JP2005177813A - 材料補給検知方法および成形条件最適化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造中または射出成形中における材料補給の適否を正確に把握し、その結果を、成形条件の設定に役立てる。
【解決手段】ダイカスト用成形金型１に超音波センサ１０を取付け、成形金型１のキャビティ５内に溶湯Ｍが充填された後の超音波の反射波を材料補給判定装置１２にてモニタリングする。そして、超音波の入射側と反対側の成形面３ａから反射する反射波の強度レベルの変化を監視し、ピークが２つ現われる場合には溶湯補給が十分になされたと判断し、ピークが１つしか現われない場合は溶湯補給が不十分であると判断して、ゲート幅の拡大、成形圧力の上昇、成形温度の上昇等の成形条件の変更を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋳造や射出成形中に材料補給が適切になされたか否かを検知する材料補給検知方法と該方法を利用して行う成形条件最適化方法とに関する。

例えば、ダイカスト鋳造においては、ゲート幅やゲート位置などの型設計、あるいは成形圧力や成形温度などの射出条件（充填条件）が不適正であると、キャビティ内への溶湯補給（材料補給）が不十分となり、鋳造品に、強度低下の原因になる引け巣（鋳巣）が発生するようになる。しかるに、従来は、この溶湯補給が適切になされたか否かを把握する有効な手段、方法がなく、一般には、鋳造終了後に鋳造品を切断するか、あるいはＸ線探傷、超音波探傷等の非破壊検査を行って鋳巣の有無を確認し、これらの確認結果に基いて成形条件を最適化するようにしていた。

なお、一部では、成形金型のキャビティ内に溶融金属を充填した後、前記キャビティ内に超音波を入射し、その反射波から溶融金属が固化する状況を把握して、成形条件を変更することを行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３２９６１１号公報

しかしながら、従来一般に行われている成形条件の最適化方法によれば、鋳造品を切断する場合は、それが良品である場合に無駄が発生し、また、非破壊検査を行う場合は特殊な計測装置が必要になり、いずれの場合もコスト負担が大きい、という問題があった。
また、上記した特許文献１に記載の方法によれば、溶融金属の固相と液相との境界部からの反射波を観察し（その公報の段落０００８）、あるいは巣からの反射波を観察して（その公報の段落００１０）おり、このような検知方式では、溶湯補給の適否を的確に把握することはできず、信頼性の面で問題が残る。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、成形中における材料補給の適否を正確に検知することができる材料補給検知方法を提供し、併せてこの検知方法により得られた結果に基いて成形条件を最適に変更する成形条件最適化方法を提供することにある。

本発明者等は、溶融材料を充填した後のキャビティ内に超音波を入射したときの反射波の波形について鋭意研究した結果、超音波の入射側と反対側の成形面から反射する反射波の強度レベル変化が、材料補給が十分になされたときと十分になされないときとで大きく異なることを見出した。すなわち、材料補給が十分になされたときは、図４に示すように、前記反射波の強度レベル変化に２つのピークＰ１，Ｐ２が認められるのに対し、材料補給が十分になされたないときは、図５に示すように、前記反射波の強度レベル変化に１つのピークＰ１が認められるだけとなる。

本発明は上記した知見に基いてなされたもので、本発明に係る材料補給検知方法は、成形金型のキャビティに溶融材料を充填した後、前記キャビティ内に超音波を入射し、超音波の入射側と反対側の成形面から反射する反射波の強度レベル変化から材料補給の適否を把握することを特徴とする。この場合、前記反射波の強度レベル変化に、少なくとも２つのピークが認められる場合に材料補給が適切になされたと判定するのが望ましい。

本材料補給検知方法を適用する成形方法は任意であり、鋳造であっても射出成形であってもよい。したがって、上記溶融材料の種類は、適用する成形方法によって自ずから定まり、鋳造に適用する場合は溶融材料として金属が、射出成形に適用する場合は溶融材料として樹脂がそれぞれ選択されることになる。

本発明に係る成形条件最適化方法は、上記した材料補給検知方法による検知結果に基づき、材料補給が最適となるように成形条件を変更することを特徴とする。この場合の成形条件の変更は、型設計の変更特にゲート幅の拡大であっても、充填条件の変更特に成形圧力の上昇または成形温度の上昇であってもよい。

本発明に係る材料補給検知方法によれば、成形中に材料補給が適切になされたか否かを的確に把握することができるので、成形後に破壊検査または非破壊検査を行う必要がなくなり、コスト負担が小さくなる。
また、本発明に係る成形条件最適化方法によれば、上記材料補給検知方法で得られた結果に基づいて、最適な材料補給となるように成形条件を変更するので、引け巣の少ない成形品を安定して得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて説明する。

図１は、本発明に係る材料補給検知方法を適用したダイカスト鋳造装置を示したものである。同図において、１は成形金型、２は射出装置である。成形金型１は、固定型３と可動型４とからなっており、固定型３に対して可動型４を合せた状態すなわち型閉じ状態で、両者の間には鋳造空間としてのキャビティ５と、湯道部６とゲート７とが画成されるようになっている。また、射出装置２は、前記湯道部６と連通する状態で固定型３に接続された射出スリーブ８とこの射出スリーブ８内に摺動可能に配設されたプランジャ９とを備えている。

上記射出装置２のプランジャ９は、図示を略す射出シリンダにより駆動されるようになっており、このプランジャ９の前進により、射出スリーブ８内に予め供給された所定量の溶融金属（溶湯）Ｍが前記湯道部６からゲート７を通ってキャビティ５内に高速高圧で充填される。キャビティ５内に充填された溶湯Ｍは、固定型３の成形面３ａおよび可動型４の成形面４ａに接触する部位から次第に凝固が進み、途中段階では、液相Ｌと固相Ｓとが共存する状態となる。

本実施形態において、上記成形金型１を構成する可動型４の背面には、超音波センサ１０が固設されている。この超音波センサ１０は超音波送受信素子を内蔵しており、これには超音波送受信装置１１が接続されている。超音波センサ１０から出射された超音波（送信波）は、可動型４の中を通ってその成形面４ａからキャビティ５内に入射され、さらにキャビティ５内に充填された溶湯Ｍを通って固定型３の成形面３ａに到達し、一方、この間の反射波が超音波センサ１０を介して超音波送受信装置１１で受信される。この時の超音波波形は、図２に示されるようになっており、途中の減衰があることから、送信波Ａに対して反射波Ｂのエコーレベル（強度レベル）が低く現われる。一方、この超音波送受信装置１１には、該超音波送受信装置１１で受信した反射波を高速で記録し、後に詳述する処理に従って溶湯補給（材料補給）の適否を判定する溶湯補給判定装置１２が接続されている。

なお、上記超音波センサ１０は、前記可動型４側に替えて固定型３側に設置してもよいことはもちろんである。また、この超音波センサ１０の設置部位および設置数は任意であるが、最終凝固域に対応する部位に少なくとも１つ設置するのが望ましい。また、この超音波センサとしては、超音波送信素子と超音波受信素子とを独立に有するものを用いてもよく、この場合は、超音波送信素子と超音波受信素子とを隣接して成形金型１に取付けるようにする。

ところで、上記した超音波の反射波Ｂは、図３に示されるように、超音波の入射側（ここでは、可動型４側）の成形面４ａから反射する反射波（以下、これを第１反射波という）Ｂ１と超音波の入射側と反対側（ここでは、固定型３）の成形面３ａから反射する反射波（以下、これを第２反射波という）Ｂ２とを含んでいる。この場合、第２反射波Ｂ２の強度レベルは、キャビティ５に充填された溶湯Ｍの凝固進行と共に変化する。本材料補給検知方法は、この第２反射波Ｂ２の強度レベルの変化に着目し、この強度レベルの変化から溶湯補給の適否を把握しようとするものである。以下、本発明に係る本材料補給検知方法を、図４および図５も参照して具体的に説明する。

ダイカスト鋳造の開始に際しては、予め超音波送受信装置１１を起動して、超音波センサ１０から成形金型１のキャビティ５内に超音波を入射させる。鋳造は、射出スリーブ８内に所定量の溶湯Ｍを受けた後、プランジャ９を前進させることで開始し、このプランジャ９の前進によりキャビティ５内に溶湯Ｍが充填される。すると、溶湯補給判定装置１２が、超音波送受信装置１１で受信した反射波Ｂ（図２、３）の記録を開始すると共に、この反射波Ｂに含まれる第２反射波Ｂ２の強度レベル（エコーレベル）のモニタリングを開始する。

第２反射波Ｂ２の強度レベルは、図４および図５に示されるように、先ず、凝固進行と共に増大し（ａ）、ピークＰ１に達した後、次第に低下する（ｂ）。第２反射波Ｂ２の強度レベルの最初の増大（ａ）は、凝固進行により超音波の透過率が上昇したことによるもの、その後の低下（ｂ）は、凝固収縮により固定型３の成形面３ａと固相Ｓ（図１）との間の密着性が低下したことによるものである。

ここで、キャビティ５内への溶湯Ｍの補給が十分である場合は、図４に示されるように、第２反射波Ｂ２の強度レベルが再び増大し（ｃ）、ピークＰ２に達した後、再び低下する（ｄ）。この第２反射波Ｂ２の強度レベルの再度の増大（ｃ）は、溶湯補給により成形面３ａと固相Ｓとの密着性が再び高まったことによるもの、その後の低下（ｄ）は、最終的な凝固収縮により前記密着性が低下しことによるものである。これに対し、溶湯補給が不十分な場合は、図５に示されるように、第２反射波Ｂ２の強度レベルが凝固進行と共に増大し（ａ）、ピークＰ１に達した後、次第に低下する（ｂ）現象は、溶湯Ｍの補給が十分である場合と同じであるが、その後は、前記した次のピークＰ２（図４）が現われず、第２反射波Ｂ２の強度レベルは低下したままとなる。これは、溶湯補給が不十分なため、成形面３ａと固相Ｓとの間の密着性が低下し、そのままギャップへと進行したことを現わしている。

本実施形態において、上記溶湯補給判定装置１２は、上記した第２反射波Ｂ２の強度変化パターンをモニタリングして、２つのピークＰ１，Ｐ２が現われた場合には溶湯補給が十分になされ、１つのピークＰ１だけしか現われない場合は、溶湯補給が不十分であると判定する。すなわち、本材料補給検知方法によれば、材料補給が適切になされたか否かを的確に把握することができるようになる。

本発明に係る成形条件最適化方法は、上記した材料補給検知方法による検知結果に基づいて成形条件を最適にするもので、ここでは、図６に示すフローに従って実施される。すなわち、先ず、ステップＳ１において、図１に示したように、成形金型１に超音波センサ１０と取付けると共に、この超音波センサ１０と超音波送受信装置１１との間を配線にて接続する。そして、成形金型１のキャビティ５内への溶湯Ｍの充填完了と同時に、前記溶湯補給判定装置１２による第２反射波Ｂ２のモニタリングを開始させる（Ｓ２）。溶湯補給判定装置１２は、前記第２反射波Ｂ２のモニタリング（図４、図５）により溶湯補給の適否を判定（判断）し、ステップＳ３において溶湯補給が適切に行われたと判断された場合は、現在の成形条件をそのまま維持する（Ｓ４）。

一方、上記ステップＳ３において溶湯補給が不適切（否）と判断された場合は、処理をステップＳ５に移し、溶湯補給が最適となるように成形条件の修正（変更）を行う。この場合の成形条件の変更は、ゲート幅、ゲート位置、冷却系等の型設計の変更であっても、射出圧力（成形圧力）、射出速度、成形温度等の充填条件の変更であってもよいが、中でも、ゲート幅、成形圧力、成形温度が溶湯補給に大きく影響するので、これらの変更を行うのが望ましい。この場合の変更内容は、ゲート幅の拡大、成形圧力の上昇、成形温度の上昇になる。ただし、成形圧力の上昇が、射出装置２（図１）のフルパワーを超える場合は、大掛かりな設備改造が必要になるので、この場合は、ゲート幅の拡大または成形温度の上昇を行うのが望ましい。

本発明に係る材料補給検知方法を適用したダイカスト鋳造装置の構造を示す断面図である。 成形金型内に超音波を入射した際の超音波波形を示すグラフである。 図２に示した超音波波形内の反射波の波形を拡大して示すグラフである。 本材料補給検知方法においてモニタリングする第２反射波の挙動を示したもので、溶湯補給が十分に行われた場合の結果を示すグラフである。 本材料補給検知方法においてモニタリングする第２反射波の挙動を示したも ので、溶湯補給が不十分である場合の結果を示すグラフである。 本発明に係る成形条件最適化方法の処理フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 成形金型
２ 射出装置
３ 固定型
４ 可動型
３ａ，４ａ 成形面
５ キャビティ
１０ 超音波センサ
１１ 超音波送受信装置
１２ 溶湯補給判定装置
Ｍ 溶湯

Claims (9)

1. 成形金型のキャビティに溶融材料を充填した後、前記キャビティ内に超音波を入射し、超音波の入射側と反対側の成形面から反射する反射波の強度レベル変化から材料補給の適否を把握することを特徴とする材料補給検知方法。
2. 反射波の強度レベル変化に、少なくとも２つのピークが認められる場合に材料補給が適切になされたと判定することを特徴とする請求項１に記載の材料補給検知方法。
3. 溶融材料が、金属であることを特徴とする請求項１または２に記載の材料補給検知方法。
4. 溶融材料が、樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の材料補給検知方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の材料補給検知方法による検知結果に基づき、材料補給が最適となるように成形条件を変更することを特徴とする成形条件最適化方法。
6. 成形条件の変更が、型設計の変更であることを特徴とする請求項５に記載の成形条件最適化方法。
7. 型設計の変更が、ゲート幅の拡大であることを特徴とする請求項６に記載の成形条件最適化方法。
8. 成形条件の変更が、充填条件の変更であることを特徴とする請求項５に記載の成形条件最適化方法。
9. 充填条件の変更が、成形圧力の上昇または成形温度の上昇であることを特徴とする請求項８に記載の成形条件最適化方法。
   
   

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