自動車エンジン用アルミ合金下部シリンダーブロックのダイカスト金型設計の最適化

原則高性能ダイカスト金型の重要な役割

重要なエンジン部品であるシリンダーブロック下部は、性能と車両の軽量化に直接影響します。低密度、高強度、優れた鋳造性を持つアルミニウム合金は、この用途に最適です。しかし、下部シリンダーブロックの複雑な構造（可変肉厚、一体型鋳鉄インサート、厳しいオイル通路要件など）は、高度な金型設計を必要とします。部品の品質と生産効率を確保するためには、溶融流動不良、内部欠陥（気孔率、収縮など）、中子の耐久性に対処する必要があります。

課題：シリンダーブロック下部のダイカストにおける技術的課題

新しい下部シリンダーブロック（390 mm×350 mm×170 mm、平均肉厚7 mm、重量6.05 kg、A380合金）は、5つの鋳鉄製インサートと高精度のオイル通路を一体化しており、鋳造に大きな困難をもたらした：

• 不均一な肉厚と流れの問題:肉厚は2mm（薄い部分）から22mm（厚い部分）まであり、金型の温度ムラの原因となり、溶融物の流れや供給に支障をきたす。
• 分離リスクの挿入:5個の鋳鉄製インサート（総重量7.41kg）はアルミニウムとシームレスに接着しなければならないが、温度差やミスアライメントによって剥離の危険性がある。
• 内部欠陥:フィルター取り付け面とオイル通路のリーク率は0.29MPaで2mL/min以下が要求されるが、厚い部分ではガスの巻き込みや収縮が発生する。
• コアのダメージ:高速の溶融衝撃にさらされるオイル通路II用コアは、破断や焼き付きが発生しやすく、金型寿命が短くなる。

従来の金型設計では、このような要求を満たすのに苦労しており、的を絞った改良が必要であった。

アプローチ最適化された金型設計ソリューション

1.ゲートシステムの強化

フィルター表面とオイル通路の品質を優先するため、ハヤブサ片側ゲート方式を採用（図1参照）。これにより、溶融物を移動鋳型側の底部にスムーズに誘導し、乱流を低減してガス排出を助ける。シミュレーション（図2参照）では、移動鋳型側から固定鋳型側へのスムーズな充填が確認され、設計目標を達成している。スプルーには高さ2mm、幅2mmの倒れ防止ボス（図3参照）を設け、材料の欠けを防止している。4つのゾーン端に歯付きチルベントを備えたオーバーフローと排気システム（図4参照）は、真空アシストと組み合わされ、気孔率を0.15%未満に低減し、厚薄接合部でのガス巻き込みに対処する。

図1：ファルコン・ビーク・ゲーティング構造図、メルトフロー方向の最適化

図2：金型側面の固定と移動による充填シミュレーション、スムーズな充填の検証

図3：ファルコン・ビーク・ゲーティング構造、スプルーにあるアンチコラプスボス

図4：4つのゾーン端に歯付きチルベントを備えたオーバーフローと排気システム

2.鋳鉄インサート設置の最適化

固定金型側には5個の鋳鉄製インサートが貫通穴（片側クリアランス0.17mm、円錐ガイド）を介して配置され、移動金型側の中子は深さ2mm（クリアランス0.025mm、図5参照）に挿入されます。230℃に予熱されたインサートは、金型温度（スプレー後150～200℃）に合わせられ、熱ミスマッチによる剥離を防ぎます。トライアルでは、緩みやクラックのない強固な結合が確認されている。

図5：鋳鉄製インサート取り付け図、ケーシングの位置決めとはめ込みデザイン

3.収縮とコアの問題に対する解決策

• オイル通路 I 押出し設計:Φ12mmの押し出しピン（ストローク20mm）にΦ80mmのシリンダーと冷却プレートを取り付け（図6参照）、厚さ22mmの断面を狙い、収縮をなくす。出来上がったリングは機械加工され、内部の完全性が確保される。
• オイル通路II コア補強:YXR33/W360の高靭性材（HRC52～54）にDura-ARプラズマ処理（HV3600）を施し、Φ6mmのウルトラ・チルド・ホール（水圧1.5MPa、図7参照）で耐衝撃性と耐熱性を高め、焼き付きを最小限に抑えた。

図6：収縮ソリューションを示す押出構造図

図7：耐久性を高めるオイル通路IIコアの設計図

まとめ：デザインの成果と実用的価値

最適化された金型設計は、鋳造品質を著しく向上させる：

• 成形性の向上:ファルコン・ビーク・ゲーティングとゾーン排気により、気孔率を0.15%未満に抑え、加工後の表面欠陥はありません。
• 内部品質コンプライアンス:エクストルージョンとウルトラ・チリングにより収縮をなくし、オイル通路の漏れは2mL/min以下を達成。
• 生産の安定性:信頼性の高いインサート装着とコア寿命の延長、わずかな冷却調整でテールのコールドシャットを解消。

UBE 16500 kN機で以下のパラメータ（表1）でトライした結果、加工後の技術基準を満たす安定した結果が得られた。この設計は、複雑なアルミニウム製下部シリンダーブロックを量産するための実用的な青写真を提供し、エンジンの軽量化を進める。

表1：ダイカスト試作パラメータ