(57)【要約】【課題】安価な試験方法にて、より実際のウォータージャケット入子に生じる応力状態に近い応力値を得て、疲労寿命を確実に推定することのできる、エンジンのシリンダブロックの鋳造金型のウォータージャケット入子の寿命評価方法について提案する。【解決手段】ウォータージャケット入子の外周形状を形成する隣接する二つの円弧部１２・１２と、該円弧部１２・１２同士を接続する一つの接続部１１とを少なくとも含む、該ウォータージャケット入子１０の一部を形成する試験ピース２０を作成し、前記試験ピース２０の円弧部１２であって接続部１１の近傍に、内周側と外周側のそれぞれに歪みゲージ２３を備えるとともに、前記試験ピース２０に円弧部１２・１２の接続角度を増減させる荷重を付与して、前記試験ピースに生じる応力又は前記試験ピースに生じる亀裂のうちいずれか一方又は両方を検出する繰返荷重試験を行う。【選択図】図４
2007118060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダブロックの鋳造金型に備えるウォータージャケット入子の寿命評価方法であって、
前記ウォータージャケット入子の外周形状を形成する隣接する二つの円弧部と、該円弧部同士を接続する一つの接続部とを少なくとも含む、該ウォータージャケット入子の一部を形成する試験ピースを作成し、
前記試験ピースの円弧部であって接続部の近傍に、内周側と外周側のそれぞれに歪みゲージを備え、前記試験ピースに荷重を付与して、前記歪みゲージにより計測した前記円弧部の歪みから、前記試験ピースに生じる応力又は前記試験ピースに生じる亀裂のうちいずれか一方又は両方を検出する繰返荷重試験を行うことを特徴とする、
鋳造金型入子寿命評価方法。
【請求項２】
前記試験ピースに荷重を付与するにあたって、
前該接続部に、前記円弧部の接続角度を増加若しくは減少、又は、増減させる荷重を付与することを特徴とする、
請求項１に記載の鋳造金型鋳造金型入子寿命評価方法。
【請求項３】
前記試験ピースに荷重を付与するにあたって、
前記接続部に、該接続部の内周側から外周側に向かう荷重を付与することを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の鋳造金型入子寿命評価方法。
【請求項４】
前記試験ピースとして、円弧部の肉厚、接続部の肉厚、接続部の外周側曲率、接続部の内周側曲率、円弧部の曲率のうち、少なくともいずれか一つの値を変化させた、複数の試験ピースを作成し、これらについて前記繰返荷重試験を行うことを特徴とする、
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の鋳造金型入子寿命評価方法。
【請求項５】
前記試験ピースにおいて、金型材料、硬さ、表面処理のうち、少なくともいずれか一つを変化させた、複数の試験ピースを作成し、これらについて前記繰返荷重試験を行うことを特徴とする、
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の鋳造金型入子寿命評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造金型に設ける、エンジンのシリンダブロックのウォータージャケット入子の寿命評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金製のエンジンのシリンダブロックを鋳造する場合、主型や入子、中子などから成る鋳造金型が使用される。シリンダブロックには、冷却のためのウォータージャケット（水冷部）が形成される。該ウォータージャケットを成形するための入子（ウォータージャケット入子）は割れが生じ易く、寿命の短い鋳造金型部品の一つである。
【０００３】
ウォータージャケット入子の亀裂の発生は、該ウォータージャケット入子の局所的な形状要因に大きく影響される。
エンジンのシリンダブロックのウォータージャケット入子は、図１に示すように、複数の筒体をその軸方向が略平行となるように一部重複させた状態に配置して連設した形状が一般的である。このウォータージャケット入子１０には、筒体の円弧部１２を接続する部分（接続部１１）の近傍において、特に亀裂Ｃｒが発生し易いことが認識されている。この、円弧部１２における接続部１１の近傍部分に位置する、亀裂Ｃｒの発生し易い部分を「亀裂多発範囲１３」と記載する。例えば、図１に示すウォータージャケット入子１０では、円弧部１２・１２の接続部１１の両側に二カ所の亀裂多発範囲１３・１３が存在する。
【０００４】
鋳造金型の入子形状は、生産しようとする鋳造製品の形状に基づいて設計されるが、高温加熱及び冷却を繰り返す苛酷な使用条件においての耐久性を高めるため、細部形状の変更や補強などに関して、設計変更が重ねられる。
新製品の生産準備をするにあたって、鋳造金型の形状は最初に決定されるべき項目であり、生産が開始されてからの設計変更は困難であるため、鋳造金型の形状は迅速且つ正確に決定する必要がある。
【０００５】
従来は入子形状を決定するため、過去の製品の踏襲や設計者の経験に依存して鋳造金型全体を設計・試作し、実際に鋳造を行うことによって主型や入子などの寿命を評価し、この評価を設計に反映させていたため、設計段階でトライアンドエラーを繰り返して、多くの工数と多額の費用がかかっていた。
【０００６】
一方、近年では工業製品の設計・開発工程を支援するコンピュータシステム（ＣＡＥシステム）が知られている。ＣＡＥシステムでは、製品の設計支援や、設計した製品のモデルを使って強度や耐熱性などの特性を計算する解析、製品の機能や性能を確認するためのシミュレーションなどを行うことが可能であり、これによって開発スピードの向上やコストの低減が期待される。
【０００７】
鋳造金型の設計においても、上記ＣＡＥシステムを利用することが知られている。例えば、特許文献１に記載の技術は、鋳物の完成設計図をもとに、鋳造金型の主型や中子などの数値解析モデルを作成し、数値解析により歪み解析又や応力解析を行い、前記解析結果をもとに割れを評価したうえで、鋳造金型を作成するものである。
これにより、実際に鋳造金型の製造を繰り返す場合と比較して、鋳造金型の製作費及び製作時間、無駄となる製造金型の廃棄を低減することができる。
【特許文献１】特開２００４−１７４５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のようにＣＡＥシステムでは、応力の推定は可能であるが、様々な要素を条件づけた上で計算を行うため、算出された応力値と、実際の鋳造金型に発生する応力値との間に誤差が生じることがある。
【０００９】
また、特に、ウォータージャケット入子では、疲労破壊が生じる箇所がほぼ限定されており、この特性を利用すれば、ウォータージャケット入子全体の試作を繰り返す場合よりも、より安価に且つ効果的に応力状態を知ることができるはずである。
そこで本発明では、より実際のウォータージャケット入子に生じる応力状態に近い応力値を得て、これに基づいてウォータージャケット入子の疲労寿命を確実に推定することのできる、鋳造金型のウォータージャケット入子の寿命評価方法について提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１１】
即ち、請求項１においては、エンジンのシリンダブロックの鋳造金型に備えるウォータージャケット入子の寿命評価方法であって、前記ウォータージャケット入子の外周形状を形成する隣接する二つの円弧部と、該円弧部同士を接続する一つの接続部とを少なくとも含む、該ウォータージャケット入子の一部を形成する試験ピースを作成し、前記試験ピースの円弧部であって接続部の近傍に、内周側と外周側のそれぞれに歪みゲージを備え、前記試験ピースに荷重を付与して、前記歪みゲージにより計測した前記円弧部の歪みから、前記試験ピースに生じる応力又は前記試験ピースに生じる亀裂のうちいずれか一方又は両方を検出する繰返荷重試験を行うものである。
【００１２】
請求項２においては、前記試験ピースに荷重を付与するにあたって、前該接続部に、前記円弧部の接続角度を増加若しくは減少、又は、増減させる荷重を付与するものである。
【００１３】
請求項３においては、前記試験ピースに荷重を付与するにあたって、前記接続部に、該接続部の内周側から外周側に向かう荷重を付与するものである。
【００１４】
請求項４においては、前記試験ピースとして、円弧部の肉厚、接続部の肉厚、接続部の外周側曲率、接続部の内周側曲率、円弧部の曲率のうち、少なくともいずれか一つの値を変化させた、複数の試験ピースを作成し、これらについて前記繰返荷重試験を行うものである。
【００１５】
請求項５においては、前記試験ピースにおいて、金型材料、硬さ、表面処理のうち、少なくともいずれか一つを変化させた、複数の試験ピースを作成し、これらについて前記繰返荷重試験を行うものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１７】
請求項１においては、ウォータージャケット入子の一部形状となる試験ピースを用いて、繰返荷重試験を行って、入子形状及び材料を決定することができるので、最適設計を確認するための実機テストは一回で済む。よって、ウォータージャケット入子の全体形状で試験を行い入子寿命を評価するときと比較して、試験に必要となるコストや資源を削減することができる。
また、ＣＡＥシステムなどで算出するときと比較して、より実際のウォータージャケット入子に生じる応力状態に近い応力値を得て、これに基づいてウォータージャケット入子の疲労寿命を確実に推定することができ、また、設計に反映させることができる。
【００１８】
請求項２においては、ウォータージャケット入子に鋳造時に掛かる負荷により近い荷重が付与されるため、該ウォータージャケット入子の寿命をより精確に評価することができる。
【００１９】
請求項３においては、一カ所に荷重を付与する場合に、試験ピースに発生する亀裂と荷重との関係を最も効率的に明らかにできる態様であり、簡易に試験することができる。
【００２０】
請求項４においては、ウォータージャケット入子の寿命に影響を及ぼす形状因子について、最適値を得ることができ、これに基づいて入子形状を決定することができる。
【００２１】
請求項５においては、ウォータージャケット入子の寿命に影響を及ぼす材料因子について、最適材料を得ることができ、これに基づいて入子の材料を決定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係るウォータージャケット入子の斜視図、図２はウォータージャケット入子の平面図、図３は試験ピースの平面図である。図４は繰返荷重試験のための装置構成図である。
【００２３】
図１及び図２に示すように、エンジンのシリンダブロックのウォータージャケット入子１０は、複数の筒体をその軸方向が略平行となるように一部重複させた状態に配置して連設した形状が一般的である。つまり、ウォータージャケット入子１０は、複数の円弧部１２・１２・・・が接続部１１にて接続されて成る。このウォータージャケット入子１０では、円弧部１２・１２を接続する接続部１１の肉厚が該円弧部１２・１２と比較して肉厚となっている。ウォータージャケット入子１０の円弧部１２において、該円弧部１２から接続部１１にかけて肉厚が変化する直前部分に亀裂Ｃｒが生じるケースが多く確認されており、ここを「亀裂多発範囲１３」とする。
【００２４】
本発明では、この、円弧部１２における接続部１１の近傍部分に位置し、肉厚が変化する部分となる、亀裂多発範囲１３を含むウォータージャケット入子１０の一部分を試験ピース２０として作成し、該試験ピース２０を使用して繰返荷重試験を行い、この試験結果よりウォータージャケット入子１０の寿命を評価する。
【００２５】
試験ピース２０は、ウォータージャケット入子１０の外周形状を形成する隣接する二つの円弧部１２・１２と、該円弧部１２・１２同士を接続する一つの接続部１１とを少なくとも含む、該ウォータージャケット入子１０の一部を分割した形状とする。
【００２６】
本実施例において、前記試験ピース２０は、図３に示すように、ウォータージャケット入子１０の一つの接続部１１を左右方向略中心とし、該接続部１１から左右にそれぞれ略１／４円ぶんだけ円弧部１２・１２を含むように切り取った形状とする。従って、試験ピース２０は、その断面形状が二つの円弧を山形に繋いだ形状となり、該試験ピース２０には接続部１１の左右両側にある二カ所の亀裂多発範囲１３・１３が含まれる。
【００２７】
ウォータージャケット入子１０の寿命を評価するために、上記試験ピース２０の繰返荷重試験が行われる。
繰返荷重試験では、図４に示すように、試験ピース２０に荷重を負荷する荷重付加装置２２と、歪みゲージ２３と、該歪みゲージ２３が接続されたアンプ２４と、該アンプ２４及び前記荷重付加装置２２が電気的に接続された演算処理装置２５とが、使用される。
【００２８】
前記荷重付加装置２２は、試験ピース２０への荷重の付加、解除を繰り返すものであり、この付加された荷重及びその回数に関する情報が、演算処理装置２５に取得される。
繰返荷重試験では、試験ピース２０に対し、接続部１１において接続された円弧部１２・１２の接続角度（図３に示すθ１）を増減させる荷重が加えられる。ウォータージャケット入子１０に鋳造時に掛かる負荷により近い荷重を付与することで、該ウォータージャケット入子１０の寿命をより精確に評価するためである。
【００２９】
本実施例においては、試験台２７に円弧部１２・１２が接するように試験ピース２０を載置し、荷重付加装置２２により、接続部１１に内周側から外周側へ向かって押圧する荷重が直接加えられる。この態様で試験ピース２０へ荷重を付加することは、過去の試験結果などから、外周側からの荷重付与を行わなくとも信頼できる結果を得られることが既知であって、簡便に試験を行う場合には、一カ所への荷重の付与により最も影響が分かり易い結果が得られるので、効率的であって好ましい。
【００３０】
但し、ウォータージャケット入子１０の形状によっては、荷重の掛かり方や、その影響が異なるため、複数の態様で荷重を付与して、総合的に判断することが、精度を向上させる上で望ましい。
例えば、前記接続部１１に該接続部１１の内周側から外周側に向かう荷重を付加する態様、前記接続部１１に該接続部１１の外周側から内周側に向かう荷重を付加する態様、前記円弧部１２の両端から試験ピース２０を圧縮する荷重を付加する態様、前記円弧部１２の両端から試験ピース２０を引っ張る荷重を付加する態様の、いずれか一つ又は複数の組合せの態様にて、前記試験ピース２０に荷重を付与することができる。
【００３１】
前記歪みゲージ２３は、試験ピース２０の円弧部１２・１２のうち亀裂多発範囲１３・１３において、該円弧部１２・１２の外周側と内周側のそれぞれに取り付けられ、該亀裂多発範囲１３・１３の歪みを検出するものである。
歪みゲージ２３の検出信号は、アンプ２４にて信号が増幅されて演算処理装置２５に伝達される。
【００３２】
前記演算処理装置２５は、モニタ２６などを備えた汎用コンピュータにて構成することができる。前記演算処理装置２５は、歪み算出手段、応力算出手段、亀裂検出手段、として機能するものである。本実施例においては、一の演算処理装置２５にて上記機能を果たすように構成しているが、それぞれの機能を別個独立した装置にて実行するように構成することもできる。
【００３３】
前記歪み算出手段は、歪みゲージ２３・２３・・にて検出された検出信号を受けて、試験ピース２０の亀裂多発範囲１３・１３の歪みを算出するものである。
前記応力算出手段では、前述のように算出された亀裂多発範囲１３・１３の歪みの値を受けて、該亀裂多発範囲１３・１３に生じた応力を算出するものである。
前記亀裂検出手段では、前述のように算出された亀裂多発範囲１３・１３の歪みの値を受けて、試験ピース２０の亀裂多発範囲１３・１３に亀裂が生じたことを検出する手段であり、亀裂が生じるまでに荷重付加装置２２により荷重が付加された回数が試験ピース２０の疲労寿命とされる。
【００３４】
上記繰返荷重試験は、実験計画法に基づいて、ウォータージャケット入子１０の寿命に影響を及ぼす形状因子である肉厚、曲率をそれぞれ変化させて繰り返し行い、ウォータージャケット入子１０が、予め設定される規定の寿命を満足するの寿命を得ることができる、これらの形状因子の、それぞれの最適値を得る。
つまり、図３に示すように、ウォータージャケット入子１０の寿命に影響を及ぼす形状因子として、円弧部１２の肉厚Ｄ１、接続部１１の肉厚Ｄ２、接続部の外周側曲率Ｒ１、接続部の内周側曲率Ｒ２、円弧部１２の曲率Ｒ３、のそれぞれの値を変化させて、繰返荷重試験を行う。
【００３５】
また、上記繰返荷重試験は、実験計画法に基づいて、ウォータージャケット入子１０の寿命に影響を及ぼす材料因子である、金型材料、硬さ、表面処理を変化させて繰り返し行い、ウォータージャケット入子１０が、予め設定される規定の寿命を満足するの寿命を得ることができる、最適材料を得る。
【００３６】
そして、上記繰返荷重試験の結果に基づいて、ウォータージャケット入子の割れ寿命を予測するとともに、寿命に及ぼす形状因子及び材料因子を最適化し、ウォータージャケット入子１０が、予め設定される規定の寿命を満足するの寿命を得ることができるように、入子形状及び材料を決定する。
【００３７】
従来では、生産開始テストにおいて、実際の金型を数回にわたり製作する必要があり、最適化の精度も低く、寿命の安定化までに多大の工数を必要としていた。これに対し、本発明では、ウォータージャケット入子１０の一部形状となる試験ピース２０を用いて、繰返荷重試験を行って、入子形状及び材料を決定することができるので、最適設計を確認するための実機テストは一回で済む。よって、ウォータージャケット入子１０の全体形状で試験行い入子寿命を評価するときと比較して、試験に掛かるコストや資源を削減することができる。
また、ＣＡＥシステムなどで算出するときと比較して、より実際のウォータージャケット入子１０に生じる応力状態に近い応力値を得て、これに基づいてウォータージャケット入子１０の疲労寿命を確実に推定することができ、また、設計に反映させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例に係るウォータージャケット入子の斜視図。
【図２】ウォータージャケット入子の平面図。
【図３】試験ピースの平面図。
【図４】繰返荷重試験のための装置構成図。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ウォータージャケット入子
１１  接続部
１２  円弧部
１３  亀裂多発範囲
２０  試験ピース
２２  荷重付加装置
２３  歪みゲージ
２５  演算処理装置
【図１】
2007118060.tif 000003
【図２】
2007118060.tif 000004
【図３】
2007118060.tif 000005
【図４】
2007118060.tif 000006