JP2010023070A - 圧縮成形用金型及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末材料から中空部に段差を有する筒状の成形体を成形する際に成形体にクラックやこすり傷を発生させることなく、寸法精度を良好にする。
【解決手段】外形を形成するダイス１２、下パンチ１３及び上パンチ１４と、下パンチ１３及び上パンチ１４のいずれか一方から突出し、中空部を形成するピン１５とからなり、粉末材料により中空部１１Ａを有する筒状の成形体１１を成形する圧縮成形用金型において、ピン１５は下パンチ１３及び上パンチ１４のいずれか一方から突出し、かつ段差部１５Ｃを備えてなり、中空部１１Ａに段差１１Ｂを有する成形体１１を形成するものとしており、ダイス１２の内面１２ａは粉末材料の充填部となるストレート部１８と、成形体１１の抜き方向に拡径するテーパ部１７を備えている。
【選択図】図１

Description

本願発明は、セラミックス粉末や金属粉末により中空部を有する筒状の成形体を成形する圧縮成形用金型、成形方法に関し、詳しくは、中空部に段差を有する筒状の成形体をクラックやこすり傷を発生させず、精度良く成形するものである。

従来、セラミックス粉末や金属粉末等の粉末成形においては、図６に示すような金型１００を用いて、中空部を有する円筒状の成形体１０１が成形されている。図６に示す金型１００は、中空部がストレート形状のダイス１０２、下パンチ１０３、上パンチ１０４及び段差部を有するコアロッド（ピン）１０５を備え、ダイキャビティ内の粉末材料を上パンチ１０４と下パンチ１０３の間に圧縮成形するものとしている。

また、特開２００３−１７０２９８号公報（特許文献１）では、図７に示すように、ダイ９２、下パンチ９３、上パンチ９４及びコアロッド９５を備えた金型９０を提供している。金型９０は、コアロッド９５の成形空所に面する部分を、上方に漸次拡径するテーパ状に形成し、筒状の成形体９１の寸法精度を確保するものとしている。
特開２００３−１７０２９８号公報

しかしながら、図６の金型で中空部に段差を有する成形体１０１を成形すると、成形体１０１を金型１００から取り出す際に、図８（ｃ）に示すように、成形体１０１の中空部の段差部分にはクラックが入り、成形体１０１の外周面には抜き方向にダイス１０２とのこすり傷が生じる。これは、ダイス１０２の内部がストレート形状であるために、圧縮成形された成形体１０１（図８（ａ））が金型１００から取り出される際に急激に圧力開放され、図８（ｂ）のようにダイス１０２の出口内径寸法より成形体１０１の寸法が大きくなる現象、所謂スプリングバックが生じるためである。このようなクラックやこすり傷は成形体が焼成等された際に割れや外観不良の原因となるため、抑制する必要がある。また、特許文献１の金型９０はコアロッド９５にテーパを設けているが、これは成形後の成形体９１の内面を直線状にし、成形体９１からコアロッド９５を抜き出しやすくするためであり、図８（ｃ）のような成形体１０１の内部に発生するクラックや外周面のこすり傷を防止できるものではない。

本願発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、粉末材料から中空部に段差を有する筒状の成形体を成形する際にクラックやこすり傷を発生させることなく、寸法精度の良好な成形体を成形することを課題としている。

前記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明では、外形を形成するダイス、下パンチ及び上パンチと、下パンチ及び上パンチのいずれか一方から突出し、中空部を形成するピンとからなり、粉末材料により中空部を有する筒状の成形体を成形する圧縮成形用金型において、ピンは下パンチ及び上パンチのいずれか一方から突出し、かつ段差部を備えてなり、中空部に段差を有する成形体を形成するものとしており、ダイスの内面は粉末材料の充填部となるストレート部と、成形体の抜き方向に拡径するテーパ部を備えていることを特徴としている。

又、本願請求項２記載の発明は、前記請求項１記載の圧縮成形用金型において、成形体取出口となるテーパ部の出口内径寸法は、金型から取り出した時に生じる成形体のスプリングバック後の同成形体の外径寸法以上であることを特徴としている。

又、本願請求項３記載の発明は、前記請求項1又は２記載の圧縮成形用金型において、テーパ部の深さ寸法が成形体の高さ以上であることを特徴としている。

又、本願請求項４記載の発明は、前記請求項１乃至３のいずれかに記載の圧縮成形用金型において、ピンの段差部はダイスのテーパ部側に位置していることを特徴としている。

又、本願請求項５記載の発明は、前記請求項１乃至４のいずれかに記載の圧縮成形用金型において、ピンは大径部と小径部、及び大径部と小径部を連結する段差部を備えるものとし、下パンチ及び上パンチに穿設された中心穴にピンの大径部と小径部がそれぞれ挿通することを特徴としている。

又、本願請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧縮成形用金型を用いた成形方法であって、ダイスに下パンチとピンとを配置した後、ダイスのストレート部に粉末材料を充填し、下パンチ及び上パンチにより荷重を加えて粉末材料を圧縮成形した後、成形体をダイスのテーパ部側から取出し、その後中空部のピンを取り外すことを特徴としている。

本願請求項１記載の発明の圧縮成形用金型においては、ダイスの成形体の抜き方向に拡径させたテーパ部を設けているので、圧縮後の成形体にかかる応力を緩和しながら成形体を取り出すことができる。そのため、中空部に段差を有する成形体をクラックやこすり傷の発生を抑制して成形不良なく得ることができる。かつ、ダイスの粉末材料の充填部はストレート形状としており、圧縮時にパンチとダイスの隙間から粉末材料が流出することもないので、成形体の深さ方向の寸法精度も良好にすることができる。

又、本願請求項２記載の発明の圧縮成形用金型においては、特に、ダイスのテーパ部の出口内径寸法を成形体を金型から取り出した時に生じるスプリングバック後の同成形体の外径寸法以上に設定し、ダイスの出口部分ではスプリングバックを完了させた状態としている。そのため、ダイスの出口部分で成形体に応力が加えられず、クラックやこすり傷の発生をより有効に防止し、外観を損なわない成形体を得ることができる。

又、本願請求項３記載の発明の圧縮成形用金型においては、特に、ダイスのテーパ部の深さ寸法を成形体の高さ以上として十分な深さのテーパを設けているので、成形体の取出す際のストレート部からテーパ部への進入角度を緩やかにすることができる。そのため、請求項２のようにテーパ部の出口内径寸法を成形体のスプリングバック後の外径寸法より大きく設定してもテーパ開始部分での急激な応力発生を抑制することができ、クラックやこすり傷の発生を一層効果的に抑制し、外観を損なわない成形体を得ることができる。

又、本願請求項４記載の発明の圧縮成形用金型においては、特に、ダイスのテーパ部をピンの段差部側に位置させているので、成形体を金型から取出す際に成形体の中空部の段差に応力が加わりにくくでき、安定な応力緩和機構を維持したまま、成形体を金型から抜き出す構成とすることができる。

又、本願請求項５記載の発明の圧縮成形用金型においては、ピン、下パンチ及び上パンチを別部材とし、ピンを個別に制御できるようにしているので、金型から成形体を取り出す際に成形体の外側からの圧縮力を開放したのち、中空部のピンを取り外すことができ、段階的に成形体に生じる応力を緩和し、クラックを発生しにくくすることができる。

又、本願請求項６記載の発明の成形方法によれば、前記請求項１乃至５記載のいずれかに記載の圧縮成形用金型を用いて、ダイスのストレート部に粉末材料を充填し、その後、下パンチ及び上パンチにより粉末材料を圧縮成形しているので、圧縮時にパンチとダイスの隙間から粉末材料が流出することもなく、良好な寸法精度の成形体を成形することができる。さらに、成形体をダイスのテーパ部側から取り出した後で中空部のピンを取り出しているので、成形体に急激な応力変化が加わるのを抑制し、安定な応力緩和機構を維持したまま、成形体を金型から抜き出すことができる。

図１、図２に、本願請求項１〜６の全てに対応した実施形態に係る圧縮成形用の金型１の断面図を示す。

この金型１は、セラミックス粉末や金属粉末を原材料として中空部１１Ａを有する筒状の圧縮成形体（以下、「成形体」と称す）１１を成形するものであり、外形を形成するダイス１２、下パンチ１３及び上パンチ１４と、上パンチ１４から突出し、中空部１１Ａを形成するピン１５を基本構成として備えている。ピン１５は、上パンチ１４から突出し、かつ段差部１５Ｃを備えてなり、この段差部１５Ｃにより成形体１１の中空部１１Ａに段差１１Ｂを形成するものとしている。金型１はダイス１２の内面１２ａに粉末材料の充填部となるストレート部１８と、成形体の抜き方向に拡径するテーパ部１７を備えていることを特徴としている。

ダイス１２のテーパ部１７は、その出口部分における内径寸法Ｌ１が成形体１１を金型１から取り出した時に生じるスプリングバック後の寸法Ｌ２以上、即ちＬ１≧Ｌ２となるようにしている。また、テーパ部１７の深さ寸法Ｄ１は、成形後の成形体１１の高さＨ１以上、即ちＤ１≧Ｈ１としている。ピン１５は大径部１５Ａと小径部１５Ｂ、及び大径部１５Ａと小径部１５Ｂを連結する段差部１５Ｃを備えるものとし、下パンチ１３及び上パンチ１４にそれぞれ穿設された中心穴１３ａ，１４ａにピン１５の小径部１５Ｂと大径部１５Ａとがそれぞれ挿通する構成としている。また、成形体１１の段差１１Ｂを形成するピン１５の段差部１５Ｃはダイス１２のテーパ部１７側に位置させている。

以下、圧縮成形用金型１について、より具体的詳細に説明する。

図１に示すように、ダイス１２は円筒形状であり、その内面１２ａで成形体１１の外周面１１Ｃが成形されるものとしている。ダイス１２の内面１２ａには上下摺動可能に嵌合する上パンチ１４及び下パンチ１３が配置されており、この上パンチ１４と下パンチ１３で成形体１１の上下端面１１Ｄ，１１Ｅをそれぞれ形成するものとしている。ピン１５はその大径部１５Ａが上パンチ１４の中心穴１４ａに挿通すると共に小径部１５Ｂが下パンチ１３の中心穴１３ａに上下摺動可能に挿通し、ピン１５の段差部１５Ｃ及び小径部１５Ｂで成形体１１の中空部１１Ａを形成する。即ち、ピン１５は上パンチ１４から突出する基端部に段差部１５Ｃを備え、中空部１１Ａの開口端部に段差１１Ｂを形成する。

ここで、ダイス１２のテーパ部１７の出口内径寸法Ｌ１は、成形される粉末材料の種類、及び圧縮条件等により予め求められたスプリングバック量から規定している。スプリングバックとは、成形体１１をダイス１２のストレート部１８から抜き取る際に、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、成形体１１の圧力が開放され、ダイス１２のストレート部１８の内径寸法Ｌ０より成形体１１の外径寸法Ｌ２が大きくなる現象である。例えば、ダイス１２のストレート部１８の内径寸法Ｌ０が１０ｍｍであり、成形体１１のスプリングバック後の外形寸法Ｌ２が１０．０２ｍｍである場合、ダイス１２のテーパ部１７の出口内径寸法Ｌ１は１０．０２ｍｍ以上としている。

一方、ダイス１２のテーパ部１７の深さ寸法Ｄ１は、成形体１１の高さ寸法Ｈ１以上としている。例えば、成形体１１の高さ寸法Ｈ１が２０ｍｍである場合、テーパ部１７の深さ寸法Ｄ１は２０ｍｍ以上としている。なお、図２において、上パンチ１４及びピン１５は図示していない。

次に、図３を参照して、金型１を用いた請求項６に対応する成形方法について説明する。

本成形方法では、ダイス１２に下パンチ１３及びピン１５を配置した後、ダイス１２のストレート部１８に粉末材料２１を充填し、下パンチ１４及び上パンチ１３により荷重を加えて粉末材料２１を圧縮成形した後、得られた成形体１１をダイス１２のテーパ部１７側から取出し、その後成形体１１の中空部１１Ａのピン１５を取り外している。

例えば、はじめに、図３（ａ）に示すように下パンチ１３、上パンチ１４及びピン１５をセットしたダイス１２において、ダイス１２のテーパ部１７の下方向に配置したストレート部１８に粉末材料２１を充填する。このとき、粉末材料２１はダイス１２のストレート部１８のみに充填するようにしている。ついで、図３（ｂ）のように上パンチ１４とピン１５を下動させると共に下パンチ１３を上動させて粉末材料２１に荷重を加え、図３（ｃ）に示すようにダイス１２のストレート部１８において粉末材料２１を圧縮成形する。

圧縮成形後、図３（ｄ）に示すようにダイス１２を下動させ、成形体１１の外周面１１Ｃをダイス１２のテーパ部１７に沿わせて通過させて、成形体１１の外周面１１Ｃに発生する応力を緩和する。ついで、上パンチ１４を上動させて取り外して成形体１１の上端面１１Ｄの圧力を開放したのち、ピン１５を上動させて成形体１１の中空部１１Ａに発生する応力を開放して、成形体１１を得ている。

以上のように、金型１はダイス１２に成形体１１の抜き方向に拡径させたテーパ部１７を設けているので、圧縮後の成形体１１の急激なスプリングバックを抑制し、スプリングバックを徐々に発生させることができる。このように、スプリングバックを徐々に発生させて、成形体１１の応力を徐々に緩和しながら成形体１１をダイス１２の出口まで導いた後に取り出すことができるので、成形体１１に図８（ｃ）のようなクラックやこすり傷を発生させることがない。かつ、粉末材料２１はダイス１２のテーパ部１７の下方向のストレート部１８に充填し、その後荷重を加えて押し固めているので、圧縮時に上下パンチ１４，１３とダイス１２の隙間から粉末材料２１が流出することもなく、成形体１１の深さ方向の寸法精度も良好にすることができる。

さらに、ダイス１２のテーパ部１７の出口内径寸法Ｌ１は、成形体１１をダイス１２から取り出した時に生じるスプリングバック後の同外径寸法Ｌ２以上に設定し、成形体１１の取出口ではスプリングバックの発生を完了させているので、ダイス１２の出口部分で成形体１１に応力が殆ど発生することがなく、クラックやこすり傷をより有効に抑制して外観を損なわない成形体１１を得ることができる。

また、ダイス１２のテーパ部１７の深さ寸法Ｄ１を成形体１１の高さ寸法Ｈ１以上として十分な深さのテーパを設けることにより、テーパ開始部分の角度を緩やかにすることができる。そのため、テーパ部１７の出口内径寸法Ｌ１をスプリングバック後の成形体１１の外形寸法Ｌ２よりも大きくしてもテーパ開始部分には応力が加わりにくく、クラックやこすり傷の発生を一層有効に抑制し、外観を損なわない成形体１１を得ることができる。

さらに本実施形態では上パンチ１４とピン１５は別部材とし、それぞれ独立して上下駆動するものとしているので、上パンチ１４とピン１５を個別に制御でき、成形体１１の取り出しの際に上パンチ１４とピン１５を別個に取り外すことにより徐々に応力を緩和し、クラックの発生を抑制することができる。

しかも、ダイス１２のテーパ部１７はピン１５の段差部１５Ｃ側に位置させているので、成形体１１の取り出しの際に成形体１１の段差１１Ｂの部分に応力が加わりにくく、安定な応力緩和機構を維持したまま、成形体１１をダイス１２から抜き出すことができる。また、前述した成形方法では成形体１１はダイス１２のテーパ部１７から取り出したのち、上パンチ１４についでピン１５を取り外しており、成形体１１の外周面１１Ｃ→上端面１１Ｄ→中空部１１Ａの順で圧力を開放し、中空部１１Ａのピン１５は応力が緩和された状態で取り外している。そのため、成形体１１に急激な応力が発生することを抑制し、より有効にクラックの発生を抑制することができる。

なお、第一の実施形態の金型１は全体を上下逆配置としてもよい。また、第一の実施形態ではダイス１２，下パンチ１３，上パンチ１４及びピン１５は独立して上下駆動するものとしたが、ダイス１２は固定する構成としてもよい。

図４に、本願請求項１〜４に対応した第二の実施形態に係る圧縮成形用の金型２を示す。なお、ここでは、前記第一の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項（構成、作用効果等）については、前記第一の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

この金型２は上パンチ２４の一部にピン２４Ａを備えるものとし、ピン２４Ａが突出する基端部に段差部２４Ｂを備えている点で第一の実施形態と相違する。

本構成では、上パンチ２４とピン２４Ａが一体となるので、部品点数を少なくでき、簡単な構造で金型を製造することができる。しかし、金型２から成形体１１の上端面１１Ｄと中空部１１Ａを同時に取り外すことになる点で、前述した成形方法の効果を得ることはできない。

図５に、本願請求項１，２及び５に対応した第三の実施形態に係る圧縮成形用の金型３を示す。なお、ここでも、前記第一の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項（構成、作用効果等）については、前記第一の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

本実施形態ではダイス３２のストレート部３８側にピン１５の段差部１５Ｃを配置させている点、及びダイス３２のテーパ部３７の深さ寸法Ｄ２を得られる成形体３１の高さ寸法Ｈ２よりも小さくしている点で第一の実施形態と相違する。本構成としても、請求項３，４の効果が得られない以外は、第一の実施形態の金型１と同様の効果を得ることができる。

なお、前記実施形態では２段の段差を有する中空部を有する成形体について説明したが、これに限定されず、ピンの段差部は１段であってもよいし、３段以上であってもよい。

本発明の圧縮成形用金型及び成形方法で得られた段差を有する筒状の成形体は、例えば、医療用、歯科用、工業用等に用いられる。

（ａ）は本発明の第一の実施形態の金型の断面模式図、（ｂ）は（ａ）のピンの断面模式図、（ｃ）は（ａ）の成形体の断面模式図。 （ａ）〜（ｃ）は図１の金型と成形体の寸法関係を説明する断面模式図。 （ａ）〜（ｆ）は第一の実施形態の成形方法の一例を説明する図。 （ａ）は第二の実施形態の金型の断面模式図、（ｂ）は（ａ）のピンを備えた上パンチの断面模式図。 第三の実施形態の金型の断面模式図。 従来技術を示す図。 他の従来技術を示す図。 （ａ）〜（ｃ）は、図６の従来技術の問題点を説明する図。

符号の説明

１ 金型
１１ 成形体
１２ ダイス
１３ 下パンチ
１４ 上パンチ
１５ ピン
１５Ａ 大径部
１５Ｂ 小径部
１５Ｃ 段差部
１７ テーパ部
１８ ストレート部

Claims (6)

1. 外形を形成するダイス、下パンチ及び上パンチと、下パンチ及び上パンチのいずれか一方から突出し、中空部を形成するピンとからなり、粉末材料により中空部を有する筒状の成形体を成形する圧縮成形用金型において、
   ピンは下パンチ及び上パンチのいずれか一方から突出し、かつ段差部を備えてなり、中空部に段差を有する成形体を形成するものとしており、
   ダイスの内面は粉末材料の充填部となるストレート部と、成形体の抜き方向に拡径するテーパ部を備えていることを特徴とする圧縮成形用金型。
2. 成形体取出口となるテーパ部の出口内径寸法は、金型から取り出した時に生じる成形体のスプリングバック後の同成形体の外径寸法以上である請求項１記載の圧縮成形用金型。
3. テーパ部の深さ寸法が成形体の高さ以上である請求項１又は２記載の圧縮成形用金型。
4. ピンの段差部はダイスのテーパ部側に位置している請求項１乃至３のいずれかに記載の圧縮成形用金型。
5. ピンは大径部と小径部、及び大径部と小径部を連結する段差部を備えるものとし、下パンチ及び上パンチに穿設された中心穴にピンの大径部と小径部がそれぞれ挿通する請求項１乃至４のいずれかに記載の圧縮成形用金型。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の圧縮成形用金型を用いた成形方法であって、
   ダイスに下パンチとピンとを配置した後、ダイスのストレート部に粉末材料を充填し、下パンチ及び上パンチにより荷重を加えて粉末材料を圧縮成形した後、成形体をダイスのテーパ部側から取出し、その後中空部のピンを取り外すことを特徴とする成形方法。

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