JP2017006986A - 金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法および該金型鋳造鋳型 - Google Patents

Abstract

【課題】金型鋳造における縦方向中子の上方に位置する領域の鋳物の鋳造欠陥を解消するために、金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法および該金型鋳造鋳型を提供する。
【解決手段】本発明に係る金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法は、鋳物を構成する合金材料の結晶凝固温度範囲に基づき、中子無し状態における第１収縮補償角を確定するステップと、中子有り状態における前記結晶凝固温度範囲に対応した第２収縮補償角を確定するステップと、所定の関係式により第３収縮補償角を計算するステップと、前記鋳型における前記縦方向中子の上方に位置する領域の前記鋳物の収縮補償角を前記第３収縮補償角以上前記第１収縮補償角未満に設定するステップとを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型鋳造の技術に関し、特に金型鋳造の鋳型における縦方向中子の設計方法および該金型鋳造鋳型に関するものである。

金型鋳造の鋳型において縦方向（鉛直方向）構造を有する中子は、しばしばシリンダーブロック鋳物や円筒状鋳物などを製造するために設計される。例えば、特許文献１（特開2014-83558）には、シリンダヘッド鋳造用中子構造が開示されている。

特開２０１４−８３５５８号公報

縦方向構造を有する中子（特に、縦方向長さが横方向長さよりも長い中子、縦方向中子と称す）を設計する際には、型抜きの利便性を考慮して、該縦方向中子を鋳型の底部位置に配設するように設計することが一般的である。ただし、縦方向中子の場合、中子自体の放熱性が通常低いため、該中子の上方に位置する領域の鋳物の順次凝固が制御しにくくなり、該中子の縦方向軸線に沿ってザク巣や引け巣などの鋳造欠陥が発生し易いという弱点がある。

中子の上方領域に発生する鋳物の鋳造欠陥（ザク巣や引け巣など）の問題を解決するために、縦方向中子の内部に冷却機構を配設する方法がある。しかしながら、縦方向中子の内部に冷却機構を設けようとすると、鋳型コストが高くなる上に、冷却機構の形成自体が困難になる場合もある。

そのため、縦方向中子の放熱作用を十分に発揮させるように縦方向中子を合理的に設計し、縦方向中子の上方に位置する領域の鋳物の鋳造欠陥を解決することは、重要な技術的意義がある。

上記のような問題を鑑み、本発明は、金型鋳造における縦方向中子の上方に位置する領域の鋳物の鋳造欠陥を解消するために、金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法および該金型鋳造鋳型を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、金型鋳造の鋳型における縦方向中子の設計方法であって、
鋳物を構成する合金材料の結晶凝固温度範囲に基づいたシミュレーションによって予め取得した、前記結晶凝固温度範囲と中子無し状態での前記合金材料の収縮補償角との間の対応関係を示す第１対応関係曲線から、前記中子無し状態における前記結晶凝固温度範囲に対応した第１収縮補償角を確定するステップと、
前記結晶凝固温度範囲に基づいた前記シミュレーションによって予め取得した、前記結晶凝固温度範囲と中子有り状態での前記合金材料の収縮補償角との間の対応関係を示す第２対応関係曲線から、前記中子有り状態における前記結晶凝固温度範囲に対応した第２収縮補償角を確定するステップと、
前記縦方向中子の体積および該縦方向中子の側面に接触する前記鋳物の体積に基づいたシミュレーションによって予め取得した第３対応関係曲線から、下記式（１）中の係数xを確定し、確定した前記第１収縮補償角、前記第２収縮補償角および前記係数xに基づいて下記式（１）により第３収縮補償角を計算するステップと、
Y＝A−(A−B)x ・・・ 式（１）
（ただし、Aは前記第１収縮補償角を示し、A−Bは前記第２収縮補償角を示し、Yは前記第３収縮補償角を示し、xは前記縦方向中子の放熱性に関連する係数を示す）
前記鋳型における前記縦方向中子の上方に位置する領域の前記鋳物の収縮補償角を前記第３収縮補償角以上前記第１収縮補償角未満に設定するステップとを含むことを特徴とする金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法を提供するものである。

本発明は、上記の金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記第１対応関係曲線は、異なる結晶凝固温度範囲を有する複数種の合金材料について、コンピュータ支援エンジニアリングソフトウェア（CAEソフトウェア）を使用して、前記中子無し状態での前記複数種の合金材料の収縮補償角をシミュレーションして取得したものである。
（ii）前記第２対応関係曲線は、異なる結晶凝固温度範囲を有する複数種の合金材料について、CAEソフトウェアを使用して、前記中子有り状態での前記複数種の合金材料の収縮補償角をシミュレーションして取得したものである。
（iii）前記係数xは、前記縦方向中子の体積と該縦方向中子の側面に接触する前記鋳物の体積との比に基づくものであり、前記第３対応関係曲線は、CAEソフトウェアを使用して、前記比と前記係数xとの間の対応関係をシミュレーションして取得したものである。
（iv）前記金型鋳造は、重力金型鋳造である。

本発明の他の一態様は、縦方向中子を有する金型鋳造用の鋳型であって、前記縦方向中子は、上記の金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法によって設計された形状を有することを特徴とする金型鋳造鋳型を提供するものである。

本発明は、上記の金型鋳造鋳型において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（v）前記金型鋳造は、重力金型鋳造である。

本発明によれば、縦方向中子の上方に適当な収縮補償角を設計する金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法、および該設計方法による縦方向中子を有する金型鋳造鋳型を提供することができる。本発明に係る鋳型を用いて金型鋳造を行うことにより、金型鋳造における縦方向中子の上方に位置する領域の鋳物の鋳造欠陥（ザク巣や引け巣など）を効果的に解消することができる。

本発明に係る金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施例における収縮補償角とフィーダヘッド収縮補償距離との間の関係を示す断面模式図である。 本発明の一実施例における中子無し状態での第１収縮補償角の計算モデルを示す断面模式図である。 本発明の一実施例における中子有り状態での第２収縮補償角の計算モデルを示す断面模式図である。 本発明の一実施例における第１対応関係曲線および第２対応関係曲線を示すグラフである。 本発明の一実施例における中子および該中子の側面に接触する鋳物の体積比と係数xとの間の対応関係を示す第３対応関係曲線を示すグラフである。 本発明に係る縦方向中子を有する金型鋳造鋳型の第１実施例を示す断面模式図である。 本発明に係る縦方向中子を有する金型鋳造鋳型の第２実施例を示す断面模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

図１は、本発明に係る金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法の一例を示すフローチャートである。

図１に示したように、まず、ステップS101において、鋳物を構成する合金材料の結晶凝固温度範囲に基づいたシミュレーションによって予め取得した第１対応関係曲線から、中子無し状態における第１収縮補償角を確定する。このとき、第１対応関係曲線とは、結晶凝固温度範囲と中子無し状態での合金材料の収縮補償角との間の対応関係を示す曲線である。また、本発明において、合金材料の結晶凝固温度範囲とは、該合金材料の液相線凝固温度と固相線凝固温度との温度差を意味するものとする。

次に、ステップS102において、鋳物を構成する合金材料の結晶凝固温度範囲に基づいたシミュレーションによって予め取得した第２対応関係曲線から、中子有り状態における第２収縮補償角を確定する。このとき、第２対応関係曲線とは、結晶凝固温度範囲と中子有り状態での合金材料の第２収縮補償角との間の対応関係を示す曲線である。

次に、ステップS103において、方向中子の体積および該縦方向中子の側面に接触する鋳物の体積に基づいたシミュレーションによって予め取得した第３対応関係曲線から、下記式（１）中の係数xを確定する。続いて、確定した第１収縮補償角、第２収縮補償角および係数xに基づいて下記の式（１）により第３収縮補償角を計算する。

Y＝A−(A−B)x ・・・ 式（１）
ただし、Aは第１収縮補償角を示し、A−Bは第２収縮補償角を示し、Yは第３収縮補償角を示し、xは縦方向中子の放熱性に関連する係数を示す。

次に、ステップS104において、金型鋳造鋳型における縦方向中子の上方に位置する領域の鋳物の収縮補償角を第３収縮補償角以上第１収縮補償角未満に設定する。言い換えると、縦方向中子の上方に位置する領域の鋳物の収縮補償角が、第３収縮補償角以上第１収縮補償角未満となるように縦方向中子の高さを決める。

以上のステップにより、縦方向中子を有する金型鋳造鋳型において、該縦方向中子の上方に位置する領域の鋳物の鋳造欠陥（ザク巣や引け巣など）を効果的に解決する縦方向中子を設計することができる。また、本発明の金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法は、重力金型鋳造の鋳型に対して好ましく適用できる。

以下、本発明について更に詳細に説明する。図２は、本発明の一実施例における収縮補償角とフィーダヘッド収縮補償距離との間の関係を示す断面模式図である。

図２に示したように、本発明における収縮補償角とは、フィーダヘッド201の底面と鋳物202の頂面とが接触する縁部から縦方向中子203の頂面の幾何学的中心までの線が囲んでなるコーンの角度である。

収縮補償角とフィーダヘッド収縮補償距離Lとは、以下の関係を満たす。
収縮補償角＝2arctg(D/2L)
ただし、Dは鋳物202の幅を示し、Lはフィーダヘッド201の底面から縦方向中子203の頂面までの垂直距離（すなわちフィーダヘッド収縮補償距離）を示す。

第１収縮補償角Aは、金型鋳造鋳型が中子無し状態である場合に、鋳造欠陥（ザク巣や引け巣など）を発生させない最小の収縮補償角を示す。第２収縮補償角A−Bは、金型鋳造鋳型が中子有り状態である場合に、鋳造欠陥を発生させない最小の収縮補償角を示す。

複数種の合金材料の結晶凝固温度範囲のそれぞれと第１収縮補償角Aとの間の対応関係や、複数種の合金材料の結晶凝固温度範囲のそれぞれと第２収縮補償角A−Bとの間の対応関係は、従来のコンピュータ支援エンジニアリングソフトウェア（CAEソフトウェア）を使用してシミュレーション実験を行って予め取得することができる。

図３は、本発明の一実施例における中子無し状態での第１収縮補償角の計算モデルを示す断面模式図である。図４は、本発明の一実施例における中子有り状態での第２収縮補償角の計算モデルを示す断面模式図である。図５は、本発明の一実施例における第１対応関係曲線501および第２対応関係曲線502を示すグラフである。

CAEソフトウェアを用いたシミュレーション実験について説明する。

第１収縮補償角Aのシミュレーション実験では、図３に示した計算モデルを使用して、下記のような境界条件を設定した。
（a）フィーダヘッド201の弾性率は、鋳物202の弾性率の1.2倍である。
（b）金型鋳造鋳型の材料は、一般的な熱間工具鋼である。
（c）第１収縮補償角Aの底部接触面は、ほぼ伝熱しない（すなわち金型鋳造鋳型は中子無し状態である）。
（d）異なる合金材料は、異なる結晶凝固温度範囲をそれぞれ有する。

上記境界条件の下でのシミュレーション実験の結果、図５に示したような、結晶凝固温度範囲と第１収縮補償角Ａとの間の対応関係を示す第１対応関係曲線501が得られた。

同様にして、第２収縮補償角A−Bのシミュレーション実験では、図４に示した計算モデルを使用して、下記のような境界条件を設定した。
（e）フィーダヘッド201の弾性率は、鋳物202の弾性率の1.2倍である。
（f）金型鋳造鋳型の材料は、一般的な熱間工具鋼である。
（g）第２収縮補償角A−Bの底部接触面は、全面が十分に伝熱する（すなわち金型鋳造鋳型は中子有り状態である）。
（h）異なる合金材料は、異なる結晶凝固温度範囲をそれぞれ有する。

上記境界条件の下でのシミュレーション実験の結果、図５に示したような、結晶凝固温度範囲と第２収縮補償角A−Bとの間の対応関係を示す第２対応関係曲線502が得られた。

前述した式（１）中の係数xは、金型鋳造鋳型の中子の放熱性に関連する係数である。中子の放熱性は、中子の材料や形状や体積と相関する。

例えば、中子の材料としては、一般的に熱間工具鋼が使用される。中子の形状（特に外形状）は、中子の型抜き角の制約を受けるため（型抜きを可能とするための形状の制約を受けるため）、形状に関する因子は、実質的に中子の高さと中子の体積になる。中子の高さとフィーダヘッド収縮補償距離とは線形対応関係にあるため、中子の高さと収縮補償角とは相関する因子である。また、中子の周りの鋳物の体積が決まると、放熱すべき熱量が決まる。これらのことから、中子の体積と中子の側面に接触する鋳物の体積との比が中子の放熱性を決めることが分かる。

中子および該中子の側面に接触する鋳物の体積比と係数xとの間の対応関係は、先の収縮補償角の場合と同様に、CAEソフトウェアを用いたシミュレーション実験で取得することができる。

図６は、本発明の一実施例における中子および該中子の側面に接触する鋳物の体積比と係数xとの間の対応関係を示す第３対応関係曲線601を示すグラフである。図６に示したように、中子の体積と該中子の側面に接触する鋳物の体積との比が増大すると、係数xも増大する。

以下、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明はこれらの記載例に限定されるものではない。

［第１実施例］
図７は、本発明に係る縦方向中子を有する金型鋳造鋳型の第１実施例を示す断面模式図である。図７に示した金型鋳造鋳型の断面図には、フィーダヘッド701、鋳物702を形成するキャビティ、および縦方向中子703を描いた。

まず、鋳物702を構成する合金材料の結晶凝固温度範囲に基づいて、図５に示したような第１対応関係曲線501から、該結晶凝固温度範囲に対応した第１収縮補償角Aを確定するステップ（S101）を行う。

次に、図５に示したような第２対応関係曲線502から、該結晶凝固温度範囲に対応した第２収縮補償角A−Bを確定するステップ（S102）を行う。

次に、縦方向中子703の体積と該縦方向中子703の側面に接触する鋳物702の体積との比に基づいて、図６に示したような第３対応関係曲線601から、係数xを確定する。続いて、確定した第１収縮補償角A、第２収縮補償角A−B、および係数xに基づいて、式（１）「Y＝A−(A−B)x」により第３収縮補償角Yを計算するステップ（S103）を行う。

次に、縦方向中子703の上方に位置する領域の鋳物の収縮補償角を第３収縮補償角Yに等しく設定するステップ（S104）を行う。言い換えると、縦方向中子703の上方に位置する領域の鋳物の収縮補償角が、第３収縮補償角Yとなるように縦方向中子703の高さを決める。

上記では、縦方向中子703の上方に位置する領域の鋳物の収縮補償角を第３収縮補償角Yに等しく設定したが、縦方向中子703の上方に位置する領域の鋳物の収縮補償角は、第３収縮補償角Y以上第１収縮補償角A未満であればよい。

［第２実施例］
図８は、本発明に係る縦方向中子を有する金型鋳造鋳型の第２実施例を示す断面模式図である。図８に示した金型鋳造鋳型の断面図には、フィーダヘッド801、鋳物802を形成するキャビティ、第１縦方向中子部分803、および第２縦方向中子部分804を描いた。

鋳物802を構成する合金材料がAC4CH（Al-Si-Mg系合金）である場合、該合金材料の結晶凝固温度範囲（合金の液相線凝固温度−固相線凝固温度）は45℃である。

該結晶凝固温度範囲に基づいて、図５に示したような第１対応関係曲線501から確定した第１収縮補償角Aは72°であり、図５に示したような第２対応関係曲線502から確定した第２収縮補償角A−Bは50°であった。

ここで、金型鋳造鋳型の縦方向中子の形状が、第１縦方向中子部分803のみ（第２縦方向中子部分804が存在しない状態）であったとする。その場合、第１縦方向中子部分803の体積と該第１縦方向中子部分803の側面に接触する鋳物802の体積との比は0.32であった。そして、該体積比に基づいて、図６に示したような第３対応関係曲線601から確定した係数xは0.13であった。

次に、これらの値を前記式（１）に代入して第３収縮補償角Yを計算すると、
「Y＝72−22×0.13＝69.14°」となる。

図８を参照すると、収縮補償角a1が69.14°未満であることが明らかである。そのため、縦方向中子の形状が第１縦方向中子部分803のみの場合、第１縦方向中子部分803の上方にはザク巣や引け巣などの鋳造欠陥が発生する。

上記の結果から、第１縦方向中子部分803の上方に発生する鋳造欠陥を解消するためには、縦方向中子の形状を改良する必要があることが分かる。具体的には、縦方向中子の体積と高さを適当に増大する必要がある。

次に、縦方向中子の形状を「第１縦方向中子部分803＋第２縦方向中子部分804」と改良した場合について説明する。この場合、改良した縦方向中子の体積と該改良した縦方向中子の側面に接触する鋳物802の体積との比は0.25であった。また、該体積比に基づいて、第３対応関係曲線601から確定した係数xは0.1であった。

次に、これらの値を前記式（１）に代入して第３収縮補償角Yを計算すると、
「Y＝72−22×0.1＝69.8°」となる。

図８を参照すると、改良した縦方向中子（803＋804）では、収縮補償角a2が70°超になることが明らかである。そのため、縦方向中子の形状を「第１縦方向中子部分803＋第２縦方向中子部分804」と改良した場合、該縦方向中子の上方にはザク巣や引け巣などの鋳造欠陥が発生しない。

上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を当業者の技術常識の構成で置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に当業者の技術常識の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

201・・・フィーダヘッド、202・・・鋳物、203・・・縦方向中子、
501・・・第１対応関係曲線、502・・・第２対応関係曲線、
601・・・第３対応関係曲線、
701・・・フィーダヘッド、702・・・鋳物、703・・・縦方向中子、
801・・・フィーダヘッド、802・・・鋳物、803・・・第１縦方向中子部分、
804・・・第２縦方向中子部分。

Claims (7)

1. 金型鋳造の鋳型における縦方向中子の設計方法であって、
   鋳物を構成する合金材料の結晶凝固温度範囲に基づいたシミュレーションによって予め取得した、前記結晶凝固温度範囲と中子無し状態での前記合金材料の収縮補償角との間の対応関係を示す第１対応関係曲線から、前記中子無し状態における前記結晶凝固温度範囲に対応した第１収縮補償角を確定するステップと、
   前記結晶凝固温度範囲に基づいた前記シミュレーションによって予め取得した、前記結晶凝固温度範囲と中子有り状態での前記合金材料の収縮補償角との間の対応関係を示す第２対応関係曲線から、前記中子有り状態における前記結晶凝固温度範囲に対応した第２収縮補償角を確定するステップと、
   前記縦方向中子の体積および該縦方向中子の側面に接触する前記鋳物の体積に基づいたシミュレーションによって予め取得した第３対応関係曲線から、下記式（１）中の係数xを確定し、確定した前記第１収縮補償角、前記第２収縮補償角および前記係数xに基づいて下記式（１）により第３収縮補償角を計算するステップと、
   Y＝A−(A−B)x ・・・ 式（１）
   （ただし、Aは前記第１収縮補償角を示し、A−Bは前記第２収縮補償角を示し、Yは前記第３収縮補償角を示し、xは前記縦方向中子の放熱性に関連する係数を示す）
   前記鋳型における前記縦方向中子の上方に位置する領域の前記鋳物の収縮補償角を前記第３収縮補償角以上前記第１収縮補償角未満に設定するステップとを含むことを特徴とする金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法。
2. 請求項１に記載の金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法において、
   前記第１対応関係曲線は、異なる結晶凝固温度範囲を有する複数種の合金材料について、コンピュータ支援エンジニアリングソフトウェアを使用して、前記中子無し状態での前記複数種の合金材料の収縮補償角をシミュレーションして取得したものであることを特徴とする金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法。
3. 請求項１に記載の金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法において、
   前記第２対応関係曲線は、異なる結晶凝固温度範囲を有する複数種の合金材料について、コンピュータ支援エンジニアリングソフトウェアを使用して、前記中子有り状態での前記複数種の合金材料の収縮補償角をシミュレーションして取得したものであることを特徴とする金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法。
4. 請求項１に記載の金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法において、
   前記係数xは、前記縦方向中子の体積と該縦方向中子の側面に接触する前記鋳物の体積との比に基づくものであり、
   前記第３対応関係曲線は、コンピュータ支援エンジニアリングソフトウェアを使用して、前記比と前記係数xとの間の対応関係をシミュレーションして取得したものであることを特徴とする金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法において、
   前記金型鋳造は、重力金型鋳造であることを特徴とする金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法。
6. 縦方向中子を有する金型鋳造用の鋳型であって、
   前記縦方向中子は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の金型鋳造鋳型における縦方向中子の設計方法によって設計された形状を有することを特徴とする金型鋳造鋳型。
7. 請求項６に記載の金型鋳造鋳型において、
   前記金型鋳造は、重力金型鋳造であることを特徴とする金型鋳造鋳型。

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