JP2009279624A - 給粉補助治具とそれを用いた給粉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結部品の重量ばらつきを低減するために、給粉装置から供給される粉末の金型キャビティへの流入性を、給粉ボックスの移動速度規制を受けない方法、かつ、経済的で取り扱い性にも優れた方法で高めることを課題としている。
【解決手段】外枠２と、その外枠の内側を複数に区画する複数の仕切り板３とを有し、仕切り板３は、給粉ボックス１３の進退方向前後に両端があり、かつ、隣り合う仕切り板間の間隔が一端側で広がり、他端側で狭くなるように配置され、隣り合う仕切り板間に粉末通路４が作り出された給粉補助治具１を粉末成形装置の給粉ボックスの内部に設置して給粉を行うようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、粉末成形装置に採用する、粉末供給量を安定させるのに有効な給粉補助治具と、それを用いた給粉装置に関する。

焼結部品の製造において圧粉成形工程で使用される粉末成形装置は、給粉装置を使用してダイと下パンチとの間、或いはダイと下パンチとコアとの間に形成される金型のキャビティに原料粉末を供給し、その後にキャビティ内の原料粉末（以下では単に粉末と言う）をパンチで加圧して圧粉体を得る。

このときに使用する給粉装置は、ダイ上でスライドして退避位置と給粉位置（キャビティへの粉末投入位置）との間を往復運動する給粉ボックス（シューボックス）と、ホッパ内の粉末を給粉ボックスに送り込むホースを備えている。給粉ボックスは側壁に囲われた領域内にキャビティの入口を取り込める大きさの箱であり、この給粉ボックスに前記ホース経由で送り込んだ粉末がダイの上面に開口したキャビティに導入されてキャビティに対する粉末の充填がなされる。

その給粉装置で、キャビティに対する粉末の充填性を改善したものが、下記特許文献１，２などに開示されている。

特許文献１は、キャビティに対する粉末の均一高密度充填のために、給粉ボックス内の粉末に加振装置（振動付与装置）で振動を付与しながら金型のキャビティに粉末を供給することと、給粉ボックスの下側の内部を仕切り板で複数に区画して振動を伝わりやすくすることを開示している。

また、特許文献２は、給粉ボックス（ケーシング）内に複数の球を転動可能に設け、その球で粉末に振動や衝撃を加えることでキャビティへの粉末の入り込み性を向上させる給粉装置（粉末供給装置）を開示している。この特許文献２も、特許文献1と同じく粉末の均一充填を図ったものである。
特開平７−１６４１９３号公報 特開平１０−５８１９８号公報

焼結部品用の粉末は擬似流体ではあるが、液体などに比べると流動性に劣り、周囲から圧迫されたりするとブリッジを生じてキャビティへの入り込みが悪くなることがある。流動性の悪い粉末を成形するときや、条件のよくないキャビティ、例えば、入口幅が狭い、或いは深さが深いために内部に空気が閉じ込められ易くなっているキャビティに粉末を充填するときにはその現象が顕著になり、粉末の充填量が成形サイクル毎に変動して圧粉体を焼結して得られる製品の重量ばらつきが大きくなり、不良品の発生率が高くなる。

また、キャビティへの粉末入り込み性の良い部分と悪い部分で粉末充填量にばらつきが生じて圧粉体の各部に強度信頼性などを低下させる密度差が発生することもある。

前掲の特許文献１、２は、その問題に対応したものであるが、特許文献１の方法は、給粉ボックス内の粉末に振動を有効に付与するために給粉ボックスの移動速度を制限する必要があり、成形速度を高め難い。また、加振装置を必要とし、製造の複雑化や成形コストの増加を招きやすい。

一方、特許文献２が開示している装置は、給粉ボックス内に複数の球を転動可能に設けるだけでよく、給粉ボックスの移動速度規制を受け難い。また、設備の複雑化も招かない。しかしながら、特許文献２の装置は、球の転動状況や粉末の落ち込み状況などが毎回変動し、各回の供給条件がばらつく。そのために、得られる圧粉体の密度が一定せず、最終的に得られる焼結部品の品質にばらつきが生じる。給粉量のばらつきは、成形速度を早くするとより顕著になり、従って、実際には成形速度の向上も図り難い。また、この特許文献２の装置は、複数の小さな球を用いているため、球の取り扱いや作業性に問題が生じ、球を数多く使用するときには段取り換え時に球の回収漏れが起こることもあり得る。さらに、キャビティの開口形状や開口の大きさによっては球がキャビティに落ち込む危険性があり、装置の使用自体が制限されることも考えられる。

この発明は、粉末冶金法で製造される焼結部品の品質を安定させるために、給粉装置から供給される粉末のキャビティへの流入性を、給粉ボックスの移動速度規制を受けない方法、かつ、経済的で取り扱い性にも優れた方法で高めて高速成形を行ったときにもキャビティに対する粉末充填のばらつきを小さく抑えられ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に、この発明においては、給粉ボックス内に入れて使用する給粉補助治具とそれを用いた給粉装置を提供する。

この発明の給粉補助治具は、金型のキャビティに粉末を供給して成形する粉末成形装置に採用し、同成形装置の給粉ボックスの内部に設置して使用するものであって、外枠と、その外枠の内側を複数に区画する複数の仕切り板とを有し、前記仕切り板は、前記給粉ボックスの進退方向前後に両端があり、かつ、隣り合う仕切り板間の間隔が一端側で広がり、他端側で狭くなるように配置されており、隣り合う仕切り板間に粉末通路が作り出されたものになっている。

この給粉補助治具は、好ましい形態として、前記外枠に給粉ボックス内での姿勢（向き）を一定させる位置決め部を設けたものが挙げられる。

前記仕切り板は、粉末をキャビティの両側に極力均等に配分することが要求されるときには、補助治具の中心線を基準にして左右対称に配置するとよい。

前記仕切り板は、長さ方向の各部の高さを一定させたものや、一端側から他端側に向ってその高さを増加させたものが考えられる。また、高さの異なる仕切り板を、高さ大の仕切り板が高さ小の仕切り板よりも仕切り板配列方向の内側に置かれる状態に配置することも考えられ、圧粉体（成形品）の形状によっては、そのような対応が有効になる。

この発明は、上記の給粉補助治具を備える粉末成形用の給粉装置も提供する。その装置は、ダイ上をスライドして退避位置と給粉位置との間を往復運動する給粉ボックスと、この発明の給粉補助治具を有し、その給粉補助治具を給粉ボックスに入れ、その給粉補助治具の前記通路を通して給粉ボックス内に供給された粉末を金型のキャビティに投入するように構成されている。

この給粉装置は、給粉ボックスに、その給粉ボックスと共にダイ上でスライドさせる敷板を含ませ、給粉ボックスの下部に取り付けるその敷板に、前記キャビティの開口に対応させたキャビティの開口寸法よりもサイズの大きな穴を形成してその穴に前記給粉補助治具を設置するようにしてもよい。

給粉ボックス内に送り込まれた粉末は、給粉ボックス内に設置したこの発明の給粉補助治具の粉末通路を通ってキャビティに落ち込む。このとき、給粉補助治具は給粉ボックスと共に移動し、給粉ボックスの移動方向に対して斜めに配置された仕切り板が粉末通路に入り込んだ粉末を掻き均す。また、仕切り板間の間隔が狭い側が後ろとなる方向に給粉補助治具が動くときに、仕切り板が粉末通路内の粉末を通路の中央に寄せ集め、これにより、金型の入口近くにおける粉末の局所集中や嵩密度の増大が防止され、粉末の良好な流動性が確保される。そのために、粉末のブリッジ現象によるキャビティ入口の閉塞がなくなり、キャビティ内の空気と粉末の置換も円滑になされて、入口幅が狭いとか、深さが深いといった条件の良くないキャビティに対しても各部に粉末が円滑に均一に流れ込む。

また、この給粉補助治具は、単一の部材であるので前掲の特許文献２の給粉装置と違って不規則な動きをすることがなく、成形サイクル毎の供給条件が安定する。その結果、圧粉体の密度ばらつきが小さくなり、最終製品である焼結部品の品質が安定する。

この給粉補助治具は、形状、構造も単純であり、成形コストの上昇も回避される。治具の使用法も単に給粉ボックスに入れるだけでよく、設備の複雑化を招かない。さらに、振動を付与するものではないので給粉ボックスの移動速度が規制されることがなく、成形速度の低下による生産性の悪化も起こらない。

なお、給粉補助治具の給粉ボックス内での向きを一定させると、仕切り板による掻き均しの条件変動が防止され、成形サイクル毎のキャビティに対する粉末供給条件がより一層安定する。

また、仕切り板を給粉補助治具の中心線を基準にして左右対称に配置したものは、仕切り板による粉末均しの条件が中心線を基準にした両側で同じになり、粉末をキャビティの両側に均等に配分することができる。

以下、この発明の給粉補助治具とそれを用いた給粉装置の実施の形態について説明する。図１〜図３は、第１の形態を示している。この給粉補助治具１は、平面視円形の外枠２と、この外枠２の枠の内側を複数に区画する複数の仕切り板３とで構成されている。

外枠２は、中心線Ｃを基準にした両側の外周に、平行配置の直線の位置決め部（二面幅の面取り部）２ａを有している。その位置決め部２ａを、給粉ボックス１３（図６参照）の内面に対応して設けられる面取り部（図示せず）に係合させることで、給粉ボックス１３内での給粉補助治具１の動きを拘束して同補助治具の向きを一定に保つようにしている。

その位置決め部２ａによって、給粉補助治具１は、中心線Ｃが給粉ボックスの移動方向と平行になる向きに位置決めされる。

仕切り板３は短冊状の金属板を用いており、一側部を下にして起立させた状態に設置される。その仕切り板３は、給粉ボックスの進退方向前後に両端があるように、かつ、隣り合う仕切り板間の間隔が一端側で広がり、他端側で狭くなるように外枠２の内側に横架状態に配置されており、隣り合う仕切り板３，３間に、一端Ａから他端Ｂに向かって幅の漸増した粉末通路４が作り出されている。

給粉補助治具１は、一端側、他端側のどちらを前にしてもよいが、粉末通路４の幅が大きくなった側が後ろに置かれる向き（給粉ボックスが給粉位置から戻るときに仕切り板による粉末の掻き集めがなされる向き）にした方が圧粉体の重量ばらつきの抑制効果が大きかった。図示の給粉補助治具１は、計９個の仕切り板３を、平均的なピッチで治具の中心線Ｃを基準にして左右対称に配置しており、各仕切り板３，３間及び両端の仕切り板３と外枠２との間の空間がそれぞれ粉末通路４となっている。

仕切り板３は、例えば、１００〜２００Ｔｏｎ（約９８００〜１９６００ＭＰａ）クラスのプレス機を採用する粉末成形装置に用いる給粉補助治具の場合、高さＨ（図３参照）が例えば１５〜２５ｍｍ程度のものでよい。その仕切り板３の厚みも、必要強度を確保できればよく、１〜２ｍｍもあれば十分である。

図４に示すように、仕切り板３の高さを一端から他端に向けて漸増させることもできる。また、図５に示すように、仕切り板３の高さに差をつけ、高さ大の仕切り板を高さ小の仕切り板よりも仕切り板配列方向の内側に配置する構造も考えられる。圧粉体の形状によっては、粉末を特定の粉末通路に多く配分することや余った粉末を他の粉末通路に振り分ける対応が有効になることがあり、仕切り板３の高さを異ならせることでそのような調整が行える。

このように構成された給粉補助治具１は、粉末成形装置に採用し、給粉装置の給粉ボックス内に設置して使用する。図６に、粉末成形装置の一例の概要を示す。例示の粉末成形装置５は、ダイ６と、下１〜下３の各パンチ７_−１〜７_−３と、下３パンチ７_−３の内側に配置するコア８と、上パンチ９を組み合わせた金型１０と、給粉装置１２を有している。ダイ６の上面に開口したキャビティ１１には粉末Ｐが充填され、その粉末Ｐを金型１０で圧縮成形して圧粉体を得る。焼結部品は、その圧粉体を焼結して製造される。

給粉装置１２は、ホッパ（図示せず）からホース１４経由で給粉ボックス１３に供給される粉末Ｐを、給粉ボックス１３からキャビティ１１に落とし込んで充填する。給粉ボックス１３は、ダイ６上をスライドして退避位置と給粉位置（図６の実線位置）との間を往復運動する。その給粉ボックス１３の下面にダイ６上をスライドする敷板１５が設置されている。この敷板１５には、キャビティ１１の開口に対応させたキャビティ開口寸法よりもサイズの大きな穴１６が形成されており、その穴１６に給粉補助治具１を設置し、ホッパから給粉ボックス１３に供給された粉末Ｐを、この給粉補助治具１の粉末通路４を通してダイの上面に開口したキャビティ１１に投入する。

給粉補助治具１は、敷板１５の内側に自由状態に配置される。敷板１５は、穴１６内での給粉補助治具１の動き代を過大とならない範囲に調整する目的で用いられるものであって、給粉ボックスの内壁と給粉補助治具１の外径との間の寸法がさほど大きくなければこの敷板は省かれる。

以下に、この発明の実施例を挙げる。
−実施例１−
以下の仕様の給粉補助治具（発明品）を試作した。
・仕切り板及び外枠材質：Ｓ４５Ｃ
・仕切り板の数：９
・補助治具の高さ：３０ｍｍ
・補助治具の外径（外枠外径）：φ１４０ｍｍ、内径φ１２０ｍｍ

仕切り板間の粉末通路が給粉ボックスの後ろ側で幅広になる向きにして敷板（穴径φ＝１４０ｍｍ）と組み合わせ、この給粉補助治具（試料１）を給粉ボックス内に設置した粉末成形装置と、前後関係（方向）を試料１とは逆にし、他の条件は試料１と同じにした給粉補助治具（試料２）を採用した粉末成形装置を用いて略図７の形状の、外径φ５２ｍｍの圧粉体Ｉを２００Ｔｏｎプレス機で連続成形し、そのときのキャビティに対する粉末の充填性を圧粉体の重量ばらつきを調べて評価した。圧粉体は、基準単重：３００ｇであり、原料組成は、１．５Ｃｒ−０．６Ｃ−残Ｆｅ、成形個数は１００個とした。また、成形速度は１１．０ｓｐｍ（１分間当たりの成形個数１１個）、サイクルデレー（給粉位置での停止時間）０．４ｓとした。給粉は、オーバーフィル（金型を相対移動させてキャビティ容積を増加させて充填を行う方法）無し、シェイク（給粉位置で給粉ボックスを前後にゆするように動かす動作）無しで行なった。
この試験の結果、試料２使用の装置による成形では圧粉体の重量ばらつきの平均値がσ＝０．６４ｇであったのに対し、試料１を採用した成形装置による成形ではσ＝０．５３ｇであり、試料２の使用時よりも重量ばらつきの平均値σが小さかった。

また、サイクルデレーを０．３ｓにして成形速度を１１．５ｓｐｍに上げたときの試料２使用の成形装置による圧粉体の重量ばらつきσ＝０．９６ｇに対し、試料１使用の成形装置による成形ではσ＝０．６８ｇであり、このケースでも、給粉補助治具を、粉末通路が給粉ボックスの後ろ側で幅広になる向きにして使用したものが逆向きにして使用したものよりも優れていた。

−実施例２−
実施例１で使用したものと同一仕様のこの発明の給粉補助治具（試料１）と、５枚の仕切り板を外枠に平行に固定した比較例の給粉補助治具（試料３）を使用して略図８の形状の、最大部直径５５ｍｍの圧粉体II（基準単重：３００ｇ、原料組成：４．０Ｎｉ−０．５Ｍｏ−１．５Ｃｒ−０．５Ｃ−残Ｆｅ）を２００Ｔｏｎプレス機で連続成形し、仕切り板の配置が充填性に与える影響を圧粉体IIの重量ばらつきを調べて評価した。重量ばらつきは成形個数１００個での平均値を求めた。キャビティに対する粉末の充填は、オーバーフィル無し、シェイク無しで行った。その結果、試料３を使用したものは、成形速度１０．２ｓｐｍでの圧粉体の重量ばらつきがσ＝０．６６ｇであったのに対し、試料１を使用したものは成形速度１１．２ｓｐｍでの圧粉体の重量ばらつきがσ＝０．４８ｇ、成形速度１１．４５ｓｐｍでの重量ばらつきがσ＝０．５７ｇであり、成形速度を１１．４５ｓｐｍまで高めても試料３に勝る重量ばらつきの抑制効果が得られた。

−実施例３−
仕切り板の総数を４枚にしたこの発明の給粉補助治具（試料４）を使用して略図９の形状の、最大部直径６６ｍｍの圧粉体III（基準単重：１５０ｇ、原料組成：０．４Ｎｉ−０．５Ｍｏ−１．５Ｃｒ−０．５Ｃ−残Ｆｅ）を２００Ｔｏｎプレス機で連続成形し、給粉補助治具を使わなかった場合との重量ばらつきを比較した。重量ばらつきは成形個数１００個での平均値を求めた。キャビティに対する粉末の充填は、オーバーフィル無し、シェイク無しで行った。その結果、給粉補助治具を使用しない成形では成形速度１２．０ｓｐｍでの圧粉体の重量ばらつきがσ＝０．３９ｇであったのに対し、試料４を使用したものは、成形速度１２．７ｓｐｍでの圧粉体の重量ばらつきがσ＝０．３３ｇであり、給粉補助治具無しの場合に比べて成形速度を高めても重量ばらつきの抑制効果が認められた。

この発明の給粉補助治具の実施の形態を示す斜視図 図１の給粉補助治具の平面図 図１の補助治具の断面図 この発明の給粉補助治具の他の実施の形態を示す斜視図 この発明の給粉補助治具のさらに他の実施の形態を示す断面図 粉末成形装置の一例の概要を示す断面図 評価試験で成形した圧粉体の一例を示す斜視図 評価試験で成形した圧粉体の他の例を示す部分破断斜視図 評価試験で成形した圧粉体のさらに他の例を示す部分破断斜視図

符号の説明

１ 給粉補助治具
２ 外枠
２ａ 位置決め部
３ 仕切り板
４ 粉末通路
５ 粉末成形装置
６ ダイ
７_−１〜７_−３ 下１〜下３パンチ
８ コア
９ 上パンチ
１０ 金型
１１ キャビティ
１２ 給粉装置
１３ 給粉ボックス
１４ ホース
１５ 敷板
１６ 穴
Ｐ 粉末
Ｉ〜III 圧粉体

Claims (7)

1. 金型のキャビティ（１１）に粉末を供給して成形する粉末成形装置に採用し、同成形装置の給粉ボックス（１３）の内部に設置して使用する給粉補助治具であって、外枠（２）と、その外枠（２）の内側を複数に区画する複数の仕切り板（３）とを有し、前記仕切り板（３）は、前記給粉ボックス（１３）の進退方向前後に両端があり、かつ、隣り合う仕切り板間の間隔が一端側で広がり、他端側で狭くなるように配置された給粉補助治具。
2. 前記外枠（２）に、給粉ボックス（１３）内での向きを一定させる位置決め部（２ａ）を設けたことを特徴とする請求項１に記載の給粉補助治具。
3. 前記仕切り板（３）を、給粉補助治具の中心線（Ｃ）を基準にして左右対称に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の給粉補助治具。
4. 前記仕切り板（３）の高さ（Ｈ）を、一端から他端に向って増加させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の給粉補助治具。
5. 高さの異なる仕切り板（３）を、高さ大の仕切り板が高さ小の仕切り板よりも仕切り板配列方向の内側に置かれる状態に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の給粉補助治具。
6. ダイ（６)上をスライドして退避位置と給粉位置との間を往復運動する給粉ボックス（１３）と、請求項１〜５のいずれかに記載の給粉補助治具（１）を有し、前記給粉補助治具（１）を前記給粉ボックス（１３）に入れ、その給粉補助治具（１）を通して前記給粉ボックス（１３）内に供給された粉末を前記金型のキャビティ（１１）に投入するように構成された給粉装置。
7. 前記給粉ボックス（１３）に、その給粉ボックスと共にダイ（６)上でスライドさせる敷板（１５)を含ませ、その敷板（１５)に、前記キャビティ（１１）の開口に対応させたキャビティ開口寸法よりもサイズの大きな穴（１６）を形成し、その穴（１６）に前記給粉補助治具（１）を設置した請求項６に記載の給粉装置。

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