JP5787094B2 - プレス加工用金型 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金製の缶胴を作製するためのドライプレス加工用の金型に好適なプレス加工用金型に関する。

従来から、ダイヤモンド膜やＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）膜などの炭素膜を施した金型は、高潤滑の表面を持つため、金属の加工においてオイルレス・洗浄レスとしたプレス成型などのドライプレス加工を行えることが注目されている。上記炭素膜は、表面の水素による終端によって非炭素固溶性の合金との間で高い滑り特性を持ち、被加工合金による凝着を抑制し得ることが知られている。

これら炭素膜は主にタングステンカーバイドを主成分とする超硬合金の上に種付け処理を施し、直接ダイヤモンドやＤＬＣの膜をＣＶＤ法等の気相合成によって蒸着することで作製されている（特許文献１〜３を参照）。例えば、特許文献１では、金属素板に対して絞り加工後、しごき加工を施す絞りしごき加工法において、しごき加工における少なくとも最終段のしごきパスのダイスとして、ダイス基材における金属素板に接する側の面にＤＬＣ膜の表面粗さＲａが０．０５μｍ以下とされたダイスを用いる絞りしごき加工法が提案されている。

特開平１０−１３７８６１号公報 特開平０９−３１４２５３号公報 特開平１１−２７７１６０号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記特許文献に記載の技術では、高い加工率で合金を成形する場合、金型と被加工合金との間で高温（局所的には３００℃以上）に成らざるを得ず、そのような高温の状態であれば、いかに金型の表面を平滑にしていようとも、炭素膜の動摩擦係数が高くなって被加工合金の凝着・堆積が避けられなかった。特に、３００℃以上になると金型表面の炭素膜において、水素が離脱して滑り特性が悪化し、上記凝着が生じ易くなってしまう問題があった。このため、一般的にはこの現象を避けるために、成形時に冷却潤滑剤を放射することによって金型と被加工合金との間に冷却潤滑剤を介在させているが、非循環の大量の冷却潤滑剤が必要なため、製造コストが増大してしまうという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、大量の冷却潤滑剤を用いずに凝着を抑制し、良好な成形加工が可能なプレス加工用金型を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るプレス加工用金型は、プレス加工用の金型であって、被加工材を成形加工するパンチ部とダイ部とを備え、前記パンチ部の外周面及び先端面と前記ダイ部の内周面とに、その表面粗さＲａが０．０５μｍ以下とされた炭素膜が被覆され、前記パンチ部の内部に冷却媒体が流通可能なパンチ内冷媒流路が形成されていると共に、前記ダイ部の内部に冷却媒体が流通可能なダイ内冷媒流路が形成されており、前記パンチ部が、円柱状に形成され、前記パンチ内冷媒流路が、前記パンチ部の中心軸上に形成され先端が前記パンチ部の先端部に配された中心流路部と、該中心流路部の先端に基端が接続され互いに等角度間隔で放射状に延在して形成された複数の放射流路部と、これら放射流路部の先端に基端が接続され前記パンチ部の外周面の近傍に前記中心軸に沿って形成された複数の外周流路部とを有していることを特徴とする。

このプレス加工用金型では、パンチ部の内部に冷却媒体が流通可能なパンチ内冷媒流路が形成されていると共に、ダイ部の内部に冷却媒体が流通可能なダイ内冷媒流路が形成されているので、大量の冷却潤滑剤を用いなくても内部を流通する冷却媒体によりパンチ部及びダイ部を表面の炭素膜と共に内部から効率的に冷却することができる。したがって、パンチ内冷媒流路及びダイ内冷媒流路を流通させる冷却媒体は、容易に循環させることができ、パンチ部及びダイ部をアクティブに冷却するための循環媒体として必要分だけ用意することで済む。また、アクティブ冷却方式とすることができ、循環する冷却媒体の温度を常時監視することで、成形加工時の温度管理を、従来よりも厳密に行うことが可能になる。これにより、金型の熱膨張／収縮などによる製造上の不安定要因を排除することも可能になる。
なお、炭素膜の表面粗さＲａを０．０５μｍ以下に設定しているのは、Ｒａが０．０５μｍを超えると、加工時に十分な滑り特性が得られず、被加工合金の凝着、堆積等が発生するおそれがあるためである。

また、このプレス加工用金型では、パンチ内冷媒流路が、上記中心流路部と、上記複数の放射流路部と、上記複数の外周流路部とを有しているので、冷却媒体が、まず中心流路部によりパンチ部の中心に供給された後、先端側で複数の放射流路部により放射状に広がって流通し、さらに複数の外周流路部により外周近傍を流れることで、先端面及び外周面の炭素膜を効率的に冷却することができる。また、パンチ部を、中心軸を中心にした対称に冷却することができ、同一断面の最外周において温度の均一性を得ることができ、熱膨張／収縮による金型の形態不均一の発生を抑制でき、加工時の抵抗の増大、それによる被加工合金の凝着や堆積を防ぐことができる。

第２の発明に係るプレス加工用金型は、第１の発明において、前記ダイ部が、円環状に形成され、前記ダイ内冷媒流路が、前記ダイ部の周方向に沿って円環状に形成されていることを特徴とする。
すなわち、このプレス加工用金型では、ダイ部が、円環状に形成され、ダイ内冷媒流路が、ダイ部の周方向に沿って円環状に形成されているので、ダイ部の内周面に形成された炭素膜を効率的に冷却することができる。

第３の発明に係るプレス加工用金型は、第１又は第２の発明において、前記前記パンチ内冷媒流路内及び前記ダイ内冷媒流路内に前記冷却媒体を供給する冷媒供給源を備え、該冷媒供給源が、前記パンチ内冷媒流路内及び前記ダイ内冷媒流路内を流れる前記冷却媒体を、レイノルズ数が３０００以上の乱流で流通させることを特徴とする。
すなわち、このプレス加工用金型では、冷媒供給源が、パンチ内冷媒流路内及びダイ内冷媒流路内を流れる冷却媒体を、レイノルズ数が３０００以上の乱流で流通させるので、層流の場合に比べて流路内に温度分布ができ難く、流路全体で均一的な冷却が可能になる。

第４の発明に係るプレス加工用金型は、第１から第３のいずれかの発明において、前記前記パンチ内冷媒流路内及び前記ダイ内冷媒流路内に前記冷却媒体を供給する冷媒供給源を備え、該冷媒供給源が、前記冷却媒体を流通させて前記炭素膜の温度を３００℃未満に制御することを特徴とする。
すなわち、このプレス加工用金型では、冷媒供給源が、冷却媒体を流通させて炭素膜の温度を３００℃未満に制御するので、炭素膜から水素が離脱することを防ぎ、安定した高い滑り特性を維持することができる。

第５の発明に係るプレス加工用金型は、第１から第４のいずれかの発明において、前記パンチ部が、外周面及び先端面に前記炭素膜が形成され超硬合金で形成された有底円筒状の外側基体と、該外側基体の内側に設けられていると共に前記パンチ内冷媒流路が内部に形成され銅又は銅合金で形成された内側基体とを備えていることを特徴とする。
すなわち、このプレス加工用金型では、外側基体の内側に設けられていると共にパンチ内冷媒流路が内部に形成され銅又は銅合金で形成された内側基体を備えているので、熱伝導性の高い銅又は銅合金の内側基体を介して冷却媒体との熱交換を行い、効率的に外側基体及び炭素膜を冷却することができる。

第６の発明に係るプレス加工用金型は、第１から第５のいずれかの発明において、前記被加工材が、アルミニウム合金薄板であり、該アルミニウム合金薄板に対して絞りしごき加工を行うドライプレス加工用金型であることを特徴とする。
すなわち、このプレス加工用金型は、アルミニウム合金薄板に対して絞りしごき（ＤＩ：Ｄｒａｗｉｎｇ ａｎｄ Ｉｒｏｎｉｎｇ）加工を行うドライプレス加工用金型であるので、低コスト、低環境負荷で安定した製品品質のアルミニウム合金製缶胴を作製することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るプレス加工用金型によれば、パンチ部の内部に冷却媒体が流通可能なパンチ内冷媒流路が形成されていると共に、ダイ部の内部に冷却媒体が流通可能なダイ内冷媒流路が形成されているので、大量の冷却潤滑剤を用いなくても内部を流通する冷却媒体によりパンチ部及びダイ部を表面の炭素膜と共に内部から効率的に冷却することができる。
したがって、本発明のプレス加工用金型をアルミニウム缶のＤＩプロセス等においてドライプレス加工用の金型に適用することができ、凝着を抑制することによる製品品質の安定化を図ることができると共に、冷却潤滑剤を大量に使わずに済む低コストで省資源／省エネルギープロセスを実現可能である。

本発明に係るプレス加工用金型の一実施形態において、加工時の金型を示す断面図である。 本実施形態において、パンチ部を示す放射流路部における断面図である。 本実施形態において、ダイ部の外側円環部を示すダイ内冷媒流路における断面図である。

以下、本発明に係るプレス加工用金型の一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している部分がある。

本実施形態のプレス加工用金型１は、図１から図３に示すように、被加工材Ｗとしてアルミニウム合金薄板を用い、該アルミニウム合金薄板に対してＤＩ加工を行うドライプレス加工用の金型であって、被加工材Ｗを成形加工するパンチ部２とダイ部３とを備え、パンチ部２の外周面及び先端面とダイ部３の内周面とに、その表面粗さＲａが０．０５μｍ以下とされた炭素膜４が被覆されている。
また、上記パンチ部２の内部には、冷却媒体Ｌが流通可能なパンチ内冷媒流路５が形成されていると共に、ダイ部３の内部には、冷却媒体Ｌが流通可能なダイ内冷媒流路６が形成されている。

上記パンチ部２は、円柱状に形成され、パンチ内冷媒流路５が、パンチ部２の中心軸上に形成され先端がパンチ部２の先端部に配された中心流路部５ａと、該中心流路部５ａの先端に基端が接続され互いに等角度間隔で放射状に延在して形成された複数の放射流路部５ｂと、これら放射流路部５ｂの先端に基端が接続されパンチ部２の外周面の近傍に中心軸に沿って形成された複数の外周流路部５ｃとを有している。

このパンチ部２は、外周面及び先端面に炭素膜４が形成され超硬合金で形成された有底円筒状の外側基体７と、該外側基体７の内側に設けられていると共にパンチ内冷媒流路５が内部に形成され銅又は銅合金で形成された内側基体８とを備えている。すなわち、ＤＩ加工時に被加工材Ｗに直接当接する部分である外側基体７の外周面及び先端面に炭素膜４が形成されている。

上記ダイ部３は、円環状に形成され、ダイ内冷媒流路６が、ダイ部３の周方向に沿って円環状に形成されている。
このダイ部３は、内周面に炭素膜４が形成され超硬合金で形成された円環状の内側円環部９と、該内側円環部９の外周に設けられていると共にダイ内冷媒流路６が内部に形成され、ステンレス（ＳＵＳ）など鉄系材料で形成された外側円環部１０とを備えている。すなわち、ＤＩ加工時に被加工材Ｗに直接当接する部分である内側円環部９の内周面に炭素膜４が形成されている。

また、このプレス加工用金型１は、パンチ内冷媒流路５内及びダイ内冷媒流路６内に冷却媒体Ｌを供給する冷媒供給源１１を備えている。
該冷媒供給源１１は、パンチ内冷媒流路５内及びダイ内冷媒流路６内を流れる冷却媒体Ｌを、レイノルズ数が３０００以上の乱流で流通させるように流速を制御する機能を有している。すなわち、冷媒供給源１１は、各冷媒流路の内径が例えば直径５ｍｍに設定されている場合、冷却媒体Ｌの流速を０．５ｍ／ｓ以上に設定して、レイノルズ数：３０００以上の乱流とする。なお、この例の冷却媒体Ｌは、３０℃の冷却水が採用される。

さらに、この冷媒供給源１１は、冷却媒体Ｌを循環、流通させて炭素膜４の温度を３００℃未満に制御する機能も有している。すなわち、冷媒供給源１１は、循環させている冷却媒体Ｌの温度を測定する温度センサ等の温度検出機能を有しており、冷却媒体Ｌの温度を常時監視して該温度から推定される炭素膜４での温度が３００℃以上にならないように冷却媒体Ｌの温度や流速をコントロールする制御機構を有している。

上記超硬合金は、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）を主材としてバインダとしてＣｏなどを１０％未満含むものやバインダのないＷＣが採用される。これらの超硬合金は、炭素膜４の付着強度を低下させる表面近傍のＣｏを化学処理によって除去し、その上に気相合成によって炭素膜４が成膜される。

上記炭素膜４は、ＤＬＣ膜や多結晶ダイヤモンド膜であり、本実施形態ではダイヤモンド膜を採用している。これらの炭素膜４を合成した段階では、最表面の起伏はＲａで数μｍ程度になっている。これを例えば波長３６０ｎｍ以下のパルスレーザ光を用いて研磨し、Ｒａ≦０．０５μｍにする。すなわち、上記炭素膜４は、表面粗さＲａが０．０５μｍ以下となるようにレーザ光で研磨されている。

このプレス加工用金型１では、図１に示すように、カップ成形された被加工材Ｗ内に上記パンチ部２を挿入した状態でダイ部３内に押し込められ、被加工材Ｗの絞りしごき加工が複数段で行われ、缶胴が作製される。この際、冷媒供給源１１から各冷媒流路に冷却冷媒Ｌが上記条件で供給されてパンチ部２及びダイ部３の炭素膜４が適切に冷却される。

このように本実施形態のプレス加工用金型１では、パンチ部２の内部に冷却媒体Ｌが流通可能なパンチ内冷媒流路５が形成されていると共に、ダイ部３の内部に冷却媒体Ｌが流通可能なダイ内冷媒流路６が形成されているので、大量の冷却潤滑剤を用いなくても内部を流通する冷却媒体Ｌによりパンチ部２及びダイ部３を表面の炭素膜４と共に内部から効率的に冷却することができる。すなわち、金型内部を水冷することにより、加工時に発生する金型表面の炭素膜４の温度上昇を防ぎ、被加工材Ｗとの摺動特性を維持することができる。

パンチ内冷媒流路５及びダイ内冷媒流路６を流通させる冷却媒体Ｌは、容易に循環させることができ、パンチ部２及びダイ部３をアクティブに冷却するための循環媒体として必要分だけ用意することで済む。また、アクティブ冷却方式とすることができ、循環する冷却媒体Ｌの温度を常時監視することで、成形加工時の温度管理を、従来よりも厳密に行うことが可能になる。これにより、金型の熱膨張／収縮などによる製造上の不安定要因を排除することも可能になる。

また、パンチ内冷媒流路５が、上記中心流路部５ａと、上記複数の放射流路部５ｂと、上記複数の外周流路部５ｃとを有しているので、冷却媒体Ｌが、まず中心流路部５ａによりパンチ部２の中心に供給された後、先端側で複数の放射流路部５ｂにより放射状に広がって流通し、さらに複数の外周流路部５ｃにより外周近傍を流れることで、先端面及び外周面の炭素膜４を効率的に冷却することができる。また、パンチ部２を、中心軸を中心にした対称に冷却することができ、同一断面の最外周において温度の均一性を得ることができ、熱膨張／収縮による金型の形態不均一の発生を抑制でき、加工時の抵抗の増大、それによる被加工合金の凝着や堆積を防ぐことができる。

さらに、ダイ部３が、円環状に形成され、ダイ内冷媒流路６が、ダイ部３の周方向に沿って円環状に形成されているので、ダイ部３の内周面に形成された炭素膜４を効率的に冷却することができる。
また、冷媒供給源１１が、パンチ内冷媒流路５内及びダイ内冷媒流路６内を流れる冷却媒体Ｌを、レイノルズ数が３０００以上の乱流で流通させるので、層流の場合に比べて流路内に温度分布ができ難く、流路全体で均一的な冷却が可能になる。

また、冷媒供給源１１が、冷却媒体Ｌを流通させて炭素膜４の温度を３００℃未満に制御するので、炭素膜４から水素が離脱することを防ぎ、安定した高い滑り特性を維持することができる。
さらに、外側基体７の内側に設けられていると共にパンチ内冷媒流路５が内部に形成され銅又は銅合金で形成された内側基体８を備えているので、熱伝導性の高い銅又は銅合金の内側基体８を介して冷却媒体Ｌとの熱交換を行い、効率的に外側基体７及び炭素膜４を冷却することができる。

したがって、本実施形態のプレス加工用金型１は、アルミニウム合金薄板に対してＤＩ加工を行うドライプレス加工用金型とすることで、低コストで安定した製品品質のアルミニウム合金製缶胴を作製することができる。

次に、上記実施形態のプレス加工用金型を用いてＤＩ加工を行い、評価した結果について説明する。
用いたプレス加工用金型は、加工の際に直接作用する部分であるパンチ部の外側基体及びダイ部の内側円環部を、Ｃｏを６％含有する超硬合金とし、その上に多結晶ダイヤモンドを気相合成によって炭素膜を被覆した。

また、被覆した多結晶ダイヤモンドの炭素膜を、波長２６２ｎｍ，１０ｋＨｚのパルスレーザー光を用いて研磨し、Ｒａ＜０．０３μｍに研磨した。
なお、炭素膜の表面粗さ（表面起伏）測定は、光学顕微鏡、電子顕微鏡、レーザー顕微鏡を用いた。また、炭素膜の構造評価は、ラマン分光法を用いて測定した。

さらに、各冷媒流路の径は３ｍｍであり、冷却媒体を２５℃の水とし、断面平均速度１ｍ／ｓの乱流状態で流通させながらアルミニウム合金の加工率４０％のしごき加工を行った。また、比較として、冷却媒体を流通させない場合でも、同様にしごき加工を行った。
これらの結果、冷却媒体を流通させなかった場合、連続しごき加工においてアルミニウム合金の凝着及び堆積が確認されたが、冷却冷媒を循環させて金型の冷却を行った場合は、凝着、堆積とも確認できなかった。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１…プレス加工用金型、２…パンチ部、３…ダイ部、４…炭素膜、５…パンチ内冷媒流路、５ａ…中心流路部、５ｂ…放射流路部、５ｃ…外周流路部、６…ダイ内冷媒流路、７…外側基体、８…内側基体、１１…冷媒供給源、Ｌ…冷却媒体、Ｗ…被加工材

Claims (6)

1. プレス加工用の金型であって、
   被加工材を成形加工するパンチ部とダイ部とを備え、
   前記パンチ部の外周面及び先端面と前記ダイ部の内周面とに、その表面粗さＲａが０．０５μｍ以下とされた炭素膜が被覆され、
   前記パンチ部の内部に冷却媒体が流通可能なパンチ内冷媒流路が形成されていると共に、前記ダイ部の内部に冷却媒体が流通可能なダイ内冷媒流路が形成されており、
   前記パンチ部が、円柱状に形成され、
   前記パンチ内冷媒流路が、前記パンチ部の中心軸上に形成され先端が前記パンチ部の先端部に配された中心流路部と、
   該中心流路部の先端に基端が接続され互いに等角度間隔で放射状に延在して形成された複数の放射流路部と、
   これら放射流路部の先端に基端が接続され前記パンチ部の外周面の近傍に前記中心軸に沿って形成された複数の外周流路部とを有していることを特徴とするプレス加工用金型。
2. 請求項１に記載のプレス加工用金型において、
   前記ダイ部が、円環状に形成され、
   前記ダイ内冷媒流路が、前記ダイ部の周方向に沿って円環状に形成されていることを特徴とするプレス加工用金型。
3. 請求項１又は２に記載のプレス加工用金型において、
   前記前記パンチ内冷媒流路内及び前記ダイ内冷媒流路内に前記冷却媒体を供給する冷媒供給源を備え、
   該冷媒供給源が、前記パンチ内冷媒流路内及び前記ダイ内冷媒流路内を流れる前記冷却媒体を、レイノルズ数が３０００以上の乱流で流通させることを特徴とするプレス加工用金型。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のプレス加工用金型において、
   前記前記パンチ内冷媒流路内及び前記ダイ内冷媒流路内に前記冷却媒体を供給する冷媒供給源を備え、
   該冷媒供給源が、前記冷却媒体を流通させて前記炭素膜の温度を３００℃未満に制御することを特徴とするプレス加工用金型。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のプレス加工用金型において、
   前記パンチ部が、外周面及び先端面に前記炭素膜が形成され超硬合金で形成された有底円筒状の外側基体と、
   該外側基体の内側に設けられていると共に前記パンチ内冷媒流路が内部に形成され銅又は銅合金で形成された内側基体とを備えていることを特徴とするプレス加工用金型。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のプレス加工用金型において、
   前記被加工材が、アルミニウム合金薄板であり、
   該アルミニウム合金薄板に対して絞りしごき加工を行うドライプレス加工用金型であることを特徴とするプレス加工用金型。

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