JP2006110574A - 精密鋳造用鋳型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴム型単体では直接鋳型脱型が不可能なアンダーカット形状が存在しても、簡易に鋳出し成形できる精密鋳造鋳型の製造方法を提供する。
【解決手段】鋳造に用いる鋳型４を、抜け勾配が逆となるアンダーカット形状が存在するゴム型１からの注型反転で製作するに際し、請求項１の発明では内部に該当アンダーカット形状分を吸収出来る空洞２を付与したゴム型１を用いる。この場合、空洞２の内部を大気圧未満の減圧環境下でも殆ど容積変化せず、鋳型材スラリーの注型温度条件下での該当減圧環境下でも沸騰しない材質からなる液体で充填しておくことが好ましい。また請求項３の発明では、ゴム型１の該当アンダーカット形状部を脱着可能な複数の組立てパーツ構造としておき、ゴム型本体を脱型した後、分離パーツを一つずつ鋳型から抜き取る。
【選択図】 図３

Description

本発明は、抜き勾配が逆になるアンダーカット形状が存在する精密鋳造用鋳型の製造方法に関するものである。更に詳しくは、タイヤ成形用金型の鋳造工程において用いられるような、意匠面に複雑な鋳出し突起形状を多数もち、かつ、その形状のアンダーカット特性が厳しく、従来製法では鋳型の脱型が困難な精密鋳造用鋳型をも製造可能とした精密鋳造用鋳型の製造方法に関するものである。

例えばタイヤ成形用金型やターボローターなどの精密鋳造法として、まず原型（マスターモデル）を作成し、原型形状をゴム型に注型反転し、ゴム型に石膏などの注型材を注入して鋳型を作成し、その鋳型を用いて目的とする製品を精密鋳造する方法がある。この製法の特徴はゴム型を用いる事で、その高い形状転写性及びその柔軟性による鋳型の脱型自由度の高さが得られる所にあり、所謂精密鋳造法に用いられる事が多い。

ゴム材（各種エラストマー）は高い柔軟性を持っている事から、ゴム型に鋳型からの抜き勾配が逆になるアンダーカット形状が存在する場合にも、図１の上段に示すようにゴム材自身が変形する事で鋳型を壊す事無く脱型出来る。しかし図１の下段に示すように、このアンダーカット形状が大きくなり過ぎた場合、ゴム材の柔軟性を利用しても鋳型が破壊されてしまい、脱型する事が出来ない場合が存在する。このような問題は上記したタイヤ成形用金型やターボローターのほか、先端に膨出部を有する様々な鋳造品の精密鋳造工程において発生する。

この様な場合の対処法としては、特許文献１に記載されている様に、ゴム型のアンダーカット形状部位のみを消失模型材質として、ゴム型上に組立て設置しておいた状態で鋳型を注型反転し、アンダーカット形状である消失模型部位を鋳型内部に埋設した状態でゴム型を脱型し、鋳型乾燥（焼成）時に該当消失模型を消失させると言う方法が存在している。その工程を図２に示す。

しかしながら、この方法は鋳型一つを注型成形する毎に消失模型を使い捨てにしなければならないと言う問題点が有り、また消失模型とゴム型の脱着性の悪さ（消失模型のゴム型への装着時のゴム材、消失模型材の変形）と言う問題点が存在していた。
特許第３０２４９６５号公報

本発明は以上の様な状況下でなされたものであり、その第一の目的は、従来法のゴム型単体では直接鋳型脱型が不可能なアンダーカット形状が存在しても、焼失模型を用いる事無く、脱型を可能とし、該当アンダーカット形状を簡易に鋳出し成形できる精密鋳造鋳型の製造方法を提供する事にある。また第二の目的は、該当製法を用いても、ゴム型のアンダーカット形状部の形状異常や復元特性の劣化を極小化できる技術を提供する事にある。

上記の課題を解決するためになされた請求項１の発明は、鋳造に用いる鋳型を、抜け勾配が逆となるアンダーカット形状が存在するゴム型からの注型反転で製作するに際し、内部に該当アンダーカット形状分を吸収出来る空洞を付与したゴム型を用いることを特徴とするものである。この請求項１の発明において、空洞の内部を大気圧未満の減圧環境下でも殆ど容積変化せず、鋳型材スラリーの注型温度条件下での該当減圧環境下でも沸騰しない材質からなる液体で充填しておくことができる。

また同一の課題を解決するためになされた請求項３の発明は、鋳造に用いる鋳型を、抜け勾配が逆となるアンダーカット形状が存在するゴム型からの注型反転で製作するに際し、ゴム型の該当アンダーカット形状部を脱着可能な複数の組立てパーツ構造としておき、ゴム型本体を脱型した後、分離パーツを一つずつ鋳型から抜き取ることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、内部に該当アンダーカット形状分を吸収出来る空洞を付与したゴム型を用いることにより、従来困難であった精密鋳造用鋳型のアンダーカット形状の脱型を欠損不具合無く行う事が可能となる。また請求項３の発明によれば、ゴム型のアンダーカット形状部を脱着可能な複数の組立てパーツ構造としておき、ゴム型本体を脱型した後、分離パーツを一つずつ鋳型から抜き取ることにより、従来困難であった精密鋳造用鋳型のアンダーカット形状の脱型を欠損不具合無く行う事が可能となる。この結果、機械加工では対応が困難な特殊な形状を『鋳出し』により製作できる精密鋳造法の利点を最大限発揮させることができる。またこれらの発明によれば、注型成形する毎に消失模型を使い捨てにする無駄をなくすことができる。

（請求項１の発明の実施形態）
図３、図４に示すように、請求項１の発明ではゴム型１のアンダーカット形状内部に空洞２と、空洞２から外部に連結する空気抜き穴（ベントホール）３とを設置しておく。このようなゴム型１を枠内に設置し、鋳型材スラリーを注入して硬化させた後、鋳型４からゴム型１を脱型する際に、該当空洞２の部分が潰れるとともに、空洞２内の空気はベントホール３を通して外部に排出され、アンダーカット形状を自発的に解消しながら鋳型４から抜けて行く形となる。この変形アクションにより、鋳型４を欠損させる事無くゴム型１の脱型が可能となる。脱型後は、ゴム材の復元能力で形状復元し、空洞２内にはベントホール３を通して外気が吸気される。

必要な空洞２の大きさは、ゴム材の硬度（柔軟性）との兼ね合いもあるので一義的に定義する事は出来ないが、図４に示すように鋳型４からゴム型１を脱型する際に、空洞２が潰れる事で残るゴム肉厚F1＋F2が、ゴム型１のアンダーカット部が通り抜けなければならない最小の通路幅T以下となっていれば、ほぼ間違いなく鋳型４を壊す事無くゴム型１を脱型することが出来る。

この様な空洞を持ったゴム型１を製作する方法には、例えば図５に示す方法を取ることができる。先ず（1）のようにゴム型用原型を製作する。アンダーカットがあるために直接加工出来ない場合は、割型構造にしたり、ゴム型形状の加工モデルからゴム反転したりする事で製作する。次に（2）のように、ゴム型に空洞形状を付与する為に『溶出中子』を原型に挿入する。中子材質はロウ材や低融点金属，アルカリ溶液で溶出させられるセラミック型剤等が挙げられる。次に（3）のように中子をゴム型のベントホール形状を付与する為の針金等を利用して原型に対してぶら下げておくように位置決めし、固定する。

次に（4）のようにゴム材を注型し硬化させる。ゴム材硬化後、（5）のように針金を抜き取り、ベントホール形状の鋳抜きを行う。次に（6）のように中子を加熱溶出もしくは化学溶出させ、ゴム型内部から取り出し、空洞形状の鋳抜きを行う。その後、（7）にように原型からゴム型を脱型する。鋳型の脱型同様に、ここでも空洞が潰れて脱型し易い機能が発現する。このようにして（8）に示される空洞、ベントホール付きのゴム型が完成する。

上記のように、請求項１の発明はゴム型の製作に少々の手間はかかるが、鋳型製作時には同一のゴム型を用いて多数の鋳型を製造できるので、この工程で一手間かけることによるメリットは大きい。

（請求項２の発明の実施形態）
上記した説明は、ゴム型１から鋳型４を注型反転製作する作業を、すべて大気圧中で行う事を前提としたものである。しかしながら、ゴム型１の表面性状を含めて精度高く鋳型表面形状に転写したい場合には、ゴム型１への鋳型材スラリー注型後、図６、図７に示すようにゴム型１，鋳型材スラリー全体に減圧チャンバー内で負圧をかけ、鋳型材スラリー内の残留気泡やゴム型−鋳型材スラリー間の空気層を浮上分離させる、いわゆる『減圧脱泡』を行う事が多い。ところが請求項1の発明で鋳型製作時に減圧脱泡を用いると、以下の様な問題が生じる場合が有る。

すなわち、図７の（5）の過程で、空洞内部の空気が外部に排出しない場合にのみ、正常な鋳型が反転作成できるのであるが、ゴム型内部に空洞とベントホールを残したまま、この様な状況を作り出す事は極めて難しいと言える。空洞内部の空気が外部に排出されスラリーが侵入するとAのように空洞内部で硬化し、ゴム型の脱型が不能となる。また空洞内部の空気が外部に排出されたままとなると、Bのようにゴム型の形状が潰れたまま鋳型材スラリーが硬化し、これに基づいて製造された鋳型形状が不良となる。

請求項2の発明は、鋳型注型反転時に減圧脱泡を用いた場合でも、上記の様な不具合の発生を回避出来る技術を提供するものである。そこで請求項2の発明では、空洞の内部を、大気圧未満の減圧環境下でも殆ど容積変化せず、鋳型材スラリーの注型温度条件下での該当減圧環境下でも沸騰しない材質からなる液体で充填しておく。その具体的手順を図８に示す。

先ず（1）のように、空洞付きゴム型を作成する。次に（2）のようにゴム型背面のベントホールを介して、空洞内部に液体で減圧脱泡でも蒸発，沸騰しない材質のもの（シリコーンオイルや各種油）を充填しておく。図８に示すように減圧脱泡を用いると、狭い空洞でも上手く充填することが出来る。次に（3）のようにゴム型を見切り台にセットし、枠で囲み鋳型材スラリーを注型する。（4）の状態で減圧脱泡を用いても、ゴム型の空洞内部が減圧下で体積膨脹しない液体で満たされている為、ゴム型形状に何ら変化は生じない。また空洞内に鋳型材スラリーが侵入する危険性も極めて低い。鋳型材硬化後、（5）のようにゴム型を脱型する。この時空洞は潰れ、内部のオイルはゴム型外部へ排出される。このようにして（6）のように鋳型が完成する。ゴム型空洞内部には外気が充填される

図８の模式図に示すように、請求項1の発明を用いて製作されたゴム型に空洞及びベントホール内部に、減圧環境下でも容積変化せず（殆ど容積変化せず）、鋳型材スラリーの注型温度条件下での減圧でも沸騰しない材質からなる液体を充填する事で、鋳型製作時に減圧脱泡を用いても、健全な鋳型を注型反転する事を可能としたのが請求項2の発明の内容である。なお、空洞に充填する液体として『水』を用いると、0気圧に近づくにつれて『沸騰』現象が始まり、都合が悪い。

またこれとは別に、請求項1を用いてゴム型を作成し減圧脱泡を用いずに鋳型を作成する場合でも、図４のゴム層の肉厚F1、F2が薄く、鋳型材スラリーを注型した時に発生する圧力（スラリー圧力）に耐える事が出来なくなり、空洞を収縮させる側にゴム型を変形させてしまうと言う不具合が生じる場合が存在する。（空洞内部の空気は『圧縮性流体』で、僅かな外圧の変化で容積変化を生じ易い為に生じる現象。）この様な鋳型材スラリー圧力によるゴム型空洞潰れ対策としても、請求項2の発明は有効である。（空洞内に充填する液体は『非圧縮性流体』である事から、外圧の変化による容積変化が生じ難い為。）

（請求項３の発明の実施形態）
請求項３の発明では、ゴム型のアンダーカット形状部を脱着可能な複数の組立てパーツ構造としておき、ゴム型本体を脱型した後、分離パーツを一つずつ鋳型から抜き取る方法を取る。その具体的な手順を図９に示す。

先ず（1）のようにゴム型を例えばゴム型本体、ゴム型Ａ，ゴム型Ｂの３分割型として製作し、（2）のように一体化する。このゴム型を枠内にセットし、（3）のように注型材スラリーを注型する。このとき減圧脱泡も可能である。スラリーの硬化後、先ず（4）のようにゴム型本体のみを脱型する。続いて（5）のようにゴム型Aを脱型する。ゴム型A，B間の境界部に高圧エアーで軽くブローしながら脱型すると作業し易い。最後に（6）のようにゴム型Bを脱型する。ゴム型Aを先に脱型した事で出来た隙間により、ゴム型Bのアンダーカット形状が鋳型からスムーズに抜けてくる。

なお、ゴム型を図１０のように分割した場合には、先に脱型するゴム型Aはなるべく肉厚変化がないように、肉厚Ｔ_Ａでほぼ均一に設定しておく。そしてゴム型Ｂの脱型時の最大肉厚Ｔ_ＢmaxがＴ以下となるようにする。なお、ゴム型の分割数は任意に設定することができる。また図１０に示す分割ゴム型の場合、図１１の様な製法で製作することができる。

先ず（1）のようにゴム型用の割型を作成し、粘土などで割型Ａを肉盗みする。そして（3）のようにゴム材を注型し、喰い切り成形してゴム型Ｂを製作する。次に（4）のように型割して肉盗みを除去し、ゴム型Ｂの表面に離型剤を塗布したうえ、（5）のようにゴム材を注型し、喰い切り成形してゴム型Ａを製作する。その後（6）のように型割りしてゴム型Ａ、Ｂを回収する。離型剤が塗布されているので、ゴム型Ａ、Ｂは脱着可能である。一方、（7）（8）のようにゴム型本体を作成し、（9）のようにゴム型Ａ、Ｂとゴム型本体とを組み立てて完成する。

以上に説明したように、請求項３の発明の方法もゴム型の製作に少々の手間はかかるが、鋳型製作時には同一のゴム型を用いて多数の鋳型を製造でき、従来困難であった精密鋳造用鋳型のアンダーカット形状の脱型を欠損不具合無く行う事が可能となる。

以下に各発明の実施例を示す。
全実施例を通して製作した鋳物形状は図１２に示すとおりであり、鋳造製法概要は下記の通りである。
1）原型
材質：合成木材（ケミウッド），NC加工による製作（鋳物に対する寸法拡大率≒1.0111）
2） ゴム型
材質：ポリサルファイドゴム，ゴム層厚15mmで石膏製の裏打ち材をつけた構造
3） 鋳型
材質：非発泡石膏（ノリタケジプサム製G-6） 石膏パウダー1kgに対して水600gで調合
4） 鋳物
材質：AC4C（Si 7重量％,Mg 0.4重量％,Fe 0.4重量％,残Al）

＜比較例1＞ 本発明を用いない場合の比較例
本発明方法を用いないで、従来製法通りゴム型を作成し、石膏鋳型を注型反転しようとした所、図１２中のα部を脱型する事が出来ず、石膏鋳型を壊してしまい鋳造までたどり着けなかった。

＜実施例1＞ 請求項1の実施例
図１３に示す空洞付きゴム型を製作し、減圧脱泡無しで図１４に示すように石膏鋳型を注型反転した所、鋳型を壊す事無く脱型する事が出来た。但し石膏鋳型において、α部の溝形状が、深さで0.1〜0.2mm，間口の幅で0.1〜0.2mmほど原型の寸法に対して小さくなり、石膏スラリー注型時に、空洞部のゴム層が若干変形している事が確認された。

＜比較例2＞ 請求項1の問題点
実施例1で、減圧脱泡を用いて石膏スラリー注型を行った（減圧状態はスラリー注型後0.02MPaを約10秒キープ）。この様にして製作された石膏鋳型のα部溝形状は、深さで1〜2mm，間口の幅で2〜3mmほど原型の寸法に対して小さくなり、形状転写不良となってしまった。

＜実施例2＞ 請求項2の実施例
比較例2で、ゴム型の空洞内部にシリコーンオイル（粘度20センチポアズ）を注入し空洞内を充満させた後、ゴム型を見切り台の上に載せ、減圧脱泡法を用いて石膏鋳型を注型反転した。ゴム型を石膏鋳型から脱型する際は、見切り台をゴム型，鋳型から分離し、ゴム型本体のみを鋳型から押し下げ、脱型時のゴム層内の空洞変形であふれてくるシリコーンオイルは、空気穴を介してゴム型内部から排出させると言う方法で脱型した所、石膏鋳型においてα部の欠損を発生させる事無く脱型が出来たと同時に、α部の溝形状の原型寸法との差も0.05mm以内となり、良い形状寸法精度の石膏鋳型を製作する事が出来た。

＜実施例３＞ 請求項３の実施例
図１５に示すように、α部のゴム型構造を脱着可能式のパーツ組立て構造とした。分離可能パーツのゴム材質も母層のゴム材質と同じ、ポリサルファイド系ゴムである。このゴム型に石膏スラリーを注型し、硬化後まずゴム型本体を脱型し、その後に分離パーツの中子ゴム，外側のゴムと言った順番に脱型した所、鋳型を欠損させる事無く脱型する事が出来た。この造型作業時にも比較例2の時と同じ条件で減圧脱泡法を用いたが、石膏鋳型においてα部の溝形状の原型寸法との差も0.05mm以内となり、良い形状寸法精度となっていた。

以上の様に、本発明を用いれば、従来困難であった精密鋳造用鋳型のアンダーカット形状の脱型を欠損不具合無く行う事が可能となり、機械加工では対応が困難な特殊な形状を『鋳出し』により製作できる精密鋳造法の利点を最大限発揮させることができる。本発明は冒頭に記したタイヤ成形用金型やターボローターなど、各種の精密鋳造に広く適用することができる。

アンダーカット形状が存在するゴム型を用いた鋳型の製造工程図である。 消失模型を用いた鋳型の製造工程図である。 請求項１の発明の実施形態を示す工程図である。 ゴム型の構造を示す斜視図及び断面図である。 ゴム型の製作工程図である。 減圧脱泡を行う場合の問題点を示す工程図である。 図６に続く工程図である。 請求項２の発明の実施形態を示す工程図である。 請求項３の発明の実施形態を示す工程図である。 ゴム型の分割方法の一例を示す断面図である。 ゴム型の製造工程図である。 実施例と比較例で製作したタイヤ成形用金型の斜視図と断面図である。 請求項２の発明の実施例を示すゴム型の断面図である。 石膏鋳型の注型工程を示す断面図である。 請求項３の発明の実施例を示すゴム型の断面図である。

符号の説明

１ ゴム型
２ 空洞
３ 空気抜き穴（ベントホール）
４ 鋳型

Claims (3)

1. 鋳造に用いる鋳型を、抜け勾配が逆となるアンダーカット形状が存在するゴム型からの注型反転で製作するに際し、内部に該当アンダーカット形状分を吸収出来る空洞を付与したゴム型を用いることを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法。
2. 空洞の内部を、大気圧未満の減圧環境下でも殆ど容積変化せず、鋳型材スラリーの注型温度条件下での該当減圧環境下でも沸騰しない材質からなる液体で充填しておくことを特徴とする請求項1記載の精密鋳造用鋳型の製造方法。
3. 鋳造に用いる鋳型を、抜け勾配が逆となるアンダーカット形状が存在するゴム型からの注型反転で製作するに際し、ゴム型の該当アンダーカット形状部を脱着可能な複数の組立てパーツ構造としておき、ゴム型本体を脱型した後、分離パーツを一つずつ鋳型から抜き取ることを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法。

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