JP7498508B2 - 加熱プレス用ユニット - Google Patents
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Description
本発明は、複数の金属板を重ね合わせて、加圧および加熱することにより複数の金属板を拡散接合により接合する加熱プレスに用いられる加熱プレス用ユニットに関する。
拡散接合とは、母材を溶融させることなく加熱・加圧保持し、接合面を横切って接合界面の原子を拡散させ、金属学的に完全な接合部を得る方法である。
例えば、特許文献1は、複数枚の金属薄板を積層させた接合対象物を上下の加熱板で挟み、高周波誘導加熱で加熱しつつプレス機で加圧する技術を開示している。
例えば、特許文献1は、複数枚の金属薄板を積層させた接合対象物を上下の加熱板で挟み、高周波誘導加熱で加熱しつつプレス機で加圧する技術を開示している。
特許文献1のように高周波誘導加熱を用いた場合、接合対象物を均一に加熱するのが難しい。また、真空槽内で加熱・加圧する必要があり、装置のコストが高くなる、生産性が低下するという問題もある。
本発明の目的の一つは、接合対象物を均一に加熱でき、複数の金属板の拡散接合による接合を可能とする加熱プレス用ユニットを提供することにある。
本発明の加熱プレス用ユニットは、複数の金属板を重ね合わせて加圧および加熱することにより当該複数の金属板を拡散接合により接合する加熱プレスに用いられる加熱プレス用ユニットであって、
前記加熱プレス用ユニットは、プレス機に互いに対向して装着される第1および第2の加熱プレス用ユニットからなり、
前記第1および第2の加熱プレス用ユニットの各々は、前記プレス機の可動部又は固定部に固定される金属製のベースプレートと、
平坦な加圧面を有する金属製の加圧プレートと、
一端部が前記ベースプレートに連結され、前記加圧プレートに印加される荷重を他端部で受ける金属製の複数の支柱と、
前記複数の支柱がそれぞれ貫通する複数の貫通孔を有し、かつ、前記加圧プレートの加圧面の反対側の面と接して当該加圧プレートを加熱する金属製のヒータブロックと、を備える。
好ましくは、前記ベースプレートと前記加圧プレートと前記複数の支柱のうち、少なくとも前記加圧プレートと前記複数の支柱とは同じ材料で形成されている、構成を採用できる。
前記加熱プレス用ユニットは、プレス機に互いに対向して装着される第1および第2の加熱プレス用ユニットからなり、
前記第1および第2の加熱プレス用ユニットの各々は、前記プレス機の可動部又は固定部に固定される金属製のベースプレートと、
平坦な加圧面を有する金属製の加圧プレートと、
一端部が前記ベースプレートに連結され、前記加圧プレートに印加される荷重を他端部で受ける金属製の複数の支柱と、
前記複数の支柱がそれぞれ貫通する複数の貫通孔を有し、かつ、前記加圧プレートの加圧面の反対側の面と接して当該加圧プレートを加熱する金属製のヒータブロックと、を備える。
好ましくは、前記ベースプレートと前記加圧プレートと前記複数の支柱のうち、少なくとも前記加圧プレートと前記複数の支柱とは同じ材料で形成されている、構成を採用できる。
好適には、前記加圧プレートは中央部付近においてのみ締結部材によって前記ヒータブロックと連結されており、
前記加圧プレートと前記ヒータブロックとの周囲には、前記加圧プレートが前記ヒータブロックの表面から離れないように当該加圧プレートを前記ヒータブロックに拘束しつつ、当該加圧プレートの前記ヒータブロックに対する熱による面方向の変位は許容する複数の留め具が設けられている、構成を採用できる。
前記加圧プレートと前記ヒータブロックとの周囲には、前記加圧プレートが前記ヒータブロックの表面から離れないように当該加圧プレートを前記ヒータブロックに拘束しつつ、当該加圧プレートの前記ヒータブロックに対する熱による面方向の変位は許容する複数の留め具が設けられている、構成を採用できる。
さらに好適には、前記複数の支柱のうち、前記加圧プレートの中央部付近に配置された単一の支柱の他端部のみが当該加圧プレートと連結され、残りの支柱の他端部の端面は当該加圧プレートの前記加圧面とは反対側の面に接触している、構成を採用できる。
本発明によれば、接合対象物を均一に加熱でき、複数の金属板の拡散接合による接合が可能となる。
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態である加熱プレスユニット1について説明する。
図1~図4は、加熱プレスユニット1の構造を示す図であって、図1は平面図、図2は図1の左側面図、図3は図1のA-A線断面図、および図4は図1のB-B線断面図である。
加熱プレスユニット1は、金属製のベースプレート10と、金属製の加圧プレート20と、金属製の複数の支柱30と、金属製のヒータブロック40とを有する。
図1~図4は、加熱プレスユニット1の構造を示す図であって、図1は平面図、図2は図1の左側面図、図3は図1のA-A線断面図、および図4は図1のB-B線断面図である。
加熱プレスユニット1は、金属製のベースプレート10と、金属製の加圧プレート20と、金属製の複数の支柱30と、金属製のヒータブロック40とを有する。
ベースプレート10は、一定の厚さの矩形状のプレートであり、SKD61等の合金鋼で形成されるが、これに限定されるわけではない。ベースプレート10は、後述するように、プレス機の可動部であるラム又は固定部であるステージに固定される。具体的には、ベースプレート10は、図1に示す6か所の穴10hを通じてボルトによりラム又はステージに固定される。ラム又はステージとベースプレート10との間には、断熱材又は冷却機構を介在させることも可能である。
加圧プレート20は、ベースプレート10よりは小さい面積の一定の厚さの矩形状の平坦なプレートであり、表面が金属板(ワーク)を加圧する平坦な加圧面20aとなっている。加熱プレスの際に加圧プレート20に印加される圧力は、例えば、数十~数百MPaである。加圧プレート20は、高温に加熱されかつ高圧力が印加されるため、例えば、降伏点が比較的高いインコネル718等のニッケル合金で形成されるが、これに限定されるわけではない。
図1に示すように、加圧プレート20には、複数の熱電対80が設けられ、加圧プレート20内の複数位置の温度を検出可能となっている。
図1に示すように、加圧プレート20には、複数の熱電対80が設けられ、加圧プレート20内の複数位置の温度を検出可能となっている。
支柱30は、ベースプレート10と加圧プレート20との間に、全部で25本設けられており、断面が四角形状に形成された柱体であり、全て同じ材料で形成され、かつ、加圧プレート20と同じ材料、例えば、インコネル718等のニッケル合金で形成されている。支柱30は、加圧プレート20と同様、高温に加熱されかつ高圧力が印加されるため、加圧プレート20で形成されている。支柱30は、図3等からわかるように、一端部がボルトBTでベースプレート10に連結されており、全ての支柱30の高さは同じになっている。なお、支柱30が固定されるベースプレート10の支柱30の固定面は平坦性が確保されている。
支柱30の他端部は、加圧プレート20の中央部付近に配置された支柱30C(図1参照)を除いて、加圧プレート20には連結されておらず、支柱30の他端部の端面30fは、加圧プレート20の加圧面の反対側の面20bに接触している。支柱30を加圧プレート20に連結(拘束)しないのは、支柱30から加圧プレート20に伝達される力を加圧プレート20の厚さ方向にのみ作用させるためである。すなわち、支柱30を加圧プレート20に連結すると、温度上昇に伴って、加圧プレート20の厚さ方向以外にも力が作用し、加圧プレート20の変形等の原因になるためである。また、支柱30の断面形状を四角状にしたのは、限られた本数の中で、支柱30と加圧プレート20との接触面積を可能な限り大きく確保するためであるが、この形状に限定されるわけではなく、円形等の断面形状も採用できる。
支柱30Cは、図4に示すように、一端部が2本のボルトBT1でベースプレート10に連結されているとともに、加圧プレート20の形成された2つの座グリ穴を通じて2本のボルトBT1で加圧プレート20に連結されている。支柱30Cを加圧プレート20に連結することにより、ベースプレート10に対して加圧プレート20を一定の距離を置いて保持できる。なお、本実施形態では、支柱30Cの両端部をそれぞれ2本のボルトBT1でベースプレート10および加圧プレート20に連結したが、それぞれ1本のボルト用いて連結してもよい。
本実施形態では、後述するように、加圧プレート20の加圧面20aに座グリ穴を形成すると、この部分を加圧面20aとして使用できないが、後述するように、本実施形態では、加圧すべきワークが円環状であるため、加圧プレート20の中央部分を加圧面20aとして使用しない。なお、加圧プレート20の中央部分を加圧面20aとして使用する場合には、加圧面20aに座グリ穴を加工せず、加圧面20aの反対側の面20b側からボルト等で締結する必要がある。
ヒータブロック40は、加圧プレート20とほぼ同じ面積の所定の厚さの矩形状のプレートであり、例えば、SUS316等のステンレス鋼で形成されるが、これに限定されるわけではない。ヒータブロック40は表面40aが加圧プレート20の加圧面20aとは反対側の面20bに接するように設けられている。ヒータブロック40は、図1からわかるように、複数本(6本)の貫通孔41が内部に並列して形成され、この貫通孔にカートリッジヒータ45がそれぞれ挿入されている。カートリッジヒータ45の一端部には給電線が設けられ、この給電線を通じてカートリッジヒータ45に内蔵された発熱体(巻線)に通電することで、カートリッジヒータ45が発熱する。カートリッジヒータ45の巻線の粗密を調整することで、加圧プレート20の加圧面20a内の温度分布を適切に調整することができる。
ヒータブロック40内に並列された隣り合うカートリッジヒータ45の間には、上記した支柱30,30Cが貫通する複数の貫通孔40hがヒータブロック40の厚さ方向に形成されている。
ヒータブロック40内に並列された隣り合うカートリッジヒータ45の間には、上記した支柱30,30Cが貫通する複数の貫通孔40hがヒータブロック40の厚さ方向に形成されている。
ヒータブロック40は、図4に示すように、加圧プレート20の中央部付近で、締結部材であるボルトBT2によって加圧プレート20に連結されている。
また、図1および図3からわかるように、加圧プレート20とヒータブロック40との周囲には、断面形状がL状の留め具60が図1の左右2か所の合計4か所に設けられている。留め具60は、ヒータブロック40の側面に固定されるとともに、加圧プレート20に形成された溝部に係合することで、加圧プレート20が熱変形等によりヒータブロック40の表面40aから離れないように拘束しているとともに、加圧プレート20のヒータブロック40に対する熱による面方向の変位は許容する。
また、図1および図3からわかるように、加圧プレート20とヒータブロック40との周囲には、断面形状がL状の留め具60が図1の左右2か所の合計4か所に設けられている。留め具60は、ヒータブロック40の側面に固定されるとともに、加圧プレート20に形成された溝部に係合することで、加圧プレート20が熱変形等によりヒータブロック40の表面40aから離れないように拘束しているとともに、加圧プレート20のヒータブロック40に対する熱による面方向の変位は許容する。
上記のように構成される加熱プレスユニット1では、加圧プレート20とヒータブロック40とは分離されており、加圧プレート20に印加される大きな力(プレス荷重)は、支柱30,30Cに伝わり、支柱30,30Cからベースプレート10に伝わり、ヒータブロック40には力が作用しないようになっている。仮に、加圧プレート20とヒータブロック40とを一体化して加圧プレート20にカートリッジヒータ45を内蔵すると、カートリッジヒータ45が高温になると、カートリッジヒータ45の周囲の金属が加熱され当該金属の降伏点が下がり変形しやすくなる。加熱された金属が変形すると、カートリッジヒータ45が破損する可能性があり、また、加圧プレート20の加圧面20aとカートリッジヒータ45の周辺との温度差が大きくなるため熱膨張の影響を受け、加圧プレート20の平坦な加圧面20aも変形する可能性がある。
本実施形態の加熱プレスユニット1は、加圧プレート20とヒータブロック40とを分離し、ヒータブロック40に力(プレス荷重)がかからないようにすることで、カートリッジヒータ45の破損や加圧プレート20の変形を防ぐことができる。ヒータブロック40に力(プレス荷重)がかからないので、熱源の選択肢も増え、カートリッジヒータ45に代えて、ランプヒータ等の他のヒータを採用することが可能となる。
本実施形態の加熱プレスユニット1は、ヒータブロック40を加圧プレート20に接するように設けているので、加圧プレート20の温度分布をコントロールしやすく、拡散接合させるワークを均一に加熱しやすい。
本実施形態の加熱プレスユニット1は、ヒータブロック40を加圧プレート20に接するように設けているので、加圧プレート20の温度分布をコントロールしやすく、拡散接合させるワークを均一に加熱しやすい。
本実施形態の加熱プレスユニット1は、加圧プレート20が高温に加熱されても、加圧プレート20の平坦性を維持できるようになっている。加圧プレート20とヒータブロック40とは、上記したように、一か所でのみボルトBT2で締結され、周囲が複数の留め具60で挟みこまれる構造を採用している。
仮に、加圧プレート20とヒータブロック40とを互いに数カ所をネジ締結で完全拘束してしまうと、高温環境になった場合、材料特性である線膨張係数の違いにより加圧プレート20とヒータブロック40との間に大きなストレスが発生し、このストレスにより加圧プレート20が変形するので、加圧プレート20の平坦性を確保できない。
本実施形態の加熱プレスユニット1は、加圧プレート20とヒータブロック40との拘束(連結)を中央部の一カ所のみにして、複数の留め具60により加圧プレート20のヒータブロック40に対する垂直方向(厚さ方向)の膨張による変形を抑えつつ面方向(水平方向)の変位は許容している。これにより、加圧プレート20にヒータブロック40が接触していることで生じる加圧プレート20の熱による変形は防止でき、加圧プレート20の平坦性を維持できる。
仮に、加圧プレート20とヒータブロック40とを互いに数カ所をネジ締結で完全拘束してしまうと、高温環境になった場合、材料特性である線膨張係数の違いにより加圧プレート20とヒータブロック40との間に大きなストレスが発生し、このストレスにより加圧プレート20が変形するので、加圧プレート20の平坦性を確保できない。
本実施形態の加熱プレスユニット1は、加圧プレート20とヒータブロック40との拘束(連結)を中央部の一カ所のみにして、複数の留め具60により加圧プレート20のヒータブロック40に対する垂直方向(厚さ方向)の膨張による変形を抑えつつ面方向(水平方向)の変位は許容している。これにより、加圧プレート20にヒータブロック40が接触していることで生じる加圧プレート20の熱による変形は防止でき、加圧プレート20の平坦性を維持できる。
加熱プレスユニット1は、加熱プレスの際に加圧プレート20に印加される荷重を複数の支柱30および支柱30Cにより分散して受け止める構造を採用しているので、加熱プレスの際に加圧プレート20の平坦性が確保できないと、複数の支柱30および支柱30Cに偏荷重が発生し、特定の支柱に荷重が集中して当該支柱が座屈する可能性がある。
本実施形態では、上記した方法で、加圧プレート20とヒータブロック40の関係において加圧プレート20の平坦性を確保している。これに加えて、加圧プレート20の中心部付近に配置される支柱30Cのみを加圧プレート20に連結し、残りの全ての支柱30を加圧プレート20に拘束せずに接触させることで、加熱プレスの際に支柱30と加圧プレート20との間に生じる線膨張によるストレスを逃がすことができる。これにより、支柱30,30Cと加圧プレート20との関係においても、加圧プレート20の変形を防いで加圧プレート20の平坦性を確保できる。
本実施形態では、上記した方法で、加圧プレート20とヒータブロック40の関係において加圧プレート20の平坦性を確保している。これに加えて、加圧プレート20の中心部付近に配置される支柱30Cのみを加圧プレート20に連結し、残りの全ての支柱30を加圧プレート20に拘束せずに接触させることで、加熱プレスの際に支柱30と加圧プレート20との間に生じる線膨張によるストレスを逃がすことができる。これにより、支柱30,30Cと加圧プレート20との関係においても、加圧プレート20の変形を防いで加圧プレート20の平坦性を確保できる。
図5の(a)は、第1および第2の加熱プレスユニット1,1をプレス機の固定部としてのステージ101と可動部としてのラム102にそれぞれ固定した状態を示している。加熱プレスユニット1,1の加圧プレート20は対向しており、2つの加圧プレート20,20の間に加熱プレスによる接合対象物であるワークWが配置される。ワークWは、金属板W1と金属板W2からなり、金属板W1は例えば厚さ0.1mmのステンレス薄板であり、金属板W2は厚さ0.1mmの銅薄板(無酸素銅)である。ワークWの形状は、図5の(b)に示すように、円環状であるが、これに限定されるわけではない。また、本実施形態では2枚の金属板W1,W2を例示しているが、これに限定されるわけではなく、3枚以上であってもよく、また、金属板W1,W2が同じ材料であってもよい。なお、プレス機は101および102の両方をラムとしてもよい。
本実施形態では、加熱プレスは、大気中で行われるが、加熱プレスの手順の例について説明する。
金属は、高温で空気に晒されて酸化してしまうと、加熱プレスによる金属同士の拡散接合がうまくいかないことが考えられる。
金属は、高温で空気に晒されて酸化してしまうと、加熱プレスによる金属同士の拡散接合がうまくいかないことが考えられる。
一つの方法としては、例えば、温度と湿度を管理した環境下で、金属板W1および金属板W2を管理し、金属板W1と金属板W2とを貼り合わせ両者の間に空気が存在しない状態のワークWを予め用意しておく。このワークWを加圧プレート20,20の間に設置し、必要な拡散接合温度に加圧プレート20,20を加熱するとともに、必要な大きさの荷重を印加する。そして、所定時間経過後は、プレス機からワークWを取り出して冷却する。
他の方法としては、金属板W1と金属板W2との間に空気が存在する状態で、ワークWをプレス機にセットし、加圧プレート20,20が加熱されていない状態からプレス荷重の印加を開始する。ワークWが低温の状態では金属の酸化を防ぐことができるので、この状態で、ワークWを加圧することで、金属板W1と金属板W2との間に存在する空気を追い出し、その後に、必要な拡散接合温度(例えば、数百℃)まで加圧プレート20,20を加熱する。
さらに他の方法としては、金属板W1と金属板W2との間に空気が存在する状態で、ワークWをプレス機にセットする際に、加圧プレート20,20を予熱しておく。金属板W1と金属板W2が酸化する前に加圧プレート20,20に必要な加圧をして金属板W1と金属板W2との間の空気を追い出すとともに加熱する。加圧プレート20,20を予熱しておくことで、タクトタイムを短縮することができる。
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。
1 :加熱プレスユニット(第1および第2の加熱プレスユニット)
10 :ベースプレート
10h :穴
20 :加圧プレート
20a :加圧面
20b :面
30,30C :支柱
30f :端面
40 :ヒータブロック
40a :表面
40h,41 :貫通孔
45 :カートリッジヒータ
60 :留め具
80 :熱電対
101 :ステージ
102 :ラム
BT,BT1,BT2 :ボルト
W :ワーク
W1,W2 :金属板
10 :ベースプレート
10h :穴
20 :加圧プレート
20a :加圧面
20b :面
30,30C :支柱
30f :端面
40 :ヒータブロック
40a :表面
40h,41 :貫通孔
45 :カートリッジヒータ
60 :留め具
80 :熱電対
101 :ステージ
102 :ラム
BT,BT1,BT2 :ボルト
W :ワーク
W1,W2 :金属板
Claims (4)
- 複数の金属板を重ね合わせて加圧および加熱することにより当該複数の金属板を拡散接合により接合する加熱プレスに用いられる加熱プレス用ユニットであって、
前記加熱プレス用ユニットは、プレス機に互いに対向して装着される第1および第2の加熱プレス用ユニットからなり、
前記第1および第2の加熱プレス用ユニットの各々は、前記プレス機の可動部又は固定部に固定される金属製のベースプレートと、
平坦な加圧面を有する金属製の加圧プレートと、
一端部が前記ベースプレートに連結され、前記加圧プレートに印加される荷重を他端部で受ける金属製の複数の支柱と、
複数の支柱がそれぞれ貫通する複数の貫通孔を有し、かつ、前記加圧プレートの加圧面の反対側の面と接して当該加圧プレートを加熱する金属製のヒータブロックと、を備える加熱プレス用ユニット。 - 前記加圧プレートは中央部付近においてのみ締結部材によって前記ヒータブロックと連結されており、
前記加圧プレートと前記ヒータブロックとの周囲には、前記加圧プレートが前記ヒータブロックの表面から離れないように当該加圧プレートを前記ヒータブロックに拘束しつつ、当該加圧プレートの前記ヒータブロックに対する熱による面方向の変位は許容する複数の留め具が設けられている、請求項1に記載の加熱プレス用ユニット。 - 前記複数の支柱のうち、前記加圧プレートの中央部付近に配置された単一の支柱の他端部のみが当該加圧プレートと連結され、残りの支柱の他端部の端面は当該加圧プレートの前記加圧面とは反対側の面に接触している、請求項2に記載の加熱プレス用ユニット。
- 前記ベースプレートと前記加圧プレートと前記複数の支柱のうち、少なくとも前記加圧プレートと前記複数の支柱とは同じ材料で形成されている、請求項1に記載の加熱プレス用ユニット。
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JP2015223625A (ja) | 2014-05-30 | 2015-12-14 | イビデン株式会社 | 加熱プレス機 |
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