JP2008246527A - 金型温度解析方法及び金型温度解析プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】解析時間を格段に短縮することができる金型温度解析方法を提供する。
【解決手段】伝熱解析プログラムを用い、繰り返し行われる鋳造時の金型モデル１０の温度分布を解析する金型温度解析方法であって、該金型モデル１０（１）に設けられた冷却手段２と冷媒３との間の熱伝達係数ＨＴを、該冷却手段２に冷媒３が供給される場合は大きい値に、該冷却手段２に冷媒３が供給されない場合は小さい値に設定して、温度分布の解析を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝熱解析プログラムを用い、繰り返し行われる鋳造時の金型モデルの温度分布を解析する金型温度解析方法と、この方法を実現する金型温度解析プログラムに関する。

近年、鋳鉄製品やアルミ製品を連続繰り返し鋳造を行う場合についても、実際の鋳造と同様に複数の関連する物体、製品、鋳造金型、中子、冷却手段（加熱手段）、冷媒及び外気（周囲の雰囲気）等をモデル化し、伝熱解析プログラムを用い、各物体の初期温度と物性値、各物体間の熱伝達係数を考慮した伝熱解析を、金型内に製品がある状態と、製品が取り出されて空の状態とを一解析サイクルとして、これを任意のサイクル繰り返すことで、実際の金型温度分布を推定する金型温度解析方法が提案されている。

この金型温度解析方法においては、これまで、特許文献１の明細書の段落［００１０］に記載されているように鋳造金型と雰囲気との間の熱伝達係数は常に一定であると仮定されて計算されていた。

この特許文献１では、金型温度解析方法において、これまでと異なり、鋳造型と雰囲気との間との熱伝達係数を部位によって変化させたり、解析の結果から変化させたりすることによって、「設定した冷却ポイントの設定情報に応じて、鋳造型を最小に分割した各要素の伝熱係数を必要に応じて変更するだけで、正確な鋳造型温度を推測することが可能となった。」（段落［００１３］）としている。

一方、本願発明者の研究によると、熱伝達係数を常に一定とする方法では、解析に時間を要する（一例としては、収束までに６回程度の解析、時間としては、２、３日）ことが解っており、この特許文献１においても、解析時間の短縮が可能となった旨の記載はない。
特開２００３−１７０２６９号公報

本発明は、上記問題を改善しようとするもので、解析時間を格段に短縮することができる金型温度解析方法、及び、この方法を実現する金型温度解析プログラムを提供することを目的としている。

本発明の金型温度解析方法は、伝熱解析プログラムを用い、繰り返し行われる鋳造時の金型モデルの温度分布を解析する金型温度解析方法であって、該金型モデルに設けられた冷却手段（加熱手段）と、この冷却手段に用いられる冷媒との間の熱伝達係数、あるいは、前記加熱手段により加熱される部分との間の熱伝達係数を、該冷却手段に冷媒が供給される（該加熱手段が作動される）場合は大きい値に、該冷却手段に冷媒が供給されない（該加熱手段が作動されない）場合は小さい値に設定して、温度分布の解析を行うことを特徴とする。

本発明の金型温度解析プログラムは、上記金型温度解析方法を実現するものであることを特徴とする。

本発明の金型温度解析方法は、伝熱解析プログラムを用い、繰り返し行われる鋳造時の金型モデルの温度分布を解析する金型温度解析方法であって、該金型モデルに設けられた冷却手段（加熱手段）と、この冷却手段に用いられる冷媒との間の熱伝達係数、あるいは、前記加熱手段により加熱される部分との間の熱伝達係数を、該冷却手段に冷媒が供給される（該加熱手段が作動される）場合は大きい値に、該冷却手段に冷媒が供給されない（該加熱手段が作動されない）場合は小さい値に設定して、温度分布の解析を行う、つまり、より実際の鋳造時における熱伝達係数の変化に対応させて解析を行うようにしたので、解析時間を格段に短縮することができる。

本発明の金型温度解析プログラムは、上記金型温度解析方法を実現するものであるので、上記金型温度解析方法の効果を、プログラムとして発揮することができる。

以下に、本発明の実施の形態と実施例とについて、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の金型温度解析方法の解析対象とする鋳造金型モデルの一例を示す図、図２は、本発明の金型温度解析方法の手順の一例を示すフローチャートである。

図１の鋳造金型モデル１０は、本発明の金型温度解析方法の解析対象とするもので、上型と下型からなる金型本体１、金型本体を冷却するための冷却手段２、この冷却手段２に供給される冷却水である冷媒３、及び、金型本体１の適所（この例では冷却手段２の近傍）に設けられた熱電対としての温度測定点５を備えたモデルとなっている。

なお、鋳造金型モデルにおいて、鋳造させる製品と外気とをモデル化する場合もある。

金型本体１の上型は、２分割構造の鋳造金型のいずれか一方側に相当し、下型は他方に相当する。冷却手段２は、この例では、金型本体１とは別体で製造され、密着させられた状態で、金型本体１を冷却する冷却板をモデル化したもので、上下の金型に対応して、冷却板も上下に設けられているものとなっている。

冷媒３は、上下の冷却板の異なる場所を通過する、それぞれ独立して供給、不供給が制御可能な、都合４つの制御対象である冷却水Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとされている。温度測定点５は、この４つの冷却水Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対応させて、その影響をうける位置にそれぞれ設けられた熱電対Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄとして想定されている。

本発明の金型温度解析方法では、このモデル１０において、冷却手段２と冷媒３との間の熱伝達係数ＨＴを、解析過程において、一定の条件に従って自動的に変化させることを特徴とする。この熱伝達係数ＨＴは、上述したそれぞれの冷媒３（冷却水Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）によって冷却される冷却手段２の熱伝達係数ＨＴａ、ＨＴｂ、ＨＴｃ、ＨＴｄとして表れ、このそれぞれの部分に、上記温度測定点５（熱電対Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄ）が設置されており、より具体的には、本発明の方法では、これらの熱伝達係数ＨＴａ、ＨＴｂ、ＨＴｃ、ＨＴｄをその近傍である温度測定点５の温度変化に対応させて自動的に変化させるということを特徴とする。

この本発明の金型温度解析方法は、実際の繰り返し鋳造時において、温度測定点の温度変化に基づきＰＩＤ制御によって冷却手段のＯＮ−ＯＦＦを繰り返して金型温度が設定温度になるように調整している事実に鑑み、これまでの熱伝達係数を変化させない、という伝熱解析プログラムを用た金型温度解析方法における基本原則を打ち破ったものであり、これにより、これまでに比べ、格段の解析時間の短縮（一回の解析、時間で１日）を可能としたものである。

これより、その方法の特徴的部分について、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、前準備として、解析モデル（図１に金型モデル１０）を作成しておく。

Ｓ１：この準備ができたら、温度測定点５の座標を設定する。

Ｓ２：ついて、この温度測定点５の狙い温度を設定する。

Ｓ３：各温度測定点５（熱電対Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄ）の温度を測定する。

Ｓ４：測定点の温度と、設定温度との大小を比較し、測定点温度≧設定温度ならば、ステップ６へ、測定点温度＜設定温度ならばステップ５へ向かう。

Ｓ５：熱伝達係数ＨＴを、大きな値（具体的には、初期設定値より大きな値で、その測定点に冷媒３が供給された場合に予想される熱伝達係数）に設定する。

Ｓ６：熱伝達係数ＨＴを、小さな値（具体的には、初期設定値より小さなな値で、その測定点に冷媒３が供給されない場合に予想される熱伝達係数）に設定する。この熱伝達係数は、ほとんどゼロに近い小さい数字である。

Ｓ７：経験的に設定された解析時間が終了したかどうか判断し、解析時間が終了（経過）していた場合には、解析を終了し、解析時間が未了の場合には、ステップ３に戻る。

このような金型温度解析方法によれば、これまでの熱伝達係数を一定とする方法では、設定された狙いの金型温度に到達するまでに６回の解析をする必要があったのが、一回の解析で設定された狙いの金型温度に到達することができ、解析時間を格段に短縮することができた。

なお、上述の解析終了を解析時間により判断する方法の代わりに、Ｓ４における測定点温度と設定温度との差が、一定値より小さくなった場合、あるいは、一定値より小さくなる回数が一定回数より多くなった場合、あるいは、当該測定点温度と設定温度との差の変化率が一定値より小さくなった場合に、解析終了とするようにしてもよい。

また、この例では、温度測定点の温度と設定された狙い温度との大小により、熱伝達係数を変化させたが、例えば、経験的に決定できる鋳造、製品取り出しの熱サイクルの時間的経過によって、冷却のタイミングが決められるので、この時間的経過に沿って、熱伝達係数を変化させるようにしてもよい。

とにかく、本発明の基本的部分は、実際の鋳造熱サイクルにおける各部分の熱伝達係数の変化に対応させて、金型温度解析方法の対象とする金型モデルにおいても、各部分の熱伝達係数を変化させるというものである。

また、上記では、単に、温度測定点の温度と設定された狙い温度との大小により、熱伝達係数を大小させるという簡単な制御の例を例示したが、本発明の熱伝達係数を変化させるという思想は、通常の制御と同様に、温度測定点の温度変化に対応させて、冷却手段と当該冷却手段により冷却される部分との間の熱伝達係数を変化させるのに、一般に用いられるＰＩＤ制御を用いる点も含むものである。

つまり、ＰＩＤ制御は、制御の結果変動する制御結果値（温度測定点の温度と設定された狙い温度との差）の変動に対して、制御対象値（熱伝達係数）を比例制御する場合、制御対象値を微分制御する場合、制御対象地を積分制御する場合をそれぞれ含むものであるが、このようなＰＩＤ制御方法を本発明の方法に用いてもよく、その場合には、それぞれの制御方法の効果が相乗的に発揮されるものである。

なお、ＰＩＤ制御の代わりに、他の制御方法を用いてもよい。

また、本発明の金型温度解析方法は、金型温度の制御において冷却手段を用いる場合だけでなく、加熱手段による加熱が必要となる場合にも有効である。

より具体的には、加熱手段の場合は、加熱手段（図１の符号３に相当）と金型（図１の符号１）間の熱伝達係数を制御することになる。

また、加熱手段の場合は、金型の任意の部分に棒状のヒーターを埋め込んだり、金型が円筒状であれば、帯状のヒーターを巻きつけたりするので、加熱手段と金型とが直接接触する構成となると思われる。

冷却水の場合のように加熱板（図１の符号２に相当）を設けて、その中にヒータを入れることも良いが、エネルギーロスを減らすために、金型に直接接触させる場合が多い。

ここで、水の場合、金型中に直接通水路を設けて水を直接通さないようにしているのは、仮に金型にひび割れが発生し、金型内に水が染み出て、そこに溶湯が注がれると水が水蒸気になり、金型内での計算外の圧力による過度の変形などの不具合が生じるからである。

ただし、金型を直接冷媒で冷却する場合も多く、その場合には、冷却版（図１の符号２）は必要がないものとなる。

また、本発明の金型温度解析方法は、伝熱解析プログラムの一部のサブルーチンとして用いられるものであり、全体として、金型温度解析プログラムとして機能し、その場合に、その金型温度解析プログラムは、金型温度解析方法と同様の作用効果を発揮するものである。

以上の結果、上記説明した金型温度解析方法と金型温度解析プログラムとは、以下のような発明を含むものである。

（１）伝熱解析プログラムを用い、繰り返し行われる鋳造時の金型モデル１０の温度分布を解析する金型温度解析方法であって、該金型モデル１０（１）に設けられた冷却手段２と、冷媒３との間の熱伝達係数ＨＴを、該冷却手段に冷媒３が供給される場合は大きい値に、該冷却手段２に冷媒３が供給されない場合は小さい値に設定して、温度分布の解析を行うことを特徴とする金型温度解析方法。

（２）（１）の方法において、金型モデル１０（１）の適所に温度測定点５を設定し、この温度測定点の温度が金型目標温度より高い場合が冷却手段２に冷媒が供給される場合とし、該温度測定点の温度が金型目標温度より低い場合が冷却手段２に冷媒が供給されない場合とすることを特徴とする金型温度解析方法。

（３）（１）の方法において、金型モデル１０（１）の適所に温度測定点５を設定し、この温度測定点５の温度変化に対する、冷却手段と当該冷却手段により冷却される部分との間の熱伝達係数ＨＴの制御に、ＰＩＤ制御を用いることを特徴とする金型温度解析方法。

（４）伝熱解析プログラムを用い、繰り返し行われる鋳造時の金型モデル１０Ａの温度分布を解析する金型温度解析方法であって、該金型１０Ａ（１）に設けられた加熱手段２Ａと、この加熱手段２Ａにより加熱される部分との間の熱伝達係数ＨＴを、該加熱手段２Ａが作動される場合は大きい値に、該加熱手段２Ａが作動されない場合は小さい値に設定して、温度分布の解析を行うことを特徴とする金型温度解析方法。

（５）（３）の方法において、金型モデル１０Ａ（１）の適所に温度測定点５を設定し、この温度測定点５の温度が金型目標温度より低い場合が加熱手段２Ａが作動される場合とし、該温度測定点の５温度が金型目標温度より高い場合が加熱手段２Ａが作動されない場合とすることを特徴とする金型温度解析方法。

（６）（３）の方法において、金型モデル１０Ａ（１）の適所に温度測定点５を設定し、この温度測定点５の温度変化に対する、加熱手段２Ａと当該加熱手段２Ａにより加熱される部分との間の熱伝達係数ＨＴの制御に、ＰＩＤ制御を用いることを特徴とする金型温度解析方法。

（７）（１）から（６）のいずれか記載の金型温度解析方法を実現する金型温度解析プログラム。

図３（ａ）は、本発明の金型温度解析方法の一実施例によって得られた金型温度分布を示すグラフ、（ｂ）、（ｃ）は熱伝達係数を一定として行う金型温度解析方法の一例によって得られた金型温度分布を示すグラフであって、（ｂ）は１回目の解析結果のグラフ、（ｃ）は６回目の解析結果のグラフである。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）について、解析の諸条件の内、共通する項目を列挙する。

鋳造される製品は、二輪車の前輪を受ける車軸とその車軸が受ける道路面からの振動等を緩衝する緩衝油圧シリンダのシリンダ部分とを一体化したアルミ製のアウターチューブである。このアウターチューブは、前輪に対して、左右一対で設けられ、この左右一対のアウターチューブを中心対象となるように一対で成形するのが、対象とされる鋳造金型である。

冷却手段２、冷媒３、温度測定点５の設定個数は、図１の金型モデル１０と同じである。ただし、温度測定点５（熱電対Ｔａ、Ｔｃ（図１の左側））は、上記アウターチューブのシリンダ部分側とし、温度測定点５（熱電対Ｔｂ、Ｔｄ（図１の右側））は、上記アウターチューブの車軸側としている。

なお、各グラフにおいて、各温度測定点５のマークは、「■」＝熱電対Ｔｂ（上型車軸側）、「□」＝熱電対Ｔａ（上型シリンダ側）、「●」＝熱電対Ｔｄ（下型車軸側）、「○」＝熱電対（下型シリンダ側）を意味するものである。

冷却手段２と金型本体１との間の熱伝達係数ＨＴ（単位：Ｗ／ｍ２／Ｋ）の初期設定値は、５５０、金型成形部分の初期温度は２５０℃、冷却手段２の初期温度は２００℃、冷媒３（冷却水）の温度は５０℃、大気（雰囲気）の温度は３０℃という設定である。

金型目標温度は、車軸側が平均３７０℃±５℃、シリンダ側が平均３３０℃±５℃である。

図３（ａ）は、本発明の金型温度解析方法を用いる場合で、図２で説明した解析方法のＳ５において用いる熱伝達係数ＨＴ（単位：Ｗ／ｍ２／Ｋ）の大きな値として、車軸側で８０００、シリンダ側で３０００を、Ｓ６のおいて用いる熱伝達係数ＨＴの小さな値として、車軸側、シリンダ側共に１０を用いた場合のグラフである。

図３（ｂ）、（ｃ）は、熱伝達係数ＨＴを解析の過程においては変化させず、各回の解析結果を踏まえて、次の熱伝達係数ＨＴを変化させていくというこれまでの方法によった場合のグラフを示すものである。

図３（ｂ）においては、熱伝達係数ＨＴ（単位：Ｗ／ｍ２／Ｋ）として、車軸側で７０００、シリンダ側で２０００を用い、５回の繰り返しの後、６回目の解析である図３（ｃ）では、熱伝達係数ＨＴ（単位：Ｗ／ｍ２／Ｋ）として、上型の車軸側で２００、下型の車軸側で１８００、上型のシリンダ側で２８０、下型のシリンダ側で１０００という値を用いている。

それぞれのグラフを比較すると、熱伝達係数を変化させない方法の一回目（図３（ｂ）では、解析終了時間である１７５０秒経過後も、温度測定点（熱電対Ｔｂ、Ｔｄ、熱電対Ｔａ、Ｔｃ）の温度は、狙い温度である３７０℃、３３０℃に到達せず、六回目の解析でようやく、到達しているという結果である。

これに対して、本発明の金型温度解析方法を用いた図３（ａ）では、一回目の解析で、六回目である図３（ｃ）のグラフと同様に、温度測定点（熱電対Ｔｂ、Ｔｄ、熱電対Ｔａ、Ｔｃ）の温度が、狙い温度である３７０℃、３３０℃に到達していることが解る。

これにより、本発明の金型温度解析方法が、格段に解析時間を短縮させることができる点が解る。

なお、本発明の方法によれば、金型温度が定常状態になるまでのサイクル数は、従来方法よりも少なくなる。つまり、本発明の方法によれば、従来方法に比べて、一回あたりの熱サイクル解析のサイクル数を低減することができるため、その点でも解析時間を短縮することができる。

なお、本発明の金型温度解析方法及び金型温度解析プログラムは、上記の実施の態様及び実施例に限定されない。また、特許請求の範囲に記載された範囲、実施の態様、実施例の範囲で、種々の変形例、組み合わせが可能である。

また、本発明の金型温度解析方法は、一般に伝熱解析プログラムを作動させることが可能な金型温度解析装置（コンピュータや、シュミレータ）において、実現可能なものであり、その場合には、その効果は、金型温度解析装置として発揮される。

本発明の金型温度解析方法及び金型温度解析プログラムは、伝熱解析プログラムを用い、繰り返し行われる鋳造時の金型モデルの温度分布を解析する場合の解析時間を格段に短縮することが要請される産業分野に用いることができる。

本発明の金型温度解析方法の解析対象とする鋳造金型モデルの一例を示す図 本発明の金型温度解析方法の手順の一例を示すフローチャート （ａ）は、本発明の金型温度解析方法の一実施例によって得られた金型温度分布を示すグラフ、（ｂ）、（ｃ）は熱伝達係数を一定として行う金型温度解析方法の一例によって得られた金型温度分布を示すグラフであって、（ｂ）は１回目の解析結果のグラフ、（ｃ）は６回目の解析結果のグラフ

符号の説明

１ 金型本体
２ 冷却手段
２Ａ 加熱手段
３ 冷媒
５ 温度測定点
１０ 金型モデル
１０Ａ 金型モデル
ＨＴ 熱伝達係数

Claims (7)

1. 伝熱解析プログラムを用い、繰り返し行われる鋳造時の金型モデルの温度分布を解析する金型温度解析方法であって、該金型モデルに設けられた冷却手段と、この冷却手段に用いられる冷媒との間の熱伝達係数を、該冷却手段に冷媒が供給される場合は大きい値に、該冷却手段に冷媒が供給されない場合は小さい値に設定して、温度分布の解析を行うことを特徴とする金型温度解析方法。
2. 金型モデルの適所に温度測定点を設定し、この温度測定点の温度が金型目標温度より高い場合が冷却手段に冷媒が供給される場合とし、該温度測定点の温度が金型目標温度より低い場合が冷却手段に冷媒が供給されない場合とすることを特徴とする請求項２記載の金型温度解析方法。
3. 金型モデルの適所に温度測定点を設定し、この温度測定点の温度変化に対する、冷却手段と当該冷却手段により冷却される部分との間の熱伝達係数の制御に、ＰＩＤ制御を用いることを特徴とする請求項４記載の金型温度解析方法。
4. 伝熱解析プログラムを用い、繰り返し行われる鋳造時の金型モデルの温度分布を解析する金型温度解析方法であって、該金型モデルに設けられた加熱手段と、この加熱手段により加熱される部分との間の熱伝達係数を、該加熱手段が作動される場合は大きい値に、該加熱手段が作動されない場合は小さい値に設定して、温度分布の解析を行うことを特徴とする金型温度解析方法。
5. 金型モデルの適所に温度測定点を設定し、この温度測定点の温度が金型目標温度より低い場合が加熱手段が作動される場合とし、該温度測定点の温度が金型目標温度より高い場合が加熱手段が作動されない場合とすることを特徴とする請求項４記載の金型温度解析方法。
6. 金型モデルの適所に温度測定点を設定し、この温度測定点の温度変化に対する、加熱手段と当該加熱手段により加熱される部分との間の熱伝達係数の制御に、ＰＩＤ制御を用いることを特徴とする請求項４記載の金型温度解析方法。
7. 請求項１から６のいずれか記載の金型温度解析方法を実現する金型温度解析プログラム。

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