JP2013233587A - 鋳造用の複合模型及び鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 合成樹脂の成形し易さを活かしつつ、複雑な形状としても鋳物に接合痕が出来難い、高信頼性の鋳物を製造するための、鋳造用の複合模型を提供する。
【解決手段】 鋳造用の複合模型１は、熱可塑性樹脂やワックス等からなる熱溶融消失体２と、セラミックス焼結体３とが、一体的に形成されてなり、前記セラミックス焼結体３の所定の外壁面３１が、鋳物の内壁面のうちのアンダーカット部分と対応する位置に配されている。そして、前記セラミックス焼結体３は、熱衝撃や振動等の外力によって崩壊する性質を有している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、鋳造用の複合模型と、当該鋳造用の複合模型を用いた鋳造方法に関する。

鋳造は、自動車、航空機、産業機械等に用いられる機械部品や、水道バルブ、油圧バルブ等のボディや、配管部品等、多くの機械部品や構造部品に用いられている。鋳造は、シームレスで一体成型できるなどの特徴がある。主な鋳造方法としては、ロストフォーム法（フルモールド法）やロストワックス法（インベストメント法）、遠心鋳造法等が挙げられる。

鋳造用の型としては、砂型が一般に知られているが、例えば特許文献１記載のように、セラミックス焼成体からなる崩壊性鋳型を用いる場合もある。

鋳造用の消失模型としては、発泡ポリスチレン樹脂などの発泡性合成樹脂を成形した消失模型が一般に知られており、例えば特許文献２記載のように、接着剤や両面接着テープ等を用いて、複数の管状体を互いに接合して消失模型を作製する。

特開平７−２２７６４４号公報 特開２００５−１９９３２４号公報

しかしながら、既知の鋳造においては、依然として未解決の問題が多々ある。特許文献１記載の方法のような、セラミックス焼結体を鋳型とする方法は、複雑な形状の鋳型を作製することが難しく、また、鋳型の材料コストが高くなる。特許文献２記載の方法のような、発泡性合成樹脂を消失模型とする方法は、複数の構成部材を接合することで複雑な形状とすることが容易であり、材料コストもあまりかからないが、その反面、複数の構成部材同士の接合面の接合が十分でないことがある。つまり、接着剤や両面接着テープ等を用いて、複数の構成部材を互いに接合すると、接着剤の量が少ない場合や、両面テープの強度不足等に起因して、接合面に隙間が出来ることがあり、この隙間によって、前記接合位置と対応する鋳物の位置に繋ぎ目（接合痕）が出来てしまう。そして、前記接合痕ができると、鋳物の強度が低下し、亀裂が入る虞がある。一方で、接着剤の量が多くなると、鋳物の外観が損なわれてしまうが、前記接合面の隙間の有無は目視判断し難く管理し難い。特に、各種バルブや配管部品では、高圧力に耐えられる信頼性の高い鋳物部品が必要とされる。また、各種バルブや配管部品等では、その構造上、鋳物の内側にアンダーカット（溝部）や凹凸形状等を設けることがあるが、アンダーカットや凹凸形状があると鋳物が型抜きし難くなる。

このような実情に鑑みて、本発明の目的は、合成樹脂の成形し易さを活かしつつ、複雑な形状としても鋳物に接合痕が出来難い、高信頼性の鋳物を製造するための、鋳造用の複合模型と、当該複合模型を用いて鋳造する鋳造方法を提供するものである。

本発明の鋳造用の複合模型は、熱可塑性樹脂やワックス等からなる熱溶融消失体と、セラミックス焼結体とが、一体的に形成されてなり、前記セラミックス焼結体の所定の面が前記熱溶融消失体の内壁面と合わさっていることを特徴とする。

本発明によれば、熱可塑性樹脂やワックス等からなる熱溶融消失体と、セラミックス焼結体とが、一体的に形成されてなり、前記セラミックス焼結体の所定の面が前記熱溶融消失体の内壁面と合わさっている構成の複合模型とすることで、接着剤や両面接着テープ等を用いて貼り合わせた構造とは異なり、鋳物に繋ぎ目（接合痕）が生じることがなく、均質で高品質の鋳物を再現性良く製造することができる。

前記熱溶融消失体は、熱可塑性樹脂やワックス等からなり、熱可塑性樹脂としては、例えば、発泡ポリスチレン樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等が挙げられ、また、ワックスとしては、例えば、パラフィン、蜜蝋、カルナウバ蝋や、これらを配合したもの等が挙げられる。
前記熱溶融消失体は、樹脂成形金型、プレス金型、レーザ加工、切断加工、押し出し加工等により、所望の形状に成形されたものである。

前記セラミックス焼結体は、高温での熱処理によって焼き固めた焼結体を指しており、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア、カルシア、マグネシア、イットリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ムライト等が挙げられる。
前記セラミックス焼結体は、プレス金型、切断加工、押し出し加工等により、所望の形状に成形されたものである。

前記熱溶融消失体と、前記セラミックス焼結体とは、インサート成形、同時成形、嵌め合い、接着、溶着等により一体的に形成される。
インサート成形としては、例えば、成形されたセラミックス焼結体を金型内に挿入配置して、樹脂モールドすることで熱溶融消失体を成形することで、熱溶融消失体とセラミックス焼結体とを一体成形する。
同時成形としては、例えば、同一の金型内で、セラミックス焼結体を成形し、次に、熱溶融消失体を成形することで、熱溶融消失体とセラミックス焼結体とを一体成形する。
嵌め合いとしては、例えば、成形されたセラミックス焼結体の突起部（凸部）と、当該突起部に対応させて同じサイズか若干サイズの小さな熱溶融消失体の窪み部（凹部）とを填め合わせることで、熱溶融消失体とセラミックス焼結体とを一体成形する。
接着としては、例えば、接着剤、粘着剤、接着テープ、粘着テープ等を用いて、熱溶融消失体とセラミックス焼結体とを接合し一体的に形成する。
溶着としては、例えば、溶剤液などにより化学的に熱溶融消失体の一部を溶かすか、加熱することで熱溶融消失体の一部を溶かす方法であり、熱溶融消失体とセラミックス焼結体との境界面の熱溶融消失体を溶かしてセラミックス焼結体に固着させることで、熱溶融消失体とセラミックス焼結体とを一体成形する。

本発明は、前記セラミックス焼結体が、熱衝撃や振動等の外力によって崩壊する性質を有することを特徴とする。

本発明によれば、前記セラミックス焼結体が、熱衝撃や振動等の外力によって崩壊する性質を有することで、鋳造後に、前記セラミックス焼結体を取り除くことが容易な構成となる。前記熱衝撃や振動等の外力としては、例えば鋳造における溶湯の凝固収縮力、凝固後の収縮力、鋳造後の冷熱衝撃力、鋳造後の振動や衝撃等の外力などが挙げられる。これらは、いずれも鋳物製品にダメージを加えない範囲内の外力である。
崩壊性セラミック焼結体としては、例えば、ジルコニア、チタニア、カルシア、マグネシア、イットリア等が挙げられる。また、本発明によれば、注湯に耐え得る最小厚みのセラミックシェル構造とすることも容易である。

本発明は、前記セラミックス焼結体の所定の面が、鋳物の内壁面と対応する位置に配されていることを特徴とする。

本発明によれば、前記セラミックス焼結体の所定の面が、鋳物の内壁面と対応する位置に配されていることで、鋳物の内壁面に繋ぎ目（接合痕）が生じることがなく、各種バルブや配管部品など、高圧力に耐えられる信頼性の高い鋳物部品となる。

本発明は、前記セラミックス焼結体の所定の面が、鋳物の内壁面のうちのアンダーカット部分と対応する位置に配されていることを特徴とする。

本発明によれば、前記セラミックス焼結体の所定の面が、鋳物の内壁面のうちのアンダーカット部分と対応する位置に配されていることで、その内側にアンダーカット（溝部）を備えた鋳物についても、型抜きすることが容易である。

本発明の鋳造方法は、熱可塑性樹脂やワックス等からなる熱溶融消失体と、セラミックス焼結体とが、一体的に形成されてなり、前記セラミックス焼結体の所定の面が前記熱溶融消失体の内壁面と合わさっている複合模型を用いて、ロストフォーム法またはロストワックス法に基づいて鋳造し、鋳造後に、前記セラミックス焼結体を取り除くことを特徴とする。

本発明では、既知のロストフォーム法またはロストワックス法に基づいて鋳造する。すなわち、従前の消失模型に置き換えて、本発明の複合模型を枠の中に設置し、砂型等の鋳型を設ける。そして、砂型等の鋳型に注湯すると、前記熱溶融消失体がガス化して消失するが、前記セラミックス焼結体が鋳型内に残留し、次いで溶湯が凝固して鋳造され、鋳造後に、前記セラミックス焼結体を取り除くことで、前記セラミックス焼結体と対応する鋳物の位置に繋ぎ目（接合痕）が生じることがなく、均質で高品質の鋳物を再現性良く製造することができる。さらに、熱衝撃や振動等の外力によって前記セラミックス焼結体を、崩壊させて取り除くことで、鋳造後に、前記セラミックス焼結体を取り除くことが容易となる。

前記鋳物材料としては、鋳鉄、鋳鋼、銅合金、軽金属合金、ダイカスト等が挙げられる。

本発明は、注湯によって前記熱溶融消失体を消失させ、前記セラミックス焼結体の所定の面を、鋳物の内壁面と対向させることを特徴とする。

本発明によれば、前記セラミックス焼結体の所定の面を、鋳物の内壁面と対向させることで、鋳物の内壁面に繋ぎ目（接合痕）が生じることがなく、各種バルブや配管部品など、高圧力に耐えられる信頼性の高い鋳物部品を製造することができる。そして、注湯によって前記熱溶融消失体を消失させ、前記セラミックス焼結体の所定の面を、鋳物の内壁面のうちのアンダーカット部分と対応させることで、その内側にアンダーカット（溝部）を備えた鋳物についても、型抜きすることが容易となる。

本発明の鋳造用の複合模型によれば、前記セラミックス焼結体の所定の面が前記熱溶融消失体の内壁面と面接合している構成の複合模型とすることで、接着剤や両面接着テープ等を用いて貼り合わせた構造とは異なり、鋳物に繋ぎ目（接合痕）が生じることがない。さらに、前記セラミックス焼結体が、熱衝撃や振動等の外力によって崩壊する性質を有することで、鋳造後に、前記セラミックス焼結体を取り除くことが容易な構成となる。

本発明の鋳造方法によれば、従前の消失模型に置き換えて、本発明の複合模型を用いており、既知のロストフォーム法またはロストワックス法に基づいて鋳造するので、既存の設備等がそのまま使用できる。そして、前記複合模型を用いて、砂型等の鋳型に注湯すると、前記熱溶融消失体がガス化して消失するが、前記セラミックス焼結体が鋳型内に残留し、次いで溶湯が凝固して鋳造され、鋳造後に、前記セラミックス焼結体を取り除くことで、鋳物に繋ぎ目（接合痕）が生じることがなく、均質で高品質の鋳物を再現性良く製造することができる。そして、例えば、鋳造に伴う熱衝撃や振動等の外力によって前記セラミックス焼結体を、崩壊させて取り除くことで、鋳造後に、前記セラミックス焼結体を取り除くことが容易かつ合理的である。そして、注湯によって前記熱溶融消失体を消失させ、前記セラミックス焼結体の所定の面を、鋳物の内壁面のうちのアンダーカット部分と対応させることで、その内側にアンダーカット（溝部）を備えた鋳物についても、型抜きすることが容易となる。

これら本発明によって、複雑な形状としても鋳物に接合痕が出来難い、高信頼性の鋳物を、容易に製造することができ、特に、各種バルブや配管部品など、高圧力に耐えられる信頼性の高い鋳物部品を、均質で再現性良く製造することができる。

本発明を適用した第１の実施形態の鋳造用の複合模型を側面側から示す外観図である。 上記第１の実施形態の複合模型を側面側から示す断面図である。 上記第１の実施形態の複合模型を型にセットした状態の図である。 上記第１の実施形態の複合模型を用いて、注湯を行った状態の図である。 上記第１の実施形態の複合模型を用いて鋳造し、型から取り出した状態の図である。 上記第１の実施形態の複合模型を用いて鋳造した鋳物を側面側から示す断面図である。 本発明を適用した第２の実施形態の鋳造用の複合模型を側面側から示す断面図である。 上記第２の実施形態の複合模型を用いて鋳造した鋳物を側面側から示す断面図である。 本発明を適用した第３の実施形態の鋳造用の複合模型を側面側から示す断面図である。 本発明を適用した第３の実施形態の鋳造用の複合模型の他の例を示す外観図である。

本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて以下に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明と実質同一又は均等の範囲内において、既知の変更を加えることが可能である。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明を適用した第１の実施形態の鋳造用の複合模型１を側面側から示す外観図である。図１は、水道バルブ用の管体を鋳造するための複合模型１である。図２は、本実施形態の複合模型１を側面側から示す断面図である。

本実施形態の鋳造用の複合模型１は、熱可塑性樹脂やワックス等からなる熱溶融消失体２と、セラミックス焼結体３とが、一体的に形成されている（図２）。図２に示す例では、セラミックス焼結体３は、円環状を呈し、その外壁面３１が、熱溶融消失体２の内壁面のうちのアンダーカット部分２１と面接合している。セラミックス焼結体３の外周側面３１は、後述する鋳物１０の内壁面のうちのアンダーカット部分１０１と対応する位置に配されている。

前記熱溶融消失体２は、熱可塑性樹脂やワックス等からなり、熱可塑性樹脂としては、例えば、発泡ポリスチレン樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等が挙げられ、また、ワックスとしては、例えば、パラフィン、蜜蝋、カルナウバ蝋や、これらを配合したもの等が挙げられる。
前記熱溶融消失体２は、樹脂成形金型、プレス金型、レーザ加工、切断加工、押し出し加工等により、所望の形状に成形されたものである。

前記セラミックス焼結体３は、高温での熱処理によって焼き固めた焼結体を指しており、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア、カルシア、マグネシア、イットリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ムライト等が挙げられる。
前記セラミックス焼結体３は、プレス金型、切断加工、押し出し加工等により、所望の形状に成形されたものである。

前記熱溶融消失体２と、前記セラミックス焼結体３とは、インサート成形、同時成形、嵌め合い、接着、溶着等により一体的に形成される。
インサート成形としては、例えば、成形されたセラミックス焼結体３を金型内に挿入配置して、樹脂モールドすることで熱溶融消失体２を成形することで、熱溶融消失体２とセラミックス焼結体３とを一体成形する。
同時成形としては、例えば、同一の金型内で、セラミックス焼結体３を成形し、次に、熱溶融消失体２を成形することで、熱溶融消失体２とセラミックス焼結体３とを一体成形する。
嵌め合いとしては、例えば、成形されたセラミックス焼結体３の突起部（凸部）と、当該突起部に対応させて同じサイズか若干サイズの小さな熱溶融消失体２の窪み部（凹部）とを填め合わせることで、熱溶融消失体２とセラミックス焼結体３とを一体成形する。
接着としては、例えば、接着剤、粘着剤、接着テープ、粘着テープ等を用いて、熱溶融消失体２とセラミックス焼結体３とを接合し一体的に形成する。
溶着としては、例えば、溶剤液などにより化学的に熱溶融消失体２の一部を溶かすか、加熱することで熱溶融消失体２の一部を溶かす方法であり、熱溶融消失体２とセラミックス焼結体３との境界面の熱溶融消失体２を溶かしてセラミックス焼結体３に固着させることで、熱溶融消失体２とセラミックス焼結体３とを一体成形する。

本実施形態では、同時成形を採用している。例えば、同一の金型内で、セラミックス焼結体３を成形し、次に、熱溶融消失体２を成形することで、熱溶融消失体２とセラミックス焼結体３とを一体成形する。この製造方法によれば、セラミックス焼結体３と熱溶融消失体２を連続的に一体成形して鋳造用の複合模型１とするので、合理的であり、高精度の複合模型１を製造することが容易である。

本実施形態では、既知のロストフォーム法またはロストワックス法に基づいて鋳造する。図３から図６は、本実施形態の複合模型１を用いて鋳造する鋳造工程の各状態図であり、側面側から示す断面図である。図３は、前記複合模型１を砂型５にセットした状態の図である。図３における符号４は、溶融金属６を注湯する湯口であり、上述の熱溶融消失体と同様の熱溶融消失体からなる。前記湯口４の開口部４１から溶融金属６を複合模型１に向けて注湯すると（図３）、前記熱溶融消失体４と２とがガス化して消失するが、前記セラミックス焼結体３が鋳型内に残留し、次いで溶湯が凝固して鋳造される（図４）。

そして、前記鋳造後に、鋳物１０をセラミックス焼結体３を伴って鋳型５から取り出す（図５）。この鋳造による凝固収縮力によってセラミックス焼結体３が崩壊するので、鋳造後に、セラミックス焼結体３を取り除くことが容易かつ合理的である。そして、セラミックス焼結体３を取り除くと鋳物１０となる（図６）。
崩壊性セラミック焼結体３としては、例えば、ジルコニア、チタニア、カルシア、マグネシア、イットリア等が挙げられる。また、注湯に耐え得る最小厚みのセラミックシェル構造とすることもできる。なお、鋳物１０を鋳型５から取り出す際に、セラミック焼結体３の崩壊を促進させるために、鋳物製品にダメージを加えない範囲内であれば、多少の振動や衝撃を加えてもよい。

本実施形態によれば、セラミックス焼結体３を取り除くことで、セラミックス焼結体３の外周側面３１と対応する位置である、鋳物１０のアンダーカット面１０１に繋ぎ目（接合痕）が生じることがなく、均質で高品質の鋳物を再現性良く製造することができる。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明を適用した第２の実施形態の鋳造用の複合模型１を側面側から示す断面図である。図８は、本実施形態の複合模型１を用いて鋳造した鋳物１０を側面側から示す断面図である。ここで、同一の符号は同じ機能を指していることから、その説明を省略する。本実施形態では、図７に示すように、セラミックス焼結体３は、円環状を呈し、その外壁面のうちの傾斜面（テーパ面）３１の一部が、熱溶融消失体２の内壁面のうちのアンダーカット部分の傾斜面（テーパ面）２１の一部と合わさっている。その一方で、セラミックス焼結体３の外壁面のうちの最外周面３１１は、熱溶融消失体２の内壁面のうちのアンダーカット部分の底面２１１とは接していない。そして、セラミックス焼結体３の外壁面のうちの最外周面３１１は、鋳物１０の内壁面のうちのアンダーカット部分１０１と対応する位置に配されている（図８を参照）。なお、本実施形態では、既知のロストフォーム法またはロストワックス法に基づいて鋳造する。
本実施形態によれば、セラミックス焼結体３の形状の自由度が高くなるので、鋳物製品の仕様に合わせて、セラミックス焼結体３を作製し、熱溶融消失体２に嵌め合せるなどして、組み合わせのバリエーションを増やすことができ、多品種少量生産に対応することが容易となる。

（第３の実施の形態）
図９は、本発明を適用した第３の実施形態の鋳造用の複合模型１を側面側から示す断面図である。ここで、同一の符号は同じ機能を指していることから、その説明を省略する。図７は、水道用分岐管を鋳造するための複合模型１である。本実施形態では、熱可塑性樹脂やワックス等からなる熱溶融消失体２の内壁側面２１全体に、セラミックス焼結体３が詰まっており、セラミックス焼結体３の外側面３１が熱溶融消失体２の内壁面２１と面接合した複合模型１となっている。
本実施形態によれば、熱溶融消失体２の内側に砂を詰めたり、中子を入れる作業が不要となり、また、セラミックス焼結体３が芯材となっているため、熱溶融消失体２の厚みを薄くすることが容易となる。したがって、鋳物の厚みを薄くすることが容易である。

図８は、本実施形態の他の例であって、円筒管を鋳造するための複合模型１であり、側面側から示す断面図である。本実施形態では、熱可塑性樹脂やワックス等からなる熱溶融消失体２の内壁側面全体に、セラミックス焼結体３が入っている。セラミックス焼結体３は、円筒形状であり、中空となっている。そして、セラミックス焼結体３の内側側面３３は、多数の切り込みが入ってギザギザ形状となっている。
本実施形態によれば、鋳物の厚みを薄くすることが容易となるうえ、セラミックス焼結体３が中空となっており、多数の切り込みが入っているので、鋳造後に崩壊させ易い。そして、自由なカーブ形状の管体をシームレスで鋳造することが容易である。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。セラミックス焼結体３は、複数配置してもよいし、非対称な位置に配置してもよく、その配置構成は任意である。そして、セラミックス焼結体３の全体を覆うように熱溶融消失体２を設けることもできる。また、セラミックス焼結体３の内側に別の中子を設けることもできる。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることは言うまでもない。

１ 鋳造用の複合模型、
２ 熱溶融消失体、
３ セラミックス焼結体、
２１ 熱溶融消失体の内壁面のうちのアンダーカット部分、
３１ セラミックス焼結体の外壁面、
１０ 鋳物、
１０１ 鋳物の内壁面のうちのアンダーカット部分

Claims (8)

1. 熱可塑性樹脂やワックス等からなる熱溶融消失体と、セラミックス焼結体とが、一体的に形成されてなり、前記セラミックス焼結体の所定の面が前記熱溶融消失体の内壁面と合わさっていることを特徴とする鋳造用の複合模型。
2. 前記セラミックス焼結体の所定の面が、鋳物の内壁面と対応する位置に配されていることを特徴とする請求項１記載の鋳造用の複合模型。
3. 前記セラミックス焼結体の所定の面が、鋳物の内壁面のうちのアンダーカット部分と対応する位置に配されていることを特徴とする請求項２記載の鋳造用の複合模型。
4. 前記セラミックス焼結体が、熱衝撃や振動等の外力によって崩壊する性質を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の鋳造用の複合模型。
5. 熱可塑性樹脂やワックス等からなる熱溶融消失体と、セラミックス焼結体とが、一体的に形成されてなり、前記セラミックス焼結体の所定の面が前記熱溶融消失体の内壁面と合わさっている複合模型を用いて、ロストフォーム法またはロストワックス法に基づいて鋳造し、鋳造後に、前記セラミックス焼結体を取り除くことを特徴とする鋳造方法。
6. 注湯によって前記熱溶融消失体を消失させ、前記セラミックス焼結体の所定の面を、鋳物の内壁面と対向させることを特徴とする請求項５記載の鋳造方法。
7. 注湯によって前記熱溶融消失体を消失させ、前記セラミックス焼結体の所定の面を、鋳物の内壁面のうちのアンダーカット部分と対応させることを特徴とする請求項６記載の鋳造方法。
8. 熱衝撃や振動等の外力によって前記セラミックス焼結体を、崩壊させて取り除くことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項記載の鋳造方法。

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