JP4564479B2 - 金型の表面処理装置及び該表面処理装置を用いる金型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面に凹部を有する金型の表面処理装置及び該表面処理装置を用いる金型の製造方法に関する。

例えば、自動車を構成するエンジン部品やその他の部品には、鋳造により製造された鋳造製品が多数使用されている。

この種の鋳造製品を成形する金型に関し、本出願人は、特許文献１において、金型の表面（キャビティ面）に窒化処理及びショットピーニング処理を施すことにより、前記キャビティ面に所望の圧縮残留応力及び表面粗さを形成（付与）することを提案している。これにより、金型の耐久性を向上させ、該金型の交換頻度が可及的に減少させることが可能となる。

特開２００４−１４８３６２号公報

ところで、上記のような鋳造製品、例えば、アルミダイキャスト製品では、鋳造の際のアルミ流動時にピンホールや製品表面の油じわ、湯境が生じ易いことが指摘されている。

このような不具合の対策としては、例えば、放電皮膜処理により金型表面に凹部を形成する処理が挙げられる。これは、金型の表面に凹部を形成しておくと、金型に溶湯が注湯され、キャビティ内をアルミが流動する際、前記凹部によってピンホールや製品表面の油じわ、湯境等の発生が抑制されるという知見に基づいている。

なお、前記凹部の他の形成方法としては、微細な鋼玉（スチールメディア）を高速で金型表面に衝突させるショットブラスト処理や、特殊な小径孔が形成されたフィルムで金型表面を覆い、前記小径孔に対応する部分の金型表面を溶液で溶かすシボ処理等も挙げることができる。

しかしながら、上記放電皮膜処理による方法では、形成できる凹部の大きさが限定され、比較的大きな凹部を形成することが困難である。また、上記ショットブラスト処理やシボ処理では、凹部の形成が不要な部分、例えば、金型表面の溝部を構成する縦壁等を覆うマスキング工程が必要となり、工程数が増加するという問題がある。さらに、これらの各処理に係る設備は、相当に大掛かりなものが多く、結局、金型の製造コストが増大する原因となる。

本発明は上記課題を考慮してなされたものであり、金型に対して所望の大きさからなる凹部を容易に且つ低コストに形成可能であり、しかも、作業性や生産性を向上させることができる金型の表面処理装置及び該表面処理装置を用いる金型の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る金型の表面処理装置は、人手で把持及び操作して移動させることにより、金型の表面に斑点模様の凹部を形成する金型の表面処理装置であって、振動軸を軸線方向に前後して振動させる振動機構と、先端に曲面を有し、前記振動軸に取り付けられたツールとを備え、前記振動機構により、前記ツールの先端を金型の表面に当接させて該金型に凹部を連続的に形成することを特徴とする。

このような構成によれば、人手で把持及び操作して移動させることにより、金型の表面に斑点模様の凹部を形成する金型の表面処理装置において、振動機構によりツールの先端を金型の表面に当接させて該金型に凹部を連続的に形成するため、前記表面処理装置を小型軽量に構成可能であり、作業者が人手によって把持及び操作して所望の箇所へと移動させることができ、ショットブラスト処理等のように、凹部の形成が不要な部分、例えば、金型に形成された溝部の縦壁等にマスキング処理等を施すことが不要となり、金型に対して所望の形状からなる凹部を、容易にしかも低コストに形成することができ、金型への凹部形成のための作業性や生産性を大幅に向上させることが可能となる。

この場合、前記振動機構が、圧縮気体により前記振動軸を振動駆動するエアモータを有すると、極めて簡便な機構で振動を発生させることができる。

また、前記振動機構が、前記振動軸の軸線方向に変位可能に収納された磁歪部材と、前記磁歪部材に対して磁界を印加する電磁コイルとを有する磁歪駆動部を備え、前記電磁コイルに変動電流が供給されることによる前記磁歪部材の変位により前記振動軸を振動駆動するように構成されると、振動発生時の騒音が大幅に低減されるため、作業者や周囲環境への負荷を低減することができる。

この場合、前記振動機構では、前記磁歪駆動部が複数段連結されると共に、さらに、各磁歪部材の間に前記軸線方向に案内された状態で介装され、一の磁歪駆動部の磁歪部材の変位を隣接する他の磁歪駆動部の磁歪部材に対して伝達する伝達部材を備え、前記伝達部材により、各磁歪部材はその変位を前記軸線方向に相互に伝達可能に連結されていると、一層大きなストロークでツールを振動駆動させることが可能となる。

また、本発明に係る金型の製造方法は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金型の表面処理装置を使用して金型を製造する金型の製造方法であって、前記表面処理装置の前記振動軸を振動させることにより前記ツールを軸線方向に振動させ、金型の所望の表面に前記ツールの先端を当接させて、該表面に凹部を形成することを特徴とする。

このような方法によれば、金型の所望の表面に対して所望の形状からなる凹部を、容易にしかも低コストに形成することができ、金型への凹部形成のための作業性や生産性を大幅に向上させることが可能となる。

この場合、前記金型の表面に凹部を形成した後、該凹部の粗さを測定し、次に凹部を形成する際に、前記振動機構によるツールの振幅を前記粗さの測定結果に応じた振幅に変化させるか、前記金型の表面に凹部を形成する際の形成力Ｆを計測し、該形成力Ｆを所望の範囲内に制御するようにすると、金型に対して所望の形状からなる凹部を一層高精度に形成することが可能となる。

本発明によれば、表面に凹部を有する金型を製造する場合に、金型に対して所望の形状からなる凹部を、容易にしかも低コストに形成することができる。このため、金型への凹部形成における作業性や生産性を大幅に向上させることが可能となる。

以下、本発明に係る金型の製造方法について、その方法を実施する金型の表面処理装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る金型の製造方法により表面に凹部が形成される金型１０を示す概略斜視図である。図２は、図１に示す金型１０において、凹部が形成された表面周辺を拡大した平面図である。

本実施形態に係る金型の製造方法は、以下で説明する金型の表面処理装置１１ａ、１１ｂ（単に、表面処理装置１１ａ、１１ｂともいう）により、前記金型１０の表面（溶湯が流れる面、キャビティ面）の所望の位置に、所望の形状からなる凹部を形成（付与）するものである。前記金型１０としては、自動車のエンジン部品であるシリンダブロックをアルミダイキャストにより成形するための金型（天キャビティ）を例示して説明するが、これ以外にも、例えば、トランスミッションケースを成形するための金型等、凹部の形成が有効な金型であれば本発明は適用可能である。また、金型１０は、例えば、鋳鋼であるＳＫＤ６１から形成される。

このような金型１０では、例えば、図１中の斑点模様で示す各表面（キャビティ面）１２に対して凹部１４が形成（付与）される（図２参照）。また、金型１０において、各表面１２同士の間には、底面１６ａ及び略鉛直な縦壁１６ｂで構成された溝部１６が形成されている。前記縦壁１６ｂでは、上記ピンホール等の問題を生じる可能性が低いため凹部１４を形成する必要はない。また、前記底面１６ａには必要に応じて凹部１４を形成すればよい。

先ず、本発明の第１の実施形態に係る表面処理装置１１ａにつき、図３及び図４を参照して説明する。

図３は、本第１の実施形態に係る表面処理装置１１ａの構造を示す一部断面概略正面図である。図４は、図３に示す表面処理装置１１ａのツール１８の先端側を拡大した一部省略正面図である。

表面処理装置１１ａは、作業者が手で掴んで操作できる小型軽量な装置であって、図３に示すように、金型１０に凹部１４を形成するためのツール１８が本体２０の先端側に取り付けられ、該本体２０の後端側にはエア継手２２が連結されている。前記本体２０内には、ツール１８を図３中の矢印の方向に振動駆動するための振動機構２４と、該振動機構２４の駆動を制御する制御部２５とが収納されている。なお、制御部２５は本体２０内に収納せずに外付けとして、本体２０をより小型軽量に構成してもよい。

前記振動機構２４は、エア継手２２からの供給流路２６が連結されたエアモータ２８と、該エアモータ２８からの振動駆動力が伝達される振動軸３０とを有する。該振動軸３０の先端側にはチャック３２が設けられ、前記ツール１８が着脱自在に且つ同軸上に取り付けられる。前記振動軸３０及びツール１８は、リニアガイド３４ａ〜３４ｃにより軸線方向に案内されている。

従って、表面処理装置１１ａでは、図示しない圧縮気体供給源（例えば、エアボンベやエアポンプ）からの圧縮エアがエアホース３６及び供給流路２６を介してエアモータ２８に供給され、該エアモータ２８の運転スイッチ３７がＯＮにされると、制御部２５の制御下に、前記振動軸３０が軸線方向（前後方向）に振動駆動される。これにより、ツール１８が本体２０の先端側において振動駆動される。

この場合、前記エア継手２２の一端部には、エアホース３６からの圧縮エアのエアモータ２８への供給をＯＮ−ＯＦＦすると共に、その供給量を調整可能に構成されたバルブ３８が配設されている。また、エアモータ２８で使用された圧縮エアの排気は、例えば、排気流路４０を介して図示しない排気口により外部に排出される。

前記ツール１８は、その後端側が前記チャック３２に取付可能に構成され、その先端側は、先細りテーパ状であって先端が曲面１８ａにより形成されている（図４参照）。このようなツール１８は、金型１０に形成される所望の凹部１４の形状に対応するものに適宜変更可能である。なお、前記ツール１８としては、例えば、前記金型１０と同材料により形成されるものとすればよい。

さらに、本体２０内には、振動機構２４と隣接してセンサ４１が配設される。該センサ４１は、例えば、加速度ピックアップで構成され、金型１０の表面１２に接触して跳ね上げられたツール１８の跳ね上がり速度を検出するために用いられる。

次に、以上のように構成される表面処理装置１１ａにより、金型１０の表面１２に対して凹部１４を形成（付与）する金型の製造方法につき、図５を参照して説明する。

図５に示すように、本第１の実施形態に係る金型の製造方法では、前記表面処理装置１１ａを作業者が手で把持、操作して、金型１０の表面１２に対し凹部１４を形成する。

すなわち、先ず、表面処理装置１１ａにエアホース３６及び所望の形状（サイズ）からなるツール１８をセットした後、バルブ３８を所定開度とし、運転スイッチ３７をＯＮにする。これにより、制御部２５の制御下に、振動機構２４においてエアモータ２８により振動軸３０が振動駆動され、ツール１８が振動駆動される。そして、作業者が所望の表面１２に対してツール１８の先端の曲面１８ａを当接させながら、該表面１２に凹部１４を連続的に形成することにより、所望の凹部１４が形成された金型１０を得ることができる。

この場合、制御部２５の制御下に、前記センサ４１によって金型１０の表面１２によって跳ね上げられるツール１８の跳ね上がり速度を測定しておくとよい。そうすると、金型１０を構成する材料に応じた反発率から、ツール１８が金型１０に当接する速度を算出することができ、ツール１８と、チャック３２と、振動軸３０と、エアモータ２８等の振動部との慣性質量が分かれば、ツール１８による金型１０への形成力（付与力）を演算することが可能となる。これにより、所望の形成力（付与力）の範囲内でツール１８を金型１０へと当接させることができ、一層高精度に所望の形状からなる凹部１４を形成することができる。

例えば、前記形成力（付与力）をＦ［Ｎ］とし、金型１０の反発率をｅ（０≦ｅ≦１）、ツール１８の初速をｖ０［ｍ／ｓｅｃ］、ツール１８の跳ね上がり速度をｖ１［ｍ／ｓｅｃ］、ツール１８及びチャック３２及び振動軸３０及びエアモータ２８等（これらに取り付けられた各種部品等を含む）の質量をｍ［ｋｇ］、時間をｔ［ｓｅｃ］とすると、形成力Ｆは、次式（１）〜（３）に示すように算出することができる。
ｖ１／ｖ０＝−ｅ （１）
Ｆ＝ｖ０／ｔ・ｍ（１−ｅ） （２）

ところで、表面処理装置１１ａでは、図５に示すように、金型１０に形成された凹部１４の粗さを測定する粗さ測定器４２を併用し、該粗さ測定器４２を前記制御部２５に接続したシステムとして構成することもできる。

この場合、制御部２５の制御下に、金型１０に形成された凹部１４の粗さを前記粗さ測定器４２により測定し、測定結果（測定値）に応じて振動機構２４での振動条件、例えば、振幅や周波数等を変化させるとよい。そうすると、一層高精度に所望の形状からなる凹部１４を形成することが可能となる。

なお、前記粗さ測定器４２としては、図５に示す触針４２ａを備える触針式粗さ測定器以外にも、例えば、レーザ反射光を受光する機構からなるものや、電磁歪をセンシングするセンサ機構等を備えた非接触式の粗さ測定器等を用いることもできる。

以上のように、本第１の実施形態に係る表面処理装置１１ａを用いた金型の製造方法によれば、ツール１８を凹部１４の所望の形状に対応させて交換することができる。このため、金型１０に対して所望の形状からなる凹部１４を容易に形成することができる。このため、金型１０の表面１２での湯流れや湯廻りがよくなり、製品品質を向上させることができる。

また、表面処理装置１１ａは小型軽量であり、作業者が容易に操作して所望の個所へと移動させることができるため、例えば、金型１０に形成された溝部１６の縦壁１６ｂ等にマスキング処理等を施す必要がない。さらに、表面処理装置１１ａは容易に持ち運びができ、使用方法も簡単である。このため、例えば、量産鋳造の際、金型１０をプラテンから解体することなく凹部１４の形成を行うことができると共に、例えば、金型１０の凹部１４を再形成（再付与）するメンテナンス作業等も容易に行うことができる。すなわち、金型１０に凹部１４を形成する際の作業性や生産性を向上させることができる。

さらにまた、表面処理装置１１ａは、上記ショットブラスト処理等のように大掛かりな設備を必要とせず、しかも、前記圧縮エアは一般の工場等で容易に且つ安価に得ることができるため、低コストで凹部１４を形成することができ、このため、金型１０の製造コストを低減させることができる。

なお、表面処理装置１１ａでは、前記エアモータ２８の代わりに図示しない電動モータを用いた電動式のものとして構成してもよいことは言うまでもない。電動モータの場合、エアモータのものに比して、ツール速度がコントロールし易く、形成力（付与力）を制御し易いという利点がある。

次に、本発明の第２の実施形態に係る表面処理装置１１ｂにつき、図６及び図７を参照して説明する。

図６は、本第２の実施形態に係る表面処理装置１１ｂの構造を示す一部断面概略正面図である。図７は、図６に示す表面処理装置１１ｂの要部を拡大した一部省略断面図である。なお、図６及び図７において、図１〜図５に示される参照符号と同一の参照符号は、同一又は同様な構成を示し、このため同一又は同様な機能及び効果を奏するものとして詳細な説明を省略する。

表面処理装置１１ｂは、前記表面処理装置１１ａと比較して、振動機構２４の代わりに、複数段（本実施形態では２段）の磁歪駆動部４４ａ、４４ｂが振動軸３０の軸線方向に連結された振動機構４６を有する点が相違する。

図６及び図７に示すように、前記磁歪駆動部４４ａは、合成樹脂等から形成される円筒形状のコイルボビン４８と、該コイルボビン４８の外周面上に巻回された電磁コイル５０とからなる電磁コイル体５２とを有する。前記コイルボビン４８の内周側には、半径方向に余裕を有した状態で、円柱形状の磁歪部材５４が挿通される。該磁歪部材５４は、例えば、超磁歪材料として認められる大きな変位量を備える材料で構成されることが好ましいが、磁歪特性を有する材料であれば用いることができる。このような磁歪部材５４の材料としては、例えば、ランタノイド元素と鉄族元素との２元系立方晶、擬２元系立方晶等が挙げられる。

前記磁歪駆動部４４ｂは、前記磁歪駆動部４４ａと略同様に構成される。そして、これら磁歪駆動部４４ａ、４４ｂの間には、円盤状の磁性体からなるヨーク部材５６と、該ヨーク部材５６の中心に形成された軸孔５６ａ内に配置された円柱状の伝達部材５８が介装される。

前記伝達部材５８は、黄銅や非磁性ステンレス鋼等の非磁性体により形成され、前記軸孔５６ａの内部を軸線方向に摺動自在に案内される。

前記ヨーク部材５６は、外周側が本体２０に固定されると共に、上下両面には同心円状の凹凸形状が形成される。前記凹凸形状により前記コイルボビン４８が嵌合され位置決めされると共に、前記電磁コイル５０の位置決めがなされる。

また、上段側の磁歪駆動部４４ａの上端側は閉塞板６０により位置決めされ、固定されている。一方、下段側の磁歪駆動部４４ｂの下端側には前記ヨーク部材５６及び伝達部材５８が備えられ、該伝達部材５８の他端（下端）には、振動軸３０が連結されている。

従って、表面処理装置１１ｂでは、図示しない電源装置、例えば、交流電流を給電する電源装置からの交流電流（変動電流）が、電源ケーブル６２から連結部６４内の電源ケーブル６６を介して電磁コイル５０に供給され、運転スイッチ３７がＯＮにされると、制御部２５の制御下に、該電磁コイル５０から磁歪部材５４に対して磁界が印加される。これにより、前記磁歪部材５４がその軸線方向に伸縮する。そうすると、前記伸縮によって前記磁歪部材５４の端部は移動し、伝達部材５８を介して隣接する伝達部材５８を移動させるため、各段の磁歪部材５４の変位量が重畳され、積算されて振動軸３０に伝達される。これにより、各磁歪駆動部４４ａ、４４ｂによって拡大された振幅（ストローク）で振動軸３０が振動駆動され、ツール１８が振動駆動されることになる。

このように構成される表面処理装置１１ｂによる金型１０への凹部１４の形成方法については、図５に示す第１の実施形態に係る金型の製造方法と略同様であるため詳細な説明は省略する。

以上のように、本第２の実施形態に係る表面処理装置１１ｂでは、磁歪駆動部４４ａ等を収納した振動機構４６を備えるため、上記表面処理装置１１ａに比べて低騒音であり、作業者や周囲環境への負荷を減少させることができる。

また、表面処理装置１１ｂでは、前記電源装置から電磁コイル５０に供給される交流電流の周波数を変更すれば、ツール１８の振動の周波数を容易に変化させることができる。このため、一層容易に所望の形状からなる凹部１４を所望の個所へと形成することができるようになり、作業性を向上させることができる。

さらに、表面処理装置１１ｂでは、ツール１８の形成力（付与力）を変更する場合には、前記表面処理装置１１ａの場合と同様にセンサ４１での検出に基づき変更する方法以外にも、前記電源装置からの交流電流値から換算して形成力（付与力）を算出し、その算出値に基づいて変更することも可能である。

なお、上記では、表面処理装置１１ｂの振動機構４６として磁歪駆動部を２段連結した構成を例示して説明したが、これに限らず、ツール１８の所望の振幅条件に応じて１段や３段で構成してもよい。

また、上記表面処理装置１１ａ、１１ｂにおいて、振動機構としては、前記振動機構２４、４６以外にも、ツール１８を所望の振動条件で振動駆動可能なものであれば適用可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。

本発明の実施形態に係る金型の製造方法により表面に凹部が形成される金型を示す概略斜視図である。 図１に示す金型において、凹部が形成された表面周辺を拡大した平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る表面処理装置の構造を示す一部断面概略正面図である。 図３に示す表面処理装置のツールの先端側を拡大した一部省略正面図である。 図３に示す表面処理装置により、金型の表面に凹部を形成する方法を説明するための一部断面正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る表面処理装置の構造を示す一部断面概略正面図である。 図６に示す表面処理装置の要部を拡大した一部省略断面図である。

符号の説明

１０…金型 １１ａ、１１ｂ…金型の表面処理装置
１２…表面 １４…凹部
１６…溝部 １８…ツール
２０…本体 ２４…振動機構
２５…制御部 ２８…エアモータ
３０…振動軸 ３７…運転スイッチ
３８…バルブ ４１…センサ
４２…粗さ測定器 ４４ａ、４４ｂ…磁歪駆動部
４６…振動機構 ５０…電磁コイル
５２…電磁コイル体 ５４…磁歪部材
５６…ヨーク部材 ５８…伝達部材

Claims (5)

1. 人手で把持及び操作して移動させることにより、金型の表面に斑点模様の凹部を形成する金型の表面処理装置であって、
   振動軸を軸線方向に前後して振動させる振動機構と、
   先端に曲面を有し、前記振動軸に取り付けられたツールと、
   を備え、
   前記振動機構により、前記ツールの先端を金型の表面に当接させて該金型に凹部を連続的に形成することを特徴とする金型の表面処理装置。
2. 請求項１記載の金型の表面処理装置において、
   前記振動機構は、圧縮気体により前記振動軸を振動駆動するエアモータを有することを特徴とする金型の表面処理装置。
3. 請求項１記載の金型の表面処理装置において、
   前記振動機構は、前記振動軸の軸線方向に変位可能に収納された磁歪部材と、前記磁歪部材に対して磁界を印加する電磁コイルとを有する磁歪駆動部を備え、
   前記電磁コイルに変動電流が供給されることによる前記磁歪部材の変位により前記振動軸を振動駆動することを特徴とする金型の表面処理装置。
4. 請求項３記載の金型の表面処理装置において、
   前記振動機構では、前記磁歪駆動部が複数段連結されると共に、
   さらに、各磁歪部材の間に前記軸線方向に案内された状態で介装され、一の磁歪駆動部の磁歪部材の変位を隣接する他の磁歪駆動部の磁歪部材に対して伝達する伝達部材を備え、
   前記伝達部材により、各磁歪部材はその変位を前記軸線方向に相互に伝達可能に連結されていることを特徴とする金型の表面処理装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の金型の表面処理装置を使用して金型を製造する金型の製造方法であって、
   前記表面処理装置の前記振動軸を振動させることにより前記ツールを軸線方向に振動させ、金型の所望の表面に前記ツールの先端を当接させて、該表面に凹部を形成することを特徴とする金型の製造方法。

Images