JP7325034B2 - 鋳造用砂型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造用砂型の製造方法及び鋳造用中子に関する。

従来、鋳造用砂型の製造では、製品と略同形状の木製などの模型を作製し、この模型を定盤に置いて枠で囲い、模型の周囲に砂を押し込んで固め、模型を取り出すことで砂型を分割して製造していた。また、ロウで製作した模型を砂の中から燃焼あるいは溶融して除去するロストワックス法などでも砂型が製造されていた。しかし、模型を砂に転写して砂型を作製する方法では、インペラ等の複雑な形状を再現することが難しく砂型の精度に改善の余地があり、また模型や模型の保管場所が必要となり工数や製造コストでも改善の余地があった。

この改善策として、製品の形状データに基づき数値制御加工機械によって直接砂ブロックを加工する鋳造用砂型の製造方法や、積層造形法（３Ｄプリンタ）による鋳造用砂型の製造方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。

特開２００３－１９５４２号公報 特許第３１１４１５９号公報 特開２００２－３１６２９９号公報 特開平１１－２３９８４３号公報

特許文献１の鋳造用砂型の製造方法では、鋳型用粉末と熱硬化性樹脂を混合した後加熱してブロック材を形成し、このブロック材を切削工具で切削してキャビティを形成し、鋳造用砂型を製造する。

特許文献２の鋳造用砂型の製造方法では、粉粒体としての砂を、圧縮強度が２０～８０ｋｇ／ｃｍ^２（略１９６～７８４Ｎ／ｃｍ^２）となるように圧縮するとともに、粘結材の水ガラスによってガスにより硬化させ、又はフラン樹脂の酸による硬化反応を利用することで硬化させて、砂ブロックを得る。さらに、ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）を用いて、３次元的な鋳型の形状を基に加工機械の駆動プログラムを作製して加工機械の駆動を制御し、機械支持部に２又は３方向に移動自在に設けられたマシンヘッドのエンドミル等で砂ブロックを加工して鋳造用砂型を製造する。

特許文献３の鋳造用砂型の製造方法では、粉粒体を固化剤で固化させたブロックを切削加工して型を製造している。固化剤に使用する粘結剤は、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とエポキシ化合物との混合物である。ブロックは、切削加工する際は０．３ＭＰａ以上２ＭＰａ未満（３０Ｎ／ｃｍ^２以上２００Ｎ／ｃｍ^２未満）の圧縮強度であり、型として使用する際は加熱処理により２ＭＰａ以上、好ましくは８ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下（８００Ｎ／ｃｍ^２以上３０００Ｎ／ｃｍ^２未満）の圧縮強度である。このブロックを自動制御加工機により切削加工し型を製造する。

特許文献４の鋳造用砂型の製造方法では、内部に３枚の翼の形状に沿ったキャビティが形成された中子を積層造形法（３Ｄプリンタ）により製造している。

ところで、鋳物にはインペラのような複雑形状の物があり、このような複雑形状に応じたキャビティを有する鋳造用砂型が求められている。仮に、砂ブロックを加工機械の加工工具で直接加工する場合には、加工時に砂ブロックが崩れず且つ加工面を精度良く仕上げる必要がある。さらには、複雑形状のキャビティを有する鋳造用砂型において加工工数が低減できれば好ましい。

しかし、特許文献１の鋳造用砂型の製造方法では、ブロック材は、鋳型用粉末に熱硬化性樹脂を混合して加熱するため、加熱する工数がかかる。さらに、加工工具をブロック材の上方から垂直に進入させているため、アンダーカットを有する複雑な形状のキャビティを製造できない。

特許文献２の鋳造用砂型の製造方法では、粘結材に水ガラスやフラン樹脂を使用しており、水ガラスやフラン樹脂を使用した砂ブロックでは内部の奥まで均一に固化することが難しく、加工時に砂ブロックの内部の奥まで崩れない強度を得るために、圧縮強度を大きくする必要があり、特許文献１の技術では圧縮強度を２０ｋｇ／ｃｍ^２（略１９６Ｎ／ｃｍ^２）以上にしており砂ブロック造型に手間がかかる。さらに、加工時は、機械支持部に２又は３方向に移動自在に設けられたマシンヘッドのエンドミル等で砂ブロックを加工するので、アンダーカットを有する複雑な形状のキャビティを製造できない。

特許文献３の鋳造用砂型の製造方法では、粘結剤は、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とエポキシ化合物との混合物を使用している。しかし、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂では、炭酸ガス硬化のため炭酸ガスを別途用意する必要があり製造コストが高くなる。また、加工時の圧縮強度でそのまま使えず、鋳造の使用時には加熱処理して圧縮強度を高くする必要があり、手間がかかる。さらに、自動制御加工機は、工具がブロックの上方から鉛直方向に延びているだけであり、アンダーカットを有する複雑な形状のキャビティを製造できない。

特許文献４の鋳造用砂型の製造方法では、積層造形法（３Ｄプリンタ）によって中子を製造するので複雑な形状のキャビティを形成できる。しかし、一般的に同じ大きさの鋳型を作製する場合、砂ブロックを切削加工すると２～３時間の工数で済むものが、積層造形法（３Ｄプリンタ）を使用すると約一日の工数がかかるため、積層造形法では加工工数が大きく製造コストが高くなる。積層造形法では造形範囲が小さいため、大型の中子やおも型を製造するには大きさの制約があり、分割して製造せざるを得ない場合がある。さらに、３枚の翼の形状に沿ったキャビティが形成された大型の中子を３分割して製造する必要があり、中子の組付けに手間がかかる上、分割することで中子全体としての精度が低下する虞がある。

本発明は、以上の点に鑑み、平面視で２方向以上のアンダーカットを有する複雑形状のキャビティが形成された大型の鋳造用砂型を、短時間で一体的に精度良くできる技術を提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明の鋳造用砂型の製造方法は、
型枠内に粘結材と混錬した鋳物砂を充填し、
圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ^２）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ^３）の少なくともいずれか一方を満たすように前記型枠内の前記鋳物砂をプレスして固化させることで砂ブロックを形成する砂ブロック形成工程と、
形状データに基づいて棒状の除去工具をコンピュータ制御により操作する数値制御加工機械を用いて、前記砂ブロックの平面視にて前記除去工具を少なくとも２方向以上から進入させて前記砂ブロックを除去加工することでアンダーカットを有するキャビティが形成された鋳造用砂型の中子又はおも型を製造する除去加工工程と、を含むことを特徴とする。

かかる構成によれば、砂ブロック形成工程では、砂ブロックは、圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ２）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ３）の少なくともいずれか一方を満たすように形成されているので、圧縮強度及びかさ密度が除去加工に適した範囲となり、除去工具による除去加工によっても崩れることなく、加工面の精度を向上させることができる。さらに、型枠内の鋳物砂をプレスするだけで砂ブロックが形成されるので、短時間で砂ブロックを形成することができる。さらに圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ２）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ３）の少なくともいずれか一方を満たす砂ブロックとすることで、鋳物砂のプレスが低圧で済むので、砂ブロックの造型を容易にできる。さらに、砂ブロックの圧縮強度が比較的小さいので加工時の除去工具に加わる負荷を低減することができる。

さらに、除去加工工程では、数値制御加工機械を用いて、砂ブロックの平面視にて除去工具を少なくとも２方向以上から進入させて砂ブロックを除去加工することでアンダーカットを有するキャビティが形成されるので、単なるアンダーカットではなく、複雑形状のキャビティを有する中子又はおも型を製造することができる。さらに、砂ブロックを除去工具で除去加工するので、積層造形法（３Ｄプリンタ）に比較して、短時間で所望の中子やおも型を製造することができる。また、大型の中子やおも型は崩れやすく扱い難いため、仮に積層造形法（３Ｄプリンタ）で砂型を製造すると熱硬化性樹脂により粘着された砂自体で型全体の形状を保つ必要があることや、造形範囲の制約から、大型の中子やおも型を製造することは難しい。この点、本発明では、砂ブロックが型枠で押さえられているので大型の中子やおも型であっても型枠が周囲を支持するので、容易に型全体の形状を保つことができ、加えて加工範囲が積層造形法よりも大きいことから、大型の中子やおも型であっても製造することができる。

［２］また、本発明の鋳造用砂型の製造方法において、
前記除去加工工程は、前記砂ブロックの平面視にて異なる方向に連続すると共に、前記砂ブロックの垂直方向に対する傾き角が異なる角度で連続する前記アンダーカットを形成することが好ましい。

かかる構成によれば、平面視で複数方向に連続すると共に垂直方向の複数方向の傾きが連続するアンダーカットを有する、３次元的にひねりのある複雑な形状のキャビティが形成された中子又はおも型を製造することができる。

［３］また、本発明の鋳造用砂型の製造方法において、
前記除去加工工程は、前記キャビティの平面視にて渦巻き状で且つ高さ方向にねじれているインペラ形状に形成すると共に、前記インペラ形状の全ての羽根を平面視にて一つの前記砂ブロックに形成することが好ましい。

かかる構成によれば、渦巻き状で複雑なねじれのあるインペラ形状の全ての羽根を含む大型の中子であっても製造することができる。

［４］また、本発明の鋳造用砂型の製造方法において、
前記混錬工程では、
前記除去加工工程では、前記数値制御加工機械は４軸以上のマシニングセンタを使用していることを特徴とするが好ましい。

かかる構成によれば、４軸以上のマシニングセンタであれば砂ブロックが設置されるテーブルを回転させるなどして、３次元的な複雑な形状のキャビティであっても製造することができる。

［５］また、本発明の鋳造用砂型の製造方法において、
シャンク幅又は直径Ｄに対する突出し量Ｌの比（Ｌ／Ｄ）が５～５０である前記除去工具で前記砂ブロックを深掘する除去加工を含むことが好ましい。

かかる構成によれば、除去工具はシャンク幅又は直径Ｄに対する突出し量Ｌの比（Ｌ／Ｄ）が５～５０であっても被加工物が過度に圧縮されていない砂ブロックであるので、除去工具がびびることなく砂ブロックに除去加工で深堀することができる。さらに、（Ｌ／Ｄ）が５～５０となる長尺の除去工具の先端部分で、砂ブロックの表面付近を加工する場合であっても、被加工物が過度に圧縮されていない砂ブロックであるので、除去工具がびびることなく砂ブロックの表面付近を浅く除去加工することができる。このように、本発明では、１本の除去工具で深く加工することも浅く加工することも可能となる。

［６］また、内部に製品部分を鋳造するためのキャビティを有する鋳造用中子において、
前記キャビティは、圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ^２）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ^３）の少なくともいずれか一方を満たす砂ブロックに形成され、
前記砂ブロックの平面視にて異なる方向に連続すると共に、前記砂ブロックの垂直方向に対する傾き角が異なる角度で連続するアンダーカットを有することが好ましい。

かかる構成によれば、圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ^２）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ^３）の少なくともいずれか一方を満たす砂ブロックに形成されたキャビティであるので、溶湯を流し込んでも崩れることがなく、鋳物を製造することができる。さらに、鋳造用中子は、砂ブロックの平面視にて異なる方向に連続すると共に、砂ブロックの垂直方向に対する傾き角が異なる角度で連続するアンダーカットであるので、ひねりのある複雑な形状の鋳物であっても、精度の高い鋳物とすることができる。

［７］また、前記キャビティは、前記砂ブロックに複数形成され、
前記キャビティの形状は、前記砂ブロックの平面視にて渦巻き状で且つ高さ方向にねじれているインペラの羽根の形状であり、
複数の前記キャビティの全てが平面視にて一つの前記砂ブロックに形成されていることが好ましい。

かかる構成によれば、インペラの３次元的にねじれた複数の羽根の形状のキャビティを１つの砂ブロックに形成するので、従来技術のように分割することで中子全体としての精度が低下する虞がなく、複雑形状のキャビティが形成された大型の鋳物を精度高く製造することができる。

本発明に係る鋳造用砂型の製造方法の各工程を示すフローチャートである。 図２Ａは砂ブロック形成工程のうち型ばらし工程を模式的に示す図である。図２Ｂは砂ブロック形成工程のうち粉砕工程を模式的に示す図である。図２Ｃは砂ブロック形成工程のうち再生処理工程を模式的に示す図である。図２Ｄは砂ブロック形成工程のうち別態様の再生処理工程を模式的に示す図である。図２Ｅは鋳仕上げ工程により得た製品を示す図である。 図３Ａは砂ブロック形成工程のうち混錬工程を模式的に示す図である。図３Ｂは砂ブロック形成工程のうち押し固め工程を模式的に示す図である。 図４Ａは比較例の砂ブロックの断面を模式的に示す要部拡大図である。図４Ｂは実施形態の砂ブロックの断面を模式的に示す要部拡大図である。 図５Ａは本発明に係る鋳造用砂型で鋳造された鋳物の使用例を示す図である。図５Ｂは鋳造用砂型から取り出された直後の鋳物の一例を示す図である。 図６Ａは除去加工工程のうち形状データ作製工程から加工パス作製工程までを模式的に示す図である。図６Ｂは除去加工工程のうち砂ブロックセット工程から除去加工工程までを模式的に示す図である。 図７Ａは数値制御加工機械の要部拡大図である。図７Ｂはクローズドインペラ用の中子の除去加工を説明する図である。図７Ｃは砂ブロックのアンダーカットを除去加工する状態の説明図である。 図８Ａはクローズドインペラ用の中子の平面図である。図８Ｂはクローズドインペラ用の中子の垂直方向に対する傾き角が異なる角度で連続するアンダーカットの説明図である。 図９Ａはクローズドインペラ用の中子の加工位置を示す平面図である。図９Ｂは図９Ａの各加工位置における除去工具の垂直方向に対する傾き角の説明図である。 図１０Ａはクローズドインペラ用の中子の斜視図である。図１０Ｂはクローズドインペラ用のおも型の斜視図である。図１０Ｃはクローズドインペラ用のおも型に中子をセットした状態の斜視図である。 図１１Ａは鋳造工程のうち型合わせ工程から注湯工程までを模式的に示す図である。図１１Ｂは図１１Ａの鋳造用砂型の別態様を説明する図である。

（実施形態）
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１のフローチャートでは、図２～図１１を適宜参照するものとする。図１に示すように、本発明に係る鋳造用砂型１の製造方法は大きく分けて、砂ブロック形成工程、除去加工工程および鋳造工程の上位レベルの工程で構成されている。

砂ブロック形成工程（砂ブロックの製造方法）は、鋳造用砂型１をリサイクルする場合、鋳造用砂型１をばらして鋳物１０を取り出す型ばらし工程と、鋳物砂２を粉砕する粉砕工程と、粉砕された鋳物砂２を再生処理する再生処理工程と、再生処理された鋳物砂２に粘結材３を混錬する混錬工程と、混錬された鋳物砂２を押し固めて固化させ砂ブロック４を得る押し固め工程とを備えている。型ばらし工程で取り出した鋳物１０は、仕上げ加工を施す鋳仕上げ工程を得て製品となる。

なお、実施形態では、砂ブロック形成工程において鋳物砂２をリサイクルするところから含めたが、これに限定されず、鋳造用砂型１を全て新規の鋳物砂２から製造する場合は、混錬工程から始め、次に押し固め工程を行うものとする。

除去加工工程は、鋳物１０の形状データ１０ａを作製する形状データ作製工程と、形状データ１０ａから鋳造用砂型１の型形状を加工するための除去工具４３の加工経路等を作製する加工パス作製工程と、数値制御加工機械４０に砂ブロック４をセットする砂ブロックセット工程と、数値制御加工機械４０で砂ブロック４を除去加工して鋳造用砂型１を得る除去加工工程とを備えている。

鋳造工程は、鋳造用砂型１の上型１ａ、下型１ｂ及び中子７等を合わせる型合わせ工程と、金属材料を溶解して溶湯を得る溶解工程と、溶湯を鋳造用砂型１に流し込む注湯工程とを備えている。

次に上位レベルとしての砂ブロック形成工程を詳しく説明する。図２Ａに示すように、型ばらし工程では、上下の型枠２０の鋳物砂２中から鋳物１０を取り出とともに、型枠２０から鋳物砂２を外してばらばらにする。取り出した鋳物１０に振動等を加えることで鋳物砂２を落としてもよい。

図２Ｂに示すように、粉砕工程では、ばらした鋳物砂２はある程度の大きさの塊になっている部分があるので、この鋳物砂２を粉砕機２１で元の粒状に近くなるまで粉砕する。

図２Ｃに示すように、再生処理工程では、粉砕した鋳物砂２を再生装置２２ａに投入し、再生装置２２ａを回転させて遠心力で鋳物砂２を飛ばし再生装置２２ａの周壁にぶつけて、鋳物砂２に付いた粘結材３を砕いて落とす。このように、乾式の再生装置２２ａを使用するので、湿式のように鋳物砂２を水洗いすることなく、鋳物砂２のリサイクルを容易に行うことができる。さらに細かく砕いた鋳物砂２から粘結材３を吸塵機２４で吸引し、粘結材３が除去された鋳物砂２を得る。

図２Ｄは、図２Ｃの別態様を示し、再生処理工程では、粉砕した鋳物砂２を再生装置２２に投入し、バーナー２３で加熱して鋳物砂２に付いた粘結材３を炭化させる。さらに加熱した後の鋳物砂２から炭化した粘結材３を吸塵機２４で吸引し、粘結材３が除去された鋳物砂２を得る。

一方、図２Ｅに示すように、鋳仕上げ工程では、型ばらし工程で取り出された鋳物１０に対して、バリ取り、グラインダー掛け、仕上げ加工、ショットブラストなどを必要に応じて施し、鋳物１０の最終的な製品を得る。

図３Ａに示すように、混錬工程では、鋳物砂２として、人工セラミック砂である粒度分布の平均粒度が所定の値の大粒２ａと、平均粒度が大粒２ａの所定の値よりも小さい小粒２ｂとの、平均粒度の異なる複数種類の鋳物砂２を混錬機２５に投入する。さらに、水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂を含む粘結材３を混錬機２５に投入し、鋳物砂２と粘結材３とを混錬する。具体的には、粘結材３は、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂およびアルカリフェノール樹脂用硬化剤からなる。

このとき、鋳物砂２の全体に対する混合比率は約９７．５ｗｔ％であり、粘結材３の全体に対する混合比率は約２．５ｗｔ％である。詳細には、粘結材３の２．５ｗｔ％の構成は、水でうすめたエステル硬化用アルカリフェノール樹脂の混合比率が約２．０ｗｔ％、アルカリフェノール樹脂用硬化剤の混合比率が約０．５ｗｔ％とすることが好ましい。エステル硬化用アルカリフェノール樹脂そのものの混合比率は約１％であるが、混合比率が１％であると全体に行き渡りにくい。そこで、水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂を使用することで、水でうすめて全体に容易に行き渡らせることができる。

また、鋳物砂２において、大粒２ａと小粒２ｂとの比率は、大粒２ａ：小粒２ｂ＝７０：３０とすることが好ましい。この比率にすることで、鋳物砂２のリサイクル時の再生率を全体として９１％と高い値にすることができる。

なお、上記の鋳物砂２および粘結材３の混合比率に近ければ好ましいが、上記混合比率は、一例であり、鋳物砂２の混合比率を８０％～７０％、粘結材３の混合比率を２０％～３０％、全体として１００％となるようにしてもよい。さらには、これらの混合比率に限定されるものではない。また、実施形態では、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂を水溶性としたがこれに限定されず、水溶性ではないエステル硬化用アルカリフェノール樹脂を使用しても差し支えない。

図３Ｂに示すように、押し固め工程では、定盤２８の上に型枠２０を置き、型枠２０内に粘結材３と混錬した鋳物砂２を充填する。圧縮機２６を用いて、型枠２０内の鋳物砂２を押し固める。このとき、混錬された鋳物砂２と水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂からなる粘結材３とを、プレスしながら加振装置２７で振動を与えて固化させる。

鋳物砂２と水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂からなる粘結材３とを押し固めて、圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ²）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ^３）の少なくともいずれか一方を満たすように型枠２０内の鋳物砂２の全体をプレスして固化させることで所定形状の砂ブロック４を形成する。エステル硬化用アルカリフェノール樹脂を含む粘結材３による砂ブロック４とすることで、砂ブロック４全体に粘り強さを持たせ、靭性を向上させることができる。このため、砂ブロック４が撓むことがあっても壊れることがなく、砂ブロック４を容易に扱うことができる。

次に砂ブロック４の断面の構成を模式的に誇張して説明する。図４Ａは、図４Ｂに対する比較例の砂ブロック４の構成であり、鋳物砂２は、人工セラミック砂で自然の砂に比較して丸みを帯びており、粒度分布の平均粒度が所定の値の大粒２ａと、平均粒度が大粒２ａの所定の値よりも小さい小粒２ｂとからなる。押し固め工程では、加振装置２７による振動を与えていないため、大粒２ａと小粒２ｂと乱れて配列されている。

図４Ｂは押し固め工程で加振装置２７による振動を与えた砂ブロック４の構成である。鋳物砂２は、比較例同様、大粒２ａと小粒２ｂとからなる。鋳物砂２の大粒２ａと小粒２ｂとは、押し固め工程で振動を与えられることで、規則的に整列するように配列されている。このため、図４Ａの砂ブロック４に比較して図４Ｂの砂ブロック４は、除去加工時の加工面５（図７Ｃ参照）の加工精度を向上させ、表面粗さを小さくして加工面５をきれいに仕上げることができる。

また、鋳物砂２は、球状のセラミック人工砂であり、大粒２ａの平均粒度は１５０～２１２（μｍ）で、混合比が６０～５０％であり、小粒２ｂの平均粒度は７５～１０６（μｍ）で、混合比が４０～５０％であり、合わせて１００％とすることがより好ましい。このような構成とすることで、鋳造用砂型１（図１１Ａ参照）のリサイクル性や通気性を確保したうえで、塗型なしで表面の精度がよい鋳物１０（図５Ｂ参照）を得ることができる。

なお、鋳物砂２は、球状のセラミック人工砂に限定されず、角張った部分を有するセラミック人工砂や、自然砂、さらには、けい砂、クロマイト砂、ジルコン砂など、砂ブロック４に使用できれば、他の一般的な鋳物砂２であっても差し支えない。また、大粒２ａと小粒２ｂの平均粒度は、上記の値に限定されず、他の平均粒度の砂粒であってもよく、混合比率も上記の値に限定されるものではなく、上記以外の範囲に適宜変更しても差し支えない。

次に砂ブロック４の上記以外の作用効果について説明する。以上に述べたように、混錬された鋳物砂２と粘結材３とを単にプレスするだけでなく、振動を与えながらプレスするので、砂ブロック４内全体において、密度のむらをなくすことができる。さらに、鋳物砂２は、人工セラミック砂であるので、自然の砂に比較して砂粒の大きさのむらを低減するとともに砂粒の形状が丸型となり、砂粒２ａ、２ｂを均一に配列することができる。さらに、粘結材３のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂は水溶性であるので、鋳物砂２と混錬させ易く且つ廃棄時の除去も容易にできる。

さらに、平均粒度が大粒２ａの所定の値よりも小さい小粒２ｂは、軽いためリサイクルの再生処理工程時に吸引除去され易いが、平均粒度が所定の値の大粒２ａを混ぜることでリサイクル率を向上させることができる。さらに、平均粒度が所定の値の大粒２ａを混ぜることで、鋳造用砂型１の通気性を向上させることができる。さらに、平均粒度が大粒２ａの所定の値よりも小さい小粒２ｂを混ぜることで、加工面５の精度を向上させることができる。すなわち、リサイクル性や通気路の確保をしたうえで、除去加工後の加工精度を向上させることができる。

さらに、鋳物砂２を再生利用して砂ブロック４を形成するには、新規に平均粒度の小さい小粒２ｂの鋳物砂２を加え、平均粒度の大きい大粒２ａの鋳物砂２は、再生利用のものを使用する。こうすることで、ばらし工程の後、粘結材３を吸塵機２４のエアーの吸い込みで除去する際に、小粒２ｂの鋳物砂２が粘結材３と一緒に除去されるが、平均粒度の小さい小粒２ｂの鋳物砂２を加えることで、大粒２ａのほとんどをリサイクルすることができる。

なお、実施形態は、押し固め工程で、鋳物砂２に加振装置２７により振動を与えた砂ブロック４に限定されず、図４Ａの比較例に示した鋳物砂２に加振装置２７により振動を与えていない砂ブロック４も含むものとする。ただし、押し固め工程で、鋳物砂２に加振装置２７により振動を与えた砂ブロック４の方が、砂ブロック４内全体で鋳物砂２の粒２ａ、２ｂを均一にし、密度のむらをなくす効果は大きい。

次に本発明の鋳造用砂型１による鋳物１０の製品例について説明する。図５Ａに示すように、鋳物１０は、いわゆるクローズドインペラである。クローズドインペラ１０は、ウォーターポンプ１５等に使用され、羽根１１が主板１２と側板１３との間に挟まれており、回転軸１４を中心に回転させて側板１３の開口から入った水を主板１２の遠心力及び羽根１１の案内により外径方向に吐出するものである。

図５Ｂ、図１１Ａに示すように、鋳造用砂型１から外した直後のクローズドインペラ１０は、溶湯６２が湯道で固まりクローズドインペラ１０に着いた状態である。クローズドインペラ１０の羽根１１は、平面視で渦巻状であり、且つ、中心から外径に向かってねじれた３次元的に複雑な形状である。

次に上位レベルとしての除去加工工程について詳しく説明する。図６Ａに示すように、形状データ作製工程では、コンピュータ３１により製品となる鋳物１０（図５参照）の形状データ（不図示）を作製する。２次元図面の場合であっても、製品となる鋳物１０が立体形状である場合は、３次元ＣＡＤによる形状データを作製する。さらに、製品となる鋳物１０の形状データを基にして３次元ＣＡＤ上で鋳造用砂型１（図１１参照）の設計を行う。このとき、鋳造用砂型１の分割方法、形状によっては中子形状、溶湯の湯道などの鋳造方案の検討も行い設計する。例えば、鋳物１０がクローズドインペラのように複雑な形状の場合、鋳造用砂型１の中子７（図８参照）の形状データ１０ａを作製する。

加工パス作製工程では、鋳造用砂型１のＣＡＤの形状データを基に、ＣＡＭソフトを使用しモニタ３２で加工範囲４ａにおける除去工具４３ａの経路などの動かし方を検討し、数値制御加工機械４０（図６Ｂ参照）の動作プログラム（例えば、いわゆるＧコード）を作製する。ＣＡＭソフトへの入力データは、例えば、除去工具４３ａの種類、回転数、送り速度、切削量、経路（加工パス）などであり、最終的な加工形状データ３３をモニタ３２で確認する。

図６Ｂ、図７Ａに示すように、数値制御加工機械４０は、第１軸（Ｘ軸）となるレール４４と、これらのレール４４にスライド可能に立つ支柱４５と、これらの支柱４５に掛け渡され第２軸（Ｙ軸）となる梁部４６と、この梁部４６にスライド可能に設けられるスライダ４７と、このスライダに昇降可能に設けられ第３軸（Ｚ軸）となる昇降機構４８と、この昇降機構４８に昇降機構４８の軸周りに回転可能に設けられ第４軸（回転軸）となる回転機構５１と、この回転機構５１に揺動可能に設けられ第５軸（揺動軸）となる揺動機構５２とを備えている。

さらに、数値制御加工機械４０は、レール４４間に設けられる台５３と、台５３に設けられるクランプ機構５４と、揺動機構の先端部に設けられるスピンドル４１及びチャック４２とを備え、チャック４２に除去工具４３が取付けられている。数値制御加工機械４０は、いわゆる５軸加工機である。なお、数値制御加工機械４０では、ＣＡＭソフト上での除去工具４３ａに対応する、除去工具４３を使用するものとする。

砂ブロックセット工程では、台５３に砂ブロック４をセットし、この砂ブロック４の型枠２０をクランプ機構５４でクランプする。なお、実施形態の砂ブロック４は型枠２０を設けたが、これに限定されず、中子などの型形状によっては、砂ブロック４に型枠２０を設けずに直接砂ブロック４をクランプ機構５４でクランプしてもよい。

図６Ｂ～図７Ｃに示すように、除去工具４３は、エンドミルであり、直径Ｄに対するチャック４２端部からの突出し量Ｌの比（Ｌ／Ｄ）が５～５０である。なお、実施形態では、除去工具４３をエンドミルとしたが、これに限定されず、除去工具４３は、ドリル、バイト、電着砥石などの少なくとも１つでもよく、砂ブロック４を除去加工できれば、他の棒状の工具であっても差し支えない。バイトの場合は、直径Ｄではなくシャンク幅Ｄとする。

除去加工工程では、形状データに基づいて除去工具４３をコンピュータ制御により操作する４軸以上の数値制御加工機械４０を用いて、砂ブロック４の砂粒を除去工具４３で剥がしながら除去加工することによって鋳造用砂型１の一部又は全部を製造する。加工条件は、除去工具４３が回転工具の場合、加工速度を１～４（ｍ／ｓｅｃ）、送り速度を１０００～９０００（ｍｍ／分）とすることが好ましい。なお、加工条件は、上記の値に限定されず、砂ブロック４を加工できれば、上記以外の値であってもよい。

なお、実施形態では、数値制御加工機械４０を、５軸のマシニングセンタとしたが、これに限定されず、数値制御加工機械４０は、４軸以上のマシニングセンタであれば、４軸、６軸のマシニングセンタであってもよい。数値制御加工機械４０を、４軸以上とすることで、アンダーカット６がある鋳物１０の鋳造用砂型１を製造することができる。さらに、中子を削減して、高精度の鋳造用砂型１を製造することができる。

特に、数値制御加工機械４０を５軸のマシニングセンタとすることで、図５Ａに示すクローズドインペラ１０のような羽根１１を有する複雑な形状で大きい立体形状であり、且つ、除去工具４３を少なくとも２方向以上から進入させて砂ブロック４を除去加工することで砂ブロック４の平面視にて異なる方向に連続すると共に、砂ブロック４の垂直方向に対する傾き角が異なる角度で連続する羽根１１を形成するためのアンダーカット６を有する鋳造用砂型１を製造することができる。

次にクローズドインペラ１０（図５参照）用の中子７について説明する。図８Ａに示すように、中子７は、クローズドインペラ１０の羽根１１、主板１２の内面、側板１３の内面などを形成するものである。羽根１１を形成するためのキャビティ７０は、中子７にキャビティ７０平面視にて、中心部７１から外周部７２に向かって渦巻き状に３か所に形成されている。３か所のキャビティ３は、全てが平面視にて１つの砂ブロック４に形成されている。

図８Ａ、図８Ｂに示すように、一つのキャビティ７０の断面は、中心部７１から外周部７２に向かって、断面の位置（１）では垂線方向（軸方向）に対する傾き角が大きく、断面の位置（２）では断面の位置（１）より傾き角が小さくなり、断面の位置（３）では断面の位置（２）より傾き角が小さくなり、断面の位置（４）では断面の位置（３）より傾き角が小さくなる。

このように、中子７のキャビティ７０の形状は、砂ブロック４の平面視にて異なる方向に連続すると共に、砂ブロック４の垂直方向に対する傾き角が異なる角度で連続するアンダーカット６を有している。

次に、除去加工工程における、除去工具４３の角度について説明する。図９Ａに示すように、中子７、キャビティ７０は、中子７にキャビティ７０の平面視にて、中心部７１から外周部７２に向かって渦巻き状に３か所に形成されている。

図９Ａ、図９Ｂに示すように、一つのキャビティ７０の断面は、中心部７１から外周部７２に向かう断面の位置（１）～（４）において、垂線方向（軸方向）対する傾き角は、断面の位置（１）では傾き角がθ１であり、断面の位置（２）では傾き角がθ２であり、断面の位置（３）では傾き角がθ３であり、断面の位置（４）では傾き角がθ４であり、θ１＞θ２＞θ３＞θ４となるように徐々に傾き角を変えている。

除去加工工程では、除去工具４３が中子７の中心部７１から外周部７２に向かって、砂ブロック４の平面視にて異なる方向に連続すると共に、砂ブロック４の垂直方向に対する傾き角が異なる角度で連続するように移動し、複雑なアンダーカット６の形状を形成している。このような除去加工を行うことで、キャビティ７０を平面視にて渦巻き状で且つ高さ方向にねじれているインペラ形状（インペラの羽根の形状）に形成すると共に、インペラ形状の全ての羽根１１（図５参照）を平面視にて一つの砂ブロック４に形成する。

次に中子７とおも型８について説明する。図１０Ａに示すように、砂ブロック４を除去工具４３で除去加工することで中子７を製造する。同様に砂ブロック４を除去工具４３で除去加工することで、図１０Ｂに示す、おも型８を製造する。図１０Ｃに示すように、おも型８に中子７をセットすることで鋳造用砂型１を得る。なお、図１０Ｃの鋳造用砂型１は、クローズドインペラ１０を２個取りするように形成されている。

次に上位レベルとしての鋳造工程について詳しく説明する。図１１Ａに示すように、型合わせ工程では、上型１ａと下型１ｂとの間に中子７をセットし、上型１ａと下型１ｂとを位置決めピン（不図示）などで位置決めして合わせて鋳造用砂型１とする。この場合上型１ａ及び下型１ｂは、おも型８とも言える。また、型枠２０をクランプ部材２８でクランプしてもよい。型枠２０をクランプすることで、溶湯６２を流し込んだ際に上型が浮き上がることを抑制できる。

溶解工程では、金属材料を溶解して溶湯６２を得る。注湯工程では、取鍋６１から溶湯６２を鋳造用砂型１の湯口６３に流し込む。溶湯６２は鋳造用砂型１のキャビティ７０に充填され、冷却することで固化しクローズドインペラ（鋳物）１０となる。

次に図１１Ａの鋳造用砂型１の別態様を説明する。図１１Ｂに示すように、上型１ａには、製品を形成するキャビティ７０全体に亘って大きく突出する凸部７が形成されている。下型１ｂには、製品を形成するキャビティ７０全体に亘って大きく窪むとともに上型１ａの凸部７に嵌る凹部８が形成されている。

上型１ａに凸部７を形成し、下型１ｂに凹部８を形成することで、型合わせ工程において、鋳造用砂型１に位置決めピンを設ける必要がなく、鋳造用砂型１を容易に製造することができる。この効果は、数値制御加工機械４０を４軸以上の特に５軸のマシニングセンタとすることで、鋳造用砂型１の分割面（パーティングライン）を自由に決めることができることによるものである。

次に上記以外の作用効果について説明する。砂ブロック形成工程では、砂ブロックは、圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ２）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ３）の少なくともいずれか一方を満たすように形成されているので、圧縮強度及びかさ密度が除去加工に適した範囲となり、除去工具４３による除去加工によっても崩れることなく、加工面５の精度を向上させることができる。さらに、型枠２０内の鋳物砂をプレスするだけで砂ブロックが形成されるので、短時間で砂ブロック４を形成することができる。さらに圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ２）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ３）の少なくともいずれか一方を満たす砂ブロック４とすることで、鋳物砂２のプレスが低圧で済むので、砂ブロック４の造型を容易にできる。さらに、砂ブロック４の圧縮強度が比較的小さいので加工時の除去工具４３に加わる負荷を低減することができる。さらに、除去工具４３に加わる負荷を低減することができることから、加工速度及び送り速度を速めることができ、したがって大幅に加工工数を低減して製造コストを低く抑えることができる。

さらに、除去加工工程では、数値制御加工機械４０を用いて、砂ブロック４の平面視にて除去工具４３を少なくとも２方向以上から進入させて砂ブロック４を除去加工することでアンダーカット６を有するキャビティ７０が形成されるので、単なるアンダーカット６ではなく、複雑形状のキャビティ７０を有する中子７又はおも型８を製造することができる。

さらに、砂ブロック４を除去工具４３で除去加工するので、積層造形法（３Ｄプリンタ）に比較して、短時間で所望の中子７やおも型８を製造することができる。また、大型の中子７やおも型８は崩れやすく扱い難いところ、仮に積層造形法（３Ｄプリンタ）で砂型を製造すると熱硬化性樹脂により粘着された砂自体で型全体の形状を保つ必要があることや、造形範囲の制約から、大型の中子７やおも型８を製造することは難しい。また、積層造形法では、型枠２０に密着したおも型８を作ることが難しいため、仮に積層造形法でおも型を製造できても、型枠２０をクランプして抑えることができず、大型の鋳物１０を製造するために大量の溶湯を型に流し込んだ際、上型１ａが浮き上がる虞がある。

この点、本発明では、砂ブロック４が型枠２０で押さえられているので大型の中子７やおも型８であっても型枠２０が周囲を支持するので、容易に型全体の形状を保つことができ、加えて加工範囲が積層造形法よりも大きいことから、大型の中子７やおも型８であっても製造することができる。さらに型枠２０をクランプ部材２８でクランプすることで、大量の溶湯を型に流し込んでも上型１ａを抑えることができ、容易に大型の鋳物１０を製造することができる。

さらに、平面視で複数方向に連続すると共に垂直方向の複数方向の傾きが連続するアンダーカット６を有する、３次元的にひねりのある複雑な形状のキャビティ７０が形成された中子７又はおも型８を製造することができる。

さらに、渦巻き状で複雑なねじれのあるインペラ形状の全ての羽根１１を含む大型の中子７であっても製造することができる。

４軸以上のマシニングセンタであれば砂ブロックが設置されるテーブルを回転させるなどして、３次元的な複雑な形状のキャビティ７０であっても製造することができる。なお、５軸以上のマシニングセンタであれば、テーブルの回転も不要となる。

さらに、除去工具４３はシャンク幅又は直径Ｄに対する突出し量Ｌの比（Ｌ／Ｄ）が５～５０であっても被加工物が過度に圧縮されていない砂ブロック４であるので、除去工具４３がびびることなく砂ブロック４に除去加工で深堀することができる。さらに、（Ｌ／Ｄ）が５～５０となる長尺の除去工具４３の先端部分で、砂ブロック４の表面付近を加工する場合であっても、被加工物が過度に圧縮されていない砂ブロック４であるので、除去工具がびびることなく砂ブロックの表面付近を浅く除去加工することができる。このように、本発明では、１本の除去工具４３で、深く加工することも浅く加工することも可能となる。

さらに、圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ^２）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ^３）の少なくともいずれか一方を満たす砂ブロック４に形成されたキャビティ７０であるので、溶湯６２を流し込んでも崩れることがなく、鋳物１０を製造することができる。さらに、鋳造用中子７は、砂ブロック４の平面視にて異なる方向に連続すると共に、砂ブロック４の垂直方向に対する傾き角が異なる角度で連続するアンダーカット６であるので、ひねりのある複雑な形状の鋳物１０であっても、精度の高い鋳物とすることができる。

さらに、インペラの３次元的にねじれた複数の羽根１１の形状のキャビティ７０を１つの砂ブロック４に形成するので、従来技術のように分割することで中子全体としての精度が低下する虞がなく、複雑形状のキャビティ７０が形成された大型の鋳物１０を精度高く製造することができる。

また、実施形態では、鋳物１０をクローズドインペラとしたが、これに限定されず、いわゆるオープンインペラでもよく、さらには、ひねりのあるアンダーカット６を有するキャビティ７０であれば、鋳造用砂型１はインペラ用でなくてもよい。

１… 鋳造用砂型
２… 鋳物砂（球状のセラミック人工砂）
３… 粘結材（水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂、アルカリフェノール樹脂用硬化剤）
４… 砂ブロック
６… アンダーカット
７… 中子（鋳造用中子）
８… おも型
１０… 鋳物（クローズドインペラ、オープンインペラ、インペラ）
１０ａ… 製品の形状データ
１１… 羽根
３１… コンピュータ（ＣＡＤ、ＣＡＭ）
４０… 数値制御加工機械
４３… 除去工具（エンドミル、ドリル、バイト、電着砥石）
Ｄ… シャンク径又は直径
Ｌ… チャック端部からの突出し量
θ１～θ４… 除去工具の傾き角

Claims (5)

1. 型枠内に粘結材と混錬した鋳物砂を充填し、
   圧縮強度が１５～５０（Ｎ／ｃｍ２）、又は、かさ密度が１．０～２．０（ｇ／ｃｍ３）の少なくともいずれか一方を満たすように前記型枠内の前記鋳物砂をプレスして固化させることで砂ブロックを形成する砂ブロック形成工程と、
   形状データに基づいて棒状の除去工具をコンピュータ制御により操作する数値制御加工機械を用いて、前記砂ブロックの平面視にて前記除去工具を少なくとも２方向以上から進入させて前記砂ブロックを除去加工することでアンダーカットを有するキャビティが形成された鋳造用砂型の中子又はおも型を製造する除去加工工程と、を含むことを特徴とする鋳造用砂型の製造方法。
2. 請求項１記載の鋳造用砂型の製造方法であって、
   前記除去加工工程は、前記砂ブロックの平面視にて異なる方向に連続すると共に、前記砂ブロックの垂直方向に対する傾き角が異なる角度で連続する前記アンダーカットを形成することを特徴とする鋳造用砂型の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の鋳造用砂型の製造方法であって、
   前記除去加工工程は、前記キャビティの平面視にて渦巻き状で且つ高さ方向にねじれているインペラ形状に形成すると共に、前記インペラ形状の全ての羽根を平面視にて一つの前記砂ブロックに形成することを特徴とする鋳造用砂型の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１記載の鋳造用砂型の製造方法であって、
   前記除去加工工程では、前記数値制御加工機械は４軸以上のマシニングセンタを使用していることを特徴とする鋳造用砂型の製造方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１記載の鋳造用砂型の製造方法であって、
   シャンク幅又は直径Ｄに対する突出し量Ｌの比（Ｌ／Ｄ）が５～５０である前記除去工具で前記砂ブロックを深掘する除去加工を含むことを特徴とする鋳造用砂型の製造方法。

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