JP2006334622A - 金型とその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形用部材に高い引張り応力がかからない金型とその使用方法を得ること。
【解決手段】内部に成形キャビティを有する円柱状の成形用部材３を有し、その周囲を囲むように内周リングが嵌合され、さらにその周囲を囲むように外周リング１が嵌合された金型において、金型周辺の温度と金型を構成する内周リングや外周リング等の熱膨張係数の差を利用して成形用部材に、主に内周リングを与圧付与構造をした与圧付与構造部材２とし、生じる熱歪により生じる応力により、圧縮応力を付与した。与圧付与構造部材は、内周リングを周方向に対称的に複数に分割し、それぞれが互いに接触することなく配設されている構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プレス加工、温間・熱間鍛造加工、その他高圧力下で使用し、耐摩耗性が要求される装置等に使用されるパンチやダイス等の金型とその使用方法に関する。

特許文献１には、冷間鍛造用等の成形用金型が記載されている。冷間鍛造等の加圧によって金属素材を所定形状に成形する成形用金型では、そのプレス時に加わる高い内部圧力により金型に円周方向の引張応力が生じその値が材料強度を超すと破壊するので、こうした金型の破壊および変形を防止するために、従来から金型に圧縮応力を与えて金型の外周に補強リングを嵌着することが知られている。しかしながら、このような構造にするだけでは、金型に効率的に十分な圧縮応力を与えて、十分な金型強度を得ることができなかった。
特許文献２には、凸金型と凹金型を使用したプレスによる金属製の電極の製作方法が記載されている。
そして、実施例には、タングステンのような難塑性加工材料をプレスにより塑性加工する場合について開示されている。
前記のように難塑性加工材料を塑性加工する場合、成形用部材には、非常に高い圧力が加わる上、摩耗し易いので、耐摩耗性が要求される。そのため、一般的に超硬合金等の硬質材料が使用されている。
しかしながら、硬質材料は、性質上、特に引張り応力に対する破壊強度が鋼などの延性材料に比べて低く、高い加工圧力に耐えることができない。
そのため、ハイスや工具鋼等の比較的破壊強度が高い軟質延性材料を成形用部材に使用せざるを得なかったので、変形や摩耗が激しく、型寿命が短かった。

特開２００１−１３８００２号公報 特開２００３−５９４４５号公報

本発明は、前記従来の金型の欠点を克服するために、硬質材料を成形用部材に使用しても、高い引張り応力がかからない金型とその使用方法を得ることを目的とする。

前記課題を、高い引張り応力下では破壊強度が小さく使用できなかった硬質材料を成形用部材として使用するため使用時に圧縮応力が働くようにすることにより解決した。
そのため、内部に成形キャビティを有する円柱状の成形用部材を有し、その周囲を囲むように内周リングが嵌合され、さらにその周囲を囲むように外周リングが嵌合された金型において、金型周辺の温度と金型を構成する内周リングや外周リング等の熱膨張係数の差を利用して成形用部材に、主に内周リングを与圧付与構造をした与圧付与構造部材とし、生じる熱歪により生じる応力（熱応力）により、圧縮応力を付与した。
具体的には、与圧付与構造部材の線膨張係数が、外周リングの線膨張係数以上で、外周リングのヤング率が２００GPa以上となる材料を組合わせ、与圧付与構造部材の熱歪による応力（熱応力）を効率的に成形キャビティへ伝達させることにより前記与圧付与構造部材が前記成形用部材に効率的に圧縮応力を与える。
また、前記与圧付与構造部材は一体のリングのままであれば、温度が上がって膨張する場合、本発明の与圧付与構造部材のようにリング分割体それぞれが互いに接触することなく円周方向に対称的に複数に分割した本発明のものと比較すると、半径方向への熱膨張量が極めて小さいか、もしくはリング内径が熱膨張により大きくなり開いてしまい、前記成形用部材に圧縮応力がかかり難く、前記内周リングを与圧付与構造となるように、周方向に対称的に複数にそれぞれが互いに接触することなく分割した状態で配設するとその熱膨張による変形は、半径方向に向って伸びることとなり、前記成形用部材に圧縮応力が作用することになる。また、外周リングの線膨張係数が与圧付与構造部材の線膨張係数以下になるような材料を選択し、かつ、外周リングのヤング率を出来るだけ大きくすると、金型の周囲温度が上がるに従い、前記成形用部材に働く主に与圧付与構造部材が発生させる熱応力による成形キャビティへ作用する圧縮応力は、より一層増加するようになる。
また、前記成形用部材には、例えば鍛造成形の前方押出し形状の被成形物を成形するため、円柱の中心軸を貫通する成形キャビティを有する。
また、前記のような本発明の金型で、前記成形用部材に硬質材料を使用して、タングステンのような難塑性加工材の塑性加工など高い引張り応力が働くような環境下でも前記リング状部材が、塑性加工により発生する引張り応力に対して破壊に対して十二分な圧縮応力を前記成形用部材に与えるので、全体としては前記成形用部材には引張り降伏強度以下の引張り応力もしくは圧縮応力が働き、硬質材料を用いても金型の破壊に至らず、耐摩耗性が向上し型寿命を飛躍的に向上させる事が出来る。
前記成形用部材に硬質材料のハイスを用いると靭性が高いので、高い引張応力がかかる使用状況下でも金型が破壊することはない。同様に前記成形用部材に超硬合金を用いると硬度と靭性を兼ね備えているので、摩耗しにくく、引張応力がかかる使用状況下でも金型が破壊することはない。同様に前記成形用部材にサーメットを用いると超硬合金より靭性は劣るが、硬度が高いので耐摩耗性が超硬合金より大きい。更に、前記成形用部材にセラミックを用いると、サーメットより靭性は劣るが、硬度が高いので耐摩耗性がサーメットより高い。又、前記成形用部材にダイヤモンドを用いると、硬度が天然鉱物中最も高いので耐摩耗性が高く成形物の表面が滑らかな状態となる。
室温より温度が高ければ高い程、前記リング状部材が熱膨張し前記成形用部材により高い圧縮応力を与えるので、常温より高温の条件での成形に適している。因みに、従来の金型ではせいぜい５０ｋｇｆ／ｍｍ^２程度の圧縮応力しか成形用部材にかからなかったが、本発明の金型では、２００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上の圧縮応力が成形用部材に作用する。
本発明の金型は、前記のように高温になるほど成形用部材に、より大きな圧縮応力が働くので、タングステンのような難塑性変形の材料の成形体を得る場合等、高温でのプレス等の塑性加工に適している。

本発明の金型を用いると、タングステン等難塑性加工材料の塑性加工のように、成形用部材に高い引張応力がかかる環境下においても、成形用部材には全体として高い圧縮応力が働き、成形用部材が硬質脆性材料であっても成形用部材は破壊せず、金型の寿命が飛躍的に向上する。特に、成形用部材が硬質材料の場合は、耐摩耗性が向上し金型の寿命は更に延びる。

本発明の金型は、内部に成形キャビティを有する円柱状の成形用部材の周囲を囲むように内周リングが嵌合され、さらにその周囲を囲むように外周リングが嵌合された金型において、内周リングが与圧付与構造部材からなることを特徴とするものである。内周リングが、成形用部材に圧縮応力を付与するような与圧付与構造とすることにより、成形用部材が硬質脆性材料であっても成形用部材は破壊せず、金型の寿命が飛躍的に向上する。

請求項２に記載の本発明は、与圧付与構造部材が従来の内周リングを周方向に対称的に複数に分割し、それぞれが互いに接触することなく配設されていることを特徴とする請求項１に記載の金型である。与圧付与構造部材が、一体のリングであれば、高融点金属材料を塑性加工する場合、延性塑性遷移温度以上で加工する必要があり、前記温度まで温度を上げて加工するが、このときリングが膨張して拡がり、成形用部材が脱落したり、成形用部材に圧縮応力が働かなくなる。本発明の金型のように与圧付与構造部材が、複数に分割されていて互いに接触していないものであると、温度を上げても、成形用部材が脱落したり、成形用部材に圧縮応力が働かなくなることはない。

請求項３に記載の本発明は、与圧付与構造部材の線膨張係数が、外周リングの線膨張係数以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金型である。与圧付与構造部材の線膨張係数が、外周リングの線膨張係数以上になるような材料を選択することにより、成形用部材には圧縮応力が働き、温度を上げても、成形用部材が脱落したり、成形用部材に圧縮応力が働かなくなることはない。与圧付与構造部材の線膨張係数が、外周リングの線膨張係数と同じ場合であっても、成形用部材は一般的に硬質脆性材料を使用するので線膨張係数は、与圧付与構造部材や外周リングより小さいので、成形用部材には圧縮応力が作用し、温度を上げても、成形用部材が脱落したり、成形用部材に圧縮応力が働かなくなることはない。

請求項４に記載の本発明は、外周リングのヤング率が、２００GPa以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の金型であるが、外周リングのヤング率が、２００GPaより小さいと加熱雰囲気で与圧付与部材が膨張しても、外周リングも広げられるので成形用部材に圧縮応力が効率的に働かないので、外周リングのヤング率が、２００GPa以上とする必要がある。本金型を使用してプレス等の塑性加工をして被加工物を成形する場合、成形用部材には圧縮応力が働き、硬質脆性材料を使用していても引張応力より大きい２００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上の圧縮応力が作用し、成形用部材に高い加工圧力が加わっても破壊しない。
請求項５に記載の本発明は、成形用部材が超硬合金やセラミック等の硬質材料からなることを特徴とする請求項１記載の金型であるが、成形用部材が硬質材料なので、耐摩耗性に優れる。しかも、成形用部材には圧縮応力が働き、硬質脆性材料を使用していてもその引張り降伏応力を下回る引張応力もしくは圧縮応力が作用し、成形用部材に高い加工圧力が加わっても破壊しない。
請求項６に記載の本発明は、硬質材料がハイス、超硬合金、サーメット、セラミック又はダイヤモンドからなることを特徴とする請求項２記載の金型であるが、順に夫々、ハイスは特に靭性に、超硬合金は特に靭性および耐摩耗性に、サーメットは特に超硬合金より耐摩耗性に、セラミックは特にサーメットより耐摩耗性に、ダイヤモンドは特にセラミックより耐摩耗性および熱伝導性に優れる。ダイヤモンドについては、天然又は高温高圧合成又はＣｏやＮｉ等金属をバインダーとして焼結したいわゆる焼結ダイヤモンドが使用できる。
請求項７に記載の本発明は、室温より高い温度で用いることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の金型の使用方法であるが、特に使用温度が高くなるに従い、成形用部材には加わる圧縮応力もだんだんと大きくなり、２００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上と高くなるので難塑性加工材料を塑性加工する場合でも成形用部材に働く加工圧力が大きくなっても成形用部材は破壊しない。
請求項８に記載の本発明は、金属を塑性加工する時に用いる請求項１から請求項７のいずれかに記載の金型の使用方法であるが、プレス等の塑性加工では、前記のように金型に引張応力が働くが、熱膨張係数が大きい与圧付与構造部材と外周リングの働きにより成形用部材に加工時の引張応力を成形用部材の引張り破壊を打ち消すだけのより強い圧縮応力が働くので、難塑性加工材料の塑性加工に適している。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

実施例１
与圧付与構造部材２の内部にシーズヒーター等のヒーターを挿入または、金型部全体を赤外線ランプ等で約４００℃に加熱し、温度を上げてプレスすると、難塑性加工材料の塑性加工が容易になると同時に、その塑性加工圧力により発生する成形用部材への引張り破壊力を打ち消すだけの十分な対抗力が発生する。
図１に示すように、内部に成形キャビティ４を有する円柱状の成形用部材３をリングを均等に８分割した形状の線膨張係数Ｔpの与圧付与構造部材２でそれぞれが互いに接触することがないように周接し、その外周を線膨張係数Ｔoの外周リング１で焼嵌めることにより、外周リング１の線膨張係数が与圧付与構造部材の線膨張係数より小さくかつ、与圧付与構造部材のヤング率Ep＝210GPa（SKD61）、外周リングのヤング率Eo＝550GPa（超硬合金）となるような本発明の金型を作製した。
比較のために、図２のような成形用部材を内周リングと外周リングの２重に嵌合した従来の金型を作製した。
そして、本発明の金型と従来の金型とを用いて、直径2.2mm、長さ2.4mmのＭｏ製のチップを温間でプレスしてトーチ型のピンを製造することにより型寿命を比較した。また、摩耗量は、前方押し出しの小口部をＲ0.8mmに設計し、その形状の変化を、成形製品から読み取ることにより実施した。
ここで、成形用部材としては、硬質材料のハイス、超硬合金、サーメット、セラミック、ダイヤモンドを用いたが、それぞれ、マトリックス系ハイス（日立金属（株）製ＹＸＲ３３、Ｔｃ＝１２．１×１０^−６／℃（２００〜４００℃））、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金（日本タングステン（株）製Ｇ３０、Ｔｃ＝５．７×１０^−６ ／℃（２０〜４００℃））、ＷＣ−Ｃｏ系超微粒超硬合金（日本タングステン（株）製ＦＮ−１０、Ｔｃ＝５．１×１０^−６ ／℃（２０〜４００℃））、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｗ鉄基複硼化物（東洋鋼板（株）製ＫＨ−Ｖ６０、Ｔｃ＝８．８×１０^−６／℃（２０〜４００℃））、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体（日本タングステン（株）製ＮＰＮ−３、Ｔｃ＝３．６×１０^−６ ／℃（２０〜４００℃））、Ｃｏをバインダーとした焼結ダイヤモンド（Ｔｃ＝３．１×１０^−６ ／℃（２０〜４００℃））を用いた。リング状部材として、工具鋼のＳＫＤ−６１（ＪＩＳ規格、Ｔｐ＝１２．５４×１０^−６／℃（２０〜４００℃））を用いた。外周リングとして、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金（日本タングステン（株）製Ｇ３０、Ｔｏ＝５．７×１０^−６ ／℃（２０〜４００℃））又はＷＣ−Ｎｉ系超硬合金（日本タングステン（株）製ＮＲ−８、Ｔｏ＝５．７×１０^−６ ／℃（２０〜４００℃））を用いた。
その結果を表１に示す。ここでは、前記材料を表１のように表記する。
この結果からもわかるように、本発明の金型は、耐摩耗性、耐破損性が高く長寿命な金型を得ることができた。
本発明の実施例では、成形用部材として、硬質材料のマトリックス系ハイス、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金、ＷＣ−Ｃｏ系超微粒超硬合金、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｗ鉄基複硼化物、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体、Ｃｏをバインダーとした焼結ダイヤモンドを用い、リング状部材として、工具鋼のＳＫＤ−６１を用い、外周リングとして、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金又はＷＣ−Ｎｉ系超硬合金を用いた場合を示したが、線熱膨張係数ToがTp以下になるような関係を有する他の成形用部材としてハイス、超硬合金、サーメット、セラミック、ダイヤモンドを用いても同様の結果となった。
これに対して、従来の金型は加工時の加工圧力による金型へ作用する引張応力に耐用できず、短時間で破損し実用に必要な寿命が得られなかった。

金型寿命は、図１の成形用部材の前方押し出しの小口部をＲ0.8mm部の法線方向の摩耗が0.04mmに達した時点またはクラックまたは破損が発生した時点のショット数で示した。
実施例２
実施例１と同様の条件で、与圧付与構造部材２の内部にシーズヒーター等のヒーターを挿入または、金型部全体を赤外線ランプ等で約６００℃に加熱することにより、実施例１より温度を約２００℃上げてプレスすると、難塑性加工物の塑性加工が容易になると同時に、その塑性加工力により発生する成形用部材への引張り破壊力を打ち消すだけの対抗力が実施例１よりも増加し、加工し易くプレス速度を上げることができ、実施例１より成形用部材３に約１．２から１．５倍の圧縮応力がかかり、Ｗ材のような難塑性加工物の塑性加工でも、高い加工圧力が掛かっても金型は破損せず、Ｗ材より加工のし易いＭｏ材の加工の場合と同様の金型の寿命となった。
実施例３
実施例１と同様の条件で、与圧付与構造部材と外周リングとを実施例１のＷＣ−Ｃｏ系超硬合金で製造したものを用いた場合のように線膨張係数が同じ材料で製造しても、前記のように一般的に使用される成形用部材は硬質材料であるので、線膨張係数は、与圧付与構造部材および外周リングより小さく成形用部材には圧縮応力が作用するので、難塑性加工材料を加工する場合は加工圧力が高くなり成形用部材に引き張り応力が作用してもそれを打ち消すだけの圧縮応力が作用するので、成形用部材は破壊することなくＭｏだけでなく、Ｗのようなより難塑性加工物の塑性加工も延性塑性遷移温度以上に加熱することにより可能であった。

本発明の金型は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂのように高融点で塑性加工が難しい金属でも特定形状を形成するための型を作製すれば、所望形状、例えば放電灯用電極のような成形体を得ることに利用できる。また本発明の金型は、加工温度が上昇するにつれ、金型により大きい圧縮応力が働くので、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂのような高融点で塑性加工が難しく、加工圧力が大きい金属の加工に適している。

本発明の金型を示す。 従来の金型を示す。

符号の説明

１：外周リング
２：与圧付与構造部材
３：成形用部材
４：成形キャビティー
５：内周リング

Claims (8)

1. 内部に成形キャビティを有する円柱状の成形用部材の周囲を囲むように内周リングが嵌合され、さらにその周囲を囲むように外周リングが嵌合された金型において、内周リングが与圧付与構造部材からなることを特徴とする金型。
2. 与圧付与構造部材が、内周リングを、周方向に対称的に複数に分割し、それぞれが互いに接触することなく配設されている構造を有することを特徴とする請求項１に記載の金型。
3. 与圧付与構造部材の線膨張係数が、外周リングの線膨張係数以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金型。
4. 外周リングのヤング率が、２００GPa以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の金型。
5. 成形用部材が硬質材料からなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の金型。
6. 硬質材料がハイス、超硬合金、サーメット、セラミック又はダイヤモンドからなることを特徴とする請求項５に記載の金型。
7. 室温より高い温度で用いることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の金型の使用方法。
8. 金属を塑性加工する時に用いることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の金型の使用方法。

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