シリンダーヘッド鋳造法

エンジンのシリンダーヘッドは、エンジンの他のほとんどの組み付け部品と同様に、出力、トルク、排気ガスの排出挙動、燃料消費量、音振などの運転動作の観点からエンジンの特性を決定します。ガス交換や燃焼を機械的に制御するための重要な要素が含まれています。ここではバルブ制御が特に重要です。

シリンダーヘッドの鋳造方法は早い段階で決定しておく必要があります。シリンダヘッドの基本設計を行う際には、鋳造や金型製作のノウハウを考慮することをお勧めします。すべての鋳造方法で、希望する形状を実現することはできません。吸排気ポートの形状や位置、特に燃焼室の形状は、シリンダーヘッドの全体的な形状を決定します。さらに、シリンダボアとシリンダ間の距離は、基本的な形状に大きな影響を与えます。

燃料の燃焼により、シリンダーヘッドも高温になるため、適切な冷却コンセプトは非常に重要です。クーラントは、一般的にクランクケースのシリンダーヘッドガスケットを介して、複数の開口部を介してシリンダーヘッドの下側に供給されます。可能性のあるすべての冷却システム（クロスフロー冷却、縦方向冷却、またはその組み合わせなど）から、適切なシミュレーションモデルを使用して最適な冷却システムを決定し、危険な領域の可能性を早期に検出します。

水冷システムとオイル供給のための通路は非常に微細であることが多く、今日のシリンダーヘッド製造における鋳造担当者にとって最大の課題となっています。

鋳造方法

内燃機関用シリンダーヘッドは、150℃以上の材料の機械的性質に高い要求を課しています。特に直噴ディーゼルエンジン用に新たに開発されたシリンダヘッドでは、形状の複雑さと運転中に発生する応力のレベルが大幅に上昇しています。

シリンダーヘッドの製造には、エンジンの要求プロファイルや使用される鋳造方法に応じて異なる材料が使用されます。アルミニウム合金に加えて、大型エンジンや商用車用の鋳鉄材料を使用することも可能です。乗用車のエンジンの分野では、ごく一部の例外を除いて、アルミニウムが材料として使用されています。点火圧力→150barの場合、以下の点で最高の要件を満たさなければならない特定の合金が必要とされています。

常温から250℃までの温度で高い引張強度と高い耐クリープ性
高い熱伝導率
低いポロシティー率
高い延性と弾性を有し、高い耐熱衝撃性を有する
鋳造性が良く、熱間亀裂が発生しにくい

例えば鋳造プロセス中の鋳型充填や凝固挙動のためのシミュレーションツールは、新しい部品の計画段階で、異なる目標パラメータ間の最適化を見出すために、すでに集中的に使用されています。

今日では、以下のような鋳造法が広く普及しています。

砂型鋳造
金型鋳造
ロストフォーム法
プレッシャーダイキャスト法

砂型鋳造では、主型と中子の両方が珪砂や特殊砂をベースに製造されます。一般的に、主型はベントナイト系粘結材をベースにしていますが、中子は化学的粘結材をベースにしています。

複雑な部品形状(アンダーカット)を有する場合でも、コアパッケージ法において化学的に結合された主型材料を使用して容易に達成することができる。この方法のさらなる利点は、少量の場合でも費用対効果の高い生産が可能であり、設計変更を比較的迅速に実施できることです。

すべての部品の形状が砂中子で表されるコアパッケージ法の利点は、鋳造から凝固までの間に鋳造部品の温度が一般的に５００℃を下回らないことである。これにより、可能な限り応力の少ない鋳造が可能となり、高い寸法精度が得られます。

試作品や少量生産には低圧砂型鋳造法をお勧めします。溶湯は立て管を介して金型内に入り、約0.1～0.5barの圧力にさらされます。これにより、凝固時にも圧力が維持されるため、非常に高品質な構造が得られます。

普通鋳鉄や耐熱工具鋼で作られた鋳造金型は、軽金属合金を製造するために使用されます。砂型鋳造と同様に、中子を金型の主型に入れていきます。金型鋳造では、グラビティダイカストとロープレッシャーダイカストを区別しています。

ロストフォーム法は、基本的には砂型鋳造法の特殊な形態である。発泡ポリスチレン材料を介してシリンダーヘッドの様々な層を成形し、それらを接着します。この方法では、2つのシリンダーヘッドモデルをゲートシステムとライザーと一緒に接合し、クラスターと呼ばれるものを成形します。このクラスターは、その後、セラミックコーティングに繰り返し浸漬され、気流によって乾燥されます。このクラスターは、グースネック式ホットチャンバーダイキャストマシンに入れられた後、砂で囲まれた状態で鋳造されます。鋳型充填中に、ポリスチレンは後退してガスに変わる。この方法の利点の1つは、最大4 mmの壁厚を有するドリル孔もまた、このプロセスで鋳造されることである。さらに、あらゆる形状のオイル通路を作成することができ、燃焼室の精度を大幅に向上させることができ、必要な機械加工の労力を最小限に抑えることができます。

プレッシャーダイキャスト法では、熱処理された耐熱工具鋼で作られた恒久的な鋳型が使用されます。この金型は、毎回の「ショット」工程の前に離型剤で処理しなければなりません。

シリンダーヘッド技術の展望

シリンダーヘッド製造技術のさらなる発展は、軽量設計、高強度材料、コスト効率の高い生産プロセスの方向に向かっています。ディーゼルエンジンにもマルチバルブ技術を採用することで、ガス交換をさらに最適化し、より高い比気筒出力を実現することが可能になります。また、エンジンの特性は、良好な消費量と排出ガスの挙動に関しても継続的に改善されています。これらの新しい要求に常に対応することは、設計者にとって大きな課題となっています。

シリンダーヘッド鋳造のためのシステムソリューション

部品の正確な形状に加えて、量産条件で最適な鋳造部品を得るためには、可能な鋳造方法や成形方法も事前に考慮しなければなりません。鋳物構造の様々な変更に加えて、将来の部品特性、不合格品、手直しに関する初期の経験もパイロット生産の間に得られます。遅くとも量産開始までに、不良品や最終的には生産高を制限するすべての要因をコントロールすることが非常に重要です。これが、部品の指定価格を維持するために、高い生産性と低コストを同時に達成する唯一の方法である。

前述したように、シリンダーヘッドはエンジンの特性を本質的に決定する部品です。ダウンサイジングを行うことで、鋳鉄製でもアルミニウム合金製でも、シリンダーヘッドの重量を一定に減少させることができます。同時に、この部品への要求は絶えず増加しています。新しい開発の最初の段階で、金型メーカー、鋳造事業者、設計者が緊密に協力することが、この相反する目的を打ち消す唯一の方法です。

また、自動車のライフサイクル全体を通して部品の信頼性を確保するために、プロセスで使用される試薬の重要性がますます高まっています。今日では、金型充填プロセスや凝固プロセスをシミュレートするソフトウェアは最先端のものとなっています。鋳物の溶湯や溶湯処理には、明確に決められた工程に加えて、最もクリーンなチャージ材料と処理剤が必要となります。

金型生産、特に中子造型においては、使用される主型骨材および粘結剤が、中子またはコアパッケージの良好な寸法整合性を保証することを何よりも確実にしなければならない。鋳鉄鋳造においては、添加剤及び塗型剤も使用される可能性がある。ウォータージャケット中子の肉厚、特にオイル通路中子の肉厚が４ｍｍに縮小されたことから、中子が破損することなく中子を取り扱うことができるようにするためには、中子バインダーが高い初期強度を保証する必要があります。

使用されるバインダーは、このような非常に繊細な中子であっても、中子破損の危険性や寸法安定性が低下しないように、注湯・凝固工程での高い熱間強度が要求される。しかし、バインダーは、同時に中子除去工程での最適な排砂性能が必要です。このバランスの取り方は、アルミニウム合金を鋳造する場合に特に明確になります。部品の気泡欠陥やポロシティー率がリークの原因となり、通常は不合格となります。このリスクを最小限に抑えるためには、できるだけ穏やかに金型に注湯することが重要です。さらに、中子のガスの排気を適切な方法で実施することが重要です。全体的に、ガスなどの排出を最小限に抑えるような粘結剤の設計が必要です。鋳造中の粘結剤からのガスの爆発的発生は、溶湯と凝固までの間に調整されなければならない。添加剤についても同様である。塗型剤が使用されている場合は、塗型の通気度もここの工程に適したものでなければなりません。

また、鋳鉄鋳造では、すくわれが発生することがあります。ここでは、骨材の熱間膨張、粘結剤のガス爆発、塗型剤の通気度、鋳型材料混合物の強度レベルが大きな影響を与えるが、注湯工程での欠陥とそれに対応する主型断面の過熱を限定的な範囲で補うことができるにすぎない。鋳鉄鋳造における主要な課題は、焼着き、ペネトレーションおよびベーニングを防止することである。焼着きとペネトレーションは、主に正しい塗型を選択することによって防ぐことができますが、これは、好ましくない化学反応を防ぐために、鋳型材料と溶湯の両方に調整されていなければなりません。

ウォータージャケット中子やオイル通路中子などに発生するベーニングは、鋳鉄の現場では常に問題となっています。ほとんどの場合、この欠陥の発生に対しては、適切な骨材の選定や砂添加剤の使用により、改善・予防策が講じられます。また、吸排気ポートの表面の荒れは、使用する砂の粒度分布や、砂粒の気孔の隙間を塞ぐ塗型剤を使用することで防止することができます。

また、純粋に技術的な問題を解決するだけでなく、使用するチャージ材料は可能な限り環境に優しいものでなければならない。今日では、従業員、鋳物工場周辺の地域住民、そして管轄部署は、有害な排出物、悪臭、煙、凝縮水を最小限に抑え、生産工程中の労働安全の要件を満たすことに非常に関心を寄せています。