JP2012066285A - Aluminum plate processing metal mold - Google Patents

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Keiichi Murata
敬一 村田
Tatsuya Yada
達也 矢田
Takashi Ishikawa
剛史 石川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DLC coating metal mold capable of maintaining and improving product accuracy, especially smoothness of surface while enabling burring and ironing, etc. of an aluminum plate or an aluminum alloy plate by using aqueous lubricant instead of lubricating oil.SOLUTION: In a punch and a metal mold such as a die, a substantially hydrogen-free DLC film is formed on a surface of the metal mold, wherein the DLC film has a density of 3.0 g/cmor more and 3.4 g/cmor less, a nanoindentation hardness of 40 GPa or more and 100 GPa or less, an arithmetic mean roughness of 0.03 μm or less, a maximum height of 0.20 μm or less, and a defect density of surface of 10 pieces/mmor less.

Description

本発明は、アルミニウム板またはアルミニウム合金板を加工する金型に関し、特に、潤滑油に換えて水系潤滑剤を用いてアルミニウム板等を加工するパンチやダイ等であって表面にDLC膜が形成された加工金型に関する。   The present invention relates to a mold for processing an aluminum plate or an aluminum alloy plate, and in particular, a punch or die for processing an aluminum plate or the like using a water-based lubricant instead of a lubricating oil, and a DLC film is formed on the surface. It relates to a processing mold.

従来、たとえばエアコンその他の熱交換器のフィンには熱伝導性の高さ等から、アルミニウム板や、硬さを持たせるためにSi等を添加したアルミニウム合金板が多用されている。   Conventionally, for example, an aluminum plate or an aluminum alloy plate to which Si or the like is added in order to impart hardness is frequently used for fins of an air conditioner or other heat exchanger because of its high thermal conductivity.

フィンには、多数の管を挿通するために、所定高さのカラーが形成された円筒孔が精度良く多数あけられている。具体的には、ピアシング加工(孔空け)、バーリング加工(拡径およびフランジ形成)、アイアニング加工(カラー形成)、リフレア加工(フレア形成)といった、パンチやダイ等の金型を用いた加工が施される。   In order to insert a large number of pipes into the fin, a large number of cylindrical holes having a predetermined collar are formed with high accuracy. Specifically, piercing (perforation), burring (expansion and flange formation), ironing (collar formation), and reflaring (flare formation) are performed using a die such as a punch or die. Is done.

このような加工においては、単に金型を用いただけでは、アルミニウムが金型に凝着していわゆる型カジリを生じ、製品に筋を付けたり、更にはここから割れを発生させてしまうなど、製品精度を著しく低減させてしまう。このため、従来では、焼き付き防止もかねて潤滑油を用いた加工処理がおこなわれている。   In such processing, if you simply use the mold, the aluminum will adhere to the mold, creating so-called mold galling, creating a streak on the product, and causing cracks from the product. Accuracy is significantly reduced. For this reason, conventionally, processing using a lubricating oil has been carried out to prevent seizure.

また、潤滑油を用いると、副次的に、金型と当接する被加工材の表面性状が平滑となるという利点も生じる。特に、フィンの場合は、熱交換効率の観点からカラー内側(円筒内側)と管とが密着して面接触するのが好ましく、可能な限り加工面が平滑であることが求められる。同様に、フィンを積層する場合には、隣のフィンに当接させるフレア部分にも平滑さが求められ、潤滑油は重要な役割を果たす。   In addition, when lubricating oil is used, there is an advantage that the surface property of the workpiece that comes into contact with the mold becomes smooth. In particular, in the case of fins, the collar inner side (cylindrical inner side) and the tube are preferably in close contact with each other from the viewpoint of heat exchange efficiency, and the processed surface is required to be as smooth as possible. Similarly, when laminating fins, smoothness is also required for a flare portion to be brought into contact with an adjacent fin, and lubricating oil plays an important role.

すなわち、潤滑油を用いることにより、アルミニウム加工用に作成された従来の金型で十分な製品精度を担保し、フィン等を好適に製造することが可能であった。   That is, by using a lubricating oil, it was possible to ensure sufficient product accuracy with a conventional mold created for aluminum processing and to suitably manufacture fins and the like.

一方、金型品質や製品品質を向上するものとして、金型表面にDLC(ダイヤモンドライクカーボン)をコーティングする技術が存在する。たとえば、特許文献1にはDLC被膜工具が開示されている。「基材上に実質的に水素を含まないDLC膜を形成して成るDLC被覆工具であって、上記DLC膜の密度が3.0〜3.4g/cm、ナノインデンテーション硬さが40〜100GPa以下であると共に、針先端曲率半径2μmの触針式表面形状測定器による測定送り0.01mmの表面走査検出において、上記基材の成膜前における被成膜面の算術平均粗さRa(S)に対するDLC膜面の算術平均粗さRa(D)の絶対値変化量ΔRa(nm)と当該DLC膜の膜厚t(nm)との比ΔRa/t(=|Ra(D)−Ra(S)|/t)が0.1以下、且つ上記DLC膜表面における異物粒子の付着及び/又は脱離に起因する凸凹の占有面積率sの膜厚tに対する比s/tが0.01(%/nm)以下であることを特徴とするDLC被覆工具」(請求項1)。この発明によれば、耐摩耗性および耐凝着性が確保された工具が得られるとされる。 On the other hand, as a technique for improving mold quality and product quality, there is a technique for coating DLC (diamond-like carbon) on the mold surface. For example, Patent Document 1 discloses a DLC coated tool. “A DLC-coated tool formed by forming a DLC film substantially free of hydrogen on a substrate, wherein the DLC film has a density of 3.0 to 3.4 g / cm 3 and a nanoindentation hardness of 40. In the surface scanning detection with a measurement feed of 0.01 mm by a stylus type surface shape measuring instrument having a needle tip curvature radius of 2 μm and an arithmetic average roughness Ra of the film formation surface before the film formation of the substrate. The ratio ΔRa / t (= | Ra (D) −) of the absolute value change ΔRa (nm) of the arithmetic average roughness Ra (D) of the DLC film surface to (S) and the film thickness t (nm) of the DLC film Ra (S) | / t) is 0.1 or less, and the ratio s / t of the occupying area ratio s of unevenness due to adhesion and / or desorption of foreign particles on the surface of the DLC film is 0. DLC coating characterized by being 01 (% / nm) or less Tool "(claim 1). According to the present invention, it is said that a tool with ensured wear resistance and adhesion resistance is obtained.

しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。
近年の環境規制の高まりから、潤滑油を用いた加工は敬遠され、また規制強化の流れから潤滑油でない潤滑剤が求められつつある。水または水系の潤滑剤は、その有力候補である。
However, the conventional technique has the following problems.
Due to the recent increase in environmental regulations, processing using lubricants has been avoided, and lubricants other than lubricants are being demanded from the trend of tightening regulations. Water or water based lubricants are good candidates.

ここで、金属加工のなかには、水系潤滑剤に容易に置換できるものもあるが、アルミニウム板またはアルミニウム合金板に対するピアシング加工、バーリング加工、アイアニング加工、リフレア加工は、極めて条件が厳しく、水系潤滑剤では金型にカジリが生じてしまい、製品品質ひいてはフィンの熱交換効率が劣ってしまうという問題点があった。   Here, some metal processing can be easily replaced with water-based lubricants, but piercing, burring, ironing, and flaring for aluminum plates or aluminum alloy plates are extremely difficult. There is a problem that galling occurs in the mold, resulting in poor product quality and thus heat exchange efficiency of the fins.

また、水系潤滑剤を用いる場合には、被加工材(対象金属)に有機系潤滑剤を塗膜して加工することもあるが、上述した加工においてはアルミニウム板に有機系潤滑剤を塗膜しても、依然として型カジリが生じてしまうという問題点があった。   In addition, when an aqueous lubricant is used, an organic lubricant may be coated on the material to be processed (target metal) and processed. However, in the above-described processing, an organic lubricant is coated on the aluminum plate. However, there was still a problem that type galling occurred.

一方、特許文献1のDLC被膜工具には、成型加工用パンチ又はダイ(請求項17)が記載されている。本願発明者らは、アルミフィン加工用のパンチ等にDLC皮膜したものは存在していないとの認識であり、また、当該請求項に対応した実施例が開示されていなかったため、実際に特許文献1に記載のDLC被膜を施したパンチやダイを試作し、アルミニウム板を水系潤滑剤のみで加工してみることとした。   On the other hand, the DLC-coated tool of Patent Document 1 describes a molding punch or die (Claim 17). The inventors of the present application recognize that there is no DLC film on an aluminum fin processing punch or the like, and the embodiment corresponding to the claim has not been disclosed. A punch or die coated with the DLC film described in 1 was made on a trial basis, and the aluminum plate was processed using only an aqueous lubricant.

その結果、アルミニウム板に有機系潤滑剤が塗布されていてもいなくても、DLC膜剥離が生じ、やはりカジリが発生してしまい、問題点が解決されないことがわかった。   As a result, it was found that the DLC film was peeled off even if the organic lubricant was not applied to the aluminum plate, causing galling, and the problem could not be solved.

すなわち、従来では潤滑油を用いれば金型にDLC膜を付けなくても良好なアルミニウムフィンが得られるところ、水系潤滑剤を用いると、たとえ金型にDLC膜を付けたとしても、製品品質が劣るという問題点があることがわかった。   That is, conventionally, if lubricating oil is used, a good aluminum fin can be obtained without attaching a DLC film to the mold. However, if a water-based lubricant is used, the product quality is improved even if a DLC film is attached to the mold. It turns out that there is a problem of being inferior.

特開2009−6470号公報JP 2009-6470 A

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、潤滑油に換えて水系潤滑剤を用いてアルミニウム板またはアルミニウム合金板をバーリング加工やアイアニング加工等することを可能としつつ、製品精度、特に表面性状の平滑さを維持向上できるDLC被膜金型を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and it is possible to burring or ironing an aluminum plate or an aluminum alloy plate using a water-based lubricant instead of a lubricating oil, while maintaining product accuracy, particularly the surface An object of the present invention is to provide a DLC film mold capable of maintaining and improving the smoothness of properties.

請求項1に記載の金型は、アルミニウム板またはアルミニウム合金板を、水系潤滑剤を用いてピアシング加工、バーリング加工、アイアニング加工、または、リフレア加工するための金型であって、金型の表面に、実質的に水素を含まないDLC膜を形成し、当該DLC膜を、密度は3.0g/cm以上3.4g/cm以下、ナノインデンテーション硬さが40GPa以上100GPa以下、算術平均粗さが0.03μm以下、最大高さが0.20μm以下、表面の欠陥密度が10個/mm以下、としたことを特徴とする。 The mold according to claim 1 is a mold for piercing, burring, ironing, or flaring an aluminum plate or an aluminum alloy plate using an aqueous lubricant, and the surface of the mold In addition, a DLC film substantially free of hydrogen is formed, and the DLC film has a density of 3.0 g / cm 3 or more and 3.4 g / cm 3 or less, a nanoindentation hardness of 40 GPa or more and 100 GPa or less, an arithmetic average The roughness is 0.03 μm or less, the maximum height is 0.20 μm or less, and the surface defect density is 10 / mm 2 or less.

すなわち、請求項1にかかる発明は、潤滑油に換えて水系潤滑剤を用いてアルミニウム板またはアルミニウム合金板をバーリング加工やアイアニング加工等することを可能としつつ、製品精度、特に表面性状の平滑さを維持向上できるDLC被膜金型を提供することができる。   That is, the invention according to claim 1 makes it possible to burring or ironing an aluminum plate or an aluminum alloy plate using a water-based lubricant in place of the lubricating oil, while maintaining product accuracy, particularly smoothness of the surface properties. It is possible to provide a DLC coated mold that can maintain and improve the above.

本発明においては硬度をより高めるためDLC膜は実質的に水素を含まないDLC膜としている。実質的に水素を含まない、とは、水素を意図的に添加しない環境により成膜することをいい、製法としてスパッタ法や真空アーク法を挙げることができるが、良好な膜品質を実現するフィルタードアークイオンプレーティングによる成膜が特に好ましい。   In the present invention, in order to further increase the hardness, the DLC film is a DLC film that does not substantially contain hydrogen. The term “substantially free of hydrogen” means that the film is formed in an environment in which hydrogen is not intentionally added. Examples of the manufacturing method include a sputtering method and a vacuum arc method, but a filter that realizes good film quality. Film formation by means of arc ion plating is particularly preferred.

またDLC膜の密度を3.0g/cm以上3.4g/cm以下、ナノインデンテーション硬さを40GPa以上100GPa以下、としているのは何れも炭素が共有結合しダイヤモンド様であるという性状を特定したものである。 Also, the density of the DLC film is 3.0 g / cm 3 or more and 3.4 g / cm 3 or less, and the nanoindentation hardness is 40 GPa or more and 100 GPa or less. It has been identified.

また、算術平均粗さ(Ra)が0.03μm以下としたのは、アルミニウム板またはアルミニウム合金板を、潤滑油に換えて水系潤滑剤のみを用いた従来より過酷な環境下において、ピアシング加工、バーリング加工、アイアニング加工、リフレア加工しても、DLCコーティングに剥離が生じない条件を規定するものである。   In addition, the arithmetic average roughness (Ra) is set to 0.03 μm or less because the piercing process is performed in a severer environment than the conventional case where only the water-based lubricant is used instead of the lubricating oil for the aluminum plate or the aluminum alloy plate. It defines the conditions under which the DLC coating does not peel even when burring, ironing, or flaring.

また、最大高さ(Rz)を0.20μm以下としたのは、DLCコーティングに剥離が生じず、かつ、加工面の平滑さを確保する条件を規定したものである。なお、算術平均粗さ、最大高さを上述の値に調整する方法としては、金型基材の表面を研磨等して平滑にしたうえでフィルタードアークイオンプレーティングによる成膜方法を挙げることができる。   The maximum height (Rz) is set to 0.20 μm or less in order to define conditions for ensuring that the DLC coating does not peel and the smoothness of the processed surface is ensured. In addition, as a method of adjusting the arithmetic average roughness and the maximum height to the above-mentioned values, there is a film forming method by filtered arc ion plating after the surface of the mold base is smoothed by polishing or the like. Can do.

また、表面の欠陥密度とは、膜の均質性を阻害する欠陥をいう。たとえば、アークイオンプレーティングによる成膜では、成膜原料由来であって不可避的に発生する微粒子、すなわち、ドロップレットが混入するため、欠陥密度とはドロップレットの単位面積当たりの個数を意味することとなる。なお、ドロップレットの密度は、走査型顕微鏡(SEM)により測定可能となる。欠陥密度を10個/mm以下としたのは、DLCの剥離が生じず金型寿命を低下させない上限値としたものである。アークイオンプレーティングによる場合は、フィルタードアークイオンプレーティングで条件を調整することによりドロップレットを10個/mm以下にできる。また、表面の欠陥密度とは、表面から観測される密度という意味である。 The defect density on the surface refers to defects that hinder the homogeneity of the film. For example, in film formation by arc ion plating, fine particles that are inevitably generated from the film forming raw material, that is, droplets are mixed in, so the defect density means the number of droplets per unit area. It becomes. The density of the droplets can be measured with a scanning microscope (SEM). The defect density of 10 pieces / mm 2 or less is an upper limit value that does not cause DLC peeling and does not reduce the mold life. In the case of arc ion plating, the number of droplets can be reduced to 10 / mm 2 or less by adjusting the conditions with filtered arc ion plating. The surface defect density means the density observed from the surface.

なお、アルミニウム板とは純アルミすなわち不可避的不純物以外はアルミニウムである板をいい、アルミニウム合金板はアルミニウムを基材とした合金板をいう。合金板の例として、KS−176,612、アルミニウム板の例としては1M30−H26(何れも神戸製鋼製)を挙げることができる。   The aluminum plate refers to pure aluminum, that is, a plate made of aluminum except for inevitable impurities, and the aluminum alloy plate refers to an alloy plate based on aluminum. Examples of the alloy plate include KS-176 and 612, and examples of the aluminum plate include 1M30-H26 (both made by Kobe Steel).

請求項2に記載の金型は、請求項1に記載の金型において、DLC膜を形成する前の基材自体の表面の算術平均粗さを0.03μm以下、最大高さを0.20μm以下としたことを特徴とする。   The mold according to claim 2 is the mold according to claim 1, wherein the arithmetic average roughness of the surface of the base material itself before forming the DLC film is 0.03 μm or less, and the maximum height is 0.20 μm. It is characterized as follows.

すなわち、請求項2にかかる発明は、膜厚の均質性を担保し、剥離要因となる基材表面の凸部分への応力集中を防ぐ。DLC膜は基材表面に追従するので、基材の平滑さを規定したものである。   That is, the invention according to claim 2 ensures the uniformity of the film thickness and prevents stress concentration on the convex portion of the substrate surface, which becomes a peeling factor. Since the DLC film follows the surface of the base material, the smoothness of the base material is defined.

請求項3に記載の金型は、請求項1または2に記載の金型において、DLC膜の膜厚を0.2μm以上0.6μm以下としたことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the mold according to the first or second aspect, the thickness of the DLC film is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less.

すなわち、請求項3にかかる発明は、金型の膜剥離を生じにくくし、金型寿命を向上させる。すなわち、膜が厚すぎると面粗さも大きくなってカジリが発生しやすくなり、一方薄すぎても膜剥離が生じやすくなり、何れも製品寿命を短くするのでこれを防止する厚みとしたものである。   That is, the invention according to claim 3 makes it difficult for film peeling of the mold to occur, and improves the mold life. That is, if the film is too thick, the surface roughness increases and galling is likely to occur. On the other hand, if the film is too thin, film peeling is likely to occur. .

請求項4に記載の金型は、請求項1、2または3に記載の金型において、基材を粉末高速度工具鋼または超硬合金としたことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the metal mold according to the first, second, or third aspect, the base material is powder high-speed tool steel or cemented carbide.

すなわち、請求項4にかかる発明は、ピアシング加工等に好適な基材を用いた金型を提供できる。   That is, the invention concerning Claim 4 can provide the metal mold | die using the base material suitable for a piercing process etc.

本発明によれば、潤滑油に換えて水系潤滑剤を用いてアルミニウム板またはアルミニウム合金板をバーリング加工やアイアニング加工等することを可能としつつ、製品精度、特に表面性状の平滑さを維持向上できるDLC被膜金型を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to maintain and improve product accuracy, particularly smoothness of surface properties, while enabling burring and ironing of an aluminum plate or an aluminum alloy plate using a water-based lubricant instead of a lubricating oil. A DLC coated mold can be provided.

本発明の金型を組み込んだ金型装置の平面概略図((a)、(b))と側面概略図(c)である。It is the plane schematic ((a), (b)) and side schematic (c) of the metal mold apparatus incorporating the metal mold | die of this invention. 本発明の金型例(ピアスパンチ、バーリングパンチ、アイアニングパンチ、アイアニングダイ)を示した図である。It is the figure which showed the example of a metal mold | die (piercing punch, burring punch, ironing punch, ironing die) of this invention. 基材表面に研磨傷がある場合の膜剥離の様子を示した写真である。図3(b)、は図3(a)の拡大写真である。It is the photograph which showed the mode of film | membrane peeling in case there exists an abrasion flaw on the base-material surface. FIG. 3B is an enlarged photograph of FIG. アイアニングダイのカジリの例を示した写真である。It is the photograph which showed the example of an ironing die galling. 膜厚が薄い場合の膜剥離の様子を示した写真である。図5(b)は、図5(a)の拡大写真である。It is the photograph which showed the mode of film | membrane peeling in case a film thickness is thin. FIG. 5B is an enlarged photograph of FIG. アイアニングパンチの使用前と16000ショット後の写真である。図6(b)は使用後の写真であって、使用前の図6(a)の部分拡大写真である。It is a photograph before using the ironing punch and after 16000 shots. FIG. 6B is a photograph after use, and is a partially enlarged photograph of FIG. 6A before use. アイアニング加工後のアルミニウム板のカラー内面の様子を示した写真である。図7(a)は、本発明のアイアニング加工後の写真であり、図7(b)は、条件の外れるDLC膜を施した金型による加工後の写真である。It is the photograph which showed the mode of the color inner surface of the aluminum plate after an ironing process. FIG. 7 (a) is a photograph after the ironing processing of the present invention, and FIG. 7 (b) is a photograph after the processing by the mold having the DLC film out of the condition. 本発明でない金型(膜条件の外れる金型)によるバーリング加工後のアルミニウム板の平面写真と斜めから写した写真である。It is the photograph taken from the diagonal and the plane photograph of the aluminum plate after the burring process by the metal mold | die (metal mold | die from which film | membrane conditions remove | deviate from film conditions) which are not this invention.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の金型を組み込んだ金型装置の平面概略図と側面概略図である。また、図2は、本発明の金型例(ピアスパンチ、バーリングパンチ、アイアニングパンチ、アイアニングダイ)を示した図である。なお、図2において、アイアニングパンチは中心軸に沿った断面図として表示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic plan view and a schematic side view of a mold apparatus incorporating the mold of the present invention. FIG. 2 is a view showing an example of a mold according to the present invention (piercing punch, burring punch, ironing punch, ironing die). In FIG. 2, the ironing punch is shown as a cross-sectional view along the central axis.

図1に示したように、金型装置100には、ピアシング部110、バーリング部120、アイアニング部130、リフレア部140が設けられて、下型101は固定され、上型102が上下運動する。アルミニウム板Aは、左から移送され、順次、ピアシング部110ではピアシング加工、バーリング部120ではバーリング加工、アイアニング部130ではアイアニング加工、リフレア部140ではリフレア加工される。   As shown in FIG. 1, the mold apparatus 100 is provided with a piercing unit 110, a burring unit 120, an ironing unit 130, and a flaring unit 140, the lower mold 101 is fixed, and the upper mold 102 moves up and down. The aluminum plate A is transported from the left and sequentially subjected to piercing processing in the piercing section 110, burring processing in the burring section 120, ironing processing in the ironing section 130, and flaring processing in the flaring section 140.

それぞれの加工部では、図2に示したパンチやダイが複数列にわたり植設されており、また、それぞれアルミニウム板Aが次の加工部に移送された時に目が合うように配列を同一としている。各加工部におけるパンチおよびダイの本数は限定されないが、たとえば、一加工部あたり、50本〜200本とすることができる。また、上型102の上下運動速度(ショット回数)は、一分間に200〜400回とすることができる。   In each processing part, the punches and dies shown in FIG. 2 are planted in a plurality of rows, and the arrangement is the same so that the eyes meet each other when the aluminum plate A is transferred to the next processing part. . The number of punches and dies in each processed portion is not limited, but can be, for example, 50 to 200 per processed portion. Further, the vertical movement speed (number of shots) of the upper mold 102 can be 200 to 400 times per minute.

なお、図2に示した例では、パンチやダイの内部に中心軸に沿って適宜通水路を設け、水系潤滑剤が供給されるようにしている。   In the example shown in FIG. 2, a water passage is appropriately provided along the central axis inside the punch or die so that the water-based lubricant is supplied.

次に、アイアニングパンチを用い、各種条件を変えてアルミニウム板のアイアニング加工をおこない評価をおこなった。使用した被加工材は、ベア材に樹脂親水被膜を設けた厚み0.1mmアルミニウム板(KS−176:神戸製鋼社製)である。   Next, an ironing punch was used, and various conditions were changed, and an aluminum plate was ironed and evaluated. The used work material is a 0.1 mm thick aluminum plate (KS-176: manufactured by Kobe Steel Co., Ltd.) in which a bare resin material is provided with a hydrophilic resin film.

金型大きさは、図2に示したものと同様とした。
金型の素材は、粉末高速度工具鋼(HAP40:日立金属社製)とした。
なお、事前検討で、水系潤滑剤を用いた場合には、数ショットでアルミニウムが金型に凝着してしまうことがわかったので、以降ではDLC膜の条件を検討することとした。また、使用した潤滑剤は一般水道水を塩素、酸素、不純物等を除去する処理装置に通した水に(竹本油脂製:製品名フィントニック)を水50:フィントニック1の割合で添加した水を用いた。
The mold size was the same as that shown in FIG.
The material of the mold was powder high-speed tool steel (HAP40: manufactured by Hitachi Metals).
In addition, as a result of preliminary investigation, it was found that when an aqueous lubricant was used, aluminum adhered to the mold in a few shots. Therefore, the conditions of the DLC film were examined hereinafter. In addition, the lubricant used was a tap water that was passed through a treatment device that removes chlorine, oxygen, impurities, etc. (taken by Takemoto Yushi: product name Fintonic) at a ratio of 50: fintonic 1. Was used.

なお、DLC膜は、フィルタードアークイオンプレーティングにより基材に成膜することとし、成膜条件を調整し、密度が3.0g/cm以上3.4g/cm以下、ナノインデンテーション硬さが40GPa以上100GPa以下、となるようにした。これは、特許文献1にも開示される条件であり、DLCすなわち、ダイヤモンド構造となる共有結合の程度を示すものである。なお、ダイヤモンドの密度は3.52であり、3.4g/cm3としたのは到達限界である。硬さの上限100GPaとしたのも同様である。
た。
The DLC film is formed on the substrate by filtered arc ion plating, the film forming conditions are adjusted, the density is 3.0 g / cm 3 or more and 3.4 g / cm 3 or less, and the nanoindentation hardness is set. It was made to become 40 GPa or more and 100 GPa or less. This is a condition disclosed also in Patent Document 1, and indicates the degree of covalent bonding that results in DLC, that is, a diamond structure. The density of diamond is 3.52, and it is the reach limit that it is 3.4 g / cm 3. The same applies to the upper limit of hardness of 100 GPa.
It was.

<実験1>
まず、DLC膜を形成する前の基材自体の表面の算術平均粗さRaと最大高さRzを種々異ならせて金型を作成した。これにDLC膜を付けて、数ショットのアイアニング加工をおこなって、膜剥離の有無を調べた。結果(基材のRa、Rzと膜剥離との関係)を表1に示した。表から、基材自体の表面が平滑(算術平均粗さが0.03μm以下、最大高さが0.20μm以下)でないとDLC膜が剥離し、カジリが生じることがわかった。なお、図3に、表面凹凸(研磨スジ)由来の剥離の様子を示した。また、アイアニングダイのカジリの例を図4に示した。

数ショットのアイアニング加工をおこなって、膜剥離の有無を調べた。
<Experiment 1>
First, dies were prepared by varying the arithmetic average roughness Ra and the maximum height Rz of the surface of the base material itself before forming the DLC film. A DLC film was attached to this, and several shots of ironing were performed, and the presence or absence of film peeling was examined. The results (relationship between Ra and Rz of the substrate and film peeling) are shown in Table 1. From the table, it was found that if the surface of the substrate itself was not smooth (the arithmetic average roughness was 0.03 μm or less and the maximum height was 0.20 μm or less), the DLC film was peeled off and galling occurred. In addition, in FIG. 3, the mode of peeling derived from surface irregularities (polishing streaks) is shown. FIG. 4 shows an example of an ironing die.

Several shots of ironing were performed to examine the presence or absence of film peeling.

Figure 2012066285
Figure 2012066285

なお、基材の凸部分のDLC膜の厚みは相対的に若干薄く、凹部分の厚みは相対的に若干厚くなる傾向があるものの、ほぼ基材表面に追従した膜が形成されるため、DLC膜も、以降では表面の算術平均粗さを0.03μm以下、最大高さを0.20μm以下とすることとした。 In addition, although the thickness of the DLC film of the convex part of the substrate is relatively slightly thin and the thickness of the concave part tends to be relatively slightly thick, a film that substantially follows the surface of the substrate is formed. Hereinafter, the arithmetic mean roughness of the surface was set to 0.03 μm or less and the maximum height was set to 0.20 μm or less.

<実験2>
次に、DLC膜に混入するドロップレットの個数(欠陥密度)と、膜剥離との関係を調べた。用いたアイアニングパンチ(試験金型)は、同ロットとして作成し、実験1の結果を受けて、基材の算術平均粗さを0.03μm以下、最大高さを0.20μm以下とし、DLC膜の表面の算術平均粗さも0.03μm以下、最大高さも0.20μm以下とした。数ショットのアイアニング加工をおこなって、膜剥離の有無を調べた。結果を表2に示した。表から、DLC膜の表面の欠陥密度は10個/mm以下が好ましいことがわかった。
<Experiment 2>
Next, the relationship between the number of droplets (defect density) mixed in the DLC film and film peeling was examined. The used ironing punch (test die) was prepared as the same lot, and based on the result of Experiment 1, the arithmetic average roughness of the base material was 0.03 μm or less, the maximum height was 0.20 μm or less, and DLC The arithmetic mean roughness of the film surface was also 0.03 μm or less, and the maximum height was also 0.20 μm or less. Several shots of ironing were performed to examine the presence or absence of film peeling. The results are shown in Table 2. From the table, it was found that the defect density on the surface of the DLC film is preferably 10 pieces / mm 2 or less.

なお、試験金型2−4は磁場による偏向フィルターを用いて成膜し、試験金型2−3は磁場による90度偏向フィルターを用いて成膜し、試験金型2−2は磁場による90度偏向フィルターとオリフィスを用いて成膜し、試験金型2−1は磁場による90度偏向フィルターとオリフィスを用いイオン飛行距離を試験金型2−2よりも10mm遠ざけて成膜したものである。   The test mold 2-4 is formed using a magnetic field deflection filter, the test mold 2-3 is formed using a magnetic field 90 degree deflection filter, and the test mold 2-2 is formed using a magnetic field. The test mold 2-1 is formed by using a 90-degree deflection filter and an orifice with a magnetic field and keeping the ion flight distance 10 mm away from the test mold 2-2. .

Figure 2012066285
Figure 2012066285

なお、ドロップレットはSEMにより測定した。ドロップレットの直径は、大きいものがおよそ1[μm]であった。   The droplets were measured by SEM. The diameter of the droplet was approximately 1 [μm].

<実験3>
次に、DLCの膜厚と膜剥離との関係を調べた。用いたアイアニングパンチは、同ロットとして作成し、実験1および実験2の結果を受けて、基材の算術平均粗さを0.03μm以下、最大高さを0.20μm以下とし、DLC膜も基材の算術平均粗さを0.03μm以下、最大高さを0.20μm以下、欠陥密度を10個/mm以下とした。数ショットのアイアニング加工をおこなって、膜剥離の有無を調べた。結果を表3に示した。表から、DLC膜の膜厚は、0.2μm以上0.6μm以下が好ましいことがわかった。
<Experiment 3>
Next, the relationship between the film thickness of DLC and film peeling was examined. The ironing punch used was prepared as the same lot, and based on the results of Experiment 1 and Experiment 2, the arithmetic average roughness of the substrate was 0.03 μm or less, the maximum height was 0.20 μm or less, and the DLC film was The arithmetic average roughness of the substrate was 0.03 μm or less, the maximum height was 0.20 μm or less, and the defect density was 10 / mm 2 or less. Several shots of ironing were performed to examine the presence or absence of film peeling. The results are shown in Table 3. From the table, it was found that the thickness of the DLC film is preferably 0.2 μm or more and 0.6 μm or less.

Figure 2012066285
Figure 2012066285

なお、表にも示したように、膜厚に応じて金型表面色が異なり、0.2μm未満では黄みがかり、0.2μm〜0.6μmでは緑〜濃青色であり、0.6μmを超えると濃緑〜黒である。図5に、膜厚が0.1μmのアイアニングパンチのショット後の様子を示した。図から明らかなように、膜厚が薄いと各所に剥離がみられる。一方、膜厚が0.6μmを超えると膜が剥離する傾向にあった。   As shown in the table, the surface color of the mold varies depending on the film thickness, yellowing occurs when the thickness is less than 0.2 μm, green to dark blue when 0.2 μm to 0.6 μm, and 0.6 μm. If it exceeds, it is dark green to black. FIG. 5 shows a state after a shot of an ironing punch having a film thickness of 0.1 μm. As is apparent from the figure, peeling occurs at various places when the film thickness is thin. On the other hand, when the film thickness exceeded 0.6 μm, the film tended to peel off.

以上より、水系潤滑剤を用いてアルミニウム板またはアルミニウム合金板をピアシング加工する金型表面のDLC膜(実質的に水素を含まないDLC膜)は、
・密度は3.0g/cm以上3.4g/cm以下、
・ナノインデンテーション硬さが40GPa以上100GPa以下、
・算術平均粗さRaが0.03μm以下、
・最大高さRzが0.20μm以下、
・表面の欠陥密度が10個/mm以下、
・膜厚が0.2μm以上0.6μm以下、
とした条件であるものが好適であることがわかった。このとき、DLC膜を形成する前の基材自体の表面の算術平均粗さRaも0.03μm以下、最大高さRzも0.20μm以下とすることが好ましいことが確認できた。
From the above, the DLC film on the surface of the mold that pierces the aluminum plate or the aluminum alloy plate using a water-based lubricant (a DLC film that substantially does not contain hydrogen)
The density is 3.0 g / cm 3 or more and 3.4 g / cm 3 or less,
-Nanoindentation hardness is 40 GPa or more and 100 GPa or less,
-Arithmetic average roughness Ra is 0.03 μm or less,
-Maximum height Rz is 0.20 μm or less,
-The surface defect density is 10 pieces / mm 2 or less,
-The film thickness is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less,
It was found that the conditions described above were suitable. At this time, it was confirmed that the arithmetic average roughness Ra of the surface of the base material itself before forming the DLC film is preferably 0.03 μm or less and the maximum height Rz is preferably 0.20 μm or less.

上記のそれぞれの実験は、数ショットの加工による評価であるので、最後に、耐久性を調べた。上記の条件をすべて満たすDLC膜をアイアニングパンチ、アイアニングダイ、ピアスパンチ、ピアスダイ、バーリングパンチ、バーリングダイ、バーリングパンチ、バーリングダイにそれぞれ施し、図1に示した装置により、アルミニウム板を加工した。その結果、16000ショットおこなっても膜剥離が生じないことを確認した。図6に使用前後のアイアニングパンチの写真を示す。図示したように、全く剥離は生じず、ショット前とショット後の金型は平滑そのものであり、外観上変化は認められなかった。   Since each of the above experiments is an evaluation by processing several shots, lastly, durability was examined. A DLC film satisfying all the above conditions was applied to an ironing punch, an ironing die, a piercing punch, a piercing die, a burring punch, a burring die, a burring punch, and a burring die, and an aluminum plate was processed by the apparatus shown in FIG. . As a result, it was confirmed that film peeling did not occur even after 16000 shots were performed. FIG. 6 shows photographs of the ironing punch before and after use. As shown in the figure, no peeling occurred, the mold before and after the shot was smooth, and no change in appearance was observed.

また、図7は、アイアニング加工後のアルミニウム板のカラー内面の様子を示した写真である。図7(a)は、本発明のアイアニング加工後の写真であり、図7(b)は、条件の外れるDLC膜を施した金型による加工後の写真である。本発明の金型ではカラー内面が鏡面のように平滑であるのに対し、本発明でない金型(膜条件の外れる金型)では、カラー内面がくもりエッジが変形していて製品品質が劣ることが確認できる。   FIG. 7 is a photograph showing the appearance of the color inner surface of the aluminum plate after the ironing process. FIG. 7 (a) is a photograph after the ironing processing of the present invention, and FIG. 7 (b) is a photograph after the processing by the mold having the DLC film out of the condition. In the mold of the present invention, the inner surface of the collar is as smooth as a mirror surface, whereas in the mold not according to the present invention (the mold out of film conditions), the inner surface of the collar has a cloudy edge and the product quality is inferior. Can be confirmed.

なお、図8は、本発明でない金型(膜条件の外れる金型)によるバーリング加工後のアルミニウム板の平面写真と斜めから写した写真である。カジリ等に由来するスジが広げられ割れが生じていることが確認できる。一方、図示は省略するが、本発明の金型はこのような割れは生じないことを確認した。   FIG. 8 is a plan photograph and an oblique photograph of an aluminum plate after burring processing using a mold that is not the present invention (a mold that deviates from film conditions). It can be confirmed that streaks derived from galling or the like are widened and cracked. On the other hand, although illustration is omitted, it was confirmed that such a crack does not occur in the mold of the present invention.

以上の例は、金型素材を粉末高速度工具鋼としたものであるが、超硬合金に上記条件のDLC膜を形成した金型でも同様であった。なお、超硬合金の例としては微粒超硬合金または超微粒超硬合金に分類される超硬合金を挙げることができる。   In the above example, the mold material is powder high-speed tool steel, but the same is true for a mold in which a DLC film having the above conditions is formed on a cemented carbide. In addition, as an example of a cemented carbide, the cemented carbide classified into a fine grain cemented carbide alloy or an ultrafine grained cemented carbide alloy can be mentioned.

本発明は、フィン加工のみならず製缶ラインにも適用可能である。アルミニウム板表面を円滑に変形加工できるので、封入物(内容物)に応じて塗り分けられるコーティングが被膜されたアルミ板を加工変形してコーティング剥離のない製缶も可能である。
The present invention is applicable not only to fin processing but also to a can manufacturing line. Since the surface of the aluminum plate can be smoothly deformed, it is possible to produce a can without any peeling of the coating by processing and deforming an aluminum plate coated with a coating that is applied in accordance with the inclusion (content).

Claims (4)

アルミニウム板またはアルミニウム合金板を、水系潤滑剤を用いてピアシング加工、バーリング加工、アイアニング加工、または、リフレア加工するための金型であって、
金型の表面に、実質的に水素を含まないDLC膜を形成し、
当該DLC膜を、
密度は3.0g/cm以上3.4g/cm以下、
ナノインデンテーション硬さが40GPa以上100GPa以下、
算術平均粗さが0.03μm以下、
最大高さが0.20μm以下、
表面の欠陥密度が10個/mm以下、
としたことを特徴とする金型。
A mold for piercing, burring, ironing, or flaring an aluminum plate or an aluminum alloy plate using an aqueous lubricant,
Forming a DLC film substantially free of hydrogen on the surface of the mold;
The DLC film is
The density is 3.0 g / cm 3 or more and 3.4 g / cm 3 or less,
Nanoindentation hardness is 40 GPa or more and 100 GPa or less,
Arithmetic mean roughness is 0.03 μm or less,
The maximum height is 0.20 μm or less,
The defect density of the surface is 10 pieces / mm 2 or less,
Mold characterized by that.
DLC膜を形成する前の基材自体の表面の算術平均粗さを0.03μm以下、最大高さを0.20μm以下としたことを特徴とする請求項1に記載の金型。   2. The mold according to claim 1, wherein the arithmetic average roughness of the surface of the base material itself before forming the DLC film is 0.03 [mu] m or less, and the maximum height is 0.20 [mu] m or less. DLC膜の膜厚を0.2μm以上0.6μm以下としたことを特徴とする請求項1または2に記載の金型。   3. The mold according to claim 1, wherein the DLC film has a thickness of 0.2 μm to 0.6 μm. 基材を粉末高速度工具鋼または超硬合金としたことを特徴とする請求項1、2または3に記載の金型。
4. The mold according to claim 1, 2, or 3, wherein the base material is powder high-speed tool steel or cemented carbide.
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