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金属用射出成形機のスクリュ - 株式会社日本製鋼所
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発明の名称 金属用射出成形機のスクリュ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−219260(P2001−219260A)
公開日 平成13年8月14日(2001.8.14)
出願番号 特願2000−31757(P2000−31757)
出願日 平成12年2月9日(2000.2.9)
代理人 【識別番号】100088328
【弁理士】
【氏名又は名称】金田 暢之 (外2名)
発明者 田村 精治 / 澤田 靖彦
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 金属材料を混練および射出するスクリュ(1)のネジ山前面(21′)を軸心と直角ないし前方に傾斜させ、ネジ山後面(22)を前方に傾斜させたことを特徴とする金属用射出成形機のスクリュ。
【請求項2】 前記ネジ山前面(21′)の傾斜角度(A′)を0〜30°とし、ネジ山後面(22)の傾斜角度(B)を5〜45°としたことを特徴とする請求項1記載の金属用射出成形機のスクリュ。
【請求項3】 前記ネジ山前面(21′)とネジ底(24)との隅部曲面(Ra′)をスクリュ溝深さ(H)の0.3〜0.7倍の曲率半径とし、ネジ山後面(22)とネジ底(24)との隅部曲面(Rb)をスクリュ溝深さ(H)の1〜2倍の曲率半径としたことを特徴とする請求項2記載の金属用射出成形機のスクリュ。
【請求項4】 金属材料を混練および射出するスクリュ(1)の材料ホッパー(5)に近い側の溶湯が接触しない領域のネジ山前面(21)を後方に傾斜させ、その他の領域のネジ山前面(21′)を軸心と直角ないし前方に傾斜させ、全てのネジ山後面(22)を前方に傾斜させたことを特徴とする金属用射出成形機のスクリュ。
【請求項5】 スクリュ(1)の材料ホッパー(5)に近い側の溶湯が接触しない領域のネジ山前面(21)の傾斜角度(A)を10〜30°とし、その他のネジ山前面(21′)の傾斜角度(A′)を0〜30°とし、全てのネジ山後面(22)の傾斜角度(B)を5〜45°としたことを特徴とする請求項4記載の金属用射出成形機のスクリュ。
【請求項6】 スクリュ(1)の材料ホッパー(5)に近い側の溶湯が接触しない領域のネジ山前面(21)とネジ底(24)との隅部曲面(Ra)をスクリュ溝深さ(H)の0.5〜1.5倍の曲率半径とし、その他の領域のネジ山前面(21′)とネジ底(24)との隅部曲面(Ra′)をスクリュ溝深さの0.3〜0.7倍の曲率半径とし、全てのネジ山後面(22)とネジ底(24)との隅部曲面(Rb)をスクリュ溝深さ(H)の1〜2倍の曲率半径としたことを特徴とする請求項5記載の金属用射出成形機のスクリュ。
【請求項7】 スクリュ(1)の材料ホッパー(5)に近い側の溶湯が接触しない領域を、供給部(f)の後端から30〜100%の範囲内で設定したことを特徴とする請求項4、5または6記載の金属用射出成形機のスクリュ。
【請求項8】 スクリュ(1)の母材をNi基またはFe基の耐熱合金としたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の金属用射出成形機のスクリュ。
【請求項9】 スクリュ(1)のネジ山頂(23)をCo基の耐熱合金で被覆し、その厚さをスクリュ溝深さ(H)の0.1〜0.3倍としたことを特徴する請求項8記載の金属用射出成形機のスクリュ。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マグネシウムやアルミニウム等の金属およびそれらを主成分とする合金(以下、金属材料という。)を射出成形する金属用射出成形機の射出装置において、金属材料を混練および射出するスクリュに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の金属用射出成形機の射出装置について図3〜図5を参照して説明する。
【0003】図4に示すように、計量工程において、回転モータ3の回転が出力軸10を経てスクリュ1に伝えられ、ノズル18から見てスクリュ1が時計方向に回転すると、材料ホッパー5から加熱シリンダ2内に落下した粒状、切削片、破砕片等の金属材料(以下、材料チップという。)は、スクリュ1の表面に形成された螺旋状の溝(以下、スクリュ溝という。)6に沿って加熱シリンダ2の前方に送られながら加熱混練され、溶融または半溶融状態になった金属材料(以下、溶湯という。)は、加熱シリンダ2の前室16に貯留される。
【0004】次の射出工程においては、射出装置17全体を前進させ、加熱シリンダ先端のノズル18を金型14のスプルブッシュ15に当接させた状態で、射出シリンダの前進用油室8に圧力油を供給して射出ピストン7を前進方向に駆動し、出力軸10を経てスクリュ1を前進させると、加熱シリンダ2の前室16に貯留された溶湯がノズル18を通って金型14内のキャビティ19に充填される。
【0005】図3に示すように、従来のスクリュ1のネジ山20は、プラスチック用射出成形機のスクリュと同様に、ネジ山頂23が基部より狭い台形状をなしており、ネジ山前面21は後方に傾斜し、ネジ山後面22は前方に傾斜している。この形状はネジ山20に強度を持たせると共に、スクリュ溝6内の材料チップないし溶湯を加熱シリンダ2の内壁面に押付けスクリュ1の搬送力を高めることを目的としている。
【0006】図3〜図5に示すように、スクリュ溝6は形状および役割によって、材料ホッパー5側から供給部f、圧縮部cおよび計量部mに分けられる。射出成形する金属材料の種類や形状などによって異なるが、一般的に供給部fは、スクリュ溝部長さの30〜70%を占め、ネジ山頂23とネジ底24との高さの差(以下、スクリュ溝深さという。)Hは、圧縮部cおよび計量部mよりも大きくされている。計量部mは、スクリュ溝部長さの10〜30%を占め、スクリュ溝深さHは、供給部fおよび圧縮部cよりも小さくされている。圧縮部cは、供給部fおよび計量部mの中間に位置し、スクリュ溝部長さの10〜40%を占め、供給部fと圧縮部mを滑らかに接続するようにスクリュ溝深さHが変化している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の金属用射出成形機の射出装置は、以上のように構成されているため、次のような問題点が存在していた。すなわち、スクリュ1の供給部fの後半から圧縮部cの前半にかけての領域では、固体チップの隙間に少量の溶湯が混入した状態になり、計量工程におけるスクリュ1の後退動作により後方すなわち材料ホッパー5側に運ばれる。材料チップの溶融温度よりも内壁面温度が低い加熱シリンダ2の領域に到達した溶湯は、周囲の材料チップに熱を奪われ、その一部がスクリュ1の表面および加熱シリンダ2の内壁面に付着して固化する(以下、この付着物を再固化物という。)。
【0008】スクリュ1の表面に付着した再固化物は、次の射出工程におけるスクリュ1の前進動作により、加熱シリンダ2がより高温に加熱された前進位置に戻って加熱され、再び溶湯に復帰する。
【0009】加熱シリンダ2の内壁面に付着した再固化物の大部分は、次の射出工程におけるスクリュ1の前進動作によりスクリュ1のネジ山20に剥ぎ落とされ、前進位置に戻って加熱され再び溶湯に復帰するが、残りは加熱シリンダ2の内壁面に付着した状態で取り残される。
【0010】この残った再固化物の大部分は、次の計量工程において前方へ移動する材料チップにより削り取られるが、再固化物の一部は付着状態を保つ。この付着した再固化物は成形サイクルの繰り返しと共に蓄積され増加する。
【0011】また、溶湯すなわち溶融ないし半溶融状態の金属材料は、化学的に非常に活性が強く、空気中の酸素や窒素と反応して酸素化合物や窒素化合物(以下、化合物等という。)を生じ易い。特にアルミニウム合金やマグネシウム合金には、その用途に応じて他の金属元素が配合されているため、種々の化合物等が混在する。
【0012】したがって、これらの化合物等がスクリュ1の圧縮部cの後半から計量部mにかけての流域で、スクリュ1の表面や加熱シリンダ2の内壁面に付着し固化すると、再度加熱されても簡単には溶融せず、その除去には大きな困難を生ずる。
【0013】上記の化合物等がスクリュ1の表面に付着すると、スクリュ溝6の断面積を減少させて溶湯の流れを妨げ、加熱シリンダ2の内壁面に付着すると、スクリュ1の円滑な回転や直線摺動を妨げる。
【0014】従来のスクリュ1のネジ山20は、上述したように構成されているので、加熱シリンダ2の内壁面に少量の再固化物あるいは化合物等(以下、再固化物あるいは化合物等を合わせて付着固化物という。)が付着した状態において、射出工程でスクリュ1を前進すなわちノズル18の方向に移動させると、付着固化物がネジ山前面21の傾斜に沿って後方へ迫り上げられ、ネジ山20と加熱シリンダ2との隙間に入り込み、スクリュ1を加熱シリンダ2に固着させる。この場合、続く計量工程でスクリュ1を回転させてもネジ山20と加熱シリンダ2との隙間に入り込んだ付着固化物は容易に排出されない。
【0015】さらに、通常の計量工程では、加熱シリンダ2の前室16に貯留される溶湯の内圧が低いので、スクリュ1を回転させると同時に、射出シリンダの後退側油室9に圧力油を供給してスクリュ1を強制的に後退させるが、そうするとボルトを回してネジ穴から抜き出す動作と同じ状態になるため、加熱シリンダ2の内壁面に付着した付着固化物をスクリュ1の回転により削り取る働きはほとんど期待できない。
【0016】本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、加熱シリンダの内壁面に付着した付着固化物を簡単に除去でき、スクリュの安定した回転および直線摺動を妨げられることがない金属用射出成形機のスクリュを提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を次のようにして解決した。すなわち、金属材料を混練および射出するスクリュのネジ山前面を軸心と直角ないし前方に傾斜させ、ネジ山後面を前方に傾斜させる。この場合、ネジ山前面の傾斜角度を0〜30°とし、ネジ山後面の傾斜角度を5〜45°とすることが好ましい。
【0018】また、別の発明として、金属材料を混練および射出するスクリュのホッパーに近い側の溶湯が接触しない領域のネジ山前面を後方に傾斜させ、その他の領域のネジ山前面を軸心と直角ないし前方に傾斜させ、全てのネジ山後面を前方に傾斜させる。この場合、スクリュの材料ホッパーに近い側の溶湯が接触しない領域のネジ山前面の傾斜角度を10〜30°とし、その他のネジ山前面の傾斜角度を0〜30°とし、全てのネジ山後面の傾斜角度を5〜45°とすることが好ましい。
【0019】これにより、加熱シリンダの内壁面に付着した付着固化物が、スクリュの前進および回転動作時にネジ山前面のすくい刃で削り取られて大量に蓄積しないので、スクリュの前進動作および回転動作が阻害されることがない。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
【0021】本発明の金属用射出成形機の射出装置について説明する。
【0022】図4に示すように、射出装置17の射出ハウジング11の前部には加熱シリンダ2が取り付けられ、後部には回転モータ3が取り付けられている。加熱シリンダ2の外周には加熱ヒータ4が取り付けられ、加熱シリンダ2の後部には材料ホッパー5が取り付けられている。加熱シリンダ2の内部にはスクリュ1が回転自在かつ軸方向移動自在に挿入されている。
【0023】射出ハウジング11に内蔵された射出ピストン7は射出ハウジング11と共に射出シリンダを構成し、射出ピストン7の前進用油室8および後退用油室9を形成している。射出ピストン7に挿入され回転自在に保持された出力軸10の前部には、回転方向に拘束される形でスクリュ1の後部が挿入され、出力軸10の後部は回転モータ3に連結された回転軸26の前部に軸方向移動自在に嵌合されている。また、スクリュ1と出力軸10は、カップリング12で連結されている。
【0024】次に、動作について説明する。
【0025】まず、計量工程において、回転軸26の回転が出力軸10を経てスクリュ1に伝えられると、材料ホッパー5から加熱シリンダ2内に落下した材料チップは、スクリュ溝6に沿って加熱シリンダ2の前方に送られながら加熱混練され、溶湯は、加熱シリンダ2の前室16に貯留される。これに伴ってスクリュ1は後退する。ただし、金属材料は溶湯の粘度が低く、前室16に貯留された溶湯にスクリュ1を後退させるに十分な圧力が発生しないので、回転軸26の回転と同時に射出シリンダの後退側油室9に圧力油を供給して、スクリュ1を強制的に後退させる場合が多い。
【0026】更に、計量工程における材料チップの溶融過程を図4および図5を参照して詳しく説明する。
【0027】スクリュ1の供給部fのスクリュ溝6に落下した材料チップは、回転によるスクリュ1の搬送作用によりスクリュ溝6内を圧縮部cの方向に送られながら、加熱シリンダ2の内壁面を経て伝達される加熱ヒータ4の加熱によっての昇温され、その一部が溶湯になる。
【0028】ついで、圧縮部cに到達した材料チップは、引続き加熱されてさらに昇温し、溶湯の割合が増加すると同時に、スクリュ溝6の断面積の減少により圧縮されて密度が高まりながら、計量部mの方向へ送られる。この過程で材料チップの隙間に存在していた空気、材料ホッパー5で供給された不活性ガス、材料チップに含まれていたガス成分等の気体が供給部fの方向に押し戻され、材料ホッパー5を経て外部に排出される。
【0029】計量部mに到達した材料チップは、そのほとんどが溶湯になっており、さらに加熱を受けながら混練され、溶融状態を均一化された後、逆流防止装置13を通過して、加熱シリンダ2の前室16に送られる。
【0030】なお、金属用射出成形機の場合、スクリュ溝部長さに対して、供給部fは30〜70%、圧縮部cは10〜40%、計量部mは、10〜30%を占めている。一例として、スクリュ溝部長さが20ピッチの場合、供給部fは11ピッチ、圧縮部cは5ピッチ、計量部mは4ピッチである。
【0031】次の射出工程においては、射出装置17全体を前進させ、加熱シリンダ2先端のノズル18を金型14のスプルブッシュ15に当接させた状態で、射出シリンダの前進用油室8に圧力油を供給して射出ピストン7を前進方向に駆動し、その動作が出力軸10を経てスクリュ1に伝えられる。それによってスクリュ1が前進すると、加熱シリンダ2の前室16に貯留された溶湯がノズル18を通って金型内に注入され、金型内のキャビティ19に充填される。
【0032】金型内のキャビティ19に充填された溶湯が冷却固化した後、金型14を開いてキャビティ19の形状に形成された金属成形品を取り出す。
【0033】以上の動作を繰り返すことにより、同一形状の金属成形品を効率よく生産するとができる。
【0034】本発明の一実施例のスクリュは、図1に示すように、ネジ山20のネジ山前面21′およびネジ山後面22が前方に傾斜している。
【0035】ネジ山前面21′の傾斜角度はA′は0〜30°、ネジ山後面22の傾斜角度Bは5〜45°の範囲で選定されるが、成形の汎用性の面から、A′は5〜15°、Bは15〜30°の範囲にあることが好ましい。
【0036】また、ネジ山前面21′およびネジ山後面22とネジ底24との隅部曲面の曲率半径Ra′およびRbは、それぞれスクリュ溝深さHの0.3〜0.7倍および1〜2倍の範囲にあることが好ましい。
【0037】スクリュ1の母材は、Ni基またはFe基の耐熱合金で作られ、ネジ山頂23には、Co基の耐熱合金の被覆25を、スクリュ溝深さHの0.1〜0.3倍の厚さまで施すことが好ましい。射出成形する金属材料の種類によっては、母材を他の耐熱合金とし、セラミック等の被覆を施してもよい。さらに、比較的軟らかい金属材料に対しては、被覆を止めることもできる。
【0038】本実施例のスクリュによれば、加熱シリンダ2の内壁面に付着した付着固化物が、スクリュ1の前進動作時および回転動作時にネジ山前面21′で削り取られ大量に蓄積しないので、スクリュ1の前進および回転動作を円滑に行うことができ、加熱シリンダ2の内壁面およびスクリュ1のネジ山20の表面を頻繁に清掃しないでも、長い期間連続して成形することができる。
【0039】また、加熱シリンダ2内に材料チップないし溶湯が残った状態で、機械の運転を停止した場合に、加熱シリンダ2内に付着固化物が蓄積して、運転再開時にスクリュ1の回転が不安定になったり、あるいは回転しなくなったりすることがある。その場合には、スクリュ1の強制後退速度を遅くするか、または強制後退させないで、スクリュ1を回転させると、上記の付着固化物が削り取られて、安定したスクリュ回転が可能となる。
【0040】図2に示すスクリュは、ネジ山20のネジ山前面21′の傾斜角度をゼロ、すなわち軸心と直角にされ、その他の形状は、上記実施例と同じとされている。このスクリュ1では、ネジ山前面21′にすくい角がないので、加熱シリンダ2の内壁面に付着した付着固化物を削り取る能力は、低下するが、ネジ山前面21′と山頂23とがなす刃先角が鋭角でなく刃先の強度が増すので、付着固化物の硬度が高い場合に有効である。
【0041】次に、他の実施例について説明する。
【0042】本実施例によるスクリュは、図3および図5に示すように、スクリュ1の材料ホッパー5に近い側の溶湯が接触しない部分、すなわち、供給部fの後半分のネジ山20のネジ山前面21が、傾斜角度Aだけ後方に傾斜され、その他のネジ山20は、図1および図2に示すように、そのネジ山前面21′が、傾斜角度A′だけ前方に傾斜ないし軸心と直角とされている。また、全てのネジ山後面22は、前方に傾斜されている。
【0043】スクリュ1のホッパー5に近い側の溶湯が接触しない領域のネジ山前面21の傾斜角度Aは10〜30°、その他のネジ山前面21′の傾斜角度A′は0〜30°、全てのネジ山後面22の傾斜角度Bは5〜45°の範囲で選定されるが、成形の汎用性の面から、Aは10〜20°、A′は5〜15°、Bは15〜30°の範囲であることが好ましい。
【0044】また、スクリュ1のホッパー5に近い側の溶湯が接触しない領域のネジ山前面21とネジ底24との隅部曲面Raをスクリュ溝深さHの0.5〜1.5倍の曲率半径とし、その他の領域のネジ山前面21′とネジ底24との隅部曲面Ra′をスクリュ溝深さHの0.3〜0.7倍の曲率半径とし、全てのネジ山後面22とネジ底24との隅部曲面Rbをスクリュ溝深さHの1〜2倍の曲率半径とすることが好ましい。
【0045】また、スクリュ1のホッパー5に近い側の溶湯が接触しない領域を、供給部fの後端から30〜100%の範囲内で設定することが好ましい。
【0046】なお、スクリュ1の母材および山頂23の被覆25は、上述した実施例と同様である。
【0047】この実施例によれば、付着固化物が存在しない領域では、加熱シリンダ2との熱伝導がよくなる形状にネジ山20が形成されるので、材料チップを速く昇温させることができる。また、その他の領域すなわち付着固化物が存在する領域では、加熱シリンダ2に付着した付着固化物が大量に蓄積しないので、スクリュ1の前進動作および回転動作を円滑に行うことができ、加熱シリンダ2の内壁面およびスクリュ1の表面を頻繁に清掃しないでも、長期間連続して成形することができる。
【0048】
【発明の効果】請求項1〜3に係る発明によれば、加熱シリンダの内壁面に付着した付着固化物が、スクリュの前進および回転動作時にネジ山前面のすくい刃で削り取られて大量に蓄積しないので、スクリュの前進動作および回転動作が阻害されることがない。また、請求項4〜7に係る発明によれば、付着固化物が存在しない領域では、スクリュの前進および回転動作時に材料チップが加熱シリンダの内壁面に押し付けられるので、加熱シリンダからの熱伝導が良くなり材料チップの昇温が速くなる。その他の領域では、加熱シリンダに付着した付着固化物が大量に蓄積しないので、スクリュの前進動作および回転動作を阻害されることがない。




 

 


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