JP2018051569A - 圧粉体の成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、仕切部材の離脱速度を一定以下に保つことのできる成形装置を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の圧縮成形層を径方向に積層してなる圧粉体１’を成形するための成形装置１０であって、内周にキャビティ１６を形成する筒状のダイ１２、並びにダイ１２に対して相対的に昇降移動する一対の上パンチ１３および下パンチ１４を有する成形金型１１と、それぞれが各圧縮成形層に成形される複数種の原料粉末Ｍ１，Ｍ２をキャビティ１６に充填する粉末充填ユニット２０と、を備え、粉末充填ユニット２０は、ダイ１２に対して昇降可能に設けられ、キャビティ１６を径方向で複数の領域に区画する仕切部材２２と、仕切部材２２を昇降させる昇降手段とを有し、昇降手段は、モータ５１と、仕切部材２２の昇降方向に設けられたネジ軸５２と、ネジ軸５２と螺合し、ネジ軸５２の回転により仕切部材２２の昇降方向に移動するナット５３とを有し、ナット５３の上昇移動に伴って、仕切部材２２がキャビティ１６に対して離脱する圧粉体１’の成形装置１０である。
【選択図】図１１

Description

本発明は、圧粉体の成形装置に関する。

機械部品の製造方法として、金属粉末を圧縮成形し、これにより得られた圧粉体を加熱して焼結することで、焼結金属を得る粉末冶金法が知られている。そして、この圧粉体として、その部位ごとに材料（金属組成）を異ならせ、部位ごとに異なる特性を有した圧粉体を成形する方法が既に知られている（例えば、下記特許文献１）。圧粉体は、例えば、図１４、図１５に示す圧粉体の成形装置１０を用いて成形される。圧粉体の成形装置１０は、成形金型１１と、粉末充填ユニット２０と、昇降ユニット３０と、を備えて構成されている。

圧粉体の成形方法について詳しく説明すると、特許文献１の成形方法では、図１４に示すように、粉末充填ユニット２０の内部空間に第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２が成形すべき圧粉体１’の径方向に相互に分離した状態で装填されている。この状態から、下パンチ１４および仕切部材２２を、ダイ１２およびコア１５に対して、図の下方向へ相対移動させることにより、図１５に示すように、第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２を、相互に分離した状態でキャビティ１６の内径側領域および外径側領域に充填することができる。

キャビティ１６に両粉末Ｍ１，Ｍ２が充填された後、粉末充填ユニット２０の昇降用シリンダ２４’を伸長動作させて、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させる。そして、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させることで形成されたスペースに、両収容部２５ａ，２５ｂの何れか一方又は双方に装填されていた粉末が充填される。これにより、ダイ１２の内径面、コア１５の外径面および下パンチ１４の上端面で区画形成されるキャビティ１６が、第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２で満たされた状態となる。これらの粉末を、上パンチ１３と下パンチ１４との間で圧縮成形することにより、二層構造の圧粉体を形成することができる。なお、上パンチ１３は、これを昇降可能に保持した第２の昇降テーブル３１と、第２の昇降テーブル３１を上下に案内移動させる一対の支柱３２，３２とを備えた昇降ユニット３０によって上下に移動する。上記圧粉体の成形装置１０を用いて成形した圧粉体を焼結させることにより、複層焼結軸受が製作される。

特開２０１５−２０５３２４号公報

特許文献１の構成では、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させる動作の終期において、仕切部材２２の離脱速度が大きくなり過ぎることにより、両粉末Ｍ１，Ｍ２が混合され、圧粉体１’が正しく二層構造を形成できなくなってしまう場合がある。

つまり、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させる動作の際には、仕切部材２２と仕切部材２２の両側に敷き詰められた両粉末Ｍ１，Ｍ２との間に摺動抵抗が生じる。このため、例えば空気圧により仕切部材２２に一定の力を加える等、この摺動抵抗を上回る離脱方向の力を加えることにより、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させる必要がある。一方で、この摺動抵抗は、仕切部材２２の離脱動作が進行し、仕切部材２２が両粉末Ｍ１，Ｍ２と摺動する面積が小さくなるほど小さくなる。従って、一定の力により仕切部材２２を離脱させた際には、その離脱速度は、離脱動作の終期において大きくなる。そして、仕切部材２２のキャビティ１６からの離脱速度が大きいと、両粉末Ｍ１，Ｍ２の間に急速にスペースが形成されることになり、両粉末Ｍ１，Ｍ２がこのスペースへ充填される速度も速くなり、両粉末Ｍ１，Ｍ２が混合されやすくなってしまう。

このため、仕切部材２２の離脱速度を制御し、一定以下に保つことが必要となるが、例えば、上記のように空気圧を用いて仕切部材２２を離脱させる場合には、仕切部材２２に加える力を精度良く調整し、その離脱速度を一定以下に制御することが難しかった。

そこで、本発明は、仕切部材の離脱速度を一定以下に保つことのできる成形装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、複数の圧縮成形層を径方向に積層してなる圧粉体を成形するための成形装置であって、内周にキャビティを形成する筒状のダイ、並びにダイに対して相対的に昇降移動する一対の上パンチおよび下パンチを有する成形金型と、それぞれが各圧縮成形層に成形される複数種の原料粉末をキャビティに充填する粉末充填ユニットと、を備え、粉末充填ユニットは、ダイに対して昇降可能に設けられ、キャビティを径方向で複数の領域に区画する仕切部材と、仕切部材を昇降させる昇降手段とを有し、昇降手段は、モータと、仕切部材の昇降方向に設けられたネジ軸と、ネジ軸と螺合し、ネジ軸の回転により仕切部材の昇降方向に移動する移動部材とを有し、移動部材の上昇移動に伴って、仕切部材がキャビティに対して離脱する圧粉体の成形装置である。

かかる構成では、ネジ軸の回転量と仕切部材のダイに対する昇降方向の移動量を１対１に対応させることができるため、仕切部材と粉末との間に生じる摺動抵抗の大小による影響をほとんど受けることなく、仕切部材の昇降方向の移動速度の調整を行うことができる。このため、上記のように仕切部材の離脱動作の終期において摺動抵抗が減少した場合でも、精度良く仕切部材の離脱速度を調整することができ、仕切部材の離脱速度を一定以下に制御することができる。

上記の成形装置に設けられたネジ軸として、すべりネジを用いることができる。

上記の成形装置に設けられたネジ軸として、ボールを介して移動部材と螺合するボールネジを用いることができる。

上記の成形装置として、モータがネジ軸に直結した構成とすることができる。これにより、ネジ軸の振れ回りの発生を抑制できると共に、部品数を削減し、装置を小型化できる。

上記の成形装置に設けられたモータとして、サーボモータを用いることができる。これにより、仕切部材の離脱速度を、より精度良く制御することができる。

本発明によれば、ネジ軸の回転量を制御することにより、仕切部材の昇降方向の移動速度を一定以下に制御することができる。従って、各層の原料粉末が混合することを最小限に抑え、各層を精度良く区画した、多層構成の圧粉体を形成することができる。

本発明に係る成形方法で成形した圧粉体を焼結してなる焼結金属部品の一例であり、（ａ）図および（ｂ）図は、それぞれ、同焼結金属部品の縦断面図および横断面図である。 本発明の実施形態に係る圧粉体の成形装置の部分断面を含む正面図であって、同成形装置の初期状態を示す図である。 上記の成形装置において、粉末充填ユニットが充填位置に移動した状態を示す図である。 上記の成形装置において、キャビティに原料粉末を充填している状態を示す図である。 上記の成形装置において、キャビティへの粉末充填が完了した状態を示す図である。 上記の成形装置において、キャビティへの粉末充填完了後に粉末充填ユニットが退避位置に移動した状態を示す図である。 上記の成形装置を、図６中に示す矢印Ｙ方向から見たときの平面図である。 上記の成形装置において、原料粉末の圧縮プロセスが開始された直後の状態を示す図である。 上記の成形装置において、原料粉末の圧縮プロセスがある程度進行した状態を示す図である。 上記の成形装置において、原料粉末の圧縮状態を示す図である。 上記の成形装置において、仕切部材の昇降手段を示した図である。 上記の成形装置において、仕切部材の昇降手段を示した図である。 異なる実施形態のネジ軸を示した図である。 従来の成形装置について示した図である。 従来の成形装置について示した図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１（ａ）および図１（ｂ）のそれぞれに、焼結金属部品（焼結金属製の機械部品）の一種である焼結軸受１の縦断面図および横断面図を示す。同図に示す焼結軸受１は、例えば油圧ショベル車やブルドーザ等の建設機械のアーム同士を回転可能に連結する関節部での使用に適合するものであり、内径側に配置され、内径面２ａに軸受面Ａを有する円筒状の軸受層２と、外径側に配置され、外径面３ａに図示しない被取付け部材（アーム）に対する取り付け面Ｂを有する円筒状のベース層３とを互いに接触させた状態で一体に有する。

この焼結軸受１の内部気孔には、潤滑油等の潤滑剤を含浸させることができる。これにより、軸受面Ａの摩耗が抑制あるいは防止される。焼結軸受１全体の含油率は、例えば１０〜２５ｖｏｌ％とし、好ましくは１５〜２５ｖｏｌ％とする。含油率が１０ｖｏｌ％を下回ると、所望の潤滑特性を長期間に亘って安定的に維持・発揮することができず、含油率が２５ｖｏｌ％を上回ると、内部気孔率が高まる関係上、焼結軸受１に必要とされる機械的強度を確保することができない可能性がある。

以上で説明した焼結軸受１は、内径側の軸受層２と外径側のベース層３とで金属組成が異なっている。軸受層２は、内径面２ａに設けられる軸受面Ａの摺動特性を高める観点から、例えば、銅を１０〜３０質量％含み、残部の大半が鉄で構成される。一方、外径面３ａに被取付け部材に対する取り付け面Ｂを有するベース層３は、高い機械的強度を具備している必要があるので、その大半が鉄で構成される。

以上の構成を有する焼結軸受１は、主に、圧粉体１’（図１０参照）を得る圧縮成形工程と、圧粉体１’を焼結して焼結体を得る焼結工程と、焼結体の内部気孔に潤滑油等の潤滑剤を含浸させる含油工程とを順に経ることで製造される。以下、本発明に係る技術手段が適用される圧縮成形工程を中心に、各工程の実施態様について詳細に述べる。

圧縮成形工程は、焼結軸受１の形状に概ね対応した円筒状の圧粉体１’（図１０を参照）を得る工程であり、より具体的には、焼結工程を経ることでそれぞれが円筒状の軸受層２およびベース層３になる第１および第２の圧縮成形層２’，３’を一体に備えた圧粉体１’を得る工程である。この圧粉体１’は、第１の圧縮成形層２’に成形される第１粉末Ｍ１と第２の圧縮成形層３’に成形される第２粉末Ｍ２とを同時に圧縮することで得られる。以下、この圧縮成形工程について、図面（図２〜図１０）を参照しながら説明する。

まず、図２，図３および図６に基づき、圧縮成形工程で使用する成形装置１０の概要を説明する。成形装置１０は、主に、成形金型１１と、粉末充填ユニット２０と、成形金型１１の上パンチ１３を昇降可能に保持した昇降ユニット３０と、昇降ユニット３０（上パンチ１３）を昇降移動させる図示外のプレスユニットとを備える。

成形金型１１は、内周にキャビティ１６（図４等を参照）を形成する（圧粉体１’の外径面を成形する）円筒状のダイ１２と、ダイ１２の内周に配され、圧粉体１’の内径面を成形するコア１５と、圧粉体１’の上端面および下端面を成形する一対の上パンチ１３および下パンチ１４とを備え、上パンチ１３および下パンチ１４は、ダイ１２およびコア１５に対して相対的に昇降移動する。本実施形態の成形金型１１は、ダイ１２およびコア１５、並びに昇降ユニット３０に保持された上パンチ１３が可動側を構成し、下パンチ１４が静止側を構成する。ダイ１２は、昇降駆動される第１の昇降テーブル１７に保持されており、コア１５は、第１の昇降テーブル１７（ダイ１２）と共に昇降駆動される。

図３に示すように、粉末充填ユニット２０は、ケーシング２１と、ケーシング２１の内部空間を内側収容部２５ａと外側収容部２５ｂに区分する仕切部材２２と、仕切部材２２をケーシング２１、さらには成形金型１１のキャビティ１６に対して挿脱可能に支持した支持機構とを備え、支持機構は、主に、仕切部材２２の上端部を支持した支持部材２３と、支持部材２３（および仕切部材２２）を上下方向に移動可能に支持した一対の昇降用ガイド２４，２４とで構成される。ケーシング２１および仕切部材２２の双方は、下端が開口した筒状体で形成される。支持部材２３の両端には、昇降用ガイド２４，２４がそれぞれ挿通して設けられている。支持部材２３は、すべり軸受２６を介して、昇降用ガイド２４，２４に上下方向に移動可能に支持されている。内側収容部２５ａおよび外側収容部２５ｂには、それぞれ、第１の圧縮成形層２’に成形される第１粉末Ｍ１および第２の圧縮成形層３’に成形される第２粉末Ｍ２が装填される。内側収容部２５ａの容積は、キャビティ１６のうち、第１粉末Ｍ１を充填すべき内径側領域の容積よりも大きく設定され、また、外側収容部２５ｂの容積は、キャビティ１６のうち、第２粉末Ｍ２を充填すべき外径側領域の容積よりも大きく設定されている。なお、図３では、粉末充填ユニット２０の仕切部材２２および粉末Ｍ１，Ｍ２が装填された断面を示しており、以下の図３、図４、図５、図９でも同様とする。

ここで、本実施形態で使用する第１粉末Ｍ１は、軸受層２に対応して、例えば１０〜３０質量％の銅粉を含み、残部の大半を鉄粉とした銅粉と鉄粉の混合粉末で構成される。一方、第２粉末Ｍ２は、ベース層３に対応して、その略全体が鉄粉で構成される。

支持部材２３が、図３に示す上限位置にある状態において、ケーシング２１の下端と仕切部材２２の下端とは同一平面上に位置している。

以上の構成を有する粉末充填ユニット２０は、内側収容部２５ａに装填された第１粉末Ｍ１、および外側収容部２５ｂに装填された第２粉末Ｍ２をキャビティ１６に対して同時に充填可能な充填位置と、キャビティ１６に対して径方向（成形すべき圧粉体１’の径方向）に離間した退避位置との間を相互に移動するように構成されている。内側収容部２５ａおよび外側収容部２５ｂのそれぞれには図示しない粉末供給管が接続されており、粉末充填ユニット２０が１サイクル動作（退避位置から充填位置に移動してキャビティ１６に第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２を充填し、その後充填位置から退避位置に移動）した後には、粉末供給管を介して内側収容部２５ａおよび外側収容部２５ｂのそれぞれに所定量の第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２が自動的に供給（補給）される。

昇降ユニット３０は、上パンチ１３を昇降可能に保持した第２の昇降テーブル３１と、第２の昇降テーブル３１を上下に案内移動させる一対の支柱３２，３２（以上、例えば図２を参照）と、図示外のプレスユニットから付与される下向きの加圧力を上パンチ１３に伝達する加圧力伝達手段４０（図６等を参照）と、第２の昇降テーブル３１の上側に配置された支持テーブル３４とを備え、第２の昇降テーブル３１は、一対の昇降用シリンダ（例えば、エアシリンダ）３３，３３を介して支持テーブル３４に支持されている。なお、この成形装置１０が具備する図示外のプレスユニットは、支持テーブル３４の上側に配置されている。

図６および図８−１０に示すように、加圧力伝達手段４０は、主に、上パンチ１３と同軸に配設され、支持テーブル３４に取り付け固定された加圧部材４１と、一対の可動スペーサ４２，４２と、可動スペーサ４２，４２のそれぞれを成形すべき圧粉体１’の径方向（水平方向）に進退移動させる一対のエアシリンダ４３，４３とで構成され、第２の昇降テーブル３１の上面には、可動スペーサ４２，４２の進退移動を案内する案内部材４４が設けられている。

図７に示すように、一対の支柱３２，３２は、平面視した第２の昇降テーブル３１の中心（加圧部材４１の軸心位置）を通って延びる一の対角線上に対称に配置されており、また、一対の昇降用シリンダ３３，３３は、平面視した第２の昇降テーブル３１の中心を通って延びる他の対角線上に対称に配置されている。

各可動スペーサ４２は、上パンチ１３に、下パンチ１４との間でキャビティ１６内に充填された粉末Ｍ１，Ｍ２を同時に圧縮するための加圧力を付与（伝達）可能な加圧位置（図９，１０を参照）と、上パンチ１３に上記加圧力を付与しない加圧不可位置（図６および図８を参照）との間を相互に移動（移行）するように構成されている。より詳細には、上パンチ１３（昇降ユニット３０）が上死点にある状態から下降移動するのに伴ってエアシリンダ４３のロッド部４３ａが伸長動作し、可動スペーサ４２が上記の加圧不可位置から加圧位置へと移動する（図６および図８−１０参照）。これとは反対に、上パンチ１３（昇降ユニット３０）が下死点にある状態から上昇移動するのに伴ってエアシリンダ４３のロッド部４３ａが短縮動作し、可動スペーサ４２が上記の加圧位置から加圧不可位置へと移動する。

成形装置１０は主に以上の構成を有し、以下の手順を踏むことで圧粉体１’を自動的に成形する。

まず、図２に示すように、ダイ１２、下パンチ１４およびコア１５の上端面を同一平面上に位置させた状態（成形金型１１にキャビティ１６が形成されていない状態）で、退避位置に位置している粉末充填ユニット２０を、キャビティ１６に対して粉末Ｍ１，Ｍ２を充填可能な充填位置（キャビティ１６と同軸位置）に移動させる（図３参照）。このとき、ケーシング２１を含む粉末充填ユニット２０は、図示しない押付機構により下方に加圧されつつ移動され、充填位置にてケーシング２１の下端がダイ１２（第１の昇降テーブル１７）の上端面に押し付けられつつ停止する。また、このとき、上パンチ１３を昇降可能に保持した昇降ユニット３０は例えば作動しておらず、略上死点に位置している。詳細な図示は省略しているが、粉末充填ユニット２０が充填位置まで移動した後、後述する方法により、支持部材２３がケーシング２１に対して所定量だけ下方へ移動する。これにより、仕切部材２２が下方に加圧され、仕切部材２２の下端が下パンチ１４の上端面に押し付けられる。

図３に示すように、充填位置まで移動した粉末充填ユニット２０の内部空間には、第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２が成形すべき圧粉体１’の径方向に相互に分離した状態で装填されている。つまり、キャビティ１６が未形成の成形金型１１の外部に、第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２が圧粉体１’の径方向に相互に分離した状態で配置される。なお、内側収容部２５ａおよび外側収容部２５ｂの少なくとも一方には、キャビティ１６の内径側領域および外径側領域のそれぞれに充填すべき第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２の量よりも多量の原料粉末が装填されている。

次いで、図４に示すように、第１の昇降テーブル１７を上昇移動させ、ダイ１２およびコア１５を下パンチ１４に対して上昇移動させる。また、これと同時に、粉末充填ユニット２０の支持部材２３を昇降用ガイド２４に対して下方へ移動させ、ケーシング２１のみを上昇移動させる。すなわち、ダイ１２およびコア１５を、下パンチ１４および仕切部材２２に対して上昇移動させる。これにより、仕切部材２２の下端が下パンチ１４の上端面に押し付けられた状態で成形金型１１にキャビティ１６が徐々に形成される（仕切部材２２によってキャビティ１６が内径側領域と外径側領域に区画される）のと同時に、第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２が成形すべき圧粉体１’の径方向に相互に分離した状態でキャビティ１６の内径側領域および外径側領域に充填される。

上記のように、キャビティ１６が未形成の成形金型１１の外部に両粉末Ｍ１，Ｍ２を成形すべき圧粉体１’の径方向に相互に分離した状態で配置した後、上記相互分離状態を維持したまま成形金型１１の可動側と静止側とを相対移動させることにより、キャビティ１６の形成と、キャビティ１６に対する両粉末Ｍ１，Ｍ２の同時充填とを同時進行させるようにすれば、キャビティ１６への粉末充填作業を滑らかにかつ効率良く行うことができる。

以上のようにしてキャビティ１６に両粉末Ｍ１，Ｍ２が充填された後、粉末充填ユニット２０の支持部材２３を昇降用ガイド２４に対して上方へ移動させて、支持部材２３に支持された仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させる（図５参照）。すなわち、両粉末Ｍ１，Ｍ２の成形すべき圧粉体１’の径方向における相互分離状態を解除する。これにより、キャビティ１６内で第１粉末Ｍ１と第２粉末Ｍ２とが接触する。このとき、前述したように、粉末充填ユニット２０の内側収容部２５ａおよび外側収容部２５ｂの少なくとも一方には、キャビティ１６の内径側領域および外径側領域のそれぞれに充填すべき第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２の量よりも多量の粉末が装填されている（すなわち、上記の相互分離状態の解除作業が、キャビティ１６に充填すべき複数種の原料粉末のうち、少なくとも一種の原料粉末を補充可能な状態で実行される）ことから、仕切部材２２がキャビティ１６から離脱することで形成されたスペースに、両収容部２５ａ，２５ｂの何れか一方又は双方に装填されていた粉末が充填される。これにより、ダイ１２の内径面、コア１５の外径面および下パンチ１４の上端面で区画形成されるキャビティ１６が、第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２で満たされた状態となるので、所定密度の圧粉体１’を成形することができる。そして、図６に示すように、粉末充填ユニット２０を、充填位置から退避位置に移動させる。

次に、昇降ユニット３０（上パンチ１３）を下降させて、上パンチ１３と下パンチ１４との間でキャビティ１６に充填された第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２を同時に圧縮し、第１粉末Ｍ１が圧縮成形されてなる第１の圧縮成形層２’と、第２粉末Ｍ２が圧縮成形されてなる第２の圧縮成形層３’とからなる圧粉体１’を成形する。

ところで、前述の様に、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させて両粉末Ｍ１，Ｍ２の成形すべき圧粉体１’の径方向における相互分離状態を解除するためには、仕切部材２２を支持する支持部材２３を、ダイ１２に対して上昇させる必要がある。

この際には、仕切部材２２とキャビティ１６に充填された粉末Ｍ１，Ｍ２との間に摺動抵抗が生じており、この摺動抵抗を上回る上方向の力を支持部材２３に加えることにより、支持部材２３を上方向へ移動させ、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させることができる。

また、仕切部材２２のキャビティ１６に対する離脱動作（仕切部材２２のダイ１２に対する上昇移動）が進行するに従って、仕切部材２２と両粉末Ｍ１、Ｍ２との摺動する面積が小さくなることにより、この摺動抵抗も小さくなっていく。このため、仮に支持部材２３に加える上方向の力を一定とした場合には、仕切部材２２の離脱速度は、摺動抵抗の減少に伴って増大することになる。

しかし、仕切部材２２の離脱速度が大きくなると、仕切部材２２の離脱により両粉末Ｍ１，Ｍ２の間に急速にスペースが形成されることになり、両粉末Ｍ１，Ｍ２がこのスペースへ充填される速度も速くなる。このため、粉末Ｍ１，Ｍ２がその境界位置で混合しやすくなり、圧粉体１’に狙い通りの二層構造を形成することができなくなってしまう。この様に、精度良く二層構造の圧粉体１’を形成するためには、仕切部材２２の離脱速度を一定以下に規制することが必要である。

支持部材２３に上方向の力を加える方法の一例で本発明と異なる方法として、図１４のように昇降シリンダ２４’を昇降手段として用い、空気圧により支持部材２３を下方から押圧して上方向へ移動させ、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させる方法が考えられる。しかし、この空気圧による方法では、仕切部材２２の離脱速度を一定以下に規制することが難しく、精度良く二層構造の圧粉体１’を形成することができなかった。すなわち、空気圧による支持部材２３への押圧力は、その大きさを細かく調整することが困難であり、前述した摺動抵抗の減少に合わせて、押圧力をその分だけ小さくすることが難しかった。この様に、仕切部材２２に上方向の力を加える手段によっては、仕切部材２２の離脱速度を制御することが難しくなり、狙い通りの二層構造の圧粉体１’を形成することができなくなってしまう。このため、仕切部材２２に上方向の力を加える手段として、より適切な手段を選択することが必要になる。

そこで、仕切部材２２の離脱速度を容易に制御できる構成として、仕切部材２２をダイ１２に対して上昇させる（キャビティ１６から離脱させる）、本実施形態の昇降手段について図１１を用いて説明する。なお、図１１では、仕切部材２２がキャビティ１６に挿入された状態を示している。

具体的には、図１１に示すように、粉末充填ユニット２０には、モータ５１と、モータ５１に連結されるネジ軸５２と、ネジ軸５２と螺合するナット５３が設けられる。モータ５１やネジ軸５２、およびナット５３は、図３等で示した仕切部材２２よりも図１１の紙面手前側に配置されている。

ネジ軸５２は、上下方向に設けられており、その一端側がモータ５１に連結され、ケーシング２１に固定されている。また、ネジ軸５２の他端側には、ナット５３が設けられている。

ナット５３は、その下端部が支持部材２３によって支持されており、その内周面には螺旋溝５３ａが設けられている。本実施形態のネジ軸５２は、その外周面に設けられた雄ネジが、雌ネジとしての螺旋溝５３ａと直接螺合するすべりネジである。

モータ５１を駆動させ、ネジ軸５２をナット５３の螺旋溝５３ａに対して回転させることにより、ネジ軸５２と螺合するナット５３およびナット５３を支持する支持部材２３を、ネジ軸５２の軸方向に沿って移動させることができる。この際、支持部材２３の両端部は、すべり軸受２６を介して昇降用ガイド２４，２４に上下方向に移動可能に支持されており、支持部材２３の両端部は、ネジ軸５２の回転により、昇降用ガイド２４，２４に沿って上下方向へ移動する。なお、ネジ軸５２の回転方向を正逆反転させることにより、支持部材２３の移動方向を図１１の上下方向の一方向から他方向へ切り替えることができる。

そして、ナット５３および支持部材２３が上下方向へ移動することにより、支持部材２３に支持された仕切部材２２が、同じく上下方向へ移動し、ダイ１２に対して昇降する。このように、ナット５３は、ネジ軸５２と螺合し、ネジ軸５２の回転により上下方向へ移動することで、仕切部材２２をダイ１２に対して昇降させる移動部材である。また、モータ５１、ネジ軸５２、ナット５３および支持部材２３は、仕切部材２２をダイ１２に対して昇降させる昇降手段である。

図１１では、仕切部材２２がキャビティ１６に挿入された状態にある。この状態から、モータ５１を駆動させてネジ軸５２を回転させてナット５３を上昇移動させることにより、仕切部材２２をダイ１２に対して上昇させる。これにより、図１２に示すように、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させることができる。

本実施形態の構成のように、ネジ軸５２の回転により仕切部材２２を上下方向に移動させる構成では、仕切部材２２のキャビティ１６に対する離脱速度を精度良く制御することが可能になる。すなわち、本実施形態の構成では、仕切部材２２（支持部材２３）の上下方向への移動量は、ネジ軸５２の回転量と１対１に対応している。よって、ネジ軸５２の回転量、つまり、モータ５１の回転量を制御することにより、仕切部材２２と両粉末Ｍ１、Ｍ２との間に生じる摺動抵抗の大小にかかわらず、仕切部材２２の移動速度を精度良く調整することができる。従って、仕切部材２２のキャビティ１６に対する離脱動作の終期において、上記の摺動抵抗が減少した場合でも、仕切部材２２の離脱速度を一定以下に規制することが可能になる。このため、キャビティ１６内の内径側領域に充填された粉末Ｍ１と、外径側領域に充填されたＭ２とが、その境界位置において混合することを最小限に留めることができ、二層構造の圧粉体１’を精度良く成形することができる。この両粉末Ｍ１，Ｍ２の混合を最小限に留めることができる仕切部材２２の離脱速度として、例えば３０〔ｍｍ／ｓ〕以下に設定することができる。

特に、仕切部材２２のキャビティ１６からの離脱速度を、その初期から終期にかけて大きく変化させず、略一定の速度とすることにより、仕切部材２２の離脱によりキャビティ１６内に形成されるスペースが、一定の速度で形成されていくことになる。このため、圧粉体１’の各層を、仕切部材２２の離脱方向に対して均一な厚さで形成することができる。

また、本実施形態の様に、ネジ軸５２にモータ５１が直結したモータ直結型のすべりネジとすることにより、ネジ軸５２の振れ回りの発生を抑制し、より精度良く仕切部材２２の離脱速度を制御することができると共に、部品数を削減し、粉末充填ユニット２０を小型化することができる。

モータ５１としてはサーボモータを用いることが好ましい。これにより、ネジ軸５２の回転速度を精度良く制御することが可能になる。

なお、本実施形態と異なる構成として、移動部材としての支持部材２３に螺旋溝が設けられ、この螺旋溝によって、支持部材２３がネジ軸５２と螺合する構成であってもよい。さらに、仕切部材２２にネジ軸５２と螺合する螺旋溝を設けてもよい。この場合、移動部材としての仕切部材２２がネジ軸５２と直接螺合し、モータ５１の駆動によりネジ軸５２の回転力を受けて、仕切部材２２が上下方向へ移動する。また、螺旋溝５３ａがナット５３から支持部材２３に亘って設けられ、ナット５３および支持部材２３がネジ軸５２に螺合する構成であってもよい。螺旋溝５３ａをナット５３から支持部材２３に亘って設けることにより、螺旋溝５３ａにおいてネジ軸５２が移動可能な範囲を広げることができ、仕切部材２２の上下方向への移動可能な距離を伸ばすことができる。

上記の実施形態では、ネジ軸５２としてすべりネジを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ネジ軸５２にボールネジを用いてもよい。

例えば図１３に示すように、粉末充填ユニット２０には、転動溝５２ａを有するネジ軸５２と、ネジ軸５２と螺合する螺旋溝５３ａを有するナット５３と、この転動溝５２ａと螺旋溝５３ａの間に介装され、転動溝５２ａに沿って転動する複数のボール５４とが設けられる。また、昇降用ガイド２４と支持部材２３の間に介装される軸受２６（図３参照）として、リニアボール軸受が用いられる。図１１で示した実施形態と同様に、ネジ軸５２は、その下端側でモータに連結されている。また、支持部材２３は、ナット５３および仕切部材２２を支持している。

ナット５３には、ボール５４を循環させるための図示しない循環機構が設けられる。転動溝５２ａを転動するボール５４が、循環機構に設けられた循環経路を通ることにより、例えば、図１３の下方側を転動するボール５４を上方側へと循環させることができる。また、ネジ軸５２が自重により落下するおそれがある場合には、ネジ軸５２を保持する保持機構を設けて、自重による落下を防止することができる。

モータの駆動によりネジ軸５２が回転することにより、ナット５３が上下方向へ移動する。これにより、ナット５３を支持する支持部材２３が上下方向へ移動し、支持部材２３に支持される仕切部材２２を上下方向へ移動させることができる。

このようなボールネジを用いることにより、回転するネジ軸５２を、ボール５４を介して雌ネジ側の螺旋溝５３ａと点接触させることができ、すべりネジのように雄ネジ側と雌ネジ側が面接触する構成と比較して、ネジ軸５２の回転時の摩擦抵抗を減らすことができる。

また、ネジ軸５２として、ネジ軸とナットの間にローラを設けたローラネジを用いてもよい。

次に、仕切部材２２をキャビティ１６から離脱させた後の、圧粉体１’の圧縮成形について、詳しく説明する。本実施形態の成形装置１０では、上パンチ１３（昇降ユニット３０）の下降移動、すなわちキャビティ１６に充填された第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２の圧縮が以下のようにして行われる。

まず、図示外のプレスユニットが駆動されることによって支持テーブル３４が下降移動を開始する（支持テーブル３４が下方に加圧され始める）と、図８に示すように、昇降用シリンダ３３のロッド部３３ａが伸長動作することにより、可動スペーサ４２，４２の上端面が加圧部材４１の下端面よりも下側に位置するようにして、第２の昇降テーブル３１が（急速に）下降移動する。次いで、図９に示すように、一対のエアシリンダ４３，４３のロッド部４３ａが伸長動作し、両可動スペーサ４２，４２が加圧部材４１の下側に配置される（図示例では、両可動スペーサ４２，４２の内側面同士が上パンチ１３および加圧部材４１の軸心位置で衝合している）。これにより、可動スペーサ４２，４２は、上パンチ１３に、下パンチ１４との間でキャビティ１６内に充填された第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２を圧縮するための加圧力を付与（伝達）しない加圧不可位置から、上記加圧力を付与（伝達）可能な加圧位置に移動することになる。そして、この状態を保持したまま、プレスユニットによって支持テーブル３４がさらに下方に加圧されると、加圧部材４１の下端面が可動スペーサ４２，４２の上端面に当接し、プレスユニットからの加圧力が、支持テーブル３４、加圧部材４１、可動スペーサ４２，４２および第２の昇降テーブル３１を介して上パンチ１３に伝達される。これにより、上パンチ１３と下パンチ１４とで第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２が同時に圧縮され、第１の圧縮成形層２’および第２の圧縮成形層３’を径方向に積層してなる圧粉体１’が成形される（図１０を参照）。

図示は省略するが、圧粉体１’の成形後には、以上で述べた手順と逆の手順で昇降ユニット３０を上昇移動させながら、下パンチ１４に対してダイ１２（第１の昇降テーブル１７）およびコア１５を下降移動させることにより、成形金型１１のキャビティ１６から圧粉体１’が取り出される。そして、昇降ユニット３０（上パンチ１３）が上死点まで移動すると、圧粉体１’の成形１サイクル動作が完了する。なお、キャビティ１６から取り出された圧粉体１’は、後続の圧粉体１’の成形１サイクル動作が開始されて粉末充填ユニット２０が退避位置から充填位置に移動するのに伴って、成形装置１外に払い出される。

以上のようにして得られた圧粉体１’は、図示しない焼結工程において所定の条件で加熱・焼結されることにより焼結体となる。圧粉体１’の焼結時、第１の圧縮成形層２’は、第２の圧縮成形層３’に接した状態で第２の圧縮成形層３’と共に焼結されるため、圧粉体１’を焼結すると、軸受層２とベース層３とが一体化した焼結体を得ることができる。

焼結工程で得られた焼結体は、必要に応じてサイジング等による寸法矯正が行われた上で、含油工程で内部気孔に潤滑油等の潤滑剤が含浸される。これにより、図１に示す焼結軸受１が完成する。

以上で説明したように、本発明に係る圧粉体１’の成形装置１０は、成形金型１１のキャビティ１６に対して挿脱可能に設けられ、キャビティ１６への挿入時に、複数種の原料粉末（第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２）を圧粉体１’の径方向に相互に分離した状態でキャビティ１６に充填可能とする仕切部材２２を備えた粉末充填ユニット２０を具備している。

以上、本発明の実施形態に係る圧粉体１’の成形装置１０および成形方法について説明を行ったが、成形装置１０および成形方法には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更を施すことができる。

例えば、以上で述べた成形装置１０では、ダイ１２およびコア１５が可動側を構成し、下パンチ１４が静止側を構成する成形金型１１を使用したが、これとは逆に、下パンチ１４が可動側を構成し、ダイ１２およびコア１５が静止側を構成する成形金型１１を使用することもできる。

また、図示は省略するが、可動スペーサ４２は、成形すべき圧粉体１’の径方向に分割されたものではなく、単一部材で構成することも可能である。

また、以上で説明した実施形態では、中空（円筒状）の焼結軸受１になる圧粉体１’を成形するに際して、本発明に係る成形装置１０（および成形方法）を採用しているが、本発明に係る成形装置１０は、中実の圧粉体を成形する際にも好ましく用いることができる。すなわち、中実の圧粉体を成形する際には、成形金型１１として、コア１５が省略されたものを用いれば良い。これに関連して、本発明に係る成形装置１０は、焼結軸受以外の焼結金属部品（例えば、ギヤやカム等）になる圧粉体を成形する際にも好ましく用いることができる。

また、以上で説明した実施形態では、第１の圧縮成形層２’と第２の圧縮成形層３’とが径方向に積層されてなる二層構造の圧粉体１’を成形するに際して本発明を適用したが、本発明に係る成形装置１０は、径方向に３つ以上の圧縮成形層が積層されてなる圧粉体１’を成形する際にも好ましく適用することができる。例えば、三層構造の圧粉体１’を成形する際には、図示は省略するが、粉末充填ユニット２０として、キャビティ１６（およびケーシング２１）に対して挿脱可能に設けられ、キャビティ１６への挿入時に、３種の原料粉末を径方向に相互に分離した状態でキャビティ１６に充填可能とする仕切部材２２を具備したもの（換言すると、ケーシング２１の内部空間を３つの空間に区分し、かつキャビティ１６およびケーシング２１に対して挿脱可能に設けられた仕切部材２２を具備したもの）を用いれば良い。

本発明に係る技術手段は、複数種の原料粉末を成形すべき圧粉体の径方向に積層させた状態で充填するプロセスを、以上で説明したような単一のプロセスを経るだけで実施可能としたことに特徴があることから、三層以上の多層構造の圧粉体１’を成形する際に適用すれば、三層以上の多層構造の圧粉体１’を従来方法に比べ、大幅に効率良く、しかも低コストに成形することができる。

１ 焼結軸受
１’ 圧粉体
２ 軸受層
２’ 第１の圧縮成形層
３ ベース層
３’ 第２の圧縮成形層
１０ 成形装置
１１ 成形金型
１２ ダイ
１３ 上パンチ
１４ 下パンチ
１５ コア
１６ キャビティ
２０ 粉末充填ユニット
２２ 仕切部材
２３ 支持部材
３０ 昇降ユニット
２４ 昇降用ガイド
５１ モータ
５２ ネジ軸
５３ ナット（移動部材）
５４ ボール
Ａ 軸受面
Ｂ 取り付け面
Ｍ１ 第１粉末
Ｍ２ 第２粉末

Claims (5)

1. 複数の圧縮成形層を径方向に積層してなる圧粉体を成形するための成形装置であって、 内周にキャビティを形成する筒状のダイ、並びにダイに対して相対的に昇降移動する一対の上パンチおよび下パンチを有する成形金型と、
   それぞれが各圧縮成形層に成形される複数種の原料粉末をキャビティに充填する粉末充填ユニットと、を備え、
   粉末充填ユニットは、ダイに対して昇降可能に設けられ、キャビティを径方向で複数の領域に区画する仕切部材と、仕切部材を昇降させる昇降手段とを有し、
   昇降手段は、モータと、仕切部材の昇降方向に設けられたネジ軸と、ネジ軸と螺合し、ネジ軸の回転により仕切部材の昇降方向に移動する移動部材とを有し、
   移動部材の上昇移動に伴って、仕切部材がキャビティに対して離脱する圧粉体の成形装置。
2. 前記ネジ軸は、すべりネジである請求項１記載の圧粉体の成形装置。
3. 前記ネジ軸は、ボールを介して前記移動部材と螺合するボールネジである請求項１記載の圧粉体の成形装置。
4. 前記モータは前記ネジ軸に直結している請求項１から３いずれか１項に記載の圧粉体の成形装置。
5. 前記モータはサーボモータである請求項１から４いずれか１項に記載の圧粉体の成形装置。

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