JP5421235B2 - 複合型の構造体ならびにその構造体を用いる鋳型および鋳造方法 - Google Patents
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例えば、現在製造されている鋳造部品のうち製造が難しい物の一つとしてエンジン用のシリンダヘッドが挙げられる。シリンダヘッドは製品内部に複雑な中空構造を有し、薄肉で優れた肉厚精度が要求される。特に大型ディーゼルエンジン用のシリンダヘッドは、自動車用などの小型のものと比較して高強度が要求される。高強度を達成するため自動車用で一般的に採用されるアルミ系合金ではなく、高融点で鋳造の難しい鋳鉄が採用され、さらにシリンダヘッドが大型であることから重量が大きく製造が難しい。
以下、このような難易度の高い鋳造品を製造する際の各従来製造法の特徴と、各々が抱える問題点、他者の研究開発動向等について説明する。
木型法は、最初に木型または金型を設計・製作し、これを用いて作った砂鋳型で同形状の製品を大量に製造するプロセスである(例えば、特許文献1)。現在のディーゼルエンジン用鋳鉄製部品は、ほぼ100%がシェルモールド法やコールドボックス法による中子を用いた木型法で製造されている。ただし、砂型同士を組み立てる際のズレや隙間が製品に寸法不良やバリ、肉厚の偏りといった欠陥を起こしてしまい、肉厚精度の低下を招いていた。また、アンダーカットや抜け勾配等の設計上の制約が存在する。
フルモールド法は、発泡消失模型を使用する鋳造法(例えば、特許文献2)で、原理的に中子が不要で肉厚の偏りや砂カミの問題がないという特長を有している。近年では、発泡消失模型の製作にITおよびNC(数値制御加工)が導入されたことで、以前に比して製造期間が大幅に短縮され、量産にも適合してきている。また、発泡消失模型自体が軽くて扱いやすいことから、特に大型製品を製造しやすいという利点がある。しかしながら、シリンダヘッドのような複雑な中空構造を有する製品の製造では、中空構造の内部に砂を詰めることができないため製造できない。また、薄肉製品にも適用が難しい。
RP(ラピッドプロトタイピング)造形法は、3DCADデータからダイレクトに砂型を製造する技術である(例えば、特許文献3)。このRP造型法は、複雑形状の砂型を容易に製作でき、寸法精度が良いという利点がある。一方で造形装置の限界から大型製品は製造できず、また造型コストが嵩むことから、量産製品に用いるためには造型コストを抑える必要がある。
本発明は、上記の知見に基づくものである。
1.消失模型と中子を組み合わせた複合型の構造体であって、
上記消失模型は、その外形が鋳物製品の外形と同一形状をなすと共に、削り出し加工によって形成された少なくとも2分割構造になり、
上記中子は、上記鋳物製品の中空部と同一形状をなす部分と幅木部分とからなり、
上記複合型の構造体は、上記中子を上記消失模型で挟み込んでなるものとし、
上記分割構造の消失模型で上記中子を挟み込む際、この挟み込みを妨げる各分割模型における中子の幅木部分を連結して一体化すると共に、該幅木部分が貫通する上記各分割模型の開口部を一体化したことを特徴とする複合型の構造体。
また、消失模型の内面と中子の外面との間に適当な形状の閉空間を設けることによって、消失模型の内面形状を簡略化することができ、その結果、製造期間を短縮し、コストを低減することができる。
さらに、分割構造の消失模型で中子を挟み込む際、この挟み込みを妨げる各分割模型における中子の幅木部分を連結して一体化することによって、幅木が貫通する消失模型の開口部を一体化し、この一体化した開口部を、一体化した幅木部分で覆うことが可能となる。従って、分割模型の挟み込みが妨げられないので、消失模型の分割点数を低減することができる。
まず、本発明の実施形態に従う複合型の構造体を用いて製造される鋳物製品の一例について説明する。
図1に、このような一例としての鋳物製品1を示す。鋳物製品1は、立方体状の外形をなし、各面に、対向する面に向けて貫通する円筒状の貫通孔1aを2本ずつ有している。この計6本の貫通孔1aは、互いに同一の大きさの内径を有している。各面において、2本の貫通孔1a、1aはいずれも当該面の中心線上に位置している。当該中心線上においてこれら2本の貫通孔1a、1aは、互いの間隔が貫通孔1aの直径dに等しく、それぞれ面の縁との間隔が貫通孔1aの半径d/2に等しくなっている。また、対になる貫通孔1a、1aは、それぞれ、幅方向、高さ方向、奥行き方向に並んでいる。また、これらの貫通孔1aによって形成される鋳物製品1の中空部には、立方体状の空洞1bが統合されている。空洞1bの中心は、鋳物製品1の中心と一致している。さらに、空洞1bの一辺の長さは、この例で貫通孔1aの直径dの2倍であり、空洞1bは、図示したように、各角部が丸められた形状となっている。
図中、2−1は上側消失模型、2−2は下側消失模型、2−3は右側消失模型、2−4は左側消失模型であり、これらで消失模型2を構成する。また、3−1は円柱状部、3−2は立方体状部、3aは幅木であり、これらで中子3を構成する。2−1a、2−2a、2−3a、2−4aはそれぞれ、消失模型2−1、2−2、2−3、2−4に設けた孔である。
消失模型2は、本例では上下左右の4分割構造になり、上側消失模型2−1、下側消失模型2−2、右側消失模型2−3および左側消失模型2−4で中子3を上下左右から挟み込む構造となっている。
消失模型の厚みtについては、中子との組立て、鋳物砂への埋設、鋳込み作業等鋳造上の各作業時に変形または破損しない程度の厚みを確保する必要がある。また、消失模型2の内面形状は凹凸をできるだけ避け、平坦に形成することが好ましい。平坦に形成することにより、消失模型の製造が容易となり、消失模型の造型時間が短縮されるからである。消失模型2の内面形状を平坦に形成することにより、中子3を消失模型2で挟み込んで図3のような構造体Pとした際に、消失模型2の内面と中子3の外面との間には閉空間Sが生じるが、この閉空間Sをそのまま有効活用することができる。すなわち、閉空間Sを鋳込み作業の際、溶湯で置換して製品の一部とすることができる。
また、中子3は、各円柱状部3−1の両端にそれぞれ、消失模型2に組みつけられた際に消失模型2から突出する幅木部分3aをそなえている。
図中、4−1b、4−2bは対になる4−1a、4−1aを一体化した半トラック状の孔、3bは幅木3a、3aを一体化したトラック状の幅木である。
消失模型は、所望の方法によって形成することができるが、発泡ポリスチレンのブロックを削り出し加工することによって形成するのが好ましい。また、削り出しは、NC加工により削り出すのが好ましく、例えば、鋳物製品の形状を3DCAD設計し、このデータを用いて行うことにより鋳物製品の製造期間を短縮化することができる。なお、発泡ポリスチレンに代えて、発泡ポリメタクリル酸メチル等の他の樹脂材で形成しても良い。発泡ポリスチレンは発泡倍率20〜70倍、発泡ポリメタクリル酸メチルは発泡倍率20〜70倍とすることが好ましい。
また、砂と硬化剤の混練物一層の厚さは、200〜500μmの範囲とすることが好ましい。より好ましくは250〜300μmの範囲である。
なお、中子の造形に用いる砂の素材としては、上述した天然けい砂以外にも、アルミナとシリカの混合組成を主成分とする人工砂や、ジルコン砂等を用いることもできる。
図中、5は塗型剤、6は鋳枠、7は湯口、8は湯道、9は鋳物砂であり、その他の構成は図4および5と同じであるので同じ部材には同じ符号を付して示す。
まず、上述のとおり造型した消失模型4と中子3を組立てて、図5に示すような構造体Pとする。そして、この構造体Pの表面に、耐火性にすぐれ、且つ通気性を有する塗型剤5を塗布し、その後塗型剤5を十分に乾燥させる。なお、塗型剤5としては、水を溶媒とし、コロイダルシリカをバインダーとする、主成分がシリカと黒鉛からなる塗型剤等を用いるのが好ましい。
次に鋳枠6に湯口7、湯道8を形成した後、消失模型4および中子3の構造体Pを固定し、鋳物砂9内に埋設し、鋳型とする。なお、鋳物砂9としては、特に制限はないけれども、アルミナとシリカの混合組成を主成分とする人工砂等を用いるのが好ましい。
以上のように鋳型を形成したら、湯口7から溶融金属を注湯する。注湯された溶融金属は、湯道8を通り、消失模型4の内部に侵入し、消失模型4を分解させながら、消失模型4および閉空間Sを置換していく。その際、消失模型4の分解により生じたガスは、塗型剤5および鋳物砂9を通じて大気中に放出される。
このように鋳出された鋳物を鋳型から取り出し、中子を破砕して除去することにより、鋳物製品1を得ることができる。このようにして得られた鋳物製品1は、その外形は消失模型4の外形と実質的に同一(すなわち、模型分割方向に開口した孔4−1b、4−2b部分を除いて同一)の形状を成し、鋳物製品1の中空部は中子3の表面形状と実質的に同一(すなわち、幅木部分3a、3bを除いて同一)の形状を成すものとなる。
消失模型4は、上側消失模型4−1と下側消失模型4−2との2分割構造とした。上側消失模型4−1および下側消失模型4−2のそれぞれは、発泡倍率50倍の発泡ポリスチレンのブロックを、NC加工機(株式会社菊川鉄工所製)を用い、鋳物製品の形状を3DCAD設計して得られたデータに基づき削り出すことによって形成した。
中子3は、RP中子造形装置(例えば、Prometal RCT S−print(商標)、販売元:株式会社EX ONE)を用いて、やはり鋳物製品の形状を3DCAD設計して得られたデータに基づき、一体的に形成した。中子3の造形に用いる砂の素材としては、直径140μmの天然けい砂を用い、バインダーはフラン樹脂を用いた。また、砂と硬化剤の混練物一層の厚さは、280μmとした。
以上のとおり形成した消失模型4−1、4−2で中子3を挟み込んで複合型の構造体Pとし、この構造体Pを鋳物砂9に埋設して鋳型を造型した。その後、溶融金属を注湯し、消失模型4および閉空間Sを溶融金属で置換することによってエンジンシリンダヘッド10を鋳出した。この作業を10回繰り返し、エンジンシリンダヘッド10を製造した。
なお、塗型剤5としては、水を溶媒とし、コロイダルシリカをバインダーとする、主成分がシリカと黒鉛からなる塗型剤を用いた。鋳物砂としては、アルミナとシリカの混合組成を主成分とする人工砂を用いた。
その結果を併せて表1に示す。
なお、従来のフルモールド鋳造法を用いて、エンジンシリンダヘッド10の製造も試みたが、消失模型の内部に鋳物砂が入らず、エンジンシリンダヘッド10を製造することはできなかった。
1a 貫通孔
1b 立方体状空洞
2 消失模型
2−1 上側消失模型
2−2 下側消失模型
2−3 右側消失模型
2−4 左側消失模型
2−1a 孔(上側消失模型)
2−2a 孔(下側消失模型)
2−3a 孔(右側消失模型)
2−4a 孔(左側消失模型)
3 中子
3−1 円柱状部
3−2 立方体状部
3a 幅木
3b 一体化した幅木
4 消失模型
4−1 上側消失模型
4−2 下側消失模型
4−1a 孔(上側消失模型)
4−2a 孔(下側消失模型)
4b トラック状の一体化した孔
4−1b 半トラック状の一体化した孔(上側消失模型)
4−2b 半トラック状の一体化した孔(下側消失模型)
P 構造体
S 閉空間
5 塗型剤
6 鋳枠
7 湯口
8 湯道
9 鋳物砂
10 エンジンシリンダヘッド
11 主型
11−1 上側主型
11−2 下側主型
11−3 右側主型
11−4 左側主型
11−5 奥側主型
11−6 手前側主型
12 中子
12−1 上側中子
12−2 下側中子
12−3 右側中子
12−4 左側中子
Claims (5)
- 消失模型と中子を組み合わせた複合型の構造体であって、
上記消失模型は、その外形が鋳物製品の外形と同一形状をなすと共に、削り出し加工によって形成された少なくとも2分割構造になり、
上記中子は、上記鋳物製品の中空部と同一形状をなす部分と幅木部分とからなり、
上記複合型の構造体は、上記中子を上記消失模型で挟み込んでなるものとし、
上記分割構造の消失模型で上記中子を挟み込む際、この挟み込みを妨げる各分割模型における中子の幅木部分を連結して一体化すると共に、該幅木部分が貫通する上記各分割模型の開口部を一体化したことを特徴とする複合型の構造体。 - 前記消失模型の内面と前記中子の外面との間に閉空間を設けたことを特徴とする請求項1に記載の複合型の構造体。
- 前記中子がラピッドプロトタイピング造形法によって形成されたものであることを特徴とする請求項1または2に記載の複合型の構造体。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の複合型の構造体を鋳物砂中に埋設してなる鋳型。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の複合型の構造体を鋳物砂中に埋設してなる鋳型を用いることを特徴とする鋳造方法。
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