JP2004034133A - 金型の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱間工具鋼からなる金型内部に冷却用空間を自在に形成することが可能な金型の製造方法を提供する。
【解決手段】シリンダブロック鋳造用ボアーピン１は、熱間工具鋼からなる先端ブロック１０及び本体ブロック２０に、両ブロック１０，２０を組み合わせたときに所望形状の冷却用空間１ａが本体ブロック２０内に形成されるように先端側開口凹部１２ａ、本体側開口凹部２１ａをそれぞれ形成した後、両ブロック１０，２０を組み合わせると共に、溶接により接合して一体化することにより製造される。
【選択図】 図７
【解決手段】シリンダブロック鋳造用ボアーピン１は、熱間工具鋼からなる先端ブロック１０及び本体ブロック２０に、両ブロック１０，２０を組み合わせたときに所望形状の冷却用空間１ａが本体ブロック２０内に形成されるように先端側開口凹部１２ａ、本体側開口凹部２１ａをそれぞれ形成した後、両ブロック１０，２０を組み合わせると共に、溶接により接合して一体化することにより製造される。
【選択図】 図７
Description
【特許請求の範囲】
【請求項１】内部に冷却用空間を有する金型の製造方法であって、
前記金型を構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化し、少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする金型の製造方法。
【請求項２】内部に冷却用空間を有するシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法であって、
前記ボアーピンを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、熱間工具鋼系溶接材料を用いて前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とするシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法。
【請求項３】少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする請求項２に記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法。
【請求項４】内部に冷却用空間を有する鍛造用穿孔パンチの製造方法であって、
前記パンチを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とする鍛造用穿孔パンチの製造方法。
【請求項５】前記分割ブロックの溶接において、コバルト合金系又はニッケル合金系の溶接材料を用いたことを特徴とする請求項４に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法。
【請求項６】前記複数の分割ブロックを組み合わせたときにパンチ本体部分の外形形状に略沿った冷却用空間が形成されるように、前記開口形状を形成することを特徴とする請求項４又は５に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法。
【請求項７】パンチ先端のコーナー部分に、前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料からなる肉盛が形成されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイカスト鋳造や鍛造等に用いられる内部に冷却用空間を有する金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、鋳造や鍛造等の熱間加工に用いられる金型においては、金型内部に冷却用空間を設けた種々のタイプの金型が広く実用に供されている。すなわち、金型の寿命は摩耗、かじり、或いは熱亀裂等の発生に支配されるのであるが、これらの損傷に最も大きな影響を与える要因が金型表面の温度上昇である。鋳造用の金型や鍛造用の金型では、高温の金属溶湯或いは高温に加熱された鋼等に金型の表面部が接することにより表面温度が上昇し易いため、金型内部に設けた冷却用空間内に冷却液を流動させて金型表面温度の上昇を防止し、金型の長寿命化が図られている。
【０００３】
例えば、自動車用エンジンのシリンダブロックの鋳造に用いられる従来技術におけるボアーピン１０１は、図１９に示すように、熱間工具鋼により略円柱状の外観を呈するように一体的に形成され、約６５０℃のアルミニウム溶湯に直接接する先端部１１１と、外周にシリンダボアーの内周面をなすスリーブが装着される本体部１２１と、金型装置の可動ベースへの取付け部としての基端部１３１とを有している。また、ボアーピン１０１の内部には軸線に沿って冷却路１２１ａが形成されている。そして、鋳造実施時には、冷却路１２１ａに冷却液配管が挿入配設され、図１９において図示されるように、冷却液配管を介して冷却液を冷却路内で流動させることによりボアーピン１０１を内側から冷却しつつ外部に排出する構造となっている。
【０００４】
また、従来技術における鍛造用穿孔パンチ１０４は、図２０に示すように、熱間工具鋼により略円柱状の外観を呈するように一体的に形成され、先端部１８１と、本体部１９１と、金型装置の可動ベースへの取付け部としての基端部１９５とを備えている。また、パンチ１０４の内部には軸線に沿って冷却路１９１ａが形成されている。そして、穿孔実施時には、冷却路１９１ａに冷却液配管が挿入配設され、図２０にて図示されるように、冷却液配管を介して冷却液を冷却路１９１ａ内で流動させることによりパンチ１０４を内側から冷却しつつ外部に排出する構造となっている。また、先端部１８１には、耐熱性をさらに向上させるために、コバルト合金による肉盛りが施される場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内部に冷却用空間を設けた金型において、金型内部からの冷却効率は冷却用空間の設計に大きく依存している。すなわち、冷却効率の高い冷却用空間を設計するためには、主として、以下の二つを考慮する必要がある。一つは、冷却用空間を、金型における温度上昇が著しい部位にできる限り近接させて形成することである。他の一つは、金型内部において、より大量の冷却液の流動を可能とすべく、冷却用空間の容積を大型化することである。
しかしながら、上述した従来技術における鋳造用ボアーピンや鍛造用パンチにおいては、冷却性能をより一層向上させるように冷却用空間を設計することが困難であるという問題があった。
【０００６】
例えば、従来技術におけるボアーピン１０１においては、冷却路１２１ａは基端部１３１の基端側端面からドリル加工等により形成されるため、冷却路１２１ａは軸線に沿った直線状であり且つ内径が全長に亘って同一の空間とならざるを得ない。しかも、基端部１３１の外形寸法は本体部１２１よりも小さく、さらに、基端部１３１に設けられたネジ孔１３１ａによっても冷却路１２１ａの内径が制約されるため、結果として、図１９に図示されるような、径の細い冷却路１２１ａしか形成することができず、十分な冷却効果を発揮することが困難であった。
同様に、従来技術におけるパンチ１０４においても、冷却路１９１ａの内径は、本体部１９１よりも小径の基端部１９５の外形寸法により制約されるため、結果として、図２０に図示されるような、細い冷却路１９１ａしか形成することができず、十分な冷却効果を発揮することは困難であった。
【０００７】
すなわち、冷却室は、一体構造をなす鋳造用ボアーピンや鍛造用パンチの基端部側からドリル等により形成するため、冷却室の内径は、基端部の外径寸法や基端部に設けられたネジ孔等によって必然的に制約される。さらに、基端部側からのドリル加工によって形成可能な冷却室は、軸線に沿った略直線状のものに限られるため、温度上昇が著しい部位に近接する位置に自在に冷却室を形成することは極めて困難である。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱間工具鋼からなる金型の内部に冷却用空間を自在に形成することが可能な金型の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に記載の金型の製造方法は、内部に冷却用空間を有する金型の製造方法であって、前記金型を構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化し、少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする。
従って、金型を熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックにより構成し、それらの少なくとも一つに開口形状を形成した後に、それら複数の分割ブロックを組み合わせると共に溶接により接合して一体化するので、所望の大きさ及び形状の冷却用空間を所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であり、ひいては金型を安価に製造することが可能となり、さらに、少なくとも溶接部分及びその周辺の分割ブロック表面部分が、溶接部分と同一材料若しくは分割ブロックをなす熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料によって覆われ、表面部分に溶接部分の融合部や熱影響部が存在せず、溶接部分近傍におけるヒートチェック現象の発生等を防止することができる。そして、このようにして製造された金型によれば、冷却用空間に冷却媒体を通すことにより内部から効率的に冷却が行われるため、摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができるという効果を奏する。
【００１０】
また、請求項２に記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法は、内部に冷却用空間を有するシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法であって、前記ボアーピンを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、熱間工具鋼系溶接材料を用いて前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とする。
従って、シリンダブロック鋳造用ボアーピンを熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックにより構成し、それらの少なくとも一つに開口形状を形成した後に、それら複数の分割ブロックを組み合わせると共に溶接により接合して一体化するので、所望の大きさ及び形状の冷却用空間を所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であり、ひいてはボアーピンを安価に製造することが可能となり、さらに、溶接材料が分割ブロックと同一の熱間工具鋼系であるため、溶接部分と分割ブロック部分とが均質となり、熱間工具鋼からなる一つのブロックからシリンダブロック鋳造用ボアーピンを製造した場合と同等の品質を得ることができる。そして、このようにして製造されたシリンダブロック鋳造用ボアーピンによれば、冷却用空間に冷却媒体を通すことにより内部から効率的に冷却が行われるため、摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができるという効果を奏する。
【００１１】
また、請求項３に記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法は、少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする。
従って、少なくとも溶接部分及びその周辺の分割ブロック表面部分が、溶接部分と同一材料若しくは分割ブロックをなす熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料によって覆われ、表面部部分に溶接部分の融合部や熱影響部が存在せず、溶接部分近傍におけるヒートチェック現象の発生等を防止することができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法は、内部に冷却用空間を有する鍛造用穿孔パンチの製造方法であって、前記パンチを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とする。
従って、鍛造用穿孔パンチを、熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックにより構成し、それらの少なくとも一つに開口形状を形成した後に、それら複数の分割ブロックを組み合わせると共に溶接により接合して一体化するので、所望の大きさ及び形状の冷却用空間を所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であり、ひいてはパンチを安価に製造することが可能となる。そして、このようにして製造された鍛造用穿孔パンチによれば、冷却用空間に冷却媒体を通すことにより内部から効率的に冷却が行われるため、摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができるという効果を奏する。
【００１３】
また、請求項５に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法は、前記分割ブロックの溶接において、コバルト合金系又はニッケル合金系の溶接材料を用いたことを特徴とする。
従って、耐熱性及び／又は耐摩耗性が高いコバルト合金系又はニッケル合金系の溶接材料として用いることにより、溶接部分における耐熱性及び／又は耐摩耗性を向上させることができる。
【００１４】
また、請求項６に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法は、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときにパンチ本体部分の外形形状に略沿った冷却用空間が形成されるように、前記開口形状を形成することを特徴とする。
従って、冷却用空間が、パンチ本体部分の外形形状に略沿って形成されるので、冷却用空間の容積を大きく確保することができ、且つ、冷却が必要とされる表面部分の近傍に冷却用空間が設けられるので、鍛造用穿孔パンチの冷却効率をより一層向上させることができる。
【００１５】
また、請求項７に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法は、パンチ先端のコーナー部分に、前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料からなる肉盛が形成されることを特徴とする。
従って、高温の鋼との摩擦により損傷が生じ易いパンチ先端のコーナー部分に、分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料によって肉盛が形成されるので、鍛造用穿孔パンチの耐熱性及び／又は耐摩耗性をより一層向上させてさらなる長寿命化を図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した金型の製造方法の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の第一の実施形態であるシリンダ鋳造用ボアーピン（以下、単にボアーピンと称する）の製造方法について、図１乃至図９を参照しつつ説明する。
尚、本実施形態の方法により製造されるボアーピンとは、略円柱状の外観形状を有する金型部材であって（図７参照）、自動車用エンジンのシリンダブロックをダイカスト鋳造する際に、シリンダボアを形成すべき位置に、その軸線とシリンダボアの軸線とを一致させ、且つ先端部が金型装置のキャビティ内に突入するように配設されるものである。
【００１７】
本実施形態におけるシリンダ鋳造用ボアーピンの製造方法は、一体構造では自在に加工することが極めて困難であった冷却用空間を、分割構造を採用することにより予め加工し、その後、これらを近年に確立された熱間工具鋼の溶接技術を利用して一体化するものであり、図１のフローチャートに示すように、開口形状の形成を含む分割ブロックの作製工程（ステップ１、以下Ｓ１と略記する。他のステップも同様である）と、分割ブロックの組み合わせ工程（Ｓ２）と、接合溶接工程（Ｓ３）と、表面研削工程（Ｓ４）とからなる。以下、各工程の詳細について図１のフローチャートと、図２乃至図９の各図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
最初に、熱間工具鋼からなる２個のワーク（例えば、材質：ＪＩＳ ＳＫＤ６１の焼き入れ焼き戻し材、硬度：ＨＲＣ４８）を用意する。
そして、これらに公知の切削加工等を施すことにより、図２に示される先端ブロック１０、及び図３，図４に示される本体ブロック２０をそれぞれ作製する（図１：Ｓ１）。尚、先端ブロック１０及び本体ブロック２０は、組み合わせることによってシリンダブロック鋳造用ボアーピンを構成するための本発明における複数の分割ブロックを構成するものである。
【００１９】
以下、Ｓ１の工程において作製された先端ブロック１０及び本体ブロック２０の各部の加工形状について説明する。
先端ブロック１０は、ボアーピン１の先端部１１を構成するブロック状部材であり、図２に示すように、円柱状の先端部本体１１と、先端部本体１１より基端方向に突出する円筒状の嵌合凸部１２とから構成されている。
先端部本体１１の基端側の周縁部には、縦断面が略半Ｕ字状の開先形状を有する開先部１１ａが形成されている。また、嵌合凸部１２は、その外径が、後述する本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａの内径よりも僅かに小さく設定され、本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａに嵌合凸部１２が嵌合することにより両ブロック１０，２０が機械的に結合される構造となっている。また、嵌合凸部１２の径内側には、基端側に向かって開口する先端側開口凹部１２ａが形成されている。
【００２０】
本体ブロック２０は、図３に示すように、ボアーピン１の本体部２１及び基端部３１を構成するブロック状部材である。
本体部２１は、シリンダボアーの内周面をなす円筒状スリーブが装着される外周面を有する円柱状部分である。本体部２１には、先端側に向かって開口する本体側開口凹部２１ａが形成されている。本体側開口凹部２１ａは、先端側開口凹部１２ａとともに冷却用空間を形成する内壁部分であり、冷却液の流量を多くして冷却効率を向上させるために、許容される強度範囲内においてできる限り大きな容積を有するように形成される。例えば、本体部２１の外径が７０ｍｍ程度とした場合、本体側開口凹部２１ａは、本体部２１外周面より１０ｍｍ程度の厚みを残して外周形状に略沿って内側が切削加工によりくり貫かれることにより形成される。本体部２１においては、先端側端面からドリル等による切削加工を施すことが可能であるので、所望の大きさ及び形状の本体側開口凹部２１ａを所望の位置に、容易且つ自在に形成することができる。
【００２１】
また、本体部２１の先端側の周縁部には、縦断面が略半Ｕ字状の開先形状を有する開先部２１ｂが形成されている。開先部２１ｂは、両ブロック１０，２０が組み合わされたときに先端ブロック１０側の開先部１１ａと共にＵ形開先部１５をなし、溶接が施される部分である。
基端部３１は、本体部２１より基端側に向かって突出状に設けられ、図示しない金型装置の可動ベースに固定される取り付け部である。基端部３１は、横断面が角丸四角形状を呈し、その一辺の長さは本体部２１の外径よりも小さく設定されている（図４参照）。また、基端部３１には、基端側端面において開口すると共に本体部２１の本体側開口凹部２１ａに連通するように軸線に沿って設けられた配管挿入孔３１ａと、金型装置の可動ベースにネジ止め固定するために螺刻された複数のネジ孔３１ｂとが形成されている。尚、配管挿入孔３１ａの内径は、基端部３１断面の大きさ及び複数のネジ孔３１ｂの配置によって制約され、本体側開口凹部２１ａよりも小径となっている。
【００２２】
次に、先端ブロック１０の嵌合凸部１２を本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａに嵌合させることにより、先端ブロック１０と本体ブロック２０とを組み合わせる（図１：Ｓ２）。この状態では、先端ブロック１０の開先部１１ａと、本体ブロック２０の開先部２１ｂとが対向し且つ当接することにより、先端ブロック１０と本体ブロック２０との境界部分に断面略Ｕ字状を呈するＵ形開先部１５が全周に亘って形成される（図５参照）。
次に、先端ブロック１０と本体ブロック２０との境界部分に形成されたＵ形開先部１５に溶接を施すことにより、両ブロック１０，２０を接合して一体化する（図１：Ｓ３、図６参照）。
【００２３】
Ｕ型開先部１５への溶接は、公知のＴＩＧ溶接法により行う。また、Ｕ型開先部１５の接合溶接に使用される溶接材料としては、下盛用に熱間工具鋼系溶接材料を、上盛用に本体部２１の材質に近似の化学成分を有する熱間工具系鋼溶接材料をそれぞれ使用する。尚、下盛用として用いる熱間工具鋼系溶接材料は、例えば、重量％で、Ｃ：０．１、Ｓｉ：０．４、Ｍｎ：０．６、Ｃｒ：６．５、Ｍｏ：３．０を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものとする。一方、上盛用として用いる熱間工具鋼系溶接材料は、例えば、重量％で、Ｃ：０．３５、Ｓｉ：０．６、Ｍｎ：１．２、Ｃｒ：７．０、Ｍｏ：２．２５及び微量のＴｉを含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものとする。尚、上述した下盛り用又は上盛り用の熱間工具鋼系溶接材料の化学成分組成は、一例を示すものであって、適宜変更して実施することが可能である。
【００２４】
溶接条件は、直径１．６ｍｍのＴＩＧワイヤを使用する場合、電流：１５０Ａ、電圧：３０Ｖとし、温度条件は、図８のグラフに示すように、予熱・パス間温度：３８０℃とする。溶接を施工した後、一旦、常温まで温度を低下させた後、後熱処理を温度条件５５０℃で５時間施し（図８参照）、後熱処理後の溶接部の硬さをＨＲＣ４８（先端ブロック１０及び本体ブロック２０の硬さと同一）とする。尚、上述した各条件は、溶接対象物の大きさ等によって適宜設定されるものである。
溶接工程は、図９に示すように、公知のＴＩＧ溶接装置（図示せず）、電気炉、及び熱管理装置を使用して行われる。電気炉は、上面が開口する箱形容器状の装置であって、内壁に複数の電気ヒータが設けられて内部に設置されたワーク全体を均一に加熱することができるようになっている。熱管理装置は、電気炉内に設置されたワークの温度を常時検出し、ワークの温度が設定温度に保持されるように、電気ヒータのオン／オフ制御を行う装置である。つまり、先端ブロック１０及び本体ブロック２０は、電気炉内に設置され、熱管理装置によって図８のグラフに示す温度条件が保持されつつ、ＴＩＧ溶接装置を用いて溶接作業が施されるのである。
【００２５】
次に、Ｕ形開先部１５が上述した溶接材料により接合溶接されて一体となった先端ブロック１０及び本体ブロック２０の表面部分に、公知の研削盤を用いて所定の深さの研削加工を施す（図１：Ｓ４）。研削加工の深さは、例えば、０．５ｍｍ程度とする（図６において研削加工後の外形形状を破線にて示す）。研削加工では、両ブロック１０，２０の表面部分と共に、溶接金属１７の表面部分も所定深さで研削されることによって表面が平滑に加工され、且つ、溶接用上盛材料が両ブロック１０，２０とほぼ同一の材質であるので、研削加工によって表面が平滑となったブロック１０，２０部分と溶接部分１７とは、目視による判別が極めて困難な程度に均一な外観を呈している。
以上のＳ１乃至Ｓ４の工程を経て、図７に示すシリンダブロック鋳造用ボアーピン１が完成する。
【００２６】
ボアーピン１は、図７に示すように、先端ブロック１０と本体ブロック２０とが組み合わされ且つ溶接により接合され、先端ブロック１０の先端側開口凹部１２ａと本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａとにより、内部に冷却用空間１ａが形成されている。冷却用空間１ａは、十分に大きな容積が確保されると共に、損傷が生じやすく、特に冷却が必要とされる先端部１１外周の近傍にまで達するように形成されている。従って、ボアーピン１を使用してシリンダブロックを鋳造する際に、基端部３１の配管挿入孔３１ａを介して挿入された冷却液配管の先端開口部より冷却用空間１ａ内に冷却媒体としての冷却液が導入され、冷却液が冷却用空間１ａ内を流動することによりボアーピン１の内側から吸熱し、温度上昇した冷却液が配管挿入孔３１ａの基端側開口より外方へ排出されるので、極めて効率的にボアーピン１の冷却を行うことができる。これにより、ボアーピン１の摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができる。
【００２７】
尚、本発明者による実験では、図１９に示す従来技術によるボアーピンと図７に示す本実施形態によるボアーピンとをそれぞれ用いて、同一条件でシリンダブロックの鋳造を行った場合、従来のボアーピンに対して、本実施形態のボアーピンは、摩耗及びかじりの発生及び進展が約１／２のレベルに、熱亀裂の発生は約１／３のレベルにまで低下することが確認されている。
また、従来技術におけるボアーピンは一体構造であり（図１９参照）、基端部１３１端面からドリル等により冷却路１２１ａの切削加工が行われていたため、基端部１３１の断面サイズやネジ孔１３１ａの配置等により冷却路１２１ａの大きさや形成位置が制約されていた。これに対し、本実施形態の製造方法によれば、ボアーピン１が複数のブロック１０，２０に分割された分割構造であるので、各ブロック１０，２０の端面に、冷却用空間１ａを形成するための開口凹部１２ａ、２１ａをそれぞれ所望の大きさ及び形状で所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であり、ひいてはボアーピンを安価に製造することができるという顕著な効果を奏する。
【００２８】
また、先端ブロック１０の嵌合凸部１２が本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａに嵌合して機械的に結合する構造となっているので、溶接作業時に両ブロック１０，２０の開先部１１ａ，２１ｂの位置がずれることが防止され、溶接作業を容易且つ正確に行うことができるという効果をも奏する。
【００２９】
次に、第一の実施形態の種々の変形例について図面を参照しつつ説明する。尚、第一の実施形態と同一の構成には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
まず、第一の変形例について図１０を参照しつつ説明する。
第一の実施形態では、ボアーピンの先端部と本体部及び基端部とを分割する構成であったが、本変形例のボアーピン２は、先端部５１及び本体部６１からなる本体ブロック６０と、基端部７１からなる基端ブロック７０とに分割し、両ブロック６０，７０を組み合わせて溶接により接合して一体化する構成としたものである。尚、本体ブロック６０及び基端ブロック７０は、組み合わせることによってシリンダブロック鋳造用ボアーピンを構成するための本発明における複数の分割ブロックを構成するものである。
【００３０】
本体ブロック６０に本体側開口凹部６１ａが、基端ブロック７０に基端側開口凹部７２ａがそれぞれ形成されている。そして、基端ブロック７０の嵌合凸部７２を本体側開口凹部６１ａに嵌合して組み合わせることにより境界部分に形成されるＵ形開先部６５に溶接を施して両ブロック６０，７０を接合・一体化することにより、冷却用空間３ａが形成される。尚、溶接部分６７は、上述した第一の実施形態と同様の溶接材料により形成される。
本変形例では、本体ブロック６０の基端側端面から本体側開口凹部６１ａを所望の大きさ及び形状で所望の位置に自在に加工することができる。
【００３１】
次に、第二の変形例について、図１１を参照しつつ説明する。
本変形例では、Ｕ形開先部１５に溶接を施すのに加えて、損傷が発生しやすい先端部１１表面に耐熱性及び又は耐摩耗性に優れた材料を肉盛りして複合化したものである（図１１の符号１８部分参照）。
具体的には、例えば、ボアーピン３（先端ブロック１０及び本体ブロック２０）の材質をＳＫＤ６１とし、先端部１１の肉盛り部分１８には、ボアーピン２と近似する熱膨張係数をもち、より耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料として、重量％で、Ｃ：０．２８、Ｍｎ：０．３、Ｓｉ：０．８、Ｎｉ：１８、Ｍｏ：５、Ｃｏ：１０、微量のＴｉ及びＡｌを含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものを用いた。尚、上述した化学成分組成は、一例を示すものであって、適宜変更して実施することが可能である。
【００３２】
本変形例によれば、金属溶湯に直接接することにより損傷が生じ易い先端部１１の表面部分に、耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料が肉盛りされているので、より一層、ボアーピンの長寿命化を図ることが可能となる。また、先端部１１への肉盛りは、Ｕ形開先部１５への溶接作業と併せて効率的に行うことができるので、工数の増加は少ない。
【００３３】
次に、第三の変形例について、図１２及び図１３を参照しつつ説明する。
まず、本変形例によるボアーピンの製造方法についての説明に先立って、第一の実施形態の図６の状態におけるボアーピン１の溶接部１７近傍の構成について、図１２の拡大断面図を参照しつつ説明する。
溶接部１７近傍は、図１２に示すように、溶接金属部、融合部（ボンド部とも称される）、熱影響部、及び原質部の各部に分けられる。
ここで、溶接金属部は、溶接棒から滴下した溶融金属と、溶融した母材（ブロック１０又は２０、以下同様）の一部とが混ざり合って短時間に凝固した部分である。
融合部は、溶接金属部と母材との接点に相当する部分である。
熱影響部は、融合部に接する母材部分であり、母材の内では最も大きな溶接熱影響を受ける部分である。
原質部は、溶接熱影響をまったく受けないか、受けても無視できる程度の母材部分である。
【００３４】
そして、ボアーピンに対して繰り返される加熱−冷却によって、母材、すなわちブロック１０又は２０表面よりも先に、上述した融合部近傍において、熱間加工用金型の代表的な損傷の一つであるヒートチェック現象が現れる傾向がある。
ここで、融合部近傍におけるヒートチェック現象が、ボアーピン先端部の損傷と同時期或いは遅れて発生する場合は問題がない。しかし、使用条件によっては、冷却用空間への冷却液の循環による冷却効果によってボアーピン先端部が損傷発生に到っていないにも拘らず、融合部近傍にヒートチェック現象が発生し、これがボアーピンの寿命を支配する場合は問題となる。
【００３５】
そこで、本変形例のボアーピン４では、図１３に示すように、ブロック１０，２０部分の外形形状を３ｍｍ程度以内で予め小さく加工し、少なくとも溶接部１７及びその周辺の先端部１１及び本体部２１の表面部分（図１３では先端部１１及び本体部２１表面部分の全体）を溶接材料で肉盛りすることにより、これらの表面部分を覆う表面溶接部１９を設けている。
本変形例によれば、加熱−冷却にさらされるボアーピン４表面が溶接金属で被われて同一成分となっており、表面部分には図１２に示されるような異なる性質を有する融合部や熱影響部が存在しないので、溶接部分近傍においてヒートチェック現象が先端部よりも先行して発生することを防止できる。
尚、表面溶接部１９に使用する溶接材料は、基本的には、両ブロック１０，２０の溶接に使用した溶接材料と同一で問題ないが、ボアーピンの使用条件を勘案して、より耐熱性、耐摩耗性、耐ヒートチェック性の少なくとも一つに優れた溶接材料を適宜選択して使用することも可能である。
【００３６】
次に、本発明の第二の実施形態について、図１４乃至１７を参照しつつ説明する。
本実施形態は、本発明の金型の製造方法を、鍛造用穿孔パンチの製造方法に適用したものである。
最初に、熱間工具鋼からなるワーク（例えば、材質：ＪＩＳ ＳＫＤ８の焼き入れ焼き戻し材、硬度：ＨＲＣ５２）を２個用意する。
そして、これらに公知の切削加工等を施すことにより、図１４（ａ）に示される先端ブロック８０、及び図１４（ｂ）に示される本体ブロック９０をそれぞれ作製する（図１：Ｓ１）。尚、先端ブロック８０及び本体ブロック９０は、組み合わせることによって鍛造用穿孔パンチを構成するための本発明における複数の分割ブロックを構成するものである。
【００３７】
以下、Ｓ１の工程において作製された先端ブロック８０及び本体ブロック９０の各部の加工形状について説明する。
先端ブロック８０は、鍛造用穿孔パンチ（以下、単にパンチと称する）５の先端部８１を構成するブロック状部材であり、図１４（ａ）に示すように、円盤状の先端部本体８１と、先端部本体８１より基端方向に突出する嵌合凸部８２とから構成されている。
先端部本体８１の基端側の周縁部には、テーパ状の開先形状を有する開先部８１ａが形成されている。また、嵌合凸部８２は、その外径が、後述する本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａの内径よりも僅かに小さく設定され、本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａに嵌合凸部８２が嵌合することにより両ブロックが結合される構造となっている。また、嵌合凸部８２の径内側には、基端側に向かって開口する先端側開口凹部８２ａが形成されている。
【００３８】
本体ブロック９０は、図１４（ｂ）に示すように、パンチ５の本体部９１及び基端部９５を構成するブロック状部材である。
本体部９１は、円柱状の外観を呈し、先端側に向かって開口する本体側開口凹部９１ａを有している。本体側開口凹部９１ａは、先端側開口凹部８２ａとともに冷却用空間４ａを形成する内壁部分であり、冷却液の流量を多くして冷却効率を向上させるために、許容される強度内においてできる限り大きな容積を有するように形成される。例えば、本体部９１の外径を６０ｍｍ程度とした場合、本体側開口凹部９１ａは、本体部９１外周面より１０ｍｍ程度の厚みを残して、その内側が切削加工によりくり貫かれることにより形成される。本体部９１においては、先端側端面からドリル等による切削加工を施すことが可能であるので、所望の大きさ及び形状の本体側開口凹部９１ａを所望の位置に、容易且つ自在に形成することができる。
【００３９】
また、本体部９１の先端側の周縁部には、テーパ状の開先形状を有する開先部９１ｂが形成されている。開先部９１ｂは、先端ブロック８０側の開先部８１ａと共にＶ形開先部８５をなし、溶接が施される部分である（図１５参照）。
基端部９５は、本体部９１より基端側に向かって突出状に設けられ、図示しない金型装置の可動ベースに固定される取り付け部である。基端部９５は、本体部９１よりも小径の円柱状を呈し、外周には可動ベースに取付けるための雄ネジ９５ｂが螺刻されている。また、基端部９５には、基端側端面において開口すると共に本体部９１の本体側開口凹部９１ａに連通するように軸線に沿って設けられた配管挿入孔９５ａが形成されている。尚、配管挿入孔３１ａの内径は、基端部９５断面の大きさによって制約され、本体側開口凹部９１ａよりも小径となっている。
【００４０】
次に、先端ブロック８０の嵌合凸部８２を本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａに嵌合させることにより、先端ブロック８０と本体ブロック９０とを組み合わせる（図１：Ｓ２）。この状態では、先端ブロック８０の開先部８１ａと、本体ブロック９０の開先部９１ｂとが対向し且つ当接することにより、先端ブロック８０と本体ブロック９０との境界部分に断面略Ｖ字状を呈するＶ形開先部８５が全周に亘って形成される（図１５参照）。
次に、先端ブロック８０と本体ブロック９０との境界部分に形成されたＶ形開先部８５に溶接を施すことにより、両ブロック８０，９０を接合して一体化する（図１：Ｓ３、図１６参照）。
【００４１】
Ｖ型開先部８５への溶接は、公知のＴＩＧ溶接法により行う。また、Ｖ型開先部８５の接合に使用される溶接材料としては、下盛用に熱間工具鋼系溶接材料を、上盛用に熱間工具鋼系溶接材料をそれぞれ使用する。尚、下盛用として用いる熱間工具鋼系溶接材料は、重量％で、例えば、Ｃ：０．１、Ｓｉ：０．４、Ｍｎ：０．６、Ｃｒ：６．５、Ｍｏ：３．０を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものとする。一方、上盛用として用いる熱間工具鋼系溶接材料は、重量％で、例えば、Ｃ：０．４、Ｃｒ：６．５、Ｍｏ：１．５、Ｗ：８、Ｖ：０．５を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものとする。尚、上述した下盛り用又は上盛り用の熱間工具鋼系溶接材料の化学成分組成は、一例を示すものであって、適宜変更して実施することが可能である。
【００４２】
溶接条件は、直径２．０ｍｍのＴＩＧワイヤを使用する場合、電流：２００Ａ、電圧：３５Ｖとし、温度条件は、予熱・パス間温度：４５０℃とする。溶接を施工した後、一旦、常温まで温度を低下させた後、後熱処理を温度条件５７０℃で３時間施し、後熱処理後の溶接部の硬さをＨＲＣ５２（先端ブロック８０及び本体ブロック９０の硬さと同一）とする。尚、溶接工程に用いる装置は、第一の実施形態と同様である（図９参照）。また、上述した各条件は、溶接対象物の大きさ等によって適宜設定されるものである。
【００４３】
次に、Ｖ形開先部８５が上述した溶接材料により接合溶接されて一体となった先端ブロック８０及び本体ブロック９０の表面部分に、公知の研削盤を用いて所定の深さの研削加工を施す（図１：Ｓ４）。研削の深さは、例えば、０．５ｍｍ程度とする（図１６に研削加工後の外形形状を破線にて示す）。研削加工では、両ブロック８０，９０の表面と共に、溶接金属８７の表面部分も所定深さで研削されることによって表面が平滑に加工され、且つ、溶接用上盛材料が両ブロック８０，９０とほぼ同一の材質であるので、研削加工によって表面が平滑となったブロック８０，９０部分と溶接部分８７とは、目視による判別が極めて困難な程度に均一な外観を呈している。
以上のＳ１乃至Ｓ４の工程を経て、図１７に示す鍛造用穿孔パンチ５が完成する。
【００４４】
パンチ５は、図１７に示すように、先端ブロック８０と本体ブロック９０とが溶接により接合され、先端ブロック８０の先端側開口凹部８２ａと本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａとにより、内部に冷却用空間４ａが形成されている。冷却用空間４ａは、十分に大きな容積が確保されると共に、損傷が生じやすく、特に冷却が必要とされる先端部８１のコーナー部近傍にまで達するように形成されている。従って、パンチ５を使用して穿孔を行う際に、基端部９５の配管挿入孔９５ａを介して挿入された冷却液配管の先端開口部より冷却用空間４ａ内に冷却液が導入され、冷却液が冷却用空間４ａ内を流動することによりパンチ５の内側から吸熱し、温度が上昇した冷却液が配管挿入孔９５ａの基端側開口より排出されるので、極めて効率的にパンチ５の冷却を行うことができる。これにより、パンチ５の摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができる。
【００４５】
尚、本発明者による実験では、従来技術によるパンチの平均寿命が約２５０ショットであったのに対し、本実施形態によって製造されたパンチの平均寿命は約６００ショットとなっており、寿命が約２倍以上に向上することが確認されている。
また、従来技術におけるパンチ（図２０参照）では、基端部１９５端面からドリル等により冷却路１９１ａの切削加工が行われていたため、基端部１９５の断面サイズ等により冷却路１９１ａの大きさや形成位置が制約されていた。これに対し、本実施形態の製造方法によれば、パンチ５が複数のブロック８０，９０に分割されているので、各ブロック８０，９０の端面に、冷却用空間４ａを形成するための開口凹部８２ａ、９１ａをそれぞれ所望の大きさ及び形状で所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であるという顕著な効果を奏する。
【００４６】
また、先端ブロック８０の嵌合凸部８２が本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａに嵌合して結合する構造となっているので、溶接作業時に両ブロック８０，９０の開先部８１ａ，９１ｂの位置がずれることが防止され、溶接作業を容易且つ正確に行うことができるという効果をも奏する。
【００４７】
次に、第二の実施形態の変形例について、図１８を参照しつつ説明する。
本変形例では、先端ブロック８０と本体ブロック９０とから形成されるＶ形開先部８６が先端部８１のコーナー部に位置している。そして、Ｖ形開先部８６に耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料で溶接を施して両ブロックを接合すると共に、損傷が生じやすい先端部８１のコーナー形状を当該溶接材料を肉盛りすることにより形成したものである（図１８の符号８８部分参照）。
【００４８】
具体的には、例えば、パンチ６（先端ブロック８０及び本体ブロック９０）の材質をＳＫＤ８とし、先端部８１の肉盛り部分８８には、より耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料として、重量％で、Ｃ：０．３、Ｃｒ：３０、Ｍｏ：５、Ｎｉ：４を含有し、残部Ｃｏ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するコバルト合金系溶接材料を用いる。尚、耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料として、コバルト合金系溶接材料に代えてニッケル合金系溶接材料を使用することも可能である。
本変形例によれば、損傷が生じ易い先端部８１のコーナー部分８８が、耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料が肉盛りされて形成されているので、より一層、パンチの長寿命化を図ることが可能となる。また、先端部８１コーナー部分８８の形成は、Ｖ形開先部８６への溶接作業と同時に行われるので、工数は殆ど増加することがない。尚、本発明者による実験により、本変形例のパンチ６では、上述した第二の実施形態のパンチ５と比較して寿命が更に２０〜５０％向上することを確認している。
【００４９】
尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。
例えば、前記各実施形態では、シリンダブロック鋳造用ボアーピン又は鍛造用穿孔パンチの製造方法に本発明を適用した例を示したが、金型の種類はこれらに限られず、内部に冷却用空間を有する種々の金型の製造に適用することが可能である。
例えば、前記第一の実施形態では、先端ブロック１０と本体ブロック２０とに、それぞれ開口形状を形成したが、一方のみに形成してもよい。要するに、両ブロックが組み合わされたときに内部に冷却用空間が形成されるように、少なくも一つのブロックに開口形状を形成すればよいのである。また、開口形状は、上述した各実施形態において示した凹部形状に限定されず、冷却が特に必要とされる部位への冷却効果が高い種々の形状の冷却用空間を形成するために溝状、孔状等の種々の開口形状とすることが可能である。
【００５０】
また、前記各実施形態では、略円柱状の外形形状を有する金型（ボアーピン又はパンチ）を、先端部と本体部との間、又は本体部と基端部との間で軸線と直交する平面にて分割する例を示したが、金型の複数ブロックへの分割態様はこれらに限定されない。例えば、内部に冷却用空間を有する金型本体部の長手方向の中間部分において軸線と直交する平面にて分割してもよく、或いは、略円柱状の軸線を通る平面にて縦割り状に分割しても構わない。また、分割位置は１箇所には限られず、２箇所以上に分割位置を設けて３個以上の分割ブロックを組み合わせることにより金型を構成しても構わない。
また、前記第一の実施形態の第二の変形例及び第三の変形例においては、表面部分を覆う肉盛り材料としてワイヤに代えて粉末材料を使用する溶接技術を用いてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、シリンダブロック鋳造用ボアーピンや鍛造用穿孔パンチ等の金型の内部に所望の大きさ及び形状の冷却用空間を所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能である。従って、本発明の製造方法により製造されたシリンダブロック鋳造用ボアーピンや鍛造用穿孔パンチ等の金型によれば、冷却用空間に冷却媒体を通すことにより内部から効率的に冷却が行われるため、摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金型の製造方法における各工程の流れを示すフローチャートである。
【図２】（ａ）は、本発明の第一の実施形態のボアーピンを構成する先端ブロックの側面図であり、（ｂ）は（ａ）においてＡ線矢視方向における正面図である。
【図３】第一の実施形態のボアーピンを構成する本体ブロックの側面図である。
【図４】図３の本体ブロックにおいてＢ線矢視方向における背面図である。
【図５】第一の実施形態における先端ブロックと本体ブロックとを組み合わせた状態を示す縦断面図である。
【図６】第一の実施形態における先端ブロックと本体ブロックとを溶接により接合して一体化した状態を示す縦断面図である。
【図７】第一の実施形態における完成したボアーピンの縦断面図である。
【図８】第一の実施形態の溶接工程及び後熱工程における温度変化を示すグラフである。
【図９】溶接工程において使用される装置の構成を模式的に示す説明図である。
【図１０】第一の実施形態の第一の変形例におけるボアーピンの縦断面図である。
【図１１】第一の実施形態の第二の変形例におけるボアーピンの縦断面図である。
【図１２】図６におけるボアーピンの溶接部付近の構成を拡大して示す拡大断面図である。
【図１３】第一の実施形態の第三の変形例におけるボアーピンの縦断面図である。
【図１４】（ａ）は第二の実施形態のパンチを構成する先端ブロックの側面図であり、（ｂ）は本体ブロックの側面図である。
【図１５】第二の実施形態における先端ブロックと本体ブロックとを組み合わせた状態を示す縦断面図である。
【図１６】第二の実施形態における先端ブロックと本体ブロックとを溶接により接合して一体化した状態を示す縦断面図である。
【図１７】第二の実施形態における完成したパンチの縦断面図である。
【図１８】第二の実施形態の変形例におけるパンチの縦断面図である。
【図１９】従来技術におけるボアーピンの縦断面図である。
【図２０】従来技術におけるパンチの縦断面図である。
【符号の説明】
１，２，３，４…シリンダブロック鋳造用ボアーピン（金型）、１ａ，２ａ，３ａ、４ａ…冷却用空間、１０…先端ブロック（分割ブロック）、２０，６０…本体ブロック（分割ブロック）、７０…基端ブロック（分割ブロック）、１２ａ…先端側開口凹部（開口形状）、２１ａ，６１ａ…本体側開口凹部（開口形状）、７２ａ…基端側開口凹部（開口形状）、１５…Ｕ形開先部、１７…溶接部、１８…先端肉盛部、１９…表面溶接部、５，６…鍛造用穿孔パンチ（金型）、５ａ，６ａ…冷却用空間、８０…先端ブロック、９０…本体ブロック、８２ａ…先端側開口凹部（開口形状）、９１ａ…本体側開口凹部（開口形状）、８５…Ｖ形開先部、８７…溶接部、８８…先端肉盛部。
【請求項１】内部に冷却用空間を有する金型の製造方法であって、
前記金型を構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化し、少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする金型の製造方法。
【請求項２】内部に冷却用空間を有するシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法であって、
前記ボアーピンを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、熱間工具鋼系溶接材料を用いて前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とするシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法。
【請求項３】少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする請求項２に記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法。
【請求項４】内部に冷却用空間を有する鍛造用穿孔パンチの製造方法であって、
前記パンチを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とする鍛造用穿孔パンチの製造方法。
【請求項５】前記分割ブロックの溶接において、コバルト合金系又はニッケル合金系の溶接材料を用いたことを特徴とする請求項４に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法。
【請求項６】前記複数の分割ブロックを組み合わせたときにパンチ本体部分の外形形状に略沿った冷却用空間が形成されるように、前記開口形状を形成することを特徴とする請求項４又は５に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法。
【請求項７】パンチ先端のコーナー部分に、前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料からなる肉盛が形成されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイカスト鋳造や鍛造等に用いられる内部に冷却用空間を有する金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、鋳造や鍛造等の熱間加工に用いられる金型においては、金型内部に冷却用空間を設けた種々のタイプの金型が広く実用に供されている。すなわち、金型の寿命は摩耗、かじり、或いは熱亀裂等の発生に支配されるのであるが、これらの損傷に最も大きな影響を与える要因が金型表面の温度上昇である。鋳造用の金型や鍛造用の金型では、高温の金属溶湯或いは高温に加熱された鋼等に金型の表面部が接することにより表面温度が上昇し易いため、金型内部に設けた冷却用空間内に冷却液を流動させて金型表面温度の上昇を防止し、金型の長寿命化が図られている。
【０００３】
例えば、自動車用エンジンのシリンダブロックの鋳造に用いられる従来技術におけるボアーピン１０１は、図１９に示すように、熱間工具鋼により略円柱状の外観を呈するように一体的に形成され、約６５０℃のアルミニウム溶湯に直接接する先端部１１１と、外周にシリンダボアーの内周面をなすスリーブが装着される本体部１２１と、金型装置の可動ベースへの取付け部としての基端部１３１とを有している。また、ボアーピン１０１の内部には軸線に沿って冷却路１２１ａが形成されている。そして、鋳造実施時には、冷却路１２１ａに冷却液配管が挿入配設され、図１９において図示されるように、冷却液配管を介して冷却液を冷却路内で流動させることによりボアーピン１０１を内側から冷却しつつ外部に排出する構造となっている。
【０００４】
また、従来技術における鍛造用穿孔パンチ１０４は、図２０に示すように、熱間工具鋼により略円柱状の外観を呈するように一体的に形成され、先端部１８１と、本体部１９１と、金型装置の可動ベースへの取付け部としての基端部１９５とを備えている。また、パンチ１０４の内部には軸線に沿って冷却路１９１ａが形成されている。そして、穿孔実施時には、冷却路１９１ａに冷却液配管が挿入配設され、図２０にて図示されるように、冷却液配管を介して冷却液を冷却路１９１ａ内で流動させることによりパンチ１０４を内側から冷却しつつ外部に排出する構造となっている。また、先端部１８１には、耐熱性をさらに向上させるために、コバルト合金による肉盛りが施される場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内部に冷却用空間を設けた金型において、金型内部からの冷却効率は冷却用空間の設計に大きく依存している。すなわち、冷却効率の高い冷却用空間を設計するためには、主として、以下の二つを考慮する必要がある。一つは、冷却用空間を、金型における温度上昇が著しい部位にできる限り近接させて形成することである。他の一つは、金型内部において、より大量の冷却液の流動を可能とすべく、冷却用空間の容積を大型化することである。
しかしながら、上述した従来技術における鋳造用ボアーピンや鍛造用パンチにおいては、冷却性能をより一層向上させるように冷却用空間を設計することが困難であるという問題があった。
【０００６】
例えば、従来技術におけるボアーピン１０１においては、冷却路１２１ａは基端部１３１の基端側端面からドリル加工等により形成されるため、冷却路１２１ａは軸線に沿った直線状であり且つ内径が全長に亘って同一の空間とならざるを得ない。しかも、基端部１３１の外形寸法は本体部１２１よりも小さく、さらに、基端部１３１に設けられたネジ孔１３１ａによっても冷却路１２１ａの内径が制約されるため、結果として、図１９に図示されるような、径の細い冷却路１２１ａしか形成することができず、十分な冷却効果を発揮することが困難であった。
同様に、従来技術におけるパンチ１０４においても、冷却路１９１ａの内径は、本体部１９１よりも小径の基端部１９５の外形寸法により制約されるため、結果として、図２０に図示されるような、細い冷却路１９１ａしか形成することができず、十分な冷却効果を発揮することは困難であった。
【０００７】
すなわち、冷却室は、一体構造をなす鋳造用ボアーピンや鍛造用パンチの基端部側からドリル等により形成するため、冷却室の内径は、基端部の外径寸法や基端部に設けられたネジ孔等によって必然的に制約される。さらに、基端部側からのドリル加工によって形成可能な冷却室は、軸線に沿った略直線状のものに限られるため、温度上昇が著しい部位に近接する位置に自在に冷却室を形成することは極めて困難である。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱間工具鋼からなる金型の内部に冷却用空間を自在に形成することが可能な金型の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に記載の金型の製造方法は、内部に冷却用空間を有する金型の製造方法であって、前記金型を構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化し、少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする。
従って、金型を熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックにより構成し、それらの少なくとも一つに開口形状を形成した後に、それら複数の分割ブロックを組み合わせると共に溶接により接合して一体化するので、所望の大きさ及び形状の冷却用空間を所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であり、ひいては金型を安価に製造することが可能となり、さらに、少なくとも溶接部分及びその周辺の分割ブロック表面部分が、溶接部分と同一材料若しくは分割ブロックをなす熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料によって覆われ、表面部分に溶接部分の融合部や熱影響部が存在せず、溶接部分近傍におけるヒートチェック現象の発生等を防止することができる。そして、このようにして製造された金型によれば、冷却用空間に冷却媒体を通すことにより内部から効率的に冷却が行われるため、摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができるという効果を奏する。
【００１０】
また、請求項２に記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法は、内部に冷却用空間を有するシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法であって、前記ボアーピンを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、熱間工具鋼系溶接材料を用いて前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とする。
従って、シリンダブロック鋳造用ボアーピンを熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックにより構成し、それらの少なくとも一つに開口形状を形成した後に、それら複数の分割ブロックを組み合わせると共に溶接により接合して一体化するので、所望の大きさ及び形状の冷却用空間を所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であり、ひいてはボアーピンを安価に製造することが可能となり、さらに、溶接材料が分割ブロックと同一の熱間工具鋼系であるため、溶接部分と分割ブロック部分とが均質となり、熱間工具鋼からなる一つのブロックからシリンダブロック鋳造用ボアーピンを製造した場合と同等の品質を得ることができる。そして、このようにして製造されたシリンダブロック鋳造用ボアーピンによれば、冷却用空間に冷却媒体を通すことにより内部から効率的に冷却が行われるため、摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができるという効果を奏する。
【００１１】
また、請求項３に記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法は、少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする。
従って、少なくとも溶接部分及びその周辺の分割ブロック表面部分が、溶接部分と同一材料若しくは分割ブロックをなす熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料によって覆われ、表面部部分に溶接部分の融合部や熱影響部が存在せず、溶接部分近傍におけるヒートチェック現象の発生等を防止することができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法は、内部に冷却用空間を有する鍛造用穿孔パンチの製造方法であって、前記パンチを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とする。
従って、鍛造用穿孔パンチを、熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックにより構成し、それらの少なくとも一つに開口形状を形成した後に、それら複数の分割ブロックを組み合わせると共に溶接により接合して一体化するので、所望の大きさ及び形状の冷却用空間を所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であり、ひいてはパンチを安価に製造することが可能となる。そして、このようにして製造された鍛造用穿孔パンチによれば、冷却用空間に冷却媒体を通すことにより内部から効率的に冷却が行われるため、摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができるという効果を奏する。
【００１３】
また、請求項５に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法は、前記分割ブロックの溶接において、コバルト合金系又はニッケル合金系の溶接材料を用いたことを特徴とする。
従って、耐熱性及び／又は耐摩耗性が高いコバルト合金系又はニッケル合金系の溶接材料として用いることにより、溶接部分における耐熱性及び／又は耐摩耗性を向上させることができる。
【００１４】
また、請求項６に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法は、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときにパンチ本体部分の外形形状に略沿った冷却用空間が形成されるように、前記開口形状を形成することを特徴とする。
従って、冷却用空間が、パンチ本体部分の外形形状に略沿って形成されるので、冷却用空間の容積を大きく確保することができ、且つ、冷却が必要とされる表面部分の近傍に冷却用空間が設けられるので、鍛造用穿孔パンチの冷却効率をより一層向上させることができる。
【００１５】
また、請求項７に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法は、パンチ先端のコーナー部分に、前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料からなる肉盛が形成されることを特徴とする。
従って、高温の鋼との摩擦により損傷が生じ易いパンチ先端のコーナー部分に、分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料によって肉盛が形成されるので、鍛造用穿孔パンチの耐熱性及び／又は耐摩耗性をより一層向上させてさらなる長寿命化を図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した金型の製造方法の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の第一の実施形態であるシリンダ鋳造用ボアーピン（以下、単にボアーピンと称する）の製造方法について、図１乃至図９を参照しつつ説明する。
尚、本実施形態の方法により製造されるボアーピンとは、略円柱状の外観形状を有する金型部材であって（図７参照）、自動車用エンジンのシリンダブロックをダイカスト鋳造する際に、シリンダボアを形成すべき位置に、その軸線とシリンダボアの軸線とを一致させ、且つ先端部が金型装置のキャビティ内に突入するように配設されるものである。
【００１７】
本実施形態におけるシリンダ鋳造用ボアーピンの製造方法は、一体構造では自在に加工することが極めて困難であった冷却用空間を、分割構造を採用することにより予め加工し、その後、これらを近年に確立された熱間工具鋼の溶接技術を利用して一体化するものであり、図１のフローチャートに示すように、開口形状の形成を含む分割ブロックの作製工程（ステップ１、以下Ｓ１と略記する。他のステップも同様である）と、分割ブロックの組み合わせ工程（Ｓ２）と、接合溶接工程（Ｓ３）と、表面研削工程（Ｓ４）とからなる。以下、各工程の詳細について図１のフローチャートと、図２乃至図９の各図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
最初に、熱間工具鋼からなる２個のワーク（例えば、材質：ＪＩＳ ＳＫＤ６１の焼き入れ焼き戻し材、硬度：ＨＲＣ４８）を用意する。
そして、これらに公知の切削加工等を施すことにより、図２に示される先端ブロック１０、及び図３，図４に示される本体ブロック２０をそれぞれ作製する（図１：Ｓ１）。尚、先端ブロック１０及び本体ブロック２０は、組み合わせることによってシリンダブロック鋳造用ボアーピンを構成するための本発明における複数の分割ブロックを構成するものである。
【００１９】
以下、Ｓ１の工程において作製された先端ブロック１０及び本体ブロック２０の各部の加工形状について説明する。
先端ブロック１０は、ボアーピン１の先端部１１を構成するブロック状部材であり、図２に示すように、円柱状の先端部本体１１と、先端部本体１１より基端方向に突出する円筒状の嵌合凸部１２とから構成されている。
先端部本体１１の基端側の周縁部には、縦断面が略半Ｕ字状の開先形状を有する開先部１１ａが形成されている。また、嵌合凸部１２は、その外径が、後述する本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａの内径よりも僅かに小さく設定され、本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａに嵌合凸部１２が嵌合することにより両ブロック１０，２０が機械的に結合される構造となっている。また、嵌合凸部１２の径内側には、基端側に向かって開口する先端側開口凹部１２ａが形成されている。
【００２０】
本体ブロック２０は、図３に示すように、ボアーピン１の本体部２１及び基端部３１を構成するブロック状部材である。
本体部２１は、シリンダボアーの内周面をなす円筒状スリーブが装着される外周面を有する円柱状部分である。本体部２１には、先端側に向かって開口する本体側開口凹部２１ａが形成されている。本体側開口凹部２１ａは、先端側開口凹部１２ａとともに冷却用空間を形成する内壁部分であり、冷却液の流量を多くして冷却効率を向上させるために、許容される強度範囲内においてできる限り大きな容積を有するように形成される。例えば、本体部２１の外径が７０ｍｍ程度とした場合、本体側開口凹部２１ａは、本体部２１外周面より１０ｍｍ程度の厚みを残して外周形状に略沿って内側が切削加工によりくり貫かれることにより形成される。本体部２１においては、先端側端面からドリル等による切削加工を施すことが可能であるので、所望の大きさ及び形状の本体側開口凹部２１ａを所望の位置に、容易且つ自在に形成することができる。
【００２１】
また、本体部２１の先端側の周縁部には、縦断面が略半Ｕ字状の開先形状を有する開先部２１ｂが形成されている。開先部２１ｂは、両ブロック１０，２０が組み合わされたときに先端ブロック１０側の開先部１１ａと共にＵ形開先部１５をなし、溶接が施される部分である。
基端部３１は、本体部２１より基端側に向かって突出状に設けられ、図示しない金型装置の可動ベースに固定される取り付け部である。基端部３１は、横断面が角丸四角形状を呈し、その一辺の長さは本体部２１の外径よりも小さく設定されている（図４参照）。また、基端部３１には、基端側端面において開口すると共に本体部２１の本体側開口凹部２１ａに連通するように軸線に沿って設けられた配管挿入孔３１ａと、金型装置の可動ベースにネジ止め固定するために螺刻された複数のネジ孔３１ｂとが形成されている。尚、配管挿入孔３１ａの内径は、基端部３１断面の大きさ及び複数のネジ孔３１ｂの配置によって制約され、本体側開口凹部２１ａよりも小径となっている。
【００２２】
次に、先端ブロック１０の嵌合凸部１２を本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａに嵌合させることにより、先端ブロック１０と本体ブロック２０とを組み合わせる（図１：Ｓ２）。この状態では、先端ブロック１０の開先部１１ａと、本体ブロック２０の開先部２１ｂとが対向し且つ当接することにより、先端ブロック１０と本体ブロック２０との境界部分に断面略Ｕ字状を呈するＵ形開先部１５が全周に亘って形成される（図５参照）。
次に、先端ブロック１０と本体ブロック２０との境界部分に形成されたＵ形開先部１５に溶接を施すことにより、両ブロック１０，２０を接合して一体化する（図１：Ｓ３、図６参照）。
【００２３】
Ｕ型開先部１５への溶接は、公知のＴＩＧ溶接法により行う。また、Ｕ型開先部１５の接合溶接に使用される溶接材料としては、下盛用に熱間工具鋼系溶接材料を、上盛用に本体部２１の材質に近似の化学成分を有する熱間工具系鋼溶接材料をそれぞれ使用する。尚、下盛用として用いる熱間工具鋼系溶接材料は、例えば、重量％で、Ｃ：０．１、Ｓｉ：０．４、Ｍｎ：０．６、Ｃｒ：６．５、Ｍｏ：３．０を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものとする。一方、上盛用として用いる熱間工具鋼系溶接材料は、例えば、重量％で、Ｃ：０．３５、Ｓｉ：０．６、Ｍｎ：１．２、Ｃｒ：７．０、Ｍｏ：２．２５及び微量のＴｉを含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものとする。尚、上述した下盛り用又は上盛り用の熱間工具鋼系溶接材料の化学成分組成は、一例を示すものであって、適宜変更して実施することが可能である。
【００２４】
溶接条件は、直径１．６ｍｍのＴＩＧワイヤを使用する場合、電流：１５０Ａ、電圧：３０Ｖとし、温度条件は、図８のグラフに示すように、予熱・パス間温度：３８０℃とする。溶接を施工した後、一旦、常温まで温度を低下させた後、後熱処理を温度条件５５０℃で５時間施し（図８参照）、後熱処理後の溶接部の硬さをＨＲＣ４８（先端ブロック１０及び本体ブロック２０の硬さと同一）とする。尚、上述した各条件は、溶接対象物の大きさ等によって適宜設定されるものである。
溶接工程は、図９に示すように、公知のＴＩＧ溶接装置（図示せず）、電気炉、及び熱管理装置を使用して行われる。電気炉は、上面が開口する箱形容器状の装置であって、内壁に複数の電気ヒータが設けられて内部に設置されたワーク全体を均一に加熱することができるようになっている。熱管理装置は、電気炉内に設置されたワークの温度を常時検出し、ワークの温度が設定温度に保持されるように、電気ヒータのオン／オフ制御を行う装置である。つまり、先端ブロック１０及び本体ブロック２０は、電気炉内に設置され、熱管理装置によって図８のグラフに示す温度条件が保持されつつ、ＴＩＧ溶接装置を用いて溶接作業が施されるのである。
【００２５】
次に、Ｕ形開先部１５が上述した溶接材料により接合溶接されて一体となった先端ブロック１０及び本体ブロック２０の表面部分に、公知の研削盤を用いて所定の深さの研削加工を施す（図１：Ｓ４）。研削加工の深さは、例えば、０．５ｍｍ程度とする（図６において研削加工後の外形形状を破線にて示す）。研削加工では、両ブロック１０，２０の表面部分と共に、溶接金属１７の表面部分も所定深さで研削されることによって表面が平滑に加工され、且つ、溶接用上盛材料が両ブロック１０，２０とほぼ同一の材質であるので、研削加工によって表面が平滑となったブロック１０，２０部分と溶接部分１７とは、目視による判別が極めて困難な程度に均一な外観を呈している。
以上のＳ１乃至Ｓ４の工程を経て、図７に示すシリンダブロック鋳造用ボアーピン１が完成する。
【００２６】
ボアーピン１は、図７に示すように、先端ブロック１０と本体ブロック２０とが組み合わされ且つ溶接により接合され、先端ブロック１０の先端側開口凹部１２ａと本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａとにより、内部に冷却用空間１ａが形成されている。冷却用空間１ａは、十分に大きな容積が確保されると共に、損傷が生じやすく、特に冷却が必要とされる先端部１１外周の近傍にまで達するように形成されている。従って、ボアーピン１を使用してシリンダブロックを鋳造する際に、基端部３１の配管挿入孔３１ａを介して挿入された冷却液配管の先端開口部より冷却用空間１ａ内に冷却媒体としての冷却液が導入され、冷却液が冷却用空間１ａ内を流動することによりボアーピン１の内側から吸熱し、温度上昇した冷却液が配管挿入孔３１ａの基端側開口より外方へ排出されるので、極めて効率的にボアーピン１の冷却を行うことができる。これにより、ボアーピン１の摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができる。
【００２７】
尚、本発明者による実験では、図１９に示す従来技術によるボアーピンと図７に示す本実施形態によるボアーピンとをそれぞれ用いて、同一条件でシリンダブロックの鋳造を行った場合、従来のボアーピンに対して、本実施形態のボアーピンは、摩耗及びかじりの発生及び進展が約１／２のレベルに、熱亀裂の発生は約１／３のレベルにまで低下することが確認されている。
また、従来技術におけるボアーピンは一体構造であり（図１９参照）、基端部１３１端面からドリル等により冷却路１２１ａの切削加工が行われていたため、基端部１３１の断面サイズやネジ孔１３１ａの配置等により冷却路１２１ａの大きさや形成位置が制約されていた。これに対し、本実施形態の製造方法によれば、ボアーピン１が複数のブロック１０，２０に分割された分割構造であるので、各ブロック１０，２０の端面に、冷却用空間１ａを形成するための開口凹部１２ａ、２１ａをそれぞれ所望の大きさ及び形状で所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であり、ひいてはボアーピンを安価に製造することができるという顕著な効果を奏する。
【００２８】
また、先端ブロック１０の嵌合凸部１２が本体ブロック２０の本体側開口凹部２１ａに嵌合して機械的に結合する構造となっているので、溶接作業時に両ブロック１０，２０の開先部１１ａ，２１ｂの位置がずれることが防止され、溶接作業を容易且つ正確に行うことができるという効果をも奏する。
【００２９】
次に、第一の実施形態の種々の変形例について図面を参照しつつ説明する。尚、第一の実施形態と同一の構成には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
まず、第一の変形例について図１０を参照しつつ説明する。
第一の実施形態では、ボアーピンの先端部と本体部及び基端部とを分割する構成であったが、本変形例のボアーピン２は、先端部５１及び本体部６１からなる本体ブロック６０と、基端部７１からなる基端ブロック７０とに分割し、両ブロック６０，７０を組み合わせて溶接により接合して一体化する構成としたものである。尚、本体ブロック６０及び基端ブロック７０は、組み合わせることによってシリンダブロック鋳造用ボアーピンを構成するための本発明における複数の分割ブロックを構成するものである。
【００３０】
本体ブロック６０に本体側開口凹部６１ａが、基端ブロック７０に基端側開口凹部７２ａがそれぞれ形成されている。そして、基端ブロック７０の嵌合凸部７２を本体側開口凹部６１ａに嵌合して組み合わせることにより境界部分に形成されるＵ形開先部６５に溶接を施して両ブロック６０，７０を接合・一体化することにより、冷却用空間３ａが形成される。尚、溶接部分６７は、上述した第一の実施形態と同様の溶接材料により形成される。
本変形例では、本体ブロック６０の基端側端面から本体側開口凹部６１ａを所望の大きさ及び形状で所望の位置に自在に加工することができる。
【００３１】
次に、第二の変形例について、図１１を参照しつつ説明する。
本変形例では、Ｕ形開先部１５に溶接を施すのに加えて、損傷が発生しやすい先端部１１表面に耐熱性及び又は耐摩耗性に優れた材料を肉盛りして複合化したものである（図１１の符号１８部分参照）。
具体的には、例えば、ボアーピン３（先端ブロック１０及び本体ブロック２０）の材質をＳＫＤ６１とし、先端部１１の肉盛り部分１８には、ボアーピン２と近似する熱膨張係数をもち、より耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料として、重量％で、Ｃ：０．２８、Ｍｎ：０．３、Ｓｉ：０．８、Ｎｉ：１８、Ｍｏ：５、Ｃｏ：１０、微量のＴｉ及びＡｌを含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものを用いた。尚、上述した化学成分組成は、一例を示すものであって、適宜変更して実施することが可能である。
【００３２】
本変形例によれば、金属溶湯に直接接することにより損傷が生じ易い先端部１１の表面部分に、耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料が肉盛りされているので、より一層、ボアーピンの長寿命化を図ることが可能となる。また、先端部１１への肉盛りは、Ｕ形開先部１５への溶接作業と併せて効率的に行うことができるので、工数の増加は少ない。
【００３３】
次に、第三の変形例について、図１２及び図１３を参照しつつ説明する。
まず、本変形例によるボアーピンの製造方法についての説明に先立って、第一の実施形態の図６の状態におけるボアーピン１の溶接部１７近傍の構成について、図１２の拡大断面図を参照しつつ説明する。
溶接部１７近傍は、図１２に示すように、溶接金属部、融合部（ボンド部とも称される）、熱影響部、及び原質部の各部に分けられる。
ここで、溶接金属部は、溶接棒から滴下した溶融金属と、溶融した母材（ブロック１０又は２０、以下同様）の一部とが混ざり合って短時間に凝固した部分である。
融合部は、溶接金属部と母材との接点に相当する部分である。
熱影響部は、融合部に接する母材部分であり、母材の内では最も大きな溶接熱影響を受ける部分である。
原質部は、溶接熱影響をまったく受けないか、受けても無視できる程度の母材部分である。
【００３４】
そして、ボアーピンに対して繰り返される加熱−冷却によって、母材、すなわちブロック１０又は２０表面よりも先に、上述した融合部近傍において、熱間加工用金型の代表的な損傷の一つであるヒートチェック現象が現れる傾向がある。
ここで、融合部近傍におけるヒートチェック現象が、ボアーピン先端部の損傷と同時期或いは遅れて発生する場合は問題がない。しかし、使用条件によっては、冷却用空間への冷却液の循環による冷却効果によってボアーピン先端部が損傷発生に到っていないにも拘らず、融合部近傍にヒートチェック現象が発生し、これがボアーピンの寿命を支配する場合は問題となる。
【００３５】
そこで、本変形例のボアーピン４では、図１３に示すように、ブロック１０，２０部分の外形形状を３ｍｍ程度以内で予め小さく加工し、少なくとも溶接部１７及びその周辺の先端部１１及び本体部２１の表面部分（図１３では先端部１１及び本体部２１表面部分の全体）を溶接材料で肉盛りすることにより、これらの表面部分を覆う表面溶接部１９を設けている。
本変形例によれば、加熱−冷却にさらされるボアーピン４表面が溶接金属で被われて同一成分となっており、表面部分には図１２に示されるような異なる性質を有する融合部や熱影響部が存在しないので、溶接部分近傍においてヒートチェック現象が先端部よりも先行して発生することを防止できる。
尚、表面溶接部１９に使用する溶接材料は、基本的には、両ブロック１０，２０の溶接に使用した溶接材料と同一で問題ないが、ボアーピンの使用条件を勘案して、より耐熱性、耐摩耗性、耐ヒートチェック性の少なくとも一つに優れた溶接材料を適宜選択して使用することも可能である。
【００３６】
次に、本発明の第二の実施形態について、図１４乃至１７を参照しつつ説明する。
本実施形態は、本発明の金型の製造方法を、鍛造用穿孔パンチの製造方法に適用したものである。
最初に、熱間工具鋼からなるワーク（例えば、材質：ＪＩＳ ＳＫＤ８の焼き入れ焼き戻し材、硬度：ＨＲＣ５２）を２個用意する。
そして、これらに公知の切削加工等を施すことにより、図１４（ａ）に示される先端ブロック８０、及び図１４（ｂ）に示される本体ブロック９０をそれぞれ作製する（図１：Ｓ１）。尚、先端ブロック８０及び本体ブロック９０は、組み合わせることによって鍛造用穿孔パンチを構成するための本発明における複数の分割ブロックを構成するものである。
【００３７】
以下、Ｓ１の工程において作製された先端ブロック８０及び本体ブロック９０の各部の加工形状について説明する。
先端ブロック８０は、鍛造用穿孔パンチ（以下、単にパンチと称する）５の先端部８１を構成するブロック状部材であり、図１４（ａ）に示すように、円盤状の先端部本体８１と、先端部本体８１より基端方向に突出する嵌合凸部８２とから構成されている。
先端部本体８１の基端側の周縁部には、テーパ状の開先形状を有する開先部８１ａが形成されている。また、嵌合凸部８２は、その外径が、後述する本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａの内径よりも僅かに小さく設定され、本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａに嵌合凸部８２が嵌合することにより両ブロックが結合される構造となっている。また、嵌合凸部８２の径内側には、基端側に向かって開口する先端側開口凹部８２ａが形成されている。
【００３８】
本体ブロック９０は、図１４（ｂ）に示すように、パンチ５の本体部９１及び基端部９５を構成するブロック状部材である。
本体部９１は、円柱状の外観を呈し、先端側に向かって開口する本体側開口凹部９１ａを有している。本体側開口凹部９１ａは、先端側開口凹部８２ａとともに冷却用空間４ａを形成する内壁部分であり、冷却液の流量を多くして冷却効率を向上させるために、許容される強度内においてできる限り大きな容積を有するように形成される。例えば、本体部９１の外径を６０ｍｍ程度とした場合、本体側開口凹部９１ａは、本体部９１外周面より１０ｍｍ程度の厚みを残して、その内側が切削加工によりくり貫かれることにより形成される。本体部９１においては、先端側端面からドリル等による切削加工を施すことが可能であるので、所望の大きさ及び形状の本体側開口凹部９１ａを所望の位置に、容易且つ自在に形成することができる。
【００３９】
また、本体部９１の先端側の周縁部には、テーパ状の開先形状を有する開先部９１ｂが形成されている。開先部９１ｂは、先端ブロック８０側の開先部８１ａと共にＶ形開先部８５をなし、溶接が施される部分である（図１５参照）。
基端部９５は、本体部９１より基端側に向かって突出状に設けられ、図示しない金型装置の可動ベースに固定される取り付け部である。基端部９５は、本体部９１よりも小径の円柱状を呈し、外周には可動ベースに取付けるための雄ネジ９５ｂが螺刻されている。また、基端部９５には、基端側端面において開口すると共に本体部９１の本体側開口凹部９１ａに連通するように軸線に沿って設けられた配管挿入孔９５ａが形成されている。尚、配管挿入孔３１ａの内径は、基端部９５断面の大きさによって制約され、本体側開口凹部９１ａよりも小径となっている。
【００４０】
次に、先端ブロック８０の嵌合凸部８２を本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａに嵌合させることにより、先端ブロック８０と本体ブロック９０とを組み合わせる（図１：Ｓ２）。この状態では、先端ブロック８０の開先部８１ａと、本体ブロック９０の開先部９１ｂとが対向し且つ当接することにより、先端ブロック８０と本体ブロック９０との境界部分に断面略Ｖ字状を呈するＶ形開先部８５が全周に亘って形成される（図１５参照）。
次に、先端ブロック８０と本体ブロック９０との境界部分に形成されたＶ形開先部８５に溶接を施すことにより、両ブロック８０，９０を接合して一体化する（図１：Ｓ３、図１６参照）。
【００４１】
Ｖ型開先部８５への溶接は、公知のＴＩＧ溶接法により行う。また、Ｖ型開先部８５の接合に使用される溶接材料としては、下盛用に熱間工具鋼系溶接材料を、上盛用に熱間工具鋼系溶接材料をそれぞれ使用する。尚、下盛用として用いる熱間工具鋼系溶接材料は、重量％で、例えば、Ｃ：０．１、Ｓｉ：０．４、Ｍｎ：０．６、Ｃｒ：６．５、Ｍｏ：３．０を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものとする。一方、上盛用として用いる熱間工具鋼系溶接材料は、重量％で、例えば、Ｃ：０．４、Ｃｒ：６．５、Ｍｏ：１．５、Ｗ：８、Ｖ：０．５を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するものとする。尚、上述した下盛り用又は上盛り用の熱間工具鋼系溶接材料の化学成分組成は、一例を示すものであって、適宜変更して実施することが可能である。
【００４２】
溶接条件は、直径２．０ｍｍのＴＩＧワイヤを使用する場合、電流：２００Ａ、電圧：３５Ｖとし、温度条件は、予熱・パス間温度：４５０℃とする。溶接を施工した後、一旦、常温まで温度を低下させた後、後熱処理を温度条件５７０℃で３時間施し、後熱処理後の溶接部の硬さをＨＲＣ５２（先端ブロック８０及び本体ブロック９０の硬さと同一）とする。尚、溶接工程に用いる装置は、第一の実施形態と同様である（図９参照）。また、上述した各条件は、溶接対象物の大きさ等によって適宜設定されるものである。
【００４３】
次に、Ｖ形開先部８５が上述した溶接材料により接合溶接されて一体となった先端ブロック８０及び本体ブロック９０の表面部分に、公知の研削盤を用いて所定の深さの研削加工を施す（図１：Ｓ４）。研削の深さは、例えば、０．５ｍｍ程度とする（図１６に研削加工後の外形形状を破線にて示す）。研削加工では、両ブロック８０，９０の表面と共に、溶接金属８７の表面部分も所定深さで研削されることによって表面が平滑に加工され、且つ、溶接用上盛材料が両ブロック８０，９０とほぼ同一の材質であるので、研削加工によって表面が平滑となったブロック８０，９０部分と溶接部分８７とは、目視による判別が極めて困難な程度に均一な外観を呈している。
以上のＳ１乃至Ｓ４の工程を経て、図１７に示す鍛造用穿孔パンチ５が完成する。
【００４４】
パンチ５は、図１７に示すように、先端ブロック８０と本体ブロック９０とが溶接により接合され、先端ブロック８０の先端側開口凹部８２ａと本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａとにより、内部に冷却用空間４ａが形成されている。冷却用空間４ａは、十分に大きな容積が確保されると共に、損傷が生じやすく、特に冷却が必要とされる先端部８１のコーナー部近傍にまで達するように形成されている。従って、パンチ５を使用して穿孔を行う際に、基端部９５の配管挿入孔９５ａを介して挿入された冷却液配管の先端開口部より冷却用空間４ａ内に冷却液が導入され、冷却液が冷却用空間４ａ内を流動することによりパンチ５の内側から吸熱し、温度が上昇した冷却液が配管挿入孔９５ａの基端側開口より排出されるので、極めて効率的にパンチ５の冷却を行うことができる。これにより、パンチ５の摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができる。
【００４５】
尚、本発明者による実験では、従来技術によるパンチの平均寿命が約２５０ショットであったのに対し、本実施形態によって製造されたパンチの平均寿命は約６００ショットとなっており、寿命が約２倍以上に向上することが確認されている。
また、従来技術におけるパンチ（図２０参照）では、基端部１９５端面からドリル等により冷却路１９１ａの切削加工が行われていたため、基端部１９５の断面サイズ等により冷却路１９１ａの大きさや形成位置が制約されていた。これに対し、本実施形態の製造方法によれば、パンチ５が複数のブロック８０，９０に分割されているので、各ブロック８０，９０の端面に、冷却用空間４ａを形成するための開口凹部８２ａ、９１ａをそれぞれ所望の大きさ及び形状で所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能であるという顕著な効果を奏する。
【００４６】
また、先端ブロック８０の嵌合凸部８２が本体ブロック９０の本体側開口凹部９１ａに嵌合して結合する構造となっているので、溶接作業時に両ブロック８０，９０の開先部８１ａ，９１ｂの位置がずれることが防止され、溶接作業を容易且つ正確に行うことができるという効果をも奏する。
【００４７】
次に、第二の実施形態の変形例について、図１８を参照しつつ説明する。
本変形例では、先端ブロック８０と本体ブロック９０とから形成されるＶ形開先部８６が先端部８１のコーナー部に位置している。そして、Ｖ形開先部８６に耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料で溶接を施して両ブロックを接合すると共に、損傷が生じやすい先端部８１のコーナー形状を当該溶接材料を肉盛りすることにより形成したものである（図１８の符号８８部分参照）。
【００４８】
具体的には、例えば、パンチ６（先端ブロック８０及び本体ブロック９０）の材質をＳＫＤ８とし、先端部８１の肉盛り部分８８には、より耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料として、重量％で、Ｃ：０．３、Ｃｒ：３０、Ｍｏ：５、Ｎｉ：４を含有し、残部Ｃｏ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有するコバルト合金系溶接材料を用いる。尚、耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料として、コバルト合金系溶接材料に代えてニッケル合金系溶接材料を使用することも可能である。
本変形例によれば、損傷が生じ易い先端部８１のコーナー部分８８が、耐熱性及び／又は耐摩耗性に優れた材料が肉盛りされて形成されているので、より一層、パンチの長寿命化を図ることが可能となる。また、先端部８１コーナー部分８８の形成は、Ｖ形開先部８６への溶接作業と同時に行われるので、工数は殆ど増加することがない。尚、本発明者による実験により、本変形例のパンチ６では、上述した第二の実施形態のパンチ５と比較して寿命が更に２０〜５０％向上することを確認している。
【００４９】
尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。
例えば、前記各実施形態では、シリンダブロック鋳造用ボアーピン又は鍛造用穿孔パンチの製造方法に本発明を適用した例を示したが、金型の種類はこれらに限られず、内部に冷却用空間を有する種々の金型の製造に適用することが可能である。
例えば、前記第一の実施形態では、先端ブロック１０と本体ブロック２０とに、それぞれ開口形状を形成したが、一方のみに形成してもよい。要するに、両ブロックが組み合わされたときに内部に冷却用空間が形成されるように、少なくも一つのブロックに開口形状を形成すればよいのである。また、開口形状は、上述した各実施形態において示した凹部形状に限定されず、冷却が特に必要とされる部位への冷却効果が高い種々の形状の冷却用空間を形成するために溝状、孔状等の種々の開口形状とすることが可能である。
【００５０】
また、前記各実施形態では、略円柱状の外形形状を有する金型（ボアーピン又はパンチ）を、先端部と本体部との間、又は本体部と基端部との間で軸線と直交する平面にて分割する例を示したが、金型の複数ブロックへの分割態様はこれらに限定されない。例えば、内部に冷却用空間を有する金型本体部の長手方向の中間部分において軸線と直交する平面にて分割してもよく、或いは、略円柱状の軸線を通る平面にて縦割り状に分割しても構わない。また、分割位置は１箇所には限られず、２箇所以上に分割位置を設けて３個以上の分割ブロックを組み合わせることにより金型を構成しても構わない。
また、前記第一の実施形態の第二の変形例及び第三の変形例においては、表面部分を覆う肉盛り材料としてワイヤに代えて粉末材料を使用する溶接技術を用いてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、シリンダブロック鋳造用ボアーピンや鍛造用穿孔パンチ等の金型の内部に所望の大きさ及び形状の冷却用空間を所望の位置に容易且つ自在に形成することが可能である。従って、本発明の製造方法により製造されたシリンダブロック鋳造用ボアーピンや鍛造用穿孔パンチ等の金型によれば、冷却用空間に冷却媒体を通すことにより内部から効率的に冷却が行われるため、摩耗、かじり、熱亀裂等の損傷の発生と進展とを遅らせることにより長寿命化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金型の製造方法における各工程の流れを示すフローチャートである。
【図２】（ａ）は、本発明の第一の実施形態のボアーピンを構成する先端ブロックの側面図であり、（ｂ）は（ａ）においてＡ線矢視方向における正面図である。
【図３】第一の実施形態のボアーピンを構成する本体ブロックの側面図である。
【図４】図３の本体ブロックにおいてＢ線矢視方向における背面図である。
【図５】第一の実施形態における先端ブロックと本体ブロックとを組み合わせた状態を示す縦断面図である。
【図６】第一の実施形態における先端ブロックと本体ブロックとを溶接により接合して一体化した状態を示す縦断面図である。
【図７】第一の実施形態における完成したボアーピンの縦断面図である。
【図８】第一の実施形態の溶接工程及び後熱工程における温度変化を示すグラフである。
【図９】溶接工程において使用される装置の構成を模式的に示す説明図である。
【図１０】第一の実施形態の第一の変形例におけるボアーピンの縦断面図である。
【図１１】第一の実施形態の第二の変形例におけるボアーピンの縦断面図である。
【図１２】図６におけるボアーピンの溶接部付近の構成を拡大して示す拡大断面図である。
【図１３】第一の実施形態の第三の変形例におけるボアーピンの縦断面図である。
【図１４】（ａ）は第二の実施形態のパンチを構成する先端ブロックの側面図であり、（ｂ）は本体ブロックの側面図である。
【図１５】第二の実施形態における先端ブロックと本体ブロックとを組み合わせた状態を示す縦断面図である。
【図１６】第二の実施形態における先端ブロックと本体ブロックとを溶接により接合して一体化した状態を示す縦断面図である。
【図１７】第二の実施形態における完成したパンチの縦断面図である。
【図１８】第二の実施形態の変形例におけるパンチの縦断面図である。
【図１９】従来技術におけるボアーピンの縦断面図である。
【図２０】従来技術におけるパンチの縦断面図である。
【符号の説明】
１，２，３，４…シリンダブロック鋳造用ボアーピン（金型）、１ａ，２ａ，３ａ、４ａ…冷却用空間、１０…先端ブロック（分割ブロック）、２０，６０…本体ブロック（分割ブロック）、７０…基端ブロック（分割ブロック）、１２ａ…先端側開口凹部（開口形状）、２１ａ，６１ａ…本体側開口凹部（開口形状）、７２ａ…基端側開口凹部（開口形状）、１５…Ｕ形開先部、１７…溶接部、１８…先端肉盛部、１９…表面溶接部、５，６…鍛造用穿孔パンチ（金型）、５ａ，６ａ…冷却用空間、８０…先端ブロック、９０…本体ブロック、８２ａ…先端側開口凹部（開口形状）、９１ａ…本体側開口凹部（開口形状）、８５…Ｖ形開先部、８７…溶接部、８８…先端肉盛部。
Claims (15)
- 内部に冷却用空間を有する金型の製造方法であって、
前記金型を構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とする金型の製造方法。 - 前記分割ブロックの溶接後、少なくとも溶接部分を含む金型表面部分を所定の深さで研削加工することを特徴とする請求項１に記載の金型の製造方法。
- 少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする請求項１又は２に記載の金型の製造方法。
- 前記金型において損傷が生じ易い部位に、前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料によって肉盛を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金型の製造方法。
- 前記複数の分割ブロックが組み合わされたとき、前記各分割ブロック間に開先形状が形成され、その開先形状部分にて溶接が施されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金型の製造方法。
- 前記複数の分割ブロックは、互いに機械的に結合可能な構造を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金型の製造方法。
- 内部に冷却用空間を有するシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法であって、
前記ボアーピンを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とするシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法。 - 前記分割ブロックの溶接において、熱間工具鋼系溶接材料を用いたことを特徴とする請求項７に記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法。
- 前記複数の分割ブロックを組み合わせたときにボアーピン本体部分の外形形状に略沿った冷却用空間が形成されるように、前記開口形状を形成することを特徴とする請求項７又は８に記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法。
- ボアーピン先端部に、前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料によって肉盛が形成されることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法。
- 少なくとも溶接部分及びその周辺の前記分割ブロック表面部分を、前記溶接部分と同一材料若しくは前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料を肉盛りすることにより覆うことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載のシリンダブロック鋳造用ボアーピンの製造方法。
- 内部に冷却用空間を有する鍛造用穿孔パンチの製造方法であって、
前記パンチを構成するための熱間工具鋼からなる複数の分割ブロックの少なくとも一つに、前記複数の分割ブロックを組み合わせたときに前記冷却用空間が形成されるように開口形状を形成した後、前記複数の分割ブロックを組み合わせると共に、前記各分割ブロックを溶接により接合して一体化することを特徴とする鍛造用穿孔パンチの製造方法。 - 前記分割ブロックの溶接において、コバルト合金系又はニッケル合金系の溶接材料を用いたことを特徴とする請求項１２に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法。
- 前記複数の分割ブロックを組み合わせたときにパンチ本体部分の外形形状に略沿った冷却用空間が形成されるように、前記開口形状を形成することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法。
- パンチ先端のコーナー部分に、前記分割ブロックをなす前記熱間工具鋼よりも耐熱性及び／又は耐摩耗性が高い材料からなる肉盛が形成されることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の鍛造用穿孔パンチの製造方法。
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