JP5594122B2

JP5594122B2 - 鋳型及び鋳型を用いた鋳造方法、並びに鋳型の設計方法

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Publication number: JP5594122B2
Application number: JP2010283179A
Authority: JP
Inventors: 宗明茜谷
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: DE112011102887T5; US8276644B2; DE112011102887B4; CN103140311A; US20120152478A1; WO2012086382A1; CN103140311B; JP2012130926A

Description

本発明は、溶湯を充填して鋳物製品を成形するための鋳型及び鋳型を用いた鋳造方法、並びに鋳型の設計方法に関する。

ダイカスト鋳造等の鋳造を行う際には、溶湯が凝固収縮するときに、鋳巣（成形品に生じる空洞、亀裂、縮小化等の変形）が生じることを防止するために、種々の工夫を行っている。例えば、製品設計において、製品の各部の肉厚の均一化、製品における厚肉部の除去等を図るといった工夫、鋳型内に冷却孔を設けて冷却する工夫等がなされている。
例えば、特許文献１の鋳造方法および鋳造装置においては、金型に溶湯を鋳込み、金型に接触する表面層が凝固した後、加熱・冷却手段によって一方側から他方側に向けて指向性凝固させることが開示されている。そして、複雑形状部品においては流れ凝固シミュレーション結果に基づいて、良好な指向性凝固を進行させることにより鋳造欠陥の発生を防止し、高品位の鋳物の製造を実現している。

特開２００２−３４６７２８号公報

しかしながら、特許文献１においては、加熱・冷却手段を別途用いる必要があり、設備が複雑化してしまう。一方、製品設計において製品の形状の変更を図ることは困難である。そのため、製品の形状を維持し、簡単な工夫によって、鋳巣の発生を防止することができる方法の開発が望まれる。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な工夫により、製品キャビティに成形する鋳物製品に鋳巣が発生することを防止することができる鋳型及び鋳型を用いた鋳造方法、並びに鋳型の設計方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、溶湯を充填して製品を成形するための製品キャビティと、
該製品キャビティの一方側に繋がり、鋳込み口から充填される溶湯を上記製品キャビティへ補給するための補給キャビティと、
上記製品キャビティの他方側に繋がり、充填される溶湯が上記製品キャビティ及び上記補給キャビティよりも先に冷却される冷却キャビティと、を備え、
上記各キャビティにおける、冷却表面積Ｓに対する体積Ｖの比であるモジュラスＭ（＝Ｖ／Ｓ）は、上記製品キャビティのモジュラスをＭｐ、上記補給キャビティのモジュラスをＭｓ、上記冷却キャビティのモジュラスをＭｃとしたとき、Ｍｓ＞Ｍｐ＞Ｍｃの関係を有しており、
上記製品キャビティ、上記補給キャビティ及び上記冷却キャビティは、環形状に形成してあるとともに、平面視において同心状に形成してあり、
上記補給キャビティは、上記製品キャビティの一方側としての外周側の全周において繋がっており、
上記冷却キャビティは、上記製品キャビティの他方側としての内周側の全周において繋がっていることを特徴とする鋳型にある（請求項１）。

第２の発明は、上記鋳型を用いて鋳造を行う方法であって、
上記鋳込み口から、上記補給キャビティ、上記製品キャビティ及び上記冷却キャビティに溶湯を充填し、
上記冷却キャビティに充填された溶湯から先に凝固させ、次いで、上記製品キャビティに充填された溶湯を凝固させ、最後に、上記補給キャビティに充填された溶湯を凝固させることを特徴とする鋳造方法にある（請求項４）。

第３の発明は、上記鋳型を設計する方法であって、
上記環形状の製品キャビティの径方向の断面形状における、形状絞り部が形成された位置において、上記製品キャビティを上記補給キャビティに繋がる一方側の製品キャビティ部と、上記冷却キャビティに繋がる他方側の製品キャビティ部との２つに仕切り、
上記一方側の製品キャビティ部のモジュラスをＭｐａ、上記他方側の製品キャビティ部のモジュラスをＭｐｂ、溶湯の材料成分によって定まる臨界固相率をｆとしたとき、上記補給キャビティのモジュラスＭｓ及び上記冷却キャビティのモジュラスＭｃを用い、ｆ×Ｍｓ／Ｍｐａ≧１及びｆ×｛Ｍｐａ／（Ｍｐｂ＋Ｍｃ）｝≧１の関係を満たすよう、上記補給キャビティ及び上記冷却キャビティの各形状を決定することを特徴とする鋳型の設計方法にある（請求項５）。

第１の発明の鋳型においては、製品キャビティの一方側に補給キャビティを設け、製品キャビティの他方側に冷却キャビティを設けている。また、製品キャビティのモジュラスＭｐ、補給キャビティのモジュラスＭｓ、冷却キャビティのモジュラスＭｃは、Ｍｓ＞Ｍｐ＞Ｍｃの関係を有している。
これにより、本発明の鋳型を用いて鋳造を行う際には、冷却キャビティに充填された溶湯から先に凝固させ、次いで、製品キャビティに充填された溶湯を凝固させ、最後に、補給キャビティに充填された溶湯を凝固させることができる。つまり、鋳型におけるキャビティの形状に工夫を行うことにより、溶湯をキャビティの一方から他方に向けて順次凝固させることができる。

それ故、第１の発明の鋳型によれば、簡単な工夫により、製品キャビティに成形する鋳物製品に鋳巣（未充填の空洞、亀裂、縮小化等の変形）が発生することを防止することができる。
なお、上記冷却表面積Ｓとは、鋳型において溶湯と接触するキャビティの表面積のことをいう。

第２の発明の鋳造方法においては、上記鋳型の発明と同様に、簡単な工夫により、製品キャビティに成形する鋳物製品に鋳巣が発生することを防止することができる。

第３の発明の鋳型の設計方法においては、鋳物製品を成形するための鋳型を適切に設計する方法を提供する。
具体的には、第３の発明においては、製品キャビティを一方側の製品キャビティ部と他方側の製品キャビティ部との２つに仕切り、一方側の製品キャビティ部のモジュラスＭｐａ及び他方側の製品キャビティ部のモジュラスＭｐｂが、ｆ×Ｍｓ／Ｍｐａ≧１及びｆ×｛Ｍｐａ／（Ｍｐｂ＋Ｍｃ）｝≧１の関係を満たすよう、各キャビティの形状を決定する。

ｆ×Ｍｓ／Ｍｐａ≧１の関係式は、一方側の製品キャビティ部のモジュラスＭｐａを、溶湯の充填を集中させる充填部とし、補給キャビティのモジュラスＭｓを、溶湯を補給する補給部として、この関係式を満たせば、一方側の製品キャビティ部に鋳巣が発生しないと考えられる関係式である。
また、ｆ×｛Ｍｐａ／（Ｍｐｂ＋Ｍｃ）｝≧１の関係式は、他方側の製品キャビティ部のモジュラスＭｐｂと冷却キャビティのモジュラスＭｃとの和を、溶湯の充填を集中させる充填部とし、一方側の製品キャビティ部のモジュラスＭｐａを、溶湯を補給する補給部として、この関係式を満たせば、他方側の製品キャビティ部に鋳巣が発生しないと考えられる関係式である。

従って、上記各関係式を満たすように、一方側の製品キャビティ部、他方側の製品キャビティ部、補給キャビティ及び冷却キャビティの各形状を決定することにより、一方側の製品キャビティ部及び他方側の製品キャビティ部としての製品キャビティに成形する鋳物製品に鋳巣が発生することを防止した鋳型を製造することができる。
なお、臨界固相率ｆは、溶湯が固液共存状態にあるときの溶湯全体に対する固相の比率として表される値である。臨界固相率ｆは、溶湯の材料成分によって定まり、例えばＡＤＣ１２のアルミニウム合金の場合には、０．３付近となる。

実施例１にかかる、鋳型における各キャビティの断面の一部を拡大して示す説明図。実施例１にかかる、一対の鋳型部を合わせた鋳型の断面を示す説明図。実施例１にかかる、鋳型における各キャビティの形成状態を模式的に示す説明図。実施例１にかかる、鋳型において成形した鋳物を、図３のＡ−Ａ線方向から見た断面で示す説明図。実施例２にかかる、鋳型において成形した鋳物を示す説明図。実施例２にかかる、鋳型における各キャビティの断面の一部を拡大して示す説明図。

上述した第１〜第３の発明の鋳型及び鋳型を用いた鋳造方法、並びに鋳型の設計方法における好ましい実施の形態につき説明する。
第１の発明において、上記冷却キャビティは、複数のフィン状キャビティ部を連ねてなることができる（請求項２）。
この場合には、環形状の製品キャビティに対して、補給キャビティ及び冷却キャビティを適切に形成することができ、環形状の鋳物製品に鋳巣が発生することを防止することができる。

また、上記鋳型は、一対の鋳型部を合わせた合わせ面の位置に、上記製品キャビティ、上記補給キャビティ及び上記冷却キャビティを形成してなるダイカスト用鋳型であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、ダイカスト品としての鋳物製品に鋳巣が発生することを防止することができる。

以下に、本発明の鋳型及び鋳型を用いた鋳造方法、並びに鋳型の設計方法にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例の鋳型１は、図１、図２に示すごとく、溶湯５１を充填して製品５２を成形するための製品キャビティ２と、製品キャビティ２の一方側に繋がり、鋳込み口３１から充填される溶湯５１を製品キャビティ２へ補給するための補給キャビティ３と、製品キャビティ２の他方側に繋がり、充填される溶湯５１が製品キャビティ２及び補給キャビティ３よりも先に冷却される冷却キャビティ４と、を備えている。
各キャビティ２、３、４における、冷却表面積Ｓに対する体積Ｖの比であるモジュラスＭ（＝Ｖ／Ｓ）は、製品キャビティ２のモジュラスをＭｐ、補給キャビティ３のモジュラスをＭｓ、冷却キャビティ４のモジュラスをＭｃとしたとき、Ｍｓ＞Ｍｐ＞Ｍｃの関係を有している。

以下に、本例の鋳型１及び鋳型１を用いた鋳造方法、並びに鋳型１の設計方法につき、図１〜図４を参照して詳説する。
図１は、鋳型１における各キャビティ２、３、４の断面の一部を拡大して示す図である。図２は、一対の鋳型部１１を合わせた鋳型１の断面を示す図である。
本例の鋳型１は、アルミニウム材料を溶湯５１として、製品キャビティ２に、鋳物５としてのアルミニウムダイカスト品を成形するものである。本例の鋳型１は、一対の鋳型部１１を合わせた合わせ面１１１の位置に、製品キャビティ２、補給キャビティ３及び冷却キャビティ４を形成してなるダイカスト用鋳型である。
本例の鋳型１において成形する鋳物５は、円環形状を有するアルミニウム部品である。このアルミニウム部品を成形（鋳造）する際には、製品キャビティ２に鋳巣を生じることなく製品５２を成形するために、鋳型１に補給キャビティ３及び冷却キャビティ４を形成する。

図４は、鋳型１において成形した鋳物５を示す。製品キャビティ２には、円環状の製品５２が成形され、供給キャビティ３には、成形体５３が成形され、冷却キャビティ４には、成形体５４が成形され、鋳込み口３１には、成形体５３１が成形される。そして、鋳造後の鋳物５から、各成形体５３、５４、５３１を切断、切削等により除去して、製品５２を形成する。

図３は、鋳型１における各キャビティ２、３、４の形成状態を模式的に示す図である。
同図に示すごとく、本例の鋳型１においては、円環形状の製品キャビティ２に対する一方側としての外周側に、円環形状の補給キャビティ３を同心円状に形成し、円環形状の製品キャビティ２に対する他方側としての内周側に、円環形状の冷却キャビティ４を同心円状に形成している。
補給キャビティ３は、製品キャビティ２の外周側において、製品キャビティ２に対して環状に連続して繋がっている。冷却キャビティ４は、複数のフィン状キャビティ部４１を連ねてなるとともに（図１参照）、製品キャビティ２の内周側において、製品キャビティ２に対して環状に連続して繋がっている。

図１に示すごとく、補給キャビティ３は、そのモジュラスＭｓをできるだけ小さくするために、円形状の断面を有している。図２、図３に示すごとく、補給キャビティ３の周方向の１箇所には、溶湯５１を注入するための鋳込み口３１が形成されている。補給キャビティ３の体積は、製品キャビティ２の体積よりも大きくなっている。
図１に示すごとく、冷却キャビティ４は、そのモジュラスＭｃをできるだけ大きくするために、複数のフィン状キャビティ部４１を、円環形状の製品キャビティ２の円環形状の軸方向中心位置からその軸方向の両側に向けて枝分かれ状に形成してなる。

図１、図３に示すごとく、本例の製品５２を成形する製品キャビティ２は、その代表断面形状を円環形状の周方向Ｃに連続して形成してなる。製品キャビティ２は、その代表断面形状において、円環形状の周方向Ｃに直交する径方向Ｒの所定位置に、形状変化としての形状絞り部２１を有している。
図１に示すごとく、本例の鋳型１の設計方法においては、鋳型１を設計するにあたり、製品キャビティ２を、形状絞り部２１において外周側部分と内周側部分との２つに仕切り、補給キャビティ３の大きさ・形状と、冷却キャビティ４の大きさ・形状とを決定する。すなわち、製品キャビティ２は、形状絞り部２１において、補給キャビティ３に繋がる一方側としての外周側の製品キャビティ部２Ａと、冷却キャビティ４に繋がる他方側としての内周側の製品キャビティ部２Ｂとの２つに仕切る。
同図においては、外周側の製品キャビティ部２Ａ、内周側の製品キャビティ部２Ｂ、供給キャビティ３及び冷却キャビティ４を仕切った部分を、破線によって示す。

そして、外周側の製品キャビティ部２ＡのモジュラスをＭｐａ、内周側の製品キャビティ部２ＢのモジュラスをＭｐｂ、溶湯５１の材料成分によって定まる臨界固相率をｆとしたとき、補給キャビティ３のモジュラスＭｓ及び冷却キャビティ４のモジュラスＭｃを用いて、ｆ×Ｍｓ／Ｍｐａ≧１（関係式１）及びｆ×｛Ｍｐａ／（Ｍｐｂ＋Ｍｃ）｝≧１（関係式２）の関係を満たすよう、補給キャビティ３及び冷却キャビティ４の各形状を決定する。
関係式１、２は、次の鋳巣の発生を推測する基準式に基づいて定めたものである。
この基準式は、溶湯５１の材料成分によって定まる内外引け分配率をε、溶湯５１の材料成分によって定まる凝固収縮率をβ、溶湯５１の材料成分によって定まる臨界固相率をｆ、溶湯５１の充填を集中させる充填部をＭ１、溶湯５１を補給する補給部をＭ２としたとき、鋳巣体積率δ（％）は、δ＝ε×β×｛１−ｆ×（Ｍ２／Ｍ１）｝として表される。

ここで、内外引け分配率εは、溶湯５１が充填されるキャビティの内部か表面部のどちらに鋳巣が発生し易いかを示す値であり、凝固収縮率βは、溶湯５１が凝固する際に収縮する比率を示す値であり、臨界固相率ｆは、溶湯５１が固液共存状態にあるときの溶湯５１の全体に対する固相の比率として表される値である。
そして、鋳巣体積率δを０（％）以下にするように、ｆ×（Ｍ２／Ｍ１）≧１の関係を満たすように、補給キャビティ３及び冷却キャビティ４の大きさ・形状を決定する。

補給キャビティ３の大きさ・形状は、外周側の製品キャビティ部２ＡのモジュラスＭｐａを、溶湯５１の充填を集中させる充填部Ｍ１とし、補給キャビティ３のモジュラスＭｓを、溶湯５１を補給する補給部Ｍ２として、ｆ×Ｍｓ／Ｍｐａ≧１の関係式１を満たすように決定した。この関係式１を満たせば、外周側の製品キャビティ部２Ａに鋳巣が発生しないと考えられる。
一方、冷却キャビティ４の大きさ・形状は、内周側の製品キャビティ部２ＢのモジュラスＭｐｂと冷却キャビティ４のモジュラスＭｃとの和を、溶湯５１の充填を集中させる充填部Ｍ１とし、外周側の製品キャビティ部２ＡのモジュラスＭｐａを、溶湯５１を補給する補給部Ｍ２として、ｆ×｛Ｍｐａ／（Ｍｐｂ＋Ｍｃ）｝≧１の関係式２を満たすように決定した。この関係式２を満たせば、内周側の製品キャビティ部２Ｂに鋳巣が発生しないと考えられる。
従って、関係式１、２を満たすように、補給キャビティ３及び冷却キャビティ４の各形状を決定することにより、製品キャビティ２に成形する製品５２に鋳巣が発生することを防止した鋳型１を製造することができる。

次に、鋳型１を用いて鋳造を行う方法について説明する。
鋳物５を鍛造するに当たっては、鋳型１の鋳込み口３１から、補給キャビティ３、製品キャビティ２及び冷却キャビティ４に溶湯５１を充填する。このとき、鋳込み口３１から鋳型１内に注入された溶湯５１は、鋳込み口３１に近い側に位置する補給キャビティ３、製品キャビティ２及び冷却キャビティ４から先に充填される。また、本例においては、ダイカスト鋳造を行うため、瞬間的に各キャビティ２、３、４に溶湯５１が充填される。
そして、冷却キャビティ４に充填された溶湯５１から先に凝固させ、次いで、内周側の製品キャビティ部２Ｂに充填された溶湯５１を凝固させ、次いで、外周側の製品キャビティ部２Ａに充填された溶湯５１を凝固させ、最後に、補給キャビティ３に充填された溶湯５１を凝固させる。

このように、本例においては、鋳型１におけるキャビティ２、３、４の形状に工夫を行うことにより、溶湯５１をキャビティ２、３、４の内周側から外周側に向けて順次凝固させることができる。
それ故、本例の鋳型１及び鋳型１を用いた鋳造方法によれば、簡単な工夫により、製品キャビティ２に成形する製品５２に鋳巣（未充填の空洞、亀裂、縮小化等の変形）が発生することを防止することができる。

（実施例２）
本例は、上記実施例１に示した形状とは異なる形状の製品キャビティ２を鋳型１に形成する場合についての例である。
図５に示すごとく、本例の鋳型１において成形する鋳物５は、長尺板形状のベース部５６に対して複数個の突出部５５を平行に突出させた形状を有する。図６に示すごとく、本例の製品キャビティ２は、ベース部５６を成形するベース部用キャビティ部２２Ｂと、複数個の突出部５５をそれぞれ成形する突出部用キャビティ部２２Ａとから形成されている。

本例の補給キャビティ３は、複数個の突出部用キャビティ部２２Ａの突出方向の一方側において、複数個の突出部用キャビティ部２２Ａに対して連続して繋がるよう、長尺方向Ｌに沿って形成している。また、複数のフィン状キャビティ部４１からなる本例の冷却キャビティ４は、ベース部用キャビティ部２２Ｂに対して長尺方向Ｌに連続して繋がるよう、長尺方向Ｌに沿って形成している。本例の鋳込み口３１は、補給キャビティ３の端部に設けてある。

補給キャビティ３の大きさ・形状は、複数の突出部用キャビティ部２２ＡのモジュラスＭｐａを、溶湯５１の充填を集中させる充填部Ｍ１とし、補給キャビティ３のモジュラスＭｓを、溶湯５１を補給する補給部Ｍ２として、ｆ×Ｍｓ／Ｍｐａ≧１の関係式１を満たすように決定した。一方、冷却キャビティ４の大きさ・形状は、ベース部用キャビティ部２２ＢのモジュラスＭｐｂと冷却キャビティ４のモジュラスＭｃとの和を、溶湯５１の充填を集中させる充填部Ｍ１とし、突出部用キャビティ部２２ＡのモジュラスＭｐａを、溶湯５１を補給する補給部Ｍ２として、ｆ×｛Ｍｐａ／（Ｍｐｂ＋Ｍｃ）｝≧１の関係式２を満たすように決定した。

本例においては、鋳型１の鋳込み口３１から、補給キャビティ３、製品キャビティ２及び冷却キャビティ４に溶湯５１を充填し、冷却キャビティ４に充填された溶湯５１から先に凝固させ、次いで、ベース部用キャビティ部２２Ｂに充填された溶湯５１を凝固させ、次いで、突出部用キャビティ部２２Ａに充填された溶湯５１を凝固させ、最後に、補給キャビティ３に充填された溶湯５１を凝固させる。
それ故、本例の鋳型１及び鋳型１を用いた鋳造方法によっても、簡単な工夫により、製品キャビティ２に成形する製品５２に鋳巣が発生することを防止することができる。
本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１鋳型
２製品キャビティ
２Ａ外周側の製品キャビティ部
２Ｂ内周側の製品キャビティ部
３補給キャビティ
３１鋳込み口
４冷却キャビティ
４１フィン状キャビティ部
５鋳物
５１溶湯
５２製品

Claims

溶湯を充填して製品を成形するための製品キャビティと、
該製品キャビティの一方側に繋がり、鋳込み口から充填される溶湯を上記製品キャビティへ補給するための補給キャビティと、
上記製品キャビティの他方側に繋がり、充填される溶湯が上記製品キャビティ及び上記補給キャビティよりも先に冷却される冷却キャビティと、を備え、
上記各キャビティにおける、冷却表面積Ｓに対する体積Ｖの比であるモジュラスＭ（＝Ｖ／Ｓ）は、上記製品キャビティのモジュラスをＭｐ、上記補給キャビティのモジュラスをＭｓ、上記冷却キャビティのモジュラスをＭｃとしたとき、Ｍｓ＞Ｍｐ＞Ｍｃの関係を有しており、
上記製品キャビティ、上記補給キャビティ及び上記冷却キャビティは、環形状に形成してあるとともに、平面視において同心状に形成してあり、
上記補給キャビティは、上記製品キャビティの一方側としての外周側の全周において繋がっており、
上記冷却キャビティは、上記製品キャビティの他方側としての内周側の全周において繋がっていることを特徴とする鋳型。
請求項１に記載の鋳型において、上記冷却キャビティは、複数のフィン状キャビティ部を連ねてなることを特徴とする鋳型。
請求項１又は２に記載の鋳型において、該鋳型は、一対の鋳型部を合わせた合わせ面の位置に、上記製品キャビティ、上記補給キャビティ及び上記冷却キャビティを形成してなるダイカスト用鋳型であることを特徴とする鋳型。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋳型を用いて鋳造を行う方法であって、
上記鋳込み口から、上記補給キャビティ、上記製品キャビティ及び上記冷却キャビティに溶湯を充填し、
上記冷却キャビティに充填された溶湯から先に凝固させ、次いで、上記製品キャビティに充填された溶湯を凝固させ、最後に、上記補給キャビティに充填された溶湯を凝固させることを特徴とする鋳造方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋳型を設計する方法であって、
上記環形状の製品キャビティの径方向の断面形状における、形状絞り部が形成された位置において、上記製品キャビティを上記補給キャビティに繋がる一方側の製品キャビティ部と、上記冷却キャビティに繋がる他方側の製品キャビティ部との２つに仕切り、
上記一方側の製品キャビティ部のモジュラスをＭｐａ、上記他方側の製品キャビティ部のモジュラスをＭｐｂ、溶湯の材料成分によって定まる臨界固相率をｆとしたとき、上記補給キャビティのモジュラスＭｓ及び上記冷却キャビティのモジュラスＭｃを用い、ｆ×Ｍｓ／Ｍｐａ≧１及びｆ×｛Ｍｐａ／（Ｍｐｂ＋Ｍｃ）｝≧１の関係を満たすよう、上記補給キャビティ及び上記冷却キャビティの各形状を決定することを特徴とする鋳型の設計方法。