JP4749073B2

JP4749073B2 - 金型及びその製造方法

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Publication number: JP4749073B2
Application number: JP2005216422A
Authority: JP
Inventors: 康嗣下島; 裕之細川; 哲弥北村; 彦治青木
Original assignee: Brother Industries Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Brother Industries Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: JP2007029992A

Description

本発明は金型に関し、特に、供給された潤滑剤の保持性能の高い金型及びその製造方法に関するものである。

従来、ワークを成形するための種々の金型やその金型による成形方法が提案されている。例えば、特許文献１には、オリフィスバックシートとオリフィスシートからなるインクジェットノズルの製造方法とその製造方法に用いられるポンチ( 金型に相当) が記載されている。このインクジェットノズルの製造方法においては、ダイス上に載置されたシートに円錐状のポンチの先端部をプレスして、ポンチの先端の形状と同じ凹部をシートに形成し、その後、ポンチが打ち込まれた面とは反対側の面に形成された凸部をラップ盤により研削してシートに微細穴を形成し、オリフィスバックシートを製造する。
特公昭６３−４８７１４号公報

しかし、特許文献１の技術では、ポンチ、特にポンチのうちでもシートと接触する部分は破損や摩耗が激しく、ポンチの寿命が短いといった問題が生じていた。特に、インクジェットノズルのノズル穴のように数μｍ〜数十μｍ程度の微細加工をプレスによって成形加工する場合には、ポンチの先端部も同程度の細さになるため、破損や摩耗などによりポンチの寿命が非常に短くなっている。
そこで、近年、シートと接触する部分に耐摩耗処理としてＤＬＣ被膜などの耐摩耗硬質素材を被覆し、ＤＬＣ被膜の一部を除去した部分に潤滑剤を供給しつつ、ワークを成形する加工方法が採用されている。
しかし、このようにＤＬＣ被膜の一部を除去した部分に潤滑剤を供給しても、ＤＬＣ被膜に対する潤滑剤の吸着力が低いこと等を要因とし、潤滑剤の油膜の保持性能は低く、金型の寿命を延ばすのにも限界があった。

本発明の目的は、ＤＬＣ被膜の一部を除去した部分を特殊なエッチングパターン形状とすることにより、潤滑剤の保持性能が高く耐久性に優れた高寿命の金型及びその製造方法を提供しようとするものである。

請求項１の金型は、ワークとの間に潤滑剤を介在させた状態でワークの成形加工に用いる金型において、前記金型の表面のうちの少なくともワークと接触する成形型面には、金型の母材よりも硬質のＤＬＣ被膜からなる硬質被膜が形成され、前記成形型面には、規則的な配列パターンにて徴小深さの複数の潤滑剤溜が前記ＤＬＣ被膜を除去することにより形成され、前記潤滑剤溜は、金型の摺動方向に尖った少なくとも１つの鋭角部を有し、前記鋭角部の底部には、金型の摺動方向に鋭角部の先端にいく程浅くなる傾斜面を設けたものである。

この金型の表面のうち少なくともワークと接触する成形型面に、徴小深さの潤滑剤溜を規則的な配列パターンで形成するので、供給された潤滑剤が潤滑剤溜に溜められ金型とワークとの間に介在した状態、すなわち潤滑性が保持された状態で、ワークが成形加工される。さらに、潤滑剤溜は、金型の摺動方向に尖った少なくとも１つの鋭角部を有し、鋭角部の底部には、金型の摺動方向に鋭角部の先端にいく程浅くなる傾斜面を設けたので、潤滑剤が潤滑剤溜の鋭角部から成形型面へ流れ出し易くなり、潤滑性が向上する。
さらに、この金型によれば、潤滑剤の吸着力の低いＤＬＣ被膜を除去しているので、潤滑剤溜に潤滑剤を確実に溜めることができ、潤滑剤溜は微小深さに形成されているので、ワークの成形加工に影響を与えない。

請求項２の金型は、請求項１の発明において、前記潤滑剤溜は、金型の摺動方向に尖った１対の鋭角部を有することを特徴とするものである。この金型によれば、金型が摺動する際の往動時だけでなく復動時にも潤滑剤が鋭角部を介して成形型面へ流れ出し易くなるので、潤滑性が向上する。

請求項３の金型は、請求項１又は請求項２の発明において、前記潤滑剤溜は、前記成形型面のうち成形時にワークに先に接触する先端にも形成されているものである。この金型によれば、金型の先端部にも潤滑剤を確実に供給することができる。

請求項４の金型は、請求項１から請求項３の何れかの発明において、前記金型は、プレス金型である。

請求項５の金型製造方法は、ワークの成形加工に用いる金型部材を有する金型を製造する方法において、前記金型部材の表面にその母材よりも硬質のＤＬＣ被膜を形成する被膜形成工程と、前記金型部材の表面に集束イオンビーム又はレーザーによって前記ＤＬＣ被膜を除去することにより、金型の摺動方向に尖った少なくとも１つの鋭角部を有する徴小深さの潤滑剤溜を規則的な配列パターンにて形成する潤滑剤溜形成工程とを備えたものである。
この金型の製造方法によれば、被膜形成工程において、母材よりも硬質のＤＬＣ被膜を形成し、次に、潤滑剤溜形成工程において、潤滑剤の保持性能を高めるために、集束イオンビーム又はレーザーによってＤＬＣ被膜を除去することにより規則的な配列パターンの徴小深さの潤滑剤溜を金型部材の表面に形成し、ワークの成形加工に用いる金型が製造される。

請求項１の発明によれば、金型の成形型面に、金型の母材よりも硬質のＤＬＣ被膜からなる硬質被膜を形成し、金型の摺動方向に尖った少なくとも１つの鋭角部を有し、鋭角部の底部には、金型の摺動方向に鋭角部の先端にいく程浅くなる傾斜面を設けた潤滑剤溜を規則的な配列パターンで設けた。摩擦係数が非常に低いＤＬＣ被膜を金型の形成型面に形成することで、金型の摩耗を防ぐとともに、耐久性に優れた長寿命の金型を実現することができる。また、潤滑剤溜の摺動方向の両端部が先細り形状に形成されているので、潤滑剤が潤滑剤溜の鋭角部から成形型面へ流れ出し易くなり、成形型面の全域に潤滑剤を供給することができるので、潤滑性が向上する。また、金型とワークとの接触面で高い潤滑性を維持することで、耐摩耗性や耐久性の優れた高寿命の金型を実現することができる。
潤滑剤の吸着力の低いＤＬＣ被膜を除去することにより潤滑剤溜を形成したので、潤滑剤が過剰に流出するのを防ぎ、潤滑剤溜に潤滑剤を確実に溜めることができ、ワークの成形に伴って、潤滑剤が潤滑剤溜から少しずつ流出する。また、潤滑剤溜は微小深さに形成されているので、ワークの成形加工に影響を与えない。

請求項２の発明によれば、潤滑剤溜を金型の摺動方向に尖った1対の鋭角部を有するように形成したので、金型が摺動する際の往動時も復動時にも潤滑剤が鋭角部を介して成形型面へ流れ出し易くなり、成形型面の全体に潤滑剤を循環させることができる。

請求項３の発明によれば、成形時にワークに先に接触し、ワークからの押圧力が大きく、破損の多い部分である成形型面の先端部にも、規則的な配列パターンにて徴小深さの複数の潤滑剤溜を形成することで、金型の先端部にも潤滑剤を確実に供給することができ、金型の強度を維持しつつ、金型の潤滑性を向上させることができる。

請求項４の発明によれば、請求項１〜３の何れかと同様の効果を奏することができる。

請求項５の発明により製造された金型は、請求項１の発明と同様の効果を奏することができ、硬質被膜として摩擦係数の低いＤＬＣ被膜を形成することで、金型の成形型面の摩耗を低減することができ、且つ微細加工が可能な集束イオンビーム又はレーザーにより潤滑剤溜を形成することで、微細な潤滑剤溜を迅速に、且つ正確に形成することができる。

本願の発明は、ワークとの間に潤滑剤を介在させた状態でワークの成形加工に用いる金型において、金型の表面のうちの少なくともワークと接触する成形型面に特殊なエッチングパターン形状の徴小深さの潤滑剤溜を形成したことを特徴とするものであり、本願の発明は、その金型及び金型の製造方法を含むものである。

以下、本願の発明の実施例について、図面を参照して説明する。本実施例は、インクジェットプリンタのノズルプレートを成形加工するためのプレス金型及びそのプレス金型の製造方法に本発明を適用した一例であり、特に、プレス金型の潤滑油保持性能を高め、ノズルプレート素材との間に潤滑剤を介在させた状態で成形加工することを可能にするものである。

最初に、プレス金型１について説明する。図１に示すように、プレス金型１は、本体部とその下端部分に形成された成形に供する成形型部４を有し、本体部は円錐部１ａとその下端から下方へ延びる円柱部１ｂを有し、成形型部４でノズルプレート１６を成形加工するものである。

図２はプレス金型１の先端部分の成形型部４の拡大斜視図であるが、図２に示すように、成形型部４は、円柱部１ｂの下端に連なる部分円錐状のテーパ部２と、このテーパ部２の下端に連なる円柱状のポンチ部３とを一体形成したものである。尚、テーパ部２の表面、ポンチ部３の表面及び先端部１ｃが、ノズルプレート素材と接触する成形型面５に相当する。

テーパ部２は、プレス金型１の本体部の円柱部１ｂ( 直径約５０μｍ) の下端から、ポンチ部３( 直径約２０μｍ) の上端に亙って直径が小さくなるように形成されている。ポンチ部３は、ノズルプレート１６のノズル孔１７の吐出口１７ａ( 図６参照) を成形できるように直径約２０μｍの円柱状に形成されている。

図３に示すように、成形型部４をなすテーパ部２とポンチ部３の構造について説明する。テーパ部２とポンチ部３は、本体部と一体の金型部材７と、Ｃｒ(クロム)被膜８と、ＤＬＣ( ダイヤモンドライクカーボン) 被膜９からなる。金型部材７は、プレス金型１の母材であり、この金型部材７は高硬質のクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）からなる金型素材を金型部材７の形状に切削加工後浸炭焼入れを施したものである。

Ｃｒ被膜８は、金型部材７の表面からＤＬＣ被膜９が剥離するのを防ぐために、金型部材７の表面に約０. ５μｍの厚さに形成されている。このＣｒ被膜８は、後述するように潤滑剤溜１１を形成するためにＤＬＣ被膜９の一部が除去されても残り、Ｃｒ被膜８は金型部材７を覆って金型部材７を酸化や破損などから保護する。尚、Ｃｒ被膜８とＤＬＣ被膜９が硬質被膜に相当し、Ｃｒ被膜８はＤＬＣ被膜９と金型部材７との間に形成されている。

ＤＬＣ被膜９は、金型部材７を構成するクロムモリブデン鋼よりも硬質の被膜であって、Ｃｒ被膜８の外周面に約１. ５μｍの厚さに形成されている。このＤＬＣ被膜９は、被膜形成時の水素含有量によってその硬度を調整することができ、ＨＶ( ビッカース硬さ) で、数１００からダイヤモンドのＨＶに近い８０００程度の高硬度被膜に形成することができ、本構成では、Ｃｒ被膜８(ＨＶ２００)や金型部材７(ＨＶ２００)よりも高硬度なＤＬＣ被膜９(ＨＶ８００)が形成されている。ＤＬＣ被膜９の摩擦係数は約０. １以下であり、耐摩耗性及び摺動性において非常に優れた被膜である。尚、Ｃｒ被膜８とＤＬＣ被膜９の厚さは一例に過ぎず、前記の値よりも小さくてもよく、大きくてもよい。

成形型面５に潤滑剤を溜めて潤滑剤の保持性能を高め、ノズルプレート１６と成形型面５との接触面の摩擦抵抗を減らして摺動性を高く維持するために、成形型面５に対応する領域のＤＬＣ被膜９には、徴小深さの複数の凹部１０からなる潤滑剤溜１１が規則的な配列パターンにて形成されている。これら凹部１０は、図７に示すように金型の摺動方向に尖った１対の鋭角部を有する四角形形状であり、図８に示すように、鋭角部の底部は、金型の摺動方向に鋭角部の先端にいく程浅くなる傾斜面になるように、鋭角部の先端が先細り形状に形成されている。図９に示すように、凹部１０の深さは、ＤＬＣ被膜９の厚さ（約１．５μｍ）とほぼ同程度の徴小な深さであり、プレス成形後のノズルプレート１６の成形形状に影響を与えるものではない。尚、凹部１０では、ＤＬＣ被膜９が除去されＣｒ被膜８が露出している。

前記凹部１０の規則的な配列パターンは、例えば、図２に示す格子状や、図５に示す千鳥状に構成されている。このような、規則的な配列パターンで形成することにより、成形型面５の全域に潤滑剤を循環させることが可能になり、供給された潤滑剤が潤滑剤溜に溜められ金型とワークとの間に介在した状態、すなわち潤滑性が保持された状態で、ワークを成形加工できる。
さらに、ノズルプレート１６を成形加工する際に、ノズルプレート素材に先に接触し、高い摺動性を必要とする成形型面５の先端部１ｃにも、規則的な配列パターンで凹部１０が形成されている。従って、金型の先端部にも潤滑剤を確実に供給することができ、プレス金型１の強度低下を防止しつつ、潤滑剤の保持性能を向上させ、プレス金型１の摺動性と耐久性や耐摩耗性を高めることができる。

次に、プレス金型１の製造方法（請求項６の製造方法）について図４−１等を参照して説明する。最初に、クロムモリブデン鋼からなる金型素材を切削加工し、浸炭焼入れを施す( 図４−１) ことにより、金型部材７を製作する。このとき、図６に示すノズルプレート１６のノズル孔１７の吐出口１７ａの内径、Ｃｒ被膜８の厚さ及びＤＬＣ被膜９の厚さに基づいて、金型部材７のテーパ部２とポンチ部３の内径を定め形成する。

次に、被膜形成工程において、ＵＢＭスパッタリング( アンバランスドマグネトロンスパッタリング) 法を用いて、この金型部材７の成形型面５の表面にＣｒ被膜８とＤＬＣ被膜９を連続的に形成する。

このＣｒ被膜８とＤＬＣ被膜９を形成する場合、最初に、Ｃｒをターゲットとしてスパッタリングを行ってＣｒ被膜８を所定の厚さ成膜し( 図４−２) 、その後、Ｃｒのスパッタリングを継続しつつ、グラファイトをターゲットとするスパッタリングを同時並行的に行い、このＣｒとグラファイトのスパッタリングの比率を徐々に小さくしグラファイトのスパッタリングの比率が徐々に大きくなるように移行して、Ｃｒ被膜８の表面にＤＬＣ被膜９を成膜する( 図４−３) 。

次に、潤滑剤溜形成工程において、集束イオンビーム法によって、潤滑剤溜１１を構成する徴小深さの複数の凹部１０を成形型面５に規則的な配列パターンで形成する。この場合、具体的には、イオン源として液体ガリウムを用い、加速電圧３０ＫＶ、ビーム電流１. ３ｎＡに設定し、ビーム径を約１００ｎｍまで集束させた集束イオンビーム１５を、各凹部１０を形成する位置で約１分程度スキャンさせる( 図４−４)。1対の鋭角部の傾斜面を形成する際は、イオンビームを斜めに入射するように照射させ（図３）、Ｃｒ被膜８が露出するように各凹部１０を形成する。

次に、上述したプレス金型１、プレス金型の製造方法の作用及び効果について説明する。プレス金型１のＤＬＣ被膜９に、複数の凹部１０からなる潤滑剤溜１１を規則的な配列パターンで形成するので、成形型面５の全域に潤滑剤を供給することができ、潤滑性が向上する。また、潤滑剤溜は、金型の摺動方向に尖った少なくとも１つの鋭角部を有し、鋭角部の底部には、金型の摺動方向に鋭角部の先端にいく程浅くなる傾斜面を設けたので、金型の摺動時、潤滑剤が潤滑剤溜の鋭角部から流れ出し易くなり潤滑性が向上し、ノズルプレート１６とプレス金型１の接触面の潤滑性が高い状態でワークを成形するので、プレス金型１の摩耗を抑制し、耐久性を高めることができる。

複数の凹部１０は徴小深さに形成されているので、成形後のノズルプレート１６の形状に影響を与えることなく上述の効果が得られる。成形型面５には、摩擦係数の極めて低い高硬度のＤＬＣ被膜９が形成されているので、成形型部４の摩耗を大幅に低減することができ高寿命のプレス金型１を提供することができる。ＤＬＣ被膜９は摩擦係数が低いので、ノズルプレート１６とプレス金型１の接触面の発熱を防ぎ、潤滑剤の劣化を抑えることができる。更に、ノズルプレート１６との噛み合いを防ぐことができ、成形後のノズルプレート１６のダメージがない。

ＤＬＣ被膜９は、その性質上、潤滑剤をはじく性質があるが、Ｃｒ被膜８が露出するまでＤＬＣ被膜９が除去されているので、凹部１０の底面にＤＬＣ被膜９が形成されている場合に比べて潤滑剤が流出しにくい。また、凹部１０には、金型部材７が露出しないようにＣｒ被膜８が除去されず残されているので、金型部材７を酸化による錆や破損等から保護することができる。

上述したプレス金型の製造方法においては、微細加工の可能な集束イオンビーム法により凹部１０を形成するので、直径約２０μｍの小径のポンチ部３にも複数の凹部１０を正確に形成することができる。

以上説明した、プレス金型１、プレス金型の製造方法を部分的に変更した変更例について説明する。

１）上述のプレス金型１においては、先端部の表面にＣｒ被膜８とＤＬＣ被膜９を成膜したが、これら被膜８, ９は必ずしも必須の構成ではなく、金型の形状や、金型部材を構成する金属材料に応じて適宜省略可能である。このように両被膜８，９を省略する場合には、金型部材の表面部に直接潤滑剤溜を形成すればよい。

２）上述のプレス金型１においては、ＤＬＣ被膜９を表面に成膜したが、ＤＬＣ被膜の代わりにＣｒＮ被膜などの硬質被膜を成膜してもよく、硬質被膜は金型部材よりも硬質の耐摩耗と摩擦低減に寄与するものであればよい。

３）上述の実施例では、ＤＬＣ被膜９の厚さと同じ約１. ５μｍの深さの凹部１０を形成したが、凹部１０の深さは、必ずしも、ＤＬＣ被膜９の厚さと同じにする必要はない。例えば、潤滑剤の粘度や成形型面の表面粗さから、油膜の厚さがわかる場合には、この油膜の厚さに対して０. １〜５倍程度の深さの凹部を形成することが望ましい。凹部の深さを油膜の厚さに対して０. １倍以上にすることで、潤滑剤の保持性能を向上させることができると共に、５倍以下にすることで、凹部に溜められた潤滑剤の供給性を向上させることができる。

４）上述の実施例においては、潤滑剤として液体の潤滑油を採用したが、ナノレベルの粒子からなる潤滑剤を採用してもよい。この場合、酸化シリコン( 直径約１０〜４０ｎｍ),酸化チタン( 直径約２０ｎｍ),酸化アルミニウム( 直径約１０ｎｍ) などの粒子を適用することができる。

５）上述のプレス金型の製造方法においては、集束イオンビーム法によって凹部１０を形成したが、フェムト秒レーザー, エキシマレーザ, 紫外線レーザーなどによるレーザエッチングによってＤＬＣ被膜又は金型部材の所望の領域を除去して凹部を形成してもよい。また、凹部の開口面積が大きい場合には、プラズマエッチングなどのエッチングによりＤＬＣ被膜の一部を除去して凹部を形成してもよい。尚、プラズマエッチングの場合、ＤＬＣ被膜を残す部分を覆うマスクを行う必要があるが、ビームやレーザーによる場合はマスクをする必要がない。

６）上述の実施例においては、インクジェットのノズルプレート１６にノズル孔１７を形成するためのプレス金型１とその製造方法に本発明を適用した場合を例として説明したが、その他種々のプレス成形用の金型、例えば、半導体のリードフレーム用のプレス金型や、ミシン又は車の部品を成形するためのプレス金型とその製造方法に本発明を適用することもできる。

７）上述の実施例においては、焼き入れ鋼(クロムモリブデン鋼)で金型部材７を構成したが、超硬(例えば、微量コバルトを含むタングステンカーバイド(Ｗ-Ｃ-Ｃｏ,ＨＶ１０００〜２０００))にて構成してもよい。そしてＤＬＣ被膜としては超硬よりも硬くても良いが、超硬よりも硬度が低いＤＬＣ被膜を形成してもよい。

８）超硬の材質で金型部材を構成する場合には、Ｃｒ被膜の代わりに、Ｗ(タングステン)被膜を形成し、そして上層にＤＬＣ被膜を同様に形成する。この場合において、ＤＬＣ被膜の傾斜材料はＷである。

本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前記実施例に種々の変更を付加して実施することができ、本発明はそれらの変更例をも包含するものである。

本発明の実施例に係るプレス金型の要部斜視図である。プレス金型の成形型部に規則的な配列パターンで潤滑剤溜を形成した拡大斜視図である。プレス金型製造途中の潤滑剤溜形成工程を示す金型部材の要部断面図である。プレス金型製造途中の金型部材の要部断面図である。プレス金型製造途中のＣｒ被膜を形成した金型部材の要部断面図である。プレス金型製造途中のＣｒ被膜とＤＬＣ被膜を形成した金型部材の要部断面図である。プレス金型製造途中の潤滑剤溜形成工程を示す金型部材の要部断面図である。プレス金型の成形型部に規則的な配列パターンで潤滑剤溜を形成した拡大斜視図である。プレス成形後に研削加工したノズルプレートの要部拡大断面図である。潤滑剤溜の要部拡大平面図である。潤滑剤溜の要部拡大斜視図である。図７のＩＸ−ＩＸ線の断面図である。

１プレス金型
２テーパ部
３ポンチ部
４成形型部
５成形型面
７金型部材
８Ｃｒ被膜
９ＤＬＣ被膜
１０凹部
１１潤滑剤溜
１５集束イオンビーム
１６ノズルプレート
３０マスク部材

Claims

ワークとの間に潤滑剤を介在させた状態でワークの成形加工に用いる金型において、
前記金型の表面のうちの少なくともワークと接触する成形型面には、金型の母材よりも硬質のＤＬＣ被膜からなる硬質被膜が形成され、
前記成形型面には、規則的な配列パターンにて徴小深さの複数の潤滑剤溜が前記ＤＬＣ被膜を除去することにより形成され、
前記潤滑剤溜は、金型の摺動方向に尖った少なくとも１つの鋭角部を有し、
前記鋭角部の底部には、金型の摺動方向に鋭角部の先端にいく程浅くなる傾斜面を設けたことを特徴とする金型。
前記潤滑剤溜は、金型の摺動方向に尖った一対の鋭角部を有することを特徴とする請求項１に記載の金型。
前記潤滑剤溜は、前記成形型面のうち成形時にワークに先に接触する先端にも形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金型。
前記金型は、プレス金型であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の金型。
ワークの成形加工に用いる金型部材を有する金型を製造する方法において、
前記金型部材の表面に、その母材よりも硬質のＤＬＣ被膜を形成する被膜形成工程と、
前記金型部材の表面に、集束イオンビーム又はレーザーによって前記ＤＬＣ被膜を除去することにより、金型の摺動方向に尖った少なくとも１つの鋭角部を有する微小深さの潤滑剤溜を規則的な配列パターンにて形成する潤滑剤溜形成工程と、
を備えたことを特徴とする金型の製造方法。