JP2004330270A

JP2004330270A - 金属加工用ダイス

Info

Publication number: JP2004330270A
Application number: JP2003131863A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Harada; 泰典原田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【目的】水を潤滑剤に使用した場合、或いは無潤滑でも焼付きが生じない金属加工用ダイスを提供する。
【構成】ポリアミド（ＰＡ），アラミド（ＰＡ），ポリアセタール（ＰＯＭ），ポリカーボネート（ＰＣ），熱可塑性ポリエステル（ＴＰＥＥ），変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ），ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ），ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ），ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチックから作製された金属加工用ダイスである。引張強さ：５０ＭＰａ以上，伸び：３０％以下，ヤング率：２ＧＰａ以上の機械的特性をもつエンジニアリングプラスチックがダイス材質に使用される。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、引抜き，押出，深絞り，プレス成形等で各種金属材料を成形する際に使用され、潤滑剤塗布や表面処理を施さなくても焼付きが発生しない金属加工用ダイスに関する。
【０００２】
【従来技術及び問題点】
延性に優れたＡｌ，Ｔｉ等の金属材料は、深絞り，プレス成形等の加工に適した材料である。しかし、化学的に活性度の高い材料であるため、加工中にダイスとの間で焼付きが発生しやすい。成形性に若干劣るものの、Ｍｇも同様に焼き付きやすい材料である。焼付き現象は、特に多段深絞りやトランスファーを困難にする大きな要因である。
工具鋼等の鋼製ダイスでは、ダイス材質自体の改良，潤滑剤の塗布，酸化膜，窒化膜等の皮膜をダイス表面に形成する方法等によって焼付きの発生を抑えている。
【０００３】
耐焼付き性の良好な銅合金製ダイスの使用が検討されているが、銅合金製ダイスは耐摩耗性に劣り、工具寿命が短い。潤滑剤塗布は、焼付き防止にある程度有効であるが、焼付きに起因する表面疵を成形品表面から完全に無くすまでに至っていない。しかも、成形後の材料表面に付着している潤滑剤の除去や、環境負荷の大きな潤滑剤の廃棄処理に負担がかかる。
【０００４】
酸化膜，窒化膜等は、ダイス表面を不活性にして成形時の焼付きを防止する。焼付き防止用の皮膜として、Ｆｅ系非晶質皮膜も一部で採用されている（特開平７−２５６３６３号公報）。しかし、適切な条件設定を要する皮膜形成工程は勿論、加工の繰返し回数に応じて皮膜が摩損するため、ダイスを再処理して皮膜を改めて設ける面倒な再生工程を余儀なくされる。
ダイス材質の改良，潤滑剤塗布，皮膜形成の何れによる場合でも、熱処理を必要とし、ダイスの設計から製品加工に至るまでの工数が多いことも問題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、従来の金属製に代えてプラスチックをダイス材質に使用することにより、焼付きの発生を根本的に解消し、潤滑剤塗布，皮膜形成を必要とせずに使用できる金属加工用ダイスを提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の金属加工用ダイスは、引張強さ：５０ＭＰａ以上，伸び：３０％以下，ヤング率：２ＧＰａ以上でポリアミド（ＰＡ），アラミド（ＰＡ），ポリアセタール（ＰＯＭ），ポリカーボネート（ＰＣ），熱可塑性ポリエステル（ＴＰＥＥ），変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ），ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ），ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ），ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）から選ばれたエンジニアリングプラスチックで作製されていることを特徴とする。エンジニアリングプラスチックをダイスの加工面にライニングするだけでも、耐焼付き性が改善される。
【０００７】
【実施の形態及び作用】
金属加工用ダイス用に使用されている工具鋼に比較すると機械的特性が不足するプラスチックはダイス材質に不向きとされているが、種類によっては機械的特性が高いプラスチックも開発されている。本発明者は、機械的特性の高いプラスチックについて金属加工用ダイスへの適用可能性を調査・検討した。その結果、引張強さ，ヤング率が高く、伸びの低いエンジニアリングプラスチックは、被加工材よりも引張強さが低い材質であってもダイス素材に使用できることを見出した。
【０００８】
具体的には、ポリアミド（ＰＡ），アラミド（ＰＡ），ポリアセタール（ＰＯＭ），ポリカーボネート（ＰＣ），熱可塑性ポリエステル（ＴＰＥＥ），変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ），ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ），ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ），ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチックは、金属加工用ダイスの材質として十分使用可能である。なかでも、機械的特性が引張強さ：５０ＭＰａ以上，伸び：３０％以下，ヤング率：２ＧＰａ以上のプラスチックは、金属加工用ダイスの要求特性を十分に満足し、鋼製ダイスに見られない長所をもっている。
【０００９】
エンジニアリングプラスチックとして使用されるポリアミド（ＰＡ）樹脂は、強靭で自己潤滑性があり耐衝撃性，耐摩耗性にも優れ、｛−ＮＨ（ＣＨ_３）_３ＣＯ−｝の繰返し単位をもつナイロン６，｛−ＮＨ（ＣＨ_２）_６−ＮＨＣＯ−（ＣＨ_２）_４ＣＯ−｝の繰返し単位をもつナイロン６６，｛−ＮＨ（ＣＨ_２）_１１ＣＯ−｝の繰返し単位をもつナイロン１２，結晶化度を高めたＭＣナイロン等がある。
アラミド（ＰＡ）樹脂は、芳香環のパラ又はメタ位にアミド基が直接結合した一般式（ＮＨ−Ｃ_６Ｈ_４−ＮＨＣＯ−Ｃ_６Ｈ_４−ＣＯ）_ｎで表される高分子化合物である。なかでも、パラ型は、主鎖が直線的な構造のため、ヤング率，引張り強さが高い。
【００１０】
ポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂は、一般式（ＣＨ_２−Ｏ）_ｎで表されるポリオキシメチレンであり、機械的性質，耐摩耗性，耐疲労性に優れている。
ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂は、繰返し単位が｛−Ｏ−Ｃ_６Ｈ_４−Ｃ（ＣＨ_３）_２−Ｃ_６Ｈ_４−Ｏ−ＣＯ−｝の非晶性高分子化合物であり、強靭で耐衝撃性，耐熱性，耐クリープ性に優れている。
熱可塑性ポリエステル（ＴＰＥＥ）樹脂は、芳香族ポリエステル（ハードセグメント）に脂肪族ポリエーテル又はポリエステル（ソフトセグメント）が結合した分子構造をもち、芳香族ポリエステルの塑性変形を防止する抑制作用，脂肪族ポリエーテル，ポリエステルの高弾性を併せもち、機械的強度，ヤング率が高い。
【００１１】
変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ）樹脂は、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）にスチレン系樹脂を配合した非晶性の高分子化合物であり、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）の優れた機械的性質，耐熱性とスチレン系樹脂の優れた成形性を兼ね備えている。成形時の寸法収縮率が小さいので寸法精度が高いダイスの作製に適している。
ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂は、繰返し単位が｛−ＣＯ−Ｃ_６Ｈ_４−ＣＯＯ（ＣＨ_２）_４Ｏ−｝の結晶性高分子化合物であり、耐摩耗性，成形性，耐疲労性に優れている。
【００１２】
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂は、一般式（Ｃ_６Ｈ_４−Ｓ）_ｎで表される結晶性高分子化合物であり、耐衝撃性，疲労強度に優れている。
ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）樹脂は、一般式（Ｃ_６Ｈ_４−ＳＯ_３−Ｃ_６Ｈ_４−Ｏ）_ｎで表される非晶性高分子化合物であり、剛性が高く自己潤滑性に優れている。
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂は、一般式（Ｏ−Ｃ_６Ｈ_４−Ｏ−Ｃ_６Ｈ_４−ＣＯ−Ｃ_６Ｈ_４）_ｎで表される結晶性高分子化合物であり、疲労強度が高く耐熱性に優れている。
【００１３】
各種エンジニアリングプラスチックの中から引張強さ：５０ＭＰａ以上，伸び：３０％以下，ヤング率：２ＧＰａ以上の機械的特性をもつプラスチックを選択し、金属加工用ダイスの素材に使用する。引張強さは、加工時に加えられる機械的な応力に充分耐える上で重要な因子であり、Ａｌ，Ｔｉ等の成形条件を考慮すると５０ＭＰａ以上が必要である。また、加工時に受ける機械的応力によるダイスの変形を抑制するため、３０％以下の低い伸び，２ＧＰａ以上の高いヤング率が要求される。
ヤング率の高いプラスチック製ダイスでは、被加工材よりも引張強さが低くても深絞り加工等の加工が可能である。一般に主鎖骨格が直線状で硬いプラスチックほど、引張強さ，ヤング率が高く、伸びが低い傾向を示す。
【００１４】
ダイスの作製には、所定形状のキャビティをもつ鋳型にプラスチックを高圧注入する射出成形法，可塑化したコンポジションを押し出しサイジングダイで所定形状に成形する押出成形法等が採用される。エンジニアリングプラスチックをライニングする場合、シランカップリング処理やエポキシ接着剤の使用等でダイスの加工面に対するプラスチックの密着性を高めた後、樹脂塗料を塗布・焼成することによりライニング層を形成する。
【００１５】
エンジニアリングプラスチックから作製されたダイスは、従来の鋼製ダイスと異なり、Ａｌ，Ｔｉ等の被加工材に対して不活性な表面をもち、樹脂表面特有の現象として被加工材に対する辷り面としても働く。そのため、活性度の高いＡｌ，Ｔｉ等に引抜き，押出，深絞り，プレス成形等の加工を施しても、ダイス／被加工材間に焼付きが発生しない。焼付き抑制作用は表面処理，潤滑剤塗布の必要なく発現するが、潤滑剤として水をダイス表面に塗布すると加工が一層容易になる。焼付き防止に及ぼす作用・効果は、ダイス全体をエンジニアリングプラスチック製にすることは勿論、被加工材と接するダイスの加工面にエンジニアリングプラスチックをライニングした場合でも同様である。
【００１６】
ダイス材質自体で被加工材に対する良好な辷り面が得られるので、加工を繰り返すことにより初期表面が摩損した状態にあっても良好な辷り面が維持される。このことは、摩損したダイス表面を平滑化するだけの作業で次の加工に再使用できることを意味し、皮膜形成や熱処理等の再生工程が必要な鋼製ダイスから窺い知れない利点である。
【００１７】
たとえば、深絞り加工されている金属材料には、絞り方向（軸方向）に引張り変形，円周方向に圧縮変形する塑性流動が生じる。塑性流動している金属材料は、引張強さが小さな材質であるプラスチック製のダイスによっても製品形状に加工できる。ただし、被加工材に比較してダイス材質の引張強さが低すぎると加工時の応力でダイスが破損しやすくなるので、比較的軟質のＡｌ，Ｔ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ａｕ，Ａｇ又はそれらの合金，極低炭素鋼，軟質ステンレス鋼等が被加工材に使用される。
【００１８】
【実施例】
エンジニアリングプラスチック製及び工具鋼製ダイスを用い、板厚０．５ｍｍのＡ１０５０アルミニウム合金板から切り出された直径７０ｍｍのブランクを多段深絞り加工した。
【００１９】
エンジニアリングプラスチックには、ポリアミド樹脂（アミド結合の繰返し単位が主鎖を構成する比重１．１４のポリアミド系結晶性線状高分子），ポリカーボネート樹脂（二価のヒドロキシ化合物と炭酸を縮合させた比重１．２０のビスフェノールＡ型非晶性芳香族ポリカーボネート），ポリアセタール樹脂（ホルムアルデヒド以外の少量のモノマーと共重合させた比重１．４１の結晶性コポリマー）を使用した。
各エンジニアリングプラスチックの特性を、工具鋼ＳＫＤ１１及び被加工材・アルミニウム合金板と比較して表１に示す。
【００２０】

【００２１】
深絞り加工は、表２に示す条件の三段絞りを採用した。なお、一段目には平ダイス、二段目，三段目にはテーパダイスを用いた。
【００２２】

【００２３】
各段ごとにパンチ荷重を測定した。
工具鋼製ダイスでは、パンチストローク：１５ｍｍ付近から初絞り段階のパンチ荷重が増加していた（図１）。パンチ荷重の増加は、工具鋼製ダイスに加わる扱き加工が原因と推察される。これに対し、ポリアミド，ポリカーボネート，ポリアセタール製ダイスの何れでも、パンチ荷重はパンチストローク：１５ｍｍ付近で増加することなく連続的に低下していた。
【００２４】
工具鋼製，ポリアミド樹脂製ダイスのパンチ荷重は二段目加工で大きく相違していており、工具鋼製ダイスに比較してポリアミド樹脂製ダイスを用いた加工でパンチ荷重が大幅に減少していた（図２）。三段目加工では、工具鋼製ダイスとポリアミド樹脂製ダイスの間に大きなパンチ荷重の差がみられなかった（図３）。この結果は、二段目加工時の工具鋼製ダイスに扱き加工が再び加わり、三段目加工時のダイスには工具鋼製，ポリアミド樹脂製共に扱き加工が加わっていないことを意味する。ポリカーボネート，ポリアセタール製でも、ポリアミド樹脂製ダイスと同様な傾向がみられた。
【００２５】
絞り加工されたアルミニウム合金板の表面状態を各段ごとに観察したところ、エンジニアリングプラスチック製ダイスを用いて深絞りした加工製品は何れの段階でも良好な表面状態を呈し、焼付き疵が生じていなかった。ダイス側も、アルミニウムの凝着がない美麗な表面状態に維持されていた。
工具鋼製ダイスを用いた深絞り加工では、各段で焼付きに起因する疵が発生しており、特に初絞り，三段目加工で疵が著しく発生した。この疵発生傾向は、図１〜３に表されている扱き加工の有無に良く対応している。
【００２６】
次いで、各種潤滑剤をダイスに塗布し、潤滑剤の焼付き防止作用を調査した。表３の調査結果にみられるように、ポリアミド樹脂製ダイスでは、潤滑剤を塗布した場合は勿論、塗布しなくても焼付き疵を製品表面に発生させなかった。ポリカーボネート，ポリアセタール製ダイスでも、同様に焼付きなく製品形状に加工できた。
他方、無潤滑又は水塗布した工具鋼製ダイスを用いて深絞り加工すると、容器側壁部の全周に焼付き疵が多発し、製品形状に加工できなかった。ダイス側にも、アルミニウムの凝着跡が検出された。油性潤滑剤を塗布しても焼付き疵を抑制できず、潤滑剤として二硫化モリブデンを使用せざるを得なかった。
【００２７】

【００２８】
次いで、工具鋼製ダイス，ポリアミド樹脂製ダイスが加工製品の形状に及ぼす影響を調査した。工具鋼製ダイスを用いた深絞り加工では、二硫化モリブデンを潤滑剤に使用し、表２の加工条件を採用した。ポリアミド樹脂製ダイスを用いた深絞り加工では、水を潤滑剤に使用し、表２の加工条件を採用した。
【００２９】
各段ごとに成形された容器の外径を測定し、容器底部からの高さ方向に関する外径変動を求めた。表４〜６の調査結果にみられるように、ポリアミド樹脂製ダイスを用いて深絞り加工した容器では、開口部に近いほど外径が大きくなっていた。しかし、外径誤差はダイス径に対して約０．５％に留まり、多段加工の進行に伴って小さくなっており、三段目加工後の製品では工具鋼製ダイスを用いて深絞り加工した容器に比較して０．３ｍｍ未満に収まっていた（図６）。
【００３０】
以上の例では、被加工材が高度の加工を受ける多段深絞りを説明したが、引抜き，押出，プレス成形等、他の加工においても、エンジニアリングプラスチック製ダイスを使用すると焼付き疵のない加工製品が得られ、ダイス側の損傷も少なかった。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、金属加工用ダイスをエンジニアリングプラスチックで作製すると、被加工材との間で生じがちな焼付きが根本的に解消され、無潤滑でも美麗な表面性状をもつ加工製品が得られ、ダイスの損傷も抑えられる。エンジニアリングプラスチック製ダイスは、従来の工具鋼製ダイスで必要とされていた酸化膜，窒化膜等の皮膜形成処理や熱処理を不要とし、摩損したダイス表面を平滑化するだけの作業で次回加工に繰返し使用できる。しかも、樹脂成形品であることから、ダイス作製に熟練した技能を要しないことも、エンジニアリングプラスチック製ダイスの長所である。
【図面の簡単な説明】
【図１】初絞り工程でストロークに応じたパンチ荷重の変動を示すグラフ
【図２】二段目工程でストロークに応じたパンチ荷重の変動を示すグラフ
【図３】三段目工程でストロークに応じたパンチ荷重の変動を示すグラフ
【図４】初絞りされた成形体の容器低部からの高さに応じた容器外径の変化を示すグラフ
【図５】二段目絞りされた成形体の容器低部からの高さに応じた容器外径の変化を示すグラフ
【図６】三段目絞りされた成形体の容器低部からの高さに応じた容器外径の変化を示すグラフ

Claims

引張強さ：５０ＭＰａ以上，伸び：３０％以下，ヤング率：２ＧＰａ以上でポリアミド，アラミド，ポリアセタール，ポリカーボネート，熱可塑性ポリエステル，変性ポリフェニレンエーテル，ポリブチレンテレフタレート，ポリフェニレンサルファイド，ポリエーテルスルホン，ポリエーテルエーテルケトンから選ばれたエンジニアリングプラスチックで作製されていることを特徴とする金属加工用ダイス。
請求項１記載のエンジニアリングプラスチックが加工面にライニングされている金属加工用ダイス。