JP6923870B1 - プレス加工機に用いる型枠及び板体製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平面精度に加えて外縁品質の高い平板を低コストで得る。【解決手段】平坦な押圧面を有する第一の金型（２）と、前記押圧面に対向する平坦な押圧面を有する第二の金型（３）からなる上下一対の金型と型枠（４）を用いてプレス成形により被加工材（５）を平面精度が高い板体製品（５０）に成形する。型枠（４）は、成形すべき板体製品（５０）の外縁を周回する閉じた内壁（４１）を有し、一対の金型（２、３）に鉛直な方向の厚みｔが成形すべき板体製品（５０）の厚さに等しく、かつ型枠の内壁（４１）の内側の広がりが板体製品（５０）の外縁（５１）より成形すべき板体製品の寸法にトリミング除去される分αだけ大きい広さを有するものとする。【選択図】図１

Description

本発明は、プレス成形により被加工材を所要の万態製品に成形するプレス加工機に用いる型枠及び、同型枠を用いた板体製品の製造方法に関する。

プレス機を用いる加工には様々な金型が用いられている。一般的にプレス加工と言えば、剪断・打ち抜き、絞りなど、加工形状を持った一対の金型を用いて所要の形状の加工品を得る手法である。

プレス加工には、平面精度が高いプレート（平板）を製作するものもある。
この加工に用いられるプレス機では、必要とする板体サイズのキャビティ（ダイ）を有する第一の金型と、このキャビティに対応するコア（パンチ）を有する第二の金型からなる上下一対の金型を用い、間に金属板やプリプレグなどの被加工物を置いて圧縮力を加えて所定の平坦化と成形を行うのが一般的である。

特に、ＣＦＲＰなどを素材とした精密平板の製作には、上下一対の金型でプリプレグを加熱圧縮して成形する。この金型には、製品サイズのキャビティとコアが形成されており、その金型の間に素材であるプリプレグを設置し、圧縮加熱することで所定の成形品を得るようにしている。

ＣＦＲＰ等の樹脂強化プラスチックで構成されたプリプレグのプレス成形では、プレスの金型（この場合は熱板）による加熱と圧縮による樹脂の流動と繊維の移動で成形品の外縁に樹脂のボイドや繊維の配列不整が生じ易い。
ボイドや繊維の不整は成形品の寸法精度の低下を招き、外縁や表面の精度が劣化する。

なお、本発明に直接関連するものではないが、プレス機を用いた多層プリプレグを加熱圧縮する際の溶融樹脂による積層体ずれなどに起因する製品不良を回避する手段として特許文献１を挙げることができる。
特許文献１は、プリプレグを多層成形する際の溶融樹脂による層間ずれを抑制するために、多層プリプレグの周囲をアラミド繊維製のベルトで係止する手段を開示する。

実開平０５−２６３６３号公報

プリプレグを素材とし、プレス機を使って外縁や平面の精度が高い平板製品を製作するため、製品寸法が異なるごとにキャビティとコアを形成した金型を用意することは得策でない。金型の製作費用は製品コストの大部分を占める。
そのため、プリプレグを素材とした加工品のコスト引き下げの阻害要因となっている。

本発明は、上記の課題を解決するために、上下の金型を平板（熱板）とし、金型の間に内側寸法が最終製品の寸法より若干大き目の余剰を付加した型枠（ガバリの一種）を介挿し、平面精度と外形寸法が所定値になるように成形した後に上記余剰分をトリミングすることで、平面精度に加えて外縁品質の高い平板を低コストで得ることを目的とする。

本発明の代表的な構成を以下に記述する。なお、本発明の理解を容易にするため、以下の説明中に対応する実施例において使用される符号を付記するが、本発明はこの符号で示される構成に限定されるものではない。

本発明は、平坦な押圧面を有する第一の金型２と、前記押圧面に対向する平坦な押圧面を有する第二の金型３からなる上下一対の金型を用いたプレス成形により被加工材５を平面精度が高い板体製品５０に成形するプレス加工機に用いる型枠４であって、

〔１〕前記型枠４は、成形すべき板体製品５０の外縁を周回する閉じた内壁４１を有し、前記一対の金型に鉛直な方向の厚みｔが前記成形すべき板体製品５０の厚さに等しく、かつ前記内壁４１の内側の広がりが前記板体製品５０の外縁５１より前記成形すべき板体製品の寸法にトリミング除去される分αだけ大きい広さを有するものとした。

〔２〕前記被加工材５は少なくとも一枚のプリプレグからなる層を含む積層したものであり、前記一対の金型２、３は熱板であり、前記板体製品５０は端縁が平面と直角な矩形板である。

〔３〕前記型枠４の内側の広がり寸法は、前記被加工材５のプリプレグ素材を構成する樹脂から生じて当該型枠４との境界近傍に滞留するボイド７、繊維配列の不整領域をトリミング除去する領域を含む大きさとする。
プリプレグの加熱圧縮成形加工では、成形後の外縁に滞留するボイドや長繊維の配列不整は１ｍｍ乃至１０ｍｍの範囲に収まることは経験的に分かっている。
〔４〕前記型枠は寸法の異なる複数の板体製品に対応して複数種類用意されて、加工すべき製品毎に選択して使用する。被加工材５を構成する樹脂の性質、マトリクスとなる繊維が長繊維か短繊維か、あるいは繊維の太さ等に応じてトリミングする余剰分を決めればよい。

また、本発明は、平坦な押圧面を有する第一の金型と、前記押圧面に対向する平坦な押圧面を有する第二の金型からなる上下一対の金型と、型枠を用いた被加工材を平面精度が高い板体製品の製造方法であって、
前記型枠は、成形すべき板体製品の外縁を周回する閉じた内壁を有し、前記一対の金型に鉛直な方向の厚みが前記成形すべき板体製品の厚さに等しく、かつ内側の広がりが前記板体製品の前記外縁より前記成形すべき板体製品の寸法にトリミング除去される分だけ大きい広さを構成する内壁を有して構成されてなり、
前記第一の金型と、前記第二の金型の間で、第一の金型の押圧面上に、前記型枠を配置する型枠配置工程と、
前記第一の金型と第二の金型の間に配置された型枠上に、被加工材を配置する被加工材配置工程と、
第二の金型を降下させ、被加工材を加熱・加圧するプレス加工工程と、
プレス加工後の被加工材を、成形すべき板体製品の寸法にトリミングするトリミング工程と
からなることを特徴とする板体製品の製造方法である。

本発明は、上記の構成及び後述する実施の形態で説明される実施例の構成に限定解釈させるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明の構成によれば、一対の金型の間に内側寸法が最終製品の寸法より若干大き目の余剰を付加した型枠を配置し、平面精度と外形寸法が所定値になるように成形した後に上記余剰分をトリミングすることで、平面精度に加えて外縁精度の高い平板を得ることができる。

予想されるサイズの平板製品に備えて複数の型枠を用意しておくことで、金型を交換することなく所望の板体製品を成形することができる。
これにより、高価な金型が不要となり、精度の高い板体を低コストで得ることができる。

本発明に係る型枠を用いたプレス機の説明図 本発明に係る型枠と板体製品の寸法関係の説明図 本発明に係る板体製品の製造方法の流れを示す図

以下、本発明の実施の形態について、実施例の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る型枠を用いたプレス機の説明図で、同図（ａ）は模式側面式図、同図（ｂ）は型枠の平面図、同図（ｃ）は型枠の斜視図である。

このプレス機は、第一の金型２と第二の金型３からなり、第一の金型２に対して第二の金型３がシャフト６をガイドとして降下するように構成されている。第二の金型３の降下動作（圧縮動作）と上昇動作は、前記第二の金型３の上部に設けた図示しないスライダーで行われる。第一の金型２と第二の金型３は、対向面が高精度の平坦面となっている。符号１は基台を示す。

第一の金型２と第二の金型３の間に型枠４が配置されており、この型枠４の内側に被加工材５が圧入されるように配置されている。型枠４は、成形すべき板体製品５０の外縁５１を周回する閉じた内壁４１を有し、一対の金型に鉛直な方向の厚みｔ（図２参照）が成形後の板体製品５０の厚さに等しい。そして、内壁４１の内側の広がりが板体製品５０の外縁５１より成形すべき板体製品の寸法にトリミング除去される分αだけ大きい広さを有するものとされている。

本実施例において、被加工材５は、カーボン繊維が一方向のプリプレグ２枚で、薄いグラファイト材を挟み込んだ３層構造の積層体であるが、特に限定されるものではなく、単層体であっても、積層体であっても、また、粘性のある樹脂であっても、被加工材５となりえる。実施例の場合は、プリプレグ、グラファイト材、プリプレグの順に積層させて、型枠４内に配置する。
被加工材５の材料として使用するプリプレグとしては、例えば繊維材（例えば、炭素、ガラス、ボロン、アラミド、ダイニーマ、ザイロンなどの合成樹脂繊維など）をマトリックスとして、熱硬化樹脂（エポキシ、ビニルエステル、ポリイミド）や熱可塑性樹脂（ポリアミド、ポリカーボネートなど）を含浸させた半製品（成形前部材：被成形品）などが挙げられ、カーボン等の繊維が一方向のものでも、垂直に交わる二方向のものもよい。また、カーボン等の繊維が、一方向のものを複数枚用いる場合は、カーボン繊維の方向が同じであっても、異なる方向であってもよい。厚さは特に限定されないが、例えば、０．０５ｍｍ〜１０ｍｍ（実施例では、０．２ｍｍ）にすることができる。
グラファイト材は特に限定されるものではなく、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍの厚さのグラファイトプレート（実施例では、０．４ｍｍの厚さのものを用いた）などを用いることができる。
本実施例では、被加工材５は、カーボン繊維が一方向のプリプレグ２枚で、薄いグラファイト材を挟み込んだ３層構造の積層体を用いるが、他にも、グラファイト粉末やカーボン粉末と粘性のある状態の樹脂（熱硬化、熱可塑）との混合物を、被加工材５として用いることもできるし、さらには、マット状の繊維基材に不飽和ポリエステル等を含浸させたシートであるＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）単体や、短繊維や長繊維と樹脂（熱硬化、熱可塑）プレートを重ね合わせた積層体などが挙げられる。
一対の金型２、３は図示しない加熱手段で高温とされる熱板である。このプレス機で成形されて最終製品となる板体製品５０は端縁が平面と直角な矩形板である。

そして、型枠４の内側の広がり寸法縦横に各α（図２（ａ）参照）だけ設ける余剰は、被加工材５を構成するプリプレグや粘性のある樹脂から生じて、当該型枠４との境界近傍に滞留するボイド７やマトリックである繊維の不整が発生する領域を含む大きさとする。
特に、炭素繊維などの長繊維を用いる場合は、その異方性に起因する繊維配列の不整が生じ易いため、この繊維配列の不整領域をトリミング除去する大きさとする。

上記の型枠４を寸法（矩形の場合は、縦、横、厚さ、矩形を除く多角形の場合は、それぞれの各辺寸法、厚さ）が異なる複数の板体製品に対応して複数種類用意されて、加工すべき製品ごとに選択して使用する。

次に、図２に基づいて具体的な寸法例を説明する。ここでは、被加工材５として厚さ０．２ｍｍのプリプレグを２枚、その間に厚さ０．４ｍｍのグラファイトを用いて、最終製品の縦（Ｌ）×横（Ｗ）×厚さ（ｔ：高さ）の寸法がＬ＝５０ｍｍ、Ｗ＝５０ｍｍ、ｔ＝０．６ｍｍの高精度平板をプレス加工で製作する場合の例である。

この製品の製作に用いる型枠４のサイズは、Ｌ＝［５０ｍｍ＋α（＝１ｍｍ）］×Ｗ＝［５０ｍｍ＋α（＝１ｍｍ）］×［ｔ（＝０．６ｍｍ）］とする。
厚さを製品と同じサイズとするのは、プリプレグの寸法を型枠４の内壁にぴっちり納まるように予め予備加工をするためである。
プレス機による加熱圧縮で樹脂は、縦方向と横方向に流動するが、型枠４の内壁４１で流動が阻止される。流動する樹脂にはボイド（気泡）が含まれ、圧縮により外縁に移動し、型枠４の内壁との境界に集まる。また、長繊維をマトリクスとしたものでは、圧縮によって繊維配列間隔に製品外縁方向に配列乱れ（不整）が生じる場合がある。

この寸法の平板加工では、上記のボイドや繊維の不整は、外縁１ｍｍの範囲になっていることが経験的に分かっているので、上記のαを１ｍｍとした。しかし、樹脂の特性によっては２ｍｍ以上とすることもできる。
プレスで加工し、樹脂が硬化して常温に戻った状態で加工品の外縁にはみ出た余剰分の領域（α＝１ｍｍ）をトリミングして除去する。トリミングにはレーザーカッターなどの精密切断加工機を用いる。

本実施例により、金型自体を交換することなく、多種寸法の平板を低コストで製作することができる。

次に、図３に基づいて、本発明にかかる板体製品の製造方法を説明する。
本発明にかかる板体製品の製造方法においては、平坦な押圧面を有する第一の金型２と、前記押圧面に対向する平坦な押圧面を有する第二の金型３からなる上下一対の金型と、型枠４が用いられる。
前記型枠４は、成形後の板体製品の外縁を周回する閉じた内壁４１を有し、前記一対の金型に鉛直な方向の厚みが前記成形後の板体製品の厚さに等しく、かつ内側の広がりが前記板体製品の前記外縁より前記成形後の板体製品の寸法にトリミング除去される分だけ大きい広さを構成する内壁を有して構成される。

本発明にかかる板体製品の製造は、まず、前記第一の金型２と、前記第二の金型３の間で、第一の金型２の押圧面上に、前記型枠４を配置する（型枠配置工程：図３のＳ１）。
次に、前記第一の金型２と第二の金型３の間に配置された型枠４に、被加工材５を配置する（被加工材配置工程：図３のＳ２）。
そして、第二の金型３を降下させ、被加工材５を加熱・加圧する（プレス加工工程：図３のＳ３）。
前記加熱・加圧後、第二の金型を上昇させ、被加工材５の樹脂が硬化して常温近くに戻ったら前記型枠４を取り外す（任意選択的な型枠取外し工程：図３のＳ４）。
最後に、被加工材５を金型からとりはずし、成形すべき板体製品５０の寸法にレーザーカッターなどの精密切断加工機でカットしてトリミングして（トリミング工程：図３のＳ５）板体製品５０を仕上げる。

上記の実施例では繊維強化複合樹脂材を被加工材として説明したが、本発明は繊維を構造材としない樹脂単板やガラス複合板、金属板、樹脂―金属複合板、クラッド金属板などの様々な材料を被加工材とした絞り加工機にも適用できる。

１・・・基台
２・・・第一の金型（平板）
３・・・第二の金型（平板）
４・・・型枠
４１・・・閉じた内壁
５・・・被加工材
５０・・・板体製品
５１・・・板体製品の外縁
６・・・シャフト
７・・・不整縁

Claims (3)

1. 平坦な押圧面を有する第一の金型と、前記押圧面に対向する平坦な押圧面を有する第二の金型からなる上下一対の金型と、型枠を用いた被加工材を平面精度が高い板体製品の製造方法であって、
   前記型枠は、成形すべき板体製品の外縁を周回する閉じた内壁を有し、前記一対の金型に鉛直な方向の厚みが前記成形すべき板体製品の厚さに等しく、かつ内側の広がりが前記板体製品の前記外縁より前記成形すべき板体製品の寸法にトリミング除去される分だけ大きく、前記第二の金型の押圧面の面積は、前記型枠の前記内壁で囲まれた面積よりも大きく、
   前記第一の金型と、前記第二の金型の間で、第一の金型の押圧面上に、前記型枠を配置する型枠配置工程と、
   前記第一の金型と第二の金型の間に配置された型枠内に被加工材を配置する被加工材配置工程と、
   前記第一の金型の押圧面上に配置された型枠内、被加工材を配置する被加工材配置工程と、
   第二の金型を降下させ、被加工材を加熱・加圧するプレス加工工程と、
   プレス加工後の被加工材を、成形すべき板体製品の寸法にトリミングするトリミング工程とを含み、
   前記型枠の内側の広がり寸法は、前記被加工材から生じて当該型枠との境界近傍に滞留するボイドの領域をトリミング除去する領域を含む大きさである、板体製品の製造方法。
2. 前記一対の金型は熱板であり、前記板体製品は端縁が平面と直角な矩形板であることを特徴とする請求項１に記載の板体製品の製造方法。
3. 前記型枠は寸法の異なる複数の板体製品に対応して複数種類用意されており、加工すべき製品ごとに選択して使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の板体製品の製造方法。

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