金、銀、プラチナのジュエリーを鋳造するためのワックス模型の木の作り方
典型的な3つのタスクの基本原則と操作スキル
蝋模型の木作りは、蝋模型の木植えとも呼ばれ、準備された蝋型を蝋棒に蝋溶着機を使って特定の条件と配列順序に従って層状に溶着し、最終的に大きな木に似た蝋模型の木ができる。この後、石膏を流し込むなどの工程に使われる。ワックス模型の木を植える基本的な条件は、ワックス模型を整然と並べ、一定の間隔を保ちながら、大量生産に対応できるように、できるだけ多くのワックス模型をワックス模型の木に溶接することである。
ワックスモデルツリーは、注湯システムとワックス型で構成されています。注湯システムは、液体金属を鋳型のキャビティに導入する流路です。注湯システムが合理的に設計されているかどうかは、鋳型の充填、鋳物の品質、工程の歩留まりに大きく影響します。注湯システムには一般に、ツリーヘッド、ツリーコア、スプルーなどの部品が含まれ、ベントラインがセットされることもあります。ツリーヘッドは注湯カップの役割を果たし、溶湯を受けるために使用されます。ツリーコアは直接注湯路に相当し、押し湯の機能も果たします。ツリーコアとワックス鋳型をつなぐ溝はスプルーと呼ばれ、内部注湯路と押し湯路の役割を果たします。スプルーは十分な厚みがあり、ワックスモールドとツリーコアとの接続部は鋭角や凹みのない滑らかなものでなければならない。複雑な形状のワックス型には、複数のスプルーや補助スプルーをセットする。スプルーの長さは適切であるべきで、その位置は鋳型の構造、材質、流し方などの要素に関係する。ワックスモデルの木を植える時、ワックスモールドは形、大きさ、種類によって木の芯に分配することができる。植えるワックスモールドは互いに近すぎないようにする。そうしないと、その部分の石膏モールドの壁が薄くなりすぎて、ひび割れしやすくなる。
このプロジェクトでは、3つの典型的な課題と授業後の拡張課題を通して、金銀ジュエリーの真空鋳造、金銀ジュエリーの遠心鋳造、プラチナジュエリーのためのWaxモデルツリー製作の基本原理と操作スキルを習得することができます。
ワックス金型構造
目次
Section I 金銀宝飾品の真空鋳造用ワックス模型の製作
1.背景知識
1.1 スプルー修正
1.2 ワックスセッティング鋳物のスプルー設計
1.3 ワックスモデルツリーの製作(ワックスモデルツリーの製作)
ワックスモデルの木を植えるときは、通常、ワックス・コア(すなわちメイン・スプルー)をラバー・ベースに挿入するのが最適である。ワックス・コアは、図4-2に示すように、アルミニウム合金の型を使って作ることができる。ワックスコアは一般に円筒形であり、鉄皿の高さでその長さを決めることができる。ワックスを植えるためのゴムの土台は木の根に相当し、ワックスモデルの木を植えやすいように直立させることができ、次のステップである石膏スラリーを流し込む際の密閉の役割を果たし、鋳型の注型カップを形成する。
ワックスコアの上にワックスモールドを植え付ける場合、図4-3に示すように、螺旋状の方法を用いるのが最適である。まず、植え付けが無秩序に配置されたり、平坦に配置されたりするのに比べ、スパイラル方式は美観が良く、省スペースであるため、より多くのワックス鋳型を植え付けることができ、生産コストを削減できるだけでなく、鋳造木から鋳造品を切り出す工程を大幅にスピードアップすることができ、生産効率を向上させることができる。さらに、溶湯の充填がよりスムーズになり、放熱がより均一になるため、石膏鋳型内の局所温度が過度に高くなり、溶湯と石膏粉が反応してガス穴や砂穴などの欠陥が発生するのを避けることができる。最後に、スパイラル植え付け方式は、石膏スラリーの添加と真空引きの際に、より多くの気泡を逃がすことができ、鋳物にビードが形成されるような欠陥の可能性を低減する。
図4-2 アルミ合金ワックスコア用金型
図4-3 らせん状に配置されたワックス型
図4-4 ワックスコアとブランチスプルーとの角度
図4-5 ワックス型間の距離
図4-6 スチールフラスコ内のワックスモデルツリーの位置
1.4 樹木模型を作るための補助道具
(1) ワックス型植樹機(図4-7)
この装置は操作が簡単で、コストパフォーマンスが高い。ベースディスクとサイドロッドは一体化され、アルミニウム合金製で、フレキシブルなマルチアングル調整が可能な調整装置を備えている。可動ロッド装置は上下に動くことができ、ベースディスクは360°自由に回転することができます。
(2) ラバー・ベース・ターンテーブル(図 4-8)
シンプルな構造で使いやすく、主にゴムベースの固定に使用します。ターンテーブルは自在に回転し、マルチアングル調整装置を装備しているため、ワックスモデルの植栽時に様々な角度でフレキシブルな作業が可能です。
(3) ワックス溶接機(図4-9)または電気はんだごて
ワックス溶接機の温度は速い加熱スピードと50~200℃の温度範囲で調節可能である。
図 4-8 ゴム製ベース・ターンテーブル
図4-9 ワックス・ウェルダー
2.タスクの実施
(1) 準備作業
埋め込み式男性用指輪ワックス型、直径10mmのワックス芯、電気ハンダごて、内径4インチのゴム台、ゴム底回転台、またはワックス模型植木機を用意する。ワックスコアの長さは図4-11に示すように、鉄製フラスコの高さによって選ぶことができる。
(2) ワックスモデルの木を植える
ワックスモールドは円形のゴムベースの上に植えなければならず、このゴムベースの内径はスチールフラスコの外径と一致させなければならない。一般的にゴムベースの内径は3in、3.5in、4inの仕様がある。ベースの中央には球状の凹んだ突起があり、真ん中には円形の凹みがあり、その直径はワックスコアの直径と同じです。ワックス・モデルの植樹の手順は以下の通り。
図4-12に示すように、ワックス・モデルの木を植える前に、まずゴム・ベースの重量を測り、印をつけ、記録しておく。
ラバーベースの丸い穴にワックスコアを差し込み、少量のワックス液で固定します。ラバーベースはワックスモデルの植木機(またはラバーベースのターンテーブル)で操作することもできるし、立てかけて傾けることもできる。電気ハンダゴテの温度を調整し、ハンダゴテ先でワックスコアに小さな穴を開け、ワックスモールドスプルを素早く挿入し、ワックスモールドを安定させ、図4-13に示すように、ワックス液が少し固まるまで待ってから離す。この時、スプルーとワックスコアの角度は45°で、ワックスモールドの間には少なくとも2mmの隙間が必要である。
図4-12 ゴム・ベースの計量
図4-13 ワックスモデルの木を植える
図4-14のようにワックスコアの下から(下から上へ)溶接してもいいし、図4-15のようにワックスコアの上から(上から下へ)溶接してもいい。ワックスモールドを溶接するとき、図4-14のようにワックスコアの下から(下から上へ)溶接することもできるし、図4-15のようにワックスコアの上から(上から下へ)溶接することもできます。ワックス・モデル・ツリーを巧みに操作すれば、この二つの方法に大差はない。しかし、ワックスコアの上部から(上から下へ)開始する方法が一般的である。この方法の最大の利点は、溶けたワックスが溶着したワックス型に垂れ落ちるのを防ぐことができるため、ワックスの垂れ落ちによる再加工を避けることができるからである。
図4-14 ワックスモデルの木を下から上に植える
図4-15 ワックスモデルの木を上から下へ植える
Wax モデルツリーを植え付けた後、図 4-16 に示すように再度計量を行います。この2回の計量結果を差し引くことで、模型の質量を求めることができます。ワックス模型の木の質量は、パラフィンワックスと鋳物の金属の密度比から金属の質量に換算することができ、注湯に必要な金属の量を見積もることができる。通常、H65真鍮:ワックス=8.5:1、銀:ワックス=10.5:1、金:ワックス=15.5:1。
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セクション II 遠心金銀ジュエリー鋳造用ワックス模型の製作
1.背景知識
1.1 遠心鋳造
遠心鋳造とは、図4-17に示すように、回転する鋳型に溶融金属を流し込み、溶融金属が鋳型を満たし、遠心力を受けて凝固することである。遠心鋳造法の長所と短所は次の通りである。
(1) 利点
回転中、液体金属は遠心力を受けて鋳型に充填され(図4-18)、充填速度が速く生産効率が高いので、チェーンやピアスなどの小さなアクセサリーの注湯に特に適している。密度の高い金属は外壁に押し出され、軽いガスやスラグは表面に自由に移動し、外側から内側への方向性凝固を形成する。そのため、収縮条件が良く、鋳造組織が緻密で、機械的性質が良い。
図4-17 遠心鋳造回転法
図 4-18 遠心鋳造による充填
(2) デメリット
静的鋳造に比べ、従来の遠心鋳造にはいくつかの欠点がある:充填速度が速いため、注湯中に金属液が激しい乱流に見舞われ、ガスの巻き込みや気孔が形成される可能性が高くなる;鋳型キャビティ内のガス排出速度が比較的遅いため、鋳型内の背圧が高くなり、気孔が形成される可能性が高くなる;充填能力が強すぎる場合、金属液が鋳型壁に強い洗掘作用を及ぼし、鋳型の割れや剥離につながりやすくなる;さらに、注湯中に金属液とともにスラグが鋳型キャビティ内に入り込む可能性がある。また、遠心力によって発生する充填圧が高いため、遠心分離機の安全な範囲内で鋳造できる金属の最大量は、静的鋳造機よりも少なくなる。さらに、遠心鋳造室のサイズが大きいため、不活性ガス溶解は一般的にあまり使用されない。
1.2 遠心鋳造法による樹木模型ワックス製造の注意点
(1)ワックスモールドを上方に傾斜させ、ワックスコアに溶着させる。一般的にワックスモールドとワックスコアの角度は45~60°、スプルー長は10mmである。真空鋳造法に比べ、遠心鋳造法ではワックス中子と喫水線の角度が小さくなる。
(2)ワックスモールドが小さく、構造が複雑な場合、傾斜角度を小さくすることができる。傾斜角度が小さいほど、金属液が下に流れやすくなり、鋳造が成功する確率が高くなります(注湯時、Wax models treeのキャビティは反転した状態になります)。ワックス模型のツリーを植えるときは、図4-19に示すように、まず放射状の水平注湯路を溶接する。次に、図4-20に示すように、金属液の水平方向の流れに対応しやすいように、水平方向の注湯路にワックス型を垂直に溶接します。
(3)ワックスモールドは、ワックスコアの周りに、ワックスモデルの木のてっぺんから下に向かって、整然と一層ずつ植えられていく。ワックスモールドは3mm以上の間隔を保ちながら、互いに接触しないように密に並べなければならない。ワックスモールドとワックスコアの間の最小距離は8mmで、最も高いワックスモールドはスチールフラスコの上端より下になければならない。
図 4-19 放射状水平注水路
図 4-20 遠心鋳造システム
2.タスクの実施
ワックスでツリーを作るには、ペンダント型のワックス型と内径3.5インチのゴムベースを使う。
(1) 準備作業
ペンダント式ワックス型、直径8mmのワックスコア、はんだごて、内芯3.5インチのゴムベース、接着剤ベースのターンテーブル、またはワックスモデル植樹機を用意する。
(2) ワックスモデルの木を植える
ワックスモールドは、スチールフラスコの外径と同じ内径を持つ円形のゴム製の土台の上に植えなければならない。ワックスモデルの植樹の手順は以下の通り。
ワックスモデルの木を植える前に、まずゴムの土台の重さを測り、印を付けてください。
ゴムベースの丸い穴にワックスコアを挿入し、少量のワックス液で固定する。ゴムベースを持ち上げて斜めに置き、電気ハンダゴテの温度を調整し、まず放射状の水平ランナーをワックスコアに溶接し、次に図4-21に示すように、ワックスモールドの間に3mmの隙間を空けて、放射状の水平ランナーにワックスモールドのスプルーを垂直に順次溶接する。
図4-22に示すように、ワックスツリー全体が完成するまで、ワックスモールドを水平ランナーの上に一層ずつ溶接し、最終的にツリー状のワックスモールドアセンブリーを得る。
図4-21 ラジアル水平ランナーへのワックス金型の溶接
図4-22 ワックス型を水平ランナーに層ごとに溶着する。
(3) ワックスモデル・ツリーの品質チェック
模型の木を植えた後、模型の木をそっと揺すったり振動させたりして模型がしっかり溶けているかどうかを確認することができます。しっかり固定されていないと、石膏を流し込む時にワックス型が落ちやすくなり、鋳造の品質に影響します。最後に、ワックス型とワックス型の間に十分な隙間があるかどうかをチェックします。ワックスモールド同士がくっついている場合は分離させ、ワックスモールドツリーに垂れたワックスは刃物で切り取る。
(4) 二次計量
ワックス模型の木全体の重さをもう一度量り、2回の計量結果を差し引くことで、ワックス模型の木の質量を求めることができます。次に、ワックス模型の木と鋳造金属の密度比から、鋳造金属の質量に換算し、注湯に必要な金属の量を見積もる。
セクション III プラチナ・ジュエリーのためのワックス・モデル・ツリー製造
1.背景知識
1.1 プラチナの鋳造特性
1.2 プラチナの鋳造法
既存のプラチナ鋳造プロセスでは、主に以下の鋳造方法が用いられている:
(1) 大型直接打設水路の設置方法
この方法は、ワックスツリーを作るときに金や銀のジュエリーを鋳造するのと同じような技法で、内側の注湯路が直接注湯路と45°の角度をなす。図4-23に示すように、注湯路は非常に長い。このため、溶けたプラチナが注湯時の遠心力の作用で鋳型の端に素早く押し寄せ、折り返してキャビティに充填されるため、乱流が激しくなりやすく、鋳物の充填が不完全になる。また、遠心力が強いため、鋳型の上部で爆発する危険性もある。さらに、この方法は工程歩留まりが低い。
(2) 鋳物と注湯カップの直結方式
この方法は、図4-24に示すように、直接注湯路を設けず、鋳物を直接注湯カップに接続し、各鋳物に独立した内側の注湯路を設ける方法である。この方法は工程歩留まりを向上させることができるが、鋳型1個当たりの鋳物生産数は非常に少ない。生産上、鋳造数を増やすために、鋳造品の内側注湯路の間隔が狭くなり、注湯中に内側注湯路間の鋳型壁が流されて破損しやすくなり、鋳型内に砂穴や介在物などの欠陥が発生し、鋳造品の品質に影響する。
(3) ラジアル注入システムの設置方法
この方法は、図4-25に示すように、漏斗状のスプルーカップ、ストレートスプルー、クロススプルーがセットされ、スポーク状のリング状スプルーが形成され、リング状のクロススプルーに内側のスプルーを介して複数のジュエリー鋳物が垂直に接続される。この方法は、液体金属のキャビティへの方向を助長し、乱流を減少させ、液体金属が鋳物に与える衝撃を減少させ、鋳造数を増加させる。図4-24 鋳物とスプルー・カップの直接接続。
2.タスクの実施
この作業では、セッティング用開口部のある指輪のワックス模型、電気ハンダごて、吸収紙、スチールフラスコなどを使って、プラチナ・ジュエリーのワックスツリーを作る。
(1) 準備作業
まず、図4-26に示すように、電子はかりで吸収紙の質を量り、記録をとる。用意したワックス模型の注水カップを、電気ハンダゴテで吸水紙の中央に溶接し、注水カップの外縁に沿って隙間なくシールする。
(2) 放射状水平注水路の溶接
注水カップの中央でラジアル水平ランナーを溶接し、接合部が鋭角にならずに滑らかに移行するようにする。
(3) ワックスモデルの溶接
図4-27に示すように、ワックス模型が3 mmの隙間を空けて円形に整然と配置されていることを確認しながら、ワックス模型を環状ランナー上に少量のワックス液で密封し、ワックス模型を斜めに直立させ、はんだごての温度を調整してから、ワックス模型のスプルーを放射状の水平ランナーに順次溶接する。
(4)ワックスモデル樹木の計量
すべてのワックス型を植え付けた後、重量を量る。最終重量から吸収紙の重量を引いて、ワックス型の重量を求める。次に、図4-28に示すように、ワックス模型の木とプラチナの密度比に従って金属重量を計算した。
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クラスでジュエリー制作のプロセスを説明したいと考えています。ソリッドスケーププリンターを所有しており、アドバイスをいただける方を募集しています。