JP2020179421A

JP2020179421A - 鋳造品の製造方法及び軸受装置

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Publication number: JP2020179421A
Application number: JP2019085759A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　達也; Tatsuya Suzuki; 達也鈴木; 茂伸黒田; Shigenobu Kuroda
Original assignee: Chuo Malleable Iron Co Ltd
Current assignee: Chuo Malleable Iron Co Ltd
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: JP7262291B2

Abstract

【課題】機械的強度の向上を図ることができる、芯材を備える鋳造品の製造方法を提供する。【解決手段】芯材３を備える鋳造品の製造方法は、芯材３を支持する有機質支持材７を用いて、鋳型５に接触しないように芯材３を鋳型５に配置する工程と、芯材３が支持された鋳型５に、鋳造品を形成する鋳造品形成材８を熔融させて流し込む工程と、を含む。この製造方法によって製造された鋳造品は、芯材３が鋳造品の表面に露出することなく、鋳造品に埋設され、鋳造品の表面において、単一の材料である鋳造品形成材８から形成され、材料の界面が存在しないため、鋳造品の機械的強度の向上を図ることができる。【選択図】図４

Description

本発明は、芯材を備える鋳造品の製造方法及び芯材を備える軸受装置に関する。

鋳造品は、例えば、車両、船舶、航空機など（以下、車両等とする。）の部品や建築資材として様々な形態で使用され、車両等の部品や建築資材では、耐久性の観点から強度の向上が求められる。鋳造品の強度向上対策の一つとして、鋳造品を補強する芯材を備えることによって、鋳造品を補強する方法がある。このような鋳造品の製造方法として、従来、下記特許文献１において、芯材を金型にセットし、金型に鋳造品形成材を流し込むことによって製造される鋳造品の製造方法が知られている。この鋳造品の製造方法によって製造された鋳造品は、芯材が金型にセットされた部分の表面が芯材から形成され、その他の部分の表面が鋳造品形成材から形成されている。

特開２００９−１６６０５１号公報

車両等では、部品としての鋳造品に様々な振動や荷重が掛かる。しかしながら、特許文献１に記載の従来の製造方法によって製造された鋳造品は、芯材が金型にセットされた部分の表面が芯材から形成され、その他の部分の表面が鋳造品形成材から形成されているため、鋳造品の表面に、芯材と鋳造品形成材との界面が存在する。材料の界面が存在する鋳造品は、単一の材料から鋳造され材料の界面が存在しない鋳造品と比して、振動や荷重などに対する機械的強度が劣るおそれがあるという問題があった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、機械的強度の向上を図ることができる鋳造品の製造方法及び軸受装置を提供することを目的とする。

本発明に係る鋳造品の製造方法は、芯材を備える鋳造品の製造方法であって、
該芯材を支持する有機質支持材を用いて、鋳型に接触しないように該芯材を該鋳型に配置する工程と、
該芯材が配置された該鋳型に、該鋳造品を形成する鋳造品形成材を熔融させて流し込む工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の鋳造品の製造方法によれば、有機質支持材によって、芯材が、該鋳型に接触しないように、つまり、鋳造品の表面に露出しない内部の位置に配置される。鋳型に鋳造品形成材が流し込まれるとき、流し込まれる鋳造品形成材が熔融した高温の状態であるため、芯材を支持する有機質支持材は、鋳造品形成材と接触することによって焼失される。焼失された有機質支持材の設置された位置も含めて鋳型に鋳造品形成材が流し込まれるため、鋳造品は、芯材が表面に露出することなく、埋設されるものとすることができる。芯材を備える鋳造品は、その表面において、単一の材料である鋳造品形成材から形成され、材料の界面が存在しないため、機械的強度の向上を図ることができる。

ここで、上記鋳造品の製造方法において、前記有機質支持材が硬化型合成樹脂であるものとすることができる。

これによれば、硬化型合成樹脂は、硬化前の状態では流動性を有し芯材の固定が容易であり、硬化型合成樹脂が硬化することによって、芯材を容易に支持することができる。また、鋳造品形成材の熱によって、硬化型合成樹脂が流動性を有する状態に戻ることがないため、硬化型合成樹脂は、焼失されるまで芯材を支持することができる。

また、上記鋳造品の製造方法において、前記芯材の表面に、前記有機質支持材を付着させ、該有機質支持材を介在させることによって、該芯材を前記鋳型に接触しないように配置するものとすることができる。

これによれば、鋳型に接触しないように該芯材を該鋳型に配置する工程は、有機質支持材の硬化を待つことなく、有機質支持材が付着した芯材を、鋳型に接触しないように配置するだけで済むため、鋳造品の製造効率に優れるものとすることができる。

また、上記鋳造品の製造方法において、前記芯材が炭素鋼板であり、前記鋳造品形成材が鋳鉄である構成とすることができる。

これによれば、炭素鋼から形成された芯材の強度が鋳鉄から形成された鋳造品形成材の強度より大きいため、鋳造品の強度を高めることができる。

また、本発明に係る軸受装置は、ベアリングを介してシャフトが挿通される円筒状の軸受部と、該軸受部を被固定部に固定するボルトが挿入されるボルト孔形成部を備える台座部と、該軸受部と該台座部とを一体に連結するブラケットと、を備える軸受装置であって、
該軸受部の周方向に、該軸受部を補強する芯材が該軸受部の表面に露出しない状態で埋設されていることを特徴とする。

本発明の軸受装置によれば、円筒状の軸受部に、軸受部を補強する芯材が埋設されているため、振動や荷重を受けやすい軸受部の機械的強度の向上を図ることができる。

ここで、上記軸受装置において、前記軸受部が鋳鉄から形成され、前記芯材が炭素鋼から形成されているものとすることができる。

これによれば、炭素鋼から形成された芯材の引張強さが鋳鉄から形成された軸受部の引張強さより大きいため、振動や荷重を受けやすい軸受部の機械的強度の向上を図ることができる。

本発明の鋳造品の製造方法によれば、芯材を鋳造品の内部の埋設される位置に配置することができ、芯材を備える鋳造品は、芯材が表面に露出することなく埋設されるものとすることができる。このため、本発明の鋳造品は、その表面において、単一の材料である鋳造品形成材から形成され、材料の界面が存在しないため、機械的強度の向上を図ることができる。

本発明の実施形態の鋳造品の製造方法によって製造された軸受装置の正面図である。図１のII−II線位置の断面図である。本発明の実施形態の鋳造品の製造方法に使用する鋳型の断面図であり、図１の軸受装置のIII−III線位置に相当する鋳型の断面図である。図３の鋳型に鋳造品形成材を流し込むイメージ図である。

以下、本発明の実施形態に係る鋳造品の製造方法を図面に基づいて説明する。実施形態では、図１及び図２に示すように、鋳造品として、車両等用のシャフト（図示せず）が円環状のベアリング（図示せず）を介して車両等側に固定される軸受装置１の製造方法を例にして説明する。もちろん、本発明の鋳造品は軸受装置に限定されるものではなく、歯車、車輪、エンジンブロック、トランスミッションケース及びブレーキディスクなどの車両等の部品、マシニングセンタ、旋盤及びドリルなどの加工器具、釜、鍋及び刃物などの日用品、並びに、耐震補強梁部材、耐震ダンパ部材及び取手類などの建築資材など、あらゆる鋳造品に適応することができるものである。

実施形態の鋳造品としての軸受装置１の製造方法は、図３に示す鋳型５を用いて、図１及び図２に示す、円筒状の軸受部４と、台座部２５と、軸受部４と台座部２５とを一体に連結するブラケット２と、から構成される軸受装置１を鋳造によって製造する方法である。軸受部４の外壁部２２の中の周方向には、軸受部４を補強する芯材３が埋設されている。

実施形態の鋳造品としての軸受装置１は、組成的に、軸受部４、台座部２５及びブラケット２を形成する鋳造品形成材８としての鋳鉄と、軸受装置１の軸受部４を強度的に補う芯材３としての炭素鋼板と、から形成される。鋳鉄は、原料となる鋳鉄品を熔融させて、後に述べる鋳型５内に流し込み、鋳型５内で冷えて固まることにより鋳鉄となる。

鋳造品形成材８の鋳鉄は、炭素を２．５〜４．５質量％含有するものであり、芯材３の炭素鋼板は、炭素を０．７〜１．５質量％含有するものである。炭素含有量の違いによる鉄の性質の違いから、炭素鋼板の芯材３は、鋳造品形成材８（鋳鉄）より引張強さ及び伸度が勝るため、軸受部４を強度的に補うことができる。また、芯材３の炭素鋼板の融点は１４００℃以上であり、熔融した鋳鉄（１３００〜１３８０℃）に被覆されることによって、芯材３が熔融することはない。なお、鋳鉄の比重と炭素鋼板の比重はほぼ同じであり、鋳鉄の熱膨張率と炭素鋼板の熱膨張率はほぼ同じである。軸受部４、台座部２５及びブラケット２を形成する鋳造品形成材８（鋳鉄）には、球状黒鉛鋳鉄品ＦＣＤ４００（ＪＩＳＧ５５０２：２００１）を使用し、芯材３（炭素鋼板）には、炭素工具鋼鋼材ＳＫ８５（ＪＩＳＧ４４０１：２００９）を使用した。

芯材３を固定する有機質支持材７には、反応硬化型合成樹脂の２液混合反応型エポキシ樹脂接着剤を使用した。２液混合反応型エポキシ樹脂接着剤は、主剤のエポキシ樹脂と硬化剤のポリアミドとが混合されて構成されるものであり、接着剤として使用したときに、硬化が早いため、芯材３を短時間で固定することができる。エポキシ樹脂接着剤は、加熱されることにより、硬化時間をより短縮することができる。エポキシ樹脂接着剤からなる有機質支持材７は、鋳鉄の溶融点より低い約５００℃で燃焼・焼失する。有機質支持材７としての２液混合反応型エポキシ樹脂接着剤には、２液混合反応型エポキシ系接着剤セメダイン１５００（セメダイン株式会社製）を使用した。

鋳型５は、軸受装置１の形状に対応した型枠を用いた。鋳型５は、図３及び図４に示すように、熔融した鋳造品形成材８を流し込む湯口６２と、鋳造品形成材８が流れる湯道６３と、軸受装置１が成形される型部６と、を備え、脱型のため、上型５１と下型５２とに分割可能な形状となっている。鋳型５は、軸受装置１の上下方向（図１）が水平方向、軸受装置１の前後方向（図２）が鉛直方向となるように、型部６が形成されている。図３及び図４は、軸受装置１の図１に示すIII−III位置に相当する鋳型の断面図であるため、軸受部４を成型する外壁型部６５の型部６のみが図面に現れているが、図面の手前側には、図示しないが、ブラケット２と台座部２５を成型する型部が設けられているものである。

以下に、実施形態の鋳造品の製造方法について説明する。実施形態の鋳造品の製造方法は、有機質支持材７を用いて、鋳型５に接触しないように芯材３を鋳型５に固定する工程と、鋳型５に鋳造品形成材８を熔融させて流し込む工程と、を含む。

鋳型５に接触しないように芯材３を鋳型５に固定する工程は、先ず、円筒状に加工された芯材３の前端部と後端部（鋳型５に固定する際の上端部と下端部）に、有機質支持材７のエポキシ樹脂接着剤を、それぞれ軸受部４を成型する外壁型部６５の形状に合わせて接着させ、硬化させた。接着に先立って、エポキシ樹脂接着剤は、主剤のエポキシ樹脂と硬化剤のポリアミドとを混合し、芯材３は、円筒状に加工し、加熱（予熱）を施した。芯材３が予熱されることにより、エポキシ樹脂接着剤の硬化を促進することができる。次に、軸受装置１の円筒状の軸受部４の外壁部２２の壁内となる位置（図１）に相当する、図３の鋳型５における、軸受部４を成型する円筒状にくりぬかれた外壁型部６５の中に、有機質支持材７のエポキシ樹脂接着剤が備えられた芯材３を配置して固定した。芯材３の前端部と後端部（鋳型５に固定する際の上端部と下端部）に、有機質支持材７のエポキシ樹脂接着剤が備えられているため、芯材３と鋳型５の間にエポキシ樹脂接着剤が介され、芯材３は、鋳型５に接触しないように鋳型５に固定される。

鋳型５に鋳造品形成材８を熔融させて流し込む工程では、図３及び図４に示すように、芯材３が配置された鋳型５に、湯口６２から１３５０℃に加熱され熔融した鋳造品形成材８としての鋳鉄を流し込む。このとき、鋳鉄は、鋳型５の下部側（軸受装置の後部側）から上部側（前部側）に向けて充填される。鋳型５の下部側から充填された鋳鉄は、下部側の有機質支持材７を燃焼・気化させるため、有機質支持材７が充填されていた部位にも鋳鉄が流れ込む。鋳鉄が次々に流し込まれることによって、鋳型５の内部の下側から鋳鉄が充填され、最後に鋳型５の上部側に充填される。なお、鋳鉄は、ブラケット２及び台座部２５を成型する型部６にも充填される。充填された鋳鉄は、上部側の有機質支持材７を燃焼・気化させ、有機質支持材７が充填されていた部位にも鋳鉄が流れ込む。このとき、芯材３は、有機質支持材７に固定されていない状態となるが、鋳鉄の比重と炭素鋼板の比重はほぼ同じであるため、芯材３が軸受装置１の円筒状の軸受部４の中心部から動く（ずれる）ことはない。なお、芯材３の融点は、鋳鉄の融点よりも高いため、芯材３が熔融することはない。また、芯材３が予熱されていることによって、鋳型５に流し込まれた鋳造品形成材８が芯材３との接触によって急冷されることを抑制し、鋳造品の鋳造品形成材８は、全体が均一に冷却され、歪みの発生が抑えられ、鋳造品の強度を高めることができる。

冷却後に鋳造品形成材８（鋳鉄）が固化することによって、鋳造品形成材８と芯材３は、軸受部４に芯材３が埋設された軸受装置１となり、鋳型５から脱型され、湯口６２と湯道６３を埋めている鋳鉄が除去されることにより軸受装置１が完成する。

軸受装置１は、図１及び図２に示すように、車両等用のシャフト（図示せず）が円環状のベアリング（図示せず）を介して車両等側に固定される軸受装置であり、シャフトを通したベアリングが軸受部４のベアリング収容部４１に収容され、車両等側の被固定部に台座部２５がボルト（図示せず）によって固定される。

軸受装置１は、円筒状の軸受部４と、台座部２５と、軸受部４と台座部２５とを一体に連結するブラケット２と、から構成され、軸受部４の外壁部２２の壁部内には、軸受部４を補強する芯材３が埋設されている。軸受部４、台座部２５及びブラケット２を形成する鋳造品形成材８（鋳鉄）には、先に述べたように、球状黒鉛鋳鉄品ＦＣＤ４００を使用した。

軸受部４は、図１及び図２に示すように、円環状のベアリング収容部４１を有する。ベアリングを形成する金属は、軸受部４を形成している金属種類と同じ種類の金属を使用する。ベアリングを形成する金属と軸受部４を形成している金属とが同じ種類であることにより、軸受部４とベアリングは、熱膨張率が同じとなるため温度変化に対して安定となり、振動の原因となる軸受部４とベアリングの隙間の発生を抑制することができ、また、電極電位の差による電荷移動がし難いため、錆の発生を抑制することができる。実施形態において、金属が同じ種類であるとは、金属を構成する元素のうち、最も多く含有されている金属元素の種類が同じであることをいう。実施形態のベアリングには、鉄合金から形成されたものを使用した。

軸受部４のベアリング収容部４１の内径は、収容されるベアリングの外径よりも小さく（狭く）形成される。ベアリング収容部４１の内部がベアリングの外径に合わせて正確に切削され、且つ、位置精度を確保することができるようにマージン（切削代）を残しているためである。

ブラケット２は、軸受部４と台座部２５とを一体に連結する部材であり、軸受部４の下から台座部２５へ接続される脚部２３が形成される。

図１及び図２に示すように、脚部２３には、強度を高めるため、左右の端部に、脚部２３に対して直交する（シャフト軸に対して平行な）梁２４が形成されている。台座部２５は、軸受部４に貫通されるシャフトの中心軸と平行する平板状に形成され、台座部２５には、車両等側の被固定部にボルトによって固定されるボルト孔形成部２６が設けられ、車両等の被設置部に対してボルト孔形成部２６を介してボルト止めがされるようになっている。

軸受部４の外壁部２２の内部には、軸受部４を補強する芯材３が周方向に、軸受部４の表面に露出しない状態で埋設されている。芯材３は、ブラケット２の軸受部４を強度的に補う材料であり、実施形態では、先に述べたように、芯材３には炭素工具鋼鋼材ＳＫ８５を使用した。芯材３は、軸受部４の外壁部２２の内部に配置され、軸受部４を形成する鋳造品形成材８に被覆されることによって、軸受部４内に、軸受部４の表面に露出しない状態で埋設され、軸受部４を強度的に補う。軸受装置１は、軸受装置１（軸受部４）の表面において、単一の材料である鋳造品形成材８から鋳造され、材料の界面が存在しないため、機械的強度の向上が図られる。

また、芯材３は、軸受部４の外壁部２２の周方向の内部に埋設されているため、受ける応力が小さい。このため、大荷重を受けて外壁部２２に破損が生じた際であっても、芯材３が破断することなく残るため、外壁部２２そのものの破断を防止することができる。

なお、実施形態の軸受装置１は、その構成を以下のような形態に変更しても実施することができる。

芯材３の成形に使用した炭素鋼板として、実施形態では、炭素工具鋼鋼材ＳＫ８５を使用したが、ＪＩＳＧ４４０１：２００９に規定された炭素工具鋼鋼材（ＳＫ１４０、ＳＫ１２０、ＳＫ１０５、ＳＫ９５、ＳＫ９０、ＳＫ８０、ＳＫ７５）も使用することができる。また、炭素鋼板として、高炭素鋼のピアノ線やＪＩＳＧ４８０１：２０１１に規定されたばね鋼鋼材（ＳＵＰ６、ＳＵＰ７、ＳＵＰ９、ＳＵＰ９Ａ、ＳＵＰ１０、ＳＵＰ１１Ａ、ＳＵＰ１２、ＳＵＰ１３）なども使用することができる。これらは、鋳造品形成材８の鋳鉄と比較して、引張強度等の機械的強度に優れる。

芯材３は、実施形態では、円筒状に加工されたものを使用したが、平板状の炭素鋼板を円筒状に曲げて両端部を重ねたもの、平板状の炭素鋼板を円筒状に曲げて両端部を重ねないもの、又は、ワイヤー形状のピアノ線を螺旋状に巻いたもの、なども使用することができる。

軸受装置１の成形に使用した鋳造品形成材８の鋳鉄として、実施形態では、球状黒鉛鋳鉄品ＦＣＤ４００を使用したが、ＪＩＳＧ５５０２：２００１に規定された球状黒鉛鋳鉄品（ＦＣＤ３５０、ＦＣＤ５００、ＦＣＤ４５０、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８００）も使用することができる。

芯材３をブラケット２の形成型枠に固定する有機質支持材７は、実施形態では反応硬化型合成樹脂の２液混合反応型エポキシ樹脂を使用したが、反応硬化型合成樹脂として、湿気硬化型ウレタン樹脂、２液混合反応型ウレタン樹脂、紫外線硬化型ウレタン樹脂、湿気硬化型アクリレート樹脂、２液混合反応型アクリレート樹脂、紫外線硬化型アクリレート樹脂、湿気硬化型シリコーン樹脂、２液混合反応型シリコーン樹脂なども使用することができる。また、溶媒が揮発して乾燥固化する硬化型合成樹脂であっても有機質支持材７として使用することができ、硬化型合成樹脂として、ポリプロピレン樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリレート樹脂、スチレン樹脂などの汎用の硬化型合成樹脂も使用することができる。また、有機質支持材７として、木材又はダンボール紙などの紙材を用いて、芯材３を鋳型５に接触しないように配置・固定することもできる。

また、実施形態の軸受装置１の製造方法では、鋳型５の外壁型部６５の中に、有機質支持材７のエポキシ樹脂接着剤が備えられた芯材３を配置して固定したが、鋳型５の外壁型部６５の上側部と下側部のそれぞれの周方向に均等に分けた３〜６カ所に、又は、全周に亘って、有機質支持材７のエポキシ樹脂接着剤を配置させ、エポキシ樹脂接着剤が備えられていない芯材３を配置して固定することもできる。

１…軸受装置、２…ブラケット、３…芯材、４…軸受部、５…鋳型、６…型部、７…有機質支持材、８…鋳造品形成材、２２…外壁部、２３…脚部、２４…梁、２５…台座部、２６…ボルト孔形成部、４１…芯材本体、５１…上型、５２…下型、６２…湯口、６３…湯道、６５…外壁型部。

Claims

芯材を備える鋳造品の製造方法であって、
該芯材を支持する有機質支持材を用いて、鋳型に接触しないように該芯材を該鋳型に配置する工程と、
該芯材が配置された該鋳型に、該鋳造品を形成する鋳造品形成材を熔融させて流し込む工程と、を含むことを特徴とする鋳造品の製造方法。
前記有機質支持材が硬化型合成樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造品の製造方法。
前記芯材の表面に、前記有機質支持材を付着させ、該有機質支持材を介在させることによって、該芯材を前記鋳型に接触しないように配置することを特徴とする請求項１に記載の鋳造品の製造方法。
前記芯材が炭素鋼板であり、前記鋳造品形成材が鋳鉄であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造品の製造方法。
ベアリングを介してシャフトが挿通される円筒状の軸受部と、該軸受部を被固定部に固定するボルトが挿入されるボルト孔形成部を備える台座部と、該軸受部と該台座部とを一体に連結するブラケットと、を備える軸受装置であって、
該軸受部の周方向に、該軸受部を補強する芯材が該軸受部の表面に露出しない状態で埋設されていることを特徴とする軸受装置。
前記軸受部が鋳鉄から形成され、前記芯材が炭素鋼から形成されていることを特徴とする請求項５に記載の軸受装置。