JP4582790B2 - 金属成形機 - Google Patents

Description

この発明は、短柱状の金属材料を半溶融状態に溶融して金型に射出する金属成形機に関するものである。

短柱状の金属材料を溶融して金型に射出する成形機としては、ノズルを有する加熱チャンバの側部にプランジャを挿入した予備加熱バレルを横向きに設け、その予備加熱バレルにチクソトロピー性を潜在的に保持した短柱状の金属材料に挿入して予備加熱し、それをプランジャにより加熱チャンバに供給して半溶融状態で貯留し、その一部を吸引ロッドにより金型に射出する構造のものがある。

またノズルを有する筒体内に射出ロッドを挿入した射出装置に保温貯留筒を立設し、その保温貯留筒の上側部に押込みロッドを挿入した棒状材料の加熱筒を横長に接続し、その加熱筒で棒状材料を溶融して保温貯留筒に貯留した後、その一部を射出ロッドにより金型に射出するものもある。

さらにプランジャを挿入した射出スリーブを備える射出装置の上に、プッシャを内装した融解シリンダによる融解装置を並設し、その融解シリンダの先端部と射出スリーブとを開閉装置を備えた注湯部材により連通して、円柱短棒形状の金属材料を融解シリンダにより融解し、溶湯をプッシャにより１ショット分ずつ計量して注湯部材に押し出して射出スリーブに供給する射出装置もある。
特開２００１−２５２７５９号公報 特開２００５−４０８０７号公報 特開２００４−１６７４９９号公報

チクソトロピー性状を有する金属材料では、液相線温度以下で固相線温度以上の温度に加熱すると、固相と液相とが共存した半溶融金属となる。この半溶融金属の温度を流動性を保持するために固液共存温度領域の温度に保持していると、時間の経過と共に固相が成長して固相率が保持前よりも高くなる傾向にある。このため多数ショット分の溶融金属を貯留して成形を継続する金属成形機では、貯留中に成長した固相により流動性が悪くなって成形が不安定となり易い。これを回避するには、固相の成長によりチクソトロピー性状が失われる前の時間内に射出を行う必要がある。

また円柱短棒形状の金属材料を融解シリンダにより融解し、溶湯を１ショット分ずつ計量して注湯部材から射出スリーブに供給する射出装置では、溶湯の貯留を行わないので、固相の成長による流動性の課題はないが、半溶融金属では軟化した状態で短柱状の形態を保っていることから、溶湯のような流動性がなく、このため開閉装置を有する注湯部材が障害となって、半溶融金属を射出スリーブに安定供給することが難しい。このようなことから、従来の成形機により金属素材を半溶融状態で成形を行うことは難しいとされている。

この発明は、金属材料を半溶融状態で射出成形する場合の上記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、半溶融金属を貯留することなく１ショットごとに計量して供給路から射出路に安定供給することができ、金属材料がチクソトロピー性状を有するものであつても容易に成形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。

上記目的によるこの発明は、型締装置の型置盤に挿通止着して先端の開口を固定型内に臨ませた射出加熱筒と、その射出加熱筒の型置盤から突出した後側部に形成した接続ブロックと、ブロック端面から射出加熱筒内の射出路に向け斜め後方から穿設して、射出路側面に斜め横向きに接続した接続ブロック内の供給路と、連結盤に取付けて射出加熱筒の後方に配置した射出駆動手段と、射出加熱筒内の射出路に後端の開口から挿入してプランジャ後端部を射出駆動手段に連結した射出プランジャとからなり、その射出プランジャのプランジャ先端部と射出プランジャの最前進位置で上記供給路の開口に位置する中間部位とを上記射出路の内径とほぼ同一径に、他のプランジャ軸部を小径に形成して、中間部位を供給路の開口を開閉するバルブに構成し、その中間部位による開口の閉塞時に供給路への材料補給を可能とした射出装置と、上記接続ブロックのブロック端面に先端面を当接して射出加熱筒の側面に斜め後方に横向きに連結し、接続ブロック内の上記供給路と接続した溶解筒と、その溶解筒の後部上側に軸方向に長く開設した短柱状の金属材料の投入口と、溶解筒内の半溶融金属材料を上記射出路に押出供給する計量プランジャと、その計量プランジャの進退駆動手段とからなる材料押出供給装置とを備え、その材料押出供給装置を上記溶解筒と共に上記射出装置の側部に斜め後方に横向きに設けてなる、というものである。

上記型締装置は、受圧盤と、その受圧盤に対設した連結盤と、両盤間の中央に配置した型置盤とを、隅部に挿通したクランプシャフトにより連結してなり、その連結盤の外側に上記射出駆動手段を連結してなるというものである。また上記材料押出供給装置は、溶解筒と共に上記射出装置の側部に斜め後方に向けて設けてなるというものである。

また上記射出加熱筒は、後側面に上記接続ブロックを斜め後方に向け突出して一体に有し、その接続ブロックはブロック端面から上記射出路に向け斜め後方から穿設して射出路側面に斜め横向きに接続した上記供給路を内部中央に有し、その供給路に対し直角な垂直面に形成した上記ブロック端面に上記溶解筒の先端面を当接して、該溶解筒を接続ブロックに連結してなる、というものである。

上記構成では、射出加熱筒の射出路と側部の供給路とを連通して、供給路を閉鎖している射出プランジャの中間部位に接するところまで、溶解筒から半溶融状態の金属材料が供給されているので、溶解筒内の計量プランジャにより１ショット分の半溶融材料を計量して射出路に確実に押出供給し、それを直ちに射出プランジャにより金型に射出できる。このため金属材料の溶融から射出に至る時間が短くなり、金属材料がチクソトロピー性状を呈するものであっても、固相の成長により固相率が高くなって流動性が悪くなる前に成形が行えるので、半溶融状態でも安定した成形を行うことができるようになる。

図中１は型締装置、２は射出装置、３は材料押出供給装置である。
上記型締装置１は、受圧盤１１と、その圧受盤１１と所要間隔を置いて対設した連結盤１２と、両盤間の中央に配置した型置盤１３とを、四隅部に挿通したクランプシャフト１４．１４により連結して備え、その受圧盤１１と型置盤１３との間に、可動盤１５をクランプシャフト１４．１４に挿通支持して進退自在に有する。この可動盤１５の背面には、受圧盤１１の中央部にシリンダ１６ａを一体に設けた型締機構１６の型締ラム１６ｂが連結してあり、その型締ラム１６ｂの伸縮作動により可動盤１５が進退移動して、該可動型１５と固定型１３に分割して取付けた金型の可動型１７ａと固定型１７ｂの型開閉及び型締とを行う構造からなる。

上記連結盤１２の外側盤面には、上記射出装置２を駆動する射出シリンダ２１が、ピストンロッド２２を連結盤１２に穿設した穴に進退自在に挿通して固設してある。この連結盤１２は型置盤１３から延長された状態にあるクランプシャフト１４．１４により、型置盤１３及び圧受盤１１に連結されているので、簡単な構造で大きな射出圧力にも十分に耐える。

上記型置盤１３には、両端が開口した射出加熱筒１８が、型取付面側の盤面から先端が若干突出するところまで、周囲に断熱材を施して盤体に穿設した穴に連結盤側から挿通し、先端周囲に嵌合した割りリング１３ａとボルト１３ｂ（図４参照）により止着してある。この先端部のみ型置盤１３に固定して他を自由状態となした射出加熱筒１８では、型置盤１３に拘束されることなく軸方向に熱膨張するようになる。

上記射出加熱筒１８は、型置盤１３から突出した後側面に、上記材料押出供給装３の接続ブロック１９を一体に有し、その接続ブロック１９と共に射出加熱筒１８を加熱する手段（図では省略）が設けてある。接続ブロック１９は斜め後方に向け突出しており、その内部中央に射出加熱筒内の射出路１８ａと所要角度で斜めに接続する供給路１９ａが、ブロック端面から最後退位置のプランジャ先端に近接した射出路１８ａの壁面まで穿設してある。また図では省略したが、射出加熱筒１８には、射出路１８ａをアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気となすガス供給手段が接続されている。なお、図では供給路１９ａを４５°の角度で射出路１８ａに斜めに接続しているが、その角度は任意とするものである。

上記ブロック端面は供給路１９ａに対し直角な垂直面で、そこに材料押出供給装置３の溶解筒３１が先端面を当接してジョイント３１ａにより射出加熱筒１８の側面に連結してある。この溶解筒３１は、長さ３００ｍｍ、直径６０ｍｍの短柱状（棒状ともいう）の金属材料Ｍを、供給路１９ａを含めて３〜５本収容できる長さを有し、その内部に材料押出用の計量プランジャ３０が挿入してある。また後部上側には金属材料Ｍの投入口３１ｂが軸方向に長く開設してあり、投入口３１ｂを除く筒体周囲にはバンドヒータ３１ｃが取付けてある。

上記射出路１８ａには、先端面が平らな射出プランジャ２０が射出加熱筒１８の後端から挿入してある。この射出プランジャ２０は、図４及び図５に示すように、プランジャ先端部２０ａと、最前進位置で供給路１９ａの開口に位置する中間部位２０ｂとを部分的に、摺動可能な範囲で射出路１８ａの内径とほぼ同径に形成して、射出路１８ａの内径とのクリアランスを小さくし、射出時の溶融金属材料のバックフローを少なくしてある。また他のプランジャ軸部はプランジャ先端部２０ａよりも小径で、そこに生じた段差によりクリアランスからバックフローした小径軸部の周囲の溶融金属材料を、プランジャ後退時に射出加熱筒１８の後端の開口から掻き出して、溶融金属材料による摺動抵抗を減少するようにしてある。

射出プランジャ２０の後端は、図６に示すように、上記射出装置２のピストンロッド２２の先端内の凹所２２ａに挿入して連結してある。この連結は、プランジャ後端面と凹所底面との間に挟み設けたスクリュライナ２３と、プランジャ周囲に嵌合した割りリング２４と、プランジャ受筒２５ａの端部周囲にフランジ２５ｂを一体に有し、そのプランジャ受筒２５ａに射出プランジャ２０の後端部を挿通して、フランジ２５ｂをピストンロッド２２の先端面に当接するとともに、受筒内端を割りリング２４に当接してボルトによりピストンロッド２２に止着したプランジャ保持部材２５とをもって行っている。

スクリュライナ２３は受部材２３ａとプランジャ端に嵌合した押部材２３ｂとの二部材からなり、両部材の当接面を受部材側に凹に弯曲した凹凸面に形成して、射出プランジャ２０とピストンロッド２２の軸心を同一線上に位置させてある。これによりプランジャ後端に掛かる射出時の荷重が、スクリュライナ２３に均等に受けられて、連結部に偏荷重による曲げ応力が生じないようにしてある。

上記射出装置２は、図７に示すように、射出シリンダ２１の後端を連結した油圧駆動部２６と、油圧駆動部２６からシリンダ前部に配設した油圧路２７とを備え、その油圧路２７によりピストン２２ｂで仕切られた前室の圧油の給排を行えるようにしてある。また射出シリンダ２１の前部はシリンダと一体のブロック２８に形成されており、そのブロック２８の前端面を上記連結盤１２の盤面に当接するとともに、ブロック周囲のフランジ２８ａを盤体にボルト止めして連結盤１２の下部中央に水平に連結してある。

上記型締装置１と射出装置２は、互いに連結したそれぞれの機台４，５に設置してある。型締装置１では受圧盤１１と型置盤１３とを機台４に固定し、連結盤１２と可動盤１５を高さ調整が可能な案内部材４１，４２に載せて機台４に設置している。また射出装置２は機台５に設置した高さ調整可能な長手方向のフレーム５１に油圧駆動部２６を載置固定し、射出シリンダ２１の前部をフレーム上に立設した支持材５２により支持して機台５に設置している。

上記材料押出供給装置３は、型締装置１の型置盤１３と射出装置２の連結盤１２との間の機台側部に張り出して取付けた台座６に設置してある。台座６の上面には複数のリニアガイド６１が射出加熱筒１８と平行に敷設してあり、そのリニアガイドに裏側面のガイド部材を嵌合して、ベースプレート３２が台座６の上に可動自在に載置してある。このベースプレート３２は射出加熱筒１８に対し４５°の角度で、上記接続ブロック内の供給路１９ａの延長線上に位置している。

ベースプレート３２の上面には上記計量プランジャ３０の進退駆動手段が設置してあり、その進退駆動手段より前のベースプレート上に溶解筒２１のサポート３２ａが設けてある。進退駆動手段は油圧駆動によるもので、図８〜図１０に示すように、上記溶解筒３１と平行にベースプレート３２の上面に敷設した左右一対のリニアガイド３３，３３と、そのリニアガイド３３，３３に裏面両側のガイド部材を嵌合して、ベースプレート上に可動自在に設けた前部台板３４ａ及び後部台板３４ｂとを有する。

前部台板３４ａの前側には、中央に形成した凹所に溶解筒３１の後部が位置する駆動部設置板３５が、また後側には溶解筒３１の後端に位置する支持板３７が立設してあり、駆動部設置板３５の両側には左右一対の油圧シリンダ３６，３６が溶解筒３１と平行に取付けてある。

また後部台板３４ｂには、先端部を溶解筒３１に挿入した計量プランジャ３０の後端と、油圧シリンダ３６，３６のピストンロッド３６ａ，３６ａの後端とを連結した押圧板３８が立設してあり、その押圧板３８が油圧シリンダ３６，３６の作動により、計量プランジャ３０と一緒に前進移動して、溶解筒内に投入した短柱状の金属材料を溶解筒先方に順に押し送り、先方の溶融した金属材料を供給路１９ａから射出路１８ａに押出すことができるようにしてある。

上記構成の金属成形装置の成形動作について説明する。
先ず、上記溶解筒３１に所要本数の金属材料Ｍを投入口３１ｂから挿入する。金属がマグネシウム合金で、溶融によりチクソトロピー性状を呈する短柱状の金属素材Ｍの場合には、金属材料Ｍが半溶融状態となるように加熱温度を５５０°〜５９０℃に設定して、溶解筒内の金属材料Ｍを半溶融しておく。

次に、上記型締機構６により可動盤１５を前進移動して、可動型１７ａと固定型１７ｂの型閉及び型締を行う。その後に射出装置２のピストンロツド２２を後退作動して射出プランジャ２０を、図５に示す最前進位置から、射出加熱筒１８の後端にプランジャ先端２０ａが位置する最後退位置まで後退移動し、その位置で待機させる（図４参照）。この後退移動で中間部位２０ｂにより塞がれていた供給路１９ａが開口して射出路１８ａと連通する。この後退移動により射出路１８ａは負圧となるが、それに応じて射出プランジャ周囲のクリアランスから外気が吸引されて負圧が解消され、射出プランジャ２０の後退移動がスムーズに行われる。

射出プランジャ２０が最後退位置で停止すると、上記材料押出供給装置３の油圧シリンダ３６が前進作動して、溶解筒３１に挿入した計量プランジャ３０を前進移動する。これにより金属材料Ｍが押圧されて、供給路１９ａまで先に押し出されていた半溶融状態の金属材料Ｍが計量プランジャ３０の移動ストローク分だけ、供給路１９ａから射出プランジャ２０のプランジャ先端部２０ａより前の射出路１８ａに押出供給される。したがって、射出路１８ａにおける材料供給量は計量プランジャ３０の移動ストロークにより計量されることになる。

材料供給が済むと、油圧シリンダ３６によるプランジャ３８の前進移動も停止してその位置に保つ一方、射出装置２のピストンロッド２２が前進作動して射出プランジャ２０を最前進位置まで移動し、射出路１８ａの図示しない半溶融金属をキャビティに射出する。この射出時に連結盤１２が受ける射出反力はタイバー１４の伸びにより吸収されるようになる。射出プランジャ２０は射出後の諸工程が終了して再び型閉工程に移行するまで最前進位置に停止している。この移動に際して、射出路１８ａの空気は射出プランジャ周囲のクリアランスから排気されるので移動抵抗となることはない。

材料押出供給装置３では、射出プランジャ２０が最前進位置に停止していて、中間部位２０ｂにより供給路１９ａの開口が塞がれている時に、材料追加を行うことができる。材料追加は成形ごとに行う必要がなく、溶解筒内に少なくとも１本分の金属材料の追加スペースが生じてから行えば材料不足を来すようなことはない。材料補給は、油圧シリンダ３６を伸長作動して計量プランジャ３０を、先端が投入口３１ｂより後の溶解筒後端に位置するところまで後退移動して行う。この後退移動でプランジャ軸部により閉鎖されていた投入口３１ｂが開き、新たな金属材料を投入口３１ｂから挿入できるようになる。挿入後に油圧シリンダ３６を縮小作動して計量プランジャ３０をプランジャ先端が金属材料Ｍと接するところまで前進移動し、その先端で金属材料Ｍを押さえる。

また横向きに設けた溶解筒３１内で半溶融した金属材料Ｍは、全体が膨張して均一に軟化した状態にあって、短柱状の形態を保っている。これは金属素材Ｍが結晶間に共晶が分布した金属組織で、固液共存温度領域の温度でチクソトロピー性状を呈するマグネシウム合金であっても同じで、縦に設けた溶解筒内で半溶融したときのように、結晶が溶融により固相となる前に、共晶が先に溶融して生じた液相により溶融塊となって分離することがない。また供給路１９ａは材料供給時以外は中間部位２０ｂに塞がれているので射出路１８ａに流出することがない。同様に金属材料が低融点金属とカーボンナノ材とによる複合金属材料であっても、半溶融状態であれば低融点金属の溶融による分離現象は生じ難く、溶融と押出供給が行えるので複合金属製品の成形も可能となる。

また押出供給は、供給路１９ａまで押し出されている半溶融金属材料を、射出路１８ａに直に押し出して行われるので、溶融から供給までの経路を短く設定でき、固液共存温度領域の温度に保持される時間も短くなるので、射出路１８ａに押出供給するまでの間に、固相が成長して固相率が高くなって流動性が悪くなるようなこともない。したがって、この発明の金属成形機によれば、半溶融によりチクソトロピー性状を呈する短柱状の金属材料、低融点金属と他の物質を複合化した複合金属材料の射出成形を容易に行い得る。

なお、上記実施形態では、射出プランジャ２０と計量プランジャ３０の駆動手段に油圧を駆動源とする装置を用いているが、駆動手段は電動モータを駆動源とする機械的手段であってもよい。

この発明に係る金属形成機の一部を断面して示す平面図である。 同上の側面図である。 図１のＡ−Ａ線における背面図である。 射出作動前の状態を示す型置盤の縦断側面図である。 射出終了時の状態を示す型置盤の縦断側面図である。 射出プランジャと射出ピストンロッドとの連結部位の断面図である。 射出装置の一部の縦断側面図である。 材料押出供給装置の一部を断面で示す平面図である。 同上の側面図である。 材料押出供給装置の材料押出し後の状態を一部を断面で示す平面図である。

符号の説明

１ 型締装置
２ 射出装置
３ 材料押出供給装置
１２ 連結盤
１３ 型置盤
１８ 射出加熱筒
１８ａ 射出路
１９ 接続ブロック
１９ａ 供給路
２０ 射出プランジャ
２０ａ プランジャ先端部
２０ｂ 中間部位
２１ 射出シリンダ
２２ 射出ピストンロッド
３０ 計量プランジャ

Claims (3)

1. 型締装置の型置盤に挿通止着して先端の開口を固定型内に臨ませた射出加熱筒と、その射出加熱筒の型置盤から突出した後側部に形成した接続ブロックと、ブロック端面から射出加熱筒内の射出路に向け斜め後方から穿設して、射出路側面に斜め横向きに接続した接続ブロック内の供給路と、連結盤に取付けて射出加熱筒の後方に配置した射出駆動手段と、射出加熱筒内の射出路に後端の開口から挿入してプランジャ後端部を射出駆動手段に連結した射出プランジャとからなり、その射出プランジャのプランジャ先端部と射出プランジャの最前進位置で上記供給路の開口に位置する中間部位とを上記射出路の内径とほぼ同一径に、他のプランジャ軸部を小径に形成して、中間部位を供給路の開口を開閉するバルブに構成し、その中間部位による開口の閉塞時に供給路への材料補給を可能とした射出装置と、
   上記接続ブロックのブロック端面に先端面を当接して射出加熱筒の側面に斜め後方に横向きに連結し、接続ブロック内の上記供給路と接続した溶解筒と、その溶解筒の後部上側に軸方向に長く開設した短柱状の金属材料の投入口と、溶解筒内の半溶融金属材料を上記射出路に押出供給する計量プランジャと、その計量プランジャの進退駆動手段とからなる材料押出供給装置とを備え、その材料押出供給装置を上記溶解筒と共に上記射出装置の側部に斜め後方に横向きに設けてなることを特徴とする金属成形機。
2. 上記型締装置は、受圧盤と、その受圧盤に対設した連結盤と、両盤間の中央に配置した型置盤とを、隅部に挿通したクランプシャフトにより連結してなり、その連結盤の外側に上記射出駆動手段を連結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. 上記射出加熱筒は、後側面に上記接続ブロックを斜め後方に向け突出して一体に有し、その接続ブロックはブロック端面から上記射出路に向け斜め後方から穿設して射出路側面に斜め横向きに接続した上記供給路を内部中央に有し、その供給路に対し直角な垂直面に形成した上記ブロック端面に上記溶解筒の先端面を当接して、該溶解筒を接続ブロックに連結してなることを特徴とする請求項１記載の金属成形機。

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