(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス加工用の金型であって、
被加工材料と接触する金型表面に、周期１００〜１０００ｎｍ、深さ１０〜１００ｎｍのリップルが金型と被加工材料との摺動方向と略垂直方向に筋状をなすように形成されていることを特徴とする金型。
【請求項２】
請求項１記載の金型において、
前記リップルが少なくとも金型エッジに形成されていることを特徴とする金型。
【請求項３】
プレス加工用の金型の被加工材料と接触する金型表面の加工方法であって、
金型と被加工材料との摺動方向と略平行方向からガスクラスターイオンビームを金型表面に照射することによって、被加工材料と接触する金型表面に、周期１００〜１０００ｎｍ、深さ１０〜１００ｎｍのリップルを金型と被加工材料との摺動方向と略垂直方向に筋状をなすように形成することを特徴とする金型表面の加工方法。
【請求項４】
請求項３記載の金型表面の加工方法において、
前記ガスクラスターイオンビームの照射軸を前記摺動方向と平行な中心軸に対して揺動させることを特徴とする金型表面の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はプレス加工用の金型及びその金型表面の加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレス加工においては、加工時の摩擦界面での摩擦低減が、プレス成形品のバリ発生防止などの加工品質やパンチやダイスなどの金型自身の耐久性向上において非常に重要である。被加工材料（金属材料）の表面には大なり小なりの凹凸がある。加工の前に材料に塗布された潤滑剤（潤滑油）は、その粗さの凹部に貯えられ、金型と材料が接触するときに、逃げる隙間がないと機械的にそこに封じ込められ、そのまま摩擦界面に持ち込まれる。この導入機構はすべての塑性加工において期待できるものである。
【０００３】
この潤滑剤の効果を積極的に利用する目的で、材料や金型の表面を予め、酸による腐食、ショットピーニングあるいはサンドブラストなどによって粗くしておくと、摩擦力が低下することや、かじり・焼き付きを防止できることが確認されている。潤滑剤が封じ込められている部分を、塑性加工ではミクロプールと呼ぶ。ミクロプール中の潤滑剤には、加工の際に高い静水圧が発生し、この高い静水圧によって加工面圧の一部が受け持たれるようになる。このような状態になると、金型表面の摩耗が抑制されるようになる。従って、ミクロプール中の潤滑剤に高い静水圧が発生するような表面粗さ形状に制御することが重要となっている。
【０００４】
例えば、特許文献１には合金材料を熱処理することによって材料表面の形状を制御し、ミクロプールを形成し、優れたプレス成形性を達成している例が開示されている。また、特許文献２には金型の表面に高硬度の微粒子を吹き付けることによって硬化処理を行うと共にミクロプールを形成し、加工精度の向上、金型の長寿命化を図ることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１８４０３号公報
【特許文献２】特開２００８−５５４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、特許文献１や特許文献２においては単なる熱処理やブラスト加工によってミクロプールを形成しており、このような方法によって形成されるミクロプールの大きさは幅や深さが数μｍ〜数１０μｍというオーダである。
【０００７】
一方、微細なコネクタやその他の電子デバイスの構成部品を精密にプレス成形するための金型では、その寸法精度自体がサブミクロン以下を要求されることがあり、その表面粗さも数１０ｎｍオーダ以下を要求されることがある。このような表面粗さが数１０ｎｍオーダ以下の条件、即ち凹部の深さにすると、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である条件において、ミクロプールがプレス加工に及ぼす効果については従来、あまり検討されておらず、明らかではなかった。
【０００８】
また、従来のミクロプールを形成する方法では、粗さが大きくなりすぎて、このような表面粗さが数１０ｎｍオーダ以下とされる部品には適用できないという大きな問題があった。微細なミクロプールを形成する方法として、半導体等の分野で用いられているリソグラフィなどを応用することも考えられるが、金型のような立体的な表面（３次元表面）に適用することは難しく、表面粗さが数１０ｎｍオーダ以下を要求されるような条件で、ミクロプールを効率よく形成する方法がないというのが現状である。
【０００９】
さらには、曲率半径が例えば数μｍといったシャープな金型エッジの表面にミクロプールを従来の方法で形成しようとすると、エッジがなまってしまってきれいな成形加工ができないといった問題もあり、このようなシャープなエッジ表面にミクロプールを形成することは困難を極める課題であった。
【００１０】
この発明の目的は、例えば表面粗さが数１０ｎｍオーダ以下を要求されるようなものであっても良好かつ高精度にプレス成形することができ、耐久性に優れた金型を提供することにある。さらに、そのような金型の、金型表面の加工方法を提供することにあり、特に微細なミクロプールを金型エッジ表面にも形成することができる加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によるプレス加工用の金型によれば、被加工材料と接触する金型表面に、周期１００〜１０００ｎｍ、深さ１０〜１００ｎｍのリップルが金型と被加工材料との摺動方向と略垂直方向に筋状をなすように形成されている。
【００１２】
この発明によるプレス加工用の金型の被加工材料と接触する金型表面の加工方法によれば、金型と被加工材料との摺動方向と略平行方向からガスクラスターイオンビームを金型表面に照射することによって、被加工材料と接触する金型表面に、周期１００〜１０００ｎｍ、深さ１０〜１００ｎｍのリップルを金型と被加工材料との摺動方向と略垂直方向に筋状をなすように形成する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明による金型によれば、表面粗さが数１０ｎｍオーダ以下を要求されるような微細・高精度なものであっても良好にプレス成形することができる。
【００１４】
また、この発明による金型表面の加工方法によれば、微細なミクロプールを効率よく形成することができ、かつエッジ表面にも形成することができ、これにより高精度なプレス成形品を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明による金型表面の加工方法に用いるガスクラスターイオンビーム装置の基本構成を示す図である。
【図２】Ａはこの発明による金型の一実施例を示す斜視図である。Ｂは図２Ａのｂ部を走査型電子顕微鏡により観察した結果を示す写真である。Ｃは図２Ｂの一部（枠で囲った部分）を拡大した写真である。Ｄは図２Ｃのイメージ図である。
【図３】ダイスと、ダイスによって成形される被加工材料との摺動方向を説明するための図である。
【図４】Ａはこの発明による金型の他の実施例を示す斜視図である。Ｂは図４Ａのｃ部を走査型電子顕微鏡により観察した結果を示す写真である。Ｃは図４Ｂのイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、最初にこの発明の原理・作用について説明する。
材料の表面には小さな凹凸があり、その凹部に溜まった潤滑剤は金型と材料が接触する時に逃げる隙間がないと機械的に凹部に封じ込められて摩擦界面に持ち込まれる。この導入機構は、特に低粘度の潤滑剤を使用する時に効果がある。材料の表面を酸による腐食、ショットピーニングあるいはサンドブラスト等によって予め粗くしておくと、摩擦が小さくなるのはよく知られている。
【００１７】
しかしながら、潤滑剤の導入によって大量の潤滑剤が摩擦界面に持ち込まれたとしても、摩擦界面全面に連続した流体潤滑膜が形成されることはほとんどない。従って、その金型と材料との接触状態は、固体−固体接触部とそれに囲まれたミクロプール部のような接触状態となる。この固体−固体接触部では境界潤滑が支配的な状態にあり、よほど境界潤滑性の優れた潤滑剤を用いない限り、金型と金属材料との間には金属結合も生じる。一方、潤滑剤が封じ込められている部分であるミクロプールの周囲では金型と材料との接触によりメタルシールが形成され、このメタルシールによって潤滑剤が封じ込められている状態になる。
【００１８】
このような潤滑剤の存在によるプレス加工の特長の一つとして、ミクロプール中の潤滑剤の挙動をあげることができる。即ち、ミクロプール中の潤滑剤には加工の進行に伴って高い圧力が発生するようになり、この高い圧力によって加工面圧の一部が受け持たれるようになる。ここで重要なことは、平坦部上の圧力とミクロプール中に封じ込められた潤滑剤の圧力との差が小さくなれば、ミクロプール中の潤滑剤が加工に伴って境界潤滑状態にある平坦部上に侵入することも可能になることである。このような潤滑挙動をミクロプールメカニズムと呼ぶが、このメカニズムが効果的に作用すれば摩擦は著しく小さくなり得る。
【００１９】
このミクロプールメカニズムを効果的に作動させるための条件として、鋭意検討した結果、本発明で次のことが重要であることが初めて明らかになった。即ち、第１に剪断応力が大きくかかる金型エッジ部にミクロプールとなる凹凸があることであり、第２には金型と、金型によって成形される被加工材料との摺動方向に略垂直に凹部及び凸部が延びている凹凸があることである。
【００２０】
第１の点は、金型のエッジ部の切れ味、即ち被加工材料を切断する刃の部分の切れ味がプレス成形には非常に重要であるためであると推察している。また、第２の点、つまりミクロプール構造として従来のような穴形状よりも摺動方向に垂直に溝が形成されているような形態がよい理由は、点状ではなく、筋状に静水圧が発生することで非常に高い流体潤滑的な状態を生み出しているものと考えている。
【００２１】
このような形態を金型表面に形成する方法として、金型と、金型によって成形される被加工材料との摺動方向と略平行方向からガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を金型表面に照射することで達成できることを本発明で初めて明らかにした。ガスクラスターイオンビームはビームプロセスなので、被加工材料と摺動する金型エッジ部を狙って照射することができる。さらに、金型エッジ部は微視的には曲率を有しているため（Ｒ形状となっているため）、金型と、金型によって成形される被加工材料との摺動方向と略平行方向からガスクラスターイオンビームを照射すると、金型エッジ部には自動的に角度がついて照射されることになる。ガスクラスターイオンビームを適切な入射角度、典型的には２０度から６０度程度、より好ましくは４０度から６０度程度で照射することによって、その表面に微細な筋状をなす凹凸構造を形成することができる。ここでは、このような微細な筋状の凹凸構造をリップルと呼ぶ。
【００２２】
なお、金型と被加工材料とが摺動するときに、静水圧を発生させるために潤滑剤を塗布しなくても、通常の雰囲気中に存在する水分が金型及び被加工材料の表面に吸着して膜となり、静水圧を発生させるメカニズムも考えられる。
このような作用によって、金型表面にミクロプールを非常に効率的に形成することができることになる。
【００２３】
以下、この発明の実施例を説明する。
まず、この発明において、金型表面を加工するために用いるガスクラスターイオンビーム装置の基本構成を図１を参照して説明する。
【００２４】
原料ガスをノズル１０から真空のクラスター生成室１１内に噴出させて、ガス分子を凝集させ、クラスターを生成する。そのクラスターをスキマー１２を通してガスクラスタービームとしてイオン化室１３へ導く。イオン化室１３ではイオナイザ１４から電子線、例えば熱電子を照射して中性クラスターをイオン化する。このイオン化されたガスクラスタービームは、加速電極１５によって加速され、スパッタ室１６に入射される。入射されたガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）はアパーチャー１７により所定のビーム径とされて試料１８の表面に照射される。試料１８は試料支持体１９に取り付けられている。試料支持体１９を傾けることによって、照射角度θを制御することができ、また、詳細図示は省略しているが、Ｘ−Ｙステージや回転機構によって、試料１８を縦や横に移動させたり、回転させたりすることによって、任意の方向から照射するなどの制御ができる。
【実施例１】
【００２５】
タングステンカーバイドとバインダーであるＣｏからなる超硬材料Ｖ２０を用い、ワイヤ放電加工によって図２Ａに示したようなダイス金型を製作した。ダイス２１にはギア構造の直径約１ｍｍの穴２２を形成した。このダイス２１に、ダイス２１と、ダイス２１によって成形される被加工材料との摺動方向と略平行方向からガスクラスターイオンビームを照射した。なお、ダイスと、ダイスによって成形される被加工材料との摺動方向は例えば図３に示したような配置の場合、矢印ａ方向とする。図３中、３１はダイス、３２はパンチ、３３は被加工材料を示す。
【００２６】
原料ガスとしてアルゴンを用い、加速電圧２０ｋＶ、照射ドーズ量は１．５×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２として、ガスクラスターイオンビームを図２Ａに示した矢印ａ方向からダイス２１に照射した。その後、ダイス２１のギア構造の穴２２のエッジ部２３を走査型電子顕微鏡により観察した。観察結果の一例として、図２Ａのｂ部を観察した結果を図２Ｂに示す。なお、図２Ｃは図２Ｂの一部（枠で囲った部分）を拡大したものであり、図２Ｄは図２Ｃのイメージ図である。エッジ部２３にリップル２４が形成されていることがわかる。リップル２４の形態としては、ダイス２１とダイス２１によって成形される被加工材料との摺動方向（矢印ａ方向）と垂直な方向に延びる筋となっていることがわかる。このリップル２４の周期（山から山または谷から谷までの間隔）は１００〜５００ｎｍ程度、深さは１０〜５０ｎｍ程度であった。
【００２７】
このダイス２１をプレス機械にセットして、潤滑剤を塗布した板厚１ｍｍの銅板を打ち抜き加工し、マイクロギアを作製した。潤滑剤にはナフテン系鉱油を用いた（以下の例においても同様）。作製したマイクロギアの厚さ（板厚方向の長さ）と、表面仕上がりとして表面粗さを原子間力顕微鏡で計測した。その結果、作製したマイクロギアの厚さはすべて０．９５ｍｍ以上であった。また、マイクロギアの表面粗さは平均粗さとして５０ｎｍ以下であり、光沢感があった。
【実施例２】
【００２８】
ステンレス系材料であるＳＫＤ１１を用い、放電加工によって図４Ａに示したようなダイス金型を製作した。ダイス４１には直径約１ｍｍの穴４２を形成した。このダイス４１に、ダイス４１と、ダイス４１によって成形される被加工材料との摺動方向（矢印ａ方向）から±２０度の範囲内の角度で照射軸を揺動させて、実施例１と同様にガスクラスターイオンビームを照射した。その後、ダイス４１の穴４２のエッジ部４３を走査型電子顕微鏡により観察した。観察結果の一例として、図４Ａのｃ部を観察した結果を図４Ｂに示し、そのイメージ図を図４Ｃに示す。エッジ部４３だけでなく、穴４２の内部にもリップル４４が形成されていることがわかる。このリップル４４の周期は３００〜１０００ｎｍ程度、深さは３０〜１００ｎｍ程度であった。
【００２９】
このダイス４１をプレス機械にセットして、潤滑剤を塗布した板厚１ｍｍの銅板を打ち抜き加工した。その打ち抜き加工品の表面粗さを測定したところ、平均粗さとして２０ｎｍ以下であり、目視では鏡面であった。
【実施例３】
【００３０】
超硬材料Ｖ２０を用い、研削加工によってパンチ金型を製作した。パンチ先端面の形状は幅０．３ｍｍ、長さ２ｍｍの四角形状とした。このパンチに、パンチと、パンチによって成形される被加工材料との摺動方向と略平行方向からガスクラスターイオンビームを照射した。原料ガスとしてアルゴンを用い、加速電圧２０ｋＶ、照射ドーズ量は３×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。その後、パンチのエッジ部を走査型電子顕微鏡により観察した。パンチのエッジ部にリップルが形成されていることが観察された。リップルの形態としては、パンチと、パンチによって成形される被加工材料との摺動方向（剪断方向）と垂直な方向に延びる筋となっていた。リップルの周期は３００〜６００ｎｍ程度、深さは５０〜８０ｎｍ程度であった。
【００３１】
このパンチをプレス機械にセットして、潤滑剤を塗布した板厚０．１ｍｍの銅板を打ち抜き加工し、コネクタ用の電極ピンとして用いる部品を作製した。作製した電極ピン部品のエッジにバリが発生するまでのプレス回数を調べた。その結果、４００万回までバリの発生はなかった。また、パンチの刃先には欠けや摩耗がほとんど発生していなかった。
【実施例４】
【００３２】
超硬材料Ｖ２０を用い、ワイヤ放電加工によってダイス金型を製作した。実施例１と同様にダイスにギア構造の直径約１ｍｍの穴を形成した。このダイスに、ダイスと、ダイスによって成形される被加工材料との摺動方向から±２０度の範囲内の角度で照射軸を揺動させてガスクラスターイオンビームを照射した。原料ガスとしてアルゴンを用い、加速電圧１５ｋＶ、照射ドーズ量は５×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。その後、ダイスのギア構造の穴のエッジ部を走査型電子顕微鏡により観察した。エッジ部にリップルが形成されていることが観察され、そのリップルの周期は１００〜２００ｎｍ程度、深さは１０〜２０ｎｍ程度であった。
【００３３】
このダイスをプレス機械にセットして、潤滑剤を塗布せずに、２５℃、相対湿度９０％の雰囲気で、板厚１ｍｍの銅板を打ち抜き加工し、マイクロギアを作製した。作製したマイクロギアの厚さと、表面仕上がりとして表面粗さを原子間力顕微鏡で計測した。その結果、作製したマイクロギアの厚さはすべて０．９５ｍｍ以上であった。また、マイクロギアの表面粗さは平均粗さとして５０ｎｍ以下であり、光沢感があった。
【００３４】
［比較例１］
実施例１とガスクラスターイオンビームを照射しない点を除いて同様な方法でダイス金型を製作した。このダイスをプレス機械にセットして、実施例１と同様にマイクロギアを作製した。
その結果、作製したマイクロギアの厚さは、０．８０〜０．９０ｍｍ程度であった。これは銅板を打ち抜き加工する際に銅材料の滑りが悪くなり、マイクロギアの厚さが小さくなったものと思われる。また、マイクロギアの表面粗さは平均粗さとして２００ｎｍ以上ある部分が多く、光沢感がなかった。
【００３５】
［比較例２］
実施例３とガスクラスターイオンビームを照射しない点を除いて同様な方法でパンチ金型を製作した。このパンチをプレス機械にセットして、実施例３と同様に、銅板を打ち抜き加工し、コネクタ用の電極ピンとして用いる部品を作製した。作製した電極ピン部品のエッジにバリが発生するまでのプレス回数を調べた。
その結果、３０万回で電極ピン部品のエッジにバリが発生した。また、そのときのパンチの刃先には欠けや摩耗の発生が観察された。
【００３６】
［比較例３］
実施例１とガスクラスターイオンビームの照射方向が異なる点を除いて同様な方法でダイス金型を製作した。ガスクラスターイオンビームの照射方向は、ダイスと、ダイスによって成形される被加工材料との摺動方向と略平行方向ではなく、摺動方向から４５度傾けて照射した。その後、ダイスのギア構造の穴のエッジ部を走査型電子顕微鏡により観察したところ、エッジ部にリップルが形成されており、そのリップルの周期は１５００〜３０００ｎｍ程度、深さは５０〜１００ｎｍ程度であった。
【００３７】
このダイスをプレス機械にセットして、潤滑剤を塗布した板厚１ｍｍの銅板を打ち抜き加工し、マイクロギアを作製した。作製したマイクロギアの厚さは、０．８５〜０．９０ｍｍ程度であった。これはミクロプールがうまく形成されておらず、銅材料の滑りが悪くなり、マイクロギアの厚さが小さくなったものと思われる。また、マイクロギアの表面粗さは平均粗さとして２００ｎｍ以上ある部分が多く、光沢感がなかった。
【００３８】
以上、各種実施例及び比較例について説明したが、金型材料としてはセラミック材料やシリコン材料などでもリップルを形成することができる。この発明は、ガスクラスターイオンビームが長周期構造や鋭い突起の平坦化を行いながら、一方で短周期のリップルを形成するという本質的な現象を巧みに用いたものである。従って、用いるガスクラスターの種類や加速エネルギーなどの諸条件、金型や被加工材料の材質などは特に限定されるものではない。
【００３９】
また、このリップルは被加工材料と接触する金型表面のすべての領域にある必要はなく、部分的にリップルを形成させることもできる。例えば、製品形状不良を起こしやすい金型部分だけにリップルを設けることも好適である。
【図１】
0005433356.tif 000002
【図３】
0005433356.tif 000003
【図２】
0005433356.tif 000004
【図４】
0005433356.tif 000005