JP4096844B2

JP4096844B2 - 溶融物の固化過程検出方法および射出成形方法

Info

Publication number: JP4096844B2
Application number: JP2003310231A
Authority: JP
Inventors: 友和奥野; 祥平沼田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP2005074499A

Description

本発明は、溶融物の固化過程検出方法に関する。詳しくは射出成形における溶融物の固化完了を超音波を用いて検知する固化過程検出方法に関する。

また、検出信号によって射出成形設備の型開き動作を制御する射出成形方法に関する。

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。

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。

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。
特開平１０−１９７０５２号公報特開昭５５−１５８５０６号公報

本発明は、ダイカスト鋳造などの射出成形において、金型内に充填された溶融金属など溶融物の固化過程を定量的に検知し、溶融物の固化完了を的確に検出する方法を提供することを課題とする。

また、ダイカスト鋳造などの射出成形において金型の型開き動作を固化完了と同時に実施することのできる射出成形方法を提供することを課題とする。

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物の固化状態を超音波を用いて検知する溶融物の固化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物に超音波を入射し、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、所定の時間間隔で該到達時間の変化量Δｔを求め、Δｔ＝０で溶融物の固化完了を検知することを特徴とする。

本発明はこのような特徴を有することにより、溶融物の種類やキャビティの形状に関係なく溶融物の固化完了を正確に検知することができる。本発明において、溶融物は溶融金属あるいは溶融樹脂であることが望ましい。

また、本発明の溶融物の固化過程検出方法では、第２金型の外側部に超音波送受信子をさらに装着して超音波の透過波を用いることができる。

本発明の射出成形方法は、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物を充填して成形する溶融物の射出成形方法において、第１金型の外側部に超音波送受信子を装着して溶融物に超音波を入射し、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、所定の時間間隔で該到達時間の変化量Δｔを求め、Δｔ＝０の時点で金型を型開きすることを特徴とする。

本発明の射出成形方法によれば、溶融物の固化完了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検知できるので、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。

本発明の実施の形態を、溶融物が溶融金属であるダイカスト鋳造を例として、図を参照しながら説明する。図１は溶融金属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。

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。

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。

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。

従って、本実施形態においては、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完了を検出しようとする方法である。

以下に、上記の解析方法について具体的に説明する。

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。

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。

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ｔ_bから第２金型エコーの発生時刻ｔ_eまでの経過時間であり、ｔ＝ｔ_e−ｔ_bとすることができる。

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Ｇ_bとゲートＧ_e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。

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。

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。

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、凝固完了時刻を検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。

以上のように本発明の溶融物の固化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、その凝固完了時刻を的確に検知することができるので、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る。従って、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。

なお、本発明の固化過程の検出方法は、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。

本発明によれば、固化完了時刻を的確に把握することができるので、型開きのタイミングを制御することにより、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。本発明の固化過程の検出方法は、ダイカスト鋳造や溶融樹脂の射出成形などの工程に好適に用いることができる。

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。超音波エコーの音波データの模式図である。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

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Ｇ_b、Ｇ_e：ゲート

Claims

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物の固化状態を超音波を用いて検知する溶融物の固化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物に超音波を入射し、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、所定の時間間隔で該到達時間の変化量Δｔを求め、Δｔ＝０で前記溶融物の固化完了を検知することを特徴とする溶融物の固化過程検出方法。
前記溶融物は溶融金属あるいは溶融樹脂である請求項１に記載の溶融物の固化過程検出方法。
さらに前記第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又は２に記載の溶融物の固化過程検出方法。
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物を充填して成形する溶融物の射出成形方法において、
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物に超音波を入射し、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、所定の時間間隔で該到達時間の変化量Δｔを求め、Δｔ＝０の時点で前記金型を型開きすることを特徴とする射出成形方法。