JP2011136343A - ダイカスト用金型およびダイカスト方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無孔性ダイカスト法において、ダイカスト用金型の金型寿命をより長くさせることができるとともに、高品位な鋳造品を製造することを目的とする。
【解決手段】溶融金属をランナー１４、１５からゲート１７、１８を介して、活性ガスが充填されたキャビティ１９に圧入させて製品を鋳造するためのダイカスト用金型１０であって、前記ゲート１７、１８は、前記ランナー１４、１５から繋がるピンゲート１７ａと、前記ピンゲート１７ａから前記キャビティ１９に繋がり前記キャビティ１９に向かうに従って幅広に形成されたファンゲート１８ａとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイカスト用金型およびダイカスト方法に関するものである。特に、活性ガスが充填されたキャビティに溶融金属を圧入させて鋳造する無孔性ダイカスト法に用いられて好適である。

近年、鋳造して製品を得るダイカスト製法において、高品位の製品を鋳造することができる製造方法として、無孔性ダイカスト法が知られている（例えば、特許文献１参照）。無孔性ダイカスト法では、溶融した金属（溶湯）を活性ガスが充填されたキャビティに圧入させて鋳造する。このように鋳造することで、キャビティ内に充填された活性ガスが、溶湯と反応を起こし、キャビティ内が減圧状態となり、気孔の少なく、耐圧性に優れた製品が完成する。

ここで、関連実施形態として無孔性ダイカスト法に用いられるダイカスト用金型について図５および図６を参照して説明する。ダイカスト用金型４０は、固定型４１と可動型４２とから構成されている。
図５は、可動型４２を固定型４１が密接する側から見た図である。図６は、図５のＩＩ−ＩＩ線を矢印方向から見た拡大断面図であって、さらに固定型４１を密接させた状態の図である。

図５に示すように、ダイカスト用金型４０の可動型４２は、ビスケット部４３と、主ランナー４４と、枝ランナー４５と、湯溜め部４６と、ピンゲート４７と、キャビティ４８とを含んで構成されている。なお、ダイカスト用金型４０では、２つの製品を一度に鋳造することができるように、２つのキャビティ４８が設けられている。また、固定型４１も略同様に構成されている。
製品を鋳造するときは、図６に示すように、固定型４１に可動型４２を密接させた状態で、キャビティ４８内に活性ガスを充填させる。その後、溶湯をビスケット部４３から各ランナー４４、４５およびピンゲート４７を介してキャビティ４８に圧入させて、充填させる。

無孔性ダイカスト法では、活性ガスと溶湯との反応を十分に確保するために、溶湯をキャビティ４８内に勢いよく噴霧させることが必要である。したがって、図５および図６に示すダイカスト用金型４０では、キャビティ４８に直近するピンゲート４７は、例えば断面円形状のゲートにし、溶湯がピンゲート４７を通過する速度を７０〜１００ｍ／ｓになるように設計されている。このように、ピンゲート４７を設計することで、溶湯がキャビティ４８内で勢いよく噴霧され、活性ガスとの反応性が向上し、無孔性の製品を鋳造することができる。

特開２００９−２０８０９４号公報 特開平１１−７７７５８号公報

しかしながら、溶湯がピンゲート４７を通過する速度を高速にすることにより、また、溶湯と活性ガスとが反応するときに発生する反応熱も加わり、ピンゲート４７の金型溶損が激しく発生してしまう。したがって、通常のダイカスト製法では例えば１０万ショットを鋳造することができるのに対して、無孔性ダイカスト法では例えば６万ショットしか鋳造することができず、金型の寿命が短くなってしまうという問題がある。すなわち、無孔性ダイカスト法で鋳造した製品では、コスト上昇の一要因となってしまう。
また、図５および図６に示すダイカスト用金型４０では、溶湯がピンゲート４７を通過してキャビティ４８内に噴霧されるときに、図５の破線矢印に示すように、溶湯同士が衝突して干渉し合い、乱流を引き起こし、溶湯が均一分散されないという問題がある。

本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、無孔性ダイカスト法において、ダイカスト用金型の金型寿命をより長くさせることができるとともに、高品位な製品を鋳造することを目的とする。

本発明に係るダイカスト用金型は、溶融金属をランナーからゲートを介して、活性ガスが充填されたキャビティに圧入させて製品を鋳造するためのダイカスト用金型であって、前記ゲートは、前記ランナーから繋がるピンゲートと、前記ピンゲートから前記キャビティに繋がり前記キャビティに向かうに従って幅広に形成されたファンゲートとを有することを特徴とする。
また、前記溶融金属が前記ピンゲートを通過するゲート速度を略５０ｍ／ｓになるようにしたことを特徴とする。
また、前記ピンゲートの断面積と、前記ファンゲートにおける前記キャビティ直近の断面積と、を略同一にしたことを特徴とする。
また、前記ピンゲートは、前記ファンゲートの幅方向に沿って、複数設けられていることを特徴とする。

本発明に係る無孔性ダイカスト方法は、溶融金属をランナーからゲートを介して、活性ガスが充填されたキャビティに圧入させて製品を鋳造する無孔性ダイカスト方法であって、前記溶融金属を、前記ランナーから繋がるピンゲートと、前記ピンゲートから前記キャビティに繋がり前記キャビティに向かうに従って幅広に形成されるファンゲートとを介して、前記キャビティに圧入させることを特徴とする。

本発明によれば、無孔性ダイカスト法において、ダイカスト用金型の金型寿命を長くすることができるとともに、高品位な製品を鋳造することができる。

本実施形態に係るダイカスト用金型の構成を示す図である。 本実施形態に係るダイカスト用金型の断面図である。 本実施形態に係るダイカスト用金型により鋳造された製品を示す図である。 本実施形態に係るダイカスト装置を示す概略図である。 関連実施形態に係るダイカスト用金型の構成を示す図である。 関連実施形態に係るダイカスト用金型の断面図である。

本発明は、ダイカスト法で鋳造する技術に関するものであり、以下、その実施形態を説明する。図４は、無孔性ダイカスト法のダイカスト装置５０の概要を示す図である。無孔性ダイカスト法は、ダイカスト装置５０が溶湯５１を注湯する前にダイカスト用金型１０のキャビティ１９内へ活性ガス導入管５３から活性ガスとしての酸素を供給し、その後、溶湯５１を射出プランジャ５４にて圧入する方式である。

次に、本実施形態に係る無孔性ダイカスト法に用いられるダイカスト用金型について、図１および図２を参照して説明する。ダイカスト用金型１０は、固定型１１と可動型１２とから構成されている。
図１は、可動型１２を固定型１１が密接する側から見た図である。図２は、図１のＩ−Ｉ線を矢印方向から見た拡大断面図であって、さらに固定型１１を密接させた状態の図である。

図１に示すように、ダイカスト用金型１０の可動型１２は、ビスケット部１３と、主ランナー１４と、枝ランナー１５と、湯溜め部１６と、第１のゲート１７と、第２のゲート１８と、キャビティ１９とを含んで構成されている。
本実施形態のダイカスト用金型１０は、２つの製品を一度に鋳造することができるように、２つのキャビティ１９が設けられている。キャビティ１９は、例えば内燃機関に用いられる円柱状のピストンを鋳造できるように形成されている。

また、本実施形態に係るダイカスト用金型１０の固定型１１にも、可動型１２の構成部と同様のビスケット部１３、主ランナー１４、枝ランナー１５、湯溜め部１６、第１のゲート１７、第２のゲート１８およびキャビティ１９が形成されている。各構成部は、固定型１１と可動型１２とが密接されることにより外部と遮断され、溶湯が充填可能となる。

ビスケット部１３は、図４で説明した射出プランジャ５４が溶湯を圧入したときに射出プランジャ５４の先端に位置する部分である。
主ランナー１４および枝ランナー１５は、ビスケット部１３から各キャビティ１９に溶湯を流し込むための通路である。ここでは、枝ランナー１５は、主ランナー１４から分岐しているが、キャビティ１９の数に合わせて適宜分岐の数を変更することができる。なお、キャビティ１９の数が一つの場合、枝ランナー１５を省略することができる。

湯溜め部１６は、枝ランナー１５から流入した溶湯の流れを整える。
第１のゲート１７は、枝ランナー１５から湯溜め部１６を介して第２のゲート１８に繋がっている。第１のゲート１７は、枝ランナー１５よりも断面積が小さく断面形状が円形状または略円形状に形成された、いわゆるピンゲート１７ａである。ピンゲート１７ａは、各キャビティ１９に対して２つ並列に配設されている。ピンゲート１７ａは、溶湯を噴霧状に射出させることができる。なお、断面積とは、溶湯の流動方向に対して直交する方向に切断したときの断面積である。

また、本実施形態の各ピンゲート１７ａは、溶湯がピンゲート１７ａを通過する速度（ゲート速度）が、関連実施形態よりも遅くなるような断面積に設定されている。具体的には、ゲート速度を略５０ｍ／ｓまたは５０ｍ／ｓ以下になるように設定されている。このようにゲート速度を低速にするピンゲート１７ａを形成することで、溶湯の流速が遅くなりピンゲート１７ａの金型溶損を抑制することができる。

一方、ピンゲート１７ａから射出される溶湯の速度が遅くなることで、キャビティ１９内での溶湯と活性ガスとの間の反応が低下しないように、ピンゲート１７ａとキャビティ１９との間に第２のゲート１８を形成している。
第２のゲート１８は、第１のゲート１７からキャビティ１９に繋がっている。第２のゲート１８は、溶湯の流動方向に対して直交する方向から見たとき、図１に示すように幅広（図１において上下方向）に形成されている。具体的には、第２のゲート１８は、キャビティ１９に向かうにしたがって徐々に幅広になるような扇形形状に形成された、いわゆるファンゲート１８ａである。本実施形態のファンゲート１８ａは、２つのピンゲート１７ａが並列に配設された方向と同方向に幅広な形状である。

また、図２に示すように、ファンゲート１８ａは、ピンゲート１７ａに近接している部分が、厚み方向を広くした膨らみ部１８ｂを有している。さらに、ファンゲート１８ａの厚みは、キャビティ１９に向かうにしたがって徐々に薄くなるように形成されている。
このファンゲート１８ａは、ピンゲート１７ａによって噴霧状に射出された溶湯をキャビティ１９内で均一に分散させることができる。したがって、関連実施形態よりも射出される溶湯のゲート速度が遅くなったとしても噴霧状の溶湯がキャビティ１９内で均一に分散されるために、充填された活性ガスとの間で十分な反応性を確保することができる。なお、ファンゲートは、例えば特許文献２に開示されているが、無孔性ダイカスト法に用いられるものではない。すなわち、本実施形態のように溶湯のゲート速度を遅くし溶湯と活性ガスとの反応が低下するのを防止する、というために形成されたものではない。

また、本実施形態のダイカスト用金型１０では、各キャビティ１９において、ピンゲート１７ａの全断面積と、ファンゲート１８ａにおけるキャビティ１９直近の断面積（ファンゲート１８ａとキャビティ１９との境界１８ｃの境界面積）とが略一致するように形成されている。したがって、溶湯がピンゲート１７ａを通過するゲート速度と、溶湯がファンゲート１８ａからキャビティ１９内に射出される速度とを略同速度にすることができ、溶湯と活性ガスとの間の反応性が確保されると共に、ファンゲート１８ａの金型溶損を抑制することができる。

なお、図示を省略しているが、本実施形態のダイカスト用金型１０では、ピンゲート１７ａの金型溶損が発生した場合に取り替えられるようにダイカスト用金型１０に対してピンゲート１７ａの部位が入れ子状に構成されている。したがって、ピンゲート１７ａの金型溶損が発生した場合には、入れ子を取り替えるだけでよく、取り替えの利便性を向上させている。ただし、ピンゲート１７ａは、ダイカスト用金型１０に直に形成してもよい。また、ピンゲート１７ａに限られず、ファンゲート１８ａ、キャビティ１９を入れ子状にしてもよい。
また、キャビティ１９は、内燃機関用のピストンを鋳造する形状にしているが、所望する製品に応じた形状に形成される。所望する製品に合わせたキャビティに形成した場合、ファンゲート１８ａは、そのキャビティの大きさに合わせて幅広にして、溶湯がキャビティ１９内全体に行き渡らせるようにする。

次に、ダイカスト装置５０が上述したダイカスト用金型１０を用いて製品を鋳造する動作について説明する。ダイカスト装置５０は、キャビティ１９内へ射出スリーブ５２に設けてある活性ガス導入管５３から酸素を供給し、その後、溶湯５１を射出プランジャ５４にて圧入する。
溶湯は、ダイカスト用金型１０のビスケット部１３、主ランナー１４、枝ランナー１５および湯溜め部１６を経て各ピンゲート１７ａに流入する。

各ピンゲート１７ａに流入された溶湯は、それぞれ設定されたゲート速度５０ｍ／ｓで通過していき、ファンゲート１８ａに射出される。このとき、溶湯がファンゲート１８ａの膨らみ部１８ｂに流入すると、膨らみ部１８ｂ内で溶湯が噴霧状に拡散する。膨らみ部１８ｂ内の噴霧状の溶湯は、ファンゲート１８ａの徐々に幅広となる形状に合わせ、キャビティ１９に向かって拡開しながら流れが整えられ、キャビティ１９内で図１の破線矢印で示すように均一に拡散して、充填される。このとき、キャビティ１９内に充填された活性ガスと、キャビティ１９内で均一に拡散された噴霧状の溶湯が反応しながら、キャビティ１９内に溶湯が充填されていく。このように、均一に拡散された噴霧状の溶湯が満遍なく活性ガスと反応できるために、キャビティ１９内で鋳造される製品は残留ガス量が非常に少ない高品位なものである。

図３は、ダイカスト用金型１０で鋳造された製品を示す図である。ダイカスト用金型１０によって製品３０は、ダイカスト用金型１０のビスケット部１３、ランナー１４、１５、湯溜め部１６、ゲート１７、１８およびキャビティ１９の凹凸と逆の形状に鋳造される。キャビティ１９によって鋳造された製品素材部３２と、ファンゲート１８ａによって鋳造されたファンゲート部３１との間の境界で切断（堰折作業）することで、キャビティ１９によって鋳造された製品素材部３２が製品として、後工程に移される。

（実施例）
次に、上述したダイカスト用金型のピンゲートの断面積およびファンゲートの形状を具体的に設計する場合について以下に例を挙げて説明する。
（１）鋳造条件
本実施例では、以下に示すような条件で製品を鋳造するものとする。
（ａ）射出プランジャのチップ径Φｔ＝６０ｍｍ
（ｂ）射出プランジャのチップ面積Ｓｔ＝π×（Φｔ／２）²＝２８２６ｍｍ²
（ｃ）射出プランジャの射出速度Ｖｈｐ＝１．９４２ｍ／ｓ
（ｄ）活性ガスとして酸素を使用する。

（２）ピンゲートの断面積
上述した（１）鋳造条件にて、溶湯がピンゲートを通過するゲート速度Ｖｇを５０ｍ／ｓになるように、ピンゲート径Φｐを算出する。
まず、ゲート速度Ｖｇと射出プランジャの射出速度Ｖｈｐとの比は、ピンゲート断面積Ｓｐと射出プランジャのチップ面積Ｓｔとの逆比となるために、次の計算式が成り立つ。
Ｖｇ＝Ｓｔ／（Ｓｐ×ｎ）×Ｖｈｐ ｎ：ピンゲートの数
したがって、
Ｓｐ＝Ｓｔ×Ｖｈｐ／Ｖｇ×１／ｎ＝１０９．７ｍｍ²×１／ｎ
ここで、ピンゲートの数ｎを図１に示すようにｎ＝４とすると、
ピンゲート断面積Ｓｐ＝２７．４４ｍｍ² に設定すればよい。
さらに、ピンゲートの断面が略真円とすると、ピンゲート径Φｐとすると、次の計算式が成り立つ。
Ｓｐ＝π×（Φｐ／２）²
したがって、
Φｐ＝√（Ｓｐ／π×４）≒６ｍｍ
となり、ピンゲート径Φｐ＝６ｍｍに設定すればよい。

（３）ファンゲートの形状
ファンゲートの形状を決定する場合、以下の点を考慮して決定する。
（ａ）溶湯がファンゲートを通過する速度は、ピンゲート速度と略同一になるようにする。
（ｂ）溶湯がキャビティ内に均一に噴霧できるようにファンゲートとキャビティとの境界の幅は、できるだけ拡幅する。
（ｃ）ファンゲートにおけるキャビティ直近の厚みｔ（図２を参照）を、略１ｍｍとする。これは、ファンゲートを通過する速度が５０ｍ／ｓであったとしても、厚みｔが１ｍｍよりも薄い場合、金型溶損が発生しやすくなってしまうためである。また、厚みｔが１ｍｍよりも厚い場合、鋳造された製品のうちファンゲートによって鋳造された部分が厚くなり、堰折作業が困難になるためである。
上述した条件から、ファンゲートにおけるキャビティ直近の断面積Ｓｆは次の計算式が成り立つ。
Ｓｆ×Ｎ＝Ｓｐ×ｎ Ｎ：ファンゲートの数、ｎ：ピンゲートの数
ここで、図１に示すようにファンゲートの数ＮをＮ＝２、ピンゲートの数ｎをｎ＝４とすると、
断面積Ｓｆ＝Ｓｐ×２＝５４．８８ｍｍ²に設定すればよい。

（４）製品の品質
次に、上述したように設定したダイカスト用金型を用いて無孔性ダイカスト法により製品を実際に鋳造した。
その結果、無孔性ダイカストの高品位の程度を示す製品の残留ガス量は、１．５ｃｃ〜２．５ｃｃ／１００ｇＡｌであり、極めて少なく良好であった。このことにより、ピンゲート速度を５０ｍ／ｓにしても、本実施形態のようなファンゲートを設けることにより、溶湯と活性ガスとの反応は十分に確保されていることが確認できた。
また、ピンゲートのゲート速度を遅くしたことにより無孔性ダイカストの金型寿命とされる略６万ショットよりも多く鋳造することができダイカスト用金型の寿命延長が確認された。

このように、本実施形態によれば、ダイカスト用金型のゲートをランナーから繋がるピンゲートと、ピンゲートからキャビティに繋がるファンゲートと有することから、キャビティ内に噴霧状の溶湯を均一に射出することができるために、高品位な鋳造品を製造することができる。また、溶湯を均一に射出させて活性ガスとの反応性を高めることができるために、ピンゲートを通過する溶湯のゲート速度を遅くでき、ダイカスト用金型の金型寿命をより長くすることができる。

なお、上述した説明では、ピンゲートを２つ並列させて配設する場合についてのみ説明したが、この場合に限られず、鋳造する製品の大きさに合わせて、ピンゲートの数を１つにしてもよく、２つ以上にしてもよい。
また、ピンゲートおよびファンゲートは、ダイカスト用金型の固定型の一部と可動型の一部とに形成する場合について説明したが、この場合に限られず、固定型のみまたは可動型のみに形成してもよい。

１０：ダイカスト用金型 １１：固定型 １２：可動型 １７：第１のゲート １７ａ：ピンゲート １８：第２のゲート １８ａ：ファンゲート １８ｂ：膨らみ部 １８ｃ：境界 １９：キャビティ ５０：ダイカスト装置 ５１：溶湯 ５２：射出スリーブ ５３：活性ガス（酸素）導入管 ５４：射出プランジャ

Claims (5)

1. 溶融金属をランナーからゲートを介して、活性ガスが充填されたキャビティに圧入させて製品を鋳造するためのダイカスト用金型であって、
   前記ゲートは、前記ランナーから繋がるピンゲートと、前記ピンゲートから前記キャビティに繋がり前記キャビティに向かうに従って幅広に形成されたファンゲートとを有することを特徴とするダイカスト用金型。
2. 前記溶融金属が前記ピンゲートを通過するゲート速度を略５０ｍ／ｓになるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のダイカスト用金型。
3. 前記ピンゲートの断面積と、前記ファンゲートにおける前記キャビティ直近の断面積と、を略同一にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のダイカスト用金型。
4. 前記ピンゲートは、前記ファンゲートの幅方向に沿って、複数設けられていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載のダイカスト用金型。
5. 溶融金属をランナーからゲートを介して、活性ガスが充填されたキャビティに圧入させて製品を鋳造する無孔性ダイカスト方法であって、
   前記溶融金属を、前記ランナーから繋がるピンゲートと、前記ピンゲートから前記キャビティに繋がり前記キャビティに向かうに従って幅広に形成されるファンゲートとを介して、前記キャビティに圧入させることを特徴とするダイカスト方法。

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