(57)【要約】      （修正有）【課題】製品が目的寸法或いは許容誤差範囲内に収まるようにするための消失模型鋳造法及び発泡模型を成形する金型を製造する方法を提供する。【解決手段】(ａ)前記目標寸法に相当する前記発泡製品模型の三次元寸法に関するデータと前記発泡製品模型の材料データと湯口方案及び注湯法のデータとをコンピュータに入力し消失模型鋳造法による鋳物鋳造のシミュレーションを行う工程であって、前記シミュレーションは湯流れ、湯の凝固及び該凝固による鋳物変形のシミュレーションを含む鋳物鋳造シミュレーション工程と、(ｂ)前記鋳物鋳造シミュレーション工程における前記鋳物変形と、鋳物と発泡製品模型の関係の伸尺を考慮して発泡製品模型の最終三次元寸法を決定する工程と、(ｃ)該最終三次元寸法の発泡製品模型を製作する工程と、(ｄ)前記製作した発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を鋳造する工程とを含む消失模型鋳造法による鋳物鋳造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
発泡製品模型を用いる消失模型鋳造法により、目標寸法を有する鋳物を鋳造する方法であって、
（ａ）前記目標寸法に相当する前記発泡製品模型の三次元寸法に関するデータと、前記発泡製品模型の材料に関するデータと、湯口方案及び注湯法に関するデータとをコンピュータに入力し消失模型鋳造法による鋳物鋳造のシミュレーションを行う工程であって、前記シミュレーションは湯流れ、湯の凝固及び該凝固による鋳物変形のシミュレーションを含む鋳物鋳造シミュレーション工程と、
（ｂ）前記鋳物鋳造シミュレーション工程における前記鋳物変形と、鋳物と発泡製品模型の関係の伸尺を考慮して発泡製品模型の最終三次元寸法を決定する工程と、
（ｃ）該最終三次元寸法の発泡製品模型を製作する工程と、
（ｄ）前記製作した発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を鋳造する工程と、
を含む消失模型鋳造法による鋳物鋳造方法。
【請求項２】
目標寸法を有する鋳物を鋳造する消失模型鋳造法に用いる発泡製品模型を成形する金型を製造する方法であって、
（ａ）前記目標寸法に相当する前記発泡製品模型の三次元寸法に関するデータと、前記発泡製品の原料に関するデータと、湯口方案及び注湯法に関するデータとをコンピュータに入力し消失模型鋳造法による鋳物鋳造のシミュレーションを行う工程であって、前記シミュレーションは湯流れ、湯の凝固及び鋳物変形のシミュレーションを含む鋳物鋳造シミュレーション工程と、
（ｂ）前記鋳物鋳造シミュレーション工程における前記鋳物変形と、鋳物と発泡製品模型の関係の伸尺を考慮して発泡製品模型の最終三次元寸法を決定する工程と、
（ｃ）該最終三次元寸法の発泡製品模型を製作する工程と、
（ｄ）前記製作した発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を試作鋳造する工程と、
（ｅ）前記試作鋳造した鋳物の三次元データを測定する工程と、
（ｆ）前記測定された三次元データが前記目標寸法の許容誤差範囲内であるか否かを決定する工程と、
（ｇ）前記測定された三次元データが前記目標寸法の許容誤差範囲内であるならば、前記最終三次元寸法のデータをＮＣ工作機のコントローラに入力し前記ＮＣ工作機によって金型基材を切削加工して前記最終三次元寸法のキャビティを備える金型を製作する工程と、
（ｈ）前記製作された金型を用いて発泡製品模型を成形する工程と、
（ｉ）前記成形された発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を鋳造する工程と、
（ｊ）前記鋳造した鋳物の三次元データを測定する工程と、
（ｋ）工程（ｊ）において測定した三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内であるか否かを決定する工程と、
（ｌ）工程（ｋ）において前記測定した三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内にある場合は方法を終了し、前記許容誤差範囲内にない場合は、コントローラに入力する鋳物の三次元データを修正し、該修正した三次元データに基づき前記ＮＣ工作機により前記金型キャビティの前記最終三次元寸法を修正加工する工程と、
を含む金型製造方法。
【請求項３】
請求項２の方法により製造された金型を用いて発泡製品模型を成形する工程と、
前記成形された発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を鋳造する工程と、
を含む鋳物鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消失模型鋳造法による鋳物鋳造方法と、消失模型鋳造法に用いる発泡製品模型を成形する発泡製品模型成形用金型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
消失模型鋳造法に用いる発泡製品模型は以下のように製作されている。先ず、粒状の発泡材料ビーズを容器内に密閉して蒸気を吹き込んで予備発泡（一次発泡）させ、この予備発泡させたビーズを次に発泡製品模型製作用の金型のキャビティに充填して硬化させる。
【０００３】
材料ビーズはＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を主成分とし、これにポリスチレン等が加えられており、これらの成分の混合比率は製造者によって異なっている。予備発泡において材料ビーズは発泡倍率が４０倍程度で発泡されている。発泡倍率を場合によっては（例えば、薄肉の鋳物を製造する場合）、４５倍程度にすることもある。但し、このように発泡率を高くすると、発泡模型硬度が小さくなるため、砂充填した際に発泡模型が変形する傾向があるので、厚肉の鋳物の製造には適していない。
【０００４】
このように成形された発泡製品模型を使用して消失模型鋳造法により鋳物を製造した場合に、発泡材料ビーズの組成と発泡倍率の相異によって製造された鋳物の収縮率が異なってくる。
【０００５】
また、注湯された金属が凝固して製品鋳物となる際の縮み代を考慮（即ち、伸尺を使用）して実際の金型キャビティは製作されている。縮み代は金属により異なる。鋳物と模型との関係の伸尺は５／１０００の〜８／１０００である。また、発泡製品模型とその成形用金型との関係においても発泡製品模型の縮みが存在し、その伸尺として３／１０００の〜１０／１０００が用いられている。
【０００６】
このように伸尺を用いて鋳造された鋳物製品が目的とする形状・寸法であるか、あるいはその許容誤差範囲内に収まっているかを確認している。しかしながら製品が目標寸法ではなく、あるいは、許容誤差範囲から外れている場合には、模型寸法を修正する必要があるため発泡製品模型を成形する金型のキャビティを広げるか、あるいは、キャビティを埋めることは困難なため、再度金型を製作する必要性が生じてくる。
【０００７】
上記のように一定の伸尺を用いて鋳造しても、鋳物の部位により縮み代に相異が出る場合があり、鋳物製品が許容誤差内に収まらずに発泡製品模型用金型を再製作する必要が生じることが多々あった。部位により縮み代に相異が出る場合とは、例えば、二股に分岐する管であって、分岐した一方の管部分はほぼ直線状であり、もう一方の管部分は円弧状に湾曲している鋳物管製品であり、この場合、円弧状に湾曲している管部分の凸側部分と凹側部分の縮み代に相異が出る。
【０００８】
下記特許文献１（特開平４−３６１８４９）に記載された発明は、フルモールド法によってプレス金型等を鋳造する場合に用いる鋳造品製造システムに関し、ＣＡＤデータ作成時に、鋳造条件を充分考慮した設計を行い、鋳造区（鋳造工程）での作業管理を行うことのできる鋳造品製造システムを提供することを目的としている。
【０００９】
下記非特許文献１（「ジャクトニュース第５５８号（平成１５年６月２０）」（社団法人  日本鋳造技術協会））は、湯口方案、注湯法等に関するデータをコンピュータに入力し市販のコンピュータソフトウェアを用いて有限要素法等により鋳物の湯流れ、凝固、変形シミュレーションを行い、湯流れの状況、引け巣の発生の有無、鋳物凝固時の割れ・変形を観察することを教示している。
【００１０】
但し、これらの両文献は、消失模型鋳造法を用いる鋳造シミュレーションを開示又は示唆していない。
【００１１】
消失模型鋳造法における発泡製品模型用金型を再製作する必要を減少させ、あるいは、なくすことができる発泡製品模型用金型を製造する方法及び該方法を用いた鋳物鋳造法が望まれている。
【特許文献１】特開平４−３６１８４９号公報
【非特許文献１】「ジャクトニュース第５５８号（平成１５年６月２０）」（社団法人  日本鋳造技術協会）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、消失模型鋳造法により鋳造された鋳物製品が許容誤差内に収まらないといった問題、あるいは、許容誤差内に収まらずに発泡製品模型用金型を再製作する必要が生じるという問題を解決し、鋳物製品が目的寸法あるいはその許容誤差範囲内に収まるようにするための消失模型鋳造法及び該方法に用いる発泡製品模型を成形する金型を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、１実施態様において、発泡製品模型を用いる消失模型鋳造法により、目標寸法を有する鋳物を鋳造する方法であって、（ａ）前記目標寸法に相当する前記発泡製品模型の三次元寸法に関するデータと、前記発泡製品模型の材料に関するデータと、湯口方案及び注湯法に関するデータとをコンピュータに入力し消失模型鋳造法による鋳物鋳造のシミュレーションを行う工程であって、前記シミュレーションは湯流れ、湯の凝固及び該凝固による鋳物変形のシミュレーションを含む鋳物鋳造シミュレーション工程と、（ｂ）前記鋳物鋳造シミュレーション工程における前記鋳物変形と、鋳物と発泡製品模型の関係の伸尺を考慮して発泡製品模型の最終三次元寸法を決定する工程と、（ｃ）該最終三次元寸法の発泡製品模型を製作する工程と、（ｄ）前記製作した発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を鋳造する工程とを含む消失模型鋳造法による鋳物鋳造方法である。
【００１４】
本態様においては、発泡製品模型を発泡材料ブロックから製作することができ、それにより、発泡製品模型用金型を使用することなく、消失模型鋳造法による鋳物鋳造が可能である。
【００１５】
本発明は、１実施態様において、目標寸法を有する鋳物を鋳造する消失模型鋳造法に用いる発泡製品模型を成形する金型を製造する方法であって、（ａ）前記目標寸法に相当する前記発泡製品模型の三次元寸法に関するデータと、前記発泡製品の原料に関するデータと、湯口方案及び注湯法に関するデータとをコンピュータに入力し消失模型鋳造法による鋳物鋳造のシミュレーションを行う工程であって、前記シミュレーションは湯流れ、湯の凝固及び鋳物変形のシミュレーションを含む鋳物鋳造シミュレーション工程と、（ｂ）前記鋳物鋳造シミュレーション工程における前記鋳物変形と、鋳物と発泡製品模型の関係の伸尺を考慮して発泡製品模型の最終三次元寸法を決定する工程と、（ｃ）該最終三次元寸法の発泡製品模型を製作する工程と、（ｄ）前記製作した発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を試作鋳造する工程と、（ｅ）前記試作鋳造した鋳物の三次元データを測定する工程と、（ｆ）前記測定された三次元データが前記目標寸法の許容誤差範囲内であるか否かを決定する工程と、（ｇ）前記測定された三次元データが前記目標寸法の許容誤差範囲内であるならば、前記最終三次元寸法のデータをＮＣ工作機のコントローラに入力し前記ＮＣ工作機によって金型基材を切削加工して前記最終三次元寸法のキャビティを備える金型を製作する工程と、（ｈ）前記製作された金型を用いて発泡製品模型を成形する工程と、（ｉ）前記成形された発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を鋳造する工程と、（ｊ）前記鋳造した鋳物の三次元データを測定する工程と、（ｋ）工程（ｊ）において測定した三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内であるか否かを決定する工程と、（ｌ）工程（ｋ）において前記測定した三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内にある場合は方法を終了し、前記許容誤差範囲内にない場合は、コントローラに入力する鋳物の三次元データを修正し、該修正した三次元データに基づき前記ＮＣ工作機により前記金型キャビティの前記最終三次元寸法を修正加工する工程と、
を含む金型製造方法である。
【００１６】
本金型製造方法の態様においては、何段階かにおいて、実測された三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内であるかがチェックされるので、金型を再製作する可能性を極めて低くすることができる。
【００１７】
本発明は、１実施態様において、上記金型製造方法の態様において製造された金型を用いて発泡製品模型を成形する工程と、該成形された発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を鋳造する工程とを含む鋳物鋳造方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の主要部であるコンピュータによる鋳造シミュレーションについて説明する。鋳造シミュレーションはコンピュータと、本発明に関して開発されたソフトウェアを用いてなされる。
【００１９】
まず、入力パラメータとして、製品鋳物の目標（設計）寸法に相当する発泡製品模型の三次元寸法に関するデータと、発泡製品模型の材料に関するデータと、湯口方案及び注湯法に関するデータとをコンピュータに入力する。これらのデータ以外のデータを必要に応じて入力することもできる。
【００２０】
シミュレーションは、湯流れ解析、凝固解析、変形解析の順に行われる。湯流れ解析はキャビティに溶湯が入っていく過程、キャビティに溶湯が入りきった時間、溶湯のキャビティ充填時の圧力状態及び温度分布を求めるものである。この湯流れ解析によって得られたキャビティ充填時の温度分布を使用して凝固解析を行い、次に、凝固解析によって得られた凝固時間と、凝固時の製品温度分布から熱応力による変形解析を行うものである。すなわち、湯流れはキャビティへの充填がどのようになされるのかを解析するために行われ、そのために、（１）充填時間、（２）湯流れが乱流かあるいは整流かどうか、（３）充填位置の順番の３つの因子を検討する。充填解析がなされた後、凝固に着目して熱解析を行い、そして熱解析における熱応力による変形解析がなされる。
【００２１】
上記ソフトウェアを用いて有限要素法により最小メッシュ間隔４．５のメッシュモデルにより、以下の条件で消失模型鋳造法の鋳造シミュレーションを行った。
【００２２】
条件
鋳造製品の形状：円筒（長さ（高さ）８０ｍｍ、外径２５０ｍｍ、最小肉厚３．５ｍｍ）
製品材質：ＦＣＤ４５０
結果
鋳造シミュレーションの結果は以下の通りであった。
【００２３】
１．湯流れ解析
溶湯が製品に入っていく過程、入りきった時間、溶湯のキャビティ充填時の圧力状態が得られた。注湯時間は７．０７秒、溶湯圧（製品部）は０．０７〜０．１０ＭＰａであった。
【００２４】
（注湯時間が長すぎると、キャビティに完全に湯が入りきらないといった欠陥の発生が考えられる。シミュレーションの結果を基に、溶湯が入りやすい鋳造方案を立てることも可能である。）
２．凝固解析
キャビティに湯が入りきった状態（液体状態）から湯が凝固する（固体状態になる）までの時間である凝固時間は１２０秒であった。
【００２５】
ポロシティ量０．２％以上存在する箇所が湯道部に少し見られた。
【００２６】
（製品が最後に凝固する部分には引け巣等の欠陥が発生し易すくなり、また、ポロシティが存在すると製品強度に大きな影響を及ぼすので、それらの位置をシミュレーションにより特定する。また、欠陥が発生しにくい鋳造方案を立てることも可能である。）
３．変形解析
製品外周部の変異量が最も大きく、０．０２１ｍｍ歪んだ。
【００２７】
製品が凝固する過程で熱応力が発生し、製品が応力によって変形するが、シミュレーションにより製品がどの程度変形するか事前に把握できれば、変形量を見越した発泡模型成形金型を製作することが可能である。
【００２８】
変形解析後のデータはシミュレーションソフトウェアによりＳＴＬデータ（３次元ＣＡＤ中間ファイルデータ）に変換される。
【００２９】
上記変異量０．０２１ｍｍは許容誤差の０．０１５ｍｍを超えており、このことを考慮し、この誤差を小さくする（許容誤差範囲内に入る）ことができるような発泡製品模型の寸法を考える。そういった寸法は経験的に決定可能である。あるいは、発泡製品模型の寸法を変更し、及び／又は、コンピュータに入力するその他のパラメータを変更して、上記誤差が許容誤差範囲内に入るまで再度コンピュータシミュレーションを行うこととしても良い。このように、変異量が許容誤差範囲内に入るような発泡製品模型の三次元寸法を決め、決めた発泡製品模型の三次元寸法更に鋳物と発泡製品模型の関係の縮尺を考量して発泡製品模型の最終三次元寸法を決定する。
【００３０】
次に、最終三次元寸法を有する発泡製品模型の製作方法について説明する。
【００３１】
その１つの方法として、粒状の発泡材料ビーズを密閉容器内に入れ蒸気を吹き込んで適当な発泡倍率の発泡ブロックを成形し、この発泡ブロックを加工して、最終三次元寸法を有する発泡製品模型を製作する。
【００３２】
他の方法として、後に説明する発泡製品模型を成形する金型を製造する方法を用いて製造した発泡製品模型成形用金型を用いて発泡製品模型を成形することもできる。
【００３３】
次に、製作した発泡製品模型を使用して消失模型鋳造法により鋳物を製造することができる。
【００３４】
ここで、本発明に従った発泡製品模型を成形する金型を製造する方法の態様について説明する。この態様は、目標寸法を有する鋳物を鋳造する消失模型鋳造法に用いる発泡製品模型を成形する金型を製造する方法であって、
（ａ）前記目標寸法に相当する前記発泡製品模型の三次元寸法に関するデータと、前記発泡製品の原料に関するデータと、湯口方案及び注湯法に関するデータとをコンピュータに入力し消失模型鋳造法による鋳物鋳造のシミュレーションを行う工程であって、前記シミュレーションは湯流れ、湯の凝固及び鋳物変形のシミュレーションを含む鋳物鋳造シミュレーション工程と、
（ｂ）前記鋳物鋳造シミュレーション工程における前記鋳物変形と、鋳物と発泡製品模型の関係の伸尺を考慮して発泡製品模型の最終三次元寸法を決定する工程と、
（ｃ）該最終三次元寸法の発泡製品模型を製作する工程と、
（ｄ）前記製作した発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を試作鋳造する工程と、
（ｅ）前記試作鋳造した鋳物の三次元データを測定する工程と、
（ｆ）前記測定された三次元データが前記目標寸法の許容誤差範囲内であるか否かを決定する工程と、
（ｇ）前記測定された三次元データが前記目標寸法の許容誤差範囲内であるならば、前記最終三次元寸法のデータをＮＣ工作機のコントローラに入力し前記ＮＣ工作機によって金型基材を切削加工して前記最終三次元寸法のキャビティを備える金型を製作する工程と、
（ｈ）前記製作された金型を用いて発泡製品模型を成形する工程と、
（ｉ）前記成形された発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を鋳造する工程と、
（ｊ）前記鋳造した鋳物の三次元データを測定する工程と、
（ｋ）工程（ｊ）において測定した三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内であるか否かを決定する工程と、
（ｌ）工程（ｋ）において前記測定した三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内にある場合は方法を終了し、前記許容誤差範囲内にない場合は、コントローラに入力する鋳物の三次元データを修正し、該修正した三次元データに基づき前記ＮＣ工作機により前記金型キャビティの前記最終三次元寸法を修正加工する工程と、
を含む金型製造方法である。
【００３５】
上記工程（ａ）及び（ｂ）については、最初の実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００３６】
上記工程（ｃ）は、最初の実施の形態において説明したように発泡ブロックを加工して製作する。工程（ｃ）の後に工程（ｄ）（製作した発泡製品模型を用いて消失模型鋳造法により鋳物を試作鋳造）へ進み、更に工程（ｅ）（試作鋳造した鋳物の三次元データを測定）へ進む。
【００３７】
上記工程（ｅ）において、鋳物の三次元データを三次元測定器により測定する。三次元測定器により測定した三次元データを前記変異量に関するＳＴＬデータと参考のために比較することができる。工程（ｅ）の後に工程（ｆ）（測定された三次元データが前記目標寸法の許容誤差範囲内であるか否かを決定）に進み、さらに（ｇ）へと進む。
【００３８】
工程（ｇ）において、測定した三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内にない場合は、何らかの欠陥があると思われ、その欠陥を調査し修正して、再度湯流れ、凝固及び変形のシミュレーションを行う。即ち、工程（ａ）に戻る。
【００３９】
工程（ｊ）において、鋳物の三次元データを三次元測定器により測定する。次に工程（ｋ）に進む。ここでは、工程（ｊ）において測定された三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内であるか否かが決定される。
【００４０】
工程（ｋ）において、測定した三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内にある場合は、方法を終了する。一方、測定した三次元データが目標寸法の許容誤差範囲内にない場合は、方法は、工程（ｌ）に進み、ここでは、コントローラに入力する鋳物の三次元データを修正し、該修正した三次元データに基づき前記ＮＣ工作機により前記金型キャビティの前記最終三次元寸法を修正加工して金型の最終加工を終えることになる。
【００４１】
上で説明した、最終加工を終えた金型を用いて発泡製品模型を成形することができ、その成形された発泡製品模型を消失模型鋳造法に使用して鋳物を鋳造することができる。