２及び昇温ゾーンＺ３内の熱が逃げないようにしている。

前記予熱ゾーンＺ２はプリフォームＰをゆっくりと加熱することを目的としているため、内部にはヒータを配設せずに隣接する昇温ゾーンＺ３からの熱によってゾーン全体の温度がほぼ一定に保持されている。

昇温ゾーンＺ３の長さは予熱ゾーンＺ２の約３倍とされ、内部には加熱ヒータ８が配置されている。この加熱ヒータ８の材料としては、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）を使用している。二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）は形状の自由度が大きいため、例えばジャーナル部となるプリフォームＰとした場合、図にも示すように軸を保持する半円形部分に倣ってヒータの形状を決定することができ、無駄な箇所を加熱することなく均一加熱が可能になる。

保温ゾーンＺ４の壁面には保温ヒータ９が取り付けられ、天井部にはロボット２０のハンドが進入するための扉１０が設けられ、更にボックス状下半部２内から上方に位置決めピン１１が突出している。この位置決めピン１１は搬送されてくるパレット４の停止位置を確定し、パレット４上のプリフォームＰの正確な位置を決定し、ロボットハンドとの干渉によって割れやクラックが発生しないようにするためのものである。

保温ゾーンＺ４の上方に配置されるロボット２０は鋳造用金型と加熱炉１との間を往復動可能とされている。このロボット２０は加熱炉１の幅方向に配列されるプリフォームＰの数と同数のチャックハンド２１と、このチャックハンド２１を昇降せしめるシリンダユニット２２を備える。

前記チャックハンド２１はケース２３内に収納され、このケース２３の下部は開閉可能なカバー２４とされている。

以上において、所定数のプリフォームＰをセットゾーンＺ１において並列に並んだパレット４上にセットする。セットされたプリフォームＰは加熱炉１の予熱ゾーンＺ２を通過する間に徐々に加熱される。

ジャーナル部となるプリフォームＰを用いて加熱した場合の昇温速度が、３．３℃／ｓｅｃ以上となるとクラックが発生したが、昇温速度が、１．１℃／ｓｅｃ以下であるとクラックの発生はなかった。

次いで、８５０〜１０００℃に保持されている昇温ゾーンＺ３内を通過する間にプリフォームＰは内部温度が８００℃程度になるまで加熱される。この後、保温ゾーンＺ４まで搬送される。

保温ゾーンＺ４には加熱ヒータはないが、周囲を断熱材からなる隔壁５で囲まれ、且つニクロム線などの金属ヒータからなる保温ヒータ９が設けられているので、雰囲気温度は４００℃に維持され、プリフォームＰの内部の降温速度は−０．５５℃／ｓｅｃ以下である。尚、保温ゾーンＺ４を設けずに大気開放した場合には、降温速度は−７．３℃／ｓｅｃであり、昇温ゾーン３から搬入した後、４．５秒でクラックが発生した。

更に、保温ゾーンＺ４の扉１０を明け、ロボット２０を下げてチャックハンド２１でプリフォームＰを保持し、カバー２４を閉じた状態で、ロボット２０によってプリフォームＰを鋳造金型まで搬送し、金型内にセットして鋳造を行う。

カバー２４を閉じた状態で搬送することで、降温速度を−２．２℃／ｓｅｃ以下にすることができ、金型への搬送途中にクラックが発生するのを有効に防止できた。

本発明に係るプリフォームの加熱装置は、比較的厚肉のプリフォームであっても均一加熱が行えてクラックが発生し難いので、ジャーナル部を複合材とする場合などに有効である。

１…加熱炉、２…加熱炉のボックス状下半部、３…搬送機構、４…パレット、５…隔壁、６，７…シャッター、８…加熱ヒータ、９…保温ヒータ、１０…扉、１１…位置決めピン、２０…ロボット、２１…チャックハンド、２２…シリンダユニット、２３…ケース、２４…カバー。
Ｐ…プリフォーム、Ｚ１…セットゾーン、Ｚ２…予熱ゾーン、Ｚ３…昇温ゾーン、Ｚ４…保温ゾーン。

Claims (2)

1. 鋳造金型内でプリフォームに溶湯を含浸させる前に、予めプリフォームを加熱するプリフォームの加熱装置において、
   この加熱装置はプリフォームを連続して搬送しつつ加熱する加熱炉と、加熱されたプリフォームを加熱炉から取り出し鋳造金型まで搬送するロボットを備え、前記加熱炉は入口側から出口側に向かって順に、ヒータを設けない予熱ゾーン、加熱ヒータを設けた昇温ゾーン及び保温ヒータを設けた保温ゾーンとし、
   前記ロボットのチャックハンドは開閉自在なカバーにて覆われており、前記ロボットは前記保温ゾーンに搬送され加熱されたプリフォームを前記カバーを開いた状態で前記チャックハンドで保持し、前記チャックハンドで保持され加熱されたプリフォームを前記カバーを閉じた状態で前記加熱炉から前記鋳造金型まで搬送することを特徴とするプリフォームの加熱装置
2. 請求項１に記載のプリフォームの加熱装置において、前記加熱ヒータは二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）からなることを特徴とするプリフォームの加熱装置。