JP2005334909A - ダイキャスト方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造材料に半凝固金属スラリーを用いて鋳巣の発生を抑止するとともに、砂中子を破損させることなく鋳造成型品を得る。
【解決手段】射出ピストンが原点位置Ｐ０にあるとき半凝固スラリーを射出スリーブ内に投入する。射出ピストンを速度ＶＬで切替位置Ｐ１まで移動させたのちに高速な速度ＶＨに増速する。半凝固スラリーがキャビティ内に注入され注入位置Ｐ３の直前の減速位置Ｐ２に射出ピストンが達したときに、速度ＶＬまで減速する。半凝固スラリーは緩やかに減速してキャビティに注入される際には平均流速５２が低速な速度ＶＬまで減速する。半凝固スラリーは低速で注入されることから、キャビティ内に設けられた砂中子及びを破損することがなく、しかも減速位置Ｐ２までは高速で短時間に移動することから、温度低下が少なく湯回り性が高い。
【選択図】図７

Description

本発明は、射出ピストンによって湯口から半凝固金属スラリーを射出し、湯道及びせきを介して、内部に砂中子が設けられたキャビティに半凝固金属スラリーを注入するダイキャスト方法に関する。

エンジンのシリンダブロックには、冷却水路としてのウォータジャケットが設けられており、該ウォータジャケットがシリンダヘッド面に開口しているオープンデッキタイプと、ウォータジャケットが閉塞されているクローズドデッキタイプ及び、ウォータジャケットの一部がシリンダヘッド面に開口しているセミクローズドデッキタイプがある。クローズドデッキタイプ及びセミクローズドデッキタイプのシリンダブロックは、シリンダヘッド面においてシリンダボアとシリンダ外壁部とが接続されていることから高剛性であって、変形が少なく、しかも長寿命である。このクローズドデッキタイプ及びセミクローズドデッキタイプのシリンダブロックは、ウォータジャケットが閉塞している形状であることから鋳造時に該ウォータジャケットに対して抜き型を使用することができず、鋳造後に粉砕、除去可能な砂中子が用いられる。

一方、シリンダブロックはエンジンの主要な構成部であり、熱や圧力が加わることから強度的にも重要な部品である。従って、シリンダブロックを鋳造成型する際には鋳巣の発生を抑止することが望ましい。鋳巣を防止する手段の１つとして、鋳造材料に半凝固金属スラリーを用いることが挙げられる。半凝固金属スラリーは固液共存状態の金属であって、粘度が高いために気体の巻き込みが少なく鋳巣の発生を抑止することができる。

また、関連する従来技術として、特許文献１には、砂中子を備えるキャビティに対して溶湯が完全に充填される直前にピストンを停止することによってサージの発生を抑止するダイキャスト方法が記載されている。

特許文献２には、溶湯充填時のせきにおける溶湯の速度を通常のダイキャスト方法よりも１／５〜１／５０とした低速で充填する方法が記載されている。

特許文献３には、固相部の平均粒径を調整することにより、半凝固金属スラリーが中子への差し込みを防止するダイキャスト方法が記載されている。

特公昭５５−１９７０４号公報 特開平９−５７４１５号公報 特開平１１−１０４８０２号公報

ところで、半凝固金属スラリーは固液共存状態の金属であることから液体と固体の中間的な性質を持ち、液体に比較して粘度が高い。このため、半凝固金属スラリーを高速で砂中子に衝突させると、砂中子が破損するおそれがある。特に、ウォータジャケット等を形成するための挟幅の砂中子は高粘度の半凝固金属スラリーの衝突時に破損しやすく製品の歩留まりが低下する。砂中子は鋳造後には除去する必要があることから、容易に粉砕されるものであることが好ましく、過度に硬くすることはできない。

鋳造時における砂中子の破損を防止するためには半凝固金属スラリーの注入速度を低下させることが考えられるが、注入に長時間を要すると半凝固金属スラリーが固化し、又は温度が低下することにより固相率が変化して所望の湯回り性能が得られないおそれがある。また、温度が低下することにより半凝固金属スラリーの粘度が一層高くなり、砂中子を破損するおそれもある。

前記特許文献１に記載された方法では、溶湯が砂中子を備えるキャビティ内の容積を完全に充填する直前にピストンを停止させてサージの発生を抑止するが、砂中子に衝突する際には溶湯は高速である。通常の溶湯であれば、高速で衝突しても砂中子が破損することはないが、前記のとおり、半凝固金属スラリーが高速で衝突する場合には破損のおそれがある。また、前記特許文献２のように極端に注入速度を低下させると注入時間が長くなり、通常の溶湯では問題ないが、半凝固金属スラリーは固化し、又は湯回り性の低下が懸念される。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、鋳造材料に半凝固金属スラリーを用いて鋳巣の発生を抑止するとともに、砂中子を破損させることがなく鋳造成型品の歩留まりを向上させることのできるダイキャスト方法を提供することを目的とする。

本発明に係るダイキャスト方法は、湯口から射出ピストンにより半凝固金属スラリーを射出し、湯道及びせきを介して、内部に砂中子が設けられたキャビティに前記半凝固金属スラリーを注入することにより鋳造成型品を得るダイキャスト方法において、前記半凝固金属スラリーの先端部が前記キャビティに注入される以前に、前記射出ピストンを減速して前記半凝固金属スラリーの流速を低下させることを特徴とする。

このように、半凝固金属スラリーを減速させてからキャビティに注入することにより、半凝固金属スラリーがキャビティ内の砂中子を破損することを防止できる。また、半凝固金属スラリーがキャビティに注入される直前までは高速で短時間に移動させることにより、固化や温度低下による湯回り性の低下を防止できる。

この場合、前記射出ピストンの射出開始位置から前記半凝固金属スラリーが前記キャビティに最初に注入される時点における前記射出ピストンの位置までの９０〜９７％の位置において前記射出ピストンを減速させるとよい。このように、半凝固金属スラリーがキャビティに最初に注入される時点よりもやや早い時点で射出ピストンを減速することにより、半凝固金属スラリーがキャビティに注入されるときには砂中子を破損することのない適切な速度まで減速される。

本実施の形態に係るダイキャスト方法は、半凝固金属スラリーを用いることにより、鋳巣の発生が抑止された高品質な鋳造成型品を得ることができ、クローズドデッキタイプ又はセミクローズドデッキタイプであるシリンダブロックのような複雑な形状であって、しかも強度的に重要である部品の鋳造成型品に対して好適に適用される。また、半凝固金属スラリーが減速されることにより、砂中子がウォータジャケットのような幅狭形状部に対応するものであっても該砂中子を破損することなく、キャビティ内に適切に充填される。

本発明に係るダイキャスト方法によれば、鋳造材料に半凝固金属スラリーを用いて鋳巣の発生を抑止するとともに、砂中子を破損させることがなく鋳造成型品の歩留まり向上を図ることができる。また、湯口及び湯道部では半凝固金属スラリーは高速で短時間に移動するため、固化し、又は温度が低下することによる湯回り性の低下を防止できる。

以下、本発明に係るダイキャスト方法について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図８を参照しながら説明する。本実施の形態に係るダイキャスト方法は、多気筒エンジンの構成部品であるシリンダブロック１０をアルミニウムの半凝固スラリーＡを用いて鋳造成型するものであり、鋳造用金型１２（図３参照）を用いて製造される。先ず、シリンダブロック１０について説明する。

図１及び図２に示すように、シリンダブロック１０は、クランクケース部１４と、該クランクケース部１４から延在するシリンダ壁１６を備える。シリンダ壁１６には直列に４つのシリンダボア１８が設けられている。シリンダブロック１０はセミクローズドデッキタイプであり、ウォータジャケット２０の一部がシリンダヘッド面１０ａ及びシリンダ壁１６の外面に対して開口している。

各シリンダボア１８内にはそれぞれシリンダピストン（図示せず）が摺動自在に嵌合される。

図３に示すように、鋳造用金型１２は、クランクケース側の固定型２２と、シリンダヘッド側の可動型２４と、レール上を移動してシリンダの側面を形成する摺動型２６及び２８とを有する。可動型２４は固定型２２に対して面直方向に進退可能であり、摺動型２６は固定型２２の面に摺動しながらスライド移動が可能である。可動型２４には、ボアを形成するための入れ子ピン２９が突出している。

これらの固定型２２、可動型２４、摺動型２６、２８及び入れ子ピン２９により囲まれて形成される中央空間部のキャビティ３０はシリンダブロック１０に対応した形状となっており、該キャビティ３０にアルミニウム合金の半凝固スラリーＡが注入され、固化することによりシリンダブロック１０が得られる。また、キャビティ３０内にはウォータジャケット２０を成形するための砂中子３２及び３４が摺動型２６、２８に保持されて設けられている。砂中子３２及び３４は、シリンダ壁１６の幅内で幅狭に形成され、ボア部を略覆うように設定されており、鋳造成型後に除去しやすいように粉砕可能に形成されている。キャビティ３０には、図示しないガス抜き部が設けられている。

また、鋳造用金型１２は、射出スリーブ３６内で半凝固スラリーＡを射出する射出ピストン３７を備える湯口３８と、該湯口３８から供給される半凝固スラリーＡをキャビティ３０に供給する通路である湯道４０とを有する。射出スリーブ３６の端部近傍における上面には半凝固スラリーＡが投入される開口部３６ａが設けられている。

ここで、半凝固スラリーＡとは、金属（合金を含む）を半溶融状態にしたもの、又は金属溶湯を冷却、撹拌して半凝固状態にしたものをいい、金属を加熱し直接的に半溶融状態にしたものと、一度完全に溶解した後に冷却して半凝固状態にしたものの両方を指す。このような半凝固スラリーＡは固相と液相の固液共存状態となっている。

湯道４０は、せき４２及び４４を介してキャビティ３０に接続されている。

射出ピストン３７は、制御部４６の作用下にアキュムレータ４８（油圧シリンダ等）によって駆動され、射出ピストン３７の位置はセンサ５０によって検出され制御部４６に供給される。制御部４６では、センサ５０から供給される信号に基づいて射出ピストン３７の位置及び速度を認識し、これらのパラメータに基づいてアキュムレータ４８を動作させる。

次に、このように構成される鋳造用金型１２を用いてシリンダブロック１０を鋳造成型する手順について説明する。以下の説明では、表記したステップ番号順に処理が実行されるものとする。

先ず、図４のステップＳ１において、摺動型２６及び２８を中央寄りにスライド移動させるとともに、可動型２４を摺動型２６及び２８に当接させてキャビティ３０を形成する。また、入れ子ピン２９を所定の位置に移動する。

ステップＳ２において、図３に示すように、予め生成されたアルミニウム合金の半凝固スラリーＡを所定の投入手段によって開口部３６ａから射出スリーブ３６内に所定量投入する。半凝固スラリーＡは好適な湯回り性が得られるように粘度管理されている。このとき、射出ピストン３７は開口部３６ａよりもアキュムレータ４８に近い方向の原点位置Ｐ０において待機している。

ステップＳ３において、制御部４６の作用下に射出ピストン３７を駆動させて、低速な速度ＶＬでキャビティ３０の方向の切替位置Ｐ１（図５参照）まで移動させる。これにより、半凝固スラリーＡは開口部３６ａからはみ出ることなく湯口３８の近傍まで移動される。切替位置Ｐ１は、開口部３６ａよりもキャビティ３０に近い位置に設定されている。

ステップＳ４において、射出ピストン３７を高速な速度ＶＨまで増速させ、半凝固スラリーＡを湯口３８及び湯道４０内に高速で充填させる。このように射出ピストン３７を高速で移動させることから半凝固スラリーＡは短時間で充填され、固化し、又は温度低下による湯回り性の低下がない。また、射出動作が短時間で行われることからサイクルタイムの短縮化が図られ、作業効率が向上する。

ステップＳ５において、図６に示すように、射出ピストン３７が減速位置Ｐ２に達したときに制御部４６の作用下に射出ピストン３７の速度を速度ＶＬまで減速させ、半凝固スラリーＡの流速を低下させる。減速位置Ｐ２は、半凝固スラリーＡの先端部がキャビティ３０に注入されるよりも前の点として設定されて制御部４６に記憶されている。具体的には、半凝固スラリーＡがキャビティ３０内に最初に注入される時点における射出ピストン３７の注入位置Ｐ３に対して９０〜９７％の位置に減速位置Ｐ２が設定されているとよい。

射出ピストン３７がこの減速位置Ｐ２に達するまで半凝固スラリーＡは速度ＶＨの速い流速であって、大きな慣性力を有することから急減速することはなく、図７における平均流速５２で示すように緩やかに減速する。なお、図７における減速位置Ｐ２〜注入位置Ｐ３の区間では、射出ピストン３７の速度を太線、半凝固スラリーＡの平均流速５２を細線として区別して示している。半凝固スラリーＡは液体の性質を持つことから、流路の断面積に応じて場所により流速が異なり、平均流速５２は平均値を示す。

ステップＳ６において、図８に示すように、射出ピストン３７が注入位置Ｐ３に達したとき、半凝固スラリーＡは湯口３８に近い方のせき４２に達してキャビティ３０に対する注入が開始される。なお、注入位置Ｐ３は半凝固スラリーＡがキャビティ３０内に最初に注入されるときの射出ピストン３７の位置として設定されており、半凝固スラリーＡは２つのせき４２及び４４のうち、湯口３８から遠い方のせき４４には達していなくてもよい。

射出ピストン３７が注入位置Ｐ３に達したとき、半凝固スラリーＡの流速は減速されて速度ＶＬと略等しくなっている。この後、射出ピストン３７を速度ＶＬで移動し続けることにより、半凝固スラリーＡがキャビティ３０内に注入される。半凝固スラリーＡは、適度な粘度を有するために気体の巻き込みが少なく、しかも射出スリーブ３６への投入時と較べて温度低下が少なくないため湯回り性がよく、キャビティ３０内に適切に充填される。また、温度低下が少ないため、半凝固スラリーＡの粘度は過度に高くなることがなく、砂中子３２及び３４を破損しにくい。

このとき仮に、図７の仮想線５４で示すように、平均流速を速度ＶＬに維持したまま半凝固スラリーＡを注入すると、砂中子３２及び３４は挟幅であってしかも除去しやすいように粉砕可能に形成されているため、高粘度の半凝固スラリーＡが衝突することにより破損するおそれがある。

これに対して本実施の形態に係るダイキャスト方法では、キャビティ３０内に注入された半凝固スラリーＡは溶湯と比較して高粘度ではあるが、流速が低速な速度ＶＬとなっているため、砂中子３２及び３４を破損するおそれがない。

また、半凝固スラリーＡをキャビティ３０内に注入する際には、キャビティ３０内を真空引き又は減圧処理しておくことにより、鋳巣及び酸化が一層少ない高品質なシリンダブロック１０を得ることができる。

ステップＳ７において、最終充填位置Ｐ４に達したときに半凝固スラリーＡがキャビティ３０内に充填されて加圧され、射出ピストン３７の前進動作は停止する。このとき、半凝固スラリーＡはせき４２及び４４を介してキャビティ３０内に完全に充填されており、余分な半凝固スラリーＡはガス抜き部に排出されている。

ステップＳ８において、半凝固スラリーＡが十分に冷却、固化された後に、可動型２４、摺動型２６、２８、入れ子ピン２９をキャビティ３０から離間させる。これにより図２に示すようなシリンダブロック１０と図示しない不要部とが形成される。不要部は湯口３８、湯道４０、せき４２、４４及びガス抜き部に対応する部位としてシリンダブロック１０と一体的に形成されるものであり、所定の手順でこの不要部を除去することにより、シリンダブロック１０が得られる。

ステップＳ９においてエア、サンドブラスト又はウォータジェット等を吹き付けることにより、砂中子３２及び３４を粉砕してシリンダブロック１０から除去し、ウォータジャケット２０を形成する。

上述したように、本実施の形態に係るダイキャスト方法によれば、鋳造材料に半凝固スラリーＡを用いて鋳巣の発生を抑止することができる。また、半凝固スラリーＡは減速されてキャビティ３０内に注入されるため、砂中子３２及び３４を破損することがなく、砂中子３２及び３４を過度に高強度にする必要がない。さらに、半凝固スラリーＡはキャビティ３０に注入される直前まで高速で短時間に移動することから、温度低下による湯回り性の低下を防止できる。

本発明に係るダイキャスト方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

鋳造用金型で鋳造成型されるシリンダブロックの概略斜視図である。 鋳造用金型で鋳造成型されるシリンダブロックの側面図である。 射出ピストンが原点位置に配置されている鋳造用金型を示す側面断面図である。 本実施の形態に係るダイキャスト方法の手順を示すフローチャートである。 射出ピストンが切替位置まで移動された鋳造用金型を示す側面断面図である。 射出ピストンが減速位置まで移動された鋳造用金型を示す側面断面図である。 射出ピストンの速度及び半凝固スラリーの平均流速を示すグラフである。 射出ピストンが注入位置まで移動された鋳造用金型を示す側面断面図である。

符号の説明

１０…シリンダブロック １２…鋳造用金型
２０…ウォータジャケット ２２…固定型
２４…可動型 ２６、２８…摺動型
３０…キャビティ ３２、３４…砂中子
３６…射出スリーブ ３７…射出ピストン
３８…湯口 ４０…湯道
４２、４４…せき ４６…制御部
４８…アキュムレータ ５０…センサ

Claims (3)

1. 湯口から射出ピストンにより半凝固金属スラリーを射出し、湯道及びせきを介して、内部に砂中子が設けられたキャビティに前記半凝固金属スラリーを注入することにより鋳造成型品を得るダイキャスト方法において、
   前記半凝固金属スラリーの先端部が前記キャビティに注入される以前に、前記射出ピストンを減速して前記半凝固金属スラリーの流速を低下させることを特徴とするダイキャスト方法。
2. 請求項１記載のダイキャスト方法において、
   前記射出ピストンの射出開始位置から前記半凝固金属スラリーが前記キャビティに最初に注入される時点における前記射出ピストンの位置までの９０〜９７％の位置において前記射出ピストンを減速させることを特徴とするダイキャスト方法。
3. 請求項１記載のダイキャスト方法において、
   前記鋳造成型品はエンジンのシリンダブロックであり、鋳造成型後に前記砂中子を除去することにより冷却用のウォータジャケットを形成することを特徴とするダイキャスト方法。

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