JP2004082368A

JP2004082368A - 破断分離成形製品の成形条件設定方法

Info

Publication number: JP2004082368A
Application number: JP2002243150A
Authority: JP
Inventors: Toru Chiba; 千葉　亨; Masami Shirai; 白井　雅実; Susumu Takatsuka; 高塚　進
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【目的】超音波振動により成形品を破断分離する方法において、より好ましい部分での破断を生じさせることができる成形終了品の成形条件設定方法を得る。
【構成】成形終了品の残留応力を調べることにより、破断位置を相当な精度で推定できるという事実に着目してなされたもので、成形終了品の成形条件を決定するに際し、成形条件を変化させて複数の成形終了品を実際に作成するステップ；その複数の成形終了品のゲート部近傍の残留応力の分布及び大小を調べるステップ；及びこの残留応力の分布及び大小に基づき、ゲート部と成形製品との境界部分の好ましい破断位置が得られる成形条件を決定するステップ；を有する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、ランナと成形製品を有する成形終了品に対し超音波振動を与えることにより該成形製品をランナから分離する方法において、成形終了品の成形条件を設定する方法に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
成形製品、例えばプラスチックレンズの成形方法として、中央のスプルー部から放射方向に複数のランナを突出させ、このランナの先端部にゲート部を介してそれぞれプラスチックレンズを成形する方法が知られている。この成形方法では、成形終了後、成形型から取り出した成形終了品は、スプルー、ランナ、ゲート部及びプラスチックレンズが繋がっている状態にある。
【０００３】
従来、この成形終了品からプラスチックレンズを分離するには、刃物（ニッパー、回転刃等）を用いて、各プラスチックレンズのゲート部分を切断していた。また最近は特開平１０‐１２３３０６号公報にあるように、レーザ光でゲートカットする方法も提案されている。しかし、これらの切断作業は、ゲート部に繋がっている小さいプラスチックレンズ毎に行わなければならず、極めて作業能率が悪かった。さらに、刃物での切断作業は、レンズ形状や切断刃形状によっては、切断後に別途バリ取り作業を要する場合もある。
【０００４】
このような背景から既に、刃物やレーザ光を用いることなく、成形製品を成形終了品から迅速に破断分離することができる破断分離方法として、成形終了品に超音波振動を与えることが着目されており、本出願人は、超音波加振機の振動数と成形終了品の固有振動数を一致させる破断分離方法を提案した（特願２００１‐２５４８３３号）。
【０００５】
しかし、上記方法を含め、従来の超音波破断分離方法では、ゲート部と成形製品の境界部分で破断分離が生じる位置についての考察が不十分であり、好ましい位置で成形製品をゲート部から破断できない場合があった。例えば、上述のプラスチックレンズの場合、正面円形であるべきレンズの外周に破断部分が生じてしまい、そのままではレンズ枠に収納できないという事態が生じる。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、超音波振動により成形品を破断分離する方法において、より好ましい部分での破断を生じさせることができる成形終了品の成形条件設定方法を得ることを目的とする。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、成形終了品の残留応力を調べることにより、破断位置を相当な精度で推定できるという事実に着目してなされたもので、ランナの先端部にゲート部を介して接続された成形製品を有する成形終了品に対し、超音波振動を与えることにより該成形製品をゲート部から破断分離する方法において、成形終了品の成形条件を決定するに際し、成形条件を変化させて複数の成形終了品を実際に作成するステップ；その複数の成形終了品のゲート部近傍の残留応力の分布及び大小を調べるステップ；及びこの残留応力の分布及び大小に基づき、ゲート部と成形製品との境界部分の好ましい破断位置が得られる成形条件を決定するステップ；を有することを特徴としている。
【０００８】
成形条件は、具体的には、樹脂材料、成形温度、成形圧力、成形時間、ゲート部形状の一つ以上である。残留応力の分布及び大小は、例えば残留応力測定器によって検出することができる。また成形条件は、具体的には、残留応力の最大位置で破断が発生し応力集中部分に沿って破断が進行すると仮定して決定することができる。
【０００９】
本発明は、成形製品の種類、形状、材質（合成樹脂、金属）等を問わずに適用できる。
【００１０】
【発明の実施形態】
図１は、破断分離成形製品として、多数個取りプラスチックレンズの成形終了品１０を示している。この成形終了品１０は、中心部の円錐棒状のスプルー１１と、このスプルー１１から、該スプルー１１の軸線と直交する同一平面内において放射方向に延びる複数のランナ１２と、各ランナ１２の先端部にそれぞれ、ゲート部１３を介して接続されているプラスチックレンズ（成形製品、以下単にレンズ）１４とを有している。スプルー１１は、ランナ１２より図１の下方に延びる下方延長スプルー１１Ｕを有する。図示例では、ランナ１２は９０゜間隔で４本形成され、ゲート部１３とレンズ１４は、各ランナ１２の先端に２つずつが形成されている。また、全てのレンズ１４は、スプルー１１の中心から等距離位置に形成されている。
【００１１】
ゲート部１３は、平面形状は一定幅（図２）であるのに対し、正面（側面）形状はランナ１２側からレンズ１４側に単調に厚さを減じる形状（図２）をしている。つまり、ゲート部１３の断面積は、ランナ１２側からレンズ１４側にかけて単調に減少している。さらに図示例のレンズ１４は平面円形であって、その周縁内部には、円形薄肉段部１４ａが形成されている。この円形薄肉段部１４ａは、レンズ１４の外径Ｄと使用径ｄの間に位置する、ゲート部１３の最小断面積部より断面積の小さい断面積部を形成する。レンズ１４の周縁部には、円形薄肉段部１４ａと相俟って、最小断面積部を作る凹部１４ｂが形成されている。図２に示す直線１５は、最小断面積部であり、この最小断面積部１５は、レンズ１４の外径Ｄと使用径ｄとの間に位置している。
【００１２】
図３は、以上の成形終了品１０から、レンズ１４を破断分離する超音波加振機（破断分離装置）２０の一例を示している。この超音波加振機２０は、成形終了品１０を載置する固定テーブル２１を有する。固定テーブル２１は、その上端面にゴム等の弾性材料からなる載置板２２を有し、この載置板２２と固定テーブル２１には、その中心部に、成形終了品１０の下方延長スプルー１１Ｕを挿入する逃げ穴２３が形成されている。成形終了品１０の下方延長スプルー１１Ｕをこの逃げ穴２３に挿入すると、ランナ１２が載置板２２上に接触して載置され、スプルー１１は上下方向に延びる。
【００１３】
固定テーブル２１上には、有底円筒形状の超音波振動ホーン２５が位置している。この超音波振動ホーン２５は、中心部に成形終了品１０のスプルー１１を進入させるスプルー進入穴部２４を有する。この超音波振動ホーン２５は、昇降機構２６及び超音波振動装置２７に接続されていて、昇降機構２６により固定テーブル２１上で昇降し、超音波振動装置２７により超音波振動が与えられる。超音波振動装置２７による超音波振動の振幅等は超音波振動制御装置２８によって制御される。超音波振動ホーン２５のスプルー進入穴部２４の中心と、固定テーブル２１の逃げ穴２３の中心は一致している。超音波振動ホーン２５の下端面は、該超音波振動ホーン２５の軸線に直交する平面からなる環状の当接面２５ｔを構成している。
【００１４】
上記構成の超音波加振機２０でレンズ１４を超音波振動で破断分離するには、昇降機構２６によって超音波振動ホーン２５を上昇させた状態で、固定テーブル２１上に成形終了品１０を載置する。このとき、下方延長スプルー１１Ｕを逃げ穴２３の中心に位置させ、ランナ１２を載置板２２に接触させる。このセット状態において、昇降機構２６により超音波振動ホーン２５を下降させ、当接面２５ｔと載置板２２との間に、ランナ１２を挟着する。すると、当接面２５ｔは、スプルー１１の中心からの等距離位置において複数のランナ１２に接触することになる。
【００１５】
次に、超音波振動装置２７を介して超音波振動ホーン２５に超音波振動を与える。すると、ランナ１２が当接面２５ｔに接触している成形終了品１０全体が振動し、この振動によって、レンズ１４がゲート部１３から破断分離される。
【００１６】
このときのレンズ１４のゲート部１３からの破断分離は、一般的（巨視的）には、最小断面積部１５で生じるが、その破断位置及び破断分離部分の形状は、厳密には区々である。
【００１７】
本実施形態は、ゲート部１３からレンズ１４を好ましい位置で破断分離できる成形終了品１０の成形条件を決定するに当たり、
Ａ．成形条件を変化させて複数の成形終了品を実際に作成する；
Ｂ．その複数の成形終了品のゲート部近傍の残留応力の分布及び大小を調べる；及び
Ｃ．この残留応力の分布及び大小に基づき、ゲート部と成形製品との境界部の好ましい破断位置が得られる成形条件を決定する；
のステップを経る点に特徴がある。
【００１８】
Ａの「成形条件を変化させて複数の成形終了品を実際に作成する」ステップでは、成形条件、すなわち、樹脂材料、成形温度、成形圧力、成形時間、ゲート部形状の一つ以上を変化させて複数の成形終了品を実際に作成する。これらの成形条件のうち、樹脂材料、成形温度、成形圧力、成形時間は、比較的簡単に変更できるのに対し、ゲート部形状の変更は成形金型の形状変更を要するため、第一に樹脂材料、成形温度、成形圧力、成形時間を変化させて好ましい破断分離位置が得られるか否かを検証し、ゲート部形状の変更は最後の手段とするのが実際的である。
【００１９】
Ｂの「複数の成形終了品のゲート部近傍の残留応力の分布及び大小を調べる」ステップでは、実際に作成した成形終了品のゲート部近傍の残留応力を調べる。残留応力の分布と大きさは、残留応力測定器によって調べることができる。超音波振動による破断分離法では、内部応力の大きさと分布に依存し、特に切断時の破断分離（亀裂）は、残留応力の最大位置で発生し応力集中部分に沿って破断が進行することが統計的に確認されている。
【００２０】
図４（Ａ）、（Ｂ）は、図１、図２に示す同一形状の成形終了品につき、成形条件を変化させて成形したときのゲート部の残留応力を調べた結果である。樹脂材料は、アペル材（三井化学株式会社製）で同一であり、成形条件は、図４（Ａ）は成形の際の成形圧力が６００〜１４００ｋｇｆ／ｃｍ_２と比較的高圧であったのに対し、同（Ｂ）は同成形圧力が３０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ_２と比較的低圧であった点が異なる。他の成形条件は同じである。
【００２１】
図４（Ａ）、（Ｂ）では、水平方向の直交横軸ＸとＹをレンズ１４の近傍におけるゲート部１３の幅方向と長さ方向とし、縦軸Ｚに残留応力の大きさを取っている。この残留応力図から、図４（Ａ）のゲート部の残留応力１３Ｘは、比較的大きくかつ比較的広範囲に集中しているのに対し、同（Ｂ）のそれ１３Ｙは小さくかつ狭い範囲にしか存在していない。具体的な残留応力値は、（Ａ）が約８Ｎ／ｍｍ^２、（Ｂ）が約４．５Ｎ／ｍｍ^２であった。
【００２２】
図５（Ａ）、（Ｂ）、図６（Ａ）、（Ｂ）は、実際にこの２つの成形条件（残留応力）の成形終了品を、図３の超音波加振機２０で破断分離したときの破断分離面の形状例を示している。図５（Ａ）、図６（Ａ）は、破断面１４Ｘが鱗の層状をしていることを模式的に示しており、鱗の層状の破断面は疲労による破砕で表れる。これが、超音波カットで理想的にゲートカットが行われた場合である。これに対し、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）では、振動に伴う疲労による切断が実現されず、振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、その熱エネルギーにより溶け落ちた例を模式的に示している。破断面１４Ｙは熱で溶解され、好ましい位置で切断されない。
【００２３】
このように、熱エネルギーによる切断でもゲートが切断できることには違いないが、レンズの当て付けの面にまで熱変形の影響が及び、組みつけの際の機械的精度に大きく影響を及ぼす。この点で、光学面にまで影響はなくとも、事実上、量産品としての使用は困難となる。
【００２４】
以上の振動による疲労破断と熱による溶解の違いは、破断部分の応力集中の違いが一因である。従って、破断部分の応力集中の度合いを見て成形条件を決定することにより、好ましい振動破断ができる成形条件を決定することができる。
【００２５】
また、超音波振動による破断分離では、繰返応力が加わるため、疲労破壊的な現象が発生し破断に至ることを考慮しなければならない。疲労破壊とは、図７に例示するＳ‐Ｎ曲線のように、曲げ強度より低い応力でも、その応力が繰り返されることで破断に至る現象をいう。図７から分かるように、応力が低い場合には、指数関数的に繰り返し回数を増やさなければ破断に至らない。プラスチックは融点が非常に低い（アペル材では約１４０℃）ため、この繰り返し回数によっては、疲労破壊する前に温度上昇によって融解が発生し、融けた部分が凸状になって残ってしまうという問題が発生する。図５、図６の各（Ｂ）は、溶融部分が生じていると考えられる。
【００２６】
つまり、図４、図５、図６の各（Ａ）に示す状態は、ゲート部１３（レンズ１４）の好ましい破断位置が得られる状態であるのに対し、同各（Ｂ）に示す状態では、好ましい破断位置が得られない。具体的には、図４（Ａ）の最大残留応力約８Ｎ／ｍｍ^２は、アペル材の破断強度約１０Ｎ／ｍｍ^２の約８割に達している。超音波振動により成形終了品から成形製品を破断分離するには、破壊強度の約８割以上の内部応力を切断部分に集中して残留させることが効果的であることがわかる。このように残留応力の大きさと分布は、破断位置に極めて大きい影響があり、その関係は、実験を繰り返すことにより予め知ることができる。
【００２７】
従って、以上の考察（実験）を繰り返すことにより、Ｃの「残留応力の分布及び大小に基づき、ゲート部と成形製品との境界部の好ましい破断位置が得られる成形条件を決定する」ことができる。上の例では、図４（Ａ）のような残留応力が得られるような成形条件を採用すればよい。また、以上は、応力集中に関し、成形時の成形圧力の違いに着目したが、成形条件はこの他金型のキャビティ表面温度や樹脂温度などの多くのパラメータが関連しており、これらを総合的に組み合わせることで応力集中の状態を制御することができる。
【００２８】
なお、成形終了品１０の固有振動数Ｄを超音波加振機２０の加振振動数に近づけ、あるいは超音波加振機２０の加振振動数を成形終了品１０の固有振動数に近づけて、両振動数を近づける（共振状態にする）ことにより、超音波振動ホーン２５の振動を十分にゲート部１３からレンズ１４に伝達し、効率的にレンズ１４をゲート部１３から破断することができる。
【００２９】
以上の実施形態の成形終了品１０は、一例を示すものであり、スプルー１１から放射方向に延びるランナ１２の数、ランナ１２の先端に形成する成形製品３０の数や形状等は問わない。また、本発明は、プラスチックレンズ１４以外の他の樹脂成形品あるいは金属成形品についても適用できる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、刃物を用いることなく、超音波振動で成形製品を破断分離するのに適した成形終了品の成形条件を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）と（Ｂ）は、成形終了品として例示する、多数個取りプラスチックレンズを有する成形終了品の平面図と右側面図である。
【図２】（Ａ）と（Ｂ）は、図１の要部の拡大平面図と正面図である。
【図３】図１の成形終了品からプラスチックレンズを分離する装置（加振装置）の一例を示す、一部を断面とした正面図である。
【図４】（Ａ）と（Ｂ）は、異なる成形条件で成形した成形終了品のゲート部の残留応力を調べた図である。
【図５】（Ａ）と（Ｂ）は、図４（Ａ）、（Ｂ）の成形終了品に超音波振動を与えて破断分離したときのレンズの模式平面図である。
【図６】（Ａ）と（Ｂ）は、図５（Ａ）、（Ｂ）のレンズの破断面の模式斜視図である。
【図７】曲げ強度と破断に至る繰り返し振動回数の一例を示すＳ‐Ｎ曲線図である。
【符号の説明】
１０　成形終了品
１１　スプルー
１２　ランナ
１３　ゲート部
１４　プラスチックレンズ（プラスチック成形製品）
１４ｃ　接続平面
２０　超音波加振機
２１　固定テーブル
２２　載置板
２３　逃げ穴
２４　スプルー進入穴部
２５　超音波振動ホーン
２５ｔ　当接面
２６　昇降機構
２７　超音波振動装置
２８　超音波振動制御装置

Claims

ランナの先端部にゲート部を介して接続された成形製品を有する成形終了品に対し、超音波振動を与えることにより該成形製品をゲート部から破断分離する方法において、
上記成形終了品の成形条件を決定するに際し、
成形条件を変化させて複数の成形終了品を実際に作成するステップ；
その複数の成形終了品のゲート部近傍の残留応力の分布及び大小を調べるステップ；及び
この残留応力の分布及び大小に基づき、ゲート部と成形製品との境界部の好ましい破断位置が得られる成形条件を決定するステップ；
を有することを特徴とする破断分離成形製品の成形条件設定方法。
請求項１記載の成形製品の破断分離方法において、上記成形条件は、樹脂材料、成形温度、成形圧力、成形時間、ゲート部形状の一つ以上である破断分離成形製品の成形条件設定方法。
請求項１または２記載の成形製品の破断分離方法において、上記残留応力の分布及び大小は、残留応力測定器によって検出される破断分離成形製品の成形条件設定方法。
請求項１ないし３のいずれか１項記載の成形製品の破断分離方法において、残留応力の最大位置でゲート部の破断が発生し応力集中部分に沿って破断が進行すると仮定して成形条件が決定される破断分離成形製品の成形条件設定方法。