JP4157778B2

JP4157778B2 - 成形金型および樹脂成形体の製造方法

Info

Publication number: JP4157778B2
Application number: JP2003053415A
Authority: JP
Inventors: 猛長岡
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: JP2004262028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、型締めされた状態で成形材料が充填されるキャビティを構成する固定金型と可動金型よりなる成形金型に関し、特に樹脂成形体の成形に供される成形金型に関する。
【０００２】
なお、本発明の成形金型は、成形材料としては樹脂のほか金属粉末、溶融金属にも使用可能であり、したがって、成形体としては樹脂成形体のほか金属成形体にも使用可能である。また、本発明の成形金型は、成形法としては射出成形法および圧縮成形法の両方に使用可能である。
【０００３】
【従来の技術】
以下、樹脂成形体の射出成形に用いられる成形金型を例に説明を行う（非特許文献１参照）。
【０００４】
樹脂成形体の射出成形に使用される成形金型は、一般的に図１に示されるような構造が採用されている。成形材料である樹脂Ａは、図示しない射出ユニットで溶融可塑化された後に、ノズル１０より高圧で、固定金型２と移動金型３よりなる成形金型１内に射出される。すなわち、ノズル１０より射出された溶融状態の樹脂Ａは、スプール１１を介して固定金型２と移動金型３とによって構成されるキャビティ４内に充填され、冷却・固化された後に取り出され、樹脂成形体となる。
【０００５】
この溶融状態の樹脂Ａの充填時において、キャビティ４内に滞留していた空気および溶融状態の樹脂Ａから発生するガス（以下、単に「ガス」と総称する。）をキャビティ４外に放出することが必要である。このため、一般的には、固定金型２と移動金型３との合わせ面であるパーティング面５における各金型２，３の接触面５ａ，５ｂのいずれかにガス抜き溝を設ける方法（例えば、特許文献１、２参照）で対処している。なお、成形金型１内部にガス抜き機構を設けてキャビティ４からガスを除去する方法（例えば、特許文献３参照）も提案されているが、成形金型１の構造が複雑になるため成形金型のコストが高くなり一般的でない。
【０００６】
また、キャビティ４内に樹脂Ａが充填される際に、キャビティ４に内部圧力が発生するが、この内部圧力に打ち勝つ型締め力を図示しない型締め装置によって成形金型１に作用させることで、パーティング面５より樹脂がはみ出すことを防止している。このようにパーティング面５を構成する接触面５ａ，５ｂには大きな接触面圧が作用するために、接触面５ａ，５ｂには硬度を高くする焼入れ等の熱処理が施される。
【０００７】
なお、溶融状態の樹脂Ａは高圧でキャビティ４内に射出されるために、パーティング面５に隙間が生じると溶融状態の樹脂Ａがパーティング面５よりはみ出し、いわゆる「バリ」を発生させる。成形条件（温度、圧力）によっては、例えば高温高圧条件下では、パーティング面５の隙間が０．０３ｍｍを超えるとバリが発生することが知られている。
【０００８】
以上のように、成形金型１においてパーティング面５の役割は極めて重要なものであるが、上記のように焼入れ等の熱処理を施すために成形金型１が高価になること、高圧力で成形金型１を締め付けるためにパーティング面５を構成する接触面５ａ，５ｂを損傷すること、いわゆる「ヘタリ」を発生させること等の問題が生じる。
【０００９】
以下、これらの問題点について、さらに詳細に説明する。
【００１０】
（１）パーティング面を構成する接触面の硬度
一般的には、成形金型１（固定金型２、移動金型３）には機械構造用炭素鋼が用いられ、わが国では通常Ｓ５５Ｃ鋼が使用されているが、さらにコスト低減のためにＳ４５Ｃ鋼、Ｓ３５Ｃ鋼等の低炭素鋼の使用が望まれている。しかし、Ｓ５５Ｃ鋼でもそのまま使用すると硬度が低いため、接触面にヘタリなどが発生することから、接触面の硬度を上昇させるために火炎焼入れを施すことが多い。ところが、Ｓ５５Ｃ鋼より炭素含有量の低い低炭素鋼では焼入れで硬度を上昇させることは困難であり、単に火炎焼入れを行うだけでは十分な硬度が得られない。また、Ｓ５５Ｃ鋼に対する火炎焼入れも手作業で行われるために、熟練者以外では焼入れ面の場所による硬度むらを発生させるために品質が安定しない問題がある。また、火炎焼入れでは、マスキングがし難いため必要な面のみの焼入れが困難であり、パーティング面を構成する接触面を超えてキャビティを構成するキャビティ面まで焼入れがなされてしまう場合がある。このような場合には、キャビティ面の硬化によって樹脂への転写性が変化し、樹脂成形体の表面性状に異常を来たすことにもつながる。
【００１１】
（２）ガス抜き
上述したように、キャビティ内に樹脂を充填させる際に、キャビティ内のガスをキャビティ外に放出させる必要がある。従来は図２および図３に示すような、パーティング面２５を構成する接触面２５ｂにガス抜き溝２６を機械加工により形成する方法や、図４に示すような、金型４２内にガス抜き孔４７を設け、多孔質金属４８、有孔金属４９を介してガス抜きを行う方法が行われている。
【００１２】
標準的な成形条件下で用いる金型の場合、図２および図３に示す方法では、パーティング面を構成する接触面に設けるガス抜き溝の深さは、結晶性材料用のもので０．０１５ｍｍ未満、非結晶性材料用のもので０．０３ｍｍ未満とする必要があり、精密な機械加工等を要するためコストが高くなる問題がある。図４に示す方法でも、成形金型が複雑な機械加工を必要とすることからコストが高くなることに加え、有孔金属等の孔の目詰まりが発生しやすく、長期使用には問題がある。
【００１３】
（３）バリの発生
バリは、パーティング面に生じた隙間から樹脂がはみ出すことにより発生するものであるが、このようなパーティング面の隙間は、キャビティ内への樹脂充填の際におけるキャビティ内部圧力上昇による成形金型の開き（固定金型と移動金型の接触面同士が離れること）や、接触面のヘタリ等を原因とするものである。
【００１４】
成形金型の開きに関しては、前述したとおり、パーティング面の隙間が０．００３ｍｍ程度でバリが発生し得ることが経験的に知られている。したがって、パーティング面を構成する接触面にガス抜き溝を設けた場合には、成形金型のわずかな変形により接触面同士が少しでも離れるとバリが発生する隙間の上限値（０．００３ｍｍ）をすぐに超えてしまう。このために、樹脂のキャビティ内への射出圧力を全体的に低下させることや、経験的に設定したキャビティ内への樹脂の充填完了時間に近づいたときに射出圧力を低下させること等、成形条件に制限を加えることによって接触面同士の離脱を防止する処置が実施されている。しかし、このように射出圧力を低下させると樹脂成形体の転写不良、充填不良、変形等が発生しやすい問題がある。
【００１５】
したがって、このような成形条件に制限を加える手段を取れない場合には、型締め力を上昇させてパーティング面を構成する接触面の接触面圧を大きくする方法が採用されるが、この方法では、成形機を大型化する必要があり、設備コスト、操業コストとも大きくなる問題がある。また、必要以上の接触面圧を接触面に作用させると、接触面の損傷やヘタリが発生するため、かえってバリの原因にもなる。パーティング面を構成する接触面の接触面圧を上昇させるための対応としては、成形金型にＳＣＭ４４０のような合金鋼を使用し、接触面を焼入れ処理する方法が実施されているが、成形金型の著しいコスト上昇を招くため、最適な方法とはいえない。
【００１６】
【非特許文献１】
綾井英二、「射出成形の手引き」、初版（増補改訂版）、アルファー企画、平成２年４月
【特許文献１】
特許２９９４５８０号公報
【特許文献２】
特開平７−３２９１２８号公報
【特許文献３】
特開平７−４０３９６号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題を解決するものであり、キャビティ内のガス抜きを容易としつつ、バリの発生を防止すること、さらにはパーティング面を構成する接触面のヘタリを防止して寿命を延長することができる成形金型を低コストで提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、型締めされた状態で成形材料が充填されるキャビティを構成する固定金型と可動金型よりなる成形金型において、前記固定金型と前記可動金型がともにＳ５５Ｃ鋼より炭素含有量の低い低炭素鋼からなり、前記固定金型と前記可動金型とのパーティング面における、前記キャビティに隣接する部分を含む接触面の双方に、深さが０．００３〜０．０３ｍｍの多数の微小くぼみを有し、当該多数の微小くぼみが、微小径のショットを高速で噴射して衝突させるショットピーニング処理により形成されたものであり、当該ショットピーニング処理による加工硬化と金属組織の改善によって、前記多数の微小くぼみが形成された接触面の疲労強度を前記ショットピーニング処理前よりも向上させたものであることを特徴とする成形金型である。
【００２１】
請求項２に係る発明は、前記ショットピーニング処理に用いるショットが、炭化珪素を含むものであり、当該ショットを用いたショットピーニング処理によって、前記多数の微小くぼみが形成された接触面に残留した炭素分により当該接触面に潤滑性が付与されている、請求項１に記載の成形金型である。
【００２４】
請求項３に係る発明は、樹脂成形体の成形に用いる、請求項１または２に記載の成形金型である。
【００２５】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の成形金型を用いて樹脂成形体を製造することを特徴とする樹脂成形体の製造方法である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
本発明は、成形金型のパーティング面を構成する、前記キャビティに隣接する部分を含む接触面が、ショットピーニング処理により形成された多数の微小くぼみを有することを特徴とするものである。
【００２８】
以下、上記ショットピーニング処理について詳細に説明する。
【００２９】
成形金型を構成する固定金型と可動金型とのパーティング面における接触面の双方またはいずれか一方に微小径のショットを高速で噴射して衝突させる。
【００３０】
これにより、接触面の表面にショットの衝突によって微小くぼみが多数形成される。この微小くぼみが多数形成された接触面を有する成形金型を合わせたとき（すなわち、固定金型と移動金型の接触面同士を接触させたとき）、多数の微小くぼみが連なってパーティング面にちょうどラビリンスシールに近似した形状の通路が形成される。このため、ガス抜きのための通路が確保されてガスは容易に通過するが、溶融状態の樹脂は通過できない，したがって、キャビティ内のガス抜きを容易としつつ、バリの発生を防止することが可能となる。
【００３１】
また、ショットが接触面に衝突することにより、ショットの運動エネルギーが熱エネルギーに変換されてショットが衝突した接触面が加熱され、その表面近傍の温度が一時的にＡ₃変態点を超える。このため、接触面の表面がショットの衝突により、加熱、ピーニング加工、焼き戻しが繰り返して行われることとなる。この結果、ショットピーニングによる残留圧縮応力の発生にともなう表面の加工硬化に加え、表面近傍の金属組織が改善されるため、疲労強度が向上し、接触面のヘタリが防止される（特許１５９４３９５号公報参照）。
【００３２】
したがって、上記ラビリンスシールの効果を得るためには、固定金型または可動金型のいずれか一方の接触面だけにショットピーニング処理を施せばよいが、接触面のヘタリ防止のためには、固定金型と可動金型の両方の接触面にショットピーニング処理を施す方が好ましい。
【００３３】
上記ショットピーニング処理により形成される微小くぼみの深さは、０．００３〜０．０３ｍｍとする。０．００３ｍｍ未満ではガス抜き効果が低下するからであり、０．０３ｍｍを超えるとラビリンスシールの効果が低下して溶融状態の樹脂が微小くぼみ（凹部）に侵入しやすくなりバリが形成されるおそれが高まるからである。
【００３４】
上記ショットピーニング処理による加工硬化と金属組織の改善が可能となる結果、成形金型（固定金型および可動金型）の材質としては、従来のＳ５５Ｃ鋼に加え、さらに低炭素含有量のＳ４５Ｃ鋼、Ｓ３５Ｃ鋼なども使用可能となり、Ｃ含有量が０．６１質量％以下の機械構造用炭素鋼を用いることができることとなる。
【００３５】
ショットピーニング処理に用いるショットとしては、金属粉やセラミックス粉を用いればよいが、成形金型の接触面の材質より硬度の高いものが望ましく、金属粉であればスチール粉、セラミックス粉であればアルミナ粉や炭化珪素粉を用いればよい。なかでも炭化珪素粉は、炭素分を接触面の表面に残留させて潤滑性を付与することができるため、特に好ましい。
【００３６】
ショットの径は平均径で４０〜２００μｍ、ショットの噴射速度は１００ｍ／ｓ以上の範囲とすることが推奨され、この範囲内で、ショットピーニング処理後の接触面に形成された微小くぼみの深さが０．００３〜０．０３ｍｍとなるように、適宜調整すればよい。上記ショット径および噴射速度の範囲が推奨されるのは、この範囲でショットピーニング処理を行うことにより、残留圧縮応力の付与による表面の加工硬化に加え、接触面の表面近傍の温度がＡ₃変態点を超えるため、金属組織が改善される効果が得られるからである。
【００３７】
また、キャビティ面等が硬化処理されることを避ける必要がある場合には、例えばキャビティ面等に粘着ガムテープを数層重ねて貼り付けるだけの簡単なマスキングを行うことにより容易に対処できる。
【００３９】
【実施例】
ＳＣ４５Ｃ鋼を用いて成形金型の試験片を作製し、この試験片の表面に対して、平均径５０μｍの炭化珪素粉を圧縮空気圧力０．５ＭＰａで噴射することにより噴射速度２００ｍ／ｓでショットピーニング処理を行った。図５に、ショットピーニング処理後の試験片の表面近傍の硬度分布を示す。この図に示すように、処理前の母材の硬度がＨｖ３００であったものが、処理後の表面の硬度がＨｖ４３０まで上昇している。また、ＳＣ３５Ｃ鋼を用いた場合には、図示していないが、処理前の母材の硬度がＨｖ２００であったものが、処理後の表面の硬度がＨｖ３００まで上昇した。このように、本発明を適用することにより、焼入れによっては硬化できない低炭素鋼でも硬化処理ができることを確認した。
【００４０】
図６に、上記ショットピーニング処理の前後における試験片の表面近傍の様子を示す。（ａ）は比較例（処理前）、（ｂ）は本発明例（処理後）である。図６の（ａ）と（ｂ）とを比較して分かるように、本発明例では、比較例に比べて表面近傍の金属組織が緻密化しているとともに、表面に凹部が形成されている。この凹部の深さは約７μｍ（０．００７ｍｍ）、幅は１０〜２０μｍであった。
【００４１】
したがって、Ｓ４５Ｃ鋼からなる固定金型、可動金型の少なくとも一方の接触面に上記ショットピーニング処理を施すことにより、パーティング面に上記微小くぼみが連なったラビリンスシール近似の形状の通路が形成されることとなり、ガス抜き通路を確保しつつ樹脂は通過させないという効果が発揮されることが明らかである。
【００４２】
なお、実施例においては低炭素鋼を用いたが、本発明は低炭素鋼以外の金型用の材料に適用できることはいうまでもなく、金型の材料は用途に応じて適宜選択すればよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上より、本発明によれば、キャビティ内のガス抜きを容易としつつ、バリの発生を防止すること、さらにはパーティング面を構成する接触面のヘタリを防止して寿命を延長することができる成形金型を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】樹脂成形体の射出成形に使用される成形金型の構造を示す概略断面図である。
【図２】パーティング面にガス抜き溝を形成した従来例を示す概略断面図であり、（ａ）は金型全体、（ｂ）は（ａ）のＸ部の詳細である。
【図３】パーティング面にガス抜き溝を形成した別の従来例を示す概略断面図である。
【図４】金型内に多孔質金属、有孔金属を取り付けた従来例を示す概略断面図である。
【図５】ショットピーニング処理後における、試験片表面からの深さと硬度Ｈｖとの関係を示すグラフ図である。
【図６】ショットピーニング処理の前後における、試験片表面近傍の様子を示す断面図であり、（ａ）は比較例（処理前）、（ｂ）は本発明例（処理後）である。
【符号の説明】
１…成形金型
２…固定金型
３…移動金型
４…キャビティ
５，２５…パーティング面
５ａ，５ｂ，２５ｂ…接触面
１０…ノズル
１１…スプール
２６…ガス抜き溝
４７…ガス抜き孔
４８…多孔性金属
４９…有孔金属
Ａ…樹脂

Claims

型締めされた状態で成形材料が充填されるキャビティを構成する固定金型と可動金型よりなる成形金型において、前記固定金型と前記可動金型がともにＳ５５Ｃ鋼より炭素含有量の低い低炭素鋼からなり、前記固定金型と前記可動金型とのパーティング面における、前記キャビティに隣接する部分を含む接触面の双方に、深さが０．００３〜０．０３ｍｍの多数の微小くぼみを有し、当該多数の微小くぼみが、微小径のショットを高速で噴射して衝突させるショットピーニング処理により形成されたものであり、当該ショットピーニング処理による加工硬化と金属組織の改善によって、前記多数の微小くぼみが形成された接触面の疲労強度を前記ショットピーニング処理前よりも向上させたものであることを特徴とする成形金型。
前記ショットピーニング処理に用いるショットが、炭化珪素を含むものであり、当該ショットを用いたショットピーニング処理によって、前記多数の微小くぼみが形成された接触面に残留した炭素分により当該接触面に潤滑性が付与されている、請求項１に記載の成形金型。
樹脂成形体の成形に用いる、請求項１または２に記載の成形金型。
請求項３に記載の成形金型を用いて樹脂成形体を製造することを特徴とする樹脂成形体の製造方法。