JP5776886B2 - 金型の変形量測定システム - Google Patents

Description

本発明は、金型の変形量測定システムに関し、さらに詳しくは、金型の成形時の変形量を測定するためのシステムに関するものである。

金型の変形量を測定するための従来の技術としては、例えば特許文献１が知られている。特許文献１は、金型内に溶融材料が充填されて高温となり、金型が最も大きく変形している熱間条件下において、該金型の最も大きく熱変形している部分の熱変形量を、良好な精度をもって、直接測定することを目的としたものである。

そして、特許文献１には、鋳造金型の熱変形量を測定するための金型の変形量測定システムであって、被検出体の変位を検出する検出体と、該検出体を保持する検出体治具とから成る検出体ユニットと、前記検出体により検出される被検出部を一側端部に設けた被検出体と、該被検出体の他側端部が金型の変位測定部位に当接し、且つ、被検出部が前記検出体に対峙した位置に被検出体を保持する被検出体治具とから成る被検出体ユニットと、前記検出体に接続され、該検出体の検出値に基づいて被検出体の変位量を計測する変形量測定計とを備え、前記検出体治具に、検出体を冷却する冷却機構を構成するとともに、前記被検出体を、被検出部と、該被検出部を一側端部で支持する棒状部材と、該棒状部材を摺動可能に内挿する筒状部材とで構成したことなどを特徴とする金型の変形量測定システムが開示されている。

また、特許文献１には、検出体と、前記検出体により検出される被検出部を設けた被検出体と、前記検出体に接続され、該検出体の検出値に基づいて被検出体の変位量を計測する変形量測定計とを備えた金型の変形量測定システムにて、内部にキャビティを形成した鋳造金型の熱変形量を測定する方法であって、被検出体の被検出部を設けた一側端部が金型外部に位置し、且つ、他側端部がキャビティ内部の変形量測定計測部位に当接するように、該被検出体を金型を通じて設置し、金型外部に配置した検出体で、前記被検出体の被検出部の変位を検出することなどを特徴とする金型変形量測定方法が開示されている。

すなわち、特許文献１では、被検出体３１の計測部３２２を金型内のキャビティ１５に配置し、被検出体３１の被検出部３２１を金型外部に配置している。そして、金型の熱変形量の計測においては、棒状部材３２の計測部３２２を金型の変形量測定計測部位に当接して金型の変位を受けさせ、被検出体３１の棒状部材３２に設けられた被検出部３２１の変位を検出体ユニット２０に備えられる検出体２１により検出する。

このような金型の変形量測定システムは、製品形状に熱変形を考慮して所定の熱変形補正量を予め加えるために用いられ、また、金型の繰り返し成形による変形から金型が割れたことを検知し、その割れた金型を新たな金型に交換するための保守用データとして用いられていた。

ところで、金型のなかには、成形品として、たとえば内燃機関のシリンダブロックやシリンダヘッドなどの内部に冷却水の通路を形成するためのウオータージャケットを形成する入子（ウオータジャケット入子）を含む場合がある。このような入子は一般に、特にシリンダブロックにウオータジャケットを成形する部分（成形部）が比較的薄く成形されている。

特開２００７−８９３号公報

上記ウオータジャケット入子の特に成形部のように比較的薄い金型にあっては、金型には高温の溶融材料が充填されることから、被検出部３２１を金型の表面に配置することはできない。そのため、上記特許文献１にあっては、被検出体３１の被検出部３２１を金型外部に配置して、検出体ユニット２０の検出体２１を介して棒状部材３２の変位を変形量測定計４１により測定するものであるため、システムが比較的大型化し、構造が複雑であった。したがって、上述したウオータジャケット入子の特に成形部のように、比較的薄い金型には特許文献１に記載されたシステムを適用することが困難であった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、成形を行っている状態における金型の変形量を容易に且つ精度よく測定することができ、しかも、ウオータジャケット用の入子などのような比較的薄い金型の変形量も測定することが可能であり、さらに、金型の変形量を継続して測定して寿命に達するまでの変化を特定して破損する前に整備して金型の寿命を延ばすことができる金型の変形量測定システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、上記目的を達成するため、金型の成形時の温度変化による変形量を測定するためのシステムであって、金型の熱による変形と同調して変形する変形量測定計支持体に、その変形量を測定する変形量測定計を設けて、金型の内部に形成された収容部に配設したことを特徴とするものである。
また、請求項２に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明において、前記変形量測定計支持体が前記収容部に対して、所定の公差で成形することによるはめあい、焼きばめ、溶接、のいずれかにより固定されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、変形量測定計支持体にその変形量を測定する変形量測定計を設けて、この変形量測定計支持体が金型の変位と同調して変位するように、金型の内部に形成された収容部に配設するという簡単な構成により、金型の熱による変位量は、金型のと同調して変形する変形量測定計支持体を介して変形量測定計により確実且つ容易に精度よく測定される。そして、変位量を測定する金型が比較的薄い場合であっても、かかる金型の変位を測定するためのシステムを確実に設けることができ、しかも、システムを大幅に小型化させることができる。
請求項２の発明によれば、請求項１に記載の発明において、変形量測定計支持体を収容部に対して、所定の公差で成形することによるはめあい、焼きばめ、溶接、のいずれかにより固定することにより、変形量測定計支持体を金型の変位と同調して変位させるように容易に構成することができる。

本発明の変形量測定システムが適用される金型の実施の一形態として、ウオータジャケット入子を示した斜視図である。 図１の平面図である。 本発明による金型の変形量測定システムの実施の一形態を示した正面図である。 図３の側面図である。 本発明による金型の変形量測定システムを適用した金型の縦断面である。 図５の拡大横断面図である。 金型の温度と本発明のシステムにおける変形量測定計より測定した金型の変形量との時間に対する変化を示すグラフである。

本発明の金型の変形量測定システムの実施の一形態を図１〜図７に基づいて説明する。同じ構成要素または相当する構成要素には、同一符号を付するものとする。
本発明の金型１の変形量測定システムは、概略、金型１の成形時の変形量を測定するためのものであって、金型１の変位量を測定する変形量測定計２が設けられ、金型１の内部に形成された収容部１０に配設される変形量測定計支持体３を備えている。

図１は、変形量を測定する金型の一例として、内燃機関のシリンダブロックにウオータジャケットを成形するためのウオータジャケット入子１を示した斜視図であり、図２は、図１に示したウオータジャケット入子１の平面図である。また、図３は、複数の変形量測定計２を設けた変形量測定計支持体３の一例を示した正面図であり、図４は、図３の側面図である。また、図５は、図３と図４に示した変形量測定計支持体３をウオータジャケット入子１の収容部１０に配設して、上下端部を溶接Ｗにより固定した場合の縦断側面図であり、図６は、図５の拡大横断平面図である。また、図７は、成形時における時間に対するウオータジャケット入子１の温度と各変形量測定計２により測定された各部の変形量との変化を示したグラフである。

この実施の形態における金型１は、内燃機関のシリンダブロックを成形するための金型に組み込まれるウオータジャケット入子１であり、その成形部１ａが比較的薄く成形されている。変形量測定計支持体３を収容するための収容部１０は、この実施の形態の場合では、ウオータジャケット入子１の図２に破線で示した部分に設定されており、成形部１ａの基端側と先端側との方向に沿って延びるように形成されている。なお、収容部１０は、ウオータジャケット入子１の図２に破線で示した部分に限定されることはなく、図２に鎖線で示した部分など、任意の場所に設定することができる。

変形量測定計支持体３は、たとえば板状または棒状など、その断面形状や長さなどが、金型１の収容部１０の断面形状や深さなどに応じて成形されている。変形量測定計支持体３は、金型１の変形と同調して撓み、および／または、伸縮することが可能な素材により構成されている。変形量測定計支持体３は、金型１と同じ素材により構成することにより、金型１の変形量を忠実に測定することができ、また、金型１よりも変形し易い素材および／または形状で構成することにより、金型１の僅かな変形量も確実に測定することができる。変形量測定計支持体３の撓みと伸縮については、後に詳しく説明する。

図３および図４に示した実施の形態における変形量測定計支持体３は、断面矩形の板状に形成されている（以下の説明では変形量測定計支持体３をガイド板３と称する）。ガイド板３の一面と、この一面に隣接する側面とには、変形量測定計として歪みゲージ２が複数設けられている。この実施の形態においては、歪みゲージ２がガイド板３に対して、ウオータジャケット入子１の成形部１ａの基部と先端部と対応する位置に設定された位置に設けられる。なお、特に複数の歪みゲージ２を区別して説明する場合には、符号２Ａ〜２Ｄを付すこととする。

歪みゲージ２は、ガイド板３を金型１の収容部１０に収容する前の状態で、ガイド板３に取り付けることができる。そのため、ガイド板３の表面の任意の位置に歪みゲージ２を容易にかつ確実に設けることができる。各歪みゲージの出力信号を送るためのリード線は、金型外部に設置された変形量演算処理部（図示していない）に接続される。

金型１の収容部１０と、歪みゲージ２が設けられたガイド板３とは、収容部１０にガイド板３を挿入することによりはめあいの関係となり固定されるよう、所定の公差で成形されている。これにより、収容部１０に収容されたガイド板３は、金型１の変形と同調して撓むことが可能となっている。また、収容部１０にガイド板３が収容されていることにより、ガイド板３に設けられた歪みゲージ２は、キャビティ内に充填される成形材料に直接接触することがない。

なお、歪みゲージ２が設けられたガイド板３を金型１の収容部１０に対して挿入し固定する手法としては、はめあいの関係となるよう所定の公差に成形することに限定されることはない。たとえば、金型１の収容部１０の幅がガイド板３の幅よりも僅かに小さい関係となるよう成形し、金型１を加熱し膨張させた状態として、歪みゲージ２が設けられたガイド板３を挿入する焼きばめにより、歪みゲージ２が設けられたガイド板３を金型１の収容部１０に対して固定することもできる。

また、図５に示したように、収容部１０を金型１に貫通させるように形成し、金型１の収容部１０開口の周囲とガイド板３の長手方向端部とを溶接Ｗして、金型１の収容部１０開口を閉塞するとともに、歪みゲージ２が設けられたガイド板３を金型１の収容部１０に対して固定することもできる。

次に、上述したように構成された金型の変形量測定システムの作動を、主に図３〜図６を参照しながら説明する。

金型１は、一般に、型閉じすることにより内部に形成されたキャビティに溶融された状態の樹脂や金属の成形材料が所定の圧力、所定の速度で射出充填される。このとき、成形材料の温度や、射出充填される成形材料の圧力、速度、ゲートの位置などにより、金型１は様々な方向に変形する。

この実施の形態における金型の変形量測定システムは、上述したように、ガイド板３の互いに隣接する二つの面であって、金型であるウオータジャケット入子１の成形部１ａの基部と先端部と対応する位置にそれぞれ歪みゲージ２Ａ〜２Ｄが設けられている。そして、この歪みゲージ２が設けられたガイド板３は、収容部１０内に挿入され固定されている。図６に示した実施の形態では、ガイド板３は、歪みゲージ２Ｂ，２Ｄが設けられた一面をウオータジャケット入子１の表面と平行で、歪みゲージ２Ａ，２Ｃが設けられた側面をウオータジャケット入子１の表面に対して直交する方向となるように配設されている。

ここで、熱などによってウオータジャケット入子１の成形部１ａが図２および図６の矢印Ｘ方向に膨張または収縮するよう変形する場合には、このウオータジャケット入子１のＸ方向の変形に伴って収容部１０に収容されたガイド板３が図４に矢印ｘで示したように一面およびその裏面と直交する方向に撓むよう変形する。ガイド板３の一面に設けられた歪みゲージ２Ｂ，２Ｄは、ガイド板３の撓みに応じて歪むこととなる。図示しない変形量演算処理部では、歪みゲージ２Ｂ，２Ｄから出力された信号により、ウオータジャケット入子１のＸ方向の変形量を求めることができる。

また、ウオータジャケット入子１の成形部１ａが膨張または収縮するなどして図２および図６の矢印Ｙ方向に伸長または収縮するよう変形する場合には、このウオータジャケット１の変形に伴って収容部１０に収容されたガイド板３が図４に矢印ｙで示したように側面と直交する方向に撓むよう変形する。ガイド板３の側面に設けられた歪みゲージ２Ａ，２Ｃは、ガイド板３のｙ方向の撓みに応じて歪むこととなる。図示しない変形量演算処理部では、歪みゲージ２Ａ，２Ｃから出力された信号により、ウオータジャケット入子１のＹ方向の変形量を求めることができる。

また、ガイド板３の互いに隣接する一面と側面に設けられた双方の歪みゲージ２Ａ〜２Ｄが出力する信号に基づいた金型１の変形量の測定結果から、ウオータジャケット入子１の成形部１ａ全体の、図５の上下方向への伸長または収縮する変形を検知することができる。そして、図５に示したように、ウオータジャケット入子１に貫通するように収容部１０を形成してその周囲とガイド板３の長手方向端部とを溶接Ｗして固定した場合には特に、ウオータジャケット入子１の成形部１ａの伸長または収縮と同調してガイド板３全体が伸長または収縮する。そのため、ガイド板３の一面と側面の双方の歪みゲージ２Ａ〜２Ｄによる測定結果から、ウオータジャケット入子１の成形部１ａ全体の、図５の上下方向への伸長または収縮する変形量を正確に検知することができる。

図７は、金型１のキャビティに成形材料（溶湯）を注湯することによる金型１の温度変化と、図３〜図５に示したようにガイド板３の互いに隣接する面であって、ウオータジャケット入子１の成形部１ａの基部と先端部と対応する位置にそれぞれ設けられた歪みゲージ２Ａ〜２Ｄにより測定した金型１の変形量をそれぞれ示したグラフである。このグラフから、金型１内への注湯による温度上昇に伴って、ガイド板３の一面に設けられた歪みゲージ２Ｂ，２Ｄと、側面に設けられた歪みゲージ２Ａ，２Ｃとも歪み量が増加する、すなわち、ウオータジャケット入子１の成形部１ａが膨張変形する。そして、型開きすることにより成形品が外気に触れて温度が下降するのに伴ってウオータジャケット入子１の膨張変形量が減少し、成形品の取出後に離型剤の塗布を開始すると、ウオータジャケット入子１は、部分によっては収縮変形することが知見された。なお、図に示した実施の形態では鋳造による成形の場合を示したが、溶湯の替わりに溶融樹脂を射出する樹脂成形の場合も同様の傾向が現れることとなる。

以上の測定結果から、ウオータジャケット入子１は、成形時において、成形材料の注湯により変形することが判った。そして、ウオータジャケット入子１の受熱による熱変形を抑えることが、ウオータジャケット入子１の変形による破損を防止するための根本的な対策の一つであることが推定できるようになった。

そして、ウオータジャケット入子１の変形量を常時測定して、繰り返し成形時にモニタリングし続けることで、ウオータジャケット入子１の変形挙動の経時的変化を捉えることができ、したがって、ウオータジャケット入子１の寿命に達するまでの変化を特定することができる。その結果、ウオータジャケット入子１の寿命を迎える直前ごとに、たとえば表面を窒化処理するなどの化学的処理や、焼きなましなどの熱処理を行い、ウオータジャケット入子１を整備して寿命を延ばし、再び使用することができるので、金型１に要するコストを低減することができる。

本発明は、ウオータジャケット入子のような比較的薄い構造の金型であっても変形量を測定することができるが、これに限定されることはなく、薄くない構造の金型に適用することができることは勿論のことである。

１：ウオータジャケット入子（金型）、 ２：歪みゲージ（変形量測定計）、 ３：ガイド板（変形量測定計支持体）、 １０：収容部

Claims (2)

1. 金型の成形時の温度変化による変形量を測定するためのシステムであって、
   金型の熱による変形と同調して変形する変形量測定計支持体に、その変形量を測定する変形量測定計を設けて、金型の内部に形成された収容部に配設したことを特徴とする金型の変形量測定システム。
2. 前記変形量測定計支持体が前記収容部に対して、所定の公差で成形することによるはめあい、焼きばめ、溶接、のいずれかにより固定されていることを特徴とする請求項１に記載の金型の変形量測定システム。

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