JP2005507781A - プラスチック製工具 - Google Patents

Abstract

本発明は、プラスチックおよびプラスチックに埋め込んだ潤滑特性のある材料でつくった工具（11、12）、そして更に埋め込まれたアルミを含んでいるプラスチック工具に関するものである。前述のプラスチック工具は、型加工、殊に例えば自動車部品のような金属製品（10）の深絞りに適している。工具は高い耐圧縮性および耐磨耗性を有しており、前述の潤滑特性の結果により基本的に僅かな量の潤滑剤または無潤滑で深絞りできる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチックおよびプラスチックに埋め込んだ潤滑特性を有する材料でつくった工具に関するものである。本発明の意味する工具は、特に変形加工の型工具、例えば自動車部品のような金属製部品を変形加工するための、例えば深絞り型工具である。
【背景技術】
【０００２】
従来の方法によれば、深絞り加工では鉄またはねずみ鋳鉄製の工具を使用する。しばらく前から既に、変形加工に工具材料としてプラスチック、例えば金属の充填材を含有するプラスチックを使用している。このプラスチックはコスト的に有利な材料という利点を有している。しかしながら、そのようなプラスチックベースの工具は、変形加工用工具として特定の用途では使用できない、または条件付きでのみ使用可能である。これは特に、大量個数の製品を変形加工せねばならず、そのために工具が大きく磨耗するような深絞り分野での用途に言える。加えて、この用途の場合にはプラスチック製の工具は圧縮強度が弱すぎる。
【０００３】
ドイツ特許第 93 18 272.4 U1では、切粉の発生なしで製品を変形加工する工具の記載があり、そこでは工具を金属材料、殊にねずみ鋳鉄でつくっているが、滑り面を有する工具のガイド部分をファイバーまたは繊維および薄片グラファイトを埋め込んだデュロプラストでつくっている。それにより滑り特性を改善し、磨耗を減少するようにしている。
【発明の開示】
【０００４】
本発明の課題は、一方では良好な潤滑特性、そして他方では改善された磨耗特性と高い圧縮強度を有する プラスチック製の工具を得ることである。
【０００５】
この課題の解決手段として請求項１の特徴を有する本発明による工具を提供する。本発明によればプラスチック工具は、圧縮強度および耐磨耗性を高めるために埋め込んだアルミ、そして滑り特性のある材料を含有しているので、工具はいわば自己潤滑効果を有している。それにより、変形加工用工具と加工される製品間の部分で一般的に使用される追加的な潤滑剤が不要になる。本発明に従う埋め込みにより工具の寿命を本質的に改善できることが、テストにより示すことができた。潤滑特性のある材料として、例えばグラファイトまたはモリブデン硫化物が対象となる。特に好ましいのはグラファイト粉末の使用である。充填材として例えばアルミ粉末あるいはより粒度の大きいアルミ粒子の形態で、アルミをプラスチック工具に含ませることができる。この種の工具は、対応して合成した鋳込み樹脂またはブロックの材料からつくることができると好ましい。
【０００６】
本発明の好ましい別の構成によれば、工具は重量割合で約50%以上のアルミ充填材を含有している。工具をつくるためのプラスチック塊におけるアルミ充填材の重量割合は、プラスチック割合の何倍にもなることがある。好ましくはこの重量割合は、プラスチック塊全重量に関して、アルミ充填材、好ましくはアルミ粉末で、少なくとも約60%、好ましくは約70%である。
【０００７】
プラスチックに埋め込んだ滑り特性のある材料の重量割合は通常は、プラスチック割合 および／またはプラスチック塊のアルミ割合より少ない。工具が、工具に含まれるプラスチックの重量割合に関して、即ちプラスチック塊の全重量に関してではなく純粋のプラスチック割合に関して、少なくとも約２０％から約５０％の重量割合のグラファイト粉末を含むことが好ましい。工具を構成する材料の全重量に関して、グラファイトの重量割合は少なくともグラファイトが約３％から約１５％であることが好ましい。グラファイト割合とアルミ割合間の重量関係は、約１：１５および約１：６の間にあることが好ましい。
【０００８】
本発明の範囲において好ましいのは、上述の種類のプラスチック塊から変形加工工程、殊に深絞り加工用工具をつくることである。これは例えば、金属部品を深絞りするためのオス型あるいは板材ホルダーのこともある。潤滑特性のある材料を埋め込むことにより、例えば深絞り工具の移動方向に直角な引っ張り方向で抵抗を受ける金属板材の深絞り工程において、粒子、殊に充填材粒子がプラスチックのメス型から引きちぎられる、そしてそれにより工具にクラックが発生することを防ぐ。グラファイト粉末の形態でグラファイトを潤滑特性のある材料としてプラスチックに埋め込むことができることを、既に述べた。粒子の大きさが約５０μｍから約２５０μｍのグラファイト粒子を使うことが、特に利点のあることが証明された。
【０００９】
本発明による工具は、基本的に全体として上述の埋め込みのあるプラスチックでつくる、即ち一体で均一なプラスチック材料からつくることができ、それにより最初に述べたDE 93 18 272.4U1による工具でガイド部材と呼ぶ工具の前面層を潤滑特性のあるプラスチックでつくることとは異なっている。
【００１０】
従属請求項に挙げている特徴は、本発明による課題解決の好ましい別の構成に該当するものである。本発明の別の利点は以下に述べる詳細で明らかにする。
【００１１】
【特許文献１】
ドイツ特許第 93 18 272.4U1
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に添付の図面を使って実施例により本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
まず図１を参照すると、本図は極度に簡素化した概略遠視図で、板状部材10を深絞りする工具の配置を示している。深絞り工程で板状部材10を変形加工する工具上部部材11、および工具上部部材11に対応するメス型の形式で工具下部部材12を設けている。工具上部部材11は本発明による種類のプラスチックで出来ており、それは埋め込んだアルミ粒子13、および板状部材10の変形加工時に自己潤滑効果を得るために埋め込んだグラファイト粉末14を含んでいる。
【００１４】
工具上部部材11は、プラスチック、充填材としてのアルミ粉末、グラファイト粉末から成る鋳込み樹脂でつくられている。そのとき、１ｋｇのプラスチック、３ｋｇのアルミ粉末、２００ｇのグラファイト粉末を使用して、全質量４．２ｋｇの工具用の化合物を製造する。グラファイト粉末の粒子の大きさは５０〜２５０μｍの間で変化する。プラスチック工具は非常に良好な潤滑特性および４０％も高い圧縮強度を有している。例えば砂や鉄のような従来の充填材を使う別のプラスチック製工具で、深絞り時にプラスチック材料の基礎をなす母材から充填粒子が引きずり出されることにより工具前面層に現れるクラックの形成が、本発明によるプラスチック製の工具を使用する時には現れない。
【００１５】
上述のプラスチック塊でつくった深絞り工具が、例えば最大１０万個またはそれ以上の大量の加工品を形成するために適していることが判った。
【００１６】
図２は、充分な潤滑効果のない材料を使って深絞りをするときに前述のクラック形成に影響する力を明らかにしている。極度に簡素化した概略断面で工具上部部材11を示しており、それは、本発明による充填材としてのアルミ粉末とグラファイト粉末を含むプラスチックから成る本発明による鋳込み材料からつくられている。工具下部部材15も本発明によるプラスチック材料で鋳込まれている。変形加工する板状部材10は、深絞り加工の前に工具上部部材11と工具下部部材15間のスキマ16にある。変形加工する板状部材10が深絞り時に変形し、そのとき工具の移動方向に直角な矢印17の方向で力が発生する。それにより、両方の工具１１、15の前面18、19は剪断力を受ける。工具11、15のプラスチックに埋め込まれたグラファイト粉末が、工具11、15の前面18、19と絞られる板状部材10の境界面において潤滑効果および良好な滑り特性を与える。
【００１７】
図３は、本発明の範囲の圧縮テストで調査した種々のプラスチック製工具による弾性率の％変化を表している。その場合、一番左にある棒グラフの特性棒20は、アルミだけを充填したプラスチックの弾性率を示しており、別の人工材料と比較対照するために１００％で示している。右から二番目の特性棒22にはアルミを充填したＰＴＦＥの弾性率相対値を示しており、見ればわかるように、図３での特性棒20に図示したプラスチックの６０％強しか達しない。それに対し、比較のために図３で本発明によりつくった二つのプラスチックの弾性率を示している。図の一番右の特性棒23は、アルミと潤滑材料としてＭｏＳ₂を充填したプラスチックを示している。弾性率は、特性棒20のアルミだけを充填したプラスチックより２０％以上大きいことが判る。特性棒21（図において左から二番目）でグラファイトとアルミを充填したプラスチックの弾性率相対値を示している。図から判るように、この値は図の一番左にある特性棒20のアルミだけを充填したプラスチックより４０％大きい。図３の特性棒21で示した値は、特性棒20の値で示しているアルミ充填プラスチックに２０％のグラファイト粉末を添加することにより得られた。
【００１８】
深絞りテスト用に、３気筒エンジンのバルブカバーを製造するための図４で遠視的に示す深絞り工具30を構想し、設計して完成した。図４は、本発明によるプラスチック製のバルブカバー30用深絞りオス型を下方から示している。この工具30を使って深絞りテストを行った。寸法精度、寿命だけでなく、他のプラスチック製工具と較べて自己潤滑性も大きく改善されたことが、このテストにより確認できた。従来のプラスチックでつくった工具は短時間で磨耗していた。アルミ粉末で充填したプラスチックに僅か約２０％のグラファイト粉末を埋め込むことにより、図４に示した工具30を使って著しく良好な摩擦・磨耗状況が達成された。図４でわかるように、深絞りオス型は、バルブカバーの形状で特有の窪みないし盛り上がり部分をつくるために、特徴的な二つの変形加工要素31、32を有している。
【００１９】
図６は、図４に示した深絞り工具30を使ってつくった種々の材料によるバルブカバーの例である。図６で示したバルブカバー40、41、42は、それぞれ１ｍｍの材料厚さのチタン板、アルミ板、亜鉛メッキした鉄板を変形加工してつくった。図６の図示において直ぐに、特徴的な変形部分、即ち平坦な円筒状窪み43（ないしは、図６の深絞りしたバルブカバー41を下から見ると盛り上がり）が認められる。この変形部分43は、図４における深絞り工具30の変形加工要素32と対応する。同様に変形加工部分44は、図４における深絞り工具30の変形加工要素31に対応する。図６に示したバルブカバーを本発明による工具30を使って深絞りを行ったとき、チタン板、アルミ板、亜鉛メッキした鉄板の三種の材料全てで、非常に良好な結果が得られた。
【００２０】
図５は、図６に示すバルブカバー40、41、42をつくるための、図４の深絞りオス型30に付属するメス型50を示している。図５に示した深絞りメス型50にオス型30が沈み込む。図５において、オス型30に相当するほぼ直角で角の部分を丸めたメス型50の形状がわかる。その他に、ほぼ円筒形状の加工変形要素32に対応する変形加工部分51が、メス型50の役割をする深絞り工具に嵌る窪みとして識別できる。図５のメス型50も、本発明によりアルミおよびグラファイト粉末を含むプラスチックでつくった。
【００２１】
従来の鉄製工具と比較して、本発明による材料でつくったプラスチック工具の利点は、場合によって最大約７０％低い材料コストにある。工具をつくるために使用するプラスチックは加工し易く、それにより工具をつくるための機械使用が少なくなる。工具をつくるための機械加工でのエネルギーや電力消費を、例えば６５％も減らすことができる。加工時間も同様に、鉄製工具に較べて場合によって最大６０％も短い。工具をつくるために本発明によるプラスチックを使用すると、場合によっては最大６０％という著しい重量削減が得られ、それによりクレーン設備の負荷が減少する。工具はフレキシブルそしてコスト的に有利に変更でき、それにより改めてコスト、時間、エネルギーの削減を大きく狙うことができる。その他に、新しいプラスチック工具をつくるための充填材として完全に再使用できるので、工具はリサイクルに適しており、それにより廃棄物処理コストも不要となる。
【００２２】
プラスチックの弾性的な挙動が変形加工される製品の品質向上に結びつく。工具のプラスチックにグラファイトを埋め込むことにより、工具の接触面に自己潤滑効果を生み出す。どうしても変形加工で流体潤滑剤を追加して使用することが必要なとき、その場合でも必要な潤滑剤の量を基本的に例えば約３ｇ／ｍ²減少することができる。プラスチックにグラファイト粉末に入れることにより深絞り時の摩擦挙動が改善される。深絞り時に流体の潤滑剤を減らす、ないしは無くすることにより、作業場所の汚染が本質的に減少し、それにより環境の負荷が減る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による工具を使った深絞り工程を説明するための簡素化した概略遠視図である。
【図２】深絞り過程を説明するための簡素化した概略断面の外観を示す図である。
【図３】種々の充填材を含むプラスチックを使用するときの弾性率変化を示すグラフである。
【図４】エンジン用バルブカバーの深絞りに使う押し型の遠視図である。
【図５】図４によるオス型を使うバルブカバーの深絞りに付属するメス型を示す図である。
【図６】図４と図５によるオス型およびメス型を使って深絞りしたバルブカバーを示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０ 板状部材、 １１ 工具上部部材、 １２ 工具下部部材
１３ アルミ粒子、 １４ グラファイト粉末、 １５ 工具下部部材
１６ スキマ、 １７ 矢印、 １８ 前面
１９ 前面、 ２０ 特性棒、 ２１ 特性棒
２２ 特性棒、 ２３ 特性棒、 ３０ 深絞り工具
３１ 変形加工要素、 ３２ 変形加工要素、 ４０ バルブカバー
４１ バルブカバー、 ４２ バルブカバー、 ４３ 窪み
４４ 変形加工部分、 ５０ 深絞りメス型、 ５１ 変形加工部分

Claims (14)

1. プラスチックおよびプラスチックに埋め込んだ潤滑特性のある材料から成る工具であって、プラスチック工具が更にある割合の埋め込みアルミを含有していることを特徴とする工具。
2. 工具が充填材としてアルミ粉末またはアルミ粒子を含有していることを特徴とする請求項１に記載の工具。
3. 工具が潤滑特性のある材料としてグラファイトまたはモリブデン硫化物を含有していることを特徴とする請求項１または２に記載の工具。
4. グラファイト粉末を含有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の工具。
5. 工具が材料ブロックまたは鋳込み樹脂でつくられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の工具。
6. 重量配分で約５０％以上のアルミ充填材を含有していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の工具。
7. 全重量に関して、重量配分で少なくとも６０％、好ましくは約７０％のアルミ充填材、好ましくはアルミ粉末を含有していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の工具。
8. 工具に含まれるプラスチックの重量配分に関して、重量配分で少なくとも約２０％から約５０％のグラファイト粉末を含有していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の工具。
9. 工具をつくっている材料の全重量に関して、重量配分で少なくとも約３％から約１５％のグラファイト、好ましくはグラファイト粉末を含有していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の工具。
10. グラファイト好ましくはグラファイト粉末、およびアルミ好ましくはアルミ粉末を、重量割合で約１：１５から約１：６の間で含有していることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の工具。
11. 変形加工用工具、殊に深絞り工具であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の工具。
12. 金属部品深絞り用のオス型、板材ホルダー、またはメス型であることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の工具。
13. 約５０から約２５０μｍの粒子大のグラファイト粉末を含有することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の工具。
14. 基本的に前述請求項のいずれかに従うプラスチックで全体をつくることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の工具。

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