(57)【要約】【課題】筒状体であってその径に対して１０倍以上の長さを有するシームレスな筒状体を簡易且つ簡便に製造する技術製造装置及び製造方法を提供すること。【解決手段】  本発明の製造方法は、空隙１７を有するダイ１０と、パンチ２０と、ダイ１０の上方に設置されるブランクホルダー４０とを具備する製造装置を用いて行うことができ、素板をダイとブランチホルダーとの間に配置し、上記パンチで深絞り加工をして凹状体を成形する工程Ａ、凹状体内部で外部パンチを上方に持ち上げて、凹状体との間にギャップを形成する工程Ｂ、凹状体とダイとの間に内圧を負荷して上記ギャップを除去して凹状体の形状をパンチの形状に沿ったものとする工程Ｃ、パンチを下方に同時に降下させる工程Ｄを行い、さらに工程Ｂと工程Ｃとを所定回数繰り返すことにより実施することができる。【選択図】図２
2016078101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイとパンチとブランホルダーとを具備する深絞り成形装置を用いて所定形状の成形体を製造する方法において、
上記ダイは、空隙を有し、該空隙は、柱状で、径の大きい大径部と該大径部に連設された径の小さい小径部とを有し、
上記パンチは、柱状の内部パンチと該内部パンチの周囲を覆って配置された筒状の外部パンチとからなり、該外部パンチは大径部の径よりは小さく且つ小径部の径よりも大きい外径を有し、
素板をダイとブランチホルダーとの間に配置し、上記パンチで深絞り加工をし凹状体を成形する工程Ａ、
凹状体内部で外部パンチを上方に持ち上げて、該凹状体と上記パンチとの間にギャップを形成する工程Ｂ、
凹状体とダイとの間に内圧を負荷して上記ギャップを消失させ、凹状体の形状をパンチの形状に沿ったものとする工程Ｃ、
外部パンチと内部パンチとを下方に同時に降下させる工程Ｄを行い、さらに
工程Ｂと工程Ｃとを所定回数繰り返す
ことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
空隙を有するダイと、パンチと、該ダイの上方に設置されるブランクホルダーとを具備し、
請求項１記載の製造方法を行うための製造装置であって、
上記ダイにおける上記空隙は、柱状で、径の大きい大径部と該大径部に連設された径の小さい小径部とを有し、
上記パンチは、柱状の内部パンチと該内部パンチの周囲を覆って配置された筒状の外部パンチとからなり、該外部パンチは大径部の径よりは小さく且つ小径部の径よりも大きい外径を有し、上記パンチと上記ダイとの間には隙間が設けられている
製造装置。
【請求項３】
上記ダイは、上記大径部と上記小径部とを形成する段差部を有し、
上記段差部は、面取りされた肩部と平坦部と隅肉部とからなる
ことを特徴とする請求項２記載の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒状成形体などの成形体を製造する製造方法及び製造装置に関し、さらに詳細にはマイクロスケールの筒状成形体をシームレスな成形体として製造できる製造方法及び製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロデバイスの発達や注射針等において、マイクロスケールの筒状成形体の需要は増加している。
マイクロスケールの微細な筒状部品を製造する方法としては、管の引抜きによる方法や板状の素材から深絞りを行う方法が用いられているが、いずれの方法でもマイクロスケールの部品を製造するのは困難であった。
管の引抜きによる方法では、金型製作やそのハンドリング・取扱いが難しく、製造が困難であった。そのため金型を使わないダイレス加工も検討されているが、加熱による材料劣化や表面あれによる破壊が生じやすくマイクロ化が難しいという問題があった。また、金属箔を用いた深絞りでは、潤滑の問題や微細工具の荷重負担能力の限界によりたとえ多工程にしても深い絞りは困難であったため、マイクロニードルの製造はできなかった。
一般に深絞り限界を著しく向上させる超深絞り加工技術も種々提案されているが、従来提案されている技術では、上述の深絞りの問題が解消されておらず、マイクロスケールでの微細な深絞りを行うことは困難であり、特に円筒の直径（筒状体が円筒形状の場合）に対して深さが3倍、4倍、5倍以上になる超深絞りは不可能となっていた。
このためマイクロスケールの筒状体の製造方法が種々提案されており、板を丸めて筒状にする技術（特許文献１〜６等）等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2003-136142
【特許文献２】特開2003-190282
【特許文献３】特開2003-200218
【特許文献４】特開2003-320430
【特許文献５】特開2004-136343
【特許文献６】特開2007-038021
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１〜６の技術では板を丸めて筒状とするため筒の長さ方向に対してつなぎ目が形成されてしまうため、マイクロデバイスの部品としては適さないという問題がある。  要するに、筒状体であってその径に対して１０倍以上の長さを有するシームレスな筒状体を製造する技術はいまだ提案されておらず、そのような技術の開発要望されている。
したがって、本発明の目的は、筒状体であってその径に対して１０倍以上の長さを有するシームレスな筒状体を簡易且つ簡便に製造する技術製造装置及び製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、素板を流動させてパンチに馴染ませながら成形することが重要であることを知見し、かかる知見に基づき本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の各発明を提供するものである。
１．ダイとパンチとブランホルダーとを具備する深絞り成形装置を用いて所定形状の成形体を製造する方法において、
上記ダイは、空隙を有し、該空隙は、柱状で、径の大きい大径部と該大径部に連設された径の小さい小径部とを有し、
上記パンチは、柱状の内部パンチと該内部パンチの周囲を覆って配置された筒状の外部パンチとからなり、該外部パンチは大径部の径よりは小さく且つ小径部の径よりも大きい外径を有し、
素板をダイとブランチホルダーとの間に配置し、上記パンチで深絞り加工をし凹状体を成形する工程Ａ、
凹状体内部で外部パンチを上方に持ち上げて、該凹状体と上記パンチとの間にギャップを形成する工程Ｂ、
凹状体とダイとの間に内圧を負荷して上記ギャップを消失させ、凹状体の形状をパンチの形状に沿ったものとする工程Ｃ、
外部パンチと内部パンチとを下方に同時に降下させる工程Ｄを行い、さらに
工程Ｂと工程Ｃとを所定回数繰り返す
ことを特徴とする製造方法。
２．空隙を有するダイと、パンチと、該ダイの上方に設置されるブランクホルダーとを具備し、１記載の製造方法を行うための製造装置であって、
上記ダイにおける上記空隙は、柱状で、径の大きい大径部と該大径部に連設された径の小さい小径部とを有し、
上記パンチは、柱状の内部パンチと該内部パンチの周囲を覆って配置された筒状の外部パンチとからなり、該外部パンチは大径部の径よりは小さく且つ小径部の径よりも大きい外径を有し、上記パンチと上記ダイとの間には隙間が設けられている
製造装置。
３．上記ダイは、上記大径部と上記小径部とを形成する段差部を有し、
上記段差部は、面取りされた肩部と平坦部と隅肉部とからなる
ことを特徴とする２記載の製造装置。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の成形体の製造方法は、上記のシームレスな筒状体を簡易且つ簡便に製造することができるものである。
本発明の成形体の製造装置は、筒状体であってその径に対して１０倍以上の長さを有するシームレスな筒状体を製造することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は本発明の製造装置の要部の断面構造（中心軸にそって断面を表したもの）を示す断面図である。
【図２】図２は図１に示す装置を稼働させる直前の状態を示す模式図である。
【図３】図３は図１に示す装置の動作を説明するための模式図であり、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ時系列の順に動作を示す模式図である。
【図４】図４は図３（ｄ）に示す状態からさらに工程Ｂ〜Ｄを繰り返し行った状態を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の製造装置及び製造方法を使用して作成した中空の棒状成形体の縦方向断面を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明について図面を参照して具体的に説明するが本発明はこれらに何ら制限されるものではない。
【０００９】
＜全体構成＞
まず、本発明の製造装置に用いられる製造装置について説明する。
本実施形態の装置１は、図１に示すように、空隙１７を有するダイ１０と、パンチ２０と、ダイ１０の上方に設置されるブランクホルダー４０とを具備する。
以下、詳述する。
【００１０】
＜ダイ＞
空隙１７は、図１及び２に示すように、柱状で、径の大きい大径部１６と大径部１６に連設された径の小さい小径部１８とを有する。ダイ１０は、円筒形状であり、上方に設けられ、大径部１６を形成する上方円筒部１２と、下方に設けられ、小径部１８を形成する下方円筒部１４と、上方円筒部１２と下方円筒部１４との間に設けられたドーナツ状の段差部１５とからなる。本実施形態において、ダイ１０は一体型であるが、上方円筒部と下方円筒部とを別部材で形成し、両者を連結して形成されたものでもよい。
また、段差部１５は、図２に示すように、肩部１５ａと平坦部１５ｂと隅肉部１５ｃとからなり、肩部１５ａと隅肉部１５ｃとは所定の曲率半径を有する曲面である。これにより、パンチ２０を降下させ凹状体が段差部１５に接触した際に、凹状体が内部パンチ２２に向かい流動させやすくする構造となっている。このような作用を奏する構造は上記の形状に限定されるものではなく、例えば平坦部をダイの軸方向に対して所定の角度をもって設けたテーパー部とするなど、素板の流動を促進する形状であれば特に制限なく採用することが可能である。なお、本明細書において「上方」とは素板の供給側を意味し、「下方」とは成形加工後の成形体の排出方向を意味する。
また、ダイ１０の上方には、円筒形のブランクホルダー４０が設けられており、ブランクホルダー４０とダイ１０との間には、後述する内部圧力を加圧するための圧力媒体を流入させる流路５０が形成されている。流路５０は、本実施形態においてはドーナツ状であり、ブランクホルダー４０とダイ１０の外側全周囲から圧力媒体を流入させることができるようになされている。
また、ダイ１０の上方円筒部１２及び下方円筒部１４の内方端縁部分及びパンチ２０の内部パンチ２２及び外部パンチ２４の外周縁部分はそれぞれ面取りされている。
また、ダイ１０の大きさは任意であるが、本実施形態においては以下のとおりである。大径部１６の直径ｄ１は１．７０６ｍｍ、小径部１８の直径ｄ２は、０．５５６ｍｍ、段差部１５の肩部１５の径ｄ３は、０．５７５ｍｍ、上方円筒部１２の高さｈ１は、２２３０ｍｍ。
ダイ及びブランクホルダーは、金属等を用いて形成することができる。
【００１１】
＜パンチ＞
パンチ２０は、図１及び２に示すように、柱状の内部パンチ２２と内部パンチ２２の周囲を覆って同一軸に配置された筒状の外部２４パンチとからなり、外部パンチ２４は大径部１６の径よりは小さく且つ小径部１８の径よりも大きい外径を有し、パンチ２０とダイ１０との間にはクリアランス３０が設けられている。小径部１８は圧力媒体を流入させる流路にもなっている。
内部パンチ２２と外部パンチ２４は、この種のパンチを有する装置と同様の機構によりそれぞれ別個の駆動装置に連結されて独立に上下動が可能であり、内部パンチ２２が固定され外部パンチ２４のみが上下方向に駆動することや、内部パンチ２２と外部パンチ２４が同時に上下方向に駆動することが可能となされている。
パンチの長さは所望の成形体の長さに応じて任意であり特に制限されないが、本実施形態においては以下の通りである。パンチの直径ｄ４は１．６５ｍｍ、内部パンチの直径ｄ５は０．５ｍｍである。
パンチは、内部パンチ及び外部パンチ共に金属の他、剛性のある繊維、プラスチック、あるいは繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などを用いて形成することができる。
【００１２】
＜他の部材＞
本発明の製造装置においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で通常この種の装置に採用されている部材を適宜設けることができる。例えば、公知の多軸プレス機の内部に上述の本発明の製造装置を設置し、外部パンチ、内部パンチ及びブランクホルダーをそれぞれ個別に制御する。これにより、内圧をかけて深絞りを行うことができる。
【００１３】
＜製造＞
次に本発明の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は、上述の製造装置を用いて行うことができ、
素板をダイとブランチホルダーとの間に配置し、上記パンチで深絞り加工をして凹状体を成形する工程Ａ、
凹状体内部で外部パンチを上方に持ち上げて、凹状体との間にギャップを形成する工程Ｂ、
凹状体とダイとの間に内圧を負荷して上記ギャップを除去して凹状体の形状をパンチの形状に沿ったものとする工程Ｃ、
パンチを下方に同時に降下させる工程Ｄを行い、さらに
工程Ｂと工程Ｃとを所定回数繰り返すことにより実施することができる。
以下、各工程について図２〜４を参照して説明する。
【００１４】
＜材料及び目的物＞
上記製造方法において所望の成形体の原材料として用いる素板としては、各種金属原材料からなる円盤状の板などを用いることができる。この際、用いる金属原材料としては、特に制限されないが、鉄、銅、ステンレス、チタン、アルミニウム等を挙げることができる。また、ポリカーボネイト、ポリプロピレン、ポリエステル等のプラスチック材料を用いることもできる。
そして、本発明の製造方法により得られる成形体は、図５に示すような形態の中空の成形体である。図５に示すように、この成形体自体は有底であるが所望の位置で切断することで、非常に肉薄で直径の１０倍以上の長さを有する筒状体を得ることが可能となる。１例として寸法を図５に示す。ここでＤは直径であり、ｈは高さである。
【００１５】
＜Ａ工程＞
本工程は、図２に示す状態から図３（ａ）に示すようにパンチ２０を全体的に下方に押し込むことにより、素板Ａをダイ１０とパンチ２０とで深絞り成形して凹状体を成形する工程である。
【００１６】
＜Ｂ工程＞
次いで、図３（ｂ）に示すように、本工程で外部パンチ２４のみを上方に持ち上げて、パンチ２０と凹状体Ａ’との間にギャップ１００を形成する。この際外部パンチ２４を持ち上げる高さｈ２は、素板の厚さ、内径パンチ２２と外径パンチ２４の半径の差に応じて任意であるが、特にギャップの高さが小さければ、素板の形成材料の極限変形まで局所的に変形させることができ、逆にギャップの高さが大きければ大きな材料流動が得られる等、成形体に求められる厚みや性能に照らしてギャップの高さを設定することが重要である。本発明においてはこれらの観点から段差部１５の径ｄ３（図１参照）を１００とした場合に２〜３０とするのが好ましく、２〜１０とするのがさらに好ましい。
【００１７】
＜Ｃ工程＞
そして、外部パンチ２４が上方にある状態で凹状体Ａ’とダイ１０との間に内圧を負荷する。これによりギャップ１００を消失させ、外径パンチ２４の直下にあった凹状体Ａ’の部位を内部パンチ２２に向かい流動させ、パンチ形状に沿わせる。
この際の内圧は、素板の厚みや材料の種類、成形体に要求される厚さなどにより種々調整可能であるが、１００〜１０００ＭＰａとすることができ、１００〜４００ＭＰａとするのが好ましい。
また、内圧の負荷は流路５０から圧力媒体をクリアランス３０、大径部１６及び小径部１８に流入させることにより行うことができる。また、圧力媒体は小径部１８からも流入させる。この際用いることができる圧力媒体としては、水や各種油等を挙げることができる。なお、液体ではなく空気等の気体を用いて負荷することも可能である。このように超高圧を負荷するため各部材は耐圧仕様とするのが好ましい。超高圧の負荷方法も静的負荷に限定されず、衝撃的な加圧、パルス状の繰り返し加圧をすることで素板の流動性やパンチへのなじみ性が向上するため好ましい場合もある。この衝撃的、パルス状の圧力の創成は、超高圧発生装置におけるピストンや、装置１内部においてパンチの急速な上下動およびその繰り返しにより創成できる。
【００１８】
＜Ｄ工程＞
次いで、図３（ｄ）に示すように、パンチ２０を全体的に下方に降下させる。外部パンチ２４が図３（ａ）に示す状態と同様に肩部１５に当接する程度まで下降することになる。これにより、パンチに馴染んでいない凹状体A’がダイ内部の段差部１５に当接する程度まで下降することになる。これにより、外部パンチ２４により凹状体A’をダイ１０の段差部１５に押付けることで、凹状体A’の板厚の調節および材料をさらに流動させることも可能である。
＜繰り返し工程＞
そして工程Ｂと工程Ｃとを、本実施形態においては工程Ｂ〜Ｄを所定回数、すなわち成形体が所望の長さになるまで繰り返す。
このように各工程を繰り返すことにより、外部パンチを引き上げること（工程Ｂ）により生じたギャップを内圧により消失させ（工程Ｃ）、パンチ全体を下降させた（工程Ｄ）後、さらに外部パンチを引き上げてギャップを形成するので、徐々に図４に示すように内部パンチ２２が下方に突出され、内部パンチの外周面に成形体２００が形成された状態となり、ほぼ内部パンチ２２の外径が内径となった成形体２００を得ることができる。
【００１９】
＜全工程共通の条件＞
本発明の製造方法は、常温で行うことも可能であるが、製造装置内部の温度を素板の形成材料の再結晶温度まで上げると加工しやすくなるので、ある程度加温した条件下で行うことが好ましい。これにより硬度が高い材料でも成形性よく製造することが可能となる。温度は用いる圧力媒体により限界があるが、液体を用いる場合には２５０℃程度が上限であり、気体を用いるとさらに高温の条件で製造を行うことが可能となる。
＜その他の工程＞
上記工程Ｃにおいて、内圧負荷した際に座屈によるしわが発生するときは、工程Ｄにおいて、そのしわ形状の状態で外部パンチと内部パンチとを同時に押込み、しわを押しつぶしながら凹状体をパンチに流動させてなじませるようにして、絞り深さを増加させることが好ましい。この一連の工程を行うことでマイクロスケールにおける低い絞り性を極限まで高め深い絞り加工を提供できる。
【００２０】
また、図２に示す段階において、素板Ａの板厚が所望の板厚になるまでブランクホルダー４０とダイ１０とで素板Ａを押込む工程を逐次繰り返す負荷工程を行うこともできる。これにより、素板を積極的にダイの大径部１６に流動させると共に、板を適宜所望な厚さに調節することができる。
また、繰り返し工程において焼きなましの熱処理を導入することもできる。これにより、常に処女材の延性（極限変形能）を保持した材料の加工が可能になり、また鉄鋼材料であれば焼入れなどの熱処理（変態）による強化をプロセス中に同時に実施することが可能になる。
【００２１】
＜効果＞
本発明の製造方法によれば、これまで達成できなかった極めて細長い超深絞り形状の成形体を創成することができ、特に従来の深絞り成形体に比して飛躍的に細長比が大きな成形体とすることができる。
特に無痛注射針において、生産性や品質も向上でき、コストダウンが大いに期待できる方法である。
なお、本発明の製造方法は、マイクロスケールの成形体のみならず、各種の寸法の成形体に適用可能である。
【００２２】
なお、本発明は上述の実施形態に何ら制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
たとえば上述の製造方法においては加圧する例を示して説明したが、これに制限されず、本発明の製造装置は加圧を行わずに成形する方法にも対応可能である。すなわち、パンチを肩部に押し付けるだけで凹状体をパンチになじませて、成形体を加工することも可能である。
また、上述の例においては大径部と小径部との２段構造のものを示して説明したが、これに制限されず、３段以上の構造としてもよい。
【符号の説明】
【００２３】
１製造装置、１０ダイ、１２上方円筒部、１４下方円筒部、１５肩部、１６大径部、１７空隙、１８小径部、２０パンチ、２２内部パンチ、２４外部パンチ、３０クリアランス、４０ブランクホルダー、５０流路
【図１】
2016078101.tif 000003
【図２】
2016078101.tif 000004
【図３】
2016078101.tif 000005
【図４】
2016078101.tif 000006
【図５】
2016078101.tif 000007