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当社のダイカストのアンダカット製品の取り組みについて、量産化されている技術、回転引き抜き中子・アルミニウムダイカスト製置き中・ダイカスト用崩壊性中子について紹介する。紹介する技術にはそれぞれ特徴があり、中子引き抜き方法、置き中子の材質・使用方法、ダイカスト用砂中子という特徴を有している。

ダイカストのアンダカット成形技術

1．はじめに

　案　納　亮　介　㈲ウィンズテック

　アルミニウム合金ダイカストは、優れた寸法精度、美麗で平滑な鋳肌、高い量産性等の特徴を生かし、多くの産業分野でその使用量を増加させてきた。特に自動車産業において環境問題から発生した燃費規制による自動車の軽量化、資源保護問題に対応するリサイクル性といった観点からアルミニウム合金ダイカストの適用が増加し、より一層の薄肉化、高品質化、複雑化が要求されている。他方ダイカストは、アンダカット品を作ることが難しいと言う欠点を持つため、アンダカットによる薄肉化、高品質化、複雑化の要求に答えられない部品も未だ多く残っている。　当社においてダイカストのアンダカット製品の取り組みを以前から行っており、量産化されている技術　①回転引き抜き中子　②アルミニウムダイカスト製置き中子　③ダイカスト用崩壊性中子

このロータは、従来、重力鋳造で生産しているが、高性能化のためにロータの軽量化が必要であった。高性能化すなわち応答性能を向上させるためには、

2．量産化実例

2．1　回転引き抜き中子　回転引き抜き中子を採用した製品を、図1に示すスクリュー型スーパーチャージャーロータである。

について紹介する。表1に示すように紹介する技術にはそれぞれ特徴があり、①は中子引き抜き方法②は置き中子の材質・使用方法③ダイカスト用砂中子という特徴を有している。

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表 1　量産化アンダカット技術

　駒　崎　 　徹　　宮　本　武　雄　　古　田　昌　伸　リョービ㈱

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特集　次世代ダイカストへの取り組み

回転体であるロータを中空化して慣性モーメントを小さくすることが重要である。しかし重力鋳造では、精度のよい中空形状ができなかった。そこで、長いらせん形状の中空化に対し、新たに中子引き抜き方法と引き抜き機構を開発した。

2．1．1．らせん中子引き抜き機構　らせん形状の中子を引き抜くため、型閉め中に中子を回転しながら後退させる方式を採用した。モーターによって回転する引き抜き方法も考えられるが、短時間で凝固収縮のかかるらせん中子を引き抜くには十分な力を確保できない。そこで図 2に示す油圧シリンダを用いたラックアンドピニオン方式を採用した。

2．1．2．引き抜き方法　引き抜き機構は、図 3に示すようにらせん中子のスプラインに雄ねじを設け、金型に固定された雌ねじとで回転すると前後進できるようにした。一連の動作を説明すると、油圧シリンダで上下 2本のラックを後退させるとらせん中子のスプラインと同軸で一体化したピニオンが回転する。回転運動はスプラインの前方部のねじにより、らせん中子の回転後退運動になり、製品かららせん中子が引き抜かれる。

　ここで問題になるのは、スプライン、ラックアンドピニオン、ウォームギアの強度である。通常のスライド中子の場合標準化されていて、引き抜き部の大きさにより油圧シリンダの大きさが決まっている。しかし、このようならせん状かつ長い中子の場合には前例がなかった。そのため、下記に示すようにらせん中子の引き抜き力を製品押し出し力としてみなし、製品押し出し力を見積もる金子の式 1）から推定した。

　金子の式；P1 ＝ 2 π slσT（μscosθ－sinθ）

　　 P1；側壁の収縮による引き抜き力　　　l；中子の長さ、　　s；ダイカストの肉厚　　σT；取り出し温度におけるダイカストの強度　　 μs；静止摩擦係数、θ；中子の抜け勾配　金子の式より求められた引き抜き力に 3倍の安全率を考えて、ラックアンドピニオンの歯数、肉厚などを設定した。また、油圧シリンダも引き抜き力に見合うようにφ120 ～ 125 を使用した。　2．1．3．中子形状　ロータの製品側として、軽量化のためにはロータの中空部が最先端まで大きく確保でき、より薄肉化することが重要である。また、製造側とすれば、中子を抜けやすくするために、抜き勾配を大きくする必要がある。しかし、抜け勾配が大きいと中子の先端が細くなるため、強度不足で破損する可能性がある。また、らせん中子には内部冷却穴をあけることができないことや製品の長さが 200mm近くある機種もあることから、逆に抜き勾配を小さくし過ぎると焼付きが発生する可能性がある。　そこで、抜き勾配を変化させた基礎試験評価を行い、1°を採用した。しかし、1°では最先端まで空洞を確保することができないことが解り、写真 1のように不足分は固定側からも鋳抜くことにした。この固定からの鋳抜きはらせん中子と位相を変えることにより、チルタイム中にらせん中子を回転しながら引き抜く時の製品の回転止めの役目にもなっている。

図 1　スクリュー型スーパーチャージャ

図 2　ラックアンドピニオン式回転機

図 3　回転引き抜き方法

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①固定型

②可動型

写真１

2．1．4　量産効果　写真 2の製品が量産され、数機種の製品に採用されている。従来の重力鋳造法からダイカストに工法を変えることによって1） 高精度な中空化による重量軽減で慣性モーメントが小さくなり、スーパーチャージャの加速応答性が 50％ up した。

2） ニヤネット化による後加工工数の削減によって、コストを 30％削減できた。

2．２　アルミニウムダイカスト製置き中子　高性能エンジンにおいて、シリンダヘッド面を塞ぐことによりシリンダヘッド面の剛性を上げ、シリンダの首振り減少を防止している。従来は砂中子を使用して低圧鋳造か重力鋳造で製作されていた。生産性、コストという観点から低圧鋳造や重力鋳造よりもダイカストは、はるかに利点が多い。しかし、通常のダイカストの場合、砂中子が使えないため、高性能なクローズドデッキシリンダブロックには使用できなかった。　そこで、高性能化（クローズド化）と通常相反する開発期間の短縮、コスト低減を両立させるために置き中子を使ったブリッジタイプの簡易的なクローズドデッキシリンダブロック（セミクローズドタイプシリンダブロック）のダイカスト化を実現した。

2．2．1　セミクローズドブロックの構造　セミクローズドシリンダブロックの構造・工法を図 5、図 6に示す。オープンデッキブロックのウォータジャッケット上部にブリッジを配置することでシリンダの動きを抑制する。ウォータジャケット金型に図 5のように置き中子を挿入し鋳造する。鋳造後、鋳込まれた置き中子をシリンダブロックから図 6のように治具を用いて置き中子を取り出し、シリンダヘッド面にブリッジを形成させる。

写真 2　製品例図 5　セミクローズドタイプ置き中子挿入方法

図 6　置き中子取り出し方法

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特集　次世代ダイカストへの取り組み

2．2．2　置き中子の材質　従来、置き中子の材質は金型材と同じ SKD61 が用いられるが、シリンダブロックのウォータージャケットに挿入される置き中子は、薄く、複数になる。また、　① 置き中子へのアルミニウムの溶着により次回の

鋳造の際に型内に挿入できなくなる。⇒中子の繰り返し使用が困難

　② 中子の変形、製品から中子脱落による紛失（中子の回収不能）が多発する⇒中子の繰り返し使用が困難、置き中子の費用が増大

　③ 繰り返し使う置き中子では大量生産に適さない。などの問題が山積する。特にショット毎に置き中子側面へのアルミニウムの溶着を防ぐことは難しい。ただし置き中子挿入部の金型側にはアルミニウムのバリ残りがほとんどない。このことから新品の置き中子をショット毎に使用すれば、置き中子の金型挿入が難しいという問題は解決できる。また、毎回新品の置き中子を使用すれば、繰り返し使うという生産性を悪化させる要因も排除できる。そこで　大量かつ低コストで中子を作るには、　“アルミニウム合金製ダイカスト置き中子”が適当であると考えて開発した。しかし、アルミニウム合金製置き中子（以下アルミ置き中子と言う）とシリンダブロックとが溶着するのではないかという問題がある。図 7にアルミ置き中子の充填時の表面温度の変化をシミュレーションした結果を示す。充填直前の置き中子温度を25～ 300℃に変えた。充填直前の置き中子温度が 300℃でも溶湯注湯時に500℃程度にしか上昇しない。このことから、金型内に設置したアルミ置き中子の温度が注湯時に上昇しても、ADC12 合金の固相線温度 515℃に達することはなく溶着が起こらない。

　今回開発したアルミ置き中子を写真 3に示す。この置き中子はシリンダブロックと同じADC12 合金で作製した。ダイカストを行った結果、アルミ置き中子は溶着せず、取出し性も良好であった。取り出し後もそのまま再溶解することが出来、リサイクル性も非常に高い。ダイカスト鋳造した置き中子をあらかじめ中子挿入ロボットのマガジンに入れることにより、全自動生産が可能になった。

2．2．3　量産効果　アルミニウム合金ダイカスト製置き中子を使用したセミクローズドシリンダブロック例を写真 4に示す。現在 4輪車向けや 2輪車向けの高性能ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのシリンダブロックに用いられており、　①従来のシリンダブロックとほぼ同じ開発期間　② 従来のダイカスト製シリンダブロックとほぼ同

じ生産性　③高性能化（クローズド化）効果が得られ量産されている。

2．3　ダイカスト用崩壊性中子　アルミニウム合金中空鋳物の成形には、一般的に重力鋳造法や低圧鋳造法が用いられているが、これらの工法はダイカストに比べて生産性が低い、製品肉厚が厚いおよび寸法精度が低いなどの短所がある。

図 7　溶湯充填時におけるアルミ置き中子表面温度の変化

写真 3　アルミ置き中子

写真 4　製品例（置き中子が入った状態）

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そのため、当社では、ダイカスト用崩壊性中子の開発を 1980 年代から始め、これまでにゴルフメタルヘッド、二輪車用ハブ、クローズドタイプシリンダブロックなどを実用化してきた。　ダイカスト用崩壊性中子の開発において様々な技術課題があるが、その中でもダイカストに用いる場合には高速高圧の溶湯に対し壊れない砂中子の強度と取り出し時に簡単に壊れる崩壊性の両立である。開発初期の第一世代では、中子の強度が高いと鋳造後に崩壊除去が困難となるため、ゴルフメタルヘッドや二輪車用ハブなどのように中子除去のための開口部を大きく設けるなど鋳造後に中子を除去しやすい形状、すなわち小型で中空部の形状自由度が低い製品であった 2）。第 2 世代では第 1世代とは逆に大型かつ中空形状が複雑で中子除去のための開口部が小さいクローズドタイプシリンダブロックでは、中子の崩壊除去に重点を置く必要があったため、中子の強度を上げられず層流充填による成形とした 3）。そのため、普通ダイカストと比べて生産性が低く薄肉が困難であった。このような背景の中で、第 3世代として大型かつ中空形状の複雑な製品をダイカスト工法で製造する技術を開発した。

2．3．1　ダイカスト用崩壊性中子　高速で溶湯を充填した後高圧下で凝固させるダイカストに使用できる中子として、高強度と鋳造後の容易な崩壊除去を両立する二層構造の砂中子（以下、

二層式砂中子）を採用した。二層式砂中子の外観写真（切断品）を写真 5に示す。外層は人工砂を用いた高強度のレジンコーテッドサンド（以下、RCS）、内層は再生砂を用いた低強度のRCSで構成されている。　二層式砂中子の製造工程について図 8に示す。　① 加熱した造形金型に外層 RCS をエアでブロー

する工程　② 短時間の焼成により金型表面から数mm内部

のRCS のみ硬化させる工程　③ 金型を反転・揺動させて未硬化の外層 RCS を

吹き込み口から排出する工程　④ ③により中空となった部分に内層 RCS をエア

でブローする工程　⑤所定時間焼成して全体を硬化させる工程により二層式砂中子を製造している。

図 8　二層式砂中子の製造工程

写真 5　二層式砂中子の外観写真（切断品）

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特集　次世代ダイカストへの取り組み

　内層 RCS の抗折力と中子除去率の関係を図 9に示す。抗折力の異なる数種類の内層 RCS で造形した中子で鋳造し、中子重量に対する中子除去前後の製品重量差（中子除去量）の割合を求めた。なお中子除去方法は、常温において製品の上に置いた当て金を 30 秒間打撃して行った。内層RCS の抗折力が300N/cm2 強までは、中子除去率が 87 ～ 100％と中子の大部分または全部を除去することができた。しかし、400N/cm2 を超える RCS を使用した場合は中子除去率が 15％と、ほとんど除去できなかった。加えて外層 RCS についても検証を行い、抗折力が外層は約 1100N/cm2、内層は約 300N/cm2 のものを採用した。　射出速度：2.4m/s、鋳造圧力：74MPa でダイカストした場合においても、中子の破損もなく、常温にお

ける打撃加振によるのみで中子の除去を行っている。　砂中子へのコーティング断面図を図10に示す。コーティング膜は二層で構成されており、内側の第一コーティングは珪酸ジルコニウムを、外側の第二コーティングは鱗片状天然マイカを基材としている。空隙の多い中子基体表面は第一コーティングの浸透によって目止めされ平滑な表面となり、その上に鱗片状のマイカが不連続に積層される。これにより、ダイカストの高圧下においても溶湯の浸入を第二コーティングの表層で防止させることができ、砂残りを伴うアルミニウム溶湯の差し込み欠陥を防止する。コーティングの工程は、第一コーティング液槽へのディッピング、第一乾燥、第二コーティング液槽へのディッピングおよび第二乾燥の順で行う。第二乾燥では第一コーティングに含まれるバインダーが第二コーティングに拡散しながら硬化することにより、第一および第二コーティングの密着性を高めた。

2．3．2　量産効果　崩壊性中子の配置を示した中空部を切断した製品外観を写真 6に示す。第 3世代の崩壊性中子によって得られる中空部は冷却水路を構成し、その長さは最大 260mm かつ製品幅は 555mm と比較的大型製品に適応した。本製品は小型トラック用のエンジン部品であり、本開発によってダイカスト化される前は重力鋳造で製造され、ダイカスト化により大幅に生産性が向上した。

3．おわりに

　当社のダイカストアンダカット製品への対応を現在実用化されている例について述べた。ここで紹介した方法は、他の鋳造法とは比べ高い生産性を持ち合わせていることから、今後さらに他の製品へ展開していきたい。

　参考文献1 ） 素形材センター，日本ダイカスト協会；ダイカストの離型に関する調査研究（1999）4

2 ） 江越，佐々木，梅田，久野：ダイカスト会議論文集（JD90）243

3 ） 眞鍋達也，新田真，矢口昌樹：アルミニウム，57（2004）112

図 9　内層 RCS の抗折力と中子除去率の関係

図 10　砂中子のコーティング 写真 6　中空部を切断した製品外観（右下は中子外観）

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