(57)【要約】【課題】ダイカスト鋳造などの金型鋳造において、金型内に充填された溶融金属の凝固過程を定量的に検出する方法を提供すること。および、金型の型開き動作を適切に制御する鋳造方法を提供すること。【解決手段】少なくとも第１金型と第２金型とによって区画されたキャビティ内に充填された溶融金属の凝固状態を超音波を用いて検知する溶融金属の凝固過程検出方法において、第１金型の外側部に超音波送受信子を装着して溶融金属に超音波を入射し、この第１金型のキャビティ側表面から第１金型に対向する第２金型のキャビティ側表面へ、超音波の到達する到達時間を連続的に測定し、溶融金属の凝固の進行に伴って変化するこの到達時間の変化量に基づいて溶融金属の凝固過程を検知する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１金型と第２金型とによって区画されたキャビティ内に充填された溶融金属の凝固状態を超音波を用いて検知する溶融金属の凝固過程検出方法において、
前記第１金型の外側部に超音波送受信子を装着して前記溶融金属に超音波を入射し、該第１金型の前記キャビティ側表面から該第１金型に対向する前記第２金型の前記キャビティ側表面へ前記超音波の到達する到達時間を連続的に測定し、前記溶融金属の凝固の進行に伴って変化する該到達時間の変化量に基づいて前記溶融金属の凝固過程を検知することを特徴とする溶融金属の凝固過程検出方法。
【請求項２】
前記第２金型の外側部に超音波送受信子を装着して前記超音波の透過波を用いる請求項１に記載の溶融金属の凝固過程検出方法。
【請求項３】
少なくとも第１金型と第２金型とによって区画されたキャビティ内に溶融金属を充填する溶融金属の鋳造法において、
前記第１金型の外側部に超音波送受信子を装着して前記溶融金属に超音波を入射し、該第１金型の前記キャビティ側表面から該第１金型に対向する前記第２金型の前記キャビティ側表面へ前記超音波の到達する到達時間を連続的に測定し、前記溶融金属の凝固の進行に伴って変化する該到達時間の変化量に基づいて前記溶融金属の凝固過程を検知することにより前記金型の型開き工程を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、溶融金属の凝固過程検出方法に関する。詳しくは金型鋳造における溶融金属の凝固過程を超音波を用いて検知する凝固過程検出方法に関する。
【０００２】
また、検出信号によって鋳造設備の型開き動作を制御する鋳造法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ダイカスト鋳造などの金型鋳造では、金型内の溶融金属が冷却される状態をＣＡＥを用いて計算機によるシミュレーションを行い、その結果をもとに冷却水を通す場所や溶融金属を充填する位置などの金型設計や操業条件の設定などがなされている。しかしながら、実際には金型内での溶融金属の流動状況や凝固過程を正確に把握できないために、現状では必ずしも最適な設計や最適の操業条件の設定を行うことは困難である。なわち、金型内での溶融金属の流動状況や凝固過程などを適切に検知する方法が十分確立されていないのが現状である。
【０００４】
ところで、溶融金属の凝固過程を超音波などを用いて検出する方法は、鋳鋼の連続鋳造などの分野では多くの提案がなされている。例えば、連続鋳造した鋳片の表面から横波型電磁超音波探触子からの超音波を入射し、受信センサでとらえた透過横波の伝播時間（又は共鳴周波数）を測定して、この伝播時間から中心固相率を算出する方法が開示されている（特許文献１）。つまり、超音波が鋳片を透過するのに要した時間と、予め実験的に求めておいた透過時間−固相率の関係から凝固途中の鋳片の固相率を求める方法である。しかし、この方法では、固相率を算出するための基礎データを予め準備しておかなければならない。ダイカスト鋳造のように様々な形状の鋳造品を対象とする場合には、キャビティの形状により異なる透過の伝播時間をもとに、固相率を算出するための透過時間−固相率の関係をワークの種類毎に予め求めておくことは現実的ではない。
【０００５】
また、電磁超音波発生器から超音波を入射し、凝固部と未凝固部との境界からの反射エコーをとらえることで凝固層厚さを算出する方法が提案されている（特許文献２参照）。しかし、この方法は連続鋳造という凝固速度が遅く、また凝固の進行が安定している鋳造方法には好適に用いることができるが、ダイカスト鋳造のような高速凝固現象に適用することは困難である。高速凝固の場合には、一般的に、凝固層と未凝固層との境界からのエコーは非常に微弱であるので、凝固層と未凝固層との界面からのエコーとノイズとを精度よく分離して検知することが難しいからである。
【特許文献１】特開平１０−１９７０５２号公報
【特許文献２】特開昭５５−１５８５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、ダイカスト鋳造などの金型鋳造において、金型内に充填された溶融金属の凝固過程を定量的に検出する方法を提供することを課題とする。
【０００７】
また、ダイカスト鋳造において金型の型開き動作を適切に制御する鋳造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の溶融金属の凝固過程検出方法は、少なくとも第１金型と第２金型とによって区画されたキャビティ内に充填された溶融金属の凝固状態を超音波を用いて検知する溶融金属の凝固過程検出方法において、第１金型の外側部に超音波送受信子を装着して溶融金属に超音波を入射し、この第１金型のキャビティ側表面から第１金型に対向する第２金型のキャビティ側表面へ、超音波の到達する到達時間を連続的に測定し、溶融金属の凝固の進行に伴って変化するこの到達時間の変化量に基づいて溶融金属の凝固過程を検知することを特徴とする。
【０００９】
本発明はこのような特徴を有することにより、キャビティの形状に関係なく溶融金属の凝固過程を正確に検知することができる。
【００１０】
また、本発明の溶融金属の凝固過程検出方法では、第２金型の外側部に超音波送受信子を装着して超音波の透過波を用いることができる。
【００１１】
本発明の鋳造方法は、少なくとも第１金型と第２金型とによって区画されたキャビティ内に溶融金属を充填する溶融金属の鋳造法において、第１金型の外側部に超音波送受信子を装着して溶融金属に超音波を入射し、この第１金型のキャビティ側表面から第１金型に対向する第２金型のキャビティ側表面へ超音波の到達する到達時間を連続的に測定し、溶融金属の凝固の進行に伴って変化するこの到達時間の変化量に基づいて溶融金属の凝固過程を検知することにより金型の型開き工程を制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明の鋳造方法によれば、溶融金属の凝固過程を正確に把握できるので、例えば、凝固完了信号をダイカストマシンの制御系統に入力して凝固完了後の型開き動作を行えば、型開き開始のタイミングを精度良く制御できるので、型開きタイミングが不適切なために生じる鋳造品の型によるかじりや変形といった不具合を防止することができる。また、ダイカスト鋳造作業のサイクルタイムを短縮して設備の稼働率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。図１は本発明の凝固過程検出方法と音波データとを模式的に示したものである。
【００１４】
図１において、１は第１金型、２は第２金型、３は第１金型１に装着した超音波送受信子、４はキャビティ、５は溶融金属の凝固層、６は溶融金属の溶融層である。鋳造すべき溶融金属を図示しない金型の流入口からキャビティ４内に充填するとともに、超音波送受信子３を駆動してキャビティ４内の溶融金属に超音波を図中の矢印のように入射すると、入射した超音波は金型の表面と溶融金属の凝固層と溶融層との境界部において反射して、図１の下部に模式的に示した波形（エコー）ａ〜ｅを得ることができる。
【００１５】
ここで、ａは第１金型のＡ点での表面エコーであり、ｂは第１金型のキャビティ側表面Ｂにおける底面エコーである。また、ｃとｄとはそれぞれ溶融金属の凝固層と溶融層との界面ＣおよびＤにおける界面エコーである。そして、ｅは第２金型のキャビティ側表面Ｅにおける第２金型エコーである。
【００１６】
このようにして得られたエコーではａの第１金型の表面エコーが最も強く、次にｂの底面エコー、ｅの第２金型エコー、ｃ、ｄの界面エコーの順に弱くなる。特に、ｃ、ｄの界面エコーは溶融金属の凝固の進行とともに弱くなりノイズと明確に分離して検出することが困難となる。
【００１７】
従って、本発明においては、超音波が第１金型のキャビティ側表面Ｂから第２金型のキャビティ側表面Ｅに到達するまでの到達時間の変化量を測定する。すなわち、底面エコーｂの発生時刻から第２金型エコーｅの発生時刻までの経過時間を解析して溶融金属の凝固過程を検出しようとする方法である。
【００１８】
以下に、上記の解析方法について具体的に説明する。
【００１９】
図２は、溶融金属を金型のキャビティ内へ充填して所定の時間経過した時点で得られた超音波エコーの音波データを模式的に示したものである。ここで、横軸は超音波を発信してから各エコーを受信するまでの経過時間であり、縦軸は強度（例えば、電圧）である。ｂは第１金型の底面エコーであり、ｅは第２金型エコーである。表面エコーａと境界エコーｃ、ｄは省略した。
【００２０】
実線で示すｓ1は、溶融金属充填後ｓ1秒後の音波データであり、破線で示すｓ2はｓ2秒後の音波データである。ここでは得られた２つのデータを重ねて表記している。図２に示すように、溶融金属の凝固の進行に伴い第１金型の底面から第２金型の表面への超音波の到達時間は短くなる。つまり、超音波の伝播速度が溶融層よりも凝固層の方が速いために、溶融金属の凝固が進行するほど金型間における超音波の到達時間は短縮されるわけである。
【００２１】
図１でＢ点からＥ点までの超音波の到達時間ｔは、底面エコー発生時刻ｔbから第２金型エコーの発生時刻ｔeまでの経過時間であり、ｔ＝ｔe−ｔbとすることができる。
【００２２】
ところが実際には図２に示すように両エコーとも複数の波形から構成されるため、ゲートＧbとゲートＧeとを設定して各ゲートを最初に上回る信号が得られた時刻をそのエコーの発生時刻とすることが望ましい。すなわち、音波データｓ1の底面エコーの発生時刻はｐ1、また、第２金型エコーの発生時刻はｐ2であり、音波データｓ1における到達時間をｔ1とすれば、ｔ1＝ｐ2−ｐ1となる。また、同様に音波データｓ2における到達時間ｔ2はｔ2＝ｑ2−ｑ1である。
【００２３】
このようにして得られた到達時間ｔ1、ｔ2から、到達時間の変化量Δｔ＝ｔ1−ｔ2を求める。所定の時間間隔でこの到達時間の変化量Δｔを求め、Δｔ＝０となった時刻が溶融金属の凝固完了時刻である。
【００２４】
また、Δｔは溶融金属の凝固の進行につれて溶融層が凝固層に変化して音速が速くなったために短縮された時間である。従って、Δｔに材料特有の音速を積算すれば溶融金属充填後ｓ1秒後からｓ2秒後までに凝固して形成された凝固層の長さ（距離）を知ることができるので、その間の凝固速度を求めることができる。以上のようにして求めた溶融金属充填後の凝固速度の変化の一例を図３に示す。これはアルミダイカスト鋳造部品の場合である。図３から、凝固速度は凝固の進行に伴って低減し、この例の場合にはアルミ溶湯を射出してから約５秒で凝固が完了していることが分かる。
【００２５】
図２は超音波送受信子を第１金型に装着して超音波の反射波から得られた音波データであるが、この超音波送受信子とは別に第２金型の外側部の対向する位置に第２の超音波送受信子を装着して、第１の超音波送受信子から発信された超音波の透過波を音波データとすることもできる。この場合も、上記と同様の方法で解析して、到達時間や凝固速度を算出することができる。特に、反射波を用いて得られる音波データが、多数のエコーからなる複雑な形状の金型の場合には、第１到達波を容易に検出できる透過法を用いることが望ましい。
【００２６】
以上のように本発明の溶融金属の凝固過程検出方法によれば、ダイカスト鋳造などのように極めて凝固速度の速い鋳造方法においても、その凝固の進行状況を逐次検知することができるので、得られた検出信号を鋳造設備の制御に活用することができる。例えば、ダイカスト鋳造品の凝固完了による型開きのタイミングなどは、本発明の方法によれば極めて正確に把握することができ、検出信号を制御系と連動させることにより、型による鋳造品のかじりや変形といった不具合を防止することができる。また、適切なタイミングを捉えることができるので、ダイカスト鋳造作業のサイクルタイムを短縮することも可能であり、設備稼働率の向上を図ることができる。
【００２７】
なお、本発明の凝固過程の検出方法は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、例えば、溶融樹脂の射出成形などの工程にも好適に用いることができる。  また、検出信号の活用例として凝固完了信号による型開き動作の制御を例示したが、逐次変化する凝固界面の移動や凝固速度などを検出して、ダイカストマシンのプランジャーの圧力の制御や金型内部の冷却水の水量、あるいは金型外部から冷却をかねて吹き付ける離型剤の吹き付け量などの制御も可能となり、鋳造条件の最適化を図ることができる。
【００２８】
さらに、上記の測定結果に基づいて金型や設備の設計を改善することも可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、ダイカスト鋳造などの金型鋳造において、金型内に充填された溶融金属の凝固過程を、金型に装着した超音波送受信子により測定して定量的に把握することができるので、冷却状態などを制御することにより、鋳造加工を安定化することが可能となるから、製品の品質の向上に資するところ大なるものがある。また、サイクルタイムの短縮や稼働率の向上といった生産性の向上に寄与するところ大である。本発明の凝固過程の検出方法は、溶融樹脂の射出成形などの工程にも好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の凝固過程検出方法と得られた波形データを模式的に示した図である。
【図２】超音波エコーの音波データの模式図である。
【図３】金型充填後の凝固速度の変化の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：第１金型  ２：第２金型  ３：超音波送受信子  ４：キャビティ  ５：凝固層  ６：溶融層  ａ：表面エコー  ｂ：底面エコー  ｃ、ｄ：界面エコー  ｅ：第２金型エコー  Ｇb、Ｇe：ゲート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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