JP2014113610A - 鋳造品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な形状の中空部を有する鋳造品及びその製造方法を提供する。
【解決手段】金属積層造形法を用いて中空部を有する金属成形体を製造し、この金属成形体を鋳包んで中空部が外部と連通した鋳造品を製造する。
【選択図】図４

Description

この発明は、金属成形品を鋳物に鋳包んで製造される鋳造品及びその製造方法に関する。

例えば、ダイキャストマシンの金型や中子等に使用される機械部品の中には、内部に冷却用の流体回路等の中空部を設けなければならないものがある。この様な中空部は、機械部品に後工程でドリル加工を行って形成するのが一般的である。しかしながら、このような加工方法では、複雑な形状の中空部を形成することが困難である。

一方、砂型の積層造形法を用いて比較的複雑な形状の中空部を鋳物内に形成する技術が知られている（特許文献１）。また、鋳物内に中空部を形成する他の方法として、予め中空部を有する金属材料を鋳物に鋳包む方法も知られている（特許文献２）。

特開２０００−２４７５６号公報 特開２００４−２５２８９号公報

しかしながら、特許文献１に示されるような砂型による方法では、中空部が細いパイプ状であると、砂中子も細くなり、型の保持が困難で、成形後の砂の排出も容易ではないという問題がある。また、特許文献２に示されるような中空金属材料を鋳包む方法は、一般的には単純なパイプ形状の金属材料を鋳包むものであり、複雑な形状の中空部を形成することは困難である。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、複雑な形状の中空部を有する鋳造品及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る鋳造品の製造方法においては、金属積層造形法を用いて中空部を有する金属成形体を製造し、この金属成形体を鋳包んで中空部が外部と連通した鋳造品を製造する。本発明に係る鋳造品の製造方法においては、金属成形体の製造に金属積層造形法を用いるため、複雑な形状の中空部を有する金属成形体の製造が可能となる。また、砂型の積層造形法を用いた製造方法とは異なり、固化した砂を排出する必要が無く、微細な中空部を有する鋳造品を製作することができる。更に、金属成形体を金属積層造形法によって製造し、この金属成形体を鋳包んで鋳造品を製造する為、製造時間及び製造コストが大幅に削減される。また、金属成形体と鋳物とを別工程によって製造する為、金属成形体の材料として鋳物の材料よりも充分高融点な材料を採用することも可能である。

また、本発明の一実施形態において、上記金属積層造形法による金属成形体の製造において、金属成形体の外側表面部に、互いに連結された複数の空孔部を形成するようにしても良い。この様に金属成形体を形成した場合、鋳包みの際に溶湯が上記空孔部に充填される。また、上記空孔部は連結している為、上記空孔部内において充填された溶湯が凝固した際には鋳物によって金属成形体を強固に保持することができる。また、金属積層造形法は性質上この様な複雑な金属成形体の形成に適している。

本発明の一実施形態において、前記複数の空孔は、金属成形体の外表面から中空部に向かって、徐々にその孔径が小さくなるように形成する。これにより、金属成形体の外表面では鋳物との十分な結合強度を確保しつつ、中空部近傍の溶融を防止すると共に強度を維持することが可能になる。

更に、本発明の一実施形態において、金属積層造形法による金属成形体の製造に際し、金属成形体の一部に中空部に連通する孔部を有ししかも異なる肉厚あるいは空隙を有する凸部を形成するようにしても良い。異なる肉厚の凸部を有する金型成型体を鋳包んだ金型において冷却媒体を通流することにより、該金型の突起部や肉厚部の冷却制御が容易になる。また、凸部の一部に空隙部を有する金属成形体を鋳包んだ金型の表面を加工した状態で、該金型の中空部に潤滑油を流せば金型から適量油を浸み出させてしゅう動部の摩擦の低減が可能である。

なお、金属積層造形法による金属成形体の製造に際し、中空部の対向する内壁面間を連結する支柱を形成するようにして、金属成形体の補強をするようにしても良い。また、金属成形体を鋳物に鋳包む際に、金属積層造形法では製造困難な大きさの中空部を形成するため、複数の金属成形体を連結して前記鋳物に鋳包むようにしても良い。

また、金属成形体を鋳物に鋳包む前に、金属成形体の外表面及び中空部の内壁面の少なくとも一方に、金属質又は非金属質の被膜を形成する表面処理を行うようにしても良い。更に、金属成形体を鋳物に鋳包む際に、中空部及び複数の空孔の少なくとも一方に耐熱粒体を充填するか、又は冷却媒体を流しながら鋳込むようにしても良い。

本発明の他の実施形態に係る鋳造品は、金属積層造形法を用いて製造された中空部を有する金属成形体と、金属成形体を鋳包む金属部から構成され、中空部が外部と連通している。

本発明によれば、複雑な形状の中空部を有する鋳造品及びその製造方法を提供することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る鋳造品を示す断面模式図である。 図１の一部拡大図である。 溶融積層造形法を説明する為の断面模式図である。 鋳包みの様子を説明する為の断面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る鋳造品の金属成形体の構造を示す断面模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る鋳造品の断面模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る鋳造品の金属成形体の断面模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る鋳造品の鋳造工程を示す断面模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る鋳造品の金属成形体の構造を示す断面模式図である。 図９の一部拡大図である。 本発明の第５の実施形態に係る鋳造品の、鋳包みの様子を説明する為の断面模式図である。 本発明の第６の実施形態に係る鋳造品の金属成形体の構造を示す断面模式図である。

以下、添付の図面を参照して、この発明の実施の形態に係る鋳造品及びその製造方法について詳細に説明する。

［第１の実施形態に係る鋳造品］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る鋳造品の断面図を示す図である。本実施形態に係る鋳造品は、金属成形体１と、金属成形体１を鋳包んでなる鋳物２とからなる。金属成形体１は、後述する金属積層造形法によって製造され、壁部１１とこれによって囲まれた中空部１２によって、冷却用の流体を流す流体経路１３と、流体経路１３から外部に凸状に突き出してなる凸部１４とを形成してなる。また、流体経路１３の一端には鋳物２の壁面から外部に突き出した第１の開口１５が、他端にはドリル加工によって金属成形体１及び鋳物２の一部を貫通するように設けられた第２の開口１６が形成されており、流体経路１３に流れる流体の流入口及び排出口を形成する。本実施形態に係る鋳造品は、被鋳包み体である金属成形体１を金属積層造形法によって製造する為、複雑な形状を有する被鋳包み体を製造することが可能である。尚、流体経路１３は冷却用の流体だけでなく潤滑油等の経路にも使用可能である。更に、一つの鋳造品に二つ以上の金属成形体１を設けたり、一つの金属成形体１に二つ以上の流体回路１３を設けることも可能である。

また、本実施形態に係る金属成形体１は、金属成形体１に冷却用の流体を流す流体経路１３と、流体経路１３から外部に凸状に突き出してなる凸部１４とを備える。この流体経路に冷却用の流体を流した場合、凸部１４の先端まで流体が供給されるので、凸部１４の先端近傍の部分まで効果的に冷却をすることができる。このように流体経路１３の形状を自由に形成可能であるため、複雑な形状の鋳造品でも隅々まで冷却することが可能になる。

図２は、図１のＡ部分の拡大断面図である。金属成形体１の壁部１１の外側表面部には複数の空孔１７が形成されており、この複数の空孔１７は互いに三次元的に連通することによって、メッシュ状又はスポンジ状の構造を形成する。これら複数の空孔１７は、壁部１１の外表面から中空部１２に向かって、徐々にその孔径が小さくなるように形成されている。この様な複雑な壁部１１の形状は、後述する金属積層造形法によって実現される。

ここで、金属成形体１を鋳物２に鋳包んで鋳造品を製造する場合、金属成形体１と鋳物２とが強固に密着することが望ましい。これらの間の密着性が弱いと、金属成形体１と鋳物２との間に空隙が生じ、又は金属成形体１や鋳物２に亀裂が生じ、機械的強度及び熱伝達率を低下させる場合があるからである。

本実施形態の様に金属成形体１を形成した場合、金属成形体１を鋳物２に鋳包むと、空孔１７内に鋳物２の一部が充填される。この空孔１７は三次元的に連結されている為、空孔１７内において充填された鋳物２の一部が結合すると、金属成形体１を鋳物２に強固に保持することが可能である。更に、金属積層造形法によって金属成形体１を製造する為、金属成形体１の形状が制限されることも無い。更に、本実施形態に係る鋳造品においては、複数の空孔１７を、金属成形体１の壁部の外側表面に近付くほど孔径を大きく、中空部１２に近付くほど孔径を小さく形成する。従って、中空部１２付近の部分において壁部１１の機械的強度を保持しつつ、金属成形体１と鋳物２との強固な機械的結合を実現することが可能である。

尚、本実施形態においては壁部１１の外側表面部に互いに三次元的に連結された複数の空孔１７を形成しているが、壁部１１に形成し得る空孔としては様々な態様を想定し得る。但し、鋳包みの際に、溶湯が凝固することによって、金属成形体１と鋳物２とが好適に密着し、固定される様な形状の空孔を設ける事が望ましい。例えば、壁部１１にアーチ状、フック状又はかぎ状の非貫通穴からなる規則的なパターンを設けることも考えられる。この様な複雑な壁部１１の形状であっても、金属積層造形法を用いれば実現することが可能である。

［第１の実施形態に係る鋳造品の製造方法］
次に、本実施形態に係る鋳造品の製造方法について説明する。本発明に係る鋳造品の製造方法においては、金属粉体１Ａを所定の厚さ毎に堆積しつつ溶融して立体形状を形成する溶融積層造形法を用いて金属成形体１を製造し、この金属成形体１を鋳包んで鋳物２を製造する。尚、金属粉体１Ａとしては、溶融積層造形法が適用し得る金属は全て適用可能である。例えばアルミニウム合金、チタン合金、金型用工具鋼、ステンレス、インコネル等を使用することも可能である。また、この実施形態では、溶融積層造形法を使用しているが、金属粉末焼結積層法、金属粉末固着積層法等、他の金属積層造形法を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

図３に示す通り、溶融積層造形法には溶融積層造形装置３を使用する。溶融積層造形装置３は、本実施形態においては金属粉体１Ａを溶解させる手段として電子ビームを採用しているが、ＥＵＶレーザ等、他の手段を採用した物を用いることも、当然に可能である。

図３は、溶融積層造形法を用いて金属成形体１を製造する工程を説明する為の概略図である。溶融積層造形装置３は、真空チャンバー３１を備えており、金属成形体１の成形される環境を真空状態に保持する。溶融積層造形法においては、まず金属粉体供給器３２から金属粉体１Ａが供給される。供給された金属粉体１Ａは成形台３３上において所定の厚みを有する平坦な層を形成する。次に、電子銃３４は、２５００℃上に加熱されたフィラメントから電子を引き出し、アノードを通して光速の半分のスピードまで加速して、加速された電子を電子ビームとして放出する。フォーカスコイル３５は、電子ビームの焦点を成形台３３に堆積された金属粉体１Ａ上に合わせる。偏向コイル３６は、ＣＡＤデータ等の設計データに応じて電子ビームの進行方向を制御して、成形台３３上の金属粉体１Ａに描画を行う。金属粉体１Ａに電子ビームが照射されると、電子の運動エネルギーが熱に変換され、この熱によって金属パウダーが溶解する。溶解した金属粉体１Ａは金属結合して所望の形状に成型される。一方、溶解しなかった部分、即ち、電子ビームの照射されなかった部分は粉体のままである。

偏向コイル３６による描画が終了すると、粉体供給器３２は再び金属粉体１Ａを供給し、成形台３３上に新たな金属粉体１Ａの層を形成する。成形台３３は、新たな金属粉体１Ａの層と電子銃３４との距離を調整し、新たな金属粉体１Ａの層上に電子ビームの焦点を合わせる。次に、金属粉体１Ａの新たな層に対して描画を行い、溶解させて所望の形状に成型する。この様な工程を繰り返し行う事によって、金属成形体１が成形される。金属成形体１が成形された後、金属成形体１に予め開口が形成されていた場合にはその開口から、形成されていなかった場合にはドリル加工等によって開口を設け、溶解していない金属粉体１Ａを排出する。排出される金属粉体１Ａは固化しておらず、容易に排出することが可能である。この溶融積層造形法によれば、複雑な形状の金属成形体１を製造することが可能である。

図４は、製造された金属成形体１を鋳包んで鋳物２を製造する工程を示す図である。金属成形体１は、その一部が砂型の外に露出するように上型４及び下型５によって挟持される。上型４には凝固して鋳物２を形成する溶湯２Ａを注ぎ込む湯口４１が、下型５には金属成形体１を保持する保持部５１が形成される。また、金属成形体１、上型４及び下型５の間にはキャビティが形成されておりここに溶湯２Ａが鋳込まれて、凝固して鋳物２を形成する。次に鋳物２の湯口４１に該当する部分の除去及びドリル加工による第２の開口１６（図１参照）が行われ、本実施形態に係る鋳造品が製造される。尚、必要な開口部分が全て溶融積層造形法によって形成され、鋳包みの際に既に砂型の外に露出する場合にはドリル加工を行う必要は無い。

本実施形態に係る鋳造品の製造方法においては、被鋳包み体として中空部１２を有する金属成形体１を用いる。従って、例えば砂の中子を用いて鋳物中に中空部を直接形成する場合と比較して、より繊細で複雑な中空形状を有する鋳物を製造することが可能である。また、例えば鋳包みの工程に先立ち、金属成形体１の中空部１２に砂、金属粒子、セラミック粒子等の耐熱粒体を充填すれば、金属成形体１の機械的強度を更に補強することが可能である。更に、金属成形体１を製造した後、金属成形体１を鋳包む前に、金属成形体１壁部１１の内側表面及び外側表面の少なくとも一方に、金属質又は非金属質の被膜を形成する表面処理を行うことも可能である。これにより、比表面積を拡大し、金属成形体１と鋳物２との密着性及び冷却性能を更に向上させることが可能である。また、シリコーン樹脂等、耐熱性の高い樹脂の塗装、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の電着塗装、電解メッキ、アルマイト、ガス窒化処理、セラミック溶射、金属溶射等の処理によって、金属成形体１の耐熱性を向上させることも可能である。

なお、上述した鋳造物全体を溶融積層造形法によって製造することも考えられるが、この様な場合には電子ビームの描画に要する時間が膨大なものとなり、電子銃３４のフィラメントの消耗も著しく増加し、高価な金属粉体１Ａを大量に消費することとなる。更に、真空チャンバー３１のサイズより大きな構造を製造することは、大変困難となる。しかしながら、本実施形態に係る方法によれば、溶融積層造形法によって製造されるのは被鋳包み体としての金属成形体１のみであり、この金属成形体１を鋳包んで鋳造品を製造する為、製造時間及び製造コストが大幅に削減され、更に製造される鋳造品のサイズもより自由に決定可能である。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係る鋳造品について説明する為の断面図である。本発明の第２実施形態に係る鋳造品は、第１実施形態に係る鋳造品とほぼ同様であるが、金属成形体１０１の一部に凸部１４の壁の厚みを厚くしてなる中実部１４´が形成されている点が異なる。鋳物２の、中実部１４´近傍の部分は、流体経路１３及び凸部１４近傍の部分よりも更に弱く冷却される。また、中実部１４´近傍における冷却は、中実部１４´の壁が薄いほど強く、厚いほど弱くなる。従って、本実施形態においては、冷却状態を部位毎に制御することができ、第１の実施形態よりも更にきめ細かい冷却が可能な流体回路を有する鋳造品を製造することが可能である。なお、このような中実部１４´の代わりに、壁部１１の中空部１２側に、中空部１２に連通する孔部又は凹部を形成すると、中実部１４´とは逆に、冷却効果が上がるので、これによっても冷却状態の制御が可能である。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る鋳造品について説明する。第１及び第２の実施形態に係る鋳造品においては、流体経路１３に冷却用の流体を流す事を想定していたが、本実施形態においては、流体経路１３に潤滑剤を流し、これを鋳造品の外壁に供給し、鋳造品外壁の潤滑性を上げる事を想定している。図６は、本実施形態に係る鋳造品の断面図を示す図である。本実施形態に係る鋳造品は、基本的には第１の実施形態に係る鋳造品と同様であるが、金属成形体２０１の構造が異なる。即ち、本実施形態に係る金属成形体２０１には、流体経路１３に流れる流体を外部に排出する排出部１８を有する。また、本実施形態において、排出部１８は外部に露出した凸部であり、内壁側から外壁側にかけて複数の空孔８１が形成されている。この複数の空孔８１は互いに連通することによって、メッシュ状又はスポンジ状の構造を形成し、流体経路１３と鋳造品外部とを連通する。尚、潤滑剤の供給量は、空孔８１の孔径や密度等を調整することにより、適宜調整可能である。

次に、本実施形態に係る鋳造品の製造方法について説明する。本実施形態に係る製造方法は基本的には第１の実施形態に係る製造方法と同様であるが、以下の点において異なっている。先ず、図７に示す通り、金属成形体２０１Ａを、第１の実施形態と同様に溶融積層造形法によって製造する。金属成形体２０１Ａは金属成形体２０１とほぼ同様の構造を有しているが、排出部形成部１８Ａにおいて複数の空孔８１が外部へ連通していない。次に、図８に示す通り、金属成形体２０１Ａを鋳包む。この際、排出部形成部１８Ａにおいては複数の空孔８１が外部へ連通していないので、排出部形成部１８Ａを介して溶湯２Ａが流体経路１３に流入することは無い。溶湯２Ａが鋳込まれ、凝固して鋳物２が形成された後、実施形態１と同様の加工処理に加え、排出部形成部１８Ａの一部と共に鋳物２の一部を切削等の方法で除去し、複数の空孔８１を外部へ貫通させ、排出部１８を形成する。

［第４の実施形態］
図９は、本発明の第４実施形態に係る鋳造品について説明する為の断面図である。本発明の第４実施形態に係る鋳造品は、第１実施形態に係る鋳造品とほぼ同様であるが、連結された二つの金属成形体３０１及び４０１が連結されて鋳包まれてなる点において異なる。図１０にも拡大して示す通り、金属成形体３０１の第１の開口１５´と、金属成形体４０１の第２の開口１６´とはお互いに接続可能に形成されている。尚、本実施形態においては二つの金属成形体３０１及び４０１を機械的に結合しているが、金属的、化学的に結合することも可能である。

本実施形態に係る鋳造品の製造方法は、第１実施形態に係る鋳造品の製造方法とほぼ同様であるが、金属成形体３０１及び４０１をそれぞれ溶融積層造形法によって製造し、それぞれを組みわせてから鋳包む点において異なる。この様な方法によれば、例えば溶融積層造形法に用いる装置の都合上、製造される金属成形体の大きさが限られる場合、例えば成形台３３の広さや、成形台３３から真空チャンバー３１の天井までの高さよりも大きな中空部を製造したい場合であっても、金属成形体を複数組み合わせて中空部を形成することにより、所望の構造を有する鋳造品を製造することが可能である。

［第５の実施形態］
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る鋳造品の製造方法を説明する為の図である。本実施形態に係る鋳造品の製造方法は第１の実施形態に係る鋳造品の製造方法とほぼ同様であるが、鋳包みの前段階において金属成形体５０１に第１の開口１５及び第２の開口１６が形成されている点及び鋳包みに際して第１の開口１５及び第２の開口１６を砂型の外部へ突き出しており、ここに水、ドライアイス、液体炭酸ガス等の冷却媒体を流す点において異なっている。本実施形態においては、鋳包みの際に金属成形体５０１を好適に冷却し、これによって金属成形体５０１の溶解を更に確実に防止することが可能である。また、金属成形体５０１の壁部１１は第１実施形態と同様に複雑に形成されている為、空孔１７に充填された溶湯２Ａが急冷されて高強度な接続部を形成し、金属成形体５０１と鋳物２Ａとの結合をより強める事が可能となる。

［第６の実施形態］
図１２は、本発明の第６の実施形態に係る鋳造品における金属成形体を説明する為の図である。本実施形態に係る金属成形体６０１は、中空部１２の対向する内壁面間を連結する支柱１９を有する。この支柱１９により、金属成形体６０１の強度を向上させて、鋳包み時の中空部１２の歪みの発生を防止することができる。

１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１…金属成形体、 ２…鋳物、 ３…溶融積層造形装置、 ４…上型、 ５…下型、 １１…壁部、 １２…中空部、 １３…流体経路、 １４…凸部、 １５…第１の開口、 １６…第２の開口、 １７，８１…空孔、 １８…排出部、 １９…支柱、 ３１…真空チャンバー、 ３２…粉体供給器、 ３３…成形台、 ３４…電子銃、 ３５…フォーカスコイル、 ３６…偏向コイル、 ４１…湯口、 ５１…保持部。

Claims (9)

1. 金属積層造形法を用いて中空部を有する金属成形体を製造し、
   前記金属成形体を鋳物で鋳包んで前記中空体が外部と連通した鋳造品を製造する
   ことを特徴とする鋳造品の製造方法。
2. 前記金属積層造形法による金属成形体の製造の際に、前記金属成形体の外側表面部に、互いに連結された複数の空孔を形成することを特徴とする請求項１記載の鋳造品の製造方法。
3. 前記複数の空孔を、前記金属成形体の外表面から前記中空部に向かって、徐々に孔径が小さくなるように形成することを特徴とする請求項２記載の鋳造品の製造方法。
4. 前記金属積層造形法による前記金属成形体の製造において、前記金属成形体の一部に前記中空部に連通する孔部を有ししかも異なる肉厚あるいは空隙を有する凸部を形成する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の鋳造品の製造方法。
5. 前記金属積層造形法による前記金属成形体の製造において、前記中空部の対向する内壁面間を連結する支柱を形成する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の鋳造品の製造方法。
6. 前記金属成形体を鋳物で鋳包む際に、複数の金属成形体を連結して前記鋳物で鋳包む
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の鋳造品の製造方法。
7. 前記金属成形体を鋳物で鋳包む前に、前記金属成形体の外表面及び前記中空部の内壁面の少なくとも一方に、金属質又は非金属質の被膜を形成する表面処理を行う
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の鋳造品の製造方法。
8. 前記金属成形体を鋳物で鋳包む際に、前記中空部及び前記複数の空孔の少なくとも一方に耐熱粒体を充填するか、又は冷却媒体を流しながら鋳込む
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の鋳造品の製造方法。
9. 金属積層造形法を用いて製造された中空部を有する金属成形体と、
   前記金属成形体を鋳包む鋳物とを有し、
   前記中空部が外部と連通した鋳造品。

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