JPH11309545A - 鋳型製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑な形状を有する羽根車を鋳造する鋳型
を、できるだけ自動化した工程により精度良くかつ容易
に製造できる鋳型製造方法を提供する。 【解決手段】 主板１００と側板１０１の間に翼１０２
が配置された羽根車１０４を鋳造するための鋳型を製造
する方法であって、翼を形成すべきキャビティ４０に相
当する形状の抜き型１０を迅速模型製造法によって形成
し、これを基に主板と側板の間に挟まれる部分に相当す
る部分の中子４２を作成する工程と、主板及び側板を形
成すべきキャビティに相当する形状の消失模型５４を作
成する工程と、消失模型内に中子を配置して固定し、こ
の消失模型の外面を覆うシェル５６を形成する工程と、
消失模型を消失させる工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ターボ機械の羽
根車を鋳造するために使用される鋳型の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図５に示すような主板１００と側板１０
１の内側に複数（図示では３枚）の翼１０２を備えたタ
ーボ機械の羽根車１０４は、砂型鋳造法、或いはインベ
ストメント鋳造法のいずれかで製作されている。

【０００３】砂型鋳造法は、図６に示すように、砂型か
らなる下型１０６、中子１０８及び上型１１０を組合わ
せて鋳型１１２を作り、この鋳型１１２の製品形状（羽
根車１０４の形状）を有するキャビティ１１４内に金属
溶湯を注湯して凝固させる鋳造法である。中子１０８
は、図７に示すように、翼１０２の数と同じ数に分割さ
れた分割中子１１６を円板状に組合せて構成される。砂
型、すなわち、上型１１０、各分割中子１１６及び下型
１０６は、図８に示すように、上型用木型１１８、分割
中子用木型１２０及び下型用木型１２２を製作し、これ
らの各木型１１８，１２０，１２２内に鋳型砂を充填し
て固化させることにより製作される。

【０００４】一方、インベストメント鋳造法は、図９に
示すように、内部に中子１３０を配置した状態で一体に
形成した鋳型１３２のキャビティ１３４内に金属溶湯を
注湯して凝固させる鋳造法である。中子１３０は、砂型
鋳造法と同様に、翼１０２の数と同じ数に分割された分
割中子を円板状に組合せて構成される。

【０００５】これは、図１０に示すように、分割中子用
金型１３６内にこの注入口１３８からスラリーを注入
し、固化後に脱型して分割中子を成形する。そして、図
１１に示すように、この分割中子を組合せて中子１３０
を構成し、これを消失模型用金型１４０内に配置し（同
図（ａ））、この注入口１４０ａからワックス等を注入
して固化させた後に脱型して消失模型１４２を成形する
（同図（ｂ））。そして、この消失模型１４２の外周面
にシェル１４４を付け（同図（ｃ））、しかる後、消失
模型１４２を消失させて製作されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記砂
型鋳造法では、上型、下型及び中子用の各々の木型を製
作する必要があり、一方、インベストメント鋳造法で
は、中子用金型、消失模型用金型を製作する必要があ
る。これらの木型や金型の製作は手間の掛かる作業であ
り、日数を要するばかりでなく、製作費用もかなり高く
なってしまう。

【０００７】また、羽根車の翼は複雑な形状を有してお
り、これを鋳造するキャビティを分割成形した中子の間
に形成するので、この時の位置合わせの誤差がそのまま
製品の厚さや形状に影響して、最終製品の寸法精度の低
下に繋がるという問題があった。

【０００８】この発明は、上記のような課題に鑑み、複
雑な形状を有する羽根車を鋳造する鋳型を、できるだけ
自動化した工程により精度良くかつ容易に製造できる鋳
型製造方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、主板と側板の間に翼が配置された羽根車を鋳造する
ための鋳型を製造する方法であって、前記翼を形成すべ
きキャビティに相当する形状の抜き型を迅速模型製造法
によって形成し、これを基に前記主板と側板の間に挟ま
れる部分に相当する部分の中子を作成する工程と、前記
主板及び側板を形成すべきキャビティに相当する形状の
消失模型を作成する工程と、前記消失模型内に前記中子
を配置して固定し、この消失模型の外面を覆うシェルを
形成する工程と、前記消失模型を消失させる工程とを有
することを特徴とする鋳型製造方法である。

【００１０】これにより、翼に相当するキャビティを有
する中子を精度良く作製することができ、これと主板及
び側板に相当する形状の消失模型とを組み合わせてその
外面をシェルで覆い、消失模型を消失させることによ
り、複雑な形状の羽根車を鋳造するための鋳型が精度良
くかつ容易に作製される。迅速模型製造法としては、選
択レーザ焼結方法、液滴噴射法、溶融堆積法、光造形
法、薄板積層法、固体下地硬化法等がある。

【００１１】請求項２に記載の発明は、前記中子作成工
程において、前記主板と側板に相当する形状の中子取り
型を形成し、前記中子取り型の内部に前記抜き型を配置
してから前記中子取り型の内部にセラミックスラリーを
流し込んで固化させ、前記抜き型を抜き取って中子を形
成することを特徴とする請求項１に記載の鋳型製造方法
である。抜き型を弾性体で作製することにより、作製さ
れた中子からの抜き取りが容易になる。中子取り型は、
ウレタン樹脂等を、予め入力されたプログラム（ＣＡ
Ｍ）に沿って工具を操作する自動制御加工機械により直
接加工することで、容易かつ精度良く作製できる。

【００１２】請求項３に記載の発明は、前記消失模型を
機械加工により製作することを特徴とする請求項１に記
載の鋳型製造方法である。消失模型を注型によって作製
することもできるが、多孔質樹脂のような直接加工可能
な素材を用いて加工成形するよって、簡単な工程で精度
良く作製することができる。

【００１３】請求項４に記載の発明は、前記中子取り型
と抜き型に互いに係合する係合部を設けたことを特徴と
する請求項２に記載の鋳型製造方法である。これによ
り、両者の位置決めが容易となり、また、中子取り型内
にスラリーを注入する時の抜き型の変形を防止すること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の１つの実施の形
態について、図１ないし図４を参照して説明する。ここ
では、図５に示すような主板１００と側板１０１の間に
３枚の翼１０２を有する羽根車１０４を鋳造するのに使
用される鋳型の製造方法について説明する。

【００１５】先ず、翼１０２の形状を有する３枚の抜き
型１０を、例えばエラストマ、２００℃以下の低軟化点
を持つ樹脂、或いはワックス等で作製する。抜き型１０
には、後述する下型１２に位置決めするための凸部１０
ａが形成されている。抜き型１０は、この実施の形態で
は、エラストマ（商品名：デュラフォーム）を材料とし
て、迅速模型製造法の１種である選択レーザ焼結装置を
用いた光造形法によって作製されている。これを、図４
を参照して説明する。

【００１６】選択レーザ焼結装置２０のチャンバ２２内
に粒子状のエラストマ材を供給して、例えば０．１ｍｍ
の厚さｈのエラストマ材層２４を形成する。そして、炭
酸ガスレーザ発生装置等のレーザ光源２６からのレーザ
光をミラー２８を介してエラストマ材層２４に照射し、
このレーザ光が照射された部分に位置するエラストマ材
を選択的に溶融硬化（焼結）させ、エラストマ薄片３０
を形成する。以下、この工程を繰り返してエラストマ薄
片３０を順次積層し、所定の形状を形成する。レーザ光
の照射パターンは、作製すべき形状を予め記憶した記憶
部を有する制御装置によって制御される。この方法によ
って、予め入力されたデータに基づき、高度の形状再現
性を持ってかつ簡単な工程で、抜き型１０を製造するこ
とができる。

【００１７】一方、中子取り型１６を構成する下型１２
と上型１４は、板状のウレタン樹脂を、予め入力された
プログラム（ＣＡＭ）に沿って工具を操作する自動制御
加工機械（ＮＣ加工機械）により直接加工することによ
って作製される。下型１２には、抜き型１０の凸部１０
ａに対応する位置に凹部１２ａが形成されている。この
方法によって、予め入力されたデータに基づき、高度の
形状再現性を持ってかつ簡単な工程で、下型１２及び上
型１４を製造することができる。

【００１８】次に、図１（ａ）に示すように、抜き型１
０の凸部１０ａを下型１２の凹部１２ａに係合させて、
下型１２の所定位置に抜き型１０を固定し、これに上型
１４を被せて係合させ、さらに中子取り型１６の外周端
開口部を通気穴３４ａを有する塞板３４で塞いで中子取
り型１６を完成させる。そして、図１（ｂ）に示すよう
に、中子取り型１６を回転させつつ、上端開口部からこ
の内部に、例えば耐火材のＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｚｒ₂Ｏ
₃を主成分とするゾル状のスラリー３２を流し込む。

【００１９】スラリー３２が乾燥して固化した後に中子
取り型１６から脱型し、抜き型１０を抜き取り、図１
（ｃ）及び図３に示すように、内部に抜き型１０の形状
のキャビティ４０を有する中子４２を一体に成形する。
この時、抜き型１０は、エラストマ製であるため、弾性
変形させて容易に抜き取ることができる。

【００２０】なお、抜き型１０を、選択レーザ焼結装置
を用いた光造形法により、例えば２００℃以下の低軟化
点を持つ樹脂アクリル樹脂（商品名：ツルーフォーム）
で成形することができ、この場合には、スラリー固化後
に恒温機内で１５０℃に加熱してこれを軟化させて抜き
取ることができる。

【００２１】一方、板状の多孔質樹脂或いはワックスを
素材とし、予め入力されたプログラム（ＣＡＭ）に沿っ
て工具を操作する自動制御加工機械（ＮＣ加工機械）に
よって加工を施して、図５に示す主板１００及び側板１
０１の形状を有する下模型５０と上模型５２とからなる
２つ割の消失模型５４を作製しておく。この実施の形態
では、この下模型５０と上模型５２は、気孔率４０％の
ウレタン樹脂（商品名：ツルーフォーム）を削り出して
作製されている。なお、この多孔質樹脂は、加熱時の線
膨張を空孔で吸収できるよう、１５％以上の気孔率を持
つものを使用することが望ましい。

【００２２】次に、図２（ａ）に示すように、中子４２
と消失模型５４を接着し、下模型５０と上模型５２の間
に中子４２を配置して固定する。そして、図２（ｂ）に
示すように、これらの消失模型５４の外周面に、例えば
耐火材のＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｚｒ₂Ｏ₃を主成分とする
ゾル状のスラリーを噴霧して付着させ、乾燥硬化させて
シェル５６を形成する。これを、例えば１０００℃の炉
内で焼成して消失模型５４を消失させ、図２（ｃ）に示
すような内部に主板１００、側板１０１及び翼の間の空
間の形状のキャビティ６０を有する鋳型６２が得られ
る。なお、消失模型５４をワックスで製作した場合に
は、この外周面にシェルを付けた後、このワックス製の
消失模型を溶出させる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
翼に相当するキャビティを有する中子を迅速模型製造法
により精度良く作製し、これと主板及び側板に相当する
形状の消失模型とを組み合わせてその外面をシェルで覆
い、消失模型を消失させることにより、複雑な形状の羽
根車を鋳造するための鋳型が、自動化した工程により精
度良くかつ容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の鋳型の製造例の工程を示
す断面図である。

【図２】本発明の実施の形態の鋳型の製造例の図１に続
く工程を示す断面図である。

【図３】図１に示す工程で作製された中子の平面図であ
る。

【図４】抜き型の製造例の説明に付する概略図である。

【図５】本発明の実施の形態によって製造されるターボ
機械の羽根車を示す斜視図である。

【図６】従来の砂型鋳造法に使用される鋳型（砂型）を
示す断面図である。

【図７】同じく、分割中子を組合せて中子を構成した状
態の平面図である。

【図８】同じく、各砂型の製造に使用されるそれぞれ異
なる木型を示す断面図である。

【図９】従来のインベストメント鋳造法に使用される鋳
型を示す断面図である。

【図１０】同じく、分割中子の製造に使用される金型を
示す断面図である。

【図１１】同じく、鋳型の製造例を工程順に示す断面図
である。

【符号の説明】

１０ 抜き型 １２ 下型 １４ 上型 １６ 中子取り型 ２０ 選択レーザ焼結装置 ３２ スラリー ４０ キャビティ ４２ 中子 ５０ 下模型 ５２ 上模型 ５４ 消失模型 ５６ シェル ６０ キャビティ ６２ 鋳型

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主板と側板の間に翼が配置された羽根車
   を鋳造するための鋳型を製造する方法であって、 前記翼を形成すべきキャビティに相当する形状の抜き型
   を迅速模型製造法によって形成し、これを基に前記主板
   と側板の間に挟まれる部分に相当する部分の中子を作成
   する工程と、 前記主板及び側板を形成すべきキャビティに相当する形
   状の消失模型を作成する工程と、 前記消失模型内に前記中子を配置して固定し、この消失
   模型の外面を覆うシェルを形成する工程と、 前記消失模型を消失させる工程とを有することを特徴と
   する鋳型製造方法。
2. 【請求項２】 前記中子作成工程において、前記主板と
   側板に相当する形状の中子取り型を形成し、前記中子取
   り型の内部に前記抜き型を配置してから前記中子取り型
   の内部にセラミックスラリーを流し込んで固化させ、前
   記抜き型を抜き取って中子を形成することを特徴とする
   請求項１に記載の鋳型製造方法。
3. 【請求項３】 前記消失模型を機械加工により製作する
   ことを特徴とする請求項１に記載の鋳型製造方法。
4. 【請求項４】 前記中子取り型と抜き型に互いに係合す
   る係合部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の鋳
   型製造方法。