JP2012223873A - 金型表面の仕上げ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金型表面の仕上げ加工を容易にする。
【解決手段】この金型表面の仕上げ加工方法は、切削加工により形成された金型表面に対して仕上げ加工を施す方法であって、面粗し処理と、面戻し処理と、を備えている。面粗し処理は、切削加工後の金型表面に第１処理条件で投射材を投射し、金型表面を、切削加工により形成された凹凸よりも粗い凹凸状にする。面戻し処理は、面粗し処理によって粗い凹凸が形成された金型表面に対して第２処理条件で投射材を投射して、金型表面の表面粗さを面粗し処理前の粗さに近づける。
【選択図】図４

Description

本発明は、金型表面の仕上げ加工方法、特に、切削加工された金型表面に生じた加工段差を抑えるための仕上げ加工方法に関する。

金型はエンドミル等による切削によって所望の形状に加工される。この後、面粗度を向上させるために、また切削時に生じた加工段差をなくすために、表面の仕上げ加工が施される。

金型表面の仕上げ加工装置として、例えば、特許文献１に記載された装置が提案されている。この装置では、切削により所望の形状に加工された金型の表面に対して、まず小粒径の第１粉末が噴射され、その後大粒径の第２粉末が噴射されるように構成されている。このような仕上げ加工により、第２粉末によるショットブラスト時に第１粉末がクッションとして作用し、第１粉末が付着しない突起部だけが第２粉末によるショットブラストで除去される。

また、特許文献２に示すようなエアロラップ処理を用いて金型表面を研磨することも行われている。

特開平５−２３９７２号公報 特開２００９−０９０５９５号公報（段落００３２参照）

ここで、切削加工によって金型を製作する場合、工具による加工段差が金型表面に形成される。この加工段差としては、工具の移動が停止したときに生じる段差（工具停止段差）、及びある工具で加工した領域と別の工具で加工した領域との境界部に生じる段差（工具間段差）がある。

ここでは、特に工具停止段差が生じるメカニズムの一例を、図１を用いて説明する。図１において、金型１は工具２をP方向に移動することによって切削加工される。このとき、工具２は、切削抵抗によって、図１（ａ）に示すように撓んだ状態を維持しながら移動する。そして、図１（ｂ）に示すように、工具２の移動が停止すると、切削抵抗が大幅に低下するために撓みが解消され、工具２が金型１へ食い込むことになる。この食い込みによって段差（図１（ｂ）の領域Ａ）が発生する。

以上のようにして形成される加工段差を除去するためには、特許文献２に示されるようなエアロラップ処理を行うことが考えられる。しかし、エアロラップ処理によって加工段差を除去するためには、非常に長い処理時間が必要であり、現実的ではない。また、仮に長時間の処理を行ったとしても、前述のような加工段差を確実に除去することは困難である。そこで、現状では、金型を切削によって所望の形状に加工した後、手作業により仕上げ加工を行っている。このため、仕上げ加工の自動化が望まれている。

本発明の課題は、金型表面の仕上げ加工を容易にすることにある。

第１発明に係る金型表面の仕上げ加工方法は、切削加工により形成された金型表面に対して仕上げ加工を施す方法であって、面粗し処理と、面戻し処理と、を備えている。面粗し処理は、切削加工後の金型表面に対して第１処理条件で投射材を投射し、金型表面を、切削加工により形成された凹凸よりも粗い凹凸状にする。面戻し処理は、面粗し処理によって粗い凹凸が形成された金型表面に対して第２処理条件で投射材を投射し、金型表面の表面粗さを面粗し処理前の粗さに近づける。

ここでは、切削加工によって得られた金型の表面に対して、まず面粗し処理を実行する。前述のように、従来の加工方法では、切削によって金型表面に生じた加工段差を、主に手作業によって除去している。しかし、本発明の方法では、切削加工後の金型表面に対して第１処理条件で投射材を投射し、逆に表面粗さを大きくしている。この面粗し処理によって、金型表面には、より鋭いエッジを含む凹凸が形成され、工具停止段差及び工具間段差を含む加工段差が形成されている部分も、他の部分と同様に塑性変形させられる。このため、加工段差が形成されている部分も含めた金型表面全体が、より大きな表面粗さで均一化される。そして、面粗し処理を行った後に、面戻し処理を実行し、金型の表面荒さを面粗し処理前の粗さに近づけている。

以上のような処理によって、金型表面において加工段差が形成された部分は、他の部分と同様の面粗さになる。すなわち、この時点で、加工段差が形成されていた部分は、他の部分の面粗さと同程度になる。したがって、以上の処理の後工程として仕上げ処理を実行すれば、加工段差のない所望の表面粗さの金型を得ることができる。このため、金型表面を、手作業による仕上げ加工をすることなく、比較的短時間に加工段差のない所望の表面粗さにすることができる。

第２発明に係る金型表面の仕上げ加工方法は、第１発明の仕上げ加工方法において、面戻し処理で面粗し処理前の表面粗さに近づいた金型表面に対して、第３処理条件で投射材を投射し、金型表面を面粗し処理前の粗さにする安定化処理をさらに備えている。

安定化処理を行うことによって、加工段差がなく、しかも面粗し処理前の表面粗さを有する金型表面にすることができる。

第３発明に係る金型表面の仕上げ加工方法は、第１又は第２発明の仕上げ加工方法において、面戻し処理された金型表面に研磨加工を施す仕上げ処理をさらに備えている。

ここでは、前述のように、面粗し処理及び面戻し処理、あるいは面粗し処理、面戻し処理及び安定化処理によって、金型表面を加工段差のない均一の粗さにできるので、後工程として通常の仕上げ処理を行えば、金型表面全体を所望の表面粗さにすることができる。

第４発明に係る金型表面の仕上げ加工方法は、第１から第３発明のいずれかの仕上げ加工方法において、面粗し処理及び面戻し処理の少なくともいずれかは、同じ投射材を異なる投射圧力で投射する複数の工程を含み、複数の工程では段階的に投射圧力が低く設定される。

金型表面に対して、同じ投射材を同じ投射条件で投射すると、仕上げ結果が収束する。すなわち、ある程度の時間だけ処理すると、それ以上の時間をかけて処理しても、表面粗さをそれ以上小さくすることは困難になる。

そこで、この発明では、面粗し処理及び面戻し処理の少なくともいずれかにおいて、同じ投射材を用いて段階的に投射圧力を低くして処理を行う複数の工程を含んでいる。この方法によって、効率的に徐々に金型の表面粗さを面粗し処理前の粗さに戻すことができる。

第５発明に係る金型表面の仕上げ加工方法は、第２発明の仕上げ加工方法において、安定化処理は、同じ投射材を異なる投射圧力で投射する複数の工程を含み、複数の工程では段階的に投射圧力が低く設定される。

ここでは、第４発明と同様に、効率的に徐々に金型の表面粗さを面粗し処理前の粗さに戻すことができる。

第６発明に係る金型表面の仕上げ加工方法は、第１から第５発明のいずれかの仕上げ加工方法において、面粗し処理は、第１アークハイト値の第１投射材を第１投射圧力で金型表面に投射する工程を含む。また、面戻し処理は、第１投射材を第１投射圧力より低い第２投射圧力で金型表面に投射する工程と、第１アークハイト値より小さい第２アークハイト値の第２投射材を所定の投射圧力で金型表面に投射する工程と、を含む。

ここでは、まず、アークハイト値の大きい第１投射材を用いて面粗し処理が実行される。この処理によって、金型表面には鋭いエッジを含む凹凸が形成され、切削加工によって形成された加工段差を含めて金型全体の表面粗さが、切削加工直後の表面粗さより大きくなる。このため、加工段差が目立たなくなり、金型の表面粗さは大きくなるが、均一化されることになる。この後、第１投射材が第１投射圧力より低い第２投射圧力で金型表面に投射され、その後、第１投射材よりアークハイト値の小さい第２投射材が金型表面に投射される。これにより、金型表面のエッジが抑えられ、徐々に表面粗さが小さくなっていく。そして、面粗し処理前の切削直後の表面粗さに近づく。

第７発明に係る金型表面の仕上げ方法は、第６発明の仕上げ加工方法において、面戻し処理は、第１投射材を段階的に投射圧力を低くして投射する複数の工程と、第２投射材を段階的に投射圧力を低くして投射する複数の工程と、を含む。

ここでは、面戻し処理は、種類の異なる投射材を用いて投射する複数の工程を含んでおり、各工程では段階的に投射圧力を低くしている。これにより、金型表面の粗さをよりスムーズに均一化することができる。

第８発明に係る金型表面の仕上げ加工方法は、第７発明の仕上げ加工方法において、安定化処理は、第２アークハイト値より小さい第３アークハイト値の第３投射材を段階的に投射圧力を低くして投射する複数の工程を含む。

ここでは、第７発明と同様に、金型表面の粗さをよりスムーズに均一化することができる。

以上のように本発明では、金型表面の仕上げ加工を容易にすることができる。特に、切削加工時に形成された工具による加工段差を、手作業によることなく除去することができる。

工具停止による加工段差のメカニズムを説明するための図。 切削加工直後の金型表面の一部断面を模式的に示す図。 本発明の一実施形態による面粗し処理後の金型表面の一部断面を模式的に示す図。 本発明の一実施形態による仕上げ加工方法の処理別加工時間と表面粗さの関係を示す図。 本発明の一実施形態による仕上げ加工方法と従来の仕上げ加工方法とを比較して示す図。

図２は、切削加工後の金型１の表面の一部を拡大して模式的に示した断面図である。この図２に示すように、また図１で説明したように、切削加工直後の金型表面には、一部に工具を停止したことによる工具停止段差、あるいは工具を交換したことによる工具間段差を含む加工段差Ａが形成されている。そして、このような加工段差を除去するためには、従来では手作業による仕上げ加工が必要になる。

そこでこの実施形態では、まず、面粗し処理によって、金型１の表面を、図３に示すように、切削加工により形成された凹凸よりも粗い凹凸状にする。この図３は、面粗し処理後の金型１の表面の一部を拡大して模式的に示した断面図である。また、切削加工直後の加工段差が面粗し処理によって塑性変形させられた部分をＡで示している。

以上のような面粗し処理を行った後に、面戻し処理及び安定化処理によって、金型表面の表面粗さを面粗し処理前の、すなわち切削加工直後の粗さにする。これらの各処理について、図４を用いて詳細に説明する。図４は、時間（各処理）と金型表面粗さとの関係を実線で示したものである。また、図４の破線は、各工程における投射圧力を示している。なお、図４では、一例として、第１工程から第１３工程までの処理によって、金型表面の仕上げを行う場合を示している。また、この例では、面粗し処理、面戻し処理、及び安定化処理の各工程は、それぞれ数十秒間であり、同じ時間である。

［面粗し処理］
図４における第１工程が面粗し処理に対応している。この面粗し処理（第１工程）では、第１アークハイト値の第１投射材を用いて処理が行われる。第１投射材は、面粗し処理、面戻し処理、及び安定化処理（第１〜第１１工程）の全工程を通じて、もっとも大きいアークハイト値を有する投射材である。また、投射圧力は第１圧力に設定されている。この面粗し処理では、図３に示すように、金型表面に大きな鋭いエッジや溝が形成され、金型表面が大きく塑性変形を受けることになる。例えば、金型１の表面粗さは、切削加工直後の表面粗さの約３倍にまで大きくなる。ここでは、加工段差Ａは存在しているが、他の表面が大きく塑性変形されることになるので、加工段差Ａは目立たなくなっている。すなわち、金型表面全体としては、切削加工直後より、より粗い面で均一化されている。

［面戻し処理］
図４における第２〜第７工程が面戻し処理に対応している。この例では、第１及び第２面戻し処理が実行される。

第１面戻し処理は第２及び第３工程である。これらの工程では、面粗し処理と同様の第１投射材を用いて、それぞれ第２圧力及び第３圧力でショットブラスト加工が行われる。第２圧力は第１圧力よりも低く、第３圧力は第２圧力よりも低い。すなわち、投射圧力を段階的に低くしている。これにより、図４に示すように、表面粗さは徐々に低くなる。各工程では、各工程での処理時間以上、同様の投射条件で処理を行っても表面粗さは改善されず、収束している。

第２面戻し処理は第４〜第７工程である。これらの工程では、第１投射材のアークハイト値より小さい第２アークハイト値の第２投射材が用いられる。投射圧力は、第４工程がもっとも高く、第７工程に向かって段階的に低くなっている。すなわち、第１戻処理と同様に、各工程での処理時間以上、同様の投射条件で処理を行っても表面粗さは改善されず、収束している。このため、段階的に投射圧力を低くして処理を行うようにしている。この第２面戻し処理では、第２アークハイト値の第２投射材を使用することで、面粗し処理で形成されたエッジが除去され、レベリングされる。ここでは、第１面戻し処理に比較して表面粗さが低くなる度合いが遅くなっている（傾斜が緩くなっている）が、確実に切削加工直後の表面粗さに近づくことになる。

［安定化処理］
以上の面戻し処理によって、金型表面は、面粗し処理前の、すなわち切削加工直後の表面粗さに近づく。そこで、面戻し処理の後に安定化処理を行って、金型表面の粗さを面粗し処理前の粗さに戻すようにしている。

安定化処理は第８〜第１１工程である。これらの工程では、第２投射材のアークハイト値より小さい第３アークハイト値の第３投射材が用いられる。また、投射圧力は、第８工程がもっとも高く、第１１工程に向かって段階的に低くなっている。ここでも、前記同様に、各工程で表面粗さの値が収束し始めると、投射圧力を低くして次の工程に移行するようにしている。この安定化処理では、よりアークハイト値の小さい第３投射材を使用することで、金型表面の粗さは、より低いレベルで均一化されることになる。また、第２面戻し処理に比較して表面粗さが低くなる度合いが遅くなっている（傾斜が緩くなっている）が、確実に切削加工直後の表面粗さに近づき、第１１工程の終了時点では、切削加工直後の表面粗さと同じ表面粗さになる。

以上のような面粗し処理、面戻し処理、及び安定化処理によって、金型表面の加工段差は除去され、また金型表面は切削加工直後の表面粗さと同じ表面粗さになる。

［仕上げ処理］
以上の各処理を行った後、金型１の表面を研磨する処理を行う。この例では、第１２及び第１３工程が仕上げ処理である。この仕上げ処理では、第１研磨材で研磨処理が実行され、その後第１研磨材より硬度が低いまたは同等で、かつ粒径の小さい第２研磨材を用いて研磨処理が実行される。

［特徴］
ここでは、切削加工によって得られた金型１の表面に対して、まず面粗し処理を実行し、切削加工時の金型表面の表面粗さをいったん大きくしている。その後、面戻し処理及び安定化処理によって金型表面を切削加工直後の表面粗さと同じ表面粗さに戻している。このような処理によって、切削加工によって形成された加工段差を、比較的短時間の処理で効果的に除去することができる。

また、面戻し処理及び安定化処理では、それぞれ投射圧力を段階的に低くして処理を行っているので、金型表面を効率的に均一化することができる。

図５（ａ）に切削後の金型表面の写真を、同図（ｂ）に従来の弾性メディアを用いて研磨処理した金型表面の写真を、同図（ｃ）に本発明の一実施形態によって処理した金型表面の写真を示している。これらの図から明らかなように、本実施形態の処理によって、加工段差を除去することができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

１ 金型
２ 工具
Ａ 工具による加工段差

Claims (8)

1. 切削加工により形成された金型表面に対して仕上げ加工を施す方法であって、
   切削加工後の金型表面に対して第１処理条件で投射材を投射し、前記金型表面を、切削加工により形成された凹凸よりも粗い凹凸状にする面粗し処理と、
   前記面粗し処理によって粗い凹凸が形成された金型表面に対して第２処理条件で投射材を投射し、前記金型表面の表面粗さを面粗し処理前の粗さに近づける面戻し処理と、
   を備えた金型表面の仕上げ加工方法。
2. 前記面戻し処理で面粗し処理前の表面粗さに近づいた金型表面に対して、第３処理条件で投射材を投射し、前記金型表面を前記面粗し処理前の粗さにする安定化処理をさらに備えた、請求項１に記載の金型表面の仕上げ加工方法。
3. 前記面戻し処理された前記金型表面に研磨加工を施す仕上げ処理をさらに備えた、請求項１又は２に記載の金型表面の仕上げ加工方法。
4. 前記面粗し処理及び前記面戻し処理の少なくともいずれかは、同じ投射材を異なる投射圧力で投射する複数の工程を含み、前記複数の工程では段階的に投射圧力が低く設定される、請求項１から３のいずれかに記載の金型表面の仕上げ加工方法。
5. 前記安定化処理は、同じ投射材を異なる投射圧力で投射する複数の工程を含み、前記複数の工程では段階的に投射圧力が低く設定される、請求項２に記載の金型表面の仕上げ加工方法。
6. 前記面粗し処理は、第１アークハイト値の第１投射材を第１投射圧力で金型表面に投射する工程を含み、
   前記面戻し処理は、前記第１投射材を前記第１投射圧力より低い第２投射圧力で金型表面に投射する工程と、前記第１アークハイト値より小さい第２アークハイト値の第２投射材を所定の投射圧力で金型表面に投射する工程と、を含む、
   請求項１から５のいずれかに記載の金型表面の仕上げ方法。
7. 前記面戻し処理は、前記第１投射材を段階的に投射圧力を低くして投射する複数の工程と、前記第２投射材を段階的に投射圧力を低くして投射する複数の工程と、を含む、請求項６に記載の金型表面の仕上げ加工方法。
8. 前記安定化処理は、前記第２アークハイト値より小さい第３アークハイト値の第３投射材を段階的に投射圧力を低くして投射する複数の工程を含む、請求項７に記載の金型表面の仕上げ加工方法。