(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイ表面から延在する少なくとも２つの切断ブレード（１４，２０，２１）を形成する段階と、
前記切断ブレードを硬化させるために十分強力な熱源（１０，１１）で前記切断ブレードの一方（２０）を走査して前記切断ブレードを硬化させる段階とを含む切断ダイの製造方法において、
前記少なくとも２つの切断ブレード（２０，２１）が交差するように形成されること、および、
他方の前記切断ブレード（２１）の走査中に、既に硬化した前記一方の切断ブレード（２０）の、前記切断ブレードの交差部に近接した箇所に向けて冷媒（３２，３３）を導くか、または、前記交差部（２２）位置で前記切断ブレードを走査する時に前記熱源（１０，１１）の熱量を変化させて、既に硬化した前記一方の切断ブレード（２０）の焼鈍を減少させることによって特徴づけられる切断ダイの製造方法。
【請求項２】
前記熱源（１０，１１）が、前記切断ブレード（１４，２０，２１）を硬化させるために十分強力なレーザービームである請求項１に記載された切断ダイの製造方法。
【請求項３】
前記走査が、ダイ表面から延在する前記切断ブレード（１４，２０，２１）と実質的に同延の移動路に沿ってレーザービームを移動させることを含む請求項２に記載された切断ダイの製造方法。
【請求項４】
硬化されている前記切断ブレード（１４，２０，２１）を極低温処理することを更に含む請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された切断ダイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は切断ダイに係わり、特に各種のストック材料（原材料）をカッティングするダイの製造に関する。
ストック材料からその一部分をカッティングすなわち切断するために切断ダイが知られている。例えば、切断ダイは厚紙またはプラスチックまたは金属のシートを切断して予め定めたブランク（中間素材）を形成するために使用される。周知の切断作業の一形態においては、２つの回転シリンダが並置され、これらのシリンダは周面から半径方向に延在する小さな切断ブレード（刃）をそれぞれ一体的に備えていて、回転されたときにブレードが被加工ストック材の反対両面に対して係合すると共に互いに協働してストック材からブランクを切断し、そのブランクの形状はブレード形状によって定められる。このような作業が米国特許第４６０８８９５号に示されている。
各シリンダダイを形成する方法は、ブレードの長期の作動寿命にわたって所望のカッティングを行い得ることを保証するために、或る種のプロセス処理を施す必要がある。特にブレードは、再調整が必要となるまでに十分長いブレード寿命を与えるために、非常に硬くなければならない。
そこで、ダイを準備する一つの形式において、適当寸法のダイシリンダの全体が熱処理されて、シリンダ表面が要求される硬さ、例えばロックウェル硬度で約ＨＲＣ６０程度になされる。ブレードはシリンダと一体形成されるので、次の段階はシリンダ表面から半径方向外方へ延在する一体化されたブレードの形成および輪郭付けのために、シリンダ材料を除去することである。ブレードを形成するためにシリンダ表面を削り込むことは可能であるが、シリンダが硬いので切削は良好な選択とはならない。
したがって、ダイの形成には放電加工機（ＥＤＭ）による方法を使用することが知られている。この方法では、形成すべきダイシリンダおよびブレードと反対の形状（negative configuration）の黒鉛シリンダが形成される。この黒鉛シリンダおよびダイシリンダは放電環境のもとで並置され、シリンダ表面上に突出する硬化済み切断ブレードを取り残すようにして、ダイシリンダの金属が除去（侵食）される。これは速度の遅い処理であり、例えば直径が３０センチメートル以上（１２インチ以上）で、長さが数十センチメートル〜３メートル程度（数フィート）にシリンダが大きい場合には、この処理に数日間を要しかねない。
製造者はダイを迅速に形成し、その後に硬化させることを試みている。この逆手順の方法は良好に機能しない。シリンダおよびその突出したブレードは、所望のブレード硬さを得るために、４１５０鋼に関しては約８１５℃（１５００°Ｆ）に、また、Ｄ２鋼に関してはオーステナイト化温度約１０３８℃〜１０９４℃（１９００°Ｆ〜２０００°Ｆ）に加熱しなければならない。このように準備されたシリンダは炉から取出されて冷却されるとき、ダイブレードの周囲またはそのブレード自体に歪みや亀裂を発生し易い。この歪みは幾つかの理由によって発生すると考えられており、その理由には、比較的質量の小さいブレードと質量の大きいシリンダとの間、およびダイ表面と内部との間の冷却速度の違いによる熱変形および相変態による変形が含まれる。
さらに詳しくは、シリンダが冷却されるとき、その表面は内部よりも急速に冷却される。熱および相変態の両方による不均等な体積変化がダイに亀裂を発生させたり、許容限度を超えて歪みを発生させる。また、所要の硬化を生じさせるために、金属は所望の相変態を生じさせるのに必要な温度レベルまで加熱されなければならない。ブレードにおけるこのような相変態は所望の硬さを与えるために必要であるが、相変態を生じさせるためにオーステナイト化温度約８１５℃（１５００°Ｆ）〜約１０９４℃（２０００°Ｆ）（鋼の種類によって決まる）からの必要な急冷は、相変態の速度がさまざまに異なることから、シリンダのブレードに望ましくない亀裂や歪みを発生させる原因となる。金属におけるこのような相変態は、ブレードおよびシリンダにおけるさまざまに異なる質量形状を通じて熱が分配されるために、さまざまに異なる速度で生じる。これは体積または密度の変化を生じさせ、これが特にブレードに、またシリンダ表面に亀裂や歪みを引き起こすことになる。
このようにダイ製造者が直面する難題は、ダイ寿命のために硬いブレードが必要とされることと、ダイブレードを形成するために柔らかい表面材料が好ましいこととの間の矛盾である。ダイが最初に硬化される場合には、ブレードの形成のために、遅い、高価な、大きな資本を必要とする放電加工機（ＥＤＭ）による加工が必要となる。ブレードが最初に切削され、その後ブレードを硬化させるためにシリンダが加熱および冷却されるならば、歪みおよび亀裂が発生する。
したがって、本発明の１つの目的は、切断ダイを製造する改良された方法を提供することである。
本発明の他の目的は、ブレードが安価に切削形成された後、前記従来法におけるがごとき歪みや亀裂を生じさせることなく、硬化させることのできる切断ダイの製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、迅速、安価、且つまた放電加工機（ＥＤＭ）による方法が必要とするような大きな設備資本を必要とせずに、硬化したブレードを備えた円筒形の切断ダイを提供することである。
これらの目的の下で、本発明の好適形態によれば、本発明はシリンダを切削した後、レーザーのような高エネルギービームでブレードを走査してそれらのブレードを硬化させることにより、ダイシリンダのブレードの予備的な形成を意図する。レーザーは５軸コンピュータ数値制御技術によって制御されて各々のブレードを走査して、ブレード温度をオーステナイト化温度にまで上昇させた後、空気中でブレードを冷却させ、自己焼入れによって硬化処理を完遂させる。レーザービームは強さを高めるために集中させることができるので、ブレードの温度は瞬時に上昇でき、したがってシリンダ内部への熱伝導が最小限に抑えられ、冷却による亀裂および歪みの発生は解消され、または十分に減少される。
このような方法は、４１５０鋼のような低合金鋼に特に有効である。この方法は、所望の表面硬化深さ（case or hardness depth）を得なければならないことから、高炭素の高合金鋼であるＤ−２鋼のような高合金鋼に使用するのは一層困難になる。移動速度が速すぎると、オーステナイト化温度に達するために十分な熱は与えられず、所望の表面硬化深さを得るのに十分な時間が与えられない。移動速度が遅すぎると、ブレードや、その下側のシリンダまたはプレートが高強度ビームによって溶融されかねない。これは、Ｄ−２に関しては鋼処理パラメータが狭い幅しか有していないことを示している。
ダイの形成においては幾つかのパラメータが観察される。第１にブレードは、摩耗、欠け傷などが生じた後、数回は再形成できるように予め定めた十分な高さとされねばならない。この方法は、重大な無視できない歪がなく、必要な硬さの表面硬化深さを十分に得られるように、このような高さの十分高いブレードを所望の表面硬化深さまで硬化させる。
他の考慮において、シリンダ上でブレードの交差が要求されるようなダイパターン形状にブレードを形成することがしばしば望まれる。レーザーが１つのブレードに沿って走査するとき、それと交差するいずれのブレードに対しても少なくとも一部分においてレーザーは影響を与える。交差するブレードが既に硬化されているならば、レーザーは処理中のブレードに近い既に硬化されたブレードの部分を焼鈍し、ブレード交差部の近くで既に処理の済んでいるブレードに柔らかい部分を発生させることになる。
例えば４１５０鋼において熱伝導で生じる温度分配を考慮すれば、移動路における中心部分の温度は、硬化のための最低オーステナイト化温度（例えば４１５０鋼では８１５℃（１５００°Ｆ））以上となる。その直ぐ隣接する部分は、最低オーステナイト化温度よりは低いが、約２８８℃（５５０°Ｆ）の焼鈍温度よりは高い温度範囲となり、この温度は硬化させるには低いが焼鈍させるには十分な温度である。また、その外側の部分はさらに低い温度となり、焼鈍を行うには十分な温度でなくなる。このように、隣接するブレードの交差部は硬化されるが、その交差部の各側では、既に処理されたブレードにおける狭い帯状部分だけが焼鈍されてしまうことになる。
交差部に近いこのような限られた帯状の柔らかい部分が影響してダイの寿命を短縮させるか否かは定かでない。焼鈍された柔らかい帯状部分は切断ストック材料に不同を生じないほど小さく、そのようなストック材料は柔らかい焼鈍部分の各側の適当に硬化されたブレード部分によって支持されている。
それにもかかわらず、また本発明の他の概念において、この柔らかい焼鈍された帯状部分は、幾つかの追加の作業によって最小限に抑えられる。第１に、他の部分へ伝導されることになる交差部に導かれる熱量を変化させるために、レーザーの移動速度および強さが制御される。移動速度および強さを選定することにより、ブレードの焼鈍作用が減少され、柔らかい帯状部分が制限されることになる。
この方法の第２の観点において、レーザーは液体窒素のような低温媒体の噴射装置を装備される。この低温媒体は、焼鈍の温度範囲となる温度幅すなわち温度勾配部分の拡がりを十分に制限するために、レーザーの各側において既に処理の行われたブレード上へノズルを通して選択的に流される。既に焼鈍の行われたブレードにおいて生じる焼鈍領域は十分に制限され、すなわち最小化され、ダイの使用寿命にかかわる因子とならないようにされる。
したがって、従来の低価格の切削技術によって形成できるにもかかわらず、硬化処理が原因する亀裂や許容できないような歪みのない十分に硬化の行われた切断ブレードを備えた切断ダイが提供される。
これらの利点およびその他の利点は、本発明の好適実施例に関する以下の説明および図面から明らかになるだろう。図面において、
図１は本発明による切断ダイの準備を説明する概略図、
図２は、既に硬化されているブレードの部分的に焼鈍された領域の位置を示す図解的な平面図、
図３は図１に似た概略図であるが、交差するダイブレードにおいて焼鈍領域を減少させるために冷却する装置を含む代替実施例を示す概略図、
図４は本発明により形成されて硬化される１つのダイブレードの図解的な横断面図、および
図５は硬化用レーザービームの温度分布を示す図解的な説明図。
図１を参照すれば、本発明の方法を遂行するために図解的に開示された装置が示されていることが認識される。特にこの装置は、工業品質のＣＯ2レーザー発生器１１を含んで成る。このようなＣＯ2レーザーヘッド１０およびレーザー発生器１１は、例えば米国コネチカット州ファーミントンのＴＲＵＭＰＦ  Ｉｎｃ．によって製造された型式番号ＴＬＦ２６００ターボによるレーザーとされることができる。レーザービームの移動路および強さはコンピュータ数値制御装置１２によって制御できる。このようなコンピュータ数値制御装置の１つは、米国マサチューセッツ州ボストンのボストン・デジタル・コーポレーション社により型式番号ＭＤ８５−２として製造されている。ダイは３軸、好ましくは４軸の機械工具１５に取付けられる。このような機械工具の１つは、ボストン・デジタル・コーポレーション社により型式番号ＢＤ８５−２として製造されている。
硬化するブレード１４を有するダイシリンダ１３は、コンピュータ数値制御装置１２と図示したように組合わされた機械工具１５に取付けられる。これに関して、ＣＯ2レーザービーム１０は、熱をブレードに与えてそのブレードを適当な表面硬化深さまで硬化させるたるめに、レーザーが付勢されているときはダイシリンダ上のダイブレード１４の伸長部分に沿う移動路すなわちパターンにおいてブレードを走査するように制御される。
レーザーは付勢され、ブレードの伸長部分に沿って移動され、これにより熱をブレードに与え、温度を上昇させてブレードを硬化させる。そのような硬化が図４に示されている。
図４に、ダイシリンダ１３上のブレード１４が示されている。ブレードに沿うレーザービーム走査により、ブレード材料および隣接するシリンダ材料が加熱される結果、図４に斜線を付した領域で示されるように、予め定めた表面硬化深さにわたってブレード１４およびダイシリンダ１３が硬化される。図５を一時的に参照すれば、同図にはレーザービームによって加熱された平坦面における温度分布が示されていることが明白となろう。レーザーで与えられた熱はビームの横断面にわたって比較的一様であるが、熱伝達作用（対流、輻射および一次伝導）によって図示されるような表面上の温度分布ＴＰとなる。これに関して、温度分布の中央部分ＴＰ−１は比較的高く、例えば４１５０鋼に関しては８１５℃（１５００°Ｆ）より高い温度となることが認識されよう。相変態を生じて鋼を硬化させるために、ブレード温度を最低オーステナイト化温度（４１５０鋼に関しては８１５℃（１５００°Ｆ））より高い温度まで上昇させることが望ましい。
熱伝導により生じる温度分布はビーム中央までの距離によって変化し、正確に加熱された領域の境界に近い温度分布ＴＰ−２は相変態の最低温度Ｔ1よりも多少低く、その隣接領域を焼鈍するのに十分に高い温度（例えば２８８℃（５５０°Ｆ）より高い温度）となる。Ｔ1より低い温度では、温度が高ければ高いほど焼鈍作用は一層強くなり、材料は柔らかくなる。図５において、Ｔ2は、それより低い温度では重大な焼鈍効果が生じないという温度である。したがって温度Ｔ1およびＴ2の間の領域は、焼鈍作用によって材料に重大な軟化が生じる部分である。
図２を参照すれば、本発明に関する図５に示した熱的な特性（signature）の与えられることが一層正確に理解される。特に図２には、ブレードを硬化させるためにレーザービームを使用して既に走査の行われた、既に硬化されたブレード２０が示されている。これと交差するブレード２１は同じ高さのブレードであり、これらのブレードは共通の交差領域２２を有している。ブレード２０が硬化された後、それと交差するブレード２１をさらに走査することはブレード２１に硬化のための熱的特性を与えるが、同時にその交差領域２２において交差ブレード２０に対してもその熱的特性を与えることが認識される。図２の領域２３，２４で示されるような、温度Ｔ1とＴ2の間に含まれる熱的特性によって加熱される金属の前記領域に関しては、該領域は既に硬化済みであるから、焼鈍が行われる。焼鈍領域２３，２４の幅および長さは、ブレード寿命および最終的な切断ストック材料の外観の点で問題を与える。したがって、ブレード２０における焼鈍領域２３，２４の幅を可能なかぎり減少させることが望ましい。
本発明の１つの観点によれば、移動速度、すなわちダイシリンダ１３に対するレーザービームの走査速度ならびにビームの強さが交差ブレードの焼鈍領域２３，２４の幅を最小限に抑えるために制御され、交差領域２２における所望の硬さを得る一方、既に硬化された交差ブレード２０に付与される熱量を減少させて軟化すなわち焼鈍領域２３，２４の全体範囲を減少させるために、レーザーが僅かに速度を速められるか、ビームの強さが僅かに低下される。特定の幅、レーザーの強さ、および移動速度に応じて、焼鈍領域２３，２４は制御されて最小限に抑えられることができる。
本発明の他の観点において、焼鈍領域２３，２４を最小限に抑えるために、冷媒装置が備えられる。したがって、また図３に示されるように、図１の装置と同様の装置を説明する。図３において、ダイシリンダ１３上の交差ブレードが示されている。交差ブレード２０はその伸長部分に沿ったレーザー走査により既に硬化されており、現在はブレード２１がそれに沿うレーザービームの走査によって硬化されている。図２に示された焼鈍領域２３，２４のような軟化領域を減少させるために、ブレード２０において冷媒供給源３０，３１からの冷媒が３２，３３で示されるようなそれぞれのノズルによって付与される。冷媒はこのようにしてレーザーヘッド１０で発生されたレーザービームの範囲と並んでブレード２０に付与される。ブレード２１の両側においてブレード２０にこの冷媒を付与することは、ブレード２１に近いブレード２０の隣接領域すなわち近接領域を焼鈍温度未満の温度に保持するように作用して、いずれのブレード部分の焼鈍範囲を十分に最小限に抑えるようにする。
冷媒はどのようなものであってもよく、液体窒素、圧縮空気または他の非常に低温の冷媒のような流体が好ましい。図３に示されるように、冷媒の付与もまた、硬化されるブレードに近接する交差ブレードの領域に対してのみ必然的に付与されるように、コンピュータ数値制御装置１２によって制御される。交差領域に対する初めてのレーザーの移動においては、冷媒をその交差領域に対して必然的に付与しないことも認識されよう。交差ブレードはそれまで硬化されておらず、どのような焼鈍温度がそのブレードに付与されても、第２のブレードがレーザーで走査されたならば、結果的に硬さに影響を及ぼすことはない。
本発明は熱源としてレーザービームを使用することで特に説明されたことも認識されよう。レーザーと同じ機能を果たすことのできる、すなわち非常に迅速に選択領域の温度を上昇できる他の熱源が本発明のダイ製造方法において使用できる。例えば、電子ビーム、イオンビームまたは誘導電磁界技術が本発明において使用できる。
本発明はシリンダ１３のようなダイ表面から突出したブレードを硬化させるために特に適用できることが認識されよう。ブレードは、シリンダ上にラップされる（巻き掛ける）ことのできるダイプレートから、またはダイシリンダ上に取付けられることのできるセグメントブロックから突出されてもよい。
ダイブレードは説明したような切削により、または他の適当な形成方法によって形成されることができ、また本発明はダイ支持基体すなわち構造体と一体形成されたブレードを硬化させるのに特に適用できることも認識されよう。
このようなダイに対する本発明の適用は、ブレードおよびその直ぐ周囲のダイ表面部分の硬化をもたらすのであり、ダイシリンダ全体を硬化すなわち熱処理する必要のないことが認識されよう。レーザーで硬化されたダイは、他の材料を被覆されることができることも認識される。
レーザーで硬化されたブレードは、残留オーステナイトを排除するために選択的な極低温処理によってさらに硬化できることも認識される。
したがって、望まれるように比較的軟質の材料から切断ダイを製造し、その後で、ダイブレードや、ブレード材料とその下側の一体化されたダイ構造部との結合部の領域に、過大な歪みや亀裂を生じさせないで、切断ダイを硬化させることのできる方法が説明された。したがって、先に硬化させた材料からブレードを形成するために一層多大な資本や高価な放電加工機（ＥＤＭ）による処理を使用する必要がない。このことは切断ダイを製造および硬化する処理を高速化でき、また寿命の長い硬化された切断ダイの製造に必要な設備投資を減少させる。
これらの、および他の変更例および変形例は当業者にとって本発明の範囲から逸脱せずに容易に明白となるから、本出願人は添付の請求の範囲によってのみ本発明が制限されることを意図する。
【図１】
0003934679.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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