JP4848318B2 - 成形金型の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、素材の成形時の加熱と、成形品の固化時の冷却とのサイクルタイムの短縮化を図った、成形金型及びその制御方法に関するものである。

成形品の精度が高精度でかつ、多量に生産する製品において、多数個取り構造にすると、金型が大きくなるため熱容量が大となり、金型温度の上下に長い時間を要してサイクルタイムが長くなり、生産性に劣る。また、金型の固定側・可動側温度差による横方向の熱膨張差により、固定側と可動側のピッチ誤差が発生し、成形品の中央部と外側の同心度を満足する事が出来ず品質上問題がある。図２の（２）に、上記ピッチ誤差で生じた筒状の成形品２の左右の壁厚の差を示す。

上記問題の解決策としては、金型を１個取り構造にすることが考えられるが、多量生産に適さない別の問題が発生し、これを改善するには成形サイクルタイムを速めることが考えられる。

特許文献１には金型の加熱に要する時間と冷却に要する時間を夫々短くすることで成形サイクルタイムを短縮する金型が示されている。また、特許文献２にはヒートパイプを伝熱体として速やかに金型の加熱冷却が可能な金型が示されている。

特開２００１−００９８３６号公報 特開２００５−１３８３６６号公報

特許文献１には、金型のキャビティーの壁面全体を短時間で均一的に加熱および冷却し得るよう構成することで成形サイクルタイムの短縮化を実現する、金型が示されている。しかしながら、加熱手段がキャビティーの内側（壁面側）に設置され、冷却手段がその外側に設置されているため、冷却時は外側から冷却熱を加熱手段（管状部材、封入された熱媒体、シェル部２０）を介してキャビティーの壁面を伝えることになり、冷却時の熱容量が大となって大きな冷却熱量を必要とし、短時間での冷却が困難となる。また、一般に加熱と比べて冷却の制御が困難であるが、この冷却を外に配置するのはキャビティーの壁面の冷却制御を一層困難とする。さらに、加熱用のヒートパイプは高価であるという難点がある。

特許文献２には、金型の成形品に接する面に前端面を近接させたヒートパイプ等の熱伝達柱を配置し、この熱伝達柱の後端部に温度調整可能な熱源（加熱、冷却）を配置して、熱伝達柱を介して成形品に対して速やかな加熱・冷却が可能な金型が示されている。しかしながら、熱伝達柱を介して成形品に熱を伝達するため、熱伝達柱（ヒートパイプの場合は中の冷媒も含めて）の分だけ熱容量が増加して加熱・冷却時に大きな熱量を必要とし、その分だけ成形品の加熱・冷却の敏速性に支障が生じる。また熱伝達柱にヒートパイプを用いる場合は、熱伝達が速くなるが、高価であるという難点がある。

本発明は、前記の従来例に鑑み、単純で安価な構成で金型の成形駒の加熱・冷却のサイクルタイムの短縮化を図った、成形金型及びその制御方法を提供するものである。

本発明は、素材を成形する成形駒を備えた成形金型において、前記成形駒として磁性金型材を用い、前記成形駒の成形面に沿った内側に冷媒を流す冷却手段を設けると共に、前記冷却手段の周囲に高周波誘導による加熱手段を設け、前記成形駒による素材の成形に際し、前記加熱手段と冷却手段によって前記成形駒を交互に加熱と冷却を繰り返す。ここで、前記冷却手段は前記成形駒内に設けられた管体で構成され、前記成形駒の冷却時に冷媒を流し、前記成形駒の加熱時に冷媒の無い中空状態となる。

また本発明は、素材を成形する成形駒の成形面に沿った内側に冷媒を流す冷却手段を設けると共に、前記冷却手段の周囲に加熱手段を設け、素材の成形に際し前記加熱手段と冷却手段によって前記成形駒を交互に加熱工程と冷却工程を繰り返す成形金型の制御方法において、冷却工程時に前記冷却手段を冷媒流通状態とし、加熱工程時に前記冷却手段を冷媒の無い中空状態とする。ここで、前記冷却工程と加熱工程の間に更に成形品取出し工程を有し、前記冷却工程で前記冷却手段を冷媒流通状態とし、前記成形品取出し工程で前記冷却手段から冷媒を排出し、前記加熱工程で前記冷却手段を冷媒の無い中空状態とする。

本発明によれば、相対的に制御困難な冷却手段を成形駒の内側に配置し、その外側に制御容易な加熱手段を配置したので、成形駒の冷熱サイクルタイムの短縮制御が容易となる。なお、加熱時に冷却手段が冷媒のない中空状態となるので熱容量が小さくなり、加熱時間が短縮される。また、高周波誘導による加熱手段を用いているので、表面付近に発生するうず電流により成形駒自体の素材に接する表面が直接加熱されるため、加熱時間が大幅に短縮される。しかも、安価で単純な構成で金型を構成できるので成形作業及びメンテナンス性が向上し、取り扱いが容易となる。更に、金型の熱容量が小さくなるので、電力使用量が減少し、省エネ化が図れる。

図１は、本発明の成形品１個取り構造の一実施例の断面図であり、（１）（２）は可動金型の上死点と下死点を夫々示す。１は成形される円柱状の素材、２は素材１を成形加工した後の成形品（有底円筒）、３は内部に素材が挿入される成形用の固定金型（下型）、４は前記固定金型３の上方に設置され、上死点と下死点に移動して素材１を成形する可動金型（上型）である。

前記固定金型３には中央に中空孔５ａを有する円筒状の成形駒５が設けられる。成形駒５は素材を押出し成形する金型部品であって、熱伝導性の良い金属でしかも高周波誘導によって加熱する磁性体（鉄など）からなり、可能な限り熱容量を小さくするため、小質量・小体積に形成される。前記可動金型４には前記成形駒５に下降して素材１を押し出し成形するインナーパンチ６が下向きに突設され、また押し出し成形された素材１の高さを決めるアウターパンチ７が設けられる。

９は前記成形駒５の成形表面５ｂに近接して埋設された冷却手段で、内部を冷水などの冷媒が流れる管状体からなる。なお、冷却時に前記成形表面５ｂの温度むらを無くすため、前記冷却手段９の管状体の前記成形表面５ｂまでの距離Ａと、管状体の縦方向のピッチＢをほぼ同じに設定している。冷却手段９の管状体には冷却時は冷媒（冷水）が流れるが、成形品排出時（後述）はエア吹きにより冷水が水切り排出されて中空状態となり、この状態は加熱時も保たれる。

８は前記冷却手段の周囲に設けられた加熱手段で、高周波誘導加熱コイル８ａを絶縁物８ｂ内に埋設した状態で冷却手段の周囲に巻回して構成される。高周波誘導加熱は加熱能力が大であって制御が容易であるため、冷却手段より外側に配置される。１０は、成形後冷却されて固化した後の成形品２を、成形駒５から押し上げるためのエジェクタピンで、上向きの矢印方向に移動することにより中空孔５ａから成形品２を排出する。

１１は固定金型３全体を１２０℃に保温する固定側保温ヒータ、１２は可動金型４全体を８０℃に保温する可動側保温ヒータである。従って、成形作業中、成形駒５は固定金型３と共に１２０℃に保温され、可動金型４は８０℃に保温される。１４は前記成形駒５の外周に配置された断熱板であり、成形駒５を熱的に固定金型３から分離させて成形駒５の熱容量を極力小さくしている。なお成形駒５は、固定金型３が常時１２０℃に保温されているので、空気伝播等により同等の温度に保たれる。

以上のように金型は構成が単純で安価となりメンテナンスも向上する。

図３に制御ブロック図を示す。２０は可動・固定の両金型３、４の駆動機構を含めた金型制御機構、２１は固定側保温ヒータ１１、可動側保温ヒータ１２及び高周波誘導加熱コイル８ａを制御する加熱制御器である。なお、加熱制御器２１は、高周波誘導加熱コイル８ａを約２５ｋＨｚの周波数で駆動する。２２は冷却手段９の管状体に冷媒やエアを供給する冷媒／エア制御器、２３は前記金型制御機構２０の動作を制御する金型制御器、２４は各制御器を制御する制御部である。

上記構成において成形金型の動作を図１と図４に基づいて説明する。図１（１）において素材１が成形駒５の中空孔５ａに挿入され（図４、素材供給）、同時に固定金型３の成形駒５の加熱が開始される（図４、Ｔ１〜Ｔ２）。この加熱は高周波誘導加熱によるため、加熱コイル８ａの内側の磁性体である成形駒５の表面付近に発生するうず電流により、成形駒５の表面を含めた全体が直接加熱される。従って、成形駒５の成形表面５ｂ、即ち素材１に接する表面が直接加熱されるので、素材１へ高効率に熱を伝達できる。

このとき、冷媒／エア制御器２２により冷却手段９の管状体は冷媒（冷水）がエア吹きで水切りされて中空状態であって、成形駒５の熱容量が小となっているので、前記の高効率熱伝達と相俟って１２０℃から１５０℃への３０℃の上昇時間が大幅に短縮される（図４、加熱工程Ｔ１〜Ｔ４）。実施例によれば、２〜３秒で１２０℃から１５０℃に達することができた。

図４のＴ４のタイミングで素材１が１５０℃に加熱された状態になると、可動金型４が矢印方向に下降して図１（２）に示す下死点に達し、インナーパンチ６が素材１を押出し成形し、アウターパンチ７が成形品２の高さを規定する（図４、Ｔ４、Ｔ５）。この素材１と成形品２の状態は図２（１）に示される。

上記Ｔ４〜Ｔ５の成形タイミングでは、並行して加熱手段８の加熱動作が停止し、冷却手段９の冷却動作に切り替わる。冷却手段９の管状体に冷媒として４℃の冷水が供給され、上記管状体は成形駒５の成形表面５ｂに近接して埋設されているので、上記成形表面５ｂの成形駒５の内側から冷却が始まり駒全体に広がる（図４、冷却工程Ｔ５〜Ｔ７）。この冷却で成形駒５を１５０℃から１２０℃の３０℃だけ降下させるが、熱容量の小さな成形駒でしかも成形駒の内側から冷却するので、成形品２の冷却が高効率で行われ短時間で降下させることが出来る。実施例によれば、冷水４℃を冷媒に用いた場合約３秒で３０℃降下させることができた。

冷却により成形品２が硬化すると、可動金型４が上昇し図１（１）に示す上死点に戻り、次いでエジェクタピン１０が上向きの矢印方向に移動し（図４、Ｔ８、Ｔ９）、中空孔５ａから成形品２を上方に押上げ（図４、Ｔ９、Ｔ１０）、図示しない機構により金型の外に排出される（図４、Ｔ１０）。これらＴ８〜Ｔ１０のタイミングは成形品取出し工程となる。

この成形品取出し工程のＴ８〜Ｔ１０のタイミングにほぼ並行して、冷却手段９内の冷媒の水切りがなされる。具体的には、冷媒／エア制御器２２の制御により冷却手段９の管状体にエアを吹き込んで冷水を水切り排出し、管状体内を中空状態にする。この水切りの後は、次の素材１が成形駒５に供給されて次の加熱工程に備える。この水切りは、内部の冷水が保温熱により加熱された状態で次の加熱工程で沸騰してしまう危険を防止できる効果もある。

以上のタイミングＴ１〜Ｔ１１が成形の１サイクルを構成し、加熱・冷却を高速に行うことにより、成形サイクルタイムを短縮することができる。また、金型の動作が上下動のみで単純であり、成形作業及びメンテナンス性が向上し、取扱いが容易となる。

本発明の成形品１個取り構造の実施例の断面図。 本発明実施例と従来例の素材と成形品の説明図。 本発明実施例のブロック構成図。 本発明実施例の各部の動作を示す動作説明図。

符号の説明

１‥素材、２‥成形品、３‥固定金型（下型）、４‥可動金型（上型）、５‥成形駒、６‥インナーパンチ、７‥アウターパンチ、８‥加熱手段、８ａ…高周波誘導加熱コイル、９‥冷却手段、１０‥エジェクターピン、１１‥固定側保温ヒータ、１２‥可動側保温ヒータ。

Claims (2)

1. 素材が挿入される成形用の固定金型と、
   前記固定金型に対して設けられる可動金型と、
   前記固定金型に熱的に分離して設けられる成形駒とを有し、
   前記固定金型を第１の温度に保温する固定側保温ヒータと、前記可動金型を第２の温度に保温する可動側保温ヒータとによって、前記固定金型と前記可動金型とを各々保温し、
   素材を成形する前記成形駒の成形面に沿った内側に冷媒を流す管状体からなる冷却手段を設けると共に、前記冷却手段の周囲に加熱手段を設け、素材の成形に際し、該素材の入った前記成形駒を前記加熱手段と冷却手段によって加熱と冷却を繰返す成形金型の制御方法であって、
   前記成形品の素材を供給する第１の工程と、
   前記冷却手段の管状体を中空にし、高周波誘導により前記成形駒を加熱して、前記固定金型が保温される第１の温度から素材を成形できる温度の状態まで加熱する第２の工程と、
   該加熱工程の後、前記加熱手段の内側に設置された前記冷却手段の管状体に冷媒を流通して冷却し、前記固定金型が保温される第１の温度まで前記成形駒を冷却して成形品を硬化させる第３の工程と、
   前記冷却手段の管状体の冷媒をエアにより水切りし、成形金型を開いて成形品を取り出す第４の工程からなる成形金型の制御方法。
2. 請求項１に記載の成形金型の制御方法において、
   前記第１の工程から第４の工程を順次繰り返し、成形品を成形することを特徴とする成形金型の制御方法。

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