JP2007211277A - 粉末成形方法及び粉末成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】端面に段差を生じた圧粉体を、成形面に段差を形成した下パンチを使用して各部の密度に大きな差を生じさせずに、また、下パンチの撓み合わせが可能な状態で成形できるようにすることを課題としている。
【解決手段】下パンチの成形面にダイ１に隣接した部分を軸方向に落ち込ませて段差Ｓを生じさせる落ち込み部３ａを形成し、さらに、ダイ１にテーパ部５を形成し、ダイ１を、そのダイ１の上面とコア４の上端の高さが揃う位置に保持してキャビティ６に粉末７を充填し、その後、ダイ１をテーパ部５がキャビティ内充填粉末よりも上方に配置される図の位置に上昇させてテーパ部５に充填された粉末をキャビティ内の充填粉末７上に落下させ、以上の工程を経た後に粉末の圧縮を行うようにした。
【選択図】図２

Description

この発明は、焼結部品用の圧粉体を成形する粉末成形方法と粉末成形装置に関する。

焼結部品は、秤量、混合を終えた原料の粉末を圧縮して圧粉体を作り、その圧粉体を焼結して製造される。

圧粉体の成形（圧縮）は、ダイと、ダイの成形孔に入り込ませる下パンチと、これに対向させた上パンチを備える金型を使用して行われる。金型には、必要に応じてコアが追加される。また、成形する圧粉体の形状によっては、上パンチや下パンチは複数に分割したものが採用される。例えば、図６に示す圧粉体３０を成形するときには、分割パンチが採用されている。図６の圧粉体３０は、本体部３１の中央部に軸孔３２を、外周に厚み（軸方向寸法）の大きい外輪部３３を設けている。この圧粉体３０は、いずれもパンチに加圧される端面、即ち、上面や下面に段差を有している。

図６の圧粉体３０の成形に用いられる金型の概要を図８に示す。この金型は、成形孔１ａを有し、その成形孔１ａで圧粉体の外輪部３３の外周を成形するダイ１と、外輪部３３の上面を成形する上１パンチ２_−１と、本体部３１の上面を成形する上２パンチ２_−２と、外輪部３３の下面を成形する下１パンチ３_−１と、本体部３１の下面を成形する下２パンチ３_−２と、軸孔３２の内面を成形するコア４とからなる。

上面や下面に段差があり、そのために、各部の厚み（軸方向寸法）に差が生じている圧粉体は、一体の金型では一般的には厚み差が生じた部分の密度が均一にならない。そのため、例えば、図６の圧粉体３０の本体部３１と外輪部３３の密度を均一化することが要求される。その要求に応えるために、従来は、上パンチや下パンチを段差に対応させて分割した金型を使用していた。パンチを分割すると、個々の分割パンチによる圧縮比を制御することが可能になり、その圧縮比の制御によって密度の均一化された圧粉体を得ることができる。

ところが、例えば、下パンチを複数個に分割した金型を使用する場合には、分割した下パンチの撓み合わせが必要になる。成形圧による分割下パンチの撓み量に差があると、完成した圧粉体を金型から払い出すとき (厳密には除圧時)に分割下パンチの弾性復元量の差によって圧粉体に無理な応力が作用し、圧粉体に亀裂が発生し易い。その不具合を回避するために分割下パンチの撓み合わせが必要であった。

上述したように、圧粉体の端面の段差に対応して下パンチを分割する技術として、例えば特許文献１に開示された圧粉体の成形方法があるが、同公報の方法は、分割した下パンチの全てについて十分な強度を確保できることが実施の前提となる。分割した下パンチが薄肉で強度確保が困難な場合など、他の分割下パンチとの成形圧による撓み量の差が無視できなくなるほど大きくなるときには、その撓み量の差が原因となって圧粉体に亀裂が発生し易くなる。そのため、分割された下パンチの撓み合わせは困難なものとなる。

しかしながら、下パンチを分割せずに図６に示すような圧粉体を成形しようとすると、一体の下パンチに圧粉体の段差に対応した段差を形成してその下パンチで成形を行うことになるため、圧粉体の各部に許容値を超える密度差が発生する。
特許第２８５５１３７号公報

この発明は、端面に段差を生じた圧粉体を、成形面に段差を形成した下パンチを使用して各部の密度に大きな差を生じさせずに、また、下パンチの撓み合わせが可能な状態で成形できるようにすることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ダイと下パンチの間に形成されるキャビティに粉末を充填し、この粉末を上パンチと下パンチで圧縮して圧粉体を得る粉末成形方法において、
前記下パンチの成形面に前記ダイに隣接した部分を軸方向に落ち込ませて段差を生じさせる落ち込み部を形成し、さらに、前記ダイに、そのダイの成形孔の上部側を上端に向かって拡大させるテーパ部を形成し、
前記キャビティに粉末を充填した後、前記ダイを前記テーパ部が充填粉末よりも上方に配置される位置に上昇させて前記テーパ部に充填された粉末をキャビティ内充填粉末上に落下させ、以上の工程を経た後に粉末の圧縮を行うようにした。

前記テーパ部に充填された粉末をキャビティ内充填粉末上に落下させる工程を経た後に粉末を圧縮して前記成形面の落ち込み部によって軸方向端面の成形がなされる厚肉部と、
前記落ち込み部以外の成形面によって軸方向端面の成形がなされる薄肉部を有し、前記厚肉部のパンチに成形された面の面積が薄肉部のパンチに成形された面の面積に対して０．２倍以下となる圧粉体を得る場合にこの発明の粉末成形方法を用いると顕著な効果が期待できる。ここにおいて、薄肉部とは、成形面に上記落ち込み部を有するパンチの上記落ち込み部以外の箇所で成形される部分のことをいう。

この発明においては、上記の方法を実施するときに使用する粉末成形装置も併せて提供する。それは、ダイと下パンチの間に形成されるキャビティに粉末を充填し、この粉末を上パンチと下パンチで圧縮して圧粉体を得る粉末成形装置であって、
前記下パンチの成形面に前記ダイに隣接した部分を軸方向に落ち込ませて段差を生じさせる落ち込み部を形成し、さらに、前記ダイに、そのダイの成形孔の上部側を上端に向かって拡大させるテーパ部を形成し、前記キャビティに粉末を充填した後、前記ダイを前記テーパ部がキャビティ内充填粉末よりも上方に配置される位置に上昇させ、その後に粉末の圧縮を行うようにした粉末成形装置である。

この粉末成形装置は、前記テーパ部の表面を面粗さＲｍａｘ＝３μｍ以下にしたものや、テーパ部のテーパ角θを片面で３０°以下に設定したものが好ましい。

また、下パンチに、その下パンチとダイ間にかみ込んだ粉末を除くための逃がし部を設けた粉末成形装置や、下パンチを貫通する押し出しピンを設置し、上パンチと下パンチで圧縮した圧粉体を前記押し出しピンで下パンチから押し外す粉末成形装置となすのも好ましい。

この発明では、圧粉体の段差を生じた部分を、成形面に段差を形成した下パンチで成形するので、圧粉体の段差に対応させた位置で下パンチを分割する必要がなく、成形面に段差を形成した一体のパンチで成形できるので、パンチの撓み合わせが困難になるという問題や、それが原因で製造可能な焼結部品の形状に制約が生じるという問題が解消される。

また、給粉時にダイに設けたテーパ部に粉末が充填され、そのテーパ部の粉末が、給粉後のダイの上昇によってキャビティ内充填粉末上に落下して圧粉体の厚み大部に対応した位置に供給される粉末の量が増加する。従って、圧粉体の各部の密度調整の目的も達成される。

なお、分割下パンチの撓み量の差に起因した圧粉体の亀裂発生は、前記成形面の落ち込み部によって軸方向端面の成形がなされる厚肉部と、前記落ち込み部以外の成形面によって軸方向端面の成形がなされる薄肉部を有し、前記厚肉部のパンチに成形された面の面積が薄肉部のパンチに成形された面の面積に対して０．２倍以下、密度６．７ｇ／ｃｍ^３以上の圧粉体を成形するときに起こり易いので、その条件を満たす成形を行う場合にこの発明は特に効果がある。

また、ダイに形成する前記テーパ部の表面の面粗さがＲｍａｘ＝３μｍ以下に加工されている場合、或いはテーパ部のテーパ角θが片面で３０°以下に設定されている場合には、テーパ部に充填されている粉末が滑落し易くなり、テーパ部からの粉末補充量が安定して圧粉体の品質の安定化につながる。

さらに、下パンチに、その下パンチとダイの間に入り込む粉末を除くための(かみ込み防止用の)逃がし部を設けると、下パンチとダイの間に粉末をかみ込むことなく成形を行うことができ、粉末のかみ込みに起因した金型の摩耗が防止されて圧粉体の寸法の安定化につながる。

このほか、下パンチを貫通する押し出しピンを設置した粉末成形装置は、圧縮後に下パンチに嵌合している圧粉体を押し出しピンで下パンチから押し外すことができ、圧粉体の金型からの払い出し（脱型）も問題なく行うことができる。押し出しピンは、複数本設けると押し出しをバランスよく行うことができる。

以下、この発明の粉末成形方法と粉末成形装置の実施の形態について説明する。図１の粉末成形装置（図は金型のみを示す）は、図６の圧粉体３０を成形するためのものである。この粉末成形装置は、成形孔１ａを備えたダイ１と、上１パンチ２_−１と、上１パンチの内側に配置した上２パンチ２_−２と、下パンチ３と、コア４と、圧粉体を金型から抜き出すための押し出しピン８を組み合わせて構成されている。下パンチ３には、ダイ１との間にかみ込んだ粉末を除去するための逃がし部９を設けている。

ダイ１は、プレス機の下ラムなどで昇降させるダイプレート（図示せず）に支持されており、成形孔１ａの内面で圧粉体の本体部の外周を成形する。この発明では、そのダイ１に、成形孔１ａの上部側を上端に向かって拡大させるテーパ部５を設けている。そのテーパ部５は、テーパ角θを片面で３０°以下にするのがよく、また、表面を面粗さＲｍａｘ
＝３μｍ以下の鏡面にするのがよい。そのようにしたものは、テーパ部５に充填される粉末が滑落し易くなる。

また、上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２は、プレス機の上ラムに取り付けられた上パンチプレート（図示せず）に支持されており、上１パンチ２_−１が圧粉体の外周部の上面を、上２パンチ２_−２が圧粉体の本体部の上面をそれぞれ成形する。この上１、上２の各パンチは、軸方向相対位置を調整する機構（これも図示せず）を伴っている。なお、圧粉体の上面の段差の高さによっては、上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２を一体に形成して成形面に段差のあるパンチにすることができ、上パンチを複数に分割することは必須の要件とはならない。

下パンチ３は、下パンチプレートやベースプレート（これらも図示せず）に支持されている。この下パンチ３は、従来は圧粉体の下面に生じた段差の部分（図６の本体部３１と外輪部３３の境界部に対応した位置）で分割しており、そのために、各分割下パンチの撓み量に無視できない差が生じていたが、この発明では、この下パンチ３の成形面にその成形面のダイ１に隣接した部分を軸方向に落ち込ませる落ち込み部３ａを形成している。その落ち込み部３ａの設置によって下パンチ３の成形面には段差Ｓが生じている。従って、例示の装置は下パンチを分割する必要がなく、撓み合わせを不要となすことができる。

コア４は、圧粉体の軸孔を成形する。このコア４はヨークプレート（図示せず）などに支持されている。また、その高さ位置を変化させるアクチュエータ（図示せず）を備えている。

このように構成した粉末成形装置は、下パンチ３をダイ１の成形孔１ａに挿入し、さらに、コア４を、そのコア４の上端とダイ１の上面の高さが揃う位置に保持した図１の状態で、ダイ１と、下パンチ３と、コア４との間に形成されるキャビティ６に粉末７を充填し、その後、ダイ１を先端のテーパ部５がコア４の上面(充填粉末の上面)よりも上方に配置される位置に上昇させる。その移動で、図２に示すように、テーパ部５に充填された粉末がダイ１の内周に沿った領域に滑落して当該領域の粉末供給量が増加する。そこで、上パンチ２を駆動して充填粉末の圧縮を行う。この方法によれば、テーパ部５からの粉末補充により圧粉体の外輪部となる部分の粉末不足が補われて下パンチの成形面の段差Ｓの影響が吸収され、本体部と外輪部の密度差が小さい圧粉体が得られる。また、下パンチ３の外輪部成形部が本体部成形部と一体化されているので、その外輪部成形部と本体部成形部の撓み合わせが不要になる。

粉末を圧縮して得られる圧粉体は、図３に示すように、下パンチ３に貫通させて設けられた複数本の押し出しピン８により、除圧後に突き上げられて下パンチ３から外れる。このように独立した押し出しピン８を備えさせたことによって、下パンチ３を図のように成形面に段差のあるパンチにしても圧粉体の払い出しが行える。

キャビティ６に充填した粉末７は、上下のパンチで加圧したときに一部が下パンチ３とダイ１との間の隙間に入り込むことがあるが、隙間に入り込んだその粉末は下パンチ３の外周に設けた逃がし部９に取り込まれる。逃がし部９は、成形と圧粉体の払い出しを終えて下パンチ３を図２の給粉位置に戻したときにダイ１の成形孔１ａから抜け出し、このときに逃がし部９に取り込まれた粉末が外部に逃げる。このため、ダイ１と下パンチ３間に粉末がかみ込むことが減少し、そのかみ込みに起因した金型の摩耗が抑制される。

なお、図３の粉末成形装置は、コア４を省いたものも考えられる。例えば図６の圧粉体３０に軸孔３２を設ける必要がなければ、この装置のコア４は不要である。

図４に、この発明の粉末成形装置の他の実施形態を示す。この粉末成形装置（これも金型のみを示す）は、図７の圧粉体４０を成形するためのものである。この粉末成形装置は、ダイ１、上１パンチ２_−１、上２パンチ２_−２、上３パンチ２_−３、下パンチ３、コア４、及び押し出しピン８を備えている。上パンチは、圧粉体の形状に合わせればよく、必ずしも分割する必要はない。また、圧粉体の形状によっては、図９、図１０のように下パンチを分割することも考えられる。

この図４の粉末成形装置は、下パンチ３の外周側成形面と内周側成形面に共に落ち込み部３ａを設けて外周側成形面に段差Ｓ１を、内周側成形面に段差Ｓ２をそれぞれ生じさせ、圧粉体４０（図７参照）の外輪部４３、ボス部４４の下面（端面）及び本体部４１の下面をその下パンチ３で成形する。ここでは、粉末の追加補充を行う外輪部４３がダイ１の成形孔１ａの内面に沿った位置にあるので、成形孔１ａの上部を上側に向かって拡大させるテーパ部５_−１をダイ１に設けている。また、粉末の追加補充を行うボス部４４がコア４の外周面に沿った位置にあるので、コアの上部を上細りにするテーパ部５_−２をコア４に設けている。この場合のテーパ部５_−１、５_−２も、上記と同じ理由により、テーパ角θ１、θ２を片面で３０°以下にし、さらに好ましくは、表面を、面粗さＲｍａｘ＝３μｍ以下の鏡面にするのがよい

この図４の粉末成形装置は、図４の状態でキャビティ６に粉末７を充填し、その後、ダイ１、コア４をテーパ部５_−１、５_−２がキャビティ内充填粉末よりも上方(充填粉末の上面よりも上方)に配置される位置に上昇させる。その移動で、図５に示すように、テーパ部５_−１、５_−２に充填された粉末がダイ１の成形孔の内面に沿った領域やコア４の外周面に沿った領域に落下して当該領域の粉末供給量が増加する。従って、圧粉体の下面の成形を、成形面に段差をつけた非分割パンチ（段差部での分割がなされていないパンチ）を用いて行うことができ、図１の装置と同様の効果を得ることができる。

また、粉末を圧縮して得られる図７の圧粉体４０も、下パンチ３に設けられた複数本の押し出しピン８により、除圧後に突き上げると下パンチ３から外れる。このように、独立した押し出しピン８を備えさせたことによって、下パンチ３を図４のように成形面に段差のあるパンチにしても圧粉体の払い出しが行える。

図９或いは図１０に示すように、下パンチを複数に分割した粉末成形装置は、分割したパンチによって圧粉体を払い出すことができる。

図９の粉末成形装置は、分割した下１パンチ３_−１と下２パンチ３_−２を組み合わせ、圧粉体５０の下面の外周側を成形する下１パンチ３_−１の成形面に圧粉体５０の下面に段差Ｓ１を形成するための落ち込み部３ａを設け、さらに、成形孔１ａの上部を上側に向かって拡大させるテーパ部５_−１をダイ１に設けている。下面内周部に径方向厚みが大きく、しかも、外周部よりも軸方向厚みの厚いボス部５４を有する圧粉体５０は、図９のように、独立した下２パンチ３_−２を設けてその下２パンチ３_−２でボス部の下面を成形することができ、この場合、下１パンチ３_−１に嵌合した圧粉体５０を下２パンチ３_−２で突き上げて下１パンチ３_−１から外すことができる。

図１０の粉末成形装置も、分割した下１パンチ３_−１と下２パンチ３_−２を組み合わせている。下２パンチ３_−２の成形面に圧粉体６０の下面の内周側に段差Ｓ２を形成するための落ち込み部３ａを設けている。さらに、落ち込み部３ａに対応させてコア４の上部にテーパ部５_−２を設けている。下面外周部に径方向厚みが大きく、しかも、内周部よりも軸方向厚みの厚い外輪部６３を有する圧粉体６０は、図１０のように、独立した下１パンチ３_−１を設けてその下１パンチ３_−１で外輪部６３の下面を成形することができ、この場合、下２パンチ３_−２に嵌合した圧粉体６０を下１パンチ３_−１で突き上げて下２パンチ３_−２から外すことができる。

図９、図１０の粉末成形装置も、キャビティへの粉末充填後にテーパ部５_−１、５_−２をキャビティ内充填粉末よりも上方に移動させてそのテーパ部５_−１、５_−２に充填された粉末を粉末不足となる部分に滑落させて補充する。従って、テーパ部５_−１、５_−２は、既に述べたものと同様に、テーパ角θ１、θ２を片面で３０°以下にし、さらに好ましくは、表面を、面粗さＲｍａｘ＝３μｍ以下の鏡面にするのがよい。

なお、図９、図１０の粉末成形装置も、必要に応じて押し出しピンを設置してよい。これらの装置は、成形面の落ち込み部３ａに近い位置にさらに押し出しピンを設けると、図９の装置の下２パンチ３_−２からダイ１までの半径方向寸法や図１０の装置の下１パン３_−１からコア４までの半径方向寸法が大きいときにも圧粉体の払い出しを安定して行うことができる。

この発明の粉末成形装置の一例の要部を示す断面図 図１の粉末成形装置のダイを粉末充填後に上昇させた状態を示す断面図 圧粉体を払い出した状態の断面図 この発明の粉末成形装置の他の例の要部を示す断面図 図４の粉末成形装置のダイ、コアを粉末充填後に上昇させた状態を示す断面図 この発明の方法で成形する圧粉体の一例を示す断面図 この発明の方法で成形する圧粉体の他の例を示す断面図 図６の圧粉体の成形に用いられている金型の従来例を示す断面図 下パンチを分割した粉末成形装置の一例を示す断面図 下パンチを分割した粉末成形装置の他の例を示す断面図

符号の説明

１ ダイ
１ａ 成形孔
２ 上パンチ
２_−１ 上１パンチ
２_−２ 上２パンチ
２_−３ 上３パンチ
３ 下パンチ
３ａ 落ち込み部
３_−１ 下１パンチ
３_−２ 下２パンチ
４ コア
５、５_−１、５_−２ テーパ部
６ キャビティ
７ 粉末
８ 押し出しピン
９ 逃がし部
Ｓ 段差
Ｓ１ 外輪部段差
Ｓ２ ボス部段差
３０、４０、５０、６０ 圧粉体
３１、４１ 本体部
３２、４２ 軸孔
３３、４３、６３ 外輪部
４４、５４ ボス部

Claims (7)

1. ダイと下パンチの間に形成されるキャビティに粉末を充填し、この粉末を上パンチと下パンチで圧縮して圧粉体を得る粉末成形方法において、
   前記下パンチの成形面に前記ダイに隣接した部分を軸方向に落ち込ませて段差を生じさせる落ち込み部を形成し、さらに、前記ダイに、そのダイの成形孔の上部側を上端に向かって拡大させるテーパ部を形成し、
   前記キャビティに粉末を充填した後、前記ダイを前記テーパ部が充填粉末よりも上方に配置される位置に上昇させて前記テーパ部に充填された粉末をキャビティ内充填粉末上に落下させ、以上の工程を経た後に粉末の圧縮を行うことを特徴とする粉末成形方法。
2. 前記テーパ部に充填された粉末をキャビティ内充填粉末上に落下させる工程を経た後に粉末を圧縮して前記成形面の落ち込み部によって軸方向端面の成形がなされる厚肉部と、
   前記落ち込み部以外の成形面によって軸方向端面の成形がなされる薄肉部を有し、前記厚肉部のパンチに成形された面の面積が薄肉部のパンチに成形された面の面積に対して０．２倍以下となる圧粉体を得る請求項１に記載の粉末成形方法。
3. ダイと下パンチの間に形成されるキャビティに粉末を充填し、この粉末を上パンチと下パンチで圧縮して圧粉体を得る粉末成形装置であって、
   前記下パンチの成形面に前記ダイに隣接した部分を軸方向に落ち込ませて段差を生じさせる落ち込み部を形成し、さらに、前記ダイに、そのダイの成形孔の上部側を上端に向かって拡大させるテーパ部を形成し、前記キャビティに粉末を充填した後、前記ダイを前記テーパ部がキャビティ内充填粉末よりも上方に配置される位置に上昇させ、その後に粉末の圧縮を行うようにした粉末成形装置。
4. 前記テーパ部の表面を、面粗さＲｍａｘ＝３μｍ以下とした請求項３に記載の粉末成形装置。
5. 前記テーパ部のテーパ角θを片面で３０°以下に設定した請求項３または４に記載の粉末成形装置。
6. 下パンチに、その下パンチとダイ間にかみ込んだ粉末を除くための逃がし部を設けた請求項３〜５のいずれかに記載の粉末成形装置。
7. 下パンチを貫通する押し出しピンを設置し、上パンチと下パンチで圧縮した圧粉体を前記押し出しピンで下パンチから押し外すようにした請求項３〜６のいずれかに記載の粉末成形装置。

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