JP5491144B2

JP5491144B2 - 消失模型鋳造法

Info

Publication number: JP5491144B2
Application number: JP2009268748A
Authority: JP
Inventors: 文男平井; 理伊藤; 浩幸山田; 浩市川; 英峰外薗; 智彦山本; 恒輔村井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: JP2011110577A

Description

本発明は、消失模型鋳造法に係り、特に最適な鋳込み時間の設定方法に関する。

樹脂性発泡体を成形して得た所望形状の模型を鋳物砂内に埋設して鋳型を構成し、この鋳型に溶湯を注湯して模型を燃焼・消失させて鋳物に置換する消失模型鋳造法が知られている。同法においては、空隙に溶湯を鋳込む空隙鋳造を行う際の鋳込み時間と消失模型鋳造を行う際の鋳込み時間との比に基づいて、最適な鋳込み時間を定める提案がなされている(特許文献１)。

特開２００３−３４０５４７号公報

しかしながら消失模型鋳造法においては、モジュラス（模型の体積÷模型の表面積）が大きくなるほど模型が燃焼する際に発生する燃焼ガスの鋳型外への排出性が低下し、空隙鋳造の鋳込み時間とは異なった挙動を示す。そのため、モジュラスの異なる空隙鋳造の鋳込み時間と消失模型鋳造の鋳込み時間とは比例しないことが判っている。そこで、消失模型鋳造法での正確、かつ高精度な鋳込み時間の設定方法の提供が求められている。

よって本発明は、鋳込み時間を正確、かつ高精度に設定することができる消失模型鋳造法を提供することを目的とする。

本発明の消失模型鋳造法は、鋳物砂内に樹脂性発泡体からなる模型を埋設してなる鋳型に溶湯を注湯し、該溶湯によって前記模型を消失させながら製品を鋳造する消失模型鋳造法において、鋳造時の鋳込み時間を、下記式（１）により算出して設定することを特徴とする。

ｔ：鋳込み時間（ｓ）
Ｗ：鋳込み重量（ｋｇ）
Ａ’：湯口面積（ｃｍ ^２）
ρ：溶湯密度（ｇ／ｃｍ ^−３）
ａ，ｂ：定数
ｍ：モジュラス（模型の体積÷模型の表面積）
ｇ：重力加速度
Ｈ’：湯口から模型上端までの高さ（ｃｍ）

本発明によれば、鋳造時の鋳込み時間を模型の上記モジュラスに応じて設定することにより、消失模型鋳造法における鋳込み時間を正確、かつ高精度に設定することができる。

また、本発明は、前記式（１）から算出された鋳込み時間と、実際の鋳造時の鋳込み時間を比較し、両者の差異に基づいて鋳造欠陥の有無を判断することを特徴とする。

さらに本発明は、前記式（１）から算出された鋳込み時間に基づいて鋳造シミュレーションを行うことを特徴とする。

本発明によれば、鋳造時の鋳込み時間を模型のモジュラスに応じて設定することにより、消失模型鋳造法における鋳込み時間を正確、かつ高精度に設定することができ、品質の優れた鋳物製品を得ることができるといった効果を奏する。

本発明の消失模型鋳造法を概念的に示した鋳型の断面図である。模型のモジュラスの大小により鋳込み時間が変化するメカニズムを説明する概念図であって、モジュラスが比較的小さい鋳造モデルを示す。模型のモジュラスの大小により鋳込み時間が変化するメカニズムを説明する概念図であって、モジュラスが比較的大きい鋳造モデルを示す。実施例において鋳込み時間を算出するにあたって必要なＣ’（定数）と模型のモジュラスの関係を示すグラフ。実施例において模型のモジュラスに応じて算出された鋳込み時間を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。
図１は、一実施形態に係る消失模型鋳造法を概念的に示した鋳型１の断面を示している。この鋳型１は、図示せぬ鋳枠内に充填された鋳物砂２内に模型３が埋没されて構成されている。

鋳物砂２内における模型３の周囲には、模型に接続されるゲート４と、このゲート４に接続される湯道５が形成されている。湯道５は鋳型１の上面への開口が複数（図１では２つ）設けられており、一方（図１で右側）の開口に湯口６が設けられる。また、他方の開口側の湯道５は特にガス抜き通路７とされ、このガス抜き通路７には燃焼ガスのみを鋳型１外の大気に放出させるフィルタ８が配設されている。

鋳型１の製造は、次の手順による。まず、模型３の表面に黒鉛を主成分とする耐火性に優れた塗型剤を塗布して十分に乾燥させる。一方、鋳枠に湯道（ガス抜き通路７を含む）５およびゲート４を紙管を組むなどの手法で形成するとともに、鋳枠内の概ね中心部分に模型３を配置して支持する。この段階で、ガス抜き通路７にフィルタ８も配設する。この後、鋳枠内に鋳物砂２を充填して模型３を埋没させ、湯口６を設置する。

鋳物砂２は、石英質を主成分とする珪砂の他、ジルコン砂、クロマイト砂、合成セラミック砂等の新砂あるいは旧砂が用いられる。鋳物砂２には、必要に応じて粘結剤や硬化剤が添加される。

湯道５およびゲート４の形成は、φ３０〜７０ｍｍの市販品（例えば、花王社製・クエーカー鋳造用湯道管：ＥＧランナーＣＦ−３０Ｓ，ＣＦ−５０Ｓ，ＣＦ−７０Ｓなど、主成分は再生パルプ）などが用いられる。また、フィルタ８は２号珪砂相当の砂に適宜なバインダを混入させて厚さ４０ｍｍ程度に成形した多孔質材料などが用いられる。なお、模型３の上面である湯口面から湯口６までの高さＨは７００ｍｍが好ましく、その場合のヘッド圧は０．０４４ＭＰａ程度となる。

模型３は、発泡ポリスチレン等の合成樹脂性発泡体を手作りで所望形状に成形したものである。塗型剤は、例えば花王社製・花王クエーカーＰＣ２６０などが用いられ、厚さ１．５〜３．５ｍｍ、１０ｍｍ^２当たりの通気度１程度で模型の表面に塗布される。

以上で鋳型１は製造される。この鋳型１によれば、湯口６から溶湯（溶融した金属材料）を注湯すると、溶湯は湯道５およびゲート４を通って模型３に至り、模型３は溶湯で溶解されることによって消失し、消失空間に溶湯が充填される。すなわち、模型３が溶湯に置換される。模型３が燃焼する注湯初期の段階で燃焼ガスが大量に発生し、その燃焼ガスは、湯道５の最下流のガス抜き通路７のフィルタ８を通って大気に排出される。また、燃焼ガスの一部は、模型３の表面に塗型剤が塗布されて形成された塗型膜を通過し、さらに鋳物砂２を通過して大気に排出される。

さて、本発明においては、模型のモジュラス（模型の体積÷模型の表面積）が大きくなるほど鋳込み時間が長くなるという相関関係があることに基づき、下記旧来の鋳込み時間の式（２）と過去の鋳造データから、モジュラスを考慮した鋳込み時間の式（１）を作成した。（式（２）は、日本鋳物協会編丸善株式会社発行、改訂４版鋳物便覧：８５ページに記載）

ｔ：鋳込み時間（ｓ）
Ｗ：鋳込み重量（ｋｇ）
Ａ’：湯口面積（ｃｍ^２）
ρ：溶湯密度（ｇ／ｃｍ^−３）
ａ，ｂ：定数
ｍ：モジュラス（模型の体積÷模型の表面積）
ｇ：重力加速度
Ｈ’：湯口から模型上端までの高さ（ｃｍ）

ｃ：流量係数
Ａ：鋳物に対するゲート開口（せき）の断面積（ｃｍ^２）
Ｈ：有効水頭

ここで、旧来の式（２）は、湯口面積よりゲート面積の方が小さい場合には有効であるが、消失模型鋳造法においては鋳型内で模型が燃焼する際にガスが大量に発生するため、ゲート面積を湯口面積より大きくしてゲートからもガス抜きをする必要がある。そのため、旧来の式（２）では、鋳込み時間はゲート開口の断面積をパラメータに用いているところ、本発明においてはそれを湯口面積に置き換えたものである。

ここで、モジュラスが大きくなると鋳込み時間が長くなると考えられるメカニズムを図２および図３により説明する。これら図は鋳造モデルを概略的に示しており、図２の鋳造モデル１の模型が、表面積Ｓ、体積Ｖ、肉厚ｗとした場合、図３の鋳造モデル２の模型は図２の模型に対して体積が同じで肉厚が２倍とされ、したがって表面積が半分とされている。

この条件で単位時間当たりの模型表面に塗布された塗型剤を通過する燃焼ガス量およびモジュラスを比較してみる。単位時間当たりの塗型剤通過ガス量は塗型の表面積に比例するので、単位時間当たりの塗型剤通過ガス量比は、
モデル１：モデル２＝ａ・Ｓ：ａＳ／２（ａは定数）
＝２：１ …（３）
となる。

一方、モジュラスは体積／表面積の比であるから、
モジュラス比
モデル１：モデル２＝Ｖ／Ｓ：２Ｖ／Ｓ
＝１：２ …（４）
となる。

上記式（３）および式（４）から、モジュラスが２倍になると、単位時間当たりの塗型剤通過ガス量は１／２になることが判る。つまり、モジュラスが大きくなると単位体積当たりの燃焼ガス量が増え、鋳型の内圧が高くなる。鋳型の内圧が高くなることにより鋳込み時間が長くなると考えられる。そのため、消失模型鋳造法での鋳込み時間を算出する際には、模型のモジュラスを考慮する必要がある。

上記のようにして消失模型鋳造法における鋳込み時間を算出することにより、以下の付加的な鋳造に関する事項を実施することができる。

・早期の鋳造欠陥判定
実際の鋳込み時間ｔ１（秒）と、上記本発明に係る算出方法で算出した鋳込み時間ｔ２（秒）とを比較することにより、鋳造欠陥の判定を早期にすることができる。ｔ１とｔ２の関係と鋳造欠陥の種類については、例えば以下のように判定される。なお、定数σは、本発明では３σ≒６で規定される。

ｔ１＞ｔ２＋３σ：湯回り不良、残渣欠陥（模型の溶け残り）
ｔ１＜ｔ２−３σ：鋳込み量不足、塗型噛み
すなわち、実際の鋳込み時間と算出された鋳込み時間との間に大幅な差異がある場合には、製品に何らかの鋳造欠陥が生じていると判断することができる。これにより、もしも鋳造欠陥が発生していることが判定されれば、鋳型の解砕前に速やかに吹き直すことによって冷却時間のタイムロスを短縮することができるといった生産上の利点がある。

・溶湯の流動解析用の鋳込み時間パラメータ
上記本発明に係る算出方法で算出した鋳込み時間を、溶湯の流動解析用の計算に用いることにより、高い精度で溶湯の充填温度や最終充填部位などをシミュレーションすることができ、このため、シミュレーションの結果の信頼度を高めることができる。

外形寸法が７５０×８００×４３０（ｍｍ）、モジュラスが２．１５の発泡ポリスチレンから成形した模型の表面に塗型剤（６０〜６５ボーメ）を塗布して乾燥させ、次いで、図１に示したものと同様の構成で鋳型を形成し、鋳造を行った。鋳造材料はＦＣ３００（片状黒鉛鋳鉄）、注湯時の溶湯の温度（鋳込み温度）は１３８０℃、鋳込み重量は１．２トンであった（表１の鋳造サンプル１）。同様にして鋳込み重量１〜１３トン、模型のモジュラスが１．９〜２．５の範囲で変化させた鋳造を行って、表１に記載の鋳造サンプル２〜６を得た。表１には、鋳造条件と算出した鋳込み時間を示している。

ここで、上記式（１）に至る計算式を説明すると、
上記式（２）より、下記式（５）を求める。式（５）はモジュラスを考慮しない場合の鋳込み時間である。

表１の鋳造条件を式（５）に代入し、それぞれの定数Ｃ’を求める。これの計算結果を表２に示す。

次に、Ｃ’と模型のモジュラスをグラフ化し（図４）、下記の近似式（６）を求める。
（ここでは、上記定数ａ，ｂはａ＝０．００１２、ｂ＝１．０９９５となる）
Ｃ＝０．００１２ｍ^{−１．０９５５} …（６）
近似式（６）を式（５）に代入すると、式（１）になる。
そして、式（１）にモジュラスの値ｍ＝１．８，２．０，２．２，２．４を代入すると、図５に示すグラフを得る。

図５には、表１で示した鋳造サンプル１〜６における鋳込み時間の実際の計測値を示している。また、Ｗ／Ａ’が鋳造サンプルＮｏ５，６と共通で、モジュラスを考慮せずに上記式（２）のみで鋳込み時間を設定した場合も示している（×で示す）。このモジュラスを考慮しない場合と本発明とを比較すると、モジュラスを考慮しない場合は、本発明よりも鋳込み時間が１８秒遅く、また、最終充填温度は２０℃程度低かった。したがって本発明によれば、鋳込み時間を適正な時間に設定することができ、これとともに、良好な品質の鋳物を確実に得ることができることが判った。

１…鋳型
２…鋳物砂
３…模型
４…ゲート
５…湯道
６…湯口
７…ガス抜き通路
８…フィルタ

Claims

鋳物砂内に樹脂性発泡体からなる模型を埋設してなる鋳型に溶湯を注湯し、該溶湯によって前記模型を消失させながら製品を鋳造する消失模型鋳造法において、
鋳造時の鋳込み時間を、下記式（１）により算出して設定することを特徴とする消失模型鋳造法。

ｔ：鋳込み時間（ｓ）
Ｗ：鋳込み重量（ｋｇ）
Ａ’：湯口面積（ｃｍ ^２）
ρ：溶湯密度（ｇ／ｃｍ ^−３）
ａ，ｂ：定数
ｍ：モジュラス（模型の体積÷模型の表面積）
ｇ：重力加速度
Ｈ’：湯口から模型上端までの高さ（ｃｍ）
前記式（１）から算出された鋳込み時間と、実際の鋳造時の鋳込み時間を比較し、両者の差異に基づいて鋳造欠陥の有無を判断することを特徴とする請求項１に記載の消失模型鋳造法。
前記式（１）から算出された鋳込み時間に基づいて鋳造シミュレーションを行うことを特徴とする請求項１に記載の消失模型鋳造法。