(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を注湯して鋳物を鋳造する鋳型のキャビティ形状を数値解析に基づいて設計する鋳型設計方法において、前記溶湯が注湯されてから凝固開始までの前記鋳型の熱による変形を数値解析して、注湯から凝固開始時までの鋳型キャビティの形状変化量を求めるとともに、前記鋳物の凝固開始から冷却終了までの凝固と冷却による変形を数値解析して、凝固開始から冷却終了までの鋳物の形状変化量を求め、これらの求められた鋳型キャビティの形状変化量と鋳物の形状変化量とに基づいて、前記鋳型のキャビティ形状を設計することを特徴とする鋳型設計方法。
【請求項２】
前記鋳物の長さ寸法または外径寸法が２００ｍｍ以上である請求項１に記載の鋳型設計方法。
【請求項３】
前記鋳物が軸方向で大径部と小径部を有するものである請求項１または２に記載の鋳型設計方法。
【請求項４】
前記鋳型の熱による変形の数値解析に用いる鋳型材料の物性値に対して、温度依存性を考慮した請求項１乃至３のいずれかに記載の鋳型設計方法。
【請求項５】
前記鋳型に注湯される溶湯の静圧に起因する鋳型の変形を加味して、前記鋳型キャビティの形状変化量を求めるようにした請求項１乃至４のいずれかに記載の鋳型設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳型のキャビティ形状を設計する鋳型設計方法と鋳型に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳物を鋳造する鋳型には一般的に砂型が用いられており、複雑な形状の鋳物を鋳造する場合等には、鋳型は主型と中子とで構成されることもある。砂型を形成する鋳物砂には珪砂が多く用いられ、通常、造型性を高めるために、樹脂等の粘結剤が混煉されている。
【０００３】
鋳物業界では、鋳造後の鋳物の加工代を少なくするために、鋳込まれる鋳物成品形状を最終製品形状に近づける、いわゆるニアネットシェイプ化が進んでいる。このようなニアネットシェイプの鋳造では、伸び尺と呼ばれる鋳物の熱収縮量を見込んで鋳型のキャビティ形状が設計されている。例えば、鋳物材料がねずみ鋳鉄や球状化黒鉛鋳鉄の場合は、０／１０００〜１５／１０００程度の伸び尺が見込まれているが、このような変動幅があるため、長さ寸法や外径寸法が２００ｍｍ以上の大きな鋳物を鋳造するときは、加工代が０〜３ｍｍ以上の範囲で変化することになり、ニアネットシェイプ化の一つの目安となる加工代３ｍｍ未満の鋳物を鋳造することが困難となっている。
【０００４】
このようなニアネットシェイプ鋳造の精度を高めるために、これまでの伸び尺を用いる経験的な鋳型設計方法の替りに、鋳物の凝固・冷却時における収縮および熱変形を、数値解析の一手法である有限要素法によって計算し、その計算結果に基づいて、鋳造用模型の形状、すなわち鋳型のキャビティ形状を決定する鋳型設計方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に記載されたものでは、有限要素法により凝固・冷却時における鋳物および鋳型の温度計算と、それに基づいた熱応力・変形計算とを実施することにより、鋳物の収縮・熱変形を予測し、これを鋳型のキャビティ形状の設計にフィードバックするようにしている。また、鋳物の熱応力と変形解析には、鋳型の変形抵抗および鋳物と鋳型界面との力学的境界条件を考慮するようにしている。
【０００６】
なお、注湯時の鋳型には、注湯される溶湯によって張り気と呼ばれる静圧が内側から作用し、この静圧に起因する変形が生じることが知られており、この静圧による鋳型の変形を抑制する手段がいくつか提案されている（例えば、特許文献２参照）。これらの手段は、いずれも鋳型の外面側を拘束して変形を抑制するものであり、静圧による鋳型の変形を定量化するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３２００２５号公報
【特許文献２】特開２００１−２５９７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された鋳型設計方法は、凝固・冷却時における鋳物の収縮と熱変形を考慮したものであるが、鋳造工程では、高温の溶湯によって注湯から凝固開始までの間に鋳型が熱変形し、この熱変形によって凝固開始時の鋳型のキャビティ形状が変化することが想定される。このため、鋳物の収縮と熱変形を考慮するのみでは、キャビティ形状の設計精度を十分に確保できない問題がある。また、溶湯による鋳型の熱変形は、キャビティを狭めることが予想されるので、鋳造後の鋳物成品の加工代がマイナスとなって、寸法不足の不良品となる恐れもある。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、ニアネットシェイプ鋳造の精度をより高め、かつ、鋳造後の鋳物成品が寸法不足とならないように鋳型のキャビティ形状を設計することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、溶湯を注湯して鋳物を鋳造する鋳型のキャビティ形状を数値解析に基づいて設計する鋳型設計方法において、前記溶湯が注湯されてから凝固開始までの前記鋳型の熱による変形を数値解析して、注湯から凝固開始時までの鋳型キャビティの形状変化量を求めるとともに、前記鋳物の凝固開始から冷却終了までの凝固と冷却による変形を数値解析して、凝固開始から冷却終了までの鋳物の形状変化量を求め、これらの求められた鋳型キャビティの形状変化量と鋳物の形状変化量とに基づいて、前記鋳型のキャビティ形状を設計する方法を採用した。
【００１１】
すなわち、鋳物の外殻ができる凝固開始時から鋳物が常温となる冷却終了までの形状変化量のみでなく、注湯から凝固開始時までの鋳型キャビティの形状変化量も数値解析によって求め、これらの鋳型キャビティの形状変化量と鋳物の形状変化量に基づいて、鋳型のキャビティ形状を設計することにより、凝固開始時における鋳型キャビティ形状を鋳型設計に反映させて、ニアネットシェイプの精度をより高め、かつ、鋳造後の鋳物成品が寸法不足とならないようにした。
【００１２】
前記鋳物の長さ寸法または外径寸法が２００ｍｍ以上である場合は、鋳物成品の加工代をより効果的に低減することができ、加工代を３ｍｍ未満とすることができる。
【００１３】
前記鋳物が軸方向で大径部と小径部を有するものである場合も、鋳物成品の加工代をより効果的に低減することができ、特に、小径部で寸法不足が生じないように加工代を低減することができる。すなわち、小径部を形成する鋳型の部位は、大径部を形成する鋳型の部位よりも、鋳型の熱変形によるキャビティの狭まり度合いが大きくなるからである。
【００１４】
前記鋳型の熱による変形の数値解析に用いる鋳型材料の物性値に対して、温度依存性を考慮することにより、鋳型の熱変形をより精度よく数値解析することができる。なお、この鋳型材料の物性値としては、線膨張率、ヤング率等が挙げられる。
【００１５】
前記鋳型に注湯される溶湯の静圧に起因する鋳型の変形を加味して、前記鋳型キャビティの形状変化量を求めることにより、ニアネットシェイプの精度をさらに高めることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る鋳型設計方法は、鋳物の外殻ができる凝固開始時から鋳物が常温となる冷却終了までの形状変化量のみでなく、注湯から凝固開始時までの鋳型キャビティの形状変化量も数値解析によって求め、これらの鋳型キャビティの形状変化量と鋳物の形状変化量とに基づいて、キャビティ形状を設計するようにしたので、ニアネットシェイプの精度をより高め、かつ、鋳造後の鋳物成品が寸法不足とないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１および第２の実施形態の鋳型設計方法を適用した鋳型の例を示す縦断面図
【図２】図１の鋳型で鋳造される鋳物成品を示す正面図
【図３】第１の実施形態の鋳型設計方法における数値解析の手順を示すフローチャート
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１および第２の実施形態で用いた鋳型材料と鋳物材料の熱膨張線図
【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１および第２の実施形態で用いた鋳型材料と鋳物材料の応力−ひずみ曲線
【図６】第１の実施形態の数値解析で求められた鋳型と鋳物の半径方向の変形量を示すグラフ
【図７】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６の鋳型と鋳物の変形量に基づいて設計した鋳型キャビティの断面形状の一部を拡大して示すグラフ
【図８】第２の実施形態の鋳型設計方法における数値解析の手順を示すフローチャート
【図９】図１の鋳型に作用する静圧を説明する縦断面図
【図１０】第２の実施形態の数値解析で求められた鋳型と鋳物の半径方向の変形量を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１は、第１および第２の実施形態の鋳型設計方法を適用した鋳型１を、図２は、この鋳型１で鋳造される鋳物成品としてのスクリュ圧縮機用ロータ１１を示す。このスクリュ圧縮機用ロータ１１は球状化黒鉛鋳鉄（ＪＩＳ；ＦＣＤ５００）で形成されており、軸方向の全長が８６０ｍｍとされ、軸方向で大径部と小径部を有するスクリュ部１１ａは、長さ寸法が４６０ｍｍ、外径寸法が２４０ｍｍとされている。
【００２０】
前記鋳型１は、主型１ａと、スクリュ部１１ａを鋳造する中子１ｂとで構成され、いずれの鋳物砂にも粘結剤としての樹脂が混煉された珪砂が用いられている。鋳型１には、スクリュ圧縮機用ロータ１１を鋳造するキャビティ２が縦向きに形成され、その上方に押し湯部３が設けられるとともに、溶湯が注湯される注湯部４と、注湯された溶湯をキャビティ２に導く湯道５が設けられている。
【００２１】
図３は、第１の実施形態の鋳型設計方法における数値解析の手順を示す。この数値解析用のソフトは、溶湯の流動、凝固計算と系全体の伝熱計算を行う鋳造解析ソフト２１と、鋳型の変形計算を行う変形解析ソフト２２と、鋳物の変形計算を行う変形解析ソフト２３とからなる。ここでは、鋳造解析ソフト２１には有限要素法の計算ソフトＪＳＣＡＳＴ（商品名；クオリカ社製）を用い、各変形解析ソフト２２、２３には有限要素法の計算ソフトＡＢＡＱＵＳ（商品名；シムリア社製）を用いている。なお、これらの計算ソフトは、有限要素法のものに限定されることはなく、差分法等の計算ソフトを用いてもよい。
【００２２】
まず、前記鋳造解析ソフト２１に、鋳造方案（鋳型形状、鋳物形状、注湯温度、注湯量、注湯速度）、鋳型材料の熱特性（密度、比熱、熱伝導率）、鋳物材料の熱特性（密度、比熱、熱伝導率、固相線温度、液相線温度、凝固潜熱）、および熱境界条件（鋳型−鋳物間の熱伝達率、鋳型−雰囲気間の熱伝達率、雰囲気温度）を入力データとして入力し、経過各時刻における鋳型と鋳物の温度分布および鋳物の固相率を計算するとともに、溶湯の凝固開始時刻ＴＳを算出する。ここでは、鋳物の全表面温度が固相線温度（１１４０℃）以下となり、鋳物の外殻ができる時刻を凝固開始時刻ＴＳとする。
【００２３】
つぎに、前記変形解析ソフト２２に、鋳造解析ソフト２１で計算された時刻０〜ＴＳにおける鋳型の温度分布と、別途に求められた鋳型材料の物性値である線膨張率およびヤング率が入力され、時刻０〜ＴＳの間に生じる鋳型の熱による変形量が算出される。これと並行して、変形解析ソフト２３に、鋳造解析ソフト２１で計算された時刻ＴＳ〜冷却終了時、すなわち鋳物が常温となるまでの鋳物の温度分布と、別途に求められた鋳物材料の物性値である線膨張率およびヤング率が入力され、時刻ＴＳ〜冷却終了時までの間に生じる鋳物の変形量が算出される。最後に、これらの算出された鋳型と鋳物の凝固と冷却による変形量が、最初に入力された鋳型のキャビティ形状に加算され、キャビティ形状が設計される。
【００２４】
図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ前記鋳型材料としての樹脂が混煉された珪砂と、鋳物材料としてのＦＣＤ５００についての既知の熱膨張線図である。表１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）の熱膨張線図から求めた代表的な各温度における樹脂混煉珪砂とＦＣＤ５００の線膨張率であり、各変形解析ソフト２２、２３の入力データとして用いたものである。
【００２５】
【表１】
0005839582.tif 000002
【００２６】
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ各試験温度における圧縮試験で求めた鋳型材料の応力−ひずみ曲線と、引張試験で求めた鋳物材料の応力−ひずみ曲線である。表２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）、（ｂ）の応力−ひずみ曲線から求めた代表的な各温度における樹脂混煉珪砂とＦＣＤ５００のヤング率であり、各変形解析ソフト２２、２３の入力データとして用いたものである。
【００２７】
【表２】
0005839582.tif 000003
【００２８】
図６は、第１の実施形態の数値解析で求められた各軸方向座標での鋳型と鋳物の径方向の変形量（半径分）を示す。図６には、鋳型と鋳物の変形量を加算した値も示し、鋳物成品形状も併せて示す。なお、この鋳物成品形状は加工代を２ｍｍ見込んだものである。この数値解析結果より、鋳型の変形量は、キャビティを狭めるマイナスの値となり、鋳物のスクリュ部を鋳造する部位ではスクリュの山部（大径部）よりもスクリュの谷部（小径部）で狭まり量が大きくなる。また、鋳物の変形量も径が縮径するマイナスの値となり、スクリュ部では谷部（小径部）よりも山部（大径部）で縮径量が大きくなる。この結果、鋳型と鋳物の変形量を加算した値は、スクリュ相当部では、半径分で約３ｍｍ、直径分で６ｍｍのほぼ一定のマイナスの値（収縮値）となっている。なお、図示は省略するが、本数値解析では、鋳型と鋳物の３次元の変形量が求められ、これらの軸方向の変形量もマイナスの値となる。
【実施例】
【００２９】
図７（ａ）、（ｂ）は、図６の鋳型と鋳物の変形量を加算した値に基づいて鋳型を設計した実施例のキャビティ断面形状を、それぞれスクリュ部の山部と谷部について拡大して示す。各図中には、比較例として、凝固開始時から冷却終了までの鋳物の変形量のみを考慮して設計したキャビティ断面形状も示す。注湯から凝固開始時までの鋳型の変形量を考慮していない比較例では、図７（ｂ）に示すスクリュ部の谷部での収縮量が小さく見込まれ、谷部でのキャビティ径が実施例よりも小さく設計されている。このため、スクリュ部の谷部で２ｍｍの加工代を割り込み、鋳物成品が寸法不足の不良品となる恐れがある。これに対して、注湯から凝固開始時までの鋳型の変形量を考慮した実施例では、スクリュ部の収縮量が山部でも谷部でもほぼ一定に見込まれており、鋳物成品が谷部で寸法不足の不良品となる恐れはなく、加工代を小さくして、ニアネットシェイプの精度を高めることができる。
【００３０】
図８は、第２の実施形態の鋳型設計方法における数値解析の手順を示す。この数値解析の基本的な手順は、第１の実施形態のものと同じであり、図１に示した鋳型１の変形計算を行う変形解析ソフト２２に、注湯される溶湯の静圧に起因する鋳型１の変形を加味している点が異なる。その他は第１の実施形態と同じであり、図２に示した鋳物成品としてのスクリュ圧縮機用ロータ１１はＦＣＤ５００で形成され、鋳物砂には樹脂が混煉された珪砂が用いられている。
【００３１】
すなわち、第２の実施形態では、図９に示すように、キャビティ２の各部位で鋳型１に内側から作用する静圧ｐによる変形を加味している。湯面Ａからの深さをｚ、溶湯の密度をρ、重力加速度をｇとすると、深さｚの位置における静圧ｐ（ｚ）は、（１）式で表される。
ｐ（ｚ）＝ρ・ｇ・ｚ                                                  （１）
（１）式で求められる各部位のｐ（ｚ）は、変形解析ソフト２２に用いる有限要素法モデルのキャビティ面の各接点に垂直に付加される。
【００３２】
図１０は、第２の実施形態の数値解析で求められた各軸方向座標での鋳型と鋳物の径方向の変形量（半径分）と、これらの鋳型と鋳物の変形量を加算した値を示す。図１０には、加工代を２ｍｍ見込んだ鋳物成品形状も併せて示す。なお、軸方向座標は、鋳型内における鋳物成品の最深位置を原点としており、軸方向座標が大きくなるほど、湯面からの深さｚは浅くなる。また、図１０における鋳型と鋳物の変形量およびこれらの加算値は、第１の実施形態の数値解析結果を示した図６よりも、スケールを拡大して示している。
【００３３】
静圧ｐによる鋳型の変形を加味した第２の実施形態の数値解析結果を示す図１０では、第１の実施形態の数値解析結果を示す図６に較べて、鋳型の変形量がプラス側へシフトしており、このシフト量は、湯面からの深さｚが深くなる軸方向座標が小さい領域ほど大きくなっている。このため、図６では、鋳型の変形量がスクリュ部を鋳造するほとんど全ての部位でキャビティを狭めるマイナスの値となっていたのに対して、図１０では、スクリュの各山部（大径部）で、キャビティを拡げるプラスの値となっていることが分かる。なお、鋳物の変形量は第１の実施形態のものと同じである。この結果、スクリュ相当部での鋳型と鋳物の変形量を加算した値は、マイナスの値（収縮値）の絶対値が図６よりも小さくなっており、収縮値をより厳密に見積もって、ニアネットシェイプの精度をさらに高めることができる。
【００３４】
上述した実施形態では、鋳造される鋳物成品を球状化黒鉛鋳鉄のスクリュ圧縮機用ロータとしたが、本発明に係る鋳型設計方法と鋳型は、球状化黒鉛鋳鉄の鋳物の鋳造用に限定されることはなく、ねずみ鋳鉄や鋼の鋳造に用いることもでき、アルミニウム等の非鉄金属の鋳造にも用いることができる。また、鋳物成品もスクリュ圧縮機用ロータに限定されることはなく、特に、長さ寸法や外径寸法が２００ｍｍ以上の大寸法の鋳物成品や、軸方向で大径部と小径部を有する鋳物成品の鋳造に好適である。
【符号の説明】
【００３５】
１  鋳型
１ａ  主型
１ｂ  中子
２  キャビティ
３  押し湯部
４  注湯部
５  湯道
１１  スクリュ圧縮機用ロータ
１１ａ  スクリュ部
２１  鋳造解析ソフト
２２、２３  変形解析ソフト
【図１】
0005839582.tif 000004
【図２】
0005839582.tif 000005
【図３】
0005839582.tif 000006
【図４】
0005839582.tif 000007
【図５】
0005839582.tif 000008
【図６】
0005839582.tif 000009
【図７】
0005839582.tif 000010
【図８】
0005839582.tif 000011
【図９】
0005839582.tif 000012
【図１０】
0005839582.tif 000013