JP2008509009A - 金属繊維とその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１個の回転工具（３）を利用して切削加工法で金属繊維（１）を製造する方法に関する。回転工具としては正面フライスが適しており、例えば１０〜１００μｍの厚さと、１〜５０ｍｍの長さと、１０〜１００μｍの高さとを有する金属繊維を削り出すことができる。また本発明は、そのような繊維を含むフィルタ材料、そのフィルタ材料の製造方法、該材料から形成された粒子フィルタ並びに相応して形成された車両に関する。

Description

本発明は、金属繊維の製造方法並びに金属繊維の製造方法を実施するための装置に関する。更に本発明は、繊維、繊維材料、粒子フィルタ並びに車両にも関する。

自動車用内燃機関の排気装置に、特に高い温度と攻撃性ガスと激しい振動とに曝される種々の多数の材料が使用されている。それらの材料は、この厳しい周辺条件にも係らず、できるだけ長い期間にわたり、それらの材料機能を維持せねばならない。該機能は、主にそれらの材料で形成された排気ガス処理装置の様式に対応している。考え得る排気ガス処理装置は、触媒コンバータ、吸収器、粒子フィルタ、混合器、絶縁マット、パッキング等である。それらの材料は、通常、耐熱性と耐食性を有さねばならない。このため、セラミックス材料の他に、特に金属成分が挙げられる。

上述の排気ガス処理装置では、一部で金属繊維も採用されている。該金属繊維は、特に絶縁材料およびフィルタ材料としての興味を中心に、開発が推進されている。それは主に自動車製造に採用される部品や材料であるため、この金属繊維を高い生産性で安価に製造できることが特に重要である。一部に非常に敏感な電子装置やセンサ等が装備された自動車用内燃機関の排気装置の感受性ないし障害感度のため、繊維材料が大きな寿命を有し、かつできるだけ大きな形状安定性を持つことが特に重要である。運転中の大きな温度差と圧力差による一部の金属繊維の剥がれは、そのようにして初めて防止できる。剥離した金属繊維は、場合によっては排気ガス流により一緒に運ばれ、下流に配置された排気ガス処理装置に衝突してしまう。

本発明の課題は、かかる事態の発生を防止する方法を提供することにある。特にこの方法を、自動車製造における排気ガス処理装置に対する量産要件に合わせることにある。同時に、できるだけ一様に成形された繊維を製造することにある。また、金属繊維を製造するための単純な構成の装置並びに自動車用内燃機関のための高い排気ガス処理作用を持つ部品と構成要素を提供することある。

この課題は、請求項１に示す金属繊維の製造方法により解決される。本発明の他の有利な実施態様を従属請求項に示す。また、装置に関する課題は、少なくとも１個の金属ブロックを固定するためのワーク受けと、装置についての独立請求項に記載の特徴を有する工具によって解決される。なおこの関係から、各請求項に個々に記載した特徴は、技術的に有意義に任意に組み合わせることができ、本発明の他の実施態様となる。同様に、明細書の内容が請求項の明記に関与する。

本発明に基づく金属繊維の製造方法は、少なくとも以下の工程を含む。
（ａ）少なくとも１個の金属ブロックを準備する工程、および
（ｂ）少なくとも１個の回転工具を利用して切削加工法で繊維を削り出す工程。

ここで繊維とは、特に細く、薄くかつ長い成形物を意味する。即ち、繊維は長さよりかなり小さな直径を有する物体であり、特にその長さと直径の比は、少なくとも１０、好適には１００或いはそれどころか１０００である。

繊維は金属から成り、その材料は本質的に使用する金属ブロックと一致する。この金属は、アルミニウムとクロムの少なくとも一方、好適にはその両方を含む鉄材料であるとよい。その金属材料は延性と耐熱性を有すると望ましい。上述の合金成分は、自動車用内燃機関の排気ガスに含まれる有害物質に対する強い腐食防護に寄与する。

この場合、繊維は、金属ブロックに切削加工を施すことで製造する。回転工具は、所定の切刃で金属ブロック、即ちその表面に切り込み、中実材料から繊維を削り出す。工具と金属ブロックとの間の必要な（主）相対速度ないし（主）相対運動は、工具により実施される。工具はその固有軸線を中心として回転する。この工具固有の回転運動は、金属ブロックと工具との間の補助的並進（副）相対運動、所謂送り運動と重なり合う。その場合、ワークと工具は予め与え得る（通常一定の）速度で相対運動し、このため工具の切刃が所定の切り込み深さで金属ブロックに切り込む。かくして、一様な繊維を製造できる。

本発明の方法の一実施形態では、繊維の削り出しを正面フライスで実施する。ここでフライス削りとは、特に任意のワーク表面を発生すべく、一般に多刃工具の円形切削運動による切削製造法を意味する。該切削運動は工具の回転軸線に対し垂直又は斜めに延びる。フライス削りは、一般に、例えば生ずる表面、工具形状（輪郭）および／又は運動に応じて、正面フライス削り、回しフライス削り、ホブ削り、総形フライス削り、ならいフライス削りに分類される。

ワーク表面が工具の正面により所謂前切刃で発生するとき、それを正面フライス削りと呼ぶ。対照的に、表面がフライス円周における切刃で発生するフライス削りは、周囲フライス削りと呼ばれる。工具回転方向と送り方向に応じ、上向き削りと下向き削りに区別される。上向き削りの場合、送り運動と切削運動が逆向きであり、他方下向き削りの場合、同じ方向に向いている。ここで特に有効な正面フライスないし面削りフライスの場合、切り込み量（主に繊維の長さに相当）は切削深さ（主に繊維の高さに相当）よりかなり大きく、ワーク表面は前切刃、即ちフライスの正面に配置された切刃部分で生ずる。正面フライスは、好適には一回転当たり１０〜１００μｍの送りで運転される。

ここに提案するフライス削りにより、特に短時間の間に、非常に多量の一様な繊維を得ることができる。この工程は、通常最終的に金属ブロックを使い尽くす迄繰り返される。なお基本的には、複数のフライスが同時に１個の金属ブロックを加工すること、補助的に冷却手段および／又は潤滑手段を利用することおよび／又は他の加工工程（例えば切削加工済み表面の再加工等）を並行して進行することも勿論可能である。

方法の実施態様では、１０〜１００μｍの厚さの繊維を削り出す。厚さは、好適には２０〜３０μｍである。繊維の所望の厚さ、所望の長さないし高さの設定は、回転工具の回転数と送りの相応した選定によって行える。同時に切り込む切刃の幾何学形状も考慮に入れねばならない。

また、１〜５０ｍｍ、好適には１５〜２５ｍｍの長さの繊維を削り出す。

１０〜１００μｍの高さの繊維を削り出すと特に好ましい。ここでも有利な範囲は２０〜３０μｍである。

ここに挙げた寸法は、特に排気ガス処理装置の部分構成要素として利用される繊維に対し選定される。この結果繊維は、熱的および動的荷重に永続的に耐えるのに必要な断面積を持つ。更にこの繊維は、例えば主に排気ガスとの緊密な接触に必要な比表面積を保証する。また、例えば複数の繊維の結合により生ずる適当な節点（ヒンジ継手）を形成してもよい。その際に生ずる接合技術的および／又は材料技術的結合は十分な耐久性を示す。

方法の有利な実施態様では、少なくとも１個の工具を所定回転数で回転させ、所定送りで少なくとも１個の金属ブロックに対し移動させ、該回転数と送りを、繊維がその長さの少なくとも５０％にわたり一様な厚さを有するように定める。この結果、繊維がその長さの大部分にわたり略同じに形成され、従ってその繊維の続く織物や編物等への集結時に、隣り合う繊維の十分大きな接触域を提供することができる。繊維が、その長さの少なくとも８０％、好適には９０〜９５％にわたり一様な厚さを有すると望ましい。なお明瞭化のため、ここで用語「一様な厚さ」とは、それでも或る製造公差を含み得る。ここでは、主に製造方式に左右される製造公差を含み、フライス削りの場合、その許容域は例えば平均値に対し±２０％の範囲で変動できる。

少なくとも１個の金属ブロックは、工具の輪郭に相当する加工前面を有する。この結果特に加工前面、即ち回転工具が切り込む金属ブロックの正面を、工具の輪郭に密着させ得る。これは、例えば加工前面を工具の半径に略相当する半径で形成することを意味する。この結果、加工全工程中、即ち工具が金属ブロックに切り込んでから出る迄の切削パラメータの変化を防止できる。このため、金属ブロックの相応した背面、即ち工具と同じ半径を有する背面を設けると有利である。即ち加工前面は凹面状、加工背面は凸面状に形成する。その際、回転工具を加工前面に対し中央に位置づけし、送りを与える。

更に、切削加工を順々に隣り合う平面に対し施し、少なくとも１個の回転工具の少なくとも１個の金属ブロックへの切り込みを隣り合う平面に対しずらして行う。これは、金属ブロックの加工中に切刃近くの表面に、例えば溝、条、隆起部等のような凸凹が発生するという考えに基づく。そしてここでは、金属ブロックの次の表面層を削り取る次の加工工程で形成する凸凹が、その上に位置する平面の凸凹に対する垂直平面内に位置しないようなずれを与えることを提案する。そのずれは繊維厚さの半分の範囲にあるとよい。従って送りないし回転数並びに切刃数の調整により、場合により繊維に設定破断箇所が生ずる。これは、追加加工工程での繊維横断面の一層の減少を簡単に可能にする。更にかくして、例えばほぼ円形、楕円形或いは多角形の特別な断面を発生できる。

更に、フィルタ材料の製造方法を提案する。その場合、繊維をまず上述した方法で製造し、次に接合技術的に結合して通気性の層を形成する。接合技術的に結合すべく助材を利用するが、繊維を圧力および／又は温度の作用で互いに材料結合（例えば溶接、焼結等）してもよい。その際、繊維を互いに整列し、又はばらばらに置く。この結果最終的に通気性層が生じ、その繊維で形成された空洞を経て、流体ないしガスが貫流する。その層は、好適には４ｍｍ、特に２ｍｍ以下の層厚を持つ。繊維相互の配置により、平均で約４０〜９０％の層多孔率が得られる。この層は、エンジンの排気ガス流内を一緒に運ばれる煤粒子や他の固形粒子を捕捉するために有効に利用できる。このためフィルタ材料は、例えば被覆、発泡金属、発泡セラミック、支持組織、触媒等の他の材料を含み得る。

本発明の他の課題に応じ、少なくとも１個の金属ブロックを固定するワーク受けと、上述した本発明に基づく方法を実施すべく、少なくとも１個の金属ブロックに切り込み作用をする少なくとも１個の回転工具を持つ装置を提案する。その少なくとも１個の回転工具は多刃フライス、特に正面フライスを備える。フライスとは、複数の切刃を有し、又は切刃に多重のスリットが入れられているか中断されている切削加工用の工具を意味する。フライスの切刃は、好適には円周および／又は正面に互いに一様な間隔を隔てて配置されている。この関係で、特にコンソール形式のＮＣ（数値制御）−万能フライス盤が有効である。ワーク受け付きの高さ調整可能な刃物台は、追加的に（例えば送りを実現すべく）二次元水平運動の機能を持っている。（例えば切り込み深さを調整するための）第３軸は、多刃回転正面フライスを駆動するための主軸台内に位置している。

或いはまた、クロスベッド構造も利用でき、この形態で、ベッド上で直交する２つの送り運動が実現でき、一方の送り運動は、刃物台（通常はスタンド）に割り当てられ、他方の送り運動は、工作物支持台（通常はテーブル）に割り当てられる。その場合、これらの運動を実施するために種々の方式が存在する。好適には、水平運動はテーブルないしワーク受けで実施し、垂直運動は回転工具で実施し得る。

正面フライスとして切削インサート付き植刃正面フライスを用い、例えば切刃として締付け固定した硬質金属切削インサートを利用できる。この植刃正面フライスは２５０ｍｍ迄の直径を持つ。１〜２０ｍ／分の切削速度（ｖｃ）、０．０２〜０．１ｍｍの歯毎の送りおよび０．０２〜０．１ｍｍの範囲の切削深さ（ａ_e）を実現できる。

本発明の方法と装置で製造した繊維は、高い輪郭精度の点で優れ、この結果、自動車用内燃機関の排気装置に永続的に採用できる排気ガス処理装置に対する土台を形成する。

即ち、例えばフィルタ材料は少なくとも部分的に上記の繊維で形成される。該フィルタ材料を排気ガスが貫流し、これにより、排気ガスに含まれる粒子や固形物が繊維ないしその上に設けられた被覆に付着する。還元剤の利用或いは他の方式、例えば温度上昇によって、フィルタ材料を連続的に、或いは所定の時点で不連続的に再生し、もって固形物を少なくとも部分的に気体成分に転換できる。

このフィルタ材料により、例えば種々のエンジン（ディーゼルエンジン、オートーエンジン等）の排気装置用の粒子フィルタが得られ、該フィルタは、寿命が長く効率が高い点で優れている。該粒子フィルタはフィルタ材料だけで形成するが、フィルタ材料が粒子フィルタの一部のみを構成するとよい。その際、少なくとも部分的に組織化された薄板で通路を形成し、フィルタ材料で少なくとも部分的に通路壁を境界づけるようにするとよい。薄板は、貫流する排気ガス又はその中に含まれる粒子がフィルタ材料に向けて転向すべく形成する。この結果、粒子がフィルタ材料を経て流れ、該フィルタ材料内に蓄えられる。

少なくとも１個の排気ガス処理構成要素を、車両において上述した形式のフィルタ材料および／又は粒子フィルタと一体化すると特に好ましい。車両とは、特に乗用車、トラック、モータボート、エンジン付き飛行機等である。

以下図を参照し、本発明を詳細に説明する。図は、技術的背景の他に、本発明の有利な実施例を示しているが、本発明はこの実施例に限定されない。

図１は正面フライス１１を概略的に側面図で示す。正面フライス１１は、軸線３３を中心として方向１７に回転する。正面フライス１１は複数の切刃１２を持つ本体２８を備える。図示の実施例では、正面フライス１１は円周方向に一様に分布して配置された４個の切刃１２を装備している。しかし６個、８個、１２個或いはそれ以上の切刃を装備してもよい。正面フライス１１は金属ブロック２に対し送り方向１８に移動し、通常その相対運動は金属ブロック２又は工作物（ワーク）支持台により生ずる。切刃１２は、製造方法の実施中、金属ブロック２に切り込み、高さ６と厚さ４の金属繊維１を削り出す。

図２は、繊維１を製造する方法と装置を概略的に斜視図で示す。金属ブロック２はワーク受け１０に固定されている。金属ブロック２への回転工具の一様な切り込み作用を保証すべく、金属ブロック２は、主に工具３の輪郭１８に相当した加工前面７を持っている。工具３の輪郭８は、金属ブロック２に最初に切り込み作用をする輪郭に対応する。図示の実施例では、金属ブロック２の幅３０より大きな直径を持つ回転工具３を用いている。従ってこの製造方法は正面フライス削りである。金属ブロック２は所定の加工平面に沿って個々の層に削り取られ、その際、繊維１が生ずる。繊維１を図２の左下側に詳細に示し、特に繊維１の高さ６と厚さ４と長さ５を示している。

図３は、金属ブロック２の２つの詳細を断面図で示し、特に回転工具３による加工後の金属ブロック２の表面状態を示す。金属ブロック２からの繊維１の削り出しは種々の平面９で行われ、該平面９は、好適には、一様な相対間隔を有する。回転工具３の切刃１２による加工に伴い、非平滑表面２１、特に図示した隆起部２２が生ずる。

符号「Ａ」を付した製造例では、隣り合う平面９の隆起部２２は、ほぼ垂直線上ないし垂直平面内に位置している。これは、全ての繊維１を厚さ４全体にわたり同じ高さ６を有する断面積２９をもって製造することを意味する。

これに対し、符号「Ｂ」を付した製造例の場合、隣り合う平面９にずれ１９を与えている。その場合、繊維１の高さ６を変化させて形成し、ずれ１９が繊維の厚さ４の約半分に相当するとき、最低高さ６を、繊維１の厚さ４に対し中央に形成している。

図５は、かかる繊維１の自動車分野における利用例を概略的に示す。ここでは、繊維１を層２０の形に相互に結合し、被覆を設けている。この層２０は部分的に組織化した金属箔２３の間に配置している。該複数の金属箔２３は、互いに平行に配置された通路２４を形成する。また金属箔２３は、排気ガスをフィルタ材料１３ないし繊維層２０に向けて転向させるミクロ組織２７を有する。その場合、排気ガスはまず流れ方向３２に通路２４の中に流入し、ミクロ組織２７により転向され、これにより、排気ガス内に含まれる煤２５が層２０に付着する。煤２５は連続的に再生される。

図５は粒子フィルタ１４を詳細に示す。該フィルタ１４は車両１５の自動車用内燃機関２６の排気装置３１に配置されている（図４参照）。粒子フィルタ１４の上流、即ち内燃機関２６と粒子フィルタ１４との間に、他の排気ガス処理構成要素１６が配置され、例えば粒子フィルタ１４での煤の連続再生を可能にすべく、排気ガスに含まれる窒素酸化物を転換する酸化触媒が配置されている。

回転工具による金属ブロックの加工の概略図。 正面フライス削りの概略斜視図。 加工後の金属ブロックの詳細図。 繊維を有する粒子フィルタを備えた車両の概略図。 図４における粒子フィルタの詳細図。

符号の説明

１ 繊維、２ 金属ブロック、３ 工具、４ 厚さ、５ 長さ、６ 高さ、７ 加工前面、８ 輪郭、９ 平面、１０ ワーク受け、１１ 正面フライス、１２ 切刃、１３ フィルタ材料、１４ 粒子フィルタ、１５ 車両、１６ 排気ガス処理構成要素、１７ 回転方向、１８ 送り方向、１９ ずれ、２０ 層、２１ 表面、２２ 隆起部、２３ 金属箔、２４ 通路、２５ 煤、２６ 内燃機関、２７ ミクロ組織、２８ 本体、２９ 断面、３０ 幅、３１ 排気装置、３２ 流れ方向、３３ 軸線

Claims (14)

1. 少なくとも以下の工程を含むことを特徴とする金属繊維（１）の製造方法。
   （ａ）少なくとも１個の金属ブロック（２）を準備する工程、および
   （ｂ）少なくとも１個の回転工具（３）を用い切削加工法で繊維（１）を削り出す工程。
2. 工程（ｂ）を正面フライス削りで実施することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. １０〜１００μｍの厚さ（４）の繊維（１）を削り出すことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. １〜５０ｍｍの長さ（５）の繊維（１）を削り出すことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. １０〜１００μｍの高さ（６）の繊維（１）を削り出すことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. 少なくとも１個の工具（３）を所定回転数で回転させ、所定送りで少なくとも１個の金属ブロック（２）に対して移動させ、該回転数と送りを、繊維（１）がその長さ（５）の少なくとも５０％にわたり一様な厚さ（４）を有するように定めることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
7. 少なくとも１個の金属ブロック（２）が、工具（３）の輪郭（８）に相当する加工前面（７）を有することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
8. 切削加工を順々に隣り合う平面（９）で実施し、少なくとも１個の回転工具（３）の少なくとも１個の金属ブロック（２）への切り込み作用を、隣り合う平面（９）においてずらして行うことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
9. 繊維（１）をまず請求項１から８の１つに記載の方法で製造し、続いて接合技術的に相互に結合して通気性の層（２０）を形成することを特徴とするフィルタ材料（１３）の製造方法。
10. 少なくとも１個の金属ブロック（２）を固定するためのワーク受け（１０）と、請求項１から８の１つに記載の方法を実施するために少なくとも１個の金属ブロック（２）に切り込み作用をする少なくとも１個の回転工具（３）とを有し、少なくとも１個の回転工具（３）が多刃フライス（４）を有することを特徴とする装置。
11. 請求項１から８の１つに記載の方法又は請求項１０記載の装置で製造されたことを特徴とする繊維。
12. 少なくとも部分的に請求項１１に応じた繊維（１）又は請求項９に応じて製造された繊維（１）であることを特徴とするフィルタ材料。
13. 請求項１２に応じたフィルタ材料（１３）を含むことを特徴とする粒子フィルタ。
14. 請求項１２に応じたフィルタ材料（１３）を備えた少なくとも１個の排気ガス処理構成要素（１６）又は請求項１３に応じた少なくとも１個の粒子フィルタ（１４）を有することを特徴とする車両。

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