JP4359826B2 - 金属材料成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造型に金属材料を注入して成形する金属材料成形装置に関する。

図５に示したように、溶解炉１０１内で溶融した金属材料１０２を、ヒシャク１０３によって、鋳造型１０４のキャビティ１０４ａに流し込んで成形する成形装置が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術による成形装置においては、製造が容易で製造コストも少ない砂型が使用できるという反面、ヒシャク１０３にて金属材料１０２の鋳造型１０４への流し込みを行う必要があり、作業性が悪く、また、鋳造型１０４に流し込む金属材料１０２の量がばらつくため、鋳造型１０４から余分な金属材料１０２が溢れることもあった。特に、成形に使用する金属材料１０２がマグネシウム等の可燃性材料である場合、着火防止のために、溶解炉１０１内に温室効果のあるＳＦ６等の防燃ガス１０５を導入しなければならず、環境上の課題をも含んだものであった。
特開平１１−７７２７８号公報（第１図）

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、鋳造型へ注入する金属材料の量がばらつくことなく、また、成形作業性が良く、環境にもよい金属材料成形装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、内部にピストンが配置されたシリンダ内に、射出量に応じた所定量の金属材料を投入して加熱することにより溶融させた後、前記ピストンを前進させることによって溶融した金属材料を高圧で射出する射出成形機と、その内部の空間に前記射出成形機から射出された金属材料が移送されて保持するとともに、下端部に備えられたドレン孔を介して溶融した金属材料を落下させ、下方に配置された鋳造型に流入させる保持部と、を備え、前記射出成形機は前記シリンダ内の金属材料を完全に溶融する温度よりも低い温度で加熱し、前記ピストンはその外周部にスクリューが形成されるとともに、回転して前記シリンダ内の金属材料を攪拌することにより、前記金属材料を半溶融状態で射出するものであって、前記射出成形機を備える固定部材と、前記固定部材とは分割して構成されるとともに、前記固定部材に対して接近ないし離間方向に移動可能に構成された可動部材とを有し、前記固定部材は、前記射出成形機から射出された前記金属材料を前記保持部側へ導く射出経路を備え、前記射出経路の途上には第１の加熱部が設けられ、当該射出経路の途上は、前記金属材料を半溶融状態にて維持できる温度に設定されるとともに、前記射出経路の出口付近には第２の加熱部が設けられ、当該射出経路の出口付近は、前記金属材料を前記保持部側へ射出させない非射出時には、前記金属材料を半溶融状態にて維持できる温度よりも低い温度に設定され、前記金属材料を前記保持部側へ射出させる射出時には、前記金属材料のうち外周部を溶融させることが可能な温度に設定されるものとされ、前記可動部材には、当該可動部材に対して摺動可能に備えられるとともに、前記固定部材側に突出可能とされた押出ピンが設けられ、前記押出ピンは、その先端部がクランク状に構成され、当該先端部にて、前記射出時に前記射出経路の出口から噴出される前記金属材料の凝固物を付着可能となっており、前記固定部材に対して前記可動部材が離間した場合に、前記押出ピンの先端に付着した前記凝固物が回収されることを特徴とする金属材料成形装置とした。

請求項２の発明は、前記非射出時には、前記射出経路の出口付近において、前記金属材料が凝固されてなる金属凝固栓が形成され、当該金属凝固栓が前記出口を封止していることを特徴とする請求項１記載の金属材料成形装置とした。

請求項３の発明は、前記金属材料はマグネシウムであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の金属材料成形装置とした。

請求項４の発明は、前記鋳造型を水平方向に移動させる鋳造型移動機構を備え、前記鋳造型移動機構は並べられた複数の前記鋳造型を、前記射出成形機が金属材料を射出するたびに、順次１つずつ前記保持部の下方に入れ換えて配置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の金属材料成形装置とした。

＜請求項１の発明＞
ピストンを前進させることによって半溶融状態の金属材料を高圧で射出する射出成形機を備えていることにより、ピストンのストロークを精度よく管理することで、鋳造型に注入する金属材料を正確に計量でき、鋳造型から金属材料が溢れることがない。また、ヒシャク等を必要とすることなく注入の作業性もよい。更に、射出成形機から射出された金属材料を保持する保持部を備えていることにより、保持部がクッションとなって、鋳造型が射出時の高圧の金属材料を直接に受けることがないため、鋳造型に製作の容易な砂型等を使用でき、鋳造コストを低減できる。また、シリンダ内の金属材料を完全に溶融する温度よりも低い温度で加熱し、外周部にスクリューが形成されたピストンが、回転してシリンダ内の金属材料を攪拌して、半溶融状態で射出することにより、鋳造型内に注入された金属材料が凝固する前後の温度差を小さくできるため、成形品におけるひけの発生が低減される。

＜請求項２の発明＞
金属凝固栓により出口の封止が可能となる。

＜請求項３の発明＞
金属材料にマグネシウムを使用しても、シリンダ内に投入される金属材料の量が限られているため、温室効果のある防燃ガスを使用する必要がなく環境によい。

＜請求項４の発明＞
鋳造型を水平方向に移動させることにより、射出成形機が金属材料を射出するたびに、複数の鋳造型を順次１つずつ保持部の下方に入れ換えて配置する鋳造型移動機構を備えているため、成形作業性がよく、成形タクトを短くすることができる。

本発明による実施形態について、図１乃至図４に基づいて説明する。図１乃至図４においては、左方を前方とする。図１において、本実施形態による金属材料成形装置１は、マグネシウムを材料として成形工程を行うもので、射出成形機１０、保持部３０、鋳造型４０および移動装置５０とにより構成されている。移動装置５０は、構造部材である上下２本づつ設けられたタイバ５１と、タイバ５１の後端部（図１の右端部）に固定された固定側プラテン５２と、固定側プラテン５２の前方に、図示しないプラテン移動装置により、タイバ５１上を前後方向に移動可能に配設された可動側プラテン５３とを備えている。

半溶融状態にある金属材料を射出する、いわゆるチクソ成形を行う射出成形機１０は、固定側プラテン５２の側面に形成された窪み状の取付部５２ａ内に臨むように取り付けられたシリンダボデー１１と、固定側プラテン５２のシリンダボデー１１が取り付けられた側と反対側の側面に、支持プレート５４を介して固定された固定給湯型１６とを備えている。シリンダボデー１１には、その内部にシリンダ１１ａが形成され、シリンダ１１ａ内には前後方向に移動可能なピストン１２が配設され、その前端部とシリンダ１１ａとの間には溶融室１１ｂが形成されている。

ピストン１２の外周面には、スクリュー（螺旋溝）１２ａが形成されており、ピストン１２は図示しないピストン駆動装置に接続され、これによって、上述したように前後に移動可能にされているとともに、シリンダ１１ａ内で回転可能とされている。シリンダボデー１１の後方上端部には、マグネシウムチップを投入するホッパー１３が立設されており、ホッパー１３の内部はシリンダボデー１１に形成された供給孔１１ｃを介して、シリンダ１１ａに連通している。シリンダボデー１１の先端部には、射出口１４が固着されており、射出口１４の先端部は支持プレート５４に当接している。

シリンダボデー１１、射出口１４、支持プレート５４および固定給湯型１６の内部には、シリンダ１１ａに連通して、これらの間を貫通する射出経路ＩＲが形成され、射出経路ＩＲの先端部には、固定給湯型１６の前端面に開口するノズルＮＺが形成されている。シリンダボデー１１には、シリンダ１１ａ内のマグネシウムを加熱するための複数のヒーター１５ａが取り付けられ、射出口１４にも同様に、射出経路ＩＲ内の金属材料を加熱するための複数のヒーター１５ｂが取り付けられている。更に、固定給湯型１６の内部には、射出経路ＩＲおよびノズルＮＺをそれぞれ加熱するホットランナー１７および１８が配設されている。また、それぞれ図示しない熱電対によって、常にヒーター１５ａ、１５ｂおよびホットランナー１７、１８の加熱対象の温度が測定され、それらを所定の温度に管理するために、ヒーター１５ａ、１５ｂおよびホットランナー１７、１８が制御されている。

可動側プラテン５３には支持プレート５５を介して、射出成形機１０を構成する可動給湯型１９が固定され、これにより、固定給湯型１６の前端面を閉じるように、可動給湯型１９が前後方向に移動可能に配設される。可動給湯型１９の固定給湯型１６との対向面には、溶融金属導入路１９ａが形成されている。また、可動給湯型１９の内部には、溶融金属導入路１９ａに連通するようにピン移動孔１９ｂが形成され、更に、ピン移動孔１９ｂに連結するように、大径のスライド孔１９ｃが、可動給湯型１９の支持プレート５５への装着面に開口するように形成されている。

押出しピン２０は、その図１における左端部が、図示しないスライド機構に連結されるとともに、その大径部２０ａが可動給湯型１９のスライド孔１９ｃ内に摺動可能に配設され、また、押出しピン２０の小径の押出し部２０ｂがピン移動孔１９ｂ内に移動可能に嵌合している。また、押出しピン２０の先端部はクランク状に形成されており、固定給湯型１６側から噴出されるマグネシウム凝固栓ＰＳ（後述する）を付着させて回収するプラグキャッチャー２０ｃとして構成されている。スライド機構により、押出しピン２０が図１において右方に移動させられることにより、プラグキャッチャー２０ｃは、可動給湯型１９の後端面から突出することができる。

更に、可動給湯型１９の内部には、上下方向に貫通するガス通路１９ｄが形成されており、可動給湯型１９の上端部にはガス通路１９ｄに接続されるように、ガスチューブ２１の一端が取り付けられ、ガスチューブ２１の他端は開閉バルブ２２を介して、アルゴンガスを含んだ図示しないガスボンベに接続されている。ガス通路１９ｄは可動給湯型１９の下端面に開口し、溶融したマグネシウムＭＧが空気に触れて酸化しないように、後述する保持部３０に向けてアルゴンガスを供給可能としている。アルゴンガスは温室効果を備えていないため、環境に対して問題がない。

可動給湯型１９の下方に配設された保持部３０は、固定給湯型１６の下端面と連結された保持ボデー３１を備えており、保持ボデー３１の内部には、上方に位置する溶融金属導入路１９ａに向けて大きく開口した空間である溶融金属受け３１ａが形成され、溶融金属受け３１ａの底部には下方に延びたドレン孔３１ｂが設けられており、溶融金属受け３１ａ内に導入された溶融したマグネシウムＭＧを、鋳造型４０に流入させることが可能に構成されている。保持ボデー３１は、金属あるいは耐熱性合成樹脂、またはセラミックス等によって形成され、耐熱性を備えるとともに、射出された高圧のマグネシウムに耐え得る強度を備えている。

保持ボデー３１の下方部には、回転させてドレン孔３１ｂへの突出量を調整し、ドレン孔３１ｂの流路面積を変えることにより、鋳造型４０に流れ込む溶融マグネシウムＭＧの速さを調整可能な流路調整スクリュー３２が設けられている。また、保持ボデー３１の外周面には、溶融金属受け３１ａに導入された溶融マグネシウムＭＧを加熱する複数のヒーター３３が取り付けられている。尚、溶融金属導入路１９ａ、溶融金属受け３１ａおよびドレン孔３１ｂ等には、マグネシウムの付着防止のため、その表面にコーティング剤が塗布されている。

鋳造型４０は、図２に示すように、互いに対向した一対のベルト５７で構成されたコンベア５６（本発明の鋳造型移動機構に該当する）上に載置される下型４１と、下型４１上に配置された上型４２とを備えており、上型４２、下型４１とも砂型あるいは石膏型にて形成され、双方の型の間に図示しないキャビティが形成される。上型４２の上端面には溶融金属流入部４３が設けられ、その内部には流入孔４３ａが形成され、溶融金属受け３１ａ内に保持されていた溶融マグネシウムＭＧが、流入孔４３ａを介して鋳造型４０の内部へ流入する。

図２に示すように、コンベア５６上には複数の鋳造型４０が並置されており、後述するように成形工程の際に、図示しないコンベア駆動装置により、コンベア５６が図２において下方に移動されることにより、射出成形機１０が溶融マグネシウムＭＧを射出するたびに、鋳造型４０を水平方向に移動させて、順次１つずつ保持部３０の下方に入れ換えて配置する。

次に、図３および図４に基づいて、成形工程における金属材料成形装置１の作動方法について説明する。図３および図４においては、固定給湯型１６、可動給湯型１９、保持部３０およびこれらに付随する構成のみ示す。最初に、図３（Ａ）は先回の成形工程が完了した状態を示している。図３（Ａ）において、固定給湯型１６と可動給湯型１９は互いに閉じられており、固定給湯型１６の射出経路ＩＲ内には、溶融室１１ｂ中で溶融されたマグネシウムＭＧが収容されている。また、ピストン１２は、シリンダ１１ａ内において、最も後退した初期位置（図１において右方）にある。

シリンダ１１ａ内のマグネシウムチップは、ヒーター１５ａによりマグネシウムの液相線温度（金属材料が完全に溶融して液体となる温度）よりも低い温度になるように加熱されるとともに、スクリュー１２ａを有するピストン１２が回転することにより攪拌されて、溶融室１１ｂ内で半溶融状態となっている。また、射出経路ＩＲ内のマグネシウムＭＧも、ヒーター１５ｂおよびホットランナー１７によって所定の加熱状態にされ、半溶融状態に維持されている。しかしながら、ホットランナー１８は、マグネシウムが凝固する温度よりも低い温度状態になるように制御されていることにより、固定給湯型１６のノズルＮＺ内は、マグネシウムが凝固して形成されたマグネシウム凝固栓ＰＳにより封止されており、ノズルＮＺから半溶融した状態のマグネシウムＭＧが噴出されることはない。

図３（Ａ）に示した状態においては、先回の成形工程が完了しているため、保持部３０の溶融金属受け３１ａ内には、マグネシウムＭＧは存在しない。従って、開閉バルブ２２が閉状態とされて、溶融金属受け３１ａ内にはアルゴンガスは導入されていない。また、この状態において、押出しピン２０は、図３において最も左方に位置している。

次に、ピストン１２をピストン駆動装置によって、（図１において左方に）前進させることにより、溶融室１１ｂおよび射出経路ＩＲ内の半溶融状態のマグネシウムＭＧの圧力を上昇させるのであるが、同時にホットランナー１８を所定の温度に昇温させることにより、ノズルＮＺを封止していたマグネシウム凝固栓ＰＳの外周部を溶融させてノズルＮＺに対する固着状態を解除し、射出経路ＩＲ内のマグネシウムＭＧの圧力でプラグキャッチヤー２０ｃへと噴出させる（図３（Ｂ）示）。

マグネシウム凝固栓ＰＳが、射出経路ＩＲ内のマグネシウムの圧力でノズルＮＺから飛ばされて、クランク形状のプラグキャッチャー２０ｃおよび可動給湯型１９のピン移動孔１９ｂに付着することにより、射出経路ＩＲ内の半溶融状態のマグネシウムＭＧがノズルＮＺから射出可能となり、ピストン１２の前進により、ノズルＮＺから高圧で射出されたマグネシウムＭＧは、溶融金属導入路１９ａを介して溶融金属受け３１ａ内に移送される。マグネシウムＭＧは溶融金属受け３１ａ内で、一旦、ヒーター３３によって加熱されながら、僅かな時間の間保持された後、ドレン孔３１ｂを介して落下して、鋳造型４０へと流入（重力鋳造）する。半溶融状態のマグネシウムＭＧが射出される時、ピストン駆動装置により、ピストン１２の初期位置からの移動ストロークを正確に制御することで、射出成形機１０が１回に射出するマグネシウムＭＧの量が正確に計量される。

ノズルＮＺから半溶融状態のマグネシウムＭＧを射出する時、開閉バルブ２２を開状態にして、溶融金属受け３１ａ内にガスボンベからガスチューブ２１およびガス通路１９ｄを介してアルゴンガスを導入する。また、プラグキャッチャー２０ｃに付着したマグネシウム凝固栓ＰＳは、空気中の酸素と反応してマグネシウム酸化物ＭＯへと変化する。

保持部３０から鋳造型４０へのマグネシウムＭＧの流入が完了すると、次に、図３（Ｃ）に示すように、ホットランナー１８を再び降温させることにより、ノズルＮＺにマグネシウム凝固栓ＰＳを再び形成させて、マグネシウムＭＧが射出されることを防ぐ。また、開閉バルブ２２が再び閉状態とされて、溶融金属受け３１ａへのアルゴンガスの供給が停止される。

更に、コンベア５６をコンベア移動装置により、図２において下方に作動させて、マグネシウムＭＧが流入された鋳造型４０が保持部３０の下方外へ移動させられるとともに、新たな鋳造型４０が保持部３０の下方に配置される。その後、コンベア５６上にあるマグネシウムが流入した鋳造型４０（図２において下端に位置する）は取り払われ、コンベア５６上には新たな鋳造型４０が（図２において上端に）補充される。

一方、ホッパー１３には、１回分の射出量の溶融マグネシウムＭＧを生成するだけの量のマグネシウムチップが投入された後、ピストン駆動装置により、最も前方位置にあるピストン１２を、マグネシウムチップがスクリュー１２ａ中を前方（図１において左方）に移動する向きに回転させながら、ピストン１２全体を初期位置へと後退させる。このように、ピストン１２がシリンダ１１ａ内を加熱しながら攪拌することにより、次回に射出する半溶融のマグネシウムＭＧを形成する。

その後、プラテン移動装置により、固定側プラテン５２に対して可動側プラテン５３を移動させて、図４（Ｄ）に示すように、可動給湯型１９を固定給湯型１６に対して、図４において左方に移動させることにより、互いに型を開いた後、図４（Ｅ）に示すように、スライド機構により、押出しピン２０を図４において右方に移動させ、可動給湯型１９のピン移動孔１９ｂに固着したマグネシウム酸化物ＭＯを押動して、可動給湯型１９から押出し、保持部３０の溶融金属受け３１ａ内に入らないように排出する。その後、固定側プラテン５２に対して可動側プラテン５３を移動させて、可動給湯型１９と固定給湯型１６とを互いに閉じることにより、再び図３（Ａ）の状態とする。

本実施形態によれば、ピストン１２を前進させることによってマグネシウムを高圧で射出する射出成形機１０を備えていることにより、ピストン１２のストロークを精度よく管理することで、鋳造型４０に注入するマグネシウムを正確に計量でき、鋳造型４０からマグネシウムが溢れることがない。また、ヒシャク等を必要とすることなく注入の作業性もよい。また、射出成形機１０から射出されたマグネシウムを溜めて、一旦、保持する保持部３０を備えていることにより、保持部３０がクッションとなって、鋳造型１０が射出時の高圧のマグネシウムを直接に受けることがないため、鋳造型４０に製作の容易な砂型あるいは石膏型を使用でき、鋳造コストを低減できる。

また、マグネシウムを半溶融状態で射出することにより、鋳造型４０内に注入されたマグネシウムが凝固する前後の温度差が小さいため、成形品におけるひけの発生が低減される。更に、シリンダ１１ａ内に投入されるマグネシウムの量が所定量に限られているため、温室効果のある防燃ガスを使用する必要がなく環境によい。また、鋳造型４０を水平方向に移動させることにより、射出成形機１０がマグネシウムを射出するたびに、複数の鋳造型４０を順次１つずつ保持部３０の下方に入れ換えて配置するコンベア５６を備えているため、成形作業性がよく、成形タクトを短くすることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上述した記載および図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、以下の記載以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）射出成形機は、金属材料を完全に溶融する温度以上に加熱して、完全溶融状態で射出するようにしてもよい。
（２）本発明は、アルミニウム等のマグネシウム以外の金属材料の射出成形装置に適用してもよい。
（３）射出成形機のシリンダ内に１回に投入される金属材料は、必ずしも１回に射出する量に対応する量でなければならないわけではなく、成形工程に応じて適宜変更することは可能である。

本実施形態による金属材料成形装置の全体図である。 図１の固定給湯型、可動給湯型および保持部を取り除いた場合の平面図である。 図１に示した金属材料成形装置の作動方法を示し、溶融した金属を射出する以前の状態を示す図（Ａ）、射出している状態を示す図（Ｂ）および射出を完了した状態を示す図（Ｃ）である。 図３に示した金属材料成形装置の作動方法に続いて、給湯型を互いに開いた状態を示す図（Ｄ）およびマグネシウム酸化物を排出した状態を示す図（Ｅ）である。 従来技術による金属材料成形装置を説明する図である。

符号の説明

１…金属材料成形装置
１０…射出成形機
１１ａ…シリンダ
１２…ピストン
１２ａ…スクリュー
１５ａ、１５ｂ、３３…ヒーター
１７、１８…ホットランナー
３０…保持部
３１ａ…溶融金属受け
３１ｂ…ドレン孔
４０…鋳造型
５６…コンベア
ＭＧ…半溶融状態のマグネシウム

Claims (4)

1. 内部にピストンが配置されたシリンダ内に、射出量に応じた所定量の金属材料を投入して加熱することにより溶融させた後、前記ピストンを前進させることによって溶融した金属材料を高圧で射出する射出成形機と、
   その内部の空間に前記射出成形機から射出された金属材料が移送されて保持するとともに、下端部に備えられたドレン孔を介して溶融した金属材料を落下させ、下方に配置された鋳造型に流入させる保持部と、を備え、
   前記射出成形機は前記シリンダ内の金属材料を完全に溶融する温度よりも低い温度で加熱し、前記ピストンはその外周部にスクリューが形成されるとともに、回転して前記シリンダ内の金属材料を攪拌することにより、前記金属材料を半溶融状態で射出するものであって、
   前記射出成形機を備える固定部材と、前記固定部材とは分割して構成されるとともに、前記固定部材に対して接近ないし離間方向に移動可能に構成された可動部材とを有し、
   前記固定部材は、前記射出成形機から射出された前記金属材料を前記保持部側へ導く射出経路を備え、
   前記射出経路の途上には第１の加熱部が設けられ、当該射出経路の途上は、前記金属材料を半溶融状態にて維持できる温度に設定されるとともに、
   前記射出経路の出口付近には第２の加熱部が設けられ、当該射出経路の出口付近は、前記金属材料を前記保持部側へ射出させない非射出時には、前記金属材料を半溶融状態にて維持できる温度よりも低い温度に設定され、前記金属材料を前記保持部側へ射出させる射出時には、前記金属材料のうち外周部を溶融させることが可能な温度に設定されるものとされ、
   前記可動部材には、当該可動部材に対して摺動可能に備えられるとともに、前記固定部材側に突出可能とされた押出ピンが設けられ、
   前記押出ピンは、その先端部がクランク状に構成され、当該先端部にて、前記射出時に前記射出経路の出口から噴出される前記金属材料の凝固物を付着可能となっており、
   前記固定部材に対して前記可動部材が離間した場合に、前記押出ピンの先端に付着した前記凝固物が回収されることを特徴とする金属材料成形装置。
2. 前記非射出時には、前記射出経路の出口付近において、前記金属材料が凝固されてなる金属凝固栓が形成され、当該金属凝固栓が前記出口を封止していることを特徴とする請求項１に記載の金属材料成形装置。
3. 前記金属材料はマグネシウムであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の金属材料成形装置。
4. 前記鋳造型を水平方向に移動させる鋳造型移動機構を備え、前記鋳造型移動機構は並べられた複数の前記鋳造型を、前記射出成形機が金属材料を射出するたびに、順次１つずつ前記保持部の下方に入れ換えて配置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の金属材料成形装置。

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