JP2016131988A - 中空筒状回転部材の鋳造方法及び鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全体の肉厚を均一化することができる中空筒状回転部材の鋳造方法及び鋳造装置を提供する。
【解決手段】中空筒状回転部材１の鋳造方法は、中空筒状回転部材１の外形に沿う形状のキャビティ１２を有し、軸Ｌ方向における上端にキャビティ１２に連通する開口部１３を有する金型１１のキャビティ内１２に溶湯Ｍを充填する工程と、キャビティ１２内の溶湯Ｍの凝固が完了する前に、金型１１を中空筒状回転部材１の周方向に対応する方向に自転させる工程と、キャビティ１２を形成する金型表面に所定の厚さを有する凝固層Ｃが形成された時点で、開口部１３からキャビティ１２内の未凝固の溶湯Ｍを排出する工程と備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、中空筒状回転部材の鋳造方法及び前記鋳造方法を実施する鋳造装置に関する。

カムシャフト等の筒状回転部材の鋳造方法として、従来、金型のキャビティに溶湯を充填することにより中実体を得る方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

一方、近年、軽量化のために、前記筒状回転部材は、中実体に代えて中空体とすることが望まれる。

中空部材の鋳造方法として、従来、中子をキャビティ内に設置し鋳造する方法が一般的である。また、中子を使用しない方法として、中空部材としての靴型に沿う形状のキャビティを備える金型に、靴型の足首の位置に設けた湯口から溶湯を充填し、前記キャビティを形成する金型表面に沿って凝固層を形成した後に、金型を反転させてキャビティ内の未凝固の溶湯を湯口から排出する方法が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開平０７−０８０６２８号公報 特開平０３−００８５５３号公報

ところで、カムシャフト等の中空筒状回転部材においては、前記中空筒状回転部材全体において均一な強度を確保するために、全体の肉厚が均一であることが望まれる。

しかしながら、中子を使用しない従来の中空部材の鋳造方法は、肉厚を均一化することができないという不都合がある。

そこで、本発明は、全体の肉厚を均一化することができる中空筒状回転部材の鋳造方法及び前記鋳造方法を実施する鋳造装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、従来の中空部材の鋳造方法において中空部材全体の肉厚を均一化することができない原因について検討した。その結果、本発明者らは、溶湯がキャビティ内の湯口から遠い側から近い側へ向かって充填され、湯口から遠い側では湯口に近い側よりも先に凝固が開始されて凝固層が形成されることにより、キャビティ内の湯口から遠い側では中空部材の肉厚が大きくなり近い側では中空部材の肉厚が小さくなることを知見した。

前記知見に鑑み、本発明の中空筒状回転部材の鋳造方法は、中空筒状回転部材の外形に沿う形状のキャビティを有し、軸方向における上端に前記キャビティに連通する開口部を有する金型の前記キャビティ内に溶湯を充填する工程と、前記キャビティ内の溶湯の凝固が完了する前に、前記金型を前記中空筒状回転部材の周方向に自転させる工程と、前記キャビティを形成する金型表面に所定の厚さを有する凝固層が形成された時点で、前記開口部から前記キャビティ内の未凝固の溶湯を排出する工程とを備えることを特徴とする。

本発明の鋳造方法では、溶湯を金型のキャビティ内に充填した後に、前記キャビティ内の溶湯の凝固が完了する前に、前記金型を中空筒状回転部材の周方向に対応する方向に自転させる。この結果、金型表面全体における凝固速度が均一化され、得られる凝固層の厚さを均一化することができるので、全体の肉厚が均一化された中空筒状回転部材を得ることができる。

また、本発明の鋳造方法において、前記キャビティ内に溶湯を充填する工程は、前記金型を前記中空筒状回転部材の周方向に自転させながら行うことが好ましい。前記金型の自転に伴って生じる遠心力によって、キャビティ内に供給される溶湯が金型表面上を周方向に広がりながら流下することにより、金型表面全体における凝固速度をより均一化することができ、中空筒状回転部材の全体の肉厚をより均一化することができる。

また、本発明の鋳造方法において、さらに、前記キャビティ内の溶湯の凝固が完了する前に、前記金型を所定の軌道に沿って公転させる工程を備えることが好ましい。前記金型を前記自転に加えて前記公転させることにより、前記遠心力を強め、金型表面全体における凝固速度をさらに均一化することができ、中空筒状回転部材の全体の肉厚をさらに均一化することができる。

また、本発明の鋳造方法において、前記キャビティ内に溶湯を充填する工程は、前記金型を鉛直方向に対して傾斜させて行うことが好ましい。前記金型が傾斜していることにより、前記金型が傾斜していない場合と比較して、供給された前記溶湯が前記金型表面を前記開口部に近い側から遠い側へ向かって遅い速度で流下するので、金型表面全体における凝固速度をさらに均一化することができ、中空筒状回転部材の全体の肉厚をさらに均一化することができる。

また、本発明の鋳造方法において、前記未凝固の溶湯を排出する工程は、前記開口部を鉛直方向下方に向けて行うことが好ましく、このようにすることにより、前記キャビティ内の未凝固の溶湯を速やかに排出し、前記凝固層を所望の厚さに形成することができる。

また、本発明の鋳造方法は、中空筒状回転部材の外形に沿う形状のキャビティを有し、軸方向における上端に前記キャビティに連通する開口部を有する金型と、前記金型を把持する把持手段と、前記金型を前記中空筒状回転部材の周方向に対応する方向に自転させる自転手段と、前記金型を鉛直方向に対して傾動させる傾動手段とを備える中空筒状回転部材の鋳造装置により実施することができる。

また、本発明の鋳造装置において、前記金型は、前記キャビティを形成する金型表面にディンプル加工により形成された微細凹部を備え、前記微細凹部は、前記開口部から離間するにつれてディンプル面積率が大きくなることが好ましい。前記金型表面の前記微細凹部が設けられた領域では凝固速度を遅くすることができるので、先に前記溶湯が充填される前記開口部から遠い側と前記開口部に近い側との間に生じる凝固層の厚さの差をさらに小さくし、中空筒状回転部材の全体の肉厚をさらに均一化することができる。

また、本発明の鋳造装置において、前記金型は、前記キャビティを形成する金型表面が、前記開口部から離間するにつれて熱伝導率が低くなるように形成されていることが好ましい。前記金型表面の前記開口部から遠い側では前記溶湯の冷却速度を遅くして凝固速度を遅くし、前記開口部から近い側では前記溶湯の冷却速度を速くして凝固速度を速くすることにより、前記開口部から遠い側と近い側との間に生じる凝固層の厚さの差をさらに小さくし、中空筒状回転部材の全体の肉厚をさらに均一化することができる。

また、本発明の鋳造装置において、前記金型は、前記中空筒状回転部材の回転軸に対応する軸を含む分割面によって分割され、前記分割面上に一端が前記キャビティに開口し他端が金型外部に通じるガス抜き通路を備えることが好ましい。前記ガス抜き通路を前記分割面に設けることにより容易に形成することができる。

本実施形態の鋳造方法で鋳造される中空筒状回転部材と鋳造に用いられる金型を示す説明図であり、図１Ａは中空筒状回転部材を示し、図１Ｂは金型を示す。 本実施形態の鋳造方法を実施する鋳造装置を示す説明図であり、図２Ａは溶湯充填時を示し、図２Ｂは溶湯排出時を示す。 本実施形態の鋳造方法を示す説明図であり、図３Ａは溶湯充填の初期状態を示し、図３Ｂは溶湯充填の途中状態を示す。 本実施形態の鋳造方法を示す説明図であり、図４Ａは溶湯充填の途中状態を示し、図４Ｂは溶湯充填の完了状態を示す。 本実施形態の鋳造方法を示す説明図であり、溶湯排出状態を示す。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態についてさらに詳しく説明する。

図１Ａに示す中空筒状回転部材１は、例えば自動車用部品としてのカムシャフトであり、図１Ｂに示す金型１１によって鋳造される。中空筒状回転部材１は、所定径を有し一端が閉塞し他端が開口する軸部２と、軸部２から外方に突出し軸Ｌから偏心するカム部３とを備え、軸Ｌを中心として回転される。

金型１１は、中空筒状回転部材１の外径に沿う形状のキャビティ１２を備え、中空筒状回転部材１の軸Ｌ’に対応する軸Ｌの延長線上に位置する上端に開口部としての湯口１３を備え、外側に設けられた治具１４によって支持される。また、金型１１は、軸Ｌを含む面で２つに分割され、その分割面であってカム部３に対応する部分の湯口１３側の外周縁及び湯口１３側とは反対側の外周縁に一端が開口し、他端が外部に通じるガス抜き通路１５を備える。尚、図１Ｂは、金型１１を前記分割面で分割した際の断面を示す。ガス抜き通路１５は分割面上に設けられることにより容易に形成することができる。

金型１１は、図２Ａに示す金型把持ロボット２１に把持されている。金型把持ロボット２１は、本発明の鋳造装置に相当する。

金型把持ロボット２１は、基体２２に第１関節２３を介して結合された第１リンク機構２４と、第１リンク機構２４に第２関節２５を介して結合された第２リンク機構２６と、第２リンク機構２６に第３関節２７を介して結合されたハンドル２８とを備え、ハンドル２８によって金型１１の底部を把持する。ハンドル２８は、本発明の把持手段に相当する。

第３関節２７には図示しないサーボモータが設けられ、金型把持ロボット２１は、第３関節２７によって第２リンク機構２６に対してハンドル２８を回転させることにより、金型１１を、軸Ｌを回転軸として中空筒状回転部材１の周方向に対応する方向（以下、周方向という）に自転させることができる。第３関節は、本発明の自転手段に相当する。

また、金型把持ロボット２１は、基体２２に対して第１リンク機構２４を傾動させ、第１リンク機構２４に対して第２リンク機構２６を傾動させることにより、金型１１の傾きを変化させることができる（図２Ａ，Ｂ参照）。第１関節２３、第１リンク機構２４、第２関節２５、及び第２リンク機構２６は、本発明の傾動手段に相当する。

また、金型把持ロボット２１は、第１リンク機構２４に対して第２リンク機構２６を回転させることにより、金型１１を第２関節２５を中心として公転させることができる。第１リンク機構２４、第２関節２５及び第２リンク機構２６は、本発明の公転手段に相当する。

また、金型把持ロボット２１の側方には溶湯供給ロボット３１が設けられている。溶湯供給ロボット３１は、基体２２に第１関節２３を介して結合された第１リンク機構２４と、第１リンク機構２４に第２関節２５を介して結合された第２リンク機構２６とを備える。第２リンク機構２６の先端には、溶湯Ｍが収容される注湯ポット３２が設けられている。

溶湯供給ロボット３１は、第１リンク機構２４に対する第２リンク機構２６を傾動させることにより、注湯ポット３２の傾きを変化させて注湯ポット３２から供給される溶湯Ｍの供給量を変化させることができる。

次に、図２〜図５を参照して、本実施形態の鋳造方法について説明する。

まず、図２Ａに示すように、金型把持ロボット２１により、金型１１を湯口１３が上方に位置して鉛直方向に対して傾斜させるように把持しつつ、金型１１を周方向に自転させた状態とする一方、溶湯供給ロボット３１により、注湯ポット３２から湯口１３を介してキャビティ内に溶湯Ｍを供給する。このとき、金型把持ロボット２１及び溶湯供給ロボット３１により、図３Ａ，Ｂに示すように、キャビティ１２内に供給された溶湯量の増加に伴って、金型１１の鉛直方向に対する傾斜角度を徐々に小さくすると共に注湯ポット３２から供給される溶湯Ｍの供給量を徐々に減少させる。

キャビティ１２内に供給された溶湯Ｍは、金型１１が傾斜されていることによって、金型表面を湯口１３に近い側から遠い側へ向かって流下しつつ、金型１１が自転されていることによって、前記自転に伴って生じる遠心力によって金型表面を周方向に流下していく。

その後、金型表面を流下する溶湯Ｍは、キャビティ１２内において湯口１３から遠い側から近い側へ向かって充填される。溶湯Ｍの充填に伴って、図４Ａに示すように、キャビティ１２内の空気Ａがカム部３に対応する部分の外周縁に溜まるが、空気Ａはガス抜き通路１５によって金型外部へ排気される。そして、溶湯Ｍのキャビティ１２への充填が完了したとき、図４Ｂに示すように、キャビティ１２は湯口１３が上方に位置して軸Ｌが鉛直方向上方を向いた状態となっている。

金型表面を流下し湯口１３から遠い側から近い側へ向かって充填された溶湯Ｍは、金型表面との接触によって冷却されて徐々に凝固して凝固層Ｃが形成され、凝固層Ｃの厚さは時間が経過するにつれて徐々に厚くなる。

溶湯の充填が完了した後であってキャビティ１２内に所定厚さの凝固層Ｃが形成された時点で、図２Ｂに示すように、金型把持ロボット２１により金型１１を上下反転させることにより、図５に示すように、金型１１を自転させた状態でキャビティ１２内の未凝固の溶湯Ｍを湯口１３から排出する。このとき、湯口１３が鉛直方向下方を向いた状態で金型１１が自転しているので、未凝固の溶湯Ｍを速やかに排出することができる。

その後、金型１１を前記分割面にて分割して、所定の厚さの凝固層Ｃからなる鋳造体を取り出すことにより、図１に示す中空筒状回転部材１を得ることができる。

本実施形態の鋳造方法によれば、キャビティ１２に溶湯Ｍが充填されるとき、金型１１が傾斜した状態で自転していることにより、供給された溶湯Ｍが金型表面の湯口１３に近い側から遠い側へ向かって周方向に広がりながら流下し、その後、金型表面で冷却されて凝固層Ｃが形成されていく。このため、溶湯Ｍが最初に充填されるキャビティ１２内の湯口１３から遠い領域と、最後に充填されるキャビティ１２内の湯口１３から近い領域との間で、溶湯の凝固速度を均一化することができ、湯口１３から遠い領域と近い領域との間で生じる凝固層Ｃの厚さの差を小さくし、全体の肉厚が均一化された中空筒状回転部材１を得ることができる。

また、溶湯Ｍがキャビティ１２内に充填されるとき、キャビティ１２内に溜まった空気Ａがガス抜き通路１５を介して金型外部へ排気されるので、キャビティ１２内に溜まった空気Ａによって中空筒状回転部材１の表面にブローホールが生じることを防ぐことができる。

本実施形態では、金型１１を自転させながら溶湯Ｍをキャビティ１２内に充填するとしているが、金型１１を自転させずに溶湯Ｍをキャビティ１２内に充填し、充填直後であってキャビティ１２内の溶湯Ｍの凝固が完了する前に金型１１を自転させてもよい。

また、金型１１を自転させながら溶湯Ｍをキャビティ１２内に充填するとしているが、金型１１を自転しつつさらに公転させながら溶湯Ｍを充填してもよい。前記公転によって、金型表面上を流下する溶湯Ｍの広がりをさらに促進し、キャビティ１２内の湯口１３から遠い領域と湯口１３から近い領域との間に生じる凝固層Ｃの厚さの差をさらに小さくすることができる。

また、図示しないが、金型１１は、金型表面にディンプル加工によって形成された微細凹部を備え、前記微細凹部は湯口１３から遠ざかるにつれてディンプル面積率（金型表面に占める前記微細凹部の割合）が大きくなるように形成されていてもよい。

金型表面の前記微細凹部が設けられた領域では、溶湯Ｍが金型表面を流下するとき、溶湯Ｍが微細凹部の底部にまで入り込まずに溶湯Ｍと微細凹部の底部との間に間隙が形成され、その間隙による断熱効果によって金型表面の熱伝導率が低下し、溶湯Ｍの凝固速度が遅くなる。そして、金型１１は、金型表面の微細凹部が湯口１３から遠ざかるにつれてディンプル面積率が大きくなるように形成されていることから、湯口１３から遠ざかるにつれて金型表面の熱伝導率が低くなり溶湯Ｍの凝固速度が遅くなる。この結果、先に溶湯Ｍが充填される湯口１３から遠い領域と湯口１３から近い領域との間に生じる凝固層Ｃの厚さの差をさらに小さくすることができる。

また、金型１１は、キャビティ１２を形成する金型表面が、湯口１３から遠ざかるにつれて熱伝導率が低くなるように形成されていることが好ましい。例えば、金型１１は、湯口１３に近い領域では、第１の熱伝導率を有する第１の金型材料（例えば銅合金）によって形成され、湯口１３から遠い領域では第１の金型材料よりも低い伝導率を有する第２の金型材料（例えばＳＫＤ材）から形成されていてもよい。このようにすることにより、金型表面の湯口１３から遠い領域では溶湯をゆっくりと冷却して凝固速度を遅くし、湯口１３に近い領域では溶湯をすみやかに冷却して凝固速度を速くすることとなり、キャビティ１２内の湯口１３から遠い領域と湯口１３から近い領域との間に生じる凝固層Ｃの厚さの差をさらに小さくすることができる。

本実施形態では、一端が閉塞し他端が開口する軸部２を備える中空筒状回転部材１の鋳造方法について説明しているが、両端が開口する軸部を備える中空筒状回転部材の鋳造方法にも適用可能である。この場合には、前記一端に対応する位置に開閉可能なシャッターを設け、前記シャッターを閉じた状態で溶湯Ｍをキャビティ内に注湯し、前記一端に対応する位置の溶湯Ｍの凝固が完了する前に前記シャッターを開けてその部分の溶湯Ｍを排出して前記一端を開口させるようにしてもよい。

１…中空筒状回転部材、 ２…軸部、 ３…カム部、 １１…金型、 １２…キャビティ、 １３…湯口、 １５…ガス抜き経路、 ２１…鋳造装置、 ２４…第１リンク機構、 ２５…第２関節、 ２６…第２リンク機構、 ２７…第３関節、 ２８…ハンドル、 Ｃ…凝固層 Ｌ…回転軸、 Ｍ…溶湯。

Claims (9)

1. 中空筒状回転部材の外形に沿う形状のキャビティを有し、軸方向における上端に前記キャビティに連通する開口部を有する金型の前記キャビティ内に溶湯を充填する工程と、
   前記キャビティ内の溶湯の凝固が完了する前に、前記金型を前記中空筒状回転部材の周方向に対応する方向に自転させる工程と、
   前記キャビティを形成する金型表面に所定の厚さを有する凝固層が形成された時点で、前記開口部から前記キャビティ内の未凝固の溶湯を排出する工程と
   を備えることを特徴とする中空筒状回転部材の鋳造方法。
2. 請求項１記載の中空筒状回転部材の鋳造方法において、
   前記キャビティ内に溶湯を充填する工程は、前記金型を前記中空筒状回転部材の周方向に自転させながら行うことを特徴とする中空筒状回転部材の鋳造方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の中空筒状回転部材の鋳造方法において、
   さらに、前記キャビティ内の溶湯の凝固が完了する前に、前記金型を所定の軌道に沿って公転させる工程を備えることを特徴とする中空筒状回転部材の鋳造方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の中空筒状回転部材の鋳造方法において、
   前記キャビティ内に溶湯を充填する工程は、前記金型を鉛直方向に対して傾斜させて行うことを特徴とする中空筒状回転部材の鋳造方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の中空筒状回転部材の鋳造方法において、
   前記未凝固の溶湯を排出する工程は、前記開口部を鉛直方向下方に向けて行うことを特徴とする中空筒状回転部材の鋳造方法。
6. 中空筒状回転部材の外形に沿う形状のキャビティを有し、軸方向における上端に前記キャビティに連通する開口部を有する金型と、
   前記金型を把持する把持手段と、
   前記金型を前記中空筒状回転部材の周方向に対応する方向に自転させる自転手段と、
   前記金型を鉛直方向に対して傾動させる傾動手段とを備えることを特徴とする中空筒状回転部材の鋳造装置。
7. 請求項６記載の中空筒状回転部材の鋳造装置において、
   前記金型は、前記キャビティを形成する金型表面にディンプル加工により形成された微細凹部を備え、
   前記微細凹部は、前記開口部から離間するにつれてディンプル面積率が大きくなることを特徴とする中空筒状回転部材の鋳造装置。
8. 請求項６又は請求項７記載の中空筒状回転部材の鋳造装置において、
   前記金型は、前記キャビティを形成する金型表面が、前記開口部から離間するにつれて熱伝導率が低くなるように形成されていることを特徴とする中空筒状回転部材の鋳造装置。
9. 請求項６〜請求項８のいずれか１項記載の中空筒状回転部材の鋳造装置において、
   前記金型は、前記中空筒状回転部材の回転軸に対応する軸を含む分割面によって分割され、前記分割面に一端が前記キャビティに開口し他端が金型外部に通じるガス抜き通路を備えることを特徴とする中空筒状回転部材の鋳造装置。