JP4501845B2

JP4501845B2 - 鋳造解析装置及び鋳造解析方法

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Publication number: JP4501845B2
Application number: JP2005321361A
Authority: JP
Inventors: 浩之生田; 詔一土屋; 健二羽座
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-11-04
Also published as: JP2007125593A

Description

本発明は、射出装置及び金型により形成される溶湯の流動可能な空間内において射出装置から射出された溶湯の湯流れ停止位置をコンピュータ解析し出力する鋳造解析装置及び鋳造解析方法に係り、特に鋳造装置の装置能力を考慮して湯流れ停止位置を精度良く解析し、この空間内における湯回り不良による溶湯の未充填部を正確に予測することができる鋳造解析装置及び鋳造解析方法に関する。

金型に形成されたキャビティ内に溶湯を射出、充填する際に、この射出された溶湯の湯先が、キャビティの末端に到達する前に凝固することがある。そしてこの溶湯の凝固により、たとえ射出装置により溶湯を加圧しても、それ以上溶湯が流動せずにキャビティ内に溶湯の未充填部を形成する、いわゆる湯回り不良が発生することがある。この湯回り不良は、金型及び射出装置により形成される溶湯の流動可能な空間（溶湯の流動空間）の形状及び鋳造条件に起因するものであり、所望の製品に合わせて、湯回り不良が発生しないように、この溶湯の流動空間を決定し最適な形状の金型を設計し、最適な鋳造条件で鋳造することは重要な課題である。

そこで、このような課題を鑑みて、従来から実際の鋳造時における溶湯の挙動を再現すべくＣＡＥ(Computer Aided Engineering)により数値解析（鋳造解析）を行い、この解析結果を反映させて、キャビティ内の湯回り不良が発生しないように最適な金型を設計し、鋳造することが一般的に行われている。このような鋳造解析は、まず、鋳造時における溶湯の流動空間を微小要素に分割してモデル化し、差分法、有限要素法などの数値解析手法を用いて、解析モデルに初期条件、境界条件等を与え、これらの条件に基づいて連続の式、ナビエ・ストークスの式などの流体の式から各要素における流動する溶湯の速度及び圧力を演算し、さらに熱伝導方程式から流動する溶湯の温度、固相率を演算することにより、キャビティ内における溶湯の停止位置を解析している。

その一例として、型内に溶融金属を充填させて成形品を生産するプロセスにおける流動凝固解析方法において、前記成形品の形状および成形に使用する型の形状から微小要素に分割された解析形状モデルを作成し、このモデルに鋳造条件として射出装置からの射出速度を初期条件として与えることにより微小要素内の溶湯金属の速度、圧力、温度、固相率を所定の時間間隔毎に繰返し演算し、湯先における溶融金属の固相率が１００％の状態となる場合には、これ以上溶湯が流動ぜず湯回り不良が発生したと判定する流動凝固解析方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２０００−２７１７３４号公報

しかし、このような解析方法を用いて解析を行った結果、たとえ、キャビティ内において溶湯の未充填部なく良品の鋳造品が鋳造されるような条件が得られたとしても、この条件に基づいて実際の鋳造を行うと、キャビティ内の末端部に湯回り不良が発生することがあり、解析結果により得られた湯流れ停止位置と実際の湯流れ停止位置とが相違することがあった。

そして、鋳造時の湯流れを精度良く解析するために、溶湯の流動速度場と圧力場の演算に、ナビエ・ストークスの法則、ダルシー則、オリジナルのモデル式などの様々な構成式を適用して湯流れ停止位置を解析したとしても、前記の如き湯流れ停止位置の相違は画期的に解消されるものではなかった。

本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであって、その目的とするところは、鋳造時における溶湯の湯流れ停止位置を精度良く解析し、キャビティ内における湯流れ不良による溶湯の未充填部を正確に予測することができる鋳造解析装置及び鋳造解析方法を提供することにある。

上述の目的を達成すべく、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、実際の鋳造においてキャビティ内に溶湯の未充填部が発生するにも拘わらず、解析上ではキャビティ内全てに溶湯が充填されてしまうのは、湯流れの解析に用いるモデル式の問題ではなく、実際の射出装置の装置能力を加味して解析を行っていないことによるものであると考えた。

すなわち、これまでの射出装置を用いて鋳造を行う鋳造解析において、射出装置から解析モデルに与える条件としては、射出速度のみであり、射出装置の加圧能力については、解析条件として加味されていなかった。具体的には、実際の鋳造においては、溶湯がこの流動空間内を流動するために必要な加圧力（溶湯の流動抵抗圧力）が射出装置の加圧能力（最大加圧力）以上である場合には、射出装置はそれ以上溶湯を流動させることができないという制限が課せられるものであり、発明者らは、この射出装置の加圧能力を鋳造解析に反映させることにより、精度良くキャビティ内の溶湯の湯流れ停止位置を解析することができるとの知見を得た。

本発明は、本発明者らが得た上記の新たな知見に基づくものであり、本発明に係る鋳造解析方法は射出装置及び金型により形成される溶湯の流動可能な空間の形状を設定し、前記射出装置が所定の射出速度条件で射出する際の前記空間内を流動する溶湯の圧力を少なくとも演算することにより、前記空間において射出装置から射出された溶湯の湯流れ停止位置をコンピュータ解析する鋳造解析方法であって、該鋳造解析方法は、前記演算において、前記射出装置が射出可能な最大加圧力と、前記演算された溶湯の圧力のうち前記射出装置に作用する前記溶湯の流動抵抗圧力とを、比較し、該流動抵抗圧力が前記最大加圧力以上であると判定した場合には前記演算を終了し、該演算結果に基づいて前記空間内の溶湯の湯流れ停止位置を解析する処理をさらに含むことを特徴としている。

尚、本発明に係る「溶湯の流動可能な空間」とは、金型により形成されたキャビティ及び方案部、射出装置内（射出スリーブ内）の溶湯が充填される空間、などの溶湯が流れる可能性のある閉空間をいう。また、本発明に係る「射出装置が射出可能な最大加圧力」は、射出装置が溶湯を加圧することができる最大推力を、射出装置を構成するプランジャが溶湯に接触する部分の面積（正確には、射出方向に対するプランジャの断面積）で除算した圧力であり、具体的には射出装置の射出能力に依存した値である。たとえば、実際に鋳造において射出装置に油圧ユニットが使用されている場合には、この油圧ユニットを構成する油圧ポンプの能力に依存した値である。また、本発明に係る「流動抵抗圧力」は、解析において演算される、プランジャの射出方向前方にある溶湯を流動させるのに必要な圧力であり、解析において、プランジャを所定の射出速度で移動させたときに、このプランジャに作用する溶湯の圧力に相当する。

このような圧力の判定によって演算を終了させる処理は、キャビティを含む流動空間内の湯先の凝固率が低くキャビティ末端部に向って溶湯が流動可能な状態であっても、油圧ユニットの加圧能力の不足により、プランジャを射出方向に溶湯を流動させることができない実機の現象に一致しているので、本発明の如きこのような構成にすることにより、鋳造時における溶湯の湯流れ停止位置を精度良く解析し、キャビティを含む流動空間内における湯流れ不良による溶湯の未充填部を正確に予測することができる。そして、この予測に基づいて、湯流れ不良が発生しないように、ＣＡＥにより最適な金型の設計を行うことが可能となる。

また、別の態様としては、この演算により求めた流動抵抗圧力から、射出装置により溶湯が流動し得る必要加圧力を求めることも可能であり、この場合には、この必要加圧力を有する射出装置を実際の鋳造時に選定して鋳造を行えば、上記の如く金型の設計変更等を行うことなく、好適な鋳造を行うことができる。

また本発明に係る鋳造解析では、前記最大加圧力として、前記射出装置の射出速度に依存した最大加圧力を用いることがより好ましい。すなわち、実機における射出装置の最大加圧力は、射出速度によって変化する（例えば、油圧ポンプの場合には、射出速度が大きくなるに従ってポンプ吐出量が増加し、この結果、ポンプ圧力の減少により射出装置の最大加圧力は減少する）ので、このような値を用いることで、より精度よく湯流れ停止位置を解析することができる。

さらに、この発明の鋳造解析方法では、前記流動抵抗圧力として、前記射出装置の射出方向に作用する溶湯の圧力の分布を演算し、該演算した圧力分布の圧力を平均した値を用いることが好ましい。本発明に係る「射出装置に作用する溶湯の圧力の分布」とは、具体的には、溶湯により射出装置を構成するプランジャの射出方向前方の端面に作用する圧力の分布である。そして、この圧力分布を求めるにあたっては、例えば、射出装置及び金型により形成される溶湯の流動可能な空間を、複数の要素に分割し、鋳造時における該各要素内の溶湯の圧力を演算し、この各要素の圧力のうち、プランジャに作用する射出方向の各要素の圧力を演算することにより得ることができる。このような流動抵抗圧力を用いることにより、簡易的に正確な溶湯の湯流れを演算することができる。

さらに、上記の鋳造解析方法を効果的に実施することのできる装置として、本発明は、射出装置及び金型により形成される溶湯の流動可能な空間の形状を設定し、前記射出装置が所定の射出速度条件で射出する際の前記空間内を流動する溶湯の圧力を少なくとも演算することにより、前記空間内において射出装置から射出された溶湯の湯流れ停止位置をコンピュータ解析する鋳造解析装置であって、前記鋳造解析装置は、前記空間内を流動する溶湯の圧力を少なくとも演算する演算手段を備え、該演算手段は、前記射出装置が射出可能な最大加圧力と、前記演算された溶湯の圧力のうち前記射出装置に作用する前記溶湯の流動抵抗圧力とを、比較し、該流動抵抗圧力が前記最大加圧力以上であると判定した場合には前記演算手段の演算を終了させる圧力判定手段をさらに備えることを特徴とする鋳造解析装置をも開示する。このような装置構成にすることにより、鋳造時における溶湯の湯流れ停止位置を精度良く解析し、キャビティを含む流動空間内における湯流れ不良による溶湯の未充填部を正確に予測することができる。

さらに圧力判定手段は、前記最大加圧力に、前記射出装置の射出速度に依存した最大加圧力を用いて判定することがより好ましく、この前記圧力判定手段は、前記射出装置の射出方向に作用する溶湯の圧力の分布を演算し、該圧力の分布の平均値を、流動抵抗圧力として判定するものであることがより好ましく、このような構成とすることにより、湯流れ停止位置の精度をさらに向上させることができる。

本発明による鋳造解析方法及びその装置によれば、鋳造時における溶湯の湯流れ停止位置を精度良く解析し、キャビティを含む溶湯の流動可能な空間内における湯流れ不良による溶湯の未充填部を正確に予測することができる。そして、この予測の結果に基づいて、最適な金型の形状及び最適な鋳造条件を得ることができる。

以下に添付の図面を参照して、本発明に鋳造解析装置及びその方法の一実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る鋳造解析方法を行うための解析モデルの一例を説明するための図であり、図２は、図１の解析モデルの解析を行うための装置構成を説明するための図であり、図３は、図２の鋳造解析装置の一例を示した解析ブロック図であり、図４は、図１の解析モデルのＡ部の拡大図であり、図５は、射出装置の最大加圧力を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態に係る鋳造解析方法は、鋳造装置１の金型２に形成されるキャビティ８Ａを含む溶湯が流動可能な空間（溶湯の流動空間）８内において射出装置５から射出された溶湯９の湯流れ停止位置を解析するものである。具体的には、本実施形態の鋳造解析方法においては、固定型２Ａ及び可動型２Ｂからなる金型２と、プランジャ５Ａ、スリーブ５Ｂ及び油圧ユニット５Ｃからなる射出装置５と、により形成される溶湯の流動可能な空間（溶湯の流動空間）８の形状を解析モデルとして設定し、有限要素法または差分法などの解析手法により解析を行うために、このモデル化されたキャビティ８Ａを含む溶湯の流動空間８を複数の要素（例えば図４の８ａ，８ｂ，…）に分割し、各要素に対して後述する材料条件、境界条件、及び初期条件等の諸条件を与え、これらの条件に基づいて、各要素内の溶湯の速度、圧力、温度、及び固相率などの溶湯の状態を演算し、この演算結果に基づいて、キャビティ８Ａを含む溶湯の流動空間８内において射出装置５から射出された溶湯９の挙動及び湯流れの停止位置を解析している。

図２及び３には、このような鋳造解析を行うに好適な鋳造解析装置の一例を示している。図２に示すように鋳造解析装置１０は、ＲＡＭ，ＲＯＭを有した記憶部３０及びＣＰＵを有した演算部（演算手段）４０を主に備え、記憶部３０は入力装置２０からの入力データを記憶するようになっており、演算部４０は、この記憶したデータに基づいて、固定型２Ａ及び可動型２Ｂならなる金型２と、射出装置５とにより形成される溶湯の流動可能な空間（溶湯の流動空間）８内を流れる溶湯９の状態を演算し、演算された溶湯９の状態（湯流れ停止位置を含む）を表示装置５０に出力するようになっている。

具体的には、図３に示すように、記憶部３０は、入力装置２０から入力されたデータを記憶し、この記憶されたデータを必要に応じて演算部４０に出力するものであって、この記憶部３０は、要素に分割された溶湯の流動空間の形状、材料条件（溶湯、金型、及び射出装置の物性値等）、境界条件（金型と溶湯の熱伝達係数等）、初期条件（鋳造装置の射出速度、金型、射出装置、及び溶湯の初期温度等）、鋳造装置の最大加圧力などのデータを記憶し、後述する演算部４０を構成する各手段４１〜４４及び後述する手段４７にこれらのデータが出力されるようになっている。尚、記憶部３０に入力するデータとして、溶湯の流動空間８は、既に複数の要素（図４に示すような８ａ，８ｂ，８ｃ）に分割されたものを入力しているが、入力装置２０から溶湯の流動空間８を記憶部３０に入力し、演算部４０が以下の演算前に、この空間８を複数の要素に分割するようにしてもよい。

また、演算部４０は、溶湯の流動空間８内の湯流れ停止位置を含む溶湯の状態を解析処理すべく、この分割された各要素内の溶湯の流動速度を演算する速度演算手段４１、各要素内の溶湯の圧力を演算する圧力演算手段４２、各要素内の溶湯の温度を演算する温度演算手段４３、各要素内の溶湯の固相率を演算する固相率演算手段４４を備えている。さらに、演算部４０は、これら演算手段４１〜４４により演算された結果に基づいて、演算手段４１〜４４の演算の続行を判定する手段として湯先流動判定手段４５、充填判定手段４６、及び圧力判定手段４７を備えている。

速度演算手段４１及び圧力演算手段４２は、射出装置５が溶湯９を射出する射出速度、溶湯の固相率等から、溶湯の流動空間８内における溶湯の流動速度及び圧力を演算するものであり、具体的には、溶湯をニュートン流体と仮定して連続の式及びナビエ・ストークスの法則を利用して、差分法により各要素内における溶湯の速度及び圧力を演算している。

温度演算手段４３は、時間変化に伴う溶湯の温度を演算するものであり、一般的な熱伝導方程式を用いて、要素間及び境界への熱の移動量から、各要素内における溶湯の温度を演算している。また、固相率演算手段４４は、液相線温度以上の領域では固相率を０％、固相線温度以下では固相率を１００％とし、固相線温度以上かつ液相線温度以下の固液共存領域では溶融金属の温度から固相率を演算している。

そして、これらの演算手段４１〜４４により演算された結果に基づいて、さらに演算手段４１〜４４の行う演算を一連の演算として、演算手段４１〜４４は、射出速度に依存した経過時間（タイムステップ）毎に、繰り返し行う（図中の（※））ようになっている。

湯先流動判定手段４５は、固相率演算手段４４により演算された固相率に基づいて、射出装置５により射出された溶湯の湯先９Ａが流動可能であるか否かを判定するものであり、湯先９Ａが凝固し（固相率が１００％に近い）、射出装置５により溶湯９を加圧してもそれ以上溶湯が流動しないと判定した場合には、これら演算手段４１〜４４の演算を終了させ、これまでに演算した結果に基づいて流動空間８内の溶湯の湯流れ停止位置を含む溶湯９の充填状態を解析処理し、表示装置５０へ出力する。

また、充填判定手段４６は、これらの演算手段４１〜４４の演算により得られた結果から、キャビティ８Ａを含む流動空間８内の溶湯の流れを解析し、金型２が形成するキャビティに完全に充填されたか否かを判定するものであり、充填されたと判定した場合には、これら演算手段４１〜４４の演算を終了させ、該演算結果に基づいてキャビティ８Ａを含む溶湯の流動空間８内の溶湯の湯流れ停止位置を出力し、充填されていないと判定した場合には、これらの演算手段４１〜４４の演算を続行させる。尚、この充填判定手段４６により、充填されたと判定した場合には、解析した溶湯に湯回り不良がなく良品の鋳造品が鋳造可能であると判断することができる。また、これまでに示した演算手段４１〜４４による演算及び判定手段４５，４６による判定は、当業者が行うことができる鋳造解析における一般的な方法であるため、詳細な説明は省略している。

さらに、本実施形態では、演算部４０に圧力判定手段４７を設けており、この圧力判定手段４７は、圧力演算手段４２により演算された圧力に基づいて、これらの演算手段４１〜４４の演算の演算を続行すべきかどうかの判定を行う。具体的には、射出装置５が射出可能な最大加圧力Ｐｍと、演算された溶湯の圧力のうち射出装置に作用する前記溶湯の流動抵抗圧力Ｐｆとを、比較し、流動抵抗圧力Ｐｆが最大加圧力Ｐｍ以上であると判定した場合には前記した繰り返しの演算を終了させ、これまでに演算した結果に基づいて流動空間８Ａ内の溶湯の湯流れ停止位置を含む溶湯９の充填状態を解析処理し、表示装置５０へ出力する。

この流動抵抗圧力Ｐｆは、図４に示すように、射出装置５を構成するプランジャ５Ａを所定の射出速度で移動させたときに、プランジャ５Ａに作用する圧力であり、圧力判定手段４７は、プランジャ５Ａの射出方向前方の要素（８ａ，８ｂ・・・）のうち、プランジャと接触している要素内における溶湯の圧力（Ｐ１〜Ｐ７）の平均値を算出している。本解析は、プランジャ５Ａからの射出速度条件を与えることにより、プランジャ界面の溶湯が移動することを前提として解析するものであり、この条件により演算されたプランジャに接触する各要素内の射出方向に作用する溶湯の圧力の総和が、溶湯を流動させるに必要な力とみなすことができ、この溶湯を流動させるに必要な力は、溶湯の流動抵抗力に相当する。そして、本発明の「射出装置に作用する溶湯の流動抵抗圧力」とは、本実施形態におけるこの圧力Ｐ１〜Ｐ７に相当し、「圧力分布」とは、この圧力Ｐ１〜Ｐ７の分布に相当する。なお、ここでは、圧力Ｐ１〜Ｐ７の圧力の平均値を求めることにより、簡易的に正確な溶湯の流動抵抗圧力を演算することができるが、例えばスリーブ５Ｂ内の他の要素における湯流れ方向の溶湯圧力を用いてもよく、圧力の平均値ではなく、各圧力から溶湯の流動抵抗力を求めて、射出装置の推力と比較してもよい。

また、射出装置５が射出可能な最大加圧力Ｐｍは、射出装置５を構成する油圧ユニット５Ｃが溶湯９に加圧可能な最大の加圧力であり、油圧ユニット５Ｃの加圧能力によって決定される圧力である。具体的には、射出装置５の最大推力を、プランジャが溶湯９に接触する部分の面積で除算した値である。また、図５（ａ）に示すように、実際の鋳造では、射出装置５の射出速度は、溶湯９がスリーブ５Ｂ内に１００％充填されるまでは（鋳造開始からＴ２まで）は小さく、さらにこのスリーブ５Ｂ内の充填された溶湯９がキャビティ８Ａ内に充填される段階では、その速度を大きくするように制御されており、この射出速度の変化に伴って、図５（ｂ）に示すように射出装置５の最大加圧力Ｐｍは変化する。よって、この最大加圧力Ｐｍと流動抵抗圧力Ｐｆとを比較するにあたっては、この最大加圧力Ｐｍに射出装置５の射出速度に依存した最大加圧力を用いることにより、正確な圧力判定を行うことができる。なお、この最大加圧力と射出速度の関係は、実際の鋳造装置から測定し、この関係をマップ、表などの形式で記憶部３０に記憶させることにより、射出速度に依存した最大加圧力を求めることができる。ただし、実際の鋳造時に使用する加圧ユニットの加圧ポンプの能力が高い場合には、最大加圧力は射出速度によってほとんど変動しないので、このような場合には、最大加圧力Ｐｍを一定値としてもよい。

このように、圧力判定手段４７によって流動抵抗圧力が最大加圧力以上であると判定した場合に湯流れの演算を終了させることは、油圧ユニット５Ｃの加圧能力の不足により、プランジャ５Ａを射出方向に移動させて溶湯を流動させることができない実機の鋳造の現象に一致しているので、鋳造時における溶湯の湯流れ停止位置を精度良く解析し、キャビティを含む流動空間内における湯流れ不良による溶湯の未充填部を正確に予測することができる。

このような構成による解析装置１０を用いて、溶湯の湯流れ停止位置をコンピュータ解析した場合の演算フロー図の一例を図６に示す。まず、図６のステップ６１（Ｓ６１）において、金型２及び射出装置５により形成された溶湯の流動空間８の形状を、入力装置２０から鋳造解析装置１０の記憶部３０に入力する。ここで、入力される溶湯の流動空間８のデータとしては、金型２、射出装置５、金型２が形成するキャビティ８Ａの形状に合わせて、複数の要素に分割したデータである。次に、ステップ６２において、本解析に必要な材料条件、境界条件、初期条件、最大加圧力Ｐｍ等のデータを、入力装置２０から記憶部３０に入力し、ステップ６３に進む。

ステップ６３では、これらの入力されたデータに基づいて速度演算手段４１及び圧力演算手段４２が、各要素の溶湯９の速度及び圧力を演算する。ステップ６４では、圧力判定手段４７が、圧力演算手段４２によって演算された溶湯の圧力のうち射出装置５に作用する流動抵抗圧力Ｐｆを演算する。ステップ６５では、圧力判定手段４７が、流動抵抗圧力Ｐｆと、記憶部３０から読み出した射出装置５の射出速度に依存した最大加圧力Ｐｍと、を比較し、該流動抵抗圧力Ｐｆが最大加圧力Ｐｍ以上であると判定した場合には、ステップ７０に進み、演算を終了させ、該演算結果に基づいて前記キャビティを含む流動空間内の溶湯の湯流れ停止位置を出力し、そうでない場合（流動抵抗圧力Ｐｆが最大加圧力Ｐｍよりも小さいと判定した場合）には、ステップ６６に進む。

ステップ６６では、温度演算手段４３が、各要素内の溶湯の温度を演算し、ステップ６７では、固相率演算手段４４が、この演算した温度に基づいて、各要素内の溶湯の固相率を演算しステップ６８に進む。

ステップ６８では、湯先流動判定手段４５は、この演算された固相率に基づいて、溶湯９の湯先９Ａが流動可能かを判定し、流動可能でない（湯先が凝固している）と判断した場合には、ステップ７０に進み、演算を終了させ、該演算結果に基づいて前記キャビティを含む流動空間内の溶湯の湯流れ停止位置を出力し、流動可能であると判断した場合には、ステップ６９に進む。ステップ６９では、充填判定手段４６が、金型２が形成するキャビティに完全に充填されたかを判定し、充填されたと判定した場合には、これら演算手段４１〜４４の演算を終了させ、該演算結果に基づいてキャビティ８Ａを含む流動空間８内の溶湯の湯流れ停止位置を出力し、未だ充填されていない場合には、ステップ７１に進み、射出速度にあわせてタイムステップを進め、ステップ６３の演算を再び行う。

このように、ステップ６５、ステップ６８の判定において、演算を終了する場合には、キャビティ８Ａを含む流動空間８内に溶湯９が充填されず湯回り不良が発生したと判断することができ、ステップ６９の判定において、演算を終了することができた場合には、湯回り不良なく溶湯が、空間８内に充填されたと判断することができる。

上述した本実施形態の鋳造解析装置を用いて、鋳造解析を行った実施例を以下に示す。
（実施例）
４気筒シリンダブロックを鋳造する際における溶湯の流動空間の形状を入力、この空間を複数の要素に分割した。次に、以下の表１に示すように、材料条件として、溶湯の材質をダイカスト用アルミニウム鋳造合金（ＪＩＳ規格：ＡＤＣ１２）、金型の材質を合金工具鋼材（ＪＩＳ規格：ＳＫＤ６１）、鋳造装置のライナ（溶湯と接触する部分）の材質を鋳鉄品（ＪＩＳ規格：ＦＣ２３０）としたときの物性値を入力した。

さらに、解析の初期条件として、スリーブ内への溶湯充填率５０％、溶湯温度９２３Ｋ、プランジャ速度０．２ｍ／ｓとし、境界条件として、部位に合わせて金型と溶湯の熱伝導率を２０００〜１００００Ｗ／ｍ^２・Ｋの範囲で入力し、鋳造装置の最大加圧力（鋳造装置の性能から決定）を２０ＭＰａとし、射出速度が射出開始時間から３．２秒後には、０．２ｍ／ｓから１．５ｍ／ｓとなるように射出速度条件を入力した。ただし、ここでは、実機の油圧ポンプ能力が高いため、この射出速度の変化に対しての最大加圧力はほとんど変化しないので、最大加圧力は一定（２０ＭＰａ）とした。この入力したデータに基づいて解析をした結果を図７の実施例の欄に示す。尚、図７の解析結果は、４気筒シリンダブロックの＃２〜＃３気筒の中央断面図であり、図中の白抜き部分が、溶湯が充填された充填部を示しており、図中の斜線部分が、溶湯が充填されていない未充填部を示している。

さらに、この解析条件と同じ条件で、実際に鋳造装置を用いてアルミニウム合金を鋳造し、得られた鋳造品の湯回り不良部（未充填部）を観察した。この結果も図７の実施例の欄に示す。尚、この観察結果は、実際に鋳造された４気筒シリンダブロックの＃２〜＃３気筒の中央断面図の未充填部を破線囲い部として示したものであり、キャビティ内の溶湯の停止位置は、この断面図内における破線囲い部近傍である。

（比較例）
実施例と同じように解析を行った。実施例と異なる点は、解析時において、流動抵抗圧力と前記最大加圧力との比較による判定を行わなかった（圧力判定手段により判定を行わなかった）点である。この結果を図７に示す。

（結果）
実施例の解析結果におけるキャビティ内の未充填部（斜線部）は、比較例の解析結果における未充填部（斜線部）に比べて多く、実施例の未充填部（斜線部）は、実際の鋳造品におけるキャビティ内の未充填部（破線囲み部）の位置に略一致していた。

（考察）
比較例における解析では、射出装置の加圧能力以上の圧力で溶湯を加圧したことにより、未充填部が、実施例よりも少なくなったと考えられ、実施例の如く解析において射出装置の加圧能力を加味することにより、実施例では、実際の鋳造結果と略一致する未充填部を予測することができたと考えられる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、例えば、湯回り不良の解析が行うことができるのであれば、実施形態に示したフロー図の各ステップの手順が入れ替わってもよく、実施例では、溶湯を用いたがこの溶湯の材質、アルミニウム合金に限定されるものではなく、またこの溶湯が、半凝固、半溶融状態のものであっても同様の効果を得ることができる。

本発明に係る鋳造解析方法を行うための解析モデルの一例を説明するための図。図１の解析モデルに基づく解析を行うための装置構成を説明するための図。図２の鋳造解析装置の一例を示した解析ブロック図。図１に示す解析モデルのＡ部の拡大図。射出速度の変化による最大加圧力の変化を説明するための図。図３に示す鋳造解析装置が行う解析ステップを説明するためのフロー図。実施例及び比較例による鋳造解析の結果を示した図。

符号の説明

１：鋳造装置，２：金型，２Ａ：固定型，２Ｂ：可動型，５：射出装置，５Ａ：プランジャ，５Ｂ：スリーブ，５Ｃ：油圧ユニット，８：溶湯の流動空間，８Ａ：キャビティ，９：溶湯，９Ａ：湯先，１０：鋳造解析装置，２０：入力装置，３０：記憶部，４０：演算部（演算手段），４１：速度演算手段，４２：圧力演算手段，４３：温度演算手段，４４：固相率演算手段，４５：湯先流動判定手段，４６：充填判定手段，４７：圧力判定手段，５０：表示装置，Ｐｆ：流動抵抗圧力，Ｐｍ：最大加圧力

Claims

射出装置及び金型により形成される溶湯の流動可能な空間の形状を設定し、前記射出装置が所定の射出速度条件で射出する際の前記空間内を流動する溶湯の圧力を少なくとも演算することにより、前記空間において射出装置から射出された溶湯の湯流れ停止位置をコンピュータ解析する鋳造解析方法であって、
該鋳造解析方法は、前記演算において、前記射出装置が射出可能な最大加圧力と、前記演算された溶湯の圧力のうち前記射出装置に作用する前記溶湯の流動抵抗圧力とを、比較し、該流動抵抗圧力が前記最大加圧力以上であると判定した場合には前記演算を終了し、該演算結果に基づいて前記空間内の溶湯の湯流れ停止位置を解析する処理をさらに含むことを特徴とする鋳造解析方法。
前記最大加圧力として、前記射出装置の射出速度に依存した最大加圧力を用いることを特徴とする請求項１に記載の鋳造解析方法。
前記流動抵抗圧力として、前記射出装置の射出方向に作用する溶湯の圧力の分布を演算し、該演算した圧力分布の圧力を平均した値を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造解析方法。
射出装置及び金型により形成される溶湯の流動可能な空間の形状を設定し、前記射出装置が所定の射出速度条件で射出する際の前記空間内を流動する溶湯の圧力を少なくとも演算することにより、前記空間内において射出装置から射出された溶湯の湯流れ停止位置をコンピュータ解析する鋳造解析装置であって、
前記鋳造解析装置は、前記空間内を流動する溶湯の圧力を少なくとも演算する演算手段を備え、該演算手段は、前記射出装置が射出可能な最大加圧力と、前記演算された溶湯の圧力のうち前記射出装置に作用する前記溶湯の流動抵抗圧力とを、比較し、該流動抵抗圧力が前記最大加圧力以上であると判定した場合には前記演算手段の演算を終了させる圧力判定手段をさらに備えることを特徴とする鋳造解析装置。
前記圧力判定手段は、前記最大加圧力に、前記射出装置の射出速度に依存した最大加圧力を用いて判定することを特徴とする請求項４に記載の鋳造解析装置。
前記圧力判定手段は、前記射出装置の射出方向に作用する溶湯の圧力の分布を演算し、該圧力の分布の平均値を、流動抵抗圧力として判定することを特徴とする請求項４または５に記載の鋳造解析装置。