(57)【要約】【課題】溶湯の鋳型内への流し込みと、冷却・凝固に至る過程のシミュレーションを行い、特に、固液共存域が存在する場合においては、主応力分布を算出するまでもなく鋳造割れの発生の有無を予測し、効率的な演算処理を行う手法を提案する。【解決手段】  鋳型及び鋳物について離散化モデルを構築すると共に鋳造条件を定めて解析データを作成し、該解析データについて凝固解析を行い、鋳物要素の固相率を算出する。前記固相率が１未満である場合には、未凝固部位の位置を特定し、該未凝固部位の位置が鋳壁境界面である場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定する。前記固相率が１である場合には、前記解析データについて凝固後の応力解析を行い、鋳物要素の温度と、該要素に生じる熱応力とを算出し、前記要素の温度に対応する所定の破断強度よりも、前記熱応力が大きい場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯の凝固収縮又は鋳塊の熱収縮に起因する鋳物の鋳型内での割れを予測する鋳造割れ予測方法であって、
鋳型及び鋳物について離散化モデルを構築すると共に鋳造条件を定めて解析データを作成するステップと、
前記解析データについて凝固解析を行い、鋳物要素の固相率を算出するステップと、
前記固相率が１未満である場合に、未凝固部位の位置を特定するステップと、
前記未凝固部位の位置が鋳壁境界面である場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定するステップとを、
実行することを特徴とする鋳造割れ予測方法。
【請求項２】
溶湯の凝固収縮又は鋳塊の熱収縮に起因する鋳物の鋳型内での割れを予測する鋳造割れ予測方法であって、
鋳型及び鋳物について離散化モデルを構築すると共に鋳造条件を定めて解析データを作成するステップと、
前記解析データについて凝固解析を行い、鋳物要素の固相率を算出するステップと、
前記固相率が１である場合に、前記解析データについて凝固後の応力解析を行い、鋳物要素の温度と、該要素に生じる応力とを算出するステップと、
前記要素の温度に対応する所定の破断強度よりも、前記応力が大きい場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定するステップとを、
実行することを特徴とする鋳造割れ予測方法。
【請求項３】
溶湯の凝固収縮又は鋳塊の熱収縮に起因する鋳物の鋳型内での割れを予測する鋳造割れ予測システムであって、
鋳型及び鋳物について離散化モデルを作成すると共に鋳造条件を定めて解析データを作成する解析データ作成手段と、
前記解析データについて凝固解析を行い、鋳物要素の固相率を算出する固相率算出手段と、
前記固相率が１未満である場合に、未凝固部位の位置を特定する未凝固部位特定手段と、
前記未凝固部位の位置が鋳壁境界面である場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定する割れ判定手段とを、
備えることを特徴とする鋳造割れ予測システム。
【請求項４】
溶湯の凝固収縮又は鋳塊の熱収縮に起因する鋳物の鋳型内での割れを予測する鋳造割れ予測システムであって、
鋳型及び鋳物について離散化モデルを構築すると共に鋳造条件を定めて解析データを作成する解析データ作成手段と、
前記解析データについて凝固解析を行い、鋳物要素の固相率を算出する固相率算出手段と、
前記固相率が１である場合に、前記解析データについて凝固後の応力解析を行い、鋳物要素の温度と、該要素に生じる応力とを算出する応力算出手段と、
前記要素の温度に対応する所定の破断強度よりも、前記応力が大きい場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定する割れ判定手段とを、
備えることを特徴とする鋳造割れ予測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、数値解析を用いて、鋳造時に発生する鋳物の割れを予測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳造において、鋳型内で溶湯が凝固収縮したり、鋳塊が熱収縮したりすることによって、鋳造中の鋳塊に割れ（鋳造割れ）が発生することがある。
従来は、鋳造条件や金型形状などは、経験や実験に基づいて種々変化させて試行錯誤を繰り返して決定していたが、近年では、シミュレーション技術の進歩により、鋳造時の湯流れ及び凝固の数値シミュレーションを行って不具合を予測する手法が採用されている。溶湯の鋳型内への流し込みと、冷却・凝固に到る過程のシミュレーションを行うことで、鋳造割れの発生箇所や、割れ伝播挙動が予測でき、その予測に基づいて鋳造条件を調整するので、設計段階で試行錯誤することなく、鋳型の設計、鋳造条件の最適化を可能とし高品質の鋳物を得ることができる。
【０００３】
例えば、特許文献１では、鋳造合金の機械的特性値及び熱的物性値を用いて、流動及び凝固過程の数値シミュレーションを行い、その結果に基づいて凝固割れが発生するか否かを判断し、割れが発生しないと判断されるまで予め設定した鋳造条件を調整する方法が提案されている。この技術では、凝固収縮歪みによる荷重効果と流動応力の温度依存性とから、凝固応力モデルを構築し、前記モデルに基づいて鋳塊の主応力分布を計算して、割れ易さを評価する数値を導き出して、凝固割れが発生するか否かを判断している。
【０００４】
また、上記特許文献１では、鋳造割れは、固液共存域に位置する高い割れ感受性の領域で発生すること、固液共存域においては、割れ感受性分布による方が主応力分布によるよりも凝固割れが発生しやすい領域を適切に示せることを知見した（段落番号０００３）ことが記載されている。
なお、特許文献１に記載の技術では、固液共存域についても主応力分布に基づいて鋳造割れ感受性を評価している。
【特許文献１】特開２００４−８２１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では、溶湯の鋳型内への流し込みと、冷却・凝固に至る過程のシミュレーションを行い、特に、固液共存域が存在する場合においては、主応力分布を算出するまでもなく鋳造割れの発生の有無を予測し、効率的な演算処理を行う手法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００７】
即ち、請求項１においては、溶湯の凝固収縮又は鋳塊の熱収縮に起因する鋳物の鋳型内での割れを予測する鋳造割れ予測方法であって、鋳型及び鋳物について離散化モデルを構築すると共に鋳造条件を定めて解析データを作成するステップと、前記解析データについて凝固解析を行い、鋳物要素の固相率を算出するステップと、前記固相率が１未満である場合に、未凝固部位の位置を特定するステップと、前記未凝固部位の位置が鋳壁境界面である場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定するステップとを、実行するものである。
【０００８】
請求項２においては、溶湯の凝固収縮又は鋳塊の熱収縮に起因する鋳物の鋳型内での割れを予測する鋳造割れ予測方法であって、鋳型及び鋳物について離散化モデルを構築すると共に鋳造条件を定めて解析データを作成するステップと、前記解析データについて凝固解析を行い、鋳物要素の固相率を算出するステップと、前記固相率が１である場合に、前記解析データについて凝固後の応力解析を行い、鋳物要素の温度と、該要素に生じる応力とを算出するステップと、前記要素の温度に対応する所定の破断強度よりも、前記応力が大きい場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定するステップとを、実行するものである。
【０００９】
請求項３においては、溶湯の凝固収縮又は鋳塊の熱収縮に起因する鋳物の鋳型内での割れを予測する鋳造割れ予測システムであって、鋳型及び鋳物について離散化モデルを作成すると共に鋳造条件を定めて解析データを作成する解析データ作成手段と、前記解析データについて凝固解析を行い、鋳物要素の固相率を算出する固相率算出手段と、前記固相率が１未満である場合に、未凝固部位の位置を特定する未凝固部位特定手段と、前記未凝固部位の位置が鋳壁境界面である場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定する割れ判定手段とを、備えるものである。
【００１０】
請求項４においては、溶湯の凝固収縮又は鋳塊の熱収縮に起因する鋳物の鋳型内での割れを予測する鋳造割れ予測システムであって、鋳型及び鋳物について離散化モデルを構築すると共に鋳造条件を定めて解析データを作成する解析データ作成手段と、前記解析データについて凝固解析を行い、鋳物要素の固相率を算出する固相率算出手段と、前記固相率が１である場合に、前記解析データについて凝固後の応力解析を行い、鋳物要素の温度と、該要素に生じる応力とを算出する応力算出手段と、前記要素の温度に対応する所定の破断強度よりも、前記応力が大きい場合に、鋳造割れの発生が予測されると判定する割れ判定手段とを、備えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１２】
本発明においては、鋳塊に固液共存域が有る場合には、主応力分布を算出するまでもなく、鋳造割れの発生の有無を予測するので、効率的な演算処理を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る鋳造割れ予測システムの構成を示すブロック図、図２は鋳造割れ予測方法の流れ図、図３は前記破断強度と温度との関係を示す図、図４は未凝固部位を有する鋳塊の例を示す図である。
【００１４】
本発明の実施例に係る鋳造割れ予測方法は、数値解析によって、鋳造中の鋳塊（鋳型の空隙部に注入された溶湯及びその凝固物）の割れを予測するものであり、鋳型の設計、鋳造条件の最適化に寄与するものである。
以下、鋳造中の鋳塊の割れを「鋳造割れ」と記載する。鋳造割れには、溶湯の凝固収縮や鋳塊の熱収縮などに起因する割れが含まれるものとする。
【００１５】
なお、鋳造加工法は、使用する鋳型材質により、砂型鋳造、金型鋳造、精密鋳造があり、また注湯方法により重力鋳造、ダイカスト、スクイズ鋳造、低圧鋳造、減圧鋳造、傾斜鋳造など種々の方法があるが、本発明に係る鋳造割れ予測方法は、鋳造加工法に限定されず広く適用させることができる。
【００１６】
また、前記鋳造割れ予測方法では、鋳造のうち、溶湯を鋳型の空隙部に注ぎ込み、凝固・冷却する過程のシミュレーションを行う。
以下、溶湯が鋳型の空隙部に注ぎ込まれ、該空隙部に溶湯が充満するまでを「流動過程」、溶湯が鋳型の空隙部に充満してから該溶湯が全て凝固するまでを「凝固過程」、溶湯が全て凝固してからの過程を「凝固後冷却過程」と記載する。なお、流動過程、凝固過程及び凝固後冷却過程の何れにおいても鋳塊は冷却され、また、流動過程及び凝固過程において溶湯が凝固するが、便宜上、上記に記載の通りに表現する。
【００１７】
前記鋳造割れ予測方法は、例えば、図１に示す、鋳造割れ予測システム１０により実行することができる。該鋳造割れ予測システム１０には、制御装置１１と、演算装置１２と、記憶装置１３と、入力装置１４と、出力装置１５とが備えられ、複数又は単数の電子計算機と、これに接続されたキーボードやモニタなどで構成することができる。
【００１８】
前記演算装置１２には、解析データ作成手段２１と、凝固過程シミュレート手段２２と、熱収支算出手段２３と、固相率算出手段２４と、凝固終了判定手段２５と、未凝固部位特定手段２６と、凝固時割れ判定手段２７と、凝固後冷却過程シミュレート手段２８と、応力算出手段２９と、冷却時割れ判定手段３０と、解析結果出力手段３１とが具備される。演算装置１２に具備される各手段の機能については後述する。
また、前記記憶装置１３には、鋳型及び鋳物の形状に関する情報や、離散化領域データや、計算条件などの演算に利用される情報や、演算装置１２に具備される各手段での演算処理を実行するためのプログラム等が格納される。
【００１９】
続いて、上記鋳造割れ予測システム１０を用いた鋳造割れ予測方法を、図２に示す流れ図を用いて説明する。
【００２０】
前記鋳造割れ予測方法では、離散化数値解析法に基づいて、鋳造における流動・凝固・凝固後冷却過程のシミュレーションを行う。離散化数値解析法として、本実施例では有限要素法を採用するが、例えば、差分法、有限体積法などの手法を採用することもできる。
【００２１】
このために、先ず、解析データ作成手段２１にて、離散化モデルが構築される［ステップＳ１］。
前記離散化モデルは、連続体である鋳型及び鋳物を小領域の集まりに離散化した物理モデルであり、離散化領域データと、物性値（密度、粘性係数、熱伝導率、熱伝達係数など）と、各種境界条件（各節点の荷重・拘束条件など）とで構成される。
【００２２】
本実施例においては、前記離散化領域データは、連続体である鋳型及び鋳物を小領域（以下、該小領域を「要素」と記載する）の集まりに離散化したときの、要素の節点の位置に関するデータである。
【００２３】
また、前記解析データ作成手段２１では、鋳造条件（注湯開始時の鋳型の温度、溶湯の温度、注湯速度など）が定義される［ステップＳ２］。
【００２４】
そして、流動・凝固過程シミュレート手段２２にて、前記ステップ１で構築された離散化モデルと、前記ステップ２で定義された鋳造条件とを用いて、鋳造における流動・凝固過程のシミュレーションが行われる［ステップＳ３］。この前記流動・凝固過程のシミュレーションを通じて、熱収支算出手段２３にて、各要素の熱収支が算出される［ステップＳ４］。
【００２５】
前記ステップＳ３において鋳型に溶湯を充填中（流動過程）には、前記解析データ作成手段２１にて定義された離散化モデルと鋳造条件とを用いて、流動過程のシミュレーションが行われる。そして、前記ステップ４では、このシミュレーションを通じて、鋳型に溶湯を充填している間の該溶湯の自由表面移動を伴う湯流れの流動解析と、伝熱解析と、凝固解析とが行われ、熱エネルギー保存則に基づいて各要素の温度が解かれて、各要素の熱収支が算出される。
また、前記ステップＳ３において鋳型に溶湯を充満後（凝固過程）には、前記解析データ作成手段２１にて定義された離散化モデルと、前記鋳造条件と、前記熱収支算出手段２３にて算出された熱収支とを用いて、凝固過程のシミュレーションが行われる。そして、前記ステップ４では、このシミュレーションを通じて、溶湯が鋳型に充満した後の、凝固解析が行われ、熱エネルギー保存則に基づいて各要素の温度が解かれて、各要素の熱収支が算出される。
【００２６】
続いて、固相率算出手段２４では、算出された熱収支に基づいて鋳物要素の固相率ｆが算出される［ステップＳ５］。
前記固相率ｆは、鋳型に注湯された溶湯が凝固する際に放出される潜熱の値に基づいて算出することができる。
なお、上記ステップ４の解析を行う代わりに、例えば、実験値などの数値解析以外の手法で得られた各要素の熱収支のデータを予め記憶装置１３に格納し、ステップＳ５では、このデータに基づいて固相率算出手段２４にて鋳物要素の固相率ｆを算出することもできる。
【００２７】
そして、前記凝固終了判定手段２５では、算出された鋳物要素の固相率ｆの値が、１未満であるか否かが判定がされる［ステップＳ６］。
【００２８】
ステップＳ６において、鋳物要素の固相率ｆの値が１未満であると判定されたとき、すなわち、鋳塊が固液共存状態である場合には、続いて、未凝固部位特定手段２６にて、鋳塊の未凝固部位の位置が特定される［ステップＳ７］。
【００２９】
そして、前記凝固時割れ判定手段２７では、特定された鋳塊の未凝固部位の位置が鋳壁境界面であるか否かが判断され［ステップＳ８］、鋳塊の未凝固部位の位置に基づいて鋳造割れの発生の有無が判定される［ステップＳ９］。凝固時割れ判定手段２７による判定結果は、解析結果出力手段３１にて出力される［ステップＳ１０］。
なお、前記鋳壁とは鋳型において溶湯が注入される空隙部を形成する壁であり、前記鋳壁境界面とは、溶湯又は鋳塊の鋳壁との境界面とする。
【００３０】
前記ステップＳ９において、前記凝固時割れ判定手段２７では、例えば図３に示すように、未凝固部位が鋳壁境界面に存在する場合は、鋳造割れの発生が予測されると判定され、未凝固部位が鋳壁境界面に存在しない場合は、鋳造割れの発生が予測されないと判定される。
【００３１】
上記ステップＳ４〜ステップＳ１０の演算処理は、流動過程開始又は指定時間から、凝固過程終了（固相率ｆの値が１となるとき）又は指定時間まで繰り返し行われる。すなわち、数値解析による鋳造割れの発生の予測が、流動・凝固過程において、所定の時間間隔ごとに行われる。
【００３２】
なお、実際の注湯から凝固終了までの過程において、高温の溶湯の流動に伴って熱対流、熱伝導、輻射による冷却があり、溶湯が鋳型に充満する前またはその後から、凝固が始まるため、流動・凝固過程において、流動解析、伝熱解析、凝固解析を行い、鋳造割れの発生を予測することが望ましい。但し、凝固過程において凝固解析を行い鋳造割れの発生を予測するように構成することもできる。
【００３３】
一方、前記ステップＳ６において、固相率ｆの値が１であると判定されたとき、すなわち、全ての溶湯が凝固して鋳塊が固相のみで成る場合、凝固後冷却過程シミュレート手段２８にて凝固後冷却過程のシミュレーションが行われる［ステップＳ１１］。
前記凝固後冷却過程のシミュレーションを通じて、応力算出手段２９にて、凝固終了後の熱収縮に起因して各鋳物要素に発生する応力解析が行われる［ステップＳ１２］。
【００３４】
前記ステップＳ１１では、前記解析データ作成手段２１にて定義された離散化モデルと、前記鋳造条件と、前記熱収支算出手段２３にて算出された熱収支とを用いて、鋳造における凝固過程終了後から所定時間までのシミュレーションが行われる。そして、前記ステップＳ１２では、このシミュレーションを通じて、溶湯が凝固した後の応力解析が行われ、各鋳物要素について、温度Ｔと、該要素に熱収縮によって生じる応力σとが算出される。
【００３５】
そして、冷却時割れ判定手段３０にて、各鋳物要素について、算出した応力σと、予め入力された破断強度σｌとが比較演算され［ステップＳ１３］、これらの大小関係に基づいて鋳造割れの発生の有無が判定される［ステップＳ１４］。冷却時割れ判定手段３０による判定結果は、解析結果出力手段３１にて解析結果として出力される（ステップＳ１５）。
【００３６】
図４では、前記破断強度σｌと温度Ｔとの関係を示している。前記破断強度σｌは、温度Ｔの関数で表されるものであり、破断強度σｌと温度Ｔとの関係を示す鋳造割れ判定線Ｌは、鋳造割れ発生領域と、鋳造割れ不発生領域とを分けるものである。なお、破断強度σｌと温度Ｔとの関係は、実験的に又は理論値に基づいて定めることができる。
【００３７】
なお、前記ステップＳ１４において、冷却時割れ判定手段３０では、温度Ｔに対応する破断強度σｌ以上の応力σが該要素に発生していれば、該要素を含む鋳塊に鋳造割れの発生が予測されると判定され、破断強度σｌ以上の応力σが該鋳塊に発生していなければ、該鋳塊に鋳造割れの発生が予測されないと判定される。
【００３８】
上記ステップ１０〜ステップ１５の演算処理は、凝固過程終了後から指定時間（ｔ＝ｔｅｎｄ）まで繰り返し行われる［ステップＳ１６］。すなわち、数値解析による鋳造割れの発生の予測が、凝固後冷却過程において、所定の時間間隔ごとに行われる。
但し、上記ステップ１０〜ステップ１５の演算処理を、全ての要素が指定温度以下（温度Ｔ≦Ｔｅｎｄ）となるまで繰り返し行うようにすることもできる。
【００３９】
なお、解析結果出力手段３１では、凝固時割れ判定手段２７又は冷却時割れ判定手段３０による鋳造割れ予測結果が、画像処理されて、前記出力手段１５にて表示出力される。
この際に、例えば、鋳物要素をグラフィック表示したうえで、鋳造割れの発生が予測される場合は、その旨と、鋳造割れの発生が予測される箇所を強調すべく他の部分と異なる色で表示することができる。また、鋳造割れの発生が予測されない場合は、その旨と、最大の応力の値とを表示することができる。
【００４０】
上述の鋳造割れ予測方法では、鋳造において、溶湯の流動・凝固過程と鋳塊の凝固後冷却過程のシミュレーションを行い、このシミュレーションを通じて鋳造割れを予測している。これに際し、流動・凝固過程においては、固相率及び未凝固部位の位置に基づいて鋳造割れの発生を予測し、凝固後冷却過程においては、熱収縮に起因する主応力と所定の破断強度とを比較することによって鋳造割れの発生を予測している。従って、鋳塊が凝固・冷却される状態に応じて適切な演算処理のみを行い鋳造割れを予測しているので、効率的に演算処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例に係る鋳造割れ予測システムの構成を示すブロック図。
【図２】鋳造割れ予測方法の流れ図。
【図３】前記破断強度と温度との関係を示す図。
【図４】未凝固部位を有する鋳塊の例を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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