JP2011062704A - 金型 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、注入時の溶融金属などに対する加圧圧力が高くなる場合であっても、加工取り代の増加を回避しつつ、金型のキャビティの隅に応力が集中するのを防止することにある。
【解決手段】
本発明に係る金型１は、キャビティ部１１を備える。キャビティ部１１は、側面１２１、底面１２２および隅面１１３を有する。隅面は、側面の下端から底面の側端まで延びている。また、この隅面は、断面視において側面の仮想延長面および底面の仮想延長面よりも内側に位置する。また、この隅面は、断面視において斜下外方向に向かって窪むように円弧状に湾曲する複数の湾曲面１３１，１３２が側面の下端から底面の側端に向かって段状に配置されることにより形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は金型に関する。

従来から、金型を用いた金属部品の成形方法が広く知られている。このような成形方法では、一般に、溶解金属や、半溶融金属、半凝固金属などが金型のキャビティに加圧注入される。なお、このような成形方法は、近年、スクロール圧縮機の可動スクロールや固定スクロールなどに適用されている。

ところで、従来の金型では、通常、キャビティの隅が角張っていた。このため、キャビティに溶解金属などが加圧注入されると、その隅に応力が集中し、隅を起点として金型にクラックが生じる場合があった。

そして、このような問題を解決する手法の一つとして、例えば、非特許文献１（西田正孝著、「応力集中 増補版」、森北出版、ｐ．１１４−１２７）に記載されている「キャビティの隅にアールを形成する手法」が一般的に知られている。この手法により、キャビティの隅にかかる応力が分散され、クラックの発生が抑制される。

しかし、注入時の溶融金属などに対する加圧圧力が高くなれば、アールの半径を大きくする必要があり、その結果、加工取り代が多くなってしまう。そして、加工取り代が多くなると、原料費や加工費に無駄が生じ、経済的に好ましくない。

本発明の課題は、注入時の溶融金属などに対する加圧圧力が高くなる場合であっても、加工取り代の増加を回避しつつ、金型のキャビティの隅に応力が集中するのを防止することにある。

第１発明に係る金型は、キャビティ部を備える。キャビティ部は、側面、底面および隅面を有する。隅面は、側面の下端から底面の側端まで延びている。また、この隅面は、断面視において側面の仮想延長面および底面の仮想延長面よりも内側に位置する。また、この隅面は、複数の湾曲面が側面の下端から底面の側端に向かって段状に配置されることにより形成されている。なお、ここにいう「湾曲面」は、断面視において斜下外方向に向かって窪むように円弧状に湾曲している。また、ここにいう「斜下外方向」中の「外方向」成分は、「キャビティの外方向」つまりキャビティの内部から、キャビティを形成する側面に向かう方向を意味する。また、ここにいう「斜下外方向」中の「下方向」成分は、「キャビティの下方向」つまりキャビティの内部から、キャビティを形成する底面に向かう方向を意味する。

第２発明に係る金型は、第１発明に係る金型であって、湾曲面は、断面視においてそれぞれ同じ半径で湾曲している。

第３発明に係る金型は、第１発明または第２発明に係る金型であって、半溶融ダイキャスト法及び半凝固ダイキャスト法の少なくともいずれか一方の成形法において用いられる。

第４発明に係る金型は、第１発明から第３発明のいずれかに係る金型であって、キャビティ部は、渦巻状溝部である。

第５発明に係る金型は、第４発明に係る金型であって、隅面は、渦巻状溝部の外周側の側面の下端から延びている。

第６発明に係る金型は、第４発明に係る金型であって、隅面は、渦巻状溝部の最外周部分の側面の下端から延びている。

第１発明に係る金型では、複数の湾曲面が側面の下端から底面の側端に向かって段状に配置されることにより隅面が形成されている。このため、この金型では、成形時においてキャビティの隅に生じる応力が分散される。よって、応力が特定箇所に集中することを回避でき、以って金型の寿命を延ばすことができる。また、このような金型では、半径の大きい曲面を一つ設けた隅に比べて、加工取り代が増えるのを回避することができる。よって、この金型は、注入時の溶融金属などに対する加圧圧力が高くなる場合であっても、加工取り代の増加を回避しつつ、金型のキャビティの隅に応力が集中するのを防止することができる。また、このような金型は、アルミニウム等の低融点金属を用いたダイキャスト法に比べて成形圧力が比較的高い半溶融ダイキャスト法や半凝固ダイキャスト法に好適に用いることができる。

第２発明に係る金型では、同じ刃具を用いて複数の湾曲面を形成することができる。

第３発明に係る金型は、半溶融ダイキャスト法及び半凝固ダイキャスト法の少なくともいずれか一方の成形法において用いられる。よって、この金型では、半溶融ダイキャスト法及び半凝固ダイキャスト法の少なくともいずれか一方の成形法における半溶融金属または半凝固金属による隅への圧力が分散される。

第４発明に係る金型では、キャビティ部が渦巻状溝部である。上述したように、この金型では、半径の大きい曲面を一つ設けた隅に比べて、加工取り代が増えるのを回避することができる。このため、この金型では、比較的に幅の狭い深溝を容易に設けることができ、さらに、溝と溝との間隔を狭くすることもできる。

第５発明に係る金型では、隅面が渦巻状溝部の外周側の側面の下端から延びている。このため、応力が集中しやすい外周側の隅への応力を効率的に分散させることができる。

第６発明に係る金型では、隅面が渦巻状溝部の最外周部分の側面の下端から延びている。このため、応力が特に集中する最外周部分の隅への応力を効率的に分散させることができる。

本発明の実施の形態にかかる金型の上面図である。 図１に示される位置II−IIでの金型の断面を示す図である。 図２に示されるキャビティの渦巻部相当部分成形部分を拡大して示した図である。 隅面として半径の大きい湾曲面を一つだけ設けた場合に隅部分に生じる応力を相対的な数値で示した図である。 隅面として二つの湾曲面１３１，１３２を段状に設けた場合に隅部分に生じる応力を相対的な数値で示した図である。 部品素材の疲労強度と、金型に半溶融または半凝固金属を加圧注入したときに隅部分に発生する応力を解析した結果との比率を隅面の形状ごとに安全率Ｓとしてまとめた図である。 渦巻部相当部分成形部分の幅を広くして隅部分に半径の大きい湾曲面を一つだけ設けた場合の金型を示した図である。 渦巻部相当部分成形部分を深くして隅部分に半径の大きい曲面を一つだけ設けた場合の金型を示した図である。 成形法ごとに材料温度や成形圧などの条件を示した図である。 変形例３に係る金型の上面図である。 変形例３に係る他の金型の上面図である。

＜金型について＞
図１は、本発明の実施の形態にかかるダイキャスト用の金型１を示す上面図である。図２は、図１に示される位置II−IIでの金型１の断面を示す図である。

金型１は、図示していない金型と組み合わせることで、素材形状のキャビティ１１を形成し、加工取り代を含んだ部品素材の成形に用いられる。半溶融または半凝固成形の際には、上記キャビティ１１に半溶融または半凝固金属がダイキャストマシンにより加圧注入される。その後、その半溶融または半凝固金属を金型内で急冷して凝固させることにより、所望の形状の部品素材を得ることができる。

本実施形態に係る金型１で成形される部品素材としては例えばスクロール圧縮機の可動スクロールや固定スクロールなどの素材が挙げられ、図１には可動スクロールの成形に用いられる金型のうち渦巻側を成形する金型１が示されている。

この金型１において、キャビティ１１は、可動スクロールの鏡板に相当する部分を成形する部分（以下「鏡板相当部分成形部分」という）１１１と、渦巻部に相当する部分を成形する部分（以下「渦巻部相当部分成形部分」という）１１２とにより形成されている。

図３には、図２に示されるキャビティ１１の渦巻部相当部分成形部分１１２を拡大して示した図が示されている。キャビティ１１の渦巻部相当部分成形部分１１２は、主に、側面１２１、底面１２２および隅面１１３から形成されている。

隅面１１３は、図２および図３に示されるように、側面１２１の下端から底面１２２の側端まで延びており、断面視において側面１２１の仮想延長面および底面１２２の仮想延長面よりも内側に位置している。また、本実施の形態において、隅面１１３は、二つの湾曲面１３１，１３２が側面１２１の下端から底面１２２の側端に向かって段状に配置されることにより形成されている。なお、湾曲面１３１，１３２は、図２および図３に示されるように、断面視においてキャビティ１１の斜下外方向に向かって円弧状に窪むように湾曲している。

この金型１では、半溶融または半凝固成形時において半溶融または半凝固金属がキャビティ１１に加圧注入されるとき、隅面１１３の形状により金型１の隅部分に生じる応力が分散される。よって、この金型１は、従来の金型に比べて寿命が長くなる。

具体的に、金型１の隅部分に生じる応力が分散されることを、図４及び図５を用いて説明する。図４は、隅面として半径ＲＡの湾曲面４３を一つだけ設けた金型１の縦断面図である。図５は、隅面として半径ＲＢ，ＲＣの二つの湾曲面１３１，１３２を段状に設けた金型１の縦断面図である。図４及び図５のいずれにおいても、応力解析によって得られた隅部分に生じる応力Ｆを相対的な数値で示している。なお、応力Ｆは、図４に示される隅部分に生じる応力Ｆのうち最も大きいものを基準（Ｆ＝１）としている。

隅面として湾曲面４３を一つ設けた場合（図４）には、湾曲面４３の中央付近に応力が集中する（Ｆ＝１）。一方、隅面として二つの湾曲面１３１，１３２を段状に設けた場合（図５）には、湾曲面１３１，１３２のそれぞれの中央付近に応力が集中するものの、その値は１より小さい（Ｆ＝０．７６、Ｆ＝０．９）。しかも、湾曲面１３１と湾曲面１３２とにより形成される突起部分１３３に生じる応力は、著しく小さい（Ｆ＝０．３５）。よって、図４及び図５から、隅面として二つの湾曲面１３１，１３２を段状に設けることにより、隅面として湾曲面４３を一つ設けた場合に比べて、隅部分にかかる応力が分散されることがわかる。

図６は、部品素材の疲労強度と、金型に半溶融または半凝固金属を加圧注入したときに隅部分に発生する応力を解析した結果との比率を隅面１１３の形状ごとに安全率Ｓとしてまとめた図である。ここで、安全率Ｓは、値が大きい程安全であることを示す。

隅面１１３として湾曲面を一つ設けた場合には、曲面の半径を大きくすることにより、応力集中の度合いを緩和することができるので、安全率Ｓが高まる。本実施形態では、湾曲面の半径が同じでも、応力集中を緩和することができるため、安全率Ｓがより高まる。

金型１の隅面１１３の半径Ｒを大きくすることなく二段形状とすることで、金型１に発生する応力を同じとした場合、隅面として半径の大きい湾曲面を一つ設けた場合に比べて、キャビティ１１の渦巻部相当部分成形部分１１２の厚みや深さが大きくなることが回避される。よって、この金型１により成形された部品素材２を仕上げる際に、削るべき加工取り代２２の量を増加させることを回避することができる。なお、図３〜８では、部品素材２から加工取り代２２を削って仕上げた可動スクロールを破線で示している。

具体的に、隅面として半径の大きい湾曲面を一つ設けた隅に比べて、加工取り代２２の量の増加を回避することができることを、図７及び図８を用いて説明する。

図７は、隅部分に発生する応力を小さくするため、隅面１１３として半径の大きい湾曲面４１を一つ設けて、渦巻部相当部分成形部分１１２の幅を拡げた場合のキャビティを一点鎖線で示した図である。隅面１１３として二つの湾曲面１３１，１３２を段状に設けた場合、上記の場合と同じ応力が生じる前提であれば、二つの湾曲面１３１，１３２それぞれの半径を小さくすることができるため、加工取り代２２の厚みｔ２２を、隅面１１３として半径の大きい湾曲面４１を一つ設けた場合の加工取り代４１１の厚みｔ４１よりも小さくすることができる。したがって、隅面１１３として二つの湾曲面１３１，１３２を段状に設けた場合、隅面１１３として半径の大きい湾曲面４１を一つ設けた場合に比べて、渦巻部相当部分成形部分１１２の幅を狭くすることができ、また、渦巻部相当部分成形部分１１２の巻き間隔を狭くすることができる。

図８は、隅面１１３として半径の大きい湾曲面４２を一つ設けて、渦巻部相当部分成形部分１１２の深さを深くした場合のキャビティを一点鎖線で示した図である。図７で例示したものと同様に、同じ応力が生じる前提であれば、隅面１１３として二つの湾曲面１３１，１３２を段状に設けた場合の方が、加工取り代２２の厚みｄ２２を、隅面１１３として半径の大きい湾曲面４２を一つ設けた場合の加工取り代４２１の厚みｄ４２よりも小さくすることができる。このため、隅面１１３として二つの湾曲面１３１，１３２を段状に設けた場合、隅面１１３として半径の大きい湾曲面４２を一つ設けた場合に比べて、渦巻部相当部分成形部分１１２の深さを浅くすることができる。したがって、金型１の作製においてより短い刃具を用いることができ、ひいては金型１の加工精度を向上することができる。

＜金型の使用方法について＞
上述した金型１の使用方法について具体的に説明する。金型１は、半溶融ダイキャスト法（チクソキャスト法）及び半凝固ダイキャスト法（レオキャスト法）の少なくともいずれか一方の成形法において用いられる。かかる成形法では、成形時の溶解金属の温度は高く、かつ成形時の圧力も高い。つまり、金型への熱負荷が高いので、クラックなどの欠陥が生じる応力の限界値は、温度が低い場合に比べて小さくなり、成形時の圧力が高いので、隅に発生する応力は大きくなる。

図９は、アルミダイキャストなどの成形法と、鉄系の半溶融ダイキャスト法や半凝固ダイキャスト法の成形法との条件の違いを示した図である。

鉄系の半溶融ダイキャスト法や半凝固ダイキャスト法では、材料温度が１２００℃で、かつ成形圧が６０ＭＰａであり、アルミダイキャスト法の材料温度（７００℃）及び成形圧（３５ＭＰａ）に比べて高い。

上述した金型１では、隅１１３に対する応力が分散される。よって、成形時の半溶融または半凝固金属の温度（材料温度）が高く、かつ成形時の圧力（成形圧）が高くなる半溶融ダイキャスト法や半凝固ダイキャスト法の成形法において、金型１は適している。
＜変形例１＞
先の実施形態では、隅面１１３として二つの湾曲面１３１，１３２を段状に設けた金型１が示されたが（図３）、金型１の隅面１１３として二つ以上の湾曲面を段状に設けてもよい。この場合も、上述と同様に、隅部分に生じる応力が分散されて金型の寿命が長くなり、しかも加工取り代２２の量が増加するのを回避することができる。
＜変形例２＞
図３や図５に示されるように、断面視において段を成す二つの湾曲面１３１，１３２のそれぞれの半径ＲＢ，ＲＣは同じであることが好ましい。これは、二つの湾曲面１３１，１３２を形成する際に、同じ刃具を用いることができるからである。

隅面１１３として二つ以上の湾曲面１３１，１３２を段状に設ける場合にも、それらの曲面のそれぞれの半径を同じにすることが、同様の観点から好ましい。
＜変形例３＞
図２に示されるように、本実施の形態に係る隅面１１３（図３）は、キャビティ１１の渦巻部相当部分成形部分１１２の外周側に設けることが好ましい。特に、渦巻部相当部分成形部分１１２の最外周部分ＭＯ１（二点鎖線で示される部分）（図１０）に位置する隅部分に本実施の形態に係る隅面１１３を設けることが好ましい。理由を以下に説明する。

半溶融または半凝固金属を加圧注入した場合、渦巻部相当部分成形部分１１２のうち径方向に見たときに隣接する部分の間では、内側に向かう圧力と外側に向かう圧力とが打ち消し合う。しかし、最外周の部分で外側に向かう圧力に対しては、打ち消し合う力が生じないので、最外周に位置する隅部分１１４には最も応力が集中しやすい。よって、最外周に位置する隅部分１１４に、本実施の形態に係る隅面１１３を設けることが特に好ましい。

また、図１１に示されるように、渦巻部相当部分成形部分２１２の巻き終わりが連通溝２１３を介して渦巻部相当部分成形部分２１２の内周側部分に繋がっているような金型２０１では、最外周部分は符号ＭＯ２で示される位置（二点鎖線で示される位置）となる。したがって、かかる場合、この位置に、本実施の形態に係る隅面１１３を設けることが特に好ましい。なお、図１１中、符号２１１は鏡板相当部分成形部分を示し、符号２２１はキャビティを示している。
＜変形例４＞
先の実施形態では特に言及していないが、金型の疲労寿命を向上させるために特開平１０−６２２３号公報に開示される表面処理や、特開平７−２０７４１４号公報に開示される素材がさらに応用されてもかまわない。

本発明に係る金型は、注入時の溶融金属などに対する加圧圧力が高くなる場合であっても、加工取り代の増加を回避しつつ、金型のキャビティの隅に応力が集中するのを防止することができるという特徴を有しており、例えば、半溶融ダイキャスト法や半凝固ダイキャスト法が用いられる際の金型として有用である。

１，２０１ 金型
２ 可動スクロール（部品）
１１，２２１ キャビティ
２２ 加工取り代
１１３ 隅面
１２１ 側面
１２２ 底面
１３１，１３２ 湾曲面
ＲＢ，ＲＣ 半径
ＭＯ１，ＭＯ２ 最外周部分

西田正孝著、「応力集中 増補版」、森北出版、ｐ．１１４−１２７

Claims (6)

1. 側面と、
   底面と、
   前記側面の下端から前記底面の側端まで延びており、断面視において前記側面の仮想延長面および前記底面の仮想延長面よりも内側に位置し、前記断面視において斜下外方向に向かって窪むように円弧状に湾曲する複数の湾曲面が前記側面の下端から前記底面の側端に向かって段状に配置されることにより形成されている隅面と
   を有するキャビティ部（１１）を備える金型。
2. 前記湾曲面（１３１，１３２）は、前記断面視においてそれぞれ同じ半径（ＲＢ，ＲＣ）で湾曲している
   請求項１記載の金型。
3. 半溶融ダイキャスト法及び半凝固ダイキャスト法の少なくともいずれか一方の成形法において用いられる
   請求項１または２に記載の金型。
4. 前記キャビティ部は、渦巻状溝部である
   請求項１から３のいずれかに記載の金型。
5. 前記隅面は、前記渦巻状溝部の外周側の側面の下端から延びている
   請求項４に記載の金型。
6. 前記隅面は、前記渦巻状溝部の最外周部分の側面の下端から延びている
   請求項４に記載の金型。

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