JP5494352B2 - 金型溶着判定方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属の鋳造や射出成形等に用いられる金型の溶着判定（焼付き判定）に関し、特に溶湯の金型への溶着を溶湯温度の解析によって判定する金型溶着判定方法及びその装置に関する。

従来、エンジンのシリンダブロックやシリンダヘッド等のアルミ合金製の鋳造成形品を金型鋳造により成形するとき、図１３に示すように、固定金型Ｄ１と、この固定金型Ｄ１に対向して接近・離隔方向へ移動可能な可動金型Ｄ２と、この固定金型Ｄ１と可動金型Ｄ２の間に形成されるキャビティＣの周囲の側面を囲む複数のスライドキャビティ型Ｄ３によってキャビティＣを形成し、このキャビティＣに対して注湯筒Ｄ４からアルミ合金の溶湯を加圧状態で注湯することが行われている。

前記金型鋳造では、溶湯が凝固して鋳造成形品を金型Ｄから取出す際、鋳造成形品が金型Ｄに焼付く焼付き（溶着）を生じ、不良品の発生や金型Ｄの破損を招くことがあるため、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）技術によって金型表面の温度分布を予測し、この温度分布に基づいて焼付き発生部位を推定することが行われていた。

特許文献１に記載された金型温度解析方法は、金型モデルを複数の温度計算領域に分割して領域毎のヒートサイクル中の温度変化を金型温度解析によって計算し、この計算温度と焼付き等の不具合が発生しない上限温度としての受熱量測定温度とを比較して金型が受ける受熱量を算出し、この受熱量をタイムステップ毎に積算した総受熱量と予め設定した判定基準との比較によって焼付き可能性のある危険部位を推定している。この金型温度解析方法では、焼付き可能性のある危険部位を色分して金型モデルに重ね合わせて表示することにより、視認性の容易化を図っている。

特開２００９−５３０９４号公報

前記特許文献１の金型温度解析方法では、金型の分割領域毎の温度変化のうち、受熱量測定温度よりも高い温度となる領域の面積（総受熱量）を算出しているため、金型表面の温度を精度よく予測することができる。しかし、実際に検証を行った結果、金型表面の温度による解析では金型の焼付きを精度良く予測できないことが判明した。

そこで、本発明者は、金型表面の温度によって焼付きを正確に解析できない理由を検討した結果、以下の点に着眼した。つまり、鋳造プロセス中における焼付きは、固体金属（金型）と溶融金属（溶湯）が接触した結果生じる、金属原子間における化合を伴う拡散反応、所謂溶着反応と推定され、金型と溶湯の焼付きは、金型と溶湯との境界部分に両者の化合物層が生成される現象であると考えられる。

一般に、拡散反応とは、溶融金属の原子が固体金属の界面を通過して溶融金属と親和性の高い化合物層を生成する現象である。つまり、図１４（ａ）に示すように、注湯後、暫くの間は溶湯と金型Ｄの間の拡散反応は生じない。そして、所定温度以上の溶湯が金型Ｄに所定時間接触を継続したとき、図１４（ｂ）に示すように、溶湯の金属原子Ａ１が金型Ｄの界面を通過して金型内部に浸透し、その後、図１４（ｃ）に示すように、溶湯の金属原子Ａ１が金型の金属原子と拡散反応して化合物層Ａ２を生成して溶着（焼付き）を形成する。それ故、溶着発生の主要因は、固体金属の属性ではなく溶融金属の属性、つまり、金型と接触する溶湯の温度と接触時間をパラメータとして考えることが望ましい。

金型には金型を冷却する冷却水通路等が配置されているため、金型表面の温度と、溶湯と金型との境界部分の温度は異なっている。しかも、前述したように、実際の溶着発生の有無は溶湯温度によって左右されるため、固体金属である金型表面の温度解析結果を用いた金型の温度に基づく溶着判定では、溶着可能性や溶着発生部位を正確に予測することができない虞がある。

本発明の目的は、金型の熱容量に拘わらず、溶湯の金型への溶着を精度良く判定し、高精度の応力解析が可能な金型溶着判定方法及びその装置等を提供することである。

請求項１の金型溶着判定方法は、注入された溶湯の金型への溶着を判定する金型溶着判定方法において、金型へ注入された溶湯が金型に溶着するか否かを判定するための溶着判定基準温度を予め設定する第１ステップと、金型の１または複数部位に対応した溶湯の溶湯注入開始後の複数の経過時間における複数の溶湯温度を算出する第２ステップと、前記溶湯温度が前記溶着判定基準温度以上を溶着と判定する第３ステップと、を備えたことを特徴としている。

この金型溶着判定方法においては、溶湯判定基準温度を時間に依存する温度の関数として取り扱うことで、溶湯の金属原子と金型の金属原子との拡散反応を判定でき、溶着発生の要因である金型の１または複数部位に対応した溶湯の温度に対して、精度の良い溶着判定を行うことができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記溶湯温度が前記溶着判定基準温度以上になる超過温度と経過時間とを時間積分して累積値を算出する第４ステップと、溶着の発生なしに金型へ注湯可能な有効注湯回数との関係を示す評価基準を設定する第５ステップと、前記評価基準に基づいて金型のメンテナンス時期を決定する第６ステップと、を備えたことを特徴としている。ここで、有効注湯回数とは、溶着の発生なしに金型へ注湯可能な注湯回数として定義する。

請求項３の発明は、注入された溶湯の金型への溶着を判定する金型溶着判定装置において、金型へ注入された溶湯が金型に溶着するか否かを判定するための溶着判定基準温度を設定する基準温度設定手段と、金型の１または複数部位に対応した溶湯の溶湯注入開始後の複数の経過時間における複数の溶湯温度を算出する溶湯温度算出手段と、前記溶湯温度が前記溶着判定基準温度以上になる温度曲線を持つ部位を溶着と判定する溶着判定手段を備えたことを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記溶着判定基準温度以上になる温度領域を時間積分して超過温度と経過時間とを乗算して累積値を算出する累積値算出手段と、溶着の発生なしに金型へ注湯可能な有効注湯回数との関係を示す評価基準を設定する評価基準設定手段と、前記評価基準に基づいて金型のメンテナンス時期を決定する時期決定手段を備えたことを特徴としている。
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記累積値に基づいて判定された金型の溶着可能性のある領域をその他の領域と識別可能な色によって表示する表示手段を備えたことを特徴としている。
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記累積値に基づいて判定された金型の領域を、金型の溶着可能性のある領域を示す識別情報と金型の溶着可能性のない領域を示す識別情報に基づき金型の溶着可能性のある領域と金型の溶着可能性のない領域とを識別可能に表示する表示手段を備えたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、溶湯温度を用いて溶湯と金型との境界部分における化合物層を生成する拡散反応を予測できるため、溶湯と金型との溶着を金型の部位毎に予測でき、溶湯の金型への溶着可能性を精度良く判定できる。しかも、溶湯温度を用いるため、成形品形状や冷却水通路等に伴う金型の熱容量に影響を受けることなく、形状の異なる部材の成形であっても、共通の溶着判定基準温度によって溶湯と金型との溶着を予測することができる。

請求項２の発明によれば、金型に対する適切なメンテナンス時期を判定することができる。しかも、金型の部位毎に溶着判定しているため、最も早く溶着が発生し易い部位のメンテナンス時期を決定することができ、部分的な金型補修によって金型の寿命を長くすることができる。

請求項３の発明によれば、基本的に請求項１と同様の作用、効果を奏する溶着判定装置を得ることができる。
請求項４の発明によれば、基本的に請求項２と同様の作用、効果を奏する溶着判定装置を得ることができる。

請求項５の発明によれば、溶着可能性のある領域をその他の領域と識別可能な色によって表示するため、作業者が画面によって溶着判定結果を容易に視認することができる。
請求項６の発明によれば、応力解析における境界条件（負荷条件）を注湯回数に応じて設定することができるため、高精度の応力解析ができる。

本発明の実施例１に係る金型の溶着判定装置のブロック図である。 金型の溶着判定処理のフローチャートである。 シリンダブロックの図である。 鋳造時の溶湯温度曲線を示すグラフである。 溶着判定基準温度作成の説明図である。 金型への有効注湯回数と積算温度との関係を示す評価基準のグラフである。 シリンダブロックの有限要素モデルである。 金型の有限要素モデルである。 積算温度に基づく溶着判定の説明図である。 溶着判定処理におけるノード毎の負荷条件演算のフローチャートである。 鋳抜きピンの有限要素モデルである。 実施例２に係る溶着判定基準温度の説明図である。 金型鋳造の説明図である。 拡散反応の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

以下、本発明の実施例について図１〜図１１に基づいて説明する。
本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系Ａｌ合金としてのＡＤＣ１０（ＪＩＳ規格）の溶湯をキャビティを備えた金型へ加圧状態で注湯し、鋳造成形品、例えば、シリンダブロックＢ（図３参照）を形成する金型鋳造の例について説明する。

溶湯の化学成分は、Ｃｕ：２．０〜４．０ｗｔ％，Ｓｉ：７．５〜９．５ｗｔ％，Ｍｇ：０．３ｗｔ％以下，Ｚｎ：１．０ｗｔ％以下，Ｆｅ：１．３ｗｔ％以下，Ｍｎ：０．５ｗｔ％以下，Ｎｉ：０．５ｗｔ％以下，Ｓｎ：０．２ｗｔ％以下，残部：Ａｌとされている。尚、溶湯はＡＤＣ１０に限られるものではなく、金型鋳造に適用可能な金属であれば何れであっても良く、例えばＭｇ系Ａｌ合金であっても良い。

金型は、ＳＫＤ６１（ＪＩＳ規格）の熱間金型用合金工具鋼によって形成されている。
金型の化学成分は、Ｃ：０．３２〜０．４２ｗｔ％，Ｓｉ：０．８０〜１．２０ｗｔ％，Ｍｎ：０．５０ｗｔ％以下，Ｐ：０．０３０ｗｔ％以下，Ｓ：０．０３０ｗｔ％以下，Ｃｒ：４．５０〜５．５０ｗｔ％以下，Ｍｏ：１．００〜１．５０ｗｔ％以下，Ｖ：０．８０〜１．２０ｗｔ％以下，残部：Ｆｅとされている。更に、この金型には、例えば、８２０〜８７０℃の焼きなまし、或いは１０００〜１０５０℃の焼入れに続けて、５５０〜６５０℃の焼戻し等の熱処理が施されている。

次に、溶着判定装置１について説明する。尚、以下の説明は、溶着判定方法の説明を含むものである。
図１に示すように、溶着判定装置１は、ＣＡＤ（Computer Aided Design）装置２と、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）装置３と、データベースとしての記憶装置４と、入力装置５と、処理装置６と、表示装置７等を備えている。ＣＡＤ装置２とＣＡＥ装置３と記憶装置４と処理装置６は、通信回線を介して相互に各種情報の伝達が可能に構成されている。尚、前記各装置は、その他の通信手段を介して情報の送受信が相互に可能であり、また、各種情報を記録媒体に記憶させて他の装置に情報を伝達するように構成することも可能である。

ＣＡＤ装置２は、金型の形状データに基づき金型のモデル情報を作成するよう構成されている。ＣＡＤ装置２には、金型形状に基づきソリッドモデルやシェルモデル等の金型モデルを作成する機能と、この金型モデルに基づいて金型メッシュモデルである金型形状の有限要素モデル８（図８参照）を作成する機能と、有限要素モデル８を部位毎に色別して表示する機能等を備えている。

ＣＡＥ装置３は、鋳造成形品（シリンダブロックＢ）の有限要素モデル情報に基づいて、金型へ注入される溶湯温度をシミュレーション可能に構成されている。ＣＡＥ装置３は、金型の１または複数部位に対応した溶湯注入開始後の複数の経過時間における複数の溶湯温度を演算している。

ＣＡＥ装置３には、鋳造成形品の有限要素モデル９（図７参照）に基づいて複数のノード（交点）を備えたシリンダブロックＢ形状のメッシュ情報を作成する機能と、メッシュ情報のうち各ノードにおいて溶湯の温度変化を演算する機能等を備えている。ここで、シミュレーションを行う対象は、溶湯と金型との境界部分の近傍部における溶湯温度と定義されている。それ故、ＣＡＥ装置３は、境界部分の近傍部の温度を温度解析プログラムによって演算するように構成されている。尚、溶湯温度以外のメッシュ情報は別途準備することも可能であり、各ノードの溶湯温度を演算する機能のみを備えたＣＡＥ装置を適用することも可能である。

記憶装置４は、ハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ等のディスクドライブ等を備えている。記憶装置４には、鋳造成形品用ＣＡＥ温度解析プログラムと、溶着判定プログラムと、メンテナンス時期設定プログラムと、溶湯が金型に溶着するか否かを判定するための溶着判定基準温度と、溶着なしに金型へ注湯可能な有効注湯回数を示す評価基準と、金型の付帯条件と、成形条件と、性能条件と、各種定数等が格納されている。更に、記憶装置４は、ＣＡＤ装置２とＣＡＥ装置３の演算結果やシリンダブロックＢの素材情報等が記憶可能に形成されている。

入力装置５は、マウスやキーボード等を備え、溶湯の温度解析に必要な情報、加圧圧力等の鋳造初期条件等を入力するための装置である。処理装置６は、ＣＰＵ等から構成され、記憶装置４に記憶された溶着判定プログラムとメンテナンス時期設定プログラム等の各種プログラムを実行する。表示装置７は、ＣＲＴやＬＣＤ等を備えており、入力情報や計算結果を金型の有限要素モデル８上に色別表示可能に構成されている。

次に、図２，図１０のフローチャートに基づいて、金型の溶着判定処理について説明する。尚、左列はＣＡＥ処理、中列はＣＡＤ処理、右列は基準作成処理を夫々示している。また、Ｓｉ（ｉ＝１，２…）は、各処理のためのステップを示す。

前処理として、右列の基準作成処理について説明する。
Ｓ１では、金型への溶湯注入後において、溶湯が金型に溶着するか否かを判定するための溶着判定基準温度Ｔを設定する。溶着判定基準温度Ｔは、図３に示すように、シリンダブロックＢの表面に対して複数の溶湯温度測定箇所、例えば測定ポイントａ〜ｅを予め設定し、実際の鋳造工程において、シリンダブロックＢの測定ポイントａ〜ｅの溶湯温度を注湯からの経過時間毎に計測し、図４に示す各測定ポイントａ〜ｅの溶湯温度の経過時間に対する推移傾向である溶湯温度曲線Ｔａ〜Ｔｅを作成する。ここで、作成された溶湯温度曲線Ｔａ〜Ｔｅは、各測定ポイントａ〜ｅ部分の溶湯と金型との境界部分の近傍部における溶湯温度である。尚、本例では説明のためａ〜ｅの５箇所の測定ポイントを取り上げるが、より高い精度で解析を行うためには、測定ポイント数をより多く設定する、加えて、測定ポイントの配置を、凹、凸、平面など、金型内のあらゆる形状を網羅することが必要である。

次に、各測定ポイントａ〜ｅにおいて、溶着（焼付き）が発生した最低温度と経過時間を検出する。図５に示すように、溶着が発生した各溶湯温度曲線Ｔａ〜Ｔｅの最低温度、所謂溶着有り領域と溶着無し領域との溶湯温度曲線Ｔａ〜Ｔｅの境界温度を結ぶことにより溶着判定基準温度Ｔを設定することができる。溶着判定基準温度Ｔは、注湯後、早い段階では経過時間に対して冷却（温度低下）傾向が大きく、その後、経過時間が進む程、冷却傾向が小さくなる特性を備えている。更に時間が経過した場合、再度、冷却傾向が大きくなる特性を備えている。

以上により、溶着判定基準温度Ｔは、実際に注入された溶湯の温度変化から設定されるため、シリンダブロックＢの形状や冷却水通路等の配置に起因する金型の熱容量等の金型側要因に影響を受けることなく、また、シリンダブロックＢの部位に拘わらず、溶着の発生有無を判定可能な判定基準として用いることができる。即ち、溶着判定基準温度Ｔよりも溶湯温度の高い領域では、溶湯の金属原子が金型の金属原子と拡散可能なエネルギーを保有しているため、溶着の発生可能性が存在していると判断することができる。しかも、この溶着判定基準温度Ｔは、ＳＫＤ６１製の金型とＡＤＣ１０の溶湯を用いた金型鋳造に対して、鋳造成形品形状に拘わらず共通して使用可能な判定基準であるため、一度設定することで、形状が異なる鋳造成形品に適用することができる。

また、溶着判定基準温度Ｔは、鋳造条件（鋳込み開始時の溶湯温度、充填時間、製品取り出しまでの保持時間など）に拘わらず、共通の基準として使用することができる。その理由は、溶着判定に溶湯温度を用いることで、鋳造条件の変更に対して、シミュレーションの中で凝固中の溶湯温度が追随する特性を利用しているためである。これにより、溶着判定基準温度Ｔは、鋳造条件の制約を受けることなく、一度設定することにより、あらゆる形状の鋳造成形品や鋳造条件に使用可能な判定基準として適用することができる。

Ｓ２にて、溶湯の金型への溶着を発生させる積算温度Ｅ（累積値）と溶着の発生なしに金型へ注湯可能な有効注湯回数との関係を示す評価基準Ｓを設定する。溶着エネルギーに相当する積算温度Ｅは、各溶湯温度曲線Ｔａ〜Ｔｅが溶着判定基準温度Ｔ以上になる超過温度を時間積分、所謂超過温度と経過時間とを乗算することによって求めることができる。それ故、積算温度Ｅは、超過温度時間積分値として表すことができる。

図６に示すように、積算温度Ｅと前記有効注湯回数とは、積算温度Ｅが大きくなる程注湯回数が減少するような自然対数の関係を有している。この評価基準Ｓの関係式は、実際の鋳造時において溶着が発生するまでの注湯回数とそのときの積算温度を検出することによって求めている。尚、評価基準Ｓについても、溶着判定基準温度Ｔと同様に、一度設定することにより、特定の鋳造成型品形状や、鋳造条件の制約を受けることなく、あらゆる形状の鋳造成形品や鋳造条件に使用することができる。

次に、左列のＣＡＥ処理について説明する。
ＣＡＥ装置３は、ＣＡＥ温度解析プログラムに基づいて溶湯の溶湯注入開始後における複数の経過時間における凝固解析を行う（Ｓ１１）。図７に示すように、解析対象物としてのシリンダブロックＢを三角形形状の面を備えた四面体要素等によって三次元的に要素分割し、複数のノードを備えたメッシュ状の有限要素モデル９を作成している。四面体要素によるシリンダブロックＢの表面の要素分割は、任意に設定可能である。尚、凝固解析にあたり、有限要素モデル９をＣＡＤ装置２からの金型モデル情報に基づき作成することも可能である。また、本凝固解析工程では、有限要素モデル９全てのノードについて、溶着判定を行うものであるが、説明の便宜上、５つのノードｆ〜ｊを例として説明する。

ＣＡＥ装置３は、記憶装置４から成形条件を取得する。その成形条件は、注入初期の溶湯温度、充填時間、最大加圧力、保圧値、保圧時間、注入開始からの経過時間等である。また、溶湯の物性値（属性）として、ＡＤＣ１０の熱伝導率、比熱、密度、粘度、温度シフトファクタ等が取得される。ＣＡＥ装置３は、有限要素モデル９と成形条件と溶湯の物性値によって、各ノードｆ〜ｊにおけるメッシュ情報である温度変化を演算している。

Ｓ１２にて、溶湯注入開始から１秒経過毎の各ノードｆ〜ｊの溶湯温度を所定期間演算処理し、夫々の時間（秒）における溶湯温度情報を作成する。次に、各秒毎の溶湯温度情報に基づいて、各ノードｆ〜ｊの溶湯温度曲線Ｔｆ〜Ｔｊを作成するための溶湯温度曲線情報を処理装置６等に出力している（Ｓ１３）。Ｓ１２において演算処理期間は、対象部材の材質、大きさ、形状等によって適宜設定される。

ここで、処理装置６は、Ｓ１で設定された溶着判定基準温度Ｔと各ノードｆ〜ｊの溶湯温度曲線Ｔｆ〜Ｔｊに基づいて、各溶湯温度曲線Ｔｆ〜Ｔｊが溶着判定基準温度Ｔ以上になる超過温度が存在する部位について、金型への溶湯の溶着可能性があると判定する（Ｓ２３）。尚、溶着判定基準温度Ｔ以上になる超過温度が存在しないノードは、金型への溶湯の溶着可能性がないと判定される。

溶着判定結果は、ＣＡＥ装置３へフィードバックされ、各ノードと溶着可能性が溶着マッピング情報としてシリンダブロックＢの有限要素モデル９のノード情報として記録される（Ｓ１４）。有限要素モデル９に記録された溶着マッピング情報は、実際の生産時の製品検査工程に反映される（Ｓ１５）。溶着可能性の存在するノードに対応した製品部位は、素材外観不良、加工リーク検査対象箇所として品質検査が行われる。

処理装置６では、溶湯判定基準温度Ｔ以上になる超過温度を時間積分した積算温度Ｅを溶着判定箇所（ノード）に対応した温度曲線毎に演算し（Ｓ２４）、評価基準Ｓに基づいて溶着発生までに鋳造できる有効注湯回数を算出し（Ｓ２５）、応力解析における境界条件（負荷条件）を設定している（Ｓ２６）。以下、有限要素モデル９の３つのノードｆ，ｇ，ｈの溶湯温度曲線Ｔｆ，Ｔｇ，Ｔｈの例について説明する。

ノードｆの位置は、溶湯の注湯口の近傍部であり、鋳造品の肉厚が厚い部位に相当している。それ故、図９に示すように、溶湯温度曲線Ｔｆは、早期に高温になり易く、その後、緩やかな冷却傾向を備えている。溶湯温度曲線Ｔｆは、溶着判定基準温度Ｔを超過した超過温度領域を有し、積算温度Ｅｆが大きいため、溶着発生時期は早いと判定される。尚、高温になり易く、緩やかな冷却傾向を備えた他のノードも、同様の溶湯温度曲線と見做すことができる。

ノードｇの位置は、鋳抜きピンの近傍部であり、成形品の肉厚が薄い部位に相当している。それ故、溶湯温度曲線Ｔｇは、高温になり易く、急激な冷却傾向を備えている。溶湯温度曲線Ｔｇは、溶着判定基準温度Ｔを超過した超過温度領域を有しているが、積算温度Ｅｇが比較的小さいため、ノードｆに比べて溶着発生時期が遅いと判定される。尚、高温になり易く、急激な冷却傾向を備えた他のノードも、同様の溶湯温度曲線と見做すことができる。

ノードｈの位置は、溶湯の注湯口から遠く、冷却水通路が近接した部位に相当している。それ故、溶湯温度曲線Ｔｈは、高温になり難く、急激な冷却傾向を備えている。溶湯温度曲線Ｔｈは、溶着判定基準温度Ｔを超えることがなく、積算温度Ｅｈが零であるため、溶着可能性が殆ど存在しないことが判定される。尚、高温になり難く、急激な冷却傾向を備えた他のノードも、同様の溶湯温度曲線と見做すことができる。

次に、中列のＣＡＤ処理について説明する。
ＣＡＤ装置２によって、金型の形状データに基づき金型モデルを作成し（Ｓ２１）、図８に示すように、この金型モデルに基づいて金型形状の複数のノードＤｆ，Ｄｇ，Ｄｈを備えた金型メッシュモデルとしての有限要素モデル８を作成している（Ｓ２２）。金型の有限要素モデル８は、三角形形状等の面を備えた要素で二次元的に要素分割し、複数のノードを備えたシェルメッシュ状で作成している。ここで使用する有限要素モデルは、構造解析に主に用いる三次元ソリッドメッシュでも本技術が適用可能である。しかし、溶着という金型表面に発生する現象を捉える目的に対し、三次元ソリッドメッシュでは金型内部にまでメッシュを配置し、余剰な解析負荷が発生する虞があるため、溶着判定を精度よく実施するためには、二次元シェルメッシュの活用が最適であると考えられる。また、有限要素モデルの定義は、ノード番号情報、座標情報が備わっていれば、分割形式や分割要素数について、任意に設定可能である。有限要素モデル８は、ノードｆ，ｇ，ｈの配置位置に対応したノードＤｆ，Ｄｇ，Ｄｈを備えている。Ｓ２２が、本発明の有限要素モデル作成工程に相当している。

Ｓ２３において、積算温度Ｅｆ，Ｅｇ，Ｅｈ（但し、Ｅｈは零であるため、図示略）による溶着判定結果を、金型の有限要素モデル８のノードＤｆ，Ｄｇ，Ｄｈに色別表示する。具体的には、溶着発生時期が早いノードＤｆは赤、溶着発生時期が遅いノードＤｇは黄、溶着可能性が殆ど存在しないノードＤｈは青等のように色別表示される。尚、その他のノードについても、同様に、溶着判定結果を色別表示している。また、溶着可能性の存在するノードＤｆ，Ｄｇの表示に当たって、各ノードＤｆ，Ｄｇを囲むように表示することも可能である。

Ｓ２４にて、ノード毎に超過温度時間積分値である積算温度Ｅを演算し、積算温度Ｅと評価基準Ｓに基づいて溶着発生までに鋳造できる有効注湯回数を算出する（Ｓ２５）。本実施例では、例えば、Ｅｈ＜Ｅｇ＜Ｅｆであるため、最も有効注湯回数が小さくなるノードＤｆの部位における有効注湯回数によって金型のメンテナンス時期が決定される（Ｓ１８）。メンテナンス時期には、ノードＤｆの部位の補修等が行われる。

ＣＡＤ処理では、応力解析（Ｓ１６）における境界条件（負荷条件）を設定している（Ｓ２６）。以下、図１０のフローチャートに基づき、溶着判定処理におけるノード毎の負荷条件演算処理について説明する。説明の便宜上、図１１に示す鋳抜きピンの有限要素モデル８ａを例として説明を行う。

Ｓ３１では、Ｓ２４で演算した積算温度ＥとＳ２で作成した評価基準Ｓにより、所定の注湯回数、例えば１００回未満の注湯回数で溶着が発生する可能性のあるノードと溶着が発生する可能性のないノードを判定している。
Ｓ３１の判定の結果、溶着が発生する可能性のあるノードと判定された場合、そのノードに識別情報Ｘを付与する（Ｓ３２）。

Ｓ３３では、図１１に示すように識別情報Ｘが付与されたノードで構成された領域ＡＸを色別（例えば赤色）表示し、領域ＡＸの表面積を計算している（Ｓ３４）。
Ｓ３５では、領域ＡＸの表面積と固体状態の鋳造素材ＡＤＣ１０の剪断力を乗算して、鋳造成形品を金型から離型する際の領域ＡＸに掛る剪断荷重を計算している。前記剪断力は、所定部位（例えば、鋳抜きピン）の溶着によって鋳抜きピンに発生する合力成分の引抜き方向の分力として算出することができる。
Ｓ３６では、Ｓ３５で求めた領域ＡＸの剪断荷重を、領域ＡＸを構成するノード数で除算し、溶着が発生する可能性のある個々のノードに掛る引張応力を算出している（Ｓ３７）。

Ｓ３１の判定の結果、１００回未満の注湯回数で溶着が発生する可能性のないノードと判定された場合、そのノードに識別情報Ｙを付与する（Ｓ３８）。
Ｓ３９では、識別情報Ｙが付与されたノードで構成された領域ＡＹを領域ＡＸと識別可能な色により色別（例えば青や緑色）表示している。図１１に示すように、本実施例では、領域ＡＹを、４００回未満の注湯回数で溶着が発生する可能性のあるノードで構成される領域ＡＹ１と、８００回未満の注湯回数で溶着が発生する可能性のあるノードで構成される領域ＡＹ２と、１５００回未満の注湯回数で溶着が発生する可能性のあるノードで構成される領域ＡＹ３と、３０００回未満の注湯回数で溶着が発生する可能性のあるノードで構成される領域ＡＹ４と、６０００回未満の注湯回数で溶着が発生する可能性のあるノードで構成される領域ＡＹ５の５つの領域に区分して色別表示しており、これらの領域は、注湯回数に応じて識別情報Ｙから、識別情報Ｘへ変更される。

Ｓ４０では、溶湯と接触する対象部位の総表面積を計算し、総表面積から領域ＡＸの表面積を減算して領域ＡＹの表面積を計算している。
Ｓ４１では、領域ＡＹの表面積と固体状態の鋳造素材の摩擦力を乗算して、鋳造成形品を金型から離型する際の領域ＡＹに掛る摩擦荷重を計算している。前記摩擦力は、所定部位（例えば、鋳抜きピン）の離型時、金型と固体状態の鋳造素材との摩擦によって鋳抜きピンに発生する合力成分の引抜き方向の分力として算出することができる。尚、剪断力と摩擦力は、金型からの抜き勾配が規定により決定される定数項であるため、予め両者の相関を求めておき、一方の値から他方の値を算出することも可能である。

Ｓ４２では、Ｓ４１で求めた領域ＡＹの摩擦荷重を、領域ＡＹを構成するノード数で除算し、溶着が発生する可能性のない個々のノードに掛る離型抵抗力を算出している（Ｓ４３）。以上により、溶着が発生する可能性のある領域と溶着が発生する可能性のない領域を識別可能に表示でき、溶着が発生する可能性のある領域と溶着が発生する可能性のない領域を区分して、Ｓ１６で使用する金型に掛る初期負荷条件を設定することができる。

図２のフローチャートに示すように、金型に掛る初期負荷条件を設定した後、金型の有限要素モデル８とシリンダブロックＢの有限要素モデル９とＳ２５で演算した各ノードＤｆ，Ｄｇ，Ｄｈの部位における有効注湯回数とＳ２６で演算した各ノードの負荷条件によって、鋳造成形品の離型時に金型の溶着部分が引き剥がされることにより各金型部位に発生する引張応力や離型抵抗力等をシミュレーションし（Ｓ１６）、金型寿命の予測判定を行っている（Ｓ１７）。

以上により、シリンダブロックＢの有限要素モデル９と金型の有限要素モデル８とによって、溶湯の金型への溶着現象を正確に判定することができ、金型のメンテナンス時期を予め設定することができる。しかも、判定等に用いる溶着判定基準温度Ｔと評価基準Ｓは、金型の材質と溶湯の材質から設定される基準値であり、一度設定することで、あらゆる形状の鋳造成形品や鋳造条件に使用することができる。また、溶着が発生する可能性のある領域と溶着が発生する可能性のない領域を区分して金型に掛る初期負荷条件を設定することができ、精度の高い応力解析ができる。

次に、溶着判定装置１の作用、効果について説明する。
処理装置６（基準温度設定手段）は、金型への溶湯注入後において溶湯が金型に溶着するか否かを判定するための溶着判定基準温度Ｔを設定するため、金型の材質と溶湯の材質が同じ組み合わせの場合、製品形状が変更されても溶着判定基準温度Ｔを共通に使用することができる。ＣＡＥ装置３（溶湯温度算出手段）は、金型の複数部位に対応した溶湯の溶湯注入開始後の複数の経過時間における複数の溶湯温度Ｔｆ〜Ｔｊを算出するため、演算により、溶湯と金型との境界部分の近傍部における溶湯温度を正確に算出することができる。

処理装置６（溶着判定手段）は、溶湯から金型への拡散反応のメカニズムに基づき、溶湯温度曲線を用いて金型への溶湯の溶着を判定するため、溶着判定基準温度Ｔと溶湯温度との照合によって溶着の発生有無を算出することができ、精度の良い溶着判定を行うことができる。

溶湯温度が溶着判定基準温度Ｔ以上になる超過温度と経過時間とを時間積分して積算温度Ｅを算出する処理装置６（累積値算出手段）を備えているため、溶着発生の主要因である溶湯の温度に基づき、正確な積算温度Ｅを算出することができる。積算温度Ｅと、溶着の発生なしに金型へ注湯可能な注湯回数との関係を示す評価基準Ｓを設定する処理装置６（評価基準設定手段）と、評価基準Ｓに基づいて金型のメンテナンス時期を決定するＣＡＥ装置３（時期決定手段）を備えているため、金型に対する適切なメンテナンス時期を判定することができる。しかも、金型の部位に相当するノード毎に溶着判定しているため、最も早く溶着が発生し易い部位のメンテナンス時期を決定することができ、部分的な金型補修によって金型の寿命を長くすることができる。

積算温度Ｅに基づいて判定された金型の溶着可能性のある領域をその他の領域と識別可能な色によって表示する表示装置７を備えているため、作業者が溶着判定結果を目視によって認識することができる。
積算温度Ｅに基づいて判定された金型の領域を、金型の溶着可能性のある領域を示す識別情報Ｘと金型の溶着可能性のない領域を示す識別情報Ｙに基づき識別可能に表示する表示装置７を備えているため、視認しながら、溶着が発生可能性のある領域と溶着が発生する可能性のない領域を区分して金型に掛る初期負荷条件を設定することができ、精度の高い応力解析ができる。

次に、溶着判定装置１の変形例について図１２に基づいて説明する。尚、前記実施例１の溶着判定装置１と異なる構成についてのみ説明し、同様の部材や機構は同一の符号を付している。この変形例では、金型を油性離型剤としてのＤＣＬＰによって被膜処理している。

金型への溶湯注入後において、溶湯が金型に溶着するか否かを判定するための溶着判定基準温度Ｔ１を設定する。溶着判定基準温度Ｔ１は、実施例１と同様に、シリンダブロックＢの表面に対して複数の測定ポイントを設定し、これら複数の測定ポイントにおいて、実際の鋳造時の注湯からの時間経過に伴う溶湯温度曲線を計測する。

図１２に示すように、実際に溶着が発生した各溶湯温度曲線の最低温度を結ぶことによって溶着判定基準温度Ｔ１を設定している。溶着判定基準温度Ｔ１は、注湯後の早い段階では経過時間に対して冷却傾向が大きくなるよう構成されている。特に、溶着判定基準温度Ｔ１は、注湯後の早い段階において、被膜処理されていない金型の溶着判定基準温度Ｔと比べて溶着判定基準温度Ｔ１が高くなる特性を備えている。尚、早い段階以降において、溶着判定基準温度Ｔ１と溶着判定基準温度Ｔに特性の差異は生じない。

以上により、金型を被膜処理した場合、溶湯の金属原子が金型内部に浸透し難くなるため、溶着判定基準温度Ｔ１が上昇する。これにより、被膜処理した金型に対して、溶着判定基準温度Ｔ１を設定することができ、溶湯の金型への溶着を判定することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した変形例について説明する。
１〕前記実施例においては、ＳＫＤ６１の金型とＡＤＣ１０の溶湯を採用した例を説明したが、少なくとも、溶着が発生する組み合わせであれば本発明を適用することができ、ＳＫＤ１１やＳＫＤ６１等の金型とＡＤＣ１やＡＤＣ８等の溶湯を用いることも可能である。

２〕前記実施例においては、溶湯を金型へ加圧状態で注湯する金型鋳造の例を説明したが、溶湯を金型へ加圧状態で射出する射出成形に適用することも可能である。

３〕前記実施例においては、金型をＤＣＬＰによって被膜処理した溶着判定基準温度の例を説明したが、水性黒鉛等の水性離型剤に適用することも可能であり、また、離型剤毎に補正係数を設定し、被膜のない溶着判定基準温度を補正して溶着判定することも可能である。

４〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

本発明は、溶融金属の鋳造や射出成形等に用いられる金型の溶着判定において、成形品形状や鋳造条件に拘わらず、溶湯の金型への溶着を溶湯温度の解析によって精度良く判定することができる。

１ 金型溶着判定装置
２ ＣＡＤ装置
３ ＣＡＥ装置
４ 記憶装置
６ 処理装置
７ 表示装置
８ （金型）有限要素モデル
８ａ （鋳抜きピン）有限要素モデル
９ （シリンダブロック）有限要素モデル
Ｔ，Ｔ１ 溶着判定基準温度
Ｓ 評価基準
Ｔｆ〜Ｔｊ 溶湯温度
Ｅｆ〜Ｅｈ 積算温度

Claims (6)

1. 注入された溶湯の金型への溶着を判定する金型溶着判定方法において、
   金型へ注入された溶湯が金型に溶着するか否かを判定するための溶着判定基準温度を予め設定する第１ステップと、
   金型の１または複数部位に対応した溶湯の溶湯注入開始後の複数の経過時間における複数の溶湯温度を算出する第２ステップと、
   前記溶湯温度をステップ１の溶湯判定基準温度と照合して、溶着を判定する第３ステップと、
   を備えたことを特徴とする金型溶着判定方法。
2. 前記溶湯温度が前記溶着判定基準温度以上になる超過温度と経過時間とを時間積分して累積値を算出する第４ステップと、
   前記累積値と、溶着の発生なしに金型へ注湯可能な有効注湯回数との関係を示す評価基準を設定する第５ステップと、
   前記評価基準に基づいて金型のメンテナンス時期を決定する第６ステップと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の金型溶着判定方法。
3. 注入された溶湯の金型への溶着を判定する金型溶着判定装置において、
   金型へ注入された溶湯が金型に溶着するか否かを判定するための溶着判定基準温度を設定する基準温度設定手段と、
   金型の１または複数部位に対応した溶湯の溶湯注入開始後の複数の経過時間における複数の溶湯温度を算出する溶湯温度算出手段と、
   前記溶湯温度が前記溶着判定基準温度以上になる温度領域を溶着と判定する溶着判定手段を備えたことを特徴とする金型溶着判定装置。
4. 前記溶着判定基準温度を超過する温度曲線の超過分温度と経過時間とを時間積分して累積値を算出する累積値算出手段と、前記累積値と、溶着の発生なしに金型へ注湯可能な有効注湯回数との関係を示す評価基準を設定する評価基準設定手段と、
   前記評価基準に基づいて金型のメンテナンス時期を決定する時期決定手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の金型溶着判定装置。
5. 前記累積値に基づいて判定された金型の溶着可能性のある領域をその他の領域と識別可能な色によって表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の金型溶着判定装置。
6. 前記累積値に基づいて判定された金型の領域を、金型の溶着可能性のある領域を示す識別情報と金型の溶着可能性のない領域を示す識別情報に基づき金型の溶着可能性のある領域と金型の溶着可能性のない領域とを注湯回数に応じて識別可能に表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の金型溶着判定装置。