JP2022130193A - 成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 成形体内部の密度分布差が小さな成形体を製造するための成形体の製造方法を提供する。【解決手段】 ダイ３に設けられた貫通孔３ａと貫通孔３ａに挿入された第一パンチ１とにより形成された空間に原料粉末４を充填し、第一パンチ１と対向するよう第二パンチ２を貫通孔３ａに挿入して第一パンチ１と第二パンチ２とを相対的に移動させ原料粉末４を圧縮成形する成形体１０の製造方法であって、第二パンチ２を、第二パンチ２が原料粉末４に接触した位置から第一パンチ１に向かって第一所定量移動する第１加圧工程と、第一パンチ１を第二パンチ２に向かって第二所定量移動する第２加圧工程と、第二パンチ２を第一パンチ１に向かって第三所定量移動する第３加圧工程と、を備え、第１加圧工程、第２加圧工程、及び第３加圧工程を順次実施する成形体の製造方法とする。【選択図】図１

Description

本発明は粉末から成形金型を用いて成形体を成形する方法に関するものである。

近年、セラミックスや超硬などの機能性に優れた製品にニーズが高まっている。例えば切削工具用チップ製品の製造では、大量生産可能である粉末プレス成形が多く用いられている。粉末プレス成形では、ダイとパンチから構成される成形金型を利用し、原料粉末を充填したダイにパンチを挿入して原料粉末を加圧することで円柱形状、円筒形状、四角形状などの成形体を製造し、成形体を焼結してブランクを作製した後、ブランクの外形を最終の製品形状に加工して製品を製造している。これら粉末プレス成形により製造される製品では、成形体内部の密度に不均一な部分があると、ブランク外形の寸法ばらつきの増加や、ブランクの加工時に破損が発生をする恐れがある。ブランク外形の寸法ばらつきは、その後の加工工程での加工量の増加や、ブランクの内部欠陥の増加につながる。

粉末プレス成形では、精度の高いブランクを得るため、パンチをサーボモータで正確に制御できるＣＮＣ粉末成形機を利用して成形を行うことも行われている。しかしこの方法で成形を行っても、ダイに挿入されたパンチ周囲の粉末は、ダイ壁面との間の摩擦により他の部位より密度が高くなりやすく、成形体内部の密度分布差は生じる。特に、円柱形状や四角形状の成形体は、成形時に金型内での粉末移動が起こりにくいため、成形時の密度分布が不均一になりやすい。

このような成形体の内部における密度分布差を解消するため、上パンチと下パンチにより上下方向から粉末に荷重をかける両押し方式による成形方法や、パンチを駆動すると同時にダイをパンチと同一方向に移動させて成形するウイズドロアル（Withdrawal process）方式など様々な方法が考案されている。
特許文献１では、粉末プレス成形時に第１パンチを移動させてから第２パンチを移動させるという２段階のプレス方法が提案されており、第１パンチ（上パンチ）の移動量を第２パンチ（下パンチ）の移動量の１～５倍に設定して成形する例が開示されている。また、特許文献２には、金型にテーパーをつけて成形する方法が提案されている。

特開２００３－２７２９４２号公報 特開２００１－３１０４号公報

例えば特許文献１記載の成形方法では、第１パンチと第２パンチの移動量を相違させるため、それぞれのパンチを移動させる工程における原料粉末の移動量が異なり、移動量の大きいパンチ側には大きな密度ばらつきが生じることとなり、成形体を焼結したブランクにおいて寸法ばらつきや密度不均一による品質低下を十分に解消することはできない。また、特許文献２記載の成形方法であっても、成形体にかかる圧力を低減させることで、成形体内部の密度分布の不均一さを低減できる期待はされるものの十分とはいえない。本発明は上記課題を鑑み、成形体内部の密度分布差が小さな成形体を製造するための成形体の製造方法を提供するものである。

ダイに設けられた貫通孔と当該貫通孔に挿入された第一パンチとにより形成された空間に原料粉末を充填し、前記第一パンチと対向するよう第二パンチを前記貫通孔に挿入して前記第一パンチと前記第二パンチとを相対的に移動させ前記原料粉末を圧縮成形する成形体の製造方法であって、前記第二パンチを、前記第二パンチが前記原料粉末に接触した位置から前記第一パンチに向かって第一所定量移動する第１加圧工程と、
前記第一パンチを前記第二パンチに向かって第二所定量移動する第２加圧工程と、
前記第二パンチを前記第一パンチに向かって第三所定量移動する第３加圧工程と、を備え、前記第１加圧工程、前記第２加圧工程、及び前記第３加圧工程を順次実施する成形体の製造方法とする。
さらに、前記第二所定量は、前記第一所定量と前記第三所定量との和と等しい成形体の製造方法とする。
さらにまた、前記第三所定量は前記第二所定量より小さい成形体の製造方法とする。

本発明によれば、成形体内部の密度分布を小さくし、成形体の焼結後の寸法ばらつきや内部欠陥の少ない高品質の製品を得ることができる。

本発明の成形体の製造方法の実施形態を説明するための図である。 比較例１の成形体の製造方法を説明するための図である。 比較例３の成形体の製造方法を説明するための図である。 実施例１のブランク断面におけるピンホール形成状態を撮像した図である。 比較例２のブランク断面におけるピンホール形成状態を撮像した図である。 比較例３のブランク断面におけるピンホール形成状態を撮像した図である。

本発明の成形体の製造方法は、ダイに設けられた貫通孔と当該貫通孔に挿入された第一パンチとにより形成された空間に原料粉末を充填し、第一パンチと対向するよう第二パンチを貫通孔に挿入して第一パンチと第二パンチとを相対的に移動させ原料粉末を圧縮成形する成形体の製造方法において、第二パンチを移動させ原料粉末を加圧し、その後、第一パンチを移動させ原料粉末を加圧し、さらにその後、第２パンチを移動させ原料粉末を加圧して成形体を製造する方法である。

図１は、本発明の成形体の製造方法の実施形態を説明するための図である。本実施形態では円柱状の成形体を製造する方法を例とし本発明を説明する。成形体は、貫通孔３ａを備えた円筒状のダイ３と、ダイ３の貫通孔３ａに挿入される円柱状の下パンチ１及び上パンチ２を有する金型を備える粉末成形プレス機により製造される。下パンチ１と上パンチ２は、ダイ３の貫通孔３ａに挿入され、それぞれが貫通孔３ａの軸線上を独立して移動可能となっている。

[原料粉末充填工程：図１（ａ）]
まず、貫通孔３ａの一方の開放端より下パンチ１が挿入され、下パンチ１の底面とダイ３の貫通孔３ａの内壁面とにより凹部が形成されたダイ３の凹部に、成形体の原料粉末４を供給する。

[第１加圧工程：図１（ｂ）]
次いで、貫通孔３ａの他方の開放端より上パンチ２を挿入し、上パンチ２を下パンチ１へ向かって移動させることで原料粉末４を加圧、圧縮する。このとき、ダイ３及び下パンチ１の位置は固定され、上パンチ２は原料粉末４から接触した位置から下パンチ１へ向かい予め設定した所定の距離Ａだけ移動する。この工程により、主に上パンチ２側の原料粉末４が移動し、原料粉末４は貫通孔３ａの内壁面との摩擦によって部分的に圧縮され、上パンチ２近傍の密度上昇が起こる。なお、下パンチ１周辺では原料粉末４の大きな移動がないため大きな密度上昇は起こらず、原料粉末４全体の密度は不均一な状態である。

[第２加圧工程：図１（ｃ）]
次いで、ダイ３及び上パンチ２の位置を固定した状態で、下パンチ１を上パンチ２に向かって予め設定した所定の距離ａだけ移動し、原料粉末４を加圧、圧縮する。この工程により、主に下パンチ１側の原料粉末４が移動し、下パンチ１近傍の密度上昇が起こる。このとき、原料粉末４は第１加圧工程によりある程度圧縮された状態であり、第１加圧工程における上パンチ２周辺の密度上昇に比べ大きな密度上昇が下パンチ１周辺に発生する。なお、この工程における下パンチ１の移動量（所定の距離ａ）は、第１加圧工程における上パンチ２の移動量（所定の距離Ａ）より大きく設定する。

［第３加圧工程：図１（ｄ）］
次いで、ダイ３及び下パンチ１の位置を固定した状態で、上パンチ２を下パンチ１に向かって予め設定した所定の距離αだけ移動し、原料粉末を加圧、圧縮する。第２加圧工程を終えた状態では、下パンチ１周辺の密度が上パンチ２周辺より大きくなっているが、この工程を行うことで主に上パンチ２周辺の密度が上昇する。

このように、上パンチ２からの加圧（第１加圧工程）、下パンチ１からの加圧（第２加圧工程）、上パンチ２からの加圧（第３加圧工程）を順次実施ことで、上パンチ２からの加圧、下からの加圧を同時または別々に一回実施した場合と比較し、ダイス３凹部の中央部における原料粉末４の移動（再配列）が生じやすく、原料粉末４の圧縮を均等に促進させることができ、成形体１０内部の密度分布差を小さくすることが可能である。

なお、第３加圧工程における上パンチ２の移動量（所定の距離α）は、第１加圧工程における上パンチ２の移動量（所定の距離Ａ）及び第２加圧工程におけるより移動量（所定の距離ａ）より小さく設定するのが好ましく、第１加圧工程と第３加圧工程における上パンチ２の移動量の和（所定の距離Ａ＋所定の距離α）が第２加工工程における下パンチ１の移動量（所定の距離ａ）と等しくなるよう設定する、つまり各工程を通じた上パンチ２の移動量と下パンチ１の移動量とを等しくすることで、より均一な密度の成形体１０を製造することが可能となる。

［排出工程：図１（ｅ）］
最後に上パンチ２、下パンチ１をダイ３の貫通孔３ａの他方の開放端側へ移動させ、貫通孔３ａ内で圧縮成形された原料粉末４からなる成形体１０をダイ３から排出する。以上により原料粉末４からなる成形体１０が完成する。成形体１０はその後、焼結されブランクとなり、ブランクの外形を研磨することで所望外径の製品となる。

次に、本発明の成形体の製造方法により製造した成形体を焼結したブランク（実施例）と、本発明を採用しない別の製造方法により製造した成形体を焼結したブランク（比較例）により、それぞれの成形体の状態を検証した結果を説明する。なお、ここでは、上記実施形態で説明した符号を用い実施例及び比較例を説明する。実施例及び比較例ともに、成形体１０を製造するための成形金型として、直径１．２ｍｍの貫通孔３ａの開いた超硬製のダイ３、超硬製の下パンチ１、及び超硬製の上パンチ２を利用し、原料粉末４として成形用バインダーが添加されているアルミナ粉末を粉末プレス成形して成形体１０を製造した。成形体１０は、直径１．２ｍｍ、高さ１．２ｍｍの外形を目指して作成している。実施例及び比較例ともに、後述する工程で記載していない成形条件、焼結条件等はすべて同一のもと行い、
成形体１０の状態は、実施例及び比較例における各ブランクの上面（上パンチ２側）と下面（下パンチ１側）との直径の寸法差、及び各ブランクの断面におけるピンホールの形成状態を観察することで評価をした。

［実施例１］
実施例１は、上述の本発明の実施形態により成形体１０を製造しており、上パンチ２と下パンチ１のそれぞれの総移動量を２．７ｍｍに設定し、第１加圧工程における上パンチ２の移動量を１．２ｍｍ、第２加圧工程における下パンチ１の移動量を１．３５ｍｍ、第３加圧工程における上パンチ２の移動量を０．１５ｍｍとして原料粉末４を圧縮し成形体１０を製造した。

［実施例２］
実施例２も上述の本発明の実施形態により成形体１０を製造し、上パンチ２と下パンチ１のそれぞれの総移動量を２．７ｍｍに設定し、第１加圧工程における上パンチ２の移動量を１．１５ｍｍ、第２加圧工程における下パンチ１の移動量を１．３５ｍｍ、第３加圧工程における上パンチ２の移動量を０．２０ｍｍとして原料粉末４を圧縮し成形体１０を製造した。実施例１との相違点は、第１加圧工程における上パンチ２の移動量を０．０５ｍｍ減少させ、第３工程における上パンチ２の移動量を０．０５ｍｍ増加させた点である。

［比較例１］
比較例１は、上パンチ２と下パンチ１とをそれぞれ一回ずつ順次移動させ、原料粉末４を加圧して成形体１０を製造した例である。図２は、比較例１の成形体の製造方法を説明するための図である。比較例１では、まず、貫通孔３ａの一方の開放端より下パンチ１が挿入され、下パンチ１の底面とダイ３の貫通孔３ａの内壁面とにより凹部が形成されたダイ３の凹部に、成形体の原料粉末４を供給する（図２（ａ）：原料粉末充填工程）。次いで、貫通孔３ａの他方の開放端より上パンチ２を挿入し、上パンチ２を下パンチ１へ向かって移動させることで原料粉末４を加圧、圧縮する（図２（ｂ）：第１加圧工程）。このとき、ダイ３及び下パンチ１の位置は固定され、上パンチ２は原料粉末４から接触した位置から下パンチ１へ向かい２．２５ｍｍ移動させ、原料粉末４を加圧、圧縮した。次いで、ダイ３及び上パンチ２の位置を固定した状態で、下パンチ１を上パンチ２に向かって０．４５ｍｍ移動し、原料粉末４を加圧、圧縮した（図２（ｃ）：第２加圧工程）。最後に、上パンチ２、下パンチ１をダイ３の貫通孔３ａの他方の開放端側へ移動させ、貫通孔３ａ内で圧縮成形された原料粉末４からなる成形体１０をダイ３から排出した（図２（ｄ）：排出工程）。

［比較例２］
比較例２は、比較例１と同様の工程により成形体１０を製造した。比較例１と相違する点は、比較例１における第１加圧工程における上パンチ２の移動量を２．５５ｍｍ、第２加圧工程における下パンチ１の移動量を０．１５ｍｍとした点である。

［比較例３］
比較例３は、上パンチ２と下パンチ１とを同時に移動させることで原料粉末４を加圧して成形体１０を製造した例である。図３は、比較例３の成形体の製造方法を説明するための図である。比較例３では、まず、貫通孔３ａの一方の開放端より下パンチ１が挿入され、下パンチ１の底面とダイ３の貫通孔３ａの内壁面とにより凹部が形成されたダイ３の凹部に、成形体の原料粉末４を供給する（図３（ａ）：原料粉末充填工程）。次いで、貫通孔３ａの他方の開放端より上パンチ２を挿入し、ダイ３の位置を固定させた状態で、上パンチ２及び下パンチ１をそれぞれ対向するパンチへ向かって移動し、原料粉末４を加圧、圧縮する（図３（ｂ）：第１加圧工程）。このとき、上パンチ２及び下パンチ１は、上パンチ２が原料粉末４に接触した位置からをそれぞれ１．３５ｍｍ同時に移動させ、原料粉末４を加圧、圧縮した。最後に、上パンチ２、下パンチ１をダイ３の貫通孔３ａの他方の開放端側へ移動させ、貫通孔３ａ内で圧縮成形された原料粉末４からなる成形体１０をダイ３から排出した（図３（ｃ）：排出工程）。

表１は、実施例及び比較例の成形体の製造条件と、各実施例及び比較例により製造された成形体１０を焼結した各ブランクの上面側（上パンチ側）及び下面側（下パンチ側）の直径の寸法差を示している。なお、各ブランクの寸法差は、マイクロメータで上面側及び下面側の寸法を測定し、その寸法差を算出した。また、図４－１は、実施例１のブランク断面におけるピンホール形成状態を撮像した図であり、図４－２は比較例２のピンホール形成状態を撮像した図であり、図４－３は、比較例３のブランク断面におけるピンホール形成状態を撮像した図である。ブランクの断面は、成形時の上パンチ及び下パンチの加圧方向（ダイの貫通孔の軸方向）に水平に切断した断面であり、ピンホールの状態は、実体顕微鏡倍率１００倍により観察、撮像したものである。図中の黒点がピンホールを示している。

表１、図４－１、図４－２及び図４－３より、実施例１は、ブランクの上面、下面における寸法差が最も小さく、またブランクの断面にピンホールも存在はするもののその量は最も少なく、ブランク内部全体に均一に分布している。以上の結果より、ブランク（成形体１０）内部は全体的に均一な密度であり、密度分布差は少なく良好な成形体１０を得られたといえる。

実施例２は、ブランクの上面、下面における寸法差が他の例に比べて中程度であり、実施例１に対して寸法差は大きくなっている。実施例１と実施例２とでは、上パンチ２の総移動量は同一であるが、実施例２は実施例１に対し、第１加圧工程での上パンチ２移動量を減少させ、第３加圧工程での上パンチ２移動量を増加させている。実施例２のブランクは上側の直径が下側の直径より大きくなっているが、これは、第１加圧工程においてはダイ３と下パンチ１で形成される凹部に原料粉末が充填された状態の原料粉末４を加圧するのに対し、第３加圧工程では、第１加圧工程及び第２加圧工程を経てある程度圧縮された状態の原料粉末４を加圧していることに起因したものと考えられる。ピンホールの状態は図示しないが、実施例１と同等の数量、分布状態であった。実施例２は、実施例１よりブランク上面と下面の寸法差が大きいためブランク内部の密度差は大きいと考えられるものの寸法差は中程度であり、ピンホールの状態は実施例１と変わらないため、成形体１０内の密度分布差は然程大きくなく、良好な成形体１０を得られたといえる。

比較例１は、成形体の排出工程で成形体が上面側と下面側との間の中央部で２つに割れてしまい成形ができないという結果であった。これは、成形体内部の中央部における粉末の移動が少なかったために中央部における密度が低くなり、中央部の密度と下面側または上面側の密度とが大きく相違してしまったためと考えられる。なお、比較例３における上面と下面の寸法が下面の方が大きいことから、本比較例では下面側の密度が非常に高くなったものと考えられる。

比較例２は、比較例１の製造方法において下パンチの移動量を調整したものである。比較例１に対し、比較例２では成形体は製造できたものの、成形体を焼結したブランクの上面と下面との寸法差が９μｍであり、下面が大きい。さらに、ピンホールも実施例１に比べ多く観察された。したがって、ブランク内部の密度分布差が非常に大きいことがわかる。

比較例３は、他の例と比較しブランクの上面と下面の寸法差が小さかった。しかし、ピンホールの数は、比較例２と同様に実施例１より多く観察された。これより、比較例３の製造方法では、ブランク（成形体１０）の外形形状は精度よく形成できるものの、ブランク内部の密度分布は不均一であると推測される。

以上、本発明の成形体の製造方法の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。例えば実施形態では、第１加圧工程、第２加圧工程、及び第３加圧工程を順次行うことで成形体を製造しているが、第３工程の後に原料粉末をさらに圧縮する工程を含んでもよい。その場合においても、上パンチと下パンチとを交互に複数回移動し原料粉末を加圧することで、移動がおき難い成形体中央部に位置する原料粉末の移動を促進でき、成形体内部の密度分布差を小さくすることができる。

１ 下パンチ
２ 上パンチ
３ ダイ
３ａ 貫通孔
４ 原料粉末
１０ 成形体

Claims (3)

1. ダイに設けられた貫通孔と当該貫通孔に挿入された第一パンチとにより形成された空間に原料粉末を充填し、前記第一パンチと対向するよう第二パンチを前記貫通孔に挿入して前記第一パンチと前記第二パンチとを相対的に移動させ前記原料粉末を圧縮成形する成形体の製造方法であって、
   前記第二パンチを、前記第二パンチが前記原料粉末に接触した位置から前記第一パンチに向かって第一所定量移動する第１加圧工程と、
   前記第一パンチを前記第二パンチに向かって第二所定量移動する第２加圧工程と、
   前記第二パンチを前記第一パンチに向かって第三所定量移動する第３加圧工程と、を備え、
   前記第１加圧工程、前記第２加圧工程、及び前記第３加圧工程を順次実施することを特徴とする成形体の製造方法。
2. 前記第二所定量は、前記第一所定量と前記第三所定量との和と等しいことを特徴とする請求項１に記載の成形体の製造方法。
3. 前記第三所定量は前記第二所定量より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の成形体の製造方法。

Images