JPH11244994A - ロストワックス法を用いての複雑な中空形状の迅速形成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】同じ型セットを用いて、完全に耐久性及び機能
性を持つ部品である鋳物を迅速に製造する。 【解決手段】この方法は、あるコアが別のコアの少なく
とも一端を取り囲み、それらの間に少なくとも一つの隠
れた空間を規定する、互いに離間した樹脂結合された粒
状コアの組立体１０を作る工程、コアの回りと間に、鋳
造用キャビティを規定するために、組立体を受容し保持
する型セットを作る工程、一定に管理された圧力のもと
で、液状化されたワックスをキャビティに注入し、鋳造
用の蝋原型を形成する工程、蝋原型をその中のコアの組
立体と共に用いて、その回りにシェル型を形成し、シェ
ル型からワックスを流し出し、組立体１０が元の場所に
あるままで金属鋳物が蝋原型の代わりに形成されるのを
許容する工程、及びコア粒の間の結合を元に戻し重力の
もとで自由に流出可能な粒の集まりを形成することによ
って鋳物から全ての粒状コア１０を取り除く工程、を有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中空の複雑な内面
形状を持つ耐久性のある機能部品を連続的に製造するこ
とに関し、より具体的には容易に形成され容易に取り除
くことが可能な樹脂で結合された砂又は塩のコアを用い
て、その様な部品を製造することに関する。

【０００２】

【従来の技術】複雑な部品の耐久性のないプラスチック
製プロトタイプが一般的なものとなってきて、ステレオ
グラフィー又はキュービタル・プロトタイプの様な手法
が、非機能性プラスチック部品が形作られる場合に用い
られていたが、その様なプラスチック部品により行なえ
る程度は限られていた。その様なプラスチック部品は、
美的外観又は設計の適合性及び組立性を評価するのに用
いることが出来るが、内燃機関のヘッド又はブロックの
評価に必要とされる様な厳しい運転状態又は高温を必要
とする評価試験の対象とすることは出来ない。

【０００３】区分けされた原型を形成することにより、
複雑な内面形状を持ち、完全に機能的な耐久性のある鋳
造部品を迅速に作る試みがなされてきた。スラブが互い
に組み合わせられた時に、一時的な原型を形成するため
に、分割されたワックス又は発泡スラブの加工を層状又
は積層状態で行なうという例がある。この取り組みは限
られた数の鋳物を作るには大いに優れているが、迅速性
と原型の完全な均一性に欠け、同じデザインの4つ以上
の鋳物を作らねばならない場合には経済的に劣るものと
なる。

【０００４】古くから良く知られているロストワックス
・インベストメント法は、その回りに積層シェル型が形
成される単一の蝋原型を配置することによって、区分け
することを避けている。ワックスが完成した成形型から
流し出され、そして型は金属鋳物を形成するのに用いら
れる。隠れた薄壁を持つ複雑な中空鋳物を作るのにロス
トワックス・インベスト法を用いるのは困難であり、結
果として、花瓶、翼形状（タービン・ブレード）又はゴ
ルフ・クラブ・ヘッドの様な、比較的単純な構成の中空
製品を作ることに限られている。その様な形状に対し
て、注入されるワックスの流体静力学的圧力に耐えられ
る様にコアの強度を高める必要性故に、溶解セラミック
・コアが有用であることが判っている。セラミック・コ
アは、より多くの工程を必要とするので製造に時間がか
かり、エンジン部品には許容され得ない何かであるコア
残留物を通常残す化学的手段によりコア材料を溶解する
必要性故に、取り除くにも時間がかかる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、エンジン・ヘッド、ブロック、マニフォールド及び
トランスミッション・ケースの様な複雑な中空金属鋳物
を迅速に製造することを実現することにある。本発明の
目的はまた、同じアルミの型セットを用いて１０万個ま
での鋳物を迅速に作る方法を提供することにある。ここ
で、樹脂粘結砂又は塩のコアの迅速な作製及び除去性能
と、ロストワックス・インベストメント法の迅速な原型
製作性能とを組み合わせる方法により、作られた部品
は、完全に耐久性のある機能部品である。

【０００６】本発明の更にもう一つの目的は、エンジン
・ヘッドの外形を変更する必要無しに、エンジン・ヘッ
ドの内部流路特性を変更するのを極めて容易かつ経済的
に可能とする方法を提供し、エンジン・ファミリーの迅
速な製造につなげることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的に合致する本発
明の方法的観点は、ａ）あるコアが別のコアの少なくと
も一端を取り囲み、それらの間に少なくとも一つの隠れ
た空間を規定する、互いに離間している樹脂で粘結され
た粒状コアの組立体を作る工程、（ｂ）隠れた空間を含
む、コアの回りと間に、鋳造用キャビティを規定するた
めに、コアの組立体を互いに離間した関係で受容し保持
する簡単な機械加工がなされた型セットを作る工程、
（ｃ）一定に管理された圧力のもとで、液状化されたワ
ックスをキャビティに注入し、ガスの詰まりなしにキャ
ビティを満たし、鋳造用の蝋原型を形成する工程、
（ｄ）蝋原型をその中のコアの組立体と共に用いて、そ
の回りにシェル成形型を形成し、それから該シェル成形
型からワックスを流し出し、コアの組立体が元の場所に
あるままで金属鋳物が蝋原型の代わりに形成されるのを
可能する工程、及び（ｅ）コア粒の間の結合を元に戻し
重力のもとで自由に流出可能な粒の集まりを形成するこ
とによって鋳物から全ての上記粒状コアを取り除く工
程、を有する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の手順は、（コスト面から
３つ又はそれより少ない数の試作をするのに最も適し
た）層状の迅速な試作における様な、単一の原型が作ら
れるべきとなる毎に行われるいくつかのスラブや積層体
の高価な反復的機械加工を必要とせず、外部又は内部の
砂コアの特性に合った成形型を作るため（数十万個の鋳
物を作ればコストに見合う）の８個又はそれ以上の鉄製
の型を機械加工することを必要としない。ここで述べら
れた手順は、アルミニウム材料又はその均等物から、よ
り少ない数の型セットを加工することを必要とすること
によって、４乃至４万個（１０万個まででも）の鋳物の
より速くより簡易な経済的製造を可能とする。ここで型
セットは４個までに制限され、３個が非溶融樹脂結合コ
ア要素を作るためで、１個は蝋原型を作るためである。
この手順は、粒結合コアの速い製作性能と、ロストワッ
クス・インベストメント法の反復的迅速原型製作性能を
組み合わせることになる。

【０００９】図１に示された様に、粒結合コアの組立体
つまりファミリー１０は、内燃機関のヘッド内の通路を
規定する様形成される。ここで組立体は、吸気コア１
１、３つの排気コア１２及び環状ウォーター・ジャケッ
トのコア１３からなる。液体ワックスの流体静力学的圧
力に耐えるために通常必要とされる溶融セラミックのコ
アではなく、融解金属と同様に本発明の制御された注入
ワックスに耐えることの出来る結合された粒状砂又は塩
のコアを有するので、この組立体は特徴的なものであ
る。吸入通路コア１１が拡大共通吸入端１４及び分岐端
１５を持つものとして示され、このコアは排気コアもそ
うであるが、樹脂粘結剤と混合された粒を、コア形状を
規定するツーウェイ・ツーピース型セットへと吹き付け
ることによって形成される。形成されたコアは硬化する
と、２５００乃至３２００ｐｓｉの曲げ強さを持ち、密
度は約１．９２ｇ／ｃｃで、気孔率は約２６％である。

【００１０】手順の第２工程として、型セット１８が原
型つまり鋳造キャビティ３４をコア組立体１０の回りに
規定するのに作製される（図２乃至１４及び８乃至１３
を参照）。型セット１８は、コア用の型セットと同様
に、容易に機械加工されるアルミニウムなどの材料から
形成される。排気通路コア１２は曲線状の単一の物で、
コアの端部を支持する型セット１８の側型部２０へキー
結合される様に設計された出口端１６を持ち、そして、
ベース型部１９上において燃焼室の形状を規定する壁２
５上に支持される様に設計されたもう一つのコア端部１
７を持つ。図２は、どの様にして吸入コア１１の一つが
型セット１８（図３に示す様に、ベース部１９、左側部
２０、上部２１ａ、もう一つの上部２１ｂ及び端部２
２，２３からなる）に支持されるかを示している。図１
３の図示２８に示す様に、コア１１の他端１４は、型の
ベース部と側部との間に形成された溝にキー結合され
る。

【００１１】図１乃至３及び図１１乃至１３に示す様
に、環状ウォーター・ジャケット・コア１３は、主に長
さ方向に延びる壁２６を持ち、それは、吸入及び排気コ
アの列の間を延びていて、環状のウェブつまり壁２７，
２８が壁２６から延び、各々のコアから離間しながら、
それらを取り囲む。コアの壁２７は大きな熱抽出性を欲
する排気ポートに隣接する水通路を規定するので、壁２
８よりもかなり薄い。ウォーター・ジャケット壁２６の
端部は、ウォーター・ジャケットを液体循環システムに
接続する通路を規定するコア延長部２９，３０を持つ。
それでコア１３は、吸入及び排気コアの回りであるが、
離間した関係で環状壁を設ける。その間の空間は、３乃
至４ｍｍ位にかなり薄くすることが可能である。ここで
特記すべきは、どの様にして、コア１１及び１２が、そ
の端部を環状ウェブ２７又は２８内においてそれらによ
って円弧状に取り囲まれ、別の端部をその様なウェブの
壁の回りでそれらの外側に向けて曲がって突き出すか、
ということである。これは、それらの間に隠れた空間つ
まり隙間３１及び３２を規定する離間関係を作ることに
なる。その様な薄い空間は、最終の鋳造段階においてア
ルミニウムの様な金属により置き換えられた場合に、ウ
ォーター・ジャケットへの熱伝達を促進する。それで、
その様な薄い空間は、原型材料により正確に形成するの
が難しいという問題を、提起していた。

【００１２】熱い液体ワックスを鋳造キャビティ３４に
注入する吸入部３３が、この手順の第３工程として図４
に示されている。ここで、キャビティ３４は、熱伝導性
型組立体１８及びコア組立体１０の壁の間に規定され
る。キャビティ３４はまた、ワックスによる完全な充填
を可能とする空間３９を入口の反対側に含む。内部キャ
ビティは、いかなる抜け勾配つまり逃げ勾配を組み込む
ことも必要としない。熱いワックスは、３００乃至５０
０ｐｓｉに制御された注入圧力のもとで、ワックスの温
度が華氏１３０乃至１４０度の範囲で、注入される。ワ
ックスは鉱物をベースにする原型ワックスであるのが好
ましいが、インベストメント・ワックスであればいかな
る物でも良い。注入装置３５は、ワックスを、入りゲー
ト３６へと押し込み、約半インチの直径とされた複数の
注入口３３を通すのに用いられる。熱いワックスの注入
状態は、その様な圧力で、約１２０乃至２４０秒の期
間、ガスを噛み込むことなしに全てのワックスがキャビ
ティ３４の中の空隙を満たすまで、保持される。アルミ
ニウムの型組立体により設けられたヒートシンクのため
に、ワックスは１２０乃至３００秒の間に凝固すると思
われる。注入装置３５は、ワックスの原型３７の被膜が
適切に形成された後で、取り外され、入りゲート３６は
分離される。ワックスの原型３７が充分凝固した後で、
型セット１８の部品１９乃至２３がワックスの原型３７
から分離されるが、ワックスの原型３７は結合した粒状
コア１１乃至１３を保持したままであり、それらはコア
が蝋原型と交差する部分において原型表面で見ることが
出来る。

【００１３】シェル成形型４０は、この手順の第４工程
として、蝋型３７の回りに形成される。成形型４０は、
型をセラミックのスラリー３８の中に浸し、余分なスラ
リーを流し出し、耐火性化粧漆喰を塗り、塗膜を乾燥又
はゲル化する複数の工程により、形成される。これが、
約０．３インチ又はそれ以上の厚さのシェルが形成され
るまで、繰り返される。層４１を形成するスラリーは、
細砂と共に振り掛けられるコロイドシリカのセラミック
粉からなるのが好ましい。乾燥後に、シリカ／セラミッ
クの漆喰層は、もう一つのセラミック・スラリーに浸さ
れ、粒状のモロカイトを含む流動床へ浸され、それによ
り再び表面に漆喰を塗り別の層４２を形成する。スラリ
ーは、耐火性のバインダー及び耐火性フィラー又は固形
物からなっていれば良い。耐火性バインダーは、シリカ
・ゾル、珪酸エチル、ナトリウムと珪酸カリウム、そし
て、石膏基型ブラスターとすることが出来る。この手順
において共通して用いることの出来る耐火性フィラー
は、シリカ、石英ガラス、ジルコン及び珪酸アルミニウ
ムである。多くの場合、漆喰は、浸漬被覆と同じ種類の
耐火物であるが、はるかに大きな粒径を持つ。漆喰は、
スラリーの濡れた表面に塗布され、次の被覆のための機
械的基礎を提供し、スラリー被覆の乾燥応力を最少に
し、それで被覆のクラックを防止することになる。スラ
リーは、パドルによる混合構造を持つ連続回転ドラムを
用いるか、気体プロップ・ミキサーを用いて、懸濁液の
ままとされる。主被覆は、良好な表面仕上げと詳細が得
られるのを確実とするのに最も重要であり、ワックスの
除去及び金属圧力に耐えるためにシェルの厚さと強さを
確立するのに、その後の被膜が用いられる。漆喰は、浴
びせるか、流動床を用いて、塗布される。浴びせる過程
において、漆喰はディフューザーを用いて雨滴状に落ち
るのを可能とされる。流動床は、多孔性のブリック底と
共に鉛直ドラムを用い、低圧で大容量の空気がブリック
を通り抜けて漆喰材料のベッドまで上昇する。この空気
流の効果は、漆喰のベッドに流体の特性を与え、型の組
立体が漆喰材料中に、それが液体であるかのように、浸
されるのを可能とするという、ことである。微細漆喰
は、最初の塗布と２番目の塗布に用いられる一方で、よ
り粗い漆喰が予備の層に用いられる。

【００１４】シェル４０の乾燥は重要であり、一定の速
度、温度及び湿度で行われ、表面のバインダー液を取り
除くこと（定率乾燥）で始まる。これに、下降率の乾燥
期間が続き、バインダー液のシェル内部から表面への毛
細管現象を起こす。湿度及び温度の制御は重要である。
温度制御は、シェルが割れる原因となり得る型の拡張及
び収縮に影響を与える。湿度は５０％に制御され、気体
の速度は毎分６０乃至１２００フィートに制御されるの
が好ましい。

【００１５】蝋型３７は、積層されたシェル型４０か
ら、ワックスをシェル内の適切な流出開口５０を通して
流出する、衝撃焼成、蒸気加圧又は他の加熱手法により
取り除かれる。一旦ワックスが取り除かれ、部品キャビ
ティ３４が空にされると、第４工程の一部として、アル
ミニウムの様な溶融金属が、湯口５１を介して、キャビ
ティ３４へと流し込まれ、図７に示された完成後のシリ
ンダー・ヘッド４３の様な、求められる鋳造部品を生成
する。

【００１６】原型３７の取り除き（融解）は、成形焼成
工程中になされる。固体の成形型の強さは、蝋原型の拡
張応力に耐えるのに適切なものでなければならない。焼
成工程中に成形型が加熱される時に、原型が溶けてなく
なる。蝋原型材料は、焼成炉の中で燃えてなくなる。焼
成は、成形型表面に炭素が残らない様に、酸化雰囲気中
で行われ、オートクレーブ、フラッシュ焼成及びマイク
ロ波脱蝋を含むいくつかの手法により行なうことが出来
る。成形型が脱蝋された後で、シェルの焼成が実行さ
れ、金属を注入する最終作業に先立って、加熱し、原型
の残留物質を取り除くのに伴って、成形型の強度を増
す。成形型は、酸化雰囲気中において、特定の鋳造要件
に応じて華氏１６００乃至２０００度の酸化雰囲気中で
加熱される。焼成及び予熱温度は、シェル材料及び注入
される材料の種類に応じて代わる。アルミニウムの鋳造
品は、華氏４００乃至６００度に加熱されたシェルに注
入され、鉄の場合は華氏１６００乃至２０００度であ
る。材料はゆっくりと乱流を起こさない様に、加熱シェ
ル中に注入される。前述の様に、シェルが華氏４００度
に加熱されている間に、金属（アルミニウム３５６につ
いては華氏１２００度）がキャビティ及び押湯を満たす
ためにゲート・システムを介して注がれる。材料は雰囲
気中で冷却するために、そのままとされる。シリンダー
・ヘッドの場合、シリンダー・ヘッドの比較的大きな部
分から熱を取り除くために、冷気を用いていも良い。

【００１７】最終的な鋳物４３は、その中に粒状結合コ
アを保持しているが、それは第５工程として、鋳物を熱
処理工程に付することによって、容易に取り除くことが
出来、図７に示す様に、鋳物の４６乃至４９の様な開口
から砂又は塩が重力によって自由にそして容易に流れ出
る様に、粒を相互に保持する樹脂などの粘結剤が元にも
どされる。その様な熱処理はまた、同時にアルミニウム
材料を加熱して、その冶金学的特性を向上するために
も、用いられ得る。鋳物からコア材料を取り除くのが、
ハンマーや塩浴により行われるのではなく、１２分間以
下で粘結されたコアを完全に分離する華氏６２０度の静
水を用いるということを留意することが重要である。よ
り高温であるか、加圧された水であれば、更に分離時間
を短くすることであろう。

【００１８】従来実行されていた様な、コア領域にセラ
ミック・インベストメント・スラリーを入れ込む必要は
もはやなく、また、複雑に形作られた内部から完全に取
り除くのが困難である融解セラミック・コアを用いる必
要もない。なお、セラミック製コアからは通常いくらか
の残留物が内部に残るが、この様な残留物は内燃機関の
ヘッドの様なエンジンの鋳物においては許容されず、エ
ンジンの場合は内部キャビティが清浄でありそして完全
に機能する状態であるということに大きく依存する。樹
脂粘着砂又は有機樹脂により粘結された塩／砂混合物
は、いかなる残留物も無しにその様なキャビティから完
全に除去され得る。

【００１９】述べた手順はまた、エンジン・ヘッド又は
ブロックのファミリーの経済的かつ迅速な製造を促進す
る。新しい組のコアのみを、ヘッド又はブロックの流れ
特性を変えるのに作る必要があり、原型用型セット１８
により規定された外面形状は、一つのエンジン・ファミ
リーの別々の物のための少なくとも１０万個までのの蝋
原型を作るのに、同じままで使われることが出来る。こ
れは、かなりの経済的な進歩である。

【００２０】本発明の特定の実施例について述べてきた
が、本発明の趣旨から逸脱することなく種々の変更及び
改良がなされ得ること及び、本発明の本来の思想及び範
囲に入る物である様な全ての改良及びその均等物を、添
付の特許請求の範囲に包含する様に意図されていること
は、当業者には明らかであろうと思われる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、エンジン・ヘッド、ブロッ
ク、マニフォールド及びトランスミッション・ケースの
様な複雑な中空金属鋳物を迅速に製造するが出来る。本
発明はまた、エンジン・ヘッドの外形を変更する必要無
しに、エンジン・ヘッドの内部流路特性を変更するのが
極めて容易かつ経済的に可能とする方法を提供し、エン
ジン・ファミリーの迅速な製造につなげることが出来
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は手順の中で用いられた粘結粒状コア組立
体の斜視図である。

【図２】コアのいくつかが、説明のために取り除かれ、
型の上部も取り除かれた、図１のコア組立体を含む型セ
ットの平面視に近い斜視図である。

【図３】図２のコア組立体の型セット及びコア組立体の
分解斜視図である。

【図４】図２の構造の、線４−４に沿う断面図である。

【図５】インベストメント成形型を形成するために、そ
の回りに種々のセラミック層を塗布するための配置で示
された、図４の型セットへワックスを流し込むことによ
って出来た鋳物の蝋原型の斜視図である。

【図６】どの様にしてインベストメント・シェル型が作
られ、どの様にしてワックスが流し出されて溶融金属に
より置き換えられるかを示す蝋原型の断面図である。

【図７】蝋原型が流し出され溶融金属により置き換えら
れた後で、どの様にして粒状コアが取り除かれるかを示
し、そして、鋳物の金属を処理するだけでなく、コアの
粒の間の粘結を元に戻す熱処理を受けて、粒状の砂又は
塩がそこから外に流れ出す種々の開口を示す、金属鋳物
の斜視図である。

【図８】位置決めされた排気コアを一つと吸入コアを一
つ示す、蝋原型を作る型セットの平面図である。

【図９】図８の線９−９に沿う断面図である。

【図１０】図８の線１０−１０に沿う断面図である。

【図１１】図８の線１１−１１に沿う断面図である。

【図１２】図８の線１２−１２に沿う断面図である。

【図１３】図８の線１３−１３に沿う断面図である。

【符号の説明】

１０コアの組立体 １１−１３粒状コア １８型セット ３７蝋原型 ４３金属鋳物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ、カール、シム アメリカ合衆国ミシガン州サリン、ケンブ リッジ・ドライブ、9099 (72)発明者 ファーカン、ザファー、シャイク アメリカ合衆国ミシガン州トロイ、ブルー ミング・ドライブ、1535 (72)発明者 ブライアン、クリストファー、ストール アメリカ合衆国ミシガン州ディアボーン、 ミード、4725

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】完全に耐久性及び機能性を持つ、複雑な形
   状の金属部品であるプロトタイプの鋳物を反復的に形成
   する方法であって、 （ａ）あるコアが別のコアの少なくとも一端を取り囲
   み、それらの間に少なくとも一つの隠れた空間を規定す
   る、互いに離間している樹脂で粘結された粒状コアの組
   立体を作る工程、 （ｂ）上記隠れた空間を含む、上記コアの回りと間に、
   鋳造用キャビティを規定するために、上記コアの組立体
   を互いに離間した関係で受容し保持する簡単な機械加工
   がなされた型セットを作る工程、 （ｃ）一定に管理された圧力のもとで、液状化されたワ
   ックスを上記キャビティに注入し、ガスの詰まりなしに
   上記キャビティを満たし、鋳造用の蝋原型を形成する工
   程、 （ｄ）上記蝋原型をその中の上記コアの組立体と共に用
   いて、その回りにシェル成形型を形成し、それから該シ
   ェル成形型からワックスを流し出し、上記コアの組立体
   が元の場所にあるままで金属鋳物が上記蝋原型に代わっ
   て形成されるのを可能とする工程、及び （ｅ）上記コア粒の間の結合を元に戻し、重力のもとで
   自由に流出可能な粒の集まりを形成することによって、
   上記鋳物から全ての上記粒状コアを取り除く工程を有す
   る方法。
2. 【請求項２】上記鋳物は内燃機関のシリンダー・ヘッド
   であって、上記鋳物がアルミニウム系材料からなること
   を特徴とする請求項１に記載の方法。