(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル口をコールドプラグにより密栓した状態で、プランジャ又はスクリュの後退移動により加熱筒の先端部内に溶融金属を計量し、その計量溶融金属をプランジャ又はスクリュの前進移動によりノズルから押し出して金型に射出充填し、所望形態の金属製品に射出成形するにあたり、
その計量溶融金属の射出を、計量完了位置を開始点としてプランジャ又はスクリュを所定の速度・圧力で前進移動して行い、
その前進過程でコールドプラグにより射出圧力がピーク値に達した位置を記憶して射出のプロセス制御起点とし、その位置から予め設定されている以後の幾つかの速度・圧力切換位置を計算し、切換位置のトータルがプロセス制御起点からプランジャ又はスクリュの最前進位置までの射出ストロークを超える場合は、計量不足として射出成形を中止することを特徴とする金属材料の射出成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加熱筒内にて溶融した金属材料、特に低融点の非鉄金属をノズルから金型に射出充填して、所望形態の金属製品に成形する射出成形方法に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
低融点の非鉄金属（例えば鉛、亜鉛、錫、アルミニウム、マグネシウム或いはその合金等）を、プランジャ又はスクリュを内装した加熱筒内にて溶解し、その溶融金属をプラスチックの場合と同様に計量した後、プランジャ又はスクリュの前進移動により、加熱筒先端のノズルから直接又はホットランナーを経て金型に射出充填し、冷却により所望の金属製品を成形することが行われている。
【０００３】
このような金属材料の射出成形では、溶融金属が湯のような状態で、粘度はプラスチックとの比較において殆ど無いに等しいことから、計量時にノズル口から漏出し易く、これを防止する手段として、成形完了後のノズル口内の残留金属材料を、金型とのノズルタッチにより冷却固化し、コールドプラグとしてノズル口を閉塞するようにしている。
【０００４】
またコールドプラグによってノズル口は密栓された状態となるので、プランジャ又はスクリュを後退移動した際に、ノズル口からの空気の吸引が防止されるので、後退移動に伴う加熱筒の先端部内の負圧を利用した溶融金属の計量も可能となる。
【０００５】
このコールドプラグは、射出時の圧力によりノズル口から金型側へ押し除かれたのち、射出充填される溶融金属により溶解して消滅するので、成形に不都合を来すものではないが、その形成状態は金型側の冷熱によるものであることから一様ではなく、１ショットごとに異なったものとなる。このため射出開始からコールドプラグを押し除くまで及びその後の圧力挙動にも当然ながら差があり、この各ショットごとの圧力変動によって、成形される金属製品の品質にバラツキが生じ易いという課題を有する。
【０００６】
この発明の目的は、上記コールドプラグが原因とされる射出時の圧力変動による成形の不安定さを、射出開始後のコールドプラグによる射出圧力のピーク値位置を、射出プロセス制御起点として相対位置制御を行うことにより解決する新たな金属材料の射出成形方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明は、ノズル口をコールドプラグにより密栓した状態で、プランジャ又はスクリュの後退移動により加熱筒の先端部内に溶融金属を計量し、その計量溶融金属をプランジャ又はスクリュの前進移動によりノズルから押し出して金型に射出充填し、所望形態の金属製品に射出成形するにあたり、その計量溶融金属の射出を、計量完了位置を開始点としてプランジャ又はスクリュを所定の速度・圧力で前進移動して行い、その前進過程でコールドプラグにより射出圧力がピーク値に達した位置を記憶して射出のプロセス制御起点とし、その位置から予め設定されている以後の幾つかの速度・圧力切換位置を計算し、切換位置のトータルがプロセス制御起点からプランジャ又はスクリュの最前進位置までの射出ストロークを超える場合は、計量不足として射出成形を中止する、というものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の射出成形方法を採用して、プランジャにより金属材料の射出成形を行うことができる射出成形機の１実施形態を示すものである。
【０００９】
図中１は射出機構、２は型締機構で共に機台３の上面に設置されている。
４は型締機構２に対して進退自在に機台上面に設けた台座で、前部上にノズルタッチブロック５が固設してあり、後部上には上面が４５°前後の角度の内向きの傾斜面に形成された架台６が設けてある。
【００１０】
上記射出機構１は、この架台６の傾斜面に進退自在に取付けられて、先端のノズル部が型締機構２に対し下向きに位置して、上記ノズルタッチブロック５に臨むように機台３上に設置してある。
【００１１】
上記ノズルタッチブロック５の後面上部は上記射出機構１の軸線に対し直角に位置する傾斜後面に形成され、前側面には金型７とノズルタッチするノズル部材８が水平に取付けてある。また後側面には機台３上に固定したノズルタッチ装置９が連結してある。
【００１２】
上記射出機構１は、円筒状で外周囲にバンドヒータを備えた金属材料の溶解容器ともなる加熱筒１１と、その後端部に間隔を置いてタイバーにより連結した射出シリンダ１２と、加熱筒１１の後端下側に取付けた攪拌用の電動モータ１３と、粒状の金属材料の供給装置１４とからなる。
【００１３】
上記加熱筒１１の先端部内は、本体の内径よりも小径で、先端のノズルと一体のシリンダにより計量室１５に形成してあり、また本体内部に攪拌翼を備えた中空軸による攪拌手段１６と、その攪拌手段１６に進退自在に貫挿した射出手段１７とを有する。
【００１４】
上記射出手段１７は、攪拌手段１６に進退自在に貫挿したロッド１８の先端に射出及び計量用のプランジャ１９を備え、そのプランジャ１９を摺動クリアランス（図示せず）を設けて上記計量室１５に嵌挿する一方、ロッド後端を上記射出シリンダ１２のピストンロッド（図示せず）に連結した構造からなる。
【００１５】
このプランジャ１９は、外径が上記ロッド１８よりも大径で、その前部外周面に、計量室１５との間の吸込み間隙ともなる上記摺動クリアランスを遮断するシールリング２１を間隔を置いて２重に嵌合した短柱形のものからなる。
【００１６】
このような構成の射出機構１により金属材料の射出成形を行うには、先ず射出充填により最前進位置にあるプランジャ１９を後退移動して、上記加熱筒１１に完全溶融（液相状態）又はチクソ状（固相が多少残った状態）で溶解・蓄積された溶融金属２０の計量を行う。
【００１７】
この計量は、加熱筒１１の上記ノズル部とノズルタッチブロック５及びノズル部材８と金型７の全てを気密にノズルタッチした状態で行う。ノズル部材８ではノズルタッチブロック５と共にヒータにより固相線温度以上に加熱されているが、ノズル口内に残留した溶融金属は、金型７からの冷却を受けて固化し、コールドプラグ２２となってノズル口を密栓状態で閉塞するようになる。
【００１８】
このような状態でプランジャ１９を設定速度（たとえば１００mm／ｓ以下）で後退移動すると、計量室内は負圧となってシールリング２１の張力が低く抑えられ、摺動クリアランスに流通性が生ずるようになる。これにより加熱筒１１の溶融金属２０が、図では省略したが、摺動クリアランスから後退移動に伴い拡張されつつある計量室１５に、プランジャ１９が計量完了位置で停止するまで吸込まれるように流れ込んで、計量室１５を満たし、これにより設定量の計量が行われるようになる。因に、計量室１５の直径は３６mm、射出最大ストロークは７５mmである。
【００１９】
次に上記プランジャ１９を停止して計量を完了したのち、上記射出機構１をノズルタッチブロック５と共に後退移動して、ノズル部材８を上記型締機構２が型締を完了するまで金型７から離しておく。このノズルタッチの解除により、金型７によるノズル口の冷却は行われなくなり、コールドプラグ２２はノズル部材８からの加熱を受けるようになるので、冷却によるコールドプラグ２２の成長はノズル部材８の深部まで及ばず、射出圧力により排除できる程度の大さに制限される。しかし、計量中に加熱により溶解するようなことがあつても、その殆どは残存してノズル口から漏れるようなことはない。
【００２０】
上記計量溶融金属（図示せず）の金型７への射出充填は、型締終了後に再度ノズルタッチを行い、計量完了後のプランジャ位置を、図２に示す射出開始位置（Ｓ0 ）として行われる。
【００２１】
先ずプランジャ１９を所定の速度Ｖ1 と圧力Ｐ1 とにより前進移動すると、ノズル部材８のノズル口がコールドプラグ２２により密栓された状態にあるので、図３に示すように、計量溶融金属はプランジャ先端面により圧迫されて、材料圧（射出圧力）が上昇する。これが射出負荷圧となってプランジャ１９に作用するようになり、また負圧により張力が低く抑えられていたシールリング２１が元に復して摺動クリアランスを遮断し、計量溶融金属の逆流が許容範囲で防止されるようになる。
【００２２】
さらにプランジャ１９が前進すると、射出圧力がコールドプラグ２２による抵抗力よりも勝って、コールドプラグ２２が金型側に押し出され、ノズル口から取り除かれる。これにより計量溶融金属はプランジャ１９の押圧力によりノズルからノズルタッチブロック５内のホットランナーを通り、ノズル部材８から金型７に射出充填されるようになる。
【００２３】
また材料圧はコールドプラグ２２の除去と同時に急速に減少して降下するので、射出圧力もその時点でピーク値に達し、それ以後の射出圧力は充填完了まで低圧となり、保圧時に再び上昇するようになる。反対に射出速度は高速となる。
【００２４】
この射出圧力のピーク値の位置は、計量値が一定であっても、コールドプラグ２２の形成状態によって異なり、コールドプラグ２２が強固に形成されていると、その抵抗力に勝る大きな材料圧が生ずるまで、必要以上にプランジャ１９を前進移動することになる。また実質的な射出充填はコールドプラグ２２の除去後に行われることになるので、プランジャ１９の射出ストロークが相対的に設定値より短くなって、射出過程における制御を最後まで行うことができず、場合によってはショートとなることすらある。
【００２５】
この発明では、計量溶融金属の実質的な射出充填の開始点と見做される上記ピーク値の位置を記憶して、射出のプロセス制御起点（Ｓ1 ）とし、その位置から予め設定されている以後の幾つかの速度・圧力を多段にプロセス制御して、計量溶融金属の金型７への射出充填を行う。
この場合、プロセス制御起点（Ｓ1 ）から最前進位置までのプランジャ１９の射出ストロークは、プロセス制御起点（Ｓ1 ）の位置によって、予め設定された射出ストロークと異なることが多く、設定射出ストロークを基準として設定されたプロセス制御が困難となる。
【００２６】
そこで、プランジャ１９がプロセス制御起点（Ｓ1 ）に達したときに、その位置からプロセス制御に必要な予め設定された以後の幾つかの速度・圧力切換位置（Ｓ2 ），（Ｓ3 ）を直ちに計算し、その切換位置のトータル（以下切換位置トータルという）が図４（Ａ）に示すように、プロセス制御起点（Ｓ1 ）からプランジャ１９の最前進位置までの射出ストロークの範囲であれば、プランジャ１９をそのまま前進移動しながら、射出開始位置（Ｓ0 ）からの圧力Ｐ1 、速度Ｖ2を、射出プロセス制御起点（Ｓ1 ）で圧力Ｐ2 、速度Ｖ2 に、また切換位置（Ｓ2 ）では圧力Ｐ3 、速度Ｖ3 にそれぞれ制御して、計量溶融金属の金型への射出充填を行い、保圧切換位置（Ｓ3 ）にて圧力Ｐ4 、速度Ｖ4 を更に制御して保圧を行う。
【００２７】
またプロセス制御起点（Ｓ1 ）からの切換位置トータルが、図４（Ｂ）に示すように、プランジャ１９の上記射出ストロークを超えるようであれば、その射出ストロークでの射出プロセス制御は困難として、直ちにプランジャ１９の前進移動を停止し、計量不足としてノズルタッチしたまま射出成形を中止する。成形中止後の工程は再計量となり、次回の射出工程に移行する。
【００２８】
図５は、通常のインラインスクリュ式射出装置による場合を示すもので、加熱筒３１は外周囲にバンドヒータが一定間隔ごとに取付けた通常のものからなり、内部に射出用のスクリュ３２が回転かつ軸方向に移動自在に備える。また加熱筒３１の先端はノズル３３と一体の先端部材３４により閉塞してある。
【００２９】
上記スクリュ２３は、円錐状形の先端部の外周に逆流防止用のリングバルブ３５を進退自在に嵌合した通常のもので、粒状の金属材料をスクリュ回転により溶解しながら、加熱筒前方へと溶融金属を移送する構造からなる。
【００３０】
この溶融金属は、上記ノズル３３を金型３７にノズルタッチした状態で、前進位置のスクリュ３２を後方に設定距離だけ強制後退することによって、加熱筒３１の先端部内に生じた計量室３６に蓄積される。またノズル口内は残存して冷却固化したコールドプラグ３８により密栓されている。
【００３１】
上記強制後退はスクリュ３２を回転しながら後方に引っ張って行う。この際、計量室３６はノズル先端が塞がれていることから、負圧状態となって、閉弁状態のリングバルブ３５が引き戻されて開弁すると同時に、スクリュ３２の前部周囲に蓄えられた溶融金属が、吸引とスクリュ回転とにより計量室３６に流れ込んで計量が行われる。
【００３２】
計量後の射出は  先ずスクリュ３２を所定の速度Ｖ1 と圧力Ｐ1 とにより前進移動する。計量溶融金属はスクリュ３２の先端面により圧迫されて、材料圧（射出圧力）が上昇する。これが射出負荷圧となってリングバルブ３５が押し戻されて閉弁し、計量溶融金属の逆流が許容範囲で防止されるようになる。
【００３３】
さらにスクリュ３２が前進移動すると、射出圧力がコールドプラグ３８による抵抗力よりも勝って、コールドプラグ３８が金型側に押し出され、ノズル口から取り除かれる。これにより計量溶融金属はスクリュ３２の押圧力によりノズル３３から金型３６に射出充填されるようになる。
【００３４】
また材料圧はコールドプラグ３８の除去と同時に急速に減少して降下するので、射出圧力もその時点でピーク値に達する。そこで計量溶融金属の実質的な射出充填の開始点と見做される上記ピーク値の位置を記憶して射出のプロセス制御起点（Ｓ1 ）とし、その位置からプロセス制御に必要な予め設定された以後の幾つかの速度・圧力切換位置（Ｓ2 ），（Ｓ3 ）を直ちに計算する。
【００３５】
計算の結果、その切換位置トータルが図４（Ａ）に示すように、スクリュ３２に設定された射出ストロークの範囲であれば、スクリュ３２を前進移動しながら、射出開始位置（Ｓ0 ）からの圧力Ｐ1 、速度Ｖ2 を、プロセス制御起点（Ｓ1）で圧力Ｐ2 、速度Ｖ2 に制御し、切換位置（Ｓ2 ）では圧力Ｐ3 、速度Ｖ3 に制御して、計量溶融金属の金型への射出充填を行い、保圧切換位置（Ｓ3 ）にて圧力Ｐ4 、速度Ｖ4 を更に制御して保圧を行う。
【００３６】
またプロセス制御起点（Ｓ1 ）からの切換位置トータルが、図４（Ｂ）に示すように、スクリュ３２の上記射出ストロークを超えるようであれば、その射出ストロークでのプロセス制御は困難として、直ちにスクリュ３２の前進移動を停止し、計量不足としてノズルタッチしたまま射出成形を中止する。成形中止後の工程は再計量となり、次の射出工程に移行する。
【００３７】
この発明は上述のように、プランジャ又はスクリュの前進過程で、コールドプラグにより射出圧力がピーク値に達した位置を記憶して射出のプロセス制御起点とし、その位置から以後の幾つかの速度・圧力切換位置の計算と、それら切換位置の計算結果とプランジャ又はスクリュの実質的な射出ストロークとの対比判断から、射出成形の中止か否かを決定することから、成形材料が融点の低い非鉄金属で、溶融状態が液相線以上の温度に完全溶融された液相状態あるいはチクソ状態であっても、計量不足を生ずることなく射出成形を行うことができ、また射出成形を相対位置制御より行うことができるので、金属材料であっても射出充填量のバラツキが改善されて、成形精度に優れた製品を、プロセス制御を採用して容易に安定成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係わる金属材料の射出成形方法を実施し得るプランジャ式射出成形機の略示断面図である。
【図２】  同上における射出成形方法の説明図である。
【図３】  溶融金属の射出成形時の圧力及び速度の状態説明図である。
【図４】  プロセス制御起点からの射出ストロークと各切換位置のトータルとの対比図である。
【図５】  インラインスクリュ式射出成形機におけるこの発明の射出成形方法の説明図である。
【符号の説明】
１    射出機構
２    型締機構
５    ノズルタッチブロック
７    金型
８    ノズル部材
１１    加熱筒
１５    計量室
１６    攪拌手段
１７    射出手段
１８    ロッド
１９    射出用のプランジャ
２０    溶融金属
２１    シールリング
２２    コールドプラグ
３１    加熱筒
３２    射出用のスクリュ
３３    ノズル
３５    リングバルブ
３６    計量室
３７    金型
３８    コールドプラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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