JP5407519B2 - 中空鋳物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空鋳物を製造する方法に関する。

中空形状を含む鋳物（中空鋳物）を製造する方法として、鋳造時に中空部材（アルミパイプ等）を鋳ぐるむ方法が知られている。
特許文献１に記載の中空鋳物の製造方法は、製作すべき中空鋳物の中空形状と同一形状を有する薄肉中空部材を製作し、この薄肉中空部材を鋳ぐるむことで、中空鋳物を製造している。詳細には、（１）中空部材を金型キャビティ内に配置し、（２）中空部材を除く金型キャビティ内に溶湯を充填することにより、（３）金型キャビティ内に充填された溶湯は凝固を完了して凝固金属になると共に中空部材と一体化し、中空部材が鋳ぐるまれる。このようにして、中空鋳物ができあがる。

しかし、溶湯が凝固する際の凝固収縮により前記製造方法によって製造された中空鋳物に引け巣（空洞部分）が発生することがある。特に、中空部材に熱がこもるため、鋳ぐるみの界面に引け巣が発生し易いことが知られている。
引け巣が発生すると、例えば中空部材を中空鋳物の冷却に用い、中空部材内部に冷却水を流すことにより中空鋳物を冷却する場合に、引け巣の断熱作用により、中空鋳物の熱が中空部材に円滑に伝達せずに中空鋳物が十分に冷却されず、ひいては中空鋳物の機能を損なう可能性がある。そこで、中空鋳物の機能を確保するには引け巣の発生を抑制する必要がある。

特許文献２に記載の加圧鋳造方法は、金型キャビティ内の所定位置に弾性体を位置決めした後、金型キャビティ内に溶湯を供給するものであり、溶湯の凝固収縮時に弾性体が弾力で膨張することを利用して、引け巣の発生を抑制するものである。
しかし、弾性体の溶湯への押圧力が小さいため引け巣の抑制力が小さく、さらに、弾性体の膨張する部分をコントロールできず、狙った箇所（例えば、鋳ぐるみ界面などの引け巣が発生しやすい箇所）の引け巣の発生を抑制することが困難な点で不利である。

特開昭５５−５７３６８号公報 特開平９−１０８８１３号公報

本発明は、狙った箇所の引け巣の発生を抑制することが可能な中空鋳物の製造方法を提供する。

請求項１に記載の中空鋳物の製造方法は、所定のキャビティ形状を有する金型を用いて、中空部材を鋳ぐるむことにより中空鋳物を製造する中空鋳物の製造方法であって、前記中空部材を前記金型のキャビティ内に位置決めして、前記キャビティ内に溶湯を供給して、鋳ぐるみ界面に引け巣が発生し始めるときに前記中空部材内部に流体を供給することにより、前記中空部材をキャビティ内に向けて膨張させて変形させるものである。

請求項２に記載の中空鋳物の製造方法においては、前記中空部材の前記膨張させる部分には、他の部分に比べて肉厚が薄く設定される薄肉部が形成されるものである。

請求項３に記載の中空鋳物の製造方法においては、前記中空部材の前記膨張させる部分には、断熱材が塗布されるものである。

本発明によれば、狙った箇所の引け巣の発生を抑制することが可能である。

中空鋳物の製造工程の第一実施形態を示す模式図であり、（ａ）は金型キャビティ内に中空部材が位置決めし、さらに金型キャビティ内に溶湯を供給しているときを示す断面図であり、（ｂ）は中空部材内部に流体を供給しているときを示す断面図であり、（ｃ）は金型キャビティ内から中空鋳物を取り出しているときを示す断面図である。 アルミパイプとシリンダヘッドとを一体に鋳ぐるむとき、アルミパイプとシリンダヘッドとの位置関係を示す斜視図である。 内部に内圧を付加する前のアルミパイプの断面図である。 図２を矢印Ａの方向から見た図であり、（ａ）はシリンダヘッドと内部に内圧を付加する前（鋳ぐるみ前）のアルミパイプとを示す図であり、（ｂ）はシリンダヘッドと内部に内圧を付加した後（鋳ぐるみ後）のアルミパイプとを示す図である。 中空鋳物の製造工程の第二実施形態を示す模式図であり、（ａ）は金型キャビティ内に中空部材が位置決めし、さらに金型キャビティ内に溶湯を供給しているときを示す断面図であり、（ｂ）は中空部材内部に流体を供給しているときを示す断面図であり、（ｃ）は金型キャビティ内から中空鋳物を取り出しているときを示す断面図である。 アルミパイプを用いてシリンダブロックにクランクキャップ固定用のボルト穴を形成するとき、アルミパイプとシリンダブロックとの位置関係を示す斜視図である。 図６に示すアルミパイプの断面図である。

［第一実施形態］
以下に、本発明に係る中空鋳物の製造方法の第一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、中空鋳物の製造方法の第一実施形態は、金型１を用いて、中空部材（アルミパイプ等）１０を鋳ぐるむことにより、中空形状を含む鋳物（中空鋳物）を製造する方法である。
「中空部材１０を鋳ぐるむ」とは、中空部材１０の外周部分に金属（鋳造用アルミ合金等）を溶着することである。
中空部材１０の鋳ぐるみは、金型１のキャビティ内に中空部材１０が予め配置されている状態において、中空部材１０が配置されている部分を除く金型１のキャビティ内に溶湯（溶融状態の鋳造用アルミ合金等）が充填されることにより行われる。

金型１は、固定金型１ａ、及び固定金型１ａに対して近接・離間可能な可動金型１ｂを有する。可動金型１ｂが固定金型１ａに近接されて衝合されることにより、金型１内（固定金型１ａと可動金型１ｂとの間）にキャビティが形成される。キャビティは、製造しようとする中空鋳物の外形に応じた形状を有する内部空間であり、成形面となるキャビティ面を有する。
金型１の外周部の所定位置（本実施形態では、固定金型１ａの所定位置）には、金型１のキャビティ内外を連通し、中空部材１０を嵌入可能な嵌入孔２が形成されている。また、金型１には、金型１のキャビティ内に溶湯を供給可能な供給孔３が形成されている。供給孔３は溶湯を押し出す射出装置（不図示）に接続されており、当該射出装置の作動により溶湯が供給孔３を通じてキャビティ内に供給される。

中空部材１０は、有底筒形状を有し、一端が開口して開口部１１をなし、他端が閉塞して底部１２をなしている。
中空部材１０は、所定部分において肉厚が一部薄肉化されており、他の部分に比べて肉厚の薄い薄肉部１３が形成されている。
開口部１１は流体（オイル、空気等）を供給可能な加圧装置（不図示）に接続されており、当該加圧装置により開口部１１を通じて中空部材１０内部に流体が供給可能に構成されている。中空部材１０は、内部に流体を供給されると、当該流体から受ける流体圧で膨張可能に構成されており、特に薄肉部１３から膨張していく。

中空鋳物の製造方法の第一実施形態を用いて中空鋳物を製造するときの手順について説明する。中空鋳物の製造は、以下に示す（１）〜（４）の工程を経て行われる。

（１）図１（ａ）に示すように、金型１のキャビティ内の所定位置に中空部材１０が配置され（特に、所定位置に中空部材１０の薄肉部１３が位置するように配置され）、金型１のキャビティ内に中空部材１０が位置決めされる。
詳細には、可動金型１ｂが固定金型１ａに衝合されている状態において、中空部材１０を底部１２側から金型１の嵌入孔２に嵌入することにより、金型１のキャビティ内の所定位置に底部１２側（薄肉部１３）が配置され、金型１のキャビティ外に開口部１１側が配置される。

（２）前記射出装置により金型１の供給孔３を通じて中空部材１０が配置された部分を除く金型１のキャビティ内に溶湯が供給される。
金型１のキャビティ内に供給された溶湯は、縁側（金型１のキャビティ面に接する部分）から内側に向けて凝固していく。

（３）図１（ｂ）に示すように、金型１のキャビティ内の溶湯の凝固時に（引け巣が発生し始めるとき）、前記加圧装置により中空部材１０内部に流体が供給され、中空部材１０内に流体圧が加えられる。これにより、中空部材１０（厳密には中空部材１０のキャビティ内に位置する部分）が膨張し、特に薄肉部１３がキャビティ内に向けて膨張し、引け巣が占める予定だった体積分が、代わりに中空部材１０の膨張した体積分で占められ、引け巣の発生が抑制される。
詳細には、金型１のキャビティ内に溶湯が供給されると、溶湯の熱が中空部材１０にこもる。これにより、鋳ぐるみ界面（中空部材１０外周部）にある溶湯の方が他の位置にある溶湯に比べて冷却速度が遅くなり、凝固が遅れるので、鋳ぐるみ界面に引け巣が発生しやすくなる。しかし、中空部材１０を膨張させることにより、引け巣が占める予定だった体積分（鋳ぐるみ界面であった部分）が、代わりに中空部材１０の膨張した体積分で占められ、鋳ぐるみ界面に引け巣が発生することが抑制される。
そして、金型１のキャビティ内の溶湯が凝固を完了して凝固金属になると共に中空部材１０と一体化し、中空部材１０が鋳ぐるまれ、当該凝固金属と中空部材１０とが一体化したものである中空鋳物ができあがる。

また、上記（３）において、引け巣が発生し始めるときを判断する方法、つまり前記加圧装置により中空部材１０内部に流体を供給し、薄肉部１３を膨張させるタイミングを判断する方法について、例えば金型１のキャビティ内に溶湯の温度を検出する温度センサを設け、当該温度センサの検出値に基づいて判断する方法が挙げられる。
つまり、前記温度センサにより検出される金型１のキャビティ内の溶湯の温度が所定値以下になるときを、引け巣が発生し始めるときと判断する。そして、前記温度センサの検出値（金型１のキャビティ内の溶湯の温度）が所定値以下になるタイミングで、前記加圧装置により中空部材１０内部に流体を供給して薄肉部１３を膨張させる。

（４）図１（ｃ）に示すように、中空部材１０内部の圧力が除去され、その後に可動金型１ｂが固定金型１ａから離間され、中空鋳物が金型１のキャビティ内から取り出される。

以上のように、溶湯の凝固時に中空部材１０をキャビティ内に向けて膨張させることにより、引け巣が占める予定だった体積分が、代わりに中空部材１０の膨張した体積で占められるので、溶湯の凝固収縮による引け巣の発生、特に狙った箇所（鋳ぐるみ界面）での引け巣の発生を抑制できる。
また、中空部材１０内部に流体を供給したときに膨張しやすい薄肉部１３を中空部材１０の所定部分に形成し、さらに薄肉部１３の形成位置を適宜位置に設定することにより、中空部材１０の特定箇所に膨張しやすい部分を設定できる。例えば、薄肉部１３を特に引け巣の発生しやすい箇所に可及的に近づけて形成することにより、薄肉部１３を引け巣の発生しやすい箇所近傍で確実に膨張させることができ、引け巣の発生を確実に抑制できる。

［実施例１］
以下では、第一実施形態に関する一実施例である実施例１について説明する。本実施例では、公知の中子の代替として本発明を適用し、前述の（３）で薄肉部１３を膨張させることを利用して、中空部材１０の形状をコントロールし、所望の形状に変形する。
本実施例では、図２に示すように、中空部材１０の一例であるアルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃとエンジンのシリンダヘッド４とを一体に鋳ぐるみ、アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃとシリンダヘッド４（吸気ポート４ａ及び排気ポート４ｂ）とが一体形成された中空鋳物（アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃを含むエンジン）を製造する。
鋳ぐるみ後のアルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃはウォータージャケットとしてエンジンのシリンダヘッド４（特に、エンジンの燃焼室等）の冷却に用いられ、アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃ内部に冷却水等が流されることによりエンジンが冷却される。

また、図３に示すように、アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃは、断面が円形状（量産しやすい形状）を有するものを加工した（一部分を削った）ものであり、膨張させたい部分（例えば、アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃの中空部を挟んで対向する部分）を削ることにより薄肉部１３ａ・１３ａ・・・がそれぞれ形成されている。アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃの肉厚について、例えば、薄肉部１３ａ・１３ａ・・・の最小肉厚を約０．５ｍｍとし、他の部分の肉厚を約１．０ｍｍとする。

そして、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、前述の（１）〜（４）の工程を経て、アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃを含むエンジンを製造するが、（３）の工程にて、アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃに流体圧を付加（例えば、低圧鋳造を行い、金型１のキャビティ内への溶湯充填直後〜６０秒以内に１５ＭＰａ〜２０ＭＰａの流体圧を付加）して薄肉部１３ａ・１３ａ・・・を膨張させ、アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃの断面を略円形状から長円形状に変形しているので、薄肉部１３ａ・１３ａ・・・として形成されていた部位をエンジンの冷やしたい部位に近づけることができる。
これにより、鋳ぐるみ後のアルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃをエンジンの冷却に用いるとき、エンジンの冷却効果を向上できる。
このように、アルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃとエンジンのシリンダヘッド４とを一体に鋳ぐるむ際に薄肉部１３ａ・１３ａ・・・をそれぞれ膨張させることを利用してアルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃの形状を所望の形状（エンジンの冷却効果を向上できる形状）に変形できる。
さらに、上述のように、鋳ぐるみの界面（各アルミパイプの外周部とシリンダヘッド４との界面）における引け巣の発生を抑制できるので、ウォータージャケットとして用いられるアルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃの性能を確保できる。

以上のように、本実施例によれば、従来、中子を使用して製造されていた中空鋳物に対して中空部材１０の一実施例であるアルミパイプ１０ａ・１０ｂ・１０ｃを用いて鋳ぐるむことによって、中子を使用することに付随する課題も解決できる。
特に、中子を用いて中空鋳物を製造する際の問題点である、中子を除去する工程が必要となる点、中子に熱がこもり、中子界面周辺に溶湯の凝固収縮によって引け巣が発生し易い点に対して有利である。

［第二実施形態］
以下に、本発明に係る中空鋳物の製造方法の第二実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下では第一実施形態の中空鋳物の製造方法と異なる部分について説明し、同様の部材に対しては同一符号を付し、詳細な説明およびそれに付随する効果等の記載は省略する。

図５（ａ）に示すように、中空部材１０は、外周面の所定部分（底部１２の外周面）に断熱材１４（例えば、バーミキュライト等の断熱性塗型）が塗布されている。

中空鋳物の製造方法の第二実施形態を用いて中空鋳物が製造されるときの手順について説明する。中空鋳物の製造は、以下に示す（１）〜（４）の工程を経て行われる。

（１）図５（ａ）に示すように、金型１のキャビティ内の所定位置に中空部材１０が配置され（特に、所定位置に中空部材１０の断熱材塗布部分１５が位置するように配置され）、金型１のキャビティ内に中空部材１０が位置決めされる。なお、「断熱材塗布部分１５」とは、中空部材１０の一部であり、外周面において断熱材１４が塗布された部位である。

（２）前記射出装置により金型１の供給孔３を通じて中空部材１０を除く金型１のキャビティ内に溶湯が供給される。
金型１のキャビティ内に供給された溶湯は、縁側（金型１のキャビティ面に接する部分）から内側に向けて凝固していく。
このとき、断熱材塗布部分１５周辺にある溶湯の熱が断熱材１４により中空部材１０に流れず、断熱材塗布部分１５周辺にある溶湯の方が他の位置にある溶湯に比べて冷却速度が遅くなり、凝固が遅れるので、鋳ぐるみ界面（断熱材塗布部分１５周辺）に集中的に引け巣が発生しやすくなる。つまり、断熱材１４により、断熱材塗布部分１５周辺にある溶湯の凝固が遅れ、断熱材塗布部分１５周辺に引け巣が集中的に発生しやすくなる状況が作り出される。

（３）図５（ｂ）に示すように、断熱材塗布部分１５周辺の溶湯が凝固し始めるとき（断熱材塗布部分１５周辺に引け巣が発生し始めるとき）、前記加圧装置により中空部材１０内部に流体が供給され、中空部材１０に流体圧が加えられる。つまり、溶湯の凝固時に、中空部材１０内部に流体が供給され、中空部材１０に流体圧が加えられる。これにより、中空部材１０の断熱材塗布部分１５が膨張し、引け巣が占める予定だった体積分が、代わりに断熱材塗布部分１５の膨張した体積分で占められ、引け巣の発生が抑制される。
なお、前述のように断熱材塗布部分１５周辺にある溶湯は断熱材１４により凝固が遅れ、最後に凝固する。つまり、断熱材塗布部分１５周辺の溶湯が凝固し始めるとき、断熱材塗布部分１５周辺の溶湯が溶融（半溶融）状態にあるのに対して、他の位置にある溶湯は凝固状態にある。従って、断熱材塗布部分１５周辺の溶湯が凝固し始めるとき、中空部材１０に流体圧が加えられると、中空部材１０において、特に断熱材塗布部分１５が膨張し、他の部分の膨張が抑制される。
そして、金型１のキャビティ内の溶湯が凝固を完了して凝固金属になると共に中空部材１０と一体化し、中空部材１０が鋳ぐるまれ、中空鋳物ができあがる。

（４）図５（ｃ）に示すように、中空部材１０内部の圧力が除去され、その後に可動金型１ｂが固定金型１ａから離間され、中空鋳物が金型１のキャビティ内から取り出される。

以上のように、断熱材１４により断熱材塗布部分１５周辺に引け巣が集中的に発生しやすくなる状況を作り出し、さらに断熱材塗布部分１５を膨張させるので、断熱材塗布部分１５を引け巣の発生しやすい箇所近傍で確実に膨張させることができ、引け巣の発生を確実に抑制できる。
また、中空部材１０外周面における断熱材１４を塗布する位置を適宜変更することにより、中空部材１０の膨張させる部分を適宜位置に設定でき、中空部材１０の形状をコントロールできる。

なお、中空部材１０の外周面に高熱伝導な塗型を塗布する等して、鋳ぐるみ界面にある溶湯の温度低下（凝固）を促進させ、鋳ぐるみ界面に引け巣が発生することを抑制する方法もある。しかし、鋳ぐるみ界面にある溶湯の凝固を促進させたことにより、鋳ぐるみ界面とは異なる位置にある溶湯の凝固が相対的に遅くなり、ひいては鋳ぐるみ界面とは異なる位置に引け巣が発生することになる。
これに対し、本実施形態では、溶湯の凝固時に断熱材塗布部分１５を膨張させることにより、引け巣が占める予定だった体積分が、代わりに断熱材塗布部分１５の膨張した体積分で占められるように構成するので、引け巣の発生を確実に抑制できる。

［実施例２］
以下では、第二実施形態に関する一実施例である実施例２について説明する。本実施例では、公知の鋳抜きピンの代替として本発明を適用し、前述の（１）〜（４）の工程に加えて、下記の（５）の工程を経て、シリンダブロック５（図６参照）にクランクキャップ固定用のボルト穴を形成する。
（５）アルミパイプ１０ｄの内周面を削ってネジ加工を施し、シリンダブロック５にボルト穴を形成する。

本実施例では、図７に示すように、ボルト穴を形成する際に、中空部材１０の一例であるアルミパイプ１０ｄを用いることとする。
アルミパイプ１０ｄは、ボルト穴を構成する部材であり、有底円筒形状を有し、一端が開口して開口部１１をなし、他端が閉塞して底部１２をなしている。底部１２側の外周面には断熱材１４が塗布されている。さらに、底部１２の肉厚は他の部分の肉厚よりも薄く設定されており、例えば、底部１２の肉厚ｄ１を１ｍｍとし、他の部分（側部）の肉厚ｄ２を２ｍｍとする。

本実施例において、上述の第二実施形態に記載の作用と同様の作用により、ボルト穴周辺の引け巣の発生を抑制できる。さらに、ボルト穴周辺の引け巣の発生を抑制できるので、クランクキャップネジ部（シリンダブロック５とクランクキャップとの固定部）の品質が向上し、ジャーナル肉厚を薄肉化でき、製品の軽量化を図れる。

以上のように、本実施例によれば、従来、鋳抜きピンを使用して製造されていた中空鋳物に対して中空部材１０の一実施例であるアルミパイプ１０ｄを用いて鋳ぐるむことによって、鋳抜きピンを使用することに付随する課題も解決できる。
特に、鋳抜きピンを用いて中空鋳物を製造する際の問題点である、中空形状の自由度が小さい点、金型形状が複雑となる点、メンテナンス性に劣る点に対して有利である。

なお、前述の（１）〜（５）の工程を経てシリンダブロック５にクランクキャップ固定用のボルト穴を形成する際、アルミパイプ１０ｄの代わりに鋳抜きピンを用い、前述の（３）にて、溶湯が凝固完了前の半溶融状態（半凝固状態）のときに鋳抜きピンを抜く。そして、鋳抜きピンを抜いたことにより形成された空洞部に直接内圧（気圧等）を付加することにより空洞部を膨張させ、空洞部周辺の引け巣の発生を抑制するように構成してもよい。そして、溶湯の凝固完了後、空洞部を適宜ネジ加工し、シリンダブロック５にボルト穴を形成する。

１ 金型
１０ 中空部材
１０ａ・１０ｂ・１０ｃ・１０ｄ アルミパイプ
１３・１３ａ 薄肉部
１４ 断熱材

Claims (3)

1. 所定のキャビティ形状を有する金型を用いて、中空部材を鋳ぐるむことにより中空鋳物を製造する中空鋳物の製造方法であって、
   前記中空部材を前記金型のキャビティ内に位置決めして、
   前記キャビティ内に溶湯を供給して、
   鋳ぐるみ界面に引け巣が発生し始めるときに前記中空部材内部に流体を供給することにより、前記中空部材をキャビティ内に向けて膨張させて変形させる、
   中空鋳物の製造方法。
2. 前記中空部材の前記膨張させる部分には、他の部分に比べて肉厚が薄く設定される薄肉部が形成される請求項１に記載の中空鋳物の製造方法。
3. 前記中空部材の前記膨張させる部分には、断熱材が塗布される請求項１に記載の中空鋳物の製造方法。

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