(57)【要約】【課題】  鋳造不良率を定量的に評価し得る鋳造不良率予測方法を提供する。【解決手段】  長手方向に延びるキャビティをほぼ水平状態として該キャビティの一端側から注湯する鋳造に際し、鋳造製品の不良率を予測するための鋳造不良率予測方法において、上記キャビティ内での湯流れ方向に対して略垂直なキャビティ断面のうち、該キャビティ断面の断面積が変化する複数の部位の下流側近傍に位置する各キャビティ断面における溶湯の流速（Ｖ１）を評価し、該溶湯の流速（Ｖ１）が所定の閾値（Ｖ０）を越える各キャビティ断面について、該閾値を越える流速分（Ｖ１−Ｖ０）に対応する面積の総和値を予測演算し、また、予め設定された上記面積の総和値と上記鋳造製品の不良率との相関関係に基づき、演算された上記面積の総和値に対応する鋳造製品の不良率を予測する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に延びるキャビティをほぼ水平状態として該キャビティの一端側から注湯する鋳造に際し、鋳造製品の不良率を予測するための鋳造不良率予測方法において、
上記キャビティ内での湯流れ方向に対して略垂直なキャビティ断面のうち、該キャビティ断面の断面積が変化する複数の部位の下流側近傍に位置する各キャビティ断面における溶湯の流速（Ｖ１）を評価し、該溶湯の流速（Ｖ１）が所定の閾値（Ｖ０）を越える各キャビティ断面について、該閾値を越える流速分（Ｖ１−Ｖ０）に対応する面積の総和値を予測演算するステップと、
予め設定された上記面積の総和値と上記鋳造製品の不良率との相関関係に基づき、演算された上記面積の総和値に対応する鋳造製品の不良率を予測するステップと、を有していることを特徴とする鋳造不良率予測方法。
【請求項２】
上記面積の総和値の予測演算を、上記キャビティ内への注湯処理における前半期に行なうことを特徴とする請求項１記載の鋳造不良率予測方法。
【請求項３】
長手方向に延びるキャビティをほぼ水平状態として該キャビティの一端側から注湯する鋳造に際して用いられるコンピュータに、
上記キャビティ内での湯流れ方向に対して略垂直なキャビティ断面のうち、該キャビティ断面の断面積が変化する複数の部位の下流側近傍に位置する各キャビティ断面における溶湯の流速を評価し、該溶湯の流速（Ｖ１）が所定の閾値（Ｖ０）を越える各キャビティ断面について、該閾値を越える流速（Ｖ１−Ｖ０）に対応する面積の総和値を予測演算する手順と、
予め設定された上記面積の総和値と上記鋳造製品の不良率との相関関係に基づき、演算された上記面積の総和値に対応する鋳造製品の不良率を予測する手順と、を実行させる鋳造不良率予測プログラム。
【請求項４】
更に、上記コンピュータに、上記面積の総和値を予測演算する手順を、上記キャビティ内への注湯処理における前半期に行なわせる請求項３記載の鋳造不良率予測プログラム。
【請求項５】
長手方向に延びるキャビティをほぼ水平状態として該キャビティの一端側から注湯する鋳造方法において、
上記キャビティ内での湯流れ方向に対して略垂直なキャビティ断面のうち、該キャビティ断面の断面積が変化する複数の部位の下流側近傍に位置する各キャビティ断面における溶湯の流速を評価し、該溶湯の流速（Ｖ１）が所定の閾値（Ｖ０）を越える各キャビティ断面について、該閾値を越える流速（Ｖ１−Ｖ０）に対応する面積の総和値を予測演算するステップと、
予め設定された上記面積の総和値と上記鋳造製品の不良率との相関関係に基づき、演算された上記面積の総和値に対応する鋳造製品の不良率を予測するステップと、
予測された上記鋳造製品の不良率に基づき、必要に応じて、該不良率が低下するように鋳造に関する条件を修正した上で、鋳造作業を行なうステップと、を有してい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】
この発明は、長手方向に延びるキャビティをほぼ水平状態として該キャビティ内に注湯する鋳造に際し、鋳造不良率を予測するための鋳造不良率予測方法及び予測プログラム並びに鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、近年、鋳型や鋳造方案を設計するに際して、エアの巻込みによる穴欠陥不良等の湯回り不良の少ない鋳造製品を実現するために、コンピュータを利用して鋳型内における湯流れをシミュレートすることが知られている。これに関連して、例えば特開２００２−２８３００１号公報（特許文献１）では、溶湯流れをシミュレートする際に、溶湯の流れによってできる閉領域を検出し、該閉領域が所定値以下の体積又は所定値以上の圧力を有する状態になった場合に、該閉領域を体積０，質量０の仮想粒子に置き換え、該仮想粒子を発生させた時点における閉領域のエア量から、シミュレーション終了時における仮想粒子の移動位置において鋳造不良が発生するか否かを判定する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２８３００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般に、鋳型内の溶湯の乱れを定量化することは難しく、不良率を定量的に評価することは困難とされる。前述した特許文献１に開示される技術においても、設定された量産条件（溶湯温度や鋳込み時間等）下での解析結果に基づき、鋳造不良が発生するか否かの２値的な予測が行なわれるのみで、不良が発生する割合（鋳造不良率）についての予測までは行なわれない。従来、鋳造不良率を評価するには、１つの鋳造方案につき量産条件の上限及び下限内で数回湯流れ解析する必要があったが、鋳造不良率自体を定量的に評価することができれば、解析工数を減少させることができる。また、過剰品質や品質未達等により設計期間やコストが増大する可能性をなくするためにも、鋳造不良率を予測することは有効である。
【０００５】
本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、鋳造不良率を定量的に評価し得る鋳造不良率予測方法及び予測プログラム並びにそれを用いた鋳造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明に係る１つの様相では、長手方向に延びるキャビティをほぼ水平状態として該キャビティの一端側から注湯する鋳造に際し、鋳造製品の不良率を予測するための鋳造不良率予測方法が提供され、その方法は、上記キャビティ内での湯流れ方向に対して略垂直なキャビティ断面のうち、該キャビティ断面の断面積が変化する複数の部位の下流側近傍に位置する各キャビティ断面における溶湯の流速（Ｖ１）を評価し、該溶湯の流速（Ｖ１）が所定の閾値（Ｖ０）を越える各キャビティ断面について、該閾値を越える流速分（Ｖ１−Ｖ０）に対応する面積の総和値を予測演算するステップと、予め設定された上記面積の総和値と上記鋳造製品の不良率との相関関係に基づき、演算された上記面積の総和値に対応する鋳造製品の不良率を予測するステップと、を有している。
【０００７】
上記鋳造不良率予測方法では、上記面積の総和値の予測演算を、上記キャビティ内への注湯処理における前半期に行なうようにしてもよい。
【０００８】
また、本願発明に係る他の様相では、長手方向に延びるキャビティをほぼ水平状態として該キャビティの一端側から注湯する鋳造に際して用いられるコンピュータに、上記キャビティ内での湯流れ方向に対して略垂直なキャビティ断面のうち、該キャビティ断面の断面積が変化する複数の部位の下流側近傍に位置する各キャビティ断面における溶湯の流速を評価し、該溶湯の流速（Ｖ１）が所定の閾値（Ｖ０）を越える各キャビティ断面について、該閾値を越える流速（Ｖ１−Ｖ０）に対応する面積の総和値を予測演算する手順と、予め設定された上記面積の総和値と上記鋳造製品の不良率との相関関係に基づき、演算された上記面積の総和値に対応する鋳造製品の不良率を予測する手順と、を実行させる鋳造不良率予測プログラムが提供される。
【０００９】
上記コンピュータには、上記面積の総和値を予測演算する手順を、上記キャビティ内への注湯処理における前半期に行なわせるようにしてもよい。
【００１０】
本願発明に係る更に別の様相では、長手方向に延びるキャビティをほぼ水平状態として該キャビティの一端側から注湯する鋳造方法が提供され、その方法は、上記キャビティ内での湯流れ方向に対して略垂直なキャビティ断面のうち、該キャビティ断面の断面積が変化する複数の部位の下流側近傍に位置する各キャビティ断面における溶湯の流速を評価し、該溶湯の流速（Ｖ１）が所定の閾値（Ｖ０）を越える各キャビティ断面について、該閾値を越える流速（Ｖ１−Ｖ０）に対応する面積の総和値を予測演算するステップと、予め設定された上記面積の総和値と上記鋳造製品の不良率との相関関係に基づき、演算された上記面積の総和値に対応する鋳造製品の不良率を予測するステップと、予測された上記鋳造製品の不良率に基づき、必要に応じて、該不良率が低下するように鋳造に関する条件を修正した上で、鋳造作業を行なうステップと、を有している。
【発明の効果】
【００１１】
本願の請求項１に係る発明によれば、溶湯表面の乱れの程度を定量的に予測演算することで、穴欠陥不良等の鋳造不良の発生率を、簡単に、精度良くまた短時間で予測することができる。
【００１２】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、溶湯表面の乱れは主として注湯の前半期に発生するため、請求項１に係る効果を助長することができる。
【００１３】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、溶湯表面の乱れの程度を定量的に予測演算することで、穴欠陥不良等の鋳造不良の発生率を、簡単に、精度良くまた短時間で予測することができる。
【００１４】
また、更に、本願の請求項４に係る発明によれば、溶湯表面の乱れは主として注湯の前半期に発生するため、請求項３に係る効果を助長することができる。
【００１５】
また、更に、本願の請求項５に係る発明によれば、精度の高い予測鋳造不良率に基づき鋳造方案等の条件を修正した上で鋳造を行なうことができ、実際に得られる鋳造不良率を抑制することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る湯口系及び鋳型を概略的に示す図である。この図では、鋳型のみを断面で示す。湯口系１は、鋳型３内に注湯される溶湯の入口となる部材であり、ここでは、特に示さないが、主として、取鍋２からの溶湯を受ける湯溜り，湯溜りに受けた溶湯を湯道に導く最初の入口である湯口，湯口から鋳込まれた溶湯を、鋳型の必要な部分に導く湯道，湯道を通過してきた溶湯を鋳型内に流し込む堰等を有している。
【００１７】
鋳型３は上型３Ａ及び下型３Ｂからなり、上型３Ａ及び下型３Ｂが組み合わせられることで、カムシャフトの輪郭に対応したキャビティ６が構成される。本実施形態では、鋳型１が、注湯に際して、長手方向に延びるキャビティ６がほぼ水平になるように保持され、この鋳型１の一端側に湯口系１がセットされる。これにより、取鍋２から湯口系１に供給された溶湯は、キャビティ６の一端側（図中左側）から流れ込み、キャビティ６の他端側（図中右側）へ向かって流れるようにして、キャビティ６に充填される。図１では、湯流れ方向を矢印ｄで示す。なお、本実施形態に係る鋳型３により成形されるカムシャフトは、長さ４００ｍｍ，軸径３０ｍｍを有するものである。
【００１８】
ところで、かかる湯流れを伴う注湯（水平鋳込み）を行なう場合、例えば湯口系１の各部における寸法や位置についての設定条件（いわゆる鋳造方案）によっては、キャビティ６内で溶湯表面の乱れが生じる。この溶湯表面の乱れには、注湯開始から充填完了までの鋳込み時間が影響することが周知であるが、本願発明者は、更に、この鋳込み時間のバラツキが、ノミナル値を中心にした正規分布をなすことを確認した。
【００１９】
次に、所定の鋳造方案に基づき作成した湯口系１の３次元モデルを用い、前述した鋳込み時間のノミナル値の設定下で湯流れ解析を行なった。これにより、鋳込み時間のバラツキに対応できるものと考えた。なお、本実施形態では、イーエスアイ（ＥＳＩ）株式会社から販売される鋳造解析ソフト「ＰｒｏＣＡＳＴ」を用いて、湯流れ解析を行なった。この湯流れ解析において、湯流れ方向ｄに対して垂直なキャビティ断面の断面積が変化する複数の部位（キャビティ６においては、例えばカムの端面に対応する部位）の下流側近傍に位置する各キャビティ断面（図１中のＳ１〜１４）における溶湯の流速分布を評価した。一例として、図２に、図１中のＳ９の断面でシミュレートされた溶湯の流速分布を示す。符号Ｍで示す部分が、Ｓ９の断面における溶湯の分布をあらわしている。
【００２０】
更に、溶湯の流速（Ｖ１）が所定の閾値（Ｖ０）を越える各キャビティ断面について、閾値を越える流速分（Ｖ１−Ｖ０）に対応する面積（以下、ＮＧ面積という）を抽出し、それらＮＧ面積の総和値（以下、総和ＮＧ面積という）を予測演算した。なお、本実施形態では、測定誤差等の観点から閾値を０．０５ｍ／秒に設定し、かかる予測演算を、溶湯表面の乱れが主として注湯の前半期に発生することに対応して、キャビティ６内への溶湯充填率が５０％になるまで、１０％刻みで計５回実施した。
【００２１】
そして、前述したような解析を、互いに異なる鋳造方案Ａ，Ｂ及びＣに基づき作成された湯口系１の３次元モデルについて実施し、総和ＮＧ面積を求めるとともに、各鋳造方案につき、鋳造不良率を評価した。その結果、総和ＮＧ面積と鋳造不良率との間には、図３に示すような相関関係があることを確認した。つまり、鋳込み時間のノミナル値の設定下で予測演算された総和ＮＧ面積と鋳造不良率との間には、互いに比例するような強い相関関係が存在した。そして、それ以降では、かかる相関関係を用いることにより、鋳込み時間のノミナル値の設定下で総和ＮＧ面積を予測演算するのみで、総和ＮＧ面積に対応した鋳造不良率を取得することができた。
【００２２】
図４は、本発明の実施形態に係る鋳造不良率の予測演算処理及びその結果に基づく鋳造方案の良否確認処理についてのフローチャートである。まず、この処理では、量産条件（鋳込み時間）のバラツキが評価される（♯１）。次に、湯流れに影響する量産条件（鋳込み時間）のバラツキが、ノミナル値を中心とした正規分布をなすか否かが判断される（♯２）。
【００２３】
♯２の結果、ノミナル値を中心とした正規分布をなさない（ＮＯ）と判断された場合には、量産条件のバラツキが抑制される処置がとられた上で（♯３）、♯１に戻り、それ以降のステップが繰り返される。他方、ノミナル値を中心とした正規分布をなす（ＹＥＳ）と判断された場合には、鋳造方案の解析モデルが入力される（♯４）。そして、湯流れ解析が開始される（♯５）。
【００２４】
湯流れ解析においては、解析結果に基づき、溶湯の流速が閾値を越える各断面について、閾値を越える流速分に対応する面積（ＮＧ面積）が抽出され、抽出されたＮＧ面積が総和される（♯６）。その後、図３に示すように予め設定された総和ＮＧ面積と鋳造不良率との間にある相関関係に基づき、総和ＮＧ面積に対応した鋳造不良率が予測される（♯７）。
【００２５】
その後、品質，設計期間及びコストの観点から、♯７で予測された鋳造不良率の良否が判断される（♯８）。その結果、♯７で予測された鋳造不良率では良くないと判断された場合には、異なる鋳造方案を設計するために、♯４に戻り、それ以降のステップが繰り返される。他方、♯７で予測された鋳造不良率で良いと判断された場合には、鋳造方案の設計が完了したとして、処理が終了される。
【００２６】
なお、図４中の♯１〜♯８による鋳造不良率の予測演算処理及びその結果に基づく鋳造方案の良否確認処理は、例えばコントローラ２０に内蔵された若しくは外付けされた記憶装置（不図示）に格納されたプログラムが適宜読み出されることで実行される。
【００２７】
以上のように、本実施形態では、総和ＮＧ面積と鋳造不良率との相関関係を用いることにより、総和ＮＧ面積を予測演算するのみで、比較的簡単に、精度良くまた短時間で、鋳造不良率を予測することができる。そして、この予測鋳造不良率に基づき鋳造方案等の条件を修正した上で鋳造を行なうことにより、実際の鋳造不良率を抑制することが可能である。本願発明者が行なった検証によれば、従来と比較して、実際の鋳造不良率を半減させることができた。
また、本実施形態では、予測鋳造不良率に基づき、品質，設計期間及びコストの評価を容易に行なうことが可能であり、それらのバランスを調整することができる。更に、鋳造における過剰品質や品質未達の発生を防止することもできる。
また、更に、従来では、１つの鋳造方案に基づき複数回の湯流れ解析を行なうことで鋳造不良率を判断していたが、本実施形態では、１つの鋳造方案につき１回の湯流れ解析で、鋳造不良率を判断することができる。
また、更に、本実施形態では、ノミナル値を求めるべく量産条件のバラツキの評価（図４の♯１）を行なう場合には解析ステップが必要となるものの、全体として解析工数を少なくすることができる。
【００２８】
なお、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
前述した実施の形態では、鋳型製品としてカムシャフトを取り上げたが、これに限定されることなく、長手方向に延び、該長手方向に対して垂直な方向において、断面積が変化する形状を有する部材であれば、例えばクランク，バランスウェイト等、いかなる部材の鋳造にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る湯口系及び鋳造金型を概略的に示す図である。
【図２】シミュレートされた一断面（図１中のＳ９）における溶湯の様子を示す図である。
【図３】総和ＮＧ面積と鋳造不良率との関係をあらわすグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る鋳造不良率の予測演算処理及びその結果に基づく鋳造方案の良否確認処理についてのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
１…鋳造方案
２…取鍋
３…金型
６…キャビティ
ｄ…湯流れ方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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