JP2012096240A

JP2012096240A - 微小部品の成形金型装置

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Publication number: JP2012096240A
Application number: JP2010243218A
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: JP5601578B2; DE102011117316A1; US9492867B2; US20120107434A1; DE102011117316B4

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にキャビティ１１に連通する２つの上パンチ（外側上パンチ２２、内側上パンチ２４）を挿入し、上ダイス２０内に原料貯留部２５を設けるとともに、原料貯留部２５とキャビティ１１とを連通する注入通路２６を設け、キャビティ１１への開口を外側上パンチ２２で開閉されるゲート２７とする。外側上パンチ２２を上昇させてゲート２７を開けた状態で、原料貯留部２５内の原料粉末を、プランジャ４０を押し込むことにより注入通路２６からゲート２７を経てキャビティ１１内に注入し、続いて外側上パンチ２２を押し込むと、ゲート２７が閉じられるとともに、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極めて少ないため、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、該キャビティに連通するパンチ孔と、該キャビティにゲートを介して連通する可塑性を有する原料粉末の注入通路とが形成された押し型と、前記パンチ孔に摺動自在に挿入され、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、前記注入通路から注入された前記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、原料粉末を注入通路から押し型内の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。注入通路から原料粉末をキャビティに順次注入することにより、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、キャビティへの原料粉末の供給に際し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、前記押し型には、前記注入通路に連通し、前記原料粉末を貯留する原料貯留部が設けられているとともに、この原料貯留部に、該原料貯留部に貯留されている原料粉末を前記ゲートを経て前記キャビティに注入するプランジャが摺動自在に挿入されている形態を含む。この形態では、注入通路に原料粉末を供給する原料貯留部を有するため、原料貯留部を別途配置して注入通路に接続するといった必要がなく装置が独立したものとなり、原料粉末の供給系統の簡素化が図られる。

また、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、前記パンチ孔および前記注入通路が形成されており、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、前記注入通路を通過す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。第１実施形態の成形金型装置を構成する上下のダイスの一部断面図である。一実施形態の成形金型装置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を示している。この歯車１は、大径側の平歯車部４の片側（図１で上側）に、小径側の平歯車部８が積層された２段歯車であり、小径の平歯車部８から軸部５が突出し、大径の平歯車部４から軸部５と同径の軸部６が突出している。各歯車部４，８の外周面には、多数の歯２からなる歯列３が形成されている。この歯車１は、例えば大径側の平歯車部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）〜（ｃ）、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には、上下方向に貫通する外側上パンチ孔２１が形成されており、この外側上パンチ孔２１に、外側上パンチ２２が上方の開口から摺動自在に挿入されている。そしてこの外側上パンチ２２の軸心には内側上パンチ孔２３が貫通形成されており、この内側上パンチ孔２３に、丸棒状の内側上パンチ２４が上下方向に摺動自在に挿入されている。

外側上パンチ孔２１の下端部は、テーパ部２１ａを介して縮径し小径部２１ｂに形成されている。そしてこれに対応して、外側上パンチ２２の下端部の外径はテーパ部２２ａを介して先細りに縮径し、小径部２２ｂが形成されており、この小径部２２ｂが、外側上パンチ孔２１の小径部２１ｂに摺動自在に挿入されている。

外側上パンチ孔２１の小径部２１ｂは、歯車１の小径側の平歯車部８の外径に対応する内径を有している。そして図４に示すように、該小径部２１ｂの内周面には、歯車１の小径側の平歯車部８の歯列３を造形する内歯列２１ｃが形成されている。また、外側上パンチ２２の、内側上パンチ２４が摺動自在に挿入される内側上パンチ孔２３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。

上ダイス２０内には、外側上パンチ孔２１と並列する状態に、上下方向に延びる円筒状の空間である原料貯留部２５が形成されている。原料貯留部２５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。

上ダイス２０内の下端部には、原料貯留部２５の下端部と、外側上パンチ孔２１の小径部２１ｂ内の空間を連通する水平に延びる注入通路２６が形成されている。外側上パンチ孔２１の小径部２１ｂ内の空間は、図２（ｂ）に示すように外側上パンチ２２および内側上パンチ２４を該小径部２１ｂの上端部まで上昇させた状態でキャビティ１１として形成される。すなわち注入通路２６はキャビティ１１に連通可能で、注入通路２６のキャビティ１１への開口がゲート２７とされている。図２（ａ）に示すように、ゲート２７は、外側上パンチ２２が下方に押し込まれると外側上パンチ２２の下端部で閉じられ、外側上パンチ２２が上昇すると図２（ｂ）に示すように開くようになっている。

原料貯留部２５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。上記ゲート２７が開いている状態でプランジャ４０を下方に押し込むことにより、原料貯留部２５内の原料粉末Ｐが注入通路２６を流動してゲート２７からキャビティ１１に注入されるようになっている。

下ダイス３０には、上下方向に延びる円筒状孔３１が、上ダイス２０の外側上パンチ孔２１と同軸的に貫通形成されている。この円筒状孔３１の内径は、歯車１の大径側の平歯車部４の外径に対応しており、図４に示すように、その上端部の内周面には、平歯車部４の歯列３を造形する内歯列３１ｃが形成されている。この円筒状孔３１には、内側ダイス３２が上下方向に摺動自在に挿入されている。そして内側ダイス３２の軸心には、上下方向に延びる下パンチ孔３３が形成されている。下パンチ孔３３は内側上パンチ孔２３と同軸的で該内側上パンチ孔２３と同じ内径を有し、この下パンチ孔３３に、丸棒状の下パンチ３４が摺動自在に挿入されている。

（２−２）成形工程
次に、図２および図３により、一実施形態の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、外側上パンチ２２を、上ダイス２０に対し、外側上パンチ孔２１における小径部２１ｂの下端部の内歯列２１ｃが露出する位置まで挿入した状態とする。これにより、ゲート２７が外側上パンチ２２で閉じられた状態となる。また、内側上パンチ２４を上昇させて、その下端面を、外側上パンチ２２の下端面よりも上方に位置付けておく。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３１ｃ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３４を内側ダイス３２よりも下降させる。この状態から、上ダイス２１の下面と下ダイス３０の上面とを当接させて型締めする（図２（ａ））。これにより、押し型１０内には、上ダイス２０側に歯車１の小径側の平歯車部８と軸部５に対応する部分を有し、下ダイス３０側に歯車１の大径側の平歯車部４と軸部６に対応する部分を有するキャビティ１１が形成される。

次いで、外側上パンチ２２を上昇させて、外側上パンチ孔２１の小径部２１ｂの上端部がキャビティ１１に連通し、かつ、ゲート２７が開いた状態とする。そして、プランジャ４０を押し込んで下降させ、原料貯留部２５内の原料粉末Ｐを、注入通路２６からゲート２７を通してキャビティ１１に注入する（図２（ｂ））。

次いで、内側上パンチ２４と、内側ダイス３２および下パンチ３４を固定し、外側上パンチ２２を下方に押し込んでゲート２７を閉じ、さらに外側上パンチ２２を押し込んで、歯車１の形状に戻ったキャビティ１１内の原料粉末Ｐを圧縮する（図２（ｃ））。これにより、上ダイス２０側に小径側の平歯車部８と軸部５が造形され、下ダイス３０側に大径側の平歯車部４と軸部６が造形されて、歯車１の粉末成形体１Ａが成形される。

粉末成形体１Ａが成形されたら、押し型１０を型開きする。それには、まず、上ダイス２０を上昇させて小径側の平歯車部８を露出させてから（図３（ａ））、内側上パンチ２４で粉末成形体１Ａを押さえながら、外側上パンチ２２と上ダイス２０を上昇させて軸部５を露出させる（図３（ｂ））。次いで、上ダイス２０側の全体を上昇させてから、内側ダイス３２を上昇させて大径側の平歯車部４を抜き出し（図３（ｃ））、下パンチ３４を上昇させて軸部６を下パンチ孔３３から上方に抜き出す（図３（ｄ））。以上が１つの粉末成形体１Ａを圧縮成形するサイクルであり、この後、再び図３（ａ）の状態に戻して上記工程を繰り返し、粉末成形体１Ａを複数得る。

（２−３）作用効果
上記一実施形態の成形金型装置によれば、外側上パンチ２２を上昇させてゲート２７を開けた状態で、上ダイス２０内の原料貯留部２５内の原料粉末Ｐをプランジャ４０を押し込むことによりキャビティ１１に注入し、次いで外側上パンチ２２を押し込んでゲート２７を閉じるとともにキャビティ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。

本実施形態では、外側上パンチ２２および内側上パンチ２４を上ダイス２０から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。また、成形時に圧力がかかる内側上パンチ２４の先端部が常に外側上パンチ２２内に収納された状態となるため、内側上パンチ２４が極めて細い場合であっても曲げや折れといった損傷が生じるおそれがない。

（３）装置の変形例
図５は、上記一実施形態の成形金型装置の変形例を示している。ここでは、上ダイス２０には原料貯留部２５は設けられてはおらず、原料粉末Ｐが貯留されたタンク５０が原料貯留部として外部に別途配設され、このタンク５０が、配管５１を介して注入通路２６に接続されており、タンク５０内の原料粉末Ｐが配管５１から注入通路２６に流入するよう構成されている。この場合、タンク５０が上ダイス２０とともに上下動可能とされるか、あるいは上ダイス２０の上下動に追従可能なように配管５１がフレキシブルなものとされる。

この変形例では、上記一実施形態のように原料貯留部２５を上ダイス２０に形成する必要がなく、また、タンク５０への原料粉末Ｐの補充を装置の稼働中においてもできるという利点を有する。しかしながら上ダイス２０内に原料貯留部２５を一体的に設ける上記一実施形態においては、タンク５０のような原料貯留部を別途配置して注入通路２６に接続するといった必要がなく装置が独立したものとなり、原料粉末Ｐの供給系統の簡素化が図られるといった利点を有する。

（４）本発明の多様性
上記実施形態は、平歯車部の両側に軸部を有する歯車を微小部品として成形するものであるが、軸部は平歯車部の両側ではなく、片側だけにあるもの、あるいは平歯車部のみの微小部品を成形することもできる。また、平歯車部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、上ダイス２０に、注入通路２６を通過する原料粉末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を加熱するようにすると、原料粉末Ｐの流動性が高まり、キャビティ１１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１１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
４，８…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…外側上パンチ孔
２２…外側上パンチ
２３…内側上パンチ孔
２４…内側上パンチ
２５…原料貯留部
２６…注入通路
２７…ゲート
３０…下ダイス
３３…下パンチ孔
３４…下パンチ
４０…プランジャ
５０…タンク（原料貯留部）
Ｐ…原料粉末

Claims

キャビティと、該キャビティに連通するパンチ孔と、該キャビティにゲートを介して連通する可塑性を有する原料粉末の注入通路とが形成された押し型と、
前記パンチ孔に摺動自在に挿入され、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、前記注入通路から注入された前記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。
前記押し型には、前記注入通路に連通し、前記原料粉末を貯留する原料貯留部が設けられているとともに、この原料貯留部に、該原料貯留部に貯留されている原料粉末を前記ゲートを経て前記キャビティに注入するプランジャが摺動自在に挿入されてい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、前記パンチ孔および前記注入通路が形成されており、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または２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１〜３のいずれかに記載の微小部品の成形金型装置。
前記押し型に、前記注入通路を通過す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１〜４のいずれかに記載の微小部品の成形金型装置。