JP2011105970A - 焼結体のサイジング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結体の寸法矯正を、内外径面の端面に対する直角度を高めて効率よく安価に行うことを課題としている。
【解決手段】ダイ１と上パンチ２と下パンチ３を備える金型を使用してサイジングによる焼結体の寸法矯正を行う。このサイジングにおいて、ダイ１のサイジング穴１ａに押し込まれた焼結体Ａが下パンチ３の上端に接触した位置でダイ１が軸方向に可動であり、その可動状態を維持して上パンチ２と下パンチ３による焼結体の加圧を行うようにした。
【選択図】図２

Description

この発明は、焼結部品の製造過程で利用する焼結体のサイジング方法に関する。

焼結部品は、通常、原料粉末を成形する圧粉成形工程、得られた粉末成形体を焼き固める焼結工程、焼結後の部品の寸法を矯正するサイジング工程を経て製造される。

この方法でのサイジングは、金型を有するサイジング装置（成形機）を用いて行われる。サイジング用の金型は、ダイと上パンチと下パンチを組み合わせており、必要に応じてコアロッドを含めたものが用いられる。この金型を用いたサイジングは、ダイと下パンチを固定して行われる。その状況でサイジング対象の焼結体を上パンチでダイのサイジング穴に押し込み、焼結体が下パンチに受け止められた位置から上パンチをさらに降下させて焼結体を圧縮する。

その方法は、例えば、下記特許文献１に開示されている。同特許文献１は、本願発明と同一の課題を解決するために、同一焼結体についてダイに押し込む向きを反転させて２回のサイジングを行うものである。

なお、粉末の成形では、上下のパンチによる加圧が均一な力でなされるようにするために、ダイを浮動にし、そのダイを、上下のパンチで原料粉末を圧縮する際に粉末との間に生じる摩擦力を利用して成形中の粉末の変位に追従させる方法が採られる。これに対し、焼結体のサイジングでは、上述したように、ダイを固定し、下パンチに支持された焼結体をダイの内部において上パンチで加圧する方法が採られている。

サイジングにおいてダイを固定するのには理由がある。サイジングでの焼結体の軸方向圧縮量は、例えば、１０ｔの荷重を加えた場合でせいぜい０.１〜０．２ｍｍ程度である。そのために、ダイを浮動にしても格別の効果を期待できないと考えられていた。それが理由の一つである。また、サイジングにおいてダイが浮動であると、径方向サイジング代による影響でサイジング穴に対する焼結体の押し込みがなされないままダイが押し下げられ、ダイによる焼結体の外周拘束がなされなくなって寸法矯正ができない。これも理由の一つである。

特開昭６２−１５１５０１号公報

焼結部品の中には、端面に対する内、外径面の直角度を厳しく要求されるものがある。例えば、車のエンジンや自動変速機（ＡＴ、ＣＶＴ）用のオイルポンプなどとして従来から内接歯車ポンプが多用されている。その内接歯車ポンプのロータについては、両端面に対して直角な基準線に対して内、外径面の振れ量が、軸方向ロータ厚み１０ｍｍ当たりで５μｍ以下といった要求がある。

そのような要求に対し、従来のサイジング方法では、満足な結果が得られていない。サイジングでの焼結体の軸方向圧縮量は上述したように極めて小さい。しかし、このような状況でも、ダイを固定したサイジングでは、前掲の特許文献が述べているように、上下のパンチによる圧縮力に差が生じて焼結体の上パンチに加圧される側と下パンチに加圧される側の密度や塑性変形量及び弾性変形量に差が生じる。そのために、サイジング後の焼結体をダイから抜き出したときの径方向スプリングバック量が異なるものになる。結果、図６に示すように、焼結体Ａの内径面ｆ１や外径面ｆ２が両端面ｆ３，ｆ４に対して鋭角或は鈍角をなすように傾いて高精度直角度の要求を満たす製品が得られない。

そこで、前掲の特許文献１は、同一焼結体についてダイに押し込む向きを反転させて２回のサイジングを行っている。しかし、この方法ではサイジングの作業が複雑になり、工程費も高まって生産性やコスト面で不利になる。

この発明は、内、外径面の端面に対する直角度について高精度が要求される焼結体の寸法矯正を効率よく安価に行うこと、具体的には、前掲の特許文献１が行っている２回サイジングでの効果と同様の効果を１回のサイジング作業で得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、この発明は、ダイと上パンチと下パンチを備える金型を使用して焼結体の寸法矯正を行う焼結体のサイジング方法において、
ダイのサイジング穴に押し込まれた焼結体が前記下パンチの上端に接触した位置で前記ダイが軸方向に可動であり、その可動状態を維持して上パンチと下パンチによる焼結体の加圧を行うようにした。

このサイジング方法においては、前記サイジング穴に押し込まれた焼結体が下パンチの上端付近まで移動した位置、又は下パンチの上端に接触した位置からダイを軸方向に可動となして下方に移動させると好ましい。

そのための手法として、以下の方法が有効である。その方法では、ダイを下方への移動が阻止されるように支持装置で支え、この状態で焼結体を前記サイジング穴に上パンチで押し込む。次いで、そのサイジング穴の内部で焼結体が下パンチの上端付近まで移動したとき、又は下パンチの上端に接触したときに前記支持装置によるダイの支持を解く。そして、その後にダイを焼結体の動きに連動させて下方に移動させる。

ダイの下方への移動は、ダイと焼結体との間に生じる摩擦力を利用して焼結体の動きにダイを追従させる方法が考えられる。また、アクチュエータでダイを強制的に引き下げる方法も考えられ、どちらの方法でも発明の目的が達成される。しかし、アクチュエータで制御を行なう場合は、軸方向圧縮と同じタイミングで同じ量の引き下げを行うと言う高精度の制御が要求される。また、焼結体の全長のバラツキも注意する必要がある。

なお、金型にコアロッドが含まれている場合には、そのコアロッドも焼結体の動きに連動させてダイが下降するときにそのダイとともに下方に移動させる。

この発明の方法によれば、上下のパンチによる加圧時に焼結体の変位に連動してダイが降下することでダイとダイのサイジング穴に押し込まれている焼結体の接触抵抗が無視できるものになる。

ダイと下パンチを固定して行う従来のサイジング法で上下のパンチによる加圧力に差が生じるのは、ダイのサイジング穴と焼結体との間に接触抵抗が生じるからである。その接触抵抗によって下パンチに対する焼結体の押し付け力が減衰される。これに対し、ダイと焼結体が一緒になって動く場合には、焼結体がほとんど抵抗を受けずに降下する。この状況では上パンチによる加圧力とほぼ等しい反力が下パンチから焼結体に加わる。そのために、焼結体の両端面が均等に加圧され、両端の密度差とスプリングバック量の差が小さくなって端面に対する内、外径面の直角度が高まる。

なお、上パンチが下死点にある位置で下パンチを突き上げる方法でも上下のパンチによる均等加圧がなされると思われるが、下パンチを可動にすると新たな設備投資が必要になってコストに影響する。

ダイを軸方向に可動にすることは、ダイを粉末成形で使用されるプレス機の下ラムなどに連結することで実現できる。そのため、既存の設備を使用して、生産効率とコストに優れた１回サイジングにより、内、外径面の端面に対する直角度の向上を図ることができる。

この発明の方法を実施するサイジング装置の一例の概要を示す断面図 図１のサイジング装置のダイのサイジング穴に焼結体を途中まで押し込んだ状態を示す断面図 図１のサイジング装置の上下のパンチで焼結体を圧縮した状態を示す断面図 支持機構の他の例を示す図 評価試験でサイジングに供した焼結体の一例を示す平面図 端面に対する内外径面の傾きを誇張して表したリング状焼結体の断面図

以下、添付図面の図１〜図５に基づいてこの発明の製造方法の実施の形態を説明する。
この発明の製造方法の実施に用いるサイジング装置の概要を図１に示す。図１の粉末成形装置は、ダイ１と、上パンチ２と、この上パンチ２に対向させた下パンチ３と、下パンチ３の内側に通したコアロッド４と、ダイ１を必要な時期に上昇位置に保持する支持機構５を組み合わせた金型を有している。

ダイ１は、昇降可能なダイプレート６に支持されている。このダイ１は、軸方向に貫通して上下面に開口したサイジング穴１ａを備えており、そのサイジング穴１ａに下パンチ３とコアロッド４が挿入される。そして、ダイ１と下パンチ３とコアロッド４の３者によって金型の成形室（キャビティ）７が作り出される。サイジング穴１ａとコアロッド４は、上部に周知のテーパのアプローチ部ａｐ１、ａｐ２を有している。

上パンチ２は上パンチプレート８によって、また、下パンチ３はベースプレート９によってそれぞれ支持されている。上パンチプレート８はプレス機の上ラム（図示せず）に駆動される。また、ベースプレート９は定位置に固定されている。

ダイプレート６は、連結ロッド１０で繋いだヨークプレート１１に支持され、コアロッド４もヨークプレート１１に支持されている。連結ロッド１０は、ベースプレート９にプレート厚み方向に貫通して設けたブッシュ（図示せず）にスライド自在に挿通されている。ヨークプレート１１は、アクチュエータ１２によって駆動される。そのアクチュエータ１２による押し引き動作で、ダイ１とコアロッド４がヨークプレート１１と共に昇降する。アクチュエータ１２は、図示のプレス機の下ラム以外にエアーシリンダなどを別途設けて利用することもできる。

このアクチュエータ１２が、作動用流体を供給していないときにダイ１とコアロッド４を支える力は、プレス機の上ラムが上パンチ２を押し下げる力よりも小さい。

支持機構５は、アクチュエータ１２に供給した作動用流体の圧力を保持することでダイプレート６を上昇した位置に保持するものでよい。

また、その支持機構５は図４に示すようなものでもよい。図４の支持機構５は、カム５ａ、フォーク５ｂ、カムフォロア５ｃ及び付勢手段（スプリングでよい）５ｄによって構成されている。カム５ａは上パンチプレート８の下面に垂下して設けられる。また、フォーク５ｂはベースプレート９によって間接的に支持され、カムフォロア５ｃはフォーク５ｂに取り付けられ、付勢手段５ｄはフォーク５ｂをダイプレート側に向けて付勢するように設定される。

フォーク５ｂは、ベースプレート９に支えられたブラケット１３上に、水平面内で前後にスライドできるように設置する。そのフォーク５ｂは、カム５ａが上昇している状態でダイプレート６がフォーク５ｂよりも上に押し上げられたときに、付勢手段５ｄの力でダイプレート６の移動路を遮る位置まで径方向内側にスライドしてダイプレート６を下から支える。

また、上パンチプレート８が上パンチ２とともに設定位置まで降下すると、カム５ａがカムフォロア５ｃと係合してそのカムフォロア５ｃを押し退け、これによりフォーク５ｂが外側に逃げてフォーク５ｂによるダイプレート６の支持が解かれる。

図１のサイジング装置の場合、図２に示すように、サイジング対象の焼結体Ａが上パンチ２によって下パンチ３の上端近くまでダイ１のサイジング穴１ａに押し込まれたときに支持機構５によるダイプレート６の支持が解かれるようにしてある。そして、その支持の解除は、アクチュエータ１２に加えた作動用流体の圧力を開放することによってなされるようにしてある。

支持機構５によるダイプレート６の支持の解除は、焼結体Ａが下パンチ３の上端に接触した位置で行ってもよい。焼結体Ａが下パンチ３の上端に接触したことは、焼結体の加圧が開始されるときの上パンチ加圧力の変化状況から検出することができる。

なお、サイジングでの焼結体の軸方向圧縮量は上述したように極めて小さい。しかしながら、焼結体Ａが下パンチ３の上端に接触する前にダイプレート６の支持を解く方法によれば、焼結体が下パンチに接触した後の上パンチ降下量が微小であっても、ダイの動作が不安定にならない。

その方法によれば、図４のような電気制御がなされない機械的な支持機構５を使用しても支持解除のタイミング遅れが発生しない。ダイ１やコアロッド４は支持機構５によるダイプレート６の支持が解除された位置から焼結体の動きに追従する。その状況では、焼結体Ａは抵抗なく（ダイ１を浮上させる力が抵抗として働くがこの力は小さいため無視）下パンチ３に押し付けられる。これにより、上パンチ２による加圧力とほぼ等しい反力が下パンチ３から焼結体Ａに加わって焼結体の両端面が均等に加圧される（図３参照）。

なお、焼結体を、ダイやコアロッドとの間に接触抵抗を生じさせずに下パンチに受けられる位置まで移動させることは、次の方法でも行える。その方法では、焼結体Ａが下パンチ３の上端付近までサイジング穴１ａに押し込まれたとき、或は、サイジング穴１ａの内部で下パンチ３の上端に接触したときに、アクチュエータ１２によってダイプレート６をダイ１とコアロッド４がサイジング位置に保たれるところまで強制的に引き下げる。この方法でのダイプレート６の引き下げ速度と引き下げ量は、上パンチ２の降下速度と降下量とほぼ同じにする必要がある。

図５に示す焼結体Ａの寸法矯正を、この発明の方法と、ダイ、下パンチ及びコアロッドを定位置に固定してサイジングを行う従来法とで行った。プレス機は、１０ｔ／ｃｍ^２（
１０００ＭＰａ）の加圧能力を有するものを使用した。
図５の焼結体Ａは、内接歯車ポンプのアウターロータである。このアウターロータは、鉄系の粉末を成形し、得られた粉末成形体を焼結して作られている。

図５のアウターロータの寸法は、外径Ｄ：φ１００ｍｍ、長径（歯底円径）ｄ１：８８ｍｍ、短径（歯先円径）ｄ２：８２ｍｍ、ロータ厚み１４ｍｍ（これ等の数値は試料５個の平均値）である。
サイジング代（直径での数値）は、外径部で０．１ｍｍ、長径部と短径部が約０．０７ｍｍである。

本発明の方法でのサイジングは、
１）ダイを固定した状態でサイジング穴の入口にロータをセットする工程、
２）ダイを固定したまま、アプローチ部より下の場所までサイジング穴に上パンチを挿入し、ロータをサイジング穴の途中まで押し込む工程、
３）ロータの押し込みが下パンチに当たる少し前（実施形態では下パンチまでの距離が２ｍｍの位置）まで進行した位置でダイプレート昇降用のアクチュエータ（プレス機の下ラム）を除圧してダイとコアロッドを浮動にする工程、
４）上パンチをさらに下降させ、ロータが下パンチに当たったところで所定の圧力になるまで加圧して当該ロータを軸方向に圧縮する工程、
５）加圧終了後に上パンチを除圧し、上パンチが自重でロータに接した状態でダイとコアロッドを引き下げてロータを金型から抜き出す工程を経る方法で行った。

従来のサイジング方法には、上記３）の工程がない。

次に、この試験で寸法矯正を行ったロータの外径面と内径面（短径部の内径面）の直角度を測定した。その測定には、市販の真円度、円筒形状測定器｛（株）東京精密製ロンコム４０Ａ｝を使用した。測定箇所は、内外径面ともロータの角度９０度で割り出された円周方向の４箇所で行った。

その結果、本発明の方法でサイジングしたロータは、全体での測定面のロータ径方向変位量が外径面については最大で５μｍ、内径面については最大で３．５μｍであった。これをロータ厚み１０ｍｍ当たりのロータ径方向変位量に換算すると、外径面の変位量は約３．５７μｍ、内径面のそれは約２．５μｍとなる。

従来法での直角度は、外径面についてはロータ厚み１０ｍｍ当たり約２５μｍ、内径面についてはロータ厚み１０ｍｍ当たり約１２．５μｍであり、本願の方法とは極端な差があった。

例えば、自動車エンジン用オイルポンプのロータに要求される直角度は、ロータ厚み１０ｍｍ当たりで５μｍ程度であるので、本発明の方法は、１回サイジングで直角度の要求を満たしたことになる。

１ ダイ
１ａ サイジング穴
ａｐ１，ａｐ２ アプローチ部
２ 上パンチ
３ 下パンチ
４ コアロッド
５ 支持機構
５ａ カム
５ｂ フォーク
５ｃ カムフォロア
５ｄ 付勢手段
６ ダイプレート
７ 成形室（キャビティ）
８ 上パンチプレート
９ ベースプレート
１０ 連結ロッド
１１ ヨークプレート
１２ アクチュエータ
１３ ブラケット
Ａ 焼結体
ｆ１ 内径面
ｆ２ 外径面
ｆ３，ｆ４ 端面

Claims (5)

1. ダイ（１）と上パンチ（２）と下パンチ（３）を備える金型を使用して焼結体（Ａ）の寸法矯正を行う焼結体のサイジング方法において、
   ダイのサイジング穴（１ａ）に押し込まれた焼結体（Ａ）が前記下パンチ（３）の上端に接触した位置で前記ダイ（１）が軸方向に可動であり、その可動状態を維持して上パンチ（２）と下パンチ（３）による焼結体（Ａ）の加圧を行うことを特徴とする焼結体のサイジング方法。
2. 前記サイジング穴（１ａ）に押し込まれた焼結体（Ａ）が下パンチ（３）の上端付近まで移動した位置、又は下パンチ（３）の上端に接触した位置からダイ（１）を軸方向に可動となして下方に移動させる請求項１に記載の焼結体のサイジング方法。
3. ダイ（１）を下方への移動が阻止されるように支持機構（５）で支え、この状態で焼結体（Ａ）を前記サイジング穴（１ａ）に上パンチ（２）で押し込み、そのサイジング穴（１ａ）の内部で焼結体（Ａ）が下パンチ（３）の上端付近まで移動したとき、又は下パンチ（３）の上端に接触したときに前記支持機構（５）によるダイ（１）の支持を解き、その後にダイ（１）を焼結体（Ａ）の動きに連動させて下方に移動させる請求項１又は２に記載の焼結体のサイジング方法。
4. 前記ダイ（１）の下方への移動を、ダイ（１）と焼結体（Ａ）との間に生じる摩擦力を利用して焼結体の動きにダイ（１）を追従させる方法、又は、アクチュエータ（１２）でダイ（１）を強制的に引き下げる方法で行う請求項１〜３のいずれかに記載の焼結体のサイジング方法。
5. 前記金型にコアロッド（４）が含まれ、そのコアロッド（４）を焼結体（Ａ）の動きに連動させて前記ダイ（１）が下降するときにそのダイ（１）とともに下方に移動させる請求項１〜４のいずれかに記載の焼結体のサイジング方法。
   
   

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