JP5299570B2 - 骨組み構造を有する消失模型のためのcadデータ生成方法 - Google Patents

骨組み構造を有する消失模型のためのcadデータ生成方法 Download PDF

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Description

本発明は、鋳造用の消失模型(evaporative pattern)のCADデータを生成する方法に関する。
消失模型鋳造(evaporative pattern casting)は、鋳造方法の一種であり、ロストフォーム鋳造あるいは、フルモールド鋳造とも呼ばれている。この方法は、概説すると次の通りである。まず、溶湯の熱によって消失する消失性材料で模型(pattern)を作る。その模型は消失模型と呼ばれる。次に、消失模型を埋め込んだ砂型を作る。砂型のキャビティに溶湯を流し込む。ここで、「キャビティ」とは、砂型内にて消失模型が占める空間を意味する。溶湯を注ぎ込むと、消失模型が溶湯の熱で消失し、消失模型が占めていた空間が溶湯で満たされる。溶湯が冷めて固化した後、砂型を崩すと、消失模型と全く同じ形状の鋳造構造物が出来上がる。消失性材料には、典型的には発泡スチロール、あるいはワックスが用いられる。
消失模型はCAD(Computer Aided Design)を用いて設計される。一般に、CADは様々な構造物の設計に用いられる。設計対象の特性を利用した効率的なCADの手法が提案されることがある。例えば、特許文献1には、鉄筋ユニットの設計に適したCAD手法が提案されている。
特開2010−33542号公報
しかしながら、消失模型に適したCADの手法は見当たらない。本明細書は、消失模型、特に、骨組み構造を有する消失模型の設計に適したCADデータ生成方法を提供する。
骨組み構造は、複数の棒部材が連結されて構成されている。そのジョイント部分は、連結する棒部材の数や連結角度によって様々な形状となり得る。そのため、夫々のジョイントを独立に設計すると、設計コストが嵩む。他方、消失模型の特徴の一つは、ボルトやピンなどの接合部材が不要であるということである。なぜならば、消失模型の材料は、発泡スチロールやワックスであり、部材同士は、ボルトやピンを使わず、接着剤によって固着すればよいからである。従って、消失模型では、ボルトやピンなどを配置するための複雑な形状は不要である。発明者らは、骨組み構造を有する消失模型のジョイントにおいては、連結する棒部材の数や角度に依存する形状は必要であるが、ボルトやピンなどを配置するための形状は不要である点に着目した。即ち、消失模型のジョイントの形状は、棒部材の連結の幾何学的関係のみで定まり、ボルトやピンなどの付属物を考慮する必要がない。発明者らは、やや長めの棒状部材を所望の骨組み構造の形状に基づいて配置すれば、棒部材の数や連結角度に依存したジョイントの形状は、棒部材同士が空間的に重なりあった部分として従属的に定まることに気が付いた。本明細書が開示する新規なCADデータ生成方法は、長めの棒部材を基本として骨組み構造のデータを構築することによって、ジョイントのデータの生成を簡略化する。
本明細書が開示する新規なCADデータ生成方法は、準備工程、配置工程、ジョイント形状データ生成工程、棒本体データ抽出工程を含む。準備工程では、棒部材を表すデータであり、棒本体の形状を表す棒本体データと、棒本体の端に配置される棒端部の形状を表す端部データで構成される棒部材データを準備する。別言すれば、棒本体データは棒本体の形状を規定し、端部データは、端部の形状を規定する。配置工程では、複数の棒部材を、棒端部が重なるようにして3次元空間に配置する。なお、この配置工程では、コンピュータが生成する仮想的な3次元空間において棒部材を配置する。ジョイント形状データ生成工程では、仮想的な3次元空間内で重なった複数の棒端部の端部データを一つに融合してジョイントの形状データを生成する。なお、空間的に重なりあった複数の部品のデータを一つに融合する処理は、多くのCADツールに標準装備されている機能である。棒本体データ抽出工程では、3次元空間に配置された棒部材の棒部材データから棒本体データを取り出す。これらの工程によって得られるジョイント形状データと棒本体データが、消失模型のCADデータに相当する。
上記のCADデータ生成方法によると、ジョイントの形状データは、3次元空間内で重なった複数の棒端部全体の輪郭として定義される。そのため、棒部材の連結部分であるジョイントの形状データを手作業で指定する必要がない。ジョイントの形状データを個別に手作業で生成する必要がないので、CADデータの生成に要するコストを低減できる。
棒端部の形状は球であると都合がよい。具体的には、棒端部の形状を表す端部データは、端部形状である球の半径と、その球に連なる円柱であり棒本体に接続する円柱の長さで構成されていることが好ましい。この場合、さらに、配置工程では、複数の棒部材を、棒端部の球の中心が重なるように3次元空間に配置することが好ましい。複数の球の中心を一致させて棒端部を配置すると、接続される棒部材の角度に依存せずに端部の球がぴったりと重なるからである。
一つのジョイントにて連結される棒部材の数が増えると、棒部材同士が干渉する虞がある。そこで、ジョイントデータ生成工程では、棒本体が空間的に重ならないように端部データに含まれる円柱の長さを調整することが好ましい。逆にいえば、棒本体が空間的に重ならないように棒本体の長さを短くすることが好ましい。ジョイントに接続する複数の棒本体は別個の部品となるため重なることは好ましくないが、複数の棒端部は重なっても構わない。なぜならば、重なった棒端部の形状が一つのジョイントに集約されるからである。
本明細書が開示する新規なCADデータ生成方法は、CADツール(CADソフトウエア)を利用して実現されてよい。なお、複数の棒部材からなる骨組み構造は、ラーメン構造、トラス構造、或いは、ラーメン構造とトラス構造を組み合せた構造のフレームを含んでいてよい。
プレスマシンの模式的側面図を示す。 金型(消失模型)の平面図を示す。 金型(消失模型)の側面図を示す。 CADデータ生成処理のフローチャートを示す。 棒部材データが示す棒部材の斜視図を示す。 棒部材データのパラメータを説明する図である。 配置工程を説明する図である。 ジョイント形状データ生成工程を説明する図である。 棒本体同士が重なる場合の処理を説明する図である(1)。 棒本体同士が重なる場合の処理を説明する図である(2)。 棒本体同士が重なる場合の処理を説明する図である(3)。 ブロックと棒部材の連結した部分を示す斜視図である。 ブロックと棒部材の連結部のデータ生成を説明する図である(1)。 ブロックと棒部材の連結部のデータ生成を説明する図である(2)。 ブロックと棒部材の連結部のデータ生成を説明する図である(3)。
図面を参照して消失模型用CADデータ生成方法を説明する。本実施例で対象とする消失模型は、機械プレス用の金型(a die for machine press)を鋳造するための消失模型である。理解を助けるために、まず、機械プレス用金型を説明する。図1は、金型2、42を備えたプレスマシン50の模式的側面図である。図2Aは、金型2の平面図であり、図2Bは金型2の側面図である。なお、図2Bには、金型2に対応する金型42を仮想線にて示してある。金型2は、ボルスタ51に固定され、金型42はスライダ52に固定される。スライダ52は支柱53にガイドされながら、アクチュエータ55によって上下に移動する。
金型2は、意匠ブロック20、位置合わせブロック24、及び、支持ブロック26を有する。意匠ブロック20は、目的の形状をワーク板Wに転写するための意匠面20aを有している。金型2、42は、自動車のフェンダーをプレス形成するための金型である。意匠面20aにはフェンダーの形状に形どられた突部が形成されている。相手型42の意匠面40aには、フェンダーの形状に形どられた窪みが形成されている。位置合わせブロック24は、金型2の4隅に位置している。図では、一つの位置合わせブロックだけに符号24を付してあり、他の位置合わせブロックには符号を省略していることに留意されたい。
ワーク板Wを金型2の意匠ブロック20と金型42の意匠ブロック40で挟み、アクチュエータ55がスライダ52を降下させ、ワーク板Wに荷重を加えると、ワーク板Wが意匠面20aの形状に変形する。即ち、意匠面20aの形状がワーク板Wに転写される。
金型2と金型42を合わせる際、金型2のガイドピン25が、金型42のガイドブッシュ45に嵌合し、金型2と金型42が位置合わせされる。即ち、金型2の意匠面20aと金型42の意匠面40aが位置合わせされる。ガイドピン25は、位置合わせブロック24に設けられている。図2Aに示すように、位置合わせブロック24は、意匠ブロック20を囲むように金型2の4つの隅に配置されている。意匠ブロック20の4隅に位置合わせブロック24を配置することによって、金型2の意匠面20aと金型42の意匠面40aの相対的な位置を正確に定めることができる。
支持ブロック26は、プレス荷重を利用する様々なツールを取り付けるためのブロックである。ツールの種類には、例えば、ワークの端を丸める折り曲げカムや、ワークに水平方向の貫通孔を開けるポンチなどがある。金型42には、支持ブロック26に対応する支持ブロック46が取り付けられている。ツールブロック26と46の間に配置されるツールは、支持ブロック46が支持ブロック26に近づく際の荷重を駆動力として作動する。
意匠ブロック20、位置合わせブロック24、及び、支持ブロック26は、複数のロッド12(棒状部材)によって相互に連結されている。ロッド同士の連結部を「ジョイント14」と称する。図では、ごく一部のロッドとジョイントにのみ符号を付しており、他のロッドやジョイントは符号を省略していることに留意されたい。また、図1、図2A、図2Bでは、ジョイント14を円で表しているが、ジョイント14は様々な形状を取り得ることにも留意されたい。
複数のロッド12は、縦、横、斜めに組み合わされてフレーム10を形成している。複数のロッド12が囲む格子窓が矩形の場合、それらのロッド12はラーメン構造を構成する。複数のロッド12が囲む格子窓が三角形の部分は、それらのロッド12はトラス構造を構成する。即ち、フレーム10は、前述したフレームワーク構造を有している。なお、トラス構造は、ロッドに軸力だけが作用しモーメントが作用しないフレームワーク構造を意味し、ラーメン構造はロッドに軸力とモーメントの両者が作用するフレームワーク構造を意味する。ラーメン構造、トラス構造、いずれも、ロッドのみから構成されるので、軽量でありながら高い強度を有し、さらに、全体として適度な柔軟性も有する。
図2Aに示すように、意匠ブロック20は、平面視したときに四方からロッド12で支持されている。また、意匠ブロック20は、垂直の向きに配置されたロッド12によって裏面からも支持されている。意匠ブロック20は、四方と裏面をロッド12によって支持されているので、僅かではあるが、荷重を受けると柔軟に移動することができる。即ち、偏ったプレス荷重が加わったとき、意匠ブロック20は、プレス荷重の分布が均一になるように僅かに移動する。そのような僅かな移動によってプレス荷重の偏りが解消される。金型2の全体は、四隅の位置合わせブロック24によって、金型42との相対位置が正確に定まる。その一方で、意匠ブロック20は、四方と裏面がロッド12によって支持されているので、プレス荷重の偏りを解消するように僅かに移動する。意匠面20aではプレス荷重が分散するので、金型の磨耗が抑制されるとともに、高いワーク成形精度が維持される。
意匠ブロック20の剛性はロッド12で組み上げられたフレーム10の剛性よりも高い。また、位置合わせブロック24の剛性も、フレーム10の剛性よりも高い。従って、プレス荷重が加わったとき、フレーム10の変形量と比較すると、意匠ブロック20と位置合わせブロック24の変形量はわずかである。即ち、フレーム10全体は変形するが、意匠ブロック20の変形と位置合わせブロック24の変形は抑制される。意匠ブロック20そのものの変形が抑制されるので、高いワーク成形精度を維持できる。以上説明したように、骨組み構造を有する金型2には多くの利点がある。
金型2は、消失模型鋳造(フルモールド鋳造又はロストフォーム鋳造)で作られる。従って、図2A、図2Bに示す金型2と同じ形状の消失模型が必要となる。消失模型は、溶湯の熱によって消失する消失性材料で形成される。消失性材料とは、典型的には発泡スチロール、又はワックスである。以下、骨組み構造を有する金型2の消失模型用のCADデータ生成方法を説明する。
CADデータ生成方法は、準備工程、配置工程、ジョイント形状データ生成工程、棒本体データ抽出工程を備える。それらの工程は全て、CADプログラムを用いて実施される。図3に、CADデータ生成のフローチャート図を示す。準備工程では、まず、基本となる棒部材のデータを準備する(S2)。なお、たとえば、過去に作成した棒部材データを利用できるのであれば、この工程はスキップしてよい。次に、配置工程では、目的とする消失模型の形状に基づいて、複数の棒部材を3次元空間(コンピュータが作り出す仮想空間)に配置する。このとき、隣接する棒部材の端部が重なるように棒部材を配置する(S4)。本実施例では、棒部材を組み合わせて前述したフレーム10を構築する。次に、オペレータがCADプログラムを操作して、重複した棒端部の形状データを一つにまとめる処理を実行する(S6)。一つにまとめられたデータがジョイントの形状データに相当する。最後に、配置された棒部材のデータから棒本体の形状データを抽出する(S8)。抽出された棒本体の形状データとジョイントの形状データが、消失模型のCADデータとして得られる。以下、夫々の工程を詳しく説明する。
(準備工程)準備工程では、金型2が有する複数のロッド12の元になる棒部材データを作成する。図4Aに、一つの棒部材データが表す棒部材60の形状を示す。図4Bに棒部材データに含まれるパラメータを示す。棒部材データは、棒本体62の形状を表す棒本体データと、棒本体62の両端に配置される棒端部64a、64bの形状を表す端部データで構成される。図4Aに示すように、本実施例の棒部材は半球形状の端部を有する円柱の形状を有している。図4Bに示すように、棒本体62は、円柱の半径Rcと、長さLcで表すことができる。即ち、円柱の半径Rcと長さLcが棒本体データのパラメータに相当する。また、一方の棒端部64aは、半球の半径Raと、半球に連なる円柱であり棒本体62に繋がる円柱の長さLaで表すことができる。即ち、円柱の半径Raと円柱の長さLaが棒端部64aのデータに相当する。なお、棒端部64aのデータには、半球の中心Caの座標も含まれる。同様に、他方の棒端部64bのデータには、半球の半径Ra、円柱の長さLb、及び、半球の中心Cbの座標が含まれる。棒部材データは、予めCADプログラムの中に準備されている。予め準備された一つの棒部材データは、後述するように、必要に応じてコピーされ、コンピュータ内の仮想的な3次元空間内に配置されて骨組み構造を構築する。なお、半球の半径Ra(円柱の半径Ra)は、10mmから40mm程度である。
一方の端部の中心Caの座標と他方の端部の中心Cbの座標を指定することによって、3次元空間内で棒部材を配置することができる。従って以下では、半球の中心Ca、Cbの座標を、棒端部64a、64bの座標と称する場合がある。棒端部64a、64bの座標と棒端部の円柱の長さLa、LbがCADオペレータにより指定されると、CADプログラムは自動的に棒本体62の長さLcを計算する。
(配置工程)次に、CADオペレータは、複数の棒部材をCADコンピュータが作り出す3次元空間内に配置していく。CADオペレータは、金型2のフレームの形状に合わせて棒部材を配置していく。このとき、CADオペレータは、隣接する棒部材の棒端部が重なるように配置していく。即ち、この段階では、CADオペレータは、実際の棒部材12よりも長い棒部材データを使う。具体的には、CADオペレータは、隣接する棒部材の棒端部の座標(半球の中心の座標)が一致するように、棒部材を配置していく。このときの作業の一例を、図5を参照して説明する。CADオペレータは、まず、棒部材60aを配置する。このとき、棒部材60aの一方の棒端部の位置C1を3次元空間の座標P1に合わせ、他方の棒端部の位置C2を3次元空間の座標P2に合わせる。CADコンピュータは、棒部材60aの両端の座標が決定されると、前述したように、棒本体の長さLcを調整する。次にCADオペレータは、一方の端部の位置を座標P1に一致させるようにして棒部材60bを配置する。同様に、一方の端部の位置を座標P1に一致させるようにして棒部材の60c、60dを配置する。その結果、座標P1では、4本の棒部材60a、60b、60c、及び、60dの端部が重なる。また、CADオペレータは、一方の端部の位置を座標P2に一致させるようにして棒部材60eを配置する。座標P2では、2本の棒部材60a、60eの端部が重なる。図5と同様の作業を、金型2の全体について実施する。なお、意匠ブロック20や位置合わせブロック24(図2A、図2B参照)の配置については後述する。
(ジョイント形状データ生成工程)次にCADオペレータは、CADプログラムに対して、重なった複数の棒端部の端部データを融合する処理を実行させる。この処理は、通常のCADプログラムに標準的に装備されているので詳細な説明は省略する。その結果、図6に示すように、棒部材60a、60b、60c、及び、60dの端部が重なった形状がひとつの形状データとして生成される。その形状データが、座標P1を中心に有するジョイント66a形状のデータに相当する。同様に、棒部材60aと60eの端部が重なった形状のデータが出力される。このデータが、座標P2を中心に有するジョイント66bの形状データに相当する。
(棒本体データ抽出工程)最後にCADオペレータは、CADプログラムを操作して、配置した棒部材の棒本体データを集める。こうして生成されたジョイントの形状データと棒本体データが、金型2の消失模型のCADデータとして完成する。図6の例では、棒本体62a、62b、62c、62d、62eのデータ、及び、ジョイント66a、66bのデータが、消失模型のCADデータの一部となる。
以上の処理において、ジョイントの形状データは、CADオペレータがマニュアルでその形状を指定することなく自動的に生成される。上記のCADデータ生成方法では、CADオペレータがジョイントの形状データを個別に指定する必要がない。
棒部材を3次元空間に配置した際、隣接する棒本体が干渉する場合がある。そのような場合の処理を説明する。例えば、図7Aに示すように、棒部材60fと棒部材60gを、それらの端部が座標P3に位置するように配置した場合を想定する。このとき、棒本体62fの一部と棒本体62gの一部が重なる(図7Aの範囲Q)。CADオペレータは、棒本体62fと62gの重複が解消するように、棒部材60fにおける棒端部64fと棒本体62fの境界65fの位置を調整する。別言すれば、CADオペレータは、棒本体62fの重複が解消するように、棒端部64fの円柱の長さLfを長くする(図7B)。同様に、CADオペレータは、棒部材60gにおける棒端部64gと棒本体62gの境界65gの位置を調整する。別言すれば、CADオペレータは、棒本体62gの重複が解消するように、棒端部64gの円柱の長さLgを長くする。重複が解消した後、CADオペレータは、重なった棒端部64fと64gの端部データを融合する処理をCADプログラムに実行させる。そうすると、図7Cに示すように、ジョイント66cの形状データが生成される。ジョイント66cの形状データと、棒本体62f、62gの形状データが、消失模型のCADデータの一部として取得される。なお、図7A−図7Cに示すように、棒端部の形状が球であるので、棒部材がどのような角度で連結する場合であっても、端部の球はぴったりと重なる。そのため、生成されるジョイントの形がシンプルになる。
最後に、棒部材とブロック(意匠ブロック20、位置合わせブロック24など)の連結部分のCADデータ生成について説明する。図8に示すように、位置合わせブロック24に、2本のロッド12が連結されている消失模型のCADデータ生成を例に説明する。
まず、位置合わせブロック24に相当するブロック74を、3次元空間に配置する。ここでは、座標P4にブロック74を配置する。次に、棒部材60h、60jを配置する(図9A)。このとき、棒部材60hの端部と棒部材60jの端部が共に座標P4に位置するように配置する。図9Aでは、棒本体62hの一部と棒本体62jの一部が、ブロック74と重なっている。そこで、棒本体62hの重複が解消するように、棒本体62hと棒端部64hの間の境界65hを動かす(図9B)。同様に、棒本体62jの重複が解消するように棒本体62jと棒端部64jとの間の境界65jを動かす。前述したように、実際には、CADオペレータは、棒端部の円柱の長さを調整する。こうして、棒本体62h、62jの重複が解消する(図9B)。
最後にCADオペレータは、CADプログラムに対して、重なっている部品、即ち、ブロック74、棒端部64h、及び、64jの形状データを融合する処理を実行させる。その結果、図9Cに示すように、ブロック74、棒端部64h、及び、64jが重なった形状がひとつの形状データとして生成される。その形状データが、座標P4を中心に有するブロック75(棒端部を含む位置合わせブロック24)の形状のデータに相当する。ブロック75の形状データと、棒本体62h、62jの形状データが、消失模型のCADデータの一部として得られる。
実施例のCADデータ生成方法の留意点を述べる。棒部材は円柱に限られない。棒部材は、四角柱や多角柱であってもよい。また、実施例では、棒端部の球の半径と、棒端部の円柱の半径は同じであった。棒端部の円柱の半径は、棒端部の球の半径よりも小さくともよい。さらに、ブロックに複数の棒部材が連結する形状のCADデータを生成する場合、複数の棒部材は、それらの端部がブロックと重なるように配置すればよい。必ずしも複数の棒端部の中心が一致しなくともよい。
CADデータが得られたら、そのCADデータに基づいて消失模型が作成される。このとき、ジョイントと棒本体は個別に作成されてもよいし、ジョイントと棒本体が一体となった部品が作成されてもよい。前者の場合、個別に作成された部品は接着され、消失模型の全体が完成する。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2:金型(消失模型)
10:フレーム
12:ロッド
20:意匠ブロック
24:位置合わせブロック
25:ガイドピン
30:支持ブロック
50:プレスマシン
51:ボルスタ
52:スライダ
53:支柱
55:アクチュエータ
60:棒部材
62:棒本体
64:棒端部
66:ジョイント
75:ブロック

Claims (2)

  1. 骨組み構造を有する消失模型のためのCADデータ生成方法であり、
    棒部材を表すデータであり、棒本体の形状を表す棒本体データと、前記棒本体の端に配置される棒端部の形状を表す端部データで構成される棒部材データを準備する準備工程と、
    コンピュータが生成する仮想的な3次元空間において、複数の棒部材を棒端部が重なるように配置する配置工程と、
    3次元空間内で重なった複数の棒端部の端部データを結合してジョイントの形状データを生成するジョイント形状データ生成工程と、
    3次元空間に配置された棒部材の棒部材データから棒本体データを取り出す棒本体データ抽出工程と、
    を備え、
    棒端部の形状は、球であり、
    端部データは、球の半径と、球に連なる円柱であり棒本体に接続する円柱の長さで構成されており、
    配置工程では、複数の棒部材を、棒端部の球の中心が重なるように3次元空間に配置することを特徴とするCADデータ生成方法。
  2. ジョイント形状データ生成工程では、棒本体が3次元空間で重ならないように端部データに含まれる円柱の長さを調整することを特徴とする請求項1に記載のCADデータ生成方法。
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