專利名稱：模具及模具表面的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種沖壓加工用的模具及該模具表面的加工方法。
技術(shù)背景
在沖壓加工中，非常重要的是降低加工時(shí)摩擦界面的摩擦，以防止沖壓成型件 產(chǎn)生毛刺等，提高加工質(zhì)量，并提高沖頭或沖模等模具自身的耐久性。被加工材料(金 屬材料)的表面存在大大小小的凹凸。在加工之前對(duì)材料涂布的潤(rùn)滑劑(潤(rùn)滑油)被貯 存于材料粗糙的凹部，當(dāng)模具與材料接觸時(shí)，如果沒(méi)有流脫間隙，則潤(rùn)滑劑被機(jī)械性封 存在凹部，而在該狀態(tài)下被帶入摩擦界面。這樣的導(dǎo)入機(jī)構(gòu)在所有塑性加工中都是期待 的。
以積極地利用該潤(rùn)滑劑的效果為目的，確認(rèn)了如下情況，即，預(yù)先利用酸腐 蝕、噴丸硬化或者噴砂等使材料或模具的表面粗糙化，可以防止摩擦力降低、粘型及粘 砂。封存有潤(rùn)滑劑的部分在塑性加工中稱為微貯池。微貯池中的潤(rùn)滑劑在加工時(shí)產(chǎn)生 高靜水壓，利用該高的靜水壓成為承受加工面壓的一部分。在這種狀態(tài)下，抑制模具表 面的磨耗。因此，重要的是控制成能夠使微貯池中的潤(rùn)滑劑產(chǎn)生高靜水壓的表面粗糙形 狀。
例如，專利文獻(xiàn)1公開有如下例子，通過(guò)對(duì)合金材料進(jìn)行熱處理來(lái)控制材料表 面的形狀，形成微貯池，從而獲得良好的沖壓成型性能。此外，專利文獻(xiàn)2公開有如下 技術(shù)，通過(guò)對(duì)模具表面噴著高硬度的微粒子而進(jìn)行硬化處理，并且形成微貯池，來(lái)謀求 提高加工精度和模具的長(zhǎng)壽命化。
專利文獻(xiàn)1 (日本)特開平7-18403號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2 (日本)特開2008-5 號(hào)公報(bào)
如上所述，專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)2只是通過(guò)熱處理或噴砂加工形成微貯池，利 用這些方法形成的微貯池的尺寸其寬度及深度是數(shù)ym 數(shù)十μm數(shù)量級(jí)。
另一方面，用于精密地沖壓成型微細(xì)的連接器或其它電子設(shè)備的構(gòu)成部件的模 具，其尺寸精度本身有時(shí)要求次微米以下，其表面粗糙度要求數(shù)十nm數(shù)量級(jí)以下。在 這樣的表面粗糙度為數(shù)十nm以下的條件即換算成凹部深度是IOnm IOOnm左右的條件 下，微貯池給沖壓加工帶來(lái)的效果，在以往基本沒(méi)有對(duì)此進(jìn)行研究，因此不清楚。
此外，現(xiàn)有的形成微貯池的方法，粗糙度過(guò)大，這樣的粗糙度存在無(wú)法適用于 數(shù)十nm數(shù)量級(jí)以下部件的較大的問(wèn)題。作為形成微細(xì)的微貯池的方法，可以考慮應(yīng)用半 導(dǎo)體等領(lǐng)域所使用的光刻法等，但難以適用于模具那樣的立體表面(三維表面)，因此， 目前的現(xiàn)狀是還沒(méi)有以要求表面粗糙度為數(shù)十nm數(shù)量級(jí)以下的條件來(lái)有效地形成微貯池 的方法。
而且，當(dāng)采用現(xiàn)有方法要在曲率半徑為例如數(shù)μ m的鋒利的模具端緣表面形成 微貯池時(shí)，還存在端緣變鈍而無(wú)法實(shí)現(xiàn)美觀的成型加工的問(wèn)題，因此，存在要在這樣的 鋒利的端緣表面形成微貯池極其困難的課題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種模具，該模具例如即使是表面粗糙度要求為數(shù)十nm 數(shù)量級(jí)以下的制件，也可以良好且高精度地進(jìn)行沖壓成型，并且耐久性優(yōu)良。進(jìn)而，提 供一種這樣的模具的模具表面的加工方法，尤其是提供一種能夠在模具端緣表面也形成 微細(xì)的微貯池的加工方法。
根據(jù)本發(fā)明的沖壓加工用的模具，沿與模具和被加工材料的滑動(dòng)方向大致垂直 的方向，在與被加工材料接觸的模具表面成條狀地形成有周期為100 lOOOnm、深度為 10 IOOnm的波紋部。
根據(jù)本發(fā)明的沖壓加工用模具的與被加工材料接觸的模具表面的加工方法，從 與模具和被加工材料的滑動(dòng)方向大致平行的方向?qū)τ谀＞弑砻嬲丈錃怏w離子束。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明的模具，即使是表面粗糙度要求為數(shù)十nm數(shù)量級(jí)以下的微細(xì)、高精 度的制件，也可以良好地進(jìn)行沖壓成型。
此外，根據(jù)本發(fā)明的模具表面的加工方法，可以有效地形成微細(xì)的微貯池，并 且，在端緣表面也可以有效地形成微細(xì)的微貯池，由此，可以制作高精度的沖壓成型 件。


圖1是表示本發(fā)明的模具表面加工方法所使用的氣體粒子束裝置的基本結(jié)構(gòu)的 圖。
圖2A是表示本發(fā)明模具的一實(shí)施例的立體圖。
圖2B是表示利用掃描式電子顯微鏡觀察圖2A的b部結(jié)果的照片。
圖2C是放大表示圖2B的一部分(由框包圍的部分)的照片。
圖2D是圖2C的示意圖。
圖3是用于說(shuō)明沖模、以及利用沖模成型的被加工材料的滑動(dòng)方向的圖。
圖4A是表示本發(fā)明模具的另一實(shí)施例的立體圖。
圖4B是表示利用掃描式電子顯微鏡觀察圖4A的c部結(jié)果的照片。
圖4C是圖4B的示意圖。
具體實(shí)施方式
首先，對(duì)于本發(fā)明的原理及作用進(jìn)行說(shuō)明。
在材料表面具有微小的凹凸，被貯存在該凹部的潤(rùn)滑劑如果在模具與材料接觸 時(shí)沒(méi)有流脫的間隙，則其會(huì)被機(jī)械性封存在凹部而被帶入摩擦界面。這種導(dǎo)入機(jī)構(gòu)在使 用低黏度潤(rùn)滑劑時(shí)尤其有效。我們知道，預(yù)先利用酸腐蝕、噴丸硬化或者噴砂等使材料 表面粗糙化，會(huì)減小摩擦。
然而，即使通過(guò)導(dǎo)入潤(rùn)滑劑而將大量的潤(rùn)滑劑帶入摩擦界面，也幾乎不會(huì)在摩 擦界面的整個(gè)面上形成連續(xù)的流體潤(rùn)滑膜。因此，該模具與材料的接觸狀態(tài)成為固體與 固體接觸部及其包圍的微貯池($々口 ^一& )部那樣的接觸狀態(tài)。在該固體與固體接觸部邊界潤(rùn)滑處于支配狀態(tài)，在不使用邊界潤(rùn)滑性相當(dāng)優(yōu)良的潤(rùn)滑劑的情況下，就會(huì)在 模具與金屬材料之間產(chǎn)生金屬結(jié)合。另一方面，封存有潤(rùn)滑劑的部分即微貯池周圍由于 模具與材料的接觸而形成金屬密封，成為由該金屬密封來(lái)封存潤(rùn)滑劑的狀態(tài)。
作為這樣存在潤(rùn)滑劑的沖壓加工的特長(zhǎng)之一，可以列舉出微貯池中的潤(rùn)滑劑的 動(dòng)態(tài)。即，在微貯池中的潤(rùn)滑劑中伴隨加工的進(jìn)行而產(chǎn)生高壓力，利用該高壓力成為承 受加工面壓的一部分。在此重要的是，如果平坦部上的壓力與被封存在微貯池中的潤(rùn)滑 劑的壓力之差變小，則微貯池中的潤(rùn)滑劑也可能會(huì)伴隨加工而侵入處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)的 平坦部上。將這樣的潤(rùn)滑動(dòng)態(tài)稱為微貯池機(jī)理，如果這種機(jī)理有效地發(fā)揮作用，則摩擦 會(huì)顯著減小。
作為使這種微貯池機(jī)理有效進(jìn)行工作的條件，經(jīng)過(guò)刻意研究的結(jié)果，初次發(fā)現(xiàn) 在本發(fā)明中存在如下重要情況。即，第一，施加大的剪切應(yīng)力的模具端緣部具有成為微 貯池的凹凸，第二，具有按照與模具和由模具成型的被加工材料的滑動(dòng)方向大致垂直的 方式使凹部及凸部進(jìn)行延伸的凹凸。
第一點(diǎn)考慮到的是，模具的端緣部的切斷力即切斷被加工材料的刃部分的切斷 力對(duì)于沖壓成型是非常重要的。此外，第二點(diǎn)，與現(xiàn)有的孔形狀相比，作為微貯池結(jié)構(gòu) 與滑動(dòng)方向垂直形成槽的方式較好的理由，是考慮到不采用點(diǎn)狀而是條狀(筋狀)地產(chǎn)生 靜水壓能夠形成非常高的流體潤(rùn)滑狀態(tài)。
作為將這種方式形成于模具表面的方法，在本發(fā)明中初次發(fā)現(xiàn)，從與模具和由 模具成型的被加工材料的滑動(dòng)方向大致平行的方向?qū)τ谀＞弑砻嬲丈錃怏w離子束(另^ 夕，；^夕一 4才 >匕'一 A ) (GCIB)可以實(shí)現(xiàn)上述方法。由于氣體離子束是光束處理方 法，因此，可以對(duì)于與被加工材料滑動(dòng)的模具端緣部進(jìn)行照射。而且，由于模具端緣部 在微觀上具有曲率(成為R形狀)，當(dāng)從與模具和由模具成型的被加工材料的滑動(dòng)方向 大致平行的方向?qū)τ谀＞弑砻嬲丈錃怏w離子束時(shí)，在模具端緣部會(huì)自動(dòng)帶有角度進(jìn)行照 射。通過(guò)以適當(dāng)?shù)娜肷浣嵌燃吹湫偷氖?0度到60度左右、更優(yōu)選40度到60度左右照 射氣體離子束，可以在模具表面形成微細(xì)條狀的凹凸結(jié)構(gòu)。在此，將這樣的微細(xì)條狀的 凹凸結(jié)構(gòu)稱為波紋部。
另外，還考慮到如下機(jī)理，在模具與被加工材料滑動(dòng)時(shí)，為產(chǎn)生靜水壓，不必 涂布潤(rùn)滑劑，而是由模具和被加工材料的表面吸附在通常的環(huán)境中存在的水分而形成 膜，從而產(chǎn)生靜水壓。
利用這樣的作用，可以非常有效地在模具表面形成微貯池。
下面，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
首先，針對(duì)本發(fā)明，參照?qǐng)D1對(duì)加工模具表面所使用的氣體離子束裝置的基本 結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
使原料氣體從噴嘴10向真空的線束(々，7夕一)生成室11內(nèi)噴出，使氣體分 子聚集，而生成線束。使該線束從分離器12通過(guò)，作為氣體線束導(dǎo)入離子化室13。在 離子化室13中，從離子發(fā)生器14照射電子射線例如熱電子，而將中性線束離子化。該被 離子化的氣體線束被加速電極15加速，并入射到濺射室16。入射的氣體離子束(GCIB) 由孔徑17限制成規(guī)定的線束直徑并照射到試樣18表面。試樣18被安裝在試樣支承體19 上。通過(guò)使試樣支承體19傾斜，而可以控制照射角度Θ，此外，雖然省略了詳細(xì)的圖5示，但通過(guò)利用X-Y工作臺(tái)或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使試樣18沿縱向或橫向移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行 從任意方向照射等的控制。
[實(shí)施例1]
使用由碳化鎢和作為粘結(jié)劑的Co構(gòu)成的超硬材料V20，利用線電極電火花加工 而制成圖2A所示的沖模模具。在沖模21形成有齒輪結(jié)構(gòu)的直徑約Imm的孔22。針對(duì) 該沖模21，從與沖模21和由沖模21成型的被加工材料的滑動(dòng)方向大致平行的方向照射氣 體離子束。另外，沖模與由沖模成型的被加工材料的滑動(dòng)方向，例如在圖3所示的配置 的情況下，是箭頭a方向。圖3中，31表示沖模，32表示沖頭，33表示被加工材料。
作為原料氣體使用氬氣，以加速電壓20kV、照射劑量為1.5X1017iOnS/cm2，從 圖2A所示的箭頭a方向朝向沖模21照射氣體離子束。然后，利用掃描式電子顯微鏡觀 察沖模21的齒輪結(jié)構(gòu)的孔22的端緣部23。作為觀察結(jié)果的一例，圖2B表示觀察圖2A 的b部的結(jié)果。另外，圖2C是將圖2B的一部分(由框包圍的部分)放大的圖，圖2D是 圖2C的示意圖?？梢钥闯觯诙司壊?3形成有波紋部M。作為波紋部M的形式，可 以看出，其形成為在與沖模21和由沖模21成型的被加工材料的滑動(dòng)方向(箭頭a方向) 垂直的方向延伸的條形。該波紋部M的周期(從波峰到波峰或者從波谷到波谷的間隔) 為100 500nm左右，深度為10 50nm左右。
將該沖模21設(shè)置到?jīng)_壓機(jī)械上，對(duì)于涂布有潤(rùn)滑劑的板厚度為Imm的銅板進(jìn)行 沖壓加工，制成微型齒輪。潤(rùn)滑劑使用了環(huán)烷類礦物油(以下實(shí)施例也同樣)。利用原 子力顯微鏡測(cè)量制成的微型齒輪的厚度(板厚度方向的長(zhǎng)度)和表面加工形成的表面粗糙 度。其結(jié)果，制成的微型齒輪的厚度全部都在0.95mm以上。此外，微型齒輪的表面粗 糙度作為平均粗糙度為50nm以下，具有光澤感。
[實(shí)施例2]
使用不銹鋼類材料的SKD11，利用電火花加工制成圖4A所示的沖模模具。在沖 模41形成直徑約Imm的孔42。以與沖模41和由沖模41成型的被加工材料的滑動(dòng)方向 (箭頭a方向)成士20度范圍內(nèi)的角度使照射軸擺動(dòng)，與實(shí)施例1同樣地對(duì)該沖模41照 射氣體離子束。然后，利用掃描式電子顯微鏡觀察沖模41的孔42的端緣部43。作為觀 察結(jié)果的一例，圖4B表示觀察圖4A的c部的結(jié)果，圖4C表示其示意圖。可以看出， 不僅在端緣部43而且在孔42的內(nèi)部也形成了波紋部44。該波紋部44的周期為300 IOOOnm左右，深度為30 IOOnm左右。
將該沖模41設(shè)置到?jīng)_壓機(jī)械上，對(duì)于涂布有潤(rùn)滑劑的板厚度為Imm的銅板進(jìn)行 沖壓加工。對(duì)于該沖壓加工件的表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)定，作為平均粗糙度在20nm以下， 目測(cè)成為鏡面。
[實(shí)施例3]
使用超硬材料V20，利用研削加工制成沖頭模具。沖頭前端面的形狀采用寬度 0.3mm、長(zhǎng)度2_的四邊形。針對(duì)該沖頭，從與沖頭和由沖頭成型的被加工材料的滑動(dòng) 方向大致平行的方向照射氣體離子束。作為原料氣體使用氬氣，加速電壓20kV，照射劑 量為3X1016ionS/Cm2。然后，利用掃描式電子顯微鏡觀察沖頭的端緣部。觀察看出， 在沖頭的端緣部形成有波紋部。作為波紋部的形式，其形成為在與沖頭和由沖頭成型的 被加工材料的滑動(dòng)方向(剪切方向)垂直的方向延伸的條形。該波紋部的周期為300 600nm左右，深度為50 80nm左右。
將該沖頭設(shè)置到?jīng)_壓機(jī)械上，對(duì)于涂布有潤(rùn)滑劑的板厚度為0.1mm的銅板進(jìn)行 沖壓加工，制成用作連接器用的電極針的部件。對(duì)于直到在制成的電極針部件的端緣產(chǎn) 生毛刺為止的沖壓次數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。其結(jié)果，直到進(jìn)行了 400萬(wàn)次的沖壓，都沒(méi)有產(chǎn)生 毛刺。此外，在沖頭的刃尖幾乎沒(méi)有產(chǎn)生缺陷或磨損。
[實(shí)施例4]
使用超硬材料V20，利用線電極電火花加工而制成沖模模具。與實(shí)施例1同樣， 在沖模形成齒輪結(jié)構(gòu)的直徑約Imm的孔。以與沖模和由沖模成型的被加工材料的滑動(dòng)方 向成士20度范圍內(nèi)的角度使照射軸擺動(dòng)，對(duì)該沖模照射氣體離子束。作為原料氣體使用 氬氣，加速電壓15kV，照射劑量為5X1017ionS/Cm2。然后，利用掃描式電子顯微鏡觀察 沖模的齒輪結(jié)構(gòu)的孔的端緣部。觀察看出，在端緣部形成有波紋部，該波紋部的周期為 100 200nm左右，深度為10 20nm左右。
將該沖模設(shè)置到?jīng)_壓機(jī)械上，不涂布潤(rùn)滑劑，在溫度25°C、相對(duì)濕度90%的環(huán) 境下，對(duì)于板厚度為Imm的銅板進(jìn)行沖壓加工，制成微型齒輪。利用原子力顯微鏡測(cè)量 制成的微型齒輪的厚度和表面加工形成的表面粗糙度。其結(jié)果，制成的微型齒輪的厚度 全部都在0.95mm以上。此外，微型齒輪的表面粗糙度作為平均粗糙度為50nm以下，具 有光澤感。
[比較例1]
與實(shí)施例1相比，除了不照射氣體離子束這一點(diǎn)以外，采用同樣的方法制成沖 模模具。將該沖模設(shè)置到?jīng)_壓機(jī)械上，與實(shí)施例1同樣制成微型齒輪。
其結(jié)果，制成的微型齒輪的厚度為0.80 0.90mm左右。對(duì)此認(rèn)為，這是由于對(duì) 銅板進(jìn)行沖壓加工時(shí)銅材料的滑動(dòng)變差、從而使得微型齒輪的厚度變小的原因。此外， 微型齒輪的表面粗糙度作為平均粗糙度為200nm以上的部分較多，沒(méi)有光澤感。
[比較例2]
與實(shí)施例3相比，除了不照射氣體離子束這一點(diǎn)以外，采用同樣的方法制成沖 頭模具。將該沖頭設(shè)置到?jīng)_壓機(jī)械上，與實(shí)施例3同樣對(duì)銅板進(jìn)行沖壓加工，制成用作 連接器用的電極針的部件。對(duì)于直到在制成的電極針部件的端緣產(chǎn)生毛刺為止的沖壓次 數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。
其結(jié)果，在30萬(wàn)次時(shí)，在電極針部件的端緣產(chǎn)生了毛刺。此外，觀察發(fā)現(xiàn)，在 此時(shí)的沖頭的刃尖產(chǎn)生了缺陷或磨損。
[比較例3]
與實(shí)施例1相比，除了氣體離子束的照射方向不同這一點(diǎn)以外，采用同樣的方 法制成沖模模具。氣體離子束的照射方向，不是從與沖模和由沖模成型的被加工材料的 滑動(dòng)方向大致平行的方向照射，而是與滑動(dòng)方向成45度傾斜進(jìn)行照射。然后，利用掃描 式電子顯微鏡觀察沖模的齒輪結(jié)構(gòu)的孔的端緣部，在端緣部形成有波紋部，該波紋部的 周期為1500 3000nm左右，深度為50 IOOnm左右。
將該沖模設(shè)置到?jīng)_壓機(jī)械上，對(duì)于涂布有潤(rùn)滑劑的板厚度為Imm的銅板進(jìn)行沖 壓加工，制成微型齒輪。制成的微型齒輪的厚度為0.85 0.90mm左右。對(duì)此認(rèn)為， 這是由于沒(méi)有良好地形成微貯池，使得銅材料的滑動(dòng)變差，使微型齒輪的厚度變小的原因。此外，微型齒輪的表面粗糙度作為平均粗糙度為200nm以上的部分較多，沒(méi)有光澤感。
以上，對(duì)于各種實(shí)施例及比較例進(jìn)行了說(shuō)明，作為模具材料，即使采用陶瓷或 硅材料等也可以形成波紋部。本發(fā)明是巧妙地利用了在氣體離子束為長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)及進(jìn)行 鋒利的突起的平坦化的同時(shí)、另一方面形成了短周期的波紋部這一本質(zhì)現(xiàn)象。因此，對(duì) 于所使用的氣體線束的種類、加速能量等諸條件、以及模具或被加工材料的材質(zhì)等沒(méi)有 特別的限定。
此外，不需要在與被加工材料接觸的模具表面的所有區(qū)域形成該波紋部，也可 以局部地形成波紋部。例如，也可以優(yōu)選地僅對(duì)于容易引起產(chǎn)品形狀不良的模具部分設(shè) 置波紋部。
權(quán)利要求
1.一種模具，是沖壓加工用的模具，其特征在于，在與被加工材料接觸的模具表面形成有周期為100 lOOOnm、深度為10 IOOnm的 波紋部，所述波紋部沿與模具和被加工材料的滑動(dòng)方向大致垂直的方向形成為條狀。
2.如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于， 所述波紋部至少形成在模具端緣。
3.一種模具表面的加工方法，是沖壓加工用模具的與被加工材料接觸的模具表面的 加工方法，其特征在于，從與模具和被加工材料的滑動(dòng)方向大致平行的方向?qū)τ谀＞弑砻嬲丈錃怏w離子束。
4.如權(quán)利要求3所述的模具表面的加工方法，其特征在于，使所述氣體離子束的照射軸相對(duì)于與所述滑動(dòng)方向平行的中心軸擺動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種沖壓加工用的模具及該模具表面的加工方法。能夠進(jìn)行高精度且表面粗糙度極小的沖壓成型件的制造。在與被加工材料接觸的模具表面形成周期為100～1000nm、深度為10～100nm的波紋部(24)。波紋部(24)沿與模具(沖模21)和被加工材料的滑動(dòng)方向(箭頭a方向)大致垂直的方向成條狀形成。波紋部(24)作為微貯池發(fā)揮作用。例如，即使是表面粗糙度要求為數(shù)十nm數(shù)量級(jí)以下的制件，也可以良好地進(jìn)行沖壓成型。
文檔編號(hào)B21D37/10GK102019323SQ20101027340
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者佐藤明伸, 河野健司, 鈴木晃子 申請(qǐng)人:日本航空電子工業(yè)株式會(huì)社