JP6447404B2

JP6447404B2 - 金型の設計方法

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Publication number: JP6447404B2
Application number: JP2015150263A
Authority: JP
Inventors: 渉清水
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-07-30
Also published as: JP2017029997A

Description

本発明は、複数の金型部品からなる金型の設計方法であって、鋳造時に型締めされた金型内に溶湯を流し込むことにより、鋳造品を好適に製造することができる金型の設計方法に関する。

従来から、鋳造品を製造する際には、複数の金型部品からなる金型を型締めし、型締めされた金型内の空間に溶湯を流し込むことにより、鋳造品が鋳造される。ここで、溶湯を流し込む前の金型の型締め時に、金型部品同士が合わさる見切り面同士の間のクリアランスがゼロとなるように、各金型部品の設計が行われている。

しかしながら、このような金型部品からなる金型を用いて鋳造品を鋳造しようとした場合、溶湯により入熱された金型部品の熱変形により、溶湯が流れ込む空間を形成する金型の内壁面と隣接した金型部品の見切り面同士に、溶湯が流れ込むことがある。これにより、鋳造品にバリが発生することがある。

このような点を考えみて、特許文献１には、金型部品の見切り面同士の隙間量を算出し、鋳造中に見切り面の隙間が規定値以下となるように、金型を設計する方法が提案されている。この設計方法によれば、鋳造中に金型に熱変形が生じたとしても、この熱変形により見切り面同士が接触することにより、見切り面同士に過剰な大きさの隙間が発生することを抑制することができる。これにより、見切り面の間に溶湯が流れ込むことを抑え、鋳造品にバリが発生することを低減することができる。

特開２０００−２６３２１１号公報

しかしながら、特許文献１で設計した金型を用いたとしても、溶湯からの受熱により、金型が熱変形した際に、金型部品同士の接触面圧が高くなる。これにより、金型部品に溶湯からの熱が残っている場合には、金型部品同士が張り付いて、型開き時の離型抵抗が増大することがある。

本発明は、前記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鋳造時に金型部品の見切り面同士に溶湯が流れ込むことを抑制するとともに、型開き時に発生する離型抵抗を低減することができる金型の設計方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係る金型の設計方法は、複数の金型部品からなる金型を型締めすることにより形成された金型内の空間に、溶湯を流し込むことにより、前記空間内に鋳造品を鋳造する金型の設計方法であって、型締めされた状態の前記金型内の前記空間に溶湯を流し込んだ状態における、各金型部品同士の見切り面の熱変形量を算出する工程と、前記熱変形量に基づいて、溶湯を前記金型内の空間に流し込んだ状態において、前記空間を形成する前記金型の内壁面に隣接した第１見切り面同士の間のクリアランスがゼロとなり、かつ、前記内壁面から外れた第２見切り面同士の間に、前記溶湯が流れ込まない大きさのクリアランスが形成されるように、各金型部品を設計する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明により設計された金型によれば、溶湯を金型内の空間に流し込んだ状態で、この空間を形成する内壁面に隣接した第１見切り面同士の間のクリアランスがゼロとなる。これにより、見切り面同士の間に溶湯が流れ込み、鋳造品にバリが発生することを低減することができる。

さらに、内壁面から外れた第２見切り面同士の間には、溶湯を金型内の空間に流し込んだ状態で、クリアランスが形成されるので、鋳造後、金型部品の熱変形が起因となった金型部品同士の張り付きを抑え、型開き時の離型抵抗を低減することができる。また、第２見切り面同士の間のクリアランスは、溶湯が流れ込まない大きさであるので、第２見切り面同士の間に溶湯は流れ込み難い。

本実施形態の設計方法のモデルとなる金型を用いた鋳造方法を説明するための平面図であり、（ａ）は、金型の型締め時の状態を説明するための図であり、（ｂ）は、金型に溶湯を流し込んだ状態を説明するための図であり、（ｃ）は、型開き（離型）の工程を説明するための図である。図１（ａ）に示す状態の金型の要部を示した模式的斜視図である。図２に示す金型のモデルの要部拡大斜視図である。図３に示すモデルを用いた金型の第１見切り面の設計方法を説明するための図であり、（ａ）は、鋳造前の第１見切り面同士（モデル）の熱変形量を示した図であり、（ｂ）は、鋳造時の第１見切り面同士（モデル）の熱変形量を示した図であり、（ｃ）は、第１見切り面の設計値を示した図であり、（ｄ）は、鋳造時の第１見切り面同士（金型）の熱変形量を示した図である。図３に示すモデルを用いた金型の第２見切り面の設計方法を説明するための図であり、（ａ）は、鋳造前の第２見切り面同士（モデル）の熱変形量を示した図であり、（ｂ）は、鋳造時の第２見切り面同士（モデル）の熱変形量を示した図であり、（ｃ）は、第２見切り面の設計値を演算する途中の演算値であり図であり、（ｄ）は、第２見切り面の設計値を示した図であり、（ｅ）は、鋳造時の第２見切り面同士（金型）の熱変形量を示した図である。

以下に、本発明の実施形態に係る金型の設計方法を説明する。

１．金型１について
まず、図１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本実施形態の金型の設計方法のモデルとなる金型１を用いた鋳造方法を説明する。

図１（ａ）は、金型１の型締め時の状態を説明するための図であり、図１（ｂ）は、金型１に溶湯Ｍを流し込んだ状態を説明するための図であり、図１（ｃ）は、型開き（離型）の途中の工程を説明するための図である。図２は、図１（ａ）に示す状態の金型１の要部を示した模式的斜視図であり、図２では、説明の便宜上、後述する下型１３に形成された湯道２１は省略している。

本実施形態に係る金型１は、可動型１０と固定型（図示せず）を備えており、図１（ａ）に示す可動型１０には、鋳造品の形状に応じたキャビティ２２が形成されている。可動型１０は、図１（ａ）の紙面に対して垂直方向に可動し、固定型（図示せず）は、可動型１０より、図１（ａ）の紙面手前側に位置している。

本実施形態では、可動型１０は、ベース型１１と、ベース型１１に対して上下方向に移動する上型１２および下型１３と、ベース型１１に対して、左右方向に移動する右型１４および左型１５と、を備えている。これらの型が、本発明でいう「金型部品」に相当する。上型１２、下型１３、右型１４、および左型１５は、それぞれ、シリンダ（図示せず）に連結されており、これにより、金型１の型締めおよび型開きを行うことができる。

金型１の型締め時には、まず、可動型１０と固定型とが離間した状態で、キャビティ２２を形成すべく、ベース型１１に対して右型１４および左型１５を移動させ、さらに、ベース型１１に対して上型１２および下型１３を移動させる（図１（ａ）および図２参照）。このような状態で、可動型１０を、図１（ａ）の紙面手前側に移動させ、固定型に接触させることにより、金型１の型締めが完了する。

この状態で、図１（ｂ）に示すように、下型１３に形成された湯道２１を介して、溶湯Ｍをキャビティ２２に流し込む。その後、キャビティ２２内で溶湯Ｍが凝固した鋳造品Ｐを離型する。なお、本発明でいう「空間」とは、湯道２１およびキャビティ２２を含む、金型１内に溶湯Ｍが流れる空間のことである。

金型１から鋳造品Ｐを離型する際には、金型１の型開きを行う。具体的には、まず、可動型１０を固定型から離間するように、図１（ｃ）の紙面奥側に移動させる。次に、可動型１０のベース型１１から離れるように、上型１２および下型１３を移動させ、引き続き、右型１４および左型１５を移動させる。このようにして、鋳造品Ｐを鋳造することができる。

ここで、たとえば下型１３を例示して説明すると、図１（ａ）および図２に示す型締めの際に、下型１３と、右型１４および左型１５とが合わさる部分には、第１見切り面が形成され、下型１３とベース型１１とが合わさる部分には、第２見切り面が形成される。

より具体的には、下型１３と右型１４が合わさった部分には、下型１３の第１見切り面１３ａと、右型１４の第１見切り面１４ａとが、形成される。下型１３と左型１５が合わさった部分には、下型１３の第１見切り面１３ｂと、左型１５の第１見切り面１５ａとが、形成される。一方、下型１３とベース型１１が合わさった左右の部分には、下型１３の第２見切り面１３ｃ，１３ｄとベース型１１の第２見切り面１１ａ，１１ｂと、がそれぞれ形成される。

上述した第１見切り面同士１３ａ，１４ａ（１３ｂ，１５ａ）は、金型１内のキャビティ２２を形成する内壁面２２ａに隣接した部分の見切り面同士である。一方、第２見切り面同士１３ｃ，１１ａ（１３ｄ，１１ｂ）は、内壁面２２ａから外れた第２見切り面同士である。本実施形態では、異なる平面に第１見切り面と第２見切り面が形成されているが、これらの見切り面を同一平面上に形成してもよい。

ここで、一般的な金型では、溶湯を流し込む前の型締め時に、第１見切り面同士の間のクリアランスがゼロとなるように設計（冷間設計）されていた。しかしながら、この状態で、図１（ｂ）に示すごとく、金型１内の湯道２１およびキャビティ２２に溶湯Ｍを流した場合、溶湯Ｍからの受熱により金型１は熱変形し、第１見切り面同士１３ａ，１４ａ（１３ｂ，１５ａ）に大きな隙間が発生することがある。これにより、鋳造中に、第１見切り面同士の隙間に溶湯Ｍが入り込み、鋳造品Ｐにバリが発生することがあった。

同様に、一般的な金型では、溶湯を流し込む前の型締め時に、第２見切り面同士の間のクリアランスも、ゼロとなるように設計（冷間設計）されていた。しかしながら、この状態で鋳造後、図１（ｃ）に示すごとく、鋳造品Ｐを金型１から離型しようとした場合、溶湯Ｍからの熱が下型１３とベース型１１に残っていると、下型１３とベース型１１の第２見切り面同士１３ｃ，１１ａ（１３ｄ，１１ｂ）の接触面圧が高くなっていることがある。これにより、下型１３とベース型１１が張り付いて、金型１の型開き時の離型抵抗が増大することがある。

このような点を鑑みて、本実施形態では、以下のように、金型１を熱間設計する。まず、図３に示すように、まず型締め状態における可動型１０のモデルを作製する。

２．第１見切り面の設計について
以下の実施形態では、第１見切り面同士１３ａ，１４ａを一例として、その設計方法を説明する。まず、熱解析を行うべく、溶湯Ｍを流す前の型締め時の第１見切り面同士１３ａ，１４ａの間のクリアランスがゼロとなるようにモデルを作製する。なお、このモデルをベースに以下に示す熱解析の結果（第１見切り面同士の熱変形量）に基づいて、下型１３と右型１４の第１見切り面１３ａ，１４ａを設計（補正）する。下型１３の第１見切り面１３ａおよび右型１４の第１見切り面１４ａの双方に、Ａ〜Ｅ行、ａ〜ｈ列の格子点が形成されるように、格子状にメッシュを切る。

したがって、図４（ａ）に示すように、第１見切り面における、鋳造前（型締め時）のモデルの上下方向の熱変形量は、各格子点Ａａ，Ｂａ，…，Ｅａですべて０となる。この状態の第１見切り面１３ａ，１４ａが以下に示す設計時の基準面となる。この基準面に対して、以下に示す熱変形量を考慮した補正を行う。

なお、図４（ａ）〜（ｄ）に示す、熱変形量の値および設計値が（＋）である場合、その値は、型締め時に第１見切り面同士１３ａ、１４ａが当接し、これらが熱変形により圧縮変形した総変形量に相当する。一方、熱変形量の値および設計値が（−）である場合、その値は、第１見切り面同士１３ａ、１４ａの間に形成されたクリアランスの大きさに相当する。

このような状態で、金型１に溶湯Ｍを流し込んだ状態における、下型１３および右型１４の各第１見切り面１３ａ，１４ａの熱変形量を算出する。具体的には、鋳造条件におけるキャビティ２２に溶湯Ｍが流れ込んだ状態での金型１に入熱される最大熱量（最大温度）を初期条件として、ＦＥＭにより一般的に知られた熱解析を行う。これにより、各格子点Ａａ，Ｂａ，…Ｄｈ，Ｅｈの上下方向の熱変形量を算出する。

具体的には、第１見切り面同士１３ａ，１４ａ同士の間のクリアランスがゼロとなる位置から、各第１見切り面１３ａ，１４ａが上下方向に熱変形した量の総和を算出する。これにより、図４（ｂ）に示すように、鋳造時の第１見切り面同士（モデル）の熱変形量を得ることができる。

ここで、例えば、格子点Ａａでは、溶湯Ｍの熱により、第１見切り面同士１３ａ，１４ａが熱変形により、総量で０．１ｍｍ程度圧縮変形している。格子点Ｅａでは、第１見切り面同士１３ａ，１４ａが熱変形により、０．１８ｍｍ程度のクリアランスが発生している。

次に、図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）で算出した熱変形量の値の正負の値を反転し、この値を、型締め時の第１見切り面１３ａ，１４ａの設計値とする。たとえば、格子点Ａａに相当する位置では、溶湯を流し込む前の型締め時に、第１見切り面同士１３ａ，１４ａ同士の間のクリアランスが０．１ｍｍ形成されるように、第１見切り面同士１３ａ，１４ａを設計する。具体的には、図４（ａ）で説明した基準面となる第１見切り面同士１３ａ，１４ａに対して、このクリアランスが形成されるように補正する。

一方、格子点Ｅａに相当する位置では、溶湯を流し込む前の型締め時に、第１見切り面同士１３ａ，１４ａが、総量で０．１８ｍｍ圧縮変形するように、第１見切り面同士１３ａ，１４ａを設計する。

このように、熱変形量の正負の値を反転した設計値（図４（ｃ）参照）を用いることにより、溶湯Ｍを金型内の空間に流し込んだ状態で、図４（ｄ）に示すように、キャビティ２２を形成する内壁面２２ａに隣接した第１見切り面１３ａ，１４ａ同士の間のクリアランスがゼロとなるように、熱間設計することができる。

本実施形態では、第１見切り面同士１３ａ，１４ａの他にも、キャビティ２２を形成する内壁面２２ａに隣接した第１見切り面同士１３ｂ，１５ａ、さらにはその他の第１見切り面同士も同様に設計する。

なお、本実施形態では、キャビティ２２を形成する内壁面２２ａに隣接した位置に第１見切り面を想定していたが、例えば、湯道２１に第１見切り面が形成されている場合には、同様の設計を行う。

このように第１見切り面を設計することにより、溶湯Ｍを金型１内のキャビティ２２に流し込んだ状態で、内壁面２２ａに隣接した第１見切り面同士の間のクリアランスがゼロとなるので、第１見切り面同士の間にバリが発生することを低減することができる。

また、仮に、鋳造条件の変更により、金型１が熱膨張し、第１見切り面同士がさらに加圧されたとしても、第１見切り面同士に作用する面圧は均一となる。これにより、第１見切り面同士の間にバリが発生し難い。

３．第２見切り面の設計について
上述した第１見切り面同士１３ａ，１４ａの設計と同様に、溶湯Ｍを流す前の型締め時の第２見切り面同士１３ｃ，１１ａの間のクリアランスがゼロとなるようにモデルを作製する。下型１３の第２見切り面１３ｃおよびベース型１１の第２見切り面１１ａの双方に、Ｅ〜Ｋ行、ａ〜ｈ列の格子点が形成されるように、格子状にメッシュを切る（図３参照）。

したがって、図５（ａ）に示すように、第２見切り面における、鋳造前（型締め時）のモデルの上下方向の熱変形量は、各格子点Ｅａ，Ｆａ，…，Ｋａですべて０となる。なお、図５（ａ）〜（ｅ）に示す、熱変形量の値、演算値、および設計値が（＋）である場合、その値は、型締め時に第２見切り面同士１３ｃ，１１ａが当接し、これらが熱変形により圧縮変形した総変形量に相当する。一方、熱変形量の値、演算値、および設計値が（−）のときは、その値は、第２見切り面同士１３ｃ，１１ａの間に形成されたクリアランスの大きさに相当する。

このような状態で、金型１に溶湯Ｍを流し込んだ状態における、下型１３およびベース型１１の各第２見切り面１３ｃ，１１ａの熱変形量を算出する。具体的には、キャビティ２２に溶湯Ｍが流れ込んだ際の最大熱量を初期条件として、ＦＥＭにより一般的に知られた熱解析を行う。これにより、各格子点Ｅａ，Ｆａ，…Ｊｈ，Ｋｈの左右方向の熱変形量を算出する。

より具体的には、第２見切り面同士１３ｃ，１１ａの間のクリアランスがゼロとなる位置から、各第２見切り面１３ｃ，１１ａが左右方向に熱変形した量の総和を算出する。これにより、図５（ｂ）に示すように、鋳造時の第２見切り面同士（モデル）の熱変形量を得ることができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）で算出した熱変形量の値の正負の値を反転する。ここで、第１見切り面の設計と同様に、この値を設計値としてしまうと、溶湯Ｍを金型内のキャビティ２２に流し込んだ状態で、第２見切り面同士１３ｃ，１１ａの間のクリアランスがゼロになってしまう。

そこで、第２見切り面の設計の際には、図５（ｄ）に示すように、図５（ｃ）で示した演算値から、さらにクリアランス（本実施形態では、例えば０．１５ｍｍ）が形成されるように、このクリアランス分、オフセットし、これを設計値とする。

ここで、オフセットするクリアランスは、想定される溶湯温度、溶湯の圧力、溶湯の流速の鋳造条件から、見切り面の間に溶湯が差し込まない（流れ込まない）隙間を算出してもよい。また、実際に金型部品からなる金型を作製し、上述した鋳造条件で、鋳造品を鋳造し、見切り面同士のクリアランスと生成される鋳造品のバリの最少厚みとの関係から、バリの最小厚みよりも狭いクリアランスに設定してもよい。

このようにして設計値を求めることにより、溶湯Ｍを金型１内の空間に流し込んだ状態の熱変形により、図５（ｅ）に示すように、第２見切り面同士１３ｃ，１１ａの間に、一定のクリアランスを形成するように、第２見切り面同士１３ｃ，１１ａを設計することができる。

本実施形態では、第２見切り面同士１３ｃ，１１ａの他にも、第２見切り面同士１３ｄ，１１ｂ、さらにはその他の第２見切り面同士も同様に設計する。

このように、キャビティ２２の内壁面２２ａから外れた第２見切り面同士１３ｃ，１１ａの間には、溶湯Ｍを金型１内の空間に流し込んだ状態で、クリアランスが形成される。したがって、鋳造後、金型１に溶湯Ｍからの熱が残っている場合であっても、熱変形が起因となったベース型１１に対する下型１３等の張り付きを抑え、型開き時の離型抵抗を低減することができる。第２見切り面同士のクリアランスは、溶湯が流れ込まない大きさであるので、第２見切り面間に溶湯は流れ込み難い。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１：金型、１０：可動型、１１：ベース型、１１ａ，１１ｂ：第２見切り面、１２：上型、１３：下型、１３ａ，１３ｂ：第１見切り面、１３ｃ，１３ｄ：第２見切り面、１４：右型、１４ａ：第１見切り面、１５：左型、１５ａ：第１見切り面、２１：湯道、２２：キャビティ

Claims

複数の金型部品からなる金型を型締めすることにより形成された金型内の空間に、溶湯を流し込むことにより、前記空間内に鋳造品を鋳造する金型の設計方法であって、
前記各金型部品のモデル同士の見切り面の双方に複数の格子点が形成されるように、前記各モデルの前記見切り面に格子状にメッシュを切る工程と、
型締めされた状態の前記金型内の前記空間に溶湯を流し込んだ状態における、前記各金型部品同士の前記見切り面同士に形成された前記各格子点において、前記見切り面同士が熱変形により圧縮変形した圧縮変形量を正とし、前記見切り面同士の間に形成されたクリアランスの大きさを負として、熱変形量を算出する工程と、
前記各格子点において、算出した熱変形量の正負の値を反転することで、溶湯を前記金型内の前記空間に流し込んだ状態において、前記見切り面同士のうち前記空間を形成する前記金型の内壁面に隣接した第１見切り面同士の間の前記圧縮変形量および前記クリアランスがゼロとなり、かつ、前記見切り面同士のうち前記内壁面から外れた第２見切り面同士の間に、前記溶湯が流れ込まない大きさのクリアランスが形成されるように、前記各金型部品を設計する工程と、を含むことを特徴とする金型の設計方法。