(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主板と側板の間に翼が配置された羽根車を鋳造するための鋳型を製造する方法であって、
前記翼を形成すべきキャビティに相当する形状の抜き型を迅速模型製造法によって形成し、この抜き型を基に該抜き型の形状のキャビティを有する、前記主板と側板の間に挟まれる部分に相当する部分の中子を作成する工程と、
前記主板及び側板を形成すべきキャビティに相当する形状の消失模型を作成する工程と、
前記消失模型内に前記中子を配置して固定し、この消失模型の外面を覆うシェルを形成する工程と、
前記消失模型を消失させる工程とを有することを特徴とする鋳型製造方法。
【請求項２】
前記中子作成工程において、前記主板と側板に相当する形状の中子取り型を形成し、前記中子取り型の内部に前記抜き型を配置してから前記中子取り型の内部にセラミックスラリーを流し込んで固化させ、前記抜き型を抜き取って中子を形成することを特徴とする請求項１に記載の鋳型製造方法。
【請求項３】
前記消失模型を機械加工により製作することを特徴とする請求項１に記載の鋳型製造方法。
【請求項４】
前記中子取り型と抜き型に互いに係合する係合部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の鋳型製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ターボ機械の羽根車を鋳造するために使用される鋳型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に示すような主板１００と側板１０１の内側に複数（図示では３枚）の翼１０２を備えたターボ機械の羽根車１０４は、砂型鋳造法、或いはインベストメント鋳造法のいずれかで製作されている。
【０００３】
砂型鋳造法は、図６に示すように、砂型からなる下型１０６、中子１０８及び上型１１０を組合わせて鋳型１１２を作り、この鋳型１１２の製品形状（羽根車１０４の形状）を有するキャビティ１１４内に金属溶湯を注湯して凝固させる鋳造法である。中子１０８は、図７に示すように、翼１０２の数と同じ数に分割された分割中子１１６を円板状に組合せて構成される。砂型、すなわち、上型１１０、各分割中子１１６及び下型１０６は、図８に示すように、上型用木型１１８、分割中子用木型１２０及び下型用木型１２２を製作し、これらの各木型１１８，１２０，１２２内に鋳型砂を充填して固化させることにより製作される。
【０００４】
一方、インベストメント鋳造法は、図９に示すように、内部に中子１３０を配置した状態で一体に形成した鋳型１３２のキャビティ１３４内に金属溶湯を注湯して凝固させる鋳造法である。中子１３０は、砂型鋳造法と同様に、翼１０２の数と同じ数に分割された分割中子を円板状に組合せて構成される。
【０００５】
これは、図１０に示すように、分割中子用金型１３６内にこの注入口１３８からスラリーを注入し、固化後に脱型して分割中子を成形する。そして、図１１に示すように、この分割中子を組合せて中子１３０を構成し、これを消失模型用金型１４０内に配置し（同図（ａ））、この注入口１４０ａからワックス等を注入して固化させた後に脱型して消失模型１４２を成形する（同図（ｂ））。そして、この消失模型１４２の外周面にシェル１４４を付け（同図（ｃ））、しかる後、消失模型１４２を消失させて製作されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記砂型鋳造法では、上型、下型及び中子用の各々の木型を製作する必要があり、一方、インベストメント鋳造法では、中子用金型、消失模型用金型を製作する必要がある。これらの木型や金型の製作は手間の掛かる作業であり、日数を要するばかりでなく、製作費用もかなり高くなってしまう。
【０００７】
また、羽根車の翼は複雑な形状を有しており、これを鋳造するキャビティを分割成形した中子の間に形成するので、この時の位置合わせの誤差がそのまま製品の厚さや形状に影響して、最終製品の寸法精度の低下に繋がるという問題があった。
【０００８】
この発明は、上記のような課題に鑑み、複雑な形状を有する羽根車を鋳造する鋳型を、できるだけ自動化した工程により精度良くかつ容易に製造できる鋳型製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、主板と側板の間に翼が配置された羽根車を鋳造するための鋳型を製造する方法であって、前記翼を形成すべきキャビティに相当する形状の抜き型を迅速模型製造法によって形成し、この抜き型を基に該抜き型の形状のキャビティを有する、前記主板と側板の間に挟まれる部分に相当する部分の中子を作成する工程と、前記主板及び側板を形成すべきキャビティに相当する形状の消失模型を作成する工程と、前記消失模型内に前記中子を配置して固定し、この消失模型の外面を覆うシェルを形成する工程と、前記消失模型を消失させる工程とを有することを特徴とする鋳型製造方法である。
【００１０】
これにより、翼に相当するキャビティを有する中子を精度良く作製することができ、これと主板及び側板に相当する形状の消失模型とを組み合わせてその外面をシェルで覆い、消失模型を消失させることにより、複雑な形状の羽根車を鋳造するための鋳型が精度良くかつ容易に作製される。迅速模型製造法としては、選択レーザ焼結方法、液滴噴射法、溶融堆積法、光造形法、薄板積層法、固体下地硬化法がある。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記中子作成工程において、前記主板と側板に相当する形状の中子取り型を形成し、前記中子取り型の内部に前記抜き型を配置してから前記中子取り型の内部にセラミックスラリーを流し込んで固化させ、前記抜き型を抜き取って中子を形成することを特徴とする請求項１に記載の鋳型製造方法である。抜き型を弾性体で作製することにより、作製された中子からの抜き取りが容易になる。中子取り型は、ウレタン樹脂等を、予め入力されたプログラム（ＣＡＭ）に沿って工具を操作する自動制御加工機械により直接加工することで、容易かつ精度良く作製できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記消失模型を機械加工により製作することを特徴とする請求項１に記載の鋳型製造方法である。消失模型を注型によって作製することもできるが、多孔質樹脂のような直接加工可能な素材を用いて加工成形するよって、簡単な工程で精度良く作製することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記中子取り型と抜き型に互いに係合する係合部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の鋳型製造方法である。これにより、両者の位置決めが容易となり、また、中子取り型内にスラリーを注入する時の抜き型の変形を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の１つの実施の形態について、図１ないし図４を参照して説明する。ここでは、図５に示すような主板１００と側板１０１の間に３枚の翼１０２を有する羽根車１０４を鋳造するのに使用される鋳型の製造方法について説明する。
【００１５】
先ず、翼１０２の形状を有する３枚の抜き型１０を、例えばエラストマ、２００℃以下の低軟化点を持つ樹脂、或いはワックス等で作製する。抜き型１０には、後述する下型１２に位置決めするための凸部１０ａが形成されている。抜き型１０は、この実施の形態では、エラストマ（商品名：デュラフォーム）を材料として、迅速模型製造法の１種である選択レーザ焼結装置を用いた光造形法によって作製されている。これを、図４を参照して説明する。
【００１６】
選択レーザ焼結装置２０のチャンバ２２内に粒子状のエラストマ材を供給して、例えば０．１ｍｍの厚さｈのエラストマ材層２４を形成する。そして、炭酸ガスレーザ発生装置等のレーザ光源２６からのレーザ光をミラー２８を介してエラストマ材層２４に照射し、このレーザ光が照射された部分に位置するエラストマ材を選択的に溶融硬化（焼結）させ、エラストマ薄片３０を形成する。以下、この工程を繰り返してエラストマ薄片３０を順次積層し、所定の形状を形成する。レーザ光の照射パターンは、作製すべき形状を予め記憶した記憶部を有する制御装置によって制御される。この方法によって、予め入力されたデータに基づき、高度の形状再現性を持ってかつ簡単な工程で、抜き型１０を製造することができる。
【００１７】
一方、中子取り型１６を構成する下型１２と上型１４は、板状のウレタン樹脂を、予め入力されたプログラム（ＣＡＭ）に沿って工具を操作する自動制御加工機械（ＮＣ加工機械）により直接加工することによって作製される。下型１２には、抜き型１０の凸部１０ａに対応する位置に凹部１２ａが形成されている。この方法によって、予め入力されたデータに基づき、高度の形状再現性を持ってかつ簡単な工程で、下型１２及び上型１４を製造することができる。
【００１８】
次に、図１（ａ）に示すように、抜き型１０の凸部１０ａを下型１２の凹部１２ａに係合させて、下型１２の所定位置に抜き型１０を固定し、これに上型１４を被せて係合させ、さらに中子取り型１６の外周端開口部を通気穴３４ａを有する塞板３４で塞いで中子取り型１６を完成させる。そして、図１（ｂ）に示すように、中子取り型１６を回転させつつ、上端開口部からこの内部に、例えば耐火材のＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｚｒ２Ｏ３を主成分とするゾル状のスラリー３２を流し込む。
【００１９】
スラリー３２が乾燥して固化した後に中子取り型１６から脱型し、抜き型１０を抜き取り、図１（ｃ）及び図３に示すように、内部に抜き型１０の形状のキャビティ４０を有する中子４２を一体に成形する。この時、抜き型１０は、エラストマ製であるため、弾性変形させて容易に抜き取ることができる。
【００２０】
なお、抜き型１０を、選択レーザ焼結装置を用いた光造形法により、例えば２００℃以下の低軟化点を持つ樹脂アクリル樹脂（商品名：ツルーフォーム）で成形することができ、この場合には、スラリー固化後に恒温機内で１５０℃に加熱してこれを軟化させて抜き取ることができる。
【００２１】
一方、板状の多孔質樹脂或いはワックスを素材とし、予め入力されたプログラム（ＣＡＭ）に沿って工具を操作する自動制御加工機械（ＮＣ加工機械）によって加工を施して、図５に示す主板１００及び側板１０１の形状を有する下模型５０と上模型５２とからなる２つ割の消失模型５４を作製しておく。この実施の形態では、この下模型５０と上模型５２は、気孔率４０％のウレタン樹脂（商品名：ツルーフォーム）を削り出して作製されている。なお、この多孔質樹脂は、加熱時の線膨張を空孔で吸収できるよう、１５％以上の気孔率を持つものを使用することが望ましい。
【００２２】
次に、図２（ａ）に示すように、中子４２と消失模型５４を接着し、下模型５０と上模型５２の間に中子４２を配置して固定する。そして、図２（ｂ）に示すように、これらの消失模型５４の外周面に、例えば耐火材のＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｚｒ２Ｏ３を主成分とするゾル状のスラリーを噴霧して付着させ、乾燥硬化させてシェル５６を形成する。これを、例えば１０００℃の炉内で焼成して消失模型５４を消失させ、図２（ｃ）に示すような内部に主板１００、側板１０１及び翼の間の空間の形状のキャビティ６０を有する鋳型６２が得られる。なお、消失模型５４をワックスで製作した場合には、この外周面にシェルを付けた後、このワックス製の消失模型を溶出させる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、翼に相当するキャビティを有する中子を迅速模型製造法により精度良く作製し、これと主板及び側板に相当する形状の消失模型とを組み合わせてその外面をシェルで覆い、消失模型を消失させることにより、複雑な形状の羽根車を鋳造するための鋳型が、自動化した工程により精度良くかつ容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の鋳型の製造例の工程を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の鋳型の製造例の図１に続く工程を示す断面図である。
【図３】図１に示す工程で作製された中子の平面図である。
【図４】抜き型の製造例の説明に付する概略図である。
【図５】本発明の実施の形態によって製造されるターボ機械の羽根車を示す斜視図である。
【図６】従来の砂型鋳造法に使用される鋳型（砂型）を示す断面図である。
【図７】同じく、分割中子を組合せて中子を構成した状態の平面図である。
【図８】同じく、各砂型の製造に使用されるそれぞれ異なる木型を示す断面図である。
【図９】従来のインベストメント鋳造法に使用される鋳型を示す断面図である。
【図１０】同じく、分割中子の製造に使用される金型を示す断面図である。
【図１１】同じく、鋳型の製造例を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
１０  抜き型
１２  下型
１４  上型
１６  中子取り型
２０  選択レーザ焼結装置
３２  スラリー
４０  キャビティ
４２  中子
５０  下模型
５２  上模型
５４  消失模型
５６  シェル
６０  キャビティ
６２  鋳型
【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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【図９】
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【図１０】
0003556091.tif 000011
【図１１】
0003556091.tif 000012