JP2013237093A - 砂型鋳造方案製作装置、プログラム、砂型鋳造方案製作方法および鋳造物 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋳造物の材料や形状のさまざまな変更に対応し、最適な鋳造方案を低コスト、かつ短時間で効率的に作製できるようにする。
【解決手段】砂型鋳造方案製作装置は、製品形状データ格納部、条件記憶部、形状データ抽出部、鋳造方案製作部、シミュレーション部、判定部を有する。前記製品形状データ格納部には、鋳造物の形状データが格納されている。前記条件記憶部には、押し湯に関する砂型の製作条件が設定されている。前記鋳造方案製作部は前記鋳造物の形状データと前記砂型の製作条件に従い、前記押し湯部の位置、前記ゲートの位置、数、前記湯口の高さを変えた複数の砂型鋳造方案を製作する。前記判定部は予め設定された判定条件を基に前記シミュレーション部が行った鋳造シミュレーションの結果の合否を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、砂型鋳造方案製作装置、プログラム、砂型鋳造方案製作方法および鋳造物に関する。

例えばタービンの高圧、中圧ケーシングやバルブなどといった部品は、大型かつ複雑形状の構造物であり、砂型重力鋳造で製造される。

砂型鋳造においては、砂型模型と中子の構成、鋳砂の配合、鋳込み系統などを取り決めた鋳型設計書である鋳造方案が必要である。この鋳造方案の作成にあたっては、熟練の鋳造技術者の知識、同様の鋳造品における経験に依存せざるを得ない。

一方、タービンの競争力を強化するため、タービン設計者がケーシングやバルブなどで材料の変更や形状の変更を検討する場合、これら変更が製造へ及ぼす影響評価を避けられない。

ここでも熟練鋳造技術者の役割が重要となるが、鋳造は、湯の流れ、凝固、収縮、欠陥発生などが互いに影響しあった複雑な現象であり、大幅な変更がある場合の鋳造性への影響を定量的に判断することは熟練者でも難しい。

すなわち、材料の変更や形状の変更などはモックアップ試験などで十分な検証を行なった後となるが、現実的には単品毎に形状、寸法が異なるタービン部品では十分な検証はコスト面で困難であり、材料や構造などを大幅に変更することは容易ではない。

特開平２００６−６１９３５号公報

従来の技術では、模型部分の詳細形状が全体の鋳造方案へ及ぼす影響がこれまでの経験により小さいことが判っていることが前提であり、鋳造物の材料や形状に大幅な変更がある場合への適用には問題があるといえる。

本発明が解決しようとする課題は、鋳造物の材料や形状のさまざまな変更に対応し、最適な鋳造方案を低コスト、かつ短時間で効率的に作製することができる砂型鋳造方案製作装置、プログラム、砂型鋳造方案製作方法および鋳造物を提供することにある。

実施形態の砂型鋳造方案製作装置は、製品形状データ格納部、条件記憶部、形状データ抽出部、鋳造方案製作部、シミュレーション部、判定部を有する。前記製品形状データ格納部には、鋳造物の形状データが格納されている。前記条件記憶部には、押し湯部の配置範囲、押し湯のためのゲートの配置範囲、配置可能数、前記押し湯部の湯口の高さ範囲を含む砂型の製作条件が設定されている。前記形状データ抽出部は前記製品形状データ格納部より鋳造対象の鋳造物の形状データを抽出する。前記鋳造方案製作部は前記形状データ抽出部により抽出された前記鋳造対象の鋳造物の形状データと前記条件記憶部から読み込んだ砂型の製作条件に従い、前記押し湯部の位置、前記ゲートの位置、数、前記湯口の高さを変えた複数の砂型鋳造方案を製作する。前記シミュレーション部は前記鋳造方案製作部により製作された前記複数の砂型鋳造方案それぞれについて鋳造シミュレーションを行う。前記判定部は予め設定された判定条件を基に、各砂型鋳造方案毎にシミュレーション結果の合否を判定する。

第１実施形態のコンピュータの概要構成を示す図である。 製造する製品の砂型鋳造方案の一例を示す断面図である。 コンピュータの第１動作例を示すフローチャートである。 コンピュータの第２動作例を示すフローチャートである。 コンピュータの第３動作例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
図１は１つの実施の形態の砂型鋳造方案製作装置であるコンピュータの構成を示す図である。
この実施形態の砂型鋳造方案製作装置は、例えばＣＰＵ、メモリ１２、ハードディスク装置、マウス、キーボードなどの入力装置２、モニタ等の表示装置３、外部の機器と通信するための通信インターフェースなどを有するコンピュータ１により実現される。

この砂型鋳造方案製作装置の基本的な機能は、ハードディスク装置にインストールされた砂型鋳造方案製作プログラムの処理をＣＰＵが実行することにより実現される。砂型鋳造方案製作プログラムはＣＡＤ（Computer Aided Design）ソフトウェアの一種であり、このプログラムをＣＰＵが実行することにより、コンピュータ１を砂型鋳造方案製作装置として機能させる。

図１に示すように、コンピュータ１は、条件設定部１１、メモリ１２、製品形状データ格納部１３、形状データ抽出部１４、鋳造方案製作部１５、シミュレーション部１６、判定部１７、出力部１８などを有しており、鋳造物を製造するための砂型の鋳造方案を製作するための処理を実行する。

製品形状データ格納部１３には、鋳造物（以下「製品」と称す）の形状データ（以下「ＣＡＤデータ」と称す）が格納されている。

形状データ抽出部１４は、製品の体積、狭隘部の寸法、製品の高さなどのデータを、製品形状データ格納部１３の製品のＣＡＤデータから抽出する。すなわち形状データ抽出部１４は、製品形状データ格納部１３より、入力装置２から指定された方案作成対象の製品（鋳造物）の形状データを読み込む。

条件設定部１１は、鋳砂や鋳物材料の選択、製品の湯が入る場所であるゲートの候補を設定、製品で押し湯部と接続してもよいエリアを設定するための条件設定画面を表示し、ユーザによる条件設定画面内の各ボタンやダイアログボックスの入力操作などによって砂型の製作条件が指定され、指定された製作条件がメモリ１２に設定（記憶）される。

メモリ１２には、条件設定部１１により砂型の製作条件が設定（記憶）される。砂型の製作条件としては、例えば押し湯部の配置範囲、押し湯のためのゲートの配置範囲、配置可能数、押し湯の湯口の高さ範囲が含まれている。つまりメモリ１２は、砂型の製作条件が記憶された条件記憶部として機能する。

またメモリ１２には、鋳造方案製作部１５により製作された砂型データを含む鋳造方案が記憶される。さらにメモリ１２には、判定部１７がシミュレーション結果の合否を判定するための判定条件（鋳造合否パラメータ）が記憶されている。

鋳造方案製作部１５は、形状データ抽出部１４により製品形状データ格納部１３の製品のＣＡＤデータの中から抽出された鋳造対象の製品の形状データとメモリ１２から読み込んだ砂型の製作条件に従い、押し湯部の位置、ゲートの位置、数、湯口の高さを変えた複数の砂型鋳造方案を製作する。

具体的には、例えば図２に示すように、タービンの高圧、中圧ケーシングなどの製品５０であれば、製品５０の上部に押し湯部設定領域５２があり、この押し湯部設定領域５２に押し湯部５１が位置される。また製品５０の底部には複数のゲート５３が配置される。

湯経路５４を経由して各ゲート５３に押し湯され、製品５０内に湯が回ると、押し湯部５１の湯口５５付近まで湯が満たされる。

鋳造方案を製作するにあたり、鋳造方案製作部１５は、ゲートの数の計算、湯口の高さ、押し湯の計算、押し湯の配置などを行う。

（ゲートの数の計算）
鋳造方案製作部１５は、製品形状データ格納部１３から抽出した製品の体積、狭隘部の寸法、製品の高さなどのデータを用いて、ゲートの数を計算する。この計算では、砂型が壊れない湯の速度を鋳砂のデータから読み取り、狭隘部の湯の速度から注湯速度を計算する。そして、鋳造方案製作部１５は、製品の体積と注湯速度から必要なゲート数を求め、メモリ１２に設定されているゲートの複数の候補からゲートを選定する。ゲートは優先順位１番のものを先ず選択し、後はゲートがほぼ等配になるよう選択する。

（湯口の高さ、押し湯の計算）
鋳造方案製作部１５は、製品の体積に材料毎に決められた係数を掛け、全体の湯量を計算する。ここで係数は、材料の凝固特性、鋳造欠陥の発生特性を考慮して、予め簡易モデルで鋳造解析して決めておく。なお、この係数は製品の実績にあわせて修正してもよい。湯口の高さと押し湯の高さを同じ位置として、全体の湯量から湯口の高さを計算する。

（押し湯の配置）
押し湯と接続してもよいエリアに押し湯を配置する。予め材料毎に１つの押し湯の最小面積と押し湯高さとの関係を定めておく。こうすることで、必要な押し湯量を確保するのに必要な押し湯の本数を計算により求めることができる。決められた押し湯は、製品で等配となるようＣＡＥ（Computer Aided Engineering）で自動的に配置する。

シミュレーション部１６は、鋳造方案製作部１５により生成された押し湯部、ゲートなどの配置、数、高さの異なる複数の鋳造方案それぞれについて、湯口から押し湯を行う鋳造シミュレーションを行う。

判定部１７は、予め設定された判定条件を基に、各鋳造方案毎に鋳造シミュレーション結果の合否を判定し、不合格の場合、鋳造方案製作部１５に対して鋳造方案を再度製作させる。

出力部１８は、判定部１７による合否判定の結果を表示装置３へ出力する。出力部１８は、合否判定の結果、鋳造方案による鋳造シミュレーション結果が判定部１７により合格と判定された場合、メモリ１２に記憶されている鋳造方案を読み出して表示装置３へ出力する。

（判定）
判定部１７は、鋳造シミュレーションを行い、それぞれの鋳造方案の合否判定をする。

製品内の全エリアが鋳造合否パラメータで合格となれば、得られた鋳造方案を最適解として採用する。しかし上記各手順では鋳造シミュレーションに因らず、簡易計算で鋳造方案を決めているため、詳細な鋳造シミュレーションの結果、不合格となることもある。

したがって、不合格の場合は、個々の鋳造方案を修正し、合格になるか、あるいは所定の回数判定を行うまで、鋳造シミュレーションと判定を繰返すものとする。

ここで、不合格の場合のやり直し方（鋳造方案の再製作）について説明する。
湯の速度により不合格となった場合は、ゲート数を変更して鋳造方案を作製する。引け巣などの鋳造欠陥が生じたことにより不合格となった場合は、欠陥の状況に応じて湯量を一定量増加（または減少）する。

例えば欠陥の位置が特定の押し湯と接する位置で範囲が狭い場合には、特定の部位の押し湯が増えるよう押し湯部の配置を変更する。配置変更を所定の回数繰返した結果、合格に至らない場合、判定部１７は、ゲートの設定と押し湯部の設定から見直すようその旨の通知（定型の警報メッセージなど）を出力部１８から表示装置３へ出力させる。

このようにコンピュータ、つまり砂型鋳造方案製作装置により、シミュレーション結果が合格とされた砂型鋳造方案により鋳造物を製造することで、最適な位置に押し湯部を配置した鋳造物を製造（製品化）することができる。

以下、図３乃至図５のフローチャートを参照してこの実施形態の砂型鋳造方案製作装置の動作を説明する。
この実施形態の場合、ユーザが入力装置２からプログラムの起動操作を行うことで、砂型鋳造方案製作プログラムが起動する。

すると、条件設定部１１は、表示装置３に条件設定画面を表示する。
また形状データ抽出部１４は、製品の体積、狭隘部の寸法、製品の高さデータを、製品形状データ格納部１３の該当製品のＣＡＤデータから抽出する（図３のステップＳ１０１）。

ここで、ユーザが、条件設定画面にて、使用する鋳砂を選択する（ステップＳ１０２）。
続いて、ユーザが、条件設定画面にて、鋳物の材料を選択する（ステップＳ１０３）。

製品で湯が入るゲートの場所の候補を、場所、広さ、優先順位を指定する（ステップＳ１０４）。
製品で押し湯と接続してよいエリア（押し湯の範囲）を指定する（ステップＳ１０５）。

製作条件を設定した後、条件設定画面の実行ボタンを操作すると、鋳造方案製作部１５は、鋳造方案を作成する。

この場合、鋳造方案製作部１５は、まず、砂型における湯の速度制限と狭隘部の湯の速度から、ゲートの数を決め、設定したゲートの場所の候補からゲートを選定する（ステップＳ１０６）。

鋳造方案製作部１５は、製品の体積に材料毎に予め設定した係数を掛けて求めた、全体湯量から、湯口高さと押し湯高さを計算する（ステップＳ１０７）。

そして、鋳造方案製作部１５は、押し湯と接続してもよいエリアに押し湯を配置する（ステップＳ１０８）。

このようにして鋳造方案製作部１５は、鋳造方案を製作し、これを仮決めするためにメモリ１２に一時記憶する。

次に、シミュレーション部１６は、仮決めされたメモリ１２の鋳造方案を読み出して鋳造シミュレーションを行う（ステップＳ１０９）。

鋳造シミュレーション（ステップＳ１０９）の後、判定部１７は予めメモリ１２に設定されていた判定条件に従い鋳造方案の合否を判定する（ステップＳ１１０）。

この合否判定の結果、不合格と判定された場合（ステップＳ１１０の不合格）、ステップＳ１０６の処理に戻り、ゲート数以下のパラメータを順に変更して鋳造方案を再度作製する（ステップＳ１０６−Ｓ１０９）。

また合否判定の結果、合格と判定された場合（ステップＳ１１０の合格）、出力部１８はメモリ１２に記憶されている鋳造方案を読み出して表示装置３へ出力する（ステップＳ１１１）。

続いて、図４のフローチャートを参照してこのコンピュータの第２動作例を説明する。なおコンピュータの構成については上記図１と同様でありその説明は省略する。

図４に示すように、この第２動作例の場合、図１に示した第１実施形態の構成に加えて、判定部１７が行う動作が詳細になっている。

この第２動作例は、上記図３で説明したＳ１０１−Ｓ１０９の動作と同じであり、その説明は省略し、図４のＳ２０９以降の処理について説明する。

鋳造シミュレーション（ステップＳ２０９）の後、判定部１７は予めメモリ１２に設定されていた判定条件に従い鋳造方案の合否を判定する（ステップＳ２１０）。

この合否判定の結果、湯の速度により不合格となった場合（ステップＳ２１０の不合格）、ステップＳ１０６の処理に戻り、ゲート数を変更して鋳造方案を再度作製し、改めて鋳造方案の合否を行う（ステップＳ２０６−Ｓ２０９）。

また湯の速度が合格となったにもかかわらず（ステップＳ２１０の合格）、引け巣など、鋳造欠陥により不合格となった場合（ステップＳ２１１の不合格）、判定部１７は、不合格となった鋳造欠陥の箇所を確認する（ステップＳ２１２）。

この確認の結果、鋳造欠陥の箇所が押し湯部近傍のみではない場合（ステップＳ２１２のＮｏ）、ステップＳ２０７の処理に戻り、他の位置の押し湯が増えるよう配置を変更して鋳造方案を作製し、改めて鋳造方案の合否を行う（ステップＳ２０７−Ｓ２０９）。

また上記確認の結果、鋳造欠陥の箇所が押し湯部近傍のみの場合（ステップＳ２１２のＹｅｓ）、ステップＳ２０８の処理に戻り、プロセス全体の湯量を増やした後、鋳造方案を作製し、改めて鋳造方案の合否を行う（ステップＳ２０８−Ｓ２０９）。

そして、合否判定の結果、湯の速度と鋳造欠陥が共に合格と判定された場合（ステップＳ２１１の合格）、出力部１８はメモリ１２に記憶されている当該鋳造方案を読み出して表示装置３へ出力する（ステップＳ２１３）。

続いて、図５のフローチャートを参照してこのコンピュータの第３動作例を説明する。
図５に示すように、この例では、図１に示した構成に、鋳造材料データベース２１，２２（鋳造材料ＤＢ２１，２２）などの２つのデータベースが追加されている。

鋳造材料ＤＢ２１は、予め鋳造材料毎に押し湯を行う湯口の高さと湯量との関係を定めたデータベースである。具体的には、鋳造材料ＤＢ２１には材料毎に湯口の高さに対応して湯量の係数が設定されている。鋳造方案製作部１５は、この鋳造材料ＤＢ２１を用いて湯口の高さを計算する。

鋳造材料ＤＢ２２は、予め鋳造材料毎に押し湯を行う場所の面積と高さとの関係を定めたデータベースであり、具体的には、鋳造材料ＤＢ２１には材料毎に押し湯の最小面積に対応して押し湯高さが設定されている。すなわちこの鋳造材料ＤＢ２２は、予め鋳造材料毎に押し湯の最小面積と押し湯高さとの関係を定めたデータベースである。鋳造方案製作部１５は、鋳造材料ＤＢ２２を用いて押し湯部を配置する。

この第３動作例は、上記図４で説明したＳ２０１−Ｓ２０６、Ｓ２０９−Ｓ２１３の処理と同じでありその説明は省略し、図５のＳ３０７とＳ３０８の処理について説明する。

Ｓ３０７の処理では、鋳造方案製作部１５は、鋳造材料ＤＢ２１を参照して、鋳造材料毎に予め設定した湯量係数を製品体積に掛けて全体の湯量を求め、求めた全体湯量から湯口高さと押し湯高さを計算する。

Ｓ３０８の処理では、鋳造方案製作部１５は、鋳造材料ＤＢ２２を参照して、鋳造材料毎に定めた押し湯の最小面積と押し湯高さとの関係から、押し湯と接続してもよいエリアに押し湯を配置する。

すなわちこの例では予め鋳造材料毎に湯量係数を設定した鋳造材料ＤＢ２１、および押し湯の最小面積と押し湯高さとの関係を定めた鋳造材料ＤＢ２２を備え、鋳造方案製作部１５は、これら鋳造材料ＤＢ２１，２２を用いて押し湯部を配置する。

このようにこの実施形態によれば、製品の形状データ（モデルデータ）から、湯量が最小となる最適な鋳造方案をＣＡＥで半自動的に作製、解析検証できるようになる。

本実施形態では、鋳物の材料毎に湯量決定と押し湯設計に必要な砂型の製作条件（数値の範囲のパラメータ）を予め決めておくものとする。鋳物の材料毎に数値を決めておくことは、単純形状のモックアップ試験や単純形状での鋳造シミュレーションによって可能であり、複雑形状の製品の鋳造実績を積むより容易である。

すなわち、上記手順のような評価と、材料特性毎の湯量決定と、押し湯設計に必要な砂型の製作条件を予め用意することで、材料や形状などの大幅な変更がある場合でも鋳造シミュレーションを行うことにより最適な鋳造方案を作製できる。この結果、最適な位置に押し湯部を配置した砂型の鋳造方案を製作することができる。

この結果、鋳造物の材料や形状のさまざまな変更に対応し、砂型の最適な鋳造方案を低コスト、かつ短時間で効率的に作製することができる。

上記では、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

また上記実施形態に示した各構成要素を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：electronic mediaに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。電子媒体としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Removable media等が含まれる。さらに、ネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで実現してもよい。

１…コンピュータ、２…入力装置、３…表示装置、１１…条件設定部、１２…メモリ、１３…製品形状データ格納部、１４…形状データ抽出部、１５…鋳造方案製作部、１６…シミュレーション部、１７…判定部、１８…出力部、２１，２２…鋳造材料データベース（鋳造材料ＤＢ）。

Claims (7)

1. 鋳造物の形状データが格納された製品形状データ格納部と、
   押し湯部の配置範囲、押し湯のためのゲートの配置範囲、配置可能数、前記押し湯の湯口の高さ範囲を含む砂型の製作条件が設定された条件記憶部と、
   前記製品形状データ格納部より、鋳造対象の鋳造物の形状データを抽出する形状データ抽出部と、
   前記形状データ抽出部により抽出された前記鋳造対象の鋳造物の形状データと、前記条件記憶部から読み込んだ砂型の製作条件に従い、前記押し湯部の位置、前記ゲートの位置、数、前記湯口の高さを変えた複数の砂型鋳造方案を製作する鋳造方案製作部と、
   前記鋳造方案製作部により製作された前記複数の砂型鋳造方案それぞれについて鋳造シミュレーションを行うシミュレーション部と、
   予め設定された判定条件を基に、各砂型鋳造方案毎にシミュレーション結果の合否を判定する判定部と
   を具備する砂型鋳造方案製作装置。
2. 前記判定部により、湯の速度により不合格と判定された場合、前記鋳造方案製作部はゲート数を変更して砂型鋳造方案を再度作製する請求項１記載の砂型鋳造方案製作装置。
3. 前記判定部により、引け巣など鋳造欠陥により不合格と判定された場合、前記鋳造方案製作部は、全体の湯量を増やすか、または特定の部位の押し湯が増えるよう押し湯部の配置を変更して鋳造方案を再度作製する請求項１記載の砂型鋳造方案製作装置。
4. 予め鋳造材料毎に押し湯の最小面積と押し湯高さとの関係を定めたデータベースを備え、
   前記鋳造方案製作部は、
   前記データベースを用いて前記押し湯部を配置する請求項１乃至３いずれか１記載の砂型鋳造方案製作装置。
5. コンピュータを動作させるプログラムにおいて、
   前記コンピュータを、
   鋳造物の形状データが格納された製品形状データ格納部と、
   押し湯部の配置範囲、押し湯のためのゲートの配置範囲、配置可能数、前記前記押し湯の湯口の高さ範囲を含む砂型の製作条件が設定された条件記憶部と、
   前記製品形状データ格納部より、前記鋳造対象の鋳造物の形状データを抽出する形状データ抽出部と、
   前記形状データ抽出部により抽出された前記鋳造対象の鋳造物の形状データと、前記条件記憶部から読み込んだ砂型の製作条件に従い、前記押し湯部の位置、前記ゲートの位置、数、前記湯口の高さを変えた複数の砂型鋳造方案を製作する鋳造方案製作部と、
   前記鋳造方案製作部により製作された前記複数の砂型鋳造方案それぞれについて鋳造シミュレーションを行うシミュレーション部と、
   予め設定された判定条件を基に、各砂型鋳造方案毎にシミュレーション結果の合否を判定する判定部
   として機能させることを特徴とするプログラム。
6. 鋳造物を製造するための砂型の鋳造方案を製作するための処理をコンピュータが行う砂型鋳造方案製作方法であって、
   前記鋳造物の形状データが格納された製品形状データ格納部より鋳造対象の鋳造物の形状データを読み出すステップと、
   製品形状データ格納部より抽出された前記鋳造対象の鋳造物の形状データと、押し湯部の配置範囲、押し湯のためのゲートの配置範囲、配置可能数、前記前記押し湯の湯口の高さ範囲を含む砂型の製作条件が設定された条件記憶部から読み込んだ前記砂型の製作条件に従い、前記押し湯部の位置、前記ゲートの位置、数、前記湯口の高さを変えた複数の砂型鋳造方案を製作するステップと、
   製作された前記複数の砂型鋳造方案それぞれについて鋳造シミュレーションを行うステップと、
   予め設定された判定条件を基に、各砂型鋳造方案毎にシミュレーション結果の合否を判定するステップと
   を有する砂型鋳造方案製作方法。
7. 前記請求項１乃至４いずれか１記載の砂型鋳造方案製作装置により、シミュレーション結果が合格とされた砂型鋳造方案により製造された鋳造物。

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