JP3953245B2

JP3953245B2 - ハニカム構造体の作製方法

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Publication number: JP3953245B2
Application number: JP2000001719A
Authority: JP
Inventors: 拓児太田
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2020-01-07
Also published as: JP2001191240A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円板の円周部分に砥石が配設された切削部材等を用いて、多孔質セラミック材料を様々なサイズ及び形状に削り取ることによりハニカム構造体を作製する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
乗用車、バス、トラック等の車両や建設機械等の内燃機関から排出される排気ガス中に含有されるパティキュレートが環境や人体に害を及ぼすことが最近問題となっている。
この排気ガスを多孔質セラミックを通過させることにより、排気ガス中のパティキュレートを捕集して排気ガスを浄化するセラミックフィルタが種々提案されている。
【０００３】
このようなセラミックフィルタは、通常、図７に示したように多孔質セラミック部材６０が接着層５１を介して複数個結束されてセラミックフィルタ５０を構成している。また、この多孔質セラミック部材６０は、図８に示したように、長手方向に多数の貫通孔６２が並設され、貫通孔６２同士を隔てる隔壁６３がフィルタとして機能するようになっている。
【０００４】
すなわち、多孔質セラミック部材６０に形成された貫通孔６２は、排気ガスの入り口側又は出口側の端部のいずれかが充填材６１により目封じされ、一の貫通孔６２に流入した排気ガスは、必ず貫通孔６２を隔てる隔壁６３を通過した後、他の貫通孔６２から流出するようになっており、排気ガスがこの隔壁６３を通過する際、パティキュレートが隔壁６３部分で捕捉され、排気ガスが浄化される。
【０００５】
従来、このような多孔質セラミック部材６０は、まず、セラミック粉末とバインダーと分散媒液とを混合して混合組成物を調製し、その後混合組成物の押出成形等を行うことにより柱状のセラミック成形体を作製し、さらに、セラミック成形体を焼成することにより製造していた。
【０００６】
また、得られた多孔質セラミック部材を多数接着剤で接着して多孔質セラミック材料を作製した後、この多孔質セラミック材料を図７に示すような円筒形状に切断してハニカム構造体を作製し、その周囲にシール材５２の層を形成して、セラミックフィルタ５０として用いていた。
【０００７】
この多孔質セラミック材料を円筒形状に切断する際には、図９に示すような装置を用いて切断を行っていた。
すなわち、多孔質セラミック材料７３を固定具７２に配設された２つの押さえ用部材７４で、上下から回転可能に軸支し、作業者が多孔質セラミック材料７３をハンドル（図示せず）で回転させながら、エンドレス式のテープ形状の平刃７１を回転させることにより切断していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この切断方法では、テープ形状の平刃７１を用い、円筒形状（曲面形状）に切断しており、加工自体に無理があるため、作製する製品に欠け等が発生する場合も多く、また、平刃７１自体にも無理な負荷がかかるため、刃が短期間で使用不能となっていた。
【０００９】
また、平刃７１はエンドレス式であるため、装置に平刃７１を回転させるためのクリアランス（隙間）が必要となる。しかし、切断中に平刃７１に抵抗がかかると、平刃７１の位置がクリアランス分ずれ、製品のサイズにバラツキが生じるという問題があった。
さらに、平刃７１は薄いため、切断中に平刃７１がたわみ、製品の場所により、その寸法にバラツキが生じるという問題もあった。
さらに、平刃７１のたわみ等により、製品の端面と切断面との角度が直角とならないという問題もあった。
【００１０】
そこで、これらの問題を解決するために、本発明者らは、先に、図１０に示すような一端部に砥石８２が形成された円筒形状の切断部材８０を用い、円筒の中心を回転軸として回転させながら多孔質セラミック材料を円筒形状に切断し、ハニカム構造体を作製するという新たな切断方法を開発した。
【００１１】
このような切断部材を使用した切断方法により、欠けやチッピングを生ずることなく、寸法にバラツキを生ずることなく、精密な寸法のものを作製することができるようになったが、この切断部材８０による切断加工は、多孔質セラミック材料の中抜き加工であるため、切断部材８０のサイズにより目的とするハニカム構造体のサイズが決定される。逆にいうと目的とするハニカム構造体のサイズにより切断部材８０のサイズが決定するため、切断部材８０の共通化が出来ず、目的とするハニカム構造体のサイズの変更があるたびに切断部材８０を作製し直さなければならず、この切断部材８０を作製するための期間も必要であるため、生産効率の面で改良の余地があった。
【００１２】
さらに、円筒形状の切断部材８０による多孔質セラミック材料の中抜き加工であるため、得られるハニカム構造体は、円柱状のものに限られ、楕円柱形状等の複雑な形状のものを作製することは困難であり、また、作製する製品の直径毎に切断部材を用意しておく必要があるため、コスト面でも不利であった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は、様々なサイズ及び形状のハニカム構造体を効率よく作製することができる方法を開発することを目的に鋭意検討を行ったところ、円板形状の台金部の外周部を含む部分に砥石が配設された切削部材を用いて切削加工を行う方法が上記目的にほぼ合致する方法であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明のハニカム構造体の作製方法は、円板形状の台金部の外周部を含む部分に砥石が配設された切削部材、又は、有底円筒形状の台金部の円筒先端外周部を含む部分に砥石が配設された切削部材を回転させて切削加工を行うことにより、多数の貫通孔が多孔質の隔壁を隔てて長手方向に並設され、前記隔壁がフィルタとして機能するハニカム構造体を作製する方法であって、多数の貫通孔が長手方向に並設された複数の多孔質セラミック部材を接着することにより、多孔質セラミック材料を作製し、上記多孔質セラミック材料の少なくとも一部分を上記切削部材で削り取ることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のハニカム構造体の作製方法について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
本発明のハニカム構造体の作製方法では、円板形状の台金部の外周部を含む部分に砥石が配設された切削部材、又は、有底円筒形状の台金部の円筒先端外周部を含む部分に砥石が配設された切削部材を用いて切削加工を行う。
【００１７】
本発明では、切削部材として、図１、３、４に示した３つのタイプの切削部材１０、２０、３０を用いるので、これらの切削部材１０、２０、３０を用いたハニカム構造体の作製方法について、以下において、順次、説明を行っていくこととする。
【００１８】
図１（ａ）は、本発明のハニカム構造体の作製方法において用いる切削部材の一例であるストレートホイールタイプの切削部材を模式的に示した断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した切削部材の平面図である。
この切削部材１０は、台金部１１と砥石１２とからなり、円板形状の台金部１１の外周部に砥石１２が配設されている。
【００１９】
台金部１１は特に限定されないが、例えば、鉄、ＳＵＳ等の金属を円板形状に加工したものが好ましい。
また、その直径も、切削する材料にもよるため特に限定されないが、通常、８０〜３００ｍｍ程度、厚みは１〜３０ｍｍ程度が好ましい。
【００２０】
砥石１２のサイズは、切削する材料にもよるため特に限定されないが、通常、その厚さｄ₁ は、１〜１０ｍｍ、その幅ｌ₁ は、１〜３０ｍｍが好ましい。
【００２１】
砥石１２は、ダイヤモンド砥粒をメタルボンドを用いて接着、成形したものであり、円板状の台金部１１の外周部に接合できるように、環状に形成されている。また、砥石１２はメタルボンドを用いて形成されたものであるが、その他、レジンボンド、ビトリファイ等を用いても良い。
【００２２】
上記ダイヤモンド砥粒の粒度は、＃１０〜＃１０００程度の粒度を有するダイヤモンド砥粒を５〜１００の集中度で含むものが好ましい。特に、５０〜１００程度の集中度が好適である。
なお、集中度とは、１ｃｍ³ 当たりに含まれるダイヤモンド砥粒の重さをいい、集中度１００の場合には、１ｃｍ³ 当たり４．４カラットのダイヤモンド砥粒が含まれている。
【００２３】
本発明で切削処理の対象となる多孔質セラミック材料は、図８に示した多数の貫通孔６２が多孔質の隔壁６３を隔てて長手方向に並設され、隔壁６３がフィルタとして機能する多孔質セラミック部材６０を多数接着剤で接着して作製したものである。
【００２４】
多孔質セラミック部材６０は、多孔質のセラミックからなるものであれば特に限定されないが、例えば、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素、窒化チタン、炭化チタン等の非酸化物系セラミックからなる多孔質体；アルミナ、コージェライト、ムライト、シリカ、ジルコニア、チタニア等からなる多孔体等を挙げることができる。
【００２５】
多孔質セラミック部材６０の密度も特に限定されるものではないが、余り密度が高いものであると、切削処理に時間を要し、切削中に温度が上昇しすぎて、切削処理が困難となる場合もあるため好ましくない。
【００２６】
本発明のハニカム構造体の作製方法では、多孔質セラミック材料の不要部分を切削部材で削り取ることにより、ハニカム構造体を作製する。
【００２７】
図２は、プランジカット加工により、多孔質セラミック材料１３の不要部分を切削部材１０で削り取る様子を模式的に示した平面図である。
【００２８】
多孔質セラミック材料１３は、固定具（図示せず）に固定されている。本発明では、まず、矢印で示したように、切削部材１０を回転させながら多孔質セラミック材料１３の長手方向に対して垂直、かつ、多孔質セラミック材料１３に向かう方向に平行移動させ、一定幅の部分を削除する。続いて、多孔質セラミック材料１３中に切削部材１０が食い込んだ状態で円形状に周回しながら一定幅の部分を全て削除し、ハニカム構造体の一部１４を作製する。
【００２９】
次に、切削部材１０を先程と反対方向に平行移動させて、多孔質セラミック材料１３から引き離す。続いて、切削部材１０を、多孔質セラミック材料１３の長手方向に平行な方向に砥石１２の厚さの分だけ移動させ、次に、前の工程と同様に加工が施されていない部分の加工を行う。
上記した一連の加工操作を多孔質セラミック材料１３の全面に渡って繰り返し行うことにより、ハニカム構造体を作製することができる。
【００３０】
切削部材１０の加工周速としては、多孔質セラミック材料の材質、目的のハニカム構造体の形状及び削り取る量等に合わせて適宜調整されるが、１００〜５０００ｍ／分が好ましい。
また、送り速度としては最大各軸３２ｍ／分まで可能である。
【００３１】
上記ハニカム構造体の作製方法では、多孔質セラミック材料１３を完全に固定し、切削部材１０のみを移動させて切削加工を行ったが、本発明では、多孔質セラミック材料１３を回転が可能な装置に取り付け、多孔質セラミック材料１３を回転させながら切削加工を行ってもよい。
むしろ、多孔質セラミック材料１３を回転させる方法は、加工周速を上げることができ、より効率的にハニカム構造体を作製することができるため、より好ましい。
【００３２】
この場合には、切削部材１０を回転させながら、切削部材１０と同方向に回転している多孔質セラミック材料１３の長手方向に対して垂直、かつ、多孔質セラミック材料１３に向かう方向に平行移動させ、一定幅の部分を全て削除し、ハニカム構造体の一部を作製する。
次に、切削部材１０を先程と反対方向に平行移動させて、多孔質セラミック材料１３から引き離す。続いて、切削部材１０を、多孔質セラミック材料１３の長手方向に平行な方向に砥石１２の厚さの分だけ移動させ、前の工程と同様に加工が施されていない部分の加工を行う。
上記した一連の加工操作を多孔質セラミック材料１３の全面に渡って繰り返し行うことにより、ハニカム構造体を作製することができる。
【００３３】
この方法において、コンピュータを用いたＮＣ(numerical control) 制御により、切削部材１０の位置を多孔質セラミック材料１３の回転に同期させて移動させることにより、種々の形状のハニカム構造体を作製することができる。
【００３４】
このとき、多孔質セラミック材料１３の周速は、１〜３００ｍ／分の範囲で調整することができる。
【００３５】
上記ハニカム構造体の作製方法を用いることにより、作製するハニカム構造体の大きさや形状に拘わらず単一の切削部材を用いることができるため、多種類の切削部材を用意する必要がなく、加工コストを削減することができる。
【００３６】
また、上記したように、円柱形状のハニカム構造体のみでなく、楕円柱形状等の他の形状のハニカム構造体も、比較的容易に作製することができる。また、廃材がすべて粉塵となるため廃材処理が集塵機のみで行うことができ、更にコスト削減が可能である。
【００３７】
さらに、加工速度も、円柱形状の切断部材（図１０参照）を用いた場合と比較して、２〜４倍程度になるため、より効率的にハニカム構造体を作製することができる。
【００３８】
図３は、本発明のハニカム構造体の作製方法で用いる切削部材の別の一例であるカップ型タイプの切削部材を模式的に示した断面図である。
この切削部材２０では、有低円筒状の台金部２１の先端外周部と先端部とに、先端部砥石２２ａと外周部砥石２２ｂとからなる砥石２２が配設されている。
【００３９】
台金部２１の材質及びその大きさは、図１に示す切削部材１０の台金部１１とほぼ同様である。また、側面部２１ｂのの高さは、１０〜１００ｍｍ程度が好ましい。砥石２２の材質は、図１に示す砥石１２と同様である。
【００４０】
また、先端部砥石２２ａ及び外周部砥石２２ｂの厚さｄ₂ は、１〜１０ｍｍが好ましく、これらの幅ｌ₂ 、ｍ₂ は、１〜３０ｍｍが好ましい。
【００４１】
この切削部材２０を用いてハニカム構造体を作製する際には、多孔質セラミック材料の不要部分を切削部材で削り取ることにより、ハニカム構造体を作製する。
【００４２】
図５は、切削部材２０を用いたトラバース加工によりハニカム構造体２４を作製する様子を模式的に示した正面図である。
【００４３】
まず、この加工方法では、多孔質セラミック材料２３を回転装置（図示せず）に取り付けた後、切削部材２０を多孔質セラミック材料２３の一端部より少し離れた位置にセットする。続いて、多孔質セラミック材料２３及び切削部材２０を同方向に回転させながら、多孔質セラミック材料２３の一端部の図５に示した加工位置まで移動させ、多孔質セラミック材料２３の加工を開始する。
なお、多孔質セラミック材料２３及び切削部材２０の回転方向は、同方向であれば右回りであっても、左回りであっても差し支えない。
【００４４】
その後、通常は、切削部材２０を多孔質セラミック材料２３の長手方向に垂直となるｘ、ｙ方向については固定し、長手方向に平行となる方向、すなわちｚ軸方向については、ｚ軸に平行な方向に序々に移動させながら切削加工を行い、ハニカム構造体２４を作製する。
この場合にも、コンピュータを用いたＮＣ制御により、切削部材１０の位置を多孔質セラミック材料１３の回転に同期させて移動させることにより、種々の形状のハニカム構造体を作製することができる。
【００４５】
切削部材２０の加工周速としては、多孔質セラミック材料の材質、目的のハニカム構造体の形状及び削り取る量等に合わせて適宜調整されるが、１００〜３６００ｍ／分が好ましい。
このとき、多孔質セラミック材料２３の回転数は、１〜３００ｍ／分の範囲で調整することが可能である。
【００４６】
また、送り速度は、最大各軸３２ｍ／分まで、切削部材２０の多孔質セラミック材料２３の長手方向に移動する速度は、最大で５０ｍｍ／（多孔質セラミック材料１回転）の速度まで可能である。
【００４７】
切削部材２０を用いる場合にも、多孔質セラミック材料２３を完全に固定し、切削部材２０のみを移動させる方法をとることもできる。
【００４８】
図６は、ヘリカル加工にて作製したハニカム構造体と切削時の切削部材の軌跡を示す平面図である。
この加工法では、切削部材２０の砥石２２が２点鎖線４１で示した軌跡を描くように多孔質セラミック材料を切削しながら移動させ、最終的にハニカム構造体４０を作製する。
【００４９】
図３に示した切削部材２０を用い、トラバース加工法やヘリカル加工法を用いてハニカム構造体を作製することにより、切削部材１０を用いた場合と同様の効果が得られる。
また、切削部材２０を用いた場合には、切削部材２０を多孔質セラミック材料の長手方向に垂直な方向に往復運動させることなく、多孔質セラミック材料の長手方向に平行に移動させることができるため、連続して切削加工を行うことができ、より効率的にハニカム構造体を作製することができる。
【００５０】
図４は、本発明のハニカム構造体の作製方法で用いる切削部材の更に別の一例であるＬ字型ストレートホイールタイプの切削部材を模式的に示した断面図である。
この切削部材３０は、円板状の台金部３１の外周部と下面縁部とに外周部砥石３２ｂと縁部砥石３２ａとからなる断面視Ｌ字型の砥石３２が配設されている。
【００５１】
この切削部材３０の台金部３１の材質、直径及び厚さは、図１に示す切削部材１０の台金部１１と同様である。
また、砥石３２は、外周部砥石３２ｂと縁部砥石３２ａの厚さｄ₃ は、１〜１０ｍｍが好ましく、これらの幅ｌ₃ 、ｍ₃ は、１〜３０ｍｍが好ましい。
【００５２】
この切削部材３０を用いたハニカム構造体の作製方法では、多孔質セラミック材料の不要部分を切削部材で削り取ることによりハニカム構造体を作製する。
【００５３】
多孔質セラミック材料の不要部分を削り取る方法としては、図３で示した切削部材２０を用いたトラバース加工法やヘリカル加工法を採用することができるほか、図２に示した切削部材１０を用いたプランジカット加工法も採用することができる。
【００５４】
図４に示した切削部材３０を用い、トラバース加工法やヘリカル加工法を用いてハニカム構造体を作製することにより、図３に示した切削部材３０を用いた場合と同様の効果を得ることできる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明のハニカム構造体の作製方法は、上述の通りであるので、この作製方法を用いることにより、作製するハニカム構造体の寸法に拘わらず単一の切削部材を用いることができ、加工コストを削減することができる。
また、円柱形状以外の形状のハニカム構造体も容易に作製することができ、加工速度も増加するため、より効率的にハニカム構造体を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明のハニカム構造体の作製方法に用いる切削部材の一例を模式的に示した断面図であり、（ｂ）は、（ａ）で示した切削部材の平面図である。
【図２】図１に示した切削部材を用いた切削方法の一例を模式的に示した平面図である。
【図３】本発明のハニカム構造体の作製方法に用いる切削部材の別の一例を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明のハニカム構造体の作製方法に用いる切削部材の更に別の一例を模式的に示した断面図である。
【図５】図３に示した切削部材を用いた切削方法の一例を模式的に示した正面図である。
【図６】図３に示した切削部材を用いた切削方法により作製されたハニカム構造体及び切削部材の軌跡を示す平面図である。
【図７】セラミックフィルタを模式的に示した斜視図である。
【図８】（ａ）は、多孔質セラミック部材を模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）図におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図９】従来の多孔質セラミック材料の切断方法を模式的に示した正面図である。
【図１０】本発明に先立って開発した多孔質セラミック材料の切断部材を模式的に示した斜視図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０切削部材
１１、２１、３１台金部
１２、２２、３２砥石
１３、２３多孔質セラミック材料
１４、２４ハニカム構造体の一部
２１ａ底面部
２１ｂ側面部
２２、３２砥石
２２ａ先端部砥石
２２ｂ、３２ｂ円周部砥石
３２ａ縁部砥石
４０ハニカム構造体
４１軌跡
５０セラミックフィルタ
５１接着層
５２シール材
５３隔壁
６０多孔質セラミック部材
６１充填材
６２貫通孔
６３隔壁

Claims

円板形状の台金部の外周部を含む部分に砥石が配設された切削部材、又は、有底円筒形状の台金部の円筒先端外周部を含む部分に砥石が配設された切削部材を回転させて切削加工を行うことにより、
多数の貫通孔が多孔質の隔壁を隔てて長手方向に並設され、前記隔壁がフィルタとして機能するハニカム構造体を作製する方法であって、
多数の貫通孔が長手方向に並設された複数の多孔質セラミック部材を接着することにより、多孔質セラミック材料を作製し、
前記多孔質セラミック材料の少なくとも一部分を前記切削部材で削り取ることを特徴とするハニカム構造体の作製方法。
多孔質セラミック材料を回転させながら、前記多孔質セラミック材料の少なくとも一部分を削り取る請求項１記載のハニカム構造体の作製方法。
前記削り取り作業を多孔質セラミック材料の長手方向に垂直な面で行った後に、平行な方向に移動し、多孔質セラミック材料の全面に渡って繰り返し行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のハニカム構造体の作製方法。
前記切削部材の回転速度は、１００〜３６００ｍ／分であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のハニカム構造体の作製方法。