JP2012192418A - 棒状砂中子を用いる鋳造方法及び棒状砂中子の変形防止具 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造の中空の棒状砂中子を用いて精度のよい鋳造を行うことができる鋳造方法及びこれに用いられる棒状砂中子の変形防止具を提供する。
【解決手段】中空構造の棒状砂中子１４を金型１２の中に設置して金型１２及び棒状砂中子１４で形成される空間に溶湯１６を注湯する棒状砂中子を用いる鋳造方法であって、棒状砂中子１４の中に棒状の変形防止具１８を挿入してから金型１２及び棒状砂中子１４で形成される空間に溶湯１６を注湯するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は金型内に棒状砂中子を設置して金型及び棒状砂中子で形成される空間に溶湯を注湯する鋳造方法及び棒状砂中子の変形防止具に関する。

従来、例えば筒状の部品のような中空構造の部品を鋳造するために棒状砂中子が用いられている。金型及び棒状砂中子で形成される空間に溶湯を注湯し、溶湯が凝固した後に棒状砂中子を振動等により破壊して除去することにより中空構造の鋳造部品が得られる。砂中子は一般的に外皮部分だけが製品の造形に寄与するので中空構造とすることができ、又、中空構造とすることで砂中子の材料の量を抑制できる。又、中空構造の砂中子の方が中実構造の砂中子よりも砂中子を構成する材料の量が少ないので鋳巣等の欠陥の原因となるガスの発生も少ない。更に、中空構造の砂中子の方が中実構造の砂中子よりも溶湯が凝固した後の砂中子の破壊、除去が容易である。このような理由により棒状砂中子についても中空構造であることが好ましいと考えられる。

一方、棒状砂中子は溶湯中に浸されることにより生じる浮力や溶湯からの伝熱によって変形することがあり、中空の棒状砂中子は中実構造の棒状砂中子よりも変形しやすいという事情がある。棒状砂中子が変形すると鋳造製品はそれだけ本来の形状から外れた形状に成形されることになる。例えばパワーステアリングのシリンダチューブのような長尺の筒状の鋳造部品の場合、鋳造製品に偏心した孔が形成され、偏肉（肉厚のばらつき）が生じることがある。これにより製品の歩留まりが低下するという問題がある。

これに対し、円筒状の金属やセラミックの芯材の周りに砂材が一体で成形された（砂材が芯材で補強された）中空構造の棒状砂中子が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。又、リベット状の冷やし金が埋め込まれた中実構造の棒状砂中子を用い、先端付近の溶湯の冷却を促進すると共に、棒状砂中子の先端付近に溶湯が回り込みやすくなるようにする手法が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６０−７６２４９号公報 特開平５−５７３９４号公報 特開２００２−３６１３６６号公報

しかしながら、砂材に加えて金属やセラミックの芯材又は冷やし金も備える構造の棒状砂中子はコスト増加の要因となりうる。又、棒状砂中子の外周面の形状は必ずしも単純な円筒面ではなく、鋳造製品よっては例えば内周面が段付き形状のものもあり、これに対応して外周面が段付き軸のような形状の棒状砂中子が要求される場合がある。円筒状の芯材の周りに砂材を一体で成形してこのような段付き形状の棒状砂中子を作成する場合、細い部分よりも太い部分の肉厚が厚くなり、中空構造とすることによって砂材の量を抑制する効果が減殺される。又、細い部分は太い部分よりも変形しやすいが、細い部分の方が太い部分よりも肉厚が薄くなり構造上アンバランスである。尚、芯材や冷やし金を用いずに砂材だけを用い、棒状砂中子の細い部分を補強するために細い部分だけを中実構造とすることも考えられるが、細い部分を中実としても砂材だけでは細い部分の変形を充分に抑制できないことがあった。又、細い部分を中実とすると溶湯が凝固した後に中実の細い部分を破壊、除去することが困難であった。又、中実部分はそれだけ砂材を結合するレジン等の含有量も多いため多くのガスが発生しやすく、対応する鋳造製品の鋳肌に鋳巣等の欠陥が発生しやすいという問題があった。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであって、簡単な構造の中空の棒状砂中子を用いて精度のよい鋳造を行うことができる鋳造方法及びこれに用いられる棒状砂中子の変形防止具を提供することを課題とする。

本発明は、中空構造の棒状砂中子を金型の中に設置して金型及び棒状砂中子で形成される空間に溶湯を注湯する棒状砂中子を用いる鋳造方法であって、棒状砂中子の中に棒状の変形防止具を挿入してから金型及び棒状砂中子で形成される空間に溶湯を注湯するようにしたことにより上記課題を解決したものである。

このように棒状砂中子の中に変形防止具を挿入することにより棒状砂中子の重量を増加したような効果が得られる。従って、溶湯中で生じる浮力による棒状砂中子の変形を抑制できる。

尚、変形防止具として棒状砂中子の内周面の少なくとも一部に密着する棒状部材を棒状砂中子の中に挿入するとよい。このように変形防止具が棒状砂中子の内周面に密着することで、棒状砂中子の剛性を高めたような効果も得られる。従って、棒状砂中子の変形を抑制する効果を更に高めることができる。

又、棒状砂中子は段付き形状で最も細い部分も中空構造であり、変形防止具として棒状砂中子における最も細い部分の内周面に密着する棒状部材を棒状砂中子の中に挿入してもよい。このように段付き形状の棒状砂中子において変形が生じやすい最も細い部分の内周面に密着する変形防止具を棒状砂中子の中に挿入することにより、段付き形状の棒状砂中子の変形を効果的に抑制できる。

又、本発明は、棒状部材であり、中空構造の棒状砂中子への挿入及び棒状砂中子からの抜出しが自在である棒状砂中子の変形防止具により上記課題を解決したものである。

本発明によれば、簡単な構造の中空の棒状砂中子を用いて精度のよい鋳造を行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る棒状砂中子を用いる鋳造方法を模式的に示す断面図を含む側面図 同鋳造方法で用いられる棒状砂中子の変形防止具の形状を示す斜視図 同鋳造方法の流れを示すフローチャート 本発明の第２実施形態に係る棒状砂中子を用いる鋳造方法を模式的に示す断面図を含む側面図

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。図１に示されるように、本発明の第１実施形態は、鋳造機１０の金型１２の中に棒状砂中子１４を設置して金型１２及び棒状砂中子１４で形成される空間に溶湯１６を注湯する鋳造方法に関し、棒状砂中子１４の中に図１及び図２に示されるような棒状の変形防止具１８を挿入してから溶湯１６を注湯することを特徴としている。これ以外については従来の棒状砂中子を用いる鋳造方法と同じ又は類似しており本第1実施形態の理解のために重要とは思われないため説明を適宜省略する。

金型１２は、可動型２０と固定型２２とを有し、可動型２０及び固定型２２は型締めされた状態で棒状砂中子１４をその一方の端部が露出するように挟んで保持するようになっている。尚、棒状砂中子１４の他方の端部は可動型２０及び固定型２２内に埋め込まれるように収容され露出しない。又、固定型２２には溶湯を注湯するための湯溜り２２Ａが設けられている。尚、図１では便宜上、固定型２２における湯溜り２２Ａと連通する孔を棒状砂中子１４の露出する側の端部の下端に隣接して描いているが、棒状砂中子１４の露出する側の端部は固定型２２におけるこの孔以外の部分と接している。これら可動型２０、固定型２２及び棒状砂中子１４は筒状の空間を形成するようになっている。鋳造機１０は傾斜式重力鋳造機であり、水平方向に平行で、且つ、この筒状の空間の中心軸に対して垂直な回転中心軸２４Ａの周りに可動型２０及び固定型２２を回転させるための傾斜機構２４を備えており、筒状の空間は水平な状態から任意の傾斜角に傾斜する姿勢に姿勢が変化可能である。又、鋳造機１０は可動型２０及び固定型２２を型締めするための図示しない型締め機構を備えている。

棒状砂中子１４は、小径部１４Ａ、中径部１４Ｂ及び大径部１４Ｃがこの順で長手方向に並んだ段付き形状であり、大径部１４Ｃの側の端部に開口部１４Ｄを有する中空構造である。棒状砂中子１４は小径部（最も細い部分）１４Ａも中空構造である。尚、小径部１４Ａの側の端部は閉塞されており開口部は存在しない。又、棒状砂中子１４は内周面も段付き形状であり、小径部１４Ａの内径よりも中径部１４Ｂの内径が大きく、中径部１４Ｂの内径よりも大径部１４Ｃの内径が大きい。棒状砂中子１４の材料は例えば、珪砂等の砂材と砂材を結合するための熱硬化性樹脂との混合物である。

変形防止具１８は、棒状砂中子１４の中空部への挿入及び棒状砂中子１４の中空部からの抜出しが自在である棒状部材である。より詳細には、変形防止具１８は、外径が棒状砂中子１４の小径部１４Ａの内径とほぼ等しい丸棒状の部材であり、小径部１４Ａの内周面に密着可能である。変形防止具１８の長さは棒状砂中子１４の中空部分の長さよりも若干長い。又、変形防止具１８の先端の全部又は一部は長手方向に対して斜めにカットされたような傾斜面となっている。図２は変形防止具１８の先端の全部が斜めにカットされた例を示している。変形防止具１８の材料は、例えば機械構造用炭素鋼材等の鉄系材料や銅系材料のような金属材料である。

次に、図３のフローチャートに沿って変形防止具１８を用いる鋳造方法について説明する。まず、一方の端部に開口部１４Ｄを有する中空構造の棒状砂中子１４を用意する（Ｓ１０２：棒状砂中子用意工程）。棒状砂中子１４は例えばシェルモールド法により作製することができる。具体的には、棒状砂中子１４の外周面に対応する内周面を有する金型の中に珪砂等の砂材と熱硬化性樹脂との混合物を充填して加熱する。金型に充填された砂材と熱硬化性樹脂との混合物は金型に接する外周面から硬化し始める。加熱温度や加熱時間を調整することにより硬化される部分の厚さを調整できる。棒状砂中子１４の中空部分が硬化しないように加熱温度や加熱時間を調整する。その後、所定の厚さの部分が硬化した砂材と熱硬化性樹脂との混合物を金型から取り出し、内側の硬化していない部分を開口部１４Ｄから外側に排出し除去する。尚、除去された砂材と熱硬化性樹脂との混合物は後続の他の棒状砂中子１４の材料として再利用できる。

次に、棒状砂中子１４を金型１２の中に開口部１４Ｄが金型１２から露出するように設置する（Ｓ１０４：棒状砂中子設置工程）。具体的には、可動型２０と固定型２２とで棒状砂中子１４をその開口部１４Ｄの側の端部が露出するように挟んで、可動型２０及び固定型２２を型締めする。尚、可動型２０、固定型２２及び棒状砂中子１４で形成される筒状の空間は水平な状態にしておく。

次に、棒状砂中子１４の中に開口部１４Ｄから変形防止具１８を挿入する（Ｓ１０６：変形防止具設置工程）。この際、小径部１４Ａの内周面に密着するように棒状砂中子１４の中に変形防止具１８を挿入する。棒状砂中子１４の内周面及びその近傍の部分は硬化の度合いが低く比較的脆いので、小径部１４Ａの内周面の内径が変形防止具１８の外径よりも若干小さい場合でも、変形防止具１８をねじ込むように回転させながら挿入することで小径部１４Ａの内周面やその近傍の部分は容易に削りとられ変形防止具１８が小径部１４Ａの内周面に密着する。尚、変形防止具１８は棒状砂中子１４に同心的に設置されることが好ましいが、中径部１４Ｂ及び大径部１４Ｃには密着しないので中径部１４Ｂや大径部１４Ｃの中心に対して偏心して設置されることもある。このように偏心する場合、左右（水平方向）の偏心をできるだけ抑制し下方にのみ偏心するように棒状砂中子１４の中に変形防止具１８を挿入することが好ましい。

次に、金型１２及び棒状砂中子１４で形成される空間に溶湯１６を注湯する（Ｓ１０８：注湯工程）。具体的には、湯溜り２２Ａの中に溶湯１６を注入し傾斜機構２４で金型１２を少しずつ傾斜させる。これにより、溶湯１６は湯溜り２２Ａから金型１２内に注湯され、金型１２及び棒状砂中子１４で形成される空間内に溶湯１６が小径部１４Ａの側から充填される。尚、溶湯１６は例えばアルミニウム又はアルミニウム合金である。棒状砂中子１４が溶湯１６中に浸されることによって棒状砂中子１４には浮力が生じる。又、棒状砂中子１４は溶湯１６からの伝熱で加熱される。このような浮力や加熱は棒状砂中子１４の変形の要因となる。より詳細には、棒状砂中子１４が浮力によって上側に向かって反るような変形の要因となる。一方、棒状砂中子１４の中には変形防止具１８が挿入されているので棒状砂中子１４の重量を増加したような効果が得られる。従って、溶湯１６の浮力による棒状砂中子１４の変形が抑制される。更に、段付き形状の棒状砂中子１４において変形が生じやすい小径部（最も細い部分）１４Ａの内周面に変形防止具１８が密着しているので、小径部１４Ａの剛性を高めたような効果も得られ段付き形状の棒状砂中子１４の変形が効果的に抑制される。

溶湯１６が凝固したら可動型２０を固定型２２から離間させて鋳造製品を取り出し、コアノックマシン等により振動を付与して鋳造製品の中空部に残存する棒状砂中子１４を破壊し、更に破壊された棒状砂中子１４を鋳造製品の中空部から除去する（Ｓ１１０：中子除去工程）。棒状砂中子１４は小径部（最も細い部分）１４Ａも中空構造であるので棒状砂中子１４の破壊及び除去が容易である。これにより筒状の鋳造製品が完成する。以後、所望の個数の鋳造製品を得るまで上記と同様の工程を繰り返す。変形防止具１８は他の製品の鋳造に再利用できる。

このように棒状砂中子１４の中に変形防止具１８を挿入してから溶湯１６を注湯するので棒状砂中子１４の変形を抑制でき、簡単な構造の中空の棒状砂中子１４を用いて精度のよい鋳造を行うことができる。

又、変形防止具１８は熱伝導率が高い金属材料であるので、溶湯１６の冷却を促進する効果が得られ生産効率の向上に寄与する。

又、変形防止具１８は構造が簡単な棒状部材であると共に、棒状砂中子１４と一体不可分の部材ではなく棒状砂中子１４への挿入及び棒状砂中子１４からの抜出しが自在であり、他の製品の鋳造に再利用できるので低コストである。

尚、本第１実施形態において、棒状砂中子１４は、小径部１４Ａ、中径部１４Ｂ及び大径部１４Ｃがこの順で長手方向に並んだ３段の段付き形状であるが、中径部、小径部及び大径部がこの順で長手方向に並んだ３段の段付き形状や大径部、小径部及び大径部がこの順で長手方向に並んだ３段の段付き形状の棒状砂中子を用いる鋳造にも本第１実施形態を適用可能である。又、２段の段付き形状や４段以上の段付き形状の棒状砂中子を用いる鋳造にも本第１実施形態を適用可能である。これらの場合も、棒状砂中子における最も細い部分の内周面に密着する変形防止具を棒状砂中子の中に挿入することが好ましい。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。前記第１実施形態の棒状砂中子１４は段付き形状であるのに対し、図４に示されるように本第２実施形態の棒状砂中子３０は単純な円筒形状であることを特徴としている。又、変形防止具設置工程（Ｓ１０６）において変形防止具１８は棒状砂中子３０の内周面のほぼ全部に密着するように挿入される。これら以外は前記第１実施形態と同じ又は類似しているので同じ又は類似しているものについては前記図１と同一符号を用いることとして説明を省略する。

このように、棒状砂中子３０が単純な円筒形状である場合も、棒状砂中子３０の中に変形防止具１８を挿入してから溶湯１６を注湯することにより棒状砂中子３０の変形が抑制される。従って、簡単な構造の中空の棒状砂中子３０を用いて精度のよい鋳造を行うことができる。又、溶湯１６の冷却を促進する効果も得られる。

尚、前記第１及び第２実施形態において、変形防止具設置工程（Ｓ１０６）は棒状砂中子設置工程（Ｓ１０４）と注湯工程（Ｓ１０８）との間で実行されているが、棒状砂中子設置工程の前に変形防止具設置工程を実行し、変形防止具を挿入済みの棒状砂中子を棒状砂中子設置工程において金型の中に設置してもよい。又、棒状砂中子設置工程において棒状砂中子の中に変形防止具を挿入しながら棒状砂中子を金型の中に設置してもよい。

又、前記第１及び第２実施形態において、変形防止具設置工程（Ｓ１０６）において変形防止具１８は棒状砂中子１４又は３０の内周面の少なくとも一部に密着するように棒状砂中子１４又は３０の中に挿入されるが、外径が棒状砂中子の中空部分の最も細い部分の内径よりも小さく変形防止具の内周面に密着しない変形防止具を用いてもよい。この場合も、棒状砂中子の中に変形防止具が挿入されることで棒状砂中子の重量を増加したような効果は得られるので、溶湯の浮力による棒状砂中子の変形を抑制できる。又、変形防止具は例えば断面が四角形や六角形の角棒のような丸棒以外の棒状部材であってもよい。

又、前記第１及び第２実施形態において、変形防止具１８の材料として鉄系材料や銅系材料が例示されているが、これら以外の金属材料やセラミック等の非金属材料の棒状部材を用いてもよい。尚、溶湯の冷却を促進するためには、変形防止具の材料は熱伝導率が高い材料であることが好ましい。

又、前記第１及び第２実施形態において、棒状砂中子用意工程（Ｓ１０２）においてシェルモールド法により中空構造の棒状砂中子を作製する例が示されているが、例えば炭酸ガス法により中空構造の棒状砂中子を作製してもよい。この場合、棒状砂中子の材料として砂材と砂材を結合するための水ガラスとの混合物を用いればよい。

又、前記第１及び第２実施形態において、溶湯１６としてアルミニウム又はアルミニウム合金が例示されているが、鉄等の他の金属の鋳造にも本発明は適用可能である。

又、前記第１及び第２実施形態において、筒状の製品を鋳造する例が示されているが、棒状砂中子を用いる鋳造であれば筒状以外の形状の中空構造の製品の鋳造にも本発明は適用可能である。

又、前記第１及び第２実施形態において、鋳造機１０は傾斜式重力鋳造機であるが、他のタイプの鋳造機を用いる鋳造にも本発明は適用可能である。尚、傾斜式重力鋳造機を用いる場合のように棒状砂中子が常時又は一時的に水平な状態又は傾斜した状態で溶湯中に浸される場合、溶湯中で棒状砂中子には上側に向かって反るような浮力が作用するのでこのような場合に本発明は特に有効である。一方、棒状砂中子が常時垂直な状態で溶湯中に浸される鋳造でも、溶湯からの伝熱による加熱が棒状砂中子を変形させる要因となりうる。従って、このような場合も棒状の変形防止具を棒状砂中子の内周面の少なくとも一部に密着するように棒状砂中子の中に挿入することで変形を抑制する効果が得られる。

本発明は、例えば自動車、家電製品、各種設備で用いられる中空構造の鋳造製品の鋳造に利用できる。

１０…鋳造機
１２…金型
１４、３０…棒状砂中子
１４Ａ…小径部
１４Ｂ…中径部
１４Ｃ…大径部
１６…溶湯
１８…変形防止具（棒状部材）
２０…可動型
２２…固定型
２２Ａ…湯溜り
２４…傾斜機構
Ｓ１０２…棒状砂中子用意工程
Ｓ１０４…棒状砂中子設置工程
Ｓ１０６…変形防止具設置工程
Ｓ１０８…注湯工程
Ｓ１１０…中子除去工程

Claims (4)

1. 中空構造の棒状砂中子を金型の中に設置して前記金型及び前記棒状砂中子で形成される空間に溶湯を注湯する棒状砂中子を用いる鋳造方法であって、
   前記棒状砂中子の中に棒状の変形防止具を挿入してから前記金型及び前記棒状砂中子で形成される空間に溶湯を注湯するようにしたことを特徴とする棒状砂中子を用いる鋳造方法。
2. 請求項１において、
   前記変形防止具として前記棒状砂中子の内周面の少なくとも一部に密着する棒状部材を前記棒状砂中子の中に挿入することを特徴とする棒状砂中子を用いる鋳造方法。
3. 請求項１において、
   前記棒状砂中子は段付き形状で最も細い部分も中空構造であり、
   前記変形防止具として前記棒状砂中子における前記最も細い部分の内周面に密着する棒状部材を前記棒状砂中子の中に挿入することを特徴とする棒状砂中子を用いる鋳造方法。
4. 棒状部材であり、中空構造の棒状砂中子への挿入及び前記棒状砂中子からの抜出しが自在であることを特徴とする棒状砂中子の変形防止具。

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