JP2006247732A

JP2006247732A - 鋳型装置及び鋳物の製造方法

Info

Publication number: JP2006247732A
Application number: JP2005070421A
Authority: JP
Inventors: Naoaki Yamamoto; 直彰山本; Koji Tomitani; 孝二冨谷; Norimasa Nagafuji; 則政長藤; Iwao Aota; 巌青田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: JP4729951B2; CN1833796A; CN1833796B

Abstract

【課題】金型と砂型とを組み合わせて鋳型装置が構成され、鋳込み後、金型を分離して砂型と鋳物とを冷却水に浸漬したときに、効果的に冷却又は焼入れを行うことができる鋳型装置及び鋳物の製造方法を提供する。
【解決手段】金型と、該金型との対向面の反対側に押し湯部を形成した砂型２とを有し、型組立時に砂型２に設けた開口部を金型により密閉することによりキャビティを形成し、開口部の周囲にキャビティの金型側に突出する周壁部２４が設けられた鋳型装置を用いた鋳物の鋳造方法であって、周壁部２４の内部空間Ｓを外部に連通させる切欠部２５を設けた砂型と金型とを合わせる型組立工程と、鋳込み工程と、鋳物７を砂型２側に残して該砂型２と金型とを分離する型開き工程と、鋳物７が残された砂型２を冷却槽に浸漬する冷却工程とを含む。冷却工程では、内部空間Ｓに滞留する気泡ｘは、前記切欠部２５を介して排出される。
【選択図】図１１

Description

本発明は、金型と砂型とを組み合わせて構成した鋳型装置を用いた鋳造技術の技術分野に属する。

従来、金型と砂型とを組み合わせて鋳型装置を構成し、鋳造を行う方法が知られている。このような鋳型装置として、例えば特許文献１に開示されているものがある。これによると、鋳型装置に形成されたキャビティに金属溶湯による鋳込みが行われたときに、鋳型装置を構成する金型に凝固中の溶湯から急速に連続して熱が除去され、その結果、凝固中の溶湯に大きな熱勾配が生起され、鋳物全体の方向性凝固が実現されることが示されている。

また、金型を用いた鋳造は、前述の熱勾配の生起により、砂型を用いた鋳造に比べて製品の組織が緻密に構成され、製品の精度や強度などの機械的性質を向上させる効果がある。

一方、特許文献２には、アルミニウム合金の溶湯を４９ＭＰａ以上の鋳込み圧力で金型内に加圧充填して凝固させ、凝固完了後に鋳物を金型より取り出して直ちに水に浸漬して焼入れを施し、焼入れ後に人工時効処理を実施するようにした鋳物の製造方法が開示されている。
特許３０６８１８５号明細書特開平８−２２５９０３号公報

ところで、鋳物を冷却して機械的性質を高める場合、前述のように金型と砂型とを組み合わせて鋳型装置が構成されている場合には、キャビティに金属溶湯が鋳込まれた後、砂型を残した状態で金型のみが分離され、鋳物を残した状態の砂型を冷却水に浸漬して鋳物の冷却又は焼入れを行うことがある。

砂型の下部は、搬送時にクランプされるなどの理由である程度の強度が要求されるので、砂型の下部にはキャビティの金型により形成される面より下方に突出する周壁部が設けられている。その結果、金型が分離され、鋳物を残した状態の砂型が冷却水に浸漬されると、周壁部に囲まれた内部空間に気泡が滞留することになり、また、浸漬時に高温の鋳物表面に冷却水が接触して沸騰による蒸気を発生させ、この蒸気が気泡として前記内部空間に滞留することになる。

このように、周壁部により形成された内部空間に気泡が滞留して鋳物表面に冷却水が直接接触しない結果、冷却効果や焼入れ効果が低下することになる。

これに対して、砂型及び鋳物を冷却水に浸漬したときに、例えば内部空間が上方向又は横方向に向くように砂型の姿勢を変更させることによって、該内部空間への気泡の滞留を回避することが考えられるが、砂型上部に形成された押し湯部の溶湯は十分に凝固しておらず、姿勢を変更するとこの未凝固の溶湯が流出するおそれがあり、さらに押し湯部の形状が変化し、押し湯部を位置決めして該押し湯部を切断する場合に、安定した切断作業ができない。

そこで、本発明は、金型と砂型とを組み合わせて鋳型装置が構成され、鋳込み後、金型が分離されて砂型と鋳物とが冷却水に浸漬されたときに、効果的に冷却又は焼入れを行うことができる鋳型装置及び鋳物の製造方法を提供する。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、金型と、該金型との対向面の反対側に押し湯部が形成された砂型とを有し、型組立時に砂型に設けられた開口部が金型に密閉されることによりキャビティが形成され、前記開口部の周囲にキャビティの金型によって形成される面より金型側に突出する周壁部が設けられた鋳型装置であって、前記周壁部の内部を外部に連通させる切欠部が設けられていることを特徴とする。

この構成について図面を用いて簡単に説明すると、まず、図１２に示すように、鋳型装置２００は、砂型２１０の開口部２１１に金型２２０の凸部２２１が嵌合することによりキャビティ２３０が形成され、該キャビティ２３０には金属溶湯が鋳込まれて鋳物２４０が形成されている。そして、前記砂型２１０の開口部２１１周囲に金型２２０側に突出する周壁部２１２が設けられ、該周壁部２１２には切欠部２１３が設けられている。このとき、本来図中右側に存在すべき周壁部２１２′が切り欠かれることになる。

また、図１３に示す鋳型装置３００においては、図１２に示したものと同様の開口部３１１を有する砂型３１０と、凹部３２１を有する金型３２０とが備えられている。そして、この凹部３２１と前記砂型３１０とでキャビティ３３０が形成され、該キャビティ３３０には金属溶湯が鋳込まれて鋳物３４０が形成されている。このとき、該金型３２０の凹部３２１の周囲を砂型３１０に押し当てることによって、開口部３１１が密閉され、キャビティ３３０が形成されている。また、砂型３１０のキャビティ３３０を形成しない部分に金型３２０側に突出する周壁部３１２が設けられ、該周壁部３１２に切欠部３１３が設けられている。このとき、本来図中右側に存在すべき周壁部３１２′が切り欠かれることになる。

また、請求項２に記載の発明は、金型と、該金型との対向面の反対側に押し湯部が形成された砂型とを有し、型組立時に砂型に設けられた開口部が金型に密閉されることによりキャビティが形成され、前記開口部の周囲にキャビティの金型によって形成される面より金型側に突出する周壁部が設けられた構造とされた鋳型装置を用いる鋳物の鋳造方法であって、前記周壁部の内部を外部に連通させる切欠部が設けられた砂型と金型とを合わせる型組立工程と、該型組立工程により砂型と金型とで形成されるキャビティに金属溶湯を鋳込む鋳込み工程と、該鋳込み工程後、鋳物を砂型側に残して該砂型と金型とを分離する型開き工程と、開口部側が下側に位置する姿勢で鋳物が残された砂型を冷却槽に浸漬する冷却工程とを含むことを特徴とする。

なお、冷却工程において、砂型及び鋳物を冷却液に浸漬するときに、該砂型及び鋳物を受台に載置した後で該受台を冷却液に浸漬する他、冷却液中に既に浸漬された受台上に該砂型及び鋳物を載置するようにしてもよい。

また、請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載の鋳物の製造方法において、前記冷却工程では、冷却槽内で前記周壁部の切欠部が設けられた部分が他の部分に対して上方に位置するように鋳物が残された砂型を傾斜させて受台に載置していることを特徴とする。

即ち、この冷却工程においては、冷却槽内に浸漬されている砂型が周壁部の切欠部を上方に位置するように受台に載置されているものである。

また、請求項４に記載の発明は、前記請求項２または請求項３に記載の鋳物の製造方法において、鋳物は、軽合金製鋳物であると共に、前記冷却工程は、軽合金製鋳物の焼入れ処理工程であることを特徴とする。

そして、請求項５に記載の発明は、前記請求項４に記載の鋳物の製造方法において、前記軽合金製鋳物は、アルミニウム合金製のシリンダヘッドであると共に、金型で形成される鋳物の表面は、シリンダヘッドの燃焼室側に設定されていることを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、砂型と金型とを組み合わせて鋳型装置が構成され、砂型の開口部周囲に強度確保のための周壁部が設けられていると共に、該周壁部に切欠部が設けられているので、金型が分離され、鋳物が残った状態の砂型が冷却液に浸漬されたときに、鋳物表面の金型によって形成された部分に溜まった気泡を前記切欠部から自動的に排出させることができ、冷却効果或いは焼入れ効果の向上が実現される。具体的には、工程時間の短縮及び製品の寸法精度及び疲労強度等の機械的性質の向上が実現される。

なお、砂型と鋳物とが冷却液に浸漬される際に、鋳物表面の金型によって形成された部分が下側に位置する姿勢を保持させるので、未凝固の押し湯部の溶湯が流出することがない。

また、請求項２に記載の発明によれば、前記請求項１に記載の発明の鋳型装置を準備し、この鋳型装置の型組立を行い、次に、キャビティに金属溶湯を鋳込み、鋳込み後、金型を分離させて、砂型と鋳物とを冷却液が収容された冷却槽に浸漬させるので、鋳物表面の金型によって形成された部分に溜まった気泡を切欠部から自動的に排出させることができ、前記請求項１に記載の発明と同様の効果が得られる。

一方、請求項３に記載の発明によれば、冷却工程において、冷却槽内で、砂型の周壁部の切欠部が設けられた部分が他の部分に対して上方に位置するように砂型と鋳物とを傾斜させて受台に載置している状態とされるので、鋳物表面の金型によって形成された部分に溜まった気泡が積極的にかつ確実に切欠部から排出されることになる。

さらに、請求項４に記載の発明によれば、前述の切欠部からの気泡の排出によって、軽合金製鋳物の焼入れ処理が安定して行われるので、該焼入れ処理により得られる鋳物の機械的性質の向上が図られる。

そして、請求項５に記載の発明によれば、金型の成形によりシリンダヘッドの燃焼室側の寸法精度の向上及び組織の緻密化が図られて強度が向上すると共に、焼入れの際に前述の切欠部からの気泡の排出によって、アルミニウム合金製のシリンダヘッドの機械的性質の向上が図られる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る鋳型装置１は、エンジンのシリンダヘッドの鋳造に用いるものであって、複数の砂型を組み合わせて構成された上型２と、金属製の下型３と、上型２と下型３とで構成された後述するキャビティ４（図５参照）内に配置されたウォータージャケット中子５…５と、吸気ポート及び排気ポート用中子６…６（図６参照）とを有している。そして、キャビティ４にアルミニウム合金の金属溶湯を充填させて鋳物７（図５参照）を生成させる。

砂型で構成された上型２には、上側部に軽合金溶湯としてのアルミニウム合金溶湯を注入させるための湯口２０と、上部に該湯口２０に連通する押し湯部２１と、該押し湯部２１からキャビティ４に連通する複数の湯道２２…２２とが形成されている。また、上型３は、キャビティ４を構成する開口部２３を有している。そして、該開口部２３の周囲に金型３側に突出する周壁部２４が設けられている。さらに、該周壁部２４の図中右側には、該周壁部２４の内部と外部とを連通させる切欠部２５が設けられている。この切欠部２５は、キャビティ４の図中右側の周壁部２４を切欠いて形成され、その深さは周壁部２４の下端からキャビティ４の下端に至るように形成される。さらに、周壁部２４には、下型３に対して位置決めを行うための溝２６ａ，２６ｂが設けられている。

一方、金属製の下型３は、中央付近に上方に突出する凸部３０を形成した形状であると共に、該凸部にはエンジンの燃焼室を形成するための４つの突出部３１…３１が形成されている。また、前記上型２に設けられた溝２６ａに対応して設けられた嵌合部３２ａと、溝２６ｂに対応して突設された嵌合部３２ｂとが設けられている。

そして、該下型３の中央部分に形成された凸部３０が前記上型２の開口部２３に嵌合することにより、該開口部２３が閉塞され、キャビティ４が形成される。

また、湯口２０から注入するアルミニウム合金は、ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｂで示されるアルミニウム合金を用いる。このアルミニウム合金は、Ｃｕが２．０〜４．０％、Ｓｉが７．０〜１０．０％、Ｍｇが０．６％以下、Ｚｎが１．０％以下、Ｆｅが１．２％以下、Ｍｎが０．８％以下、Ｎｉが０．５％以下、Ｔｉが０．２％以下、残部がアルミニウムの合金である。

図２、３は、冷却装置１００の構造を示す。この冷却装置１００は、冷却水Ｗが収容された冷却槽１０１と、該冷却槽１０１に浸漬された複数の受台１０２…１０２と、これらの受台１０２…１０２を円周状に並べて支持すると共に、該受台１０２…１０２を円周上に移動させる回転機構１０３と、受渡位置Ｒにおいて鋳込み後の上型２及び鋳物７を前記受台１０２に受け渡すと共に冷却、焼入れ後の上型２及び鋳物７を受台１０２から取り出す受渡機構１０４とを有している。

前記冷却槽１０１は平面視円筒状に形成され、該冷却槽１０１には９０℃以上に設定された冷却水Ｗが収容されている。また、冷却槽１０１の受渡位置Ｒには、該冷却槽１０１の円筒外側に膨出する膨出部１１１が設けられている。

また、前記受台１０２は、平面視略コ字状に形成されたフレーム部材１２０と、該フレーム部材１２０の両側部から突出する複数の棒部材１２１…１２１と、上型２及び鋳物７を係止するストッパ１２２とを有している。また、該受台１０２は、冷却槽１０１の円筒外側方向が低位に位置するようにフレーム部材１２０及び棒部材１２１…１２１が傾斜して設けられている。

前記回転機構１０３は、前記受台１０２のフレーム部材１２０を支持する支持部材１３０と、該支持部材１３０の下端に連結された下部部材１３１と、支持部材１３０の上端を支持する平面視円筒状の回転テーブル１３２と、該回転テーブル１３２の円筒中心において上下に延びる回転軸１３３と、該回転軸１３３の下端に連結された従動ギヤ１３４と、該従動ギヤ１３４に噛合する駆動ギヤ１３５と、該駆動ギヤ１３４を間欠的に所定角度回転させる駆動源１３６とを有している。

前記受渡機構１０４は、同方向に延設された一対の支持部材１４０，１４０及びそれぞれの支持部材１４０，１４０に直交して配備された複数の棒部材１４１…１４１が備えられた受け部１４２と、該受け部１４２を移動させる図示しない移動機構とを有している。また、前記受台１０２の傾斜に対応して受渡機構１０４の受け部１４２は、冷却槽１０１の円筒外側方向が高位に位置するように傾斜して設けられている。そして、前記支持部材１４０，１４０にはそれぞれストッパ１４３，１４３が設けられている。なお、上記受台１０２及び受け部１４２の傾斜角度は、１０〜３０°になるように設定されている。

なお、前記上型２は請求項１に記載の鋳型装置における砂型に相当し、前記下型３は同じく金型に相当する。

次に、以上のような構成の鋳型装置１及び冷却装置１００を用いて軽合金製のシリンダヘッドを鋳造するプロセスについて図４を用いて説明する。

まず、ステップＳ１の準備工程では、図１に示したような砂型を組み合わせて構成された上型２と金属製の下型３とを準備する。

次に、ステップＳ２の型組立工程では、図５、６に示すように、前記ステップＳ１で準備した上型２の開口部２３に下型３の凸部３０が嵌合するように、該上型２と下型３とを合わせる。このとき、上型２に形成された溝２６ａが下型３に形成された嵌合部３２ａに、溝２６ｂが嵌合部３２ｂにそれぞれ嵌合され、上型２と下型３との位置決めが行われることになる。

そして、ステップＳ３の鋳込み工程では、図５、６に示すように、湯口２０から金属溶湯を注入し、押し湯部２１、湯道２２を介してキャビティ４に金属溶湯を充填させる。

次に、ステップＳ４の型開き工程では、金属溶湯を鋳込んだ鋳型装置１から下型３を分離する。その結果、図７、８に示すように、下型３により形成された鋳物７の表面７ａが露出することになる。このとき、周壁部２４を構成する４辺２４ａ〜２４ｄのうち、１つの辺２４ｄを切欠いて設けられた切欠部２５によって、周壁部２４により囲まれた内部空間Ｓが外部に連通することになる。こなお、鋳物表面７ａと上型２の周壁部２４に設けられた切欠部２５の上端とは同じ高さに位置している。

そして、ステップＳ５の焼入れ工程では、前記ステップＳ４で得られた上型２及び鋳物７を９０℃以上の水温に設定された冷却水Ｗに浸漬して、焼入れを行う。

このとき、冷却装置１００において、まず回転機構１０３により受渡位置Ｒに搬入された一対の受台１０２，１０２に載置された一対の上型２及び鋳物７を受渡機構１０４により冷却槽１０１から取り出す。つまり、図９の矢印アに示すように受け部１４２を移動させ、受渡機構１０４の支持部材１４０及び棒部材１４１…１４１を、受台１０２の下側から該受台１０２に備えられた棒部材１２１…１２１の間に通過させて、該受台１２０上の上型２及び鋳物７を受け取る。そして、受け取った上型２及び鋳物７は、冷却水Ｗから引き上げられて時効処理等を行う次工程に受け渡される。

次に、受渡装置１０２の受け部１４２に前記ステップＳ４で得られた上型２及び鋳物７が載置される。そして、図１０の矢印イに示すように受け部１４２を移動させ、受渡機構１０４の支持部材１４０及び棒部材１４１…１４１を、受台１０２の上側から該受台１０２に備えられた棒部材１２１…１２１の間に通過させて、受け部１４２上の上型２及び鋳物７を冷却水Ｗに浸漬させると共に受台１０２に受け渡す。

このように上型２及び鋳物７を受台１０２に受け渡した後、回転機構１０３は所定角度回転して該上型２及び鋳物７を受渡位置Ｒから搬出させると共に、同時に受渡位置Ｒに搬入された受台１０２に対して同様の作業が行われることになる。

一方、図１１に示すように、上型２及び鋳物７を冷却水Ｗに浸漬し、受台１０２に載置したときに、上型２の周壁部２４に設けられた切欠部２５を介して、周壁部２４の内部空間Ｓに滞留する気泡ｘ、及び高温の鋳物表面に冷却水が接触して蒸気化することにより生成された気泡ｘが、自動的に排出されることになる。（請求項１、２に記載の発明の趣旨に相当）さらに、上型２の周壁部２４の切欠部２５が設けられた部分が上方に位置するように、上型２及び鋳物７が受台１０２に傾斜して載置されることから、切欠部２５から積極的に気泡ｘが排出されることになる（請求項３に記載の発明の趣旨に相当）。

ところで、この実施の形態においては、図６に表したように、切欠部２５は周壁部２４の１つの辺２４ｄ全体を切り欠くことによって形成しているが、このような形態に限らず、例えば周壁部２４に孔等を穿設するようにしてもよく、周壁部２４の内部空間Ｓと外部を連通するものであればよい。

以上のように、砂型で構成された上型２と金属製の下型３とを組み合わせて鋳型装置１が構成され、上型２の開口部２３周囲に強度確保のために周壁部２４が設けられていると共に、該周壁部２４に切欠部２５が設けられているので、下型３が分離され、鋳物７が残った状態の上型２が冷却液Ｗに浸漬されたときに、鋳物表面７ａに溜まった気泡を前記切欠部２５から自動的に排出させることができ、冷却効果或いは焼入れ効果の向上が実現され、具体的には工程時間の短縮及び製品の寸法精度及び疲労強度等の機械的性質の向上が実現される。

なお、上型２と鋳物７とが冷却液Ｗに浸漬される際に、鋳物表面７ａが下側に位置する姿勢を保持させるので、未凝固の押し湯部２１の溶湯が流出することがない。

一方、上型２の周壁部２４の切欠部２５が設けられた部分が他の部分に対して上方に位置するように上型２と鋳物７とを傾斜させて、冷却液Ｗが収容された冷却槽１０１に浸漬するので、鋳物表面７ａに溜まった気泡が積極的にかつ確実に切欠部２５から排出されることになる。

さらに、前述の切欠部２５からの気泡の排出によって、軽合金製鋳物の焼入れ処理が安定して行われるので、該焼入れ処理により得られる鋳物７の機械的性質の向上が図られる。

また、焼入れの際に前述の切欠部２５からの気泡の排出によって、アルミニウム合金製のシリンダヘッドの機械的性質の向上が図られる。

本発明は、金型と砂型とを組み合わせて鋳型装置が構成され、鋳込み後、金型が分離されて砂型と鋳物とが冷却水に浸漬されたときに、効果的に冷却又は焼入れを行うことができる鋳型装置及び鋳物の製造方法を提供する。本発明は、金型と砂型とを組み合わせて構成した鋳型を用いた鋳造技術の技術分野に広く好適である。

本発明の実施の形態に係る鋳物の斜視断面図である。冷却装置の平面図である。図２のＡ−Ａ線による断面図である。鋳物の製造工程を示すフローチャートである。型組立工程及び鋳込み工程における鋳型装置の断面側面図である。図５のＢ−Ｂ線による断面図である。型開き工程における鋳型装置の断面側面図である。同斜視図である。冷却装置において上型及び鋳物を受台から取り出す動作図である。冷却装置において上型及び鋳物を受台に載置する動作図である。切欠部を介した気泡の排出動作を示す動作図である。凸部を有する金型を用いた場合の説明図である。凹部を有する金型を用いた場合の説明図である。

符号の説明

１鋳型装置
２上型
３下型
４キャビティ
７鋳物
２１押し湯部
２３開口部
２４周壁部
２５切欠部
１０１冷却槽
１０２受台

Claims

金型と、該金型との対向面の反対側に押し湯部が形成された砂型とを有し、型組立時に砂型に設けられた開口部が金型に密閉されることによりキャビティが形成され、前記開口部の周囲にキャビティの金型によって形成される面より金型側に突出する周壁部が設けられた鋳型装置であって、
前記周壁部の内部を外部に連通させる切欠部が設けられていることを特徴とする鋳型装置。
金型と、該金型との対向面の反対側に押し湯部が形成された砂型とを有し、型組立時に砂型に設けられた開口部が金型に密閉されることによりキャビティが形成され、前記開口部の周囲にキャビティの金型によって形成される面より金型側に突出する周壁部が設けられた構造とされた鋳型装置を用いる鋳物の鋳造方法であって、前記周壁部の内部を外部に連通させる切欠部が設けられた砂型と金型とを合わせる型組立工程と、
該型組立工程により砂型と金型とで形成されるキャビティに金属溶湯を鋳込む鋳込み工程と、
該鋳込み工程後、鋳物を砂型側に残して該砂型と金型とを分離する型開き工程と、
開口部側が下側に位置する姿勢で鋳物が残された砂型を冷却槽に浸漬する冷却工程とを含むことを特徴とする鋳物の製造方法。
前記請求項２に記載の鋳物の製造方法において、
前記冷却工程では、冷却槽内で前記周壁部の切欠部が設けられた部分が他の部分に対して上方に位置するように鋳物が残された砂型を傾斜させて受台に載置していることを特徴とする鋳物の製造方法。
前記請求項２または請求項３に記載の鋳物の製造方法において、
鋳物は、軽合金製鋳物であると共に、
前記冷却工程は、軽合金製鋳物の焼入れ処理工程であることを特徴とする鋳物の製造方法。
前記請求項４に記載の鋳物の製造方法において、
前記軽合金製鋳物は、アルミニウム合金製のシリンダヘッドであると共に、
金型で形成される鋳物の表面は、シリンダヘッドの燃焼室側に設定されていることを特徴とする鋳物の製造方法。