JPS633926A - 射出成形機の射出制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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（■）、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、−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−−−一一−−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Ｐ１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、出力が制御開始圧Ｐ、。に到達
すると、後述の式（１）で表わされる型内圧指令（！！
Ｐ□、を発生する。

比較器１０は前記検出された型内圧Ｐ、を前記型内圧指
令値Ｐ　ｍ５ｅｔ　　から減算して偏差ｅ＜＝ｐ、、、
ｔ−ｐ、　）を出力し、制御器１１は同偏差信号を受け
て偏差ｅをＰＩＤ制御の上場幅器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、が制御開
始圧ｐ　ｅｏ　　に到達すると、指令器９から式（１）
に示す型内圧指令値Ｐ　ｍｓ＊ｔ　　が出力される。

Ｐ−−−ｔ−（Ｐ−ｘ　　　　Ｐ−０）（１−ｅｘｐ（
−α□　））＋Ｐ、。　−・−（ｌ）１゜ ここで、　Ｐ　ｓＨ’−−−−−−一型内圧目標値α　
−一一一一一一勾配調整定数 ｔ　、　−−−−−−一充填時間（第５図参照）型内圧
指令値Ｐ□□　と検出された型内圧Ｐ。

とを比較して、両者が一致する様にＰＩＤｉｔｉｌＪ御
するようにしているので、弐（１）に追従して型内圧Ｐ
、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ＰｓＭ　　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１゜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、）Ｉ　に切換えら
れる。また、この型内圧目標値Ｐ＋ｅＭ　　に切換わる
ときの射出速度は、型内圧Ｐ、の上昇と共に減速し、清
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、と充填樹脂流量Ｑとの関係は次式１式％ ここで、　Ｐヨーー−一−−−型内圧（ｋｇｆ／ｃ艷）
Ｋ　　−−−−一樹脂体積弾性係数（ｋｇ　ｆ　／ＣＩ
り ｖ　、　−−−−一金型内キャビティ容積（Ｃ１ｌｌ） Ｑ　　−−−−−充填樹脂流量（ｃｆｆｌ／５ｅｃ）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。

Ｑ＝−ｄ”　　・ｖ　　−一−−−−−・−−−ｍ−−
−−（３１ここで、　ｄ−−−−−−スクリュ直径（（
２））ｖ−−−−−−−射出速度（ｃｍ／　５ｅｃ）い
ま、型内圧Ｐ、が式（１１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。

π−ｄ”　　・Ｋ　　ｄｔ　　　　ｙｃｄ２Ｋ・　（Ｐ
Ｉｌ、−ＰＩＩｏ）・□・ ｓ ｓ この式かられかるように、型内圧Ｐ７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■が零に近づ（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
　＊ｓｅｔ　　を式（１１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ＰｍＮ　　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、。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Ｐ０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、−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げ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、Ｉの間は
型内圧がその目標値Ｐ０　を−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Ｐ１　と保圧時間ｔ）ｌ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、 ＴＩ）　　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
されることとなって、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、前記スキン層にすり応力が 生じ、残留応力を内蔵し、これにより 「そり」と呼ばれる変形、クランク、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＋ａｌｌ　　と保圧時間１Ｎ
は、樹脂の粘度、金型の構造、型内圧検出器６の位置等
によって影響を受は易い。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−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（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（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て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−を溶融樹脂の比容積
■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、スキン層にすり応
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２２ａを中心に回動するレバー２
２と、同レバー２２０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２
４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、。・
充填時間１．　　・樹脂温コード等をインタフェース３
２を介してＣＰＵ　（中央処理装置）３３に入力する設
定器３１、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ＣＰ
Ｕ３３に転送するための各Ａ／Ｄ変換器３５．３６、及
びＣＰＵ３３からの油圧機構への指令（デジタル）をア
ナログに変換する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Ｐ０　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（■）、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ＰＶＴ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１　ｂａｒの線に沿って変化し、常温・常圧で
の比容積（Ｖ）、すなわち０点となる。この場合の樹脂
の収縮量は、Ａ点と０点との比容積の差となる。

ここで、溶融樹脂温度Ｔ、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＋ｓＨは、溶融樹脂温度
Ｔ、上における圧力１６００ｂａｒでの比容積■２、同
じく圧力１８００ｂａｒでの比容積ｖ８、並びに０点で
の比容積ｖ０から次式（５）により求められる。

−１６００）　　−一一−−−−−−−−−−−・−（
５）この型内圧目標値Ｐ、ｌ＋　　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０点へと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容積■４に等しい溶融樹脂温度Ｔ
ｒ上におけるＤ点の圧力Ｐ、）１′　は、式（６）で求
めることができる−　１０００）　　−−−−−−−−
−−−−−−−−＋６１この圧力Ｐ＋＋＋、ｌ’を保圧
として、上記実施例同様に圧力ＰａＭ’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
温下で０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０
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２玖補間代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−等から射出開始信号を得る
と、ＣＰＵ３３は初期速度指令（デジタル量）を出力す
る。たの出力値は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ｔＡ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Ｔｒは、Ａ／Ｄ変換器３
６を通りＣＰＵ３３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ての比容積に等し
くなる圧力を演算し、これを型内圧目標値ＰｍＨとする
。

型内圧検出器６の出力Ｐカが制御開始圧Ｐ、。

に到達すると、ＣＰＵ３３は前記演算値Ｐ＃Ｈを使用し
て上記（１１により型内圧指令値Ｐイ、□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ＰｓＭに到達するまで従来と同様に
断熱状態で充填時間１．をもって高速充填する。

型内圧がその目標値ＰｍＮ　　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２２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ｔＥｌ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、、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Ｐａ）Ｉ　　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に設けずに、金型１内部（例えば、スプルー
）に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ｊ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
法精度を安定化させ得るものである。

【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−　ピストンロンド ３〇−樹脂温度検出器 ３１−設定器 ３２−　インタフェース ３−ＣＰＵ ３４−　メモリ ３５、３６−Ａ　／　Ｄ変換器 ３７”−Ｄ　／　Ａ変換器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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。
2. （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。