JP2020146713A - 抱付力評価方法及び収縮量評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造装置の金型に対する鋳造品の抱付力等を精度よく評価する。【解決手段】先ず、線膨張係数取得工程Ｓ１において、金属材からなる溶湯の線膨張係数を実測によって求める。次に、収縮量取得工程Ｓ２において、線膨張係数取得工程Ｓ１で求めた線膨張係数に基づき、溶湯が鋳造品（凝固品）に変化したときの収縮量を求める。さらに、抱付力評価工程Ｓ３において、収縮量を歪みとして応力を求め、前記応力を抱付力と評価する。なお、歪みに相当する収縮量から応力を求めるには、材料モデルを用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、金属材からなる溶湯が凝固して得られる鋳造品の、キャビティを形成する金型に対する抱付力を評価する抱付力評価方法、及び、キャビティに充填された溶湯からの収縮量を評価する収縮量評価方法に関する。

鋳造加工は、複数個の金型同士が当接して形成されるキャビティ内に溶湯を充填し、該溶湯を凝固させて鋳造品（成形品）を得る手法として周知であり、広汎に実施されるに至っている。ここで、キャビティ内で得られた鋳造品を取り出すには、先ず、金型同士を離間させる。この際、１個の金型（通常、位置決め固定された固定型）に鋳造品が付着している。このため、鋳造装置には、金型から鋳造品を脱離させるための複数個のエジェクタピンが設けられる。

すなわち、エジェクタピンは金型に対して摺動し、その先端が該金型から突出するように露呈する。この露呈に伴って鋳造品がエジェクタピンから押圧を受け、その結果、該鋳造品が金型から離脱する。エジェクタピンは、例えば、その直径が十分に大きく設定されること等で、この押圧に対して十分な剛性を有するように設計される。

しかしながら、鋳造品の金型に対する抱付力が予測（評価）に反して大きくなり、このため、一部のエジェクタピンに大きな反力が作用することがあり得る。このような場合、鋳造品を金型から離脱させることが困難となる。これとは逆に、抱付力が評価よりも過度に小さいと、直径が過度に大きく設定されたエジェクタピンを動作させるために大きなエネルギを付与する大型の駆動装置が必要となり、不経済である。このような観点から、鋳造品の金型に対する抱付力を予測することが要請されている。

鋳造品の歪みや応力を解析する手法として、特許文献１に記載された解析方法が知られている。

特開２０１５−１３２５６４号公報

本発明者らの鋭意検討によれば、特許文献１記載の解析方法を実施してもなお、抱付力が大きく評価される。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、抱付力を適正に評価することが可能な抱付力評価方法、及び、鋳造品の溶湯からの収縮量を適正に評価することが可能な収縮量評価方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、金属材からなる溶湯を鋳造装置のキャビティ内で凝固させることで得られる鋳造品の、前記キャビティを形成する金型に対する抱付力を評価する抱付力評価方法であって、
測定装置のキャビティに溶湯を充填して前記溶湯が凝固するときの収縮量を測定し、測定された前記収縮量に基づいて前記金属材の線膨張係数を求める線膨張係数取得工程と、
前記線膨張係数に基づいて前記溶湯が前記鋳造品に変化したときの収縮量を求める収縮量取得工程と、
材料モデルを用いて前記収縮量を歪みとして応力を求め、前記応力を抱付力と評価する抱付力評価工程と、
を有する抱付力評価方法が提供される。

また、上記に準じて鋳造品の収縮量を評価することも可能である。すなわち、本発明の別の一実施形態によれば、金属材からなる溶湯を鋳造装置のキャビティ内で凝固させることで得られる鋳造品の、前記溶湯からの収縮量を評価する収縮量評価方法であって、
測定装置のキャビティに溶湯を充填して前記溶湯が凝固するときの収縮量を測定し、測定された前記収縮量に基づいて前記金属材の線膨張係数を求める線膨張係数取得工程と、
前記線膨張係数に基づいて前記溶湯が前記鋳造品に変化したときの収縮量を求める収縮量取得工程と、
を有する収縮量評価方法が提供される。

本発明によれば、線膨張係数を実測によって求めるので、溶湯が凝固する前後での収縮量を精度よく評価することができる。この収縮量を、応力−歪み曲線の歪みとして応力を求め、該応力を、金型に対する抱付力として評価する。収縮量が精度よく評価されているので、抱付力も精度よく評価される。

評価された抱付力に基づき、鋳造装置の設計時、如何なる程度の剛性を有するエジェクタピンを設ければよいかを精度よく判断することができる。従って、鋳造品を金型から容易に離脱させることが可能なエジェクタピンを設けることができる。しかも、該エジェクタピンを駆動させるための駆動装置として適切な大きさのものを選定することが可能となるので、大型の駆動装置を設けることで鋳造装置が大型化することを回避し得るとともに、コストの低廉化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る抱付力評価方法の概略フローである。 線膨張係数を求めるための測定装置の概略側面断面図である。 Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルの２５℃における応力−歪み曲線である。 Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルの２００℃における応力−歪み曲線である。 Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルの２５０℃における応力−歪み曲線である。 Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルの３００℃における応力−歪み曲線である。 Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルの３５０℃における応力−歪み曲線である。 Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルの４００℃における応力−歪み曲線である。 Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルの４５０℃における応力−歪み曲線である。

以下、本発明に係る収縮量評価方法につき、抱付力評価方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る抱付力評価方法の概略フローである。この抱付力評価方法は、線膨張係数取得工程Ｓ１と、収縮量取得工程Ｓ２と、抱付力評価工程Ｓ３とを有する。なお、本実施の形態に係る収縮量評価方法は、抱付力評価方法の一部であり、線膨張係数取得工程Ｓ１、収縮量取得工程Ｓ２を行うことで実施することができる。

従来、鋳造装置の設計に際しては、同一種の金属材の線膨張係数は一定であることを前提としている。本発明者らは、この前提が、抱付力の過大評価又は過小評価の一因となっていると推察した。そこで、線膨張係数取得工程Ｓ１において、金属材の線膨張係数を実測する。

線膨張係数取得工程Ｓ１では、金属材からなる溶湯が凝固するときの線膨張係数を求める。図２に、そのための測定装置１０を示す。該測定装置１０は、基台１２と、略直方体形状をなす下型１４及び上型１６（いずれも金型）とを有し、これら下型１４及び上型１６によってキャビティ１８が形成される。下型１４及び上型１６の素材や、キャビティ１８に臨む部位の表面粗さは、鋳造品を工業的に作製する鋳造装置の金型の素材、キャビティ１８に臨む部位の表面粗さに整合させることが好ましい。下型１４及び上型１６の素材としては、例えば、合金工具鋼が挙げられる。

下型１４には、複数箇所に熱電対２０が設置される。熱電対２０の先端はキャビティ１８に臨み、このため、キャビティ１８内の溶湯Ｍの温度を常時測定することが可能である。一方の上型１６には、溶湯Ｍをキャビティ１８に注湯するための湯口２２及び湯道２４が形成される。

基台１２の、下型１４及び上型１６の長手方向端部に対向する位置には支持板２６ａ、２６ｂがそれぞれ立設されるとともに、各支持板２６ａ、２６ｂに第１台座２８ａ、第２台座２８ｂが設けられる。第１台座２８ａには第１レーザ送受信器３０ａが位置決め固定され、第２台座２８ｂにも同様に第２レーザ送受信器３０ｂが位置決め固定される。また、支持板２６ａ、２６ｂには、第１変位棒３２ａ、第２変位棒３２ｂが変位可能に支持される。これら第１変位棒３２ａ、第２変位棒３２ｂは石英ガラスからなり、第１レーザ送受信器３０ａ、第２レーザ送受信器３０ｂに臨む各一端には、第１反射板３４ａ、第２反射板３４ｂが設けられる。第１レーザ送受信器３０ａ及び第１反射板３４ａ、第２レーザ送受信器３０ｂ及び第２反射板３４ｂは、それぞれ、樹脂カバー３６で覆われる。

第１変位棒３２ａ、第２変位棒３２ｂの他端は、キャビティ１８内に挿入されている。従って、第１変位棒３２ａ、第２変位棒３２ｂの他端は、キャビティ１８に充填された溶湯Ｍで覆われるとともに、その後に溶湯Ｍが凝固すると、鋳造品である凝固品の内部に埋入される。

以上の構成において、熱電対２０、第１レーザ送受信器３０ａ及び第２レーザ送受信器３０ｂは、演算回路及び制御回路を兼ねるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３８に電気的に接続されている。

線膨張係数取得工程Ｓ１は、このように構成された測定装置１０を用い、以下のようにして実施される。

はじめに、第１レーザ送受信器３０ａ及び第２レーザ送受信器３０ｂを起動し、各々からレーザ光Ｂを送信する。レーザ光Ｂは第１反射板３４ａ、第２反射板３４ｂで反射され、第１レーザ送受信器３０ａ及び第２レーザ送受信器３０ｂに戻る。第１レーザ送受信器３０ａ及び第２レーザ送受信器３０ｂは、戻ってきたレーザ光Ｂを受信する。ＰＣ３８は、送信開始から受光開始までの経過時間に基づき、第１レーザ送受信器３０ａから第１反射板３４ａまでの距離、及び第２レーザ送受信器３０ｂから第２反射板３４ｂまでの距離を個別に算出する。

この状態で、例えば、アルミニウム合金等の金属材からなる溶湯Ｍを、湯口２２から注湯する。溶湯Ｍは、湯道２４を経由してキャビティ１８に到達し、蓄積される。換言すれば、溶湯Ｍのキャビティ１８への充填がなされる。この充填により、第１変位棒３２ａ、第２変位棒３２ｂの他端が溶湯Ｍで覆われる。なお、注湯量は、溶湯Ｍの液面が湯道２４の途中となる程度で差し支えない。また、溶湯Ｍの温度は、複数個の熱電対２０によって常時検出され、情報としてＰＣ３８に送信される。

注湯後、溶湯Ｍを自然冷却する。この冷却に伴って溶湯Ｍが凝固するとともに、第１変位棒３２ａ、第２変位棒３２ｂの他端が凝固品の内部に埋入される。

溶湯Ｍは、凝固して凝固品に変化する最中に体積収縮を起こす。従って、キャビティ１８の長手方向端部では、第１変位棒３２ａ、第２変位棒３２ｂが収縮する溶湯Ｍに引っ張られて第１レーザ送受信器３０ａ、第２レーザ送受信器３０ｂから離間する方向に直線的に変位する。このため、第１レーザ送受信器３０ａ及び第２レーザ送受信器３０ｂにおいて、送信開始から受光開始までの経過時間が注湯前よりも長くなる。

ここで、石英ガラスは、その熱膨張率が小さい。このため、第１変位棒３２ａ及び第２変位棒３２ｂの収縮量は、溶湯Ｍが凝固する際の収縮量に比して無視し得るほどに小さい。このため、第１変位棒３２ａ、第２変位棒３２ｂの変位量を、溶湯Ｍの収縮量であると評価することができる。

体積収縮が終了すると、第１変位棒３２ａ、第２変位棒３２ｂの変位も終了する。その結果、第１レーザ送受信器３０ａ及び第２レーザ送受信器３０ｂにおいて、送信開始から受光開始までの経過時間が一定となる。ＰＣ３８は、このときまでの溶湯Ｍ（凝固品）の温度変化及び経過時間と、第１変位棒３２ａ及び第２変位棒３２ｂの変位距離とを求める。そして、温度変化量（降温量）と経過時間に基づいて降温速度が算出され、凝固前の距離と凝固前後での変位距離に基づいて線膨張係数が算出される。以上により、熱電対２０が設けられた部位毎に降温速度及び線膨張係数が取得される。

必要に応じ、下型１４及び上型１６として素材やキャビティ１８に臨む面の表面粗さが相違するものを用い、上記の線膨張係数取得工程Ｓ１を行う。例えば、下型１４又は上型１６の少なくともいずれか一方を断熱材からなるものに変更すればよい。この場合、鋳造装置で作製される鋳造品の肉厚部位における線膨張係数を評価することができる。なお、下型１４及び上型１６の双方が合金工具鋼からなる場合、鋳造装置で作製される鋳造品の薄肉部位における線膨張係数が評価される。

次に、収縮量取得工程Ｓ２を行う。すなわち、ＰＣ３８は、凝固品の温度分布と、求めた線膨張係数とに基づき、該凝固品における収縮量を算出する。また、型開きを行って凝固品を取り出し、実収縮量を測定する。その結果、算出された収縮量は実収縮量に略合致し、その誤差は１％以下であった。これに対し、公知の線膨張係数を用いて算出された収縮量は実収縮量の約３倍であり、誤差は１６６％であった。

この収縮量取得工程Ｓ２までを行うことにより、鋳造装置にて得られる鋳造品の収縮量を温度毎に評価することができる。実測によって求めた線膨張係数に基づいて収縮量を評価するので、収縮量に関する評価結果が精確になるという利点がある。しかも、下型１４及び上型１６を、素材等が異なるものに変更した場合、鋳造品において厚みが相違する部位の収縮量を評価することが可能となる。

次に、抱付力評価工程Ｓ３を行う。この際には、材料モデルを用いる。材料モデルとしては、弾性モデル、弾塑性モデル、弾塑性クリープモデル等が公知であるが、Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルを用いることが好ましい。この場合、実測値との誤差が小さい評価結果が得られるからである。

Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルでは、シミュレーションにより、任意の温度における応力−歪み曲線が歪み速度毎に得られる。一例として、２５℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃において歪み速度が１０^-2／秒、１０^-3／秒、１０^-4／秒であるときの応力−歪み曲線を、引っ張り試験によって得られた実測結果と併せて図３〜図９にそれぞれ示す。ただし、図３では、歪み速度が１０^-3／秒であるときのみを示している。また、破線がＯｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルによるシミュレーションにて求められた応力−歪み曲線であり、実線が実測によって求められた応力−歪み曲線である。

これら図３〜図９から、２５℃〜４５０℃（特に２００℃〜４００℃）の広い温度領域において、Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルによるシミュレーションにて求められた応力−歪み曲線が、実測にて得られた応力−歪み曲線と精度よく合っていることが分かる。

収縮量取得工程Ｓ２で評価された収縮量は、応力−歪み曲線における歪みに相当する。また、降温速度は歪み速度に近似し得る。従って、所定の温度における抱付力は、以下のようにして評価することができる。すなわち、例えば、２５℃での抱付力を評価する場合、先ず、２５℃における収縮量を歪みとし、図３に示されるグラフのＸ軸上にプロットする。

次に、このプロット点から、降温速度に近い歪み速度における応力−歪み曲線に向かって垂線Ｌ１を引く。さらに、この垂線Ｌ１と応力−歪み曲線の交点Ｐから、グラフのＹ軸に向かって水平線Ｌ２を引く。Ｌ２のＹ軸座標値は応力であるが、この応力を、当該温度における溶湯Ｍの抱付力であると評価することができる。従って、室温まで降温した鋳造品の抱付力を求めるときには、Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルの室温における応力−歪み曲線を用いればよい。

上記したように、Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルによって求められた応力−歪み曲線は、実測で得られた応力−歪み曲線に精度よく近似する。従って、抱付力を高精度に評価することができる。また、下型１４及び上型１６を、素材等が異なるものに変更して線膨張係数を求めた場合、鋳造品において厚みが相違する部位の抱付力を評価することが可能となる。

このようにして評価された抱付力に基づき、鋳造装置の設計時、エジェクタピンとして如何なる程度の剛性を有するものとすればよいかを部位毎に判断することができる。従って、鋳造品を金型から容易に離脱させることが可能なエジェクタピンを設けることができる。しかも、該エジェクタピンを駆動させる駆動装置として、適切な大きさのものを選定することが容易となる。このため、大型の駆動装置を設けることで鋳造装置が大型化することを回避し得るとともに、コストの低廉化を図ることができる。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、Ｏｈｎｏ−Ｗａｎｇモデル以外の材料モデルを用いるようにしてもよい。

１０…測定装置 １４…下型
１６…上型 １８…キャビティ
２０…熱電対 ３０ａ、３０ｂ…レーザ送受信器
３２ａ、３２ｂ…変位棒 ３４ａ、３４ｂ…反射板
３８…パーソナルコンピュータ Ｍ…溶湯

Claims (5)

1. 金属材からなる溶湯を鋳造装置のキャビティ内で凝固させることで得られる鋳造品の、前記キャビティを形成する金型に対する抱付力を評価する抱付力評価方法であって、
   測定装置のキャビティに溶湯を充填して前記溶湯が凝固するときの収縮量を測定し、測定された前記収縮量に基づいて前記金属材の線膨張係数を求める線膨張係数取得工程と、
   前記線膨張係数に基づいて前記溶湯が前記鋳造品に変化したときの収縮量を求める収縮量取得工程と、
   材料モデルを用いて前記収縮量を歪みとして応力を求め、前記応力を抱付力と評価する抱付力評価工程と、
   を有する抱付力評価方法。
2. 請求項１記載の評価方法において、前記材料モデルとしてＯｈｎｏ−Ｗａｎｇモデルを用いる抱付力評価方法。
3. 請求項１又は２記載の評価方法において、前記測定装置の金型の素材を変更し、それぞれでの前記金属材の線膨張係数を測定する抱付力評価方法。
4. 金属材からなる溶湯を鋳造装置のキャビティ内で凝固させることで得られる鋳造品の、前記溶湯からの収縮量を評価する収縮量評価方法であって、
   測定装置のキャビティに溶湯を充填して前記溶湯が凝固するときの収縮量を測定し、測定された前記収縮量に基づいて前記金属材の線膨張係数を求める線膨張係数取得工程と、
   前記線膨張係数に基づいて前記溶湯が前記鋳造品に変化したときの収縮量を求める収縮量取得工程と、
   を有する収縮量評価方法。
5. 請求項４記載の評価方法において、前記測定装置の金型の素材を変更し、それぞれでの前記金属材の線膨張係数を測定する収縮量評価方法。

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