JP2008194848A - ハニカム構造体成形用金型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スリット溝から押し出される材料に速度差が生じても、その材料によって形成されるセル壁が波打ち形状となることを抑制することができるハニカム構造体成形用金型及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】ハニカム構造体成形用金型８は、材料を供給するための供給穴８１と、供給穴８１に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝８２とを有する。スリット溝８２の溝幅Ｗは、供給穴８１側からスリット溝８２が形成されている溝形成面８２０に向けて徐々に広くなっており、かつ、スリット溝８２の内面８２１の傾斜角αは、溝形成面８２０に垂直な方向に対して５′〜１８′である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ハニカム構造体を成形するためのハニカム構造体成形用金型及びその製造方法に関する。

例えば、自動車の排ガス浄化フィルター等に用いられるセラミック製のハニカム構造体は、セル壁を格子状に設けて多数のセルを構成してなる。このハニカム構造体は、ハニカム構造体成形用金型（以下、適宜、単に金型という）を用いて、セラミックス原料を含む材料を押出成形することにより製造される。

上記金型としては、材料を供給するための供給穴と、その供給穴に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するものが用いられている（特許文献１及び２参照）。そして、スリット溝は、一般的に深さ方向に一定の溝幅で形成されており、スリット溝に連通されている供給穴は、格子状のスリット溝の格子点に対応する位置に設けられている。

このような金型を用いて押出成形を行った場合、供給穴の位置や供給穴とスリット溝との連通状態等の影響により、スリット溝内を流通する材料の速度は均一にならず、流速差が生じる。このとき、溝幅一定のスリット溝の場合、材料の流速の差が押し出される材料の体積の差となり、形成されるセル壁の形状に直接反映される。

その結果、成形されたハニカム構造体において、材料の流速差が生じた領域には、波打った形状のセル壁が形成される。さらに、このような波打ち形状のセル壁が形成されたハニカム構造体に触媒を担持させた場合には、触媒を均一に担持することができず、特定の部分に大量の触媒が担持されて目詰まりを起こすおそれがある。
よって、従来は、材料の流速差が生じる領域ごとに、供給穴やスリット溝の形状、表面粗さ等を調整して材料の流速差を小さくしていたが、このような作業は非常に効率が悪く、面倒なものであった。

このようなことから、簡易な構成でありながら、スリット溝内を流通する材料に速度差が生じても、その材料によって形成されるセル壁が波打ち形状となることを抑制することができる金型が望まれている。

特開２００２−３０１５８１号公報 特開２００３−１１１１１号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、スリット溝内を流通する材料に速度差が生じても、その材料によって形成されるセル壁が波打ち形状となることを抑制することができるハニカム構造体成形用金型及びその製造方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、材料を供給するための供給穴と、該供給穴に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型において、
上記スリット溝の溝幅は、上記供給穴側から溝形成面に向けて徐々に広くなっており、かつ、上記スリット溝の内面の傾斜角は、上記溝形成面に垂直な方向に対して５′〜１８′であることを特徴とするハニカム構造体成形用金型にある（請求項１）。

本発明のハニカム構造体成形用金型において、上記スリット溝は、溝幅が一定ではなく、上記供給穴側から上記溝形成面に向けて徐々に広くなっている。また、上記スリット溝の内面の傾斜角は、上記溝形成面に垂直な方向に対して５′〜１８′である。つまり、本発明において、上記スリット溝は、材料を流通させる方向に溝幅を徐々に広くし、その傾斜角を上記特定の範囲の角度としている。

上記スリット溝を上記の形状とすることにより、上記金型を用いて材料の押出成形を行った際に、上記スリット溝内を流通する材料に速度差が生じた場合でも、その速度差が生じた領域には、通常と異なる厚みのセル壁がほぼ一定の厚みで形成される。そのため、厚みの異なるセル壁が形成されるものの、そのセル壁が波打ち形状となることを抑制することができる。

これは、上記スリット溝の溝幅が材料の流通方向に徐々に広くなることで、そのスリット溝内を流通する材料の速度差が緩和されるためである。そして、上記スリット溝の内面の傾斜角を上記特定の範囲の角度とすることで、上記の効果をより有効に発揮することができるのである。
また、これにより、成形されたハニカム構造体に触媒を担持させた場合でも、偏った部分に触媒が大量に担持されて目詰まりを起こすおそれがなく、触媒を均一に担持させることができる。

このように、本発明のハニカム構造体成形用金型は、上記スリット溝の溝幅を上記特定の方向に徐々に広くし、その傾斜角を上記特定の範囲の角度とすることにより、上記スリット溝内を流通する材料に速度差が生じても、その材料によって形成されるセル壁が波打ち形状となることを抑制することができる。

第２の発明は、材料を供給するための供給穴と、該供給穴に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型を製造する方法において、
上記スリット溝を加工するに当たっては、被加工物の溝形成面における溝形成位置に対して高圧水を噴射して水柱を形成すると共にレーザ光を上記水柱の中に通して照射し、レーザ照射位置を上記溝形成位置に沿って複数回通過するように移動させる照射スキャンを行い、
該照射スキャンは、上記スリット溝の溝幅が上記供給穴に近づくにしたがって徐々に狭くなり、かつ、上記スリット溝の内面の傾斜角が上記溝形成面に垂直な方向に対して５′〜１８′となるように、上記水柱の傾きを調整しながら行うことを特徴とするハニカム構造体成形用金型の製造方法にある（請求項５）。

本発明の製造方法においては、上記のごとく、水柱を形成すると共にレーザ光をその水柱の中に通して照射する、いわゆるウォータージェットレーザにより溝加工を行う。また、上記照射スキャンは、形成する上記スリット溝の溝幅が上記供給穴側から上記溝形成面に向けて徐々に広くなるように、かつ、上記スリット溝の内面の傾斜角が上記溝形成面に垂直な方向に対して５′〜１８′となるように、上記水柱の傾きを調整しながら行う。

これにより、上記スリット溝の溝幅を上記特定の方向に徐々に広くし、その傾斜角を上記特定の範囲の角度とした上記第１の発明のハニカム構造体成形用金型を得ることができる。そして、上記金型は、上記スリット溝内を流通する材料に速度差が生じても、その材料によって形成されるセル壁が波打ち形状となることを抑制することができる。

上記第１の発明においては、上記スリット溝の内面の傾斜角が上記溝形成面に垂直な方向に対して５′未満の場合には、上記スリット溝から押し出される材料によって形成されるセル壁が波打ち形状となることを抑制する効果を充分に得ることができないおそれがある。一方、上記傾斜角が１８′を超える場合にも、上記と同様の問題が生じる。
なお、上記の角度１′は、角度１°の１／６０に相当する。すなわち、１°＝６０′である。

上記第２の発明においては、上記水柱の傾き調整する際には、上記水柱の中心軸上にあり、かつ、形成しようとする上記スリット溝の底面又はそれより上記供給穴側に位置する傾き調整支点を支点として、上記水柱を上記レーザ照射位置の移動方向に対して垂直方向に傾けることが好ましい（請求項５）。
この場合には、溝幅が上記供給穴側から上記溝形成面に向けて徐々に広くなる構成のスリット溝を形成することが容易となる。また、そのスリット溝の内面に特定の傾斜角を設けることが容易となる。
また、上記水柱の傾きを上記溝形成面に垂直な方向に対して５′〜１８′とすることにより、本発明において目的とする上記スリット溝を精度良く形成することができる。

また、上記照射スキャンでは、上記レーザ照射位置を上記溝形成位置に沿って１回通過させるごとに、上記水柱を傾ける方向を反対側に変えることが好ましい（請求項６）。
この場合には、溝幅が上記供給穴側から上記溝形成面に向けて徐々に広くなる構成のスリット溝を効率よく高精度に形成することができる。

上記第１及び第２の発明においては、上記スリット溝の上記溝形成面における溝幅は、４０〜１５０μｍとすることができる（請求項２、７）。
このような溝幅が狭いスリット溝の場合にも、そのスリット溝から押し出される材料によって形成されるセル壁が波打ち形状となることを抑制する効果を充分に発揮することができる。

また、上記スリット溝の溝深さは、２〜３．５ｍｍとすることができる（請求項３、８）。
このような溝深さのスリット溝の場合でも、そのスリット溝から押し出される材料によって形成されるセル壁が波打ち形状となることを抑制する効果を充分に発揮することができる。

また、上記スリット溝の形状は、成形するハニカム構造体に合わせて、種々の形状を採用することができる。また、上記スリット溝の格子形状は、例えば三角形、四角形、六角形等とすることができる。
また、上記金型を構成する材料（被加工物）としては、金属材料、セラミックス、その他の種々の材料を用いることができる。上記金属材料としては、例えばＳＫＤ（合金工具鋼）等を用いることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるハニカム構造体成形用金型及びその製造方法について、図を用いて説明する。
本例のハニカム構造体成形用金型８は、図１、図２を示すごとく、材料を供給するための供給穴８１と、供給穴８１に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝８２とを有する。スリット溝８２は、溝形成面８２０において、四角形格子状に設けられている。なお、スリット溝８２の格子形状は、例えば三角形、六角形等とすることもできる。

また、図３に示すごとく、スリット溝８２の溝幅Ｗは、供給穴８１側から溝形成面８２０に向けて徐々に広くなっている。スリット溝８２の内面８２１の傾斜角αは、溝形成面８２０に垂直な方向に対して５′〜１８′である。本例の傾斜角αは１０′である。また、スリット溝８２の溝形成面８２０における溝幅Ｗ₀は９０μｍ、溝深さＨは２．５ｍｍである。

次に、ハニカム構造体成形用金型８の製造方法について説明する。
金型８を製造するに当たっては、図４に示す溝加工装置１を用いる。この溝加工装置１は、レーザ光７１を発生させるレーザ発生部１１と、発生したレーザ光７１を導出するレーザヘッド１２と、レーザ光７１の周囲において高圧水を噴射して水柱７２を形成するためのノズル部１３と、水柱７２用の高圧水をレーザヘッド１２に供給する高圧水供給部１４とを有している。レーザヘッド１２とノズル部１３とは、一体的に構成されている。
また、レーザ発生部１１とレーザヘッド１２との間には、両者を結んでレーザ光７１を導く光ファイバー部２１が設けられている。また、高圧水供給部１４とノズル部１３との間には、高圧水を供給するための配管２２が設けられている。

また、同図に示すごとく、溝加工装置１は、被加工物（後述の金型素材８０）を保持すると共にＸ−Ｙ軸方向に移動可能な保持部１９を有している。保持部１９には、保持部１９を移動させるための図示しない駆動部が接続されている。
また、この駆動部、高圧水供給部１４及びレーザ発生部１１は、これらを操作するための図示しない操作盤に接続されている。

また、金型８を構成する材料となる金型素材８０（図１）は、縦２００ｍｍ、横２００ｍｍ、厚さ１５ｍｍの四角形の金属板である。金型素材８０の材質は、ＳＫＤ６１（合金工具鋼）よりなる。もちろん、これと異なるサイズ、材質の金型素材を用いることも可能である。
この金型素材８０に対して、本例では、溝加工装置１を用いてスリット溝８２を形成する。また、本例では、スリット溝８２の加工前に、金型素材８０の穴形成面８１０に、予めドリルを用いて供給穴８１（図２）を設けた。

そして、図１に示すごとく、溝加工装置１の保持部１９に金型素材８０をセットする。次いで、金型素材８０に対して、ノズル部１３から高圧水を噴射して水柱７２を形成すると共に、レーザ光７１を水柱７２の中に通して金型素材８０に照射する。さらに、保持部１９をＸ−Ｙ軸方向に移動させることにより、金型素材８０に対するレーザ照射位置Ｌを溝形成位置に沿って移動させ、同じ溝形成位置を複数回通過させる照射スキャンを行う。
このとき、水柱７２を形成する高圧水の水圧は２３０ｋｇｆ／ｃｍ²、レーザ光７１のパルスパワーは１４００Ｗとした。また、レーザ照射位置Ｌの金型素材８０に対する移動速度は１５０〜２４０ｍｍ／分、繰り返し回数は７０回とした。

そしてさらに、本例では、照射スキャンの際に、スリット溝８２の溝幅Ｗが供給穴８１側から溝形成面８２０に向けて徐々に広くなるように、かつ、スリット溝８２の内面８２１の傾斜角αが溝形成面８２０に垂直な方向に対して１０′となるように、形成する水柱７２の傾きを調整した。

具体的には、図５（ａ）、（ｂ）に示すごとく、ノズル部１３の向きを変えることによって、水柱７２の形成方向を変える。このとき、水柱７２の傾きは、水柱７２の中心軸７２１と最終的に形成するスリット溝８２の底面８２２との交点である傾き調整支点７２２を支点として、水柱７２をレーザ照射位置Ｌの移動方向（紙面に対して垂直方向）に対して垂直方向Ｐ₁、Ｐ₂に傾けることによって調整する。

本例では、レーザ照射位置Ｌを溝形成位置に沿って１回通過させるごとに、水柱７２を傾ける方向をＰ₁方向（図５（ａ））及びＰ₂方向（図５（ｂ））に交互に変更した。そして、水柱７２の傾きβを溝形成面８２０に垂直な方向に対して１０′とした。なお、図５（ａ）、（ｂ）には、最終的にスリット溝８２を形成する領域を点線で示してある。

これにより、図３に示すごとく、溝形成面８２０における溝幅Ｗ₁が９０μｍ、溝深さＨが２．５ｍｍであり、溝幅Ｗが供給穴８１側から溝形成面８２０に向けて徐々に広くなっており、かつ、内面８２１の傾斜角αが溝形成面８２０に垂直な方向に対して１０′であるスリット溝８２が得られた。
以上により、ハニカム構造体成形用金型８を作製した。

次に、本例のハニカム構造体成形用金型８の作用効果について説明する。
本例の金型８において、スリット溝８２は、溝幅Ｗが一定ではなく、供給穴８１側から溝形成面８２０に向けて徐々に広くなっている。また、スリット溝８２の内面８２１の傾斜角αは、溝形成面８２０に垂直な方向に対して５′〜１８′である。つまり、本例において、スリット溝８２は、材料を流通させる方向に溝幅Ｗを徐々に広くし、その傾斜角αを上記特定の範囲の角度としている。

スリット溝８２を上記の形状とすることにより、金型８を用いて材料の押出成形を行った際に、スリット溝８２内を流通する材料に速度差が生じた場合でも、その速度差が生じた領域には、通常と異なる厚みのセル壁がほぼ一定の厚みで形成される。そのため、厚みの異なるセル壁が形成されるものの、そのセル壁が波打ち形状となることを抑制することができる。

これは、スリット溝８２の溝幅Ｗが材料の流通方向に徐々に広くなることで、そのスリット溝８２内を流通する材料の速度差が緩和されるためである。そして、スリット溝８２の内面８２１の傾斜角αを上記特定の範囲の角度とすることで、上記の効果をより有効に発揮することができるのである。
また、これにより、成形されたハニカム構造体に触媒を担持させた場合でも、偏った部分に触媒が大量に担持されて目詰まりを起こすおそれがなく、触媒を均一に担持させることができる。

このように、本発明のハニカム構造体成形用金型８は、スリット溝８２の溝幅Ｗを上記特定の方向に徐々に広くし、その傾斜角αを上記特定の範囲の角度とすることにより、スリット溝８２内を流通する材料に速度差が生じても、その材料によって形成されるセル壁が波打ち形状となることを抑制することができる。

（実施例２）
本例は、実施例１のハニカム構造体成形用金型８を用いて、実際にハニカム構造体を成形し、評価を行ったものである。

本例では、実施例１のハニカム構造体成形用金型８（本発明品）を用いて、粘土質のセラミックス材料を押出成形することにより、図６に示すごとく、セル壁６１に囲まれた多数のセル６２と外周側面を覆う筒状の外周壁６３とを有するハニカム構造体６を成形した。なお、セラミックス材料としては、コーディエライト原料に水、バインダ等を加えて混練したものを用いた。そして、成形したハニカム構造体６について、セル壁６１の形状を観察した。
また、比較のために、溝幅が一定のスリット溝を有する従来のハニカム構造体成形用金型（比較品）を準備し、同様にハニカム構造体を成形し、同様の評価を行った。

次に、評価結果について説明する。
比較品を用いて成形したハニカム構造体６には、図７（ｂ）に示すごとく、材料の流速差が生じた領域６００に、波打った形状のセル壁６１が形成されている。一方、本発明品を用いて成形したハニカム構造体６には、図７（ａ）に示すごとく、材料の流速差が生じた領域６００に、他の領域と異なる厚みのセル壁６１がほぼ一定の厚みで形成されている。なお、図７（ａ）、（ｂ）は、形成されたセル壁６１の厚みを模式的に示したものである。

このように、上記の結果から、本発明品のハニカム構造体成形用金型８は、従来のものに比べて、スリット溝８２内を流通する材料に速度差が生じても、その材料によって形成されるセル壁６１が波打ち形状となることを抑制することができる。

実施例１における、ハニカム構造体成形用金型の（ａ）溝形成面を示す説明図、（ｂ）溝形成面の拡大説明図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例１における、スリット溝周辺の拡大説明図 実施例１における、溝加工装置の構成を示す説明図。 実施例１における、（ａ）、（ｂ）水柱の傾きを調整する様子を示す説明図。 実施例２における、ハニカム構造体を示す説明図。 実施例２における、（ａ）、（ｂ）成形後のハニカム構造体のセル壁を示す説明図。

符号の説明

１ 溝加工装置
６ ハニカム構造体
６１ セル壁
６２ セル
６３ 外周壁
８ ハニカム構造体成形用金型
８１ 供給穴
８２ スリット溝
８２０ 溝形成面
８２１ 内面

Claims (8)

1. 材料を供給するための供給穴と、該供給穴に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型において、
   上記スリット溝の溝幅は、上記供給穴側から溝形成面に向けて徐々に広くなっており、かつ、上記スリット溝の内面の傾斜角は、上記溝形成面に垂直な方向に対して５′〜１８′であることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
2. 請求項１において、上記スリット溝の上記溝形成面における溝幅は、４０〜１５０μｍであることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
3. 請求項１又は２において、上記スリット溝の溝深さは、２〜３．５ｍｍであることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
4. 材料を供給するための供給穴と、該供給穴に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型を製造する方法において、
   上記スリット溝を加工するに当たっては、被加工物の溝形成面における溝形成位置に対して高圧水を噴射して水柱を形成すると共にレーザ光を上記水柱の中に通して照射し、レーザ照射位置を上記溝形成位置に沿って複数回通過するように移動させる照射スキャンを行い、
   該照射スキャンは、上記スリット溝の溝幅が上記供給穴側から上記溝形成面に向けて徐々に広くなるように、かつ、上記スリット溝の内面の傾斜角が上記溝形成面に垂直な方向に対して５′〜１８′となるように、上記水柱の傾きを調整しながら行うことを特徴とするハニカム構造体成形用金型の製造方法。
5. 請求項４において、上記水柱の傾きを調整する際には、上記水柱の中心軸上であり、かつ、形成しようとする上記スリット溝の底面又はそれより上記供給穴側に位置する傾き調整支点を支点として、上記水柱を上記レーザ照射位置の移動方向に対して垂直方向に傾けることを特徴とするハニカム構造体成形用金型の製造方法。
6. 請求項５において、上記照射スキャンでは、上記レーザ照射位置を上記溝形成位置に沿って１回通過させるごとに、上記水柱を傾ける方向を反対側に変えることを特徴とするハニカム構造体成形用金型の製造方法。
7. 請求項４〜６のいずれか１項において、上記スリット溝の上記溝形成面における溝幅は、４０〜１５０μｍであることを特徴とするハニカム構造体成形用金型の製造方法。
8. 請求項４〜７のいずれか１項において、上記スリット溝の溝深さは、２〜３．５ｍｍであることを特徴とするハニカム構造体成形用金型の製造方法。

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