JP3305736B2 - 成形用金型及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラスチック成形など
に用いられる成形用金型及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、プラスチック成形に用いられる
成形用金型は、雄型（コア型）と雌型（キャビティ型）
とからなり、これらの型面（金型の表面、成形面）又は
これらとモールドベースなどの表面とが合わさってキャ
ビティが形成される。

【０００３】従来の成形用金型（雄型及び／又は雌型、
以下「金型」という）は、金属材料を母材とし、機械加
工又は放電加工などによりその表面を所定の形状の型面
となるように加工することによって製造されている。製
造された金型は、適当な取り付け板や受け板（モールド
ベース）に取り付けられ、さらにそれらがフレームやラ
ムなどに支持されることによって成形機が構成されてい
る。

【０００４】金型を加熱し又は冷却するために、モール
ドベース内にヒーターが埋め込まれ、またモールドベー
スの空いた箇所に加熱用又は冷却用の媒体を流通させる
ための流路が設けられる。また、場合によっては、金型
内にも媒体流通用の流路が設けられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の金型で
は、金型を加熱又は冷却するための流路を、金型に対す
る直接的な機械加工によって形成しているので、型面に
近い位置にそのような流路を形成することができず、型
面から離れた位置に少数の流路を設けるのみであった。

【０００６】したがって、流路に媒体を流通させた場合
であっても、型面を所定の温度になるまで加熱し又は冷
却するには多くの時間を要することとなる。例えば、従
来の金型では、型面の温度を８０°上昇させるのに、金
型が小さい場合に３０分程度、金型が大きい場合に１時
間から３時間程度を必要とする。これに対して、プラス
チックの成形サイクルは一般に数秒から数十秒と言う極
めて短時間のうちに行われる。つまり成形サイクルは、
金型の加熱又は冷却時間と比較すると瞬間的であるとも
言える。

【０００７】このように、従来の金型では、型面の温度
をプラスチック成形の１成形サイクル中において可変制
御することは不可能であった。そのため、成形品の形
状、大きさ、肉厚、成形圧力、温度、時間などの種々の
成形条件に多くの制約があり、これらの多くの制約の中
で成形品の品質を向上させることは極めて困難であっ
た。

【０００８】本発明は、上述の問題に鑑み、型面の加熱
又は冷却を短時間で行うことができ、成形の温度が適切
となるように制御して成形品の品質の向上を図ることの
できる成形用金型及びその製造方法を提供することを目
的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る成
形用金型は、上述の課題を解決するため、成形面が形成
されるべき表面に機械加工または放電加工を行うことに
よって当該表面に開口する流通溝が設けられた金型基部
と、前記金型基部の前記表面及び前記流通溝の開口部を
覆うように且つ成形面を形成するように設けられて前記
金型基部と一体化したメッキ層とを有し、前記流通溝の
開口部が前記メッキ層により覆われることによって、加
熱用又は冷却用の媒体を流通させるための流路が形成さ
れて構成される。

【００１０】請求項２の発明に係る成形用金型では、前
記流路は、加熱用の媒体を流通させるための流路と冷却
用の媒体を流通させるための流路とが分けて形成され
る。請求項３の発明に係る成形用金型の製造方法は、成
形面に対してメッキ代を見込んだ形状の表面を有する金
型母体を作製する工程と、前記金型母体に対して、前記
表面に機械加工または放電加工を行うことによって当該
表面に開口する流通溝を形成する工程と、前記流通溝内
に、常温よりも高い比較的に低い温度で溶解する充填材
を充填する工程と、前記金型母体の前記表面及び前記流
通溝内に充填された充填材の表面に電気メッキを行って
メッキ層を形成する工程と、前記メッキ層の表面が成形
面の形状となるように仕上げ加工を行う工程と、前記充
填材を熱によって溶解させて除去し、前記流通溝の部分
に加熱用又は冷却用の媒体を流通させるための流路を形
成する工程とを含んでなる。

【００１１】

【作用】流路は、金型基部の表面（つまり成形面が形成
される側の面）に設けられた流通溝の開口部をメッキ層
が覆うことによって形成される。したがって、流路は成
形面に極めて近い位置に形成され、流路に加熱用又は冷
却用の媒体を流通させることによって成形面は急速に加
熱又は冷却される。

【００１２】流通溝は、メッキ層が形成される以前の金
型基部の表面に、機械加工または放電加工を行うことに
よって当該表面に開口するように形成されるので、所望
の形状とすることが可能である。

【００１３】

【実施例】図１は本発明に係る下金型５の断面正面図、
図２は本発明に係る下金型５の断面平面図である。図１
は図２のＩーＩ線から断面して矢印方向に見た図であ
り、図２は図１のＩＩーＩＩ線から断面して矢印方向に
見た図である。

【００１４】下金型５は、金型基部部材１２及び１３か
らなる金型基部１１、金型基部１１の表面に設けられて
一体化したメッキ層１４、チタン又はセラミック材料な
どからなる断熱部材１５、及び、金属材料などからなる
補強部材１６などからなっている。

【００１５】金型基部部材１２及び１３は、鋼、黄銅、
又はアルミニウム合金などの金属材料からなり、これら
の間はエポキシ樹脂などの接着剤を介して接合され且つ
５本のボルト３１によって連結されている。下方の金型
基部部材１３の上面には多数の浅い溝２１が設けられて
おり、溝２１の中に充填された接着剤は断熱材として作
用するので、これによって金型基部部材１２及び１３の
間に断熱効果がもたらされている。

【００１６】なお、金型基部部材１２及び１３の間でさ
らに効果的な断熱効果を得たい場合には、これらの間に
セラミックス材料などからなる断熱板を介在させればよ
い。また、断熱効果を得る必要がない場合には、金型基
部部材１２及び１３を一体で作製することも可能であ
る。

【００１７】金型基部部材１２の表面（上面）には、多
数の互いに平行な流通溝２２が設けられており、金型基
部部材１２の両端縁に近い位置には、上述のそれぞれの
流通溝２２の両端部と連通する横方向の２つの互いに平
行な連通穴２３，２４が設けられている。また、金型基
部１１には、その下面から上述の連通穴２３，２４にそ
れぞれ連通する上下方向の連通穴２３ａ，２４ａがそれ
ぞれ２つづつ設けられている。

【００１８】また、金型基部部材１２の表面には、円環
状の４つのランド部２５が設けられており、各ランド部
２５の中央には下金型５の全体の上下方向に貫通する穴
２６が設けられており、この穴２６に図４に示す突出し
ピン５２が挿通するようになっている。

【００１９】メッキ層１４は、上述の流通溝２２の上方
の開口部を覆っており、これによって、加熱用及び冷却
用の媒体を流通させるための流路２０が形成されてい
る。金型基部１１、断熱部材１５、及び補強部材１６
は、これらに設けられた穴３６を貫通して金型基部部材
１２のネジ穴３５にネジ込まれた４本のボルト３２によ
って互いに連結されて固定されている。なお、断熱部材
１５及び補強部材１６には、連通穴２３ａ，２４ａにそ
れぞれ連通する連通穴２３ｂ，ｃ、２４ｂ，ｃ、及びシ
ール材を装着するための環状溝などが設けられている。

【００２０】次に、下金型５の製造方法について説明す
る。図３は本発明に係る下金型５の製造方法を工程毎に
示す断面図である。図３においては、断熱部材１５及び
補強部材１６を省略してあり、また断熱用の溝２１など
も省略してある。

【００２１】図３（Ａ）に示すように、まず、金型基部
１１となる金型母体１１ａを金属材料からなる金型母体
部材１２ａと金型母体部材１３ａによって作製する。金
型母体１１ａの表面（上面）は、型面（最終的にキャビ
ティを形成することとなる型の表面）に対してメッキ代
を見込んで小さい形状に形成しておく。なお、先に述べ
たように金型母体１１ａを一体に作製してもよい。

【００２２】次に、図３（Ｂ）に示すように、金型母体
１１ａに対して、型面が形成されるべき表面に流通溝２
２を形成する。流通溝２２は、メッキ層１４の強度を低
下させないために、開口部の幅寸法はできるだけ小さい
方が好ましい。しかし、熱交換の効率を良くするために
全体としてその表面積が大きいことが好ましいので、そ
の深さ寸法は開口部の幅寸法と同じかそれよりも大きい
ことが好ましい。流通溝２２の個数及び配列などは型面
の形状及び寸法などによって異なるが、できるだけ多数
形成することがよく、型面の目標温度分布に応じて配列
することがよい。例えば型面の温度を均一にするために
は中央部よりも周辺部を密にすることも可能である。流
通溝２２の形状も任意の形状とすることが可能である。
また、熱伝導をさらによくするために流通溝２２に超伝
導パイプを挿入することも可能である。

【００２３】なお、流通溝２２の形成の際に、図２に示
すランド部２５を同時に形成しておく。但し穴２６は後
で加工する。流通溝２２の形成は、主として機械加工に
よって行われるが、放電加工などによって行うことも可
能である。

【００２４】次に、図３（Ｃ）に示すように、流通溝２
２内に、常温よりも高い比較的に低い温度で溶解する低
融点金属又はワックスなどの充填材４１を充填し、金型
母体１１ａの表面を一様にしておく。充填材４１として
ワックスを用いた場合には、その表面にメッキが可能な
ように、銀粉、カーボン粉などを塗布して導電性処理を
行う。

【００２５】次に、図３（Ｄ）に示すように、金型母体
１１ａ及び充填材４１の表面に電気メッキを行ってメッ
キ層１４ａを形成する。これによって、金型母体１１ａ
の表面とメッキ層１４ａとは一体化される。メッキ材料
としては、銅、ニッケル、ニッケル合金、その他の金属
又は合金が用いられ、また銅−ニッケルとニッケルとな
どによる複合メッキとしてもよい。銅は熱伝導率が高い
ので、加熱又は冷却速度を極めて高速とするができる。
ニッケルは銅よりも熱伝導率が低いが、強度を高くする
ことができる。メッキ厚さは、メッキ材料、流通溝２２
の幅寸法、及び成形圧力などによって異なり、流通溝２
２の幅寸法及び成形圧力が小さい程少なくてよい。

【００２６】次に、図３（Ｅ）に示すように、メッキ層
１４ａの表面が型面ＳＣの形状となるように機械加工に
よって精密に仕上げ、型面ＳＣを有したメッキ層１４と
する。必要に応じて、型面ＳＣに硬質クロムメッキなど
を施す。

【００２７】そして、図３（Ｆ）に示すように、流通溝
２２に連通する連通穴２３，２４、連通穴２３ａ，２４
ａを機械加工によって形成する。その後、連通穴２３の
入口に盲栓をし、金型母体１１ａの全体を加熱して連通
穴２３ａから圧縮空気を供給し、充填材４１を熱で溶解
して連通穴２４ａ又は連通穴２４から流出させ、流通溝
２２内の充填材４１を除去する。これによって流路２０
が形成される。

【００２８】これにネジ穴３５を加工し、また断熱部材
１５及び補強部材１６を合わせて穴２６などを加工する
ことによって、図１に示すように型面ＳＣに近い表層位
置に流路２０が形成された下金型５が製造される。

【００２９】図４は本発明に係る成形用金型１の断面正
面図である。なお図４において、連通穴２４ａ〜ｃは図
１において９０度回転した状態の位置で示されている。
成形用金型１は、上述した下金型５、上金型６、これら
が取り付けられたモールドベース７，８、ガイドピン５
１、突出しピン５２、突出し板５３、スプルーブシュ５
４、ロケートリング５５などから構成されている。

【００３０】上金型６は、上述した下金型５と同様の製
造方法によって、下金型５の金型基部１１、メッキ層１
４、及び断熱部材１５を有した同様の構造となるように
製造され、金型基部１１の型面に近い表層位置に加熱用
又は冷却用の媒体を流通させる同様の流路２０（図示せ
ず）が形成されている。そして、下金型５と上金型６と
の型面ＳＣが合わさってキャビティＣＢが形成されてお
り、ここにスプルーブシュ５４を介して圧入された樹脂
材料が注入される。下金型５と上金型６とは、図示しな
いラムなどの移動によってパーティングラインＰＬから
上下に分離される。

【００３１】モールドベース７，８には、下金型５及び
上金型６の流路２０に連通して加熱用又は冷却用の媒体
である油を給排するための供給穴２３ｄ及び排出穴２４
ｄが形成されている。

【００３２】供給穴２３ｄ及び排出穴２４ｄは、図示し
ない電磁切換え弁に接続されており、電磁切換え弁を切
り換えることによって、熱油又は冷油が供給穴２３ｄか
ら供給され、連通穴２３ｃ〜ａ、連通穴２３、流通溝２
２、連通穴２４、及び連通穴２４ａ〜ｃを経由して排出
穴２４ｄから排出される。なお、供給穴２３ｄからの油
は、２つの連通穴２３ａ〜ｃに対して共通に供給され、
また、２つの連通穴２４ａ〜ｃからの油は排出穴２４ｄ
で合流する。

【００３３】熱油又は冷油が流通溝２２を流通する間
に、型面ＳＣを急速に加熱又は冷却する。しかも、各金
型基部１１は、金型基部部材１２と金型基部部材１３と
からなりこれらの間が溝２１によって断熱され、さらに
金型基部１１は断熱部材１５を介して支持されているか
ら、実質的には型面ＳＣを含む金型基部部材１２のみを
加熱又は冷却することとなり、加熱又は冷却に要する時
間が極めて短時間となり、成形サイクル中における温度
制御を行うことができるとともに、加熱又は冷却の効率
が極めて高い。

【００３４】図５は本発明に係る他の実施例の下金型５
ａの断面正面図である。この下金型５ａは、照明用の反
射鏡（リフレクタ）の成形用のものであり、型面ＳＣは
反射鏡の反射面に沿うような球面状の曲面に形成されて
いる。下金型５ａにおいては、加熱用及び冷却用のため
に、配列された１つ置きに両端部がそれぞれ連通された
２系統の流路２０ａ，ｂが設けられており、各流路２０
ａ，ｂに対して連通穴４５ａ，４６ａを別々に形成し、
加熱用の供給穴４５と冷却用の供給穴４６から別々に油
を供給するようになっている。

【００３５】このような下金型５ａを用いることによっ
て、型面ＳＣを急速に加熱又は冷却することが可能であ
るから、型面ＳＣが高温となるよう成形サイクル中にお
いて急速に昇温することによって、プラスチック成形品
の型面ＳＣによって成形される面（反射面）を光沢面
（鏡面）とすることができる。したがって、従来におい
ては成形された無光沢面に塗料を塗布して光沢面として
いたが、そのような塗布作業の必要がなくなる。

【００３６】上述の実施例において、供給穴２３ｄ及び
排出穴２４ｄのいずれから油を供給してもよい。上述の
製造方法においては、メッキ層１４を形成してから連通
穴２３，２４などを加工しているが、充填材４１を充填
する以前に連通穴２３，２４などを加工しておき、その
後に充填材４１を充填してメッキ層１４の形成を行って
もよい。

【００３７】次に、上述した実施例の下金型５ａを用い
た場合と、比較例である従来の構造の下金型を用いた場
合との比較を示す。実施例として上述の図５に示す下金
型５ａを次のように作製した。

【００３８】すなわち、下金型５ａの金型母体部材１２
ａ，１３ａを、鋼材（Ｓ５５Ｃ）を用いＮＣ加工機によ
って加工して作製した。金型母体部材１２ａの上面に
は、幅４ｍｍ、深さ８ｍｍの流通溝２２ａ，ｂを６ｍｍ
のピッチで多数形成した。金型母体部材１２ａの低部
（接合面）には、断熱のために、幅１０ｍｍ、深さ１ｍ
ｍの溝２１を多数設け、そこに漏水防止と接着のために
エポキシ樹脂を充填し、金型母体部材１３ａをボルト３
１で締め付けて一体化した。

【００３９】次に流通溝２２ａ，ｂにワックスを充填
し、その上に銀粉を塗りつけて導電化した。そして、硫
酸銅メッキ浴を用いて厚さ６ｍｍの電気メッキを行っ
た。表面をＮＣ加工機を用いて目的とする形状に仕上
げ、表面に１０ミクロンの硬質クロムメッキを行った。
各流通溝２２ａ，ｂに連通する連通穴４５ａ，４６ａ及
び図示しない排出側の連通穴を機械加工によって設け、
必要に応じて適当な盲栓をする。

【００４０】このようにしてできたものを１２０°Ｃに
加熱してワックスを溶解させ、供給穴４５，４６から圧
縮空気を送り込んでワックスを除去した。これに、補強
部材１６を断熱部材１５を介してボルト３２により取り
付け、２段階の断熱構造とした。これを図４に示すよう
なモールドベースに組み込み、さらにそれを射出成形機
に取り付けた。

【００４１】下金型５ａを用いて成形を行うに当たり、
１成形サイクル中において型面ＳＣの温度制御を行っ
た。すなわち、モールドベースを常時１００°Ｃに加熱
しておき、成形機の型締信号に基づいて図示しない電磁
切換え弁を切り換え、供給穴４５から１６０°Ｃの高温
油を５キログラム／平方センチメートルの圧力で送り込
んだところ、下金型５ａの型面ＳＣは５秒で１５０°Ｃ
に上昇した。

【００４２】この状態で、硝子繊維３０パーセント入り
ナイロン成形材料を、温度２４０°Ｃ、圧力４００キロ
グラム／平方センチメートルで充填した。成形機から充
填終了の信号を受けて電磁切換え弁を切り換え、２０°
Ｃの冷油を５キログラム／平方センチメートルの圧力で
供給穴４６から送り込んだところ、下金型５ａの型面Ｓ
Ｃは１５秒で１００°Ｃとなった。

【００４３】このようにして成形された成形品は、下金
型５ａの型面ＳＣによって成形された表面が鏡面を呈し
ていた。これに対する比較例として、下金型５ａと同様
の形状ではあるが流路２０ａ，ｂによる加熱又は冷却を
行わず、モールドベースに設けられた流路に油を流通さ
せて加熱又は冷却する従来の構造の下金型を別途作製
し、１成形サイクル中において温度制御を行うことな
く、下金型５ａを用いた場合と同様の条件によって成形
を行った。

【００４４】次に、これらの成形品の状態を示す。 実施例 比較例 ────────────────────────── 成形品光沢 光沢面 無光沢面 結晶化率 高い 低い 寸法安定性 （１２０°Ｃ加熱後） ０．０１％ ０．０５％ 最小材料充填圧 （Ｋｇ／平方センチメートル） ４００ ６５０ 金型昇温時間 （１００から１５０°Ｃ） ５秒 ３０分 このように、本実施例の下金型５ａを用いた場合には、
従来の金型（下金型）を用いた場合に比較して、金型
（型面）昇温時間が極めて速いことが明らかであり、得
られる成形品の表面状態に光沢があって品質において優
れていること明らかである。

【００４５】なお、従来の金型では、金型温度が１２０
°Ｃの場合には成形品の表面が無光沢であった。そこで
追加の実験としてその金型温度を１５０°Ｃとしたとこ
ろ、成形品が突出しピン５２で突き出されるときに変形
し、成形不良となった。

【００４６】これに対して本実施例の下金型５ａでは、
成形時の金型温度は１５０°Ｃであるが、その後すぐに
１２０°Ｃまで冷却されるので、成形品の突き出しによ
る変形は全く発生しなかった。また、結晶性材料では成
形品の結晶化率を向上させることがてき、その結果とし
て、実用時の寸法変化が少なく、力学的特性も高い値を
示した。さらに、最小材料充填圧力も低いので低圧での
成形が可能であり、大型の成形品への適応も可能であ
る。

【００４７】つまり、本実施例の下金型５，５ａを用い
た場合には次の利点がある。 １．成形材料の金型内流動性を大幅に向上させることが
でき、大物の成形が低圧で可能となる。 ２．薄肉成形品の成形が容易である。 ３．成形品の光沢が大幅に改良される。 ４．複合材料の光沢が大幅に改善される。 ５．結晶性樹脂等の成形では材料の結晶化度を向上させ
ることができ、その結果として成形品の品質を向上させ
ることができる。 ６．成形品の残留応力あるいは分子の配向が改善され
る。

【００４８】このように、プラスチックの成形加工分野
で長年抱えていた多くの問題点を解決することができ
る。本発明による成形用金型は、熱可塑性プラスチック
の成形に用いる場合には、薄肉成形品の成形、鏡面光沢
品の成形、偏肉成形品の成形、難流動性成形材料の成形
などの射出成形金型に好適に使用可能である。また熱硬
化性プラスチックの成形に用いる場合には、レジンイン
ジェクション成形、ＦＲＰ成形などの金型に好適に使用
可能である。

【００４９】

【発明の効果】本発明によると、成形面の加熱又は冷却
を短時間で行うことができ、成形の温度が適切となるよ
うに制御して成形品の品質の向上を図ることのできる成
形用金型及びその製造方法を提供することができる。特
に、流通溝を形成するに際し、金型母体の成形面が形成
されるべき側の表面に、機械加工または放電加工を行う
ので、流通溝を正確に、精密に、且つ容易に形成するこ
とができ、加熱又は冷却用の流路を細密に設計すること
ができる。また、充填材は流通溝内に充填するだけでよ
いから、充填作業を容易に短時間で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る下金型の断面正面図である。

【図２】本発明に係る下金型の断面平面図である。

【図３】本発明に係る下金型の製造方法を工程毎に示す
断面図である。

【図４】本発明に係る成形用金型の断面正面図である。

【図５】本発明に係る他の実施例の下金型の断面正面図
である。

【符号の説明】

１ 成形用金型 ５ 下金型（成形用金型） １１ 金型基部 １１ａ 金型母体 １４ａ メッキ層 １４ メッキ層 ２０ 流路 ２２ 流通溝 ４１ 充填材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−163291（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−220310（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−224911（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−115610（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 33/04 B22C 9/06 B29C 33/38 B29C 45/26 B29C 45/73

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】成形面が形成されるべき表面に機械加工ま
   たは放電加工を行うことによって当該表面に開口する流
   通溝が設けられた金型基部と、 前記金型基部の前記表面及び前記流通溝の開口部を覆う
   ように且つ成形面を形成するように設けられて前記金型
   基部と一体化したメッキ層とを有し、 前記流通溝の開口部が前記メッキ層により覆われること
   によって、加熱用又は冷却用の媒体を流通させるための
   流路が形成されてなることを特徴とする成形用金型。
2. 【請求項２】前記流路は、加熱用の媒体を流通させるた
   めの流路と冷却用の媒体を流通させるための流路とが分
   けて形成されてなることを特徴とする請求項１記載の成
   形用金型。
3. 【請求項３】成形面に対してメッキ代を見込んだ形状の
   表面を有する金型母体を作製する工程と、 前記金型母体に対して、前記表面に機械加工または放電
   加工を行うことによって当該表面に開口する流通溝を形
   成する工程と、 前記流通溝内に、常温よりも高い比較的に低い温度で溶
   解する充填材を充填する工程と、 前記金型母体の前記表面及び前記流通溝内に充填された
   充填材の表面に電気メッキを行ってメッキ層を形成する
   工程と、 前記メッキ層の表面が成形面の形状となるように仕上げ
   加工を行う工程と、 前記充填材を熱によって溶解させて除去し、前記流通溝
   の部分に加熱用又は冷却用の媒体を流通させるための流
   路を形成する工程とを含んでなることを特徴とする成形
   用金型の製造方法。