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ダイカスト金型の流れと 熱伝導の３Ｄ -FEM 解析

07-B4-1. ダイカスト金型の流れと 熱伝導の３Ｄ -FEM 解析. K04042 飛田旬喜 K04062 山本信吉. 背景.

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ダイカスト金型の流れと 熱伝導の３Ｄ -FEM 解析

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Presentation Transcript

  1. 07-B4-1 ダイカスト金型の流れと熱伝導の３Ｄ-FEM解析 K04042 飛田旬喜 K04062 山本信吉

  2. 背景 • 金型の需要は自動車業界と家電業界とでほぼ占められており、金型ユーザーから金型メーカーヘの要望として、特に金型のコスト削減、納期の短縮、精度や品質の向上などの要求がますます厳しくなっている。このような環境の中で、金型メーカーにとって、情報集約することによる金型需要先の拡大、金型設計・製造の自動化、金型製作の標準化の確立と推進、金型製品のノウハウとデータベースの蓄積、そして金型製作のシステム化(生産体制の強化)、金型加工技術の向上といった新しい課題を１つひとつ解決することが肝要になる。

  3. 本研究の内容及び目的 Ｐｒo／Ｅで金型に見立てた簡単な解析用モデルを作成し、FEM解析ソフトANSYSを用いた流れおよび熱伝導の解析方法を研究し、ダイカスト金型への応用を試みた。

  4. Ｐｒｏ/Ｅとは Parametric Technology Company (PTC) 社が開発した3次元CADソフトで、立体的に3次元で描いた絵を組み合わせてコンピュータ上で製品の設計ができるものである。フィーチャパラメトリックモデリング手法というものを世界ではじめて製品化し、以降ほとんどの3次元CADがこの手法を採用している。航空機や自動車、家電製品、携帯電話等々、身の回りのあらゆる製品の設計・開発に使われている。

  5. Pro/Eによる解析形状の3D-CAD • ＡＮＳＹＳによる解析を行う為のモデルは、3次元ソフトＰｒｏ/Ｅを用いて作成した。 • 本研究では解析手順確認の為、２種類のモデルを作成し流れおよび熱伝導の解析方法を研究した。

  6. ＡＮＳＹＳとは 1970年に工学分野の諸問題を、コンピュータを用いて解析するために開発されたもので、当初は電力業界と機械業界に主として利用されていたが、現在では電気、精密機器、自動車、自動車部品、航空宇宙、原子力、化学、医療工学、また研究所や教育機関に至るまで、あらゆる有限要素法解析の要求を満たすまでになっている。

  7. ANSYSへのモデルデータの転送 Pro/Eでは【surface】設定でIGESデータを保存。 ANSYSではIGESデータを読み込む。 →

  8. 解析モデル1 鋼金型 アルミ合金の鋳物

  9. 解析モデル2 鋼金型 アルミ合金の鋳物

  10. 流れ解析 要素の分割（Meshing） モデル２ モデル１ FLUID142タイプの三角形（四面体）要素に分割

  11. 湯の特性の設定 （アルミ合金） • 密度　　　　　　　　　：　2.8 g/m3 • 粘度　　　　　　　　　：　5×10-4m2/ｓ • 入り口の流入速度 ：　1m / s • 出口の圧力 ：　0 Pa

  12. 流速の解析結果（モデル１） 　　入口から出口に向かうに連れて速くなっている事が分かる。これは、出口に近づくほど、徐々に小さくなっていく為、流れが収束されたからである。また、曲部の近くにわずかに渦が発生していた。 入口 出口

  13. 圧力の解析結果（モデル1） 後面 前面 　　　流体が曲面部で直線部の勢いを残したままぶつかる為、内側よりも外側に圧力が、かかっている事が確認できた。

  14. 流速の解析結果（モデル2） • 湯道から垂直に流れ、そのまま全体へ広がるように流れていた。 • 上面付近の湯道とガス抜きの間に渦ができてしまっていた。 ガス抜き 湯道

  15. 圧力の解析結果（モデル2） 全体 底面 ・湯道に最大の圧力がかかっていた。　 ・湯道の真下付近に大きい圧力がかかっていた。

  16. 流れ解析の結果 ・ANSYSの3Dモデルでの流れ解析のプロセスを理解した。 ・流速と圧力の分布、渦の発生場所の確認ができた。

  17. 流れ解析の今後の課題 • 計算され、正確な配置を施されたモデルを作成し、解析を行う。 • 同型のモデルであっても、材料、状態、環境等の変化で解析結果がどのように変動するのかも確認していきたい 。

  18. 熱伝導解析 材料の物性値の設定 Material Model Numder1に鋼金型を設定した。 Material Model Numder2にアルミ合金を設定した。

  19. 熱の解析条件1 　鋼金型と環境の物性値 • 熱伝導率　42.71W/(m･K) • 密度　7800kg/m³ • 比熱　0.419kJ/(kg･K) • 金型の初期温度　26.67℃ • 対流特性フィルム係数　11.51 W/(m²･K) • 環境温度　26.67℃

  20. 熱の解析条件2 　アルミ合金の物性値 • 0℃の時　1.45*10²W/(m･K) • 520℃の時　2.14*10²W/(m･K) • 580℃の時　2.12*10²W/(m･K) • 620℃の時　2.12*10²W/(m･K) 　アルミ合金のエンタルピー • 0℃の時　0J • 520℃の時　4.88J • 580℃の時　6.24J • 620℃の時　6.63J 　アルミ合金の初期温度　620℃

  21. 要素の分割（Meshing） 要素タイプのPLANE87(四面体要素)

  22. 境界面の設定 金型との境界面選択 鋳物と金型の境界面選択

  23. 鋳物の初期温度の入力 鋳物を点で表示し全ての点に初期温度を入力した。

  24. 金型の初期温度の入力 金型を点で表示し、全ての点に初期温度を入力した。

  25. シミュレーション時間の設定 解析総時間 解析時間刻み 最小解析時間刻み 最大解析時間刻み

  26. 解析結果 鋳物の時間に対する温度変化 (F) (h)

  27. アニメーションの表示 （Ｆ）

  28. 熱の断面図（側面） （Ｆ）

  29. 熱の断面図（正面） （Ｆ）

  30. 熱解析の結果と考察 ・ANSYSの3Dモデルでの熱解析のプロセスを理解した。 ・熱断面図より湯に遠ざかるにつれてどの断面においてもほぼ均等な温度の下降が見られる。 ・金型断面の熱分布が表示されることによってより理解の幅が広がる。

  31. 熱伝導解析の今後の課題 • 流速、圧力と同様に熱解析もベクトルへの表示変換を行う。 • エンタルピーのより深い理解の必要がある。 • より複雑な金型形状の解析を行う。

  32. ダイカスト応用への課題 　 　実物に近い流れ・凝固過程の3次元解析とシミュレーションを行ってダイカスト内の充填状況、凝固進行状況、鋳物と型の温度分布と熱伝導挙動および渦巻と気泡等による鋳物の欠陥を究明し、鋳物の質、生産効率を向上させる。

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