(57)【要約】【課題】熱伝導性を考慮した材料の組合せによる金型を設計することにより、金型への入熱量や冷却速度に対応して冷却する指向性凝固が可能となり、また、金型内にも冷却経路を形成することのできる、金型、金型を用いた成形方法、及び、金型の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る金型１１０の製造方法は、金型１１０により成形される成形品の肉厚及び形状より、金型１１０への入熱量を算出する、入熱量算出工程Ｓ１と、前記入熱量に基づいて、金型１１０の冷却速度と、冷却する部位とを算出する、冷却速度算出工程Ｓ２と、前記冷却速度、及び冷却する部位に基づいて、金型素材の熱伝導性とは異なる熱伝導性を有する、少なくとも一種類以上の分割金型素材１２１を選定し、前記金型１１０を設計する、設計工程Ｓ３と、前記選定された分割金型素材を金型素材に拡散接合する、接合工程Ｓ４と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティ内で成形品を形成するための金型であって、
前記金型の内部において、前記金型を構成する金型素材の熱伝導性とは異なる熱伝導性を有する、少なくとも一種類以上の分割金型素材が前記金型に接合され、
前記分割金型素材は、前記成形品の形成時に、前記キャビティから前記金型内部に拡散する熱量を相対的に増加又は減少させる、
ことを特徴とする、金型。
【請求項２】
前記分割金型素材は、前記金型素材の熱伝導性よりも高い熱伝導性を有し、
前記金型の内部において、無作為な位置に分散して前記金型と接合され、
前記成形品の形成時に、前記キャビティから拡散する熱量を相対的に増加させる、
ことを特徴とする、請求項１に記載の金型。
【請求項３】
前記分割金型素材の熱伝導性は、該分割金型素材が配置される箇所に対応する前記成形品の部位毎に、当該部位に必要な冷却速度に応じて選定され、
前記各部位に対応する前記分割金型素材は、前記金型の内部において、選定された前記部位に対向する部分に接合され、
前記成形品の形成時に、速い冷却速度が求められる部位に対向する部分では、前記キャビティから拡散する熱量を相対的に増加させ、遅い冷却速度が求められる部位に対向する部分では、前記キャビティから拡散する熱量を相対的に減少させる、
ことを特徴とする、請求項１に記載の金型。
【請求項４】
前記金型素材と前記分割金型素材とを接合する方法には、拡散接合が用いられる、
ことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の金型。
【請求項５】
前記金型の内部における、前記金型素材、及び、前記分割金型素材には、冷却水路が形成される、
ことを特徴とする、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の金型。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の金型を用いて成形品を形成する、
ことを特徴とする、金型を用いた成形方法。
【請求項７】
金型により成形される成形品の肉厚及び形状より、金型への入熱量を算出する、入熱量算出工程と、
前記入熱量に基づいて、金型の冷却速度と、冷却する部位とを算出する、冷却速度算出工程と、
前記冷却速度、及び冷却する部位に基づいて、金型素材の熱伝導性とは異なる熱伝導性を有する、少なくとも一種類以上の分割金型素材を選定し、前記金型を設計する、設計工程と、
前記選定された分割金型素材を金型素材に拡散接合する、接合工程と、を備える、
ことを特徴とする、金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型、金型を用いた成形方法、及び、金型の製造方法に関し、より詳しくは、金型における冷却効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、樹脂成形品の射出成形や、非鉄金属の鋳造等に使用される金型において、冷却効率を向上させるための技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、参照）。
前記特許文献１には、金型素材とは別に構成される分割金型材に冷却水路を形成した後で金型素材に接合する技術が開示されている。
また、前記特許文献２には、キャビティが形成された金型に、金型素材とは熱伝導性の異なる冷却ブロックを配置する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平２−７５４４０号公報
【特許文献２】特開平５−３２９６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前記特許文献１の従来技術によれば、熱伝導性を考慮して金型素材と分割金型材とを組合せた金型設計ではないため、金型への入熱量や冷却速度に対応して冷却する、いわゆる指向性凝固をすることが難しかった。
また、前記特許文献２の従来技術によれば、前記冷却ブロックは略直方体状であって、単に金型に当接するだけの構造であるため、金型素材と冷却ブロックとの間の熱伝導性に問題があった。さらに、前記冷却ブロック内に冷却経路を形成することは困難であった。
【０００４】
そこで本発明では、上記現状に鑑み、熱伝導性を考慮した材料の組合せによる金型を設計することにより、金型への入熱量や冷却速度に対応して冷却する指向性凝固が可能となり、また、金型内にも冷却経路を形成することのできる、金型、金型を用いた成形方法、及び、金型の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００６】
即ち、請求項１においては、キャビティ内で成形品を形成するための金型であって、前記金型の内部において、前記金型を構成する金型素材の熱伝導性とは異なる熱伝導性を有する、少なくとも一種類以上の分割金型素材が前記金型に接合され、前記分割金型素材は、前記成形品の形成時に、前記キャビティから前記金型内部に拡散する熱量を相対的に増加又は減少させるものである。
【０００７】
請求項２においては、前記分割金型素材は、前記金型素材の熱伝導性よりも高い熱伝導性を有し、前記金型の内部において、無作為な位置に分散して前記金型と接合され、前記成形品の形成時に、前記キャビティから拡散する熱量を相対的に増加させるものである。
【０００８】
請求項３においては、前記分割金型素材の熱伝導性は、該分割金型素材が配置される箇所に対応する前記成形品の部位毎に、当該部位に必要な冷却速度に応じて選定され、前記各部位に対応する前記分割金型素材は、前記金型の内部において、選定された前記部位に対向する部分に接合され、前記成形品の形成時に、速い冷却速度が求められる部位に対向する部分では、前記キャビティから拡散する熱量を相対的に増加させ、遅い冷却速度が求められる部位に対向する部分では、前記キャビティから拡散する熱量を相対的に減少させるものである。
【０００９】
請求項４においては、前記金型素材と前記分割金型素材とを接合する方法には、拡散接合が用いられるものである。
【００１０】
請求項５においては、前記金型の内部における、前記金型素材、及び、前記分割金型素材には、冷却水路が形成されるものである。
【００１１】
請求項６においては、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の金型を用いて成形品を形成するものである。
【００１２】
請求項７においては、金型により成形される成形品の肉厚及び形状より、金型への入熱量を算出する、入熱量算出工程と、前記入熱量に基づいて、金型の冷却速度と、冷却する部位とを算出する、冷却速度算出工程と、前記冷却速度、及び冷却する部位に基づいて、金型素材の熱伝導性とは異なる熱伝導性を有する、少なくとも一種類以上の分割金型素材を選定し、前記金型を設計する、設計工程と、前記選定された分割金型素材を金型素材に拡散接合する、接合工程と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１４】
本発明により、熱伝導性を考慮した材料の組合せによる金型を設計することにより、金型への入熱量や冷却速度に対応して冷却する指向性凝固が可能となり、また、金型内にも冷却経路を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第一の実施形態に係る金型を示す概略断面図である。
図２は本発明の第二の実施形態に係る金型を示す概略断面図である。
図３は本発明の第二の実施形態に係る金型の製造方法を示すフローチャートである。
図４（ａ）は従来技術に係る金型に設けられたピン部分を示す図、（ｂ）は本発明の第一の実験例に係る金型に設けられたピン部分を示す図、（ｃ）は本発明の第二の実験例に係る金型に設けられたピン部分を示す図である。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。
【００１６】
［金型の第一の実施形態（金型１０）］
まず、図１を用いて、本発明の第一の実施形態に係る、金型１０の構成について説明する。
図１に示すように、金型１０は、固定型１０ａと、該固定型１０ａに対して近接離間可能に構成される可動型１０ｂと、を備える。前記可動型１０ｂが前記固定型１０ａに当接した際は、固定型１０ａと可動型１０ｂとの間にキャビティ１１が形成される。また、金型１０には、冷却水路１０ｃ・１０ｃ・・・が形成されている。
前記固定型１０ａには支持軸３２が取り付けられた短円柱状のプランジャ３１が摺動自在に嵌挿されている。
そして、金型１０は、プランジャ３１及び支持軸３２を摺動させて、アルミの溶湯等を前記キャビティ１１内に射出し、成形品を成形する構成としている。
【００１７】
本実施形態においては、前記金型１０の内部において、金型１０を形成する金型素材の熱伝導性よりも高い熱伝導性を有する、複数の分割金型素材２１・２１・・・が無作為な位置に分散した状態で、拡散接合により前記金型１０に接合されている。
具体的には、例えば、金型素材に鉄（熱伝導率・約２０Ｗ／ｍＫ）を用い、前記金型１０に接合する前記分割金型素材２１・２１・・・として銅（熱伝導率・約２００Ｗ／ｍＫ）を用いるのである。換言すれば、複数の分割金型素材２１・２１・・・が金型１０に対して海島構造的に分散して配置されているのである。
なお、本実施形態においては前記分割金型素材２１・２１・・・として銅のみを用いるものとして説明するが、該分割金型素材２１・２１・・・は金型素材よりも高い熱伝導性を有する素材であればよく、例えばアルミニウム合金等を用いることも可能である。また、複数種類の分割金型素材を金型１０に接合する構成にすることもできる。
ところで、一般に金型の熱伝導率は、高いもので４０Ｗ／ｍＫ程度である。より高い熱伝導性を有する材料はあるが、金型としての必要条件（剛性、靭性など）を満たしておらず、実用的ではない。例えば、銅材の熱伝導率は約２００Ｗ／ｍＫ程度だが、熱衝撃に弱く脆いため溶損が激しく、金型素材としては寿命が短くなり、実用的ではないのである。本実施形態においては、複数の分割金型素材２１・２１・・・が金型１０に対して海島構造的に分散して配置されることにより、金型としての必要条件を著しく損なうことなく、見かけ上熱伝導率の良い金型とすることが可能となるのである。
【００１８】
上記のように構成することにより、成形品の形成時に、前記キャビティ１１から金型１０内に拡散する熱量を相対的に増加させることができる。具体的には、熱伝導性の高い分割金型素材２１・２１・・・を介して、キャビティ１１から伝達された金型１０の内部の熱を拡散させることで、熱だまりをなくし、金型１０の厚さ方向の熱分布を平滑化することができるのである。
また、前記分割金型素材２１・２１・・・は拡散接合によって金型素材に接合されているため、単に分割金型素材２１・２１・・・を金型１０に当接するだけの構成に比べて熱伝導性をさらに向上させることができるのである。
なお、本実施形態においては拡散接合を用いて分割金型素材２１・２１・・・を接合しているが、焼結等、他の接合方法を用いることも可能である。
このように、金型１０の金型素材における蓄熱量を減らすことで、キャビティ１１の表面の温度を低下させ、外冷等によるキャビティ１１の表面からの抜熱量を小さくすることが可能となる。これにより、金型１０に発生する熱衝撃を小さくすることができ、耐用年数を長くすることができるのである。
【００１９】
［金型の第二の実施形態（金型１１０）］
次に、図２を用いて、本発明の第二の実施形態に係る、金型１１０の構成について説明する。
図２に示すように、金型１１０は、前記実施形態と同様に固定型１１０ａと、可動型１１０ｂとを備え、可動型１１０ｂが前記固定型１１０ａに当接した際は、固定型１１０ａと可動型１１０ｂとの間にキャビティ１１１が形成される。また、金型１１０には、冷却水路１１０ｃ・１１０ｃ・・・が形成されている。
前記固定型１１０ａには支持軸１３２が取り付けられた短円柱状のプランジャ１３１が摺動自在に嵌挿されている。
そして、金型１１０は、プランジャ１３１及び支持軸１３２を摺動させて、アルミの溶湯等を前記キャビティ１１１内に射出し、成形品を成形する構成としている。
【００２０】
本実施形態においては、前記金型１１０の内部において、金型１１０を形成する素材の熱伝導性とは異なる熱伝導性を有する、分割金型素材１２１・１２２・１２３が拡散接合で前記金型１１０の複数箇所に接合されている。詳細には、前記分割金型素材１２１・１２２・１２３の熱伝導性は、該分割金型素材１２１・１２２・１２３が配置される箇所に対応する前記成形品の部位毎に、当該部位に必要な冷却速度に応じて選定され、各部位に対応する前記分割金型素材１２１・１２２・１２３は、前記金型１１０の内部において、選定された前記部位に対向する部分に接合されるのである。
具体的には、固定型１１０ａには固定型側分割金型素材１２１ａ・１２２ａ・１２３ａが、可動型１１０ｂには可動型側分割金型素材１２１ｂ・１２２ｂ・１２３ｂが、接合されるのである。
【００２１】
例えば、金型素材に鉄（熱伝導率・約２０Ｗ／ｍＫ）を用いた場合であれば、急速に冷却することが求められる部位には、前記分割金型素材として銅等の鉄よりも熱伝導率の高い金属を接合し、冷却速度を遅らせることが求められる部位には、前記分割金型素材として鉄よりも熱伝導率の低い金属や発泡金属等を接合するのである。なお、本実施形態においては分割金型素材１２１・１２２・１２３の熱伝導率はこの順に高いものとする。即ち、分割金型素材１２１が最も熱伝導性が高く、分割金型素材１２３は最も熱伝導性が低いものとして説明する。
【００２２】
［金型１１０の製造方法］
次に、本発明に係る金型１１０の製造方法について、図３を用いて説明する。
本発明に係る金型１１０の製造方法は、入熱量算出工程（ステップＳ１）と、冷却速度算出工程（ステップＳ２）と、設計工程（ステップＳ３）と、接合工程（ステップＳ４）と、を備える。
【００２３】
具体的には、図３に示す如く、ステップＳ１の入熱量算出工程においては、金型１１０にて成形される成形品の肉厚及び形状より、金型１１０への入熱量を算出するのである。
そして、ステップＳ２の冷却速度算出工程においては、前記入熱量に基づいて、金型１１０の冷却速度と、冷却する部位とを算出するのである。
次に、ステップＳ３の設計工程においては、前記冷却速度、及び冷却する部位に基づいて、金型素材の熱伝導性とは異なる熱伝導性を有する、少なくとも一種類以上の分割金型素材１２１・１２２・１２３を選定し、前記金型１１０を設計するのである。具体的には、速い冷却速度が求められる部位に対向する部分には、熱伝導性の高い分割金型素材１２１を接合する設計とし、逆に遅い冷却速度が求められる部位に対向する部分には、熱伝導性の低い分割金型素材１２３を接合する設計とするのである。
さらに、ステップＳ４の接合工程においては、前記選定され、設計された分割金型素材１２１・１２２・１２３を金型素材に拡散接合するのである。
【００２４】
上記のように構成することにより、成形品の形成時に、前記キャビティ１１１から拡散する熱量を相対的に増加又は減少させ、成形品を指向性凝固させることができる。具体的には、速い冷却速度が求められる部位に対向する部分では、熱伝導性の高い分割金型素材１２１がキャビティ１１１から拡散する熱量を相対的に増加させ、遅い冷却速度が求められる部位に対向する部分では、熱伝導性の高い分割金型素材１２３がキャビティ１１１から拡散する熱量を相対的に減少させるのである。換言すれば、熱伝導性の高い分割金型素材１２１に対向する部位の冷却を促進し、逆に熱伝導性の低い分割金型素材１２３に対向する部位の冷却を遅らせることができるのである。
これにより、鋳巣やひけ等の鋳造欠陥を減少させ、製品品質を向上させるとともに、オーバーフローを減少させて歩留まりを向上させることが可能となる。
【００２５】
さらに、金型１１０における内部冷却効果が向上するため、ヒートスポットがなくなり、離型剤が付着しやすいことから焼付きが減り、離型抵抗が減ることから寸法精度が良くなり、金型熱応力が軽減することから型寿命が延びるという利点がある。
また、前記分割金型素材１２１・１２２・１２３は拡散接合によって金型素材に接合されているため、前記実施形態と同様に熱伝導性をさらに向上させることができるのである。なお、本実施形態においても、前記実施形態と同様に他の接合方法を用いることが可能である。
【００２６】
このように、金型１１０の金型素材における蓄熱量を減らすことで、キャビティ１１１の表面の温度を低下させ、外冷等によるキャビティ１１１の表面からの抜熱量を小さくすることが可能となる。これにより、金型１１０に発生する熱衝撃を小さくすることができ、耐用年数を長くすることができるのである。
換言すれば、熱伝導性を考慮した材料の組合せによる金型１１０を設計することにより、金型１１０への入熱量や冷却速度に対応して冷却する指向性凝固が可能となる。また、分割金型素材１２１・１２２・１２３は、金型１１０に単に配置されているだけではなく、拡散接合によって接合されているため、金型１１０内に冷却経路１１０ｃを形成することができるのである。
【００２７】
［実験例］
次に、本発明に係る金型を用いて成型品を成形する場合の実験例について、図４（ａ）から図４（ｃ）を用いて説明する。
図４（ａ）は従来技術に係る金型５１に設けられたピン部分Ｐ１を示す図、図４（ｂ）は本発明の第一の実験例に係る金型１５１に設けられたピン部分Ｐ２を示す図、図４（ｃ）は本発明の第二の実験例に係る金型２５１に設けられたピン部分Ｐ３を示す図である。
図４（ａ）に示す如く、金型５１には冷却水路５１ａが形成されている。また、図４（ｂ）、（ｃ）に示す如く、金型１５１・２５１の内部において、金型１５１・２５１を形成する素材の熱伝導性より高い熱伝導性を有する、分割金型素材１５２・２５２が拡散接合で接合されている。そして、前記分割金型素材１５２・２５２に冷却水路１５１ａ・２５１ａが形成されている。本実験例においては、分割金型素材１５２は図４（ｂ）に示すように金型１５１の表面には表出しないように構成したのに対し、分割金型素材２５２は図４（ｃ）に示すように金型２５１の表面に表出するように構成している。
【００２８】
上記のように構成したピン部分Ｐ１・Ｐ２・Ｐ３において、鋳込み試験を行った結果、ピン部分Ｐ１については先端部分において焼付きやかじりが一定の範囲で発生した。これに対し、分割金型素材１５２・２５２を拡散接合した金型１５１・２５１については、前記のような焼付きやかじりの発生を大幅に低減させることができたのである。
【００２９】
即ち、金型１５１・２５１における内部冷却効果が金型５１に比して向上するため、ヒートスポットがなくなり、離型剤が付着しやすいことから、焼付きやかじりの発生を低減させることができたのである。また、金型１５１・２５１の熱拡散が金型５１に比して高いため、成形品成形時の冷却速度が大きくなり、組織が細かく硬い層（チル層）が従来よりも厚くなるため、成形品が強固になり、金型への溶着を防ぐことができ、焼付きやかじりを低減することができたのである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る金型を示す概略断面図。
【図２】本発明の第二の実施形態に係る金型を示す概略断面図。
【図３】本発明の第二の実施形態に係る金型の製造方法を示すフローチャート。
【図４】（ａ）は従来技術に係る金型に設けられたピン部分を示す図、（ｂ）は本発明の第一の実験例に係る金型に設けられたピン部分を示す図、（ｃ）は本発明の第二の実験例に係る金型に設けられたピン部分を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１０    金型
１０ｃ  冷却水路
１１    キャビティ
２１    分割金型素材
【図１】
2010115838.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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