JP2014087843A - ダイカストマシンの射出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のダイカストマシンの射出装置は、大きなアキュムレータやオイルタンク、複雑な油圧回路などから構成されており、装置が大型化することや、油漏れ対策のメインテナンス作業を要するなど問題があった。
【解決手段】 スリーブ内の溶湯を金型内に射出充填し圧力を負荷するプランジャーと、プランジャーと一体的に結合する高速移動部材と、高速移動部材にクッションシリンダーを介して連結するリニアモータと、高速部材の中で回転は拘束されているが軸方向に移動可能な軸受保持部材と、軸受保持部材に軸受を介して装着されるとともに台形ねじと螺合しプランジャーが受ける圧力によって高速移動部材と当接して前記台形ねじとの相対的な動作が拘束されるロックナットと、台形ねじを押圧してロックナット及び高速移動部材を介してプランジャーから溶湯に保持力を負荷する昇圧保持装置と、から構成される。
【選択図】 図１

Description

アルミニウム製品を鋳造するダイカストマシンの射出装置であって、金型キャビティ内に溶湯を射出充填し、圧力を負荷する装置の機械構造、およびその制御方法に関する。

まず、横型のダイカストマシンによる一般的なダイカスト鋳造装置及び方法を、図７を用いて説明する。
ダイカストマシン（鋳造装置）１００は、金型装置１０１と、射出装置１０２とを具備している。金型装置１０１には、対向する一対の固定プラテン１２０と可動プラテン１２１との間に、固定金型１１８と可動金型１１９が取付けられている。固定金型１１８と可動金型１１９は、固定プラテン１２０と可動プラテン１２１などで構成される型締装置によって閉じられることにより、その間にキャビティ（空洞）１２２を形成する。型締力が負荷された状態において、キャビティ１２２内にアルミニウム合金などの溶湯（高温で溶融状態）が射出充填され、冷却固化後に金型が開かれて取り出すことにより、鋳造成形品を製造できる。溶湯を射出充填するために、射出装置１０２が設けられている。また、固定プラテン１２０には、溶湯が貯められるプランジャースリーブ１１７が設けられており、固定プラテン１２０及び固定金型１１８を貫通して、キャビティ１２２に流体連絡する。

射出装置１０２には、溶湯を射出するための油圧駆動の往復動ピストン／シリンダーを備える射出シリンダーが設けられている。射出シリンダーは、射出シリンダー本体１１６とピストン１０３とを具備する。ピストン１０３は、図７において左端にピストンヘッド１１５を具備し、そのピストンヘッド１１５と一体化しているピストンロッド１１４に射出カップリング１１３でプランジャーロッド１１２が連結され、その先端にプランジャーチップ１１１が取付けられている。プランジャーチップ１１１は、プランジャースリーブ１１７内に嵌合し、プランジャースリーブ１１７内で往復運動して、プランジャースリーブ１１７内の溶湯を圧送することにより、溶湯をキャビティ１２２内に射出充填できる。
図７の実施の形態においては、射出装置１０２は油圧式であるので、図示せぬ油圧装置により、作動油をシリンダー本体１１６のヘッド側に供給して、ピストンヘッド１１５及びピストンロッド１１４を駆動する。そして、プランジャースリーブ１１７に貯められた溶湯をプランジャーチップ１１１で押して、固定金型１１８、可動金型１１９から形成されるキャビティ（空洞）１２２に射出充填して鋳造成形する。

ここで、溶湯をキャビティ内に射出充填する際の射出速度や射出圧力を、適切に設定し制御することが、良品を鋳造するためには極めて重要である。
一般的な鋳造の射出速度パターンを、図８を用いて説明する。
射出充填工程が開始される前の給湯工程において、図示せぬ給湯装置により溶湯が射出スリーブ１１７内に注湯され、射出開始状態となる。この時のプランジャーチップ１１１の先端位置はＡである。（図８の上の図を参照）

この状態から、まず低速射出工程が行われる。この工程では、低速でプランジャーチップ１１１を前進させ、射出スリーブ１１７の内部において溶湯が波立ち空気を巻き込まないようにすることが必要である。そのため、安定した低速（ＶＬ）の制御が要求される。プランジャーチップ１１１が前進し、溶湯が射出スリーブ１１７の上壁まで達し更に湯面がゲート近傍まで上昇するＢ位置に達すると（射出ストロークセンサがＳＬ前進したことを検知すると）、高速射出工程に切換えられる。（図８の上から２番目の図を参照）
高速射出工程では、プランジャーチップ１１１等を一気に加速し、高速（Ｖｈ）でキャビティ１２２内に溶湯を射出充填する。これは、溶湯が低温であるキャビティ１２２の金型表面に接触すると瞬時に凝固するためであり、できるだけ短時間で凝固する前に充填することが、良品の鋳造のためには望ましい。特に、キャビティ１２２（鋳造品）が大型化、複雑化すると、より高速化が求められる。
そして、キャビティ１２２内に溶湯が完全に充填する直前なると、溶湯の圧力が上がることにより速度は下がりだす。またサージ圧によるバリの発生を防ぐため、意図的に速度を下げる場合もある。プランジャーチップ１１１がＣ位置に達しキャビティ１２２内に溶湯が充満すると、射出圧力（射出シリンダーのヘッド側圧力）が上昇する。図示しないヘッド側油圧回路に設けた圧力センサの測定値が設定切換え圧力（Ｐ０）になった時に、昇圧工程に切換える。（図８の上から３番目の図を参照）
昇圧工程では、あまり早く圧力を上昇させるとバリが発生し、また遅いと引け巣が発生するので、適切な昇圧速度で上昇させる。そして、設定された保持圧力（Ｐ）まで達すると一定の時間溶湯圧力を保持制御（保持工程）し、溶湯が凝固冷却して収縮する分、プランジャーチップ１１１を前進させる。（図８の下の図を参照）

このように高速射出と高い保持圧力が要求されるため、従来のダイカストマシンの射出装置は、油圧装置によって駆動されていた。この油圧装置には、油圧ポンプ、大容量のアキュムレータ、ガスボトル、切換えバルブ、配管、オイルタンクなど多くの機器が必要で、油圧回路は複雑になっていた。そのため、装置の大型化や、油漏れ、メインテナンス作業の増大などの問題点があった。さらに、油圧回路内を高速で作動油が流動するため、圧力損失が発生し、エネルギーロスが生じていた。

これらの問題を解決するため特許文献１や特許文献２では、高速射出用の電機駆動装置と昇圧保持用の電機駆動装置を装備し、ロックナットによって切換える方式の電機駆動射出機構が開示されている。

特開２０１０−２３４３９６号公報 特開２０１１−１５６５７９号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、射出充填駆動装置の力をばねやシリンダーを介してプランジャーに伝える構造になっていたため、構造が複雑であり又プランジャーの速度制御が困難となる課題があった。また、特許文献２の装置では、サージ圧防止シリンダーを設ける必要があり、さらにその油圧力を調整する必要があるという課題があった。

以上の課題を解決するために、本願発明の第１の発明では、前進することによりスリーブ内の溶湯を金型内に射出充填し圧力を負荷するプランジャーと、プランジャーと一体的に結合する高速移動部材と、高速移動部材にクッションシリンダーを介して連結するリニアモータと、高速部材の中で回転は拘束されているが軸方向に移動可能な軸受保持部材と、軸受保持部材に軸受を介して装着されるとともに、ねじ軸と螺合し、プランジャーが受ける圧力によって高速移動部材と当接してねじ軸との相対的な動作が拘束されるロックナットと、ねじ軸を押圧してロックナット及び高速移動部材を介してプランジャーから溶湯に保持力を負荷する昇圧保持装置と、から構成されるダイカストマシンの射出装置である。
第２の発明では、第１の発明において、昇圧保持装置は、昇圧用サーボモータと昇圧用ボールねじから構成される。

（１）油圧装置を用いない全電動の射出装置を、簡素な機構で実現できる。
（２）射出装置の駆動に油圧を用いないため、大きな油圧タンクや油圧制御弁などの油圧装置が不要となる。そのため、油圧機器の調整や油漏れが無くなり、メインテナンスに要する労力が軽減される。

本願発明の実施例であり、射出装置の構造の概略を示す図である。 本願発明の射出装置および金型周辺を横から見た図であり、射出充填装置（リニアモータ等）は省略して示されている。 図２における矢視Ａから見た射出装置を示す。 射出充填工程、昇圧保持工程中における、各装置の速度、圧力、状態を表すグラフである。 本願発明の第２の実施例であり、昇圧保持装置の構造の概略を示す図である。 本願発明の第３の実施例であり、昇圧保持装置の構造の概略を示す図である。 従来の油圧駆動方式の射出装置、および金型周辺を示す図である。 一般的なダイカスト鋳造におけるプランジャーの位置、溶湯の状態、射出速度、溶湯圧力の関係を示す図およびグラフである。 本願発明の第４の実施例であり、ロックナットの周辺部を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施例を説明する。

図１を用いてに、本発明に係るダイカストマシンの射出装置の構造を説明する。
プランジャーチップ１０ａとプランジャーロッド１０ｂからなるプランジャー１０は、図示せぬスリーブ内で摺動可能な状態であり、前進することによってスリーブ内の溶湯を金型キャビティ内に射出充填することができる。その時、プランジャーチップ１０ａの先端面は溶湯からメタル圧（射出圧力）を受けることになる。プランジャーロッド１０ｂは、高速移動部材１４と一体的に結合している。高速移動部材１４の中には、キー１２を介して軸受保持部材１７が前後方向に摺動可能であるが回転方向には拘束された状態で装着されている。軸受保持部材１７には、ロックナット軸受３１を介して、ロックナット３０が回転自在且つ軸方向には拘束された状態で取り付けされている。ロックナット３０の高速移動部材１４側にはナット側摩擦ディスク１６が固着されており、ロックナット３０の一部を構成している。高速移動部材１４の内側には、ナット側摩擦ディスク１６と向かい合う位置に、固定摩擦ディスク１５が固着されている。また、高速移動部材１４と軸受保持部材１７の間にはばね１８が挿入されており、ばね１８の圧縮力によりナット側摩擦ディスク１６と固定摩擦ディスク１５の間に、一定距離の隙間１３が形成される。隙間１３はプランジャー１０を低速で後退させるために必要なだけであり、ばねの圧縮力は小さくて良い。

高速移動部材１４の両側面には、クッションシリンダー１９が２組取り付けられている。クッションシリンダー１９には、圧縮空気がある設定圧力で封入されており、射出中の充填力ではクッション部が縮まないようになっている（ガススプリングなど）。高速移動部材１４は、クッションシリンダー１９を介してリニアモータの可動部２２と接続している。リニアモータの固定部２１は射出装置に固定されている。リニアモータに外部の制御装置から通電され電流制御されると、リニアモータ可動部２２は前後に移動し、プランジャー１０を前後進させることができる。クッションシリンダー１９は射出中の充填力では縮まないためリニアモータは射出位置速度を直接的に制御可能である。

ロックナット３０と螺合する台形ねじ軸３２は、加圧部材３３と一体的に固着されている。加圧部材３３には、昇圧ボールねじナット３６が装着されている。昇圧ボールねじナット３６と螺合する昇圧ボールねじ軸３７は、昇圧軸受３８によって、後部支持部材４０に回転自在且つ軸方向には拘束された状態で支持されている。昇圧ボールねじ軸３７は、さらに減速機４１、および昇圧カップリング４３を介して昇圧用サーボモータ４４の回転軸と、連結している。減速機４１、および昇圧サーボモータ４４の回転しない部分は、後部支持部材４０に固定されている。昇圧ボールねじは、回転摩擦抵抗が少ないボールねじであることが好適であるが、大荷重が作用する大型機の場合は、台形ねじなどを用いても良い。

図２は、金型周辺および射出装置を、横から見た図（リニアモータ等は省略している）であり、射出スリーブ５５内に溶湯が注湯され、射出充填工程直前の状態を表している。固定プラテン５０に取り付けられた固定金型５２と可動プラテン５１に取り付けられた可動金型５３は、図示せぬ型締装置によって型締力が負荷されており、間には、鋳造品形状の空間であるキャビティが形成されている。固定プラテン５０と固定型５２には、射出スリーブ５５が装着されており、キャビティと連通している。よって、プランジャー１０を前進（図の左方向）させると、溶湯をキャビティ内に充填することができる。

後部支持部材４０は、下部支持フレーム４６および上部支持フレーム４７と一体化しており、固定プラテン５０と連結されている。そのため、プランジャー１０が射出充填および昇圧保持中に溶湯から受ける圧力を、受け止め支持することができる。
高速移動部材１４と加圧部材３３は、それぞれ高速部材用リニアガイド４９と加圧部材用リニアガイド４８によって、下部支持フレーム４６上に前後方向には滑らかに摺動可能で且つ上下、横方向には拘束された状態で支持されている。
図３は、図２の矢視Ａから見た図である。高速移動部材１４は、２組の高速移動部材用リニアガイド４９に支持されている。また、高速移動部材１４の両側においては、クッションシリンダー１９を介してリニアモータ可動部２２と連結している。リニアモータ固定部２１は、下部支持フレーム４６と上部支持フレーム４７に固定されている側部支持フレーム４５に取り付けられており、間に作用する磁力によってリニアモータ可動部２２およびプランジャー１０に推進力（射出力）を与えることができる。

なお、この実施例では、昇圧保持装置はサーボモータとボールねじによって保持力を発生させる構造で説明したが、油圧シリンダーによって保持力を発生させても良い。しかし、昇圧速度等をサーボモータのトルク制御で調整した方が、動作の安定性等に優れる。

次に、このような射出装置によって行なう射出充填工程、昇圧保持工程、およびその制御方法について、図４を用いて説明する。

まず、射出充填工程開始前の射出装置の状態について説明する。リニアモータを操作しプランジャー１０を後退限の原点位置にセットする。また、加圧部材３３も原点位置に戻しておく。

型締工程が完了後、給湯装置によって射出スリーブ内に溶湯が注湯されると、直ちに射出充填工程が開始される。まず、リニアモータ可動部２２に適切な推力を与えて低速で前進させ、低速射出を行なう。そして、プランジャー１０が設定された距離前進して、スリーブ内の溶湯の上面が金型ゲート付近まで上昇すると、リニアモータを加速し高速射出を行なう。この時、プランジャー１０や高速移動部材１４の慣性のため、高速まで速度を上げるための加速域（加速時間）が存在する。射出充填工程中は、昇圧用サーボモータ４４は位置保持制御し、加圧部材３３等が動かないようにしておく。プランジャー１０が前進し金型キャビティ内が溶湯でほぼ充満されると、溶湯の圧力が急激に上がってプランジャー１０が溶湯から受ける圧力が高くなり、プランジャー１０は急減速する。高速射出時にはロックナット３０は高速で回転しながら前進するので、プランジャー１０が急減速すると、前に進もうとする慣性力でばね１８を縮めて固定摩擦ディスク１５とナット側摩擦ディスク１６は接触（隙間１３が無くなる）し、間に摩擦力が発生してロックナット３０の回転は急減速し停止する。回転が停止状態になると、ロックナット３０の回転は正逆両方向とも摩擦力で抑制され、ロックナット３０と台形ねじ３２は相対的動作が拘束され、プランジャー１０、高速移動部材１４、ロックナット３０、台形ねじ軸３２、および加圧部材３３が一体化される。プランジャー１０の位置は図示しない位置センサなどで検出し、プランジャー１０の位置が所定の位置に達した時点、あるいはプランジャー１０の速度が設定速度まで下がった時点で昇圧工程へ切り替える。

また、キャビティ内に溶湯がフル充填しプランジャー１０が急減速した際、リニアモータ可動部２２にも慣性力による衝撃が作用しそうになるが、クッションシリンダー１９が縮んでその衝撃は緩和される。リニアモータ可動部２２の前進が停止すると、リニアモータの推力を０にしてフリー状態にする。ここでクッションシリンダー１９が縮んでいる時にリニアモータに減速する方向の推力を与えると、クッションストローク（縮み量）は小さくなる。

昇圧工程に切換わると、昇圧用サーボモータ４４を駆動してトルク制御によって、一体化したプランジャー１０、高速移動部材１４、ロックナット３０、台形ねじ軸３２、および加圧部材３３を前進させ、溶湯の圧力を上げて昇圧する。昇圧速度は、昇圧用サーボモータ４４のトルク制御によって自在に調整することができる。そして設定圧力（保持圧）まで昇圧すると、昇圧用サーボモータ４４のトルクを維持し、保持工程へと移行する。昇圧して溶湯の圧力が上がると、それに応じて摩擦ディスク間に働く接触面圧が上がり摩擦力も上がるので、ロックナット３０の回転は拘束され、ロックナット３０と台形ねじ軸３２の一体状態は維持される。

設定された保持時間が経過すると保持工程は終了となり、保持圧力を落とす。そして、次の型開きとともに昇圧用サーボモータ４４あるいはリニアモータ可動部２２を駆動し、突き出し工程を行なう。鋳造品を金型から取り外すと、一連の鋳造工程が終わり、次の鋳造工程を開始する。

２番目の実施例について、図５を用いて説明する。２番目の実施例では、前述の実施例の図１と比べて、射出装置の右側に装備されている昇圧保持装置のみに相違がある。図５において、昇圧ボールねじナット３６と螺合する昇圧ボールねじ軸６２は、昇圧軸受け３８を介して後部支持部材６１に回転自在の状態で支持されている。昇圧ボールねじ軸６２の右端には、大プーリ６４が結合されている。また、後部支持部材６１には、昇圧用サーボモータ６８が固定されており、その回転軸には小プーリ６６が結合されている。小プーリ６６と大プーリ６４の間には、歯付きベルト６５が巻かれているので、昇圧用サーボモータ６８の軸の回転を、減速しながら昇圧ボールねじ軸６２に伝えることができる。そのため、前述の減速機が付いている実施例と同じ動作をし、同等の昇圧保持工程を実現することが可能となる。

続いて、３番目の実施例について図６を用いて説明する。３番目の実施例は、最初の実施例に比べて昇圧保持装置に減速機が無い点にのみ相違がある。図６において、後部支持部材７１に固定されている昇圧用サーボモータ７４の回転軸は、カップリング７３を介して直接的に昇圧ボールねじ軸７２と連結している。昇圧用サーボモータ７４に、回転トルクの強いサーボモータを採用することによって、これも同等の昇圧保持工程を実現できる。

４番目の実施例について、図９を用いて説明する。高速移動部材１４には円錐状固定摩擦ディスク１５ｂが固着されている。また、ロックナット３０には、円錐状ナット側摩擦ディスク１６ｂが固着されている。円錐状固定摩擦ディスク１５ｂと円錐状ナット側摩擦ディスク１６ｂの接触面は図９に示すようθの角度が付けられており、円錐状（テーパ状）になっている。この状態で２つの摩擦ディスクをＦの力で押し付けると接触面にはＦ／ｃｏｓθの力が作用する。この時摩擦により発生する摩擦回転トルクは摩擦ディスクの半径をｒ、摩擦係数をμとするとμ・Ｆ・ｒ／ｃｏｓθとなる。よって、ロックナット３０の回転を抑止（ロック）するトルクは１／ｃｏｓθ倍だけ上昇する。そのため、例えば半径ｒをｃｏｓθ倍小さくできるので、機械のコンパクト化に繋がる。

本願発明の構造では、プランジャー１０に作用する溶湯圧力が直接摩擦ディスク（１５、１６）に作用（ばね１８の圧縮は小さい）し摩擦力が大きくなるのでロックナット３０の回転を拘束しやすい。一方、特許文献１の構造では、ばねの圧縮力は射出充填力以上の大きさが必要で、その分摩擦ディスクに作用する力は小さくなる。よって、本願発明では摩擦ディスク（１５、１６）の半径を小さくできるなど機械構造をコンパクトにできる。また、特許文献２では、必要であったサージ圧防止シリンダーが不要で、構造が簡素化でき、更にリニアモータが直接的にプランジャー１０の位置速度を制御できるので、より動作が安定する。

上記の実施の形態は本発明の一例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。

ダイカストマシンによりアルミニウム製品を鋳造する生産工場において実用可能であり、鋳造品品質の向上、射出装置の簡素化、省エネ運転に貢献できる。

１０ プランジャー
１０ａ プランジャーチップ
１０ｂ プランジャーロッド
１２ キー
１３ 隙間
１４ 高速移動部材
１５ 固定摩擦ディスク
１５ｂ 円錐状固定摩擦ディスク
１６ ナット側摩擦ディスク
１６ｂ 円錐状ナット側摩擦ディスク
１７ 軸受保持部材
１８ ばね
１９ クッションシリンダー
２１ リニアモータ固定部
２２ リニアモータ可動部
３０ ロックナット
３１ ロックナット軸受け
３２ 台形ねじ軸
３３ 加圧部材
３６ 昇圧ボールねじナット
３７ 昇圧ボールねじ軸
３８ 昇圧軸受け
４０ 後部支持部材
４１ 減速機
４３ 昇圧カップリング
４４ 昇圧用サーボモータ
４５ 側部支持フレーム
４６ 下部支持フレーム
４７ 上部支持フレーム
４８ 加圧部材用リニアガイド
４９ 高速移動部材用リニアガイド
５０ 固定プラテン
５１ 可動プラテン
５２ 固定金型
５３ 可動金型
５５ 射出スリーブ
６１ 後部支持部材
６２ 昇圧ボールねじ軸
６４ 大プーリ
６５ 歯付きベルト
６６ 小プーリ
６８ 昇圧用サーボモータ
７１ 後部支持部材
７２ 昇圧ボールねじ軸
７３ 昇圧カップリング
７４ 昇圧用サーボモータ
１００ ダイカストマシン（鋳造装置）
１０１ 金型装置
１０２ 射出装置
１０３ ピストン
１１１ プランジャーチップ
１１２ プランジャーロッド
１１３ カップリング
１１４ ピストンロッド
１１５ ピストンヘッド
１１６ 射出シリンダー本体
１１７ 射出スリーブ
１１８ 固定金型
１１９ 可動金型
１２０ 固定プラテン
１２１ 可動プラテン
１２２ キャビティ（空洞）

Claims (3)

1. 前進することによりスリーブ内の溶湯を金型内に射出充填し圧力を負荷するプランジャーと、
   前記プランジャーと一体的に結合する高速移動部材と、
   前記高速移動部材にクッションシリンダーを介して連結するリニアモータと、
   前記高速部材の中で回転は拘束されているが軸方向に移動可能な軸受保持部材と、
   前記軸受保持部材に軸受を介して装着されるとともに、ねじ軸と螺合し、前記プランジャーが受ける圧力によって前記高速移動部材と当接して前記ねじ軸との相対的な動作が拘束されるロックナットと、
   前記ねじ軸を押圧して前記ロックナット及び前記高速移動部材を介して前記プランジャーから溶湯に保持力を負荷する昇圧保持装置と、
   から構成されることを特徴とするダイカストマシンの射出装置。
2. 前記昇圧保持装置は、昇圧用サーボモータと昇圧用ボールねじから構成されることを特徴とする、請求項１に記載のダイカストマシンの射出装置。
3. 前記高速移動部材と前記ロックナットの当接部の接触面は、円錐形状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のダイカストマシンの射出装置。

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