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立方体内の圧力計算について
noname#230359の回答
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回答(6)の再出です。引用文献があるので別回答としました。 ダイカスト製品には潤滑剤と空気を起源とするガスが含まれていることは知られています。ガスの種類は文献(A)では水素が、(B)では水素と窒素が、(C)ではCO+N2+炭化水素が主体としています。ガスの種類は潤滑剤の種類(油性か水性かなど)によって異なると考えられます。 CO2はあってもわずかと考えられます。今回の場合も問題となるガスはCO2ではないと考えられます。 さて今回の「噴き出る」問題ですが、小生はダイカスト作業そのものについては素人なので、よく判らないところがあります。 凝固終了前に型開きをすると、溶湯に対する加圧力が解放されるために未凝固の溶湯が噴出すのは当然のことのように思うのですがいかがでしょうか。 「ダイカスト圧P+生じたガス圧により(スキンを破壊して噴出した)」 圧Pを解放しても溶湯の体積はほとんど変化しないはずです。一方ガスの体積と溶湯への溶解量は圧力で変化するので、圧力が解放されるとガスの量と体積が増加し、それが「溶湯+ガス」の体積を膨張させているのではないでしょうか。 もし通常通り凝固完了後に型平開きをするとどうなるのでしょうか。 小生の疑問は、凝固前に型開きするとスキンを破って噴出するのが当然ではないかと言うことです。この点を実際にダイカスト作業をしている人に確認したいと思うのです。 回答(9)引用文献の圧力はプランジャーによる加圧力である。 実際のキャビティ内の溶湯やガス圧力をはどうなっているのか。 文献(D)「ダイカスト鋳物の充填・凝固挙動」 https://www.jstage.jst.go.jp/article/imono/60/12/60_12_770/_pdf 図9にガス圧力の継時変化が示されている。圧力は充填が開始されると上昇していき、充填完了時に最高になる。その後ガス圧力はゆっくり低下していくが、あるレベルは保持しており、もし型を開けばガスが噴き出てくるであろう。 しかしガス圧力センサはキャビ面に設置されており、凝固部の外側にあるガスの圧力を測定しているため、凝固部に閉じ込められたガスの圧力ではない。そのためこの圧力で未凝固の溶湯が噴き出すとは思えない。 文献(E)「キャビティ内の溶湯圧力変化」 https://www.jstage.jst.go.jp/article/imono/66/3/66_3_211/_pdf 図4に充填完了の0.14、0.4、1.2秒後に、ブランジャ加圧を1秒間だけ停止した時の溶湯の圧力変化が示されている。ブランジャによる加圧は停止したとされているが、図によれば5～10MPa程度は保持されている。 加圧停止により溶湯圧力は低下している。一方プランジャ加圧の停止をしていない図7を見ると、図4とほぼ同様の圧力低下を示しており、数秒後にはほぼ低下は完了している。つまり圧力低下の主要因は、文献にあるように凝固収縮である。 文献(E)の溶湯圧力は凝固部分に巻き込まれたガスの圧力も含まれている。凝固完了の数秒後には既に溶湯圧力は低下しており、型開きをしても溶湯が噴き出すことはないようである。 なぜ質問の例では噴き出したのであろうか。 文献(D)のガス圧は高々2気圧であり、噴き出しの原因にはなりそうもない 文献(E)の溶湯圧力がプランジャ加圧を止めてもすぐに低下していくのは、短時間にガスが凝固部内に取り込まれ、かつ型で保持された凝固部がガス膨張を抑え込んでいるからであろう。もしガスが膨張していれば圧力はこれほど低下しないはずである。 取り込まれたガスの圧力は溶湯圧力と同等の20MPa以上のであると考えられる。このため型開きをすると、薄い凝固層を突き破って未凝固の溶湯とガスの混合物が噴き出す可能性は十分にあると推定される。 しかし危険な実験を繰り返して確認するわけにはいかない。 「凝固時間の短縮」 小生はダイカスト技術屋ではないが、早期に型開きを行うことが凝固時間の短縮になるような気がしない。大気中にあるよりも冷却金型内にある方が、速く冷却するのではないだろうか。凝固時間を最も大きく支配するのは型温度であろうから、その方からアプローチすべきではないだろうか。 ダイカスト技術のコンサルタントは結構居るので、相談する方が早道と考える。
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補足
凝固時間をできるだけ短縮するため、完全凝固する前に（プランジャー前進端から3秒ぐらい）、型を開いたところ、溶湯が噴出しました。