JP4772388B2 - ダイカストマシン用プランジャーチップ - Google Patents

Description

本発明は、ダイカストマシンによる鋳造に用いられるプランジャーチップに関するものである。

ダイカストマシンによる鋳造は、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの非鉄金属等の溶融金属をプランジャースリーブに注入し、プランジャースリーブ内を摺動するプランジャーチップによって、金型のキャビティに加圧注入することにより行なわれる。
プランジャーチップは、耐摩耗性、冷却性能が要求され、一般的に高温工具鋼(ＳＫＤ−６１)やベリリウム銅により作製されている。
ダイカストマシンでは、金属溶湯を射出する際に、プランジャーチップとプランジャースリーブとの間で大きな摺動抵抗を生ずるため、一般的に１ショット毎に黒鉛系の油性や水溶性の潤滑剤を摺動面に噴射する必要があった。
しかしながら、これら潤滑剤が、溶融金属に接触すると、潤滑剤が燃焼し発生したガスと残留潤滑剤が溶融金属に混入して、ダイカスト製品の品質低下や、潤滑剤物質の飛散による職場環境の悪化等の問題を引き起こすことがある。このため、潤滑剤を使用することなく又はその使用量を低減しつつ、安定した射出性能を具備したプランジャーチップへの要求が高まっている。

そこで、プランジャーチップの外周に炭素繊維強化複合材料(Ｃ／Ｃコンポジット)からなる筒状の摺動スリーブを嵌めて、プランジャースリーブ内面との摺動性を高めたプランジャーチップが提案されている(例えば、特許文献１参照)。

特開平０９−９４６４８号公報(全文)

プランジャースリーブの外周に摺動スリーブを設けることにより、プランジャースリーブ内面との摺動性は向上するが、Ｃ／Ｃコンポジットの熱膨張率は、プランジャーチップの金属材料と同程度であるため、溶湯金属の加圧注入の際に、殆んど膨張しない。このため、プランジャースリーブと摺動スリーブとの間のシール性が低下し、プランジャースリーブと摺動スリーブとの間に溶湯金属が侵入して、これらの表面を損傷してしまうことがある。
これら損傷は、耐用寿命の低下を招来する。

本発明の目的は、すぐれた摺動性及びシール性を具備したダイカストマシン用プランジャーチップを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のダイカストマシン用プランジャーチップは、プランジャースリーブ内を摺動し、溶湯金属を金型に押し出すチップ本体を具えるダイカストマシン用プランジャーチップにおいて、チップ本体は、金属材料で構成され、外周側面が、硬質樹脂材料から構成される摺動スリーブで覆われている。
硬質樹脂材料は、プランジャースリーブ内面との間ですぐれた摺動性及びシール性を発揮する。
なお、本明細書において、硬質樹脂材料とは、熱可塑性、熱硬化性の何れでも構わないが、軟質樹脂材料は含まない。より具体的には、硬質樹脂材料とは、弾性率が６.８９５×１０⁷Ｐａ以上の樹脂材料を意味する。

チップ本体の外周側面は、硬質樹脂製の摺動スリーブで覆われている。硬質樹脂製の摺動スリーブは、プランジャースリーブ内面との摺動性にすぐれるから、潤滑剤を不要にしたり、そうでなくても使用量を大幅に削減できる。
また、硬質樹脂製の摺動スリーブは、プランジャースリーブ内面とのシール性にすぐれ、また、金属溶湯による焼付きを生じ難いから、摺動スリーブとプランジャースリーブとの間に金属溶湯が侵入したり、金属溶湯が焼き付くことによる構成材料の損傷を低減でき、耐用寿命を大きく向上させることができる。
なお、溶湯金属と直接接触し、約６００〜７００℃まで昇温するプランジャーチップの先端は、金属材料からなるチップ本体から構成しているから、硬質樹脂製の摺動スリーブの熱による性能劣化も防止できる。

ダイカストマシンに溶融金属を供給する射出機構の構成を図１に示している。図１に示すように、射出機構は、ダイカストマシンに接続される円筒状のプランジャースリーブ(60)内に、円柱状のプランジャーチップ(10)を摺動可能に配備して構成される。プランジャーチップ(10)は、後端側にプランジャーロッド(70)が接続され、プランジャーロッド(70)は、駆動装置(図示せず)に連繋されており、プランジャーロッド(70)を往復させることによって、プランジャーチップ(10)がプランジャースリーブ(60)内を摺動し、プランジャースリーブ(60)内に充填された溶融金属をダイカストマシンに供給する。

本発明のプランジャーチップ(10)は、先端が閉塞した外形円形のチップ本体(20)と、チップ本体(20)の外周側面に嵌められた摺動スリーブ(40)から構成される。

＜チップ本体(20)＞
チップ本体(20)は、先端が閉塞した中空の円柱体であり、基端側に摺動スリーブ(40)の脱落を防ぐ押え筒(22)がネジ(23)止めされている。
チップ本体(20)の外周側面には、摺動スリーブ(40)が嵌まる軸方向(長手方向)に幅の広い凹溝(26)が一周に亘って形成されている。凹溝(26)の基端側側面は、押え筒(22)の先端面により形成される。
チップ本体(20)の先端は、図１に示すように、縮径したヘッド部(21)が形成されており、プランジャーチップ(10)のプランジャースリーブ(60)への侵入を容易にしている。
チップ本体(20)の温度上昇を防止するために、チップ本体(20)の中空内部に水冷構造を配備することが望ましい。この場合、図１に示すように、プランジャーロッド(70)の内部に、冷却用パイプ(72)を形成し、該冷却パイプ(72)とチップ本体(20)の中空内部とを連通させる。
なお、プランジャーチップ(10)に冷却構造が不要の場合、プランジャーチップ(10)の内部は、中実に形成してもよい。

凹溝(26)の軸方向の幅は、チップ摺動部全長(図１中Ｘで示す)に対して５０〜９０％とすることが好ましく、深さは、５〜１０ｍｍ程度が望ましい。

チップ本体(20)は、高温工具鋼(ＳＫＤ−６１)や、Ｃｕ合金等の耐摩耗性にすぐれ、冷却性能の高い材料から作製することができる。Ｃｕ合金は、熱伝導率にすぐれることから冷却効率が高いため、チップ本体(20)の材料として望ましい。この種Ｃｕ合金として、ベリリウム銅(Ｂｅ−Ｃｕ)を例示することができる。

チップ本体(20)の基端側は、図１に示すように、プランジャーチップ(10)をプランジャースリーブ(60)内で往復移動させるプランジャーロッド(70)に接続される。

＜摺動スリーブ(40)＞
摺動スリーブ(40)は、図１に示すように、チップ本体(20)の凹溝(26)に嵌められる円筒体であって、硬質樹脂材料から作製される。摺動スリーブ(40)は、凹溝(26)に摺動スリーブ(40)を嵌めた後、押え筒(22)をチップ本体(20)に嵌めてネジ(23)止めし、凹溝(26)から摺動スリーブ(40)が脱落しないようしてチップ本体(20)に取り付けることができる。
また、摺動スリーブ(40)を円周方向に複数、例えば、２つの部材に分割して作製することもできる。摺動スリーブ(40)を分割型とすることにより、押え筒(22)を取り外すことなく凹溝(26)に直接取り付けることができ、また、摺動スリーブ(40)が劣化したときに、プランジャースリーブ(60)からプランジャーチップ(10)を取り出し、押え筒(22)を取り外さなくても摺動スリーブ(40)を交換できる利点がある。なお、この場合、押え筒(22)は不要であり、押え筒(22)はチップ本体(20)と一体に構成することもできる。
摺動スリーブ(40)を分割構造とした場合、摺動スリーブ(40)を分割する分割線は、軸方向に対して傾斜させると、摺動の際にプランジャースリーブ(60)の内面との摩擦によって、分割線が閉じられる方向に力を受けるため、シール性を高めることができる。

摺動スリーブ(40)は、凹溝(26)の幅に合わせて、チップ本体(20)の外周側面の５０〜９０％を覆う大きさに形成することが望ましい。摺動スリーブ(40)の占める面積が、チップ本体(20)の外周側面の５０％よりも小さくなると、プランジャースリーブ(60)内面への単位面積当たりの摺動荷重が大きくなって、摺動性が低下したり、長期の使用において、焼付き現象を生ずることがあるためである。
摺動スリーブ(40)の外径寸法は、チップ本体(20)の外径(最大外径)と同じ又はほぼ同じとするか(図２)、または、チップ本体(20)の外径よりも大きくすることが望ましい(図１及び図３)。図２に示すように、摺動スリーブ(40)の外径をチップ本体(20)の外径と同じ又はほぼ同じにした場合でも、硬質樹脂材料が熱膨張するから、プランジャースリーブ(60)内でのシール性は確保できる。なお、図１及び図３に示すように、摺動スリーブ(40)の外径をチップ本体(20)の外径(最大外径)よりも大きくする場合、直径差は０.０２ｍｍ以上(片側段差０.０１ｍｍ以上)とすることが望ましい。直径差を０.０２ｍｍ以上とすることにより、チップ本体(20)がプランジャースリーブ(60)の内面に接触することなく、摺動スリーブ(40)のすぐれた摺動性及びシール性を確保できる。

なお、摺動スリーブ(40)は、図１に示すように、１本の円筒体から構成してもよいし、図２及び図３に示すように、軸方向に複数に配置する構成してもよい。摺動スリーブ(40)を軸方向に複数配置する場合、図２に示すように、複数の凹溝(26)を形成して、各凹溝(26)に夫々分割型の摺動スリーブ(40)を嵌める構造とすることもできる。また、図３に示すように、チップ本体(20)の凹溝(26)に金属材料性の環状スペーサ(24)を摺動スリーブ(40)(40)の間に挿入する構成としてもよい。
何れの場合も、チップ本体(20)の外周側面の面積の５０〜９０％の領域が摺動スリーブ(40)によって占められるようにすることが望ましい。

摺動スリーブ(40)は、プランジャースリーブ(60)の中に容易に挿入できるように、外径寸法をプランジャースリーブ(60)の内径よりも直径で０.０２〜０.０８ｍｍ程度小さくすることが望ましい。この寸法差が小さい程、射出時に、安定した摺動性を得られると共に、隙間からの金属溶湯の侵入を防ぐことができ、すぐれたシール性を発揮できる。

摺動スリーブ(40)を構成する硬質樹脂材料は、プランジャースリーブ(60)とのすぐれた摺動性と、安定したシール性を具備する材料から選択される。
硬質樹脂材料は、弾性率が６.８９５×１０⁷Ｐａ以上の材料であり、熱膨張係数(線膨張係数)がチップ本体(20)よりも大きい材料を選択することが望ましい。硬質樹脂材料の熱膨張係数がチップ本体(20)よりも小さいと、摺動スリーブ(40)及びチップ本体(20)が熱膨張を受けたときに、チップ本体(20)がプランジャースリーブ(60)の内面に接触するおそれがあるからである。具体的には、硬質樹脂材料の熱膨張係数は、１.２×１０^-5／℃以上であることが望ましい。
また、硬質樹脂材料の熱膨張係数の上限は、６×１０^-5／℃以下であることが望ましく、５×１０^-5／℃以下であることがより望ましい。熱膨張係数が、６×１０^-5／℃よりも大きくなると、摺動スリーブ(40)が熱膨張を受けたときに、過度に熱膨張してプランジャースリーブ(60)との摺動抵抗が大きくなるからである。

チップ本体(20)は、内面を上述のとおり水冷構造とすることにより、温度上昇を防止できるが、６００〜７００℃の金属溶湯との接触により昇温するチップ本体(20)からの熱伝導により、摺動スリーブ(40)の温度上昇は不可避である。このため、硬質樹脂材料は、材質劣化に伴う摺動性及びシール性の低下を防止するために、荷重たわみ温度(熱変形温度)が２００℃より高い材料を選定することが望ましい。なお、荷重たわみ温度の測定は、ＪＩＳ／Ｋ７２０７、Ｋ６９１１に準拠している。

摺動スリーブ(40)は、上記特性を具備する材料を選定することが最も望ましく、その種の硬質樹脂材料として、例えば、ポリアミド(ＰＡ)、ポリベンゾイミダゾール(ＰＢＩ)、ポリエーテルエーテルケトン(ＰＥＥＫ)、ポリイミド(ＰＩ)を挙げることができる。例えば、ポリベンゾイミダゾールは、商品名セラゾール(商標：クリアラントジャパン製)として市販されており、ポリイミドは、商品名ベスペル(商標：デュポン社製)として市販されている。
また、これら硬質樹脂に、カーボン繊維や窒化ほう素粉末等の材料を加えることにより、潤滑性をさらに向上させることができる。

ＳＫＤ−６１製のプランジャースリーブの中に、表１に示す材料から作られた摺動スリーブを嵌めた供試用プランジャーチップ(発明例１乃至７と比較例)を作製した。このプランジャーチップを摺動させて、金型にアルミ合金溶湯(ＡＤＣ１２)を圧入して、ダイカスト製品を製造し、製品品質とプランジャーチップの耐用回数を比較した。

なお、表１の発明例について、ＰＡ４６はポリアミド４６、ＰＢＩはポリベンゾイミダゾール、ＰＥＥＫはポリエーテルエーテルケトン、ＰＩはポリイミド、ＰＡＲはポリアリレート、ＰＥＩはポリエーテルイミドを示している。これらは何れも硬質樹脂材料である。
比較例として、Ｃ／Ｃコンポジットを摺動スリーブ材料としたプランジャーチップを作製した。

上記プランジャーチップを用いて、射出圧力５０ＭＰａでアルミ合金溶湯(ＡＤＣ１２)を金型に注入し、耐用回数(ショット数)及びプランジャーチップ(10)の摺動性を比較した。結果を表１の右欄に示す。

表１から明らかなように、発明例１〜７は、比較例よりもショット数が多く、耐用寿命が長いことがわかる。これは、摺動スリーブの硬質樹脂材料が熱膨張によって径方向に膨張し、摺動スリーブがプランジャースリーブの内面に密着した状態で摺動するからであり、熱膨張率の低いＣ／Ｃコンポジットの摺動スリーブに比べてシール性能が向上したためである。以下、具体的に表１の結果を考察する。
発明例１は、摺動スリーブに細かいクラックが発生したものの、摺動性は安定しており、ショット数１０５０回であり、すぐれた耐用性を示した。
発明例２は、摺動スリーブにクラックが発生することなく、また、摺動性が安定しており、ショット数１５２０回であり、最もすぐれた耐用性を示した。
発明例３は、摺動スリーブに細かいクラックが発生したものの、摺動性は安定しており、ショット数１２００回であり、すぐれた耐用性を示した。
発明例４は、チップ本体の外周側面に対する摺動スリーブの専有面積を５５％まで引き下げたが、引き続き１０００回以上の耐用性が確認された。
発明例５は、摺動スリーブの荷重たわみ温度が低いため、温度上昇に伴う劣化により、摺動スリーブに大きなクラックが発生した。従って、硬質樹脂材料の荷重たわみ温度は２００℃以上であることが望ましいことがわかる。
発明例６は、摺動スリーブの熱膨張係数が大きいため、摺動スリーブが温度上昇に伴って熱膨張し、プランジャースリーブとの間で摺動抵抗が大きくなっている。従って、硬質樹脂材料の熱膨張係数は、６.０×１０^-5／℃以下が望ましく、耐用性をさらに高めるには５.０×１０^-5／℃以下とすることがより望ましいことがわかる。
発明例７は、最初は、摺動性が安定していたが、ショット数が増えるに従って、摺動性が低下し、摺動スリーブとプランジャースリーブとの間に焼き付きが生じた。その理由として、チップ本体の外周側面に対する摺動スリーブの専有面積が小さいため、プランジャースリーブとの間の摺動荷重が大きくなったことによるものと考えられる。これより、チップ本体の外周側面に対する摺動スリーブの専有面積は、５０％以上が望ましいことがわかる。
一方、比較例は、摺動スリーブをＣ／Ｃコンポジットによって作製しているため、１５０回の使用で摺動スリーブ部分にアルミ溶湯の侵入が発生し、摺動抵抗が上昇して使用不可となった。この理由として、Ｃ／Ｃコンポジットは熱膨張率が低いから、十分なシール性を維持できなかったためと考えられる。

なお、発明例のプランジャーチップは、潤滑剤を使用していないので、作製されたダイカスト製品に潤滑剤が混入することもなく、すぐれた品質のダイカスト製品が得られた。また、潤滑剤を使用しなかったため、潤滑剤の燃焼によるガスの発生も防止でき、職場環境の悪化等を引き起こすこともなかった。

上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

なお、摺動性及びシール性をさらに向上させるために、潤滑剤をプランジャースリーブ(60)の内面に噴射してもよいが、従来よりも可及的に少ない量の使用で済ますことができる。

本発明は、硬質樹脂製の摺動スリーブを具えたことにより、すぐれたシール性と摺動性を具え、耐用寿命が長く、安定したダイカスト製品を作製できるダイカスト用プランジャーチップとして有用である。

本発明のプランジャーチップを用いた射出機構の構成を示す部分断面図である。 摺動スリーブを軸方向に複数配置したプランジャーチップの実施例を示す部分断面図である。 摺動スリーブを軸方向に複数配置したプランジャーチップの異なる実施例を示す部分断面図である。

符号の説明

(10) プランジャーチップ
(20) チップ本体
(26) 凹溝
(40) 摺動スリーブ

Claims (5)

1. プランジャースリーブ(60)内を摺動し、溶湯金属を金型に押し出すチップ本体(20)を具えるダイカストマシン用プランジャーチップにおいて、
   チップ本体(20)は、金属材料で構成され、外周側面が、熱膨張係数(線膨張係数)が１.２×１０ ^-5 ／℃〜６×１０ ^-5 ／℃の硬質樹脂材料から構成される摺動スリーブ(40)で覆われていることを特徴とするダイカストマシン用プランジャーチップ。
2. チップ本体(20)は、外周側面の面積の５０％以上の領域が、摺動スリーブ(40)によって覆われている請求項１に記載のダイカストマシン用プランジャーチップ。
3. チップ本体(20)は、前端と、摺動スリーブ(40)に覆われていない外周側面が、同じ金属材料で構成されている請求項１又は請求項２に記載のダイカストマシン用プランジャーチップ。
4. 摺動スリーブ(40)は、外径が、チップ本体(20)の外径以上である請求項１乃至請求項３の何れかに記載のダイカストマシン用プランジャーチップ。
5. 摺動スリーブ(40)は、荷重たわみ温度が２００℃より高い硬質樹脂材料によって形成される請求項１乃至請求項４の何れかに記載のダイカストマシン用プランジャーチップ。

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