JP5070277B2 - 薄肉中空鋳物用中子およびそれを用いた製造方法による薄肉中空鋳物 - Google Patents

Description

本発明は、ケレン（中子押さえ又は型持ち、chaplet）を装着した中空鋳物の製造に用いる薄肉中空鋳物用中子およびそれを用いた製造方法による薄肉中空鋳物に関する。

鋳物の製造において、中子を用いて鋳物の内部に中空部分を形成して鋳物自体の軽量化を図ることが一般的に行われている。例えば、自動車エンジンを構成するカムシャフトやクランクシャフトなどは、従来は中実構造であったが、近年では中子を用いて内部に中空部を形成した中空構造とすることで大幅な軽量化が図られている。このようなカムシャフトやクランクシャフトの如く全長の長い鋳物の製造には、長尺の中子を用いる必要がある。長尺の中子を用いた鋳造においては、中子を鋳型にセットしたときに、中子自体の長さと重量によって中子に撓みが生じたり中子が折れたりすることがある。また、鋳込み時には溶湯による浮力を受けて、中子が鋳型内で浮き上がって鋳物が偏肉したり、中子が折損したりして製品を得られないことがある。

この対応として各種形態のケレンを使用されている。ケレンの作用としては、非特許文献１によれば、（1）中子の重量を支え、寸法を保ち、（2）鋳込みの際、溶湯の圧力で中子が浮き上がるのに抵抗し、（3）鋳物がある程度凝固して自ら中子の移動を防ぐようになるまで持ちこたえ、（4）なるべく溶湯と溶融接着して鋳物の一部分となることであり、これらの作用が当業者の技術常識であった。カムシャフトやクランクシャフトの如く全長の長い鋳物の製造には、例えば、特許文献１では、中子外周に沿って延び一部が中子外周に沿った切欠部を有した円環状の本体部と、本体部から放射状に延設された脚部を備えるケレンを鋳型の壁面に当接させ、ケレンは溶湯の凝固時にはワークの一部になることが示されている。また、特許文献２では、１本の線材からなり、中子の溝部に嵌め込まれる本体部と、本体部から放射状に延設され鋳型の壁面に当接する複数の当接部と２つの当接部間に開口部を備えたケレンの装着構造が示され、中子の溝部がケレンを挿入するためのケレン挿入部及び挿入したケレンを軸方向に移動させて固定するケレン固定部とからなる溝部とすることが示されている。
金属工学講座５ 加工編１、今井勇之進編集、朝倉書店、昭和47年2月15日発行、124-125頁。 特開２００４−６６２４９号公報 特開２００６−１０２７５０号公報

前記技術常識の（1）〜（3）は当然に機能していなければ鋳物が製造できないことになるが、前記技術常識の（4）の「溶湯と溶融接着して鋳物の一部分となること」については、外観上問題がなくてもケレンと鋳物本体との間の密着不具合による機械的強度を低下させるという課題を内在させていた。特許文献１のケレンを中子外周に沿って取り付けたものでは、中子外周から突出して取り巻かれた円環状のケレン本体部が、薄肉鋳物を鋳造するときに鋳型内の溶湯の流れを阻害するため、注湯温度等の鋳造条件を狭い範囲で管理しないと湯廻り不具合を発生しやすくなるという課題があった。また、中子外周から突出した円環状のケレン本体部が鋳物内に鋳込まれると、ケレンの円環部の外周部と両側面部の表面が溶湯と接することになり、ケレン表面と鋳物との接触面が多くなることから、ケレンと鋳物本体との間の密着性向上に課題があり、カムシャフトやクランクシャフトなどの製品の回転曲げ強度などの機械特性へ影響する可能性があった。

一方、中子にケレン挿入部及びケレン固定部からなる溝部を形成し、１本の線材から形成されたケレンをケレン挿入部に挿入した後に軸方向に移動させてケレン固定部に固定し、円弧状のケレン本体部を中子外周から突出させている特許文献２の装着構造においては、ケレン固定部で中子外周に突出した円弧状のケレン本体部が、鋳型内の溶湯の流れを阻害して湯廻り不具合やケレン挿入部に入り込んだ溶湯は溝幅が狭いため急速に冷却され、熱容量も小さいのでケレンと鋳物本体との密着不具合を起こしやすいことが確認された。構造的にケレンの全体が鋳物の一部分となっていないため、前記技術常識（4）の「溶湯と溶融接着して鋳物の一部分となること」について不満足であった結果とも推察される。
本発明は上記の課題を解決し、湯廻り不良を防止すると同時に、回転曲げ強度などの機械特性の低下を生じさせない薄肉中空鋳物用中子とそれを用いた製造方法による薄肉中空鋳物を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、本発明者らの鋭意研究の結果、前記技術常識（4）とは全く反する方向に解決を見いだしたものである。すなわち、本発明の薄肉中空鋳造用中子は、ケレンの円弧部を中子に設けた円弧部挿入溝に完全に収容して鋳物本体の一部にはならない構造としたことを特徴とする。本発明の薄肉中空鋳造用中子は、切欠部を備えた円弧部と円弧部の外周に鋳型内壁に接する複数の突起部を備えたケレンが装着され、ケレンは中子本体の外径部に形成された溝にケレンの円弧部全体が挿入収容され、ケレンの突起部のみを中子本体から突出して鋳物内壁に当接保持させる構造としたことを特徴とする。本発明において、薄肉とは、鋳物中空部の最小肉厚が5mm以下、特に３mm以下を指す。

本発明の薄肉中空鋳物用中子には、ケレン円弧部全体が挿入される円弧部挿入溝を複数箇所形成し、複数のケレンを装着した構造とすることができる。また、中子に形成するケレン円弧部を挿入する溝の直径は、装着前（自由状態）のケレン円弧部の切欠部の長さより大きいことが好ましい。このような寸法関係とすることで、ケレンを中子に確実に固定でき、鋳型への配置時や鋳造時に鋳型内でケレンの脱落などが生じることがない。更に、中子に形成するケレン円弧部を挿入する溝は、中子外周の全周に設けた全周溝とする。但し 、ケレン円弧部のみを収容可能な部分周溝とすると、ケレンの中子本体の軸についての回転方向のずれを防止して確実に固定できるのでより好ましい。

本発明の薄肉中空鋳物の製造方法は、切欠部を備えた円弧部と円弧部の外周に鋳型内壁に接する複数の突起部を備えたケレンが装着された鋳造用中子を用いた薄肉中空鋳物の製造方法であって、中子本体の外径部の全周に形成された溝にケレン円弧部全体を挿入収容して中子本体からケレンの突起部のみを突出させた中子を、前記突起部により鋳型に保持し、溶湯を鋳型に鋳込むことを特徴とする。そして、本発明の薄肉中空鋳造用中子を用いて上記の製造方法で製造した薄肉中空鋳物は、切欠部を備えた円弧部と円弧部の外周に鋳物の最外周面まで延びる複数の突起部を備えたケレンと、鋳物本体部と中空部とからなる中空長尺形態の薄肉中空鋳物であって、複数の突起部が鋳物本体内に収納され、円弧部が中空部に突出していることを特徴とする。薄肉中空鋳物は、内燃機関のカムシャフトに好ましく用いることができる。

本発明の薄肉中空鋳物用中子は、中子本体外径部全周にケレンの円弧部全体が挿入収容される溝を形成してケレンを装着し、ケレンの突起部のみを中子本体から突出させた構造としたことで、薄肉中空鋳物の鋳造時に、溶湯流動の阻害が少ない鋳造が可能となり、鋳造条件を狭い範囲で管理しなくても湯廻り不良の発生を防止するとともに、鋳物本体に鋳包まれるケレン部分を少なく抑えられたことで、鋳物本体とケレン接触部の接触面を小さくでき、回転曲げ強度などの機械強度を十分に確保した薄肉中空鋳物の製造が可能となる。また、ケレンの円弧部全体が中子に収容されているので、中子を鋳型へ配置時や鋳造時に鋳型内でケレンの脱落などが生じたり、ケレンが軸方向にずれたりすることがない。これらの理由により、高寸法精度で中空部の形成が可能となる。特に、本発明の薄肉中空鋳物用中子は、カムシャフト等の長尺で棒状の薄肉中空鋳物に好ましく用いることができる。

また、本発明の薄肉鋳物用中子を用いた鋳造方法は、湯廻り不良の発生を防止するとともに機械強度を十分に確保でき、肉厚を低減して軽量化した薄肉中空鋳物を容易に製造することが可能となる。本発明の鋳造法では、鋳造終了時に、ケレンの突起部は鋳物に鋳包まれている。本発明の薄肉中空鋳造用中子を用いて上記の製造方法で製造した薄肉中空鋳物は、ケレンと鋳物本体との接触面を小さくすることができるため、薄肉にしても十分な強度を確保することができる。
以下図面を参照して、本発明をより詳しく説明する。

本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係る薄肉中空鋳物用中子を鋳型に組み付けた断面の概要を示した図である。中子本体に組み付けられるケレン１は、板状で半円より大きい円弧部２と円弧部２の両端部の間に切欠部３を備え、円弧部２の両端部と中央部の３箇所に外径方向に拡張し鋳型７，８の内壁と当接部９（９ａ，９ｂ，９ｃ）で接する３箇所の突起部４（４ａ，４ｂ，4ｃ）を備えている。突起部４は、ケレン１の円弧部２の任意位置に任意数設けてよく、円弧部２の両端部と中央部の３箇所に設けるのがより好ましい。中子本体５には、図２に示されるように、ケレン１の円弧部２が完全に挿入収容される溝部６が１箇所以上設けられる。

溝部６は、好ましくは中子本体５の全長に亘って任意の間隔で任意数設けられる。中子本体５に設けられた溝部６の径１０は、ケレン１の切欠部３の長さよりも大きい。そして、ケレン１は切欠部３を弾性変形により拡げられて中子本体５の溝部６に装着される。装着されたケレン１は、中子本体５の溝部６を狭持して固定され中子本体５から脱落することがない。中子本体５の溝部６は、中子本体５外周の全周に形成することができる。図３は、溝部６を外周の全周に設けた中子本体５にケレン１を装着した薄肉中空鋳物用中子の一例を示したものであり、図４は図３の薄肉中空鋳物用中子のIV−IV部断面について矢示方向に示している。複数の溝部６に装着されるケレン１は、突起部４（図３では４ｃ）を揃えて配置してもよく、突起部４の位置を中子外径の異なる位置に配置することもできる。また、突起部４と切欠部３の位置が相違する他形状のケレン１を組み合わせて使用することも可能である。同一形状のケレン１を突起部４又は切欠部３の方向を揃えて配置すると装着性が容易となるためより好ましい。

本発明に係る薄肉中空鋳物用中子は、ケレン１の円弧部２が中子本体５の溝部６に完全に収容され、中子本体５外周の外径方向にケレン１の突起部４のみが突出した構造である。尚、中子本体５外周の溝部６は、ケレン１の円弧部２が収容される中子本体５の外周の全 体に形成するが、外周の一部のみに形成すると、中子を鋳型へ配置および鋳込み時において、ケレン１の回転方向の位置ずれを防止できるためより好ましい。図１においては、ケレン１の円弧部２と突起部４は同じ幅（厚さ）であるが、これらの幅（厚さ）を相違させてもよく、突起部４は鋳包みの容易さと湯流れを考慮して極力幅を小さくするのが好ましく、突起部の先端側の幅を小さくした段付きとしてもよい。

本発明に係る薄肉中空鋳物用中子に装着するケレン１は、切欠部３を弾性変形により拡げられて中子本体５の溝部６に装着され、中子本体５の溝部６を挟み込む状態で固定できる適当な材料から製作される。その材料には、例えばバネ特性の良好なＪＩＳ規格による炭素工具鋼（ＳＫ材）やステンレス鋼（ＳＵＳ材）などを用いることができる。例えば前記材質の圧延鋼板をプレス打ち抜き加工やレーザービーム走査による溶断加工などにより成形する。炭素工具鋼は焼入れ処理して用いることができる。また、前記ケレン１にニッケル（Ｎｉ）めっき又は錫（Ｓｎ）めっきを施したものを用いてもよく、溶湯とケレン１界面との溶着性が向上するとともにケレン１の防錆効果を得られることからより好ましく用いることができる。

中子本体５は、シェルモールド法、コールドボックス法等の造型方法により製作することができる。造型に使用される砂は、天然珪砂、ムライト系の人工耐火物砂等を使用することができ、細い溝部を容易に形成できる細粒径の砂を用いて、砂の流動性のよい砂吹き込み方式のシェルモールドにより製作するのがより好ましい。

本発明に係る薄肉中空鋳物用中子は、図１のようにケレン１の突起部４ａ，４ｂが鋳型（下型）８の内壁９ａ，９ｂに当接し、自重によって撓むことなく所定位置に保持される。その状態で鋳型（上型）７をかぶせ、ケレン１の突起部４ｃが鋳型（上型）７の内壁９ｃに当接するように配置される。このように中子を配置した状態で鋳型内に溶湯１１を注入すると、下型８から上向きに湯面が上昇する溶湯１１からの浮力に抗して中子を所定の位置に保持することが可能となる。

薄肉中空鋳造においては、特に最小肉厚３mm以下の薄肉部を有するものにおいては、鋳型からの冷却効果が大きいことから溶湯の流動性が悪くなりやすく、中子本体５から突出したケレン１の円弧部２によって流動性が阻害されることがあったが、本発明に係る薄肉中空鋳物用中子はケレン１の円弧部２が中子本体の溝部に完全に収容されているため、鋳物本体に鋳包まれる部分が突起部のみと少なく、鋳型内の溶湯の流れを阻害する影響を最小限に抑えることができる。溶湯に鋳包まれる突起部４は、溶湯が鋳型内を完全に充満した段階においても未溶解である。したがって、突起部４と円弧部２は中子本体５を保持している。このために中子位置が高精度で維持される。

本発明に係る薄肉中空鋳物用中子を鋳型に配置した概略断面図である。 本発明に係る薄肉中空鋳物用中子の中子本体の一例の正面図である。 図２の中子本体にケレンを装着した薄肉中空鋳物用中子の正面図である。 図３のIV−IV部における断面図である。 実施例１の薄肉中空鋳物用中子を用いた鋳造の概要を示した図である。 図５のV−V部による断面の概要を示した図である。 本発明の第２の例に係る薄肉中空鋳物用中子を鋳型に配置した概略断面図である。 実施例２の薄肉中空鋳物用中子を用いた鋳造の概要を示した図である。 従来技術によるケレンを中子に装着した状態の概略断面図である。

以下、本発明の実施例についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）図１に示すように、半円より大きい円弧部２と円弧部２の両端の間に切欠部３を備え、円弧部２の両端部と中央部の３箇所に外径方向に拡張した突起部４ａ，４ｂ，４ｃを備えた板状のケレン１を、厚さ０．８mmのＳＫ材（ＪＩＳ規格）の圧延鋼板をプレス加工により打ち抜いて成形した。プレス成形したケレンは、８３０℃で焼き入れ処理し、更に電解ニッケルめっきにより厚さ２〜３μmのニッケル膜を施した。
中子本体５は、ムライト系の人工耐火物の砂にフェノールレジンをコートしたレジンコーティッド砂を使用し、加熱した中子金型にレジンコーティッド砂を吹き込み成型するシェルモールドプロセスで制作した。中子本体５の外周には、ケレン１の円弧部２全体を収容する溝部６を全周に設けた。

前記中子本体５に形成した全周の溝部６に、切欠部３を弾性変形により拡げてケレン１を装着した。実施例１では、薄肉部分となるカムシャフトのジャーナル部に位置する中子本体５の２箇所に溝部６を形成してケレン１を装着している。このように、自動車エンジンに用いられる軸部が中空構造のチルカムシャフトの鋳造に用いる薄肉中空鋳物用中子を作製した。薄肉中空鋳物用中子は、図１のように、ケレン１の円弧部２両端の突起部４ａ，４ｂを鋳型（下型）８の内壁の当接部９ａ，９bに接するように配置したのち、ケレン１の円弧部２の中央部の突起部４ｃが鋳型（上型）７の内壁の当接部９ｃに接するように鋳型（上型）７をかぶせた。そして、ＦＣＤ６００（ＪＩＳ規格）の溶湯１１（温度１３５０〜１４３０℃）を１０枠の鋳型内に鋳込み、最小肉厚部が２．５mmで薄肉構造のカムシャフトを鋳造した（図５，６）。このようにして、本発明に係る薄肉中空鋳物用中子を用いて実施例１の薄肉中空鋳物のカムシャフトを鋳造した。

本発明の薄肉中空鋳物用中子を用いて鋳造された実施例１は、鋳込みを行った１０枠とも溶湯の流れが阻害されることなく湯廻り状態は良好であり、中子本体５から突出したケレン突起部４のみが鋳物本体に鋳包まれてケレン１の円弧部２の外周面と鋳物本体との界面の密着状態も良好であり、中空部の同軸度や寸法精度も良好であった。なお、湯廻り状態の評価は、鋳造したカムシャフトを目視確認し、鋳込みを行った１０枠全ての湯廻り状態が良好であったもの（表１で○）、１０枠のうちの半数以上の湯廻り状態が良好であったもの（表１で△）、１０枠とも湯廻り状態が良好でなかったもの又は中子が折損してしまったもの（表１で×）の３段階で評価した。溶湯の流れが阻害されたことによる湯廻りの不具合は、主としてケレン突起部の周辺で発生していることが目視で確認された。さらに、鋳造したカムシャフトのケレン部を旋盤加工等により削り出し、ケレンと鋳造金属の界面を目視及び染色浸透探傷試験（カラーチェック）によって確認することにより、さらに厳密に鋳造品質を評価した。ケレンと鋳造金属との界面の密着状態の評価は、全面が密着して良好であったもの（表１で○）、密着していない部分を有していたもの（表１で△）の２段階で示した。

（実施例２）実施例１の薄肉中空鋳物用中子と同様にして、図７に示すように、ケレン１の円弧部２が収容される溝部６を、中子本体５の外周の一部のみに形成したことのみが相違する薄肉中空鋳物用中子を作製した。この薄肉中空鋳物用中子を用いた鋳造による実施例２の薄肉中空鋳物のカムシャフトにおいても、鋳込みを行った１０枠とも溶湯の流れが阻害されることなく湯廻り状態は良好であり、中子本体５から突出したケレン突起部４のみが鋳物本体に鋳包まれ、鋳物本体と接するケレン１の部分を更に少なく抑えられたことで鋳物本体とケレン接触部の密着状態も良好で、密着していない部分が生じる可能性をより抑制でき、中空部の同軸度や寸法精度も良好であった。

（比較例１）比較例１として、中子本体５に溝部６を形成せずに、ケレン１の円弧部２を中子外周から外径方向に突出させて中子本体５に装着した従来技術（図９）による薄肉鋳造用中子を用い、実施例１と同じく鋳型７，８に配置したのち、ＦＣＤ６００（ＪＩＳ規格）の溶湯１１を１０枠の鋳型内に鋳込み、最小肉厚部が２．５mmで薄肉中空構造のカムシャフトを鋳造した。比較例１の薄肉鋳物用中子を用いて鋳造したカムシャフトは、鋳込みを行った１０枠のうちの８〜９枠は湯廻り状態が良好であったが、残りの１〜２枠程度については溶湯の流れが阻害され、ケレン１と鋳物本体との接触部に密着していない部分が認められるものがあった。

（比較例２）比較例２として、ケレン１を装着していない薄肉鋳造用中子を用いて中子本体５の一端を幅木で固定して鋳型に配置したのち、ＦＣＤ６００（ＪＩＳ規格）の溶湯１１を鋳型内に鋳込み、薄肉中空構造のカムシャフトを鋳造した。比較例２により鋳造されたカムシャフトは、鋳込みを行った１０枠全ての中子が溶湯の浮力に抗することができずに折損又は浮き上がりを生じ、所定の中空部を形成することができなかった。

（回転曲げ疲労強度試験）
実施例１、２および比較例１により作製した軸部外径がφ２２mm、中空部の径がφ１７mm、肉厚が２．５mmのカムシャフト各１３本について、片持ち式回転曲げ疲労強度試験を実施した。試験条件は、回転数１５００ｒｐｍ、曲げ応力３３０〜４５０ＭＰaで行った。強度試験の結果、実施例１、２により作製したカムシャフトは、曲げ応力３５０ＭＰaで繰り返し数１０^７回まで行ったが破損するものはなく十分な強度を有していた（表１で○）。一方、比較例１により作製したものは疲労強度に個体差を生じ、疲労強度が低かったもの（表１で△）は溶湯の流れが阻害され、ケレンと鋳物本体の界面に密着していない部分がみられた。表１は実施例と比較例の結果を示す。このように、本発明に係る薄肉中空鋳物用中子を用いて鋳造を行った薄肉中空鋳物は、ケレン円弧部が中子本体の溝部に完全に収容されているため、鋳物本体に鋳包まれる部分が突起部のみと少なく、鋳型内の溶湯の流れを阻害する影響を最小限に抑え、鋳物本体とケレンとの境界部の密着状態が良好であり、十分な強度を有するカムシャフトとすることができる。

以上説明したように、本発明に係る中子は、ケレンと鋳物本体との密着不良やケレンに依る湯廻り不良を解決することができるので、カムシャフトやクランクシャフトなどの薄肉中空鋳物鋳物の製造に適している。

Claims (8)

1. 切欠部を備えた円弧部と該円弧部の外周に鋳型内壁に接する複数の突起部を備えたケレンが装着された中子において、中子本体の外径部全周にケレンの円弧部全体を収容できる溝部を形成し、該溝部にケレンを装着したときに中子本体からケレン突起部のみが突出した状態で鋳型内に保持される構造としたことを特徴とする薄肉中空鋳物用中子。
2. 前記薄肉中空鋳物用中子において、中子本体に形成された溝部の直径がケレンの切欠部の長さよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の薄肉中空鋳物用中子。
3. 最小肉厚が５ｍｍ以下の鋳物中空部を形成する中子の複数の箇所を前記ケレンにより保持したことを特徴とする請求項１又は２記載の薄肉中空鋳物用中子。
4. 前記ケレンの突起部の幅が前記円弧部の幅と等しいかあるいは該幅より小さいことを特徴とする請求項１から３までの何れか１項記載の薄肉中空鋳物用中子。
5. 前記突起部は先端に向かって段付きであるかあるいは先細りである請求項１から４までの何れか1項記載の薄肉中空鋳物用中子。
6. 切欠部を備えた円弧部と該円弧部の外周に鋳型内壁に接する複数の突起部を備えたケレンが装着された鋳造用中子を用いた薄肉中空鋳物の製造方法であって、中子本体の外径部全周に形成されかつ、ケレンの前記円弧部全体を収容できる溝にケレン円弧部全体を挿入して、中子本体からケレンの突起部のみを突出させた中子を前記突起部により鋳型に保持し、溶湯を鋳込むことを特徴とする薄肉中空鋳物の製造方法。
7. 切欠部を備えた円弧部と該円弧部の外周に鋳物の最外周面まで延びる複数の突起部を備えたケレンと、鋳物本体部と、鋳物中空部とからなる中空長尺形態の薄肉中空鋳物において、請求項１記載の中子を用いて鋳造され、該複数の突起部は前記鋳物本体内に収納され、該円弧部は前記鋳物中空部に突出していることを特徴とする薄肉中空鋳物。
8. 薄肉中空鋳物は内燃機関のカムシャフトであることを特徴とする請求項７記載の薄肉中空鋳物。

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