JP4567739B2 - 予備張力をかけた砂中子 - Google Patents
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Description
本願は、全文が参照により本明細書に援用される2004年8月25日に出願された米国仮出願第60/604,621号の利益を主張する。
本発明は、ウレタン砂中子を用いる方法を改良し、且つこの方法で高品質を得ると共に、ウレタン砂中子の生産プロセスを容易にすることに関する。また、本発明は、製造プロセスを改良し、鋳造時のガンドリリング作業を代替することで製造プロセス中のサイクルを改良することに関する。
これまで、様々な加工方法が、金属、プラスチック及びセラミックに用いられてきた。金属の加工には、機械加工の一部としての鋳造が専ら用いられてきた。成形プラスチック又はセラミックの加工には、射出成形が専ら用いられてきた。上記材料のこれらの加工プロセスでは、金属(非崩壊性)中子又は崩壊性中子を一般的に用いて、中空部及び/又はアンダカット部を有する物品に加工する。
(1)複数のコーティング材料層を砂中子上に形成する必要があるため、コーティング層が形成し難くなる。この面倒な作業により、生産プロセスの工程数が増えると共に、生産プロセスの時間及び費用も増える。
(2)コーティング材料及び砂中子の成分としてのバインダを鋳造後に完全に除去することが困難である。バインダの除去は、中子の砂の燃焼又は熱処理によって通常行われる。この燃焼工程により、生産プロセスの工程数が増えると共に、生産プロセスの時間及び費用も増える。
(3)砂中子は、成形が困難なだけでなく、生産プロセスにおいて複雑な機器及びかなりの工程を必要とする。さらに、砂中子は、崩壊し易い傾向があるため、取り扱いが困難であることによって生産プロセスの工程数が増えると共に、鋳造の歩留まりが低下する。
(4)鋳造中、砂中子の崩壊を防止するために複雑な圧力調節が必要である。さらに、鋳造後に砂中子を完全に崩壊させることは困難である。上記を行うには、砂中子を熱処理する工程及び砂を除去する工程と、得られる鋳物(製品)からの砂の除去を検査する工程とが必要であり、これにより生産プロセスの工程数が増えると共に、生産プロセスの時間及び費用も増える。
(5)鋳造時中、砂中子の砂粒子間に溶融金属が入り込み、砂中子の成分が鋳物(製品)に入り込む。これらによって鋳物に小さな孔又はキャビティができることにより、鋳物(製品)の歩留まり及び生産性を低下させる傾向がある。
(6)鋳造後に砂中子の砂を完全に除去することが困難であるため、砂が鋳物(製品)に付着したまま残ることにより、鋳物(製品)の磨耗及び損傷を引き起こす。
(7)複雑且つ/又は大きな鋳物を生産することは、困難であるか又は実質的に不可能である。これにより、砂中子を用いた鋳造方法の適用が狭い範囲に限られることで、鋳物の設計及び生産に問題が生じる。
(8)砂中子は、完全な除去が困難であるコーティング材料及びバインダを含有しているため、砂中子の砂の再使用は困難である。砂中子の砂を再使用するには、生産プロセスにおいてさらなる工程が必要であることにより、生産プロセスの時間及び費用が増える。
(9)砂中子及びガンドリルを用いる鋳造方法は、より多くの生産時間及び費用を要する以下の工程によって通常行われる。(a)砂中子を成形する工程、(b)砂中子をコーティングする工程、(c)砂中子を乾燥させる工程、(d)鋳型を成形する工程、(e)溶融金属を鋳込んで鋳造作業を行う工程、(f)鋳物(製品)から砂を除去する工程、(g)鋳物(製品)上の砂を熱処理する工程、(h)砂の除去の完了を検査する工程、(I)鋳物(製品)からバリを除去する工程、(j)鋳物製品を機械加工ラインに送る工程、(k)鋳物(製品)を位置合わせする(zero)ために製造孔を開ける工程、(l)必要な孔(複数可)を鋳物(製品)に開ける工程、(m)完成鋳物(製品)を得る工程。
鋳造方法における上述の問題は、鉄及びマグネシウムを鋳造するための(砂中子を用いる)成形方法でも見られることが理解されるであろう。
これまで、様々なドリリング方法が金属に用いられてきた。金属の加工には機械加工が専ら用いられてきた。CNC機械の高速機械加工工具及び標準的な超硬ガンドリルが、移送ラインプロセスで用いられる。
(1)冷却液流が調節しにくく、ガンドリルの破損を引き起こす。
(2)ガンドリルが指定寿命よりも長く用いられ、この場合もガンドリルの破損が生じる。
(3)ガンドリルを交換するためにラインを停止させることで、製造プロセスのサイクル時間が短くなる。
(4)ブッシュ(bushing)、クランプ等を含む、ガンドリリングステーションの部品の保守及び交換。
予備張力をかけた砂中子を用いて物品を加工する改良された方法と、それにより生産される物品とを提供することが本発明の目的であり、それらは、従来の同様の方法及び物品に見られる欠点を克服する。
本発明の方法によれば、以前には用いられたことないような幅寸法が小さく低樹脂率の砂中子を用いて加工金型を形成するために、予備張力がかけられた砂中子が用いられる。予備張力がかけられた砂中子は、これまで、加工金型用の中子として用いられることが不可能であると思われていた。予備張力がかけられた中子を用いてこのようにして形成された加工金型は、鋳物(製品)の生産に用いられる。予備張力がかけられた砂中子は、円筒形状を有する物品の加工に特に適している。予備張力がかけられた砂中子は、加工中の圧力抵抗又は非崩壊特性及び加工後の崩壊特性の両方を有する必要があるが、これら両方の特性は互いに相反するものである。さらに、予備張力がかけられた砂中子は、好ましくは加工中に製品に影響を及ぼさない、すなわち、脆弱性を有さず、中子の破損を回避する必要がある。
(1)崩壊し難い傾向がある予備張力がかけられた砂中子を用いることで、鋳型内の中子の加工が容易になることにより、鋳造機器が単純化し、生産プロセスの工程数が減ると共に生産プロセスで必要な時間及び費用が減る。
(2)予備張力がかけられた砂中子は、手荒な取り扱いをしても破損し難い傾向があり、取り扱いやすくなることにより運搬及び保管が容易になる。さらに、鋳造中の圧力調節が不要になることで、生産プロセスの工程数が減ると共に生産プロセスで必要な時間及び費用が減る。
(3)予備張力がかけられた砂中子は、鋳物(製品)の中空部を形成し易くする。さらに、強度が高まるため、形状及びサイズに関係なく完全な形状及び実物大の鋳物を生産することを可能にすることで、鋳造用途範囲が広がる。
(4)予備張力がかけられた砂中子は、互いに相反する、鋳造中の圧力抵抗又は非崩壊特性及び鋳造後の崩壊特性の両方を備える。したがって、鋳造中の圧力制御を不要にしつつ、鋳物(製品)に溶融金属が入り込むことを防止することができる。さらに、予備張力がかけられた砂中子1は、鋳造後に完全な崩壊及び除去が容易であり得る。
この実施例の詳細は、Martin Zoldan著「Department of Mechanical Engineering」, MS Thesis, Wayne State University(2005)及び2004年8月25日に出願された米国仮特許出願第60/604,621号に示されており、その全体が参照により本明細書に援用される。
ワイヤを中子に配置して、複合中子を一連の試験にかけることは、砂中子の予備張力の理論を試験するための要件の一部である。ワイヤの周りで成形したときに長さ26インチで直径1/2インチの中子を製造することが、要件の他の部分であった。中子は、これらの条件下で製造しなければならなかったが、このような中子を製造するのに利用可能な機器はなかった。内部にワイヤのある中子を製造するために、ワイヤを所定位置に保持することが可能な中子取りを設計し、これを安全な状態で動作できるようにしなければならなかった。
鋼及びアルミニウムで中子に予備張力をかけることを検討した。鋼は、コンクリートと共に機能でき、鋳込みプロセス中に他の材料よりも高い温度で良好に機能できることから検討された。コンクリート及び砂の圧縮特性は、砂の方が小さいことを除いて同じである。加える圧力及び荷重の規模も、鉄筋コンクリートで用いられる圧力及び荷重よりも小さくなる。砂内の鋼ワイヤは、コンクリート内の鋼ワイヤと同様の性能を与える。鋳物はアルミニウム製であり、試験に用いられるワイヤもアルミニウムとする。アルミニウムは、費用の低減に役立つように再溶融させることができる。
[(インチ長さ)(荷重)]=弾性伸び
[(金属面積)(弾性率)]
[(インチ長さ)(金属面積)(材料のpsi)]=弾性伸び
[(金属面積)(弾性率)]
材料のpsi=弾性伸び(弾性率)
(インチ長さ)
100694.44=[0.125インチ(29×106psi)](1/36インチ)
各ワイヤ直径の金属面積は、
(1/8インチ)2×3.141593=0.012272インチ2;(3/32インチ)2×3.141593=0.006903インチ2;(1/16インチ)2×3.141593=0.003068インチ2
降伏点での各直径の荷重は、
直径:(ワイヤの面積)(材料のpsi)=材料の重量ポンド
1/8インチ:(0.012272インチ2)(100694.44psi)=1235.72重量ポンド、3/32インチ:(0.006903インチ2)×(100694.44psi)=695.094重量ポンド、1/16インチ:0.003068インチ2)(100694.44psi)=308.9重量ポンド
降伏点での鋼ワイヤの各直径の変位は、0.125インチである。降伏点での各直径のワイヤの荷重は、
1/8インチ=1235.72重量ポンド、3/32インチ=695.094重量ポンド、1/16インチ=308.9重量ポンドである。
ワイヤを用いたときと同様の条件下で、アルミニウムの荷重を試験し判定した。ワイヤの極限強度を、中子取りで用いたクランプと同様のクランプを用いてインストロン試験機で判定した。極限強度の点から、その点での変位及び荷重を用いて材料のpsi及び材料の弾性率を求めた。したがって、3つの直径に関する材料の重量ポンドを求めることができた。1/16インチ直径アルミニウムワイヤの降伏点変位は、締め付けたときには柔軟すぎ、ワイヤにタップを形成したときには柔軟すぎた。アルミニウムワイヤの変位は、鋼の降伏点を各直径について求めたときと同様にして求めた。降伏点変位は、これらの条件下でできる限り正確に求め、1/8インチの降伏点変位になった。
弾性率を求めるために、ワイヤをインストロン試験機で試験し、極限強度点が299重量ポンドで0.1956インチであることが分かった。
材料のpsi=[(材料の重量ポンド)/(l/(ワイヤの面積))]
24364.40678psi=(299重量ポンド/0.01227インチ)
弾性率=[(インチ長さ)(材料のpsi)]
[(弾性伸び)]
4484246.647=[(36インチ)(0.01227インチ)]/(0.1956インチ)
材料のpsi=弾性伸び(弾性率)
(インチ長さ)
15570.30086=[0.125インチ(4.5×106psi)]/(36インチ)
各ワイヤ直径の金属面積は、
(1/8インチ)2×3.141593=0.012272インチ2;(3/32インチ)2×3.141593=0.006903インチ2;(1/16インチ)2×3.141593=0.003068インチ2
降伏点での各直径の荷重は、
直径:(ワイヤの面積)(材料のpsi)=材料の重量ポンド
1/8インチ:(0.012272インチ2)(24364.40678psi)=191.0787重量ポンド、3/32インチ:(0.006903インチ2)(24364.40678psi)=107.4818重量ポンド、1/16インチ:0.003068インチ2)(24364.40678psi)=47.77重量ポンド
降伏点での鋼ワイヤの各直径の変位は、0.125インチである。降伏点での各直径のワイヤの荷重は、
1/8インチ=191.0787重量ポンド、3/32インチ=107.4818重量ポンド、1/16インチ=47.77重量ポンドである。
1/8インチ 1235.72重量ポンド 191.0787重量ポンド
3/32インチ 695.094重量ポンド 107.4818重量ポンド
1/16インチ 308.9重量ポンド 47.77重量ポンド
ワイヤを中子に配置したときに予備張力をかけ、砂中子を圧縮状態にした。圧縮データは、異なる樹脂率の中子に関する性能の公差を示した。圧縮試験からのデータは、極限圧縮強度を示した。極限圧縮強度は、各樹脂率での極限変位及びpsiの両方に対応した。
1.行った検査数に関係なく、プロセスで変動が生じた。異なる樹脂率から、これらの変動に起因する問題のタイプの概念が得られた。
2.樹脂率が低くなったときのその性能を求める。低樹脂率を用いて樹脂の費用を減らす可能性があった。
2.4%樹脂の試験片 変位 撓み
降伏点 0.02679インチ 268.55469ポンド
極限強度点 0.04012インチ 566.40625ポンド
[(インチ長さ)(荷重)]=弾性伸び
[(金属面積)(弾性率)]
2インチ×268.555=6739.1951
(pi)(1)(0.02679インチ)
2インチ×566.40625=8984.056354
(pi)(1)(0.04012インチ)
降伏点
材料のpsi=材料の重量ポンド
(材料のpsi)×(ワイヤの面積)=材料の重量ポンド
ワイヤの面積
85.48371148=268.555⇒(85.483711148)×(0.19634954)=16.78469
3.141593
極限強度点
材料のpsi=材料の重量ポンド
(材料のpsi)×(ワイヤの面積)=材料の重量ポンド
ワイヤの面積
180.292709=566.40625⇒(180.292709)×(0.19634954)=35.40039
3.141593
[(インチ長さ)(荷重)]=弾性伸び
[(金属面積)(弾性率)]
26インチ×16.78469=0.34827
(pi)(0.0625)(6379.1951)
26インチ×35.40039=0.52156
(pi)(0.0625)(8984.056354)
降伏点 0.34827インチ 16.78469ポンド
極限強度点 0.52156インチ 35.40039ポンド
1/8インチ 1235.72重量ポンド 191.0787重量ポンド
3/32インチ 695.094重量ポンド 107.4818重量ポンド
1/16インチ 308.9重量ポンド 47.77重量ポンド
降伏点 0.34827インチ 16.78469ポンド
極限強度点 0.52156インチ 35.40039ポンド
抗折試験の意図は、ワイヤを有する中子又はワイヤを有さない中子の強度の向上を実証する目的で、中子の固有圧縮特性を調査することである。中子は、中子取りからの取り出し、中子取りから金型内への取り扱い、及び金型への溶融金属の鋳込みプロセスに十分な強度を有する必要があった。この用途に重要な別の特質は、細長い中子を作製する能力であり、細長い中子の検証は、鋳造及び中子製造プロセスを妨げることなく行うことができる。中子の抗折試験は、ワイヤを中子に加えることで中子の圧縮特性から中子の強度が向上するかどうかを判定する。
15インチワイヤ無し中子(極限強度点) 0.0494インチ 0.733ポンド
11インチワイヤ無し中子(極限強度点) 0.0420インチ 1ポンド
6インチワイヤ無し中子(極限強度点) 0.0455インチ 1ポンド
1)チャート1:1/16インチアルミニウムワイヤ中子
テーブルVI.1a及び表VI.1bは、6インチ、11インチ、及び15インチのワイヤ無し中子、1/16インチアルミニウム複合中子、及び1/16インチ直径アルミニウムワイヤに関してチャートに載せたものを要約形式で示す。
試験片 変位 撓み
15インチワイヤ無し中子(極限強度点) 0.0494インチ 0.733ポンド
11インチワイヤ無し中子(極限強度点) 0.0420インチ 1ポンド
6インチワイヤ無し中子(極限強度点) 0.0455インチ 1ポンド
1/16インチ複合中子(比較変位) 0.0450インチ 0.538ポンド
極限強度での1/16インチ複合中子(比較撓み) 0.544インチ 1.03ポンド
試験片 変位 撓み
1/16インチ直径ワイヤ 1.2インチ 0.0587ポンド
1/16インチ複合中子(比較変位) 1.2インチ 0.44ポンド
試験片 変位 撓み
15インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0494インチ 0.733ポンド
11インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0420インチ 1ポンド
6インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0455インチ 1ポンド
1/16インチ複合中子(比較変位) 0.0420インチ 0.489ポンド
極限強度での1/16インチ複合中子(比較撓み) 0.146インチ 1.12ポンド
試験片 変位 撓み
1/16インチ直径ワイヤ 1.37インチ 1.37重量ポンド
1/16インチ複合中子(比較変位) 1.37インチ 2.5重量ポンド
試験片 変位 撓み
15インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0494インチ 0.733ポンド
11インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0420インチ 1ポンド
6インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0455インチ 1ポンド
3/32インチ複合中子(比較変位) 0.0391インチ 0.855ポンド
3/32インチ複合中子(比較撓み) 0.0601インチ 1.10ポンド
試験片 変位 撓み
3/32インチ直径ワイヤ 1.5インチ 0.259ポンド
3/32インチ複合中子(変位比較、極限強度) 1.51インチ 4.40ポンド
試験片 変位 撓み
15インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0494インチ 0.733ポンド
11インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0420インチ 1ポンド
6インチワイヤ無し中子(極限強度点) 0.0455インチ 1ポンド
3/32インチ複合中子(比較変位) 0.0455インチ 0.855ポンド
3/32インチ複合中子(比較撓み) 0.052インチ 1ポンド
試験片 変位 撓み
3/32インチ直径ワイヤ 1.5インチ 0.777ポンド
3/32インチ複合中子(変位比較、極限強度) 1.54インチ 10.9ポンド
試験片 変位 撓み
15インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0494インチ 0.733ポンド
11インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0420インチ 1ポンド
6インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0455インチ 1ポンド
1/8インチ複合中子(比較変位) 0.0450インチ 0.733ポンド
極限強度での1/8インチ複合中子(比較撓み) 0.053インチ 1ポンド
試験片 変位 撓み
1/8インチ直径ワイヤ 1.5インチ 0.66ポンド
1/8インチ複合中子(変位比較、極限強度) 1.53インチ 10.3ポンド
試験片 変位 撓み
15インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0494インチ 0.733ポンド
11インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0420インチ 1ポンド
6インチワイヤ無し中子(極限強度) 0.0455インチ 1ポンド
1/8インチ複合中子(比較変位) 0.0350インチ 1.344ポンド
極限強度での1/8インチ複合中子(比較撓み) 0.0350インチ 1.344ポンド
試験片 変位 撓み
1/8インチ直径ワイヤ 1.35インチ 2.20ポンド
1/8インチ複合中子(変位比較) 1.35インチ 26ポンド
木から作製される砂型は、砂型を成形するために木型の周りに砂を吹き付けて囲んだものである。2つの予備張力がかけられた砂中子を砂型に配置した。シリンダヘッド及びシリンダブロックを鋳造するのに用いられるアルミニウムと同じアルミニウム356を、液体形態に溶融し、砂型に鋳込んだ。鋳込みプロセス中、液体アルミニウムを砂中子の周りで成形させた。凝固した鋳物を砂型から取り出したが、このとき、予備張力がかけられた砂中子が鋳物内にあり、ドリリングの必要を無くす所望の孔を形成する。
長さ26インチで直径1/2インチの中子内に配置されるワイヤの性能は、中子の強度を高める。中子は、破損することなく中子取りから取り出すことができる。抗折試験は、3/32インチ〜1/8インチのアルミニウム及び鋼を含む強力なワイヤで中子の性能が向上することを示した。これにより、金型内に配置して溶融金属の鋳込みプロセスに対応するのに十分なほど中子の強度が改善された。1/8インチ鋼は最高性能を有し、3/32インチアルミニウムの性能は15インチワイヤ無し中子よりも優れていた。
Claims (21)
- ワイヤの端を互いに引き離すことにより、降伏点以下でワイヤに張力をかけること、
前記ワイヤの周りに砂バインダ混合物を適用して所定の形状を形成すること、
前記砂バインダ混合物を硬化させること、及び
前記ワイヤに対する前記張力を解放すること
を含む砂中子の製造方法。 - 前記バインダが、ウレタンである請求項1に記載の砂中子の製造方法。
- 前記砂バインダ混合物と共に触媒がさらに適用され、前記触媒が前記砂バインダ混合物の前記硬化を加速させる請求項1に記載の砂中子の製造方法。
- 前記砂中子の形状が、中子取りの空洞内にある前記ワイヤに前記砂バインダ混合物を適用することによって決まり、前記中子取りの前記空洞が、所定の形状を有する請求項1に記載の砂中子の製造方法。
- 前記ワイヤが前記中子取りに配置される際に、前記ワイヤに対する前記張力がかけられる請求項4に記載の砂中子の製造方法。
- 前記所定の形状が、直線円筒形である請求項1に記載の砂中子の製造方法。
- 前記所定の形状が、直線三角柱形である請求項1に記載の砂中子の製造方法。
- 前記所定の形状が、直線四角柱形である請求項1に記載の砂中子の製造方法。
- 前記金属ワイヤが、前記砂バインダ混合物を閉じ込めるような、前記ワイヤの両端に金属の直径に対して垂直に位置する突起を有し、前記突起が、前記張力を解放する際に前記砂バインダ混合物を圧縮する請求項1に記載の製造方法。
- 前記中子が、コールドボックス中子である請求項1に記載の製造方法。
- 前記中子が、ホットボックス中子である請求項1に記載の製造方法。
- 前記中子が、細いシェルモールド中子である請求項1に記載の製造方法。
- 前記砂中子を金型に配置すること、及び前記金型の鋳物を製造することをさらに含む、請求項1に記載の製造方法。
- 前記鋳物が、アルミニウム、鋳鉄、マグネシウム又は鋼を含む請求項13に記載の製造方法。
- 前記砂中子が、直線形状で前記金型に配置される請求項13に記載の製造方法。
- 前記砂中子が、湾曲形状で前記金型に配置される請求項13に記載の製造方法。
- 前記砂中子が、ジグザグ形状で前記金型に配置される請求項13に記載の製造方法。
- 2つ以上の砂中子が前記金型に配置され、前記2つ以上の砂中子が互いに接続される請求項13に記載の製造方法。
- 前記砂中子が、前記鋳物の凝固中に前記ワイヤから熱を放出させる請求項13に記載の砂中子の製造方法。
- 請求項1の製造方法によって製造される砂中子。
- 請求項13の製造方法によって製造される鋳物。
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