JP5442242B2 - ダイカスト鋳造鋳物の鋳巣解析方法およびその鋳巣解析プログラム - Google Patents
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具体的には、(a)溶融材料の成型に用いる型の形状を座標系上に位置づけ、該座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成ステップと、
(b)該微小要素のそれぞれについて、該型の型領域に位置する型要素と該型のキャビティ領域に位置するキャビティ要素とを定義する要素定義ステップと、
をもつ前処理工程と、
(a)(i)該溶融材料が充填された該キャビティ要素である溶融材料充填要素の圧力および速度を算出するステップと、
(ii)該溶融材料が充填されていない該キャビティ要素であるガス巣要素のガスの物理量を算出するステップと、
(iii)算出された該ガス巣要素の該ガスの物理量を利用して該溶融材料充填要素と該ガス巣要素のそれぞれの要素間の伝熱および鋳造型最表面に位置する該型要素とそれに接する該溶融材料充填要素または該ガス巣要素のそれぞれの要素間の伝熱を解析して、該溶融材料充填要素の温度を算出する伝熱解析ステップと、該溶融材料充填要素の該温度から算出される該溶融材料充填要素の潜熱放出量に応じて、該溶融材料の固相率を算出する固相率算出ステップと、をもつ凝固解析ステップと、
(iv)該溶融材料充填要素の固相率が溶湯の流動限界を超えている場合に当該溶融材料充填要素を充填解析の解析対象から除外するステップと、
(v)プランジャ直前部の該溶融材料充填要素の平均圧力が所定圧力を超えた時もしくは溶湯充填率が所定充填率を超えた時に、該溶湯の流入条件を溶湯速度条件から溶湯圧力条件に切り替えるステップと、
を備え、該キャビティ要素について、該溶融材料の充填領域を解析する充填解析ステップと、
(b)(i)該固相率が100%未満であるそれぞれの該溶融材料充填要素について、該固相率が100%未満である該溶融材料充填要素以外の該微小要素によって囲繞される閉領域を検出する閉領域検出ステップと、
(ii)直前に検出された該閉領域と現在の該閉領域とを対比して該閉領域内に含まれる該溶融材料の体積変動を求めて、該閉領域の発生後に該閉領域内で発生する凝固収縮を該閉領域内の該溶融材料充填要素のうち該固相率が低い要素に対応づける凝固収縮検出ステップと、
を備え、すべての該溶融材料充填要素が完全に凝固するまで対応づけを行う凝固収縮解析ステップと、
をもち、各該微小要素について該充填解析ステップおよび該凝固収縮解析ステップの全てのステップを行った後に微小時間間隔に相当するタイムステップを進めて、該充填解析ステップおよび該凝固収縮解析ステップの各ステップを繰り返し行う解析工程と、
を有することを特徴とするダイカスト鋳造鋳物の鋳巣解析方法に係る発明である。
本発明は、上述した「方法」の発明に限られず、「物」の発明としても把握できる。すなわち、本発明は、前述の鋳巣解析方法を、コンピュータを機能させて実行することを特徴とする鋳巣解析プログラムでもよい。
本鋳巣解析方法は、前処理工程と解析工程とその他必要に応じた工程とを有する。前処理工程は要素作成ステップと要素定義ステップとをもち、型のモデルデータを作成して、型内へ充填する溶融材料について充填解析、凝固解析及び凝固収縮解析を行う準備をする工程である。解析工程は作成された型のモデルデータに対して、充填解析ステップと凝固解析ステップおよび凝固収縮解析ステップとを行う工程である。本鋳巣解析方法は、ダイカストの鋳造に適用して鋳巣の解析を行うことができ、本鋳巣解析方法が適用される型は溶融した材料の成型に用いるものであればよい。
〈要素作成ステップ〉
要素作成ステップは、本成型シミュレーション方法の対象である型を座標系上に位置づけ、その座標系上の空間を多面体からなる複数の微小要素に分割するステップである。すなわち、座標系上の空間を解析用の微小要素に細分化するステップである。
要素定義ステップは、前述の要素作成ステップにおいて規定された微小要素のそれぞれについて、型の型領域に位置する場合には型要素と定義し、型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義するステップである。すなわち、後述の解析工程用に各微小要素の属性を定義し、座標系上に型の形状を微小要素により構築するステップである。
解析工程は充填解析ステップと凝固収縮解析ステップとをもち、充填解析ステップは、凝固解析ステップを備える。これらの工程はそれぞれの適正な微小時間間隔で、それぞれ目的の解析を行う。
充填解析ステップは、C要素のそれぞれについて、溶融材料の充填解析を経時的に行うステップである。すなわち、型内における注入された溶融材料の物理的挙動を解析するステップであり、微小要素毎に微小時間毎の溶融材料の物理的挙動を解析する。溶融材料が充填された微小要素は溶融材料充填要素として扱う。
凝固解析ステップは、(i)溶融材料が充填されたC要素(溶融材料充填要素)と溶融材料が充填されずガス巣として残った要素(ガス巣要素)について伝熱解析を行い、溶融材料充填要素の温度を経時的に算出する伝熱解析ステップと、(ii)溶融材料充填要素の温度から算出される溶融材料充填要素の潜熱放出量に応じて、溶融材料充填要素内の溶融材料の固相率を経時的に算出する固相率算出ステップとをもつ。なお、本凝固解析ステップでは、溶融材料充填要素の温度から溶融材料の固相率を算出しているが、熱伝導率などの熱特性から溶融材料の固相率を求めてもよい。
凝固収縮解析ステップは(i)閉領域検出ステップと(ii)凝固収縮検出ステップとをもつ。
本シミュレーション方法はその他に、種々の工程を含ませることができる。例えばその他の欠陥予測解析(湯回り及び湯境予測等)、DCスリーブ内流動解析、中子ガス発生解析、残留応力解析等を行う工程を含ませることができる。
以下に本発明の鋳巣解析プログラムについて、実施形態に基づいて説明する。本実施形態の鋳巣解析プログラムは、前処理手段と解析手段とを有する。また、本実施形態の鋳巣解析プログラムは、必要に応じて、その他の手段を含むことができる。本実施形態の各手段はすべてコンピュータ上のロジックとして実現可能としたものであり、コンピュータ上で実行可能な形式で作成されている。また、本プログラムはCD−ROM等の記録媒体上に記録されていても良い。
〈要素作成手段〉
要素作成手段は、本鋳巣解析手段の解析対象である型を座標系上に位置づけ、その座標系上の空間を多面体からなる複数の微小要素に分割する手段である。すなわち、座標系上の空間を解析用の微小要素に細分化する手段である。なお、本手段についての説明は、前述の鋳巣解析方法における要素作成ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
要素定義手段は、前述の要素作成手段において規定された微小要素のそれぞれについて、型の型領域に位置する場合には型要素と定義し、型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する手段である。すなわち、後述の解析手段用に各微小要素の属性を定義し、座標系上に型の形状を微小要素により構築する。なお、本手段についての説明は、前述の鋳巣解析方法における要素定義ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
〈充填解析手段〉
充填解析手段は、C要素のそれぞれについて、溶融材料の充填解析を行う手段である。すなわち、型内における注入された溶融材料の物理的挙動を解析する手段であり、微小要素毎に微小時間毎の溶融材料の物理的挙動を解析する。なお、本手段についての説明は、前述の鋳巣解析方法における充填解析ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
凝固解析手段は、溶融材料が充填されたC要素(溶融材料充填要素)と溶融材料が充填されずガス巣として残った要素(ガス巣要素)について伝熱解析を行い、温度を経時的に算出する伝熱解析手段と、溶融材料充填要素の温度から算出される溶融材料充填要素の潜熱放出量に応じて、溶融材料充填要素内の溶融材料の固相率を経時的に算出する固相率算出手段とをもつ。なお、本手段についての説明は、前述の鋳巣解析方法における凝固解析ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
凝固収縮解析手段は閉領域検出手段と凝固収縮検出手段とをもつ。閉領域検出手段は、含液相要素について、非液相要素によって囲繞された閉領域を経時的に検出する手段である。凝固収縮検出手段は、閉領域の発生後に、その閉領域内の溶融材料充填要素のうち固相率が低い要素にその閉領域内で発生する凝固収縮を経時的に対応づける手段である。なお、本手段についての説明は、前述の鋳巣解析方法における凝固収縮解析ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
本実施形態の装置に含ませることができるその他の手段としては、前述した鋳巣解析方法で説明したように、解析結果を出力する手段や解析結果を表示する手段が例示できる。なお、これらの手段についての説明は、前述の鋳巣解析方法におけるものとほぼ同様であるので先の説明をもってこれらの手段の説明に代える。
本実施例は、鋳造方法がダイカストの場合において、溶湯充填中に巻き込まれたガスによるガス巣の挙動を把握することを目的に、試験鋳物を製作してガス巣の挙動を確認する。
図3に示す形状のキャビティを有する試験用の金型を用意した。この鋳物部の形状が本発明でいうキャビティ形状(領域)に相当する。各部のサイズは次のとおりである。
ゲート :幅30×厚さ5(mm)
ランナ :15×10×200(mm)
ビスケット:φ60×20(mm)
〈ダイカスト鋳物の製造〉
現物であるダイカスト鋳物を、上記の金型を用いて135tonのダイカスト機を用いて製造した。このとき、金型のキャビティへ金属溶湯を加圧充填するプランジャは、サイズがφ60×20(mm)のものを用いた。キャビティ内のガスは、大気圧開放とした。
上部の1本ゲートから溶湯をキャビティ内に射出したときの、ガス巻き込み状態を観察した。
実施例1のダイカスト鋳物を対象にして鋳巣解析を行った。まず、本実施例の鋳巣解析方法について説明し、その後に鋳巣解析結果について説明する。
本鋳巣解析方法では型としての鋳造型をCADで作成し、その鋳造型のモデルデータを用いて解析を行う。本鋳巣解析方法は、大きく分類すると、前処理工程S1と解析工程S2とからなる。
座標系として直交座標系を採用した。鋳造型の型モデルデータはCADデータとして作成される(型モデルデータ作成S11)。
解析工程S2は充填解析ステップS21と凝固収縮解析ステップS23とをもち、充填解析ステップS21は、凝固解析ステップS22を備える。
最終的に充填解析ステップS21及び凝固解析ステップS22が終了した後に、解析結果を可視化する。キャビティ領域内への溶湯の充填の様子を可視化することの他に、最終的に製造される成型品についてひけ巣欠陥の予測位置を表示する。ひけ巣欠陥は、凝固収縮の体積の情報が対応づけられた微小要素に発生するものと予測する。凝固収縮の体積の情報が対応づけられた結果、その微小要素の空隙率((対応づけられた凝固収縮の体積)/(その微小要素の体積)×100(%))が90%以上のものをひけ巣欠陥として表示する。この空隙率の値は適正に変動できる。ひけ巣欠陥の大きさとしては、対応づけられた凝固収縮の体積の大きさの和をもって予測する。
(1)プランジャ直前部の溶湯圧力変化
溶湯の流入速度を3m/sで固定し、充填が完了するまで(充填率が99%以上になるまで)充填解析を行った際のプランジャ直前部の溶湯圧力変化を確認した。
まず、溶湯の流入条件を溶湯速度条件で固定して鋳巣解析を行った(比較例)。
図8に示す形状の成型品について、実際の鋳物に発生したひけ巣と解析により予測されたひけ巣を比較した。図8は成型品にハッチングを付した面で切断した断面図であり、ゲートGから溶湯が充填される。図9(a)は、成型品に実際に発生したひけ巣を示したものである。ハッチングを付して囲まれた部分にひけ巣がみられる。
C…キャビティ要素(C要素)
M…型要素(M要素)
G…ゲート
Claims (4)
- (a)溶融材料の成型に用いる型の形状を座標系上に位置づけ、該座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成ステップと、
(b)該微小要素のそれぞれについて、該型の型領域に位置する型要素と該型のキャビティ領域に位置するキャビティ要素とを定義する要素定義ステップと、
をもつ前処理工程と、
(a)(i)該溶融材料が充填された該キャビティ要素である溶融材料充填要素の圧力および速度を算出するステップと、
(ii)該溶融材料が充填されていない該キャビティ要素であるガス巣要素のガスの物理量を算出するステップと、
(iii)算出された該ガス巣要素の該ガスの物理量を利用して該溶融材料充填要素と該ガス巣要素のそれぞれの要素間の伝熱および鋳造型最表面に位置する該型要素とそれに接する該溶融材料充填要素または該ガス巣要素のそれぞれの要素間の伝熱を解析して、該溶融材料充填要素の温度を算出する伝熱解析ステップと、該溶融材料充填要素の該温度から算出される該溶融材料充填要素の潜熱放出量に応じて、該溶融材料の固相率を算出する固相率算出ステップと、をもつ凝固解析ステップと、
(iv)該溶融材料充填要素の固相率が溶湯の流動限界を超えている場合に当該溶融材料充填要素を充填解析の解析対象から除外するステップと、
(v)プランジャ直前部の該溶融材料充填要素の平均圧力が所定圧力を超えた時もしくは溶湯充填率が所定充填率を超えた時に、該溶湯の流入条件を溶湯速度条件から溶湯圧力条件に切り替えるステップと、
を備え、該キャビティ要素について、該溶融材料の充填領域を解析する充填解析ステップと、
(b)(i)該固相率が100%未満であるそれぞれの該溶融材料充填要素について、該固相率が100%未満である該溶融材料充填要素以外の該微小要素によって囲繞される閉領域を検出する閉領域検出ステップと、
(ii)直前に検出された該閉領域と現在の該閉領域とを対比して該閉領域内に含まれる該溶融材料の体積変動を求めて、該閉領域の発生後に該閉領域内で発生する凝固収縮を該閉領域内の該溶融材料充填要素のうち該固相率が低い要素に対応づける凝固収縮検出ステップと、
を備え、すべての該溶融材料充填要素が完全に凝固するまで対応づけを行う凝固収縮解析ステップと、
をもち、各該微小要素について該充填解析ステップおよび該凝固収縮解析ステップの全てのステップを行った後に微小時間間隔に相当するタイムステップを進めて、該充填解析ステップおよび該凝固収縮解析ステップの各ステップを繰り返し行う解析工程と、
を有することを特徴とするダイカスト鋳造鋳物の鋳巣解析方法。 - 前記所定圧力は、前記プランジャ直前部の前記溶融材料充填要素の圧力変化から算出することを特徴とする請求項1に記載のダイカスト鋳造鋳物の鋳巣解析方法。
- 前記所定充填率は、前記溶湯を充填する過程から、前記溶湯が充填されていない残存部が圧縮される工程に変化するときの溶湯充填率であることを特徴とする請求項1に記載のダイカスト鋳造鋳物の鋳巣解析方法。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載の鋳巣解析方法を、コンピュータを機能させて実行することを特徴とする鋳巣解析プログラム。
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