JP5304249B2

JP5304249B2 - ハニカム構造体成形用金型、及びその製造方法

Info

Publication number: JP5304249B2
Application number: JP2008542109A
Authority: JP
Inventors: 一行鞍懸; 智寿小方
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2027-10-29
Also published as: EP2085198A1; US20100003362A1; US8914966B2; JPWO2008053854A1; WO2008053854A1; EP2085198B1; CN101511553B; CN101511553A; EP2085198A4

Description

本発明は、ハニカム構造体を押出成形する際に用いる金型、及びその製造方法に関する。

排気ガス浄化用フィルタ等に用いられるセラミックハニカム構造体(以下、「ハニカム構造体」と略す)は、ハニカム構造体成形用金型(以下、「成形用金型」又は「金型」と略す)を用いて、セラミック坏土を押出し成形してハニカム成形体とし、その後乾燥及び焼成することで製造する。ハニカム構造体10は、図2(a)及び図2(b)に示すように、多数の流路3を形成する多孔質隔壁2と外周壁1とからなり、その流路垂直方向断面の形状は通常ほぼ円形又は楕円形をしている。

セラミック坏土を押出してハニカム成形体を成形するための金型20は、図3(a)及び図3(b)に示すように、成形溝加工面31が突出した形状を有する金型素材21からなり、金型素材21の供給孔加工面41に供給孔40が形成され、成形溝加工面31に格子状の成形溝30が形成されている。成形用金型20の供給孔40は、図4に示すように、成形溝30の交差部33と重なるように設けられている。供給孔40より成形用金型20内に導入されたセラミック坏土は、成形溝30でハニカム状に成形される。格子状に設けた成形溝30の交点33毎において成形溝30と供給孔40とが連通している場合や、成形溝30の各交点33に対して一つおきの位置において成形溝30と供給孔40とが連通している場合（図4に示す場合）がある。

成形用金型10は、図5(a)に示す成形溝加工面31が突出した金型素材21の供給孔加工面41(成形溝加工面31の反対側の面)に、ドリル加工等により供給孔40を形成し、次いで成形溝加工面31に成形溝30を形成して製造する。格子状の成形溝30は、図5(b)に示すように、回転工具50を用いて研削又は切削加工により、平行した複数の第一の成形溝30aを加工した後に金型素材21を90°回転させて、図5(c)に示すように、先に加工した第一の成形溝30aと交差する平行した複数の第二の成形溝30bを加工し形成する。

従来の成形用金型は、図3(a)に示すように、成形溝形成面31の外縁32の形状が四角形であり、このまま押出成形に用いる場合もあるし、例えば特開平11-70510号に記載されているように、成形溝形成面31の外縁32の形状を図6に示すように円形に加工して使用する場合もある。いずれの場合も図7に示すように、成形用金型20から押出されたセラミック坏土を、さらにガイドリング62に通過させることで、流路垂直方向断面の形状がほぼ円形又は楕円形であるハニカム成形体11を得ることができる。

しかしながら、図3(a)に示すように、成形溝形成面31の外縁32の形状が四角形である場合、流路垂直方向断面がほぼ円形又は楕円形のハニカム成形体を押出成形するために使用しない成形溝30をも加工することとなり、加工工数の低減に対して障害となっている。これは、特開平11-70510号に記載されているように、成形溝形成面31の四角形状の外縁32（図3(a)に示す）を図6に示すように円形に加工する場合も同じである。

成形溝形成面31の外縁32の形状をあらかじめ円形に形成した金型素材21を用いて成形溝30を加工することにより、前述のような押出成形に使用しない成形溝30を加工するという無駄を低減することができる。しかしながら、外縁32が円形の成形溝形成面31に対して行う成形溝30の加工においては、図8に示すように成形溝形成面31の外縁32と成形溝30とが非常に小さな交差角70を形成する場合が生じる。このように非常に小さな交差角70を有する成形溝30（例えば、図8に点線で示す成形溝）の加工を開始する際には、回転工具50の進行に応じて回転工具50の刃が成形溝形成面31の外縁32を滑るため、その厚さ方向(回転軸方向)へ力Pが加わり、回転工具50が歪んで破損する場合があった。

従って、本発明の目的は、成形溝のうち押出成形に使用しない部分の加工が少なく、成形溝を加工する際に回転工具が破損しにくい形状を有するハニカム構造体押出成形用金型、及び成形溝の加工工数が低減された金型の製造方法を得ることである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、成形溝形成面の外縁と回転工具の進行方向との角度を30°以上にすることで、成形溝の加工の際に回転工具の破損等の発生を有効に防止できることを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明のハニカム構造体成形用金型は、材料をハニカム構造に成形する多数の格子状の成形溝を有し、前記成形溝が形成された成形溝形成面の外縁の形状は6つ以上の頂点を持つ多角形であるとともに、前記成形溝形成面の外縁と前記成形溝とが30°以上の角度で交差し、前記格子状の成形溝は平行な複数の成形溝が直交していることを特徴とする。前記多角形は正八角形又は正十二角形であることが好ましく、また、前記成形溝は回転工具により加工されることが好ましい。

また材料をハニカム構造に成形する多数の成形溝を有するハニカム構造体成形用金型を製造する本発明の方法は、金型素材を加工して、前記成形溝と30°以上の角度で交差する6つ以上の頂点を持つ多角形状の外縁を有する成形溝形成面を形成した後で、前記成形溝を加工することを特徴とする。

本発明により、成形溝のうち押出成形に使用しない部分の加工が少なくて済むので加工工数が低減でき、さらに成形溝を加工する際の回転工具の破損が起こりにくいのでハニカム構造体押出成形用金型の加工時間の短縮及び製造コストの大幅な低減が達成できる。

本発明の成形用金型の一例を示す模式正面図である。ハニカム構造体の一例を流路に垂直に示す模式断面図である。ハニカム構造体の一例を流路に平行に示す模式断面図である。従来の成形用金型の成形溝加工面側を示す斜視図である。従来の成形用金型の供給孔加工面側を示す斜視図である。成形用金型の一例を示す断面図である。従来の成形用金型用の素材を示す模式図である。従来の成形用金型に第一の成形溝を加工する工程を示す模式図である。従来の成形用金型に第二の成形溝を加工する工程を示す模式図である。従来の成形用金型の他の一例を示す斜視図である。ハニカム構造体押出装置の成形用金型近傍の構造を示す模式断面図である。非常に小さな交差角を有する成形溝を加工する際に回転工具に加わる力を説明する模式図である。成形溝を形成した従来の金型を示す模式図である。成形溝を形成した本発明の金型を示す模式図である。成形用金型の成形溝形成面の面取りした外縁を示す模式図である。本発明の好ましい形態であるガイド溝を形成した金型を示す模式図である。

成形溝形成面の外縁の形状を6つ以上の頂点を持つ多角形、すなわち六角形や八角形（図1）とすることで、成形溝のうちでハニカム成形体を押出し成形する際に使用しない部分の加工を減少させることができ、加工工数を低減することができる。例えば成形溝形成面31の外縁32の形状が四角形の場合は、成形溝30のうちハニカム成形体を押出し成形する際に使用しない部分（図9(a)に示す斜線部の成形溝）の加工が無駄になる。これに対して、図9(b)に示すように例えば八角形の成形溝形成面31の外縁32を有する本発明の成形用金型では、押出し成形する際に使用しない成形溝30が少なく（図9(a)に比べて図9(b)は斜線部が小さい）、無駄な加工が少ない。

特に大型の成形用金型の場合に本発明の効果が有効に発揮される。成形溝30の最大長さが150 mm以上の成形用金型の場合に、加工工数の低減効果は顕著に表れる。加工工数の低減効果は、前記最大長さが190 mm以上であるとより大きく、250 mm以上であるとさらに大きい。なお、図10に示すように成形溝形成面31の外周部にテーパー面33が付してある場合は、本発明における成形溝形成面31の外縁32とは、成形溝形成面31とテーパー面33との交差部をいう。また、この場合、テーパー面33の外縁の形状は成形溝形成面31の外縁32の形状とほぼ相似であるのが好ましい。

成形溝形成面31の外縁32の形状は、さらに十角形、十二角形と頂点の数が多い多角形であるほど、成形溝30のうちハニカム成形体を押出し成形する際に使用しない部分の加工を減少させることができるが、部位によっては成形溝形成面31の外縁32と前記成形溝30との交差角が小さくなり、回転工具50が歪んで破損するおそれが大きくなる。従って、回転工具50の破損を防止するためには、成形溝形成面31の外縁32と成形溝30との交差角は30°以上であることが必要である。成形溝形成面31の外縁32と成形溝30との交差角は大きいほど回転工具50の破損を防止する効果が大きいため、前記交差角は40°以上であるのが好ましい。また交差角が大きいほど、破損に至らない程度の回転工具50が微小な歪みにより生じる成形溝30のピッチのばらつきを小さくすることもできる。成形溝30の幅が0.5 mm以下、特に0.3 mm以下の成形用金型の場合に本発明の効果が有効に発揮される。なお、上記交差角とは、成形溝形成面31の外縁32と成形溝30の幅方向中心線とで挟んでなる2種類の角度の内、小さい方の角度をいう。

摩耗が進んでいない新品の状態に近い回転工具50ほど、成形溝形成面31の外縁32に接触する際のいわゆる食いつきが良いため、回転工具50が破損したり成形溝30のピッチがばらついたりするおそれが低減する。従って、回転工具50は摩耗が進行しない状態で早期に新品と交換することが望ましいが、頻繁に交換すると大量の回転工具50が必要になり製造コストが上昇する。そのため、図11に示すように回転工具50の摩耗が進行していない状態で、まず成形溝形成面31の外縁32にガイド溝34を、例えば10〜30個まとめて形成するのが好ましい。前記ガイド溝34を形成した後で、前記ガイド溝34に合わせて回転工具50を送ることで、たとえ摩耗が進んだ状態であっても、回転工具50が破損したり成形溝30のピッチがばらついたりすることなく成形溝30を形成することができる。ガイド溝34は長さが5〜30 mmであるのが好ましく、回転工具50の摩耗による回転工具50の破損や成形溝30のピッチのばらつきを防止するためには、1つの回転工具50で形成するガイド溝の数は30以下であるのが好ましい。

成形溝形成面31の外縁32と成形溝30との交差角が30°以上であるためには、成形用金型20の成形溝形成面31の外縁32が六角形、八角形又は十二角形であるのが好ましい。成形溝形成面31の外縁32が正八角形又は正十二角形である場合、平行な複数の第一の成形溝30aを形成する第一の加工と、金型素材21を90°回転させた後で第一の成形溝30aと交差する平行な複数の第二の成形溝30bを形成する第二の加工とを同じ条件で行うことができるため、特に好ましい。例えば図9(b)に示す正八角形の外縁32を有する成形用金型の場合、90°回転させると元の形状と重なるため、第一の加工プログラムと第二の加工プログラムとを同じにすることができる。

多角形の成形溝形成面31の外縁32の頂点は、完全な角ではなくR形状又は面取り面を有していても良いが、このR形状又は面取り面となった部分に成形溝30が加工される場合は、両者のなす交差角は30°以上でなければならない。また多角形の各辺は完全な直線ではなくR形状や波型形状であっても良いが、その辺と成形溝30との交差角は30°以上でなければならない。

図1では、成形用金型20の外形の形状、すなわち供給孔形成面41の形状が円であるが、この形状は円に限定されずどのような形状であってもかまわない。例えば図9(b)に示すように四角形であってもよく、成形溝形成面31の外縁32形状が八角形の場合は、供給孔形成面41の形状が八角形であってもかまわない。金型素材21の材質は特に限定はしないが、通常成形用金型に使用される合金工具鋼、ステンレス鋼、高速度工具鋼等が加工性や耐摩耗性から好ましい。ステンレス鋼は難加工性であるため、成形溝形成面31の外縁32と成形溝30との交差角が小さいと、成形溝30の加工を開始する際に回転工具50に歪が発生しやすい。従ってステンレス鋼素材から成形用金型20を製造する場合、本発明は有効である。成形溝30の加工に使用される回転工具50は、厚さが0.5 mm以下の円盤状砥石である場合に、本発明の効果がより発揮され、厚さが0.3 mm以下である場合に効果がさらに発揮される。成形溝30を加工する際の回転工具50の切り込み深さは1 mm以上であるのが好ましく、送り速度は5 mm/min以上であるのが好ましい。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例1
(1)供給孔の形成
成形溝加工面31の外縁32が直径240 mmの円に外接する正八角形であり、供給孔加工面41が260 mm×260 mmの形状を有する合金工具鋼(JIS G4404)からなる金型素材21を準備した。金型素材21の供給孔加工面41から、図4に示すように、直径1.1 mmで先端角140°の超硬ドリルを使用してドリル加工により供給孔40を形成した。

成形溝加工面31に成形溝30を回転工具50により加工した。回転工具50として、厚さ0.25 mm及び直径100 mmの円形薄刃砥石を用いた。まず成形溝形成面31の外縁32の一つに平行な複数の第一の成形溝30aを形成した後、金型素材21を90°回転させ、第一の成形溝30aと直交する平行な複数の第二の成形溝30bを形成した。互いに直行する成形溝30a，30bは、幅0.26 mm、深さ6.5 mm及びピッチ1.5 mmであった。以上のようにして、図1に示す外縁32が正八角形の成形溝形成面31に格子状に交差した成形溝30が形成された成形用金型20を作製した。なお、成形溝30の加工の過程で、回転工具50の破損は発生しなかった。また成形溝30のピッチのばらつきも確認されなかった。

実施例2
成形溝形成面31の外縁32の形状を正十二角形に変更し、成形溝30を形成する前に図11に示すようにガイド溝34を形成した以外は実施例1と同様にして成形用金型20を作製した。本実施例2において、最小の交差角70は30°であった。成形溝30の加工の過程で、回転工具50の破損は発生しなかった。また成形溝30のピッチのばらつきも確認されなかった。

比較例1
成形溝形成面31の外縁32の形状を、図3(a)に示すように一辺の長さが240 mmの正四角形に変更した以外は実施例1と同様にして成形用金型20を作製した。比較例1において、成形溝30加工の過程で回転工具50の破損は発生しなかったが、比較例1の成形溝30の加工時間は、実施例1の加工時間の1.14倍多くかかった。

比較例2
成形溝形成面31の外縁32の形状を、図6に示すように直径が240 mmの円形に変更した以外は実施例2と同様にして成形用金型20を作製した。比較例2においては、まず円形の成形溝形成面31の中心を通る成形溝30を加工し、次に先に加工した成形溝30に隣接する成形溝30を加工することを繰返し、成形溝30と成形溝形成面31の外縁32との交差角70を次第に小さくした。上記加工の結果、前記交差角70が30°より小さい成形溝30に、ハニカム成形体の押出成形に支障のない程度の微小なピッチのばらつきが確認された。また交差角70が23°以下の成形溝30のガイド溝34を形成する時に回転工具50の破損が発生した。

Claims

材料をハニカム構造に成形するための格子状の成形溝を有するハニカム構造体成形用金型であって、前記成形溝が形成された面の外縁の形状が６つ以上の頂点を持つ多角形であるとともに、前記成形溝形成面の外縁と前記成形溝とが３０°以上の角度で交差し、前記格子状の成形溝は平行な複数の成形溝が直交していることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
請求項１に記載のハニカム構造体成形用金型であって、前記多角形が正八角形又は正十二角形であることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
請求項１又は２に記載のハニカム構造体成形用金型であって、前記成形溝が回転工具により加工されることを特徴とするハニカム構造体成形用金型。
材料をハニカム構造に成形する多数の成形溝を有するハニカム構造体成形用金型の製造方法であって、金型素材を加工して、前記成形溝と３０°以上の角度で交差する６つ以上の頂点を持つ多角形状の外縁を有する成形溝形成面を形成した後で、前記成形溝を加工することを特徴とするハニカム構造体成形用金型の製造方法。