JP2021098219A - 鋳造金型及びアルミ鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造欠陥を伴わないで、湯口から第２キャビティ末端までの距離を短くすることができる鋳造金型を提供する。【解決手段】溶湯１２は、湯口５８から主湯道５９に供給され、円錐部５７の円錐面５７ｂに沿いながら第１湯道６１と第２湯道６２に分流され、第１湯道６１を通る溶湯が第１キャビティ５３に注湯され、第２湯道６２を通る溶湯が第２キャビティ５４に注湯される。【効果】溶湯は円錐面に沿って流れるために、乱れない。第１キャビティと第２キャビティの間に湯口及び主湯道を設けたので、湯口から第２キャビティ末端までの距離が短くなる。【選択図】図５

Description

本発明は、ナックルの製造に好適な鋳造金型及びアルミ鋳造方法に関する。

アルミニウム合金（以下、アルミニウム又はアルミと記載する。）を溶解し、得られた溶湯を金型へ注湯することで、アルミニウム製品を得ることができる。
アルミニウム製品として、車両部品の一つであるナックルが知られている。ナックルは、車軸部を中心として放射状に張り出し部が延びている複雑な形状の部品である。

ナックルを鋳造する金型が、各種提案されている（例えば、特許文献１（図６）参照）。
特許文献１の技術を、図９（平面図）に基づいて説明する。
図９に示すように、鋳造金型１００は、車軸部を形成する中央キャビティ１０１と、この中央キャビティ１０１から一方に延びる第１キャビティ１０２と、中央キャビティ１０１から他方に延びる第２キャビティ１０３とを有する。

加えて、鋳造金型１００は、湯口１０４と湯道１０５とを有する。この湯道１０５は、湯口１０４と第１キャビティ１０２とを繋ぐ役割を果たす。
溶湯は、湯口１０４→湯道１０５→第１キャビティ１０２→中央キャビティ１０１→第２キャビティ１０３のように流れる。

湯口１０４から第２キャビティ１０３の末端（図では右上隅）までの距離が長いため、注湯時間が長くなる。注湯時間が長いと鋳造時間が長くなり、生産性が低下する。
また、第２キャビティ１０３の末端まで溶湯が到達するように、溶湯温度を高める必要がある。溶湯温度が低すぎると、溶湯が凝固して末端まで流れなくなるからである。
しかし、溶湯温度が高いと、凝固時間が長くなり、生産性が低下する。

生産性の向上が求められる中、湯口から第２キャビティ末端までの距離を短くすることが望まれる。
この要望に応えるべく、本発明者らは、湯口１０４を第１キャビティ１０２と第２キャビティ１０３の中間位置に移すことを検討した。湯口から第２キャビティ末端までの距離が約半分になるからである。この検討内容を、図１０と図１１に基づいて詳しく説明する。

図１０に示すように、従来のナックル鋳物１１０は、車軸穴１１１を有する中央部１１２と、この中央部１１２から張り出す第１張り出し部１１３、第２張り出し部１１４及び第３張り出し部１１５とからなる。

このような形状のナックル鋳物１１０を鋳造する鋳造金型１２０は、図１１に示すように、中央キャビティ１２１と、第１キャビティ１２２と、第２キャビティ１２３と、車軸穴１１１を設けるために突出した柱部１２４とを有すると共に、底面に湯口１２５及び湯道１２６を有する。
湯口１２５から第２キャビティ１２３末端までの距離が短くなり、注湯時間が短縮でき、生産性が高まる。

ところで、湯道１２６を流れる溶湯１２７は、柱部１２４の平坦な頂面１２８に衝突する。次に、左又は右に流れ方向が９０°曲がる。すなわち、流れ方向が急変する。衝突と流れ方向の急変によって、溶湯１２７の流れが乱れる。この乱れにより、ガスを巻き込むなどの鋳造欠陥が生じる。
生産性を高めことができても、鋳造欠陥が発生することは、容認されない。

そこで、鋳造欠陥を伴わないで、湯口から第２キャビティ末端までの距離を短くすることができる鋳造金型が望まれる。

特開２０１２−１４３７８８号公報

本発明は、鋳造欠陥を伴わないで、湯口から第２キャビティ末端までの距離を短くすることができる鋳造金型を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、中央部と、この中央部から張り出す第１張り出し部と、前記中央部から前記第１張り出し部とは別方向へ第２張り出し部とを有する鋳物を鋳造する鋳造金型であって、
この鋳造金型は、底面に設けられる湯口と、この湯口から立ち上がる主湯道と、この主湯道から分岐する第１湯道と、この第１湯道で溶湯が供給され前記第１張り出し部を形成する第１キャビティと、前記主湯道から分岐する第２湯道と、この第２湯道で溶湯が供給され前記第２張り出し部を形成する第２キャビティとを有し、
前記主湯道の出口に、この主湯道へ突出する円錐部が設けられ、前記主湯道を通る溶湯が前記円錐部の円錐面に沿いながら前記第１湯道と前記第２湯道に分流されるようにしたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の鋳造金型であって、
前記鋳物は、ナックルであり、
前記中央部は、車軸穴を有する車軸部であり、
前記鋳造金型は、前記車軸穴を形成する柱部を更に備え、
前記円錐部は、前記柱部の先端に設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の鋳造金型へアルミニウムの溶湯を注湯するアルミ鋳造方法であって、
前記溶湯は、電磁ポンプで汲み上げられて、前記湯口から前記主湯道に供給され、前記円錐部の円錐面に沿いながら前記第１湯道と前記第２湯道に分流され、前記第１湯道を通る溶湯が前記第１キャビティに注湯され、前記第２湯道を通る溶湯が前記第２キャビティに注湯されることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、主湯道の出口に円錐部を設け、溶湯が円錐部の円錐面に沿いながら第１湯道と第２湯道に分流されるようにした。溶湯の流れの変化を穏やかにした。このことにより、鋳造欠陥の発生を抑えることができる。
また、第１キャビティと第２キャビティの間に湯口及び主湯道を設けたので、湯口から第２キャビティ末端までの距離が短くなった。
よって、本発明によれば、鋳造欠陥を伴わないで、湯口から第２キャビティ末端までの距離を短くすることができる鋳造金型が提供される。

請求項２に係る発明では、鋳物は、ナックルであり、中央部は、車軸穴を有する車軸部であり、鋳造金型は、車軸穴を形成する柱部を更に備え、円錐部は、柱部の先端に設けられている。
ナックルであれば、車軸穴は必須である。車軸穴を形成する柱部に円錐部を設けたので、円錐部を容易に主湯道へ突出させることができ、鋳造金型の製造コストを抑えることができる。

請求項３に係る発明では、溶湯はアルミニウムであり、溶湯は電磁ポンプで汲み上げられる。電磁ポンプの電磁作用により、溶湯の流動性が高まる。流動性が高まると、流れ方向の急変の影響を受けやすくなる。
しかし、本発明では、溶湯が円錐部の円錐面に沿いながら流れる。円錐面により流れ方向は穏やかに変化するため、流動性の高い溶湯を鋳造金型へ注湯することができる。
溶湯の流動性が高いと、溶湯がキャビティの末端まで良好に到達するため、溶湯温度や金型温度を下げることができる。溶湯温度や金型温度が下がると溶湯の凝固時間が短くなり、生産性がさらに高まる。

本発明に係る鋳造装置の原理図である。 電磁ポンプの断面図である。 図２の３部拡大図である。 （ａ）は鋳物の正面図、（ｂ）はナックル鋳物の斜視図である。 鋳造金型の断面図であり、図４（ｂ）の５―５線断面に対応する断面図である。 （ａ）は重力金型鋳造法の原理図、（ｂ）は重力金型鋳造法での鋳造時間を説明する図、（ｃ）は電磁ポンプを用いた鋳造法の原理図、（ｄ）は電磁ポンプを用いた鋳造法での鋳造時間を説明する図である。 離型直後のナックル鋳物の断面図である。 ナックル鋳物の分解図である。 従来の鋳造金型の平面図である。 従来のナックル鋳物の断面図である。 従来のナックル鋳物に対応する鋳造金型の断面図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示すように、保持炉１０は、ヒータ１１を備えてアルミニウムの溶湯１２を貯留する炉である。この保持炉１０に、電磁ポンプ２０が設けられている。溶湯１２は、融点以上にヒータ１１で加熱又は保温され、その温度は温度制御部６６で制御される。
この例では、保持炉１０に鋼製フレーム１３を載せ、この鋼製フレーム１３で電磁ポンプ２０が支えられているが、保持炉１０への電磁ポンプ２０の取付け形態は任意である。

なお、保持炉１０は、溶解炉、出湯炉、取鍋（とりべ）などのアルミニウムを溶融状態で貯留する容器であればよく、狭義の保持炉に限定されない。

電磁ポンプ２０の詳細な構造を、図２に基づいて説明する。
図２に示すように、電磁ポンプ２０は、ベースフランジ２１と、このベースフランジ２１を貫通して上下に伸びている導湯管２２と、この導湯管２２に収納される鉄心部材２３と、導湯管２２の下部を囲う下部コイル２４と、この下部コイル２４を囲いつつベースフランジ２１に吊るされる下部ケース２５と、導湯管２２の上部を囲う上部コイル２６と、この上部コイル２６を囲いつつベースフランジ２１に載っている上部ケース２７と、導湯管２２から上へ伸びる吐出管２８と、この吐出管２８を囲う湯面計２９と、を備えている。

下部コイル２４に通電すると、フレミングの左手の原理で、溶湯（図１、符号１２）が引き上げられる。
次に、上部コイル２６に通電し、下部コイル２４を非通電にすると、溶湯が湯面計２９まで引き上げられる。湯面計２９のレベルが「待機レベル」になる。

フレミングの左手の法則により、電流を増すと、力が増加する。
上部コイル２６の電流をさらに増すと、溶湯は湯面計２９を超えて、吐出管２８より上へ吐出される。すると、図１に示す導湯ブロック１４を通って、鋳造金型５０に注湯される。
よって、電磁ポンプ２０は、保持炉１０に貯留した溶湯１２を汲み上げて、鋳造金型５０へ供給する加圧注湯手段である。

なお、鋳造金型５０は、ヒータや水通路を備えており、温度制御部６６により、常に鋳造金型５０の各部の温度を計測し、この計測値が所定温度になるように、温度制御する。この温度制御により、注湯直前の鋳造金型５０の温度が適温に保たれる。

本発明者らは、加圧注湯手段としての電磁ポンプ２０に、電磁作用特有の圧力現象があり、この現象に注目した。この現象を、図３に基づいて説明する。

図３に示すように、導湯管２２と鉄心部材２３との間の通路を、溶湯１２が上向きに流れている。上部コイル２６の上端部２６ａから鉄心部材２３へ達する磁場３１は上に凸になるように湾曲化する。この湾曲の度合いは、５０Ｈｚであれば２倍の１００Ｈｚで変動する。
この磁場３１の変動（変位）に起因して、溶湯１２の圧力（吐出圧力）が、細かい周期（１００Ｈｚ）で、微小変動する。すなわち、細かな脈動が不可避的に発生する。

次に、鋳物３５の形態を説明する。
図４（ａ）に示すように、鋳物３５は、中央部３６と、この中央部３６から張り出す第１張り出し部４２と、中央部３６から第１張り出し部４２とは別方向へ第２張り出し部４３とを有する。鋳物３５の用途は、任意であるが、例えば、車両部品の一種であるナックル鋳物である。

図４（ｂ）に示すように、鋳物３５としてのナックル鋳物４０は、中央部３６に相当する車軸部４１と、この車軸部４１から大きく張り出す第１張り出し部４２と、車軸部４１から反対側へ張り出す第２張り出し部４３と、車軸部４１から奥へ張り出す第３張り出し部４４とを有している。車軸部４１は中央に車軸穴４５を有している。
このような形態のナックル鋳物４０に好適な鋳造金型５０を図５で説明する。

図５に示すように、鋳造金型５０は、固定型５１と可動型５２からなる。
可動型５２には、第１張り出し部（図４（ｂ）、符号４２）を形成する第１キャビティ５３と、第２張り出し部（図４（ｂ）、符号４３）を形成する第２キャビティ５４と、第３張り出し部（図４（ｂ）、符号４４）を形成する第３キャビティ５５とが設けられている。

加えて、可動型５２には、車軸穴（図４（ｂ）、符号４５）を形成する柱部５６が設けられている。この柱部５６は、抜き勾配が付いた円柱であり、第１〜第３キャビティ５３〜５５を突き抜けるようにして、固定型５１まで延び、先端に、下へ尖っている円錐部５７を備えている。

固定型５１は、下面に湯口５８を備え、この湯口５８から上へ延びる主湯道５９を備え、円錐部５７で分岐されつつ円錐部５７に沿って延びる第１湯道６１、第２湯道６２及び第３湯道６３を備えている。第３湯道６３は、作図の都合で、円錐部５７の奥と、手前を通る。
第１湯道６１は第１キャビティ５３に繋がり、第２湯道６２は第２キャビティ５４に繋がり、第３湯道６３は第３キャビティ５５に繋がっている。

円錐部５７は、主湯道５９の出口に、主湯道５９へ突出した形態で設けられている。
そのため、湯口５８から主湯道５９へ流れる溶湯１２は、円錐部５７の頂点５７ａで分けられ、円錐面５７ｂに沿って流れる。したがって、第１湯道６１、第２湯道６２及び第３湯道６３を流れる溶湯１２は、乱れることなく円滑に流れる。

以上に述べた鋳造金型５０は、重力金型鋳造法、低圧金型鋳造法、ダイカスト法に供することは差し支えないが、電磁ポンプ２０を用いた鋳造法に好適である。
そこで、従来の技術（重力金型鋳造法）と本発明（電磁ポンプを用いた鋳造法）とを比較しつつ、金型１３０又は鋳造金型５０へ注湯する溶湯について説明する。

重力金型鋳造法では、注湯直前の金型温度（部位によって温度は異なる。）を、２４０℃〜３６０℃の範囲に制御する。加えて、金型１３０には、厚さが１５０μｍの離型剤を塗布する。
図６（ａ）に示すように、重力金型鋳造法では、金型１３０の高い位置に設けた湯口１３１から、注湯する。溶湯は下へ傾斜する湯道１３２を通って、キャビティ１３３を満たす。湯口１３１からキャビティ１３３の末端（終端）までの距離は長くなる。そのため、溶湯の温度は高めにする。

図６（ｂ）に示すように、溶湯温度は、７１０℃とした。この７１０℃は、ＡＣ４ＣＨの液相線温度６１５℃より、９５℃高い。この条件での鋳造時間は８０秒であった。

図３で説明したように、電磁ポンプを用いると溶湯の流動性が増す。この知見から、本発明者らは、溶湯温度を下げても、キャビティの末端まで溶湯を流すことができることに気づいた。加えて、溶湯温度が下がると、注湯直前の金型温度を下げることができる。

さらに加えて、溶湯温度が下がると、金型への熱的ダメージが軽減されるため、離型剤を薄くすることができる。加えて、溶湯の流動性が高いことでも、金型への熱的ダメージが軽減されるため、離型剤を薄くすることができる。

電磁ポンプを用いた鋳造法では、注湯直前の金型温度（部位によって温度は異なる。）を、１２０℃〜２４０℃の範囲に制御する。これでも、溶湯はキャビティの末端まで凝固することなく流れた。加えて、金型５０には、厚さが２０μｍの粉末離型剤を静電塗装した。
図６（ｃ）に示すように、実施例では、電磁ポンプ２０で金型５０へ注湯する。

図６（ｄ）に示すように、溶湯温度を１０℃下げて７００℃とし、注湯直前の金型温度（部位によって温度は異なる。）を１２０〜２４０℃の範囲として、金型５０へ注湯した。この条件での鋳造時間は４５秒であった。
鋳造時間が、ほぼ半分になったので、生産性の向上が図れる。

図７に示すように、得られたナックル鋳物４０を、境界線６４に沿ってカットする。
図８に示すように、製品部４６と非製品部４７とを分離する。製品部４６は、機械加工を施すことで、ナックルに仕上げる。非製品部４７は、スクラップとされ、再溶解され、次の鋳造に供される。

ところで、図１１において、従来は金型１２０へ重力金型鋳造法又は低圧金型鋳造法で溶湯１２７を注湯していた。
重力金型鋳造法又は低圧金型鋳造法に比較して、電磁ポンプを用いた鋳造法の場合、溶湯１２７の流動性が高まる。流動性が高まると、流速が増加したのと同等の現象が起こる。すなわち、渦の発生や乱れは流速が大きいほど顕著になる。したがって、重力金型鋳造法又は低圧金型鋳造法に比較して、電磁ポンプを用いた鋳造法では溶湯流れの乱れ対策が強く求められる。

対策として、図５の円錐部５７が有効となる。すなわち、円錐部５７は、重力金型鋳造法又は低圧金型鋳造法に比較して、電磁ポンプを用いた鋳造法に顕著な効果を発揮する。

以上により、本発明方法は、次のように纏めることができる。
図５に示す溶湯１２は、電磁ポンプ（図１、符号２０）で汲み上げられて、湯口５８から主湯道５９に供給され、円錐部５７の円錐面５７ｂに沿いながら第１湯道６１と第２湯道６２に分流され、第１湯道６１を通る溶湯が第１キャビティ５３に注湯され、第２湯道６２を通る溶湯が第２キャビティ５４に注湯される。

電磁ポンプ（図１、符号２０）により溶湯の流動性が高まる。溶湯の流動性が高いと、溶湯がキャビティの末端まで良好に到達するため、溶湯温度や金型温度を下げることができる。溶湯温度や金型温度が下がると溶湯の凝固時間が短くなり、生産性がさらに高まる。

尚、主湯道５９から分岐する第１湯道６１などの本数は、実施例では３本にしたが、２本又は４本以上であってもよく、複数であればよく、本数は任意である。
また、主湯道５９から円盤状に湯道が広がる場合であっても、円盤状の湯道は、断面視で第１湯道と第２湯道を含むため、本発明に含まれる。

また、本発明の鋳造金型５０は、アルミ溶湯の鋳造に好適であるが、銅溶湯、錫溶湯、鋳鉄溶湯、その他の溶湯の鋳造に供することは、差し支えない。

また、本発明の円錐部５７は、底面が正円、楕円、長円、歪な円の何れであってもよい。また、三角錐や四角推などの角推は、稜線が乱れの発生源となるため、好ましくない。しかし、稜線を丸めた角錐であれば、円錐部５７に含められる。
よって、円錐部５７は、狭義の正円錐に限定されない。

本発明は、アルミニウムの溶湯を注湯する鋳造金型に好適である。

１２…溶湯、２０…電磁ポンプ、３５…鋳物、３６…中央部、４０…ナックル鋳物、４１…車軸部、４２…第１張り出し部、４３…第２張り出し部、５０…鋳造金型、５３…第１キャビティ、５４…第２キャビティ、５６…柱部、５７…円錐部、５７ａ…頂点、５７ｂ…円錐面、５８…湯口、５９…主湯道、６１…第１湯道、６２…第２湯道。

Claims (3)

1. 中央部と、この中央部から張り出す第１張り出し部と、前記中央部から前記第１張り出し部とは別方向へ第２張り出し部とを有する鋳物を鋳造する鋳造金型であって、
   この鋳造金型は、底面に設けられる湯口と、この湯口から立ち上がる主湯道と、この主湯道から分岐する第１湯道と、この第１湯道で溶湯が供給され前記第１張り出し部を形成する第１キャビティと、前記主湯道から分岐する第２湯道と、この第２湯道で溶湯が供給され前記第２張り出し部を形成する第２キャビティとを有し、
   前記主湯道の出口に、この主湯道へ突出する円錐部が設けられ、前記主湯道を通る溶湯が前記円錐部の円錐面に沿いながら前記第１湯道と前記第２湯道に分流されるようにしたことを特徴とする鋳造金型。
2. 請求項１記載の鋳造金型であって、
   前記鋳物は、ナックルであり、
   前記中央部は、車軸穴を有する車軸部であり、
   前記鋳造金型は、前記車軸穴を形成する柱部を更に備え、
   前記円錐部は、前記柱部の先端に設けられていることを特徴とする鋳造金型。
3. 請求項１又は請求項２記載の鋳造金型へアルミニウムの溶湯を注湯するアルミ鋳造方法であって、
   前記溶湯は、電磁ポンプで汲み上げられて、前記湯口から前記主湯道に供給され、前記円錐部の円錐面に沿いながら前記第１湯道と前記第２湯道に分流され、前記第１湯道を通る溶湯が前記第１キャビティに注湯され、前記第２湯道を通る溶湯が前記第２キャビティに注湯されることを特徴とするアルミ鋳造方法。

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