JP2005324242A

JP2005324242A - 溶融金属の凝固過程検出方法および鋳造方法

Info

Publication number: JP2005324242A
Application number: JP2004146364A
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: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
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凝固過程を簡便かつ定量的に検出する方法を提供することと、ダイカスト鋳造において金型の型開き動作を適切に制御する鋳造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て前記第２金型の前記キャビティ側表面からの反射波を検出し、該反射波の周波数に基づいて前記溶融金属の凝固過程を検知することを特徴とする。ここで、前記周波数は周波数解析して得られた周波数分布曲線においてスペクトル強度が最大となるピーク周波数Ｓｐであることが望ましい。
【選択図】図４

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。

また、検出信号によって鋳造設備の型開き動作を制御する鋳造法に関する。

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を用いて計算機による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、現状では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、溶融金属の凝固過程を超音波などを用いて検出する方法は、鋳鋼の連続鋳造などの分野では多くの提案がなされている。例えば、連続鋳造した鋳片の表面から横波型電磁超音波探触子からの超音波を入射し、受信センサでとらえた透過横波の伝播時間（又は共鳴周波数）を測定して、この伝播時間から中心固相率を算出する方法が開示されている（特許文献１）。つまり、超音波が鋳片を透過するのに要した時間と、予め実験的に求めておいた透過時間−固相率の関係から凝固途中の鋳片の固相率を求める方法である。しかし、この方法では、固相率を算出するための基礎データを予め準備しておかなければならない。ダイカスト鋳造のように様々な形状の鋳造品を対象とする場合には、キャビティの形状により異なる透過の伝播時間をもとに、固相率を算出するための透過時間−固相率の関係をワークの種類毎に予め求めておくことは現実的ではない。

また、電磁超音波発生器から超音波を入射し、凝固部と未凝固部との境界からの反射エコーをとらえることで凝固層厚さを算出する方法が提案されている（特許文献２参照）。しかし、この方法は連続鋳造という凝固速度が遅く、また凝固の進行が安定している鋳造方法には好適に用いることができるが、ダイカスト鋳造のような高速凝固現象に適用することは困難である。高速凝固の場合には、一般的に、凝固層と未凝固層との境界からのエコーは非常に微弱であるので、凝固層と未凝固層との界面からのエコーとノイズとを精度よく分離して検知することが難しいからである。
特開平１０−１９７０５２号公報特開昭５５−１５８５０６号公報

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、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凝固過程を簡便かつ定量的に検出する方法を提供することを課題とする。

また、ダイカスト鋳造において金型の型開き動作を適切に制御する鋳造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、超音波が透過する媒体の性状（例えば、固相、液相、固液共存など）によって反射した超音波の周波数分布が変化することに着目して本発明に想到した。すなわち、波長の長い超音波（低周波数成分）は、溶融層と凝固層とを共によく透過するが、波長の短い超音波（高周波数成分）は、溶融層では減衰しやすく、凝固層においては減衰しにくい性質を持つ。つまり、広帯域の超音波を用いて予め実験室的に媒体の性状と超音波の周波数分布の変化との関係を求めておけば、媒体を透過した超音波の周波数分布の変化を知ることにより媒体の性状を推定することができるわけである。

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て前記第２金型の前記キャビティ側表面からの反射波を検出し、該反射波の周波数に基づいて前記溶融金属の凝固過程を検知することを特徴とする。ここで、前記周波数は周波数解析して得られた周波数分布曲線において、スペクトル強度が最大となるピーク周波数であることが望ましい。

本発明は第２金型の表面反射波を周波数解析するという極めて簡便な方法で溶融金属の凝固過程を正確に検知することができる。

また、本発明の鋳造方法は、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溶融金属を充填して凝固する溶融金属の鋳造法において、前記第１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する第１工程と、前記第２金型の前記キャビティ側表面からの反射波を検出して該反射波の周波数を解析する第２工程と、前記周波数の解析結果に基づいて前記金型の型開き工程を制御する第３工程とを有することを特徴とする。

本発明の鋳造方法によれば、溶融金属の凝固過程を正確に把握できるので、例えば、凝固完了信号をダイカストマシンの制御系統に入力して凝固完了後の型開き動作を行えば、型開き開始のタイミングを精度良く制御できる。従って、型開きタイミングが不適切なために生じる鋳造品の型によるかじりや変形といった品質上の不具合を防止することができる。また、凝固完了のタイミングに合わせて型開き動作を行うことができるので、ダイカスト鋳造作業のサイクルタイムを短縮して設備の稼働率の向上を図ることができる。

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金型の流入口（図示せず）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。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において反射して、図１の下部に模式的に示した波形（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点での表面エコーであり、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凝固層と溶融層との界面ＣおよびＤにおける界面エコーであり、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では、ａの第１金型の表面エコーが最も強度が強く、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低くなる。特に、ｃ、ｄの界面エコーは溶融金属の凝固の進行とともに弱くなりノイズと明確に分離して検出することが困難となる。

本発明においては、入射した超音波が第２金型のキャビティ側表面Ｅで反射して得られた第２金型エコーについて周波数解析を行い溶融金属の凝固過程を検出する。すなわち、スペクトル強度がピークとなる周波数Ｓｐ（以後、ピーク周波数という）を求めて実験室的に求めた溶融金属の凝固過程（例えば、固相率、温度、あるいは充填後の経過時間など）とピーク周波数との関係から溶融金属の充填後の凝固過程を推定する。本発明はこのように第２金型エコーを周波数分析して溶融金属の凝固過程を検知する方法であるから、溶融金属の溶融状態と凝固状態との差を的確に検知するために、広帯域の超音波を発振することのできる超音波送受信子を用いることが好ましい。例えば、１〜１０ＭＨｚの超音波を発振可能な送受信子である。発振する超音波の周波数範囲が狭いと、反射波の周波数変化を判断することが困難であり、また、キャビティの形状によっては対応できない場合が生じるので好ましくない。また、上記よりも広い周波数帯を有する超音波送受信子は高価であり、それに見合う効果が得られない。特に１０ＭＨｚを越えるような高周波数成分は、キャビティ内での減衰が大きくなるので適当ではない。

以下に、凝固過程検出方法について具体的に説明する。

図２は、溶融金属を金型のキャビティ内へ充填して所定の時間ｔ１経過した凝固完了前の超音波エコーの音波データと、第２金型エコーの周波数解析結果との一例を示したものである。（ａ）は音波データであり横軸は経過時間Ｔ、縦軸は音圧強度（電圧）Ｖである。また、ｂ１は第１金型の底面エコーであり、ｅ１は第２金型エコーである。ここで、第２金型エコーｅ１について、第１金型の底面エコーｂ１が収束する時刻を基点ｔ₀として、所定の時間Δｔ経過後（例えば、第２金型エコーｅ１の消滅する時間）にゲートＧｅを設定する。（ｂ）はゲートＧｅ内に発生した第２金型エコーｅ１を拡大して示したものである。（ｃ）は横軸を周波数Ｓ、縦軸をスペクトル強度として表した周波数分布曲線であり、（ｂ）の波形を周波数解析することにより得ることができる。ここで、スペクトル強度が最大となる周波数Ｓを求めピーク周波数Ｓｐ１とする。

図３は、溶融金属を金型のキャビティ内へ充填して所定の時間ｔ２経過した凝固完了後の超音波エコーの音波データと、第２金型エコーの周波数解析結果との一例である。図２と同様に（ａ）は音波データであり、ｂ２は第１金型の底面エコー、ｅ２は第２金型エコーである。（ｂ）はゲートＧｅ内に発生した第２金型エコーｅ２を拡大して示したものである。図２（ｂ）と比べると波の位置が左側へ移動しており凝固により伝播時間が早くなっていることが分かる。また、凝固することにより反射波の減衰が少なくなるので、図２（ｂ）の第２金型エコーｅ１よりも強度の高い反射波となる。（ｃ）は横軸を周波数Ｓ、縦軸をスペクトル強度として表した周波数分布曲線であり、（ｂ）の波形を周波数解析することにより得ることができる。ここで、スペクトル強度が最大となる周波数Ｓを求めピーク周波数Ｓｐ２とする。

以上のようにして得られた溶融金属の金型への充填後の経過時間（凝固過程）Ｔとピーク周波数Ｓｐとの関係を図４に模式的に示す。図４で領域Ａは溶融金属充填前である。領域Ｂは溶融金属が充填されて凝固が進行している段階で凝固層と溶融層とが共存しており、凝固層の成長に伴って反射波のピーク周波数は増大する。領域Ｃは凝固が完了してキャビティ内全体が凝固層である段階で時間が経過しても反射波のピーク周波数Ｓｐ２は変化しない。

図４はダイカスト用アルミニウム合金に関するグラフであるが、凝固過程とピーク周波数との関係は超音波が透過する媒体の種類によって異なる。従って、対象とする鋳造品の材質ごとに予め求めておくことが望ましい。

以上のように本発明の溶融金属の凝固過程検出方法によれば、ダイカスト鋳造などのように極めて凝固速度の速い鋳造方法においても、その凝固の進行状況を逐次検知することができるので、得られた検出信号を鋳造設備の制御に活用することができる。例えば、ダイカスト鋳造品の凝固完了による型開きのタイミングなどは、本発明の方法によれば極めて正確に把握することができ、検出信号を制御系と連動させることにより、型による鋳造品のかじりや変形といった不具合を防止することができる。また、適切な凝固完了のタイミングを捉えることができるので、ダイカスト鋳造作業のサイクルタイムを短縮することも可能であり、設備稼働率の向上を図ることができる。

かかるダイカスト鋳造方法の手順を図５に示す。まず、ステップＳ１では、金型の最も凝固が遅いと予想される側面に超音波送受信子を設置して金型内へ超音波を入射する。ステップＳ２では、溶融金属を透過して対向する金型のキャビティ面で反射し再度溶融金属を透過した反射波（第２金型エコー）を検出し周波数解析してピーク周波数Ｓｐを求める。ステップＳ３では、得られたピーク周波数Ｓｐを予め記憶されている凝固過程（例えば、経過時間など）とピーク周波数との関係と比較して、その時点での凝固過程を判断する。ピーク周波数Ｓｐが凝固完了のピーク周波数Ｓｐ２に到達したら、ステップＳ４へ進み型開きを指令する。なお、ステップＳ３で凝固完了前と判断したらステップＳ２に戻って凝固完了のピーク周波数Ｓｐ２となるまで周波数解析を繰り返す。ここで、ステップＳ１が第１工程であり、ステップＳ２が第２工程であり、ステップＳ３とステップＳ４とが第３工程である。

なお、本発明の凝固過程の検出方法は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、例えば、溶融樹脂の射出成形などの工程にも好適に用いることができる。また、検出信号の活用例として凝固完了信号による型開き動作の制御を例示したが、逐次変化する凝固界面の移動や凝固速度などを検出して、ダイカストマシンのプランジャーの圧力の制御や金型内部の冷却水の水量、あるいは金型外部から冷却をかねて吹き付ける離型剤の吹き付け量などの制御も可能となり、鋳造条件の最適化を図ることもできる。

さらに、上記の測定結果に基づいて金型や設備の設計を改善することも可能となる。

本発明は、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凝固過程を、金型に装着した超音波送受信子により測定して定量的に把握することができるので、冷却状態などを制御することにより、鋳造加工を安定化することが可能となる。従って、製品の品質の向上に資するところ大なるものがある。また、凝固完了のタイミングを正確に知ることができるので、サイクルタイムの短縮や稼働率の向上といった生産性の向上に寄与するところ大である。本発明の凝固過程の検出方法は、溶融樹脂の射出成形などの工程にも好適に用いることができる。

本発明の凝固過程検出方法と得られた波形データを模式的に示した図である。凝固完了前の超音波エコーの音波データと、周波数解析の一例を示す模式図である。（ａ）は凝固完了前のある時刻での音波データである。（ｂ）は第２金型エコーｅ１を拡大して示した図である。（ｃ）はｅ１を周波数解析してピーク周波数Ｓｐ１を得る説明図である。凝固完了後の超音波エコーの音波データと、周波数解析の一例を示す模式図である。（ａ）は凝固完了後のある時刻での音波データである。（ｂ）は第２金型エコーｅ２を拡大して示した図である。（ｃ）はｅ２を周波数解析してピーク周波数Ｓｐ２を得る説明図である。凝固過程（溶融金属の充填後の経過時間）とピーク周波数との関係を模式的に示すグラフである。本発明のダイカスト鋳造方法の手順を示すフローチャートである。

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_e：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、前記第２金型の前記キャビティ側表面からの反射波を検出し該反射波の周波数に基づいて前記溶融金属の凝固過程を検知することを特徴とする溶融金属の凝固過程検出方法。
前記周波数は周波数解析して得られた周波数分布曲線においてスペクトル強度が最大となるピーク周波数である請求項１に記載の溶融金属の凝固過程検出方法。
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溶融金属を充填して凝固する溶融金属の鋳造法において、
波送受信子を装着して前記溶融金属に超音波を入射する第１工程と、前記第２金型の前記キャビティ側表面からの反射波を検出して該反射波の周波数を解析する第２工程と、前記周波数の解析結果に基づいて前記金型の型開き工程を制御する第３工程とを有することを特徴とする鋳造方法。