JP2021053662A - 鋳造品における引け巣の発生位置の予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造品の形状データから、簡易に、鋳造品における引け巣の発生位置を予測できる予測方法を提供すること。【解決手段】凝固時に凝固収縮を生じる溶湯1を鋳型DIに注入して製造する鋳造品10における引け巣12Cの発生位置の予測方法であって、鋳造品10内に位置する内部点12Pを中心とし、鋳造品10の製品表面11に内接する仮想内接球PSの大きさRを、鋳造品10内に位置する各々の内部点12Pについて得る大きさ取得ステップS2と、仮想内接球PSの大きさRがしきい値Rrよりも大きい内部点12Pの群が占める大値領域ARを特定する領域特定ステップS4と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、鋳造品における引け巣の発生位置を予測する方法に関する。

鋳造品における引け巣の発生位置を予測する手法として、例えば特許文献１に記載の手法が知られている。この特許文献１には、例えば、解析対象となる鋳造品を多数のセルに分割した解析モデルを用い、この解析モデルにおける時間経過に伴う溶湯の凝固過程を計算し、得られた各セルの凝固時間から解析モデルにおける凝固時間分布を求め、この凝固時間分布より解析モデル内に発生した引け巣の位置と体積を求め、解析モデル内に発生した引け巣の形状を三次元表示する手法が示されている（請求項１参照）。

特開２００１−２８７０２３号公報

しかしながら、特許文献１の手法では、鋳造品を多数のセルに分割した解析モデルを用い、この解析モデルにおける時間経過に伴う溶湯の凝固過程を計算し、各セルの凝固時間から解析モデルにおける凝固時間分布を求める必要があり、計算負荷が大きく、引け巣の発生位置の予測に、時間を要していた。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、鋳造品の形状データから、簡易に、鋳造品における引け巣の発生位置を予測できる予測方法を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明の一態様は、凝固時に凝固収縮を生じる溶湯を鋳型に注入して製造する鋳造品における、引け巣の発生位置の予測方法であって、上記鋳造品内に位置する内部点を中心とし、上記鋳造品の製品表面に内接する仮想内接球の大きさを、上記鋳造品内に位置する各々の上記内部点について得る大きさ取得ステップと、上記仮想内接球の大きさがしきい値よりも大きい内部点の群が占める大値領域を特定する領域特定ステップと、を備える鋳造品における引け巣の発生位置の予測方法である。

一般に、鋳造金型などの鋳型に充填された溶湯は，温度の低下とともに液体収縮を起こす。さらに冷却が進んで溶湯の凝固が始まると凝固収縮を起こす。凝固に伴って不足した体積分の金属は、まだ液体である部位から補給される。凝固が進むにつれて液体部位からの金属の補給量が増加するが、凝固が終わりに近づくと液体部位の残分では足りなくなるため金属を補給ができなくなり、足りない分は空間（引け巣）となる。従って、引け巣は、周囲に比して、もっとも遅くまで液体部位であった溶湯の最終凝固部に発生し易い。

これに対し、上述の引け巣の発生位置の予測方法では、大きさ取得ステップで、各内部点における仮想内接球の大きさを取得する。この仮想内接球の大きさが大きい内部点は、当該内部点から製品表面までの距離が大きく、当該内部点において液体金属（溶湯）が冷えにくいことを示す。逆に、仮想内接球の大きさが相対的に小さい内部点は、当該内部点から製品表面までの距離が小さく、当該内部点において液体金属が相対的に冷え易いことを示す。

従って、領域取得ステップで、仮想内接球の大きさがしきい値よりも大きい内部点の群が占める大値領域を得ると、当該大値領域は、仮想内接球の大きさがしきい値よりも小さい周囲の部分に比して、冷えにくい内部点の群が占めている領域となる。つまり、この大値領域は、概ね、その周囲に比して遅くまで液体である領域を示し、引け巣が生じ易い領域となる。かくして、この大値領域の範囲を取得することにより、引け巣の発生位置を予測することができる。そして、この予測に当たっては、解析モデルにおける溶湯の凝固過程の計算などを要さず、鋳造品の製品表面の形状が判れば足りる。即ち、鋳造品の形状データから、簡易に、鋳造品における引け巣の発生位置を予測することができる。

なお、凝固時に凝固収縮を生じる溶湯となる金属材としては、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、亜鉛合金などのほか、Ｆｅ−Ｃｒなどの鉄合金なども挙げられる。また、鋳型としては、鋳造用の金型のほか、砂型を用いることもできる。鋳造の手法として、高圧で溶湯を鋳造用の金型内に圧入するダイキャスト法を用いるのが好ましいが、そのほか、低圧鋳造法や重力鋳造法などを採用することもできる。
また、大きさ取得ステップで取得する、仮想内接球の「大きさ」としては、仮想内接球の大きさを示す指標であれば良く、例えば、仮想内接球の半径、直径のほか、表面積、体積、基準半径に対する比率などを用いることができる。

また、領域特定ステップで用いられる、仮想内接球の「大きさ」（たとえば、仮想内接球の半径）についての「しきい値」は、鋳造品となる材質、溶湯の熱伝導率、温度、熱膨張率、凝固時の体積変化（収縮あるいは膨張の大きさ）、金型、砂型などの鋳型の材質、熱伝導率、鋳型の鋳造前温度などを考慮して、適宜の値に定めるとよい。なお容易に理解できるように、「しきい値」を大きくした場合には、「しきい値」が小さい場合に比して、金型鋳造品内に発生する大値領域の数も減少するほか、個々の大値領域に含まれる範囲が小さくなる。

また、前述の予測方法であって、前記領域特定ステップは、前記溶湯の熱伝導率が高いほど、相対的に、前記しきい値を大きい値に設定する鋳造品における引け巣の発生位置の予測方法とするのが好ましい。

溶湯をなす金属（液体）の熱伝導率が高いほど、溶湯から周囲の金型などの鋳型に向けて脱熱し易く、溶湯が速く冷却されて速く凝固する。そこで、溶湯の熱伝導率が高いほど、「しきい値」を大きい値に設定し、大値領域の範囲を狭くすると良い。速く凝固すると、溶湯がその場で凝固収縮するにとどまるため微小気孔が残存しやすく、最終的に顕在化する引け巣の大きさが小さくなり、引け巣が形成され得る範囲が狭くなるためである。逆に、溶湯の熱伝導率が低いほど、溶湯が冷却されにくくなり凝固の進行が遅くなるので、「しきい値」を小さい値に設定し、大値領域の範囲を広くすると良い。溶湯が徐々に凝固すると、溶湯の凝固収縮に伴う体積の不足分が、周囲の液体金属（溶湯）から補給されやすく、最終的に顕在化する引け巣の大きさが大きくなる傾向にあり、しかも、引け巣の形成される位置がばらつきやすいためである。

更に前述の予測方法であって、前記鋳造品は鋳造用の金型を用いる金型鋳造品であり、前記領域特定ステップは、前記金型の熱伝導率が高いほど、相対的に、前記しきい値を大きい値に設定する金型鋳造品における引け巣の発生位置の予測方法とするのが好ましい。

また鋳造用の金型の熱伝導率が高いほど、金型からその周囲に向けて熱が逃げやすく、溶湯が速く冷却されて速く凝固する。そこで、前述の溶湯をなす金属（液体）の熱伝導率が高い場合と同じく、「しきい値」を大きい値に設定し、大値領域の範囲を狭くすると良い。逆に、鋳造用の金型の熱伝導率が低いほど、溶湯が徐々に凝固する。そこで、前述の溶湯をなす金属（液体）の熱伝導率が低い場合と同じく、「しきい値」を小さい値に設定し、大値領域の範囲を広くすると良い。

実施形態に係り、金型に溶湯を鋳込んで形成した引け巣を有する金型鋳造品を示す説明図である。 実施形態に係り、（ａ）は金型鋳造品の断面形状を示し、（ｂ）は（ａ）に一点鎖線で示す拡大領域Ｅ１において、金型鋳造品内の各内部点での仮想内接球を想定した状態を示し、（ｃ）は（ｂ）に一点鎖線で示す拡大領域Ｅ２内の金型鋳造品の各内部点について得られた、仮想内接球の半径値Ｒの分布を示す、説明図である。 実施形態に係り、金型鋳造品における引け巣発生位置を予測する手法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、金型ＤＩに溶湯１を鋳込んで形成した金型鋳造品１０を示す。金型ＤＩは、第１金型ＤＩ１と第２金型ＤＩ２とが組み合わされてなり、湯口ＤＩＩを経由して内部空間に溶湯１を圧入し冷却する、いわゆるアルミダイカスト法により、金型鋳造品１０が形成される。
この金型ＤＩ（第１金型ＤＩ１，第２金型ＤＩ２）は、例えば、炭素鋼（Ｓ５０Ｃ，Ｓ４５Ｃなど）、鋳鉄（例えば、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ））、鋳鋼、熱間工具鋼（ＳＫＤ６１，ＳＫＤ６など）の材質からなる。本実施形態では、金型ＤＩは、ＳＫＤ６１である。

一方、金型鋳造品１０は、ダイカスト可能で凝固時に凝固収縮を生じる溶湯となる材料、アルミニウム合金、例えば、マグネシウムや銅を添加したアルミニウム合金（例えば、ＡＤＣ１，ＡＤＣ５など）、マグネシウム合金、亜鉛合金などが用いられる。本実施形態では、ＡＤＣ１２を用いている。

この金型ＤＩに構成された空洞ＤＩＶに、アルミニウム合金を溶解した溶湯１を圧入し冷却すると、金型ＤＩに接した表面１１付近から内部に向かって、溶湯１が徐々に凝固する。溶湯１（液状のアルミニウム合金）も特有の熱膨張係数に従って収縮するが、この凝固の際、アルミニウム合金は大きく凝固収縮する。このため、前記したように、凝固に伴って不足した体積分のアルミニウム合金は、まだ液体（溶湯１）である部位から補給されるが、凝固が終わりに近づくと、残っている液体（溶湯１）では足りなくなるため、足りない分は引け巣（空間）１２Ｃとなる。このように、引け巣１２Ｃは、周囲に比して、もっとも遅くまで液体部位であった溶湯１の最終凝固部に発生し易い。このため、図１において、引け巣１２Ｃ（１２ＣＡ，１２ＣＢ）は、金型鋳造品１０のうち、厚み（上下方向寸法）が厚くなった部位の中央部分に形成されている。また、２つの引け巣１２ＣＡ，１２ＣＢのうち、金型鋳造品１０の厚みが相対的に厚い右側の部位に形成された引け巣１２ＣＢの方が、左側の引け巣１２ＣＡに比して相対的に大きくなりがちである。周囲に存在するアルミニウム合金（溶湯１）の体積が多いため、凝固収縮による体積の不足分が多くなるからである。

以上のような引け巣１２Ｃの発生理由を考察すると、引け巣１２Ｃは、周囲に多量の溶湯１が存在し、金型ＤＩからの距離が遠く、冷えにくく液体状態を長く保つ部位に生じ易いことが推測される。このことから、金型鋳造品１０の内部１２のうち或る内部点１２Ｐの冷えにくさは、当該内部点１２Ｐを中心点ＰＳＣとし、表面１１に少なくとも一点の内接点ＰＳＩで内接する仮想内接球ＰＳを考えた場合の、仮想内接球ＰＳの大きさ、たとえば、仮想内接球の半径値Ｒ（中心点ＰＳＣと内接点ＰＳＩとの距離）と、正の相関を有していると考えられることに想到した。仮想内接球ＰＳが大きい（半径値Ｒが大きい）場合には、内部点１２Ｐから金型鋳造品１０の表面１１従って金型ＤＩまでの距離が遠く、鋳造時には、周囲に多量の溶湯１が存在している部位であり、冷えにくいと考えられる。一方、内部点１２Ｐを中心とした仮想内接球ＰＳが小さい（半径値Ｒが小さい）場合には、内部点１２Ｐから金型鋳造品１０の表面１１従って金型ＤＩまでの距離が近く、鋳造時に周囲に存在する溶湯１が少なく、冷えやすい部位であると考えられるからである。

従って、金型鋳造品１０内の各内部点１２Ｐについて、仮想内接球ＰＳの半径値Ｒを得た上で、半径値Ｒが基準半径値Ｒｒよりも大きい内部点１２Ｐの範囲を得ることで、金型鋳造品１０において、引け巣１２Ｃの生じ易い部位を特定できると考えられる。

図２を参照して説明する。ここでは、図２（ａ）に示す断面形状を有する金型鋳造品１０を例として説明する。このうち、拡大領域Ｅ１について図２（ｂ）に示すと、まず、金型鋳造品１０の内部１２の各内部点１２Ｐについて、この内部点１２Ｐを中心点ＰＳＣとし、金型鋳造品１０の表面１１に少なくとも１点の内接点ＰＣＩで内接する仮想内接球ＰＳを仮想し、その半径値Ｒを得る。これを各内部点１２Ｐについて行う。

すると、例えば図２（ｂ）において一点鎖線で示す拡大領域Ｅ２については、図２（ｃ）に示すような半径値Ｒの分布が得られる。この分布から、適切に定めた基準半径値Ｒｒを越える半径値Ｒを有する範囲を予測領域ＡＲとすることができる。ここで例えば、図２（ｃ）において、第１基準半径値Ｒｒ１を越える半径値Ｒを有する範囲を、第１予測領域ＡＲ１とすることができる。また、第１基準半径値Ｒｒ１よりも小さな第２基準半径値Ｒｒ２を越える半径値Ｒを有する範囲を、第２予測領域ＡＲ２とすることもできる。

ついで、この予測領域ＡＲの取得手順について、図３のフローチャートを参照して説明する。まずステップＳ１（形状データ取得工程）で、金型鋳造品１０の形状データを、ＣＡＤデータなどから取得する。

ついで、ステップＳ２（半径値取得工程）で、仮想内接球ＰＳの半径値Ｒを取得する。具体的には、まず、或る内部点１２Ｐにおける仮想内接球ＰＳの半径値Ｒを算出する。具体的には、内部点１２Ｐと金型鋳造品１０の表面１１のうち、当該内部点１２Ｐに最も近い内接点ＰＳＩとの距離を半径値Ｒとして得る（ステップＳ２１）。次いで、当該内部点１２Ｐにおける半径値Ｒを記憶する（ステップＳ２２）。

さらにステップＳ２３では、すべての内部点１２Ｐについて、半径値Ｒを取得したか否か判断する。ここでＮｏ、即ち未だ半径値Ｒを未取得の内部点１２Ｐが存在する場合には、ステップＳ２４に進み、新たな内部点１２Ｐを指定し、ステップＳ２１に戻る。一方、ステップＳ２３でＹｅｓ、即ち、未だ半径値Ｒを未取得の内部点１２Ｐが存在しない場合には、ステップＳ３に進む。これにより、金型鋳造品１０のすべての内部点１２Ｐについて、半径値Ｒが得られたことになる。

ステップＳ３の基準半径値設定工程では、基準半径値Ｒｒを設定する。
本実施形態では、次のようにして基準半径値Ｒｒを設定する。即ち、ステップＳ３１において、溶湯材料、即ち金型鋳造品の材質を選択する。具体的には、例えば、溶湯１の熱伝導率が高い溶湯材料ほど、相対的に、基準半径値Ｒｒを大きい値に設定して、予測領域ＡＲの大きさを狭くする。溶湯１をなす金属（液体）の熱伝導率が高いほど、溶湯１から周囲の金型ＤＩに向けて脱熱し易く、溶湯１が速く冷却されて速く凝固するので、金型鋳造品１０内に微小気孔（図示しない）が残存しやすい。このため、最終的に顕在化する引け巣１２Ｃの大きさが小さくなり、かつ、引け巣１２Ｃが形成され得る範囲が狭くなるからである。逆に、溶湯１の熱伝導率が低いほど、溶湯１が冷却されにくくなり凝固の進行が遅くなるので、基準半径値Ｒｒを小さい値に設定し、予測領域ＡＲ域の範囲を広くする。溶湯１が徐々に凝固すると、溶湯１の凝固収縮に伴う体積の不足分が、周囲の液体金属（溶湯１）から補給されやすく、最終的に顕在化する引け巣１２Ｃの大きさが大きくなる傾向にある。また、引け巣１２Ｃの形成される位置がばらつきやすいためである。

次いで、ステップＳ３２において、使用する金型材料の材質を選択する。具体的には、例えば、金型ＤＩに用いる材料の熱伝導率が高いほど、前述の溶湯材料の熱伝導率が高い場合と同じく、相対的に、基準半径値Ｒｒを大きい値に設定して、予測領域ＡＲの大きさを狭くする。金型ＤＩからその周囲に向けて熱が逃げやすく、溶湯１が速く冷却されて凝固するからである。逆に、金型ＤＩの材料の熱伝導率が低いほど、溶湯１が徐々に凝固する。そこで、前述の溶湯材料の熱伝導率が低い場合と同じく、相対的に、基準半径値Ｒｒを小さい値に設定して、予測領域ＡＲの大きさを広くする。

ステップＳ３３では、ステップＳ３１で選択した溶湯１の材質及びステップＳ３２で選択した金型ＤＩの材質に応じた基準半径値Ｒｒを設定する。具体的には、例えば、第１基準半径値Ｒｒ１や、これよりも小さな第２基準半径値Ｒｒ２を選択する。

次いで、ステップＳ４において、ステップＳ２で半径値Ｒを得た内部点１２Ｐのうちから、基準半径値Ｒｒ以上の半径値Ｒを有する内部点１２Ｐの群が占める予測領域ＡＲを抽出する。具体的には、例えば、第１基準半径値Ｒｒ１以上の半径値Ｒを有する内部点１２Ｐの群が占める第１予測領域ＡＲ１を抽出する。また、第２基準半径値Ｒｒ２以上の半径値Ｒを有する内部点１２Ｐの群が占める第２予測領域ＡＲ２を抽出する。なお、図２（ｃ）に示すように、第２予測領域ＡＲ２は、第１予測領域ＡＲ１を内部に含む、これよりも広い領域となる。

この予測領域ＡＲは、金型鋳造品１０における引け巣１２Ｃが発生すると予測される領域となっている。特に、第１予測領域ＡＲ１及び第２予測領域ＡＲ２は、溶湯１の材質及び金型ＤＩの材質の違いに応じた領域となっている。以上のように、この手法によれば、金型鋳造品１０の形状データを取得すれば、予測領域ＡＲ（第１，第２予測領域ＡＲ１，ＡＲ２）を取得することができ、簡易に、金型鋳造品における引け巣の発生位置を予測することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、仮想内接球ＰＳの「大きさ」を示す指標として、仮想内接球ＰＳの半径値Ｒを用い、ステップＳ２（ステップＳ２１）でこの半径値Ｒを取得した。しかし、これに限らず、仮想内接球ＰＳの直径値や、体積値、表面積値などを取得するようにしても良い。
また本実施形態では、金型鋳造品１０の材質として、アルミニウム合金を用いたが、凝固時に凝固収縮を生じる他の鋳造用合金（マグネシウム合金、亜鉛合金、銅合金など）を用いることもできる。また、鋳造に当たり、金型ＤＩを用いたが、鋳型として、砂型を用いることもできる。

ＤＩ 金型
ＤＩ１ 第１金型
ＤＩ２ 第２金型
１ 溶湯
１０ 金型鋳造品
１１ （金型鋳造品の）表面（製品表面）
１２ （金型鋳造品の）内部
１２Ｃ，１２ＣＡ，１２ＣＢ （金型鋳造品の内部に形成された）引け巣
１２Ｐ （金型鋳造品データ像の）内部点
ＰＳ 仮想内接球
ＰＳＣ （仮想内接球の）中心
Ｒ （仮想内接球の）半径値
Ｒｒ，Ｒｒ１，Ｒｒ２ 基準半径値（しきい値）
ＡＲ，ＡＲ１，ＡＲ２ 予測領域（大値領域）
Ｓ１ 形状データ取得工程
Ｓ２ 半径値取得工程（大きさ取得ステップ）
Ｓ３ 基準半径値設定工程
Ｓ４ 領域抽出工程（領域特定ステップ）

Claims (1)

1. 凝固時に凝固収縮を生じる溶湯を鋳型に注入して製造する鋳造品における、引け巣の発生位置の予測方法であって、
   上記鋳造品内に位置する内部点を中心とし、上記鋳造品の製品表面に内接する仮想内接球の大きさを、上記鋳造品内に位置する各々の上記内部点について得る大きさ取得ステップと、
   上記仮想内接球の大きさがしきい値よりも大きい内部点の群が占める大値領域を特定する領域特定ステップと、を備える
   鋳造品における引け巣の発生位置の予測方法。

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