米国特許情報 | 欧州特許情報 | 国際公開(PCT)情報 | Google の米国特許検索
 
     特許分類
A 農業
B 衣類
C 家具
D 医学
E スポ−ツ;娯楽
F 加工処理操作
G 机上付属具
H 装飾
I 車両
J 包装;運搬
L 化学;冶金
M 繊維;紙;印刷
N 固定構造物
O 機械工学
P 武器
Q 照明
R 測定; 光学
S 写真;映画
T 計算機;電気通信
U 核技術
V 電気素子
W 発電
X 楽器;音響


  ホーム -> 加工処理操作 -> トヨタ自動車株式会社

発明の名称 溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子、トレーサ粒子の製造方法、トレーサ粒子を用いた溶湯金属挙動の解析方法、及び、溶湯金属の挙動解析装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−54873(P2007−54873A)
公開日 平成19年3月8日(2007.3.8)
出願番号 特願2005−245101(P2005−245101)
出願日 平成17年8月26日(2005.8.26)
代理人 【識別番号】100080621
【弁理士】
【氏名又は名称】矢野 寿一郎
発明者 西田 雅文
要約 課題
鋳造時に実際に使用される溶湯金属を用いて、溶湯金属の流れの可視化を可能とする技術を提案するものであり、この技術により、溶湯金属の挙動の把握、溶湯金属の充填方法や、製品形状への影響等の検討を可能とし、鋳造製品の高品質化を図ることを可能とする。

解決手段
金型21と、X線を出力するX線出力装置22と、前記金型21を挟んで前記X線出力装置22の反対側に設置され、前記X線出力装置22から出力されるX線を検出するX線検出装置23と、前記X線検出装置23にて検出されるX線を連続的に撮影するための撮影装置24と、を具備し、前記金型21内に供給される溶湯金属中のトレーサ粒子の挙動を、前記撮影装置24にて撮影する構成とする。
特許請求の範囲
【請求項1】
鋳造用の溶湯金属に混入される、溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子であって、
前記トレーサ粒子は、
溶湯金属の溶解温度よりも高い融点特性を有する、溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子。
【請求項2】
前記トレーサ粒子のX線透過特性は、
前記溶湯金属のX線透過特性と異なる、ことを特徴とする、
請求項1に記載の溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子。
【請求項3】
前記トレーサ粒子は、中空体に構成される、ことを特徴とする、
請求項1又は請求項2に記載の溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子。
【請求項4】
前記トレーサ粒子のカサ比重は、
前記トレーサ粒子が前記溶湯金属中で浮遊する値に設定される、
ことを特徴とする、
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子。
【請求項5】
鋳造用の溶湯金属に混入される、溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子の製造方法であって、
樹脂からなる球状粒子に、前記溶湯金属のX線透過特性と異なるX線透過特性を有する金属をメッキ処理し、メッキ膜で覆われた中間体を形成する第一工程と、
前記中間体を加熱し、前記メッキ膜の内側から前記樹脂を取り除く第二工程とを実施する、
溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子の製造方法。
【請求項6】
溶湯金属にトレーサ粒子を混入し、
X線にて前記溶湯金属と前記トレーサ粒子とを識別可能に表現する、
トレーサ粒子を用いた溶湯金属挙動の解析方法。
【請求項7】
金型と、
X線を出力するX線出力装置と、
前記金型を挟んで前記X線出力装置の反対側に設置され、前記X線出力装置から出力されるX線を検出するX線検出装置と、
前記X線検出装置にて検出されるX線を連続的に撮影するための撮影装置と、を具備し、
前記金型内に供給される溶湯金属中のトレーサ粒子の挙動を、前記撮影装置にて撮影する構成とする、溶湯金属の挙動解析装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、PIV(Particle Imaging Velocimetry;粒子画像流速測定法)の技術に関するものであり、より詳しくは、鋳造における溶湯金属にトレーサ粒子を混入し、X線解析装置を用いて、溶湯金属の挙動可視化を図る技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、流動解析(挙動解析)の対象となる液体にトレーサ粒子を混入し、前記トレーサ粒子の挙動を画像解析によって評価する、粒子画像流速測定法は周知となっており、これに関連する技術を開示する文献も多く存在する(例えば、特許文献1・2参照。)。
特許文献1においては、フラッシュランプやパルスレーザーなどの光源を用いて流体流の可視化を行うためのトレーサ粒子について開示がされている。
また、特許文献2においては、鋳造用の湯流れ状態の可視化試験について開示がされており、この可視化試験においては、透明なプラスチックの金型を用い、トレーサ粒子を混入した試験液の流れの解析を行うこととしている。
【特許文献1】特開平5−126838号公報
【特許文献2】特開昭62−36536号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明は、鋳造時に実際に使用される溶湯金属を用いて、溶湯金属の流れの可視化を可能とすることを課題とするものである。
【0004】
従来、アルミ等の高温の溶湯金属へ混入させ、溶湯金属中で浮遊させることを想定したトレーサ粒子は存在せず、前述の特許文献1・2を含め、これについて開示する文献も存在しない。
また、仮に、溶湯金属中で浮遊し得るトレーサ粒子が存在したとしても、溶湯金属とトレーサ粒子とを識別する必要があり、この点について、開示する文献も存在しない。
【0005】
また、金型に観察窓を設け、金型外部より溶湯金属の挙動を観察することも可能ではあるが、この観察窓を透明な樹脂等で構成する必要があり、また、この観察窓の熱伝導率は、金型の金属の熱伝導率と完全に一致させることはできないため、金型の全てを金属製とした場合と比較して、溶湯金属の挙動に差が生じることがある。このことは、前記特許文献2でも同様であり、従来技術では、金属製の金型内で溶湯金属が流れる状況の可視化が不可能であった。
【0006】
また、特許文献2のように、水等の液体を用いた溶湯金属の流れ(溶湯金属の挙動)の検討では、この液体は凝固を伴わないことから、凝固を伴う溶湯金属の流れ(溶湯金属の挙動)を検討することはできないものとなる。
【0007】
以上のように、本発明は、鋳造時に実際に使用される溶湯金属を用いて、溶湯金属の流れの可視化を可能とする技術を提案するものであり、この技術により、溶湯金属の挙動の把握、溶湯金属の充填方法や、製品形状への影響等の検討を可能とし、鋳造製品の高品質化を図ることを可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の解決しようとする課題は以上のごとくであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【0009】
即ち、請求項1に記載のごとく、
鋳造用の溶湯金属に混入される、溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子であって、
前記トレーサ粒子は、
溶湯金属の溶解温度よりも高い融点特性を有する、ものとする。
【0010】
また、請求項2に記載のごとく、
前記トレーサ粒子のX線透過特性は、
前記溶湯金属のX線透過特性と異なる、ものとする。
【0011】
また、請求項3に記載のごとく、
前記トレーサ粒子は、中空体に構成される、ものとする。
【0012】
また、請求項4に記載のごとく、
前記トレーサ粒子のカサ比重は、
前記トレーサ粒子が前記溶湯金属中で浮遊する値に設定される、ものとする。
【0013】
また、請求項5に記載のごとく、
鋳造用の溶湯金属に混入される、溶湯金属の挙動可視化用のトレーサ粒子の製造方法であって、
樹脂からなる球状粒子に、前記溶湯金属のX線透過特性と異なるX線透過特性を有する金属をメッキ処理し、メッキ膜で覆われた中間体を形成する第一工程と、
前記中間体を加熱し、前記メッキ膜の内側から前記樹脂を取り除く第二工程とを実施する、ものとする。
【0014】
また、請求項6に記載のごとく、
溶湯金属にトレーサ粒子を混入し、
X線にて前記溶湯金属と前記トレーサ粒子とを識別可能に表現する、トレーサ粒子を用いた溶湯金属挙動の解析方法とする。
【0015】
また、請求項7に記載のごとく、
金型と、
X線を出力するX線出力装置と、
前記金型を挟んで前記X線出力装置の反対側に設置され、前記X線出力装置から出力されるX線を検出するX線検出装置と、
前記X線検出装置にて検出されるX線を連続的に撮影するための撮影装置と、を具備し、
前記金型内に供給される溶湯金属中のトレーサ粒子の挙動を、前記撮影装置にて撮影する構成とする、溶湯金属の挙動解析装置とする。
【発明の効果】
【0016】
以上の請求項1に記載の発明では、このトレーサ粒子を用いることで、いわゆるPIVによる溶湯金属の挙動の解析が可能となる。
【0017】
また、請求項2に記載の発明では、X線装置を用いた撮影画像において、トレーサ粒子と溶湯金属を識別可能とすることができる。
【0018】
また、請求項3に記載の発明では、トレーサ粒子に浮力が発生し、トレーサ粒子を溶湯金属中で浮遊させることが可能となる。
【0019】
また、請求項4に記載の発明では、トレーサ粒子の中空化と関連し、溶湯金属の特性(物性)に応じ、トレーサ粒子のカサ比重を、トレーサ粒子が溶湯金属中で浮遊する値に設定することで、トレーサ粒子に浮力が発生し、トレーサ粒子を溶湯金属中で浮遊させることが可能となる。
【0020】
また、請求項5に記載の発明では、トレーサ粒子の中空化に関連し、内部の樹脂を予め溶解させ気化させることで、高温の溶湯金属中での樹脂の気化を無くすことができる。
【0021】
また、請求項6に記載の発明では、トレーサ粒子の実際の挙動を正確に把握することができるため、鋳造製品の高品質化を図る方法を、容易、かつ、確実に検討することができる。
【0022】
また、請求項7に記載の発明では、トレーサ粒子の実際の挙動を正確に把握することができるため、鋳造製品の高品質化を図る方法を、容易、かつ、確実に検討することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
本発明は、鋳造時に実際に使用される溶湯金属を用いて、溶湯金属の流れの可視化を可能とするものである。そして、この溶湯金属の流れの可視化は、X線装置を用いて金型内のトレーサ粒子の挙動を連続的に撮影することで行うものである。
【0024】
まず、本発明にかかるトレーサ粒子の構成と、その製造方法について説明する。
本発明にかかるトレーサ粒子は、鋳造用の溶湯金属に混入させるトレーサ粒子である。
鋳造用の溶湯金属は、例えば、アルミ溶湯であれば、一般的に650℃〜750℃で溶解した状態となっている。
このため、本発明に係るトレーサ粒子は、規定の融点特性、即ち、溶湯金属の溶解温度よりも高い融点特性(溶湯金属に溶解しない融点特性)を有するものとする。
【0025】
この融点特性に加え、前記トレーサ粒子は、規定のX線透過特性を有するものとしている。即ち、前記トレーサ粒子のX線透過特性(X線に対する透過特性)は、前記溶湯金属のX線透過特性と異なるものとされる。
このように、トレーサ粒子と溶湯金属のX線透過特性を異ならせることによって、X線装置を用いた撮影画像において、トレーサ粒子と溶湯金属を識別可能とするものである。
例えば、トレーサ粒子のX線透過特性につき、その透過性の高低を溶湯金属のものと異ならせ、撮影画像において、トレーサ粒子を「黒色」、溶湯金属を「灰色」とするようにコントラストをつけて表現し、これにより、視覚にてトレーサ粒子と溶湯金属を識別可能とするものである。
【0026】
また、X線透過特性につき、前記トレーサ粒子は、溶湯金属がアルミ溶湯の場合、例えば、タングステン、タンタル等の、アルミ溶湯と異なるX線透過特性を有する金属にて被覆することとする。このようにして、該トレーサ粒子を、アルミ溶湯等の溶湯金属と識別することが可能となり、X線にて撮影可能とすることができる。
【0027】
また、前記トレーサ粒子は、中空体に構成される。
このように中空体に構成することにより(中空化すること)、トレーサ粒子に浮力が発生し、トレーサ粒子を溶湯金属中で浮遊させることが可能となる。
そして、これにより、トレーサ粒子が溶湯金属中にて満遍なく混入される状態を形成することができ、X線装置を用いた撮影開始から終了までの間、溶湯金属の挙動(トレーサ粒子の挙動)を余すことなく把握することが可能となる。
【0028】
また、前記トレーサ粒子のカサ比重は、規定の値に設定される。つまり、前記中空化と関連し、溶湯金属の特性(物性)に応じ、トレーサ粒子のカサ比重を、トレーサ粒子が溶湯金属中で浮遊する値に設定するものである。
尚、本発明における「カサ比重」とは、容器にトレーサ粒子を詰めたときにおけるトレーサ粒子の重量と、個々の粒子の間に存在する空間の重量を加味して求まる比重をいうものである。
【0029】
また、図1に示すごとく、前記トレーサ粒子4は、ポリエチレン等の樹脂1aからなる略直径0.5μ〜2mmの球状粒子1に、前記溶湯金属のX線透過特性と異なるX線透過特性を有する金属をメッキ処理し、メッキ膜2で覆われた中間体3を形成する第一工程と、前記中間体3を加熱し、前記メッキ膜2の内側から前記樹脂1aを取り除く第二工程とを実施し、中空のトレーサ粒子4とすることで製造されることとする。
【0030】
このように、本発明においては、トレーサ粒子の製造につき、樹脂1aの表面にメッキ膜2を形成した中間体3を形成し、その後、中間体3を、前記樹脂1aの融点、さらには、沸点以上に加熱し、内部の樹脂1aを融解、気化させ、外部へ除去することにより、中空のトレーサ粒子を形成するものである(中空空間5)。
ここで、前記メッキ膜2には、メッキ粒子間に微小の隙間が形成されるものであり、気化した樹脂が微小の隙間を通過して、外部へ放出されるものである。
尚、前記球状粒子1の直径や、メッキ膜2の厚さ等のトレーサ粒子の特性は、溶湯金属の組成等に応じ、適宜設定される。
【0031】
また、予め樹脂1aをメッキ膜2の内側から取り除くのは、仮に、内部の樹脂1aを予め取り除かないこととすると、樹脂1aが高温の溶湯金属中で溶解、気化し、溶湯金属の挙動に影響が及ぼされることになる。
そこで、トレーサ粒子を溶湯金属へ混入させる前段階において、樹脂を気化させ、中空のトレーサ粒子とするものである。これにより、高温の溶湯金属中での樹脂の気化を無くすことができる。
【0032】
次に、以上のように構成したトレーサ粒子を用いた溶湯金属挙動の解析方法、及び、溶湯金属の挙動解析装置について説明する。
本発明に係る解析方法は、溶湯金属にトレーサ粒子を混入し、X線にて前記溶湯金属と前記トレーサ粒子とを識別可能に表現するものである。
また、図2に示すごとく、本発明に係る挙動解析装置20は、金型21と、X線を出力するX線出力装置22と、前記金型21を挟んで前記X線出力装置22の反対側に設置され、前記X線出力装置22から出力されるX線を検出するX線検出装置23と、前記X線検出装置23にて検出されるX線を連続的に撮影するための撮影装置24と、を具備し、前記金型21内に供給される溶湯金属中のトレーサ粒子の挙動を、前記撮影装置24にて撮影する構成とするものである。
【0033】
図2に示す例は、前記金型21に、溶湯の射出装置25を設けたダイキャスト装置を構成したものであり、前記金型21のキャビティ内に連通するスリーブ25a内で、モータ25bの駆動によりプランジャを摺動させる構成とするものである。また、前記スリーブ25aには、湯口25cが開口されており、この湯口25cから溶湯金属が注湯されるようになっている。
【0034】
また、前記金型21は、検討対象となる鋳造製品の実寸が大きく、金型をX線検査室に設置できない場合には、例えば、実機の四分の一の大きさにサイズダウンされる。この場合、サイズダウンした状況でのトレーサ粒子の挙動の解析が行われ、実際の金型サイズでのトレーサ粒子の挙動を予測することになる。
【0035】
また、前記X線出力装置22は、金型21の一側側面に対し、X線を出力するものである。このX線の照射範囲は、金型21の全体とする他、金型の一部として、キャビティの特定の部位におけるトレーサ粒子の挙動の撮影を行うこととしてもよく、特に限定されるものではない。
【0036】
また、前記X線検出装置23は、前記X線出力装置22にて出力され、金型21を介して到達するX線を感受して検出するとともに、この検出結果を撮影装置24にて撮影可能な状態に表示するものである。
例えば、前述したごとく、前記トレーサ粒子を「黒色」、溶湯金属を「灰色」とするようにコントラストをつけた形で表示し、これにより、前記撮影装置24によるトレーサ粒子の挙動を撮影可能とするものである。
【0037】
また、前記撮影装置24は、前記X線検出装置23を挟んで前記金型21の反対側に設置され、X線検出装置23にて表示された画像を連続的に撮影するものである。
この撮影装置24は、例えば、いわゆるハイスピードカメラと、その撮影画像の記録・再生装置から構成されるものであり、瞬間的に流動するトレーサ粒子の挙動、即ち、溶湯金属の挙動を、微小時間に区切り、スローモーションにて再生可能とするものである。
【0038】
また、前記X線出力装置22、X線検出装置23、撮影装置24は、図示せぬ制御装置にて連動して制御されるように構成される。
また、前記射出装置25のモータ25bも、前記制御装置に接続されており、このモータ25bの駆動に前記各装置22・23・24を連動させるようにして、撮影が自動的に開始されるように構成される。
また、前記各装置22〜25の動作条件の設定は、変更可能に構成される。
また、前記各装置22〜25は、周知の技術により構成されるものであり、詳細な構成については説明を省略する。
また、前記各装置22〜25は、特別な構成に限定されるものではない。
【0039】
以上の構成とし、トレーサ粒子の挙動を撮影することにより、溶湯金属の挙動を解析するものである。
図2に示すごとく、まず、前記湯口25cから溶湯金属を注湯し、その後、同じく湯口25cからトレーサ粒子を投入する。
また、前記制御装置により、前記X線出力装置22、X線検出装置23、撮影装置24を稼動させた状態とする。
そして、前記射出装置25を稼動させることにより、溶湯金属とトレーサ粒子が混合した状態で、金型21のキャビティ内へと射出される。
このキャビティ内でのトレーサ粒子の挙動は、撮影装置24により撮影・記録される。
【0040】
そして、以上のようにして、記憶されたトレーサ粒子の挙動の画像を、再生し、検討・解析するものである。
この検討・解析においては、例えば、前記モータ25bの速度(射出速度)、トレーサ粒子の挙動、そして、鋳造品の品質の3つの要素の関係から、前記モータ25bの最適な速度を検討し、実機における溶湯金属の射出方法の設定(調整・最適化)を行うものである。
また、実機では、モータ25bの変わりに油圧アクチュエータの使用が考えられるので、このモータ25bの設定を、油圧アクチュエータの設定に反映させる等の検討を行うことができる。
【0041】
ここで、従来では、トレーサ粒子の挙動の把握ができなかったため、上記の三つの要素のうちの二つの要素(射出速度、品質)から、溶湯金属の射出方法の最適化を図ることができなかったが、本発明によれば、トレーサ粒子の実際の挙動を正確に把握することができるため、鋳造製品の高品質化を図る方法を、容易、かつ、確実に検討することができることとなる。
また、鋳造製品の高品質化を図る為、キャビティの設計変更や、製品形状の設計変更等の検討も、容易、かつ、確実に実施することができることとなる。
【0042】
また、鋳造時に実際に使用される溶湯金属を用いるため、凝固を伴う溶湯金属の流れ(挙動)を検討することが可能となる。
【0043】
また、前述の例の場合では、前記トレーサ粒子が「黒色」、溶湯金属が「灰色」で表現されることになるが、仮に、鋳巣が存在した場合には、この鋳巣部分を「白色」で表現することが可能となり、これにより、鋳巣の発生箇所の予測も可能となる。また、トレーサ粒子の挙動と、鋳巣の発生状況の関係から、鋳巣の発生を無くすための射出方法の最適化の検討も可能である。
【0044】
また、以上の説明では、ダイカスト(射出成形)を例にあげて説明したが、本発明は、ダイカストに限らず、砂型鋳造、金型鋳造、低圧鋳造等、あらゆる鋳造法に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明に係るトレーサ粒子の製造方法について説明する図。
【図2】本発明に係る挙動解析装置の構成例について示す図。
【符号の説明】
【0046】
1 球状粒子
1a 樹脂
2 メッキ膜
3 中間体
4 トレーサ粒子
5 中空空間
20 挙動解析装置
21 金型
22 線出力装置
23 線検出装置
24 撮影装置
25 射出装置
25a スリーブ
25b モータ
25c 湯口




 

 


     NEWS
会社検索順位 特許の出願数の順位が発表

URL変更
平成6年
平成7年
平成8年
平成9年
平成10年
平成11年
平成12年
平成13年


 
   お問い合わせ info@patentjp.com patentjp.com   Copyright 2007-2013