JP7367640B2

JP7367640B2 - 鋳巣解析方法、プログラム、及び鋳造条件導出方法

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Publication number: JP7367640B2
Application number: JP2020147735A
Authority: JP
Inventors: 将蔵手島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2023-10-24
Anticipated expiration: 2040-09-02
Also published as: JP2022042338A; US20220063154A1; CN114202090A

Description

本発明は真空ダイカストにおける、鋳巣解析方法、プログラム、鋳巣解析装置及び鋳造条件導出方法に関する。

他のダイカストや他の鋳造法と同様、真空ダイカストにおいても鋳造品中に鋳巣が生じることがある。鋳巣には、主として鋳造品の中心部に生じるひけ巣と、主として鋳造品の外縁部に生じるガス巣とが含まれる。

真空ダイカストを含むダイカストでは、ゲートが溶湯をキャビティー内に射出する。溶湯は乱流を形成しながらキャビティー内のガスを置換する。ガス巣はガスを溶湯が巻き込んだ時に発生する。特許文献１は、ダイカストにおける溶湯圧力に基づき、ガス巣の位置を予測する手法を開示している。

特開２０１０－１３１６０７号公報特開昭６３－０２６２５２号公報特開２００３－１１２２５４号公報特開２００９－０４５６５９号公報

本発明の一つの側面における課題は、真空ダイカストにおける、鋳造品中のガス巣のサイズとガス巣の個数との分布を予測する手段を提供することである。

本発明の他の側面における課題は、真空ダイカストの鋳造条件を導出する手段を提供することである。係る手段は鋳造品中のガス巣のサイズとガス巣の個数との分布を所望のものとするのに適する。

本発明の一態様に係る鋳巣解析方法において、
下記式は真空ダイカストにおける鋳造品のガス巣の直径ｄとガス巣の個数ｎ（ｎ≧０）との分布、以下ガス巣分布という、の回帰直線であってダイのキャビティーの形状及び寸法に固有のものを表す。

定数Ａはゲートにおいてキャビティー内に噴射される溶湯の流速ｖの関数であり、
定数Ｂはキャビティー中の残存ガスの質量、以下、残存ガス量ｍという、の関数であり、
前記鋳巣解析方法は、以下を含む、
前記流速ｖ及び前記残存ガス量ｍを含む鋳造条件をコンピューターに入力し、
ガス巣分布の特徴の予測を前記式に従い前記コンピューターに算出させる。

本発明の一態様に係るプログラムは、コンピューターに対して、
前記流速ｖ及び前記残存ガス量ｍを含む鋳造条件の入力を受け付けさせ、
ガス巣分布の特徴の予測を前記式に従い算出させる。

本発明の一態様に係る鋳巣解析装置は、
前記流速ｖ及び前記残存ガス量ｍを含む鋳造条件の入力を受け付け、
ガス巣分布の特徴の予測を前記式に従い算出する。

本発明の一態様に係る鋳造条件導出方法は、以下を含む、
前記流速ｖ及び前記残存ガス量ｍを含む鋳造条件の導出にあたり、ガス巣分布に求められる条件をコンピューターに入力し、
前記鋳造条件を上記ガス巣分布の式に従い前記コンピューターに算出させる。

本発明の一態様により、真空ダイカストにおける、鋳造品中のガス巣のサイズとガス巣の個数との分布を予測する手段を提供できる。

本発明の他の態様により、真空ダイカストの鋳造条件を導出する手段を提供できる。係る手段は鋳造品中のガス巣のサイズとガス巣の個数との分布を所望のものとするのに適する。

溶湯の噴射（上段）と鋳巣（下段）。ガス巣のサイズを階級としガス巣の個数を度数とするヒストグラム。ガス巣のサイズとガス巣の個数の対数との回帰直線Ｈ。キャビティーの真空度ｐと定数Ｂの-2乗との回帰直線Ｑ。ガス巣のサイズとガス巣の個数との分布のガイド直線Ｇ。鋳造条件の導出のフロー。

図１の上段は真空ダイカスト、以下単にダイカストという、における溶湯の噴射の一態様を示す。鋳造前においてキャビティー１１は残存ガス１６で満たされている。キャビティー１１内は減圧されている。キャビティー１１は任意に定めた真空度ｐ（torr）を有する。残存ガス１６の質量を残存ガス量ｍとする。

図１の上段に示すようにダイ１０のキャビティー１１内に向かってゲート１３は溶湯１４を噴射する。溶湯１４は流速ｖでキャビティー１１内に噴き出す。溶湯１４はアルミニウム合金又はその他の金属からなる。噴き出す溶湯１４の一部は霧吹き状の乱流となる。溶湯１４の一部は層流となってキャビティー１１の内壁上を流れる。

図１の下段はダイカストにおける鋳造品１８の一態様を示す。本例において鋳造品１８内に引け巣１９及びガス巣２０が生じている。引け巣１９は特に鋳造品１８の内部に生じやすい。引け巣１９は真空である。ガス巣２０は特に鋳造品の外縁に生じやすい。ガス巣２０には残存ガス１６の一部が巻き込まれている。一態様においてガス巣２０は微細ガス孔（Gas porosity）である。

図２は鋳造品中のガス巣のサイズ、すなわち直径ｄ（ｍｍ）を階級とし、ガス巣の個数ｎを度数として表したヒストグラムである。以下、ガス巣の直径ｄとガス巣の個数ｎとの分布をガス巣分布Ｄと表すことがある。

図３は図２に示すガス巣分布Ｄの回帰直線Ｈを示す。ガス巣の個数ｎを対数としている。ガス巣分布Ｄから下記式で表される回帰直線Ｈが得られる。

図３に示す回帰直線Ｈはダイのキャビティーの形状及び寸法に固有のものである。回帰直線Ｈの切片はln(A)である。回帰直線Ｈの回帰係数は－Ｂである。定数Ａ及び定数Ｂは、サンプルダイで試験的にダイカストを行うことで得たガス巣分布Ｄのデータセットから上記回帰分析で得る。以下、特段の言及がない限りデータセットの用語はガス巣分布Ｄのデータセットのことをいう。

図３に示す回帰直線Ｈにおいて定数Ａはゲートにおける溶湯の流速ｖの関数である。定数Ａは正の数である。関数Ａ＝Ａ（ｖ）は、ダイのキャビティーの形状及び寸法に固有である。一態様において定数Ａと流速ｖとの相関を予め回帰分析しておく。一態様において定数Ａは流速ｖの一次関数で表される。一態様において定数Ａは流速ｖに比例する。一態様において流速ｖは残存ガス量ｍの関数である。

図３に示す回帰直線Ｈにおいて定数Ｂはゲートにおける溶湯の残存ガス量ｍの関数である。定数Ｂは正の数である。関数Ｂ＝Ｂ（ｍ）は、ダイのキャビティーの形状及び寸法に固有である。一態様において定数Ｂと残存ガス量ｍとの相関を予め回帰分析しておく。

図４はキャビティーの真空度ｐと定数Ｂとの分布の回帰直線Ｑを示す。縦軸は定数Ｂの-2乗である。真空度ｐはダイのキャビティーの真空度の測定値（Measured vacuum value of die cavity，torr）である。真空度ｐと定数Ｂから回帰直線Ｑを得られることは、定数Ｂが残存ガス量ｍに比例することを表している。

図５はガイド直線Ｇを示す。一態様において図３に示す回帰直線Ｈと同じ直線を鋳巣解析のためのガイド直線Ｇとして取り扱う。ガイド直線Ｇに基づき、鋳造品中のガス巣分布を予測する。ガイド直線Ｇに係るｘは図３に示す回帰直線Ｈに係る直径ｄに相当する。ガイド直線Ｇに係るｙは図３に示す回帰直線Ｈに係るln(n)に相当する。

図５において領域Ｅは基準サイズよりも大きいガス巣の分布を表す。直径ｄ_１は基準サイズを表す。基準サイズは鋳造品に求められる性能に基づき選択する。一態様において基準サイズは０．３ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下の値をとる。その一態様において基準サイズは０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．２、１．３及び１．４ｍｍのいずれかである。

図５に示す一態様において直径ｄ_２はｘ切片よりも小さくｄ_１よりも大きい値である。他の態様において直径ｄ_２はｘ切片である。直径ｄ_２は任意に設定される。領域Ｅに含まれるガス巣の個数ｋは以下の通り表される。個数ｋから基準サイズよりも大きいガス巣の発生確率が求められる。

図５に示す一態様においてガイド直線Ｇを離散的に取り扱う扱う場合は、下記式に従ってガス巣の個数ｋを求める。

ｘ_ｊは基準サイズよりも大きい直径を表す。

他の態様において、所望のガス巣分布の条件を先に決定し。係るガス巣分布の条件を元に逆算的に定数Ａ及び定数Ｂを算出する。さらに逆算的に溶湯の流速ｖ及び残存ガス量ｍを含む鋳造条件を導出する。

上記の各態様はCAE（computer aided engineering）として実施される。一態様において上記実施形態はプログラムをコンピューターで実行することで実施される。一態様においてプログラムを実行するコンピューターの動作を、ネットワークで接続された複数の装置で実行する。一態様においてプログラムを実行するコンピューターの一部又は全部の処理を、CPU（Central Processing Unit）が実行する。その一態様においてプログラムを実行するコンピューターの処理の一部を、その他の装置が実行する。

図６はコンピューターで鋳造条件を自動的に導出するフローを示す。ステップ２１にて鋳造条件を導出したいダイをその候補の中から操作者又は他の装置が選択する。またガス巣分布に求められる条件を操作者又は他の装置が決める。操作者又は他の装置はこれらをコンピューターに入力する。一態様において他の装置はコンピューターとネットワークを介して接続している。一態様において、他の装置はダイカスト装置である。ダイカスト装置は、これが備えるダイを、上記鋳造条件を導出したいダイとして選択し、その情報をコンピューターに送る。

一態様において、ガス巣分布に求められる条件は図５に示す領域Ｅに含まれるガス巣の個数ｋを所望の数とすること、又はその数以下とすることである。その一態様において所望の数は０個である。他の態様において、ガス巣分布に求められる条件は図５に示す領域Ｅに含まれるガス巣の個数ｋから求められるガス巣の発生確率を所望の値とすること、又はその値以下とすることである。その一態様において所望の値は０％である。

図６に示すステップ２２にてコンピューターは図３に示すガス巣分布Ｄのデータセットをデータベースから呼び出す。呼び出すべきデータセットは、選択されたダイの形状及び寸法と紐づいているデータセットである。一態様においてデータベースはコンピューターとネットワークを介して接続している。他の態様においてデータベースはコンピューターが有している。

データセットは選択候補となる各サンプルダイで試験的に鋳造を行うことで前もって作成しておく。一例において図１に示す溶湯の流速ｖ及び残存ガス量ｍを変化させながら、図２に示すガス巣の個数ｎ及びガス巣の直径ｄの各値を測定することで各データが得られる。一態様においてガス巣の個数ｎ及びガス巣の直径ｄは鋳造品の断面を顕微鏡観察して測定されたものである。他の態様において個数ｎ及び直径ｄは、鋳造品にＸ線を透過させることで画像分析により測定されたものである。その他一態様において測定にＸ線ＣＴ装置を用いる。

図６に示すステップ２２の実行前に、データベースは前もって回帰直線Ｈ、又は定数Ａ及び定数Ｂの組を記録しておいてもよい。コンピューターはデータセットに代えて回帰直線Ｈ、又は定数Ａ及び定数Ｂの組を呼び出してもよい。回帰直線Ｈ並びに定数Ａ及び定数Ｂの組はダイの形状及び寸法と紐づく。

図６に示すステップ２３にてコンピューターはデータセットより図３に示す回帰直線Ｈを求める。コンピューターはガス巣分布に求められる条件及び回帰直線Ｈに基づき逆算的に溶湯の流速ｖ及び残存ガス量ｍを含む鋳造条件を算出する。一態様において算出した鋳造条件を記憶装置に蓄える。一態様において記憶装置はコンピューターとネットワークを介して接続している。他の態様において記憶装置はコンピューターが有している。

図６に示すステップ２４にて、算出した鋳造条件をコンピューターが出力する。出力先はディスプレイ、プリンター及びその他の装置のいずれかである。一態様において、これらはネットワークを介して接続している。一態様において、その他の装置はダイカスト装置である。ダイカスト装置は受け取った鋳造条件に従い、先に選択されたダイと同一のダイでダイカストを実施する。

一態様において、鋳造条件を自動的に導出する上記工程を解析装置が実行する。一態様において解析装置は上記コンピューターを備える。一態様において係る解析装置はコンピューターに上記工程を実行させるプログラムを備える。

＜参考例１＞

特許文献２ではダイカストの試作品から鋳巣のサイズと鋳巣の個数の関係を表すグラフを鋳造条件ごとに作成する。当業者はこれらを見比べることで鋳造条件を導出している。係る鋳造条件は二次加圧の有無に関する。これに対して上記実施形態の方法では、ガス巣のサイズとガス巣の個数との分布を、溶湯の流速及び残存ガス量を含む鋳造条件と紐づけている。上記実施形態の方法で定めた鋳造条件でダイカストを行った後に、特許文献２を参考にして又はその他の公知技術に基づき二次加圧を行ってもよい。他の態様において二次加圧は行わない。

＜参考例２＞

特許文献３では砂型による鋳造の試作品から基準サイズ0.2mm以上の鋳巣の個数と鋳造条件の関係を表すテーブルを作成する。当業者はこれを評価することで熱間静水圧プレスの条件を導出している。熱間静水圧プレスとは鋳造後に鋳造品を液体で加圧する方法である。これに対して上記実施形態の方法は鋳造それ自体の条件の導出に対して用いられる。上記実施形態の方法で定めた鋳造条件でダイカストを行うことでガス巣の発生を抑え、さらに特許文献３を参考にして又はその他の公知技術に基づき熱間静水圧プレスを行うことで引け巣を除去してもよい。他の態様において熱間静水圧プレスは行わない。

＜参考例３＞

特許文献４ではダイカストの試作品から空洞欠陥の断面積とこれよりも大きな断面積を有する鋳巣の個数との対数プロットの線形近似からフラクタル次元を算出する。当業者はフラクタル次元に対する閾値に基づき空洞欠陥が引け巣であるか、ガス欠陥すなわちガス巣であるかを判断する。これに対して上記実施形態の方法では、ガス巣のサイズとガス巣の個数との分布を、溶湯の流速及び残存ガス量を含む鋳造条件と紐づけている。上記図３の回帰直線Ｈを得るにあたり、特許文献４の方法を援用することで又はその他の公知技術に基づき鋳造品中のガス巣を引け巣と区別してから、ガス巣の個数を測定してもよい。他の態様においてガス巣と引け巣との区別に特許文献４の方法を援用しない。

１０ダイ、１１キャビティー、１３ゲート、１４溶湯、１６残存ガス、１８鋳造品、１９引け巣、２０ガス巣、２１－２４ステップ、Ａ定数、Ｂ定数、ｄガス巣の直径、ｄ_１ガス巣の直径、ｄ_２ガス巣の直径、Ｄガス巣分布、Ｅ領域、Ｇガイド直線、Ｈガス巣分布Ｄの回帰直線、ｋガス巣の個数、ｍ残存ガス量、ｎガス巣の個数、ｐ真空度、Ｑ真空度ｐと定数Ｂとの分布の回帰直線、ｖ溶湯の流速

Claims

下記式は真空ダイカストにおける鋳造品のガス巣の直径ｄとガス巣の個数ｎ（ｎ≧０）との分布、以下ガス巣分布という、の回帰直線であってダイのキャビティーの形状及び寸法に固有のものを表し、

定数Ａはゲートにおいてキャビティー内に噴射される溶湯の流速ｖの関数であり、
定数Ｂはキャビティー中の残存ガスの質量、以下、残存ガス量ｍという、の関数であり、
前記流速ｖ及び前記残存ガス量ｍを含む鋳造条件をコンピューターに入力し、
さらにガス巣の直径ｄの基準サイズを前記コンピューターに入力し、
ガス巣分布の特徴の予測を前記式に従い前記コンピューターに算出させることを含み、
前記ガス巣分布の特徴の予測は、前記基準サイズ以上の直径を有するガス巣の数の予測を含むものである、
鋳巣解析方法。
下記式は真空ダイカストにおける鋳造品のガス巣の直径ｄとガス巣の個数ｎ（ｎ≧０）との分布、以下ガス巣分布という、の回帰直線であってダイのキャビティーの形状及び寸法に固有のものを表し、

定数Ａはゲートにおいてキャビティー内に噴射される溶湯の流速ｖの関数であり、
定数Ｂはキャビティー中の残存ガスの質量、以下、残存ガス量ｍという、の関数であり、
コンピューターに対して、
前記流速ｖ及び前記残存ガス量ｍを含む鋳造条件の入力を受け付けさせ、
さらにガス巣の直径ｄの基準サイズを受け付させ、
ガス巣分布の特徴の予測を前記式に従い算出させるものであり、
前記ガス巣分布の特徴の予測は、前記基準サイズ以上の直径を有するガス巣の数の予測を含むものである、
プログラム。
下記式は真空ダイカストにおける鋳造品のガス巣の直径ｄとガス巣の個数ｎ（ｎ≧０）との分布、以下ガス巣分布という、の回帰直線であってダイのキャビティーの形状及び寸法に固有のものを表し、

定数Ａはゲートにおいてキャビティー内に噴射される溶湯の流速ｖの関数であり、
定数Ｂはキャビティー中の残存ガスの質量、以下、残存ガス量ｍという、の関数であり、
前記流速ｖ及び前記残存ガス量ｍを含む鋳造条件の導出にあたり、ガス巣分布に求められる条件をコンピューターに入力し、
前記鋳造条件を前記式に従い前記コンピューターに算出させる、
鋳造条件導出方法。
前記定数Ａ及び定数Ｂは、前記個数ｎ、前記直径ｄ、前記流速ｖ及び前記残存ガス量ｍの各値からなるデータセットであってサンプルダイで試験的にダイカストを行うことで得たものから回帰分析で得たものである、
請求項３に記載の鋳造条件導出方法。
データベースが前記定数Ａ及び定数Ｂの組を予め記憶し、
前記コンピューターが前記式を使用するために、前記データベースから前記組を呼び出す、
請求項４に記載の鋳造条件導出方法。