JP4144483B2

JP4144483B2 - 鋳造内部欠陥検査支援装置および方法

Info

Publication number: JP4144483B2
Application number: JP2003310220A
Authority: JP
Inventors: 博行石井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP2005077324A

Description

本発明は、鋳造品にできる鋳巣などの内部欠陥の検査を支援するための技術に関する。より詳しくは非破壊で鋳造品の内部欠陥の種類を判定する検査方法に関する。

鋳造品に現れる欠陥の中には、引け巣などの鋳巣のように、製品の内部に現れる欠陥がある。このような内部欠陥は、鋳造品の強度などの性能に悪影響を及ぼす可能性があるので、無いに越したことはない。しかし、現実問題として鋳巣を皆無にすることはきわめて困難なので、製品形状や鋳造の仕方を調整するなどによって、性能に影響が少ない部分（例えば後の機械加工工程で除去する部分など）に鋳巣を集中させるというアプローチが採られている。

ここで内部欠陥の検査には、古くは製品自体の破壊が必要であった。このような破壊検査は、手間と時間を要する上、精度もあまり高くなく、また、破壊検査に用いたワークについては、その後、強度試験などのワーク全体についての試験を行うことができなくなるため、不便な場合があった。

これに対して近年では、Ｘ線を用いた非破壊検査もよく用いられるようになっている。特に最近では、Ｘ線ＣＴ（コンピュータ断層）により鋳造品内部の断面を画像化することで、鋳造部品の内部品質を判定する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１２７５９号公報

Ｘ線ＣＴを用いた検査は、検査対象の断層画像が得られるので、内部欠陥の有無や位置を視覚的に確認しやすいというメリットがある。

しかしながら、これらの従来技術では、測定した鋳造品その物の内部欠陥の有無やその分布については知ることができるが、得られた内部欠陥が空気などのガスを巻き込んだいわゆるガス巣であるのか、あるいは凝固時の金属の体積変化に起因する引け巣であるのかを判別することはできない。

内部欠陥の発生原因によりその内部欠陥に対する防止対策は異なる。例えば、一般的に、アルミ合金のダイカスト鋳造品において、ガス巣に対しては射出速度や製品までの湯道形状の適正化などの対策が効果的であり、また、引け巣に対しては製品形状の適正化や金型の冷却制御などの対策が有効である。従って、個々の内部欠陥について、その発生位置とともに欠陥の種類を判別することが望まれていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、鋳造品の内部欠陥についてその各々の欠陥がガス巣であるか引け巣であるかを非破壊で判定する装置と方法とを提供することを目的とする。

発明者らは、内部欠陥がガス巣である場合には、その空洞内に空気や吸収ガスが充満しているので、鋳造品を加熱処理することにより空洞内のガスが膨張して空洞の形状を変化させるが、引け巣の場合にはその空洞内は真空状態と考えられるので、鋳造品を加熱処理しても空洞の形状は変化しないことに思い至り、本発明を完成した。

本発明の鋳造内部欠陥検査支援装置は、検査対象の鋳造品を実測して形成した該鋳造品の複数の断面の断層画像を受け取り、それら前記複数の断面の断層画像に基づき、前記鋳造品のサーフェイスモデルを形成する実測モデル形成手段と、前記実測モデル形成手段で形成したサーフェイスモデルをディスプレイ装置に表示し、該表示上で前記鋳造品の外表面に該当する面要素をユーザが指定し、指定された該面要素を起点に該面要素と辺を共有する面要素を探索して前記鋳造品の外表面を構成する面要素群を特定し、外表面を構成する該面要素群以外の面要素を前記鋳造品内の空洞を囲む面要素として特定することで、前記空洞に該当する部分を識別する欠陥識別手段と、前記鋳造品のサーフェイスモデルと加熱後の該鋳造品のサーフェスモデルとを比較して同一位置に存在する前記空洞の加熱前後の形状差異を識別する形状差異識別手段と、前記サーフェイスモデルをディスプレイ装置に三次元表示するための表示画像を形成する手段であって、前記サーフェイスモデルにおける前記鋳造品の外表面を構成する面要素を半透明とし、前記空洞を囲む面要素を前記半透明表示とは異なる色で表示するとともに、前記形状差異識別手段で差異ありと判定された加熱後の前記空洞を囲む面要素を他の空洞とは異なる色で強調した表示画像を形成する表示画像形成手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の鋳造内部欠陥検査支援方法は、検査対象の鋳造品を実測して形成した該鋳造品の複数の断面の断面画像を受け取り、それら前記複数の断面の断層画像に基づき、前記鋳造品の三次元形状モデルを形成する実測モデル形成ステップと、
前記実測モデル形成ステップで形成した三次元形状モデルから、前記鋳造品内の空洞に該当する部分を識別する欠陥識別ステップと、前記鋳造品の三次元形状モデルと該鋳造品を加熱して前記空洞のうちガス巣の形状のみを変化させた加熱後の該鋳造品の三次元形状モデルとを比較して同一位置に存在する前記空洞の加熱前後の形状差異を識別する形状差異識別ステップと、前記三次元モデルをディスプレイ装置に三次元表示するための表示画像を形成するステップであって、前記鋳造品の三次元形状モデルを半透明とし、前記空洞に該当する部分を前記三次元形状モデルとは異なる色で表示するとともに、前記ガス巣を他の空洞とは異なる色で強調した表示画像を形成する表示画像形成ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、鋳造品の内部欠陥の個々について、ガス巣であるか引け巣であるかを明確に区分して把握することができる。従って、欠陥の種類別に対策を講じることができるので、より効率的な品質改善を行うことができる。また、判別した鋳造欠陥データを鋳造シミュレーションなどに活用することによりシミュレーション精度の向上を図ることができ、研究開発のサイクルの短縮をも期待することができる。

以下、本発明の最良の形態（以下、実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係わる鋳造品検査支援システムの概略構成を示す図である。図１に示すように、このシステムは、Ｘ線ＣＴスキャナ１０と検査支援装置２０とディスプレイ装置５０と入力装置５５とを含む。

Ｘ線ＣＴスキャナ１０は、鋳造品をＸ線にて走査することでＣＴ断層画像を撮影するための装置である。

検査支援装置２０は、ＣＴ断層画像に基づき鋳造品の内部欠陥検査の助けとなる情報を作成してユーザに提供する装置であり、実測モデル形成部２２と実測モデル位置合わせ部２４と内部欠陥識別部２６と形状差異判定部２８とデータ集計部３０と描画部３２とを備えている。検査支援装置２０は、例えば、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの汎用コンピュータシステムに、以下に説明する実測モデル形成部２２や実績モデル位置合わせ部２４、内部欠陥識別部２６、形状差異判定部２８、データ集計部３０、描画部３２などの処理内容を記述したプログラムを実行させることにより実現することができる。

このうち、実測モデル形成部２２は、Ｘ線ＣＴスキャナ１０から入力される断層画像群から、鋳造品の三次元形状モデルを形成する。ここでは、三次元形状モデルとして、鋳造品の表面をポリゴン（多角形面要素）で表したポリゴンサーフェイスモデルを作成する。このような断層画像群からポリゴンモデルを作成するアルゴリズムとしては、たとえば、マーチング・キューブ法などの従来公知のものを利用することができる。空気と鋳物金属（例えばアルミニウムや鋳鉄など）では、Ｘ線の吸収率が大きく異なるため、ＣＴ断層画像では両者の画素値（ＣＴ値）に大きい差が出る。従って、ＣＴ断層画像群からマーチング・キューブ法などの手法でポリゴンモデルを作成すると、鋳造金属部分と空気との境界面がポリゴンデータ化される。すなわち、実測モデル形成部２２で形成されるポリゴンモデルでは、鋳造品と外部の境界面だけでなく、鋳造品内部の鋳巣などの内部欠陥による空洞部分の内面も表現される。

実測モデル位置合わせ部２４は、加熱処理前後の鋳造品を実測して実測モデル形成部２２で得られた各三次元形状モデルの位置合わせを行う。

内部欠陥識別部２６は、実測モデル形成部２２が形成した三次元形状モデルから、鋳造品内の内部欠陥に該当する部分を識別する。ここでは、ポリゴンサーフェイスモデルから、鋳造品の外部（外気）との境界面（外表面と呼ぶ）に該当するポリゴン群を抽出し、残ったポリゴン群を内部欠陥の空洞部分との境界面と認識する。

形状差異判定部２８は、内部欠陥識別部２６が識別した加熱処理前後で同一位置に対応する各内部欠陥の形状が、加熱処理後に変化（膨張）しているか否かを判定する。
図３に内部欠陥である鋳巣の実測モデルを模式的に示した。（ａ）は加熱前の鋳巣の実測モデルであり、この領域ではＰ１〜Ｐ５の５個の鋳巣が認められた。（ｂ）は加熱処理後の同一領域の鋳巣の実測モデルである。（ａ）のＰ１〜Ｐ５に対応するＰ１’〜Ｐ５’の５個の鋳巣が認められる。得られた（ａ）と（ｂ）との実測モデルを（ｃ）のように重ね合わせると、加熱処理によって変形した鋳巣を判別することができる。ここでは鋳巣Ｐ２のみが加熱処理後にＰ２’に膨張して形状が変化していることが分かる。すなわち、鋳巣Ｐ２は鋳造時に空気などのガスを巻き込んだガス巣であり、その他の鋳巣（Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５）は鋳造品の冷却による体積変化で形成された引け巣であると判定することができる。なお、判定方法としては、同一位置に存在する鋳巣の加熱処理前後の体積変化を求め、その変化量がある閾値以上である場合を「形状差異あり」と判定する方法などを例示することができる。

データ集計部３０は、形状差異判定部２８で判定した結果を必要に応じて集計する。例えば、各ガス巣の体積や大きさの諸元や発生位置などをデータとして集計する。

描画部３２は、実測モデル形成部２２で形成した三次元形状モデルをレンダリングして表示画像を形成する手段であり、特に本実施の形態では、形状差異判定部２８の判定結果を利用して、内部欠陥をガス巣と引け巣とに色分けして視認しやすく強調した表示画像を形成する。

検査支援装置２０に設けられたハードディスクドライブなどの記憶部６０には、Ｘ線ＣＴスキャナで取り込んだ実測モデル３４や、実測モデル形成部２２で形成した製品形状実測モデル３６、内部欠陥識別部２６で識別された欠陥形状実測モデル３８，データ集計部３０で得られた欠陥分布データ４０などが記憶される。

ディスプレイ装置５０は、検査支援装置２０の形成する表示画面を表示する装置であり、例えば、描画部３２が形成した鋳造品の三次元画像の表示を行う。

入力装置５２は、例えば、キーボードやポインティングデバイスなど、検査支援装置２０に対するデータや指示の入力を受け付ける装置である。

次に、図２を参照しながら、このシステムによる鋳造品の内部欠陥検査支援方法を説明する。

まず、このシステムでは、Ｘ線ＣＴ装置１０より、検査対象鋳造品の所定間隔（例えば１ｍｍなど。この間隔は、作成したい三次元形状モデルの精度による）の断面をそれぞれ走査し、それら各断面の断層画像を作成する（Ｓ１０）。この結果得られた各断面の断層画像のデータは、検査支援装置２０に入力される。検査支援装置２０の実測モデル形成部２２は、それら断層画像群から、マーチング・キューブ法などのアルゴリズムを用いて、検査対象の鋳造品のポリゴンサーフェイスモデルを形成する（Ｓ１２）。

次に、Ｘ線ＣＴ計測した鋳造品に加熱処理を施す（Ｓ１４）。ここで施す加熱処理は、鋳造品の内部欠陥をガス巣と引け巣とに判別できるようにするためにガス巣内のガスを加熱によって膨張させ、結果としてガス巣の形状を加熱前の形状と異なる形状にしようとするものである。加熱処理の処理条件は、鋳造品の材質や形状、大きさなどによって異なるが、例えば、アルミダイカスト品であるシリンダブロックの場合には、加熱温度を４００〜５００℃として２〜８時間加熱することが好ましい。加熱温度が４００℃未満では加熱前後でガス巣形状に明確な差異が認められない場合があり、また、５００℃を越えるとシリンダブロック自体が変形することがあるので好ましくない。また、加熱時間が２時間未満では、ガス巣の変形に鋳造品の部位によるバラツキが生じることがあるので適当ではない。ガス巣の変形量は加熱時間の経過とともに増大はするがその変形量はやがて飽和する。従って、８時間を超えて加熱してもそれ以上の顕著なガス巣の形状変化は期待できない。むしろ加熱温度によっては鋳造品の変形を生じることがあるのであまり長時間の加熱は好ましくない。

以上の方法で加熱処理された鋳造品を加熱前の鋳造品と同様にＸ線ＣＴ装置１０により、各断面の断層画像を作成して検査支援装置２０に入力して三次元実測モデルを形成する。

次に、実測モデル位置合わせ部２４が、加熱処理前後の各鋳造品から得られたポリゴンサーフェイスモデルが重なるように位置合わせを行う（Ｓ１６）。ここで、計測したモデルに対して同一位置に存在する内部欠陥を対応させることができるようになる。

次に、内部欠陥識別部２６がこのポリゴンサーフェイスモデルから、鋳造品内の内部欠陥に該当する部分を識別して、内部欠陥モデルとサーフェイスモデルとに分離する（Ｓ１８）。ここでは、ポリゴンサーフェイスモデルから、鋳造品の外部（外気）との境界面（外表面と呼ぶ）に該当するポリゴン群を抽出し、残ったポリゴン群を内部欠陥の空洞部分との境界面と認識する。まず外表面の認識処理のために、ポリゴンサーフェイスモデルをディスプレイ装置５０に表示し、その表示上でユーザに鋳造品の外表面に該当するポリゴンの指定を求める。このように指定されたポリゴンを起点に、すでに外表面として認識されているポリゴンに連結する（すなわち辺を共有する）ポリゴンを探索してこれを新たに外表面として認識する。すなわち、探索して得たポリゴンが外表面に該当する旨を記憶部６０に記憶する。この処理を、新たに外表面と認識されるポリゴンが増えなくなるところまで繰り返すと、鋳造品の外表面に該当するポリゴンを全て抽出でき、ポリゴンサーフェイスモデルを生成することができる。得られたポリゴンサーフェイスは記憶部６０の製品形状実測モデル３６として格納される。

鋳造品の場合、外表面でない境界面（すなわち鋳造品の内表面）は、内部欠陥と考えてよい。従って、外表面のポリゴンを全て抽出した後で、外表面である旨の情報が記憶されていないポリゴンは、内部欠陥である空洞を取り囲むポリゴンと考えることができる。したがって、ユーザに指定されたポリゴンに連結するポリゴンを全て抽出した後に、抽出されずに残った各ポリゴンを鋳造品の内部欠陥に対応するポリゴンとして識別して（Ｓ１８）、内部欠陥モデルを生成することができる。得られた内部欠陥モデルは欠陥形状実測モデル３８として記憶部６０に格納される。

このように加熱処理前後の各鋳造品ごとに内部欠陥が識別できると、形状差異判定部２８は、加熱処理前後の欠陥形状実測モデル３８を用いて同一位置に存在する内部欠陥（鋳巣）の加熱処理前後での形状の差異を判定する（Ｓ２０）。全ての内部欠陥について形状差異の有無を判定する（Ｓ２２）。

描画部３２の処理としては、まず記憶部６０に製品形状実測モデル３６として格納された外表面の各ポリゴン群を半透明に設定する。すなわち、外表面と認識したポリゴンに対し、０より大きく１より小さい所定値の透過係数（透過係数０は完全に透明、透過係数１は完全に不透明）を設定する。また、ガス巣として判定された内部欠陥のポリゴンと引け巣と判定された内部欠陥のポリゴンとを区別しやすい所定の色に設定する（Ｓ２４）。そして、この設定にしたがって、描画部３２は、鋳造品のポリゴンサーフェイスモデルをレンダリングし、その結果の三次元画像をディスプレイ装置５０に表示する(Ｓ２６）。このようにして作成される三次元画像では、鋳造品の形状が半透明で表示され、鋳造品内部にある内部欠陥がガス巣と引け巣とに色分けされて半透明の鋳造品形状を透かして明確に視認できるように表示される。つまり、ガス巣と引け巣とを区分して三次元表示することができるので、ユーザにとって内部欠陥の位置や数、形状、大きさなどを内部欠陥の種類（ガス巣と引け巣）ごとに明確に区分して把握することができる。また、入力装置５５から注目部位の断面を抽出して（Ｓ２８）内部欠陥の発生領域とその発生領域における内部欠陥の種類（ガス巣か引け巣か）を知ることにより、内部欠陥の種類による的確な対策を立案して、生産へ反映することができる（Ｓ３０）。

本発明よれば、鋳造品の内部欠陥の個々について鋳造時のガスの巻き込みによるガス巣か、あるいは凝固による引け巣かを判別することができる。従って、鋳造品の品質改善に当たっては、各々の内部欠陥の発生原因に対応する的確な対策を立案して実施することができる。

また、個々の内部欠陥について、判別された欠陥の種類や三次元位置、あるいは欠陥ごとの体積などといった内部欠陥データを鋳造シミュレーションに活用することにより、シミュレーションの精度を向上させることができる。

本発明は、エンジンブロックのようなアルミ合金のダイカスト鋳造品に限らず、種々の材質や鋳造方法に好適に用いることができる。従って、自動車メーカーや鋳造部品メーカーにおける鋳造部品の品質向上に大きく寄与することができる。

本発明の実施形態のシステム構成を示す図である。実施形態のシステムの処理手順を示すフローチャートである。加熱処理前後の鋳造品の内部欠陥を示す模式図である。（ａ）：加熱前、（ｂ）：加熱後、（ｃ）：（ａ）と（ｂ）との重ね合わせ

符号の説明

Ｐ１〜Ｐ５（Ｐ１’〜Ｐ５’）：内部欠陥（鋳巣）Ｐ２（Ｐ２’）：ガス巣

Claims

検査対象の鋳造品を実測して形成した該鋳造品の複数の断面の断層画像を受け取り、それら前記複数の断面の断層画像に基づき、前記鋳造品のサーフェイスモデルを形成する実測モデル形成手段と、
前記実測モデル形成手段で形成したサーフェイスモデルをディスプレイ装置に表示し、該表示上で前記鋳造品の外表面に該当する面要素をユーザが指定し、指定された該面要素を起点に該面要素と辺を共有する面要素を探索して前記鋳造品の外表面を構成する面要素群を特定し、外表面を構成する該面要素群以外の面要素を前記鋳造品内の空洞を囲む面要素として特定することで、前記空洞に該当する部分を識別する欠陥識別手段と、
前記鋳造品のサーフェイスモデルと加熱後の該鋳造品のサーフェスモデルとを比較して同一位置に存在する前記空洞の加熱前後の形状差異を識別する形状差異識別手段と、
前記サーフェイスモデルをディスプレイ装置に三次元表示するための表示画像を形成する手段であって、前記サーフェイスモデルにおける前記鋳造品の外表面を構成する面要素を半透明とし、前記空洞を囲む面要素を前記半透明表示とは異なる色で表示するとともに、前記形状差異識別手段で差異ありと判定された加熱後の前記空洞を囲む面要素を他の空洞とは異なる色で強調した表示画像を形成する表示画像形成手段と、
を備えることを特徴とする鋳造内部欠陥検査支援装置。
検査対象の鋳造品を実測して形成した該鋳造品の複数の断面の断層画像を受け取り、それら前記複数の断面の断層画像に基づき、前記鋳造品の三次元形状モデルを形成する実測モデル形成ステップと、
前記実測モデル形成ステップで形成した三次元形状モデルから、前記鋳造品内の空洞に該当する部分を識別する欠陥識別ステップと、
前記鋳造品の三次元形状モデルと該鋳造品を加熱して前記空洞のうちガス巣の形状のみを変化させた加熱後の該鋳造品の三次元形状モデルとを比較して同一位置に存在する前記空洞の加熱前後の形状差異を識別する形状差異識別ステップと、
前記三次元モデルをディスプレイ装置に三次元表示するための表示画像を形成するステップであって、前記鋳造品の三次元形状モデルを半透明とし、前記空洞に該当する部分を前記三次元形状モデルとは異なる色で表示するとともに、前記ガス巣を他の空洞とは異なる色で強調した表示画像を形成する表示画像形成ステップと、
を有することを特徴とする鋳造内部欠陥検査支援方法。