JP2020015068A - 横穴への鋳物砂の充填性評価方法および充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】横穴への鋳物砂の充填性評価方法および横穴への鋳物砂の充填方法の提供。【解決手段】横穴３ａの長手方向が水平方向または所定角度傾いている鋳型３に対し、鉛直および水平方向に振動を付加する。横穴３ａと鋳物砂４間の静止摩擦係数をμ［−］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ2］、振動中の長手方向の水平方向に対する傾斜角度をθ［ｄｅｇ］、水平方向で上方から見て長手方向に平行な方向の振動の加速度をａｙ［ｍ／ｓ2］、鉛直方向の振動の加速度をａｚ［ｍ／ｓ2］とし、下記の式（１）で表される振動１周期で鋳物砂４が横穴３ａ内に進入する進入速度ｖ［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］の所定値で、充填性を評価する。また、加速度ａｙと、加速度ａｚとが、下記の式（２）を満たす。ｖ＝∬1cycle｛（｜ａｙ｜ｃｏｓθ＋｜ａｚ｜ｓｉｎθ）−μ（−｜ａｙ｜ｓｉｎθ＋｜ｇ−ａｚ｜ｃｏｓθ）｝ｄｔｄｔ・・・式（１）、｜ａｙ｜＞μ｜ｇ−ａｚ｜・・・式（２）【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、消失模型鋳造法において、横穴への鋳物砂の充填性を評価する横穴への鋳物砂の充填性評価方法、および、横穴に鋳物砂を充填する横穴への鋳物砂の充填方法に関する。

消失模型鋳造法は、発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳物砂の中に埋めた後に、鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、発泡模型を消失させて溶湯と置換することで、鋳物を鋳造する方法である。

消失模型鋳造法において、鋳物砂の充填には、一般的に振動テーブルが用いられる。しかし、発泡模型が有する横穴の角度によっては、自重だけでは鋳物砂が自然に充填されない場合がある。このように、鋳物砂の充填が難しい形状を発泡模型が有する場合がある。

そこで、特許文献１，２には、円運動を描く方向に振動テーブルを振動させることが開示されている。振動テーブルを円振動させることにより、鋳物砂の充填性が向上する。

また、特許文献３には、ガス噴出口から圧縮ガスを噴出して、圧縮ガスと共に鋳砂を凹部内に吹き込み、鋳砂を密充填すると共に、空隙部を消滅させることが開示されている。また、特許文献４，５には、振動テーブル自体を傾けることによって、重力を用いて鋳物砂を内部空洞に充填する手法が開示されている。

また、特許文献６には、砂型造型解析法により鋳物砂の充填性を演算することを、振動の条件を変更して繰り返し、演算結果に従って、実際の造型を行うことが開示されている。

特開平３−１６１１４５号公報 特開２０１５−１６５０３号公報 特開平１０−５９２９号公報 特開平７−１０７６号公報 特許第３１２６７１１号明細書 特開２００５−３０５５４０号公報

しかしながら、円振動を用いた場合、加振方向と横穴の長手方向とによって、鋳物砂の充填性が異なることが知られている。そのため、特許文献１，２では、例えば発泡模型が長手方向の異なる複数の内部空洞を有する場合において、それぞれの空洞で鋳物砂の充填性が向上しているのかどうかを評価できない。

また、特許文献３〜５の手法は、鋳物砂を充填するための特殊な装置を用意する必要があり、煩雑である。

また、特許文献６では、多数のパラメータ（縦方向および横方向の振動加速度、位相差等）を変えながら何回も繰り返し計算を行う必要がある。また、鋳造方案が変更される度に繰り返し計算を行う必要がある。そのため、計算時間が膨大となってしまう。

本発明の目的は、横穴への鋳物砂の充填性を簡易に評価することが可能な横穴への鋳物砂の充填性評価方法、および、横穴への鋳物砂の充填性を高めることが可能な横穴への鋳物砂の充填方法を提供することである。

本発明の横穴への鋳物砂の充填性評価方法は、発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳物砂の中に埋めた後に、前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換することで、少なくとも一箇所で開口する横穴を有する鋳物を鋳造する消失模型鋳造法において、前記横穴への前記鋳物砂の充填性を評価する、横穴への鋳物砂の充填性評価方法であって、前記横穴の長手方向は、水平方向に平行であるか、前記水平方向に対して所定角度傾いており、前記鋳型に対して、鉛直方向および前記水平方向にそれぞれ振動を付加し、前記横穴と前記鋳物砂との間の静止摩擦係数をμ［−］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ²］、振動中における前記長手方向の前記水平方向に対する傾斜角度をθ［ｄｅｇ］、前記鋳型に付加される、前記水平方向であって上方から見て前記長手方向に平行な方向の振動の加速度をａｙ［ｍ／ｓ²］、前記鋳型に付加される前記鉛直方向の振動の加速度をａｚ［ｍ／ｓ²］とすると、下記の式で表される、振動１周期で前記鋳物砂が前記横穴内に進入する進入速度ｖ［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］が、所定値以上であるか否かにより、前記横穴への前記鋳物砂の充填性を評価することを特徴とする。
ｖ＝∬_1cycle｛（｜ａｙ｜ｃｏｓθ＋｜ａｚ｜ｓｉｎθ）−μ（−｜ａｙ｜ｓｉｎθ＋｜ｇ−ａｚ｜ｃｏｓθ）｝ｄｔｄｔ

また、本発明の横穴への鋳物砂の充填方法は、発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳物砂の中に埋めた後に、前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換することで、少なくとも一箇所で開口する横穴を有する鋳物を鋳造する消失模型鋳造法において、前記横穴に前記鋳物砂を充填する、横穴への鋳物砂の充填方法であって、前記横穴の長手方向は、水平方向に平行であるか、前記水平方向に対して所定角度傾いており、前記鋳型に対して、鉛直方向および前記水平方向にそれぞれ振動を付加し、前記横穴と前記鋳物砂との間の静止摩擦係数をμ［−］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ²］とすると、前記鋳型に付加される、前記水平方向であって上方から見て前記長手方向に平行な方向の振動の加速度ａｙ［ｍ／ｓ²］と、前記鋳型に付加される前記鉛直方向の振動の加速度ａｚ［ｍ／ｓ²］とが、下記の式を満たすことを特徴とする。
｜ａｙ｜＞μ｜ｇ−ａｚ｜

本発明の横穴への鋳物砂の充填性評価方法によると、振動１周期で鋳物砂が横穴内に進入する進入速度ｖ［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］が、所定値以上であるか否かにより、横穴への鋳物砂の充填性を評価する。この評価方法によれば、横穴の長手方向がどの方向であっても評価でき、鋳物砂を充填するための特殊な装置を用いる必要もない。また、繰り返し計算を行う必要もない。よって、横穴への鋳物砂の充填性を簡易に評価することができる。

また、本発明の横穴への鋳物砂の充填方法によると、鋳型に付加される、水平方向であって上方から見て長手方向に平行な方向の振動の加速度ａｙと、鋳型に付加される鉛直方向の振動の加速度ａｚとが、上記の式を満たす。加速度ａｙと加速度ａｚとが、上記の式を満たすことで、鋳物砂は横穴内を好適に動くことができる。これにより、横穴への鋳物砂の充填性を高めることができる。

造型工程における加振の様子を示す側面断面図である。 図１ＡのＡ−Ａ断面図である。 横穴内の鋳物砂を示す図である。 式（４）をａｙ−ａｚ平面に図示した図である。 加速度ａｙおよび加速度ａｚの時刻歴を取得した結果を示す図である。 式（６）で計算した進入速度ｖと横穴内の鋳物砂の充填率との関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（消失模型鋳造法）
本発明の実施形態による横穴への鋳物砂の充填性評価方法は、消失模型鋳造法において、横穴への鋳物砂の充填性を評価するものである。また、本発明の実施形態による横穴への鋳物砂の充填方法は、消失模型鋳造法において、横穴に鋳物砂を充填するものである。

本実施形態において、消失模型鋳造法は、発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳物砂（乾燥砂）の中に埋めた後に、鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、発泡模型を消失させて溶湯と置換することで、少なくとも一箇所で開口する横穴を有する金属の鋳物を鋳造する方法である。

消失模型鋳造法は、金属を溶解して溶湯とする溶解工程と、発泡模型を成形する成形工程と、発泡模型の表面に塗型剤を塗布して鋳型とする塗布工程と、を有している。さらに、消失模型鋳造方法は、鋳型を鋳物砂の中に埋めて鋳型の隅々にまで鋳物砂を充填する造型工程と、鋳型内に金属の溶湯（溶融金属）を注ぎ込むことで、発泡模型を溶かして溶湯と置換する鋳込工程と、鋳型内に注ぎ込んだ溶湯を冷却して鋳物にする冷却工程と、鋳物と鋳物砂とを分離する分離工程と、を有している。

溶湯にする金属としては、ねずみ鋳鉄（ＪＩＳ−ＦＣ２５０）や球状黒鉛鋳鉄（ＪＩＳ−ＦＣＤ４５０）などを用いることができる。また、発泡模型としては、発泡スチロールなどの発泡樹脂を用いることができる。また、塗型剤としては、シリカ系骨材の塗型剤などを用いることができる。また、鋳物砂としては、ＳｉＯ₂を主成分とする「けい砂」や、ジルコン砂、クロマイト砂、合成セラミック砂などを用いることができる。なお、鋳物砂に粘結剤や硬化剤を添加してもよい。

（造型工程）
造型工程における加振の様子を示す側面断面図である図１Ａ、および、図１ＡのＡ−Ａ断面図である図１Ｂに示すように、振動テーブル１の上には、鋳枠２が載置されている。鋳枠２内では、鋳型３が鋳物砂４に埋められている。鋳型３は、発泡模型５の表面に塗型剤６が塗布されたものである。

鋳型３には、横穴３ａが形成されている。この横穴３ａの長手方向は、水平方向に平行である。なお、横穴３ａの長手方向は、水平方向に対して所定角度傾いていてもよい。ここで、所定角度とは、鋳物砂４が自重だけで自然に横穴３ａ内に充填されない角度である。

振動テーブル１は、鋳枠２に対して、鉛直方向および水平方向にそれぞれ振動を付加する。この振動が、鋳物砂４を介して鋳型３に伝わる。

ここで、横穴３ａ内の鋳物砂を示す図である図２に示すように、横穴３ａ内の微小幅ｄｘの鋳物砂４に注目する。振動中に横穴３ａの長手方向が水平方向に対して傾斜角度θ［ｄｅｇ］傾いているとき、鋳物砂４と鋳型３との間に、加速度ａｙ［ｍ／ｓ²］および加速度ａｚ［ｍ／ｓ²］が生じる。加速度ａｙ［ｍ／ｓ²］は、水平方向であって上から見て横穴３ａの長手方向に平行な方向の加速度であり、加速度ａｚ［ｍ／ｓ²］は、鉛直方向の加速度である。

横穴３ａの入口の面積をＡ、鋳物砂４のかさ密度をρｓ［ｋｇ／ｍ³］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ²］とすると、微小幅ｄｘに作用する横穴３ａの長手方向に平行な力Ｆ１［Ｎ］は、以下の式（１）で表せる。
Ｆ１＝｛ａｙｃｏｓθ＋（ｇ−ａｚ）ｓｉｎθ｝ρｓＡｄｘ ・・・式（１）

また、微小幅ｄｘに作用する、長手方向および水平方向に直交する方向の力Ｇ［Ｎ］は、以下の式（２）で表せる。
Ｇ＝｛ａｙｓｉｎθ−（ｇ−ａｚ）ｃｏｓθ｝ρｓＡｄｘ ・・・式（２）

また、横穴３ａと鋳物砂４との間の静止摩擦係数をμ［−］とすると、微小幅ｄｘに作用する横穴３ａの壁面からの摩擦力Ｆ２［Ｎ］は、以下の式（３）で表せる。
Ｆ２＝μ｛−ａｙｓｉｎθ＋（ｇ−ａｚ）ｃｏｓθ｝ρｓＡｄｘ ・・・式（３）

鋳物砂４と横穴３ａの壁面との間の摩擦力を考慮すると、力Ｆ１が摩擦力Ｆ２よりも大きい場合に、鋳物砂４は横穴３ａ内を移動することができる。すなわち、以下の式（４）を満足すれば、鋳物砂４は横穴３ａ内を移動することができる。
｜ａｙ｜ｃｏｓθ＋｜ｇ−ａｚ｜ｓｉｎθ＞μ｛−｜ａｙ｜ｓｉｎθ＋｜ｇ−ａｚ｜ｃｏｓθ｝ ・・・式（４）

式（４）をａｙ−ａｚ平面に図示したものを図３に示す。加速度ａｙと加速度ａｚとの軌跡が、図３のグラフ上のハッチングされた部分にあれば、鋳物砂４は横穴３ａ内を動くことができる。

ここで、水平方向に対する横穴３ａの傾斜角度θが０°のときが、鋳物砂４が最も動き難い。そこで、θ＝０°を式（４）に代入すると、次の式（５）が導出される。
｜ａｙ｜＞μ｜ｇ−ａｚ｜ ・・・式（５）

よって、加速度ａｙと加速度ａｚとが、式（５）を満たすことで、鋳物砂４は横穴３ａ内を好適に動くことができる。これにより、横穴３ａへの鋳物砂４の充填性を高めることができる。

上記の式（４）では、鋳物砂４が横穴３ａ内を動くことができるかどうかの評価はできるが、鋳物砂４の充填し易さ（鋳物砂４の充填性）までは評価できない。そこで、振動１周期で鋳物砂４が横穴３ａ内を移動する距離（進入速度ｖ［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］）を、次の式（６）から導出する。この進入速度ｖが、所定値以上であるか否かにより、横穴３ａへの鋳物砂４の充填性を定量的に評価することができる。
ｖ＝∬_1cycle｛（｜ａｙ｜ｃｏｓθ＋｜ａｚ｜ｓｉｎθ）−μ（−｜ａｙ｜ｓｉｎθ＋｜ｇ−ａｚ｜ｃｏｓθ）｝ｄｔｄｔ ・・・式（６）

この評価方法によれば、横穴３ａの長手方向がどの方向であっても評価でき、鋳物砂４を充填するための特殊な装置を用いる必要もない。また、繰り返し計算を行う必要もない。よって、横穴３ａへの鋳物砂４の充填性を簡易に評価することができる。

（充填性評価）
次に、長手方向が水平方向に平行な横穴３ａに対して、鋳物砂４の充填性を評価した。横穴３ａの寸法は、直径が１０ｍｍで、長さを１００ｍｍとした。また、鋳物砂４には、ＪＩＳ Ｇ５９０１で規定される粒径が５号で、Ｓ_iＯ₂を主成分とする「けい砂」を主に用いた。

加速度ピックアップ（例えば、リオン製の圧電式加速度ピックアップ「ＰＶ−０３」）を設置した装置を鋳枠２内の鋳物砂４の中に埋め、振動テーブル１により振動を付加した。このときに計測された、加速度ａｙおよび加速度ａｚの時刻歴を取得した。その取得結果を図４に示す。

加速度ａｙおよび加速度ａｚの時刻歴を、上述の式（６）に入力した結果、ｖ＝０．２３［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］が導出された。

式（６）で計算した進入速度ｖと横穴３ａ内の鋳物砂４の充填率との関係を図５に示す。図５から、進入速度ｖが０．２３［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］以上で、横穴３ａ内の鋳物砂４の充填率が１になっていることがわかる。このことから、進入速度ｖが０．２３［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］以上であるか否かが、鋳物砂４の充填性の評価指標となり、進入速度ｖが０．２３［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］以上となるような横穴３ａの角度（水平方向に対する長手方向の傾斜角度）と振動テーブル１の振動加速度とを決定してやればよいことがわかる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る横穴への鋳物砂の充填性評価方法によると、振動１周期で鋳物砂４が横穴３ａ内に進入する進入速度ｖ［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］が、所定値以上であるか否かにより、横穴３ａへの鋳物砂４の充填性を評価する。この評価方法によれば、横穴３ａの長手方向がどの方向であっても評価でき、鋳物砂４を充填するための特殊な装置を用いる必要もない。また、繰り返し計算を行う必要もない。よって、横穴３ａへの鋳物砂４の充填性を簡易に評価することができる。

また、鋳物砂４が、ＪＩＳ Ｇ５９０１で規定される粒径が５号のけい砂であって、所定値が０．２３［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］である。鋳物砂４が、粒径が５号のけい砂であるときに、進入速度ｖが０．２３［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］以上であるか否かにより、横穴３ａへの鋳物砂４の充填性を好適に評価することができる。

また、本実施形態に係る横穴への鋳物砂の充填方法によると、鋳型３に付加される、水平方向であって上方から見て横穴３ａの長手方向に平行な方向の振動の加速度ａｙと、鋳型３に付加される鉛直方向の振動の加速度ａｚとが、上記の式（５）を満たす。加速度ａｙと加速度ａｚとが、上記の式（５）を満たすことで、鋳物砂４は横穴３ａ内を好適に動くことができる。これにより、横穴３ａへの鋳物砂４の充填性を高めることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ 振動テーブル
２ 鋳枠
３ 鋳型
３ａ 横穴
４ 鋳物砂
５ 発泡模型
６ 塗型剤

Claims (3)

1. 発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳物砂の中に埋めた後に、前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換することで、少なくとも一箇所で開口する横穴を有する鋳物を鋳造する消失模型鋳造法において、前記横穴への前記鋳物砂の充填性を評価する、横穴への鋳物砂の充填性評価方法であって、
   前記横穴の長手方向は、水平方向に平行であるか、前記水平方向に対して所定角度傾いており、
   前記鋳型に対して、鉛直方向および前記水平方向にそれぞれ振動を付加し、
   前記横穴と前記鋳物砂との間の静止摩擦係数をμ［−］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ²］、振動中における前記長手方向の前記水平方向に対する傾斜角度をθ［ｄｅｇ］、前記鋳型に付加される、前記水平方向であって上方から見て前記長手方向に平行な方向の振動の加速度をａｙ［ｍ／ｓ²］、前記鋳型に付加される前記鉛直方向の振動の加速度をａｚ［ｍ／ｓ²］とすると、下記の式で表される、振動１周期で前記鋳物砂が前記横穴内に進入する進入速度ｖ［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］が、所定値以上であるか否かにより、前記横穴への前記鋳物砂の充填性を評価することを特徴とする横穴への鋳物砂の充填性評価方法。
   ｖ＝∬_1cycle｛（｜ａｙ｜ｃｏｓθ＋｜ａｚ｜ｓｉｎθ）−μ（−｜ａｙ｜ｓｉｎθ＋｜ｇ−ａｚ｜ｃｏｓθ）｝ｄｔｄｔ
2. 前記鋳物砂が、ＪＩＳ Ｇ５９０１で規定される粒径が５号のけい砂であって、前記所定値が０．２３［ｍｍ／ｃｙｃｌｅ］であることを特徴とする請求項１に記載の横穴への鋳物砂の充填性評価方法。
3. 発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳物砂の中に埋めた後に、前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換することで、少なくとも一箇所で開口する横穴を有する鋳物を鋳造する消失模型鋳造法において、前記横穴に前記鋳物砂を充填する、横穴への鋳物砂の充填方法であって、
   前記横穴の長手方向は、水平方向に平行であるか、前記水平方向に対して所定角度傾いており、
   前記鋳型に対して、鉛直方向および前記水平方向にそれぞれ振動を付加し、
   前記横穴と前記鋳物砂との間の静止摩擦係数をμ［−］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ²］とすると、前記鋳型に付加される、前記水平方向であって上方から見て前記長手方向に平行な方向の振動の加速度ａｙ［ｍ／ｓ²］と、前記鋳型に付加される前記鉛直方向の振動の加速度ａｚ［ｍ／ｓ²］とが、下記の式を満たすことを特徴とする横穴への鋳物砂の充填方法。
   ｜ａｙ｜＞μ｜ｇ−ａｚ｜

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