JP3403322B2 - 弾塑性凝固応力解析を利用したアルミニウムdc鋳造鋳型の設計方法及びその鋳型 - Google Patents
弾塑性凝固応力解析を利用したアルミニウムdc鋳造鋳型の設計方法及びその鋳型Info
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Description
鋳造鋳型の設計方法に関し、特に、アルミニウムDC鋳
造鋳型の設計において、弾塑性凝固応力解析を利用し
て、ある鋳型から完成される鋳塊形状を予測することに
より、最適な鋳塊形状を得るための鋳型を設計するため
の方法及びその鋳型に関する。ここでアルミニウムと
は、純アルミニウム金属の他、各種のアルミニウム合金
をいう。
アルミニウムを鋳型に注入し、凝固させて、目的とする
断面形状を得るための初期形状を与え、鋳型通過後は更
に冷却しつつ垂直に降下させてアルミニウムを凝固さ
せ、鋳塊を得る。
図であり、ローンダー100から溶融アルミニウム10
2を冷却水106を内部に有する鋳型104の中に注入
する。鋳造の当初はボトム・ブロック112は鋳型10
4に接しており、アルミニウムを注入するのに応じて次
第に降下させる。
鋳型104によって冷却され、それから鋳型内の冷却水
106が鋳型下方の孔からスプレー状108に流出して
鋳型から下方に突出したアルミニウム鋳塊110の側面
を急冷却する。
ーからの冷却水108による急冷却との間に、アルミニ
ウムの収縮によってエア・ギャップ114が発生してし
まうが、エア・ギャップでは上の2つに比べ冷却効果が
はるかに小さい。
ミニウム110を水によるプール116内に沈降させて
さらに緩冷却を進めてもよい。緩冷却により、鋳塊の割
れなどが少なくなる。このような鋳造方法がとられるた
め、目的とするアルミニウムの鋳塊形状は、アルミニウ
ム降下方向に垂直な断面の形状で表現される。
型の設計手法としては、従来は以下のような手法がとら
れていた。 (1)まず、目的の鋳塊と形状や大きさが近い鋳塊が得
られる既知の鋳型形状を参考にし、(2)両鋳塊の形状
や大きさの差から、鋳型形状をどのようにどれだけ変更
すればよいかを経験によって推測した後、(3)その鋳
型の形状から目的とする鋳塊形状が得られるか否かを調
べるために、試験鋳型を作成して試験鋳造を行い、
(4)この工程を何度か繰り返して、経験により鋳型の
寸法調整を行う。
85737号公報に記載されているように、アルミニウ
ムの凝固温度モデルを用いて、鋳塊内の引け巣欠陥や偏
析層の予測をし、欠陥や偏析が少ない鋳型を設計する手
法も提案されている。
手法においては、試験鋳型の作成及び試験鋳造をするた
めの費用や労力がかかること、得られた鋳塊形状と目的
の鋳塊形状との差から鋳型の形状を修正する際に、修正
量が経験的に行なわれ、必ずしも最適な形状を得ること
ができず、得られたとしても多大な時間がかかることと
いう問題が生ずる。
デルでは、組織的な欠陥の有無、位置などの情報しか予
測できないため、欠陥のない鋳塊を得るための鋳型設計
には利用できるものの、目的の鋳塊形状を得るための鋳
型形状設計には応用ができない。したがって、凝固温度
モデルを利用するのみでは、最適な鋳型形状を得ること
はできない。
アルミニウム降下方向に垂直な断面の幅方向の両端から
幅の約4分の1の場所にある2箇所について凹みが生ず
る、いわゆるガター形状(凹み)が発生していたが、従
来の手法では、このような形状になることが予測できな
かった。
縮するため、熱伝播及び凝固によるひずみ及び応力を考
慮しなければならないからである。従来の手法では、特
に凝固によるひずみ及び応力を考慮していないため、最
終的な鋳塊形状の予測が十分にはできないのである。
めになされたもので、目的とするアルミニウム鋳塊形状
を得るためのアルミニウムDC鋳造の鋳型形状を設計す
る方法及びその鋳型を提供することを目的とする。通
常、目的とする鋳塊の断面形状はできる限り正確な長方
形若しくは正方形であるが、本発明が提供するところは
これらの形状に限定されるものではない。したがって例
えば、凸型断面形状を目的鋳塊形状とする鋳型形状を設
計する際にも、本発明が応用できる。
れを冷却凝固させたときの最終的な鋳塊断面形状の予測
ができれば、これをもって試験鋳型の作成や試験鋳造に
変えることができるので、この予測方法を提供すること
も目的とする。
形状と、目的とする鋳塊断面形状との相違から、鋳型の
形状を、経験的にではなく、系統的・機械的に修正する
方法を提供することも目的とする。
めの発明は下記の発明である。
C鋳造による鋳塊形状の予測方法である。 (a)初期鋳塊形状及び冷却凝固パラメータを与えるス
テップと、(b)初期鋳塊形状を有限要素に分割するス
テップと、(c)鋳塊の降下長さをあらかじめ定めた長
さだけ増加させるステップと、(d)前記降下長さにお
ける冷却条件を計算するステップと、(e)前記有限要
素のそれぞれについて、前記冷却凝固パラメータ及び前
記冷却条件に基いて凝固温度を計算するステップと、
(f)前記有限要素のそれぞれについて前記冷却凝固パ
ラメータ、前記冷却条件及び前記凝固温度に基いて弾塑
性応力を計算するステップと、(g)前記有限要素のそ
れぞれについて、前記弾塑性応力に基いて各節点の座標
の変位を求めて節点の座標を更新するステップと、
(h)前記降下長さがあらかじめ定めた長さに達してい
ない場合は、(c)に戻って計算を繰り返すステップ
と、(i)前記降下長さがあらかじめ定めた長さに達し
ている場合は、前記鋳塊形状の外周に配置された前記有
限要素の前記節点の座標を予測される鋳塊形状として出
力するステップ。
を予測することができる。特に、アルミニウム鋳塊の製
造において表われる4分の1ガターの再現が可能であ
る。
C鋳造による鋳型形状の設計方法である。 (a)目標とする鋳塊形状を入力するステップと、
(b)鋳型形状を入力するステップと、(c)請求項2
に記載の予測方法において、前記初期鋳塊形状として前
記鋳型形状を与えることにより、鋳塊形状を得るステッ
プと、(d)前記目標とする鋳塊形状と前記得られた鋳
塊形状との差を計算するステップと、(e)前記差があ
らかじめ定めた精度内におさまらない場合には、前記計
算された差を元に前記鋳型形状を更新して(c)へ戻っ
て計算を繰り返すステップと、(f)前記差があらかじ
め定めた精度内におさまる場合には、前記鋳型形状を求
める鋳型形状として出力するステップ。
ための鋳型形状を得ることができる。
の設計方法により出力された鋳型形状を備えたDC鋳造
鋳型である。これにより、従来できなかった形状精度を
有する鋳塊を提供することができる。
する。
により説明する。図1は工程のフローチャートである。 (1)初期形状となる鋳型形状を選択し、冷却凝固に関
連する各種パラメータを与える(図1中の12)。 (2)初期鋳塊形状を鋳型形状と同じ形状として、これ
を三角形等で要素分割し、各節点の座標を得る(図1中
の13)。 (3)アルミニウム鋳塊を一定量降下させる(図1中の
14)。 (4)現在の降下長さでの冷却条件を設定する(図1中
の15)。 (5)2次元凝固温度計算を行う(図1中の16)。 (6)2次元弾塑性応力計算を行う(図1中の17)。 (7)各節点の座標の変位を求め、鋳塊形状を算出する
(図1中の18)。 (8)全体降下長さがあらかじめ定めた長さに達してい
るか調べる(図1中の19)。達していない場合は
(3)へ戻る。達した場合は次へ進む。 (9)得られた予測鋳塊形状と目標鋳塊形状を比較する
(図1中の20)。必要な精度を満たしていない場合
は、両鋳塊形状の差を鋳型形状にフィードバックして新
たな鋳型形状を構成し(図1中の21)、(2)へ戻
る。満たしている場合はこのときの鋳型形状が求める鋳
型形状である(図1中の22)。
細に説明する。以降では、目的とする鋳塊形状は一般に
長方形であることが多いので、長方形を例にとって説明
する。しかしながら、本願発明の原理から逸脱しない範
囲で、ほかの形状に対しても適用できることは明らかで
ある。
状を得ることができる鋳型形状を選択する。この鋳型形
状は、従来使用されていた鋳型の中から選択すればよ
い。この鋳型形状は、目的とする鋳型形状を以下で説明
する繰り返し計算によって得る際の初期形状となる。上
記のように断面形状が長方形の鋳塊を得るためには、鋳
型形状は略長方形となる。
する精度の鋳塊形状を得るためには、鋳型形状38を重
心39、幅方向、幅垂直方向について対称とし、図2の
ように、鋳型幅方向長さW(30)、鋳型中央部厚さG
(32)、鋳型端部厚さg(34)、中央突出部厚さE
(36)の4つのパラメータで表せばよいことがわかっ
ている。
更に分割し、例えば図3のW(40)、G(42)、g
1(44)、g2(45)、E1(46)、E2(4
7)などのように鋳型形状パラメータを必要に応じて増
やすことが可能である。このようにして、初期鋳型形状
を設定する。
状とする。以降の計算では、鋳塊の形状の冷却凝固によ
る変化を有限要素法によって求める。微小要素として
は、例えば三角形等を利用することができ、これによっ
て各節点の座標を定める。
るものには、例えば、降下長さのステップ幅、降下時間
のステップ幅、降下の速度、各要素の密度、比熱、熱伝
導度、潜熱、液相温度、固相温度、注湯温度などがあ
る。さらに、鋳型、エア・ギャップ、スプレーによる急
冷却、プールによる緩冷却のそれぞれについて熱伝達係
数、境界温度などのパラメータも与える。
あるものもある。例えば、降下長さのステップ幅と降下
の速度を与えれば、降下時間のステップ幅は簡単な割り
算で得ることができる。このように互いに依存するパラ
メータのうちどれを入力すべきとするかは、設計者に便
利なものを選択すればよい。
鋳塊の各節点の状態、例えば、液相か固相か、温度、比
熱、熱伝導度、潜熱はどれだけか、等が設定できる。
ップ幅だけアルミニウムを降下させたとして計算を進め
る。アルミニウムの降下のステップは上記降下長さのス
テップ幅から簡単に求めることができる。また、アルミ
ニウムの現在の降下長さは、これまでの降下長さのステ
ップ幅の総和である。
条件を設定する。降下の当初は鋳型による冷却が行わ
れ、降下が進むについて、エア・ギャップ、流水による
急冷却、プールによる緩冷却と進んでいくため、以下の
計算の前に、降下長さによってこれらを随時変更する必
要がある。
節点のステップ幅降下後の温度を求める。既に入力され
た境界条件や比熱などから、熱伝導方程式を有限要素法
により解けばよい。この際に利用する手法としては、例
えば等価比熱法や温度回復法などを利用することができ
る。このような方法において、数1で表わされる各節点
温度は、数2の方程式に従う。
表される形状関数の積分により、数4、数5、数6、数
7、数8によって与えられる。
式は、時間についても、クランク・ニコルソンの方法に
よって、離散化することが可能である。離散化した結果
は数9によって与えられる。これを数10に関する連立
一次方程式として解けば各節点の温度は求められる。
たら、次に2次元弾塑性応力モデルに基いて、数11に
よって表される各節点の変位を求める。
ひずみ増分理論を用いて応力・ひずみ方程式を有限要素
法で解くことになる。この場合、節点変位は数12に従
う。
義される。 弾性剛性マトリックス 数13 塑性剛性マトリックス 数14 熱ひずみ増分による弾性荷重 数15 熱ひずみ増分による塑性荷重 数16 凝固収縮ひずみ増分による弾性荷重 数17 凝固収縮ひずみ増分による塑性荷重 数18
あれば公知の手法により測定可能である。すなわち、高
温引張試験等を行ってひずみと応力の関係を得ることに
より求めることができる。具体的には、例えばグリーブ
ル試験機を用いることにより、常温以外での応力と変形
の関係についての係数及び定数を求めることができる。
に基いて今回のステップにおける節点変位を求め、新た
な節点の位置座標を計算する。この計算によって、今回
のステップだけ降下した後の鋳塊の形状が得られること
になる。あとは、必要な長さだけ降下するまで計算を繰
り返せばよい。
降下全長が1000mmから1500mm程度となると
鋳塊形状がほぼ安定することがわかっている。
して以下の条件のもとで鋳塊形状を計算した結果が図5
に示してある。鋳塊の材料として用いたアルミニウムは
JIS5182若しくはAA5182であり、目標の鋳
塊形状(横断面)は、幅2000mm、厚さ500mm
の長方形であり、降下速度は、1分あたり 50mm
であり、液相温度は 640℃、固相温度は 585
℃、注湯温度は 700℃であり、密度は、1立方cm
あたり、液相で 2. 3g、固相で 2. 7g であ
り、比熱は、1g あたり 0. 274cal であ
り、熱伝導度は、187kcal/mh℃ である。
縦軸は鋳塊幅に垂直な方向の長さ(鋳塊厚さの2分の
1)である。すなわち、グラフの各プロットは、湯面か
ら所定の長さだけ降下した位置における鋳塊の4分の1
の断面形状を表わしている。
は、現実の鋳塊に冷却過程で表われていた4分の1ガタ
ーがあらわれている。これは、従来のモデルでは説明で
きていなかった。つまり、本発明においては、鋳塊の冷
却過程における温度分布と、凝固収縮による変形とを連
動させて計算しているので、従来よりもはるかに正確な
形状予測ができるのである。
ィードバックし、目標とする鋳塊形状を得るための鋳型
形状を求める手法について説明する。得られた鋳塊の予
測形状と目的の鋳塊形状の差を計算し、その差をもとに
鋳型形状を修正する。
G、g、Eの4つのパラメータによって表現されてい
る。予測形状と目標形状とのずれの値として、たとえば
以下のような値を採用することができる。 (1)鋳塊厚さの偏差の最大値。 (2)鋳塊厚さの偏差の自乗平均。 (3)鋳塊厚さの偏差の絶対値を幅方向に積分したも
の。つまり、目的形状とずれている部分の面積。
クを行う方法を一実施例としてあげる。厚さの偏差の最
大値mができるだけ小さくなるように4つのパラメータ
W、G、g、Eにフィードバックをかけて変化させる。
データにより、上記5つの値には以下の関係があること
になる。 m = f(W, G, g, E)
を与えると鋳塊形状予測過程によってmを得ることがで
きるf関数である。このフィードバックが目的とするこ
とは、このmがあらかじめ定めた制度の誤差範囲内に納
まるようなW、G、g、Eを求めることである。
いずれの手法を適用することも可能である。これらの手
法にはW、G、g、Eを所定の値(ステップ幅)だけ変
化させるものが多い。この際には本手法における特有の
事項を考慮する必要がある。すなわち、鋳型を製作する
際の工作精度(例えば±0. 1mm)よりも小さいステ
ップ幅でパラメータを変化させる必要はない、というこ
とである。
にフィードバックを行うための一手法としては、鋳型工
作の際の精度程度、もしくはこれよりも大きなステップ
幅(それぞれ、dW、dG、dg、dEとする)でW、
G、g、Eを変化させてそれぞれの場合のmを求める。
それぞれのパラメータを変化させる、又は、させない場
合があるため、mとしては以下の16種類の値が得られ
る。 m1 = f(W, G, g, E) m2 = f(W, G, g, E+ dE) m3 = f(W, G, g+ dg, E) m4 = f(W, G, g+ dg, E+ dE) m5 = f(W, G+ dG, g, E) m6 = f(W, G+ dG, g, E+ dE) m7 = f(W, G+ dG, g+ dg, E) m8 = f(W, G+ dG, g+ dg, E+ dE) m9 = f(W+ dW, G, g, E) m10 = f(W+ dW, G, g, E+ dE) m11 = f(W+ dW, G, g+ dg, E) m12 = f(W+ dW, G, g+ dg, E+ dE) m13 = f(W+ dW, G+ dG, g, E) m14 = f(W+ dW, G+ dG, g, E+ dE) m15 = f(W+ dW, G+ dG, g+ dg, E) m16 = f(W+ dW, G+ dG, g+ dg, E+ d
E)
のを選択し、その際の各パラメータを次の計算の繰り返
しの初期値として選択すればよい。なお、次の繰り返し
では、パラメータの値によってはすでにmの値を計算し
ているものがあるのでこれを省略するとよい。
り、これに制限する意図はなく、本発明の原理から逸脱
しない範囲で同等の手法を適用することが当業者であれ
ば可能である。
ば、アルミニウムDC鋳造による鋳塊形状の予測におい
て従来不可能であった4分の1ガターを表現することが
でき、この予測方法と目標とする形状とのずれをもとに
鋳型形状をフィードバックすることにより、最適な鋳型
形状を容易に得ることができる。本発明の実施例によれ
ば、500mm×1820mmの長方形形状を得るため
の最適な鋳型形状を、図6のように得ることができた。
これによって鋳造したアルミニウム鋳塊の形状は、発明
者らが必要とする精度(±2mm以内)に納めることが
できた。
る。
である。
である。
ある。
す図である。
る。
ータ 48 鋳型形状 49 鋳型形状の重心 100 ローンダー 102 溶融アルミニウム 104 鋳型 106 鋳型内の冷却水 108 スプレー 110 凝固アルミニウム 112 ボトム・ブロック 114 エア・ギャップ 116 プール
Claims (3)
- 【請求項1】 以下のステップを備えたDC鋳造による
鋳塊形状の予測方法。 (a)初期鋳塊形状及び冷却凝固パラメータを与えるス
テップと、 (b)初期鋳塊形状を有限要素に分割するステップと、 (c)鋳塊の降下長さをあらかじめ定めた長さだけ増加
させるステップと、 (d)前記降下長さにおける冷却条件を計算するステッ
プと、 (e)前記有限要素のそれぞれについて、前記冷却凝固
パラメータ及び前記冷却条件に基いて凝固温度を計算す
るステップと、 (f)前記有限要素のそれぞれについて前記冷却凝固パ
ラメータ、前記冷却条件及び前記凝固温度に基いて弾塑
性応力を計算するステップと、 (g)前記有限要素のそれぞれについて、前記弾塑性応
力に基いて各節点の座標の変位を求めて節点の座標を更
新するステップと、 (h)前記降下長さがあらかじめ定めた長さに達してい
ない場合は、(c)に戻って計算を繰り返すステップ
と、 (i)前記降下長さがあらかじめ定めた長さに達してい
る場合は、前記鋳塊形状の外周に配置された前記有限要
素の前記節点の座標を予測される鋳塊形状として出力す
るステップ。 - 【請求項2】 以下のステップを備えたDC鋳造による
鋳型形状の設計方法。 (a)目標とする鋳塊形状を入力するステップと、 (b)鋳型形状を入力するステップと、 (c)請求項1に記載の予測方法において、前記初期鋳
塊形状として前記鋳型形状を与えることにより、鋳塊形
状を得るステップと、 (d)前記目標とする鋳塊形状と前記得られた鋳塊形状
との差を計算するステップと、 (e)前記差があらかじめ定めた精度内におさまらない
場合には、前記計算された差を元に前記鋳型形状を更新
して(c)へ戻って計算を繰り返すステップと、 (f)前記差があらかじめ定めた精度内におさまる場合
には、前記鋳型形状を求める鋳型形状として出力するス
テップ。 - 【請求項3】 請求項2に記載の鋳型形状の設計方法に
より出力された鋳型形状と同じ形状を備えたDC鋳造鋳
型。
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---|---|---|---|
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JP22551697A JP3403322B2 (ja) | 1997-08-08 | 1997-08-08 | 弾塑性凝固応力解析を利用したアルミニウムdc鋳造鋳型の設計方法及びその鋳型 |
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- 1997-08-08 JP JP22551697A patent/JP3403322B2/ja not_active Expired - Fee Related
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