JP2019042813A - 金型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体経路の壁面を滑らかに研磨することが可能な金型の製造方法を提供する。【解決手段】金型の製造方法は、非磁性金属を用いて構成される金属粉末を積層して焼結することを繰り返して、内部に流体経路２１を有する構造体２を造形する工程と、造形された構造体２から未焼結の金属粉末を除去する工程と、前記未焼結の金属粉末を除去した後、構造体２の流体経路２１の壁面を研磨する工程と、を備える。研磨する工程は、流体経路２１内に磁性体を用いて構成される研磨剤６を入れ、構造体２の周囲に磁気アーム５を配置し、磁気アーム５を用いて研磨剤６に磁界を印加しながら磁気アーム５を流体経路２１の周方向に沿って往復運動させることにより流体経路２１の壁面２２を研磨する。【選択図】図７

Description

本発明は、金型の製造方法に関する。

近年、金属粉末をレーザー等により焼結させる金属粉末焼結法によって、複雑な形状の金属構造体が造形されている。金属粉末焼結法では、金属粉末層にレーザー等を照射し、金属粉末の一部を焼結する。その後、金属粉末の一部が焼結された層の上に更に金属粉末層を形成し、レーザー等で金属粉末の一部を焼結する。このように、金属粉末を積層して焼結することを繰り返すことによって金型等の金属構造体を造形する。金属粉末焼結法を用いることで、複雑な形状の金属構造体を造形することができる。例えば、複雑な流体経路を有する金型を、金属粉末焼結法を用いて造形することができる。

特許文献１には、金属粉末焼結法を用いて造形された三次元形状造形物の流体経路から付着粉末を除去するための技術が開示されている。

特開２０１３−１９４２６３号公報

金属粉末焼結法では、金属粉末を積層して焼結することによって金属構造体を造形するため、各層の境界面に段差が生じる。例えば、金属粉末焼結法を用いて金型の内部に流体経路を有する構造体を造形した場合、構造体の表面に段差が生じる。このように、構造体の表面に段差を有する金型を繰り返し使用すると、金属が膨張と収縮を繰り返すため、構造体の表面の段差から割れが生じる恐れがある。このため、流体経路を有する構造体を造形した後、構造体の表面を研磨して表面粗度を小さくする必要がある。

例えば、特許文献１に開示されている技術では、金属粉末焼結法を用いて三次元形状造形物を造形している。造形物は、内部に流体経路を有する。そして、造形物の流体経路内に研磨剤を含む流体を注入し、流体経路の壁面を研磨している。しかしながら、特許文献１に開示されている技術のような流体経路内に研磨剤を含む流体を流す方法では、流体経路の周方向外向きに対して力がかかりにくい。そのため、流体経路の壁面を滑らかに研磨し、段差を解消することが困難であった。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、流体経路の壁面を滑らかに研磨することが可能な金型の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様にかかる金型の製造方法は、非磁性金属を用いて構成される金属粉末を積層して焼結することを繰り返して、内部に流体経路を有する構造体を造形する工程と、造形された前記構造体から未焼結の金属粉末を除去する工程と、前記未焼結の金属粉末を除去した後、前記構造体の前記流体経路の壁面を研磨する工程と、を備える。そして、前記研磨する工程は、前記流体経路内に磁性体を用いて構成される研磨剤を入れ、前記構造体の周囲に磁気アームを配置し、前記磁気アームを用いて前記研磨剤に磁界を印加しながら前記磁気アームを前記流体経路の周方向に沿って往復運動させることにより前記流体経路の壁面を研磨する。

本発明にかかる金型の製造方法では、流体経路内に磁性体を用いて構成される研磨剤を入れ、構造体の周囲に磁気アームを配置している。そして、磁気アームを用いて研磨剤に磁界を印加しながら磁気アームを流体経路の周方向に沿って往復運動させている。磁気アームが流体経路の周方向に沿って往復運動すると、研磨剤は磁気アームの往復運動に伴って流体経路内を往復運動する。このとき、研磨剤は磁気アームによって印加されている磁界に引き寄せられるため、流体経路の壁面には研磨剤によって周方向外向きの力が加えられる。これにより、流体経路の壁面を滑らかに研磨することができる。

本発明によれば、流体経路の壁面を滑らかに研磨することが可能な金型の製造方法を提供することができる。

実施の形態にかかる金型を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 流体経路の一部を拡大した拡大断面図である。 実施の形態にかかる金型の製造方法のフローチャートである。 実施の形態にかかる金型の流体経路の壁面を研磨する工程を説明するための側面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。 流体経路の壁面を研磨している状態を説明するための拡大断面図である。 平均面粗度と総亀裂発生長との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態にかかる金型１の構成について説明する断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う金型１の断面図である。図１に示すように、金型１は、構造体２、補強部材３、および土台部４を備える。

構造体２は、非磁性金属を用いて構成され、内部に流体経路２１を有する。図１に示すように、流体経路２１は、構造体２の内部において湾曲している。流体経路２１は、断面が略円形であり、冷却水が流れる。よって、構造体２を構成する材料には、非磁性金属であり、かつ冷却水による錆の発生や腐食を抑制することができる材料を用いることが好ましい。構造体２は、例えば、ステンレス鋼を用いて構成することができる。

図２に示すように、構造体２は、補強部材３によって覆われている。補強部材３は、構造体２の耐熱性および機械的強度を高める。補強部材３は、例えば、鉄鋼や超硬合金を用いて構成することができる。

構造体２および補強部材３は、土台部４の上に形成されている。土台部４は、内部に流体経路４１を有する。流体経路４１は、ｚ軸方向に延びており、かつ、一端が流体経路２１に接続されている。土台部４は、例えば、鉄鋼を用いて構成することができる。

本実施の形態にかかる金型１は、例えば、凹型の外金型（不図示）と組み合わせられ、凸型の内金型として用いられる。そして、外金型の内側と金型１の外側との間隙に溶湯が注入され、金属部材が製造される。溶湯を注入した後、流体経路２１および流体経路４１に冷却水を導入することで、金型１及び溶湯を冷却することができる。したがって、外金型の内側と金型１の外側との間隙に注入された溶湯の温度を、冷却水を導入しない場合よりも、短い時間で下げることができる。

次に、本実施の形態にかかる金型１の製造方法を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、土台部４を作製する（ステップＳ１）。土台部４は、例えば、機械を用いて鋼材を切断加工することによって作製される。そして、土台部４にドリル等を用いて穴を開け、流体経路４１を成形する。ドリル等を用いて流体経路４１を形成しているため、流体経路４１の壁面２２は、滑らかである。

次に、土台部４の上面に、構造体２を造形する（ステップＳ２）。ここで、土台部４の上面とは、土台部４のｘｙ面に平行かつｚ軸プラス側の面を指す。構造体２は、金属粉末焼結法によって造形される。まず、金属粉末を満たした金属粉末層を土台部４の上面の上に形成する。そして、形成した金属粉末層にレーザー等を照射し、金属粉末の一部を焼結する。その後、金属粉末の一部が焼結された層の上に更に金属粉末層を形成し、レーザー等で金属粉末の一部を焼結する。ｚ軸プラス方向に金属粉末を積層して焼結することを繰り返すことによって構造体２を造形する。

構造体２を造形した後、構造体２の外壁および流体経路２１の壁面２２には未焼結の金属粉末が付着している。ステップＳ３では、未焼結の金属粉末を、例えば、エアーを吹きかけることにより除去する。

図３は、構造体２の一部２ａを拡大した拡大断面図である。図３に示すように、構造体２は、ｚ軸方向に多数の金属層２３を積層して造形されているため、各金属層２３の境界に段差が生じる。本実施の形態にかかる金型１を鋳型として繰り返し使用すると、構造体２を構成する金属層２３が膨張と収縮を繰り返すため、各金属層２３の境界に生じた段差から割れが起こる恐れがある。そこで、構造体２の外壁および流体経路２１の壁面２２を研磨し、段差を解消することによって、構造体２の膨張収縮の繰り返しに対する強度を高めることができる。

一般的に、金属表面は、例えば、ボールエンドミルを用いて研磨される。一方、流体経路２１の壁面２２を研磨する際には、流体経路２１が複雑な形状であるため、ボールエンドミルを用いて壁面２２を研磨することができない。そこで、ステップＳ４では、磁性体を用いて構成される研磨剤を用いて壁面２２を研磨する。

一方、構造体２の外壁は、例えば、ボールエンドミルを用いて研磨される（ステップＳ５）。ステップＳ４により流体経路２１の壁面２２が研磨され、かつ、ステップＳ５により構造体２の外壁が研磨されるため、構造体２は、膨張収縮を繰り返しても割れを生じにくくなる。なお、ステップＳ４とステップＳ５とを行う順はこの限りでなく、例えば、ステップＳ５をステップＳ４より先に行っても良い。

本実施の形態にかかる金型１を、例えば、鋳型として用いる際には、構造体２が、耐熱性と強度とを十分に有する必要がある。構造体２の耐熱性や強度が不十分である場合には、構造体２の外側を補強部材３を用いて覆い、構造体２に耐熱性や強度を付加する（ステップＳ６）。補強部材３は、例えば、レーザークラッドによって構造体２の外側に被覆される。また、補強部材３は、例えば、鉄鋼材や超硬合金材を用いて構成することができる。

以上、本実施の形態にかかる金型１の製造方法を図４のフローチャートを用いて説明した。次に、流体経路２１の壁面２２を研磨する工程（ステップＳ４）について、図５〜図８を参照して詳細に説明する。

図５は、構造体２の流体経路２１の壁面２２を研磨する工程（ステップＳ４）を説明するための側面図である。図５において、点線は、流体経路２１および流体経路４１を表す。図５に示すように、ステップＳ４では、磁気アーム５を用いて研磨を行っている。図５に示す矢印は、磁気アーム５の移動方向を表す。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う磁気アーム５、構造体２、および土台部４の断面図である。図６に示すように、磁気アーム５は、磁石５１、磁石５２、およびヨーク５３を備える。図６に示す矢印は、磁気アーム５の往復運動方向を表す。

図６に示すように、磁気アーム５は、Ｕ字型のヨーク５３の端に、磁石５１と磁石５２とが接続されたアームである。磁気アーム５は、構造体２の周囲に配置され、流体経路２１の周方向に沿って往復運動することができる。

磁石５１および磁石５２は、電磁石であり、電流が印加されると周囲に磁界を生じる。磁石５１の磁極と磁石５２の磁極とは、互いに反対になっており、例えば、磁石５１が構造体２に対してＮ極を有する場合、磁石５２は構造体２に対してＳ極を有する。

図７は、流体経路２１の壁面２２を研磨する工程（ステップＳ４）を説明するための断面図である。図７に示すように、ステップＳ４では研磨剤６を流体経路２１に入れ、壁面２２を研磨している。

研磨剤６は、磁性体を用いて構成される。研磨剤６は、例えば、鋼鉄製の球体を用いて構成することができる。図７に示すように、磁石５１および磁石５２によって磁界が印加されると、研磨剤６は、磁性を有するため、磁石５１および磁石５２に引き寄せられる。また、磁気アーム５が流体経路２１の周方向に沿って往復運動すると、磁石５１および磁石５２も周方向に沿って往復運動する。したがって、研磨剤６は、磁石５１および磁石５２の往復運動に伴って、壁面２２に沿って往復運動する。研磨剤６が壁面２２に沿って往復運動する際、研磨剤６は磁石５１および磁石５２に引き寄せられているため、壁面２２には、研磨剤６によって周方向外向きの力が加えられる。周方向外向きの力が加わるため、研磨剤６は、壁面２２を滑らかに研磨することができる。

また、図５に示すように、磁気アーム５を流体経路２１の周方向に沿って往復運動させつつ、流体経路２１の延伸方向に沿って移動させることによって、流体経路２１の壁面２２全体を研磨することができる。

さらに、磁石５１および磁石５２は、電磁石であるから、磁極の切り替えを行うことができる。研磨剤６に磁界を印加した状態で磁石５１および磁石５２の磁極の切り換えを行うと、磁界の急激な変化により、研磨剤６が流体経路２１の壁面２２に勢い良く衝突する。つまり、研磨剤６の衝突によって、壁面２２を硬化させるショットピーニングを行うことができる。したがって、ステップＳ３において流体経路２１の壁面２２を研磨する際に、磁石５１および磁石５２の磁極の切り替えを同時に行うことにより、流体経路２１の壁面２２全体にショットピーニングを行うことができる。

なお、流体経路２１に研磨剤６を入れる際には、水等の流体を共に入れても良い。流体を流体経路２１に入れることにより、ステップＳ３において取り切れずに流体経路２１内に残留している未焼結の金属粉末を除去することができる。

次に、本実施の形態にかかる金型１の製造方法によって造形した構造体２の膨張収縮の繰り返しに対する強度を測定した。図８は、平均面粗度と総亀裂発生長との関係を示すグラフである。図８において、三角で示す点はショットピーニングを行った場合を表し、四角で示す点はショットピーニングを行わなかった場合を表す。

平均面粗度Ｒｚは、所定の基準長さを設定し、構造体２の所定の複数の領域について測定した面粗度Ｒｚの平均値である。また、総亀裂発生長は、金型１に加熱冷却を繰り返し加えた後、構造体２の所定の領域に発生した亀裂の長さを測定し、総和した値である。図８において、矢印を用いて示されている値は、ステップＳ３を行わない場合における壁面２２の平均面粗度Ｒｚの値を表す。

図８に示すように、平均面粗度Ｒｚが小さい場合には、総亀裂発生長は短くなる。つまり、ステップＳ３において構造体２の流体経路２１の壁面２２を研磨すると、構造体２の膨張収縮の繰り返しに対する強度が強くなる。さらに、ショットピーニングを行った場合には、ショットピーニングを行わなかった場合よりも、総亀裂発生長が短くなった。したがって、ステップＳ３において流体経路２１の壁面２２を研磨しつつショットピーニングを行うと、構造体２の膨張収縮の繰り返しに対する強度がより強くなる。

以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、流体経路の壁面を滑らかに研磨することが可能な金型の製造方法を提供することができる。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１ 金型
２ 構造体
２a 構造体の一部
２１ 流体経路
２２ 壁面
２３ 金属層
３ 補強部材
４ 土台部
４１ 流体経路
５ 磁気アーム
５１、５２ 磁石
５３ ヨーク
６ 研磨剤

Claims (1)

1. 非磁性金属を用いて構成される金属粉末を積層して焼結することを繰り返して、内部に流体経路を有する構造体を造形する工程と、
   造形された前記構造体から未焼結の金属粉末を除去する工程と、
   前記未焼結の金属粉末を除去した後、前記構造体の前記流体経路の壁面を研磨する工程と、を備え、
   前記研磨する工程は、
   前記流体経路内に磁性体を用いて構成される研磨剤を入れ、
   前記構造体の周囲に磁気アームを配置し、
   前記磁気アームを用いて前記研磨剤に磁界を印加しながら前記磁気アームを前記流体経路の周方向に沿って往復運動させることにより前記流体経路の壁面を研磨する、
   金型の製造方法。

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