JP2020015294A

JP2020015294A - 冷却ブロックを金型本体に敷設する方法

Info

Publication number: JP2020015294A
Application number: JP2018141900A
Authority: JP
Inventors: 宏二上谷; Koji Kamiya
Original assignee: Tsujino Ryoji
Current assignee: Tsujino Ryoji
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-01-30

Abstract

【課題】樹脂の射出成形やプレス成形に用いられる金型にて、急速冷却するための冷却ブロックを、比較的小さな機構で、特に、大きな押し付け力を必要とせず回転のみの簡易な機構を用いて、金型本体に敷設する方法を提供する。【解決手段】金型本体１０に回転対称形状で側周面５２と底部５１を有する空所５０を加工し、冷却ブロック４０の先端部４７と空所５０の底部５１との接触部６０に押圧力を加えた状態で冷却ブロック４０を回転軸７１周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、摩擦による摩擦熱を利用して回転摩擦面６２近傍の材料組織を溶融させて溶融金属８０を生成し、液体化した溶融金属８０を冷却ブロック４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に充填させ、隙間６１近傍の組織と一体化させることにより冷却ブロック４０を金型本体１０に敷設する。【選択図】図３

Description

本発明は、樹脂の射出成形やプレス成形に用いられる樹脂成形用の金型を急速冷却するための冷却ブロックを金型本体に敷設する方法に関する。

樹脂の射出成形及びプレス成形において、成形時間短縮のために樹脂成形用の金型の加熱冷却の高速化が求められている。樹脂などの高分子の射出成形を高効率に行うために金型を急速冷却すべく冷却ブロックを金型本体に敷設する方法として、鉄系金属製の金型本体に空所を形成し、その空所に高熱伝導の金型冷却用の純銅の冷却ブロックを挿入しさらに冷却ブロックの上方から圧力と熱を負荷し冷却ブロックと金型本体を一体組織とする、拡散接合が行われている。この際、９００℃以上に加熱しほぼ２４時間以上の長時間静置するともに、冷却ブロックの表面及び空所の壁面は酸洗または超音波洗浄などにより清浄度を保つ。
特許文献１または特許文献２では、金型裏面の高強度金属層を急速に冷却するため、銅やアルミニウムの高熱伝導率を有する金属を高強度金属の下層に敷設して熱伝導を促進させ、合わせて水路を設置し抜熱する方法がとられている。金型裏面の高強度金属層と高熱伝導率金属層の敷設のために、拡散接合が用いられる。拡散接合とは母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で、塑性変形を出来るだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。

特許文献３には、金属製の空所に空所より若干大径の棒状の金属挿入物を挿入させるに際し、金属挿入物に回転運動と挿入方向に大きな力を加え、空所入口近傍さらには空所内部を摩擦発熱によって軟化または溶融させ徐々に金属挿入物を挿入させる摩擦圧接が提示されている。

図１３に従来の摩擦圧接による鋼材の接合例を示す。図１３ａに示すように、第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを押圧（摩擦圧力）しつつ第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０との接触部１６０に生ずる摩擦により接触部１６０近傍の材料組織を溶融または軟化させた後、さらに大きな押圧（アプセット圧力）を付加して一体化させる第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０との接合方法および接合構造である。摩擦圧接法の場合、図１３ｂに示すように、溶融により液状化した接触部１６０近傍の組織は摩擦圧力およびアプセット圧力により摩擦面から排出されてバリ１８１の大部分を形成し、通常は接合に有効利用されることはない。一方、軟化した固体組織は摩擦面近傍に残存し鋼材同士の固体接合に寄与する。

出願人らによる従前の出願、特許文献４では、回転摩擦による新しい鋼材の接合方法として図１４、図１５に示す回転摩擦溶接を提供している。すなわち、第１の鋼材２１０と第２の鋼材２２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材２１０の端面２１１と第２の鋼材２２０の端面２２１とを対向させて配置する。空所２５０として、第１の鋼材２１０の端面２１１と第２の鋼材２２０の端面２２１とに跨り、第１の鋼材２１０の表面２１２と前記第２の鋼材２２０の表面２２２とに垂直な直線を回転軸２７１とし単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面２５２と、側周面２５２に連続する円錐体形状の底部２５１を加工する。一方、接合金属２４０は、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面２４２を有する接合金属本体２４１と、接合金属本体２４１に連続する円錐体形状の先端面２４７ａを有する先端部２４７とからなり、空所２５０に容易に挿入されうる大きさとする。接合金属２４０を空所２５０に回転軸２７１が一致するように挿入する。次いで、図１５ｂに示すように、接合金属２４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸２７１回りに回転ωを与えることにより接合金属２４０の先端部２４７と空所２５０の底部２５１との間の回転摩擦面２６２にて摩擦を生ぜしめる。摩擦熱によって液体化した溶融金属２８０を押し付け力Ｐによる押圧力と回転運動を利用して接合金属２４０の側周面２４２と空所２５０の側周面２５２との隙間２６１に充填させ、溶融金属２８０が隙間２６１の全域に充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属２８０は凝固し、隙間２６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。

国際公開２０１２−１３３４０６号公報特開２０１１−２０６９１８号公報米国特許４０８７０３８号公報特願２０１７−１７９５２３号

特許文献１または特許文献２に示される拡散接合では、母材を密着させ接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法のため、以下に示す厳密な制御が必要とされかつほぼ２４時間以上の長時間の処理が必要となる。すなわち
(1) 高強度金属層と高熱伝導率金属層の両者の清浄度を保つため酸洗または超音波洗浄などの事前処理を施す必要がある。
(2) 上方から圧力に関しては、高強度金属層と高熱伝導率金属層の塑性変形による金型の形状寸法の狂いを防止しつつ、原子の拡散を促進させるため小さな圧力に制御する必要がある。
(3) 金型の形状が複雑な場合、高強度金属層と高熱伝導率金属層への加熱の際の温度のばらつきが生じるため加熱方法に最善の工夫を要する。
特許文献３に示される方法では、空所入口近傍で接合に寄与しないバリが多く発生し、挿入を妨害するのでそれに打ち勝つような多大な力が必要であり、押圧および摩擦を加えるために要する加圧機構や動力機構の性能が巨大化する。

金型の冷却効果には、金型本体と冷却ブロックとの密着度と組織的結合が重要である。金型本体と冷却ブロックとの間に隙間があれば、その隙間で熱伝導、すなわち固体内熱エネルギー移動が生じることはない。間隙を熱エネルギーが移動する現象は輻射であるが、輻射の熱伝導効率は固体内の熱伝導と比べると遥かに低い。つまり金型の冷却効果を上げるためには、金型本体と冷却ブロックとの界面の密着度を高めること、つまり隙間が少ないことであり、安定した冷却効果を有する金型を作るためには、金型本体と冷却ブロックとの組織的結合を図る必要がある。現行の冷却金型で用いられている組織的結合の方法は原子の拡散を利用した方法であるが、原子の拡散現象による組織的結合を得るには、「密着」「活性化温度の保持」「接触面の清浄度保持」など技術面・コスト面での困難点が多い。
金属加工には必ず何らかの加工誤差が伴うから、金型本体と冷却ブロックとが対向する面の間で至るところ隙間なく完全接触（密着）することはあり得ない。従って空隙を介さずに面を密着させるためには、高精度の加工、強制的押付け力の印加などが求められる。さらに、金型使用時の温度変化の問題がある。金型本体と冷却ブロックとの接触が「単なる幾何学的接触」であって、両者の組織が「強度を有する結合」でなければ、両者の熱膨張のずれによって境界部に隙間が生じ得る。隙間が生じれば熱伝導は遮断されるから、安定した冷却効果を得ることができない。また、従来の「原子の拡散を利用して接合する方法」では、前述の「密着」「活性化温度の保持」「接触面の清浄度保持」を厳密に制御できない場合、金型本体と冷却ブロックとの接触部の結合は比較的弱く、そのために温度の繰返し変動に伴う繰返し歪（繰返し変形）によって接触部にミクロな亀裂が発生・成長し、これによって冷却効果の低下を招くと思われる。「冷却ブロック付金型の寿命が短い」と言われているのは、以上の理由によると考えられる。

本発明は、従前出願の特許文献４にて提案した回転摩擦溶接を金型製造に応用して、金型表面の高強度金属層に高熱伝導率金属である冷却ブロックを金型本体に敷設するものであり、従来の金型製造において採用している拡散接合法や摩擦圧接法の非効率、高コスト技術を改善せんとするものである。
なお、「表面」とは、挿入される冷却ブロックの基端部側の面とし、「裏面」とは、挿入される冷却ブロックの先端部側の面とする。「側周面」とは、回転対称体における母線の生成する面を意味する。回転対称形状の母線は任意の単調変化する曲線である。「容易に空所に挿入されうる」とは、冷却ブロックの側周面と空所の側周面との間に適度の隙間を有して挿入が容易なことを意味する。

請求項１では
金型は金型本体と冷却ブロックとからなり、前記金型本体の表面に垂直もしくは略垂直な直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記金型本体の前記空所に回転摩擦によって前記冷却ブロックを前記金型本体に敷設する方法であって、前記冷却ブロックは容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記冷却ブロックを前記空所に挿入し、前記冷却ブロックの先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記冷却ブロックを回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記冷却ブロックの先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記冷却ブロックの前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させる。ここで、金型本体の材質は、任意の金属であって、冷却ブロックの材質は、摩擦により溶融して、金型本体と一体化することが可能な金属である限り任意である。

請求項２では
前記冷却ブロックの熱伝導率は、前記金型本体の熱伝導率よりも大きい。

請求項３では
前記金型本体は、ステンレス鋼または高強度鋼のいずれかからなり、前記冷却ブロックは、純銅もしくは銅合金または純アルミニウムもしくはアルミニウム合金のいずれかからなる。

請求項４では
前記空所の前記底部は、前記金型本体の内部に有底空所として形成する。ここで有底空所の加工の一例として、空所を削り出すドリル刃が鋼材を貫通する以前にドリルの回転を停止させる方法がある。

請求項５では
前記空所の前記底部は、前記金型本体の裏面に前記空所を塞ぐように裏当板を付接することにより形成する。ここで「付接」とは、スポット溶接等により裏当板を固定することを意味する。

請求項６では
前記空所に前記冷却ブロックを挿入して回転させることによって１番目の敷設を完了した後、１番目の前記冷却ブロックに連続するようにまたは重なるように、２番目の空所を形成し、前記２番目の空所に２番目の冷却ブロックを挿入して回転させることによって２番目の敷設を完了し、以後順番にＮ回これを繰り返し、連続した前記冷却ブロックを敷設する。

請求項７では
前記冷却ブロックと前記空所の組み合わせとして前記空所が円筒形状であり、前記冷却ブロックが略円柱体である。

請求項８では
前記冷却ブロックの体積が、前記空所の体積より小さくない。これにより、回転摩擦により生成される溶融金属が冷却ブロックの側周面と空所の側周面の隙間を余地なく充填し尽くすことができる。つまり、請求項８は、前記隙間を前記溶融金属で余地なく充填し尽くすための必要条件である。

請求項９では
前記冷却ブロックの先端部にテーパ部を有する。冷却ブロックの先端部と空所の底部との接触部の面積を小さくし回転開始時のモータートルクを小さく抑えることにより溶融金属の生成が促進される。

請求項１０では
前記冷却ブロックの前記側周面に凹凸を有する。この発明によると、発生した溶融金属が空所の深さ方向に充填侵入しやすくなるのに加え、溶融金属と冷却ブロックの側周面の接触面積を大きくすることにより接合強度を上昇せしめる。

請求項１１では
前記冷却ブロックの前記側周面の前記凹凸が、前記冷却ブロックの横断面視多角形の辺部と稜部である。この発明によると、発生した溶融金属が空所の深さ方向に充填侵入しやすくなる。

請求項１２では
前記冷却ブロックの前記側周面の前記凹凸が、前記冷却ブロックの基端部から先端部に向かう進行方向に対する逆目ネジである。この発明によると、発生した溶融金属が冷却ブロックの側周面と空所の側周面との隙間に十分充填される前に空所から吐出することを防止し、溶融金属の隙間への密実な充填を促進する。

請求項１３では
前記冷却ブロックの基端に前記空所の表面側を覆う鍔部を有する。この発明によると、空所内部から溶融金属が吐出するのを抑える効果がある。

請求項１４では
前記空所に前記冷却ブロックを挿入時および挿入後の回転数を１０００〜１２０００rpmとする。回転数は、冷却ブロックおよび空所の径に依存し、径が大きく、冷却ブロックおよび空所の隙間が大きい条件下では、溶融金属の生成速度を大きくする必要があり高回転数が有効となる場合がある。

請求項１５では
請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法により前記冷却ブロックを前記金型本体に敷設された金型である。

本発明では樹脂成形用の金型本体に金型冷却用の冷却ブロックを敷設する方法として、回転摩擦溶接による極めて短時間で製作できる高効率な方法を提供した。
金型本体に形成された空所に容易に挿入できる冷却ブロックを回転させながら挿入し空所の底部と冷却ブロックの先端の摩擦により冷却ブロックが溶融して純銅の溶融金属を発生させ、空所と冷却ブロックの隙間に純銅の溶融金属を充填させて金型本体由来の金属と冷却ブロックの金属が相互拡散した一体金属組織（固溶体）を形成し、冷却ブロックを有した金型を製作する方法である。
この方法によると次の効果を生じ技術的に有用なものとなる。
(1) 回転を与えるモーターのトルクや仕事率を大きく低減できる。すなわち、エネルギー効率が高まる。
(2) 装置が小型化でき、操作性を高められる。
(3) 冷却ブロックと空所の形状は「円筒」でも成立するため、加工が容易になる。これによってもたらされる量産化、コスト・メリットは、実用化にとって極めて重要である。

本発明の冶金的、流体力学的挙動を詳述すると以下のとおりである。
冷却ブロックを金型本体の空所内に挿入し、押し付け力を加えながら同時に冷却ブロックを回転軸周りに回転させる。冷却ブロックの先端部と空所の底部との接触部で摩擦が生じ、摩擦熱が摩擦面近傍にある金属組織の一部を溶融化せしめる。溶融流体化した溶融金属は押圧の作用によって押し出され、冷却ブロックの側周面と空所の側周面の間の空隙に侵入していく。冷却ブロックの側周面と空所の側周面とは冷却ブロックの回転による相対速度を有しているので、粘性抵抗を有する溶融金属は絶えず撹拌され、力学的エネルギーから変換された熱エネルギーの供給を受けて高温の液体状態を保ち続けることができ、すぐには凝固せず冷却ブロックと空所の間の空隙に浸透し続けることが可能である。空隙に侵入した溶融金属は、回転停止とともに空所周囲からの抜熱による温度低下によって固体化し溶接金属としての機能を果たす作用を起こし冷却ブロックと空所周囲が一体組織となる。
なお、上記方法では、従来の摩擦圧接法のように冷却ブロックの接触部界面で発生した溶融金属を無用な凝固物であるバリとして吐出するものではなく、金型本体と冷却ブロックとを接合する溶接金属として有効に利用する新しい技術である。溶融金属は流体であるため固体に比べて格段に小さい粘性抵抗だけによって容易に空隙に浸透せしめることが可能である。さらに摩擦は冷却ブロックの先端部と空所の底部との接触部のみで生じさせるため、冷却ブロックに加える押し付け力、及び、回転を与えるモーターのトルクは共に小さくて済む。すなわち、簡易な機構を用いた回転摩擦による接合が可能となる。

以上のような回転摩擦溶接による冷却ブロックの敷設では、金型本体と冷却ブロックとの接触部の結合は遥かに強固であり、温度の繰返し変動による冷却効果の低下は生じないと思われる。つまり、冷却ブロック付金型の寿命は相当に上昇すると期待できる。従来の製造法に対し、回転摩擦溶接による金型製造法は「密着度」、「密着部強度」、「製造過程の容易性・ロバスト性」、「利用寿命」、「製造コスト」のあらゆる点で優位性を有していると考えられる。

金型を説明する（ａ）断面図および（ｂ）平面図である。第１実施形態を説明するアイソメ図である。第１実施形態を説明する平面図および縦断面図である。第２実施形態を説明する平面図および縦断面図である。第２実施形態の実施手順を説明する図である。敷設ユニットを説明する図である。空所の体積と冷却ブロックの体積の関係を示す図であり、（ａ）は接合前の状態、（ｂ）は接合完了時の状態を示す。冷却ブロックが側周面にヤスリ溝またはローレット加工溝等による凹凸を有する場合を説明する図である。冷却ブロックが側周面に断面視正八角形の辺部と稜部による凹凸を有する場合を説明する図である。冷却ブロックが側周面に逆目ネジによる凹凸を有する場合を説明する図である。冷却ブロックの基端に空所の表面側を覆う鍔部を有する場合を説明する図である。第３実施形態を説明する図である。従来技術を説明する図である。出願人らによる従前の出願の技術を説明する図である。出願人らによる従前の出願の技術を説明する図である。

本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

本発明は、樹脂の射出成形やプレス成形に用いられる樹脂成形用の金型を急速冷却するための冷却ブロックを金型本体に敷設する方法に関する。図１は、本実施形態における金型を説明する断面図であり、樹脂の射出成形やプレス成形に用いられる樹脂成形用の金型１は、金型本体１０と冷却ブロック４０とからなる。

本発明の第１実施形態を、図２、図３を参照して説明する。図２に示すように、金型本体１０に、金型本体１０の表面１２から厚さ方向に、急速冷却するための冷却ブロック４０を敷設する。金型本体１０に空所５０として、金型本体１０の表面１２に垂直な直線を回転軸７１とし単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面５２と、側周面５２に連続する円錐体形状の底部５１を加工する。一方、冷却ブロック４０は、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面４２を有する冷却ブロック本体４１と、冷却ブロック本体４１に連続する円錐体形状の先端面４７ａを有する先端部４７とからなり、空所５０に容易に挿入されうる大きさとする。なお、本実施形態では、冷却ブロック４０の側周面４２に凹凸を設けていない。冷却ブロック４０を空所５０に回転軸７１が一致するように挿入する。次いで、図３ｂに示すように、冷却ブロック４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸７１回りに回転ωを与えることにより冷却ブロック４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２にて摩擦を生ぜしめる。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０を押し付け力Ｐによる押圧力と回転運動を利用して冷却ブロック４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に充填させ、溶融金属８０が隙間６１の全域に充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属８０は凝固し、隙間６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。

冷却ブロック４０の熱伝導率は、金型本体１０の熱伝導率よりも大きく、それぞれの具体的な材質としては、金型本体１０は、ステンレス鋼または高強度鋼のいずれかからなり、冷却ブロック４０は、純銅もしくは銅合金または純アルミニウムもしくはアルミニウム合金のいずれかからなる。

本発明の第２実施形態を、図４を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態と同様の冷却ブロック４０の敷設方法であるが、具体的な寸法と材質を付して詳細に説明する。ステンレス鋼製で表裏面５００×５００ｍｍ、高さ１５ｍｍの金型本体１０に、半径１０ｍｍφ深さ１３ｍｍの円筒形状の空所５０を加工する。空所５０は、頂点での開き角が122°の円錐体形状の底部５１ａ、底部５１ｂを有する有底空所であって、空所５０の最深部の深さは１４ｍｍである。一方、冷却ブロック４０は、純銅製であって直径９．０ｍｍの円柱体の冷却ブロック本体４１と先端部４７で構成される。先端部４７は頂点での開き角が１２０°の円錐体形状の先端面４７ａを有する。なお、本実施形態では、冷却ブロック４０の側周面４２に凹凸を設けていない。回転装置７０に装着した冷却ブロック４０を空所５０に挿入する。次いで、図４ｂに示すように、冷却ブロック４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸７１回りに回転ωを与えることにより冷却ブロック４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２にて摩擦を生ぜしめる。回転数は３０００ｒｐｍで押し付け力は１０００Ｎである。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０を押し付け力Ｐによる押圧力と回転運動を利用して冷却ブロック４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に充填させ、溶融金属８０が隙間６１の全域に充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属８０は凝固し、隙間６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。ところで、本実施形態では、空所の底部５１および冷却ブロック４０の先端部４７をそれぞれ円錐体形状としたが、それぞれ平坦面形状であってもよい。

図５は、第２実施形態における冷却ブロック４０の敷設方法の実施手順を段階的に示す。
（手順１）図５ａは、金型本体１０に加工された円筒形状の空所５０に、回転装置７０に装着した円柱形状の冷却ブロック４０を挿入し、冷却ブロック４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間に接触部６０が生じた状態を示す。
（手順２）図５ｂは、敷設中の状態を示す。冷却ブロック４０に押し付け力Ｐを作用させ、押し付け力Ｐを一定に保持しながら冷却ブロック４０を回転軸７１回りに回転速度ωで回転を与えることにより冷却ブロック４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２にて摩擦を生ぜしめる。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０は押し付け力Ｐによる押圧力の作用で押し出され、冷却ブロック４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に侵入していく。
（手順３）図５ｃは、冷却ブロック４０敷設後の状態を示す。冷却ブロック４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２（図５ｂ参照）における摩擦によって生成された溶融金属８０（図５ｂ参照）が、冷却ブロック４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１の全域に充填されたときに冷却ブロック４０の回転運動を停止させ、その後の温度低下に伴って隙間内部に残留して凝固した溶融金属８０ａが近傍の組織と一体化することにより敷設が完了する。なお、図５ｃ中の６２ａは、敷設完了時における冷却ブロックの先端部４７と空所の底部５１との間の回転摩擦面を表す。

なお、回転軸７１方向の押し付け力Ｐを加える方法、回転軸７１回りの回転を加える方法は任意である。

本発明の第２実施形態の空所５０と冷却ブロック４０による敷設は、空所５０と冷却ブロック４０とを敷設ユニット７２として、図６に示すように複数の敷設ユニット７２を金型本体１０の表面１２上の仮想線に沿って適宜間隔で並設する。複数の敷設ユニット７２を並設することにより必要な冷却熱量を確保する。

図７を参照して、請求項８の発明、及び（００１７）の命題の成立理由を、敷設過程での現象に則して詳細に説明する。なお、以下の説明では、簡単のため敷設過程における温度変化及び相変化による質量密度の変化は小さいものとして無視する。図７ａは敷設前の状態、図７ｂは敷設完了時の状態を示す。
また、図７ｂの６２ａは、敷設完了時の冷却ブロック４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面を示し、液体である溶融金属８０は圧力により全て外部に押し出され、回転摩擦面６２ａの内部には存在しないものとしている。
冷却ブロック４０の敷設前の総体積をＶ２、空所５０の体積をＶ３とする。
請求項８の「前記冷却ブロックの体積」は前記Ｖ２であり、敷設完了時に、固体のまま残った体積をＶ２ｓ、冷却ブロック４０由来の溶融金属８０のうち隙間６１内に留まって凝固した部分の体積をＶ２ｙ、冷却ブロック４０由来の溶融金属８０のうち空所外に押し出されてバリ８１となった部分の体積をＶ２ｂとすれば、
Ｖ２＝Ｖ２ｓ＋Ｖ２ｙ＋Ｖ２ｂ ――――― （１）
が成り立つ。
次に、（００１７）の「請求項８の発明では、隙間に充填され凝固した溶融金属８０ａが冷却ブロック４０の側周面４２と空所５０の側周面５２の隙間６１を余地なく充填し尽くすことができる」ことの理由を説明する。
金型本体１０のうち、冷却ブロック４０との回転摩擦により溶融する総体積をＶａとしたとき、隙間に充填され凝固した溶融金属８０ａの一部となる体積をＶａｙ、バリ８１となって吐出される体積をＶａｂとすると、
Ｖａ＝Ｖａｙ＋Ｖａｂ ――――― （２）
一方、吐出されるバリ８１の総体積をＶｂとすると、Ｖｂは、冷却ブロック４０由来のＶ２ｂと金型本体１０由来のＶａｂとの合計であるから、
Ｖｂ＝Ｖａｂ＋Ｖ２ｂ ――――― （３）
である。
空所５０の体積Ｖ３と、金型本体１０で冷却ブロック４０との回転摩擦により溶融する総体積Ｖａとの合計Ｖ３＋Ｖａが、冷却ブロック４０由来で固体のまま残った体積Ｖ２ｓと、溶融して隙間６１にとどまる体積Ｖ２ｙ、第１の鋼材１０および第２の鋼材２０由来で溶融して隙間６１にとどまる体積Ｖａｙとによって、空隙なく埋められるときには、
Ｖ３＋Ｖａ≦Ｖ２ｓ＋Ｖ２ｙ＋Ｖａｙ ――――― （４）
が成り立つ。
（１）と（４）より、
Ｖ２≧Ｖ３＋Ｖａ−Ｖａｙ＋Ｖ２ｂ ――――― （５）
（２）を（５）に代入して、
Ｖ２≧Ｖ３＋Ｖａｂ＋Ｖ２ｂ ――――― （６）
（３）を（６）に代入して、
Ｖ２≧Ｖ３＋Ｖｂ ――――― （７）
ここで、隙間に充填され凝固した溶融金属８０ａが隙間６１を余地なく充填し尽くし、余剰の溶融金属８０はバリ８１として放出される。そこで、バリ８１は存在するか零であるから、
Ｖｂ≧０ ――――― （８）
である。
（７）と（８）より、
Ｖ２≧Ｖ３ ――――― （９）
となる。式（９）は、請求項８の発明を数式で表現したものである。

第１実施形態、第２実施形態では、冷却ブロック４０の側周面４２に凹凸を設けていないが、図８に示すように冷却ブロック４０の側周面４２にヤスリ溝またはローレット加工溝等により凹凸４３を設けてもよい。

更に、冷却ブロック４０の側周面４２に凹凸４３は、図９に示すように冷却ブロック４０の横断面視多角形の辺部４３ｂと稜部４３ｃであってもよい。このように加工すると発生した溶融金属８０が空所５０の深さ方向に侵入しやすくなる。

更に、冷却ブロック４０の側周面４２に凹凸４３は、図１０に示すように冷却ブロック４０の基端部４８から先端部４７に向かう進行方向右回転に対する逆目ネジ４３ａであってもよい。このように加工すると発生した溶融金属８０が冷却ブロック４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に十分充填される前に空所５０から吐出することを防止し、溶融金属８０の隙間６１への密実な充填を促進する。

図１１に示すように冷却ブロック４０の基端部４８に空所５０の表面側を覆う鍔部４８ａを設けてもよい。鍔部４８ａによりバリの吐出を抑えうると共に、鍔部４８ａと金型本体１０の表面１２との間の摩擦圧接も期待できる。

本発明の第３実施形態を、図１２を参照して説明する。第２実施形態で示した方法により、ステンレス鋼製の金型本体１０に、冷却ブロック４０を敷設した後、冷却ブロック４０に連続するようにまたは重なるように、空所５０と同様の２番目の空所５０Ａを形成し、２番目の空所５０Ａに冷却ブロック４０と同様の２番目の冷却ブロック４０Ａを挿入して回転させることによって２番目の敷設を完了する。以後、順番にＮ回これを繰り返し、連続した冷却ブロック４０Ａ、・・・４０Ｎを金型本体１０に敷設する。このように冷却ブロック４０Ａ、・・・４０Ｎを金型本体１０に連続するようにまたは重なるように敷設することができる。

本発明は、樹脂の射出成形またはプレス成形等に用いられる金型を製作する方法を提供したが、同方法は、金属材料等、樹脂以外の材料用の金型に関しても適用できる。

１：金型
１０：金型本体
１２：金型本体の表面
１３：金型本体の裏面
４０：冷却ブロック
４１：冷却ブロック本体
４２：冷却ブロックの側周面
４３：冷却ブロックの側周面の凹凸
４３ａ：冷却ブロックの側周面の逆目ネジ
４３ｂ：冷却ブロックの側周面の横断面視多角形の辺部
４３ｃ：冷却ブロックの側周面の横断面視多角形の稜部
４６：冷却ブロックの先端部のテーパ部
４７：冷却ブロックの先端部
４７ａ：冷却ブロックの先端面
４８：冷却ブロックの基端部
４８ａ：冷却ブロックの基端部に設けた鍔部
５０：空所
５１：空所の底部
５２：空所の側周面
５５：裏当板
６０：冷却ブロックの先端部と空所の底部との接触部
６１：冷却ブロックの側周面と空所の側周面との隙間
６２：冷却ブロックの先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
６２ａ：接合完了時における冷却ブロックの先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
７０：回転装置
７１：回転対称体の回転軸
７２：敷設ユニット
８０：溶融金属
８０ａ：隙間に充填され凝固した溶融金属
８１：空所外に押し出された溶融金属が再固体化して生じたバリ
１１０：従来技術における第１の鋼材
１２０：従来技術における第２の鋼材
１６０：従来技術における接触部
１８１：従来技術におけるバリ
２１０：従前出願における第１の鋼材
２１１：従前出願における第１の鋼材の端面
２１２：従前出願における第１の鋼材の表面
２２０：従前出願における第２の鋼材
２２１：従前出願における第２の鋼材の端面
２２２：従前出願における第２の鋼材の表面
２４０：従前出願における接合金属
２４１：従前出願における接合金属本体
２４２：従前出願における接合金属の側周面
２４７：従前出願における接合金属の先端部
２４７ａ：従前出願における接合金属の先端面
２４８：従前出願における接合金属の基端部
２５０：従前出願における空所
２５１：従前出願における空所の底部
２５２：従前出願における空所の側周面
２６０：従前出願における接合金属の側周面と空所の側周面との接触面
２６１：従前出願における接合金属の側周面と空所の側周面との隙間
２７１：従前出願における回転対称体の回転軸

Claims

金型は金型本体と冷却ブロックとからなり、前記金型本体の表面に垂直もしくは略垂直な直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記金型本体の前記空所に回転摩擦によって前記冷却ブロックを前記金型本体に敷設する方法であって、前記冷却ブロックは容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記冷却ブロックを前記空所に挿入し、前記冷却ブロックの先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記冷却ブロックを回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記冷却ブロックの先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記冷却ブロックの前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることを特徴とする冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記冷却ブロックの熱伝導率は、前記金型本体の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記金型本体は、ステンレス鋼または高強度鋼のいずれかからなり、前記冷却ブロックは、純銅もしくは銅合金または純アルミニウムもしくはアルミニウム合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記空所の前記底部は、前記金型本体の内部に有底空所として形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記空所の前記底部は、前記金型本体の裏面に前記空所を塞ぐように裏当板を付接することにより形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記空所に前記冷却ブロックを挿入して回転させることによって１番目の敷設を完了した後、１番目の前記冷却ブロックに連続するようにまたは重なるように、２番目の空所を形成し、前記２番目の空所に２番目の冷却ブロックを挿入して回転させることによって２番目の敷設を完了し、以後順番にＮ回これを繰り返し、連続した前記冷却ブロックを敷設することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記冷却ブロックと前記空所の組み合わせとして前記空所が円筒形状であり、前記冷却ブロックが略円柱体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記冷却ブロックの体積が、前記空所の体積より小さくないことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記冷却ブロックの先端部にテーパ部を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記冷却ブロックの前記側周面に凹凸を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記冷却ブロックの前記側周面の前記凹凸が、前記冷却ブロックの横断面視多角形の辺部と稜部であることを特徴とする請求項１０に記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記冷却ブロックの前記側周面の前記凹凸が、前記冷却ブロックの基端部から先端部に向かう進行方向に対する逆目ネジであることを特徴とする請求項１０に記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記冷却ブロックの基端に前記空所の表面側を覆う鍔部を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
前記空所に前記冷却ブロックを挿入時および挿入後の回転数を１０００〜１２０００rpmとすることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の冷却ブロックを金型本体に敷設する方法。
請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法により前記冷却ブロックを前記金型本体に敷設されたことを特徴とする金型。