JP2016087684A

JP2016087684A - 収縮量測定装置

Info

Publication number: JP2016087684A
Application number: JP2014228985A
Authority: JP
Inventors: 直生粕谷; Nao Kasuya; 健至勝間; Kenji Katsuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2016-05-23

Abstract

【課題】キャビティ内での溶融材料の凝固時の収縮量を測定できる収縮量測定装置を提供する。
【解決手段】収縮量測定装置１は、キャビティ２内に配置される測定子１５と、該測定子１５から一体的に該測定子１５より小さい開口部１０を通じて金型２の壁部２ａ内に延び、軸方向に移動自在の取付シャフト部１６及び主シャフト部１７と、金型２の壁部２ａ内に配置され、測定子１５を開口部１０を塞ぐように付勢する圧縮コイルバネ１８と、主シャフト部１７に連結され、収縮時の測定子１５の変位に伴う主シャフト部１７の軸方向の変位量を測定する測定部１９とを備え、圧縮コイルバネ１８の付勢力は、溶融材料の凝固時の収縮力よりも小さいので、キャビティ内での溶融材料の凝固時の収縮量を測定できることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型内のキャビティに充填される溶融材料の凝固時の収縮量を測定する収縮量測定装置に関するものである。

一般に、ダイカスト鋳造では、ＣＡＥにより、溶融材料として金属溶湯の凝固時の変形解析、すなわち、金型（鋳造型）の温度変化から粗材の温度変化を算出して、凝固時の収縮量を予測することにより、最適な粗材の形状や鋳造条件を検討している。しかしながら、従来においては、実際にキャビティ内での金属溶湯の凝固時の収縮量を測定できる有効なセンサーが存在しないために、ＣＡＥによる変形解析結果を検証することができず、その変形解析結果に対する信頼性が欠けていた。

つまり、一般的な変位センサーとして、先端に位置する測定子（接触子）と、測定子から一体的に延び、軸方向に移動自在なシャフト部と、シャフト部の軸方向の変位量により測定対象物の変位量を測定する測定部とを備えたものがある。そして、キャビティ内での金属溶湯の凝固時の収縮量を測定する際この変位センサーを用いた場合、測定子をキャビティ内に配置するために、金型の壁部にシャフト部を挿通するための開口部を設ける必要がある。しかしながら、キャビティ内に金属溶湯を充填すると、金属溶湯がこの開口部から金型の壁部内に流れ込む、という問題が発生してしまう。

ところで、型内の材料の凝固時の収縮量を測定するための従来技術として、次の例が挙げられる。特許文献１には、型枠の両端にゲージプラグを移動自在に取り付け、各々のゲージプラグの一端を型枠内に打ち込んだセメント系材料の内部に埋設すると共に、各々のゲージプラグの他端を型枠の外側に突出し、突出した他端の移動量を変位計で測定し、この測定値に基づいてセメント系材料の自己収縮量を求めるセメント系材料の自己収縮測定装置が開示されている。

特開２００１−１４１７２４号公報

しかしながら、特許文献１の発明においても、前後の側壁テフロンシートに、ゲージプラグの連結ロッドが挿通される孔が設けられており、ダイカスト鋳造において、キャビティ内における金属溶湯の凝固時の収縮量を測定する際に、この特許文献１の発明を採用しても、この孔から金属溶湯が金型の壁部内に流れ込む虞がある。つまり、ダイカスト鋳造では、セメントに比べて、高温、高圧で粘性の低い金属溶湯（例えば、アルミ溶湯は水と同等の粘性）を鋳込むために、金属溶湯が孔の僅かな隙間から金型の壁部内に流れ込む虞があり、上述した問題を解決することができない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、キャビティ内での溶融材料の凝固時の収縮量を測定することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の発明は、金型内のキャビティに充填される溶融材料の凝固時の収縮量を測定する収縮量測定装置であって、前記キャビティ内に配置される測定子と、該測定子から一体的に該測定子より小さい開口部を通じて金型の壁部内に延び、軸方向に移動自在のシャフト部と、前記金型の壁部内に配置され、前記測定子を前記開口部を塞ぐように付勢する弾性部材と、前記シャフト部に連結され、収縮時における前記測定子の変位に伴う前記シャフト部の軸方向の変位量を測定する測定部と、を備え、前記弾性部材の付勢力は、溶融材料の凝固時の収縮力よりも小さいことを特徴とするものである。
請求項１の発明では、キャビティ内に溶融材料を充填する際には、弾性部材により、測定子が、金型のシャフト部が挿通される開口部周辺の壁面に密着されて、測定子によりその開口部を塞ぐので、キャビティ内に充填された溶融材料が、開口部を通じて金型の壁部内に流れ込むことを抑制することができる。さらに、キャビティ内に溶融材料が充填された後、溶融材料が測定子を含むように凝固され収縮すると、測定子が金型の開口部周辺の壁面から離間する方向に変位すると共にシャフト部が軸方向に変位する。これにより、シャフト部の変位量を測定部で測定することができ、ひいては、キャビティに充填される溶融材料の凝固時の収縮量を測定することができる。

また、弾性部材の付勢力は、単に測定子により開口部を塞ぐ程度の大きさであって、溶融材料の凝固時の収縮力よりもはるかに小さいものであり、凝固時の収縮により、測定子の、金型の開口部周辺の壁面から離間する方向への変位を妨げることはない。すなわち、弾性部材の付勢力は、凝固時の収縮による、測定子の、金型の開口部周辺の壁面から離間する方向への変位に対して無視できる大きさである。

さらに、上記課題を解決するために、金型内のキャビティに充填される溶融材料の凝固時の収縮量を測定する収縮量測定方法として、前記キャビティ内に測定子を配置して、該キャビティ内に溶融材料を充填する際には、前記測定子から一体的に該測定子より小さい開口部を通じて金型の壁部内に延び、軸方向に移動自在のシャフト部を、凝固時の収縮力よりも付勢力が小さい弾性部材により付勢することで、前記測定子が前記開口部を塞ぎ、溶融材料の凝固時には、収縮時における測定子の変位に伴う前記シャフト部の軸方向の変位量を測定して、凝固時の収縮量を測定する収縮量測定方法を採用することができる。

本発明によれば、キャビティ内での溶融材料の凝固時の収縮量を測定することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る収縮量測定装置の外観図、及び金型断面図である。図２は、粗材の凝固時の収縮量を測定する際の、本収縮量測定装置の配置の実施例を示した斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図１及び図２に基づいて詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係る収縮量測定装置１は、金型２内に形成されるキャビティ３内に、金属溶湯や樹脂等の溶融材料、ここでは金属溶湯を充填した後、金属溶湯の凝固時の収縮量を測定するためのものである。なお、本収縮量測定装置１は、例えば、５０ＭＰａのダイカスト鋳造において、キャビティ３内に金属溶湯を充填した後、金属溶湯の凝固時の収縮量を測定する装置に適用することができる。また、金型２は、キャビティ３内の金属溶湯の凝固時の収縮量を測定するための、専用の金型２として構成される。

図１に示すように、金型２の壁部２ａには、その外壁面（キャビティ３側とは反対側の壁面）から、平面視略円形状の大径凹部８が所定深さで凹設される。大径凹部８の底部８ａから連続するように、平面視略円形状の小径凹部９が所定深さで凹設される。小径凹部９の底部９ａに、キャビティ３と小径凹部９とが連通するようにして平面視円形状の開口部１０が形成される。

本収縮量測定装置１は、キャビティ３内に配置される測定子１５と、該測定子１５から一体的に延びる取付シャフト部１６と、該取付シャフト部１６と接続されて金型２の壁部２ａ内に延び、軸方向に移動自在の主シャフト部１７と、金型２の壁部２ａ内に配置され、測定子１５を、金型２の開口部１０を塞ぐように付勢する弾性部材としての圧縮コイルバネ１８と、主シャフト部１７に連結され、収縮時における測定子１５の変位に伴う主シャフト部１７の軸方向の変位量を測定する測定部１９と、を備えている。なお、上述した取付シャフト部１６及び主シャフト部１７が、特許請求の範囲に記載したシャフト部に相当する。本収縮量測定装置１は、その測定子１５がキャビティ３内に配置されるように金型２の壁部２ａ内からその外方に亘って配置されて、該測定部１５が支持部材１２に対して図示しない適切な支持構造より取り付けられる。

測定子１５は、軸方向一端に設けた大径面２１及び軸方向他端に設けた小径面２２を備えた截頭円錐状に形成される。測定子１５の小径面２２の外径は、金型２に設けた開口部１０の径よりも大きく形成される。測定子１５には、その小径面２２の径方向中央部位から取付シャフト部１６が一体的に延びている。該取付シャフト部１６が主シャフト部１７の一端に接続される。該取付シャフト部１６が金型２の壁部２ａに設けた開口部１０に挿通される。開口部１０の内壁面と、取付シャフト部１６の外壁面との間には、取付シャフト部１６が開口部１０を軸方向に移動自在となるように、クリアランス２４が形成されている。

主シャフト部１７はその他端が測定部１９に接続され、軸方向に移動自在に構成される。主シャフト部１７の外壁面にはバネ受け部２５が外方に突設される。該バネ受け部２５は環状を呈している。該バネ受け部２５と、金型２の壁部２ａに設けた小径凹部９の底部９ａとの間に、圧縮コイルバネ１８が配置されている。圧縮コイルバネ１８及び主シャフト部１７は、金型２の壁部２ａ内の小径凹部９から大径凹部８内に亘って配置される。そして、圧縮コイルバネ１８の付勢力により、主シャフト部１７をキャビティ３から遠退する方向に付勢している。また、圧縮コイルバネ１８の付勢力は、金属溶湯の凝固時の収縮力（金属溶湯の収縮を受けて測定子１５がキャビティ３側に引き込まれる力）よりもはるかに小さく、凝固時の収縮による、測定子１５の、金型２の開口部１０周辺の壁面２ｂから離間する方向への変位に対して無視できる大きさである。なお、本実施形態では、弾性部材として圧縮コイルバネ１８を採用したが、板バネや合成樹脂製の円筒状部材等を採用してもよい。

測定部１９は、主シャフト部１７の軸方向への変位量を測定するものである。測定部１９の内部には、主シャフト部１７の軸方向への変位量を測定するための変位検出機構２６と、主シャフト部１７を測定部１９から伸長する方向に付勢するスプリング２７とを概略備えている。測定部１９は、金型２の壁部２ａに設けた大径凹部８内からその外方に向かって配置され、支持部材１２に図示しない支持構造より取り付けられる。測定部１９の端部にケーブル２８が接続されている。測定部１９の変位検出機構２６とケーブル２８とが電気的に接続される。該ケーブル２８を通じて測定部１９の変位検出機構２６からの検出結果が外部機器（図示略）に送信される。なお、測定部１９内のスプリング２７の付勢力は、圧縮コイルバネ１８の付勢力よりも小さく設定される。

そして、本収縮量測定装置１を、その測定子１５がキャビティ３内に配置されるように、金型２の壁部２ａ内からその外方に亘って配置して、支持部材１２により支持する。この時、取付シャフト部１６の外壁面と、金型２の開口部１０の内壁面との間にはクリアランス２４が設けられ、取付シャフト部１６を含む測定子１５及び主シャフト部１７は軸方向に沿って移動自在になる。その結果、圧縮コイルバネ１８の付勢力により、主シャフト部１７をキャビティ３から遠退する方向に付勢するので、測定子１５の小径面２２が、金型２の開口部１０周辺の壁面２ｂに密着して、測定子１５により金型２の開口部１０を塞ぐようになる（図１の状態）。

図１の状態において、キャビティ３内に金属溶湯を充填する。この時、金型２の開口部１０は測定子１５により塞がれているので、金属溶湯は開口部１０を経由して金型２の壁部２ａ内に流れ込むことはない。その後、測定子１５周辺の金属溶湯が凝固して収縮し始めると、測定子１５が金型２の開口部１０周辺の壁面２ｂから離間する方向に変位する。そして、測定子１５と共に変位した主シャフト部１７の軸方向の変位量を、測定部１９により測定することで、金属溶湯の凝固時の収縮量を測定することができる。なお、この収縮量は、金属溶湯が凝固し始めてからの収縮量を時間の経過と共に測定しており、経過時間に対する収縮量（一連の収縮プロセス）を把握することができる。また、測定子１５は、截頭円錐状に形成され、しかも、小径面２２が金型２の壁面２ｂ側に配置されるので、測定子１５の外周に金属溶湯が周り込むことで、凝固時には、その収縮方向に測定子１５を容易に追従させることができる。このように、測定子１５は、凝固時の収縮量を測定子１５の変位量に容易に置換できる形状を採用したほうがよい。例えば、測定子１５を円柱状に形成して、その外壁面に、金属溶湯が入り込む環状溝部を形成してもよい。

次に、本収縮測定装置１の配置の一実施例を、金属溶湯が凝固してなる粗材３０と対応させて図２に基づいて説明する。粗材３０は、例えば、一方の短手側部３１ａと他方の長手側部３１ｂとからなるＬ字状部３１と、該Ｌ字状部３１の長手側部３１ｂの先端に一体的に接続される円柱部３２とからなる。この粗材３０に対して、矢印Ａの方向（収縮が発生すると考えられる方向）の収縮量を測定する場合には、本収縮量測定装置１（図２では圧縮コイルバネ１８は図示略）の向きを矢印Ａの方向に一致させ、その測定子１５が、粗材３０のＬ字状部３１の一方の短手側部３１ａの端面に近接する壁部内に位置するように、金型２の壁部２ａ内に配置する。また、矢印Ｂの方向の収縮量を測定する際には、複数の本収縮量測定装置１の向きをそれぞれ矢印Ｂの方向に一致させ、各測定子１５が、一方の短手側部３１ａと他方の長手側部３１ｂとの接続部の延長線付近で、一方の短手側部３１ａの表面に近接する壁部内に位置するように、金型２の壁部２ａ内に配置する。そして、本収縮量測定装置１の測定子１５が、金属溶湯の凝固に伴い粗材３０に鋳込まれ、矢印Ａの方向及び矢印Ｂの方向に沿う、凝固時の時間経過に伴う収縮量を測定することができる。要するに、本収縮量測定装置１により、粗材３０の凝固時の収縮量を測定する際には、本収縮量測定装置１を、その測定子１５が、予め収縮が発生すると予想される方向に指向する向きで配置することが重要となる。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る収縮量測定装置１では、特に、金型２の小径凹部９の底部９ａと、主シャフト部１７のバネ受け部２５との間に圧縮コイルバネ１８を配置して、該圧縮コイルバネ１８の付勢力により、主シャフト部１７をキャビティ３から遠退する方向に付勢して、測定子１５により金型２の開口部１０を塞ぐようにしている。これにより、キャビティ３内に金属溶湯を充填した際、金属溶湯が開口部１０を経由して金型２の壁部２ａ内に流れ込むことはない。しかも、圧縮コイルバネ１８の付勢力は、金属溶湯の凝固時の収縮力よりもはるかに小さく、凝固時の収縮による、測定子１５の、金型２の開口部１０周辺の壁面２ｂから離間する方向への変位に対して無視できる大きさである。これにより、測定子１５周辺の金属溶湯が凝固して収縮し始めると、測定子１５が抵抗なく金型２の開口部１０周辺の壁面２ｂから離間する方向に変位して、測定子１５と共に変位する主シャフト部１７の変位量を測定部１９により測定することができ、凝固時の収縮量を測定することができる。

そして、本収縮量測定装置１により、凝固時の実際の変形メカニズムを解明して、その変形メカニズムを、ＣＡＥによる変形解析結果と比較することで、ＣＡＥによる変形解析結果を検証することができる。これにより、ＣＡＥによる変形解析結果の精度を向上させ、その信頼性を向上させることできる。そして、ＣＡＥによる変形解析結果に基づいて、不良の発生を抑制することができる、粗材の形状や鋳造条件を導き出すことができる。

１収縮量測定装置，２金型，２ａ壁部，２ｂ壁面，３キャビティ，１０開口部，１５測定子，１６取付シャフト部（シャフト部），１７主シャフト部（シャフト部），１８圧縮コイルバネ（弾性部材），１９測定部，２６変位検出機構

Claims

金型内のキャビティに充填される溶融材料の凝固時の収縮量を測定する収縮量測定装置であって、
前記キャビティ内に配置される測定子と、
該測定子から一体的に該測定子より小さい開口部を通じて金型の壁部内に延び、軸方向に移動自在のシャフト部と、
前記金型の壁部内に配置され、前記測定子を前記開口部を塞ぐように付勢する弾性部材と、
前記シャフト部に連結され、収縮時における前記測定子の変位に伴う前記シャフト部の軸方向の変位量を測定する測定部と、を備え、
前記弾性部材の付勢力は、溶融材料の凝固時の収縮力よりも小さいことを特徴とする収縮量測定装置。