特許 6558614 砂ブロックの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6558614

(24)【登録日】2019年7月26日

(45)【発行日】2019年8月14日

(54)【発明の名称】砂ブロックの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22C 9/02 20060101AFI20190805BHJP

   B22C 5/04 20060101ALI20190805BHJP

   B22C 1/22 20060101ALI20190805BHJP

【ＦＩ】

   B22C9/02 101Z

   B22C5/04 C

   B22C1/22 B

   B22C9/02 103Z

   B22C9/02 103C

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2019-23646(P2019-23646)

(22)【出願日】2019年2月13日

(62)【分割の表示】特願2018-37512(P2018-37512)の分割

【原出願日】2018年3月2日

【審査請求日】2019年3月5日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】599079470

【氏名又は名称】株式会社小西鋳造

(73)【特許権者】

【識別番号】306017014

【氏名又は名称】地方独立行政法人 岩手県工業技術センター

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小西 信夫

(72)【発明者】

【氏名】飯村 崇

(72)【発明者】

【氏名】堀田 昌宏

(72)【発明者】

【氏名】池 浩之

【審査官】 河口 展明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−１９５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１６２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４８０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１２３４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２０００２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／０８６３７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平９−１５０２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１１４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１４３３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１３６１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−５８４３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９７７４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−５０２２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｃ １／００−３／０２

Ｂ２２Ｃ ９／０２

Ｂ２２Ｃ ５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋳物砂と、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂およびエステル系のアルカリフェノール樹脂用硬化剤からなる粘結材とを混錬する混錬工程と、型枠内に前記粘結材と混錬した前記鋳物砂を充填し、前記型枠内の前記鋳物砂全体をプレスしながら振動を与えて固化させることで、所定形状の砂ブロックを形成する押し固め工程と、を含むことを特徴とする砂ブロックの製造方法。

【請求項2】

請求項１記載の砂ブロックの製造方法であって、
前記混錬工程では、
前記鋳物砂は、球状のセラミック人工砂を用い、
前記エステル硬化用アルカリフェノール樹脂は、水溶性のものを用いて前記砂ブロックを固化させることを特徴とする砂ブロックの製造方法。

【請求項3】

請求項１又は請求項２記載の砂ブロックの製造方法であって、
前記押し固め工程では、
前記砂ブロックは、圧縮強度が１５〜５０（Ｎ／ｃｍ^２）となるようにプレスを調整して固化させることを特徴とする砂ブロックの製造方法。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１記載の砂ブロックの製造方法であって、
前記混錬工程では、
前記鋳物砂は、粒度分布の平均粒度が所定の値の大粒と、平均粒度が前記大粒の所定の値よりも小さい小粒との、平均粒度の異なる複数種類を混ぜていることを特徴とする砂ブロックの製造方法。

【請求項5】

請求項４記載の砂ブロックの製造方法であって、
前記混錬工程では、
前記鋳物砂のうち前記大粒の平均粒度は１５０〜２１２（μｍ）のものを用い、混合比が６０〜５０％となるようにし、
前記鋳物砂のうち前記小粒の平均粒度は７５〜１０６（μｍ）のものを用い、混合比が４０〜５０％となるようにし、
前記大粒と前記小粒との混合比が合わせて１００％となることを特徴とする砂ブロックの製造方法。

【請求項6】

請求項４又は請求項５記載の砂ブロックの製造方法であって、
前記鋳物砂を再生利用して前記砂ブロックを形成するには、
新規に平均粒度の小さい前記小粒の前記鋳物砂を加え、
平均粒度の大きい前記大粒の前記鋳物砂は、再生利用のものを使用することを特徴とする砂ブロックの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、砂ブロックの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、鋳造用砂型の製造では、製品と略同形状の木製などの模型を作製し、この模型を定盤に置いて枠で囲い、模型の周囲に砂を押し込んで固め、模型を取り出すことで砂型を分割して製造していた。また、ロウで製作した模型を砂の中から燃焼あるいは溶融して除去するロストワックス法などでも砂型が製造されていた。しかし、模型を砂に転写して砂型を作製する方法では、複雑な形状を再現することが難しく砂型の精度に改善に余地があり、また模型や模型の保管場所が必要となり工数や製造コストでも改善の余地があった。

【0003】

この改善策として、製品の形状データに基づき数値制御加工機械によって直接砂ブロックを加工する鋳造用砂型の製造方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３１１４１５９号公報

【特許文献2】特許第５５６８０９０号公報

【特許文献3】特開２００３−１９５４２号公報

【特許文献4】特開２００２−３１６２９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の鋳造用砂型の製造方法では、粉粒体としての砂を、圧縮強度が２０〜８０ｋｇ／ｃｍ^２（略１９６〜７８４Ｎ／ｃｍ^２）となるように圧縮するとともに、粘結材の水ガラスによってガスにより硬化させ、又はフラン樹脂の酸による硬化反応を利用することで硬化させて、砂ブロックを得る。さらに、ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）を用いて、３次元的な鋳型の形状データをコンピュータに入力し、この形状データを基にして加工機械の駆動を制御し、機械支持部に２又は３方向に移動自在に設けられたマシンヘッドのエンドミル等で砂ブロックを加工して鋳造用砂型を製造する。

【0006】

特許文献２の鋳造用砂型の製造方法では、樹脂砂、水ガラス砂、レジンコーテッドサンド等の鋳物砂と接着剤を用いて砂ブロックを製造する。水ガラス砂では、エステル硬化水ガラスを接着剤とし、有機エステル硬化剤を硬化剤として用いて砂ブロックを得る。さらに、３次元ＣＡＤモデルを基に、加工バイトの選択および加工経路の作成を行い、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸からなる加工機械で砂ブロックを加工して鋳造用砂型を製造する。

【0007】

特許文献３の鋳造用砂型の製造方法では、けい砂、ＳｉＣ、アルミナ、ムライト等の鋳型用粉末と、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂を混合して砂ブロックを製造する。砂ブロックの表面からの彫り込み深さＬ_Ｔ（ｍｍ）と工具径Ｄ_Ｔとの比Ｌ_Ｔ／Ｄ_Ｔが、１．７以上、１７以下となる超硬合金Ｋ種に属するＷＣ−Ｃｏ系合金よりなるエンドミルを用い、砂ブロックを切削加工して鋳造用砂型を製造する。

【0008】

特許文献４の鋳造用砂型の製造方法では、粉粒体を固化剤で固化させたブロックを切削加工して型を製造している。固化剤に使用する粘結剤は、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とエポキシ化合物との混合物である。ブロックは、切削加工する際は０．３ＭＰａ以上２ＭＰａ未満（３０Ｎ／ｃｍ^２以上２００Ｎ／ｃｍ^２未満）の圧縮強度であり、型として使用する際は加熱処理により２ＭＰａ以上、好ましくは８ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下（８００Ｎ／ｃｍ^２以上３０００Ｎ／ｃｍ^２未満）の圧縮強度である。

【0009】

ところで、砂ブロックを加工機械の加工工具で直接加工するには加工時に砂ブロックが崩れないようにする必要があるが、最終的に得る鋳造品の形状によっては加工工具で砂ブロックの内部の奥まで加工することもあるため、砂ブロックの表面付近だけでなく内部の奥まで均一に固化する必要がある。また、砂ブロックを加工すると金属切削以上に粉塵が生じやすいためその対策も必要となる。

【0010】

しかし、特許文献１および特許文献２の鋳造用砂型の製造方法では、粘結材に水ガラスやフラン樹脂を使用しており、水ガラスやフラン樹脂を使用した砂ブロックでは内部の奥まで均一に固化することが難しく、加工時に砂ブロックの内部の奥まで崩れない強度を得るために、圧縮強度を大きくする必要があり、特許文献１の技術では圧縮強度を２０ｋｇ／ｃｍ^２（略１９６Ｎ／ｃｍ^２）以上にしており砂ブロック造型に手間がかかった。また、水ガラスやフラン樹脂を使用した砂ブロックでは切削時に粉塵が多量に飛散するため、粉塵対策が必要であり、特許文献２ではガスを噴き出すノズルや粉塵等を集める収集装置を設けており加工機械の部品コストが高くなりメンテナンスに手間もかかった。

【0011】

特許文献３の鋳造用砂型の製造方法では、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を一例に挙げており、水ガラスやフラン樹脂を使用した砂ブロックに比較して、フェノール樹脂を使用した砂ブロックは圧縮強度が小さく済み、切削時の粉塵も抑えられる。しかし、単純にフェノール樹脂を使用しただけでは、必要以上に圧縮して造型に手間がかかったり逆に圧縮強度不足で加工時に砂ブロックが崩れたりするなど内部まで適切な砂ブロックの圧縮強度にすることが難しく、さらには砂ブロックの表面付近の加工精度はよいが、内部の奥は表面付近よりも密度が小さく、加工後の精度が荒くなることがあった。

【0012】

特許文献４の鋳造用砂型の製造方法では、粘結剤は、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とエポキシ化合物との混合物を使用している。しかし、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂では、炭酸ガス硬化のため炭酸ガスを別途用意する必要があり製造コストが高くなる。また、加工時の圧縮強度でそのまま使えず、鋳造の使用時には加熱処理して圧縮強度を高くする必要があり、手間がかかる。さらに、使用時に圧縮強度を高くするため、リサイクル時に、鋳物砂をばらす際にも手間がかかる。

【0013】

一方、近年にあっては、加工技術の進歩は顕著であり、加工精度の高いマシニングセンタ（数値制御加工機械）がものづくりの現場に導入されるようになってきている。鋳造用砂型の製造現場においても、より複雑でより精度の高い加工が求められてきていることから、このようなマシニングセンタの導入が検討されるようになってきている。しかしながら、このような装置は精密機械であること等から、加工時に工具に加わる負荷をなるべく低減させ、且つ、粉塵も低減させることが求められている。
また、ある程度、複雑な形状で大きく厚みのある立体形状の製品にも対応する砂ブロックを形成することが求められることから、砂ブロックの加工方法にも工夫が必要とされている。

【0014】

本発明は、以上の点に鑑み、砂ブロックを均一に固化して適切な圧縮強度とし、内部の奥の加工後の精度を向上できるとともに、加工時の粉塵を抑えることができる砂ブロックの製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

［１］上記目的を達成するため、本発明の砂ブロックの製造方法は、
鋳物砂と、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂およびエステル系のアルカリフェノール樹脂用硬化剤からなる粘結材とを混錬する混錬工程と、型枠内に前記粘結材と混錬した前記鋳物砂を充填し、前記型枠内の前記鋳物砂全体をプレスしながら振動を与えて固化させることで、所定形状の砂ブロックを形成する押し固め工程と、を含むことを特徴とする。

【0016】

かかる構成によれば、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂を含む粘結材を使用したうえで、粘結材と混錬した鋳物砂をプレスしながら振動を与えて固化させて砂ブロックを形成するので、必要最低限の圧縮荷重で砂ブロック内全体で密度のむらをなくし、砂ブロックを均一に固化して適切な圧縮強度とし、砂ブロックの内部の奥を除去工具で除去加工した後の精度を向上することができる。さらに、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂を含む粘結材を使用した砂ブロックとすることで、炭酸ガスを用いずに砂ブロックの造型を容易にできるとともに加工時の除去工具に加わる負荷を低減することができる。さらに、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂を含む粘結材を使用したので、水ガラスやフラン樹脂を使用した砂ブロックに比較して、加工時の粉塵を抑えることができる。

【0017】

［２］また、本発明の砂ブロックの製造方法において、
前記混錬工程では、
前記鋳物砂は、球状のセラミック人工砂を用い、
前記エステル硬化用アルカリフェノール樹脂は、水溶性のものを用いて前記砂ブロックを固化させることが好ましい。

【0018】

かかる構成によれば、鋳物砂は、球状のセラミック人工砂を用いるので、自然の砂に比較して砂粒の大きさのむらを低減するとともに砂粒の形状が丸型となり、砂粒を均一に配列することができる。さらに、鋳物砂が球状であることから、鋭角に近い突起部分を有する砂粒に比較して、除去工具への負荷を低減させ、除去工具の寿命を延ばすことができる。さらに、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂は水溶性であるので、水を加えることで鋳物砂と混錬させる際の全体に行き渡らせ易くでき且つ廃棄時の除去も容易にできる。

【0019】

［３］また、本発明の砂ブロックの製造方法において、
前記押し固め工程では、
前記砂ブロックは、圧縮強度が１５〜５０（Ｎ／ｃｍ^２）となるようにプレスを調整して固化させることが好ましい。

【0020】

かかる構成によれば、圧縮強度が１５〜５０（Ｎ／ｃｍ²）の砂ブロックとすることで、鋳物砂のプレスが低圧で済むので、砂ブロックの造型を容易にできる。さらに、砂ブロックの圧縮強度が比較的小さいので加工時の除去工具に加わる負荷を低減することができる。

【0021】

［４］また、本発明の砂ブロックの製造方法において、
前記混錬工程では、
前記鋳物砂は、粒度分布の平均粒度が所定の値の大粒と、平均粒度が前記大粒の所定の値よりも小さい小粒との、平均粒度の異なる複数種類を混ぜていることが好ましい。

【0022】

かかる構成によれば、平均粒度が大粒の所定の値よりも小さい小粒は、リサイクル時に除去され易いが、平均粒度が所定の値の大粒を混ぜることでリサイクル率を向上させることができる。さらに、平均粒度が所定の値の大粒を混ぜることで、砂型の通気性を向上させることができる。さらに、平均粒度が大粒の所定の値よりも小さい小粒を混ぜることで、加工面の精度を向上させることができる。すなわち、リサイクル性や通気路の確保をしたうえで、除去加工後の加工精度を向上させることができる。

【0023】

［５］また、本発明の砂ブロックの製造方法において、
前記混錬工程では、
前記鋳物砂のうち前記大粒の平均粒度は１５０〜２１２（μｍ）のものを用い、混合比が６０〜５０％となるようにし、
前記鋳物砂のうち前記小粒の平均粒度は７５〜１０６（μｍ）のものを用い、混合比が４０〜５０％となるようにし、
前記大粒と前記小粒との混合比が合わせて１００％となることが好ましい。

【0024】

かかる構成によれば、鋳造用砂型のリサイクル性や通気性を確保したうえで、塗型なしで表面の精度がよい鋳物を得ることができる。

【0025】

［６］また、本発明の砂ブロックの製造方法において、
前記鋳物砂を再生利用して前記砂ブロックを形成するには、
新規に平均粒度の小さい前記小粒の前記鋳物砂を加え、
平均粒度の大きい前記大粒の前記鋳物砂は、再生利用のものを使用することが好ましい。

【0026】

かかる構成によれば、ばらし工程の後、粘結材をエアーの吸い込みで除去する際に、小粒の鋳物砂が粘結材と一緒に除去されるが、平均粒度の小さい小粒の鋳物砂を加えることで、大粒のほとんどをリサイクルすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明に係る鋳造用砂型の製造方法の各工程を示すフローチャートである。

【図2】図２Ａは砂ブロック形成工程のうち型ばらし工程を模式的に示す図である。図２Ｂは砂ブロック形成工程のうち粉砕工程を模式的に示す図である。図２Ｃは砂ブロック形成工程のうち再生処理工程を模式的に示す図である。図２Ｄは砂ブロック形成工程のうち別態様の再生処理工程を模式的に示す図である。図２Ｅは鋳仕上げ工程により得た製品を示す図である。

【図3】図３Ａは砂ブロック形成工程のうち混錬工程を模式的に示す図である。図３Ｂは砂ブロック形成工程のうち押し固め工程を模式的に示す図である。

【図4】図４Ａは比較例の砂ブロックの断面を模式的に示す要部拡大図である。図４Ｂは実施形態の砂ブロックの断面を模式的に示す要部拡大図である。

【図5】図５Ａは除去加工工程のうち形状データ作成工程から加工パス作成工程までを模式的に示す図である。図５Ｂは除去加工工程のうち砂ブロックセット工程から除去加工工程までを模式的に示す図である。

【図6】図６Ａは数値制御加工機械の要部拡大図である。図６Ｂは砂ブロックのアンダーカット部を除去加工する状態の説明図である。

【図7】図７Ａは鋳造工程のうち型合わせ工程から注湯工程までを模式的に示す図である。図７Ｂは図７Ａの鋳造用砂型の別態様を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

（実施形態）
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１のフローチャートでは、図２〜図７を適宜参照するものとする。図１に示すように、本発明に係る鋳造用砂型１の製造方法は大きく分けて、砂ブロック形成工程、除去加工工程および鋳造工程の上位レベルの工程で構成されている。

【0029】

砂ブロック形成工程（砂ブロックの製造方法）は、鋳造用砂型１をリサイクルする場合、鋳造用砂型１をばらして鋳物１０を取り出す型ばらし工程と、鋳物砂２を粉砕する粉砕工程と、粉砕された鋳物砂２を再生処理する再生処理工程と、再生処理された鋳物砂２に粘結材３を混錬する混錬工程と、混錬された鋳物砂２を押し固めて固化させ砂ブロック４を得る押し固め工程とを備えている。型ばらし工程で取り出した鋳物１０は、仕上げ加工を施す鋳仕上げ工程を得て製品となる。

【0030】

なお、実施形態では、砂ブロック形成工程において鋳物砂２をリサイクルするところから含めたが、これに限定されず、鋳造用砂型１を全て新規の鋳物砂２から製造する場合は、混錬工程から始め、次に押し固め工程を行うものとする。

【0031】

除去加工工程は、鋳物１０の形状データ１０ａを作成する形状データ作成工程と、形状データ１０ａから鋳造用砂型１の型形状を加工するための除去工具４３の加工経路等を作成する加工パス作成工程と、数値制御加工機械４０に砂ブロック４をセットする砂ブロックセット工程と、数値制御加工機械４０で砂ブロック４を除去加工して鋳造用砂型１を得る除去加工工程とを備えている。

【0032】

鋳造工程は、鋳造用砂型１の上型１ａと下型１ｂ等を合わせる型合わせ工程と、金属材料を溶解して溶湯を得る溶解工程と、溶湯を鋳造用砂型１に流し込む注湯工程とを備えている。

【0033】

次に上位レベルとしての砂ブロック形成工程を詳しく説明する。図２Ａに示すように、型ばらし工程では、上下の型枠２０の鋳物砂２中から鋳物１０を取り出とともに、型枠２０から鋳物砂２を外してばらばらにする。取り出した鋳物１０に振動等を加えることで鋳物砂２を落としてもよい。

【0034】

図２Ｂに示すように、粉砕工程では、ばらした鋳物砂２はある程度の大きさの塊になっている部分があるので、この鋳物砂２を粉砕機２１で元の粒状に近くなるまで粉砕する。

【0035】

図２Ｃに示すように、再生処理工程では、粉砕した鋳物砂２を再生装置２２ａに投入し、再生装置２２ａを回転させて遠心力で鋳物砂２を飛ばし再生装置２２ａの周壁にぶつけて、鋳物砂２に付いた粘結材３を砕いて落とす。このように、乾式の再生装置２２ａを使用するので、湿式のように鋳物砂２を水洗いすることなく、鋳物砂２のリサイクルを容易に行うことができる。さらに細かく砕いた鋳物砂２から粘結材３を吸塵機２４で吸引し、粘結材３が除去された鋳物砂２を得る。

【0036】

図２Ｄは、図２Ｃの別態様を示し、再生処理工程では、粉砕した鋳物砂２を再生装置２２に投入し、バーナー２３で加熱して鋳物砂２に付いた粘結材３を炭化させる。さらに加熱した後の鋳物砂２から炭化した粘結材３を吸塵機２４で吸引し、粘結材３が除去された鋳物砂２を得る。

【0037】

一方、図２Ｅに示すように、鋳仕上げ工程では、型ばらし工程で取り出された鋳物１０に対して、バリ取り、グラインダー掛け、仕上げ加工、ショットブラストなどを必要に応じて施し、鋳物１０の最終的な製品を得る。

【0038】

図３Ａに示すように、混錬工程では、鋳物砂２として、人工セラミック砂である粒度分布の平均粒度が所定の値の大粒２ａと、平均粒度が大粒２ａの所定の値よりも小さい小粒２ｂとの、平均粒度の異なる複数種類の鋳物砂２を混錬機２５に投入する。さらに、水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂を含む粘結材３を混錬機２５に投入し、鋳物砂２と粘結材３とを混錬する。具体的には、粘結材３は、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂およびアルカリフェノール樹脂用硬化剤からなる。

【0039】

このとき、鋳物砂２の全体に対する混合比率は約６８％であり、粘結材３の全体に対する混合比率は約３２％である。詳細には、粘結材３の３２％の構成は、水でうすめたエステル硬化用アルカリフェノール樹脂の混合比率が約２％、アルカリフェノール樹脂用硬化剤の混合比率が約３０％とすることが好ましい。エステル硬化用アルカリフェノール樹脂そのものの混合比率は約１％であるが、混合比率が１％であると全体に行き渡りにくい。そこで、水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂を使用することで、水でうすめて全体に容易に行き渡らせることができる。

【0040】

また、鋳物砂２において、大粒２ａと小粒２ｂとの比率は、大粒２ａ：小粒２ｂ＝７０：３０とすることが好ましい。この比率にすることで、鋳物砂２のリサイクル時の再生率を全体として９１％と高い値にすることができる。

【0041】

なお、上記の鋳物砂２および粘結材３の混合比率に近ければ好ましいが、上記混合比率は、一例であり、鋳物砂２の混合比率を８０％〜７０％、粘結材３の混合比率を２０％〜３０％、全体として１００％となるようにしてもよい。さらには、これらの混合比率に限定されるものではない。また、実施形態では、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂を水溶性としたがこれに限定されず、水溶性ではないエステル硬化用アルカリフェノール樹脂を使用しても差し支えない。

【0042】

図３Ｂに示すように、押し固め工程では、定盤２８の上に型枠２０を置き、型枠２０内に粘結材３と混錬した鋳物砂２を充填する。圧縮機２６を用いて、型枠２０内の鋳物砂２を押し固める。このとき、混錬された鋳物砂２と水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂からなる粘結材３とを、プレスしながら加振装置２７で振動を与えて固化させる。

【0043】

鋳物砂２と水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂からなる粘結材３とを押し固めて、圧縮強度が、１５〜５０（Ｎ／ｃｍ²）である所定形状の砂ブロック４を形成する。エステル硬化用アルカリフェノール樹脂を含む粘結材３による砂ブロック４とすることで、砂ブロック４全体に粘り強さを持たせ、靭性を向上させることができる。このため、砂ブロック４が撓むことがあっても壊れることがなく、砂ブロック４を容易に扱うことができる。

【0044】

次に砂ブロック４の断面の構成を模式的に誇張して説明する。図４Ａは、図４Ｂに対する比較例の砂ブロック４の構成であり、鋳物砂２は、人工セラミック砂で自然の砂に比較して丸みを帯びており、粒度分布の平均粒度が所定の値の大粒２ａと、平均粒度が大粒２ａの所定の値よりも小さい小粒２ｂとからなる。押し固め工程では、加振装置２７による振動を与えていないため、大粒２ａと小粒２ｂと乱れて配列されている。

【0045】

図４Ｂは押し固め工程で加振装置２７による振動を与えた砂ブロック４の構成である。鋳物砂２は、比較例同様、大粒２ａと小粒２ｂとからなる。鋳物砂２の大粒２ａと小粒２ｂとは、押し固め工程で振動を与えられることで、規則的に整列するように配列されている。このため、図４Ａの砂ブロック４に比較して図４Ｂの砂ブロック４は、除去加工時の加工面５（図６Ｂ参照）の加工精度を向上させ、表面粗さを小さくして加工面５をきれに仕上げることができる。

【0046】

また、鋳物砂２は、球状のセラミック人工砂であり、大粒２ａの平均粒度は１５０〜２１２（μｍ）で、混合比が６０〜５０％であり、小粒２ｂの平均粒度は７５〜１０６（μｍ）で、混合比が４０〜５０％であり、合わせて１００％とすることがより好ましい。このような構成とすることで、鋳造用砂型１（図７Ａ参照）のリサイクル性や通気性を確保したうえで、塗型なしで表面の精度がよい鋳物１０（図２Ｄ参照）を得ることができる。

【0047】

なお、鋳物砂２は、球状のセラミック人工砂に限定されず、角張った部分を有するセラミック人工砂や、自然砂、さらには、けい砂、クロマイト砂、ジルコン砂など、砂ブロック４に使用できれば、他の一般的な鋳物砂２であっても差し支えない。また、大粒２ａと小粒２ｂの平均粒度は、上記の値に限定されず、他の平均粒度の砂粒であってもよく、混合比率も上記の値に限定されるものではなく、上記以外の範囲に適宜変更しても差し支えない。

【0048】

次に砂ブロック４の上記以外の作用効果について説明する。以上に述べたように、混錬された鋳物砂２と粘結材３とを単にプレスするだけでなく、振動を与えながらプレスするので、砂ブロック４内全体において、密度のむらをなくすことができる。さらに、鋳物砂２は、人工セラミック砂であるので、自然の砂に比較して砂粒の大きさのむらを低減するとともに砂粒の形状が丸型となり、砂粒２ａ、２ｂを均一に配列することができる。さらに、粘結材３のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂は水溶性であるので、鋳物砂２と混錬させ易く且つ廃棄時の除去も容易にできる。

【0049】

さらに、平均粒度が大粒２ａの所定の値よりも小さい小粒２ｂは、軽いためリサイクルの再生処理工程時に吸引除去され易いが、平均粒度が所定の値の大粒２ａを混ぜることでリサイクル率を向上させることができる。さらに、平均粒度が所定の値の大粒２ａを混ぜることで、鋳造用砂型１の通気性を向上させることができる。さらに、平均粒度が大粒２ａの所定の値よりも小さい小粒２ｂを混ぜることで、加工面５の精度を向上させることができる。すなわち、リサイクル性や通気路の確保をしたうえで、除去加工後の加工精度を向上させることができる。

【0050】

さらに、鋳物砂２を再生利用して砂ブロック４を形成するには、新規に平均粒度の小さい小粒２ｂの鋳物砂２を加え、平均粒度の大きい大粒２ａの鋳物砂２は、再生利用のものを使用する。こうすることで、ばらし工程の後、粘結材３を吸塵機２４のエアーの吸い込みで除去する際に、小粒２ｂの鋳物砂２が粘結材３と一緒に除去されるが、平均粒度の小さい小粒２ｂの鋳物砂２を加えることで、大粒２ａのほとんどをリサイクルすることができる。

【0051】

なお、実施形態は、押し固め工程で、鋳物砂２に加振装置２７により振動を与えた砂ブロック４に限定されず、図４Ａの比較例に示した鋳物砂２に加振装置２７により振動を与えていない砂ブロック４も含むものとする。ただし、押し固め工程で、鋳物砂２に加振装置２７により振動を与えた砂ブロック４の方が、砂ブロック４内全体で鋳物砂２の粒２ａ、２ｂを均一にし、密度のむらをなくす効果は大きい。

【0052】

次に上位レベルとしての除去加工工程について詳しく説明する。図５Ａに示すように、形状データ作成工程では、コンピュータ３１により製品となる鋳物１０の形状データを作成する。２次元図面の場合であっても、製品となる鋳物１０が立体形状である場合は、３次元ＣＡＤによる形状データを作成する。さらに、製品となる鋳物１０の形状データを基にして３次元ＣＡＤ上で鋳造用砂型１（図７参照）の設計を行う。このとき、鋳造用砂型１の分割方法、形状によっては中子形状、溶湯の湯路などの鋳造方案の検討も行い設計する。

【0053】

加工パス作成工程では、鋳造用砂型１のＣＡＤの形状データを基に、ＣＡＭソフトを使用しモニタ３２で加工範囲４ａにおける除去工具４３ａの経路などの動かし方を検討し、数値制御加工機械４０（図５Ｂ参照）の動作プログラム（例えば、いわゆるＧコード）を作成する。ＣＡＭソフトへの入力データは、例えば、除去工具４３ａの種類、回転数、送り速度、切削量、経路（加工パス）などであり、最終的な加工形状データ３３をモニタ３２で確認する。

【0054】

図５Ｂ、図６Ａに示すように、数値制御加工機械４０は、第１軸（Ｘ軸）となるレール４４と、これらのレール４４にスライド可能に立つ支柱４５と、これらの支柱４５に掛け渡され第２軸（Ｙ軸）となる梁部４６と、この梁部４６にスライド可能に設けられるスライダ４７と、このスライダに昇降可能に設けられ第３軸（Ｚ軸）となる昇降機構４８と、この昇降機構４８に昇降機構４８の軸周りに回転可能に設けられ第４軸（回転軸）となる回転機構５１と、この回転機構５１に揺動可能に設けられ第５軸（揺動軸）となる揺動機構５２とを備えている。

【0055】

さらに、数値制御加工機械４０は、レール４４間に設けられる台５３と、台５３に設けられるクランプ機構５４と、揺動機構の先端部に設けられるスピンドル４１及びチャック４２とを備え、チャック４２に除去工具４３が取付けられている。数値制御加工機械４０は、いわゆる５軸加工機である。なお、数値制御加工機械４０では、ＣＡＭソフト上での除去工具４３ａに対応する、除去工具４３を使用するものとする。

【0056】

砂ブロックセット工程では、台５３に砂ブロック４をセットし、この砂ブロック４の型枠２０をクランプ機構５４でクランプする。なお、実施形態の砂ブロック４は型枠２０を設けたが、これに限定されず、中子などの型形状によっては、砂ブロック４に型枠２０を設けずに直接砂ブロック４をクランプ機構５４でクランプしてもよい。

【0057】

図５Ｂ〜図６Ｂに示すように、除去工具４３は、エンドミルであり、直径Ｄに対するチャック４２端部からの突出し量Ｌの比（Ｌ／Ｄ）が５〜５０である。なお、実施形態では、除去工具４３をエンドミルとしたが、これに限定されず、除去工具４３は、ドリル、バイト、電着砥石などの少なくとも１つでもよく、砂ブロック４を除去加工できれば、他の工具であっても差し支えない。バイトの場合は、直径Ｄではなくシャンク幅Ｄとする。

【0058】

除去加工工程では、形状データに基づいて除去工具４３をコンピュータ制御により操作する３軸以上の数値制御加工機械４０を用いて、砂ブロック４の砂粒を除去工具４３で剥がしながら除去加工することによって鋳造用砂型１の一部又は全部を製造する。加工条件は、除去工具４３が回転工具の場合、加工速度を１〜４（ｍ／ｓｅｃ）、送り速度を１０００〜９０００（ｍｍ／分）とすることが好ましい。なお、加工条件は、上記の値に限定されず、砂ブロック４を加工できれば、上記以外の値であってもよい。

【0059】

なお、実施形態では、数値制御加工機械４０を、５軸のマシニングセンタとしたが、これに限定されず、数値制御加工機械４０は、４軸以上のマシニングセンタであれば、４軸、６軸のマシニングセンタであってもよい。数値制御加工機械４０を、４軸以上とすることで、アンダーカット部６がある鋳物１０の鋳造用砂型１を製造することができる。さらに、中子を削減して、高精度の鋳造用砂型１を製造することができる。特に、数値制御加工機械４０を５軸のマシニングセンタとすることで、図２Ｄに示すインペラのような羽１１を有する複雑な形状で大きく厚みのある立体形状の鋳物１０用で且つアンダーカット部６を有する鋳造用砂型１を製造することができる。

【0060】

さらに、実施形態では、数値制御加工機械４０を４軸以上のマシニングセンタとしたが、これに限定されず、３軸のマシニングセンタであってもよい。３軸であれば汎用のマシニングセンタとして流通量も多く、数値制御加工機械４０を安価にすることができ、アンダーカット部６がない形状であれば鋳造用砂型１を容易に製造することができる。

【0061】

次に上記以外の作用効果について説明する。本発明では、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂からなる粘結材３を使用したうえで圧縮強度が１５〜５０（Ｎ／ｃｍ²）の砂ブロック４を形成するので、必要最低限の圧縮荷重で砂ブロック４を均一に固化して適切な圧縮強度とし、砂ブロック４の内部の奥を除去工具４３で除去加工した後の精度を向上することができる。

【0062】

さらに、圧縮強度が１５〜５０（Ｎ／ｃｍ²）の砂ブロック４とすることで、砂ブロック４の造型を容易にできるとともに加工時の除去工具４３に加わる負荷を低減することができる。さらに、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂からなる粘結材３を使用したので、水ガラスやフラン樹脂を使用した砂ブロック４に比較して、加工時の粉塵を抑えることができる。結果、集塵装置が不要となり、装置コストを低減することができる。

【0063】

さらに、除去工具４３はシャンク幅又は直径Ｄに対する突出し量Ｌの比（Ｌ／Ｄ）が５〜５０であっても被加工物が過度に圧縮されていない砂ブロック４であるので、除去工具４３がびびることなく砂ブロック４に除去加工で深堀することができる。さらに、（Ｌ／Ｄ）が５〜５０となる長尺の除去工具４３の先端部分で、砂ブロック４の表面付近を加工する場合であっても、被加工物が過度に圧縮されていない砂ブロック４であるので、除去工具がびびることなく砂ブロックの表面付近を浅く除去加工することができる。このように、本発明では、１本の除去工具４３で、深く加工することも浅く加工することも可能となる。

【0064】

さらに、インペラのような複雑で大型の鋳物１０用のアンダーカット部６がある鋳造用砂型１では、いわゆる深堀加工する際に、除去工具４３を保持するチャック４２やスピンドル４１が、砂ブロック４に接触し易くなるが、本発明では、数値制御加工機械４０を４軸以上の特に５軸のマシニングセンタとし、且つ、シャンク幅又は直径Ｄに対するチャック４２端部からの突出し量Ｌの比（Ｌ／Ｄ）が５〜５０となるような長尺の除去工具４３を５軸のマシニングセンタに組み合わせたので、インペラのような複雑で大型の鋳物１０用のアンダーカット部６がある鋳造用砂型１を容易に製造することができる。

【0065】

さらに、除去工具４３は、ドリル、エンドミル、バイト、電着砥石、レジンボンドの砥石、メタルボンドの砥石などである。このため、鋳造用砂型１の形状や加工精度に合わせて幅広く対応することができる。

【0066】

除去工具４３は、高速回転、振動、又は、無回転且つ無振動の少なくとも１つで使用される。これにより、いわゆる高速加工や、超音波振動加工、仕上げ加工などの多種の加工方法に対応することができる。

【0067】

次に上位レベルとしての鋳造工程について詳しく説明する。図７Ａに示すように、型合わせ工程では、上型１ａと下型１ｂとを位置決めピン（不図示）などで位置決めして合わせて鋳造用砂型１とする。

【0068】

溶解工程では、金属材料を溶解して溶湯６２を得る。注湯工程では、取鍋６１から溶湯６２を鋳造用砂型１の湯口６３に流し込む。溶湯６２は鋳造用砂型１のキャビティ６４に充填され、冷却することで固化し鋳物１０となる。

【0069】

次に図７Ａの鋳造用砂型１の別態様を説明する。図７Ｂに示すように、上型１ａには、製品を形成するキャビティ６４全体に亘って大きく突出する凸部７が形成されている。下型１ｂには、製品を形成するキャビティ６４全体に亘って大きく窪むとともに上型１ａの凸部７に嵌る凹部８が形成されている。

【0070】

上型１ａに凸部７を形成し、下型１ｂに凹部８を形成することで、型合わせ工程において、鋳造用砂型１に位置決めピンを設ける必要がなく、鋳造用砂型１を容易に製造することができる。この効果は、数値制御加工機械４０を４軸以上の特に５軸のマシニングセンタとすることで、鋳造用砂型１の分割面（パーティングライン）を自由に決めることができることによるものである。

【0071】

なお、実施形態では、大粒２ａと小粒２ｂの２種類の鋳物砂２を使用したが、これに限定されず、１種類の砂粒や３種類以上の砂粒の鋳物砂２を使用してもよい。また、シャンク幅又は直径Ｄに対する突出し量Ｌの比（Ｌ／Ｄ）は５〜５０に限定されず、比（Ｌ／Ｄ）が５未満の一般的な長さや、比（Ｌ／Ｄ）が５０を超える除去工具４３を使用してもよい。

【0072】

また、実施形態では、砂ブロック４の圧縮強度が１５〜５０（Ｎ／ｃｍ²）となるようにしたが、これに限定されず砂ブロック４の圧縮強度は１５（Ｎ／ｃｍ²）未満や、５０（Ｎ／ｃｍ²）を超えるようにしても差し支えない。

【符号の説明】

【0073】

１… 鋳造用砂型
１ａ… 上型
１ｂ… 下型
２… 鋳物砂（球状のセラミック人工砂）
３… 粘結材（水溶性のエステル硬化用アルカリフェノール樹脂、アルカリフェノール樹脂用硬化剤）
１０… 鋳物（インペラ）
１０ａ… 製品形状データ
２０… 型枠
２１… 粉砕機
２５… 混錬機
２６… 圧縮機
２７… 加振装置
３１… コンピュータ（ＣＡＤ、ＣＡＭ）
３３… 加工形状データ
４０… 数値制御加工機械
４３… 除去工具（エンドミル、ドリル、バイト、電着砥石）
Ｄ… シャンク径又は直径
Ｌ… チャック端部からの突出し量

【要約】

【課題】砂ブロックを均一に固化して適切な圧縮強度とし、内部の奥の加工後の精度を向上できるとともに、加工時の粉塵を抑えることができる砂ブロックの製造方法を提供する。
【解決手段】砂ブロックの製造方法は、鋳物砂とエステル硬化用アルカリフェノール樹脂およびアルカリフェノール樹脂用硬化剤からなる粘結材を混錬する混錬工程と、プレスしながら振動を与えて固化させることで、所定形状の砂ブロックを形成する押し固め工程と、を含む。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】