JP2014050883A - 低圧鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉で大型の構造部材を一体成形する場合、低圧鋳造法では湯廻り性に難があり、高真空ダイカスト法では高コストになるという問題点があった。
【解決手段】低圧鋳造法に基づいて構造部材ＳＭを成形する低圧鋳造装置１であって、金型６のキャビティＣの下側に、キャビティＣから離間した複数の湯口１１を配置すると共に、キャビティＣと夫々の湯口１１とを連通状態にするファンゲート１２を備え、各ファンゲート１２が、平面視でキャビティＣ側に広がる扇状を成し且つキャビティＣ側に向かって断面積が漸次減少する形態である構成とすることで、キャビティＣ全域の湯廻り性が安定し、薄肉で大型の構造部材ＳＭを高品質で且つ低コストで一体成形する。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車用サスペンションメンバ等の構造部材を製造するのに用いられる低圧鋳造装置に関するものである。

一般に、低圧鋳造装置は、非特許文献１に記載されているように、溶湯を収容した保持炉の上部に、キャビティを有する金型を配置すると共に、保持炉とキャビティとをストークで連通させた構造である。そして、保持炉の内部を加圧して溶湯をキャビティに供給することにより鋳物を成形する。この低圧鋳造装置は、中子を用いて中空状の鋳物を得ることができるので、例えば、シリンダブロックの成形に使用されている。

また、自動車用サスペンションメンバ等の構造部材のように、薄肉で且つ比較的大型であるとともに材料強度や延性が要求されるものは、高真空ダイカスト法により一体成形することができる。高真空ダイカスト法は、高速・高圧充填性に優れ、ガスの巻き込みが少ない等の利点がある。さらに、近年では、強度向上や軽量化を図るために、一部を中空状（閉断面構造）にしたサスペンションメンバが開発されており、この場合には、中空部品だけを鋳造により成形し、その中空部品と別の展伸材とを溶接するようにしていた。

社団法人日本機械学会 「新版・機械工学便覧」、昭和６２年４月１５日、Ｂ２−１６，１７

しかしながら、低圧鋳造法（装置）は、湯廻り性の面から、薄肉で大型の部材を一体成形するには不向きであることが周知であり、高真空ダイカスト法（装置）は、低圧鋳造に比べて設備費が大幅に嵩むので、高コストになるという問題点があった。このため、従来では、薄肉で大型の構造部材を一体成形するうえで、これらの問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、薄肉で大型の構造部材を高品質で且つ低コストで一体成形することができる低圧鋳造装置を提供することを目的としている。

本発明の低圧鋳造装置は、低圧鋳造法に基づいて構造部材を成形するものである。この低圧鋳造装置は、金型のキャビティの下側に、キャビティから離間した複数の湯口を配置すると共に、キャビティと夫々の湯口とを連通状態にするファンゲートを備えている。そして、低圧鋳造装置は、各ファンゲートが、平面視でキャビティ側に広がる扇状を成し且つキャビティ側に向かって断面積が漸次減少する形態である構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の低圧鋳造装置によれば、キャビティ全域の湯廻り性が安定し、薄肉で大型の構造部材を高品質で且つ低コストで一体成形することができる。

本発明の低圧鋳造装置の一実施形態を説明する正面図である。 構造部材である自動車用フロントサスペンションメンバを説明する平面図（Ａ）、底面図（Ｂ）、及び中空部の断面図（Ｃ）である。 金型の下型を説明する平面図である。 湯口及びファンゲートの配置を説明する斜視図である。 湯口及びファンゲートを説明する断面図（Ａ）、及び平面図（Ｂ）である。 本発明の低圧鋳造装置の他の実施形態における湯口及びファンゲートを説明する側面図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。 溶湯の加圧及びキャビティの減圧のパターンの一例を示すグラフである。 湯口とファンゲートの接続部分が傾斜している構造を示す側面図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。 自動車用フロントサスペンションメンバに対する湯口及びファンゲートの配置を説明する平面図である。

図１に示す低圧鋳造装置１は、周知の基本構造を有するもので、テーブル状の固定盤２と、固定盤２の下側に配置した保持炉３と、固定盤２に立設した一対の支柱４に沿って昇降駆動される可動盤５を備えている。固定盤２には、金型６の下型（固定型）６Ｌが設けてあり、可動盤５には、金型６の上型（可動型）６Ｕが設けてある。金型６は、上型６Ｕ及び下型６Ｌとの間に、鋳物の成形空間であるキャビティＣを形成する。

可動盤５の上面には、一対のガイドポスト７と、ガイドポスト７により上下に案内されるエジェクタプレート８と、エジェクタプレート８を昇降駆動するシリンダ９が設けてある。エジェクタプレート８には、可動盤５及び上型６Ｕを摺動自在に貫通する適数のエジェクタピン１０が設けてある。

また、低圧鋳造装置１は、図示を省略したが、可動盤５を昇降させる駆動装置、保持炉３に収容した溶湯を加熱するためのヒータ、及び鋳造時に保持炉３内を加圧するためのガス供給手段などを備えており、保持炉３内を加圧することによりストーク（図示せず）を介して溶湯をキャビティＣに供給する。さらに、低圧鋳造装置１は、より好ましい実施形態として、図１中に仮想線で示すように、金型６のキャビティＣ内の空気を吸引する減圧手段Ｖを備えたものとすることができる。

本発明の低圧鋳造装置Ｍは、低圧鋳造法に基づいて、鋳物として構造部材を成形するものであり、この実施形態では、図２に示す自動車用フロントサスペンションメンバ（以下、「サスペンションメンバ」とする）ＳＭを製造する。

サスペンションメンバＳＭは、自動車のボディとアクスルを連結すると同時にエンジンを積載するための骨格部材であって、図示例のものは、フロントクロスメンバ部Ｍ１と、ボディ側となるリヤクロスメンバ部Ｍ２と、左右のサイドメンバ部Ｍ３，Ｍ３を一体的に有している。このサスペンションメンバＳＭは、例えばアルミニウム合金製である。

また、前記サスペンションメンバＳＭは、とくに図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、両クロスメンバ部Ｍ１，Ｍ２、及びサイドメンバ部Ｍ３における両クロスメンバ部Ｍ１，Ｍ２の間の部分（図中灰色の部分）が、中空状（閉断面構造）になっている。これにより、サスペンションメンバＳＭは、強度向上や軽量化を実現する一方で、鋳物としては、中空部を有し且つ薄肉で比較的大型のものとなる。

ところで、一般的に、サスペンションメンバのような薄肉で大型の構造部材を低圧鋳造法で成形する場合には、溶湯の流れる距離が長くなるので、複数の湯口が必要になるが、その場合、溶湯の合流部で空気の巻き込みなどが発生することがあると共に、低圧鋳造法のメリットである材料歩留の良さを損なうおそれがある。

これに対して、本発明の低圧鋳造装置１では、必要最小限の複数の湯口を使用して、合流部を少なくしつつ溶湯を外側方向に流すために、キャビティＣの概略的な輪郭の内側に、キャビティＣとは直接連通しない湯口１１を配置している。

すなわち、低圧鋳造装置１は、図３に下型６Ｌを示すように、金型６のキャビティＣの下側に、キャビティＣと離間した複数の湯口１１を配置すると共に、キャビティＣと夫々の湯口１１とを連通状態にするファンゲート１２を備えている。

また、低圧鋳造装置１は、キャビティＣの概略的な輪郭から金型６の中央側に、前記湯口１１を配置し、キャビティＣの外側にフローオフ２１や吸引孔２２等の方案部を配置すると共に、キャビティＣ及び方案部（２１，２２）よりも外周側に金型６のシール材２３を配置している。シール材２３は、耐熱ゴム製であって、上型６Ｕと下型６Ｌとの間でキャビティＣを密封する。

また、この実施形態のように、構造部材が自動車用のサスペンションメンバＳＭである場合には、金型６のキャビティＣに対して、少なくともクロスメンバ部Ｍ１，Ｍ２とサイドメンバ部Ｍ３との連結部分に対応する部分の下側に、湯口１１及びファンゲート１２を配置するのが望ましい。

そこで、図示例では、図４にも示すように、クロスメンバ部Ｍ１，Ｍ２とサイドメンバ部Ｍ３，Ｍ３との連結部分Ｊ１〜Ｊ４、及びリヤクロスメンバ部Ｍ２の中間部分Ｊ５の計五カ所の下側に、湯口１１及びファンゲート１２が配置してある。つまり、湯口１１及びファンゲート１２は、サスペンションメンバＳＭの中空部に対して配置してある。

なお、図４中におけるサスペンションメンバＳＭは、底面を上側にした上下逆向きの姿勢である。この図４には、サスペンションメンバＳＭと、湯口１１及びファンゲート１２を示したが、サスペンションメンバＳＭの形態はそのまま金型６内のキャビティＣの形態でもあるから、図４はキャビティＣに対する湯口１１及びファンゲート１２の配置を示す図でもある。

前記湯口１１は、図５に示すように、上端部が閉塞された断面円形の空洞部であって、上端部近傍の側部にファンゲート１２が接続してあり、ファンゲート１２との接続部よりも上位側（上端部）にトラップ用空間１１Ａを備えている。

前記ファンゲート１２は、同じく図５に示すように、平面視でキャビティＣ側に広がる扇状を成し且つキャビティＣ側に向かって断面積が漸次減少する形態であって、湯口１１からキャビティＣに向けて上り勾配を有している。

より具体的には、ファンゲート１２は、湯口１１との接続部の断面積Ａ１、中間部の断面積Ａ２、及びキャビティＣ側との接続部の断面積Ａ３が漸次小さくなるようにし、とくに、湯口の断面積Ａ０に対して、キャビティＣ側との接続部の断面積Ａ３を９０％に絞るように、各部位の高さ（肉厚）ｔ１〜ｔ３が設定してある。

ここで、ファンゲート１２は、先述したようにサスペンションメンバＳＭの中空部に対して配置してあるので、とくに図５（Ａ）に示すように、キャビティＣにおけるファンゲート１２の連通部分には、中子５０が配置してある。これに対して、前記ファンゲート１２は、キャビティＣ側の開口部Ｋが、キャビティＣと同等の間隙Ｓを有すると共に、その内面が、中子５０を含むキャビティＣの内面と滑らかに連続したものとなっている。

すなわち、ファンゲート１２のキャビティＣ側の開口部Ｋは、サスペンションメンバＳＭの中空部の肉厚と同等の間隔Ｓを有している。また、ファンゲート１２は、図５（Ａ）では、キャビティＣと直線的に連続しているが、キャビティＣの内面が曲面である場合には、これに対応して内面を曲面にしてキャビティＣと滑らかに連続させる。

上記の湯口１１及びファンゲート１２は、例えば、下型６Ｌに形成することも可能であるが、より好ましい実施形態として、少なくとも一部を断熱材料で形成することができる。この実施形態では、断熱材料としての鋳造用砂を使用し、図３に示すように、湯口１２及びファンゲート１２を砂型１３で一体化した。

上記構成を備えた低圧鋳造装置１は、図１に示すように、金型６内に砂型１３や中子５０をセットした後、エジェクタプレート８とともにエジェクタピン１０を引き上げた状態にすると共に、可動盤５を下降させて金型６の上型６Ｕと下型６Ｌを閉じる。次に、保持炉３内を加圧することにより溶湯をキャビティＣに充填する。この際、減圧手段Ｖを作動させてキャビティＣ内の空気を吸引することも有効である。

そして、低圧鋳造装置１は、キャビティＣ内の溶湯が凝固したのち、可動型５を上昇させて金型６を開く。この際、鋳物（サスペンションメンバＳＭ）は、上型６Ｕに付いている。その後、上型６Ｕと下型６Ｌとの間に図示しない鋳物受けを配置し、エジェクタプレート８とともにエジェクタピン１０を下降させて鋳物を上型６Ｕから外し、さらに、砂型１３や中子５０を崩して除去する。

上記鋳造の際、低圧鋳造装置１は、キャビティＣから離間した各湯口１１と、扇状を成し且つ断面積が漸次減少する形態のファンゲート１２を採用しているので、各ファンゲート１２において、溶湯の供給不足（湯切れ）が発生しない。そして、必要最小限の複数の湯口１１を介して、キャビティＣの内側から外側に向かって溶湯が流れることなり、空気の巻き込み等を発生させずに溶湯を円滑に充填させる。

このようにして、低圧鋳造装置１は、設備費が高価な高真空ダイカスト法によらなくても、鋳造欠陥の原因となる空気の巻き込み等を防止しつつ、薄肉で大型であるサスペンションメンバＳＭを成形し得るのである。

すなわち、上記の低圧鋳造装置１によれば、キャビティＣの全域の湯廻り性が安定し、サスペンションメンバＳＭのような薄肉で大型の構造部材を高品質で且つ低コストで一体成形することができる。

また、上記の低圧鋳造装置１は、この実施形態のように、クロスメンバ部Ｍ１，Ｍ２と左右のサイドメンバ部Ｍ３を一体的に有し且つ少なくとも一部を中空状にしたサスペンションメンバＳＭを一体成形するにあたり、図３に示す如く湯口１１及びファンゲート１２の配置を工夫することで、キャビティＣの全域の湯廻り性が安定し、高品質のサスペンションメンバＳＭを得ることができる。

さらに、低圧鋳造装置１は、金型６の中央側に湯口１１を配置し、キャビティＣの外側にフローオフ２１や吸引孔２２等の方案部を配置しているので、金型中央部の保温効果が得られる。また、キャビティＣ及び方案部（２１，２２）の外周側、すなわち金型温度の低い最外周にシール材２３を配置しているので、シール材２３の寿命が長くなり、長期にわたって良好なシール性を確保し得る。このような保温効果及びシール性の確保によっても鋳造品質が安定する。

さらに、低圧鋳造装置は、湯口１１の上端部にトラップ用空間１１Ａを備えているので、キャビティＣに溶湯を充填する際に、溶湯表面の酸化皮膜や前ショットの凝固殻をトラップ用空間１１Ａで捕らえ、不純物の無い溶湯のみをファンゲート１２に送り込むことができる。また、ファンゲート１２がキャビティＣ側に上り勾配を成しているので、通過する溶湯への空気の巻き込みを防ぐことができる。

さらに、低圧鋳造装置１は、ファンゲート１２とキャビティＣとが滑らかに連続しているので、キャビティＣの形状に沿って溶湯が供給されることとなり、これによっても溶湯の充填時における空気の巻き込みを防ぐことができる。

さらに、低圧鋳造装置１は、溶湯の充填時において、減圧手段Ｖにより補助的にキャビティＣ内の空気の吸引を行うことにより、溶湯の湯廻り性が向上し、鋳物（サスペンションメンバＳＭ）の品質を高めることができる。

さらに、低圧鋳造装置１は、湯口１１及びファンゲート１２の少なくとも一部を断熱材料（砂型１３）で形成したことにより、湯口１１及びファンゲート１２における溶湯の凝固を防止して、材料歩留をより向上させることができる。

さらに、低圧鋳造装置１は、構造部材が自動車用のサスペンションメンバＳＭであり、その所定の箇所（連結部分Ｊ１〜Ｊ４）に対応して湯口１１及びファンゲート１２を配置したことから、キャビティＣの全域の湯廻り性が安定し、中空部を有し且つ薄肉で大型のサスペンションメンバＳＭを高品質で且つ低コストで一体成形することができる。

図６〜図９は、本発明に係わる低圧鋳造装置の他の実施形態を説明する図である。
図６に示す湯口１１及びファンゲート１２において、湯口１１は、先の実施形態と同様に、ファンゲート１２との接続部よりも上位側にトラップ用空間１１Ａを備えている。

ファンゲート１２は、平面視でキャビティ側（図６Ｂ中で下側）に広がる扇状を成し且つキャビティ側に向かって断面積が漸次減少する形態であって、湯口１１からキャビティに向けて上り勾配を有している。さらに、ファンゲート１２は、キャビティ側の開口部Ｋが、キャビティと同等の間隙Ｓを有すると共に、その内面が、キャビティの内面と滑らかに連続している。なお、図６ではキャビティを省略したが、ファンゲート１２は開口部Ｋでキャビティに連通している。上記の湯口１１及びファンゲート１２は、少なくとも一部を砂型等の断熱材料で形成することができる。

そして、この実施形態では、図６（Ａ）に示すように、湯口１１とファンゲート１２とが、互いに水平面ＨＳ内で接続されている。このとき、ファンゲート１２は、先述したように、湯口１１からキャビティ側に上り勾配を有するので、湯口１１との接続部Ｊよりもキャビティ側の開口部Ｋが上側になる。

また、ファンゲート１２は、内部の上下面が滑らかな三次元曲面になっている。このとき、ファンゲート１２の上下面は、先述の如くキャビティ側に向かって断面積が漸次減少するように、互いに略平行状態で相対向している。さらに、ファンゲート１２は、キャビティとの接続部における最上部と最下部との高低差ＨＦを１０ｃｍ以内にしている。なお、キャビティとの接続部は、開口部Ｋと同等である。

上記構成を備えた湯口１１及びファンゲート１２は、図１に示す低圧鋳造装置１に配置され、構造部材である自動車用のフロントサスペンションメンバＳＭを製造する。

この実施形態では、図７に加減圧のパターンを示すように、保持炉内の溶湯を所定の初期圧力（＋Ｐ１）まで加圧して、溶湯を湯口１１まで上昇させる。その後、保持炉内の溶湯を充填圧力（＋Ｐ２）まで加圧すると共に、キャビティ内を減圧（−Ｐ）して、キャビティ内に溶湯を充填する。

このとき、上記の低圧鋳造装置では、湯口１１とファンゲート１２とが互いに水平面ＨＳ内で接続された構成であるため、ファンゲート１２からキャビティへ溶湯を均一に充填することができる。

ここで、例えば、図８（Ａ）に示すように、湯口１１とファンゲート１２とが互いに傾斜面ＳＳ内で接続されていると、溶湯に初期圧力（＋Ｐ１）を付与した際、溶湯の加圧装置の制御誤差等により、図８中の点線Ｆで示すように溶湯の一部がファンゲート１２に入り込んだ状態になる。これにより、次に充填圧力（＋Ｐ２）を付与した際に、図８（Ｂ）に大小の矢印で示すように、ファンゲート１２における溶湯の初期流れが不均一になり、ファンゲート１２からキャビティへの充填も不均一になる。なお、仮に、初期圧力（＋Ｐ１）を付与した際に溶湯が湯口１１内に留まった場合でも、充填圧力（＋Ｐ２）を付与した際に、傾斜面ＳＳの下側で先に溶湯が流れ出し、同様に初期流れが不均一になる。

これに対して、上記の低圧鋳造装置では、図６（Ａ）に示すように、湯口１１とファンゲート１２とが互いに水平面ＨＳ内で接続された構成であるため、溶湯の加圧装置に制御誤差等があっても、湯口１２から溶湯が一斉に流れ出し、図６（Ｂ）に矢印で示すように、ファンゲート１２における溶湯の初期流れが均一になる。これにより、上記の低圧鋳造装置では、ファンゲート１２からキャビティへ溶湯を均一に充填することができる。

また、上記の低圧鋳造装置では、ファンゲート１２の内部の上下面が滑らかな三次元曲面になっているので、溶湯の通過が円滑になり、通過する際の空気の巻き込みを低減若しくは無くして清浄度の高い溶湯をキャビティに充填することができる。これにより、鋳造欠陥の発生を防止することができる。

さらに、上記の低圧鋳造装置では、ファンゲート１２のキャビティとの接続部（開口部Ｋ）における最上部と最下部との高低差ＨＦを１０ｃｍ以内としている。これにより、低圧鋳造装置では、部分的な高低差が比較的大きい構造部材の鋳造において、キャビティに溶湯を均一に充填することができ、その結果、構造部材の設計の自由度や鋳造方案の自由度の向上に貢献することができる。

この実施形態では、図９に示す自動車用のフロントサスペンションメンバＳＭを製造するにあたり、フロント及びリアのクロスメンバ部Ｍ１，Ｍ２と、左右のサイドメンバ部Ｍ３，Ｍ３との四カ所の連結部分Ｊ１〜Ｊ４に、図６に示す湯口１１及びファンゲート１２を配置した。一部のファンゲート１２とキャビティとの接続部には、高低差が１０ｃｍの部分が存在した。そして、キャビティに溶湯を充填した際に、各部での溶湯の到達時間を測定した。

その結果、フロント及びリアのクロスメンバ部Ｍ１，Ｍ２の夫々の中央部Ｂ１，Ｂ２や、左右のサイドメンバ部Ｍ３，Ｍ３のフロント及びリアの端部Ｂ３〜Ｂ６において、溶湯の到達時間がほぼ等しいものとなった。これにより、当該低圧鋳造装置では、ファンゲート１２とキャビティとの接続部に１０ｃｍの高低差があっても、同キャビティに対して、溶湯が同心円状に広がるように均一に充填されることを確認した。

なお、本発明の低圧鋳造装置は、その構成が上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することができる。また、本発明の低圧鋳造装置は、低圧鋳造法に基づいて薄肉で大型の各種鋳物を成形することが可能であるが、とくに、自動車のサスペンションメンバやフレーム類などのように機能が重要視される構造部材を低コストで大量生産するうえで非常に有効である。

１ 低圧鋳造装置
６ 金型
１１ 湯口
１２ ファンゲート
１３ 砂型（断熱材料）
１１Ａ トラップ用空間
２１ フローオフ（方案部）
２２ 吸引孔（方案部）
２３ シール材
Ｃ キャビティ
Ｊ１〜Ｊ４ （メンバ部の）連結部分
Ｋ ファンゲートの開口部
Ｍ１ フロントクロスメンバ部
Ｍ２ リヤクロスメンバ部
Ｍ３ サイドメンバ部
ＳＭ フロントサスペンションメンバ（構造部材）
Ｖ 減圧手段

Claims (10)

1. 低圧鋳造法に基づいて構造部材を成形する低圧鋳造装置であって、
   金型のキャビティの下側に、キャビティから離間した複数の湯口を配置すると共に、キャビティと夫々の湯口とを連通状態にするファンゲートを備え、
   各ファンゲートが、平面視でキャビティ側に広がる扇状を成し且つキャビティ側に向かって断面積が漸次減少する形態であることを特徴とする低圧鋳造装置。
2. キャビティの概略的な輪郭から金型の中央側に湯口を配置し、キャビティの外側にフローオフや吸引孔等の方案部を配置すると共に、キャビティ及び方案部よりも外周側に金型のシール材を配置したことを特徴とする請求項１に記載の低圧鋳造装置。
3. 湯口及びファンゲートの少なくとも一部を断熱材料で形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の低圧鋳造装置。
4. ファンゲートは、キャビティ側の開口部が、キャビティと同等の間隙を有すると共に、その内面が、キャビティの内面と滑らかに連続していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の低圧鋳造装置。
5. 湯口が、ファンゲートとの接続部よりも上位側にトラップ用空間を備えていると共に、 ファンゲートが、湯口からキャビティに向けて上り勾配を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の低圧鋳造装置。
6. 湯口とファンゲートとが、互いに水平面内で接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の低圧鋳造装置。
7. ファンゲートは、内部の上下面が滑らかな曲面であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の低圧鋳造装置。
8. ファンゲートは、キャビティとの接続部における最上部と最下部との高低差を１０ｃｍ以内にしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の低圧鋳造装置。
9. 金型のキャビティ内の空気を吸引する減圧手段を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の低圧鋳造装置。
10. 構造部材が、クロスメンバ部と左右のサイドメンバ部を一体的に有し且つ少なくとも一部を中空状にした自動車用のサスペンションメンバであって、
    金型のキャビティに対して、少なくともクロスメンバ部とサイドメンバ部との連結部分に対応する部分の下側に、湯口及びファンゲートを配置したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の低圧鋳造装置。

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