WO2007023738A1 - 消失模型鋳造法に用いる発泡製品模型を成形する金型の製造方法 - Google Patents

消失模型鋳造法に用いる発泡製品模型を成形する金型の製造方法 Download PDF

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Inventor
Tatsuhiko Kato
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Sintokogio, Ltd.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a mold for molding a foam product model used in a disappearance model forging method.
  • the present invention also relates to a mold manufactured using the method, a foamed product model manufactured using the mold, and a porcelain manufactured by the disappearing model forging method using the foamed product model.
  • Foamed product models used in the disappearance model fabrication method are manufactured as follows. First, the granular foam material beads are sealed in a container, and steam is blown into the foam to be pre-foamed (primary foam), and then the pre-foamed beads are then filled into mold cavities for foam product model production. And let it harden.
  • the material beads are mainly composed of PMMA (polymethyl methacrylate), and polystyrene and the like are added thereto.
  • the mixing ratio of these components varies depending on the manufacturer.
  • the material beads are foamed with a foaming ratio of about 40 times.
  • the expansion ratio may be increased to about 45 times.
  • the foaming rate is increased in this way, the foam model hardness decreases, and the foam model tends to be deformed when it is filled with sand. ! /
  • an actual mold cavity is manufactured in consideration of a shrinkage allowance when the poured metal is solidified to become a product porridge (that is, using an extension scale).
  • the shrinkage allowance varies depending on the metal.
  • the scale of the relationship between the object and the model is 5/1000 to 8/1000.
  • there is a shrinkage of the foam product model in the relationship between the foam product model and its mold, and the scale is 3Z 1000 ⁇ 10/1000 force!
  • the forged product manufactured using the scale has a desired shape and size. Or within the allowable error range. However, if the product is not the target size or is outside the tolerance range, it is necessary to correct the model size, so the mold mold for forming the foam product model should be expanded, or Since it is difficult to fill the cavity, it becomes necessary to manufacture the mold again.
  • the invention described in Japanese Patent Laid-Open No. 4-361849 relates to a forged product manufacturing system used in the case of forging a press die or the like by a full mold method, and performs a design that fully considers the forging conditions when creating CAD data.
  • the purpose is to provide a forged product manufacturing system that can manage work in the forged area (forged process)! Speak.
  • both of these documents are based on deformation by deformation analysis in forging simulation using the disappearance model forging method using a computer by making a prototype and feeding back the dimensions of the prototype. Then, disclose or suggest the determination of the three-dimensional data of the foam product model.
  • a method for producing a mold for a foam product model that can reduce or eliminate the need to remanufacture a mold for a foam product model in the disappearance model forging method is desired. Disclosure of the invention
  • the present invention solves the problem that it is necessary to remanufacture a mold for a foam product model without allowing the product manufactured by the disappearance model manufacturing method to fall within the allowable error.
  • It aims at providing the method of manufacturing the metal mold
  • the present invention is a method of manufacturing a mold for forming a foamed product model used in a disappearance model forging method: forming a product as a final product having a target dimension. Determining the final three-dimensional data of the shape of the foam product model correlated with the three-dimensional data of the shape of the object; and inputting the determined final three-dimensional data to the controller of the NC machine tool; Cutting the cavity of the determined shape of the foamed product model into a mold base by the NC machine tool.
  • the final three-dimensional data is determined from the deformation of the pottery by the solidification analysis of the pottery by the simulation and the deformation analysis based on the molten metal flow analysis by the simulation of the forgery using the disappearance model forging method. Or a prototype of a foamed product model, and a prototype of the foamed product model is actually produced by the disappearance model forging method, and the difference between the size of the prototype product and the target size is fed back. Determined by. It is also possible to determine the final 3D data using both the above simulation and feedback.
  • a foam product model molding mold manufactured by the above-described mold manufacturing method a foam product model formed by pouring a foam material into the foam product model molding mold, and the foam product model It can be used to provide a porcelain manufactured by the disappearance model forging method.
  • final three-dimensional data is determined by feeding back data.
  • a granular foam material bead is put in a sealed container and steam is blown to form a foam block having an appropriate foaming ratio.
  • the relationship between the fence and model The foam block is processed using the scale and the relationship between the foam product model and the molding die, and a foam product model for forming a frame having the target dimensions by the disappearance model forging method is manufactured.
  • the product is actually manufactured (prototype) by the disappearance model forging method. Measure the dimensions of this prototype product, and if the dimensions are different from the target dimensions, or if they are out of tolerance, produce a foam product model with the corrected dimensions.
  • This dimension correction is performed, for example, as follows. As a result of the actual measurement, if the dimension of a part of the product becomes 0.0024 mm which is larger than the allowable error of 0.020 mm, the size of the foam product model is changed to eliminate this. Then, the product model is manufactured again using the foamed product model with the changed dimensions. Then check whether the dimensions of the object are within the allowable range. If it is within the allowable range, there is no problem, but if it is out of the allowable range, the dimensions of the foam product model are changed repeatedly, and the prototype is repeatedly manufactured until it is within the allowable range.
  • the “final three-dimensional data” of the shape of the foamed product model is the final three-dimensional data finally determined by such feedback and the final tertiary data finally determined in Example 2 below. It means the original data.
  • Forging simulation of the disappearance model forging method was performed under the following conditions using a mesh model with a minimum mesh spacing of 4.5 by the finite element method using computer analysis software.
  • the simulation is performed in the order of molten metal flow analysis, solidification analysis, and deformation analysis.
  • the molten metal flow analysis is to find the process of the molten metal entering the cavity, the time when the molten metal has entered the cavity, the pressure state and the temperature distribution at the time of filling the molten metal.
  • This hot water flow Solidification analysis is performed using the temperature distribution during the filling of the cavity obtained by the analysis, and then the solidification time obtained by the solidification analysis and the product temperature distribution force during solidification are subjected to deformation analysis due to thermal stress. It is. That is, the hot water flow is performed in order to analyze how the cavity is filled.
  • Shape of forged product Cylindrical (length (height) 80mm, outer diameter 250mm, minimum wall thickness 3.5mm)
  • Product material FCD450
  • the process of molten metal entering the product, the time it took to enter, and the pressure state during filling of the molten metal were obtained.
  • the pouring time was 7.07 seconds and the molten metal pressure (product part) was 0.07-0.lOMPa.
  • the solidification time which is the time until the hot water solidifies (becomes solid), was 120 seconds.
  • Displacement of the outer periphery of the product was the largest, and was distorted by 0.021mm.
  • Thermal stress is generated in the process of solidifying the product, and the product is deformed by the stress. If it is possible to know in advance how much the product will be deformed by the cision, it is possible to manufacture a foam model mold that anticipates the amount of deformation.
  • the data after the deformation analysis is converted into STL data (three-dimensional CAD intermediate file data) by simulation software.
  • the size of the foamed product model is changed to a size that can eliminate this, and the simulation is performed again.
  • the change in the dimensions of the foam product model and the simulation are performed until the variation in the freight due to the simulation falls within the tolerance. This determines the final three-dimensional data of the shape of the foam product model.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

目標寸法を有する最終製品としての鋳物を成形するために該鋳物の形状の三次元データに相関する発泡製品模型の形状の最終三次元データを決定する工程と；該決定された最終三次元データをＮＣ工作機のコントローラに入力する工程と；前記決定された発泡製品模型の形状のキャビティを前記ＮＣ工作機によって金型基材に切削加工する工程と；を含む消失模型鋳造法に用いる発泡製品模型を成形する金型を製造する金型製造方法を提供する。最終三次元データは、仮想発泡製品模型を用いる消失模型鋳造法による鋳造のコンピュータによるシミュレーションを行い、該シミュレーションによる鋳物の変形から得た情報に基づいて決定され、又は、発泡製品模型を試作し該試作発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により実際に鋳物を試作し、該試作鋳物の寸法と前記目標寸法との差異をフィードバックして決定される。上記シミュレーションとフィードバックの両方を使用して最終三次元データを決定することもできる。

Description

明 細 書
消失模型铸造法に用いる発泡製品模型を成形する金型の製造方法 技術分野
[0001] 本発明は、消失模型铸造法に用いる発泡製品模型を成形する金型を製造する方 法に関する。本発明はまた、該方法を用いて製造した金型、該金型を用いて製造し た発泡製品模型、該発泡製品模型を用いて消失模型铸造法により製造した铸物に 関する。
背景技術
[0002] 消失模型铸造法に用いる発泡製品模型は以下のように製作されている。先ず、粒 状の発泡材料ビーズを容器内に密閉して蒸気を吹き込んで予備発泡 (一次発泡)さ せ、この予備発泡させたビーズを次に発泡製品模型製作用の金型のキヤビティに充 填して硬化させる。
[0003] 材料ビーズは PMMA (ポリメタクリル酸メチル）を主成分とし、これにポリスチレン等 が加えられており、これらの成分の混合比率は製造者によって異なっている。予備発 泡において材料ビーズは発泡倍率が 40倍程度で発泡されている。発泡倍率を場合 によっては (例えば、薄肉の铸物を製造する場合）、 45倍程度にすることもある。但し 、このように発泡率を高くすると、発泡模型硬度が小さくなるため、砂充填した際に発 泡模型が変形する傾向があるので、厚肉の铸物の製造には適して!/、な!/、。
[0004] このように成形された発泡製品模型を使用して消失模型铸造法により铸物を製造し た場合に、発泡材料ビーズの組成と発泡倍率の相異によつて製造された铸物の収縮 率が異なってくる。
[0005] また、注湯された金属が凝固して製品铸物となる際の縮み代を考慮 (即ち、伸尺を 使用）して実際の金型キヤビティは製作されている。縮み代は金属により異なる。铸物 と模型との関係の伸尺は 5/1000の〜 8/1000である。また、発泡製品模型とその 成形用金型との関係においても発泡製品模型の縮みが存在し、その伸尺として 3Z 1000の〜 10/1000力用!ヽられて!ヽる。
[0006] このように伸尺を用いて铸造された铸物製品が目的とする形状 ·寸法であるカ ある いはその許容誤差範囲内に収まっているかを確認している。しかしながら製品が目 標寸法ではなぐあるいは、許容誤差範囲カゝら外れている場合には、模型寸法を修 正する必要があるため発泡製品模型を成形する金型のキヤビティを広げるか、ある ヽ は、キヤビティを埋めることは困難なため、再度金型を製作する必要性が生じてくる。
[0007] 上記のように一定の伸尺を用いて铸造しても、铸物の部位により縮み代に相異が出 る場合があり、铸物製品が許容誤差内に収まらずに発泡製品模型用金型を再製作 する必要が生じることが多々あった。部位により縮み代に相異が出る場合とは、例え ば、二股に分岐する管であって、分岐した一方の管部分はほぼ直線状であり、もう一 方の管部分は円弧状に湾曲している铸物管製品であり、この場合、円弧状に湾曲し ている管部分の凸側部分と凹側部分の縮み代に相異が出る。
[0008] 特開平 4— 361849に記載された発明は、フルモールド法によってプレス金型等を 铸造する場合に用いる铸造品製造システムに関し、 CADデータ作成時に、铸造条 件を充分考慮した設計を行 、、铸造区 (铸造工程)での作業管理を行うことのできる 铸造品製造システムを提供することを目的として！ヽる。
[0009] 「ジャタト-ユース第 558号 (平成 15年 6月 20)」（社団法人 日本铸造技術協会）は 、コンピュータソフトウェアを用いて有限要素法等により铸物の湯流れ、凝固、変形シ ミュレーシヨンを行い、湯流れの状況、引け巣の発生の有無、铸物凝固時の割れ'変 形を観察することを教示して 、る。
[0010] 但し、これらの両文献は、铸物を試作して試作铸物の寸法をフィードバックすること により、あるいは、コンピュータによる消失模型铸造法を用いる铸造シミュレーションに おける変形解析による変形に基づ 、て、発泡製品模型の三次元データを決定するこ とを開示又は示唆して 、な 、。
[0011] 消失模型铸造法における発泡製品模型用金型を再製作する必要を減少させ、ある いは、なくすことができる発泡製品模型用金型を製造する方法が望まれている。 発明の開示
[0012] 本発明は、消失模型铸造法により铸造された铸物製品が許容誤差内に収まらずに 発泡製品模型用金型を再製作する必要が生じるという問題を解決し、铸物製品が目 的寸法あるいはその許容誤差範囲内に収まるようにするために、消失模型铸造法に 用いる発泡製品模型を成形する金型を製造する方法を提供することを目的とする。
[0013] 上記目的を達成するために、本発明は、消失模型铸造法に用いる発泡製品模型 を成形する金型を製造する方法であって：目標寸法を有する最終製品としての铸物 を成形するために該铸物の形状の三次元データに相関する発泡製品模型の形状の 最終三次元データを決定する工程と;該決定された最終三次元データを NC工作機 のコントローラに入力する工程と;前記決定された発泡製品模型の形状のキヤビティ を前記 NC工作機によって金型基材に切削加工する工程と;を含む金型製造方法で ある。
[0014] 最終三次元データは、消失模型铸造法を用いる铸造のコンピュータによるシミュレ ーシヨンを行 、、前記シミュレーションによる铸物の凝固解析及び湯流れ解析に基づ く変形解析による铸物の変形から決定され、又は、発泡製品模型を試作し該試作発 泡製品模型を用いて消失模型铸造法により実際に铸物を試作し、該試作铸物の寸 法と前記目標寸法との差異をフィードバックすることにより決定される。上記シミュレ一 シヨンとフィードバックの両方を使用して最終三次元データを決定することとしても良 い。
[0015] 本発明によって、上記金型製造法によって製造された発泡製品模型成形用金型、 該発泡製品模型成形用金型に発泡材料を流し込んで成形した発泡製品模型、該発 泡製品模型を用いて消失模型铸造法により製造した铸物を提供することができる。
[0016] 本発明によれば、消失模型铸造法により铸造された铸物製品が許容誤差内に収 まらずに発泡製品模型用金型を再製作する必要性をなくし、あるいは、金型の再製 作の回数を削減することができる。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 本発明の主要部である発泡製品模型の形状の最終三次元データを決定する方法 の実施例を以下に説明する
実施例 1
[0018] 本実施例はデータをフィードバックすることにより最終三次元データを決定する。
[0019] 本実施例にお ヽては、まず、粒状の発泡材料ビーズを密閉容器内に入れ蒸気を吹 き込んで適当な発泡倍率の発泡ブロックを成形する。次に、铸物と模型との関係の 伸尺及び発泡製品模型と成形用金型との関係の伸尺を用いて発泡ブロックを加工し て、目標寸法を有する铸物を消失模型铸造法により成形するための発泡製品模型を 試作する。
[0020] この試作発泡製品模型を使用して消失模型铸造法により铸物製品を実際に製造（ 試作)する。この試作铸物製品の寸法を実測し、寸法が目標寸法と異なる場合、ある いは、その許容誤差から外れる場合に、寸法を修正した発泡製品模型を試作する。 この寸法の修正は、例えば、次のように行われる。実測の結果、製品の一部分の寸 法が許容誤差である 0. 020mmより大きい 0. 024mmとなった場合、これをなくすよ うに発泡製品模型の寸法を変更する。そして、この変更した寸法の発泡製品模型を 製作し使用して再度製品铸物を製造する。そして、铸物の寸法が許容範囲内にある か否かを確認する。許容範囲内であれば問題がないが、許容範囲外であれば、同様 に発泡製品模型の寸法を繰り返し変更して、許容範囲内になるまで試作铸物を繰り 返し製造する。
[0021] この実施例は、铸物を試作する必要があるが、発泡製品模型用金型を作り直す必 要性をなくすことができる。
[0022] このようにして、試作铸物の寸法と目標寸法との差異をフィードバックして発泡製品 模型の形状の三次元データを最終的に決定する。本発明において、発泡製品模型 の形状の「最終三次元データ」とは、このようなフィードバックにより最終的に決定され る最終三次元データと、以下の実施例 2において最終的に決定される最終三次元デ 一タとを意味するものである。
実施例 2
[0023] 次に、コンピュータによるシミュレーションにより発泡製品模型の形状の最終三次元 データを決定する方法を説明する。
[0024] コンピュータ解析ソフトウェアを用いて有限要素法により最小メッシュ間隔 4. 5のメッ シュモデルにより、以下の条件で消失模型铸造法の铸造シミュレーションを行った。
[0025] なお、シミュレーションは、湯流れ解析、凝固解析、変形解析の順に行われる。湯 流れ解析はキヤビティに溶湯が入っていく過程、キヤビティに溶湯が入りきつた時間、 溶湯のキヤビティ充填時の圧力状態及び温度分布を求めるものである。この湯流れ 解析によって得られたキヤビティ充填時の温度分布を使用して凝固解析を行い、次 に、凝固解析によって得られた凝固時間と、凝固時の製品温度分布力 熱応力によ る変形解析を行うものである。すなわち、湯流れはキヤビティへの充填がどのようにな されるのかを解析するために行われ、そのために、（1)充填時間、（2)湯流れが乱流 力あるいは整流力どうか、（3)充填位置の順番の 3つの因子を検討する。充填解析が なされた後、凝固に着目して熱解析を行い、そして熱解析における熱応力による変 形解析がなされる。
[0026]
铸造製品の形状：円筒（長さ（高さ） 80mm,外径 250mm、最小肉厚 3. 5mm) 製品材質: FCD450
腿
铸造シミュレーションの結果は以下の通りであった。
[0027] 1.湯流れ解析
溶湯が製品に入っていく過程、入りきつた時間、溶湯のキヤビティ充填時の圧力状態 が得られた。注湯時間は 7. 07秒、溶湯圧 (製品部）は 0. 07-0. lOMPaであった。
[0028] (注湯時間が長すぎると、キヤビティに完全に湯が入りきらないといった欠陥の発生が 考えられる。シミュレーションの結果を基に、溶湯が入りやすい铸造方案を立てること も可能である)。
[0029] 2.凝固解析
キヤビティに湯が入りきつた状態 (液体状態)力 湯が凝固する（固体状態になる）ま での時間である凝固時間は 120秒であった。
[0030] ポロシティ量 0. 2%以上存在する箇所が湯道部に少し見られた。
[0031] (製品が最後に凝固する部分には引け巣等の欠陥が発生し易すくなり、また、ポロシ ティが存在すると製品強度に大きな影響を及ぼすので、それらの位置をシミュレーシ ヨンにより特定する。また、欠陥が発生しにくい铸造方案を立てることも可能である)。
[0032] 3.変形解析
製品外周部の変位量が最も大きぐ 0. 021mm歪んだ。
[0033] 製品が凝固する過程で熱応力が発生し、製品が応力によって変形するが、シミュレ ーシヨンにより製品がどの程度変形するか事前に把握できれば、変形量を見越した 発泡模型成形金型を製作することが可能である。
[0034] 変形解析後のデータはシミュレーションソフトウェアにより STLデータ（3次元 CAD 中間ファイルデータ）に変換される。
[0035] 上記変異量 0. 021mmは許容誤差の 0. 015mmを超えているので、これをなくす ことができるような寸法に発泡製品模型の寸法を変更して、再度シミュレーションを行 う。発泡製品模型の寸法の変更と、シミュレーションは、シミュレーションによる铸物の 変異量が許容誤差に収まるまで行われる。これにより、発泡製品模型の形状の最終 三次元データが決定される。
[0036] 変異量に関する上記 STLデータと、実施例に 1において試作した試作铸物を三次 元測定器により測定した三次元データを比較して参考として、発泡製品模型の形状 の最終三次元データ（目標寸法)を決定するために用いることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 消失模型铸造法に用いる発泡製品模型を成形する金型を製造する方法であって、 目標寸法を有する最終製品としての铸物を成形するために該铸物の形状の三次 元データに相関する発泡製品模型の形状の最終三次元データを決定する工程と、 該決定された最終三次元データを NC工作機のコントローラに入力する工程と、 前記決定された発泡製品模型の形状のキヤビティを前記 NC工作機によって金型 基材に切削加工する工程と、
を含む金型製造方法。
[2] 請求項 1に記載の金型製造方法であって、前記発泡製品模型の形状の最終三次 元データは、消失模型铸造法を用いる铸造のコンピュータによるシミュレーションを行 い、前記シミュレーションによる铸物の凝固解析及び湯流れ解析に基づく変形解析 による変形から決定される金型製造方法。
[3] 請求項 1又は 2に記載の金型製造方法であって、発泡製品模型を試作し該試作発 泡製品模型を用いて消失模型铸造法により実際に铸物を試作し、該試作铸物の寸 法と前記目標寸法との差異をフィードバックして前記発泡製品模型の形状の最終三 次元データを決定する金型製造方法。
[4] 請求項 3に記載の金型製造方法であって、発泡ブロックを加工して前記発泡製品 模型を試作する金型製造方法。
[5] 請求項 1乃至 4のいずれか 1つに記載の金型製造法によって製造された発泡製品 模型成形用金型。
[6] 請求項 5に記載の発泡製品模型成形用金型に発泡材料を流し込んで成形した発 泡製品模型。
[7] 請求項 6に記載の発泡製品模型を用いて消失模型铸造法により製造した铸物。
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