JP3903733B2

JP3903733B2 - ハニカム構造体成形用金型

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Publication number: JP3903733B2
Application number: JP2001133132A
Authority: JP
Inventors: 武福嶋; 章佐々木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: DE10218774A1; US6786713B2; US20020160073A1; JP2002326211A; BE1016039A3

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，薄肉のハニカム構造体を押出成形するための成形用金型に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
例えばコージェライト等を主成分としたセラミック製のハニカム構造体は，成形用金型を用いて材料を押出成形することにより製造される。このハニカム構造体は，隔壁を格子状に設けて多数のセルを構成してなり，そのセル形状としては例えば四角形，六角形等がある。
そして，上記ハニカム構造体成形用金型としては，材料を供給するための供給穴と，供給穴に連通し材料を上記ハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型が用いられる。
【０００３】
上記ハニカム構造体としては，近年その隔壁の薄肉化，例えば１５０μｍ以下，あるいは１００μｍ以下の薄肉化が求められている。これに対応して，上記ハニカム構造体成形用金型のスリット溝の溝幅も当然に幅狭化が求められている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，ハニカム構造体成形用金型のスリット溝の溝幅を狭くすれば，上記供給穴から供給され材料がスリット溝を通過する際の材料流れが悪化する。そのため，成形時の成形圧力が増大し，成形性が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，成形性を低下させることなく，薄肉のハニカム構造体を成形することができるハニカム構造体成形用金型を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
第１の発明は，少なくとも，材料を供給するための供給穴と，該供給穴に連通し材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型において，
上記スリット溝は，溝形成位置に対して水を噴射して水柱を形成すると共に，該水柱の中を通してレーザ光を照射することにより形成してあり，
上記スリット溝の溝幅が１００μｍ以下であると共に，上記スリット溝の深さが溝幅の１０倍以上であり，
上記スリット溝の対向する一対の側面には，それぞれ材料の押出方向に沿って延びた凹部および凸部を有しており，該凸部の高さは５μｍ〜１３μｍであることを特徴とするハニカム構造体成形用金型（請求項１）にある。
【０００７】
本発明のハニカム構造体成形用金型は，上記のごとく，上記スリット溝の溝幅が１００μｍ以下であり，非常に狭い幅のスリット溝である。そのため，このハニカム構造体成形用金型を用いて押出成形を行った場合には，材料の流れ性が低下し，押出圧力の増大などが懸念される。
【０００８】
ここで，本発明においては，上記のごとくスリット溝の側面には，上記凹部及び凸部を設けてある。そして，これらは，押出成形を行う場合の材料の押出方向に沿って延びている。そのため，材料が流動する際には，上記凹部及び凸部が材料の流れ方向をガイドする役割を果たす。これにより，押出成形時の材料の流れ性を向上させることができ，スリット溝の溝幅が１００μｍ以下という狭幅になっても，材料の流動性を良好に維持することができ，成形圧力の増大を抑制することができる。
それ故，本発明のハニカム構造体成形用金型によれば，成形性を低下させることなく，薄肉のハニカム構造体を成形することができる。
【０００９】
また，上記スリット溝の対向する一対の側面は，材料の押出方向に沿った面粗さを測定した際の凸部のピッチＰ１と，材料の押出方向と直角方向に沿った面粗さを測定した際の凸部のピッチＰ２とが，Ｐ１／Ｐ２＞１．５のピッチ長さの関係にあることが好ましい（請求項５）。
【００１０】
本発明においては，上記のごとく，スリット溝の側面の面粗さが材料の押出方向とその直角の方向とにおいて異なる。そして，上記のごとく，材料の押出方向に沿った凸部のピッチＰ１と，その直角方向に沿った凸部のピッチＰ２とが，Ｐ１／Ｐ２＞１．５の関係にある。
【００１１】
このような面粗さ状態を有しているので，上記スリット溝の側面においては，材料の押出方向に沿った適度な凹凸が形成されている状態となる。そのため，成形材料を押出成形する際には，上記側面の面粗さ形態が，材料の流れをガイドする役割を果たす。
【００１２】
これにより，押出成形時の材料の流れ性を向上させることができ，スリット溝の溝幅が１００μｍ以下という狭幅になっても，材料の流動性を良好に維持することができ，成形圧力の増大を抑制することができる。
それ故，本発明のハニカム構造体成形用金型によっても，成形性を低下させることなく，薄肉のハニカム構造体を成形することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明において，上記凹部のピッチは１５０μｍ〜２２０μｍであることが好ましい（請求項２）。上記凹部のピッチ（上記凸部のピッチ）が１５０μｍ未満の場合および記凹部のピッチが２２０μｍを超える場合には，いずれも材料の流動方向をガイドする効果が薄れるという問題がある。
【００１４】
また，上記凹部の深さあるいは上記凸部の高さは５μｍ〜１３μｍである。上記凹部の深さあるいは上記凸部の高さが５μｍ未満の場合には，上記スリット溝内を通過する材料の流れ方向をガイドする効果が小さくなりすぎるという問題がある。一方，１３μｍを超える場合には，材料の流れ方向をガイドする効果が高くなりすぎて，材料の通過する位置が偏るおそれがある。
【００１５】
また，上記対向する側面における上記凸部の５０％以上のものは，互いに向かい合っていることが好ましい（請求項３）。これにより，上記材料の流れ方向のガイド効果を十分に発揮することができる。一方，５０％未満の場合には，上記凸部が向き合うことの効果あまり得られない。
【００１６】
また，上記凹部及び上記凸部は，上記スリット溝の溝深さよりも短い寸法の単位凹部及び単位凸部をランダムに配置して構成されていることが好ましい（請求項４）。この場合には，材料が押出方向へ進む際に，上記単位凹部あるいは単位凸部を抜けて次の単位凹部或いは単位凸部に移る際に横方向へ容易にシフトすることができ，横方向の圧力の偏りを容易に解消することができる。
【００１７】
ここで，上記単位凹部及び単位凸部の長さは，１３μｍ〜１８μｍであることが好ましい。この範囲内の長さであれば，後述するレーザ加工方法を用いてレーザ光のパルスを調整することにより形成することができる。
【００１８】
また，上記スリット溝の溝深さは，溝幅の１０倍以上に設定することもできる。この場合にも，上記角部の傾斜が有効に作用し，成形材料の流れの悪化を抑制することができる。
【００１９】
【実施例】
本発明の実施例につき，図１〜図８を用いて説明する。
本例のハニカム構造体成形用金型８は，図１，図２に示すごとく，少なくとも，材料を供給するための供給穴８１と，該供給穴８１に連通し材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝８２とを有するハニカム構造体成形用金型である。
そして本例のハニカム構造体成形用金型８においては，上記スリット溝８２の溝幅が１００μｍ以下であると共に，スリット溝８２の対向する一対の側面８２０には，それぞれ材料の押出方向に沿って延びた凹部４１および凸部４２を有している。
この凹部４１，凸部４２の形態については，様々な形態とすることができるが，その一例を図２（ｂ）に模式的に示した。
【００２０】
本例のハニカム構造体成形用金型８は，コーディエライトの原料となる複数の粉末とバインダーを混練したセラミック材料を用いてハニカム構造体を押出成形する際に用いることができる。また，このときの原料粉末の粒径としては６０μｍ以下のものを採用することができる。
【００２１】
上記ハニカム構造体成形用金型８を製造するに当たっては，図３に示すレーザ加工装置３を用いる。このレーザ加工装置３は，レーザ光を発生させるレーザ発生部３１と発生したレーザ光を所望の径に絞るレーザヘッド３２と，これらの間を結びレーザ光を導く光ファイバー部３３と，レーザ光１の周囲において噴射する水柱１８用の高圧水をレーザヘッド３２部分に供給する高圧水供給部３５と，高圧水を水柱１８として噴射するノズル３６とを有する。
また，金型素材７を保持すると共に平面上で移動可能なベッド３８を有する。このベッド３８に内蔵されたベッド駆動部，高圧水供給部３５，およびレーザ発生部３１はこれらを操作するための操作盤３９に接続されている。
【００２２】
金型素材７は，同図に示すごとく，厚さ１５ｍｍ，幅×長さが２００×２００ｍｍの四角形の金属板であり，材質はＳＫＤ６１よりなる。もちろん，これと異なるサイズ，材質の金型素材を用いることも可能である。
この金型素材７に対して，本例では，幅０．１ｍｍ，深さ２．０ｍｍのスリット溝を形成する。また，本例では，スリット溝８２の加工の前に，予めドリルにより供給穴８１を設けた。
【００２３】
そして，図示しない支持装置に上記金型素材７を平面方向に移動可能に保持する。そして，図３の矢印Ａの方向に金型素材７を移動させながら，レーザ加工装置３から金型素材７における溝形成面の溝形成位置に対して水を噴射して水柱１８を形成すると共に，該水柱１８の中を通してレーザ光１を照射する。さらに，レーザ光１の照射位置を上記溝形成位置に沿って移動させて同じ溝形成位置を複数回通過させる照射スキャンを行う。
【００２４】
このとき，金型素材７の移動速度は，１５０ｍｍ／分以上の２４０ｍｍ／分とした。
また，上記レーザ光１の照射は，所定のパルスで，すなわち断続的に照射した。これにより，上記照射スキャンとレーザ光のパルス照射との組合せによって，あたかも，小さな穴を少しずつずらしながら連続的に形成したような状態となる。
【００２５】
具体的には，図４に示すモデルのように，丸穴４０を連ねたような状態の溝が形成される。そして，外周の交差部分が側壁の凸部４２となり，凸部４２の間に凹部４１が存在する状態となる。
そしてさらに，照射スキャンを繰り返すと，図５に示すごとく，丸穴の重なりが増え，凸部４２，凹部４１の数が増加すると共にその凹凸高さも適度に減少する。
なお，実際には，各丸穴４０が真円になるとは限らないので，凹凸のできる位置，大きさなどがばらつき，ある程度はランダムになる。
【００２６】
また，上記照射スキャンの繰り返しにより，上記丸穴４０の深さ分だけ徐々にスリット溝８２の深さが深くなる。そのため，上記凹部４１及び凸部４２は，上記丸穴４０の長さを単位長さとした凹部（単位凹部）４１，凸部（単位凸部）４２が上記照射スキャン回数分積層され，各凹部４１及び凸部４２が材料の押出方向に沿って延びた状態でランダムに配置された状態となる。そして，各凹部４１，凸部４２を材料方向の押出方向に沿って観察すると，例えば図２（ｂ）に示すごとく，複数回枝分かれしたり合流したり，蛇行したりしているようにも見える。
【００２７】
また，上記のような溝形成方法を採用したので，対面する側面８２０における凹部及び凸部は，そのほとんど，少なくとも５０％以上が互いに向かい合って形成される。
そして本例では，全ての溝形成位置を偏り無く１５０回通過するように照射スキャンした。これにより，幅０．１ｍｍ（１００μｍ），深さ２．０ｍｍのサイズを有する幅狭深底のスリット溝８２が得られた。
【００２８】
次に，本例の作用効果につき説明する。
本例のハニカム構造体成形用金型８は，上記のごとく，上記スリット溝８２の溝幅が１００μｍ以下であり，非常に狭い幅のスリット溝である。そのため，このハニカム構造体成形用金型８を用いて押出成形を行った場合には，材料の流れ性が低下し，押出圧力の増大などが懸念される。
【００２９】
ここで，本例においては，上記のごとくスリット溝８２の側面８２０には，凹部４１及び凸部４２を設けてある。そして，これらは，押出成形を行う場合の材料の押出方向に沿って延びている。そのため，材料が流動する際には，上記凹部４１及び凸部４２が材料の流れ方向をガイドする役割を果たす。これにより，押出成形時の材料の流れ性を向上させることができ，スリット溝８２の溝幅が１００μｍ以下という狭幅になっても，材料の流動性を良好に維持することができ，成形圧力の増大を抑制することができる。
【００３０】
特に，本例においては，上記凹部４１及び凸部４２が上記のごとく単位凹部及び単位凸部の状態でランダムに配置されており，材料の押出方向に沿って観察すると，複数回枝分かれしたり合流したり，蛇行したりしている。そのため，押し出されるセラミック材料は，適度に横方向への移動して混ざり合いながら，かつ，上記凹部４１及び凸部４２によって押出方向にガイドされながらスムーズに押し進められる。それ故，材料の流動性が良好となり，成形圧力の増大を抑制することができる。
【００３１】
さらに本例では，上記ハニカム構造体成形用金型８におけるスリット溝８２の側面８２０の面粗さを測定して考察した。
図６には，上記スリット溝８２の側面８２０における，材料の押出方向に沿って測定した面粗さデータを示す。図７には，上記側面８２０における，材料の押出方向と直角方向に沿って測定した面粗さデータを示す。
【００３２】
これらの図より知られるごとく，材料の押出方向に沿った面粗さを測定した際の凸部（凹部）のピッチＰ１は約４００μｍであった。また，材料の押出方向と直角方向に沿った面粗さを測定した際の凸部（凹部）のピッチＰ２は約２００μｍであった。すなわち，Ｐ１／Ｐ２は約２であった。
また，図７に示すごとく，上記凹部４２（凸部４１）のピッチは約２００μｍであり，凹部４２の深さ，すなわち凸部４１の高さは約７μｍであった。
【００３３】
このように上記Ｐ１とＰ２との関係が，少なくともＰ１がＰ２の約２倍（１．５倍超え）の関係にあることにより，スリット溝８２の側面においては，材料の押出方向に沿った適度な凹凸が形成されている状態となると考えられる。そのため，成形材料を押出成形する際には，上記側面８２０の面粗さ形態が，有効であると考えられる。
【００３４】
なお，上記実施例では，ハニカム構造体成形用金型８のスリット溝８２の格子が四角形状の場合を示したが，図８に示すごとく，これを６角形状とすることもでき，この場合にも同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例におけるハニカム構造体成形用金型の，（ａ）平面図，（ｂ）要部拡大図。
【図２】実施例におけるハニカム構造体成形用金型の，（ａ）図１のＡ−Ａ線矢視から見た断面図，（ｂ）Ｈ部の拡大模式図。
【図３】実施例におけるレーザ加工装置の構成を示す説明図。
【図４】実施例におけるスリット溝形成過程を示す説明図。
【図５】実施例におけるスリット溝形成過程を示す説明図。
【図６】実施例におけるスリット溝の側面の，材料の押出方向に沿った面粗さ測定結果を示す説明図。
【図７】実施例におけるスリット溝の側面の，材料の押出方向と直角方向に沿った面粗さ測定結果を示す説明図。
【図８】実施例におけるハニカム構造体成形用金型の他の形状の例を示す，（ａ）平面図，（ｂ）要部拡大図。
【符号の説明】
１．．．レーザ光，
３．．．レーザ加工装置，
７．．．金型素材，
８．．．ハニカム構造体成形用金型，
８１．．．供給穴，
８２．．．スリット溝，
８２０．．．側面，

Claims

少なくとも，材料を供給するための供給穴と，該供給穴に連通し材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型において，
上記スリット溝は，溝形成位置に対して水を噴射して水柱を形成すると共に，該水柱の中を通してレーザ光を照射することにより形成してあり，
上記スリット溝の溝幅が１００μｍ以下であると共に，上記スリット溝の深さが溝幅の１０倍以上であり，
上記スリット溝の対向する一対の側面には，それぞれ材料の押出方向に沿って延びた凹部および凸部を有しており，該凸部の高さは５μｍ〜１３μｍであることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
請求項１において，上記凹部のピッチは１５０μｍ〜２２０μｍであることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
請求項１又は２において，上記対向する側面における上記凸部の５０％以上のものは，互いに向かい合っていることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
請求項１〜３のいずれか１項において，上記凹部及び上記凸部は，上記スリット溝の溝深さよりも短い寸法の単位凹部及び単位凸部をランダムに配置して構成されていることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
請求項１〜４のいずれか１項において，上記スリット溝の対向する一対の側面は，材料の押出方向に沿った面粗さを測定した際の凸部のピッチＰ１と，材料の押出方向と直角方向に沿った面粗さを測定した際の凸部のピッチＰ２とが，Ｐ１／Ｐ２＞１．５のピッチ長さの関係にあることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のハニカム構造体成形用金型を製造する方法であって，
レーザ光を発生させるレーザ発生部と，発生したレーザ光を所望の径に絞るレーザヘッドと，上記レーザ発生部と上記レーザヘッドとの間を結びレーザ光を導く光ファイバー部と，レーザ光の周囲において噴射する水柱用の高圧水を上記レーザヘッドに供給する高圧水供給部と，高圧水を水柱として噴射するノズルとを備えるレーザ加工装置を使用し，
溝形成位置に対して水を噴射して水柱を形成すると共に，該水柱の中を通してレーザ光を照射すると共に，レーザ光の照射位置を上記金型素材の上記溝形成位置に沿って移動させることによって，スリット溝を形成することを特徴とするハニカム構造体成形用金型の製造方法。