JP7453936B2 - 砂型中子および砂型中子の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、砂型中子および砂型中子の製造方法に関する。

砂型中子の製造方法として、例えば、型を利用する方法および三次元造形機を用いる方法がある。型を用いる方法では、芯金を木型または発泡スチロール型にセットし、鋳砂をこれらの型に投入して固めることで砂型中子を製造する。この方法では、木型または発泡スチロール型の製作に多くの時間を要する場合がある。

三次元造形機を用いる方法では、鋳砂と鋳砂を結着させる粘結剤とを混合した材料に、インクジェットヘッドにより結合剤溶液をかけて一層ずつ積層することで、砂型中子を積層造形する。三次元造形機を用いる方法によれば製作時間を短縮することができるが、芯金を組み込んで砂型中子を製造することができない。そのため、砂型中子の強度が不十分となる場合がある。また、三次元造形機の大きさにより、積層造形できる砂型中子の大きさに限界がある。そのため、積層造形により製造された砂型中子を大型の鋳造品の鋳造に用いることができない場合がある。

特許文献１には、隣接する部材と嵌合可能な主型用部分型を組み合わせた主型と、隣接する部材と嵌合可能な中子造形型用部分型を組み合わせて形成されると共に、前記主型と同一形状である主型相当部と、該主型相当部の前記主型のキャビティ部に相当する領域に位置し、鋳物と同一の肉厚に形成された鋳物相当部とを有する中子造形型とを用いる鋳物の製造方法が開示されている。

特開２０１７－１３１９３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、中子の強度が十分でなく、また、より大型の鋳造品の鋳造に用いることができない。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、高い強度を有し、且つ大型の鋳造品の鋳造に用いることができる砂型中子およびその砂型中子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る砂型中子は、接合された複数の砂型中子分割体と、パイプと、鋳砂と、を備え、複数の前記砂型中子分割体はそれぞれ孔部を有し、接合された複数の前記砂型中子分割体の互いに連通する前記孔部には、内外を貫通する複数の貫通孔を有する前記パイプが挿入され、前記パイプには前記鋳砂が充填されている。

本開示に係る砂型中子の製造方法は、鋳砂を用いた積層造形によって、それぞれが孔部を有する複数の砂型中子分割体を成型する成型工程と、複数の前記砂型中子分割体の前記孔部が連通するように、前記砂型中子分割体を接合する接合工程と、接合された複数の前記砂型中子分割体の互いに連通する孔部に、内外を貫通する複数の貫通孔を有するパイプを挿入する挿入工程と、前記パイプ内に鋳砂を供給する鋳砂供給工程と、を含む。

本開示の砂型中子およびその砂型中子の製造方法によれば、高い強度を有し、且つ大型の鋳造品の鋳造に用いることができる砂型中子およびその砂型中子の製造方法を提供することができる。

本開示の実施形態に係る砂型中子を示す図である。 本開示の実施形態に係る砂型中子分割体を示す図である。 本開示の実施形態に係る砂型中子分割体の側面図である。 本開示の実施形態に係る砂型中子の孔部付近の拡大断面図である。 本開示の実施形態に係る砂型中子の製造方法の挿入工程を説明するための図である。

以下、本開示の実施形態に係る砂型中子および砂型中子の製造方法について、図１～図４を参照して説明する。まず、本開示の実施形態に係る砂型中子について説明する。

（砂型中子１０の構成）
図１に示すように、本開示の実施形態に係る砂型中子１０は、複数の砂型中子分割体１と、パイプ５と、図示しない鋳砂と、を備える。

（砂型中子分割体）
図２ａおよび図２ｂに示すように、複数（本実施形態では二つ）の砂型中子分割体１は、それぞれ円筒形状をなしている。これら砂型中子分割体１は、軸方向に配列されている。これら砂型中子分割体１は、それぞれの軸方向の端面同士が当接している。砂型中子分割体１は、鋳砂を用いた積層造形によって製造されている。砂型中子分割体１は、円筒形状を有し、その大きさは積層造形を行う三次元造形機の大きさに制限される。

（孔部）
砂型中子分割体１の内部には中空部としての孔部２が形成されている。孔部２は、砂型中子分割体１の軸方向と平行な方向に、軸方向の全部にわたって形成されている。即ち、孔部２は、各砂型中子分割体１の両端面にわたって該砂型中子分割体１を軸方向に貫通するように形成されている。孔部２の直径は、後述のパイプ５を孔部２に挿入した際に、孔部２内面とパイプ５外面との間に鋳砂が供給される隙間ができる大きさとされている。

各砂型中子分割体１には、これら砂型中子分割体１を互いに連結する構造として、凹部３及び凸部４がされている。

（凹部）
砂型中子分割体１の凹部３は、砂型中子分割体１の一方の端面に形成される。凹部３は、周方向に間隔をあけて複数（本実施形態では３つ）が形成されている。即ち、凹部３は、砂型中子分割体１の周方向に１２０℃間隔で形成されている。各凹部は、砂型中子分割体１の一方の端面から円柱状に凹むように形成されている。これらの凹部３は、後述の凸部４を凹部３に挿入した場合に、複数の砂型中子分割体１の孔部２が連通する位置に形成されている。凹部３の深さおよび直径は、後述の凸部４と互いに固定される範囲に設定される。

（凸部）
砂型中子分割体１の凸部４は、砂型中子分割体１の他方の面に、上記凹部３と同数の複数（本実施形態では３つ）が形成されている。３つの凸部４は、円柱形状を有し、砂型中子分割体１に間隔をあけて複数形成されている。即ち、各凸部４は、周方向に１２０℃間隔で形成されている。これらの凸部４は、凸部４を上述の凹部３に挿入した場合に、複数の砂型中子分割体１の孔部２が連通する位置に形成されている。凸部４の高さおよび直径は、上述の凹部３と互いに固定される範囲に設定されている。

（パイプ）
図３に示すように、本開示の実施形態に係る砂型中子１０のパイプ５は、互いに連結された複数の砂型中子分割体１の孔部２内で、即ち、互いに連通された複数の孔部２内で、これら複数の砂型中子分割体１の軸方向にわたって延びている。パイプ５は、軸方向にわたって中空構造とされている。
パイプ５は、内外を貫通する複数の貫通孔６を有している。各貫通孔６は、軸方向に等間隔をあけて配置されている。各貫通孔６は、さらに周方向に間隔をあけて配置されていてもよい。各貫通孔６は、軸方向を長手方向とする長孔状とされている。本実施形態では、軸方向を長手方向とする矩形状をなしている。

（鋳砂）
鋳砂は、孔部２に挿入されたパイプ５内に充填されている。鋳砂は、自硬性を有する。パイプ５外面と孔部２内面との間にも、パイプ５の貫通孔６からあふれた鋳砂が充填されている。即ち、砂型中子分割体１の内周面（孔部２の内周面）とパイプ５の外周面との間にも鋳砂が充填されている。

（作用効果）
上記構成の砂型中子１０は、複数の砂型中子分割体１を接合して形成されているため、積層造形により製造した単独の砂型中子よりもサイズが大きい。そのため、上記構成の砂型中子１０は、大型の鋳造品の鋳造に用いることができる。

また、上記構成の砂型中子１０は、複数の砂型中子分割体１の孔部２にパイプ５が挿入されており、且つパイプ５内には鋳砂が充填されているため、高い強度を有する。そのため、運搬中または鋳造中の砂型中子１０が破損することを抑制することができる。

また、上記構成の砂型中子１０は、パイプ５内のみならず、パイプ５外面と孔部２内面との間にも鋳砂が充填されている。そのため、パイプ５と砂型中子分割体１との接合強度を高めることができ、砂型中子１０の強度をより高めることができる。

また、上記構成の砂型中子１０は、パイプ５の貫通孔６が、パイプ５の軸方向にわたって等間隔で形成されている。そのため、パイプ５内に鋳砂を供給した際に、パイプ５外面と砂型中子分割体１の孔部２内面との間に、より均一に鋳砂を供給することができる。その結果、パイプ５と砂型中子分割体１との接合強度をより高めることができ、砂型中子１０の強度をより一層高めることができる。

（砂型中子１０の製造方法）
以下、本開示の実施形態に係る砂型中子１０の製造方法について説明する。
本開示の実施形態に係る砂型中子１０の製造方法は、成型工程と、接合工程と、挿入工程と、鋳砂供給工程と、を含む。

（成型工程）
成型工程では、鋳砂を用いた積層造形によって、それぞれが孔部２を有する複数の砂型中子分割体１を成型する。それぞれの砂型中子分割体１には、孔部２に加えて、凹部３および凸部４が形成される。

（接合工程）
接合工程では、一方の砂型中子分割体１の凹部３に、他方の砂型中子分割体１の凸部４を挿入することで、複数の砂型中子分割体１の孔部２が連通するように、砂型中子分割体１を接合する。砂型中子分割体１の接合には、砂型中子分割体１の端面に接着剤を塗布する方法を用いることができる。

（挿入工程）
挿入工程では、図４に示すように、接合された複数の砂型中子分割体１の互いに連通する孔部２に、内外を貫通する複数の貫通孔６（図４では不図示）を有するパイプ５を挿入する。

（鋳砂供給工程）
鋳砂供給工程では、パイプ５内に鋳砂を供給する。パイプ５内に供給された鋳砂は、パイプ５内に充填されると共に、パイプ５に形成された貫通孔６から鋳砂があふれることで、パイプ５外面と砂型中子分割体１の孔部２内面との間にも充填される。

（作用効果）
上記構成の砂型中子１０の製造方法では、複数の砂型中子分割体１を接合して砂型中子１０を製造するため、積層造形により製造した単独の砂型中子よりもサイズが大きい砂型中子１０を製造することができる。そのため、大型の鋳造品の鋳造に用いることができる砂型中子１０を製造することができる。

また、上記構成の砂型中子１０の製造方法は、複数の砂型中子分割体１の孔部２にパイプ５を挿入し、且つパイプ５内には鋳砂を充填するため、高い強度を有する砂型中子１０を製造することができる。そのため、運搬中または鋳造中の破損が抑制された砂型中子１０を製造することができる。

また、上記構成の砂型中子１０の製造方法は、鋳砂供給工程において、パイプ５内のみならず、パイプ５外面と砂型中子分割体１の孔部２内面との間にも鋳砂を供給するため、パイプ５と砂型中子分割体１との接合強度をより高めることができる。その結果、強度をより高めた砂型中子１０を製造することができる。

また、上記構成の砂型中子１０の製造方法は、接合工程において、一方の砂型中子分割体１の凹部３に、他方の砂型中子分割体１の凸部４を挿入するため、容易に孔部２が連通するように砂型中子分割体１同士を接合することができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、砂型中子１０を構成する砂型中子分割体１の数は２に限定されず、３以上であってもよい。

なお、砂型中子分割体１は、円筒形状でなくてもよく、例えば、多角柱形状であってもよい。また、砂型中子分割体１は、中空部としての孔部２を有する構造であればいかなる構造であってもよい。さらに、複数の砂型中子分割体１は、同形状でもあってもよいし、異なる形状であってもよい。複数の砂型中子分割体１は、それぞれに孔部２が形成されており、連結した際にこれら孔部２が連通される構造であればよい。

なお、凹部３および凸部４の数はそれぞれ３つに限定されず、またそれらの形状は円柱形状に限定されない。即ち、凹部３及び凸部４の構造は、互いに隣り合う複数の砂型中子分割体１を連結できる構造であればいかなる構造であってもよい。

なお、凹部３および凸部４は形成されていなくてもよい。凹部３および凸部４が形成されていない場合は、接合工程において、複数の砂型中子分割体１の孔部２が連通するように配置してから、接合すればよい。

なお、パイプ５としては、例えば市販の配管用炭素鋼鋼管（ＳＧＰ）、圧力配管用炭素鋼鋼管（ＳＴＰＧ）、高圧配管用炭素鋼鋼管（ＳＴＳ）、高温配管用炭素鋼管（ＳＴＰＴ）、配管用合金鋼鋼管（ＳＴＰＡ）、配管用ステンレス鋼管等を用いることができる。

なお、パイプ５の貫通孔６は、軸方向又は周方向に等間隔に形成されていなくてもよい。また、貫通孔６の形状は矩形状でなくともよく、多角形状、円形状であってもよい。さらに、貫通孔６は、軸方向に延びる長孔形状でなくともよい。

なお、パイプ５外面と砂型中子分割体１の孔部２内面との間には、鋳砂が隙間無く充填されていなくてもよい。換言すると、パイプ５外面と砂型中子分割体１の孔部２内面との間には隙間があってもよい。

なお、鋳砂としては、例えば樹脂、硬化剤および自硬性砂を混合したものが挙げられる。

なお、鋳砂供給工程において、鋳砂はパイプ５の一方から供給してもよく、両方から供給してもよい。

なお、本開示の実施形態に係る砂型中子１０は、大型の鋳造品、例えば圧縮機や蒸気タービンのケーシング、ガスタービンの動翼や静翼の鋳造に好適に用いることができる。

＜付記＞
各実施形態に記載の砂型中子１０は、例えば以下のように把握される。

第１の態様に係る砂型中子１０は、接合された複数の砂型中子分割体１と、パイプ５と、鋳砂と、を備え、複数の前記砂型中子分割体１はそれぞれ孔部２を有し、接合された複数の前記砂型中子分割体１の互いに連通する前記孔部２には、内外を貫通する複数の貫通孔６を有する前記パイプ５が挿入され、前記パイプ５には前記鋳砂が充填されている。

上記構成の砂型中子１０は、積層造形により製造した単独の砂型中子よりもサイズが大きい。そのため、上記構成の砂型中子１０は、大型の鋳造品の鋳造に用いることができる。
また、上記構成の砂型中子１０は、高い強度を有するため、運搬中または鋳造中の砂型中子１０が破損することを抑制することができる。

第２の態様に係る砂型中子１０は、前記孔部２内面と前記パイプ５外面との間に前記鋳砂が充填されている。

上記構成の砂型中子１０は、パイプ５と砂型中子分割体１との接合強度を高めることができ、砂型中子１０の強度をより高めることができる。

第３の態様に係る砂型中子１０は、前記パイプ５の前記貫通孔６が、前記パイプ５の軸方向にわたって等間隔で形成されている。

上記構成の砂型中子１０は、パイプ５と砂型中子分割体１との接合強度をより高めることができ、砂型中子１０の強度をより一層高めることができる。

各実施形態に記載の砂型中子１０の製造方法は、例えば以下のように把握される。

第１の態様に係る砂型中子１０の製造方法は、鋳砂を用いた積層造形によって、それぞれが孔部２を有する複数の砂型中子分割体１を成型する成型工程と、複数の前記砂型中子分割体１の前記孔部２が連通するように、前記砂型中子分割体１を接合する接合工程と、接合された複数の前記砂型中子分割体１の互いに連通する孔部２に、内外を貫通する複数の貫通孔６を有するパイプ５を挿入する挿入工程と、前記パイプ５内に鋳砂を供給する鋳砂供給工程と、を含む。

上記構成の砂型中子１０の製造方法では、積層造形により製造した単独の砂型中子よりもサイズが大きい砂型中子１０を製造することができる。そのため、大型の鋳造品の鋳造に用いることができる砂型中子１０を製造することができる。
また、上記構成の砂型中子１０の製造方法は、高い強度を有する砂型中子１０を製造することができる。そのため、運搬中または鋳造中の破損が抑制された砂型中子１０を製造することができる。

第２の態様に係る砂型中子１０の製造方法は、前記鋳砂供給工程では、前記パイプ５外面と前記孔部２内面との間に前記鋳砂が充填されるまで、前記パイプ５内に前記鋳砂を供給する。

上記構成の砂型中子１０の製造方法は、パイプ５と砂型中子分割体１との接合強度を高めることができる。その結果、強度をより高めた砂型中子１０を製造することができる。

第３の態様に係る砂型中子１０の製造方法は、前記成型工程では、鋳砂を用いた積層造形によって、それぞれが孔部２、凹部３および凸部４を有する複数の砂型中子分割体を成型し、前記接合工程では、前記凹部３に前記凸部４を挿入することで、複数の前記砂型中子分割体１の前記孔部２が連通するように、前記砂型中子分割体１を接合する。

上記構成の砂型中子１０の製造方法は、容易に孔部２が連通するように砂型中子分割体１同士を接合することができる。

１…砂型中子分割体
２…孔部
３…凹部
４…凸部
５…パイプ
６…貫通孔
１０…砂型中子

Claims (6)

1. 接合された複数の砂型中子分割体と、パイプと、鋳砂と、を備え、
   複数の前記砂型中子分割体はそれぞれ孔部を有し、
   接合された複数の前記砂型中子分割体の互いに連通する前記孔部には、内外を貫通する複数の貫通孔を有する前記パイプが挿入され、
   前記パイプには前記鋳砂が充填されている、砂型中子。
2. 前記孔部内面と前記パイプ外面との間に前記鋳砂が充填されている、請求項１に記載の砂型中子。
3. 前記パイプの前記貫通孔が、前記パイプの軸方向にわたって等間隔で形成されている、請求項１または２に記載の砂型中子。
4. 鋳砂を用いた積層造形によって、それぞれが孔部を有する複数の砂型中子分割体を成型する成型工程と、
   複数の前記砂型中子分割体の前記孔部が連通するように、前記砂型中子分割体を接合する接合工程と、
   接合された複数の前記砂型中子分割体の互いに連通する孔部に、内外を貫通する複数の貫通孔を有するパイプを挿入する挿入工程と、
   前記パイプ内に鋳砂を供給する鋳砂供給工程と、を含む砂型中子の製造方法。
5. 前記鋳砂供給工程では、前記パイプ外面と前記孔部内面との間に前記鋳砂が充填されるまで、前記パイプ内に前記鋳砂を供給する、請求項４に記載の砂型中子の製造方法。
6. 前記成型工程では、鋳砂を用いた積層造形によって、それぞれが孔部、凹部および凸部を有する複数の砂型中子分割体を成型し、
   前記接合工程では、前記凹部に前記凸部を挿入することで、複数の前記砂型中子分割体の前記孔部が連通するように、前記砂型中子分割体を接合する、請求項４または５に記載の砂型中子の製造方法。

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