JP2005138139A - 粉末プレス装置と粉末充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 分割したパンチを用いずに、粉末成形体の密度分布を調整可能な技術を提供する。
【解決手段】 粉末プレス装置１０は、成形孔２０ａが上面に開口しているダイ２０と、その成形孔２０ａに挿通されて上部が成形孔２０ａとともに粉末充填用のキャビティ２５を形成するロワーパンチ２２と、粉末５８を収容した状態でダイ上面２０ｂをキャビティ２５上まで移動して開放された底部からキャビティ２５に粉末５８を落下充填する粉箱５２とを備えている。粉箱５２内の所定部位には、粉末の流動を妨げる部材５６が設けられている。ロワーパンチ２２は、粉箱５２からキャビティ２５に粉末５８が充填されて流動妨げ部材５６とロワーパンチ２２との間に粉末５８が介在している状態で、ダイ２０に対して相対的に上昇してキャビティ２５に充填された粉末５８の一部を粉箱５２に戻す。
【選択図】 図５

Description

本発明は、粉末プレス装置と粉末充填方法に関するものである。詳しくは、粉末プレス装置で成形する粉末成形体の密度分布を調整する技術に関するものである。

成形孔が上面に開口しているダイと、その成形孔に挿通されて上部が成形孔とともに粉末充填用のキャビティを形成するロワーパンチと、粉末を収容した状態でダイ上面をキャビティ上までスライドし、開放された底部からキャビティに粉末を落下充填する粉箱とを備えた粉末プレス装置が知られている。キャビティに粉末を充填してから、アッパーパンチが降下してキャビティに充填された粉末をプレス加工し、成形孔とロワーパンチとアッパーパンチの形状に対応した粉末成形体が成形される。
キャビティに充填した粉末をプレス加工して粉末成形体を成形する場合、粉末成形体の密度分布が均一にならないことがある。例えば、キャビティ底部に形成された凸部同士の間隔が狭いと、その部分に粉末が充填されにくい。粉末が充填されにくい部分が存在すると、キャビティの充填密度が均一にならない。その状態のまま粉末をプレス加工すると、粉末成形体の密度分布も均一にならない。
また、粉末成形体の強度や硬さを部分的に大きくしたい等のニーズから、粉末成形体の密度分布を部分的に異ならせたいこともある。
特許文献１には、分割されたパンチがそれぞれ異なるストロークで粉末をプレス加工することにより、粉末成形体の密度分布を調整する技術が記載されている。

特開２０００−２６９０４号公報

上述したように、特許文献１に記載の技術では、分割されたパンチを用いることで粉末成形体の密度分布を調整する。しかしながらパンチを分割すると、パンチの構成が複雑になるし、パンチ同士のかじりが生じることもある。
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、パンチを分割せずに粉末成形体の密度分布を調整可能な技術を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために創作された粉末プレス装置は、成形孔が上面に開口しているダイと、その成形孔に挿通されて上部が成形孔とともに粉末充填用のキャビティを形成するロワーパンチと、粉末を収容した状態でダイ上面をキャビティ上まで移動して開放された底部からキャビティに粉末を落下充填する粉箱とを備えている。粉箱内の所定部位には、粉末の流動を妨げる部材が設けられている。ロワーパンチは、粉箱からキャビティに粉末が充填されて前記流動妨げ部材とロワーパンチとの間に粉末が介在している状態で、ダイに対して相対的に上昇してキャビティに充填された粉末の一部を粉箱に戻す。
このように、ロワーパンチがダイに対して相対的に上昇してキャビティに充填された粉末の一部を粉箱に戻すと、流動妨げ部材とロワーパンチとの間に介在している粉末が圧縮され、その部分の充填密度が調整される。充填密度の高低は、プレス加工後の密度の高低に対応する。例えば、粉末の充填密度が高く調整されている部分は、プレス加工後の密度も高く調整される。よって、上記の粉末プレス装置によれば、粉末成形体の密度分布を調整することができる。

上記の粉末プレス装置において、粉箱は、外箱と、その外箱内に着脱可能に装着されるとともに粉末を収容する内箱とを有しており、前記流動妨げ部材は、内箱に取付けられていることが好ましい。
上記の粉末プレス装置では、外箱内に着脱可能に装着された内箱に流動妨げ部材が取付けられている。このため、内箱を交換することで、流動妨げ部材も交換することができる。また、充填密度を調整しない場合には、内箱を取外すだけでそれに対応できる。

本発明の粉末充填方法は、ダイの上面に開口する成形孔とその成形孔に挿通されたロワーパンチの上部とが形成するキャビティに粉末を充填する方法であり、粉末を収容した粉箱がダイ上面をキャビティ上まで移動して粉箱の開放された底部からキャビティに粉末を落下充填する工程と、粉箱内に設けられた粉末の流動を妨げる部材とロワーパンチとの間に粉末が介在している状態で、ロワーパンチがダイに対して相対的に上昇してキャビティに充填された粉末の一部を粉箱に戻す工程を備えている。
上記の粉末充填方法は、粉箱の開放された底部からキャビティに粉末を落下充填してから、流動妨げ部材とロワーパンチとの間に粉末が介在している状態で、ロワーパンチがダイに対して相対的に上昇してキャビティに充填された粉末の一部を粉箱に戻す。このため、流動妨げ部材とロワーパンチとの間に介在している粉末の充填密度が調整される。粉末の充填密度が調整されると、粉末成形体の密度分布が調整される。

後述する実施例に係る粉末プレス装置１０の主要な特徴を記載する。
（１）粉末プレス装置１０は、成形型部１８と粉末充填部５０を備えている。
（２）成形型部１８は、ダイ２０、ロワーパンチ２２、アッパーパンチ２４等を備えている。ダイ２０には、上下に貫通する成形孔２０ａが形成されている。成形孔２０ａにはロワーパンチ２２が挿通されており、成形孔２０ａとロワーパンチ２２の上部とによって、粉末充填用のキャビティ２５が形成される。アッパーパンチ２４は、ロワーパンチ２２の上方に配置されている。
（３）粉末充填装置５０は、ダイ２０上に装着されており、粉箱５２、粉箱駆動部５１を備えている。粉箱５２は、粉箱本体５７、中子５３、流動妨げ部材５６等を備えている。粉箱本体５７と中子５３は方形枠状に形成されており、粉箱本体５７の内側に中子５３がはまり込んでいる。流動妨げ部材５６は、支持棒５４に支持されて、粉箱５２内に配置されている。
（４）粉箱５２が粉末５８を収容した状態でダイ２０の上面をキャビティ２５上まで移動すると、粉箱５２からキャビティ２５に粉末が落下充填される。
（５）粉箱５２がキャビティ２５上に移動した状態では、流動妨げ部材５６は粉末が充填されにくいロワーパンチ２２の薄肉キャビティ部３４の上方に配置される。
（６）ダイ２０に対してロワーパンチ２２を相対的に上昇させると、キャビティ２５に充填されている粉末５８が粉箱５２に戻される。粉末５８が粉箱５２に戻される過程で、流動妨げ部材５６がその下方に位置している粉末５８の上方への移動を妨げ、薄肉キャビティ部３４の充填密度が高くなる。薄肉キャビティ部３４の充填密度が高くなると、キャビティ２５内の充填密度分布が均一になる。キャビティ２５内の充填密度分布が均一になると、プレス成形後の粉末成形体の密度分布も均一になる。

粉末プレス装置１０について、図面を参照しながら説明する。
図１は、粉末プレス装置１０で成形する粉末成形体１２を例示している。以下においては、この形状の粉末成形体１２を粉末プレス装置１０で成形するものとして説明を進める。粉末成形体１２は、円筒状の外周部１４と、その外周部１４内に設けられた円板部１５を備えている。円板部１５には、中央部に中央孔１５ｂが形成され、その中央孔１５ｂの周りに４つの周囲孔１５ａが形成されている。粉末成形体１２は中間素材であり、焼結されて高強度な焼結体になる。
粉末プレス装置１０は、図５に示されているように、成形型部１８と、粉末充填部５０を備えている。まず、成形型部１８について説明する。図２に示されているように、成形型部１８は、ダイ２０、ロワーパンチ２２、アッパーパンチ２４、ロワーパンチ駆動部２８、アッパーパンチ駆動部３０を有している。ダイ２０には、上下に貫通する成形孔２０ａが形成されている。成形孔２０ａの軸直角方向断面は円形である。この成形孔２０ａにロワーパンチ２２が挿通され、成形孔２０ａとロワーパンチ２２の上部とによって、粉末充填用のキャビティ２５が形成される。アッパーパンチ２４は、ロワーパンチ２２の上方に配置されている。ロワーパンチ２２とアッパーパンチ２４は、それぞれロワーパンチ駆動部２８とアッパーパンチ駆動部３０によって上下方向に駆動される。パンチ２２、２４が駆動部２８、３０によってどのように駆動されるかについては、後述にて詳細に説明する。

図３に示されているように、ロワーパンチ２２は、第１パンチ３１、第２パンチ３２、第３パンチ３３を備えている。第１パンチ３１は円筒状に形成されている。第２パンチ３２は、第１パンチ３１に挿通されている。図４に示されているように、第２パンチ３２は、円柱状であるとともに、上下に貫通する中央パンチ孔３２ａと、その中央パンチ孔３２ａの周りに配置された４つの周囲パンチ孔３２ｂを備えている。図３に示されているように、第３パンチ３３は、第２パンチ３２の中央パンチ孔３２ａに挿通される中央円柱部３３ａと、周囲パンチ孔３２ｂに挿通される周囲円柱部３３ｂを備えている。第１パンチ３１、第２パンチ３２、第３パンチ３３は、軸方向に沿って相対的に移動することができる。アッパーパンチ２４は、ロワーパンチ２２と異なり一体成形されている。

図５に示されているように、粉末充填装置５０は、ダイ２０上に装着されており、粉箱５２、粉箱駆動部５１を備えている。図６に示されているように、粉箱５２は、粉箱本体５７、中子５３、流動妨げ部材５６、支持棒５４、支持リング５５を備えている。粉箱本体５７と中子５３は、方形枠状に形成されており、粉箱本体５７の内側に中子５３がはまり込んでいる。粉箱本体５７と中子５３の上部と底部は開放されている。流動妨げ部材５６は、支持棒５４を介して中子５３と連結されることによって、粉箱５２の中央部であるとともに粉箱５２の底部よりも僅かに上方である位置に支持されている。流動妨げ部材５６同士は、支持リング５５によって連結されている。
キャビティ２５に粉末を充填する際には、まず、図５に示されている位置に粉箱５２を配置する。そして、粉箱５２内に粉末５８を供給する。この状態では、粉箱５２の底部は、ダイ２０の上面２０ｂによって閉じられている。粉末５８としては、例えば、鉄粉等の金属粉末、およびそれらをベースとする混合粉末を用いる。なお、図５および後述の説明にて参照する図７、８、１１、１２、１３では、粉箱５２の粉箱本体５７と中子５３を一体で図示している。
続いて、図７に示されているように、粉箱駆動部５１に駆動されて粉箱５２がキャビティ２５に向かってダイ２０の上面２０ｂ上を前進する。粉箱５２が前進してキャビティ２５にさしかかると、粉箱５２の底部から粉末５８が落下し、キャビティ２５に粉末５８が充填されて行く。この場合、支持棒５４と支持リング５５は細いので、充填の邪魔にならない。また、粉箱５４とともに流動妨げ部材５６も前進し、前進しつつキャビティ２５に粉末が充填される。流動妨げ部材５６が前進しつつキャビティ２５に粉末が充填されると、流動妨げ部材５６がその下方への粉末の充填を邪魔しても、粉末の充填が邪魔された部分には、流動妨げ部材５６がさらに前進にした後、粉末が充填される。このため、流動妨げ部材５６は粉末５８の充填に影響を与えない（粉末充填の阻害要因にならない）。
図８は、粉箱５２がキャビティ２５の上方に移動し、粉箱５２から落下した粉末５８によって、キャビティ２５が完全に充填された状態を図示している。

図９に示されているように、ロワーパンチ２２では、第３パンチの中央円柱部３３ａと周囲円柱部３３ｂに挟まれる部位（ハッチングで図示した部位）が狭くなっている。この部位は、粉末成形体１２の中央孔１５ｂと周囲孔１５ａ間の薄肉部を成形する。以下においては、第３パンチの中央円柱部３３ａと周囲円柱部３３ｂに挟まれる部位を「薄肉キャビティ部３４」と言う。薄肉キャビティ部３４は、粉末の充填が行われにくい。なぜならば、充填時に粉末５８が中央円柱部３３ａ、周囲円柱部３３ｂと摩擦しながら落下する影響を受けるからである。このため、薄肉キャビティ部３４の充填密度は、他の部位よりも低くなる。
図１０に示されているように、粉箱５２がキャビティ２５の上方に移動した状態では、流動妨げ部材５６は、薄肉キャビティ部３４の上方に配置される。

次に、図１１に示されているように、粉箱５２がキャビティ２５の上方に配置されている状態で、ダイ２０に対してロワーパンチ２２を相対的に上昇させる。具体的には、ロワーパンチ２２の位置を維持したまま、ロワーパンチ２２に対してダイ２０を降下させる。ダイ２０は、ダイ駆動部（図示省略）に駆動されて降下する。ダイ２０に対してロワーパンチ２２が相対的に上昇すると、キャビティ２５に充填している粉末５８が粉箱５２に戻される。粉末５８が粉箱５２に戻される過程で、流動妨げ部材５６がその下方に位置している粉末５８の上方への移動を妨げる。上述したように、流動妨げ部材５６は、薄肉キャビティ部３４の上方に配置されている。よって、流動妨げ部材５６が粉末５８の上方への移動を妨げると、薄肉キャビティ部３４に充填されている粉末５８が圧縮され、薄肉キャビティ部３４の充填密度が高くなる。流動妨げ部材５６の位置と大きさは、圧縮後の薄肉キャビティ部３４の充填密度が、その周囲部分と同じになるように調整されている。流動妨げ部材５６の位置が高い、すなわち流動妨げ部材５６と薄肉キャビティ部３４の距離が大きいと、薄肉キャビティ部３４の充填密度は低くなる。流動妨げ部材５６の位置が低いと、薄肉キャビティ部３４の充填密度は高くなる。流動妨げ部材５６が大きいと、それによる粉末５８の上方への移動がより妨げられる。よって、薄肉キャビティ部３４の充填密度は高くなる。逆に、流動妨げ部材５６が小さいと、薄肉キャビティ部３４の充填密度は低くなる。このようにして調整される粉末の充填密度は、例えば、約５〜１０（％）、約０．１５〜０．３（ｇ／ｃｍ^３）程度である。この調整によって、重力作用で粉末５８を充填したときに生じる薄肉キャビティ部３４の充填密度と、残余部の充填密度の相違を補うことができる。

上述した特許文献１（特開２０００−２６９０４号公報）に記載されている、分割されたパンチによって粉末をプレスする技術では、薄肉キャビティ部３４の充填密度を調整することができない。薄肉キャビティ部３４の形状に対応したパンチは小さくならざるを得ず、強度が不足してしまうからである。
流動妨げ部材５６の形状は、方形板状であることに限られず、例えば、円板状であってもよい。流動妨げ部材５６が円板状であると、ダイ２０に対してロワーパンチ２２が相対的に上昇して流動妨げ部材５６が粉末５８の上方への流動を妨げる場合に、それにともなって生じる水平方向への粉末５８の流動が全水平方向に亘って均一になる。このため、その部分のプレス後の密度分布も全水平方向に亘って均一になる。

ダイ２０に対してロワーパンチ２２を相対的に上昇させた後、図１２に示されているように、粉箱５２を後退させる。粉箱５２が後退すると、キャビティ２５には粉末５８が充填されたまま残される。そして、図１３に示されているように、アッパーパンチ駆動部３０に駆動されてアッパーパンチ２４が降下し、粉末５８をプレスする（加圧する）。この際には、ロワーパンチ駆動部２８によって、第２パンチ３２は所定距離だけ降下する。第１パンチ３１と第３パンチ３３は降下しない。図１２に示されているように、アッパーパンチ２４が降下する前のキャビティ２５では、第１パンチがプレスする部位の深さは、第２パンチ３２がプレスする部位よりも深い。このため、第２パンチ３２が降下しないと、第１パンチがプレスした部位の密度は、第２パンチ３２がプレスした部位よりも小さくなる。第２パンチ３２が所定距離降下することによって、第１パンチ３１がプレスする部位と、第２パンチ３２がプレスする部位の密度が同じに調整される。
このようにして、図１に示されている粉末成形体１２が成形される。上述したように、本実施例の粉末プレス装置１０によれば、薄肉キャビティ部３４と、その周囲部分の充填密度が同じになるように調整することができる。よって、密度分布が均一な粉末成形体１２を得ることができる。

図１４に示すような断面を有する密度分布が均一な粉末成形体６０を粉末プレス装置で成形する場合、従来においては、ロワーパンチとアッパーパンチの少なくとも一方のパンチを分割していた。粉末成形体６０は、突出部６２とその他の部分で厚さが異なっているので、パンチを分割してプレスの程度を調整しないと、プレス成形後の密度分布が均一にならないからである。
このような形状の粉末成形体６０をプレス成形する場合にも、本実施例の粉末プレス装置１０を用いると、図１５に示されているように、キャビティ２５に充填されている粉末５８に高充填密度部６４を設けることができる。高充填密度部６４の充填密度を適切に調整することにより、プレス成形後の粉末成形体６０の密度分布の均一化が可能になる。

流動妨げ部材５６は、水平な姿勢で配置しなくてもよい。例えば、平板状の流動妨げ部材５６を水平方向に対して傾斜した姿勢で配置すると、粉末５８の水平方向に沿った充填密度に勾配を与える（変化させる）ことができる。また、流動妨げ部材５６を平板状でなく、曲面状に形成することによっても、粉末５８の充填密度分布に勾配を与えることができる。さらには、流動妨げ部材５６を平板状とした場合であっても、その平面形状によって粉末５８の充填密度分布を変化させることができる。このように、流動妨げ部材５６の姿勢や形状を種々選択することにより、粉末５８の充填密度を自由に調整することができる。
粉末５８の流動性は、プレスされた直後に失われる。従って、粉末５８がプレスされる過程における粉末５８の水平方向への流動は僅かである。よって、粉末５８の充填密度が部分的に異なっていても、プレスされる過程で、その差を小さくするように粉末５８が水平方向に大きく流動することはない。このため、粉末５８の充填密度を調整することにより、プレス成形後の粉末成形体の密度を効果的に調整することができる。
本実施例の粉末プレス装置１０は、粉末の充填密度分布を均一にするだけでなく、充填密度分布を部分的に異ならせるためにも用いることができる。充填密度分布を部分的に異ならせると、密度分布が部分的に異なる粉末成形体を成形することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施例に係る粉末プレス装置が成形する粉末成形体を示す斜視図。 実施例に係る成形型部の縦断面図。 実施例に係るロワーパンチの斜視図。 実施例に係る第２パンチの斜視図。 実施例に係る粉末プレス装置の縦断面図（粉箱が前進する前の状態）。 実施例に係る粉箱の斜視図。 実施例に係る粉末プレス装置の縦断面図（粉箱が前進途中にある状態）。 実施例に係る粉末プレス装置の縦断面図（粉箱がキャビティ上に配置された状態）。 実施例に係るロワーパンチを上方から見た図。 図８のＸ−Ｘ線矢視図。 実施例に係る粉末プレス装置の縦断面図（ロワーパンチがダイに対して相対的に上昇した状態）。 実施例に係る粉末プレス装置の縦断面図（粉箱が後退した状態）。 実施例に係る粉末プレス装置の縦断面図（アッパーパンチが降下した後の状態）。 実施例に係る他の粉末成形体の断面図。 実施例に係る他の粉末成形体をプレス成形する前の粉末の充填状態を示す図。

符号の説明

１０：粉末プレス装置
１２：粉末成形体
１４：外周部
１５：円板部、１５ａ：周囲孔、１５ｂ：中央孔
１８：成形型部
２０：ダイ、２０ａ：成形孔、２０ｂ：上面
２２：ロワーパンチ
２４：アッパーパンチ
２５：キャビティ
２８：ロワーパンチ駆動部
３０：アッパーパンチ駆動部
３１：第１パンチ
３２：第２パンチ、３２ａ：中央パンチ孔、３２ｂ：周囲パンチ孔
３３：第３パンチ、３３ａ：中央円柱部、３３ｂ：周囲円柱部
３４：薄肉キャビティ部
５０：粉末充填部
５１：粉箱駆動部
５２：粉箱
５３：中子
５４：支持棒
５５：支持リング
５６：流動妨げ部材
５７：粉箱本体
５８：粉末
６０：粉末成形体
６２：突出部
６４：高充填密度部

Claims (3)

1. 成形孔が上面に開口しているダイと、
   その成形孔に挿通されて上部が成形孔とともに粉末充填用のキャビティを形成するロワーパンチと、
   粉末を収容した状態でダイ上面をキャビティ上まで移動して開放された底部からキャビティに粉末を落下充填する粉箱とを備えており、
   粉箱内の所定部位には、粉末の流動を妨げる部材が設けられており、
   ロワーパンチは、粉箱からキャビティに粉末が充填されて前記流動妨げ部材とロワーパンチとの間に粉末が介在している状態で、ダイに対して相対的に上昇してキャビティに充填された粉末の一部を粉箱に戻すことを特徴とする粉末プレス装置。
2. 粉箱は、外箱と、その外箱内に着脱可能に装着されるとともに粉末を収容する内箱とを有しており、
   前記流動妨げ部材は、内箱に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の粉末プレス装置。
3. ダイの上面に開口する成形孔とその成形孔に挿通されたロワーパンチの上部とが形成するキャビティに粉末を充填する方法であり、
   粉末を収容した粉箱がダイ上面をキャビティ上まで移動して粉箱の開放された底部からキャビティに粉末を落下充填する工程と、
   粉箱内に設けられた粉末の流動を妨げる部材とロワーパンチとの間に粉末が介在している状態で、ロワーパンチがダイに対して相対的に上昇してキャビティに充填された粉末の一部を粉箱に戻す工程、
   を備えることを特徴とする粉末充填方法。
   

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