JP3827006B2

JP3827006B2 - 金属射出成形方法及び装置

Info

Publication number: JP3827006B2
Application number: JP2002194071A
Authority: JP
Inventors: 晋一沖本; 健吾武谷; 靖彦澤田; 毅山口
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: JP2003320448A

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の金属材料を射出成形するための金属射出成形方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金又はマグネシウム合金等の金属材料の成形機において、インゴットを機械的に加工して粒状に製作した材料チップとせずに、加熱筒にインゴットを直接供給する図３に示す金属成形機の原料供給装置が知られている（特開２００１−３００５９公報）。このような金属成形機の原料供給装置１０２では、加熱筒に連通する筒状体１０５と、この筒状体１０５の内壁面に設けられ、原料インゴット１０３の外周部に接して筒状体１０５内と外気とを遮断するシール部材１０６と、筒状体１０５の外周部に設けられ原料インゴット１０３の先端部１０３ａのみを部分溶融する高周波等の誘導加熱手段１０７とを備え、筒状体１０５内で溶融された溶融金属１０８を加熱筒１０４に連続的に供給するように構成されている。加熱筒１０４内には攪拌移動手段であるスクリュ１１０が回転可能に設けられており、スクリュ１１０を回転駆動すると筒状体１０５より供給された溶融金属１０８を搬送し、加熱筒１０４の先端部１０４ｂより半溶融金属１０９を図示しない金型に圧入して、所望の金属成形品が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の方法では、以下の問題がある。
【０００４】
前記の金属成形機の原料供給装置では、金属材料はインゴットで供給されるので、材料チップを供給する方式のように、材料費は高価になることはない。しかしながら、筒状体の内壁面に設けられ、材料インゴットの外周部に当接したシール部材により筒状体内と外気とを遮断しているため、材料インゴットの外周面は比較的平滑である必要があり、材料インゴットの表面性状に制約を受けるという問題がある。また、筒状体内にシール部材を用いる必要があるため、金属成形機自体のコストアップとなるという問題もある。
【０００５】
また、スクリュを回転駆動して筒状体より供給された溶融金属を搬送し、加熱筒の先端部より半溶融金属を金型に圧入して、所望の金属成形品を得るが、溶融材料は金型内での凝固が早いため短時間で金型に充填する必要があり、スクリュの回転駆動圧力のみで金型に圧入することは困難であり、表面性状の優れた金属成形品や細部を有する複雑な形状の金属成形品を得ることができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記のような従来の装置の課題を解決するためのものであり、表面形状に制約を受けない材料インゴットが急速溶融することができ、気泡を含まず高品質で、構造が複雑な金属成形品も得ることができ、且つ構造が簡単で安価な金属射出成形方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のうち請求項１記載の発明では、溶融開始温度以下に予熱した材料インゴット（Ｍ）を溶融する溶融部（１）と、この溶融部（１）で溶融された溶融材料（Ｋ）を計量し、射出する射出部（２０）とからなり、
溶融部（１）は、溶融開始温度以下に予熱した材料インゴット（Ｍ）が収容可能な中空状で、その中程に内径が縮径した絞り部（４）が設けられた加熱筒（２）と、加熱筒（２）の長手方向に往復動自在で、前記材料インゴットを下方に押し出す押し出しピストン（５）と、加熱筒（２）の外周部に設けられ、絞り部（４）を通過した塑性変形した材料を溶融する加熱装置（１０）とを備えてなり、
絞り部（４）において、塑性変形した材料インゴット（Ｍ）により、溶融金属と外気との接触を遮断し、材料インゴット（Ｍ）と加熱筒（２）内面との熱伝達を向上して急速溶融した溶融金属を金型内に射出するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
本発明のうち請求項２記載の発明では、請求項１記載の加熱筒（２）の外周部に設けられた加熱装置（１０）に、誘導加熱装置を使用したことを特徴とする。このため、電熱ヒータ等を使用する場合に比べて、材料インゴット（Ｍ）をより急速に溶融させることができる。
【０００９】
本発明のうち請求項３記載の発明では、射出部（２０）は、チャンバ（２１）と、射出ピストン（２２）とを備え、チャンバ（２１）は、その側面中程で加熱筒（２）加熱装置（１０）側と連通して接続され、且つその先端に金型と連通した射出ノズル（２５）が接続されており、
射出ピストン（２２）は、チャンバ（２１）内に往復動自在に設けられたロッド部（２４）と、ロッド部（２４）の射出ノズル（２５）側に設けられた逆流防止装置（２６）と、ロッド部（２４）の射出ノズル（２５）とは反対側に設けられ、チャンバ（２１）内と外気とを遮断するシール部（２３）とからなることを特徴とする。
【００１０】
本発明のうち請求項４記載の発明では、射出ピストン（２２）に、射出ピストン（２２）の位置を検出する位置検出器（３５）を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のうち請求項５記載の発明では、前記加熱筒（２）の押し出しピストン（５）側に不活性ガス供給手段（Ｇ）が設けられていることを特徴とする。なお、絞り部（４）よりも後方とは、加熱筒（２）において材料インゴット（Ｍ）を供給する側から絞り部（４）までのことをいう。
【００１２】
本発明のうち請求項６記載の発明では、溶融開始温度以下に予熱した材料インゴット（Ｍ）を、内径が縮径した絞り部（４）を中程に設けた加熱筒（２）に供給し、加熱筒（２）内に往復動自在に設けた押出しピストン（５）により材料インゴット（Ｍ）を押し出して材料インゴット（Ｍ）を絞り部（４）において塑性変形させるようにし、塑性変形した材料インゴット（Ｍ）により、溶融金属と外気との接触を遮断し、材料インゴット（Ｍ）と加熱筒（２）内面との熱伝達を向上して急速溶融した溶融金属を射出部（２０）内に供給し、射出ピストン（２２）により金型内に射出するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明のうち請求項７記載の発明では、前記加熱筒（２）に連通したチャンバ（２１）内に溶融材料を供給し、チャンバ（２１）内を往復動自在に設けた射出ピストン（２２）により溶融金属を金型内に射出するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
なお、絞り部（４）よりも前方とは、加熱筒（２）において絞り部（４）から、押出しピストン（５）により材料インゴット（Ｍ）が押し出される側、すなわち、射出部（２０）に接続する側のことをいう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図により説明する。図１は、本発明の実施の形態を示す金属射出成形装置の要部断面図である。図１に示すように、本実施の形態に係る金属射出成形装置は、主として、溶融開始温度以下に予熱した円柱状の材料インゴットＭを溶融する溶融部１と、この溶融部１で溶融された溶融材料Ｋを計量し、射出する射出部２０とからなっている。
【００１６】
溶融部１は、内部が円柱状の中空となっており、内径が縮径した絞り部４を中程に設けた加熱筒２を備えている。加熱筒２の後方には、材料インゴットＭを供給するための材料供給口３が開口されている。
【００１７】
材料インゴットＭの表面性状の粗さは、従来と比較して、多少粗くても良い。すなわち、材料インゴットＭは、加熱筒２内に収容可能な大きさで、且つ絞り部４よりも外径が大きければ、加熱筒２の内径よりも多少小さくても良い。また、材料インゴットＭは溶融開始温度以下で、ハンドリング時に変形しない最高温度であることが好ましい。温度が高すぎると、酸化しやすく且つハンドリング不可能となり、逆に、材料インゴット温度が低すぎると、押出し時に膨大な押出し力が必要となるためである。具体例としては、マグネシウム合金ＡＭ５０Ａの場合、溶融開始温度は５４０℃であるので、５００℃程度に設定する。
【００１８】
材料インゴットＭは、図示しない保温炉から加熱筒２の材料供給口３へ搬送される。この搬送手段は、例えば、保温炉と材料供給口３との間に通路を設けて、エアーシリンダ等で材料インゴットＭを保温炉から加熱筒２に落とし込むようにしても良い。この場合、材料インゴットＭを単に落とし込むだけなので、それほど大きな力は作用することはない。
【００１９】
絞り部４より上部で、加熱筒（２）の押し出しピストン（５）側には、空気の混入の可能性があるので、材料供給口３には、アルゴンガス等の不活性ガスがガスボンベＧから供給されるようになっている。この加熱筒２の内部には、絞り部４から材料供給口３より後方までの間を往復動自在に移動可能な押出しピストン５が備えられている。押出しピストン５は、材料インゴットＭを加熱筒２の前方に押出し、絞り部４において塑性変形させるものである。絞り部４より前方の加熱筒２の外周部には、誘導加熱装置１０を備えている。
【００２０】
なお、加熱筒２の絞り部４の絞りの程度は、絞り部４と加熱筒２との断面積比で約１：１．１〜１．５程度である。材料インゴットＭを変形させて外気と溶融材料を遮断することができれば良い。絞り比を大きくするほど、大きな押出し力が必要となるので、絞り比は小さいほうが望ましいためである。また、絞り部４の傾斜角度、すなわち、押出方向に対する傾斜面の角度（最大９０°）は大きい程大きな押し出し力が必要になるので、小さい方が望ましく、絞り部４の傾斜角度は、３〜６０°の範囲であるのが望ましい。
【００２１】
また、押出しピストン５の材料インゴットＭに対する押圧力は、押出しピストンと材料インゴットとの接触面で１００〜１５０ＭＰａ程度と考えられる。この値に、加熱筒内径断面積をかければ押出し圧力になり、射出成形機の機種により押出し力は変わるが、押出し面圧は前記の値になる。押出しピストン５の駆動は、油圧シリンダで行う。なお、本実施の形態では、押出しピストン５の駆動は、油圧シリンダとしているが、これに限定されるものではなく、モータ駆動であっても良い。また、押出しピストン５の駆動手段として、図２で示すように、両側に配されたロール５１間に材料インゴットＭを挟んで両側のロール５１を内回転させることにより材料インゴットＭを前方に押出す方式（ａ）、スクリュネジ５３を回転させることにより材料インゴットＭを前方に押出す方式（ｂ）、クランク機構５５によりクランク軸の回転により材料インゴットＭを押出す方式（ｃ）等の駆動方法であっても良い。
【００２２】
なお、図１においては加熱筒２を含む溶融部１をチャンバ２１を含む射出部２０の上方に垂直に配置したが、これを上方に平行または傾斜して配置し、両者間に接続部を設けるようにすることもできる。射出部２０は、加熱筒２の押し出しピストン（５）と反対側の端部で連通した連通口３０を設けたチャンバ２１を備えている。チャンバ２１の前方には、図示しない金型と連通した射出ノズル２５が接続されている。このチャンバ２１の内部には、チャンバ２１の内周面に当接した外周面を有するシール部２３を有し、往復動自在に移動可能な射出ピストン２２を備えている。
【００２３】
射出ピストン２２は、シール部２３とロッド部２４、逆流防止装置２６から構成される。シール部２３は、チャンバ２１内径より若干小さな外径の、円柱形状をしている。これは、外部への溶融材料の漏れ防止と、外気との遮断を目的としている。シール部２３は、チャンバ２１内壁と接触して摩耗する可能性があるので、脱着可能で交換可能あることが望ましい。
【００２４】
ロッド部２４は、チャンバ２１内径よりも少し小さな円柱形状である。連通口３０より、逆流防止装置２６前方に通じる流路を確保する必要があるため、このような形状になっている。この部分を通過する溶融材料Ｋは溶融状態であり、且つ設計上の強度面上、流路を必要以上に大きく取る必要はない。
【００２５】
シール部２３は、ロッド部２４が最も後退した位置において、チャンバ２１の後端に位置し、ロッド部２４の最前進位置においてチャンバ２１の連通口３０後部に位置するようになっている。ロッド部２４の先端部には、逆流防止装置２６を備えており、この逆流防止装置２６は、逆流防止装置２６の後方から前方への溶融材料Ｋの流路を確保し、逆流防止装置２６の前方から後方への逆流を防止するものである。逆流防止装置２６は、ヘッド４１、逆流防止リング４２、ロッド部２４の先端に位置するオシガネ４３、逆流防止リング４２の外周に設けられる図示しないピストンリングから構成される。また、代替手段としては、１ｗａｙのチェック弁であれば機能上問題はなく、ボールチェック弁等であっても良い。
【００２６】
また、射出ピストン２２は、射出ピストン２２の位置を検出する位置検出器３５を備えている。押出しピストン５が前進し、連通口３０よりチャンバ２１に溶融材料Ｋを供給する工程において、この位置検出器３５により検出した射出ピストン２２の位置により押出しピストン５の動作を制御する。
【００２７】
次に、本実施の形態の金属射出成形装置を使用した成形動作について説明する。まず、射出ピストン２２は、射出を完了した状態であるため、最前進位置にある。押出しピストン５を最後退位置として、図示されていないが、保温炉等で予め溶融開始温度以下に予熱した円柱状の材料インゴットＭを加熱筒２の材料供給口３に供給する。このとき、材料インゴットＭが化学的に活性な場合には、例えばマグネシウム合金のときはガスボンベＧから不活性ガスを供給し、酸化を防止する。
【００２８】
計量工程において、押出しピストン５を前進させ、供給された材料インゴットＭを加熱筒２の前方に押出す。材料インゴットＭが絞り部４に到達すると、塑性変形を生じ、材料インゴットＭによって絞り部４より前方の溶融材料Ｋとが外気とを遮断する。絞り部４を通過した金属材料は、加熱筒２の外周部に備えられた誘導加熱装置１０により溶融される。
【００２９】
射出工程完了後に行われる計量工程においては、凝固した成形品が金型内に入っており、これが栓の役目をして射出ノズル２５の先端を塞ぐ。このため、押出しピストン５を前進することにより、加熱筒２内に押出し圧力が発生し、この押出し圧力によりチャンバ２１内に射出ピストン２２を後退する力が発生する。このため、射出ピストン２２が後退しながらチャンバ２１内に溶融材料Ｋが供給される。押出し圧力により発生する力により射出ピストン２２を後退し、溶融材料Ｋを加熱筒２からチャンバ２１に供給するため、チャンバ２１には気泡を含まない溶融材料Ｋが充満することとなる。さらに、射出ピストン２２のシール部２３で外気と遮断しているため、溶融材料Ｋは酸化することなくチャンバ２１内に保持される。
【００３０】
射出ピストン２２が金属成形品の容積に見合った、予め設定した計量完了位置に到達したことを位置検出器３５により検出すると、押出しピストン５を停止して計量を完了する。射出ピストン２２を高速で前進させることにより、チャンバ２１内に計量した溶融材料Ｋを射出ノズル２５を介して短時間で金型内に射出し、冷却固化すると所望の金属成形品を得ることができる。射出ピストン２２の前進時、逆流防止装置２６より前方の計量した溶融材料Ｋが逆流防止装置２６後方に逆流しないため、計量した溶融材料Ｋを確実に金型内に射出することができる。
【００３１】
上記のようにして、金属成形品を得ると、加熱筒２内の材料インゴットＭが減少する。再び押出しピストン５を最後退位置として、保温炉等で予め予熱し溶融開始温度以下にした円柱状の材料インゴットＭを加熱筒２に追加供給し、押出しピストン５を前進することにより、連続的に所望の金属成形品を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１、６記載の発明では、溶融部は、溶融開始温度以下に予熱した材料インゴットが供給される中空状で、その中程に内径が縮径した絞り部が設けられた加熱筒と、加熱筒の長手方向に往復動自在で、前記材料インゴットを下方に押し出す押出しピストンと、絞り部を通過した塑性変形した材料を溶融する加熱筒の外周部に設けられた加熱装置とを備えてなる構成としたので、予熱した材料インゴットを加熱筒に供給し、押出しピストンにより押出すことにより、加熱筒内の絞り部において材料インゴットが塑性変形し、材料インゴットによって絞り部より前方の溶融材料と外気とを遮断することができる。また、絞り部よりも前方では、加熱装置で加熱するため、材料インゴットを外気と遮断した状態で、急速溶融することができるという効果が得られる。また、材料インゴットにより絞り部より前方の溶融材料と外気とを遮断するようにしているため、材料インゴットの表面性状に制約を受けることもなく、また、従来のようにシール部を有する必要もないので、装置の構造が簡単で安価になるという効果を有する。さらに、円柱状の材料インゴットを直接加熱筒に供給するため、材料費が安価となるという効果を有する。
【００３３】
本発明のうち請求項２記載の発明は、加熱筒の外周部に設けられた加熱装置に、誘導加熱装置を使用するので、電熱ヒータ等を使用する場合に比べて、材料インゴットをより急速に溶融させることができる。
【００３４】
本発明のうち請求項３、７記載の発明では、絞り部において、塑性変形した材料により、溶融金属と外気との接触を遮断し、材料と加熱筒内面との熱伝達を向上して急速溶融した溶融金属を金型内に射出する構成としたので、押出し圧力により発生するピストンを後退する力により射出ピストンを後退し、溶融材料を加熱筒からチャンバに供給するため、チャンバ内には気泡を含まない溶融材料を充満させることができる。さらに、射出ピストンのシール部で外気と遮断しているため、溶融材料は酸化することなくチャンバ内に保持され、チャンバ内の溶融材料を射出ピストンにより短時間で金型内に射出するため、表面性状の優れた金属成形品や細部を有する複雑形状の金属成形品を得ることができる。
【００３５】
本発明のうち請求項４記載の発明では、射出ピストンに、射出ピストンの位置を検出する位置検出器を備えるようにしたので、射出ピストンが金属成形品の容積に見合った、予め設定した計量完了位置に到達したことを位置検出器により検出することができる。
【００３６】
本発明のうち請求項５記載の発明では、加熱筒（２）の押し出しピストン（５）側に、不活性ガス供給手段が設けられているので、空気の混入を防止する。
【００３７】
本発明のうち請求項６記載の発明では、溶融開始温度以下に予熱した材料インゴット（Ｍ）を、内径が縮径した絞り部（４）を中程に設けた加熱筒（２）に供給し、加熱筒（２）内に往復動自在に設けた押出しピストン（５）により材料インゴット（Ｍ）を押し出して材料インゴット（Ｍ）を絞り部（４）において塑性変形させるようにし、塑性変形した材料インゴット（Ｍ）により、溶融金属と外気との接触を遮断し、材料インゴット（Ｍ）と加熱筒（２）内面との熱伝達を向上して急速溶融した溶融金属を射出部（２０）内に供給し、射出ピストン（２２）により金型内に射出するようにした構成により、絞り部の前方と外気との遮断した状態で絞り部を通過した塑性変形した材料を溶融するようにしたので、材料インゴットを外気と遮断した状態で、溶融することができるという効果が得られる。また、材料インゴットにより絞り部より前方の溶融材料と外気とを遮断するようにしているため、材料インゴットの表面性状に制約を受けることもなく、また、従来のようにシール部を有する必要もないので、装置の構造が簡単で安価になるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す金属射出成形装置の要部断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す金属射出成形装置のピストンの押出し駆動方法を示し、（ａ）は、材料インゴットをロールに挟んでロールを内回転させることにより押出す方式、（ｂ）は、スクリュネジを回転させることにより材料インゴットを前方に押出す方式、（ｃ）は、クランク機構によりクランク軸の回転により材料インゴットを押出す方式を示す。
【図３】従来の金属成形機の一部を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１溶融部
２加熱筒
３材料供給口
４絞り部
５押出しピストン
１０加熱装置
２０射出部
２１チャンバ
２２射出ピストン
２３シール部
２４ロッド部
２５射出ノズル
２６逆流防止装置
３５位置検出器
Ｍ材料インゴット
Ｋ溶融材料
Ｇガスボンベ（不活性ガス供給手段）

Claims

溶融開始温度以下に予熱した材料インゴット（Ｍ）を溶融する溶融部（１）と、この溶融部（１）で溶融された溶融材料（Ｋ）を計量し、射出する射出部（２０）とからなり、
溶融部（１）は、溶融開始温度以下に予熱した材料インゴット（Ｍ）が収容可能な中空状で、その中程に内径が縮径した絞り部（４）が設けられた加熱筒（２）と、加熱筒（２）の長手方向に往復動自在で、前記材料インゴットを下方に押し出す押し出しピストン（５）と、加熱筒（２）の外周部に設けられ、絞り部（４）を通過した塑性変形した材料を溶融する加熱装置（１０）とを備えてなり、
絞り部（４）において、塑性変形した材料インゴット（Ｍ）により、溶融金属と外気との接触を遮断し、材料インゴット（Ｍ）と加熱筒（２）内面との熱伝達を向上して急速溶融した溶融金属を金型内に射出するようにしたことを特徴とする金属射出成形装置。
加熱筒（２）の外周部に設けられた加熱装置（１０）は、誘導加熱装置であることを特徴とする請求項１記載の金属射出成形装置。
射出部（２０）は、チャンバ（２１）と、射出ピストン（２２）とを備え、チャンバ（２１）は、その側面中程で加熱筒（２）の加熱装置（１０）側と連通して接続され、且つその先端に金型と連通した射出ノズル（２５）が接続されており、射出ピストン（２２）は、チャンバ（２１）内に往復動自在に設けられたロッド部（２４）と、ロッド部（２４）の射出ノズル（２５）側に設けられた逆流防止装置（２６）と、ロッド部（２４）の射出ノズル（２５）とは反対側に設けられ、チャンバ（２１）内と外気とを遮断するシール部（２３）とからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の金属射出成形装置。
射出ピストン（２２）に、射出ピストン（２２）の位置を検出する位置検出器（３５）を備えたことを特徴とする請求項３記載の金属射出成形装置。
前記加熱筒（２）の押し出しピストン（５）側に不活性ガス供給手段（Ｇ）が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の金属射出成形装置。
溶融開始温度以下に予熱した材料インゴット（Ｍ）を、内径が縮径した絞り部（４）を中程に設けた加熱筒（２）に供給し、
加熱筒（２）内に往復動自在に設けた押出しピストン（５）により材料インゴット（Ｍ）を押し出して材料インゴット（Ｍ）を絞り部（４）において塑性変形させるようにし、塑性変形した材料インゴット（Ｍ）により、溶融金属と外気との接触を遮断し、材料インゴット（Ｍ）と加熱筒（２）内面との熱伝達を向上して急速溶融した溶融金属を射出部（２０）内に供給し、射出ピストン（２２）により金型内に射出するようにしたことを特徴とする金属射出成形方法。
前記加熱筒（２）に連通したチャンバ（２１）内に溶融材料を供給し、チャンバ（２１）内を往復動自在に設けた射出ピストン（２２）により溶融金属を金型内に射出するようにしたことを特徴とする請求項６記載の金属射出成形方法。