JP4229452B2 - 金属成形機の加熱筒における昇温方法 - Google Patents

Description

この発明は、低融点金属を成形材料とする金属成形機の加熱筒における昇温方法に関するものである。

ノズルを先端に有する溶解筒（加熱筒）内に射出手段を進退自在に備え、その溶解筒を幾つかの被加熱部位に区分して外周囲にバンドヒータを設け、そのバンドヒータにより溶解筒を被加熱部位ごとに設定温度に加熱して、内部に供給された低融点金属の成形材料を溶解し、射出手段により溶融成形材料をノズルから金型に射出して製品に成形する金属成形機が知られている。
特開２００２−５９２５３号公報

金属材料の融点は、マグネシウム合金のような低融点金属であつても６００℃前後と高く、成形開始時や成形再開時の加熱筒温度をヒータにより設定成形温度（溶融温度）まで昇温するには長時間を要する。昇温時間の短縮としてヒータ容量を大きくしたり、或いは昇温温度を高めに設定して設定成形温度に到達する時間を早くする工夫がなされて来たが、厚肉の筒体による加熱筒を外周囲から加熱するため、加熱筒の外側と内側とに温度差が大きく生じ易く、外側から高温を付加して急速な昇温を行うと、その温度差から生ずる不均一な熱膨張や応力等によつて、加熱筒に亀裂が入り易くなる。特に熱膨張率が異なる複数の金属材料により構成された加熱筒ではその傾向が著く、このため昇温時間の短縮にも限界があった。

この発明は、金属成形機の加熱筒における設定成形温度までの昇温時に生じ易いひび割れを、段階的な昇温と筒体温度の均一化とにより防止して加熱筒の保護を行い得る新たな金属成形機の加熱筒における昇温方法を提供することにある。

上記目的によるこの発明は、ノズルを先端に有する筒体内に射出手段を進退自在に備え、その筒体を幾つかの被加熱部位に区分して、その外周囲に低融点金属の成形材料の溶融又は溶融成形材料の温度維持を行う加熱手段を設け、その加熱手段により各被加熱部位を設定成形温度まで保持時間を設定して段階的に昇温するにあたり、最も温度の低い被加熱部位の現在温度に、予め定めた昇温温度幅を加算して目標温度を設定し、その目標温度まで全ての被加熱部位を昇温する工程と、全ての被加熱部位が前記目標温度に達した時点から、予め定めた保持時間、被加熱部位を前記目標温度で保持する工程とを、現在温度に加算した昇温温度幅による目標温度が各被加熱部位の設定成形温度を超えないところまで繰り返し行い、以後の昇温は被加熱部位ごとに設定成形温度を最終目標温度として昇温を行うというものであり、前記昇温温度幅は、前記筒体を構成する金属材料の特性に基いて設定されるというものである。また前記成形材料は、マグネシウム、アルミニウムの低融点金属からなるというものである。

上記構成では、加熱筒における各被加熱部位の昇温を、現在温度が最も低い温度を基準に目標温度を設定し、目標温度ごとに段階的に行うので、筒体における内外側の温度差が大きくならず、また目標温度での一定時間温度の保持により筒体温度の均一化が図られるので、不均一な熱膨張や応力の発生が阻止され、昇温によるひび割れを防止して、加熱筒を保護することができる。

図中１は金属成形機の傾斜した加熱筒で、ノズル２を先端に有する筒体３の内部に射出手段４を進退自在に備え、そのノズル２から離れた筒体後部に金属材料の供給装置５が縦に設けてある。筒体３は少なくとも前部、中部、後部の被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃに区分され、その外周囲にバンドヒータ６ａ，６ｂ，６ｃによる加熱手段が設けてある。この加熱手段よる筒体外周囲からの加熱により、内部に成形材料として供給されたマグネシウム合金、アルミニウム合金等の低融点金属の溶解が行われ、または溶融状態で供給されたそれらの合金の温度維持が行われる。また各被加熱部位には熱電対７ａ，７ｂ，７ｃによる筒体温度の検出手段が設けてある。

前記バンドヒータ６ａ，６ｂ，６ｃと熱電対７ａ，７ｂ，７ｃは、成形機コントローラ８の温度調節部９に接続され、被加熱部位ごと検出した筒体３の現在温度が常に温度調節部９から成形機コントローラ８に入力されて、設定部１０に設定された温度との比較により、各被加熱部位の各バンドヒータ６ａ，６ｂ，６ｃの温度制御が個々に行えるようにしてある。なお、温度調節部９に与えられるＰＩＤ制御用の定数は、昇温中一定にしてある。

前記加熱筒１の成形開始時や成形再開時の加熱は、設定成形温度まで一気に行うのではなく、前記筒体３を構成する金属材料の特性に基いて設定した昇温温度幅を、設定成形温度まで段階的に加熱して行う。この昇温回数は昇温開始時の筒体温度によって３〜８回に分けて行われる。

図２に示すフローチャートと、図３及び図４に示す温度曲線図は、前記被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの昇温を３段に分けて、現在温度から各設定成形温度ａ，ｂ，ｃまで昇温する場合を例示するものである。以下これにより、この発明の昇温方法を説明する。なお、設定成形温度はｂ＞ａ＞ｃに設定してある。

先ず昇温温度幅を設定し、成形開始時又は成形再開時に各被加熱部位のバンドヒータ６ａ，６ｂ，６ｃの電源をＯＮする。ヒータ電源ＯＮ（ステップ２１）により、筒体３の全ての被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃは同時に加熱されるが、加熱筒１の構造から各部位における昇温速度が異なり、また成形再開時には休止前の余熱により温度差が生じているので、筒体温度に高低差が生ずる。

この各部位の筒体温度は、各熱電対７ａ，７ｂ，７ｃにより常時検出されて成形機コントローラ８に入力され、被加熱部位ごとに予め設定されている前記設定成形温度ａ，ｂ，ｃと常に比較される。ここで言う設定成形温度とは、加熱筒１により低融点金属を完全溶解する場合には、成形材料として用いられる低融点金属の溶融温度以上の温度を言い、半溶融状態で供給された低融点金属の温度維持を行う場合には、成形材料として用いられる低融点金属の固液共存温度領域の温度を言う。

前記比較から被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの現在温度と設定成形温度ａ，ｂ，ｃとの差を得る（ステップ２２）。その差が昇温温度幅以上であるか否かを判断する（ステップ２３）。温度差が昇温温度幅以上であるので、最も低い被加熱部位Ｃの現在温度に昇温温度幅ｈ₁ を加算する（ステップ２４）。その加算温度を第１目標温度として設定する。そして被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃを第１目標温度まで昇温する。

前記各熱電対７ａ，７ｂ，７ｃによる温度検出により、各々の被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの温度が第１目標温度以上に昇温したか否かを確認する（ステップ２５）。第１目標温度まで昇温していない部位がある場合には、第１目標温度以上になるまで昇温を継続する（ステップ２６）。

被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの全てが第１目標温度以上に達したことを確認したら、その時点から被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの温度を第１目標温度に保持する（ステップ２７）。そして予め定めた時間Ｔ₁ が経過するまで温度保持して全体温度の均一化を図る（ステップ２８）。

保持時間Ｔ₁ が経過したら、前記と同様な工程により第２目標温度への昇温に移行する。現在温度と各設定成形温度ａ，ｂ，ｃとの比較から、被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの現在温度と設定成形温度との差を得る。その差が昇温温度幅以上であるか否かを判断する。判断の結果、全てが昇温温度幅以上であるので最も低い被加熱部位Ｃの現在温度に昇温温度幅ｈ₂ を加算する。その加算温度を第２目標温度として設定する。そして被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃを第２目標温度まで昇温する。

被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの温度が第２目標温度以上に昇温したか否かを確認する。第２目標温度まで昇温していない部位がある場合には、第２目標温度以上になるまで昇温を継続する。被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの全てが第２目標温度以上に達したことを確認したら、その時点から被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの温度を第２目標温度に保持する。そして予め定めた時間Ｔ₂ が経過するまで温度保持して全体温度の均一化を図る。

第２目標温度での保持時間Ｔ₂ が経過したら、再び同様な工程の繰返しによる第３目標温度への昇温に移行する。現在温度と各設定成形温度ａ，ｂ，ｃとの比較から、被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの現在温度と設定成形温度との差を得る。その差が昇温温度幅以上であるか否かを判断する。その結果、被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの全ての温度差が昇温温度幅以下で、昇温温度幅の加算温度が設定成形温度ａ，ｂ，ｃを超えるので、昇温温度幅の加算による第３目標温度の設定は行わず、設定成形温度ａ，ｂ，ｃを最終目標温度とする設定となる（ステップ２９）。

最終目標温度は、被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの現在温度と、設定成形温度ａ，ｂ，ｃの温度差を、それぞれ昇温温度幅ｈａ，ｈｂ，ｈｃとして、被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃの各々の現在温度に加算して設定する。したがって、昇温温度幅ｈａ，ｈｂ，ｈｃは被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃごとに異なったものとなる。この設定後に最終目標温度への昇温を行い。被加熱部位Ａ，Ｂ，Ｃを設定成形温度まで昇温したのち、通常の温度制御に移行する。

図４に示す場合のように、第２目標温度以後の昇温において、被加熱部位Ａ、Ｃは設定成形温度との比較温度差が昇温温度幅以下で、加算による目標温度が設定成形温度ａ、ｃを超えるが、被加熱部位Ｂは設定成形温度との比較温度差が昇温温度幅以上で加算により設定成形温度ｂを超えないときには、被加熱部位Ｂにのみ最も低い被加熱部位Ａの現在温度に昇温温度幅ｈ₃ を加算し、その加算温度を第３目標温度として設定する。

また昇温温度幅を加算した温度が、設定成形温度ａ，ｃを超える被加熱部位Ａ，Ｃについては、被加熱部位Ａ，Ｃの現在温度と、設定成形温度ａ，ｃの温度差を、それぞれ昇温温度幅ｈａ，ｈｃとして、被加熱部位Ａ，Ｃの各々の現在温度に加算し、その加算温度を最終目標温度として設定する（ステップ２９）。設定後に前記第３目標温度への昇温と最終目標温度への昇温を行う。設定温度差から被加熱部位Ａ，Ｃは被加熱部位Ｂよりも先に最終目標温度となる設定成形温度ａ，ｃに昇温し、その後に通常の温度制御に移行する。

第３目標温度まで昇温した被加熱部位Ｂについては、そこで現在温度と設定成形温度ｂとを比較し、その温度差を昇温温度幅ｈｂとして現在温度に加算し、その加算温度を最終目標温度として設定したのち、第３目標温度から設定成形温度ｂまで昇温し、その後に通常の温度制御に移行する。

成形材料 マグネシウム合金
筒体の金属材料 鉄基系耐熱鋼
筒体の肉厚 ４０ｍｍ
直径 外径２００ｍｍ、 内径１２０ｍｍ，
長さ ８００ｍｍ
被加熱部位（５区分） 前部₁ 前部₂ 中部₁ 中部₂ 後部
設定成形温度（℃） ６２０ ６３５ ６５０ ６５０ ６００
昇温温度幅（℃） １００℃
昇温段数 ６段 （最低温度２０℃）
保持時間 １２〜２０分間
昇温完了時間 約３時間

この発明に係わる昇温方法を採用し得る金属成形機の加熱筒の縦断側面図である。 この発明に係る昇温方法の工程を示すフローチャートである。 この発明に係る昇温方法による昇温温度の曲線図である。 同じく他の昇温温度の曲線図である。

符号の説明

１ 加熱筒
３ 筒体
６ａ，ａｂ，ａｃ バンドヒータ
７ａ，７ｂ，７ｃ 熱電対

Claims (3)

1. ノズルを先端に有する筒体内に射出手段を進退自在に備え、その筒体を幾つかの被加熱部位に区分して、その外周囲に低融点金属の成形材料の溶融又は溶融成形材料の温度維持を行う加熱手段を設け、その加熱手段により各被加熱部位を設定成形温度まで保持時間を設定して段階的に昇温するにあたり、
   最も温度の低い被加熱部位の現在温度に、予め定めた昇温温度幅を加算して目標温度を設定し、
   その目標温度まで全ての被加熱部位を昇温する工程と、全ての被加熱部位が前記目標温度に達した時点から、予め定めた保持時間、被加熱部位を前記目標温度で保持する工程とを、現在温度に加算した昇温温度幅による目標温度が各被加熱部位の設定成形温度を超えないところまで繰り返し行い、
   以後の昇温は被加熱部位ごとに設定成形温度を最終目標温度として昇温を行うことを特徴とする金属成形機の加熱筒における昇温方法。
2. 前記昇温温度幅は、前記筒体を構成する金属材料の特性に基いて設定されることを特徴とする請求項１記載の金属成形機の加熱筒における昇温方法。
3. 前記成形材料は、マグネシウム、アルミニウムの低融点金属からなることを特徴とする請求項１記載の金属成形機の加熱筒における昇温方法。

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