JP2011251328A - 鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、重力鋳造法において、鋳造に係るサイクルタイムを短縮する技術を提供することを課題とする。
【解決手段】上から下へ延びる主湯道１９と、この主湯道１９からほぼ水平に分岐する複数本の分岐湯道２２と、この分岐湯道２２の先端に配置されほぼ水平に延びるキャビティと、主湯道１９の途中に外から不活性ガスを吹き込むガス吹き込み機構９１と、が備えられている金型を用いて実施する鋳造方法において、主湯道１９、分岐湯道２２、キャビティの順で注湯する注湯工程と、キャビティに充満させた溶湯が凝固した後に、不活性ガスを主湯道１９内へ吹き込みこの不活性ガスを主湯道１９の湯口２９から外へ排出させるガス吹き込み工程と、からなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋳造方法の改良に関する。

冷却水通路が備えられ、この冷却水通路に冷却水を通すことでキャビティ及び湯道に充填された溶湯の凝固を促進させるようにした鋳造金型が知られている（例えば、特許文献１（図１２）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。但し、要素名は一部変更した。
図１０に示されているように、鋳造金型は、固定金型に対向配置される可動金型１００を備えている。この可動金型１００に、鉛直下向きに主湯道１０１が延ばされ、この主湯道１０１から略水平に左右の分岐湯道１０２、１０３が延ばされ、左右の分岐湯道１０２、１０３から左右のせき１０４、１０５を介して鉛直上向きに左右のキャビティ１０６、１０７が延ばされている。溶湯は、主湯道１０１を下降し、左右の分岐湯道１０２、１０３を通り、左右のキャビティ１０６、１０７に到達する。主湯道１０１に位置する溶湯の重さを利用して左右のキャビティ１０６、１０７に溶湯を充填する重力鋳造法が用いられている。
主湯道１０１、分岐湯道１０２、１０３及び左右のせき１０４、１０５の近傍には、冷却水通路１０８が設けられている。

冷却水通路１０８は、左右の分岐湯道１０２、１０３に沿って水平方向に複数個形成されている水平冷却水通路１０８ａと、主湯道１０１に沿って高さ方向に複数個形成されている鉛直冷却水通路１０８ｂとを連結してなる。冷却水を、図矢印ｂの如く水平冷却水通路１０８ａから鉛直冷却水通路１０８ｂに流すことで、金型の熱を冷却水で吸収させ金型を冷却する。

特許文献１のキャビティ１０６、１０７は、鉛直に延びている。すると、主湯道１０１は、必然的にその高さ寸法が大きくなる。
この主湯道１０１の高さを小さくすることが要求される場合には、キャビティ１０６、１０７を水平に延ばす方法がある。

主湯道１０１に存在する溶湯の重さ（ヘッド）を利用してキャビティに溶湯を導く重力鋳造法では、主湯道１０１に少なくともキャビティの体積に相当する体積をもたせている。そのため、金型平面視で主湯道１０１の断面積は大きなものにする必要がある。

一般に、主湯道１０１に滞留する溶湯は、その外面から凝固が始まり、徐々に中心へ凝固が進行する。主湯道１０１の断面積が大きくなると、主湯道１０１の中心の凝固が完了するまでの凝固所要時間が長くなる。凝固を待って離型を行うため、鋳造に係るサイクルタイムが長くなる。
生産性の向上が求められている中、鋳造に係るサイクルタイムの短縮が求められる。

特開２００２−１２００４４公報

本発明は、重力鋳造法において、鋳造に係るサイクルタイムを短縮する技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、上から下へ延びる主湯道と、この主湯道からほぼ水平に分岐する複数本の分岐湯道と、この分岐湯道の先端に配置されほぼ水平に延びるキャビティと、主湯道の途中に外から不活性ガスを吹き込むガス吹き込み機構と、が備えられている金型を用いて実施する鋳造方法において、主湯道、分岐湯道、キャビティの順で注湯する注湯工程と、キャビティに充満させた溶湯が凝固した後に、不活性ガスを主湯道内へ吹き込みこの不活性ガスを主湯道の湯口から外へ排出させるガス吹き込み工程と、からなり、このガス吹き込み工程で主湯道内の溶湯の冷却を促すことで、離型までの時間を短縮することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、ガス吹き込み工程は、複数回に分けて実施することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、ガス吹き込み工程では、主湯道に対してキャビティが下位になるように、金型を傾斜させて実施することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ほぼ水平に延びているキャビティに溶湯を充満させ、この溶湯が凝固した後に、不活性ガスを主湯道内へ吹き込んで、溶湯を撹拌し、用済みの不活性ガスを主湯道の湯口から外へ排出させるガス吹き込み工程が備えられている。

ほぼ水平に延びるキャビティへ溶湯を供給する主湯道は大径となる。大径で断面積が大きくなると凝固所要時間が長くなる可能性がある。
そこで、本発明では、不活性ガスで溶湯を撹拌して冷却を促すようにした。
この結果、凝固所要時間を短縮することができ、鋳造に係るサイクルタイムを短縮することができる。

請求項２に係る発明では、不活性ガスは、主湯道に、複数回に分けて注入する。
仮に、一度に多量の不活性ガスを注入すると、溶湯が湯口からあふれ出る可能性がある。この点、本発明では、不活性ガスは、主湯道に、複数回に分けて注入したので、前記不具合を解消でき、多量の不活性ガスを注入することができる。

請求項３に係る発明では、ガス吹き込み工程では、主湯道に対してキャビティが下位になるように、金型を傾斜させて実施する。
仮に、主湯道とキャビティとが高さ方向略同位置であれば、主湯道の構造によっては、主湯道に注入された不活性ガスの移動が妨げられ、不活性ガスが上方に抜け難くなる可能性がある。

この点、本発明では、ガス吹き込み工程において、カスの吹き込みは、主湯道に対してキャビティが下位になるように、金型を傾斜させて実施するので、主湯道内で不活性ガスの移動が妨げられ難くなり、主湯道に注入された不活性ガスが上方に抜け易くなる。不活性ガスが主湯道内に位置する溶湯から抜け易くなるので、溶湯冷却をより効果的に行わせることができる。

本発明に係る金型構造を説明する断面図である。 金型に備えられている固定型の平面図である。 金型に備えられている湯道ブロックの断面図である。 第１押出しピンの構造を説明する図である。 金型に多孔質フィルタをセットし注湯することを説明する作用図である。 湯道にガスを吹き込むことを説明する作用図である。 ガス吹き込み工程の有無による冷却効果を比較するグラフである。 固定型から可動型を離型させることを説明する作用図である。 図６（ａ）の変形図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、鋳造用の金型１０は、固定型プレート１１と、この固定型プレート１１の上面に取付けられる固定型１２と、この固定型１２に対向配置される可動型１３と、この可動型１３と固定型１２との間に形成されるキャビティ１４と、可動型の上面１３ａに取付けられる可動型プレート１５と、可動型プレートの下面１５ｂで、且つ可動型の左面１３ｃに当接して設けられている上湯道ブロック１７と、この上湯道ブロック１７に対向配置され、固定型プレートの上面１１ａに取付けられると共に固定型の左面１２ｃに当接して設けられている下湯道ブロック１８と、この下湯道ブロック１８と上湯道ブロック１７の間に形成され溶湯が通る湯道２０と、を備えている。湯道２０に、溶湯が注がれる入口としての湯口２９が設けられている。

上湯道ブロック１７及び可動型プレート１５には、鉛直方向上下に第１及び第２の押出しピン穴３１、３２が開けられ、これらの押出しピン穴３１、３２に、各々、凝固した鋳物を上湯道ブロック１７の壁から離間させる第１及び第２押出しピン４１、４２が摺動可能に挿入されている。

また、固定型１２及び固定型プレート１１には、鉛直方向上下に第３及び第４の押出しピン穴３３、３４が開けられ、これらの押出しピン穴３３、３４に、各々、凝固した鋳物を固定型側キャビティ８１から離間させる第３及び第４押出しピン４３、４４が摺動可能に挿入されている。

さらに、金型１０に、可動型側キャビティ８２の下方に開放している溝部５１に溜まったガスを外に排出する排出通路５６の構成要素としての排出穴が開けられている。排出穴は、可動型１３及び可動型プレート１５に鉛直方向上下に開けられている第１〜第５の排出穴６１〜６５と、固定型１２及び固定型プレート１１に鉛直方向上下に開けられている第６の排出穴６６とから構成されている。６９は押し湯穴である。固定型１２及び可動型１３には、図示せぬ冷却水通路が設けられている。

次に、固定型を上から見たときの構成について説明する。
図２に示すように、固定型１２は、５つの分割型７１〜７５と、これらの５つの分割型７１〜７５の周囲及び下方に設けられ分割型７１〜７５を支持する固定型ホルダ７６とを備え、分割型７１〜７５及びホルダ部７６に鋳物形成面としての６つの固定型キャビティ８１が形成されている。

固定型の左面１２ｃに当接し連続するように設けられている下湯道ブロック１８に、溶湯が供給される主湯道１９と、この主湯道１９から６つに分岐して６つのキャビティ１４に接続され溶湯を導く第１〜第６の分岐湯道２１〜２６と、が形成されている。

すなわち、主湯道１９から略水平方向に分岐する６本の分岐湯道２１〜２６が設けられ、これらの分岐湯道２１〜２６の先端に略水平にキャビティ１４が延ばされている。
本実施例では、６つのキャビティ１４にて、各々、エンジンのカム軸に供される素材が鋳造される。

なお、鋳造品はカム軸に供される部材に限定されず、長手方向に伸びる軸部と、この軸部に直交配置され鍔状を呈する複数の鍔部とから構成される部材であれば、実施例に限定されることはなく、同様な形状をもつ任意の部材に適用可能である。

図１を併せて参照して、キャビティ１４は、固定側キャビティ８１と、固定側キャビティ８１に対向配置される可動型キャビティ８２と、からなり、略水平に延びている。
本発明では、キャビティ１４が略水平に配置されているので、キャビティが鉛直方向上下に延びている場合に較べると材料組成をより一層均一にすることができる。

下湯道ブロック１８と上湯口ブロック１７との境界部分には、溶湯の通路としての湯道２０が形成され、この湯道２０は、上方に開口する湯口２９と、この湯口２９を上端部として上から下へ延びる主湯道１９と、この主湯道１９からほぼ水平に分岐する６本の分岐湯道２１〜２６と、からなる。これらの分岐湯道２１〜２６の先端に各々キャビティ１４が延ばされている。
主湯道１９の途中に、外から不活性ガスを吹き込むガス吹き込み機構９１が備えられている。

ガス吹き込み機構９１の下部で、且つ主湯道１９を横切る位置には、多孔質フィルタ９０が配置され、この多孔質フィルタ９０の下方位置で、下湯道ブロック１８及び固定型プレート１１には、ガス抜き穴８９が形成されている。

図中、８９は冷却ガスが流れる抜き穴、９０は主湯道１９を横切るように配置され、ガス吹き込み機構を構成する多孔質フィルタである。ガス吹き込み機構の詳細については次図にて説明する。

次に、湯口及びその周辺部の構造について説明する。
図３に示すように、ガス吹き込み機構９１は、第１押出しピン穴３１に連通するように接続される穴や配管等を含む連結手段９５と、この連結手段９５に接続されるソレノイドバルブ９６と、このソレノイドバルブ９６に接続されるスロットルアンドチェックバルブ９７と、このスロットルアンドチェックバルブ９７に接続されるリリーフバルブ９８（レギュレータ９８）と、このレギュレータ９８に接続されるストップバルブ９９と、を主要な構成要素とする。第１押出しピン穴３１に、第１押出しピン４１が摺動可能に設けられている。この第１押出しピン４１の詳細な構造について次図で説明する。１１１はピンライザである。

図４（ａ）に示すように、第１押出しピン４１は、ピンライザ１１１に取付けられている鍔部１０１と、鍔部１０１から下方に延びているピン部１０２とからなり、ピン部１０２の下部に面取り部１０３が形成されている。

図４（ｂ）に、図４（ａ）の４（ｂ）−４（ｂ）線断面図が示されている。
断面円形状を有するピン部１０２に、４つの面取り部１０３が形成されている。これらの４つの面取り部１０３と第１押出しピン穴３１の間に形成される４つの隙間１０５に不活性ガスが供給される。これらの隙間１０５から不活性ガスを主湯道１９へ供給させることができる。すなわち、第１押出しピン穴３１は、第１押出しピン４１をガイドする機能と不活性ガスを主湯道１９へ供給する機能を兼ね備えている。

以下、図５〜図７では、鋳造に係る一連の作用（鋳造の１サイクル）を説明する。
図５（ａ）に示されるように、先ず、固定型（図１、符号１２）から可動型（図１、符号１３）を離間させた状態で、図矢印ａ１の如く、下湯道ブロック１８に多孔質フィルタ９０を配置する。そして、図矢印ａ２の如く、可動型（図１、符号１３）と一体化されている上湯道ブロック１７を下降させ型締めを行う。

図５（ｂ）に示されるように、金型１０を、図矢印ｂ１の如く、水平面から反時計回りに角度θだけ傾け、この傾けた姿勢のまま、図矢印ｂ２の如く、湯口２９から主湯道１９、分岐湯道（図２、符号２１〜２６）、キャビティ（図２、符号１４）の順で注湯する（注湯工程）。
なお、本実施例では、θは約１０°に設定されているが、この角度に限定されることはなく、溶湯がこぼれない範囲で任意の角度に設定可能なものとする。

図６（ａ）に示されるように、キャビティ１４に充満させた溶湯が凝固した後に、図矢印ａの如く、第１押出しピン穴３１を介して不活性ガスを主湯道１９内へ吹き込み、この不活性ガスを主湯道１９の湯口２９から外へ排出させる（ガス吹き込み工程）。
このとき、不活性ガスは、多孔質フィルタ９０を通過し、ガス抜き穴８９から図矢印ｍ１の如く下方に抜け、一部は、主湯道１９に沿って図矢印ｍ２の如く湯口２９から上方に抜ける。

すなわち、ガス吹き込み工程で主湯道１９内の溶湯の冷却を促すことで、離型までの時間を短縮する。ガス吹き込み工程において、ガスの吹き込みは、２回に分けて実施する。
なお、本実施例では、不活性ガスに、窒素が利用されているが、窒素に限定されることはなく、アルゴン、ヘリウム等の他の不活性ガスを利用することは差し支えない。

図６（ｂ）に示されるように、ガス吹き込み工程で所定量のガスが吹き込まれた後、ソレノイドバルブ（図３、符号９６）を切り替え、ガスの供給を遮断する一方、ガス吹き込み機構９１を開放し、図矢印ｂの如く第１押出しピン穴３１と第１押出しピン４１との間に形成した隙間（図４、符号１０５）から連結手段９５を介して主湯道１９に溜まったガスを外へ流す。併せて、図矢印ｍ３の如く主湯道１９からガスを外に流す。

図７には、多孔質フィルタ９０の近傍での温度が示されており、ガス吹き込み工程の有無による冷却作用について比較した例を説明する。
グラフ（１）は、ガス吹き込み工程が備えられていない場合の温度であり、グラフ（２）は、ガス吹き込み工程が備えられている場合の温度である。キャビティに充満させた溶湯が凝固した後、１４秒経過後で比較した。

グラフ（２）において、１回の噴射時間は０．７秒、１回の噴射量は２．４Ｌ程度、噴射回数は２回噴射したときの温度が示されており、グラフ（１）に較べ、主湯道１９の温度を顕著に下げる作用が認められる。なお、不活性ガスの噴射時間を延ばし一度に噴射すると、湯道から外へ溶湯が噴出する可能性があるため噴射回数は、複数回とした。
なお、噴射回数や噴射１回あたりの噴射量は、実施例の条件に限定されることなく任意に設定可能なものとする。

図８に示すように、第１及び第２の押出しピン４１、４２を図矢印（１）方向に押出し
鋳造品を上湯道ブロック１７の壁から離間させながら、可動型（図１、符号１３）を図矢印（２）方向に上昇させ固定型１２から可動型１３を離間させる。そして、鋳造品Ｗを取り出す。このとき、固定型１２側に設けられている第３〜第４押出しピン（図１、符号４３、４４）を押出すことで、キャビティ１４から鋳造品Ｗを容易に取り外すことが可能になる。キャビティ１４から鋳造品Ｗを取り出すことにより、鋳造の１サイクルが完了する。

本発明の鋳造方法の作用説明を次に述べる。
図６（ａ）に戻って、金型１０を用いて実施する鋳造方法において、ほぼ水平に延びているキャビティ（図１、符号１４）に溶湯を充満させ、この溶湯が凝固した後に、不活性ガスを主湯道内へ吹き込んで、溶湯を撹拌し、用済みの不活性ガスを主湯道１９の湯口２９から外へ排出させるガス吹き込み工程が備えられている。

ほぼ水平に延びるキャビティ１４へ溶湯を供給する主湯道は大径となる。大径で断面積が大きくなると凝固所要時間が長くなる可能性がある。
そこで、本発明では、不活性ガスで溶湯を撹拌して冷却を促すようにした。
この結果、凝固所要時間を短縮することができ、鋳造に係るサイクルタイムを短縮することができる。

また、不活性ガスは、不活性ガスは、主湯道１９に、複数回に分けて注入される。
仮に、一度に多量の不活性ガスを注入すると、溶湯が湯口２９からあふれ出る可能性がある。この点、本発明では、不活性ガスは、主湯道１９に、複数回に分けて注入したので、前記不具合を解消でき、多量の不活性ガスを注入することができる。
また、不活性ガスを複数化に分けて注入すると、一度に注入する場合に較べて、不活性ガスが溶湯に接触する時間及び表面積を大きくとることができる。不活性ガスと溶湯との時間及び接触面積が大きくなるので、主湯道１９に残留した溶湯の冷却効果を高めることが可能になる。溶湯の冷却効果が高まれば、離型までの時間が短縮されるので、鋳造に係るサイクルタイムが一層短縮される。
なお、本実施例では、不活性ガスは、２回に分けて注入されているが、３回以上の任意の回数にすることは差し支えない。

次に、ガス吹き込み工程の一部を変更し、ガス吹き込み時に、主湯道がキャビティよりも上位となるように金型を傾斜させた変形例について説明する。
図９には、図５（ａ）の変形例が示されており、ガス吹き込み工程では、主湯道１９に対してキャビティ１４が下位になるように、金型１０を傾斜させて実施する。
仮に、主湯道とキャビティとが高さ方向略同位置であれば、主湯道の構造によっては、主湯道に注入された不活性ガスの移動が妨げられ、上方に抜け難くなる可能性がある。

この点、本発明では、ガス吹き込み工程では、主湯道１９に対してキャビティ１４が下位になるように、金型１０を傾斜させて実施するので、不活性ガスの移動が妨げられる心配はなく、主湯道１９に注入された不活性ガスが上方に抜け易くなる。不活性ガスが主湯道１９内に残留した溶湯から抜け易くなるので、溶湯の冷却をより効果的に行わせることができる。

以上、説明したように、湯道に残留する溶湯の中心部は、不活性ガスを吹き込むことで冷却され、溶湯の周囲は上湯道ブロック及び下湯道ブロックにて冷却される。
なお、図６（ａ）と図９に示されているように、不活性ガスの吹き込み中や不活性ガスの開放中に、金型１０の姿勢を左右に揺動させ溶湯の冷却を促進させるようにしても良い。

尚、本発明は、実施の形態では重力鋳造（ＧＤＣ）用金型に適用したが、低圧鋳造（ＬＰＤＣ）用金型にも適用可能であり、その他の鋳造用金型に適用することは差し支えない。
分岐湯道の数及びこの分岐湯道の先端に延ばされているキャビティの数は、実施例の６本の他、２本、３本、４本、５本、７本、８本等任意の数に設定可能である。

本発明は、クランク軸の鋳造に用いられる金型に好適である。

１０…金型、１４…キャビティ、１９…主湯道、２１…第１分岐湯道、２２…第２分岐湯道、２３…第３分岐湯道、２４…第４分岐湯道、２５…第５分岐湯道、２６…第６分岐湯道、２９…主湯道の湯口。

Claims (3)

1. 上から下へ延びる主湯道と、この主湯道からほぼ水平に分岐する複数本の分岐湯道と、この分岐湯道の先端に配置されほぼ水平に延びるキャビティと、前記主湯道の途中に外から不活性ガスを吹き込むガス吹き込み機構と、が備えられている金型を用いて実施する鋳造方法において、
   前記主湯道、前記分岐湯道、前記キャビティの順で注湯する注湯工程と、
   前記キャビティに充満させた前記溶湯が凝固した後に、前記不活性ガスを前記主湯道内へ吹き込みこの不活性ガスを前記主湯道の湯口から外へ排出させるガス吹き込み工程と、からなり、
   このガス吹き込み工程で前記主湯道内の溶湯の冷却を促すことで、離型までの時間を短縮することを特徴とする鋳造方法。
2. 前記ガス吹き込み工程は、複数回に分けて実施することを特徴とする請求項１記載の鋳造方法。
3. 前記ガス吹き込み工程では、前記主湯道に対して前記キャビティが下位になるように、前記金型を傾斜させて実施することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鋳造方法。

Images