JP6950583B2

JP6950583B2 - 金型の製造方法

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Publication number: JP6950583B2
Application number: JP2018037744A
Authority: JP
Inventors: 友也山崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2021-10-13
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Description

本発明は、金型の製造方法に関し、例えば、冷却通路を内部に有する金型を製造する方法に関する。

金型を用いて鋳造する際に溶湯との焼き付きを防ぐためなどの理由で、意図的に金型の一部を冷却するために、金型の内部に冷却通路が形成される場合がある。例えば、特許文献１の金型の冷却路形成方法は、金型の表面に形成された凹溝の開口部をワイヤから成る通路部材で塞ぎ、凹溝の開口部周辺に肉盛り溶接を施すことで通路部材を金型の内部に埋め込み、凹溝と通路部材とで冷却水が流れる冷却路（冷却通路）を形成している。

特開２００５−５２８９２号公報

特許文献１の金型の冷却路形成方法において、凹溝の開口部周辺に肉盛り溶接を施す際に、肉盛り速度が速い高出力のレーザーを用いると、短時間で肉盛り溶接を施して金型を製造することができる。しかしながら、高出力のレーザーは、通路部材への入熱量が多く、通路部材が損傷する可能性がある。そのため、通路部材の損傷を抑制しつつ、冷却通路を内部に有する金型を短時間で製造することは難しい。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、通路部材の損傷を抑制しつつ、冷却通路を内部に有する金型を短時間で製造することができる金型の製造方法を実現する。

本発明の一態様に係る金型の製造方法は、冷却通路を内部に有する金型を製造する方法であって、
金型本体の表面に形成された凹溝に冷却通路の壁部となる通路部材を配置する工程と、
前記凹溝の開口部に、前記通路部材の損傷が抑制されるように設定された、第１の出力且つ第１のエネルギー密度で第１のレーザーを照射して、前記凹溝の開口部周辺に第１の肉盛り溶接を施す工程と、
前記金型本体の表面における前記第１の肉盛り溶接が施された領域を含む領域に、前記第１のレーザーに比べて肉盛り速度が速くなるように設定された、前記第１の出力より高い第２の出力且つ前記第１のエネルギー密度より低い第２のエネルギー密度で第２のレーザーを照射して、前記金型本体の表面における前記第１の肉盛り溶接が施された領域を含む領域上に第２の肉盛り溶接を施す工程と、
を備える。
このように通路部材を金型本体に埋設する際には、通路部材が損傷しない第１のレーザーを用いて第１の肉盛り溶接を施し、その後は、第１のレーザーに比べて肉盛り速度が速い第２のレーザーを用いて第２の肉盛り溶接を施す。そのため、通路部材の損傷を抑制しつつ、短時間で金型を製造することができる。

上述の金型の製造方法において、前記第１のレーザーは、パルスレーザーであり、前記第２のレーザーは、連続発振レーザーであることが好ましい。

上述の金型の製造方法において、前記第１の肉盛り溶接を施す工程の後であって、前記第２の肉盛り溶接を施す工程の前に、少なくとも前記第１の肉盛り溶接が施された領域を平面状に加工し、前記第１の肉盛り溶接が施された領域を前記金型本体の表面と面一に配置する工程を備えることが好ましい。
このように金型本体の表面と第１の肉盛り溶接を施した領域とを面一にすることで、第２の肉盛り溶接を施した領域に空洞部が発生することを抑制できる。

上述の金型の製造方法において、前記第１の肉盛り溶接の材料は、前記第２の肉盛り溶接の材料と異なることが好ましい。
これにより、金型の設計の自由度が高くなる。

本発明によれば、通路部材の損傷を抑制しつつ、冷却通路を内部に有する金型を短時間で製造することができる。

実施の形態１で製造される金型を模式的に示す透視図である。実施の形態１の金型の製造装置を模式的に示すブロック図である。実施の形態１の金型の製造方法を示すフローチャート図である。実施の形態１の金型の製造方法において、金型本体の凹溝にパイプ部材が配置された状態を示す断面図である。実施の形態１の金型の製造方法において、第１の肉盛り溶接が施された状態を示す断面図である。実施の形態１の金型の製造方法において、第１の肉盛り溶接部が面削された状態を示す断面図である。実施の形態１の金型の製造方法において、第２の肉盛り溶接が施された状態を示す断面図である。実施の形態１の金型の製造方法において、第２の肉盛り溶接部が形状加工された状態を示す断面図である。実施の形態２で製造される金型を模式的に示す透視図である。実施の形態２の金型の製造方法において、金型本体の凹溝に金属線材が配置された状態を示す断面図である。実施の形態２の金型の製造方法において、第１の肉盛り溶接が施された状態を示す断面図である。実施の形態２の金型の製造方法において、第１の肉盛り溶接部が面削された状態を示す断面図である。実施の形態２の金型の製造方法において、第２の肉盛り溶接が施された状態を示す断面図である。実施の形態２の金型の製造方法において、第２の肉盛り溶接部が形状加工された状態を示す断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態で製造される金型の構成を説明する。図１は、本実施の形態で製造される金型を模式的に示す透視図である。図１では、金型の外形を二点鎖線で示している。本実施の形態で製造される金型１は、図１に示すように、金型１の表面近傍に冷却通路２を備えている。

金型１は、例えば、ダイキャスト用金型である。詳細には、金型１は、例えば、シリンダブロックのウォータジャケットを成形するための中子であり、ウォータジャケットの底面を成形する面の近傍に冷却通路２を備えている。但し、金型１は、意図的に表面の一部を冷却するために冷却通路２を備える金型であればよい。

冷却通路２は、当該冷却通路２の内部に冷却媒体である液体や気体が流れる流路である。冷却通路２は、例えば、銅製のパイプ部材３を通路部材として備えている。パイプ部材３は、金型１の内部に埋設され、冷却通路２の壁部をパイプ部材３の内周面で構成する。そのため、パイプ部材３の内部で冷却媒体が流される。

このようなパイプ部材３は、金型１における所望の冷却箇所に配置される冷却部３ａ、冷却部３ａに冷却媒体を供給する供給部３ｂ及び冷却部３ａから冷却媒体を排出する排出部３ｃが連続しており、例えば、Ｘ軸方向から見て門形に形成されている。

次に、本実施の形態の金型の製造方法で用いられる製造装置の構成を説明する。図２は、本実施の形態の金型の製造装置を模式的に示すブロック図である。本実施の形態の金型１の製造装置（以下、単に製造装置と省略する場合がある。）１０は、図２に示すように、第１の溶接装置１１、第２の溶接装置１２、第１の切削装置１３、第２の切削装置１４及び制御装置１５を備えている。

第１の溶接装置１１は、詳細は後述するが、第１のレーザーを照射しつつ、例えば、炭素鋼を供給することで、肉盛り溶接する。第２の溶接装置１２は、詳細は後述するが、第２のレーザーを照射しつつ、例えば、炭素鋼を供給することで、肉盛り溶接する。

第１の切削装置１３は、詳細は後述するが、金型本体４に形成された第１の肉盛り溶接部５を略平面状に切削する（図６を参照）。つまり、第１の肉盛り溶接部５を面削する。第２の切削装置１４は、詳細は後述するが、金型本体４に形成された第２の肉盛り溶接部６を切削してキャビティー形状を形成する（図８を参照）。

制御装置１５は、後述する金型１の製造方法を実現するために、第１の溶接装置１１、第２の溶接装置１２、第１の切削装置１３及び第２の切削装置１４を制御する。ここで、制御装置１５は、プログラムを実行することで、後述する金型１の製造方法を実現することができる。

次に、本実施の形態の金型１の製造方法を説明する。図３は、本実施の形態の金型の製造方法を示すフローチャート図である。図４は、本実施の形態の金型の製造方法において、金型本体の凹溝にパイプ部材が配置された状態を示す断面図である。図５は、本実施の形態の金型の製造方法において、第１の肉盛り溶接が施された状態を示す断面図である。図６は、本実施の形態の金型の製造方法において、第１の肉盛り溶接部が面削された状態を示す断面図である。図７は、本実施の形態の金型の製造方法において、第２の肉盛り溶接が施された状態を示す断面図である。図８は、本実施の形態の金型の製造方法において、第２の肉盛り溶接部が形状加工された状態を示す断面図である。

ここで、図１に示すように、三次元座標系（ＸＹＺ座標系）を用いて説明すると、本実施の形態では、金型１におけるＺ軸＋側の面の所望の範囲（破線で囲んだ範囲）を冷却可能な構成とされた金型１を製造する。

先ず、図４に示すように、予め成形された金型本体４に凹溝４ａを形成し、凹溝４ａにパイプ部材３を配置する（Ｓ１）。金型本体４は、Ｚ軸において、パイプ部材３の冷却部３ａが予め設定された位置に配置された状態で、当該冷却部３ａを埋設可能な位置まで成形されている。つまり、金型本体４は、製造される金型１に比べて、Ｚ軸において造形が未完成である。

金型本体４は、例えば、Ｚ軸において、パイプ部材３の冷却部３ａが予め設定された位置に配置された状態で、当該冷却部３ａのＺ軸＋側の端部から予め設定された値（例えば、１ｍｍ程度）を加えた位置まで成形されており、炭素鋼から成る。凹溝４ａは、金型本体４におけるＺ軸＋側の面の所望の範囲に形成されており、例えば、Ｚ軸方向から見て、金型本体４の形状に倣うように湾曲している。

このとき、金型本体４には、図１に示すように、パイプ部材３の供給部３ｂが挿入される第１の挿入孔４ｂ、及びパイプ部材３の排出部３ｃが挿入される第２の挿入孔４ｃが形成されている。第１の挿入孔４ｂのＺ軸−側の端部は、金型本体４のＺ軸−側の端面に到達し、第１の挿入孔４ｂのＺ軸＋側の端部は、凹溝４ａのＹ軸＋側の端部に到達している。第２の挿入孔４ｃのＺ軸−側の端部は、金型本体４のＺ軸−側の端部に到達し、第２の挿入孔４ｃのＺ軸＋側の端部は、凹溝４ａのＹ軸−側の端部に到達している。つまり、第１の挿入孔４ｂと凹溝４ａと第２の挿入孔４ｃとは、連続している。

このような第１の挿入孔４ｂ、凹溝４ａ及び第２の挿入孔４ｃにパイプ部材３を挿入する。つまり、略門形状のパイプ部材３を金型本体４のＺ軸＋側から近付け、第１の挿入孔４ｂにパイプ部材３の供給部３ｂを挿入しつつ、第２の挿入孔４ｃにパイプ部材３の排出部３ｃを挿入し、さらにパイプ部材３をＺ軸−方向に押し込んで、凹溝４ａにパイプ部材３の冷却部３ａを挿入する。

次に、制御装置１５は、第１の溶接装置１１を制御して、第１のレーザーを凹溝４ａの開口部に照射しつつ炭素鋼を供給し、凹溝４ａの開口部周辺に第１の肉盛り溶接を施す（Ｓ２）。これにより、図５に示すように、パイプ部材３の一部及び凹溝４ａの開口部周辺が供給された炭素鋼と共に溶融し、凹溝４ａの開口部は、第１の肉盛り溶接部５によって塞がれる。

第１のレーザーは、銅製であるパイプ部材３が損傷しないように設定された、第１の出力且つ第１のエネルギー密度で照射される。ここで、「パイプ部材３が損傷しない」とは、パイプ部材３の内部形状が略維持されることである。ちなみに、エネルギー密度は、レーザーの出力及び照射範囲に基づいて設定される。

第１のレーザーとしては、パルスレーザーを用いることができ、半導体レーザーやファイバーレーザーなどが間欠的に照射される。パルスレーザーは、ＣＷ（Continuous Wave）レーザーに比べて高エネルギー密度であるが、低出力で間欠的な照射であるため、入熱量が少なく、パイプ部材３の損傷を良好に抑制できる。そのため、第１のレーザーとしてパルスレーザーが好適である。

そして、パイプ部材３が銅製の場合、パイプ部材３にレーザーが吸収され難いが、パルスレーザーは、ＣＷレーザーに比べて高エネルギー密度であるため、パイプ部材３の一部を良好に溶融することができる。

但し、パイプ部材３に第１のレーザーが照射された際にパイプ部材３が損傷せず、且つパイプ部材３の一部を良好に溶融することができる、第１のエネルギー密度及び第１の出力に設定されていれば、第１のレーザーとしてＣＷレーザーを用いてもよい。

次に、制御装置１５は、第１の切削装置１３を制御して、図６に示すように、第１の肉盛り溶接部５を面削し、金型本体４のＺ軸＋側の面と第１の肉盛り溶接部５のＺ軸＋側の面とを略面一にする（Ｓ３）。

このとき、金型本体４のＺ軸＋側の面と第１の肉盛り溶接部５のＺ軸＋側の面との間に段差が生じないように、金型本体４のＺ軸＋側の面における第１の肉盛り溶接部５の周辺領域も当該第１の肉盛り溶接部５と共に切削するとよい。これにより、金型本体４のＺ軸＋側の面と第１の肉盛り溶接部５のＺ軸＋側の面とを確実に略面一にすることができる。

次に、制御装置１５は、第２の溶接装置１２を制御して、第２のレーザーを金型本体４のＺ軸＋側の面における第１の肉盛り溶接部５を含む領域に照射しつつ炭素鋼を供給し、当該領域に第２の肉盛り溶接を施す（Ｓ４）。

これにより、図７に示すように、金型本体４のＺ軸＋側の面及び第１の肉盛り溶接部５のＺ軸＋側の面に第２の肉盛り溶接部６が形成される。このとき、金型本体４のＺ軸＋側の面と第１の肉盛り溶接部５のＺ軸＋側の面とは、略面一に配置されているので、第２の肉盛り溶接部６に空洞部が発生することを抑制できる。

第２のレーザーは、第１のレーザーに比べて肉盛り速度（即ち、造形速度）が速く、且つ金型本体４の変形が抑制されるように設定された、第１の出力より高い第２の出力且つ第１のエネルギー密度より低い第２のエネルギー密度で照射される。第２のレーザーとしては、ＣＷレーザーを用いることができ、例えば、半導体レーザーが連続的に照射される。

ＣＷレーザーは、パルスレーザーに比べて低エネルギー密度であるが、高出力で連続的な照射であるため、入熱量が多く、造形速度が速い。そのため、第２のレーザーとしてＣＷレーザーが好適である。

次に、制御装置１５は、第２の切削装置１４を制御して、図８に示すように、第２の肉盛り溶接部６を切削してキャビティー形状を形成する（Ｓ５）。これにより、金型１を製造することができる。

このような金型１の製造方法は、パイプ部材３を金型本体４に埋設する際には、パイプ部材３が損傷しない第１のレーザーを用いて第１の肉盛り溶接を施し、その後は、第１のレーザーに対して造形速度が速い第２のレーザーを用いて第２の肉盛り溶接を施す。そのため、本実施の形態の金型１の製造方法は、パイプ部材３の損傷を抑制しつつ、短時間で金型１を製造することができる。

なお、本実施の形態の冷却通路２は、冷却媒体として水を用いた場合の腐食性及び熱伝導性を考慮して銅製であるが、金属製であればよい。

＜実施の形態２＞
図９は、本実施の形態で製造される金型を模式的に示す透視図である。図１０は、本実施の形態の金型の製造方法において、金型本体の凹溝に金属線材が配置された状態を示す断面図である。図１１は、本実施の形態の金型の製造方法において、第１の肉盛り溶接が施された状態を示す断面図である。図１２は、本実施の形態の金型の製造方法において、第１の肉盛り溶接部が面削された状態を示す断面図である。図１３は、本実施の形態の金型の製造方法において、第２の肉盛り溶接が施された状態を示す断面図である。図１４は、本実施の形態の金型の製造方法において、第２の肉盛り溶接部が形状加工された状態を示す断面図である。

ここで、図９では、金型の外形を二点鎖線で示している。また、図９では、図を明確にするために、金属線材を省略している。なお、本実施の形態の金型の製造方法は、実施の形態１の金型１の製造方法と略同様であるため、重複する説明は省略し、等しい部材には等しい符号を用いて説明する。

本実施の形態の金型２１は、実施の形態１の金型１と略等しい構成とされているが、パイプ部材３を埋設することなく、金型本体２２に形成された凹溝２２ａを用いて冷却通路２３を形成している。

詳細には、金型本体２２には、図９に示すように、実施の形態１の金型本体４と同様に、凹溝２２ａが形成されている。そして、金型本体２２には、金型本体２２のＺ軸−側の面から凹溝２２ａのＹ軸＋側の端部まで貫通する第１の貫通孔２２ｂ及び金型本体２２のＺ軸−側の面から凹溝２２ａのＹ軸−側の端部まで貫通する第２の貫通孔２２ｃが形成されている。

このような金型本体２２を用いて、先ず、金型本体２２の凹溝２２ａの開口部を塞ぐべく、図１０に示すように、金型本体２２の凹溝２２ａに通路部材として金属線材２４を配置する。これにより、金型本体２２の凹溝２２ａの壁面（即ち、両側壁面と底面）と金属線材２４の周面とで囲まれた空間と、第１の貫通孔２２ｂと、第２の貫通孔２２ｃと、で冷却媒体が流れる冷却通路２３が形成されることになる。

ここで、金型本体２２は、金属線材２４が凹溝２２ａの所定の位置に留まるように、係止部２２ｄを備えているとよい。係止部２２ｄは、凹溝２２ａの向かい合う側壁面の少なくとも一方に形成されており、例えば、Ｚ軸−側に向かうに従って他方の側壁面の側に近付くように傾斜する傾斜面である。但し、係止部２２ｄは、金属線材２４を所定の位置に留めることができる形状であればよい。

金属線材２４は、凹溝２２ａの開口部の略全域を塞ぐことができる形状（例えば、長さや太さなど）とされており、例えば、耐腐食性に優れた銅製であるとよい。なお、図示例では、金属線材２４の断面形状が略円形であるが、断面形状は特に限定されず、連続した部材であればよい。

その後の工程は、実施の形態１のＳ２〜Ｓ５の工程と略等しい。つまり、図１１に示すように、第１のレーザーを用いて凹溝２２ａの開口部周辺に第１の肉盛り溶接部２５を形成する。このとき、第１のレーザーは、金属線材２４が損傷しない（即ち、冷却通路２３の内部形状が略維持される）第１の出力及び第１のエネルギー密度に設定される。

そして、図１２に示すように、少なくとも第１の肉盛り溶接部２５を含む領域を面削し、さらに、図１３に示すように、第２のレーザーを用いて金型本体２２のＺ軸＋側の面における第１の肉盛り溶接部２５を含む領域上に第２の肉盛り溶接部２６を形成する。このとき、第２のレーザーは、第１のレーザーに比べて肉盛り速度（即ち、造形速度）が速く、且つ金型本体２２の変形が抑制されるように、第１の出力より高い第２の出力及び第１のエネルギー密度より低い第２のエネルギー密度に設定される。

最後に、図１４に示すように、第２の肉盛り溶接部２６をキャビティー形状に形成すると、金型２１を製造することができる。

このような金型２１の製造方法は、冷却通路２３を形成する際に金属線材２４が損傷しない第１のレーザーを用いて第１の肉盛り溶接を施し、その後は、第１のレーザーに対して造形速度が速い第２のレーザーを用いて第２の肉盛り溶接を施す。そのため、本実施の形態の金型２１の製造方法は、金属線材２４の損傷を抑制しつつ、短時間で金型２１を製造することができる。

＜実施の形態３＞
上記実施の形態１及び２の金型の製造方法は、第１の肉盛り溶接部の材料と第２の肉盛り溶接部の材料とを等しくしたが、第１の肉盛り溶接部の材料と第２の肉盛り溶接部の材料とを異ならせてもよい。これにより、金型の設計の自由度が高くなる。

本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施の形態の金型本体は、例えば、炭素鋼から成るが、金型本体の材質は成形品などに応じて、適宜、変更することができる。また、第１の肉盛り溶接を施す際に供給される材料及び第２の肉盛り溶接を施す際に供給される材料は、金型本体の材料などに応じて、適宜、変更することができる。

１金型
２冷却通路
３パイプ部材、３ａ冷却部、３ｂ供給部、３ｃ排出部
４金型本体、４ａ凹溝、４ｂ第１の挿入孔、４ｃ第２の挿入孔
５第１の肉盛り溶接部
６第２の肉盛り溶接部
１１第１の溶接装置
１２第２の溶接装置
１３第１の切削装置
１４第２の切削装置
１５制御装置
２１金型
２２金型本体、２２ａ凹溝、２２ｂ第１の貫通孔、２２ｃ第２の貫通孔、２２ｄ係止部
２３冷却通路
２４金属線材
２５第１の肉盛り溶接部
２６第２の肉盛り溶接部

Claims

冷却通路を内部に有する金型を製造する方法であって、
金型本体の表面に形成された凹溝に冷却通路の壁部となる通路部材を配置する工程と、
前記凹溝の開口部に、前記通路部材の損傷が抑制されるように設定された、第１の出力且つ第１のエネルギー密度で第１のレーザーを照射して、前記凹溝の開口部周辺に第１の肉盛り溶接を施す工程と、
前記金型本体の表面における前記第１の肉盛り溶接が施された領域を含む領域に、前記第１のレーザーに比べて肉盛り速度が速くなるように設定された、前記第１の出力より高い第２の出力且つ前記第１のエネルギー密度より低い第２のエネルギー密度で第２のレーザーを照射して、前記金型本体の表面における前記第１の肉盛り溶接が施された領域を含む領域上に第２の肉盛り溶接を施す工程と、
を備える、金型の製造方法。
前記第１のレーザーは、パルスレーザーであり、
前記第２のレーザーは、連続発振レーザーである、請求項１に記載の金型の製造方法。
前記第１の肉盛り溶接を施す工程の後であって、前記第２の肉盛り溶接を施す工程の前に、少なくとも前記第１の肉盛り溶接が施された領域を平面状に加工し、前記第１の肉盛り溶接が施された領域を前記金型本体の表面と面一に配置する工程を備える、請求項１又は２に記載の金型の製造方法。
前記第１の肉盛り溶接の材料は、前記第２の肉盛り溶接の材料と異なる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金型の製造方法。