(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳物（Ｚ）を溶融金属から鋳造するための鋳型（１）であって：
・前記鋳型（１）が，鋳物（Ｚ）を形成する成形キャビティ（５）と，前記鋳物（Ｚ）に鋳造すべき溶融金属を前記成形キャビティ（５）内に配給するための配給システムとを有し，該配給システムが，スプルー（１０）と，該スプルーに接続されるランナー（７）と，該ランナー（７）に接続される供給システム（８）とを備え，前記成形キャビティ（５）が，接続部（９ａ，９ｂ）を介して前記供給システム（８）及び前記ランナー（７）に接続されている鋳型において：
・鋳造作業の間に前記スプルー（１０）から前記ランナー（７）に流れる溶融金属の流れ方向（Ｓ）に見て，前記ランナー（７）が,前記供給システム（８）に沿って前記スプルー（１０）から分岐する離れ流路（１８，１９）と，該離れ流路（１８，１９）に接続された戻り流路（２０）とを有し，前記戻り流路（２０）は、前記供給システム（８）に沿って，前記離れ流路（１８，１９）とは逆方向に導かれていること；並びに，
・前記供給システム（８）が，それぞれの流路（１８，１９，２０）に沿って分配した２つ以上のゲート（２１，２４）を介して，前記離れ流路（１８，１９）及び前記戻り流路（２０）の両者に接続されていること；を特徴とする鋳型。
【請求項２】
請求項１に記載の鋳型であって，前記離れ流路（１８，１９）に割り当てられるゲート（２１，２３）の数が，前記戻り流路（２０）に割り当てられるゲート（２２，２４）の数に等しいことを特徴とする鋳型。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の鋳型であって，前記戻り流路（２０）を前記供給システム（８）に接続する１つの前記ゲート（２２，２４）が，前記ランナー（７）における前記離れ流路（１８，１９）を前記供給システム（８）に接続する各ゲート（２１，２３）に対向して配置されていることを特徴とする鋳型。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の鋳型であって，前記離れ流路（１８，１９）に割り当てられる前記ゲート（２１，２３）の寸法が，前記戻り流路（２０）に割り当てられる前記ゲート（２２，２４）の寸法と等しいことを特徴とする鋳型。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の鋳型であって，前記供給システム（８）が少なくとも１つ，２つ又はそれ以上の供給チャンバ（１１，１２）を備え，各供給チャンバがそれぞれ２つ以上のゲート（２１〜２４）を介して前記ランナー（７）における前記離れ流路（１８，１９）及び前記戻り流路（２０）の両者に接続されていることを特徴とする鋳型。
【請求項６】
請求項５に記載の鋳型であって，前記供給システム（８）が２つ以上の供給チャンバ（１１，１２）を備え，前記供給チャンバ（１１，１２）が第２ゲート（１３，１４）を介して互いに接続されていることを特徴とする鋳型。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の鋳型であって，
・前記供給システム（８）が，少なくとも２つの隣接する供給チャンバ（１１，１２）を備えること；並びに
・前記離れ流路（１８，１９）が２つの隣接する供給チャンバ（１１，１２）の間の中間スペース（１５）内に配置され，前記戻り流路（２０）が前記２つの隣接する供給チャンバ（１１，１２）の各々の側部に沿って延在して前記離れ流路（１８，１９）から分岐し，前記側部が前記中間スペース（１５）に対して外側に配置されること，あるいは，
・前記ランナー（７）が２つの離れ流路（１８，１９）に分割され，一方の離れ流路が前記２つの隣接する供給チャンバ（１１，１２）の間で該２つの隣接する供給チャンバ（１１，１２）の側部に沿って延在し，該側部が前記中間スペース（１５）に対して外側に配置され，前記離れ流路（１８，１９）に接続される少なくとも１つの戻り流路（２０）が，前記中間スペース（１５）内に延在すること；を特徴とする鋳型。
【請求項８】
請求項７に記載の鋳型であって，前記ランナー（７）が前記スプルー（１０）への接続部で２つの離れ流路（１８，１９）に分岐され，これに少なくとも１つの戻り流路（２０）が接続されていることを特徴とする鋳型。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の鋳型であって，前記ランナー（７）の流路（１８，１９，２０）が一平面（Ｈ２）内に配置されていることを特徴とする鋳型。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載の鋳型であって，該鋳型が複数のコア（２，３，４）のコアスタックとして構成され，これらのうち，特定のコア（２，３，４）が，製造すべき鋳物の外形を形成すると共に，他のコア（４）が前記鋳物における凹部，キャビティ，チャネルを形成することを特徴とする鋳型。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の鋳型であって，前記供給システム（８）又は前記ランナー（７）から前記金型キャビティ（５）に至る接続部（９ａ，９ｂ）が，前記金型キャビティ（５）の占める前記鋳型（１）の領域の外側のみにおいて導かれることを特徴とする鋳型。
【請求項１２】
請求項１１に記載の鋳型であって，複数の接続部（９ａ，９ｂ）が設けられている場合，前記供給システム（８）に割り当てられる接続部（９ａ，９ｂ）の入口開口が共に一平面（Ｈ３）内に配置されていることを特徴とする鋳型。
【請求項１３】
請求項１０〜１２の何れか一項に記載の鋳型であって，少なくとも，前記接続部（９ａ，９ｂ）を少なくとも部分的に包囲する鋳型コア（４）が，前記鋳型（１）の外側シェル（２，３）内において保持されることを特徴とする鋳型。
【請求項１４】
請求項１３に記載の鋳型であって，前記外側シェル（２，３）が前記鋳物（Ｚ）の離型後に保存される恒久的な鋳型部として構成され，前記離型の間にロストコアとして破壊される鋳型コア（４）は，鋳物砂を主体とする成形材料で構成されることを特徴とする鋳型。
【請求項１５】
請求項１〜１４の何れか一項に記載の鋳型（１）を，溶融軽金属からシリンダクランクケース（Ｚ）を鋳造するために使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，複雑形状を有する体積の大きな鋳物を溶融金属から鋳造するための鋳型に関する。このような鋳型は，典型的には，鋳物を形成する成形キャビティと，鋳物に鋳造すべき溶融金属を成形キャビティ内に配給するための配給システムとを有する。配給システムは，スプルーと，スプルーに接続されるランナーと，ランナーに接続される供給システムとを備える。成形キャビティは，接続部を介して供給システム又はランナーに接続されている。
【０００２】
更に，本発明は，そのような鋳型の使用方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
一方において，供給システムは，上述した形式の鋳型を使用して鋳物を鋳造する間，注入された溶湯の凝固方向を制御し，最適には供給部に向けさせるために使用される。他方では，供給システム内に保持される溶湯の体積は，固相／液相遷移の間に，注入された溶湯の特定の体積減少を補償するものである。供給システムは，付加的に取り付けられた溶湯リザーバを構成し，このリザーバからは冷却の間に溶湯が鋳物内に流入可能である。
【０００４】
特に挑戦的な課題は，軽金属合金よりなり，良好な機械的特性又は高い耐熱性を有する現代のシリンダクランクケース及び対応する線条細工部（フィリグリー）を施した鋳物の鋳造である。このような軽金属合金には，例えば，硬化可能なＡｌＣｕ合金が含まれる。
【０００５】
実際には，そのような軽金属合金の高い潜在能力は，工業的規模で高い信頼性をもって高品質の鋳物を鋳造する場合に付随する問題によって減殺される。例えば，複雑形状を有する鋳物をＡｌＣｕ合金からブローホールやホットクラックを伴わずに製造することが困難であることが実証されている。得られる鋳物の品質が，成形キャビティの均一な充填や溶湯内における温度分布の均一性に決定的に依存していることが判明している。
【０００６】
非シェル形成性，ペースト状，及び／又はスポンジ状の凝固形態を有する合金の場合には，材料集積を回避すべきであり，これは収縮が進行し，凝固途上の鋳物内における溶湯の逆流によりバックフィードが一層困難となるからである。
【０００７】
従来技術において，これらの要件に適合する鋳型については多くの提案がなされている。
【０００８】
特許文献１：ドイツ特許出願公開第４２４４７８９号明細書は，内燃機関用のシリンダクランクケースを鋳造するための鋳型を開示しており，この場合には２つの別個の供給ホッパが設けられ，その注湯ホッパを介して溶湯が鋳型内に注入される。供給ホッパからは，溶湯が，ランナーを介して，鋳型により画定される成形キャビティ内に流入する。ランナーは，クランクケースのブロックコアを通して導かれる。鋳造チャネルが，ランナーから分岐して鋳型の下側における鋳造輪郭部に導かれる。鋳造チャネルは，それぞれの開口部が水平面内に位置するように配置されている。
【０００９】
特許文献２：ドイツ特許出願公開第３９２４７４２号明細書は，金属製の鋳物，例えば内燃機関用のシリンダヘッドやエンジンブロックを鋳造するための低圧鋳造法を開示している。この方法により鋳造すべき鋳物の複雑性は，その肉厚が少なくとも１つの領域において他の領域におけるよりも薄いことに起因する。既知の方法において，液体金属は，ガス圧により溶湯容器からライザ管を経て鋳型内に押し出される。この鋳型は，鋳型内における鋳物の厚肉部が頂部に，従って部品を形成する鋳型のキャビティ内に押し出される金属が通過するスプルーから離れて配置されるものである。これと同時に，スプルーに近接して配置される個所又はその近傍における液体金属は，鋳型における薄肉部を形成する部位に向けられる。液体金属は，鋳型の底部におけるスプルーの近傍に配置された領域に対して，複数のスプルーポイントにおける底部ランナーを介して供給することができ，鋳物の薄肉部を形成する成形キャビティの部分に導入することができる。
【００１０】
最後に，特許文献３：国際公開第２０１４／１１１５７３号明細書は，鋳型により包囲され，かつ，鋳物を形成するための成形キャビティ内に溶湯を，注湯部，別のランナー又は鋳造チャネルを介して注入する鋳物鋳造方法を開示している。その鋳型は，鋳造すべき鋳物の形状を決定する成形部を備える。溶湯は，成形部の１つを通過する追加的なチャネルとして形成され，かつ，鋳造すべき鋳物の輪郭形状とは無関係である少なくとも１つの接続部を含む少なくとも２つの接続部を介して，鋳造すべき鋳物の異なる平面に割り当てられた成形キャビティにおける少なくとも２つの部分まで誘導される。
【００１１】
本発明の対象とする形式の鋳物を鋳造するためには，全面的又は部分的にコアスタックとして形成される鋳型が特に適当である。このようなコアスタックにおいて，鋳型は，鋳造すべき鋳物の内側及び外側輪郭を画定する多数のコアで構成される。鋳造コアは，通常は，成型材料又は「ロストコア」として容易に破壊し得る材料よりなり，鋳物の離型時に破壊される。しかしながら，複合形態のコアスタックも既知であり，この場合には，例えば，外側輪郭を画定する鋳型部は再使用可能な恒久的鋳型部として構成され，鋳物の内側に形成されるべき凹部，キャビティ，チャネル，ライン等はロストコアにより形成される。
【００１２】
上述したコアスタック式の鋳型は，主に，重力鋳造法又は低圧鋳造法において使用され，これらの鋳造法は，鋳型に溶湯を充填した後に鋳型を回転させて最適な凝固プロセス，ひいては鋳物の最適な構造特性を達成するステップも含み得るものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した従来技術に対して，本発明の課題は，従来方法では鋳造が困難であり，製品品質の信頼性を低下させかねない合金からでも，高度に複雑な形状の鋳物を，高い信頼性をもって製造可能とする鋳型を提供することである。
【００１４】
更に，そのような鋳型の特に有利な使用方法も特定する必要がある。鋳型に関して，上記の課題を本発明は，請求項１に従って構成された鋳型により解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に基づいて構成される鋳型は，シリンダクランクケースを溶融軽金属，特にＡｌＣｕ溶湯から鋳造するのに特に好適である。
【００１６】
本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されており，本発明の一般的概念と併せて以下に詳述するとおりである。
【００１７】
複雑形状を有する大容積の鋳物を溶融金属から鋳造するための，本発明に係る鋳型は，鋳物を形成する成形キャビティと，鋳物に鋳造すべき溶融金属を成形キャビティ内に配給するための配給システムを有し，配給システムは，スプルーと，スプルーに接続されるランナーと，ランナーに接続される供給システムとを備える。
【００１８】
本発明においては，鋳造作業の間にスプルーからランナーに流れる溶融金属の流れ方向に見て，供給システムに沿ってスプルーから離れる流路を分岐させて設け，かつ，その離れ流路に接続された戻り流路を有するランナーを，供給システムに沿って離れ流路とは逆方向に導き，供給システムを，それぞれの流路に沿って分配した２つ以上のゲートを介して，離れ流路及び戻り流路の両者に接続する。
【００１９】
本発明に係る鋳型によれば，供給システムにより供給され，かつ，成形キャビティ内まで誘導される溶湯の温度を，温度分布が等しく一様となるように均一化される。その結果，鋳造困難な溶融金属，特に鋳造するのが困難な軽金属溶湯，例えばＡｌＣｕ溶湯等の場合であっても，鋳型が充填された後の一様な凝固プロセスが保証され，その間に供給システムからの一様なバックフィードが行われる。これにより，鋳物の各面における局所的な温度差及び付随的な，ブローホールの形成リスクを生じる不均一な凝固が回避される。むしろ，本発明に係る鋳型に充填された溶湯においては，供給システムの最遠位点から供給システムに向けて進行する凝固前線が高い信頼性をもって形成される。
【００２０】
なお，本明細書において用いられる「均一な温度分布」，「平均温度」，「温度分布の均一化」，「等しい温度」，「均一な温度」等の用語は，技術的見地から理解すべきであり，当業者の予想する許容幅を有する技術的可能性の文脈において解釈すべきものである点に留意されたい。
【００２１】
成形キャビティに供給された溶湯流の温度は，本発明によれば，スプルーを介して供給される溶湯流を，先ず，スプルーから分岐する「離れ流路」に沿って導くことにより，離れ流路に沿って設けられているゲートを介して供給システムに導入し，次に，スプルーから遠ざかる離れ流路とは逆向きの「戻り流路」内におけるスプルーに向けて導くことにより均一化される。しかしながら，スプルーと戻り流路とは直接的に接続されるものではない。むしろ，ランナーにおける離れ流路からの溶湯のみが戻り流路内を流れる。
【００２２】
溶湯が鋳型に注入される際にランナーを流れる溶湯の温度は，スプルーからの距離の増加に応じて低下する。すなわち，本発明に係る鋳型では，最加熱温度の溶湯がスプルーに最も近い離れ流路のゲートを介して供給システムに流入する一方で，戻り流路における最後のゲート，すなわちスプルーから最も遠いゲートを介して供給システムに流入する溶湯は，最冷却温度である。従って，供給システムに対して離れ流路の最初のゲートを介して流入する溶湯と，戻り流路の最後のゲートを介して流入する溶湯との間では最大の温度差がある。最も熱した溶湯と最も冷却された溶湯を鋳型の同一領域に供給すれば，温度の異なる溶湯流が混合し，当該領域内における溶湯温度は混合温度となる。この混合温度は，例えば，当該領域に流入する最も熱した溶湯及び最も冷却された溶湯の流量を互いに対応させれば，これら温度の平均温度である。
【００２３】
流れ方向における離れ流路の端部に設けられた離れ流路の最後のゲートを通して供給システムに流入し，供給システムに沿う流路を介して冷却される溶湯と，戻り流路の最初のゲートを通して供給システムに流入し，離れ流路の最後のゲートと戻り流路の最初のゲートとの間の比較的短い区間において僅かに冷却される溶湯との間には，対応する僅かな温度差が生じる。比較的に僅かな温度差を有する溶湯が供給システムの同一領域に供給されるため，そこには混合温度も生じる。これは，ゲートを通して供給システムに流入する溶湯の体積流量の調整によって制御することができ，より具体的には，当該領域における混合温度が，スプルー近傍の供給システムの領域内における最高温度の溶湯と，最も冷却された溶湯との混合により生じる混合温度と等しくなるように制御することができる。
【００２４】
これは，溶湯の流れ方向において，離れ流路及び戻り流路の端部及び開始部に設けられたゲート間におけるランナーの離れ流路及び戻り流路に沿って任意的に設けられる更なるゲートを介して供給システムに回送される溶湯流にも当てはまる。
【００２５】
その結果，本発明に基づいて鋳型に設けられるランナーの設計，並びに供給システムに対するランナーの特定の接続により，供給システムの全体積を通じて均一な温度分布が達成される。これと相まって，供給システムを通じて成形キャビティに流入する溶湯も均一な温度分布を有し，従って，鋳型により形成すべき設計要素，例えば薄壁及び微細なウェブ又はリブ等の線条細工部を成形する場合でも，最適な鋳型充填のみならず，溶湯の均一な凝固も達成される。すなわち，本発明によれば，鋳造が制御困難な部品，例えば内燃機関用クランクケースを，鋳型充填性及び注湯性が不十分ではあるが，優れた機械的又は熱的特性を発現し得るものとして知られている金属溶湯からでも鋳造することが可能である。
【００２６】
上述したように，供給システムにおける混合温度は，供給システムの個別領域に設けられたゲートを介して当該領域に流入する溶湯の体積流量を調整することにより設定可能である。この目的のため，ランナーにおけるそれぞれの流路の位置，並びにゲートの数及び形状，特に直径を調整することにより，供給システムにおける所期の混合温度を，供給システムを異なる温度で流れる溶湯と，供給システム内に含まれる全ての溶湯との体積比に基づくものとすることができる。
【００２７】
それぞれ離れ流路及び戻り流路に割り当てられたゲートの配置に基づき，ゲートを経て供給システムに流入する溶湯の混合に対して，従って供給システム内に含まれる溶湯の温度の均一化に対して，直接的な影響を及ぼすことができる。
【００２８】
この場合，本発明に係る鋳型は，鋳造すべき溶湯の特に均一な温度分布と，鋳物を形成するための成形キャビティに対する溶湯の一様な供給が鋳造を成功裏に達成するために重要である鋳造目的のために有利であることが確認された。すなわち，本発明は，基礎形状が伸長したブロック形状である鋳物，例えばエンジンブロックや，基礎形状が円筒ブロック形状であり，断面が円形状又は楕円形状である鋳物に適用し得るものである。
【００２９】
温度分布の均一性に関し，戻り流路を供給システムに接続するゲートが，離れ流路を供給システムに接続するゲートに対向する配置とすることが有利であることが確認された。このような配置は，長さが幅よりも相当に大きな供給システム，すなわち，例えば平面形状が矩形基礎形状を有する供給システムの場合に特に有利である。
【００３０】
離れ流路に割り当てられるゲートの数が，戻り流路に割り当てられるゲートの数に等しい配置も，同様に，鋳造作業の間に供給システムに含まれる溶湯の均温化に寄与する。
【００３１】
後者は，離れ流路に割り当てられるゲートの寸法が，戻り流路に割り当てられるゲートの寸法に等しい配置，又は，ゲートの寸法を，ランナーの湯路に割り当てられるゲートを介して互いに等しい大きさの体積流が供給システムに流入するように決定した配置に当てはまる。
【００３２】
供給システムの成形キャビティに対する接続態様に応じて，又は，供給システム内での溶湯凝固の間に成形キャビティにバックフィードを行うために必要とされる溶湯体積に応じて，供給システムに十分な容積を有する単一の供給チャンバを設け，この供給チャンバを，本発明に従って，分流湯路及び合流湯路に接続するのが有利であり得る。この場合，供給チャンバは，分流湯路及び合流湯路を介して供給チャンバに流入する溶湯の混合領域として機能し，これにより，成形キャビティに流入する溶湯の均温化に寄与する。これに加えて，このような供給チャンバは，鋳型の成形キャビティへの溶湯のバックフィードによる注湯機能も発揮することができる。
【００３３】
供給システムに含まれる溶湯の混合及びこれに伴う均温化を更に最適化する必要があれば，供給システムに２つ以上の供給チャンバを設け，各供給チャンバを，少なくとも１つのゲートを介して，離れ流路及び戻り流路の両者に接続するのが好適であり得る。２つ以上の供給チャンバを設ける場合，各供給チャンバは，それぞれ，成形キャビティへのバックフィードのために必要とされる溶湯の全体積のうち，一部の体積のみを含む。これに対応する各供給チャンバの低容積により，ランナーの分岐流路を介して供給チャンバに流入する異なる温度下の溶湯流の特に強力な混合が生じる。これにより，比較的僅かの労力で，それぞれの供給チャンバに含まれる溶湯全体が所望の混合温度を有することとなり，局所的な温度差の発生を回避することができる。この点に関し，各供給チャンバに含まれる体積を同一とするのが特に有利である。
【００３４】
２つ以上の供給チャンバが設けられた供給システムにおいて，各チャンバに含まれる溶湯体積を共通の混合温度とするためには，供給チャンバを直結するように付加的に設けられたゲートを介して供給チャンバを互いに接続することができる。これらの付加的なゲートは，供給チャンバに含まれる溶湯体積の交換を行うことにより，チャンバに含まれる溶湯部分に生じ得る温度差を補償するものである。
【００３５】
複数のシリンダ開口部が列として配置される内燃機関用のシリンダクランクケースのために特に好適な本発明の実施形態は：供給システムが，少なくとも１つ，特に少なくとも２つの隣接する供給チャンバを備えること；並びに，離れ流路が供給チャンバの間の中間スペース内に配置され，戻り流路が供給チャンバの各々の側部に沿って延在して離れ流路から分岐し，該側部が中間スペースに対して外側に配置され，あるいは，離れ流路が２つの離れ流路に分割され，その一方の離れ流路が供給チャンバの間で該供給チャンバの外側部に沿って延在し，離れ流路に接続される少なくとも１つの戻り流路が，供給チャンバの間の中間スペース内に延在すること；を特徴とする。供給チャンバに対する溶湯の均等な分割を補助するため，ランナーをスプルーへの接続部で２つの離れ流路に分岐し，これに少なくとも１つの戻り流路を接続することができる。
【００３６】
本発明に係る鋳型におけるランナーの分岐流路に対する溶湯の分配に関して，ランナーの分岐流路を一平面内に配置するのが特に有利であることが確認された。この平面は，最適には鋳造作業の間に水平に向けられ，その場合にはランナーにおける分岐流路の傾斜及び付随的な流速変化が回避される。
【００３７】
ランナー分岐流路のための共通平面の場合，離れ流路及び戻り流路のゲートがそれ自身のレベルを有することにより，溶湯が収束の間に層をなし，かつ，衝突を生じない構成が有利であることが確認された。
【００３８】
実用上で特に重要な本発明の実施形態において，供給システム又はランナーから成形キャビティまでの接続部を，成形キャビティの占める鋳型容積のもっぱら外側で案内する。成形キャビティを包囲する鋳型容積の外側に形成される接続部のみを介して溶湯を成形キャビティ内まで誘導することにより，本発明に係る鋳型において，鋳造作業の間に成形キャビティに流入する溶湯の温度分布の均一性及び鋳型充填の均一性が最適化される。
【００３９】
接続部をもっぱら成形キャビティの外側に配置することにより，鋳造作業に際して成形キャビティに導入される溶湯の温度差が回避される。これらは，溶湯を，溶湯により加熱された内側コアを介して成形キャビティ内まで誘導し，これらの内側コアにより鋳物における凹部，キャビティ，チャネル等を形成する場合に生じ得るものである。内側コアの加熱により，内側コアを通して流れる溶湯は，外側接続部を介して供給される溶湯と同等に冷却されるものではない。溶湯が成形キャビティまでもっぱら外側接続部を介して供給されるため，溶湯は，供給システム又はランナーから成形キャビティまでの途上において均一に冷却され，均一な温度下で成形キャビティに流入する。
【００４０】
この点に関し，供給システムが複数の接続部を介して成形キャビティに接続される場合に，供給システムに割り当てられる接続部の流入開口を一平面内に配置するのが特に有利であることが確認された。このようにして，溶湯は，同一レベルで供給システムから排出され，当該レベルでは複数であり得るチャンバ内に含まれる溶湯が均一な温度下にある。これも，成形キャビティに流入する溶湯の温度につき，技術的見地からの均一性の実現に資するものである。
【００４１】
本発明に係る鋳型は，重力鋳造又は低圧鋳造に好適である。特に，本発明に係る鋳型によれば，鋳型を充填後又は充填中に充填位置から凝固位置まで移動させる傾斜鋳造又は回転鋳造プロセスにより鋳物を製造することができる。これらの方法に関しては，特許文献４：ヨーロッパ特許第２３５２６０８号明細書及び該特許に対して引用された先行技術を参照されたい。
【００４２】
本発明に係る鋳型を使用して鋳造すべき鋳物部品における線条細工部を形成するため，本発明に係る鋳型を複数のコアからコアスタックとして構成し，これらのうちの特定のコアにより，製造すべき鋳物の外側形状を形成し，残りのコアにより鋳物における凹部，キャビティ，チャネル等を形成する構成とすることができる。この場合，コアスタックにおけるコア全体を，鋳物の離型時に破壊されるロストコアとして構成し，又は，いくつかのコアを，反復的に使用可能な恒久的鋳型部として形成することができる。
【００４３】
供給システムの成形キャビティへの接続部をもっぱら成形キャビティの外側に配置した接続部で構成する，実用上で特に有利な構成の場合，例えば本発明に係る鋳型において，外側シェルを恒久的な鋳型部として構成し，その外側シェル上で接続部を少なくとも部分的に包囲する鋳型コアを保持するのが特に好適であり得る。このような構成は，接続部を少なくとも部分的に包囲する鋳型コアを，特にロストコアとして形成する場合に有利であることが確認された。
【００４４】
本発明は，コアスタック・プロセスによりシリンダクランクケースを鋳造するに当たり，配給システムにおいて溶湯を２つのランナー分岐流路に分割し，これらの分岐流路に接続され，かつ，最適にはポット形状の供給チャンバを備える供給システムにより，供給システム内における温度分布，ひいては鋳型により形成される部品内部における温度分布を均一化し得るものである。鋳造作業において，供給システムには，ランナー分岐流路への２つ以上のゲートにより，異なる温度下の溶湯が充填される。ゲートの形状及び位置を適合させることにより，供給システム内において溶湯が混合され，供給システム内における全体として均一な温度分布が達成される。これに対応して，均一な温度下の溶湯が成形キャビティに供給されて鋳物を形成する。
【００４５】
本発明に係る鋳型により実行される鋳造プロセスは，任意的にはもっぱら外部から行われる成形キャビティへの供給及び付随的な「内部」供給路の回避と相まって，ＡｌＣｕ系合金等の鋳造困難な軽金属溶湯を，一般的には低い充填性及び供給特性にも関わらず，微細欠陥を生じさせることなく鋳造可能とするものである。鋳物の離型後に鋳物上に残留する供給路及び外側接続部は，通常の機械加工，例えばドリル加工による重量面で中立的な効果をもって，容易に除去することができる。溶湯の局所的な早期凝固を防止するために従来技術より提供される鋳物上の材料集積は，その他の技術的効果を達成するものでないが，本発明に係る鋳型では，そのような材料集積や凍結現象を回避するための供給システムから成形キャビティに至る複雑な誘導チャネルを回避することが可能である。
【００４６】
言うまでもなく，本発明に係る鋳型においても，チル鋳型を成形キャビティの領域内に配置することにより，凝固を通常の態様で局所的に加速させて局所的に特異な構造部を形成することができる。特に，成形キャビティの充填及びバックフィードが外側接続部のみを介して行われる場合，これらのチル鋳型は鋳造作業において本発明に係る構成により保証される均一な充填プロセスを祖お該するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
次に，本発明を，例示的な実施形態を示す図面を参照して詳述する。図面は線図的なものであり，縮尺不等である点に留意されたい。
【図１】内燃機関用のシリンダクランクケースを鋳造するための鋳型の断面図である。
【図２】鋳型内で鋳造されたシリンダクランクケースを離型後の鋳放し状態で示す平面図である。
【図３】図２のシリンダクランクケースの一端面を示す正面図である。
【図４】図２のシリンダクランクケースの側面図である。
【図５】内燃機関用のシリンダクランクケースを鋳造するための更なる鋳型の断面図である。
【図６】図５の鋳型における溶湯充填プロセスを示す断面図である。
【図７】図６と同様な断面図である。
【図８】図６と同様な断面図である。
【図９】図６と同様な断面図である。
【図１０】図５の鋳型を凝固のために回転させた充填後位置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１に示す鋳型１は，図２〜図４に示すＡｌＣｕ合金製の内燃機関用シリンダクランクケースＺ，所謂シリンダブロックを鋳造するために使用される。
【００４９】
図１は，シリンダクランクケースＺに長手方向に対して横方向の断面を線図的に示す。
【００５０】
鋳型１は，恒久的な鋳型部として形成された２つの外側シェル２，３を備えるコアスタックとして構成され，これらの外側シェル間には，通常の態様で鋳物砂構成される多数の鋳型ロストコア４が配置される。外側シェル２，３及び鋳型コア４は，シリンダクランクケースＺを形成するための成形キャビティ５を包囲するものであり，そのクランクケースは，列として配置された４つのシリンダ開口部ＺOと，かかる内燃機関用シリンダクランクケースにおいて一般的に設けられる構造部とを有する構造体として鋳造されるものである。
【００５１】
更に，鋳型コア４は，図１において頂部に配置された鋳型１の側部６から下向きに延在する，図１には示されていないスプルー，スプルーに接続されたランナー７，ランナー７及び成形キャビティ５に接続された供給システム８，並びに成形キャビティ５をランナー７又は供給システム８に接続する接続部９ａ，９ｂを包囲する。
【００５２】
図１において，鋳型１は，溶湯を充填するための位置で示されており，この位置ではスプルーの開口部が上向きとされ，供給システム８は鋳型１の底部に配置される。
【００５３】
溶湯を充填した後，鋳型１は，供給システム８が上側に配置されるまで，鋳型１の長手方向軸線と平行に配列された旋回軸線を中心として，例えば１８０°の角度をもって，既知の態様で回転させる。このようにして，鋳型１に充填された溶湯の均一な凝固が開始され，その凝固は供給装置８の方向に生じるものである。
【００５４】
凝固の間に，製造すべきシリンダクランクケースＺが固体の鋳造体を形成するのみならず，溶湯がスプルー１０，ランナー７，供給システム８及び接続部９ａ，９ｂの内部で凝固する結果として，当初は中空であった鋳型１の構成要素が，離型後にはシリンダクランクケースＺと連続する。
【００５５】
離型に引き続く浄化の間，関連する鋳型構成要素は既知の態様でシリンダクランクケースＺから分離され，リサイクルに回される。
【００５６】
本発明に係る鋳型１の特別な特徴は，図２〜図４に示す離型後の未浄化状態におけるシリンダクランクケースＺに関連して最も簡明に表されている。
【００５７】
すなわち，供給システム８は，互いに並行に配置されてシリンダクランクケースＺの長手方向Ｌに延在する２列を備え，各列は５つのポット状供給チャンバ１１，１２を有する。各列における供給チャンバ１１，１２は，ゲート１３，１４により接続されている。供給チャンバ１１，１２は，それらの間に中間スペース１５を画定する。
【００５８】
供給チャンバ１１，１２は，シリンダヘッドを搭載するために設けられて互いに同一の形状及び容積を有するシリンダクランクケースＺの頂面ＺＤの上方に配置される。供給チャンバ１１，１２の底部はいずれも水平面Ｈ１内に配置され，この水平面Ｈ１はシリンダクランクケースＺの頂面ＺＤと平行に配列されている。
【００５９】
ランナー７も頂面ＺＤと平行に配列された水平面Ｈ２内に配置され，この水平面Ｈ２では供給チャンバ１１，１２の頂部も終端する。
【００６０】
離型後のシリンダクランクケースＺ上において，ランナー７の方向に僅かに円錐状に延在するスプルーロッドとして示されるスプルー１０のヘッド１７から出発して，ランナー７は２つの離れ流路１８，１９に分割され，これらの離れ流路１８，１９は，鋳造作業の間に鋳型に充填される溶湯の流れ方向Ｓに見て，スプルーから離間する方向に向けられている。
【００６１】
スプルー１０から遠ざかる離れ流路１８，１９は，平面図（図２）で見たときに，シリンダクランクケースＺの長手方向軸線Ｌに対して鏡像対称的に形成されたものであるが，先ず，それぞれ長手方向Ｌに対して横方向にスプルーヘッド１７から出発した後に曲線部に移行し，いずれの場合にもフィルターＦを介して，供給チャンバ１１，１２のそれぞれの列の外側に沿って僅かな距離を隔てて延在するセクションに至るものであり，当該セクションは中間スペース１５から離反する配列とされている。
【００６２】
供給チャンバ１１，１２のそれぞれの列の端末において，流れ方向Ｓに見て，離間流路１８，１９は，更なる曲線部において離間流路１８，１９と対向させて配列したセクションに移行し，当該セクションは供給チャンバ１１，１２の各列の全幅に亘って延在するものである。
【００６３】
このセクションの端末において，流れ方向Ｓに見て，ランナー７の離れ流路１８，１９は，いずれもスプルーヘッド１７に戻る方向に向けられた戻り流路２０に接続する。このランナー７の戻り流路２０は，少なくとも概ね離れ流路１８，１９の断面積の和に対応する断面積を有する。従って，戻り流路２０は離れ流路１８，１９から流入する溶湯体積を安全に受け入れることができる。
【００６４】
戻り流路２０は，供給チャンバ１１，１２の列間の中間スペース１５内で中央に配置され，流れ方向Ｓに見て，スプルー１０からの離れ流路１８，１９と逆向きに，スプルー１０に向けて延在する。しかしながら，戻し流路２０はスプルーヘッド１７の手前で終端し，従って鋳造作業の間に溶湯は離れ流路１８，１９のみを介して戻し流路２０に流入する。
【００６５】
長手方向軸線Ｌに沿って等間隔に配置された各供給チャンバ１１は，対応するゲート２１を介して離れ流路１８に接続され，長手方向軸線Ｌに沿って等間隔に配置された各供給チャンバ１２は，対応するゲート２２を介して離れ流路１９に接続されている。同様に，各供給チャンバ１１は，対応するゲート２３を介して戻し流路２０に接続され，各供給チャンバ１１は，対応するゲート２４を介して戻し流路２０に接続されている。ゲート２１〜２４は手方向軸線Ｌに沿って等間隔に配置され，それぞれ各供給チャンバ１１，１２に割り当てられたゲート２１，２２；２３，２４は互いに対応して，しかも供給チャンバ１１，１２のそれぞれの壁に対して中央に配置されている。
【００６６】
成形キャビティ５は，結合部９ａ，９ｂを介してランナー７（結合部９ａの場合）又は供給チャンバ１１，１２（結合部９ｂの場合）に直結されている。各結合部９ａ，９ｂは，もっぱら成形キャビティの外側に形成されており，従って成形キャビティ５内に配置された鋳型コア４を介して溶湯が成形キャビティ５に流入することはない。連通容器の原理に基づき，溶湯はある液位を有しており，従って溶湯の一部は供給チャンバ１１，１２を介して成形キャビティ５にも到達する。その結果，部品内部における凝固が薄壁を介して迅速に行われ，供給は供給源の直近における局所的に大きな体積のみを介して行われる。供給チャンバ１１，１２に接続された結合部９ｂの開口は，本例では共通の水平面Ｈ３内に配置されており，従って温度の等しい溶湯がいずれにしても供給チャンバ１１，１２からこれらに接続された結合部９ｂ内に流通する。しかしながら，成形キャビティ５に対する溶湯の供給は，ある高さレンジを超えて拡張させ，又はいくつかの平面に亙って分散させることができる。
【００６７】
鋳型における特定の臨界領域での充填又は凝固挙動に関し，溶湯を専用の結合部９ｂを通して選択的に供給して，それぞれの問題個所に直接的に供給することが可能である。
【００６８】
図５に示す鋳型３１は，全体がロストコアよりなるコアスタックとして構成されており，やはり内燃機関用のシリンダブロックを鋳造するために使用されるものである。鋳型３１は：カバーコア３２；カバーコア３２を支持するための外側コア３３；外側コア３３を支持するための更なる外側コ３４；鋳型３１における成形キャビティ領域で鋳型の外端部を形成し，かつ，外側コア３３，３４及びカバーコア３２を支持するための２つの外側シェルコア３５．３６；鋳型の内部輪郭及び下端部を形成し，かつ，シェルコア３５，３６を支持するための輪郭コア３７；並びに，シェルコア３５，３６により側方に画定されるスペース内に配置され，かつ，鋳型の外側輪郭を決定するためのコア３８，３９；を備える。
【００６９】
外側に延在してスプルー（図５では示されていない）から遠ざかる離れ流路４０，４１がカバーコア３２内に形成されており，これは中央に配置されたランナーの戻り流路４２についても同様である。それぞれ外側に配置された離れ流路４９，４１と戻り流路４２との間の中間スペースおいて，供給ポット４３，４４がそれぞれカバーコア３２及び外側コア３３，３４内に形成されている。すなわち，供給ポット４３，４４は鋳型の頂面（例えば，オイルポンプ又はシリンダヘッド用のシール面）上に直接的に着座するものである。これにより，供給ポット４３，４４は，直近に配置される全ての領域，例えばシリンダヘッドにおけるねじパイプに対する供給を行う。離れ流路４０，４１は，外側コア３３に近接して配置された結合部を介して，それぞれに割り当てられた供給ポット４３，４４に接続されており，他方，戻り流路４２は，結合部を介して，カバーコア３２の頂部に向けてオフセットさせた供給ポット４３，４４に接続されている。
【００７０】
シェルコア３５，３６と，これらに割り当てられて鋳型の外側輪郭を決定するコア３８，３９は，それぞれ外側供給容積４５，４６を付加的に画定するものであり，これらの供給容積はそれぞれ１つの入口４７，４８を介して１つの供給ポット４３，４４に接続されている。外側供給容積４５，４６は，それぞれ１つの供給ポット４３，４４に常に接続されている入口４７，４８を介して充填される。外側供給容積４５，４６は，その直近に存在する全て，例えば機能的一体化による材料集積部に供給する。
【００７１】
供給ポット４３，４４はシリンダクランクケースＺＫを鋳造するための鋳型３１における常に同一の平面内に配置されているが，外側供給容積４５，４６は異なるレベルに配置される。
【００７２】
溶湯を充填するため，鋳型３１は，鋳造すべきシリンダクランクケースＺＫの長手方向軸線に対して横方向に延在する旋回軸線を中心として，例えば１８０°の角度だけ回転させる。その結果，カバーコア３２は，離れ流路４０，４１及び戻り流路４２と共に底部に位置することとなる。熱い溶湯Ｍを，スプルーを介して離れ流路４０，４１に流入させる。離れ流路４０，４１を通過する途上で冷却された溶湯Ｍは，離れ流路４０，４１から戻り流路４２内に流入し，ひいては供給ポット４３，４４に流入する（図６を参照）。
【００７３】
離れ流路４０，４１が更に充填されると，熱い溶湯Ｍは，対応する離れ流路４０，４１の結合部を介して供給ポット４３，４４に流入し，これにより，供給ポット４３，４４内で熱い溶湯Ｍ及び冷却された溶湯Ｍが混合し，かつ，供給ポット４３，４４内に均一に分布する混合温度を有する溶湯Ｍが生じる（図７を参照）。
【００７４】
適切な温度を有する溶湯Mが，一方では入口４７，４８を介して外側供給容積45，46内に，そして他方ではゲートを介して成形キャビティに流入し（図８を参照），これらのゲートは，供給ポット４３，４４を鋳物鋳造用の成形キャビティに直結するものである。
【００７５】
充填完了後（図９を参照），鋳型３１を通常の態様で閉型し，長手方向に対する横方向で１８０°の角度をもって凝固位置（図１０）まで回転させる。
【００７６】
すなわち，本発明に係る鋳型の上述した実施形態において，溶湯は，少なくとも１つのスプルーを介して鋳型に充填される。次に，溶湯はスプルーから２つの離れ流路に分割され，これらの離れ流路は，供給システムの所与の対応する基礎形状の場合に，好適には少なくとも部分的に平行となるように配列される。ランナーにおける２つの離れ流路に分割された溶湯は，転向によりポット状供給チャンバに戻される。この場合，転向領域において，ランナーが主として配置される主要面外に引き出される曲線部を設けて，それぞれの離れ流路を通して流れる溶湯の流速を減速させる構成とすることができる。これにより，関連する曲線部に接続する各分岐流路は，再びランナーの主要面内に配置されることとなる。離れ流路に関し，溶湯は，中央に配置された少なくとも１つの戻りランナー分岐路に更に導かれる。言うまでもなく，ランナーの各離れ流路に専用戻り流路を接続し，この戻し通路を供給チャンバ列の間の中間スペース内に延在させることもできる。
【００７７】
供給チャンバによるランナーシステムの早期の分割及び複数の供給容積への溶湯の配給により，充填条件が最適化される。すなわち，本発明に係る実施形態は，溶融金属の迅速かつ均一な流入，ひいては供給システム及び部品内部における均一な温度分布を担保するものである。この目的のため，ランナーは，ゲートを介して供給チャンバに接続される。供給チャンバへの接続は，チャンバに流入する溶湯の最適な混合が行われるように選択される。この目的のため，例えば，上述したように全ての供給チャンバをランナーに直結するのではなく，個別の供給チャンバのみを直近の供給チャンバに接続し，当該供給チャンバをランナーに接続するのが有用である場合がある。混合と温度均一化を支援するため，供給チャンバはゲートを介して互いに接続される。ゲートの断面積及び供給チャンバの容積を変化させることにより，溶湯流及びこれにより達成される温度分布をそれぞれの鋳造目的に適合させることができる。凝固の間に供給システムが成形キャビティの上方に配置されることにより，凝固は供給システムの方向に行われる。すなわち，部品は，供給システムから最も離れた個所から冷却され，かつ凝固する一方で，供給システム内に含まれ，かつ最終的に鋳型に充填される溶湯は，より長時間に亙って熱い状態を維持する。鋳型が回転を行わない重力鋳型である場合，すなわちオーバーヘッド型の供給システムにより充填される場合には，鋳物を鋳造するための成形キャビティが最初に充填され，供給システムが最後に充填される。
【００７８】
供給システム，ランナー，スプルー及び接続部の容易な除去を支援するため，接続部は部品輪郭に小さい面積に亘って接続される。接続点は，好適には，標準的な事後プロセスの一環として，既存のスラグまで延在し，表面上に着座する。供給システムは，得られた部品（シリンダクランクケースＺ）の事前処理及び事後処理の間に，例えば切削加工により容易に除去することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１  鋳型
２，３  外側シェル
４  鋳型コア
５  成形キャビティ
６  鋳型１の側部
７  ランナー
８  供給システム
９ａ，９ｂ  接続部
１０  スプルー
１１，１２  供給チャンバ
１３，１４  ゲート
１５  供給チャンバ１１，１２の中間スペース
１７  スプルーヘッド
１８，１９  ランナー７の離れ流路
２０  ランナー７の戻り流路
２１，２４  ゲート
Ｌ  長手方向軸線
Ｆ  フィルター
Ｈ１〜Ｈ３  シリンダクランクケースＺの頂面と平行な水平面
Ｓ  溶湯の流れ方向
Ｚ  シリンダクランクケース
ＺＤ  シリンダクランクケースＺの頂面
ＺO  シリンダ開口部
３１  鋳型
３２  カバーコア
３３，３４  外側コア
３５，３６  外側シェルコア
３７  鋳物ＺＫの内側輪郭を決定するコア
３８，３９  鋳物の外側輪郭を決定するコア
４０，４１  外側に配置したランナーの離れ流路
４２  中央に配置したランナーの戻り流路
４３，４４  供給ポット
４５，４６  外部供給体積
４７，４８  フィード
ＺＫ  シリンダクランクケース（鋳物）
Ｍ  溶湯
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８０】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第４２４４７８９号明細書
【特許文献２】ドイツ特許出願公開第３９２４７４２号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１４／１１１５７３号明細書
【特許文献４】ヨーロッパ特許第２３５２６０８号明細書
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006858863.tif 000008
【図８】
0006858863.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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