JP2006102772A - 溶融金属の流れ状態検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のように、シミュレーションにより溶融材料の流れを解析した場合、ダイカストのように溶湯の流れ速度が速いと予測値と実測値とのずれが大きくなって、予測精度が悪化するという問題があった。
【解決手段】 溶融金属（溶湯）３１の流れ状態検出方法は、金型２内に溶湯３１を充填し、凝固させて成形品を鋳造する際に、流れる溶湯３１の湯先を検出するステップと、流れる溶湯３１の主流３１ａを検出するステップと、溶湯３１の湯先を検出した時点Ｔ２と主流を検出した時点Ｔ１との時間差ΔＴを算出するステップと、前記時間差ΔＴと予め設定しておいた閾値Ｔ０とを比較し、その比較結果に基づいて溶湯３１の流れ状態を判定するステップとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイカスト等の鋳造条件を最適化するための、溶融金属の流れ状態検出方法および装置に関する。

金型内に溶融金属を充填し、凝固させて成形品を鋳造する際、特にダイカスト鋳造を行う場合、金型設計や製造条件をいかに設定するかは、キャビティ内への溶融金属の充填速度と圧力伝播に寄与する重要な因子であり、鋳巣等の鋳造品質に大きく影響する。
鋳造品質を悪化させる鋳巣の抑制には、溶融金属の層流充填（乱れのない充填）や、離型剤の発生ガス低減による対策が有効である。
そして、このような対策の評価は、実際に鋳造された成形品を切断して内部を観察するといったようなトライアンドエラーや、鋳造シミュレーションによる湯流れ解析の実施により行われていた。

鋳造シミュレーションによる湯流れ解析結果の評価は、例えば特許文献１に示すように、溶融材料の流れを流動解析し、溶融材料の充填開始から充填終了までの溶湯同士の衝突度合いを算出して、欠陥発生位置を予測するものがあった。
特開平９−３１４３０７号公報

しかし、前述のような、シミュレーションにより溶融材料の流れを解析した場合、溶湯の流れ速度が速いと予測値と実測値とのずれが大きくなって、予測精度が悪化するという問題がある。特に、ダイカストの場合は湯流れ速度が速いため予測が困難である。
そこで、本発明においては、湯流れ速度が速いダイカストの場合でも、精度良く溶融金属の流れ状態を検出することができ、その検出結果に応じた鋳造条件の制御を可能とする溶融金属の流れ状態検出方法および装置を提供するものである。

上記課題を解決する溶融金属の流れ状態検出方法および装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載のごとく、溶融金属の流れ状態検出方法は、金型内に溶融金属を充填し、凝固させて成形品を鋳造する際に、流れる溶融金属の湯先を検出するステップと、流れる溶融金属の主流を検出するステップと、溶融金属の湯先を検出した時点と主流を検出した時点との時間差を算出するステップと、前記時間差と予め設定しておいた閾値とを比較し、その比較結果に基づいて溶融金属の流れ状態を判定するステップとを備える。
これにより、溶湯の流れの乱れや飛沫の有無を実際に計測することができ、湯流れ速度が速いダイカストの場合でも、離型剤等からの発生ガスによる流れの乱れや、流れの乱れによる巻き込み巣等を精度良く検出することが可能となる。
そして、溶湯の射出速度を低減させて流れの乱れを低減させたり、離型剤の種類や塗布量を調節して発生ガスを低減させたりといった対策を的確にとることが可能となる。

また、請求項２記載のごとく、溶融金属の流れ状態検出装置は、金型のキャビティ内を流れる溶融金属の湯先を検出する湯先検出手段と、金型のキャビティ内を流れる溶融金属の主流を検出する主流検出手段と、湯先検出手段および主流検出手段からの検出信号を受信する受信手段と、湯先検出手段からの検出信号を受信した時点と主流検出手段からの検出信号を受信した時点との時間差を算出し、時間差の算出結果と予め設定される閾値とを比較し、比較結果に基づいて溶融金属の流れ状態を判定する演算手段とを備える。
これにより、溶湯の流れの乱れや飛沫の有無を実際に計測することができ、湯流れ速度が速いダイカストの場合でも、離型剤等からの発生ガスによる流れの乱れや、流れの乱れによる巻き込み巣等を精度良く検出することが可能となる。
そして、溶湯の射出速度を低減させて流れの乱れを低減させたり、離型剤の種類や塗布量を調節して発生ガスを低減させたりといった対策を的確にとることが可能となる。

本発明によれば、湯流れ速度が速いダイカストの場合でも、溶湯の流れの乱れ等を実際に計測して精度良く検出することが可能となり、溶湯の射出速度の低減や、離型剤の種類や塗布量の調節等といった対策を的確にとることが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

図１には、本発明の溶融金属の流れ状態検出装置をダイカストマシーン１に適用した例を示している。
ダイカストマシーン１は、プランジャロッド５ａの先端に取り付けたプランジャチップ５ｂを、射出スリーブ３内に摺動自在に嵌装しており、射出スリーブ３内の溶湯（溶融金属）３１をプランジャチップ５ｂにより押し出して、ランナ６を通じて金型２のキャビティ２１へ射出するように構成されている。
このダイカストマシーン１に適用される溶融金属の流れ状態検出装置は、超音波センサ１１ａを有する超音波送受信装置１１と、高速ＡＤ変換器１２と、演算装置１３と、渦流センサ１４と、高周波発信器１５とを備えている。

図２に示すように、超音波センサ１１ａは、射出スリーブ３からキャビティ２１内へ射出された溶湯３１における、キャビティ２１の壁面であるキャビティ面２ａを伝う流れの本体である主流３１ａを検出するために用いられる。
また、溶湯３１の流動方向（図２における上下方向）において、超音波センサ１１ａの設置位置と同じ位置に設置される渦流センサ１４は、キャビティ２１内へ射出された溶湯３１における、主流３１ａの最先端部３１ｂや主流に先行して飛翔する飛沫３１ｃ等である湯先を検出するために用いられる。

次に、超音波センサ１１ａを用いた溶湯３１の主流の検出について説明する。
超音波センサ１１ａは金型２の外壁面に取り付けられており、金型２のキャビティ２１内へ向けて超音波を照射可能であるとともに、金型２における超音波センサ１１ａ取付側のキャビティ面２ａ等に反射して戻ってきた超音波を受信可能に構成されている。
このように、超音波センサ１１ａから照射され、金型２のキャビティ面２ａで反射した超音波は超音波センサ１１ａにより受信される。受信した超音波の波形は、超音波受信装置１１から高速ＡＤ変換器１２に出力され、高速ＡＤ変換器１２にてデジタルデータに変換された後、演算装置１３に入力される。

超音波波形が入力された演算装置１３は、超音波センサ１１ａが金型２の外壁面から超音波を照射してから、キャビティ面２ａで反射して超音波センサ１１ａまで戻ってきた超音波を受信するまでの時間、つまり、金型２の厚み寸法ｘを往復するのに要する時間ｔを計測し、次式（１）により超音波の速度ｖを算出する。

ｖ＝２ｘ／ｔ ・・・（１）

記憶装置１６には、金型２の温度と、金型２内を伝播する超音波の速度との関係を表わす温度−超音波速度テーブル１６ａが記憶されており、該演算装置１３にて算出した超音波速度ｖから温度−超音波速度テーブル１６ａに基づいて、金型温度が求められる。
そして、求めた金型温度の変化により超音波センサ１１ａの設置位置まで主流３１ａが到達したことを検出するようにしている。
この主流３１ａの到達の検出結果は、表示器１７に表示される。

超音波センサ１１ａが設置された部分の金型２の温度は、溶湯３１の主流３１ａが超音波センサ１１ａの設置された部分へ到達する前までは略一定であるが、溶湯３１の主流３１ａが超音波センサ１１ａの設置された部分へ到達すると溶湯３１の熱が金型２へ伝達されて上昇する。
従って、演算装置１３にて求めた金型温度が上昇を開始した時点を主流３１ａが到達した時点として捉えることとしている。
例えば、図３に示すように、略一定であった金型温度が上昇開始した時点Ｔ１を、主流３１ａ到達の時点として求める。

なお、溶湯３１における、主流３１ａの最先端部３１ｂや飛沫３１ｃ等といった湯先が超音波センサ１１ａの設置部分に到達したとしても、これらの湯先はキャビティ面２ａに接していないので、金型２の温度が上昇することはなく、湯先の到達が超音波センサ１１ａにより検出されることはない。

次に、渦流センサ１４を用いた溶湯３１の湯先の検出について説明する。
まず、図４、図５に示すように、渦流センサ１４は、例えば銅製の空芯のコイル１４ａを円柱状のセラミックス１４ｂにて封止して構成されている。また、渦流センサ１４は、コイル１４ａの軸心が溶湯３１の進行方向に対して直行する方向へ向くように設置されており、またその先端面がキャビティ面２ａと略面一となるように設置されている。

渦流センサ１４には高周波発信器１５が接続されており、高周波電流を流して高周波の磁界を発生させている。
高周波の磁界が発生している渦流センサ１４の配置部分に、測定対象である溶湯３１が近づくと溶湯３１側に渦電流が発生し、この渦電流の磁界によりコイル１４ａのインダクタンスが変化する。これに伴い流れる電流の周波数が変化するため、この周波数変化を利用して、演算装置１３により溶湯３１の湯先の到達を検出するようにしている。

つまり、主流３１ａの最先端部３１ｂや主流に先行して飛翔する飛沫３１ｃといった、キャビティ１２内を流れる溶湯３１の最も先端部分である湯先が渦流センサ１４の設置箇所に到達すると周波数変化が生じるため、その周波数変化が生じた時点を湯先が到達した時点として捉えることとしている。
例えば、図６に示すように、最初に周波数変化が生じた時点Ｔ２を湯先到達の時点として求める。

この場合、渦流センサ１４から発生する磁界は、渦流センサ１４が設置されている側のキャビティ面から超音波センサ１１ａが設置されている側のキャビティ面２ａにかけて存在しているので、キャビティ面に接していない溶湯３１でも検出することができ、主流３１ａに先駆けて渦流センサ１４の設置箇所まで到達する最先端部３１ｂや飛沫３１ｃを検出することが可能となっている。
また、この湯先の到達の検出結果は、表示器１７に表示される。

以上のように溶湯３１の主流３１ａを検出するための超音波センサ１１ａ、および溶湯３１の最先端部３１ｂや飛沫３１ｃといった湯先を検出するための渦流センサ１４を備えた溶融金属の流れ状態検出装置による、溶湯３１の流れ状態の検出手順について、図７に示すフローに基づき説明する。

まず、前述のように、渦流センサ１４を用いて、キャビティ２１内を流れる溶湯３１の湯先を検出するとともに（Ｓ０１）、超音波センサ１１ａを用いて、キャビティ２１内を流れる溶湯３１の主流３１ａを検出し（Ｓ０２）、溶湯３１の湯先の検出時点Ｔ２と、主流３１ａの検出時点Ｔ１との時間差ΔＴを演算装置１３により計測する（Ｓ０３）。
次に、演算装置１３にて、計測した時間差ΔＴと、予め定められ前記記憶装置１６に記憶されている閾値Ｔ０とを比較し、時間差ΔＴが閾値Ｔ０より大きいか否かの判定を行う（Ｓ０４）。

ここで、時間差ΔＴは、超音波センサ１１ａおよび渦流センサ１４の配置位置に、溶湯３１の湯先が到達してから、主流が到達するまでの時間であり、時間差ΔＴの値が大きい場合は、溶湯３１の先端部の乱れが大きく飛沫３１ｃが生じている等の状態となっている。逆に、時間差ΔＴの値が小さく、渦流センサ１４による湯先の検出時点と超音波センサ１１ａによる主流３１ａの検出時点とが略同じである場合は、溶湯３１の先端部の乱れがなく、正常な層流となっている。

従って、判定の結果、時間差ΔＴが閾値Ｔ０よりも大きい場合は、溶湯１３の流れに乱れがあると判断し（Ｓ０５）、時間差ΔＴが閾値Ｔ０以下である場合は、溶湯１３の流れは乱れのない正常な層流であると判断する（Ｓ０７）。
そして、時間差ΔＴが閾値Ｔ０よりも大きく溶湯１３の流れに乱れがあると判断した場合には、演算装置１３からダイカストマシーン１の設備制御部７に対して、溶湯３１の射出速度の低減やゲート幅の拡大や、温度条件の変更等といった、鋳造条件に関する指示が出力され、該設備制御部７により溶湯１３の流れの乱れが減少する方向にダイカストマシーン１が制御される（Ｓ０６）。

このように、溶湯３１の流れ状態を検出することで、溶湯３１の流れの乱れや飛沫３１ｃの有無を非接触で実際に計測することができ、湯流れ速度が速いダイカストの場合でも、離型剤等からの発生ガスによる流れの乱れや、流れの乱れによる巻き込み巣等を精度良く検出することが可能となる。
これにより、溶湯３１の射出速度を低減させて流れの乱れを低減させたり、離型剤の種類や塗布量を調節して発生ガスを低減させたりといった対策を的確にとることが可能となる。

また、図８、図９に示すように、主流３１ａを検出するための手段としては、超音波センサ１１ａに代えてタッチセンサ６１を用いることもできる。
タッチセンサ６１は、例えば円柱状に形成されるセンサ本体の先端面６１ａが、キャビティ面２ａと略面一となるように金型２に設置されており、先端面６１ａの中心部に＋極６１ｂが配置され、外周部に−極６１ｃが配置されている。
この、＋極６１ｂと−極６１ｃとが導通していない状態では、タッチセンサ６１からの出力信号はＬｏとなり、先端面６１ａに溶湯３１が付着して＋極６１ｂと−極６１ｃとが導通した状態では、タッチセンサ６１からの出力信号はＨｉとなるように構成されている。

そして、このように構成され設置されるタッチセンサ６１のところへ、キャビティ２１内へ射出された溶湯３１の湯先が到達すると、図１０に示すように、タッチセンサ６１からの出力はＨｉとＬｏとが繰り返し現れてチャタリングが発生する。
これは、湯先の最先端部３１ｂや飛沫３１ｃといった少量の溶湯３１がタッチセンサ６１の先端面６１ａに付着し、剥離するといった現象が繰り返し行われるためである。

タッチセンサ６１からの出力にチャタリングが発生した後に、タッチセンサ６１の設置箇所に溶湯３１の主流３１ａが到達すると、タッチセンサ６１の＋極６１ｂと−極６１ｃとはキャビティ面２ａに沿って流れる主流３１ａにより常に導通された状態となり、図１０に示すように、タッチセンサ６１からの出力はＨｉ状態を維持する。
このように、タッチセンサ６１からの出力が継続してＨｉとなる時点Ｔ３を捉えることで、この時点Ｔ３を主流３１ａの到達時点として検出することができる。

また、図１１、図１２に示すように、溶湯３１の湯先を検出するための前記渦流センサ１４に、主流３１ａを検出するためのタッチセンサ６１を一体的に組み込んだセンサを用いて溶湯３１の流れ状態を検出することもできる。
このセンサは、セラミック材料に封入したタッチセンサ６１の＋極６１ｂと−極６１ｃとを渦流センサ１４の外周部に一体的に設けて構成したものであり、渦流センサ１４の周波数変化により溶湯３１の湯先を検出するとともに、溶湯３１の付着によるタッチセンサ６１の＋極６１ｂと−極６１ｃとの導通状態の変化により主流３１ａを検出することが可能となっている。
このように、渦流センサ１４とタッチセンサ６１とを一体的に構成することで、図１３に示すように、金型２にセットするセンサ類が一つで済み、溶湯３１の主流３１ａの検出と湯先の検出とを同時に行うことが可能となる。

ダイカストマシーンに適用した溶融金属の流れ状態検出装置を示すブロック図である。 キャビティ内に射出された溶湯の様子を示す側面断面図である。 超音波センサにより検出される金型温度の変化を示す図である。 渦流センサを示す平面図である。 渦流センサを示す側面図である。 湯先の到達により変化する渦流センサの周波数を示す図である。 溶融金属（溶湯）の流れ状態を検出するフローを示す図である。 超音波センサの代わりにタッチセンサを設置した金型を示す側面断面図である。 タッチセンサを示す斜視図である。 溶湯の到達により変化するタッチセンサの出力を示す図である。 渦流センサとタッチセンサとを一体的に構成したセンサを示す平面図である。 図１１におけるセンサを示す側面断面図である。 図１１におけるセンサを設置した金型を示す側面断面図である。

符号の説明

１ ダイカストマシーン
２ 金型
２ａ キャビティ面
１１ａ 超音波センサ
１３ 演算装置
１４ 渦流センサ
２１ キャビティ
３１ 溶湯
３１ａ （溶湯の）主流
３１ｃ （溶湯の）飛沫
６１ タッチセンサ

Claims (2)

1. 金型内に溶融金属を充填し、凝固させて成形品を鋳造する際に、
   流れる溶融金属の湯先を検出するステップと、
   流れる溶融金属の主流を検出するステップと、
   溶融金属の湯先を検出した時点と主流を検出した時点との時間差を算出するステップと、
   前記時間差と予め設定しておいた閾値とを比較し、その比較結果に基づいて溶融金属の流れ状態を判定するステップとを備えることを特徴とする溶融金属の流れ状態検出方法。
2. 金型のキャビティ内を流れる溶融金属の湯先を検出する湯先検出手段と、
   金型のキャビティ内を流れる溶融金属の主流を検出する主流検出手段と、
   湯先検出手段および主流検出手段からの検出信号を受信する受信手段と、
   湯先検出手段からの検出信号を受信した時点と主流検出手段からの検出信号を受信した時点との時間差を算出し、時間差の算出結果と予め設定される閾値とを比較し、比較結果に基づいて溶融金属の流れ状態を判定する演算手段と、
   を備えることを特徴とする溶融金属の流れ状態検出装置。
   
   
   
   

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