JP2019181489A - 鋳造用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝達性に優れるとともに、溶湯の凝固時における溶湯の塗型からの離隔を防止することが可能な鋳造用金型の提供にある。【解決手段】砂型１２とともに製品キャビティ１１を形成する金型本体１３と、金型本体１３に設けられ、冷却水を流通する冷却水流路１９と、を有する鋳造用金型１０において、金型本体１３は、製品キャビティ１１から離隔した位置に形成された中空部２１と、中空部２１と製品キャビティ１１とを連通する連通路２２を有し、連通路２２は、製品キャビティ１１および中空部２１へ向けて通路断面積が縮小して拡大するくびれ部２８を有した。【選択図】 図１

Description

この発明は、鋳造用金型に関する。

特許文献１には、押湯部と、金型部と、ガス注入部とを含む金型鋳造構造を用いて製品を鋳造する金型鋳造法が開示されている。特許文献１の金型鋳造法では、固体潤滑性機能を持つ黒鉛粒子からなる骨材および発泡性抑制機能を持つケイ酸系バインダを含む塗型材を金型の溶湯鋳込み面に塗布して塗型を形成している。そして、塗型で被覆された溶湯鋳込み面に溶湯が鋳込まれる。特許文献１に開示された金型鋳造法では、塗型剤の改良によって、従来の塗型よりも格段に低い熱抵抗値を持ち、溶湯が鋳造品になるまでの溶湯凝固時間を短縮することができる。

特開２０１１−２１２７１４号公報

しかしながら、特許文献１の金型鋳造法では、溶湯の急速な凝固によって凝固中の溶湯が塗型から離隔するおそれがある。凝固中の溶湯が塗型から離隔すると、溶湯と塗型の隙間が断熱層となり急激に冷却速度が低下するという問題がある。また、特殊な塗型剤を用いる場合、塗布前と塗布後の塗型剤の品質が変化する等、品質管理面での取り扱いが煩雑となるおそれがある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、熱伝達性に優れるとともに、溶湯の凝固時における溶湯の塗型からの離隔を防止することが可能な鋳造用金型の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、製品キャビティを形成する金型本体と、前記金型本体に設けられ、冷却水を流通する冷却水流路と、を有する鋳造用金型において、前記金型本体は、前記製品キャビティから離隔した位置に形成された中空部と、前記中空部と前記製品キャビティとを連通する連通路と、を有し、前記連通路は、前記連通路の通路断面積が最小となるくびれ部を有することを特徴とする。

本発明では、製品キャビティに溶湯が行きわたるように注湯されると、溶湯は連通路を通じて中空部に進入する。冷却水により金型本体が冷却されると溶湯は凝固する。溶湯の凝固は成形面から製品キャビティの溶湯を引き離そうとするが、製品キャビティにおける溶湯はくびれ部を有する連通路を介して中空部にまで及んでいる。このため、凝固を始めた製品キャビティ内の溶湯は，くびれ部を持つ連通路を介して中空部内の溶湯と連結されているので，くびれ部で破断するまで金型本体の成形面から離隔することはない。したがって、凝固中の溶湯が成形面から離隔する場合と比較すると、効率的に溶湯の冷却を行うことができる。また、中空部に残存した凝固後の溶湯は次の注湯の際に再び溶融するので、金型本体を繰り返し使用することができる。

また、上記の鋳造用金型において、前記連通路は、前記連通路に注湯された溶湯の冷却時の収縮方向と前記くびれ部における溶湯の破断方向が一致するように、前記くびれ部から前記製品キャビティへ向かうにつれて通路断面積が大きくなる一側通路部と、前記くびれ部から前記中空部へ向かうにつれて通路断面積が大きくなる他側通路部と、を有する構成としてもよい。
この場合、連通路は、くびれ部から製品キャビティへ向かうにつれて通路断面積が大きくなる一側通路部と、くびれ部から中空部へ向かうにつれて通路断面積が大きくなる他側通路部と、を有する。このため、溶湯の凝固が進むことにより、くびれ部において溶湯を破断させる応力が集中する。溶湯を破断させる応力がくびれ部に集中することにより、くびれ部にて溶湯が破断される。くびれ部における溶湯の破断によって凝固後の鋳造品は金型本体から取り出すことができる。

また、上記の鋳造用金型において、前記金型本体は、塗型剤が塗布される塗型剤塗布部を有し、前記塗型剤塗布部は、前記製品キャビティの成形面および前記連通路における前記製品キャビティから前記くびれ部へ向けて形成された壁面である構成としてもよい。
この場合、製品キャビティの成形面および前記連通路における製品キャビティから前記くびれ部へ向けて形成された壁面を塗型剤塗布部とすることにより、溶湯の凝固時においてくびれ部における溶湯がより破断しやすくなる。また、塗型剤により製品キャビティにおける溶湯と金型本体との焼き付きが防止されるほか、鋳造品を金型本体から取り出しやすくすることができる。

本発明によれば、熱伝達性に優れるとともに、溶湯の凝固時における溶湯の塗型からの離隔を防止することが可能な鋳造用金型を提供することができる。

本発明の実施形態に係る鋳造用金型を模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係る鋳造用金型を模式的に示す平面図である。 本発明の実施形態に係る鋳造用金型の要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る鋳造用金型の作用を説明する説明図である。 本発明の変形例に係る鋳造用金型を模式的に示す平面図である。

以下、本実施形態の実施形態に係る鋳造用金型について図面を参照して説明する。本実施形態では、アルミニウム合金を材料とする鋳造品を形成する鋳造用金型について説明する。鋳造品は具体的にはエンジンのシリンダヘッドである。

図１に示すように、本実施形態の鋳造用金型１０は、砂型１２とともに製品キャビティ１１を形成する金型本体１３を有している。製品キャビティ１１は砂型１２および金型本体１３によって形成される密閉空間であり、密閉空間は鋳造品Ｗの形状と対応する空間である。図１では、説明の便宜上、製品キャビティ１１を単純化した形状として模式的に示す。

砂型１２は鋳物砂を固めることにより形成されており、鋳造品Ｗの形状に合わせた砂型表面１４を有している。砂型１２は、製品キャビティ１１に溶融された鋳造品の材料（以下「溶湯」と表記）Ｍを注湯する注湯口１５を有している。砂型１２は鋳造時に金型本体１３上に載置されて接合される。製品キャビティ１１は砂型１２と金型本体１３との接合により形成される。なお、図示はされないが、製品キャビティ１１には、中子が収容されてもよい。

金型本体１３は、上部に位置する上型部材１６および上型部材１６に固定される下型部材１７を備えている。上型部材１６と下型部材１７は、ボルト等の締結部材（図示せず）により連結されている。上型部材１６は、製品キャビティ１１を形成する成形面１８を備えている。成形面１８は、鋳造品Ｗの形状に対応して形成されている。下型部材１７には、金型本体１３を冷却する冷却水が流通する冷却水流路１９が形成されている。冷却水流路１９は、冷却水が循環する冷却水配管（図示せず）に接続されており、鋳造時に冷却水が冷却水流路１９に流通される。

図１に示すように、金型本体１３には、アンカーキャビティ２０が形成されている。アンカーキャビティ２０は、製品キャビティ１１に注湯された溶湯Ｍの冷却時に溶湯Ｍを成形面１８から離隔させないようにするほか、冷却時にアンカーキャビティ２０の溶湯を破断させるために設けられている。溶湯Ｍの冷却時に溶湯Ｍを成形面１８から離隔させないようにすることは、製品キャビティ１１における溶湯Ｍの冷却時間を短縮する。また、アンカーキャビティ２０の溶湯を破断させることは、鋳造品Ｗを金型本体１３から取り出し易くする。

本実施形態では、アンカーキャビティ２０は、３箇所に形成されている。アンカーキャビティ２０は、製品キャビティ１１から離隔した位置に形成された中空部２１と、中空部２１と製品キャビティ１１とを連通する連通路２２を有している。本実施形態では、中空部２１および連通路２２は成形面１８における底側と冷却水流路１９との間に形成されている。

図２に示すように、本実施形態の中空部２１は平面視では円形に見える円柱状の空間である。図３に示すように、金型本体１３は中空部２１を形成する水平な底壁面２３と、底壁面２３から垂直に立ち上る側壁面２４と、底壁面２３と平行な天壁面２５と、を備えている。底壁面２３および側壁面２４は、下型部材１７に形成されており、天壁面２５は、上型部材１６に形成されている。底壁面２３の直径は、中空部２１における表面積をより多くするために、側壁面２４の高さに対して十分に大きい。中空部２１の表面積を多くすることにより金型本体１３や中空部２１における溶湯の冷却が促進される。

図３に示すように、製品キャビティ１１と中空部２１を連通する連通路２２は、上型部材１６を貫通する通路である。連通路２２は、製品キャビティ１１から中空部２１へ向けて連通路２２の径が小さくなる上側通路部２６と、中空部２１から製品キャビティ１１へ向けて連通路２２の径が小さくなる下側通路部２７と、を有する。上側通路部２６は一側通路部に相当し、下側通路部２７は他側通路部に相当する。連通路２２における上側通路部２６と下側通路部２７との間には、くびれ部２８が設けられており、くびれ部２８の通路断面積は連通路２２において最小である。

金型本体１３は、成形面１８から下方へ向けて延在して上側通路部２６を形成する上側通路壁面２９と、天壁面２５から上方へ向けて延在する下側通路壁面３０を備えている。上側通路壁面２９は、連通路２２における製品キャビティ１１からくびれ部２８へ向けて形成された壁面である。下側通路壁面３０は、連通路２２における中空部２１からくびれ部２８へ向けて形成された壁面である。

上側通路壁面２９と下側通路壁面３０の間には周方向にわたって形成される角部３１が形成されている。上側通路壁面２９と下側通路壁面３０とが成す角度θは、中空部２１への溶湯の流れ易さおよび冷却時の溶湯の破断し易さを考慮して決定されている。連通路２２は、連通路２２に注湯された溶湯の冷却時の収縮方向とくびれ部２８における溶湯の破断方向が一致するように形成されている。

金型本体１３は、鋳造に先立って塗型剤が塗布される塗型塗布部を有する。本実施形態の塗型塗布部は、金型本体１３における成形面１８および上側通路壁面２９である。因みに、下側通路壁面３０および中空部２１を形成する壁面（底壁面２３、側壁面２４および天壁面２５）には、塗型剤は塗布されない。本実施形態の塗型剤は、品質管理が比較的容易な公知の塗型剤である。塗型剤は注湯前にスプレーの噴射により塗布してもよく、あるいは、刷毛や筆を用いて塗布してもよく、塗型剤の塗布の手段、方法については自由である。塗型塗布部への塗型剤の塗布により塗型が形成される。

次に、鋳造用金型１０を用いて鋳造を行う手順について説明する。図４（ａ）に示すように、まず、作業者は、塗型剤Ｃを金型本体１３の成形面１８および連通路２２における上側通路壁面２９に塗布する。また、図示はされないが、砂型１２の砂型表面１４にも金型本体１３と同様に塗型剤Ｃを塗布する。作業者は、塗型剤Ｃの塗布後には、砂型１２を金型本体１３へ載置する。

次に、砂型１２の注湯口１５から溶湯Ｍを注湯する。注湯された溶湯Ｍは、製品キャビティ１１から連通路２２を通じて中空部２１に充填されるとともに製品キャビティ１１に充填される。注湯は、製品キャビティ１１およびアンカーキャビティ２０に溶湯Ｍが行きわたるまで行われる。なお、図４（ａ）では、説明の便宜上、製品キャビティ１１に充填された溶湯をＭ１とし、アンカーキャビティ２０に充填された溶湯Ｍ２として両者を区別している。

製品キャビティ１１の溶湯Ｍ１およびアンカーキャビティ２０の溶湯Ｍ２は、金型本体１３との熱交換により冷却されて凝固が進行する。金型本体１３の冷却水流路１９には、冷却水が流通しており、金型本体１３は冷却される。アンカーキャビティ２０に充填された溶湯Ｍ２のうち中空部２１および連通路２２の下側通路部２７に充填されている溶湯は、底壁面２３、側壁面２４、天壁面２５および下側通路壁面３０を通じて金型本体１３と熱交換する。底壁面２３、側壁面２４、天壁面２５および下側通路壁面３０は、塗型剤Ｃが塗布されていない面であるため、塗型剤Ｃが塗布されている成形面１８および上側通路壁面２９と比較して放熱され易い。因みに、塗型剤Ｃは熱抵抗として作用する。

製品キャビティ１１の溶湯Ｍ１およびアンカーキャビティ２０の溶湯Ｍ２は、徐々に凝固が進む。溶湯Ｍの凝固の進行により、製品キャビティ１１の溶湯Ｍ１は、成形面１８から離隔する応力が生じるが、製品キャビティ１１の溶湯Ｍ１は、アンカーキャビティ２０の溶湯Ｍ２と一体なので、溶湯Ｍ１は成形面１８から離隔せず密着した状態を保つ。つまり、溶湯Ｍ１の凝固は成形面１８から製品キャビティ１１の溶湯Ｍ２を引き離そうとするが、凝固を始めた製品キャビティ１１内の溶湯Ｍ１は、くびれ部２８を持つ連通路２２を介して中空部２１内の溶湯Ｍ２と連結されており、溶湯Ｍ２がくびれ部２８で破断するまで金型本体１３の成形面１８から離隔することはない。溶湯Ｍ１が成形面１８から離隔しないため、溶湯Ｍ１と金型本体１３との熱交換は効率良く行われる。

製品キャビティ１１の溶湯Ｍ１およびアンカーキャビティ２０の溶湯Ｍ２は、冷却による凝固に伴って収縮する。このため、図４（ａ）における白矢印に示すように、溶湯Ｍ２のくびれ部２８より製品キャビティ１１側の部位では、溶湯Ｍ１とともに上方へ向かう応力が生じ、溶湯Ｍ２のくびれ部２８より中空部２１側の部位では下方へ向かう応力が生じる。互いに離れる方向（連通路２２の長手方向）への応力が発生するため、溶湯Ｍ２において通路断面積が最小となるくびれ部２８では応力が集中する。そして、製品キャビティ１１の溶湯Ｍ１およびアンカーキャビティ２０の溶湯Ｍの冷却による凝固が進むにつれて、くびれ部２８において集中する応力はさらに大きくなる。

溶湯Ｍ１、Ｍ２の冷却による凝固がさらに進行すると、図４（ｂ）に示すように、溶湯Ｍ２はくびれ部２８にて破断する。溶湯Ｍ２のうち上側通路部２６の部位は溶湯Ｍ１と一体となる。溶湯Ｍ２のうち中空部２１および下側通路部２７の部位は、そのまま凝固して残存する。凝固された溶湯Ｍ１は鋳造品Ｗとなり、溶湯Ｍ２の破断によって鋳造品Ｗは成形面１８から離隔可能となる。

溶湯Ｍ１の凝固が完了すると、次に、砂型１２を金型本体１３から取り外して、鋳造品Ｗを金型本体１３から取り出す。取り出された鋳造品Ｗと一体となった溶湯Ｍ２のうち上側通路部２６の部位は、鋳造品Ｗが金型本体１３から取出された後に加工により除去される。なお、アンカーキャビティ２０に残存する凝固した溶湯Ｍ２は、次回の鋳造の際に注湯される溶湯によって再び溶融されるので、金型本体１３は繰り返し使用することが可能である。

本実施形態の鋳造用金型１０は、以下の作用効果を奏する。
（１）製品キャビティ１１に溶湯が行きわたるように注湯されると、溶湯Ｍは連通路２２を通じて中空部２１に進入する。冷却水により金型本体１３が冷却されると溶湯は凝固する。溶湯Ｍ１の凝固は成形面１８から製品キャビティ１１の溶湯を引き離そうとするが、製品キャビティ１１における溶湯はくびれ部２８を有する連通路２２を介して中空部２１にまで及んでいる。このため、凝固を始めた製品キャビティ１１内の溶湯は，くびれ部２８を持つ連通路２２を介して中空部２１内の溶湯と連結されているので，くびれ部２８で破断するまで金型本体１３の成形面１８から離隔することはない。したがって、凝固中の溶湯Ｍ１が成形面１８から離隔する場合と比較すると、効率的に溶湯Ｍ１の冷却を行うことができる。また、中空部２１に残存した凝固後の溶湯Ｍ２は次の注湯の際に再び溶融するので、金型本体１３を繰り返し使用することができる。

（２）連通路２２は、くびれ部２８から製品キャビティ１１へ向かうにつれて通路断面積が大きくなる上側通路部２６と、くびれ部２８から中空部２１へ向かうにつれて通路断面積が大きくなる下側通路部２７と、を有する。連通路２２は、連通路２２の溶湯Ｍ２の冷却時の収縮方向とくびれ部２８における溶湯Ｍ２の破断方向は一致する構成を備えている。したがって、溶湯Ｍ１、Ｍ２の凝固が進むことにより、くびれ部２８において溶湯Ｍ２を破断させる応力が集中する。溶湯Ｍ２を破断させる応力がくびれ部２８に集中することにより、くびれ部２８にて溶湯Ｍ２が破断される。くびれ部２８における溶湯Ｍ２の破断によって凝固後の鋳造品Ｗは金型本体１３から取り出すことができる。

（３）金型本体１３は、塗型剤Ｃが塗布される塗型剤塗布部を有している。塗型剤塗布部は、製品キャビティ１１の成形面１８および連通路２２における製品キャビティ１１からくびれ部２８へ向けて形成された壁面である上側通路壁面２９である。成形面１８および上側通路壁面２９を塗型剤塗布部とすることにより、上側通路壁面２９における焼き付きが防止され、溶湯Ｍ１、Ｍ２の凝固時においてくびれ部２８における溶湯Ｍ２がより破断しやすくなる。また、塗型剤Ｃにより製品キャビティ１１における溶湯Ｍ２と金型本体１３との焼き付きが防止されるほか、鋳造品Ｗを金型本体１３から取り出し易くすることができる。

（４）品質管理の難しい特殊な塗型剤を用いることなく、品質管理の容易な公知の塗型剤を用いることができるので、塗型剤の品質管理面において作業者の負担を軽減することができる。

（変形例）
次に、変形例に係る鋳造用金型４０について説明する。図５に示すように、変形例に係る鋳造用金型４０は、アンカーキャビティ４１、４２を有する。アンカーキャビティ４１は、直方体の中空部４３と、中空部４３と製品キャビティ１１を連通する連通路２２を有する。アンカーキャビティ４２は、楕円柱の中空部４４と、中空部４４と製品キャビティ１１を連通する連通路２２を有している。本変形例の鋳造用金型４０のアンカーキャビティ４１、４２は、実施形態の鋳造用金型１０のアンカーキャビティ２０と構成が異なるが、実施形態のアンカーキャビティ２０と同等の作用効果を奏する。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

○ 上記の実施形態（変形例を含む）では、アンカーキャビティは金型本体の成形面の底側から下方へ向けて形成されたが、この限りではない。アンカーキャビティは、例えば、金型本体の成形面のうち側方側から側方へ向けて形成されてもよく、金型本体におけるアンカーキャビティを設ける位置や方向は、溶湯の充填が可能であれば自由である。従って、一側通路部および他側通路部は、上下方向に限らず、例えば、左右方向に形成されてもよい。
○ 上記の実施形態（変形例を含む）では、金型本体における成形面の全体および連通路における上側通路壁面の全体を塗型剤塗布部としたが、塗型剤塗布部は上側通路壁面の全体に限らない。塗型剤塗布部は、金型本体における成形面の全体のほか、例えば、上側通路壁面における成形面からくびれ部へ向かう中間付近までとしてもよい。
○ 上記の実施形態（変形例を含む）では、連通路は円形孔により形成されているが、連通路は円形孔に限らない。連通路は、例えば、平面視において長方形を成す溝であってもよく、連通路の通路断面の形状は特に制限されず自由である。

１０、４０ 鋳造用金型
１１ 製品キャビティ
１２ 砂型
１３ 金型本体
１８ 成形面
１９ 冷却水流路
２０、４１、４２ アンカーキャビティ
２１、４３、４４ 中空部
２２ 連通路
２６ 上側通路部（一側通路部）
２７ 下側通路部（他側通路部）
２８ くびれ部
２９ 上側通路壁面
３０ 下側通路壁面
３１ 角部
Ｃ 塗型剤
Ｍ 溶湯
Ｍ１ 溶湯（製品キャビティ）
Ｍ２ 溶湯（アンカーキャビティ）
Ｗ 鋳造品
θ 角度

Claims (3)

1. 製品キャビティを形成する金型本体と、
   前記金型本体に設けられ、冷却水を流通する冷却水流路と、を有する鋳造用金型において、
   前記金型本体は、
   前記製品キャビティから離隔した位置に形成された中空部と、
   前記中空部と前記製品キャビティとを連通する連通路と、を有し、
   前記連通路は、前記連通路の通路断面積が最小となるくびれ部を有することを特徴とする鋳造用金型。
2. 前記連通路は、
   前記連通路に注湯された溶湯の冷却時の収縮方向と前記くびれ部における溶湯の破断方向が一致するように、
   前記くびれ部から前記製品キャビティへ向かうにつれて通路断面積が大きくなる一側通路部と、
   前記くびれ部から前記中空部へ向かうにつれて通路断面積が大きくなる他側通路部と、を有することを特徴とする請求項１記載の鋳造用金型。
3. 前記金型本体は、塗型剤が塗布される塗型剤塗布部を有し、
   前記塗型剤塗布部は、前記製品キャビティの成形面および前記連通路における前記製品キャビティから前記くびれ部へ向けて形成された壁面であることを特徴とする請求項１又は２記載の鋳造用金型。

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