CN103364295B - 模具用钢材的研磨性的评价方法及模具的研磨性的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供模具用钢材的研磨性的评价方法及模具的研磨性的评价方法，该评价方法能够在最佳的测定条件下以数值形式预测通过模具得到的成形品的表面性状。该模具用钢材的研磨性的评价方法，其为利用磨粒对模具用钢材的表面进行研磨加工，并测定该加工后的表面的波纹度，由此对前述模具用钢材的研磨性进行评价的方法，前述波纹度的测定使用截止值λc设定成满足(研磨加工中使用的磨粒的平均粒径×10)＜λc＜(轮廓单元的平均宽度WSm)的关系的值而求得的波纹度曲线来进行测定。优选前述波纹度的测定以平均线高度Wc作为指标进行测定。另外，该模具的研磨性的评价方法，其对于实际制作后的模具的工作面实施前述波纹度的测定。
Description
技术领域
本发明涉及对于工作面被研磨加工而成的模具的制作中使用的钢材，通过测定其研磨加工后的表面的波纹度，来对钢材具有的研磨性进行评价的方法。另外，涉及对于工作面被研磨加工而成的实际的模具，通过测定作为其研磨加工后的表面的模具的工作面的波纹度，来对模具具有的研磨性进行评价的方法。
背景技术
成形具有高品质的表面性状的产品、例如塑料产品等的模具对其工作面要求镜面的精加工表面。于是对于这种工作面而言，例如准备预先调整为使用硬度的预硬钢材，将其表面切削加工为规定的形状后，实施研磨加工，精加工为镜面。
上述研磨加工通常在模具制作的最终工序中实施。研磨加工的工序，通常以利用砂轮进行的粗研磨、接着利用砂纸进行的半精加工研磨、最后利用金刚石研磨膏进行的精加工研磨的顺序实施。另外，砂轮、砂纸、金刚石研磨膏中分别含有的磨粒存在对应于平均粒径的标准。例如平均粒径为约15μm的磨粒，根据JIS R6001(磨削砂轮用研磨材的粒度)、JIS R6010(砂布砂纸用研磨材的粒度)的标准标记为“#1000”。
但是，若使用通过上述研磨加工将工作面精加工为镜面而成的模具，若实际进行例如塑料成形，则由此得到的成形品的表面有可能产生外观上的“不均(斑点，shading)”。这种不均为由于光的反射程度在成形品表面的各部不同所导致的外观上的表面性状不良，是成形品的外观品质降低的主要原因之一。而产生这种不均的原因确认为，存在于成为转印该成形面的性状的基础的模具的工作面的“波纹度(waviness)”(专利文献1～2)。波纹度指的是，JIS B0601：2001(ISO4287：1997)中定义的以比表面粗糙度(roughness)大的间隔产生的表面的周期性的起伏(非专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平01-212789号公报
专利文献2：日本特开2010-242147号公报
非专利文献
非专利文献1：JIS B0601：2001“製品の幾何特性仕様(GPS)-表面性状：輪郭曲線方式-用語、定義及び表面性状パラメータ”(制品的几何特性规格(GPS)-表面性状：轮廓曲线方式-用语、定义及表面性状参数)、JIS手册，2005年
发明内容
发明要解决的问题
对模具用钢材进行研磨加工时产生的波纹度影响成形品的品质。因此，若在将模具用钢材加工为实际的模具之前，可以事前且以数值形式掌握该模具用钢材具有的研磨性、换而言之利用规定的条件进行研磨加工时产生的波纹度的程度，则可以判断该模具用钢材是否为适当的材料、或者对于该模具用钢材而言最佳的用途、研磨加工条件。而且，即使为已经制作后的模具的状态，若可以以数值形式评价产生于该工作面的波纹度的程度，则即使不使用模具，也可以预测产生于成形品的表面的不均的程度，从而可以评价该模具的完好程度。
但是，实际上即使为研磨加工后具有相同程度的波纹度值的多个模具用钢材，在使用将它们加工而成的模具得到的成形品之间，所产生的不均的程度也有可能存在分为合格与否的程度的差异。因此，模具用钢材的研磨性的评价不得不依靠以最终得到良好的成形品时的模具的工作面作为基准，通过肉眼或照片对其与要评价的研磨加工后的表面进行比较的经验性且感觉性的方法(专利文献2)，结果评价的结果产生差异。
本发明的目的在于，提供在将模具用钢材加工为实际的模具之前的时点、或制作后的模具的时点，可以在最佳的测定条件下以数值形式预测通过该模具得到的成形品的表面性状的模具用钢材或模具的研磨性的评价方法。
用于解决问题的方案
本发明人对经过研磨加工的模具的工作面中测得的波纹度的程度、与通过该模具得到的成形品的不均的程度的相关性进行了深入地研究。结果发现，若从利用磨粒进行了研磨加工的模具的工作面的表面性状去除相当于该磨粒的尺寸的表面粗糙度的因素，而仅对波纹度的因素进行评价，则此时的波纹度值与不均的程度可以确认相关。于是若可以掌握该相关，则可以利用测得的波纹度值来以数值形式预测不均的产生程度，因此通过找到用于此的波纹度的测定条件，完成了本发明。
即，本发明为模具用钢材的研磨性的评价方法，其特征在于，其为利用磨粒对模具用钢材的表面进行研磨加工，并测定该加工后的表面的波纹度，由此对前述模具用钢材的研磨性进行评价的方法，前述波纹度的测定使用将截止值λc设定成满足下述关系的值而求得的波纹度曲线来进行测定：研磨加工中使用的磨粒的平均粒径×10＜λc＜轮廓单元的平均宽度WSm。优选前述波纹度的测定，以平均线高度Wc作为指标进行测定。
另外，本发明为模具的研磨性的评价方法，其特征在于，其为制作利用磨粒对模具用钢材的表面进行研磨加工而精加工成模具的工作面的模具，测定该制作后的模具的工作面的波纹度，由此对前述模具的研磨性进行评价的方法，前述波纹度的测定使用将截止值λc设定成满足下述关系的值而求得的波纹度曲线来进行测定：研磨加工中使用的磨粒的平均粒径×10＜λc＜轮廓单元的平均宽度WSm。优选前述波纹度的测定以平均线高度Wc作为指标进行测定。
发明的效果
根据本发明，可以通过适当处理的数值对以往经验性地评价的模具用钢材或实际的模具的研磨性进行评价。另外，由于即使不使用实际的模具，而是从加工为该模具之前的模具用钢材采集小的试验片，也可以对研磨性进行评价，因此为可以简便且低成本地评价研磨性的技术。
附图说明
图1为表示对实施例1中用#3000的金刚石研磨膏进行了精加工的研磨加工后的模具用钢材的表面测得的截面曲线、和使其截止值为0.160mm时的波纹度曲线的图。
图2为表示实施例1中用#3000的金刚石研磨膏进行了精加工的研磨加工后的模具用钢材的表面的金属显微照片。
图3为表示实施例2中用#2000的砂纸进行了精加工的研磨加工后的模具用钢材的表面的金属显微照片。
图4为表示实施例2中用#5000的金刚石研磨膏进行了精加工的研磨加工后的模具用钢材的表面的金属显微照片。
图5为表示实施例2中用#14000的金刚石研磨膏进行了精加工的研磨加工后的模具用钢材的表面的金属显微照片。
具体实施方式
本发明的特征在于，适当地测定对加工为模具之前的模具用钢材事先进行研磨加工时的表面、或者加工为实际的模具时的工作面(以下总称为“表面”)具有的波纹度，由此可以以数值形式对成形品产生的不均的程度进行评价。换而言之，根据上述JIS B0601：2001测定波纹度时，成为其测定对象的截面曲线由于还含有相当于该磨粒的尺寸、与不均的产生无关的“表面粗糙度”的因素，因此利用未将该因素排除而测得的波纹度时，不能相关地评价成形品的不均。因此，本发明从研磨加工后的表面性状的截面曲线中去除表面粗糙度的因素，仅适当抽出与不均的产生密切相关的波纹度因素，得到截面曲线，由此由该曲线测定“真正的”波纹度值。
对本发明的模具用钢材或模具的研磨性的评价方法进行具体说明。研磨加工后的模具用钢材或实际的模具(以下总称为“模具用钢材”)的表面中，成为成形品产生不均的主要原因的波纹度，主要是由于模具用钢材的硬度的偏差而由其易研磨的部分与难以研磨的部分形成的起伏。而且，该起伏的周期由于通常大于研磨加工中使用的磨粒，其形成大的波纹度，而将肉眼可以确认程度的不均转印到成形品。
另一方面，研磨加工中使用的磨粒在模具用钢材的表面形成磨削痕。该磨削痕微细，可以说是JIS B0601：2001中规定的表面粗糙度的因素。而该磨削痕也形成表面的起伏，但是由于微细，不会成为成形品产生不均的主要的原因。尽管如此，测定用于预测成形品的不均的波纹度时，若也包括该表面粗糙度的因素，则即使是上述起伏为相同程度的表面(产生于成形品的不均为相同程度)，在磨削痕多的情况和少的情况下，所测得的波纹度的值也不同，结果不能掌握与所产生的不均的数值上的关系。
因此，本发明中，从用于测定波纹度的截面曲线去除由于磨削痕所导致的影响、即表面粗糙度的因素。具体而言，一种模具用钢材的研磨性的评价方法，其为利用磨粒对模具用钢材的表面进行研磨加工，测定该加工后的表面的波纹度，由此对该模具用钢材的研磨性进行评价的方法，上述波纹度通过截止值λc设为超过磨粒的平均粒径的值的波纹度曲线测定。截止值指的是由截面曲线去除的规定的波长。而且，具体而言，通过设为研磨加工中使用的磨粒的平均粒径的10倍的截止值，产生于成形品的不均的程度可以以波纹度的数字形式充分表现出来。而且，优选所测定的波纹度的指标(参数)为可以整体上掌握波纹度的起伏其本身的平均线高度Wc。平均线高度指的是取样长度中的轮廓曲线单元的高度的平均值。如此测得的波纹度，其值越低则表示此时的模具用钢材的研磨性越优异。从而例如只要知道得到良好的成形品时的模具的工作面的波纹度的值，则此后仅通过测定作为评价对象的表面的波纹度，就可以以数值形式判断研磨性。
对磨粒的平均粒径进行说明。以往，模具用钢材的研磨加工中使用精密研磨用的微粉作为磨粒。精密研磨用的微粉根据其粒度分布(平均粒径)以细致的分类标准化。而其表示方法参照上述JIS R6001等，通常使用#1000、#2000、#3000等编号(编号越大则颗粒越细)。另外，除了这种标准化了的编号的磨粒以外，还提出了附加更大的编号的更细的磨粒。这些磨粒的平均粒径参照JIS R6002，可以通过沉降试验方法和电阻试验方法测定。沉降试验方法指的是，由在分散介质中沉降的颗粒的沉降速度测定粒径的方法。电阻试验方法指的是，利用电解液中的颗粒通过细孔时的电阻值不同来测定粒径的方法。另外，磨粒的编号与平均粒径的关系大致如下所述。从这些磨粒(例如#500～#14000的磨粒)中适当选择符合研磨加工的目标的编号(平均粒径)的磨粒来使用。
#500：30～36μm
#1000：14～22μm
#2000：5～10μm
#3000：4～8μm
#4000:3～6μm
#8000：2～4μm
#14000：～2μm
另外，上述截止值需要与此时的波纹度曲线具有的轮廓单元的平均宽度WSm对应的上限。轮廓单元的平均宽度指的是，取样长度中的轮廓曲线单元的宽度的平均，可以说表示波纹度的周期(波长)。由此，若截止值超过该波纹度的周期则连与不均的产生相关的波纹度的因素也被去除。其结果，即使成形品产生显著的不均时，截断后的波纹度曲线也平坦，不能以与不均产生的程度相关的数值形式进行评价。因此，测定波纹度时，若通过事前测定或同时测定WSm，将截止值设定成小于该WSm，则更正确地抽出仅由应该专门测定的波纹度的因素形成的截面曲线，从而本发明的评价方法的精度提高。
需要说明的是，对供于评价的模具用钢材实施的研磨加工的条件优选符合制作实际的模具时的条件。这特别是在加工为实际的模具之前的模具用钢材的时点进行研磨性的评价时是有效的。通常实际的模具的工作面为曲面，相对于此，从模具用钢材迅速且简便地采集得到的试样主要为平面。于是，它们之间研磨加工的条件大幅不同时，即使该研磨加工后测得的波纹度的值为相同程度，成形品的不均也有可能产生程度的差异。
[实施例1]
准备作为AISI的标准钢种类的P21钢和作为JIS的标准钢种类的SCM440钢，对它们的研磨性进行评价。这些钢种类为，在分别适用的通常的预硬硬度下，即使实施相同条件的研磨加工，该加工后的表面性状也不同(换而言之，研磨性不同)的材料。P21钢为通常被认为研磨性良好的模具用钢材。而SCM440钢为被认为研磨性比P21钢差的模具用钢材。
首先，对这些钢材进行淬火回火，使它们分别成为通常的预硬硬度，P21钢调整为40HRC、SCM440钢调整为26HRC，得到尺寸为10×10×20mm的试样。接着，对于这些试样的一平面，以实际的模具制作中实施的条件实施研磨加工。研磨加工的详情如下：对10×20mm的两面平行地研磨后，对其中一面以砂轮、砂纸、金刚石研磨膏的顺序实施研磨加工，最后用#3000的金刚石研磨膏进行精加工。需要说明的是，#3000的金刚石研磨膏的情况下，磨粒的平均粒径为约6μm。
然后，根据JIS B0601：2001，使用表面粗糙度形状测定仪(株式会社东京精密制SURFCOM570A)对于研磨加工后的表面测定适用各种截止值时的波纹度的平均线高度Wc和轮廓单元的平均宽度WSm。此时也测定了算术平均粗糙度Ra(截止值0.08mm)。它们的结果如表1所示。需要说明的是，图1为对两试样的研磨加工后的表面测得的截面曲线、和设其截止值为0.160mm时的波纹度曲线。另外，也拍摄了专利文献2评价中利用的基于微分干涉功能的光学显微镜照片，该照片如图2所示。
[表1]
金刚石研磨膏#3000精加工(磨粒的平均粒径:约6μm)
首先，在截止值小的条件下测得的Ra值，由于取决于专门使用的磨粒的尺寸，因此在两钢种类之间未发现值的差异。但是通过观察图2的光学显微镜照片，在SCM440钢的表面能肉眼确认波纹，确认了P21钢的研磨性比SCM440钢的研磨性优异的事实。而且，对于该研磨性的差异而言，通过在适当条件下测定波纹度，表现出P21钢的Wc值小于SCM440钢的Wc值，由此可以以数值形式确认。
因此，相对于所使用的磨粒的尺寸，截止值设定得小的No.1的情况下，由于测定中使用的波纹度曲线也含有表面粗糙度的因素，结果SCM440钢形成小的Wc值，未显示出正确的评价。需要说明的是，No.1中，不能测定SCM440钢的WSm值是因为：由于截止值过小，含有许多表面粗糙度的因素，所得到的值难以作为WSm处理。与此相对，通过将截止值设定得大，两钢的Wc值的可靠性提高，并且它们显示出SCM440钢＞P21钢的正确关系，截止值为磨粒的尺寸的10倍以上的No.3及其以后No.，充分示出了这种关系。
但是，若截止值过大，则开始从波纹度曲线还去除应该测定的波纹度因素，波纹度的值失去正确性。于是，No.8及其以后No.，对于SCM440钢而言，由于此时的截止值超过WSm值，不能限定WSm值，结果Wc值也显示出不正确的低的数值。No.9中，对于两钢而言，截止值超过WSm值。结果，两钢的Wc值形成SCM440钢＜P21钢的关系，未显示出正确的评价。
[实施例2]
准备作为JIS的标准钢种类的SUS420J2钢的改良钢和上述P21钢，对它们的研磨性进行评价。首先，对尺寸为100×100×10mm的这些钢材进行淬火回火，SUS420J2改良钢调整为30HRC，P21钢调整为40HRC。接着，用划线将这些试样的一平面(100×100mm)划分为50×30mm的三处区域A、B、C后，对于各区域，在实际的模具制作中实施的条件下实施研磨加工。研磨加工的详情如下：对于区域A，以砂轮、砂纸的顺序实施研磨加工，最后用#2000的砂纸进行精加工(磨粒的平均粒径为约10μm)。其余区域B、C以砂轮、砂纸、金刚石研磨膏的顺序实施研磨加工，区域B用#5000的金刚石研磨膏进行精加工(磨粒的平均粒径为约5μm)，区域C用#14000的金刚石研磨膏进行精加工(磨粒的平均粒径为约1μm)。
然后，对于研磨加工后的区域A～C的各表面，用与实施例1相同的方法测定适用各种截止值时的波纹度的平均线高度Wc和轮廓单元的平均宽度WSm。也测定了算术平均粗糙度Ra(截止值0.08mm)。区域A(磨粒的平均粒径：约10μm)中的结果如表2所示，区域B(磨粒的平均粒径：约5μm)中的结果如表3所示，区域C(磨粒的平均粒径：约1μm)中的结果如表4所示。另外，专利文献2评价中利用的基于微分干涉功能的光学显微镜照片如图3(区域A)、图4(区域B)、图5(区域C)所示。
[表2]
区域A:砂纸#2000精加工(磨粒的平均粒径:约10μm)
[表3]
区域B:金刚石研磨膏#5000精加工(磨粒的平均粒径:约5μm)
[表4]
区域C:金刚石研磨膏#14000精加工(磨粒的平均粒径:约1μm)
与实施例1同样地，在截止值小的条件下测得的Ra值，对于研磨加工后的全部区域A、B、C而言，在两钢种类之间未发现值的差异。但是通过观察图3、4、5的光学显微镜照片，在SUS420J2改良钢的表面能肉眼确认波纹，确认了P21钢的研磨性比SUS420J2改良钢的研磨性优异的事实。因此确认，如果是本发明的截止值的选择，则能测定出P21钢的Wc值小于SUS420J2改良钢的Wc值的关系，由此确认是否显示出上述事实。
<砂纸#2000精加工时(磨粒的平均粒径：约10μm)>
对于利用相对于所使用的磨粒的尺寸、不足其平均粒径的10倍的截止值测得的No.A-1～No.A-3而言，研磨性优异的P21钢的Wc值成为大于SUS420J2改良钢的Wc值的值，未显示出正确的Wc值的关系。与此相对，对于实施本发明的方法、截止值设定成大于磨粒的平均粒径的10倍的No.A-4及其以后No.而言，P21钢的Wc值小于SUS420J2改良钢的Wc值，显示出研磨性的正确的评价结果。但是对于所设定的截止值超过WSm值的No.A-9而言，任意一种钢种类均不能测定WSm值。
<金刚石研磨膏#5000精加工时(磨粒的平均粒径：约5μm)>
对于利用相对于所使用的磨粒的尺寸、不足其平均粒径的10倍的截止值测得的No.B-1、No.B-2而言，研磨性优异的P21钢的Wc值成为大于SUS420J2改良钢的Wc值的值，未显示出正确的Wc值的关系。与此相对，对于实施本发明的方法、截止值设定成大于磨粒的平均粒径的10倍的No.B-3及其以后No.而言，P21钢的Wc值小于SUS420J2改良钢的Wc值，显示出研磨性的正确的评价结果。对于截止值超过WSm值的No.B-8及其以后No.而言，难以测定WSm值。
<金刚石研磨膏#14000精加工时(磨粒的平均粒径：约1μm)>
对于相对于所使用的磨粒的尺寸、实施本发明的方法、截止值设定成大于磨粒的平均粒径的10倍的No.C-1及其以后No.而言，P21钢的Wc值小于SUS420J2改良钢的Wc值，显示出研磨性的正确的评价结果。对于截止值超过WSm值的No.C-9而言，难以测定WSm值。
Claims (4)
1.一种模具用钢材的研磨性的评价方法，其特征在于，其为利用磨粒对模具用钢材的表面进行研磨加工，并测定该加工后的表面的波纹度，由此对所述模具用钢材的研磨性进行评价的方法，所述波纹度的测定使用将截止值λc设定成满足下述关系的值而求得的波纹度曲线来进行测定：研磨加工中使用的磨粒的平均粒径×10＜λc＜轮廓单元的平均宽度WSm。
2.根据权利要求1所述的模具用钢材的研磨性的评价方法，其特征在于，所述波纹度的测定以平均线高度Wc作为指标进行测定。
3.一种模具的研磨性的评价方法，其特征在于，其为制作利用磨粒对模具用钢材的表面进行研磨加工而精加工成模具的工作面的模具，测定该制作后的模具的工作面的波纹度，由此对所述模具的研磨性进行评价的方法，所述波纹度的测定使用将截止值λc设定成满足下述关系的值而求得的波纹度曲线来进行测定：研磨加工中使用的磨粒的平均粒径×10＜λc＜轮廓单元的平均宽度WSm。
4.根据权利要求3所述的模具的研磨性的评价方法，其特征在于，所述波纹度的测定以平均线高度Wc作为指标进行测定。
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