JPH08108459A

JPH08108459A - 押出機用口金及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08108459A
Application number: JP6243080A
Authority: JP
Inventors: Riyuuji Saikudou; 龍司細工藤; Yasuo Endo; 保夫遠藤; Nobuyoshi Anakama; 伸良穴竃
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1994-10-06
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は押出機用口金及びその製造方法関
し、特に、精密加工、高温接合及びロウ付けを用いるこ
となく、ノズルピースを強固に結合することを目的とす
る。【構成】本発明による押出機用口金及びその製造方法
は、口金本体(1)のテーパ穴(1a)にテーパ外面(2a)を有
する中間円筒(2)を嵌合し、この中間円筒(2)内にノズル
ピース(3)を嵌入し、この中間円筒(2)を外方で圧入する
ことにより、口金本体(1)と中間円筒(2)とノズルピース
(3)を互いに一体化結合する構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は押出機用口金及びその製
造方法に関し、特に、精密加工、高温接合及びロウ付け
を用いることなく、ノズルピースを強固に結合するため
の新規な改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、溶融した高分子化合物や磨耗性
のある個体粒子を含む食品混合物を押出し加工する機械
装置において、腐食や磨耗による口金吐出口の形状変化
は製品の品質や生産性に重大な悪影響をもたらす。加工
性の優れた金属系材料は口金の材料としては部品の寿命
が短いという問題を抱えている。そこで、吐出口部分の
みを、セラミックス、超硬材料、サーメットなど硬質で
化学的に安定な材料で製作し、これを口本体に固定する
方法がとられる。ノズルピースの固定の際は、強固に固
定されるだけでなく、温度や内圧の変動に体して安定
で、高圧の作動流体のもれがないことが必要である。従
来、ノズルピースの固定には、焼ばめ、ロウづけ、軟質
金属製リングを介在させた嵌合、あるいはそれらを組合
わせた方法が用いられていた。例えば、代表的なものと
して、図１１で示す特開平４−２８０６号公報に示す構
成及び図１２で示す特開平４−２７２２０７号公報に示
す構成を挙げることができる。すなわち、図１１の構成
の場合、口金本体１の穴２内にノズルピース３を嵌入
し、ノズルピース３と口金本体１とを緩衝材４を介して
口一付により一体結合した構造である。また、図１２の
構成の場合、口金本体１の穴２内にノズルピースを嵌入
し、追加の金属リング５をノズルピース３の外周に嵌合
させた嵌合構造である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の押出し機用口金
は、以上のように構成されていたため、次のような課題
が存在していた。一般に、前述の焼ばめ法はノズルピー
スの直径が一般に小さいためにきわめて精度の高い部品
の加工が必要であり、それでもなお高圧流体のリークに
対して十分な性能を確保することが困難である。ロウづ
け法の例として示した図１１の方法はノズルピースと口
金本体の材料の組合わせに対して適切なロウ材の選択を
考慮しなければならず、ロウ接作業には高温加熱を必要
とするので作業性が悪い。また、接合部の面積が小さい
ために高い圧力が付加されたときの強度が十分でないと
いう問題があった。また、図１２で示す構造の軟質金属
性リングを介在させた嵌合は圧縮力により塑性変形させ
てノズルピースと口金本体との隙間を埋めるものである
が、この方法では圧縮加重の除去による弾性ひずみの開
放のために十分な密着性が確保できず、温度変化がある
ときの信頼性や軟質金属自体の耐食性などの問題があ
る。このように、それぞれ一長一短があるので、それら
を組合わせた固定方法が用いられることもある。しか
し、いずれも硬質で難加工な材料からなるノズルピース
の加工に高い精度が要求され、組合わせ作業が繁雑であ
り、特に多数の吐出口を持った口金の製作には合理的な
方法ではなかった。

【０００４】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたもので、特に、ノズルピースの特別な精密
加工を必要とせず、ロウ材を用いず、常温ないし比較的
低温で固定作業を行うことができる。簡便で信頼性の高
い押出機用口金及びその製造方法を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による押出機用口
金の製造方法は、口金本体にテーパ内面を有するテーパ
穴を形成し、前記テーパ穴内にテーパ外面を有する中間
円筒を嵌合し、前記中間円筒内に隙間を有する状態で直
円筒状のノズルピースを位置させた後、前記中間円筒に
外力を加えて前記中間円筒を前記口金本体とノズルピー
ス間に圧入することにより、前記口金本体、中間円筒及
びノズルピースを一体化する方法である。

【０００６】本発明による押出機用口金は、口金本体に
形成されテーパ内面を有するテーパ穴と、前記テーパ穴
に圧入されテーパ外面を有する中間円筒と、前記中間円
筒の内孔内に挿入されたノズルピースとを備え、前記口
金本体、中間円筒及びノズルピースを一体状に結合した
構成である。

【０００７】さらに詳細には、前記ノズルピースは、セ
ラミックス、超硬合金及びサーメット材の何れかからな
る構成である。

【０００８】さらに詳細には、前記テーパ内面とテーパ
外面のテーパ角度は同一であり、前記ノズルピースは直
円筒状よりなる構成である。

【０００９】

【作用】本発明による押出機用口金及びその製造方法に
おいては、口金本体にテーパ内面を有するテーパ穴を形
成し、このテーパ穴にテーパ外面を有する中間円筒を嵌
合し、この中間円筒内に隙間を有する状態で直円筒状の
ノズルピースを位置させた後、この中間円筒に外力を加
えて中間円筒を口金本体とノズルピース間に圧入するこ
とにより、この中間円筒のテーパ外面がテーパ内面を押
すため、口金本体、中間円筒及びノズルピースを一体化
して強固に結合することができる。

【００１０】

【実施例】以下、図面と共に本発明による押出機用口金
及びその製造方法の好適な実施例について詳細に説明す
る。なお、従来例と同一又は同等部分には同一符号を用
いて説明する。図１において符号１で示されるものは、
口金本体であり、この口金本体１に形成されたテーパ穴
１ａのテーパ内面１ａＡには、このテーパ内面１ａＡと
同一テーパ角度のテーパ外面２ａを有する筒状の中間円
筒２が圧入されている。

【００１１】前記中間円筒２の筒穴２Ａ内には、直円筒
状で、セラミックス、超硬合金及びサーメット材の何れ
かからなるノズルピース３が嵌入されており、この口金
本体１を保持する保持体１０の前記中間円筒に対応する
部分には輪状凹部１１が形成されている。

【００１２】次に、実際に前述の構成における押出機用
口金を製造する場合について述べる。まず、図１及び図
２に示すように、口金本体１にテーパ内面１ａＡを有す
るテーパ穴１ａを加工し、このテーパ内面１ａＡと等し
いテーパ角度のテーパ外面２ａをもった中間円筒２を嵌
合させ、この中間円筒２の中に微小な隙間Ｄをおいて直
円筒状のノズルピース３を位置させる。この口金本体１
とノズルピース３を固定して中間円筒２に軸方向の外力
による加重を加え圧入し（図２に示す）、そのときに発
生するテーパ内面１ａとテーパ外面２ａによるくさび力
により前記ノズルピース３に外圧を作用させることによ
り、口金本体１、中間円筒２及びノズルピース３を一体
化することができる。なお、この場合、中間円筒２の下
端２Ｄは、前記輪状凹部１１内に入り込み、前述の一体
結合を達成している。

【００１３】次に、前述の口金本体１のテーパ内面１ａ
Ａと中間円筒２のテーパ外面２ａによるくさび効果によ
る結合作用について述べる。図３から図７において口金
本体の穴の平均半径をＲ₄、中間円筒の内半径をＲ₃とす
る。口金本体と中間円筒のテーパ角をαとすると中間円
筒を高さｈだけ押込むことにより、δ＝tan αの半径差
を生じる。これは半径差δで焼ばめしたことに相当する
から、口金本体と中間円筒間には相互圧力Ｐ_m2が作用す
ることになる。口金本体と中間円筒の材料のヤング率を
それぞれＥ₃，Ｅ₂およびポアソン比をそれぞれν₃，ν₂
とするとＰ_m2は次の式（１）で表される。

【００１４】

【数１】

【００１５】このとき、中間円筒２のテーパ外面２ａは
中心に向かって次の式（２）で表されるμ_2iだけ変位す
る。

【００１６】

【数２】

【００１７】もし、δすなわちｈが十分大きくなると。
中間円筒はノズルピースと接するようになり、さらには
ノズルピースに外圧（相互圧力Ｐ_m1）を及ぼすようにな
る。ノズルピースの内半径をＲ₁、外半径をＲ₂、ヤング
率をＥ₁、ポアソン比をν₁とすると相互圧力Ｐ_m1によ
る、外表面の径方向の変位μ₁₀は次の式（３）のように
書ける。

【００１８】

【数３】

【００１９】この場合、中間円筒２とノズルピース３と
の間の静摩擦係数をμ₁、接触面積Ａ_fとすると、相互圧
力Ｐ_m1が作用しているときにノズルピース３を抜くには
Ｆ＝μ₁・Ｐ_m1・Ａ_fよりも大きい力を必要とする。した
がって、ノズルピース３の断面積をＡ₀とするとノズル
ピース３はＰ_a＝Ｆ／Ａ₀の作用圧力までは抜けずに自立
し、ノズルピース３、中間円筒２、口金本体１は一体化
し固定されることになる。

【００２０】このノズルピース３の固定には、圧入によ
る機械的な相互圧力に加えて、温度の変動により発生す
る熱応力を考慮する必要がある。例えば、押出し機口金
の使用温度が室温よりも高く、かつノズルピース３と金
属部（中間円筒２、口金本体１）の熱膨張係数が異なる
場合には、両者の熱膨張差による応力がノズルピース３
と中間円筒２の相互圧力につけ加わることになる。その
際、もしノズルピース３の熱膨張係数が中間円筒２より
も大きい場合には、温度上昇にともなって両者の界面に
働く相互圧力は増大するので、室温よりも強固に固定さ
れることになり問題は生じない。逆に、ノズルピース３
の熱膨張係数が中間円筒２のそれよりも小さいときは温
度上昇とともに、両者間の相互圧力は減少するので、ゆ
るみが生じるおそれがある。ゆるみの防止には、圧入作
業を室温よりも高い温度で行うのが効果的である。原理
的には、圧入作業を予想される最高使用温度よりも高い
温度で行っておけば、口金の使用中にノズルピースが抜
けてくるようなことは回避することができる。したがっ
て、本発明はノズルピース材料と熱膨張係数が等しい金
属で中間円筒２や口金本体１を製作しなければならない
という制約は受けずに適用可能である。

【００２１】実験例第１表は本発明の実験例をしめす。（ａ）は第一の実験
例であり、ノズルピース３はジルコニアセラミックスか
らなり、外半径Ｒ₂＝２.５mm、内半径Ｒ₁＝１.５mm、高
さＨ＝１２mmである。口金本体１と中間円筒２はともに
析出硬化型ステンレス鋼製で、穴の平均の半径はＲ₄は
５mmでα＝１.５°のテーパがつけてある。中間円筒２
とノズルピース３は半径差で０.００３mmの隙間があ
る。ジルコニアセラミックスのヤング率とポアソン比
は、２.０×１０⁴kg／mm²および０.２７、析出硬化型ス
テンレス鋼のヤング率とポアソン比は２.１×１０⁴kg／
mm²および０.３０であるから、（２）式においてＰ_m1＝
０、μ_2i＝△＝０.００３mmとおいて、δ＝０.００６す
なわちｈ＝０.２３mm押込むことによって、ノズルピー
ス３と中間円筒２が接触する。次に、ノズルピース３と
中間円筒２にＰ_m1＝５kg／mm²の相互圧力が発生させた
とすると、（３）式により、ノズルピース３の外表面は
μ₁₀＝０.００１４mmだけ中心側に変位することにな
る。再び（２）式において、Ｐ_m1＝５kg／mm²が作用し
つつ、中間円筒２のテーパ外面２ａが△＋μ_1o＝０.０
０３＋０.００１４mmだけ変位するための半径差を求め
ると、δ＝０.０９８mmとなり、ｈ＝０.３８mmが得られ
る。すなわち、０.３８mmだけ中間円筒２を押込むこと
によって、ノズルピース３と中間円筒２の間に５kg／mm
²の相互圧力が発生する。口金本体１と中間円筒２との
相互圧力は（１）式から、Ｐ_m2＝１５kg／mm²となる。
仮に最大摩擦角がテーパ角に等しい。すなわちρ＝αと
おいてみると、静摩擦係数は０.０２６に相当する。通
常の金属同志の接触において、無潤滑であれば静摩擦係
数μ₂はこれよりもはるかに大きいので、中間円筒２が
自立する条件を十分満たしているといえる。実際に、
０.３８mm押込んだ時の軸方向加重は３４００kg／mm²で
あり、これから逆算した静摩擦係数は０.５であった。
この時のノズルピース３を押して抜き取るために必要な
力は、中間円筒２とノズルピース３の接触面積Ａ_f＝７
３３mm²であるので、Ｆ＝７３３・Ｐ_m1・μ_iとなる。ノ
ズルピース３の断面積はＡ_o＝１９.６mm²であるから、
ノズルピース３が抜ける応力はＰ_a＝９.６２・μ_i・Ｐ
_m1となる。この式から、使用圧力と摩擦係数を設定して
ノズルピース３にかかる相互圧力を設定すれば良い。実
際に、Ｐ_m1＝５kg／mm²で固定した、ノズルピース３は
３kg／mm²耐圧テストに耐えることができた。また口金
本体１と中間円筒２および中間円筒２とノズルピース３
の界面は流動性の高い液体に対してリークしないことが
確かめられた。

【００２２】

【表１】

【００２３】図８は、ノズルピース３の円周方向応力の
半径方向の分布を示す。使用時に２kg／mm²の内圧が作
用すると内表面で４.２kg／mm²の引っ張り応力が発生す
るが、中間円筒２との相互圧力Ｐ_m1＝５kg／mm²が重畳
すると最大応力は−１０.２kg／mm²となり、引っ張り応
力が相殺されることがわかる。したがって、セラミック
ス、超硬合金、サーメット材などの脆性材料でしばしば
問題となる引っ張り応力による破壊の防止にとって効果
的である。

【００２４】また、前述の（ａ）の実験例ではノズルピ
ース３が直円筒の形状であっても十分強固に固定可能な
のであるが、形状としてはこれに限定されるものではも
ちろんない。すなわち、押出し機口金の使用圧力が特に
高いような条件に対しては、図９及び図１０に示すよう
に、ノズルピース３に口金本体１のテーパ角αよりも小
さい角度のテーパをつけるとか、段差３０を設けるなど
によって、内圧による抜けをより確実に防止することも
できる。また、前述の（ｂ）の第２の実験例の場合、こ
の時の、幾何学的形状および口金本体、中間円筒２の材
質は第１の実験例と同じであるが、ノズルピース３の材
質はアルミナセラミックスである。第１の実験例では、
ジルコニアセラミックスと析出硬化型ステンレス鋼との
熱膨張係数がきわめて接近しているので、室温で圧入固
定した後、高温に加熱して使用する場合でも、熱膨張差
に起因する相互圧力の変化は無視しても大きな間違いは
ない。しかし、第２の実験例では、アルミナとステンレ
ス鋼の熱膨張係数が８×１０^-6／℃および１２×１０^-6
／℃と大きく異なる。この時は、高温使用時の熱膨張差
による相互圧力の緩和は大きな問題である。その対策と
して、予想される使用温度４００℃において圧入固定の
作業を行なった。そのために、４００℃において、中間
円筒２とノズルピース３との隙間が熱膨張分を見込んで
所定の値となるように設定した。高温で圧入後に室温ま
で冷却する過程では、熱収縮の差に起因する圧縮応力が
圧入による圧縮応力に重ね合わされることになるが、ア
ルミナ製ノズルピースが破損するような問題が生じなか
った。

【００２５】

【発明の効果】本発明による押出機用口金及びその製造
方法は、以上のように構成されているため、特に精密な
部品の加工や、高温での接合、ロウづけなどの操作を必
要とせず、耐食性・耐磨耗性ノズルピースが強固に固定
された押出し機用口金を得ることができる。また、熱膨
張に起因するゆるみは圧入時の材料温度を適性に選べば
最小にすることができるので、熱膨張係数の整合を考慮
することなく、ノズルピース、中間円筒、口金本体の材
料を独立に選択する自由度がある。また、単に圧入する
だけの作業であるから、多数の吐出口を有する口金であ
っても能率的な生産を達成できる。また、ノズルピース
に作用する相互圧力を中間円筒の押込み量によって簡単
に制御することができるので、脆性材料のノズルピース
に対して使用時の内圧が高いような場合、ノズルピース
に圧縮の応力を付加することによって内圧による引っ張
り応力を相殺し破壊防止を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による押出機用口金を示す断面図であ
る。

【図２】図１の嵌入状態を示す断面図である。

【図３】本発明の作用を説明する概念図である。

【図４】本発明の作用を説明する概念図である。

【図５】本発明の作用を説明する概念図である。

【図６】本発明の作用を説明する概念図である。

【図７】本発明の作用を説明する概念図である。

【図８】本発明の実施例におけるノズルピース断面の円
周方向応力の径方向の分布を示す図である。

【図９】他の実施例を示す断面図である。

【図１０】他の実施例を示す断面図である。

【図１１】従来構成を示す断面図である。

【図１２】従来構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１口金本体１ａテーパ穴１ａＡテーパ内面２中間円筒２ａテーパ外面３ノズルピース１０保持体１１輪状凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】口金本体(1)にテーパ内面(1aA)を有する
テーパ穴(1a)を形成し、前記テーパ穴(1a)内にテーパ外
面(2a)を有する中間円筒(2)を嵌合し、前記中間円筒(2)
内に隙間(Ｄ)を有する状態で円筒状のノズルピース(3)
を位置させた後、前記中間円筒(2)に外力を加えて前記
中間円筒(2)を前記口金本体(1)とノズルピース(3)間に
圧入することにより、前記口金本体(1)、中間円筒(2)及
びノズルピース(3)を一体化することを特徴とする押出
機用口金の製造方法。
【請求項２】口金本体(1)に形成されテーパ内面(1aA)
を有するテーパ穴(1a)と、前記テーパ穴(1a)に圧入され
テーパ外面(2a)を有する中間円筒(2)と、前記中間円筒
(2)の内孔(2A)内に挿入されたノズルピース(3)とを備
え、前記口金本体(1)、中間円筒(2)及びノズルピース
(3)を一体状に結合した構成よりなることを特徴とする
押出機用口金。
【請求項３】前記ノズルピース(3)は、セラミック
ス、超硬合金及びサーメット材の何れかから構成されて
いることを特徴とする請求項２記載の押出機用口金。
【請求項４】前記テーパ内面(1aA)とテーパ外面(2a)
のテーパ角度は同一であり、前記ノズルピース(3)は直
円筒状よりなることを特徴とする請求項２又は３記載の
押出機用口金。