JP4952442B2 - 金型温度解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造や射出成形などに用いられる金型の温度解析方法に関する。より詳しくは、新たに設計された金型の熱影響による不具合発生部位を温度解析により予測する金型温度解析方法に関する。

例えばダイカスト鋳造における金型からの鋳造部材の取り出しは、金型内の鋳造部材の温度が、使用した溶湯の凝固特性で決定されるある所定の理想温度まで降下した時点で行うようにしなければならない。この理想温度よりも高い温度で型開して鋳造部材を取り出すと、鋳造部材の型離れが悪く、いわゆる焼き付きを生じて部材の表面品質を低下させるとともに、金型からの取り出し作業に不都合を生じることがある。甚だしい場合には、金型を破損して金型の寿命を縮める原因にもなる。

新規に設計される金型では、このような焼き付きの発生する部位を予測して予め対策を施すことが望まれる。従来は、金型を試作するとともに試験鋳造を行って型開直後の金型表面の温度分布を実測することで判断していた（特許文献１参照）。つまり、焼き付きは金型温度が高い部位に発生しやすいので、この高温部位を型開直後の金型の表面温度分布から予測しようとするものである。

しかし、一般に金型のキャビティ面は大小の凹凸部を有する複雑な形状であり、また鋳造部材の肉厚も部位によって異なるために、ピーク温度に到達する時間や温度勾配が金型の部位によって異なり、型開直後の金型表面の温度分布から焼き付き発生部位を精度よく予測することは困難であった。

例えば、図４はある鋳造金型におけるキャビティへの溶湯充填完了時刻ｔｓから型開開始時刻ｔｅまでの部位による温度変化を概念的に示したグラフである。Ａは鋳抜きピン近傍、Ｂは鋳造部材の厚肉部、Ｃは薄肉部の金型温度変化である。鋳抜きピン近傍の金型温度Ａは、溶湯充填後急激に上昇して短時間で最高温度Ｔａに到達しているが、急激に冷却されて型開開始時刻ｔｅでは温度Ｔａ’まで低下している。しかし、鋳造部材の厚肉部における金型温度Ｂは金型温度Ａよりも昇温時間は遅く、また最高温度Ｔｂも低い。ところが、温度降下も遅いので型開開始時刻ｔｅでは鋳抜きピン近傍の金型温度Ｔａ’よりも高い温度Ｔｂ’となっている。また、鋳造部材の薄肉部における金型温度Ｃの変化は前２者に比べて小さく且つ最高温度Ｔｃも低い。型開開始時刻ｔｅにおける温度Ｔｃ’も鋳抜きピン近傍の金型温度Ｔａ’と同程度に低くなっている。

従来の予測方法では、型開直後の金型表面温度が閾値Ｔ_０以上である部位に焼き付きが発生しやすいと判断していた。従って、この場合には、鋳造部材の厚肉部は焼き付き危険部位と判断されるものの、鋳抜きピン近傍は焼き付き発生に関しては問題のない部位と判断されていた。しかし、現実には冷却時に最高温度Ｔａを示す鋳抜きピン近傍に焼き付きの発生することがあった。すなわち、型開時の金型表面の温度分布のみからは金型の部位毎の温度履歴を推定することは困難であり、従来の予測方法は焼き付き発生部位を予測する手段としては必ずしも満足できるものではなかった。

また、型開時の金型表面の温度分布によって焼き付き発生部位を予測する従来の方法では、実際に金型を試作して試験鋳造を実施しなければならない。さらに、得られた予測結果によっては実際に金型を修正しなければならず、最適化された金型を得るまでのリードタイムが長く、また、無駄が多いという問題があった。

そのため、実際に金型を製作することなくシミュレーションによって焼き付き発生部位を精度よく予測できる金型温度解析方法の開発が望まれていた。
特開平８−１３０２号公報

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、金型を試作することなく、焼き付き不具合発生部位を精度よく予測することができる金型温度解析方法を提供することを課題とする。

本発明者は、金型を任意の領域に分割してその領域毎のヒートサイクル中の温度変化を求め、その温度変化のうち閾値よりも高い温度となる部分の面積、すなわち焼き付きを発生させる金型の受熱量を計算すれば焼き付き発生部位を精度よく予測できることに着眼した。図３は、ある分割領域におけるヒートサイクル中の一部分の温度変化を模式的に示したものである。横軸は経過時間であり、縦軸は温度又は受熱量である。受熱量測定温度領域線（以後、受熱量測定温度ともいう）Ｔ_０よりも上にある受熱領域Ｆの面積Ｓが焼き付き発生に寄与する金型の受熱量である。この受熱量を従来の実績や実験などから予め設定される受熱量の判定基準に基づいて判定すれば、焼き付き不具合発生部位を精度よく予測することができる。また、図中黒棒Ｊで示すタイムステップ毎に計算して得られるＮ個の受熱量を積算することで領域Ｆの面積Ｓに近似することができ、且つ計算の負荷を大幅に軽減することができる。

本発明の金型温度解析方法は、金型モデルを受熱量の計算領域に分割する計算領域分割工程と、不具合が発生しない上限温度である受熱量測定温度を設定する温度設定工程と、計算領域の所定のタイムステップにおける温度を金型温度解析により計算する温度計算工程と、この温度計算工程で得られた計算温度と受熱量測定温度とを比較して、計算温度が受熱量測定温度よりも高い場合に、計算温度と受熱量測定温度との温度差に基づいてその計算領域の前記タイムステップにおける受熱量を計算する受熱量計算工程と、この受熱量計算工程を全計算領域についてタイムステップ毎に繰り返す繰り返し計算工程と、全タイムステップ終了後にタイムステップ毎の受熱量を積算し計算領域毎の総受熱量を算出する受熱量積算工程と、得られた総受熱量を予め設定されている判定基準に従って色別して金型モデルに重ね合わせて計算領域毎に表示する色別表示工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の金型温度解析方法によれば、鋳造のヒートサイクル（例えば、注湯開始時刻から型開時刻まで）を通して計算領域毎に焼き付き発生の可能性を知ることができる。特に色別表示されるので焼き付き発生の危険部位を容易に視認することが出来き、必要に応じて鋳造法案を変更してシミュレーションを繰り返すことにより金型設計の最適化を計ることができる。また、受熱量測定温度を設定してこの温度より高い場合にのみ受熱量計算を行うようにしているので計算の負荷が小さく、さらに計算領域を細分化することで予測精度を一層向上することができる。

また、本発明の金型温度解析方法において、タイムステップｎ（ｔ_ｎ）における計算領域Ｚ_ｊの計算温度をＴ_ｊｎ（℃）、受熱量測定温度をＴ_０（℃）として、受熱量ｈ_ｊｎ（Ｊ）は下記の（式１）で与えることができる。

（式１） ｈ_ｊｎ＝１／２×（ｔ_ｎ−ｔ_ｎ−１）×（ｑ_ｊｎ＋ｑ_ｊｎ−１）
ただし、ｑ_ｊｎ＝金型の密度×領域体積×金型の比熱×（Ｔ_ｊｎ−Ｔ_０）である。

本実施の形態は、一般的に用いられているパーソナルコンピュータシステムと、例えばＴＣＳなどの市販の金型温度解析プログラムを用いて実施することができる。

図１に示す本実施形態の金型温度解析システム１０は、入力装置１１、処理部１２、記憶装置１３、メモリ１４、表示装置１５などから構成されるパーソナルコンピュータシステムから構成されている。

入力装置１１は、例えば、マウス及びキーボードから構成されており、金型温度解析における解析対象部材の金型の情報や、例えばダイカスト鋳造の初期条件などを入力するための装置である。

処理部１２は、ＣＰＵなどから構成されており、記憶装置１３に記憶された金型温度解析プログラムを実行する。

記憶装置１３は、ハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブなどのディスクドライブから構成されており、金型温度解析プログラムがインストールされている。また、解析対象部材の情報や計算結果などを記憶する。

メモリ１４は、ＲＡＮなどの揮発性メモリから構成されており、処理部１２の一時記憶領域として用いられる。

表示装置１５は、ＣＲＬ、ＬＣＤ等から構成されており、入力情報や計算結果を表示する。

次に、本実施形態の処理について図２に示すフローチャートに従って説明する。

ステップＳ１では、処理部１２は、対象部材の金型モデルをＣＡＤデータなどから記憶装置１１３へ取得し、この金型モデルを適宜のメッシュで計算領域に分割して表示装置１５へ表示する。この時、メッシュの粗さは対象とする部材の材質や形状によって異なるが、焼き付き部位の予測精度や計算の負荷を考慮して適宜決定すればよい。

ステップＳ２では、入力装置１１から解析の初期条件として設定される受熱量測定温度Ｔ_０（℃）を入力する。受熱量測定温度Ｔ_０は焼き付きが発生しない上限温度として定義される閾値であり、対象部材の材質や形状によって異なる。この受熱量測定温度Ｔ_０は従来の製造実績や試験などによって決定され、例えば、対象部材が上記のアルミニウムダイカスト部材の場合には、概ね３００〜３５０℃である。

ステップＳ３では、処理部１２は、タイムステップｎにおける計算領域Ｚ_ｊの温度を上記の金型温度解析プログラムを用いてシミュレーションし、計算温度Ｔ_ｊｎとしてメモリ１４に記憶する。

ステップＳ４では、処理部１２は計算温度Ｔ_ｊｎを受熱量測定温度Ｔ_０とを比較する。ここでＴ_ｊｎ＞Ｔ_０（ＹＥＳ）であれば、ステップＳ５へ進んで受熱量ｈ_ｊｎを計算する。

タイムステップｎ（時刻ｔ_ｎ）における受熱量ｈ_ｊｎは計算温度Ｔ_ｊｎと受熱量測定温度Ｔ_０とから下記の式１によって得ることができる。

ｈ_ｊｎ＝１／２×（ｔ_ｎ−ｔ_ｎ−１）×（ｑ_ｊｎ＋ｑ_ｊｎ−１）・・・・・・・（１）
ここで、基準温度換算熱量ｑ_ｊｎは下記の式２によって与えられる。

ｑ_ｊｎ＝金型の密度×領域体積×金型の比熱×（Ｔ_ｊｎ−Ｔ_０）・・・・・（２）
処理部１２は、ステップＳ５で式１によって受熱量ｈ_ｊｎを計算し、タイムステップｎにおける計算領域Ｚ_ｊの受熱量ｈ_ｊｎとしてメモリ１４に記憶する。

一方、処理部１２はステップＳ４で、Ｔ_ｊｎ≦Ｔ_０（ＮＯ）と判定したらステップＳ６へ進む。

ステップ６では、処理部１２はステップＳ３の温度計算と、ステップＳ４の受熱量測定温度Ｔ_０との比較とを全計算領域について実行したかを判断する。実行途中（ＮＯ）であればステップＳ７で次の計算領域Ｚ_ｊ＋１に進み、ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返す。

処理部１２は、ステップ６で全計算領域について処理を完了したと判断したら、ステップ８へ進んで、さらに全タイムステップについて上記の処理が完了したかを判断する。

ここでタイムステップは、金型温度解析を実行する解析実行時刻であり、例えばキャビティへの溶湯充填完了直後からの冷却時間を適宜の時間間隔（秒）で区切って設定する。この時間間隔は、対象部材の材質、あるいは大きさや形状などにより適宜に設定することができる。例えば、対象とする部材がＡＤＣ１２などのアルミニウムダイカスト部材の場合には、１／１００〜５／１００秒の範囲にするとよい。１／１００秒未満では計算の負荷が過大となることがあるので好ましくない。また、５／１００秒を越えて粗くすると焼き付き部位の予測精度が低下する場合があるので適当ではない。例えば、時間間隔を３／１００秒とし溶湯充填後２０秒間の温度変化から受熱量を求める場合には、６６７回目のタイムステップで終了となる。冷却時間は、溶湯充填完了直後から型開きまでとしてもよい。

処理部１２は、ステップＳ８で全タイムステップについて終了していない（ＮＯ）と判断したら、ステップＳ９で次のタイムステップ（ｎ＋１）に進んでステップＳ３〜Ｓ７を繰り返す。

処理部１２は、全タイムステップについてステップＳ３〜Ｓ７の処理を完了した（ＹＥＳ）と判断したら（例えば、型開き時刻到達後）、ステップＳ１０へ進み、各受熱量ｈ_ｊｎを計算領域Ｚ_ｊ毎に積算して計算領域Ｚ_ｊ毎の総受熱量Ｈ_ｊを求めメモリ１４に記憶する。

ステップＳ１１では、処理部１２は、総受熱量Ｈ_ｊを予め設定されている判定基準に基づいて計算領域毎に色分けして、金型の三次元モデルに重ねて表示装置１５へ表示する。例えば、総受熱量Ｈ_ｊがほぼ確実に焼き付き発生が予測される受熱量範囲にある場合には計算領域Ｚ_ｊをＮＧゾーンとして赤、５０％の確率で焼き付き発生が予測される受熱量範囲にある場合には計算領域Ｚ_ｊを危険ゾーンとして黄、それ以外の計算量域Ｚ_ｊはＯＫゾーンとして青などで表示するとよい。

このように色別表示することで、設計者は焼き付き発生箇所を容易に視認することが出来る。そして、必要に応じて金型に冷却手段を設けたり、湯道を変更するなどの設計変更を施すことができる。さらに、設計変更後の金型モデルで再度同様の金型温度解析を実行することで、金型設計の最適化を図ることができる。

以上の本実施形態において、領域分割工程はステップＳ１、温度設定工程はステップＳ２、温度計算工程はステップＳ３、受熱量計算工程はステップＳ４とＳ５、繰り返し計算工程はステップＳ６〜Ｓ９、受熱量積算工程はステップＳ１０、色別表示工程はステップＳ１１である。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。例えば、上記の実施の形態では、計算温度Ｔ_ｊｎが受熱量測定温度Ｔ_０よりも高い間は全てのタイムステップＮで受熱量ｈ_ｊｎを計算することとしたが、実験などによってこのタイムステップＮの数を変更してもよい。例えば、Ｔ_ｊｎ＞Ｔ_０の範囲でタイムステップＮの数を減少（受熱量計算の時間を短縮）することで計算の負荷をより軽減することができる。

本発明は、ダイカスト鋳造や射出成形などに用いられる金型の焼き付き発生部位を金型温度解析で予測する予測システムとして好適である。

実施形態の金型温度解析システムを示すブロック図である。 実施形態の処理を説明するフローチャートである。 分割領域におけるヒートサイクル中の一部分の温度変化を示す模式図である。 鋳造金型におけるヒートサイクル中の部位による温度変化を示す概念図である。

符号の説明

１０：金型温度解析システム １１：入力装置 １２：処理部 １３：記憶装置 １４：メモリ １５：表示装置 Ｆ：受熱領域 Ｊ：受熱量

Claims (2)

1. 金型モデルを受熱量の計算領域に分割する領域分割工程と、
   不具合が発生しない上限温度である受熱量測定温度を設定する温度設定工程と、
   前記計算領域の所定のタイムステップにおける温度を金型温度解析により計算する温度計算工程と、
   該温度計算工程で得られた計算温度と前記受熱量測定温度とを比較して、該計算温度が該受熱量測定温度よりも高い場合に、該計算温度と該受熱量測定温度との温度差に基づいて前記計算領域の前記タイムステップにおける受熱量を計算する受熱量計算工程と、
   該受熱量計算工程を全計算領域についてタイムステップ毎に繰り返す繰り返し計算工程と、
   全タイムステップ終了後に前記タイムステップ毎の受熱量を積算し前記計算領域毎の総受熱量を算出する受熱量積算工程と、
   得られた前記総受熱量を予め設定されている判定基準に従って色別して前記金型モデルに重ね合わせて前記計算領域毎に表示する色別表示工程と、を備えることを特徴とする金型温度解析方法。
2. 前記タイムステップｎ（ｔ_ｎ）における前記計算領域Ｚ_ｊの前記計算温度をＴ_ｊｎ（℃）、前記受熱量測定温度をＴ_０（℃）として、受熱量ｈ_ｊｎ（Ｊ）は下記の（式１）で与えられる請求項１に記載の金型温度解析方法。
   （式１） ｈ_ｊｎ＝１／２×（ｔ_ｎ−ｔ_ｎ−１）×（ｑ_ｊｎ＋ｑ_ｊｎ−１）
   ただし、ｑ_ｊｎ＝金型の密度×領域体積×金型の比熱×（Ｔ_ｊｎ−Ｔ_０）である。

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