JP2012096238A

JP2012096238A - 微小部品の成形金型装置

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Publication number: JP2012096238A
Application number: JP2010243150A
Authority: JP
Inventors: Narutoshi Murasugi; 成俊村杉; Kazunori Maekawa; 和則前川; Zenzo Ishijima; 善三石島
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: US8851872B2; JP5548587B2; DE102011117317A1; US20120107445A1; DE102011117317B4

Abstract

【課題】可塑性を有する原料粉末を押し型内で圧縮成形する金型装置において、押し型内への原料粉末の供給を容易として効率的に成形体を得る。
【解決手段】押し型１０の上ダイス２０に原料貯留部２１を形成するとともに、原料貯留部２１とキャビティ１１とを連通する上パンチ孔２２を形成し、原料貯留部２１の原料粉末Ｐをキャビティ１１に押し込んで注入するプランジャ４０に、上パンチ孔２２に摺動自在に挿入されて原料貯留部２１と上パンチ孔２２との間のゲート２３を開閉する上パンチ５０を摺動自在に挿入した構成とする。上パンチ５０を上昇させてゲート２３を開けた状態でプランジャ４０を押し込むと、原料貯留部２１内の原料粉末Ｐがゲート２３を経てキャビティ１１内に注入され、次いで、上パンチ５０を下降させてゲート２３を閉じ、さらに下降させると、キャビティ１１内の原料粉末Ｐが圧縮成形される。
【選択図】図２

Description

本発明は、微小歯車等の微小部品を得るにあたり、可塑性を有する原料粉末を押し型内で圧縮成形して微小部品に近似する形状に成形するための成形金型装置に関する。

近年、デジタル家電製品や先端医療機器、あるいはＩＴ機器等の生産分野においては、デバイスの小型化・高機能化に伴い、構成部品に対する小型化・薄肉化の要求が益々高まってきており、元来が小型・薄肉のいわゆる微小部品にあっても、さらなる小型化・薄肉化が要求されてきている。このような微小部品を製造する方法として、バインダを混入した可塑性を有する原料粉末を押し型内に充填してパンチで圧縮することにより目的形状に近似した粉末成形体を成形し、この粉末成形体を焼結するといった方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００６−３４４５８１号公報

上記特許文献１に記載される粉末成形体の成形方法によれば、薄肉の部分にも原料が十分に充填され、形状および寸法精度を高いレベルで得られるといった利点がある。ところが、原料粉末は粉体と異なり可塑性を有しているため取り扱いが難しく、所定量を押し型内に直接供給するような操作が求められ、この点が製造する上で煩雑であった。また、押し型内への原料の充填を１回の成形のたびに行うことは粉末を圧縮成形する一般的な押し型成形と同様ではあるが、微小部品の場合には１回の成形に要する原料の使用量がきわめて少ないため、非効率的である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、押し型内への原料粉末の供給を容易として効率的に成形体を得ることができる微小部品の成形金型装置を提供することにある。

本発明の微小部品の成形金型装置は、キャビティと、可塑性を有する原料粉末を貯留する原料貯留部と、該原料貯留部とキャビティとを連通するとともに原料貯留部との間にゲートを形成するパンチ孔とが形成された押し型と、前記原料貯留部に摺動自在に挿入され、該原料貯留部に貯留されている原料粉末を前記パンチ孔を経て前記キャビティに注入するプランジャと、このプランジャに、該プランジャの摺動方向に沿って摺動自在に貫通され、往復摺動することにより前記ゲートを開閉し、前記キャビティ方向に摺動した時に、該ゲートを閉じるとともにキャビティ内の原料粉末を成形体に圧縮するパンチとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、押し型内の原料貯留部に貯留した原料粉末をプランジャでキャビティに注入し、キャビティ内の原料粉末をパンチで圧縮して型開きすることにより成形体が得られ、この動作を繰り返すことにより、成形体を連続的に得ることができる。プランジャの操作で少量の原料粉末をキャビティ内に容易に供給することができ、パンチを抜く手間がかからず成形体を効率的に製造することができる。

本発明では、前記押し型は、上下方向に相対的に離接可能に配設された上ダイスと下ダイスとで構成され、これら上ダイスおよび下ダイスのうちの一方に前記原料貯留部が形成されており、上ダイスと下ダイスとが当接した状態で、上ダイスおよび下ダイスのうちの少なくとも一方側に前記キャビティが形成される形態を含む。

また、本発明における前記成形体は、鍔状部から軸部が突出する形状であることを含む。

また、本発明では、原料粉末の流動性を高めてキャビティに注入されやすくなる観点から、前記押し型に前記原料貯留部に貯留される原料粉末を加熱する加熱手段が設けられている形態は好ましいものとされる。

本発明によれば、押し型内への原料粉末の供給を容易として効率的に成形体を得ることができる微小部品の成形金型装置が提供されるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態の成形金型装置で成形される粉末成形体から得られる微小歯車を示す斜視図である。一実施形態の成形金型装置による粉末成形体の成形工程の前半を示す断面図である。同成形工程の後半を示す断面図である。一実施形態の成形金型装置を構成する下ダイスの一部断面図である。一実施形態の成形工程の前半の変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
（１）微小歯車
図１は、一実施形態の成形金型装置によって成形した粉末成形体を焼結して得られる微小部品である微小歯車（以下、歯車）を示している。この歯車１は、外周面に多数の歯２からなる歯列３が形成された平歯車部４の中心から両側に同じ長さの円柱状の軸部５，６が直交して延びている形状を有するものである。この歯車１は、例えば平歯車部４の外径Ｄ１が数百μｍ〜数ｍｍ、軸部５，６の直径Ｄ２が数十〜数百μｍといった寸法例が挙げられる。

（２）成形金型装置
（２−１）構成
図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）〜（ｄ）は、一実施形態の成形金型装置によって上記歯車１の粉末成形体を成形する工程を示している。まず、図２により成形金型装置の構成を説明する。同図で符号１０は押し型であり、この押し型１０は、上ダイス２０と下ダイス３０とから構成されている。上下のダイス２０，３０は、いずれも上下方向に移動可能に設けられ、上下方向に互いに離接可能に配設されている。

上ダイス２０の内部には、上下方向に延び、上方に開口する原料貯留部２１が形成されている。原料貯留部２１は円筒状の内周面を有しており、その下端部は、下方に向かうにしたがって先細りとなる円錐状のテーパ部２１ａに形成されている。そして上ダイス２０の内部には、テーパ部２１ａの下端から下方に延び、上ダイス２０の水平な下面２０ａに開口する上パンチ孔２２が形成されている。上パンチ孔２２は原料貯留部２１と同心状で、この上パンチ孔２２と原料貯留部２１との間が、ゲート２３として形成されている。上パンチ孔２２の内径は、歯車１の軸部５，６の直径と同等に設定されている。

原料貯留部２１には、上方の開口から、可塑性を有する原料粉末Ｐが投入されて貯留される。原料粉末Ｐは、例えば、鉄粉等の金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％程度の比率で添加し混練したもの等が用いられる。

原料貯留部２１には、上方の開口からプランジャ４０が摺動自在に挿入される。プランジャ４０の軸心には、上パンチ５０が、プランジャ４０の摺動方向である上下方向に沿って摺動自在に貫通されている。上パンチ５０は、下降すると下端部が上パンチ孔２２に摺動しながら挿入される。この時、ゲート２３は上パンチ５０で閉じられる。また、ゲート２３が閉じた状態から上パンチ５０を上昇させると、図２（ｂ）に示すように上パンチ５０は上パンチ孔２２から抜けてゲート２３が開くようになっている。

下ダイス３０は、上ダイス２０の下面２０ａが当接する水平な上面３０ａを有している。下ダイス３０には、上下に開口する円筒状孔３１が形成されており、この円筒状孔３１に、内側ダイス３２が上下方向に摺動自在に挿入されている。図４に示すように、円筒状孔３１の上端部の内周面には、歯車１の平歯車部４の歯列３を造形する内歯列３１ａが形成されている。内側ダイス３２の中心には、歯車１の軸部５，６の直径と同等の内径の下パンチ孔３３が形成されており、この下パンチ孔３３には、下パンチ６０が摺動自在に挿入されている。内側ダイス３２および下パンチ６０は、上ダイス２０側のプランジャ４０および上パンチ５０と同軸的に配設されている。

（２−２）成形工程
次に、図２および図３により、上記成形金型装置を用いて歯車１の粉末成形体を成形する工程を説明する。はじめに、上ダイス２０の下面２０ａと下ダイス３０の上面３０ａとを当接させて型締めする。そして、上ダイス２０側においては、上パンチ５０を、下端が下面２０ａと面一になる状態まで挿入し、ゲート２３と閉じた状態とする。そして、原料貯留部２１に原料粉末Ｐをほぼ充満させてプランジャ４０の先端を原料貯留部２１に挿入する。一方、下ダイス３０側においては、内側ダイス３２を、円筒状孔３１の上端部の内歯列３１ａが露出するまで下ダイス３０よりも下方に位置付け、さらに、下パンチ６０を内側ダイス３２よりも下降させて、歯車１の平歯車部４と、下側の軸部６に対応するキャビティ１１を形成する（図２（ａ））。

次いで、上パンチ５０を上昇させて上パンチ孔２２から抜き、ゲート２３を開ける。これにより、上パンチ孔２２を介してキャビティ１１と原料貯留部２１とが連通する。上パンチ孔２２はキャビティ１１の一部を構成し、この状態からプランジャ４０を押し込んで下降させ、原料粉末Ｐを、ゲート２３から上パンチ孔２２を含む断面十字状のキャビティ１１に必要量注入する（図２（ｂ））。

次いで上パンチ５０を押し込んで下降させゲート２３を閉じ、さらに上パンチ５０を押し込むことにより、キャビティ１１内の原料粉末Ｐを圧縮する（図２（ｃ）〜（ｄ））。これにより、キャビティ１１の下ダイス３０側に平歯車部４と下側の軸部６が造形され、キャビティ１１の上ダイス２０側（上パンチ孔２２の一部）に上側の軸部５が造形されて、歯車１の粉末成形体１Ａが成形される。

このようにして粉末成形体１Ａが押し型１０内に成形されたら、押し型１０を型開きして粉末成形体１Ａを抜き出す。それには、上ダイス２０を、下面２０ａが上パンチ５０の下端面と同じ高さになるまで上昇させて上側の軸部５を露出させてから（図３（ａ））、上ダイス２０側の全体を上昇させる（図３（ｂ））。次いで、下ダイス３０側において、下ダイス３０を下降させて平歯車部４を露出させ（図３（ｃ））、さらに下ダイス３０と内側ダイス３２を下降させるとともに下パンチ６０を上昇させて下側の軸部６を下パンチ孔３３から上方に抜き出し（図３（ｄ））、粉末成形体１Ａを取り去って次の工程に移す。

次いで、上ダイス２０側はそのままの状態で下降させ、下ダイス３０側は下ダイス３０を上昇させて上ダイス２０に当接させるとともに内側ダイス３２と下パンチ６０を下降させてキャビティ１１を形成し、再び図２（ａ）の状態として上記動作を繰り返し、粉末成形体１Ａを成形する。このような粉末成形体１Ａの成形動作を、原料貯留部２１の原料粉末Ｐが消費されるまで行う。

（２−３）作用効果
上記一実施形態の成形金型装置によれば、上パンチ５０を上昇させてゲート２３を開けた状態で、押し型１０内の原料貯留部２１に貯留した原料粉末Ｐをプランジャ４０でキャビティ１１に注入し、次いで上パンチ５０を押し込んでゲート２３を閉じ、引き続き上パンチでキャビティ１１内の原料粉末Ｐを圧縮してから型開きすることにより、粉末成形体１Ａが得られる。そしてこの動作を繰り返すことにより、粉末成形体１Ａを連続的に得ることができる。上パンチ５０を抜き出すことなくプランジャ４０の押し込み操作で少量の原料粉末Ｐをキャビティ１１内に容易に供給することができるため、１回の成形に要する原料粉末Ｐの量が少なくても粉末成形体１Ａを効率的に製造することができる。

（３）成形工程の変形例
図５は、上記一実施形態の図２に示した成形工程の前半の変形例を示している。ここでは、図５（ｂ）に示す下ダイス３０側のキャビティ１１を、図２（ｂ）の場合よりも内側ダイス３２をさらに下降させることにより平歯車部４の成形部分を厚く形成しておき、図５（ｄ）に示す圧縮の段階で、内側ダイス３２を上昇させ、平歯車部４を軸方向に直接圧縮している。この後は、図３（ａ）〜（ｄ）と同様の工程を経て粉末成形体１Ａを得る。また、内側ダイス２０をさらに内外に分割することにより、平歯車４の下に、それよりも小径の歯車を成形して、二段歯車を成形することもできる。

（４）本発明の多様性
上記実施形態では、平歯車部４の両側に軸部５，６を有する歯車１を微小部品として成形するものであるが、軸部は平歯車部４の両側ではなく、片側だけにあるもの、あるいは平歯車部４のみの微小部品を成形することもできる。また、平歯車部４の代わりに単なる円板状の鍔部の両側に軸部を有するものや、軸部が片側にだけあるもの、あるいは単なる円板状部材も成形の対象部品となり得る。

また、原料貯留部２１を有する上ダイス２０に、原料貯留部２１に貯留される原料粉末Ｐを加熱する加熱手段を設け、この加熱手段で原料粉末Ｐを加熱した状態としておくと、原料粉末Ｐの流動性が高まり、キャビティへの充填が円滑、かつ十分になされるので好ましい。その場合の加熱温度は、原料粉末Ｐのバインダに添加される熱可塑性樹脂の軟化点程度に設定される。なお、加熱手段は、上ダイス２０とともに下ダイス３０に設け、キャビティを加熱するようにしてもよい。

１…微小歯車（微小部品）、１Ａ…粉末成形体、４…平歯車部（鍔状部）、５，６…軸部、１０…押し型、１１…キャビティ、２０…上ダイス、２１…原料貯留部、２２…上パンチ孔、２３…ゲート、３０…下ダイス、３３…下パンチ孔、４０…プランジャ、５０…上パンチ、６０…下パンチ、Ｐ…原料粉末。

Claims

キャビティと、可塑性を有する原料粉末を貯留する原料貯留部と、該原料貯留部とキャビティとを連通するとともに原料貯留部との間にゲートを形成するパンチ孔とが形成された押し型と、
前記原料貯留部に摺動自在に挿入され、該原料貯留部に貯留されている原料粉末を前記パンチ孔を経て前記キャビティに注入するプランジャと、
このプランジャに、該プランジャの摺動方向に沿って摺動自在に貫通され、往復摺動することにより前記ゲートを開閉し、前記キャビティ方向に摺動した時に、該ゲートを閉じるとともにキャビティ内の原料粉末を成形体に圧縮するパンチと、
を備えることを特徴とする微小部品の成形金型装置。
前記押し型は、上下方向に相対的に離接可能に配設された上ダイスと下ダイスとで構成され、
これら上ダイスおよび下ダイスのうちの一方に前記原料貯留部が形成されており、上ダイスと下ダイスとが当接した状態で、上ダイスおよび下ダイスのうちの少なくとも一方側に前記キャビティが形成されることを特徴とする請求項１に記載の微小部品の成形金型装置。
前記成形体は、鍔状部から軸部が突出する形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の微小部品の成形金型装置。
前記押し型に、前記原料貯留部に貯留される原料粉末を加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微小部品の成形金型装置。