JP5445680B2 - 鋳造用の消失模型および鋳造品 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造用の消失模型（evaporative pattern）と、その消失模型を用いて鋳造された構造物（casted structure）に関する。

消失模型鋳造は、鋳造方法の一種であり、ロストフォーム鋳造あるいは、フルモールド鋳造とも呼ばれている。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、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し、消失模型が占め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。

消失性材料は溶湯の熱で消失する性質を備えるため、強度が弱いという短所がある。即ち、従来の消失模型の強度は高くはない。そこで、例えば特許文献１には、パイプ形状の消失模型のパイプ内部の空洞空間に、円板形状の補強部材を取り付けることが提案されている。特許文献１では、補強部材を取り付けた消失模型を砂型に埋め込む。補強部材には軸方向に貫通孔が設けてあり、その貫通孔を通じて砂がパイプ内部へ侵入する。補強部材は、鋳造品が出来上がった後に取り外される。

特開平７−２２３０１号公報

特許文献１の技術では、消失模型の他に補強部材を砂に埋め込む。そのため、砂を通すための貫通孔を有しているとはいえ、補強部材の裏側には砂が充填され難い。消失模型の周囲に砂が十分に充填されないと、望ましい鋳造物が得られない虞がある。そのため、補強部材の裏側に十分に砂が充填されているか否か、よく確かめる必要がある。また、特許文献１の技術はパイプ以外の形状には適用できない。本発明は、パイプ以外の形状にも適用することができ、消失模型とは別個の補強部材を砂型に埋め込む必要のない、消失模型の強度不足を補う技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、消失模型の内部に補強部材を埋設する。即ち、消失模型自体の強度を向上させる。これによって、特許文献１の技術のように、消失模型以外の部材を砂型に埋め込む必要がなくなる。また、この方法は、如何なる形状の消失模型にも適用することができる。補強部材は、溶湯の熱によっては消失しない材料で作られる。典型的には、補強部材は、鋼鉄、チタン、その他の高強度の金属で作られる。

なお、本明細書が開示する新規な技術では、補強部材は鋳造品の内部に残る。即ち、補強部材は、消失模型の強度を向上させるだけでなく、鋳造品の強度も向上させる。補強部材は、好ましくは、鋳造材料よりも強度の高い材料で作られているとよい。

本明細書が開示する技術の別の態様では、補強部材の全体が消失性材料で覆われている。このことは即ち、補強部材の周囲に溶湯が流れる空間が確保されることを意味する。

本明細書が開示する技術のさらに別の態様では、補強部材から消失模型の外部へワイヤが伸びている。ワイヤの露出部分は、型の砂によって固定される。即ち、補強部材が、ワイヤを介して砂型に固定される。上記のワイヤを用いると、溶湯を流し込み、消失性材料が消失しても、補強部材がワイヤによって固定されているので補強部材は動かない。ワイヤを採用した消失模型は、鋳造品内部の望ましい位置に補強部材を配置することができる。

本明細書が開示する技術は、新規な鋳造品も提供する。その鋳造品は、上記した消失模型によって鋳造された鋳造品である。即ち、その鋳造品は、内部に、鋳造材料とは異なる金属で作られた補強部材が埋め込まれていることを特徴とする。前述したように、補強部材は、鋳造材料よりも強度が高い材料で作られていることが好ましい。この技術は、鋳造材料は、鉄であることが好ましい。即ち、本明細書が開示す一つの鋳造品は、鉄よりも強度の高い補強部材が埋設された鋳鉄構造物である。

上記の鋳造品の一態様は、複数の棒状部材が、ラーメン構造、トラス構造、或いは、ラーメン構造とトラス構造を組み合せた構造のフレームを含んでいてよい。さらにその鋳造品では、フレームのジョイント部分に補強部材が埋め込まれていてよい。なお、以下では、説明を簡単にするため、「複数の棒状部材からなる構造であり、トラス構造、ラーメン構造、あるいは、トラスとラーメンの混在した構造」を、単純に「フレームワーク構造物（骨組み構造、framework structure）」と称する。フレームワーク構造物では、ジョイント部分に大きな荷重が加わるので、そのジョイント部分に補強部材が埋め込まれていると、構造物全体の強度を上げることができる。

プレスマシンの模式的側面図を示す。 金型（消失模型）の平面図を示す。 金型（消失模型）の側面図を示す。 消失模型のジョイント部の拡大図を示す。 変形例の消失模型のジョイント部の拡大図を示す。 さらに別の変形例の消失模型のジョイント部の拡大図を示す。

まず、実施例の消失模型で鋳造する対象を説明する。本実施例では、機械プレス用の金型（a die for machine press）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。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。なお、図２Ｂには、金型２に対応する金型４２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、目的の形状をワーク板に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形成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４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。

ワーク板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、ワーク板Ｗに荷重を加えると、ワーク板Ｗが意匠面２０ａの形状に変形する。即ち、意匠面２０ａの形状がワーク板Ｗに転写される。

金型２と金型４２を合わせる際、金型２のガイドピン２５が、金型４２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４つの隅に配置されている。意匠ブロック２０の４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、ワークに水平方向に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。ツールブロック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、ごく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。即ち、フレーム１０は、前述した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、高い強度を有しながら、全体として適度な柔軟性も有する。

金型２は、フルモールド鋳造又はロストフォーム鋳造により作られている鋳造品である。詳しくは後述するが、金型２のジョイント１４の内部には、鋳造材よりも強度が高い金属でできている補強材が埋め込まれている。

図２Ａに示すように、意匠ブロック２０は、平面視したときに四方からロッド１２で支持されている。また、意匠ブロック２０は、垂直の向きに配置されたロッド１２によって裏面からも支持されている。意匠ブロック２０は、四方と裏面をロッド１２によって支持されているので、僅かではあるが、荷重を受けると柔軟に移動することができる。即ち、偏ったプレス荷重が加わったとき、意匠ブロック２０は、プレス荷重の分布が均一になるように僅かに移動する。そのような僅かな移動によってプレス荷重の偏りが解消される。金型２の全体は、四隅の位置合わせブロック２４によって、金型４２との相対位置が正確に定まる。その一方で、意匠ブロック２０は、四方と裏面がロッド１２によって支持されているので、プレス荷重の偏りを解消するように僅かに移動する。意匠面２０ａに偏ったプレス荷重が集中しないので、金型の磨耗が抑制されるとともに、高いワーク成形精度が維持される。

意匠ブロック２０の剛性はロッド１２で組み上げられたフレーム１０の剛性よりも高い。また、位置合わせブロック２４の剛性も、フレーム１０の剛性よりも高い。従って、プレス荷重が加わったとき、フレーム１０の変形量と比較すると、意匠ブロック２０と位置合わせブロック２４の変形量はわずかである。即ち、フレーム１０全体は変形するが、意匠ブロック２０の変形と位置合わせブロック２４の変形は抑制される。意匠ブロック２０そのものの変形が抑制されるので、高いワーク成形精度を維持できる。

金型２は、消失模型鋳造（フルモールド鋳造又はロストフォーム鋳造）で作られる。従って、図２Ａ、図２Ｂに示す金型２と同じ形状の消失模型が必要となる。以下、図２Ａ、図２Ｂの金型２と同じ形状の消失模型を消失模型１０２と称する場合がある。また以下では、金型２の夫々の部品に対応する消失模型の部品には、金型２の部品を示す２桁の数字を含む３桁の数字で表す。例えば、金型２のロッド１２に対応する消失性ロッドには数字１１２が割り当てられる。消失模型１０２は、溶湯の熱によって消失する消失性材料で形成される。消失性材料とは、典型的には発泡スチロールである。

大きいサイズの消失模型は撓み易い。自動車のフェンダを成形するための金型２は、縦横が夫々数メートルの大きさを有する。そのような大きさの消失模型１０２を発泡スチロールで作成すると、非常に撓み易い。特に、図２Ａ、図２Ｂの金型２は、多くのロッド１２を含むフレーム１０を有している。なお、ロッド１２の直径は数十ｃｍである。数メートルのフレーム１０を発泡スチロールで製作すると壊れやすい。特に、ジョイント１４が壊れやすい。典型的には、消失模型の運搬や、砂型への埋め込みの際、破損する虞がある。そこで、本実施例の技術では、消失模型１０２の内部に補強部材を埋設する。

図３に、消失模型１０２のジョイント部分の拡大図を示す。図３では、４本の消失模型のロッド１１２が連結された消失模型のジョイント１１４を示してある。図３のジョイント部分は、消失模型１０２の様々な部分に現れる。なお、消失模型１０２では、４本以外の数のロッドが連結されるジョイントも存在するが、図３と同様である。

ジョイント１１４の内部には、鋼鉄性の補強部材３０が埋設されている。補強部材３０は、隣接するロッド１１２の端部を繋ぐように、ジョイント１１４を通過して伸びている。補強部材３０によって、ジョイント１１４で隣接するロッド１１２群の相対位置が維持される。即ち、補強部材３０が、消失模型１０２の強度を向上させる。

消失模型１０２の意匠ブロックや位置合わせブロックにもロッドが連結される。ブロックとロッドの連結部分にも補強部材３０が埋め込まれる。即ち、補強部材３０は、消失模型１０２の各所に埋め込まれる。補強部材３０は完全に消失性材料で覆われている。このことは、別言すれば、消失模型が砂型に埋められた際、砂と補強部材との間に、溶湯の通り道が必ず確保されるということである。従って、砂型に溶湯を流した際、補強部材３０によって溶湯が堰き止められることはなく、溶湯は補強部材３０を超えて流れる。

消失模型１０２を使った鋳造について説明する。まず、図２Ａ、図２Ｂに示した形状の消失模型１０２（あるいは消失模型２０２、又は３０２）を埋めた砂型を作る。次に、砂型のキャビティに溶湯（鋳鉄）を注ぎ込む。キャビティとは、消失模型１０２が占める空間を意味する。消失模型１０２は、溶湯の熱で溶け、消失模型１０２が占めていた空間が溶湯で満たされる。補強部材３０の周りも溶湯で満たされる。ここで、常温の補強部材３０が溶湯の冷却を促進する。冷却速度が速いほど、鋳造品の硬度が高まる。即ち、補強部材３０を埋め込むことには、鋳造品の強度を挙げる利点がある。特に鋳鉄は、脆い（靭性が高くない）。そのため、特に引っ張り力に対する強度が高くない。補強部材を靭性の高い材料、例えば、一般構造用圧延鋼材（ＪＩＳ規格、ＳＳ４００、ＳＳ４９０、ＳＳ５４０など）で作ることによって、鋳造品全体の靭性を確保することができる。

溶湯が冷えて固化した後、砂型を取り除くと、消失模型１０２と完全に同一形状の鋳造品、即ち金型２が出来上がる。出来上がった金型２は、ジョイント１４の内部に補強部材３０が埋め込まれている。より詳しくは、金型２では、複数のロッド１２が、ラーメン構造、トラス構造、或いは、ラーメン構造とトラス構造を組み合せた構造のフレーム１０を含んでおり、フレーム１０のジョイント１４に補強部材３０が埋め込まれている。補強部材３０は、消失模型を補強し、さらには、鋳造品である金型２も補強する。

図４に、消失模型１０２の変形例を示す。図４の消失模型２０２では、消失性材料に完全に覆われた補強部材２３０から消失模型２０２の外部へと金属製のワイヤ２３４が伸びている。別言すれば、この消失模型２０２は、一端が補強部材２３０に固定され、他端が消失模型２０２から露出しているワイヤ２３４を備える。この消失模型２０２を砂型に埋めると、ワイヤ２３４の端部が砂型に固定される。即ち、補強部材２３０がワイヤ２３４を介して直接に砂型に固定される。従って、消失模型２０２が溶湯の熱で解けたときに補強部材２３０が動くことはない。そのため、補強部材２３０を鋳造品の内部の正確な位置に配置することができる。

消失模型は、複数種類の消失性材料で作られていてもよい。例えば、ロッドが紙パイプで作られており、ジョイント部分が発泡性スチロールで作られていてもよい。図５にそのような消失模型３０２のジョイント部の拡大図を示す。消失模型３０２は多くのジョイントを有するが、その一部あるいは全部が図５と同様の構造を有していることに留意されたい。この消失模型３０２では、ジョイント３１４は発泡性スチロールで作られている。ジョイント３１４の内部には、鋼鉄製の補強部材３０が埋め込まれている。ジョイントとジョイントの間は、紙パイプ３１２で連結されている。なお、本明細書においては、紙パイプ３１２は、隣接する２個のジョイントの間を連結するロッドの一種であることに留意されたい。ジョイント３１４と紙パイプ３１２は、接着剤により接続されている。この消失模型３０２は、フレームを構成するロッドとして紙パイプ３１２を用いている。この消失模型３０２は、溶湯を砂型に流し込むときに溶湯の流れがよいという利点を有する。

実施例の消失模型では、ロッドで構成されるフレームのジョイント部分に補強部材を埋め込んである。補強部材を埋め込む場所は、ジョイントに限られない。例えば、意匠ブロック２０や位置合わせブロック２４の内部に補強部材が埋め込まれていてもよい。消失模型に埋め込まれる補強部材は、溶湯の熱で溶けない、もしくは燃えない金属であればよい。補強部材は、鋼鉄、チタン、タングステンなどの金属で作られていればよい。補講部材は好ましくは鋳造材よりも強度が高い材料で作られることが好ましい。

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：金型
１０：フレーム
１２：ロッド
１４：ジョイント
２０：意匠ブロック
２０ａ：意匠面
２４：位置合わせブロック
２５：ガイドピン
３０：支持ブロック
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
１０２：消失模型
１１２：消失模型のロッド
１１４：消失模型のジョイント

Claims (5)

1. 鋳造用の消失模型であり、溶湯の熱によって消失する材料で作られた模型の内部に、溶湯の熱によっては消失しない材料で作られた補強部材が埋設されており、
   補強部材から消失模型の外部へワイヤが伸びていることを特徴とする消失模型。
2. 前記補強部材の全体が、消失性材料で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の消失模型。
3. 請求項１又は２に記載の消失模型によって鋳造された鋳造品であり、鋳造材の内部に、鋳造材とは異なる金属で作られた補強部材が埋め込まれていることを特徴とする鋳造品。
4. 前記鋳造品は、複数の棒状部材が、ラーメン構造、トラス構造、或いは、ラーメン構造とトラス構造を組み合せた構造のフレームを含んでおり、フレームのジョイント部分に前記補強部材が埋め込まれていることを特徴とする請求項３に記載の鋳造品。
5. 消失模型によって鋳造された鋳造品であり、
   前記消失模型は、溶湯の熱によって消失する材料で作られた模型の内部に、溶湯の熱によっては消失しない材料で作られた補強部材が埋設されており、
   前記鋳造品は、複数の棒状部材が、ラーメン構造、トラス構造、或いは、ラーメン構造とトラス構造を組み合せた構造のフレームを含んでおり、フレームのジョイント部分に前記補強部材が埋め込まれていることを特徴とする鋳造品。

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