JP4255694B2 - 二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、一部重なって貫通している２つの孔（以下「バレル孔」とも言う）を鋼塊に設け、次いでバレル孔の内面を焼き入れすることによって、１つの鋼塊からなる耐摩耗性内面を有している、スクリューが互いにかみ合う二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法、およびバレル孔の内面を焼き入れするための装置に関する。

密接にかみ合うスクリューを有する二軸スクリュー押出機は、軸方向セクションをつなげたバレルを備えている。軸方向セクションは、貫通したバレル孔を有していて、その中で２つの押し出しスクリューが内面からわずかに離れて回転する。この場合、バレル穴の内面は剥離的摩耗を被るが、その原因は主として２つある。その原因の１つは、腐食性の装入材料、たとえば剥離作用を有する充填材を使用したプラスチックを加工することにある。もう１つの原因として、加工中にバレル内部で発生する圧力状況により、スクリュー軸が半径方向に変位し、その結果としてスクリューの外面とバレルの内面との間に滑り接触を招くことがある。この理由から、鋼塊に２つのスクリューに対する一部重なる２つの孔を設け、次いで内面を焼き入れすることによって、１つの鋼塊から作ったバレルを、できるだけ用いる。これは通常、機械的に加工した工作物を焼き入れ炉に入れ、焼き入れ温度まで加熱した後、急冷することによって行われる。この場合、工作物の完全焼き入れが達成されるが、これは原則として所望されない。このことは第１に、バレルのセクションを互いに結合してバレルを構成するために用いる、それぞれのセクションに設けたフランジに当てはまる。第２に、バレルのバレル孔の２つの楔形部、すなわちバレル内を貫通している２つの孔が互いに重なる区域の近傍にあるバレル領域に当てはまる。これらの箇所では、バレルは破断を避けるためにできるだけ良好な靭性を有することが所望されるが、これは完全焼き入れによってたいてい失われる。さらに、そのような硬化処理はコストが比較的高い。なぜならば、硬化処理は何よりも工作物の重量に依存し、二軸スクリュー押出機のバレルセクションは大きい肉厚が必要なために非常に重いからである。

工作物に浸炭焼き入れを施すことによって硬化をそれぞれの工作物の表面領域に的確に制限して、工作物がその質量の大部分において当初与えられている良好な靭性を維持することが知られている。このために炭素の少ない鋼から作られた工作物を、炭素の豊富な雰囲気を維持する炉に入れる。そうすると、炭素が鋼中に拡散することによって浸炭が生じ、その後の冷却により、所望の硬さ効果が得られる。同様のやり方で鋼中に窒素を的確に拡散させることによって、表面領域に窒化焼き入れを実施できる。しかし、このような方法は長い焼きなまし時間が必要なため、非常にコストがかかる。

それ自体は焼き入れ可能な鋼を表面のみ、すなわち限られた浸透深さまで加熱し、次いで急冷することによって表面焼き入れを行うことも基本的に知られている。加熱は火炎あるいはまたは誘導加熱によっても達成できる。後者の場合は、誘導子によって処理すべき工作物中に渦電流が誘導され、これが特に工作物の磁化反転の結果として加熱をもたらす。

基本的に誘導加熱は均一に、すなわち一様の輪郭をもった工作物において、大きな困難を伴うことなく一定の浸透深さで実施できる。したがって誘導加熱は、円形断面の鋼管を加熱する際に特に効果的に実施できる。しかし二軸スクリュー押出機のバレルでは誘導加熱は、バレル断面と等しくなるように成形された誘導子によっては、加熱および浸透深さが非常に不均一になるであろう。なぜならば、楔形部はいわば両方のバレルから熱が供給される形になるので、そこは特に高い熱エネルギーで負荷されることになるからである。したがって楔形部では後続の冷却により、硬化条件のもとで事実上完全焼きなましが生じる。その結果、これらの領域は特に破断しやすくなるであろう。この理由から、このような高周波焼き入れによる硬化は従来行われていない。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の方法を改良して、二軸スクリュー押出機のためのバレルの内面の硬化を達成するための時間および費用ができるだけ少なく、しかも焼き入れ層の深さが限られていて、バレル孔の全周にわたってできるだけ一様になるように焼き入れをすることである。さらに、そのような硬化処理を実施するための装置を提供する。

この課題は、方法に関しては請求項１に記載された特徴によって解決される。この方法の有利な構成が、請求項２から６に記載されている。本発明による装置は、請求項６に記載された特徴を有している。この装置の有利な構成が、請求項８から１１に記載されている。

本発明では、バレルもしくはバレルセクションを製造するために用いる鋼塊にバレル孔を設けた後、高周波焼き入れによって硬化を行う。このときバレル孔の内輪郭に対応して小さくした形状を有する電気的誘導子をバレル孔の一方の端部から他方の端部へと貫通案内することによって、浸透深さはほぼ一定の値に保たれる。この誘導子は、誘導子の外周の対応する長さ部分を基準にして、バレル孔の両楔形部の近傍領域では、内輪郭の楔形部から離れた領域におけるよりも、バレル孔の内面を加熱するためのエネルギーがそれぞれ著しく少なく放出されるように設計されている。その結果、一方と他方のバレル孔の近傍に位置し、それゆえ両方の孔の内面から熱が供給される楔形領域の個々の容積部分は、バレル内面の至る所で等しい熱エネルギーが供給される場合（特定エネルギー供給）よりも総じて少なく加熱される。特定エネルギー供給は、楔形部の領域において、それぞれ内面の近傍に位置し硬化用に設けられている材料区域で、両方の楔形部から遠く離れた表面領域におけるのとほぼ等しい強さの加熱が行われるようにできる。このようにすることによって、楔形部の大部分が完全焼き入れされるという所望されない状況を回避できる。これにより、孔表面から遠く離れたバレル壁の容積部分で所望された延性が、楔形部の領域でもそれぞれ必要な量維持される。

高周波焼き入れを実施するには、バレルに装入される鋼材の種類に応じて、焼き入れ温度まで加熱後に冷却するための最低速度が必要である。いわゆる空気焼き入れの場合は、静止空気による通常の冷却で十分である。特に表面近傍領域から、バレルの壁の誘導加熱されていない容積部分に熱が流出できる場合はなおのことである。急冷を必要とする素材の場合は、誘導加熱された領域を急冷するために、誘導子の後ろで軸方向に少し離れて冷却装置をバレル孔に貫通案内すると有利である。このようにすることによって、内面が軸方向長さの短い部分にわたってそれぞれ加熱され、その直後に引き続いて急冷される。したがってこの場合、焼き入れは空間的に連続的に進行する方法で行われる。所望された冷却速度に応じて、液相冷媒（たとえば水）または気相冷媒（たとえば空気）を急冷に使用できる。

バレル孔の両楔形部の近傍領域における特定エネルギー供給を低減することは、種々の仕方で実現できる。本発明のある実施形態によれば、両楔形部の近傍両域では誘導子を、バレル孔の内輪郭の残余の領域に比べて著しく大きく内面から離してバレル孔に通すようになっている。誘導子とバレル表面との間隔が大きくなればなるほど、誘導子からそれぞれの表面両域に供給される熱エネルギーは少なくなる。

別の可能性は、誘導子の電気的運転パラメータを、内面の外周を基準にして変化させることである。これに関連して特に挙げられる方法パラメータは、誘導子電流の電流強度と周波数である。周知のように、周波数の選択により浸透深さを変えることができるが、供給可能な熱エネルギーを決定するのは誘導子電流の大きさである。それゆえ熱供給は、誘導子をバレル孔に貫通案内する間にその接続時間を選択することによっても調整できる。外周の全長にわたって電気的に互いに独立に制御可能なセクションを有する誘導子を使用すると好都合である。つまり、楔形部のすぐ近傍にある誘導子セクションを、たとえば所定のタイミングで励起することにより、全処理時間にわたって絶えず運転されることがないようにする。しかしまた、誘導子は一定の、しかし楔形部から遠く離れた領域に比べて少ない電力で運転することもできる。

もちろん、運転パラメータに影響を与えるほかに、誘導子とバレル孔の内面との間隔を外周全体にわたって計画的に不均等に調整する方法を用いることも可能である。

本発明による方法を、比較的廉価な金属素材で製造し、内面を焼き入れ可能な高価な素材でメッキしたバレルで実施すると非常に有利である。したがってこれは複合材料である。この場合、めっきに非磁性素材を使用すると、母材も間接的に加熱される。めっき素材はバレル孔の機械的加工が終了する前に設けられる。つまり、焼き入れを行う前にめっきの表面も機械的に加工される。

スクリュー押出機用の鋼製バレルのバレル孔の内面を高周波焼き入れするための本発明による装置、特に本発明の製造法の枠内で焼き入れの実施に用いる装置は、外形がバレル孔の内輪郭を小さくしたものにほぼ等しい電気的誘導子を有している。この誘導子は、バレル孔の両楔形部の近傍領域では、誘導子の外周の対応する長さ部分を基準にして楔形部から遠い内面領域におけるよりも、バレル孔の内面を加熱するエネルギーがそれぞれ著しく少なく放出されるように設計されている。

誘導子が、導電性の管、特に銅管から、ほぼ８の字の外輪郭を有する、ひとつながりの導体として、好ましくは銅管から曲げ成形されていることが好都合である。誘導子を冷却するために、この管を通して冷媒が通される。誘導子の形状は、８の字の上側領域と下側領域がそれぞれ円形に曲げられていて、バレル孔の楔形部に対応する８の字の中央領域に接近するに連れて曲率半径が小さくなる領域がそれぞれ続いている。８の字の本来の中央領域には、これら曲率半径が比較的小さい領域を互いに対状に結合するために、それぞれ１つの反対湾曲部が設けられている。曲率半径を変えることによって、バレルのバレル孔を貫通案内する際に、誘導子の外周のそれぞれの部分領域は内面に対して種々異なる間隔を有する。

択一的または追加的に、誘導子は電気的に互いに独立して制御可能な複数のセクションに区分されていてもよい。この場合は、誘導子はひとつながりの導体として形成されるのではなく、電気的に互いに絶縁された複数のセクションから形成され、それらが全体でやはり８の字に近い外輪郭を持つことができる。しかしまた誘導子を実用的に、外形がバレル孔の両部分、すなわち互いに重なるバレル孔に対応している、２つの独立した部分から構成するようにしてもよい。この場合も、誘導子の楔形部近傍の領域は、楔形部から遠い両域よりも内面との間隔が大きくなるようにされている。択一的または追加的に、ここでも誘導子の両部分を、電気的に互いに独立して制御可能なセクションに区分することができる。 誘導子の後ろで軸方向に少し離れて冷却装置を配置して、誘導子をバレル孔内に貫通案内することによって加熱されたバレル孔の表面領域を急冷できるようにすると好都合である。この冷却装置は好ましくは８の字状に湾曲した環状の分配管から形成されていて、その輪郭は大きさがそれぞれ処理すべきバレル孔に適合されている。分配管は、半径方向外方に、かつ装置の所定の運動方向に対して斜めに向けられた、流動的冷媒、特に冷媒ガスのための多数のノズルを有している。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４は、それぞれ部分的に重なる２つの孔によって形成されたバレル孔２を有するバレル１の断面図を示す。バレル１は焼き入れ可能な鋼塊から、切削成形法によって作られている。両バレル孔が重なる領域では、バレル壁は２つの楔形部４ａ、４ｂとして形成されている。このような楔形部は、図６に部分図で拡大して示されている。バレル１の内面は、硬化した皮膜１７が、たとえば０．５〜２ｍｍなど、非常に限られた深さを有するように焼き入れする。これにより、楔形部４ａ、４ｂが完全焼き入れされて、内部の延性が失われることを回避する。

図１では、バレル孔２の内部には、たとえば銅管からほぼ８の字を横にした形で、ひとつながりの導体として曲げ成形された電気的誘導子３が配置されている。誘導子３は曲率が異なる複数のセクションから組み立てられている。両セクション６ａ、６ｂは、それぞれ一定の曲率半径を有していて、これらのセクション６ａ、６ｂとバレル孔２の内面との間隔が常に一定になることが保証されている。これらのセクション６ａ、６ｂにすぐ続いてセクション７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが設けられている。これらのセクション７ａ−７ｄは、８の字の中央領域に向かって曲率半径が次第に小さくなっているので、これらの領域では誘導子３とバレル孔２の内面との間隔は相応に大きくなる。セクション７ａ、７ｃもしくは７ｂ、７ｄを結合するために、２つの反対湾曲部８ａ、８ｂが設けられている。この場合、反対湾曲部８ｂは原則として分離して形成されている。なぜならば、ここには誘導電流を導入するための２つの電気的接続部が配置されているからである。これらの接続部は２つの小さい円で略示されている。

図２に示されている誘導子３の別の実施形態では、両楔形部４ａ、４ｂの近傍領域で個々のセクションが電気的に互いに独立に制御できるようになっており、したがってそれぞれ独自の誘導電流接続部を有している。総じてこの誘導子３では、バレル孔２の内面との間隔は全外周にわたって実質的に一定である。この場合、誘導子３はそれぞれ円形に湾曲した２つのセクション９ａ、９ｂからなり、それらの外周は半円より大きい。両セクション９ａ、９ｂの各端部には、誘導子３の、より短いそれぞれ２つのセクション１０ａ、１１ａもしくは１０ｂ、１１ｂもしくは１０ｃ、１１ｃもしくは１０ｄ、１１ｄが順次接続している。セクション１０ａ−１０ｄは、バレル孔２の内輪郭を基準にして対称的に配置されているので、等しい電気的パラメータで運転できる。つまり同一の電源に接続できる。同じことはセクション１１ａ−１１ｄにも当てはまる。これらのセクションは、セクション９ａ、９ｂよりも楔形部４ａ、４ｂの領域における特定エネルギー供給を減らすために、特に低い誘導電流および／または所定のタイミングで運転できる。

図３に示されている誘導子３の変化例では、電気的に互いに独立して制御可能な計４個のセクション１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂが設けられている。両セクション１２ａ、１２ｂは一定の曲率半径を有しているが、両楔形部４ａ、４ｂの近傍に配置された誘導子セクション１３ａ、１３ｂは、それぞれの楔形部４ａもしくは４ｂの頂点領域に接近するに連れて内面との間隔が大きくなるように湾曲している。さらに、両セクション１３ａ、１３ｂは、両セクション１２ａ、１２ｂに比べて少ない電力で運転されるようになっている。 図４に示されている誘導子３の変化例では、誘導子３はそれぞれ等しい電気パラメータで運転される、したがって好ましくは同じ電源に接続されるセクション１４ａ、１４ｂからなる。図１および図３と同様に、誘導子３は両楔形部４ａ、４ｂに接近するに従って、バレル孔２の内面との間隔が大きくなる。

図５で、バレル１のバレル孔２内部に示されている冷却装置１５は、ここには図示されていない誘導子の軸方向で後ろに配置されて、誘導子と一緒にバレル孔２の軸方向に貫通案内される。この冷却装置１５は環状の分配管として形成されており、ほぼ８の字形に曲げられていて、その限りでバレル孔２の輪郭に適合されている。分配管は、図示されていない冷媒用の供給管と、外周には半径方向外方に向けられて多数のノズル１６とを備えており、これらのノズルを通って気相または液相の冷媒が流出できる。ノズル１６は、焼き入れ工程の間、運動方向に対して斜め後方に向けられており、これから加熱すべき内面領域は冷却されず、すでに焼き入れ温度に達した表面領域のみ冷却されるようになっている。

本発明により二軸スクリュー押出機のバレルは、従来よりもはるかに廉価に、内面領域でほぼ一定の厚さの焼き入れ層を備えることができる。なぜならば、炉内でバレル全体の面倒な焼きなまし処理をしないですむからである。この場合、著しい省エネが達成されるだけでなく、処理時間の大幅短縮も実現される。本質的なことは、本発明による方法で本発明による誘導子を使用することにより、楔形領域の所望されない完全焼き入れが行われないですむことである。

バレル内に本発明の一実施形態に係る誘導子を案内している状態を示す断面図である。 バレル内に本発明の他の実施形態に係る誘導子を案内している状態を示す断面図である。 バレル内に本発明の他の実施形態に係る誘導子を案内している状態を示す断面図である。 バレル内に本発明の他の実施形態に係る誘導子を案内している状態を示す断面図である。 バレル内に冷却装置を案内している状態を示す断面図である。 図１の楔形部の領域におけるバレルの壁の部分的拡大図である。

Claims (13)

1. 一部重なって貫通している２つのバレル孔を鋼塊に設け、前記バレル孔の内面を焼き入れすることによって、前記鋼塊内に１つの耐摩耗性内面を形成する、スクリューが互いにかみ合う二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法において、
   前記バレル孔の内輪郭に対応して小さくした形状を有する電気的誘導子をバレル孔の一方の端部から他方の端部へと貫通案内し、
   前記誘導子における前記バレル孔の２つの楔形部近傍領域では、前記内輪郭の前記楔形部から離れた領域よりも、前記バレル孔の内面を加熱するためのエネルギーが少なく放出されるように設計された誘導子を使用し、これにより、前記バレル孔の前記楔形部近傍領域には、前記楔形部から離れた領域と等しいエネルギーが供給され、
   前記焼き入れが、焼き入れ層の深さが一定となるような高周波焼き入れとして行われることを特徴とする、二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法。
2. 前記誘導子の後ろで軸方向に離れて、誘導加熱された領域を冷却するための冷却装置を前記バレル孔に通すことを特徴とする、請求項１記載の二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法。
3. 冷却のために液相または気相の冷媒を使用することを特徴とする、請求項２記載の二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法。
4. 前記誘導子が、両楔形部の近傍領域では、前記内輪郭のそれ以外の領域よりも大きく内面から離すようにして前記バレル孔を貫通案内されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法。
5. 前記誘導子の外周部分は、電気的に互いに独立に制御可能な複数のセクションを有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法。
6. 前記鋼塊のバレル孔の内面の焼入れ工程の前に、前記バレル孔の内面に焼き入れ可能なめっき素材を設けることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法。
7. 請求項１記載の方法を実施するための装置であって、
   電気的誘導子（３）を備え、該誘導子（３）は、前記バレル孔の内輪郭との間に間隔を有し且つ前記内輪郭に沿うような形状で形成されており、前記誘導子（３）は、前記バレル孔（２）の２つの楔形部（４ａ、４ｂ）の近傍領域では、前記内輪郭の前記楔形部（４ａ、４ｂ）から離れた領域よりも、前記バレル孔の内面を加熱するためのエネルギーがそれぞれ少なく放出されるように構成されており、これにより、前記バレル孔の楔形部近傍領域には、前記楔形部から離れた領域と等しいエネルギーが供給されるようになっている、二軸スクリュー押出機の鋼製バレル（１）内のバレル孔（２）の内面を高周波焼き入れするための装置。
8. 前記誘導子（３）は、冷媒が貫流可能な導電性の管から形成され、前記誘導子（３）は、８の字状の外輪郭を有する、ひとつながりの導体（５）として曲げ成形されており、前記誘導子（３）における前記楔形部から離れた領域（６ａ，６ｂ）は、それぞれ円形に曲げられていて、前記楔形部近傍領域に接近するにつれて曲率半径が小さくなる領域（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）が、前記楔形部から離れた領域（６ａ，６ｂ）からそれぞれ続くように形成されており、前記誘導子（３）における楔形部近傍領域では、前記曲率半径が小さくなる領域（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）と結合するために、前記曲率半径が小さくなる領域に対して反対側に湾曲する反対湾曲部（８ａ、８ｂ）が設けられていることを特徴とする、請求項７記載の装置。
9. 前記誘導子（３）が電気的に互いに独立して制御可能な複数のセクション（９ａ−１１ｄ；１２ａ−１３ｂ；１４ａ−１４ｂ）に区分されていることを特徴とする、請求項７または８記載の装置。
10. 前記誘導子（３）の後ろで軸方向に離して冷却装置（１５）が設けられていて、前記誘導子（３）を前記バレル孔（２）に貫通案内することによって加熱された前記バレル孔（２）の表面領域を冷却することを特徴とする、請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記冷却装置（１５）が８の字状に湾曲した環状の分配管から形成されており、該分配管の輪郭は、それぞれ処理すべき前記バレル孔（２）に沿った形状であり、前記分配管は、半径方向の外方に且つ前記装置の所定の運動方向に対して斜めに向けられた、液相あるいは気相の冷媒のための複数のノズル（１６）を有していることを特徴とする、請求項１０記載の装置。
12. 前記導電性の管が銅管であることを特徴とする、請求項８記載の装置。
13. 前記冷媒が冷媒ガスであることを特徴とする、請求項１１記載の装置。

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