(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部にノズル口と連通する所要長さの計量室を有し、内部に攪拌手段を回転自在に備え、その攪拌手段の中心部に先端部を射出プランジャに形成した射出手段を進退自在に挿通して、該射出プランジャを計量室に摺動自在に嵌装した円筒状の溶解筒を、溶解筒先端のノズル部材を下側にして傾斜設置し、その溶解筒内に供給口から粒状の金属材料を連続又は断続的に供給し、その金属材料を外部熱により液相線温度以上の温度に加熱溶融するとともに、上記攪拌手段により均一化して溶解筒内に蓄積し、その溶融金属材料の一部を上記射出プランジャの後退により生ずる負圧により計量室へ送込んで計量し、その計量室への送込みから金型に射出充填するまでの過程で、計量した溶融金属材料を固相線温度以上で液相線温度以下の温度に冷却して金型に射出充填し、組織がチクソトロピー性状の金属成形品に成形することを特徴とする金属成形品の射出成形方法。
【請求項２】
先端部にノズル口と連通する所要長さの計量室を有し、内部に攪拌手段を回転自在に備え、その攪拌手段の中心部に先端部を射出プランジャに形成した射出手段を進退自在に挿通して、該射出プランジャを計量室に摺動自在に嵌装した円筒状の溶解筒を、溶解筒先端のノズル部材を下側にして傾斜設置し、その溶解筒内に供給口から粒状の金属材料を連続又は断続的に供給し、その金属材料を外部熱により固相線温度以上で液相線温度以下の温度に加熱溶融するとともに、上記攪拌手段により溶融金属材料を半溶融状（チクソトロピー状）に攪拌維持しつつ溶解筒内に蓄積し、その半溶融状金属材料の一部を上記射出プランジャの後退により生ずる負圧により計量室へ送込んで計量し、計量後も半溶融状態を維持しつつ射出プランジャの前進により金型に射出充填して、組織がチクソトロピー性状の金属成形品に成形することを特徴とする金属成形品の射出成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、亜鉛、マグネシウム又はそれら合金等の低融点の金属材料を溶解して金属成形品に射出成形する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】
低融点の非鉄金属の鋳造にはダイカストが採用されるが、ダイカストでは金属材料を完全溶解する溶解炉を必要とし、この溶解炉から湯を汲み出したり、あるいはプランジャにより押し出して鋳造を行っている。そこで溶解を溶解炉によらず、プラスチック材料の場合と同様に、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溶解して、加熱筒前室に蓄積して計量したのち、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ことが行われつつある。
【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金属材料の溶解及び移送の困難さと計量の不安定さにある。
プラスチック材料における溶融は、その殆どがせん断発熱によることから、スクリュは先端部になるにしたがって大径に形成され、材料の流通間隙となるスクリュ溝は相対的に浅く形成される。しかし溶融プラスチックでは加熱筒内壁の境界面における摩擦係数に差があることから、流通間隙が狭く形成されてもスクリュ回転による前方への移送はスムーズに行われる。
【０００４】
それに対し、液相状態にまで完全に溶解した金属材料では、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。また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前室への蓄え量も異なって、射出充填量の定量化に技術的な困難さを伴う。
【０００５】
そこで、金属材料を完全溶融せずに、溶解温度を固相線温度以上で液相線温度以下の温度に制限して半溶融状態で射出成形することが行われている。上記温度範囲の溶融金属では、その組織が半溶融状（チクソトロピー性状）にあるとされており、この状態であれば溶融金属に流動抵抗が生じて、スクリュ回転による移送及び後退による計量が可能となる。したがって、これまでの射出成形による金属成形品の成形は、そのような方法の採用によるものであった。
【０００６】
しかしながら、その成形方法はプラスチック材料の射出成形手段を、そのまま応用したに過ぎず、また金属はプラスチックとは異なって熱伝導率が良いので冷め易いことなどから、加熱筒内の溶融金属の温度維持に難点がある。金属材料の成形においても、加熱筒は外周囲のバンドヒータにより加熱されて設定温度を保ってはいる。しかしスクリュ側には加熱手段がなく、しかも後端部から放熱し易い状態にもある。このためスクリュ溝内の溶融金属に温度むらが発生し易く、これを攪拌により防止するために、スクリュを回転しておくことは、スクリュ自体が溶融金属材料の移送部材を兼ねていることから、材料の過剰供給を来すので不可能とされている。
【０００７】
この発明は、金属材料を半溶融状態で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、これまでに不可欠とされていた溶融及び移送と射出の３機能を有するスクリュを採用せずに、別個に作動する攪拌手段と射出手段との複合化により溶解容器内での溶融金属の攪拌を可能となし、これにより金属材料の溶融温度を設定温度範囲に維持した状態で、組織がチクソトロピー性状の金属成形品の成形を行い得る新たな射出成形方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明は、先端部にノズル口と連通する所要長さの計量室を有し、内部に攪拌手段を回転自在に備え、その攪拌手段の中心部に先端部を射出プランジャに形成した射出手段を進退自在に挿通して、該射出プランジャを計量室に摺動自在に嵌装した円筒状の溶解筒を、溶解筒先端のノズル部材を下側にして傾斜設置し、その溶解筒内に供給口から粒状の金属材料を連続又は断続的に供給し、その金属材料を外部熱により液相線温度以上の温度に加熱溶融するとともに、上記攪拌手段により均一化して溶解筒内に蓄積し、その溶融金属材料の一部を上記射出プランジャの後退により生ずる負圧により計量室へ送込んで計量し、その計量室への送込みから金型に射出充填するまでの過程で、計量した溶融金属材料を固相線温度以上で液相線温度以下の温度に冷却して金型に射出充填し、組織がチクソトロピー性状の金属成形品に成形する、というものである。
【０００９】
またこの発明は、先端部にノズル口と連通する所要長さの計量室を有し、内部に攪拌手段を回転自在に備え、その攪拌手段の中心部に先端部を射出プランジャに形成した射出手段を進退自在に挿通して、該射出プランジャを計量室に摺動自在に嵌装した円筒状の溶解筒を、溶解筒先端のノズル部材を下側にして傾斜設置し、その溶解筒内に供給口から粒状の金属材料を連続又は断続的に供給し、その金属材料を外部熱により固相線温度以上で液相線温度以下の温度に加熱溶融するとともに、上記攪拌手段により溶融金属材料を半溶融状（チクソトロピー状）に攪拌維持しつつ溶解筒内に蓄積し、その半溶融状金属材料の一部を上記射出プランジャの後退により生ずる負圧により計量室へ送込んで計量し、計量後も半溶融状態を維持しつつ射出プランジャの前進により金型に射出充填して、組織がチクソトロピー性状の金属成形品に成形すると、いうものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図は、この発明に係る金属成形品の射出成形方法の実施を可能とする成形機の１実施形態を示すものである。
【００１１】
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に対し進退自在に設置した台座４で、上面が傾斜した架台５を後部上に旋回自在に備え、その架台５に上記射出機構１が型締機構２に対してノズル側を下向きに傾斜位置するように設置してある。
【００１２】
上記射出機構１は、金属材料の溶解容器となる円筒状の溶解筒１１と、その内部の後記する攪拌及び射出手段と、溶解筒１１の後端部に間隔を置いて設けた射出シリンダ１２と、溶解筒１１の後端下側の支脚１３に取付けた攪拌用の電動モータ１４と、粒状の金属材料を溶解筒内に供給する送出装置１５とからなる。この送出装置１５は水平シリンダ１５ａと、シリンダ端部に設けた電動モータ１５ｂにより回転する内部のスクリュ軸１５ｃとからなる。また図では省略したが、必要に応じてシリンダ周囲に材料予熱用のヒータを取付け得る構造からなる。
【００１３】
上記溶解筒１１は、先端にノズル部材１０を備え、外周囲にバンドヒータ１６を備える。上記ノズル部材１０のノズル孔と連通する溶解筒１１の先端部内は、溶解筒１１の内径よりも小径に縮径した所要長さの円筒形の計量室１７に形成してある。図示の例では、先端部材１８により溶解筒先端に取付けたノズル部材１０の後部内を、溶解筒内径よりも小さく縮径し、その後部内を溶解筒内と連通した計量室１７としているが、場合によっては、先端部材１８の内径を縮径して計量室１７となし、その先端部材１８にノズルチップを取付けた構造であってもよい。
【００１４】
このような計量室１７を先端に備えた溶解筒１１の中程の上側には、供給口１９が開設してあり、その供給口１９に上記送出装置１５が管路２０を接続して配設してある。また溶解筒１１の後端は開口状態にあって、そこから内部に上記攪拌及び射出手段を構成する攪拌部材２１と射出部材２２とが内設してある。
【００１５】
上記攪拌部材２１は、中央に貫通孔を有する定位置の中空軸部２３の先端部外周に、複数条の攪拌翼２４，２４を断続的に形成した回転軸からなる。これらの攪拌翼２４，２４は溶解筒１１の内径とほぼ等しい外径からなる。また中空軸部２３の攪拌翼２４よりも後方の軸部周囲には、溶解筒１１の内周面に接したガイド兼用の仕切用フランジ２５が一体形成してある。
【００１６】
また溶解筒１１の開口端から突出した上記中空軸部２３の端部には、プーリー２６が止着してあり、このプーリー２６と上記電動モータ１４の駆動軸端のプーリー２７とにわたりタイミングベルト２８が掛け設けられて、該電動モータ１４により攪拌部材２１が溶解筒内にて一方向に回転又は又往復回転して、上記攪拌翼２４，２４により溶融金属を攪拌することができるようにしてある。
【００１７】
上記射出部材２２は、上記中空軸部２３の貫通孔に挿入して、攪拌部材２１の中央に摺動自在に設けた射出ロッド２９と、その先端に取付けて攪拌部材２１の前面から突出し、上記計量室１７に嵌装した射出プランジャ３０とからなる。この射出プランジャ３０は射出ロッド２９により計量室内を抜け出すことなく進退移動する。また上記仕切用フランジ２５より上方の射出ロッド２９の外周囲には、ロッドガイドとクリアランスに滲入した溶融金属のバックフロー防止とを兼ねるリング２９ａが多段に形成してある。
【００１８】
上記射出プランジャ３０は、計量室１７に摺動用のクリアランスをもって挿入可能な外径からなり、その外周囲にシールリング３１を備えている。このシールリング３１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。またシールリング３１は詳細を図では省略したが、プランジャ後退による計量室側の負圧時には縮径して、上記クリアランスを拡げて溶融金属材料の計量室内への吸引移送を円滑になし、反対に射出時には計量室側の材料圧により拡張して上記クリアランスからの溶融金属の逆流を防止するように、プランジャ外周囲の環状溝に所要の隙間を溝底と溝壁との間に空けて嵌め込んである。
【００１９】
上記射出シリンダ１２は、シリンダ前端の下側に支脚３２を一体に有し、この射出シリンダ１２は両側に配設したタイバー３３により上記溶解筒１１と間隔を置いて一体に連結され、またピストン３４は上記中空軸部２３の後端から突出した上記射出ロッド２９の後端に連結されて、射出ロッド２９を先端の射出プランジャ３０と一緒に進退移動する。
【００２０】
このような射出シリンダ１２と上記溶解筒１１は、それぞれの下側両側に突設した上記支脚１３，３２の端部を、上記架台５の傾斜上面の両側に並設した支持軸４０，４０に挿通して、ノズル部材１０を下側に下向きに取付けられ、これにより上記型締機構２に対し傾斜設置された上記射出機構１を構成している。
【００２１】
また射出機構１の両側には、油圧シリンダ４２と長軸のロッド４３とによるノズルタッチ装置４４が、台座４の先端中央に立設したノズルタッチブロック４５の両側の軸受部材４６に、ロッド４３の先端を回動自在に軸着する一方、油圧シリンダ４２を溶解筒後端と射出シリンダ前端とに掛け渡し、シリンダ後端を射出シリンダに回動自在に止着して設けてある。このノズルタッチ装置４４は射出機構１の修理やメンテナンスに際する後退装置としても機能する。
【００２２】
上記架台５は、上面が４５°前後の角度の内向きの傾斜面に形成され、その上面に上記支持軸４０が両端を部材４１，４１をもって取付けてある。この架台５は上記台座４の後端部上に設置した門型の受座６に、図では省略したが旋回自在に載置固定され、その受座６の内部中央から上記ノズルタッチブロック４５にわたり、該ノズルタッチブロック４５の前面に部材５２をもつて水平に設けたノズル部材４７のノズルタッチ装置４８が配設してある。
【００２３】
このノズルタッチ装置４８の油圧シリンダ４９は、機台３に据え付けた台座４内中央の受部材５０に固設され、また内部のピストンロッド（図は省略）に連結したロッド部材５１は、その先端を上記ノズルタッチブロック４５に連結されて、そのロッド部材５１の進退移動により台座４が架台５の上面の射出機構１と共に進退移動して、上記ノズル部材４７の金型７に対するノズルタッチが行えるようにしてある。
【００２４】
上記ノズルタッチブロック４５の内側上部は、上記射出機構１のノズル部材１０の軸線に対し直角に位置する傾斜後面に形成され、その傾斜後面にノズルタッチ用のゲートが開設してある。またノズルタッチブロック４５の内部には、上記ノズル部材４７と射出機構１のノズル部材１０とを連通するホットランナ５３が屈曲形成してあり、これにより射出機構１が型締機構２に対し傾斜設置されていても、ノズルタッチが隙間なく行われて、射出充填時の溶融金属の漏洩を防止している。
【００２５】
上記構成の成形装置を使用して、この発明の第１の射出成形方法により金属成形品、たとえば、マグネシウム（ＡＺ９１Ｄ）による成形品を成形するには、先ず溶解筒１１を外周のバンドヒーター１６により液相線温度以上（６２０°〜６８０℃）の設定温度に加熱して、内部を溶融温度以上の高温となす。またノズルタッチブロック４５及びノズル部材４７も、溶融金属材料がランナーを通過して金型７に射出充填される間に固相線温度（４７０℃）以上で液相線温度（５９５℃）以下の温度になるように、図では省略しているが、外部ヒータにより加熱しておく。この際、溶解筒内の空間部位を不活性ガス雰囲気となす。この不活性ガスの供給は、図では省略したが、たとえば上記管路２０に不活性ガスボンベの供給管を接続し行うことができる。
【００２６】
次に上記電動モータ１４により中空軸部２３を設定速度により回転して攪拌状態となす。そこで粒状のマグネシウムを金属材料として、上記送出装置１５により供給口１９から溶解筒１１内に供給する。金属材料は溶解筒１１が下向きに傾斜していることから、直ちに中空軸部２３と共に回転している攪拌翼２４，２４の部位で溶解して湯となる。さらに継続して供給された金属材料は、そこに蓄えられた湯の中に落ち込んで、湯の熱により溶解されるとともに、攪拌翼２４，２４により湯の中に混ぜ込まれる。これにより極めて短時間で溶解すると同時に溶融金属材料の均一化が行われる。
【００２７】
また溶融金属材料は射出プランジャ３０が前進位置にあるときには、そのまま溶解筒１１の前部内に蓄えられる。その蓄え量は１０ショット程度でよく、成形ごとに１ショット分の材料供給を行えば連続成形が支障なく行える。
所定量の溶融金属材料が蓄えられたところで、上記射出プランジャ３０の後退移動を行う。この後退移動はシールリング３１が計量室１７に留まる範囲に制限され、この後退移動により蓄えられた溶融金属材料の一部が計量室１７に流れ込むようになる。
【００２８】
この溶融金属材料の計量室１７への流れ込みは、射出プランジャ３０の計量室内の後退移動により生ずる負圧による。これは前回射出の溶融金属材料がノズル部材４７のノズル口に冷却固化してコールドプラグとして残り、計量室１７のノズル側が塞がれて、ノズル口からの流入が阻止されていることによる。このような状態で前進限にある射出プランジャ３０に後退力を加えてゆくと、後退移動に伴い拡張され行く計量室１７は負圧となる。
【００２９】
この負圧により射出プランジャ３０のシールリング３１が縮径するとともに、負圧による吸引作用で溶融金属材料がシールリング周囲のクリアランスから、拡張されて行く計量室１７に流入して室内に満ちてゆくになる。これにより計量室１７には射出プランジャ３０の強制後退を困難となすほどの大きな負圧が発生せず、射出プランジャ３０のスムーズな後退移動により材料計量が行われる。
したがって、射出プランジャ３０の射出時の前進移動による逆流量を見込んで計量完了位置を設定し、その後に工程を射出充填に切換えて前進限まで、射出プランジャ３０を前進移動すれば、常に設定量の溶融金属材料の金型７への射出充填が可能となる。
【００３０】
このような材料計量から射出充填中においても、溶解筒内では上記攪拌部材２１と射出部材２２とが別体であることから、上記攪拌翼２４，２４の回転による溶融金属材料の攪拌が継続して行われ、これにより溶解筒１１に新たな金属材料を連続又は断続的に供給するものであつても、溶解筒内における溶融金属材料の均一化を図ることができる。
【００３１】
また射出部材２２は金属材料の溶融を目的として回転するようなことはないので、回転トルクを考慮して射出ロッドをこれまでのスクリュのように大径に製作する必要がなく、攪拌部材２１もまたせん断発熱により溶融を行うものではないので、溶解筒内壁面と中空軸部外面との間の隙間を大きく形成することができ、これによりスクリュを採用した場合には困難とされていた数ショット分の溶融金属材料の蓄えが容易となり、溶融金属材料の温度維持効果も一段と向上するようになる。
【００３２】
計量後の溶融金属材料は、射出プランジャ３０の前進移動により加圧されて、ノズル部材４７のノズル口を閉塞しているコールドプラグを押し退け、上記ノズルタッチブロック４５からノズル部材４７内に至るホットランナー５３を通過して金型７のキャビティに射出充填される。
【００３３】
この計量から射出の過程において、液相線温度以上の温度の溶融金属材料は、ノズルタッチブロック４５及びノズル部材４７が、固相線温度以上で液相線温度以下の温度に加熱維持されていることから、ホットランナー５３を通過して金型７に射出充填される間に冷却されて半溶融状態となり、また流動抵抗による流れの乱れにより或る程度の攪拌も生じるので、射出成形されたマグネシウム成形品は、組成がチクソトロピー性状の製品となる。
【００３４】
この発明の第２の射出成形方法は、上記溶解筒１１及びノズルタッチブロック４５、ノズル部材４７の全ての温度を、溶融金属材料の温度が固相線温度以上で液相線温度以下となるように設定し、その温度範囲にて金属材料を半溶融状態に加熱溶解するとともに、上記攪拌部材２１により攪拌してチクソトロピー状態となし、その状態を維持しつつ射出プランジャ３０の移動による計量及び上記金型７への射出充填を行うものである。これにより成形されたマグネシウム成形品もまた、組織がチクソトロピー性状の製品となる。
【００３５】
上記第１及び第２の射出成形方法の何れにおいても、溶解筒１１の内部では上記攪拌部材２１と射出部材２２とが別体であることから、計量及び射出工程を問わず、上記攪拌翼２４，２４の回転による溶融金属材料の攪拌が継続して行われ、これにより溶解筒１１に新たな金属材料を連続又は断続的に供給するものであっても、溶解筒内における溶融金属材料の均一化を図ることができる。
【００３６】
また射出部材２２は金属材料の溶融を目的として回転するようなことはないので、回転トルクを考慮して射出ロッドをこれまでのスクリュのように大径に製作する必要がなく、攪拌部材２１もまたせん断発熱により溶融を行うものではないので、溶解筒内壁面と中空軸部外面との間の隙間を大きく形成することができ、これによりスクリュを採用した場合には困難とされていた数ショット分の溶融金属材料の蓄えが容易となり、半溶融状金属材料の温度むらも解消されて、これまでの成形方法よりも成形精度に優れたチクソトロピー性状の金属成形品の射出成形を容易になし得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る金属成形品の射出成形方法の実施を可能とする成形機略示縦断側面図である。
【図２】  同じく一部を縦断して示す側面図である。
【図３】  射出プランジャを後退した際の溶解筒先端部の縦断側面図である。
【図４】  射出プランジャを前進した際の溶解筒先端部の縦断側面図である。
【符号の説明】
１    射出機構
２    型締機構
１０    ノズル部材
１１    溶解筒
１２    射出シリンダ
１５    金属材料の送出装置
１７    計量室
２１    攪拌部材
２２    射出部材
２３    中空軸部
２４    攪拌翼
２９    射出ロッド
３０    射出プランジャ
３１    シールリング
４５    ノズルタッチブロック
４７    ノズル部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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