(57)【要約】テストサンプル２０の静止および滑り摩擦係数を測定するため、垂直力を成形ダイ１を介してテストサンプル２０に印加し、続いて、トルクを電気モータ１９から、歯車機構１８、クラッチ１７、およびキャリア１０内の歯付きベルト１５を介してテストサンプル２０に導く。テストサンプル２０から成形ダイ１に伝達するトルクの変化は、トルク変換器２により測定される。静止および滑り摩擦係数は、静止摩擦から滑り摩擦への遷移に関する特性トルク曲線から得られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイ（１）を介して垂直力をテストピース（２０）に印加する手段（４）、トルクをテストピースに与える手段、および、テストピースを介してダイに伝達したトルクを測定する手段（２）を備えた摩擦係数の計測装置。
【請求項２】
ダイがテストピースを収容する射出成形金型の成形ダイとして構成されていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項３】
垂直力が空気圧システムからダイに伝達されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
垂直力を測定するための手段（３）を備えた請求項１，２，３のいずれか一つに記載の装置。
【請求項５】
測定手段により送出されたトルク測定データを取得するデータ取得装置を備えた上記請求項のいずれか一つに記載の装置。
【請求項６】
テストピースを成形するための成形ダイおよびモールドキャビティを有する射出成形金型を備えた上記請求項のいずれか一つに記載の装置。
【請求項７】
モールドキャビティはスプルーブッシュおよびキャリアを有し、スプルーブッシュとキャリアは相対的に移動できることを特徴とする請求項６の装置。
【請求項８】
キャリアをスプルーブッシュに対し移動できるよう力をキャリアに作用させるための弾性部材（１３）、特に皿ばねを備えた請求項７の装置。
【請求項９】
キャリアは、テストピースを確実に収容するように構成されることを特徴とする請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
キャリアは、テストピースと確実な閉鎖を形成するために、射出成形金型のキャビティの領域で、粗いまたはぎざぎざの領域をなしていることを特徴とする請求項９の装置。
【請求項１１】
射出成形金型は、該金型内に製造可能なテストピースが内部領域で湾曲し外部領域で平坦状となるように構成されることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１２】
トルクをテストピースに与える手段は、Ｖベルトまたは歯付きベルト駆動をなすことを特徴とする上記請求項のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１３】
摩擦係数の計測方法において、
射出成形金型内でテストピースを製造する工程と、
射出成形金型の成形ダイを介して垂直力をテストピースに印加する工程と、
トルクをテストピースに与える工程と、
テストピースを介して成形ダイに伝達されるトルクを測定する工程と、
垂直力および伝達したトルクから摩擦係数を計測する工程と、
を含む方法。
【請求項１４】
製造されるテストピースは第１の領域に平坦面を有し第２の領域に湾曲部を有することを特徴とする請求項１３の方法。
【請求項１５】
垂直力を空気圧で発生させることを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
垂直力は予め決められており、伝達したトルクをデータ取得装置で記録することを特徴とする請求項１３，１４，１５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１７】
伝達するトルクの取得期間は、成形ダイとテストピースの間で静止摩擦から滑り摩擦に遷移する期間にまでわたることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】
テストピースは、射出成形金型のモールドキャビティとの確実な閉鎖を形成するために、縁領域においてぎざぎざまたは粗い外形をなすことを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１９】
射出成形プロセスにおけるトルクは、テストピース射出成形物と成形ダイとの間の接触により伝達することを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２０】
トルクをテストピースに与える前にスプルーをテストピースから除去することを特徴とする請求項１３〜１９のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２１】
スプルーの除去は、トルクをテストピースに伝達できるキャリアと射出成形金型のスプルーブッシュとの相対移動により行われることを特徴とする請求項２０の方法。
【請求項２２】
力を加えて射出成形金型から任意の形状の成形物を離型するための方法において、
成形物の離型に必要な力の大きさは、請求項１３〜２１のいずれか一つに記載の方法ににより得られた摩擦係数に基づいていることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、摩擦係数の計測装置および方法、並びに、射出成形金型から成形物を離型するためのの方法に関する。
【０００２】
射出成形される成形物の製造では、成形物を射出成形金型から離型することが必要である。成形物を射出成形金型から離型することの容易性は、使用される合成材料の特性により決定される。そのようなタイプの成形物を大量に自動的に製造するには、製造条件下で障害なく成形物を傷付けずに離型できることが前提である。したがって、成形物を安全に容易に離型することは、射出成形製造用の例えば熱可塑性樹脂を選択するのに重要な基準となる。
【０００３】
成形物を離型する前、該成形物は射出成形金型に固着している。この固着の大きさは、静止摩擦係数により特徴付けられる。離型時、成形物は、射出成形金型の壁から離間される。これに必要な「離間力」は、静止摩擦係数が大きいほど大きくなる。したがって、この係数は、成形物の離型容易性の尺度を表している。すなわち、成形物と金型の壁との静止摩擦係数が低ければ、成形物をより容易に離型できる。
【０００４】
従来例として、熱可塑性樹脂からなる成形物の離型容易性を測定する方法が知られている。従来の方法は、冷却期間に収縮スリーブを金型コア上に対し押し出し、これにより正確には定義できない垂直力を発生させるものである。冷却期間の終了後、射出成形金型を開き、スリーブを、環状エジェクタによりスリーブが固着した金型円筒コアから剥がす。これに関し、離型に必要な力が、エジェクタユニットの液圧系がエジェクタに作用する最大圧力から測定される。しかしながら、この離型力からは、一義的な静止摩擦係数を計算できない。その理由は、金型コアに作用するスリーブの垂直力は、均一に分布せず場所によって異なっているからである。
【０００５】
上記公知の方法の他の不都合な点としては、摩擦係数の測定が、対象となる成形物の形状、異なる他の加工パラメータ（例えば、保持圧力の高さ、冷却期間の長さ、金型の壁の温度、および成形物の離型速度）にかなり依存していることである。平坦状の射出成形物の場合であっても、プレート中央のヒケのために垂直力を均等に伝えることができない。したがって、上記公知方法は、上述の境界条件と独立して摩擦静止係数を測定できない。
【０００６】
そこで、本発明は、摩擦係数の改良した計測装置および方法、並びに成形物の改良した離型方法を得ることを目的とする。
【０００７】
上記目的は、各独立特許請求項の特徴により達成される。好適な実施形態は従属請求項に示されている。
【０００８】
本発明は、異なる材料の静止および滑り摩擦係数を正確に得ることを可能とする。得られた静止および滑り摩擦係数は、成形ダイの熱可塑性樹脂／スチールの個々のペアに対して一般に有効な特性値を示す。その結果、具体的な成形物の垂直力を考慮して任意の射出成形される成形物の離型容易性について具体的に言及でき、必要な「離間力」の大きさについても具体的な言及が可能となる。
【０００９】
摩擦係数の計測は、製造時に成形物を離型するのと同じ条件で行うことができる。本発明では、とりわけ成形物の形状に無関係に且つ明確に定義できる射出成形パラメータのもとで、成形物の離型の直前に成形物と金型壁との間の静止および滑り摩擦係数を計測できる。したがって、得られる摩擦係数は、成形物の離型容易性を評価するのに一般に有効で客観的な尺度を示す。
【００１０】
好適な実施形態では、測定プロセスを行うのに用いる装置は、駆動ユニットおよび測定ユニットから構成される。駆動ユニットでは、連続的にその回転数が調整可能な電気モータは、歯車機構を介して歯付きベルト駆動機構に作用する。
【００１１】
測定ユニットは射出成形金型に内蔵される。射出成形金型のスプール側キャビティは、いわゆるキャリアである。キャリアは、駆動ユニットの歯付き駆動機構により回転運動できるようになっている。射出成形金型のキャビティの残り半分は成形ダイを構成する。成形ダイは水平に移動できる。成形ダイは、垂直力変換器を介して空気圧シリンダに堅固に連結されている。さらに、成形ダイは、回転運動をトルク変換器に伝達できる。キャリア、成形ダイ、並びに、スプルーおよび金型用インサートは、水および／または油を用いて個別に特定の温度範囲に設定することができる。
【００１２】
本発明に係る方法の一実施形態では、テストピースと成形ダイとの間の静止および／または滑り摩擦係数が測定される。テストピースの製造は、調査すべき合成材料、例えば可塑化される熱可塑性樹脂をキャリアと成形ダイで形成したモールドキャビティ内に射出成形することにより行われる。金型のキャビティ内で合成材料が凝固した後、測定が行われる。
【００１３】
テストピースとして縁がぎざぎざの円状プレートが可能である。この場合、直径は例えば９５ｍｍで厚みが２．５ｍｍである。
【００１４】
プラスチック溶融物が凝固する間、テストピースの表面は、成形ダイに連結した空気圧シリンダの作用によって成形ダイに接触し続ける。テストピースのスプルーは、実際に測定を行う前に、キャリアの移動により引き剥がされるのが好ましい。
【００１５】
好適には、キャリアは、キャリア内に位置するテストピースとともに、駆動ユニットの歯付きベルト駆動機構により所定の角度、例えば３７°回転される。このとき、テストピースとダイの間の静止摩擦によって、トルクが成形ダイに伝達する。このトルクは、トルク変換器により記録される。続いて、射出成形金型を完全に開き、テストピースをエジェクタピンにより排出し、その後、射出成形金型を再び閉じる。このとき、キャリアは、逆回転して初期位置に戻る。続いて、別のテストピースの製造を行うことができる。
【００１６】
テストピースの回転の前、該ピースは成形ダイに固着している。回転によって、この結合が解放される。これに必要なトルクＭはトルク変換器により記録される。このトルク、テストピースの平均半径ｒ、成形ダイからテストピースに作用する垂直力Ｆ（これは、垂直力変換器を介して空気圧シリンダにおいて調整可能である。）から、式
μ＝Ｍ／（ｒ＊Ｆ）
から摩擦係数μが計算される。テストピースの回転中、成形ダイに伝達するトルクが変化する。トルク変換器が、トルクの変化の時間的推移をグラフとして記録するデータロガーに接続される場合、特性曲線が生じる。テストピースから成形ダイに伝達するトルクは、まず急激に上昇し、例えば非常に明確な最大値に到達し、続いて、例えば大部分が一定の最終値まで下がる。最大トルクは静止摩擦係数に対応し、低く大部分が一定の最終トルクは滑り摩擦係数に対応する。
【００１７】
最大トルクに到達すると、成形ダイとテストピースとの間の固着は破壊される。同じことが成形物を離型する際に生じる。したがって、最大トルクから得られる静止摩擦係数は、成形物の離型容易性に対する尺度を表す。
【００１８】
驚くべきことに、本発明に係る方法によって得られる静止および滑り摩擦係数は、大部分が個々の射出成形条件に無関係、特に保持圧力の大きさ・期間に無関係である。同様に驚くべきことに、摩擦係数は、テスト条件、すなわちテストピースに作用する表面圧の大きさ、および、テストピースの回転運動の角速度に無関係である。これは、本発明に係る方法によって得られる静止および滑り摩擦係数は、成形ダイのプラスチック材料／スチールの個々のペアに対し一般に有効な特性値であることを意味する。
【００１９】
したがって、本発明では、成形物の個々の形状に無関係且つ個々の測定条件に無関係に、実際の摩擦係数を測定することができる。
【００２０】
以下、本発明を好適な実施形態を基礎として詳細に説明する。
【００２１】
図１は、静止および滑り摩擦係数を測定する装置を示す。装置は成形ダイ１を備え、ダイにはトルク変換器２が連結されている。トルク変換器２の後方には、垂直力変換器３が配置されている。空気圧シリンダ４を介して、力を成形ダイ１に作用できるようになっている。
【００２２】
成形ダイ１、トルク変換器２、垂直力変換器３、および空気圧シリンダ４からなる構成は、軸方向に支持されたガイド５により保持されている。対応するガイドバー６は、ガイド５を案内するとともに成形ダイ１からトルク変換器２に伝達するトルクを吸収する機能を有する。このトルクをガイドバーを介して完全に吸収することが必要となるのは、垂直力変換器３が半径方向の力を受けることができない場合である。
【００２３】
ガイドバー６は、プラテン８に固定されている。図１には不図示の液圧系を介して、プラスチックの射出成形のために、高圧を成形ダイ１に作用できるようになっている。
【００２４】
装置はさらに、成形ダイ１とともに射出成形金型を形成するモールドキャビティ９を備える。モールドキャビティ９は、キャリア１０およびスプルーブッシュ１１を備える。キャリア１０およびスプルーブッシュ１１は相対的に長手方向に移動可能となっている。このために、キャリア１０とスプルーブッシュ１１との間に、ボールベアリングや滑りベアリングを配置してもよい。キャリア１０とプラテン１２との間には、弾性要素１３、例えば皿ばねが配置されている。
【００２５】
可塑化ユニット１４を介して、スプルーブッシュ１１から液状合成材料が閉鎖したプラスチック射出成形金型内に導入できるようになっている。
【００２６】
キャリア１０は、歯付きベルト１５を収容できるように構成されている。ベルト１５は、歯付きベルト用プーリ１６、クラッチ１７および歯車機構１８を介して電気モータ１９に連結されている。
【００２７】
静止および／または滑り摩擦係数の測定は次のように実施される。まず、射出成形金型を閉鎖、すなわち、成形ダイ１を対応するモールドキャビティ９内に移動させる。このとき、キャリア１０とプラテン１２間の弾性要素１３を圧縮させる。スプルーブッシュ１１を介して液状合成材料を可塑化ユニット１４から射出成形金型内に射出させる。このとき、プラスチック射出機で一般的なように、図１には不図示の液圧系を介して高圧が作用する。
【００２８】
液状合成材料を射出成形金型へ射出した結果、金型内部には調査すべき合成材料からなるテストピースが形成される。静止および／または滑り摩擦係数の実際の測定は、必要な冷却期間が経過後、すなわち射出成形金型内で合成材料が凝固した後に行うことできる。
【００２９】
このために、まず、成形ダイ１を僅かな距離、例えば２ｍｍ後退させる。成形ダイ１のこの移動は、成形ダイの移動方向に作用する弾性要素１３の力のため、キャリア１０により追従される。プラスチック射出成形金型の移動の際、成形ダイ１とモールドキャビティ９との間の確実な閉鎖がいずれの時間においても維持され、その結果、テストピース１０と成形ダイ１との間の接触が保たれる。
【００３０】
キャリア１０の長手方向の移動の際、スプルーブッシュ１１は静止しており、その結果、プラスチック射出成形の動作中に生じたスプルー２１が射出成形金型内に位置するテストピースから取れる。スプルー２１のために測定結果がゆがめられるのを避けるために、測定を行う前にスプルー２１をテストピース２０から分離するのが有利である。
【００３１】
プラスチック射出成形金型内のテストピース２０の静止および／または滑り摩擦係数を測定するために、まず垂直力を成形ダイ１に作用させ、これにより成形ダイ１をテストピース２０に圧接させる。このとき、液圧式シリンダ４により印加させる垂直力は、３００〜３０００Ｎの範囲であればよく、好適には１５００〜３０００Ｎである。垂直力を作用させた後、電気モータ１９をオンにして、トルクを歯車機構１８、クラッチ１７、歯車付きベルト用プーリ１６、歯車付きベルト１５、およびキャリア１０を介してテストピース２０に伝達させる。上記トルクをテストピース２０に確実に伝達させるために、好適には、テストピース２０は、キャリア１０により形成される射出成形金型のキャビティ部分と確実な閉鎖を形成するよう配置される。歯車機構１８は好適には、必要なトルクを得るために、１〜２００のギア比を有する。
【００３２】
トルクを介してテストピース２０は、中心軸回りに例えば３７°で定義された回転運動を受ける。この回転運動の際、テストピース２０に作用するトルクは全体的または部分的に成形ダイ１に伝達される。伝達されたトルクは、トルク変換器により測定・記録される。このために、トルク変換器２は、いわゆるデータロガーに接続され、これによりテストピース２０から成形ダイ１に伝達されたトルクの時間的変化を取得してもよい。テストピース２０の回転の際、静止摩擦から滑り摩擦への遷移が起きる。これは、トルク変換器２により測定される特徴的なトルクの時間的変化に反映される。
【００３３】
図２は、テストピース２０（図１参照）に対する測定においてトルク変換器２により得られる特徴的なトルク曲線を示す。図２の測定曲線は、トルク変換器２により測定されたトルクの変化を、時間軸に対する最大トルクのパーセントとして示す。いわゆる刺激閾値を越えた後、トルク曲線はまず急激に上昇するが、成形ダイ１およびテストピース２０はまだ静止摩擦の領域にある。トルク曲線は明確な最大値に到達し、図示した例では刺激閾値を越えた後約１秒に目盛分割で約９０％に到達する。このようにして得られた最大トルク、空気圧シリンダ４を介して成形ダイ１に作用する垂直力、および、テストピース２０の平均半径ｒは、静止摩擦係数の計算に用いられる。
【００３４】
最大トルクに到達後、トルク曲線は下降し、斜線で示す滑り摩擦領域に到達する。滑り摩擦領域では、伝達されるトルクは約６０％である。これに対応して、滑り摩擦の場合に伝達されるトルク、垂直力、およびテストピース２０の平均半径ｒから滑り摩擦係数が決定される。測定を行った後、射出成形金型が開かれる。すなわち、図１に示すように、成形ダイ１は後退し、テストピース２０はモールドキャビティ９から押し出される。その後、さらに測定の行うための別のテストピース２０を製造するために、プラスチック射出成形金型は再び閉鎖される。プラスチック材料を用いて同じ境界条件で同じ測定を５〜１０回程度連続して行うのが有利である。続いて、測定結果の正確性をさらに高めるために、個々に計測された静止および滑り摩擦係数が平均化される。これは、データロガーの適当な評価プログラムにより自動的に行うことができる。
【００３５】
図３は、以下の条件で図１に係る装置を用いてポリカーボネート（Makrolon  ２８００）からなるテストピースを射出成形した場合の図２に対応した測定例を示す。
溶融温度：３００°
金型温度：９０°
射出速度：４０ｍｍ／秒
保持圧力：６００バール
【００３６】
射出成形されるテストピースは、厚みが２．５ｍｍ、直径が９５ｍｍで縁がぎざぎざの中央がゲートである円状プレートである。
【００３７】
圧力保持期間が終了する時点は、射出成形金型の圧力センサにより金型の内圧を測ることで決定される。圧力保持期間の終了後、空気圧シリンダ４（図１参照）を用いて３２００ニュートンの垂直力で、成形ダイ１をテストピース２０に圧接させた。このとき、垂直力は、測定範囲が０〜１０キロニュートンの垂直力変換器を用いて調整した。
【００３８】
可塑化段階終了後、可塑化ユニット１４のノズルを金型から外した。続いて、射出成形金型を５ｍｍ開き、座部から押し出されたキャリア１０によりスプルー２１を引き剥がした。その後、キャリアおよびキャリア内に位置するテストピース２０を、電気モータ１９の駆動ユニットで（テストピースの平均半径に対して）０．５ｍｍ／秒の速度で３７°回転させた。
【００３９】
このとき、成形ダイ１に伝達したトルクを、測定装置に内蔵したトルク変換器２（測定範囲０〜２００ニュートンメートル）により、抵抗測定の原理によるひずみゲージを利用して測定・記録した。このようにして得られたデータはデータロガーに送信され、そこで、図３のトルクの時間的変化を記録した。トルク曲線の最大値から静止摩擦係数が０．５１５、滑り摩擦領域で時間的に一定のトルクの最終値から滑り摩擦係数が０．４３９として得られた。
【００４０】
図４は、プラスチック射出成形金型の金型温度の関数として、図１の測定構成により得られた静止および滑り摩擦係数を示す。ここで、図４の上側の曲線は測定した静止摩擦係数を示し、下側の曲線は測定した滑り摩擦係数を示す。金型温度は５０°〜１００°の幅で変更した。図４の曲線の変移から、静止摩擦係数および滑り摩擦係数を図１の装置の金型温度に大部分無関係に計測できることがわかる。
【００４１】
図５は、表面圧を変えて図１の装置を用いて測定した結果を示す。ここでも、図５の上側の曲線は得られた静止摩擦係数、下側の曲線は滑り摩擦係数を示す。このために、空気圧シリンダ４を介して異なる垂直力をテストピース２０に作用させて異なる表面圧が生じるようにした。
【００４２】
図５の曲線の変移から、図１の装置により得られる滑り摩擦係数は、表面圧の大きさに僅かな程度しか影響されないことがわかる。
【００４３】
図６は、テストピース２０を拡大して上面図および側方断面図として示したものである。テストピース２０は、その外縁部がぎざぎざの形状を有しており、これにより、トルクを伝達するためにキャリア１０との確実な閉鎖を保証する。テストピース２０は、中央部に湾曲部２２を備える。湾曲部２２は、テストピースの弾性を高める機能を有し、テストピースを冷却する際に収縮プロセスにおいて変形が生じるのを防ぐようになっている。その結果、テストピース２０がその平坦領域２３で成形ダイ１の表面と平坦状に確実に当接する。領域２３は、内径ｒｉおよび外径ｒａを有する。これから、平均半径ｒｍが得られ、摩擦係数の計算に用いられる。例えば、テストピース２０は、直径が９５ｍｍ、内径ｒｉが２８ｍｍ、外径ｒａが４２ｍｍである。
【００４４】
したがって、本発明によれば、静止および滑り摩擦係数の正確且つ一般に有効な計測が可能となり、これにより、射出成形金型からの任意の成形物の必要な「離間力」を正確に得ることができる。これは、一般に有効な離型力を得るのでなく成形物やプロセスに応じた離型力を得るに過ぎない従来公知のスリーブ離型方法と比較して、極めて大きな進歩をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る装置の実施形態
【図２】図１の装置により測定された経時的なトルク曲線
【図３】特定の金型温度での対応トルク曲線
【図４】金型温度の関数として測定した静止および滑り摩擦係数の曲線
【図５】表面圧の関数として図１の装置を用いて測定した静止および滑り摩擦係数の曲線
【図６】図１の装置により製造可能なテストピース
【符号の説明】
【００４６】
１    成形ダイ
２    トルク変換器
３    垂直力変換器
４    空気圧シリンダ
５    ガイド
６    ガイドバー
７    ガイドプレート
８    プラテン
９    モールドキャビティ
１０  キャリア
１１  スプルーブッシュ
１２  プラテン
１３  弾性要素
１４  可塑化ユニット
１５  歯付きベルト
１６  歯付きベルト用プーリ
１７  クラッチ
１８  歯車機構
１９  電気モータ
２０  テストピース
２１  スプルー
２２  湾曲部
２３  平坦領域
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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2004523771.tif 000025
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2004523771.tif 000027
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004523771.tif 000030
【国際調査報告】
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