JP2014205317A - 樹脂成形用の金型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張率が比較的小さい金型であって、厚みを比較的薄くすることができると共に、製造コストを抑える。
【解決手段】ＣＦＲＰ等の樹脂成型用の金型１は、裏面側に配置された裏金層２と、その裏金層２の表面部に設けられた合金めっき層３とを一体に有する。裏金層２は、インバー合金（Ｆｅ−３６％Ｎｉ）から鋳造により形成される。合金めっき層３は、ニッケル−鉄合金（Ｎｉ−２０％Ｆｅ）からなり、裏金層２の表面全体に合金めっきを施すことにより形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＦＲＰ材料によるオートクレーブ成形やＲＩＭ成形等に用いられる樹脂成形用の金型及びその製造方法に関する。

例えばＦＲＰ材料（特にＣＦＲＰ材料）からオートクレーブ成形やＲＩＭ成形により三次元形状の成形品を成形するために用いられる金型の材質としては、成形品の高い寸法精度を得るために、熱膨張率の低い金属材料を用いることが求められる。この種の低熱膨張率の金属材料としては、インバー合金（Ｆｅ−３６％Ｎｉ）が知られている（例えば特許文献１参照）。

一般に、この種インバー合金製の金型は、例えば塊状（板状）の合金材料から、機械加工（切削加工や曲げ加工等）により製造される。ところが、そのような機械加工による金型の製造では、製造コストが高くなる問題点がある。更に、機械加工では、どうしても金型の厚みが大きくなってしまうため、加熱、冷却に時間がかかって成形性に劣り、また、治具による微調整が困難になるといった欠点があった。

特開平８−２６９６１３号公報

ところで、金型の別の製造方法として、電鋳加工を用いることも知られている。しかしながら、電鋳加工による金型の製造には、多大な時間を要しコスト高となる欠点がある。また、厚みの比較的薄い金型を製造するには、鋳造を採用することも考えられる。ところが、鋳造による金型の製造では、表面粗度が粗くなり、また、いわゆる「す」ができやすく、成形時におけるリーク発生の虞があるため、採用されるには至っていなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、厚みを比較的薄くすることができると共に、製造コストを抑えることができる樹脂成形用の金型及びその製造方法を提供するにある。

本発明の樹脂成形用の金型は、金属材料により鋳造された裏金層と、この裏金層の表面部に設けられためっき層とを備えるところに特徴を有する（請求項１の発明）。
本発明の樹脂成形用の金型の製造方法は、裏金層の表面に、めっき層を有して構成される金型を製造するための方法であって、金属材料の鋳造により前記裏金層を形成する鋳造工程と、前記裏金層の表面に、めっき層を形成するめっき工程とを含むところに特徴を有する（請求項３の発明）。

本発明においては、鋳造の工程において、金属材料の鋳造により裏金層が形成され、めっき工程において、裏金層の表面にめっき層が形成される。これにて、金属製の裏金層と、めっき層とを接合させた如き二層構造の金型となる。この場合、鋳造により得られた裏金層は、表面粗度が粗く、いわゆる「す」ができる虞もあるが、その表面は、緻密質であるめっき層により覆われることにより、「す」が埋められるようになる。従って、金型の表面としては、十分に平滑で緻密なものとすることができ、必要な表面粗度や耐リーク性能を得ることが可能となる。

そして、裏金層を形成するための鋳造の工程は、簡単且つ短時間で済み、裏金層自体の厚みも薄くすることができる。また、その表面に形成されるめっき層は、十分に薄く済むので、金型全体として厚みを薄く抑えることができる。尚、裏金層は、鋳造により製造されるので、電着とは異なり、低熱膨張率の材料を採用することができる。めっき層は、裏金層表面にめっきされるものであるから、その接合強度は十分に高いものとなる。

これにより、全体を電着により製作する電鋳加工に比べて、加工時間が短時間で済み、製造コストも安価に済ませることができる。金属材料を機械加工する場合に比べても、製造が容易となる。

本発明においては、上記めっき層を、ニッケル−鉄合金からなる合金めっき層とすることができる（請求項２，４の発明）。ここで、ニッケル−鉄合金は、熱膨張率が、インバー合金に準ずる程度に十分に小さい。従って、めっき層を、ニッケル−鉄合金から構成することにより、金型全体として、熱膨張率を比較的小さく済ませることができる。

本発明の樹脂成形用の金型及びその製造方法によれば、鋳造の工程において、金属材料の鋳造により裏金層を形成し、めっきの工程において、前記裏金層の表面にめっき層を形成するように構成したので、厚みを比較的薄くすることができると共に、製造コストを抑えることができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施例を示すもので、金型の概略的な断面図 金型の斜視図 めっき処理の様子を概略的に示す断面図

以下、本発明を具体化した一実施例について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施例では、例えば航空機の機体外殻を構成する部品等のＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）製の三次元形状の樹脂成型品を、オートクレーブ成形やＲＩＭ成形により成形するための金型に、本発明を適用している。まず、図１及び図２を参照して、本実施例に係る樹脂成型用の金型１の構成について述べる。

この金型１は、図２に示すように、全体として、テーパ面（円錐面）を有するほぼ半円筒状（湾曲板状）に構成されており、図１にも示すように、裏面側に配置された裏金層２と、その裏金層２の表面部に設けられためっき層としての合金めっき層３とを一体に有して構成される。前記裏金層２は、熱膨張率の低い金属材料、例えばインバー合金（Ｆｅ−３６％Ｎｉ）から、後述するように鋳造により形成される。この裏金層２の厚み寸法は、例えば約１５ｍｍとされている。尚、図２に示すように、この裏金層２の裏面側には、接続（治具調整）用の複数個の接続部４が一体に設けられている。

前記合金めっき層３は、ニッケル−鉄合金（例えばＮｉ−２０％Ｆｅ）からなり、後述するように、前記裏金層２の表面全体に合金めっきを施すことにより形成される。この合金めっき層３の厚み寸法は、例えば、０．５〜１．０ｍｍ程度とされている。

尚、図２は、製造された金型１に対して、形状や寸法を微調整するための、治具５を用いた治具調整の様子を示している。金型１は治具５上にセット（載置）され、金型１（裏金層２）の裏面側に設けられた複数個所の接続部４に、治具５のボルト６が夫々接続される。そして、それら各ボルト６を締める、或いは緩めることによって、金型１に対し引張り力、又は押圧力を付与することにより、調整が行われるようになっている。

さて、本実施例における上記金型１の製造方法について、図３も参照して述べる。金型１を製造するにあたっては、まず、鋳造により前記裏金層２を形成する鋳造工程が実行され、その後に、裏金層２の表面にめっきを施して合金めっき層３を形成するめっき工程が実行される。

図示及び詳しい説明は省略するが、そのうち鋳造工程は、裏金層２の形状に対応した鋳型（ダイカスト型）を製作し、その鋳型に溶けたインバー合金を流し込み、冷却硬化させる。そして、インバー合金が硬化した後、鋳型から取出して仕上げ処理（表面研磨等）を行うことにより、裏金層２が得られる。このとき、裏金層２を比較的薄形に形成できることができる。また、鋳造では、比較的複雑な形状が形成可能となり、裏金層２に複数個の接続部４を一体に形成することもできる。

次に、前記めっき工程は、以下のように実行される。図３は、本実施例におけるめっき工程の実行時の様子を概略的に示している。ここで、めっき槽７内には、硫酸ニッケル（又はスルファミン酸ニッケル）を主な組成としてなるニッケル−鉄合金めっき用の周知の電解液８が、所定のｐＨ及び温度に保たれた状態で収容されている。この電解液８中には、硫酸ニッケル（スルファミン酸ニッケル）に加えて、例えば、塩化ニッケル、硫酸第一鉄（スルファミン酸第一鉄）、ほう酸、酸化防止剤、応力減少剤、界面活性剤等が含まれている。

前記めっき槽７内には、この場合ニッケルからなる陽極９が配置されると共に、陰極として前記裏金層２が配置される。このとき、裏金層２に対しては、予め、前処理が施されると共に、図示はしないが、裏面等のめっきを着けたくない部分を絶縁物で覆うマスキングの処理が行われる。そして、前記陽極９と陰極（裏金層２）との間に電源装置１０が接続され、電流が流される。

すると、電解反応により、裏金層２の表面部に、金属が析出（電析）し電着が行なわれる。このとき、合金めっき処理により、鉄がニッケルと共に合金として共析し、裏金層２の表面に電着される電析物は、ニッケル及び鉄を含んだニッケル−鉄合金とされる。この場合、ニッケル−鉄合金中の鉄の割合は、約２０質量％となり、インバー合金（Ｆｅ−３６％Ｎｉ）に比べて、合金中の鉄の割合が比較的少ないものとなる。

前記裏金層２の表面に対する所定厚み（例えば０．５〜１．０ｍｍ）の電着が行なわれることにより、合金めっき層３が形成され、めっき工程が終了される。これにより、インバー合金製の裏金層２の表面部に、ニッケル−鉄合金からなる合金めっき層３を備えた金型１が得られる。洗浄等の後処理の後、得られた金型１に対して、上記したような治具調整（図２参照）が行われ、更にその後、加熱冷却用のパイプの添設や補強などの仕上げ処理が行われる。

このような本実施例の金型１及びその製造方法によれば、次のような作用、効果を得ることができる。即ち、本実施例の金型１では、鋳造により得られた裏金層２は表面粗度が粗く、いわゆる「す」ができる虞もあるが、その表面が、緻密質である合金めっき層３により覆われた如き二層構造とされている。これにより、「す」が合金めっき層３により埋められた形態となり、金型１の表面としては、十分に平滑で緻密なものとすることができる。その結果、樹脂成型用の金型１として必要な表面粗度や耐リーク性能を得ることが可能となる。尚、合金めっき層３は、裏金層２の表面にめっきされるものであるから、その接合強度は十分に高いものとなる。

またこのとき、裏金層２は、鋳造により製造されるので、ニッケルの電鋳加工により形成される金型と異なり、低熱膨張率の材料この場合、インバー合金を採用することができた。一方、合金めっき層３を構成するニッケル−鉄合金は、熱膨張率が、例えばニッケルの電鋳加工により得られたものと比べて十分に小さい。次の表１は、ニッケル−鉄合金（Ｎｉ−２０％Ｆｅ）の合金めっき層と、ニッケル電鋳品との物性を比較したものである。Ｎｉ−２０％Ｆｅの合金めっきでは、ニッケル電鋳品と比べて、線膨張係数が十分に小さく、また、硬度や引張強度にも優れている。

そして、本実施例では、裏金層２を形成するための鋳造工程は、機械加工や電鋳加工と比べて簡単且つ短時間で済み、裏金層２自体の厚みも比較的薄くすることができる。また、その表面に形成される合金めっき層３は、十分に薄く済むので、金型１全体として厚みを薄くすることができる。これにより、全体を電着により製作する電鋳加工に比べて、加工時間が短時間で済み、製造コストも安価に済ませることができる。塊状（板状）の金属材料を機械加工する場合に比べても、製造が容易となる。

ちなみに、次に掲載する表２は、従来例で述べたようなインバー合金の機械加工により形成された金型、本実施例の金型１、ニッケルの電鋳加工により製造された金型、の三者について、特性（製造コスト、製造に要するリードタイム、寸法精度、熱膨張率、ＪＩＧ調整のしやすさ、キャビティ面の表面精度、耐リーク性能、成形品の成形性）を比較したものである。尚、評価は、極めて良好なものを二重丸、良好なものを丸、普通のものを三角、不可のものをかける、で示している。

この表２から理解できるように、本実施例の金型１にあっては、全ての特性について、良好以上の評価が得られている。これに対し、インバー合金の機械加工により形成された金型は、熱膨張率等については良好なものの、製造コストや治具による調整性に劣っている。また、表面精度や成形性についても良好とは言えない。更に、ニッケルの電鋳加工により製造された金型は、製造に要するリードタイムが長く、また熱膨張率が大きくなる欠点を有している。

以上のように、本実施例によれば、熱膨張率が比較的小さい金型１であって、厚みを比較的薄くすることができると共に、製造コストを抑えることができるという優れた効果を得ることができる。

尚、上記した実施例では、裏金層２をインバー合金から構成するようにしたが、裏金層を構成する金属材料としては、インバー合金に限定されるものではなく、熱膨張率の比較的小さい金属材料であれば、同様に実施できる。上記実施例では、合金めっき層を設けるようにしたが、単独の金属（ニッケル等）からめっき層を形成しても良い。合金めっき層を構成するニッケル−鉄合金に関しても、鉄の含有割合をより大きくする（インバー合金に近付ける）と、熱膨張率を抑える点で一層効果的となる。裏金層及びめっき層の材質（組成）に、他の金属や不純物等の微量成分を含んでいても良いことは勿論である。

また、金型の用途についても、ヒート＆クール成形、プレス成型などに用いるものであっても良い。その他、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、例えば、金型の形状、裏金層及びめっき層の厚み寸法の具体的な数値、裏金層とめっき層との厚みのバランス等についても、一つの具体例を示したに過ぎず、様々な変形が可能である等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

図面中、１は金型、２は裏金層、３は合金めっき層（めっき層）を示す。

Claims (4)

1. 金属材料により鋳造された裏金層と、
   この裏金層の表面部に設けられためっき層とを備えることを特徴とする樹脂成形用の金型。
2. 前記めっき層は、ニッケル−鉄合金からなることを特徴とする請求項１記載の樹脂成形用の金型。
3. 裏金層の表面に、めっき層を有して構成される金型を製造するための方法であって、
   金属材料の鋳造により前記裏金層を形成する鋳造工程と、
   前記裏金層の表面に、めっき層を形成するめっき工程とを含むことを特徴とする樹脂成形用の金型の製造方法。
4. 前記めっき工程では、前記裏金層の表面にニッケル−鉄合金めっきを施すことを特徴とする請求項３記載の樹脂成形用の金型の製造方法。
   

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