CN1597191A - 粉粒体的成形装置、成形方法、该方法所获得的成形体 - Google Patents

Abstract

本发明的第一目的在于提供一种包括碳刷之外的用途、没有皱纹等发生碳素质材料。本发明的第二目的在于不产生皱纹等、并且上部、下部、芯部的体积密度均匀的碳素质成形体以及制造方法和制造装置。在具有上冲头、下冲头、以及填充碳素质粉末的模具，通过上冲头和/或下冲头的至少其中之一上下移动，对碳素质粉末进行成形的碳素质粉末的成形装置中，在上述上冲头和/或下冲头的至少其中之一上设置有凹部。

Description

粉粒体的成形装置、成形方法、该方法所获得的成形体

技术领域

本发明涉及一种粉粒体的成形装置，采用该成形装置的粉粒体的成形方法，以及由该成形方法所获得的成形体，具体地说，涉及不会发生条纹或皱纹，表面和芯部的成形密度之差小的成形体，用于获得这种成形体的成形装置以及成形方法。

背景技术

例如，以碳素制品为例进行说明。碳素制品具有优良的耐热性、耐腐蚀性、导热性、导电性、自润滑性等，广泛地应用于冶金、放电加工、半导体、原子力、滑动等产业中。其中，利用滑动性、自润滑性的电气、机械用刷应用于各种领域中。

以下，将电气、机械用刷作为具体例子加以说明。电气、机械用刷是在石油类或煤类的焦炭、碳黑(烟煤)、天然石墨等原料中配合成为粘合剂的焦油、沥青等，进行搅拌、再粉碎、成形、烧成，根据需要而石墨化的电气石墨质刷或碳素石墨质刷，或者是在以天然石墨为主的原料中混合铜、银等金属，并经成形、烧结后的金属石墨质刷，或者在天然石墨中配合酚醛树脂等粘合剂，进行搅拌、再粉碎、成形、固化的树脂结合质的刷。这些电气、机械用刷(以下，将上述刷总称为碳刷)通常是用于直流机、轧机、励磁机、车辆、叉式起重机、感应电动机、同步电动机、三相整流机、集电件、家庭电器、电动工具等用途。

在制造碳刷的情况下，根据刷的尺寸分成大型刷、小型刷(以下称为批量刷)制作。在大型刷的情况下，对上述的成形用粉粒体进行模压，首先通过等压加压等成形方法成形出大的块状的成形体，从该成形体切出所希望的刷料。

在制造批量刷的情况下，预先准备超硬度在多处与刷尺寸匹配的、实施了中空处理的模具，在该模具中填充粉粒体，通过上冲头和下冲头进行加压成形(自动成形)，制造出刷料(参照图5至图7)。图中，箭头表示加压方向，涂黑的部分表示成形用的粉粒体以及成形体。

但是，即使在制造大型刷、批量刷的任一种的情况下，均存在刷料的表面上产生皱纹或条纹的情况。

当在刷料上产生皱纹或条纹时，不仅因外观不良而在外观检查中不合格，而且在极端的情况下，将在之后的固化、烧成、石墨化等热处理时，皱纹或条纹发展成皴裂(以下，具有称为裂缝的情况)。即使在假如不产生裂缝等的情况下，上部和下部、芯部中的体积密度也不均匀，强度低，不适宜用作碳刷。体积密度不均匀的碳刷与上部、下部、芯部的体积密度均匀的碳刷相比容易产生磨损，具有整流性能差、刷的寿命短的缺点。

因此，本发明的目的在于提供一种包括碳素材料之外的材料、在成形体的表面上不产生皱纹或条纹、而且上部、下部、芯部的体积密度均匀的成形体，其制造装置以及其制造方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明者们调查了产生皱纹或条纹的原因，查明了皱纹或条纹是在粉粒体的成形时、换言之是在加压成形时产生的。

另外，在对成形工序进行详细调查时，发现填充到模具中的成形用粉粒体含有空气，当该空气的排除不充分时，则产生皱纹或条纹。而且，还判明了所获得的成形体的体积密度也低(称为低体积密度产品)，并且成形体的芯部、上部、下部的体积密度的离散大。

而且，在例如由模压成形等方式成形粉粒体的情况下，成形用粉粒体因成形用粉粒体中含有的结合剂充分而固着在填充用容器上而成为固着物(以下也称为溢料)。当不能够充分地除去这些溢料时，其后的所有成形品上均受溢料的影响而成为皱纹或条纹。

因此，本发明者们对获得没有上述的皱纹或条纹，而且具有均匀的体积密度的成形体进行了锐意研究，其结果发现在冲头和/或模具上设置成形时空气逃逸的部分，可防止成形品的皱纹或条纹，从而完成了本发明。

即，本发明的技术方案1是一种具有对填充粉粒体的模具和粉粒体进行加压的冲头，通过上述冲头对填充到模具中的粉粒体进行加压成形的粉粒体的成形装置，其中，在上述模具和/或冲头的至少其中之一上形成有凹部。

对技术方案1进一步加以说明。首先，关于供成形的粉粒体，可例示出从碳素粉末(结晶化不太发达的非晶质碳素、例如玻璃状碳素)、天然石墨粉末、人造石墨粉末(フラ-レン(包括金属内包フラ-レン)、碳纳米管、膨胀石墨、热分解碳素等结晶化发达的石墨)，碳素纤维，石墨纤维，金属粉末，合金粉末，金属纤维，合金纤维，陶瓷粉末，陶瓷纤维，有机高分子，无机高分子，有机纤维，无机纤维等中选择出的至少一种或者两种以上组合的材料，对于粒子的大小、纤维的长度等没有特别的限制。

以下，对技术方案1的成形装置加以说明。图1表示技术方案1的粉粒体成形装置的纵剖视图。成形装置具有从上至下地对粉粒体14进行加压的冲头11，和加工成制品形状、可填充粉粒体的模具12。在冲头11的前端部分(与粉粒体14接触的一侧)上，能够排除粉粒体14成形时的空气地设置有凹部13。通过在冲头上设置凹部13，能够将对粉粒体进行加压成形时的空气带到凹部13，在冲头11返回到原来位置时将带入到凹部13中的空气排除到成形装置之外。其结果，由于充分地进行了空气的排除，所以不仅成形体的成形密度提高，而且能够使粉粒体的上部、下部、芯部中的成形密度也均匀化。凹部的形状没有特别的限制，可例示出圆形、椭圆形、三角形、四边形等的凹部形状。

本发明的技术方案2的主旨是冲头由上冲头和下冲头构成的粉粒体的成形装置。图2表示技术方案2的示意图。是一种具有从上至下进行加压的上冲头21，从下至上进行加压的下冲头23，以及模具22的粉粒体的成形装置。图2为在下冲头23的前端部分上设置了四边形的凹部25的附图。由于是用上冲头21和下冲头23对粉粒体进行压缩，所以能够充分地排除空气，从而在从一个方向进行加压的情况下也能够提高成形密度，并且使成形体的上部、下部、芯部上的成形密度均匀化。而且由于在成形体中几乎没有残存的空气，所以在成形后的成形体上也不会产生成形裂缝(裂纹)。凹部25可设置在上冲头21、下冲头23、模具22的至少一个上。例如，也可以设置在上冲头21和下冲头23双方上。而且，也可以在模具22的一部分(不与粉粒体接触的部分)上形成凹部。也就是说，具有排除粉粒体中的空气的技术思想的结构均属于本发明的范畴。凹部的形状没有特别的限制，可例示出圆形、椭圆形、三角形、四边形等的凹部形状。

本发明的技术方案3的主旨是形成了凹部的冲头。技术方案3是为了将空气从粉粒体排除的目的而在冲头上形成凹部的技术方案。凹部的形状没有特别的限制，可例示出圆形、椭圆形、三角形、四边形等的凹部形状。通过采用本技术方案的冲头成形粉粒体，可充分排除包含在粉粒体中的空气，成形品的成形密度也得以提高，而且可使成形品的上部、下部、芯部上的成形密度均匀化。由于在成形体中几乎没有残存的空气，所以不仅不会产生皱纹或条纹，而且成形后的成形品上也不会产生裂缝(裂纹)。

本发明的技术方案4的主旨是凹部为槽的粉粒体成形装置用冲头。技术方案4是为了将空气顺利地从粉粒体中排除的目的而形成槽的技术方案。即，即使在成形中也能够不断地除去空气。因此，成形密度得以提高，而且可使成形品的上部、下部、芯部上的成形密度均匀化。由于成形体中几乎没有残存的空气，所以不会在成形品上产生皱纹或条纹、裂缝。槽的形状没有特别的限制，可列举出U字形、半圆形、V字形、方形(平底的形状)等槽。图3为组装了技术方案2的下冲头33的成形装置的示意图。

本发明的技术方案5的主旨是槽相对加压方向具有倾斜的冲头。技术方案5由于为了排除朝向粉粒体的气体的目的而形成有槽，所以能够顺利地除去空气。由于在成形体中几乎没有残存的空气，所以成形密度得以提高，而且可使成形品的上部、下部、芯部上的成形密度均匀化，并能够同时防止产生皱纹或条纹。而且，在成形后的成形体上几乎不产生成形裂缝(裂纹)。而且由于槽是相对成形方向具有倾斜地设置的，所以不仅能够将空气排除到成形装置之外，还可以通过槽的部分将固着在模具成形面上的粉粒体的固着物除去。即，虽然加压方向始终为固定的方向(上下方向)，但通过由具有倾斜的槽施加与加压方向不同方向的力而除去固着物。因此，模具的成形面始终保持清洁。槽的相对于加压方向的倾斜角度优选为1～30°，槽的相对于加压方向的倾斜角度小于1°则没有上述的效果，不能够除去固着物。而槽的相对于加压方向的倾斜角度超过30°时，由于仍然难以除去模具内表面的附着物，所以是不希望的。槽的相对于加压成形方向的倾斜角度更优选地为5～20°。另外，通过调节槽的长度，即使是正在对粉粒体进行加压成形中，也能够将空气排除到外部。另外，形成槽的冲头不必仅是下冲头，在上冲头上设置带倾斜的槽也可以。还可以是上冲头和下冲头双方上均形成有槽。槽的形状没有特别的限制，可例示出U字形、半圆形、V字形、方形(平底形状)等的槽。图4为组装了该技术方案的下冲头43的成形装置的示意图。

本发明的技术方案6的主旨是在与冲头的接触面上形成有凹部的粉粒体成形装置用模具。技术方案6是为了将空气从粉粒体中排除的目的而形成凹部的技术方案。凹部的形状没有特别的限制，可列举出圆形、椭圆形、三角形、四边形等的凹部形状。通过采用这种模具成形粉粒体，由于可充分地将粉粒体中含有的空气排除到成形装置之外，所以成形密度得以通过，而且可使成形品的上部、下部、芯部上的成形密度均匀化。由于成形体中几乎没有残存的空气，所以不会在成形后的成形品上产生条纹或皱纹、成形裂缝(裂纹)。

本发明的技术方案7的主旨是凹部为槽的模具。技术方案7是为了顺利地将空气从粉粒体中排除的目的而形成有槽的技术方案。因此，通过采用这种模具成形粉粒体，成形品的成形密度得以通过，而且可使成形品的上部、下部、芯部上的成形密度均匀化。由于成形体中几乎没有残存的空气，所以不仅不会产生皱纹或条纹，而且不会在成形后的成形品上产生成形裂缝(裂纹)。槽的形状没有特别的限制，可列举出U字形、半圆形、V字形、方形(平底形状)等的槽。

本发明的技术方案8的主旨是在用冲头对模具内的粉粒体进行成形时，沿着远离与该冲头抵接的端面的方向形成侧面退刀槽，并在靠近端面的部分的侧面上设置槽部，对该成形用粉粒体进行成形。即，通过尽量减少从填充粉粒体到成形结束的期间带入的空气而进行成形，不仅可防止在成形品上产生皱纹或条纹、成形裂缝(裂纹)，而且能够提高所获得的碳素质成形体的成形密度，并且能够减小成形体的芯部和上部、下部上的成形密度之差，使成形密度均匀化。

本发明的减少方案9的主旨是成形出成形品的表面的体积密度除以芯部的体积密度的值为1.00～1.02，并且在表面上没有条纹或皱纹的成形体。根据上述的粉粒体的成形装置以及成形方法能够使成形体上的芯部的成形密度和表面的成形密度的差为1.00～1.02，同时能够成为在表面上不产生皱纹或条纹的成形体。特别是能够防止0.5mm以上宽度的条纹。

在本发明中，由于通过在上冲头、模具、下冲头的至少其中之一上形成凹部、槽，能够充分地除去包含在粉粒体(填充粉)中的空气，所以可使所获得的成形品中芯部的成形密度和表面的成形密度大致均匀。而且，在成形品上不产生皱纹或条纹、成形裂缝(裂纹)。另外，由于在上冲头、模具、下冲头的至少其中之一上形成有相对加压成形方向具有倾斜的凹部、槽，所以不仅能够将空气排除到加压成形装置之外，而且能够通过槽的部分将固着在模具侧面上的粉粒体的固着物除去，从而始终保持模具内表面的清洁。

在本发明中，由于采用了在上冲头、模具、下冲头的至少其中之一上形成了凹部(槽)的加压成形装置，所以具有不会在碳刷坯料(碳素质基材)上产生皱纹或条纹，成形密度均匀，模具成形面上没有附着物的效果。这不仅在碳素质粉末的成形中，而且在其他例如金属或陶瓷等粉粒体的成形中也适用，对产业的影响非常大。

附图说明

图1为用冲头从上至下地对模具内的粉粒体进行成形时的截面示意图。

图2为在下冲头上设置了凹部的本发明的碳素质成形体的制造装置的示意图。

图3为在下冲头上设置了槽的本发明的碳素质成形体的制造装置的示意图。

图4为在下冲头上设置了相对加压成形方向具有倾斜的槽的碳素质成形体的制造装置的示意图。

图5为表示将碳刷成形用粉末填充到自动加压成形装置中的状态的附图。

图6为表示对碳刷成形用粉末进行自动加压成形的状态的示意图。

图7为表示对碳刷成形用粉末进行的自动加压成形结束所获得的成形品的状态的示意图。

图8为本发明的无条纹的树脂结合质刷的示意图。

图9为比较例制造的具有条纹的树脂结合质刷的示意图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式加以说明。

(1)粉粒体的调制：在100重量部的平均粒子直径为40μm的人造石墨粉末中添加热固化性树脂和25重量部的固化剂，将搅拌后的搅拌物粉碎成平均粒子直径为200μm，准备了树脂结合质碳刷成形用粉末。将该成形用粉末投入到料斗中。

(2)粉粒体的成形装置的制作

(2-1)下冲头的制作：制作出在长度为30mm、宽度为6.5mm、高度为91mm的下冲头的上部两面上设置了与加压成形方向具有10°的角度，宽度为1mm、宽度和宽度之间(间距)为1.2mm、长度为15mm、槽的深度为0.1mm的U字形槽的超硬制的下冲头。另外，制作出高度为56mm、长度和宽度的尺寸与下冲头相同的上冲头。

(2-2)模具的制作：准备直径为200mm、厚度为70mm的超硬制的模具，并准备了在该模具上四个位置设置了形状与下冲头的加压成形面相同的通孔(30mm×6.5mm)的模具。

(2-3)将上述上冲头、模具、和下冲头安装在自动粉末加压成形装置中，制造出成形品。

(3)将在上述(1)中调制的树脂结合质碳刷成形用粉末从料斗填充到模具中，使上冲头和下冲头上下移动，对四个树脂结合质碳刷坯料(尺寸：6.5mm×11mm×30mm)进行一次加压成形。另外，预先调整下冲头的位置，将成形品推到工作台上。工作台上的成形品由未图示的运送器具运送到其他的场所。在本实施方式中，虽然对能够连续加压成形的装置进行了说明，但本发明也可以适用于非连续式(间歇式)的加压成形装置。而且，虽然在该实施方式例示出仅在下冲头上形成槽的情况，但当然也可以在模具上形成上述的槽。另外，本发明虽然是对纵型的自动成形装置进行了描述，但本发明的技术思想当然也能够适用于横型的自动成形装置。

实施例

以下，基于实施例对本发明进行具体说明，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1

在100重量部的平均粒子直径为40μm的人造石墨粉末中添加25重量部的热固化性树脂，将搅拌后的搅拌物粉碎成平均粒子直径为200μm，准备出树脂结合质碳刷成形用的粉粒体。由具体实施方式中所说明的连续式自动粉末加压成形装置一次成形出四个这种碳素质成形用粉粒体。

实施例2

制作出不仅下冲头上、而且上冲头上也形成了上述的U字形槽的连续式自动粉末加压成形装置，一次成形出四个实施例1中使用的树脂结合质碳刷用粉末。

比较例1

采用上冲头、模具、下冲头上均未形成槽的连续式自动粉末加压成形装置，一次成形出四个实施例1中使用的树脂类碳刷用粉末。

通过目视确认实施例1、实施例2、比较例所获得的树脂结合质碳刷坯料(各四个)的外观(皱纹或条纹的产生状况)。而且，求出了成形品芯部的成形密度、上部、下部的成形密度(各四个的平均值)。另外，调查了在模具的成形面上是否有固着物。其结果汇总表示在表1中。

表1

	碳刷坯料成形密度(g/cm3)			模具的表面状态	碳刷坯料的外观(皱纹、条纹的产生)
						上部	下部	芯部
	实施例1	1.8	1.8						1.8	无附着物	无
实施例2				1.8	1.8	1.8	无附着物	无
	比较例	1.82	1.8						1.78	无附着物	在刷料上产生裂缝

从表1可知，采用在下冲头或上冲头上形成了槽的加压成形装置成形出碳素质粉末的实施例1、实施例2的树脂结合质碳刷坯料未产生皱纹或条纹，碳刷坯料的上部、下部、芯部处的成形密度均匀而离散小，并且模具的成形面上没有附着物。另一方面，可知比较例的碳刷坯料在碳刷基材上产生了约0.5mm宽度的皱纹等。而且，可知采用组装了不带槽的上冲头、模具、下冲头的成形装置成形出的树脂结合质碳刷坯料的上部、下部、芯部处的成形密度不均匀而离散大。而且，在模具的成形面上也附着了一些约0.3mm～0.5mm程度的附着物。另外，实施例1和比较例1中获得的碳刷坯料的示意图示于图8、图9中。

从以上可判断出通过采用本发明的制造装置，未产生皱纹或条纹，碳刷坯料的成形密度均匀，在模具成形面上也没有附着物，优与比较例。

Claims (9)

1.一种粉粒体的成形装置，具有对填充粉粒体的模具和粉粒体进行均匀的冲头，通过上述冲头对填充到模具中的粉粒体进行加压成形，其特征是，

在上述模具和/或冲头的至少其中之一上形成有凹部。

2.如权利要求1所述的粉粒体的成形装置，其特征是，上述冲头由上冲头和下冲头构成。

3.一种用于粉粒体的成形装置中的冲头，是权利要求1或2所述的粉粒体的成形装置中的冲头，其特征是，形成有凹部。

4.如权利要求3所述的用于粉粒体成形装置中的冲头，其特征是，上述凹部为槽。

5.如权利要求4所述的冲头，其特征是，上述槽相对加压方向具有倾斜。

6.一种用于粉粒体成形装置中的模具，是权利要求1所述的粉粒体的成形装置中的模具，其特征是，在与冲头的接触面上形成有凹部。

7.如权利要求6所述的模具，其特征是，上述凹部为槽。

8.一种粉粒体的成形方法，在用冲头对模具内的粉粒体进行成形时，沿着远离与该冲头抵接的端面的方向形成侧面退刀槽，并在靠近端面的部分的侧面上设置槽部，对该成形用粉粒体进行成形。

9.一种成形体，其特征是，表面的成形密度除以芯部的成形密度的值为1.00～1.02，并且在表面上没有条纹或皱纹。

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