(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切断すべき製品の形状に合わせて形成した切刃を外周表面に設けたスリーブ状のダイカッターと、平滑な外周表面を持つスリーブ状のアンビルロールの組み合わせとからなり、回転するアンビルロール上を移動するワーク材上にダイカッターを回転押圧してワーク材を切断加工するダイカットロールであって、
ダイカッター切刃部分およびアンビルロールの表面のうち、少なくともダイカッターの切刃部分を、硬質相の平均結晶粒子径が０．５μｍ以下のＷＣを主成分とし、ＩＶｂ、Ｖｂ、ＶＩｂ属金属炭化物の中のいずれか一つ以上を有する超硬合金から形成したダイカットロールにおいて、
ダイカッターおよびアンビルロールのうち、少なくともダイカッター切刃部分の表面から内部に向かって硬質相の粒子径が大きくなっていることを特徴とするダイカットロール。
【請求項２】
切断すべき製品の形状に合わせて形成した切刃を外周表面に設けたスリーブ状のダイカッターと、平滑な外周表面を持つスリーブ状のアンビルロールの組み合わせとからなり、回転するアンビルロール上を移動するワーク材上にダイカッターを回転押圧してワーク材を切断加工するダイカットロールであって、
ダイカッター切刃部分およびアンビルロールの表面のうち、少なくともダイカッターの切刃部分を、硬質相の平均結晶粒子径が０．５μｍ以下のＷＣを主成分とし、ＩＶｂ、Ｖｂ、ＶＩｂ属金属炭化物の中のいずれか一つ以上を有する超硬合金から形成したダイカットロールにおいて、
ダイカッターおよびアンビルロールのうち、少なくともダイカッター切刃部分の表面から内部に向かって鉄属金属の含有率が大きくなっていることを特徴とするダイカットロール。
【請求項３】
切断すべき製品の形状に合わせて形成した切刃を外周表面に設けたスリーブ状のダイカッターと、平滑な外周表面を持つスリーブ状のアンビルロールの組み合わせとからなり、回転するアンビルロール上を移動するワーク材上にダイカッターを回転押圧してワーク材を切断加工するダイカットロールであって、
ダイカッター切刃部分およびアンビルロールの表面のうち、少なくともダイカッターの切刃部分を、硬質相の平均結晶粒子径が０．５μｍ以下のＷＣを主成分とし、ＩＶｂ、Ｖｂ、ＶＩｂ属金属炭化物の中のいずれか一つ以上を有する超硬合金から形成したダイカットロールにおいて、
ダイカッターおよびアンビルロールのうち、少なくともダイカッター切刃部分の表面から内部に向かって硬質相の粒子径が大きくなっており、
さらにダイカッターおよびアンビルロールのうち、少なくともダイカッター切刃部分の表面から内部に向かって鉄属金属の含有率が大きくなっていることを特徴とするダイカットロール。
【請求項４】
ダイカッターとアンビルロールのうち、少なくともダイカッターの切刃表面部分の超硬合金が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの中の１つ以上を１〜３０質量％を含有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のダイカットロール。
【請求項５】
ダイカッターとアンビルロールとの間に、ＨＲＡ０．１以上の硬度差をもたせたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のダイカットロール。
【請求項６】
ダイカッターとアンビルロールの硬さがＨＲＡ８１〜９６であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のダイカットロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転するアンビルロール上を移動するワーク材上にダイカッターを回転押圧してワーク材を切断加工するダイカットロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカットロールの構造は、例えば、特許第２５９３５７０号公報に記載されており、一方に切断すべき製品の形状に合わせて形成した凸状押切刃をロール表面に設けたダイカッターを回転駆動し、他方に設けたアンビルロールの間に切断すべきワークを通し、ダイカッターをアンビルロールに押圧して凸状押切刃によって走行ワークを所定の形状に切断するものである。そして、ダイカッターおよびアンビルロールには耐摩耗性に優れた超硬合金が使用されている。
【０００３】
従来、ダイカッターおよびアンビルロールに用いられる超硬合金としては、高硬度・高強度であり、刃先先端をシャープに加工することができる硬質相の平均結晶粒径が１μｍ程度の微粒超硬合金が適用されてきた。
【０００４】
そして、この凸状押切刃の切れ味の改善とともに長寿命化のための試みが従来から多くなされており、たとえば、特許第２５９３５７０号公報には、凸状押切刃の押圧先端とアンビルロールの表面との硬さの関係がその寿命に影響し、両方の硬度差をＨＲＡ０．１以上にすることによってその寿命が１０倍以上延びることが開示されており、また、特開平７−２２７７９８号公報には、腐食の影響を低減するため、硬度差を形成するための特定材料の選定が開示されている。
【０００５】
また、特開平８−７１９９９号公報には凸状押切刃の形状面からの長寿命化が開示されており、ダイカッターの軸方向部分の凸状押切刃の幅を周方向部分の幅よりも小さくすることによって長寿命化することが開示され、また、特開平８−７２０００号公報には、アンビルロールの駆動をそれそれ同調した２軸によって駆動させる二軸駆動方式と、ダイカッターのみを駆動させてアンビルロールをこれに従動させる一軸駆動方式のいずれにもクラウンを持たせたダイカッターが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、製造ラインの高速化や難加工ワーク材への転換に伴って摩耗速度が増大し、寿命が短くなっており、上記先行技術の適用だけでは十分とは言えなくなってきた。
【０００７】
そのため、超硬合金の耐摩耗性を増すために硬度を高めることが行われたが、凸状押切刃やアンビルロールの靭性低下がチッピングや割れなどを引き起こし、一方硬質相の増加によるヤング率増大が凸状押切刃先端やアンビルロールに作用する応力を増大させてしまうという問題があった。
【０００８】
この硬度を高める手法としては、超硬合金成分中の硬質相であるＷＣ粒子の比率を高めることにより行われるものであるが、このことは相対的に結合相金属量の比率を減少させることになる。一方、超硬合金の強度・靭性は、結合相金属量の減少により低下することは知られており、この硬度を高める方法によって、強度・靭性が低下するという相反する課題に直面するものであった。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の課題を硬質相であるＷＣ粒子の微粒化によって解決し、強度および靭性を向上もしくは維持しながら、硬度を増加させ、さらにヤング率を低下させ刃先にかかる応力の低減を計り、異常摩耗やチッピングのない、長寿命・高信頼性の超硬合金製ダイカットロールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を硬質相粒子の微粒化と、切断加工に関与する表面部分、すなわち、凸状押切刃先端やアンビルロール表面のみに微粒の超硬合金を配置させ、その他に、より粗粒あるいは高いバインダー率の超硬合金を配置させることによって解決した。
【００１１】
本発明は、ダイカッターおよびアンビルロールのうち、少なくともダイカッターの切刃部分を、硬質相が平均結晶粒子径が０．５μｍ以下のＷＣを主成分とし、IVｂ、Vｂ、VIｂ属金属炭化物の中のいずれか一つ以上を有する超硬合金から形成する。
【００１２】
主成分の硬質相であるＷＣの平均結晶粒径を０．５μｍ以下に特定することによって、従来よりも、ヤング率を大きくせずに高硬度でしかも高抗折力の合金を得られるためである。すなわち、ヤング率が大きくならないことによって切断に寄与する部分の刃先先端やアンビルロール表面にかかる応力も大きくならず、高硬度・高抗折力によって耐摩耗性が改善される。また、ダイカッターの刃先の摩耗は硬質相粒子の脱落によって進行するが、脱落があっても硬質相粒子自体の粒径を小さくすることによって脱落部分が小さく、大きな硬質相粒子の場合に発生していた大きな脱落部分による切断不良（異常摩耗）を解決するとともに、常にシャープな切刃を維持して、長寿命化ができる。アンビルロールの摩耗も同様である。さらにダイカッターにおいては主成分の硬質相であるＷＣの平均結晶粒径を小さくすることによって、刃先先端をよりシャープに形成することが可能となり、切断特性が向上する。
【００１３】
主成分の硬質相であるＷＣの平均結晶粒径を０．５μｍ以下に特定したのは、０．５μｍを越えるＷＣを含む超硬合金では、ダイカットロールに要求される十分な耐摩耗性と切断特性が得られないためである。IVｂ、Vｂ、VIｂ属金属炭化物はＷＣ結晶粒子の粒成長を抑制するために添加される。これによって、ＷＣ結晶粒子の異常成長も抑制して均一な微結晶組織が得られる。
【００１４】
本発明においては、バインダー金属として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの中の１種以上が、ダイカットロール用超硬合金としての機械的特性に優れるために好適に使用できる。しかしながら、総量で、１質量％未満では靭性が使用上問題となる程度に低下し、また３０質量％を越えると耐摩耗性が低下するため、その使用範囲は、１質量％〜３０質量％の範囲内に限られる。
【００１５】
また、本発明においては、ＷＣ結晶粒子の粒成長を抑制するために添加されるIVｂ、Vｂ、VIｂ属金属炭化物として、ＶＣとＣｒ３Ｃ２が特に粒成長抑制効果が優れるために好適に使用できる。しかしながら、バインダー金属の（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）に対して（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）が１５質量％以上、またはＶＣのみが１０質量％以上、またはＣｒ３Ｃ２のみが１０質量％以上添加されると第３相粒子として大きく析出して耐チッピング性や靭性が使用上問題となる程度に低下する。さらに、バインダー金属の（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）質量％に対して（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）質量％が２％以下、またはＶＣのみが１質量％以下、またはＣｒ３Ｃ２のみが１質量％以下の添加量では粒成長を完全に抑制できず硬度や強度が使用上問題となる程度に低下する。したがって、その使用範囲は（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）に対して（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）が２〜１５質量％、ＶＣとＣｒ３Ｃ２がそれぞれ１〜１０質量％、１〜１０質量％に限られる。
【００１６】
本発明のダイカットロールにおいては、硬質相の粒径を微粒化することにより、バインダー金属相の厚みを薄くでき、そのため、バインダー金属相の量を変えずに硬度と抗析力を向上でき、破壊靱性の低下を解決することができる。そして、耐摩耗性が要求される刃先先端やアンビルロール表面のみに微粒の硬質相をもつ超硬合金を配置させ、それ以外には破壊靭性に優れた粒径が大きな超硬相を配置させるものである。これによって、クラックの伝播を抑制し、信頼性を改善するとともに、高価な微粒超硬合金を節約することもできる。
【００１７】
さらに、本発明においては、耐摩耗性が要求されるダイカッターの刃先先端やアンビルロール表面から内側に向かってバインダー金属量を多くすることによって、焼結冷却過程で発生する残留熱応力を緩和する効果がある。すなわち、バインダー金属量が表面部分より内側の方が多くなることによって膨張係数が大となり、そのため、焼結後には表面部分に圧縮残留応力が存在することになり、耐チッピング性が改善される。
【００１８】
また、さらに、ダイカッターとアンビルロールとの間に、ＨＲＡで０．１以上の硬度差をもたせる。これによって、ダイカッターとアンビルロールとの相互間での摩耗速度を小さくすることができる。
【００１９】
また、ダイカッターとアンビルロールの硬さが、ＨＲＡで、８１より小さいと摩耗速度が増大し寿命と保守性を著しく損ねるという問題があり、また、９６より大きいとチッピングや割れなどの問題があるので、硬さはＨＲＡで、８１〜９６の範囲内にあるのがよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をダイカッター切刃部分に適用した実施例によって、発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
図１は本発明を適用したダイカットロールを示す。同図において、１はワーク（被加工物）２の切断形状に合わせて形成した凸状押切刃を、また、３はこの凸状押切刃１を表面に有するダイカッターを示す。４はダイカッター２を回転駆動するためのモーターを示す。３はダイカッター２の凸状押切刃１が当圧するアンビルロールである。６ａはダイカッターギアであり、６ｂは、ダイカッターギア６ａと連接してアンビルロール５を回転駆動させるアンビルロールギアを示す。
【００２２】
図２は、図１のダイカッター３の凸状押切刃１を含む部分の断面を示す。同図において、７はダイカッター３のロール部分を形成するシリンダー部であって、凸状押切刃１の先端部分８に本発明を適用した。９は、ワークをハンドリングするためのエア穴を示す。
【００２３】
図３は、図１と図２に示すダイカットロールを用いた裁断装置を示す。
【００２４】
図中、１０は油圧あるいはエアシリンダー、１１ａはダイカッターのための軸受ボックスを、１１ｂはアンビルロールのための軸受ボックスを示す。１２は油圧またはエアコンプレッサー、１３はエアコンプレッサー、１４はエア吸引装置、１５はフレームユニットを示す。この裁断装置においては、モーター４の駆動軸は直接ダイカッター３を駆動し、ダイカッターギア６ａにより、アンビルロールギア６ｂを駆動し、それに連結した駆動軸により、アンビルロール５が回転同期して駆動される。これによって、ダイカッター３とアンビルロール５との間を通るシート状ワーク２をダイカッタ−３の凸状押切刃１のとおりに裁断する。また、ダイカッター３とアンビルロール５はフレームユニット１５に組み込まれ、軸両端の軸受ボックス１１ａと１１ｂを介して油圧あるいはエアシリンダー１０で加圧・保持されている。裁断されたワークなどのハンドリングにはエアの吸引・吐出を使用するため、エアコンプレッサー１３とエア吸引装置１４が付属されている。
【００２５】
この図３に示す裁断装置において、以下の実施例に示す種々の材料を用いて外径１００ｍｍ、超硬合金軸方向長さ１００ｍｍのスリーブ形状のダイカッターおよびアンビルロールを製作し組み合わせダイカットロールを構成し、不織布をワークとして寿命テストを実施した。なお、寿命はテスト開始からワークに切断不良が発生するまでの総カット枚数とした。
【００２６】
実施例１
超硬合金の硬質相として平均粒径０．２μｍのＷＣ粉末、バインダー相として平均粒径１μｍのＣｏ粉末をアトライター混合粉砕およびカーボン量調整して原料粉末を作製した。
【００２７】
なお、粒成長抑制剤として添加されるIVｂ、Vｂ、VIｂ属金属炭化物として、本実施例ではＣｒ３Ｃ２とＶＣが選択されている。Ｃｒ３Ｃ２とＶＣの場合、その添加量がバインダー金属の約１０質量％であるが、この量よりも極端に少ないと粒成長抑制効果が十分に得られず、この量よりも極端に多いと逆にＷＣ結晶とＣｏ相との界面付近に析出し界面強度を低下させてしまう。
【００２８】
得られた原料粉末をプレス・予備焼結・整形・焼結・ＨＩＰ後、シャフトに組み込んで機械加工を行って表１に示す配合組成のダイカッターおよびアンビルロールのテスト試料を得た。なお、表１中の平均粒径は、焼結後の超硬合金内のＷＣ結晶平均粒径で、原料粉末の平均粒径と比較して、若干粒成長するため、大きくなる。他の実施例についても同様である。
【００２９】
【表１】
0004588847.tif 000002
比較材として平均粒径０．７μｍのＷＣ粉末を配合した原料粉末から表１に示す実施例と同様にして、表２に示すダイカッターおよびアンビルロールのテスト試料を得た。
【００３０】
【表２】
0004588847.tif 000003
両表に示す焼結後の硬質相の平均結晶粒径は、得られた超硬合金試料を平研・鏡面研磨後、組織をＳＥＭで写真撮影し、その写真を用いてフルマンの式から算出した。
【００３１】
表３は、上記表１および表２中の材料を使ったダイカッターおよびアンビルロールを組み合わせてダイカットロールを構成し、寿命テストを行った結果を示す。
【表３】
0004588847.tif 000004
本発明の実施例であるＮｏ．１〜４のダイカットロールは、Ｎｏ．５〜８の比較品と比較すると寿命比で１．７〜２．８倍優れていることがわかる。また、寿命テスト前に不織布切断の最低荷重を測定した結果、本発明のＮｏ．１〜４は、いずれも各々の比較品のＮｏ．５〜８に対して１０〜２５％小さな値を示した。このことは、本発明の実施例の場合は、切れ刃がよりシャープに形成され、切れ味が優れていることを意味する。
【００３２】
実施例２
超硬合金の硬質相として平均粒径０．２μｍのＷＣ粉末、バインダー相として平均粒径１μｍのＣｏ粉末を用い、粒成長抑制剤として添加されるIVｂ、Vｂ、VIｂ属金属炭化物として、本実施例ではＶＣとＣｒ３Ｃ２を選択し、表４に示す配合組成でアトライター混合粉砕およびカーボン量調整をして原料粉末を作製した。
【００３３】
【表４】
0004588847.tif 000005
得られた原料粉末を用いて、実施例１と同様の工程でダイカッターのテスト試料（材料：Ｃ−０１〜Ｃ−１３）を得た。また、アンビルロールとしては材料Ｄを材料としてテスト試料を得た。表５は、上記表４と材料Ｄをそれぞれダイカッターおよびアンビルロールとして組み合わせてダイカットロールを構成し、寿命テストを行った結果を示す。
【００３４】
【表５】
0004588847.tif 000006
試料Ｎｏ．１１とＮｏ．１２の寿命テストでは早期摩耗が発生した。これは、ＶＣとＣｒ３Ｃ２の添加量が少なく粒成長抑制効果が得られなかった結果、材料の硬度が低下したことに起因する。試料Ｎｏ．１３からＮｏ．２０の寿命テストでは正常な結果が得られた。また、試料Ｎｏ．２１からＮｏ．２３の寿命テストではダイカッターの刃先にチッピングが発生し、寿命が非常に短い結果となった。これはＶＣとＣｒ３Ｃ２の添加量が多すぎたため、それらが第３相として結晶粒界付近に大きく析出し、ダイカットロールとして使用するために必要なレベル以下に刃先強度が低下したことに起因する。
【００３６】
実施例３
原料粉末として、超硬合金の硬質相として平均粒径０．２μｍのＷＣ粉末を用いた材料Ｃと、平均粒径３μｍのＷＣ粉末を用いた材料Ｃと同じ組成の材料Ｃ１を用い、表６に示す配合組成の試料を得た。
【００３７】
【表６】
0004588847.tif 000007
なお、刃先部分である外周側には材料Ｃの原料粉末を、また刃先より内周側には材料Ｃ１の原料粉末を同心円状にプレスし、予備焼結・整形・焼結・ＨＩＰ後、加工して図２に示すダイカッター３を得た。ダイカッター３においてワーク切断に寄与する耐摩耗性が最も要求される凸状押切刃１の刃先部分８を材料Ｃの原料粉末で形成された超硬合金で、その他の刃先根本部分や製品ハンドリング用のエア穴９がある部分には耐欠損性（破壊靭性）がより大きなＣ１の原料粉末で形成された超硬合金を配置した。
【００３８】
図２のダイカッターを寿命テストした結果、表６に示す材料Ｃだけで製作したダイカッターとほぼ同等の性能を発揮した。これによって、刃先の耐摩耗性を改善しながら、繰り返し荷重のかかる刃先根本部分やエア穴９などがある刃先以外の部分の耐欠損性を改善することよって信頼性をも向上することができた。さらに、高価な微粒ＷＣ原料粉末を節約し、製造原価の低減を実現することもできた。
【００３９】
実施例４
原料粉末として、超硬合金の硬質相として平均粒径０．２μｍのＷＣ粉末を用い、表７に示す材料Ｃと材料Ｃ２を有する、図２に示すダイカッター３を作成した。
【００４０】
【表７】
0004588847.tif 000008
なお、凸状押切刃１の刃先部分８は材料Ｃの原料粉末を、また刃先部分８より内周側には、実施例３と同様に、材料Ｃ２の原料粉末を同心円状にプレスし、予備焼結・整形・焼結・ＨＩＰ後、加工して得た。
【００４１】
これによって、実施例３の場合と同様に、刃先の耐摩耗性を改善しながら、繰り返し荷重のかかる刃先根本部分やエア穴９などがある刃先以外の部分のバインダー金属量を多くし、耐欠損性が改善され、かつ圧縮残留応力が存在することによって信頼性をも向上することができた。
【００４２】
この実施例３と４では、共に、２つの原料粉末を用いたが、３つ以上の原料粉末を用いてもよい。
【００４３】
さらに、この実施例３，４ではダイカッターに本発明を適用した例を示したが、同様に、アンビルロールに適用しても同様な効果を得た。
【００４４】
以上のように、本発明のダイカットロールとそれを用いる裁断装置により、耐摩耗性を改善し、異常摩耗やチッピングを効果的に低減することがわかった。
【００４５】
実施例５
超硬合金の硬質相として平均粒径０．０５μｍ〜４μｍのＷＣ粉末、バインダー相として平均粒径１μｍのＣｏ粒末をアトライター混合粉砕およびカーボン量調整して原料粉末を作製した。得られた原料粉末をプレス・予備焼結・整形・焼結・ＨＩＰ後シャフトに組み込んで機械加工を行って、表８に示すダイカッターおよびアンビロールのテスト試料を得た。
【００４６】
【表８】
0004588847.tif 000009
表９と表１０は、表８の材料を使ったダイカッターおよびアンビルロールを組み合わせてダイカットロールを構成し、寿命テストを行った結果である。
【００４７】
【表９】
0004588847.tif 000010
【表１０】
0004588847.tif 000011
表９のいずれのダイカッター、表１０のいずれのアンビルロールも同じ硬度であるが、寿命比データを見ると、硬質相の平均粒子径が０．５μｍ以下で顕著に改善が認められた。これは、硬質相の粒径が小さくなることによってシャープな刃先や円筒平面が維持できることに起因しているが、１０μｍ程度の刃先先端平滑部に対して０．５μｍ程度以下の粒子径にした時、粒子脱落による摩耗の影響が特に改善されるものと思われる。
【００４８】
【発明の効果】
１．主成分の硬質相であるＷＣの平均結晶粒子径を０．５μｍ以下まで微粒化した超硬合金をダイカッターまたはアンビルロールの、少なくともダイカッターの切れ刃に適用し、それを用いた裁断装置によって、著しく寿命および信頼性が改善される。
【００４９】
２．耐摩耗性が要求される部分と耐欠損性が要求される部分を別々の超硬合金で複合化して形成し、それを用いた裁断装置によって、製造コストを低減して寿命および信頼性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したダイカットロールを示す。
【図２】ダイカッターの切刃部分を含む断面図を示す。
【図３】本発明のダイカットロールを用いた裁断装置を示す。
【符号の説明】
１  凸状押切刃        ２  ワーク（被加工物）
３  ダイカッター      ４  モーター
５  アンビルロール    ６ａ、６ｂ  ギア
７  シリンダー        ８  凸状押切刃の先端部分
９  エア穴          １０  油圧あるいはエアシリンダー
１１ａ、１１ｂ  軸受ボックス
１２  油圧またはエアコンプレッサー
１３  エアコンプレッサー    １４  エア吸引装置
１５  フレームユニット
【図１】
0004588847.tif 000012
【図２】
0004588847.tif 000013
【図３】
0004588847.tif 000014