JP5718455B2 - コンフォーマル冷却通路を有する金型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金型の製造方法に関し、詳しくは、部品製造用金型であって、金型の冷却を改善するコンフォーマル冷却通路を有する金型の製造方法に関する。

様々な種類の部品の成型が周知となっている。例えば、プラスチック部品は、射出成型および他の成型技術によって一般的に製造されている。ここで、溶融した成型材料（例えば、溶融プラスチック）の射出または射出以外の導入によって発生する熱の蓄積に対処するための冷却などによって金型の温度を制御しなければならない成型技術が特に重要である。本発明の方法は、金型の加熱が必要とされる成型の用途においても使用することが可能であるが、本明細書においては、簡単にするために、冷却だけを説明する。

一般に、金型の冷却は、相互に接続された一連の冷却チャネルを金型に穿孔し、冷却チャネルに水などの冷却用流体を循環させることによって、行われる。そのような冷却チャネルは、多くの場合、金型の後ろ（取り付け）側から金型へと穿孔されるが、接続用のチャネルを他の面から取るようにしてもよい。入口および出口を除き、金型の外部への開口は、冷却用流体の意図せぬ漏れを防止するために、通常は栓で塞がれる。金型を出た後の冷却用流体は、典型的には、熱交換器または他の装置に通されて、流体から熱を除去して、流体の温度を下げる。

この技術は、全体的な平均的な金型温度を下げるうえでおおむね効果的でありうるが、問題がないわけではない。問題の１つとしては、典型的には冷却が均一に行われないことである。より詳しくは、穿孔された冷却チャネルを通って冷却用流体を循環させる公知の技法では、多くの場合、金型の特定の部分が他の部分よりも冷却される結果となる。結果として、このやり方で冷却される金型は、部品のサイクル時間、部品の品質などに負の影響を及ぼしかねない温度の不釣り合いを発生させる可能性がある。

この公知の金型冷却技術における他の問題は、金型の実際の成型面の近くに少なくとも均一に冷却用流体を循環させることができないことである。当業者であれば理解できるとおり、たいていの成型面は、起伏のある形状を有しており、多くの場合に起伏の大きな形状を有している。当然ながら、成型面の起伏に似せることができるように穿孔して一団の冷却チャネルを形成することは、実質的には残念ながら不可能である。したがって、金型において、成型面は、公知の金型冷却技術では均一に冷却されない部分となる。

また、金型の成型面は、溶融した成型材料に直接触れるがゆえに、最も強い加熱に曝される。したがって、穿孔による冷却チャネルの使用は、金型のうちで冷却チャネルが通っている部位の冷却においては妥当な効果があるかもしれないが、そのような技術は、金型の成型面を効率的に冷却するにはあまり効果的でない。

したがって、金型をより均一且つ効率的に冷却できる冷却技術、詳しくは、金型の成型面をより均一且つ効率的に冷却できる冷却技術が好都合であることは明らかである。本発明の方法は、そのような改良された冷却特性を有する金型の製造を可能にする。

本発明は、コンフォーマル冷却通路を有する部品製造用金型を製造するための技術に関する。そのような金型として、これらに限られるわけではないが、プラスチックの射出成型、圧縮、ブロー形成、または真空形成の金型、あるいは金属の鋳造用の金型（ダイ）を挙げることができる。より一般的には、供給された材料から物体を形成するために、本発明の技術は、所定の型を使用する種々のプロセスと共に使用してもよく、このプロセスは温度制御を必要とする。

本発明によれば、金型に備えられた冷却通路は、金型の成型面の形状に実質的に合う冷却通路であるので、これまでよりも成型面の冷却をより均一に行うことができる。さらに、本発明の方法は、金型の成型面の近くに位置する冷却通路を提供することができるので、金型の成型面に関する冷却効率を改善することができる。

本発明の方法は、実質的に所望の起伏の成型面を有する金型を製造することを最初に行うことによって実施される。成型面は、最終的な状態である必要はないが、仕上がり後の所望される起伏を実質的に有することが少なくとも求められる。

次に、ＣＮＣカッターを使用し、あるいはこれらに限られるわけではないが、鋼鋳物、鍛造、アークガウジングなどの当業者にとって公知の他のさまざまな技法のうちの１つを使用して、金型の成型面に１つ又はそれ以上の開放チャネルを設ける。開放チャネルは、好ましくは、この開放チャネルが形成される成型面の起伏に実質的に合う。開放チャネルの数、幅、深さ、形状、およびパターンは、一般的には冷却用流体が実質的に循環するときに成型面に適切な冷却が行われるように前もって決定されるとおりに、さまざまであってよい。

ひとたび開放チャネルを成型面に切り込んで形成すると、ＴＩＧ、ＭＩＧ、Ｓｔｉｃｋ、またはＧＡＳ溶接プロセスなどの３Ｄ溶接プロセスが、各々の開放チャネルを封じる架橋溶接部を形成するために使用される。そのような架橋溶接部の形成に特に良く適した１つの技法は、３ＤロボットＴＩＧ溶接プロセスである。いずれにせよ、選択した３Ｄ溶接プロセスによって、一連の小さな溶接ビードが形成され、この一連の小さな溶接ビードは、一体となって、チャネルの全幅を跨ぐような封止キャップを形成するように機能する。この架橋溶接部は、成型面に切り込まれて形成されたチャネルの底部から或る程度の距離だけ離れており、もって、この架橋溶接部の下方には、開いた冷却通路の領域が残される。

ひとたび架橋溶接の作業が完了すると、各々の残りの開放チャネルの上部は、溶接などによって充填され、次いで、余分な充填材料は、周囲の成型面の起伏に合うように、機械加工又他の方法で成形される。好ましくは、その後、成型面にクラスＡまたは同様の仕上げを施して、成型面を成形部品を適切に形成できる状態にする。

ひとたびすべての溶接が完了すると、冷却通路に意図的に対応する入口および出口点において、冷却配管を金型に接続できる。次いで、冷却用流体を、成型面の下方に残る開いた冷却通路を通って循環させることができる。残る冷却通路が成型面に実質的に合うとともに成型面の近くに位置しているため、成型面の冷却は、公知の技術で可能ものよりも一層均一且つ効率的に行われる。

上述の特徴に加えて、本発明の他の特徴は、以下の図面および例示的な実施の形態の説明から容易に明らかであろう。図面および例示的な実施の形態の説明においては、同様の参照番号が、いくつかの図面において同一または同等の特徴を示している。

部品製造用金型の例示的な金型半体を通って延びている曲がりくねった冷却通路を示した透視図。 図１の２−２線断面図であり、図１の曲がりくねった冷却通路を形成するために、本発明の方法の一工程において金型半体の成型面に切り込まれた多数の開放チャネルを示す図。 次の工程における図２の開放チャネルのうちの１つの拡大断面図であり、下方に位置する包囲された冷却通路を形成すべく、開放チャネル内に架橋溶接部が配置されていることを示す図。 図３ａの開放チャネルが完全に充填されて、封止された冷却通路が形成されている状態の断面図。 図１のコンフォーマル冷却通路が完全に形成された本発明の冷却通路の形成方法の完了後の図２の金型半体を示す図。

図１は、例示的な金型半体５の透視平面図であり、金型半体５は、その表面下に、本発明に従って形成されたコンフォーマル冷却通路１０を有している。金型半体５および冷却通路１０は二次元で示されているが、図２乃至４から容易に理解できるように、金型半体は、図示される平坦な形状の代わりに、通常は三次元における起伏のある形状も有することができる。すなわち、金型半体５における冷却通路１０の上方に位置する部位は、平坦であってもよいが、おそらくは少なくとも或る程度の起伏を有する形状である可能性が高い。

図１に示されるとおり、この特定の冷却通路１０は、冷却剤の入口１５から冷却剤の出口２０へと金型半体５を通る曲がりくねった道の経路を辿っている。この実施の形態において冷却剤の通路１０が辿る特定の経路は、あくまでも説明の目的で提示されているにすぎず、本発明は、いかなる特定の冷却剤の通路の配置にも限定されない。同様に、冷却剤の通路の各部のサイズおよび間隔ならびにそれらの間の間隔も、所望の冷却効果をもたらすために、必要に応じてさまざまであってよい。さらに、冷却剤の通路が１つだけ図示され、本明細書において説明されるが、金型の所与の部位が複数の個別の冷却剤の通路を有してもよいことも、理解すべきである。

金型半体５に冷却剤の通路１０を形成する方法が図２乃至４に示されている。図２から理解できるとおり、互いに接続された一連の開放チャネル２５は、最初、金型半体５の成型面３０へと切り込まれる。チャネル２５は、例えばＣＮＣ機械加工装置あるいは上述または他の形で技術的に公知である他の技法のいずれかの様々な技法のいずれかによって、金型半体５内に配設される。

チャネル２５は、金型の種々の物理的特性、成型される材料、所望される冷却の程度などに基づいて一般的に計算されるように、所定の幅を有しているとともに、成型面の下方へ所定の深さだけ延びている。このような冷却設計技術は、当業者にとって周知であり、そのようなすべての技術を、手作業であっても、コンピュータにもとづくものであっても、本発明と組み合わせて使用することができる。

図３ａ及び図３ｂに明示されているとおり、ひとたび開放チャネル２５が金型半体５の成型面３０に切り込まれると、ＴＩＧ、ＭＩＧ、Ｓｔｉｃｋ、またはＧＡＳ溶接プロセスなどの３Ｄ溶接プロセスが、各々のチャネル内に架橋溶接部３５を形成するために使用される。例えば、ロボットによる３ＤのＴＩＧ溶接プロセスを、この目的のために使用することができる。３Ｄ溶接プロセスは、一連の小さな溶接ビード４０を形成し、これらの一連の溶接ビード４０は、チャネル２５の全幅を跨いで、チャネルを封じるように機能する。明確に説明する目的で、チャネル２５を架橋する溶接ビード４０は３つだけ図示されているが、この点に関して、より多数の溶接ビードが必要となる可能性があることは理解されたい。この架橋溶接部３５は、チャネル２５の底部から或る程度の距離だけ離れて形成されており、もって、この架橋溶接部の下方において、開いた冷却通路４５は包囲される。

図３ｂ及び図４に示されるとおり、ひとたび各々の架橋溶接の作業が完了すると、各々のチャネル２５の架橋溶接部３５の上方において開いた領域が満たされる。この特定の実施の形態においては、各々のチャネル２５の架橋溶接部３５の上方の開いた領域は、溶接材料５０で満たされる。例えばエポキシなど、他の充填材を使用することも可能である。

本発明の方法によれば、金型に切り込まれたチャネルは、典型的には、溶接材料が金型半体の成型面を少なくともわずかに超えて突き出すまで、溶接材料５０で満たされる。チャネル２５の他の箇所が溶接材料５０で適切に満たされた後で、図３ｂに示されるとおり、余分な溶接材料は、周囲の成型面３０の起伏に合うように機械加工あるいは他の方法で成形される。好ましくは、その後に成型面３０にクラスＡまたは同様の仕上げが施されて、成型面を成形部品を適切に形成できる状態にする。図４に最もよく見て取ることができるとおり、上述の架橋溶接部３５を使用し、次いで金型半体５の成型面３０に切り込まれたチャネル２５を満たすことによって、開いた冷却剤の通路１０を下方に備える中実な成型面を製造することができる。

本発明の方法によって金型に形成された冷却剤の通路を、他の公知の金型冷却技術のやり方と同様のやり方で、冷却剤の供給源へと接続することができる。この目的のため、本発明の冷却剤の通路を、金型の外部からアクセスできる入口端および出口端を備えて構成することができる。そのような典型的な構成が、図１に示されている。

以上の説明および添付の図面から、本発明の方法は、部品製造用金型の表面下にコンフォーマル冷却通路を形成できることが分かる。これらの冷却通路は、所与の金型の成型面の起伏に実質的に沿うことができ、成型面の近くに位置して、効果的かつ効率的な成型面の冷却を提供できる。形成される冷却通路が成型面に実質的に沿って成型面の近くに位置するため、成型面の冷却は、これまでに公知の技術と比べてより均一且つ効率的に達成される。

本発明の方法は、さまざまな種類の金型において使用可能である。例えば、本発明の方法を、プラスチックの射出成型用金型に冷却用の流体を循環させるコンフォーマル冷却通路を形成するために使用することができる。しかしながら、上述のように、本発明の方法を、プラスチックの圧縮、ブロー形成、または真空形成の金型、あるいは金属の鋳造用のダイにコンフォーマル冷却通路を生成するためにも使用することができる。また、本発明の方法を、供給される材料から物体を生成するために、協働する所定の型を使用する他の温度制御製造プロセスと共に使用することができる。

さらに、本明細書は、冷却用の流体を循環させるための通路の形成に関するものであるが、本明細書においてすでに明確にしたように、本発明の方法を、循環させられる流体が金型／ダイの冷却または加熱のどちらに使用されるかにかかわらず、金型またはダイにコンフォーマル流体循環用の通路を形成するために使用できることは明らかである。したがって、本発明の方法は、金型を冷却するためのコンフォーマル金型冷却用通路の形成に用いられたときに良好な結果を生み出すが、本発明は金型の冷却の用途に限られない。

本発明の特定の実施の形態を詳述したが、本発明の範囲は、このような開示によって限定されると解釈すべきではなく、特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨から逸脱しない限り、変形可能である。

Claims (11)

1. 部品製造用金型にコンフォーマル流体循環通路を形成する方法であって、
   対象となる金型の成型面に一連の開放チャネルを形成する工程と、
   前記一連の開放チャネルの各々内に架橋溶接部を配置する工程と、
   前記各々の開放チャネルにおける前記架橋溶接部の上方の空間を満たし、前記各々の開放チャネルを閉じる工程と、
   前記各々の開放チャネルの前記空間を満たした部分を、前記開放チャネルの周囲の前記成型面に一致するように成形する工程と、
   を含み、
   前記一連の開放チャネルの深さは前記成型面の形状に実質的に合った深さであり、
   前記架橋溶接部は、前記各々の開放チャネルを跨ぐように前記各々の開放チャネルを封じるとともに、前記各々の開放チャネルの底部から離れて位置しており、もって、前記各々の開放チャネルの底部にて、包囲された通路が形成されていることを特徴とする方法。
2. 前記コンフォーマル流体循環用通路は、プラスチックの射出成型用金型に形成される請求項１に記載の方法。
3. 前記方法は、更に、
   前記コンフォーマル流体循環用通路に入口及び出口を設ける工程を含んでおり、
   前記入口及び出口は、循環流体の供給源に接続されるために、前記金型の外部からアクセス可能である請求項１に記載の方法。
4. 前記コンフォーマル流体循環用通路は、冷却用の流体を循環させるための冷却通路である請求項１に記載の方法。
5. 前記各々の開放チャネルにおける前記架橋溶接部の上方の前記空間は溶接によって満たされる請求項１に記載の方法。
6. 部品製造用金型に、入口及び出口を有するコンフォーマル冷却通路を形成する方法であって、
   対象となる金型の成型面に一連の互いに接続された開放チャネルを形成する工程と、
   前記一連の互いに接続された開放チャネルの各々内に架橋溶接部を配置する工程と、
   前記各々の開放チャネルにおける前記架橋溶接部の上方の空間を溶接によって満たして、前記各々の開放チャネルを閉じる工程と、
   前記各々の開放チャネルの前記空間を満たした溶接部分を、前記開放チャネルの周囲の前記成型面に一致するように成形する工程と、
   を含んでおり、
   前記一連の互いに接続された開放チャネルは、前記成型面の形状に実質的に合っており、
   前記架橋溶接部は一連の繋がれた溶接ビードから成り、前記架橋溶接部は、前記各々の開放チャネルを跨ぐように前記各々の開放チャネルを封じるとともに、前記各々の開放チャネルの底部から離れて位置しており、もって、前記各々の開放チャネルの底部にて、包囲された冷却通路が形成されていることを特徴とする方法。
7. 前記コンフォーマル冷却通路は、プラスチックの射出成型用金型に形成される請求項６に記載の方法。
8. 前記入口及び出口は、循環流体の供給源に接続されるために、前記金型の外部からアクセス可能である請求項６に記載の方法。
9. 改良された冷却能力を有する部品製造用金型であって、
   冷却すべき成型面の下方に位置する少なくとも１つのコンフォーマル冷却通路と、
   前記少なくとも１つのコンフォーマル冷却通路に対応する入口と、
   前記少なくとも１つのコンフォーマル冷却通路に対応している出口と、
   を備えており、
   前記少なくとも１つのコンフォーマル冷却通路は、
   前記金型の成型面に配置されているとともに、前記成型面の形状に実質的に合っている一連の互いに接続された開放チャネルと、
   前記一連の互いに接続された開放チャネルの各々内に位置している架橋溶接部と、
   前記各々の開放チャネルにおける前記架橋溶接部の上方の空間をすき間なく満たして前記各々の開放チャネルを閉じる複数の溶接ビードと、
   から形成されており、
   前記架橋溶接部は一連の繋がれた溶接ビードから成り、前記架橋溶接部は、前記各々の開放チャネルを跨ぐように前記各々の開放チャネルを封じるとともに、前記各々の開放チャネルの底部から離れて位置しており、もって、前記各々の開放チャネルの底部にて、包囲された冷却通路が形成されており、
   前記各々の開放チャネルの開放端において前記複数の溶接ビードは、前記開放チャネルの周囲の前記金型の前記成型面に一致するように成形されており、
   前記入口は、冷却用流体供給源から加圧された冷却用流体を受け取り、
   前記出口は、前記少なくとも１つのコンフォーマル冷却通路を冷却用流体が通過した後に、前記冷却用流体を熱除去装置へ放出することを特徴とする金型。
10. 前記金型はプラスチックの射出成型用金型である請求項９に記載の金型。
11. 前記少なくとも１つのコンフォーマル冷却通路の前記入口及び前記出口は、前記金型の外部からアクセス可能である請求項９に記載の金型。

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