JP4087287B2 - 円筒形状製品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内側の中空部に翼を有する円筒形状製品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温の燃焼ガスを軸方向に沿って圧送するため、円筒形の本体の内側に位置する中空部の中心部に軸受を設け、係る軸受と本体の内壁との間に断面がほぼＪ字形で且つ径方向に沿った複数の翼を有する燃焼器などが使用されている。
上記燃焼器をロストワックス鋳造法により鋳造した場合、係る燃焼器とほぼ同じ形状および寸法のロウ模型を用い、これを基に造型した通気性鋳型に耐熱性の金属溶湯を充填して燃焼器用半製品（円筒形状製品）７０を得ている。
【０００３】
係る燃焼器用半製品７０は、図５(Ａ)の断面で示すように、円筒形の本体７２、その内側の中空部７４の中心部に位置する円柱形の軸受部７８、および係る軸受部７８と上記本体７２との間を接続する断面がほぼＪ字形で且つ本体７２の径方向に沿った複数の翼７６からなる。上記軸受部７８は、追ってその軸方向に沿った軸受孔が形成されて、製品である燃焼器の軸受とされる。
【０００４】
ところで、燃焼器用半製品７０は、その翼７６が多くなると湯回り不良を生じ易くなるため、前記通気性鋳型に内蔵する相似形のキャビティに連通する湯口の設定が困難になる。また、前記通気性鋳型に耐熱性の金属溶湯を充填して鋳造した際、図５(Ｂ)の断面で示すように、本体７２と翼７６との接続部７５における内隅部に数１０μｍの引け巣（ミクロシュリンケージ）Ｓを生じることがある。
係る引け巣Ｓは、通気性鋳型のキャビティに充填された上記金属溶湯が周囲から徐々に凝固した際、係る溶湯に含まれていたガスが比較的遅く凝固する上記内隅部に集積した跡であり、使用に耐えない鋳造欠陥である。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、内側の中空部に翼を有し且つ鋳造欠陥のない円筒形状製品を確実に得られる円筒形状製品の製造方法を提供する、ことを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、発明者らの鋭意研究および調査の結果、円筒形状製品の本体と内側の翼との接続部の付近を鋳造時に比較的早く凝固せしめる、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の円筒形状製品の製造方法（請求項１）は、円筒形の本体および係る本体の内側に複数の翼を一体に有する円筒形状製品の製造方法であって、円筒形の本体と、係る本体の内側に位置する複数の翼と、係る翼と前記本体との接続部の外側に位置し、且つ上記本体の外周に径方向に突出したリング部と、からなると共に、該リング部の径方向の厚みが上記本体の厚みよりも厚肉であるキャビティを内部に有する通気性鋳型を形成する鋳型形成工程と、上記通気性鋳型のキャビティに金属溶湯を減圧下または真空下において充填する鋳造工程と、を含む、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、上記キャビティ内に充填された金属溶湯は、円筒形の本体とその内側の翼との接続部付近よりも、その外側に位置する上記リング部において確実に遅れて凝固する。このため、前述した引け巣も当該リング部内で生じるので、得られた円筒形状製品の外周に突出するリング部を切削加工などで除去することにより、引け巣を含む鋳造欠陥を確実に除去することができる。
しかも、内側の翼が薄肉で且つ多数になっても、上記リング部に連通する単一の給湯用湯口によって、金属溶湯を上記キャビティ内に湯回り不良を生じることなく確実に充填することが可能となる。
【０００８】
尚、前記翼は、円筒形の本体の内側である中空部に、当該中空部の中心軸に対し放射状で且つ対称に複数配置された形態や、係る複数の翼の先端同士間に追って軸受孔が穿孔される円柱形の軸受部を有する形態を含む。
また、リング部の径方向の厚みが前記本体の厚み以下であると、本体側寄りに引け巣が生じ易くなるため、係る範囲を除いたものである。望ましいリング部の径方向の厚みは、本体の厚みの２倍以上である。
【０００９】
更に、本発明には、前記リング部の軸方向の長さは、当該リング部の径方向の厚みよりも小さく、且つ前記翼の軸方向の長さよりも大である、円筒形状製品の製造方法（請求項２）も含まれる。
これによっても、前記キャビティ内に充填された金属溶湯を、前記本体とその内側の翼との接続部付近よりも、その外側に位置する上記リング部において確実に遅れて凝固させることができる。
尚、リング部の軸方向の長さがその径方向の厚み以上になると、当該リング部の容積が過大となり、素材の歩留まりが低下し且つ切削加工などが過多となる。一方、リング部の軸方向の長さが、本体内側の翼の軸方向の長さ以下になると、係る本体と翼との接続部の何れかの端部に前記引け巣を生じるおそれが出てくる。これらを防ぐため、上記範囲に規制したものである。上記「翼の軸方向」とは、前記円筒形の本体の軸方向と同じである。
【００１０】
付言すれば、前記鋳造工程は、前記通気性鋳型を気密性で且つ内部の減圧化または真空化が可能なチャンバ内に挿入し、係るチャンバの下方に位置する溶解炉内の前記金属溶湯を前記キャビティ内に吸い上げ且つ充填して行われる。
これによる場合、減圧または真空状態にされたキャビティに、溶湯を強制的に吸い上げ且つ充填できるため、当該キャビティに倣った本体および内側の翼を一体に有する円筒形状製品を精度良く製造することできる。しかも、通気性鋳型の湯道内を上昇し且つキャビティに進入しなかった溶湯は、減圧状態を解除することで、上記溶解炉に戻して再使用することもできる。
尚、鋳造工程には、溶湯をキャビティに吸い上げる上記方式のほか、減圧下などにある通気性鋳型に上方から溶湯を注下する方式も含まれる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１(Ａ)，(Ｂ)は、本発明により得られる最終製品の燃焼器（円筒形状製品）１を示す。燃焼器１は、図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、円筒形で且つ円柱形の中空部(内側)４を有する本体２と、係る中空部４の中間における本体２の内壁から中心に向かって求心状に延びる複数の翼１０と、これらの翼１０の先端間に位置し且つ上記中空部４の中心付近に位置する円筒形の軸受部６と、を一体に有する。係る軸受部６には、軸受孔８がその軸方向に沿って貫通している。
【００１２】
翼１０は、図１(Ｂ)，(Ｃ)に示すように、断面ほぼＪ字形の本体１２と、中空部４の径方向に沿った一端１４と、中空部４の軸方向に緩くカーブして傾く他端１６とからなり、本体２の内壁寄りが幅広で且つ上記軸受部６寄りが幅狭くなるように、テーパが径方向に沿って付されている。
尚、燃焼器１は、図示しない燃焼装置の外筒を構成し、その中空部４内を軸方向に沿って燃焼ガスを圧送すると共に、複数の翼１０によって係る燃焼ガスを渦巻き状に回転させ、燃焼効率を向上させる役割を有するものである。
【００１３】
図２(Ａ)は、本発明により得られる円筒形状製品２０を示し、円筒形で且つ円柱形の中空部（内側）２４を有する本体２２、中空部２４の中間における本体２２の内壁から中心に向かい求心状に延びる複数の翼２６、係る翼２６の先端に位置し且つ中空部２４の中心付近に位置する円柱形の軸受部２７、および本体２２の外周における軸方向の中間に径方向に突出したリング部２８、を一体に有する。
即ち、円筒形状製品２０は、前記燃焼器１を得るための半製品であるため、各部分の形状や寸法は共通しているが、その軸受部２６には、前記軸受孔８が未だ貫通しおらず、且つ追って切削などで除去されるリング部２８を有している。
【００１４】
以下において、上記円筒形状製品２０および燃焼器１の製造方法を説明する。
先ず、図２(Ｂ)の断面で示すように、上記円筒形状製品２０の製造方法に用いるロウ（蝋）製のロウ模型３０を用意する。係る模型３０も、円筒形で且つ中空部３４を有する本体３２と、中空部３４の中間における内壁から中心に向かって求心状に延びる複数の翼３６と、これらの翼３６の先端に位置し且つ中空部３４の中心付近に位置する円柱形の軸受部３７と、本体３２の外周における軸方向の中間に、径方向に突出した断面矩形(長方形)のリング部３８と、を備えている。
図２(Ｃ)に拡大して示すように、リング部３８の径方向の厚みＸは、本体３２の厚みｔよりも厚肉（Ｘ＞ｔ）に設定されている。また、リング部３８の軸方向の長さＹは、その径方向の厚みＸよりも小さく且つ翼３６の本体３２側の軸方向の長さＬよりも大（Ｘ＞Ｙ＞Ｌ）に設定されている。尚、係る寸法関係は、ロウ模型３０は基より、これに倣って形成される後述するキャビティ５０や、本製造方法にて得られる前記円筒形状製品２０および燃焼器１の各部にも共通する。
【００１５】
次に、図３(Ａ)に示すように、複数のロウ模型３０をロウからなる円柱形の棒４２の周面にロウ製の湯口部４４を介して放射状に溶着することにより、ツリー型ロウ模型４０を製作する。上記湯口部４４は、各ロウ模型３０のリング部３８に連結されている。尚、ツリー型ロウ模型４０において、ロウ模型３０を上記棒４２の長手（軸）方向に沿って複数の位置に接続しても良い。
次いで、係るツリー型ロウ模型４０の周囲に、耐火物を含むスラリーを被覆し且つその表面にアルミナ粉末などからなるスタッコを振りかけ、上記スラリーが乾燥した後、別のスラリーを被覆して耐火物を更に付着させる作業を複数回繰り返す。更に、得られた図示しない鋳型素材を、例えば１５０℃に約１５分加熱した後、常温で約３０分放置して乾燥する。この結果、係る鋳型素材内のツリー型模型４０の各部を形成していたロウは、溶融して外部に溶出される。
【００１６】
このため、上記鋳型素材内において溶出したツリー型模型４０の跡には、次述するように、複数のロウ模型３０に倣った複数のキャビティおよび湯道が形成される。上記キャビティなどを内蔵する鋳型素材を、例えば１０００℃以上の温度に加熱して焼成すると、前記耐火物が含有していた水分などは除去される。
その結果、図３(Ｂ)に示すように、耐火性と通気性を有する通気性鋳型４５が得られる（鋳型形成工程）。係る通気性鋳型４５は、円筒形の幹部４６と、その周面から放射状に突出した複数の枝部４８とからなる。
【００１７】
図３(Ｂ)に示すように、幹部４６には、前記棒４２が溶出した跡である円柱形の湯道４７が垂直に内蔵され、且つ各枝部４８には、円筒形の本体５２、複数の翼５６、軸受部５７、およびリング部５８を含むキャビティ５０が内蔵される。本体５２の内側には、前記中空部２４を形成する上下一対の凸部５４が対称に位置している。また、各キャビティ５０と湯道４７とは、前者のリング部５８に開口する湯口４９を介して連通している。係る湯口４９は、前記湯口部４４が溶出した跡である。
尚、リング部５８の径方向の厚みは、本体５２の厚みよりも厚肉で、該リング部５８の軸方向の長さは、その径方向の厚みよりも小さく且つ翼５６の本体５２側の軸方向の長さよりも大である。また、通気性鋳型４５は、キャビティ５０を内蔵する枝部４８を幹部４６の軸方向に沿って複数の位置に形成しても良い。
【００１８】
次に、図４の上方に示すように、通気性鋳型４５を気密性のチャンバ６０内に挿入する。係るチャンバ６０は、円筒形の本体６２の底面に設けた透孔６３から通気性鋳型４５の幹部４６の下部を垂下させ且つ上面を密閉する蓋６３に排気口６４を有している。係る排気口６４は、図示しない真空ポンプに連通している。
次いで、図４に示すように、通気性鋳型４５を内蔵したチャンバ６０は、誘導溶解炉（溶解炉）６５の上方に配置される。係る誘導溶解炉６５は、円筒形で且つ耐火材からなる炉体６６と、その外周面に間隔を置いて螺旋状に巻き付けた高周波コイル６８と、を備えている。
【００１９】
炉体６６の内側に、耐熱性の金属または合金、例えばＮｉ基超耐熱合金からなる原料を装入し、高周波コイル６８に所定の高周波電流を通電すると、係るコイル６８の軸方向に沿って生じた磁界が上記原料に浸透して、これを誘導加熱し且つ溶解する。その結果、上記原料は、図４の下方に示すように、金属溶湯Ｍとなる。尚、チャンバ６０内と炉体６６内は、予め不活性ガスの雰囲気としておく。
係る状態で、図４中の一点鎖線の矢印で示すように、排気口６４からチャンバ６０の内側および通気性鋳型４５の各キャビティ５０内の上記ガスを排出して、これらを減圧下（約６５ｋＰａ）にする。
すると、図４中の実線の矢印で示すように、誘導溶解炉６５の炉体６６に貯溜していた金属溶湯Ｍは、幹部４６の湯道４７を上昇し、各湯口４９を経て各キャビティ５０内に個別に吸い上げられ且つ充填される（鋳造工程）。
【００２０】
各キャビティ５０内に金属溶湯Ｍが充填された状態で、所定の時間保持した後、上記減圧状態を解除してチャンバ６０の内側を復圧する。この間において、各キャビティ５０内に個別に充填された金属溶湯Ｍは、各表面から徐々に凝固して前記円筒形状製品２０となる。この際、前記本体２２と複数の翼２６との接続部付近は、それらの外周に前記リング２８が突出して形成されるため、係るリング部２８よりも早く凝固し、当該リング部２８中で最終的な凝固が完了する。
この結果、従来の技術において、前記図５(Ｂ)に示した引け巣Ｓが、本体２２と複数の翼２６との接続部の内隅部に生じる事態を確実に防ぐことができる。
【００２１】
また、複数の翼２６と軸受部２７との接続部付近は、係る位置の凝固よりも遅れて軸受部２７中で最終的な凝固が完了するため、やはり引け巣Ｓを生じない。
尚、チャンバ６０内を復圧した際に、通気性鋳型４５の幹部４６の湯道４７内に上昇していた金属溶湯Ｍは、炉体６６内に降下する。
更に、蓋６３を開き、チャンバ６０から取り出した通気性鋳型４５を型バラシし且つ個別に分離することにより、キャビティ５０の各部に倣った形状および寸法を精度良く有する複数の前記円筒形状製品２０を得ることができる。
そして、円筒形状製品２０のリング部２８を、切削加工またはプレス剪断加工にて除去すると共に、軸受部２７に軸方向に沿った軸受孔を孔明け加工する。その結果、前記図１(Ａ)，(Ｂ)に示した最終製品の燃焼器１を得ることができる。
【００２２】
以上のような通気性鋳型４５、チャンバ６０、および誘導溶解炉６５を用いる円筒形状製品２０の製造方法（ロストワックス精密鋳造）によれば、前記引け巣Ｓがなく且つ精度良く確実に製造できる。しかも、リング部５８に連通する単一の湯口４９により、金属溶湯Ｍをキャビティ５０内に湯回り不良を生じることなく確実に充填できる。更に、通気性鋳型４５の湯道４７内に上昇し且つキャビティ５０に進入しなかった金属溶湯Ｍは、減圧状態を解除すると上記溶解炉６５に戻して再使用できるため、その歩留まりも向上する。
【００２３】
本発明は、以上において説明した形態に限定されるものではない。
例えば、前記円筒形状製品に用いる金属は、前記Ｎｉ基超耐熱合金に限らず、耐熱鋼（ＪＩＳ：ＳＵＨシリーズ）やステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳシリーズ）を用いたり、更にＣｏ−Ｃｒ系合金としたり、あるいは、例えば３１〜３５ｗｔ％Ａｌおよび残部ＴｉからなるＴｉＡｌなどのような金属間化合物を適用しても良い。
更に、前記製造方法における鋳造工程は、前記図４において、通気性鋳型４５を内蔵したチャンバ６０を上下逆に配置し、係るチャンバ６０から上向きに突出した幹部４６の湯道４７から、金属溶湯Ｍを減圧状態などにした通気性鋳型４５の各キャビティ５０内に注下して充填するように行っても良い。
また、溶解炉には、前記誘導溶解炉６５に限らず、抵抗加熱炉など各種の金属溶解炉を適用することができる。
更に、前記ロウ模型３０に用いるロウには、動植物から採取される有機系のロウ（蝋）のほか、熱可塑性の合成樹脂を用いることも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の円筒形状製品の製造方法（請求項１）によれば、前記キャビティ内に充填された金属溶湯は、円筒形の本体とその内側の翼との接続部付近よりも、前記リング部が相対的に遅れて凝固する。このため、前述した引け巣も当該リング部内で確実に生じるので、得られた円筒形状製品の外側に突出するリング部を切削加工などで除去することで、引け巣を含む鋳造欠陥を確実に除去できる。しかも、上記リング部に連通する単一の給湯用湯口により、金属溶湯を上記キャビティ内に湯回り不良を生じることなく確実に充填することもできる。
【００２５】
また、請求項２の円筒形状製品の製造方法によれば、前記キャビティ内に充填された金属溶湯は、前記本体とその内側の翼との接続部付近よりも、その外側に位置する前記リング部において確実に遅れて凝固する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (Ａ)，(Ｂ)は本発明により得られる最終製品の燃焼器を示す正面図または断面図、(Ｃ)は(Ａ)，(Ｂ)中のＣ−Ｃ線に沿った矢視における部分断面図。
【図２】(Ａ)は本発明により得られる円筒形状製品の斜視図、(Ｂ)は係る製品と相似形のロウ模型の垂直断面図、(Ｃ)は(Ｂ)中の一点鎖線部分Ｃの拡大図。
【図３】(Ａ)，(Ｂ)は本発明の鋳型形成工程を示す概略図。
【図４】本発明の鋳造工程を示す概略図。
【図５】(Ａ)は従来の製造方法により得られた最終製品の燃焼器を示す断面図、(Ｂ)は(Ａ)中のＢ−Ｂ線に沿った矢視における拡大断面図。
【符合の説明】
２０………………円筒形状製品
２２,３２,５２…本体、
２４，３４………中空部（内側）
２６,３６,５６…翼
２８,３８,５８…リング部
３０………………ロウ模型
４５………………通気性鋳型
５０………………キャビティ
６０………………チャンバ
６５………………誘導溶解炉(溶解炉)
Ｍ…………………金属溶湯
Ｘ…………………リング部の径方向の厚み
Ｙ…………………リング部の軸方向の長さ
Ｌ…………………翼の軸方向の長さ
ｔ…………………本体の厚み

Claims (2)

1. 円筒形の本体および係る本体の内側に複数の翼を一体に有する円筒形状製品の製造方法であって、
   円筒形の本体と、係る本体の内側に位置する複数の翼と、係る翼と前記本体との接続部の外側に位置し、且つ上記本体の外周に径方向に突出したリング部と、からなると共に、該リング部の径方向の厚みが上記本体の厚みよりも厚肉であるキャビティを内部に有する通気性鋳型を形成する鋳型形成工程と、
   上記通気性鋳型のキャビティに金属溶湯を減圧下または真空下において充填する鋳造工程と、を含む、
   ことを特徴とする円筒形状製品の製造方法。
2. 前記リング部の軸方向の長さは、当該リング部の径方向の厚みよりも小さく、且つ前記翼の軸方向の長さよりも大である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の円筒形状製品の製造方法。

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