JP7660428B2 - シャットオフノズル、および射出成形機 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機に設けられるシャットオフノズル、およびシャットオフノズルが設けられている射出成形機に関するものである。

射出成形機の射出装置に設けられるシャットオフノズルは、射出ノズルの射出材料が流れる流路を開閉していわゆるハナタレを防止することができるようになっている。シャットオフノズルには色々なタイプがあり、例えば特許文献１に記載されているように、ノズルと、このノズルに対して斜めに設けられたニードル弁とからなるシャットオフノズルがある。このようなタイプのシャットオフノズルは、ノズルの外周面からノズル内の射出流路に達する斜めの孔が開けられており、この孔にニードル弁が進退自在に挿入されている。ニードル弁を前進させると射出流路が閉鎖されるようになっている。

特開平３－２７４１２５号公報

特許文献１に記載のシャットオフノズルは、ニードル弁が円柱状の軸部とこの軸部の先端に形成されている半球状の頭部とから構成されている。このニードル弁によってノズル内の射出流路を閉鎖するようになっているが、孔の加工誤差により射出材料がわずかに漏れるという問題がある。

本開示において、射出材料が漏れにくいシャットオフノズル、そのようなシャットオフノズルの加工方法、および射出成形機を提供する。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本開示は、射出材料が通るノズル内流路が射出方向に形成されているノズルと、ノズルの外周面からノズル内流路に達する斜めの孔に進退自在に挿入されているニードル弁と、を備えたシャットオフノズルを対象とする。ニードル弁は円柱状の軸部の先端に半球状の頭部が形成されている。斜めの孔はノズル内流路内の内周面に凹部が形成されるようにノズル内流路を横切って深く開ける。この凹部は、リーマ加工により一定の径で直線状に形成された直線状穴と、該直線状穴に続いて球面状に形成された球面穴とから形成し、ニードル弁の軸部が直線状穴に、頭部が球面穴に収納されると、直線状穴と軸部とから円環状のメカニカルシール部が形成されるようにする。本開示は直線状穴について、その長さＬが、ニードル弁の軸部の径ｄに対して、
０．２５ｄ≦Ｌ≦０．７ｄ
になるようにすると共にその内径とニードル弁の前記軸部の径との差が０．０１６mｍ以下になるようにする。

本開示は、シャットオフノズルにおいて射出材料の漏れを防止することができる。

本実施の形態に係る射出成形機を示す正面図である。 本実施の形態に係るシャットオフノズルと射出装置の一部を示す正面断面図である。 本実施の形態に係るシャットオフノズルの一部を示す正面断面図である。 本実施の形態に係るシャットオフノズルの一部を示す正面断面図である。 従来のシャットオフノズルの一部を示す正面断面図である。 本実施の形態に係るシャットオフノズルの加工方法を説明する図で、加工途中のノズルを示す正面断面図である。 本実施の形態に係るシャットオフノズルの加工方法を説明する図で、加工途中のノズルを示す正面断面図である。 本実施の形態に係るシャットオフノズルの加工方法を説明する図で、加工途中のノズルを示す正面断面図である。 本実施の形態に係るシャットオフノズルの加工方法を説明する図で、加工が完了した状態のノズルを示す正面断面図である。 本実施の形態に係るシャットオフノズルの一部を示す正面断面図である。 シャットオフノズルにおいてニードル弁の径に対するメカニカルシール部の長さの比と、シャットオフノズルからの漏れの量の関係を示すグラフである。 シャットオフノズルにおいてメカニカルシール部の径とニードル弁の径の差と、シャットオフノズルからの漏れの量の関係を示すグラフである。 実験方法を説明する図で、本実施の形態に係るシャットオフノズルの一部を示す正面断面図である。 本実施の第２の形態に係るシャットオフノズルの一部を示す正面断面図である。

以下、具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態に限定される訳ではない。説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜簡略化されている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。また、図面が煩雑にならないように、ハッチングが省略されている部分がある。

本実施の形態を説明する。
＜射出成形機＞
本実施の形態に係る射出成形機１は、図１に示されているように、トグル式の型締装置２と、射出装置３と、を備えている。本実施の形態に係る射出装置３には本実施の形態に係るシャットオフノズル５が設けられているが、詳しくは後で説明する。

＜型締装置＞
型締装置２は、ベッドＢに固定されている固定盤７と、ベッドＢ上をスライド自在に設けられている可動盤８と、型締ハウジング９と、を備えている。固定盤７と型締ハウジング９は複数本のタイバー１１、１１、…により連結されており、可動盤８は固定盤７と型締ハウジング９の間でスライド自在になっている。型締ハウジング９と可動盤８の間には型締機構が、本実施の形態においてはトグル機構１３が設けられている。固定盤７と可動盤８には、それぞれ固定側金型１５、可動側金型１６が設けられている。従って、トグル機構１３を駆動すると金型１５、１６が型開閉される。

＜射出装置＞
射出装置３は、加熱シリンダ１９と、加熱シリンダ１９内に設けられているスクリュ２０と、スクリュ駆動装置２２と、を備えている。加熱シリンダ１９はスクリュ駆動装置２２に支持されており、スクリュ２０はスクリュ駆動装置２２によって回転方向と軸方向とに駆動されるようになっている。加熱シリンダ１９にはホッパ２３と、次に説明する本実施の形態に係るシャットオフノズル５が設けられている。ホッパ２３から射出材料を供給し、加熱シリンダ１９を加熱してスクリュ駆動装置２２によりスクリュ２０を回転すると、射出材料が溶融し、計量される。スクリュ駆動装置２２によりスクリュ２０を軸方向に駆動すると射出材料を金型１５、１６に射出することができる。

＜本実施の形態に係るシャットオフノズル＞
本実施の形態に係るシャットオフノズル５は、図２に示されているように、ノズル２５と、ニードル弁２６と、ニードル弁２６を駆動する駆動機構２８と、を備えている。ノズル２５は加熱シリンダ１９に対して、アダプタ３０を介して設けられている。すなわち加熱シリンダ１９にはアダプタ３０が設けられており、ノズル２５はこのアダプタ３０に設けられている。

ノズル２５には射出材料が流れる流路、すなわちノズル内流路３１がノズル２５の軸心に設けられている。このノズル内流路３１はノズル２５先端において開口している。このようなノズル２５には、その外周面からノズル内流路３１に達する斜めの孔３３が開けられている。この斜めの孔３３は、本実施の形態において特徴的な形状になっているが、これは後で説明する。この斜めの孔３３にニードル弁２６が入れられている。

駆動機構２８はピストンシリンダユニットからなる。駆動機構２８は加熱シリンダ１９に固定されている固定部３５に対して固定されており、ニードル弁２６を軸方向に駆動するようになっている。

図３、４には、ノズル２５の先端部分と、ニードル弁２６の先端部分とが拡大して示されている。図３にはニードル弁２６によってノズル内流路３１を閉鎖した状態が、図４にはニードル弁２６が退避してノズル内流路３１が開放された状態が、それぞれ示されている。これら図３、図４に示されているように、ニードル弁２６は、円柱状の軸部３７とこの軸部３７の先端に設けられている半球状の頭部３８とを備えている。

斜めの孔３３は、前記したようにノズル２５の外周面からノズル内流路３１に達するように開けられている。しかしながら本実施の形態においては、斜めの孔３３は、ノズル内流路３１に達した後に、さらにノズル内流路３１を横切って深く開けられている。従って、ノズル内流路３１の内周面の反対側に凹部４０が形成されている。本実施の形態において、この凹部４０は、一定の径で直線状に形成された直線状穴４１と、この直線状穴４１に続いて形成されている球面状の球面穴４２とから構成されている。ニードル弁２６は、その軸部３７の一部が直線状穴４１に、そして頭部３８が球面穴４２に収納されるようになっている。

ところで、球面穴４２は完全な半球に加工することは難しい。図３には隙間が強調されて実際より大きく描かれているが、ニードル弁２６の頭部３８が球面穴４２に収納された状態でも、若干の隙間４４が形成されてしまう。つまりノズル内流路３１の射出材料が漏れる可能性がある。これに対して、直線状穴４１とニードル弁２６の軸部３７は、これらの間に僅かな隙間はあるが、直線状穴４１の長さLに渡ってシールされることになる。つまり、直線状穴４１とこの直線状穴４１に挿入される軸部３７とによって円環状のメカニカルシール部４６が構成されることになる。このメカニカルシール部４６によって射出材料の漏れを防止することができる。なお、メカニカルシール部４６には、射出材料の漏れが確実に防止できるようにするための好ましい条件がある。条件については後で説明する。

＜従来のシャットオフノズル＞
図５には、従来のシャットオフノズル１００の一部である、ノズル１０１と、ニードル弁１０２とが示されている。従来のノズル１０１においてもその外周面からノズル内流路１０４に達する斜めの孔１０５が開けられている。しかしながら、斜めの孔１０５がノズル内流路１０４を横切ってノズル内流路１０４の内周面の反対側に形成している凹部１０７は、略半球状の球面穴１０８のみになっている。

従来のシャットオフノズル１００に設けられているニードル弁１０２も、円柱状の軸部１１０と半球状の頭部１１１とを備えている。従って、ニードル弁１０２を前進させると、頭部１１１が球面穴１０８に収納されてノズル内流路１０４が閉鎖される。しかしながら、球面穴１０８と頭部１１１の間には僅かな隙間１１２が形成されている。従って、図５において矢印で示されているように射出材料がわずかに漏れる問題があった。

＜本実施の形態に係るノズルの加工方法＞
図６Ａ～図６Ｄによって本実施の形態に係るノズル２５における斜めの孔３３（図３、図４参照）の加工方法を説明する。ノズル２５には最初にノズル内流路３１が開けられている。このようなノズル２５において、ドリル等により図６Ａに示されているような斜めの下穴５０を開ける。下穴５０の内径は、これから形成しようとしている斜めの孔３３（図３、図４参照）の内径より若干小さくする。図６Ａに示されているように、下穴５０に対してリーマ５１を回転しながら押し下げる。つまり、リーマ５１によって斜めの孔３３を形成する。

リーマ５１によって斜めの孔３３の切削が進むと、図６Ｂに示されているように、リーマ５１の先端部がノズル内流路３１の内周面に接する。従来のシャットオフノズル１００（図５参照）のノズル１０１の加工では、ここでリーマ５１による加工は終了していた。しかしながら本実施の形態においては、さらにリーマ５１により深く孔を開ける。すなわち図６Ｃに示されているように、長さＬだけリーマ５１を追い込む。これによって、直線状穴４１が形成される。

直線状穴４１が形成されたら、リーマ５１を退避する。次いで、図６Ｄに示されているように、球面穴４２を加工する。ノズル２５の加工を完了する。

＜メカニカルシール部の条件＞
本実施の形態に係るシャットオフノズル５（図２参照）は、メカニカルシール部４６（図３参照）が構成されるので、ノズル内流路３１からの射出材料の漏れを防止できる。このメカニカルシール部４６における射出材料の挙動について、図７によって考察する。

メカニカルシール部４６において、直線状穴４１とニードル弁２６の軸部３７との間における射出材料の流れは隙間ｈが非常に小さいので層流になり、平行平板間の流れであるいわゆるポアズイユ流れとして扱うことができる。ポアズイユ流れでは、ノズル内流路３１と隙間４４に圧力差ΔＰが発生しているとき、隙間ｈを流れる射出材料の速度ｖは放物線の速度分布を備える。そして、メカニカルシール部４６を流れる射出材料の流量Qは、軸部３７の径ｄ、直線状穴４１の内径D、直線状穴４１の長さL、射出材料の粘性係数ηから、次の式１で与えられる。ただし隙間ｈは、直線状穴４１の内径Dと軸部３７の径ｄの差の１／２であるとしている。

式１に基づいて、メカニカルシール部４６において要求される条件を検討する。条件の検討にあたって、まず次のように一部の数値を定めた。すなわち、ニードル弁２６の軸部３７の径ｄは６．８８ｍｍ、直線状穴４１の内径Dと軸部３７の径ｄの差つまり隙間hは０．０１５ｍｍ、射出材料の粘性係数ηは１．５×１０^－６ｍ^２／ｓ、射出材料の圧力差ΔＰは１Ｎ／ｍ^２である。これらはシャットオフノズルにおいて比較的一般的な数値であると言える。これら数値を使用して、式１によって、直線状穴４１の長さＬを変化させたときの射出材料の流量Ｑを計算し、図８のグラフにまとめた。このグラフでは、縦軸を流量Ｑ（ｍｌ／ｓ）とし、横軸として、軸部３７の径ｄに対する直線状穴４１の長さＬの比（すなわちＬ／ｄ）が採用されている。

流量Ｑは、軸部３７の径ｄに対する直線状穴４１の長さＬの比が大きくなると小さくなることがわかる。すなわち漏れが少なくなることがわかる。ところで、射出材料の１滴分の量は０．０３５～０．０５５ｍｌであることが知られている。そこで、メカニカルシール部４６に求められる条件として、１分間に漏れる射出材料が１滴分に満たないこと、とすることができる。しかしながら、加工による誤差を考慮してより厳しい条件を設定する。すなわち１分間における漏れが０．５滴以下になるようにする。この条件を満たすためには流量Ｑは０．００３ｍｌ／ｓ以下としなければならない。このことから、直線状穴４１の長さＬは軸部３７の径ｄに対して次の条件を満たす必要があることがわかる。
０．２５ｄ≦Ｌ

しかしながら直線状穴４１の長さＬを長くし過ぎると、ノズル２５（図３、図４参照）の先端における肉厚が薄くなる。つまり長さＬには、ノズル２５の形状により制約を受ける。そこで、本発明者は、次の条件を定めた。
Ｌ≦０．７ｄ
これらをまとめると、直線状穴４１の長さＬは軸部３７の径ｄに対して次の範囲とすることが条件となる。
０．２５ｄ≦Ｌ≦０．７ｄ

次に、直線状穴４１の内径Ｄと軸部３７の径ｄの差、つまり隙間ｈ×２に対して求められる条件を考える。ここで、直線状穴４１の長さＬを軸部３７の径ｄに対して、Ｌ＝０．３ｄであると仮定し、式１により内径Ｄと径ｄの差を変化させたときの流量Ｑを計算した。図９のグラフに示す。このグラフでは、縦軸を流量Ｑ（ｍｌ／ｓ）とし、横軸として、メカニカルシール部４６における直線状孔４１の径Ｄとニードル弁２６の軸部３７の径ｄの差（すなわちＤ－ｄ（ｍｍ））が採用されている。前記したように、射出材料の漏れを１分間において０．５滴以下とするためには、流量Ｑは０．００３ｍｌ／ｓ以下としなければならない。そうすると、グラフから直線状穴４１の内径Ｄと軸部３７の径ｄの差は、０．０１６ｍｍ以下とすべきであることがわかる。

＜実験＞
ノズル２５を色々な条件で試作して漏れについて調べる実験を行った。
「実験方法」次の３個のノズルＡ、Ｂ、Ｃを試作した。
ノズルＡ：斜めの孔３３（図３、図４参照）を形成するとき、凹部４０において直線状穴４１を形成せず、球面穴４２のみを形成した。すなわち従来のノズル１０１（図５参照）と同様に形成した。
ノズルＢ：斜めの孔３３（図３、図４参照）を形成するとき、凹部４０において直線状穴４１について長さＬが０．２ｍｍになるように形成した。すなわちＬ＝０．０２９ｄとなるようにした。
ノズルＣ：斜めの孔３３（図３、図４参照）を形成するとき、凹部４０において直線状穴４１について長さＬが２．０ｍｍになるように形成した。すなわちＬ＝０．２９ｄとなるようにした。
なお、ノズルＢ、Cはいずれも直線状穴４１の内径Dとニードル弁２６の軸部３７の径ｄの差が０．０１５ｍｍになるようにした。

図１０に示されているように、ノズルＡ～Ｃについてそれぞれニードル弁２６を挿入し、ノズルＡ～Ｃを垂直にした状態で、ノズル内流路３１に灯油を入れ、灯油が漏れるか否かを調べた。なお、灯油の液面高さ５５は１３ｃｍとした。この高さは、灯油の比重が０．８、重力加速度が９．８m／ｓ^２として、灯油により作用する圧力ΔＰが約１N／ｍ^２になる高さである。灯油を採用したのは、灯油の粘性係数ηが溶融状態の樹脂の粘性係数とほぼ等しいからである。

この実験により、ノズルＡは０．５６秒毎に１滴ずつ、ノズルＢは１．０秒ごとに１滴ずつ漏れが観測された。これに対して、ノズルＣは１８０秒毎に１滴ずつしか漏れが発生しなかった。すなわち、１分間に１／３滴しか灯油の漏れが発生しなかった。ノズルＣは、上で説明したメカニカルシール部４６（図３、図４参照）において必要とされる条件を備えている。すなわち、メカニカルシール部４６における前記の条件を満たせば、実質的に漏れが発生しない、あるいは漏れが発生しにくいことが確認できた。

＜第２の実施の形態に係るシャットオフノズル＞
本実施の形態に係るシャットオフノズル５について、図３によって、メカニカルシール部４６が円環状になっているとして説明した。ただし、この円環はその長さＬが軸部３７の周りで一定になっているわけではない。なぜならば、図３においてノズル内流路３１の延長線５７が示されているように、メカニカルシール部４６の一部は、ノズル内流路３１より下方に位置しているからである。この結果、メカニカルシール部４６は、符号５８の箇所において円環の見かけ上の長さが長くなっている。ノズル内流路３１から外れており、ニードル弁２６の軸部３７は斜めの孔３３に完全に収納されているからである。

これに対して、図１１には、変形した第２の実施の形態に係るシャットオフノズル５‘のノズル２５’が示されている。このノズル２５‘においてメカニカルシール部４６は、全体がノズル内流路３１の延長線５７より上側になっている。この実施の形態においては、メカニカルシール部４６の円環はその長さＬが一定になっている。このようにメカニカルシール部４６は、円環の長さＬが軸部３７の周りで一定になる場合もあれば、第１の実施の形態のように一定にならない場合もある。しかしながら、メカニカルシール部４６の円環は、軸部３７の周りで長さＬより短くなることはない。従って、シール性が損なわれることはない。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。以上で説明した複数の例は、適宜組み合わせて実施されることもできる。

１ 射出成形機 ２ 型締装置
３ 射出装置 ５ シャットオフノズル
７ 固定盤 ８ 可動盤
９ 型締ハウジング １１ タイバー
１３ トグル機構 １５ 固定側金型
１６ 可動側金型 １９ 加熱シリンダ
２０ スクリュ ２２ スクリュ駆動装置
２３ ホッパ ２５ ノズル
２６ ニードル弁 ２８ 駆動機構
３０ アダプタ ３１ ノズル内流路
３３ 斜めの孔 ３７ 軸部
３８ 頭部 ４０ 凹部
４１ 直線状穴 ４２ 球面穴
４４ 隙間 ４６ メカニカルシール部
５０ 下穴 ５１ リーマ
５５ 液面高さ

Claims (2)

1. 射出材料が通るノズル内流路が射出方向に形成されているノズルと、
   前記ノズルの外周面から前記ノズル内流路に達する斜めの孔に進退自在に挿入されているニードル弁と、を備え、
   前記ニードル弁によって前記ノズル内流路を開閉するようになっており、
   前記ニードル弁は円柱状の軸部の先端に半球状の頭部が形成されており、
   前記斜めの孔は前記ノズル内流路内の内周面に凹部が形成されるように前記ノズル内流路を横切って深く開けられており、
   前記凹部は、リーマ加工により一定の径で直線状に形成された直線状穴と、該直線状穴に続いて球面状に形成された球面穴とから形成され、前記ニードル弁の前記軸部が前記直線状穴に、前記頭部が前記球面穴に収納されると、前記直線状穴と前記軸部とから円環状のメカニカルシール部が形成されるようになっており、
   前記直線状穴は、その長さＬが前記ニードル弁の前記軸部の径ｄに対して、
   ０．２５ｄ≦Ｌ≦０．７ｄ
   になっていると共に、その内径と前記ニードル弁の前記軸部の径との差が０．０１６mｍ以下になっている、シャットオフノズル。
2. 射出材料を射出する射出装置と、
   金型を型締めする型締装置と、を備えた射出成形機であって、
   前記射出装置にはシャットオフノズルが設けられ、
   前記シャットオフノズルは、射出材料が通るノズル内流路が射出方向に形成されているノズルと、
   前記ノズルの外周面から前記ノズル内流路に達する斜めの孔に進退自在に挿入されているニードル弁と、を備え、
   前記ニードル弁によって前記ノズル内流路を開閉するようになっており、
   前記ニードル弁は円柱状の軸部の先端に半球状の頭部が形成されており、
   前記斜めの孔は前記ノズル内流路内の内周面に凹部が形成されるように前記ノズル内流路を横切って深く開けられており、
   前記凹部は、リーマ加工により一定の径で直線状に形成された直線状穴と、該直線状穴に続いて球面状に形成された球面穴とから形成され、前記ニードル弁の前記軸部が前記直線状穴に、前記頭部が前記球面穴に収納されると、前記直線状穴と前記軸部とから円環状のメカニカルシール部が形成されるようになっており、
   前記直線状穴は、その長さＬが前記ニードル弁の前記軸部の径ｄに対して、
   ０．２５ｄ≦Ｌ≦０．７ｄ
   になっていると共に、その内径と前記ニードル弁の前記軸部の径との差が０．０１６mｍ以下になっている、射出成形機。

Images