JP2011235337A - シリンダヘッドの低圧鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】指向性凝固を維持し、燃焼室部分の更なる微細化を図ることができるシリンダヘッドの低圧鋳造方法を提供する。
【解決手段】加圧開始（ｔ１）から燃焼室部分の凝固が完了するまで（ｔ２）の所定時間の間は、冷媒供給手段でインナー冷却媒体通路に冷却媒体として水を供給する水冷を行い、所定時間経過後から加圧完了までの間は、冷媒供給手段でインナー冷却媒体通路に冷却媒体として空気を供給する空冷を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダヘッドの低圧鋳造方法に関する。

従来、低圧鋳造装置を用いてシリンダヘッドを鋳造する低圧鋳造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。低圧鋳造装置は、金型部と金型部の下方に配置された給湯部とを備え、金型部の下型に設けられた湯口を介してキャビティ内に給湯部から金属の溶湯が充填される。

下型には、シリンダヘッドの燃焼室部分を成形するための入子（インサート型）が配置されている。特許文献１のものでは、入子に冷却媒体通路を設け、この通路に流す冷却媒体の流量を調整することにより、入子によるシリンダヘッドの燃焼室部分の冷却速度を調整している。

又、特許文献１のものでは、入子と湯口との間に位置させて下型に断熱材を設け、これにより湯口を通る溶湯の温度低下を防止している。

特開２００２−２３９７１１号公報

近年、自動車等の内燃機関の高性能化が進み、シリンダヘッドの燃焼室部分の組織の更なる微細化が求められている。燃焼室部分の組織の微細化を図るためには、入子による燃焼室部分の冷却速度の向上が求められる。しかしながら、低圧鋳造方法では、入子と湯口が共に下型に設けられており互いの距離が近く、冷却速度を上げ過ぎると、湯口を通る溶湯まで冷却されてしまう。

低圧鋳造方法においては、溶湯の凝固時には、湯口からの押し湯効果を維持すべく、湯口から一番離れた部分から湯口に向かってキャビティ内に充填された溶湯が凝固していく（指向性凝固）ようにしなければならない。しかしながら、湯口を通る溶湯が冷却されると、この指向性凝固が阻害され、品質の高いシリンダヘッドを鋳造することができなくなってしまう。

特許文献１のものでは、入子と湯口との間に位置させて下型に断熱材を設けることにより、湯口を通る溶湯の温度低下を防止しようとしているが、下型を介しての冷却はある程度抑制できるものの、湯口を通る溶湯は、キャビティ内に充填された溶湯を介しても熱が奪われるため、冷却速度の向上にも限界がある。

本発明は、以上の点に鑑み、指向性凝固を維持させつつ、シリンダヘッドの燃焼室部分の組織の更なる微細化を図ることができるシリンダヘッドの低圧鋳造方法を提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明は、溶湯が供給される湯口を有する下型と、該下型に対向させて配置された上型と、該上型と前記下型との間に配置された一対の横型とで画成されるキャビティ内に前記湯口から充填される前記溶湯で成形されるシリンダヘッドの低圧鋳造方法において、前記下型には、前記シリンダヘッドの燃焼室部分を成形する二重入子が設けられ、該二重入子は、インナー入子と、該インナー入子が内挿されるアウター入子とで構成され、前記インナー入子には、インナー冷却媒体通路が設けられ、該インナー冷却媒体通路に空気又は水を選択的に供給して空冷又は水冷を切替自在な冷媒供給手段が接続され、前記キャビティ内への前記溶湯の充填が開始される加圧開始時から前記燃焼室部分の凝固が完了する所定時間が経過するまでの間は、前記冷媒供給手段で前記インナー冷却媒体通路に冷却媒体として水を供給する前記水冷を行い、前記所定時間を経過したときから前記シリンダヘッドの凝固が完了する加圧完了までの間は、前記冷媒供給手段で前記インナー冷却媒体通路に冷却媒体として空気を供給する前記空冷を行うことを特徴とする。

本発明によれば、加圧開始から燃焼室部分の凝固が完了する所定時間を経過するまで水冷を行なうことで、燃焼室部分の冷却速度を速めることができる。従って、燃焼室部分の組織を微細化することができ、樹枝状晶の二次枝の間隔（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ Ａｒｍ Ｓｐａｃｉｎｇ ＩＩ（ＤＡＳＩＩ））を適切な範囲内の値とすることができる。

又、燃焼室部分の凝固が完了してから加圧完了までは空冷を行うことにより、この間の湯口への冷却能力が抑えられ、指向性凝固を維持し、湯口からの押し湯効果を保つことができる。又、インナー冷却媒体通路内の残水を空気が押し出すため、残水による不均一な冷却や残水の沸騰によるインナー冷却媒体通路の耐久性低下を防止することができる。

［２］本発明においては、加圧完了の後は、冷媒供給手段でインナー冷却媒体通路に水を供給する水冷を行うことが好ましい。

加圧完了後の離型開始時から水冷を行うことにより、インナー入子の温度を迅速に低下させることができ、次のシリンダヘッドを鋳造するための次回の溶湯充填時に、燃焼室部分を迅速に冷却することができて、シリンダヘッドの鋳造のサイクルタイムの短縮化を図ることができる。

［３］本発明においては、二重入子のアウター入子は、アウター冷却媒体通路を備え、アウター冷却媒体通路に空気を供給する送風手段を備え、送風手段により常にアウター冷却媒体通路に空気を供給する空冷を行うことが好ましい。

これにより、キャビティ内に充填された溶湯のアウター入子と接触する部分が、インナー入子と接触する溶湯部分を囲うようになり、インナー入子で水冷を行う場合に、吸熱効果が湯口側に広がり難くなって、燃焼室部分を効率よく冷却し、冷却速度をより早めることができる。

本発明のシリンダヘッドの低圧鋳造方法の実施形態を用いる低圧鋳造装置の説明図。 実施形態のシリンダヘッドの低圧鋳造方法のサイクルタイムと温度の関係を示す説明図。 実施形態のシリンダヘッドの低圧鋳造方法により製造されたシリンダヘッドの燃焼室のＤＡＳＩＩ値を示す説明図。

図１に、シリンダヘッドの低圧鋳造装置２０を示す。この低圧鋳造装置２０は、給湯部２２と金型部２４とを備える。給湯部２２には保持炉２６が配設され、この保持炉２６内には、アルミニウム合金等の金属の溶湯Ｌを貯留した坩堝２８が収容される。なお、坩堝２８内の溶湯Ｌは、坩堝２８を囲繞する加熱ヒータ３０によって加温される。

保持炉２６には圧縮ガス供給管３２が接続されており、一方、坩堝２８内には給湯管３４が挿入されている。この給湯管３４の上端には、下型３６まで次第に拡径するように延在する配湯管３８が連結される。なお、配湯管３８は、下プラテン４０と、下型３６を支持する固定ダイベース４２に形成された収容口４４に収容される。

金型部２４は、下型３６と、下型３６上で第１シリンダ４６及び第２シリンダ４８により互いに接近又は離隔自在な第１横型５０及び第２横型５２と、第３シリンダ５４により下型３６に対して接近又は離隔自在な可動ダイベース５６に支持された上型５８とを有し、これら下型３６、第１横型５０、第２横型５２及び上型５８によって型締めがなされることによって、シリンダヘッドを成形するためのキャビティ６０が画成される。さらに、下型３６には、配湯管３８を介して給湯管３４に連通する複数個の湯口６２が形成される。

下型３６には鋳造されるシリンダヘッドの燃焼室に対応する位置に孔部７２が設けられている。この孔部７２に二重入子７０が挿入されている。二重入子７０は、略円柱状のインナー入子８８と、インナー入子８８を内挿する略円筒状のアウター入子９４とで構成される。

インナー入子８８内には、インナー冷却媒体通路８８ａが設けられている。このインナー冷却媒体通路８８ａには、図示省略した冷媒供給手段が接続されている。この冷媒供給手段は、水を供給するポンプ、空気を供給するファン及び流路を切り換える切換弁を備えており、インナー冷却媒体通路８８ａに水又は空気の何れか一方を選択的に供給できるように構成されている。

アウター入子９４内には、アウター冷却媒体通路９４ａが設けられている。このアウター冷却媒体通路９４ａには、ファンやブロワ等で構成される送風手段（図示省略）が接続されており、空気が供給されている。

以上の如く構成される低圧鋳造装置２０を用いて、図２を参照しつつ、実施形態のシリンダヘッドの低圧鋳造方法を説明する。図２では、縦軸を金型の温度、横軸を時間としている。シリンダヘッドは、圧縮ガス供給管３２から圧縮ガスを供給することにより、坩堝２８内の溶湯Ｌが、給湯管３４、配湯管３８及び湯口６２を通って、キャビティ６０内に充填されることにより、鋳造される。この工程が加圧中の工程となる（図２のｔ１〜ｔ３）。

そして、シリンダヘッドの凝固が完了した後、第３シリンダ５４で上型５８を上昇させ、第１及び第２シリンダ４６，４８で第１及び第２横型５０，５２を離隔させて、型開きを行い、鋳造されたシリンダヘッドを取り出す。この工程が離型中の工程となる（図２のｔ３〜ｔ４）。即ち、実施形態の低圧鋳造方法においては、１サイクルが加圧中の工程と離型中の工程の２つの工程からなる。又、加圧開始（ｔ１）からシリンダヘッドの燃焼室部分の凝固が完了するまで（ｔ２）の所定時間（ｔ１〜ｔ２）は予め実験により求めることができる。

そして、実施形態のシリンダヘッドの低圧鋳造方法においては、加圧開始（ｔ１）から前記所定時間経過後（ｔ２）までは、冷媒供給手段（図示省略）によりインナー冷却媒体通路８８ａに水を供給する水冷を行う。そして、ｔ２から加圧完了（ｔ３）までは、冷媒供給手段（図示省略）によりインナー冷却媒体通路８８ａに空気を供給する空冷を行う。そして、加圧完了して離型開始（ｔ３）から離型終了（ｔ４）までは、冷媒供給手段（図示省略）によりインナー冷却媒体通路８８ａに水を供給する水冷を行う。尚、送風手段（図示省略）は、加圧中及び離型中ともに、アウター冷却媒体通路９４ａに空気を供給する空冷を行っている。

図３に、本実施形態の低圧鋳造方法で実験的に成形したシリンダヘッドの第１から第３の３つの各燃焼室部分の４ヶ所を切断して表面から深さ７ｍｍまで測定した、樹枝状晶の二次枝の間隔（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ ＡｒｍＳｐａｃｉｎｇ ＩＩ（ＤＡＳＩＩ））を示す。実験では、３サイクル行い、３個のシリンダヘッドを鋳造して、各シリンダヘッドの燃焼室部分のＤＡＳＩＩ値を測定している。図３から明らかなように、本実施形態の低圧鋳造方法で成形したシリンダヘッドの燃焼室部分のＤＡＳＩＩ値は、いずれも３０μｍ以下の適切な値を得ることができた。

比較例として、加圧中及び離型中において、インナー入子８８で空冷も水冷も行わなかった場合、及び冷媒供給手段（図示省略）でインナー冷却媒体通路８８ａに空気を供給する空冷のみを実行した場合の各ＤＡＳＩＩ値も図３に示す。

図３から明らかなように、インナー入子８８で冷却を行わなかった場合には、ＤＡＳＩＩ値は、全て５５μｍを超える値となってしまい、インナー入子８８で空冷のみを行った場合には、ＤＡＳＩＩ値は、３５μｍ以上４８μｍ以下の範囲内の値となってしまうことが分かる。又、図２のｔ２からｔ３の間も水冷を行った場合には、湯口が閉塞され鋳造不能となってしまった。

実施形態のシリンダヘッドの低圧鋳造方法によれば、加圧開始から燃焼室部分の凝固が完了する所定時間を経過するまで水冷を行なうことで、燃焼室の部分の冷却速度を速めることができる。従って、燃焼室部分の組織が微細化され、樹枝状晶の二次枝の間隔（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ Ａｒｍ Ｓｐａｃｉｎｇ ＩＩ（ＤＡＳＩＩ））を適切な範囲内の値とすることができる。

又、シリンダヘッドの燃焼室部分の凝固が完了してから加圧完了までは空冷を行うことにより、この間の湯口６２への冷却能力が抑えられ、指向性凝固を維持させて、湯口６２からの押し湯効果を保つことができる。又、インナー冷却媒体通路８８ａ内の残水を空気が押し出すため、残水による不均一な冷却や残水の沸騰によるインナー冷却媒体通路８８ａの耐久性低下を防止することができる。

又、加圧完了後の離型開始時から水冷を行うことにより、インナー入子８８の温度を迅速に低下させることができ、次回の溶湯Ｌの充填時に燃焼室部分を迅速に冷却することができて、サイクルタイムの短縮化を図ることができる。

又、キャビティ６０内に充填された溶湯Ｌのアウター入子９４と接触する部分がインナー入子８８と接触する部分を囲うようになり、インナー入子８８による吸熱効果が湯口６２側に向かって広がり難くなって、燃焼室部分を効率よく冷却し、冷却速度をより早めることができる。

２０…低圧鋳造装置、２２…給湯部、２４…金型部、２６…保持炉、２８…坩堝、３０…加熱ヒータ、３２…圧縮ガス供給管、３４…給湯管、３６…下型、３８…配湯管、４０…下プラテン、４２…固定ダイベース、４４…収容口、４６…第１シリンダ、４８…第２シリンダ、５０…第１横型、５２…第２横型、５４…第３シリンダ、５６…可動ダイベース、５８…上型、６０…キャビティ、６２…湯口、７０…二重入子、７２…孔部、８８…インナー入子、８８ａ…インナー冷却媒体通路、９４…アウター入子、９４ａ…アウター冷却媒体通路、Ｌ…溶湯。

Claims (3)

1. 溶湯が供給される湯口を有する下型と、該下型に対向させて配置された上型と、該上型と前記下型との間に配置された一対の横型とで画成されるキャビティ内に前記湯口から充填される前記溶湯で成形されるシリンダヘッドの低圧鋳造方法において、
   前記下型には、前記シリンダヘッドの燃焼室部分を成形する二重入子が設けられ、
   該二重入子は、インナー入子と、該インナー入子が内挿されるアウター入子とで構成され、
   前記インナー入子には、インナー冷却媒体通路が設けられ、
   該インナー冷却媒体通路に空気又は水を選択的に供給して空冷又は水冷を切替自在な冷媒供給手段が接続され、
   前記キャビティ内への前記溶湯の充填が開始される加圧開始時から前記燃焼室部分の凝固が完了する所定時間が経過するまでの間は、前記冷媒供給手段で前記インナー冷却媒体通路に冷却媒体として水を供給する前記水冷を行い、
   前記所定時間を経過したときから前記シリンダヘッドの凝固が完了する加圧完了までの間は、前記冷媒供給手段で前記インナー冷却媒体通路に冷却媒体として空気を供給する前記空冷を行うことを特徴とするシリンダヘッドの低圧鋳造方法。
2. 請求項１記載のシリンダヘッドの低圧鋳造方法において、
   前記加圧完了の後は、前記冷媒供給手段で前記インナー冷却媒体通路に水を供給する前記水冷を行うことを特徴とするシリンダヘッドの低圧鋳造方法。
3. 請求項１又は請求項２記載のシリンダヘッドの低圧鋳造方法において、
   前記二重入子のアウター入子は、アウター冷却媒体通路を備え、
   該アウター冷却媒体通路には空気を供給する送風手段が接続され、
   該送風手段により常に前記アウター冷却媒体通路に空気を供給する空冷を行うことを特徴とするシリンダヘッドの低圧鋳造方法。

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