JP2010012481A - 成形体の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クランクプレスでトランスファー成形を行い外又は内フランジ部を有する成形体の成形方法を提供する。
【解決手段】薄肉部成形上パンチ11と厚肉部成形上パンチ12を有した上パンチ群と、薄肉部成形下パンチ21と厚肉部成形下パンチ22を有した下パンチ群と、ダイスとからなる成形プレス装置を用い、ダイキャビティに充填した原料粉末の圧縮成形工程に先立ち、上下薄肉部成形パンチを移動させ該パンチ間に充填された原料粉末を移動させてから原料粉末を11と21のパンチと12と22のパンチにより圧縮する。要部はクランクプレス装置を用い、11のパンチと12のパンチが上パンチ駆動手段12ｂを介し上パンチプレートに接続され、該プレートが上パンチプレート駆動手段11ｂ等を介しクランクプレス装置の上ラムに接続される。上パンチ群を上ラムで降下するとき、上ラムの降下よりも先に11のパンチ及び12のパンチを手段12ｂ及び11ｂで下降してから原料粉末の移動を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、原料粉末を圧縮成形した成形体を焼結して機械部品を製造する粉末冶金法において、原料粉末を押型の型孔内に充填しこれをパンチで加圧して圧粉成形する（いわゆる押型法の）成形方法に係、特に、圧縮方向に薄肉部と厚肉部を有するとともに、前記薄肉部が前記厚肉部の中間に配置される成形体をクランク式プレス装置により成形する方法に関する。

圧縮方向に薄肉部と厚肉部を有するとともに、前記薄肉部が前記厚肉部の中間に配置される成形体を成形する方法としては、例えば非特許文献１に記載されている方法が一般的である。この成形方法を図３に示す。図３（ａ）〜（ｃ）は、薄肉部（フランジ部）が厚肉部の外周に配置される場合（外フランジ）であり、図３（ｄ）〜（ｆ）は、薄肉部（フランジ部）が厚肉部の内周に配置される場合（内フランジ）である。いずれの場合も、使用される成形プレス装置は、薄肉部を成形する薄肉部成形上パンチ１１と、厚肉部を成形する厚肉部成形上パンチ１２とからなる上パンチ群１と、薄肉部成形上パンチ１１と対になる薄肉部成形下パンチ２１と、厚肉部成形上パンチ１２と対になる厚肉部成形下パンチ２２とからなる下パンチ群２と、前記下パンチ群２と嵌合する型孔３１を有するダイス３とからなる。成形方法は、一般的に図３（ａ）および図３（ｄ）に示すように、前記ダイス３の型孔３１と、前記下パンチ群２とから形成されるダイキャビティに、原料粉末Ｍを充填し、図３（ｂ）および図３（ｅ）に示すように、前記上下一対の薄肉部成形パンチ１１，２１を移動させることにより薄肉部成形パンチ間に充填された原料粉末を所定の位置まで移動させてから、図３（ｃ）および図３（ｆ）に示すように、原料粉末を、前記上下一対の薄肉部成形パンチ１１，２１と、前記上下一対の厚肉部成形パンチ１２，２２により圧縮成形する。このような成形方法は、一般にトランスファー成形法（粉末移動成形法）と云われている。この方法において、コアロッドを用いると中心孔を有する成形体を成形することができる。また、ダイス３の型孔３１を多段形状としたり、厚肉部成形上パンチ１２をさらに分割する等して、厚肉部を多段にしたものも成形することができる。

上記のトランスファー成形法には、各パンチやダイスをそれぞれ独立して、移動量や移動速度を制御できるＣＮＣ（Computer(ized) Numerical(ly) Control(led)）プレス装置が用いられる。このようなＣＮＣプレス装置の一例として、薄肉部（フランジ部）が厚肉部の外周に配置される場合（外フランジ）の構成例を図４に示す。薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）１１は第１上パンチプレート１１ａに接続され、厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２は第２上パンチプレート１２ａに接続されている。第１上パンチプレート１１ａおよび第２上パンチプレート１２ａは、それぞれ別個に油圧によりサーボ駆動されて薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）１１および厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２の位置制御が為される。また、薄肉部成形下パンチ（第１下パンチ）２１は第１下パンチプレート２１ａに接続され、厚肉部成形下パンチ（第２下パンチ）２２は不動の第２下パンチプレート２２ａに接続されており、第１下パンチプレート２１ａが油圧によりサーボ駆動されて薄肉部成形下パンチ（第１下パンチ）２１の位置制御が為される。さらに、ダイス３はダイプレート３ａに固定され、ダイプレート３ａはガイドロッド３ｃを介してヨークプレート３ｂに接続されており、ヨークプレート３ｂを油圧によりサーボ駆動することにより、ダイス３の位置制御が為される。

上記のＣＮＣプレス装置によりトランスファー成形を行う際の、各部の動作を一例を図５に示す。ここで、実線は厚肉部成形上パンチ１２のパンチ面の軌跡、一点鎖線は薄肉部成形上パンチ１１のパンチ面の軌跡であり、二点鎖線はダイス３のダイス面上の軌跡、三点鎖線は厚肉部成形下パンチ２２のパンチ面の軌跡を示す。なお、本例においては、厚肉部成形下パンチ２２の位置（三点鎖線）は固定されている。

図５の状態Ａは、ダイス３の型孔３１、薄肉部成形下パンチ２１および厚肉部成形下パンチ２２から形成されるダイキャビティに、原料粉末Ｍを充填した状態であり、この状態から薄肉部成形上パンチ１１および厚肉部成形上パンチ１２を降下させて、状態Ｂのように原料粉末Ｍに当接させる。この後、薄肉部成形上パンチ１１と薄肉部成形下パンチ２１のみを、薄肉部成形上パンチ１１と薄肉部成形下パンチ２１の距離を一定として下方に駆動させて状態Ｃとなるまで原料粉末の移動（トランスファー）を行う。状態Ｃまでの原料粉末の移動が完了したら、状態Ｄのように、薄肉部成形上パンチ１１および厚肉部成形上パンチ１２を降下させるとともに、ダイス３を降下させ、同時に薄肉部成形下パンチ２１を上昇させて、原料粉末Ｍを圧縮成形する。圧縮成形が完了したら、状態Ｅのようにダイス３および薄肉部成形下パンチ２１を降下させて成形体Ｐをダイス３から抜き出し、ダイス３および薄肉部成形下パンチ２１を初期の位置まで復帰させて（状態Ｆ）一回の成形工程が完了する。上記のようなＣＮＣプレス装置によるトランスファー成形においては、薄肉部成形上パンチ１１、厚肉部成形上パンチ１２および薄肉部成形下パンチ２１を独立して駆動できることから、図８（ａ）に示すように、原料粉末Ｍは状態ｉ（図５の状態Ｂ）から状態ii（図５の状態Ｃ）までの原料粉末の移動を良好に行うことができる。さらにその後、状態iiiから状態viiにかけて薄肉部および厚肉部が均等に圧縮されて均一な密度分布を有する良好な成形体を得ることができる。

焼結機械部品−その設計と製造− 編著者：日本粉末冶金工業会、発行所：株式会社技術書院、昭和６２年１０月２０日 第１版第１刷発行 １６２〜１６３頁，１９５〜１９７頁，１９９頁

ＣＮＣプレス装置は各要素の個別駆動が容易ではあるが、複雑な制御機構を要するため高価なものである。また、ＣＮＣプレス装置は各要素の駆動に油圧を用いるため、成形速度がクランクプレス装置等の機械式プレス装置に比して２０〜３０％程度遅く、その分、生産性が低いものである。さらに油圧制御するＣＮＣプレス装置はメンテナンス性が機械式プレス装置に比して劣り、ランニングコストも機械式プレス装置に比してかかる。このため、クランクプレス装置等の機械式プレス装置により外フランジもしくは内フランジを有する成形体を得ることができれば、安価に成形できることとなる。

クランクプレス装置は、クランク軸の回転により上ラムを上下動させる簡便なものであり、粉末冶金用の成形用プレス装置として一般的なものである。このクランクプレス装置を用いて、上記と同様の外フランジ形状成形体を成形しようとすると、図６の成形金型装置の構成例のようになる。すなわち、上パンチ群は上ラム４に接続され、図示せぬクランク軸の回転により上下に駆動されるが、薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）１１と厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２を別個に駆動するため、厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２が接続された第２上パンチプレート１２ａを上ラム４に接続されるとともに、この第２上パンチプレート１２ａと、薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）１１が接続された第１上パンチプレート１１ａとの間にエアシリンダ等の第１上パンチプレート駆動手段１１ｂを介して第１上パンチプレート１１ａと第２上パンチプレート１２ａとを接続される。また、薄肉部成形下パンチ（第１下パンチ）２１は第１下パンチプレート２１ａに接続され、図示せぬ第１下パンチプレート駆動手段により駆動される。さらに、厚肉部成形下パンチ（第２下パンチ）２２は不動の第２下パンチプレート（ベースプレート）２２ａに固定される。そして、ダイス３はダイプレート３ａに固定され、ダイプレート３ａはガイドロッド３ｃを介してヨークプレート３ｂに接続されており、さらにヨークプレート３ｂは下ラム５に接続されて、下ラム５の上下動によりヨークプレート３ｂが駆動されすることにより、ダイス３の駆動が為される。

上記のクランクプレス装置によりトランスファー成形を行う際の、各部の動作の一例を図７に示す。ここで、実線は厚肉部成形上パンチ１２のパンチ面の軌跡、一点鎖線は薄肉部成形上パンチ１１のパンチ面の軌跡であり、二点鎖線はダイス３のダイス面上の軌跡、三点鎖線は厚肉部成形下パンチ２２のパンチ面の軌跡を示す。なお、本例においては、厚肉部成形下パンチ２２の位置（三点鎖線）は固定され、ウイズドロアル法により成形する。

図７の図中左の状態Ａは上ラム４の上死点であり、状態Ｄの上ラム４の下死点を経て、図中右の状態Ａの上ラム４の上死点まで復帰する。この状態Ａ（上死点）から状態Ｄ（下死点）を経て状態Ａ（上死点）まで復帰するまでが、クランク軸の１回転であり、一回の成形工程である。このとき、上ラム４に第２上パンチプレート１２ａを介して接続された厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２のパンチ面の軌跡（実線）は、状態Ａを上死点とし、状態Ｄを下死点とする正弦波の軌跡を描いて推移する。このようなクランクプレスにおいて、トランスファー成形を行おうとすると、厚肉部成形上パンチ１２のパンチ面が原料粉末に当接した状態Ｂから、エアシリンダ等の第１上パンチプレート駆動手段１１ｂにより薄肉部成形上パンチ１１を下方に駆動させるとともに、薄肉部成形下パンチ２１を下方に駆動させて原料粉末の移動を行うわけであるが、その際厚肉部成形上パンチ１２もクランク軸の回転に駆動されて原料粉末Ｍを圧縮しながら下方に移動することとなる。このため、厚肉部成形上パンチ１２が原料粉末に当接する状態Ｂから厚肉部成形上パンチ１２の最終加圧状態（下死点）である状態Ｄまでの間にかけて原料粉末の移動を行うと、図８（ｂ）に示すように、原料粉末は圧縮を受けながら原料粉末の移動を行うこととなり、圧縮を受けて固まりつつある厚肉部に対して薄肉部の原料粉末が移動することで、両者の界面でクラックが発生する。

このようなクラック発生を防止するためには、最終加圧状態（厚肉部成形上パンチ１２の下死点；状態Ｄ）までの間の厚肉部成形上パンチ１２の粉末圧縮量Ｈに対し、厚肉部成形上パンチ１２の粉末圧縮量ｈが３０％となるまで（状態Ｃ）に、原料粉末の移動を完了させなければならない。しかしながら、状態Ｂから状態Ｃまでは非常に短時間で推移するため、原料粉末の移動を完了させることは非常に困難である。このため、トランスファー成形は専ら高価なＣＮＣプレス装置により行われているのが現状である。

以上より、本発明は、粉末冶金用の成形プレス装置として一般的なクランクプレスでトランスファー成形を行い、外フランジもしくは内フランジを有する成形体を得ることができる成形方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る成形体の成形方法は、圧縮方向に薄肉部と厚肉部を有するとともに、前記薄肉部が前記厚肉部の中間に配置される成形体を成形する場合、薄肉部を成形する薄肉部成形上パンチおよび厚肉部を成形する厚肉部成形上パンチを有した上パンチ群と、前記薄肉部成形上パンチと対になる薄肉部成形下パンチおよび前記厚肉部成形上パンチと対になる厚肉部成形下パンチを有した下パンチ群と、前記下パンチ群と嵌合する型孔を有するダイスと、あるいはさらに前記下パンチ群と嵌合するコアロッドと、からなる成形プレス装置を用い、前記ダイスの型孔と、前記下パンチ群と、あるいはさらに前記コアロッドとから形成されるダイキャビティに、原料粉末を充填し、原料粉末の圧縮成形工程に先立ち、前記上下一対の薄肉部成形パンチを移動させることにより薄肉部成形パンチ間に充填された原料粉末を所定の位置まで移動させてから、原料粉末を、前記上下一対の薄肉部成形パンチと、前記上下一対の厚肉部成形パンチにより圧縮成形する成形方法において、
成形プレス装置として、クランクプレス装置を用いるとともに、前記上パンチ群として、前記薄肉部成形上パンチおよび前記厚肉部形成上パンチが各々軸方向に駆動する上パンチ駆動手段を介して上パンチプレートに接続されるとともに、前記上パンチプレートが軸方向に駆動する上パンチプレート駆動手段を介して前記クランクプレス装置の上ラムに接続されており、前記上パンチ群を前記上ラムにより降下するとき、実際の上ラムによる降下よりも先に、前記薄肉部成形上パンチおよび前記厚肉部形成上パンチを前記上パンチ駆動手段および上パンチプレート駆動手段により下降してから、前記原料粉末の所定位置までの移動を行うことを特徴としている。

本発明の成形体の成形方法によれば、粉末冶金用の成形用プレス装置として一般的なクランクプレスでトランスファー成形を行い、上記した図３（ａ），（ｂ）に例示した外フランジ部もしくは内フランジ部を有する成形体を得ることができるので、安価に該成形体を製造することが可能となる。

以下、本発明を適用した図１〜図６に示した第１形態と、図７〜図１１に示した第２形態について説明する。第１形態は成形体（圧粉体）が筒状の例であり、第２形態は成形体（圧粉体）が柱状の例である。各形態において、プレスの駆動機構は省略しているが、油圧プレス等の公知の機構が適宜に用いられる。

本発明の成形体の成形方法で用いる上パンチ群の一例を図１に示す。図１は、上記と同様の外フランジ形状成形体を成形する場合の構成の一例であり、薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）１１は第１上パンチプレート１１ａに接続され、第１上パンチプレート１１ａはエアシリンダ等の第１上パンチプレート駆動手段１１ｂを介して第２上パンチプレート１２ａに接続される。ここで、第１上パンチプレート１１ａを用いず、薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）１１を直接第１上パンチプレート駆動手段１１ｂを介して第２上パンチプレート１２ａに接続してもよい。また、厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２はエアシリンダ等の第２上パンチ駆動手段１２ｂを介して第２上パンチプレート１２ａに接続される。さらに、第２上パンチプレート１２ａはエアシリンダ等の第２上パンチプレート駆動手段１２ｃを介して上ラム４に接続され、上パンチ群１が上ラム４に接続される。上記構成の上パンチ群１は、上記構成とすることにより、薄肉部成形上パンチ１１と厚肉部成形上パンチ１２が別個に位置制御可能となるとともに、上パンチ群１自体が上ラム４とは独立して位置制御可能となる。

上記の上パンチ群１の構成は、従来、成形後の成形体をダイスから抜き出す際にクラックの発生を防止するため、上パンチで成形体を押さえたままダイスを降下させて成形体を抜き出す、いわゆるホールドダウンと云われる操作に使用させる上パンチ群の構成と同様である。本発明の成形体の成形方法は、従来からあるホールドダウンのための上パンチ群をトランスファー成形に適用したことを骨子とする。

クランクプレス装置に上記の上パンチ群１を適用した本発明の成形体の成形方法の各部の動作の一例を図２に示す。ここで、上記と同様に、実線は厚肉部成形上パンチ１２のパンチ面の軌跡、一点鎖線は薄肉部成形上パンチ１１のパンチ面の軌跡であり、二点鎖線はダイス３のダイス面上の軌跡を示す。三点鎖線は厚肉部成形下パンチ２２のパンチ面の軌跡を示すが、厚肉部成形下パンチ２２の位置（三点鎖線）は固定され、ウイズドロアル法により成形する。なお、点線は従来のクランクプレスにおける厚肉部成形上パンチ１２のパンチ面の軌跡である。図２の図中左の状態Ａは上ラム４の上死点であり、状態Ｄの上ラム４の下死点を経て、図中右の状態Ａの上ラム４の上死点まで復帰して、一回の成形工程を行う点も上記と同様である。

本発明の成形体の成形方法は、上ラム４の降下にともなう厚肉部成形上パンチ１２の降下時に、第２上パンチ駆動手段１２ｂにより厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２を下方に駆動するとともに、第１上パンチプレート１１ａを第１上パンチプレート駆動手段１１ｂにより下方に駆動することで、第１上パンチプレート１１ａに接続された薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）１１を下方に駆動し、さらに、これらの厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２や薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）１１が接続される第２上パンチプレート１２ａを第２上パンチプレート駆動手段１２ｃにより下方に駆動して、厚肉部成形上パンチ１２のパンチ面を原料粉末に当接させる（状態Ｂ）。このように各要素を駆動することで、実際の上ラム４の降下にともなう厚肉部成形上パンチ１２の降下量よりも、第１上パンチプレート駆動手段１１ｂにより確保した降下量と、第２上パンチプレート駆動手段１２ｃより確保した降下量の和の分だけ稼ぐことができ、その分、実際よりも早い段階で厚肉部成形上パンチ１２のパンチ面を原料粉末に当接させることが可能となる。

また、厚肉部成形上パンチ１２のパンチ面を原料粉末に当接させた（状態Ｂ）後、第１上パンチプレート駆動手段１１ｂおよび第２上パンチプレート駆動手段１２ｃを調整することにより、上ラム４が降下しても、厚肉部成形上パンチ１２のパンチ面を原料粉末に当接させた状態を保持するようにしつつ、第１上パンチプレート駆動手段１１ｂにより第１上パンチプレート１１ａおよびこれに接続された薄肉部形成上パンチ（第１上パンチ）１１を下方に移動させ、かつ同時に、図示せぬ第１下パンチプレート駆動手段により第１下パンチプレート２１ａおよびこれに接続された薄肉部成形下パンチ（第１下パンチ）２１を下方に移動させて粉末の移動を行う。粉末の移動は、状態Ｃのように、上ラム４の降下量が大きくなって、第１上パンチプレート駆動手段１１ｂおよび第２上パンチプレート駆動手段１２ｃの調整量を超えて、厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２による原料粉末の圧縮が始まるまでに完了すれば良く、クランクプレス装置であっても十分な粉末の移動のための時間が確保できる。

このため原料粉末の圧縮状態は、図８（ａ）の状態、すなわちＣＮＣプレス装置を用いた場合と同様の状態となり、従来のクランクプレス装置を用いた場合に発生するクラックの問題を生じることなく原料粉末の移動が行えるとともに、薄肉部および厚肉部が均等に圧縮されて均一な密度分布を有する良好な成形体を得ることができる。

状態Ｃ以降の原料粉末の圧縮（状態Ｄ）から成形体の抜き出し（状態Ｅ）を経て復帰するまでの過程は、従来のクランクプレスにおける場合と同様にすればよい。また、上記したように本発明の成形体の成形方法で用いる上パンチ群は、本来、ホールドダウンのためのものであるから、図２の状態Ｅのように、薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）１１および厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）１２で成形体Ｐを押さえたままダイス３を降下させて抜き出せば、成形体をダイスから抜き出す際のクラック発生を防止できるので、より好ましい。

なお、以上の形態例では、薄肉部（フランジ部）が厚肉部の外周に配置される場合（外フランジ部）について説明したが、薄肉部（フランジ部）が厚肉部の内周に配置される場合についても同様にして原料粉末を移動することができる。このように本発明は、請求項で特定される構成を実質的に備えておればよいものである。

本発明の成形体の成形方法で使用する上パンチ群の模式図である。 本発明方法における、金型装置各部の動作を示す模式図である。 トランスファー成形の概要を説明する模式図である。 ＣＮＣプレス装置における金型装置の構成を示す模式図である。 ＣＮＣプレス装置におけるトランスファー成形の金型装置各部の動作を示す模式図である。 クランクプレス装置における金型装置の構成を示す模式図である。 クランクプレス装置におけるトランスファー成形の金型装置各部の動作を示す模式図である。 粉末の圧縮状態の推移を示す模式図で、（ａ）はＣＮＣプレス装置によるトランスファー成形における粉末の圧縮状態の推移を示す模式図、（ｂ）はクランクプレス装置によるトランスファー成形における粉末の圧縮状態の推移を示す模式図である。

符号の説明

１ 上パンチ群
１１ 薄肉部成形上パンチ（第１上パンチ）
１１ａ 第１上パンチプレート
１１ｂ 第１上パンチプレート駆動手段
１２ 厚肉部成形上パンチ（第２上パンチ）
１２ａ 第２上パンチプレート
１２ｂ 第２上パンチ駆動手段
１２ｃ 第２上パンチプレート駆動手段
２ 下パンチ群
２１ 薄肉部成形下パンチ（第１下パンチ）
２１ａ 第１下パンチプレート
２２ 厚肉部成形下パンチ（第２下パンチ）
２２ａ 第２下パンチプレート
３ ダイス
３１ 型孔
３ａ ダイプレート
３ｂ ヨークプレート
３ｃ ガイドロッド
４ 上ラム
５ 下ラム

Claims (1)

1. 圧縮方向に薄肉部と厚肉部を有するとともに、前記薄肉部が前記厚肉部の中間に配置される成形体を成形する場合、薄肉部を成形する薄肉部成形上パンチおよび厚肉部を成形する厚肉部成形上パンチを有した上パンチ群と、前記薄肉部成形上パンチと対になる薄肉部成形下パンチおよび前記厚肉部成形上パンチと対になる厚肉部成形下パンチを有した下パンチ群と、前記下パンチ群と嵌合する型孔を有するダイスと、あるいはさらに前記下パンチ群と嵌合するコアロッドと、からなる成形プレス装置を用い、
   前記ダイスの型孔と、前記下パンチ群と、あるいはさらに前記コアロッドとから形成されるダイキャビティに、原料粉末を充填し、
   原料粉末の圧縮成形工程に先立ち、前記上下一対の薄肉部成形パンチを移動させることにより薄肉部成形パンチ間に充填された原料粉末を所定の位置まで移動させてから、原料粉末を、前記上下一対の薄肉部成形パンチと、前記上下一対の厚肉部成形パンチにより圧縮成形する成形方法において、
   成形プレス装置として、クランクプレス装置を用いるとともに、
   前記上パンチ群として、前記薄肉部成形上パンチおよび前記厚肉部形成上パンチが各々軸方向に駆動する上パンチ駆動手段を介して上パンチプレートに接続されるとともに、前記上パンチプレートが軸方向に駆動する上パンチプレート駆動手段を介して前記クランクプレス装置の上ラムに接続されており、
   前記上パンチ群を前記上ラムにより降下するとき、実際の上ラムによる降下よりも先に、前記薄肉部成形上パンチおよび前記厚肉部形成上パンチを前記上パンチ駆動手段および上パンチプレート駆動手段により下降してから、前記原料粉末の所定位置までの移動を行うことを特徴とする成形体の成形方法。

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