JP6861948B2 - 鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸線上に中空部を有する中空部材の鋳造に用いられる鋳造装置に関し、例えば、中空カムシャフトの鋳造に好適な鋳造装置に関するものである。

従来において、中空部材の鋳造に用いられる鋳造装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の鋳造装置は、上下方向に伸びるキャビティに下方から溶湯を供給する構造である。この鋳造装置は、キャビティを形成する主型において、キャビティの下部と湯道との境界付近にフィルタを設け、このフィルタにより中子の下端部を係合支持する構成としている。

上記の特許文献１では、中空カムシャフトの鋳造を挙げている。中空カムシャフトは、エンジンの高性能化を図る技術の一つであり、適切な肉厚を確保する都合上、中空部の位置精度（同軸度）が非常に重要視される。この中空部の位置精度は、キャビティに配置する中子の位置精度により決まる。そして、中空カムシャフトの鋳造では、巾木やケレンを用いて、キャビティ内に中子を位置決めすることが周知である。

特開昭６２−１７６６３３号公報

ところで、上記したような中空部材の鋳造では、溶湯と中子との比重差や溶湯の流れによって、中子が半径方向に変形する虞があり、中空部材の軸長が大きくなるほど中子が変形し易くなる。そこで、中子の半径方向の変形を防ぐには、多くのケレンを使用して中子を保持することが考えられるが、その分、製造コストが増すという問題点がある。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、中子に対する溶湯の影響を抑制して、中子の半径方向の変形を防止することができ、これに伴って、ケレンの使用数を削減することができる鋳造装置を提供することを目的としている。

本発明に係わる鋳造装置は、軸線上に中空部を有する中空部材を鋳造する装置であって、軸線を上下方向にした複数のキャビティを並列配置すると共に、各キャビティの軸線上に夫々の中子を備えている。この鋳造装置は、各キャビティの上側において各キャビティの配列方向に沿って設けた主湯道と、主湯道と各キャビティの上部とを夫々連通させる分岐湯道とを備えている。そして、鋳造装置は、各分岐湯道が、主湯道の下部に連続する垂直路と、垂直路の側部に連続してキャビティに至る水平路とを有する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わる鋳造装置は、軸線を上下方向にした複数のキャビティに対し、主湯道及び各分岐湯道を通して溶湯を上方から供給する。この際、鋳造装置は、各分岐湯道において、垂直路で溶湯を下降させ、次いで、水平路を通してキャビティの上部から溶湯を導入する。つまり、鋳造装置は、各分岐湯道により、主湯道に流通する溶湯の流れの速度ベクトルを打ち消してから、溶湯をキャビティに導入することとなり、これにより中子に対する半径方向の負荷を抑制する。

このようにして、上記の鋳造装置は、中子に対する溶湯の影響を抑制して、中子の半径方向の変形を防止することができ、これに伴って、ケレンの使用数を削減することができる。換言すれば、ケレンの使用数を削減しても、中子の半径方向の変形を防止し得る。

本発明に係わる鋳造装置の第１実施形態を説明する断面図である。 図１に示す鋳造装置の要部を拡大して示す断面図である。 離型後の中空部材を示す断面図（Ａ）、及び中子を除去した中空部材を示す断面図（Ｂ）である。 本発明に係わる鋳造装置の第２実施形態を説明する要部の断面図である。 本発明に係わる鋳造装置の第３実施形態を説明する要部の断面図である。

〈第１実施形態〉
図１に示す鋳造装置１は、軸線上に中空部を有する中空部材を鋳造する装置であって、軸線を上下方向にした複数（図示例では８本）のキャビティ２を並列配置すると共に、各キャビティ２の軸線上に、中空部を形成する中子３が配置してある。鋳造装置１の主要部は、鋳型であって、周知の材料や方法により作製することができ、例えば２つの分割型を合わせてキャビティ２を形成している。なお、キャビティ２の軸線は、中空部材の軸線に一致する。

この実施形態の中空部材は、図３に示すように、内燃機関を構成する中空カムシャフトＣＳであって、複数のカム部Ｃやジャーナル部Ｊを有すると共に、その軸線上に、両端部で開放された中空部Ｓを有している。図示例の中空カムシャフトＣＳは、直列４気筒のエンジンに用いるものである。

したがって、鋳造装置１のキャビティ２は、中空カムシャフトＣＳの外側形状に対応した形状を有する。また、中子３は、中空部Ｓの内側形状に対応した形状を有する。これにより、鋳造装置１は、キャビティ２及び中子３が、中空カムシャフトＣＳの成形空間を形成しており、中空カムシャフトＣＳを立てた姿勢で鋳造する。

さらに、鋳造装置１は、各キャビティ２の上側において各キャビティ２の配列方向に沿って設けた主湯道４と、主湯道４と各キャビティ２の上部とを夫々連通させる分岐湯道５とを備えている。主湯道４及び分岐湯道５は、いずれも一連の湯道系を構成するものであって、相互関係を明確にする都合上の名称である。とくに、主湯道４は、湯道系のうちの少なくともキャビティ２の上部に設けた湯道を示す。

この実施形態の鋳造装置１は、湯道系として、溶湯の注入口６と、注入口６から下方に延びた垂直湯道７と、先述の主湯道４と、垂直湯道７の中間部から主湯道４の一端部（図１中で左側の端部）に至る接続湯道８と、先述の分岐湯道５とを備えている。主湯道４は、各キャビティ２の上側において、各キャビティ２の配列方向の全域に及ぶ範囲に設けてあり、溶湯を水平方向に流通させる。

そして、鋳造装置１は、各分岐湯道５が、図２に示すように、主湯道４の下部に連続する垂直路５Ａと、垂直路５Ａの側部に連続してキャビティ２に至る水平路５Ｂとを有している。また、この実施形態の鋳造装置１は、各分岐湯道５が、垂直路５Ａの下部に、水平路５Ｂよりも下側に連続する凹状空間５Ｃを有している。

さらに、鋳造装置１は、各分岐湯道５が、キャビティ２に対して、主湯道４における溶湯の流れ方向Ｆ１の下流側（図１中で右側）に配置してある。

なお、図１に示す鋳造装置１では、中子３の上下端部をキャビティ２の外側で保持していると共に、中子３の位置決め精度をさらに高めるために、中子３の中央部にケレン９が設けてある。

上記構成を備えた鋳造装置１は、注入口６から溶湯を注入すると、その溶湯が、垂直湯道７及び接続湯道８を順に経て主湯道４に流入し、主湯道４から各分岐湯道５を通して夫々のキャビティ２に導入される。つまり、鋳造装置１は、軸線を上下方向にした複数のキャビティ２に対し、その上方から溶湯を供給する。

この際、鋳造装置１は、分岐湯道５における溶湯の流れを図２中の矢印Ｆ２で示すように、垂直路５Ａで溶湯を下降させ、凹状空間５Ｃで溶湯の流れを上昇に転じさせた後、水平路５Ｂを通してキャビティ２の上部から溶湯を導入する。

また、この実施形態では、キャビティ２に対して、主湯道４における溶湯の流れ方向Ｆ１の下流側に分岐湯道５を配置しているので、分岐湯道５に入った溶湯は、主湯道４における流れ方向Ｆ１に対向する竪面５Ｄに衝突して降下する。その後、溶湯は、凹状空間５Ｃ内で一旦上昇し、水平路５Ｂ内では主湯道４の流れ方向Ｆ１とは逆向きに流れ、キャビティ２に導入される。

すなわち、鋳造装置１は、各分岐湯道５により、主湯道４における溶湯の流れの速度ベクトルを打ち消してから、その溶湯をキャビティ２に導入することとなり、これにより、中子３に対する半径方向の負荷を抑制する。つまり、単に、キャビティ２の上部から溶湯を導入すると、溶湯がキャビティ２の壁面に当たって乱流となり、これが中子３の半径方向に負荷を与える。これに対して、鋳造装置１は、キャビティ２の上部から溶湯を丁寧に注ぐような状態になり、キャビティ２内での溶湯の流れが整流になるので、中子３に対する負荷も抑制される。

このようにして、鋳造装置１は、中子３に対する溶湯の影響を抑制して、中子３の半径方向の変形を防止することができ、これに伴って、ケレン９の使用数を削減することができる。換言すれば、ケレン９の使用数を削減しても、中子３の半径方向の変形を防止し得る。その結果、鋳造装置１は、中子３の変形防止により、中空部の位置精度（同軸度）が高い中空部材を得ることができると共に、ケレン９の使用数の削減により、製造コストの低減も実現することができる。

また、鋳造装置１は、キャビティ２に充填した溶湯が凝固した後、主要部である鋳型を開放（若しくは分解又は破砕）することで、図３（Ａ）に示すように、中子３とともに中空部材（中空カムシャフトＣＳ）を離型させる。その後、図３（Ｂ）に示すように、中子３を除去して、中空部Ｓを有する中空部材（ＣＳ）を得る。なお、ケレン９は、中空部材（ＣＳ）に一体化された状態になる。

一例として、中空部品が、直列４気筒のエンジンを構成する中空カムシャフトであり、その軸線を水平方向にした姿勢で鋳造する場合、溶湯により中子に浮力が生じるので、少なくとも３個のケレンで中子を保持する必要があった。これに対して、上記の鋳造装置１では、同様の中空部品を鋳造する場合、１個のケレン９で中子３の位置精度を充分に確保することができ、中空部材の軸長によってはケレンの廃止も可能である。

また、例えば特許文献１のように、キャビティの下方から溶湯を供給する構造では、中空部材を多数個取りする場合、とくに、外側に多くの凹凸を有する複雑形状の中空部材を多数個取りする場合、湯廻り性の低下が生じ易くなることがある。これに対して、上記の鋳造装置１は、キャビティ２の上部から溶湯を供給する構造であると共に、キャビティ２内での溶湯の流れを整流にするので、キャビティ２の数を増しても良好な湯廻り性を得ることができ、鋳造欠陥の無い高品質の中空部材を量産することが可能である。

さらに、上記の鋳造装置１は、各分岐湯道５が、垂直路５Ａの下部に、水平路５Ｂよりも下側に連続する凹状空間５Ｃを有している。これにより、鋳造装置１は、垂直路５Ａを降下した溶湯を凹状空間５Ｃ内で上昇に転じさせてから水平路５Ｂに導入するので、溶湯の流れの速度ベクトルを打ち消す効果をより一層高めることができる。

さらに、上記の鋳造装置１は、各分岐湯道５が、キャビティ２に対して、主湯道４における溶湯の流れ方向Ｆ１の下流側に配置してある。これにより、鋳造装置１は、分岐湯道５に入った溶湯を垂直路５Ａの竪面５Ｄに衝突させ、水平路５Ｂ内では主湯道４の流れ方向Ｆ１とは逆向きに溶湯を流すので、溶湯の流れの速度ベクトルを打ち消す効果をより一層高めることができる。

さらに、上記の鋳造装置１は、キャビティ２及び中子３が、内燃機関を構成する中空カムシャフトＣＳの成形空間を形成している。これにより、鋳造装置１は、ケレン９の使用数を削減したうえで、中空部Ｓの位置精度（同軸度）が高い高品質の中空カムシャフトＣＳを製造することができる。

〈第２実施形態〉
図４及び図５は、本発明に係わる鋳造装置の第２及び第３の実施形態を説明する図である。なお、以下の実施形態においては、第１実施形態と同一の構成部位に同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

図４に要部を示す鋳造装置１は、分岐湯道５が、キャビティ２に対して、主湯道４における溶湯の流れ方向Ｆ１の上流側に配置してある。分岐湯道５は、先の実施形態と同様に、垂直路５Ａ、水平路５Ｂ、及び凹状空間５Ｃを有している。

上記構成を備えた鋳造装置１は、分岐湯道５に入った溶湯が、図中の矢印Ｆ２で示すように、垂直路５Ａを降下し、凹状空間５Ｃ内で上昇に転じた後、水平路５Ｂ内では主湯道４の流れ方向Ｆ１と同方向に流れてキャビティ２に導入される。つまり、この実施形態の鋳造装置１は、第１実施形態に対して、水平路５Ｂ内における溶湯の流れ方向が逆向きになる

上記の鋳造装置１にあっても、先の実施形態と同様に、各分岐湯道５により、主湯道４における溶湯の流れの速度ベクトルを打ち消してから、その溶湯をキャビティ２に導入することとなり、これにより、中子３に対する半径方向の負荷を抑制する。このようにして、鋳造装置１は、中子３に対する溶湯の影響を抑制して、中子３の半径方向の変形を防止することができ、これに伴って、ケレン９の使用数を削減することができる。

また、上記の鋳造装置１は、各分岐湯道５が凹状空間５Ｃを有しているので、垂直路５Ａを降下した溶湯を凹状空間５Ｃ内で上昇に転じさせてから水平路５Ｂに導入することとなり、溶湯の流れの速度ベクトルを打ち消す効果をより一層高めることができる。

〈第３実施形態〉
図５に要部を示す鋳造装置１は、分岐湯道５が、キャビティ２に対して、主湯道４における溶湯の流れ方向Ｆ１の下流側に配置してあると共に、凹状空間（５Ｃ）の無い構成としている。

上記の鋳造装置１は、図中の矢印Ｆ２で示すように、分岐湯道５に入った溶湯が、主湯道４における流れ方向Ｆ１に相対向する竪面５Ｄに衝突して降下し、その後、水平路５Ｂ内では主湯道４の流れ方向Ｆ１とは逆向きに流れてキャビティ２に導入される。

上記の鋳造装置１にあっても、先の実施形態と同様に、各分岐湯道５により、主湯道４における溶湯の流れの速度ベクトルを打ち消してから、その溶湯をキャビティ２に導入することとなり、これにより、中子３に対する半径方向の負荷を抑制する。このようにして、鋳造装置１は、中子３に対する溶湯の影響を抑制して、中子３の半径方向の変形を防止することができ、これに伴って、ケレン９の使用数を削減することができる。

さらに、上記の鋳造装置１は、各分岐湯道５が、キャビティ２に対して、主湯道４における溶湯の流れ方向Ｆ１の下流側に配置してあるので、分岐湯道５に入った溶湯が、垂直路５Ａの竪面５Ｄに衝突して降下するので、溶湯の流れの速度ベクトルを打ち消す効果をより一層高めることができる。

本発明に係わる鋳造装置は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、分岐湯道５は、キャビティ２に対して、主湯道４での溶湯の流れ方向Ｆ１の上流側や下流側だけでなく、流れ方向に交差する位置（主湯道４の側部位置）に設けることも可能である。また、鋳造装置は、中空カムシャフトの鋳造に限らす、様々な中空部材の鋳造に適用可能であるが、とくに、中空カムシャフトのように、外側が凹凸を有する複雑形状であり、なお且つ高い同軸度が要求される中空部材の製造に好適であり、高品質の中空部材を量産することができる。

１ 鋳造装置
２ キャビティ
３ 中子
４ 主湯道
５ 分岐湯道
５Ａ 垂直路
５Ｂ 水平路
５Ｃ 凹状空間
ＣＳ 中空カムシャフト（中空部材）
Ｓ 中空部

Claims (4)

1. 軸線上に中空部を有する中空部材の鋳造装置であって、
   軸線を上下方向にした複数のキャビティを並列配置すると共に、各キャビティの軸線上に夫々の中子を備えており、
   各キャビティの上側において各キャビティの配列方向に沿って設けた主湯道と、
   主湯道と各キャビティの上部とを夫々連通させる分岐湯道とを備え、
   各分岐湯道が、主湯道の下部に連続する垂直路と、垂直路の側部に連続してキャビティに至る水平路とを有することを特徴とする鋳造装置。
2. 各分岐湯道が、垂直路の下部に、水平路よりも下側に連続する凹状空間を有することを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
3. 各分岐湯道が、キャビティに対して、主湯道における溶湯の流れ方向の下流側に配置してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造装置。
4. キャビティ及び中子が、内燃機関を構成する中空カムシャフトの成形空間を形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳造装置。

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