JP2007283387A - 制御性に優れたハイブリッド射出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プランジャを簡単な駆動機構で駆動する小型・軽量で、制御性と保守性に優れた射出装置を提供する。
【解決手段】プランジャを駆動し溶湯を金型キャビティに充填する射出装置において、プランジャを連結した油圧制御機構に、該油圧制御機構をプランジャの進退方向に駆動する進退制御機構を設けたことを特徴とする制御性に優れたハイブリッド射出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイカストマシン等の射出装置に関するものである。

アルミニウム合金等のダイカスト鋳造においては、従来から、射出プランジャを油圧シリンダで駆動する油圧式ダイカストマシンが使用されている。このダイカストマシンにおいては、射出プランジャを駆動する油圧シリンダに供給する作動油の圧力及び流量を調整して、射出プランジャ速度及び圧力を制御する。

このようなダイカスト鋳造において、鋳造品の品質を高めるには、射出プランジャ速度を安定的に維持することが重要であるが、油圧シリンダを用いて駆動する射出プランジャの速度を制御する場合、油圧シリンダに供給する作動油の流量を油圧制御バルブで調整して制御するので、応答性が低く、安定した射出プランジャ速度を維持することが難しい。

また、油圧シリンダを用いて駆動する射出プランジャの速度を制御する場合、射出プランジャが受ける負荷を検知することが難しく、フィードバック制御を行うことが困難であり、この点でも、安定した射出プランジャ速度を維持することが難しい。

さらに、油圧を射出プランジャの駆動源とする場合、エネルギー効率が低いし、また、作動油漏れによる環境汚染、作動油廃液の処理等を伴い、作業環境が劣悪化する。

そこで、上記の点を改善するため、射出プランジャに、電動サーボモータによって駆動するボールねじ機構と、油圧ポンプ及びアキュームレータの油圧によって作動する油圧シリンダを直列に連結した射出装置が提案された（特許文献１〜３、参照）。

上記射出装置においては、高速射出時に、射出速度の制御性を高めるため電動サーボモータを使用し、増圧・保圧時に、十分大きな増圧・保持力を得るため油圧シリンダを使用して射出シリンダを駆動する。この駆動機構において、油圧シリンダの推力は、ボールねじの軸を介して射出プランジャに伝達されるので、ボールねじの軸径は、機械的強度確保の点から、ある程度大径化する必要がある。しかし、この大径化は、射出プランジャ速度の高速化、安定化を妨げる。

また、射出プランジャを電動サーボモータで前進させる間、この前進に追従して、作動油を油圧シリンダへ供給する必要があるが、この作動油の追従供給のための油圧回路が複雑になるとともに、制御自体も難しくなる。

さらに、油圧で、射出圧力を増圧・保持する時、電動サーボモータの回転速度によるフィードバック制御を解除し、常時、射出プランジャを前進させる方向のトルクを発生させ、電動サーボモータの制御トルクが油圧シリンダに対する反力にならないように制御する必要があり、油圧回路を含めた全体的な回路構成が複雑にならざるを得ない。

結局、上記射出装置（特許文献１〜３、参照）においては、制御回路及び制御方法が複雑にならざるを得ない。しかも、この複雑化が、必ずしも、射出プランジャ速度の高速化、安定化に直結しない。

そこで、上記の点を改善するため、射出プランジャに、電動サーボモータによって駆動するボールねじ機構と、油圧ポンプ及びアキュームレータの油圧によって作動する油圧シリンダを並列に連結して射出プランジャを駆動する射出装置が提案された（特許文献４、参照）。

上記射出装置においては、油圧シリンダの推力を、ボールねじを介さずに、直接、射出プランジャに伝達するので、ボールねじの軸径を大径とする必要がなく、この点で、制御性が改善されている。

しかし、射出プランジャを電動サーボモータで前進させる間、この前進に追従して、作動油を油圧シリンダへ供給する必要がある点、また、油圧で、射出圧力を増圧、保圧する時、電動サーボモータの回転速度によるフィードバック制御を解除し、常時、射出プランジャを前進させる方向のトルクを発生させ、電動サーボモータの制御トルクが油圧シリンダに対する反力にならないように制御する必要がある点は、特許文献１〜３に開示の射出装置の場合と同様であり、結局、制御回路及び制御方法は、複雑にならざるを得ない。

さらに、特許文献４記載の射出装置は、油圧タンクや、油圧ポンプを備えているので、装置規模が大きくなり、保守性に劣り、また、作業環境が劣悪化する。

ところで、近年、ダイカスト鋳造においては、形状が複雑な鋳造品を、高速、高品質で歩留りよく製造することが求められている。それに応える一つの方法として、射出プランジャの駆動に、大型・大出力モータを使用することが考えられている。

しかし、大型モータは、一般に応答性が悪く、射出プランジャを低速から高速へ切り替えるタイミングが遅れるので、鋳造品の品質を維持することが難しくなる。

また、大型モータを、例えば、３５０トン級のダイカストマシンに使用する場合、瞬時出力で５００Ｋｗの大型モータが必要となり、さらに、射出プランジャの高速化には、大ピッチのねじ送り機構（例えば、２０００ｒｐｍで高速５ｍ／ｓを得るには、ピッチ１５０ｍｍのねじが必要であり、３ｍ／ｓでもピッチ９０ｍｍのねじが必要となる）が必要となる。

結局、大型・大出力モータを用いて射出プランジャを駆動する駆動装置は、大規模、大容量とならざるを得ず、その制御性が低下し、また、大規模、大容量の駆動装置を用いると、鋳造品の慣性質量が大きくなり、鋳造品にバリが発生し易くなるので、鋳造品の品質を維持することが難しくなる。

ダイカスト鋳造で、形状が複雑な鋳造品を、高速、高品質で歩留り良く製造することが求められている現状において、簡単な駆動機構で制御性、さらには保守性にも優れ、かつ、小型・軽量の省エネルギー型射出装置が求められている。

特開２０００−３３４７２号公報 特開２０００−８４６５４号公報 特開２００１−０１１２６号公報 特開２００６−００８８７号公報

本発明は、上記要請に鑑み、プランジャを簡単な駆動機構で駆動する、小型・軽量で制御性に優れ、かつ、保守性にも優れた射出装置を提供することを目的とする。

ダイカスト鋳造において、駆動機構及び制御方法を複雑にする原因の一つは、射出プランジャを電動モータで前進させる間、この前進に追従して、作動油を油圧シリンダへ供給する必要があることである。

本発明者は、上記のことに着目し、射出プランジャの前進中、作動油を油圧シリンダに供給する必要がない油圧−電動射出機構（ハイブリッド射出機構）について、鋭意検討した。

その結果、本発明者は、射出プランジャを連結した油圧制御機構自体を、射出プランジャの進退方向に駆動するという新規な発想に至った。本発明は、上記発想に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）プランジャを駆動し溶湯を金型キャビティに充填する射出装置において、プランジャを連結した油圧制御機構に、該油圧制御機構をプランジャの進退方向に駆動する進退制御機構を設けたことを特徴とする制御性に優れたハイブリッド射出装置。

（２）前記進退制御機構がボールねじ機構からなることを特徴とする前記（１）に記載の制御性に優れたハイブリッド射出装置。

（３）前記ボールねじ機構を金型側に配置した電動サーボモータで駆動することを特徴とする前記（２）に記載の制御性に優れたハイブリッド射出装置。

本発明によれば、射出装置自体を小型化、軽量化できるとともに、低速−高速切替位置での切替・増圧を、応答性よく高精度で制御できる。したがって、本発明により、高品質の鋳造品を歩留りよく製造することができる。しかも、本発明は、小型化、軽量化に伴い、保守性にも優れているものである。

本発明を、図面に基づいて説明する。図１に、本発明のハイブリッド射出装置（本発明装置）の基本構造を示す。同図において、固定盤１に固定された固定金型３に対し、可動盤２に固定された可動金型４を閉じた状態で、鋳造空間としての金型キャビティ５が形成されている。

固定型３には射出スリーブ６が連結されていて、該射出スリーブ６内を摺動するプランジャチップ７を先端に備えるプランジャロッド８を高速で駆動し、射出スリーブ６内に保持した溶湯を金型キャビティ５に充填する。プランジャロッド８の後端は、油圧シリンダ９内を摺動するピストンを構成し、プランジャロッド８は、油圧シリンダ９を含む油圧制御機構１０により駆動される。

油圧制御機構１０は、油圧シリンダ９に連結したアキュームレータ１１、油圧シリンダ９とアキュームレータ１１の連結部に設けた高速バルブ１２、アキュームレータ１１の下端部に設けた圧力センサー１４、油圧シリンダ９の後端部に設けたリザーバタンク１３、油圧シリンダ９の中央部に設けた圧力センサー１５から構成されている。

アキュームレータ１１で、油圧シリンダ９内に油圧を発生させるが、高速バルブ１２の開度を調整することにより作動油の供給・排出を制御し、発生する油圧を制御する。この時、圧力センサー１４で、アキュームレータ１１内の油圧を検出するとともに、圧力センサー１５で、油圧シリンダ９内の油圧を検出する。リザーバタンク１３は、油圧シリンダ９内に作動油を補充する。

そして、油圧制御機構１０は、例えば、ボールねじ機構で構成する進退制御機構２０により、固定盤１に対し前進又は後進が可能な載置プレート１７の上に載置されている。

このように、進退制御機構２０を、プランジャロッド８に取り付ける（油圧制御機構１０と進退制御機構２０を並列に配置する）のではなく、油圧制御機構１０自体に取り付ける構造、即ち、油圧制御機構１０と進退制御機構２０のハイブリッド構造を採用する点が本発明装置の特徴である。

図１に示す進退制御機構２０は、固定盤１の下端部に固定された電動サーボモータ１９、電動サーボモータ１９の回転軸に接続したねじ軸部材２１、及び、ねじ軸部材２１に螺合し、載置プレート１７の下面に固定されたナット部材１８で構成されている。

即ち、電動サーボモータ１９を、所要の回転数で左右に回転することにより、油圧制御機構１０を載置した載置プレート１７を、固定盤１に対し、所要の速度で、所要の距離、前進又は後進させることができるので、油圧制御機構１０に連結するプランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）を、射出スリーブ６内で、所要の速度で、所要の距離、押込むか又は引出すことができる。

なお、プランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）を引出す際には、プランジャロック２２をプランジャロッド８に係止して、油圧制御機構１０及び／又は進退制御機構２０を駆動する。

プランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）の押込み又は引出し距離（変位）は、載置プレート１７の側面に設けた変位センサー１６で検出する。検出した油圧信号及び変位信号は、油圧制御機構１０の動作と進退制御機構２０の動作を最適条件で混成し、プランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）の駆動を制御する制御装置（図示なし）に送信される。

なお、図１には、油圧制御機構１０を前進又は後退させる進退制御機構２０として、電動サーボモータ１９で駆動するボールねじ機構を示したが、進退制御機構２０は、油圧制御機構１０を前進又は後退させる機械的機構であればよく、ボールねじ機構に限られるものではない。進退制御機構は、例えば、ラックピニオン機構でもよい。

次に、図１に示す本発明装置の基本的な駆動態様を、図面に基づいて説明する。

図２に、所定量の溶湯Ｍを注湯口（図示なし）から射出スリーブ６内に注湯し、若干量の作動油をリザーバタンク１３から油圧シリンダ９に供給した射出開始直前の態様を示す。この時、油圧シリンダ９とアキュームレータ１１の連結部は、高速バルブ１２で閉鎖されている。プランジャロック２２は、プランジャロッド８への係止が解除されている。なお、図において、圧力センサーと変位センサーは省略されている。

次に、電動サーボモータ１９で進退制御機構２０を駆動し、所定の移動速度で載置プレート１７を、固定盤１に対して前進させる。この時、油圧シリンダ９とアキュームレータ１１の連結部は、高速バルブ１２で閉鎖されているので、プランジャロッド８は、進退制御機構２０のみが担う所定の前進速度で、射出スリーブ６内の低速射出領域を前進することになる。

そして、プランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）の前進距離を変位センサーで（図１、参照）検出し、図３に示すように、プランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）が、低速射出を高速射出に切り替える位置（低速−高速切替位置Ｓ）に到達するまで、プランジャロッド８を、進退制御機構２０のみで前進させる。

低速−高速切替位置Ｓに到達するまで前進速度は、一定に維持してもよいし、また、途中から加速してもよい。

プランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）が、低速−高速切替位置Ｓに到達したら、図４に示すように、高速バルブ１２を開き、油圧シリンダ９とアキュームレータ１１の連結部を開放し、油圧制御機構１０を作動せしめ、プランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）を高速で前進させる。この時も、進退制御機構２０を駆動し続け、油圧制御機構１０を、低速−高速切替位置Ｓに到達するまでの前進速度を維持したまま、又は、加速して前進させ、射出スリーブ６内の溶湯Ｍを金型キャビティ５内に充填する。

このように、本発明装置においては、プランジャが低速−高速切替位置Ｓに到達するまでの間は、油圧制御機構１０を駆動せず、進退制御機構２０だけで駆動し、プランジャが低速−高速切替位置Ｓに到達してから油圧制御機構１０を駆動する駆動機構を採用しているので、プランジャロッド８のストロークを従来ストロークより短縮することができる。

即ち、本発明装置においては、油圧制御機構を構成する油圧シリンダの長さと、プランジャの長さを短縮することができる。プランジャロッドのストロークが短か（油圧シリンダの長さが短い）いと、作動油量を大幅に削減できるし、また、プランジャを低速で駆動する時に生じるエネルギーロスが減少する。

さらに、油圧シリンダを小径化しても、アキュームレータのチャージを高圧化することにより、通常の水系作動油を使用する場合でも、加圧力を２倍程度まで高めることができる。

このように、本発明装置においては、油圧制御機構を、応答性能を高めつつ小型化、軽量化することができ、その結果、射出装置全体が小型化、軽量化する。そして、装置の保守性も向上する。小型化、軽量化、及び、保守性の向上を達成した点も、本発明装置における構造的な特徴である。

油圧シリンダの長さが短かれば、プランジャロッドの油圧に対する応答性は向上するので、プランジャロッドが低速−高速切替位置Ｓにて、油圧制御機構の駆動と同時に、所要のプランジャ速度を、安定して得ることができる。

プランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）の前進速度は、進退制御機構２０の駆動による油圧制御機構１０の前進速度に、油圧制御機構１０による前進速度が重畳された前進速度となるので、射出スリーブ６内の溶湯Ｍを、安定した高速で金型キャビティ５内に充填することができる。この点が、油圧制御機構１０と進退制御機構２０のハイブリッド構造を採用する本発明装置における機能的な特徴である。

このように、本発明装置においては、上記ハイブリッド構造を採用したので、装置自体を小型化、軽量化できるとともに、低速−高速切替位置Ｓでの切替・増圧を、応答性よく高精度で制御でき、その結果、高品質の鋳造品を歩留りよく製造することができる。さらに、装置の小型化、軽量化に伴い、装置の保守性も向上する。

図５に示すように、溶湯Ｍの充填が完了し、プランジャロッド８（又は、プランジャチップ７）の前進が停止すると、ヘッド圧が上昇するので、この上昇を圧力センサー１５で検知し、高速バルブ１２を小開度とし、油圧シリンダ９とアキュームレータ１１の連結部を絞る。この時、電動サーボモータ１８は回転し続け、油圧シリンダ９内の油を加圧し、キャビティ５内の溶湯に予め設定した圧力を加えると同時に、先の絞られた連結部に油を逆流させ、アキュームレータ１１にチャージする。アキュームレータ１１のチャージが完了すると、高速バルブ１２を閉鎖し、電動サーボモータ１８のトルクにて、所定の圧力を印加し続ける。

冷却時間がタイムアップし、射出が完了したら、可動金型４を開き、鋳造品を取り出し、図６に示すように、油圧シリンダ９とアキュームレータ１１の連結部を遮断し、プランジャロック２２をプランジャロッド８に係止して、進退制御機構２０を後方向に駆動し、油圧制御機構１０を後退させる。

図７に示すように、油圧制御機構１０が後退位置（射出開始位置）に到達したら、油圧制御機構１０を、さらに若干後退させ、次の射出に備え、リーク分相当量の作動油をリザーバタンク１３から補充する。そして、作動油を補充した後、図２に戻り、次ぎのダイカスト鋳造を開始する。

前述したように、本発明によれば、高品質の鋳造品を歩留りよく製造することができる。しかも、本発明は、保守性にも優れている。したがって、本発明は、ダイカスト鋳造産業において利用可能性が高いものである。

本発明のハイブリッド射出装置の基本構造を示す図である。 本発明における射出開始直前の態様を示す図である。 本発明において、プランジャが低速−高速切替位置Ｓに到達した時の態様を示す図である。 本発明において、プランジャロッド（又は、プランジャチップ）を高速で前進させる態様を示す図である。 本発明において、溶湯の充填が完了し、プランジャロッド（又は、プランジャチップ）の前進が停止した時の態様を示す図である。 本発明において、射出が完了した時の態様を示す図である。 本発明において、油圧制御機構が後退位置（射出開始位置）に到達した時の態様を示す図である。

符号の説明

１ 固定盤
２ 可動盤
３ 固定金型
４ 可動金型
５ 金型キャビティ
６ 射出スリーブ６
７ プランジャチップ
８ プランジャロッド
９ 油圧シリンダ
１０ 油圧制御機構１０
１１ アキュームレータ
１２ 高速バルブ
１３ リザーバタンク
１４、１５ 圧力センサー
１６ 変位センサー
１７ 載置プレート
１８ ナット部材
１９ 電動サーボモータ
２０ 進退制御機構
２１ ねじ軸部材
２２ プランジャロック
Ｍ 溶湯
Ｓ 低速−高速切替位置

Claims (3)

1. プランジャを駆動し溶湯を金型キャビティに充填する射出装置において、プランジャを連結した油圧制御機構に、該油圧制御機構をプランジャの進退方向に駆動する進退制御機構を設けたことを特徴とする制御性に優れたハイブリッド射出装置。
2. 前記進退制御機構がボールねじ機構からなることを特徴とする請求項１に記載の制御性に優れたハイブリッド射出装置。
3. 前記ボールねじ機構を金型側に配置した電動サーボモータで駆動することを特徴とする請求項２に記載の制御性に優れたハイブリッド射出装置。

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