JP6313105B2 - 金属線材伸線加工用ダイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、金属線材伸線加工用ダイス（以下、単に「ダイス」とも称す）およびその製造方法に関し、詳しくは、従来よりも寿命が長く、かつ、金属線材の表面の傷を防止することができる金属線材伸線加工用ダイスおよびその製造方法に関する。
金属線材伸線加工用のダイスは、高硬度であり耐摩耗性や耐衝撃性に優れている超硬合金が一般に用いられている。超硬合金とは、タングステンカーバイト（ＷＣ）やチタンカーバイト（ＴｉＣ）等の硬質粒子を、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄族金属をバインダーとして焼結させたものである。最も一般的な超硬合金は、硬質粒子としてＷＣを、バインダーとしてＣｏを含む合金であり、この組成の超硬合金を用いたダイスが金属線材の伸線に用いられている。
ダイスは、通常、下孔を形成した新品のダイスや使用済みダイスを原材料とし、下孔の内面を研磨することにより、所定の径を有するダイス孔を形成するサイジング工程を経て製造される。今日、ダイス孔の内面の研磨は、ダイスと研磨針とを回転させながらダイス孔に研磨針を挿入することにより行われている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、伸線加工の対象である金属線材の高強力化や高速伸線化に対応する場合、ダイスの早期摩耗等の問題が生ずることがあり、例えば、高速伸線化においては、（ｉ）ダイスの初期摩耗が大きく、ダイス寿命が短い、（ｉｉ）伸線された線材の表面が荒れて傷が発生する、（ｉｉｉ）伸線後の線材表面に残る潤滑成分が少なくなり、伸線時の潤滑性が低下する、という課題に対して検討が必要になる。このような問題に対しては、耐摩耗性を向上させるホウ化処理も考えられるが、ホウ化処理条件の改善等だけでは必ずしも十分ではなく、別途、対策が必要になる。
そこで本発明の目的は、従来よりも寿命が長く、かつ、金属線材の表面の傷を防止することができる金属線材伸線加工用ダイスおよびその製造方法を提供することにある。
本発明者は、鋭意検討した結果、新品ダイスの孔には、孔の軸方向と交差する方向の研磨キズが存在し、この研磨キズが上記課題の原因であることを見出した。そこで、ダイス孔の内面の表面粗さＲａを下記のとおりとすることで、ダイスの寿命を良好に延ばしつつ、金属線材表面のキズを減少させることができ、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の金属線材伸線加工用ダイスは、金属線材が挿通されるダイス孔が形成された金属線材伸線加工用ダイスにおいて、
前記ダイス孔が、金属線材が挿通する方向に向かってテーパー状に狭くなるアプローチ部と、前記アプローチ部の後段に位置し、内径が一定なベアリング部とを有し、前記ダイス孔のベアリング部から減面率３０％相当のアプローチ部までの内面の、テーパーによって金属線材が引き絞られる方向における表面粗さをＲａ１、前記ダイス孔のベアリング部から減面率３０％相当のアプローチ部までの内面の、テーパーによって金属線材が引き絞られる方向に直交する方向における表面粗さをＲａ２、前記ダイス孔のベアリング部の内面の、金属線材の通線方向における表面粗さをＲａ３としたとき、前記Ｒａ１、前記Ｒａ２および前記Ｒａ３が、下記式、
０．１４μｍ＞Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３
で表される関係を満足することを特徴とするものである。ここで、表面粗さＲａとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に準拠して測定した算術平均粗さ（単位は「μｍ」）である。
前記ダイス孔が、金属線材が挿通する方向に向かってテーパー状に狭くなるアプローチ部と、前記アプローチ部の後段に位置し、内径が一定なベアリング部とを有し、前記ダイス孔のベアリング部から減面率３０％相当のアプローチ部までの内面の、テーパーによって金属線材が引き絞られる方向における表面粗さをＲａ１、前記ダイス孔のベアリング部から減面率３０％相当のアプローチ部までの内面の、テーパーによって金属線材が引き絞られる方向に直交する方向における表面粗さをＲａ２、前記ダイス孔のベアリング部の内面の、金属線材の通線方向における表面粗さをＲａ３としたとき、前記Ｒａ１、前記Ｒａ２および前記Ｒａ３が、下記式、
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で表される関係を満足することを特徴とするものである。ここで、表面粗さＲａとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に準拠して測定した算術平均粗さ（単位は「μｍ」）である。
本発明の金属線材伸線加工用ダイスの製造方法は、上記本発明の金属線材伸線加工用ダイスの製造方法であって、
金属線材が挿通されるダイス孔の内面を所定の径まで研磨するサイジング工程と、該サイジング工程後、前記ダイス孔の内面を砥粒流動加工により研磨する研磨工程と、を有することを特徴とするものである。
金属線材が挿通されるダイス孔の内面を所定の径まで研磨するサイジング工程と、該サイジング工程後、前記ダイス孔の内面を砥粒流動加工により研磨する研磨工程と、を有することを特徴とするものである。
本発明によれば、従来よりも寿命が長く、かつ、金属線材の表面の傷を防止することができる金属線材伸線加工用ダイスおよびその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の一好適な実施の形態に係るダイスの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿う方向のダイス断面図である。図示例においては、ダイス１は外形が円柱状であり、その略中央に金属線材が挿通されるダイス孔２が設けられている。図１（ｂ）に示すとおり、ダイス孔２は、伸線される線材の出口方向に向かって狭くなるように形成されたアプローチ部２ａと、アプローチ部２ａの後段に位置する内径が一定なベアリング部２ｂと、ベアリング部２ｂの後段に出口方向に向かって内径が大きくなるリリース部２ｃと、からなる。アプローチ部２ａには、所定のテーパー角が設けられていて、金属線材は、アプローチ部２ａ側から送り込まれ、ベアリング部２ｂへと引っ張られていくが、このときアプローチ部２ａのテーパーによって金属線材の直径が引き絞られて伸線加工がなされる。
図１（ａ）は、本発明の一好適な実施の形態に係るダイスの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿う方向のダイス断面図である。図示例においては、ダイス１は外形が円柱状であり、その略中央に金属線材が挿通されるダイス孔２が設けられている。図１（ｂ）に示すとおり、ダイス孔２は、伸線される線材の出口方向に向かって狭くなるように形成されたアプローチ部２ａと、アプローチ部２ａの後段に位置する内径が一定なベアリング部２ｂと、ベアリング部２ｂの後段に出口方向に向かって内径が大きくなるリリース部２ｃと、からなる。アプローチ部２ａには、所定のテーパー角が設けられていて、金属線材は、アプローチ部２ａ側から送り込まれ、ベアリング部２ｂへと引っ張られていくが、このときアプローチ部２ａのテーパーによって金属線材の直径が引き絞られて伸線加工がなされる。
本発明の金属線材伸線加工用ダイスは、ベアリング部２ｂから減面率３０％相当のアプローチ部２ａまでの内面のダイス孔２の軸方向における表面粗さをＲａ１、ダイス孔２のベアリング部から減面率３０％相当のアプローチ部までの位置からベアリング部２ｂまでの内面の軸方向に直交する方向における表面粗さをＲａ２、ダイス孔２のベアリング部２ｂの内面のダイス孔の軸方向における表面粗さをＲａ３としたとき、Ｒａ１、Ｒａ２およびＲａ３が、下記式、
０．１４μｍ＞Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３
で表される関係を満足する。図１（ｂ）中のＲａ１、Ｒａ２およびＲａ３の矢印は、各表面粗さの方向を示している。
０．１４μｍ＞Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３
で表される関係を満足する。図１（ｂ）中のＲａ１、Ｒａ２およびＲａ３の矢印は、各表面粗さの方向を示している。
Ｒａ２が０．１４μｍ未満であれば、アプローチ部２ａの内面は孔の軸方向に直交する方向については十分に平滑化されているため、ダイス孔中での潤滑剤の流れ抵抗が減少し、伸線方向への金属線材の摩擦抵抗が減少する。したがって、金属線材表面のキズを減少させることができる。また、潤滑剤の流れ抵抗が減少するため、金属線材の摩擦抵抗が減少する。そのため、ダイスの初期摩耗が低下し、ダイスの寿命を向上させることもできる。また、金属線材の通線方向のＲａ、すなわち、Ｒａ１をＲａ２より小さくすることにより、金属線材の摩擦抵抗をさらに減少させることができる。。また、金属線材通線時、ベアリング部２ｂでのＲａ３は金属線材仕上げの表面の滑らかさを決定するため、この部分でのＲａを最も低く、すなわち、Ｒａ１＞Ｒａ３とする。特に、ダイス孔２の軸方向に直交する方向における表面粗さＲａ２は、０．１１μｍ以下が好適である。
本発明のダイス１は、硬質で磨耗し難いという特性が要求されることから、硬質の炭化物または窒化物の粉末を、軟質金属の粉末をバインダーとして焼結した超硬合金からなることが好ましい。硬質の炭化物および窒化物には、単一系として、ＷＣ、ＶＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ３Ｃ２、Ｍｏ２Ｃ、ＶＣおよびＴｉＮ等が挙げられ、擬二元系あるいは擬三元系として、ＷＣ−ＴｉＣ、ＴｉＣ−ＴｉＮ、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ（ＮｂＣ）、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴｉＮ等が挙げられる。一方、バインダーとして働く軟質金属には、Ｃｏのほか、Ｎｉ、Ｃｏ−ＮｉまたはＮｉ−Ｆｅ等を用いることができる。好ましくは、硬質粒子としてＷＣを含み、バインダーとしてＣｏを含むダイスが好ましい。
本発明のダイス１は、０．１４μｍ＞Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３、で表される関係を満足すること以外に、特に制限はない。本発明のダイス１は、金属線材の伸線加工に用いられるものであるが、伸線加工の対象となる金属線材としては、例えば、鋼線、ステンレス鋼線、高炭素鋼線等を挙げることができ、これらの表面にはめっき処理等が施されていてもよい。
次に、本発明の金属線材伸線加工用ダイスの製造方法について説明する。
一般に、金属線材伸線加工用ダイスは、金属線材が挿通されるダイス孔が形成された新品のダイスのダイス孔、または、使用済みのダイスのダイス孔を研磨するサイジング工程を経て、製造する。本発明の金属線材伸線加工用ダイスの製造方法は、前述の本発明の金属線材伸線加工用ダイスを製造する方法であって、金属線材が挿通されるダイス孔の内面を所定の径まで研磨するサイジング工程と、サイジング工程後、ダイス孔の内面を砥粒流動加工により研磨する研磨工程と、を有している。これにより、ダイス孔中での潤滑剤の流れ抵抗が減少し、伸線方向への金属線材の摩擦抵抗を減少させることができるため、金属線材表面のキズを減少させることができる。また、ダイスの摩耗が低下し、ダイスの寿命も向上させることができる。
一般に、金属線材伸線加工用ダイスは、金属線材が挿通されるダイス孔が形成された新品のダイスのダイス孔、または、使用済みのダイスのダイス孔を研磨するサイジング工程を経て、製造する。本発明の金属線材伸線加工用ダイスの製造方法は、前述の本発明の金属線材伸線加工用ダイスを製造する方法であって、金属線材が挿通されるダイス孔の内面を所定の径まで研磨するサイジング工程と、サイジング工程後、ダイス孔の内面を砥粒流動加工により研磨する研磨工程と、を有している。これにより、ダイス孔中での潤滑剤の流れ抵抗が減少し、伸線方向への金属線材の摩擦抵抗を減少させることができるため、金属線材表面のキズを減少させることができる。また、ダイスの摩耗が低下し、ダイスの寿命も向上させることができる。
砥粒流動加工とは、砥粒が混練された、研摩メディアと呼ばれる粘弾性流体を用いた表面研磨方法であり、ダイス孔に研磨メディアを流動させて、この研磨メディア中の砥粒をダイス孔の内面に圧接移動させることにより加工を行うものである。そのため、ダイス孔２の内面に砥粒流動加工を施すと、ベアリング部２ｂの研摩がより高い研磨圧力の下で行われることになるため、Ｒａ３はＲａ１よりも小さくなる。また、砥粒流動加工は、研磨メディアを所定の圧力下でダイス孔内を往復させるので、Ｒａ１はＲａ２よりも小さくなる。したがって、Ｒａ２が０．１４μｍ未満となるまで、ダイス孔２の内面を砥粒流動加工することにより、下記式、
０．１４μｍ＞Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３
を満足する金属線材伸線加工用ダイスを得ることができる。なお、従来の研磨法では、研磨針に含まれているダイヤモンドの粒径を小さくすることでＲａ２を０．１４μｍ以下とすることができるが、Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３の関係を満足させることはできない。
０．１４μｍ＞Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３
を満足する金属線材伸線加工用ダイスを得ることができる。なお、従来の研磨法では、研磨針に含まれているダイヤモンドの粒径を小さくすることでＲａ２を０．１４μｍ以下とすることができるが、Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３の関係を満足させることはできない。
本発明のダイスの製造方法に用いる研磨メディアの砥粒は、炭化ケイ素や酸化アルミ、ダイヤモンド等を用いればよく、また、砥粒の粒径については、例えば、１０〜８０μｍ程度のものを用いることができ、目的とするダイス孔の孔径に応じた粒径を適宜選択すればよい。砥粒の形状についても特に制限はなく、例えば、球状、不定形、平形、皿形等が挙げられるが、球状が好ましい。例えば、本発明のダイスの製造方法においては、砥粒として粒径は３０μｍ程度のダイヤモンドパウダーを好適に用いることができる。また、研摩メディアの粘弾性流体については、特に制限はなく、従来から砥粒流動加工に用いられてきた粘弾性体を用いることができる。
例えば、砥粒として３０μｍのダイヤモンドパウダーを用い、研磨圧力を９０±５ｋｇｆ／ｃｍ２（約８．８ＭＰａ）にて研磨するにあたっては、ダイス孔の径が０．２ｍｍ未満のような細径の場合は研磨時間を８０秒程度、ダイス孔の径が０．５ｍｍ程度の場合は研磨時間を４０秒程度、ダイス孔の径が０．９ｍｍ以上の太径の場合は研磨時間を２０秒程度とすればよい。なお、研摩圧力は上記範囲に限定されるものではないが、研摩圧力を高くすると研摩時間を短くすることができるが、研磨する個々のダイス間における研摩のバラツキが大きくなってしまう場合がある。
本発明のダイスの製造方法は、金属線材が挿通されるダイス孔の内面を所定の径まで研磨するサイジング工程と、サイジング工程後、ダイス孔の内面を砥粒流動加工により研磨する研磨工程と、を有することのみが重要であり、それ以外には特に制限はなく、既知の手法を採用することができる。例えば、サイジング工程でのダイス孔の研摩は、従来と同様に、ダイスと研磨針とを回転させながらダイス孔に研磨針を挿入することにより行えばよい。
また、研磨工程後に、ホウ化処理を行う、いわゆるホウ化処理工程を経ることにより、ダイス孔表面の硬度を高め、耐摩耗性の向上を図ってもよい。なお、ホウ化処理については、既知の方法により行うことができる。例えば、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）を流動パラフィンに混合してペースト状にし、この炭化ホウ素含有流動パラフィンをダイス孔に充填し、電気炉等にて加熱することにより行うことができる。
以下、本発明を、実施例を用いてより詳細に説明する。
＜実施例１〜３＞
サイジング工程として、下孔を設けたダイスと研磨針を回転させ、ダイス孔に研摩針を挿入して砥粒流動加工における加工代が約３μｍとなるように、３個のダイスの各ダイス孔を研磨した。次に、研磨工程として、Ｅｘｔｒｕｄｅ Ｈｏｎｅ社製のＥＸ−８００型の砥粒流動加工装置を用いて、研磨針で研磨した各ダイスのダイス孔を研磨した。得られた各ダイスにつき、得られた各ダイスをダイスの長手方向に沿って半分に切断し、砥粒流動加工後のダイス孔のＲａ１、Ｒａ２およびＲａ３を測定した。また、各ダイスを用いて金属線材に伸線加工を施し、各ダイスの寿命を調査した。得られた結果を表１に、また、実施例１のダイスの孔のアプローチ部の電子顕微鏡写真を図２（ａ）に示す。図２（ａ）の縦方向は軸の方向である。なお、ダイス孔の研磨は摩耗メディアを圧力８．８ＭＰａ（９０ｋｇｆ／ｃｍ２）の下、ダイス孔内を往復させることにより行った。研磨メディアの詳細は以下のとおりである。
＜実施例１〜３＞
サイジング工程として、下孔を設けたダイスと研磨針を回転させ、ダイス孔に研摩針を挿入して砥粒流動加工における加工代が約３μｍとなるように、３個のダイスの各ダイス孔を研磨した。次に、研磨工程として、Ｅｘｔｒｕｄｅ Ｈｏｎｅ社製のＥＸ−８００型の砥粒流動加工装置を用いて、研磨針で研磨した各ダイスのダイス孔を研磨した。得られた各ダイスにつき、得られた各ダイスをダイスの長手方向に沿って半分に切断し、砥粒流動加工後のダイス孔のＲａ１、Ｒａ２およびＲａ３を測定した。また、各ダイスを用いて金属線材に伸線加工を施し、各ダイスの寿命を調査した。得られた結果を表１に、また、実施例１のダイスの孔のアプローチ部の電子顕微鏡写真を図２（ａ）に示す。図２（ａ）の縦方向は軸の方向である。なお、ダイス孔の研磨は摩耗メディアを圧力８．８ＭＰａ（９０ｋｇｆ／ｃｍ２）の下、ダイス孔内を往復させることにより行った。研磨メディアの詳細は以下のとおりである。
結合剤：シリコーン系ホウ化化合物の重合体
研磨剤：黒色炭化ケイ素
砥粒：粒径３０μｍのダイヤモンドパウダー
剥離剤：鉱物油と潤滑剤とからなる潤滑材
研磨剤：黒色炭化ケイ素
砥粒：粒径３０μｍのダイヤモンドパウダー
剥離剤：鉱物油と潤滑剤とからなる潤滑材
＜比較例１〜５＞
下孔を設けたダイスと研磨針を回転させ、ダイス孔に研摩針を挿入して砥粒流動加工における加工代が約３μｍとなるように、５個のダイスの各ダイス孔を研磨した。また、所定のＲａ分布を得るために、研磨針の砥粒の硬度と粒径を適宜調整した。その後、砥粒流動加工を行わずに、得られた各ダイスをダイスの長手方向に沿って半分に切断し、Ｒａ１、Ｒａ２、Ｒａ３を測定した。また、各ダイスを用いて金属線材に伸線加工を施し、ダイスの寿命を調査した。得られた結果を表１に示す。また、比較例１のダイスのダイス孔のアプローチ部の電子顕微鏡写真を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）の縦方向は軸の方向である。
下孔を設けたダイスと研磨針を回転させ、ダイス孔に研摩針を挿入して砥粒流動加工における加工代が約３μｍとなるように、５個のダイスの各ダイス孔を研磨した。また、所定のＲａ分布を得るために、研磨針の砥粒の硬度と粒径を適宜調整した。その後、砥粒流動加工を行わずに、得られた各ダイスをダイスの長手方向に沿って半分に切断し、Ｒａ１、Ｒａ２、Ｒａ３を測定した。また、各ダイスを用いて金属線材に伸線加工を施し、ダイスの寿命を調査した。得られた結果を表１に示す。また、比較例１のダイスのダイス孔のアプローチ部の電子顕微鏡写真を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）の縦方向は軸の方向である。
表１より、ダイス孔のアプローチ部に砥粒流動加工を施した実施例１〜３は、０．１４μｍ＞Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３の関係を満足していた。一方、ダイス孔のアプローチ部に砥粒流動加工を施していない比較例１〜５は、表面粗さＲａ２が全て０．１４μｍ以上であった。また、金属線材の伸線量においても、実施例１〜３のダイスは、比較例１〜５のダイスと比較して、優れていることがわかる。
１ ダイス
２ ダイス孔
２ａ アプローチ部
２ｂ ベアリング部
２ｃ リリース部
２ ダイス孔
２ａ アプローチ部
２ｂ ベアリング部
２ｃ リリース部
Claims (2)
- 金属線材が挿通されるダイス孔が形成された金属線材伸線加工用ダイスにおいて、
前記ダイス孔が、金属線材が挿通する方向に向かって狭くなるアプローチ部と、前記アプローチ部の後段に位置し、内径が一定なベアリング部とを有し、前記ダイス孔のベアリング部から減面率３０％相当のアプローチ部までの内面の、テーパーによって金属線材が引き絞られる方向における表面粗さをＲａ１、前記ダイス孔のベアリング部から減面率３０％相当のアプローチ部までの内面の、テーパーによって金属線材が引き絞られる方向に直交する方向における表面粗さをＲａ２、前記ダイス孔のベアリング部の内面の、金属線材の通線方向における表面粗さをＲａ３としたとき、前記Ｒａ１、前記Ｒａ２および前記Ｒａ３が、下記式、
０．１４μｍ＞Ｒａ２＞Ｒａ１＞Ｒａ３
で表される関係を満足することを特徴とする金属線材伸線加工用ダイス。 - 請求項１記載の金属線材伸線加工用ダイスの製造方法であって、
金属線材が挿通されるダイス孔の内面を所定の径まで研磨するサイジング工程と、該サイジング工程後、前記ダイス孔の内面を砥粒流動加工により研磨する研磨工程と、を有することを特徴とする金属線材伸線加工用ダイスの製造方法。
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