JPS61193766A - 鋳物の製造法 - Google Patents

鋳物の製造法

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JPS61193766A
JPS61193766A JP3303085A JP3303085A JPS61193766A JP S61193766 A JPS61193766 A JP S61193766A JP 3303085 A JP3303085 A JP 3303085A JP 3303085 A JP3303085 A JP 3303085A JP S61193766 A JPS61193766 A JP S61193766A
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JP
Japan
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casting
data
boundary
computer
mold
Prior art date
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Pending
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JP3303085A
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English (en)
Inventor
Koichi Anzai
浩一 安斎
Eisuke Niiyama
英輔 新山
Toshio Uchida
敏夫 内田
Tatsushi Aizawa
相沢 達志
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は鋳物の製造法に係シ、特にひけ欠陥のない鋳物
の鋳造方策を、計算機による凝固計算に基づいて定めて
行う鋳物の製造法に関する。
〔発明の背景〕
一般に、健全な鋳物を得るためには、押湯を製品部につ
けて鋳造するのが普通である。この際、押湯の位置や大
きさが適切でないと歩留シが悪くなったシ、引は欠陥が
製品部に残ってしまったシする。鋳造設計者は、このよ
うなことを防ぐために、これらの値を経験や簡単な計算
により定めるが、鋳物の形が複雑であったり、初めての
形状であったフすると適切な値を定めるのは困難である
そこで鋳物の凝固過程を伝熱現象に注目して計算機によ
り鋳物の温度変化に基づきシミュレーションし、試作な
しで鋳物に引は欠陥が発生するがどうかを調べるための
研究が広く行なわれておシ、計算機による予測が実際と
非常に良く一致することが確認されている〔例えば新山
英輔;[綜合鋳物J:(1982−3月)p、io参照
]。
従来の、計算機を用いた鋳物の凝固過程のシミュレーシ
ョン方法には、大中逸雄;「鉄と鋼」56 (1979
) P、77に示されているように種々の方法があるが
、有限要素法や差分法などにより解析するのが一般的で
ある。有限要素法や差分法は、解析する系を有限個の離
散化した要素(メツシュ)に分割し、その要素間の物理
量の移動を評価し計算を進めるものである。そのため、
各要素の形状や要素同士の結びつきなどを入力データと
してニーデが用意せねばならない。
入力データには、大きく分けると、材料の熱的物性値の
他に、メツシュ境界位置、材料分布及び初期温度分布か
らなる領域データ(1)と、鋳型の形状(材料分布の境
界線)および鋳型と鋳物との境界の熱的条件(熱抵抗値
もしくは熱伝達係数)からなる境界データ(If)があ
シ、従来は、これら全てを予めニーデが用意し入力しな
ければならなかった。そのためニーデーの負担が大きく
、鋳物設計に迅速に活用するには不便であった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、計算機を用いて鋳物の引は欠陥の発生
を予測する際の計算機への入力のためにユーザが行なう
べき作業量を減らすことを可能にし、その予測に基づき
健全な鋳物を製造するための方法を提供することにある
〔発明の概要〕
有限要素法や差分法を適用すべく系を離散的要素に分割
して鋳物の凝固過程を計算機でシミュレートする場合、
要素の離散化を直交分割及び直交分割により得られる直
方体の対角線方向の分割に限れば、上記の領域データ(
1)及び境界データ(10のいづれか一方を与えると他
方はこれから容易に定めることができることがわかった
すなわち、ニーデが領域データ(1)もしくは境界デー
タ(n)のいづれか一方を入力すれば、他方のデータは
計算機内部で作成し得ることがわかった。
よって本発明の鋳物の製造法は、 ■ 鋳造条件を予め定める工程、 @ 鋳型及び鋳物部分を直交分割及び直交分割により得
られる長方形の対角線方向分割を含む要素に分割し、メ
ツシュ境界位置、材料分布及び温度分布からなる領域デ
ータ(I)と、潤製の形状、及び鋳型と鋳物の境界の熱
的条件からなる境界データ(n)のbずれか一方を設定
して計算機に入力することにより上記(1)と(IQの
他方のデータを計算機内部で作成させる工程。
θ 上記(ロ)で得た領域データ及び境界データに基づ
いて鋳物の凝固計算を行って、ひけ欠陥の発生の有無を
判定する工程。
O上記(ハ)の計算結果に基づいて鋳造条件の変更を行
b1欠陥の発生がないと判定されるまで再度鋳物の凝固
計算をくり返す工程。
■ その後、決定された鋳造条件に基づいて、鋳造を行
う工程。
からなるものである。第1図は、その、計算データ作成
フローを、第2図は鋳物の製造フローを概要的に示した
ものである。
〔発明の実施例〕
以下第3図に示すような形状を有する鋳物製品を製造す
る場合を例にとシ、本発明の詳細な説明する。健全な鋳
物を得るには、第4図に示すように製品部1に押湯2を
付けて鋳造するのが普通である。第4図に示すような鋳
物の鋳造の凝固過程を有限要素法や差分法の適用により
シミュレートする場合における要素の分割例は第5図に
示す如くである。第5図に示すモデルに対してシミュレ
ート計算を実行するために必要なデータを第1表に示す
従来は、第1表のデータ全てを予めニーデが用意し、計
算機に入力していたが、本発明によれば、ユーザーが材
料の熱的物性値のデータの入力と共に、(1)領域デー
タをユーザが用意して入力すれば境界データを計算機内
部で作成させることができ、又は、(2)境界データを
ニーデーが用意して入力すれば領域データを計算機内部
で作成させることができる。上記(1)の場合には第6
図に示すデータと、また(2)の場合は第7図に示すデ
ータと、材料物性データを合わせたものが入力データと
なる。
次に、第6図のデータ(領域データ)又は第7図のデー
タ(境界データ)より、夫々、境界データ又は領域デー
タを作成する仕方について述べる。
まず、領域データ(第6図)から境界データを作成する
には第6図に示す如き領域データにおいて異種材料番号
の間に鋳物と鋳型の境界が存在することが明らかである
から、要素間の直交関係を利用して、該境界上のどこか
1点を始点として与えてやることにより、自動的に各境
界に一意に番号づけができる。これらの境界番号を用い
、各境界における熱抵抗値をそれぞれの境界番号に対応
して入力してやることにより、解析に必要な第1表のデ
ータの内、材料物性に関するデータ以外は全て準備され
たことになる。
一方、境界データ(第7図)から領域データを作成する
には、与えられた境界データは、反時計方向に番号づけ
をするというルールを前提にする。
すると、与えられた境界上を反時計方向に進む時、かな
らずその進行方向に対し左側がその境界で閉じられる領
域の内部を指していることは明らかである。そこで各要
素間に直交関係があることを利用して次のような手順で
各要素に材料番号(領域番号)を一意的に定めることが
できる。ここでは第5図のような鋳物に対して第7図に
示すような境界の角点番号順に境界上を進む場合を例に
して説明する。
まず、全ての要素に対し仮の要素番号Oを設定する。そ
して、与えられた閉じた境界上を一周し、その際、第8
図(、)〜(j)に逐次水したように、その進行方向の
左側に存在する領域要素の仮の要素番号に1を加え、進
行方向の右側の要素に対しては、その要素の仮の要素番
号に−1を加えるという操作を計算機に行わせる。
この場合、境界が直交要素の対角線上にある時は、第8
図(f)のように進行方向に向かって左斜め前の領域に
存在する要素及び左斜め後に存在する要素に対しそれら
の仮の要素番号に1をたし、進行方向に向かって右斜め
前の領域に存在する要素及び右斜め後に存在する要素に
対しては、それらの仮の要素番号に−1を加えるという
操作を行なう。
また、対角線によって2分される要素に対しては仮の要
素番号をそれぞれに次のようにして定義する。すなわち
、進行方向に向かって左の要素の仮の要素番号は、2分
する前の要素の仮の要素番号に2を加えたものとする。
右の要素の仮の要素番号は、2分する前の要素の仮の要
素番号に−2を加えたものとする。又、この2つの2分
された要素に対する他項界からの影響は同じだけちると
して以後操作する。第8図(i)と第8図(j)を例に
とると、点Oから点■の境界上を移動する時の影響とし
て、その左にある要素に1を加えるが、このこと−を対
角線要素の仮の要素番号である3と−1の両方に操作し
、その結果、仮の要素番号を4゜0とする。
これらのことを閉じた境界上を一周する時に連続的に実
行すると結果的には、第8図(j)のようにその境界で
囲まれた要素の仮の要素番号は全て4となり、それ以外
の仮の要素番号は全てOとなる。
次に、この仮の要素番号を用いて、仮の要素番号が4の
要素に対しては、自分が指定したいと考えている材料番
号を与えるようにする。これらの操作を全ての閉じた境
界に対し行なうことによって、解析に必要な第1表のデ
ータの内、材料物性及び初期温度分布に関するデータ以
外は全て準備されたことになる。
材料物性は、自分が定義した材料番号に対応する数値を
与えるようにする。初期温度分布も、自分が定義した材
料番号に対応する領域の初期温度が何度であるか指定し
てやることによって与える。
同じ材料でも初期温度が違う時は、別な領域として定義
しておき、前記の操作により異なる要素番号を割シ当て
て、材料物性としては同じ値を与え、初期温度分布とし
ては異なる温度を与えるようにする。
以上のデータをもとに、凝固現象を解析する。
ここでは、例として内節点差分法による熱伝導解析にお
いて等価比熱法により凝固潜熱の発生を考慮する方法を
採用する。
内節点差分法は、第9図のように離散化した要素間にお
いて、微少時間の間の熱の収支を考えて離散化した時刻
における各要素間の温度を算出する方法である。直交要
素に対する基礎式は、(1)式で与えられる。
ここに、T(t4) ;要素1の時刻tの温度(℃)Δ
t  ;微少時間増分(S) N  ;隣接要素数 ρi  ;要素量の密度(み会5) C1;要素量の比熱(cal/′CI)ki;要素lで
の熱伝導率(cal、&t::・5)vl;要素10体
積(crII3) Sij;要素lと要素jの接触面積(cIrI2)11
j  ;要素1の節点からSijまでの垂直距離(cr
n) hlj;境界面SBの熱伝達係数(cat/帰2・℃・
S) 等価比熱法では、(1)式の比熱を次式のみかけの比熱
Cmlでおきかえることによって潜熱の発生を考慮する
mi Cml=C1−L]r      ・・・(2)ここに
、ml;要素lの固相率 L;単位質量あたシの潜熱(cal/′g)mlとして
、第10図のような線形分布を仮定すれば、Cmlは、
次式のように簡単に表わせる。
ここに、TLIQは液相線温度、TSQLは固相線温度
である。
(3)式の近似は、かなシアらい近似ではあるが、引は
欠陥の予測には充分である。(1)、(3)式を鋳込み
から凝固完了までの時間にわたって、全ての要素に対し
適用することによって、凝固過程をシミニレ−ジョンす
る。
次に、シミュレーションして得た各領域要素における温
度勾配値を評価することによって、ひけ欠陥の発生の有
無を予測する。ひけ欠陥の発生が予測された時は、例え
ば、押湯を大きくしたシ、冷し金をつけたシして設計変
更を行ない、再度、以上述べた手順により凝固過程をコ
ンピュータシミュレーションし、引は欠陥の発生がない
と判断されるまで、それらをくシ返し行なう。そして、
最終的に得られた鋳造方案により実際に製品を製造する
〔発明の効果〕
本発明によれば、データ入力が容易であり、日常的に、
計算機を用いた鋳物の引は欠陥発生予測技術を利用でき
るため、引は欠陥のない健全な鋳物を試作なしで製造す
るのに効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明における計算用データ作成フローであり
、第2図は同じく鋳物の製造フロー、第3図は鋳物の斜
視図、第4図は第3図の鋳物に押湯を加えた鋳物の斜視
図、第5図は第4図の鋳物の凝固過程をコンピュータシ
ミュレーションするために2次元断面でモデル化し離散
化した状態を示す図、第6図は領域データを示す図、第
7図は境界データを示す図、第8図(a)ないしくj)
は境界データから領域データを得る手順を示した図、第
9図は離散化した要素を示す図、第1O図は温度と固相
率の関係を示した図である。 1・・・鋳物製品部、  2・・・押湯、3・・・鋳物
部、    4・・・鋳型部。 し−ツ μ士算提のダル理)レーナシ 馬6図 1 ;  この位置の分割要承ff匈物τあることを示
す。 3 ; この位置の分割妾拳が′鋳型であることを示す
。 カーF″ f;47−−−■ ↑ 1方向境界角点徨W 工力向屋界角点位置番る ooooooooooo。 ooo  ooooo  ooo  。 ooooooooooo。 も8図(b) QQQ−700000000 第8図(C) 000−[)0000000 o  o  o−too  oo  000 0児8図
(注) 第δ図(e) Q  OQ−f−/−700Q  Q  O0児8図C
f) Q  0 0−1−t−1−I  Q  0 0 0 
0第δ図(φ) 0 0 0 −1 −1−1 −1−70Q  OOo
  0 0 −7 −M  −7−10000第8図区
) 第10図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (イ)鋳造条件を予め定める工程。 (ロ)鋳型及び鋳物部分を直交分割及び直交分割により
    得られる長方形の対角線方向分割を含む要素に分割し、
    メッシュ境界位置、材料分布及び温度分布からなる領域
    データ( I )と、鋳型の形状、及び鋳型と鋳物の境界
    の熱的条件からなる境界データ(II)のいずれか一方を
    設定して計算機に入力することにより上記( I )と(
    II)の残りのデータを計算機内部で作成させる工程。 (ハ)上記(ロ)で得た領域データ及び境界データに基
    づいて鋳物の凝固計算を行って、ひけ欠陥の発生の有無
    を判定する工程。 (ニ)上記(ハ)の計算結果に基づいて鋳造条件の変更
    を行い、欠陥の発生がないと判定されるまで再度鋳物の
    凝固計算をくり返す工程。 (ホ)その後、決定された鋳造条件に基づいて、鋳造を
    行う工程。 からなることを特徴とする鋳物の製造法。
JP3303085A 1985-02-21 1985-02-21 鋳物の製造法 Pending JPS61193766A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5677844A (en) * 1995-03-24 1997-10-14 Hitachi Metals, Ltd. Method for numerically predicting casting defects
JP2004034100A (ja) * 2002-07-04 2004-02-05 Nissan Motor Co Ltd 鋳造解析シミュレーションの条件設定方法およびそのプログラム
JP2008281305A (ja) * 2007-05-14 2008-11-20 Kobe Steel Ltd 蓄熱装置
US8943736B2 (en) 2009-02-12 2015-02-03 Tokyo University Of Marine Science And Technology High-lift otter board

Cited By (5)

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