JP5464511B2 - 液体噴射用オリフィスプレートの製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、板状ステンレス鋼のプレス加工により液体噴射用オリフィスプレートを製造する方法に関するものである。

オリフィスプレートの製造技術としては、被加工材を所定の寸法に打抜くプレスせん断加工方法が知られている。通常のプレスせん断加工では、図１３に示すように、切り口面は、だれ、せん断面、破断面、および、かえりからなり、「だれ、かえりが大きい」「破断面が多く、せん断面が少ない」「せん断面と破断面が同一面上にない」などの問題がある。これに起因して、液体噴射用オリフィスプレートでは、流量のばらつきが発生する。

このようなプレスせん断加工で打抜かれた被加工材の打抜き面に対して、だれ３や破断面５が少ないか又は生じないような精密な打抜きのためのせん断加工方法としては、一般にはシェービング加工やファインブランキングなどの方法がある。

シェービング加工は、例えば特許文献１に示されているように、必要な寸法に対して適当なシェービング取り代を残した寸法形状であらかじめ打抜き（荒抜き工程）を行い、次にその取り代の部分だけをシェービング工程で精度よく打抜く方法である。このシェービング加工においては、加工の難度または加工の精度によっては、シェービングの回数は１〜数回実施して、だれや破断面の少ない平滑なせん断面の多い切り口面が得られるようにしている。しかし、シェービング加工の回数を多くしたり、金型をより精密なものにする必要があるので、生産コストがアップし、工程の増加、金型精度の向上という問題がある。

また、ファインブランキングは、例えば特許文献２に示されているように、突起形状のある板押えを持ち、パンチとダイとのクリアランスを極端に小さくすることで，材料内部に高い圧縮応力を生じさせ材料の延性を高め亀裂の発生を遅くする加工方法である．その結果，だれや破断面の少ない平滑なせん断面の多い美しい切り口面が得られるが、パンチとダイは高精度を要求され、金型のコストアップが大きくなるという問題や、微細な部品に対しては金型構造上困難なことや、穴抜き製品には適応することはできないという問題がある。

せん断加工では、切断輪郭に沿って板厚の数％のクリアランスを維持してパンチとダイを嵌合させる必要があるため、材料の板厚が薄くなると金型製作が難しくなり、型製作費が増加するという問題以外に、微小クリアランス条件の下では、パンチとダイが振動して衝突しやすく、厚板材のせん断加工に比べて型寿命が短くなる。このプレス加工により形成される切り口面は、上部からだれ、せん断面、破断面及びかえりから成るが、せん断面の部分はパンチ表面部の転写により平滑になるが、破断面の部分は材料の引張りにより面が荒れた状態になる。

以上の通り、金属製板材の穴抜きせん断加工においては種々の課題があるが、本願発明の目的は、流体噴射装置その他に備えられる液体を噴射するためのオリフィスプレートより噴射される流量のばらつきを小さくし、安定化させることにある。そのためには、たとえば、切り口面に形成されるだれ（図１３を参照）の大きさ（図１３中のだれの高さｈ及び幅ｗ）を切断輪郭にそって均一にすることにある。

本願発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、その目的を達成するために、オーステナイト系ステンレス鋼に対して冷間圧延と逆変態熱処理とを施すことで、結晶粒径を小さくして板厚が１．２ｍｍ以下の板状ステンレス鋼を作製し、該板状ステンレス鋼にパンチ及びダイを用いてオリフィスを形成する、液体噴射用オリフィスプレートの製造方法を提供するものである。このオリフィスプレートにおいては、連続精密穴抜き加工が行なわれた製品間においてオリフィスの入口形状が突発的にわずかでも変化する頻度が極めて少なく、またオリフィス入口側から見た等高線の均一性が保たれていることが望ましい。

以下に述べるように、超微細粒鋼は、だれの少ないせん断加工面を提供できる。超微細粒鋼は、強度−絞りバランスに優れ高い冷間圧造性を持つが、微細粒鋼の特徴である加工硬化が小さい、絞りが大きいという特性はせん断加工特性にも大きな影響を与える。本願発明者らは超微細粒鋼のせん断加工特性に注目し、鋭意研究してきた。
0.002および0.01C-0.3Mn-0.2Siの組成のフェライト単相超微細粒鋼（平均粒径0.7mm）を温間溝ロール圧延により棒材を作製し、その他に、上記0.01C-0.3Mn-0.2Siの組成のフェライト単相超微細粒鋼の一部に650℃で熱処理を施して、0.01C-0.3Mn-0.2Siの組成のフェライト単相粗粒鋼（平均粒径13mm）の棒材を作製した。また、比較のため、0.3C-1.5Mn-0.3Siの組成のフェライト＋パーライト組織鋼（平均粒径20mm）を熱間圧延によって作製した。図１に各棒材の応力−ひずみ曲線を示す。これらの材料から放電加工及び表面研削によって、幅１８ｍｍ×厚さ１ｍｍの薄板形状のサンプルを作製し、図２に示す金型を用いて、穴開け加工を行った。パンチの直径は３．００ｍｍ、ダイス（ダイ）の内径は３．０４ｍｍ、３．１２ｍｍ、３．２０ｍｍで、クリアランスは２．０％、６．０％、１０．０ ％とした。そして、穴と抜けの観察を行った。その内、抜けの側面における、だれ、せん断面、破断面の長さを計測し、だれ比率、せん断面比率及び破断面比率に換算し、クリアランスの影響をまとめた結果を図３に示す。クリアランスが小さくなると、だれ比率が減少し、せん断面比率が増加し、破断面比率が減少する。この変化の挙動は、フェライト単相組織かフェライト＋パーライト組織か、更には結晶粒径が微細か粗粒かにもよらない傾向である。また、クリアランスが１０％から６％へと小さくなっても、両クリアランス間における差は小さいが、２％まで小さくなると、これらの傾向が大きくなる。引張強さＴＳが同等である０．０１Ｃ微細粒材と０．３Ｃフェライト＋パーライト材を比べた場合、だれ比率は、クリアランスによらず、微細粒材が小さく、だれが抑制されることを示している。クリアランス２％の時のだれ比率は、０．０１Ｃ微細粒材及び０．００２Ｃ微細粒材で、それぞれ１．６％及び２．３％と小さいが、０．０１Ｃ粗粒材では５．６％、そして０．３Ｃフェライト＋パーライト材では４．５％であり、大きくなっている。このように、微細粒はだれ比率を小さくできるとともに、だれの大きさのクリアランス依存性を小さくできる。
そこで、せん断加工により多数ショットの連続精密細穴抜き加工を実施して、オリフィスプレートを製造する場合を考えると、多数ショット間でクリアランスがわずかに変動した場合、微細粒材を使用すればクリアランスの変動に伴うだれの大きさの変動の絶対値が小さい。従って、微細粒材を用いれば細穴の切断輪郭の変動幅も小さくなるので、オリフィスプレートより噴射される流量のばらつきを小さくし、安定化させるのに寄与することがわかる。

本願発明により、噴射される液体の流量ばらつきが小さいオリフィスプレートを製造できる液体噴射用オリフィスプレートの製造方法を提供することができる。

超微細粒材と粗粒材の応力−ひずみ曲線を示すグラフである。 せん断加工試験に用いた金型の模式図である。 だれ、せん断面 破断面の比率に及ぼす組織とクリアランスの影響をまとめた結果である。 実施例１用〜実施例３用の試験材の応力−ひずみ曲線を示すグラフである。 比較例１用の試験材の応力−ひずみ曲線を示すグラフである。 実施例１〜３、比較例１の結晶組織のＥＢＳＰ解析像である。 実施例１〜３及び比較例１におけるプレス穴抜き加工のオリフィスの配置及び加工角度を概略説明する平面図及び側面図である。 （ａ）は、実施例１〜実施例３、及び比較例１における１０,０００ショット目の連続精密細穴抜き加工後におけるオリフィスの入口形状のSEM写真である。（ｂ）は、（ａ）と同一オリフィスを、非接触の３次元測定器で焦点移動法により測定した像である。 実施例１〜３及び比較例１において、９,８８１ショットから１０,０００ショットまでの連続１２０個の穴抜き加工での同一オリフィスポジションで、突発的に入口形状が変化したオリフィスの数を示すグラフである。 実施例２及び比較例１について、９,９９６ショットから１０,０００ショットまでの連続５個の穴抜き加工での同一オリフィスポジションでのオリフィス入口形状を例示するＳＥＭ写真である。 実施例１〜３及び比較例１において、１０,０００ショットの連続穴抜き加工時の穴抜き初期、中期及び終期の２０枚の各オリフィスプレートから噴射された液体の流量とそのばらつき状態を示すグラフである。 一般的に行なわれているパンチとダイによるプレスせん断穴抜き加工方法を説明する模式図である。 金属薄板の打抜きせん断加工面の特徴的形態の概略説明図である。 実施例１〜３用及び比較例１用の試験材についての引張試験片の形状・寸法を示す図である。

１ 中心線
２ オリフィス
２ａ 一定ポジションのオリフィス
３ だれ
４ せん断面
５ 破断面
６ かえり
７ 被加工材
８ ダイ
９ パンチ
１０ 上ダイ（パンチホルダー）
１１ プレス
１２ ひずみゲージ
１３ 被加工材締付けボルト
１４ 荷重
ｔ 板厚
Ｄp パンチ直径
Ｄd ダイ直径
θ 加工角度

本願発明は、液体噴射用オリフィスプレートに関するものであって、結晶粒径が３μｍ以下の微細粒組織を有するステンレス鋼で構成されており、コイル状ステンレス帯鋼に対しせん断加工により穴抜きを行い、その加工によって得られた穴に関するものである。
そして本願発明に係る液体噴射用金属製オリフィスプレートを製造するための被加工材の調製としては、オリフィスプレートの厚さを考慮して適切な厚さのオーステナイト系ステンレス鋼帯に対して、冷間圧延と、当該冷間圧延による加工誘起マルテンサイトを所定％以下となるようにする逆変態熱処理とを繰り返すことにより、所望の厚さとする。この際、逆変態熱処理条件を調整することにより、平均オーステナイト結晶粒径を３μｍ以下に微細化する。更に望ましくは０．５μｍ以下にする。

次に、せん断加工によって打ち抜かれた穴は、図１２に概略を示すような、一般的なパンチ４とダイ５によるプレスせん断穴抜き加工方法で打抜かれた穴とする。特殊な装置を用いることなく、簡単な工程で且つ低コストで製造することができる。なお、図１２中、加工角度θは０〜５０度程度とする。また、オリフィスのアスペクト比（板厚／穴径は板厚／パンチ径で近似する）は特に限定しないが、０．８以下の場合に対しても適用できる。また、板厚が１．２ｍｍ以下、更には０．１ｍｍ以下の極薄オリフィスプレートの場合にも本願発明の効果が発揮される。

以下、実施例を挙げて本願発明の有効性を具体的に説明する。なお、本願発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記発明を実施するための形態に記載の範囲内において、適当に変更を加えて実施することがもちろん可能であり、それらはいずれも本願発明の技術的範囲に包含される。

表１（ａ）に示す化学成分組成を有するＪＩＳ Ｇ ４３０５、板厚３ｍｍ、Ｎｏ．２Ｂ仕上げのＳＵＳ３０４冷間圧延ステンレス鋼帯を５０〜６０％の冷間圧延と、冷間圧延で生じた加工誘起マルテンサイト量がフェライト含有量測定器で５％以下となるような条件での逆変態熱処理を繰り返し、板厚０．１ｍｍに加工した。最終の逆変態熱処理条件（温度、時間）を適宜調整する事で平均オーステナイト結晶粒径の異なる実施例１〜実施例３用試験材を得た。

本実施例の項において述べる比較例１に供する材料は、ＪＩＳＧ ４３１３、１／２Ｈ仕上げのＳＵＳ３０４ばね用ステンレス鋼帯であって、表１（ｂ）の化学成分組成を有する板厚０．１ｍｍで、板幅が２０ｍｍのコイル状の冷延鋼帯である。

（実施例１〜実施例３、比較例１）
上記の通り調製された板厚が０．１ｍｍで長さが約５００ｍのコイル状の薄帯鋼帯からなる実施例１〜実施例３用、及び比較例１用の各試験材を、引張試験、硬さ試験及びＥＢＳＰによる組織観察、並びに精密プレス穴抜き加工試験に供した。
その結果、以降述べるように、実施例１〜実施例３はいずれも本願発明に係る液体噴射用オリフィスプレートの範囲内にあることがわかる。以下、詳述する。

（材質試験方法について）
引張試験では、引張方向が板の圧延方向（Ｌ方向）及び圧延方向に対して直角方向（Ｃ方向）となるように採取した図１４に記載の試験片を引張速度０．５ｍｍ／分で試験し、引張強さ及び全伸びを測定した。硬さ試験では鋼板表面のビッカース硬さを測定した。そして、ＥＢＳＰによる組織観察では、板厚方向中央部におけるＬ方向に平行な断面での平均オーステナイト結晶粒径の測定を行なった。結晶粒径は円換算の直径とした。

（材質試験結果について）
図４に実施例１〜実施例３の試験材の応力−ひずみ曲線を示し、図５に比較例１の試験材の応力−ひずみ曲線を示し、表２に引張強さ及び全伸びを示す。また表２には、各試験材の平均オーステナイト結晶粒径を示し、平均オーステナイト結晶粒径の測定部における結晶組織のＥＢＳＰ解析像を図６に示す。

実施例についてみると、平均オーステナイト結晶粒径は、逆変態条件の調整により、１．５２μｍ以下となっており、特に実施例１では０．４５μｍの超微細粒オーステナイト組織となっている。また、いずれの実施例においても残留マルテンサイトはフェライト含有量測定器で５％以下となっている。そして、０．４５μｍへの超微細粒化により、引張強さは１．２ＧＰａを超える高強度が得られ、これに伴いビッカース硬さ（ＨＶ）も４００まで上昇している。図４から明らかなように、平均結晶粒径が０．４５μｍまで超微細粒化した実施例１では、加工硬化が小さく、降伏後は一様伸びを示さず塑性不安定によるくびれを示した。

これに対して、比較例１では、結晶粒の微細化処理を施していないので、平均オーステナイト結晶粒径は９．１０μｍと粗粒であり、実施例１〜実施例３に比べるとそのいずれよりもはるかに大きいが、１／２Ｈ仕様の冷間圧延を施してあり、引張強さは実施例３の引張強さ（８５８〜８７０ＭＰａ）と同等の水準（８８０〜９１０ＭＰａ）となっている。全伸びは４２．５〜４６．４％と相応の水準にあり、強度−全伸びのバランス状態を微細粒組織鋼である実施例２及び実施例３と比較した場合には、大きな差は見られない。しかしながら、後述するように、精密プレス穴抜き加工試験の結果における「エッジ部」（後述では オリフィスの入り口輪郭）の形成の安定性に関して、実施例１、実施例２及び実施例３は比較例１より優れているという結果が得られている。

（精密プレス穴抜き加工の試験方法について）
前述した実施例１〜実施例３用の試験材、及び比較例１用の試験材について、プレス穴抜き加工試験を次の通り行なった。
板厚０．１ｍｍの試験材を、パンチ径：０．１３７ｍｍφ、ダイ径：０．１４７ｍｍφ、クリアランス：５％（クリアランス量：０．００５ｍｍ）のセンタークリアランスで、加工角度：３３．５度、加工油：植物系プレス加工油を用いてプレス斜め打抜き加工を行なった。そして、オリフィスの形状はストレート抜きとした。
始めに比較例１として、比較例１用の試験材を用いて１０,０００ショットの連続精密細穴抜き加工を実施した。その後パンチのみを交換して、実施例１として、実施例１用の試験材を用いて１０,０００ショットの連続精密細穴抜き加工を実施した。実施例２及び実施例３についても実施例１と同様にパンチのみを交換して１０,０００ショットの連続精密細穴抜き加工を実施した。ここで、加工されたオリフィスは、板厚０．１ｍｍの板１枚に対して図７に示すように、その中心線１の左右両側に対称に計１２穴を、同図に示すように中心線１に関して対称にそれぞれ外側に傾けて、３３．５度の角度で打抜かれたものである。

（細穴の形状及び打抜き加工面状態の測定方法について）
穴抜き加工後のオリフィスについて、その入口形状をＳＥＭで観察した。またその入口形状を非接触の３次元測定器（Ａｌｉｃｏｎａ社製 ＩＦ−２０００）を用い、焦点移動法により等高線像を測定した。

１．オリフィスの切断輪郭とだれの安定性に関する結果
（１−１）１０,０００ショット目の穴抜き加工後における結果
１０,０００ショット目の穴抜き加工をした後のオリフィスの入口形状に関しては次の通りである。
オリフィスの入口の輪郭形状については、比較例１においては、穴の周りに不均一な箇所が見られたが、実施例１〜３にはそれは見られなかった。即ち、オリフィスの輪郭形状が実施例１〜３の方が滑らかな曲線を呈していた。図８（ａ）に、実施例１〜実施例３、及び比較例１のそれぞれにおける１０,０００ショット目の連続精密細穴抜き加工後における板のオリフィスポジションが２ａ（図７中の符号２ａのオリフィスを指す）であるオリフィスのＳＥＭ写真による入口形状を例示する。また、図８（ｂ）には、実施例１〜３及び比較例１の当該ＳＥＭ写真と同一オリフィスを、非接触の３次元測定器で焦点移動法により測定した像を例示する。これによれば、実施例１〜３の方が比較例１よりも等高線に均一性が保たれており望ましく、しかも平均結晶粒径が小さくなるにつれて、等高線の均一性が保たれ、平均結晶粒径が０．４５μｍと最も小さい実施例１は極めて望ましい。即ち、板材料の平均結晶粒径が微細化するほど、切り口輪郭が滑らかになる優れたオリフィスが得られている。

（１−２）１０,０００ショット目に隣接する直近１２０ショットの連続穴抜き加工間の安定性結果
実施例１〜３、及び比較例１のそれぞれおいて、９,８８１ショット目から１０,０００ショット目までの連続１２０ショットの穴抜き加工で得られた１２０箇所のオリフィスについて、オリフィスポジションが２ａ（前記図７中の符号２ａのオリフィスを指す）であるオリフィスの形状をＳＥＭ写真で観察した。観察内容は、連続加工された１２０箇所のオリフィスについて入口形状が突発的に変化しているオリフィスはないかどうかを調査し、突発的に入口輪郭形状が変化しているオリフィスをカウントした。突発的入口輪郭形状変化の判定基準は、５０倍の顕微鏡検査によって、官能的に輪郭形状の変形及び膨らみの発生をＸショット目とＸ＋１ショット目を比較し、その変化がある場合にカウントを行った。

図９に、突発的に入口輪郭形状が変化したオリフィスの数を、実施例１〜３、及び比較例１のそれぞれについて示す。なお、図１０には、実施例２及び比較例１について、９,９９６ショット目から１０,０００ショット目までの連続５個の穴抜き加工で得られたポジション２ａのオリフィス入口輪郭形状を例示する。同図において、オリフィスの入口輪郭形状の突発的変化は実施例２では認められないが、比較例１においては、突発的輪郭形状変化が認められる。

上記結果より、比較例１においては、１２０箇所中７４箇所においてオリフィス入口輪郭形状が直前の形状との違いが認められたが、実施例１、２、３においてはそれぞれ１２０箇所中７箇所、１１箇所及び１５箇所となり、オリフィス入口輪郭形状の違い発生の頻度は著しく減少して比較例１の１／１０〜１／５倍程度になっている。このように実施例１〜３においては、連続穴抜き加工にけるオリフィスの入口輪郭形状の安定性が優れている。

次に、実施例１〜３及び比較例１のそれぞれの場合について、上述した１０,０００ショットの連続穴抜き加工を実施して得られたオリフィスプレートの穴抜きはじめ初期の２０枚、５,０００ショット目を中間とした中期の２０枚、及び穴抜き終期の２０枚の各オリフィスプレートを用い、特定時間内に前記図７に示した１２穴のオリフィスプレートから噴射された合計液体流量を測定した。なお、液体の噴射条件は、液体としてドライソルベントを使用し、圧力３００ＫＰａにて測定を行った。

図１１は、１０,０００ショットの連続精密細穴抜き加工を実施したときに、得られたオリフィスの入口輪郭形状が、オリフィスプレートから噴射される液体噴射流量のばらつきに及ぼす影響を表しているものである。

図１１のデータから、実施例１、２及び３のオリフィスプレートを使用した場合の当該オリフィスプレートの各ショット数加工の近隣オリフィスの最大最小値差、差の縮小率及びばらつき（標準偏差）を計算すると表３，４及び５のようになる。

実施例にて確認を行ったいずれのショット数量での状況においても、比較例１と比べ、実施例１、２、及び３のオリフィスプレートを用いた流量の最大最小値差、及びばらつき（標準偏差）が縮小されている。この結果、実施例が示す範囲での流量の公差の縮小が可能となる。また、本オリフィスが連続して複数個配置されているような液体噴射部品については、その複数個間での流量ばらつきが低減されているため、複数個のオリフィスプレートより均等な液体を噴射することが可能となる。例として、実施例の様にオリフィスプレートが２０個並んでいる様な製品に用いた場合、各オリフィスプレートより噴射される流量ばらつきは、実施例1では５０％の削減、実施例３においても少なくとも２５％の削減が可能となる。以上より、この製品に対する流量公差の削減が可能となる。このようなオリフィスを用いることで、それまで噴射部品毎に調整機能部品を付属させ噴射流量のコントロールを行っていた方式から、１つの流量調整機能部品から分配して複数個の噴射体よりばらつきの低減された液体の噴射を行う方法も可能となる。

特開２０００−５１９６４号公報 特開２００７−６１９９２号公報

Claims (4)

1. オーステナイト系ステンレス鋼に対して冷間圧延と逆変態熱処理とを施すことで、結晶粒径を小さくして板厚が１．２ｍｍ以下の板状ステンレス鋼を作製し、該板状ステンレス鋼にパンチ及びダイを用いてオリフィスを形成する、液体噴射用オリフィスプレートの製造方法。
2. 前記板状ステンレス鋼の平均結晶粒径が３μｍ以下となるように前記冷間圧延と前記逆変態熱処理とを繰り返す、請求項１に記載の液体噴射用オリフィスプレートの製造方法。
3. ５０％〜６０％の前記冷間圧延を行うと共に、該冷間圧延で生じた加工誘起マルテンサイト量が５％以下となるように前記逆変態熱処理を行う、請求項１又は２に記載の液体噴射用オリフィスプレートの製造方法。
4. 前記パンチ及びダイを用い、加工角度を０〜５０度程度として前記オリフィスを形成する、請求項１乃至３の何れかに記載の液体噴射用オリフィスプレートの製造方法。