JP6329973B2 - 鋳造用鋳型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造用鋳型の製造方法に関する。さらに詳しくは、鋳型用粉末を硬化させて被切削材を形成する被切削材作成工程と、この被切削材を切削することにより最終鋳型を作成する鋳型作成工程とを有する鋳造用鋳型の製造方法に関する。

被切削材を切削することにより最終鋳型を作成する鋳造用鋳型の製造方法としては、次の特許文献１〜３に記載のごときものが知られている。これら特許文献１〜３記載の技術では、模型等を用いずに粉粒体を個化させたブロックの切削のみで鋳型を製作することによりコストダウンを図ることを目的としたものである。

しかし、ブロックのすべてを切削する場合、ブロックを大幅に切削せねばならないときは、切削の工程に時間を要し、切削効率の問題を生じる。また、ブロックを複数に分割形成した場合、特許文献２の段落番号００１２に記載の如く、突き合わせ部分の加工、特に位置決め凸部の製作のために、全面切削の問題や位置決め凸部の別取り付けなどの問題を生じる。特許文献３では、切削により生じる大量の鋳物砂廃棄物の処理のため、切削用のスピンドルを被切削物の上部に配置し、３軸スライダー全てをスピンドル側に配置することで、下部から大量の鋳物砂廃棄物を排出する構成としている。

特開２００３−１９５４２号公報 特開２００１−３４０９４０号公報 特表２０１２−５１０３７２号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、従来よりも切削工程の時間を短縮すると共に切削粉末の量を低減させ、工程全体の合理化を達成しうる鋳造用鋳型の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る鋳造用鋳型の製造方法の特徴は、鋳型用粉末を硬化させて被切削材を形成する被切削材作成工程と、この被切削材を切削することにより最終鋳型を作成する鋳型作成工程とを有する製造方法において、前記鋳型用粉末は、鋳型用砂であり、前記被切削材作成工程が、少なくとも最終製品相当部分において鋳物方案よりも所定肉厚だけキャビティが小さく形成されるように設定した予備型を前記被切削材として作成する予備型作成工程であり、前記予備型を作成するための抜き型を作成する抜型作成工程を前記予備型作成工程の前に有し、前記予備型作成工程において、前記抜き型に前記鋳型用砂を充填し硬化させて前記予備型を作成することにある。

同方法によれば、最終鋳型の入り組んだ部分は切削加工すればよいため、予備型はより単純化され、したがって、抜き型も同時に単純化されて繰り返し利用ができ、消失模型とは異なりコスト的負担も小さい。しかも、抜き型で作成される予備型は、上記所定肉厚を切削すればよいため、切削時間も短く、切削により生じる粉末の量も従来より大幅に低減される。

上記特徴構成において、前記予備型を分割形成し、前記最終鋳型において隣り合う分割予備型の対向部分に互いに嵌合する凸部と凹部とを設け、凸部は嵌合時よりも所定肉厚だけ大きく、凹部は嵌合時よりも所定肉厚だけ小さく形成してもよい。

同特徴構成によれば、予備型を例えばスライス状に分割形成した場合の各層の継ぎ目において、突起部分は抜き型により突出させればよく、突起を形成するために一層全面を削るといった無駄な工程や、別部材を設ける工程も不要となり、大幅な合理化が図られる。互いに嵌合することとなる突起部分や溝部分は、上記所定肉厚のみ切削すれば足り、嵌合精度も向上する。

上記特徴構成において、湯道及び押湯等の最終製品に含まれない部分は鋳物方案の寸法と同一としてもよい。最終製品に含まれない部分の抜き型による精度がその目的を達成できる程度に作成されていれば、切削は要せず、その分時間短縮が図られる。

前記抜き型は発泡樹脂材料を切削加工して作成してもよい。例えば発泡スチロール等の発泡樹脂材料は切削が容易であり、しかも、抜き型は繰り返し利用が図られるため、例えば発泡スチロールを削った容積分だけ、鋳型作成工程における切削作業が製品の個数分だけ削減されることとなる。

前記予備型の切削の加工機は３軸制御のエンドミルを用いても良い。また、前記加工機は、回転する工具を保持する加工ヘッドと、前記被切削材を支持する支持台とを備え、前記加工機の３軸制御がＸ軸テーブル、Ｙ軸テーブル、Ｚ軸テーブルにより行われるものであり、これら各テーブルのうちいずれかが前記加工ヘッド又は前記支持台のいずれかに設けられ、各テーブルの残りが前記加工ヘッド又は前記支持台の他方に設けられるものとしてもよい。

上記製造方法の特徴によれば、切削粉末の量が激減するため、切削粉末の排出よりも、加工ヘッド及び支持台の相対間のより敏捷な動きを確保するため、各テーブルを配分することができる。これにより、加工ヘッドにテーブルが集中して発生するテーブル制御の慣性力の問題をより緩和することができる。

本発明では、前記予備型の切削用の工具がダイヤモンド焼結体（以下、「ＰＣＤ」）の平板状チップをボディに有する切削工具を用い、シャンクの軸心に対し平板状チップの平面を放射方向に配向すると共に少なくとも円周方向の２か所に設け、支持軸の軸方向に複数枚並べたものが好適に利用できることが判明した。同構成の工具によれば、工具の欠け等も発生にしにくく、上記所定肉厚の加工で高精度を維持することができる。

上記本発明の特徴によれば、従来よりも切削工程の時間を短縮すると共に切削粉末の量を低減させ、工程全体の合理化を達成しうる鋳造用鋳型の製造方法を提供しうるに至った。
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

ＣＡＤデータによる鋳物製品の斜視図である。 ＣＡＤデータによる鋳物方案の斜視図である。 ＣＡＤデータによる鋳型案の透過斜視図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 ＣＡＤデータによる分割鋳型の斜視図であって、（ａ）は第三分割鋳型の上面、（ｂ）は第三分割鋳型の下面、（ｃ）は第二分割鋳型の上面、（ｄ）は第二分割鋳型の下面である。 ＣＡＤデータによる分割鋳型の斜視図であって、（ａ）は切削加工後の第三分割鋳型の下面側、（ｂ）は切削加工前の予備型、（ｃ）は抜き型である。 図６（ａ）のＢ−Ｂ線における図６（ａ），（ｂ）の鋳型の比較断面図である。 加工機の斜視図である。 工具の一部を破砕した側面図である。 工具の側面からの写真である。 工具の図９におけるＤ方向矢視図である。 工具により鋳型用砂が削り取られる加工状況を示す図である。 実験に用いた鋳型の斜視図であって、（ａ）は切削前の実験予備型片、（ｂ）は切削後の実験鋳型片である。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本実施形態の説明では、鋳物製品、鋳物方案、鋳型、予備型、抜き型等はＣＡＤデータとして説明するが、便宜上の区分のためであって、現実の物品としての置き換えも含み、開示されたものとする。また、同一形状の部材、部分は符合を省略するが、符号が伏されているものとして取り扱われるものとする。

本発明の概略の工程では、図１の鋳物製品Ｃ１から、図２の鋳物方案Ｃ２が作成され、図３、４の分割鋳型Ｍ１が作成される。そして、図６（ａ）に示す分割鋳型Ｍ３０から、所定の肉厚量だけ大きく形成された同図（ｂ）に示す予備型Ｍ３０’が作成され、これを作成するための同図（ｃ）に示す抜き型Ｒ３０が作成される。予備型作成工程では、抜き型Ｒ３０に鋳型用粉末である鋳型用砂を充填して図７の予備型Ｍ３０’を作成する。鋳型作成工程では、予備型Ｍ３０’を所定の肉厚量だけ図８の加工機１０で切削することにより、分割鋳型Ｍ３０を作成する。

設計段階において、図１の鋳物製品Ｃ１から作成される鋳物方案Ｃ２は、鋳物製品Ｃ１に相当する製品本体Ｃ１０に、押湯部Ｃ２０、湯道部Ｃ３０、下湯道部Ｃ４０等を設けたものである。この鋳物方案Ｃ２を作成するために、図３，４に示す分割鋳型Ｍ１が作成される。分割鋳型Ｍ１は、第一〜四分割鋳型Ｍ１０〜４０と溶湯を注入するセキ鉢Ｍ５０よりなり、内部に先の鋳物方案Ｃ２と同一のキャビティＣａが形成される。

分割鋳型Ｍ１の理解の容易のために、図４，５を参照しながら、第二分割鋳型Ｍ２０、第三分割鋳型Ｍ３０について説明する。図５（ａ）（ｂ）の第三分割鋳型Ｍ３０では、製品本体Ｃ１０の中央に相当する隆起部ｍ３８があり、押湯部Ｃ２０に相当する押湯ｍ３１、湯道部Ｃ３０に相当する湯道ｍ３２がそれぞれ設けられている。連結湯道ｍ３３は製品本体と押湯３１とをつなぐものである。

第三分割鋳型Ｍ３０の上面には、第一環状溝ｍ３５、第二環状溝ｍ３６が設けられ、第四分割鋳型Ｍ４０の下面から突出する環状の突起と嵌合して、押湯ｍ３１及び湯道ｍ３２から溶湯の漏出を防止する。第三分割鋳型Ｍ３０の下面の大環状突起ｍ３７は、同図（ｃ）の第二分割鋳型Ｍ２０の上面に形成された大環状溝ｍ２３と嵌合して、側壁ｍ２１及び隆起部ｍ３８間のキャビティへの溶湯の漏出を防止する。同図（ｄ）の第二分割鋳型Ｍ２０の下面には、下湯道ｍ２５及びさらに下の溝に嵌合する大環状突起ｍ２６が設けられ、上下面を貫通する湯道ｍ２２が設けられている。

予備型及び抜き型は図６の手順によって作成される。同図（ａ）は先の第三分割鋳型Ｍ３０であり、同図（ｂ）は切削加工される前の予備型Ｍ３０’であり、両者の関係は図７に示すように、予備型Ｍ３０’が第三分割鋳型Ｍ３０に比較して所定の肉厚ｔだけ大きく形成されている。

図６（ｃ）の抜き型Ｒ３０は、内部に鋳型用砂を充填硬化させてこの予備型Ｍ３０’を作成するものであり、予備型Ｍ３０’を所定肉厚ｔ分だけ加工機１０で切削加工して除去し、第三分割鋳型Ｍ３０を得る。図６（ｃ）の抜き型Ｒ３０の湯道凸部ｒ３２、大環状溝ｒ３７、大凹部ｒ３８は、それぞれ、同図（ｂ）の予備型Ｍ３０’の湯道ｍ３２’、大環状湯道ｍ３７’、隆起部ｍ３８’に相当する。

図５（ｂ）（ｄ）から理解されるように、大環状突起ｍ２６、ｍ３７及び隆起部ｍ３８のような部位を方形のブロックから削りだすにはかなりの時間を要し、作業効率が著しく低下する。上述の従来技術のようにこれらの部位を別パーツとして作成し貼り付けるにも別工程が必要となり、複雑な形状の場合は対処しがたい。しかし、本発明の如く抜き型Ｒ３０と予備型Ｍ３０’の切削を併用することで、所定肉厚ｔのみの切削加工で時間が大幅に短縮されることとなる。所定肉厚ｔが薄ければ、後述の切削加工も仕上げに重点を置いた工具を選べばよく、加工精度も向上することとなる。

所定肉厚ｔは、一例を挙げると３ｍｍ〜１０ｍｍ程度であり、部位によって適宜変更が可能である。また、湯道、押湯など、製品精度に関係の無い部位についてはゼロとして、切削加工を行わないようにしてもよい。

予備型作成工程では，抜き型Ｃ３０が非耐熱性の発泡スチロール樹脂等で作成される場合、鋳型用砂等の鋳型用粉末と反応硬化性樹脂を混合した後反応により硬化させること，即ち，いわゆるコールドボックス法を採用するとよい。反応硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂，ポリウレタン樹脂，ポリエステル樹脂等を用いることができる。鋳型用砂としては、例えば、粒度＃４０〜２００（平均粒径０．４〜０．０８ｍｍ）程度の人工砂を用いるとよい。

上記抜き型Ｃ３０が耐熱性材料で作成される場合は、鋳型用砂と熱硬化製樹脂を混合した後加熱するいゆるホットボックス法を採用してもよい。この場合の熱硬化樹脂としては，フェノール樹脂，エポキシ樹脂，メラミン樹脂，ユリア樹脂，ジアリルフタレート樹脂，ポリウレタン，シリコーン樹脂，不飽和ポリエステル樹脂等を用いることができる。

図８に示すように、切削を行う加工機１０は、本体１１及び支持台１２、加工ヘッド１３及び３軸テーブル２０よりなる。３軸テーブル２０は加工ヘッド１３を水平横方向に移動させるＸ軸テーブル２１、加工ヘッド１３を垂直方向に移動させるＺ軸テーブル２３及び被切削材の設置台を水平縦方向に移動させるＹ軸テーブル２２よりなる。そして、Ｙ軸テーブル２２上の設置台に固定された被切削材に対し、加工ヘッド１３の工具３０先端を互いに垂直な３軸方向に相対移動させて、被切削材の切削加工を行う。

工具３０は、図９〜１２に示すように、シャンク３１の先に位置するボディ３２に２か所の螺旋状の凹部３３，３４が設けられ、この凹部３３，３４に切削刃３５が設けられている。切削刃３５は、ダイヤモンド焼結体（以下、「ＰＣＤ」）の平板状体である第一〜第六チップ３５ａ〜３５ｆにより構成されている。

各第一〜第六チップ３５ａ〜３５ｆには各チップのＤ方向矢視図における外側部分が内側部分より先に被切削材に当接するように、１０度以内の有限の値で、すくい角が設けられている。また、凹部３３内において、第三チップ３５ｃよりも先に第一、第二チップ３５ａ，ｂが順次被切削材に当接し、凹部３４内において、第六チップ３５ｆよりも先に第四、第五チップ３５ｄ，ｅが順次被切削材に当接するように、ねじれ角が５〜２０度の範囲で設けられている。

図１１は図９のＤ方向の矢視図であり、回転方向Ｒに回転することで、図１２（平面方向視図であり、図９とは逆方向）に示すように被切削材の砂の粒子Ｐを除去するように切削する。先のすくい角及びねじれ角の付与により、被切削材である砂粒子Ｐは切削刃３５に負担を掛けずに順次除去されることとなる。

ここで、予備型切削の実験例を説明する。上述の工具３０を用いて、図１３（ａ）切削前の実験予備型片Ｍ６０’を切削し、（ｂ）の切削後の実験鋳型片Ｍ６０を得た。試験条件は概略次のとおりである。

工具径１０ｍｍ、１周あたり刃数２枚、回転数３０００ｒｐｍ、角速度９４．２５ｍ／ｍｉｎ、等高ピッチ３ｍｍ、平面ピッチ３ｍｍ、人口砂粒径平均０．２ｍｍ、事件予備型片強度２８．３ｋｇ／ｃｍ²、送り速度１２００〜１３２００ｍｍ／ｍｉｎ

上記で送り速度１２００ｍｍ／ｍｉｎの場合、１２００／（３０００＊２）＝０．２となり、１刃あたりの切削量（取り量）は砂の平均粒径０．２ｍｍと同一となる。この実験により、切削面の荒れ等を考慮して、砂粒径の１０倍以下、望ましくは９倍以下が適切な切削量であることが判明した。

なお、工具の選択にあたり、事前検討を行った。この際、特殊超鋼の螺旋ドリル状工具、超鋼ビット、ＰＣＤを用いたねじれ角なしの工具、メタルボンド工具を用いて行った予備実験では、いずれも工具の欠け、摩耗等を生じ、上記ＰＣＤを用いた工具３０が不具合もなく適切であることが判明し、これを選択した。

鋳型の製作にあたっては、まず、抜型製作工程において、発泡スチロール等のブロックを切削し、抜き型Ｃ３０を作成する。内面には剥離剤を塗布する。次いで、予備型作成構成において、前記抜き型Ｃ３０の凹部に反応性硬化樹脂と混合した鋳型用砂を充填し反応性硬化樹脂を硬化させて、抜き型Ｃ３０から剥離し、予備型Ｍ３０’を得る。

その後、予備型Ｍ３０’を加工機１０で切削して、最終鋳型である第三分割鋳型Ｍ３０を得る。同様の作業を繰り返し、第一分割鋳型Ｍ１０、第二分割鋳型Ｍ２０及び第四分割鋳型Ｍ４０を作製し、セキ鉢Ｍ５０と組み合わせて分割鋳型Ｍ１を得て、これに鋳込みを行う。溶湯は、鋳鉄だけではなく、鋳鋼・ステンレス・アルミ合金・銅合金などの非鉄金属を用いても良い。

最後に、本発明の他の実施形態の可能性について列挙する。
請求項における「少なく最終製品相当部分において鋳物方案よりも所定肉厚だけキャビティが小さく形成されるように設定した予備型」とは、結果としてそのようになることであり、同結果に対する設計の工程は問われない。上記実施形態の他、例えば、鋳物方案を少なくとも最終製品相当部分において所定肉厚だけ小さく設計し、その鋳物方案に合わせて予備型を作成する場合も含まれる。
抜き型の製造は切削に限られない。また、材料は発泡スチロール以外の材料、他の発泡樹脂や耐熱材料、精細な場合は、非発泡の樹脂材料でもよい。
所定の肉厚として３−１０ｍｍ程度を例示したが、これに限られない。砂の粒度との関係で相対的に定められるものであり、切削により精度を維持できることが望まれる。
大環状溝ｍ２３及び大環状突起ｍ３７の如く互いに嵌合する凹凸については、上記実施例では、鋳鉄の漏れ防止及び位置決めの双方の目的で設けたが、これら凹凸は、位置決めのみの目的で設けても構わない。

本発明は、鋳造用鋳型の製造方法として利用することができる。

１０：加工機、１１：本体、１２：支持台、１３：加工ヘッド、２０：３軸テーブル、２１：Ｘ軸テーブル、２２：Ｙ軸テーブル、２３：Ｚ軸テーブル、３０：工具、３１：シャンク、３２：ボディ、３３，３４：凹部、３５：切削刃、３５ａ〜３５ｆ：第一〜第六チップ、Ｃ１：鋳物製品、Ｃ２：鋳物方案、Ｃ１０：製品本体、Ｃ２０：押湯部、Ｃ３０：湯道部、Ｃ４０：下湯道部、Ｍ１：分割鋳型、Ｍ１０：第一分割鋳型、Ｍ２０：第二分割鋳型、Ｍ３０：第三分割鋳型、Ｍ４０：第四分割鋳型、Ｍ５０：セキ鉢、ｍ２１：側壁、ｍ２２：湯道、ｍ２３：大環状溝、ｍ２５：下湯道、ｍ２６：大環状突起、ｍ３１：押湯、ｍ３２：湯道、ｍ３３：連結湯道、ｍ３５：第一環状溝、ｍ３６：第二環状溝、ｍ３７：大環状突起、ｍ３８：隆起部、Ｍ３０’：予備型、ｍ３２’：湯道、ｍ３７’：大環状湯道、ｍ３８’：隆起部、Ｒ３０：抜き型、ｒ３２：湯道凸部、ｒ３７：大環状溝、ｒ３８：大凹部、Ｍ６０’：実験予備型片、Ｍ６０：実験鋳型片、Ｃａ：キャビティ、ｔｍ：切削量

Claims (7)

1. 鋳型用粉末を硬化させて被切削材を形成する被切削材作成工程と、この被切削材を切削することにより最終鋳型を作成する鋳型作成工程とを有する鋳造用鋳型の製造方法であって、
   前記鋳型用粉末は、鋳型用砂であり、
   前記被切削材作成工程が、少なくとも最終製品相当部分において鋳物方案よりも所定肉厚だけキャビティが小さく形成されるように設定した予備型を前記被切削材として作成する予備型作成工程であり、
   前記予備型を作成するための抜き型を作成する抜型作成工程を前記予備型作成工程の前に有し、
   前記予備型作成工程において、前記抜き型に前記鋳型用砂を充填し硬化させて前記予備型を作成する鋳造用鋳型の製造方法。
2. 前記予備型を分割形成し、前記最終鋳型において隣り合う分割予備型の対向部分に互いに嵌合する凸部と凹部とを設け、凸部は嵌合時よりも所定肉厚だけ大きく、凹部は嵌合時よりも所定肉厚だけ小さく形成されている請求項１記載の鋳造用鋳型の製造方法。
3. 湯道及び押湯等の最終製品に含まれない部分は鋳物方案の寸法と同一とする請求項１記載の鋳造用鋳型の製造方法。
4. 前記抜き型が発泡樹脂材料を切削加工したものである請求項１記載の鋳造用鋳型の製造方法。
5. 前記予備型の切削の加工機が３軸制御のエンドミルである請求項１記載の鋳造用鋳型の製造方法。
6. 前記加工機が、回転する工具を保持する加工ヘッドと、前記被切削材を支持する支持台とを備え、前記加工機の３軸制御がＸ軸テーブル、Ｙ軸テーブル、Ｚ軸テーブルにより行われるものであり、これら各テーブルのうちいずれかが前記加工ヘッド又は前記支持台のいずれかに設けられ、各テーブルの残りが前記加工ヘッド又は前記支持台の他方に設けられている請求項５記載の鋳造用鋳型の製造方法。
7. 前記予備型の切削用の工具がダイヤモンド焼結体（以下、「ＰＣＤ」）の平板状チップをボディに有する切削工具であり、シャンクの軸心に対し平板状チップの平面を放射方向に配向すると共に少なくとも円周方向の２か所に設け、支持軸の軸方向に複数枚並べてある請求項５記載の鋳造用鋳型の製造方法。