专利名称：用于制造液体喷射头的冲模的制造方法和用于其的材料块的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制造液体喷射头的冲模的制造方法和该方法中所使用的材料块。
背景技术：
用于从喷嘴口以液滴形式喷射受压液体的液体喷射头是已知的，并且用于各种液体。其中的一个典型示例是喷墨记录头(例如，参考日本专利公布No.2000-263799A)。下面将描述喷墨记录头作为传统技术的示例。
喷墨记录头(以后称为“记录头”)设置有多个分别对应于各个喷嘴口的流动通道。每一个流动通道从墨水储存室出发，通过压力产生腔，并到达喷嘴口。为了满足缩小尺寸的要求，压力产生腔需要以对应于记录密度的精细间距来形成。因此，用于分隔相邻压力产生腔的每一个分隔壁变得非常薄。为了高效地利用各个压力产生腔内的墨水压力来喷射墨滴，用于连通压力产生腔和墨水储存室的墨水供应流动通道宽度比压力产生腔的宽度窄。为了以高尺寸精度形成这些细微的压力产生腔和墨水供应孔，传统记录头令人满意地使用镍基材。就是说，通过使用(多个)冲模对镍基材进行塑性加工来形成压力产生腔等。
顺便地，对于用于形成传统记录头的压力产生腔等的冲模，以逐一依次地切割出冲模的方式，从厚的冲模材料切割出大量的冲模，使得多个从其切割出冲模的空白空间被排列以在冲模材料中形成多个阵列。
在空白空间必须被排列以形成多个阵列的情况下，冲模材料需要在横向和纵向上(高度沿材料的厚度方向)都很大，因此难以在整个冲模材料中形成例如马氏体金属结构(适合于冲模)。这是因为在大的冲模材料的情况下，热精制工艺中的冷却速率在材料中不是均匀的，结果在单个冲模材料中形成多个正常地形成马氏体的部分以及多个马氏体和过量残余奥氏体共存的部分。因为这种金属结构分布的不均一，所以当如上所述地切割冲模时，这些冲模包括高硬度和耐久性的冲模以及不具有这样的质量的冲模。这样，所得的冲模质量不均匀。
发明内容
考虑到上述情况作出了本发明，并且本发明的主要目的是使得冲模之间与耐久性相关的质量均一，并且大大提高耐久性水平。
为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种制造用于制造液体喷射头的冲模的方法，所述液体喷射头包括金属腔形成板，多个用作压力产生腔的狭长凹槽被排列在所述金属腔形成板中；密封板，所述密封板接合到所述腔形成板以密封所述压力产生腔；多个压力产生元件，其中的每一个可用于对容纳在所述压力产生腔之一中的液体施压；以及喷嘴板，所述喷嘴板形成有其中每一个与所述压力产生腔之一连通的喷嘴口，并且所述喷嘴板被接合到所述腔形成板，所述方法的特征在于用于所述冲模的材料是具有平坦端面的金属材料块；所述材料块具有横向方向、纵向方向和高度方向，选择所述横向方向、纵向方向和高度方向使得可以从所述材料块切割出沿所述横向方向和纵向方向排列的所述冲模；以及使所述冲模中的每一个的将成为加工构件的部分和所述平坦端面之间的距离均一。
就是说，用于所述冲模的材料是具有平坦端面的金属材料块。所述材料块具有横向方向、纵向方向和高度方向，选择所述横向方向、纵向方向和高度方向使得可以从所述材料块切割出沿所述横向方向和纵向方向排列的冲模。使每一个冲模中将成为加工构件的部分和所述平坦端面之间的距离均一。
利用此构造，材料块可以经过如下的热精制，在所述热精制中，使未来加工构件的冷却速率尽可能均一。结果，可以使得金属结构的不均一性达到基本不会发生问题的程度，并且最适合于增大冲模耐久性等的金属结构可以被均一地分布在加工构件中。因此，可以给予从材料块切割出的制造冲模足够的耐久性，以承受在塑性加工时施加在加工构件上的物理载荷。
在本发明的制造方法中，当在将成为加工构件的部分靠近且平行于端面的状态下，从材料块切割出多个制造冲模时，在端面附近已经以高冷却速率被热精制的材料区域变成了诸如具有马氏体结构的更硬的材料，并且被用于形成加工构件。这使得可以使将在塑性加工时承受最大物理载荷的部分强度最高。
在本发明的制造方法中，材料块的将成为加工构件的材料被布置成大致平行于端面，并且通过预先使材料块经过热精制而被转变成具有适合于加工构件的功能的金属结构。通过热精制增强的平行于端面的材料成为均匀的高强度材料区域。由具有这样的性质的材料区域形成的加工构件的金属结构在塑性加工时表现出其最高强度，并且大大增加了制造冲模的耐久性。
在本发明的制造方法中，当在每一个制造冲模中沿横向和纵向中的每一个布置仅仅一个加工构件阵列时，从整体上金属结构大致均一的材料块切割出制造冲模阵列。因此，每一个制造冲模的金属结构分布是优异的，就是说，不均一性低，并且加工构件可以形成为具有最佳的金属结构。
在本发明的制造方法中，当由上述的垂直线和水平线所限定的制造冲模的顶面和底面由材料块的顶面和底面的一部分制成时，每一个制造冲模的顶面和底面可以从在材料块被切割出时的顶面和底面直接获得。这使得不必进行对每一个制造冲模的外形进行精制加工。即使在对每一个制造冲模的外形进行精制加工的情况下，也可以使精制余量非常小，这对于减小浪费材料的量和加工步骤的数量是有效的。此外，因为在材料块的高度方向上仅仅切割出一个冲模，所以切割出的冲模之间的结构不均一性低，因此其机械特性均一。
在本发明的制造方法中，当材料块是通过将金属粉末经过热等压烧结而形成，即金属粉末整体在以等压方式受压的同时被烧结时，材料块以高密度均匀固化，这对于制造高强度的制造冲模是有效的。此外，因为这样得到的材料块的结构是密集均一的，所以可以使加工构件强度均一，这对于例如用于形成喷墨头的压力产生腔的高精细塑性加工是有利的。
在本发明的制造方法中，当上述的金属粉末是氮化特种钢时，整个材料块由氮化特种钢的金属粉末制成，材料块和制造冲模中的每一个在氮密度上基本没有梯度，并且表现出均一的机械性能。因此，可以使加工构件的强度均一，这对于例如用于形成喷墨头的压力产生腔的高精细塑性加工是有利的。
在本发明的制造方法中，当上述金属粉末是氮化高速工具钢时，加入了更不易咬死且耐切削性优异的氮化高速工具钢在强度、耐磨性等方面中的优点。因此，制造冲模的耐久性等被进一步增大。而且可以防止如下问题，即在加工构件中早期发生磨损、裂纹等，而降低了通过加工所制造的喷墨头的形状精度或者需要在早期更换冲模。
在本发明的制造方法中，当材料块中的至少材料的主要金属结构是马氏体，并且残余奥氏体的量就容量比而言为2％或更少时，可以使得在几乎整个材料块中淬火的冷却速率均一，并且使用这样的材料块允许材料的主要金属结构被制成马氏体结构，并同时允许使得残余奥氏体的量就容量比而言为2％或者更少。这使得可以明显增大制造冲模的使用的耐久性。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种用于制造液体喷射头的冲模的材料块，所述液体喷射头包括金属腔形成板，多个用作压力产生腔的狭长凹槽被排列在所述金属腔形成板中；密封板，所述密封板接合到所述腔形成板以密封所述压力产生腔；多个压力产生元件，其中的每一个可用于对容纳在所述压力产生腔之一中的液体施压；以及喷嘴板，所述喷嘴板形成有其中每一个与所述压力产生腔之一连通的喷嘴口，并且所述喷嘴板被接合到所述腔形成板，所述材料块的特征在于用于所述冲模的材料是具有平坦端面的金属材料块；
所述材料块具有横向方向、纵向方向和高度方向，选择所述横向方向、纵向方向和高度方向使得可以从所述材料块切割出沿所述横向方向和纵向方向排列的所述冲模；以及所述冲模中将成为加工构件的部分大致平行于所述端面布置。
就是说，用于所述冲模的材料是具有平坦端面的金属材料块。所述材料块具有横向方向、纵向方向和高度方向，选择所述横向方向、纵向方向和高度方向使得可以从所述材料块切割出沿所述横向方向和纵向方向排列的冲模。使每一个冲模中将成为加工构件的部分和所述平坦端面之间的距离均一。
利用此构造，材料块可以经过如下的热精制，在所述热精制中，使未来加工构件的冷却速率尽可能均一。结果，可以使得金属结构的不均一性达到基本不会发生问题的程度，并且最适合于增大冲模的耐久性等的金属结构可以被均一地分布在加工构件中。因此，可以给予从材料块切割出的制造冲模足够的耐久性，以承受在塑性加工时施加在加工构件上的物理载荷。
图1是喷墨记录头的剖视图；图2是腔形成板的平面图；图3A是图2中的腔形成板的X部分的放大图；图3B是沿图3A中的线A-A所取的剖视图；图3C是沿图3A中的线B-B所取的剖视图；图4是示出材料板和冲模之间关系的透视图；图5是示出腔形成板受压成形的状态的剖视图；图6是材料块的透视图；图7是母体材料块的透视图；图8是示出如何切割二元制造冲模的平面图；图9是经切割的二元制造冲模的透视图；图10是示出如何从单行材料块取出制造冲模的透视图；
图11是示出材料块和各个制造冲模之间位置关系的剖视图；图12是示出回火温度和硬度之间关系的曲线图；图13是示出硬度测量结果的表；以及图14是示出残余奥氏体量的测量结果的表。
对于附图中所使用的标号，1表示喷墨记录头；2表示罩壳；3表示振动器单元；4表示流动通道单元；5表示连接板；6表示供应针单元；7表示压电振动器阵列；8表示固定板；9表示柔性电缆；10表示压电振动器；11表示控制IC；12表示容纳空间；13表示墨水供应通道；14表示墨水储存室；16表示连接端口；18表示针座；19表示墨水供应针；20表示过滤器；21表示基座；22表示墨水喷射孔；23表示密封件；28表示分隔壁；29表示压力产生腔；30表示腔形成板；31表示喷嘴板；32表示弹性板、密封板；33表示狭长凹槽；33a表示狭长凹槽阵列；34表示连通孔；35表示储存室空间；36表示伪凹槽；37表示第一连通孔；38表示第二连通孔；39表示伪连通孔；40表示第一伪连通孔；41表示第二伪连通孔；42表示支撑板；43表示弹性膜；44表示隔膜部分；45表示墨水供应孔；47表示岛状部分；48表示喷嘴口；51表示阳模、制造冲模；52表示阴模；53表示突起；53a表示末端部分；53b表示间隙；54表示肋；55表示条板、材料板(腔形成板)；56表示材料块；56a表示顶面；56b表示底面；57表示二元制造冲模；57a表示顶面；57b表示底面；58表示母体材料块；60表示分割线；61表示插入孔；62表示叉状部分；63表示分割切缝；64表示末端面；65表示端面；以及66表示材料。
具体实施例方式
以下将参照附图描述本发明的实施例。
在本发明中作为制造对象的液体喷射头诸如是上述的具有能够喷射各种液体的功能的那些。所示出的实施例针对作为这样的液体喷射头的典型示例的喷墨记录头。
图1到图3C示出了使用根据本发明制造的制造冲模所制造的液体喷射头的结构。
如图1所示，记录头1大致由罩壳2、容纳在罩壳2内的振动器单元3、结合到罩壳2前端面的流动通道单元4、布置到罩壳2的与前端面相对的附接面上的连接板5、以及附接到罩壳2的附接面的供应针单元6构成。
每一个振动器单元3大致由压电振动器阵列7、压电振动器阵列7所结合到的固定板8以及用于向压电振动器阵列7提供驱动信号的柔性电缆9。
压电振动器阵列7设有排列为一行的多个压电振动器10。每一个压电振动器10是一种压力产生元件，并且也是一种电气-机械转换元件。
每个压电振动器10的固定端部分结合到固定板8上，使其自由端部分从固定板8的末端面向外突出。就是说，每个压电振动器10以悬臂的方式被固定板8支撑。在各个压电振动器10的自由端部分中，压电体和内电极交替层叠。当在相对的电极之间施加电势差时，压电振动器10在元件纵向上扩张或收缩。
柔性电缆9被电连接到压电振动器10固定端部分的与固定板8相对的侧面中。在柔性电缆9的一面上安装有用于控制压电振动器10的驱动等的控制IC 11。支撑压电振动器10的固定板8是板状构件，其具有足够承受来自压电振动器10的反作用力的刚度，并且优选使用诸如不锈钢板的金属板。
例如，罩壳2是通过成型诸如环氧树脂之类的热固性树脂所形成的块状构件。通过成型热固性树脂来形成罩壳2的原因在于热固性树脂具有高于普通树脂的机械强度，并且其线性膨胀系数小于普通树脂，因此随环境温度变化的变形度更小。罩壳2的内部形成有能够容纳各个振动器单元3的容纳空间12和每个都作为墨水流动通道一部分的墨水供应通道13。
每一个容纳空间12是大到足以容纳振动器单元3的空间。在容纳空间12的前端部分中，内壁部分突出以作为固定板接触面。振动器单元3以各个压电振动器10的末端面出现在容纳空间12的开口中的方式被容纳在容纳空间12中。在此容纳状态下，固定板8的前端面与固定板接触面接触并且被接合到其上。
墨水供应通道13沿着罩壳2的高度方向穿透罩壳2，并且与各个墨水储存室14(将在后面描述)连通。此外，墨水供应通道13的附接面侧端部分别穿过从附接面突起的连接端口16。
连接板5是一布线板，所述布线板上形成有用于来自控制器(没有示出)并将被供应给记录头1的各种信号的电线，并且信号电缆可以连接到的连接器被附接到所述布线板。连接板5被布置在罩壳2的附接面上，并且柔性电缆9的电线通过焊接等与连接板5连接。
供应针单元6是与墨盒(未示出)相连接的单元。供应针单元6大致由针座18、墨水供应针19和过滤器20构成。
每一个墨水供应针19是将被插入到墨盒中并用于引入存储在墨盒中的墨水的部分。墨水供应针19的末端部分锐化成圆锥状以便容易地插入墨盒。末端部分形成有多个用于连通墨水供应针19的内部和外部的墨水引入孔。
针座18是墨水供应针19所附接到的构件。针座18的顶面上形成有墨水供应针19的基部固接到其上的两个基座21。基座21具有与墨水供应针19的底面形状相一致的圆形形状。墨水喷射孔22分别近似形成在基座21的底部中心处，以在针座18的厚度方向上穿透针座18。针座18的凸缘侧向突出。
过滤器20是用来阻止墨水中的诸如灰尘、成型时产生的毛刺之类的异物通过的构件，并且例如是精细网格金属网。过滤器20分别接合到形成于基座21中的过滤器支持槽上。
如图1所示，供应针单元6被布置在罩壳2的附接面上。在供应针单元6如此布置的状态下，供应针单元6的墨水喷射孔22和罩壳2的连接端口16的孔分别通过密封件23以液密方式相互连通。
接着将描述流动通道单元4。流动通道单元4是以如下方式构成的，即喷嘴板31结合到腔形成板30的一个面上，并且作为一种密封板的弹性板32被结合到腔形成板30的另一个面上。
如图2到3C所示，腔形成板30是金属板状构件，此板状构件形成有多组的大量狭长凹槽33，所述凹槽33被排列成彼此平行；分别设置在各个狭长凹槽33中的连通孔34；以及其中形成墨水储存室14的储存室空间35。每一个储存室空间35大致平行于相关狭长凹槽33的排列方向延伸，并且沿腔形成板30的厚度方向穿透腔形成板30。如图2所示，每一个储存室空间35具有沿相关狭长凹槽33的排列方向延伸的长而窄的形状。在此实施例中，腔形成板30是通过对厚度为0.35mm的镍基材进行塑性加工形成的。
腔形成板30可以由除镍之外的其他金属制成，只要其满足关于线性膨胀系数、耐腐蚀性和延展性等等的要求。
如经放大的图3A到图3C所示，用作压力产生腔29的狭长凹槽33是线型沟槽。在此实施例中，180个沟槽沿沟槽宽度方向排列，其中每个沟槽宽约0.1mm，长约1.5mm，深约0.1mm。
每一个狭长凹槽33的底面随着位置更深而宽度减小；就是说，底面呈V形。底面采用V形的原因是增大分隔相邻压力产生腔29的分隔壁28的刚度。即，采用V形的底面增大了分隔壁28底部的厚度，由此增大了分隔壁28的刚度。利用高刚度的分隔壁28，每一个压力产生腔29就更不易受到相邻压力产生腔29中压力变化的影响。就是说，墨水压力变化更不易从相邻的压力产生腔29传递到各个压力产生腔29。此外，采用V形的底面允许通过塑性加工以高尺寸精度形成狭长凹槽33。V形的角度根据加工条件来设定，例如被设定为约90°。因为分隔壁28的顶部非常薄，所以即使密集地形成压力产生腔29，仍能保证所需的容量。
此示例的每一个狭长凹槽33的纵向两端部随着位置更深而倾斜，使其间距减小，即其具有斜切形状。这也是为了通过塑性加工以高尺寸精度形成狭长凹槽33。
相邻于两端的狭长凹槽33中的每一个，形成一个伪凹槽36，此伪凹槽36比狭长凹槽33更宽。伪凹槽36是狭长凹槽，此凹槽用作不用来喷射墨滴的伪压力产生腔。此实施例的每一个伪凹槽36是宽约0.2mm，长约1.5mm，深约0.1mm的沟槽。每一个伪凹槽36的底面呈W形。这也是为了增加分隔壁28的刚度，并为了通过塑性加工以高尺寸精度形成伪凹槽36。
多个狭长凹槽33和一对伪凹槽36构成狭长凹槽阵列33a。在此实施例中，形成两个彼此平行的阵列33a。即，设置两组狭长凹槽阵列33a和储存室空间35。
连通孔34是分别沿着腔形成板30厚度方向从狭长凹槽33的一端穿透腔形成板30的通孔。对各个狭长凹槽33分别形成连通孔34。每一个狭长凹槽阵列33a具有180个连通孔34。此实施例的每一个连通孔34具有矩形的开口，并且由第一连通孔37和第二连通孔38构成，第一连通孔37从狭长凹槽33延伸到腔形成板30厚度方向上的中间位置，第二连通孔38从与狭长凹槽33相反的一面延伸到所述厚度方向上的中间位置。
第一连通孔37和第二连通孔38具有不同的横截面；第二连通孔38的内部尺寸稍小于第一连通孔37的内部尺寸。这是由于通过压制加工来形成连通孔34的结果。更具体地，因为腔形成板30是通过加工厚度为0.35mm的厚镍板形成的，所以即使减去凹槽33的深度，连通孔34也长达0.25mm或更长。因为连通孔34的宽度需要比狭长凹槽33的凹槽宽度小，所以其被设定为小于0.1mm。因此，如果试图通过一次冲程就冲制出连通孔34，则阳模(冲头)会由于深宽比而发生弯折或遇到类似问题。有鉴于此，在此示例中，每一个连通孔34通过两个冲程来形成。通过第一冲程将第一连通孔37形成到厚度方向的中间位置，并且通过第二冲程形成第二连通孔38。后面将描述形成连通孔34的加工工艺。
各个伪凹槽36形成有伪连通孔39。与各个连通孔34相似，每一个伪连通孔39由第一伪连通孔40和第二伪连通孔41构成。第二伪连通孔41的内部尺寸小于第一伪连通孔40的内部尺寸。
在此示例中，连通孔34和伪连通孔39是具有矩形开口的通孔。但是，其可以是例如具有圆形开口的通孔。
接下来，将描述弹性板32。例如，作为一种密封板的弹性板32是通过对双层复合材料(本发明的一种金属材料)进行加工形成的，在此复合材料中弹性膜43被叠放在支撑板42上。在此实施例中，采用不锈钢板作为支撑板42，并采用PPS(聚苯硫醚)膜作为弹性膜43。
如图1所示，隔膜部分44限定出各个压力产生腔29的一部分。即，隔膜部分44封闭狭长凹槽33的开口，并由此与狭长凹槽33一起限定出压力产生腔29。每一个隔膜部分44具有与狭长凹槽33的形状相一致的长而窄的形状，并被分别形成在用于密封狭长凹槽33的各个密封区域中，就是说，对于每个狭长凹槽33分别形成隔膜部分44。更具体地，隔膜部分44的宽度被设定为与狭长凹槽33的沟槽宽度大致相等，并且隔膜部分44的长度被设定为比狭长凹槽33的长度稍短。在此实施例中，隔膜部分44的长度被设定为狭长凹槽33的长度的大约三分之二。对于隔膜部分44的形成位置而言，如图1所示，每一个隔膜部分44的一端与相关狭长凹槽33的相应端(即位于连通孔34这一侧的一端)平齐。
例如通过刻蚀掉支撑板42在与狭长凹槽33对应区域中的环形部分，仅仅在该处留下弹性膜43，来形成每一个隔膜部分44。岛状部分47被形成在环内。岛状部分47是相关的压电振动器10的末端面所结合到的部分。
墨水供应孔45是将压力产生腔29连接到公共墨水池14的孔，并且其沿弹性板32的厚度方向穿透弹性板32。与隔膜部分44相似，墨水供应孔45形成在对应于各个狭长凹槽33的位置处，即对各个狭长凹槽33分别形成有墨水供应孔45。如图1所示，墨水供应孔45被分别形成在对应于狭长凹槽33与连通孔34相反端部的位置上。墨水供应孔45的直径被设定为充分小于狭长凹槽33的沟槽宽度。在此实施例中，墨水供应孔45是直径为23μm的非常窄的通孔。
构成弹性板32的支撑板42和弹性膜43并不限于上述示例中的那些。例如，弹性膜43可以是聚酰亚胺膜。
接下来，将描述喷嘴板31。喷嘴板31是金属板状构件，其上形成有喷嘴口48阵列。在此实施例中，喷嘴板31是不锈钢板，并且以对应于点形成密度的间隔形成有多个喷嘴口48。在此实施例中，形成两个彼此平行的喷嘴阵列，每一个阵列由总共180个喷嘴口48构成。当将喷嘴板31接合到腔形成板30的与弹性板32相反的面时，喷嘴口48与各个连通孔34分别连通。
当弹性板32被接合到腔形成板30的形成有狭长凹槽33的面上时，隔膜部分44封闭狭长凹槽33的开口，并由此限定出压力产生腔29。类似地，伪凹槽36的开口被封闭，并且限定出伪压力产生腔。当喷嘴板31被接合到腔形成板30的另一面上时，喷嘴口48分别与各个连通孔34连通。如果在此状态下，接合到岛状部分47的压电振动器10扩张或者收缩，则弹性膜43的围绕岛状部分47的部分发生变形，并且岛状部分47被推向或者拉离狭长凹槽33。当弹性膜43以此方式变形时，压力产生腔29被扩张或者收缩，由此为压力产生腔29中的墨水提供了压力变化。
如上构造的记录头1具有公共墨水流动通道和个体墨水流动通道，所述公共墨水流动通道分别从墨水供应针19延伸到墨水储存室14，并且每一组个体墨水流动通道分别从相关的墨水储存室14通过压力产生腔29延伸到喷嘴口48。储存在各个墨盒中的墨水经由墨水供应针19被引入公共墨水流动通道，然后被储存在墨水储存室14中。储存在墨水储存室14中的墨水经由个体墨水流动通道被引入到喷嘴口48，然后从喷嘴口48喷出。
例如，当压电振动器10被收缩时，隔膜部分44被拉向振动器单元3，压力产生腔29由此被扩张。由于在压力产生腔29中因为扩张而产生负压，所以墨水从墨水储存室14通过墨水供应孔45流到压力产生腔29。当此后压电振动器10被扩张时，隔膜部分44被推向腔形成板30，压力产生腔29由此被收缩。压力产生腔29中的墨水压力由于压力产生腔29的收缩而增大，由此墨滴从相应的喷嘴口48喷出。
在此记录头1中，压力产生腔29(即狭长凹槽33)的底面以V形凹入。因此，限定相邻压力产生腔29的每一个分隔壁28的底部比其顶部厚。此结构使得分隔壁28的刚度高于传统的情形。因此，即使在喷射墨滴时压力产生腔29内的墨水压力发生变化，此压力变化也更不易被传递到相邻的压力产生腔29。结果，可以防止所谓的串扰并且可以使墨滴喷射稳定。
接着，将描述记录头1的制造方法。在此制造方法中，制造冲模被主要用于对腔形成板30进行塑性加工，下面的描述将集中于使用该制造冲模的腔形成板30制造工艺。腔形成板30是通过使用顺序冲模(progressive die)的锻造形成的。如上所述，作为腔形成板30的材料板的条板由镍制成。
腔形成板30的制造工艺由用于形成狭长凹槽33的工艺和用于形成连通孔34的工艺构成，并且通过安装有顺序冲模的塑性加工压制装置来执行。
用于形成狭长凹槽33的工艺使用如图4和图5所示的阳模51和阴模52。阳模51是用于形成狭长凹槽33的冲模。阳模51上排列有用于形成狭长凹槽33的、且数目与狭长凹槽33的数目相同的突起53。与位于排列方向上两端处的突起53相邻设置有用于形成伪凹槽36的伪突起(未示出)。每一个突起53的末端部分53a逐渐变细成山峰形状。例如如图5所示，每一个突起53被斜切，以与宽度方向上的中心线形成约45°的角度。就是说，由突起53的斜面形成楔形末端部分53a。结果，从长度方向看时每一个突起53锐化成V形。
在阴模52的顶面上形成多个肋54。肋54对于形成其中每一个限定相邻压力产生腔29的分隔壁28是不可缺少的，并且肋54位于与相应的突起53相对的位置。
在用于形成狭长凹槽33的工艺中，如图4所示，首先将作为腔形成板30材料板的条板55放置在阴模52的顶面上，并且阳模51被布置在条板55上方。接着如图5所示，阳模51向下移动，由此将突起53的末端部分53a钻入条板55。在此，因为突起53的末端部分53a锐化成V形，所以末端部分53a可以被可靠地钻入条板55而不会引起突起53的弯曲。
当突起53被钻入时，条板55的多个部分塑性变形以形成狭长凹槽33。因为突起53的末端部分53a锐化成V形，所以即使微小的狭长凹槽33也可以以高尺寸精度形成。就是说，条板55的被末端部分53a施压的部分平滑地塑性变形，由此狭长凹槽33依照突起53的形状被成型。顺便地，被末端部分53a压向旁边而塑性变形的材料进入突起53之间的间隙53b，由此形成分隔壁28。
当被突起53施压时，条板55的多个部分上升到相邻的突起53之间的间隙53b中。顺便地，因为如上所述肋54与相应的突起53相对，所以在突起53和肋54之间的材料受到最强的挤压。结果，使得这样强烈受压的材料的塑性变形正向着间隙53b，由此材料有效地塑性变形到突起53之间的空隙(间隙53b)中，从而可以形成高的分隔壁28。
接着，将参考图6到图12描述根据本发明的制造用于液体喷射头的冲模的制造方法。具有各种形状的冲模被用作用于液体喷射头的制造冲模。下面的描述将针对作为用于形成图4和5所示狭长凹槽33的阳模51的示例性冲模。
如图6所示，材料块56一般呈长方体形状，并且在深度方向上的尺寸为30mm，在宽度方向上的尺寸为100mm，在高度方向上的尺寸为30mm。如图9所示，上述的深度方向、宽度方向和高度方向分别对应于经切割的二元制造冲模57的深度方向、宽度方向和高度方向。通过将金属粉末经过热等压烧结(HIP烧结)制造锭块并随后将该锭块切成多个具有预定尺寸的部分，来形成材料块56。图7示出了如何将已经从锭块切割出的大的母体材料块进一步分成三个材料块56。
在切割工艺(在后面描述)中的切割之后，沿着分隔线60切割具有图9形状的二元制造冲模57，由此得到一组两个阳模51，其中的每一个阳模51如图4所示。在下文中，阳模51将被称为“制造冲模51”。
在切割二元制造冲模57的工艺中，如图8所示进行放电机加工，其中二元制造冲模57的顶面57a和底面57b分别对应于制造块56的顶面56a和底面56b。在图8中，标号61表示插入孔，放电机加工的电线将被插入到所述插入孔中，以沿垂直于图8纸面的方向穿过。通过移动电线，沿着每一个二元制造冲模57的轮廓线切割材料块56。作为沿上述轮廓线切割材料块56的结果，形成了各个制造冲模51的叉状部分62和分割切缝63。在切割工艺之后，在顶面57a和底面57b侧的多余材料通过研磨等被去除。通过在另一个工艺中在每一个叉状部分62的末端面64上形成如图4和图5所示的突起53和间隙53b，来形成加工构件53和53b。每一个制造冲模51的末端面64被制成彼此平齐。加工构件被赋予与突起53和间隙53b相同的标号53和53b，因为突起53和间隙53b进行锻造加工。
如图8所示，材料块56具有平坦端面65，并且端面65和将形成加工构件53和53b的制造冲模51的末端面64之间的距离大致均一。占据将成为加工构件53和53b的末端面64的区域的材料66垂直于图8的纸面并且平行于端面65延伸。材料66即加工构件53和53b的位置靠近端面65，并且平行于端面65延伸。
由加工构件53和53b形成彼此平行的两个狭长凹槽阵列33a(在每一个阵列中，大量的狭长凹槽33被如图4所示地排列)。因此，如图9和10所示，将形成加工构件53和53b的末端面64具有长而窄的形状，并且末端面64的纵向与材料块56的高度方向相同。如上定向的末端面64大致存在于一个假想平面中，该假想平面存在于材料66的区域中。如上所述，该材料66的区域的位置靠近材料块56的端面65。
如图8和10所示，从单个的材料块56仅仅切割出一列的多个二元制造冲模57。
为了使得材料块56的高度尺寸最小化，如图11所示，可以将作为材料块56外表面的顶面56a和底面56b中的一部分制造成各个二元制造冲模57的顶面57a和底面57b。顶面57a和底面57b是由垂直线和水平线(分别沿材料块56的深度方向和宽度方向延伸)所限定的二元制造冲模57的外表面。
接着，将描述材料块56的金属材料的形成和对其进行的诸如淬火/回火的热精制。
材料块56是由通过热等压烧结(HIP烧结)固化金属粉末得到的材料块，并且所使用的金属粉末是作为特种钢的通过氮化高速工具钢所得到的粉末。该金属粉末是高速工具钢的氮化物粉末，Kobe Steel，Ltd.的KHA30N。其具有如下的化学组成(重量％)0.97％的C，4.04％的Cr，6.21％的Mo，6.35％的W，3.58％的V，5.12％的Co，0.62％的N和余量的Fe。锭块通过热烧结上述的高速工具钢的氮化物粉末的整体同时以等压的方式对其施压来生产，并且被切割成垂直长度为30mm、水平长度为100mm并且高度为30mm的长而窄的材料块56。
对每一个材料块56进行真空淬火，在真空淬火中，材料块56在真空下被保持在1180℃下3分钟，然后用空气冷却。随后，通过将材料块56浸没在液氮中来对材料块56进行一次零下处理(深度冷却处理)，由此减小残余奥氏体的量。然后，材料块56经过三次保持在540℃下1.5小时的回火循环。如图8所示，通过放电机加工从得到的材料块56切割出5个制造冲模51。并且通过放电机加工形成加工构件53和53b。如果不需要大规模生产，可以进行盐浴淬火(油冷却)来代替真空淬火。
比较示例1与上述示例的不同仅仅在于材料块的尺寸被改变为150mm(垂直长度)、150mm(水平长度)和30mm(高度)。切割5行制造冲模51，并形成加工构件53和53b。比较示例2与上述示例的不同仅仅在于材料块的尺寸被改变为100mm(垂直长度)、100mm(水平长度)和30mm(高度)。切割3列制造冲模51，并形成加工构件53和53b。
在本发明的上述示例中，当利用各个制造冲模51对材料板55(腔形成板30)进行压制成形时，在1747次压制中，以足够的精度形成了具有正常形状的狭长凹槽33、分隔壁28等。相反，在对比示例1的情形中得到了966次令人满意的结果，在对比示例2中得到了959次令人满意的结果。可以明显看出，就压制次数而言，上述示例提高了约1.8倍。
如图13所示，从上述示例所取的第1、2和3号测试件的五个位置处的硬度值的范围在64.4和65.3(HRC)之间，这对于制造冲模51是令人满意的。如图14所示，即使在最大的情况下，残余奥氏体(γ-Fe)的量也只有1.7％(体积％)，这意味着马氏体(α-Fe)是主要结构。呈微小球形的碳化物M6C和MC对于提高硬度是有效的。
图12示出了淬火温度(℃)、回火温度(℃)和硬度(HRC)之间的关系。在可以获得高回火硬度的520到540℃的回火温度范围中，当淬火温度是1190℃或者更高时，得到最高硬度。但是，在这样的硬度水平下，弯曲强度往往很低。在上述的示例中，通过使用1180℃作为淬火温度，避免了弯曲强度的减小。
在上述示例中，即使淬火温度被设定在1130到1180℃之间的范围中并且回火温度被设定在520到580℃之间的范围中，也可以得到接近上述压制成形次数(1747)的次数。
通过在上述示例中的热精制中进行的零下处理，促进了从残余奥氏体向马氏体的转变。因此，几乎没有从残余奥氏体向马氏体的转变随长时间使用而发生，并可以防止由于这样的转变所导致的材料膨胀。可以获得最好的制造冲模，其中通过精确塑性加工形成的狭长凹槽33等的尺寸几乎不随长时间使用而发生变化。
上述的实施例提供了下面的优点。
材料块56可以经过如下的热精制，在所述热精制中，使未来加工构件53和53b的冷却速率尽可能均一。结果，可以使得金属结构的不均一性达到基本不会发生问题的程度，并且最适合于增大冲模耐久性等的金属结构可以被均一地分布在加工构件53和53b中。因此，可以给予从材料块56切割出的制造冲模51足够的耐久性，以承受在塑性加工时施加在加工构件53和53b上的物理载荷。
在将成为加工构件53和53b的部分靠近且平行于端面65的状态下，从材料块56切割出多个制造冲模51。因此，在端面65附近已经以高冷却速率被热精制的材料区域变成了诸如具有马氏体结构的更硬的材料，并且被用于形成加工构件53和53b。这使得可以将在塑性加工时承受最大物理载荷的部分强度最高。
材料块56的将成为加工构件53和53b的材料66被布置成大致平行于端面65，并且通过预先将材料块56经过热精制而被转变成具有适合于加工构件53和53b的功能的金属结构。通过热精制增强的平行于端面65的材料66成为均匀的高强度材料区域。由具有这样的性质的材料区域形成的加工构件53和53b的金属结构在塑性加工时表现出其最高的强度，并且极大地增加了制造冲模51的耐久性。
因为在每一个制造冲模51中沿横向和纵向中的每一个布置仅仅一个加工构件53和53b阵列，所以从整体上金属结构大致均一的材料块56切割出制造冲模51的一个阵列。因此，每一个制造冲模51的金属结构分布是优异的，就是说，不均一程度低，并且加工构件53和53b可以被形成为具有最佳的金属结构。
在由上述的垂直线和水平线所限定的制造冲模51的顶面57a和底面57b由材料块56的顶面56a和顶面56b的一部分制成的情况下，每一个制造冲模51的顶面57a和底面57b可以从在材料块56被切割出时的顶面56a和底面56b直接获得。这使得不必进行对每一个制造冲模51的外形进行精制加工。即使在对每一个制造冲模51的外形进行精制加工的情况下，可以使得精制余量非常小，这对于减小浪费材料的量和加工步骤的数量是有效的。此外，因为在材料块56的高度方向上只可以切割出一个冲模，所以切割出的冲模51之间的结构不均一性低，因此其机械性能均一。
材料块56是通过将金属粉末经过热等压烧结形成的，就是说，整个金属粉末在以等压方式受压的同时被烧结。因此，材料块56以高密度均匀固化，这对于制造高强度的制造冲模51是有效的。此外，因为这样得到的材料块56的结构是密实和均一的，所以可以使得加工构件53和53b强度均一，这对于例如用于形成喷墨头1的压力产生腔29的高精细塑性加工是有利的。
因为上述金属粉末是氮化特种钢，所以整个材料块56由氮化特种钢的金属粉末制成。材料块56和制造冲模51中的每一个在氮密度上基本没有梯度，并且表现出均一的机械性能。因此，可以使加工构件53和53b的强度均一，这对于例如用于形成喷墨头1的压力产生腔29的高精细塑性加工是有利的。
因为上述金属粉末是氮化高速工具钢，所以加入了更不易咬死且耐切削性优异的氮化高速工具钢在强度、耐磨性等方面中的优点。因此，制造冲模51的耐久性等被进一步增大。而且可以防止如下问题，即在加工构件53和53b中早期发生磨损、裂纹等，而降低了通过加工所制造的喷墨头的形状精度或者需要在早期更换冲模。
材料块56中至少材料66的主要金属结构是马氏体，并且残余奥氏体的量就容量比而言为2％或更少。可以使得在几乎整个材料块56中淬火的冷却速率均一，并且使用这样的材料块56允许材料的主要金属结构被制成马氏体结构，并同时允许使得残余奥氏体的量就容量比而言为2％或者更少。这使得可以明显增大制造冲模51的使用的耐久性。
可以对材料块56进行热精制，在所述热精制中，使得未来加工构件53和53b的冷却速率尽可能均一。结果，可以使得金属结构的不均一性处于基本不会发生问题的水平，并且最适于增大冲模耐久性等的金属结构可以被均一地分布在加工构件53和53b中。因此，可以给予从材料块56切割出的制造冲模51足够的耐久性，以承受在塑性加工时施加在加工构件53和53b上的物理载荷。
上述的实施例涉及喷墨记录装置。但是，作为使用根据本发明的冲模进行制造的对象的液体喷射头不仅仅用于喷墨记录装置的墨水，还可以例如用于喷射胶水、修整材料、导电液体(液体金属)等。此外，虽然上述实施例涉及使用作为一种液体的墨水的喷墨记录头，但是本发明可以被应用于用于喷射液体的一般的液体喷射头，包括用于诸如打印机的图像记录装置的记录头、用于制造液晶显示器等的色彩过滤器的颜料喷射头、用于形成有机EL显示器、FED(场发射显示器)等的电极的电极材料喷射头、以及用于制造生物芯片的生物有机材料喷射头。
虽然参考具体实施例详细描述了本发明，但是本领域的技术人员清楚可以有各种变化和修改，而不偏离本发明的精神和范围。
本申请基于2003年7月3日递交的日本专利申请No.2003-191418，其公开内容通过引用被包含在本文中。
工业实用性如上所述，在根据本发明的用于制造液体喷射头的冲模的制造方法和用于该方法的材料块中，材料块可以经过如下的热精制，在所述热精制中，使未来加工构件的冷却速率尽可能均一。结果，可以使得金属结构的不均一性达到基本不会发生问题的程度，并且最适合于增大冲模的耐久性等的金属结构可以被均一地分布在加工构件中。因此，可以给予从材料块切割出的制造冲模足够的耐久性，以承受在塑性加工时施加在加工构件上的物理载荷。
权利要求
1.一种制造用于制造液体喷射头的冲模的方法，所述液体喷射头包括金属腔形成板，多个用作压力产生腔的狭长凹槽被排列在所述金属腔形成板中；密封板，所述密封板接合到所述腔形成板以密封所述压力产生腔；多个压力产生元件，其中的每一个可用于对容纳在所述压力产生腔之一中的液体施压；以及喷嘴板，所述喷嘴板形成有其中每一个与所述压力产生腔之一连通的喷嘴口，并且所述喷嘴板被接合到所述腔形成板，所述方法的特征在于用于所述冲模的材料是具有平坦端面的金属材料块；所述材料块具有横向方向、纵向方向和高度方向，选择所述横向方向、纵向方向和高度方向使得可以从所述材料块切割出沿所述横向方向和纵向方向排列的所述冲模；以及使所述冲模中的每一个的将成为加工构件的部分和所述平坦端面之间的距离均一。
2.如权利要求1所述的制造方法，其中，在将成为所述加工构件的所述部分布置成靠近并平行于所述端面的状态下从所述材料块切割出所述冲模。
3.如权利要求2所述的制造方法，其中，将成为所述加工构件的所述部分大致平行于所述端面布置，并且通过预先将所述材料块进行热精制而将所述部分转变成具有适于所述加工构件的功能的金属结构。
4.如权利要求1到3中任一项所述的制造方法，其中，在所述冲模的每一个中，沿所述横向方向和纵向方向中的每一个布置所述加工构件的一个阵列。
5.如权利要求1到4中任一项所述的制造方法，其中，由垂直线和水平线限定出的所述制造冲模的顶面和底面由所述材料块的顶面和底面的一部分制成。
6.如权利要求1到5中任一项所述的制造方法，其中，所述材料块通过使金属粉末经过热等压烧结来形成。
7.如权利要求6所述的制造方法，其中，所述金属粉末是氮化特种钢。
8.如权利要求7所述的制造方法，其中，所述金属粉末是氮化高速工具钢。
9.如权利要求3到8中任一项所述的制造方法，其中，至少用于成为所述加工构件的所述部分的主要金属结构是马氏体，并且残余奥氏体的量就其容量比而言为2％或者更少。
10.一种用于制造液体喷射头的冲模的材料块，所述液体喷射头包括金属腔形成板，多个用作压力产生腔的狭长凹槽被排列在所述金属腔形成板中；密封板，所述密封板接合到所述腔形成板以密封所述压力产生腔；多个压力产生元件，其中的每一个可用于对容纳在所述压力产生腔之一中的液体施压；以及喷嘴板，所述喷嘴板形成有其中每一个与所述压力产生腔之一连通的喷嘴口，并且所述喷嘴板被接合到所述腔形成板，所述材料块的特征在于用于所述冲模的材料是具有平坦端面的金属材料块；所述材料块具有横向方向、纵向方向和高度方向，选择所述横向方向、纵向方向和高度方向使得可以从所述材料块切割出沿所述横向方向和纵向方向排列的所述冲模；以及所述冲模中将成为加工构件的部分大致平行于所述端面布置。
全文摘要
一种制造用于制造液体喷射头的冲模的方法以及用于该冲模的材料块，其中使得冲模之间的冲模耐久性均一并大大提高了耐久性水平。制造用于制造液体喷射头的冲模的方法对金属制压力腔形成板(30)进行塑性加工，用作压力产生腔(29)的狭长凹槽(33)形成在该压力腔形成板(30)中。制造冲模(51)的金属材料是具有平坦端面(65)的长方体形材料块(56)。材料块(56)具有纵向、横向和高度尺寸，从其可以切割出沿横向和纵向布置的制造冲模(51)。从材料块(56)切割出制造冲模(51)使得端面(65)和制造冲模(51)的每个加工构件(53、53b)间的距离大致相等。因此，材料块(56)更小，淬火和回火期间的冷却速率相等，并使金属结构稳定。
文档编号B21D37/20GK1812857SQ20048001845
公开日2006年8月2日 申请日期2004年6月30日 优先权日2003年7月3日
发明者高岛永光, 上杉良治 申请人:精工爱普生株式会社