(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉粒体と固化剤とを混練し、型枠に充填して固化剤で固化させ、任意の形状に造形したブロックを、切削加工して成形用の型を製造する型製造方法において、前記固化剤に使用する粘結剤が、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とエポキシ化合物との混合物であって、その混合物の配合重量比を、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂が１００に対してエポキシ化合物が（５〜２００）とした上で、前記ブロックの圧縮強度が０．３ＭＰａ以上２ＭＰａ未満で切削加工を行い、切削加工後の前記ブロックの圧縮強度が型使用時には少なくとも２ＭＰａ以上となるよう加熱処理して成形用の型を製造することを特徴とする型製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、粉粒体を固化剤で固化させたブロックを切削加工して、型、例えばプレス用金型を製造する型製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、型、例えばプレス用金型を製造するには、a)鋳造等による鋳型の使用、b)金属ブロック等を直接切削加工する方法がある。
【０００３】
しかし、前者の方法に於いては鋳造品と同形状の、木型、金型あるいは樹脂型等の模型を作成し、この模型の形状を砂型に転写して固化させることで鋳型を作り、これに溶融金属を鋳込んで型を製造していることから、製造工程が複雑になって作業性の悪化を招いている。
【０００４】
そこで、模型を作成しないで、粉粒体を固化した砂ブロックを自動制御加工機械等によって直接切削加工する方法が提案されている(特開昭54-66326、特開平1-233043、特許第3114159)。
【０００５】
しかしながら、この方法においても型を製造するには、前述したように溶融金属を鋳型に流し込む鋳込み工程が必要で、多量のエネルギーを必要とする他、寸法精度が求められる場合、鋳造品をさらに切削加工する必要があり、各種手直しが必要な試作品作成時等の段階に於いては作業効率が悪い。
【０００６】
また、後者の金属ブロック等を直接切削加工する方法は、模型、鋳型が不要で、鋳込みもしないで型が得られる点では優れているものの、金属ブロック等は模型作成に使用される木型等に比べ強度が高く、工具の破損を防ぐために加工速度が遅くなるとともに、工具の摩耗が激しく、作業性の悪化、加工時間、コストの増大の欠点があり、前記の方法と同様に迅速な手直しが必要な試作品作成時などに於いては有用ではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、型、例えばプレス金型の製造時に、工程が簡単で、寸法精度も良く、さらに加工速度を速くできるとともに、工具の摩耗も抑制でき、かつ使用時には金属金型に準じた強度が得られ、試作品用型製造に特に有用な型製造方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、粉粒体と固化剤とを混練し、型枠に充填して固化剤で固化させ、任意の形状に造形したブロックを、切削加工して成形用の型を製造する型製造方法において、前記固化剤に使用する粘結剤が、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とエポキシ化合物との混合物であって、その混合物の配合重量比を、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂が１００に対してエポキシ化合物が（５〜２００）とした上で、前記ブロックの圧縮強度が０．３ＭＰａ以上２ＭＰａ未満で切削加工を行い、切削加工後の前記ブロックの圧縮強度が型使用時には少なくとも２ＭＰａ以上となるよう加熱処理するものである。
【００１２】
なお、前述したように鋳型製造時に粉粒体を固化した砂ブロックを自動制御加工機械等によって直接切削加工し鋳型を製造する方法が知られているが、このブロックに必要な強度、すなわち鋳型として必要な強度は２ＭＰａ〜８ＭＰａ程度で切削加工可能な強度であり、通常この強度範囲で切削後、そのまま鋳型として使用されている。
【００１３】
一方、本発明の対象とする型では、使用時には切削困難なほどの金属に準じた高強度が必要とされることから、切削時と使用時に強度の異なる砂ブロックが必要となり、この型特有の課題を解決したのが本件発明である。従って、鋳型と型の製造は異なる技術課題を有する異なった分野の技術である。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、粉粒体を固化させる固化剤を、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とエポキシ化合物との混合物とし、かつその混合物の配合重量比を、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂が１００に対してエポキシ化合物が（５〜２００）としたので、型製造時に、切削に適した圧縮強度が低い状態で切削加工が行え、加工速度を速くできるとともに、工具の摩耗も抑制でき、作業性の向上を図ることができる。
また、加熱処理により、型使用時には、充分な圧縮強度が得られるため、型の破損を防止することができる。
さらに、ブロックは、切削加工する際に最適な形状に造形できるので、切削加工後の型に近い形状に造形することで、材料の歩留まりを向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１９】
図１は、この発明の実施形態を示す型製造方法の製造工程図である。粉粒体と粘結剤とを混練して型枠などに充填して固化させた直方体状のブロック１あるいは、型の形状に近い状態のブロック３を、あらかじめ入力されたプログラムに従って工具５を操作する自動制御加工機械７によって直接切削加工し、これにより型９の製造を行う。製造された型９を型として使用する。
【００２０】
ブロック１に用いる粉粒体としては、1μｍ〜１０ｍｍの粒度範囲の無機粉が使用可能であり、用途に応じて各種材料が使用できるが、好ましくは金属粉や鋳物砂が用いられる。具体的には、鉄粉、アルミニウム粉、亜鉛末、銅粉、スズ粉、ニッケル粉、チタン粉、ショット、石英質を主成分とする珪砂、クロマイト砂、ジルコン砂、オリビン砂、アルミナ砂、合成ムライト砂が挙げられる。これらの粉粒体は、それ単独で用いても、２種類以上を混合して使用しても良い。また、一旦使用済みの粉粒体を繰り返し使用しても差し支えない。
【００２１】
粉粒体を固化させる固化剤としては、固化したブロック１、３を切削加工する際に、０．３ＭＰａ以上２ＭＰａ未満の圧縮強度となり、かつ型として使用する際に２ＭＰａ以上、好ましくは８ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧縮強度が得られるものであれば、どのようなものでもよい。固化剤は粘結剤と硬化剤を一般に含んでいる。使用できる粘結剤としてはメラミン樹脂、エポキシ樹脂、グリオキザール樹脂、尿素樹脂、酸硬化型有機自硬性樹脂（フラン樹脂や酸硬化型フェノール樹脂）、フェノールウレタン樹脂、熱硬化フェノール樹脂、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂、水ガラスなどが挙げられるが、好ましくは、酸硬化型有機自硬性樹脂、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂、特には炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂が好ましい。また、型使用時での強度を向上させる目的で、粘結剤を複数組み合わせたり、切削加工後に加熱等の処理を施してもよい。硬化剤としては、樹脂の構造に応じ、硫酸、りん酸、有機スルホン酸等の酸性物質、トリアセチン等の有機エステル、加熱処理、炭酸ガス処理等が適宜使用される。
【００２２】
特に好ましい粘結剤として炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とエポキシ化合物の混合物が挙げられる。粉粒体と該粘結剤の混合物を固化させる際には、硬化剤としての炭酸ガスを通気させることで瞬時に、切削に適した０．３ＭＰａ以上２ＭＰａ未満の圧縮強度のブロックが得られ、かつ、その後の時間経過による圧縮強度の変化が少ないので、効率よくブロックを製作することができる。さらに、本ブロックは加熱処理する事により圧縮強度を大幅に向上させることができるので、切削加工後のブロックを型として使用する際に、適切な加熱処理により、必要な圧縮強度に容易に調整することが出来る。熱処理条件としては１００〜２５０℃での温度で０．５〜３０時間の処理が好ましい。
【００２３】
本発明に用いられる炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とは、フェノール、クレゾール、レゾルシノール、３，５ーキシレノール、ビスフェノールＡ、その他の置換フェノールをふくめたフェノール類及びこれらの混合物と、例えばホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、フルフラールアルデヒド及びこれらの混合物のようなアルデヒドとの反応によって得られるフェノール樹脂が挙げられる。これらのフェノール樹脂の縮合に用いられる適当なアルカリ性物質は水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム及びこれらの混合物であるが、これらの中でも水酸化カリウムが好ましい。本樹脂には、硬化促進剤として硼砂、アルミン酸ソーダ、錫酸ソーダ等のオキシアニオン化合物から得られる１種以上を上記フェノール樹脂１００重量部に対して１〜１０重量部を添加して用いてもよい。さらに、強度を向上させるためにグリコールエーテルを上記フェノール樹脂に添加してもよい。グリコールエーテルの添加量は、オキシアニオン化合物を添加した上記フェノール樹脂１００重量部に対し１〜２０重量部添加配合する。グリコールエーテルとしては、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル等が挙げられる。また、さらに型強度を向上させる目的でシランカップリング剤等の化合物を添加してもよい。シランカップリング剤の添加量は、炭酸ガス硬化用フェノール樹脂１００重量部に対して、好ましくは０．０１〜３重量部であり、さらに好ましくは０．１〜１重量部である。
【００２４】
本発明に用いるエポキシ化合物としては、Ｃ１〜Ｃ１８の脂肪族、芳香族系のモノ、ジ、トリアルコール、及びこれらのＥＯ付加体のグリシジルエーテルが好ましく、特にはＣ２〜Ｃ５の脂肪族の多価アルコール及びこれらのＥＯ付加物、特にさらには、グリセリンのクリシジルエーテルが好ましい。
【００２５】
なお、切削加工時の圧縮強度として、０．３ＭＰａを下回ると加工精度が悪化し、２ＭＰａ以上になると、加工速度を１０ｍ／分〜２０ｍ／分と高めた場合に工具５の破損を招くので好ましくない。また、通常の型と使用するには、圧縮強度が２ＭＰａ以上であれば良く、８ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下が特に好ましい。
【００２６】
上記した各種の粘結剤を粉粒体に混合させ、ブロック１，３が固化する際の時間と、ブロック１，３の圧縮強度との関係を図２あるいは図３のように調整する。ブロックが固化する際の時間と圧縮強度の関係の調整は、粉粒体の種類、平均粒径、粒径分布、固化剤の種類、添加量、保存温度、加熱処理条件等を選択して調整することができる。
【００２７】
図２において、時間Ｔ1からＴ2までの間の圧縮強度が、Ｐ1（０．３ＭＰａ）以上Ｐ2（２ＭＰａ）未満であり、この圧縮強度に保持されている間に、前記図１における自動制御加工機械７によりブロック１，３を切削加工する。圧縮強度が０．３ＭＰａ以上２ＭＰａ未満であれば、加工速度を、１０ｍ／分〜２０ｍ／分程度に高めても、工具７の破損を回避でき、工具７の摩耗も抑制することができ、加工時間が短縮されて作業性が向上する。また、ブロック３のように、型９の最終形状に近い状態に固化させた場合には、ブロック1を加工する場合に比べ加工時間を短縮することができる。さらに、圧縮強度が２ＭＰａ以上、好ましくは８ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であれば、通常の型としての使用において破損することなく使用可能である。
【００２８】
本発明の型製造方法で製造された型は、金型の代替え、検査用模型、試作部品製作用模型、意匠検討用模型等の用途に好適に使用することができる。
【００２９】
次に、ブロック１，３を構成する粉粒体と粘結剤の混合比による圧縮強度の経時変化の具体例を説明する。
【００３０】
［具体例１］
輸入珪砂２ｋｇに、炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂（商品名カオーステップＣ−８００：花王クエーカー株式会社製）２４ｇと、エポキシ化合物（グリセロールポリグリシジルエーテル）４．８ｇとを添加し、キッチンミキサーで撹拌して砂混合物を得た。その砂混合物を、直径５０ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形テストピース８個取りの成形用木枠に充填し、炭酸ガス通気量２０リットル／分の条件で炭酸ガスを３０ｇ通気してテストピースを作成した。得られたテストピースの一部を２４時間後に１５０℃で１時間加熱処理した。
【００３１】
［具体例２］
珪砂に代えて合成ムライト砂を使用する他は、具体例１と同様である。
【００３２】
［具体例３］
珪砂に代えてジルコン砂を使用する他は、具体例１と同様である。
【００３３】
表１は、上記した具体例１〜３におけるテストピースの通気１分後、５分後、１時間後、２４時間後、４８時間後および加熱処理後の各圧縮強度の測定値を示している。
【００３４】
【表１】
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これによれば、４８時間経過後でも、具体例１〜３のいずれにおいても、圧縮強度が１，２２ＭＰａ、１．５８ＭＰａ、１．１８ＭＰａと、２ＭＰａ以下の高速切削に適した強度が維持されているので、その間に型９の切削加工は十分行える。また、加熱処理後の圧縮強度が４．２５ＭＰａ、５．２４ＭＰａ、９．５５ＭＰａと２ＭＰａ以上の型として必要な強度に達している。
【００３５】
なお、上記した粉粒体と炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂との配合重量比は、１００：（０．５〜１００）が好ましく、かつ炭酸ガス硬化用アルカリフェノール樹脂とエポキシ化合物との配合重量比は、１００：（５〜２００）の範囲がより好ましい。
【００３６】
粉粒体に添加する固化剤の重量比が、上記した下限値以上でブロック１，３に必要な強度が得られやすい。逆に、固化剤の重量比が上記した上限値以下で粉粒体の密度が均一で各部の強度が一定のブロック１，３が得られやすい。
【００３７】
［具体例４〜７］
各種粉粒体２ｋｇに、エステル硬化用アルカリフェノール樹脂（商品名カオーステップＳ−６６０：花王クエーカー株式会社製）３０ｇと、アルカリフェノール樹脂用硬化剤(商品名かオーステップＱＸ−１３０またはＱＸ−１４０：花王クエーカー株式会社製)６ｇとを添加し、キッチンミキサーで撹拌して砂混合物を得た。その砂混合物を木枠に充填し、直径５０ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形テストピースを作成した。充填後、０．５時間、１時間、２時間、３時間、２４時間でテストピースの圧縮強度を測定した。この測定結果を、表２および図４，図５に示す.
具体例４は、粉粒体が輸入珪砂６号、硬化剤がカオーステップＱＸ−１３０である。
【００３８】
具体例５は、粉粒体が輸入珪砂６号、硬化剤がカオーステップＱＸ−１４０である。
【００３９】
具体例６は、粉粒体が合成ムライト砂、硬化剤がカオーステップＱＸ−１３０である。
【００４０】
具体例７は、粉粒体が合成ムライト砂、硬化剤がカオーステップＱＸ−１４０である。
【００４１】
【表２】
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これによれば、具体例４〜７のいずれにおいても、３時間経過後でも、１．８８ＭＰａ、１．５３ＭＰａ、１．９３ＭＰａ、１．６５ＭＰａと、圧縮強度が２ＭＰａ以下であるので、型９の切削加工は充分行え、また２４時間経過後では圧縮強度が型として必要な強度２ＭＰａを上回る状態となっている。
【００４２】
なお、上記した粉粒体（珪砂、合成ムライト砂）とエステル硬化用アルカリフェノール樹脂との配合重量比は、１００：（０．５〜１００）が好ましく、かつエステル硬化用アルカリフェノール樹脂とアルカリフェノール樹脂用硬化剤との配合重量比は、１００：（５〜１００）がより好ましい。
【００４３】
粉粒体に添加する固化剤の重量比が、上記した下限値以上で、ブロック１，３に必要な強度が得られ易く、固化剤の重量比が上記した上限値以下でブロック１，３において粉粒体の間に充填される固化剤が多すぎることによるブロック１，３の強度にばらつきが抑制できる。
【００４４】
［具体例８］
国産５号珪砂２ｋｇに、フラン樹脂(商品名カオーライトナー３４０Ｂ：花王クエーカー株式会社製)２０ｇと、フラン樹脂用硬化剤(商品名カオーライトナーＴＫ−３:花王クエーカー株式会社製)１０ｇとを添加し、キッチンミキサーで撹拌して砂混合物を得た。その砂混合物を木枠に充填し、直径５０ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形テストピースを作成した。充填後、０．５時間、１時間、２時間、３時間、２４時間でテストピースの圧縮強度を測定した。この測定結果を、表３に示す。
【００４５】
【表３】
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この例においては、２時間経過後では、圧縮強度は２ＭＰａを下回っており、型９の切削加工時間は、前記した具体例１〜７に比べて短くなるが、実験によれば、１０ｍ／分の加工速度で、２０００ｍｍ×７５０ｍｍの面積を切削する時間が約３０分程度なので、型９の切削加工による製造は充分可能である。また、３時間経過後では圧縮強度が２ＭＰａを上回る状態となっているので、型として問題なく使用できる。
【００４６】
なお、上記した粉粒体（珪砂）とフラン樹脂との配合重量比は、１００：（０．３〜１００）が好ましく、かつフラン樹脂とフラン樹脂用硬化剤との配合重量比は、１００：（５〜１００）がより好ましい。この場合、フラン樹脂に代えて酸硬化型フェノール樹脂とし、フラン樹脂用硬化剤に代えて酸硬化型フェノール樹脂用硬化剤としてもよい。
【００４７】
粉粒体に添加する固化剤の重量比が、上記した下限値以上で、ブロック１，３に必要な強度が得られ易く、固化剤の重量比が上記した上限値以下で、固化したブロック１，３において粉粒体の間に充填される固化剤が多すぎることによるブロック１，３の強度のばらつきが抑制される。
【００４８】
［参考例］
国産６号珪砂２ｋｇに、フラン樹脂３０ｇとフラン樹脂用硬化剤８ｇとを添加し、上記した具体例４〜８と同様にして作成したテストピースの圧縮強度を測定し、この測定結果を表４に示す。
【００４９】
【表４】
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これによれば、２時間経過後には、すでに圧縮強度が２ＭＰａに達しており、したがってこのテストピースについては、型９を切削加工する時間が上記した各具体例に比べて短く、好適な例とは言い難い。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す型製造方法の製造工程図である。
【図２】図１の型製造方法におけるブロックが固化する際の時間と、ブロックの圧縮強度との相関図である。
【図３】図１の型製造方法におけるブロックが固化する際の時間と、ブロックの圧縮強度との相関図である。
【図４】輸入６号珪砂に各種粘結剤を添加して得たテストピースの経過時間に対する圧縮強度の相関図である。
【図５】合成ムライト砂に各種粘結剤を添加して得たテストピースの経過時間に対する圧縮強度の相関図である。
【符号の説明】
１，３ ブロック
５  工具
７  自動制御加工機械
９  型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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