(57)【要約】【課題】本発明は、ダイカスト鋳造工程において簡単な構成でより精度の高いキャビティ湿度計測方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明のキャビティ湿度計測方法は、金型内に構成したキャビティと、キャビティ内の気体を排出する真空発生手段とを備えるダイカスト装置において、キャビティ（１８）と真空発生手段（２７・２８）とを連通する排気流路（３１）の所定の計測領域（２４）に、この計測領域を通過する気体の湿度を測定する湿度測定手段（２１）と、気体の温度を測定する温度測定手段（２２）と、気体の圧力を測定する圧力測定手段（２３）とを介装し、前記ダイカスト装置の鋳造サイクル毎の各測定値の変化を計測して各測定値の計測波形を得る計測工程と、この計測波形に基づいて鋳造サイクル中に計測領域を通過した気体中の水分子の比率を算出する演算工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティを形成する金型と、前記キャビティ内の気体を排出する真空発生手段と、前記キャビティと前記真空発生手段とを連通する排気流路と、を備えるダイカスト装置のキャビティ湿度計測方法であって、
前記キャビティ内を真空吸引する真空吸引工程と、
前記排気流路に設けられる計測領域内において、少なくとも前記真空吸引工程を含む測定期間内における湿度及び温度並びに圧力の時間変化をそれぞれ計測して各測定値の時間変化波形を得る計測工程と、
前記時間変化波形に基づき、鋳造サイクル中に前記計測領域を通過した前記気体中の水分子の比率を算出する演算工程と、を有することを特徴とするキャビティ湿度計測方法。
【請求項２】
前記測定期間は、前記排気流路において前記計測領域の上流に設けた開閉弁の開弁時を測定開始点とし、該開閉弁の閉弁時を測定終了点とする請求項１に記載のキャビティ湿度計測方法。
【請求項３】
前記演算工程は、湿度の前記時間変化波形と温度の前記時間変化波形とから基準温度における換算湿度波形を得る第１ステップと、
該換算湿度波形を前記測定期間で積分して水分子数の相対値（Ｓｈ）とする第２ステップと、
圧力の前記時間変化波形を前記測定期間で積分して前記計測領域を通過した前記気体の分子数の相対値（Ｓｇ）とする第３ステップと、
前記鋳造サイクル中に前記計測領域を通過した前記気体中の水分子の比率（Ｈ）を、Ｈ＝Ｓｈ／Ｓｇにより算出する第４ステップと、を有する請求項１又は２に記載のキャビティ湿度計測方法。
【請求項４】
キャビティを形成する金型と、
前記キャビティ内の気体を排出する真空発生手段と、
前記キャビティと前記真空発生手段とを連通する排気流路と、
前記排気流路に設けられる計測領域と、
鋳造サイクル中における前記計測領域内の湿度の時間変化を測定する湿度測定手段と、
鋳造サイクル中における前記計測領域内の温度の時間変化を測定する温度測定手段と、
鋳造サイクル中における前記計測領域内の圧力の時間変化を測定する圧力測定手段と、
前記湿度測定手段と、前記温度測定手段と、前記圧力測定手段とにより得られる各測定値の時間変化波形に基づき、鋳造サイクル中に前記計測領域を通過した前記気体中の水分子の比率を算出する演算手段と、を有することを特徴とするダイカスト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビティ湿度計測方法とダイカスト装置とに関する。より詳しくは、真空ダイカスト鋳造工程において品質管理の目的で鋳造部材成型時のキャビティ内湿度を計測するキャビティ湿度計測方法と、この湿度計測方法を実現できるダイカスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複雑な形状の鋳造物を薄肉かつ高精度に鋳造する方法として、溶湯をキャビティへ射出する直前にキャビティ内の大気を真空ポンプなどの真空発生手段で吸引して、円滑な湯流れにより緻密なワークを形成する真空ダイカストが従来から知られている。
【０００３】
真空ダイカストにおいては、ワークの取り出しを容易にするためにキャビティ内部へ予め離型剤を噴霧・塗布してから型を締め、真空手段による真空引きの後に溶湯の射出を行っている。この離型剤は、水を主成分として構成されており、噴霧・塗布によってキャビティ内部だけでなく、型の分割面や型に設けられたイジェクタピンのクリアランスなどにも浸透してしまう。このため、真空発生手段による真空引きの際に型の分割面などに浸透した離型剤がキャビティ内部へ吸い出され、この吸い出された離型剤と射出された溶湯が接触すると大量の水蒸気が発生してブローホール（空孔）などの内部欠陥を形成する場合があった。このため、離型剤からの水蒸気による内部欠陥の発生を予知するために、キャビティ内の湿度を測定する様々な技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、キャビティ内の気体を真空ポンプにより型外に排出する場合に、キャビティと真空ポンプとを連通する配管上に湿度センサと、その湿度センサの金型側と真空ポンプ側にそれぞれ開閉弁を設け、真空吸引時にその開閉弁を適切に制御してキャビティ内から排出された気体を捕集した後、その捕集した気体の湿度を計測することを特徴とするキャビティ湿度計測方法が開示されている。そして、捕集した気体を所定の時間保持した後に湿度の計測を行うことで、鋳造工程を阻害することなく湿度センサの反応時間が経過するまで気体と接触することができるので、正確にキャビティ内の湿度計測を行うことができるとしている。
【０００５】
しかし、この従来技術によれば、捕集した気体については正確な湿度を測定することが可能ではあるが、気体を捕集するために真空吸引管部分に開閉弁とバイパスとを設置する必要があり、設備的に複雑になってしまうという問題点がある。また、計測する湿度は相対湿度であるから配管部分の温度が変化すれば湿度の値も変化してしまう。従って、計測した相対湿度によって鋳造部材の良否を判定する場合には、配管内温度を考慮しなければならないという課題がある。
【０００６】
また、特許文献２には、金型内に湿度センサを設置して、金型内の気体を排出する排出バルブ経路と湿度センサに連通する湿度センサ経路とを並列に設けたことを特徴とする湿度計測方法が開示されている。そして、湿度センサ経路は、専用冷却板を設けて溶湯の侵入を防止するようになっており、これにより気体の流れが安定するので反応の遅い一般的な湿度センサでも計測が可能であり、また、溶湯射出前後の湿度を容易に測定可能であるとしている。
【０００７】
この従来技術によれば、金型内部の湿度を常時計測できる利点はあるが、湿度センサを金型内に設置しているため、湿度を管理する対象の金型毎に湿度センサを配置するか、あるいは金型交換毎に湿度センサも脱着する必要があり、金型が複雑になるとともに設備費用の増大を招くおそれがある。また、溶湯が金型内に充填されている最中のキャビティ内湿度が鋳造部材の内部欠陥発生に大きく影響するので、真空吸引終了後の湿度を溶湯充填後直ちに測定しても鋳造部材の内部品質を管理する上で有益であるとは言えない。
【特許文献１】特開平７−６８３６５号公報
【特許文献２】特開２００５−１１１４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、従来技術に比べて簡素な構成でより精度の高いキャビティ湿度計測方法を提供することである。また、その第２の目的は、このように精度の高いキャビティ湿度計測方法を実現できるダイカスト装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記のように従来技術では一定時間保持後の湿度センサによる計測値や、ある測定範囲での湿度の最大値などをキャビティ内湿度としているが、本発明者は、吸引中のキャビティ内気体の湿度のみならず温度や圧力の変化をも連続して測定して、それらの変化波形を利用して鋳造時のキャビティ内の湿度を推定することに着目した。そして、測定領域を通過した気体中の水分子の比率を推定することで、測定領域（例えば、配管内）の温度や真空吸引条件などの影響を排除できることを見出した。
【００１０】
本発明において測定領域の温度や真空吸引条件の影響を排除するようにしたのは、以下の理由による。一般的に湿度は相対湿度を表し、この湿度は温度や圧力によって大きく変化するため、例えば、測定領域が２９３Ｋの時に湿度４０％であれば、同じ水蒸気分圧では３０３Ｋでは湿度は約２０％前後となる（図２の温度と飽和水蒸気圧との関係参照）。
【００１１】
また、吸引するキャビティの体積、即ち、排気流路の測定領域を通過した気体の体積が１０００ｃｃの場合と４０００ｃｃの場合を例にとると、その気体が同一時間内に測定領域を通過し、かつ気体中の水分子の含有率が同一比率である場合には、４０００ｃｃの場合の方が湿度センサの検出部に多くの水分子が衝突することになり、結果として湿度計測値が高くなる。つまり、キャビティ湿度の測定値のみでは、鋳造部材の大きさや形状、鋳造条件の相違などにより、何種類もの判定基準を設定しなければならない。
【００１２】
そこで、本発明では湿度の絶対値ではなく、温度と圧力とを組み合わせた相対値を判定基準とすることとした。
【００１３】
具体的には、キャビティ内部から排出された気体中の水分子の比率を精度よく推定するために、まず湿度と温度の波形データと飽和水蒸気圧曲線とから、各時刻における水蒸気分圧を算出して、この水蒸気分圧を鋳造１サイクル中の時間で積分することで、測定領域を通過した水分子数の程度を推定する。また、測定領域の圧力変化波形を鋳造１サイクル間で時間積分することで、測定領域を通過した気体の体積を算出する。そして、この二つの値の比を取り、キャビティ内部から排出された気体中に含まれる単位体積当たりの水分子数を推定する。なお、上記のようにして得られる水蒸気分圧や気体の体積および単位体積当たりの水分子数の値は必ずしも物理的には正確とは言えないが、鋳造サイクル毎、あるいは判定値などと相対的に比較できる値であればよい。
【００１４】
以上のように湿度センサなどの計測データを演算処理することで、周囲の条件などに影響を受け難い湿度推測が可能となり、キャビティ内部から排出された気体中の水分子の比率をより精度よく推定できる。
【００１５】
すなわち、本発明のキャビティ湿度計測方法は、キャビティを形成する金型と、このキャビティ内の気体を排出する真空発生手段と、キャビティと真空発生手段とを連通する排気流路とを備えるダイカスト装置のキャビティ湿度計測方法であって、キャビティ内を真空吸引する真空吸引工程と、排気流路に設けられる計測領域内において、少なくとも真空吸引工程を含む測定期間内における湿度及び温度並びに圧力の時間変化をそれぞれ計測して各測定値の時間変化波形を得る計測工程と、これらの時間変化波形に基づき、鋳造サイクル中に計測領域を通過した気体中の水分子の比率を算出する演算工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
上記の計測工程における測定期間は、排気流路において計測領域の上流に設けた開閉弁の開弁時を測定開始点とし、この開閉弁の閉弁時を測定終了点とすることが望ましい。
また、上記の演算工程は、湿度の時間変化波形と温度の時間変化波形とから基準温度における換算湿度波形を得る第１ステップと、この換算湿度波形を測定期間で積分して水分子数の相対値（Ｓｈ）とする第２ステップと、圧力の時間変化波形を測定期間で積分して計測領域を通過した気体の分子数の相対値（Ｓｇ）とする第３ステップと、鋳造サイクル中に計測領域を通過した気体中の水分子の比率（Ｈ）を、Ｈ＝Ｓｈ／Ｓｇにより算出する第４ステップと、を有することができる。
【００１７】
本発明のダイカスト装置は、キャビティを形成する金型と、このキャビティ内の気体を排出する真空発生手段と、キャビティと真空発生手段とを連通する排気流路と、この排気流路に設けられる計測領域と、鋳造サイクル中における計測領域内の湿度の時間変化を測定する湿度測定手段と、鋳造サイクル中における計測領域内の温度の時間変化を測定する温度測定手段と、鋳造サイクル中における計測領域内の圧力の時間変化を測定する圧力測定手段と、湿度測定手段と、温度測定手段と、圧力測定手段とにより得られる各測定値の時間変化波形に基づき、鋳造サイクル中に計測領域を通過した気体中の水分子の比率を算出する演算手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のダイカスト装置は、キャビティと真空ポンプとを連通する排気流路に測定領域を設けて、この測定領域に湿度測定手段、温度測定手段及び負圧を計測可能な圧力測定手段を設置している。従って、気体の湿度、温度、及び圧力の時間変化波形を同一時間軸で得ることができる。
【００１９】
また、得られた各測定値の時間変化波形から、演算手段により測定領域を通過した気体分子の総数と水分子の数の多少を絶対値ではなく、相対的な値として容易に推定することができる。そして、この２つの推定値を用いて、測定領域を通過した気体中の水分子の比率（Ｈ）を推定する。
【００２０】
従って、本発明のキャビティ湿度計測方法およびダイカスト装置によれば、測定領域周辺の温度や真空吸引条件などの影響を排除することが可能であり、形状や大きさの異なる鋳造部材の品質管理においても同一の判定値（Ｈ）を用いて判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の好適な実施の形態について図１〜４を参照しながら説明する。
【００２２】
本実施形態のダイカスト装置１は、固定盤１１に固定された固定型１３（金型）と可動盤１２に固定された可動型１４（金型）とによって空間であるキャビティ１８を画成している。キャビティ１８の下端側は射出スリーブ１６に連通しており、スリーブ１６の内周には溶湯を射出するプランジャー１７が摺動自在に配置されている。なお、２９は型開き後に凝固した鋳造部材を外部へ押し出す押出機構である。
【００２３】
キャビティ１８の上端側には油圧シリンダなどによって開閉駆動される排気バルブ（真空バルブともいう）２０が設置されており、この排気バルブ２０にはキャビティ１８内の気体を排気する排気回路３０が接続されている。また、キャビティ１８の上端部には、溶湯の先端を検知する溶湯検知センサ１９が埋設されている。
【００２４】
排気回路３０はキャビティ１８と真空タンク２７とを連通する排気流路３１とを有し、排気流路３１には開閉弁２６が配設され、開閉弁２６の下流には、湿度測定手段２１、温度測定手段２２および圧力測定手段２３を近接して介挿する測定領域２４が設けられている。各測定手段２１，２２，２３は測定領域２４を流通する空気またはガス（以下、気体という）の湿度、温度、圧力を測定して測定結果をコントローラ２５（演算手段）へ出力する。コントローラ２５には、後述する計測工程及び演算工程を実行するプログラムが格納されている。真空タンク２７はポンプ２８に連通しており、真空タンク２７の内部は常時所定の圧力に減圧されている。ここで、真空タンク２７とポンプ２８とが真空発生手段である。
【００２５】
なお、本発明において、湿度測定手段は特に制約はなく、一般的に用いられる周知の湿度センサを用いることができ、温度測定手段も熱電対など周知の温度センサを使用することができる。また、圧力測定手段としては、一般的に用いられる負圧を計測可能な周知の圧力センサを使用することができる。
【００２６】
以上のように構成されたダイカスト装置１の鋳造１サイクル（型締からダイカスト部材取出まで）の動作を説明する。なお、括弧内は図３における時刻である。
【００２７】
まず、図示しないダイプレートを駆動して予め離型剤が塗布された固定型１３と可動型１４とを型締めし（ｔａ）キャビティ１８を形成する。キャビティ１８形成と同時に排気バルブ２０を開弁する。
【００２８】
次に、スリーブ１６内に所定の溶湯を注湯してプランジャー１７でキャビティ１８内に溶湯を低速で押し出す（ｔｂ）。プランジャー１７が前進して所定のストロークまで達したところで開閉弁２６を開弁する。これにより真空吸引工程が開始される（矢印ｔ０）。
【００２９】
真空吸引開始（ｔ０）と同時にプランジャー１７の前進速度を増速して溶湯を高速射出する。溶湯の先端が溶湯検知センサ１９に到達したら排気バルブ２０を閉弁して（ｔｃ）キャビティ１８と真空吸引回路（排気回路）３０とを遮断し、各種センサを配置した測定領域２４を真空タンク２７及びポンプ２８によって減圧する。これにより真空吸引工程が終了する。
【００３０】
キャビティ内へ充填された溶湯が凝固したら（ｔｃ〜ｔｄ）、固定型１３と可動型１４とを開放し（ｔｅ）押出機構２９により鋳造凝固したダイカスト部材を押し出し、同時に開閉弁２６を閉弁する（矢印ｔ１）。
【００３１】
ここで、時刻ｔ０で開閉弁２６を開弁して真空吸引を開始してから、時刻ｔ１で開閉弁２６を閉弁するまでが測定期間である。そして、この測定期間において、湿度、温度、圧力の時間変化波形を測定する計測工程が行われる。
【００３２】
このような鋳造１サイクル動作中の湿度測定手段２１、温度測定手段２２および圧力測定手段２３による各計測波形の一例を図３に示す。図３は、各計測波形を射出速度の変化とともに同一時間軸に並記したものである。図３から吸引開始と同時に測定領域内の圧力が上昇しており、測定領域内をキャビティ内の気体が通過していることが分かる。そして湿度測定手段２１による湿度測定値は圧力測定値よりもより数秒遅れて上昇しているが、これは、湿度センサ自体の応答性の問題である。また、測定領域内の温度は、この鋳造１サイクル間ではほとんど変化はなく一定であった。  
【００３３】
次に、上記のようにして得られた各測定値の時間波形から排気バルブ２０を経由して排出されたキャビティ１８内の気体中に含まれる水分子数（相対値）を演算で求める。
【００３４】
この演算工程は、得られた湿度計測波形を基準温度における湿度波形に換算する第１ステップと、この換算湿度波形を積分して水分子数の相対値（Ｓｈ）を算出する第２ステップと、得られた圧力変化波形を積分して通過した気体の分子数の相対値（Ｓｇ）を算出する第３ステップと、Ｈ＝Ｓｈ／Ｓｇで定義される鋳造サイクル中に計測領域を通過した気体中の水分子の比率（Ｈ）を算出する第４ステップとからなる。
【００３５】
ここで、時刻ｔ（ｓｅｃ）における相対湿度計測値（％）をＦＨ（ｔ）、流路内温度計測値（Ｋ）をＦＴ（ｔ）、流路内圧力計測値（ｈＰａ）をＦＰ（ｔ）、換算湿度計算値（％）をＦ´Ｈ（ｔ）、温度Ｔ（Ｋ）における飽和水蒸気圧（ｈＰａ）をＰ（ｔ）、換算湿度を計算する基準温度（Ｋ）をＴｓとする。
【００３６】
ステップ１では、まず時刻ｔにおける水蒸気分圧Ｐｔ（ｈＰａ）を次の（１）式を用いて算出する。
【００３７】
【数１】
2007222896.tif 000003
【００３８】
次に、ボイル−シャルルの法則により（２）式のように基準温度Ｔｓにおける見かけの水蒸気分圧Ｐｔ‘を算出する。
【００３９】
【数２】
2007222896.tif 000004
【００４０】
上記の結果から（３）式を用いて換算湿度Ｆ´Ｈ（ｔ）を算出する。
【００４１】
【数３】
2007222896.tif 000005
【００４２】
図３に示す領域内温度のように安定鋳造時の場合には１サイクル中の温度変化は極めて少ないので、換算湿度Ｆ´Ｈ（ｔ）は図３の湿度波形とほぼ同様の波形になる。しかし、領域内温度は鋳造開始時や不安定鋳造時などには１サイクルの間でも大きく変化するので、換算湿度は計測された湿度波形とは異なる波形となる。その一例を概念的に図４（ａ）に示す。図４（ａ）では太線Ａが相対湿度計測値（％）：ＦＨ（ｔ）であり、細線Ｂが換算湿度計算値：Ｆ´Ｈ（ｔ）である。
【００４３】
ステップ２では、この換算湿度波形Ｆ´Ｈ（ｔ）を（４）式のように開閉弁２６の開弁時刻ｔ０から開閉弁２６の閉弁時刻ｔ１まで積分して換算湿度波形の面積（図４（ｂ）の斜線部）、すなわち、水分子数の相対値（Ｓｈ）を算出する。このようにして排気バルブ２０を経由して排出されたキャビティ１８内の気体中に含まれる水分子数の大小を推定することができる。
【００４４】
【数４】
2007222896.tif 000006
【００４５】
続いてステップ３では、圧力変化波形ＦＰ（ｔ）を（５）式のように開閉弁２６の開弁時刻ｔ０から開閉弁２６の閉弁時刻ｔ１まで積分して、圧力変化波形の面積、すなわち、通過した気体の分子数の相対値（Ｓｇ）を算出する。
【００４６】
【数５】
2007222896.tif 000007
【００４７】
ステップ４では、（６）式で定義される鋳造サイクル中に排気流路中の測定領域を通過した気体中の水分子の比率Ｈを算出する。
【００４８】
【数６】
2007222896.tif 000008
【００４９】
以上のような計測工程と演算工程とを有する本発明のダイカスト鋳造工程に、鋳造されたダイカスト部材の良否を自動判定する判定選別工程を組み合わせ、鋳造１サイクル毎に得られたＨの値を予め設定されている判定値と比較することで、鋳造部材の内部品質管理が可能となる。本発明によれば、別途特別な検査工程を経ることなく高精度にかつ迅速に良否判定を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の湿度測定方法は、真空ダイカスト部品の内部品質管理に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施の形態の湿度測定機構を有する真空ダイカスト装置を説明する断面模式図である。
【図２】飽和水蒸気圧の温度変化を示すグラフである。
【図３】１鋳造サイクル中における湿度、温度、圧力の変化波形の一例を示す図である。
【図４】換算湿度計算値：Ｆ´Ｈ（ｔ）を説明するグラフの一例であり、（ａ）は相対湿度計測値（％）：ＦＨ（ｔ）との関係を示し、（ｂ）は算出すべき面積Ｓｈを示す。
【符号の説明】
【００５２】
１３：固定型（金型）  １４：可動型（金型）  １６：射出スリーブ  １７：プランジャー  １８：キャビティ  １９：溶湯検知センサ  ２０：排気バルブ（真空バルブ）  ２１：湿度測定手段  ２２：温度測定手段  ２３：圧力測定手段  ２４：測定領域  ２５：コントローラ（演算手段）  ２６：開閉弁  ２７：真空タンク  ２８：真空ポンプ  ３０：排気回路  ３１：排気流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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