(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル部材と連通する先端部内を縮径して所要長さの計量室に形成し、そのノズル部材側を下向きに傾斜設置した加熱筒と、加熱筒内に回転自在に設けられて、射出プランジャに形成した先端部を計量室に進退自在に挿入し、その射出プランジャと軸部周囲にスクリュフライトを有する上部の供給部との間の加熱筒内を、スクリュフライトのない軸部周囲の貯溜スペースによる貯溜部に形成した射出軸とからなる射出装置を用い、上記供給部の金属材料をスクリュフライトの回転により移送しつつ外部熱により溶融するとともに、傾斜により供給部から貯溜部に流入した溶融金属材料の次回射出分を貯溜し、その貯溜部で外部熱により完全溶融した金属材料を、上記射出プランジャの後退移動により生ずる計量室側の負圧により、射出プランジャの周囲から上記計量室内に吸引して計量し、射出プランジャの前進移動により金型に射出充填することを特徴とする溶融金属の射出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、亜鉛、マグネシウム又はそれら合金等の低融点の非鉄金属を、完全に溶融して液相状態で射出成形する場合に用いられる溶融金属の射出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】
低融点の非鉄金属を完全溶融して、液相状態で射出成形することが試みられている。成形方法としてはプラスチック材料の場合と同様に、内部に射出用のスクリュを回転かつ進退自在に備えた加熱筒を採用し、加熱筒の後部から供給された粒状の金属材料を、スクリュ回転により加熱筒の前方へと移送しつつせん断発熱と外部熱とにより完全に溶融し、その溶融金属を加熱筒の先端部内に液相状態で蓄積して計量としたのち、スクリュ前進により加熱筒先端のノズルから金型に射出充填するというものであった。
【０００３】
このような射出成形を金属材料に採用した場合における課題は、スクリュ回転による材料移送の困難さ、液相状の金属材料の温度維持、計量の不安定さなどにある。
プラスチック材料では溶融により高粘度となることから、スクリュ回転による移送は、主として溶融プラスチックとスクリュの境界面における摩擦係数が、溶融プラスチックと加熱筒内壁の境界面における摩擦係数よりも小さく、そこに摩擦係数差があることから生ずる。
【０００４】
それに対し、液相状態にまで完全に溶融した金属材料では、プラスチック材料とは比較にならぬほど粘度が小さいため、上記２つの境界面における摩擦係数差が殆どないに等しく、これにより溶融プラスチックの場合のようなスクリュ回転による移送力が生じ難い。
【０００５】
金属材料でも、固体移送力と溶融過程における半溶融状態での高粘度域においては移送力が生じるので、その領域まではスクリュ回転により材料移送は行い得るが、金属材料では溶融により液相率が高まるに伴って粘度が低下し、スクリュフライト間のねじ溝による移送力が減衰するので、スクリュ回転による加熱筒先端部への安定供給が不安定となり易い。
【０００６】
またプラスチック材料では、溶融により高粘度となることから、スクリュ回転により先端部内の蓄積量が増加するに従い、その反力としてスクリュを後方へ押し戻す材料圧が発生するので、この材料圧によるスクリュ後退を制御することによって、溶融プラスチックの密度を一定化し、計量を毎回一定量とすることができる。
【０００７】
しかし、金属材料が低粘度の液相状態では、スクリュを後方へ押し戻す程の圧力上昇は生じないので、材料圧によるスクリュ後退が起こり難く、スクリュ回転のみでは先端部内への蓄積量も異なって計量毎にバラツキが生ずる。
【０００８】
また金属材料は比重がプラスチック材料よりも著しく大きく、液相状態では低粘度で流動性を有することから、水平に設置した加熱筒内では、スクリュ回転を停止して静止すると、液相状態の金属材料がスクリュフライトと加熱筒とのクリアランスから、後方の半溶融領域に漏出するようになり、これに伴って先端部内に計量した金属材料も開弁状態にあるリングバルブからスクリュの前部周囲へと逆流して減量するようになる。
【０００９】
この計量の減少に伴って加熱筒の先端部内では液相面も下がることから、そこに蓄積量を不安定となす気相（隙間）が生じ、また漏出した液相状の金属材料は半溶融領域にて温度低下して高粘度化するか、または半溶融領域の加熱状態によっては固化してスクリュ溝内に堰を形成し、その後方の供給口からの粒状材料のスクリュ回転による移送に支障を来す、という課題をも有する。
【００１０】
この発明は、金属材料を液相状態にて射出成形する場合の上記課題を解決するために考えられたものであって、その目的は、射出装置内に液相状の金属材料の貯溜部を設けるとともに射出装置の斜設によって、金属材料の計量と射出を常に円滑に行い得る新たな溶融金属の射出方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明は、ノズル部材と連通する先端部内を縮径して所要長さの計量室に形成し、ノズル部材側を下向きに傾斜設置した加熱筒と、加熱筒内に回転自在に設けられて、射出プランジャに形成した先端部を計量室に進退自在に挿入し、その射出プランジャと軸部周囲にスクリュフライトを有する上部の供給部との間の加熱筒内を、スクリュフライトのない軸部周囲の貯溜スペースによる貯溜部に形成した射出軸とからなる射出装置を用い、上記供給部の金属材料をスクリュフライトの回転により移送しつつ外部熱により溶融するとともに、傾斜により供給部から貯溜部に流入した溶融金属材料の次回射出分を貯溜し、その貯溜部で外部熱により完全溶融した金属材料を、上記射出プランジャの後退移動により生ずる計量室側の負圧により、射出プランジャの周囲から上記計量室内に吸引して計量し、射出プランジャの前進移動により金型に射出充填する、というものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図は、この発明に係わる溶融金属の射出方法に用いられる射出装置の１実施形態を示すもので、１は加熱筒、２は加熱筒１の内部の射出軸である。
上記加熱筒１は、ノズル部材１１を先端面にねじ着した先端部材１２を備え、後部に粒状の金属材料の供給口１３を有する。またノズル部材１１及び先端部材１２から供給口１３にわたる外周囲には、バンドヒータ１４が一定間隔ごとに取付けてある。
【００１３】
上記先端部材１２は、後端周囲に一体形成したフランジ１５を、加熱筒１の端部周囲に一体形成したフランジ１６に当接し、ボルト１７により止着して加熱筒１の先端部として設けられており、上記ノズル部材１１と連通する内部は、上記射出軸２を挿通した加熱筒１の内径よりも８〜１５％ほど小径に縮径されて、加熱筒１の先端部内の所要長さの計量室１８となっている。この計量室１８の開口部には、図５に拡大して示すように、複数の流通溝２１ａが等間隔に凹設してある。
【００１４】
上記射出軸２の先端部は射出プランジャ２１に形成されている。この射出プランジャ２１は摺動用のクリアランスを確保して、計量室１８に進退自在に挿入可能な外径からなり、先端面は計量室１８の漏斗状の先端面と適合する円錐面に形成されている。また外周囲には射出時に摺動クリアランスからの逆流を防止するシールリング２１ｂが施してある。このシールリング２１ｂは特殊鋼などによる耐熱性のピストンリングをそのまま採用したものからなる。
【００１５】
図２に示すように、上記射出プランジャ２１と、上部軸部２２の周囲にスクリュフライト２３を有する供給部Ａとの間は、下部軸部２４のみによるスクリュフライトのない貯溜部Ｂとなっている。上記スクリュフライト２３の外径は加熱筒１の内径と略等しく、射出軸２の後退限位置において、スクリュエンドのねじ溝２３ａが上記供給口１３の直下に位置する個所から、下部軸部２４の周囲に形成した貯溜部Ｂとの境界に形成した膨出部２５のところまで、同一ピッチにて軸部２２の周囲に一体に形成してある。
【００１６】
上記膨出部２５の外径はスクリュフライト２３と同径で、側面には供給部Ａから貯溜部Ｂへ流通する金属粒子を、２mm以下の大きさに制限する複数の流通スリット２６が等間隔に軸方向に切設してある。この流通スリット２６により、液相状の金属材料と一緒に供給部Ａから貯溜部Ｂへ流れ込む半溶融状態の金属粒子は、細かなものに制限され、貯溜部Ｂにて外部熱により完全溶融するようになる。また膨出部２５は射出軸２の前進時に、貯溜部Ｂの液相状の金属材料が供給部Ａに逆流して半溶融状態となるのを防止する。
【００１７】
上記貯溜部Ｂの軸部２４は、上記射出プランジャ２１の直径よりも小径に形成されて、加熱筒内壁との間に供給部Ａにおけるスクリュフライト間のねじ溝よりも深い貯溜スペース２７が、射出プランジャのスクリュフライトのない軸部周囲に確保され、これにより貯溜部Ｂの長さ範囲において、少なくとも次回射出分の金属材料が液相状態で貯溜できるようにしてある。なお２８は軸部２４の支持部材である。
【００１８】
上記構成の射出装置は、上記供給口１３を上側にして、加熱筒１の内部の液相状態の金属材料が、自重により貯溜スペース２７へ流下し、成形ごとに上記計量室１８に蓄積されるように、ノズル１１側を下向きにして傾斜設置して使用される。
【００１９】
この傾斜設置には、ノズル部材１１と金型３１のスプル３２とが同一直線上に位置して屈曲することなくノズルタッチするように、例えば図４に示すように、射出装置１０と型締装置３０の両方を、機台４０の上に同一角度（３〜１０度）にて設置する場合と、図は省略したが、射出装置のみを機台上に傾斜設置する場合の何れをも採用することができる。
【００２０】
上記射出装置１０では、射出軸２が供給部Ａ、貯溜部Ｂ、射出プランジャ２１の３部構成からなり、主なる溶融をせん断発熱により行う通常の射出軸が有する圧縮部がないことから、金属材料の溶融は専ら加熱筒１の外周囲のバンドヒータ１４から供給される外部からの加熱（例えばマグネシウムでは６１０℃以上）による。
【００２１】
この外部熱による金属材料の溶融及び計量は、ノズル部材１１の先端を金型３１にノズルタッチしたまま行われる。ノズルタッチによりノズル部材１１の先端内は、前回の射出によりノズル部材１１に残留した金属材料が金型側からの冷却により固形物となって、ノズル先端を閉塞している。
【００２２】
射出充填後の射出軸２は、図３に示すように、クッションとして液相状の所要量の金属材料を残すところまで前進して停止していることから、これを強制的に設定距離だけ後退移動させると、計量室１８は負圧状態（減圧又は真空状態）となる。しかし、射出プランジャ２１が設定位置まで後退して、流通溝２１ａにより計量室１８が貯溜部Ｂと連通すると、殆ど同時に貯溜部Ｂに液相状態で一次的に蓄えた次回分の金属材料が、流通溝２１ａから計量室１８に吸引されて、計量室１８を満たす。
【００２３】
また供給部Ａでは、射出軸２の進退移動に関係なく、スクリュフライト２３の間のねじ溝に溜った金属材料の外部熱による溶融と、完全溶融により液相状態となった金属材料の貯溜部Ｂへの流動が継続して行われ、さらに射出軸２の後退によって、スクリュエンドのねじ溝２３ａが供給口１３の直下に位置するようになり、射出軸２の前進によって軸後部２２ａにより塞がれていた供給口１３が開口する。
【００２４】
この後退停止位置にて射出軸２の回転を行うと、供給口１３の粒状の金属材料が、スクリュフライト２３の回転により新たな材料として加熱筒前方へと順次ねじリードされて移送され、その途中で加熱筒１からの外部熱により溶融して固相と液相とが混在した半溶融状態となる。なお、酸化し易い金属材料の場合には、供給口１３に接続した供給装置内から加熱筒内にアルゴンガス等の不活性ガスを供給し、不活性ガス雰囲気で溶融をを行うのが好ましい。
【００２５】
供給部Ａを移送された金属材料の殆どは、上記膨出部２５の近傍に至る間に液相状の金属材料となる。加熱筒内で液相率が高まると、湯のように粘度が低い液相状の金属材料は、水平な加熱筒では自重によりスクリュ下側に溜り易くなるが、加熱筒１が射出軸２と共に下向きに傾斜しているため、スクリュ回転によるねじ効果と相俟って、液相状の金属材料は膨出部２５の流通スリット２６から貯蓄部Ｂに流入するようになる。
【００２６】
貯溜部Ｂに流入した液相状の金属材料は、既に計量室１８には前回の射出時に一次的に貯蓄されていた金属材料が充満していることから、そのまま貯溜部Ｂに次回分の金属材料として、回転中の軸部２４により攪拌されながら溜め置かれる。しかし計量室１８に不足があるような場合には、先にその不足分を補ってから貯溜されることになる。
【００２７】
また貯溜部Ｂの金属材料の液面ａは水平で、加熱筒１に対し斜めに位置することから、気相は水平な液面ａより上部に生じて計量室１８にまで及ぶことはなく、さらに射出軸２の強制後退により、貯溜部Ｂの金属材料が計量室１８に吸引される際に、気体を巻き込むようなことがあっても、比重の差から脱気が自然に行われるので、加熱筒１を水平設置した場合に必要とされた射出時のガス抜きが不要となる。このようなことから計量の不安定さが改善される。
【００２８】
次に計量は、貯溜部Ｂに設定量の金属材料が貯蓄されたところでスクリュ回転を停止し、その後に射出軸２を前進して行う。この計量前進は上記射出プランジャ２１が計量室１８に押し込まれて流通溝２１ａによる流入路が遮断されたのち、または流通溝２１ａを不要とする場合には、先端面と計量室１８との間に生じた流通間隙が射出プランジャ２１により塞がれたのちに、計量室内の材料圧が予め定めたスクリュの前進距離内で設定圧力に達した所までとなる。
【００２９】
何れにしても、その計量過程で液相状の金属材料が射出プランジャ２１により圧迫されて、設定圧力に達する間に余剰の金属材料が貯溜部Ｂの貯溜スペース２７にオーバーフローすると共に再度の脱気も行われ、計量室１８における金属材料の定量化が行われることになる。またスクリュ前進により貯溜部Ｂも前方へ移動することになるが、軸部周囲の貯溜スペース２７の容積には変動はないので、貯溜部Ｂの金属材料が供給部Ａに逆流するようなことがなく、過剰の貯溜により逆流が生ずるようなことがあっても、それは上記膨出部２５により少量に制限されて、液相状態で逆流した金属材料が、供給部Ａで半溶融状態に戻ることにより生ずる移送障害となるほどのものではない。
【００３０】
計量前進の停止後、工程は射出充填に移行するのであるが、上記計量前進の開始から射出前進及び射出充填完了に至る全工程は、プロセス制御をもって行われる。射出軸２の射出前進により計量室１８の液相状の金属材料は射出プランジャ２１に押圧され、その圧力によりノズル先端内を閉塞していた固形物がスプル３に押し出されて、金属材料が液相状態で金型３１へ射出充填される。
【００３１】
上記固形物の押し出しにはかなりの圧力が必要となり、その圧力は固形物の生成状態により大きく異なる。また圧力のバラツキは射出を不安定となす要因ともなるので、固形物の生成を成形ごとに同一状態となすために、ノズル先端部の温度管理を要することになる。
【００３２】
射出前進は所要量の金属材料をクッションとして残すところまで行われて充填完了となる。また上記供給口１３はスクリュエンド２３ａの前方移動により後部軸部２２ａにより図では省略したが閉鎖されて、金属材料の供給を中断する。
【００３３】
射出充填の完了後、射出軸２は保圧のため、その位置に停止される。保圧完了後に工程は金属材料の計量に切換わり、射出軸２の強制後退が行われるようになる。強制後退により射出軸２が設定位置に達すると、工程は溶融及び計量工程に切換えられて射出軸２が停止し、その位置にて上述のようにスクリュ回転が開始されて、少なくとも次回分の金属材料の供給と移送及び溶融、計量が連続して行われる。
【００３４】
図６に示す射出プランジャ２１は、外周側に切設したシールリング２１ｂの嵌合用の環状溝４１と円錐形の射出プランジャ先端とにわたり流通孔４２を穿設し、その流通路４２により環状溝４１を計量室内と連通させた構造からなる。他の実施形態を示すものである。
【００３５】
このような射出プランジャ２１では、射出軸２の前進による射出時に、射出プランジャ先端により押圧されて生じた材料圧が、流通孔４２から環状溝４１に緩く嵌合したシールリング２１ｂに作用して外方に押圧し、これによりシールリング２１ｂは拡張して、計量室１８の内周面に押し付けられるようになる。これにより摺動用のクリアランスからの溶融金属の逆流が防止される。
【００３６】
また射出軸２の後退時には、射出プランジャ２１の計量室内の後退移動により生ずる負圧によって、拡張されたシールリング２１ｂが元の状態に縮小し、そこに再びクリアランスが生ずるとともに、負圧による吸引作用により貯溜部Ｂに蓄えられた溶融金属が、射出プランジャ先端部が上記流通溝２１ａに達する前から拡張されつつある計量室１８に流入するようになる。これにより機密状態の計量室内を射出プランジャ２１が後退するものであっても、射出軸２の強制後退を困難となすほどの大きな負圧が発生せず、射出軸２の後退がスムーズに行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る溶融金属の射出方法の実施に用いられる射出装置の縦断側面図である。
【図２】  射出装置が備える射出軸の側面図である。
【図３】  射出充填完了時の射出装置の前部の縦断側面図である。
【図４】  図１の射出装置を備えた成形機の側面図である。
【図５】  射出装置の加熱筒先端部の拡大断面図である。
【図６】  射出装置が備える射出プランジャの他の実施形態の前端面（Ａ）及び縦断側面（Ｂ）の説明図である。
【図７】  この発明の射出方法の実施に用いられる他の実施形態の射出装置の射出完了時における縦断側面図である。
【符号の説明】
１    加熱筒
２    射出軸
１０    射出装置
１１    ノズル部材
１２    先端部材
１３    供給口
１４    バンドヒータ
１８    計量室
２１    射出プランジャ
２１ａ  流通溝
２１ｂ  シーリング
２２    供給部Ａの軸部
２２ａ  軸後部
２３    スクリュフライト
２３ａ  スクリュエンドのねじ溝
２４    貯留部Ｂの軸部
２５    膨出部
２６    流通スリット
２７    貯留スペース
３０    型締装置
３１    金型
３２    スプル
４０    機台
４１    環状溝
４２    流通孔
【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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【図６】
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【図７】
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