(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の溶湯を鋳型に注湯して得られる鋳物に冷却時の割れが生ずるか否かを判定する鋳造シミュレーション方法であって、
溶融した上記金属材料の成形に用いる上記鋳型の形状を座標系上に位置づけ、該座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成ステップと、
上記微小要素のそれぞれについて、上記鋳型の型領域に位置する場合には型要素と、上記鋳型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する要素定義ステップと、
上記金属材料におけるクリープ現象が生じない臨界温度以下の温度である延性低下温度Ｔｃを予め定めておき、注湯された上記金属材料が上記延性低下温度Ｔｃに達してから室温までの冷却過程において上記鋳物各部位に生じる歪み累積量又は歪みエネルギー累積量を求める累積歪み算出ステップと、
上記延性低下温度Ｔｃ以下における１又は複数の温度において上記金属材料に予め機械試験を実施して得られた実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーを用い、該実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーと上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量との比較により上記鋳物に割れが生ずるか否かを判定する割れ判定ステップとを有することを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
【請求項２】
請求項１において、上記金属材料がアルミニウム合金である場合には、上記延性低下温度Ｔｃを２００〜４００℃の範囲から選択し、上記金属材料がマグネシウム合金である場合には、上記延性低下温度Ｔｃを１００〜３００℃の範囲から選択することを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
【請求項３】
請求項２において、上記延性低下温度Ｔｃは、上記金属材料の凝固点以下の複数の温度における上記金属材料の実測破断歪みを採取して、温度−破断歪み曲線を作成し、該曲線の勾配が急激に変化する温度近傍の温度とすることを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
【請求項４】
請求項２において、上記延性低下温度Ｔｃは、上記金属材料の凝固点以下の複数の温度における上記金属材料の実測破断歪みを採取して、温度−破断歪み曲線を作成し、該曲線の勾配が０．１％／℃〜０．３％／℃の範囲にある温度を選択することを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、上記割れ判定ステップは、上記延性低下温度Ｔｃ以下における上記実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーの平均値と上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量とを比較することにより行うことを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
【請求項６】
請求項５において、上記割れ判定ステップは、上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量が上記延性低下温度Ｔｃ以下における上記実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーの平均値の６０〜１００％である基準値よりも高い場合には割れが発生し、低い場合には割れが発生しないと判定することを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、上記累積歪み算出ステップの前には、溶融した上記金属材料の上記鋳型への充填が完了するまでの充填状態を経時的に解析する充填解析ステップと、
上記微小要素間の伝熱を経時的に解析して上記鋳物各部位の温度を算出する伝熱解析ステップと、
上記温度から上記鋳物各部位の応力及び歪みを経時的に解析する熱応力解析ステップとを行うことを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項において、上記累積歪み算出ステップの前には、他のシミュレーション方法によって求めた上記鋳物各部位の温度を読み取る温度読み取りステップと、
上記温度から上記鋳物各部位の応力及び歪みを経時的に解析する熱応力解析ステップとを行うことを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項において、上記累積歪み算出ステップの前には、他のシミュレーション方法によって求めた上記鋳物各部位の応力及び歪みを読み取る応力・歪み読み取りステップを行うことを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の鋳造シミュレーション方法をコンピュータに実行させるための鋳造シミュレーションプログラム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の鋳造シミュレーションプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の鋳造シミュレーション方法を実行するよう構成されたコンピュータを有することを特徴とする鋳造シミュレーション装置。
【請求項１３】
金属材料の溶湯を鋳型に注湯して鋳物を作製する鋳造方法であって、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の鋳造シミュレーション方法を実施することにより、冷却時の割れが生じないと判定された鋳造条件となるよう制御することを特徴とする鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造により得られる鋳物について、冷却時の割れを予測する鋳造シミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳物は、一般的に、溶融した金属材料（以下、適宜、溶融材料という）を鋳型に充填し、それを凝固・冷却することによって製造される。このようにして鋳物を製造する際に、凝固・冷却過程では、熱収縮の不均一や鋳型の拘束等によって鋳物に応力及び歪みが発生する。そして、この応力及び歪みによって、鋳物に割れが発生することがある。
鋳物の割れは、その発生する温度領域によって、凝固割れと熱・冷間割れとに大きく分けることができる。凝固割れは、固液共存状態の温度領域において発生したものであり、熱・冷間割れは、完全凝固状態から室温までの温度領域において発生したものである。従来から、これらの割れを未然に防止するために、様々な提案がなされてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１では、アルミニウム合金の垂直連続鋳造過程を対象に、４００℃から液相線温度（約６２０℃）の範囲で引張試験を行い、実際の破断歪みを求め、弾・塑性変形解析により得られる相当塑性歪みを実際の破断歪み以下となるよう鋳造条件を制御する垂直連続鋳造方法を提案している。
また、特許文献２では、室温での引張試験によって使用材料の破壊限界における限界界面応力を求め、使用材料の加工条件に基づいたシミュレーションで得られた破壊時の最大界面応力と比較して、最大界面応力が限界界面応力よりも小さくなるような加工条件を導出する延性破壊限界の推定方法を提案している。
【０００４】
また、特許文献３では、鋳物の鋳造方案を基に数値解析により応力及び歪み解析を行い、その解析結果を基に割れを評価し、評価を基に再度数値解析を行う又は鋳物の試作を開始する鋳造方法を提案している。
また、特許文献４では、連続鋳造鋳型に設置した温度測定素子の温度測定結果、溶鋼の湯面レベル、及び鋳造速度からシェル厚み及びシェル内温度分布を計算し、この値に基づき、鋳造方向及び鋳型周方向の鋳片の変形及び応力状態を計算し、引張応力値又は歪みが所定値以上になったときに鋳片の表面疵の発生を予知する連続鋳造鋳片の表面疵予知方法を提案している。
【０００５】
しかしながら、特許文献１は、アルミニウム合金の垂直連続鋳造において、固液共存状態から固相線温度直下（４００℃以上）までの間の高温領域における高温脆性割れを防止する鋳造方法であり、それ以下の温度領域で発生する熱・冷間割れについては言及していないし、それを防止するための具体的な方法も示されていない。
また、特許文献２は、ある一定温度における塑性加工材の破壊時における限界界面応力を示しているが、鋳物のような連続冷却する場合の割れ発生条件については言及していないし、その条件についても示されていない。
また、特許文献３及び４は、応力及び歪みの数値解析、計算結果に基づいて、割れ又は表面疵を評価するが、具体的にどのような方法や基準で評価・予知するかについては示されていない。
【０００６】
すなわち、従来の方法では、固液共存状態における凝固割れについて防止することはできても、凝固後における熱・冷間割れについて未然に予測・防止する方法は、未だ見出されていない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１９１１５０号公報
【特許文献２】特開２００５−２８３１３０号公報
【特許文献３】特開２００４−１７４５１２号公報
【特許文献４】特開２０００−３１７５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、鋳造により得られる鋳物について、冷却過程における熱・冷間割れの発生を正確に予測することができる鋳造シミュレーション方法、その装置、そのプログラム、及び当該プログラムを記録した記録媒体、並びに熱・冷間割れの発生を未然に防止することができる鋳造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、金属材料の溶湯を鋳型に注湯して得られる鋳物に冷却時の割れが生ずるか否かを判定する鋳造シミュレーション方法であって、
溶融した上記金属材料の成形に用いる上記鋳型の形状を座標系上に位置づけ、該座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成ステップと、
上記微小要素のそれぞれについて、上記鋳型の型領域に位置する場合には型要素と、上記鋳型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する要素定義ステップと、
上記金属材料におけるクリープ現象が生じない臨界温度以下の温度である延性低下温度Ｔｃを予め定めておき、注湯された上記金属材料が上記延性低下温度Ｔｃに達してから室温までの冷却過程において上記鋳物各部位に生じる歪み累積量又は歪みエネルギー累積量を求める累積歪み算出ステップと、
上記延性低下温度Ｔｃ以下における１又は複数の温度において上記金属材料に予め機械試験を実施して得られた実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーを用い、該実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーと上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量との比較により上記鋳物に割れが生ずるか否かを判定する割れ判定ステップとを有することを特徴とする鋳造シミュレーション方法にある（請求項１）。
【００１０】
本発明の鋳造シミュレーション方法は、少なくとも、上記要素作成ステップ、上記要素定義ステップを行った後、上記累積歪み算出ステップ、上記割れ判定ステップを順に行う。これにより、従来予測することができなかった上記鋳物の冷却過程における熱・冷間割れの発生について、正確に予測することが可能となる。
以下にその理由を述べる。
【００１１】
従来の鋳造シミュレーション方法では、固液共存状態から凝固状態までの比較的高い温度領域での解析は行われていたが、それ以下の比較的低い温度領域について詳細に解析したものはなかった。そのため、上記鋳物の冷却過程における熱・冷間割れの発生を正確に予測することができなかった。
そこで、本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、上記鋳物の冷却過程における熱・冷間割れが冷却過程において生じる応力及び歪みによって発生することに着目し、かつ、その熱・冷間割れが冷却過程における上記延性低下温度Ｔｃ以下において連続的に生じた歪みの累積量に大きく起因していることを見出したのである。そして、この歪みの累積量（歪み累積量又は歪みエネルギー累積量）を用いて、上記鋳物の冷却過程における熱・冷間割れを予測することを考え出したのである。
【００１２】
具体的には、上記累積歪み算出ステップにおいて、まず上記金属材料における延性低下温度Ｔｃを予め定めておく。ここで、該延性低下温度Ｔｃとは、上記金属材料におけるクリープ現象が生じない臨界温度以下の温度、すなわちクリープ現象が生じない温度である。そして、この延性低下温度Ｔｃから室温までの冷却過程において、上記鋳物の各部位に生じる歪み累積量又は歪みエネルギー累積量を求める。つまり、上記延性低下温度Ｔｃを超える状態での歪みは考慮せず、上記延性低下温度Ｔｃ以下において生じる歪みのみを考慮し、上記延性低下温度Ｔｃから室温までの温度領域における歪み又は歪みエネルギーの累積量を求める。
【００１３】
次いで、上記割れ判定ステップにおいて、上記延性低下温度Ｔｃ以下の温度において上記金属材料に予め機械試験を実施して得られた実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーと、上記累積歪み算出ステップにおいて求めた上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量とを比較し、上記鋳物の冷却時に割れが生ずるか否かの判定を行う。
このように、上記延性低下温度Ｔｃから室温までの歪み累積量又は歪みエネルギー累積量を用いて割れの判定を行うことにより、従来行うことができなかった予測が可能となる。すなわち、上記鋳物の冷却過程における熱・冷間割れを正確に予測することができる。
【００１４】
第２の発明は、上記第１の発明の鋳造シミュレーション方法をコンピュータに実行させるための鋳造シミュレーションプログラムにある（請求項１０）。
第３の発明は、上記第２の発明の鋳造シミュレーションプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体にある（請求項１１）。
第４の発明は、上記第１の発明の鋳造シミュレーション方法を実行するよう構成されたコンピュータを有することを特徴とする鋳造シミュレーション装置にある（請求項１２）。
【００１５】
これらの第２〜第４の発明は、いずれも、これらを用いて上記鋳造シミュレーションを実施することができ、上述したように、鋳物の冷却過程における熱・冷間割れの発生を正確に予測することができる。
【００１６】
第５の発明は、金属材料の溶湯を鋳型に注湯して鋳物を作製する鋳造方法であって、
上記第１の発明の鋳造シミュレーション方法を実施することにより、冷却時の割れが生じないと判定された鋳造条件となるよう制御することを特徴とする鋳造方法にある（請求項１３）。
【００１７】
上記鋳造方法は、上記鋳造シミュレーション方法によって上記鋳物の冷却過程における熱・冷間割れの発生を正確に予測し、割れが生じないと判定された鋳造条件で上記鋳物を製造する。これにより、上記鋳物の冷却過程における熱・冷間割れを未然に防ぐことができる。また、得られる上記鋳物は、熱・冷間割れが発生しない品質の高いものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
上記第１の発明においては、上記要素作成ステップは、本鋳造シミュレーション方法の対象である鋳型（型）を座標系上に位置づけ、その座標系上の空間を多面体からなる複数の微小要素に分割するステップである。すなわち、座標系上の空間を解析用の微小要素に細分化するステップである。
【００１９】
なお、座標系は、任意のものを選択することが可能である。この座標系上の空間には、必要に応じた大きさで微小要素が形成される。
また、微小空間に分割する方法としては、有限差分法で採用されるような直交６面体の微小要素で分割する方法、有限要素法のように要素の形状を鋳型の形状に応じた多面体として比較的自由に変更できる方法等がある。有限差分法は、微小要素への分割が容易であり、かつ解析が数学的に簡潔であるという利点がある。
【００２０】
また、座標系上の空間のすべてに微小要素を規定する必要はなく、必要な部分（溶融材料が注入されるキャビティ領域とその周りに接する型領域等）を最小限含むような範囲で規定すれば充分である。ただし、鋳型温度等をより正確に解析するために、型領域のすべてを含むように微小要素を作成することが好ましい。そして、作成する微小要素の大きさは、できるだけ小さい方が解析の精度が向上できるが、より多くの解析時間が必要となる。
【００２１】
また、鋳型の構造を充分に再現できるような微小要素の大きさを採用することが好ましい。したがって、微小要素の大きさは、要求される精度やシミュレーションの原理的な制約、解析時間等から適正に決定することができる。なお、微小要素の大きさは、すべての部分について同じ大きさとする必要はなく、解析部位によって大きさを変更することができる。
【００２２】
ところで、型を座標系上に位置づけるためには、鋳型の形状がＣＡＤデータ型式等の数値データに変換されている必要がある。鋳型の形状を数値データに変換する方法としては、特に限定されず、例えば、最初から鋳型の形状をＣＡＤにより設計したり、試作品の形状を３次元スキャナ等の何らかの方法で数値化したりしても良い。ここで、ＣＡＤにより型の数値データを作成した場合には、ＣＡＤ等により作成された型のデータを読み込み、型の外形データを抽出する必要がある。その方法については、公知の方法を用いることができる。また、本方法において、ＣＡＤデータをそのまま使用できるようにしても良い。
【００２３】
上記要素定義ステップは、前述の要素作成ステップにおいて規定された微小要素のそれぞれについて、鋳型の型領域に位置する場合には型要素と定義し、鋳型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義してモデルデータとするステップである。すなわち、各微小要素の属性を定義し、座標系上に型の形状を微小要素により構築するステップである。
【００２４】
なお、本ステップは、前述の要素作成ステップにおいて微小要素が規定された後に行われるステップであるが、すべての微小要素が規定された後に行う必要は必ずしもなく、１以上の微小要素が規定される毎に本ステップを行い、その後に要素作成ステップを再度行うことを繰り返すこともできる。
【００２５】
ここで、型の「型領域」とは型自身を形成する領域であって、溶融材料が流れない部分であり、型の「キャビティ領域」とは溶融材料が流れ最終的に成形品（鋳物）が形成される部分である領域をそれぞれ意味する。
具体的に各微小要素を型要素とキャビティ要素とに定義する方法としては特に限定されず、公知の方法が採用可能である。
【００２６】
上記累積歪み算出ステップを行う際には、上記金属材料における上記延性低下温度Ｔｃを予め定めておく必要がある。
ここで、上記延性低下温度Ｔｃとは、上述のごとく、上記金属材料におけるクリープ現象が生じない臨界温度以下の温度である。
【００２７】
そして、上記金属材料がアルミニウム合金である場合には、上記延性低下温度Ｔｃを２００〜４００℃の範囲から選択し、上記金属材料がマグネシウム合金である場合には、上記延性低下温度Ｔｃを１００〜３００℃の範囲から選択することが好ましい（請求項２）。
上記延性低下温度Ｔｃは、上記金属材料の種類によって異なるため、使用する材料に応じて選択する。
【００２８】
また、上記延性低下温度Ｔｃは、上記金属材料の凝固点以下の複数の温度における上記金属材料の実測破断歪みを採取して、温度−破断歪み曲線を作成し、該曲線の勾配が急激に変化する温度近傍の温度とすることができる（請求項３）。
また、上記延性低下温度Ｔｃは、上記金属材料の凝固点以下の複数の温度における上記金属材料の実測破断歪みを採取して、温度−破断歪み曲線を作成し、該曲線の勾配が０．１％／℃〜０．３％／℃の範囲にある温度を選択することもできる（請求項４）。
【００２９】
すなわち、上記延性低下温度Ｔｃを定める方法としては、まず上記金属材料の各温度における実測破断歪みを採取して、温度−破断歪み曲線を作成する。そして、該曲線において、該曲線の勾配が急激に変化する温度又は温度領域が存在する場合には、その温度近傍の温度を上記延性低下温度Ｔｃとすることができる。また、上記曲線の勾配が急激に変化する温度又は温度領域の判別が困難な場合には、上記曲線の勾配が予め定めた範囲（例えば０．１％／℃〜０．３％／℃）にある温度を上記延性低下温度Ｔｃとすることもできる。
【００３０】
上記累積歪み算出ステップは、上述のごとく、上記延性低下温度Ｔｃから室温までの冷却過程において、上記鋳物各部位に生じる歪み累積量又は歪みエネルギー累積量を求めるステップである。つまり、上記延性低下温度Ｔｃを超える状態での歪みは考慮せず、上記延性低下温度Ｔｃ以下において生じる歪みのみを考慮し、上記延性低下温度Ｔｃから室温までの温度領域における歪み又は歪みエネルギーの累積量を求めるステップである。
【００３１】
上記割れ判定ステップは、上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量を用いて、上記鋳物における割れの発生を判定するステップである。
具体的には、予め上記金属材料に対して機械試験を実施し、上記延性低下温度Ｔｃ以下における上記実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーを求めておき、この実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーと上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量とを比較することにより、上記鋳物に冷却時の割れが生ずるか否かを判定する。この判定は、例えば上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量が予め定めておいた基準値よりも高い場合には割れが発生し、低い場合には割れが発生しないと判定するというように、判定基準を定めて行えばよい。
【００３２】
また、上記割れ判定ステップは、上記延性低下温度Ｔｃ以下における上記実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーの平均値と上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量とを比較することにより行うことが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記鋳物に冷却時の割れが生ずるか否かの判定をより精度高く行うことができる。
【００３３】
また、上記割れ判定ステップは、上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量が上記延性低下温度Ｔｃ以下における上記実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーの平均値の６０〜１００％である基準値よりも高い場合には割れが発生し、低い場合には割れが発生しないと判定することが好ましい（請求項６）。
後述する実施例のように、実験の結果では、少なくとも本発明の鋳造シミュレーション方法において、上記実測破断歪み又は実測歪みエネルギーの平均値の６０％以上の場合に割れが発生すると判定することにより、高い精度を得ることができる。また、１００％を超える場合には、割れの判定を正確に行うことができないおそれがある。
なお、上記基準値は、上記実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーの平均値の６０〜１００％の範囲から任意に選択することができる。また、実際に行われる鋳造条件や材料等に応じて変更することができる。
【００３４】
また、上記累積歪み算出ステップの前には、溶融した上記金属材料の上記鋳型への充填が完了するまでの充填状態を経時的に解析する充填解析ステップと、
上記微小要素間の伝熱を経時的に解析して上記鋳物各部位の温度を算出する伝熱解析ステップと、
上記温度から上記鋳物各部位の応力及び歪みを経時的に解析する熱応力解析ステップとを行うことが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記延性低下温度Ｔｃから室温までの冷却過程における上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量を高い精度で求めることができる。
【００３５】
なお、上記充填解析ステップは、キャビティ要素のそれぞれについて、溶融材料の鋳型への充填状態の解析を経時的に行うステップである。すなわち、鋳型内における注入された溶融材料の物理的挙動を、微小要素毎に、かつ微小時間毎に解析する。
基本的な溶湯の充填解析の方法については、特に限定されるものではない。例えば、ＶＯＦ（Ｖｏｌｕｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄ）、ＳＯＬＡ、ＦＡＮ及びそれらの改良された方法等の公知技術・慣用技術等を適用することができる。
【００３６】
また、上記伝熱解析ステップは、各微小要素の間の伝熱をそれぞれの熱伝達係数に基づいて経時的に解析して、キャビティ要素、つまり鋳型に充填された溶融材料の微小要素（以下、適宜、鋳物要素という）の温度を経時的に算出するステップである。
伝熱の解析は、鋳物要素同士の間でのほか、鋳物要素と鋳型最表面（すなわちキャビティ要素に接する型要素）との間で経時的に行い、鋳物要素の温度を算出する。
【００３７】
また、上記伝熱解析ステップでは、計算が発散せず、かつ許容時間内で計算が終了するように設定された時間間隔で、各要素間の伝熱を各モデルに設定された熱伝達係数に基づいて計算する。上記伝熱解析ステップで行う伝熱解析方法は特に限定されるものではないが、例えば、熱移流、潜熱を考慮した非定常熱伝導解析に差分法とＡＤＩ法とを併用する等の計算方法を用いてそれぞれの要素について熱の伝導を計算することができる。
【００３８】
また、上記熱応力解析ステップは、上記伝熱解析ステップで算出された温度に基づいて、鋳物要素の応力及び歪みの解析を経時的に行うステップである。
例えば、上記熱応力解析ステップは、まず上記伝熱解析ステップにより得られた温度から鋳物要素の機械的特性値を求め、この機械的特性値を基にして、鋳物要素の応力及び歪みを求めることができる。ここでいう機械的特性値は、例えばヤング率、ポアソン比、線熱膨張係数、耐力、加工硬化指数等がある。なお、これらの機械的特性値は、上記温度に基づいて必ずしも変化させる必要はなく、固定値を用いても誤差が少ない場合には固定値を適用することも可能である。
【００３９】
また、上記累積歪み算出ステップの前には、他のシミュレーション方法によって求めた上記鋳物各部位の温度を読み取る温度読み取りステップと、
上記温度から上記鋳物各部位の応力及び歪みを経時的に解析する熱応力解析ステップとを行うこともできる（請求項８）。
すなわち、前述した上記充填解析ステップ及び上記伝熱解析ステップに代えて、上記鋳物各部位の温度を他のシミュレーション方法によって求める上記温度読み取りステップとすることができる。この場合にも、上記延性低下温度Ｔｃから室温までの冷却過程における上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量を高い精度で求めることができる。
【００４０】
また、上記累積歪み算出ステップの前には、他のシミュレーション方法によって求めた上記鋳物各部位の応力及び歪みを読み取る応力・歪み読み取りステップを行うこともできる（請求項９）。
すなわち、上述した上記充填解析ステップ、上記伝熱解析ステップ、及び上記熱応力解析ステップに代えて、上記鋳物各部位の応力及び歪みを他のシミュレーション方法によって求める上記応力・歪み読み取りステップとすることができる。この場合にも、上記延性低下温度Ｔｃから室温までの冷却過程における上記歪み累積量又は歪みエネルギー累積量を高い精度で求めることができる。
【実施例】
【００４１】
本発明の実施例にかかる鋳造シミュレーション方法及びその装置について、図を用いて説明する。
本例の鋳造シミュレーション装置１は、図２に示すごとく、各解析ステップを実行する手段を備えたコンピュータ１０を有する装置である。コンピュータ１０には、キーボード、記憶媒体読み取り装置等の入力装置１１と、ディスプレイ、プリンタ等の出力装置１２とが接続されている。
【００４２】
コンピュータ１０が実行可能な手段は、後述する鋳造シミュレーション方法における各ステップを実行する手段であり、具体的には、要素作成ステップ実行手段２１と、要素定義ステップ実行手段２２と、充填解析ステップ実行手段２３と、伝熱解析ステップ実行手段２４と、熱応力解析ステップ実行手段２５と、累積歪み算出ステップ実行手段２６と、割れ判定ステップ実行手段２７とを有している。なお、これらの実行手段は、後述する鋳造シミュレーション方法をコンピュータに実行させるための鋳造シミュレーションプログラムとして作成したものを読み込んで実行可能としたものである。
【００４３】
本例の鋳造シミュレーション方法は、図１に示すごとく、要素作成ステップＳ１０１と、要素定義ステップＳ１０２と、累積歪み算出ステップＳ１０６と、割れ判定ステップＳ１０７とを行う方法である。
また、本例の方法では、累積歪み算出ステップＳ１０６の前に、充填解析ステップＳ１０３と、伝熱解析ステップＳ１０４と、熱応力解析ステップＳ１０５とを行う。
以下、これを詳説する。
【００４４】
本例では、図３、図４に示すような形状のダイカスト鋳物８を作ることを想定し、また、溶湯の注入加圧部分を含むビスケット部８１も鋳物８の一部としたモデルを想定し、鋳造シミュレーションを行う。
なお、本例において鋳造シミュレーションを行う各試料Ａ〜Ｆの鋳造条件（材料、リング間距離、射出速度、プランジャ圧力、射出温度、鋳造温度）については、表１に示す。
【００４５】
上記鋳造条件において、使用する金属材料としては、ＡＤＣ１２、ＡＣ４Ｃ（アルミニウム合金）、ＡＺ９１（マグネシウム合金）の３種類を用いた。また、リング間距離とは、ステンレスリング８２間の距離ｄである（図３参照）。また、射出速度の高速及び低速は、溶融材料を射出するのに用いる加圧用プランジャの前進スピードを意味する。本例では、その速度を、最初は上記低速速度の条件とし、途中で上記高速速度の条件に切り替える二段射出方法を採用した。
【００４６】
【表１】
0004692402.tif 000002
【００４７】
まず、鋳造シミュレーションを行う前に、使用する各材料の延性低下温度Ｔｃを選定する。この延性低下温度Ｔｃを選定するに当たっては、複数の温度において各材料の引張試験を行う。
具体的には、実際に各材料を用いてダイカスト鋳物を製造し、図５に示すような引張試験用の試験片８０を準備する。なお、鋳造条件として、射出速度０．４ｍ／ｓ、プランジャ圧力６５ＭＰａとした。また、試験片８０のサイズは、全長ａが６０ｍｍ、平行部長さｂが２０ｍｍ、平行部径ｃが４ｍｍである。
【００４８】
次いで、各材料の試験片８０について引張試験を行う。引張試験条件として、歪み速度０．０１／ｓとした。また、ＡＤＣ１２及びＡＣ４Ｃは、２０、１５０、３００、４００、及び５００℃で試験を行った。また、ＡＺ９１は、２３、５０、７５、１００、１１２、１２５、１３７、及び１５０℃で試験を行った。
引張試験の結果、図６〜図８に示すごとく、各材料の温度（℃）−破断歪み（％）曲線が得られた。また、ＡＤＣ１２については、図９に示すごとく、温度（℃）−破断歪みエネルギー（ＭＰａ）曲線も求めた。
【００４９】
次いで、図６〜図８の温度−破断歪み曲線から、各材料の延性低下温度Ｔｃを選定する。本例では、温度−破断歪み曲線の勾配が急激に変化する温度近傍の温度を延性低下温度Ｔｃとして選定した。なお、ＡＺ９１については、曲線の勾配が急激に変化する温度の判別が困難であったため、曲線の勾配が０．２％以上となった温度を延性低下温度Ｔｃとして選定した。
これにより、ＡＤＣ１２、ＡＣ４Ｃ、ＡＺ９１の延性低下温度Ｔｃを、それぞれ３００℃、３１８℃、１０３℃と定めた。
【００５０】
＜要素作成ステップＳ１０１＞
本例では、上述したように、図３、図４に示すような形状の鋳物８を作ることを想定し、また、溶湯の注入加圧部分を含むビスケット部８１も鋳物の一部としたモデルを想定する。そして、これらを囲う部分を鋳型部分として想定する。
そして、要素作成ステップＳ１０１では、これらを空間とした鋳型形状をＣＡＤデータとして作成し、このＣＡＤデータに基づいて、複数の微小要素に分割する。
【００５１】
＜要素定義ステップＳ１０２＞
次いで、要素定義ステップＳ１０２では、上記微小要素がＣＡＤデータの鋳型の型領域内に位置する要素を型要素、鋳型のキャビティ領域内に位置する要素をキャビティ要素と定義する。また、型要素間、キャビティ要素間、及び型要素とキャビティ要素との間のそれぞれの熱伝達係数は、予め適正値を設定する。
【００５２】
＜充填解析ステップＳ１０３＞
次いで、充填解析ステップＳ１０３では、上記キャビティ要素について、溶融材料の鋳型への充填割合を所定時間間隔で順次計算していく。充填解析ステップＳ１０３は、有限差分法によって解析を進行させ、射出開始から所定時間後に、いくつかのキャビティ要素に溶融材料が充填され、更に時間が進行すると、溶融材料が充填されたキャビティ要素（鋳物要素）が増加していく。そして、この充填解析ステップＳ１０３は、充填が完了するまで行う。
【００５３】
＜伝熱解析ステップＳ１０４＞
次いで、伝熱解析ステップＳ１０４では、非定常熱伝導計算法により、各微小要素の間の伝熱を予め設定した熱伝達係数に基づいて所定時間間隔で順次計算していく。そして、鋳物要素の温度を算出する。
【００５４】
＜熱応力解析ステップＳ１０５＞
次いで、熱応力解析ステップＳ１０５では、伝熱解析ステップＳ１０４により得られた温度を基にして、鋳物要素の機械的特性値を求める。このときの機械的特性値としては、ヤング率及びポアソン比を用いた。そして、上記の機械的特性値を基にして、鋳物要素の応力及び歪みを求める。
【００５５】
＜累積歪み算出ステップＳ１０６＞
次いで、累積歪み算出ステップＳ１０６では、熱応力解析ステップにより得られた応力及び歪みを基にして、予め定めておいた延性低下温度Ｔｃから室温までの冷却過程において、鋳物各部位に連続的に生じる歪みを累積し、これを歪み累積量又は歪みエネルギー累積量として算出する。
【００５６】
＜割れ判定ステップＳ１０７＞
次いで、割れ判定ステップＳ１０７では、累積歪み算出ステップＳ１０６により得られた歪み累積量又は歪みエネルギー累積量と、延性低下温度Ｔｃ以下における実測破断歪み又は実測破断歪みエネルギーとを比較し、鋳物８に冷却時の割れが生ずるか否かの判定を行う。判定後、シミュレーションを終了する。
【００５７】
本例では、比較に用いる歪み累積量及び歪みエネルギー累積量（計算値）として、鋳物８における薄肉部分であるステンレスリング８２間の中央部８３付近の歪みについて算出したものを用いた。また、実測破断歪み及び実測破断歪みエネルギー（実測値）として、各材料の延性低下温度Ｔｃを求める際に行った引張試験の結果（図６〜図９）を用いた。
また、割れの判定は、歪み累積量又は歪みエネルギー累積量が延性低下温度Ｔｃ以下における実測破断歪みの平均値の６０％よりも高い場合には割れが発生し、それ以下の場合には割れが発生しないと判定した。
【００５８】
次に、各試料Ａ〜Ｆについて、実測値と計算値とを比較した結果を図１０〜図１９（試料Ａ：図１０、図１１、試料Ｂ：図１２、図１３、試料Ｃ：図１４、図１５、試料Ｄ：図１６、図１７、試料Ｅ：図１８、試料Ｆ：図１９）に示す。同図は、横軸に温度（℃）、縦軸に歪み（％）又は歪みエネルギー（ＭＰａ）をとったものである。また、図１０、図１２、図１４、図１６、図１８、及び図１９は、実測破断歪みと歪み累積量とを比較したものであり、図１１、図１３、図１５、及び図１７は、実測破断歪みエネルギーと歪みエネルギー累積量とを比較したものである。
図１０〜図１９の結果を基に割れの判定を行ったところ、表１に示すごとく、試料Ａについては、割れが発生すると判定した。また、試料Ｂ〜Ｆについては、割れが発生しないと判定した。
【００５９】
また、本例では、シミュレーションの有効性を評価すべく、シミュレーションした鋳型と同じ形状の鋳型を用いて、図３、図４に示すような形状のダイカスト鋳物８（試料Ａ〜Ｆ）を表１に示す条件で実際に作製し、割れの発生を調べた。その結果、表１に示すごとく、試料Ａについては、鋳物８のステンレスリング８２間の中央部８３付近のみに割れが発生した。また、その他の試料Ｂ〜Ｆについては、割れが発生しなかった。
すなわち、表１の結果から知られるように、今回のシミュレーション結果は、実際に鋳物を製造した場合における割れの発生を正確に予測しているといえる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施例における、鋳造シミュレーション方法を示すフロー図。
【図２】実施例における、鋳造シミュレーション装置の構成を示す説明図。
【図３】実施例における、鋳物形状を正面から見た説明図。
【図４】図３におけるＡ−Ａ断面図。
【図５】実施例における、引張試験用の試験片を示す説明図。
【図６】実施例における、ＡＤＣ１２の引張試験の結果を示す説明図。
【図７】実施例における、ＡＣ４Ｃの引張試験の結果を示す説明図。
【図８】実施例における、ＡＺ９１の引張試験の結果を示す説明図。
【図９】実施例における、ＡＤＣ１２の引張試験の結果を示す説明図。
【図１０】実施例における、試料Ａの実測値と計算値とを比較した説明図。
【図１１】実施例における、試料Ａの実測値と計算値とを比較した説明図。
【図１２】実施例における、試料Ｂの実測値と計算値とを比較した説明図。
【図１３】実施例における、試料Ｂの実測値と計算値とを比較した説明図。
【図１４】実施例における、試料Ｃの実測値と計算値とを比較した説明図。
【図１５】実施例における、試料Ｃの実測値と計算値とを比較した説明図。
【図１６】実施例における、試料Ｄの実測値と計算値とを比較した説明図。
【図１７】実施例における、試料Ｄの実測値と計算値とを比較した説明図。
【図１８】実施例における、試料Ｅの実測値と計算値とを比較した説明図。
【図１９】実施例における、試料Ｆの実測値と計算値とを比較した説明図。
【符号の説明】
【００６１】
１  鋳造シミュレーション装置
１０  コンピュータ
２１  要素作成ステップ実行手段
２２  要素定義ステップ実行手段
２３  充填解析ステップ実行手段
２４  伝熱解析ステップ実行手段
２５  熱応力解析ステップ実行手段
２６  累積歪み算出ステップ実行手段
２７  割れ判定ステップ実行手段
Ｓ１０１  要素作成ステップ
Ｓ１０２  要素定義ステップ
Ｓ１０３  充填解析ステップ
Ｓ１０４  伝熱解析ステップ
Ｓ１０５  熱応力解析ステップ
Ｓ１０６  累積歪み算出ステップ
Ｓ１０７  割れ判定ステップ
【図１】
0004692402.tif 000003
【図２】
0004692402.tif 000004
【図３】
0004692402.tif 000005
【図４】
0004692402.tif 000006
【図５】
0004692402.tif 000007
【図６】
0004692402.tif 000008
【図７】
0004692402.tif 000009
【図８】
0004692402.tif 000010
【図９】
0004692402.tif 000011
【図１０】
0004692402.tif 000012
【図１１】
0004692402.tif 000013
【図１２】
0004692402.tif 000014
【図１３】
0004692402.tif 000015
【図１４】
0004692402.tif 000016
【図１５】
0004692402.tif 000017
【図１６】
0004692402.tif 000018
【図１７】
0004692402.tif 000019
【図１８】
0004692402.tif 000020
【図１９】
0004692402.tif 000021