JP4330423B2 - 鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、板状部材を鋳包み成形する鋳造装置に関する。

最近の内燃機関のシリンダには、シリンダヘッドの吸気ポート内に、タンブル板とも指称される仕切り板を設けたものがある。吸気ポートの吸気側端部に配置された気流制御弁を制御することにより、吸気ポートからシリンダボアに導入される吸気を仕切り板によって偏流させ、シリンダボア内で生じるタンブル流（縦渦流）を強化し、燃費の向上などを図るようにしている（特許文献１を参照）。

なお、本明細書では、仕切り板において、空気や燃料ガスの吸気が流入してくる側を「吸気側」、その反対側、つまりシリンダボア側を「シリンダ側」と称することとする。

シリンダヘッドを鋳造成形する場合には、金属製の仕切り板を吸気ポート成形用砂中子内に設置し、仕切り板を鋳包み成形することが一般的である。シリンダヘッドの鋳造成形時には、中子および仕切り板のそれぞれは、溶湯からの熱により温度が上昇し熱膨張する。ここで、仕切り板の熱膨張係数と、仕切り板を保持する中子の熱膨張係数との差は大きく、仕切り板は、中子に比べると熱膨張量が大きい。このため、仕切り板が中子を加圧ないし押し広げ、中子に亀裂や破損を生じさせ、この亀裂から溶湯が染み出し、バリを作る虞がある。また、仕切り板の熱膨張により、シリンダヘッドの鋳造成形時に仕切り板の位置がズレる虞があり、さらには、鋳造完了後の製品としてのシリンダヘッドにおいて、仕切り板に製品内でのガタが生じる虞もある。

このため、バリの発生箇所によっては後加工でのバリ取り作業が極めて面倒となるばかりでなく、仕切り板の位置ズレや製品内でのガタにより製品品質の低下をも招来することになる。したがって、仕切り板に対しては熱的影響を十分考慮しなければならない。

特許文献１に開示された仕切り板は、シリンダヘッドの鋳造成形時に仕切板を鋳込む際の熱膨張による変形対策として、波形状に形成されている。しかしながら、波形状の仕切り板は、吸気ポートの半径方向の熱膨張は吸収できても、軸線方向の熱膨張を吸収できない。このため、仕切り板と中子との熱膨張量差による中子の割れに起因するバリの発生箇所を限定することができず、また、仕切り板の位置ズレや製品内でのガタなどを十分に抑えることはできない。
特表２００１−１９３４６９号公報（段落番号００１１，００２０，００２２及び図１，３，４参照）

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、仕切り板の位置ズレや製品内でのガタなどを十分に抑えて製品品質の向上を図り、さらには、中子の割れに起因するバリの発生箇所を限定的なものとして後加工でのバリ取り作業の容易化を図ることを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、両側縁部が外部に突出するように砂中子に予め設置された板状部材を鋳包み成形する鋳造装置であって、鋳造してできる製品の肉厚が前記板状部材の一端側よりも他端側で厚くなるように、前記一端側よりも前記他端側に大きなキャビティを形成する鋳型を有する。

本発明によれば、鋳型が板状部材の一端側よりも前記他端側に大きなキャビティを形成するので、該一端側よりも他端側近傍に多くの溶湯が流し込まれ、溶湯の少ない一端側で先に凝固し始める。この結果、板状部材の一端側が先に固定され、溶湯の熱により板状部材が膨張する方向を一方向に限定ないし制御でき、中子の割れに起因するバリの発生箇所を限定的なものとして後加工でのバリ取り作業の容易化を図ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。以下では、シリンダヘッドを鋳造して、該シリンダヘッドに仕切り板を鋳包む鋳造装置に本発明を適用する場合について説明する。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、板状部材を鋳包み成形するいかなる鋳造装置にも適用できる。

まず、本発明の鋳造装置により製造され、吸気ポート１４用の仕切り板１００を有するシリンダヘッド１０について説明する。なお、以下の説明では、吸気ポート１４用の仕切り板１００を、「タンブル板１００」とも称する。

図１は、エンジンのシリンダヘッド１０を示す概略断面図、図２は、吸気ポート１４の軸直角断面図、図３は、シリンダヘッド１０での気流状態を示す概略図である。

図１および図３を参照して、シリンダヘッド１０は、シリンダブロック１１の上部に設けられ、インテークマニホールド１２からの空気や燃料ガスからなる吸気流をシリンダボア１３内に導入する吸気ポート１４と、シリンダボア１３内で燃焼した後の排ガスを排出する排気ポート１５を有している。なお、図示のエンジンは、１気筒４バルブであり、吸気弁１６および排気弁１７が２つずつ設けられている。

吸気ポート１４内には、吸気側（図３の外端側）からシリンダ側に向かって流れる吸気の流れ方向（白抜き矢印）に沿って仕切り板１００が設けられている。仕切り板１００の吸気側には、図３に示すように、制御弁１８が設けられたインテークマニホールド１２が接続されている。吸気ポート１４は、仕切り板１００により、上部ポート１４ｕと下部ポート１４ｄに仕切られることになり、制御弁１８により下部ポート１４ｄを閉じると、吸気は、増速されて上部ポート１４ｕ内を流れ、シリンダボア１３内で強力なタンブル流（縦渦流）を形成することになる。

吸気ポート１４は、シリンダ側の通路が大きく屈曲しており、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａの位置がバラ付くと、気流の特性が変化し、タンブル流の発生状況に大きく影響することになるので、シリンダ側端部Ｔａの位置は、きわめて重要な位置となる。一方、タンブル板１００の吸気側端部Ｔｂの位置は、吸気を分岐する側であり、しかも制御弁１８が設けられる部分であることから、その位置がバラ付いても、気流の特性に変化をもたらすことはなく、一般的には、シリンダ側端部Ｔａの位置程精度よく設定する必要はない。

そこで、本実施形態では、シリンダヘッド１０を鋳造成形する鋳造装置において、先にタンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａの近傍の溶湯を凝固させることにより、シリンダ側端部Ｔａの位置を固定し、比較的自由な吸気側端部Ｔｂ側において溶湯の熱的影響によるタンブル板１００の熱膨張を吸収できるようにしている。

以下では、本発明に係る鋳造装置の構成の説明の容易のために、先に、タンブル板が予め設置されたポート中子、該ポート中子を造型する様子、該ポート中子を型内に配置して鋳造を行う様子について説明し、その後に、本実施形態の特徴となる構造について説明する。

（ポート中子）
図４（Ａ）、（Ｂ）は、タンブル板１００が予め設置されたポート中子２００を示す平面図および側面図である。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、実施形態に係るタンブル板１００は、シリンダヘッド１０の吸気ポート１４を形成する吸気ポート成形用砂中子２００に予め設置され、シリンダヘッド１０の鋳造成形時に鋳包まれて、シリンダヘッド１０の吸気ポート１４を複数のポート（上部ポート１４ｕと下部ポート１４ｄ）に仕切るものである。なお、以下の説明では、タンブル板１００が予め設置された吸気ポート成形用砂中子２００を、「ポート中子２００」とも称する。

詳述すると、タンブル板１００は、略矩形形状を有し、シリンダヘッド１０の鋳造成形時に溶湯に鋳包まれることになる両側縁部Ｔｃと、両側縁部Ｔｃに連続するとともに吸気ポート１４内で吸気の流れの上流側に配置されることになる吸気側端部Ｔｂと、両側縁部Ｔｃに連続するとともに吸気の流れの下流側に配置されることになるシリンダ側端部Ｔａと、を備えている。両側縁部Ｔｃよりも内方部分が、吸気ポート１４内を仕切る仕切り部１０３となる。

タンブル板１００の材質は、リサイクル性を考慮してアルミ合金を使用することが好ましい。タンブル板１００の板厚は、吸気ポート１４内を流通する吸気の抵抗にならないように薄肉であることが望ましいが、タンブル板１００の材質がアルミ合金の場合には、シリンダヘッド１０鋳造品を熱処理する際の熱変形を防止する必要を考慮し、約１．５ｍｍ以上であることが望ましい。

タンブル板１００の吸気側端部Ｔｂに面取りを施してもよい。シリンダヘッド１０鋳造成形後の後加工で、インテークマニホールド１２が接続されるシリンダヘッド１０端面をカッタなどで機械加工する場合があるが、このような場合にタンブル板１００の吸気側端部Ｔｂの切除をより滑らかに行うことができ、加工時のかえりバリの発生を抑制できるからである。

タンブル板１００の製造方法は特に限定されないが、同品質のものを簡便かつ安価に作製する観点から、プレス成形によりタンブル板１００を作製することが好ましい。

ポート中子２００は、シリンダヘッド１０を鋳造成形する鋳造型４００内に設置して（図７を参照）、シリンダヘッド１０の吸気ポート１４を形成するものである。このポート中子２００は、上述したタンブル板１００が、その両側縁部Ｔｃを溶湯に鋳包まれるように外部に突出して、予め設置されている。

外部に突出したタンブル板１００の両側縁部Ｔｃは、溶湯に鋳包まれたときの保持をより確実にする部分である。鋳包み代は、特に限定されるものではないが、例えば、約２ｍｍに設定されている。

なお、鋳造後のシリンダヘッド１０においては、タンブル板１００の両側縁部Ｔｃは、シリンダヘッド１０に対して溶着させていない。溶着させた場合には、エンジンとして使用したときに受ける繰返しの熱衝撃と振動とにより、タンブル板１００の疲労破壊を招く虞があるためである。タンブル板１００がシリンダヘッド１０に対して溶着していないので、シリンダヘッド１０から見ると、鋳包み部分は、切欠き形状となっている。このため、鋳包み代が大きすぎると、切欠き深さが深くなって当該切り欠き形状の部分に応力集中が生じ、シリンダヘッド１０の構造的強度を低下させる一要因となる。さらに、シリンダヘッド１０のウォータージャケット冷却性能を向上させるため、あるいは軽量化のために、部分的あるいは全体的にシリンダヘッド１０の肉厚を薄くしなければならない場合もある。したがって、鋳包み代はできるだけ小さいほうが好ましい。

（ポート中子を造型する様子）
図５は、ポート中子２００を造型する型３００を示す概略断面図である。なお、以下の説明では、ポート中子２００を造型する型３００を、「中子型３００」とも称する。

シリンダヘッド１０を鋳造成形する際には、まず、図５に示される中子型３００を用いて、図４に示されるポート中子２００が造型される。

前記中子型３００は、中子用上型３０１や中子用下型３０２などからなる複数の部分型から構成されている。これら部分型を突き合わせると、その内部には、ポート中子２００を形成するためのキャビティ３０３が形成される。このキャビティ３０３内に、中子砂を吹き込み、押し固めてポート中子２００を成形する。

（ポート中子を配置して鋳造を行う様子）
図６は、ポート中子２００を造型する型３００を破断してタンブル板１００を露呈した状態で示す平面図である。

図６に示すように、中子型３００に予めタンブル板１００を載置した状態で、中子砂を吹き込み、ポート中子２００を成形する。このタンブル板１００は、中子型３００内でズレないように位置決めされ、中子型３００の型合わせ面に形成された座にセットされている。つまり、中子用下型３０２のキャビティ周縁に載置された状態で保持されている。

中子型３００内で成形されたポート中子２００は、中子用上型３０１や中子用下型３０２などの部分型を図５中矢印で示す分割方向に分割することにより、中子型３００から取り出される。なお、図５中符号２０１は巾木を示している。

図７は、シリンダヘッド１０を鋳造成形する鋳造型４００内にポート中子２００を設置した状態の概念を示す断面図である。なお、図７では、ポート中子２００が設置される状態の概念を示し、後述する鋳造装置の鋳抜きピンおよびインサートについては、その図示を省略している。

図７に示すように、ポート中子２００は、シリンダヘッド１０を成形するための鋳造型４００に組み込まれる。鋳造型４００は、上型４０１、下型４０２およびサイド型４０３からなり、ポート中子２００を下型４０２とサイド型４０３の間で支持し、上型４０１で覆うと、内部にシリンダヘッド１０を成形するためのキャビティ４０４が形成される。なお、図中の符号「４０５」は、ウォータージャケット成形用の中子とオイル通路成形用の中子である。鋳造法は、例えば、低圧鋳造法（ＬＰＤＣ）が採用される。

この状態で、湯口５００からキャビティ４０４内に、アルミニウム合金、その他の金属からなる溶湯を注湯すると、図１に示すようなシリンダヘッド１０が形成される。この注湯時に、溶湯の熱によりポート中子２００に設けられたタンブル板１００が熱膨張することになる。

本実施形態では、鋳造装置は、鋳造してできる製品の肉厚がタンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａ側よりも吸気側端部Ｔｂ側で厚くなるように、シリンダ側端部Ｔａ側よりも吸気側端部Ｔｂ側に大きなキャビティを形成する。吸気側端部Ｔｂ側のキャビティを大きくするために、すなわち、シリンダ側端部Ｔａ側のキャビティを小さくするために、鋳造装置は、鋳型から鋳型内に突出するインサート（凝固調整用インサート）をシリンダ側端部Ｔａ近傍に配置している。

該インサートを配置することにより、シリンダ側端部Ｔａにおける製品の肉厚が薄くなり、鋳造時の凝固がシリンダ側端部Ｔａ側でシリンダ側端部Ｔｂ側よりも先に始まる。これにより、タンブル板１００が吸気側端部Ｔｂ側に膨張するように、膨張方向を制御できる。

インサートの配置位置、および、該インサートがどのように溶湯に作用するかについて図８を参照して説明する。なお、インサートは、鋳造後にシリンダヘッド１０から引き抜かれるため、シリンダヘッド１０にインサートを引き抜いた跡が残る。以下では、この跡にインサートを２点鎖線で仮想的に示し、鋳造中に製品となるシリンダヘッド１０のどのあたりにインサートが配置されているかを示す。併せて、鋳造中、製品となるシリンダヘッド１０のどのあたりに、溶湯の湯口が設けられているかを示す。

図８は、インサートを鋳造後のシリンダヘッド１０に仮想的に示す図であり、図８（Ａ）はシリンダヘッド１０の概略構成を示す平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ａ−８Ａ線に沿った断面図である。

図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、シリンダヘッド１０を鋳造する際には、インサートとして、鋳抜きピン５ａ、シリンダボア用インサート５ｂ、鋳抜きピン５ｃ〜ｄ（以下、これらを総称してインサート５という）が鋳型内に配置された状態で、溶湯が注湯される。これにより、インサート５は、仕上げ加工される前のシリンダヘッド１０内に挿入された状態となる。ここで、同時に、タンブル板１００がシリンダヘッド１０に鋳包まれている。

インサート５は、それぞれ、鋳造後にシリンダヘッド１０から引き抜けるように、表面が抜け勾配に形成されている。インサートを引き抜いた跡は、製品化段階で他の用途に使用される。たとえば、シリンダボア用インサート５ｂを引き抜いた跡には、シリンダボア１３の一部が形成される。

本実施の形態では、鋳抜きピン５ｃは、製品の駄肉部１９に挿入されるように設けられ、タンブル板外縁部の肉厚は、シリンダボア側から吸気側に向けて、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３という分布になる。これにより、該駄肉部１９の肉厚が減少され、鋳造時に該駄肉部１９近傍の溶湯の凝固が早くなる。結果として、駄肉部１９に近いタンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯の凝固も早くなる。

このように、駄肉部１９に鋳抜きピン５ｃを設けることにより、駄肉部１９の肉厚を薄くでき、溶湯の凝固を早くすることができる。なお、鋳抜きピン５ｃにより駄肉部１９の肉厚を薄くするだけでなく、鋳型とポート中子２００との距離を、吸気側端部Ｔｂ側でシリンダ側端部Ｔａ側より大きくすれば、シリンダ側端部Ｔａ近傍のキャビティが相対的に小さくなり、シリンダ側端部Ｔａ近傍の凝固を相対的に早めることができる。

本実施形態では、鋳抜きピン５ｃを設けたことに加えて、複数のインサート５を用いて、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯の凝固を吸気側端部Ｔｂに対して相対的に促進させる効果を高めている。以下では、インサート５の熱容量を変化させた場合、熱伝導率を変化させた場合、インサート５の温度を制御する場合のそれぞれについて、シリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯の凝固を促進させる手法について説明する。

（インサートの熱容量を変化）
インサート５の熱容量を調整することにより、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯の凝固を吸気側端部Ｔｂに対して相対的に促進させることができる。

この場合、各インサート５の熱容量を異ならせる。図８に示すように、インサート５を配置する場合、タンブル板１００近傍の下流部１０１から上流部１０３に向かって、インサートの熱容量が大きいものから順に配置されるようにする。ここで、インサート５の材質が同じ場合、熱容量が体積に正比例するので、タンブル板１００近傍の下流部１０１から上流部１０３に向かって、インサート５の大きさが小さくなるようにする。具体的には、鋳抜きピン５ａ、シリンダボア用インサート５ｂ、鋳抜きピン５ｃ、鋳抜きピン５ｄの体積をそれぞれ、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄと示すと、Ｖｂ＞Ｖａ＞Ｖｃ＞Ｖｄという関係にする。

なお、インサート５が異なる材質の場合には、熱容量が下流部１０１から上流部１０３に向かって小さくなるように、シリンダボア用インサート５ｂ、鋳抜きピン５ａ、鋳抜きピン５ｃ、鋳抜きピン５ｄの順に熱容量が大きい材質を用いる。

このようにインサート５の熱容量を下流部１０１から上流部１０３に向けて小さくすることにより、下流部１０１側ではインサート５が温まりにくく溶湯の凝固が促進され、上流部１０３側ではインサート５が温まりやすく溶湯の凝固が促進されない。この結果、先に、下流部１０１近傍の溶湯が凝固し、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａが固定される。

（インサートの熱伝導率を変化）
インサート５の熱伝導率を調整することにより、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯の凝固を吸気側端部Ｔｂに対して相対的に促進させることができる。

この場合、各インサート５の熱伝導率を異ならせる。図８に示すように、インサート５を配置する場合、タンブル板１００近傍の下流部１０１から上流部１０３に向かって、インサートの熱伝導率が大きいものから順に配置されるようにする。具体的には、シリンダボア用インサート５ｂ、鋳抜きピン５ａ、鋳抜きピン５ｃ、鋳抜きピン５ｄの順に熱伝導率が高いものを用いる。

このようにインサート５の熱伝導率を下流部１０１から上流部１０３に向けて小さくすることによって、下流部１０１側では溶湯の熱がインサート５により発散されやすいので溶湯の凝固が促進され、上流部１０３側では溶湯の熱がインサート５により発散されにくいので溶湯の凝固が促進されない。この結果、先に、下流部１０１近傍の溶湯が凝固し、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａが固定される。

なお、インサート５は、鋳型の一部として用いられるため、ある程度の強度が必要である。したがって、たとえば、インサート５としては、銅、タングステン、鉄等を使用できる。ここで、熱伝導率は、銅＞タングステン＞鉄なので、この熱伝導率が高い順に、下流部１０１から上流部１０３に向かってインサート５に適用することが好ましい。ここで、たとえば、鋳抜きピン５ｄは中空にして断熱性をもたせてもよい。

（インサートの温度制御）
図９は、冷却式鋳抜きピンの冷却構造を示す概略図、図１０は冷却制御のためのシステムの概略構成図である。

インサート５の温度を積極的に制御することにより、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯の凝固を吸気側端部Ｔｂに対して相対的に促進させることができる。

この場合、鋳抜きピン５ａ、シリンダボア用インサート５ｂ、鋳抜きピン５ｃは溶湯を冷却するように溶湯より低い温度に制御し、鋳抜きピン５ｄは溶湯を冷却しないように溶湯より高い温度に制御する。すなわち、タンブル板１００の下流部１０１を冷却し、上流部１０３を加熱する。

溶湯を冷却する鋳抜きピン５ａの構造としては、たとえば、図９に示すものが考えられる。鋳抜きピン５ａは、中心に設けられた供給用パイプ５０と、該供給用パイプ５０の周りに設けられた排出用パイプ５１とを有し、二重配管構造に形成されている。

供給用パイプ５０から冷却媒体が供給され、供給用パイプ５０の先端から放出された冷却媒体が排出用パイプ５１を通り排出される。排出用パイプ５１を冷却媒体が通る際に、鋳抜きピン５ａの表面が冷却される。これにより、該鋳抜きピン５ａ表面の溶湯が冷却される。冷却された溶湯は、凝固が促進される。

鋳抜きピン５ａの供給用パイプ５０は、図１０に示す電磁バルブ５２に接続されている。電磁バルブ５２は、制御装置５３と接続されており、該制御装置５３の開閉指示に従って供給用パイプ５０を開閉自在である。

制御装置５３は、溶湯センサー５４および加圧制御装置５５の少なくとも一つと接続されている。溶湯センサー５４は、図９では示していないが、鋳抜きピン５ａ内に設置されており、鋳抜きピン５ａ外部の温度変化により溶湯の到達を検出するセンサーである。溶湯センサー５４は、溶湯の到達を検出すると、溶湯到達信号を制御装置５３に送信する。溶湯到達信号の受信をきっかけとして、制御装置５３は、タイマーをカウントして、所定時間電磁バルブ５２を開状態に制御する。これにより、制御装置５３は、冷却媒体が鋳抜きピン５ａに送られるように制御し、鋳抜きピン５ａの温度を調整する。

また、加圧制御装置５５は、鋳型内の加圧制御を行う装置である。加圧制御手段５５は、鋳型内の加圧を開始する際に、加圧開始信号を制御装置５３に送信する。加圧開始信号の受信をきっかけとして、制御装置５３は、タイマーをカウントして、所定時間電磁バルブ５２を開状態に制御する。これにより、制御装置５３は、冷却媒体が鋳抜きピン５ａに送られるように制御し、鋳抜きピン５ａの温度を調整する。

制御装置５３には、溶湯センサー５４および加圧制御装置５５に加えて、温度センサー５６が接続されていてもよい。温度センサー５６は、鋳抜きピン５ａ内で先端に設けられており、鋳抜きピン５ａ近傍の温度を検出し、制御装置５３に送信する。制御装置５３は、鋳抜きピン５ａ近傍の温度に基づいて、鋳抜きピン５ａの温度を調整する。

以上の鋳抜きピン５ａと同様に、シリンダボア用インサート５ｂおよび鋳抜きピン５ｃも冷却構造を有する。ここで、鋳抜きピン５ａ、シリンダボア用インサート５ｂ、鋳抜きピン５ｃに供給する冷却媒体の温度を個別に異ならせて制御することによって、位置ごとに溶湯の凝固を制御することもできる。

一方、鋳抜きピン５ｄは、内部にヒーターが内臓されている。ヒーターは、図１０に示す制御装置５３に接続されている。制御装置５３は、溶湯センサー５４、加圧制御装置５５、および温度センサー５６からの信号に基づいて、電磁バルブ５２と同様に制御する。すなわち、電磁バルブ５２を開くタイミングで、ヒーターをＯＮ状態にし、電磁バルブ５２を閉じるタイミングで、ヒーターをＯＦＦ状態にする。鋳抜きピン５ｄは、内部のヒーターによりその近傍の溶湯を温めるので、溶湯の凝固を防止ないし遅延させることができる。

なお、本実施形態の鋳造装置は、図８に示すように、湯口５００を備えている。湯口５００は、高温の溶湯を鋳型内に供給する供給口であり、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａから離れた位置に設けられている。これにより、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａ近傍に直接溶湯が供給されることがなく、シリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯の凝固を妨げることがない。

以上のように、本実施形態では、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａ近傍の肉厚を薄くし、インサート５の熱容量、熱伝達率、温度を制御することにより、シリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯の凝固促進効果を相対的に高め、逆に吸気側端部Ｔｂ近傍の溶湯の凝固を遅らせている。タンブル板１００近傍の下流部１０１、中流部１０２、上流部１０３の溶湯の凝固時間は、図１１に示すとおりとなった。

図１１は、タンブル板１００の箇所と、その近傍の溶湯の凝固時間を示すグラフである。図１１に示すように、本発明の鋳造装置を用いれば、タンブル板１００周辺では、下流部１０１、中流部１０２、上流部１０３の順に溶湯の凝固がタンブル板１００の長手方向に沿って制御される。タンブル板１００の下流部１０３の溶湯が先に凝固するので、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａがタンブル板１００の熱膨張による影響を受ける前に固定され、吸気ポート１４に対するシリンダ側端部Ｔａの位置ズレを防止することができる。

その後のタンブル板１００の熱膨張は、まだ周囲の溶湯が凝固しておらず比較的自由な吸気側端部Ｔｂ側で吸収される。すなわち、溶湯の熱によりタンブル板１００が熱膨張する方向を、溶湯が凝固したシリンダ側端部Ｔａから吸気側端部Ｔｂに向かう一方向に限定ないし制御することが可能となる。タンブル板１００の熱膨張が、膨張しやすい吸気側端部Ｔｂに集約されるため、ポート中子２００がシリンダ側端部Ｔａによって加圧されることがない。このため、ポート中子２００に、吸気ポート１４の形状を成形するために重要な領域で、亀裂や破損などが生じることはない。

仮に、タンブル板１００の熱膨張が大きい場合でも、ポート中子２００は吸気側端部Ｔｂによって加圧されることから、ポート中子２００に発生する割れを巾木２０１側に誘導ないし誘発させることができる。このポート中子２００の割れに起因するバリは、鋳造完了後の製品としてのシリンダヘッド１０の内部ではなく、製品形状外に発生することになる。したがって、後のバリ取り作業を容易に実施でき、もしくは実施する必要がない。

また、本実施形態では、溶湯を注湯する湯口５００が、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａの近傍から離れた位置に設けられている。したがって、注ぎ込まれる溶湯の熱によりタンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａ近傍が高温に維持されて溶湯の凝固が遅くなることがなく、安定的にシリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯を凝固できる。

上述したように、本実施形態によれば、タンブル板１００は、熱膨張しても、重要な位置であるシリンダ側端部Ｔａの位置が保持された状態で精度良く鋳包まれることになる。したがって、タンブル板１００の位置ズレや製品内でのガタなどを十分に抑えて製品品質の向上を図り、さらには、ポート中子２００の割れに起因するバリの発生箇所を限定的なものとして後加工でのバリ取り作業の容易化を図ることができる。

なお、上記図８に示すインサート５の配置位置は、あくまで例示であり、いかなる配置とすることができる。ここで、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａの方が、吸気側端部Ｔｂより溶湯の凝固が早まればよい。

インサート５において、熱容量、熱伝導率、温度制御を組み合わせることもできる。たとえば、鋳抜きピン５ａの熱容量を高くし、鋳抜きピン５ｄの温度を高くするという具合に組み合わせることもできる。

また、図８では複数のインサートにより溶湯の凝固を調整する場合について説明したが、これに限定されない。単数のインサート、たとえば、熱容量の高いインサートを、タンブル板１００のシリンダ側端部Ｔａに配置するだけでも、吸引側端部Ｔｂよりも溶湯の凝固を促進できる。

（変形例）
上記実施形態では、湯口５００がシリンダ側端部Ｔａから離れた位置に一つだけ設置される場合について説明したが、これに限定されない。図１２に示すように、湯口５００の他に、湯口５０１を設けることもできる。図１２は、仮想的にインサートを示したシリンダヘッド１０の断面図である。図１２に示す場合、湯口５０１は、タンブル板１００の直下に設置されているが、大きさを湯口５００よりも小さくすることにより、タンブル板１００の加熱を防止しつつ、湯回り性を向上できる。

また、図１２に示すように、図８と比較して、射抜きピン５ｄを省略することもできる。鋳抜きピン５ｄを省略したとしても、鋳抜きピン５ａ、５ｃおよびシリンダボア用インサート５ｂにより、シリンダ側端部Ｔａ近傍の溶湯の凝固が促進され、結果として、吸気側端部Ｔｂよりも先に近傍の溶湯が凝固されるからである。

さらに、上記実施形態では、インサートを温度制御する場合に、タンブル板１００の吸気側端部Ｔｂ近傍の溶湯の凝固をシリンダ側端部Ｔａよりも遅くするために、ヒーターを含んだ鋳抜きピン５ｄを用いることを説明したが、これに限定されない。たとえば、中空に形成されており、周囲の熱の拡散を防止して、周囲を保温し、溶湯の凝固を遅延させることができる凝固調整用インサートを、鋳抜きピン５ｄの代わりに設置することもできる。これにより、ヒーターを制御することなく簡単な構成で、溶湯の凝固を制御できる。

また、上記実施形態では、タンブル板１００の位置精度が要求される部位としてシリンダ側端部Ｔａを例示したが、シリンダ側端部Ｔａ以外の部位で位置精度が要求される場合にあっては、その要求部位に応じた位置に高い熱容量、高い熱伝導率、または低温に制御されたインサート５を設けることにより凝固を促進し、他の部位で凝固を遅延させるように制御可能である。たとえば、タンブル板１００の吸気側端部Ｔｂの位置精度を高める場合には、吸気側端部Ｔｂの近傍に、高い熱容量、高い熱伝導率、または低温に制御されたインサート５を設け、逆に、シリンダ側端部Ｔａ近傍に低い熱容量、低い熱伝導率、または高温に制御されたインサート５を設ければよい。

また、上記実施形態では、シリンダポート内にタンブル板１００を鋳包む例について説明したが、これに限定されない。ある部位の位置精度が要求されるような板状部材を鋳包み成形する鋳造装置であれば、いかなるものにも適用できる。

本発明は、シリンダヘッドの吸気ポートにおけるタンブル板の固定位置の精度を改善する用途に適用できる。

エンジンのシリンダヘッドを示す概略断面図である。 吸気ポートの軸直角断面図である。 シリンダヘッドでの気流状態を示す概略図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）は、タンブル板が予め設置されたポート中子を示す平面図および側面図である。 ポート中子を造型する型を示す概略断面図である。 ポート中子を造型する型を破断してタンブル板を露呈した状態で示す平面図である。 シリンダヘッドを鋳造成形する鋳造型内にポート中子を設置した状態の概念を示す断面図である。 インサートを鋳造後のシリンダヘッドに仮想的に示す図であり、図８（Ａ）はシリンダヘッドの概略構成を示す平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ａ−８Ａ線に沿った断面図である。である。 冷却式鋳抜きピンの冷却構造を示す概略図である。 冷却制御のためのシステムの概略構成図である。 タンブル板の箇所と、その近傍の溶湯の凝固時間を示すグラフである。 仮想的にインサートを示したシリンダヘッドの断面図である。

符号の説明

５…インサート、
１０…シリンダヘッド、
１４…吸気ポート、
１９…駄肉部、
５３…制御装置、
５４…溶湯センサー
５５…加圧制御装置、
５６…温度センサー、
１００…タンブル板（仕切り板）、
２００…ポート中子（吸気ポート成形用砂中子）、
３００…中子型、
４００…鋳造型、
５００…湯口、
５０１…湯口、
Ｔａ…シリンダ側端部、
Ｔｂ…吸気側端部。

Claims (13)

1. 両側縁部が外部に突出するように砂中子に予め設置された板状部材を鋳包み成形する鋳造装置であって、
   鋳造してできる製品の肉厚が前記板状部材の位置精度が要求される部位よりも他の部位で厚くなるように、前記位置精度が要求される部位よりも前記他の部位に大きなキャビティを形成する鋳型を有することを特徴とする鋳造装置。
2. 両側縁部が外部に突出するように砂中子に予め設置された板状部材を鋳包み成形する鋳造装置であって、
   鋳造してできる製品の肉厚が前記板状部材のシリンダ側端部側よりも吸気側端部側で厚くなるように、前記シリンダ側端部側よりも前記吸気側端部側に大きなキャビティを形成する鋳型を有することを特徴とする鋳造装置。
3. 前記鋳型は、鋳造後に製品から引き抜き可能な少なくとも１つの凝固調整用インサートを含み、
   前記凝固調整用インサートは、前記板状部材の前記両側縁部の近傍に配置され、溶湯の凝固を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋳造装置。
4. 前記凝固調整用インサートは、前記板状部材の前記一端側に配置されることにより、鋳造時に該一端側近傍に流入される溶湯を少なくし、該一端側近傍の溶湯の凝固を促進することを特徴とする請求項３に記載の鋳造装置。
5. 前記凝固調整用インサートは、自身の熱容量により、前記板状部材の一端側近傍の溶湯の凝固を他端側近傍の溶湯より相対的に促進させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の鋳造装置。
6. 前記凝固調整用インサートは、複数設けられており、前記板状部材の前記一端側から前記他端側に向かって、熱容量が大きいものから順に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の鋳造装置。
7. 前記凝固調整用インサートは、自身の熱伝導率により、前記板状部材の一端側近傍の溶湯の凝固を他端側近傍の溶湯より相対的に促進させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の鋳造装置。
8. 前記凝固調整用インサートは、複数設けられており、前記板状部材の前記一端側から前記他端側に向かって、熱伝導率が大きいものから順に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の鋳造装置。
9. 前記凝固調整用インサートは、温度調節可能であり、該温度を制御する温度制御手段に接続されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の鋳造装置。
10. 前記溶湯を前記鋳型内に供給するための湯口は、前記両側縁部の近傍から離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の鋳造装置。
11. 前記溶湯を供給するために複数の湯口が設けられており、前記両側縁部から離れている湯口は、近い湯口よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の鋳造装置。
12. 前記板状部材は、鋳造成形後にシリンダヘッドに鋳包まれて吸気ポートを複数のポートに仕切る仕切り板であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の鋳造装置。
13. 前記仕切り板は、吸気ポートの上流側よりも下流側の方が先に溶湯の凝固により固定されることを特徴とする請求項１２に記載の鋳造装置。

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