JP2009208141A

JP2009208141A - 成型金型

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Publication number: JP2009208141A
Application number: JP2008056571A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Nishida; 雅文西田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】キャビティの金型表面への離型剤の付着性を向上させることができる成型金型を提供すること。
【解決手段】成型金型１の見切り面２２，３２にキャビティを形成する凹部２１，３１を設ける。凹部２１の内側面２１ａ，３１ａに溝部２１ｂ，３１ｂを水平方向に形成し、キャビティの金型表面粗さを形成する機械加工方向を水平方向にする。このような成型金型１は、キャビティに塗布された離型剤が、溝部２１ｂ，３１ｂの間に水平方向に設けられた山部に遮られて液だれせず、金型表面への離型剤の付着性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、可動型と固定型との間で形成されたキャビティに離型剤が塗布された後、前記キャビティに溶融材料が充填されて成形を行う成型金型に関する。

例えば、金属製品は、スリーブ内に注湯したアルミ等の溶融材料を加圧用チップで加圧して成型金型のキャビティに充填し、キャビティ内の溶融材料を凝固させることにより、成形される。成型金型は、成形品を離れやすくするために、溶融材料をキャビティに充填する前にキャビティやスリーブの金属表面に離型剤が塗布される。

離型剤には、水溶性離型剤や粉体離型剤があり、何れも、溶融材料の熱で溶解してキャビティの金型表面に膜を形成する骨材を含む。骨材は、１５０〜４５０℃に加熱した金型に溶融したアルミ合金等の溶融材料を鋳込む際にキャビティの金属表面に析出するように、例えば、炭酸カルシウム粉末やアルミナ粉末、ジルコニア粉末などの耐熱性がある材料で構成される。

例えば特許文献１に記載する成型金型は、黒鉛等の耐熱性潤滑剤の粒径が５〜１０μｍであるの対して、スリーブの内周面の面粗度を１０〜２５Ｓとしている。かかる成型金型は、スリーブの内周面に設けた谷部と山部に耐熱性潤滑剤が引っ掛かって堆積し、スリーブ内周面に均一な膜を形成する。

実開昭６１−１９０３４７号公報

しかしながら、従来の成型金型は、キャビティの金型表面粗さについて何ら考慮しておらず、離型剤の付着量が少ない箇所があった。通常、金型は、溶融材料が充填途中で凝固して湯じわなどを生じることを防ぐために、高温に加熱されている。高温の金型に離型剤を噴霧すると、離型剤に含まれる水分が蒸発して水蒸気膜を金型表面に形成する。離型剤は、液滴が水蒸気膜に弾かれると（ライデンフロスト現象）、金型表面に付着できないため、水蒸気膜を突き抜けるように圧力をかけられて細かい液滴で噴霧される。液滴で金型表面に到達した離型剤は、潤滑油や希釈水などの液状成分により液だれし、既に付着した離型剤を洗い流す。よって、例えば、キャビティ上部の金型表面には、離型剤が付着しにくかった。離型剤の付着量が少ない箇所は、金型表面に形成される離型剤皮膜が薄いため、溶融材料の焼き付きや、成形品の離型性を悪くして成形品に変形や汚損を引き起こす等の問題を引き起こす虞がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、キャビティの金型表面への離型剤の付着性を向上させることができる成型金型を提供することを目的とする。

本発明に係る成型金型は、次のような構成を有している。
（１）可動型と固定型との間に形成されるキャビティに離型剤が塗布された後、前記キャビティに溶融材料が充填されて成形を行う成型金型において、前記キャビティの金型表面粗さを形成する機械加工方向が、鉛直方向に対して直交する水平方向である。
ここで、金型表面粗さとは、粗さ曲線を中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線によって得られた面積を長さＬで割った値をマイクロメートル（μｍ）で表した中心線平均粗さをいう。
また、金型表面粗さは、例えば、研削、研磨布紙仕上、放電加工などの機械加工によって形成される。

（２）（１）に記載の発明において、前記キャビティの金型表面粗さが前記離型剤に含有される骨材の粒径より粗く、前記可動型と前記固定型を型割りさせる見切り面の金型表面粗さが前記骨材の粒径より滑らかである。

本発明の成型金型は、キャビティの金型表面粗さを形成する機械加工方向が、鉛直方向に対して直交する水平方向であって、その金型表面粗さを構成する溝部が水平方向に設けられている。キャビティに噴霧されて溝部に入り込んだ離型剤は、溝部の間に設けられた山部に阻害されて液だれしにくい。よって、本発明の成型金型によれば、キャビティの金型表面への離型剤の付着性を向上させることができる。

また、本発明の成型金型は、キャビティの金型表面粗さが離型剤に含有される骨材の粒径より粗いため、キャビティの金型表面粗さを構成する溝部に骨材を入り込ませるように離型剤がキャビティの金型表面に塗布される。離型剤は、骨材の周りに潤滑油や希釈水などの液層が形成されている。液層は、骨材が溝部内壁にぶつかる衝撃で細かい粒に分散し、分散した粒を溝部内壁に付着させる。一方、成型金型は、見切り面の金型表面粗さが骨材の粒径より滑らかであるため、見切り面に塗布された離型剤が見切り面の金型表面粗さを構成する溝部に骨材を入り込ませにくい。仮に、骨材が見切り面の溝部に入り込んだとしても、溝部が浅いため、骨材が重力で下方へ落下する。骨材は、潤滑剤や希釈水、他の骨材などを巻き込みながら落下する。よって、本発明の成型金型は、キャビティの金型表面に離型剤が付着しやすく、見切り面に離型剤が付着しにくい。

次に、本発明に係る成型金型の一実施形態について図面を参照して説明する。

＜成型金型の全体構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る成型金型１の断面図である。尚、図中Ｚ方向は鉛直方向を示す。また、図中Ｘ方向は鉛直方向に対して直交する水平方向を示す。
成型金型１は、可動型３と固定型２との間に形成されるキャビティ４に離型剤が塗布された後、キャビティ４にゲート５を介して溶融材料が充填されて成型を行うものである。キャビティ４の金型表面４ａは、固定型２の凹部２１と可動型３の凹部３１の各内側面２１ａ，３１ａにより構成されている。

可動型３は、図示しないシリンダに連結され、固定型２に対して水平方向（図中Ｘ方向）に直線往復運動される。成型金型１を水平方向（Ｘ方向）に型割りするのは、キャビティ４内に異物が混入して成形不良を生じることを防ぐためである。

尚、離型剤は、例えば、コロイダルシリカ等の骨材１０、シリコン（潤滑剤の一例）、油、ワックスを主体に乳化させたものを水で希釈したもの、或いは、水溶性黒鉛（図４に示す骨材１０の一例）を水で希釈したものであって、スプレーから成型金型１に細かい液滴１１（図４参照）でキャビティ４の金型表面４ａなどに毎ショット塗布される。

＜固定型の構成＞
図２は、図１に示す固定型２を見切り面２２側から見た図である。図中Ｙ方向は、図中Ｚ方向及びＸ方向に対して直交する水平方向を示す。図中点線は、金型表面粗さＳ１を構成する溝部２１ｂを形成する機械加工方向を示す。尚、可動型３は、固定型２の凹部２１、見切り面２２、貫通孔２３、供給流路２４と同様に凹部３１、見切り面３２、貫通孔３３、供給流路３４が設けられている。よって、以下では固定型２について説明し、可動型３については図２（図３〜図５含む。）に符号を括弧内に記載し、説明を省略する。

図２に示すように、固定型２は、鋳鉄などを材質とし、直方体形状に成形されている。固定型２は、外側面の１つが見切り面２２を構成する。見切り面２２には、固定型２に可動型３を型合わせしたときに、可動型３１の凹部３１との間に図１に示すキャビティ４を構成する凹部２１が設けられている。固定型２は、凹部２１の下方に貫通孔２３が形成され、その貫通孔２３を凹部２１に連通させるための供給流路２４が見切り面２２に形成されている。貫通孔２３と供給流路２４は、固定型２に可動型３を型合わせしたときに、可動型３の貫通孔３３及び供給流路３４とともに、図１に示すゲート５を構成する。

図３は、図２のＡ部拡大図である。
凹部２１は、開口部と対向する奥側の内側面２１ａに、多数の溝部２１ｂが設けられている。各溝部２１ｂは、研削や研磨布紙仕上げ、放電加工等の機械加工によって、鉛直方向（Ｚ方向）に対して直交する水平方向（Ｙ方向）に形成されている。

図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。
溝部２１ｂによって構成される内側面２１ａの金型表面粗さＳ１は、離型剤に含まれる骨材１０の平均粒径Ｒより粗くされている。ここで、金型表面粗さＳ１とは、粗さ曲線を中心線Ｍ１から折り返し、その粗さ曲線と中心線Ｍ１によって得られた面積を長さＬで割った値をマイクロメートル（μｍ）で表した中心線平均粗さをいう。

換言すれば、内側面２１ａの金型表面粗さＳ１は、溝部２１ｂの内壁と内側面２１ａの表面とに囲まれる領域に骨材１０を入り込ませて保持するように、形成されている。具体的には、溝部２１ｂは、骨材１０の平均粒径Ｒより大きい深さを有する。また、溝部２１ｂの開口部は、横幅と縦幅の何れも骨材１０の平均粒径Ｒより大きい。

図５は、図２に示す見切り面２２の部分断面図である。
見切り面２２にも、溝部２２ｂが設けられている。溝部２２ｂは、金型表面粗さＳ２が骨材１０の平均粒径Ｒより滑らかになるように、研削、研磨布紙仕上、ラップ仕上、放電加工等により形成されている。ここで、金型表面粗さＳ２とは、粗さ曲線を中心線Ｍ２から折り返し、その粗さ曲線と中心線Ｍ２によって得られた面積を長さＬで割った値をマイクロメートル（μｍ）で表した中心線平均粗さをいう。

換言すれば、見切り面２２の金型表面粗さＳ２は、溝部２２ｂの内壁と見切り面２２の表面とに囲まれる領域に骨材１０を入り込ませて保持しないように、形成されている。具体的には、見切り面２２の溝部２２ｂは、凹部２１の溝部２１ｂより、深さや溝幅が小さくされている。

尚、見切り面２２の金型表面粗さＳ２を形成する機械加工方向は、水平方向でもよいし、垂直方向にして離型剤の液だれを促進するようにしてもよい。さらには、金型表面粗さＳ２の機械加工方向は、円状又は円弧状など、ランダムな向きにしてもよい。

＜成型方法＞
上記構成の成型金型を用いてダイカスト鋳造を行う場合について説明する。
ダイカスト鋳造では、主に、清掃工程、離型剤塗布工程、成型工程を１サイクルとし、このサイクルを繰り返すことにより金属製品を効率よく製造する。

清掃工程では、図１に示す可動型３を固定型２から離間させる方向（図中＋Ｘ方向）へ移動させて、凹部２１，３１や貫通孔２３，３３，供給流路２４，３４に高圧エアを吹き付けて清掃し、汚れを取り除く。成形品の表面に余分な凹凸を設けないためである。

離型剤塗布工程では、固定型２と可動型３との間に離型剤を噴射するスプレーを配置し、凹部２１，３１や貫通孔２３，３３、供給流路２４，３４に向けて離型剤を噴射する。このとき、成型金型１は、溶融材料が充填途中で急冷されて凝固するのを防ぐために、例えば１２０℃に加熱されている。離型剤は、含有する水分が成型金型１の熱で蒸発して金型表面に水蒸気層を形成する。離型剤は、この水蒸気層に弾かれないように、スプレーから内側面２１ａ，３１ａ等に向けて細かい液滴１１で噴射される。

図４に示すように、液滴１１は、骨材１０の周りに潤滑剤や希釈水などの液層が形成されている。そのため、例えば、内側面２１ａ，３１ａが、鉛直方向（Ｚ方向）や斜め方向、円弧状、円形状などに溝部を形成されていると、内側面２１ａ，３１ａに到達した液滴１１が、重力により溝部に沿って下方へ液だれしやすい。ところが、本実施形態の成型金型１は、図２及び図３に示すように、溝部２１ｂ，３１ｂが内側面２１ａ，３１ａに水平方向に形成されている。よって、内側面２１ａ，３１ａに入り込んだ液滴１１は、溝部２１ａ，３１ａ間に水平方向に設けられた山部に遮られ、自重による液だれを生じにくい。よって、成型金型１は、離型剤が内側面２１ａ，３１ａの上部から下部へ流れ落ちにくく、内側面２１ａ，３１ａに離型剤若しくは骨材１０を均一に付着させることができる。

また、図４に示すように、成型金型１は、内側面２１ａ，３１ａの金型表面粗さＳ１が骨材１０の平均粒径Ｒより粗い。そのため、水蒸気層を通過して内側面２１ａ，３１ａに到達した液滴１１は、骨材１０を溝部２１ｂ，３１ｂに入り込ませるようにして、内側面２１ａ，３１ａに付着する。このとき、液滴１１は、骨材１０が内側面２１ａ，３１ａにぶつかる衝撃で、骨材１０の周りの液層が更に細かい粒状になって分散する。粒状に分散した離型剤は、液滴１１より遅い速度で、溝部２１ｂ、３１ｂの内壁に弾かれることなく付着する。このように、内側面２１ａ，３１ａは、離型剤の濡れ性が良く、離型剤の接触面積が大きいため、離型剤を内側面２１ａ，３１ａに付着させやすい。

尚、貫通孔２３，３３と供給流路２４，３４に塗布された離型剤は、凹部２１，３１と同様にして貫通孔２３，３３と供給流路２４，３４の内周面に付着する。

これに対して、図５に示すように、キャビティ４に向けて離型剤をスプレーから噴射したときに、液滴１１が見切り面２２，３２に飛散して塗布されることがある。見切り面２２，３２は、金型表面粗さＳ２が骨材１０の平均粒径Ｒより小さいため、液滴１１の骨材１０が溝部２２ｂ，３２ｂに入り込みにくい。仮に、骨材１０が溝部２２ｂ，３２ｂに入り込んだとしても、見切り面２２，３２の溝部２２ｂ，３２ｂが浅いため、骨材１０が重力によって溝部２２ｂ，３２ｂから転げ落ちる。骨材１０は、周りの潤滑剤やワックス、他の骨材１０などを巻き込みながら落下し、液だれを促進する。よって、成型金型１は、見切り面２２，３２に離型剤が付着しにくく、見切り面２２，３２への離型剤の堆積を防止できる。

成型工程では、図１に示す可動型３を固定型２側（図中−Ｘ方向）へ移動させて見切り面２２，３２同士を当接させ、キャビティ４を形成する。そして、高温の溶融材料をゲート５に供給して加圧し、キャビティ４へ充填する。このとき、キャビティ４の金型表面４ａやゲート５の内周面には、溝部２１ｂ，３１ｂ等に均一に付着した骨材１０が析出し、溶融材料の湯廻りを良好にする。

溶融材料が凝固したら、可動型３を固定型２から離間させる方向（図中＋Ｘ方向）へ移動させて、成形品を取り出す。このとき、金型表面４ａに均一に付着した離型剤が、成形品と金型表面４ａとの間にほぼ均一な厚さで離型剤皮膜を形成しているため、溶融材料が金型表面４ａに焼き付いたり張り付いたせず、成形品の離型性がよい。よって、成型金型１は、成形品の取り出し時に成形品に変形や汚損を生じさせにくい。しかも、成型金型１は、離型剤塗布時にキャビティ４の下部に離型剤が溜まったり、見切り面２２，３２に離型剤が付着することが少ない。そのため、キャビティ４の下部や見切り面２２，３２に付着した離型剤から発生するガスを溶融材料が巻き込みにくく、成形品に鋳巣やボロシティが形成されにくい。

＜作用効果＞
本実施形態の成型金型１は、キャビティ４の金型表面粗さＳ１を形成する機械加工方向が、鉛直方向に対して直交する水平方向（Ｙ方向）であって、その金型表面粗さＳ１を構成する溝部２１ｂ，３１ｂが水平方向に設けられている。キャビティ４に噴霧されて溝部２１ｂ，３１ｂに入り込んだ離型剤は、溝部２１ｂ，３１ｂの間に設けられた山部に阻害されて液だれしにくい。よって、本実施形態の成型金型１によれば、キャビティ４の金型表面４ａへの離型剤の付着性を向上させることができる。

本実施形態の成型金型１は、キャビティ４の金型表面粗さＳ１が離型剤に含有される骨材１０の粒径より粗いため、その金型表面粗さＳ１を構成する溝部２１ｂ，３１ｂに骨材１０を入り込ませるように離型剤がキャビティ４の金型表面４ａに塗布される。離型剤は、潤滑油や希釈水などの液層が骨材１０の周りに形成されている。液層は、骨材１０が溝部２１ｂ，３１ｂの内壁にぶつかる衝撃で細かい粒に分散し、分散した粒を溝部２１ｂ，３１ｂの内壁に付着させる。一方、成型金型１は、見切り面２２の金型表面粗さＳ２が骨材１０の粒径より滑らかであるため、見切り面２２，３２に塗布された離型剤が金型表面粗さＳ２を構成する溝部２２ｂ，３２ｂに骨材１０を入り込ませにくい。仮に、骨材１０が見切り面２２，３２の溝部２２ｂ，３２ｂに入り込んだとしても、溝部２２ｂ，３２ｂが浅いため、骨材１０が重力で下方へ落下する。骨材１０は、潤滑剤や希釈水、他の骨材１０などを巻き込みながら落下する。よって、本実施形態の成型金型１は、キャビティ４の金型表面４ａに離型剤が付着しやすく、見切り面２２に離型剤が付着しにくい。

＜実施例＞
以下に実施例を説明する。
離型剤には、骨材であるコロイダルシリカに乳化剤やシリコーン樹脂等を混合したシリコーン離型剤を水で所定濃度に希釈したものを使用する。シリコーン離型剤を使用するのは、耐熱性に優れ、金型１や成形品を汚損させることがなく、また、濡れ性に優れ、複雑な形状の成形品でも優れた離型性を発揮するからである。離型剤は、スプレーから成型金型に噴射して塗布される。

コロイダルシリカの粒径は平均１μｍである。これに対して、キャビティとゲートと見切り面の金型表面粗さを形成する機械加工方向を水平方向とし、且つ、キャビティとゲートの金型表面粗さを２μｍとすると共に、見切り面の金型表面粗さを０．５μｍとした「本発明型の金型」を製作する。また、キャビティとゲートと見切り面の金型表面粗さを形成する機械加工方向を水平方向としつつ、キャビティとゲートと見切り面の何れの金型表面粗さも１μｍとした「従来型の金型」を製作する。

「本発明型の金型」と「従来型の金型」について離型抵抗を調べたところ、「本発明型の金型」は、「従来型の金型」と比べて離型抵抗が２分の１になった。これにより、キャビティの金型表面の粗さを骨材の粒径より粗くすれば、キャビティの金型表面への離型剤の付着性を向上させられることが実証された。

また、「本発明型の金型」と「従来型の金型」のキャビティにそれぞれシリコーン離型剤を塗布した後、溶融材料をキャビティに充填して成型を行った。そして、この成型を「本発明型の金型」と「従来型の金型」についてそれぞれ連続して行い、見切り面への離型剤の堆積と、見切り面を洗浄するまでのショット数について調べた。

この結果、「本発明型の金型」は、「従来型の金型」より見切り面への離型剤の堆積が減っていた。そして、「本発明型の金型」は、「従来型の金型」と比べ、見切り面を洗浄するまでのショット数が２倍以上になった。

これにより、見切り面の金型表面粗さを骨材の粒径より滑らかにすれば、見切り面に付着する離型剤が低減することが実証された。そして、見切り面を洗浄するまでのショット数を増やして、作業効率を飛躍的に向上させられることが実証された。

更に、キャビティとゲートと見切り面の金型表面粗さを形成する機械加工方向が鉛直方向であり、且つ、キャビティとゲートの金型表面粗さを２μｍ、見切り面の金型表面粗さを０．５μｍとする「比較用金型」を製作する。

「本発明型の金型」と「比較用金型」を用いて金属製品を成型し、成形品のガス欠陥を調べた。その結果、「本発明型の金型」は「比較用金型」に対してガス欠陥を３分の２に抑えることができた。

これにより、キャビティの金型表面粗さを形成する機械加工方向を水平方向とすることにより、キャビティの下部に水分が溜まりにくく、成形品に鋳巣やボロシティが形成されにくくなることが実証された。また、キャビティの金型表面全体に含有材料の偏りを抑制しつつ離型剤を付着させることができることが実証された。

尚、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
上記実施形態では、成型金型１の金型構造を金属製品の製造に適用したが、樹脂製品やゴム製品の製造に適用しても良い。
また、上記実施形態の成型金型１は、ダイカスト鋳造に限らず、プレス加工等、成型金型に離型剤を塗布する加工法であれば適用可能である。
上記実施形態では、水溶性離型剤を成型金型１に塗布したが、粉体離型剤を成型金型１に塗布する場合でも、水溶性離型剤を使用する場合と同様の作用効果が得られる。
更に、上記実施形態では、凹部２１，３１の開口部と対向する奥側の側面に金型表面粗さＳ１を設けたが、鉛直方向（Ｚ方向）と平行な側面にも金型表面粗さを水平方向に設けてもよい。かかる金型は、離型剤の流れ落ちを更に防ぎ、離型剤の付着性をより一層向上させることができる。

本発明の実施形態に係る成型金型の断面図である。図１に示す固定型を見切り面側から見た図である。図２のＡ部拡大図である。図３のＢ−Ｂ断面図である。図２に示す見切り面の部分断面図である。

符号の説明

１成型金型
２固定型
３可動型
４キャビティ
１０骨材
２２，３２見切り面
Ｓ１，Ｓ２金型表面粗さ
Ｚ鉛直方向
Ｙ水平方向

Claims

可動型と固定型との間に形成されるキャビティに離型剤が塗布された後、前記キャビティに溶融材料が充填されて成形を行う成型金型において、
前記キャビティの金型表面粗さを形成する機械加工方向が、鉛直方向に対して直交する水平方向である
ことを特徴とする成型金型。
請求項１に記載する成型金型において、
前記キャビティの金型表面粗さが前記離型剤に含有される骨材の粒径より粗く、
前記可動型と前記固定型を型割りさせる見切り面の金型表面粗さが前記骨材の粒径より滑らかである
ことを特徴とする成型金型。