JP2563833B2 - 鋳型の製造方法及び使用方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、鋳造用鋳型の製造方法及びそれを用いた鋳
物の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来は、特開昭61−193766号公報に記載のように凝固
計算により鋳造欠陥のない鋳物を製造するのに好適な鋳
型を製造し、それを用いて鋳物を製造するようにしてい
たので、溶湯の充てん挙動に起因する鋳造欠陥の発生に
は対応できなかつた。

また、従来は、自由表面を追跡する方法としてザ フ
イジクス オブ フルイズ（The Physics of Fluid
s）、第８巻、第12号、第2182〜2189頁（1965）に記載
のようにマーカーを用いて追跡する方法や、ジヤーナル
オブ コンピユーテーシヨナル フイジクス（J.Com
p.physics）、第39巻、第201〜225頁（1981）に記載の
ように流体の充てん率の変化を追跡する方法等のオイラ
ー座標系に基づいた方法があつた。更にあまり複雑な自
由表面の移動問題には適用できないが、ジヤーナル オ
ブ コンピユーテーシヨナル フイジクス、第５巻、第
103〜124頁（1970）に記載のようにラグランジユ座標系
に基づいた方法があつた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、溶湯の充てん挙動に起因する鋳造欠
陥の発生について考慮されておらず、ダイカストのよう
に鋳造欠陥の大部分が溶湯の充てん挙動に起因している
ような場合、十分に金型が最適化できないという問題が
あつた。

本発明の目的は、コンピユータにより溶湯の充てん挙
動を評価し、溶湯の鋳型への充てん挙動に起因する鋳造
欠陥のない鋳物を製造するのに好適な鋳型の製造及びそ
れを用いた鋳物の製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明の第１の発明は鋳用溶鋳
型の製造方法に関する発明であつて、溶融金属の鋳型へ
の充てん挙動を、鋳型のキヤビテイ空間にオイラー座標
系で表される複数の代表点を設定し、これらの代表点の
近傍点間を結ぶことで得られる直線群と、鋳型内に流入
するラグランジユ座標系でその位置が表される溶融金属
の自由表面との交点位置を数値化し、その交点位置近傍
に存在するオイラー座標系で表される代表点に属する情
報として記憶すること、別途、溶融金属の運動を支配す
るオイラー座標系で表現された方程式を自由表面の条件
が満足されるように数値的に解析することによつて得ら
れる溶融金属の速度を、オイラー座標系で表される代表
点に属する情報として同様に記憶しておくこと、この溶
融金属の速度の情報から微小時間経過後に自由表面位置
がどこに移動するかを推定し、微小時間経過後における
前記した交点位置に関する新しい位置情報を数値化して
オイラー座標系で表される代表点に属する情報として記
憶すること、この自由表面位置に関する条件を満足する
ようにあらためて溶融金属の運動を支配するオイラー座
標系で表現された方程式を数値的に解析することによつ
て溶融金属の速度を求めること、を溶融金属の充てん開
始から充てん完了まで繰返し行うことで溶融金属の鋳型
内への充てん挙動を追跡し、溶融金属の湯流れに起因す
る欠陥の発生の有無を設計段階で判定すること、及び、
前記鋳型内への溶融金属充てん挙動解析結果をもとに鋳
造条件の変更を行い、適切な鋳造条件が得られるまで鋳
型内への溶融金属充てん挙動解析を繰返すことにより鋳
造欠陥の伴わない鋳型形状を得ることを特徴とする。

本発明の第２の発明は金属の鋳造方法に関する発明で
あつて、溶融金属を鋳型に入れて成形する金属の鋳造方
法において、第１の発明の方法によつて製造した鋳型を
用いることを特徴とする。

上記目的は、コンピユータにより溶湯が鋳型を充満す
る際の溶湯の自由表面の挙動を模擬し、欠陥が発生しな
いような溶湯の充てん挙動が得られるまで鋳型形状の修
正を設計段階で繰返すことにより達成される。

自由表面の追跡は、離散化されたある時刻における溶
融金属の自由表面位置をオイラー座標系で表される空間
に固定した代表点間を結ぶ直線群とラグランジュ座標系
で表される自由表面との交点位置として前記代表点位置
における値で表し、溶融金属の運動を支配するオイラー
座標系で表現される方程式を自由表面の境界条件が満足
されるように数値的に解析することによって得られる溶
融金属の各代表点における速度をもとに微小時間経過後
のラグランジュ座標系で表された自由表面位置を計算
し、これらの操作を溶融金属の充てん開始から充てん終
了まで繰返すことによって達成される。

コンピユータにより、溶湯が鋳型を充満する際の自由
表面の挙動を模擬することは、次のような第２図に示す
方法により達成できる。すなわち第２図は自由表面の挙
動を模擬するための図である。第２図において符号１は
鋳型、２は溶湯、３は節点、４は結合線、５は自由表
面、６は交点を意味する。まず第２図のように、考えて
いる鋳型内空隙を離散化した代表点（以下節点と呼ぶ）
と節点同士を結ぶ直線（以下結合線と呼ぶ）で覆い、あ
る離散化された時刻における溶湯の自由表面と結合線の
交点を求める。この交点位置を記憶するために、すべて
の節点にその節点を端部に持つ結合線の数だけの変数
（以下位置関数と呼ぶ）を割り当る。

この関数は、対応する節点近傍が完全に溶湯で覆われ
ている時１の値を持ち、近傍に全く溶湯がない時０の値
を持つ。さて、節点の近傍に自由表面がある時、この位
置関数の値と自由表面位置との間に１対１の関係を与え
るため、まず上記手続きにより求められた交点を含む結
合線の両端にある２つの節点と交点の距離が短かい方に
ある節点に対応する位置関数として、結合線の半分の大
きさを１とした時の節点と交点の距離の大きさを持たせ
るようにする。こうすることで、位置関数は、自由表面
の位置と１対１に対応して０から１の間の値を持つ。

さて、時間の経過と共に自由表面の交点は移動して行
くが、交点の移動速度は位置関数の大きさを調べること
で自由表面がどこに存在するか正確に判定できるため自
由表面の境界条件が正確に考慮でき、従来知られている
差分法、有限要素法などの数値解析技術を用いて求める
ことができる。この速度Vt（cm/S）を用いれば、位置関
数の値が微小時間△ｔ（Ｓ）経つた後、どのような値を
持つかは次式により求められる。

但し、 Pⁿ⁺¹:時刻（ｎ＋１）△ｔにおける位置関数の値 △x:結合線の半分の距離（cm） （１）式で計算される位置関数はVtの値によつて色々
な値を取り得るが、位置関数の値が０と１の間にある場
合は（１）式の結果をそのまま微小時間後の位置関数の
値として採用する。

第３図及び第４図は自由表面の移動を説明するための
模擬図であり、各図中の符号２、４〜６は第２図と同
義、７は着目している節点、８は移動方向を意味する。

位置関数の値が０より小さくなる場合は、第３図のよ
うに自由表面が通過する場合であり、対応する節点の近
傍に溶湯がある状態からない状態へと変化し節点を越え
た位置に自由表面が移動したことを意味する。このよう
な時は、（１）式で得られる位置関数に対応する自由表
面位置すなわち交点を表現する節点に対応する位置関数
が０と１の間にあるはずであり０より小さい値となつた
位置関数は０にすれば良い。また１より大きくなる場合
は第４図のように自由表面が通過する場合であり、対応
する節点の近傍が溶湯がない状態からある状態に変化
し、節点を越えた位置に自由表面が移動したことを意味
する。それ故、（１）式で得られる位置関数に対応する
自由表面位置を表現すべき節点に対応する位置関数が０
と１の間にあるはずであり１より大きくなつた位置関数
は１にする。

以上のことをコンピユータによつて微小時間経過する
ごとに行い充てん開始から充てん完了まで繰返し行うこ
とで溶湯の充てん挙動を模擬できる。

この結果から、空気の巻込みが起こるか否か、また湯
境いが発生するかどうか等が分かり、欠陥の発生がなく
なるまでコンピユータ上で鋳型形状の修正を行うことで
鋳造欠陥が発生しない形状の鋳型が製造でき、それを用
いることで欠陥のない鋳物を製造することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されない。

実施例１ 以下、本発明の一実施例を第１図の流れ図により説明
する。

ダイカスト鋳物を製造する場合、ランナー、ゲートの
形状が適切でないと湯境いや空気の巻込みによる鋳造欠
陥が発生する。そこでまず、金型設計者が経験を基にラ
ンナー、ゲートの形状を設定する。次にその形状の場合
の溶湯充てん挙動をコンピユータにより模擬し、欠陥の
発生の有無を判定する。もし、欠陥の発生ありと判定さ
れた時は、ランナー、ゲートの形状を修正し、その修正
形状に対し再度コンピユータにより溶湯の充てん挙動を
模擬し、欠陥の発生がないと判定されるまで以上の工程
を繰返すことで金型形状の最適化を計り、それを用いて
欠陥のない鋳物を鋳造できる。

次に第１図の流れ図に従い、金型形状を最適化し、湯
境い欠陥の発生を無くした一例としてアルミニウムダイ
カスト鋳物の例を採り上げ説明する。

なお、第５図は従来の金型の開いた状態を示す平面
図、第６図は第５図の金型における湯流れ挙動をコンピ
ユータにより自由表面を追跡して得た状態図であり、符
号11は金型、12は製品キヤビテイ、13はランナー、14は
湯境い発生部、２及び５は第２図のとおりである。ま
た、第７図は本発明による金型の開いた状態を示す平面
図、第８図は第７図における湯流れ挙動をコンピユータ
により自由表面を追跡して得た最適化した状態図、符号
は前記のとおりである。

当初、第５図に示すような金型で製造していたが14の
部分に湯境い欠陥が多発していた。この金型形状の場合
について、コンピユータにより自由表面を追跡した所、
第６図に示すようにキヤビテイ内部において溶湯の流れ
が激しく乱れ溶湯の先頭がぶつかり合つており、湯境い
の発生する確率が高いことを確認した。

ゲート形状、鋳込み姿勢を種々変更し、各々の場合に
おける湯流れ挙動をコンピユータによる自由表面の追跡
により評価し最適化した。最終的に得られた金型形状を
第７図に、その際のコンピユータ解析により得られた自
由表面の位置を第８図に示す。第８図に示される流れ
は、第６図に示される流れに比較して乱れが少なく、溶
湯の先端同士が衝突することもない。

実際に、第７図に示される金型でアルミニウムダイカ
スト鋳物を製造した所、湯境い欠陥のない鋳物を製造で
きた。

〔発明の効果〕

本発明方法によれば、溶湯のように複雑な自由表面
を、コンピユータで追跡することにより、湯境い等の溶
湯の鋳型への充てん挙動に依存する鋳造欠陥のない鋳型
及び鋳物を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す流れ図、第２図〜第４
図は自由表面の挙動を模擬するための図、第５図は従来
の金型の開いた状態を示す平面図、第６図は第５図の金
型における湯流れ挙動をコンピユータにより自由表面を
追跡して得た状態図であり、第７図は本発明による金型
の開いた状態を示す平面図、第８図は第７図における湯
流れ挙動をコンピユータにより自由表面を追跡して得た
最適化した状態図である。 1:鋳型、2:溶湯、3:節点、4:結合線、5:自由表面、6:交
点、7:着目している節点、8:移動方向、11:金型、12:製
品キヤビテイ、13:ランナー、14:湯境い発生部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 則久 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 森本 庄吾 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融金属の鋳型への充てん挙動を、鋳型の
   キヤビテイ空間にオイラー座標系で表される複数の代表
   点を設定し、これらの代表点の近傍点間を結ぶことで得
   られる直線群と、鋳型内に流入するラグランジユ座標系
   でその位置が表される溶融金属の自由表面との交点位置
   を数値化し、その交点位置近傍に存在するオイラー座標
   系で表される代表点に属する情報として記憶すること、
   別途、溶融金属の運動を支配するオイラー座標系で表現
   された方程式を自由表面の条件が満足されるように数値
   的に解析することによつて得られる溶融金属の速度を、
   オイラー座標系で表される代表点に属する情報として同
   様に記憶しておくこと、この溶融金属の速度の情報から
   微小時間経過後に自由表面位置がどこに移動するかを推
   定し、微小時間経過後における前記した交点位置に関す
   る新しい位置情報を数値化してオイラー座標系で表され
   る代表点に属する情報として記憶すること、この自由表
   面位置に関する条件を満足するようにあらためて溶融金
   属の運動を支配するオイラー座標系で表現された方程式
   を数値的に解析することによつて溶融金属の速度を求め
   ること、を溶融金属の充てん開始から充てん完了まで繰
   返し行うことで溶融金属の鋳型内への充てん挙動を追跡
   し、溶融金属の湯流れに起因する欠陥の発生の有無を設
   計段階で判定すること、及び、前記鋳型内への溶融金属
   充てん挙動解析結果をもとに鋳造条件の変更を行い、適
   切な鋳造条件が得られるまで鋳型内への溶融金属充てん
   挙動解析を繰返すことにより鋳造欠陥の伴わない鋳型形
   状を得ることを特徴とする鋳造用鋳型の製造方法。
2. 【請求項２】溶融金属を鋳型に入れて成形する金属の鋳
   造方法において、該鋳造用鋳型として請求項１記載の方
   法によつて製造した鋳型を用いることを特徴とする金属
   の鋳造方法。