KR102550103B1

KR102550103B1 - 금속 소성 가공용 지그

Info

Publication number: KR102550103B1
Application number: KR1020217015770A
Authority: KR
Inventors: 다쿠호 구마가이; 도모히로 오가와; 료조 시로이시; 나오야 마츠모토; 마사히로 시마무라
Original assignee: 도요세이칸 그룹 홀딩스 가부시키가이샤
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2023-06-30
Also published as: WO2020090475A1; JP7338143B2; BR112021008000A2; EP3875183A1; JP2020069506A; CN112930233A; US20210354186A1; TW202023706A; KR20210082216A; EP3875183A4; KR20230006600A

Abstract

본 발명에서는, 금속 내지 합금제의 피가공재의 소성 가공에 사용되는 금속 소성 가공용 지그(治具)에 있어서, 가공 성형품의 표면에 선상의 흠집이 발생하지 않도록 소성 가공을 행하는 것이 가능한 금속 소성 가공용 지그를 제공한다. 본 발명은, 금속 내지 합금제의 피가공재에 가공면을 접촉시키면서 해당 가공면을 해당 피가공재에 대하여 상대적으로 이동시키면서 해당 피가공재를 소성 가공하기 위해 사용되는 금속 소성 가공용 지그로서, 해당 지그의 가공면의 산술 평균 표면 거칠기 Ra가 0.12㎛ 이하인 동시에, 해당 가공면은, 가공 방향을 따른 사영(射影)으로 보았을 때, 폭이 200㎛ 이상이고 또한 높이가 10㎛ 이상인 돌출부가 관찰되지 않도록 평활화되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 소성 가공용 지그

본 발명은, 금속의 소성(塑性) 가공에 사용되는 금속 소성 가공용 지그(治具)에 관한 것이다.

종래, 금속의 소성 가공으로는, 압연(壓延) 가공, 휨 가공, 전단(剪斷) 가공, 드로잉 가공, 아이어닝 가공 등이 알려져 있지만, 이와 같은 소성 가공은, 예를 들면 초경합금제의 강성(剛性) 기재(基材)로 이루어지는 지그를, 피가공재인 금속에 접촉시켜 행해진다.

그런데, 상기와 같은 소성 가공은, 일반적으로는 기름 등의 윤활제를 이용하여 피가공재와 가공용 지그를 직접 접촉시키지 않도록 가공하고 있다. 그러나, 예를 들면 아이어닝 가공과 같은 고면압(高面壓)하에서의 소성 가공의 경우, 국부적으로 보면, 윤활막의 유지를 할 수 없어 피가공재와 가공용 지그가 직접 접촉하기 때문에 피가공재가 가공면에 눌어붙어(seizure), 성형 가공품의 표면 거칠음을 발생시키는 경우가 있다. 또, 가공용 지그로서 초경합금 등의 소결체를 이용하는 경우, 소결체 중에는 어떻게 해도 미소한 보이드(void)를 갖고 있어, 초경합금의 표면을 경면(鏡面) 가공해도 그 표면에는 보이드가 노출되어 있다. 이와 같은 보이드를 갖는 표면의 지그를 이용하여 예를 들면 알루미늄과 같이 연질인 금속의 소성 가공을 행하면, 가공면에 연질인 금속의 마모 가루가 부착 퇴적(빌드 업)한다는 문제도 발생한다. 상기와 같은 눌어붙음이나 부착 퇴적이 발생하면, 성형 가공품의 표면 거칠음이 발생할 뿐만 아니라, 가공용 지그 표면의 마모의 진행이나 재연마에 의한 치수 변화 등, 공구 수명이 현저하게 저하되어 버린다.

따라서, 금속의 소성 가공에 이용하는 지그에서는, 그 가공면에, 주로 내(耐)마모성이나 내눌어붙음성 등을 목적으로 경질막을 설치한다는 수단이 널리 채용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1∼2 참조).

또, 강성 기재의 가공면에 형성되는 경질막은, 그 표면은 어느 정도 평활한 면인 것이 필요하며, 특허문헌 1, 2, 나아가서는 특허문헌 3이나 4에 있어서는, 그 표면의 산술 평균 표면 거칠기 Ra, 최대 높이 거칠기 Rmax, 요철의 사이즈나 개수가 일정한 범위가 되도록 조정되어 있다.

그러나, 소성 가공의 방식에 따라서는, 상기와 같은 경질막의 표면의 거칠기나 요철의 사이즈 및 개수를 만족시키지 않는 것과 같은 경우에 있어서도 유효하게 이용할 수 있는 경우가 있다. 한편으로, 상기의 요건을 만족시키도록 조정한 경우에 있어서도, 얻어지는 가공품의 표면에, 선상(線狀)의 흠집이 생성되는 경우가 있었다.

일본국 특허 제2783746호 공보 국제공개 WO2017/033791호 공보 일본국 특허 제4984263호 공보 일본국 특허 제5152836호 공보

따라서, 본 발명의 목적은, 금속 내지 합금제의 피가공재의 소성 가공에 사용되는 금속 소성 가공용 지그에 있어서, 가공 성형품의 표면에 선상의 흠집이 발생하지 않도록 소성 가공을 행하는 것이 가능한 금속 소성 가공용 지그를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은, 금속 소성 가공에 의해 얻어지는 가공품의 표면에 생성되는 선상 흠집에 대해서 검토한 결과, 이와 같은 선상 흠집은, 피가공재에 가공용 지그의 가공면을 접촉시키면서 해당 가공면을 해당 피가공재에 대하여 상대적으로 이동시켜 소성 가공을 행할 때에 가공용 지그의 가공면에 존재하는 돌출부(突部)에 의해 가공 방향을 따라 발생하고 있는 것이며, 이와 같은 선상 흠집의 생성은, 가공면에 불가피적으로 발생하는 어느 정도의 크기의 요철의 위치를 조정함으로써 유효하게 회피할 수 있다는 지견(知見)을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명에 의하면, 금속 내지 합금제의 피가공재에 가공면을 접촉시키면서 해당 가공면을 해당 피가공재에 대하여 상대적으로 이동시키면서 해당 피가공재를 소성 가공하기 위해 사용되는 금속 소성 가공용 지그로서, 해당 지그의 가공면의 산술 평균 표면 거칠기 Ra가 0.12㎛ 이하인 동시에, 해당 가공면은, 가공 방향을 따른 사영(射影)으로 보았을 때, 폭이 200㎛ 이상이고 또한 높이가 10㎛ 이상인 돌출부가 관찰되지 않도록 평활화되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 소성 가공용 지그가 제공된다.

본 발명의 금속 소성 가공용 지그에 있어서는,

(1) 상기 가공면은, 표면 처리막으로 덮여 있는 것,

(2) 상기 표면 처리막이 탄소막인 것,

(3) 상기 표면 처리막이 다결정 다이아몬드막인 것,

(4) 링 형상을 갖고 있으며, 내측의 환상(環狀)면이 가공면으로 되어 있는 것,

(5) 아이어닝 가공에 사용되는 것이 적합하다.

본 발명의 금속 소성 가공용 지그는, 그 가공면을 금속 내지 합금제의 피가공재에 접촉시킨 상태로 상대적으로 이동시키면서 행해지는 소성 가공, 예를 들면, 아이어닝 가공, 드로잉 가공, 와이어 드로잉 가공에 적용되는 것이지만, 그 가공면의 산술 평균 표면 거칠기 Ra가 0.12㎛ 이하로서 얻어지는 가공품의 표면 거칠음을 회피하는 동시에, 가공 방향을 따른 사영으로 보았을 때, 폭이 200㎛ 이상이고 또한 높이가 10㎛ 이상인 돌출부가 관찰되지 않도록 평활화되어 있는 점에 큰 특징을 갖는다.

이와 같은 가공 방향을 따른 사영으로 보았을 때의 돌출부의 폭이나 높이가 일정치 이하가 되도록 가공면이 평활화되어 있음으로써, 가공 방향을 따라 선상으로 연장되는 흠집이 가공품 표면에 발생하는 것을 유효하게 방지할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 금속 가공용 지그는, 특히 알루미늄이나 알루미늄 합금과 같은 비교적 연질의 금속 내지 합금에 대해서 행해지는 과혹(過酷)한 아이어닝 가공용의 다이스로서 적합하게 적용되고, 이들 금속 내지 합금제의 캔체의 성형에 가장 적합하게 적용된다.

도 1은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 설명도이다.
도 2는 본 발명의 금속 소성 가공용 지그의 요부(要部)를 나타내는 개략 측단면도이다.
도 3은 탄소막 표면의 라만 분광 스펙트럼의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 아이어닝 가공을 이용한 프레스 성형 프로세스의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명이 적용된 환상 아이어닝 가공용 다이스의 일부 측단면도이다.
도 6은 도 5의 환상 아이어닝 가공용 다이스의 전(全)측단면도이다.

본 발명의 금속 소성 가공용 지그는, 그 가공면을 금속 내지 합금제의 피가공재에 접촉시킨 상태로 상대적으로 이동시키면서 행해지는 소성 가공에 적용되는 것이지만, 일정한 조건을 만족하도록, 그 가공면이 평활화되어 있다.

우선, 제 1 조건은, 이 가공면, 즉, 피가공재와 접촉하는 면의 표면 거칠기 Ra(JIS B-0601-1994)가 0.12㎛ 이하, 특히 0.08㎛ 이하이지 않으면 안된다. 이 표면 거칠기 Ra는, 소위 산술 평균 거칠기이며, 이 표면 거칠기 Ra가 이러한 범위가 되도록 평활화되어 있음으로써, 소성 가공 시에 있어서, 가공면과 피가공물의 표면(피가공면)과의 미끄러짐성이 확보되어, 얻어지는 가공품의 표면(피가공 표면)의 표면 거칠음을 유효하게 회피할 수 있다.

그런데, 상기와 같이 표면 거칠기 Ra가 일정한 값 이하가 되도록 평활화를 행한 것만으로는, 가공 방향을 따라 선상으로 연장되는 큰 선폭의 흠집의 생성을 효과적으로 억제할 수는 없다.

예를 들면, 도 1에 있어서, 도 1(a)에는, 이 지그의 가공면의 평면도가 나타내어지고, 도 1(b)에는, 가공 방향을 따른 면에서 본 사영이 나타내어져 있으며, 도 1(c)에서는, 가공된 피가공물의 표면(피가공면)의 평면도가 나타내어지고 있다. 이러한 도 1에 있어서, 지그의 가공면에는, 3개의 돌출부 A, B, C가 존재하고 있으며, 각각의 폭을 W_A, W_B, W_C로 한다. 도 1(c)로부터 이해되는 바와 같이, 돌출부 A의 가공 방향상에 돌출부 B가 존재하고 있지만, 돌출부 C는, 돌출부 A의 가공 방향으로부터 떨어져 존재하고 있다.

따라서, 이 지그의 가공면에 대해서, 가공 방향을 따른 면에서 본 사영은, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 돌출부 A와 돌출부 B와의 사영은 겹쳐 보이고, 그 폭 X는, 돌출부 A의 폭 W_A 및 돌출부 B의 폭 W_B보다도 크지만, 돌출부 C의 사영 폭은, 그대로 W_C로 되어 있다.

즉, 상기와 같은 돌출부 A∼C가 가공면에 존재하고 있는 지그를 이용하여, 해당 가공면이 피가공재의 피가공면에 접촉하면서 상대적으로 이동하도록 하여 소성 가공을 행하면, 도 1(c)에 나타내어져 있는 바와 같이, 각 돌출부 A∼C의 사영에 대응하여, 가공 방향을 따라, 선폭 W_A의 선상 흠집 A', 선폭 W_B의 선상 흠집 B' 및 선폭 W_C의 선상 흠집 C'가 생성되게 된다. 또한, 이들 선상 흠집 A', B' 및 C'의 폭은 각각 품질상 문제 없는 범위로 한다. 이 경우, 돌출부 A 및 B에 대응하여 생성되어 있는 선상 흠집 A' 및 선상 흠집 B'는, 사영이 겹쳐져 있기 때문에, W_A 및 W_B보다도 큰 선폭 X의 선상 흠집으로 되어 있다.

상술한 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 지그의 가공면에 생성되어 있는 복수의 돌출부가 가까운 위치에 존재하고 있는 경우(즉, 각 돌출부의 가공 방향상에 다른 흠집이 존재하는 경우), 각 돌출부의 폭보다도 큰 폭의 선상 흠집이, 피가공면에 형성되게 된다. 즉, 각각의 돌출부의 폭이 작아지도록 조정되어 있었다고 해도, 사영이 겹쳐져 있는 경우에는, 각 돌출부의 폭보다도 큰 선폭의 선상 흠집 X가 피가공면에 형성되어 버려, 소성 가공에 의해 얻어지는 가공물의 외관이 손상되어 버리게 된다.

따라서, 본 발명에서는, 가공 방향을 따른 사영으로 보아, 일정한 폭의 돌출부가 존재하지 않도록, 구체적으로는, 하나의 돌출부에 대한 가공 방향에 다른 돌출부가 존재하지 않도록, 지그의 가공면을 평활화하는 것이다. 즉, 본 발명에서는, 가공 방향을 따른 사영으로 보았을 때, 폭이 200㎛ 이상, 바람직하게는 160㎛ 이상의 돌출부가 관찰되지 않도록, 지그의 가공면의 평활화가 행해진다.

또한, 본 발명에 있어서는, 상기의 사영으로 보았을 때, 높이 h(도 1(b) 참조)가 1㎛ 이상, 특히 10㎛ 이상의 돌출부가 관찰되지 않도록 평활화를 행하는 것도 중요하다. 즉, 사영으로 관찰되는 돌출부의 폭이 상기와 같이 일정한 값 이하로 조정되어 있었다고 해도, 높이 h가 큰 돌출부가 존재하고 있으면, 피가공면에 형성되는 흠집이 깊어져 버려, 역시 소성 가공에 의해 얻어지는 가공물의 외관이 손상되어 버리기 때문이다. 돌출부의 높이에 대해서는, 가공 시의 윤활 상태에 따라 유막 두께가 다르기 때문에, 일괄적으로 결정하는 것은 곤란하지만, 피가공물의 흠집의 깊이로서 1㎛ 이상이 되면 육안으로도 흠집이 눈에 띄게 된다. 그 때문에, 만일, 윤활제를 전혀 사용하지 않고 가공한 경우, 1㎛ 이상의 돌출부가 문제가 되지만, 다양한 검토의 결과, 후술하는 실험예 1에도 나타냈지만, 종래 기술의 윤활 상태이면 10㎛가 하나의 기준이 되는 것을 알고 있다.

본 발명의 금속 소성 가공용 지그는, 상기와 같은 조건을 만족하도록 가공면이 평활화되어 있는 한, 그 재질은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 피가공재가 금속 내지 합금이고 또한 가공면과 피가공면이 접촉하면서 상대적으로 이동하여 소성 가공이 행해진다는 과혹한 가공에 적용되는 것이기 때문에, 통상, 도 2의 개략도에 나타내어져 있는 바와 같이, 강성 기재(1)와 강성 기재(1)의 표면에 설치된 표면 처리막(3)을 구비하고 있는 것이 적합하고, 이 표면 처리막(3)의 표면에, 전술한 바와 같이 평활화된 가공면이 존재하게 된다.

강성 기재(1)는, 특별히 한정되는 것이 아니지만, 과혹한 소성 가공에 견딜 수 있는 강성과 성막에 견딜 수 있는 내열성을 갖는 재료로 이루어지는 것이 적합하다. 이와 같은 강성과 내열성을 겸비한 재료로는, 텅스텐 카바이드(WC)와 코발트 등의 금속 바인더와의 혼합물을 소결하여 얻어지는 소위 초경합금이나, 탄화 티탄(TiC) 등의 금속 탄화물이나 탄질화 티탄(TiCN) 등의 티탄 화합물과 니켈이나 코발트 등의 금속 바인더와의 혼합물을 소결하여 얻어지는 서멧, 또는 탄화 규소(SiC)나 질화 규소(Si₃N₄), 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂)와 같은 경질 세라믹 등이 대표적이다.

표면 처리막(3)은, 목적으로 하는 효과에 의해 적절히 선택되어야 하며, 따라서, 그 재질은 제한되지 않고, 예를 들면 각종 금속 산화물 등으로부터 형성되어 있어도 되지만, 연질 금속의 소성 가공용 지그로서 내마모성, 내눌어붙음성을 중시한 경우, 일반적으로는, TiC, TiN, TiAlN, CrN, DLC 등의 경질막이 적합하고, 그중에서도 DLC나 다결정 다이아몬드 등, 다이아몬드 결정을 포함하는 탄소막인 것이 특히 적합하다.

본 발명에 있어서, 이와 같은 탄소막(즉, 표면 처리막(3))은, 하기 식 (1)로 나타내어지는 강도비가 0.5∼5.0, 특히 0.8∼3.0의 범위에 있는 것이 적합하다:

I_D/I_G(1)

식 중,

I_D는, 탄소막(3)의 표면의 라만 분광 스펙트럼에 있어서의 1333±10cm^-1에서의 최대 피크 강도이며,

I_G는, 탄소막(3)의 표면의 라만 분광 스펙트럼에 있어서의 1500±100cm^-1에서의 최대 피크 강도이다.

후술하는 실험예에서 형성된 탄소막의 라만 분광 스펙트럼을 나타내는 도 3을 참조하여, 1333±10cm^-1에서의 최대 피크 강도 I_D는, 막 중의 다이아몬드 성분에서 유래하는 것이고, 1500±100cm^-1에서의 최대 피크 강도 I_G는, 막 중의 그래파이트 성분에서 유래한다. 따라서, 상기의 피크 강도비가 작을수록, 그래파이트의 함유량이 많고, 피크 강도비가 클수록, 보다 다이아몬드 결정에 가까운 막인 것을 나타낸다. 이것으로부터 이해되는 바와 같이, 본 발명에 있어서 적합한 탄소막은, 상기 강도비를 만족하도록 그래파이트 성분을 함유하고 있으며, 이것에 의해, 뛰어난 경도와 함께, 하지(下地)의 강성 기재(1)와의 밀착성이 확보되어, 양호한 내충격성을 나타내고, 예를 들면 반복해서 과혹한 소성 가공을 행한 경우에 있어서도, 막 벗겨짐을 유효하게 회피하여 가공용 지그의 고수명화를 기대할 수 있다.

상술한 탄소막은, 열 필라멘트 CVD법이나 플라스마 CVD법, 예를 들면 마이크로파 플라스마 CVD, 고주파 플라스마 CVD, 열 플라스마 CVD 등의 공지의 방법으로 강성 기재(1)의 표면에 성막하고, 이어서 표면 연마함으로써 제작된다.

또한, 성막 시에 있어서는, 원료 가스로서, 일반적으로, 메탄, 에탄, 프로판, 아세틸렌 등의 탄화 수소 가스를 수소 가스로 1％ 정도로 희석한 가스가 사용되고, 이 원료 가스에는, 막질이나 성막 속도의 조정을 위해, 적절히, 산소, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 가스가 소량 혼합되는 경우도 있다.

상기의 원료 가스를 사용하여, 상기 강성 기재(1)를 700∼1000℃의 고온으로 가열해, 마이크로파나 고주파 등에 의해 플라스마를 발생시키고, 플라스마 중에서 원료 가스를 분해하여 활성종을 생성시켜, 강성 기재(1) 상에서 다이아몬드 결정을 성장시킴으로써 성막이 행해진다. 이러한 성막 시에 있어서는, 플라스마 중에서 해리(解離)된 수소 원자가, 강성 기재(1) 상에 생성된 그래파이트나 아몰퍼스 카본을 선택적으로 에칭하고, 이것에 의해, 다이아몬드 성분이 많아, 막의 라만 분광 스펙트럼의 피크 강도비를 전술한 범위 내로 할 수 있다.

또한, 탄소막에 대해서, 그 제법(製法)을 나타냈지만, 다른 재질의 무기산화물에 의한 표면 처리막(3)을 형성하는 경우에도, 상기와 마찬가지로, CVD나 PVD 등 종래 공지의 방법에 의해 강성 기재(1)의 표면에 성막할 수 있다.

그런데, 상기와 같은 표면 처리막, 특히 CVD를 이용하여 성막된 막은, 성막 시에 있어서 필요에 따라서 선택적으로 에칭을 행하여, 결정에 성장을 촉진하기 때문에, 그 표면이 거칠어지기 쉽다. 이 때문에, 소성 가공용 지그로서 이용하기 위해서는, 성막 후, 연마 처리에 제공함으로써, 평활화를 행하는 것이 필요하다.

이와 같은 표면 처리막(3)의 표면 연마는, 그 자체 공지의 방법으로 행할 수 있다.

예를 들면, 다이아몬드 지립(砥粒) 등의 지석(砥石)을 이용한 기계적인 연마 방법이어도 되고, 화학작용을 이용한 연마 방법이어도 된다. 이들 기계적 및 화학적 수법을 복합한 연마 방법이어도 된다. 이들 연마 방법에 의해, 막의 산술 평균 표면 거칠기 Ra를 전술한 범위로 조정할 수 있다.

그런데, 본 발명에서는, 적어도 가공면은, 가공 방향을 따른 사영으로 보아, 관찰되는 돌출부의 폭 및 높이가 소정의 범위를 넘는 것이 존재하지 않도록 평활화하는 것이 필요하다.

즉, 종래와 같이 하여 연마 가공을 행하여 평활화한 경우, 어떻게 해도, 상기의 사영으로 보아, 폭이나 높이가 소정치를 넘는 것이 존재해 버린다. 이것은, 면 전체로서 보면 연마에 의해 표면은 평활화되고, 그 표면 거칠기 Ra는 작아지지만, 성막 시에 있어서 이물이나 기재의 흠집 등을 기점으로 하여 특이적으로 성장한 결정이, 주변과의 경도차에 의해 연마되지 않고 남겨지기 때문이다. 이 때문에, 본 발명에서는, 예를 들면 현미경 관찰 등에 의해, 소정의 폭이나 높이가 소정치 이상이 되는 돌출부를 국부적으로 연마함으로써 소정치보다도 낮게 하는 작업(마무리 연마)이 행해진다. 이것은, 막 두께가 얇아, 처리에 의해 거칠기가 커지기 어려운 PVD에 의해 성막된 표면이어도 마찬가지이며, 특이적으로 비대화한 입자가 발생하여, 표면에 성막되기 때문에, CVD의 경우와 마찬가지로, 연마가 필요하게 된다.

이 국부적인 연마를 행하는 방법으로는, 특별히 한정되는 것은 없다. 예를 들면, 지석을 이용한 기계적인 연마 방법이어도 되고, 펄스 레이저 등의 고(高)에너지 빔을 이용하여, 특이적인 결정만을 제거해도 된다.

본 발명에 있어서, 상술한 가공면을 구비한 금속 소성 가공용 지그는, 가공면과 피가공면이 접촉하면서 상대적으로 이동하여 소성 가공이 행해지는 공구, 예를 들면, 드로잉 가공, 아이어닝 가공, 와이어 드로잉 가공 등을 행하는 공구로서 사용되지만, 특히 가공면과 피가공면과의 사이에 높은 면압이 가해져 소성 가공이 행해질 때에 사용되는 아이어닝 가공용 다이스로서 적합하게 사용된다.

또, 본 발명에 있어서, 피가공재의 재질은, 여러 가지의 금속 내지 합금이며, 특별히 한정되는 것은 없다. 알루미늄, 동(銅), 철, 또는, 이들 금속을 포함하는 합금, 나아가서는 양철 등의 주석 도금 강판이나 화성 처리를 실시한 알루미늄판 등의 표면 처리 강판, 더 나아가서는, 적어도 일면에 폴리에스테르 등의 유기 피막이 형성되어 있는 프리코트 금속판 등이어도 된다.

도 4는, 본 발명의 금속 소성 가공용 지그를 아이어닝 가공용 다이스로서 이용한 프레스 가공에 의한 금속 캔의 제조 프로세스를 나타낸 것이다.

이 도 4에 있어서, 금속 캔의 성형에 이용하는 소판(素板)(예를 들면 알루미늄판)(11)은, 우선, 펀칭 가공이 실시되고, 이것에 의해, 금속 캔용의 원판(圓板)(13)이 얻어진다(도 4(a) 참조).

이러한 펀칭 가공에서는, 원판(13)의 직경에 상당하는 외경(外徑)을 갖는 펀칭용 펀치(15)와, 소판(11)을 홀딩하고 또한 원판(13)의 직경에 상당하는 개구(開口)를 갖는 다이(17)가 사용된다. 즉, 펀치(15)에 의해 다이(17) 상에 홀딩된 소판(11)을 펀칭함으로써, 소정의 크기의 원판(13)이 얻어진다.

또한, 이러한 제조 프로세스로 제조하는 성형물의 형태에 따라서는, 소판(11)은, 다른 형상(예를 들면 직사각형)으로 펀칭되는 경우도 있다.

상기와 같이 하여 얻어진 원판(13)은, 드로잉 가공이 실시되고, 이것에 의해, 하이트가 낮은 타발관(drawn can)(바닥이 있는 통상체)(19)이 얻어진다(도 4(b) 참조).

이러한 드로잉 가공에 있어서는, 다이(21) 상에 펀칭된 원판(13)이 홀딩되고, 이 원판(13)의 주위는 주름 방지용(blank holder)의 지그(23)에 의해 홀딩되어 있다. 다이(21)에는, 개구가 형성되어 있고, 드로잉용의 펀치(25)를 이용하여 다이(21)의 개구 내에 원판(13)을 밀어넣음으로써, 타발관(19)이 얻어지게 된다.

또한, 이 다이(21)의 개구의 상단의 코너부(원판(13)을 홀딩하고 있는 측)에 곡면(곡률부)이 형성되어 있어, 원판(13)이 신속하게 또한 꺾이는 일 없이, 다이(21)의 개구 내로 밀어넣어지게 되어 있고, 펀치(25)의 외경은, 원판(13)의 거의 두께에 상당하는 분 만큼, 다이(21)의 개구의 지름보다도 작게 설정되어 있다. 즉, 이 드로잉 가공에서는, 박육화(薄肉化)는 거의 행해지지 않는다. 또한, 드로잉 가공은 성형품의 형상에 따라서 복수회 행하는 경우도 있다.

이어서, 상기에서 얻어진 타발관(19)은, 아이어닝 가공이 실시되고, 이것에 의해, 하이트가 높고 또한 박육화된 금속 캔 기체(基體)(드로잉-아이어닝 캔)(27)가 성형된다(도 4(c) 참조).

이 아이어닝 가공에서는, 상기의 드로잉 가공에 의해 얻어진 타발관(19)의 내부에 아이어닝용 펀치(29)를 삽입하고, 환상의 아이어닝 가공용 다이스(31)의 내면에 해당 통상체(19)의 외면을 압접(壓接)하면서, 펀치(29)를 강하시킴으로써, 다이스(31)에 의해, 통상체(19)의 측벽이 박육화되어 가게 된다. 이것에 의해, 박육화되고, 또한 박육화의 정도에 따라서 하이트가 높아진 금속 캔 기체(27)가 얻어지게 된다.

도 4로부터 이해되는 바와 같이, 이 펀칭 가공, 드로잉 가공 및 아이어닝 가공의 일련의 공정에 있어서, 펀칭 가공에서는, 슬라이딩성은 불필요하지만, 드로잉 가공으로부터 아이어닝 가공이 될수록, 이용하는 금형과 피가공물과의 사이의 슬라이딩성을 필요로 한다. 즉, 높은 면압으로 지그의 가공면과 피가공면이 상대적으로 이동한다. 특히 아이어닝 가공에서는, 피가공물의 항복 응력을 넘는 면압이 가해지기 때문에, 가장 슬라이딩성을 필요로 한다.

본 발명에서는, 이 환상의 아이어닝 가공용 다이스(31)로서, 전술한 평활화된 가공면을 갖는 금속 소성 가공용 지그가 사용된다.

즉, 상술한 도 4(특히 도 4(c))와 함께, 상기 다이스(31)의 부분 측면을 피가공물인 타발관(19)과 함께 나타내는 도 5, 및 다이스(31)의 측단면도를 나타내는 도 6을 참조하여, 이 아이어닝 가공용 다이스(31)는, 아이어닝 가공 시에 있어서, 타발관(피가공물)(19)의 가공 방향 상류측에 위치하고 있는 경사면(33)과, 가공 방향 하류측에 위치하고 있는 경사면(35)과, 그 사이의 플랫한 면(37)을 갖고 있고, 피가공물(19)과 접촉하는 영역이 가공면(41)으로 되어 있으며, 이들 면(33, 35, 37)을 포함하는 전면(全面)에 전술한 표면 처리막(3)이 형성되어 있다.

그런데, 도 4∼6에 나타내어져 있는 아이어닝 가공용 다이스(31)에 있어서는, 가공면(41)은 플랫한 면(37)(이 부분은 랜드부라고도 불림)을 포함하는 내측의 환상면(경사면(33), 플랫한 면(37) 및 경사면(35)이 존재하는 영역)에 형성되어 있고, 표면 처리막(3)은, 적어도 가공면(41)(즉, 아이어닝 가공 시에 있어서 면압이 가해지는 면)에 형성되어 있으면 되지만, 바람직하게는, 표면 처리막(3)의 양단부가, 가공면(41)으로부터 떨어진 위치에 존재하고 있는 것이, 과혹한 아이어닝 가공 시에 있어서, 막 벗겨짐을 보다 확실하게 방지하는 데에 있어서 바람직하고, 이와 같은 관점에서, 탄소막(3)은, 통상, 상기 환상면의 전체, 특히 강성 기재(1)의 전면(도 4에서의 상면을 제외함)에 형성되어 있는 것이 최적이며, 이와 같은 탄소막(3)에 있어서, 적어도 가공면(41)이 전술한 조건을 만족하도록 평활화되어 있다.

또, 도면에서는 나타내어져 있지 않지만, 강성 기재(1)의 내부에는, 냉각관 등이 통과되어, 아이어닝 가공 시에 있어서의 가공면(41)의 온도 상승을 억제하도록 구성되어 있는 것이 적합하다.

또한, 도 4의 예에서는, 하나의 환상 아이어닝 가공용 다이스(31)가 배치되어 있지만, 이와 같은 환상 아이어닝 가공용 다이스(31)를, 가공 방향에 대하여, 적당한 간격을 두고 복수 배치하는 것도 가능하다. 이 경우, 가공 방향 하류측에 배치되는 다이스(31)의 공극 D가 작아져, 이것에 의해, 서서히 박육화되게 된다.

본 발명에 있어서는, 상술한 아이어닝 가공용 다이스(31)를 이용한 아이어닝 가공은, 물이나 윤활제를 포함하는 액체(쿨런트) 환경하에서 행하는 소위 웨트 가공에 의해 행할 수도 있고, 쿨런트를 사용하지 않는 소위 드라이 가공으로 행할 수도 있다. 드라이 가공의 경우, 웨트 가공에 비해 성형 중의 유막 두께가 작기 때문에, 피가공재에의 다이스 표면의 전사성이 높아져, 보다 경면이 얻어지지만, 한계 아이어닝률이 작아질 뿐만 아니라, 전술과 같이 가공면의 온도 상승을 억제하기 위한 냉각 장치가 필요해지 때문에, 실시 형태로는 웨트 가공이 적합하다.

또, 본 발명에 있어서, 상술한 아이어닝 가공용 다이스(31)를 이용한 아이어닝 가공은, 앞서도 서술한 바와 같이, 여러 가지의 금속 내지 합금재, 예를 들면, 알루미늄, 동, 철 또는, 이들 금속을 포함하는 합금, 나아가서는 양철 등의 주석 도금 강판이나 화성 처리를 실시한 알루미늄판 등의 표면 처리 강판, 적어도 일면에 유기 피막을 갖는 프리코트 금속판에 대해서도 적용할 수 있으며, 아이어닝률이 높은 과혹한 아이어닝 가공을 반복하여 행할 수 있다.

특히, 관상(管狀)의 아이어닝 가공용 다이스(31)를 이용한 아이어닝 가공은, 전술한 도 4에 나타내는 프로세스로 금속 캔 기체를 제조할 때의 아이어닝 가공에 적합하게 사용할 수 있고, 그중에서도, 알루미늄 캔의 제조에 가장 적합하게 적용된다.

실시예

본 발명을 다음 실험예로 설명한다.

또한, 이하의 실험예에 있어서, 표면 거칠기의 측정은, (주) 도쿄 세이미츠 제조 표면 조도계(서프컴(SURFCOM) 2000SD3)를 사용하고, JIS-B-0601에 준거하여, 산술 평균 거칠기 Ra를 측정했다.

＜실험예 1＞

표 1에 나타내는 폭 및 최대 높이를 갖는 다이아몬드 코팅이 표면에 실시된다이스를 이용하여, 알루미늄판의 아이어닝 가공을 행했다. 알루미늄판은, A3004재를 판 두께 0.29mm로 압연한 것을 펀칭하고, 드로잉 가공을 행해 Φ95mm의 바닥이 있는 통상체를 성형하여, 성형 시험에 이용했다.

성형 시험은, 외경 Φ66mm의 펀치를 속도 200spm로 이동시켜, 우선 드로잉 가공을 행하여 Φ66mm의 통상체를 성형하고, 그대로, 3회의 아이어닝 가공을 실시했다. 이때, 각 아이어닝 다이스의 사이로부터 에멀전인 쿨런트를 분출하여 웨트 환경하에서의 성형을 행하여 성형 캔을 얻었다. 또, 금형 상의 돌기를 레이저 현미경으로 측정하여, 각 돌기의 단면 형상을 얻었다. 얻어진 단면 형상과 금형 상의 돌기의 위치로부터 가공 방향을 따른 사영 형상을 산출하여, 성형한 캔의 흠집과의 비교를 행하였다. 캔의 흠집은 백색 간섭계를 이용하여 측정했다. 또, 그때, 육안으로의 선상 흠집의 유무를 판단했다. 표 1에 그 결과를 나타낸다.

[표 1]

표 1은 특징적인 것만을 뽑아내고 있지만, 사영 돌출부와 캔 몸통 흠집의 형상을 비교하면, 그 폭에 대해서는 거의 동등한 것을 알 수 있고, 폭 200㎛ 이상의 흠집은 육안으로도 확인할 수 있는 것이 나타내어진다. 쿨런트를 개재하고 있기 때문에, 금형의 돌출부 높이보다도 캔 몸통 흠집의 깊이는 작게 되어 있지만 흠집의 깊이가 1.0㎛를 넘는 것은 육안으로도 확인할 수 있고, 그때, 돌출부의 높이는 10㎛ 정도인 것을 알 수 있다.

＜실험예 2＞

실험예 1과 마찬가지의 수법으로 Φ66mm의 성형 캔을 얻었다. 이때, 표 2에 나타나는 바와 같이 아이어닝 다이스의 산술 평균 표면 거칠기 Ra를 변화시켜, 성형 가능 여부 및 캔의 외관을 확인했다. 표 2에 결과를 나타낸다. 또한, 실험예 1에 나타내어지는 바와 같은 금형 표면의 사영 돌출부를 원인으로 하는 선상 흠집에 대해서는, 실험예 2에서는 무시하고 있다.

[표 2]

표 2의 결과로부터, 웨트 환경하에서 캔체의 가공을 행하는 경우, 가공을 성공시키기 위해서는 금형 표면 거칠기 Ra가 0.12㎛ 이하로 평활화될 필요가 있고, 경면성을 높게 하여, 외관 가치를 향상시키기 위해서는, 0.08㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직한 것이 나타내어진다.

상기 실험예로부터, 가공면을 금속 내지 합금제의 피가공재에 접촉시킨 상태로 상대적으로 이동시키면서 행해지는 소성 가공에 있어서, 가공 방향을 따라 선상으로 연장되는 흠집이 가공품 표면에 발생하는 것을 유효하게 방지하기 위해서는, 그 가공면의 산술 평균 표면 거칠기 Ra가 0.12㎛ 이하인 동시에, 가공 방향을 따른 사영으로 보았을 때, 폭이 200㎛ 이상이고 또한 높이가 10㎛ 이상인 돌출부가 관찰되지 않도록 평활화되어 있는 것이 바람직한 것이 나타내어진다.

또한, 본 발명은, 상기 실시 형태 및 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 변경을 가하는 것이 가능하다.

1 : 강성 기재
3 : 탄소막
19 : 피가공물(통체)
31 : 아이어닝 가공용 다이스
41 : 가공면

Claims

금속 내지 합금제의 피가공재에 가공면을 접촉시키면서 상기 가공면을 상기 피가공재에 대하여 상대적으로 이동시키면서 상기 피가공재를 소성(塑性) 가공하기 위해 사용되는 금속 소성 가공용 지그(治具)로서, 상기 지그의 가공면의 산술 평균 표면 거칠기 Ra가 0.12㎛ 이하인 동시에, 상기 가공면은, 가공 방향을 따른 사영(射影)으로 보았을 때, 폭이 200㎛ 이상이고 또한 높이가 10㎛ 이상인 돌출부(突部)가 관찰되지 않도록, 가공면에 존재하는 볼록부의 가공 방향에서의 겹침이 적어지도록 평활화되어, 가공 방향을 따라 연장되는 선상 흠집이 피가공재의 표면에 발생하는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 금속 소성 가공용 지그.
제 1 항에 있어서,
상기 지그의 적어도 가공면이 경질 표면 처리막에 의해 피복되어 있는 금속 소성 가공용 지그.
제 2 항에 있어서,
상기 표면 처리막이 탄소막인 금속 소성 가공용 지그.
제 3 항에 있어서,
상기 표면 처리막이 다결정 다이아몬드인 금속 소성 가공용 지그.
제 1 항에 있어서,
링 형상을 갖고 있고, 내측의 환상(環狀)면이 가공면으로 되어 있는 금속 소성 가공용 지그.
제 1 항에 있어서,
아이어닝 가공에 사용되는 금속 소성 가공용 지그.
제 1 항에 있어서,
가공 방향을 따른 사영으로 보았을 때, 폭이 160㎛ 이상인 돌출부가 관찰되지 않는 금속 소성 가공용 지그.