JP6648420B2 - 金属成形体の製造方法及び金属成形体の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材を冷間プレスすることによって、基部及び同基部から突出する突出部を有する金属成形体を製造する方法及びその製造装置に関する。

従来、大規模集積回路（ＬＳＩ）などの電子部品には、冷却のためのヒートシンクが設けられている。ヒートシンクは、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い金属材料からなり、板状の基部と、基部から突出する複数のフィンとを備えている。

通常、こうしたヒートシンクは熱間プレスによって形成される（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の技術では、金属材料を加熱するとともに、加熱された金属材料を成形ダイとパンチとによりプレスし、成形ダイの孔内に金属材料の一部を押し込むことにより、ピン状のフィンが成形される。このように熱間プレスによってヒートシンクを製造する場合、金属材料が加熱されて軟らかくされた状態でプレスされることから、冷間プレスの場合に比べてプレスに要する荷重が小さい。

特開２０１２―１９９３２４号公報

ところで、ヒートシンクのように基部及び基部から突出する突出部を有する金属成形体を熱間プレスによって製造する場合には、プレス工程の他に、金属材料を加熱する加熱工程や、プレス後の金属成形体を冷却する冷却工程が必要となる。また、金属材料が加熱されるためにプレス後の金属成形体の表面に酸化スケールが生じることとなり、例えば酸洗処理などによって酸化スケールを除去する除去工程が必要になる場合もある。そのため、工程数が多くなって金属成形体の製造に多くの時間を要することとなる。

これに対して、冷間プレスによって金属成形体を製造することが考えられる。この場合、加熱工程や冷却工程などが不要となるために工程数を少なくすることができる。しかしながら、従来の冷間プレスの場合には、常温で硬い金属材料をプレスすることとなるため、熱間プレスの場合に比べてプレスに要する荷重が数倍以上に大きくなる。そのため、成形型の耐荷重を大きくしなければならないといった背反が生じる。

本発明の目的は、冷間プレスに要する荷重を低減することのできる金属成形体の製造方法及び金属成形体の製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するための金属成形体の製造方法は、金属部材を冷間プレスすることによって、基部及び同基部から突出する突出部を有する金属成形体を製造する方法であって、凸部を有する第１パンチ及び孔を有する第１ダイを備える第１成形型により前記金属部材をプレスすることによって、前記金属部材における前記第１パンチに対向する面に窪み部を形成するとともに前記第１ダイに対向する面に張出し部を形成する第１工程と、前記第１工程にて形成された予備成形体における前記窪み部が形成された面を押圧する第２パンチ及び孔を有する第２ダイを備える第２成形型により前記予備成形体をプレスすることによって、前記窪み部を潰すとともに前記張出し部を前記第２ダイの前記孔の奥に向けて押し出すことにより前記突出部を形成する第２工程と、を備える。

また、上記目的を達成するための金属成形体の製造装置は、金属部材を冷間プレスすることによって、基部及び同基部から突出する突出部を有する金属成形体を製造する装置であって、凸部を有する第１パンチ及び孔を有する第１ダイを備え、前記金属部材をプレスすることによって、前記金属部材における前記第１パンチに対向する面に窪み部を形成するとともに前記第１ダイに対向する面に張出し部を形成する第１成形型と、前記第１成形型により形成された予備成形体における前記窪み部が形成された面を押圧する第２パンチ及び孔を有する第２ダイを備え、前記予備成形体をプレスすることによって、前記窪み部を潰すとともに前記張出し部を前記第２ダイの前記孔の奥に向けて押し出すことにより前記突出部を形成する第２成形型と、を備える。

同方法または同構成によれば、まず、第１成形型により金属部材がプレスされることで、窪み部及び張出し部を有する予備成形体が形成される（第１工程）。このとき、第１成形型により金属部材がプレスされることで、予備成形体の表面近傍部が加工硬化することとなる。

続いて、第２成形型により予備成形体がプレスされる（第２工程）。このとき、予備成形体の内部では、材料がほとんど加工硬化されていないために表面近傍部よりも材料が流動しやすい。すなわち、予備成形体の内部の材料を変形させるのに要する力は、加工硬化された内周面を有する窪み部や加工硬化された表面を有する張出し部を変形させるのに要する力よりも小さい。したがって、予備成形体がプレスされると、内部の材料が動くとともにその圧力に抗することができなくなることで窪み部の空間が縮まるとともに張出し部が第２ダイの孔の奥に向けて押し出されることとなる。

このように、上記方法または上記構成によれば、第１工程及び第２工程の双方において、互いに異なる複数の方向に対して金属部材の逃げ場が確保された状態で金属部材が冷間プレスされることにより、予備成形体及び金属成形体がそれぞれ形成される。このため、一回の冷間プレスによって金属成形体を製造する場合、換言すれば、金属部材がプレスされる際の逃げ場が金属成形体の突出部を形成するためのダイの孔のみとされ、金属部材の一部を同孔に強引に押し出す場合に比べて、予備成形体及び金属成形体のプレスに要する荷重が小さくて済む。

本発明によれば、冷間プレスに要する荷重を低減することができる。

一実施形態に係る金属成形体の製造方法によって製造されたヒートシンクの一部を示す斜視図。 （ａ）〜（ｃ）は、同実施形態の第１工程において金属部材が予備成形体に変形される様子を順に示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、同実施形態の第２工程において予備成形体がヒートシンクに変形される様子を順に示す断面図。 （ａ），（ｂ）は、同実施形態の作用を説明するための図であって、予備成形体の断面構造を模式的に示す断面図。

以下、図１〜図３を参照して、一実施形態について説明する。なお、本実施形態では、電子部品の冷却に用いられるヒートシンク１０の製造装置及びその製造方法について説明する。

図１に示すように、ヒートシンク１０は、板状の基部１１及び基部１１の上面から突出する複数の円柱状の突出部１３を有している。突出部１３の高さは基部１１の板厚よりも大きくされている。ヒートシンク１０は例えばアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属材料によって形成されている。

次に、ヒートシンク１０の製造装置について説明する。この製造装置は、図２に示す第１成形型４０と、図３に示す第２成形型５０とを備えている。
図２（ａ）に示すように、第１成形型４０は、ヒートシンク１０の複数の突出部１３にそれぞれ対応して設けられた複数の孔４２１を有する第１ダイ４２と、複数の孔４２１にそれぞれ対応して設けられた複数の凸部４１１を有する第１パンチ４１とを備えている。各孔４２１は円柱状の空間をなしている。

図３（ａ）に示すように、第２成形型５０は、ヒートシンク１０の複数の突出部１３にそれぞれ対応して設けられた複数の孔５２１を有する第２ダイ５２と、平面状の下面５１１を有する第２パンチ５１とを備えている。各孔５２１は円柱状の空間をなしている。

次に、ヒートシンク１０の製造手順と共に本実施形態の作用について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、第１ダイ４２の上面にアルミニウムなどの金属部材３０を載置する。なお、この金属部材３０の板厚はヒートシンク１０の突出部１３の高さよりも小さい。

続いて、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、第１パンチ４１を降下させて第１ダイ４２と第１パンチ４１とによって金属部材３０をプレスする。これにより、金属部材３０の第１パンチ４１に対向する面に複数の凸部４１１にそれぞれ対応した複数の窪み部２２が形成されるとともに、金属部材３０の第１ダイ４２に対向する面に複数の孔４２１にそれぞれ対応した複数の張出し部２３が形成され、予備成形体２０が成形される（第１工程）。

次に、図３（ａ）に示すように、予備成形体２０の各張出し部２３の位置を各孔５２１の位置に一致させるようにして第２ダイ５２の上面に予備成形体２０を載置する。
続いて、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、第２パンチ５１を降下させて第２ダイ５２と第２パンチ５１とによって予備成形体２０をプレスする。これにより、窪み部２２が潰されるとともに張出し部２３が第２ダイ５２に向けて押し出されることにより突出部１３が形成され、ヒートシンク１０が成形される（第２工程）。

こうした方法によれば、第１成形型４０により金属部材３０がプレスされることで、図４（ａ）に示すように、予備成形体２０の表面近傍部（同図の網掛け部）が加工硬化することとなる。

続いて、第２成形型５０により予備成形体２０がプレスされるとき、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、予備成形体２０の内部では、材料がほとんど加工硬化されていないために表面近傍部よりも材料が流動しやすい。すなわち、予備成形体２０の内部の材料を変形させるのに要する力Ａは、加工硬化された内周面を有する窪み部２２や加工硬化された表面を有する張出し部２３を変形させるのに要する力Ｂよりも小さい（Ａ＜Ｂ）。したがって、予備成形体２０がプレスされると、同図の矢印の向きに内部の材料が動くとともにその圧力に抗することができなくなることで窪み部２２の空間が縮まるとともに張出し部２３が第２ダイ５２の孔５２１の奥に向けて押し出されることとなる。

このように、本実施形態においては、第１工程及び第２工程の双方において、互いに異なる複数の方向に対して金属部材３０の逃げ場が確保された状態で金属部材３０が冷間プレスされることにより予備成形体２０及びヒートシンク１０がそれぞれ形成される。このため、一回の冷間プレスによってヒートシンク１０を製造する場合、換言すれば、金属部材３０が変形する際の逃げ場がヒートシンク１０の突出部１３を形成するためのダイの孔のみとされ、金属部材３０を同孔に強引に押し出す場合に比べて、予備成形体２０及びヒートシンク１０のプレスに要する荷重が小さくて済む。

また、本実施形態の製造方法によれば、第１工程において張出し部２３の表面が加工硬化されるため、第２工程において張出し部２３を第２ダイ５２の孔５２１の奥に向けて押し出す際に、張出し部２３の表面の形状が維持されやすい。このため、ヒートシンク１０の突出部１３にバリが生じにくい。

以上説明した本実施形態に係る金属成形体の製造方法及び金属成形体の製造装置によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）第１成形型４０により金属部材３０をプレスすることによって、金属部材３０における第１パンチ４１に対向する面に窪み部２２を形成するとともに第１ダイ４２に対向する面に張出し部２３を形成する（第１工程）。また、第２成形型５０により予備成形体２０をプレスすることによって、窪み部２２を潰すとともに張出し部２３を第２ダイ５２に向けて押し出すことにより突出部１３を形成する第２工程と、を備える。

こうした方法によれば、一回の冷間プレスによってヒートシンク１０を製造する場合に比べて、予備成形体２０及びヒートシンク１０のプレスに要する荷重が小さくて済む。したがって、冷間プレスに要する荷重を低減することができる。

また、こうした方法によれば、第１工程において形成された窪み部２２及び張出し部２３の形状を適宜変更することによって、第２工程において形成されるヒートシンク１０の突出部１３の高さを容易に変更することができる。

（２）第１工程において張出し部２３の表面が加工硬化されるため、第２工程において張出し部２３を第２ダイ５２の孔５２１の奥に向けて押し出す際に、張出し部２３の表面の形状が維持されやすい。したがって、ヒートシンク１０の突出部１３にバリが生じにくい。

（３）ヒートシンク１０の基部１１の裏面、すなわち突出部１３が形成されている面の反対側の面には、窪み部２２を潰すことによって形成された潰し穴１２が残存することとなる。このため、例えばヒートシンク１０の取り付け対象の電子部品が熱変形した際に、基部１１が追従して変形しやすくなる。

（４）第２工程において、突出部１３の高さが基部１１の板厚よりも大きくなるまで予備成形体２０をプレスするようにした。
こうした方法によれば、突出部１３の表面積、ひいてはヒートシンク１０の表面積を大きくすることができる。したがって、放熱性の高いヒートシンク１０を製造することができる。また、基部１１の板厚よりも突出部１３の高さが大きくされたヒートシンク１０を製造する際の冷間プレスに要する荷重を低減することができる。

（５）ヒートシンク１０の製造装置は、凸部４１１を有する第１パンチ４１及び孔４２１を有する第１ダイ４２を備え、金属部材３０をプレスすることによって、金属部材３０の第１パンチ４１に対向する面に窪み部２２を形成するとともに第１ダイ４２に対向する面に張出し部２３を形成する第１成形型４０を備える。また、製造装置は、予備成形体２０の窪み部２２が形成された面を押圧する第２パンチ５１及び孔５２１を有する第２ダイ５２を備え、予備成形体２０をプレスすることによって、窪み部２２を潰すとともに張出し部２３を第２ダイ５２の孔５２１の奥に向けて押し出すことにより突出部１３を形成する第２成形型５０を備える。

こうした構成によれば、上記効果（１）に準じた効果を奏することができる。
＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。

・ヒートシンク１０を、銅や、アルミニウム合金、銅合金などのアルミニウム以外の金属材料（合金も含む）によって形成することもできる。
・第１ダイ４２の各孔４２１が多角柱状の空間をなすものとすることもできる。また、第２ダイ５２の各孔５２１が多角柱状の空間をなすものとすることもできる。

・ヒートシンク１０の突出部１３の高さを基部１１の板厚と同じかそれよりも小さくすることもできる。
・金属成形体はヒートシンク１０に限られるものではない。他に例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を構成するガス流路を形成するガス流路形成部材を上記実施形態と同様な方法及び装置によって形成することもできる。この場合、例えばステンレス鋼などによってガス流路形成部材を形成すればよい。

・突出部１３の数を１つにすることもできる。

１０…ヒートシンク（金属成形体）、１１…基部、１２…潰し穴、１３…突出部、２０…予備成形体、２１…基部、２２…窪み部、２３…張出し部、３０…金属部材、４０…第１成形型、４１…第１パンチ、４１１…凸部、４２…第１ダイ、４２１…孔、５０…第２成形型、５１…第２パンチ、５１１…下面、５２…第２ダイ、５２１…孔。

Claims (4)

1. 金属部材を冷間プレスすることによって、基部及び同基部から突出する突出部を有する金属成形体を製造する方法であって、
   凸部を有する第１パンチ及び孔を有する第１ダイを備える第１成形型により前記金属部材をプレスすることによって、前記金属部材における前記第１パンチに対向する面に窪み部を形成するとともに前記第１ダイに対向する面に張出し部を形成する第１工程と、
   前記第１工程にて形成された予備成形体における前記窪み部が形成された面全体を平面状の押圧面で押圧する第２パンチ及び孔を有する第２ダイを備える第２成形型により前記予備成形体をプレスすることによって、前記窪み部を潰すとともに前記張出し部を前記第２ダイの前記孔の奥に向けて押し出すことにより前記突出部を形成する第２工程と、を備え、
   前記第１工程において、前記金属部材の板厚よりも前記窪み部の深さを小さく形成する、
   金属成形体の製造方法。
2. 前記第２工程において、前記突出部の高さが前記基部の板厚よりも大きくなるまで前記予備成形体をプレスする、
   請求項１に記載の金属成形体の製造方法。
3. 前記金属成形体は複数の前記突出部を有するヒートシンクである、
   請求項１または請求項２に記載の金属成形体の製造方法。
4. 金属部材を冷間プレスすることによって、基部及び同基部から突出する突出部を有する金属成形体を製造する装置であって、
   凸部を有する第１パンチ及び孔を有する第１ダイを備え、前記金属部材をプレスすることによって、前記金属部材における前記第１パンチに対向する面に窪み部を形成するとともに前記第１ダイに対向する面に張出し部を形成する第１成形型と、
   前記第１成形型により形成された予備成形体における前記窪み部が形成された面全体を平面状の押圧面で押圧する第２パンチ及び孔を有する第２ダイを備え、前記予備成形体をプレスすることによって、前記窪み部を潰すとともに前記張出し部を前記第２ダイの前記孔の奥に向けて押し出すことにより前記突出部を形成する第２成形型と、を備え、
   前記凸部の突出長は、前記金属部材の板厚よりも小さい、
   金属成形体の製造装置。