JP5348396B2 - 金型の熱解析方法、および金型の熱解析プログラム - Google Patents

Description

本発明は、金型の熱解析方法、および金型の熱解析プログラムに関し、さらに詳しくは、金型の熱解析をＣＡＥによって行う方法、および、金型の冷却構造をＣＡＥによって熱解析するためのプログラムに関するものである。

鋳造に用いられる金型においては、一般に、所定の部位を所定の温度に冷却するために、内部に冷却媒体を流通させる冷却構造が設けられており、冷却構造は、金型の所定の場所に設けられた往復管と、複数の往復管を接続する接続管などにより構成されている。

このような金型においては、鋳造品の指向性凝固を図ってヒケ巣などの鋳造欠陥の発生を防止するために、金型の各部位を適切な温度に精度よく保持することが重要である。そのため、（例えば特許文献１に開示されているように、）金型の熱伝達係数などを求めて、コンピュータを用いてＣＡＥによりシミュレーションを行い、金型の冷却構造を熱解析することが従来から行われている。そして、金型の各解析対象部位の温度を精度よくシミュレーションするためには、金型の冷却条件として、解析対象部位の熱伝達係数を適正な値に設定することが必要である。

金型の熱伝達係数を設定するための従来の技術としては、例えば特許文献１が知られている。特許文献１には、樹脂の射出成形用金型の金型温調配管内で行われる熱交換による熱伝達係数を算出する方法において、予め実験的手法により測定した金型内温度分布と数値解析した金型内温度分布とを比較して測定値と数値解析値の誤差が所定の誤差許容値内にあるかを判定し、測定値と数値解析値の誤差が許容値内にない場合、数値解析により各熱伝達係数の変化に対する金型内温度分布の変化を求め、求めた各熱伝達係数の変化に対する金型内温度分布の変化に基づいて非線形代数方程式により各熱伝達係数を算出し、この一連の計算を反復計算することにより各熱伝達係数を算出することなどを特徴とする射出成形用金型の熱伝達係数算出方法が開示されている。

ところで、金型の内部に設けられる冷却構造は、成形品の形状や温度の設定などの要請により、複雑となる場合が多い。このように金型内の冷却構造が複雑な場合には、熱伝達係数を求めるための工程も複雑となることから、一般に、金型の熱伝達係数を均一に設定している。また、近年では、金型の熱解析の精度を向上させるために、金型モデルを準備して、解析対象部位を多く細分化するように設定することも行われている。

特開平８−１３２５０６号公報

しかしながら、上記従来の技術のうち、熱伝達係数を均一に設定する場合にあっては、熱伝達係数を適切な値に設定することが困難であり、また、複雑な冷却構造の各解析対象部位を精度よくシミュレーションすることができなかった。また、上記従来の技術のうち、解析対象部位を多く設定して細分化する場合にあっては、各解析対象部位について熱伝達係数を設定するための工程が煩雑で時間がかかり、結局各解析対象部位の熱伝達係数をそれぞれ適切な値に設定することは困難であった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、金型内の冷却構造が複雑なために解析対象部位を多く設定する必要がある場合であっても、各解析対象部位の熱伝達係数を容易に短時間でそれぞれ適切な値に設定して、精度よく金型の熱解析を行うことができる方法およびそのプログラムを提供することを目的とする。

請求項１の金型の熱解析方法に係る発明は、上記目的を達成するため、金型の冷却構造の熱解析をＣＡＥによって行う方法であって、金型モデルを準備し、該金型モデルの冷却構造の各解析対象部位をその特性に基づいて分類し、前記各解析対象部位の熱伝達係数をそれぞれ求め、前記各分類において、前記各解析対象部位の特性のうちで頻度の高い特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として求め、各解析対象部位における熱解析を、その解析対象部位が含まれる分類の高頻度特性対応熱伝達係数を用いて行うことを特徴とするものである。
また、請求項２の金型の熱解析プログラムに係る発明は、上記目的を達成するため、金型の冷却構造をＣＡＥによって熱解析するためのプログラムであって、準備された金型モデルの冷却構造の特性に基づいて分類された各解析対象部位の予め求められた熱伝達係数から、前記各分類において、前記各解析対象部位の特性のうちで頻度の高い特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として算出するステップと、各解析対象部位における熱解析を、その解析対象部位が含まれる分類の高頻度特性対応熱伝達係数を用いて行うステップとを備えていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、金型モデルの冷却構造の各解析対象部位をその特性に基づいて分類し、各解析対象部位の熱伝達係数をそれぞれ実験などによって予め求めておく。各解析対象部位では、その特性がそれぞれ異なり、したがって、熱伝達係数も特性と対応して異なることとなる。しかしながら、本発明では、各分類において、各解析対象部位の特性のうちで最も高い頻度の特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として、各解析対象部位が属する分類における高頻度特性対応熱伝達係数を用いて熱解析を行う。そのため、金型内の冷却構造が複雑なために解析対象部位を多く設定する必要がある場合であっても、各解析対象部位の熱伝達係数を容易に短時間でそれぞれ適切な値に設定して、精度よく金型の熱解析を行うことができる。
また、請求項２の発明によれば、準備された金型モデルの冷却構造の特性に基づいて分類された各解析対象部位の予め求められた熱伝達係数から、前記各分類において、前記各解析対象部位の特性のうちで頻度の高い特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として算出するステップと、各解析対象部位における熱解析を、その解析対象部位が含まれる分類の高頻度特性対応熱伝達係数を用いて行うステップとを備えていることにより、特性が異なる各解析対象部位を、その属する分類における高頻度特性対応熱伝達係数を用いて熱解析を行うため、金型内の冷却構造が複雑なために解析対象部位を多く設定する必要がある場合であっても、各解析対象部位の熱伝達係数を容易に短時間でそれぞれ適切な値に設定して、精度よく金型の熱解析を行うことができる。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。請求可能発明は、少なくとも、請求の範囲に記載された発明である「本発明」ないし「本願発明」を含むが、本願発明の下位概念発明や、本願発明の上位概念あるいは別概念の発明を含むこともある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項が請求項１に相当し、（３）項が請求項２に相当する。

（１） 金型の冷却構造の熱解析をＣＡＥによって行う方法であって、
金型モデルを準備し、
該金型モデルの冷却構造の各解析対象部位をその特性に基づいて分類し、
前記各解析対象部位の熱伝達係数をそれぞれ求め、
前記各分類において、前記各解析対象部位の特性のうちで頻度の高い特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として求め、
各解析対象部位における熱解析を、その解析対象部位が含まれる分類の高頻度特性対応熱伝達係数を用いて行うことを特徴とする金型の熱解析方法。

（１）項の発明では、金型モデルの冷却構造の各解析対象部位をその特性に基づいて分類し、各解析対象部位の熱伝達係数をそれぞれ実験などによって予め求めておく。各解析対象部位では、特性がそれぞれ異なり、したがって、熱伝達係数も特性と対応して異なることとなる。しかしながら、本発明では、各分類において、各解析対象部位の特性のうちで最も高い頻度の特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として、各解析対象部位が属する分類における高頻度特性対応熱伝達係数を用いて熱解析を行う。そのため、金型内の冷却構造が複雑なために解析対象部位を多く設定する必要がある場合であっても、各解析対象部位の熱伝達係数を容易に短時間でそれぞれ適切な値に設定して、精度よく金型の熱解析を行うことができる。

（２） 前記各解析対象部位の特性が、前記冷却構造を流通する冷却流体の流速、流量、圧力、温度、並びに、冷却構造の断面積、金型の温度のうちの少なくとも一つであることを特徴とする（１）項に記載の金型の熱解析方法。

（２）項の発明では、（１）項の発明において、各解析対象部位の特性として、冷却構造を流通する冷却流体の流速、流量、圧力、温度、並びに、冷却構造の断面積、金型の温度のうちの少なくとも一つを採用することにより、各解析対象部位の熱伝達係数を求めることが具現化される。

（３） 金型の冷却構造をＣＡＥによって熱解析するためのプログラムであって、
準備された金型モデルの冷却構造の特性に基づいて分類された各解析対象部位の予め求められた熱伝達係数から、前記各分類において、前記各解析対象部位の特性のうちで頻度の高い特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として算出するステップと、
各解析対象部位における熱解析を、その解析対象部位が含まれる分類の高頻度特性対応熱伝達係数を用いて行うステップとを
備えていることを特徴とする金型の熱解析プログラム。

（３）項の発明では、準備された金型モデルの冷却構造の特性に基づいて分類された各解析対象部位の予め求められた熱伝達係数から、前記各分類において、前記各解析対象部位の特性のうちで頻度の高い特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として算出するステップと、各解析対象部位における熱解析を、その解析対象部位が含まれる分類の高頻度特性対応熱伝達係数を用いて行うステップとを備えていることにより、特性が異なる各解析対象部位を、その属する分類における高頻度特性対応熱伝達係数を用いて熱解析を行うため、金型内の冷却構造が複雑なために解析対象部位を多く設定する必要がある場合であっても、各解析対象部位の熱伝達係数を容易に短時間でそれぞれ適切な値に設定して、精度よく金型の熱解析を行うことができる。

（４） 前記各解析対象部位の特性が、前記冷却構造を流通する冷却流体の流速、流量、圧力、温度、並びに、冷却構造の断面積、金型の温度のうちの少なくとも一つであることを特徴とする（３）項に記載の金型の熱解析プログラム。

（４）項の発明では、（３）項の発明において、冷却構造を流通する冷却流体の流速、流量、圧力、温度、並びに、冷却構造の断面積、金型の温度のうちの少なくとも一つを各解析対象部位の特性として採用することにより、各解析対象部位の熱伝達係数を求めることが具現化される。

本発明により熱解析を行う冷却構造を有する金型モデルの一例を説明するために示した斜視図である。 図１に示した冷却構造の部分拡大図である。 熱解析を行う冷却構造の分類を説明するために示した概念図である。 各分類における特性として冷却構造内を流通する冷却媒体の各解析対象部位での流速とその熱伝達係数の関係、および、各分類において冷却流体の流速の頻度を説明するために示したグラフである。 各分類における本発明を含む金型の冷却構造を熱解析する手順の実施の一形態を説明するために示したフローチャートである。

本発明の実施の一形態を、図１〜図５に基づいて詳細に説明する。図において同じ符号は、同様または相当する部分を示すものとする。この実施の形態では、解析する対象が鋳造（ダイカストを含む）用金型であり、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の特性として、冷却構造を流通する冷却流体の流速を採用する場合により説明する。

本発明の金型の熱解析方法は、概略、金型の冷却構造の熱解析をＣＡＥによって行うものであって、金型モデル１を準備し、この金型モデル１の冷却構造２の各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・をその内部を流通する冷却流体の流速に基づいて分類し、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の熱伝達係数をそれぞれ求め、各分類Ａ、Ｂ、Ｃにおいて、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・を流通する冷却流体の流速のうちで最も高い頻度の冷却流体の流速に対応する熱伝達係数を求めてこの熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として設定し、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・を、それぞれ属する分類Ａ、Ｂ、Ｃに設定された高頻度特性対応熱伝達係数を用いて熱解析するものである。

また、本発明の金型の熱解析プログラムは、概略、金型の冷却構造をＣＡＥによって熱解析するためのものであって、準備された金型モデル１の冷却構造２を流通する冷却流体の流速に基づいて分類された各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の熱伝達係数をそれぞれ求めるステップと、各分類Ａ、Ｂ、Ｃにおいて、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・を流通する冷却流体の流速のうちで最も高い頻度の冷却流体の流速に対応する熱伝達係数を求めてこの熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として設定するステップと、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・を、それぞれ属する分類Ａ、Ｂ、Ｃに設定された高頻度特性対応熱伝達係数を用いて熱解析するステップとを備えている。

本発明の金型の熱解析プログラムが記憶されたソフトウエアは、コンピューター（スーパーコンピューターを含む）にインストールされる。本発明の金型の熱解析プログラムは、一般的な熱解析用プログラムから切り離して前処理用ソフトウエアとしてコンピュータに別個独立にインストールされて実行されてもよく、また、一般的な熱解析用ソフトウェアに組み込み実行させることもできる。

金型の熱解析を行うに際して、図１に示したように、最初に実際の金型の冷却部分に設けられる冷却構造に応じた解析のための金型モデル１が準備される（図５のＳ１０）。金型モデル１は、コンピュータに記憶された実際の金型を製作するための三次元ＣＡＤデータを読み込んで、ＣＡＥ（computer aided engineering）などによって生成することができる。そして、金型の内部には、冷却構造として冷却水などの冷却流体を流通させる流路２が形成されており、金型モデル１の設定された解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・は、図２に示すように、たとえば、断面が比較的大きい往復管（分類Ｂ）、断面が比較的小さい往復管（分類Ｃ）、これらの往復管を接続する接続管（分類Ａ）など、この実施の形態では冷却水の流速に影響を及ぼす要因によって区分された分類のうちで、いずれかに分類する（図５のＳ１１）。この各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の分類は、金型モデル１のデータに含まれ、即座にまたは後に解析に必要な他のデータと共にコンピュータに記憶される。なお、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の分類Ａ、Ｂ、Ｃの決定は、三次元ＣＡＤデータを読み込んで金型モデル１を生成する際に流路２の大きさや形状などを自動で認識することにより行うことができ、また、金型モデル１の生成作業を行う際に作業者によって判断し分類することもできる。

ここで、熱解析を行う冷却構造の各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の分類Ａ、Ｂ、Ｃを、さらに概念化して示した図３に基づいて説明する。冷却構造２の各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・は図３中に円で示されており、図３に示した例では、その特性によって分類をＡ、Ｂ、およびＣとし、分類Ａ，Ｂ、Ｃと対応させて各円内の表示を変えて示した。そして図３に示した例では、分類Ａが接続管であり、分類Ｂが比較的断面の大きい往復管であり、分類Ｃが比較的断面の小さい往復管を示している。往復管は、図２に参照されるように、金型内に形成された有底孔２０と、この有底孔２０内に挿入された管２１とを備えており、管２１の先端開口が有底孔２０の底近傍に位置し、有底孔２０の基部と管２１の基部に接続管（分類Ａ）がそれぞれ接続されている。なお、分類はＡ〜Ｃの３種類に限定されることはなく、冷却構造２の特性によって任意の数の種類に設定することができる。

図４は、分類ＡおよびＢの、図３に示した解析対象部位Ａ１〜Ａ６・・・、および、Ｂ１、Ｂ２・・・などにおける流速と、その金型モデル１内で使用されている頻度との関係を示すヒストグラム（下方）、および、流速と実験等で求められた熱伝達係数との関係を示したグラフ（上方）である。本発明では、各分類Ａ、Ｂの各解析対象部位Ａ１〜Ａ６・・・、および、Ｂ１、Ｂ２・・・などのうちで、最も金型モデル１内で使用頻度の高い流速と対応する熱伝達係数を、その分類した各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・毎の適正な熱伝達係数として算出する（図５のＳ１２）。そして、算出された高頻度流速における熱伝達係数を特性値データとして、この特性値データと各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の分類Ａ、Ｂ、Ｃとを、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の形状データや他の特性値データ、条件データなど、解析に必要な他のデータと共に読み込む（図５のＳ１）。なお、図４においては、分類Ａ、Ｂのみを例示したが、他の分類Ｃ・・・についても同様に、流速と金型内の使用頻度との関係、および、流速と実験等で求められた熱伝達係数との関係を求めて、最も金型モデル１内の使用頻度の高い流速と対応する熱伝達係数を、その分類した部位毎の適正な熱伝達係数として算出して、この特性値データと各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の分類Ａ、Ｂ、Ｃとを解析に必要な他のデータと共に読み込む。

続いて、これらのデータを基に、鋳造時のシミュレーションとしてＣＡＥソフトウエアなどにより、金型内に溶湯を充填するときの湯流れ中の熱計算を行い（図５のＳ２）、次いで金型の熱伝導伝達計算を行い（図５のＳ３）、溶湯が固化するときの潜熱を計算して（図５のＳ４）、成形品の欠陥を判定する（図５のＳ５）。

なお、この実施の形態では、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の特性として冷却構造２を流通する冷却流体の流速を採用する場合により説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されることはなく、各解析対象部位Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃ２・・・の特性として、冷却水の流量や、圧力、温度、あるいは、冷却水が流通される流路の断面積、金型の各解析対象部位における温度など、他の要因による特性を単一で、または組み合わせて採用することもできる。

さらにまた、この実施の形態では、熱解析する対象がダイカストを含む鋳造用金型である場合により説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されることはなく、例えば、射出成形用金型など、他の用途の金型の熱解析にも適用することができる。

１：金型、 ２：流路（冷却構造）、 ２０：有底孔、 ２１：管、 Ａ１〜Ａ６：分類Ａの解析対象部位、 Ｂ１〜Ｂ２：分類Ｂの解析対象部位、 Ｃ１〜Ｃ２：分類Ｃの解析対象部位

Claims (2)

1. 金型の冷却構造の熱解析をＣＡＥによって行う方法であって、
   金型モデルを準備し、
   該金型モデルの冷却構造の各解析対象部位をその特性に基づいて分類し、
   前記各解析対象部位の熱伝達係数をそれぞれ求め、
   前記各分類において、前記各解析対象部位の特性のうちで頻度の高い特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として求め、
   各解析対象部位における熱解析を、その解析対象部位が含まれる分類の高頻度特性対応熱伝達係数を用いて行うことを特徴とする金型の熱解析方法。
2. 金型の冷却構造をＣＡＥによって熱解析するためのプログラムであって、
   準備された金型モデルの冷却構造の特性に基づいて分類された各解析対象部位の予め求められた熱伝達係数から、前記各分類において、前記各解析対象部位の特性のうちで頻度の高い特性と対応する熱伝達係数を高頻度特性対応熱伝達係数として算出するステップと、
   各解析対象部位における熱解析を、その解析対象部位が含まれる分類の高頻度特性対応熱伝達係数を用いて行うステップとを
   備えていることを特徴とする金型の熱解析プログラム。

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