JP2010194585A - 低圧鋳造方法及び低圧鋳造用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】アンダーカットが容易に防止され製品内のヒケ巣発生が抑制された低圧鋳造方法及び鋳造用金型を提供する。
【解決手段】上型（２０）と下型（３０）を具備する金型に加圧気体で溶湯を供給して製品部を低圧鋳造する方法であって、前記下型（３０）は少なくとも湯口上部（２）と湯口下部（３）を具備しており、前記湯口上部（２）における湯口上部金型（３１）の温度と、前記湯口下部（３）における湯口下部金型（３２）の温度を、別々の設定温度に設定し、前記湯口上部（２）における前記溶湯の凝固時間が、前記製品部の凝固時間より若干長くなるように、前記湯口上部（２）における前記湯口上部金型（３１）の温度を設定することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、低圧鋳造方法及び鋳造用金型に関するものである。

図１は、低圧鋳造方法を示す概略図である。一般的な低圧鋳造方法は、密閉容器１１内において、るつぼ１４内の溶湯１３を加圧空気により、溶湯中に浸漬してある給湯管（ストーク）を介して溶湯１３を下から上昇させ、密閉容器１１の上方にある金型１０に注湯する。その後、湯口部分の凝固完了時点で加圧をやめると、凝固していない液体の状態の溶湯は重力で落ち、給湯管内の溶湯は、るつぼ１４内に戻される。その後、金型１０内の鋳物を取出す。

このような低圧鋳造方法において発生する欠陥について説明する。図２は、低圧鋳造方法において発生する欠陥の説明図である。
図２のように溶湯（アルミ）は、加圧空気により下のほうから充填される。充填過程で金型に熱を奪われるため、充填完了時は上の方が、温度が低い状態になる。当然、基本的には凝固は上の方から進行することになる。通常、凝固後金型を、上型２０と下型３０を上下に開くと、製品は上型２０に付着していく。しかしながら、その時に凝固が予定より進行しており、湯口下部まで凝固していると、形状的に抜けず、湯口部が千切れるか、又は、製品が下型３０に残ることになることがある。このように金型を上下に開いたときに、製品を取り出せない形状のことを、「アンダーカット」と呼んでいる。

また、アルミは液体から固体になる過程で体積収縮するので、凝固収縮した分のアルミ溶湯を供給する必要があるが、狙いどおりに上から順序よく凝固すれば、未凝固の部位を通じて下のほうから（湯口から）供給することができる。（なお、このことを「押し湯効果」と呼んでいる。）しかしながら、湯口部または湯口からのアルミ溶湯の通り道の途中（図２のＢ部）が、先に凝固するとその先にアルミ溶湯を供給できなくなる。そのような状態で凝固収縮すると、図２のＡ部などにおいて中身がスポンジのようにスカスカになってしまうことがある。これを「ヒケ巣」と呼んでいる。
製品部の凝固収縮分のアルミを供給し続けるために、少なくとも製品部が凝固するまでは加圧し続ける必要があるものの、あまり長く加圧し続けると、湯口下部まで凝固し、アンダーカットになってしまう。

これらの欠陥に対して、従来の低圧鋳造においては、製品内のヒケ巣抑制には、湯口の位置・形状・サイズと、加圧パターン（充填パターン）の設定で対処し、アンダーカット防止には加圧パターンの設定で対処していた。この場合に最適な加圧パターンの設定は、外気温やサイクルタイムの変動による金型温度変化があった場合に、変更する必要がある。そこで、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３などに開示されているように、充填開始時の溶湯温度や金型温度を元に、最適な加圧パターンを設定する方法が行われていた。

しかしながら、上記の方法では金型温度が大きく下がった場合などには、湯口の凝固が早いため、アンダーカット防止のために加圧時間を短くせざるを得なくなり、所定の最適な加圧パターンを設定が困難となっていた。そして、加圧時間を短くすると、湯口の押し湯効果が薄れるため、製品内のヒケ巣発生の抑制が難しくなるといった問題が生じていた。

特開２００２−２５４１５４号公報 特開平７−６０４２９号公報 特開平１１−４７９０８号公報

本発明は、上記問題に鑑み、アンダーカットが容易に防止され、製品内のヒケ巣発生が抑制された低圧鋳造方法及び鋳造用金型を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、上型（２０）と下型（３０）を具備する金型に加圧気体で溶湯を供給して製品部を低圧鋳造する方法であって、前記下型（３０）は少なくとも湯口上部（２）と湯口下部（３）を具備しており、前記湯口上部（２）における湯口上部金型（３１）の温度と、前記湯口下部（３）における湯口下部金型（３２）の温度を、別々の設定温度に設定し、前記湯口上部（２）における前記溶湯の凝固時間が、前記製品部の凝固時間より若干長くなるように、前記湯口上部（２）における前記湯口上部金型（３１）の温度を設定することを特徴とする。

これにより、ヒータにより、湯口上下部の金型温度を狙いの設定値に制御できるため、外気温やサイクルタイムの変動による金型温度変化がある中でも、十分な押し湯効果を得ることができ、アンダーカット防止も容易となる。また、湯口上部の金型温度を高めに設定することで、湯口の凝固を遅らせることができるので、湯口を小さくすることが可能となり、従来の低圧鋳造技術では湯口設置の制限上、成形が難しかった形状の製品でも、容易に成形が可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記湯口上部（２）と前記湯口下部（３）の境目のくびれ形状部（９）が最終凝固部になるように、前記湯口上部金型（３１）の温度と、前記湯口下部金型（３２）の温度を設定して、製品内部へのヒケ巣発生を抑制し、前記くびれ形状部（９）下方まで凝固が進むことによるアンダーカットを防止したことを特徴とする。
これにより、請求項１の発明と同様に、湯口の温度制御を行うことにより、品質の安定化と湯口の位置・形状・サイズの自由度が得られる。

請求項３の発明は、加圧気体で溶湯を供給して製品部を低圧鋳造する低圧鋳造用の金型であって、該金型は、上型（２０）と下型（３０）を具備し、前記下型（３０）は、少なくとも湯口上部（２）における湯口上部金型（３１）と湯口下部（３）における湯口下部金型（３２）とに分割されており、さらに、前記湯口上部金型（３１）、前記湯口下部金型（３２）は、それぞれ、ヒータ（４、６）及び温度センサ（５、７）を具備したことを特徴とする。
これにより、請求項１の発明と同様な効果が得られると共に、ヒータにより、湯口上下部の金型温度を狙いの設定値に制御できる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記上型（２０）と前記湯口上部金型（３１）の間、前記湯口上部金型（３１）と前記湯口下部金型（３２）との間には、それぞれ、断熱材（８）が設置されていることを特徴とする。これにより、ヒータにより、湯口上下部の金型温度を独立して制御でき、狙いの設定値に制御できる。

請求項５の発明は、請求項３または４の発明において、前記湯口上部金型（３１）の温度と前記湯口下部金型（３２）の温度を、別々の設定温度に設定し、前記湯口上部（２）における前記溶湯の凝固時間が、前記製品部の凝固時間より若干長くなるように、前記湯口上部（２）における前記湯口上部金型（３１）の温度を設定したことを特徴とする。
これにより、ヒータにより、湯口部上下部の金型温度を狙いの設定値に制御できるため、外気温やサイクルタイムの変動による金型温度変化がある中でも、十分な押し湯効果を得ることができ、アンダーカット防止も容易となる。また、湯口部の金型温度を高めに設定することで、湯口の凝固を遅らせることができるので、湯口を小さくすることが可能となり、従来の低圧鋳造技術では湯口設置の制限上、成形が難しかった形状の製品でも、容易に成形が可能となる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

低圧鋳造方法を示す概略図である。 低圧鋳造方法において発生する欠陥の説明図である。 湯口部を２分割した金型を概略的に示す図である。 単気筒エンジンのシリンダの湯口を説明する図であり、（ａ）は、製品形状を示す正面図（上）と平面図（下）、（ｂ）は、湯口の一例を示す正面図（上）と平面図（下）、（ｃ）は、湯口の他の一例を示す正面図（上）と平面図（下）である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。従来技術に対しても同様に同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。

本発明を低圧鋳造金型で製品部１を鋳造する場合の一実施形態について説明する。
図３は、湯口部を２分割した金型を概略的に示す図である。上型２０もいくつかに分割しているがここでは省略する。製品部１にヒケ巣を発生させないことが重要である。下型３０は、図３の場合は３分割され、さらに、下型３０の湯口部は、湯口上部２と湯口下部３に２分割されている。下型３０は、必要に応じて分割数を適宜設定する。下型３０の湯口下部金型３２及び湯口上部金型３１には、それぞれ、ヒータとヒータ制御用の温度センサを設置している。湯口下部３を未凝固で保持するために、第２ヒータ６とそれを制御する第２温度センサ７によって湯口下部金型３２の温度を制御し、また湯口上部２を狙いの時間に凝固させるために、第１ヒータ４と第１温度センサ５によって湯口上部金型３１の温度を制御する。また、湯口上部金型３１と湯口下部金型３２間の熱移動を妨げる断熱板８を当該金型間に設置しており、これによりそれぞれの金型で独立した温度制御が可能となるようにしている。

ここで、湯口上部金型３１及び湯口下部金型３２は２分割しているが、製品を取出すときの型開きに問題が生じないような湯口形状とすれば、必ずしも２分割する必要はない。この場合には、湯口上部２を狙いの時間に凝固させるために、第１ヒータ４と第１温度センサ５を設け、湯口下部３を未凝固で保持するために、第２ヒータ６とそれを制御する第２温度センサ７を設けて温度を制御する。湯口形状は周知のように様々な変形が考えられる。また、湯口形状に応じて、温度制御を２段階以上にすることも可能である。湯口上部金型３１及び湯口下部金型３２は２分割しているが、２分割以上であっても良い。

従来、製品部が、湯口に対し大きい場合（または湯口が製品部に対し小さい場合）、充填完了時の温度は製品部のほうが低くても、持っている熱量が大きいため凝固までに時間がかかり、湯口のほうが先に凝固することが生じる。そうなると、製品部の凝固収縮に対する溶湯供給ができなくなり、製品部にヒケ巣が発生することが生じる。このためには、製品に合わせた湯口サイズの設定が重要になる。湯口は平面部にしか付けることができないため、製品の形状に合わせた形状・サイズ設定しかできず、製品の形状によっては、小さい湯口しか設けられず、製品形状を変えざるを得ないケースが生じていた。

本実施形態によれば、このような問題を解決し、湯口部の金型を２つ以上に分割し、それぞれ別系統の温度設定を行うことで、湯口の凝固を制御することを特徴とするものである。ヒータにより、湯口部の金型温度を狙いの設定値に制御できるため、外気温やサイクルタイムの変動による金型温度変化がある中でも、十分な押し湯効果を得ることができ、アンダーカット防止も容易となる。また、湯口部の金型温度を高めに設定することで、湯口の凝固を遅らせることができるので、湯口を小さくすることが可能となり、従来の低圧鋳造技術では湯口設置の制限上、成形が難しかった形状の製品でも、容易に成形が可能となるものである。

次に、湯口部の金型温度の制御について述べる。
湯口部の金型温度の制御にあたっては、次の視点が重要である。すなわち、低圧鋳造において、湯口の温度を制御し、図３のゲート９を最終凝固部とすることで製品内部へのヒケ巣発生を抑制すること、湯口のくびれ形状部下方（ゲート９の下方の湯口下部）まで凝固が進むことによるアンダーカットを防止することの２点を両立させる必要がある。そのためには、狙いの時間に凝固させる部分（湯口上部）と未凝固で保持する部分（湯口下部）で別々に温度を設定するとともに、湯口上部に関しては、製品と湯口それぞれの形状・サイズから最適な凝固タイミングを設定し、その凝固タイミングを達成するための金型温度を設定する。

一例として、湯口下部に関しては、金型表面温度が、アルミが凝固しない温度（６００℃）で固定する。湯口上部の温度設定に関しては、製品と湯口の形状・大きさにより変化するが、湯口上部の凝固時間が、製品部の凝固時間よりも少し長め（僅かな所定時間だけ長い）になるように、湯口上部の金型温度を少し高め（僅かな所定温度だけ高い）に設定する。
湯口上部の金型温度Ｔの設定に関して、アルミ溶湯から金型への熱伝達を以下の式で考える。

ΔＱ＝ｋ（Ｔａ−Ｔｄ）
ただし、ΔＱ：単位時間、単位面積あたりのアルミ溶湯から金型への熱伝達量
ｋ：熱伝達係数、
Ｔａ：アルミ溶湯温度、
Ｔｄ：金型温度

充填完了時の溶湯温度、金型温度を、湯流れ解析（ＣＡＥ、Computor Aided Engineering）で計算する。それら温度を基に上式でΔＱの合計が、凝固に要する脱熱量に至るまでの時間ｔを、まず製品部について計算する。湯口上部での凝固が、その時間ｔと同じになるような湯口上部の金型温度Ｔ₀を計算し、その時間ｔよりも少し長くなるように、Ｔ₀より少し高めに湯口上部の金型温度Ｔを設定する。
加圧パターン制御については、湯口上部の温度を計測して、湯口が凝固したと考えられる時間で加圧を終了するなどの方法が考えられる。

次に、別の実施形態として、湯口の一例として、単気筒エンジンのシリンダについて考える。図４は、単気筒エンジンのシリンダの湯口を説明する図であり、（ａ）は、製品形状を示す正面図（上）と平面図（下）、（ｂ）は、湯口の一例を示す正面図（上）と平面図（下）、（ｃ）は、湯口の他の一例を示す正面図（上）と平面図（下）である。
図４（ａ）の製品形状から、設置する湯口箇所は図４（ｂ）と（ｃ）の２つが考えられるが、図４（ｂ）は、製品に対し、湯口が小さすぎて十分な押し湯効果が期待できないため、従来は、図４（ｃ）を採用せざるを得なかった。この場合、湯口が大きくなるため、サイクルタイムが長くなり（生産性が悪くなり）、また製品重量に対する湯口重量が大きく、無駄（捨てる部分）が大きくなり、材料歩留まりが悪くなる。本発明の各実施形態により、湯口部の金型温度を最適設定することで、図４（ｂ）の湯口でも十分な押し湯効果が期待でき、図４（ｂ）を採用することが可能となった。これにより、生産性アップと材料歩留まりが改善することができる。

１ 製品部
２ 湯口上部
３ 湯口下部
４ 第１ヒータ
５ 第１温度センサ
６ 第２ヒータ
７ 第２温度センサ
９ ゲート
２０ 上型
３０ 下型
３１ 湯口上部金型
３２ 湯口下部金型

Claims (5)

1. 上型（２０）と下型（３０）を具備する金型に加圧気体で溶湯を供給して製品部を低圧鋳造する方法であって、
   前記下型（３０）は少なくとも湯口上部（２）と湯口下部（３）を具備しており、
   前記湯口上部（２）における湯口上部金型（３１）の温度と、前記湯口下部（３）における湯口下部金型（３２）の温度を、別々の設定温度に設定し、
   前記湯口上部（２）における前記溶湯の凝固時間が、前記製品部の凝固時間より若干長くなるように、前記湯口上部（２）における前記湯口上部金型（３１）の温度を設定することを特徴とする低圧鋳造方法。
2. 前記湯口上部（２）と前記湯口下部（３）の境目のくびれ形状部（９）が最終凝固部になるように、前記湯口上部金型（３１）の温度と、前記湯口下部金型（３２）の温度を設定して、製品内部へのヒケ巣発生を抑制し、前記くびれ形状部（９）下方まで凝固が進むことによるアンダーカットを防止したことを特徴とする請求項１に記載の低圧鋳造方法。
3. 加圧気体で溶湯を供給して製品部を低圧鋳造する低圧鋳造用の金型であって、
   該金型は、上型（２０）と下型（３０）を具備し、
   前記下型（３０）は、少なくとも湯口上部（２）における湯口上部金型（３１）と湯口下部（３）における湯口下部金型（３２）とに分割されており、
   さらに、前記湯口上部金型（３１）、前記湯口下部金型（３２）は、それぞれ、ヒータ（４、６）及び温度センサ（５、７）を具備したことを特徴とする低圧鋳造用の金型。
4. 前記上型（２０）と前記湯口上部金型（３１）の間、前記湯口上部金型（３１）と前記湯口下部金型（３２）との間には、それぞれ、断熱材（８）が設置されていることを特徴とする請求項３に記載の低圧鋳造用の金型。
5. 前記湯口上部金型（３１）の温度と前記湯口下部金型（３２）の温度を、別々の設定温度に設定し、前記湯口上部（２）における前記溶湯の凝固時間が、前記製品部の凝固時間より若干長くなるように、前記湯口上部（２）における前記湯口上部金型（３１）の温度を設定したことを特徴とする請求項３または４に記載の低圧鋳造用金型。

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