JP4506431B2

JP4506431B2 - 溶融金属の流れ状態評価方法および装置

Info

Publication number: JP4506431B2
Application number: JP2004338555A
Authority: JP
Inventors: 友和奥野; 洋範土肥
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP2006142360A

Description

本発明は、キャビティ内を流れる溶融金属の流れ状態の評価を行う、溶融金属の流れ状態評価方法および装置に関する。

一般的に、金型のキャビティ内に溶融金属を充填し、凝固させて成形品を鋳造する場合、特にダイカスト鋳造を行う場合には、溶湯の射出条件により、キャビティ内への溶融金属の流れ状態が変化する。
溶融金属の流れ状態は鋳巣発生等の鋳造品質に大きく影響し、鋳造品質を悪化させる鋳巣の発生を抑制するためには、溶融金属を層流充填（乱れのない充填）させることが有効である。
従って、射出される溶融金属の流れ状態を検出して把握することは重要であり、例えば、特許文献１に記載されるように、渦電流センサを用いて溶融金属の流動状態を検出することが行われている。
特開平７−２７６０１８号公報

しかし、前述のように、渦電流センサを用いて溶融金属の流れ状態を検出することは行われていたが、従来は、検出した溶融金属の流れ状態の良否を判断する基準がなかったため、検出した溶融金属の流れ状態を有効に用いて、鋳造時に溶融金属が層流充填されるような射出条件を設定することはできなかった。
また、金型のキャビティ内に接触式のセンサ（溶湯が実際にセンサに接触することで溶湯の流れを検出するセンサ）を複数設置して、各センサの溶湯の検出順序等に基づいて溶融金属の流れ状態を検出することも行われていたが、溶湯流れに乱れがあるときは、溶湯の実際の流れとセンサによる検出結果が異なる場合があって、精度良く検出することができなかった。

上記課題を解決する溶融金属の流れ状態評価方法および装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、金型のキャビティ内に溶融金属を充填し、凝固させて成形品を鋳造する際に、金型のキャビティに渦電流センサを設置し、前記渦電流センサの周波数変化の検出値により、キャビティ内を流れる溶融金属の流れが、前記キャビティにおける渦電流センサの設置箇所に到達したことを検出するステップと、溶湯の射出開始から射出完了までの間における、前記渦電流センサの周波数変化の検出値が、予め設定された検出閾値を初めて超えた時刻、および、前記検出閾値を最後に超えた時刻を検出するステップと、前記渦電流センサの周波数変化の検出値が、検出閾値を初めて超えた時刻から、検出閾値を最後に超えた時刻までのゆらぎ時間を算出するステップと、算出したゆらぎ時間の長さに基づいて、溶湯流れの乱れの評価を行うステップと、を備える。
これにより、溶湯金属の流れの乱れの大きさを表わすゆらぎ時間が最も短くなるような射出条件パターンを抽出して、射出条件を即時に決定することができ、鋳巣等の欠陥の発生を抑えて高品質の鋳造製品を得ることができる。
また、非接触で溶湯の流れを検出することができ、現実の溶湯の流れを精度良く検出することが可能となる。

また、請求項２記載の如く、金型のキャビティ内を流れる溶融金属の流れの乱れ状態を、流れる電流の周波数変化により検出する渦電流センサと、溶湯の射出開始から射出完了までの間で、前記渦電流センサの出力値が、予め設定された閾値を初めて超えた時刻、および、前記渦電流センサの出力値が、前記閾値を最後に超えた時刻を検出する時刻検出手段と、前記渦電流センサの出力値が閾値を初めて超えた時刻から、前記渦電流センサの出力値が閾値を最後に超えた時刻までの時間を算出するゆらぎ時間算出手段と、算出したゆらぎ時間の長さに基づいて、溶湯流れの乱れの評価を行う評価手段と、を備える。
これにより、溶湯金属の流れの乱れの大きさを表わすゆらぎ時間が最も短くなるような射出条件パターンを抽出して、射出条件を即時に決定することができ、鋳巣等の欠陥の発生を抑えて高品質の鋳造製品を得ることができる。
また、非接触で溶湯の流れを検出することができ、現実の溶湯の流れを精度良く検出することが可能となる。

本発明によれば、溶湯金属の流れの乱れの大きさを表わすゆらぎ時間が最も短くなるような射出条件パターンを抽出して、射出条件を決定することができ、鋳巣等の欠陥の発生を抑えて高品質の鋳造製品を得ることができる。
また、非接触で溶湯の流れを検出することができ、現実の溶湯の流れを精度良く検出することが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

図１には、本発明の溶融金属の流れ状態評価装置をダイカストマシーン１に適用した例を示している。
ダイカストマシーン１は、プランジャロッド５ａの先端に取り付けたプランジャチップ５ｂを、射出スリーブ３内に摺動自在に嵌装しており、射出スリーブ３内の溶湯（溶融金属）３１をプランジャチップ５ｂにより押し出して、ランナ６を通じてゲート７から金型２のキャビティ２１へ射出するように構成されている。

このダイカストマシーン１に適用される溶融金属の流れ状態評価装置は、キャビティ２１内を流れる溶融金属の流れ状態を検出するための渦電流センサ１４と、高周波発信回路等を備えるヘッドアンプ１５と、平均化処理回路等を備える信号処理装置１６と、流れ状態の評価結果等を出力する出力装置１７とを備えている。

渦電流センサ１４は、例えば空芯のコイル１４ａを円柱状のセラミックスにて封止して構成されており、コイル１４ａの軸心が溶湯３１の進行方向に対して直行する方向へ向くように設置され、また、その先端面１４ｂがキャビティ面２ａと略面一となるように配置されている。
また、渦電流センサ１４は、キャビティ２１内における、ゲート７の近傍や、製品の肉厚が急激に変化する部位等といったように、溶湯３１の流れの乱れが現れ易い箇所に設置されている。

渦電流センサ１４はヘッドアンプ１５に接続されており、該ヘッドアンプ１５から渦電流センサ１４に高周波電流を供給することで、コイル１４ａから高周波の磁界が発生される。
高周波の磁界を発生している渦電流センサ１４の配置部分に、測定対象である溶湯３１が近づくと溶湯３１側に渦電流が発生し、この渦電流の磁界によりコイル１４ａのインダクタンスが変化する。これに伴い流れる電流の周波数が変化するため、この周波数変化を利用して溶湯３１の流れを検出するようにしている。そして、渦電流センサ１４からは、周波数変化量に応じた出力値が出力される。

この場合、渦電流センサ１４における電流の周波数変化は、空洞状態のキャビティ２１内に溶湯３１が充填される過程で生じるものであるため、渦電流センサ１４設置部分のキャビティ２１内に溶湯３１が完全に充填されるまで電流の周波数変化が生じ、溶湯３１が完全に充填された後は周波数変化が生じなくなる。

また、渦電流センサ１４から発生する磁界は、渦電流センサ１４が設置されている側のキャビティ面から、対向する反対側のキャビティ面に、まで到達可能であるので、キャビティ面に直接接していない溶湯３１でも（つまり、溶湯３１が渦電流センサ１４の先端面１４ｂに接触していなくても）検出することが可能となっている。
このように、非接触で溶湯３１の流れを検出することができるので、現実の溶湯３１の流れを精度良く検出することが可能である。

溶湯３１の流れを検出した渦電流センサ１４からの出力は、ヘッドアンプ１５を通じて信号処理装置１６へ入力され、該信号処理装置１６にて信号処理を行い、溶湯流れの評価を行う。
以下に、信号処理装置１６にて行われる溶湯流れの評価について説明する。

図２に示すように、まず、金型２に渦電流センサ１４を設置し（Ｓ０１）、溶湯３１の射出開始後、渦電流センサ１４により溶湯３１の流れを検出する。
図３に示すように、渦電流センサ１４は、溶湯３１の先端部がキャビティ２１内における渦電流センサ１４の設置箇所に到達すると、渦電流センサ１４の電流周波数変化量が大きくなり、図４に示すようなセンサ出力が得られる。

図４において、最初に周波数変化が生じた時点Ｔ１が、溶湯３１の先端部がキャビティ２１内における渦電流センサ１４の設置部分に到達した時点であり、周波数変化が生じなくなった時点Ｔ２が、キャビティ２１内における渦電流センサ１４の設置部分に溶湯３１が完全に充填された時点である。

ここで、「渦電流センサ１４に電流の周波数変化が生じる」とは、渦電流センサ１４から、予め設定されている閾値Ｖｂよりも大きな出力信号値が出力された場合をいう。閾値Ｖｂは、例えば渦電流センサ１４の出力信号におけるノイズレベルの２倍程度の値に設定されている。このように、周波数変化の検出レベルを設定することで、ノイズに影響される確実に周波数変化を検出することが可能となっている。

このように得られたセンサ出力は信号処理装置１６へ入力され、該信号処理装置１６にてセンサ出力の信号処理が行われる。
信号処理装置１６では、まず時刻検出部１６ａにて、センサ出力が最初に前記閾値Ｖｂよりも大きくなった時点（時刻）Ｔ１、および最後に閾値Ｖｂよりも大きくなった時点（時刻）Ｔ２を検出する（Ｓ０２）。
次に、ゆらぎ時間算出部１６ｂにて、前記時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間を「ゆらぎ時間Ｔａ」として算出する（Ｓ０３）。
さらに、評価部１６ｃにて、算出したゆらぎ時間Ｔａに基づいて、溶湯流れの乱れの評価を行う（Ｓ０４）。

ここで、図５に示すように、揺らぎ時間Ｔａは、溶湯３１の先端部が渦電流センサ１４のゲート７側端部に到達した時点Ｔ１から、渦電流センサ１４の設置部分全体に溶湯３１が充填された時点Ｔ２までの時間となるが、このゆらぎ時間Ｔａは溶湯３１の乱れ状態によって異なる。
例えば、前述の図３に示した溶湯３１は、乱れが無い層流状態でキャビティ２１内に充填されているものであり、前記ゆらぎ時間Ｔａは短い時間となる。

これに対し、図６に示すような、溶湯流れに乱れがある状態でキャビティ２１内に充填される溶湯３１の場合は、図７に示すように、渦電流センサ１４のセンサ出力が最初に閾値Ｖｂよりも大きくなった時点、即ち最初に周波数変化が生じた時点（時刻）Ｔ３から、センサ出力が最後に閾値Ｖｂよりも大きくなった時点、即ち周波数変化が生じなくなった時点（時刻）Ｔ４までのゆらぎ時間Ｔａは、溶湯３１が層流充填されている場合のゆらぎ時間Ｔａに比べて長くなる。

つまり、「ゆらぎ時間」は、キャビティ２１内に充填される溶湯３１がゆらぎながら、渦電流センサ１４の先端面１４ｂへの付着および剥離を繰り返しながら流れている時間を示している。
そして、溶湯３１の流れの乱れが少ないときには溶湯３１のゆらぎが小さく、先端面１４ｂへの付着・剥離があまり繰り返し行われずに充填が完了するので、ゆらぎ時間が短くなり、溶湯３１の流れの乱れが大きくなるに従ってゆらぎも大きくなるため、充填完了までに先端面１４ｂへの付着・剥離が繰り返し行われることとなって、ゆらぎ時間が長くなる。

従って、Ｓ０４での評価部１６ｃによる溶湯流れの乱れ評価は、図８に示すように行われる。
即ち、ゆらぎ時間の良否を判定するための時間閾値を予め設定しておき、算出したゆらぎ時間Ｔａが設定された時間閾値より長いか否かを判定する（Ｓ４１）。
判定の結果、算出したゆらぎ時間Ｔａが時間閾値よりも長ければ、溶湯流れに乱れがあり、射出条件の最適化を行う必要があるとの評価を行う（Ｓ４２）。
一方、算出したゆらぎ時間Ｔａが時間閾値以下であった場合には、溶湯流れに乱れは無く、射出条件は適正な条件であって最適化を行う必要はないとの評価を行う（Ｓ４３）。

この時間閾値は、充填される溶湯３１の流速や設置される渦電流センサ１４の先端面１４ａの径に基づいて決定される。また、時間閾値の決定には、充填される溶湯３１のキャビティ２１からのオーバーフロー量等といった諸条件も加味される。

また、最適化を行う射出条件としては、例えば、溶湯３１を充填する際のプランジャ５ａの速度や加速度合い、充填中におけるプランジャ速度の切り換えの有無、および速度切り換えを行う場合の切り換えタイミング等の条件が挙げられる。
これらの各条件を組み合わせた複数の射出条件パターンにて溶湯流れの乱れ評価を行い、ゆらぎ時間Ｔａが時間閾値以下となる射出条件パターンを抽出して、射出条件を即時に決定することができる。これにより、鋳巣等の欠陥の発生を抑えて高品質の鋳造製品を得ることができる。
さらに、ゆらぎ時間Ｔａが時間閾値以下となる射出条件パターンが複数抽出された場合、ゆらぎ時間Ｔａが最も短くなるような射出条件パターンを選出することで、より鋳巣等の欠陥がない高品質の鋳造製品を得ることが可能となる。

また、射出条件の最適化を行う場合、前述の射出条件パターンを固定しておき、ゲート７の形状を、ゆらぎ時間Ｔａが最も短くなるような形状に設定することもできる。
なお、信号処理装置１６の評価部１６ｃによる評価結果は、出力装置１７から出力される。該出力装置１７は、渦電流センサ１４の検出出力値である電流の周波数変化等のデータを出力・表示することも可能である。

また、前記渦電流センサ１４は、キャビティ２１の一箇所にのみ設置する他、複数箇所に設置することも可能である。前記渦電流センサ１４を複数箇所に設置した場合は、各渦電流センサ１４のゆらぎ時間Ｔａについて評価部１６ｃでの評価を行い、全ての渦電流センサ１４におけるゆらぎ時間Ｔａの評価結果を総合的に判断して、最良の射出条件パターンの選出を行う。

例えば、図９には、渦電流センサ１４を第１部位から第３部位までの３箇所に設置して、パターンＡ〜パターンＤの４種類の射出条件パターンについてゆらぎ時間Ｔａを算出した結果を示している。
図９において、第１部位に設置した渦電流センサ１４のゆらぎ時間Ｔａは、射出条件パターンＤの場合のみ時間閾値Ｔｂ以下であり、第２部位に設置した渦電流センサ１４のゆらぎ時間Ｔａは、射出条件パターンＤの場合のみ時間閾値Ｔｂ以下であり、第３部位に設置した渦電流センサ１４のゆらぎ時間Ｔａは、全ての射出条件パターンにおいて時間閾値Ｔｂ以下であった。
従って、この場合は、全ての渦電流センサ１４の設置部位においてゆらぎ時間Ｔａが時間閾値Ｔｂ以下であった射出条件パターンＤが最良の射出条件パターンとして選出されることとなる。

ダイカストマシーンに適用した溶融金属の流れ状態評価装置を示すブロック図である。流れ状態評価方法のフローを示す図である。流れに乱れが無い状態の溶湯を示す側面断面図である。乱れが無い溶湯流れを検出した場合における、渦電流センサの電流の周波数変化を示す図である。渦電流センサの電流の周波数変化の開始時および終了時における溶湯の流れを示す図である。流れに乱れが有る状態の溶湯を示す側面断面図である。乱れが有る溶湯流れを検出した場合における、渦電流センサの電流の周波数変化を示す図である。溶湯流れの乱れ評価のフローを示す図である。複数の箇所に渦電流センサを設置して、複数の射出条件パターンについてゆらぎ時間を算出した結果を示す図である。

１ダイカストマシーン
２金型
１４渦電流センサ
１４ａコイル
１４ｂ先端面
１６信号処理装置
２１キャビティ

Claims

金型のキャビティ内に溶融金属を充填し、凝固させて成形品を鋳造する際に、
金型のキャビティに渦電流センサを設置し、
前記渦電流センサの周波数変化の検出値により、キャビティ内を流れる溶融金属の流れが、前記キャビティにおける渦電流センサの設置箇所に到達したことを検出するステップと、
溶湯の射出開始から射出完了までの間における、前記渦電流センサの周波数変化の検出値が、予め設定された検出閾値を初めて超えた時刻、および、前記検出閾値を最後に超えた時刻を検出するステップと、
前記渦電流センサの周波数変化の検出値が、検出閾値を初めて超えた時刻から、検出閾値を最後に超えた時刻までのゆらぎ時間を算出するステップと、
算出したゆらぎ時間の長さに基づいて、溶湯流れの乱れの評価を行うステップと、
を備える溶融金属の流れ状態評価方法。
金型のキャビティ内を流れる溶融金属の流れの乱れ状態を、流れる電流の周波数変化により検出する渦電流センサと、
溶湯の射出開始から射出完了までの間で、前記渦電流センサの出力値が、予め設定された閾値を初めて超えた時刻、および、前記渦電流センサの出力値が、前記閾値を最後に超えた時刻を検出する時刻検出手段と、
前記渦電流センサの出力値が閾値を初めて超えた時刻から、前記渦電流センサの出力値が閾値を最後に超えた時刻までの時間を算出するゆらぎ時間算出手段と、
算出したゆらぎ時間の長さに基づいて、溶湯流れの乱れの評価を行う評価手段と、
を備えることを特徴とする溶融金属の流れ状態評価装置。