JPWO2004035285A1 - 金型装置及びその製造方法、成形方法、成形品並びに成形機 - Google Patents
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Abstract
Description
前記射出成形機は金型装置、型締装置及び射出装置から成り、前記金型装置は、固定金型及び可動金型を備え、前記型締装置は、固定プラテン、可動プラテン、型締用モータ等を備え、該型締用モータを駆動し、固定プラテンに対して可動プラテンを進退させ、固定金型に対して可動金型を進退させることによって前記金型装置の型閉じ、型締め及び型開きの型開閉が行われる。
一方、前記射出装置は、ホッパから供給された樹脂を加熱して溶融させる前記加熱シリンダ、溶融させられた樹脂を射出する射出ノズル等を備え、前記加熱シリンダ内に射出部材としてのスクリューが進退自在に、かつ、回転自在に配設される。そして、該スクリューを、射出工程時に射出用モータを駆動することによって前進させることにより射出ノズルから樹脂が射出され、計量工程時に計量用モータを駆動することによって回転させ、それに伴って後退させることにより樹脂の計量が行われる。
ところで、成形品の品質を向上させるために、キャビティ空間に充填された樹脂を圧縮するようにした射出成形機、すなわち、圧縮成形機においては、可動金型を前進させて型閉じを行い、キャビティ空間を形成し、樹脂がキャビティ空間に充填された後、可動金型を更に前進させて型締めを行い、キャビティ空間内の樹脂を圧縮することができるようになっている。そして、樹脂がキャビティ空間に充填される際にキャビティ空間から樹脂が漏れないように、堰(せき)部材が配設される。
第1図は従来の圧縮成形機の要部を示す断面図である。
図において、11は射出装置、12は加熱シリンダ、13は該加熱シリンダ12の前端(図において左端)に配設された射出ノズル、14は金型装置、15は図示されない固定プラテンに取り付けられた固定金型、16は図示されない可動プラテンに取り付けられた可動金型、17は前記固定金型15に形成されたキャビティ、18は、前記可動金型16に、前記キャビティ17に向けて突出させて形成されたコアである。
図示されない型締装置によって前記可動プラテンを進退させ、可動金型16を進退(図において左右方向に移動)させることによって、前記金型装置14の型閉じ、型締め及び型開きの型開閉を行うことができる。そして、型閉じが行われると、前記固定金型15と可動金型16との間に、前記キャビティ17、コア18及び環状の堰部材22によってキャビティ空間Cが形成される。前記固定金型15には、キャビティ空間Cと連通させてスプルー19が形成される。
また、前記固定金型15の周縁部における可動金型16と対向する面には、環状の溝21が形成され、該溝21内にキャビティ空間Cの外周縁を画成する前記堰部材22が進退自在に配設され、前記溝21内に収容された付勢部材としてのスプリング23によって、前記堰部材22は、可動金型16側に向けて付勢される。なお、前記堰部材22が溝21内から完全に抜け出ないように、前記溝21には、堰部材22を係止するための図示されないストッパが形成される。一方、前記可動金型16の外周縁部における固定金型15と対向する面には、前記堰部材22の前端面(図において左端面)を受けるための環状の当接部26が形成されるとともに、該当接部26の外周縁に段部25が形成され、該段部25より径方向外方に、所定の量だけ固定金型15側に突出させられた環状の突出部29が形成される。
前記構成の圧縮成形機において、初期状態で前記堰部材22は所定の量だけ固定金型15の前端面から突出させられている。そして、型締用モータを駆動することによって可動金型16を前進(図において右方向に移動)させ、図に示されるように型閉じを行うと、最初に堰部材22の前端面が当接部26に当接させられ、キャビティ空間Cが形成される。さらに、可動金型16を所定の量だけ前進させると、堰部材22は、前記可動金型16が前進させられた量だけスプリング23の付勢力に抗して後退(図において右方向に移動)させられ、溝21内に進入させられ、前記スプリング23の付勢力によって当接部26に更に押し付けられる。
続いて、前記射出ノズル13から図示されない樹脂が射出されると、樹脂はスプルー19を通り、キャビティ空間Cに充填される。このとき、堰部材22は前記付勢力によって当接部26に押し付けられているので、樹脂がキャビティ空間Cから漏れ出すことはない。
次に、前記可動金型16を更に前進させて型締めを行うと、堰部材22が更に後退させられる。これに伴って、コア18がキャビティ17に向けて前進させられ、突出部29が固定金型15の前端面と当接させられ、キャビティ空間C内の樹脂が圧縮される。その後、キャビティ空間C内の樹脂は冷却されて成形品になる。
続いて、前記可動金型16を後退(図において左方向に移動)させて型開きを行うと、成形品が可動金型16に付着した状態で可動金型16と共に後退させられる。そして、可動金型16内に配設された図示されないエジェクタピンを前進させることによって前記成形品を突き出すと、該成形品は、可動金型16から離型させられ、金型装置14から取り出される。
なお、型開きが行われるのに伴って、溝21内に進入していた堰部材22は前進(図において左方向に移動)させられ、初期状態と同じ量だけ固定金型15の前端面から突出させられる。
しかしながら、前記従来の金型装置14においては、型開閉を行うのに伴って堰部材22が固定金型15に対して進退させられ、溝21内に進入させられたり、溝21から突出させられたりする。
したがって、溝21の内周面と堰部材22の外周面とが摺(しゅう)動させられ、繰り返し金型装置14を使用していると、溝21の内周面及び堰部材22の外周面から成る摺動面が摩耗してしまい、金型装置14の耐久性が低下してしまう。
そこで、摺動面を備えた溝21及び堰部材22の母材に対してめっき、蒸着等の被覆処理を行うことによって、前記摺動面に耐摩耗性の被覆層を形成し、摺動面が摩耗するのを抑制するようにしている。
ところが、めっき、蒸着等の被覆処理を行う場合、各母材に対してあらかじめ超音波洗浄、マスキング等の処理を行い、めっき、蒸着等を行い、その後、被覆層の表面を洗浄する必要がある。したがって、工数が多くなるだけでなく、被覆材料の母材への単位時間における付着量が極めて少ないので、被覆層を形成するのに必要な時間が極めて長くなる。その結果、金型装置14のコストが高くなってしまう。
また、めっき、蒸着等の被覆処理によって形成される被覆層は薄いので、母材の状態による影響を受けやすく、例えば、母材が熱膨張したときに、被覆層が剥(は)がれたり、被覆層に歪(ひず)みが発生したりしてしまう。したがって、金型装置14の耐久性が低下してしまう。
本発明は、前記従来の金型装置の問題点を解決して、金型装置の耐久性を向上させることができ、金型装置のコストを低くすることができる金型装置及びその製造方法、成形方法、成形品並びに成形機を提供することを目的とする。
そして、該第1、第2の金型のうちの少なくとも一方の金型は所定の厚さの焼結部を備える。
この場合、第1、第2の金型のうちの少なくとも一方の金型に所定の厚さの焼結部が形成されるので、金型装置を繰り返し使用したときに、摺動面が摩耗するのを防止することができ、金型装置の耐久性を向上させることができる。
また、めっき、蒸着等の被覆処理を行う必要がないので、金型装置を製造するための作業を簡素化することができるだけでなく、金型装置を製造するのに必要な時間を短くすることができる。したがって、金型装置のコストを低くすることができる。
本発明の他の金型装置においては、さらに、前記焼結部は少なくとも摺動面に形成される。
本発明の更に他の金型装置においては、さらに、前記焼結部は、少なくとも基部と入れ子との接触面に形成される。
本発明の更に他の金型装置においては、さらに、前記焼結部は、焼結粉末を焼結することによって形成され、第1の材料から成る基層、及び第2の材料から成る最外層を備える。
本発明の更に他の金型装置においては、さらに、前記第1、第2の材料は、互いに異なる特性を有する。
本発明の更に他の金型装置においては、さらに、前記第2の材料は耐摩耗性の高い材料である。
本発明の更に他の金型装置においては、さらに、前記基層と最外層との間に、第1、第2の材料を所定の含有率で含有する材料から成る中間層が形成される。
本発明の更に他の金型装置においては、さらに、前記中間層において基層側から最外層まで、第1、第2の材料の含有率が変化させられる。
本発明の更に他の金型装置においては、さらに、前記摺動面は互いに異なる特性を有する材料によって形成された第1、第2の摺動面から成る。
本発明の金型装置の製造方法においては、基層を構成する粉末、及び最外層を構成し、耐摩耗性の材料から成る粉末を放電プラズマ焼結によって焼結することにより金型装置を形成する。
本発明の成形方法においては、可動金型を固定金型に向けて前進させることによって、可動金型及び固定金型のうちの少なくとも一方の金型に形成された焼結部を他方の金型に対して摺動させ、前記可動金型と固定金型との間に、成形材料を充填するためのキャビティ空間を形成する工程と、前記キャビティ空間に成形材料を充填する工程と、前記キャビティ空間に充填された成形材料を冷却する工程と、前記可動金型を前記固定金型から離れる方向に後退させる工程とを備える。
本発明の他の成形方法においては、可動金型及び固定金型のうちの少なくとも一方の金型に備えられ、微細パターンが形成されたスタンパによって成形品を成形するようになっている。
そして、可動金型を固定金型に向けて前進させる工程と、前記可動金型と固定金型との間に、成形材料を充填するためのキャビティ空間を形成する工程と、前記キャビティ空間に成形材料を充填させ、前記スタンパを、前記一方の金型におけるスタンパとの接触面に接触させた状態で膨張させる工程と、前記キャビティ空間に充填された成形材料を冷却し、前記スタンパを、前記接触面に接触させた状態で収縮させる工程と、前記可動金型を前記固定金型から離れる方向に後退させる工程とを備える。
本発明の成形品においては、請求項12又は13に記載の成形方法によって成形される。
本発明の成形機においては、請求項1〜3のいずれか1項に記載の金型装置を備える。
第2図は本発明の第1の実施の形態における圧縮成形機の型閉じ開始時の状態を示す断面図、第3図は本発明の第1の実施の形態における圧縮成形機の型締め時の状態を示す断面図である。
図において、11は射出装置であり、該射出装置11は、図示されないホッパから供給された成形材料としての図示されない樹脂を加熱して溶融させるシリンダ部材としての加熱シリンダ12、該加熱シリンダ12の前端(図において左端)に配設され、溶融させられた樹脂を射出する射出ノズル13、前記加熱シリンダ12内に進退自在に、かつ、回転自在に配設された射出部材としての図示されないスクリュー等を備える。そして、該スクリューを、射出工程時に射出用の駆動部としての図示されない射出用モータを駆動することによって前進させると、射出ノズル13から樹脂が射出され、計量工程時に計量用の駆動部としての図示されない計量用モータを駆動することによって回転させると、加熱シリンダ12内を樹脂が前進させられて樹脂の計量が行われ、それに伴ってスクリューが後退させられる。
また、14は金型装置、15は図示されない固定プラテンに取り付けられた第1の金型としての固定金型、16は図示されない可動プラテンに取り付けられ、前記固定金型15に対して進退(図において左右方向に移動)自在に配設された第2の金型としての可動金型、17は前記固定金型15に形成されたキャビティ、18は、前記可動金型16に、前記キャビティ17に向けて突出させて形成されたコア、Cは前記キャビティ17、コア18及び環状の堰部材37によって形成されるキャビティ空間である。
図示されない型締装置は、前記固定プラテン、前記可動プラテン、型締用の駆動部としての型締用モータ等を備え、該型締用モータを駆動し、固定プラテンに対して可動プラテンを進退させ、固定金型15に対して可動金型16を進退させることによって前記金型装置14の型閉じ、型締め及び型開きの型開閉が行われる。
ところで、射出成形機のうちの圧縮成形機においては、可動金型16が前進(図において右方向に移動)させられて型閉じが行われると、前記固定金型15と可動金型16との間に前記キャビティ空間Cが形成される。なお、前記固定金型15には、キャビティ空間Cと連通させてスプルー19が形成される。
また、前記固定金型15の周縁部における可動金型16と対向する面には、環状の溝31が形成され、該溝31内における径方向内方の周面に沿って、環状の第1の摺動部材32が貼(ちょう)着によって配設され、前記溝31内における径方向外方の周面に沿って、環状の第2の摺動部材33が貼着によって配設される。なお、本実施の形態においては、第1、第2の摺動部材32、33が貼着によって配設されるようになっているが、接合、溶接、又はボルト等の固定部材による締結によって配設することもできる。
そして、前記溝31内における前記第1、第2の摺動部材32、33間に、環状の摺動溝35が形成され、該摺動溝35内に、キャビティ空間Cの外周縁を画成するための前記堰部材37が進退自在に配設され、前記摺動溝35内に収容された付勢部材としてのスプリング23によって、前記堰部材37は、可動金型16側に向けて付勢される。なお、前記堰部材37が摺動溝35内から完全に抜け出ないように、前記第1、第2の摺動部材32、33には、堰部材37を係止するための図示されないストッパが形成される。一方、前記可動金型16の外周縁部における固定金型15と対向する面には、前記堰部材37の前端面(図において左端面)を受けるための環状の当接部26が形成されるとともに、該当接部26の外周縁に段部25が形成され、該段部25より径方向外方に、所定の量だけ固定金型15側に突出させられた環状の突出部29が形成される。なお、前記第1、第2の摺動部材32、33及び堰部材37によって固定金型15の一部が構成される。
前記構成の圧縮成形機において、初期状態で前記堰部材37は所定の量だけ固定金型15の前端面から突出させられている。そして、型締用モータを駆動することによって可動金型16を前進させ、型閉じを行うと、第2図に示されるように、最初に当接部26が堰部材37の前端面に当接させられ、前記堰部材37より径方向内方にキャビティ空間Cが形成される。さらに、可動金型16を所定の量だけ前進させると、堰部材37は、前記可動金型16が前進させられた量だけスプリング23の付勢力に抗して後退(図において右方向に移動)させられ、摺動溝35内に進入させられ、前記スプリング23の付勢力によって当接部26に押し付けられる。なお、この時点で、前記突出部29は固定金型15の前端面と当接してない。
続いて、前記射出ノズル13から樹脂が射出され、スプルー19を通り、キャビティ空間Cに充填される。このとき、堰部材37は前記付勢力によって当接部26に押し付けられているので、樹脂がキャビティ空間Cから漏れ出すことはない。
次に、前記可動金型16を更に前進させて型締めを行うと、第3図に示されるように、堰部材37が更に後退させられ、突出部29が固定金型15の前端面と当接させられる。これに伴って、コア18がキャビティ17に向けて前進させられ、キャビティ空間C内の樹脂が圧縮される。その後、キャビティ空間C内の樹脂は冷却されて成形品になる。
この場合、キャビティ空間Cに充填された樹脂が圧縮されるので、キャビティ空間C内の樹脂の圧力分布が均一になり、成形品に残留応力が残るのを抑制することができる。したがって、成形品にそり等が発生するのを防止することができ、成形品の品質を向上させることができる。
続いて、前記可動金型16を後退(図において左方向に移動)させて型開きを行うと、成形品が可動金型16に付着した状態で可動金型16と共に後退させられる。そして、可動金型16内に配設された図示されないエジェクタピンを前進させることによって前記成形品を突き出すと、該成形品は、可動金型16から離型させられ、金型装置14から取り出される。
なお、型開きが行われるのに伴って、摺動溝35内に進入していた堰部材37は、可動金型16側に向けて前進させられ、初期状態と同じ量だけ固定金型15の前端面から突出させられる。
このように、可動金型16が進退させられ、型開閉が行われるのに伴って堰部材37が固定金型15に対して進退させられ、摺動溝35内に進入させられたり、摺動溝35から突出させられたりする。したがって、堰部材37の進退に伴って、第1の摺動部材32の外周面と堰部材37の内周面とが、また、第2の摺動部材33の内周面と堰部材37の外周面とが摺動させられる。
そこで、金型装置14を繰り返し使用したときに、第1の摺動部材32の外周面、堰部材37の内周面、第2の摺動部材33の内周面、及び堰部材37の外周面から成る摺動面が摩耗することがないように、前記第1、第2の搦動部材32、33及び堰部材37を放電プラズマ焼結法によって製造するようにしている。そのために、耐摩耗性の材料から成る焼結用粉末が放電プラズマ焼結によって焼結され、固定金型15及び可動金型16のうちの少なくとも一方、本実施の形態においては、固定金型15に所定の厚さの焼結部として第1、第2の摺動部材32、33及び堰部材37が形成される。
本実施の形態においては、前記第1、第2の摺動部材32、33及び堰部材37の全体が焼結部として形成されるようになっているが、少なくとも、前記摺動面を焼結部として形成することもできる。
次に、第1、第2の摺動部材32、33、堰部材37等を放電プラズマ焼結法によって製造するための放電プラズマ焼結装置について説明する。なお、この場合、第1、第2の摺動部材32、33、堰部材37等は、焼結体として製造される。
第4図は本発明の第1の実施の形態における放電プラズマ焼結装置の概念図である。
図において、41は放電プラズマ焼結装置、42は円筒形の形状を有する密封された筐(きょう)体であり、該筐体42内のチャンバ43は、真空発生源としての図示されない真空ポンプに接続され、該真空ポンプを作動させることによって真空にされる。なお、本実施の形態においては、筐体42内を真空にするようになっているが、筐体42内にアルゴンガス等の不活性ガスを充填することもできる。そして、前記筐体42の壁内には、図示されない冷却管が配設され、該冷却管内を図示されない冷却媒体としての冷却水が循環させられ、前記チャンバ43が冷却される。
また、45は、導電性の材料、例えば、グラファイトから成る円筒状のダイであり、該ダイ45の上方及び下方に、導電性の材料、例えば、グラファイトから成る、第1、第2のパンチとしての棒状の上パンチ46及び下パンチ47が配設される。該上パンチ46及び下パンチ47は、互いに対向させて配設され、対向面に製造しようとする焼結体の形状に対応させて所定の図示されない凹凸が形成される。なお、前記ダイ45、上パンチ46及び下パンチ47によって焼結型48が構成される。
また、本実施の形態において、ダイ45、上パンチ46及び下パンチ47は、グラファイトによって形成されるが、グラファイトに代えて、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、カーボン(C)等の融点が1100〔℃〕以上である導電性の材料を使用することができる。
前記上パンチ46より上方に第1の電極としての上電極51が、前記下パンチ47より下方に第2の電極としての下電極52がそれぞれ垂直方向に延在させて配設される。
前記上電極51及び下電極52内にはそれぞれ図示されない冷却管が配設され、該冷却管内を前記冷却水が循環させられ、上電極51及び下電極52を冷却するとともに、上パンチ46及び下パンチ47を介してダイ45を間接的に冷却する。そして、ダイ45の所定の箇所に温度検出部としての図示されない温度センサが配設され、該温度センサによってダイ45の温度が検出される。
また、前記上電極51及び下電極52は上下方向に移動自在に配設されるとともに、前記上電極51の上端及び下電極52の下端に図示されない加圧機構が連結され、前記加圧機構によって発生させられた加圧力が上電極51及び下電極52に伝達され、上電極51を下方に向けて、下電極52を上方に向けて移動させる。
前記ダイ45及び下パンチ47によって形成された充填空間としての有底の充填室(本実施の形態においては、焼結体の形状に対応させて環状に形成される。)内には、焼結用粉末53が充填され、前記加圧機構を作動させ、上電極51及び下電極52を移動させることによって、前記加圧力で焼結用粉末53を加圧することができる。なお、前記加圧機構の加圧用の駆動部としては、サーボモータ、減速機等が使用されるが、油圧シリンダ、空圧シリンダ等を使用することもできる。
そして、前記上電極51及び下電極52の位置を検出するために、上電極51及び下電極52に隣接させて位置検出部としての図示されない位置センサが配設され、該位置センサによって上電極51及び下電極52の位置が検出される。
前記加圧機構によって所定の加圧力を発生させ、該加圧力を上電極51及び下電極52に伝達するために、また、図示されない電源によって所定のパルスで所定の電圧を前記上電極51と下電極52との間に印加するために図示されない制御部が配設され、該制御部と加圧機構及び電源とが接続される。
前記構成の放電プラズマ焼結装置41において、放電プラズマ焼結を行う場合、まず、上電極51を上方に移動させ、上パンチ46を上方に移動させてダイ45の上端を開口させ、前記充填室に所定の材料から成る焼結用粉末53を充填する。
続いて、上パンチ46及び上電極51を下方に移動させ、前記充填室を密閉した後、前記制御部の加圧処理手段は、加圧処理を行い、加圧機構を作動させて上電極51及び下電極52を移動させ、焼結用粉末53を所定の加圧力で加圧する。そして、前記制御部の電圧印加処理手段は、電圧印加処理を行い、電源を作動させて、上電極51と下電極52との間を約10分間パルス通電する。そのために、上電極51と下電極52との間に、例えば、0.1〜5〔V〕の電圧が印加され、約1000〜8000〔A〕の直流のパルス状の電流が流される。なお、本実施の形態においては、直流のパルス状の電流が流されるようになっているが、矩(く)形波、三角波、台形波等の電流を流したり、交番電流を流したりすることもできる。さらに、一定の時間同じ値の電流を流すこともできる。
これに伴って、焼結用粉末53は加熱され、約500〜3000〔℃〕の温度になり、放電プラズマ焼結によって焼結され、焼結体になる。この場合、焼結用粉末53を構成する各粉末が互いに接触する点において熱が発生し、各粉末同士が接合する。なお、焼結用粉末53の取扱性を良好にするために、焼結用粉末53に所定のバインダが添加されるが、該バインダは前記パルス状の電流が流れる際に吹き飛ばされる。
この場合、上電極51−上パンチ46−焼結用粉末53−下パンチ47−下電極52から成る第1の通電経路、上電極51−上パンチ46−ダイ45−下パンチ47−下電極52から成る第2の通電経路、及び上電極51−上パンチ46−焼結用粉末・ダイ界面(焼結用粉末53とダイ45との界面)−下パンチ47−下電極52から成る第3の通電経路が形成されるが、第1〜第3の通電経路を流れる電流を適正に制御することによって、焼結用粉末53を適正に焼結することができる。
続いて、わずかに遅れてダイ45、上パンチ46及び下パンチ47がジュール熱によって加熱され、焼結体が保温され、その後、冷却系から供給される冷却水によって冷却されて焼結体が完成される。このとき、焼結体を保温する時間は約10〜53分にされ、焼結体を冷却する時間は約53分にされる。
続いて、上パンチ46及び上電極51が上昇させられ、前記充填室から焼結体が取り出される。
ところで、前記放電プラズマ焼結法においては、充填室内に焼結用粉末53を充填し、焼結することによって焼結体を製造するようになっているので、焼結用粉末53を一つの材料で構成すると、一つの特性を有する焼結体を製造することができる。また、焼結用粉末53を互いに特性が異なる少なくとも二つ以上の複数の材料で構成し、充填する際の各材料の分布を変更することによって、各種の特性を有する焼結体を製造することができる。そして、互いに摺動する摺動面を、例えば、特性の異なる第1、第2の材料により形成された第1、第2の摺動面によって構成することができる。
さらに、放電プラズマ焼結法を用いることによって、金型装置14の摺動面のような比較的精度を高くする必要がある部分においても、均一な厚さを有する摺動面を容易に形成することができる。また、ホットプレス焼結法等の他の焼結法と比べて昇温速度が高く、短時間で焼結が可能であるだけでなく、高密度の焼結体を形成することができるので、従来の摺動面に施されていためっき、蒸着等の被覆処理と比べ、金型装置14の耐久性及び耐摩耗性を高くすることができる。
次に、第1、第2の材料によって構成された焼結用粉末53を焼結して製造される堰部材37(第2図)について説明する。
第5図は本発明の第1の実施の形態における堰部材の断面図である。
図において、37は堰部材、61は所定の特性を有する材料から成る第1の層としての基層、62は耐摩耗性の高い材料から成る第2の層としての最外側の層、すなわち、最外層、63は耐摩耗性の高い材料から成る第3の層としての最内側の層、すなわち、最内層、64は前記基層61と最外層62との間に形成された第1の傾斜層、65は前記基層61と最内層63との間に形成された第2の傾斜層である。前記第1、第2の傾斜層64、65によって中間層が構成される。なお、本実施の形態においては、基層61、最外層62、最内層63及び第1、第2の傾斜層64、65は、隣接する層同士が焼結によって接合させて形成され、基層61と第1の傾斜層64との間に第1の結合面S1が、基層61と第2の傾斜層65との間に第2の結合面S2が、最外層62と第1の傾斜層64との間に第3の結合面S3が、最内層63と第2の傾斜層65との間に第4の結合面S4が形成される。
本実施の形態において、基層61は第1の材料としての剛性及び靭(じん)性の高い材料、例えば、SUS304によって、最外層61及び最内層63は第2の材料としての耐摩耗性の高い材料、例えば、窒化チタン(TiN)によって形成される。なお、第1の材料としてSUS304に代えて銅(Cu)、チタン(Ti)等を使用したり、第2の材料として窒化チタンに代えて酸化チタン(TiO2)、窒化ホウ素(BN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、超硬合金(WC/Co)、ボロンナイトライド(BN)、キュービックボロンナイトライド(CBN)、ジルコニア(酸化ジルコニウムZrO2)、アルミナ(酸化アルミニウムAl2O3)、シリカ(二酸化珪(けい)素SiO2)、チタニア(二酸化チタニウムTiO2)、窒化珪素(Si3N4)、酸化クロム(CrO、Cr2O3、CrO3)、コージライト等を使用することができる。
したがって、金型装置14(第2図)を繰り返し使用したときに、堰部材37の内周面及び外周面から成る摺動面は、前記最外層62及び最内層63に形成されるので、摩耗するのを防止することができ、金型装置14の耐久性を向上させることができる。
また、めっき、蒸着等の被覆処理を行う必要がないので、堰部材37を製造するための作業を簡素化することができるだけでなく、堰部材37を製造するのに必要な時間を短くすることができる。したがって、金型装置14のコストを低くすることができる。
そして、前記最外層62及び最内層63を十分に厚くすることができるので、基層61の状態による影響を受けにくく、例えば、基層61が熱膨張しても、最外層62及び最内層63が剥がれたり、最外層62及び最内層63に歪みが発生したりすることがない。したがって、金型装置14の耐久性を向上させることができる。
さらに、堰部材37が基層61を有し、該基層61が剛性及び靭性の高い材料によって形成されるので、堰部材37の剛性及び靭性を高くすることもできる。
本実施の形態において、堰部材37は、基層61、最外層62、最内層63及び第1、第2の傾斜層64、65から成るが、一つの耐摩耗性の高い材料、例えば、窒化チタンによって形成することもできる。
また、本実施の形態において、基層61は、第1の材料として、剛性及び靭性の高い材料によって形成されるようになっているが、断熱性の高い材料、例えば、ジルコニア、アルミナ等のセラミックスによって形成することもできる。その場合、堰部材37の断熱性を高くすることができるので、キャビティ空間Cに充填された樹脂の熱が堰部材37を介して放散されるのを抑制することができる。したがって、成形品に残留応力が発生するのを防止することができ、成形品の品質を向上させることができる。
ところで、第1の材料としてセラミックスを使用した場合、基層61がセラミックスで形成されるのに対して、最外層62及び最内層63が金属で形成される。したがって、この場合、基層61と最外層62及び最内層63とを直接接合させると、温度変化によって結合部に無理な応力が生じるので、接合性が悪く、堰部材37に割れ、反り等が発生してしまう。そこで、基層61と最外層62及び最内層63との間に形成される前記第1、第2の傾斜層64、65を、基層61、最外層62及び最内層63を構成する材料、例えば、ジルコニア及び窒化チタンがそれぞれ50〔重量%〕の含有率で含有する材料で形成するのが好ましい。その場合、基層61と最外層62及び最内層63との接合性を向上させることができるので、基層61と最外層62及び最内層63とが剥がれることがなくなる。
また、第1、第2の傾斜層64、65を、更に多層構造にし、ジルコニア及び窒化チタンの含有率を、段階的に又は連続的に変化させることができる。
次に、第1、第2の材料によって構成される焼結用粉末53(第4図)を焼結して製造される第1の摺動部材32について説明する。
第6図は本発明の第1の実施の形態における第1の摺動部材の断面図である。
図において、32は第1の摺動部材、67は所定の特性を有する材料から成る第1の層としての基層、68は耐摩耗性の高い材料から成る第2の層としての最外層である。なお、本実施の形態においては、基層67及び最外層68は、隣接する層同士が焼結によって接合させて形成され、基層67と最外層68との間に結合面S11が形成される。
本実施の形態において、基層67は、第1の材料としての剛性及び靭性が高く、しかも、固定金型15(第2図)の本体を構成する材料と相性がよい材料によって、最外層68は第2の材料としての耐摩耗性の高い材料によって形成される。
したがって、金型装置14を繰り返し使用したときに、第1の摺動部材32の外周面から成る摺動面は最外層68に形成されるので、摺動面が摩耗するのを防止することができ、金型装置14の耐久性を向上させることができる。
また、基層67の材料と固定金型15の本体を構成する材料とは相性がよいので、第1の摺動部材32の取付性を良好にすることができる。
ところで、前記堰部材37の進退に伴って第1の摺動部材32の外周面が摺動させられるので、前記第1の摺動部材32の外周面から成る摺動面は、耐摩耗性の高い材料で形成されるが、この場合、堰部材37の内周面から成る摺動面を構成する材料の硬度と、第1の摺動部材32の外周面から成る摺動面を構成する材料の硬度とを異ならせることが好ましく、例えば、堰部材37の最内層63(第5図)が、窒化チタンによって形成される場合、第1の摺動部材32の最外層68は窒化チタンより硬度が低い材料によって形成される。なお、第1の摺動部材32の外周面から成る摺動面によって第1の摺動面が、堰部材37の内周面から成る摺動面によって第2の摺動面が構成される。
したがって、堰部材37の内周面から成る摺動面を構成する材料の硬度と、第1の摺動部材32の外周面から成る摺動面を構成する材料の硬度とで硬度差が形成されるので、堰部材37と第1の摺動部材32との間においてかじりが発生するのを防止することができる。
また、第1の摺動部材32、堰部材37等のような摺動する部品同士に硬度差を形成し、交換が容易な部品を硬度が低い材料で形成することによって、仮に摩耗が生じても、部品を容易に交換することができるので、金型装置14の保守を短時間で行うことができる。
次に、第1、第2の材料で焼結用粉末53(第4図)を構成して製造される第2の摺動部材33について説明する。
第7図は本発明の第1の実施の形態における第2の摺動部材の断面図である。
図において、33は第2の摺動部材、71は所定の特性を有する材料から成る第1の層としての基層、72は耐摩耗性の高い材料から成る第2の層としての最内層である。なお、本実施の形態においては、基層71及び最内層72は、隣接する層同士が焼結によって接合させて形成され、基層71と最内層72との間に結合面S21が形成される。
本実施の形態において、基層71は、第1の材料としての剛性及び靭性が高く、しかも、固定金型15(第2図)の本体を構成する材料と相性がよい材料によって、最内層72は第2の材料としての耐摩耗性の高い材料によって形成される。
したがって、金型装置14を繰り返し使用したときに、第2の摺動部材33の内周面から成る摺動面は最内層72に形成されるので、摺動面が摩耗するのを防止することができ、金型装置14の耐久性を向上させることができる。
また、基層71の材料と固定金型15の本体を構成する材料とは相性がよいので、第2の摺動部材33の取付性を良好にすることができる。
そして、同様に、堰部材37の外周面から成る摺動面を構成する材料の硬度と、第2の摺動部材33の内周面から成る摺動面を構成する材料の硬度とを異ならせることが好ましく、例えば、堰部材37(第5図)の最外層62が、窒化チタンによって形成される場合、第2の摺動部材33の最内層72は窒化チタンより硬度が低い材料によって形成される。なお、堰部材37の外周面から成る摺動面によって第1の摺動面が、第2の摺動部材33の内周面から成る摺動面によって第2の摺動面が構成される。
したがって、堰部材37の外周面から成る摺動面を構成する材料の硬度と、第2の摺動部材33の内周面から成る摺動面を構成する材料の硬度とで硬度差が形成されるので、堰部材37と第2の摺動部材33との間においてかじりが発生するのを防止することができる。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。
第8図は本発明の第2の実施の形態における圧縮成形機の型閉じ開始時の状態を示す断面図である。
図において、35は環状の摺動溝であり、該摺動溝35内における径方向内方の周面に沿って、摺動部132が第1の金型としての固定金型15と一体に形成される。そして、摺動溝35内にキャビティ空間Cの外周縁を画成するための環状の堰部材37が進退(図において左右方向に移動)自在に配設され、堰部材37の進退に伴って、摺動面を構成する摺動部132の外周面と堰部材37の内周面とが摺動させられる。なお、固定金型15の本体の内周面と堰部材37の外周面との間にわずかな間隙(げき)が形成され、固定金型15の本体の内周面と堰部材37の外周面とは摺動させられない。
そして、固定金型15及び堰部材37は放電プラズマ焼結法によって製造される。このようにして、固定金型15に所定の厚さの焼結部として摺動部132及び堰部材37が形成される。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。
第9図は本発明の第3の実施の形態における射出成形機の要部を示す断面図である。
図において、74は第1の金型としての固定金型15に形成された流路であり、該流路74を図示されない温調器から供給された温調媒体としての温調水が流され、固定金型15が冷却される。なお、第2の金型としての可動金型16にも同様に図示されない流路が形成され、流路を温調水が流され、可動金型16が冷却される。
また、76はキャビティ17の内周面に形成されたほぼ円錐(すい)形の形状を有する表層部であり、該表層部76は、キャビティ17の前端(図において左端)の内周面に形成された摺動部77及び該摺動部77以外の非摺動部78から成る。そして、79はコア18の後端(図において左端)の外周面に形成された環状の摺動部である。
本実施の形態においては、固定金型15及び可動金型16の全体が放電プラズマ焼結法によって形成され、固定金型15及び可動金型16によって所定の厚さの焼結部が構成される。
したがって、摺動部77及び摺動部79を耐摩耗性の高い材料で形成することによって、摺動部77の内周面及び摺動部79の外周面から成る摺動面が摩耗するのを防止することができ、金型装置14の耐久性を向上させることができる。また、非摺動部78を熱伝導性の高い材料で形成することによって、キャビティ空間C内の成形材料としての図示されない樹脂の熱が非摺動部78を介して流路74内の温調水に良好に伝達されるので、キャビティ空間Cの樹脂を迅速に冷却することができる。
なお、前記表層部76及び摺動部79に対応する領域だけを放電プラズマ焼結法によって形成し、表層部76及び摺動部79によって所定の厚さの焼結部を構成することもできる。この場合、前記表層部76は、固定金型15の少なくとも一部を構成する第1の型部材として、前記摺動部79は、可動金型16の少なくとも一部を構成する第2の型部材として形成される。そして、第1、第2の型部材は、入れ子として、それぞれ固定金型15及び可動金型16にセットされる。
また、固定金型15の一部及び可動金型16の一部をそれぞれ別体にし、別体にされた各部分、並びに表層部76及び摺動部79に対応する領域を放電プラズマ焼結法によって形成し、別体にされた各部分、並びに表層部76及び摺動部79によって所定の厚さの焼結部を構成することができる。この場合、固定金型15において別体にされた部分及び表層部76は、固定金型15の少なくとも一部を構成する第1の型部材として、可動金型16において別体にされた部分及び摺動部79は、可動金型16の少なくとも一部を構成する第2の型部材として形成される。そして、第1、第2の型部材は、入れ子として、それぞれ固定金型15及び可動金型16にセットされる。
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。
第10図は本発明の第4の実施の形態における射出成形機の要部を示す断面図である。
図において、82は第1の金型としての固定金型15における所定の複数箇所に形成された円形の第1の案内部としての案内溝、83は、型開閉が行われるのに伴って第2の金型としての可動金型16が進退(図において左右方向に移動)させられるのに伴い、案内溝82内に嵌(かん)入される第2の案内部としての案内ロッドである。なお、該案内ロッド83は可動金型16の一部を構成する型部材である。
この場合、前記案内ロッド83は、可動金型16内に埋設された第1の部分としての埋設部84、及び可動金型16の前端(図において右端)から前方(図において右方)に向けて突出させられ、前記案内溝82内に嵌入される摺動部85を備える。
金型装置14を繰り返し使用したときに、摺動部85の外周面から成る摺動面が摩耗することがないように、案内ロッド83を放電プラズマ焼結法によって製造し、少なくとも前記摺動面を耐摩耗性の材料によって形成するようにしている。このようにして、可動金型16に所定の厚さの焼結部として案内ロッド83が形成される。したがって、前記摺動面が摩耗するのを防止することができ、金型装置14の耐久性を向上させることができる。
また、前記埋設部84は、可動金型16の本体と相性がよい材料によって形成される。したがって、案内ロッド83の可動金型16に対する取付け性を向上させることができる。
次に、成形品として、入射部から放射部まで光を案内する導光板、光を回析するのに使用される回析格子、ディスク基板等のように、表面に微細パターンを有する成形品を成形するための本発明の第5の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。
第11図は本発明の第5の実施の形態における射出成形機の型閉じを開始する前の状態を示す断面図、第12図は本発明の第5の実施の形態における射出成形機の型締め時の状態を示す断面図である。
この場合、14は金型装置、15は第1の金型としての固定金型、16は第2の金型としての可動金型、151は受け板、152は該受け板151によって支持された型部材としての入れ子構造体、153は該入れ子構造体152の周囲に配設された型板である。
前記入れ子構造体152は、受け板151によって支持される第1の入れ子としての基部154、及び該基部154の前端面(図において左端面)を覆って、基部154に対して着脱自在に取り付けられた第2の入れ子としてのスタンパ155、及びボルトb1によって型板153に固定され、前記スタンパ155の外周縁においてスタンパ155を基部154に取り付けるスタンパ抑え156を備える。前記スタンパ155における可動金型16と対向する表面には、複数のピットから成る図示されない微細パターンが形成される。なお、前記スタンパ155の内周縁は、図示されないスタンパ押えによって固定されている。
また、前記基部154は、所定の特性を有する材料から成り、第1の層としての基層を構成する本体部157、及び本体部157の前方(図において左方)に所定の厚さで形成され、他の所定の特性を有する材料から成り、第2の層としての最外層を構成する接触部158から成る。そして、前記本体部157と接触部158との間に結合面が構成される。
第2の金型としての可動金型16が前進(図において右方向に移動)させられて、第12図に示されるように型締めが行われると、固定金型15と可動金型16との間に複数のキャビティ空間Cが形成される。そして、該キャビティ空間Cに成形材料としての図示されない樹脂が充填され、冷却されると、これに伴って、スタンパ155の表面に形成された前記微細パターンが樹脂に転写され、キャビティ空間C内の樹脂は成形品になる。なお、ディスク基板を成形するための金型装置14においては、固定金型15と可動金型16との間に、円形の形状を有する一つのキャビティ空間Cが形成される。
ところで、射出工程において、前記樹脂は、高温の溶融させられた状態でキャビティ空間Cに充填され、冷却工程において、キャビティ空間C内の樹脂は固化するのに十分なだけ冷却される。そのため、キャビティ空間Cに臨ませて配設されたスタンパ155は、樹脂の熱の影響を受け、射出工程において加熱され、膨張させられ、冷却工程において冷却され、収縮させられる。
その結果、成形サイクルごとにスタンパ155が膨張及び収縮させられ、スタンパ155の後端面(図において右端面)及び基部154の前端面が、接触面を構成するとともに、摺動面になり、スタンパ155の後端面と基部154の前端面とが摺動してしまう。
そこで、スタンパ155の後端面と基部154の前端面とが摺動によって摩耗することがないように、前記基部154を放電プラズマ焼結法によって製造するようにしている。この場合、基部154によって所定の厚さの焼結部が構成される。
本実施の形態において、本体部157は第1の材料としての剛性及び靭性の高い材料、例えば、SUS304によって、接触部158は第2の材料としての耐摩耗性の高い材料であるセラミックス、例えば、窒化チタン(TiN)によって形成される。なお、第1の材料としてSUS304に代えて銅(Cu)、チタン(Ti)等を使用したり、第2の材料として窒化チタンに代えて酸化チタン(TiO2)、窒化ホウ素(BN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、超硬合金(WC/Co)、ボロンナイトライド(BN)、キュービックボロンナイトライド(CBN)、ジルコニア(酸化ジルコニウムZrO2)、アルミナ(酸化アルミニウムAl2O3)、シリカ(二酸化珪素SiO2)、チタニア(二酸化チタニウムTiO2)、窒化珪素(Si3N4)、酸化クロム(CrO、Cr2O3、CrO3)、コージライト等を使用することができる。
したがって、金型装置14を繰り返し使用したときに、接触部158の前端面から成る接触面が摩耗するのを防止することができ、金型装置14の耐久性を向上させることができる。
また、めっき、蒸着等の被覆処理を行う必要がないので、入れ子構造体152を製造するための作業を簡素化することができるだけでなく、入れ子構造体152を製造するのに必要な時間を短くすることができる。したがって、金型装置14のコストを低くすることができる。
そして、前記接触部158を十分に厚くすることができるので、本体部157の状態による影響を受けにくく、例えば、本体部157が熱膨張しても、接触部158が剥がれたり、接触部158に歪みが発生したりすることがない。したがって、金型装置14の耐久性を向上させることができる。
さらに、入れ子構造体152が本体部157を有し、該本体部157が剛性及び靭性の高い材料によって形成されるので、入れ子構造体152の剛性及び靭性を高くすることもできる。
本実施の形態において、入れ子構造体152は、本体部157及び接触部158から成るが、一つの耐摩耗性の高い材料、例えば、窒化チタンによって形成することもできる。
また、本実施の形態において、本体部157は、第1の材料として、剛性及び靭性の高い材料によって形成されるようになっているが、本体部157を熱伝導性の高い材料で形成することによって形成することもできる。その場合、キャビティ空間C内の樹脂の熱が接触部158及び本体部157を介して図示されない流路内の温調媒体としての温調水に良好に伝達されるので、キャビティ空間C内の樹脂を迅速に冷却することができる。
なお、前記接触部158に対応する領域だけを放電プラズマ焼結法によって形成し、接触部158によって所定の厚さの焼結部を構成することもできる。この場合、前記接触部158は、固定金型15の少なくとも一部を構成する型部材として形成される。そして、型部材は、入れ子として固定金型15にセットされる。
また、本体部157の一部を別体にし、別体にされた部分及び接触部158に対応する領域を放電プラズマ焼結法によって形成し、別体にされた部分及び接触部158によって所定の厚さの焼結部を構成することができる。この場合、固定金型15において別体にされた部分及び接触部158は、固定金型15の少なくとも一部を構成する型部材として形成される。そして、型部材は、入れ子として固定金型15にセットされる。
ところで、第1の材料としてSUS304を、第2の材料として窒化チタンを使用した場合、本体部157が金属で形成されるのに対して、接触部158がセラミックスで形成されることになるので、本体部157と接触部158とを直接接合させると、温度変化によって結合部に無理な応力が生じ、基部154に割れ、反り等が発生してしまう。
そこで、本体部157と接触部158との間に中間層を形成するようにした、本発明の第6の実施の形態について説明する。なお、第5の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。
第13図は本発明の第6の実施の形態における射出成形機の型閉じを開始する前の状態を示す断面図である。
図に示されるように、第1の入れ子としての基部154は、所定の特性を有する第1の材料から成り、第1の層としての基層を構成する本体部157、他の所定の特性を有する第2の材料から成り、第2の層としての最外層を構成する接触部158、及び本体部157と接触部158との間に配設され、第3の層としての中間層を構成する傾斜層159を有する。
該傾斜層159は、本体部157及び接触部158を構成する第1、第2の材料、例えば、SUS304及び窒化チタンをそれぞれ50〔重量%〕の含有率で含有する材料で形成するのが好ましい。その場合、本体部157と傾斜層159との接合性及び傾斜層159と接触部158との接合性を向上させることができるので、本体部157と傾斜層159とが、また、傾斜層159と接触部158とが剥がれることがなくなる。したがって、基部154に割れ、反り等が発生することがない。
また、前記傾斜層159を、更に多層構造にし、本体部157側から接触部158まで、SUS304及び窒化チタンの含有率を、段階的に又は連続的に変化させることもできる。
その場合、例えば、傾斜層159は、SUS304及び窒化チタンが、それぞれ、90、10〔重量%〕の含有率で含有される層、80、20〔重量%〕の含有率で含有される層、70、30〔重量%〕の含有率で含有される層、60、40〔重量%〕の含有率で含有される層、50、50〔重量%〕の含有率で含有される層、40、60〔重量%〕の含有率で含有される層、30、70〔重量%〕の含有率で含有される層、20、80〔重量%〕の含有率で含有される層、10、90〔重量%〕の含有率で含有される層から成る。
このように、傾斜層159を更に多層構造にすると、基層と最外層との接合性を一層向上させることができる。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
Claims (14)
- (a)第1の金型と、
(b)該第1の金型に対して進退自在に配設された第2の金型とを有するとともに、
(c)該第1、第2の金型のうちの少なくとも一方の金型は所定の厚さの焼結部を備えることを特徴とする金型装置。 - 前記焼結部は少なくとも摺動面に形成される請求項1に記載の金型装置。
- 前記焼結部は、少なくとも基部と入れ子との接触面に形成される請求項1に記載の金型装置。
- 前記焼結部は、焼結粉末を焼結することによって形成され、第1の材料から成る基層、及び第2の材料から成る最外層を備える請求項1〜3のいずれか1項に記載の金型装置。
- 前記第1、第2の材料は、互いに異なる特性を有する請求項4に記載の金型装置。
- 前記第2の材料は耐摩耗性の高い材料である請求項5に記載の金型装置。
- 前記基層と最外層との間に、第1、第2の材料を所定の含有率で含有する材料から成る中間層が形成される請求項4に記載の金型装置。
- 前記中間層において基層側から最外層まで、第1、第2の材料の含有率が変化させられる請求項7に記載の金型装置。
- 前記摺動面は互いに異なる特性を有する材料によって形成された第1、第2の摺動面から成る請求項2に記載の金型装置。
- 基層を構成する粉末、及び最外層を構成し、耐摩耗性の材料から成る粉末を放電プラズマ焼結によって焼結することにより金型装置を形成することを特徴とする金型装置の製造方法。
- (a)可動金型を固定金型に向けて前進させることによって、可動金型及び固定金型のうちの少なくとも一方の金型に形成された焼結部を他方の金型に対して摺動させ、前記可動金型と固定金型との間に、成形材料を充填するためのキャビティ空間を形成する工程と、
(b)前記キャビティ空間に成形材料を充填する工程と、
(c)前記キャビティ空間に充填された成形材料を冷却する工程と、
(d)前記可動金型を前記固定金型から離れる方向に後退させる工程とを備えることを特徴とする成形方法。 - 可動金型及び固定金型のうちの少なくとも一方の金型に備えられ、微細パターンが形成されたスタンパによって成形品を成形する成形方法において、
(a)可動金型を固定金型に向けて前進させる工程と、
(b)前記可動金型と固定金型との間に、成形材料を充填するためのキャビティ空間を形成する工程と、
(c)前記キャビティ空間に成形材料を充填させ、前記スタンパを、前記一方の金型におけるスタンパとの接触面に接触させた状態で膨張させる工程と、
(d)前記キャビティ空間に充填された成形材料を冷却し、前記スタンパを、前記接触面に接触させた状態で収縮させる工程と、
(e)前記可動金型を前記固定金型から離れる方向に後退させる工程とを備えることを特徴とする成形方法。 - 請求項11又は12に記載の成形方法によって成形される成形品。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の金型装置を備えた成形機。
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