JP2015182124A - 段付きダイ - Google Patents

Abstract

【課題】部品や工数を増やすことなく、段部の隅部における亀裂の発生を防止することができる段付きダイを提供する。【解決手段】円筒形状の内環２と、この内環の外周に焼き嵌めされた円筒形状の外環３とを備えており、段部７を有する成形用凹所４が内環の内側に形成された段付きダイであって、内環に対する外環の焼き嵌め率が０．１２％以上かつ０．２５％以下にされている。【選択図】図１

Description

本発明は段付きダイに関する。さらに詳しくは、内環の外周に外環が焼き嵌めされた段付きダイに関する。

粉末成形において、例えば図８に示されるような外周に段３０の付いた部品３１の外周側を成形するに際し、段付きダイと呼ばれる金型を用いることがある。図９はかかる段付きダイ２１の一例の平面図であり、図１０は同断面図である。

段付きダイ２１は、円筒形状の内環２２と、この内環２２の外周に焼き嵌めされた円筒形状の外環２３とを備えており、前記内環２２の内側には成形用の凹所２４が形成されている。この凹所２４は、部品３１の段３０に対応する段部２５を有している。この段部２５は、図９に示されるように、平面視で矩形状である。外環２３の外周には、ダイプレート２６と係合される鍔部２７が形成されている。

前述した段付きダイ２１を用いて部品３１を成形する場合、成形後の部品３１は、段付きダイ２１をダイプレート２６とともに下降させ、固定状態の下パンチ２８で相対的に部品３１を突き上げるようにして型抜きが行われる。したがって、下降時の障害となるので、段付きダイ２１の下方スペースＳに当該段付きダイ２１を支持する支持物を配設することができない。このため、段付きダイ２１では、外周に形成された鍔部２７だけが支持され、その下面は支持されない状態で下パンチ２８の上面２８ａと段部２５の上面２５ａとを受圧面として粉末の圧縮が行われる。

ところが、このような加圧方式では、段部２５に加わった圧力を当該段部２５の縁部又は隅部で受けることになるので、かかる隅部に曲げ応力が集中して亀裂Ｃが発生することがある（図１１参照）。亀裂Ｃの発生は、段付きダイ２１の破損に至るだけでなく、出来上がった部品３１の精度に影響を及ぼす虞がある。

そこで、段付きダイにおける段部の隅部における応力集中を緩和して亀裂の発生を防止するために、曲げ応力が作用するダイ部分の外周にリングを締り嵌めして取り付ける方法が提案されている（特許文献１参照）。

実開平３−５９３２９号公報

しかし、特許文献１記載の方法では、ダイ以外にリングという別部品を用意する必要があり、また、当該リングをダイの外周に締り嵌めする工程が必要である。

そこで、外環を内環外周に焼き嵌めする際の焼き嵌め率又は焼き嵌め量を大きめに設定して段部の隅部周辺に圧縮の残留応力を発生させることが考えられる。

しかし、焼き嵌め率を単に大きくしただけでは、加圧成形時の内環段部の隅部に発生する曲げ応力に対抗する十分な残留圧縮応力を得ることができずに亀裂が発生することがあった。また、そもそも焼き嵌め時に内環段部の当該隅部以外の部位に過剰な応力が発生して亀裂に至ることがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、部品や工数を増やすことなく、段部の隅部における亀裂の発生を防止することができる段付きダイを提供することを目的としている。

本発明の段付きダイは、円筒形状の内環と、この内環の外周に焼き嵌めされた円筒形状の外環とを備えており、段部を有する成形用凹所が前記内環の内側に形成された段付きダイであって、
前記内環に対する外環の焼き嵌め率が０．１２％以上かつ０．２５％以下にされていることを特徴としている。

本発明の段付きダイでは、内環に対する外環の焼き嵌め率が０．１２％以上かつ０．２５％以下にされているので、成形用凹所の段部の隅部に適度な圧縮応力を付与することができ、加圧成形時に当該隅部に集中する曲げ応力により当該隅部に亀裂が発生するのを防止することができる。

本発明の段付きダイによれば、部品や工数を増やすことなく、段部の隅部における亀裂の発生を防止することができる。

本発明の段付きダイの一実施形態の平面図である。 図１に示される段付きダイの断面図である。 図１に示される段付きダイにおける内環の斜視説明図である。 段隅Ｒ部の強度比と焼き嵌め率との関係を示すグラフである。 段隅Ｒ部の強度比と内環比との関係を示すグラフである。 圧縮強度比と肉厚との関係を示すグラフである。 圧縮強度比と内環比との関係を示すグラフである。 外側に段を有する粉末成形品の一例の斜視図である。 段付きダイの一例の平面図である。 図９に示される段付きダイの断面図である。 段部の隅部に発生した亀裂を示す写真である。

本発明の段付きダイは、円筒形状の内環と、この内環の外周に焼き嵌めされた円筒形状の外環とを備えており、段部を有する成形用凹所が前記内環の内側に形成されている。前記内環に対する外環の焼き嵌め率は０．１２％以上かつ０．２５％以下にされている。

前記内環の外径と、この内環の中心軸を中心とした仮想円であって当該中心から径外方向に最も離間した前記段部の隅部を通る最大仮想円の直径との比が１．４以上であることが好ましい。この場合、一定の肉厚を内環に与えることで外環の焼き嵌めにより当該内環に与えられる残留圧縮応力に対する内環の耐性を高めることができる。
また、前記比が２．０以下であることが好ましい。この場合、内環の肉厚を一定量以下に制限することで、前記残留圧縮応力に対する内環の耐性を維持しつつ、内環、ひいては段付きダイの大型化を抑制することができる。

前記内環の外径と、この内環の中心軸を中心とした仮想円であって当該中心から径外方向に最も離間した前記段部の隅部を通る最大仮想円の直径との差である肉厚が５ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、一定の肉厚を内環に与えることで外環の焼き嵌めにより当該内環に与えられる残留圧縮応力に対する内環の耐性を高めることができる。
また、前記内環の材質を超硬合金とし、前記外環の材質を焼入れ鋼とすることができる。この場合、内環に要求される圧縮強度や疲労強度を確保することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の段付きダイの実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る段付きダイ１の平面図であり、図２は、図１に示される段付きダイ１の断面図である。

本実施形態に係る段付きダイ１は、冶金用粉末を圧縮してなる圧紛体を製造する際に用いられる金型である。この段付きダイ１は、内環２と、この内環２の外周に焼き嵌めされた外環３とを備えており、前記内環２の内側には成形用の凹所４が形成されている。

内環２は円筒形状を呈しており、例えばＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金などの超硬合金で作製することができる。外環３も円筒形状を呈しており、一般的な焼き入鋼で作製することができる。外環３の外周には、ダイプレート５と係合される鍔部６が全周にわたって形成されている。

前記凹所４は、内環２の上面側（図２において上側）における平面視で矩形状であり、内環２の下面側（図２において下側）における平面視で円形である。平面視で矩形状の上方の凹所と、平面視で円形の下方の凹所との境界部分に段部７が形成されている。この段部７は、段付きダイ１を用いて成形される成形品（図８参照）の段に対応する部位である。

本実施形態では、以下の式（１）で表される焼き嵌め率又は焼き嵌め量（以下、「焼き嵌め率」で代表させる）が、０．１２％以上かつ０．２５％以下になるように、内環２の外径および外環３の内径が設定されている。
焼き嵌め率（％）＝｛１−（外環内径／内環外径）｝×１００ ・・・・（１）
焼き嵌め率（％）が０．１２％よりも小さいと、残留圧縮応力が不足して成形時に亀裂が発生する虞があり、一方、焼き嵌め率（％）が０．２５％よりも大きいと、焼き嵌め時に亀裂が発生する虞がある。亀裂の発生を確実に防止するとともに内環の大型化を抑制するという点からは、焼き嵌め率（％）を０．１５％以上かつ０．２０％以下とすることが好ましい。

また、本実施形態では、内環２の外径ｄ１と、内環２の中心軸Ｏを中心とした仮想円であって、当該中心Ｏから最も径外方向に離間した段部７の隅部７ａを通る仮想円Ｐ（以下、この仮想円を「最大仮想円」ともいう）の直径ｄ２との比（以下、この比を「内環比」ともいう）が１．４以上に設定されている。この内環比が１．４よりも小さいと、外環３を内環２の外周に焼き嵌めすることで当該内環２に発生する残留圧縮応力により内環２の薄肉部分に亀裂が発生する虞がある。一方、前記内環比が１．４以上であると、このような問題が生じる虞はなくなるが、比が大きすぎると内環２、ひいては段付きダイ１が大型化することから、前記内環比は２．０以下であることが好ましい。

また、前述した内環比と同様の観点に基づいているが、本実施形態では、内環２の外径ｄ１と、前述した最大仮想円の直径ｄ２との差を２で割った値である肉厚が５ｍｍ以上に設定されている。この肉厚が５ｍｍよりも小さいと、外環３を内環２の外周に焼き嵌めすることで当該内環２に発生する残留圧縮応力により内環２の薄肉部分に亀裂が発生する虞がある。一方、前記肉厚が５ｍｍ以上であると、このような問題が生じる虞はなくなるが、厚すぎると内環２、ひいては段付きダイ１が大型化することから、前記肉厚は４０ｍｍ以下であることが好ましい。

〔試験例１〕
図１〜２に示される構成および形状の段付きダイにおける内環の直径、内環比、肉厚（内環の外径と、前述した最大仮想円の直径との差を２で割った値）、および焼き嵌め率（前記式（１）参照）を表１に示されるように種々変更して、成形用凹所に充填された金属粉を成形圧力１０ｔ／ｃｍ^２で加圧成形して圧粉体を作製した。

段付きダイの高さｈ（図２参照）は４０ｍｍであった。成形用凹所の矩形状部分の長辺の長さｗ１は２１ｍｍ、短辺の長さｗ２は１６ｍｍであり、同円柱状部分の直径ｄ３は１０ｍｍであった。また、内環の材質はＷＣ−Ｃｏ系超硬合金であり、外環の材質は熱間ダイス鋼であった。

表１は、前記内環の直径、内環比、肉厚、および焼き嵌め率を種々変更させたときの段隅Ｒ部の等価応力σａｅｑを示している。ここで、「段隅Ｒ部」とは、図３に示されるように、平面視矩形状の段部７の短辺側縁部７ｂのことであり、後出する表３〜４における「側面隅部」とは、平面視矩形状の凹所４に面する内環内面のうち隣接する２面の境界のことであり、前述した隅部７ａと同一箇所である。

また、等価応力σａｅｑは、以下の式（２）で算出される値である。
σａｅｑ＝σａ／（１−σｍ／σ_Ｂ） ・・・・・・（２）
ここで、σａは金属粉の加圧成形時における応力振幅であり、σｍは同じく平均応力である。また、σ_Ｂは材料固有の値である引張強さであり、本試験例１では、内環の材質としてＷＣ−Ｃｏ系超硬合金を用いているので、１６００ＭＰａである。

表２は、表１に示される等価応力σａｅｑと材料固有の値である疲労強度とから算出される強度比（疲労強度／σａｅｑ）を表している。本試験例１では、内環の材質としてＷＣ−Ｃｏ系超硬合金を用いているので、この疲労強度は７００ＭＰａである。

表２の結果を内環比毎にグラフ化したものが図４であり、焼き嵌め率毎にグラフ化したものが図５である。図４において、縦軸は段隅Ｒ部の強度比であり、横軸は焼き嵌め率（％）である。また、図５において、縦軸は段隅Ｒ部の強度比であり、横軸は内環比である。
図４より、焼き嵌め率（％）が０．１２〜０．２５の範囲において、段部Ｒ部の強度比がほぼ一定で安定していることが分かる。また、図５より、内環比が２．０を超えると段部Ｒ部の強度比がほぼ一定の値になることが分かる。
試験例１において、焼き嵌め率が０．３５％であり、内環比が２．４のサンプル（強度比：１．０６）に亀裂が発生したことが確認（視認）された。一方、焼き嵌め率が０．１５％であり、内環比が１．６のサンプル（強度比：１．１１）では亀裂を確認することができなかった。

〔試験例２〕
図１〜２に示される構成および形状の段付きダイにおける内環の直径、内環比、肉厚（内環の外径と、前述した最大仮想円の直径との差を２で割った値）、および焼き嵌め率（前記式（１）参照）を表３に示されるように種々変更させて、内環の段部の側面隅部（前述したように、図３において「７ａ」で示される箇所）に発生する圧縮応力を取得した。

段付きダイの高さｈ（図２参照）は４０ｍｍであった。成形用凹所の矩形状部分の長辺の長さｗ１は２１ｍｍ、短辺の長さｗ２は１６ｍｍであり、同円柱状部分の直径ｄ３は１０ｍｍであった。また、内環の材質はＷＣ−Ｃｏ系超硬合金であり、外環の材質は熱間ダイス鋼であった。

表４は、表３に示される発生圧縮応力と材料固有の値である圧縮強度とから算出される圧縮強度比（圧縮強度／発生圧縮応力）を表している。本試験例２では、内環の材質としてＷＣ−Ｃｏ系超硬合金を用いているので、この圧縮強度は４０００ＭＰａである。

表４の結果のうち焼き嵌め率（％）が０．１５％の場合について、縦軸を圧縮強度比とし、横軸を肉厚（ｍｍ）としてグラフ化したものが図６であり、同じく縦軸を圧縮強度比とし、横軸は内環比としてグラフ化したものが図７である。
図６より、肉厚が５ｍｍ付近を境界にして、それより小さい場合と、それより大きい場合とで圧縮強度比の変化の仕方が大きく異なっている。具体的に、肉厚が５ｍｍ以下の３つの試験例についての圧縮強度比と肉厚との関係はｙ＝０．９４ｘ＋０．６５（Ｒ^２＝０．９６）で表すことができ、肉厚が５ｍｍ以上の７つの試験例についての圧縮強度比と肉厚との関係はｙ＝０．１３ｘ＋５．０８（Ｒ^２＝０．９４）で表すことができ、この「５ｍｍ」という値を極値として、その前後で回帰直線の傾きが大きく変化していることが分かる。

また、図７より、内環比が１．４付近を境界にして、それより小さい場合と、それより大きい場合とで圧縮強度比の変化の仕方が大きく異なっている。具体的に、内環比が１．４以下の３つの試験例についての圧縮強度比と内環比との関係はｙ＝１２．０２ｘ＋１１．３９（Ｒ^２＝０．９９）で表すことができ、内環比が１．４以上の７つの試験例についての圧縮強度比と内環比との関係はｙ＝１．６５ｘ＋３．４４（Ｒ^２＝０．９４）で表すことができ、この「１．４」という値を極値として、その前後で回帰直線の傾きが大きく変化していることが分かる。

以上の試験例１および試験例２の結果より、ほぼ一定の段隅Ｒ部の強度比が得られることから、焼き嵌め率（％）は０．１２以上かつ０．２５％以下の範囲内であるのが好ましいことが分かる。また、内環比は１．４以上であるのが好ましいことが分かる。また、肉厚は５ｍｍ以上であるのが好ましいことが分かる。一方、上限値について、内環比は２．０以下であるのが好ましいことが分かる。
〔その他の変形例〕

なお、今回開示された実施の形態はすべての点において単なる例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、前述した実施形態では、成形用凹所は平面視で矩形状であるが、かかる凹所の形状および寸法は成形品に応じて適宜選定することができ、例えば、平面視で円形や多角形の凹所であってもよい。

１：段付きダイ
２：内環
３：外環
４：凹所
５：ダイプレート
６：鍔部
７：段部
７ａ：隅部
７ｂ：段隅Ｒ部
２１：段付きダイ
２２：内環
２３：外環
２４：凹所
２５：段部
２６：ダイプレート
２７：鍔部
２８：下パンチ
３０：段
３１：部品
Ｏ：中心軸
Ｃ：亀裂
Ｐ：仮想円
Ｓ：下部スペース
ｄ１：内環の外径
ｄ２：最大仮想円の直径
ｄ３：凹所の直径
ｗ１：凹所の長辺
ｗ２：凹所の短辺
ｈ：段付きダイの高さ

本発明の段付きダイは、円筒形状の超硬合金製内環と、この内環の外周に焼き嵌めされた円筒形状の外環とを備えており、段部を有する成形用凹所が前記内環の内側に形成された、金属粉の粉末成形用の段付きダイであって、
前記外環の外周にダイプレートと係合する鍔部が形成されており、
前記段付きダイは、前記鍔部だけがダイプレートに支持されており、当該段付きダイの下面は他の部材に支持されておらず、且つ、
前記内環に対する外環の焼き嵌め率が０．１２％以上かつ０．２５％以下にされていることを特徴としている。

本発明の段付きダイは、円筒形状の超硬合金製内環と、この内環の外周に焼き嵌めされた円筒形状の外環とを備えており、段部を有する成形用凹所が前記内環の内側に形成されている。外環の外周にダイプレートと係合する鍔部が形成されており、前記段付きダイは、前記鍔部だけがダイプレートに支持されており、当該段付きダイの下面は他の部材に支持されていない。前記内環に対する外環の焼き嵌め率は０．１２％以上かつ０．２５％以下にされている。

前記内環の外径と、この内環の中心軸を中心とした仮想円であって当該中心から径外方向に最も離間した前記段部の隅部を通る最大仮想円の直径との差である肉厚が５ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、一定の肉厚を内環に与えることで外環の焼き嵌めにより当該内環に与えられる残留圧縮応力に対する内環の耐性を高めることができる。
また、前記内環の材質を超硬合金とすることで当該内環に要求される圧縮強度や疲労強度を確保している。外環の材質は焼入れ鋼とすることができる。
また、前記内環に対する外環の焼き嵌め率が０．１５％以上かつ０．２０％以下にされていることが好ましい。

内環２は円筒形状を呈しており、例えばＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金などの超硬合金で作製されている。外環３も円筒形状を呈しており、一般的な焼き入鋼で作製することができる。外環３の外周には、ダイプレート５と係合される鍔部６が全周にわたって形成されている。

Claims (5)

1. 円筒形状の内環と、この内環の外周に焼き嵌めされた円筒形状の外環とを備えており、段部を有する成形用凹所が前記内環の内側に形成された段付きダイであって、
   前記内環に対する外環の焼き嵌め率が０．１２％以上かつ０．２５％以下にされている段付きダイ。
2. 前記内環の外径と、この内環の中心軸を中心とした仮想円であって当該中心から径外方向に最も離間した前記段部の隅部を通る最大仮想円の直径との比が１．４以上である請求項１に記載の段付きダイ。
3. 前記比が２．０以下である請求項２に記載の段付きダイ。
4. 前記内環の外径と、この内環の中心軸を中心とした仮想円であって当該中心から径外方向に最も離間した前記段部の隅部を通る最大仮想円の直径との差である肉厚が５ｍｍ以上である請求項１に記載の段付きダイ。
5. 前記内環の材質が超硬合金であり、前記外環の材質が焼入れ鋼である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の段付きダイ。