JP6497226B2 - 鋳造成形品、及び該鋳造成形品を製造する低圧鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造成形品、及び該鋳造成形品を製造する低圧鋳造装置に係り、更に詳細には、薄肉かつ複雑な形状であっても、鋳造欠陥の発生を防止できる鋳造成形品、及び該鋳造成形品を製造する低圧鋳造装置に関する。

自動車に搭載されるエンジンはシリンダヘッドを有する。上記シリンダヘッドは、低圧鋳造装置によって作製される中空の鋳造成形品である。

近年においては、自動車構成部品の軽量化への要請から、シリンダヘッドの厚みが可及的に薄く設定されるが、低圧鋳造法装置（方法）では、薄肉化すると湯廻り性が低下して鋳造欠陥が生じ易い。

特許文献１の特開２０１４−５０８８３号公報には、湯口とキャビティとを連通させるファンゲートの形状を、キャビティ側に拡がる扇形状にすると共に、キャビティに向けて断面積を漸次減少させ、上記ファンゲートをキャビティの側面下部に接続することで薄肉化を可能にした低圧鋳造装置が開示されている。

特開２０１４−５０８８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の低圧鋳造装置は、サスペンションメンバを作製するものであり、薄肉化されたシリンダヘッドの成形には不向きである。

つまり、サスペンションメンバは、概して、内部形状が単純で肉厚もおよそ均一なものであるのに対し、シリンダヘッドは内部形状が複雑で充填経路が屈曲しており、かつ肉厚が不均一なものである。

また、サスペンションメンバは、水平方向に大きいものであるため、溶湯が略水平方向に流れて成形されるが、シリンダヘッドは略直方体形状であるため、溶湯は略垂直方向に流れる。また、シリンダヘッドの作製ではキャビティ下の湯口スペースが限られる。

このように、シリンダヘッドは、内部構造や湯廻りの状態等が、サスペンションメンバとは大きく異なるものであり、湯口を薄くすることによっては、鋳造欠陥の発生を防止しつつ薄肉化することができない。

図１にシリンダヘッドの概略図を示す。図１（ａ）は、シリンダヘッドの底部、すなわち、燃焼室側から見た平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中、Ａ−Ａ’の断面図である。

シリンダヘッド１００は、一般的に、図１（ｂ）に示すように、底部１１０と、該底部の外周から立ち上がる外壁部１２０とによって、略直方体形状の外形が形成され、必要に応じて、上記外壁部２から斜め上方に突出する、インテークポート等の突出部１５０が形成される。
シリンダヘッドの内部には、上記外壁部２によって橋架されたアッパーデッキ等の棚部１３０を備える。
なお、底部１１０の底面は、図示しないシリンダブロックに臨むガスケット面となる。

上記シリンダヘッド１００は、低圧鋳造法によって作製されるものであり、キャビティの下部に接続されたファンゲート１２から溶湯が供給され、キャビティ上方に向けて充填される。

キャビティに供給された溶湯は、まず、図１（ｂ）の矢印で示すように、底部１方向と外壁部方向に分かれて流れ、溶湯面が上昇することで、外壁部等を介して棚部１３０に溶湯が充填される。
しかし、薄肉化されたシリンダヘッドは溶湯流路、すなわちキャビティが狭く形成されるため、湯廻り性が低下する。特に、上層の棚部１３０への充填経路は、例えば、インテークポートやエクゾーストポート等を迂回するものとなるため、ファンゲート１２接続部からの充填距離が長く、かつ屈曲したものとなる。したがって、上層の棚部１３０には充分な溶湯が充填されず、鋳造欠陥が生じ易い。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、薄肉かつ複雑な形状であっても鋳造欠陥の発生を防止できる鋳造成形品、及び該鋳造成形品を製造する低圧鋳造装置を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、湯廻りし難い上層の棚部とファンゲート接続部とを直接繋ぐ縦壁を設けることで、充填経路が短くなって湯廻り性が向上し、鋳造欠陥の発生防止をできるだけでなく、上記縦壁によって鋳造成形品全体の剛性が向上し、さらなる薄肉化が可能になることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の鋳造成形品は、底部と、該底部の外周から立ち上がる外壁部と、該外壁部に橋架された棚部と、鋳造装置の湯道によって上記底部の下面に形成された複数の方案部と、を備える。
そして、上記複数の方案部のうちの少なくとも一つが、上記底部の外周よりも内側に形成され、さらに、上記底部の外周よりも内側に形成された方案部と上記棚部とを直接繋ぐ縦壁を有し、上記複数の方案部のうちの少なくとも一つが、上記底部の下面に向けて上り傾斜を有し、その傾斜角度が、溶湯を外壁部方向と底部方向とに分散させ得る角度であることを特徴とする。

また、本発明の低圧鋳造装置は上記鋳造成形品を製造するものである。この低圧鋳造装置は、鋳型のキャビティの下側に、上記キャビティから離間して配置された湯口と、該湯口とキャビティとを連通させる複数のファンゲートとを備える。
そして、上記キャビティが、上記ファンゲートによって成形される鋳造成形品の複数の方案部のうち、上記底部の外周よりも内側に形成された方案部と上記棚部とを直接繋ぐ縦壁を形成する部位を有し、
上記複数のファンゲートが、キャビティの下面に接続され、上記複数のファンゲートのうち少なくとも一つが上記キャビティに向けて上り傾斜を有し、その傾斜角度が溶湯を外壁部方向と底部方向とに分散させ得る角度であることを特徴とする。

本発明によれば、湯廻りし難い上層の棚部と、溶湯が供給されるファンゲート接続部とを、直接繋ぐ縦壁を設けることとしたため、上記上層の棚部までの充填経路が短くなって、湯廻り性が向上して薄肉化が可能になり、軽量化と鋳造欠陥の発生防止とを両立できる鋳造成形品を提供することができる。

（ａ）は、シリンダヘッドを燃焼室側から見た平面図である。（ｂ）は、シリンダヘッドの内部形状の一例を示す図である。 本発明のシリンダヘッドに設ける方案部及び縦壁の位置の一例を示す図である。 本発明の低圧鋳造装置の一例を示す概略図である。 溶湯の加圧及びキャビティの減圧パターンの一例を示すグラフである。 ファンゲートの一例を示す概略図である。

本発明の実施の形態に係る鋳造成形品としてのシリンダヘッドについて詳細に説明する。シリンダヘッドは、シリンダブロックと共にエンジンを構成する最も基礎的な部品である。
図２に本発明の本発明の鋳造成形品の概略図を示す。図２（ａ）は、シリンダヘッドの底部、すなわち、シリンダヘッドの燃焼室側から見た平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中、Ａ−Ａ’の断面図、図２（ｃ）は、Ｂ−Ｂ’の断面図である。
なお、図２（ａ）に示す方案部１６０は接続される箇所を示しており、扇状の部分を省略している。

上記鋳造成形品は、図２（ｂ）に示すように、底部１１０、該底部１１０の外周から立ち上がる外壁部１２０、及び該外壁部に橋架された複数の棚部を備える。上記棚部は、略水平方向に拡がりを有する部位であり、例えば、アッパーデッキ１３１、吸気ポート壁１３２、排気ポート壁１３３等である。

そして、上記底部１１０の底面には、低圧鋳造装置の湯道によって形成される、溶湯が固化した方案部１６０が一体的に連なる。
なお、上記底部１１０の底面は、シリンダブロックに臨むガスケット面であり、上記方案部１６０が除去されてシリンダヘッド１００となる。

具体的には、図２（ｂ）に示すように、底部１１０には、燃焼室２００の天井面となる燃焼室壁１１１に連続して、吸気ポート２１０を形成する吸気ポート壁１３２、及び、排気ポート２２０を形成する排気ポート壁１３３、及び点火プラグ取付孔２３０を形成するプラグ壁１７０がそれぞれ設けられている。
なお、上記吸気ポート及び排気ポートは、外壁部から突出して突出部１５０を形成していてもよい。

上記吸気ポート２１０及び排気ポート２２０の上方にはアッパーデッキ１３１が設けられ、さらに、アッパーデッキの上方には、吸気ポート２１０又は排気ポート２２０を開閉するバルブが備えられるバルブガイド部１３４が設けられており、複数層の棚部を有する。

また、燃焼室壁１１１、吸気ポート壁１３２および排気ポート壁１３３の周囲には、冷却水が通流する中空のウォータジャケット１４０が形成されている。

本発明のシリンダヘッドは、図２（ｃ）に示すように、上記方案部１６０、すなわち、ファンゲートの接続部と上記アッパーデッキ１３１等の棚部とを直接繋ぐ縦壁１８０を備える。上記縦壁１８０によって、上記棚部までの充填経路が短くなり、かつ直線的になるため、湯廻り性が向上して鋳造欠陥の発生が防止されると共に、鋳造成形品全体の剛性が向上して、さらなる薄肉化が可能になって軽量化される。

上記方案部１６０及び該方案部１６０から延びる上記縦壁１８０は、図２（ａ）、図２（ｃ）に示すように、燃焼室壁１１１間の上部に設けることが好ましい。
ウォータジャケット１４０内に縦壁１８０を設けることによって、アッパーデッキ１３１への湯廻り性が向上するだけでなく、シリンダヘッド全体の剛性が向上し、また冷却水の流れをも向上させることができる。

すなわち、シリンダヘッド１００は、上方からの投影面積が概して小さいものであり、キャビティ下の湯口スペースの確保が困難である。また、方案部１６０の除去が必要であるため、燃焼室２００の近傍にファンゲート１２を接続すると圧縮等に影響を及ぼすことが懸念されるため、底部１１０の外周部から溶湯を供給することが多い。
したがって、燃焼室上部の略水平方向に拡がるアッパーデッキ１３１等の棚部は、上記底部１１０の外周部に設けられたファンゲート１２から離れ、かつ充填経路が屈曲しているため、特に湯廻りし難い箇所である。

本発明においては、上記縦壁１８０を設けることで、外壁部１２０を介さずに溶湯の充填が可能になり、湯廻り性が向上する。
また、後述するキャビティ側に拡がる扇形状のファンゲートを用いることで湯口スペースが確保されると共に、方案部１６０の肉厚が薄くなるため、方案部１６０の除去が容易である。

次に、本発明の低圧鋳造装置について説明する。
図３に示す低圧鋳造装置１は、周知の基本構造を有するものであり、テーブル状の固定盤２と、固定盤２の下側に配置した保持炉３と、固定盤２に立設した一対の支柱４に沿って昇降駆動される可動盤５を備えている。固定盤２には、鋳型６の下型（固定型）６Ｌが設けてあり、可動盤５には、鋳型６の上型（可動型）６Ｕが設けてある。鋳型６は、上型６Ｕ及び下型６Ｌとの間に、鋳物の成形空間であるキャビティＣを形成する。

可動盤５の上面には、一対のガイドポスト７と、ガイドポスト７により上下に案内されるエジェクタプレート８と、エジェクタプレート８を昇降駆動するシリンダ９が設けてある。エジェクタプレート８には、可動盤５及び上型６Ｕを摺動自在に貫通する適数のエジェクタピン１０が設けてある。

また、低圧鋳造装置１は、図示を省略したが、可動盤５を昇降させる駆動装置、保持炉３に収容した溶湯を加熱するためのヒータ、及び鋳造時に保持炉３内を加圧するためのガス供給装置などを備えており、保持炉３内を加圧することによりストーク（図示せず）を介して溶湯をキャビティＣに供給する。

さらに、低圧鋳造装置１は、より好ましい実施形態として、図３中に仮想線で示すように、鋳型６のキャビティＣ内のガスを吸引する減圧装置Ｖを備えたものとすることができる。
溶湯の充填時において、減圧手段Ｖにより補助的にキャビティＣ内の空気の吸引を行うことにより、溶湯の湯廻り性が向上し、鋳造成形品の品質を高めることができる。

上記減圧手段Ｖを備える場合は、図４に加減圧のパターンを示すように、保持炉内の溶湯を所定の初期圧力（＋Ｐ１）まで加圧して、溶湯を湯口１１まで上昇させる。その後、保持炉内の溶湯を充填圧力（＋Ｐ２）まで加圧すると共に、キャビティ内を減圧（−Ｐ）して、キャビティ内に溶湯を充填する。

本発明の低圧鋳造装置は、低圧鋳造法に基づいて、鋳造成形品としてシリンダヘッドを成形するものであり、具体的には、図２に示す自動車用エンジンのシリンダヘッドを製造するものであり、アルミニウム又はアルミニウム合金等を用いる。

シリンダヘッドは一般的に略直方体形状をしており、水平方向の広がりが小さいものでるため、キャビティ下の湯口スペースが限られる。したがって、複数の湯口を配設する場合には、シリンダヘッドの外周部に湯口が接続されることが多い。
しかし、シリンダヘッドは内部構造が複雑であるため、溶湯充填経路が屈曲し、かつ溶湯の流れる距離が長くなるので、シリンダヘッドの中央上部の略水平な棚状部位に溶湯が廻り難く、特に薄肉化したシリンダヘッドでは鋳造欠陥が生じ易い。

本発明の低圧鋳造装置１は、湯口をキャビティＣから離間してキャビティＣの下側に配置し、キャビティＣの下面と湯口１１と連通させるファンゲート１２を配置している。
上記ファンゲート１２は、図５に示すように、平面視でキャビティ側に拡がる扇形状をしており、広範囲に溶湯を供給できると共に、キャビティに向かって断面積が漸次減少し、キャビティ側の開口部の厚さが、キャビティの肉厚と同等の間隔であるので、キャビティ内に流れ込む溶湯に乱流が生じ難い。

上記ファンゲート１２は、キャビティの下面に接続され、キャビティに向けて上り傾斜を有するものであることが好ましい。シリンダヘッドは、水平方向だけでなく、垂直方向に多くの溶湯を流して形成するものであるため、キャビティの下面から上り傾斜で供給することで、溶湯が上方に流れやすくなる。

具体的には、キャビティ外周部に接続されるファンゲートから溶湯の流れを外壁部１２０方向と底部１１０方向に分散させて、シリンダヘッド全体への湯廻りを向上させることができる。また、キャビティ中央部に接続されるファンゲートを、上記縦壁１８０の方向に向けることでさらに湯廻性を向上できる。
上記傾斜角度は、キャビティの形状等にもよるが３５°〜５５°であることが好ましい。

上記ファンゲート１２は、砂型等の断熱部材で形成することができる。

また、本発明の低圧鋳造装置の鋳型のキャビティＣは、図２（ｃ）に示す、ファンゲートの接続部とシリンダヘッドの中央上部の略水平な棚状部位とを直接繋ぐ、縦壁１８０を形成するものである。したがって、上記棚状部位への充填経路が短くなり、かつ直線的になる。

さらに、ファンゲートの接続部断面積を、ファンゲート間で異ならせることもできる。
キャビティの内部形状によってファンゲートが供給する溶湯量が異なることがあり、充填時間の差を小さくすることでエアの巻き込み等、鋳造欠陥の発生を防止できる。

本発明の低圧鋳造装置は、図２（ａ）に示すように、キャビティの外周から内側、具体的には、底部の燃焼室壁１１１と燃焼室壁１１１との間に接続するファンゲートを備える。キャビティの下面中央部からも溶湯を供給することで、溶湯の充填経路長を全体的に短くすることができる。
そして、上記キャビティは、燃焼室壁１１１間のファンゲート接続部と上記アッパーデッキ１３１等の棚部とを直接繋ぐ縦壁を形成する。したがって、シリンダヘッドの中央上部のアッパーデッキ１３１等の略水平な棚状部位にも溶湯が廻り易くなる。

また、シリンダヘッドが、略直方体の外壁部から突出する吸気ポート等の突出部１５０を有するものである場合は、該突出部直下にファンゲートを設け、該ファンゲートを略垂直方向に接続することが好ましい。

また、上記湯口は、図５に示すように、上端部が閉塞された断面円形の空洞部であって、上端部近傍の側部にファンゲート１２が接続してあり、ファンゲート１２との接続部よりも上位側（上端部）にトラップ用空間１１Ａを備えている。

低圧鋳造装置は、湯口１１の上端部にトラップ用空間１１Ａを備えているので、キャビティＣに溶湯を充填する際に、溶湯表面の酸化皮膜や前ショットの凝固殻をトラップ用空間１１Ａで捕らえ、不純物のない溶湯のみをファンゲート１２に送り込むことができる。
また、ファンゲート１２がキャビティＣ側に上り傾斜を成しているので、通過する溶湯への空気の巻き込みを防ぐことができる共に、溶湯を上方に向けて供給できる。

低圧鋳造装置１の動作について説明する。
上記構成を備えた低圧鋳造装置１は、図３に示すように、鋳型６内に砂型１３や中子５０をセットした後、エジェクタプレート８とともにエジェクタピン１０を引き上げた状態にすると共に、可動盤５を下降させて鋳型６の上型６Ｕと下型６Ｌを閉じる。

次に、保持炉３内を加圧することにより溶湯をキャビティＣに充填する。この際、減圧手段Ｖを作動させてキャビティＣ内の空気を吸引することも有効である。

そして、低圧鋳造装置１は、キャビティＣ内の溶湯が凝固したのち、可動盤５を上昇させて鋳型６を開く。その後、上型６Ｕと下型６Ｌとの間に図示しない鋳物受けを配置し、エジェクタプレート８とともにエジェクタピン１０を下降させて鋳物を鋳型６から外し、さらに、中子５０及び方案部１６０を除去する。

本発明の低圧鋳造装置は、その構成が上記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で構成の細部を適宜変更することができる。
また、本発明の低圧鋳造装置は、低圧鋳造法に基づいて薄肉で内部構造が複雑な各種鋳物を成形することが可能である。

１ 低圧鋳造装置
２ 固定盤
３ 保持炉
４ 支柱
５ 可動盤
６ 鋳型
７ ガイドポスト
８ エジェクタプレート
９ シリンダ
１０ エジェクタピン０
１１ 湯口
１２ ファンゲート
Ｃ キャビティ
Ｖ 減圧装置
１００ シリンダヘッド
１１０ 底部
１１１ 燃焼室壁
１２０ 外壁部
１３０ 棚部
１３１ アッパーデッキ
１３２ 吸気ポート壁
１３３ 排気ポート壁
１３４ バルブガイド部
１４０ ウォータジャケット
１５０ 突出部
１６０ 方案部
１７０ プラグ壁
１８０ 縦壁
２００ 燃焼室
２１０ 吸気ポート
２２０ 排気ポート
２３０ 点火プラグ取付孔

Claims (8)

1. 底部と、該底部の外周から立ち上がる外壁部と、該外壁部に橋架された棚部と、
   鋳造装置の湯道によって上記底部の下面に形成された複数の方案部と、を備える鋳造成形品であって、
   上記複数の方案部のうちの少なくとも一つが、上記底部の外周よりも内側に形成され、
   さらに、上記底部の外周よりも内側に形成された方案部と上記棚部とを直接繋ぐ縦壁を有し、
   上記複数の方案部のうちの少なくとも一つが、上記底部の下面に向けて上り傾斜を有し、その傾斜角度が、溶湯を外壁部方向と底部方向とに分散させ得る角度であることを特徴とする鋳造成形品。
2. 上記傾斜角度が、３５°〜５５°であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造成形品。
3. 上記方案部が、上記底部の下面に向かって断面積が漸次減少し、かつ平面視で底部の下面側に拡がる扇形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造成形品。
4. 上記鋳造成形品が、シリンダヘッドであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の鋳造成形品。
5. 底部と、該底部の外周から立ち上がる外壁部と、
   該外壁部に橋架された棚部と、
   鋳造装置の湯道によって上記底部の下面に形成された複数の方案部と、を備え、
   上記複数の方案部のうちの少なくとも一つが、上記底部の外周よりも内側に形成され、
   さらに、上記底部の外周よりも内側に形成された方案部と上記棚部とを直接繋ぐ縦壁を有する鋳造成形品を成形する低圧鋳造装置であって、
   鋳型のキャビティの下側に、上記キャビティから離間して配置された湯口と、
   該湯口とキャビティとを連通させる複数のファンゲートとを、備えるものであり、
   上記キャビティが、上記ファンゲートによって成形される鋳造成形品の複数の方案部のうち、上記底部の外周よりも内側に形成された方案部と上記棚部とを直接繋ぐ縦壁を形成する部位を有し、
   上記複数のファンゲートが、キャビティの下面に接続され、上記複数のファンゲートのうち少なくとも一つが上記キャビティに向けて上り傾斜を有し、その傾斜角度が外壁部方向と底部方向とに分散させ得る角度であることを特徴とする低圧鋳造装置。
6. 上記傾斜角度が、３５°〜５５°であることを特徴とする請求項５に記載の低圧鋳造装置。
7. 上記ファンゲートが、キャビティに向かって断面積が漸次減少し、かつ平面視でキャビティ側に拡がる扇形状であることを特徴とする請求項５又は６に記載の低圧鋳造装置。
8. 上記鋳型のキャビティ内を吸引する減圧装置を備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つの項に記載の低圧鋳造装置。

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