(57)【要約】【課題】拡散反応を起こす直接的な要因に着目することで精度良く金型の焼付きを予測することができる金型の焼付き予測方法及びプログラムの提供。【解決手段】金型の焼付き予測方法は、鋳造工程中における金型の各部位の温度履歴を取得し、前記取得した温度履歴に基づいて、金型の各部位における金型材料の結晶格子から金型材料の原子が飛び出す１サイクル中におけるジャンプ頻度を算出し、前記算出した１サイクル中におけるジャンプ頻度に基づいて、金型の各部位における焼付きを予測する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造工程中における金型の各部位の温度履歴を取得し、
前記取得した温度履歴に基づいて、金型の各部位における金型材料の結晶格子から金型材料の原子が飛び出す１サイクル中におけるジャンプ頻度を算出し、
前記算出した１サイクル中におけるジャンプ頻度に基づいて、金型の各部位における焼付きを予測する、金型の焼付き予測方法。
【請求項２】
前記１サイクル中におけるジャンプ頻度は、鋳造工程の１サイクル中における金型の各部位の温度履歴と、金型温度と単位時間当たりのジャンプ頻度とから予め定義した関係式とから算出される、請求項１に記載の金型の焼付き予測方法。
【請求項３】
前記算出したジャンプ頻度の逆数に基づいて、焼付けが発生するショット数を予測する、請求項２に記載の金型の焼付き予測方法。
【請求項４】
前記１サイクル中におけるジャンプ頻度は、金型内への溶湯の射出完了時点から、金型内の溶湯を冷やして固める工程の終了時点までの金型の各部位の温度履歴と、金型温度と単位時間当たりのジャンプ頻度とから予め定義した関係式とから算出される、請求項２に記載の金型の焼付き予測方法。
【請求項５】
鋳造工程中における金型の各部位の温度履歴を取得し、
前記取得した温度履歴に基づいて、金型の各部位における金型材料の結晶格子から金型材料の原子が飛び出す１サイクル中におけるジャンプ頻度を算出し、
前記算出した１サイクル中におけるジャンプ頻度に基づいて、金型の各部位における焼付きを予測する、
処理をコンピューターに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、金型の焼付き予測方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、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し、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し、溶湯温度を溶湯判定基準温度と照合して、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が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０７９０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の特許文献１に記載の構成では、金型と溶湯の拡散反応を金型溶着（焼付き）の主要因と捉えているが、金型溶着の判定基準としては上述の如く溶湯温度が使用されている。しかしながら、溶湯温度は、拡散反応を起こす間接的な要因に過ぎず、焼付きを精度良く予測するためのパラメータとしては不十分な側面がある。
【０００５】
そこで、本開示は、拡散反応を起こす直接的な要因に着目することで精度良く金型の焼付きを予測することができる金型の焼付き予測方法及びプログラムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一局面によれば、鋳造工程中における金型の各部位の温度履歴を取得し、
前記取得した温度履歴に基づいて、金型の各部位における金型材料の結晶格子から金型材料の原子が飛び出す１サイクル中におけるジャンプ頻度を算出し、
前記算出した１サイクル中におけるジャンプ頻度に基づいて、金型の各部位における焼付きを予測する、金型の焼付き予測方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、精度良く金型の焼付きを予測することができる金型の焼付き予測方法及びプログラムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】アルミダイカスト工法の一例を概略的に示す図である。
【図２】金型温度とジャンプ頻度との関係を表すグラフである。
【図３】アルミ溶湯を金型内に射出する工程の開始時点から、金型内のアルミ溶湯を冷やして固める工程の終了時点までの金型の特定の部位における温度履歴の一例を示す図である。
【図４】金型の焼付き予測方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。
【００１０】
図１は、アルミダイカスト工法の一例を概略的に示す図である。ここでは、一例として、鉄製の金型に溶融状態のアルミ合金（アルミ溶湯）を流し込んで製品（鋳造品）を製造（鋳造）する場合が想定される。アルミダイカスト工法は、可動型１４及び固定型１２を含む金型１０を用いて行われる。アルミダイカスト工法による鋳造工程は、主に、可動型１４を固定型１２まで移動させて金型１０を閉める工程と、スリーブ１６にアルミ溶湯２０を注ぐ工程と、スリーブ１６内のアルミ溶湯２０をチップ１８により金型１０内に押し込む（即ち射出する）工程と、金型１０内のアルミ溶湯２０を冷やして固める工程と、可動型１４を移動させて金型１０を開ける工程とを含む。
【００１１】
焼付きとは、アルミ溶湯と金型が熱反応して結合する現象をいう。焼付きが発生すると、この結合したものを無理やり剥ぎ取る必要があり、製品表面が欠肉・荒れることになる。かかる製品表面の欠肉・荒れは、例えばＡＴ（Automatic  Transmission）部品の場合、内部の巣孔を介した油漏れ不良の原因となる。また、焼付きが発生すると、焼付いた型を保全する必要がある。例えば、“型ミガキ”と呼ばれる保全作業を必要とし、型ミガキには莫大な工数がかかる。
【００１２】
本願発明者は、金型とアルミ溶湯が焼き付くのは、金属原子間における化合を伴う拡散反応とみなすが、その反応は金型が温度上昇に伴って、鉄原子が結晶格子から拡散（ジャンプ）することにより結晶構造に欠陥が生まれ、その欠陥に溶湯が入り込むことにより、拡散結合（化合物化）すると捉えることとした。本実施例では、以下で説明するように、かかる知見に基づいて、鉄原子の拡散頻度（ジャンプ頻度）を算出することにより、金型の焼付きを精度良く予測することを可能とする。
【００１３】
図２は、金型温度とジャンプ頻度との関係を表すグラフである。図２では、横軸に金型温度を取り、縦軸にジャンプ頻度（回／秒）を取っている。金型温度とジャンプ頻度との関係は、鉄原子の拡散頻度と温度の既知の関係（例えば、「ふぇらむVol.13（2008）No.8」における「ミクロの世界から見た鉄鋼材料の魅力」の図６参照）に基づくものであってよい。「ふぇらむVol.13（2008）No.8」等にあるように、鉄原子のジャンプ頻度については、1秒間550℃の状態が保持されると、鉄原子が1回ジャンプすることが実証されている。以下では、金型温度とジャンプ頻度との関係は、Y＝ｆ（Ｘ）なる関係式を有するものとする。ここで、Ｙは、ジャンプ頻度（回／秒）であり、Ｘは、金型温度である。Y＝ｆ（Ｘ）は、鉄原子の拡散頻度と温度の既知の関係を表す離散的なデータに基づいて、近似により導出されてよい。尚、一例として、Y＝ｆ（Ｘ）は、例えば、以下の通りであってもよい。
Y＝６×１０−６８×Ｘ２４．５８
【００１４】
図３は、アルミ溶湯を金型内に射出完了した時点から、金型内のアルミ溶湯を冷やして固める工程の終了時点までの金型の特定の部位における温度履歴の一例を示す図である。
【００１５】
ここでは、この特定の部位の温度は、Ｔ１ｓｅｃの間（アルミ溶湯を金型内に射出完了した時点から、金型内のアルミ溶湯を冷やして固める工程の終了時点の間）、例えば０．１ｓｅｃ毎に得られるものとし、０．１ｓｅｃ毎に得られる温度Ｔ（ｉ）とする。この場合、この鋳造工程の１回のサイクル（ショット）でのジャンプ頻度（回／サイクル）は、０．１ｓｅｃ毎に得られる温度Ｔ（ｉ）を関係式Y＝ｆ（Ｘ）に代入して、Ｔ１ｓｅｃの鋳造期間に亘って積分することで得られる。具体的には、０．１ｓｅｃ毎に得られる温度Ｔ（ｉ）を関係式Y＝ｆ（Ｘ）に代入して、得られた各ｆ（Ｔ（ｉ））を積算し、積算値に０．１を乗算することによって、1サイクル当たりのジャンプ頻度が得られる。
【００１６】
1サイクル当たりのジャンプ頻度が１以上になればその部位の鉄原子は１サイクルでジャンプした状態となり、アルミ溶湯と触れることで溶湯と金型間に化合物を作ることとなる。他方、1サイクル当たりのジャンプ頻度が１に満たない場合、ジャンプ頻度の逆数分、ショット数を重ねることで、ジャンプ頻度は累積され、累積したジャンプ頻度が１に到達した時点で、焼付きが発生すると考える。（例：1サイクル当たりのジャンプ頻度が１０‐5の場合、10万ショットで1回ジャンプ、焼付きが発生すると考える）。
【００１７】
このようにして、本実施例によれば、金型とアルミ溶湯が焼き付きを起こす拡散反応の前提となる鉄原子のジャンプ頻度に着目し、鉄原子の拡散頻度と温度の関係に基づいて金型の温度履歴からジャンプ頻度を算出することで、精度の高い焼付き予測が可能となる。また、金型の温度履歴は、鋳造シミュレーションで演算可能であり、実際の製作物や作業を必要としない。また、短時間であっても温度基準で拡散を計算するため、急冷部位でもジャンプ頻度が１以上になれば、焼き付きを起こすと予測（判定）可能である。
【００１８】
このように、本実施例によれば、事前に鋳造設備、型、作業を準備することなく、３Ｄモデル段階で焼付き不良の発生部位と発生時期を予測することが可能となる。これにより、金型の製作前に対策が可能となり、また、生産開始後であっても、焼付きが発生する累積ショット数として判定可能なため、適切な予知保全が可能となる。
【００１９】
図４は、金型の焼付き予測方法の一例を示すフローチャートである。図４の処理は、例えば新規の金型設計段階において、設計対象の金型の将来の保全態様を予測するために実行されてもよい。或いは、既に稼動中の金型の将来の保全態様を予測するために実行されてもよい。即ち既に稼動中の金型の状態を診断するために実行されてもよい。
【００２０】
尚、図４の処理は、コンピューターにより実行されてよい。コンピューターは、任意のコンピューターであってもよく、汎用コンピューターであってもよい。また、コンピューターは、ＣＡＤ（Computer‐Aided  Design）やＣＡＥ（Computer‐Aided  Engineering）用のコンピューターであってもよい。図４の処理は、複数の又は統合的なソフトウェアにより実現されてもよい。また、図４の処理は、所定の入力パラメータをユーザがコンピューターに初期的に又は適宜に（例えば対話式で）入力することで自動的に全て実行されるものであってもよいし、ユーザによるマニュアル作業を必要とするものであってもよい。
【００２１】
ステップ４００では、金型ＣＡＤモデルが作成される。金型ＣＡＤモデルは、金型の設計段階で作成される３Ｄ金型モデル（例えば、ＣＡＴＩＡで作成されたモデル）であってよい。
【００２２】
ステップ４０２では、金型のメッシュモデルが作成される。金型のメッシュモデル（有限要素モデル）は、金型ＣＡＤモデルをメッシュ分割して作成されてよい。尚、メッシュサイズや要素の形状は任意であってよい。
【００２３】
ステップ４０４では、金型のメッシュモデルを用いて湯流れ解析を行う。湯流れ解析では、アルミ溶湯を金型内に押し込んで射出完了となった時点のアルミ溶湯の温度分布が得られる。
【００２４】
ステップ４０６では、上記ステップ４０４で得られたアルミ溶湯の温度分布を入力として、同金型のメッシュモデルを用いて金型温度解析を行う。金型温度解析では、射出完了時から、金型内のアルミ溶湯を冷やして固める工程の終了時点までの金型温度の履歴が得られる。金型温度解析では、所定の計算タイムステップ毎に、各メッシュの温度（金型温度）が演算される。金型温度解析は、実際に金型で製品を製造（鋳造）する際の条件に基づいて、鋳造時の金型の状態をシミュレーションすることで実現されてよい。この際、様々なアルミ溶湯と金型との間の界面状態（例えば、離型剤の存在に起因した断熱層の影響等）は、シミュレーション条件として再現されればよい。尚、湯流れ解析及び金型温度解析を含む鋳造シミュレーションは、ＣＡＥにより実行されてよく、解析ソフトウェアは任意であってよい。
【００２５】
金型温度解析は、金型温度が所定の温度定常状態になるまで繰り返し実行されてよい。この際、金型温度解析は、湯流れ解析とセットで繰り返し実行されてもよいし、簡易的に、金型温度解析のみが繰り返し実行されてもよい。所定の温度定常状態は、例えば前回値との温度差が所定値以下となる状態であってよく、この所定値は、実際の条件等を考慮して適合されてよい。
【００２６】
ステップ４０８では、上記ステップ４０６の金型温度解析（温度定常状態に到達した時点又はそれ以後の金型温度解析）で得られる金型温度の履歴に基づいて、１サイクル（１ショット）当たりの鉄原子のジャンプ頻度（回／サイクル）を演算する。１サイクル当たりの鉄原子のジャンプ頻度は、好ましくは、各メッシュに対して演算される。即ち鉄原子のジャンプ頻度は、好ましくは、全点で演算される。但し、鉄原子のジャンプ頻度は、所定のメッシュ（複数も可）に対してのみ演算されてもよい。１サイクル当たりのジャンプ頻度の演算方法は、上述のとおりである。即ち、メッシュ毎に、計算タイムステップ毎の金型温度を上記の関係式（Y＝ｆ（Ｘ））に導入して計算タイムステップ毎のジャンプ頻度を計算し、当該計算した各計算タイムステップのジャンプ頻度を１サイクルの時間で積分することで、１サイクルあたりの鉄原子のジャンプ頻度を算出する。
【００２７】
ステップ４１０では、上記ステップ４０８で得られた各ジャンプ頻度の逆数を演算する。ジャンプ頻度の逆数は、焼付きが生じると予測される焼付きショット数（累積ショット数）を表す。
【００２８】
ステップ４１２では、上記ステップ４１０で得られた焼付きショット数を画面に表示出力する。この表示出力態様は任意であってよい。例えば、焼付きショット数を桁数毎に色分けして金型モデル表面にマッピングしてもよい。このようにして表示された結果を見れば、ユーザ（解析者）は、焼付きが発生する各部位を視覚的に把握すると共に、当該部位における焼付きショット数を定量的に把握することができる。この結果、例えば、金型製作前の焼付き対策を実施することや、焼付きショット数に基づいて保全計画を立案すること等が可能となる。
【００２９】
図４に示す処理によれば、鉄原子のジャンプ頻度は、金型温度解析で得られる金型温度の履歴に基づいて算出されるので、焼付きショット数等を精度良く判定することができる。特に、溶湯温度ではなく金型温度を用いるので、様々な界面状態における熱伝達の結果として金型が拡散反応状態になっているかを判定することが可能となる。従って、短時間であっても金型が拡散反応状態になれば焼付きが起こることを判別可能である。
【００３０】
尚、図４に示す処理において、各ステップは、同一のソフトウェアにより実現されてもよいが、複数のソフトウェアにより実現されてもよい。例えば、ステップ４００及びステップ４０２の処理は、ＣＡＤソフトウェアにより実現され、ステップ４０４乃至ステップ４１２の処理は、ＣＡＥソフトウェアにより実現されてもよい。また、ステップ４０８乃至ステップ４１０（又はステップ４０８乃至ステップ４１２）の処理は、ステップ４０４及びステップ４０６の解析を行うＣＡＥソフトウェアとは異なるソフトウェアにより実現されてもよい。この場合、ステップ４０８乃至ステップ４１０（又はステップ４０８乃至ステップ４１２）の処理を実現するソフトウェアは、金型温度解析の結果（温度履歴）を入力情報として取得するように構成されればよい。
【００３１】
以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。
【００３２】
例えば、上述した実施例は、鉄製の金型とアルミ溶湯（鋳造材料）との焼付きに関するものであるが、金型の材料と鋳造材料との組合せは任意である。金型温度とジャンプ頻度との関係は、使用する金型の材料の原子の拡散頻度と温度の関係に基づいて導出されればよい。
【００３３】
また、図４に示す処理では、積分区間は、金型温度解析の解析期間に対応し、射出完了時点から、金型内のアルミ溶湯を冷やして固める工程の終了時点まであったが、積分区間は、射出工程中を含んでもよい。これは、射出工程中もアルミ溶湯が金型に接触しており、この間の温度履歴もジャンプ頻度に若干影響するためである。また、同様の観点から、ステップ４０８で算出される鉄原子のジャンプ頻度は、湯流れ解析の解析結果等を用いて補正されてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１０    金型
１２    固定型
１４    可動型
１６    スリーブ
１８    チップ
２０    アルミ溶湯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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