JPWO2012101829A1

JPWO2012101829A1 - プレス成形用金型鋳造のための消失模型

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Publication number: JPWO2012101829A1
Application number: JP2012554601A
Authority: JP
Inventors: 晋岡部; 佐藤　正則; 正則佐藤; 将志高橋; 剛志難波
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2014-06-30
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: KR20130080845A; US8967229B2; US20130292080A1; KR101435353B1; CN103328129A; CN103328129B; JP5527437B2; WO2012101829A1

Abstract

消失模型の精度低下を起こさない消失模型鋳造方法を提供する。消失模型鋳造方法は、パーツ制作工程（Ｓ２）、組み立て工程（Ｓ４）、砂型製作工程（Ｓ６）、溶湯注入工程（Ｓ８）、及び、砂除去工程（Ｓ１２）を備える。パーツ制作工程では、消失模型を複数のパーツに分けて製作する。組み立て工程では、作業平面の上でパーツを組み立てる。砂型製作工程では、組み立てられた消失模型を作業平面から移動することなく、消失模型を砂で覆って砂型を作成する。溶湯注入工程では、砂型に溶湯を注入する。砂除去工程では、溶湯が固化した後、砂を除去する。この鋳造方法によれば、一旦組み上げられた消失模型を作業平面から動かさずに砂型を作成するので、組み立てたときの寸法精度を維持することができる。

Description

本発明は、消失模型鋳造方法（evaporative pattern casting method）に関する。

消失模型鋳造（evaporative pattern casting）は、鋳造方法の一種であり、フルモールド鋳造とも呼ばれる。この方法は、概説すると次の通りである。まず、溶湯の熱によって消失する消失性材料で模型（pattern）を作る。その模型は消失模型と呼ばれる。次に、消失模型を埋め込んだ砂型を作る。砂型のキャビティに溶湯を流し込む。ここで、「キャビティ」とは、砂型の中で消失模型が占める空間を意味する。溶湯を注ぎ込むと、消失模型が溶湯の熱で消失（溶融あるいは焼失）し、消失模型が占めていた空間が溶湯で満たされる。溶湯が冷めて固化した後、砂型を崩すと、消失模型と全く同じ形状の鋳造構造物が出来上がる。消失性材料には、典型的には発泡スチロール、あるいはワックスが用いられる。

発泡スチロールやワックスは構造強度（剛性）が低いため、大型の消失模型を作る際には、消失模型を複数のパーツに分けて制作し、後にパーツを組み立てることが行われていた。例えば特許文献１には、分割される消失模型の製造方法が開示されている。

特開平１０−２１６８９８号公報

従来は、複数のパーツを組み立てた後、砂型を作るために組み立てられた消失模型を移動することがあった。組み立てられた消失模型を移動させると、構造強度が低いため消失模型が撓んでしまう虞がある。撓むと消失模型の寸法が狂ってしまう虞がある。本明細書は、消失模型の精度低下を起こさない消失模型鋳造方法を提供する。

本明細書が開示する消失模型鋳造方法は、パーツ制作工程、組み立て工程、砂型製作工程、溶湯注入工程、及び、砂除去工程を備える。パーツ制作工程では、消失模型を複数のパーツに分けて製作する。組み立て工程では、作業平面の上でパーツを組み立てる。ここで、作業平面とは、床、コンクリート或いは、金属によって提供される平面である。砂型製作工程では、組み立てられた消失模型を作業平面から移動することなく、消失模型を砂で覆って砂型を作成する。即ち、砂型は、作業平面上に作られる。溶湯注入工程では、砂型に溶湯を注入する。砂除去工程では、溶湯が固化した後、砂を除去する（砂型を壊す）。この方法では、一旦組み立てられた消失模型を作業平面から動かさずに砂型を作成するので、組み立てたときの寸法精度を維持することができる。即ち、この方法によれば、組み立てられたときの消失模型の寸法精度とほぼ同じ寸法精度の鋳造物が得られる。

本明細書が開示する消失模型鋳造方法の他の態様では、パーツを組み立てる前に塗型剤を塗布する工程を実施することが好ましい。消失模型を組み上げてから塗型剤を塗る場合には、消失模型を動かさなければならない。パーツを組み立てる前に、パーツ毎に塗型剤を塗ってから組み立てれば、消失模型を移動させずに済む。塗型剤の一例は鋳造物から砂を除去し易くするための離型剤である。また、消失模型の材料が発泡スチロールの場合、塗型剤は、消失模型が溶ける際に発生するガスを吸着する物質を含んでいてもよい。

本明細書が開示する消失模型鋳造方法は、プレス成形用金型の製造方法に適している。特に、対置された金型との位置合わせするための位置合わせブロックと、ワークピース（金属板）に目的の形状を転写するための意匠面を備えた意匠ブロックと、位置合わせブロックと意匠ブロックを連結する複数の棒部材とにより構成されている金型を鋳造するのに好適である。その場合、消失模型は、上記した位置合わせブロックと意匠ブロックと複数の棒部材を別々に製作し、それらを組み立てて消失模型を構築するのが好ましい。複数の棒状部材を有する消失模型は撓み易い。上記した消失模型鋳造方法は、組み立てた消失模型を移動させる必要がないので、複数のブロックが棒状部材で連結された消失模型を使う鋳造に適している。

プレスマシンの模式的側面図である。金型（消失模型）の平面図である。金型（消失模型）の側面図である。消失模型鋳造方法のフローチャート図である。消失模型の部品図である。塗型剤塗布工程を説明する図である。組み立て工程を説明する図である。砂型製作工程を説明する図である。溶湯注入工程を説明する図である。砂除去工程を説明する図である。消失模型の変形例（一部）を説明する図である。

まず、実施例の鋳造方法で鋳造する対象を説明する。本実施例では、プレス成形用の金型（a die for press forming）が、目的とする鋳造品である。理解を助けるために、まず機械プレス用金型の使用例を説明する。図１は、金型２、４２を備えたプレスマシン５０の模式的側面図である。金型２は下型であり、金型４２は上型である。図２Ａは金型２の平面図であり、図２Ｂは金型２の側面図である。図２Ｂには、金型２（下型）に対応する金型４２（上型）も図示してある。金型２は、ボルスタ５１に固定され、金型４２はスライダ５２に固定される。スライダ５２は支柱５３にガイドされながら、アクチュエータ５５によって上下に移動する。

金型２は、意匠ブロック２０、位置合わせブロック２４、及び、支持ブロック２６を有する。意匠ブロック２０は、ワークピース（金属板）に目的の形状を転写するための意匠面２０ａを有している。この例の金型２は、自動車のフェンダーをプレス成形するための金型である。意匠面２０ａはフェンダーの形状に形成されている。位置合わせブロック２４は、金型２の四隅に位置している。図では、一つの位置合わせブロックだけに符号２４を付してあり、他の位置合わせブロックには符号を省略していることに留意されたい。

ワークピースＷを金型２の意匠ブロック２０と金型４２の意匠ブロック４０で挟み、アクチュエータ５５がスライダ５２を降下させる。意匠面２０ａ、４０ａがワークピースＷに押し当てられる。さらに荷重を加えると、ワークピースＷが意匠面２０ａの形状に変形する。即ち、意匠面２０ａ、４０ａの形状がワークピースＷに転写される。

金型２と金型４２を合わせる際、金型２（下型）のガイドピン２５が、金型４２（上型）のガイドブッシュ４５に嵌合し、金型２と金型４２の位置が合わせられる。即ち、金型２の意匠面２０ａと金型４２の意匠面４０ａの位置が合わせられる。ガイドピン２５は、位置合わせブロック２４に設けられている。図２Ａに示すように、位置合わせブロック２４は、意匠ブロック２０を囲むように金型２の四隅に配置されている。意匠ブロック２０の四隅に位置合わせブロック２４を配置することによって、金型２の意匠面２０ａと金型４２の意匠面４０ａの相対的な位置を正確に定めることができる。

支持ブロック２６は、プレス荷重を利用する様々なツールを取り付けるためのブロックである。ツールの種類には、例えば、ワークの端を丸める折り曲げツールや、ワークに水平方向の貫通孔を開けるポンチツールなどがある。金型４２には、支持ブロック２６に対応する支持ブロック４６が取り付けられている。支持ブロック２６と４６の間に配置されるツールは、支持ブロック２６と４６が相互に近づく際の荷重を駆動力としてツールを作動させる。

意匠ブロック２０、位置合わせブロック２４、及び、支持ブロック２６は、複数のロッド１２（棒状部材）によって相互に連結されている。ロッド同士の連結部を「ジョイント１４」と称する。図では、一部のロッドとジョイントにのみ符号を付しており、他のロッドやジョイントには符号を省略していることに留意されたい。複数のロッド１２は、縦、横、斜めに組み合わされてフレーム１０を形成している。複数のロッド１２が囲む格子窓が矩形の場合、それらのロッド１２はラーメン構造を構成する。複数のロッド１２が囲む格子窓が三角形の部分は、それらのロッド１２はトラス構造を構成する。フレーム１０は、フレームワーク構造を有している。なお、トラス構造は、ロッドに軸力だけが作用しモーメントは作用しないフレームワーク構造を意味し、ラーメン構造はロッドに軸力とモーメントの両者が作用するフレームワーク構造を意味する。ラーメン構造、トラス構造、いずれも、ロッドのみから構成されるので、軽量ながら高い構造強度を有し、その上、模型全体が適度な柔軟性を有する。

金型２は、消失模型鋳造（フルモールド鋳造）により作られる鋳造品である。次に、金型２の鋳造方法を説明する。図３に、実施例の鋳造方法のフローチャートを示す。鋳造方法は、パーツ制作工程（Ｓ２）、塗型剤塗布工程（Ｓ４）、組み立て工程（Ｓ６）、砂型製作工程（Ｓ８）、溶湯注入工程（Ｓ１０）、及び、砂除去工程（Ｓ１２）を備える。前述したように、フレームワーク構造は高い構造強度が期待できるが、消失性材料（発泡スチロール）では、十分な構造強度を有するフレームワーク構造ができるとは限らない。特に、大型の消失模型を作る場合には、消失性材料では構造強度が不足する虞がある。以下に説明する消失模型鋳造方法は、フレームワーク構造を有する大きな消失模型に適しており、消失模型が撓むことを防止し、消失模型（鋳造品）の寸法精度の低下を抑えることができる。

（パーツ製作工程）まず、図２Ａ、図２Ｂに示す金型２と同じ形状の消失模型を制作する（図４）。消失模型は、複数のパーツに分けて製作される。消失模型は、発泡スチロール材で作られる。図４に消失模型のパーツ図を示す。符号６４が示すパーツは、図２Ａ、図２Ｂに示した金型２のジョイント１４に相当する模型パーツである。符号６２が示すパーツは、金型２のロッド１２に相当する模型パーツである。符号７０が示すパーツは、金型２の意匠ブロック２０に相当するパーツである。符号７４が示すパーツは、金型２の位置合わせブロックに相当するパーツである。符号７６が示すパーツは金型２の支持ブロック２６に相当するパーツである。一つひとつのパーツは別々に作られる。なお、各ブロックに相当する模型パーツが複数のサブパーツに分割されて作られていてもよい。

（塗型剤塗布工程）パーツ別に製造した後、各パーツに塗型剤を塗る（図５）。塗型剤は、スプレイ８０によって、夫々のパーツに噴霧される。塗型剤は、ワックスを乳化させたもの、黒鉛微粒子を水にコロイド状に分散させたもの、潤滑剤に添加剤を混合したもの、雲母などの耐熱顔料を水に分散させたものなどがある。潤滑剤に添加剤を混合したものは、離型剤に相当する。また、塗型剤は、溶湯の熱で消失模型が溶ける際に発生するガスを吸着する物質を含んでいる場合もある。

（組み立て工程）次に、塗型剤が塗布されたパーツを組み立てる（図６）。組み立ては、作業平面Ｇの上で行われる。ここで、作業平面Ｇは、床面に準備された金属平板である。組み立ては、まず、棒部材の模型パーツ６２とジョイントの模型パーツ６４でフレーム１０を組み立てた後、意匠ブロックの模型パーツ７０、位置合わせブロックの模型パーツ７４、及び、支持ブロックの模型パーツ７６をフレーム１０に組み込む。最初にフレーム１０を組み立てることによって、組み立てが容易になる。こうして、消失模型６１が完成する。なお、接合するパーツの一方には、他方に差し込むための差し込み口金や、差し込み深さを予め定められた深さに制限するストッパが設けられていてもよい。

（砂型製作工程）次に、消失模型６１を砂で覆って砂型を作る（図７）。ここでは、作業平面上で消失模型６１を組み立ててから、消失模型６１を移動することなく、砂型８２を作成する。具体的には、組み立てられた消失模型６１の周りを壁で囲み、その中へ砂を入れる。なお、図７の符号８４は、溶湯をキャビティへ注ぎ込むためのガイドパイプであり、砂型８２の中に砂を入れる前に消失模型６１に取り付けて置く。ここで、「キャビティ」とは、砂型８２の内部で消失模型６１が占める空間を意味する。

（溶湯注入工程）次に、砂型８２に溶湯を注入する（図８）。溶湯Ｍは、溶湯供給装置８６から、ガイドパイプ８４を通じて砂型８２のキャビティへと注がれる。溶湯Ｍは、例えば、ＪＩＳ規格ＦＣ３００やＦＣＤ５４０である。ＦＣ３００は、一般にねずみ鋳鉄（Gray Cast Iron）と呼ばれる材料であり、ＦＣＤ５４０は、一般にダクタイル鋳鉄と呼ばれている材料である。溶湯Ｍが注がれると、消失模型６１は溶湯の熱によって溶ける。そして、消失模型６１が占めていた空間（キャビティ）が溶湯Ｍで満たされる。

（砂除去工程）溶湯Ｍが冷えて固まった後、砂型を崩す（図９）。こうして、金型２が完成する。上記した鋳造方法では、作業平面の上で消失模型が組み立てられてから消失模型６１を一度も移動することなく、砂型が作られ、溶湯が注入される。従って、消失模型６１の寸法精度は、組み立てられてから変化することがない。消失模型は構造強度（剛性）の低い発泡スチロールで作られる。そのため、特に大きな消失模型は、持ち上げると撓み、精度が低下する。本実施例の鋳造方法では、消失模型を移動することなく砂型を作るので、精度低下を招かない。

消失模型の変形例を、図１０を参照して説明する。消失模型６１は、複数のロッド（ロッドに相当する模型パーツ６２で組まれたフレームワーク構造を有している。フレームワーク構造の消失模型は、中空のパイプ１１２と、パイプを連結するジョイント１１４で構成されていてもよい。フレームワーク構造を中空のパイプで構成することによって、溶湯の流れがよくなる。パイプ１１２とジョイント１１４は異なる材料で作られていてもよい。例えば、パイプ１１２は紙で作られ、ジョイント１１４は発泡スチロールで作られてもよい。なお、「紙」も消失性材料の一種である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、４２：金型
１０：フレーム
１２：ロッド
１４：ジョイント
２０、４０：意匠ブロック
２４：位置合わせブロック
２５：ガイドピン
２６、４６：支持ブロック
４５：ガイドブッシュ
５０：プレスマシン
５１：ボルスタ
５２：スライダ
５３：支柱
５５：アクチュエータ
６１：消失模型
６２、６４、７０、７４、７６：模型パーツ
８０：スプレイ
８２：砂型
８６：溶湯供給装置
１１２：パイプ
１１４：ジョイント

【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、プレス形成用金型の鋳造に用いる消失模型（ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅｐａｔｔｅｒｎｆｏｒｃａｓｔｉｎｇ）に関する。
背景技術
［０００２］
消失模型鋳造（ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅｐａｔｔｅｒｎｃａｓｔｉｎｇ）は、鋳造方法の一種であり、フルモールド鋳造とも呼ばれる。この方法は、概説すると次の通りである。まず、溶湯の熱によって消失する消失性材料で模型（ｐａｔｔｅｒｎ）を作る。その模型は消失模型と呼ばれる。次に、消失模型を埋め込んだ砂型を作る。砂型のキャビティに溶湯を流し込む。ここで、「キャビティ」とは、砂型の中で消失模型が占める空間を意味する。溶湯を注ぎ込むと、消失模型が溶湯の熱で消失（溶融あるいは焼失）し、消失模型が占めていた空間が溶湯で満たされる。溶湯が冷めて固化した後、砂型を崩すと、消失模型と全く同じ形状の鋳造構造物が出来上がる。消失性材料には、典型的には発泡スチロール、あるいはワックスが用いられる。
［０００３］
発泡スチロールやワックスは構造強度（剛性）が低いため、大型の消失模型を作る際には、消失模型を複数のパーツに分けて制作し、後にパーツを組み立てることが行われていた。例えば特許文献１には、分割される消失模型の製造方法が開示されている。
先行技術文献
特許文献
［０００４］
特許文献１特開平１０−２１６８９８号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００５］
従来は、複数のパーツを組み立てた後、砂型を作るために組み立てられた消失模型を移動することがあった。組み立てられた消失模型を移動させると

【０００２】
、構造強度が低いため消失模型が撓んでしまう虞がある。撓むと消失模型の寸法が狂ってしまう虞がある。本明細書は、プレス成形用金型を鋳造するのに適した消失模型と、その消失模型を使った鋳造技術を提供する。
課題を解決するための手段
［０００６］
本明細書が開示する消失模型は、対置される金型と位置合わせするための位置合わせブロックと、ワークピースに目的の形状を転写するための意匠面を備えた意匠ブロックと、位置合わせブロックと意匠ブロックを連結する複数の棒部材を備えている。複数の棒部材によって構成されるフレームワーク構造は、軽量ながら高い構造強度を有する。本明細書が開示する消失模型鋳造方法は、パーツ制作工程、組み立て工程、砂型製作工程、溶湯注入工程、及び、砂除去工程を備える。パーツ制作工程では、消失模型を複数のパーツに分けて製作する。組み立て工程では、作業平面の上でパーツを組み立てる。ここで、作業平面とは、床、コンクリート或いは、金属によって提供される平面である。砂型製作工程では、組み立てられた消失模型を作業平面から移動することなく、消失模型を砂で覆って砂型を作成する。即ち、砂型は、作業平面上に作られる。溶湯注入工程では、砂型に溶湯を注入する。砂除去工程では、溶湯が固化した後、砂を除去する（砂型を壊す）。この方法では、一旦組み立てられた消失模型を作業平面から動かさずに砂型を作成するので、組み立てたときの寸法精度を維持することができる。即ち、この方法によれば、組み立てられたときの消失模型の寸法精度とほぼ同じ寸法精度の鋳造物が得られる。
［０００７］
本明細書が開示する消失模型鋳造方法の他の態様では、パーツを組み立てる前に塗型剤を塗布する工程を実施することが好ましい。消失模型を組み上げてから塗型剤を塗る場合には、消失模型を動かさなければならない。パーツを組み立てる前に、パーツ毎に塗型剤を塗ってから組み立てれば、消失模型を移動させずに済む。塗型剤の一例は鋳造物から砂を除去し易くするための離型剤である。また、消失模型の材料が発泡スチロールの場合、塗型剤は、消失模型が溶ける際に発生するガスを吸着する物質を含んでいてもよい。
［０００８］
本明細書が開示する消失模型鋳造方法は、プレス成形用金型の製造方法に適している。特に、対置された金型との位置合わせするための位置合わせブロックと、ワークピース（金属板）に目的の形状を転写するための意匠面を備えた意匠ブロックと、位置合わせブロックと意匠ブロックを連結する複数の棒部材とにより構成されている金型を鋳造するのに好適である。その場合

本明細書が開示する消失模型は、対置される金型と位置合わせするための位置合わせブロックと、ワークピースに目的の形状を転写するための意匠面を備えた意匠ブロックと、位置合わせブロックと意匠ブロックを連結するとともに相互に連結されて全体がフレームを構成する複数の棒部材を備えている。複数の棒部材によって構成されるフレームワーク構造は、軽量ながら高い構造強度を有する。本明細書が開示する消失模型鋳造方法は、パーツ制作工程、組み立て工程、砂型製作工程、溶湯注入工程、及び、砂除去工程を備える。パーツ制作工程では、消失模型を複数のパーツに分けて製作する。組み立て工程では、作業平面の上でパーツを組み立てる。ここで、作業平面とは、床、コンクリート或いは、金属によって提供される平面である。砂型製作工程では、組み立てられた消失模型を作業平面から移動することなく、消失模型を砂で覆って砂型を作成する。即ち、砂型は、作業平面上に作られる。溶湯注入工程では、砂型に溶湯を注入する。砂除去工程では、溶湯が固化した後、砂を除去する（砂型を壊す）。この方法では、一旦組み立てられた消失模型を作業平面から動かさずに砂型を作成するので、組み立てたときの寸法精度を維持することができる。即ち、この方法によれば、組み立てられたときの消失模型の寸法精度とほぼ同じ寸法精度の鋳造物が得られる。

Claims

消失模型鋳造方法であり、
消失模型を複数のパーツに分けて製作する工程と、
作業平面上でパーツを組み立てる工程と、
組み立てられた消失模型を平面から移動することなく、消失模型を砂で覆って砂型を作成する工程と、
砂型に溶湯を注入する工程と、
溶湯が固化した後、砂を除去する工程と、
を備えることを特徴とする消失模型鋳造方法。
パーツを組み立てる前に塗型剤を塗布する工程を実施することを特徴とする請求項１又は２に記載の消失模型鋳造方法。
請求項１又は２の消失模型鋳造方法を用いたプレス成形用金型の製造方法であり、
消失模型は、対置される金型との位置合わせするための位置合わせブロックと、ワークピースに目的の形状を転写するための意匠面を備えた意匠ブロックと、位置合わせブロックと意匠ブロックを連結する複数の棒部材とにより構成されており、位置合わせブロックと意匠ブロックと複数の棒部材を別々に製作することを特徴とするプレス成形用金型の製造方法。