JP6208093B2 - 中子造型方法および中子造型装置 - Google Patents

Description

本発明は、スクリュ圧縮機の雄ロータや雌ロータのような、ねじれ形状を有する製品の鋳造に必要な複雑形状の中子（砂型）を、中子型を用いて造型する中子造型方法および中子造型装置に関する。

例えば、スクリュ圧縮機の雄ロータや雌ロータのような、ねじれ形状を有する製品は、一般的に、例えば円筒状部材を切削加工した後に、専用の加工工具を用いてねじれ形状部分を加工することで製造する場合が多い。しかし、このような製造方法では、加工代が大きく、加工時間が長くなるという問題がある。そこで、加工時間を短縮するために、ニアネットシェイプ化（加工代を小さくすることで、最終製品形状に近づけること）した鋳物を鋳造作製し、これに仕上げ加工する方法が知られている。

ところが、ニアネットシェイプ化した鋳物を鋳造するのに必要な、ねじれ形状を有する中子を造型するのに用いる中子型が、中子から抜型する方向（例えば軸方向や径方向）に直交して突出した部分を有する場合がある。このような場合には、中子型または中子を変形させない限り、中子から中子型を抜型することは困難である。

そこで、特許文献１には、中子型を例えば２つに分割して分割中子型とし、これら分割中子型を用いて分割中子をそれぞれ造型することで、分割中子型を分割中子から容易に抜型できるようにした、多重ねじ形状部品の鋳造方法が開示されている。分割中子型は、ねじ山外径が軸を中心に略同一となるようにねじ山の山頂に設けた山頂同径部と、ねじ溝に形成され軸を中心に所定の抜け勾配を設けた溝側勾配部とからなるねじ部をそれぞれ有している。分割中子型を軸方向の一方側に引きながら回転力を加えると、分割中子型の山頂同径部が対応する分割中子の溝部に摺動してガイド的な役割を果たし、分割中子型は分割中子から容易に抜型する。

特開２００４−３５１４４６号公報

しかしながら、特許文献１では、ねじ溝の軸を中心に設けられた抜け勾配や、軸方向への分割面の導入による型合わせ時のズレにより、加工代を大きく取らざるを得ない。そのため、鋳物のニアネットシェイプ化の妨げとなっている。

仮に、中子型に抜け勾配や分割面を設けない場合、中子型と中子との接触面積が大きくなり、抜型時の摩擦力が増大するため、中子から中子型を抜型するのが困難になると予想される。

また、中子の材料として一般的に広く用いられている自硬性砂においては、砂同士の結合に必要な粘結剤である樹脂と、硬化触媒である硬化剤とが不可逆的な脱水縮合反応を起こすため、時間の経過に伴って自硬性砂は硬化・収縮する。そのため、自硬性砂が硬化・収縮すると、上記に加えて、さらに抜型時の摩擦力が増大し、中子型の抜型がより困難になると予想される。

また、中子を鋳型として鋳造に使用するためには、中子型の抜型時に中子が型崩壊しないようにする必要がある。

本発明の目的は、鋳物の加工代を低減させて、鋳物をニアネットシェイプ化することが可能な中子造型方法および中子造型装置を提供することである。

本発明における中子造型方法は、ねじれ形状を有する中子を中子型を用いて造型する中子造型方法において、前記中子型を枠内に配置した後に、砂と樹脂と硬化剤とを混練してなる自硬性砂を前記枠内に詰めて硬化させる硬化工程と、前記中子型をその軸を中心に回転させながら、前記自硬性砂が硬化してなる前記中子から抜型する抜型工程と、を有し、前記抜型工程において、前記自硬性砂の硬化時間、抜型時に前記中子と前記中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の前記中子の強度を適正化し、抜型時に前記中子と前記中子型との摩擦により生じる、トルクに対応するモーメントＭが、以下の関係を満足するようにしながら、前記中子から前記中子型を抜型することを特徴とする。０＜Ｍ＝ｋσπＤ ² Ｌ／２≦Ｔ _max ここで、ｋは摩擦係数、Ｄは前記中子型と前記中子との接触面積と同一の接触面積を有する円柱の直径、Ｌは前記円柱の長さ、σは前記中子の平均圧縮強度、Ｔ _max は前記中子から前記中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクである。
また、本発明における中子造型方法は、ねじれ形状を有する中子を中子型を用いて造型する中子造型方法において、前記中子型を枠内に配置した後に、砂と樹脂と硬化剤とを混練してなる自硬性砂を前記枠内に詰めて硬化させる硬化工程と、前記中子型をその軸を中心に回転させながら、前記自硬性砂が硬化してなる前記中子から抜型する抜型工程と、を有し、前記抜型工程において、前記自硬性砂の硬化時間、抜型時に前記中子と前記中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の前記中子の強度を適正化し、抜型時に前記中子に生じる単位面積当りの応力σが、以下の関係を満足するようにしながら、前記中子から前記中子型を抜型することを特徴とする。０＜σ＝２ｈＴ _max ／πＤ ² Ｌ≦σ _min ここで、ｈは係数、Ｔ _max は前記中子から前記中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルク、Ｄは前記中子型と前記中子との接触面積と同一の接触面積を有する円柱の直径、Ｌは前記円柱の長さ、σ _min は抜型時における前記中子の最小圧縮応力である。

また、本発明における中子造型装置は、上記の中子造型方法を行う中子造型装置であって、前記中子型が内部に配置されるとともに、前記自硬性砂が内部に詰められた前記枠と、前記中子型をその軸を中心に回転させることで、前記自硬性砂が硬化してなる前記中子から前記中子型を抜型する回転駆動装置と、を有することを特徴とする。

本発明の中子造型方法によると、抜型工程において、自硬性砂の硬化時間、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の中子の強度を適正化する。自硬性砂の硬化時間が短すぎると、抜型時の中子の強度が不足して、抜型時に中子が型崩壊する。逆に、自硬性砂の硬化時間が長すぎると、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力が大きくなりすぎて、中子から中子型を抜型できなくなる。そこで、自硬性砂の硬化時間、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の中子の強度を適正化することで、中子を型崩壊させることなく、中子型をその軸を中心に回転させながら中子から抜型することができる。これにより、抜け勾配や分割面のない中子型を用いて、一体型の中子を造型することができる。よって、鋳物の加工代を低減させることができるので、鋳物をニアネットシェイプ化することができる。ここで、自硬性砂の硬化時間とは、砂と樹脂と硬化剤との混練終了からの経過時間である。

また、本発明の中子造型装置によると、回転駆動装置で中子型をその軸を中心に回転させる。手作業で中子型を回転させた場合、中子型の軸が傾きやすく、単位面積あたりの応力や引き抜きトルクが変化しやすいので、中子を安定して造型することができない。そこで、回転駆動装置で中子型を回転させることで、中子型の軸が傾くのを抑制することができる。これにより、単位面積あたりの応力や引き抜きトルクを一定にすることができるので、中子から中子型を安定して抜型することができる。

抜型試験時の構成を示す図である。 硬化時間と最大トルクとの関係を示す図である。 硬化時間と圧縮強度との関係を示す図である。 自硬性砂の硬化により生じる単位面積当たりの推定摩擦力と最大トルクとの関係を示す図である。 抜型時に生じる単位面積当たりの推定摩擦力と平均圧縮強度との関係を示す図である。 中子造型装置の構成を示す側面図である。 枠の断面図である。 架台および枠の側面図である。 モータのスライド移動を示す図である。 中子造型装置の構成を示す側面図である。 図１０のＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

［第１実施形態］
（中子造型方法）
本発明の第１実施形態による中子造型方法は、例えば、スクリュ圧縮機の雄ロータや雌ロータのような、ねじれ形状を有する製品の鋳造に必要な複雑形状の中子（砂型）を、中子型を用いて造型する方法である。この中子造型方法は、硬化工程と、抜型工程と、を有している。

（硬化工程）
硬化工程は、中子型を枠内に配置した後に、砂と樹脂と硬化剤とを混練してなる自硬性砂を枠内に詰めて硬化させる工程である。自硬性砂に用いる砂は、形状が多角形状または球状で、粒度がＡＦＳ１３０以下の新砂または再生砂である。また、粘結剤として自硬性砂に用いる樹脂は、フルフリルアルコールを含有する酸硬化性のフラン樹脂であって、砂に対する添加量は０．８％である。また、硬化触媒として自硬性砂に用いる硬化剤は、キシレンスルホン酸系硬化剤および硫酸系硬化剤を混合した、フラン樹脂用の硬化剤であって、フラン樹脂に対する添加量は４０％である。このような砂や樹脂、硬化剤を自硬性砂に用いることで、中子を好適に造型することができる。

砂と樹脂と硬化剤との混練としては、まず、砂と硬化剤とを混練し、その後、樹脂を加えてさらに混練することが好ましい。混練には、汎用の家庭用ミキサーを好適に用いることができる。家庭用ミキサーで、砂と硬化剤とを４５秒混練し、その後、樹脂を加えてさらに４５秒混練することで、自硬性砂とする。この自硬性砂を、ねじれ形状を有する金属製の中子型が内部に配置された木製の枠内に詰める。このとき、自硬性砂を加振しながら、中子型の軸方向に沿って自硬性砂を枠内に詰める。樹脂と硬化剤とが不可逆的な脱水縮合反応を起こすことで、時間の経過に伴って自硬性砂が硬化・収縮する。

（抜型工程）
抜型工程は、中子型をその軸を中心に回転させながら、自硬性砂が硬化してなる中子から抜型する工程である。所定の硬化時間が経過した後に、中子型の端部をレンチなどでつかんで、中子型をその軸を中心に回転させながら中子から抜型する。ここで、硬化時間は、砂と樹脂と硬化剤との混練終了からの経過時間である。

ここで、自硬性砂の硬化時間が短すぎると、抜型時の中子の強度が不足して、抜型時に中子が型崩壊する。逆に、自硬性砂の硬化時間が長すぎると、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力が大きくなりすぎて、中子から中子型を抜型できなくなる。そこで、中子から中子型を抜型する際に、自硬性砂の硬化時間、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の中子の強度を適正化している。

具体的には、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力として、抜型時に中子と中子型との摩擦により生じる、トルクに対応するモーメントＭを適正化している。モーメントＭが、以下の式（１）の関係を満足するようにしながら、中子から中子型を抜型する。

０＜Ｍ＝ｋσπＤ²Ｌ／２≦Ｔ_max ・・・式（１）
ここで、ｋは摩擦係数、Ｄは中子型と中子との接触面積と同一の接触面積を有する円柱の直径、Ｌは円柱の長さ、σは中子の平均圧縮強度、Ｔ_maxは中子から中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクである。

モーメントＭが、中子から中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクＴ_maxを超えると、中子型を回転させることができなくなり、中子から中子型を抜型することができない。そこで、モーメントＭが最大トルクＴ_max以下となるようにしながら、中子型をその軸を中心に回転させることで、中子から中子型を抜型することが可能となる。

また、抜型時の中子の強度として、抜型時に中子に生じる単位面積当りの応力（摩擦力）σを適正化している。抜型時に中子に生じる単位面積当りの応力σが、以下の式（２）の関係を満足するようにしながら、中子から中子型を抜型する。

０＜σ＝２ｈＴ_max／πＤ²Ｌ≦σ_min ・・・式（２）
ここで、ｈは係数、Ｔ_maxは中子から中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルク、Ｄは中子型と中子との接触面積と同一の接触面積を有する円柱の直径、Ｌは円柱の長さ、σ_minは抜型時における中子の最小圧縮応力である。

抜型時に中子に生じる単位面積当りの応力σが、抜型時における中子の最小圧縮応力σ_minを超えると、中子に型崩壊が生じる。そこで、応力σが最小圧縮応力σ_min以下となるようにしながら、中子型をその軸を中心に回転させることで、中子を型崩壊させることなく、中子から中子型を抜型することが可能となる。

このように、中子から中子型を抜型する際に、自硬性砂の硬化時間、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の中子の強度を適正化することで、中子を型崩壊させることなく、中子型をその軸を中心に回転させながら中子から抜型することができる。これにより、抜け勾配や分割面のない中子型を用いて、一体型の中子を造型することができる。よって、鋳物の加工代を低減させることができるので、鋳物をニアネットシェイプ化することができる。

（抜型試験）
抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力を適正化するために、図１に示す構成で抜型試験を行った。歯部直径１２０ｍｍ、長さ２４０ｍｍのアルミニウム製スクリュ雌ロータ金型を、抜け勾配および分割面のないねじれ形状を有する中子型４として用い、端部に平坦な切欠部２が設けられてひずみゲージ１が貼り付けられたアルミニウム製の丸棒３を、中子型４のねじ部５に取り付けた。

自硬性砂用の砂として、形状が多角形状または球状である、再生砂（粒度ＡＦＳ３６．５）、および、人工砂（山川産業製エスパール＃２５Ｌ（粒度ＡＦＳ２４．５）およびエスパール＃１００Ｌ（粒度ＡＦＳ１１１．６））を用いた。また、自硬性砂用の樹脂として、フラン樹脂である、花王クエーカー製ＥＦ−５３０２を用い、砂に対する添加量を０．８％とした。また、自硬性砂用の硬化剤として、キシレンスルホン酸系硬化剤および硫酸系硬化剤を混合した硬化剤である、花王クエーカー製ＴＫ−１およびＣ−２１を３：１の混合比で混合したものを用い、フラン樹脂に対する添加量を４０％とした。そして、汎用の家庭用ミキサーを用いて、砂と硬化剤とを４５秒混練し、その後、樹脂を加えてさらに４５秒混練することで、自硬性砂とした。そして、中子型４を木枠６内に配置し、木枠６の各側面をハンマーで叩いて自硬性砂を加振しながら自硬性砂を中子型４の軸方向に沿って木枠６内に詰めた。ここで、ハンマーで木枠６の各側面を叩く回数は１０回とした。

所定の硬化時間経過後に、木枠６を横置きにして治具で床に固定し、ひずみゲージ１をデータロガー７に配線した。また、接触式または非接触式の変位計８を中子型４の端面９に取り付け、データロガー７に配線した。そして、レンチ１２で丸棒３の切欠部２を挟んで中子型４をねじりながら中子１１から抜型した。その際に生じたねじりひずみをひずみゲージ１で測定し、データロガー７に繋がれたパソコン１０でトルクに変換した。また、中子型４を中子１１から抜型する際に生じた変位を変位計８で測定した。

ここで、ねじりひずみは、以下の式（３）の換算式でトルクＴに変換した。
Ｔ＝εＥＺ／（１＋ν） ・・・式（３）
ここで、εはねじりひずみの測定値、Ｅは丸棒３のヤング率、Ｚは丸棒３の断面の極断面係数、νは丸棒３のポアソン比である。

抜型試験で得られた硬化時間と最大トルクとの関係を図２に示す。ここで、硬化時間は、砂と樹脂と硬化剤との混練終了からの経過時間である。硬化時間が１７ｈｒでは、中子１１から中子型４を抜型することができなくなり、約１３ｍｍしか抜型できなかったため、途中までの最大ひずみ値から最大トルクを算出した。このように、１７ｈｒでは抜型不能であったことから、中子１１から中子型４を抜型可能にするためには、５．５×１０²Ｎｍ以下のトルクが必要であることがわかった。

（圧縮試験）
次に、抜型時の中子の強度を適正化するために、圧縮試験を行った。直径３０ｍｍ、長さ６０ｍｍの自硬性砂からなる試験片を用い、５０ｋＮインストロン型万能試験機にて、ひずみ速度を２．８×１０^-3／ｓｅｃとして、荷重と変位とを測定した。

圧縮試験で得られた硬化時間と圧縮強度との関係を図３に示す。硬化時間が０．６７ｈｒでは自硬性砂が崩れ、健全な造型ができなかったことから、中子の形状を保持しつつ（中子を型崩壊させることなく）中子から中子型を抜型可能にするためには、０．１ＭＰａ以上の圧縮強度が必要であることがわかった。

（考察）
抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力が、自硬性砂の硬化による締付力に起因するものであり、中子に接触している中子型の全表面に均一に締付力が作用していると仮定する。ここで、中子型の表面積をＡｒ、中子の平均圧縮強度をσとすると、中子の締付力はσＡｒで予想することができる。この締付力によって抜型時に中子と中子型との間に生じる摩擦力は、締付力に摩擦係数ｋをかけたｋσＡｒである。簡単のため、中子型を、中子型の表面積Ａｒと等しい表面積を持つ円柱に置き換えて考え、円柱の直径をＤ、円柱の長さをＬとすると、表面積Ａｒ＝πＤＬであるから、抜型時に中子と中子型との摩擦により生じる、トルクに対応するモーメントＭは、式（４）となる。
Ｍ＝ｋσπＤ²Ｌ／２ ・・・式（４）

自硬性砂の硬化により生じる単位面積当たりの推定摩擦力と最大トルクとの関係を図４に示す。図４から、摩擦係数ｋは０．０４であると決定した。

このモーメントＭが、中子から中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクＴ_maxを超えると、中子型を回転させることができなくなり、中子から中子型を抜型することができない。よって、式（５）が成り立つ。
０＜Ｍ≦Ｔ_max ・・・式（５）

この式（５）に式（４）を代入すると、式（１）となる。式（１）から、抜型の可否を判断することが可能となる。

一方、中子を型崩壊させることなく、中子から中子型を抜型するためには、中子と中子型との間に生じる摩擦力が重要となる。簡単のために、中子型を、中子型の表面積Ａｒと等しい表面積を持つ円柱に置き換えて考え、円柱の直径をＤ、円柱の長さをＬとすると、表面積Ａｒ＝πＤＬである。中子から中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクをＴ_max、係数をｈとすると、中子型の回転により中子と中子型との間に生じる摩擦力は、ｈＴ_max／（Ｄ／２）である。よって、抜型時に中子に生じる単位面積当りの摩擦力（応力）σは、式（６）で表される。

σ＝２ｈＴ_max／πＤ²Ｌ ・・・式（６）

抜型時に生じる単位面積当たりの推定摩擦力と平均圧縮強度との関係を図５に示す。図５から、係数ｈは２６．５であると決定した。抜型時に中子に生じる単位面積当りの摩擦力（応力）σが、抜型時における中子の最小圧縮応力σ_minを超えると、中子に型崩壊が生じる。よって、式（７）が成り立つ。
０＜σ≦σ_min ・・・式（７）

この式（７）に式（６）を代入すると、式（２）となる。式（２）から、中子を型崩壊させることなく、中子から中子型を抜型することが可能かどうかを判断することが可能となる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る中子造型方法によると、中子から中子型を抜型する抜型工程において、自硬性砂の硬化時間、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の中子の強度を適正化する。自硬性砂の硬化時間が短すぎると、抜型時の中子の強度が不足して、抜型時に中子が型崩壊する。逆に、自硬性砂の硬化時間が長すぎると、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力が大きくなりすぎて、中子から中子型を抜型できなくなる。そこで、自硬性砂の硬化時間、抜型時に中子と中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の中子の強度を適正化することで、中子を型崩壊させることなく、中子型をその軸を中心に回転させながら中子から抜型することができる。これにより、抜け勾配や分割面のない中子型を用いて、一体型の中子を造型することができる。よって、鋳物の加工代を低減させることができるので、鋳物をニアネットシェイプ化することができる。

また、抜型時に中子と中子型との摩擦により生じる、トルクに対応するモーメントＭが、式（１）の関係を満足するようにしながら、中子から中子型を抜型する。抜型時に中子と中子型との摩擦により生じるモーメントＭが、中子から中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクＴ_maxを超えると、中子型を回転させることができなくなり、中子から中子型を抜型することができない。そこで、モーメントＭが最大トルクＴ_max以下となるようにしながら、中子型をその軸を中心に回転させることで、中子から中子型を抜型することができる。

また、抜型時に中子に生じる単位面積当りの応力σが、式（２）の関係を満足するようにしながら、中子から中子型を抜型する。抜型時に中子に生じる単位面積当りの応力σが、抜型時における中子の最小圧縮応力σ_minを超えると、中子に型崩壊が生じる。そこで、応力σが最小圧縮応力σ_min以下となるようにしながら、中子型をその軸を中心に回転させることで、中子を型崩壊させることなく、中子から中子型を抜型することができる。

また、形状が多角形状または球状で、粒度がＡＦＳ１３０以下の新砂または再生砂を自硬性砂に用いることで、中子を好適に造型することができる。

また、フルフリルアルコールを含有する酸硬化性のフラン樹脂を、砂に対して０．８％添加することで、中子を好適に造型することができる。

また、キシレンスルホン酸系硬化剤および硫酸系硬化剤を混合した硬化剤を、フラン樹脂に対して４０％添加することで、中子を好適に造型することができる。

［第２実施形態］
（中子造型装置）
次に、本発明の第２実施形態に係る中子造型方法について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の中子造型方法が、第１実施形態の中子造型方法と異なる点は、構成を示す側面図である図６に示すように、中子造型装置１０１を用いて中子造型方法を行う点である。即ち、第１実施形態においてはレンチなどを用いて手作業で中子型４を回転させていたが、本実施形態においては、中子造型装置１０１が備える回転駆動装置２３で中子型４を回転させる。

図６に示すように、中子造型装置１０１は、木製または金属製の枠２１を有している。この枠２１の内部には、スクリュ形状の中子型４が配置されているとともに、砂と樹脂と硬化剤とを混練してなる自硬性砂が詰められている。砂、樹脂、および、硬化剤は、第１実施形態と同様のものである。中子型４のねじ部５には、アルミニウム製の丸棒３が取り付けられている。枠２１は、架台２２上に載置されている。

ここで、枠２１内への自硬性砂の投入は、以下のようにして行われる。枠２１の断面図である図７に示すように、まず、枠２１内に配置された中子型４の一端４ａが上を向き、他端４ｂが下を向くようにして、枠２１を台などの上に載置する。このとき、枠２１内に投入される自硬性砂が下方にこぼれ落ちないように、中子型４の他端４ｂ側の開口を板状部材３０で覆う。その後、上方に開口した中子型４の一端４ａ側の開口から枠２１内に自硬性砂を投入する。そして、枠２１の各側面をハンマーで叩いて自硬性砂を加振しながら自硬性砂を中子型４の軸方向に沿って枠２１内に詰める。自硬性砂の混練方法や混練時間は、第１実施形態と同様である。

架台２２および枠２１の側面図である図８に示すように、枠２１が載置された架台２２は、脚２２ａの長さが可変にされている。即ち、架台２２の高さが調節可能にされている。脚２２ａの長さは、ジャッキ構造により伸縮可能にされていてもよいし、雌ねじ部材に螺合する雄ねじ部材の螺合量を調整することで伸縮可能にされていてもよい。架台２２の高さは、後述するモータ２６の回転軸と、中子型４の中心軸とが一致するように調節される。

また、架台２２上には、一対の板部材３１が固定されている。板部材３１は、中子型４の軸方向に沿って設けられて、枠２１の側面に対向配置されている。各板部材３１には、枠２１の上端部に先端が当接されるねじ３２、および、枠２１の下端部に先端が当接されるねじ３３が、中子型４の軸方向に沿って複数螺合されている。そして、ねじ３２およびねじ３３の螺合量をそれぞれ調節することで、一対の板部材３１の間で枠２１の位置を左右に調整することが可能にされている。

また、架台２２には、枠２１の下面に先端が当接されるねじ３４が、中子型４の軸方向に沿って複数螺合されている。そして、ねじ３４の螺合量をそれぞれ調節することで、枠２１の位置を上下に調整することが可能にされている。

ねじ３２，３３，３４は、モータ２６の回転軸と、中子型４の中心軸とを一致させる調整機構である。モータ２６の回転軸と、中子型４の中心軸とを一致させることで、モータ２６で中子型４を回転させた際に、中子と中子型との間に生じる摩擦力の摩擦係数ｋを最小とすることができる。これにより、中子型４を安定して回転させることができるので、内部破損のない、形状のばらつきの小さい中子１１を造型することができる。

また、図６に示すように、中子造型装置１０１は、回転駆動装置２３を有している。回転駆動装置２３は、モータ２６と、電源２７と、インバータ２８とを備えている。モータ２６は、レール２５を介して架台２４上に載置されている。レール２５は、中子型４の軸方向に沿って架台２４上に敷設されている。モータ２６は、継手２９によって丸棒３に連結される。これにより、モータ２６が回転されると、中子型４はその軸を中心に回転することとなる。なお、モータ２６が載置された架台２４も、架台２２と同様に、高さが調節できるようになっている。

モータ２６は、インバータ２８を介して電源２７に電気的に接続されている。モータ２６の回転速度は、インバータ２８により調整される。

第１実施形態のように、手作業で中子型４を回転させた場合、中子型４の軸が傾きやすく、単位面積あたりの応力や引き抜きトルクが変化しやすいので、中子１１を安定して造型することが出来ない。しかし、モータ２６で中子型４を回転させることで、中子型４の軸が傾くのを抑制することができる。これにより、単位面積あたりの応力や引き抜きトルクを一定にすることができるので、中子１１から中子型４を安定して抜型することができる。

ここで、モータ２６の最大トルクＴ_moterは、以下の関係を満足している。
ｋσπＤ²Ｌ／２≦Ｔ_max≦Ｔ_moter ・・・式（８）
ここで、第１実施形態と同様に、ｋは摩擦係数、Ｄは中子型４と中子１１との接触面積と同一の接触面積を有する円柱の直径、Ｌは円柱の長さ、σは中子１１の平均圧縮強度、Ｔ_maxは中子１１から中子型４を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクである。

モータ２６の最大トルクＴ_moterを、中子１１から中子型４を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクＴ_max以上にすることで、中子型４をその軸を中心に好適に回転させることができる。

ここで、モータ２６で丸棒３を回転させると、スクリュ形状である中子型４が軸方向に移動しようとする。これにより、モータ２６、中子１１、および、中子型４は、軸方向の力を受ける。このとき、モータ２６と枠２１との相対距離が変化しなければ、軸方向の力で中子１１が破壊されることになる。

そこで、側面図である図９に示すように、軸方向の力でモータ２６がレール２５上をスライド移動するようにされている。本実施形態において、モータ２６は枠２１から離隔する方向に移動する。このとき、枠２１は架台２２上で動かないようにねじ３２，３３，３４（図８参照）で固定されている。これにより、中子型４は図中右側に抜型される。モータ２６が枠２１に対して相対移動することで、中子１１を破損することなく中子型４を抜型することができる。

ここで、中子型４の全長にわたって中子１１から中子型４を抜型するために、レール２５の長さは、中子型４の軸方向におけるモータ２６の長さに中子型４の全長を加えた長さ以上にされている。

なお、モータ２６は枠２１に近接する方向にスライド移動してもよい。この場合、中子型４は図中左側に抜型される。このとき、枠２１にモータ２６が当接する前に中子型４の全部が抜型されるように、丸棒３は枠２１よりも長くされている。また、架台２２上に敷設したレール上に枠２１を載置することで、枠２１がスライド移動するようにしてもよい。この場合、モータ２６は架台２４上に固定される。また、架台２２上に敷設するレールの長さは、中子型４の全長の２倍以上にされる。枠２１がスライド移動する方向は、モータ２６に近接する方向であっても、モータ２６から離隔する方向であってもよい。モータ２６に近接する方向に枠２１が移動する場合、枠２１がモータ２６に当接する前に中子型４の全部が抜型されるように、丸棒３は枠２１よりも長くされる。

なお、モータ２６や枠２１をスライド移動させる機構はレールに限定されず、モータ２６や枠２１に設けられた車輪であってもよい。また、モータ２６と丸棒３とは、直線状に連結される構成に限定されず、歯車等を介してＬ字状に連結されてもよい。この場合、モータ２６は架台２４上に固定されて、枠２１が架台２２上をスライド移動することになる。

このような構成において、中子１１を造型するには、まず、図７に示すように、砂、樹脂、および、硬化剤を混練してなる自硬性砂を枠２１内に詰める。そして、図６に示すように、枠２１を架台２２上に載置して、中子型４のねじ部５に丸棒３を取り付ける。その後、図８に示すように、枠２１の位置を上下左右に調整することで、モータ２６の回転軸と中子型４の中心軸との軸合わせを行う。この軸合わせには、水準器などを用いる。ねじ３２，３３，３４が枠２１に当接することで、枠２１は架台２２上に固定される。

その後、図６に示すように、継手２９でモータ２６と丸棒３とを連結する。ここまでを、適正化した自硬性砂の硬化時間内に行う。次に、モータ２６の最大トルクＴ_moterが、式（８）を満足するようにしながら、モータ２６を回転させる。これにより、図９に示すように、モータ２６がレール２５上をスライド移動して、中子型４が抜型される。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る中子造型装置１０１によると、回転駆動装置２３で中子型４をその軸を中心に回転させる。手作業で中子型４を回転させた場合、中子型４の軸が傾きやすく、単位面積あたりの応力や引き抜きトルクが変化しやすいので、中子１１を安定して造型することができない。そこで、回転駆動装置２３で中子型４を回転させることで、中子型４の軸が傾くのを抑制することができる。これにより、単位面積あたりの応力や引き抜きトルクを一定にすることができるので、中子１１から中子型４を安定して抜型することができる。

また、モータ２６の最大トルクＴ_moterを、中子１１から中子型４を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクＴ_max以上にする。これにより、中子型４をその軸を中心に好適に回転させることができる。

また、モータ２６の回転軸と、中子型４の中心軸とを一致させることで、中子１１と中子型４との間に生じる摩擦力の摩擦係数ｋを最小とすることができる。これにより、中子型４を安定して回転させることができるので、内部破損のない、形状のばらつきの小さい中子１１を造型することができる。

［第３実施形態］
（中子造型装置）
次に、本発明の第３実施形態に係る中子造型方法について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の中子造型方法を行う中子造型装置２０１が、第２実施形態の中子造型装置１０１と異なる点は、構成を示す側面図である図１０に示すように、枠３５の上部に、自硬性砂が投入される開口３５ａが設けられている点である。

中子型４は、その軸方向が水平となるように枠内に配置されており、中子型４のねじ部５には丸棒３が取り付けられている。枠３５内に自硬性砂が投入される前に、モータ２６の回転軸と中子型４の中心軸との軸合わせが行われ、モータ２６と丸棒３とは継手２９で連結される。

このような状態で、一対の板状部材３６で枠３５の両端の開口を塞ぐ。その後、図１０のＡ−Ａ断面図である図１１に示すように、上方の開口３５ａから枠３５内に自硬性砂を投入する。このとき、枠３５の各側面をハンマーで叩いて自硬性砂を加振しながら自硬性砂を中子型４の軸方向に沿って枠３５内に詰める。

第２実施形態においては、自硬性砂を詰めた枠２１をクレーンなどで吊り上げて、架台２２上に載置する必要がある。これに対して、本実施形態では、枠３５の上部の開口３５ａから自硬性砂を投入することで、自硬性砂の投入から中子型４の抜型までを、枠３５を動かすことなく行うことができる。これにより、モータ２６と中子型４との軸合わせを自硬性砂の投入前に行うことができるので、作業性を向上させることができる。

自硬性砂を詰め終わると、開口３５ａを蓋３５ｂで閉じ、一対の板状部材３６を取り除く。ここまでを、適正化した自硬性砂の硬化時間内に行う。そして、モータ２６を回転させることで、中子型４の抜型を行う。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る中子造型装置２０１によると、枠３５の上部の開口３５ａから自硬性砂を投入することで、自硬性砂の投入から中子型４の抜型までを、枠３５を動かすことなく行うことができる。これにより、モータ２６と中子型４との軸合わせを自硬性砂の投入前に行うことができるので、作業性を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ ひずみゲージ
２ 切欠部
３ 丸棒
４ 中子型
５ ねじ部
６ 木枠
７ データロガー
８ 変位計
９ 端面
１０ パソコン
１１ 中子
１２ レンチ
２１ 枠
２２ 架台
２３ 回転駆動装置
２４ 架台
２５ レール
２６ モータ
２７ 電源
２８ インバータ
２９ 継手
３０ 板状部材
３１ 板部材
３２，３３，３４ ねじ
３５ 枠
３５ａ 開口
３５ｂ 蓋
３６ 板状部材
１０１，２０１ 中子造型装置

Claims (9)

1. ねじれ形状を有する中子を中子型を用いて造型する中子造型方法において、
   前記中子型を枠内に配置した後に、砂と樹脂と硬化剤とを混練してなる自硬性砂を前記枠内に詰めて硬化させる硬化工程と、
   前記中子型をその軸を中心に回転させながら、前記自硬性砂が硬化してなる前記中子から抜型する抜型工程と、
   を有し、
   前記抜型工程において、前記自硬性砂の硬化時間、抜型時に前記中子と前記中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の前記中子の強度を適正化し、
   抜型時に前記中子と前記中子型との摩擦により生じる、トルクに対応するモーメントＭが、以下の関係を満足するようにしながら、前記中子から前記中子型を抜型することを特徴とする中子造型方法。
   ０＜Ｍ＝ｋσπＤ ² Ｌ／２≦Ｔ _max
   ここで、ｋは摩擦係数、Ｄは前記中子型と前記中子との接触面積と同一の接触面積を有する円柱の直径、Ｌは前記円柱の長さ、σは前記中子の平均圧縮強度、Ｔ _max は前記中子から前記中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクである。
2. ねじれ形状を有する中子を中子型を用いて造型する中子造型方法において、
   前記中子型を枠内に配置した後に、砂と樹脂と硬化剤とを混練してなる自硬性砂を前記枠内に詰めて硬化させる硬化工程と、
   前記中子型をその軸を中心に回転させながら、前記自硬性砂が硬化してなる前記中子から抜型する抜型工程と、
   を有し、
   前記抜型工程において、前記自硬性砂の硬化時間、抜型時に前記中子と前記中子型との間に発生する摩擦力、および、抜型時の前記中子の強度を適正化し、
   抜型時に前記中子に生じる単位面積当りの応力σが、以下の関係を満足するようにしながら、前記中子から前記中子型を抜型することを特徴とする中子造型方法。
   ０＜σ＝２ｈＴ_max／πＤ²Ｌ≦σ_min
   ここで、ｈは係数、Ｔ_maxは前記中子から前記中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルク、Ｄは前記中子型と前記中子との接触面積と同一の接触面積を有する円柱の直径、Ｌは前記円柱の長さ、σ_minは抜型時における前記中子の最小圧縮応力である。
3. 前記砂は、形状が多角形状または球状で、粒度がＡＦＳ１３０以下の新砂または再生砂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の中子造型方法。
4. 前記樹脂は、フルフリルアルコールを含有する酸硬化性のフラン樹脂であって、前記砂に対する添加量が０．８％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中子造型方法。
5. 前記硬化剤は、キシレンスルホン酸系硬化剤および硫酸系硬化剤を混合した硬化剤であって、前記樹脂に対する添加量が４０％であることを特徴とする請求項４に記載の中子造型方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の中子造型方法を行う中子造型装置であって、
   前記中子型が内部に配置されるとともに、前記自硬性砂が内部に詰められた前記枠と、
   前記中子型をその軸を中心に回転させることで、前記自硬性砂が硬化してなる前記中子から前記中子型を抜型する回転駆動装置と、
   を有することを特徴とする中子造型装置。
7. 前記回転駆動装置の最大トルクＴ_moterが、以下の関係を満足することを特徴とする請求項６に記載の中子造型装置。
   ｋσπＤ²Ｌ／２≦Ｔ_max≦Ｔ_moter
   ここで、ｋは摩擦係数、Ｄは前記中子型と前記中子との接触面積と同一の接触面積を有する円柱の直径、Ｌは前記円柱の長さ、σは前記中子の平均圧縮強度、Ｔ_maxは前記中子から前記中子型を抜型可能な場合において抜型時に発生する最大トルクである。
8. 前記回転駆動装置の回転軸と、前記中子型の中心軸とを一致させる調整機構をさらに有することを特徴とする請求項６又は７に記載の中子造型装置。
9. 前記中子型は、その軸方向が水平となるように前記枠内に配置されており、
   前記枠の上部に、前記自硬性砂が投入される開口が設けられていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の中子造型装置。

Images