JP3593098B2 - 金属成形機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、亜鉛、マグネシウム又はそれら合金等の非鉄金属を金型に射出して金属製品を得る金属成形機に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
低融点の非鉄金属をプラスチック材料の場合と同様に、射出用のスクリュを回転かつ軸方向に移動可能に備えた加熱筒内で溶融して、加熱筒の後部から供給された粒状の金属材料を、スクリュ回転により加熱筒の前方へと移送しつつ完全に溶融して、加熱筒前室に液相状態で蓄積して計量したのち、スクリュ前進により加熱筒先端のノズルから金型に射出充填することが行われている。
【０００３】
このような射出成形を金属材料に採用した場合における課題は、スクリュ回転による金属材料の溶融及び移送の困難さと計量の不安定さにある。液相状態にまで完全に溶融した金属材料では、プラスチック材料とは比較にならぬほど粘度が小さいため、スクリュ回転による移送力が生じ難い。また金属材料が低粘度の液相状態では、スクリュを後方へ押し戻す程の圧力上昇は生じないので、材料圧によるスクリュ後退が起こり難く、スクリュ回転のみでは計量も不安定となって毎回一定量にすることができない。
【０００４】
そこで本発明者等は、スクリュによる金属材料の溶融及び射出の課題を解決する新たな手段として、特開２００１−１７９４１７号公報に記載された溶融金属の射出装置を開発した。この射出成形機は、ノズル部材と連通する先端部内を縮径により所要長さの計量室に形成した加熱筒と、その内部の回転かつ進退自在な射出スクリュとからなり、その射出スクリュの先端部を上記計量室と略同径で摺動クリアランスを確保して、計量室に進退自在に挿入可能なプランジャとなし、そのプランジャと軸部周囲にスクリュフライトを有する供給部との間に、軸部のみによる貯溜部を設け、その加熱筒を金属材料が液相状で自重により上記貯溜部に流下するように、先端部側を下向きに傾斜設置した構成からなる。
【０００５】
このような構成では、プランジャと上部の供給部との間に形成した軸部周囲の貯溜部に一次的に溜め置いた溶湯を、射出スクリュの後退により上記計量室に蓄積することを可能とすることから、貯溜部に蓄えられている間に次回分の金属材料の完全溶融と温度維持とが行われ、これにより溶融金属の温度が保たれるようになった。
【０００６】
しかしながら、貯溜部は加熱筒と中央部の射出スクリュの軸部との間の間隙によることから、溶湯を一次的に溜め置く容積に制限を受け、数ショット分の溶湯を貯溜するには至らなかった。また貯溜部の傾斜に対して溶湯の液面は水平に生ずることから液面は広くなり、このため液面からの金属が蒸発し易くなって、加熱筒よりも温度が低い上部の供給部のスクリュに付着し、これが冷却固化の酸化により不溶解の不純物となって溶湯に紛れ込み、製品の品質低下の原因となることがある。
【０００７】
この発明は、上記溶融金属の射出装置の課題を解決するために考えられたものであって、その目的は、加熱筒を金属溶解保持筒に変え、また射出スクリュを射出ヘッドを備えたプランジャに変えることによって、溶湯の貯溜量を増すことができ、また溶湯の液面を縮減して金属の蒸発を抑制することができる新たな金属成形機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明は、ノズル口を先端に有する筒体の外周囲に加熱手段を備え、そのノズル口に接続した計量室を縮径により先端部内に形成し、筒体上部に材料投入口を設けた溶解金属保持筒と、上記計量室に逆止弁を備えた射出ヘッドを進退自在に嵌挿して、溶解金属保持筒に内装した射出用のプランジャとからなり、その溶解金属保持筒をノズル口を下側に水平よりも傾斜させて設置した金属成形機において、上記材料投入口から下部の筒体下側に溶湯槽を凹設し、材料投入口から上部の筒体内を閉塞部材により無空間となし、その閉塞部材にロッドを挿通保持して上記プランジャを溶解金属保持筒に内装してなるというものであり、好ましくは溶解金属保持筒の内径と上記プランジャのロッド径の比を２．５以上とし、溶解金属保持筒とロッド外径の片側間隙を３５ｍｍ以上に構成するのが望ましいものである。
【０００９】
この発明の上記閉塞部材は、内端面が材料投入口に近接する所まで筒体後部内に設けられ、その内端面により材料投入口の下側の空間を縮減して溶融金属の蒸発量を抑制し、蒸発した金属の冷却付着を防止してなる、というものである。
【００１０】
この発明の上記溶解金属保持筒は、内部で発生したスラッジやロス等の不純物の排出口を上記溶湯槽の下端部に有するというものである。
【００１１】
この発明の上記プランジャは、上記閉塞部材に挿通保持したロッドの後端を射出駆動装置に連結して、上記計量室における金属材料の計量時に後退作動し、計量後の射出時に前進するように溶解金属保持筒内に設けられ、そのプランジャのロッドに対流発生用の膨出部材を設けてなる、というものである。
【００１２】
この発明の上記材料投入口は、固体状態の金属材料の移送及び定量計量装置を有する金属材料の供給装置を備え、また材料投入口は液体状態の金属材料の溶解炉及び定量計量装置を有する供給装置を備える。さらに材料投入口は固液共存状態又は固液共存状態の固相が球状化したチクソトロピー状態の金属材料の溶解炉及び定量計量装置を有する供給装置を備える、というものである。
【００１３】
上記構成では、上記材料投入口から下部の筒体下側に溶湯槽により、筒体内における金属溶湯の貯量が、筒体のみからなる場合よりも増して溶解能力が向上する。また溶解金属保持筒内はプランジャのロッドがその中央に位置するのみで、攪拌手段を有せぬことから、これまでの溶解筒で見られた攪拌軸と筒体内壁間での材料ブリッジの発生がなく、溶湯の攪拌による金属の蒸発促進も防止され、攪拌による不純物拡散が原因とされる溶解筒内の可動部位の摩耗も低減されるなど効率及び耐久性に優れたものとなる。
【００１４】
上記溶解金属保持筒の傾斜角度は、水平に対して５〜２０°の範囲でノズル部材側を下に設置することが望ましく、傾斜方法としては型締装置と共に溶解金属保持筒を斜設する以外にも、溶解金属保持筒のみを斜設し得るが、規定容量の溶湯が溶解金属保持筒内にあるとき、計量室が液面の気体を吸い込まないだけの溶湯量が必要となる。
【００１５】
また溶解金属保持筒の傾斜によって生ずる水平な液面は、傾斜角度により程度の差はあるが、緩傾斜になるに従いその平面積は広く生ずる傾向にあり、それが蒸発面積の拡大となって多量の金属が液面から筒体内の空間に蒸発する。この空間が金属蒸気によって飽和状態となることは好ましいが、空間周囲の筒壁面が金属の固化温度以下になってしまうと、蒸発した金属が固化して付着し、長時間の間に材料投入口から粒状材料と共に侵入した酸素と結合して酸化物になったりする。
【００１６】
しかしながら、材料投入口から筒体上部内を閉塞部材により無空間となし、また閉塞部材の材料投入口に近接する内端面により、液面をカットして材料投入口から下部のみに空間を最小限に形成した構成によって、空間周囲の加熱による固化温度以上の温度制御が効率よく行え、この結果、蒸発金属の付着固化がなくなって、その固化物が後に不純物として溶湯に混入することが防止される。また排出口により金属溶湯に発生したスラッジやロス等の不純物を溶湯と共に抜き取ることができるので、短期間での内部クリーニングが不要となり、稼働を停止して溶解筒を分解する場合にも、筒体内に攪拌手段を有せぬことから組立て分解時間の短縮が図られ、製造コストの低減ともなり得る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、液体状態の金属材料を溶解して金型に射出充填する実施形態を示すものである。
【００１８】
図１において、１は金属溶解保持筒１１を主体とする射出機構、２は金型３を備えた型締機構、４は型締機構２に対設した台座で、その両方は５°〜２０°ほどの角度で機台５に設置され、その台座４の傾斜上面に設けたガイドプレート６に、上記射出機構１を進退自在に設置して、同一角度で傾斜位置する上記金型３にノズルタッチできるようにしてある。
【００１９】
図２は、上記金属溶解保持筒１１（以下溶解筒という）の詳細を示すもので、溶解筒１１はノズル部材１２を先端に有する筒体１１ａの外周囲にバンドヒータ１３による加熱手段を備え、中程の上側に材料投入口１４を有し、その材料投入口１４から下部の筒体下側に溶湯槽１５が凹設してある。また溶湯槽１５の下端部には溶湯内に生じたスラッジやロス等の不純物Ｓの排出口１６がキャップ１６ａと共に設けてある。
【００２０】
上記材料投入口１４には、バンドヒータ１７を周囲に備えた小型の溶解炉１８が取付けてあり、その溶解炉１８により予め溶解した金属材料を、液体状態で筒体内に供給して上記溶湯槽１５に蓄え、筒体周囲の上記バンドヒータ１３により温度を保持して射出が行えるようにしている。この溶解炉１８には人為的に操作できる弁棒１９が流出路１８ａに設けられ、その弁棒１９の開閉操作により溶融金属材料の計量と供給とが行えるようにしてある。溶融による液体状態の材料は材料投入口１４の下の空間２０から溶湯に流れ込んで溜る。
【００２１】
また材料投入口１４から上部の筒体内は、内端面２１ａを材料投入口１４の上縁に接近して、筒体１１ａ内に設けた閉塞部材２１により塞がれて無空間となっている。この閉塞部材２１は材料投入口１４の上縁近傍から筒体後端まで達する長さの軸材を、筒体後端に外端をボルト止めして気密に固設したものからなり、その閉塞部材２１の中央に穿設した貫通孔に、ロッド２２ａと先端の射出ヘッド２２ｂとからなるプランジャ２２が、攪拌手段を設けることなく単一の状態で、ロッド２２ａを周囲のリングにより気密に挿通して、射出ヘッド２２ｂが上記ノズル部材１２の後部内に形成した所要長さの計量室２３に嵌挿されるところまで筒体内に進退自在に設けてある。
【００２２】
この長軸材による閉塞部材２１を、プランジャ２２の支承に利用してロッド２２ａを筒体内に保持したことにより、ロッド２２ａの保持スパンが長く設定されるので、プランジャ２２の保持が片持ちの状態であっても、計量室２３に対しプランジャ２２を同心に設定し易くなり、長期の使用においても相互に心ずれが起こらず、偏心による噛りが防止される。
【００２３】
上記プランジャ２２のロッド後端は溶解筒１１の後端に取付けた射出駆動用の油圧シリンダ２４のピストンロッド２４ａに連結してある。また場合によって、ロッド２２ａにロッド２２ａの軸方向移動に伴い溶湯に対流を発生させる膨出部材２５が、鎖線で示すように設けられる。この膨出部材２５の位置は、溶湯の液面より上にあるとプランジャ前進時に液面を叩くことになり、溶湯を跳ね上げてしまうことになるので、完全に溶湯の中に沈んでいるか、一部が溶湯内に没入される位置に設けられるのが望ましい。また膨出部材２５の形状は溶解する金属材料の粘度、射出、計量時のプランジャ速度などによって決定され、膨出部材２５の往復動により溶湯温度の均一を図ることができる。
【００２４】
上記ロッド２２ａの太さは溶解筒１１の内径Ｄによって異なるが、溶解筒１１の内径とロッド径の比は２．５以上とし、溶解筒１１とロッド外径の片側間隙を３５ｍｍ以上として設定するのが好ましい。因に上記比率から寸法としては溶解筒内径１１５ｍｍの場合，ロッド径は３２〜４０ｍｍの範囲が好ましい。
【００２５】
上記閉塞部材２１の材料投入口１４に近接する内端面２１ａは筒体１１ａに対し略直角に位置し、その内端面２１ａが材料投入口１４の下側の空間２０を上部まで生じないように仕切って縮減し、溶湯の液面Ｌを材料投入口１４より前側に狭く生じさせて、溶融金属の蒸発量を抑制している。これにより溶解筒１１の外周囲の上記バンドヒーター１３による加熱と相俟って、蒸発した金属が空間周囲の壁面等に冷却付着することを防止している。
【００２６】
上記ノズル部材１２の後部内に形成して、ノズル口に接続した上記計量室２３は、溶解筒内径よりも８〜１５％ほど小径に縮径して形成されるが、特にそのような構造に限定されるものではなく、図では省略するが、ノズル部材１２を筒体先端に止着する先端部材２６の内径を縮径して計量室となし、その先端部材２６にノズルチップを取付けた構造であってもよい。
【００２７】
上記プランジャ２２の射出ヘッド２２ｂは、図４に示すように、外周面にシールリング２７を埋設した逆止弁２８を外周囲に進退自在に備え、その逆止弁２８と射出ヘッド２２ｂとの間に形成した流路２９を、逆止弁２８の後端面とプランジャ後部のシートリング３０との接離により開閉できるようにして、計量室２３に移動自在に嵌挿されている。
【００２８】
このような射出ヘッド２２ｂを備えたプランジャ２２では、射出後に金型側からの冷却により、ノズル口が残留した溶融金属の冷却固化によるプラグによって密栓されていることから、上記油圧シリンダ２４によりプランジャ２２を前進位置から後退移動すると、逆止弁２８が計量室内の負圧による引張と材料圧により前側にずれ動いて開弁状態となり、溶解筒１１の溶湯が上記流路２９から後退移動に伴い拡張されつつある計量室２３に流れ込んで、射出ヘッド２２ｂが図示の後退限位置で停止するまで計量が行われる。
【００２９】
また計量材料の上記金型３への射出は、油圧シリンダ２４よりプランジャ２２に射出圧力を加えて行われるが、この際、ノズル口は上述のようにプラグにより塞がれているので材料圧が上昇し、これが射出負荷圧となって逆止弁２８が後退移動し、これにより閉弁が行われて計量材料の逆流が防止されるようになる。さらに射出圧力の上昇によりプラグが金型側に押し出されて、計量材料はノズル口から金型３に射出されることになる。
【００３０】
図３に示す実施形態は、上記材料投入口１４に粒状の金属材料の供給装置３１が取付けてある。この供給装置３１は水平なシリンダ３１ａとシリンダ端部に設けた電動モータ（図示せず）により回転する内部のスクリュコンベア３１ｂとからなり、不活性ガスの注入管３２及び酸素感知器３３とを備える。粒状材料の供給量はスクリュコンベア３１ｂの回転数の制御により送出量を加減し行われ、それにより定量計量が行えるようにしてある。
【００３１】
次に上記構成の成形機によるマグネシウム合金の成形について説明する。
先ず溶解筒１１を外周のバンドヒーター１３により６２０°〜６８０℃ほどの温度に加熱して、その内部を溶融温度以上の高温となす。金属材料が固体状態の場合には、上記ガス注入管材３２から溶解筒内にアルゴンガス等の不活性ガスを注入して、溶解筒内を不活性ガス雰囲気となす。
【００３２】
溶解筒１１の温度が設定温度に達したら、溶解炉１８の弁棒１９を操作して流出路１８ａから溶湯を材料投入口１４に流出させて筒体内に投入する。投入された溶湯は設定温度に保持された溶解筒１１においても、溶解筒１１の加熱及び溶解筒内の溶湯の温度によって液状状態が保持される。
【００３３】
この溶解炉１８では、金属材料を予め固液共存状態に加熱して供給したり、或いは固液共存状態の固相が球状化したチクソトロピー状態の金属材料を溶解して、弁棒１９の開閉操作により供給量を計量して材料投入口１４から筒体内に供給することができる。
【００３４】
粒状の金属材料の場合には、上記供給装置３１から材料投入口１４に直接投入する、金属材料は自重により筒体１１ａの溶湯槽１５の最下端まで落ち込んで溶解されるが、初回以後は溶湯槽１５に蓄えられた溶融の温度により溶解して嵩を増す。この材料投入に際しては、供給される金属材料の状態を問わず、一回の射出量より僅かに多く略同重量の金属材料を計量して供給するか、複数回の射出重量より僅かに多い重量の複数回分の金属材料を計量して供給する。
【００３５】
また溶解筒１１における貯量は、材料投入口１４より下側に設けた液面検知３４により液面Ｌのレベルを検知して行い、レベル検知により供給停止となる。この材料投入と停止は、設定ショット数の射出ごとに繰り返されて、一定の溶湯液面レベルを保持する。
【００３６】
筒体内の溶湯はプランジャ２２が後退移動すると、射出ヘッド２２ｂにおける上記動作により計量室２３に流入し、プランジャ２２が後退限位置に達して計量終了となる。プランジャ２２が前進移動に切り替わって計量室２３に計量した溶融金属を加圧すると、逆止弁２８が上述動作により閉弁して計量材料をノズル口から、型締後にノズルタッチした上記金型３に射出充填する。射出完了後にプランジャ２２は後退限位置まで移動して次回の計量が行われる。
【００３７】
長時間の稼働により金属溶湯に発生したスラッジやロス等の不純物Ｓは、溶湯槽１５の傾斜により排出口１６の付近に沈下するので、適当な時期にキャップ１６ａを外して溶湯の一部と共に抜き取ることができる。これにより溶解筒１１を分解することなく内部のクリーニングでき、長期稼働が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る金属成形機の側面図である。
【図２】同上の溶解筒と縦断側面図である。
【図３】他の実施形態の部分縦断側面図である。
【図４】プランジャのヘッドの縦断側面図である。
【符号の説明】
１ 射出機構
２ 型締機構
３ 金型
１１ 溶解筒
１２ ノズル部材
１３ バンドヒータ
１４ 材料投入口
１５ 溶融槽
１６ 排出口
１８ 溶解炉
１８ａ 流出路
１９ 弁棒
２０ 空間
２１ 閉塞部材
２２ プランジャ
２２ａ プランジャのロッド
２２ｂ 射出ヘッド
２３ 計量室
２５ 対流発生用の膨出部材
２８ 逆止弁
３０ 粒状材料の供給装置

Claims (7)

1. ノズル口を先端に有する筒体の外周囲に加熱手段を備え、そのノズル口に接続した計量室を縮径により先端部内に形成し、筒体上部に材料投入口を設けた溶解金属保持筒と、上記計量室に射出ヘッドを進退自在に嵌挿して、溶解金属保持筒に内装した射出用のプランジャとからなり、その溶解金属保持筒をノズル口を下側に水平よりも傾斜させて設置した金属成形機において、
   上記材料投入口から下部の筒体下側に溶湯槽を凹設し、材料投入口から上部の筒体内を閉塞部材により無空間となし、その閉塞部材にロッドを挿通保持して上記プランジャを溶解金属保持筒に内装してなることを特徴とする金属成形機。
2. 上記閉塞部材は、内端面が材料投入口に近接する所まで筒体後部内に設けられ、その内端面により材料投入口の下側の空間を縮減して溶融金属の蒸発量を抑制し、蒸発した金属の冷却付着を防止してなることを特徴とする請求項１記載の金属成形機。
3. 上記溶解金属保持筒は、内部で発生したスラッジやロス等の不純物の排出口を上記溶湯槽の下端部に有することを特徴とする請求項１，２記載の金属成形機。
4. 上記プランジャは、上記閉塞部材に挿通保持したロッドの後端を駆動装置に連結して、上記計量室における金属材料の計量時に後退作動し、計量後の射出時に前進するように溶解金属保持筒内に設けられ、そのプランジャのロッドに対流発生用の膨出部材を設けてなることを特徴とする請求項１記載の金属成形機。
5. 上記材料投入口は、固体状態の金属材料の移送及び定量計量装置を有する金属材料の供給装置を備えることを特徴とする請求項１，２記載の金属成形機。
6. 上記材料投入口は、液体状態の金属材料の溶解炉及び定量計量装置を有する供給装置を備えることを特徴とする請求項１，２記載の金属成形
   機。
7. 上記材料投入口は、固液共存状態又は固液共存状態の固相が球状化したチクソトロピー状態の金属材料の溶解炉及び定量計量装置を有する供給装置を備えることを特徴とする請求項１，２記載の金属成形機。

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