(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
型枠内に鋳物砂を用いて鋳物の成形空間を形成する鋳型に係り、
鋳型の少なくとも一部の表面に鋳物の成形空間の形成面からの厚さを略同一にして鋳物砂表面に冷却表面を形成し、前記冷却表面と型枠との間に形成した冷却空間と、
前記冷却空間内に均一に充填された充填材と、
前記冷却空間内に冷却媒体を循環させて前記冷却表面を冷却する冷却手段とから構成した鋳型において、
前記冷却表面は、鋳型の分割面の背面の鋳物砂を切削加工若しくは予め鋳物砂に埋め込んだ成形木型を取外すことで形成され、
前記冷却空間は、鋳型を上記背面で覆う蓋部材との間に形成することを特徴とする鋳型。
【請求項２】
前記冷却手段は、前記冷却空間内の充填材間の隙間を通して冷却媒体を循環させるものであることを特徴とする請求項１に記載の鋳型。
【請求項３】
型枠内に鋳物砂を用いて鋳物の成形空間を鋳型内に形成し、
鋳型の少なくとも一部の表面を鋳物の成形空間の形成面からの厚さを同一にして冷却表面に形成し、
前記冷却表面を型枠若しくは蓋部材の内面とで閉じた冷却空間に形成し、
前記冷却空間に充填部材を充填し、溶湯を鋳物の成形空間に注湯後に、充填部材の隙間を通して冷却媒体を循環させる鋳物の冷却方法において、
前記冷却表面は、鋳型の分割面の背面の鋳物砂を切削加工若しくは予め鋳物砂に埋め込んだ成形木型を取外すことで形成し、
前記鋳型背面を蓋部材で覆うことで前記冷却表面と蓋部材内面との間に冷却空間を形成することを特徴とする鋳物の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却媒体により鋳物の冷却が行える鋳型および鋳物の冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
注湯後から解枠までの時間を短縮するために鋳物の冷却速度を速める方法が従来からいくつか提案されている。
【０００３】
一つは、鋳型内にパイプを設置し、このパイプ等の内部に冷媒を通過させて鋳物砂の冷却を行う、例えば、特開昭５７−１０３７７５号公報により提案された図７、８に示す方法がある。
【０００４】
これは、型枠１１０、１１２と固化した鋳物砂１１１、１１３および木型等で作成した鋳物空間１０４または発泡スチロール等の消失模型からなる鋳型において、鋳物砂１１１、１１３内に冷却パイプ１３０を予め埋設し、図８に示すように溶融金属を注湯し、鋳物が鋳造された後に、冷却パイプ１３０内に水，空気等の冷却媒体Ｃを循環させ、鋳物を強制的に冷却するものである。鋳物を均一に冷却することができれば、鋳物の変形を防止することもできる。
【０００５】
また、別の方法としては、溶湯を注湯した後の鋳型内に水等の冷却液を注入浸透させ、この冷却液によって鋳物を迅速に冷却するものが、例えば、特開平９−２２５６２１号公報により提案されている。注入する冷却液は、鋳物に直接かけるのではなく、鋳物を埋沈させている鋳型に注入し、内部を浸透させ、鋳物砂を通して鋳物の熱を奪うようにする。その際水温の上昇だけでなく、高い蒸発潜熱を利用するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記前者の従来例では、鋳物の表面から等距離を保ちつつ表面形状に沿うよう多数の冷却パイプ１３０を形成し万遍なく並べて設置する必要があるため、形状が複雑な鋳物や３次元の自由曲面を持つ鋳物等に対して冷却パイプ１３０の設置が難しく、結果として鋳物を均一に冷却できず、鋳物完成後の変形が大きくなるという不具合があった。
【０００７】
また、型枠１１０、１１２内に鋳物砂１１１、１１３を充填するに先立ち多数の冷却パイプ１３０を曲げ加工して型枠内に設置するものであるため、冷却パイプ１３０の設置に多大な工数がかかるという不具合があった。
【０００８】
また、後者の従来例では、冷却液を注入する水管を鋳型内に埋設させるとき、やはり鋳物の表面に沿って均一に水管を配置することが難しく、結果として鋳物を均一に冷却できず、鋳物完成後の変形が大きくなるという不具合があった。
【０００９】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、鋳物を均一に冷却できる鋳型および鋳物の冷却方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、型枠内に鋳物砂を用いて鋳物の成形空間を形成する鋳型に係り、鋳型の少なくとも一部の表面に鋳物の成形空間の形成面からの厚さを略同一にして鋳物砂表面に冷却表面を形成し、前記冷却表面と型枠との間に形成した冷却空間と、前記冷却空間内に均一に充填された充填材と、前記冷却空間内に冷却媒体を循環させて前記冷却表面を冷却する冷却手段とから構成した鋳型において、前記冷却表面は、鋳型の分割面の背面の鋳物砂を切削加工若しくは予め鋳物砂に埋め込んだ成形木型を取外すことで形成され、前記冷却空間は、鋳型を上記背面で覆う蓋部材との間に形成されることを特徴とする。
【００１１】
前記冷却表面は、鋳物の全周面に形成することが望ましいが、形状精度を必要とする鋳物の部位を対象とすることが実際的である。
【００１２】
前記冷却手段は、冷却媒体を冷却表面に接触させる手段があればよく、鋳型内に冷却表面とともに形成した空間に冷却媒体を注入、循環させることが望ましい。
【００１３】
前記型枠は、鋳物砂の周囲を囲む枠体、およびまたは、蓋部材も含めており、これらの型枠と冷却表面との空間部が冷却空間に形成される。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷却手段は、前記冷却空間内の充填材間の隙間を通して冷却媒体を循環させるものであることを特徴とする。
【００１５】
前記充填材は、球形に形成されることが、充填材同士の間に断面積が所定の大きさに規定できる隙間が形成できるため、冷却媒体の通路に用いる際に最適である。
【００１７】
第３の発明は、方法に係り、型枠内に鋳物砂を用いて鋳物の成形空間を鋳型内に形成し、鋳型の少なくとも一部の表面を鋳物の成形空間の形成面からの厚さを同一にして冷却表面に形成し、前記冷却表面を型枠若しくは蓋部材の内面とで閉じた冷却空間に形成し、前記冷却空間に充填部材を充填し、溶湯を鋳物の成形空間に注湯後に、充填部材の隙間を通して冷却媒体を循環させる鋳物の冷却方法において、前記冷却表面は、鋳型の分割面の背面の鋳物砂を切削加工若しくは予め鋳物砂に埋め込んだ成形木型を取外すことで形成し、前記鋳型背面を蓋部材で覆うことで前記冷却表面と蓋部材内面との間に冷却空間を形成することを特徴とする。
【００１８】
前記型枠は、鋳物砂の周囲を囲む枠体、およびまたは、蓋部材も含めており、これらの型枠と冷却表面との空間部が冷却空間に形成される。
【００２０】
【発明の効果】
したがって、第１および第３の発明では、鋳型の少なくとも一部の表面に鋳物の成形空間の形成面からの厚さを同一にして鋳物砂表面の冷却表面と型枠とで冷却空間を形成して、冷却空間内に充填材を充填する一方、冷却媒体を循環させるため、鋳物表面を均一に冷却することができ、鋳物完成後の変形を小さくすることができる。
そして、鋳型の分割面の背面の鋳物砂を切削加工若しくは予め鋳物砂に埋め込んだ成形木型を取外すことで冷却表面を形成しているため、冷却面積を大きく取れ、大型の鋳物でも均一に冷却でき、鋳物完成後の変形を小さくすることができる。
【００２１】
しかも、冷却空間内には球形の充填材を充填しているものであるため、鋳物砂および鋳物重量を変形および破損させることなく保持できる。
【００２２】
第２の発明では、第１の発明の効果に加えて、冷却空間内の充填材間の隙間を通して冷却媒体を循環させるため、冷却媒体を循環させるための冷却パイプ等の設置が不要であり、鋳型製作時間を大幅に短縮することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用した鋳型の一例の断面図であり、湯口２を持つ上型１、鋳物の成形空間４を備えた下型３、および、下型３下方に固定された蓋部材５とから構成される。
【００２５】
前記上型１は、型枠１０の内部に充填され固化された鋳物砂１１を備え、その下面は下型３との分割面６を形成しており、上下に貫通する湯口２を備え、湯口２の上方開放端には湯口２を拡大して溜まりを形成する湯溜まり７が配置されている。
【００２６】
前記下型３は、上型１との分割面６に一部が開口する鋳物の成形空間４を持ち型枠１２の内部に充填され固化された鋳物砂１３を備え、鋳物の成形空間４は上型１の湯口２と連なって形成されている。前記成形空間４は、消失模型が挿入された状態のものでもよい。
【００２７】
前記下型３の鋳物の成形空間４を囲んで鋳物砂１３の下側表面は、下型３の蓋部材５との接合面７から上方に窪んだ鋳型表面８（以下、冷却面、冷却表面ともいう）に形成され、冷却表面８は鋳物の成形空間４を形成する形成面９に対し所定の間隔（厚さ）を持つよう形成されている。即ち、鋳物の成形空間４は蓋部材５側のいずれの表面であっても等距離に冷却表面８が存在するよう両者間には一様な肉厚の鋳物砂１３が存在する。この鋳物砂１３の肉厚は、溶湯の注湯圧力に充分耐えられる鋳物砂１３の厚さを必要とする。
【００２８】
前記蓋部材５は、前記下型３の枠体１２に結合される周縁部１４とこの周縁部１４を連結して前記下型３の上方へ窪んだ鋳型表面８とで空間部１５を形成する蓋部１６とから形成され、周縁部１４には、冷却媒体Ｃを前記空間部１５に導入する入口１７と、前記空間部１５内の冷却媒体Ｃを排出する出口１８とが形成されている。
【００２９】
前記蓋部材５と下型３の鋳型表面８とで形成される空間部１５には、金属製、若しくは、樹脂製からなる球形の充填材１９が充填される。充填材１９は球形であるため、鋳型表面８の形状が複雑な場合や３次元の自由曲面を持つ場合においても均一の密度で充填することができ、しかも、充填材１９同士が充填により接触した状態においても、部分接触状態であり、水や空気などの冷却媒体Ｃの流通を許容する。また、充填材１９の材質としては、鋳型内に注入される溶湯の重量と鋳物砂自身の重量とに耐えられる強度を備えていればどのような材料が選択されてもよい。
【００３０】
図示の例は、プレス型を倒立させた状態で鋳造する場合の鋳型を示し、図中下方に連なる部分がプレス面を構成し、プレス面から上方に延びた３本の部材はプレス型の脚部を形成するものであり、この場合において、鋳造後の変形を最小限に止める部分はプレス面であることから、プレス面を形成する鋳物砂１３を所定の均一な肉厚に形成したものである。必要であれば、図示しないが、他の部分を形成する鋳物砂１３の肉厚も所定の均一な肉厚に形成してもよい。その場合、所定の肉厚に形成された鋳型表面で形成された空間部に、前記と同様球体からなる充填材を充填して、その充填材が充填された空間部に冷却媒体を流通させる入口および出口を形成する。
【００３１】
前記下型の鋳物砂に形成する鋳型表面８は、図２、３の工程により製作される。図２は、成形台２０上に鋳物砂１１、１３を充填し固化した上型１および下型３を倒立させて載置した状態を示し、上型１および下型３には鋳物形状の空洞４が形成されているか、若しくは、消失模型を埋設して構成している。
【００３２】
図２に示すように下型３の下方（図中上方）から切削工具Ｔにより鋳物砂１３を切削し、鋳型表面８を形成する。この鋳型表面８の形状は、鋳物の形状に鋳物砂１３の厚さ分だけ寸法を追加する（鋳物形状の各点の座標位置を鋳物砂の厚さ分だけオフセットさせる）ことで容易にその座標位置を決定することができる。この場合の鋳物砂１３の厚さは、前記したように、鋳造時の注湯圧力に耐えられる鋳物砂１３の厚さを残存させるよう決定される。
【００３３】
鋳型表面８の成形は、上記のように切削工具Ｔによる成形方法に限られず、予め鋳型表面８を模った表面をもつ木型Ｍにより形成してもよい。即ち、下型３に鋳物砂１３を充填する前に木型Ｍを下型３に組合わせて型枠１２の下方部分とし、鋳物成形用の木型を位置決めして鋳物砂１３を充填し固化させ、図２の状態に上型１、下型３を倒立状態で配置し、木型Ｍを上方へ抜き取るようにしても、上記方法と同様に鋳型表面８を形成することができる。
【００３４】
鋳型表面８が形成されたなら、その空隙部分および空間部分１５に球形の充填材１９を充填してゆき、所定量充填した後、水，空気等の冷却媒体Ｃを循環させる配管が取付け可能な蓋部材５をその周縁部１４を下型３の型枠１２に固定することで取付ける。そして、その後も、蓋部材５と鋳型表面８との空間部分１５に充填材１９を充填してゆく。充填を完了した図３の鋳型は、充填材１９が球形であるため、空間部分１５内に均一の密度で充填され、空間部分１５を形成する鋳型表面８、蓋部材５、および、下型３の型枠１２に沿う側壁部に均一に接触している。
【００３５】
次いで、蓋部材５も含んで鋳型全体を反転させ、成形台２０を取り除くことで、図１の鋳型を構成することができる。
【００３６】
上記説明の鋳型への溶湯の注入して鋳物を形成する作用につき、以下に説明する。図１の構成の鋳型は、上型１と下型３が分割面６で接合されて型枠１０、１２が連結され、また、蓋部材５と下型３の型枠１２、周縁部１４が連結されて一体に構成され、鋳型表面８と蓋部材５とで形成される空間部１５には球形の充填材１９が充填され、蓋部材５の周縁部１４の入口１７、出口１８は冷却媒体Ｃの貯蔵装置に連通されている。
【００３７】
上型１の湯溜まり７に溶融金属を注湯すると、溶融金属は湯口２を経由して鋳物空間４内に流入し鋳物空間４を充填する。鋳物空間４が消失模型で形成されている場合には、消失模型を昇華させつつ鋳物空間４に溶融金属が充填される。このとき、鋳物空間４を形成する鋳物砂１３、特に、鋳型表面８を形成する鋳物砂１３は、前記したように充分な厚さが確保されているために破損することがなく、また、球形の充填材１９もこの重量に耐えて破損することがない。
【００３８】
注湯完了後に、図４に示すように、蓋部材５の周縁部１４の入口１７から図示しない貯蔵装置の冷却媒体Ｃを空間１５内に導入し出口１８から貯蔵装置に排出して冷却媒体Ｃを循環させる。空間１５内に導入した冷却媒体Ｃは、充填材１９が球形をなしているので、充填材１９間に存在する隙間を通過し、空間１５内に面している鋳物砂１３による鋳型表面８を冷却する。
【００３９】
この冷却の状態を、鋳物、鋳物砂、充填材、冷却媒体から、モデル化して鋳物砂厚さと温度の関係を示した図５により詳細に説明する。
【００４０】
ここで、鋳物の温度：ｔ１
冷却媒体Ｃの温度：ｔ２
鋳物砂の表面積：Ｆ
熱量が流れる時間：θ
鋳物砂の厚さ：ｂ
鋳物砂の熱伝導率：λ
とすると、鋳物砂を通して流れる熱量Ｑは、下記（１）式
Ｑ＝λ×Ｆ×θ×（ｔｌ−ｔ２）／ｂ  ・・（１）式
により求められる。（１）式を変形すると、下記（２）式
（ｔｌ−ｔ２）＝（Ｑ×ｂ）／（Ｆ×θ×λ）  ・・（２）式
が得られる。この（２）式より、鋳物と冷却媒体Ｃの温度差は鋳物砂の厚さに比例することがわかる。したがって、鋳物砂の厚さを一定にすることで、鋳物の目的とする鋳物形状部分を均一に冷却することができる。
【００４１】
図６は、鋳物内の温度差と変形の関係を、比較的単純な鋳物試料Ｄにより示したものであり、ここで、
鋳物上部の断面積：Ａ１
鋳物下部の断面積：Ａ２
線膨張係数：α
鋳物上下の温度差：△Ｔ
鋳物の高さ：Ｈ
鋳物の長さ：Ｌ
断面２次モーメント：Ｉ
とすると、鋳物の変形（反り）Ｓは、下記の（３）式
Ｓ＝（Ａ１×Ａ２×α×△Ｔ×Ｈ×Ｌ2）／（８×Ｉ×（Ａ１＋Ａ２））  ・・（３）式
により得られる。この（３）式より、鋳物の変形は温度差△Ｔに比例することがわかる。同様に、自由曲面を持つ鋳物においても、温度差△Ｔと鋳物の変形は比例する。したがって、鋳物を均一に冷却することによって、鋳物の変形を低減することができる。
【００４２】
本実施の態様にあっては、下記の効果を奏する。即ち、鋳型の少なくとも一部の表面に鋳物の成形空間４の形成面からの厚さを略同一にして鋳物砂表面に形成した冷却表面８に冷却媒体Ｃを接触させて鋳物を冷却するため、鋳物表面を均一に冷却することができ、鋳物完成後の変形を小さくすることができる。
【００４３】
冷却表面８は型枠１２若しくは蓋部材５内面との間で冷却空間１５を形成し、この冷却空間１５内に球形の充填材１９を充填しているものであるため、鋳物砂１３および鋳物重量を変形および破損させることなく保持できる。
【００４４】
冷却空間１５内の充填材１９間の隙間を通して冷却媒体Ｃを循環させるため、冷却媒体Ｃを循環させるための冷却パイプ等の設置が不要であり、鋳型製作時間を大幅に短縮することができる。
【００４５】
鋳型の分割面６の背面の鋳物砂１３を切削加工若しくは予め鋳物砂に埋め込んだ成形木型Ｍを取外すことで冷却表面８を形成しているため、冷却面積を大きく取れ、大型の鋳物でも均一に冷却でき、鋳物完成後の変形を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す鋳型の断面図。
【図２】同じく鋳型の製造過程の前段を示す説明図。
【図３】同じく鋳型の製造過程の後段を示す説明図。
【図４】鋳型による鋳造過程を示す説明図。
【図５】鋳物砂の厚さと温度の関係を示す説明図。
【図６】鋳物内の温度差と変形の関係を示す説明図。
【図７】従来技術の鋳型を示す断面図。
【図８】従来技術の鋳型による冷却状態を示す断面図。
【符号の説明】
１  上型
２  湯口
３  下型
４  鋳物の成形空間（鋳物形状の空間）
５  蓋部材
６  分割面
８  鋳型表面（冷却面、冷却表面）
９  鋳物の形成面
１０、１２  型枠
１１、１３  鋳物砂
１５  空間部（冷却空間）
１９  充填材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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