JP2013043190A - 粉末成形金型 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末冶金法で製造される歯車の成形を支障なく実施するために、ダイと下パンチ間に金属粉末や金属フィラーが噛み込まれてダイの摺動抵抗が増加し、そのためにダイが動かなくなる問題の有効な解決策を提供することを課題としている。
【解決手段】先端に内径側面取り成形部６を有している下パンチ２の先端の外径側に外径側面取り成形部７を設けた。そしてさらに、下パンチの摺動部２ｂの外周面に、尖鋭な縁を有する除粉溝８とその除粉溝に通じた排出溝９を設け、噛み合い歯２ａの歯底部に配置する前記排出溝９の下端を摺動部２ｂの下方の下パンチ小径部２ｃに至らせた。
【選択図】図１

Description

この発明は、焼結歯車の製造に利用する粉末成形金型、詳しくは、下パンチとダイの摺動安定性を維持するための工夫を凝らした粉末成形金型に関する。

焼結歯車は、原料粉末（金属粉末）の圧粉成形工程を経た後、得られた粉末成形体を焼結して作られる。その焼結歯車の圧粉成形工程で利用される粉末成形金型（以下では単に金型と言う）は、ダイ、下パンチ、上パンチ及びコアロッドを組み合わせている。

外歯歯車の成形金型は、ダイの内周に成形用の歯が形成され、下パンチと上パンチの外周に、ダイの成形用の歯と噛み合わせる噛み合い歯がそれぞれ形成される。

また、内歯歯車の成形金型は、コアロッドの外周に成形用の歯が形成され、下パンチと上パンチの内周に、コアロッドの成形用の歯と噛み合わせる噛み合い歯がそれぞれ形成される。

その歯車成形用の金型の中に、歯車の内周縁に形成される面取り部を下パンチで成形するものがある。図８に、内周縁が面取りされた歯車の一例の断面を示す。この歯車Ｇは、面取り部Ｃの付される端面が下パンチによって成形される。その成形に利用される下パンチには、図９に示すように、先端の内径側に軸方向に突出した内径側面取り成形部６が設けられており、その内径側面取り成形部６の成形面の形状が転写されて成形対象の歯車に面取り部Ｃが付される。

なお、下記特許文献１は、ダイと下パンチの摺動面間に金属の粉末が噛み込む（入り込む）ことが原因でダイと下パンチの摺動が阻害されるという問題を提起し、同問題に対する対策を施した粉末成形装置を開示している。

その特許文献１の粉末成形装置は、下パンチの外周面に、縁が尖鋭な除粉溝を螺旋状に設けており、ダイの内面に付着した金属粉がその溝によって掻き落とされる。そして、掻き取られた金属粉が螺旋状の溝を伝って降下してダイから排出される。

特開平９−２６２６９７号公報

先端内周部に上述した面取り成形部を有する下パンチは、粉末の成形圧で先端側がダイから離反する方向（軸心に近づく方向）に撓み易い。特に、内外径差の小さい歯車の成形に利用される肉厚の薄い下パンチはその傾向が顕著である。

発明者は、その撓みによってダイと下パンチの摺動隙間の入口が拡大し、それが摺動隙間への金属粉末の噛み込みを助長していることを解明した。特許文献１が開示している除粉溝は、摺動隙間に入り込んだ金属粉を除去するのに役立つが、摺動隙間に入り込む金属粉の量が多くなると掻き取り漏れも多くなり、残留した金属粉やそれが潰されてできるフィラー（箔と称されている）がダイと下パンチの摺動抵抗を増大させる。

このために、成形のショット数がさほど多くない段階でダイが摺動抵抗により動かなくなって成形が続行不能になる事態が生じた。

この発明は、粉末冶金法で製造される歯車の成形を支障なく実施するために、上記の問題の有効な解決策を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ダイ、下パンチ、上パンチ及びコアロッドを備え、前記ダイの内周に歯車の歯を成形する成形歯が設けられ、前記下パンチと上パンチに前記成形歯と噛み合う噛み合い歯が設けられ、さらに、前記下パンチの先端の内径側に軸方向に突出した内径側面取り成形部が設けられた粉末成用金型に以下の要素を付加した。

すなわち、前記下パンチの先端の外径側に軸方向に突出した外径側面取り成形部を設けた。また、好ましい要素として、この下パンチのダイとの摺動部の外周面に、尖鋭な縁を有する除粉溝とその除粉溝に通じた排出溝をさらに設け、その排出溝を前記噛み合い歯の歯底部に配置し、その排出溝の下端を前記摺動部の下方の下パンチ小径部に至らせた。

かかる粉末成形金型は、下パンチの先端の内径側面取り成形部と外径側面取り成形部を、パンチの平面視で前記噛み合い歯の歯先中心又は歯底中心のいずれかとパンチの軸心を結ぶ線に沿った縦断面において対称形状にすると好ましい。

また、前記除粉溝は、一定幅の水平溝がよく、前記排出溝の溝深さを前記除粉溝の溝深さよりも大きくするのがよい。

この発明は、外歯歯車成形用の金型、内歯歯車成形用の金型のどちらにも適用することができるが、外歯歯車成形用の金型に適用すると特に効果的である。

外歯歯車は軸穴を有する。その軸穴の開口縁を面取りする必要があることから、下パンチの先端の内径側に軸方向に突出した面取り成形部を形成することが通常なされており、その面取り成形部がダイと下パンチの摺動隙間の入口拡大の問題を生じさせる。

また、外歯歯車成形用の金型は、前記成形歯と噛み合い歯の噛み合い部がダイと下パンチの摺動部となるため、内歯歯車成形用の金型に比べてダイと下パンチの摺動面の面積が大きく、その分、摺動面間に噛み込む粉末の量が多くなる。そのために、外歯歯車成形用の金型では粉末の噛み込みによるダイの摺動抵抗増加が起こり易い。この発明は、その問題の解決策として有効である。

この発明の粉末成形金型は、下パンチの先端外径側にも面取り成形部を設けたので、粉末成形時に先端内径側の面取り成形部に働く径方向内向きの力が先端外径側の面取り成形部に働く径方向外向きの力によって相殺され、下パンチの先端をダイから引き離す力が先端外径側に面取り成形部がない従来品に比べて減少してダイと下パンチの摺動隙間の入口が拡大することが抑制される。

そのために、ダイと下パンチの摺動隙間に対する粉末の噛み込みが少なくなる。

従って、粉末が噛み込むことによるダイの摺動抵抗の増加が起こらず、量産品の連続成形が可能になる。

この発明の粉末成形金型の一例の概要を示す断面図 図１の金型の下パンチの側面図 図１の金型の下パンチの平面図 図３のＸ−Ｘ線に沿った断面図 図４の下パンチ先端部の拡大断面図 図４のＹ−Ｙ線に沿った断面図 図４のＺ−Ｚ線に沿った断面図 （ａ）：内周縁に下パンチで成形された面取り部を有する歯車の一例を示す底面図、（ｂ）：同上の歯車の断面図 図８の歯車の成形に利用される下パンチの断面図

以下、この発明の粉末成形金型の実施の形態を添付図面の図１〜図７に基づいて説明する。図１に示した粉末成形金型は、ダイ１、下パンチ２、上パンチ３及びコアロッド４を組み合わせて構成されている。

例示の粉末成形金型は、外歯歯車を成形するものであって、ダイ１の内周面に歯車の歯を成形する成形歯１ａが設けられ、下パンチ２と上パンチ３の外周面に前記成形歯１ａと噛み合う噛み合い歯２ａ、３ａがそれぞれ設けられている。

ダイ１と上パンチ３とコアロッド４は、従来品と変わるところがない。ダイ１は、昇降自在のダイプレート（図示せず）に支持されており、粉末の成形時及び、成形して得られる粉末成形体を金型からに抜き出す際に、その位置が降下し、これにより、位置の固定された下パンチとの間に摺動による相対移動が起こる。これは、周知である。

この発明の特徴は、下パンチ２の構造にある。その下パンチ２は、先端の内径側に、軸方向に突出した内径側面取り成形部６を有する。また、先端の外径側にも外径側面取り成形部７を有する。

内径側面取り成形部６は、内周縁に沿って内径側の全域に設けられ、外径側面取り成形部７も、外周縁に沿って外径側の全域に設けられている。下パンチ２の先端の外周縁は噛み合い歯２ａの輪郭であり、外径側面取り成形部７はその輪郭に沿って配置されている。

図５に示すように、内径側面取り成形部６は、歯車の面取り部Ｃ（図８参照）を成形する斜面の成形面６ａを有し、突端は欠け防止のために、尖鋭なエッジを除去して平坦にしてある。この内径側面取り成形部６は、製品に必要とされる面取り部を成形するものである。

外径側面取り成形部７も斜面の成形面７ａを有する。この外径側面取り成形部７は、下パンチの先端側が成形圧でダイから離反するのを防止する目的で設けられるものであって、製品に必要とされる面取り部を成形するものではない。

その外径側面取り成形部７を設けることによって、成形される歯車に必要とされない面取り部が形成されるが、歯車は、歯の輪郭に沿って端面に面取り部が形成されても機能上不具合が生じるものではないので、外径側面取り成形部７の追設が許容される。

この内径側面取り成形部６と外径側面取り成形部７は、図３に示したパンチの平面視で、噛み合い歯２ａの歯先中心とパンチの軸心を結ぶ線に沿った縦断面及び噛み合い歯２ａの歯底中心とパンチの軸心を結ぶ線に沿った縦断面において対称形状をなすように形成されている（図５参照）。

下パンチ２には、前記面取り成形部６，７のほかに、図１、図２、図４に示した除粉溝８とその除粉溝８に通じた排出溝９が設けられている。除粉溝８は、ダイ１との摺動部２ｂの外周面に、一定幅の水平溝として設けてあり、その除粉溝８の開口縁は、尖鋭な縁（図示の下パンチではほぼ直角なエッジ）になっている。

その除粉溝８は、幅ｗが５ｍｍ程度、深ｄさが０.１〜０．２ｍｍ程度の溝でよく、それでも除粉の目的を十分に達成することができた。

除粉溝８は、一定幅の水平溝（ダイと下パンチの相対移動の方向に対して垂直な溝）であるとエッジによる粉末の掻き取りが効果的に行われる。また、排出溝９の溝深さを除粉溝８の溝深さよりも大きくすると、除粉溝８に取り込まれる粉末やフィラーが流出し易くなる。

排出溝９は、噛み合い歯２ａの歯底部に配置されている。その排出溝９は、溝深さを除粉溝８の溝深さよりも大きくしてあり（同一深さも可）、下端が摺動部２ｂの下方の下パンチ小径部２ｃに至っている。下パンチ小径部２ｃとダイ１の内面との間にはダイの下側に解放した空間が生じており、その空間に流入した粉末は、金型の外部に流出する。

以上の如く構成されたこの発明の粉末成形金型は、ダイ１、下パンチ２、コアロッド４の３者間に作り出されるキャビティ５に原料の金属粉末を投入した後、上パンチ３をダイ１に進入させて投入した粉末の成形を行う。

そのときの成形圧により、下パンチ２の先端の内径側面取り成形部６に対して半径方向内向きの分力が働き、従来の金型はその力で下パンチの先端側がダイから引き離されてダイと下パンチとの間の摺動隙間の入口が拡大していた。この現象は下パンチの肉厚が薄い場合には特に顕著であり、ＦＥＭ解析によってそれを突きとめた。

この発明の粉末成形金型は、下パンチ２の先端の外径側にも面取り成形部７を設けており、その面取り成形部７に半径方向外向きの分力が働く。そのために、内径側面取り成形部６に働く力が外径側面取り成形部７に働く力によって相殺され、下パンチの先端をダイから引き離す力が小さくなってダイと下パンチの摺動隙間の入口が拡大することが抑制される。

外径側面取り成形部７を噛み合い歯の輪郭に沿って輪郭の全域に設けた例示の金型は、図５に示した成形面６ａと７ａの面積差（成形面７ａの面積が大）によって内径側面取り成形部６に働く力よりも外径側面取り成形部７に働く力が大きくなるので、従来生じていた成形圧による摺動隙間の入口拡大が特に起こり難い。

これにより、ダイと下パンチの摺動隙間に対する粉末の入り込みが減少する。また、摺動隙間に粉末が入り込んでも、その粉末は除粉溝８のエッジに掻き取られて除粉溝８の内部に取り込まれ、排出溝９を伝って摺動隙間の外に放出される。そのために、粉末の噛み込みに起因したダイの摺動抵抗増が小さく抑えられ、ダイが動かなくなる事態が回避されて量産品の連続成形が安定して行えるようになる。

図２の下パンチを有する粉末成形金型を試作し、その金型を使用して下記の条件で外径：φ６２ｍｍ、内径：φ４６ｍｍ、高さ：２５ｍｍ、歯数：３２の歯車を成形した。
−成形条件−
使用粉末：Ｋ−６１
成形密度：７．２０〜７．２５ｇ／ｃｍ^３
成形圧力：６５０〜７５０ＭＰａ

この実験の結果、外径側面取り成形部と除粉溝と排出溝の無い下パンチを用いた従来金型は、ダイと下パンチ間の摺動隙間に噛み込んだ粉末が原因で数十個の成形でダイが動かなくなった。これに対し、この発明の金型は、１０００個の連続成形が支障なく行えた。

また、成形後に下パンチを取り外してダイと下パンチの摺動面を目視観察したところ、従来金型は、ダイと下パンチの摺動面の粉末とその粉末が潰れてできたフィラーが至るところに付着していた。一方、発明品の金型は、ダイと下パンチの摺動面にはフィラーは殆ど付着していなかった。また、粉末も除粉溝には取り込まれて摺動面には僅かに付着しているだけであった。

なお、例示の粉末成形金型は、外歯歯車用であるが、内歯歯車の成形を行う金型（これはコアロッドの外周に成形歯が設けられ、それに噛み合う噛み合い歯が下パンチと上パンチの内周に形成される）も、下パンチの先端の内径側に面取り成形部が設けられていると、成形圧によって下パンチの先端がダイから離反する方向に変位してダイと下パンチの摺動隙間の入口が拡大する。

従って、内歯歯車成形用の金型についても、下パンチ先端に内径側面取り成形部が設けられる場合には、この発明を適用して外径側面取り成形部と除粉溝と排出溝を設けることが有効になる。

１ ダイ
１ａ 成形歯
２ 下パンチ
２ａ 噛み合い歯
２ｂ 摺動部
２ｃ 下パンチ小径部
３ 上パンチ
３ａ 噛み合い歯
４ コアロッド
５ キャビティ
６ 内径側面取り成形部
６ａ 成形面
７ 外径側面取り成形部
７ａ 成形面
８ 除粉溝
９ 排出溝

Claims (5)

1. ダイ（１）、下パンチ（２）、上パンチ（３）及びコアロッド（４）を備え、前記ダイ（１）の内周に歯車の歯を成形する成形歯（１ａ）が設けられ、前記下パンチ（２）と上パンチ（３）に前記成形歯（１ａ）と噛み合う噛み合い歯（２ａ，３ａ）が設けられ、さらに、前記下パンチ（２）の先端の内径側に軸方向に突出した内径側面取り成形部（６）が設けられた粉末成形金型であって、
   前記下パンチ（２）の先端の外径側に軸方向に突出した外径側面取り成形部（７）を有する粉末成形金型。
2. 前記下パンチ（２）のダイとの摺動部（２ｂ）の外周面に、尖鋭な縁を有する除粉溝（８）とその除粉溝（８）に通じた排出溝（９）を有し、前記排出溝（９）が前記噛み合い歯（２ａ）の歯底部に配置され、その排出溝（９）の下端が前記摺動部（２ｂ）の下方の下パンチ小径部（２ｃ）に至っている請求項１に記載の粉末成形金型。
3. 前記除粉溝（８）を一定幅の水平溝にした請求項２に記載の粉末成形金型。
4. 前記排出溝（９）の溝深さを前記除粉溝（８）の溝深さよりも大きくした請求項２又は３に記載の粉末成形金型。
5. 前記成形歯（１ａ）が前記ダイ（１）の内周面に、前記噛み合い歯（２ａ）が前記下パンチ（２）の外周面にそれぞれ設けられ、前記除粉溝（８）と排出溝（９）が、前記噛み合い歯（２ａ）の表面に存在する請求項１〜４のいずれかに記載の粉末成形金型。

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