JP5080324B2 - 射出成形用ホットランナ金型のバルブゲート - Google Patents
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Description
しかし、これらの構造に共通する問題点として、(5)材料流路をバルブピンが縦断するため、あるいは流路の一部が湾曲しているため、流動抵抗が生じ、流量が制限される、(6)シリンダがヒータの近くに配置されるため,Oリング、パッキンなどの気密部材が熱影響を受けて劣化しやすい、(7)特にエアシリンダでバルブピンを直接作動する場合、一般的なエア供給圧(0.5〜0.8MPa)では、バルブピンの推力を得るために大きなエアシリンダを使う必要がある、などの問題点があった。
一般的なホットランナ射出成形金型において、固定型1と可動型2によって、キャビティ3が形成されている。固定型1は、固定側型板4、固定側受け板5、固定側取付け板6から成っており、固定側取付け板6は、ロケートリング7によって位置決めされて、射出成形機の台盤(図示しない)に取付けられる。固定側型板4にはブッシュ穴8が、固定側受け板5および固定側取付け板6にはバルブゲート組込み穴9が開けられる。
先願発明のバルブゲート10は、本体部11、ノズルタッチ部20が一体となっており、バルブゲート組込み穴9に挿入される。その際、金型かん合軸16は、ブッシュ穴8にかん合する。また、フランジプレート23が固定側受け板5の面に当たり、取付けボルト24で固定される。
矩形部12aにはカートリッジヒータ71が挿入され、円柱部12bにはヒータ72a、72bが付けられて、本体部11を材料の成形温度に加熱できるようにしてある。
金型が大きく、本体部11から固定側受け板5の側面までの距離が長い場合は、ドライブバー35aを長くする。この距離が長いほど、本体部11をヒータで加熱した時、エアシリンダ30への伝熱が少なく、エアシリンダ30のOリング、パッキンなどの気密部材が熱で劣化するのを防ぐことができる。
ラック31の歯車は、ピニオンギヤ32外径の平歯車とかみ合うようになっている。また、本体部11の、エアシリンダ30と反対側の延長線上に、ストッパホルダ36が取付けられており、ストッパボルト37の締め込み量を調整することにより、シリンダロッド35およびラック31の前進限を規制することができるようになっている。ここで、前進限を規制したときのシリンダストロークをScと表す。
なお、エアシリンダ30の代わりに駆動手段として油圧シリンダを用いた場合は、エア圧に比べて油圧が通常10倍以上高いため、非常に高い推力を得ることができる。
バルブ体41は、略円柱形状の中心軸に沿って、上端面から下端直前まで、貫通しない流路穴42が形成されている。下端付近側面(外部形状)は、大径軸45と外テーパ部46と小径軸44から成っており、外テーパ部46から流路穴42に連通する連通穴43が中心軸に対して斜めに通じている。
連通穴43は、流路を構成する目的からは、1ヶ所でも、等分方向に数ヶ所あっても構わない。1ヶ所の場合は、材料の流れ方向が集中するので、材料が樹脂の場合、成形品にウエルドが出にくくなるが、圧力分布が偏る可能性がある。一方、数ヶ所に分けると材料の流れが分流となり、成形品にウエルドが発生する原因となりうるが、流動バランスの点では、全方向への流れの均一化が図れると考えられる。
外部形状の中央よりも上部側には駆動オネジ47が形成されており、ピニオンギヤ32の駆動メネジ33に螺合する。なお、駆動メネジ33の有効長さは、駆動オネジ47の有効長さよりも、後述するバルブストロークSvだけ長く形成されている。
なお、駆動オネジ47、駆動メネジ33は3条ネジとなっており、1条ネジに比べ、螺合での傾きが生じにくく、ピニオンギヤ32の回転を安定してバルブ体41に伝えられる。
また、バルブ体41の上端部48は円筒形状である。
まず、ピニオンギヤ収容穴13の底部にスラストベアリング34aを置く。次に、ラック31を後退限位置に置き、一方、バルブ体41の駆動オネジ47にピニオンギヤ32の駆動メネジ33をバルブストローク上端位置に螺合させた状態で、バルブ体41とピニオンギヤ32を本体部11に挿入し、スラストベアリング34aの上に置く。すると、中間部では、大径軸45がテーパリング61に挿入された後、バルブガイド穴17に精度良く、かつ、しゅう動可能に挿入される。
また、図示しない回り止めによって、バルブ体41の回転は規制される。
さらに、ピニオンギヤの上にもう1つのスラストベアリング34bを置く。スラストベアリング34a、34bによって、ピニオンギヤ32の回転摩擦を低減することができる。
次に、ラック31を前進させると、ピニオンギヤ32が上から見て反時計回りに回転し、駆動メネジ33と駆動オネジ47の螺合によって、バルブ体41が下降する。そして、小径軸44がゲート穴15にかん合し、バルブ閉状態となる。ここで、バルブ閉位置がラック31の前進限となるように、ストッパボルト37を調整する。再びラック31を後退させると、ピニオンギヤ32が上から見て時計回りに回転し、バルブ体41が上昇する。そして、小径軸44がゲート穴15から離れ、バルブ開状態となる。
このように、シリンダロッド35およびラック31がシリンダストロークScだけ水平作動すると、バルブ体41がバルブストロークSvだけ上下作動し、バルブが開閉する。
先願発明の実施例ではシリンダストロークScが40mm、バルブストロークSvが6mm、ストローク比Rが0.15になるように、ピニオンギヤ32のピッチ円直径と歯数、および駆動メネジ33、駆動オネジ47のピッチが設定されている。ギヤおよびネジでの駆動力の変換効率が100%ならば、バルブ体41の推力は、エアシリンダ30の推力に対してストローク比Rの逆数倍、すなわち、この例では6.7倍に増幅されることになるが、現実的には変換効率ηを45%と仮定し、増幅率は約3倍と考えられる。
なお、スリーブ22の内径は材料流路50の一部を構成し、バルブ体41の流路穴につながる。
また、フランジプレート23の周辺部は、固定側受け板5への取付けに使用される。
また、金型用のバルブゲートに限定するものではなく、例えば、射出成形機のノズルにシャットオフバルブとして使用することもできる。
その作動特性のため、以下のような課題が生ずる。
ところで、バルブ閉位置を微調整する必要が生じる場合がある。例えば、ピニオンギヤ32を本体部11に組付け、ラック31の歯に噛み合わせる際、一歯ずれると、バルブ体高さは約0.5mm動く。また、使用温度(樹脂成形では約200〜300℃)でのバルブ体41と周囲との熱膨張差により、段差が生じ得る。また、ゲートカットの高さは、成形品の面と同一であるのがよい場合と、若干凹または凸にするのがよい場合とがある。あるいは、長期間の使用後、ゲート先端が摩耗して寸法変化する場合も考えられる。
このような目的で、バルブ閉位置を所望の位置に微調整するため、本体部11にストッパホルダ36を設け、ストッパボルト37を調整することにより、シリンダロッド35の前進限を規制することができる。ところが、ストッパボルト37による調整は、バルブゲート10を金型に組付ける前に行わなければならず、成形途中で、金型の外から調整することができない。
本体部11の下端部の内側形状において、バルブガイド穴17からゲート穴15の間は内テーパ部18である。一方、バルブ体41の下端形状は、外テーパ部46と小径軸44から成っている。バルブ体41の連通穴43から流出した溶融材料は、内テーパ部18と外テーパ部46にはさまれた空間Rmに溜まる。(a)は、バルブストロークSvだけ開いた状態である。(a)から(b)に移るに従い、空間Rmの容積は減少するが、溜まっていた材料は、ゲート穴15からキャビティ3に流入する。
(c)は、ゲート穴15のシール長Kだけ開いた状態であり、この位置より下ではゲート穴15がふさがるため、(c)から(d)の間、空間Rmの容積減少分の溶融材料は、連通穴43から流路穴42に逆流するか、空間Rm内で圧縮すると考えられる。そのため、バルブ体41の下降作動に対して抵抗力が生ずる可能性がある。また、特に粘度の高い樹脂材料の場合、(a)から(b)の間でも、バルブ体の下降速度が速いと、ゲート穴15への流入が追いつかず、材料の一部が連通穴43から流路穴42に逆流するか、空間Rm内で圧縮し、バルブ体41の下降作動に対して抵抗力が生じる可能性が考えられる。
溶融材料の急激な圧縮は物性を変性させるかもしれず、バルブ体41の作動抵抗はゲートシール力を低減させるため望ましくない。そこで、閉じる段階に応じてバルブ作動速度を変化させ、例えば、圧縮が生じる部分で速度を落とすような制御ができれば、急激な圧縮を避けることができ、作動抵抗を最小限に抑えられる可能性があるが、エアシリンダや油圧シリンダでは、それができない。
φD1(バルブ体41の大径部45の外径=バルブガイド穴17の内径)=φ16mm
φD2(流路穴42の内径)=φ8mm
φG(ゲート穴15の内径)=φ5mm
のとき、バルブ体41が下がる(バルブが閉まる)のに抵抗する力の受圧面積は、
Av(バルブ体の受圧面積)=(π/4)×(φD12−φD22)≒150mm2
Ag(ゲートの受圧面積)=(π/4)×φG22≒20mm2
Am(空間Rmの受圧面積)=Av−Ag=130mm2
と計算できる。なお、Av、Amについては、φD2の面積分は、バルブ体41を下げるのを助けると考えて差し引く。
空間Rmの内圧をPm、キャビティ3からゲート穴15にかかる内圧をPgとすると、バルブ体41を下げるのに抵抗する抗力Fmは、
(a)〜(c)のとき(Pm=Pgと仮定)、
Fm = Pg × Av
(c)〜(d)のとき、空間Rmの容積減少分の材料が流路穴42に逆流可能であれば、
Fm = Pg × Ag
であるが、逆流できず、空間Rm内で圧縮されて内圧が上昇する場合には、
Fm = Pm × Am + Pg × Ag
となる。一方、バルブ体41の推力Fvは、エアシリンダ30の推力Fh、変換効率ηによって決まり、バルブ体41を下げる(バルブを閉じる)ための条件は、
Fv = Fh ×6.7× η > Fm
となる。
エアシリンダのボア径φ63mm、エア圧0.5MPa、変換効率ηが45%のとき、Fvは約4650Nであり、受圧面積Av(150mm2)に対してPgが約30MPa以下、受圧面積Ag(20mm2)に対してPgが約230MPa以下(流路穴への逆流が可能とする)の場合にバルブを閉じることができると考えられる。
例えば、樹脂材料PP(ポリプロピレン)の成形にて充填時のPgが50〜60MPa程度、保圧後のPgが20MPaの場合、保圧後にバルブを閉じるならば、この数値例で充分に余裕があると言える。
また、先端が固化材料に当たった状態でバルブ体41を無理に作動させようとすると、駆動部に負荷がかかって、ピニオンギヤ32の駆動メネジ33などの部位が破損するおそれがある。それを防ぐためには、駆動部への過負荷を検出する手段を設け、動力源を停止させることが有効な方法であると考えられる。しかし、エアシリンダや油圧シリンダでは、それができない。
そして、前記バルブ体の中心軸に沿って上端面から下端直前まで形成された流路穴と、前記バルブ体の下端付近の側面から前記流路穴に連通する1ヶ所以上の連通穴を有し、前記流路穴の上端は前記材料流路入口につながり、前記連通穴は前記ゲート穴につながるように形成され、前記バルブ体は、前記駆動手段によって中心軸に沿って上下に作動し、上方に作動した時は前記ゲート穴の入口を開放し、下方に作動した時は前記バルブ体の下端中心に形成された小径軸が前記ゲート穴を遮断するように構成されている。
そして、前記電動駆動手段に接続されたラックが水平方向に往復作動し、このラックに歯車のかみ合うピニオンギヤが水平方向に回転し、このピニオンギヤの内周に形成された駆動メネジが、それ自体回転しない前記バルブ体の外周に形成された駆動オネジに螺合することによって、前記バルブ体が上下方向に作動するように構成されている。
(1)電動駆動手段の前進限を位置決めすることにより、金型を−旦組付けた後でも、金型を分解することなく、ゲートカット高さを調整することができる。また、先願発明のストッパボルト37が不要となり、バルブゲート組込み穴9を小さくすることができる。
(2)電動駆動手段の後退限を位置決めすることにより、バルブ開位置を調整することができ、特に多点ゲートでゲートごとの流量を調整したい場合に有効である。
(3)電動駆動手段の作動速度を、例えば、バルブ開状態から閉状態への作動初動時は低速、途中は高速、最後は再び低速、というように段階的に変化させることができる。それにより、バルブゲート先端内部の材料が急激に圧縮され、内圧が上昇するのを防止することができる。
(4)ゲート穴内の材料が早く冷却固化するなどして、バルブ体41が正常に作動できなくなった場合に、過負荷を検出し、駆動を停止することにより、駆動部分の破損を防止することができる。
ボールネジ111の軸の固定側(図の右側)は、サポートブロック113に回転可能に挿入されてナット114で抜け止めされており、サポートブロック113は、ベース118に固定されている。一方、支持側はベアリング115に回転可能に挿入されて、支持されている。ボールネジ111の可動部111aにはテーブル116が取り付けられており、テーブル116はベース118上のスライドガイド117に案内されて直動する。
ボールネジ111の軸の固定側は、またカップリング112を介して、サーボモータ101のロッドに接続されている。サーボモータ101には、アンプ102、コントローラ103が結線されている。制御プログラムによって、サーボモータ101が所定の速度で、所定の変位量まで回転することにより、ボールネジ111が回転し、テーブル116が所定の速度で、所定の距離を動く。
テーブル116には、ドライブバー35aが固定されており、装置を金型に取り付けたとき、ドライブバー35aと、ラック31の端に取り付けられたロッドジョイント31aとを連結することにより、テーブル116の作動と連動してラック31を作動させる。
実施例1の電動駆動装置を取り付けたバルブゲートの作動については、次の実施例2の作動例の説明に準ずるものである。
例えば、下記仕様の電動シリンダを適用例として選定する。
ストローク:50mm
最大推力:400N
最大速度:200mm/s
一般的には、電動シリンダの推力はエアや油圧のシリンダよりも弱い。なお、速度と推力の関係は図10のようであるので、推力を必要とする場合は低速、推力をあまり必要としない場合は高速に切り替え、効率的に作動させることが望ましい。
電動シリンダ121は、ステー38を介して固定側受け板5の側面に固定され、ロッドジョイント31aと、電動シリンダロッド125の端に取り付けられたドライブバー35aとを連結することにより、ラック31を駆動する。電動シリンダロッド125の前進限を電気的に位置決めすることにより、先願発明のストッパボルト37は不要である。
それ以外の構造的は、先願発明の実施形態と同じである。
まず、図11のように、バルブゲートが金型センタに配置されている例では、射出成形機ノズル90をノズルタッチ部20に押し当てる。また、(図示しない)別の例では、マニホールドブロックの下にバルブゲートを1箇所または複数箇所配置してもよく、その場合には、フランジプレート23のノズルタッチ部20がマニホールドブロックの流路穴との接続形状に変わる。
また、成形時以外は、バルブゲート10のバルブを閉じておく。射出成形を始める前に、バルブを閉じた状態で、カートリッジヒータ71、ヒータ72a、72bに通電して本体部11を加熱し、材料流路50内の材料を溶融する。溶融材料が樹脂の場合には、加熱温度は、約200〜300℃である。
1.材料がキャビティ3に充填完了後、図4(a)の状態で、キャビティ3の内圧Pgが5MPa以下まで下がったとき、バルブを閉じるのに抵抗する抗力Fmは、受圧面積Av(150mm2)に対し750N以下となる。電動シリンダ121の速度を50mm/sとし、推力Fh=250Nを得ると、バルブ体41の推力Fvは、約3倍の750Nとなるから、バルブ体41を下げることができる。
ただし、シリンダ径φ63のエアシリンダが内圧Pg約30MPaでもバルブが動くのに対し、内圧Pgが約5MPa以下にならないと動かない点は、不利だと言える。
2.作動中に空間Rmの内圧Pmが1MPaまで下がると仮定すると、抗力Fmは、受圧面積Av(150mm2)に対し150Nまで下がる。すると、電動シリンダ121の速度を高速の150〜200mm/sとし、シリンダ推力Fh=50N、バルブ体の推力Fv=150Nの条件にしてもバルブ体41を動かすことができる。
3.バルブを閉じる瞬間(図4(c))から受圧面積はAg(20mm2)に変わるので、空間Rmの内圧Pmが1MPaのとき、抗力Fmは20Nに下がり、対するシリンダ推力Fh=50N、バルブ体の推力Fv=150Nは充分に強くなる。しかし、空間Rmの容積減少分の材料が、連通穴43から流路穴42に充分に逆流できない場合には、空間Rm内で圧縮され、内圧が上がり、抵抗力が増す。また、急激な圧縮による材料物性の変性を避けるためにも、ゆっくり動かす方が望ましいと考えられる。そのため、図4(c)から(d)(全閉状態)の間は、電動シリンダ121を低速、高推力で作動させるのがよい。
4.次ショットの射出前に閉状態から開状態に戻すときは、負荷がかからないので、高速で作動させればよい。
9 バルブゲート組込み穴
10 バルブゲート
11 本体部
15 ゲート穴
17 バルブガイド穴
18 内テーパ部
30 エアシリンダ(駆動手段)
31 ラック
31a ロッドジョイント
32 ピニオンギヤ
33 駆動メネジ
35 シリンダロッド
35a ドライブバー
37 ストッパボルト
41 バルブ体
42 流路穴
43 連通穴
44 小径軸
45 大径軸
46 外テーパ部
47 駆動オネジ
50 材料流路
101 サーボモータ
111 ボールネジ
121 電動シリンダ
125 電動シリンダロッド
Claims (2)
- 射出成形用ホットランナ金型に用いられるバルブゲートであって、射出成形機ノズルから連通する材料流路入口、および金型キャビティに面したゲート穴を有する本体部と、前記ゲート穴に対し同軸上に作動して前記ゲート穴を開閉するバルブ体と、このバルブ体を駆動する電動駆動手段とを備え、
前記バルブ体の中心軸に沿って上端面から下端直前まで形成された流路穴と、前記バルブ体の下端付近の側面から前記流路穴に連通する1ヶ所以上の連通穴を有し、前記流路穴の上端は前記材料流路入口につながり、前記連通穴は前記ゲート穴につながるように形成され、
前記バルブ体は、前記駆動手段によって中心軸に沿って上下に作動し、上方に作動した時は前記ゲート穴の入口を開放し、下方に作動した時は前記バルブ体の下端中心に形成された小径軸が前記ゲート穴を遮断するように構成されており、
前記電動駆動手段に接続されたラックが水平方向に往復作動し、このラックに歯車のかみ合うピニオンギヤが水平方向に回転し、このピニオンギヤの内周に形成された駆動メネジが、それ自体回転しない前記バルブ体の外周に形成された駆動オネジに螺合することによって、前記バルブ体が上下方向に作動するように構成されている射出成形用ホットランナ金型のバルブゲート。 - 前記電動駆動手段は、サーボモータおよびボールネジを組み合わせた駆動装置、もしくは、一体型の電動シリンダを用いて構成されている、請求項1記載の射出成形用ホットランナ金型のバルブゲート。
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