(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方に開口した湯口を備える砂型部材が、その三次元モデルを多数層に平行スライスした際の各層を、型砂層へのレーザービームの照射による結着硬化層として順次に積層形成した積層造形物からなり、前記の上方に開口した湯口の上部が縦筒をなして当該砂型部材の本体部上面より上方へ突出状に一体形成され、
この湯口の内空間が押湯兼用として上側へ拡径すると共に、前記縦筒の頂部の外径が基部の外径よりも大きく設定され、
前記砂型部材は、鋳造対象物の形状に対応して余剰部を除くことによって平面外形が非矩形をなす鋳造用砂型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミ鋳造品等の金属鋳造品の製造に用いる鋳造用砂型に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
砂型鋳造においては、旧来より、製品形態の木型を製作し、この木型を配置した型枠内に型砂を充填して硬化させ、該木型を外して得られる砂型を鋳型とし、その内部に金属溶湯を注入し、冷却固化後に砂型を分解して鋳造品を取り出すという手法が採用されている。しかして、鋳造方式には、鋳型上面の湯口から溶湯を型内部へ注入するグラビティ方式と、上方に開口した注湯口を有する保持炉の上に鋳型を載置し、この保持炉内に圧力を加えることによんて内部の溶湯を前記注湯口から鋳型下面の湯口を通して型内部へ注入するロープレッシャー方式とがあるが、いずれにおいても型内部での溶湯の冷却凝固に伴う体積収縮を生じるため、この収縮体積分を補うために鋳型の上面側に押湯が一般的に設けられる。また、グラビティ方式に適用する鋳型では、湯口が上方に開口していることから、該湯口についても押湯を兼用させる場合が多い。
【０００３】
例えば、図６に示す砂型は、図５で示す自動車エンジン用のアルミ合金製エアーサージタンクＴのグラビティ方式による鋳造に使用されるものであり、上型１１及び下型１２と、エアーサージタンクＴの内部空間を構成する中子１３とからなっている。しかして、上型１１に設けられた湯口１１ａ，１１ｂは、押湯兼用であり、押湯としての溶湯体積の確保と位置エネルギーによる押湯圧を得るために、上下に長く、且つ入口側つまり上側へ拡径した形態に設定されている。１４は上型１１に設けられたエアー抜き孔、２０は注湯されたアルミ合金である。なお、図示を省略しているが、この場合の上型１１には、湯口１１ａ，１１ｂとは別に、エアーサージタンクＴのタンク構成部２１に対応して押湯が設けられており、この押湯も上側へ拡径した形態をなしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の鋳造用砂型においては、押湯を兼用する湯口や押湯を上下に長く設定するために上型の上下厚みが大きくなり、それだけ上型ひいては鋳型全体の重量が増大し、その取り扱いに大きな労力及びエネルギーを要することになり、また型製作に用いる型砂の量も多くなるという問題があった。
【０００５】
なお、鋳型の軽量化のために湯口や押湯の部分を凸状にし、他の領域の上下厚みを薄くすることも不可能ではないが、この場合には型砂を充填する型枠の蓋側を凹凸のある特殊な形状にする必要があり、その加工に手間と時間を要して鋳型製作のコストが却って高く付くことになる。また、従来の鋳型製作においては、やはり加工コスト面より型砂を充填する型枠を単純な箱型にするのが普通であり、このために鋳型の平面外形が鋳造対象物の形状に関係なく矩形になる結果、鋳型には強度等の鋳造機能上からは不必要な肉部による余分な重量が加わると共に、それだけ型砂が無駄に消費されることになる。
【０００６】
本発明は、上述の情況に鑑み、鋳造用砂型として、軽量化及びコンパクト化が容易であり、しかも低コストで能率よく製作できるものを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る鋳造用砂型は、図面の参照符号を付して示せば、上方に開口した湯口４Ａ，４Ｂを備える砂型部材１が、その三次元モデルを多数層に平行スライスした際の各層Ｐ1 〜Ｐｎを、型砂Ｓ層へのレーザービームＬの照射による結着硬化層として順次に積層形成した積層造形物Ｍからなり、前記の上方に開口した湯口４Ａ，４Ｂの上部が縦筒をなして当該砂型部材１の本体部１０上面１０ａより上方へ突出状に一体形成され、この湯口４Ａ，４Ｂの内空間が押湯兼用として上側へ拡径すると共に、前記縦筒４０の頂部の外径が基部の外径よりも大きく設定され、前記砂型部材１は、鋳造対象物の形状に対応して余剰部を除くことによって平面外形が非矩形をなすものとしている。
【０００８】
上記構成の鋳造用砂型では、湯口４Ａ，４Ｂの上部が砂型部材１の本体部１０上面１０ａより上方へ突出しているから、該湯口が砂型部材の上面に開口した従来構成に対し、砂型部材１は前記突出した分だけ本体部１０の上下厚さが薄くなって軽量化されることになる。しかして、特にグラビティ方式の鋳造に適用する砂型において、湯口４Ａ，４Ｂを押湯兼用等のために上下に長く設定する場合には、前記突出による本体部１０の薄肉化によって大幅な重量軽減を行える。なお、この砂型部材１は、レーザービームの熱によって結着硬化させた砂の薄層を積層一体化して３次元造形物を得る積層造形法にて得られるものであるから、その製作において従来のように型砂を充填する型枠が不要であり、湯口４Ａ，４Ｂの上部が突出状になった複雑な形状であっても極めて能率よく製作可能である。また、湯口４Ａ，４Ｂの内空間の上側へ拡径した形態に対応して縦筒４０も上側へ拡径し、もって該縦筒４０全体を必要限度で略一定の肉厚にすることにより、砂型部材１をより軽量化できることになる。しかして、このように湯口４Ａ，４Ｂの縦筒４０を上側へ拡径した形態に設定することは、型抜きの必要がない前記の積層造形法の採用によって初めて可能である。更に、砂型部材１は、強度等の鋳造機能上から不必要な肉部が除かれ、それだけ軽量化されたものとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鋳造用砂型の一実施例について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１２】
図１に示す鋳造用砂型は、既述した図５で示す自動車エンジン用のアルミ合金製エアーサージタンクＴのグラビティ方式による鋳造に使用されるものであり、上型１及び下型２と、該エアーサージタンクＴの内部空間を構成する中子３とからなっている。そして、これら上型１及び下型２と中子３は、いずれも型砂を造形材料とした積層造形法にて製作されている。
【００１３】
鋳造対象のエアーサージタンクＴは、図示省略した分岐管付きマニホールド部材に連結して密閉タンク部とする横長の開放したタンク構成部２１と、このタンク２１の中央部に連通するＪ字形の曲管部２２とからなり、タンク部２１の開口周縁には連結用突縁部２１ａを有すると共に、曲管部２２の先端外周にはエンジンのスロットルポートへ接続するための角形フランジ部２２ａを有し、またタンク２１と曲管部２２との間を繋ぐ補強板部２３を備えている。
【００１４】
中子３は、このエアーサージタンクＴの内側形状に対応して、タンク空間部３ａと曲管空間部３ｂが一体化した略τ形をなし、タンク空間部３ａの全幅にわたる略長方形の巾木３１と、曲管空間部３ｂより延出する短軸型の巾木３２とを有している。
【００１５】
上型１は、いずれも上方に開放した２つの湯口４Ａ，４Ｂと３連の押湯口５及びエアー抜き孔６を備えている。しかして、湯口４Ａ，４Ｂ及びエアー抜き孔６の上部側は、上型１の偏平な本体部１０の上面１０ａから上方へ突出した縦筒４０，６０を構成すると共に、３連の押湯口５の上部側も、本体部１０の上面１０ａから上方へ突出した横長の凸部５０を構成している。
【００１６】
湯口４Ａ，４Ｂの内空間は、図４に示すように、押湯兼用として上下に長く且つ上側へ拡径した形態に設定されている。これに対応して、各縦筒４０も上方へ拡径した形状をなし、その頂部４０ａの外径が基部４０ｂの外径よりも大きくなっており、もって縦筒４０の全体が略一定の肉厚を有している。また、３連の押湯口５の凸部５０も、上側へ幅広となる内空間の形状に対応して、頂部の外幅が基部の外幅よりも大きくなっている。
【００１７】
下型２の上面側には、中子３の下半部を収めて且つ型空間を構成する凹所７と、湯口４Ａに連通する湯道を構成する弧状凹所８と、上型との位置決めを行うための截頭円錐形の嵌合用突起９ａ，９ａとが形成されている。凹所７における７ａ，７ｂは中子３の巾木３１，３２に対応する巾木受け部、凹所７と弧状凹所８との間を結ぶ小凹部８ａ，８ａは湯道から型空間へのせきをなしている。しかして、図４，５に示すように、上型１の下面側には、下型２の凹所７に対向して、中子３の上半部を収めて且つ型空間を構成する凹所を備えると共に、各嵌合用突起９ａに適嵌する嵌合用凹部９ｂを有している。なお、湯口４Ｂは上型１側で中子３の巾木３２に面する湯道に連通し、また３連の押湯口５は型空間におけるエアーサージタンクＴのタンク構成部２１に対応する位置に連通している。
【００１８】
また、本実施例における上型１及び下型２の平面外形は、鋳造品のインテークサージタンクＴの曲管部２２の形状に対応して、図１の仮想線で示すように矩形とした場合に型空間から離れて余剰になる３箇所の領域Ｚを予め除いておくことにより、非矩形をなすように設計されている。
【００１９】
上型１及び下型２と中子３を前記の積層造形法にて製作するには、まずコンピュター上で設計モデルを厚さ１５０〜２５０μｍ程度の多数層Ｐ１  〜Ｐｎに平行スライスした時の各断面パターンのデータを作成し、このデータを積層造形装置のコントローラーに入力し、該造形装置によって自動的に前記のスライスした各層を造形材料の型砂Ｓ（図２，３参照）によって最下層Ｐ１  から順次一層ずつ積層形成する。なお、この型砂Ｓには、一般的に砂粒子の表面にバインダーとして熱硬化性樹脂成分（例えばフェノール樹脂の如き主剤樹脂とヘキサメチレンテトラミンの如き硬化剤との混合物）を被覆したレジンコーテッドサンドが用いられる。
【００２０】
図２及び図３は積層造形装置の一例を示す概略縦断側面図である。積層造形は、図２に示すように、箱型の造形枠４１内に配置した昇降台４２上にべースプレート４３を載置し、リコーター４４の水平移動によって型砂Ｓを前記平行スライスした一層分の厚みでべースプレート４３上に載せ、この型砂Ｓ層の表面にレーザービームＬを最下層Ｐ１  の断面パターンに沿って照射する。これにより、型砂Ｓの粒子表面の熱硬化性樹脂成分がレーザービームＬの熱によって溶融して硬化反応し、隣接する砂粒子同士が硬化した樹脂を介して結着し、照射域全体が一体に結着硬化した型砂Ｓの薄層よりなる２次元パターンの第一層（最下層）Ｐ１  を形成することになる。次いで昇降台４２を前記一層分の厚みだけ下降させ、新たに型砂Ｓを該一層分に相当する厚みで載せ、同様にレーザービームＬを照射して第二層Ｐ２  に対応する結着硬化層を形成し、以降同様にして順次一層分ずつ昇降台２を下降させて型砂Ｓの供給とレーザービームＬの照射を繰り返すことにより、最終的に図３に示すように前記平行スライスした全ての層Ｐ１  〜Ｐｎ  を積層一体化した積層造形物Ｍを形成する。なお、図３では積層造形物Ｍとして上型１を示した。
【００２１】
かくして積層造形が終了すれば、造形枠４１の内側に突設したストッパー４１ａでペースプレート４３を係止し、造形枠４１ごと昇降台４２から取り外し、未硬化の型砂Ｓを除去して形成された積層造形物Ｍを取り出す。なお、リコーター４４は、その移動ストロークの両端において上方に配置した材料供給装置４７より型砂Ｓの供給を受け、下端のスリット状開口部４４ａより型砂Ｓを流出させながら水平移動することにより、１回の水平移動で一つの型砂Ｓ層を形成するようになっている。７０は炭酸ガスレーザーの如きレーザ発振器、７１はレーザービームＬの照射方向を制御するＸＹスキャナーである。
【００２２】
得られた積層造形物Ｍは、砂粒子を結着している熱硬化性樹脂成分にある程度の未反応部を残すため、通常ではポストキュアとして加熱炉等で所定時間の加熱処理を施すことにより、該樹脂成分を完全硬化させる。
【００２３】
かくして得られた積層造形品の上下型１，２と中子３は、図４及び図５に示すように組み付けて鋳型を構成し、湯口４Ａ，４Ｂよりアルミニウム合金の溶湯２０を型空間へ流し込むと共に、押湯口５にも溶湯２０を供給し、該溶湯２０を冷却硬化させる。この溶湯２０の冷却硬化に伴って体積が収縮するが、この収縮による不足分は押湯兼用の湯口４Ａ，４Ｂと押湯口５に満たされた溶湯２０が自重で型空間へ入り込むことによって補充される。かくして、溶湯２０の冷却硬化が完了すれば、鋳型を分解させて鋳造品のインテークサージタンクＴを取り出す。なお、中子３は振動を与えて砂粒に分解させることにより、該鋳造品の中空部内から簡単に除去できる。
【００２４】
上記構成の鋳造用砂型では、上型１の湯口４Ａ，４Ｂは押湯兼用として上下に長く設定されているが、これら湯口４Ａ，４Ｂの上部側が本体部１０より上方へ突出した縦筒４０に構成され、また押湯口５の上部側も同様に凸部５０にて構成されることから、これら湯口４Ａ，４Ｂ及び押湯口５が本体部１０の上面に開口した構造つまり図６で示す従来構造の上型１１に比べて本体部１０の上下厚さは格段に薄くなり、しかも縦筒４０及び凸部５０についても湯口４Ａ，４Ｂ及び押湯口５の上方へ拡がる空間形態に対応して基部側を細くし、もって肉厚を強度上の必要限度に抑えており、更に上下型１，２共に鋳造品の形状に対応して余剰の領域Ｚを除いた非矩形の平面外形としている。
【００２５】
従って、この鋳造用砂型は、前記従来構成の鋳造用砂型（図６参照）に比較して大幅に軽量化しており、その取り扱いに要する労力及びエネルギーが著しく軽減され、また型製作に用いる型砂の量も少なくて済み、省資源に貢献できる。なお、一般的に砂型は３０ｍｍ程度の肉厚があれば、充分に鋳造に耐えるとされている。
【００２６】
また、この鋳造用砂型は、レーザービームの熱によって結着硬化させた砂の薄層を積層一体化して３次元造形物を得る積層造形法にて製作されるから、その製作において従来のように型砂を充填する型枠ならびに製品の木型が不要であり、湯口４Ａ，４Ｂや押湯口５が本体部１０より突出した形状であるにも関わらず、極めて能率よく短時間で製作可能である。しかも、この積層造形法では、造形品の型抜きが不必要であるから、湯口４Ａ，４Ｂの縦筒４０や押湯口５の凸部５０が上方へ拡がった外形であっても、全く支障なく製作可能である。
【００２７】
上記実施例では自動車エンジン用のアルミ合金製エアーサージタンクＴの鋳造に使用される鋳造用砂型を例示したが、本発明は様々な形態の鋳造品を得るための鋳造用砂型全般に適用できることは言うまでもなく、中子のないものや、３個以上に多分割された砂型部材からなるものにも適用可能である。また、上記実施例の砂型はグラビティ方式の鋳造に用いるものであるが、本発明はロープレッシャー方式の鋳造に用いる砂型にも適用可能である。しかして、この後者の鋳造方式に用いる砂型は、湯口が下面に開口しているため、本発明では上方に開口した押湯口を備えるものが適用対象となる。
【００２８】
また、積層造形法では前記のように型抜きが不要であるから、中子を上型又は下型に一体化した砂型や、非分割型つまり内部に型空間を備えた一体物の砂型も製作可能であり、これらにも本発明を適用できる。更に、本発明の鋳造用砂型は、鋳造品の大きさや形状に応じ、湯口及び押湯口の数と配置構成を種々設定できると共に、湯口が押湯を兼用しない構成、押湯兼用の湯口のみで押湯口がない構成も採用可能である。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、鋳造用砂型として、上方に開口した湯口の上部が砂型部材の本体部上面より上方へ突出していることから、該湯口が砂型部材の上面に開口した従来構成に比較して格段に軽量であり、特にグラビティ方式の鋳造に用いる砂型の湯口を押湯兼用等のために上下に長く設定する場合には大幅な重量軽減が可能であり、その取り扱いに要する労力及びエネルギーが著しく軽減され、また型製作に用いる型砂の量も減って省資源に貢献できる上、低コストで能率よく製作できるものが提供される。そして、この鋳造用砂型では、上方に開口した湯口の上部が縦筒をなし、この縦筒の頂部の外径が基部の外径よりも大きく設定されていることから、該縦筒全体を必要限度で略一定の肉厚として、砂型部材の重量をより軽減できる。しかも、砂型部材の平面外形が鋳造対象物の形状に対応して余剰部を除いた非矩形をなすことから、該砂型部材がより軽量化されたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る鋳造用砂型の分解斜視図。
【図２】同鋳造用砂型の積層造形法による製作の初期段階を示す概略縦断側面図。
【図３】同積層造形法による製作の最終段階を示す概略縦断側面図。
【図４】同鋳造用砂型による鋳造状態を示す湯口位置での縦断面図。
【図５】同鋳造状態を示す押湯口位置での縦断面図。
【図６】同鋳造用砂型による鋳造品であるインテークサージタンクの斜視図。
【図７】従来の鋳造用砂型による鋳造状態を示す縦断面図。
【符号の説明】
１            上型（砂型部材）
１０          本体部
１０ａ        上面
２            下型
３            中子
４Ａ，４Ｂ    湯口
４０          縦筒
４０ａ        頂部
４０ｂ        基部
５            押湯口
５０          凸部
６            エアー抜き孔
６０          縦筒
Ｍ            積層造形物
Ｌ            レーザービーム
Ｐ１  〜Ｐｎ    平行スライスした層
Ｓ            型砂
【図１】
0003569243.tif 000002
【図２】
0003569243.tif 000003
【図３】
0003569243.tif 000004
【図４】
0003569243.tif 000005
【図５】
0003569243.tif 000006
【図６】
0003569243.tif 000007
【図７】
0003569243.tif 000008