铸模设计方法和铸模的制作方法
【专利摘要】在本发明中，不仅由变形分析软件（23）求得从铸件的凝固开始时至冷却结束的变形量，而且还由变形分析软件（22）求得从浇注至凝固开始时的铸模的变形量。基于所求得的铸模和铸件的变形量设计型腔形状，由此使凝固开始时的铸模的型腔形状反映到铸模设计上，从而能够进一步提高近净形的精度，并且，能够防止铸造后的铸件成品发生尺寸不足。
【专利说明】铸模设计方法和铸模
【技术领域】
[0001]本发明涉及设计铸模的型腔形状的铸模设计方法和铸模。
【背景技术】
[0002]铸造铸件的铸模一般使用砂模。如果铸造形状复杂的铸件等时，也有铸模由主模体和模芯构成的情况。形成砂模的型砂多使用硅砂，通常，为了提高模具制作性而混炼树脂等的粘合剂。
[0003]在铸件业界，为了减少铸造后的铸件的加工余量，使浇铸的铸件成品形状接近最终制品形状的所谓近净形(near net shape)化推进。在这样的近净形铸造中，预计被称为缩尺的铸件的热收缩量而设计铸模的型腔形状。例如，铸件材料为灰口铸铁和球状石墨铸铁时，预期会有0/1000?15/1000左右的缩尺。因为有这样的变动幅度，所以在铸造长度尺寸和外径尺寸为200mm以上的大铸件时，加工余量将在O?3mm以上的范围内变化。因此，铸造作为近净形化之一的目标的加工余量低于3_的铸件困难。
[0004]为了提高这样的近净形铸造的精度，提出了采用沿用至今的缩尺的这种经验性的铸模设计方法的替代方法。例如，提出有这样一种铸模设计方法，其是根据作为数值分析的一种手法的有限元法，计算铸件在凝固/冷却时的收缩和热变形，基于该计算结果，决定铸造用模型的形状，即铸模的型腔形状(例如，参照专利文献I)。
[0005]在专利文献I所述的方法中，运用有限元法，实施凝固/冷却时的铸件和铸模的温度计算，和基于此的热应力/变形计算，由此预测的铸件的收缩/热变形被反馈到铸模的型腔形状的设计中。另外，在铸件的热应力和变形分析中，还要考虑到铸模的变形阻抗和铸件与铸模界面的动力边界条件。
[0006]还有，已知在浇注时的铸模中，由于浇注的熔液，引起被称为水气张力的静压力从内侧起作用，发生由此静压力引起的变形。抑制该静压力造成的铸模的变形的手段提出有几个(例如，参照专利文献2)。这些手段均是拘束铸模的外侧而抑制变形，无法使静压力造成的铸模的变形量化。
[0007]先行技术文献
[0008]专利文献
[0009]专利文献1:日本特开平11 - 320025号公报
[0010]专利文献2:日本特开2001 - 259798号公报
[0011]在专利文献I所述的铸模设计方法中，考虑到凝固/冷却时的铸件的收缩和热变形。但设想的是，在铸造工序中，由于高温的熔液导致铸模从浇注至开始凝固之间发生热变形，由此热变形导致凝固开始时的铸模的型腔形状发生变化。因此，只考虑了铸件的收缩和热变形，这就存在不能充分确保型腔形状的设计精度的问题。另外，因为预想的是，因熔液造成的铸模的热变形导致型腔缩小，因此铸造后的铸件成品的加工余量欠缺，有可能发生尺寸不足的不合格品。
【发明内容】
[0012]因此，本发明的课题是，进一步提高近净形铸造的精度，并且，使铸造后的铸件成品不会发生尺寸不足而设计铸模的型腔形状。
[0013]为了解决上述的课题，本发明是基于数值分析来设计浇注熔液、铸造铸件的铸模的型腔形状的铸模设计方法，其中，对于从所述熔液浇注至凝固开始的所述铸模因热而发生的变形进行数值分析，求得从浇注至凝固开始时的铸模型腔的形状变化量，对于从所述铸件的凝固开始至冷却结束的因凝固和冷却带来的变形进行数值分析，求得从凝固开始至冷却结束的铸件的形状变化量，基于所求得的铸模型腔的形状变化量和铸件的形状变化量，设计所述铸模的型腔形状。
[0014]S卩，在本发明中，通过数值分析，不仅求得从能够形成铸件的外壳的凝固开始时至铸件达到常温的冷却结束的形状变化量，而且求得从浇注至凝固开始时的铸模型腔的形状变化量。然后，基于这些铸模型腔的形状变化量和铸件的形状变化量，设计铸模的型腔形状，由此能够使凝固开始时的铸模型腔形状反映到铸模设计中。据此，能够进一步提高近净形的精度，并且，能够避免铸造后的铸件成品尺寸不足。
[0015]所述铸件的长度尺寸或外径尺寸为200mm以上时，能够更有效地减少铸件成品的加工余量，能够使加工余量低于3mm。
[0016]所述铸件轴向具有大直径部小直径部时，也能够更有效地减少铸件成品的加工余量，特别是能够以避免小直径部发生尺寸不足的方式减少加工余量。这是由于，形成小直径部的铸模的部位，相比形成大直径部的铸模的部位而言，因铸模的热变形引起的型腔的缩小程度更大。
[0017]通过考虑用于所述铸模因热引起的变形的数值分析的铸模材料的物性值的温度依存性，能够更高精度地对于铸模的热变形进行数值分析。还有，作为该铸模材料的物性值，可列举线性膨胀系数、杨氏模量等、。
[0018]加进浇注于所述铸模的熔液的静压力引起的铸模的变形，求得所述铸模型腔的形状变化量，由此能够进一步提高近净形的精度。
[0019]另外，在本发明中，在浇注熔液而铸造铸件的铸模中，也可以采用以上述任意一种铸模设计方法设计型腔形状的构成。
[0020]根据本发明的铸模设计方法，通过数值分析，不仅求得从能够形成铸件的外壳的凝固开始时至铸件达到常温的冷却结束的形状变化量，而且求得从浇注至凝固开始时的铸模型腔的形状变化量。基于这些铸模型腔的形状变化量和铸件的形状变化量，设计铸模的型腔形状，因此能够进一步提高近净形的精度，并且，能够防止铸造后的铸件成品尺寸不足。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是表示应用了第一和第二实施方式的铸模设计方法的铸模的例子的纵剖面图。
[0022]图2是表示以图1的铸模铸造的铸件成品的正视图。
[0023]图3是表示第一实施方式的铸模设计方法的数值分析的步骤和流程图。
[0024]图4(a)、(b)分别是第一和第二实施方式中使用的铸模材料和铸件材料的热膨胀图解。
[0025]图5(a)、(b)分别是第一和第二实施方式中使用的铸模材料和铸件材料的应力一应变曲线。
[0026]图6是表示由第一实施方式的数值分析求得的铸模和铸件的半径方向的变形量的坐标图。
[0027]图7 (a)、(b)分别是放大显示基于图6的铸模和铸件的变形量而设计的铸模型腔的截面形状的局部的坐标图。
[0028]图8是表示第二实施方式的铸模设计方法的数值分析的步骤的流程图。
[0029]图9是说明作用于图1的铸模的静压力的纵剖面图。
[0030]图10是表示以第二实施方式的数值分析求得的铸模和铸件的半径方向的变形量的坐标图。
【具体实施方式】
[0031]以下，基于附图，说明本发明的实施方式。图1表示适用了第一和第二实施方式的铸模设计方法的铸模I。图2表示以该铸模I铸造的作为铸件成品的螺杆式压缩机用转子
11。该螺杆式压缩机用转子11由球状石墨铸铁(Jis ;K:D500)形成，轴向的全长为860mm。在轴向具有大直径部和小直径部的螺杆部11a，长度尺寸为460mm，外径尺寸为240mm。
[0032]所述铸模I由主模体la、和铸造螺杆部I Ia的模芯Ib构成，任一种型砂均使用混炼有作为粘合剂的树脂的硅砂。在铸模I中，铸造螺杆式压缩机用转子11的型腔2被纵向形成。在型腔2的上方设有冒口部3，并且设有熔液被浇注的浇注部4，和将浇注的熔液引导到型腔2的横浇口 5。`
[0033]图3表示第一实施方式的铸模设计方法的数值分析的步骤。该数值分析用的软件，由计算熔液的流动、凝固计算和系统整体的传热计算的铸造分析软件21、进行铸模的变形计算的变形分析软件22、进行铸件的变形计算的变形分析软件23构成。在此，铸造分析软件21使用有限元法的计算软件“JSCAST (商品名；々才〗J力(QUALICA)社制)”，各变形分析软件22、23使用有限元法的计算软件“ABAQUS (商品名WJ 了 (SMULIA)社制)”。还有，这些计算软件不限定于有限元法，也可以使用差分法等的计算软件。
[0034]首先，向所述铸造分析软件21，作为输入数据输入铸造方案(铸模形状、铸件形状、浇注温度、浇注量、浇注速度)、铸模材料的热特性(密度、比热、热传导率)、铸件材料的热特性(密度、比热、热传导率、固相线温度、液相线温度、凝固潜热)和热边界条件(铸模一铸件间的传热系数、铸模一气氛间的传热系数、气氛温度)。然后，利用铸造分析软件21，计算经过各时刻的铸模和铸件的温度分布和铸件的固相率，并且计算熔液的凝固开始时刻Ts。在此，铸件的总表面温度为固相线温度(1140°C)以下，能够形成铸件的外壳的时刻为凝固开始时刻Ts。
[0035]其次，向所述变形分析软件22，输入由铸造分析软件21计算的时刻O~Ts的铸模的温度分布，和另行求得的作为铸模材料的物性值的线性膨胀系数和杨氏模量，计算时刻O~Ts之间产生的铸模因热发生的变形量。与此同时，向变形分析软件23，输入由铸造分析软件21计算的时刻Ts~冷却结束时，即铸件达到常温的铸件的温度分布，和另行求得的作为铸件材料的物性值的线性膨胀系数和杨氏模量。然后，计算时刻Ts~冷却结束时之间产生的铸件的变形量。最后，这些计算出的铸模和铸件的因凝固和冷却造成的变形量，与最初输入的铸模的型腔形状进行相加运算，设计型腔形状。
[0036]图4(a)、(b)分别是作为所述铸模材料的混炼有树脂的硅砂，和关于作为铸件材料的F⑶500的已知的热膨胀线图。表1 (a)、(b)分别是根据图4 (a)、(b)的热膨胀图解求得的代表性的各温度下的树脂混炼硅砂和FCD500的线性膨胀系数，作为各变形分析软件22、23的输入数据使用。
[0037][表 I]
【权利要求】
1.一种铸模设计方法，其特征在于，是基于数值分析来设计浇注熔液而铸造铸件的铸模的型腔形状的铸模设计方法，其中， 对从所述熔液浇注至凝固开始的所述铸模因热而发生的变形进行数值分析，求得从浇注至凝固开始时的铸模型腔的形状变化量， 对从所述铸件的凝固开始至冷却结束的因凝固和冷却造成的变形进行数值分析，求得从凝固开始至冷却结束的铸件的形状变化量， 基于所求得的铸模型腔的形状变化量和铸件的形状变化量来设计所述铸模的型腔形状。
2.根据权利要求1所述的铸模设计方法，其中，所述铸件的长度尺寸或外径尺寸为200mm以上。
3.根据权利要求1所述的铸模设计方法，其中，所述铸件在轴向上具有大直径部和小直径部。
4.根据权利要求1所述的铸模设计方法，其中，考虑所述铸模因热造成的变形的数值分析中所用的铸模材料的物性值的温度依存性。
5.根据权利要求1所述的铸模设计方法，其中，加进浇注到所述铸模中的熔液的静压力引起的铸模的变形来求得所述铸模型腔的形状变化量。
6.—种铸模,其特征在于,在烧注熔液而铸造铸件的铸模中，以权利要求1?5中任一项所述的铸模设计方法设计型腔形状而成。
【文档编号】B22C7/00GK103826776SQ201280046666
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月27日 优先权日:2011年9月27日
【发明者】堤一之, 片冈保人 申请人:株式会社神户制钢所