JPH0899352A - プラスチック基材料の成形加工方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 しごき加工等の２次加工を行わずに良好な形
状・寸法のカップ状成形体を得る。 【構成】 ダイス４とブランクホルダ５の被加工材Ｂフ
ランジ挟持部分に加熱手段３を設け、ポンチ６とダイス
４のクリアランスを被加工材Ｂの板厚よりも小さくする
とともに、ポンチ６とダイス４のストローク方向の長さ
を製品長よりも長くして構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、繊維強化材を混入した
熱可塑性プラスチックシート等のプラスチック基材料の
成形加工法に関し、さらに詳しくは、シートまたはフィ
ルム状の上記プラスチック基材料を深絞りして深い円筒
（以下、カップともいう）状の成形体を得る成形加工方
法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス繊維、炭素繊維等の繊維強化材を
混入した熱可塑性プラスチック基材料を薄板状とし、こ
れを固相においてプレス加工等の塑性加工を行うことに
より、各種の食品や飲料などの容器、カバー類、機械部
品、事務機・家電品のケース類、宇宙航空関連機器等の
高い強度を必要とする部品などを簡便に製造することが
試みられている。

【０００３】このような熱可塑性プラスチック基材料の
薄板は、たとえば織物状の繊維強化材とプラスチックフ
ィルムを積層したのち真空プレスで圧縮成形したり、特
公平２-48423号公報に記載されているように、繊維強化
材と粒状のプラスチックを界面活性材を含有する水溶液
に分散させ、紙のように抄いてシート状の半製品とし、
これを加熱、加圧等により膨張・成形させて製造され
る。

【０００４】ところで、熱可塑性プラスチックにガラス
繊維、炭素繊維等の繊維強化材を混入すると、繊維強化
材が塑性変形能を持たないため、その薄板は、深絞り等
の過酷な成形加工が困難であるという問題点があり、薄
板から深い円筒状などの所期の形状にまで一気に加工す
ることは困難とされてきた。繊維強化材を混入した熱可
塑性プラスチック基材料の薄板から固相で成形してたと
えば円筒カップ状の容器を得るために一般に用いられる
手法としては、圧空成形（ブロー成形）または真空成形
（バキューム成形）と、型工具による深絞り成形とがあ
り、いずれも薄板を融点以下の温度に加熱して行われ
る。深絞り成形の場合には、プラスチックが加工硬化し
ないため、主たる変形をするフランジ部分のみを加熱し
て変形抵抗を下げる必要があり、それによりフランジ部
分は「縮みフランジ変形」（フランジ外周が中心に向か
って縮小する変形）し、ポンチ力によってダイス穴内に
引込まれて容器の壁部を形成するので、成形カップは壁
厚が不均一になり、製品形状が不良となりやすい。

【０００５】飲料缶などの金属缶成形の深絞り成形品の
場合は、カッピングプレスによる１次加工の後、図３に
示すように、ポンチ92との隙間（クリアランス）をブラ
ンク（素板）Ｂの壁厚よりも小さくした２段または３段
のダイス91を通過させるアイアニングプレスを使用する
ことで壁厚を薄くかつ一様にした深いカップにするアイ
アニング（しごき加工）が行われている。93はストリッ
パである。

【０００６】ところが、プラスチック基材料の場合、仮
に局部加熱を伴う深絞りによって成形しても、板厚不同
を解消するためにさらにしごき加工を行うことができな
い。なぜなら、プラスチックの深絞りカップを壁部のみ
再加熱すると、再加熱によってひずみ回復が生じ、成形
品形状が損なわれるおそれがあり、これを抑制するた
め、装置が複雑になるからである。

【０００７】それ故、局部加熱深絞りで深絞りカップ状
のものを得ることができても、寸法精度や形状の点が満
足されず、製品とならない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解消し、しごき加工等の２次加工を行うことなしに
良好な形状の成形体を得る深絞りの成形加工方法および
その装置を実現することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のプラスチック基
材料の成形加工方法は、繊維強化材を混入した熱可塑性
プラスチック基材料を深絞り成形するに際し、フランジ
部分を加熱軟化し、被加工材の板厚よりも小さいクリア
ランスを有するポンチとダイスを使用して深絞り成形を
行うことを特徴とする。

【００１０】また、本発明のプラスチック基材料の成形
加工装置は、繊維強化材を混入した熱可塑性プラスチッ
ク基材料を深絞り成形する装置であって、ダイスとブラ
ンクホルダの被加工材フランジ挟持部分に加熱手段を設
け、ポンチとダイスのクリアランスを被加工材の板厚よ
りも小さくするとともに、ポンチとダイスのストローク
方向の長さを製品長よりも長くしたことを特徴とする。

【００１１】

【作 用】熱可塑性プラスチック基材料の場合は、金属
缶の場合のように深絞り後のしごき加工を行うことがで
きないので、深絞り工程の範囲内で問題を解決する必要
がある。そこで、本発明の骨子とするところは、 １）フランジ部分を局部加熱する深絞り加工とする。 ２）ダイスとポンチ間のクリアランスをブランク（素
板）の板厚よりも小さくし、深絞りと同時に軽度のしご
き加工を行って壁厚を一様化する。 ３）フランジが流入して壁部を形成する際、通常の深絞
りではダイスが比較的浅（薄）く、成形品はポンチ頭部
に載置された状態でダイス内壁から解放されるが、それ
では壁部の外径精度が保てないので、ダイス内径部は少
なくとも成形品壁部以上に深い連続した円筒面とする。

【００１２】したがって成形品壁部の全長がパンチとダ
イスに挟まれた状態なので、表面も平滑になる。 ４）生産性の観点から従来のポンチ冷却（主に水循環）
に加えてダイス内壁シリンダー部をも冷却（主に水循
環）できるようにする。 以上により、深絞り工程のみで良好な形状の成形体を得
ることができる。

【００１３】

【実施例】

実施例１ 図１、２により本発明の第１の実施例を詳細に説明す
る。この図は、ポンチを固定し、ダイスを上下に移動さ
せる方式により円筒カップ成形を行うプレス機の正面
（一部断面）図で、図１はダイス移動開始前、図２は移
動後の状態を示し、１はダイスホルダ、２は断熱板、３
はシースヒータ、４はダイス、５はブランクホルダ、６
はポンチ、７は冷却水配管、Ｂはブランク（材料素板）
である。

【００１４】図１に示すように、ブランクＢのフランジ
部分をダイス４とブランクホルダ５で挟持し、図２に示
すようにブランクＢの中央部分をポンチ６にかぶせるよ
うにダイス４が下降して、絞り加工を行うのである。こ
の実施例ではダイス４およびブランクホルダ５の裏側に
シースヒータ３が配置されており、フランジ部分の局部
加熱を行うが、成形前に赤外線などを用いてブランクＢ
を予加熱することも可能である。

【００１５】縮みフランジ変形が進行し、完全にフラン
ジが流入して壁部が形成されたら、冷却水配管７により
外部からダイスホルダ１内部、とくにダイス４の内壁に
冷却水を通し冷却する。ここで重要な点はダイス４とポ
ンチ６とのクリアランス（片側の隙間）であり、これは
ブランクＢの素材厚よりも小さく設定される。

【００１６】長繊維や連続織物繊維で強化した熱可塑性
プラスチック板を単なる局部加熱で深絞りする場合は、
ダイスの移動につれて縮みフランジ変形によって板厚が
徐々に増加するので、ダイスとポンチとのクリアランス
もそれを許容できる値としなければならない。そのため
得られる成形カップの壁部の厚みは底側では小さく開口
端では大きくなり、製品のカップは板厚が不同の斜壁を
持つことになる。これは製品として好ましくない。

【００１７】また、外径の分布と板厚の分布のためポン
チ頭部寄り（カップ底寄り）で壁部の強度（破断抵抗）
が相対的に小さく、成形時に破断しやすい。これに対
し、本発明の方法（以下、略して「局部加熱しごき絞り
法」という）においては、ポンチとダイスの間隔（片側
のクリアランス、以下同じ）が板厚よりも小さいので、
成形品の板厚は冷却収縮（熱膨張分が戻る）分を差し引
く程度でほとんどクリアランスに一致することになる。
またポンチ側壁、ダイス内壁とも垂直なので、成形品の
壁も垂直になり外径は一様になる。

【００１８】成形限界も大幅に改善される。まずブラン
クが繊維補強されているため破断抵抗が大きいので、壁
部の荷重負担能も大きく、縮みフランジ変形抵抗に打克
つのは容易であり、一層小さいクリアランスの中にフラ
ンジを引込むことができる。また、一度壁部が形成され
ると、ポンチ側壁とダイス内壁の間で成形品を広範囲に
挟み込んで成形が進行するから、破断危険部が特定され
ず破断が生じにくい。ポンチ肩の曲率半径が小さめの方
が早期にしごき加工が始まるという点で有利である。も
ちろん成形品の形状も角が出て改善される。このように
して破断の危険が遠ざかれば、当然大きなブランクを用
いて深い容器を得ることができるようになる。

【００１９】ところで、この局部加熱しごき絞り法は通
常の金属板の加工には用いることができない。ポンチ肩
や壁部の材料が縮みフランジ抵抗のうえにしごき加工力
まで負担するほど強度（破断抵抗）を持たないので、ダ
イス肩で早期に破断を生じるからである。本発明の局部
加熱しごき絞り法は、破断抵抗が大きく縮みフランジ抵
抗が小さく、しごき力も小さい場合に成立しやすい。

【００２０】なお本発明のしごき絞りの理論的限界は、
単体プラスチック板の場合無限とも考えられる。しかし
実際には、型工具の寸法やプレスストロークに限りがあ
り、実用には成形品の深さもそれほど必要がない場合が
多く、形成上でも部分的にくびれや白化などの欠陥が現
れるので、絞り比（ブランク径対パンチ径比）が３〜４
あたりが限界のようである。

【００２１】繊維強化材が混入している場合には、繊維
は変形能を持たないので、寄り集まってクリアランスを
充たす以上にはブランク径を大きくできない。また繊維
含有率が大きくなるにつれて絞り比を小さくする必要が
ある。繊維自体は変形しないため、多量に集まると基材
プラスチックが不足してダイス肩やクリアランスで型か
じりを生じ、成形品の壁部に繊維が露出する時が実際の
成形限界になる。

【００２２】なお、本発明の場合、ダイス内径部は少な
くとも成形品壁部以上に深い連続した円筒面とする。し
たがって成形品壁部の全長がパンチとダイスに挟まれた
状態で冷却されるので、表面も平滑になる。以上ように
本発明により、板厚が一様な垂直壁を持つ深い絞り容器
をプラスチック基薄板から効率的に生産することができ
る。もちろん、円形以外の異形断面体も得られる。

【００２３】本発明で得られる深絞り容器の特徴を挙げ
ると次のようになる。 １）底部はほぼ元の板厚のまま変化せず、壁部の板厚が
底部より薄くなる。 ２）壁部の板厚は通常品の場合底から開口部に向かって
漸増し、深さ対直径比が１〜1.5 でも元板厚の1.5 倍以
上になるのに対し、本発明品はその比が２〜３でも元板
厚より薄く、そして一様に分布する。 ３）壁部が垂直である通常の深絞り製品は、底部近傍に
対して開口部側の外径がおよそ元板厚の３倍以上大きい
のに対し、本発明品は理論的には不同がなく実際上は元
の板厚内に収まる。 ４）長さがおよそ２mm以上の短繊維、長繊維または連続
繊維で補強されており、プラスチック単体や極短繊維の
ものと比較して白化やくびれなどを生じ難い。なお、こ
のような繊維はノズルやスクリューで引っ掛かったり切
れたりするため、射出成形法では使用することができな
い。 ５）壁部の繊維含有率が開口部に近くなるにつれて徐々
に高くなっている。

【００２４】実施例２ 繊維長さ13mmのガラス繊維を体積含有率18％でランダム
配向したポリプロピレンシート（板厚 1.6mm）をポンチ
径24.0mm、ダイス径26.8mm、クリアランス（片側）1.4m
m で「局部加熱しごき絞り法」により円筒カップ成形を
した。潤滑剤は使用していない。装置は複動式油圧プレ
ス（容量10ton 、ラム速度15mm/sec）を用いた。フラン
ジ部の局部加熱は電熱（シースヒータ）方式とし、あら
かじめ求めた実験上の最適条件である 170℃で３分とし
た。冷却はファン室冷である。しごき率は（１− 1.4／
1.6 ）×100 ＝12.5％である。何の欠陥も生じないで絞
れるブランク（素板）径の最大値とポンチ径との比であ
る限界絞り比（以下、L.D.R.と略す）を求めたところパ
ンチ径の3.13倍であった。このL.D.R.の値は壁部に若干
の繊維露出を許すとさらに大きくなり、4.17にまで達す
ることが分かった。L.D.R.が3.13では成形カップの深さ
は約３倍になっている。得られた容器の外径はダイス内
径に対して−0.02〜−0.05mmの範囲に収まり、板厚はク
リアランス基準で−0.05〜−0.02mmの範囲に収まり良好
なカップとなった。それぞれ−0.07〜−0.19％、−3.57
〜−1.43％の範囲であり、優れた成形品になっている。

【００２５】実施例３ 100mm長ガラス繊維によるランダム強化板（体積含有率
９％、板厚 2.0mm）を実施例２と同じ条件で「局部加熱
しごき絞り法」を試みた。しごき率は（１− 1.4／2.0
）×100 ＝30％である。この場合、繊維が長く、均一
分布していないことと、しごき率が高めのため、全く欠
陥のない成形カップは得られなかった。しかし、補修で
きる程度の若干の壁部の繊維露出を許すと、L.D.R.は3.
96もの大きな値になった。この時外径はダイス内径に対
して−0.75〜−1.12％の範囲、壁厚はクリアランスに対
して−2.40〜−1.08％の範囲に収まった。

【００２６】実施例４ 連続炭素繊維平織物強化ポリカーボネート（板厚1.50m
m）をポンチ径25.20mm、ダイス径28.00mm 、クリアラン
ス（片側）1.40mmで「局部加熱しごき絞り法」を実施し
た。冷却は水道水を循環した。局部加熱（３分）の温度
は 155〜245 ℃で繊維含有率の大きいものほど高くして
成形しやすくした。しわ抑え圧力は200kgfとした。L.D.
R.は繊維含有率０ vol％のもののみポンチ頭部のくびれ
発生のため2.58で傾向から外れたが、他は7.5vol％で4.
37となり、以下単調に減少し、45.2vol ％では2.36とな
った。全ての成形品の壁部は平滑で光沢のある黒色を呈
し、外観は問題ない。

【００２７】比較のために、ダイス内径を31.40mm 、ク
リアランス（片側）3.10mmと大きくしてしごきを伴わな
い単純局部加熱絞りを行ったが、たとえば45.2 vol％材
の場合にL.D.R.は3.6 であった。しかし成形はフランジ
がダイス穴に一様に流入せず、繊維方向が容易に壁部を
形成するのに対し、45°方向などはダイス面上にかなり
残った。このような異方性を解消するのにもしごきの作
用が有効である。

【００２８】成形カップの寸法精度にも大きな差異が見
られた。深さ30mmの成形カップで比較したところ、成形
カップの外径はダイス内径に対して−2.72〜−0.13mmの
範囲、板厚はクリアランスに対して−1.38〜０mmの範囲
で大きな変化を示した。一方、本発明の「局部加熱しご
き絞り法」の場合、外径は−0.02〜＋0.01mm、板厚は−
0.02〜＋0.01mmとほぼ一様で、著しく改善された。な
お、しごき率は初期には（１− 1.4／1.5 ）×100 ＝6.
7 ％であるが、成形後期には縮みフランジ変形のためお
よそ40％に昇っている。

【００２９】実施例５ 上記実施例４の方法で同じような先進複合材料であると
ころの連続炭素繊維平織物強化ポリエーテルイミド（板
厚1.5mm ）を「局部加熱しごき絞り法」を実施した。局
部加熱の温度を高めに設定しなければならなかった。た
とえば45.2 vol％材では 340℃が適当で、このとき2.40
のL.D.R.を得た。成形カップの品質や寸法精度はやはり
良好であった。

【００３０】

【発明の効果】本発明により生じる効果は次のとおりで
ある。寸法精度のよい深絞り製品が得られるので、繊維
強化プラスチック板の用途が大幅に拡大される。１工程
で深いカップ状に成形できるので、省エネルギーにな
る。

【００３１】壁厚をしごいて薄くすることで深いカップ
にするから、材料消費が少なく省資源になる。以上の諸
点から量産効果が生じ、材料および成形品がかなりコス
ト低減される。また、繊維含有率の高いスーパーエンジ
ニヤリングプラスチック、いわゆる先進複合材料（ＡＣ
Ｍ）は、従来成形不可能とされていたため接着やリベッ
トなどによる組立てであったが、本発明によって作業
性、生産性よく簡便に品質や外観に優れた一体形の容器
が得られ、接着剤やリベットが不要になるので省資源に
なる。

【００３２】さらに、高強度かつ気水密の容器を提供で
きる。例えば製品が自動車部品、家電品、各種構造に取
り入れられると、軽量化効果が生じ省エネルギーとな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すプレス機の正面（断面）
図である。

【図２】同じく本発明の実施例を示すプレス機の正面
（断面）図である。

【図３】従来の金属缶におけるアイアニングを示す正面
図である。

【符号の説明】

１ ダイスホルダ ２ 断熱板 ３ シースヒータ ４ ダイス ５ ブランクホルダ ６ ポンチ 91 ダイス 92 ポンチ 93 ストリッパ Ｂ ブランク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繊維強化材を混入した熱可塑性プラスチ
   ック基材料を深絞り成形するに際し、フランジ部分を加
   熱軟化し、被加工材の板厚よりも小さいクリアランスを
   有するポンチとダイスを使用して深絞り成形を行うこと
   を特徴とするプラスチック基材料の成形加工方法。
2. 【請求項２】 繊維強化材を混入した熱可塑性プラスチ
   ック基材料を深絞り成形する装置であって、ダイス
   （４）とブランクホルダ（５）の被加工材（Ｂ）フラン
   ジ挟持部分に加熱手段（３）を設け、ポンチ（６）とダ
   イス（４）のクリアランスを被加工材（Ｂ）の板厚より
   も小さくするとともに、ポンチ（６）とダイス（４）の
   ストローク方向の長さを製品長よりも長くしたことを特
   徴とするプラスチック基材料の成形加工装置。