(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイ本体であって、流入面、前記流入面と反対側にある排出面、前記流入面から前記本体内に伸びている複数の供給孔、及び前記排出面から前記本体内に伸びて前記供給孔と接続する排出スロットの交差アレイを含むダイ本体を備え、前記排出スロットの前記交差アレイは、前記スロットと境を接し、前記排出面から前記ダイ本体内に伸びている複数のピンの側面により形成され、前記ピンの前記側面の少なくともいくつかに少なくとも１つの、幾何学的に設計された、巨視的なフロー変更表面不連続部が組み込まれ、
前記表面不連続部が前記ピンの基部よりも前記排出面近くに位置し、
前記表面不連続部が表面凹部であり、
前記表面不連続部の長さまたは深さの最大寸法が、前記ダイの前記スロット幅寸法に等しいかあるいは前記ダイの前記スロット幅寸法より１桁大きい値までの範囲にある、
ことを特徴とするハニカム押出ダイ。
【請求項２】
前記表面凹部が前記排出面に平行に走る表面溝であることを特徴とする請求項１記載のハニカム押出ダイ。
【請求項３】
前記ダイの押出方向の前記溝の幅寸法が、前記スロット幅の１００〜２００％の範囲にあることを特徴とする請求項２記載のハニカム押出ダイ。
【請求項４】
前記溝の深さが約０.００２〜０.００５インチ（約０.０５１〜約０.１２７ｍｍ）の範囲にあることを特徴とする請求項２記載のハニカム押出ダイ。
【請求項５】
前記溝が前記材料の前記フローに平行で前記ピン側面に垂直な平面で涙滴型の断面を有することを特徴とする請求項２記載のハニカム押出ダイ。
【請求項６】
可塑化バッチ材料をハニカム形状に形成するための方法において、ハニカム押出ダイの流入面にある供給孔アレイに前記材料を押し込むステップ及び前記ダイの排出面の排出スロットの十字交差アレイからハニカム形状として排出するために前記ダイを通して前記材料を流すステップを含み、前記排出スロットは前記排出面で終端するピンのアレイの側面により形成され、前記排出スロットを通る前記材料の前記フローが、前記ピンの前記側面の少なくともいくつかに与えられた１つ以上の、幾何学的に設計された、巨視的なフロー変更表面不連続部により変更され、
前記表面不連続部が前記ピンの基部よりも前記排出面近くに位置し、
前記排出スロットを通る前記材料の前記フローが前記ピンの前記側面にある表面凹部により変更され、
前記表面凹部の長さまたは深さの最大寸法が、前記ダイの前記スロット幅寸法に等しいかあるいは前記ダイの前記スロット幅寸法より１桁大きい値までの範囲にある、
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記表面凹部が前記排出面に平行に走る表面溝であることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記材料フロー方向の前記溝の寸法が、前記スロット幅の１００〜２００％の範囲にあることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記溝の深さが約０.００２〜０.００５インチ（約０.０５１〜約０.１２７ｍｍ）の範囲にあることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記溝が前記材料の前記フローに平行で前記ピン側面に垂直な平面で涙滴型の断面を有することを特徴とする請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本出願は、マーク  エー  シャルキー（Mark A. Shalkey）による「改良型スロット押出ダイ」と題する、１９９７年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第６０／０６２，３０９号の特恵を主張するものである。
発明の背景
本発明は可塑化材料から精密構造体を連続押出成形するための押出ダイに関し、さらに詳しくは、より均一で安定な押出特性をダイに付与する改良された排出スロット設計を含むハニカム押出ダイに関する。
適当な結合剤に分散された無機物粉末を含む可塑化粉末バッチからの、無機物ハニカム構造体の製造がよく知られている。米国特許第３,７９０,６５４号、第３,８８５,９７７号、及び第３,９０５,７４３号にはそのような製造のためのダイ、プロセス及び組成物が記述され、また米国特許第４,９９２,２３３号及び第５,０１１,５２９号には金属粉末が混和されているバッチから押し出された類似のセル構造をもつハニカムが記述されている。
上記押出成形法によるセラミックハニカムの生産のための押出ダイの製造には極めて高精度の加工が必要である。このようなダイのスロットが形成されているハニカム排出部に材料を供給するために、押し出されるべき可塑化バッチ材料が高い圧力の下で強制的に通過させられる多数の開口すなわち供給孔がダイの流入面すなわち供給面に与えられる。ダイの反対側の面すなわち排出面には精密加工された十字交差排出スロットアレイが与えられ、これらのスロットはダイの排出部に切り込まれて供給孔アレイと交わる。供給孔からスロットの基部に供給される可塑化バッチを押出成形されたハニカムの連結壁構造体の形にするのが、上記の排出スロットである。
ダイの実排出面を形成する交差排出スロット間の孤立した材料部分は、ダイ内部から外方に伸びる自立金属柱のように見え、基部でのみダイ本体に取り付けられているので、時に“ピン”と称される。これらのピンの形状は可塑化バッチを押し出すことにより形成されるハニカムチャネルの形状を定める。
金属ビレットをハニカム押出ダイの形にするには多くの技法が用いられてきている。軟鋼の場合、供給孔アレイはドリル加工により形成され、排出スロットはのこ引きにより形成される。しかしダイがより硬くつくられていなければならない場合には、ステンレス鋼のような低摩耗材料、電気化学的加工及び放電加工がより広く用いられている。
ＳＴＥＭ（シェープドチューブ電解加工）プロセスとも称される、電気化学的加工（ＥＣＭ）プロセスにおいては、供給孔の開口は導電性スチール加工物の制御された逆メッキ（溶解）により形成される。ドリルが負に荷電された電極（陰極）となり、加工物が正に荷電された電極（陽極）となって、電解質が流動する導電性流体である、電解セルが形成される。
放電加工（ＥＤＭ）によるダイのスロット形成においては、細長い走行ワイヤ電極とダイの金属プレフォームとの間に放電を維持することにより排出スロットが形成される。ワイヤＥＤＭにより上記のダイに形成されるスロットの長さは約３.５インチ（約８８.９ｍｍ）より一般に大きく、スロット深さは０.１インチ（約２.５４ｍｍ）以上でスロット幅は０.０１２インチ（約０.３０５ｍｍ）以下である。
ＥＤＭは平行する側壁をもつ細いスロットの上記のダイへの形成に十分適している。ＥＤＭで形成されたスロットは一般に、実質的にばりがなく、また比較的平滑で精度の高い表面仕上を有する。ＥＤＭプロセスについてのこれ以上の説明については、米国特許第２,５２６,４２３号、第４,２０５,２１３号、 第４,２３３,４８６号、 第４,４０３,１３１２号及び第４,５２７,０３５号を参照するとよい。
ＥＣＭ及びＥＤＭは今でもハニカム押出ダイ用に、スチールブランクに精密な開口及び排出スロットの大規模アレイを加工するための重要なプロセスであるが、得られたダイにはまだ問題が残っている。これらの問題は通常、ハニカムプリフォームがダイの排出面から押し出される際の材料の不均等フローとして現れる。“異常フロー”（ダイの局所領域を通って加速された押出）のような不均等フロー効果により、ハニカム製品には様々な欠陥が生じ得る。これらの欠陥には“膨れ”または“波打ち”ウエブ、すなわち材料の過剰な押出しによる横方向及び／または縦方向のセル壁変形、並びにその他のセル寸法、セル形状、及びセル壁厚さのばらつきが含まれる。
上記の押出ダイの供給孔及び／または排出スロット部の表面仕上のむらが不均等フローの主要因であると考えられる。このようなむらは、ダイの流入面及び流出面内の開口間及びスロット間で変化する、加工プロセス中の電圧、電流、及びその他の放電条件の非常にわずかな変動により生じ得る。現在のところこれらの変動を完全に抑えることはできない。
供給孔及び／またはスロットの精度及び表面仕上を最適化するために、ダイ製作に最もよく用いられる従来プロセスを別の加工プロセスで置き換えようとする試みがなされてきているが上記のいずれの課題も解決することができていない。例えば、最も一般的なＥＤＭスロット形成プロセスの代わりに研削砥石切削プロセスを用いるスロット形成は放電条件の変動によるプロセスの崩れは免れるが、スロットの仕上りがより平滑でスロット形状のばらつきが小さくなってはいてもやはり押出フローのばらつきを排除することには成功しなかった。
発明の概要
本発明はフローの一様性及び安定性を相当に改善するハニカム押出ダイ設計を提供する。上記の改善は、より小さな仕上むらを“マスク”するように見え、したがって従来の加工方法では費用及び／または時間をかけなければ排除できないスロットの形状寸法及び表面仕上の小さなばらつきの有害な効果の多くを除去する、改良されたスロット設計により得られる。
本発明の改良型スロット設計は、排出スロットを形成しているピンの側面に“マクロな”幾何学的造作を施すことによりつくられる。選択されたピン側面の前記造作の存在はダイのフローインピーダンスを若干増大させ得るが、そのようなインピーダンス増大は押出流頭のばらつきの極めて実質的な低減により十二分に相殺される。さらにばらつきの低減によって、ダイを通るフローのばらつきにより生じるハニカム製品の膨れまたは波打ちウエブ（チャネル壁）面のような製品欠陥が実質的に低減される。
したがって、第１の態様において本発明は“改良型スロット”ハニカム押出ダイを含む。他の点では全く従来のものと変わらない本ダイは、流入面をもつダイ本体、流入面の反対側にある排出面、及び流入面から本体内に伸びる複数の供給孔を含む。本ダイは排出面からダイ本体内に伸びる排出スロットの交差アレイをさらに含み、これらのスロットはダイの排出面でスロット間を埋めている複数のピンの側面により形成される、すなわちピン側面に境を接している。従来と同様に、スロットの基部が供給孔と接続して流体が供給孔からスロットに流し込まれるように、スロット及び隣接ピンが排出面からダイ本体内部に向かって伸びる。
本発明の押出ダイの改善されたフロー特性を獲得するために、ピンの内の少なくとも数本の１つ以上の側面に少なくとも１つの幾何学的に設計されたフロー変更表面不連続部、すなわちピンの１つ以上の側面の表面平坦性における巨視的不連続部が組み込まれる。従来の加工法によるピンの側面に存在する“ミクロな”（微視的な）欠陥とは対照的に、本発明の“マクロな”幾何学的ピン造作の寸法は一般に排出スロット自体の幅と同程度の大きさである。不連続部がスロットを通る押出しに適した材料のフローを変更するに十分な大きさであるという条件で、本発明の“マクロな”幾何学的ピン造作は原則的に、表面凹部またはくぼみ、表面突起部分、あるいはこれらの組合せのような、どのような幾何学的表面不連続部からも構成し得る。
第２の態様において本発明は、本発明のダイの改良されたフロー特性を用いてダイにより付与されるフローのばらつきに帰因する形状欠陥がより少ない押出ハニカムを形成する、改善された押出プロセスを提供する。可塑化バッチ材料をハニカム形状にするための従来方法と同様に、バッチ材料はまずハニカム押出ダイの流入面の供給孔アレイに押し込まれ、次いで供給孔を通して押し流されて、スロットが形成された排出部を通してダイから押し出される。排出部はダイの排出面に形成された十字交差するスロットの連結アレイを含む。
既述したように、排出部の十字交差スロットは排出面で終端しているピンアレイに境を接してピンアレイの形を定め、ピンの側面は可塑化バッチ材料がダイからでていく際にこの材料をハニカムに形づくる形成面を構成する。本発明の方法においては、上記排出スロットを通る材料のフローが、少なくとも数本のピンの少なくとも１つの側面に与えられた１つ以上の幾何学的に設計されたフロー変更表面不連続部を通過する際に変更される。
以下でさらに十分に説明されるように、スロットの側壁に上記の“マクロな”幾何学的造作が組み込まれたスロットアレイをバッチ材料に通過させると、押出プロセスの特性が相当に変わる。最も重要なことは、より一般的な設計の押出ダイで遭遇する“異常フロー”問題が実質的に軽減されることである。
詳細な説明
本発明は図面を参照することにより理解をさらに深めることができる。
図面を詳しく参照すると、図１はセラミックハニカムの押出成形のために当該技術分野で用いられる種類の従来のハニカム押出ダイの一部切開断面の斜視図である。図に示されるように、押出ダイ１０は（図示されていない）ダイ流入面から上方に伸びている供給孔１３を含み、押出しに適したバッチ材料が前記流入口により供給孔とスロットの交点１５に送られ、さらにこの交点から排出スロット１７に送り込まれる。次いで、前記バッチ材料は排出スロットを通して上方に向かって押出ダイの排出面１８まで送られ、そこでハニカム形状となってダイを出ていく。
図１をよく見れば明らかなように、排出スロット１７はピン１９の側面に境を接し、すなわち前記ピン側面により形成され、ピン１９は排出スロットが形成される際に形成される。スロット壁、したがってバッチ材料がダイから押し出される際にハニカム形状の壁体を形成するのが、ピン１９の側面である。
図面の図２は本発明に従って提供されるハニカム押出ダイの一部切開断面の斜視図である。図において、押出ダイ１０ａはやはりダイ流入面から上方に伸びてダイの排出部の基部で排出スロット１７と交わる供給孔１３を含む。しかし本発明のこの実施の形態においては、排出スロット１７と境を接しているピン１９ａに、ダイを通過する押出しに適した材料のフローを変更するための幾何学的に設計された表面造作２１を含む側面２０が取り入れられている。本実施の形態において、造作２１はピン２０の選択された側面に形成された溝すなわち凹部であって、この凹部が押出可能な材料内に剪断応力を導入し、よって凹部がつけられたピン表面を通過する前記材料のフローを若干妨げるように作用する。
本明細書の目的において“幾何学的に設計された”造作とは、ハニカム押出ダイのピン表面すなわちスロット面に施された寸法及び形状が前もって定められた造作のことである。この造作は、従来方法に従って加工された押出ダイのスロット領域に一般に存在する種類のランダムな表面ばらつきとは対照区別される。
排出スロットに幾何学的に設計された造作が存在することにより可塑化バッチ材料に発生するフローの変化は、造作の数、寸法及び形状だけでなく、押し出されている材料のレオロジー及び用いられる押出速度にも依存する。しかし、いかなる特定のバッチ材料、ハニカム形状、及び／または押出条件に対しても最適な造作の形状寸法を型どおりの実験により容易に定めることができる。
押出セラミック、特に押出セラミックハニカムの生産で現在遭遇する種類のバッチレオロジーに対し試行して最も有効であった造作は、（押出方向に平行な）長さ、あるいは（ピン面に垂直な）高さ／深さの最大寸法が、押出ダイのスロット幅寸法と、大まかにいって同じであるかまたは１桁大きい値までの範囲にある造作であった。前記スロット幅は通常、０.００１〜０.０１０インチ（約０.０２５４〜約０.２５４ｍｍ）の範囲に入る。このスロット幅範囲において、押出方向に平行に測定した代表的な造作の長さは、スロット幅の１００〜２００％の範囲にあることが好ましい。
特に表面造作が凹部の場合、最適造作深さの決定には押し出されるべき可塑化粉末バッチを構成している粉末混合物に存在する粒子の最大寸法を考慮する必要がある。凹部深さは通常、バッチ内に存在する最大粉末粒子でさえも受け入れて保持するに十分であることが好ましい；代表的なセラミックバッチに対しては一般に０.００２〜０.００５インチ（約０.０５１〜約０.１２７ｍｍ）の深さの凹部で上記目的には十分であろう。もちろん、より大きい及び／またはより小さい表面造作も、他のバッチレオロジー及び／または組成が押出しに要求されるような用途に対して等しいかさらに優れた効用を有し得る。
図面の図２に示されるような凹部設計は、発生するフローの変化がバッチ間抗力効果、すなわち凹部に捕捉されたバッチ材料がスロットを通過する近くのバッチ材料のフローを妨げる、すなわち遅らせる傾向があることにより生じると考えられる点で、突起設計に優る利点を有する。このタイプの抗力効果は押出ダイの寿命を通じて比較的一定のままである傾向があり、一方ピン側面から突き出す幾何学的造作は押出ダイに一般に見られる摩損効果により形が変わる傾向がある。後者の場合、時間の経過にともなう造作の効用の変化がより大きくなりやすい。図２の造作配置の効用の別の、また多少とも期待していなかった点は、ピンの（例えば平行する）面の一組にのみ溝をつけ、隣り合うすなわち直交するピン面には溝をつけなくとも、ハニカムの完全性すなわちセル壁の形状寸法にはいかなる形にせよ悪影響を及ぼさなかったことである。
凹部タイプの幾何学的設計に関する縦断面の特定の一実施の形態が図面の図３に示される。図３は、排出スロット１７の方向に沿った平面内で隣接する２本のピン１９ａに関してとられた、押出ダイのピン領域の部分断面の略図を示す。この実施の形態では、涙滴型の実在物２１が選択されたピン対の対向する側面２０、すなわち選択されたスロットの両側面に切り込まれている。涙滴型という呼称は、材料のフローに平行でピン側面に垂直な平面で見た溝の断面にあてはまる。この造作の加工にはスロットの中心線に関して鏡像関係にある涙滴形状を形成する必要がある。
涙滴型凹部またはこのタイプの凹所は、ワイアＥＤＭ切削により、スロットがすでに形成されているダイに容易に形成することができる。あるいはこのような特定の造作設計を有するピンを、当該技術分野で知られた手法を用いて、前もってドリル加工されたダイベースに嵌め込むこともできる。涙滴造作形状は図３のＤの方向に行われる押出しの開始時に容易に満たすことができるという利点を有する。同時に、この造作形状は、次の押出過程の間剪断応力を比較的一定にするための静的バッチポケットを維持することができる。
排出スロット内での造作の深さ方向の位置は、造作の効用に大きくは影響しなかった。図３に示したタイプの、ダイの排出面からスロット幅の５倍、９.５倍及び１５倍離れた位置につけられた凹部造作での試行によれば、ほとんど等価な押出特性が得られた。したがってスロット内での造作の精確な位置は、ピンの摩耗速度のような他の要件に基づいて選択することができる。後者によれば、ピンの基部よりも排出面に近い造作位置のほうが好ましい傾向がある。
ピン側面に造作を形成するために選択される方法は、選択される造作設計及び位置に依存する。図面に示したような凹部タイプの造作の場合は、ＥＤＭ加工が選択されたスロットの全長のどこにでもピン側面に寸法及び形状が制御された溝を形成するために有効な方法となる。そのような加工技法の特定の説明が以下の実施例で与えられるが、この実施例は本発明の説明のためのものであって本発明を制限するためのものではない。
実施例
初めに、図面の図１に示したような従来形状を有するスチール製ハニカム押出ダイを選んだ。選んだダイは、ハニカム断面領域に１平方インチあたり約４００本（約６２本／ｃｍ２）の正方チャネルを有する正方セルハニカム体を生産するために設計されている。ダイの排出面の排出スロットのそれぞれのスロット幅は約０.００７インチ（約０.１７８ｍｍ）、スロット深さは約０.１００インチ（約２.５４ｍｍ）である。
上記のダイの排出部でピン側面に凹部造作を形成するため、このダイをワイヤＥＤＭ加工機のキャリッジにおき、直径０.００４インチ（約０.１０２ｍｍ）のＥＤＭワイヤをワイヤ切削のために加工機に取り付けた。次いで、排出部のスロットを形成しているピン列の側面での溝の切削を開始した。
ダイの全スロットの対向するピン側面に、すなわち排出口アレイのそれぞれのピンの４つの側面全てに、涙滴形状に溝を切り抜いた。溝の縦断面は図面の図３に示したものと実質的に同じとした。
各溝の最大深さは約０.００２インチ（約約０.０５１ｍｍ）であり、溝はダイの排出面のスロット開口からほぼ０.０３６インチ（約０.９１４ｍｍ）下につけた。従来のスロット形成プロセスで見られるタイプの、偶発的なスロット幅の小さなばらつき、あるいはスロット表面仕上の同様に小さなばらつきのような、おこり得る押出問題に関係するその他のスロット欠陥の修正は全く行っていない。
水をビヒクルとして有機結合剤と混合したクレイ、タルク及びアルミナを含む可塑化セラミックバッチ材料による押出成形を試行して、上記のダイの押出性能を評価した。平滑なスロットをもつ従来のダイと比較したとき、本ダイを通るフローインピーダンスの若干の増加が初めに観測された。前記増加にも関わらず、押出成形の試行を継続することにより、本ダイで生産したハニカムでは“異常フロー”製品欠陥の実質的な低減が達成されることが実証された。
製品欠陥レベルの上記低減は、許容し得るレベルで無欠陥の押出ハニカム製品が生産される押出量で測定されるダイの実用寿命が、本ダイでは従来方法でスロットが形成されたその他の点では同様の設計のハニカムダイの実用寿命の２ないし３倍であるという結果により最も定量的に表わされる。すなわち、“異常フロー”欠陥の発生が直接に低減されるだけでなく、製品の基準量の押出しに必要なダイの数の大幅な低減によるハニカム製造の原単位コストの相当な低減が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のハニカム押出ダイの一部切開断面を透視した略図である
【図２】  本発明に従う幾何学的スロット造作を組み込んでいるハニカム押出ダイの一部切開断面を透視した略図である
【図３】  本発明に従って用いられる代表的な幾何学的表面造作の設計を示す
【図１】
0004421771.tif 000002
【図２】
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【図３】
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