小型内燃機関ピストン用永久鋳型の設計と解析

本論文概要は、['Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering']誌に掲載された論文、['小型内燃機関ピストン用永久鋳型の設計と解析'] (Design and Analysis of Permanent Mould for Small Internal Combustion Engine Piston) を基に作成されました。

1. 概要：

  • タイトル：小型内燃機関ピストン用永久鋳型の設計と解析 (Design and Analysis of Permanent Mould for Small Internal Combustion Engine Piston)
  • 著者：Olurotimi Akintunde Dahunsia, Olatunji Oladimeji Ojob*, Ikeoluwa Ogedengbea, Omeiza Bayode Maliki
  • 発行年：2020年
  • 発行ジャーナル/学術団体：Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering
  • キーワード：永久鋳型 (Permanent Mould)、鋳型設計 (Mould Design)、ピストン (Piston)、鋳造 (Casting)、機械的特性 (Mechanical properties)、アルミニウム合金 (Aluminum alloy)
Figure 1. Standard dimensions (mm) of a 950 W electric power generator piston
Figure 1. Standard dimensions (mm) of a 950 W electric power generator piston

2. 抄録または序論

本論文の抄録は、電力供給が不安定な地域における発電機の短寿命によるピストン廃棄物の問題に取り組んでいます。本研究は、リサイクルピストン廃棄物から950ワット発電機ピストンを鋳造するための永久鋳型の設計、熱解析、および製作に焦点を当てています。鋳造されたピストンの機械的および微細組織的特性を評価し、LM13合金と比較しました。その結果、欠陥のないピストンの製造が示され、LM13と比較して組成変化はわずかでしたが、同等の特性を維持しました。

3. 研究背景：

研究テーマの背景：

研究背景は、電気インフラが貧弱な地域でのポータブル発電機の使用増加、推奨される耐用年数を超えて発電機が稼働し、ピストン焼損を引き起こしている現状を強調しています。これは頻繁なピストン交換とピストン廃棄物の増加につながります。本論文では、これらの廃棄ピストンをリサイクルして持続可能なピストン市場を創出する機会を特定しています。ピストンは内燃機関の重要な部品であり、優れた強度と耐熱性が要求されます。Al-Si合金は、熱伝導率、高い強度対重量比、鋳造性などの望ましい特性により、ピストン材料として広く使用されています。

既存研究の現状：

既存の研究は、さまざまな鋳造技術と材料改良を通じてピストンの性能と材料特性を向上させることに焦点を当てています。本論文では、以下の研究について言及しています。

  • Al-Si-Cu-Ni-Mg合金の高圧ダイカストと永久鋳型鋳造の比較 [13]。
  • NiおよびナノAl2O3粒子で強化されたAl-Siピストン合金のスクイズ鋳造 [14]。
  • Al-Siピストン合金の熱バリアコーティング [7]。
  • 過共晶Al-15Si-4Cu合金の結晶粒微細化剤および改質剤 [6]。
  • 自動車ピストン材料の破壊解析 [15]。
  • Al-Siピストンとアルミニウムピストンの比較 [16]。
  • スクラップからのAl-Siピストンのリサイクル [17] [18]。

これらの研究は、さまざまな鋳造方法と材料強化を通じてAl-Si合金ピストンの機械的特性と性能を向上させるための継続的な取り組みを示しています。しかし、本論文は、砂型鋳造のような鋳造プロセスでは欠陥のあるピストンや望ましくない結果がしばしば関連付けられていると指摘し、より信頼性の高い方法の必要性を強調しています。

研究の必要性：

本研究は、各鋳造ごとに鋳型準備を必要としない自立型鋳造プロセス、特に永久鋳型鋳造を調査し、リサイクル材料からピストンの再現性を確保する必要があるため行われました。これはピストン廃棄物の環境問題に対処し、特に発電機使用量が多くピストン廃棄物の蓄積が深刻な地域において、持続可能なピストン生産の製造アプローチを確立することを目的としています。

4. 研究目的と研究課題：

研究目的：

主な研究目的は、リサイクルAl-Si合金を使用して950ワット発電機ピストンを鋳造するための永久鋳型を設計、解析、および製作することです。本研究は、設計された鋳型が欠陥のないピストンを製造するのに効果的かどうかを評価し、鋳造されたピストンの機械的および微細組織的特性を評価することを目的としています。

主要な研究課題：

主要な研究課題は、以下の点に焦点を当てています。

  • 950ワット発電機ピストン用の非破壊コアを備えた永久鋳型の概念設計。
  • 熱伝達特性を理解するための設計された鋳型の熱解析。
  • 設計された永久鋳型の製作。
  • 製作された鋳型とリサイクルAl-Si合金を使用したピストン鋳造。
  • 鋳造されたピストンの機械的および微細組織的特性の評価。
  • 鋳造されたピストンの特性とLM13合金の特性の比較。

研究仮説：

本論文では、研究仮説を明示的に述べていません。しかし、暗黙のうちに、本研究は適切に設計された永久鋳型がリサイクルAl-Si合金から欠陥のないピストンを効果的に鋳造でき、標準的なピストン合金であるLM13と同等の機械的および微細組織的特性を達成できるという仮説の下で進められています。

5. 研究方法：

研究デザイン：

本研究では、設計および実験方法論を採用しています。永久鋳型の概念設計を含み、熱シミュレーションと鋳型製作および鋳造実験による実験的検証が続きます。

データ収集方法：

データは、以下の方法で収集されました。

  • 熱シミュレーション: COMSOL Multiphysicsソフトウェアを使用して、鋳型およびコア内部の温度分布データを取得しました。
  • 機械試験: 鋳造されたピストンの引張強度と硬度を測定しました。
  • 微細組織解析: 光学顕微鏡を使用して、鋳造されたピストンの微細組織を検査しました。
  • 化学組成分析: 鋳造されたピストンの化学組成を決定し、LM13合金と比較しました。

分析方法：

  • 熱シミュレーション分析: 温度分布プロットを分析して、鋳造プロセス中の鋳型およびコアの熱伝達特性を評価しました。
  • 機械的特性の比較: 鋳造されたピストンの引張強度と硬度の値をLM13合金の特性と比較しました。
  • 微細組織評価: 微細組織写真を分析して、樹枝状晶組織や結晶粒構造などの微細組織的特徴を特定し、欠陥の有無を評価しました。
  • 組成比較: 化学組成分析の結果をLM13合金の標準組成と比較して、偏差を特定しました。

研究対象と範囲：

研究対象は以下のとおりです。

  • 小型内燃機関ピストン鋳造用永久鋳型の設計と解析。
  • リサイクルAl-Si合金スクラップを使用した950ワット発電機ピストンの鋳造。
  • 鋳造されたピストンの特性評価。

研究範囲は以下に限定されます。

  • 永久鋳型の概念設計、熱解析、および製作。
  • 950ワット発電機用ピストンの鋳造と特性評価。
  • リサイクルAl-Si合金スクラップを鋳造材料として使用。
  • 機械的および微細組織的特性の評価とLM13合金との比較。

6. 主な研究結果：

主要な研究結果：

  • 鋳型の設計と製作の成功: 950Wピストン鋳造用の永久鋳型が軟鋼（AISI 1065炭素鋼）で成功裏に設計および製作されました。
  • 効果的な熱放散: 熱シミュレーションの結果、鋼製鋳型が鋳造中に満足のいく熱放散を促進することが示されました。
  • 欠陥のない鋳造品: 永久鋳型を使用して欠陥のないピストンが製造され、微細組織において固有のマトリックス欠陥は観察されませんでした。
  • 微細組織: 鋳造されたピストンの微細組織は、永久鋳型によって促進された急速凝固を示す樹枝状晶組織構造と微細結晶粒構造で構成されていました（図11）。
  • わずかな組成変動: 鋳造された合金の化学組成は、LM13合金と比較してわずかな変動を示しました（表4）。
  • 同等の機械的特性: 鋳造されたピストンの平均引張強度と硬度はLM13よりもわずかに低かった（それぞれ15％と9％）が、伸びは大幅に向上しました（表5）。

提示されたデータの分析：

  • 熱解析: 図6、7、8は、注湯後の異なる時間における鋳型とコアの温度分布を示しています。解析結果は、溶融金属から鋳型への効果的な熱伝達を示しており、鋳型がヒートシンクとして機能しています。コアも熱放散に寄与し、鋼製鋳型材料の熱伝導率は急速冷却を促進します。
  • 微細組織解析: 図11は、鋳造されたピストンの微細組織を示しており、永久鋳型によって促進された急速凝固を示す樹枝状晶組織構造と微細結晶粒を示しています。マクロポアの欠如は、設計されたゲートシステムの効果的な通気を示唆しています。
  • 機械的特性: 表5は、鋳造されたピストンの機械的特性をLM13合金と比較しています。引張強度と硬度はわずかに低下していますが、伸びの向上は、潜在的に微細組織の改善による延性の向上を示唆しています。
  • 組成分析: 表4は、LM13と比較した鋳造されたピストンの化学組成を示しています。リサイクルプロセスとスクラップ材料の変動により、わずかな変動が観察されます。

図リスト：

Figure 2. Mould half (split mould) (a) projection views; (b) isometric drawing
Figure 2. Mould half (split mould) (a) projection views; (b) isometric drawing
Figure 4. Cast piston permanent mould on (a) Movable half of mould; (b) discretized mould
Figure 4. Cast piston permanent mould on (a) Movable half of mould; (b) discretized mould
Figure 5. Geometry of the piston core (a) unmeshed core; (b) discretized/meshed core
Figure 5. Geometry of the piston core (a) unmeshed core; (b) discretized/meshed core
Figure 3. An assembled model of the permanent mould
Figure 3. An assembled model of the permanent mould
Figure 6. Surface temperature distribution in the movable mould at different times (a) 0 s time; (b) 21 s time; (c) 42 s time and (d) 60 s time
Figure 6. Surface temperature distribution in the movable mould at different times (a) 0 s time; (b) 21 s time; (c) 42 s time and (d) 60 s time
Figure 7. Thermal plot through the central section of the mould at different times (a) 0 s time; (b) 21 s time, (c) 42 s time, and (d) 60s time
Figure 7. Thermal plot through the central section of the mould at different times (a) 0 s time; (b) 21 s time, (c) 42 s time, and (d) 60s time
Figure 8. Surface temperature distribution around the piston core at different times (a) 0 s time; (b) 2 s time and (c) 10.5 s time
Figure 8. Surface temperature distribution around the piston core at different times (a) 0 s time; (b) 2 s time and (c) 10.5 s time
Figure 9. Unmachined cast pistons
Figure 9. Unmachined cast pistons
Figure 11. Microstructure of the as-cast piston
Figure 11. Microstructure of the as-cast piston
  • 図1. 950W電気発電機ピストンの標準寸法（mm）
  • 図2. 鋳型ハーフ（分割鋳型）（a）投影図、（b）アイソメトリック図
  • 図3. 組み立てられた永久鋳型のモデル
  • 図4. （a）可動鋳型ハーフ上の鋳造ピストン永久鋳型、（b）離散化された鋳型
  • 図5. ピストンコアの形状（a）メッシュ化されていないコア、（b）離散化/メッシュ化されたコア
  • 図6. さまざまな時間（a）0秒、（b）21秒、（c）42秒、（d）60秒における可動鋳型の表面温度分布
  • 図7. さまざまな時間（a）0秒、（b）21秒、（c）42秒、（d）60秒における鋳型の中央断面を通る熱プロット
  • 図8. さまざまな時間（a）0秒、（b）2秒、（c）10.5秒におけるピストンコア周辺の表面温度分布
  • 図9. 未加工の鋳造ピストン
  • 図10. 加工済みの鋳造ピストン
  • 図11. 鋳造されたピストンの微細組織

7. 結論：

主な調査結果の要約：

本研究は、リサイクルAl-Si合金スクラップから950ワット発電機ピストンを鋳造するための永久鋳型の設計、製作、および応用を実証することに成功しました。主な調査結果には、熱放散における鋼製鋳型の有効性、改良された樹枝状晶微細組織を備えた欠陥のないピストンの製造、および改善された延性を備えたLM13合金と同等の機械的特性の達成が含まれます。

研究の学術的意義：

本研究は、ピストンのような複雑な形状の永久鋳型を設計および解析するための詳細な方法論を提供することにより、ダイカストの分野に貢献しています。熱シミュレーションと実験的検証は、永久鋳型鋳造中の熱伝達現象に関する貴重な洞察を提供します。また、本研究は、リサイクルアルミニウム合金を重要なエンジン部品の製造に使用する可能性を強調し、持続可能な製造慣行に貢献しています。

実用的な意義：

本研究の実用的な意義は、ピストン廃棄物管理と費用対効果の高いピストン生産の必要性に直面している地域にとって重要です。開発された永久鋳型技術は、Al-Siピストンスクラップをリサイクルして新しいピストンを製造するための実行可能なソリューションを提供し、廃棄物を削減し、持続可能なサプライチェーンを構築します。このアプローチは、発展途上国の地域製造および修理産業にとって特に有益となる可能性があります。

研究の限界と今後の研究分野：

本研究では、鋳造されたピストンの表面仕上げが、鋳型キャビティの機械加工による粗さのためにわずかに粗いことを認めています。鋳造されたピストンの過酷な使用条件への適合性は直接評価されていません。今後の研究方向には、以下が含まれます。

  • 鋳造されたピストンの表面品質を向上させるための鋳型キャビティ表面仕上げの最適化。
  • 鋳造されたピストンの耐久性と信頼性を検証するためのエンジン運転条件下での性能試験の実施。
  • 機械的特性をさらに向上させ、LM13の組成により近づけるために、リサイクルAl-Si合金への元素添加（Mn、Ni、Zn、Ti）の効果の調査。
  • 大量生産のためのこの永久鋳型鋳造プロセスのスケーラビリティの検討。

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9. 著作権：

  • 本資料は、"Olurotimi Akintunde Dahunsia, Olatunji Oladimeji Ojob*, Ikeoluwa Ogedengbea, Omeiza Bayode Maliki"氏らの論文："小型内燃機関ピストン用永久鋳型の設計と解析" (Design and Analysis of Permanent Mould for Small Internal Combustion Engine Piston) に基づいています。
  • 論文ソース：https://doi.org/10.35191/jjmie.2020.14.4.07

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