(57)【要約】【課題】鋳物を製作する方法において試行錯誤を繰り返すことで鋳型及び中子の廃棄する量を低減し、それだけ試作に時間及びコストをかけずに高精度な鋳物を製作できる鋳造方法を提供する。【解決手段】鋳物の完成設計図を基に金型を製作し、前記設計図を基に鋳造方案を検討、決定し、前記図面、鋳造方案を基に前記鋳物、鋳型（及び必要とあらば中子）の数値解析モデルを作成し、数値解析によりひずみ及び（又は）応力解析を行い、前記解析結果を基に割れ評価し、評価を基に再度数値解析を行う又は鋳物の試作を開始する鋳造方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳物の完成設計図を基に金型を製作し、
前記設計図を基に鋳造方案を検討、決定し、
前記図面、鋳造方案を基に前記鋳物、鋳型及び（又は）中子の数値解析モデルを作成し、
前記数値解析モデル及び鋳造方案を基に数値解析によりひずみ及び（又は）応力解析を行い、
前記解析結果にて割れ及び（又は）変形が発生するかを評価し、
評価に対して割れ及び（又は）変形が発生するとの評価が出たときはその部分にひずみ量及び（又は）応力を低減する対策を実行したのち前記の方法で再度数値計算を行い、
解析結果にて割れ及び（又は）変形が発生しないとの評価が出たときに、鋳物の試作を開始することを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】
鋳物の完成設計図を基に金型を作製する金型作製工程と、
前記金型を基にロウ型を作製するロウ型作製工程と、
前記ロウ型を基に鋳型を作製する鋳型作製工程と、
前記鋳型内部のロウ型を溶かして該ロウ型を溶出する脱ロウ工程と、
前記鋳型を高温で焼き固め、該鋳型を焼成する鋳型焼成工程と、
前記鋳型に溶湯を鋳込む鋳込み工程とを有する鋳造方法であり、
前記鋳型作製工程、前記脱ロウ工程、前記鋳型焼成工程及び鋳込み工程に対して前記数値解析を用いて割れ及び（又は）変形の発生の評価を行い、該数値解析の結果を基に前記鋳型及び（又は）中子の形状及び鋳造方案を確定して鋳物の試作及び量産を行う請求項１記載の鋳造方法。
【請求項３】
前記数値解析として有限要素法を用いる請求項１又は２記載の鋳造方法。
【請求項４】
前記鋳物は精密鋳造物である請求項１、２又は３記載の鋳造方法。
【請求項５】
前記鋳物はタービン部品である請求項１から４いずれかに記載の鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、数値解析を用いた鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳物は凝固及び冷却時に数％収縮することが知られている。この収縮量は鋳物、鋳型及び中子の材質や形状によって異なる。また、鋳型や中子も温度によって膨張収縮する。
【０００３】
鋳物と鋳型及び中子との収縮量の差によって、鋳物が冷却するときに該鋳物の中でも弱い部分等で鋳物が変形したり、場合によっては割れが生じたりする。
【０００４】
従来、上述の変形や割れが生じないようにするため、図２に示す流れ図のような手法で鋳造物の材質、鋳型及び中子の材質及び形状等を、鋳造技術者の経験や試作検討を繰り返すこと等によって決定されていた。
【０００５】
すなわち、まず設計図を基に金型を製作する（１）。前記設計図を基に方案を検討し（２）、該方案と前記金型を基にして、鋳型（及び必要とあらば中子）を作成し、鋳物の試作品を製作する（３）。出来上がった鋳物の割れを検査し（４）、割れがある場合は方案変更（５）を行い、なければ、量産（６）に入る。
【０００６】
それに対して、特願平１１−３２００２５号公報にて、鋳型の変形特性を計算条件に加えて鋳物の凝固・冷却における収縮及び熱変形を２次元又は３次元有限要素法により計算し、その結果に基づいて鋳造用模型の形状を決定する鋳造用模型の設計方法が提案されている。
【０００７】
上記方法を用いることで、鋳物の収縮量・変形量をより正確に予想することができ、寸法精度の良好な鋳物を製造することができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−３２００２５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鋳造技術者の経験によって鋳造用模型の形状を決定する場合、鋳造技術者の経験数や技術によって模型の仕上がりにばらつきが生じることがある。また、鋳造技術者が経験したことのない形状の鋳物である場合、それまでの経験をうまく適用して模型を作れる場合もあるが、経験が活用できない場合もある。
【００１０】
また試作検討を繰り返す場合は、試作品の製作を繰り返すことでより精度の高いものを作り上げることができるが、試作品の製作にはコストも時間もかかる。
【００１１】
また、２次元又は３次元有限要素法を用いて鋳物の凝固・冷却における収縮及び熱変形を計算し、その結果に基づいて鋳造用模型を製作する方法は、試作検討を繰り返す場合に比べてより少ないコスト及び時間で鋳造模型を作成することができる。
【００１２】
しかしながら、鋳造用模型を精度よく最適又は略最適な形状で制作できるとしても、鋳物の凝固・冷却による収縮及び熱変形以外の要因による鋳造模型の不良（変形、割れ等）に関しては、試行錯誤によって解決されていた。
【００１３】
このような問題を鑑みて、本発明は、鋳物を製作する方法において試行錯誤を繰り返すことで鋳型及び中子の廃棄する量を低減し、それだけ試作に時間及びコストをかけずに高精度な鋳物を製作できる鋳造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
また本発明は、鋳型（及び必要とあらば中子）の試作による破棄量を低減することができ、それだけ省エネルギ化を図ることができる鋳造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、鋳物の完成設計図を基に金型を製作し、前記設計図を基に鋳造方案を検討、決定し、前記図面、鋳造方案を基に前記鋳物、鋳型（及び必要とあらば中子）の数値解析モデルを作成し、前記数値解析モデル及び鋳造方案を基に数値解析によりひずみ及び（又は）応力解析を行い、前記解析結果にて割れ及び（又は）変形が発生するかを評価し、評価に対して割れ及び（又は）変形が発生するとの評価が出たときはその部分にひずみ量及び（又は）応力を低減する対策を実行したのち前記の方法で再度数値計算を行い、解析結果にて割れ及び（又は）変形が発生しないとの評価が出たときに、鋳物の試作を開始することを特徴とする鋳造方法を提供する。
【００１６】
このようにすることで、従来のように複数回にわたる試作検討を繰り返す場合と比べて、試作のための鋳型（及び必要とあらば中子）の作製に変わって、数値解析モデルの作成をすればよく、時間、コストともに大幅に削減される。
【００１７】
前記数値解析をおこなう工程として、ロウ型を基に鋳型を作製する鋳型作製工程と、前記鋳型内部のロウ型を溶かして排出するロウ型を溶出する脱ロウ工程と、前記鋳型を高温で焼き固める鋳型を焼成する鋳型焼成工程と、前記鋳型に溶湯を鋳込む鋳込み工程を例示することができる。
【００１８】
このようにすることで、数値解析を行う工程が限定され、それだけ少ない労力と時間で鋳型（及び必要とあらば中子）の形状を確定することができる。
【００１９】
前記鋳型作製工程において、鋳型の材料であるスラリーにロウ型を浸漬したときのスラリーの静水圧、スラリー層を均一にするためロウ型を旋回させたときのロウ型及び鋳型の姿勢による自重たわみ、及び姿勢変化による偶力、スラリーの表面に吹き付けられる耐火砂が当たる圧力等を数値解析の解析要件として挙げることができる。
【００２０】
前記脱ロウ工程において、脱ロウ工程における蒸気圧力及び温度、該温度による鋳型と中子の膨張差による応力、ロウの膨張による内圧等を数値解析の解析要件として挙げることができる。
【００２１】
前記鋳型焼成工程において、鋳型焼成時の昇温速度、加熱温度、冷却速度及び鋳型と中子の加熱時の膨張差、冷却時の収縮差により発生する応力等を解析要件として挙げることができる。
【００２２】
前記鋳込み工程において、予め鋳型を加熱するときの加熱温度、溶湯の流動速度、溶湯の鋳込み温度、溶湯の冷却速度等を数値解析の解析要件としてあげることができる。
【００２３】
上述の要件以外にも鋳造時の鋳物、鋳型（及び必要とあらば中子）の変形や応力が発生する要件があれば数値解析の要件として広く採用することができる。
【００２４】
また、前記数値解析方法として、有限要素法を例示することができる。
【００２５】
有限要素法は、数値解析手法としていろいろな場面で広く使われており、汎用性も高く、数値解析モデルを作成する上でも、汎用プログラムが利用可能であり、それだけ有利である。
【００２６】
前記鋳物として精密鋳造物を例示することができる。
【００２７】
数値解析を併用することで、複雑な形状を有するものや薄くて広い面積を有するもの等の精密ものも精度良く、なお且つ試作の回数を減少させて効率よく鋳造することが可能である。
【００２８】
また、前記鋳造物としてタービン部品を例示することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る鋳造方法を図面を参照して説明する。
【００３０】
図１に本発明に係る鋳造方法の１例の流れ図を示す。
【００３１】
図１に示す鋳造方法は、予め用意された製品図面を基に、鋳物の形状と同一の金型を作成する（１）。それと同時に、鋳造方案の検討を行う（２）。
【００３２】
鋳造法案の検討を行った後、鋳型及び中子の形状を仮決定し、製品図面を基にした製品形状をもとに数値解析モデルを作製する（３）。数値解析モデルに対して、後述する複数の鋳造工程において、ひずみ及び応力発生の要因を境界条件として数値解析を行う（４）。
【００３３】
数値解析の結果、ひずみ及び応力によって割れが発生するかどうか検討し、割れが発生する結果が出た場合、鋳造方案の検討（２）から再度検討しなおす。また、割れが発生しない結果が出た場合、予め製作した金型を基に鋳型及び中子を製作し、鋳型及び中子を組み付けた後に溶湯を流し込んで鋳物の試作を行う（５）。
【００３４】
試作品が完成した後に、該完成品の割れ及び（又は）変形を確認する割れ評価を行う（６）。割れ評価にて割れ及び（又は）変形がないと確認された場合、試作工程（５）で製作した鋳型及び中子を完成品用の鋳型及び中子として、鋳物の完成品を製作する（７）。試作品に割れ及び（又は）変形があった場合、再度方案検討（２）に戻って再検討し直す。
【００３５】
また、数値解析に用いる各工程及び該工程におけるひずみ及び応力のかかる条件は以下のとおりである。
【００３６】
１．鋳型作製工程
鋳型作製を行うときには、蝋で形成した出来上がり製品と同一形状のロウ型を予め作製しておき、ロウ型に中子を固定し、該ロウ型を鋳型形成用のスラリー内に浸漬する。そのときにスラリーによってロウ型が受ける静水圧によって割れを起こしたり、変形したりする。
【００３７】
次に、スラリーに浸漬したロウ型は、該ロウ型に均一にスラリーの層ができるように、旋回される。そのときにロウ型の一部分支持して行われるために、支持された角度によっては、自重により、割れを起こしたり変形したりする。また、旋回することで該ロウ型にモーメントが掛かりその旋回によるモーメントで割れや変形が発生することがある。
【００３８】
また、ロウ型の表面にスラリーの層を形成した後に耐火砂を吹き付けるのであるが、該耐火砂の吹きつけによって砂が当たる圧力もロウ型の割れや変形を引き起こしたり、スラリー層の割れや変形を引き起こす要因となる。
【００３９】
２．脱ロウ工程
前記の鋳型作製工程において、ロウ型の表面のスラリー層とその上に吹き付けられた耐火砂で形成された鋳型になる部分を乾燥させた後、蒸気圧中で加熱し内部のロウ型を溶かして取り出す。そのときの蒸気圧によって鋳型及び中子に割れや変形が生じることがある。また、そのとき、鋳型及び中子の温度変化によって鋳型及び中子の熱膨張や、鋳型と中子の膨張率の差異によって割れや変形が生じることもある。
【００４０】
また、ロウが急激に熱せられることで、溶けると同時に急激に膨張し、鋳型内部に圧力を生じさせる。該ロウの膨張圧力に鋳型や中子が耐え切れずに割れ、変形が発生することがある。
【００４１】
３．鋳型焼成工程
前記脱ロウ工程にてロウ型が取り除かれた鋳型は、熱を加えて焼き固める。このときの加熱速度によって鋳型及び中子が急加熱されて急膨張し、割れや変形が発生することがある。また、鋳型と中子の膨張差によって該鋳型と中子の接続部に割れや変形が発生することもある。
【００４２】
また、焼成温度が高すぎると鋳型、中子が該温度に耐えきれずに割れ、変形を起こすことがある。
【００４３】
そして、冷却時の冷却速度が急速である場合、急冷による急激な収縮を起こすことで鋳型、中子が割れたり、変形したりすることがある。また、鋳型と中子の収縮差によって、該鋳型と中子の接続部が割れたり、変形したりすることもありえる。
【００４４】
４．鋳込み工程
予め所定の温度に加熱しておいた鋳型を炉内に設置し、真空雰囲気中で溶湯を流し込む。そのときの鋳型の加熱温度によって鋳型及び中子が割れたり変形したりする。
【００４５】
また、溶湯を流し込む時の溶湯の流速が速すぎると鋳型や中子に溶湯が当たったときに大きな応力がかかる。それによって、鋳型や中子に割れ、変形が生じる場合がある。また、溶湯の温度が高いと、鋳型、中子が該温度に耐えきれずに割れが発生したり、変形したりする。
【００４６】
また、溶湯を冷却して鋳物とするときに溶湯が凝固し、その後冷えて固まるが凝固した後にさらに冷えるときに鋳物は収縮する。それとともに、鋳型、中子も収縮するが、鋳物、鋳型及び中子の収縮差が生じると、鋳物、鋳型及び中子いずれもに、応力が発生する。その応力によって鋳物、鋳型及び中子のうち少なくとも一つに割れが発生したり、変形が発生したりすることがある。
【００４７】
上述の条件を踏まえたうえで、有限要素法を用いて数値解析を行う。その結果を基に鋳型、中子の形状を決定し、各工程にて設定される温度や溶湯の速度等の鋳造方案も決定される。
【００４８】
数値解析手法として、有限要素法を例示したが、それに限定されるものではなく、境界条件を正しく取り扱うことができ、なおかつ、精度高く解析できる手法を広く採用することができる。
【００４９】
以上の各工程において、鋳物、鋳型及び中子は割れたり、変形したりすることが多い。また、これら以外の工程において、及びこれら工程中でも別の要因によって鋳物、鋳型及び中子の割れ、変形等の不良にかかわるものがあれば、数値解析対象とすることができる。
【００５０】
上述の実施例ではひずみ（変位）及び応力を、数値解析を用いて算出するものを例示しているが、それだけに限られるものではなく、必要に応じて温度計算と連成させてもよい。
【００５１】
上述の鋳造例においては、鋳型の内部に中子を組み込んで鋳造するものを例示しているがそれに限定されるものではなく、例えば中子を有しない鋳造に対しても本発明に係る鋳造方法を適用することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によると、鋳物を製作する方法において試行錯誤を繰り返すことで鋳型及び中子の廃棄する量を低減し、それだけ試作に時間及びコストをかけずに高精度な鋳物を製作できる鋳造方法を提供することができる。
【００５３】
また本発明によると、鋳型（及び必要とあらば中子）の試作による破棄量を低減することができ、それだけ省エネルギ化を図ることができる鋳造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋳造方法の１例の実施状態を示す流れ図である。
【図２】従来の鋳造方法の実施状態の流れ図である。
【図１】
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【図２】
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