JPH07186175A - 射出成形された歯車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面が平滑で、耐久性に優れ、経済的に成形
された歯車を提供する。 【構成】 断熱層被覆金型を用い、熱可塑性樹脂を射出
成形して形成された歯車。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面の平滑性と耐久性に
優れ、経済的に成形された歯車を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】歯車は精密機械、電気・電子機器、一般
機械、自動車等の各分野に機構部品として幅広く用いら
れている。そして、成形性が良く、軽量で、しかも錆び
ないという理由から各種の樹脂による歯車も近年ますま
すその利用が拡大している。そして、生産性が良いこと
から射出成形が多く用いられている。さらに、最近では
中空射出成形法を用いてより高精度の歯車も得られるよ
うになった。中空射出成形法は特公昭５７ー１４９６８
号報等に開示されている。

【０００３】歯車は機能上、摺動性と耐摩耗性が重要な
部品であり、より滑らかな表面が要求されている。そし
て、金型キャビティ壁面を鏡面状に研磨した後、成形す
ることが一般に行われている。成形条件を種々変化させ
て表面の平滑な歯車を成形することが行われているが、
これらの成形条件の中で最も大きな影響のあるのは金型
温度であり、金型温度を高くする程好ましい。しかし、
金型温度を高くすると、可塑化された樹脂の冷却固化に
必要な冷却時間が長くなり成形能率が下がる。

【０００４】このため、金型温度を高くすることなく型
表面の再現性を良くし、又金型温度を高くしても必要な
冷却時間が長くならない方法が要求されている。金型に
加熱用、冷却用の孔をそれぞれとりつけておき交互に熱
媒、冷媒を流して金型の加熱、冷却を繰り返す方法も行
われているが、この方法は熱の消費量も多く、冷却時間
が長くなる。

【０００５】金型キャビティを形成する型壁面を熱伝導
率の小さい物質で被覆することにより金型表面再現性を
良くする方法は米国特許第３５４４５１８号明細書で射
出成形について開示されている。押出ブロー成形につい
ても、同様に型壁面を熱伝導率の小さい物質で被覆する
方法が米国特許第５０４１２４７号明細書に開示されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】表面の平滑性により優
れた歯車を得ようとする場合、これまでは例えば、１０
０℃以上の極めて高温度の金型を用いて射出成形する必
要があり、この為に、媒体を水以外の取扱いに不便なも
の、あるいは水の場合高圧の流水径路が必要となり、設
備費の増大につながり、且つ成形サイクルタイムも著し
く増大し、経済的にも大きな問題である。本発明はこの
課題を解決するものである。

【０００７】

【発明を解決するための手段及び作用】すなわち、本発
明は、金属からなる主金型の金型キャビティを形成する
型壁面を、熱伝導率が０．００２ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ
・℃以下の耐熱性重合体からなる断熱層で０．０１〜２
ｍｍ厚に被覆した金型を用い、熱可塑性合成樹脂を射出
成形して形成された歯車である。更に、本発明は歯車の
歯面を形成する型壁面に選択的に断熱層を被覆した金型
を用いて射出成形された上記の歯車である。

【０００８】以下に本発明について詳しく説明する。本
発明における歯車とは二つの回転軸間で次々に噛み合う
歯によって運動や力を伝達する機械要素であり、自動
車、電気・電子器機、精密機械等に広く用いられてい
る。本発明の歯車に使用できる合成樹脂は一般の射出成
形に使用できる熱可塑性樹脂である。例えば、ＡＢＳ樹
脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等オレフィン重合
体、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、塩化ビニール重
合体又はその共重合体、ポリカーボネート、ポリアミ
ド、ポリエステル、ポリアセタール等の一般に射出成形
に使用される熱可塑性樹脂が使用できる。良好に使用で
きるのはポリアセタール、ナイロン６、ナイロン６６、
ポリカーボネート、ポリプロピレン等であり、特に良好
に使用できるのはポリアセタールである。ポリアセター
ルは成形中に多くのデポジット物質を発生させる。ポリ
アセタールより発生するデポジット物質は金型上に付着
し、モールドデポジットとなる。このモールドデポジッ
トのため、高い寸法精度を有する成形体を連続して得る
事が困難となる。モールドデポジットを減少させるべく
数多くの試みがなされている。本発明はこのモールドデ
ポジット低減にも極めて有効である。

【０００９】本発明に述べる金属からなる主金型材質と
は、鉄又は鉄を主成分とする鋼材、アルミニウム又はア
ルミニウムを主成分とする合金、亜鉛合金、ベリリウム
−銅合金等の一般に合成樹脂の成形に使用されている金
属金型を包含する。特に鋼材が良好に使用できる。尚、
これらの主金型材質の室温における熱伝導率は、一般に
０．０５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上である。

【００１０】本発明で断熱層に用いる耐熱性重合体とは
ガラス転移温度が１５０℃以上、好ましくは１９０℃以
上、及び／又は融点が２５０℃以上、好ましくは２８０
℃以上の耐熱性重合体である。耐熱性重合体の熱伝導率
は０．００２ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以下であり、一
般の重合体はこの熱伝導率以下である。又、該耐熱性重
合体の破断伸度は１０％以上の強靭な重合体が好まし
い。破断伸度の測定法はＡＳＴＭＤ６３８に準じて行
い、測定時の引っ張り速度は５ｍｍ／分である。

【００１１】本発明で断熱層として良好に使用できる重
合体は、主鎖に芳香環を有する耐熱性重合体であり、有
機溶剤に溶解する各種非結晶性耐熱重合体、各種ポリイ
ミド等が良好に使用できる。非結晶性耐熱重合体として
は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリル
スルホン、ポリアリレート、ポリフェニレンエーテル、
ポリベンツイミダゾール等である。これ等の代表的な耐
熱性重合体の繰り返し単位を次に示す。

【００１２】

【化１】

【００１３】

【化２】

【００１４】

【化３】

【００１５】

【化４】

【００１６】

【化５】

【００１７】ポリイミドは各種あるが、直鎖型高分子量
ポリイミドが良好に使用できる。一般に直鎖型高分子量
ポリイミドは破断伸度が大きく、耐久性に優れている。
本発明に良好に使用できる直鎖型の高分子量ポリイミド
の例を表１に示した。なお、Ｔｇはガラス転移温度、
又、ｎはくりかえし単位の数を表わす。

【００１８】

【表１】

【００１９】直鎖型ポリイミドのＴｇは構成成分によっ
て異り、その例を表２および表３に示した。Ｔｇが１５
０℃以上の重合体が使用され、好ましくは１９０℃以
上、更に好ましくは２３０℃以上である。

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】本発明に良好に使用できる、溶剤に溶解で
きる各種可溶性ポリイミドを表４に示す。

【００２３】

【表４】

【００２４】射出成形は複雑な形状の成形品を一度の成
形で得られるところに経済的価値がある。この複雑な金
型表面を耐熱性重合体で被覆し、且つ強固に密着させる
には、耐熱性重合体溶液、あるいは／及び耐熱性重合体
前駆体溶液を塗布し、次いで加熱して耐熱性重合体を形
成させることが最も好ましい。従って、本発明の耐熱性
重合体、あるいは耐熱性重合体前駆体は溶剤に溶解でき
ることが好ましい。

【００２５】前記の非結晶性耐熱性重合体、可溶性ポリ
イミド、あるいはポリイミド前駆体はテトラヒドロフラ
ン、ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、
Ｎ−メチルピロリドン等の各種溶剤に溶解し、本発明に
使用される。直鎖型ポリイミド前駆体は、例えば芳香族
ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物を開環重付
加反応させることにより合成される。

【００２６】

【化６】

【００２７】これ等ポリイミド前駆体は加熱して脱水環
化反応させることによりポリイミドを形成する。最も好
ましい直鎖型ポリイミド前駆体はポリアミド酸でありそ
の代表例の繰り返し単位と、それをイミド化したポリイ
ミドの繰り返し単位を次に示す。

【００２８】

【化７】

【００２９】

【化８】

【００３０】

【化９】

【００３１】

【化１０】

【００３２】上記のポリイミド前駆体のポリマーはＮ−
メチルピロリドン等の溶媒に溶かし、金型壁面に塗布さ
れる。これら耐熱性重合体溶液、あるいは耐熱性重合体
前駆体溶液には、コーティング時の粘度を調整したり、
溶液の表面張力を調整、チキソトロピー性を調整するた
めの添加物を加えたり、及び／又は金型との密着性を上
げるための微少の添加物を加えることができる。

【００３３】断熱層に使用する耐熱性重合体について、
非結晶性耐熱性重合体、ポリイミドで説明したが、本発
明は基本的にこれ等に限定されるものではない。可とう
性が付与されたエポキシ樹脂、シリコーン系樹脂等は成
形条件等によっては使用できる。本発明の耐熱性重合体
皮膜と主金型との密着力が大きいことが必要であり、室
温で０．５ｋｇ／１０ｍｍ巾以上、好ましくは０．８ｋ
ｇ／１０ｍｍ巾以上、更に好ましくは１ｋｇ／１０ｍｍ
巾以上である。これは密着した断熱層を１０ｍｍ巾に切
り、接着面と直角方向に２０ｍｍ／分の速度で引張った
時の剥離力である。この剥離力は測定場所、測定回数に
よりかなりバラツキが見られるが、最小値が大きいこと
が重要であり、安定して大きい剥離力であることが好ま
しい。本発明に述べる密着力は金型の主要部の密着力の
最小値である。

【００３４】ポリイミド等の断熱材の薄層の表面の平滑
性等を更に向上させるため、あるいは表面の耐擦傷性を
更に向上させるため、あるいは離型性を良くするため、
ポリイミド層等の厚みの１／１０付近より薄い別材質を
ポリイミド表面等に塗布することも必要に応じてでき、
本発明に含まれる。合成樹脂のシートや型物の表面に、
耐擦傷性向上のために使用されている、一般にハードコ
ートと言われている塗料を塗布することもできる。例え
ば、熱硬化型のシリコーン系ハードコート剤、特に、シ
リコーン系ハードコート剤にエポキシ系物質を配合した
密着性に優れたハードコート剤は良好に使用でき、本発
明にとって好ましいものである。又、離型性を良くする
ためにフッ素樹脂やシリコーン系重合体を塗布すること
も良好にできる。

【００３５】断熱層の厚みは０．０１ｍｍから２ｍｍの
範囲で適度に選択される。好ましくは０．０５から０．
５ｍｍである。０．０１ｍｍ未満では効果が低く、２ｍ
ｍを越えることは不要である。厚み（ｃｍ）／熱伝導率
（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）値が５〜１００が本発明
に特に良好に使用であり、この様に非常にせまい範囲が
特に有効である。５〜１００の範囲より小さいと型表面
再現性が悪くなる傾向があり、この範囲より大きくなる
と、型内冷却時間が長くなるか、あるいは及び低熱伝導
物質の鏡面状被覆が困難になるなどの傾向を生ずること
が多い。本発明では主金型の温度を熱可塑性樹脂軟化温
度から２０℃を減じた温度（以下、「軟化温度−２０
℃」のごとき略記する）以下に冷却して成形されること
が好ましい。更に、好ましくは（軟化温度−２５℃）以
下、室温以上で成形される。ここに述べる樹脂の軟化温
度とは合成樹脂が容易に変形し得る温度であり、非結晶
性樹脂ではビカット軟化温度（ＡＳＴＭ Ｄ１５２
５）、硬質結晶性樹脂では熱変形温度（ＡＳＴＭ Ｄ６
４８ 荷重１８．６ｋｇ／ｃ ）、軟質結晶性樹脂では
熱変形温度（ＡＳＴＭ Ｄ６４８ 荷重４．６ｋｇ／ｃ
）でそれぞれ示す温度とする。硬質結晶性樹脂とは、
ポリオキシメチレン、ナイロン６、ナイロン６６等であ
り、軟質結晶性樹脂とは、各種ポリエチレン、ポリプロ
ピレン等である。

【００３６】本発明では、主金型温度を冷却し、射出さ
れた合成樹脂が型表面に接触してから、少なくとも０．
１秒の間、型表面温度が１００℃以上の状態で成形され
ることが好ましい。一般に金型温度は８０℃以下で射出
成形されており、８０℃を越える高温の金型温度では成
形サイクルタイムが長くなり、成形効率が低下する。ま
た、室温より低くなると金型表面に結露が発生しやすく
なる。射出成形時の型表面温度の変化は、合成樹脂、主
金型、断熱層の温度、比熱、熱伝導率、密度、結晶化潜
熱等から計算できる。例えば、ＡＤＩＮＡ及びＡＤＩＮ
ＡＴ（マサチューセッツ工科大学で開発されたソフトウ
ェア）等を用い、非線形有限要素法による非定常熱伝導
解析により計算できる。

【００３７】金属からなる主金型の金型キャビティを形
成する型壁面を断熱層で被覆した金型を用いて射出成形
を行うと、射出された合成樹脂自身の熱で型表面が加熱
されながら成形される。従って、あたかも主金型の温度
を高く設定して成形したことと同等の効果が得られる。
成形品の型表面再現性を良くし、成形品の艶を良くする
ためには、射出された樹脂が型壁面に接して、少なくと
も該樹脂に一定の圧力が加わり型壁面に押しつけられる
までの微少の間だけ、型表面温度が樹脂の軟化温度以上
に保たれていることが必要である。型壁面を断熱層で被
覆すると、断熱層の断熱効果により型表面が射出された
樹脂の熱により加熱され、型表面再現性が良くなり、成
形品の艶が良くなる。

【００３８】本発明では、断熱層が金型キャビティを形
成する型壁面の片面、あるいは両面、あるいは局部的に
被覆されているが、少くとも歯車の機能上、平滑表面、
表面直近までの結晶化等が要求される型壁面に被覆され
ている。従って、本発明には、歯車の歯面を成形する型
壁面に、選択的に断熱層を被覆した金型を用いて成形さ
れた歯車も含まれる。

【００３９】ポリアセタールやポリアミド等の結晶性合
成樹脂が冷却された一般の金型に射出されると、その接
触表面では結晶化を起こす時間がない状態で急冷され、
成形品表面部に非結晶層が形成される。本発明で成形さ
れると表層の急冷が緩和され、成形品表面直近まで結晶
層が形成される。このことを写真で説明する。図１と図
２はポリアセタールの射出成形品断面の結晶構造を示す
偏光顕微鏡写真の模式図である。図１は５０℃に冷却さ
れた金属からなる主金型へ２２０℃のポリアセタールを
射出成形した場合であり、図２は０．０７５ｍｍ厚にポ
リイミドを被覆した金属からなる主金型へ、同様の条件
で射出成形した場合である。ポリイミドを被覆すること
により表面直近まで結晶化が進む。歯車の歯面を形成す
る型壁面にポリイミドを被覆することにより、歯車の歯
面は表面直近まで結晶化した、耐摩耗性に優れた、表面
平滑な歯面が得られ、良好な歯車になる。本発明では歯
面を選択的に改良することが特に好ましい。ここに述べ
る歯車の歯面とは、力を伝達する歯の部分の表面であ
り、耐摩耗性が要求される部分である。

【００４０】金型から成る主金型の表面を合成樹脂から
成る薄い断熱層で被覆することについては、多くの公知
文献がある。しかし、従来これ等の金型は簡易金型とし
て成形回数が少ない成形には使用できるものの、数万回
の成形に耐える本格金型には鋼鉄等の強靭な材質で型キ
ャビティを形成することがこれまでの常識である。合成
樹脂が射出成形される場合、鋼鉄等の強靭な材質で金型
キャビティを形成することが数万回の成形を行う本格金
型ではこれまで必須と考えられている。

【００４１】我々は、これについて更に深い研究を行
い、主金型の表面を薄い耐熱性重合体で被覆しても、一
定の条件を満たす合成樹脂から成る断熱層を使用すれ
ば、数万回の射出成形に耐えることを発見し本発明に至
る。本発明では中空射出成形法で成形した中空部を有す
る歯車には好ましく用いられる。すなわち、中空射出成
形法では一般に成形時の型内圧が低いため、モールドデ
ポジットが蓄積しやすい為である。

【００４２】

【実施例及び比較例】次の金型、物質等を使用する。 主金型：鋼材（Ｓ５５Ｃ）でつくられた歯車金型。型表
面は鏡面状である。ポリイミド前駆体及び硬化後のポリ
イミド：直鎖型高分子量ポリイミド前駆体溶液「トレニ
ース＃３０００」（東レ（株）製）。硬化後のポリイミ
ドの性能は、Ｔｇが３００℃、熱伝導率が０．０００５
ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃、破断伸度が６０％。 ポリイミド被覆金型：主金型にポリイミド前駆体溶液を
塗布し、１６０℃に加熱して部分イミド化し、次いで該
塗布、１６０℃加熱を数回繰り返し、最後に２９０℃ま
で加熱して、１００％イミド化して各種厚みのポリイミ
ド被覆金型をつくる。

【００４３】各種樹脂、各種金型を用いて歯車の射出成
形を行い、結果を表５に示す。成形品の外観は歯車の歯
面で観察を行った。本金型の歯車は表面の平滑性に優
れ、モールドディポジットも極めて少なく、金型耐久性
も優れ、経済性にも優れる。

【００４４】

【表５】

【００４５】

【発明の効果】本発明により、 １）モールドデポジットの低減 ２）金型設定温度低下による金型寿命の向上 ３）成形品表面の平滑度、耐摩耗性の著しく優れた歯車
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ポリアセタールの射出成形品断面の結晶構造を
示す偏光顕微鏡写真の模式図である。

【図２】ポリアセタールの射出成形品断面の結晶構造を
示す偏光顕微鏡写真の模式図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｌ 15:00

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属からなる主金型の金型キャビティを
   形成する型壁面を、熱伝導率が０．００２ｃａｌ／ｃｍ
   ・ｓｅｃ・℃以下の耐熱性重合体からなる断熱層で０．
   ０１〜２ｍｍ厚に被覆した金型を用い、熱可塑性合成樹
   脂を射出成形して形成されることを特徴とする歯車。