JP2006289466A - 射出成形装置およびその成形制御方法 - Google Patents

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吉哉 谷口
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Abstract

【課題】 射出シリンダを兼ねる加熱シリンダによって金属材料を溶融するようにした溶融金属の射出成形装置において、ボイドのない高品質の製品を成形可能とすること。
【解決手段】 加熱シリンダの前端に設けたノズルに装着されたヒータからの加熱によって、金属材料を、加熱シリンダの後端側からノズル側に行くにしたがって徐々に溶融化するようにして、ノズルから溶融金属材料を金型のキャビティ内に、射出用ピストン部材の高速前進によって射出するようにした射出成形装置において、1成形サイクル中に金属材料に溶融状態と固化状態をとらせるように温度制御されるノズルのランド部の直径を25mm以下にすると共に、溶融金属材料のキャビティ内への射出後に、ノズルのランド部内の金属材料が固化してノズルの先端がシールされた後、キャビティの体積を小さくするように動作してキャビティ内の固化前の金属材料に圧縮力を付与する圧縮手段を設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、溶融金属材料を金型のキャビティ内に射出するようにした射出成形装置およびその成形制御方法に係り、特に、加熱シリンダ内で金属材料を溶融化して、加熱シリンダ前端のノズルから溶融金属材料を射出するようにした射出成形装置にかかわる技術に関する。

溶融金属材料を金型のキャビティ内に射出・充填して製品を得る射出成形装置としては、ダイカストマシンがよく知られており、このダイカストマシンにおいては、溶解炉(るつぼ)で溶融した金属材料(例えば、Al合金、Mg合金など)を1ショット毎にラドルで計量して汲み上げ、汲み上げた溶融金属材料(金属溶湯)を射出シリンダ内に注ぎ込んで、これを射出プランジャの高速前進によって金型のキャビティ内に射出・充填するようにしている。このように、ダイカストマシンにおいては、溶解炉で溶融した金属材料(溶融金属材料)をラドルで汲み上げて搬送するようにしているので、装置全体が大掛かりなものとなり、また、ラドルで汲み上げて搬送する際に、溶融金属材料の空気と触れる面が酸化したり、温度が下がったりすることから、製品品質の向上には一定の限界がある。

そこで、金属材料を溶融するのに、溶解炉を用いずに、射出シリンダを兼ねる加熱シリンダによって、金属材料を溶融するようにした射出成形装置が提案されている(特許文献1参照)。

図6は、特許文献1に示された技術と略同等の構成をとる射出成形装置を示す説明図である。図6において、51は加熱シリンダ、52は加熱シリンダ51の前端に設けられたノズル(ホットランナノズル)、53は、加熱シリンダ51の外周およびノズル52の外周にそれぞれ巻装されたバンドヒータ、54は、図示せぬ金型によって形づくられ、ノズル53の先端と連通するキャビティ(なお図6では、金型の図示を割愛すると共に、キャビティ54とノズル53の先端とを連通させる湯道部も割愛してある)、55は、加熱シリンダ51の後端に設けられた被覆剥ぎ取り部、56は、加熱シリンダ51の後端寄りの位置に設けられ、開放位置をとった際には加熱シリンダ51の内部を真空ポンプ57と連通させる開閉弁、57は、開閉弁56内の中空部と連通され、加熱シリンダ51の内部を真空(真空に近い状態)にするための真空ポンプ、58は、加熱シリンダ51内の真空度をチェックするためのゲージ、59はエア源、60は、エア源59からのエア圧により開閉弁56を開閉制御する電磁弁、61は、加熱シリンダ51の後端の開口と対向するように配置され、その内部が貫通された形状とされた材料受け取り部、62は、図示せぬ適宜の駆動源により駆動され(例えば、油圧シリンダにより駆動されたり、電動サーボモータを駆動源として回転→直線運動変換機構を介して駆動され)、材料受け取り部61内および加熱シリンダ51内を前後進可能なピストン体である。

図6に示す構成において、図6の(a)に示すように、まず、図示せぬ予備加熱装置から予備加熱された所定長の円柱状の金属材料63が、材料受け取り部61に供給される。このとき、加熱シリンダ51およびノズル52内には、ピストン体62により先に加熱シリンダ51内に押し込められた金属材料63が前端側から所定量だけ詰まっており、加熱シリンダ51内の後端寄りの位置からノズル52に行くにしたがって、金属材料63は徐々に溶融化されており、ノズル52内では金属材料63は完全に溶融化された状態にある。また、このとき、開閉弁56は閉鎖状態にある。

次に、図6の(b)に示すように、ピストン体62を低速で前進させて、金属材料63を材料受け取り部61から加熱シリンダ51の後端側に押し込み、この押し込みの際に、被覆剥ぎ取り部55によって金属材料63の外周の酸化皮膜などの被覆を剥ぎ取る。金属材料63が材料受け取り部61から加熱シリンダ51内に一部入り込むと、加熱シリンダ51の後端の開口は金属材料63によりシール(封止)されるので、この状態で、一旦、ピストン体62の前進を停止させる。そして、電磁弁60によって開閉弁56を開放位置に切り換えて、加熱シリンダ51の内部と真空ポンプ57とを連通させて、真空ポンプ57により加熱シリンダ51の内部を真空引きする。

加熱シリンダ51の内部が真空引きされた後、図6の(c)に示すように、電磁弁60によって開閉弁56を閉鎖位置に切り換えて、次に、ピストン体62を高速で前進させる。これにより、ピストン体62に押されて加熱シリンダ51内に新たに装填された金属材料63が、前の金属材料63を順次、前方側に押圧し、この押圧によって、図6の(d)に示すように、ノズル52内の溶融した金属材料(金属溶湯)63がキャビティ54へ急速に射出開始される。

そして、図6の(e)に示すように、キャビティ54内に金属材料63が完全に行き渡って射出(射出・充填)が完了すると、ピストン体62が金属材料63から受ける圧力が所定値まで上がって、この圧力検出を契機にして、ピストン体62の前進は停止される。

キャビティ54内への金属材料63の射出が完了すると、キャビティ54内の金属材料63は金型から熱を奪われることにより、急速に冷却・固化される。この冷却工程では、ノズル52に巻装されたバンドヒータ53による加熱制御を中断することで、ノズル52内の先端側の金属材料63も冷却・固化され、これによって、ノズル52の先端側が固化した金属材料63によってシール(封止)されて、冷却工程後に型開きを行って、固化した製品を取り出しても、ノズル52の先端から溶融金属材料から漏れ出ないようにされる。なお、射出の完了後には、図6の(f)に示すように、ピストン体62は、新たな金属材料63を材料受け取り部61に供給可能とする位置まで、後退駆動される。
特開2004−148391号公報

図6を用いて上述した溶融金属の射出成形装置では、ダイカストマシンのように溶解炉を用いずに、射出シリンダを兼ねる加熱シリンダによって金属材料を溶融するようにしているので、装置全体を比較的にコンパクトにまとめることができる。

しかしながら、射出の完了後には、キャビティ内の金属材料とともに、ノズル先端のシールを行うために、ノズル先端(ノズルのランド部)内の金属材料も、冷却・固化させなければならないので、プラスチックの射出成形装置のようにノズル内の溶融樹脂を介してキャビティ内の樹脂に保圧をかけるという手法がとれず(つまり、ノズル内の溶融金属材料を介してキャビティ内の半固化状態の金属材料に圧縮圧力をかけることができず)、このため、キャビティ内で固化・収縮する金属材料(製品)にボイド(void;局所的な空所)が生じる虞があり、製品の品質向上を図る上では、未だに問題があるものとなっていた。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、射出シリンダを兼ねる加熱シリンダによって金属材料を溶融するようにした溶融金属の射出成形装置において、ボイドのない高品質の製品を成形可能とすることにある。

本発明は上記した目的を達成するため、加熱シリンダの後端側から該加熱シリンダ内に、予備加熱された円柱状の金属材料を順次供給して、射出用ピストン部材により金属材料を加熱シリンダの前端側に順次押し込むと共に、加熱シリンダに装着されたヒータおよび加熱シリンダの前端に設けたノズルに装着されたヒータからの加熱によって、金属材料を、加熱シリンダの後端側からノズル側に行くにしたがって徐々に溶融化するようにして、ノズルから溶融金属材料を金型のキャビティ内に、射出用ピストン部材の高速前進によって射出するようにした射出成形装置において、
1成形サイクル中に金属材料に溶融状態と固化状態をとらせるように温度制御されるノズルのランド部の直径を25mm以下にすると共に、
溶融金属材料のキャビティ内への射出後に、ノズルのランド部内の金属材料が固化してノズルの先端がシールされた後、キャビティの体積を小さくするように動作してキャビティ内の固化前の金属材料に圧縮力を付与する圧縮手段を設けた、
構成とされる。

本発明によれば、溶融金属材料をキャビティ内に射出し、ノズルのランド部内の金属材料が固化してノズルの先端をシールした後、圧縮手段がキャビティの体積を小さくするように動作して、キャビティ内の固化前の金属材料に圧縮力を付与するので、製品にボイドが生じることを抑止できて、高品質の製品を得ることができる。また、ノズルのランド部の直径を25mm以下の寸法とすることで、キャビティ内への射出完了後に、キャビティ内の金属材料が固化する前に、ノズルのランド部内の金属材料を速やかに固化することができて、これにより、キャビティ内の金属材料が固化する前に、圧縮手段によって確実に圧縮力を付与することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。図1〜図3は、本発明の第1実施形態による溶融金属の射出成形装置に係り、図1は、本第1実施形態の射出成形装置におけるキャビティ内への溶融金属の射出完了直後の様子を示す要部断面図、図2は、本第1実施形態の射出成形装置において、キャビティ内の固化前の金属材料に圧縮力を付与している状態を示す要部断面図、図3は、第1実施形態の射出成形装置における加熱シリンダ前端のノズルを示す要部断面図である。

図1、図2において、1は固定ダイプレート、2は、固定ダイプレート1に固定された固定側金型、3は、固定ダイプレート1に対して前後進可能に配設された可動ダイプレート、4は、可動ダイプレート3に固定された可動側金型、5は、可動ダイプレート3に搭載された型開閉用駆動源である複数のサーボモータ(電動サーボモータ)、6は、可動ダイプレート3に回転可能に保持されて、各サーボモータ6によりタイミングベルト7を介してそれぞれ回転駆動される複数のプーリ付きナット体、8は、その一端側を固定ダイプレート1にそれぞれ固定されると共に可動ダイプレート3に挿通されて、プーリ付きナット体6が螺合されたボールネジ軸である。

また、9は加熱シリンダ、10は加熱シリンダ9の前端に設けたノズル(ホットランナノズル)であり、図示では割愛してあるが、加熱シリンダ9およびノズル10の外周には、図6の構成と同様にバンドヒータが巻装されている。本第1実施形態および後述する第2実施形態において、加熱シリンダ9やノズル10を含んだ射出系並びに金属材料の供給系の構成並びに動作は、図6の従来技術と同様であり、本第1実施形態および後述する第2実施形態においても、図6の構成と同様の構成要素が備えられている。なお、加熱シリンダ9とノズル10とは一体化して図示してあるが、加熱シリンダ9とノズル10とを完全に一体のものとして作製しても、あるいは、別体で作製した加熱シリンダ9とノズル10とを固定して一体化するようにしてもよい。射出成形運転時には、ノズル10の先端は、固定側金型2に形成した金属材料注入口2aの近傍に押し付けられており、金属材料注入口2aは、固定側金型2に形成した金属材料導入路2bと連通している。

本第1実施形態および後述する第2実施形態では、ノズル10の先端のランド部(ノズル10の先端部に設けられた径が絞られた射出口路)10aの直径(内径)が25mm以下となるように設定してあり、このようにランド部10aを細くすることで、金属材料の射出の完了後に、ノズル10に巻装された図示せぬバンドヒータの加熱制御を中断することによって、ノズル10内の先端側の金属材料を速やかに冷却・固化させて、ノズル10の先端側をごく短い時間でシール(封止)できるように構成してある。

図1、図2に示す構成において、プーリ付きナット体6とボールネジ軸8とで、ボールネジ機構が構成されており、サーボモータ5が所定方向に回転駆動されると、ボールネジ軸8に螺合したプーリ付きナット体6がボールネジ軸8上を、図示で右方向に移動して、これにより、可動ダイプレート3が固定ダイプレート1に向かって前進駆動(型閉じ駆動)され、サーボモータ5が上記と逆方向に回転駆動されると、ボールネジ軸8に螺合したプーリ付きナット体6がボールネジ軸8上を、図示で左方向に移動して、これにより、可動ダイプレート3が固定ダイプレート1に対して後退駆動(型開き駆動)される。

本第1実施形態では、溶融金属材料の射出前には、可動ダイプレート3は、図1に示した位置まで型閉じ駆動されて一旦停止しており、このとき、固定ダイプレート1に搭載された固定側金型2と可動ダイプレート3に搭載された可動側金型4とで形作られるキャビティ11は、成形される製品の体積よりも若干大きい体積となっており、キャビティ11は金属材料導入路2bと連通している。可動ダイプレート3(可動側金型4)が図1の位置にある状態で、図示せぬピストン体の高速前進によって、ノズル10から溶融した金属材料12が、金属材料注入口2a、金属材料導入路2bを通ってキャビティ11内に、所定量だけ射出・充填される。金属材料12の射出が完了すると、前述したように、ノズル10に巻装された図示せぬバンドヒータによる加熱制御を中断するで、ノズル10内の先端側の金属材料12が急速に冷却・固化されて、ノズル10の先端側が固化した金属材料12によってシール(封止)される。

射出成形装置の図示せぬコントローラは、ノズル10内の先端側の金属材料12の固化タイミングをタイマ設定などで認知して、ノズル10の先端側(少なくともランド部10a)がシールされると、直ちに、サーボモータ5を型閉じ方向に高トルクで急速回転させて、可動ダイプレート3(可動側金型4)を固定ダイプレート方向に急速前進させる。これによって、図2に示すように、可動側金型4と固定側金型2とで形作られるキャビティ11の体積が、製品の体積に見合うまで狭められ(小さくされ)、キャビティ11における内部が未固化の金属材料12に対して、圧縮力が付与される。サーボモータ5による圧縮力の付加は、キャビティ11内の金属材料12が完全に固化するまで持続され、これによって、製品にボイドが発生する虞は可及的に低減される。

冷却・固化工程が完了すると、サーボモータ5により型開きが行われ、固化した製品および金属材料導入路2bで固化した金属材料は、ノズル10側の金属材料と切り離されて(無理矢理切り離すことも可能であるが、切り離しを容易にするため、型開きの前にノズル10を加熱するようにしてもよい)、可動側金型4と一体となって、固定側金型2から分離される(図示の都合上、金属材料との接触面積は固定側金型2の方が可動側金型よりも多くなっているが、実際には逆の関係にある)。そして、型開きの完了後、または、型開きの途上において、図示せぬエジックト機構による製品の可動側金型4からの突き出し、および、図示せぬロボットによる製品の取り出しが行われる。

次に、本発明の第2実施形態を、図4、図5を用いて説明する。図4、図5は、本発明の第2実施形態による溶融金属の射出成形装置に係り、図4は、本第2実施形態の射出成形装置におけるキャビティ内への溶融金属の射出完了直後の様子を示す要部断面図、図5は、本第2実施形態の射出成形装置において、キャビティ内の固化前の金属材料に圧縮力を付与している状態を示す要部断面図である。図4、図5において、図1、図2の第1実施形態と均等な構成要素には同一符号を付してあり、その説明は重複を避けるため割愛する。なお、図4、図5においては、型開閉機構およびその駆動源については、図示を省略してあるが、本第2実施形態においても、図1、図2の第1実施形態と同様の、型開閉機構およびその駆動源を具備している。

本第2実施形態が前記第1実施形態と相違するのは、キャビティ内の固化前の金属材料に圧縮力を付与するのに、可動側金型の主体部に対して前後進可能な中子金型を用い、中子金型の駆動源としてエジェクト用のサーボモータ(電動サーボモータ)を用いた点にある。

図4、図5において、15は可動ダイプレート3に搭載された可動側金型で、該可動側金型15は、可動ダイプレート3に固定された可動側主体金型16と、可動側主体金型16に対して所定量前後進可能とされた中子金型17とで構成されている。また、18は、可動ダイプレート3に搭載されたエジェクト駆動源であるサーボモータ(電動サーボモータ)、19は、可動ダイプレート3に回転可能に保持されて、サーボモータ18によりタイミングベルト20を介して回転駆動されるプーリ付きナット体、21は、その一端側を中子金型17に固定され、プーリ付きナット体19が螺合されたボールネジ軸である。プーリ付きナット体19とボールネジ軸21とで、ボールネジ機構が構成されており、サーボモータ18が所定方向に回転駆動されると、プーリ付きナット体19に螺合したボールネジ軸21が図示で右方向に移動して、これにより、中子金型17が図示で右方向に移動し(前進し)、サーボモータ18が上記と逆方向に回転駆動されると、プーリ付きナット体19に螺合したボールネジ軸21が図示で左方向に移動して、これにより、中子金型17が図示で左方向に移動する(後退する)。

本第2実施形態では、溶融金属材料の射出前には、可動側金型15を搭載した可動ダイプレート3は、図4に示した位置まで型閉じ駆動されて停止しており、このとき、可動側主体金型16に対して中子金型17は後退した位置をとっており、可動側金型15(可動側主体金型16および中子金型17)と固定側金型2とで形作られるキャビティ11は、成形される製品の体積よりも若干大きい体積となっている。この図1に示した状態において、図示せぬピストン体の高速前進によって、ノズル10から溶融した金属材料12が、金属材料注入口2a、金属材料導入路2bを通ってキャビティ11内に、所定量だけ射出・充填される。金属材料12の射出が完了すると、前述したように、ノズル10に巻装された図示せぬバンドヒータによる加熱制御を中断するで、ノズル10内の先端側の金属材料12が急速に冷却・固化されて、ノズル10の先端側が固化した金属材料12によってシールされる。

射出成形装置の図示せぬコントローラは、ノズル10内の先端側の金属材料12の固化タイミングをタイマ設定などで認知して、ノズル10の先端側(少なくともランド部10a)がシールされると、直ちに、サーボモータ18を所定方向に高トルクで急速回転させて、中子金型17を急速前進させる。これによって、図5に示すように、可動側主体金型16と中子金型17と固定側金型2とで形作られるキャビティ11の体積が、製品の体積に見合うまで狭められ(小さくされ)、キャビティ11における内部が未固化の金属材料12に対して、圧縮力が付与される。サーボモータ18による圧縮力の付加は、キャビティ11内の金属材料12が完全に固化するまで持続され、これによって、製品にボイドが発生する虞は可及的に低減される。

冷却・固化工程が完了すると、前記した第1実施形態と同様に型開きが行われ、固化した製品および金属材料導入路2bで固化した金属材料は、ノズル10側の金属材料と切り離されて、可動側金型15と一体となって、固定側金型2から分離される。そして、型開きの完了後、または、型開きの途上において、サーボモータ18を所定方向に低速で回転させて、可動側主体金型16に対して中子金型17を前進させ、製品の可動側主体金型16からの分離を行い、図示せぬロボットによる製品の取り出しが行われる。

本発明の第1実施形態に係る射出成形装置における、キャビティ内への溶融金属の射出完了直後の様子を示す要部断面図である。 本発明の第1実施形態に係る射出成形装置において、キャビティ内の固化前の金属材料に圧縮力を付与している状態を示す要部断面図である。 本発明の第1実施形態に係る射出成形装置における、加熱シリンダ前端のノズルを示す要部断面図である。 本発明の第2実施形態に係る射出成形装置における、キャビティ内への溶融金属の射出完了直後の様子を示す要部断面図である。 本発明の第2実施形態に係る射出成形装置において、キャビティ内の固化前の金属材料に圧縮力を付与している状態を示す要部断面図である。 従来技術による射出成形装置の構成と動作を示す説明図である。

符号の説明

1 固定ダイプレート
2 固定側金型
2a 金属材料注入口
2b 金属材料導入路
3 可動ダイプレート
4 可動側金型
5 サーボモータ(電動サーボモータ)
6 プーリ付きナット体
7 タイミングベルト
8 ボールネジ軸
9 加熱シリンダ
10 ノズル(ホットランナノズル)
10a ランド部
11 キャビティ
12 金属材料
15 可動側金型
16 可動側主体金型
17 中子金型
18 サーボモータ(電動サーボモータ)
19 プーリ付きナット体
20 タイミングベルト
21 ボールネジ軸

Claims (4)

  1. 加熱シリンダの後端側から該加熱シリンダ内に、予備加熱された円柱状の金属材料を順次供給して、射出用ピストン部材により前記金属材料を前記加熱シリンダの前端側に順次押し込むと共に、加熱シリンダに装着されたヒータおよび前記加熱シリンダの前端に設けたノズルに装着されたヒータからの加熱によって、前記金属材料を、前記加熱シリンダの後端側から前記ノズル側に行くにしたがって徐々に溶融化するようにして、前記ノズルから溶融金属材料を金型のキャビティ内に、前記射出用ピストン部材の高速前進によって射出するようにした射出成形装置において、
    1成形サイクル中に金属材料に溶融状態と固化状態をとらせるように温度制御される前記ノズルのランド部の直径を25mm以下にすると共に、
    溶融金属材料の前記キャビティ内への射出後に、前記ノズルの前記ランド部内の金属材料が固化して前記ノズルの先端がシールされた後、前記キャビティの体積を小さくするように動作してキャビティ内の固化前の金属材料に圧縮力を付与する圧縮手段を設けたことを特徴とする射出成形装置。
  2. 請求項1に記載の射出成形装置において、
    前記圧縮手段は可動側金型全体であり、前記圧縮手段の駆動源は、型開閉用の電動サーボモータであることを特徴とする射出成形装置。
  3. 請求項1に記載の射出成形装置において、
    前記圧縮手段は、前記可動側金型の主体部に対して前後進可能な中子金型であり、前記圧縮手段の駆動源は、エジェクト用の電動サーボモータであることを特徴とする射出成形装置。
  4. 加熱シリンダの後端側から該加熱シリンダ内に、予備加熱された円柱状の金属材料を順次供給して、射出用ピストン部材により前記金属材料を前記加熱シリンダの前端側に順次押し込むと共に、加熱シリンダに装着されたヒータおよび前記加熱シリンダの前端に設けたノズルに装着されたヒータからの加熱によって、前記金属材料を、前記加熱シリンダの後端側から前記ノズル側に行くにしたがって徐々に溶融化するようにして、前記ノズルから溶融金属材料を金型のキャビティ内に、前記射出用ピストン部材の高速前進によって射出するようにした射出成形装置の成形制御方法において、
    1成形サイクル中に金属材料に溶融状態と固化状態をとらせるように温度制御される前記ノズルのランド部の直径を25mm以下にして、
    溶融金属材料の前記キャビティ内への射出後に、前記ノズルの前記ランド部内の金属材料が固化して前記ノズルの先端がシールされた後、前記キャビティの体積を小さくするように制御することを特徴とする射出成形装置の成形制御方法。
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