(57)【要約】【課題】  従来鋳造機に超音波を照射して被鋳造材の凝固層と非凝固層との境界面からの反射波を検出して凝固層の厚みを把握する技術があったが、断面全体に対する凝固層の割合（固相率）を求めることはできなかった。【解決手段】  金型２のキャビティ２１内部に充填された溶湯３１の温度と、該溶湯中を伝播する超音波の速度との関係を予め求めておき、金型外部からキャビティ内へ向かって超音波を照射し、照射した超音波が超音波照射側の金型表面２ａにて反射して照射位置まで戻ってきた時刻から超音波照射側の金型表面２ａと対向する金型表面２ｂで反射して照射位置まで戻ってきた時刻までの時間ｔを計測するとともに、前記溶湯の温度と超音波の速度との関係から溶湯の凝固直前の超音波速度ｖ１、および溶湯の凝固直後の超音波速度ｖ２を求めて、超音波伝播時間、溶湯の凝固直前の超音波速度および溶湯の凝固直後の超音波速度に基づいて溶湯の固相率を算出する。【選択図】  図１
2006075851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型のキャビティ内部に充填された溶湯の温度と、該溶湯中を伝播する超音波の速度との関係を予め求めておき、
金型外部からキャビティ内へ向かって超音波を照射し、
照射した超音波が超音波照射側の金型表面にて反射して照射位置まで戻ってきた時刻から、超音波照射側の金型表面と対向する金型表面で反射して照射位置まで戻ってきた時刻までの時間を計測するとともに、
前記溶湯の温度と超音波の速度との関係から、溶湯の凝固直前の超音波速度、および溶湯の凝固直後の超音波速度を求めて、
超音波伝播時間、溶湯の凝固直前の超音波速度、および溶湯の凝固直後の超音波速度に基づいて溶湯の固相率を算出することを特徴とする金型内における溶湯の固相率算出方法。
【請求項２】
前記固相率は、溶湯充填時から離型時までの間、継続して算出されることを特徴とする請求項１に記載の金型内における溶湯の固相率算出方法。
【請求項３】
金型のキャビティ内部に充填された溶湯の温度と、該溶湯中を伝播する超音波の速度との関係を表わす温度−速度テーブルと、
金型外部からキャビティ内へ向かって超音波を照射する超音波照射手段と、
キャビティ内を伝播し、超音波照射側の金型表面と対向する金型表面で反射して照射位置まで戻ってきた超音波を受信する超音波受信手段と、
超音波の照射から受信までの超音波伝播時間を計測する時間計測手段と、
前記温度−速度テーブルから、溶湯の凝固直前の超音波速度、および溶湯の凝固直後の超音波速度を抽出する速度抽出手段と、
抽出された溶湯の凝固直前の超音波速度、および溶湯の凝固直後の超音波速度と、計測された超音波伝播時間とに基づいて、溶湯の固相率を算出する固相率算出手段とを備えることを特徴とする溶湯の固相率算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造時における金型キャビティ内の溶融金属の挙動、特に溶融金属の固相率を算出するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイカスト等の鋳造を行う際には溶融金属の凝固という現象を伴い、金型形状や金型温度等により溶融金属の凝固状態が変化するため、最適な凝固状態となるように金型形状や温度等の設計を行うことが重要である。
そして、金型設備や設計の最適化を図るためには、金型のキャビティ内における溶融金属の挙動を把握することが必要である。
従って、鋳造時の溶融金属の挙動を把握すべく、以下のような技術が考案されている。
つまり、特許文献１に記載されるように、鋳造機に超音波を照射して、鋳造機内の被鋳造材の凝固層と非凝固層との境界面からの反射波を検出することで、凝固層の厚みを把握する技術が考案されている。
【特許文献１】特開昭５８−１５９９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述の特許文献１記載の技術では、被鋳造材のある断面において、中央部の非凝固層の両側に存在する凝固層のうち、一方の凝固層厚みのみを測定するので、断面全体に対する凝固層の割合を求めることができない。
また、鋳造時には、凝固層の増大速度（被鋳造材の凝固速度）が速いため、凝固界面からの反射波を安定的に検出することができなかった。特に、ダイカストの場合は凝固速度が速いため、反射波の検出が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決する溶湯の固相率算出方法および装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、金型のキャビティ内部に充填された溶湯の温度と、該溶湯中を伝播する超音波の速度との関係を予め求めておき、金型外部からキャビティ内へ向かって超音波を照射し、照射した超音波が超音波照射側の金型表面にて反射して照射位置まで戻ってきた時刻から、超音波照射側の金型表面と対向する金型表面で反射して照射位置まで戻ってきた時刻までの時間を計測するとともに、前記溶湯の温度と超音波の速度との関係から、溶湯の凝固直前の超音波速度、および溶湯の凝固直後の超音波速度を求めて、超音波伝播時間、溶湯の凝固直前の超音波速度、および溶湯の凝固直後の超音波速度に基づいて溶湯の固相率を算出する。
このような溶湯の固相率の算出を、溶湯の充填時に行うことで、充填時にどれだけの割合の溶湯が凝固しているかを把握することができ、金型温度や溶湯温度の設定等といった鋳造条件を最適化するための指標として用いることができる。
また、金型内における溶湯の固相率算出方法にて実際に算出した固相率と、ダイカスト凝固ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）にて求めた理論上のデータとの比較評価を行うことにより、ダイカスト凝固ＣＡＥの評価を行うことができる。例えば、ＣＡＥでの各メッシュの固相率を平均して、実際の現象との比較や評価を行うことが可能となる。
【０００５】
また、請求項２記載の如く、前記固相率は、溶湯充填時から離型時までの間、継続して算出される。
これにより、正凝固層の進展速度を求めることができ、より正確に鋳造条件を最適化することが可能となる。
【０００６】
また、請求項３記載の如く、固相率算出装置は、金型のキャビティ内部に充填された溶湯の温度と、該溶湯中を伝播する超音波の速度との関係を表わす温度−速度テーブルと、金型外部からキャビティ内へ向かって超音波を照射する超音波照射手段と、キャビティ内を伝播し、超音波照射側の金型表面と対向する金型表面で反射して照射位置まで戻ってきた超音波を受信する超音波受信手段と、超音波の照射から受信までの超音波伝播時間を計測する時間計測手段と、前記温度−速度テーブルから、溶湯の凝固直前の超音波速度、および溶湯の凝固直後の超音波速度を抽出する速度抽出手段と、抽出された溶湯の凝固直前の超音波速度、および溶湯の凝固直後の超音波速度と、計測された超音波伝播時間とに基づいて、溶湯の固相率を算出する固相率算出手段とを備える。
このように構成される固相率算出装置により、溶湯の充填時に固相率の算出を行うことで、充填時にどれだけの割合の溶湯が凝固しているかを把握することができ、金型温度や溶湯温度の設定等といった鋳造条件を最適化するための指標として用いることができる。
また、固相率算出装置にて実際に算出した固相率と、ダイカスト凝固ＣＡＥにて求めた理論上のデータとの比較評価を行うことにより、ダイカスト凝固ＣＡＥの評価を行うことができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、溶湯の固相率の算出を、溶湯の充填時に行うことで、充填時にどれだけの割合の溶湯が凝固しているかを把握することができ、金型温度や溶湯温度の設定等といった鋳造条件を最適化するための指標として用いることができる。
また、算出した固相率と、ダイカスト凝固ＣＡＥにて求めた理論上のデータとの比較評価を行うことにより、ダイカスト凝固ＣＡＥの評価を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
【０００９】
図１に示すように、溶湯の固相率算出装置１は、アルミダイカスト等の鋳造を行う際における、金型２のキャビティ２１内の溶湯の固相率を算出するものであり、超音波送受信装置１１と、高速ＡＤ変換器１２と、時間計測部１３ａ、速度抽出部１３ｂ、および固相率算出部１３ｃを備えるパーソナルコンピュータ１３と、溶湯温度と超音波速度との関係を示す温度−速度テーブル１４ａを記憶した記憶部１４とを備えている。この温度−速度テーブル１４ａは、予め実験により求めたものであり、温度と超音波速度との相関関係を読み出し可能なデータ形式で構成されている。
【００１０】
超音波送受信装置１１は超音波の送受信を行う超音波センサ１１ａを有しており、超音波センサ１１ａは金型２の外部に取り付けられている。超音波センサ１１ａは金型２のキャビティ２１内へ向けて超音波を照射可能であるとともに、金型２における超音波センサ１１ａ取付側の表面（キャビティ面）２ａとは反対側の表面（キャビティ面）２ｂにて反射して戻ってきた超音波を受信可能に構成されている。
【００１１】
金型２のキャビティ２１内に充填される被鋳造材である溶湯（例えばアルミダイカストの場合はアルミ溶湯）３１は、充填後に温度が低下して所定の温度に達すると凝固するが、凝固時にはキャビティ２１の表面２ａ・２ｂに接している側から凝固し始める表皮形成型の凝固現象をとる。
つまり、溶湯３１の凝固過程におけるキャビティ２１内には、表面２ａ・２ｂ側に凝固層３１ａが存在し、中央側に非凝固層３１ｂが存在することとなる。
【００１２】
図２に示すように、記憶部１４の温度−速度テーブル１４ａには、溶湯の温度と、溶湯中を伝播する超音波の速度との関係を示すテーブルが格納されている。
この溶湯の温度と超音波速度との関係は、予め実験や試験により求めて記憶部１４に格納されたものである。
記憶部１４の温度−速度テーブル１４ａによれば、溶湯３１の凝固温度であるＴ０を境界として、溶融側（高温側）では超音波速度が遅く、凝固側（低温側）では超音波速度が速くなっている。
次に、温度−速度テーブル１４ａについて詳細に説明する。温度−速度テーブル１４ａは、実験等により求めた溶湯の温度と溶湯中を伝播する超音波速度との相関関係を、読み取り可能な電子データとして構築したものであり、例えば図２に示すような横軸を温度、縦軸を超音波速度としたグラフに表わされるデータを含んでいる。
ダイカスト等の溶湯は、溶湯中の温度が凝固温度を下回るとことで凝固を開始するが、このような溶湯中を伝播する超音波の速度は、前記凝固温度を境界として大きく変化することが実験等により明らかとなっている。図２のグラフに示すように、溶湯３１の凝固温度Ｔ０を境界として、溶融側（高温側）では溶湯中を伝わる超音波速度が急激に遅くなり、凝固側（低温側）では急激に速くなる。したがって、溶湯中を伝わる超音波速度を計測することで、計測時の溶湯の状態を知ることが可能となる。
以下、詳細に説明する。
【００１３】
前記パーソナルコンピュータ１３は、超音波センサ１１ａが超音波を照射してから、キャビティ２１の表面２ｂにて反射した超音波を受信するまでの時間の計測を行う時間計測部１３ａと、前記温度−速度テーブル１４ａから、凝固直前状態にある（凝固温度Ｔ０よりも若干高く溶湯３１が非凝固状態となっている温度Ｔ１になっている）溶湯３１内を伝播する超音波の速度ｖ１、および凝固直後の状態にある（凝固温度Ｔ０よりも若干低く溶湯３１が凝固状態となっている温度Ｔ２になっている）溶湯内を伝播する超音波の速度ｖ２を抽出する速度抽出部１３ｂと、時間計測部１３ａにて計測した時間と速度抽出部１３ｂにて抽出した超音波速度とに基づいて、キャビティ２１内の溶湯３１の固相率を算出する固相率算出部１３ｃとを備えている。
【００１４】
このように構成される固相率算出装置１では、鋳造時における溶湯の固相率の算出を次のようにして行う。
図３に示すように、まず、被鋳造物である溶湯３１の温度と超音波速度との関係を実験や試験により求めて、前述の温度−速度テーブル１４ａを予め作成して記憶部１４に記憶させる（Ｓ０１）。
【００１５】
次に、超音波送受信装置１１の超音波センサ１１ａからキャビティ２１内へ向けて超音波を照射する（Ｓ１１）。照射された超音波は、キャビティ２１内に充填された溶湯３１内を伝播して、金型２における超音波センサ１１ａ取付側の表面２ａとは反対側の表面２ｂに到達し、該表面２ｂにて反射する。
表面２ｂで反射した超音波は超音波センサ１１ａにより受信される（Ｓ１２）。
また、照射された超音波の一部は、金型２の超音波センサ１１ａ取付側の表面２ａで反射して超音波センサ１１ａにより受信される。
【００１６】
超音波受信装置１１からは、表面２ａで反射した超音波の波形、および表面２ｂで反射した超音波の波形が高速ＡＤ変換器１２に出力され、高速ＡＤ変換器１２にてデジタルデータに変換された後、パーソナルコンピュータ１３に入力される。
パーソナルコンピュータ１３では、入力された超音波波形および温度−速度テーブル１４ａを用いてキャビティ２１内の溶湯の固相率を算出する（Ｓ１３）。
【００１７】
次に、パーソナルコンピュータ１３での溶湯の固相率を算出について具体的に説明する。
まず、パーソナルコンピュータ１３では、時間計測部１３ａにて、照射された超音波が表面２ａから表面２ｂまでの間を往復するのに要した時間（以降超音波伝播時間ｔと記載する）を、入力された波形に基づいて計測する。
この場合、超音波伝播時間ｔは、表面２ａにて反射された超音波（第一反射エコー）を受信した時刻から、表面２ｂにて反射された超音波（第二反射エコー）を受信した時刻までの時間となる。つまり、超音波伝播時間ｔは、超音波を照射してから表面２ｂにて反射された超音波（第二反射エコー）を受信するまでの時間ｔ２から、超音波を照射してから表面２ａにて反射された超音波（第一反射エコー）を受信するまでの時間ｔ１を引いた時間となる。
【００１８】
また、パーソナルコンピュータ１３の速度抽出部１３ｂでは、温度−速度テーブル１４ａから、凝固直前状態にある溶湯（即ち、非凝固層となっている溶湯）３１内の超音波速度ｖ１、および凝固直後の状態にある溶湯（即ち、凝固層となっている溶湯）３１内の超音波速度ｖ２を抽出する。
【００１９】
超音波伝播時間ｔを計測し、非凝固層の溶湯の超音波速度ｖ１および凝固層の溶湯の超音波速度ｖ２を抽出した後、固相率算出部１３ｃにてキャビティ２１内の溶湯の固相率を算出する。
【００２０】
ここで、キャビティ２１内における溶湯３１の表面２ａ側の凝固層３１ａの厚さ寸法をｘ１とし、表面２ｂ側の凝固層３１ｃの厚さ寸法をｘ３とし、溶融状態にある溶湯３１の非凝固層３１ｂの厚さ寸法をｘ２とし、キャビティ２１の厚さ寸法（表面２ａから表面２ｂまでの寸法）をｘとし、凝固層３１ａの厚さ寸法ｘ１と凝固層３１ｃの厚さ寸法ｘ３とを加えた凝固層総厚さ寸法をｘ４とすると、次の式（１）および式（２）の関係が成立する。
【００２１】
【数１】
2006075851.tif 000003
【００２２】
【数２】
2006075851.tif 000004
【００２３】
この前記式（１）および式（２）を用いて、キャビティ２１内における溶湯の凝固層３１ａ・３１ｃの総厚さ寸法ｘ４と、溶湯３１の非凝固層３１ｂの厚さ寸法ｘ２とを算出し、さらに、前記寸法ｘに対する寸法ｘ４の割合で示される固相率を算出するようにしている。
【００２４】
このような固相率算出装置１による溶湯の固相率の算出を、溶湯の充填時に行うことで、充填時にどれだけの割合の溶湯が凝固しているかを把握することができる。
また、固相率の算出を、溶湯の充填時から離型時までにかけて継続的に行うことで、正凝固層の進展速度を求めることができる。
そして、このように求めた溶湯の固相率や凝固層の進展速度等は、金型温度や溶湯温度の設定等といった鋳造条件を最適化するための指標として用いることができる。
また、実際に算出した固相率と、ダイカスト凝固ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）にて求めた理論上のデータとの比較評価を行うことにより、ダイカスト凝固ＣＡＥの評価を行うことができる。例えば、ＣＡＥでの各メッシュの固相率を平均して、実際の現象との比較や評価を行うことが可能となる。
【００２５】
鋳造条件の最適化方法の具体例としては、例えば、図４に示すように、固相率算出装置１により算出した溶湯の固相率に基づいて、固相率と溶湯温度（または金型温度）との関係を求め、求めた関係と鋳造条件の許容範囲Ｒとから、鋳造条件の最適値（最適溶湯温度または最適金型温度）Ｔｐを求めることができる。
【００２６】
次に、射出時における溶湯３１の固相率を算出する固相率算出装置１を、ダイカストマシーンに適用した例を図５に示す。
図５に示すダイカストマシーンにおいては、プランジャロッド５ａの先端に取り付けたプランジャチップ５ｂが、射出スリーブ３内に摺動自在に嵌装されており、射出スリーブ３内の溶湯をプランジャチップ５ｂにより押し出して、ランナ６を通じて金型２のキャビティ２１へ射出するように構成されている。
そして、前述のように固相率算出装置１により算出されたキャビティ２１内における溶湯の固相率を、ダイカストマシーンの設備制御部７に入力するように構成されている。
【００２７】
算出した固相率が入力される設備制御部７は、入力された固相率に応じてプランジャロッド５ａの移動速度を制御して溶湯の射出速度を調節する。同じく、流量制御部８にも算出した固相率が入力され、金型２の温度調節を行う型冷却回路９へ流す冷却水の量が制御される。
このように、溶湯の射出速度を調節したり、金型温度や溶湯温度の設定の調節を行ったりすることで、リアルタイムで鋳造条件の最適化を図ることが可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の固相率算出装置を示すブロック図である。
【図２】溶湯温度と溶湯中を伝播する超音波速度との関係を示す図である。
【図３】本発明の固相率算出方法のフローを示す図である。
【図４】鋳造条件の最適化方法の一例を示す図である。
【図５】固相率算出装置をダイカストマシーンに適用した例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    固相率算出装
２    金型
１１ａ  超音波センサ
１３    パーソナルコンピュータ
１４    記憶部
１４ａ    温度−速度テーブル
２１    キャビティ
３１    溶湯
３１ａ  凝固層
３１ｂ  非凝固層
【図１】
2006075851.tif 000005
【図２】
2006075851.tif 000006
【図３】
2006075851.tif 000007
【図４】
2006075851.tif 000008
【図５】
2006075851.tif 000009