JP2004090047A

JP2004090047A - 精密鋳造消失模型、精密鋳造消失模型と精密鋳造用鋳型の製造方法、精密鋳造部品、及び回転機械

Info

Publication number: JP2004090047A
Application number: JP2002255556A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Takayama; 高山　博和; Katsuhiko Sakamoto; 坂本　勝彦; Satoshi Kudo; 工藤　敏; Toshiyuki Ogawa; 小川　俊之
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】鋳物製造が安価で容易に行なえ、また大型品の鋳物製作にも容易に適用できる精密鋳造消失模型、精密鋳造消失模型と精密鋳造用鋳型の製造方法、精密鋳造部品、及び回転機械を提供すること。
【解決手段】内部に消失模型のネガ型（キャビティー）２３が写し取られているエラストマー製の型２０を用意し、型２０内部に発泡剤を含む消失模型原材料を入れて発泡させることでネガ型２３の形状を発泡体からなる消失模型（精密鋳造消失模型）７０に転写し、消失模型７０が硬化した後に型２０から取り出す。次に耐火物を骨材とするスラリーを消失模型７０の外周面に付着して乾燥し、オートクレーブによって加熱加圧して内部の消失模型７０をあらかた取り除き、さらにスラリーを加熱焼成して内部の消失模型７０を完全に熱分解することによって精密鋳造用鋳型９０を製造する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密鋳造品の消失模型や鋳型を製造するのに好適な精密鋳造消失模型、及び精密鋳造消失模型と精密鋳造用鋳型の製造方法、及びこれら製造方法によって製造される精密鋳造部品、及びこの精密鋳造部品を利用した回転機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ワックスからなる消失模型を用いて精密鋳造して鋳造製品を製作する方法が利用されている。即ちこの精密鋳造法は、まず射出成型用金型を作製し、この金型内にワックスを射出成形して三次元のワックス製消失模型を成形し、その後前記ワックス製消失模型の外周面にシェルを付け、ワックス製消失模型を熱で消失させて前記シェルからなる精密鋳造用鋳型を作製し、この精密鋳造用鋳型を用いて所望の鋳造製品を得る方法である。
【０００３】
しかしながら上記ワックス製の消失模型を用いて精密鋳造を行なう場合は、高価な金型が必要になり、また大型品にはワックス凝固時の収縮歪みが大きくなるので適用できなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、鋳物製造が安価で容易に行なえ、また大型品の鋳物製作にも容易に適用できる精密鋳造消失模型、精密鋳造消失模型と精密鋳造用鋳型の製造方法、精密鋳造部品、及び回転機械を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため本発明にかかる精密鋳造消失模型の製造方法は、内部に消失模型のネガ型が写し取られているエラストマー製の型を用意し、前記型内部に発泡剤を含む消失模型原材料を入れ、発泡させることで前記ネガ型の形状を発泡体からなる消失模型に転写し、前記消失模型が硬化した後に型から取り出すことを特徴とする。
【０００６】
エラストマー製の型を用いたので、金型の欠点である、ａ．厳密な分割面を設計及び加工しなければならないこと、ｂ．ワックスの抜き勾配の設定及び加工をしなければならないこと、ｃ．最適型分割、組立設計及び製作を行わなければならないこと、ｄ．型重量の軽量化等が必要になること、等を回避でき、短時間に安価に型を製作でき、型分割による精度低下も生じない。
【０００７】
消失模型原材料としては、ポリウレタン、ポリスチレン、ＰＭＭＡ、ポリオレフィン系樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレン等）等を用いる。ポリスチレン、ＰＭＭＡ、ポリオレフィン系樹脂の場合はこれを粉末状としたものに粉末状の発泡剤を混合してネガ型内に入れ、型に設けたスリットを介して外部からネガ型内にスチームを導入して加熱することで発泡させる。前記加熱は常温から１５０℃を超えない温度で行うことが好ましい。一方ポリウレタンの場合は液状のものに発泡剤を混合攪拌したものをネガ型内に入れ、化学反応によって発泡させる。ネガ型内での発泡によって消失模型原材料は気泡構造を持つ発泡ポリウレタン、発泡ポリスチレン、発泡ＰＭＭＡ、又は発泡ポリオレフィン系樹脂（発泡ポリエチレン、発泡ポリプロピレン）製の消失模型となる。発泡倍率は１０〜５０倍が望ましい。
【０００８】
消失模型原材料は発泡後の体積が、製品（消失模型）の体積の１００〜１５０％になるように発泡させることが好ましい。製品の体積よりも大きくなる部分（０〜５０％）は、ネガ型に接続するように設けた空洞からなる溜まり部に流入させるようにする。従ってこの溜まり部の容積は、製品の体積の０〜５０％の体積とすればよい。
【０００９】
また本発明は、鋳物形状でありその周囲に鋳型材料を付着して固化した状態で消失させる精密鋳造消失模型において、前記精密鋳造消失模型を発泡体で構成したことを特徴とする。この精密鋳造消失模型は、前記エラストマー製の型を用いて作製しても良いし、他の材質の型を用いて作製しても良い。さらにその他の製作方法、例えば発泡体のブロックから１つの消失模型をそのまま切削加工等で削り出す方法や、発泡体のブロックから１つの消失模型を分割した複数のスライス部品を切削加工等で削り出した後にこれらスライス部品を組み付けることで一つの消失模型とする方法等で作製しても良い。例えば大型縦型ポンプのガイドケーシングの精密鋳造消失模型を作製する場合は、図７に示すように、大型縦型ポンプのガイドケーシングと同形状の消失模型１００を発泡体製の薄い板状の複数の部分にスライスしてなる各スライス部品１００−１，２，…８をそれぞれ切削加工等の方法で製造し、各スライス部品１００−１，２，…８を積層して接着剤で貼り付け、１つの消失模型１００とする。
【００１０】
また本発明にかかる精密鋳造用鋳型の製造方法は、発泡体からなる精密鋳造消失模型を用意し、耐火物（例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３又はジルコン）を骨材とするスラリーを前記精密鋳造消失模型の外周面に付着して乾燥し、その後オートクレーブ（脱ロープロセス）によって加熱加圧して内部の精密鋳造消失模型をあらかた取り除き、さらに前記スラリーを加熱焼成して内部の精密鋳造消失模型を完全に熱分解することによって精密鋳造用鋳型を製造することを特徴とする。オートクレーブでは１００〜２００℃、圧力２〜１０ｋｇｆ／ｃｍ^２で加熱加圧するのが好適である。またスラリーの加熱焼成は７００〜１１００℃で行なうのが好適である。
【００１１】
また本発明は、ポンプ、タービン、コンプレッサー、ブロワ等の回転機械を構成する部品となる三次元形状を有する羽根車、ガイドベーン、ガイドケーシング、ノズル等の精密鋳造部品が、この精密鋳造部品と同形状の精密鋳造消失模型を用いて製造された前記精密鋳造用鋳型への注湯によって製造されていることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、ポンプ、タービン、コンプレッサー、ブロワ等の回転機械が、前記精密鋳造部品を組み込むことで構成されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）〜（ｈ）は本発明の一実施形態にかかる精密鋳造消失模型及び精密鋳造用鋳型の製造方法を示す説明図である。即ちまず本発明においては図１（ａ）に示すように、三次元マスター型Ｍを作成する。この三次元マスター型Ｍは例えばポンプを構成する羽根車などの精密鋳造を必要とされる部品の形状に形成されている。
【００１４】
三次元マスター型Ｍは、例えば選択レーザ焼結装置を用いた光造形法によって製作される。すなわち光造形法は図２に示すように、選択レーザ焼結装置１３０のチャンバ１３２内に粒子状の素材を供給して、例えば０．１ｍｍの厚さｈの粒子層１３４を形成する。そして炭酸ガスレーザ発生装置等のレーザ光源１３６からのレーザ光をミラー１３８を介して粒子層１３４に照射し、このレーザ光が照射された部分に位置する粒子を選択的に溶融硬化（焼結）させ、薄片１４０を形成する。以下この工程を繰り返して薄片１４０を順次積層し、所定の形状を形成する。レーザ光の照射パターンは、作製すべき形状を予め記憶した記憶部を有する制御装置によって制御される。この方法によって予め種々の方法で入力されたデータに基づき、複雑な形状が付与された構造体が精密に作製できる。なお光造形法には他にも種々の構成のものがあり、何れの方法を用いても良い。さらに光造形法以外の方法によって三次元マスター型Ｍを作製しても良い。
【００１５】
次に図１（ｂ）に示すように、三次元マスター型Ｍを型枠１０の中に入れる。型枠１０内には三次元マスター型Ｍの他に、三次元マスター型Ｍに接続するように原材料注型孔用部材１５が設置されている。そして型枠１０内に液状のシリコンゴムを流し込み、真空脱泡後、硬化させる。なおシリコンゴムとしては、二液混合による反応硬化型や、光硬化型のものを使用する。
【００１６】
次に図１（ｃ）に示すように、硬化したシリコンゴムからなる型２０の中央に切り込み２１を入れることで、この型２０から三次元マスター型Ｍと原材料注型孔用部材１５とを取り出し、再び前記切り込み２１の面を接合して一体化することで、内部に三次元マスター型Ｍの形状のキャビティーからなるネガ型２３を持つ型（消失模型原材料射出成形型）２０となる。なお図示はしないが型２０の内部にはネガ型２３に接続するように空洞からなる溜まり部が設けられている。溜まり部の容積は製品となる部分であるネガ型２３の容積の０〜５０％とする。三次元マスター型Ｍの取り出しは、型２０に柔軟性があり変形するので容易である。
【００１７】
次に図１（ｄ）に示すように型２０を、上面を開放した容器状の型枠３０内に収納して固定し、射出成形装置６０に設けた射出ノズル６１によって消失模型原材料（この実施形態ではポリウレタン）と発泡剤の混合物（液状）を原材料注型孔２５からネガ型２３内に射出する。この実施形態では消失模型原材料と発泡剤の混合攪拌時間を１５秒とし、またキャビティー２５内への注入時間を０．７秒とした。
【００１８】
そして前記射出後すぐに図１（ｅ）に示すように上蓋３５を被せて型枠３０に固定することで原材料注型孔２５を封じ、発泡して硬化するまで待つ（約３０分）。このとき設定した発泡倍率は４０倍で、最終的な発泡後の体積は、製品部分の１００〜１５０％とする。１００％はちょうどネガ型２３を満たす容積であり、それ以上に発泡した部分は前記溜まり部内に流れ込む。
【００１９】
前記待機時間経過後、抜型作業にはいり、上蓋３５、型枠３０、型２０を取り外して内部の発泡ポリウレタン製の消失模型７０を取り出し、溜まり部分によって形成された部分（図示せず）を除去して所望の発泡材料からなる消失模型７０を得る（図１（ｆ））。
【００２０】
次に図１（ｇ）に示すように前記消失模型７０にワックスなどでできた押湯８０を取り付け、これら消失模型７０と押湯８０を耐火材であるＳｉＯ_２を骨材とするコロイダルシリカのスラリー（或いはＡｌ_２Ｏ_３を骨材とするアルミナのスラリー或いはジルコンを骨材とするジルコンのスラリー等）中に浸漬して付着させ、その周囲に粉末状の酸化物耐火材料（ＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３又はジルコン等）をスラリー乾燥前に付着して乾燥させる。
【００２１】
その後オートクレーブによって高温高圧の条件で加熱加圧して内部の消失模型７０と押湯８０をあらかた取り除き、さらに二次焼成を実施して前記スラリーを加熱焼成して内部の消失模型７０と押湯８０を完全に熱分解することによって精密鋳造用鋳型９０を製造する。
【００２２】
そしてこの鋳型９０の内部に溶解金属を注湯して冷却硬化後、回りの鋳型９０を振動等によって取り除き、図１（ｈ）に示すような転写鋳物（精密鋳造品）９５を得る。
【００２３】
製造される精密鋳造品は三次元形状を有するものであればどのようなものでも良いが、例えばポンプ、タービン、コンプレッサー、ブロワ等の回転機械を構成する羽根車、ガイドベーン、ガイドケーシング、ノズル（ノズルはタービンやコンプレッサーで使用する場合がある）等の精密鋳造部品である。
【００２４】
精密鋳造部品の一例として、図３は前記製造方法によって製造された大型ポンプ（オープン型）の羽根車２１０である。また図４は前記製造方法によって製造された高圧ポンプ（クローズド型）の羽根車２６０である。本発明を用いればこのような精密鋳造の必要な各種部品を容易に製造することができる。そして図３に示す羽根車２１０は図５に示すように、大型ポンプ２００内に設置したシャフト２２０の下端に取り付けられ使用される。また図４に示す羽根車２６０は図６に示すように、高圧ポンプ２５０内に設置したシャフト２７０に多数枚取り付けられ使用される。
【００２５】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば以下のような優れた効果を有する。
▲１▼エラストマー製の型を利用したので、高価な射出成型用金型を加工製作する必要がなく、また金型設計のノウハウを持つ必要もなくなる。またエラストマー製の型にすることにより複雑な形状を容易に成形可能になる。
【００２７】
▲２▼ワックスをゴム製の型に注型することで消失模型を形成しようとするとゴムの熱伝導率は小さいため、この型にワックスを注型してからワックス冷却による凝固を待って消失模型を取り出すまで長時間待たなければならず、例えば１日１回しか消失模型の製造ができないが、本発明のように消失模型として気泡構造を持つ発泡体を用いた場合は、硬化時間が大幅に短縮され、生産性が飛躍的に高まる（１時間１回の製造可）。
【００２８】
▲３▼また本発明は消失模型として発泡体を用いたので、オートクレーブ中の加圧圧縮により、鋳型に応力をかけることなく収縮し、鋳型との間に空間を作り、この隙間が次工程の鋳型の焼成過程で発生するガスの排気路となり、ガス圧による鋳型の破損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）〜（ｈ）は本発明の一実施形態にかかる精密鋳造消失模型及び精密鋳造用鋳型の製造方法を示す説明図である。
【図２】選択レーザ焼結装置による三次元マスター型Ｍの制作方法を示す図である。
【図３】大型ポンプの羽根車２１０を示す斜視図である。
【図４】高圧ポンプの羽根車２６０を示す斜視図である。
【図５】大型ポンプ２００を示す概略断面図である。
【図６】高圧ポンプ２５０を示す概略断面図である。
【図７】大型縦型ポンプのガイドケーシングの精密鋳造消失模型の作製方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
Ｍ　三次元マスター型
１０　型枠
１５　消失模型原材料注型孔用部材
２０　型（消失模型原材料射出成形型）
２１　切り込み
２３　ネガ型（キャビティー）
２５　消失模型原材料注型孔
３０　型枠
３５　上蓋
６０　射出成形装置
６１　射出ノズル
７０　消失模型（精密鋳造消失模型）
８０　押湯
９０　精密鋳造用鋳型
９５　転写鋳物
１３０　選択レーザ焼結装置
１３２　チャンバ
１３４　粒子層
１３６　レーザ光源
１３８　ミラー
１４０　薄片
２００　大型ポンプ
２１０　羽根車
２５０　高圧ポンプ
２６０　羽根車

Claims

内部に消失模型のネガ型が写し取られているエラストマー製の型を用意し、
前記型内部に発泡剤を含む消失模型原材料を入れ、発泡させることで前記ネガ型の形状を発泡体からなる消失模型に転写し、
前記消失模型が硬化した後に型から取り出すことを特徴とする精密鋳造消失模型の製造方法。
鋳物形状でありその周囲に鋳型材料を付着して固化した状態で消失させる精密鋳造消失模型において、
前記精密鋳造消失模型を発泡体で構成したことを特徴とする精密鋳造消失模型。
発泡体からなる精密鋳造消失模型を用意し、
耐火材を骨材とするスラリーを前記精密鋳造消失模型の外周面に付着して乾燥し、その後オートクレーブによって加熱加圧して内部の精密鋳造消失模型をあらかた取り除き、
さらに前記スラリーを加熱焼成して内部の精密鋳造消失模型を完全に熱分解することによって製造することを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法。
ポンプ、タービン、コンプレッサー、ブロワ等の回転機械を構成する部品となる三次元形状を有する羽根車、ガイドベーン、ガイドケーシング、ノズル等の精密鋳造部品が、請求項３に記載の製造方法によって製造された精密鋳造用鋳型への注湯によって製造されていることを特徴とする精密鋳造部品。
ポンプ、タービン、コンプレッサー、ブロワ等の回転機械が、請求項４に記載の精密鋳造部品を組み込むことで構成されていることを特徴とする回転機械。