JPH0639118B2

JPH0639118B2 - 射出成形機の射出制御方法及び装置

Info

Publication number: JPH0639118B2
Application number: JP14609886A
Authority: JP
Inventors: 浩司久保田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1986-06-24
Filing date: 1986-06-24
Publication date: 1994-05-25
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: JPS633926A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、射出成形機に適用される射出工程の制御方法
及びその装置に関するものである。

（従来の技術）一般に、精密成形を実現するためには、金型の形状精度
を確保すると共に、成形時における樹脂の収縮量を適正
に制御することが最も重要なこととされている。

従って、いま金型の形状精度が確保された場合成形品の
寸法精度の向上を図ろうとするには、同一の成形収縮量
を毎サイクル再現させることが重要となる。ところで、
樹脂の状態関数は、圧力（Ｐ），比容積（Ｖ），温度
（Ｔ）の３つの変数より成り立っている。

そして、前記成形収縮量は比容積（Ｖ）の変化であり、
制御量としては温度（Ｔ）及び圧力（Ｐ）になる。しか
るに、樹脂温度を直接制御するのは、時定数が大きいた
め射出成形の短いサイクルの中ではその応答性から見て
困難であるので、一般に次の方法がとられている。

(1) 温度安定化……シリンダ・ノズル、金型の各温度
の安定化。

回転数・背圧の閉ループ制御。

(2) 充填時の温度低下の防止……高速充填により、樹
脂が金型により冷却される以前に充填を完了する。すな
わち、断熱に近い状態で充填する。

一方、射出工程における圧力（具体的には型内圧）の制
御は比較的容易であり、その例としてはゲートシールま
で一定圧に保持する従来の制御方法が知られている。

第４図に従来例のシステム図を示し、第５図にはその制
御パターンを示す。第６図は高速充填時の射出速度、射
出油圧及び型内圧の各実行値を示している。

これらの図に従って、まず従来の射出成形機における射
出時の型内圧制御システムについて説明すると、金型１
のランナー部２、キャビティ３のゲート４の近傍、又は
スプルー５の近傍に型内圧Ｐ_ｍを検知する型内圧検出器
６が設けられている。８は射出工程中の型内圧の実行値
を記録するオシログラフ等の記録計である。

指令器９は、射出開始時に初期速度指令値を出し、型内
圧検出器６の型内圧Ｐ_ｍ出力が制御開始圧Ｐ_moに到達す
ると、後述の式(1)で表わされる型内圧指令値Ｐ_msetを
発生する。

比較器１０は前記検出された型内圧Ｐ_ｍを前記型内圧指
令値Ｐ_msetから減算して偏差ｅ（＝Ｐ_mset−Ｐ_ｍ）を出
力し、制御器１１は同偏差信号を受けて偏差ｅをＰＩＤ
制御の上増幅器１２に出力し、サーボ弁等の制御弁１３
は前記増幅器１２からの出力を受けてその開度を変え
て、アキュムレータ１４からの供給油を調節する。

射出成形機の射出部はシリンダ１８の左端にノズル７
が、またその右端に射出用油圧シリンダ１６が設置され
ており、シリンダ１８の中にスクリュ１７が挿入されて
いる。同スクリュ１７は射出ラム１９にその後端部が固
定されており、射出用油圧シリンダ１６に供給される圧
油により左方への射出動作を行なう。なお、１５はアキ
ュムレータ１４に蓄圧するポンプである。

以上の構成において、その作用を述べると、射出開始時
には初期速度指令値に基づく制御弁１３の開度で定まる
速度で溶融樹脂の充填が行なわれ、型内圧Ｐ_ｍが制御開
始圧Ｐ_moに到達すると、指令器９から式(1)に示す型内
圧指令値Ｐ_msetが出力される。

ここで、Ｐ_mH……型内圧目標値 α……勾配調整定数ｔ_ｓ……充填時間（第５図参照）型内圧指令値Ｐ_msetと検出された型内圧Ｐ_ｍとを比較し
て、両者が一致する様にＰＩＤ制御するようにしている
ので、式(1)に追従して型内圧Ｐ_ｍはサージ圧等のオー
バーシュートが生じない様に第５図に示すパターンで上
昇し、型内圧目標値Ｐ_mHに到達する。

以上の制御によると、金型内に充填される際の樹脂温度
低下を極力防ぐため、充填時間ｔ_ｓを短くして高速充填
しても、第６図に示すようにオーバーシュートを生じる
ことなく、滑らかに型内圧目標値Ｐ_mHに切換えれる。ま
た、この型内圧目標値Ｐ_mHに切換わるときの射出速度
は、型内圧Ｐ_ｍの上昇と共に減速し、滑らかに零（スク
リュ射出停止）の状態になっている。

この現象を簡単に説明する。

型内圧Ｐ_ｍと充填樹脂流量Ｑとの関係は次式(2)で示さ
れる。

ここで、Ｐ_ｍ……型内圧（kgｆ／cm²）Ｋ……樹脂体積弾性係数（kgf/cm²） V _ｍ……金型内キャビティ容積（cm³）Ｑ……充填樹脂流量（cm³／sec）充填樹脂流量Ｑとスクリュの射出速度ｖとの関係は次式
(3)となる。

ここで、ｄ……スクリュ直径（cm）ｖ……射出速度（cm／sec）いま、型内圧Ｐ_ｍが式(1)の指令値に追従して、その実
行値も式(1)と同様な変化をしたとするとスクリュの射
出速度ｖは、式(1)、(2)、(3)から次式(4)のようにな
る。

この式からわかるように、型内圧Ｐ_ｍの上昇につれて、
スクリュの射出速度ｖが指数関数で減速する。式(4)を
微分すれば減速時の加速度が求められるが、その値も指
数関数となり、射出速度ｖが零に近づくときの加速度も
小さいことがわかる。

従って、上記の如き従来方式によっても式(2)で示すよ
うに、型内圧上昇の状況を踏まえて、充填樹脂量の増加
を直接的に把握することができ、また型内圧指令値Ｐ
_msetを式(1)に従って閉ループ制御しているため、滑ら
かに射出速度を減速制御することができるものである。
更に、型内圧がその目標値Ｐ_mHに到達したときには、射
出速度ｖが零になることから、適正量の充填制御が可能
なことがわかる。

なお、制御開始圧Ｐ_moは型内圧検出器６の検知下限値か
ら求められる。

このようにして、型内圧がその目標値Ｐ_mHに到達する
と、保圧工程に切換わる。

保圧工程に入り、樹脂の流動速度が小さくなると、一般
に金型への熱伝達による冷却が始まって収縮が起こり、
またゲート部を通ってノズルへの逆流が発生する結果、
型内圧が下降して成形品にひけや寸法変化が生ずるよう
になる。これを防ぐため、従来の制御では保圧時間ｔ_Ｈ
の間は型内圧がその目標値Ｐ_mHを一定に保持しうるよう
に、射出圧力を制御弁１３により調整して、収縮分の補
充のために樹脂を供給するようにしている。このとき、
第６図に示すように射出油圧は上昇し始め、それに伴な
いスクリュも微速前進する。

ところで、型内圧目標値Ｐ_mHと保圧時間ｔ_Ｈは、オシロ
グラフ等の記録計８により保圧工程における型内圧の低
下と成形品の充填不足、ひけ、過充填等を比較検討しつ
つ実験的に決定するのが通常である。

上述のような従来の保圧工程にあっては、次のような問
題点がある。

即ち、 (1) 過大圧による成形不良の発生（ｉ）第４図に示すようにスプルー５の近傍のキャビテ
ィ３に型内圧検出器６が配置され、かつ厚肉成形品を成
形するような場合、保圧工程に入ると、溶融樹脂は金型
への熱伝達により冷却され、スキン層と呼ばれる固化又
は高粘度層がキャビティ３の表面より生成を開始しはじ
めるが、このスキン層の生成により型内圧検出器６への
圧力伝達が阻害されることになって、型内圧検出器６の
出力が減少し、前述の制御器１１の作用により、射出油
圧が増加し、キャビティ３の中心部の溶融樹脂に脈動を
与える結果となる。

このため、前記スキン層にずり応力が生じ、残留応力を
内蔵し、これにより「そり」と呼ばれる変形、クラッ
ク、寸法精度不良等の成形品不良が生ずる。厚肉成形品
は、スキン層の生成時間が長いので、特に以上の不良が
生じやすいものである。

（ii）ランナー部２に型内圧検出器６があるような場
合、ゲート４部の樹脂が固化し始めてもランナー部２の
型内圧は小さくならないので、型内圧検出器６の出力と
キャビティ３の内部圧力の対応性が失われ、前記したと
同様に制御器１１が作用して射出油圧を増加させ、ゲー
ト４に過大圧をかけることになる。このため、ゲート４
の近傍はこの過大圧により歪み、「そり」と呼ばれる変
形、クラック、寸法精度不良等の成形品不良を生ずるよ
うになる。

(2) 保圧工程の調整困難性保圧工程における型内圧Ｐ_mHと保圧時間ｔ_Ｈは、樹脂の
粘度、金型の構造、型内圧検出器６の位置等によって影
響を受け易い。このうち、樹脂の粘度は樹脂温度によっ
て変わり、樹脂温度はシリンダ温度、スクリュ回転数、
背圧、スクリュデザイン、樹脂特性等によって種々変化
する。従って型内圧Ｐ_mHの定量的指針がない現在、既述
したように成形品と型内圧実行値を見ながらオペレータ
の経験と勘に頼って調整する以外になす手段がなかっ
た。

(3) 樹脂温度変化に対する対応の困難性樹脂温度の変化という外乱に対する補償する手段がない
ため寸法精度を向上できなかった。

（発明が解決しようとする問題点）このように、従来の射出成形にあっては、充填工程では
ほぼ満足できる型内圧制御が可能となっているが、保圧
工程では樹脂の冷却に伴なう収縮又は樹脂の逆流に基づ
く型内圧の変化を検出し、その低下分を補償すべく射出
油圧を増加させるという制御しか行われておらず、その
ため検出値と実値が一致しない場合に過大圧或は樹脂の
脈動を発生させ成形不良が起り易い上に、型内圧と保圧
時間を定量的に設定できないという問題点を有してい
た。

特にこれらの設定には射出時における溶融樹脂の温度変
化の影響を大きく受けるにも拘らず、これに対応する手
段が同じく定量的に採られていないのが現状である。

本発明はかかる問題点を解決すべく開発されたもので、
型内圧目標値を樹脂温度の変化に対応して自動的に設定
し、同時に成形品の収縮も排除し得る射出工程、特に保
圧工程の制御方法及び装置を提供しようとするものであ
る。

（問題点を解決するための手段及び作用）このため、本発明は金型内の樹脂圧力（型内圧）を検出
する型内圧検出器を内部に設けた金型を用いて充填から
保圧までを行なう射出工程において、ノズル又は金型の
樹脂通路に設けられた樹脂温度検知器により検出された
射出中の溶融樹脂温度と樹脂の状態関数から、溶融樹脂
温度の比容積が常圧で常温乃至軟化温度のもとにおける
値に等しくなる圧力を演算してこれを型内圧目標値と
し、与えられた時間内に一定の関数で示されるパターン
に従って前記目標値まで漸増する様に充填制御する充填
工程と、前記型内圧目標値に到達後ノズル又は金型の樹
脂通路を閉鎖して保圧工程を終了することを特徴とする
射出成形機の射出制御方法、及び金型内の樹脂圧力（型
内圧）を検出する型内圧検出器を内部に設けた金型を有
する射出成形機において、ノズル又は金型の樹脂通路に
射出中の溶融樹脂温度の検出器を設け、その検出温度と
メモリーに記憶された樹脂の状態関数に基づいて溶融樹
脂の比容積が常圧で常温乃至軟化温度のもとでの値に等
しくなる圧力を演算し、同圧力に型内圧が到達したとき
樹脂通路を積極的に閉鎖する樹脂通路閉鎖装置を設ける
ことを特徴とする射出成形機の射出制御装置を構成と
し、これを上記問題点の解決手段とするものである。

即ち、本発明では型内圧目標値Ｐ_mHを溶融樹脂の比容積
Ｖが常圧で常温乃至軟化温度のもとでの比容積に等しく
なるような圧力に設定し、前記型内圧目標値に到達後、
樹脂通路を閉鎖して過充填、ノズルへの逆流を防止す
る。その結果、成形品の収縮量を零または非常に小さく
することができ、寸法精度の再現性が向上する。また、
保圧工程において樹脂の脈動がないので、スキン層にず
り応力が働かず、ゲート部へ過大圧がかからず、「そ
り」「歪み」等の変形、寸更に、樹脂温度が変動しても
その温度に応じて比容積を一定にする様な圧力を演算し
て型内圧目標値を決めるので、樹脂温度変動の外乱を完
全に補償し得る。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面について説明する。

第１図は本発明の一実施例を示し、同図において第４図
に示した従来装置と異なる部分は、ノズル７とシリンダ
１８との間に、樹脂温度検出器と樹脂通路の閉鎖機構を
設けたこと並びに制御装置の構成を変更した点にある。

このうち閉鎖機構は、ニードルバルブ２０と、同バルブ
２０内を左右に往復動してノズル１７先端の樹脂通路を
開放又は閉鎖するニードル２１と、ニードル２１の後端
を端部で連結した枢軸を中心に回動するレバー２２と、
同レバー２２の機外端に取付けられレバー２２を回動さ
せるピストンロッド２４と、同ピストンロッド２４を駆
動する油圧シリンダ２３から構成される。同図において
レバー２２が実線で示す位置にあるとき、樹脂通路を閉
鎖する状態を示している。また、同樹脂通路の開放時に
はピストンロッド２４を前進させてレバー２２を２点鎖
線で示す２２ａの位置にする。

３０は樹脂温度検出器であり、ニードルバルブ２０に設
けられる。

また、前記制御装置は、初期速度・制御開始圧Ｐ_mo・充
填時間ｔ_ｓ・樹脂名コード等をインタフェース３２を介
してＣＰＵ（中央処理装置）３３に入力する設定器３
１、ＣＰＵ３３、メモリ３４、型内圧検出器６と樹脂温
度検出器３０の夫々のデータ（アナログ）をＣＰＵ３３
に転送するための各Ａ／Ｄ変換器３５，３６、及びＣＰ
Ｕ３３からの油圧機構への指令（デジタル）をアナログ
変換するＤ／Ａ変換器３７からなる。Ｄ／Ａ変換器３７
の出力を増幅する増幅器１２と油圧機構は従来と同一で
ある。

さて以上の構成において、先ずはじめに本発明による型
内圧目標値Ｐ_mHを定量的に決定する方法について説明す
る。

樹脂の状態関数は既述のように、圧力（Ｐ），比容積
（Ｖ），温度（Ｔ）の３変数からなるが、この特性曲線
を示すものとしてＰＶＴ線図が知られている。第２図は
その一例としてポリスチロール（ポリスチレン）のＰＶ
Ｔ線図を示す。いま、仮に金型の形状精度が確保され、
十分な型締力を有するとすれば、金型内の容積は一定と
なる。従って、成形収縮量は比容積（Ｖ）の変化に等し
くなる。

常圧（圧力１bar ）での溶融樹脂は、第２図のＡ点で示
す比容積になる。この常圧で充填が完了し冷却すると第
２図の１bar の線に沿って変化し、常温・常圧での比容
積（Ｖ）、すなわちＣ点となる。この場合の樹脂の収縮
量は、Ａ点とＣ点との比容積の差となる。

ここで、溶融樹脂温度Ｔ_ｒで常温常圧の比容積に等しい
圧力は、第２図のＢ点の圧力となる。Ｂ点の圧力即ち型
内圧目標値Ｐ_mHは、溶融樹脂温度Ｔ_ｒ上における圧力１
６００bar での比容積Ｖ_２、同じく圧力１８００bar で
の比容積Ｖ_１、並びにＣ点での比容積Ｖ_０から次式(5)
により求められる。

この型内圧目標値Ｐ_mHまで高速充填により断熱状態で溶
融樹脂を圧縮する。Ｂ点に到達後、樹脂の逆流を防止し
て冷却すれば、同一容積で常温・常圧で必要な樹脂量を
保有することになるので、冷却に伴い第２図のＣ点への
比容積が変化することなく移行する。従って、比容積が
等しいので、収縮量は零となる。

また、上記実施例における常温に替えて樹脂の軟化温度
以下の温度で常圧の比溶接Ｖ_４に等しい溶融樹脂温度Ｔ
_ｒ上におけるＤ点の圧力Ｐ_mH′は、式(6)で求めること
ができるこの圧力Ｐ_mH′を保圧として、上記実施例同様に圧力Ｐ
_mH′に到達後、溶融樹脂の逆流を防止しながら冷却した
場合には第２図に示すＥ点に移行し、この間比容積の変
化はなく、その後常圧下でＣ点まで収縮することにな
る。このように型内圧目標値をＤ点にとる場合には、収
縮量は比容積Ｅ点とＣ点との差になるが、その値は小さ
くかつ軟化温度以下なので、成形品の変形による寸法精
度不良は殆んど無視し得る。

また、本発明では保圧工程に入るとノズルの樹脂通路を
閉鎖するため、保圧工程での樹脂の流れがなく、ゲート
部で過大圧がかからないので、ゲートの歪み等による寸
法不良も防止できる。

上記式(5)、(6)で述べた如き一次補間で圧力を算出する
以外に、第２図の状態関数の実験データを最小自乗法に
よる２変数近似式、又は２次元の座標として、２次元２
次補間式による算出方法も採用可能である。

第１図及び第３図によって本発明を更に具体的に説明す
る。

第３図は本発明による制御パターンを示す。図示してい
ないシーケンサー等から射出開始信号を得ると、ＣＰＵ
３３は初期速度指令（デジタル量）を出力する。この出
力値はＤ／Ａ変換器３７によりアナログ量に変換され、
増幅器１２により増幅され、従来例と同様に制御弁１３
の動作を開始させる。射出開始後、第３図に示す検出タ
イミング時間ｔ_Ａ経過後に温度検出器３０により検知さ
れた溶融樹脂の温度Ｔ_ｒは、Ａ／Ｄ変換器３６を通りＣ
ＰＵ３３に転送される。メモリー３４に記憶されている
既述した樹脂の状態関数によりＣＰＵ３３は先に述べた
式(5)又は(6)に基づき、常圧で常温乃至軟化温度のもと
での比容積に等しくなる圧力を演算し、これを型内圧目
標値Ｐ_mHとする。

型内圧検出器６の出力Ｐ_ｍが制御開始圧Ｐ_moに到達する
と、ＣＰＵ３３は前記演算値Ｐ_mHを使用して上記式(1)
により型内圧指令値Ｐ_msetを演算し、その指令値をＤ／
Ａ変換器３７へ出力し、指令値に追従する様に型内圧目
標値Ｐ_mHに到達するまで従来と同様に断熱状態で充填時
間ｔ_ｓをもって高速充填する。

型内圧がその目標値Ｐ_mHに到達後、レバー２２の駆動用
油圧シリンダ２３に図示せぬ油圧機構より圧油が供給さ
れ、ピストンロッド２４が図示右方へ後退し、レバー２
２が２点鎖線で示す２２ａの位置から実線で示す右方へ
移動する。このレバー２２の後退によりニードル２１は
左方へ動き樹脂通路を閉鎖する。第３図に示す遅延時間
ｔ_Ｄを設定するのは、ニードル２１による樹脂通路の閉
鎖完了前に射出圧力が低下しない様にするためであり、
これは閉鎖に要する時間を見込んで設定する。

また、上記樹脂温度Ｔ_ｒは前記検出タイミング時間ｔ_Ａ
経過後の検出温度とせずに、前記サイクルでの射出工程
中の樹脂温度をサンプリングして、その平均値を算出し
て決め、この値から次サイクルの型内圧Ｐ_mHを算出する
こともある。

なお、前記樹脂温度検出器３０をニードルバルブ２０内
に設けるのに代えて、金型１内に設けるようにしてもよ
い。

更に、樹脂通路の閉鎖機構も上記実施例の如くニードル
バルブ２０を設けずに、金型１内部（例えば、スプル
ー）を設けることも出来る。

（発明の効果）以上、詳細に説明した如く本発明によると、射出時の溶
融樹脂温度と樹脂の状態関数に基づいて、型内圧目標値
を溶融樹脂の比容積が常圧下で常温乃至軟化温度におけ
る比容積に等しい値になるように算出し、この圧力で充
填後、保圧工程に入ると樹脂通路を閉鎖することによ
り、収縮量が零または非常に小さい成形が実現できるよ
うになり、寸法精度が著しく向上する。

従って、本発明による保圧工程では、従来の如く樹脂の
脈動、ゲート部への過大圧が生じないので、「そり」
「歪み」等の変形や寸法精度不良を解決できるものであ
る。

特に、本発明では樹脂温度が種々の外乱により変動して
も、同樹脂温度を検出し、その値と樹脂の状態関数によ
り比容積を一定となるように常時補償するので、より寸
法精度を安定化され得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例である射出制御の概略シス
テム図、第２図は樹脂のＰＶＴ線図、第３図は前記第一
実施例による制御曲線図、第４図は従来の射出制御を示
す概略システム図、第５図は従来の型内圧の制御曲線
図、第６図は従来における高速充填時の型内圧、射出速
度、射出圧の実行値曲線図である。図の主要部分の説明６……型内圧検出器 20……ニードルバルブ 21……ニードル 22……レバー 23……油圧シリンダ 24……ピストンロッド 30……樹脂温度検出器 31……設定器 32……インタフェース 33……ＣＰＵ 34……メモリ 35,36……Ａ／Ｄ変換器 37……Ｄ／Ａ変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金型内の樹脂圧力（型内圧）を検出する型
内圧検出器を内部に設けた金型を用いて充填から保圧ま
でを行なう射出工程において、ノズル又は金型の樹脂通
路に設けられた樹脂温度検知器により検出された射出中
の溶融樹脂温度と樹脂の状態関数から、溶融樹脂温度の
比容積が常圧で常温乃至軟化温度のもとにおける値に等
しくなる圧力を演算してこれを型内圧目標値とし、与え
られた時間内に一定の関数で示されるパターンに従って
前記目標値まで漸増する様に充填制御する充填工程と、
前記型内圧目標値に到達後ノズル又は金型の樹脂通路を
閉鎖して保圧工程を終了することを特徴とする射出成形
機の射出制御方法。
【請求項２】金型内の樹脂圧力（型内圧）を検出する型
内圧検出器を内部に設けた金型を有する射出成形機にお
いて、ノズル又は金型の樹脂通路に射出中の溶融樹脂温
度の検出器を設け、その検出温度とメモリーに記憶され
た樹脂の状態関数に基づいて溶融樹脂の比容積が常圧で
常温乃至軟化温度のもとでの値に等しくなる圧力を演算
し、同圧力に型内圧が到達したとき樹脂通路を積極的に
閉鎖する樹脂通路閉鎖装置を設けることを特徴とする射
出成形機の射出制御装置。