消失模型、消失模型的制造方法和使用消失模型的金属模具的制造方法

专利名称：消失模型、消失模型的制造方法和使用消失模型的金属模具的制造方法
技术领域：
本发明涉及在实型铸造法中所用的消失模型、该消失模型的制造方法、使用该消失模型来制造金属模具的方法以及使用该消失模型鋳造所得的鋳造品。
背景技术：
作为制造金属制品的ー个方法，已知有实型铸造法。在实型铸造法中，准备具备与要制造的金属制品相同形状的模型。该模型由若与熔融金属接触则会消失的材料形成。若
将该消失模型埋入砂型内而向砂型内注入熔融金属，则模型消失而替换为熔融金属。若在熔融金属冷却后破坏砂型，则得到与模型相同形状的鋳造品。虽然实型鋳造法是制造具有复杂形状的金属制品的优良方法，但存在在消失模型的周围填充形成砂型的粉末材料的作业很困难的问题。通常的金属模具具备复杂的形状，当进行将形成为复杂的形状的消失模型埋入砂型内的作业时，在消失模型的周围容易形成空洞(没有填充形成砂型的粉末材料的空间)。为了形成良好的砂型，需要长时间地持续进行艰难的作业。通常的金属模具是通过对金属块进行切削加工而制造的，具备与エ件接触的成形面和/或与配合侧的金属模具接触以调整与配合侧的金属模具的位置关系的位置调整面等。在成形面和/或位置调整面的背面所存在的金属块起到提供成形面、提供位置调整面并将成形面和位置调整面的相对位置关系固定的作用。这里，将成形面和位置调整面的相对位置关系固定的部分也可以不是金属块。在专利文献I中，公开了板状的下模的下表面用下框架增强、板状的上模的上表面用上框架增强的冲压模具。可以说在这里使用的下框架和上框架具备多根棒状构件并且具有将棒状构件的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布的三维网眼结构。可代替金属块而使用三维的网眼结构，从而实现可用作金属模具的制品。现有技术文献专利文献I :特开平7 — 323400号公报。如果是将金属块的一部分替换为三维网眼结构，则可简化在消失模型的周围填充粉末材料来形成砂型的作业。如果是将一部分替换为三维网眼结构的金属模具，则用实型鋳造法易于制造。此外，将一部分替换为三维网眼结构的金属模具具备重量轻、易于调整为必需的刚性、易于调整为必需的散热特性之类的优点。本发明的发明人们发现将通常为金属块的部分替换为三维网眼结构的金属模具所具有的优点、以及该金属模具与实型铸造法的良好相容性，研究用实型铸造法来制造将一部分替换为三维网眼结构的金属模具的技メ、O O

发明内容
发明所要解决的问题
该研究的结果发现，有时在埋入砂型的消失模型的棒状部因熔融金属的热而消失时所产生的气体会妨碍熔融金属进入因棒状部的消失而形成的砂型内的空间中。发现，铸造品的品质有时会因此而下降。在本发明中，提供熔融金属可靠地进入消失模型的棒状部，消失模型的棒状部可靠地替换为铸造金属的技术。用于解决问题的技术方案本发明可体现为金属模具的制造方法。在体现为金属模具的制造方法的情况下，通过切削消失性的材料块来实施制造消失模型的原始模型的步骤。在该步骤制造的原始模型具备具有多根棒状部并且将棒状部的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布的三维网眼结构；以及通过固定于该三维网眼结构而将相对位置关系固定的多个块部。在体现为金属模具的制造方法的情况下，在制造消失模型的原始模型后，具备去除原始模型所具备的棒状部内的至少一部分棒状部，将去除了的部分替换为筒构件的步骤；和使用已替换为筒构件的消失模型来实施实型铸造法的步骤。
在上述金属模具制造方法中，虽然可以将全部的棒状部替换为筒构件，但是，也可以选择熔融金属难以流动的部分来进行替换。例如，可以用选择截面积细小的棒状部将其替换为筒构件或者选择因从熔融金属的注入口远离而导致熔融金属难以流动的棒状部将其替换为筒构件的方式来实施本发明。此外，这里所说的实型铸造法不限于因熔融金属而使砂型内的模型消失的方法，也可以是在熔融金属的注入前模型在砂型内消失的方法。这里所说的三维网眼结构的典型例，可举出桁架结构、框架结构或者桁架结构与框架结构混杂的结构。也可以称为三维架状结构(骨架结构，framework structure)。上述金属模具制造方法具备以下优良特征。(I)通过切削材料块来制造消失模型的原始模型，因此消失模型的原始模型的形状精度高。(2)制造构成三维网眼结构的全部棒状部齐备的消失模型的原始模型，因此消失模型的原始模型的形状精度高。(3)使用至少部分棒状部的至少一部分被替换为筒构件的消失模型来实施实型铸造法，因此抑制在被替换为筒构件的部分所产生的气体量，抑制因气体而阻止熔融金属的流动的现象。(4)由于利用三维网眼结构，因此可制造重量轻且调整为必需的刚性的金属模具。本发明也可体现为在实型铸造法中使用的消失模型的制造方法。在体现为消失模型的制造方法的情况下，具备通过切削消失性的材料块而制造具备多根棒状部并且将棒状部的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布的三维网眼结构的步骤；和去除至少部分棒状部的至少一部分并且将去除了的部分替换为筒构件的步骤。虽然上述制造的消失模型在具备金属模具的形状的情况下特别有效，但是，并不限于此。也可以是在用实型铸造法来制造夹具、压板、工件放置台等的情况下所使用的消失模型。在仅用网眼结构便能实现必需的功能的情况下，不存在块部的消失模型也有效。本发明也提供在实型铸造法中使用的新型消失模型自身。该新型消失模型具备三维网眼结构，该三维网眼结构具有由消失性材料形成的多根棒状部并且将棒状部的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布，至少部分棒状部的至少一部分由筒构件形成。该消失模型，既可以是在制成具备全部棒状部的消失模型的原始模型之后将部分棒状部的一部分替换为筒构件而制造出的模型，或者也可以是在制成最初便去除了将要替换为筒构件的棒状部的消失模型的原始模型之后添加筒构件而制造出的模型。或者，也可以是将多根棒状构件和将棒状构件的端部彼此连接的连接构件组合而制造出的模型。在后者的情况下，通过在至少一部分使用筒构件，可得到至少部分棒状部的至少一部分由筒构件形成的消失模型。所述筒构件既可以由消失性材料形成，也可以由非消失性材料形成。在由消失性材料形成的情况下，实施筒构件会消失的实型铸造法。在筒构件会消失的实型铸造法中包括，筒构件消失而替换为熔融金属的情况；和筒构件碳化而与砂型一同被破坏、但在消失后也是固体且未替换为熔融金属的情况。在用非消失性材料形成筒构件的情况下，制造熔融 金属进入在实型铸造法的实施后仍残留的筒构件的内侧而凝固所得的铸造品。即，可得到一种复合铸造品，其具备具有多根棒状部并且将棒状部的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布的三维网眼结构，至少部分棒状部的至少一部分的外表面由筒构件形成，在该筒构件的内部填充有铸造金属。用使用具备非消失性的筒构件的消失模型的实型铸造法所铸造出的铸造品是熔融金属凝固的铸造金属和铸造前即存在的筒构件复合而成的铸造品。在此处将其称为复合铸造品。用于通过实型铸造法得到复合铸造品的消失模型，既可以是在制成具备全部棒状部的消失模型的原始模型之后将部分棒状部的一部分替换为筒构件而制造出的模型，也可以是在制成最初便去除了将要替换为筒构件的棒状部的消失模型的原始模型之后添加筒构件而制造出的模型。此外，既可以是由对消失性的材料块进行切削而制造的原始模型制造出的模型，或者也可以是组合多根棒状构件和将棒状构件的端部彼此连接的连接构件而制造出的模型。在后者的情况下，通过在至少一部分使用非消失性的筒构件，可得到至少部分筒状部的至少一部分的外表面由筒构件形成、在该筒构件的内部填充有铸造金属的复合铸造品。


图I是分解并立体示出在实型铸造法中使用的消失模型的一部分的立体图。图2表示图I的消失模型的一部分的放大立体图。图3表示具备用实型铸造法制造出的三维网眼结构的金属模具已放置在冲压机上的状态。图4表示将消失模型的棒状部的一部分去除而替换为筒构件的作业的状况。图5表示将消失模型的棒状部的一部分去除而替换为筒构件之后的状况。图6表示在消失模型中嵌入筒构件的作业的状况。图7表示在消失模型中嵌入第二实施例的筒构件的作业的状况。图8表示在消失模型中嵌入第二实施例的筒构件之后的状况。图9表示在消失模型中嵌入第三实施例的筒构件的作业的状况。图10表示在消失模型中嵌入第四实施例的筒构件的作业的状况。图11表示在消失模型中嵌入第五实施例的筒构件的作业的状况。图12表示在消失模型中嵌入第六实施例的筒构件的作业的状况。
图13表示图12的变形例。图14表示 图4 图6的变形例。图15表示金属模具的制造方法。
具体实施例方式图I表示部分由三维网眼结构6形成的消失模型2的一部分的分解立体图。虽然在图I中，表示块4a、4b从三维网眼结构6脱离后的状况，但是，实际上块4a、4b固定于三维网眼结构6，块4a和块4b的相对位置关系由三维网眼结构6固定为一定的位置关系。消失模型2是对发泡苯乙烯块进行切削加工而制造出的模型。通过使用使立铣刀旋转并且将工件和立铣刀的相对位置关系调整为指令的位置关系的机床，可从发泡苯乙烯块切出消失模型2。三维网眼结构6由多根棒状部6a形成，棒状部6a的端部彼此连接，其连接点在三维空间内分布。图2是将三维网眼结构6的一部分放大表示的立体图，基本上，以由在X方向上延伸的四根棒状部12、14、16、18、在y方向上延伸的四根棒状部20、22、24、26、在z方向上延伸的四个棒状部28、30、32、34构成的十二个棒状部为单位而形成的。十二根棒状部形成长方体的棱线。在构成长方体的六个面的各个，配置有连接对角线的一个棒状部。图2的情况下，在底面配置有棒状部36，在四个侧面配置有棒状部38、40、42、44，在上表面配置有棒状部46。棒状部12 46构成祐1架结构。实际的网眼结构6并不是有规则地反复图2所示的单位结构，有时如图I或图3所示，去除一部分棒状部，或者添加一部分棒状部。三维网眼结构6也可以是框架结构或者是桁架结构与框架结构混杂的结构。虽然棒状部的长度可以一样，但是，也可根据地点而变化。再有，棒状部不一定是直线状，也可以是曲线状。如图I所示，在棒状部的端部彼此连接的位置的一部分，形成有连接部6b。在图I的情况下，形成有从图6bI到6b6的六个连接部。在本说明书中，在进行带后缀的标记6bl、6b2等所表示的构件共通的说明的情况下省略所带后缀。图I的网眼结构6是通过对发泡苯乙烯进行切削加工而制造的，不是通过将棒状构件连接而制造的。即使不使用连接构件，也可提供棒状部的端部彼此连接的结构。选择将块4a和网眼结构6连接的部位以及将块4b和网眼结构6连接的部位而形成图I的连接部6b。在其他部位，棒状部的端部彼此直接连接，未形成连接部。再有，网眼结构6和块4a、4b可以不经连接部6b而固定。也可以设为形成网眼结构6的棒状部6a和块4a、4b直接连接的结构。在本说明书中，将棒状部和棒状构件进行区别。棒状部指较大的物体的一部分且呈棒状的部分。棒状构件指呈棒状的独立的构件。连接部和连接构件、块部和块构件、筒部和筒构件也同样，例如，筒构件指呈筒状的独立构件。块4a经连接部6bl、6b2等固定于网眼结构6。导引销8固定于块4a。块4b经连接部6b3、6b4、6b5、6b6而固定于网眼结构6。在块4b形成有加工面10。实际上，未图示的块4c (参照图3)也固定于网眼结构6。对发泡苯乙烯块进行切削加工而形成消失模型2。即，对发泡苯乙烯块进行切削加工，形成消失模型2，其具备具有多根棒状部6a和多个连接部6bf6b6等的网眼结构6 ;以及固定于该网眼结构6的块部4a、4b。当使用该消失模型2来实施实型铸造法时，可得到与消失模型2相同形状的铸造品。在本实施例中，将该铸造品用于冲压模具3。图3表示将用实型铸造法铸造出的冲压模具3固定在冲压机78的垫板70并且将同样用实型铸造法铸造出的冲压模具53固定在冲压机78的滑动体72的状况。再有，图示的74是冲压机78的支柱，76是冲压机78的致动器。当致动器76工作时，滑动体72沿支柱74下降。此时，冲压模具3的导引销8插入冲压模具53的定位孔8a中，冲压模具53的导引销58插入冲压模具3的定位孔58a中，冲压模具3和冲压模具53的相对位置关系被定位成预定的位置关系。图I的块部4a、导引销8、块部4b、加工面10等是消失模型2的一部分，由发泡苯乙烯形成。相对于此，图3的块部4a、导引销8、块部4b、加工面10等是冲压模具3的一部分，由铸造金属形成。虽然为了方便而使用相同的附图标记，但本来为不同的构件。为了表示形状相同，简便地使用相同的附图标记。 在冲压模具3中，由网眼结构6将块部4b相对于块部4a、4c固定。同样地，在冲压模具53中，由网眼结构56将块部54b相对于块部54a、54c固定。如果块部4a和块部54a被定位成预定的位置关系且块部4c和块部54c被定位成预定的位置关系，则块部4b和块部54b也被定位成预定的位置关系。其结果，冲压模具3的加工面10和冲压模具53的加工面60也被定位成预定的位置关系。当滑动体72下降时，工件W被夹在冲压模具3的加工面10和冲压模具53的加工面60之间，被冲压加工成预定的形状。虽然在上述实施例中，加工面10由一个块部4b提供，但是，也可以将加工面10分割到多个块部。同样地，也可以将加工面60分割到多个块部。有时通过冲压机械，在与冲压模具3不同的构件上形成有导引销和/或定位孔。在该情况下，将不在网眼结构6固定块部4a、4c。也有时仅将提供加工面的多个块部固定于网眼结构6。在冲压模具3中，具备用于定位的块部4a、4c和用于加工的块部4b由三维网眼结构6固定的结构。对块彼此的位置关系进行固定的部分不通过金属块而通过三维的网眼结构6来实现，因此冲压模具3重量轻。此外，块彼此的位置关系由三维网眼结构6规定，因此可将块彼此以适度的刚性连接。例如，使块间的刚性硬到如果块部4a和块部54a被定位成预定的位置关系、块部4c和块部54c被定位成预定的位置关系，则块部4b和块部54b也会被定位成预定的位置关系的程度，并且，使块间的刚性柔软到在由于块部4b和块部54b稍微倾斜因而块部4b的加工面10和块部54b的加工面60的局部范围强力按压工件的情况下、块部4b和块部54b相对旋转以使得块部4b的加工面10和块部54b的加工面60均匀地按压工件的程度。由块部4a、4b、4c和网眼结构6构成的消失模型2易于埋设在砂型中，在周围难以残留空间。与实型铸造法相容性好。能够以可比较容易实施的短时间作业来完成消失模型2周围的装砂的作业，可得到在消失模型2的周围以均匀的密度无间隙地填充粉末而成的优质砂型。使用由多个块部和三维网眼结构构成的消失模型来实施的实型铸造法的详细情况和优点在特愿2010-112533号的说明书和附图中记载，省略重复的说明。当利用一部分由网眼结构6形成的消失模型2来实施实型铸造法时，在棒状部的截面狭窄而使熔融金属难以流动的部位或者由于从熔融金属的注入地点远离而使熔融金属难以流动的部位，有时发生铸造品质下降的问题。在本实施例中，消除了在熔融金属难以流动的部位铸造品质下降的问题。图4示出了当使用消失模型2来实施实型铸造法时铸造品质在棒状部12处下降的情况下的对策。研究的结果发现，当由发泡苯乙烯形成的棒状部12 (从发泡苯乙烯块切削加工而制造因此填充发泡苯乙烯直到芯)消失时所产生的气体阻止熔融金属的流动地进行作用，这使铸造品质下降。还发现，如果可抑制气体的发生量，则可阻止铸造品质的下降。于是，在铸造品质要下降的棒状部12中，将由发泡苯乙烯形成的棒状部12的中间部12c切断并将其从消失模型2中去除。代替去除了的中间部12c而嵌入筒构件90。图4的情况下，以在棒状部12的两端部残留部分12a和12b的方式去除中间部12c，利用残留部12a和12b来固定筒构件90。图6示出利用残留部12a和12b来固定筒构件90的作业中的截面。三维网眼结构6具备高刚性，如果替换为铸造金属则发挥可用于冲压模具那样的高刚性，但是，在消失模型的步骤由发泡苯乙烯形成，可使其在预定的范围内弯曲。通过利用该弯曲和恢复到最初的形状的弹性力，可利用残留部12a和12b将筒构件90固定。在图6中，示出了使构成三维网眼结构6且连接于替换为筒构件90的棒状部12的两端的棒状部28、34弯曲的状况，图5示出了利用残留部12a和12b固定了筒构件90的状况。以图5的位置关系将残留部12a和筒构件90粘接，并将残留部12b和筒构件90粘接。
图14示出了图6的变形例。也可以在残留部12a和12b设置阶梯差，利用该阶梯差来限制筒构件102的插入深度。图7示出了替换为筒构件92的第二实施例。在该实施例中，将筒构件92较深地插入残留部12b中，然后使其向残留部12a侧滑动以在残留部12a和12b两者间插入筒构件90。以图8的位置关系，将残留部12a和筒构件92粘接，并将残留部12b和筒构件92粘接。图9示出了替换为筒构件94的第三实施例。在该实施例中，粘接被二分为两个侧部的半厚度切割(half cut)状的筒构件94a和94b，利用残留部12a和12b来固定筒构件94。图10示出了将安装于残留部12a的筒构件96a和安装于残留部12b的筒构件96b的边界面倾斜地剖切开的情况。该情况下，通过使棒状部28和34仅稍弯曲，就可利用残留部12a和12b来固定筒构件96。图11示出了在将小直径的筒构件98a和大直径的筒构件98b设为可滑动的筒构件98中、在残留部12a和12b之间固定筒构件98的结构。图12示出了在筒构件99a的两端部插入了发泡苯乙烯制的罩99b、99c且使罩99b的前端面与残留部12a在前端面粘接、并将罩99c的前端面与残留部12b在前端面粘接了的实例。通过调整发泡苯乙烯制的罩99b、99c的插入深度，可使其与残留部12a的前端面和残留部12b的前端面间的间隔一致。图13示出了变形例。也可以在发泡苯乙烯制的罩IOObUOOc设置阶梯差，将发泡苯乙烯制的罩IOObUOOc的插入深度限制为一定值。虽然在本实施例中，用发泡苯乙烯来制造罩99b、99c、100b、100c，但只要是在铸造时消失的材质即可，不限于发泡苯乙烯。图15示出了金属模具3的制造方法。在步骤S2中，制成图I和图2所示的消失模型的原始模型2。在步骤S4中，如图4所示，将形成原始模型2的多根棒状部中的至少一部分棒状部的至少一部分去除。再有，可在步骤S2中制成具备在步骤S4中去除部分棒状部的一部分后的形状的原始模型2。该情况下，可省略步骤S4。若采用在步骤S2中，制成具备全部的棒状部的消失模型的原始模型2，接着去除部分棒状部的一部分的方法，则可在得到形状精度高的消失模型的原始模型2之后进行加工。如果在步骤S2中制成具备去除后的形状的原始模型2，则可不需要去除的作业。在步骤S6中，代替去除了的棒状部而嵌入筒构件来固定。在步骤S8中，使用棒状部已替换为筒构件的消失模型来实施实型铸造法。即使直接制造在步骤S6中完成的消失模型，也可得到复合铸造品。在将棒状构件和连接构件组合来制造消失模型时，如果希望在实型铸造法的实施后仍残留的棒状部使用金属筒、且不希望在实型铸造法的实施后残留的棒状部使用发泡苯乙烯或纸形成的筒构件，则可制造金属制的筒的内部填充有铸造金属的复合铸造品。在本实施例中，用纸管形成图4以后各图所表示的筒构件90、92、94、96、98、99、100、102。当使用替换为纸管的消失模型来实施实型铸造法时，纸管因熔融金属的热而碳化，在从砂型取出铸造品时，去除碳化了的纸管。也可以取代纸，用发泡苯乙烯来形成筒构件90、92、94、96、98、99、100、102。在任一情况下，筒构件的接近筒芯的部分都为中空，不会消失而产生气体。抑制在实型铸造法的实施时产生的气体量，可防止因气体而使铸造品质下降。也可以取代会消失的筒构件，使用不会消失的筒构件。例如，也可以使用由冲压模具用的钢制作的筒构件。该情况下，在实施了实型铸造法之后筒构件仍残留，可得到在筒构件的内部填充有铸造金属并凝固的复合铸造品。也可以得到根据部位或地点而替换了材质的复合铸造品。此外，在该情况下，在替换为不会消失的筒构件的部位不产生消失气体，熔融金属在筒构件的内部顺畅地通过。若将铸造品质下降的部位替换为不会消失的筒构件，则可有效防止铸造品质的下降。虽然以上详细说明了本发明的具体例，但这些不过是例示，并不限定技术方案的范围。在技术方案的范围中所记载的技术中，包含将以上例示的具体例进行各种变形、改变而成的实施例。此外，在本说明书或附图中说明了的技术要素可单独或通过各种组合来发挥技术有用性，不限于提交时的技术方案所记载的组合。另外，在本说明书或附图中例示的技术可同时达到多个目的，达成其中一个目的的技术自身也具有技术有用性。附图标记说明2消失模型4块部6三维网眼结构6a棒状部6b连接部8导引销10加工面 90、92、94、94、98、99、100、102 筒构件
权利要求
1.ー种金属模具的制造方法，包括 通过切削消失性的材料块来制造消失模型的原始模型的步骤，该消失模型的原始模型具备具备多根棒状部并且将棒状部的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布的三维网眼结构；和通过被固定于三维网眼结构而固定了相对位置关系的多个块部； 去除消失模型的原始模型的至少部分棒状部的至少一部分，将去除了的部分替换为筒构件的步骤；和 使用替换为筒构件的消失模型来实施实型鋳造法的步骤。
2.ー种消失模型的制造方法，用于实型鋳造法，包括 通过切削消失性的材料块来制造具备多根棒状部并且将棒状部的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布的三维网眼结构的步骤；和 去除至少部分棒状部的至少一部分，将去除了的部分替换为筒构件的步骤。
3.ー种消失模型，用于实型鋳造法，其特征在干 具备具备由消失性材料形成的多根棒状部并且将棒状部的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布的三维网眼结构， 至少部分棒状部的至少一部分由筒构件形成。
4.根据权利要求3所述的消失模型，其特征在于 所述筒构件由消失性材料形成。
5.根据权利要求3所述的消失模型，其特征在于 所述筒构件由非消失性材料形成。
6.一种复合鋳造品，具备三维网眼结构，该三维网眼结构具备多根棒状部并且将棒状部的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布，其中 至少部分棒状部的至少一部分的外表面由筒构件形成，在该筒构件的内部填充有铸造金属。
全文摘要
实现具备必需的刚性的重量轻的金属模具。首先，切削消失性的材料块来制造消失模型的原始模型。该原始模型具备具备多根棒状部且将棒状部的端部彼此连接的连接点在三维空间内分布的三维网眼结构；和通过被固定于三维网眼结构而固定了相对位置关系的多个块部。其次，将形成原始模型的至少部分棒状部的至少一部分去除而替换为筒构件。再次，使用已替换为筒构件的消失模型来实施实型铸造法。形成有金属模具所必需的成形面等的块部彼此的位置关系由三维网眼结构固定，确保必需的刚性。由于使用三维网眼结构，因此金属模具轻量化。由于替换为筒构件，因此抑制在实型铸造法的实施时所产生的气体量，防止铸造品质的下降。
文档编号B21D37/02GK102958628SQ20118003190
公开日2013年3月6日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者末田洋丈, 龟山清, 竹本笃史, 度会达矢, 秋本仁, 山下正树 申请人:丰田自动车株式会社