(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
穿孔チューブと素材との間のギャップを横切って印加された電圧により前記ギャップ内に存在する電解液を通って電流を流し、前記穿孔チューブが選択された送り速度で前進せしめられるにつれて前記素材から材料を取り除くようにされた、ハネカム押出しダイスのための素材に取入れ口フィードホールを形成する方法において、
前記穿孔チューブが前進せしめられるにつれて、前記印加電圧、電流および送り速度のうち少なくとも２つが周期的かつ規則的に変化せしめられ、
前記周期的変化が繰り返されることにより、前記フィードホールの内径に循環的変化を生じさせ、
前記内径の循環的変化が、０．５〜５mmの範囲の頻度と１〜１０ミクロンの振幅とを有する、
ことを特徴とする、ハネカム状押出しダイスのための素材に取入れ口フィードホールを形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼鉄素材を加工して鋼鉄製押出しダイスを作成する方法に関し、特に、可塑化された無機粉末バッチ材料を押し出すための押出しダイスの性能を改善する部分修正された化学的穿孔工程に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
適当なバインダ中に分散された無機粉末バッチから無機ハネカム構造を製造することは周知である。米国特許第３７９０６５４号、第３８８５９７７号および第３９０５７４３号には、かかる製造のためのダイス、工程および組成が記載され、米国特許第４９９２２３３号および第５０１１５２９号には、金属粉末を含むバッチから押し出された細胞構造に類似したハネカムが記載されている。
【０００３】
これらの方法によるセラミックハネカムの作成のための押出しダイスの製造には、極めて精密な加工が要求される。かかるダイスの細長い多数の隙間を備えたハネカムの排出区域に材料を供給するために、ダイスの取入れ口すなわちバッチ供給面には、押し出されるべき可塑化された材料が高圧の下に通過する多数の開口部すなわちフィードホールが設けられている。より軟質の鋼鉄であれば、上記フィードホールのアレイを機械的孔開け加工で形成することが可能であるが、ダイスがステンレス鋼のようなより硬質の材料で形成される場合には、電気化学的加工技術がより良い結果をもたらす。
【０００４】
ＳＴＥＭ（ Shaped Tube Electrolyte Machining）（造型されたチューブ電解液加工）工程とも呼ばれる電気化学的加工（ＥＣＭ）工程においては、導電性の鋼鉄被加工品の制御された電気分解（溶解）によって開口部が形成される。電解槽内では穿孔部材が負電極（カソード）を構成し、被加工品が正電極（アノード）を構成し、電解液は流れる導電性流体である。
【０００５】
押出しダイスの製造において、上記穿孔部材（カソード）は、露出した先端に向かって延びる絶縁された外表面を備えたチタン製の金属チューブからなる。これは、電解作用がチューブの先端を除く他の場所で生じるのを禁止する。被加工品は一般に高品質ステンレス鋼の板またはブロックであり、導電性電解液は硝酸である。
【０００６】
造型されたチューブの先端に近接した鋼の電気分解により開口部が形成され、電位はチューブと陽極被加工品との間に印加される。穿孔が進行するにつれて、電解液はチューブを通って連続的に供給されて、鋼鉄製の被加工品に接触し、これによって、被加工品の表面から溶け出した鋼鉄を洗い流しながら電解槽を完成させる。
【０００７】
この穿孔工程の「順方向サイクル」様相においては、一般に電位が定電圧に、より好ましくは定電流に制御され、穿孔速度すなわちチューブの送り速度が一定値に制御される。このような制御の目的は、できるだけ開口部を一定に維持し、かつ最善の平滑な開口部の表面仕上げを維持することにある。
【０００８】
米国特許第４６８７５６３号、第５３２０７２１号、第５３２２５９９号、第５５０７９２５号および公告されたヨーロッパ特許出願第０  ２４５  ５４５号には、鋼鉄製押出しダイスの製造に適用されるＥＣＭ工程およびそれらの工程の変形が記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＥＣＭは、精密な開口部の大きなアレイを押出しダイスのような工具内に形成するための工程の選択の自由を保留しているとはいうものの、この工程に伴う問題が依然として残っている。１つの難題は、電解液の温度、被加工物の冶金学的性質、電気接点および多数の他の工程の変数またはそれらの相関関係のような処理要因における無作為の変動によって、直ちに開口部の表面仕上げが僅かに変化することである。
【００１０】
ハネカム押出しダイスの場合には、このような変化の１つの影響によって、ダイスへの取入れ口を形成する開口部アレイを横切る開口部から開口部へ亘って表面仕上げが変化する可能性がある。このことは、ダイスの出口すなわち排出面における材料の流れの最前列の不揃いを生じ、押し出されたハネカム構造における小部屋（cell）の寸法、小部屋の形状および小部屋の壁の厚さ等の重大な変動を含むまたそれに限定されない多くの欠陥をハネカム製品に生じさせる条件を生む結果となる。
【００１１】
実際に、フィードホールの表面仕上げは、ハネカム押出しダイスの流動特性に影響を与える基本的な要素のようであり、完全に制御し得る技術能力の範囲外である。この表面仕上げの制御が不能なことは、高品質なハネカムの製造にとって最良の処理条件で押出し工程が作動されないことを意味する。もし、より良好な表面仕上げの制御が可能であれば、押し出された製品の品質において著しい改善の見られる表面仕上げが得られるであろう。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ダイス内のフィードホールの壁に対してある表面仕上げパターンを施すことによって、押出しダイス素材のような穿孔される被加工品内の開口部の表面仕上げの改良された制御を達成するものである。すなわち、この方法は、従来のＥＣＭ穿孔によって形成されるランダムに変化する加工面上に、プログラムされた表面パターンを重ね合わせるものである。その狙いは、周期的な変化または循環的な表面仕上げ輪郭を開口部の壁面上に施して、例えば押出し工程の安定性および押し出された製品の品質におけるランダムな表面変化の悪影響を低減することにある。
【００１３】
各開口部の壁面上のプログラムされた表面仕上げ輪郭の開発は、ＥＣＭ工程に対し、規則的に変化するまたは脈動される電流、電圧または送り速度を導入することによって達成される。上記電流、電圧または送り速度は、時間または穿孔深さの関数として脈動され、典型的には、予めセットされた２組の限定値の間で規則的に変動される。これらの限定値により、パルスによって開口部の壁面上に印加される表面仕上げの変化の幾何学的限界が決定される。
【００１４】
したがって、第１の態様においては、本発明は、導電性素材に開口部アレイを穿孔するための従来のＥＣＭ工程における改良に属する。上記従来の工程においては、穿孔チューブと素材との間に存在するギャップを横切って両者間に存在する電解液を通して電圧が印加される。この電圧の印加により、上記ギャップを横切る電流が発生し、上記穿孔チューブが制御された送り速度で上記素材の体内に向かって前進せしめられるにつれて、上記電流が上記素材から材料を取り除くようになっている。
【００１５】
本発明によれば、穿孔チューブが前進せしめられるにつれて、印加電圧、電流、および／または送り速度が周期的かつ規則的に変化せしめられる。この循環的な変化により、ランダムな仕上げの変化をマスクする表面仕上げ輪郭における循環的な変化が生じて、安定かつ再現性のある流動特性を備えた開口部が形成される。
【００１６】
ハネカム押出しダイスの製造に適用される場合、本発明は、押出しダイスのための金属素材内にフィード通路のアレイを形成する方法を提供し、この方法は、穿孔チューブとダイス素材との間のギャップを通って電解液を流しながら素材と金属製穿孔チューブとの間のギャップを横切って電圧を印加することからなる。上記電解液は、素材と穿孔チューブとの間の電流の伝導のための通路を形成し、電流によって素材から溶出される金属を流し去る。
【００１７】
穿孔チューブが選択された送り速度で素材内に前進せしめられて各フィード通路を形成するにつれて、フィード通路の壁面からの金属除去の度合いまたは量を周期的に変化させるために、電圧、電流、および／または送り速度のうちの１つまたはそれ以上が周期的なパターンで変化せしめられる。電圧または電流の循環により、金属除去の度合いにおける周期的変化が生じ、送り速度の循環により金属除去量における変化が生じる。この双方とも、各フィード通路の表面輪郭に循環的な変化を生じさせる。
【００１８】
さらに他の態様においては、本発明は、可塑化された無機粉末バッチ材料からハネカム体を作成するための改良された工程を提供する。典型的な押出し成形工程では、上記バッチ材料がハネカム押出しダイスの取入れ口部分内のフィード通路のアレイを通って搬送され、上記押出しダイスの出口部分から所望のハネカム体の形状で排出される。本発明の方法によれば、押出し工程の安定性は、フィード通路の壁面が表面仕上げ輪郭において循環的変化を示すことによって高められる。
【００１９】
循環的に変化する表面仕上げ輪郭を備えたフィード通路を用いることによって、流動最前線の短期的な歪みに対する安定性が改良されるのみでなく、ダイスおよびこれと協働するハネカム形成用金具における磨耗作用に起因する押出し工程の長期的な安定性の予期せぬ改良も図られる。
【００２０】
最後に、本発明は、改良されたバッチ流動特性により改良された押出し特性を提供するハネカム押出しダイスを含む。本発明の押出しダイスは、従来品と同様に取入れ口セクションと排出セクションとを備え、上記取入れ口セクションは、可塑化された材料の流れを受容して、この流れを、それがハネカム構造として整形されかつダイスから排出される排出セクションに搬送するための複数のフィードホール開口部を備えている。
【００２１】
本発明によれば、これらのフィードホール開口部は、少なくともその長さ方向の一部分に沿って、上記フィードホールは、可塑化された材料に対し、これらフィードホールの取入れ口からの距離に応じて循環的に変化する流動抵抗を示す。好ましい実施の形態では、これらフィードホールが、その側壁表面仕上げ、流動通路の内径、および／またはその長さに沿う流動方向のうちの少なくとも１つに循環的な変化を示す。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１には、セラミック製ハネカム構造の押出しに従来用いられているハネカム押出しダイスの一部分が部分的断面図で概略的に示されている。図示のように、押出しダイス１０は、ダイスの取入れ口面（図示せず）に向かって下方に延びるフィードホール１３を備えており、押し出されるべきバッチ材料が上記取入れ口面からフィードホール１３を通ってフィードホール終端１５に搬送され、そこから排出スロット１７内に運ばれる。図１の断面部分１２に示された深さに切り込まれた排出スロット１７は、ダイスの排出面からバッチ材料をハネカム形状として上方へ排出する。一般にフィードホール１３は、ガンドリル加工またはＥＣＭ処理によって押出しダイス用の鋼鉄素材に形成される。
【００２４】
押出しダイス素材に開口部のアレイを形成するための従来のＥＣＭ工程において、穿孔部材の送り速度および電解液を流れる電流は可能な限り一定に保たれる。一定の送り速度および電流を維持する意図は、フィードホールを通って流動する可塑化された粉末バッチ材料に対する流動抵抗が最小になるように、フィードホール開口部の側壁に最大限可能な平滑性を与えるためである。実際に従来の方法では、最初の孔を開けた後に、各フィードホールに仕上げ用ドリルを通すことによってフィードホールの平滑性を最適化していた。
【００２５】
図２は、従来のＥＣＭ処理により形成された典型的なフィードホール通路の壁から採取した三次元輪郭計測器（profilometer）による表面図形を示す。図２に示されている通路は、米国特許第５３２０７２１号に記載されたものと本質的に同様の、穿孔工程と研磨工程とによって形成されたものであり、最初の穿孔工程は、約１６５アンペアの平均電流と０．０４０インチ／分（１．０２mm／分）の送り速度で実行された。
【００２６】
図２における図形の目盛りは、通路壁の長さ約４mm、幅約０．３mmの部分の輪郭計測器の測定範囲を示しており、トレースされた表面の高さの変化は１０ミクロンのオーダーである。この表面図形の観察から明らかなように、ＥＣＭ電流および穿孔部材の送り速度を一定にするかなりの配慮が払われた場合でも、これらフィードホールの壁面には僅かなランダムな表面の不規則性が残存している。図２に示されたフィードホール側壁表面全体の粗さ（Ｒａ）は約１５マイクロインチ（３８０ミクロン）である。
【００２７】
本発明によれば、循環的または周期的に変化する流動抵抗として特徴づけられるものをフィードホールの設計に導入することによって、押出し工程の安定性における著しい改良が達成される。特定の実施の形態においては、押出しダイスのフィードホールが「波状の側壁」を備えていることによって、すなわち、フィードホールが、各フィードホールの少なくとも長さ方向の部分に沿ってフィードホールの孔径が周期的に変化するように加工されることによってその目的が達成される。
【００２８】
これらのいわゆる「荒らされた」フィードホールを実現させる方法の１つの具体例は、ダイス素材内のフィードホールのＥＣＭ穿孔中に、電流および穿孔部材送り速度を周期的に変更するあるいは脈動させることである。簡単なスイッチングアルゴリズムが用いられて、各フィードホールまたはフィードホール群の穿孔時の脈動時間、穿孔部材送り速度および穿孔電流を変化させる。その結果、フィードホールの表面粗さは僅かに増大するが、フィードホール通路の内径に、規則的かつ周期的な僅かな変化が本質的に生じる。
【００２９】
特に好ましい脈動ＥＣＭ法においては、ＥＣＭ穿孔工程が、穿孔条件の第１セットと穿孔条件の第２セットとの間の交互のスイッチングからなる。上記第１セットは、１６２アンペア（電圧を約９ボルトに保持）の穿孔電流と、０．０４２インチ／分（１．０７mm／分）の穿孔部材送り速度においての穿孔からなり、これらの条件は２０秒間維持される。上記第２セットは、２００アンペア（電圧を約１３ボルトに保持）の穿孔電流と、０．０２インチ／分（０．５１mm／分）の穿孔部材送り速度においての１２．５秒間の穿孔を含む。
【００３０】
この方法を典型的な押出しダイス素材におけるフィードホールアレイに施した特定の具体例では、ＥＣＭ穿孔によって、４２２Ｐ／Ｍ型のステンレス鋼のダイス素材に深さ約１．０３５インチ（２６．２９ｍｍ）、内径約０．０６２インチ（１．５７ｍｍ）のフィードホールが形成される。フィードホールが形成されるにつれてフィードホールの側壁から取り除かれる材料の量に周期的な変化を生じさせるために、この穿孔処理の間じゅう、上述の穿孔条件の２つのセットの間で穿孔条件が切り替えられる。
【００３１】
穿孔工程が終了すると、図２に示されたデータを得るのに用いられた同一の機器および方法を用いる輪郭計測器によるフィードホールの分析がなされる。フィードホールの長さ約４mm、幅約０．１５mmの部分をカバーする輪郭計測器によるトレースの結果は図３に示されている。
【００３２】
図３の検査結果から明らかなように、輪郭計測器の図形は、図２に示されたＥＣＭ処理における制御されない変動からもたらされた表面の不規則性が著しく減少していることを示すものではない。しかしながら、これらの不規則性を重ね合わせると、脈動ＥＣＭ穿孔処理によって直接生じた表面高さの変化は、約−４ミクロンから＋４ミクロンの範囲に亘る周期的で正弦波に類似している。フィードホールの内径における僅かな周期的変化に対応するこの微小尺度の周期的変化は、実際にはフィードホールの平均粗さ（Ｒａ）を増大させる結果となり、この場合の値は、８０マイクロインチ（２０３２ミクロン）から１００マイクロインチ（２５４０ミクロン）である。
【００３３】
図３に示すような周期的に変化する表面輪郭を有するフィードホールを備えたハネカム状押出しダイスは、フィードホールの輪郭計測器におけるいくらか高い粗さにも拘らず、著しく改良された押出し特性を示す。
【００３４】
この独特の工程改善により、押出しの流動最前線はより一様になり、かつ押し出されたハネカム形状における「反り」がより小さくなる。これらの利点は明らかに、フィードホール加工におけるホール間の極めて一貫した表面仕上げ効果に起因し、従来のＥＣＭ穿孔工程によって生じる、より平滑ではあるがランダムな表面仕上げの影を薄くさせる。
【００３５】
本発明のハネカム押出しダイスのさらに他の利点は、押出し工程における新しいフィードホールの形状が長期間に亘って安定であるという効果を有することである。可塑化されたセラミック粉末材料の押出し中におけるダイスの磨耗は著しいものがある。個々のダイスの使用の継続を可能にするために、ハネカムコア上に平滑なスキン表面を形成するのに用いられるマスクのような協働するハネカム形成用金物類の頻繁な変更を要するダイス形成行為に対し、これらの変更が影響を与える。
【００３６】
上述のような脈動ＥＣＭ穿孔によって生じた「荒らされた」フィードホール輪郭を有する押出しダイスはまた、押出し特性における磨耗に関連する変動をかなり小さくする傾向がある。ある場合には、協働するハネカム形成用金物類の何等の変更を伴うことなしに単一のダイスから押し出される材料の量が２０倍に増大することを可能にする十分安定な押出し特性が達成される。この改良された安定性は、浪費されるバッチ材料と製造ラインの休止時間に起因するコストを著しく低減する。
【００３７】
本発明は、上述のような電流および送り速度の脈動によって生じる比較的単純な短いまたは長い期間のフィードホールの側壁輪郭の変化に限定されるものではない。それに代わり、上記脈動を、電圧、電流または送り速度のより複雑な機能に置き換えることが可能である。例えば、より複雑な電流脈動を採用して、短いおよび長い期間のフィードホールの側壁輪郭の変化を導入したり、あるいは、穿孔条件を異なるものに変えて、特定の押出し工程または押出し可能材料の要求に最も良く適した、より複雑なフィードホール表面仕上げをプログラムしたりしてもよい。
【００３８】
この形式の脈動ＥＣＭ穿孔工程の特定の具体例は、周期的形態を有する脈動電流Ｉ（ｔ）である。
【００３９】
Ｉ（ｔ）＝Ｉl sin(Ｗl ＊ｔ) ＋Ｉs sin(Ｗs ＊ｔ＋ｒ)
ここで、
Ｉ（ｔ）：正味の穿孔電流
Ｉl     ：長期間電流のピーク
Ｉs     ：短期間電流のピーク
Ｗl     ：長期間電流サイクルの周波数
Ｗs     ：短期間電流サイクルの周波数
ｒ      ：位相角（必要に応じて）
同様に、本発明は、フィードホールの側壁輪郭の変化によって生じる流動抵抗の変化のみに限定されるものではない。フィードホール表面仕上げの周期的変化を含み得るアプローチもある。記載された請求項の範囲内での当業者による上記方法および装置におけるこれらおよびその他の多くの変更を行なうことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のハネカム押出しダイスの一部の部分的に断面とした斜視図
【図２】従来の方法により形成されたＥＣＭ開口部の表面粗さ輪郭
【図３】本発明の方法により形成されたＥＣＭ開口部の表面粗さ輪郭
【符号の説明】
１０    押出しダイス
１２    断面部分
１３    フィードホール
１５    フィードホール終端
１７    排出スロット
１８    排出面
【図１】
0004302789.tif 000002
【図２】
0004302789.tif 000003
【図３】
0004302789.tif 000004