(57)【要約】【課題】  異種の成形材料から成る鋳造用複合成形材料から鋳型を低い原価コストで迅速に製造する方法を提供する。【解決手段】  異種の成形材料から成る鋳造用複合成形材料からの鋳型の製法であって、i）鋳造用成形材料Ａから硬質成形体２を形成させ、ii）粉状で流動性の鋳造用成形材料Ｂによって該硬質成形体を完全しくは部分的に被覆し、iii）該成形材料Ｂを硬化させることによって成形材料ブロック３を形成させ、次いで、iv）該成形材料ブロック３をＣＡＤ−データを用いる削減法による加工処理に付すことによって、該硬質成形体２内に鋳型空洞１を形成させると共に、該成形材料ブロック３内にノズル系４と供給路系５を形成させることを含む該製法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の鋳造に対して耐熱性を示すと共に、種々の材料組成を有するか又は有機結合剤若しくは無機結合剤を種々の割合で含有する種々の成形材料から構成される鋳造用複合成形材料から鋳型を製造する方法であって、
i）鋳造用成形材料Ａから硬質成形体２を形成させると共に、粉状で流動性の化学的に結合した鋳造用成形材料Ｂによって該硬質成形体を完全若しくは部分的に被覆し、
ii）該鋳造用成形材料Ｂを硬化させて成形材料ブロック３を形成させることによって、ブロック状複合成形材料を調製し、次いで
iii）該ブロック状複合成形材料をＣＡＤ−データを用いる削減法（例えば、フライス法、穿孔法、回転法、研磨法）による加工処理に付すことによって、鋳造用成形材料Ａから成る硬質成形体２内に鋳型空洞１を形成させると共に、鋳造用成形材料Ｂから成る成形材料ブロック３内にノズル系４と供給路系５を形成させる
ことを含む該方法。
【請求項２】
鋳造用成形材料Ａのために、耐火性で耐変温性のあるセラミック製の鋳造用成形材料を極限強さの状態で使用し、該材料が削減法（例えば、フライス法、回転法、穿孔法又は研磨法）によって加工される請求項１記載の方法。
【請求項３】
鋳造用成形材料Ａのために、鋳型砂を、熱硬化性結合剤又はベントナイト、水ガラス、フラン樹脂、セメント若しくは石膏に基づく結合剤と共に、極限強さの状態で使用する（この場合、結合剤の含有量及び／又は砂の種類は鋳造用成形材料Ｂの場合とは異なる）請求項１記載の方法。
【請求項４】
鋳造用成形材料Ｂのために、鋳型砂を、熱硬化性結合剤又はベントナイト、水ガラス、フラン樹脂、セメント若しくは石膏に基づく結合剤と共に使用する請求項１記載の方法。
【請求項５】
ブロックの成形時において、鋳造用成形材料Ａから成る成形体２を、突出部若しくは切欠部を用いるか、又は円錐状に延びる側壁７を有する角柱状形態部を用いて鋳造用成形材料Ｂと閉鎖状に結合させる請求項１から４いずれかに記載の方法。
【請求項６】
鋳型未加工部の３Ｄ−データセットから得られるＮＣ−プログラムを用いる鋳込部用鋳型空洞１の加工及び別のＮＣ−プログラムを用いるノズル系４と供給路系５の調製を、それぞれに適合した加工パラメーターを使用することによっておこなう請求項１から５いずれかに記載の方法。
【請求項７】
中子用の中子マークを鋳型内に形成させる請求項１から６いずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造用複合成形材料（composite molding material ）から鋳型（casting mold）を製造する方法に関する。該複合成形材料は、金属の鋳造に対して耐熱性を示すと共に、種々の材料組成を有するか、又は、種々の割合の有機若しくは無機の結合剤を含有する異種の成形材料から構成される。
【背景技術】
【０００２】
この種の成形材料は、耐熱性の成形マス（molding mass）と中子マス（core mass）との特別な組成物であって、耐火性の鉱物性原料（多くの場合は石英砂である。）と結合剤系から成る。鋳型と鋳造品に対する特別な要求の観点からは、耐火性を有するセラミック製のマスと材料が使用されており、これらのマスや材料は切削調製法による加工処理に付される。石英砂は、適当なコスト、豊富な存在量及び優れた特性に起因して、主要な成形材料として使用されている。
【０００３】
鋳型を製造するための低コストの解決策として、古くから種々の特性を有する成形材料、即ち、種々の組成物を使用することが実用上知られている。アンボスによる非特許文献１によれば、次のことが教示されている。即ち、鋳型と中子を手動的又は機械的に製造するに際しては、通常は、これらの部材が一定の最小限の大きさを超える場合には、模型又は中子の型壁上にコスト高な成形材料の薄層を形成させる。この種の成形材料は、鋳造に際しては、液状の金属と直接的に接触するので、鋳造品に対して適合した特性を有していなければならない。このため、該成形材料は比較的高濃度の結合剤を含有しており、模型成形材料と呼ばれている。
【０００４】
しかしながら、成形ボックス又は中子ボックスの最も大きな部分には、低コストの成形材料（所謂「充填成形材料」又は「充填砂」）が充填される。この種の成形材料は、実質的に少量の結合剤を含有し、又、液状金属に対する成形材料の接触面に必要な高価な成形材料を全鋳型内へ充填する場合に比べて大きなコスト低減をもたらす。この場合には、鋳型の製造のために模型が必要となるという点で不利である。模型の製造にはさらなるコスト増加と時間の浪費を伴う。さらに、このような方法は、専ら鋳造用鋳型砂から成る鋳型の製造に限定される。
【０００５】
特許文献１には、複合材料製の死鋳型（dead mold）であって、砂型内に埋設された石膏型を有する死鋳型が開示されている。この場合、石膏型と砂型を製造するためにはそれぞれの模型を製造する必要がある。石膏型に対しては、ワックス製模型が製造され、該模型を容器内へはめ込んだ後、石膏ペーストが注ぎ込まれる。次いで、石膏型は一次か焼処理と二次か焼処理に付され、これによってセラミック型が硬化される。石膏型は、鋳型砂を含む鋳型内へ埋設され、次いで液状金属が注ぎ込まれる。この方法の場合には、砂型と石膏型の模型を製造するために時間を浪費する種々の工程が必要となり、このことは製造コストの増大にもつながる。このような理由から、特に、原型（prototype）を迅速に製造するためには、該特許文献において提案されている方法は不適当である。
【０００６】
製品開発においては、高い開発コストを低下させるためには、ますます要請が高まっている大量生産面でのデザイン研究と機能目的に近い原型を安い原価コストで迅速に製造することが必要である。セラミック製の鋳型を製造するためには長時間を必要とするので、模型の製造を必須要件とする方法によっては、原型を迅速に入手することは保証されない。
【特許文献１】特開昭６１−２４５９４２号公報
【非特許文献１】アンボス、「金属材料の原模型技術」、材料工業出版、第２版、ライプチッヒ、１９８２年、第５１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、異種の成形材料から構成される複合成形材料から鋳造用の鋳型を低い原価コストで迅速に製造する方法を提供するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、上記の課題は、異種の鋳造用成形材料から成るブロック状複合成形材料の調製とその後の該ブロック状複合成形材料の機械的加工処理によって解決された。
即ち、本発明は、金属の鋳造に対して耐熱性を示すと共に、種々の材料組成を有するか又は有機結合剤若しくは無機結合剤を種々の割合で含有する種々の成形材料から構成される鋳造用複合成形材料から鋳型を製造する方法であって、
i）鋳造用成形材料Ａから硬質成形体を形成させると共に、粉状で流動性の化学的に結合した鋳造用成形材料Ｂによって該硬質成形体を完全若しくは部分的に被覆し、
ii）該鋳造用成形材料Ｂを硬化させて成形材料ブロックを形成させることによってブロック状複合成形材料を調製し、次いで
iii）該ブロック状複合成形材料をＣＡＤ（computer aided design；コンピューター援用設計）−データを用いる削減法（例えば、フライス法、穿孔法、回転法、研磨法）による加工処理に付すことによって、鋳造用成形材料Ａから成る硬質成形体内に鋳型空洞を形成させると共に、鋳造用成形材料Ｂから成る成形材料ブロック内にノズル系と供給路系を形成させる
ことを含む該方法に関する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、異種の成形材料から構成される鋳造用複合成形材料から鋳型を低い原価コストで迅速に製造することができる。
又、本発明による方法によれば、所望の鋳造品の品質に対応して種々の材料組成を有する２種の鋳造用成形材料から成る複合成形材料製鋳型を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ブロック状複合成形材料の製造に際しては、まず第１に、鋳造用成形材料Ａから硬質の成形体（多くの場合は、直方体である。）を調製し、次いで、該成形体の周囲を、粉状で流動性のある鋳物用成形材料Ｂ（多くの場合は、化学的に結合させた鋳型砂である。）によって被覆し、該成形材料Ｂを硬化させることにより該成形材料Ａと結合させ、これによって鋳型閉鎖結合を形成させる。鋳型を形成させるための鋳型砂内へのセラミック製成形体の埋設は、突出部（projection）若しくは切欠部（recess）を用いておこなうことができ、又、円錐状に延びた側壁を有するセラミック製成形体の対応する角柱状形態部を用いておこなうこともできる。
【００１１】
その後の機械的加工処理に際しては、鋳造用成形材料Ａの領域内において鋳造品の陰輪郭部を形成させ、一方、鋳造用成形材料Ｂの領域内においては、専らノズル系と供給路系を形成される。種々の材料データに対応して、鋳造用成形材料Ａの領域内における鋳造品用鋳型空洞の加工に対しては独立したＣＡＤ／ＣＡＭ（computer aided manufacturing;コンピューター援用製造）加工プログラムを使用するのが目的にかなっている。これに応じて、鋳造用成形材料Ｂの領域内におけるノズル系と供給路系の加工の場合には、切削用の第二の加工プログラム（好ましくは、直接的な成形材料のフライス加工用のフライスプログラムである。）を使用することができる。
【００１２】
上記の方法の利点は、所望の鋳造品の品質に対応して種々の材料組成を有する２種の鋳造用成形材料から成る複合成形材料製の鋳型を製造できることである。このような種々の材料組成は、結合剤の種々の含有量又は使用される鋳造用成形材料の組成によって特徴づけられる。鋳造用成形材料Ｂのための常套の鋳型砂を、鋳造用成形材料Ａのためのセラミック材料と組み合わせた複合成形材料が特に有効である。この場合、セラミック材料は、専ら鋳造品の形状寸法を有する。
【００１３】
セラミック製鋳型を用いることによって、寸法安定性と表面特性の点で高い品質を有する鋳造品を製造することを実質上簡単化することができ、又、その製造速度を促進することができる。何故ならば、加工されるべきセラミック部分を最小限にとどめることができるからである。
【００１４】
以下においては、添付図に基づく実施態様によって本発明をさらに詳述する。本発明の好ましい実施態様は特許請求の範囲の従属項から明らかである。
【００１５】
図１は、２種の鋳造用成形材料から成る鋳型の半分を示す斜視図である。
図２は、２種の鋳造用成形材料から成るブロック状複合成形材料の製造状態を示す模式図である。
図３は、フライスを用いて鋳型の輪郭を形成させる状態を示す模式図である。
【００１６】
以下の実施態様は、鋳造品（例えば、精密鋳造品）用のセラミック製の鋳型に基づいて説明する。図１には、鋳型の片割れの一方が示されており、該片割れは、図示していない他方の片割れと一体となって金属製鋳造品用鋳型を構成する。この場合、鋳造品用の鋳型空洞１は成形体２によって形成され、該成形体２の全体はセラミック製の鋳造用成形材料Ａから製造される。成形体２は、鋳造用成形材料Ｂから形成される成形材料ブロック３と共にブロック状複合成形材料を構成する。鋳造用成形材料Ｂから形成される成形材料ブロック３の領域内には、ノズル系４の部分と供給路系５の部分が形成される。この鋳型は二分割された鋳型であって、例えば、上部と下部から構成される。より複雑な鋳造品の場合には、鋳型はより多くの構成部材から構成される。例えば、さらに中子が構成部材となる。中子を導入するためには、鋳型の片割れ内へ中子マーク（core mark）６を問題なく形成させることができる。
【００１７】
この実施態様においては、鋳型が徐々に形成される状態を示す図２に従って、鋳型の各々の片割れに対応する複合成形材料が調製される。該複合成形材料は、セラミック製の鋳造用成形材料Ａから形成される成形体２を含む。セラミック製の鋳造用成形材料Ａからは、まず第１に角柱状の成形体２が形成される。該成形体は、ノズル系４と供給路系５以外は、実際の鋳造品の寸法に実質上対応する寸法を有する。セラミック製の成形体２は、鋳造用成形材料Ａを使用することによって、極限強さ（ultimate strength）を有した状態で調製される。該成形材料は、加工方法、例えば、フライス法、穿孔法、回転法、研磨法及び腐食法等による削減加工処理に対して適合しており、又、鋳造材料に対する耐反応性と耐熱性に関する鋳造技術的要求を満たす。
【００１８】
次の加工工程においては、鋳造品用の鋳型空洞１の調製に先立って、鋳造用成形材料Ａから形成されるセラミック製成形体２を、粉状で流動性があって化学的に結合した鋳造用成形材料Ｂで被覆することによって、成形材料ブロック３を形成させる。成形材料ブロック３の内部には、ノズル系４と供給路系５が実質上一体的に形成される。成形材料ブロック３のブロック型取り中において、成形体２は、その周囲を被覆する化学的硬化性の鋳造用成形材料Ｂと閉鎖状に結合させる。この閉鎖結合は、突出部若しくは切欠部を用いておこなうか、又は円錐状に延びた側壁７を有する成形体２の対応する角柱状形態部によっておこなうことができる。
【００１９】
セラミック製成形体２の周囲を被覆する材料としては、石英砂から成る鋳造用鋳型砂と熱硬化性結合剤を併用するのが好ましい。次いで、ブロックの成形時においては、鋳型を、該鋳型内へ導入された鋳型砂と結合剤との混合物と共に、該結合剤の融点よりも高い温度まで加熱することによって、成形材料ブロック３を硬化させる。硬化後、鋳造用成形材料Ａから成る成形体２は、鋳造用成形材料Ｂから成る成形材料ブロック３と共に複合成形材料を形成する。該複合成形材料は、硬化状態において、適合する工作機械を用いる切削法等の削減法に従って、フライス加工、穿孔加工、回転加工又は研磨加工等による加工処理に付すことができる。
【００２０】
この場合、本発明は、熱硬化性結合剤を含有する鋳造用成形材料Ｂの使用に限定されるものではない。例えば、本発明の特許請求の範囲内においては、鋳造用鋳型砂の結合剤としてベントナイトを使用することもできる。硬化性結合剤としては、例えば、水ガラス、フラン樹脂及びその他の有機結合剤等を使用することができる。比較的大きな鋳造品に対しては、硬化性結合剤としてセメントを使用することによって良好な結果が得られる。結合剤として石膏を添加した鋳造用成形材料も使用することができる。削減法による鋳造系の後続の加工処理を可能にする結合剤を一緒に使用することもできる。
【００２１】
図３に示す別の加工工程においては、ノズル系４と供給路系５の加工がおこなわれる。この加工工程は、鋳型砂を使用する場合において、ＣＮＣ（computer numeric control；コンピューター数値制御）−フライス盤を用いる成形材料の直接的なフライス切削法によって特に有利におこなうことができる。鋳造部品用の鋳型空洞１の形成もＣＮＣ−工作機械を用いておこなわれる。
【００２２】
複雑な三次元（３Ｄ）的表面のＮＣ（numeric control；数値制御）−プログラム化のためには、手動プログラム化を不要にするＣＡＭシステムが使用される。原型の製造における開発業務は、ＣＡＤ−システムの範囲内における寸法に適合した構成によって減少する。この種のシステムは鋳造品の複雑性には左右されず、フライス切削法やその他の削減法に関連する種々の加工法を可能にする。従って、原型の製造は鋳型未加工部に関する３Ｄ−データセットに直接基づいており、該データセットからは鋳型空洞１に関するデータセットが得られる。成形材料の直接的なフライス切削法を使用することにより、専らコンピューターの利用に基づく迅速で原価コストの安い原型の製造が可能となる。
【００２３】
ノズル系４と供給路系５のための空洞の作成は、鋳造品の未加工部のデータに基づいておこなわれる。該データからは、ノズル系４と供給路系５に関するデータセットが得られる。データ変換から導出されるＮＣ−データを用いることにより、工作基準値を使用するフライスプログラムが得られる。合成樹脂で結合させた鋳造用鋳型砂を使用する場合には、ノズル系４と供給路系５を調製するために特別なフライス法の使用が可能であるという点で有利である。
【００２４】
成形体２に対しては、鋳造品に最適な鋳造用成形材料Ａが選択され、一方、鋳造用成形材料Ｂは機械的加工処理を簡単化させ、また、その他の境界条件を良好に満足させる。この結果、鋳型空洞１，ノズル系４および供給路系５の各々に対しては、最も好適なフライス法を別々に選択することができる。
【００２５】
上記の方法は、複雑な幾何学的形態を有する鋳造品に対しても適用することができる。このようにして、本発明によれば、原型のより迅速な製造が可能となる。
【００２６】
本発明の好ましい実施態様を以下に示す。
１．前記の本発明において、鋳造用成形材料Ａとして、耐火性で耐変温性のあるセラミック製の鋳造用成形材料を極限強さの状態で使用し、又、該材料を切削法（例えば、フライス法、回転法、穿孔法又は研磨法）によって加工する。
２．前記の本発明において、鋳造用成形材料Ａとして、鋳型砂を、熱硬化性結合剤又はベントナイト、水ガラス、フラン樹脂、セメント若しくは石膏に基づく結合剤と共に、極限強さの状態で使用する。この場合、結合剤の含有量及び／又は砂の種類は鋳造用成形材料Ｂの場合とは異なる。
３．前記の本発明において、鋳造用成形材料Ｂとして、鋳型砂を、熱硬化性結合剤又はベントナイト、水ガラス、フラン樹脂、セメント若しくは石膏に基づく結合剤と共に使用する。
４．前記の本発明において、ブロックの成形時に、鋳造用成形材料Ａから成る成形体２を、突出部若しくは切欠部を用いるか、又は円錐状に延びる側壁７を有する角柱状形態部を用いて鋳造用成形材料Ｂと閉鎖状に結合させる。
５．前記の本発明において、鋳型未加工部の３Ｄ−データセットから得られるＮＣ−プログラムを用いる鋳込部用鋳型空洞１の加工及び別のＮＣ−プログラムを用いるノズル系４と供給路系５の調製を、それぞれに適合した加工パラメーターを使用することによっておこなう。
６．前記の本発明において、中子用の中子マークを鋳型内に形成させる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】２種の鋳造用成形材料から成る鋳型の半分を示す斜視図である。
【図２】２種の鋳造用成形材料から成るブロック状複合成形材料の製造状態を示す模式図である。
【図３】フライスを用いて鋳型の輪郭を形成させる状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  鋳型空洞
２  硬質成形体
３  成形材料ブロック
４  ノズル系
５  供給路系
６  中子マーク
７  側壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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