JP6725877B2 - ダイカストの初期温度設定方法 - Google Patents
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Description
ダイカストは鋳込スリーブ内の溶湯を金型に高速で充填する為、生産性がよく、大型の薄物の製品を作ることができる。また寸法精度が高くまた鋳造組織が細かく、鋳肌表面がきれいな製品を作るという長所がある。
一方、溶湯を高速で充填する為、空気を巻き込みやすく、また最終凝固部に引け巣ができ易いという短所があった。
一方、溶湯温度は、充填時の湯回り性の評価や、充填完了後の凝固解析開始時の初期温度となるため、設定精度が悪いと解析精度の低下に直結するという問題があった。
鋳込スリーブの充填率が100%になった時の前記流入境界面の溶湯温度を初期温度とした場合に、
鋳造条件(鋳込スリーブ条件、溶湯条件、射出条件)を考慮して予めデータベース化した鋳込スリーブ内の溶湯の冷却曲線を有し、解析毎に適合するデータベースの値を参照して溶湯温度を設定することにした。
また、評価指標確立の効率が向上する。
プランジャーチップ3が前進して鋳込スリーブ2内の溶湯1の充填率が100%となる位置までのストロークを鋳込体積が100%(鋳込スリーブ内で溶湯の充填率が100%になる)になるストロークといい、プランジャーチップ3が低速で移動するストロークである。
一方、前述のプランジャーチップ3の停止位置から可動型5までの距離を鋳込体積分のストロークと呼ぶ。
鋳込体積が100%になるストロークと鋳込体積分のストロークとを合わせたものを分流子端定数(すなわちこれが、鋳込スリーブ長さである)と呼ぶことにする。
まず、図2の上段の図について説明する。
(a)は図示しない給湯機で鋳込スリーブ2に給湯口10より所定の量のアルミの溶湯1を注湯した図である。溶湯1は鋳込スリーブ2の中で均一に広がっていく。
(b)では、注湯後、プランジャーチップ3が前進し、鋳込スリーブ2内の溶湯1の湯面がせり上がっていき、鋳込スリーブ2内の溶湯1の充填率が徐々に上がっていく。
(c)では、さらにプランジャーチップ3が前進して行き、鋳込スリーブ3内で溶湯2の充填率が100%になったときの図である。
(d)では、金型内のキャビティ6が溶湯で100%充填された時の図である。この時プランジャーチップ3は前進限になっている。さらにビスケット8が形成される。
このビスケット8の端面において、(c)の図で鋳込スリーブの充填率が100%になった時のA−A断面の溶湯温度Tが本発明において設定する初期温度である。
これによると、(a)の鋳込み直後では溶湯1の充填率は50%ぐらいであるが、(b)では充填率は80%ぐらいに上がり、(c)では充填率は100%となる。(d)でも同様に100%である。
(c)における溶湯温度が前記でも述べた初期温度となる。
以後、(c)におけるA−A断面の溶湯温度(溶湯温度Tとする)について説明を進めていく。
図2で初期温度としては、(c)と(d)の間の領域の温度Ttを使う方が精度は上がる。
なお、溶湯条件とは溶湯の材質、温度、注湯量のことをいう。
溶湯温度Tは溶湯が給湯口から鋳込スリーブに注湯された後、遅延タイマや射出速度の違いにより、ビスケット端面にプランジャーチップが到達する時間のかかり方で溶湯温度が変わる。すなわち遅延タイマが長いほど、また射出速度が遅いほど時間がかかるので溶湯温度Tは低くなる。
この現象を表したのが図3である。図3では鋳込スリーブ内の中心付近の溶湯温度と壁面付近の溶湯温度と、データベース化した冷却曲線を示した。データベース化した冷却曲線は鋳込スリーブ内の平均的な溶湯の冷却曲線である。この冷却曲線は1種類の鋳込スリーブ条件と溶湯条件で射出条件を変化させたときに得られる、1つの初期温度のデータベースである。言い換えると図2の上から2段目の図の溶湯温度Tを連続的に結んでグラフ化したものである。
溶湯条件、鋳込スリーブ条件を固定した時に、射出条件を変えることにより、溶湯到達時間が変わることになる。
図3の中で溶湯到達時間(図2(d)の状態になるまでの時間)における溶湯の温度が目的の初期温度(本図では685℃)である。このようにデータベース化した冷却曲線から初期温度を設定するのである。
本発明ではA−A断面から噴き出す溶湯の温度をデータベース化した冷却曲線より求めて湯流れ解析や凝固解析の解析精度を上げるものである。
溜まったアルミの溶湯はスリーブ内面と接触し、アルミの溶湯の冷却が開始することになる。そこで、アルミの溶湯が冷却されて流動性がなくなる前にプランジャーチップを射出させてアルミの溶湯を金型内に充填することを特徴としている。
射出開始遅延タイマ、射出速度等の射出条件を入力することで、溶湯が鋳込スリーブ内に入って(注湯されて)型内に充填開始するまでの時間を計算する計算部を有している。
以上から解析初期温度を求めてビスケットの端面に設定する。
まず第1に鋳込スリーブ条件となる鋳込スリーブの情報を入力する。
鋳込スリーブの情報としては、内径と長さと材料特性のようなものがある。
第2に鋳物の情報を入力する。鋳物の情報としては鋳物の物性値、重量または体積がある。
まず、鋳物のデータで密度ρ[g/cm3]、質量(給湯量)をm[g]とすると、溶湯の体積V[cm3]は
V=m/ρ[cm3]となる。
また、鋳込スリーブ内径をD[mm]、長さをL[mm]とすると、鋳込スリーブ内に占める溶湯の充填率w[%]は
w=V/{(π/4xD2)xL}となる。
データベースの作成方法については後述する。
第5に射出条件(速度パターン)を入力する。
図2(a)の状態から射出がスタートして図2(d)になるまでのプランジャーチップの移動時間と射出スタートの遅延タイマの時間を考慮して、注湯完了から図2(d)に至るまでの溶湯到達時間を求める。
第5によって求めた溶湯到達時間を考慮してデータベース化した冷却曲線から溶湯温度を抽出する。
本発明では鋳込スリーブ内の溶湯の形状で鋳込スリーブと接触する面から溶湯の熱が奪われていくというモデルになっている。
その状況を式にして以下に示す。計算式を表示する前に次の2つの仮定をする。
(a)スリーブ内の溶湯は全体に同じ温度で下がっていく。
(b)チップが前進しても解析手順は変わらずそのまま計算する。
(1)溶湯の比熱をc[J/(g・K)]、質量(給湯量)をm(g)とすると、溶湯温度を1K下げるのに必要な熱量C[J/K]は
C=mc
と表せる。
(2)溶湯の密度をρ[g/cm3]、質量(給湯量)をm[g]とすると、溶湯の体積V[cm3]は、
V=m/ρ
と表せる。
w=V/{(π/4xD2)xL}
これは、3次元空間だけでなく、2次元断面で考えた場合にも適用できる。2次元断面における溶湯部分の断面積A[mm2]は、
A=(π/4xD2)xw
A=1/2x(1/2D)2x(θ―sinθ)
L1=(1/2D)xθ
a=L1xL
すなわちaが溶湯と鋳込スリーブの接触面の面積[mm2]になる。
Q=H(T1−T2)xa
(6)計算させるステップである時間刻みΔt[sec]に溶湯から鋳込スリーブに移動する熱量q[J]は
q=QxΔt
(7)時間刻みΔtで低下する溶湯温度ΔT[K]は
ΔT=q/C
Δt後の溶湯温度T3[K]は、前述の式より
T3=T1−ΔT
で表せる。
上記によって求められる冷却曲線を鋳込スリーブ径、鋳込スリーブ長さ、給湯量、注湯温度でそれぞれ違うものの計算を行い、それぞれの冷却曲線を求める。それをデータベース化する。
データベースは種々の要因を多次元的に表現したものである。
以上により求められた溶湯温度を図2のA−A断面に貼り付けて溶湯の初期温度解析を行えばよい。
また、溶湯温度低下が著しい場合には凝固潜熱を(1)に合わせて考慮する必要がある。
これを、CAEを用いて計算しても良いし、実験によって溶湯温度の冷却曲線を取得しても良い。
ダイカストの湯流れ、凝固解析の解析精度(湯回り性の予測、凝固解析精度)が向上する。
また、評価指標確立の効率が向上する。
2 鋳込スリーブ
3 プランジャーチップ
4 固定型
5 可動型
6 キャビティ
8 ビスケット
10 鋳込口
Claims (2)
- ビスケット部端面を流入境界面としたダイカストプロセスの湯流れ解析の初期温度設定方法において、
鋳込スリーブの充填率が100%になった時の前記流入境界面の溶湯温度を初期温度とした場合に、
鋳造条件(鋳込スリーブ条件、溶湯条件、射出条件)を考慮して予めデータベース化した鋳込スリーブ内の溶湯の冷却曲線を有し、解析毎に適合するデータベースの値を参照して溶湯温度を設定することを特徴とする初期温度設定方法。 - 前記、設定した初期温度が指定値以下の場合に、温度低下による欠陥発生の危険性を、解析実行前に警告することを特徴とする請求項1に記載の初期温度設定方法。
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