重力ダイカストの湯口方案設計：シミュレーションによるピストン欠陥の克服

DESIGN OF GATING SYSTEM ON PISTON OF MOBIL SINJAI WITH GRAVITY DIE CASTING METHOD

本技術概要は、Rizki Yustisiabellah氏による学術論文「DESIGN OF GATING SYSTEM ON PISTON OF MOBIL SINJAI WITH GRAVITY DIE CASTING METHOD」（2015年、ITS Repository）に基づいています。

キーワード

• 主要キーワード: 重力ダイカスト 湯口方案 設計
• 副次キーワード: ピストン鋳造, 引け巣欠陥, 鋳造シミュレーション, ADC12アルミニウム合金, 押湯設計

エグゼクティブサマリー

• 課題: 「Mobil Sinjai」用ADC12アルミニウム製ピストンの初期の重力ダイカスト工程では、重大な引け巣欠陥が発生していました。
• 手法: 鋳造シミュレーションソフトウェアを用いて湯口方案の再設計と最適化を行い、押湯の寸法、中子の材質、ピストンヘッドの形状を変更しました。
• 主要なブレークスルー: 直径90mmの押湯と鋳鉄製中子を備えた再設計された湯口方案（タイプ2）により、引け巣を0.84%に削減し、ポロシティを解消することに成功し、後加工の必要性をなくしました。
• 結論: シミュレーション主導の湯口方案最適化は、重力ダイカスト製アルミニウムピストンの引け巣欠陥を大幅に削減し、製品品質を向上させ、高価な試行錯誤を排除するための費用対効果の高い手法です。

課題：この研究がHPDC専門家にとってなぜ重要なのか

自動車部品の製造において、特にエンジンピストンのような重要部品では、鋳造欠陥は許容されません。本研究の対象となった「Mobil Sinjai」用ピストンは、ADC12アルミニウム合金を用いた重力ダイカスト法で製造されていましたが、深刻な引け巣欠陥に悩まされていました。

当初の設計では、鋳造後にバルブカットアウトを機械加工する必要がありましたが、この加工によりピストン表面に機械的特性の差異が生じ、高い熱応力がかかる部分での応力集中を引き起こすリスクがありました。一方、バルブカットアウトを直接鋳造する設計では、ピストンスカート部に表面ポロシティが発生していました。

これらの欠陥を解消するために金型を何度も作り直すのは、時間とコストの大きな浪費につながります。この研究は、物理的な試作を行わずに、鋳造シミュレーションを活用して湯口方案を最適化し、欠陥のない高品質なピストンを効率的に製造することの重要性を浮き彫りにしています。

アプローチ：方法論の解明

本研究では、欠陥の原因を特定し、最適な鋳造条件を見出すために、体系的なシミュレーションアプローチが採用されました。

手法1：シミュレーション設定 ピストンと4種類の異なる湯口方案の3D CADモデル（STL形式）が作成されました。鋳造シミュレーションソフトウェアを用いて、溶湯の充填と凝固プロセスを解析し、欠陥の発生を予測しました。

手法2：主要パラメータ - 材料: ADC12アルミニウム合金 - 鋳込み温度: 700°C - 金型初期温度: 250°C（一部350°C） - 鋳込み時間: 2秒 - 中子材質: 主にねずみ鋳鉄を使用し、シリカ砂との比較も実施。

手法3：最適化変数 4つの異なる湯口方案がテストされました。タイプ1と3は押湯なし、タイプ2と4は押湯ありで設計されました。押湯ありの設計では、引け巣への影響を調査するために直径を50mmから90mmまで変更しました。また、ピストンヘッド形状（バルブカットアウトの有無）の影響も比較検討されました。

ブレークスルー：主要な発見とデータ

シミュレーションから得られた定量的なデータは、鋳造品質を向上させるための明確な指針を示しました。

発見1：押湯の追加による劇的な欠陥削減

初期設計（タイプ1、押湯なし）では8.69%という高い引け巣率が確認されました。これに対し、直径60mmの押湯を追加したタイプ2の設計では、引け巣率が4.86%まで大幅に減少し、押湯が凝固収縮を補償する上で不可欠であることが実証されました。

発見2：押湯寸法の最適化が品質の鍵

押湯の効果を最大化するため、さらなる最適化が行われました。湯口方案タイプ2において、押湯の直径を90mmに拡大したところ、引け巣率は0.84%まで低減しました。同様に、湯口方案タイプ4では、直径70mmの押湯が最も効果的で、引け巣率を0.54%に抑えることに成功しました。この結果は、押湯のサイズが欠陥を最小化するための重要なパラメータであることを示しています。

発見3：中子材質と製品形状の重要性

本研究では、中子の材質が欠陥に与える影響も評価されました。鋳鉄製の中子を使用した場合、シリカ砂の中子（引け巣率1.83%）と比較して、引け巣率が大幅に低く（0.84%）なりました。これは、熱伝導率の高い鋳鉄製中子が凝固を促進し、欠陥の発生を抑制したためです。また、バルブカットアウトを直接鋳造する設計は、後加工による応力集中のリスクを回避できるため、部品の信頼性向上に貢献します。

研究開発および運用への実践的な示唆

本論文の知見は、鋳造現場のさまざまな役割の専門家にとって、具体的で実用的な指針となります。

• プロセスエンジニア向け: この研究は、ADC12ピストンの凝固収縮を補償するためには、適切に設計された押湯が不可欠であることを示唆しています。特に、本研究のタイプ2方案における90mmの押湯や、タイプ4方案における70mmの押湯は、欠陥削減の有効なベンチマークとなります。
• 品質管理チーム向け: 論文内のシミュレーション結果（図4.32や表4.5など）は、押湯の直径と引け巣率の間に直接的な相関関係があることを示しています。また、新山クライテリオンやLCCポロシティクライテリオンによる解析で、最適化されたタイプ2設計にポロシティの兆候が見られなかったことは、明確な品質基準となり得ます。
• 設計エンジニア向け: 中子材質（鋳鉄対シリカ砂）の選択が、欠陥形成と最終的な機械的特性に大きく影響することを示しています。バルブカットアウトのような形状を後加工するのではなく、直接鋳造する設計にすることで、応力集中点をなくし、部品の健全性を高めることができます。これは、設計の初期段階で考慮すべき重要な要素です。

論文詳細

DESIGN OF GATING SYSTEM ON PISTON OF MOBIL SINJAI WITH GRAVITY DIE CASTING METHOD

1. 概要:

• 論文名: DESIGN OF GATING SYSTEM ON PISTON OF MOBIL SINJAI WITH GRAVITY DIE CASTING METHOD
• 著者: Rizki Yustisiabellah
• 発行年: 2015
• 発行元: ITS Repository
• キーワード: Allumunium ADC 12, Shrinkage, Simulation

2. 抄録:

ピストンは、燃料が膨張して得られるエネルギーをピストンロッドを介してクランクシャフトの運動エネルギーに変換するエンジンの構成部品である。SinjaiのピストンはアルミニウムADCを使用し、重力ダイカスト法で製造されている。しかし、鋳造品には依然として大きな欠陥があり、湯口方案の評価と再設計が必要である。ダイカスト用の金型を再製作するには多額の費用がかかる。鋳造シミュレーションは、実験を行うことなく鋳造結果と欠陥を示す方法である。鋳造シミュレーションは試行錯誤のコストを削減するため、企業の投資コストを減少させる。

研究は、鋳造品を3Dでモデリングし、以前に行われた実験を検証するために環境に類似した鋳造パラメータでシミュレーションソフトウェアを実行することから始まる。アルミニウムは、すでに250℃に予熱された金型に700℃で2秒の鋳込み時間で注がれる。押湯は、収縮の発生を防ぐために凝固速度のバランスをとる目的で追加される。最初の湯口方案と3番目の湯口方案には押湯は設置されていない。直径60mmの押湯が2番目と4番目の湯口方案に追加される。4つの湯口方案のシミュレーションが完了した後、押湯の直径を変化させて鋳造の最適化が行われる。品質の良い鋳造品が得られた湯口方案は、中子をねずみ鋳鉄からシリカ砂に置き換え、ピストン表面を平坦なピストンにプロファイル加工してシミュレーションされる。

60mmの押湯を持つ2番目の湯口方案は、押湯がない場合の8.69%から収縮率を4.86%に低下させる。押湯がない場合の5%から、70mmの押湯を持つ4番目の湯口方案は収縮率を0.55%にまで大幅に減少させることに成功した。しかし、金型の設計は直径90mmの押湯を持つ2番目の湯口方案に基づいている。収縮率は他の結果よりも高かったが、4番目の方案の鋳造品は表面が滑らかで、製造が容易であり、取り出しも容易であった。

3. 序論:

本研究は、インドネシアの国産車「Mobil Sinjai」に使用される650ccエンジンのピストン製造に関する課題を扱っている。このピストンはADC12アルミニウム合金を用い、重力ダイカスト法で製造されているが、初期の製造プロセスではピン周りに引け巣欠陥が発生していた。この問題を解決するため、押湯を追加して湯口方案の再設計が行われた。しかし、再設計後も、特にバルブカットアウトを持つピストンにおいて、ピストンスカート部に表面ポロシティという新たな欠陥が発生した。

ピストンクラウンの後加工は、表面の機械的特性に差異を生じさせ、高い熱応力下での応力集中を引き起こす可能性があるため、避けるべきである。したがって、後加工なしで高品質な鋳造品を得ることが重要となる。

鋳造における試行錯誤による金型修正はコストがかかるため、本研究では鋳造シミュレーションソフトウェアを活用する。シミュレーションにより、実際の鋳造を行わずに欠陥を予測し、湯口方案を最適化することで、製品の欠陥を減らし、生産コストを削減することを目的とする。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

重力ダイカスト法によるADC12アルミニウム合金製自動車用ピストンの製造。特に、引け巣やポロシティといった鋳造欠陥の発生が課題となっている。

先行研究の状況:

Hussainyら[4]の研究では、シミュレーションソフトウェアを用いて重力ダイカストにおける欠陥を除去するアプローチの有効性が示されている。また、Kurniawanら[7]の研究では、ピストンの熱応力解析が行われ、後加工が応力集中を引き起こすリスクが指摘されている。これらの先行研究は、本研究におけるシミュレーションの活用と、後加工を不要とする設計目標の妥当性を裏付けている。

研究の目的:

鋳造シミュレーションを用いて、Mobil Sinjai用ADC12ピストンの鋳造欠陥（引け巣、ポロシティ）を解消できる最適な湯口方案を設計すること。

中心的な研究:

本研究では、4種類の湯口方案（ピストンの向きと押湯の有無で区別）を対象に、鋳造シミュレーションを実施した。 1. 比較分析: 4つの湯口方案のシミュレーション結果を比較し、引け巣の発生状況を評価した。 2. 押湯の最適化: 押湯が有効と判断された方案（タイプ2およびタイプ4）について、押湯の直径を50mmから90mmまで変化させ、引け巣率が最小となる寸法を特定した。 3. 材質と形状の影響評価: 最適化された方案について、中子の材質を鋳鉄からシリカ砂に変更した場合の影響、およびピストンヘッドの形状（バルブカットアウトの有無）が欠陥に与える影響を分析した。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究は、計算流体力学（CFD）を用いたシミュレーション研究として設計されている。Rapid Solidification Shrinkage (RSS) モデルを用いて、溶湯の充填および凝固過程における引け巣の発生を予測した。

データ収集・分析方法:

3D CADソフトウェアで作成されたピストンと湯口方案のモデル（STL形式）を鋳造シミュレーションソフトウェアにインポートした。シミュレーションにより、各設計における溶湯の流れ、温度分布、凝固パターンを解析した。欠陥の評価は、シミュレーション結果から得られるボイド体積（void volume）を鋳造品の全体積と比較して引け巣率（%）を算出することによって行われた。また、LCCクライテリオンおよび新山クライテリオンを用いてポロシティの発生ポテンシャルを評価した。

研究対象と範囲:

研究対象は、ADC12アルミニウム合金を用いたMobil Sinjai用ピストンの重力ダイカストプロセスに限定される。シミュレーションの主要な境界条件は以下の通りである。 - 鋳込み温度: 700°C - 金型初期温度: 250°C（タイプ4のみ350°C） - 鋳込み時間: 2秒 - 仮定: 溶融金属はニュートン流体として扱われ、金型と溶湯間の摩擦は一定と見なす。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• 押湯のない湯口方案（タイプ1）では、引け巣率が8.69%であった。
• 押湯を追加した湯口方案（タイプ2）では、直径60mmの押湯で引け巣率が4.86%に、直径90mmの押湯で0.84%にまで減少した。
• 水平に配置した押湯のない方案（タイプ3）では、引け巣率が5.00%であった。
• 水平に配置し押湯を追加した方案（タイプ4）では、直径60mmの押湯で引け巣率が1.05%に、直径70mmの押湯で0.54%にまで減少した。
• 中子の材質を鋳鉄からシリカ砂に変更すると、引け巣率は増加した（例：タイプ2、90mm押湯の場合、0.84%から1.83%へ増加）。
• 最終的に、引け巣率が0.84%でポロシティの予測もなかったことから、湯口方案タイプ2（90mm押湯、鋳鉄中子、バルブカットアウト形状あり）が最適な設計として提案された。

Figure Name List:

• Gambar 1.1 Piston dengan matrass datar
• Gambar 1.2 Piston dengan matrass berpola
• Gambar 2.1 Hasil eksperimen dan simulasi
• Gambar 2.2 Simulasi untuk optimasi hasil coran dengan riser berbentuk silinder
• Gambar 2.3 Produk setelah perancangan ulang
• Gambar 2.4 Piston
• Gambar 2.5 Dua tipe mesin die casting
• Gambar 2.6 Bottom-gated permanen mold
• Gambar 2.7 Salah satu contoh bagaimana pengecoran dengan metode die casting didesain ulang
• Gambar 2. 8 Cawan tuang
• Gambar 2.9 Bentuk sprue
• Gambar 2.10 Bentuk saluran turun dasar
• Gambar 2.11Perangkap kotoran
• Gambar 2.12 Saluran Masuk
• Gambar 2.13 Jenis Riser
• Gambar 2.14 Area sprue
• Gambar 2.15 Gate dan runner area
• Gambar 2.16Wall base area
• Gambar 2.17 Penambah untuk paduan alumunium
• Gambar 2.18 Cacat rongga udara
• Gambar 2.19 Cacat surface crack
• Gambar 2.20 Cacat penyusutan
• Gambar 2.21 Ilustrasi terjadinya cacat penyusutan
• Gambar 3.1 Flowchart Penelitian
• Gambar 4.1 Model Piston Sinjai
• Gambar 4.2 Bottom Gating Sistem 1 saluran
• Gambar 4.3 Penampang runner
• Gambar 4.4 Rancangan sistem saluran baru
• Gambar 4.5 Rancangan Sistem Saluran dengan Penambah Atas
• Gambar 4.6 Model 3D yang digunakan untuk simulasi
• Gambar 4.7 Geometry Interpretation
• Gambar 4.8 Solid Object
• Gambar 4.9 Pengaturan Meshing
• Gambar 4.10 Boundary Condition
• Gambar 4.12 Metal Input
• Gambar 4.12 Metal Parameter
• Gambar 4.13 Heat Transfer Coefficient
• Gambar 4.14 Solver Parameter
• Gambar 4.15 Advanced Option
• Gambar 4.16 Post Processing
• Gambar 4.17 Model 3D gating system tipe 1
• Gambar 4.18 Shringkage pada simulasi sistem yang ditunjukkan dengan void volume
• Gambar 4.19 Temperatur pada kondisi logam
• Gambar 4.20 Model 3D Gating system tipe 2
• Gambar 4.21 Shrinkage pada simulasi
• Gambar 4.22 Temperatur. pada kondisi
• Gambar 4.23 Model 3D system gating system tipe 3 pada simulasi
• Gambar 4.24 Shrinkage pada simulasi
• Gambar 4.25 Temperatur logam pada kondisi
• Gambar 4.26 Model 3Dgating system tipe 3
• Gambar 4.27 Shrinkage pada simulasi
• Gambar 4.28 Temperatur pada kondisi logam
• Gambar 4.29 Cacat Shrinkage tampak atas dalam bentuk cube view
• Gambar 4.30 Cacat shrinkage tampak samping dalam bentuk cube view
• Gambar 4.31 Perbandingan persentase shrinkage dengan berbagai ukuran diameter pada dua jenis gating system
• Gambar 4.32 Hasil simulasi gating system tipe 2 dengan riser 90 mm (a)Inti cast iron (b) inti pasir silica
• Gambar 4.33 Gambar Hasil simulasi gating system tipe 4 dengan riser 70 mm (a)Inti cast iron (b) inti pasir silica
• Gambar 4.34 Hasil simulasi gating system tipe 2 dengan riser 90 mm (a) piston memiliki valve cutout (b) piston dengan permukaan rata
• Gambar 4.44 Gambar Hasil simulasi gating system tipe 4 dengan riser 70 mm (a) piston memiliki valve cutout (b) piston dengan permukaan rata
• Gambar 4.45 Perencanaan Gating System untuk Piston Sinjai Dengan Gravity Die Casting

7. 結論:

本研究から得られた結論は以下の通りである。 1. ピストンの向きは引け巣に影響を与え、スプルーに対して平行に配置（垂直方向）した方が、垂直に配置（水平方向）するよりも引け巣が少なかった。 2. オープンタイプの押湯を追加することは、引け巣を大幅に削減するために非常に効果的である。 3. 湯口方案タイプ2（90mm押湯）では、LCCおよび新山クライテリオン解析においてポロシティの兆候が見られなかった。一方、タイプ4（70mm押湯）ではピン表面にポロシティの可能性が示されたが、その量は機械的特性に大きな影響を与えないレベルであった。 4. 最終的に、湯口方案タイプ2（鋳鉄中子、90mm押湯、バルブカットアウト形状あり）が最適な設計として結論付けられた。この設計はポロシティの兆候がなく、金型の製作が容易で、エジェクタなしでの製品取り出しも可能であるという利点がある。

8. 参考文献:

• [1] Surdia, Tata. 2006. Teknik Pengecoran Logam. 9th edition. Jakarta: PT. Pradnya Paramita.
• [2] Flemings, Merton C. 1974. Solidification Processing. USA : McGrawhill
• [3] Krar, Steve F. 1999. Illustrated Dictionary of Metal Working and Manufacturing Technology. USA : Mc Graw-Hill.
• [4] Hussainy, S. Ferhathullah. 2015. A Practical Approach to Eliminate Defects in Gravity Die Cast Al-Alloy Casting Using Simulation Software. MJCET, Telangana, India.
• [5] Resources, Tools and Basic Information for Engineering and Design of Technical Applications. (http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html) 7 Mei 2015.
• [6] Alumunium Die Casting Manufacturer From China. (http://www.aludiecasting.com/support-data.php) 29 April 2015.
• [7] H.H Doehler. 1951. Die Casting. USA : McGraw-Hill
• [8] P.R. Beeley. 1972. Foundry Technology. USA : Buttertworth (Publisher) Inc
• [9] Chidasama, Bhupendra J. 2013. Solidification Analysis and Optimization Using Pro Cast. S.P.B Patel Engineering College, Mehsana, India.
• [10] Prayuga, Bayu. 2015. Rancang Bangun dan Analisa Simulasi Sistem Saluran terhadap cacat penyusutan (shrinkage) pada Pembuatan Kepala Silinder (Cylinder Head) Sinjai (Mesin jawa timur) 650 cc material Alumunium ADC 12 dengan Pengecoran Pasir Sand Casting).Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya.
• [11] Stefanescu, D.M. 1988. ASM Handbook Volume 15 Casting. USA: ASM International
• [12] Kurniawah, Moch. Wahyu. 2014. Analisis Kekuatan dan Deformasi Piston Mesin Bensin-Bio Etanol dan Gas Dengan Injeksi Langsung Untuk Kendaraan Nasional Dengan Simulasi Numerik).Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya.

専門家Q&A：よくある質問への回答

Q1: このピストンになぜADC12アルミニウム合金が選ばれたのですか？

A1: 論文によると、ADC12はSinjaiピストンに実際に使用されている材料です。この合金は、自動車のエンジンブロックやシリンダーヘッドなどに広く用いられる標準的なAl-Si-Cu系鋳造合金であり、要求される機械的特性と鋳造性を両立しているため、この用途に適していると判断されました。

Q2: 論文では4つの湯口方案が比較されていますが、タイプ1/2とタイプ3/4の主な違いは何ですか？

A2: タイプ1と2ではピストンをスプルーに対して平行に、つまり垂直に配置しています。一方、タイプ3と4ではピストンをスプルーに対して垂直に、つまり水平に配置しています。シミュレーションの結果、最適化された押湯を持つ垂直配置（タイプ2）の方が、製造の容易さと欠陥防止の観点から、より優れた結果をもたらすことが示されました。

Q3: 鋳込み温度700°C、金型初期温度250°Cという条件が選ばれた理由は何ですか？

A3: これらのパラメータは、ピストンの実際の生産条件を反映するために選ばれました。抄録および方法論のセクションで述べられているように、シミュレーションが現実の鋳造結果を正確に検証・予測できるように、実際の製造プロセスで用いられている条件が採用されています。

Q4: 論文では、鋳鉄製の中子がシリカ砂の中子よりも優れていると結論付けていますが、その理由は何ですか？

A4: 鋳鉄は金属であるため、シリカ砂よりも熱伝導率がはるかに高いです。これにより、中子と接触する溶湯の凝固が速く進み、その領域での引け巣欠陥の発生が抑制されます。シミュレーション結果もこれを裏付けており、鋳鉄製中子を使用した場合の方が引け巣率が低く（0.84% vs 1.83%）、より優れた表面品質が得られることが確認されました。

Q5: 研究では、最適な押湯の直径はどのように決定されたのですか？

A5: この研究では、最も有望な湯口方案（タイプ2とタイプ4）を対象に、押湯の直径を50mmから90mmまで変化させるパラメトリックシミュレーションが実施されました。引け巣率（%）が最も低くなった直径が最適と判断され、その結果、タイプ2では90mm（引け巣率0.84%）、タイプ4では70mm（引け巣率0.54%）が最適値として特定されました。

Q6: 最終的な設計案では、バルブカットアウトの後加工を避けていますが、これはなぜ重要な利点なのですか？

A6: 論文の序論で引用されているKurniawan氏[7]の研究によると、機械加工はピストン表面に機械的特性の不均一性を生じさせます。ピストンクラウンは高い熱応力を受けるため、この特性の不均一性が応力集中を引き起こし、材料の破損につながる可能性があります。最終形状を直接鋳造することで、表面の完全性を保ち、このリスクを回避することができます。

結論：より高い品質と生産性への道を開く

重力ダイカストにおける引け巣欠陥は、多くの製造現場が直面する根深い問題です。本研究は、シミュレーションを活用した重力ダイカストの湯口方案設計が、この課題に対する強力な解決策であることを明確に示しました。特に、押湯の有無とその寸法の最適化が、欠陥を管理し、最終製品の品質を決定づける上で極めて重要であることが実証されました。

この研究で得られた知見は、高価な金型の試作と修正を繰り返すことなく、開発の初期段階で最適な鋳造プロセスを確立するための道筋を示しています。

CASTMANでは、最新の業界研究を応用し、お客様の生産性と品質の向上を支援することをお約束します。この論文で議論された課題がお客様の事業目標と一致する場合、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご連絡ください。これらの原則をお客様の部品製造にどのように適用できるか、共に探求しましょう。

著作権情報

このコンテンツは、Rizki Yustisiabellah氏による論文「DESIGN OF GATING SYSTEM ON PISTON OF MOBIL SINJAI WITH GRAVITY DIE CASTING METHOD」に基づいた要約および分析です。

出典: https://core.ac.uk/download/pdf/77625055.pdf

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