JP2007326138A - 射出装置及び射出制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータ及び油圧シリンダによって溶湯の射出、充填、増圧及び保持を行うダイカスト用射出装置において、電動から油圧への切替え時の射出圧力の低下を防止する。
【解決手段】金型２のキャビティＣに溶湯を充填するプランジャ４のロッド５に、油圧シリンダ６と、ボールねじ機構８のナット２４とを並列に連結し、ボールねじ機構８のねじ軸２３に射出モータ９を連結する。射出モータ９及びボールねじ機構８によってプランジャ５を駆動して、溶湯Ｍを金型２のキャビティＣに充填する。油圧装置７によって油圧シリンダ６を作動させて、溶湯の圧力を増圧、保持する。このとき、射出モータ９を速度制御した後、トルク制御に切替えることにより、プランジャ４に確実に一定の推力を付与することができ、電動から油圧への切替時に射出圧力が低下するのを防止して成形品質を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型のキャビティに溶湯を充填するためのプランジャタイプの射出装置及びこれを用いた射出制御方法に関するものである。

金型のキャビティに、アルミニウム合金等の溶湯を高速で射出、充填して鋳造を行うダイカスト鋳造法に用いられるプランジャタイプの従来の射出装置は、一般的に、射出プランジャを作動させる油圧シリンダ、油圧ポンプ、アキュムレータ、油圧制御バルブ等を備えた構造となっている。そして、油圧ポンプによってアキュムレータに蓄圧した油圧を油圧制御バルブによって油圧シリンダに供給し、射出プランジャを作動させて、溶湯を射出する。このとき、油圧制御バルブによって、油圧シリンダに供給する作動油の圧力及び流量を調整することにより、射出速度及び圧力を制御することができる。また、ダイカスト鋳造法では、金型のキャビティに溶湯を高速で充填した後、溶湯圧力を増圧、保持するため、高速射出用及び増圧、保持用の２つ異なる圧力を蓄圧するアキュムレータを備えた射出装置もある。

しかしながら、ダイカスト鋳造法において、成形品質を高めるためには、射出速度の安定が重要であるが、上記従来の油圧シリンダを用いた射出装置では、油圧制御バルブによって油圧シリンダに供給する作動油の流量を調整してプランジャ速度を制御するため、応答性が低く、また、プランジャの負荷を検知することが困難であり、フィードバック制御が行い難いので、安定した射出速度を得ることが困難である。また、高価な油圧制御バルブ等を必要とするため、設備コストがかかる。

そこで、従来、例えば特許文献１に記載されているように、射出プランジャに、電動サーボモータによって駆動されるボールねじ機構と、油圧ポンプ及びアキュムレータの油圧によって作動する油圧シリンダとを直列に連結し、電動及び油圧によってプランジャを作動させるようにした射出装置が提案されている。これにより、高速射出時には、電動サーボモータを使用することにより、射出速度の制御性を向上させ、また、増圧、保持時には、油圧シリンダを使用することにより、容易に大きな保持力を得ることが可能となる。
特開２０００−８４６５４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された射出装置では、次のような問題がある。ボールねじ機構と油圧シリンダとが直列に連結されているため、油圧シリンダの推力がボールねじの軸を介してプランジャに伝達されることになる。このため、ボールねじの軸は、必要な強度を確保するため、ある程度大径とする必要があるが、ボールねじの軸を大径とすると、プランジャの高速移動が困難になる。また、構造が複雑であり、設備コストがかかる。

そこで、本出願人は、特許文献２に記載されているように、プランジャを駆動するボールねじ機構と油圧シリンダとを並列に配置した射出装置を提案している。これにより、増圧、保持時にボールねじ機構に作用する荷重を軽減することができるので、ボールねじの軸を小径化することができ、高速動作が可能になると共に、小型化及び長寿命化を達成することができる。
特開２００６−８８７号公報

上述の電動モータによる射出、充填から油圧シリンダによる増圧、保持に切替えて射出制御を行う射出装置では、切替のタイミングが成形品質に大きく影響するため重要であるが、給湯量の変動、溶湯のエア、ガスの巻込み等によって充填状態にばらつきが生じるため、切替タイミングが一定しない。このため、電動モータによる溶湯の充填終了と油圧シリンダによる増圧開始のタイミングが一致せず、一時的にプランジャの推力が低下し、あるいは、プランジャ速度が過度に上昇してサージ圧が発生し、充填状態が不安定になって成形品質が低下する虞がある。また、外気温度によるアキュムレータの蓄圧圧力及び油圧シリンダの作動油の粘度変化、あるいは、給湯量のばらつき、溶湯のエア、ガスの巻込み等によって油圧シリンダの保持圧力が変動して成形品質が低下することもある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、電動モータ及び油圧シリンダの制御を適正化して成形品の品質を向上させることができる射出装置及び射出制御方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、溶湯を金型のキャビティに充填するためのプランジャと、前記プランジャに推力を付与する油圧シリンダと、前記プランジャを駆動するための電動回転モータと、前記プランジャと前記電動回転モータとの間に介装されて前記油圧シリンダに並列に配置された回転−直線運動変換機構とを備え、前記電動回転モータによって前記プランジャを駆動して溶湯を前記金型のキャビティ内に射出、充填し、該キャビティ内に充填された溶湯の圧力を前記油圧シリンダによって増圧、保持するようにした射出装置において、
前記電動回転モータを所定の目標速度に従って速度制御した後、所定のトルクを発生するようにトルク制御することを特徴とする。
請求項２の発明に係る射出装置は、上記請求項１の構成において、前記キャビティ内に充填された溶湯の圧力を検出し、該検出した圧力に基づいて前記電動回転モータのトルクを調整することによって前記キャビティ内に充填された溶湯の圧力を制御することを特徴とする。
請求項３の発明に係る射出装置は、上記請求項１又は２の構成において、前記電動回転モータの制御を速度制御からトルク制御に切替えた後、前記プランジャの速度を監視し、該プランジャの速度が所定の制限速度に達したとき、前記電動回転モータのトルクを制御して前記プランジャの移動に制動をかけることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、溶湯を金型のキャビティに充填するためのプランジャと、前記プランジャに推力を付与する油圧シリンダと、前記プランジャを駆動するための電動回転モータと、前記プランジャと前記電動回転モータとの間に介装されて前記油圧シリンダに並列に配置された回転−直線運動変換機構とを備えた射出装置を用いて、前記電動回転モータによって前記プランジャを駆動して溶湯を前記金型のキャビティ内に射出、充填し、該キャビティ内に充填された溶湯の圧力を前記油圧シリンダによって増圧、保持するようにした射出制御方法において、
前記電動回転モータを所定の目標速度に従って速度制御した後、所定のトルクを発生するようにトルク制御することを特徴とする。
請求項５の発明に係る射出制御方法は、上記請求項４の構成において、前記キャビティ内に充填された溶湯の圧力を検出し、該検出した圧力に基づいて前記電動回転モータのトルクを調整することによって前記キャビティ内に充填された溶湯の圧力を制御することを特徴とする。
請求項６の発明に係る射出制御方法は、上記請求項４又は５の構成において、前記電動回転モータの制御を速度制御からトルク制御に切替えた後、前記プランジャの速度を監視し、該プランジャの速度が所定の制限速度に達したとき、前記電動回転モータのトルクを制御して前記プランジャの移動に制動をかけることを特徴とする。

本発明に係る射出装置及び射出制御方法によれば、電動回転モータによってプランジャを駆動して溶湯を金型のキャビティ内に充填し、充填された溶湯の圧力を油圧シリンダによって増圧、保持するようにしたので、溶湯の充填、増圧及び保持を効率的に行うことができ、このとき、電動回転モータを速度制御した後、トルク制御に切替えることによって、電動回転モータによる充填から油圧シリンダによる増圧、保持への移行を円滑に行うことができ、成形品質を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態に係る射出装置は、ダイカスト用金型にアルミニウム合金等の溶湯を充填するためのプランジャタイプの射出装置である。図１に示すように、射出装置１は、キャビティＣを形成する金型２に結合された射出スリーブ３と、射出スリーブ３に摺動可能に嵌装されたプランジャ４と、プランジャ４のロッド５に連結された油圧シリンダ６と、油圧シリンダ６に作動油を給排する油圧装置７と、油圧シリンダ６に対して並列に配置されて、プランジャ４のロッド５に連結されたボールねじ機構８（回転−直線運動変換機構）と、ボールねじ機構８を駆動する射出用電動サーボモータ９（以下、射出モータ９という）（電動回転モータ）と、油圧装置７及び射出モータ９を制御するコントローラ１０とを備えている。

射出スリーブ３は、金型２のキャビティＣに連通され、基端側の側壁上部に溶湯を注入するための注入口１１が設けられている。射出スリーブ３に嵌装されたプランジャ４のロッド５には、カップリング１２によって油圧シリンダ６の作動ロッド１３が連結されている。

油圧シリンダ６は、単動式シリンダであり、ピストン１４によって画成された油室１５に油圧装置７が接続されており、油圧装置７によって油室１５に作動油を給排することにより、作動ロッド１３を伸縮させることができる。

油圧装置７は、作動油を貯留するタンク１６と、油圧源である油圧ポンプ１７と、油圧ポンプ１７を駆動するポンプモータ１８と、油圧ポンプ１７が発生した油圧を蓄圧するアキュムレータ１９と、アキュムレータ１９から油圧シリンダ６への作動油の給排を行う増圧切替弁２０と、タンク１６と油圧シリンダ６との間で作動油を授受するプレフィル弁２１（パイロット型逆止弁）と、油圧ポンプ１７側からアキュムレータ１９側への作動油の流れのみを許容する逆止弁２２とを備えている。そして、コントローラ１０からの制御信号によってポンプモータ１８、増圧切替弁２０及びプレフィル弁２１を制御することにより、油圧シリンダ６に所定圧力の作動油を給排することができるようになっている。

ボールねじ機構８は、ねじ軸２３及びナット２４に形成されたねじ溝間に複数の鋼球が装填されており、ねじ軸２３の回転運動をねじ溝間の鋼球の転動によってナット２４の直線運動に変換するようになっている。ねじ軸２３は、プランジャ４のロッド５及び油圧シリンダ６の作動ロッド１３と平行に配置され、軸方向に固定されて回転可能に支持されている。ねじ軸２３は、カップリング２５によって射出モータ９のシャフト２６に連結されている。ナット２４は、プランジャ４のロッド５及び油圧シリンダ６の作動ロッド１３に連結され、射出モータ９によってねじ軸２３を回転させることにより、ねじ軸２３に沿って直線運動してプランジャ４を移動させる。射出モータ９には、シャフト２６の回転位置を検出するレゾルバ等の位置センサ２７が取付けられている。また、プランジャ４のロッド５には、プランジャ４に作用する軸荷重を検出するロードセル等の荷重センサ２８が取付けられている。

コントローラ１０は、アキュムレータ１９及び油圧シリンダ６の油室１５の圧力を検出する圧力センサ（図示せず）、位置センサ２７からの検出信号を監視し、射出モータ９、ポンプモータ１８、増圧切替弁２０、プレフィル弁２１の作動を制御して次に示す射出動作を実行する。

増圧切替弁２０を閉じてアキュムレータ１９と油圧シリンダ６との連通を遮断し、ポンプモータ１８によって油圧ポンプ１７を駆動してアキュムレータ１９に作動油を供給し、アキュムレータ１９に所定圧力の作動油を蓄圧する。

注入口１１から射出スリーブ３内に溶湯Ｍを注入した後、射出モータ９を作動させて、ボールねじ機構８によってプランジャ４を前進させて、溶湯Ｍを金型２のキャビティＣに充填する。このとき、プレフィル弁２１が開いて、タンク１６から油室１５に作動油を導入することにより、射出モータ９及びボールねじ機構８によるプランジャ４の移動に対して油圧シリンダ６の作動ロッド１３を追従させることができる。そして、コントローラ１０によって射出モータ９の回転速度（プランジャ速度）を制御して、所定のプランジャ速度パターン（例えば図２（Ａ）参照）に従って射出を行う（速度制御）。

コントローラ１０は、プランジャ４が図２（Ｅ）の点Ｐ１で示す所定の制御モード切替位置に到達したことを位置センサ２７によって検知したとき、射出モータ９の制御を上述の速度制御からトルク制御に切替える。このトルク制御は、射出モータ９が射出方向（プランジャ４の前進方向）に所定のトルクを発生するように行われ、インバータ等によって射出モータに供給する電力を調整することによって実行することができる。このとき、プランジャ速度が所定の最大速度を超えないように位置センサ２７によってプランジャ４の速度を監視する。

その後、プランジャ４が図２（Ｅ）の点Ｐ２で示す所定の増圧切替位置に達したことを位置センサ２７によって検知したとき、増圧切替弁２０を開いて、アキュムレータ１９に蓄圧された作動油を油圧シリンダ６の油室１５に供給する。これにより、図２（Ｄ）に示すように、油圧シリンダ６の油室１５内の圧力（ヘッド側圧力）が上昇して、射出モータ９の動力Ｌ１に加えて油圧シリンダ６の動力Ｌ２がプランジャ４に作用して、図２（Ｂ）に示すように、射出圧力が所定の射出圧力に増圧、保持される。

このとき、増圧切替位置Ｐ２は、実際に充填が完了する充填完了位置Ｐ３に対して、増圧切替弁２０の応答時間Ｔを考慮した分だけ手前に設定されている。また、制御モード切替位置Ｐ１は、給湯量の誤差、エア、ガスの巻き込み等による充填完了位置Ｐ３の変動を考慮して、充填完了位置Ｐ３に対して充分手前に設定され、かつ、プランジャ４が制御モード切替位置Ｐ１に達する前に、プランジャ速度が最終充填速度に達するようにプランジャ速度制御パターンが設定されている。

そして、溶湯を金型２のキャビティＣへ充填し、冷却、固化させた後、金型を開いて成形品を脱型する。

このように射出動作（動的制御領域）を射出モータ９によって行うことにより、射出速度の制御を容易に正確に行うことができ、成形品質を向上させることができる。一方、射出圧力の増圧、保持（静的制御領域）を油圧シリンダ６によって行うことにより、容易に大出力を発生させることができるので、安定した増圧、保持力を効率的に得ることができる。そして、射出圧力の増圧、保持において、油圧シリンダ６を射出モータ９で補助することにより、油圧装置７の低圧化、小型化が可能となる。このようにして電動と油圧を最適活用することにより、成形品質を向上させるとともに、装置の小型化、省エネルギ化及び低コスト化を達成することができる。

射出モータ９の回転運動を直線運動に変換するボールねじ機構８と、増圧、保持用の油圧シリンダ６とを並列に配置したことにより、増圧、保持の反力による大きな荷重がボールねじ機構８に作用することがないので、ボールねじ機構８を小径化することができ、高速動作が可能となる。更に、ボールねじ機構８の小型化が可能となり、耐用寿命も向上する。

また、射出モータ９を速度制御からトルク制御に切替えた後、油圧シリンダ６を作動させて増圧、保持工程に移行することにより、給湯量のばらつき、エア、ガスの巻込み等によって充填完了位置Ｐ３が変動した場合でも、射出モータ９によってプランジャ４に確実に一定の推力を付与することができるので、電動から油圧への切替時に射出圧力が低下するのを防止することができ、安定した成形品質を得ることができる。

次に本発明の第２実施形態について主に図３を参照して説明する。なお、本実施形態は、上記第１実施形態に対して、コントローラ１０による制御内容が異なる以外は概して同様の構成であるから、以下、上記第１実施形態に対して、同様の部分には同一の符号を付して異なる部分についてのみ詳細に説明する。

本実施形態に係る射出装置１では、コントローラ１０は、射出モータ９の制御を速度制御からトルク制御に切替えた後、荷重センサ２８によって検出したプランジャ４に作用する軸荷重をフィードバックして所定の目標パターンと比較し、プランジャ４に作用する軸荷重が目標パターンに一致するように射出モータ９のトルクを制御する（図３（Ｃ）参照）。これにより、射出モータ９の動力Ｌ１によって油圧シリンダ６の動力Ｌ２を補助して所望の増圧、保持圧力を得る（図３（Ｂ）参照）。なお、荷重センサ２８の代りに、金型２にキャビティＣ内の圧力を検出する圧力センサを設けて、この圧力センサの検出圧力をフィードバックしてもよい。

これにより、外気温度によるアキュムレータ１９の蓄圧圧力及び油圧シリンダ６の作動油の粘度の変化、あるいは、給湯量のばらつき、充填時のエア、ガスの巻込み等によって油圧シリンダ６の増圧、保持圧力が変動した場合でも、射出モータ９によってその変動分を調整して目標パターンに従って増圧、保持を行うことができ、安定した成形品質を得ることができる。

次に本発明の第３実施形態について主に図４を参照して説明する。なお、本実施形態は、上記第１実施形態に対して、コントローラ１０による制御内容が異なる以外は概して同様の構成であるから、以下、上記第１実施形態に対して、同様の部分には同一の符号を付して異なる部分についてのみ詳細に説明する。

本実施形態の射出装置１では、コントローラ１０は、射出モータ９の制御を速度制御からトルク制御に切替えた後、引続き位置センサ２７の検出に基づいてプランジャ４の速度を監視し、プランジャ４が所定の制限速度に達したとき、射出モータ９へのトルク指令値を低下させてプランジャ４の移動に制動をかける。ここで、制限速度は、プランジャ４と共に移動するロッド５、油圧シリンダ６のピストン１４及び作動ロッド１３等の慣性質量が充填完了時に溶湯に衝突したとき、その衝撃によってサージ圧が発生して成形品にバリが発生する等の悪影響を及ぼすことがない速度として決定される。

これにより、例えば給湯量が基準より少なく溶湯の充填完了前に油圧シリンダ６が作動してプランジャ４が加速されて制限速度に達した場合（図４（Ａ）の破線部参照）、射出モータ９のトルクを低下させて（図４（Ｃ）の破線部参照）、プランジャ４の移動に制動をかけることにより、充填完了時の衝撃を緩和して衝突によるサージ圧の発生を抑制することができ（図４（Ｂ）の破線部参照）、安定した成形品質を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る射出装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る射出装置の作動状態を示すグラフ図である。 本発明の第２実施形態に係る射出装置の作動状態を示すグラフ図である。 本発明の第３実施形態に係る射出装置の作動状態を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 射出装置、２ 金型、４ プランジャ、６ 油圧シリンダ、８ ボールねじ機構（回転−直線運動変換機構）、９ 射出用電動サーボモータ（電動回転モータ）、Ｃ キャビティ

Claims (6)

1. 溶湯を金型のキャビティに充填するためのプランジャと、前記プランジャに推力を付与する油圧シリンダと、前記プランジャを駆動するための電動回転モータと、前記プランジャと前記電動回転モータとの間に介装されて前記油圧シリンダに並列に配置された回転−直線運動変換機構とを備え、前記電動回転モータによって前記プランジャを駆動して溶湯を前記金型のキャビティ内に射出、充填し、該キャビティ内に充填された溶湯の圧力を前記油圧シリンダによって増圧、保持するようにした射出装置において、
   前記電動回転モータを所定の目標速度に従って速度制御した後、所定のトルクを発生するようにトルク制御することを特徴とする射出装置。
2. 前記キャビティ内に充填された溶湯の圧力を検出し、該検出した圧力に基づいて前記電動回転モータのトルクを調整することによって前記キャビティ内に充填された溶湯の圧力を制御することを特徴とする請求項１に記載の射出装置。
3. 前記電動回転モータの制御を速度制御からトルク制御に切替えた後、前記プランジャの速度を監視し、該プランジャの速度が所定の制限速度に達したとき、前記電動回転モータのトルクを制御して前記プランジャの移動に制動をかけることを特徴とする請求項１又は２に記載の射出装置。
4. 溶湯を金型のキャビティに充填するためのプランジャと、前記プランジャに推力を付与する油圧シリンダと、前記プランジャを駆動するための電動回転モータと、前記プランジャと前記電動回転モータとの間に介装されて前記油圧シリンダに並列に配置された回転−直線運動変換機構とを備えた射出装置を用いて、前記電動回転モータによって前記プランジャを駆動して溶湯を前記金型のキャビティ内に射出、充填し、該キャビティ内に充填された溶湯の圧力を前記油圧シリンダによって増圧、保持するようにした射出制御方法において、
   前記電動回転モータを所定の目標速度に従って速度制御した後、所定のトルクを発生するようにトルク制御することを特徴とする射出制御方法。
5. 前記キャビティ内に充填された溶湯の圧力を検出し、該検出した圧力に基づいて前記電動回転モータのトルクを調整することによって前記キャビティ内に充填された溶湯の圧力を制御することを特徴とする請求項４に記載の射出制御方法。
6. 前記電動回転モータの制御を速度制御からトルク制御に切替えた後、前記プランジャの速度を監視し、該プランジャの速度が所定の制限速度に達したとき、前記電動回転モータのトルクを制御して前記プランジャの移動に制動をかけることを特徴とする請求項４又は５に記載の射出制御方法。

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