JP3546154B2

JP3546154B2 - 金属成形品の射出成形方法および射出成形装置

Info

Publication number: JP3546154B2
Application number: JP21455399A
Authority: JP
Inventors: 伸司松井
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-07-29
Also published as: JP2001038458A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属成形品の射出成形方法および射出成形装置に関し、具体的には融点が７００゜Ｃ以下の金属原料を溶解炉、スクリュ等を使用することなく、射出シリンダ内で溶解し、そして同射出シリンダ内で計量し、次いで金型に射出して金属成形品を得る、金属成形品の射出成形方法および、射出成形方法の実施に使用される射出成形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属製品の成形方法には、周知のように機械的に加圧する加圧鋳造方法、格別に加圧しない重力鋳造方法等が知られている。加圧鋳造方法としてはダイカスト法がよく知られており、アルミニウム合金、マグネシウム合金、亜鉛合金等の金属製品の製造にはこの方法が適用されている。また、鉛合金は比重が大きいので、鉛合金の製品は一般に重力を利用した重力鋳造方法により製造されている。
一方、最近になって、チキソモールド法が例えば特公平１ー３３５４１号、同２ー１５６２０号公報により提案されている。この方法は、合金原料を固液共存状態で撹拌すると、樹枝状結晶すなわちデンドライドの形成が抑制され、破壊された微細な粒状の固体と液体とが共存した状態であるスラリー状物質が得られるが、このような固液共存状態であるスラリー状物質を短時間に凝固させ、固体がほぼ均一に分布した合金組織の成形品を得る方法である。この成形品は、凝固による収縮率が小さく、またミクロシュリンケージすなわち収縮孔およびガスの巻き込みによる空隙孔が少ないため、寸法精度、機械的性質共に良好な性質を示す。このようなスラリー状物質の性質を利用した合金成形品の製法には、射出成形機あるいは押出機が使用される。射出成形機は、温度制御可能なスクリュシリンダと、このスクリュシリンダ内に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュとから構成されている。したがって、スクリュを回転駆動すると、合金原料はスクリュによりシリンダ先端部に順次移動させられる。このとき合金原料は、固相線温度以上、液相線温度以下となり溶融する。それ以後は、スクリュシリンダの温度が制御され固液共存温度に保持される。固液共存状態の合金原料は、スクリュ・シリンダの先端から金型のキャビテイへ射出され、合金成形品が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
加圧鋳造法の１つであるダイカスト法によると、鋳物から巣をある程度除去することができ、品質はある程度向上する。また加圧するので色々な形状の金属成形品を比較的精度良く得ることもきる。さらには加圧鋳造法による成形品も、回収すれば溶解炉で再溶融することができるので、再利用も比較的簡単にできる。しかしながら、射出装置以外に溶解炉、保持炉、給湯装置等を必要とし、設備費が高騰すると共に、溶解炉の放熱量が大きく、多量のエネルギを必要とする欠点もある。また、金属原料は溶解炉で溶解しなければならないので、高温作業となり作業環境が悪い欠点がある。さらには、溶解炉から飛散する溶湯で火傷する危険もある。また、溶解炉があるため装置が大型あるいは工場が大規模にもなる。一方、金属成形品の品質から見ると、ダイカスト法は溶湯の流路に空間が多く、鋳造時にこの空気が金型の成形品部に入り、鋳物に気泡が残ることが多く、充分な機械強度の成形品が得られないことがある。また、適正な湯量の制御例えばプラスマイナス５％以内に制御することは困難で、成形品に適した注湯量を金型に注入できないので、寸法および重量精度も充分ではなく、精密成形ができない現状にある。以上のような理由により、ダイカスト法により、精密成形品の自動車部品、ＯＡ機器用部品、ＦＡ機器用部品、事務機器用部品、電動工具用部品、通信機要部品等を得るには、限界がある。
【０００４】
一方、チキソモールド法によると、射出成形機を使用して固体の合金原料をシリンダ内で固液共存状態に保つことができ、溶解炉を必要としない点は認められる。また、射出成形機により金型へ射出して成形品を得るので、比較的品質の高い金属成形品を得ることはできる。しかしながら、問題点もある。例えば、金属原料は、プラスチックに比較すると熱伝導が高く、金型内でも急速に冷却固化するので、射出速度もプラスチックを射出成形するときに比較して早い速度すなわち５０ｃｍ／ｓ以上の速度で射出することが望ましいが、スクリュは比較的重量があるので、高速で駆動すると、その慣性力も大きくなる。その結果、スクリュの位置の制御が困難になり、金属成形品の重量精度が落ちることがある。また、チップ状の金属原料を溶融し、そしてチキソトロピィ流動性を維持するためにはスクリュシリンダおよびスクリュが軸方向に長くなり、射出成形機が大型化する欠点もある。
【０００５】
本発明は、上記したような従来の金属成形品の成形方法の問題点あるいは欠点を解消した金属成形品の射出成形方法および射出成形装置を提供しようとするもので、具体的には射出装置がコンパクトで安価であり、寸法および重量精度に優れ、さらには、金属成形品を良好な作業環境のもとで、安全に、且つ低コストで成形できる金属成形品の射出成形方法および射出成形装置を提供することも目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、射出シリンダ内で金属原料を溶解し、そして同じ射出シリンダ内で計量し、次いで同じ射出シリンダから射出するように構成される。すなわち、請求項１に記載の発明は、先方端に射出ノズルが設けられている射出シリンダ内に金属原料を供給し、前記射出シリンダ内で、供給された金属原料を前記射出シリンダの外周部に設けられている加熱装置から加える熱により溶解して溶解金属原料を得て、そして前記射出シリンダ内で溶解された溶解金属原料を所定量計量し、次いで計量された溶解金属原料を前記射出シリンダ内に設けられているプランジャで前記射出ノズルから金型のキャビテイに射出して金属成形品を得るように構成される。請求項２に記載の発明は、先方端に射出ノズルが設けられている射出シリンダ内に金属原料を供給し、前記射出シリンダ内で、供給された金属原料を前記射出シリンダの外周部に設けられている加熱装置から加える熱により溶解して溶解金属原料を得て、そして前記射出シリンダ内で溶解された溶解金属原料を所定量攪拌・計量し、次いで計量された溶解金属原料を前記射出シリンダ内に設けられているプランジャで前記射出ノズルから金型のキャビテイに射出して金属成形品を得るように構成され、そして請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の射出成形方法において、溶解金属原料の固相率が０〜７０％であるように構成される。
請求項４に記載の発明は、その先端部に射出ノズルが設けられ、その内部が見掛け上溶解室と計量室とに選定されている射出シリンダと、前記射出シリンダ内の、溶解室と計量室との間に位置し、射出時に前記射出ノズルの方へ駆動されるようになっている射出プランジャと、前記射出プランジャと協働して弁機構を構成している溶湯供給弁と、前記射出シリンダの溶解室の容積を減少させる方へ駆動されるようになっている圧縮プランジャとからなり、前記射出シリンダの外周部には、個々に発熱温度が制御される加熱装置が設けられていると共に、前記射出プランジャと前記溶湯供給弁とで構成される弁機構は、計量時には前記溶解室中の溶解金属原料の前記計量室の方への流れを許容し、射出時には前記計量室中の溶解金属原料の前記溶解室の方への流れを阻止するように構成され、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の射出成形装置において、弁機構は、射出プランジャにその軸方向に形成されている複数個の湯路と、溶湯供給弁に同様にその軸方向に形成されている複数個の湯通路とから構成され、前記複数個の湯路と前記複数個の湯通路とが軸方向に整合すると、射出シリンダの溶解室と計量室は連通状態になり、整合位置からずれると、遮断状態になるように、そして請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の射出成形装置において、射出プランジャに形成されている複数個の湯路は、先方に向かって縮径されたテーパ孔に構成されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明における金属原料とは、融点が７００゜Ｃ以下の金属元素単体もしくはこれらの金属を基にした合金を称する。実際的な例としては例えばアルミニウム、マグネシウム、亜鉛、錫、鉛、ビスマス、テルビウム、テルル、カドミウム、タリウム、アスタチン、ポロニウム、セレン、リチウム、インジウム、ナトリウム、カリウム、ルビジュウム、セシウム、フランシウム、ガリウム等を挙げることできるが、特にアルミニウム、マグネシウム、鉛、亜鉛、ビスマス、錫の単体およびこれらの金属を基にした合金が望ましい。これらの金属原料は、いずれも射出シリンダ内で外部から加える熱で溶融し、そして金型へ射出して成形できる金属元素あるいは合金である。銅の融点は１０８５゜Ｃで７００゜Ｃよりもはるかに高いが、銅合金は例えばろう付け用の銅合金の融点は、７００゜Ｃ以下であり、本発明は銅合金も金属原料の対象としている。
【０００８】
これらの金属原料は、色々な方法で得ることができる。例えばインゴットをチッピングマシンでチップ化して得ることもできる。あるいは、切削マシンで切削して得られる切削粉を利用することもできる。また、水などの冷却媒に溶融金属を滴下して作ることもできる。これらの方法により得られる金属原料は、適度に形状が小さく、粉体とは異なり取扱いが容易で、射出シリンダ内で容易に溶融する。本発明に適用される原料金属の粒径あるいは大きさは、射出シリンダに供給することができる粒径であれあば、格別限定されない。しかしながら、射出シリンダ内での溶融する容易さ、金属原料を得るコスト等を考慮すれば、いずれにしても金属原料の大きさは、好ましくは５ｍｍ以下が望ましい。
【０００９】
次に、本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態の形態に係わる射出成形装置は、図１の（イ）に示されているように、射出シリンダ１を備えている。そして、この射出シリンダ１内に、詳しくは後述するように、先端部から後端部に向かって、射出プランジャ１０、溶湯供給弁２０、圧縮プランジャ３０がこの順序で設けられている。
【００１０】
射出シリンダ１は、全体として筒状をしている。そして、その先端部に開閉弁２を備えた射出ノズル３が設けられ、射出ノズル３と反対側の後端部に駆動装置が設けられている。この駆動装置により、後述するように射出プランジャ１０と圧縮プランジャ３０は、軸方向に駆動され、溶湯供給弁２０は回転方向と軸方向とに駆動されるようになっている。射出シリンダ１には、中間部より駆動装置に寄った位置に金属原料を供給するための開口部４が明けられている。金属原料は、化学的に活性であるので、開口部４の筒部５にはガス供給孔６が開けられ、ガスタンク７から電磁開閉弁８を介して窒素ガス等の不活性ガスがガス供給孔６から射出シリンダ１内へ供給されるようになっている。なお、開口部４の筒部５には、必要に応じて蓋体９が設けられている。このように構成されている射出シリンダ１の外周部には、後端部から先端部にかけて電気ヒータ等からなる複数個の加熱装置、本実施の形態では、第１〜３の加熱装置Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３が設けられ、そして射出ノズル３の外周部には第４のノズル加熱装置Ｋ４が設けられている。これらの加熱装置Ｋ１〜Ｋ４には、図には示されていないが、加熱装置Ｋ１〜Ｋ４に対応して温度センサが取り付けられ、制御装置によりきめ細かに、個々に発熱温度が制御されるようになっている。
【００１１】
射出シリンダ１の内部は、見かけ上射出ノズル３側の先端部が貯蓄室すなわち計量室Ｋ、後端部寄りが溶解室Ｙとなっている。そして、射出シリンダ１の内部には計量室Ｋの方から溶解室Ｙの方へ、この順序で射出プランジャ１０と溶湯供給弁２０と圧縮プランジャ３０とが設けられている。射出プランジャ１０は、先端面１１と後端面１２とを有し、全体として柱状を呈している。そして、図１の（ロ）にも示されているように、軸方向に貫通した複数個の湯路１３、１３、…が設けられている。これらの湯路１３、１３、…は、後端面１２において最大径となり、先端面１１に向かって縮径されたテーパ孔となっている。したがって、溶湯がこれらの湯路１３、１３、…を通って計量室Ｋへ圧送されるとき、固液混合状態の溶湯は、均一に混合されることになる。このような射出プランジャ１０には、一端部が駆動装置に機械的に接続されているロッド１４が固定されている。このロッド１４により射出プランジャ１０は、射出方向に駆動され、また計量位置へ正確に位置決めされる。なお、射出プランジャ１０の外周部には、軸方向に所定の間隔をおいて、射出シリンダ１の内周壁に密接する複数個のピストンリング１５、１５、…が設けられている。
【００１２】
溶湯供給弁２０は、射出プランジャ１０の湯路１３、１３、…と協働して、一種の逆止弁を構成するもので、先端面２１を有し、全体としては円柱状をしている。そして、軸方向に貫通した複数個の湯通路２３、２３、…が設けられている。これらの湯通路２３、２３、…の径は、射出プランジャ１０の、後端面１２における湯路１３、１３、…の最大径と同じ径で、溶湯供給弁２０が第１の位置にあるときは、湯路１３、１３、…とそれぞれ整合して連通し、軸を中心として所定角度回転した第２の位置では、不連通状態となるように構成されている。したがって、溶湯供給弁２０が第２の位置にあり、そして射出プランジャ１０の後端面１２に、その先端面２１が密接すると、湯路１３、１３、…は閉鎖されることになる。このような溶湯供給弁２０には、管状の操作管２４が固定されている。この操作管２４は、射出プランジャ１０のロッド１４を内部に同心的に包むようにして後方へ延び、駆動装置に接続されている。これにより、溶湯供給弁２０は第１の位置と第２の位置とに回転駆動され、また軸方向にも駆動される。なお、溶湯供給弁２０の外周部にも、射出シリンダ１の内周壁に密接するピストンリング２５が同様に設けられている。
【００１３】
圧縮プランジャ３０も全体として円柱状を呈し、その後端面３２に管状の駆動管３４が固定され、この駆動管３４も駆動装置に接続されている。したがって、圧縮プランジャ３０も軸方向に駆動される。なお、圧縮プランジャ３０の外周部にもピストンリングを設けることもできるが、圧縮プランジャ３０には高い圧力は作用しないので、省略することもでき、図には示されていない。
【００１４】
次に、上記射出成形機を使用して金属成形品を成形する例を説明する。なお、本実施の形態に係わる射出成形機も制御装置を備え、加熱装置Ｋ１〜Ｋ４の加熱温度、射出プランジャ１０、溶湯供給弁２０等の駆動、位置決めなどは、自動的に制御されるが、以下説明を簡単にするために、主として手動的に操作する例について説明する。加熱装置Ｋ１〜Ｋ４の個々の発熱温度を制御装置により、金属原料の融点を越える温度に設定する。例えば金属原料が汎用マグネシュム合金であるＡＺ９１Ｄのときは、加熱装置Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３およびＫ４を、それぞれ４５０〜５００°Ｃ、５００〜５８０°Ｃ、５８０〜６００°Ｃ、４８０〜５８０°Ｃに設定する。また、射出プランジャ１０を、射出シリンダ１の計量室Ｋの容積が、後述する金型のキャビテイの容量に相当する位置へ移動させる。このとき、溶湯供給弁２０は第２の位置へ回転させると共に、その先端面２１が射出プランジャ１０の後端面１２に密接するように先方へ駆動する。
【００１５】
そうして、材料供給工程に入る。すなわち、金属原料ＫＧを、筒部５から溶解室Ｙへ供給する。供給している状態は、図２の（イ）に示されている。所定量供給したら、筒部５の開放端を蓋体９で閉鎖すると共に、ガスタンク７から不活性ガスを溶解室Ｙへ供給する。そうして、圧縮プランジャ３０を駆動して、溶解室Ｙの容積を減少させる。金属原料ＫＧは、圧縮され、見掛け上の密度が高くなり、熱伝導も大きくなる。加熱装置Ｋ１〜Ｋ３から加えられる熱により金属原料ＫＧは溶解する。この時の固相率は０〜７０％になるように制御される。金属原料ＫＧが溶解して溶解金属原料ＫＹとなった状態は、図２の（ロ）に示されている。これにより、溶解工程を終わる。なお、溶解が進むにつれて金属原料ＫＧの容積は減少するので、圧縮プランジャ３０を一定の圧力で常時駆動するように実施することもできる。
【００１６】
次いで、計量工程に入る。溶湯供給弁２０を第１の位置へ回転させる。これにより溶湯供給弁２０の湯通路２３、２３、…は、射出プランジャ１０の湯路１３、１３、…と連通状態になる。また、射出ノズル３の開閉弁２を閉じる。そうして、圧縮プランジャ３０を先方へ駆動する。そうすると、溶解室Ｙ中の溶解金属原料ＫＹは、溶湯供給弁２０の湯通路２３、２３、…と、射出プランジャ１０の湯路１３、１３、…とを通って、計量室Ｋへ圧送される。このとき、射出プランジャ１０の湯路１３、１３、…は、先方に向かってテーパ状に縮径されているので、溶解金属原料ＫＹの、液相中の固体は均一に混合される。計量している状態は、図３の（イ）に示されている。
【００１７】
溶湯供給弁２０を第２の位置へ回転させると共に、射出ノズル３の開閉弁２を開く、そうして射出工程にはいる。射出プランジャ１０を射出方向に駆動する。このとき、溶湯供給弁２０の先端面２１が、射出プランジャ１０の後端面１２に密着するように、溶湯供給弁２０も射出方向に駆動する。これにより、計量された溶解金属原料ＫＹが溶解室Ｙの方へ逆流することなく、金型４０、４１のキャビテイ４２へ、スプル４３およびゲート４４を通って射出される。射出されている状態が、図３の（ロ）に示されている。射出された溶解金属原料ＫＹの冷却固化を待って、金型４１を開いて金属成形品例えば自動車部品、ＯＡ機器用部品、ＦＡ機器用部品、事務機器用部品、家電製品用部品、電動工具用部品、通信機用部品等を得るを得る。以下、同様にして成形する。
【００１８】
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、いろいろな形で実施できることは明らかである。例えば、射出プランジャ１０の湯路１３、１３、…は、テーパ状になっているので、前述したように溶解金属原料ＫＹの攪拌効果が得られるが、湯路１３、１３、…がテーパ孔に限定されないことは明らかである。また、溶湯供給弁２０は、射出プランジャ１０と協働して、一種の逆止弁を構成しているが、射出プランジャ１０内に逆止弁を組み込み、必要に応じて、逆止弁を外部から操作して逆止弁の逆止作用を解除するように実施することもできる。また、金属原料ＫＧは、射出シリンダ１内へ供給する前に予熱するように実施することもできる。これにより、溶解室Ｙにおける溶解時間を短縮できる。なお、図２の（ロ）にも示されているように、圧縮プランジャ３０が溶解工程中および射出工程中に射出シリンダ１の開口部４を閉鎖するように構成すると、蓋体９は不要となる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、先方端に射出ノズルが設けられている射出シリンダ内に金属原料を供給し、前記射出シリンダ内で、供給された金属原料を前記射出シリンダの外周部に設けられている加熱装置から加える熱により溶解して溶解金属原料を得て、そして前記射出シリンダ内で溶解された溶解金属原料を所定量計量し、次いで計量された溶解金属原料を前記射出シリンダ内に設けられているプランジャで前記射出ノズルから金型のキャビテイに射出して金属成形品を得るように構成されているので、すなわち射出シリンダ内で溶解し、そして同じ射出シリンダ内で計量し、次いで同じ射出シリンダから射出するので、ダイカストマシーンのように溶解炉のような付属機器を必要としない。また、射出シリンダの外周部に設けられている加熱装置から加えられる熱で溶解するので、従来の射出成形機のようにスクリュも必要としない。したがって、本発明によると、コンパクトな射出成形機を提供できるという、本発明に特有な効果が得られる。また、本発明によると、スクリュに比較して一般に軽量なプランジャで射出するので、プランジャの慣性力は小さく、したがって高速で射出してもプランジャの位置の制御は容易で、重量精度に優れた金属成形品を得ることができる。また、本発明によると、溶解金属原料はプランジャで射出されるので、ダイカストのように空間の多い湯路がなく、したがって成形品に気泡が残ることがなく、充分な機械強度の成形品が得られる。さらには、射出シリンダ内で溶解するので、溶解炉から飛散する溶湯で火傷する危険もなく、良好な作業環境で高い品質の金属成形品を得ることもできる。また、他の発明によると、溶解金属原料を計量するときに攪拌もされるので、均一な半溶解状態の金属原料を得ることができ、したがって高品質の金属成形品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる射出成形機を示す図で、その（イ）は全体を示す断面図、その（ロ）は射出プランジャと溶湯供給弁と示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係わる射出成形機を使用した成形工程を示す図で、その（イ）は金属原料供給工程を示す断面図、その（ロ）は溶解工程を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係わる射出成形機を使用した他の成形工程を示す図で、その（イ）は計量工程を示す断面図、その（ロ）は射出工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１射出シリンダ３射出ノズル
１０射出プランジャ１３湯路
２０溶湯供給弁２３湯通路
３０圧縮プランジャ
Ｋ計量室Ｙ溶解室
Ｋ１〜Ｋ４加熱装置

Claims

先方端に射出ノズルが設けられている射出シリンダ内に金属原料を供給し、前記射出シリンダ内で、供給された金属原料を前記射出シリンダの外周部に設けられている加熱装置から加える熱により溶解して溶解金属原料を得て、そして前記射出シリンダ内で溶解された溶解金属原料を所定量計量し、次いで計量された溶解金属原料を前記射出シリンダ内に設けられているプランジャで前記射出ノズルから金型のキャビテイに射出して金属成形品を得る、ことを特徴とする金属成形品の射出成形方法。
先方端に射出ノズルが設けられている射出シリンダ内に金属原料を供給し、前記射出シリンダ内で、供給された金属原料を前記射出シリンダの外周部に設けられている加熱装置から加える熱により溶解して溶解金属原料を得て、そして前記射出シリンダ内で溶解された溶解金属原料を所定量攪拌・計量し、次いで計量された溶解金属原料を前記射出シリンダ内に設けられているプランジャで前記射出ノズルから金型のキャビテイに射出して金属成形品を得る、ことを特徴とする金属成形品の射出成形方法。
請求項１または２に記載の射出成形方法において、溶解金属原料の固相率が０〜７０％である金属成形品の射出成形方法。
その先端部に射出ノズルが設けられ、その内部が見掛け上溶解室と計量室とに選定されている射出シリンダと、前記射出シリンダ内の、溶解室と計量室との間に位置し、射出時に前記射出ノズルの方へ駆動されるようになっている射出プランジャと、前記射出プランジャと協働して弁機構を構成している溶湯供給弁と、前記射出シリンダの溶解室の容積を減少させる方へ駆動されるようになっている圧縮プランジャとからなり、
前記射出シリンダの外周部には、個々に発熱温度が制御される加熱装置が設けられていると共に、前記射出プランジャと前記溶湯供給弁とで構成される弁機構は、計量時には前記溶解室中の溶解金属原料の前記計量室の方への流れを許容し、射出時には前記計量室中の溶解金属原料の前記溶解室の方への流れを阻止するように構成されていることを特徴とする金属成形品の射出成形装置。
請求項４に記載の射出成形装置において、弁機構は、射出プランジャにその軸方向に形成されている複数個の湯路と、溶湯供給弁に同様にその軸方向に形成されている複数個の湯通路とから構成され、前記複数個の湯路と前記複数個の湯通路とが軸方向に整合すると、射出シリンダの溶解室と計量室は連通状態になり、整合位置からずれると、遮断状態になる金属成形品の射出成形装置。
請求項５に記載の射出成形装置において、射出プランジャに形成されている複数個の湯路は、先方に向かって縮径されたテーパ孔になっている金属成形品の射出成形装置。