JP5739272B2

JP5739272B2 - ウォータジャケット成形用金型

Info

Publication number: JP5739272B2
Application number: JP2011174966A
Authority: JP
Inventors: 松浦　聡司; 聡司松浦; 越後　隆治; 隆治越後
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: JP2013035053A

Description

本発明は、シリンダブロックのウォータジャケットを成形するための金型に関する。

日本においては、一般的にシリンダブロック素材はダイカスト法（ＨＰＤＣ）で製造されている。このとき、金型には、局所的な過熱及び冷却の繰り返しにより、熱疲労クラック（ヒートクラック）が発生する。

従来から、十分な冷却を行えばヒートクラックの発生及び進行を抑制できることが知られている。シリンダブロックのウォータジャケットを成形するための金型（以下、「Ｗ／Ｊ金型」という。）を冷却する方法として、外部からと内部からの冷却が考えられる。しかし、外部からの冷却は構造的に困難な部位があり、内部からの冷却も薄肉部では困難である。

そのため、従来、比較的厚肉の軸間部や基端部を内部から冷却することは比較的行われている。例えば、特許文献１には、シリンダの軸方向に直線的な穴を軸間部に形成し、この穴に水パイプを挿入することが記載されている。

以上のように、Ｗ／Ｊ金型の薄肉部を内部から冷却することは行われていない。なお、Ｗ／Ｊ金型の周壁部先端側（クランクケース側）は薄肉ではあるが、レイアウト的には細い冷却路を内部に配置することができ、機械加工でシリンダの軸方向に直線的な穴を形成することは可能である。

特開平４−２００９５４号公報

しかしながら、機械加工でシリンダの軸方向に直線的な穴を形成して細い冷却路を配置する構成では、冷却路のレイアウトに制約があるため、Ｗ／Ｊ金型全体を十分に冷却することができない。また、多数の直線状の冷却路を配置する必要があり金型構造が複雑になるので、押しピンや型固定ボルトの配置などのためにレイアウト的に冷却できない部位が生じる。

さらに、シリンダの軸方向に直線状の冷却路を配置すると、外部冷却時、型表面に発生する引張応力の方向と、型内部に発生する応力の方向とが一致するので、型表面に発生したヒートクラックが冷却路先端方向に向って進展しやすく、破壊に対する剛性が大幅に低下するおそれもある。

本発明は、以上の点に鑑み、内部から全体を均一に冷却することが可能な冷却機構を、剛性低下を極力抑えて設けたウォータジャケット成形用金型を提供することを目的とする。

本発明は、複数の円筒部が連結された、シリンダブロックのウォータジャケット成形用金型であって、前記円筒部の周壁部内に周方向に沿って形成され、シリンダの軸方向に離間した複数段の周方向流路を含む冷却回路を備えることを特徴とする。

本発明によれば、周方向流路が周壁部内に複数段形成されているので、ウォータジャケット成形用金型全体を均一に冷却することが可能となる。また、後述するように、シリンダの軸方向に穴を形成すると、ヒートクラックの発生、進行が促進されるおそれがある。しかし、周方向流路は周壁部の周方向に沿って形成されているので、周方向流路を起点とするヒートクラックが発生するおそれは少ない。

本発明において、前記冷却回路は、前記シリンダの軸方向に隣接する前記周方向流路を接続し、前記シリンダの軸方向に沿って延びる複数の連結流路を含み、前記複数の連結流路は、前記周壁部の周方向にずれて形成されていることが好ましい。

この場合、各連結流路は、シリンダの軸方向に沿って形成されているが、それぞれの長さは短く、且つ周方向にずれて形成されているのでシリンダの軸方向に一直線状には形成されていない。よって、連結流路を起点とするヒートクラックが発生するおそれは少ない。

本発明において、前記冷却回路は、基端側の厚肉部内にそれぞれ形成された１本の流入流路と１本の排出流路とを含むことが好ましい。

この場合、流入流路及び排出流路は厚肉部内に形成されているので、これら流路を起点とするヒートクラックが発生するおそれは少なく、ウォータジャケット成形用金型の剛性低下も小さい。

ところで、ウォータジャケット成形用金型の先端部は、鋳造成型品形成部の内部に近く、且つ抜き勾配のため薄肉となっているので、熱が溜まりやすい。冷却時にこの先端部が局所的に高温になると、ウォータジェット成形用金型が均等に収縮せず、鋳造成型品であるシリンダブロック素材に不本意な変形が生じるおそれがある。

そこで、第１の本発明において、前記複数段の周方向流路は、基端側から先端側に向って、それぞれの断面積が大きくなるように形成されている。

また、第２の本発明において、前記複数段の周方向流路は、基端側から先端側に向って、シリンダの軸方向に沿った間隔が密になるように形成されている。

本発明の実施形態に係るウォータジャケット成形用金型（Ｗ／Ｊ金型）を示す概略斜視図。図１のII−II線断面図。実施形態の変形に係るＷ／Ｊ金型を示す概略斜視図。実施形態の他の変形に係るＷ／Ｊ金型を示す概略斜視図。実施形態のさらに他の変形に係るＷ／Ｊ金型を示す概略斜視図。

以下、本発明の実施形態に係るウォータジャケット成形用金型（以下、「Ｗ／Ｊ金型」という。）１０について説明する。

Ｗ／Ｊ金型１０は、ダイカスト法（ＨＰＤＣ）で車両用のシリンダブロック用の素材（以下、「シリンダブッロク素材」という。）を成形するための金型の一部を構成する入子金型である。シリンダブロック素材を成形するための金型の全体構成は、例えば上記特許文献１に記載された周知のものと同様であるので、説明を省略する。

図１に示すように、Ｗ／Ｊ金型１０は、全体として、複数、ここでは４つの円筒部１１の周壁部１２が横方向（Ｘ軸方向）に連結して配列された略連接円筒状に構成されている。

図１及び図２に示すように、各周壁部１２は、ガスケット面側、すなわち基端側（Ｚ軸負方向側）のクランクシャフトジャーナル受け部に対応する近傍部位に設けられ、比較的厚肉に形成された厚肉周壁部１２ａと、厚肉周壁部１２ａからクランクケース側、すなわち先端側（Ｙ軸正方向側）に連続して、厚肉周壁部１２ａに比べて薄肉に形成された薄肉周壁部１２ｂとからなっている。

そして、隣接する円筒部１１の周壁部１２同士が接続された部分は、軸間部１３として、厚肉に形成されている。各軸間部１３は、厚肉周壁部１２ａ同士が接続された厚肉軸間部１３ａと、薄肉周壁部１２ｂ同士が接続され、厚肉軸間部１３ａに比べて薄肉ではあるが、薄肉周壁部１２ｂに比べて厚肉に形成された薄肉軸間部１３ｂとからなっている。なお、薄肉軸間部１３ｂは、厚肉軸間部１３ａから連続した比較的短い部分にのみ存在しており、各円筒部１１の内部空間の先端側の略半分は連通している。

Ｗ／Ｊ金型１０の内部には、水などの冷却用流体からなる冷却媒体が流れる冷却回路２０が形成されている。ここでは、冷却回路２０は、Ｙ軸方向に対称に、２つ形成されている。

各冷却回路２０は、冷却媒体を外部からＷ／Ｊ金型１０の内部に流入させる流入側の直線状の流路である１本の流入流路２１と、冷却媒体をＷ／Ｊ金型１０の外部に排出させる排出側の直線状の流路である１本の排出流路２２と、冷却媒体を各円筒部１１の周壁部１２の内部を周方向に流通させるための複数本の周方向流路２３と、周方向流路２３を連結するための複数本の連結流路２４とから構成されている。

そして、冷却回路２０は、これら流路２１〜２４が連続した１本の流路として形成されており、分岐部、突き当り部などを有していない。

流入流路２１は、軸間部１３の基端側端面、すなわち厚肉軸間部１３ａの底面から、厚肉軸間部１３ａの先端側端部付近までＺ軸方向に直線状に延びるように形成されている。流入流路２１は、略同一の円形断面形状を有している。

排出流路２２は、周壁部１２の基端側端面、すなわち厚肉周壁部１２ａの底面から、厚肉周壁部１２ａの先端側端部付近までＺ軸方向に直線状に延びるように、流入流路２１に隣接して形成されている。排出流路２２は、略同一の円形断面形状を有している。

各周方向流路２３は、周壁部１２の内部に周方向に水平に形成されている。ここでは、各周方向流路２３は、２つの隣接する円筒部１１のそれぞれの周壁部１２とこれら周壁部１２を接続する軸間部１３とに亘って形成されている。なお、最上段の周方向流路２３のみ、４つの互いに隣接する円筒部１１のそれぞれの周壁部１２とこれら周壁部１２を接続する３つの軸間部１３とに亘って形成されている。

そして、周方向流路２３は、シリンダの軸方向（Ｙ軸方向）に離間して平行に、複数段、ここでは４段形成されている。そして、１段目（最下段）の２つの周方向流路２３のうち、一方に流入流路２１の上端部が、他方に排出流路２２の上端部がそれぞれ接続されている。

なお、周方向流路２３は、基端側から先端側に向って、それぞれの断面積が大きくなるように形成されている。ここでは、周方向流路２３は、円形状の断面を有しており、１段目、２段目、３段目、４段目（最上段）の周方向流路２３の断面直径をそれぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４としたとき、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４となっている。

また、周方向流路２３は、基端側から先端側に向って、間隔が密になるように形成されている。すなわち、１段目と２段目、２段目と３段目、３段目と４段目の周方向流路２３のＹ軸方向の間隔をそれぞれＨ１−２、Ｈ２−３、Ｈ３−４としたとき、Ｈ１−２＞Ｈ２−３＞Ｈ３−４となっている。

各連結流路２４は、上下に隣接する周方向流路２３の端部同士を接続するようにＺ軸方向に直線状に形成されている。

具体的には、１段目と２段目の周方向流路２３が、厚肉周壁部１２ａの先端側端部付近から薄肉周壁部１２ｂ内に直線状に延びる第１の連結流路２４ａによって接続されている。２段目と３段目の周方向流路２３が、薄肉軸間部１３ｂ又は薄肉周壁部１２ｂ内を直線状に延びる第２の連結流路２４ｂによって接続されている。さらに、３段目と４段目の周方向流路２３が、薄肉周壁部１２ｂ内を直線状に延びる第３の連結流路２４ｃによって接続されている。

なお、薄肉周壁部１２ｂ内に形成された連結流路２４は、Ｚ軸方向に一直線状に位置しないように、周壁部１２の周方向にずれて形成されている。具体的には、第１の連結流路２４ａは、第３の連結流路２４ｃに対して、周壁部１２の周方向にＸ軸方向内側にずれて形成されている。

Ｗ／Ｊ金型１０は、ラピッドプロトタイピング（近年では、アディティブマニュファクチャリングともいう）によって製造されている。具体的には、Ｗ／Ｊ金型１０は、素材金属粉末を層状に敷き詰め、高出力のレーザービームなどで直接焼結する粉末焼結積層法によって製造されている。そのため、冷却回路２０が複雑な３次元形状であっても、Ｗ／Ｊ金型１０を製造する工程で同時に形成され、製造効率が優れている。ただし、ダイレクトボンディング等の接合など他の製造方法によって、Ｗ／Ｊ金型１０を製造してもよい。

以上のように、Ｗ／Ｊ金型１０の周壁部１２及び軸間部１３の全体に亘って内部に冷却回路２０が形成されているので、Ｗ／Ｊ金型１０全体を均一に冷却することができる。これにより、Ｗ／Ｊ金型１０の局所的な過熱を防止することが可能となり、ヒートクラックの発生及びクラックの進展を低減することができる。よって、Ｗ／Ｊ金型１０の型寿命の延長が図られ、型償却費を低減することが可能となる。

また、Ｗ／Ｊ金型１０を迅速に冷却することが可能となるため、鋳造素材の凝固収縮メカニズムによって鋳造成型品であるシリンダブッロク素材の表面に巣が発生するおそれが少なくなる。よって、シリンダブロック素材の圧漏れ不良が低減され、品質が向上する。

ところで、鋳造時の入熱によってＷ／Ｊ金型１０の表面にＺ軸方向に圧縮応力が発生し、その後、鋳造成型品の取出後に冷却スプレーや離型剤の塗布によってＷ／Ｊ金型１０の表面にＺ軸方向に引張応力が発生する。このような熱応力の繰り返しによって、Ｗ／Ｊ金型１０の素材自体の降伏応力より発生応力が大きくなったときに、クラックの起点が発生する。その後、クラックが広範囲に進行し、冷却回路２０に到達したときに水漏れが起こる。

従って、このような熱疲労クラック（ヒートクラック）の発生、進行を防止するためには、Ｚ軸方向に延びる穴を極力少なくすることが好ましい。

Ｗ／Ｊ金型１０が備える冷却回路２０において、周方向流路２３は、周壁部１２の周方向に沿って形成されており、Ｚ軸方向と直交して配置されているので、ヒートクラックの発生が緩和される。

なお、流入流路２１、排出流路２２及び連結流路２４はＺ軸方向に延びている。しかし、流入流路２１及び排出流路２２は、それぞれ厚肉の厚肉軸間部１３ａ、厚肉周壁部１２ａ内に形成されている。そして、各連結流路２４の長さは短く、且つ第１の連結流路２４ａと第３の連結流路２４ｃとは周壁部１２の周方向にずれて形成されている。そのため、これら流路２１，２２，２４を起点とするヒートクラックが発生するおそれは少ない。

従って、これらの観点からも、冷却回路２０を起点とするヒートクラックの発生、進行が防止されており、Ｗ／Ｊ金型１０の型寿命の延長化が図られている。

また、冷却回路２０は１本の連続した流路であり、冷却回路２０に冷却媒体を供給するなどのために、Ｗ／Ｊ金型１０に対する主型に形成する必要がある穴の数は少ない。そのため、主型の剛性低下は小さく、主型の型寿命も良好なものとなる。

また、冷却回路２０は、１本の連続した流路であり、分岐部や突き当り部を有していない。そのため、上記特許文献１に記載されたような従来の直線的なスポット冷却とは異なり、カルキ成分や錆びによる詰まりを低減することができる。また、冷却媒体の滞留箇所も各流路２１〜２４の接続部のみであるので、流速の低下は小さく、熱交換効率が優れたものとなる。

また、周方向流路２３は、基端側から先端側に向って、それぞれの断面積が大きくなるように、且つ、間隔が密になるように形成されている。これは、Ｗ／Ｊ金型１０の先端部は、鋳造成型品形成部の内部に近く、且つ抜き勾配により薄肉になっているため、熱が溜まりやすく、この熱を周方向流路２３を流れる冷却媒体によって除去する必要があるからである。

このように周方向流路２３を構成することにより、Ｗ／Ｊ金型１０全体を均一に冷却することが可能となる。これにより冷却時にＷ／Ｊ金型１０が均等に収縮するので、鋳造成型品であるシリンダブロック素材の変形を抑制して、真円度や円筒度などを良好なものとなる。よって、シリンダブロック素材がニアネットとなり、加工取代を削減することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、Ｗ／Ｊ金型１０にＹ軸方向に対称の２つの冷却回路２０を形成する場合について説明したが、これに限定されない。

例えば、図３に示すように、Ｗ／Ｊ金型１０に冷却回路２０を１つのみ形成してもよい。これにより、冷却能力は低下するが、Ｗ／Ｊ金型１０や前記主型の剛性は向上する。

また、図４に示すように、Ｗ／Ｊ金型１０に４つの冷却回路２０を形成してもよい。これにより、Ｗ／Ｊ金型１０や前記主型の剛性は低下するが、冷却能力は向上する。

さらに、冷却回路２０の流入流路２１と排出流路２２とを隣接して形成する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、図５に示すように、流入流路２１と排出流路２２とを隣接させず、２つの流入流路２１同士及び排出流路２２同士を隣接させて形成してもよい。

さらに、周方向流路２３を水平に形成し、隣接する周方向流路２３の端部をＺ軸方向に直線的に延びる連結流路２４で接続する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、図示しないが、周方向流路２３を斜めに形成し、連結流路２４が存在しないものであってもよい。この場合、周方向流路２３は螺旋状の連続したものとなる。

また、冷却回路２０の断面形状は目的に応じて任意の形状に形成してもよい。例えば、円形状に変えて、豆粒形状、楕円形状、長円形状等としてもよい。

さらに、Ｗ／Ｊ金型１０の形状や構造は、図示したものに限定されず、他の周知の任意の形状や構造を採用することができる。

１０…Ｗ／Ｊ金型（ウォータジャケット成形用金型）、１１…円筒部、１２…周壁部、１２ａ…厚肉周壁部（厚肉部）、１２ｂ…薄肉周壁部、１３…軸間部、１３ａ…厚肉軸間部（厚肉部）、１３ｂ…薄肉軸間部、２０…冷却回路、２１…流入流路、２２…排出流路、２３…周方向流路、２４…連結流路。

Claims

複数の円筒部が連結された、シリンダブロックのウォータジャケット成形用金型であって、
前記円筒部の周壁部内に周方向に沿って形成され、シリンダの軸方向に離間した複数段の周方向流路を含む冷却回路を備え、
前記複数段の周方向流路は、基端側から先端側に向って、それぞれの断面積が大きくなるように形成されていることを特徴とするウォータジャケット成形用金型。
複数の円筒部が連結された、シリンダブロックのウォータジャケット成形用金型であって、
前記円筒部の周壁部内に周方向に沿って形成され、シリンダの軸方向に離間した複数段の周方向流路を含む冷却回路を備え、
前記複数段の周方向流路は、基端側から先端側に向って、シリンダの軸方向に沿った間隔が密になるように形成されていることを特徴とするウォータジャケット成形用金型。
前記複数段の周方向流路は、基端側から先端側に向って、シリンダの軸方向に沿った間隔が密になるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のウォータジャケット成形用金型。
前記複数段の周方向流路は、基端側から先端側に向って、それぞれの断面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載のウォータジャケット成形用金型。
前記冷却回路は、前記シリンダの軸方向に隣接する前記周方向流路を接続し、前記シリンダの軸方向に沿って延びる複数の連結流路を含み、
前記複数の連結流路は、前記周壁部の周方向にずれて形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のウォータジャケット成形用金型。
前記冷却回路は、基端側の厚肉部内にそれぞれ形成された１本の流入流路と１本の排出流路とを含むことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のウォータジャケット成形用金型。