JP2005324203A

JP2005324203A - 溶融金属の凝固過程検出方法

Info

Publication number: JP2005324203A
Application number: JP2004142467A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Okuno; 友和奥野; Shohei Numata; 祥平沼田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】本発明の課題は、ダイカスト鋳造などの金型鋳造において、金型内に充填された溶融金属の充填途中における凝固層の形成過程を定量的に検出する方法を提供することである。
【解決手段】本発明の溶融金属の凝固過程検出方法は、少なくとも第１金型と第２金型とによって区画されたキャビティ内に充填された溶融金属の凝固状態を超音波を用いて検知する溶融金属の凝固過程検出方法において、前記第１金型および／または前記第２金型の外側部に超音波送受信子を装着して前記溶融金属に超音波を入射し、前記溶融金属の凝固層と溶融層との界面で発生する反射波の発生時間を連続的に測定し前記溶融金属を射出してから該溶融金属が凝固開始するまでの凝固開始時間を検出することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、溶融金属の凝固過程検出方法に関する。詳しくは金型鋳造における溶融金属の凝固過程を超音波を用いて検知する凝固過程検出方法に関する。

ダイカスト鋳造などの金型鋳造では、金型内の溶融金属が冷却される状態をＣＡＥを用いてシミュレーションを行い、その結果をもとに冷却水を通す場所や溶融金属を充填する位置などの金型設計や操業条件の設定などがなされている。しかしながら、実際には金型内での溶融金属の流動状況や凝固過程を正確に把握できないために、必ずしも最適な設計や最適の操業条件の設定を行うことは困難である。なわち、金型内での溶融金属の流動状況や凝固過程などを適切に検知する方法が十分確立されていないのが現状である。

ところで、金型内に充填された溶融金属が凝固する状況を超音波により測定し、金型の冷却状態を制御するようにした鋳造方法が提案されている（特許文献１参照）。この従来技術は、溶融金属の温度が変化すると音速が変化することを利用して、金型内に充填される溶融金属の音速を監視し、更に金型内で凝固層が成長する面で超音波が反射することを利用して、金型の外部から超音波を照射し、この超音波により、溶融金属の流入時期、凝固層の成長挙動すなわち冷却速度を監視し、それらによって冷却状態を制御したり、また、それらの結果から金型の設計を改善したりする方法である。図７にその概要を示す。キャビティ１０１内に充填された溶融金属１０２に超音波送受信子１０３から超音波を照射して固相１０４と液相１０５との界面１０６からの反射波Ｂ１、Ｂ２を検出して凝固界面１０６の進行状況を検知しようとするものである。図７では溶融金属の充填後の経過時間による反射波の波形の変化が例示されている。溶融金属の凝固に伴う固相と液相との界面１０６からの反射波Ｂ１およびＢ２の発生時間（表面エコーに対する遅れ時間）は時間の経過に伴って変化し、凝固完了とともに界面１０６からの反射波Ｂ１、Ｂ２は一致して消滅する。

上記の従来技術においては、金型に充填された溶融金属が凝固を開始してからの凝固速度や、凝固完了時間を測定してその結果に基づき金型の冷却状態を制御するとしているが、溶融金属がキャビティ内に充満する前の射出途中での凝固過程を検知することはできない。つまり、溶融金属の射出から充填完了までの間の溶融金属の温度低下については何ら考慮されていない。
特開平５−３２９６１１号公報

ダイカストなどの金型鋳造においては、溶融金属のキャビティ内への充填途中で、部分的に凝固が進行して溶融金属の流動性が低下し、湯じわ、湯境、欠肉などといった品質上の欠陥を生じることがある。溶融金属はプランジャーなどでキャビティ内に射出されると、溶融金属の金型に接した部分で熱量が奪われ、その部分から凝固が開始する。例えば、溶融金属を注入する注入口近傍では、溶融金属の温度が高いので金型から奪われる熱量を溶融金属の中心部から補給することができる。従って金型と接する部分でも溶融金属の充填直後に凝固は開始されないが、溶融金属の温度が低下して中心部からの熱量の補給が金型を介して奪われる熱量に追いつかなくなると凝固が開始されて進行する。ところが、注入口から離れた部位や溶融金属が回りにくい複雑な形状部位では、射出された溶融金属の温度が低下していて中心部からの熱量の補給が十分ではないことが多い。このため、溶融金属は金型に接すると同時に凝固を開始する。ダイカストという極めて短時間に溶融金属を充填する金型鋳造においても、その部位によって凝固の開始時間が異なり、溶融金属温度の低下した部位では上記のような品質不具合を生じるおそれがある。つまり、ダイカスト鋳造などの金型鋳造においては、キャビティ内に射出された溶融金属が凝固することなく最終充填部位まで充満することが望ましい。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、目的とするところは、ダイカスト鋳造などの金型鋳造において、金型内に充填された溶融金属の充填途中における凝固層の形成過程を定量的に検出する方法を提供することである。

本発明の溶融金属の凝固過程検出方法は、少なくとも第１金型と第２金型とによって区画されたキャビティ内に充填された溶融金属の凝固状態を超音波を用いて検知する溶融金属の凝固過程検出方法において、前記第１金型および／または前記第２金型の外側部に超音波送受信子を装着して前記溶融金属に超音波を入射し、前記溶融金属の凝固層と溶融層との界面で発生する反射波の発生時間を連続的に測定し前記溶融金属を射出してから該溶融金属が凝固開始するまでの凝固開始時間を検出することを特徴とする。

本発明の溶融金属の凝固過程検出方法では、前記溶融金属に入射する超音波の周波数は２〜１０ｋＨｚであることが望ましく、さらに好ましくは２〜５ｋＨｚである。

また、本発明の溶融金属の凝固過程検出方法において、前記凝固開始時間は前記金型の底面で反射した底面エコーの終了時刻を基点として予め定めた所定のゲート内に発生する前記溶融金属の凝固層と溶融層との界面で発生する反射波の最大音圧強度の波形を界面エコーとして該界面エコーの出現時刻と前記基点の時刻との差で求められる遅れ時間が測定経過時間に対して不安定である時間であることが望ましい。

また、本発明の溶融金属の凝固過程検出方法では、前記凝固開始時間は前記金型の底面で反射した底面エコーの終了時刻を基点として予め定めた所定のゲート内に発生する前記溶融金属の凝固層と溶融層との界面で発生する反射波の最大音圧強度の波形を界面エコーとして該界面エコーの測定経過時間ごとの相関値が０である時間であることが望ましい。

本発明の溶融金属の凝固過程検出方法は、溶融金属が充填される湯周り途中の特定部位における凝固開始時間を検知することができる。従って、得られた結果により溶湯の注入口を変更したり射出する溶湯温度を調整して、測定部位における湯周り性を改善し鋳造品の品質を向上することができる。

本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。図１は本発明の凝固過程検出方法と音波データとを模式的に示したものである。

図１において、１は第１金型、２は第２金型、３は第１金型１に装着した超音波送受信子、４はキャビティ、５は溶融金属の凝固層、６は溶融金属の溶融層である。鋳造すべき溶融金属を図示しない金型の流入口からキャビティ４内に充填するとともに、超音波送受信子３を駆動してキャビティ４内の溶融金属に超音波を図中の矢印のように入射すると、入射した超音波は金型の表面と溶融金属の凝固層と溶融層との境界部（固液界面）において反射して、図１の下部に模式的に示した反射波の波形（エコー）ａ〜ｅを得ることができる。

ここで、ａは第１金型のＡ点での送信波であり、ｂは第１金型のキャビティ側表面Ｂにおける底面エコーである。また、ｃとｄとはそれぞれ溶融金属の固液界面ＣおよびＤにおける界面エコーである。そして、ｅは第２金型のキャビティ側表面Ｅにおける第２金型エコーである。

このようにして得られたエコーの強度は音響インピーダンスの差と伝播途中の減衰によって決まり、ａの第１金型の表面エコーが最も強く、次にｂの底面エコー、ｅの第２金型エコー、ｃ、ｄの界面エコーの順に弱くなる。

本発明は、界面エコーｃまたはｄに着目してその発生時間を検出しようとするものであり、これらの界面エコーを的確に検出するために溶融金属に入射する超音波の周波数は２〜１０ｋＨｚであることが望ましい。周波数が２ｋＨｚ未満では透過性が大きい上に空間分解能が低いために界面エコーを取得することが困難であり、また、１０ｋＨｚを越えると透過性が無く減衰しやすいので前記のｂ〜ｄのエコーを取得することができない。より好ましい範囲は２〜５ｋＨｚである。本発明の実施の形態においては、超音波送受信機は印加電圧を細かく調整できるＰＡＮＡＭＥＴＲＩＣＳ製のものを用いた。また、極めて短時間の現象を的確に検知するために１００ＭＨｚ程度でカップリングできるＡ／Ｄボードを有する記録計を使用した。

本発明の溶湯金属の凝固過程検出方法においては、溶融金属の湯周り途中の凝固開始時間を検出するために、溶融金属を射出するタイミングから連続的にキャビティに超音波を発振する。第１金型の外側部に超音波送受信子を装着して超音波を発振した場合のこの段階では、図１に示す第１金型の送信波ａと底面エコーｂ、および第２金型の第２金型エコーｅが観察される。なお、以後、説明を容易にするために、第１金型の表面エコーａと第２金型の第２金型エコーｅおよび界面エコーｄは省略して説明する。

次に、溶融金属を射出して溶融金属が超音波測定部を通過すると、金型に接した溶融金属は凝固し、図２に示すような界面エコーｃを得ることができる。図２は反射波の模式図で、横軸は経過時間、縦軸は音圧強度を示す。実際には底面エコーｂの後には複数の波形が出現するので、底面エコーｂの消失直後の時刻ｔ₀を基点として所定の経過時間ｔ_G後にゲートＧを設定し、その間で最も高い音圧強度を示した波形を界面エコーｃとする。

ここで、第１の実施の形態では、凝固開始時間を界面エコーの出現時刻と基点の時刻との差で求められる遅れ時間が測定経過時間に対して不安定である時間域として求める。

すなわち、界面エコーｃのピーク発生時刻をｔとすると、界面エコーｃはΔｔ＝ｔ−ｔ₀だけ遅れて検知されたことになる。このΔｔを遅れ時間と定義して、この遅れ時間の変化を測定することで溶融金属の凝固過程を検出する方法である。

溶融金属温度が高い部位においては、溶融金属からの熱の補給が十分なされるので、一旦形成された凝固層は再溶融して溶融金属からの熱補給が無くなるまで凝固と再溶融とを繰り返すこととなる。図３はこの様な凝固層の形成が不安定な状態を模式的に示したものである。図３は発射時刻の異なる反射波を重ねて表示したものであり、発射の順序は、実線で示す反射波１、破線で示す反射波２、鎖線で示す反射波３の順である。ここで、反射波１の界面エコーｃ１では遅れ時間はΔｔ１、反射波２の界面エコーｃ２では遅れ時間はΔｔ２、また、反射波３の界面エコーｃ３では遅れ時間はΔｔ３と検出された。すなわち溶融金属の射出後の経過時間と遅れ時間との間には相関が無く、この測定部位におけるこの時間内では、溶融金属は凝固と再溶融とを繰り返していることが分かる。すなわち、この測定部位においては溶融金属は溶融状態であることを示している。

さらに射出後の時間が経過すると、溶融金属の温度が低下して溶融金属からの熱量の補給が間に合わなくなり凝固が開始・進行する。図４に凝固の進行する様子を模式的に示す。図４は発射時刻の異なる反射波を重ねて表示したものであり、実線で示す反射波４、破線で示す反射波５、鎖線で示す反射波６の順に発振した。ここで、反射波４の界面エコーｃ４では遅れ時間はΔｔ４、反射波５の界面エコーｃ５では遅れ時間はΔｔ５、また、反射波６の界面エコーｃ６では遅れ時間はΔｔ６と検出された。溶融金属の射出後の時間が経過するに従って、界面エコーｃの検出される遅れ時間Δｔは大きくなり凝固層が成長していることが分かる。すなわち、溶融金属からの熱量の補給よりも金型によって奪われる熱量の方が大きくなったわけである。言い換えれば溶融金属の温度が低くなり湯流れ性が低下していることを示している。

以上の結果は超音波の発振時刻と界面エコーｃの遅れ時間Δｔとの関係で図５のようにグラフ化することができる。図５は模式的に示したグラフであり、横軸は超音波の発振時刻Ｔを、また、縦軸は界面エコーｃの遅れ時間Δｔを示す。図５のグラフは、超音波の発振時刻によりＡ〜Ｄの４つの領域に分けて理解することができる。領域Ａは溶融金属射出前の状態で、反射波のゲート内にはノイズである微小の波形しか認めれらない。領域Ｂは、金型面で溶融金属が凝固と再溶解とを繰り返しているために界面エコーの不規則な出現によって遅れ時間が不安定になっている段階である。領域Ｃは、溶融金属の凝固が進行して固液界面が移動しており、界面エコーの安定的な進行によって遅れ時間が連続的に増加している段階である。領域Ｄは、凝固が更に進行して界面エコーがゲート内から外れたためにゲート内のノイズ部分がピークとして検出され遅れ時間が乱れて検出される段階である。

本発明は領域Ｂに着目してなされたものであって、凝固開始時間とは図５のある測定部位における発振時刻の差として得られる領域Ｂの時間である。この凝固開始時間が大きければ大きいほどその部位に対する湯周り性は良好であり、逆に図５で破線Ｈで示すように、領域Ｂ（凝固開始時間）が認められないような部位においては、溶融金属の到達と同時に凝固が始まるために、その測定部位における湯周り性は極めて悪いことが分かる。

例えば、あるダイカスト鋳造品について金型の注湯口近傍Ｐ１と溶融金属の充填が最も遅くなる部位Ｐ２とに超音波送受信子を装着して同時測定したところ、凝固開始時間（領域Ｂの時間）がＰ１では５０ｍｓｅｃであったが、Ｐ２ではほぼ０ｍｓｅｃであった。このようなダイカスト鋳造品に対しては、その金型のキャビティへの注湯口が複数ある場合には、その位置や大きさを変更する、また、局所的な冷却が可能な場合には、溶融金属の温度が低下する部位の冷却を弱める、あるいは、最終充填部位まで溶融金属温度が低下しないように射出時の溶融金属温度を調節するなどの対策を講じる。

以上のように本発明の溶融金属の凝固過程検知方法によれば、金型への充填途中の溶融金属の凝固開始状況を定量的に検出することができる。そして得られた結果に基づき、金型の修正や鋳造条件の変更など適切な対策を講じることができ、湯周り不良に起因する湯じわ、湯境、欠肉などといった鋳造品の品質欠陥を未然に防止することができる。

また、本発明の第２の実施の形態では、界面エコーの測定経過時間ごとの相関値を求めることにより凝固開始時間を求める。

第１の実施の形態では、ゲート内の波形に対して音圧強度の最も大きい波形を界面エコーと定義してその遅れ時間Δｔを算出して凝固開始を検出するようにしたが、この第２の実施の形態ではゲート内に発生する波形に対して、順次その波形の相関を求めて、相関値の変化によって凝固開始時間を検出する方法である。この方法は、波形の相関値を演算できる解析装置を用いることで容易に実施することができる。図６はその一例を模式的に示したグラフである。図６で、横軸は超音波の発振時刻Ｔを、また、縦軸はゲート内の波形の相関値を示す。図６のグラフは、超音波の発振時刻によりＡ〜Ｄの４つの領域に分けて理解することができる。領域Ａは溶融金属射出前の状態で、反射波のゲート内にはノイズである微小の波形しか認めれらないために相関値は高い値が得られる。領域Ｂでは、金型面で溶融金属が凝固と再溶解とを繰り返しているために界面エコーは不規則な形状で出現する。このため波形の相関値は０である。領域Ｃでは、溶融金属の凝固が進行して固液界面が移動しており、界面エコーの安定的な進行によって波形はある相関をもって変化する。従って、相関値は徐々に増加し、ある一定の値Ｒで飽和する。また、領域Ｄでは、凝固が更に進行して界面エコーがゲート内から外れたためにゲート内にはノイズの波形のみが検出されるので波形の相関値は高いものとなる。

第２の実施の形態では、このようにして得られた相関値が０である領域Ｂの時間を凝固開始時間とする。なお、波形の相関値は、例えば、２０ｍｓｅｃごとに発振した超音波により得られた反射波について順次波形を比較することで得ることができる。波形の相関値を求める方法は特に限定はなく、公知の方法を用いればよい。

本発明の溶融金属の凝固過程検出方法は、自動車のエンジンブロックや自動変速機ケースなどダイカスト鋳造、あるいは、樹脂の射出成形などの金型成形において好適に用いることができる。特に、エンジンブロックや自動変速機ケースのように複雑な形状を有する鋳造品の溶湯の最終充填部位付近については湯境や欠肉といった湯周り不良の発生を解決する優れて有効な手段である。

本発明の凝固過程検出方法と超音波照射によるエコーとの関係を説明する説明図である。界面エコーｃの遅れ時間の定義を説明する図である。凝固開始時間における界面エコーｃの挙動を説明する模式図である。凝固進行時における界面エコーｃの挙動を説明する模式図である。超音波の発振時刻と界面エコーｃの遅れ時間Δｔとの関係を模式的に説明するグラフである。超音波の発振時刻とゲート内の波形の相関値との関係を模式的に説明するグラフである。従来技術による金型内に充填された溶融金属の状態を超音波によって測定した結果を示す概念図である。

符号の説明

１：第１金型２：第２金型３：超音波送受信子４：キャビティ５：凝固層６：溶融層ａ：表面エコーｂ：底面エコーｃ、ｄ：界面エコーｅ：第２金型エコーＧ：ゲート

Claims

少なくとも第１金型と第２金型とによって区画されたキャビティ内に充填された溶融金属の凝固状態を超音波を用いて検知する溶融金属の凝固過程検出方法において、
前記第１金型および／または前記第２金型の外側部に超音波送受信子を装着して前記溶融金属に超音波を入射し、前記溶融金属の凝固層と溶融層との界面で発生する反射波の発生時間を連続的に測定し前記溶融金属を射出してから該溶融金属が凝固開始するまでの凝固開始時間を検出することを特徴とする溶融金属の凝固過程検出方法。
前記溶融金属に入射する超音波の周波数は２〜１０ｋＨｚである請求項１に記載の溶融金属の凝固過程検出方法。
前記溶融金属に入射する超音波の周波数は２〜５ｋＨｚである請求項１に記載の溶融金属の凝固過程検出方法。
前記凝固開始時間は前記金型の底面で反射した底面エコーの終了時刻を基点として予め定めた所定のゲート内に発生する前記溶融金属の凝固層と溶融層との界面で発生する反射波の最大音圧強度の波形を界面エコーとして該界面エコーの出現時刻と前記基点の時刻との差で求められる遅れ時間が測定経過時間に対して不安定な時間である請求項１に記載の溶融金属の凝固過程検出方法。
前記凝固開始時間は前記金型の底面で反射した底面エコーの終了時刻を基点として予め定めた所定のゲート内に発生する前記溶融金属の凝固層と溶融層との界面で発生する反射波の最大音圧強度の波形を界面エコーとして該界面エコーの測定経過時間ごとの相関値が０である請求項１に記載の溶融金属の凝固過程検出方法。