JP5726985B2 - 鋳造用金型 - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関のシリンダヘッドの低圧鋳造に用いられる鋳造用金型に関する。

従来、自動車等の内燃機関として、直列に配列された複数の燃焼室を備えるものが用いられており、該内燃機関のシリンダヘッドは例えば低圧鋳造法により製造されている。前記低圧鋳造法は、密閉された保持炉内に加熱保持されている金属溶湯の表面を比較的低圧の不活性ガス、圧縮空気等により加圧し、金型のキャビティに連通する湯口を介して該溶湯を該キャビティに充填して鋳造する方法である。

前記低圧鋳造法では、前記キャビティに充填された前記溶湯が冷却されて凝固するまで、前記不活性ガス、圧縮空気等による加圧を維持する。また、前記金属としては、例えば、アルミニウム合金等の軽合金が用いられる。

ところで、前記低圧鋳造法では、鋳巣の発生を防止するために、前記溶湯がキャビティの内壁に接する部分から前記湯口に向かって指向性を持って凝固すること（以下、指向性凝固と略記する）が望ましいとされている。前記指向性凝固は、前記シリンダヘッドのような比較的大型の鋳造品の製造の際に特に重要とされる。

前記低圧鋳造法に用いられる金型は、例えば上型と下型とからなり、上型と下型との間に前記キャビティが形成され、前記湯口は下型の底部に前記複数の燃焼室の配列方向に沿って該配列方向の両側の複数箇所に設けられている。このような構造の金型では、前記キャビティの天面から底面に向かう垂直方向では前記指向性凝固を比較的容易に進行させることができるが、該キャビティの底部における水平方向では該指向性凝固を進行させることが難しいという問題がある。

前記シリンダヘッドの低圧鋳造に用いられる鋳造用金型における前記問題を解決するために、例えば、前記下型の内部に前記複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿って延在し、冷却媒体を流通させる管路を備える鋳造用金型が知られている（例えば、特許文献１参照）。前記鋳造用金型では、前記下型において、前記複数の燃焼室の配列方向に対応する方向と直交する方向の一方の側端面から前記冷却媒体を供給し、他方の側端面から排出するようにされている。

特開平５−４２３５５号公報

しかしながら、近年、前記シリンダヘッドはガスケット面からウォータージャケット底面までの厚さが大きくなる傾向にあり、このようなシリンダヘッドの低圧鋳造では前記水平方向で指向性凝固を進行させることが難しく、鋳巣が発生しやすいという不都合がある。

本発明は、かかる不都合を解消して、前記シリンダヘッドの低圧鋳造の際に、前記水平方向で指向性凝固を進行させることができ、鋳巣の無い優れた品質を備えるシリンダヘッドを得ることができる鋳造用金型を提供することを目的とする。

本発明者らの検討によれば、前記シリンダヘッドの低圧鋳造に用いられる鋳造用金型では、前記キャビティ内に充填された前記溶湯は、前記複数の湯口に挟まれる部分で特に高温になり、この部分が前記水平方向での指向性凝固を妨げていることが判明した。また、前記キャビティ内に形成されるシリンダヘッドは、前記複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿って一方の側の重量が他方の側より軽くなっており、重量が異なる部分では前記溶湯の前記水平方向での指向性凝固が不均一になることが判明した。

そこで、本発明の鋳造用金型は、前記目的を達成するために、直列に配列された複数の燃焼室に対応すると共に該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿って一方の側の重量が他方の側より軽いシリンダヘッドを低圧鋳造により製造する際に用いられ、上型と、下型と、該上型と該下型との間に形成され該シリンダヘッドの外形に沿う形状のキャビティと、該下型に該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿って該燃焼室に対応する部分の両側に設けられ該キャビティに連通する複数の湯口とを備え、該下型の内部に、該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向と直交する方向の両方の側端面から、それぞれ該複数の湯口の間に該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿って形成され、該キャビティ内に形成されるシリンダヘッドの重量の軽い側から該下型の中央部に向けて冷却媒体を供給すると共に、該中央部で反転して該キャビティ内に形成されるシリンダヘッドの重量の重い側の該側端面から該冷却媒体を排出する第１の冷却媒体通路を備えることを特徴とする。

本発明の鋳造用金型において、前記冷却媒体は、前記第１の冷却媒体通路により、前記複数の燃焼室の配列方向に対応する方向と直交する方向の側端面から、前記複数の湯口の間を該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿って供給される。このとき、前記冷却媒体は、前記キャビティ内に形成されるシリンダヘッドの重量の軽い側から該下型の中央部に向けて供給され、該下型の中央部で反転して、該キャビティ内に形成されるシリンダヘッドの重量の重い側において供給された側の側端面に戻り、排出される。

この結果、本発明の鋳造用金型によれば、前記複数の湯口に充填されている前記溶湯が過早に凝固することを抑制しつつ、前記冷却媒体により前記下型の中央部の該複数の湯口に挟まれる部分を局部的に冷却することができる。従って、前記キャビティ内に充填された前記溶湯が前記複数の湯口に挟まれる部分で高温になることを防止して、水平方向で該溶湯の指向性凝固を進行させることができる。

また、本発明の鋳造用金型では、前記冷却媒体は前記キャビティ内に形成されるシリンダヘッドの重量の軽い側から供給され、該シリンダヘッドの重量の重い側から排出されるので、前記溶湯を該シリンダヘッドの重量の軽い側から先に凝固させることができる。この結果、本発明の鋳造用金型によれば、前記キャビティ内に形成されるシリンダヘッドの重量が異なる部分においても前記水平方向で前記溶湯の指向性凝固を均一に進行させることができる。

従って、本発明の鋳造用金型によれば、鋳巣の無い優れた品質のシリンダヘッドを得ることができる。

また、本発明の鋳造用金型において、前記第１の冷却媒体通路は、前記複数の燃焼室の中央部に位置する燃焼室に対応する部分の下方で反転することが好ましい。このようにすることにより、前記冷却媒体により前記下型の中央部の前記複数の湯口に挟まれる部分を局部的により良く冷却することができる。

また、本発明の鋳造用金型は、前記下型の前記第１の冷却媒体通路より下方で、前記複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿う方向の前記下型の側端面から、該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿う方向に配設された２つの前記湯口の間に、該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向と直交する方向に形成され、前記キャビティに充填された溶湯の凝固後に冷却媒体が供給される第２の冷却媒体通路を備えることが好ましい。

本発明の鋳造用金型は、前記第２の冷却媒体通路を備えているので、前記キャビティに充填された溶湯が凝固した後に該第２の冷却媒体通路に前記冷却媒体を流通させることにより、前記湯口に充填されている溶湯の凝固が促進される。この結果、本発明の鋳造用金型はサイクルタイムを短縮させることができる。

本発明の鋳造用金型の一構成例を示す模式的断面図。 図１に示す鋳造用金型の下型の形状を示す平面図。 図１に示す鋳造用金型を用いて製造されるシリンダヘッドの模式的断面図。

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

図１に模式的に示す本実施形態の鋳造用装置１は、内燃機関のシリンダヘッドの低圧鋳造に用いられる装置であり、鋳造用金型２と、鋳造用金型２の下方に設けられ、アルミニウム等の溶湯Ｍが加温保持される保持炉３とを備えている。

鋳造用金型２は、上型４と下型５とを備え、上型４と下型５との間に鋳造品としての前記シリンダヘッドの外形に沿う形状のキャビティ６が形成される。ここで、上型４は可動ダイベース７に装着されて、図示しないアクチュエータ等により上下動自在とされており、下型５は保持炉３の上部開口部を閉蓋するダイベース８に固定されている。

下型５はキャビティ６に連通する複数の湯口９を備えており、それぞれの湯口９には湯口スリーブ１０が着脱自在に装着されている。また、湯口スリーブ１０はその下端部が中間ストーク１１に接続されており、ダイベース８を上下に貫通する中間ストーク１１を介してストーク１２に連通している。ストーク１２はその下部が保持炉３に加温保持される溶湯Ｍ中に挿入されている。

下型５は、図２に示すように、中央にキャビティ６を形成する凹部１３を備えており、凹部１３の中央部が、直列に配列された４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ（図２に仮想線で示す）に対応する部分となっている。

下型５は、前記４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの配列方向に対応する方向に沿って該燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに対応する部分の両側に２個ずつ、計４個の湯口９を備えている。また、下型５の直列に配列された４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに対応する部分には、各燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄごとに２個ずつの吸気弁形成用突起１５，１５と、排気弁形成用突起１６，１６とが形成されている。吸気弁形成用突起１５は燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに対応する部分の左側に配置され、排気弁形成用突起１６は燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに対応する部分の右側に配置されている。

ここで、図１は図２のＩ−Ｉ線に対応する断面を示しており、キャビティ６は吸気弁形成用突起１５が配置される側６ａの断面積が、排気弁形成用突起１６が配置される側６ｂの断面積より広くなっている。従って、キャビティ６内に形成される前記シリンダヘッドは、前記４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの配列方向に対応する方向に沿って、排気弁形成用突起１６が配置される側６ｂの重量が、吸気弁形成用突起１５が配置される側６ａの重量よりも軽くなる。

図２に戻って、下型５の内部には、前記４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの配列方向に対応する方向と直交する方向の側端面５ａ，５ｂから、それぞれ２個の湯口９，９の間に該４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの配列方向に対応する方向に沿って、第１の冷却媒体通路１７ａ，１７ｂが形成されている。

第１の冷却媒体通路１７ａは、側端面５ａの排気弁形成用突起１６の側を冷却媒体の供給口として、下型５の中央部に向かって配設され、燃焼室１４ｂに対応する部分の下方で反転して、側端面５ａの吸気弁形成用突起１５の側を該冷却媒体の排出口とするようにされている。また、第１の冷却媒体通路１７ｂは、側端面５ｂの排気弁形成用突起１６の側を冷却媒体の供給口として、下型５の中央部に向かって配設され、燃焼室１４ｃに対応する部分の下方で反転して、側端面５ｂの吸気弁形成用突起１５の側を該冷却媒体の排出口とするようにされている。

この結果、第１の冷却媒体通路１７ａ，１７ｂは、キャビティ６内に形成されるシリンダヘッドの重量の軽い側（排気弁形成用突起１６の側）６ｂから前記冷却媒体を供給し、該シリンダヘッドの重量の重い側（吸気弁形成用突起１５の側）６ａから排出するようになっている。

また、下型５の内部には、第１の冷却媒体通路１７ａ，１７ｂより下方に、第２の冷却媒体通路１８ａ，１８ｂが形成されている。第２の冷却媒体通路１８ａ，１８ｂは、前記４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの配列方向に対応する方向に沿う方向の下型５の側端面５ｃ，５ｄから、湯口９，９の間に、それぞれ該４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの配列方向に対応する方向と直交する方向に形成されている。

第２の冷却媒体通路１８ａは、湯口９，９の間で、下型５の側端面５ｃから下型５の中央部に向かって配設され、燃焼室１４ｂの外縁部に対応する部分の下方で屈曲して一旦側端面５ｃ方向に戻り、側端面５ｃの手前で再び屈曲して下型５の中央部に向かい、燃焼室１４ｃの外縁部に対応する部分の下方で三たび屈曲して側端面５ｃに戻るようにされている。また、第２の冷却媒体通路１８ｂは、湯口９，９の間で、下型５の側端面５ｄから下型５の中央部に向かって配設され、燃焼室１４ｂの外縁部に対応する部分の下方で屈曲して一旦側端面５ｄ方向に戻り、側端面５ｄの手前で再び屈曲して下型５の中央部に向かい、燃焼室１４ｃの外縁部に対応する部分の下方で三たび屈曲して側端面５ｄに戻るようにされている。

本実施形態の鋳造用装置１では、図示しない圧入口から比較的低圧の圧縮空気等の気体を保持炉３内に供給し、溶湯Ｍの液面を加圧することにより、溶湯Ｍをストーク１２及び中間ストーク１１内に上昇せしめ、湯口スリーブ１０を介してキャビティ６内に圧入する。そして、前記圧縮空気等の気体による加圧状態を維持したまま、キャビティ６内の溶湯Ｍを冷却させて凝固させることにより、鋳造品として図３に示すシリンダヘッド２１を得ることができる。

図３は、図２のIII−III線に対応する断面を示しており、シリンダヘッド２１は図３の左側に吸気通路２２、右側に排気通路２３を備えている。吸気通路２２、排気通路２３は湾曲しており、それぞれシリンダヘッド２１の側面２１ａ，２１ｂと、底面２１ｃとに開口している。

このような吸気通路２２、排気通路２３は、図２に示す吸気弁形成用突起１５、排気弁形成用突起１６上に砂中子を配置して鋳造することにより形成することができる。また、シリンダヘッド２１は、内部に冷却水の通路等に用いられる空洞部２４ａ，２４ｂ，２４ｃを備えており、空洞部２４ａ，２４ｂ，２４ｃもまたキャビティ６内の対応する位置に砂中子を配置して鋳造することにより形成される。

図３に示すシリンダヘッド２１の断面積は、図１に示すキャビティ６の吸気弁形成用突起１５が配置される側６ａ、排気弁形成用突起１６が配置される側６ｂに対応して、吸気通路２２を備える側の断面積が、排気通路２３を備える側の断面積より大きくなっている。従って、図３から、シリンダヘッド２１は、排気通路２３を備える側の重量が、吸気通路２２を備える側の重量よりも軽くなることがわかる。

前述のようにしてシリンダヘッド２１を鋳造するとき、キャビティ６内に充填された溶湯Ｍは、垂直方向では上型４から下型５方向に指向性凝固が進行する。一方、溶湯Ｍは、水平方向では湯口９，９に囲まれたキャビティ６の中央部に高熱となる部分ができ、放置すると前記指向性凝固の妨げとなる。

そこで、本実施形態の鋳造用装置１では、まず、第１の冷却媒体通路１７ａ，１７ｂに冷却媒体、例えば水を流通させる。前記水は、下型５の側端面５ａ，５ｂの排気弁形成用突起１６の側から湯口９，９の間を下型５の中央部に向けて供給され、下型５の中央部で反転した後、供給された側と同一の側端面５ａ，５ｂに戻り、吸気弁形成用突起１５の側から排出される。この結果、湯口９，９に囲まれたキャビティ６の中央部、より具体的には前記直列に配列された４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの中央の２つの燃焼室１４ｂ，１４ｃに対応する部分が局部的に冷却され、各湯口９の周囲から各湯口９へ向かって前記指向性凝固が進行する。

また、本実施形態の鋳造用装置１において、第１の冷却媒体通路１７ａ，１７ｂは、前記４個の燃焼室１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの配列方向に対応する方向に対し、排気弁形成用突起１６の側、即ちキャビティ６内に形成されるシリンダヘッド２１の重量の軽い側から前記冷却媒体を供給し、吸気弁形成用突起１５の側、即ちシリンダヘッド２１の重量の重い側から排出する。この結果、キャビティ６内に形成されるシリンダヘッド２１の重量の軽い側を形成する溶湯Ｍが先に冷却されて凝固することとなり、シリンダヘッド２１の重量の異なる部分においても水平方向での前記指向性凝固を均一に進行させることができる。

このとき、第２の冷却媒体通路１８ａ，１８ｂには冷却媒体を流通させないようにすることにより、湯口９に充填されている溶湯Ｍが過早に凝固することを抑制しつつ、キャビティ６内に充填されている溶湯Ｍを凝固させて鋳巣の無い優れた品質のシリンダヘッド２１を得ることができる。

次に、キャビティ６内に充填されている溶湯Ｍが凝固したならば、第２の冷却媒体通路１８ａ，１８ｂに冷却媒体、例えば空気を流通させる。前記空気は、下型５の側端面５ｃ，５ｄから下型５の中央部に向けて供給され、第２の冷却媒体通路１８ａ，１８ｂの形状に従って下型５の側端面５ｃ，５ｄと中央部との間を２往復した後、供給された側と同一の側端面５ｃ，５ｄに戻り、排出される。この結果、湯口９に充填されている溶湯Ｍの凝固を促進することができ、鋳造用装置１による鋳造のサイクルタイムを短縮させることができる。

キャビティ６内の溶湯Ｍが凝固した後、前記加圧を解除すると、湯口９内の未凝固の溶湯Ｍは中間ストーク１１及びストーク１２を介して保持炉３に戻される。また、鋳造品としてのシリンダヘッド２１は、上型４を上方に移動させて鋳造用金型２を型開きすることにより取出される。

２…鋳造用金型、 ４…上型、 ５…下型、 ６…キャビティ、 ９…湯口、 １７ａ，１７ｂ…第１の冷却媒体通路、 １８ａ，１８ｂ…第２の冷却媒体通路、 ２１…シリンダヘッド。

Claims (3)

1. 直列に配列された複数の燃焼室に対応すると共に該複数の燃焼室の配列方向に沿って一方の側の重量が他方の側より軽いシリンダヘッドを低圧鋳造により製造する際に用いられ、
   上型と、下型と、該上型と該下型との間に形成され該シリンダヘッドの外形に沿う形状のキャビティと、該下型に該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿って該燃焼室に対応する部分の両側に設けられ該キャビティに連通する複数の湯口とを備え、
   該下型の内部に、該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向と直交する方向の両方の側端面から、それぞれ該複数の湯口の間に該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿って形成され、該キャビティ内に形成されるシリンダヘッドの重量の軽い側から該下型の中央部に向けて冷却媒体を供給すると共に、該中央部で反転して該キャビティ内に形成されるシリンダヘッドの重量の重い側の該側端面から該冷却媒体を排出する第１の冷却媒体通路を備えることを特徴とする鋳造用金型。
2. 請求項１記載の鋳造用金型において、前記第１の冷却媒体通路は、前記複数の燃焼室の中央部に位置する燃焼室に対応する部分の下方で反転することを特徴とする鋳造用金型。
3. 請求項１又は請求項２記載の鋳造用金型において、前記下型の前記第１の冷却媒体通路より下方で、前記複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿う方向の前記下型の側端面から、該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向に沿う方向に配設された２つの前記湯口の間に、該複数の燃焼室の配列方向に対応する方向と直交する方向に形成され、前記キャビティに充填された溶湯の凝固後に冷却媒体が供給される第２の冷却媒体通路を備えることを特徴とする鋳造用金型。