JP5634665B2

JP5634665B2 - タイヤ成形金型の鋳造装置およびこれを用いたタイヤ成形金型の鋳造方法

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Publication number: JP5634665B2
Application number: JP2008123820A
Authority: JP
Inventors: 石原　泰之; 泰之石原
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: JP2009269078A

Description

本発明は、タイヤ成形金型の鋳造装置およびこれを用いたタイヤ成形金型の鋳造方法に関し、詳しくは、複雑で大きな設備投資や高い製造コストを必要とせずに気泡欠陥を防止することができるタイヤ成形金型の鋳造装置およびこれを用いたタイヤ成形金型の鋳造方法に関する。

タイヤ成形金型は、デザインの複雑さや、異種金属材料からなる薄板（サイプ、ブレード）を鋳包む特性を持つことから、鋳造方法で製作されるのが一般的であり、タイヤ金型鋳造製法として石膏鋳造法が広く採用されている。その理由として、（１）アルミ合金程度までの融点を持つ鋳物を寸法精度高く製作できること、（２）石膏鋳型の段階での切断加工・組立てが容易に行えること、（３）サイプやブレードの鋳込みにも自由度高く対応できること、（４）ゴム型からの注型反転製作で、複雑なデザイン形状を精密に転写することができること、等が挙げられる。

しかし、石膏鋳造法でタイヤ金型を鋳造製作する際、鋳造欠陥が問題となる場合が多く、その中でも、注湯時に大気を巻き込み、石膏鋳型表面に気泡が貼り付くことで生じる「気泡欠陥」が最も頻度高く発生する不具合である。この気泡欠陥の対策技術に関しては様々な検討がなされている。例えば、特許文献１は、低圧鋳造法による溶湯注湯方法に関するものであり、注湯時の気泡の巻き込みを極小化する技術が開示されている。また、特許文献２は、重力鋳造で専用樋（シュート）を用いた溶湯注湯方法に関するものであり、注湯時の巻き込み気泡を鋳枠−ディフレクター間で浮上分離させ、気泡欠陥を回避する技術が開示されている。さらに、特許文献３は、重力鋳造において、繰り返し使用可能な湯道定盤を用いた溶湯注湯方法に関するものであり、注湯時の巻き込み気泡をランナー内で浮上分離させ、気泡欠陥を回避する技術が開示されている。

特開昭５７‐５８９６８号公報（特許請求の範囲等）特許第２７９６０１０号（特許請求の範囲等）特開２００７‐１４４４８０号公報（特許請求の範囲等）

しかしながら、特許文献１記載の手法は、複雑で大きな設備投資を要し、製造コストも増大し、また大型タイヤには不向きである。また、特許文献２記載の手法は薄肉鋳物へ対応できず、また、気泡欠陥を完全に除去することは困難である。さらに、特許文献３記載の手法は注湯治具が大型化し、鋳造スペースが広くなってしまう。このように、従来の気泡欠陥の対策技術は十分なものとは言えず、さらなる改良が求められていた。

そこで本発明の目的は、複雑で大きな設備投資や高い製造コストを必要とせずに気泡欠陥を防止することができるタイヤ成形金型の鋳造装置およびこれを用いたタイヤ成形金型の鋳造方法を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、下記構成とすることにより上記目的を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のタイヤ成形金型の鋳造装置は、タイヤ成形金型鋳造用の鋳型と、その周囲に配置された環状の枠体と、該枠体の下部の一部に設けられた１個または複数個の切欠き開口部に脱着可能に取り付けられた注湯治具と、を備えたタイヤ成形金型の鋳造装置において、
前記注湯治具が上部の鋳込み口と、下部の絞り口と、これらの間の垂直流路とから構成され、前記絞り口の断面積が前記垂直流路の断面積の２０分の１以下であり、かつ、前記注湯治具内の垂直流路上端から絞り口上端までの距離が６００ｍｍ以下であり、
動粘性係数が０．５ｍｍ^２／ｓｅｃの溶湯を注入し、前記絞り口から流出する流出気泡の半径が０．２ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

本発明においては、前記切欠き開口部の流路断面径が、前記垂直流路断面径と同じか小さいことが好ましい。また、前記注湯治具の底部の下端面に壁部を設けて湯溜め部を形成し、該湯溜め部の前記切欠き開口部への流路の上面に壁部を好適に設けることができる。さらに、前記絞り口から前記注湯治具の底部の下端面まで崩壊性耐火材にて形成されたスプルーが延在することが好ましい。

また、本発明のタイヤ成形金型の鋳造方法は、前記本発明のタイヤ成形金型の鋳造装置を用いてタイヤ成形金型を鋳造する方法において、
前記注湯治具の上部の鋳込み口に溶湯を注湯して前記鋳型と、その周囲に配置された前記環状の枠体との間に溶湯を充填し、充填された溶湯を凝固させた後、枠体の前記切欠き部において鋳物本体と注湯治具とを破断分離することを特徴とするものである。

本発明によれば、上記構成としたことにより、複雑で大きな設備投資や高い製造コストを必要とせずに気泡欠陥を防止することができるタイヤ成形金型の鋳造装置を提供することが可能となる。また、この鋳造装置は、再利用が容易である。さらに、この鋳造装置を用いて鋳造されたタイヤ成形金型は気泡欠陥が少なく、優れた品質を有する。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は本発明の一好適実施形態に係るタイヤ成形金型の鋳造装置の断面図であり、図２はＸ−Ｘ断面図である。図１に示すように、鋳型１とその周囲に環状に配置した枠体２には１個または複数個の切欠き開口部３が設けてあり、ここに枠体２の外部から合金溶湯を充填することができるネジ等で脱着可能な注湯治具４が取り付けられている。注湯治具４を切欠き開口部３に直接連結することにより従来の鋳造装置と比してサイズをコンパクトなものとすることができる。また、注湯治具４は上部の鋳込み口５と、下部の絞り口６と、これらの間の垂直流路７がネジ等で脱着可能なものとして構成されている。本発明においては、絞り口６の断面積が垂直流路７の断面積の２０分の１以下であることが重要であり、好適には７０分の１〜２５分の１である。上記関係を満足することにより、鋳込み口５と絞り口６との間で発生した巻き込み気泡を浮上分離することができ、気泡欠陥を抑えたタイヤ成形金型を製造することが可能となる。また、鋳込み口５から注湯された溶湯の流れが層流を保つことができるよう、垂直流路７は円筒状であることが好ましい。なお、図２では、枠体２の切欠き開口部３に取り付けられた注湯治具４は１個であるが、２個以上取り付けてもよい。図３は注湯治具４を４つ配置した場合の水平断面図である。

次に、絞り口６の断面積が前記円筒垂直流路７の断面積の２０分の１以下とする理由について、図４および図５を用いて詳述説明をする。
図４は注湯治具内を流れる溶湯に巻き込まれた気泡の説明図であり、図５は気泡に加わる浮力Ｆｆおよび流体抵抗Ｆｒを表す説明図である。注湯治具内に注がれた溶湯は、鋳込み口に落下し、ここで盛んに外気を巻き込み気泡１０を溶湯内に取り込むことになる。気泡１０は注湯治具内垂直流路７の流速ｖの流れによる流体抵抗Ｆｒと、浮力Ｆｆの双方を受けることになる（図５参照）。尚、ＦｒとＦｆは以下の式で与えられる。
Ｆｒ＝６π・μ・Ｒ・ｖ（１）
（式中、μは溶湯の粘性係数、Ｒは気泡半径、ｖは溶湯流速）
Ｆｆ＝（４π／３）・Ｒ^３・ρ・ｇ（２）
（式中、ρは溶湯の密度、ｇは重力加速度）
溶湯流速ｖが大きい程、気泡を下側に引き込む力（気泡を製品部側に流出させようとする力）Ｆｒが大きくなり、気泡半径Ｒが大きい程、気泡を浮上分離させようとする力（気泡を鋳込み口側に排除しようとする力）Ｆｆが大きくなる。

ここで、説明を簡単にするために、注湯治具の絞り口６の径をα（ｍｍ）、絞り口６より上流の円筒垂直流路７の径をβ（ｍｍ）とする（図４参照）。注湯治具内の溶湯流速ｖは直円筒部ＡＢ間においてはほぼ一定で、ＢからＣに行くにつれて、その流速は加速してゆく。従って、注湯時に巻き込まれた一次気泡１０は、円筒垂直流路７のＢ点までたどり着いた時点で、必ず絞り口６から流出すると考えられる。このことを上記力学モデルで表すと、Ｆｒ＞Ｆｆの時、気泡１０が絞り口６から流出する。従って絞り口６から流出する気泡１０の半径Ｒの条件式は、（１）式、（２）式より以下の様になる。
６π・μ・Ｒ・ｖ＞（４π／３）・Ｒ^３・ρ・ｇ（３）
Ｒ＜ √（４．５ν・ｖ／ｇ）（４）
ここでνは溶湯の動粘性係数である。
また、円筒垂直流路７内の溶湯流速ｖは絞り口６の径αと注湯落差Ｈ（ｍｍ）とで決定され、Ｃ点での流速は√（２ｇＨ）で表される。従って円筒垂直流路７内の溶湯流速ｖは以下の式（５）で与えられる。
ｖ＝｛（α／２）^２／（β／２）^２｝×√（２ｇＨ）（５）
ここで、模式的にβ＝１００ｍｍ、Ｈ＝６００ｍｍとし、ν＝０．５ｍｍ^２／ｓｅｃとしてαの値を任意に振った場合の、円筒垂直流路７内の溶湯流速ｖｍｍ／ｓｅｃ、絞り口６から流出する気泡１０の半径Ｒｍｍの計算値を下記表１、２にまとめる。

詳細な理由は不明であるが、注湯作業時に半径０．２ｍｍ以下の気泡の発生量が少ないという経験的事実から、流出気泡半径Ｒが０．２ｍｍ以下となるようなαの値を設定することにより、気泡１０を浮上分離させることができる。従って、上記表からわかるように、αが２２ｍｍ以下であれば流出気泡半径Ｒを０．２ｍｍ以下とすることが可能となる。つまり、絞り口６の断面積を円筒垂直流路７の断面積の２０分の１以下とすることにより、気泡１０を浮上分離させることができる。以上の考察より得られた結論は、絞り比０．０５（２０分の１）以下程度が鋳物において気泡欠陥を極小化できる領域であるという経験則と一致する。なお、溶湯の動粘性係数をν＝０．５ｍｍ^２／ｓｅｃとして計算しているが、これは、溶湯の温度が充分高く、さらさらした状態の流れの溶湯であり、動粘性係数が増加した（粘性が増した）流れの溶湯で、上記表１、２の流出気泡半径Ｒの数値は、より大きい値となることには注意すべきである。

次に、本発明のその他の実施形態について説明する。
本発明においては、切欠き開口部３の流路断面径が、垂直流路７の断面径と同じか小さいことが好ましい。これにより気泡欠陥のさらなる低減を図ることが可能となる。

さらに、前記注湯治具４の底部の下端面に壁部１１を設けて湯溜め部１２を形成し、湯溜め部１２の欠き開口部３への流路の上面に壁部１３を設けることが好ましい。図６に湯溜め部１２の拡大図を示す。注湯治具４の底部に湯溜め部１２を設け、湯溜め部１２から切欠き開口部３への流路の上面に壁部１３を設けることにより、絞り口６から落下した溶湯により発生した気泡を捕捉することが可能となり、絞り口６を通過した溶湯中に取り込まれた気泡を除去することができる。

また、本発明においては、図７に示すように、注湯治具４の底部の下端面まで崩壊性耐火材にて形成されたスプルー１４が延在することが好ましい。スプルー１４の下端の一部に溶湯の流路１５を設けることにより、注湯された溶湯は垂直流路７を経て、湯溜め部１２まで延在するスプルー１４内を充填し、その後湯溜め部１２を満たしていくことになる。したがって、絞り口６から落下する場合とは異なり外気を巻き込むことがなく、気泡欠陥の少ないタイヤ用成形金型を得ることができる。また、崩壊性耐火材にてスプルー１４を作製することにより、絞り口６の断面積を正確に規制しつつ、絞り口６から湯溜め部１２をなだらかに連結し、後述する型バラシ時に同部位での残材破断を容易にすることができる。

また、本発明においては、注湯治具４内に断熱材を貼り付けることが好ましい。注湯時に注湯の熱が注湯治具４に奪われ、その流動性を低下させるのを防止するためである。

続いて、本発明の鋳造装置を用いてタイヤ成形金型を鋳造する方法について説明する。
先ず、注湯治具４の上部の鋳込み口５に溶湯を注湯して鋳型１と、その周囲に配置された環状の枠体２との間に溶湯を充填する。次いで、充填された溶湯を凝固させた後、枠体２の切欠き開口部３において鋳物本体と注湯治具４とを破断分離し、いわゆる型バラシを行う。得られた鋳物本体は、慣用に従い所定の形状に加工を施す。

また、型バラシされた注湯治具４は、さらに一つずつバラし、絞り口６で注湯具内４の鋳物残材を破断分離し、また、所望に応じ設けられた湯溜め部１２と垂直流路７をも分割し、注湯治具４内の鋳物残材を取り出す。さらに、注湯治具４内面の断熱材を取り除き、新しい断熱材を貼り付けることにより、注湯治具４の再利用が可能となり、製造コストを低下させることができる。

以下、本発明を実施例に基づき説明する。
本実施例において使用した各種材料は下記の通りである。
鋳型、注湯治具：ノリタケジプサム製Ｇ−１発泡石膏
合金（鋳物）：ＡＣ４Ｃ（Ｓｉ：７％、Ｍｇ：０．４％、残Ａ１のアルミニウム合金）
定盤・注湯具：Ｓ４５Ｃ
鋳枠：ＦＣ２５０
断熱材：新日鉄化学（株）製ＳＣペーパー１２６０２ｍｍ厚品、及び内径φ１００（ｍｍ）、厚み１５ｍｍＳＣスリーブ１２６０

また、各タイヤ成形金型の鋳造装置の製造条件は下記の通りである。
鋳型および注湯治具：石膏パウダー１ｋｇに対して、水７５０ｇを調合し、発泡増量７５％にて攪拌した。ゴム型に注型・硬化・反転して製作した鋳型を、２００℃で２４時間空冷乾燥し、定盤上にリング状に組立て（外径６００ｍｍ、高さ２００ｍｍ）、鋳造に使用した。なお、押し湯部分の高さを３００ｍｍ、その内径を１００ｍｍとした。注湯治具の内面は断熱材で被覆した。
鋳枠：鋳造直前まで、２５０℃に予熱しておいたもの（内径６００ｍｍ）を使用した。
合金（鋳物）：７００℃にて溶解した後、高純度Ａｒガスにて水素脱ガスを実施した。注湯開始温度は６８０℃であった。

（参考例）
上記条件で図８に示すタイプの注湯治具接続部を有するタイヤ成形金型の鋳造装置を製造した。この鋳造装置は注湯治具の下部に絞り口を有しておらず、垂直流路Ｂ（流路断面積１９６９ｍｍ^２：内径５０ｍｍ）から枠体の下部に設けられた切欠き開口部Ｆ（流路断面積６００ｍｍ^２：６０×１０ｍｍ）に直接溶湯が流入するように構成されている。この鋳造装置を利用して上記鋳造条件にてタイヤ成形金型を製造した。このようにして得られた鋳物の鋳造欠陥発生状況は、下記の表３に示す通りである。

若干量の気泡欠陥と酸化物付着欠陥が確認されたが、溶接補修が可能な範囲のものであった。

（実施例１）
上記条件で図９に示すタイプの注湯治具接続部を有するタイヤ成形金型の鋳造装置を製造し、上記鋳造条件にてタイヤ成形金型を製造した。なお、この鋳造装置の各流路断面積は下記の表４に示す通りであり、対応する流路断面Ａ〜Ｆを図９に示す。

このようにして得られた鋳物の鋳造欠陥発生状況は、下記の表５に示す通りである。

（比較例）
実施例１における流路断面積Ａのみをφ２６ｍｍ（５３１ｍｍ^２）に変更した以外は実施例１と同様の鋳造装置を製造し、上記鋳造条件にてタイヤ成形金型を製造した。このようにして得られた鋳物の鋳造欠陥発生状況は、下記の表６に示す通りである。

（実施例２）
上記条件で図１０に示すタイプの注湯治具接続部を有するタイヤ成形金型の鋳造装置を製造し、上記鋳造条件にてタイヤ成形金型を製造した。なお、この鋳造装置の各流路断面積は下記の表７に示す通りであり、鋳造の鋳造欠陥発生状況は、下記の表８に示す通りである。また、対応する流路断面Ａ〜Ｇを図１０に示す。

実施例１，２で酸化物付着欠陥がほぼゼロになった理由は、湯溜め部で注湯初期に発生した酸化物が、完全に浮上分離したためと考えられる。

以上の様に本発明を用いれば、複雑で大きな設備投資や高い製造コストを必要とせずに気泡欠陥を防止することができるタイヤ成形金型を鋳造することが可能となる。

本発明の一好適実施例の断面図である。本発明の一好適実施例のＸ−Ｘ断面図である。本発明におけるその他の実施形態の水平断面図である。垂直流路における気泡の挙動の説明図である。気泡に加わる流体抵抗Ｆｒと浮力Ｆｆの関係を表す説明図である。本発明のその他の実施形態における湯溜め部の拡大断面図である。本発明のその他の実施形態における湯溜め部の拡大断面図である。参考例の注湯治具接続部の拡大断面図である。実施例１および比較例の注湯治具接続部の拡大断面図である。実施例２の注湯治具接続部の拡大断面図である。

符号の説明

１鋳型
２枠体
３切欠き開口部
４注湯治具
５鋳込み口
６絞り口
７垂直流路
８押し湯
９定盤
１０気泡
１１壁部
１２湯溜め部
１３壁部
１４スプルー
１５流路

Claims

タイヤ成形金型鋳造用の鋳型と、その周囲に配置された環状の枠体と、該枠体の下部の一部に設けられた１個または複数個の切欠き開口部に脱着可能に取り付けられた注湯治具と、を備えたタイヤ成形金型の鋳造装置において、
前記注湯治具が上部の鋳込み口と、下部の絞り口と、これらの間の垂直流路とから構成され、前記絞り口の断面積が前記垂直流路の断面積の２０分の１以下であり、かつ、前記注湯治具内の垂直流路上端から絞り口上端までの距離が６００ｍｍ以下であり、
動粘性係数が０．５ｍｍ ^２／ｓｅｃの溶湯を注入し、前記絞り口から流出する流出気泡の半径が０．２ｍｍ以下であることを特徴とするタイヤ成形金型の鋳造装置。
前記切欠き開口部の流路断面径が、前記垂直流路断面径と同じか小さい請求項１に記載のタイヤ成形金型の鋳造装置。
前記注湯治具の底部の下端面に壁部を設けて湯溜め部を形成し、該湯溜め部の前記切欠き開口部への流路の上面に壁部を設けた請求項１または２に記載のタイヤ成形金型の鋳造装置。
前記絞り口から前記注湯治具の底部の下端面まで崩壊性耐火材にて形成されたスプルーが延在する請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のタイヤ成形金型の鋳造装置。
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のタイヤ成形金型の鋳造装置を用いてタイヤ成形金型を鋳造する方法において、
前記注湯治具の上部の鋳込み口に溶湯を注湯して前記鋳型と、その周囲に配置された前記環状の枠体との間に溶湯を充填し、充填された溶湯を凝固させた後、枠体の前記切欠き部において鋳物本体と注湯治具とを破断分離することを特徴とするタイヤ成形金型の鋳造方法。