JP5396804B2 - ハニカム構造体成形用金型及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハニカム構造体を押出成形するためのハニカム構造体成形用金型及びその製造方法に関する。

ハニカム構造体を押出成形するための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、該供給穴に連通して設けられ、材料をハニカム形状に成形するための格子状のスリット溝とを有するものが知られている。
このハニカム構造体成形用金型を製造するに当たっては、供給穴の加工後にスリット溝を加工するが、このとき供給穴の加工部分に交差するようにスリット溝の加工を行うため、特に供給穴とスリット溝との交差部分には大小のバリが生じる。このようなバリは、材料を押し出す際には、直接的に流動抵抗として働く。そのため、スリット溝から押し出されるセル壁の形状が均一にならず、ハニカム構造体の形状悪化につながる。それ故、理想的には、バリをすべて除去しておくことが望ましい。

そこで、従来から、ウェットエッチング、ショットブラスト、流体研磨等の方法を用いて、ハニカム構造体成形用金型の製造過程において生じたバリ等を除去することが知られている。
例えば、特許文献１では、セラミックス坏土を部分的に供給穴及びスリット溝に通して流動抵抗の大きい部分の抵抗を下げて、均一化する方法が開示されている。また、特許文献２では、供給穴加工を電界エッチング加工によって行う方法が開示されている。また、特許文献３では、シリコンプロセスにおけるハーフミクロン以下のバリを除去する方法が開示されている。

特開平２−２４８２０８号公報 特開平１１−１３８３５４号公報 特開２００６−６２１４８号公報

しかしながら、ウェットエッチングでは、単純に対象物を表面から深さ方向に同じ深さで侵食加工していくため、幅広い範囲の大きさ（数十μｍ〜０．１ｍｍ程度）のバリが存在する場合には、それらを適切に除去することが困難であった。また、ショットブラストや流体研磨では、供給穴とスリット溝との交差部分に存在するサイズの大きなバリを良好に除去することができなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、加工によって生じる幅広い範囲の大きさのバリ等を十分に除去することができるハニカム構造体成形用金型の製造方法及びそれによって得られ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。

第１の発明は、材料を供給するための供給穴と、該供給穴に連通して設けられ、材料をハニカム形状に成形するための格子状のスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型を製造する方法であって、
金型素材の穴形成面に上記供給穴を形成する穴加工工程と、
上記金型素材の上記穴形成面とは反対側の面である溝形成面に上記スリット溝を形成する溝加工工程と、
上記金型素材をエッチング液に浸漬させた後、該エッチング液を循環撹拌しながら超音波を印加し、少なくとも、上記穴加工工程及び上記溝加工工程を行うことによって生じた上記供給穴と上記スリット溝との交差部分のバリを除去するためのエッチングを行うエッチング工程とを有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にある（請求項１）。

本発明のハニカム構造体成形用金型の製造方法において、上記穴加工工程及び上記溝加工工程では、上記金型素材に対して上記供給穴及び上記スリット溝を加工する。これにより、上記供給穴と上記スリット溝との交差部分には、大小のバリが生じる。
そして、上記エッチング工程では、上記金型素材をエッチング液に浸漬させ、該エッチング液を循環撹拌しながら超音波を印加し、エッチングを行う。これにより、上記供給穴及び上記スリット溝の内側面等の加工部分全体がエッチングされる。

ここで、本発明では、上記エッチング液を循環撹拌しながら超音波を印加してエッチングを行うため、上記供給穴と上記スリット溝との交差部分に生じるサイズの大きなバリ（０．１〜０．２ｍｍ程度）に対しては、面積が大きい分だけ超音波による振動が起こり易くなる。そして、バリの根元では、振動応力による折損と上記エッチング液による侵食との両方によって加工が進む。つまり、大きなバリを超音波によって特に選択的に振動させることにより、他の部分よりもバリの除去を促進することができる。これにより、上記供給穴と上記スリット溝との交差部分に生じるサイズの大きなバリでも、十分に除去することができる。

また、上記供給穴と上記スリット溝との交差部分に生じるサイズの小さなバリ（数十μｍ〜０．１ｍｍ程度）に対しては、通常通り上記エッチング液によって表面から深さ方向に侵食加工が進み、そのバリを十分に除去することができる。
また、もちろんのこと、上記供給穴と上記スリット溝との交差部分以外の部分、例えば上記供給穴及び上記スリット溝の内側面等の加工部分における微細な凹凸（凸部の高さが０．１ｍｍ以下）に対しても、通常通り上記エッチング液によって表面から深さ方向に侵食加工が進み、その凸部を十分に除去して平滑にすることができる。

このように、本発明によれば、加工によって生じる幅広い範囲の大きさのバリ等を十分に除去することができるハニカム構造体成形用金型の製造方法を提供することができる。

第２の発明は、上記第１の発明のハニカム構造体成形用金型の製造方法により製造されてなることを特徴とするハニカム構造体成形用金型にある（請求項９）。

本発明のハニカム構造体成形用金型は、上記第１の発明のハニカム構造体成形用金型の製造方法により製造されたものであり、上記金型素材における加工によって生じる幅広い範囲の大きさのバリ等を十分に除去し、材料が通過する上記供給穴及び上記スリット溝の内側面を平滑にしたものである。そのため、押出成形時に起こり易い材料の押出速度の不均一を抑制することができる。これにより、ハニカム構造体の曲がりや反り等の変形や欠損を抑制することができ、形状精度の優れたハニカム構造体を押出成形することができる。

上記第１の発明において、上記エッチング工程では、上記エッチング液に超音波を印加する。このとき、超音波によって上記エッチング液中に圧力差が生じ、その圧力差によって短時間に気泡（キャビティ）の発生と消滅が起きるキャビテーションという物理現象が起こる。そして、上記のごとく、サイズの大きなバリは、面積も比較的大きいため、キャビティにより大きな振動を受ける。そして、バリの根元では、振動応力による折損と上記エッチングによる侵食との両方で加工が進む。これにより、サイズの大きなバリも十分に除去することができる。

また、上記エッチング工程では、上記エッチング液を撹拌しながらエッチングを行うことにより、隙間に入る上記エッチング液の劣化を防ぎ、部分的な未処理部を作らないことが大切である。上記金型素材の内部（例えば、上記供給穴と上記スリット溝との交差部分周辺）では、上記エッチング液が動き難いため、該エッチング液の循環あるいは温度調節器の配置による対流の発生等で液対流に注意を払う必要がある。

また、上記エッチング工程では、上記エッチング液に対して複数の周波数の超音波を印加することが好ましい（請求項２）。
この場合には、加工によって生じる幅広い範囲の大きさのバリ等の除去効果を向上させることができる。

また、上記エッチング工程では、上記エッチング液を循環させる方向と超音波を印加する方向とを同じとすることが好ましい（請求項３）。
例えば、上記エッチング液を循環させる方向を超音波を印加する方向に対して鉛直方向とした場合、上記エッチング液の循環が偏ることでバリの除去に偏りが生じる。そのため、上記エッチング液を循環させる方向と超音波を印加する方向とを同じとすることにより、均質なバリの除去を実現することができる。

また、上記エッチング工程では、上記エッチング液に対して印加する超音波の周波数を１８〜１００ｋＨｚとすることが好ましい（請求項４）。
また、上記エッチング工程では、上記エッチング液に対して印加する超音波によって上記金型素材が受ける音圧を０．５〜３．０ｋｇ／ｃｍ²とすることが好ましい（請求項５）。

特に、１８〜４５ｋＨｚの低い周波数の超音波を１．５〜３．０ｋｇ／ｃｍ²程度の音圧で印加することが、サイズの大きいバリ等の除去に有効である。また、１００ｋＨｚの高い周波数の超音波を０．５〜２．０ｋｇ／ｃｍ²程度の音圧で印加することが、サイズの小さいバリ等の除去に有効である。また、２００ｋＨｚ近くの高い周波数でも、多少処理時間を要し、一部バリの残留が認められる場合があるものの、バリをほぼきれいに除去することができる。

また、上記エッチング工程では、上記エッチング液を５０℃以上にしておくことが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記金型素材の内部における加工によって生じるバリ等に対する上記エッチング液の反応促進だけではなく、水溶液中に含まれる空気が最初に超音波をかけたときに追い出され、音圧を伝えにくくする気泡の発生を防ぐことができるからである。
一方、温度を高くしすぎると沸点に近づいて逆に水蒸気による気泡が発生しやすくなるので、高くても８５℃程度に、音圧が高いときには８０℃以下に抑えることが好ましい。

また、上記エッチング液は、塩酸の希釈物又はこれに界面活性剤を添加したものであることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記金型素材の内部における加工によって生じるバリ等に対するエッチング効果を有効に発揮することができる。

また、塩酸の希釈物が好ましい理由としては、一般的に、上記金型素材の主成分が鉄であることから、不動体化しないものを用いないとエッチングの効果が現れにくいこと、希釈によるｐＨの調整が容易なこと、加熱分解しにくいこと、処理後の洗浄、除去、廃液処理が容易なこと、安価でコストを抑えることができること、環境に配慮することができること等が挙げられる。また、この観点からすれば、塩酸濃度１０％程度が好ましく、扱いが容易である。
また、界面活性剤が添加されていることにより、上記エッチング液中に浸漬した時に上記金型素材の上記供給穴及び上記スリット溝に入っている空気を排除しやすくすることができ、脱脂効果、対象物表面の濡れ性改善効果があり、均一なエッチングが促進される。

また、上記界面活性剤は、アルキルスルホン酸を含有することが好ましい（請求項８）。
例えば、アルキルスルホン酸を主成分とする直鎖型アルキルスルホン酸ナトリウムは、廃液処理が容易であり、安価である。また、側鎖型アルキルスルホン酸カリウム等も同様の効果が得られる。
また、上記界面活性剤としては、加熱してもすぐには分解せず、希薄な酸に対して反応しないものであれば、上記に関わらず安価なものを使用することができる。

また、上記スリット溝の溝幅は、０．０５〜０．１２ｍｍであるが、これらに限定されない。また、上記スリット溝は、研削砥石による加工、放電加工、その他加工法等の加工バリが発生する手法を用いた加工を行ったものであれば、本発明の適用が可能である。
上記スリット溝の溝幅が狭い場合には、上記金型素材の内部におけるエッチング処理が困難となるが、本発明では、超音波を同時に印加しているため、溝深さ／溝幅の比が２１以上となるような高いアスペクト比の上記金型素材の内部においても十分にエッチング処理を行うことができ、バリ等を十分に除去することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるハニカム構造体成形用金型（以下、適宜、単に金型という）の製造方法について、図１〜図５を用いて説明する。
本例において製造する金型１は、図３、４に示すごとく、セラミックス原料等を含む材料を押出成形して、ハニカム状のセル壁と該セル壁に囲まれたセルとを有するハニカム構造体を成形するためのものである。

そして、本例の金型１の製造方法は、図１〜図５に示すごとく、少なくとも、金型素材１１の穴形成面１２０に供給穴１２を形成する穴加工工程と、金型素材１１の穴形成面１２０とは反対側の面である溝形成面１３０にスリット溝１３を形成する溝加工工程と、金型素材１１をエッチング液３に浸漬させた後、エッチング液３に対して超音波４を印加しながら、供給穴１２の内側面１２１及びスリット溝１３の内側面１３１のエッチングを行うエッチング工程とを有する。
以下、これを詳説する。

金型１を製造するに当たっては、まず、図１に示すごとく、金型１の材料となる金型素材１１を準備した。金型素材１１は、ＳＫＤ（合金工具鋼）材よりなる金属板を加工したものである。金型素材１１としては、金型用鋼材として市販されている材料を用いることもできる。
金型素材１１は、供給穴１２を形成する面である供給穴形成面１２０と、スリット溝１３を形成する面であるスリット溝形成面１３０とを有する。金型素材１１は、スリット溝形成面１３０が周囲よりも突出するように円形状に加工されている。なお、金型素材１１は、スリット溝形成面１３０が周囲よりも突出するように方形状に加工してもよい。

次いで、穴加工工程においては、図２（ａ）に示すごとく、金型素材１１の供給穴形成面１２０に、所定深さの供給穴１２を形成した。
次いで、溝加工工程においては、図２（ｂ）に示すごとく、金型素材１１のスリット溝形成面１３０に、供給穴１２に連通するようにスリット溝１３を形成した。本例では、周囲よりも突出するように四角形状に加工したスリット溝形成面１３０に、研削砥石を用いて四角形格子状のスリット溝１３を形成した。

これにより、図３、図４に示すごとく、材料を供給するための供給穴１２と、供給穴１２に連通して設けられ、材料をハニカム形状に成形するための格子状のスリット溝１３とを有する金型素材１１を得た。スリット溝１３は、図３（ａ）、（ｂ）に示すごとく、四角形格子状に設けられており、供給穴１２は、図３（ｂ）に示すごとく、スリット溝１３同士が交差する部分に縦横方向において１つおきに設けられている。スリット溝１３の溝幅ｗは０．０６ｍｍであり、スリット溝１３間のピッチｐは０．８ｍｍである。

次いで、エッチング工程においては、図５に示すごとく、容器２１と容器２１内に設けられたヒータ２２と超音波４を発生させる発振機２３とを有する装置２を用いて、金型素材１１のエッチングを行った。
具体的には、まず、金型素材１１を市販のＮＳクリーン１００（洗浄剤）で超音波洗浄（３７ｋＨｚ、５分）し、脱脂した。次いで、１０％塩酸に界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウムを数％添加したエッチング液３を容器２１内に投入し、そのエッチング液３に金型素材１１を浸漬させた。そして、エッチング液３をヒータ２２により約８０℃に加熱した。

その後、エッチング液３の温度が安定した状態で、発振機２３からエッチング液３に対して超音波４を印加し、金型素材１１の供給穴１２の内側面１２１及びスリット溝１３の内側面１３１のエッチングを行った。このとき、エッチング液３を循環撹拌しながらエッチングを行った。このとき、エッチング液３を循環させる方向と超音波４を印加する方向とを同じとした。
本例では、超音波４の周波数２８ｋＨｚ、超音波４によって金型素材１１が受ける音圧３．０ｋｇ／ｃｍ²の条件でエッチング処理を５分間行った後、周波数１００ｋＨｚ、音圧１．５ｋｇ／ｃｍ²の条件でエッチング処理を５分間行った。なお、音圧は、市販の超音波メータ（ＳＭ−１０００）を用いて測定した。

次いで、金型素材１１をエッチング液３から引き上げ、金型素材１１の表面に残留したエッチング液３を水で洗い流した。そして、金型素材１１を乾燥させた後、金型素材１１の表面（供給穴１２の内側面１２１及びスリット溝１３の内側面１３１を含む）に防錆処理を施した。
以上により、図３、図４に示すごとく、金型１を製造した。

次に、本例のハニカム構造体成形用金型１の製造方法における作用効果について説明する。
本例のハニカム構造体成形用金型１の製造方法において、穴加工工程及び溝加工工程では、金型素材１１に対して供給穴１２及びスリット溝１３を加工する。これにより、供給穴１２とスリット溝１３との交差部分１９には、大小のバリが生じる。
そして、エッチング工程では、金型素材１１をエッチング液３に浸漬させ、エッチング液３を循環撹拌しながら超音波４を印加し、エッチングを行う。これにより、供給穴１２及びスリット溝１３の内側面１２１、１３１等の加工部分全体がエッチングされる。

ここで、本例では、エッチング液３を循環撹拌しながら超音波４を印加してエッチングを行うため、供給穴１２とスリット溝１３との交差部分１９に生じるサイズの大きなバリ（０．１〜０．２ｍｍ程度）に対しては、面積が大きい分だけ超音波４による振動が起こり易くなる。そして、バリの根元では、振動応力による折損とエッチング液３による侵食との両方によって加工が進む。つまり、大きなバリを超音波４によって特に選択的に振動させることにより、他の部分よりもバリの除去を促進することができる。これにより、供給穴１２とスリット溝１３との交差部分１９に生じるサイズの大きなバリでも、十分に除去することができる。

また、供給穴１２とスリット溝１３との交差部分１９に生じるサイズの小さなバリ（数十μｍ〜０．１ｍｍ程度）に対しては、通常通りエッチング液３によって表面から深さ方向に侵食加工が進み、そのバリを十分に除去することができる。
また、もちろんのこと、供給穴１２とスリット溝１３との交差部分１９以外の部分、例えば供給穴１２及びスリット溝１３の内側面１２１、１３１等の加工部分における微細な凹凸（凸部の高さが０．１ｍｍ以下）に対しても、通常通りエッチング液３によって表面から深さ方向に侵食加工が進み、その凸部を十分に除去して平滑にすることができる。

ここで、エッチング工程前後における供給穴１２とスリット溝１３との交差部分１９周辺の状態の写真を図６に示す。図６（ａ）はエッチング工程前、図６（ｂ）はエッチング工程後である。
この写真から見て取れるように、エッチング工程前には、供給穴１２とスリット溝１３との交差部分１９に大きなバリ１９１があるが、エッチング工程後には、そのバリ１９１がきれいに除去され、交差部分１９が平滑となっている。また、供給穴１２の内側面１２１も平滑となっており、面粗さの均一化が図られている。つまり、微細な凹凸についても、その凸部を除去して平滑にすることができることがわかる。

このように、本例の製造方法によれば、加工によって生じる幅広い範囲の大きさのバリ等を十分に除去したハニカム構造体成形用金型１を得ることができる。また、このハニカム構造体成形用金型１を用いることにより、押出成形されるハニカム構造体の曲がりや反り等の変形や欠損を抑制することができる。これにより、形状精度の優れたハニカム構造体を押出成形することができる。

（実施例２）
本例では、エッチング工程において、様々な条件でエッチングを行った場合におけるバリの状態を評価した。
具体的には、実施例１と同様の金型素材（試料Ｅ１〜Ｅ６）を作製した後、エッチング液の温度、超音波印加条件等の条件（下記の表１参照）を変更してエッチング処理を行った。そして、金型素材のスリット溝内部（特に、供給穴とスリット溝との交差部分）のバリが除去されているかどうかを評価した。
なお、試料Ｅ１〜Ｅ６において、エッチング液は、実施例１と同様であり、１０％塩酸に界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウムを添加したものである。また、試料Ｅ３は、その他の条件も実施例１と同様である。

結果を表１に示す。試料Ｅ２、Ｅ３、Ｅ６では、スリット溝内部のバリの残留はなく、バリがきれいに除去されている。また、試料Ｅ１、Ｅ４、Ｅ５でも、スリット溝内部に少しバリの残留が認められるものの、バリがほぼきれいに除去されている。
以上の結果から、本発明のエッチング工程を行うことにより、加工によって生じるバリを十分に除去できることがわかる。特に、大小のバリが生じ易い供給穴とスリット溝との交差部分においても、その幅広い範囲の大きさのバリを十分に除去できることがわかる。

実施例１における、金型素材を示す説明図。 実施例１における、（ａ）穴加工工程を示す説明図、（ｂ）溝加工工程を示す説明図。 実施例１における、（ａ）金型素材（金型）を示す平面図、（ｂ）金型素材（金型）の供給穴とスリット溝との位置関係を示す説明図。 実施例１における、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図。 実施例１における、エッチング工程を示す説明図。 実施例１における、供給穴とスリット溝との交差部分の（ａ）エッチング工程前の状態を示す写真、（ｂ）エッチング工程後の状態を示す写真。

符号の説明

１ ハニカム構造体成形用金型
１１ 金型素材
１３ スリット溝
３０ 溝形成面
３ エッチング液
４ 超音波

Claims (9)

1. 材料を供給するための供給穴と、該供給穴に連通して設けられ、材料をハニカム形状に成形するための格子状のスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型を製造する方法であって、
   金型素材の穴形成面に上記供給穴を形成する穴加工工程と、
   上記金型素材の上記穴形成面とは反対側の面である溝形成面に上記スリット溝を形成する溝加工工程と、
   上記金型素材をエッチング液に浸漬させた後、該エッチング液を循環撹拌しながら超音波を印加し、少なくとも、上記穴加工工程及び上記溝加工工程を行うことによって生じた上記供給穴と上記スリット溝との交差部分のバリを除去するためのエッチングを行うエッチング工程とを有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。
2. 請求項１において、上記エッチング工程では、上記エッチング液に対して複数の周波数の超音波を印加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。
3. 請求項１又は２において、上記エッチング工程では、上記エッチング液を循環させる方向と超音波を印加する方向とを同じと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。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記エッチング工程では、上記エッチング液に対して印加する超音波の周波数を１８〜１００ｋＨｚと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。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記エッチング工程では、上記エッチング液に対して印加する超音波によって上記金型素材が受ける音圧を０．５〜３．０ｋｇ／ｃｍ²と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。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、上記エッチング工程では、上記エッチング液を５０℃以上にしておく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。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記エッチング液は、塩酸の希釈物又はこれに界面活性剤を添加したものであることを特徴するハニカム構造体成形用金型の製造方法。
8. 請求項７において、上記界面活性剤は、アルキルスルホン酸を含有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。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のハニカム構造体成形用金型の製造方法により製造されてなることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。