专利名称：铸模、利用铸模的铸造方法及铸模的设计方法
铸模、利用铸模的铸造方法及铸模的设计方法技术领域
本发明用于通过填充熔融金属来使铸件产品成形的铸模(mold)、利用铸模的铸造方法及铸模的设计方法。
背景技术：
在进行压铸等的铸造时，为了防止在熔融金属凝固收缩时产生气孔(在成形品上产生的空洞、龟裂、缩小化等的变形)，进行了各种研究。例如，在设计产品时，进行了使产品的各部的壁厚均匀化以及除掉产品中的厚壁部等这样的研究、在铸模内设置冷却孔来进行冷却的研究等。
例如，在专利文献I的铸造方法及铸造装置中，公开了向模具浇铸熔融金属，在与模具接触的表面层凝固之后，利用加热/冷却单元来从一侧向另一侧进行指向性凝固的技术。而且，在复杂形状零件中，基于流动凝固模拟结果，来进行良好的指向性凝固，由此防止铸造缺陷的广生，从而实现闻品质铸件的制造。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2002 - 346728号公报发明内容
发明要解决的问题
然而，在专利文献I中，需要另行使用加热/冷却单元，从而导致设备的复杂化。另一方面，在设计产品时难以实现产品形状的变更。因此，希望开发出维持产品的形状，并且能够通过简单的措施来防止气孔的发生的方法。
本发明鉴于这些以往的问题点而做出的，其目的在于，提供一种能够通过简单的措施来防止在产品空腔(cavity)内成形的铸件产品上产生气孔的铸模、利用铸模的铸造方法及铸模的设计方法。
用于解决问题的手段
本发明的一个方式是一种铸模，其特征在于，具有:产品空腔，其用于通过填充熔融金属来使产品成形，补给空腔，其与该产品空腔的一侧相连接，用于将从浇铸口填充来的熔融金属向上述产品空腔补给，冷却空腔，其与上述产品空腔的另一侧相连接，被填充的熔融金属比上述产品空腔及上述补给空腔的熔融金属先被冷却；关于上述各空腔中的体积V与冷却表面面积S的比即模数M(= V/S)，在将上述产品空腔的模数设定为Mp，将上述补给空腔的模数设定为Ms，将上述冷却空腔的模数设定为Mc时，具有Ms > Mp > Mc这样的关系O
本发明的另一方式是一种铸造方法，用于利用上述铸模来进行铸造，其特征在于，从上述浇铸口向上述补给空腔、上述产品空腔及上述冷却空腔，填充熔融金属；先从填充至上述冷却空腔内的熔融金属开始凝固，接着，使填充至上述产品空腔内的熔融金属凝固，最后使填充至上述补给空腔内的熔融金属凝固。
本发明的又一方式是一种铸模的设计方法，用于设计上述铸模，其特征在于，在形状发生变化的规定位置上，将上述产品空腔划分为与上述补给空腔相连接的一侧的产品空腔部和与上述冷却空腔相连接的另一侧的产品空腔部这两个部分；在将上述一侧的产品空腔部的模数设定为Mpa，将上述另一侧的产品空腔部的模数设定为Mpb，将由熔融金属的材料成分决定的临界固相率设定为f时，利用上述补给空腔的模数Ms及上述冷却空腔的模数Mc,以满足fXMs/Mpa彡I及fX (Mpa/ (Mpb + Me)}彡I的关系的方式，来决定上述补给空腔及上述冷却空腔各自的形状。
在上述铸模中，在产品空腔的一侧设置有补给空腔，在产品空腔的另一侧设置有冷却空腔。另外，产品空腔的模数Mp、补给空腔的模数Ms及冷却空腔的模数Mc具有Ms >Mp > Mc这样的关系。
由此，在利用上述铸模来进行铸造时，能够先从填充至冷却空腔内的熔融金属开始凝固，接着，使填充至产品空腔内的熔融金属凝固，最后使填充至补给空腔内的熔融金属被凝固。即，通过对铸模中的空腔的形状进行研究，能够使熔融金属从空腔的一侧向另一侧依次凝固。
因此，根据上述铸模，能够通过简单的措施，来防止在产品空腔内成形的铸件产品上产生气孔(未填充的空洞、龟裂、缩小化等的变形)。
此外，上述冷却表面面积S是指，在铸模内与熔融金属接触的空腔的表面面积。
在上述铸造方法中，与上述铸模的发明同样地，能够通过简单的措施，来防止在产品空腔内成形的铸件产品上产生气孔。
在上述铸模的设计方法中，提供一种能够适当地设计用于使铸件产品成形的铸模的方法。
具体地讲，将产品空腔划分为一侧的产品空腔部和另一侧的产品空腔部这样的两个部分，并以使一侧的产品空腔部的模数Mpa及另一侧的产品空腔部的模数Mpb满足fXMs/Mpa彡I及fX (Mpa/ (Mpb + Me)}彡I的关系的方式，来决定各空腔的形状。
就fXMs/Mpa彡I的关系式而言，通过将一侧的产品空腔部的模数Mpa设定为使熔融金属的填充集中的填充部，将补给空腔的模数Ms设定为补给熔融金属的补给部，只要满足该关系式则可认为在一侧的产品空腔部内不会产生气孔。
另外，就fX (Mp a/ (Mpb + Me)}彡I的关系式而言，通过将另一侧的产品空腔部的模数Mpb和冷却空腔的模数Mc之和设定为使熔融金属的填充集中的填充部，将一侧的产品空腔部的模数Mpa设定为补给熔融金属的补给部，只要满足该关系式则可认为在另一侧的产品空腔部内不会产生气孔。
因此，通过以满足上述各关系式的方式，决定一侧的产品空腔部、另一侧的产品空腔部、补给空腔及冷却空腔各自的形状，能够制造防止在作为一侧的产品空腔部及另一侧的产品空腔部的产品空腔内成形的铸件产品上产生气孔的铸模。
此外，临界固相率f是表示熔融金属处于固液共存状态时固相与熔融金属整体的比率的值。临界固相率f由熔融金属的材料成分决定，例如在日本代号为ADC12的铝合金的情况下，临界固相率f在0.3附近。
图1是放大示出了第一实施例的铸模中的各空腔(cavity)的剖面的一部分的说明图。
图2是示出了将第一实施例的一对铸模部合起来而形成的铸模的剖面的说明图。
图3是示意性示出了第一实施例的铸模中的各空腔的形成状态的说明图。
图4是示出了沿着图3的A — A线方向观察的在第一实施例的铸模中成形的铸件的剖面的说明图。
图5是示出了在第二实施例的铸模中成形的铸件的说明图。
图6是放大示出了第二实施例的铸模中的各空腔的剖面的一部分的说明图。
具体实施方式
对上述的铸模、利用铸模的铸造方法及铸模的设计方法的优选的实施方式进行说明。
上述产品空腔、上述补给空腔及上述冷却空腔分别形成为环形状，上述补给空腔在上述产品空腔的一侧即外周侧以环状与该产品空腔连续地连接，上述冷却空腔将多个鳍(fin)状空腔部连接而成，并且在上述产品空腔的另一侧即内周侧以环状与该产品空腔连续地连接。
在该情况下，能够在环形状的产品空腔适当地形成补给空腔及冷却空腔，从而能够防止在环形状的铸件产品上产生气孔。
另外，上述铸模优选是在将一对铸模部合起来的接合面的位置上形成有上述产品空腔、上述补给空腔及上述冷却空腔的压铸用铸模。
在该情况下，能够防止在作为压铸品的铸件产品上产生气孔。
实施例
下面，参照附图，对上述铸模、利用铸模的铸造方法及铸模的设计方法的实施例进行说明。
(第一实施例)
如图1及图2所示，本例的铸模I具有:产品空腔2，其用于通过填充熔融金属51来使产品52成形；补给空腔3，其与产品空腔2的一侧相连接，用于将从浇铸口 31填充的熔融金属51补给至产品空腔2 ;冷却空腔4，其与产品空腔2的另一侧相连接，并且被填充的熔融金属51比产品空腔2及补给空腔3中的熔融金属51先被冷却。
关于各空腔2、3、4中的体积V与冷却表面面积S的比即模数(modulus) M (=V/S)，在将产品空腔2的模数设定为Mp，将补给空腔3的模数设定为Ms，将冷却空腔4的模数设定为Mc时，具有Ms > Mp > Mc这样的关系。
下面，参照图1至图4，对本例的利用铸模I及铸模I的铸造方法以及铸模I的设计方法进行详细说明。
图1是放大示出了铸模I中的各空腔2、3、4的剖面的一部分的图。图2是示出了将一对铸模部11合起来而成的铸模I的剖面的图。
本例的铸模I是将铝材料作为熔融金属51来在产品空腔2内使作为铸件5的铝压铸品成形的铸模。本例的铸模I是在将一对铸模部11合起来的接合面111的位置上形成有产品空腔2、补给空腔3及冷却空腔4的压铸用铸模。
在本例的铸模I中成形的铸件5是具有圆环形状的铝零件。在使该铝零件成形(铸造该铝零件)时，为了在产品空腔2内不产生气孔地使产品52成形，在铸模I内形成有补给空腔3及冷却空腔4。
图4示出了在铸模I中成形的铸件5。在产品空腔2内形成圆环状的产品52，在供给空腔3内形成成形体53，在冷却空腔4内形成成形体54，在浇铸口 31内形成成形体531。然后，从铸造后的铸件5上，通过切断及切削来去掉各成形体53、54、531，由此形成产品52。
图3是示意性示出了铸模I中的各空腔2、3、4的形成状态的图。
如图3所示，在本例的铸模I中，在圆环形状的产品空腔2的一侧即外周侦彳，以同心圆形状形成圆环形状的补给空腔3，并且在圆环形状的产品空腔2的另一侧即内周侧，以同心圆形状形成圆环形状的冷却空腔4。
补给空腔3在产品空腔2的外周侧以环状与产品空腔2连续地连接。冷却空腔4将多个鳍状空腔部41连接而成(参照图1)，该冷却空腔4在产品空腔2的内周侧以环状与产品空腔2连续地连接。
如图1所示，就补给空腔3而言，为了使其模数Ms尽量小，而具有圆形状的剖面。如图2及图3所示，在补给空腔3的周向上的一处，形成有用于注入熔融金属51的浇铸口31。补给空腔3的体积比产品空腔2的体积大。
如图1所示，就 冷却空腔4而言，为了使其模数Mc尽量大，多个鳍状空腔部41形成为从圆环形状的产品空腔2的圆环形状的轴向中心位置向其轴向的两侧分支的形状。
如图1及图3所示，使本例的产品52成形的产品空腔2将其有代表性的剖面形状沿着圆环形状的周向C连续来形成。产品空腔2在其有代表性的剖面形状上，在与圆环形状的周向C垂直的径向R的规定位置，具有作为形状变化部的形状缩颈部21。
如图1所示，在本例的铸模I的设计方法中，在设计铸模I时，将产品空腔2在形状缩颈部21划分为外周侧部分和内周侧部分这两个部分，这两个部分分别决定补给空腔3的大小及形状和冷却空腔4的大小及形状。即，产品空腔2在形状缩颈部21划分为与补给空腔3相连接的一侧即外周侧的产品空腔部2A和与冷却空腔4相连接的另一侧即内周侧的产品空腔部2B这两个部分。
在图1中，将划分外周侧的产品空腔部2A、内周侧的产品空腔部2B、供给空腔3及冷却空腔4的部分，用虚线来表示。
而且，在将外周侧的产品空腔部2A的模数设定为Mpa，将内周侧的产品空腔部2B的模数设定为Mpb，由熔融金属51的材料成分决定的临界固相率设定为f时，利用补给空腔3的模数Ms及冷却空腔4的模数Mc，以满足fXMs/Mpa彡I (关系式I)及fX (Mpa/(Mpb + Mc))^ I (关系式2)的关系的方式，来决定补给空腔3及冷却空腔4各自的形状。
关系式1、2是基于下面的推测气孔的产生的基准公式来决定的。
就该基准公式而言，在将由熔融金属51的材料成分决定的内外收缩分布率(inner/outer shrinkage distribution ratio)设定为 ε ,将由溶融金属 51 的材料成分决定的凝固收缩率设定为β，将由熔融金属51的材料成分决定的临界固相率设定为f，将使熔融金属51的填充集中的填充部设定为M1，将补给熔融金属51的补给部设定为M2时，气孔体积率S (%)用δ = ε X β X {I — fX (M2/M1)}来表示。
在此，内外收缩分布率ε是表示在被填充熔融金属51的空腔的内部和表面部中的哪个容易产生气孔的值，凝固收缩率β是表示在熔融金属51凝固时收缩的比率的值，临界固相率f是在熔融金属51处于固液共存状态时的固相相对于熔融金属51整体的比率的值。
而且，以使气孔体积率δ在O (%)以下的方式，并且以使fX (M2/M1)彡I的关系满足的方式，来决定补给空腔3及冷却空腔4的大小及形状。
补给空腔3的大小及形状是如下决定的，S卩，将外周侧的产品空腔部2A的模数Mpa设定为使熔融金属51的填充集中的填充部M1，将补给空腔3的模数Ms设定为补给熔融金属51的补给部M2，并满足fXMs/Mpa ^ I的关系式I。只要满足该关系式1，就可认为不会在外周侧的产品空腔部2A中产生气孔。
另一方面，冷却空腔4的大小及形状是如下决定的，即，将内周侧的产品空腔部2B的模数Mpb和冷却空腔4的模数Mc之和设定为使熔融金属51的填充集中的填充部Ml，将外周侧的产品空腔部2A的模数Mpa设定为补给熔融金属51的补给部M2，满足f X (Mpa/(Mpb + Me)} ^ I的关系式2。只要满足该关系式2，就可认为不会在内周侧的产品空腔部2B中产生气孔。
因此，以满足关系式1、2的方式，来决定补给空腔3及冷却空腔4各自的形状，由此能够制造防止在产品空腔2内成形的产品52上产生气孔的铸模I。
接着，对利用铸模I来进行铸造的方法进行说明。
在锻造铸件5时，从铸模I的浇铸口 31向补给空腔3、产品空腔2及冷却空腔4填充熔融金属51。此时，从浇铸口 31注入到铸模I内的熔融金属51，先从位于与浇铸口 31接近的一侧的补给空腔3、产品空腔2及冷却空腔4开始填充。另外，在本例中，由于进行压铸，瞬间地向各空腔2、3、4内填充熔融金属51。
然后，先从填充至冷却空腔4内的熔融金属51开始凝固，接着，使填充至内周侧的产品空腔部2B内的熔融金属51凝固，接着，使填充至外周侧的产品空腔部2A内的熔融金属51凝固，最后使填充至补给空腔3内的熔融金属51凝固。
这样，在本例中，通过对铸模I的空腔2、3、4的形状进行研究，能够使熔融金属51从空腔2、3、4的内周侧开始向外周侧依次凝固。
因此，若采用本例的铸模I及利用了铸模I的铸造方法，能够通过简单的措施，来防止在产品空腔2内成形的产品52中产生气孔(未填充的空洞、龟裂、缩小化等的变形)。
(第二实施例)
本例是将与上述第一实施例所示的形状不同的形状的产品空腔2形成在铸模I中的情况的例子。
如图5所示，在本例的铸模I中成形的铸件5具有在长条板形状的基部56突出有相互平行的多个突出部55的形状。如图6所示，本例的产品空腔2包括用于使基部56成形的基部用空腔部22B以及用于使多个突出部55分别成形的突出部用空腔部22A。
本例的补给空 腔3在多个突出部用空腔部22A的突出方向的一侧，以与多个突出部用空腔部22A连续地连接的方式，沿着长度方向L形成。另外，由多个鳍状空腔部41构成的本例的冷却空腔4，以与基部用空腔部22B沿着长度方向L连续地连接的方式，沿着长度方向L形成。本例的浇铸口 31设置在补给空腔3的端部。
补给空腔3的大小及形状是如下决定的，即，将多个突出部用空腔部22k的模数Mpa设定为使熔融金属51的填充集中的填充部Ml，将补给空腔3的模数Ms设定为补给熔融金属51的补给部M2，满足fXMs/Mpa ^ I的关系式I。另一方面，冷却空腔4的大小及形状是如下决定的，即，将基部用空腔部22B的模数Mpb和冷却空腔4的模数Mc之和设定为使熔融金属51的填充集中的填充部M1，将突出部用空腔部22A的模数Mpa设定为补给熔融金属51的补给部M2，并满足f X (Mpa/ (Mpb + Me)} ^ I的关系式2满足。
在本例中，从铸模I的浇铸口 31向补给空腔3、产品空腔2及冷却空腔4填充熔融金属51，并且，先从填充至冷却空腔4内的熔融金属51开始凝固，接着，使填充至基部用空腔部22B内的熔融金属51凝固，接着，使填充至突出部用空腔部22A内的熔融金属51凝固，最后使填充至补给空腔3内的熔融金属51凝固。
因此，在本例的铸模I及利用了铸模I的铸造方法中，也能够通过简单的措施，来防止在产品空腔2内成形的产品52上产生气孔。
在本例中，其他的结构与上述第一实施例相同，因而也能够得到与上述第一实施例同样的作用及效果。
附图标记的说明
I 铸模
2产品空腔
2A外周侧的产品空腔部
2B内周侧的产品空腔部
3补给空腔`
31 浇铸口
4冷却空腔
41鳍状空腔部
5 铸件
51熔融金属
52 产品。
权利要求
1.一种铸模,其特征在于， 具有: 产品空腔，其用于通过填充熔融金属来使产品成形， 补给空腔，其与该产品空腔的一侧相连接，用于将从浇铸口填充的熔融金属向上述产品空腔补给， 冷却空腔，其与上述产品空腔的另一侧相连接，被填充的熔融金属比上述产品空腔及上述补给空腔的熔融金属先被冷却； 关于各上述空腔中的体积V与冷却表面面积S的比即模数M (= V/S)，在将上述产品空腔的模数设定为Mp，将上述补给空腔的模数设定为Ms，将上述冷却空腔的模数设定为Mc时，具有Ms > Mp > Mc这样的关系。
2.如权利要求1所述的铸模，其特征在于， 上述产品空腔、上述补给空腔及上述冷却空腔分别形成为环形状； 上述补给空腔在上述产品空腔的一侧即外周侧以环状与该产品空腔连续地连接； 上述冷却空腔将多个鳍状空腔部连接而成，并且在上述产品空腔的另一侧即内周侧以环状与该产品空腔连续地连接。
3.如权利要求1或2所述的铸模，其特征在于， 该铸模是压铸用铸模，在将一对铸模部合起来的接合面的位置，形成有上述产品空腔、上述补给空腔及上述冷却空腔。
4.一种铸造方法，用于利用如权利要求1至3中任一项所述的铸模来进行铸造，其特征在于， 从上述浇铸口向上述补给空腔、上述产品空腔及上述冷却空腔填充熔融金属； 先从填充至上述冷却空腔内的熔融金属开始凝固，接着，使填充至上述产品空腔内的熔融金属凝固，最后使填充至上述补给空腔内的熔融金属凝固。
5.一种铸模的设计方法，用于设计如权利要求1至3中任一项所述的铸模，其特征在于， 在形状发生变化的规定位置上，将上述产品空腔划分为与上述补给空腔相连接的一侧的产品空腔部和与上述冷却空腔相连接的另一侧的产品空腔部这两个部分； 在将上述一侧的产品空腔部的模数设定为Mpa，将上述另一侧的产品空腔部的模数设定为Mpb，将由熔融金属的材料成分决定的临界固相率设定为f时，利用上述补给空腔的模数Ms及上述冷却空腔的模数Mc，以满足fXMs/Mpa≥1及f X (Mpa/ (Mpb + Me)}≥1的关系的方式，来决定上述补给空腔及上述冷却空腔各自的形状。
全文摘要
铸模1具有产品空腔2，其用于通过填充熔融金属51来使产品52成形；补给空腔3，其与产品空腔2的一侧相连接，用于将从浇铸口31填充来的熔融金属51向产品空腔2补给；冷却空腔4，其与产品空腔2的另一侧相连接，被填充的熔融金属51比产品空腔2及补给空腔3的熔融金属先被冷却。关于各空腔2、3、4中的体积V与冷却表面面积S的比即模数M(＝V/S)，在将产品空腔2的模数设定为Mp，将补给空腔3的模数设定为Ms，将冷却空腔4的模数设定为Mc时，具有Ms＞Mp＞Mc这样的关系。
文档编号B22D27/04GK103140311SQ20118004683
公开日2013年6月5日 申请日期2011年12月1日 优先权日2010年12月20日
发明者茜谷宗明 申请人:爱信艾达株式会社