JP5040599B2 - アルミニウム複合部品鋳造用金型及びそれを用いた鋳造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、セラミック繊維等の強化材からなるプリフォームを用いたアルミニウム複合部品の鋳造用金型及びそれを用いた鋳造方法に関するものである。
従来から、自動車用の燃焼機関の軽量ピストンや車両の軽量ブレーキディスクとして、セラミック繊維等を組み合わせた強化材からなるプリフォームにアルミニウムを含浸させて鋳造させたアルミニウム複合部品が用いられている。このようなアルミニウム複合部品の鋳造は、先ず、プリフォームを鋳造用金型に設置し、その後にアルミニウムの溶湯を金型に注入することによって行われるが、この際に、プリフォームの空隙内の空気が金型のキャビティ内に排出されるので、その空気を金型から排出して、プリフォームにアルミニウムの溶湯を均一に含浸させる必要がある。
この点に関し、エアーを巻き込まないように低速充填するスクイズキャスト法を用いてプリフォームにアルミニウム溶湯を含浸させる方法が提案されている（特許文献１）が、この方法によっては、プリフォームの空隙の空気を金型から排出するための特別な工夫がなされていないため実用困難である。
プリフォームの空隙の空気を排出するために、プリフォーム接触面に空気溜部を設けそこに多孔質耐熱材を装着させる方法が提案されている（特許文献２）が、アルミニウム溶湯が多孔質耐熱材に差し込んだ場合に多孔質耐熱材を交換する必要があり、連続鋳造には向かないという課題がある。また、プリフォームが接触する金型に複数の小孔を設け、その小孔から空気を排出する方法が提案されている（特許文献３）が、小孔のみだと溶湯含浸時の圧力でプリフォームが破壊、変形、小孔隙間へのアルミニウム溶湯の差し込みにより連続運転ができないという課題がある。
また、キャビティ内を真空吸引し減圧状態にした後に低圧含浸する方法が提案されている（特許文献４）が、この方法は真空吸引による空気の流れに沿ってアルミニウム溶湯の先走りが起こり、均一含浸の妨げとなるなどの課題がある。特に、この方法によっては、大型アルミニウム複合部品を得ることが困難である。
特開平８−１０４９３０号公報
特開平２−２４７０６９号公報
特開２００６−３２８４７４号公報
特開２００４−３５１４７２号公報
そこで、本発明は、金型内に予め設置されたプリフォームがアルミニウム溶湯含浸時の圧力によって破壊や変形することなく、プリフォームの空隙内のエアーを連続して確実に排出し、プリフォームにアルミニウム溶湯を均一含浸させることが可能なアルミニウム複合部品鋳造用金型及びそれを用いた鋳造方法を提供することを目的とする。
以上の目的を達成するために、本発明の一態様によるアルミニウム複合部品鋳造用金型は、アルミニウムの溶湯が注入されるキャビティの上面をその底面によって規定され、該底面のうちキャビティ内に収容される強化材からなるプリフォームが当接するプリフォーム接触面に複数のエアーベント用の溝が形成されるとともに、これら溝に連通される押出ピン挿入用の押出ピン孔が形成された第１金型と、該第１金型の底面と型締されることによって第１金型の底面とともに前記キャビティを規定する第２金型と、前記押出ピン孔に、前記エアーベント用の溝と連通可能なクリアランスを形成した状態で進退自在に挿入される押出ピンと、を備えたことを特徴とする。
また、この発明の一態様によるアルミニウム複合部品鋳造方法は、プリフォームを、前記第１金型のプリフォーム接触面と第２金型の間に介在させた状態で前記第１金型と第２金型とを型閉し、前記キャビティ内にアルミニウムの溶湯を注入するとともに加圧し、前記アルミニウムが前記プリフォームに含浸し凝固したら前記第１及び第２金型を型開し、前記押出ピンを突出させることによって、アルミニウム複合部品を取り出すことを特徴とする。
以上のように本発明によれば、金型内に予め設置されたプリフォームがアルミニウム溶湯含浸時の圧力によって破壊や変形することなく、プリフォームの空隙内のエアーを連続して確実に排出し、プリフォームにアルミニウム溶湯を均一に含浸させることが可能なアルミニウム複合部品鋳造用金型及びそれを用いた鋳造方法を提供することができる。
次に、本発明に係るアルミニウム複合部品鋳造用金型の第１の実施の形態について、ブレーキディスク鋳造金型を例として図面に基づいて説明する。図１は、第１の実施の形態に係る鋳造金型の正面断面図である。
第１の実施の形態に係る鋳造金型は、円柱状に形成され、その底面が後述するキャビティ２１の上面を規定する第１金型１０と、第１金型１０と同径の円柱状に形成され、その上面が第１金型１０の底面に型締されることによって、第１金型１０の底面とともにキャビティ２１を規定する第２金型２０と、を備えている。
第１金型１０は、図１に示すように、第１ホルダー３０の底面に形成された第１金型１０の外形に相応する形状の窪み３１に収容され、ボルト３２により第１ホルダー３０に固定されている。また、図２から４に示すように、第１金型の底面の鋳造の際に後述するプリフォーム３５が当接するプリフォーム接触面には、円状の環状溝１２が径を異にして径方向に等間隔をおいて複数形成されており、またプリフォーム接触面には、径方向に延びる直線溝１３が周方向に等間隔をおいて複数形成されている。これら環状溝１２及び直線溝１３は、いずれも断面Ｖ字状に形成され、互いに重なる位置で連通している。環状溝１２は、例えば５〜２０ｍｍ、直線溝１３は、例えば２５〜４０ｍｍの間隔で形成され、どちらの溝も、例えば深さ１ｍｍ、角度は約６０°で形成される。
第１金型１０のプリフォーム接触面には、第１金型１０の底面から上面に亘って、押出ピン３６が挿入可能な複数の押出ピン用孔１４が軸方向に貫通されており、環状溝１２及び直線溝１３に連通している。これら第１金型１０の押出ピン用孔１４は、例えば、第１金型１０の底面から軸方向５０ｍｍまでの径１４Ａと、１４Ａの上面から第１金型１０の上面までの径１４Ｂとで異なる径で形成されている。１４Ｂと整合する第１ホルダー３０の位置にも１４Ｂと同径の押出ピン用孔３７が貫通されている。これにより押出ピン３６と押出ピン用孔１４Ａ、１４Ｂ、３７の間にクリアランスが形成される。
押出ピン３６の直径は、例えば１２ｍｍ、押出ピン３６と押出ピン孔１４Ａとのクリアランスは、例えば０．２ｍｍに形成され、例えば、径方向に４個並列された列と５個並列された列が交互に４８列、合計２１６個配置されている。これら押出ピン３６は、第１ホルダー３０の上面に形成された窪みに内設された押出板４１に結合される。
また、第１金型１０のプリフォームが当接された際のその外周から外側に亘って、複数の湯溜り１５が、周方向に適宜間隔をおいて、キャビティ内の余分なアルミニウム溶湯を逃がす為に適度な深さをもって形成され、すべての湯溜りの上面の中心には押出ピン３６が挿入可能な押出ピン用孔１４が軸方向に貫通され、その貫通孔１４と整合する第１ホルダー３０の位置にも同様に貫通孔３７が貫通されている。
第２金型２０は、図１に示すように、第２ホルダー４２の上面に形成された第２金型２０の外径に相応する形状の窪み４３に収容され、ボルト４４により第２ホルダー４２に固定されている。第２金型２０の上面には、上述のように第１金型１０の底面とともにキャビティ２１を規定するキャビティ下部２１Ａが形成されている。このキャビティ下部２１Ａの内周面の上端近傍には、段差２４が形成されており、この段差２４は、その内径及び深さが、プリフォーム３５の外径及び厚さよりも若干大きくなるように形成されている。この段差２４は、湯溜り１５に連通されている。
第２金型２０の底面中心から軸方向ほぼ中央に亘って、後述するプランジャー４５の外径と同一の内径を有する注入ゲート孔２３が形成されており、キャビティ下部２１Ａに連通している。更に、注入ゲート孔２３のおよそ中間から軸方向第２金型２０の底面に向かって、プランジャー４５の外周面に当接される射出スリーブ用の孔２５が形成されており、第２ホルダー４２のその射出スリーブ孔２５に整合する位置にも同型の貫通孔４６が軸方向に形成されている。
次に、第１の実施の形態に係る鋳造金型によって、ブレーキディスクを鋳造する方法について説明する。
プリフォーム３５を第２金型２０のキャビティ下部２１Ａの上端近傍に形成される段差２４に、第１金型１０底面のプリフォーム接触面に対峙するように載置し、第１金型１０と第２金型２０を型締めする。
プランジャー４５を下降させた射出スリーブ４７内にアルミニウム溶湯を満たし、スリーブ挿入孔２５の下方より射出スリーブ４７を上昇させ、第２金型２０に押圧させる。次いで、射出スリーブ４７の内壁に沿ってプランジャー４５を上昇させ、アルミニウム溶湯を第２金型の注入ゲート孔２３を介してゆっくりと低速射出してキャビティ２１内を層流充填する。プリフォーム３５の下面に到達したアルミニウム溶湯は湯溜り１５にアルミニウム溶湯を流出させながらプリフォーム３５を押し上げ、プリフォーム３５の上面を第１金型の底面へ当接させる。プランジャー４５による加圧によりアルミニウム溶湯がプリフォーム３５内に浸漬しながら、プリフォーム３５内の空隙にあったエアーは、プリフォーム３５の上面と当接し第１金型１０の全面に形成されたエアーベント用のＶ溝１２、１３に排気され、Ｖ溝に排気されたエアーは、Ｖ溝と複数個所で交わるように形成された押出ピン３６と押出ピン孔１４Ａ、１４Ｂ及び第１ホルダー３０の押出ピン孔３７とのクリアランス部分から排気される。これにより、プリフォーム３５への均一含浸が進み、良品のブレーキディスクが製造できる。
第１金型１０及び第２金型２０内でアルミニウム溶湯が加圧凝固したのち、第１金型１０及び第２金型２０を型開し、押出ピン３６を突出させて製品を取り出す。
これにより、ブレーキディスクを鋳造することができる。
次に、本発明に係るアルミニウム複合部品鋳造用金型の第２の実施の形態について、自動車用ピストン鋳造金型を例として図面に基づいて説明する。図５は、第２の実施の形態に係る鋳造金型の正面断面図である。
第２の実施の形態に係る鋳造金型は、その底面が後述するキャビティ８１の上面を規定する第１金型７０と、その上面が第１金型７０の底面に圧接されることによって、第１金型７０の底面とともにキャビティ８１を規定する第２金型８０と、を備えている。第２金型８０は、割型となっており８０Ａと８０Ｂに分けられる。
図５及び６に示すように、第１金型の底面の鋳造の際に後述するプリフォーム９０が当接するプリフォーム接触面には、プリフォーム接触面のおよそ中心から径方向に向かって放射状に延びる直線溝７１が等間隔で形成され、同中心から円状の環状溝７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃが径を異にして径方向に等間隔をおいて形成されている。
これら環状溝７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ及び直線溝７１は、いずれも断面Ｖ字状に形成され、互いに重なる位置で連通している。また、環状溝７２Ｂ、７２Ｃと直線溝７１が交差する複数の位置には押出ピン９１が挿入可能な押出ピン用孔７３が軸方向に貫通されており、これら押出ピン用孔７３の内径は、押出ピン９１の外径よりも大きくなるように形成されている。
１０…第１金型、１２…環状溝、１３…直線溝、１４Ａ…押出ピン用孔、１４Ｂ…押出ピン用孔、１５…湯溜り、２０…第２金型、２１…キャビティ、２１Ａ…キャビティ下部、２３…プランジャー注入ゲート孔、２４…プリフォーム載置用段差、２５…射出スリーブ孔、３０…第１ホルダー、３１…第１ホルダー窪み、３２…第１取付ボルト、３５…プリフォーム、３６…押出ピン、３７…押出ピン用第１ホルダー貫通孔、４１…押出板、４２…第２ホルダー、４３…第２ホルダー窪み、４４…第２取付ボルト、４５…プランジャー、４６…射出スリーブ孔、４７…射出スリーブ、７０…第１金型、７１…直線溝、７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ…環状溝、７３…押出ピン孔、８０Ａ…第２金型ａ、８０Ｂ…第２金型ｂ、８１…キャビティ、９０…プリフォーム、９１…押出ピン。
Claims (4)
- アルミニウムの溶湯が注入されるキャビティの上面をその底面によって規定し、該底面のうちキャビティ内に収容される強化材からなるプリフォームが当接するプリフォーム接触面に複数のエアーベント用の溝が形成されるとともに、これら溝に連通される押出ピン挿入用の押出ピン孔が形成された第１金型と、
該第１金型の底面と型締されることによって第１金型の底面とともに前記キャビティを規定する第２金型と、
前記押出ピン孔に、前記エアーベント用の溝と連通可能なクリアランスを形成した状態で進退自在に挿入される押出ピンと、
を備え、
前記エアーベント用の溝は、それぞれ同心となるように形成された径を異にする複数の環状溝と、該複数の環状溝の中心から径方向外側に延びて前記複数の環状溝と交差する直線溝とを有し、
前記押出ピン孔は、前記環状溝と直線溝の交差部に形成されている
ことを特徴とするアルミニウム複合部品鋳造用金型。 - 前記プリフォーム接触面は、円環状のプリフォームが接触する面であり、
前記複数の環状溝は、前記円環状のプリフォームの中心と同心となるように形成されている
ことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム複合部品鋳造用金型。 - 前記プリフォーム接触面に形成された溝は、Ｖ溝であることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム複合部品鋳造用金型。
- 請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム複合部品鋳造用金型を用いたアルミニウム複合部品鋳造方法であって、
プリフォームを、前記第１金型のプリフォーム接触面と第２金型の間に介在させた状態で前記第１金型と第２金型とを型閉し、
前記キャビティ内にアルミニウムの溶湯を注入するとともに加圧し、
前記アルミニウムが前記プリフォームに含浸し凝固したら前記第１及び第２金型を型開し、
前記押出ピンを前進突出させることによって、アルミニウム複合部品を取り出す
ことを特徴とするアルミニウム複合部品鋳造方法。
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