JP3020085B2 - 異形断面形状三次元部品の製造方法 - Google Patents

異形断面形状三次元部品の製造方法

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JP3020085B2 JP7312600A JP31260095A JP3020085B2 JP 3020085 B2 JP3020085 B2 JP 3020085B2 JP 7312600 A JP7312600 A JP 7312600A JP 31260095 A JP31260095 A JP 31260095A JP 3020085 B2 JP3020085 B2 JP 3020085B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子・計測・光学
・通信及び産業機器等を構成する部品、例えば回転式ロ
−タ、ファン、タ−ビン、スクリュ−ベ−ンロ−タ等の
三次元部品を高精度に多量生産できる製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、腕時計に使用されている歯車等の
三次元部品を形成する場合、一般にはワイヤ放電研削加
工法などの機械加工によって製造している。また、特開
平1-268805号公報に記載のように、1mm以下の直径の歯
車の複雑な輪郭を有する腕時計用マグネットロ−タを金
型を用いた射出成形法で製作している例もある。
【0003】一方、塑性加工を用いて微小な三次元部品
を形成した例は、例えば、平成4年度塑性加工春季大会
講演論文集(P127〜P130)に記載のように、超塑性材料
を使用し、マイクロ2段歯車の形成にマイクロ鍛造法を
用いたものがある。
【0004】さらに、特願平4-73706号に記載のよう
に、予備成形された部材の周囲に、被覆材を被覆して複
合部材を形成し、該複合部材を引抜き加工した後、被覆
材を除去することによって微小異形断面部品を成形して
いる例もある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術は多品
種の歯車もしくはマイクロタ−ビン等の生産性について
配慮されておらず、ワイヤ放電研削加工法を用いている
技術では、単品生産となり量産性がなくコスト高になる
問題があった。また、射出成形法を用いた技術では金型
を用いて腕時計用マグネットロ−タ等を製作しているた
め、製造プロセスが複雑になる問題があった。さらに、
マイクロタ−ビン等の三次元曲率を有する加工が技術的
に困難である問題があった。
【0006】また、マイクロ鍛造法を用いた技術では材
料に超塑性材料を用いているため、歯車としての機械的
強度が小さく、前記と同様に三次元曲率を有する加工が
技術的に困難である問題があった。
【0007】さらに、複合部材を引抜き加工した後、被
覆材を除去することによって微小異形断面部品を成形す
る方法では、複合部材の引抜き加工を行っているため、
1回の引き抜き加工での断面減少率を大きくできず、同
一部材に対して何回も引抜き加工を繰り返さないと所望
の寸法の部品が得られないという問題があった。
【0008】本発明は、上記の従来技術の問題点を解決
するためになされたもので、高精度でしかも生産性に優
れた異形断面形状三次元部品の製造方法を提供すること
をその目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的は、異形断面形
状に予備成形した部材の周囲を他部材で被覆して、複合
部材ビレットを形成し、該複合部材ビレットを所定の断
面減少率になるまで静水圧押出し成形した後、前記被覆
材を除去することにより達成できる。被覆材と予備成形
した部材の境界部は冶金的に接合するのが望ましい。ま
た、前記被覆材は前記予備成形部材と同等の変形抵抗を
有するものであって、前記予備成形部材より低融点であ
ることが望ましい。
【0010】また、前記静水圧押出し成形加工時におい
て、押出し速度に同期して前記複合部材に、押出し方向
と同方向に張力を与えながらねじりトルクを付与するこ
とにより、従来技術では達成できないスクリュ−ロ−タ
等の異形断面形状の三次元部品を成形することができ
る。
【0011】前記複合部材ビレットを静水圧押出し加工
することで、従来の引き抜き加工に比べ、断面減少率を
大きくすることができる。また、被覆材と予備成形した
部材の境界部が冶金的に接合されていると、縮小加工時
に、被覆材が予備成形した部材から外れる恐れがない。
さらに、被覆材が予備成形部材と同等の変形抵抗を有す
るものであると、縮小加工時に、被覆材と予備成形部材
のうちの一方だけが加工を受けて縮小されることがなく
なる。被覆材が予備成形部材より低融点であると、縮小
加工終了後に被覆材を除去する際、加熱により被覆材を
容易に除去することができる。
【0012】なお、静水圧押出しを縮小加工に用いた例
は、特開平4−132117号公報開示のものがある
が、この例では線材の縮径加工に静水圧押出しが適用さ
れており、縮小加工後の線材の外周部を除去するような
思想は述べられていない。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施例を図
面を参照して説明する。図1および図2は本発明の実施
例に係る三次元微小部品の製造方法の説明図である。
【0014】本発明における三次元部品の製造を図2を
参照して説明する。まず、所望の断面形状と相似で径の
大きな異形断面を有するSUS304の心材6を機械加
工によって形成(予備成形)する。前記心材6の形成方
法は機械加工に限らず、ワイヤ放電加工や押出し加工な
どの方法を用いてもよい。次に、前記心材6の外周に所
要の特性を有する被覆材7(本実施例では、銅を用い
た)を被覆し、複合部材ビレット1を形成する。この
時、心材を相似的に縮小するために心材と被覆材の境界
面は冶金的に接合する必要がある。例えば、所定の形状
(一端がテーパ状の円筒形)の鋳型に溶融した被覆材を
満たし、そのなかに予備成形した心材6を鋳型と同心に
配置して固化させる。
【0015】前記所要の特性とは、被覆材に用いる材料
の変形抵抗が心材に用いる材料の変形抵抗に比較的近い
こと、被覆材に用いる材料の融点が心材の融点より低い
ことを意味する。変形抵抗を示す指標として、0.2%
耐力があるが、銅の0.2%耐力は176MPa、SU
S304の0.2%耐力は256MPaである。また、
銅の融点は1083℃、SUS304の融点は1400
℃である。心材6の周囲に付着固化した被覆材7は、複
合部材ビレット1の断面の輪郭形状、つまり被覆材の断
面輪郭形状が円形となるように、心材6の周囲を被覆し
ている。なお、複合部材ビレット1の断面の輪郭形状は
正多角形としてもよいが、複合部材ビレット1の全周か
ら均一な圧力を加えられるよう、円形とするのが望まし
い。
【0016】その後、静水圧押出し加工によって複合部
材ビレット1の断面縮小加工を行い、最後に縮小された
複合部材ビレットの被覆材7を加熱溶融により除去す
る。次いで、縮小された心材6を必要な長さ(あるいは
厚さ)に切断して三次元異形断面部品が得られる。
【0017】前記静水圧押出し加工における詳細な説明
を図1を参照して行う。図示の静水圧押出し加工装置
は、中空部の一端にフランジ状の段差部9を有する中空
円筒状のコンテナ3と、該コンテナ3の段差部9に支持
されて内装されたダイス2と、コンテナ3の前記中空部
に充填された作動液体5と、前記コンテナ3の中空部の
他端に嵌めこまれたラム4と、を含んで構成され、ラム
4の図示矢印方向への移動により、作動液体5が加圧さ
れるようになっている。ダイス2には、出側(図上下
方)に向かって径が縮小するテーパ部を有する押出し孔
が設けられている。この押出し孔の断面形状はどの位置
でも円形である。
【0018】前記複合部材ビレット1は、前述のように
任意の三次元異形断面形状を有する心材6とその周囲に
形成された被覆材7とからなり、一端が前記テーパ部に
ちょうどはまり込む形に加工されている。そして、ま
ず、その加工された側の端部が、ダイス2のテーパ状の
押出し孔に挿入される。複合部材ビレット1がダイス2
のテーパ状の押出し孔に挿入されたら、液体5が充填さ
れ、ラム4がコンテナ3の中空部の図上上端に嵌め込ま
れる。
【0019】次いでラム4に矢印方向の力が加えられ、
液体5が高圧力となる。複合部材ビレット1は、この液
体5の高圧力により、ダイス2のテ−パ部で縮小されな
がら押出し孔から下方に押し出される。この方法では、
複合部材ビレット外径をコンテナの中空部内径より小さ
くすることにより、複合部材ビレット1の外周とコンテ
ナ内周との間に摩擦を生じるのが避けられる。さらに、
複合部材ビレット1とダイス2の間に高圧力の液体5が
押し込まれて強制潤滑状態となるため、複合部材ビレッ
ト1とダイス2の間の摩擦力は、引抜き加工と比較して
格段に減少する特徴がある。
【0020】また、一般に金属は高圧下では延性が増大
する。本発明は高圧下での押出し加工であり、通常の押
出し加工または引抜き加工と比較して変形抵抗が大きな
材料にも適用することができる。また、心材に対して所
定の特性(例えば心材よりも低融点、心材と類似の変形
抵抗など)をもつ材料を被覆材として選択し、かつ両部
材の境界面が冶金的に接合するように被覆しているの
で、押出し加工時に静水圧による等方的圧縮力で両部材
が塑性変形挙動を示し、初期の異形断面形状が相似的に
縮小され、予備成形された部品よりも微小な異形断面形
状三次元部品が形成される。図4の(a)に、本実施例
で得られた部品の例を示す。
【0021】なお、ダイス2、コンテナ3、ラム4の材
質は工具鋼を用いることが好ましい。また、液体5には
ひまし油を用いることが好ましい。
【0022】また、静水圧押出し加工では、従来の引抜
き加工と比較して断面減少率〔={1−(加工後の断面
積/加工前の断面積)}×100〕を大きくすることが可
能である。その結果、複合部材ビレットを縮小加工する
回数が少なくなり、量産性が向上する。
【0023】図3に本発明の第2の実施例に係る三次元
部品の製造方法の説明図を示す。図3に示す実施例が前
記第1の実施例と異なるのは、複合部材ビレットの先端
に張力を与える機構及びねじりトルクを付与する機構8
を装着し、押出し速度と同期させた回転速度で複合部材
ビレットにねじりトルクを付与するようにした点であ
る。このように、押出し速度と同期させた回転速度でね
じりトルクを付与することにより、押し出された部材は
押出しダイス形状にかかわらず、三次元曲率を有する加
工が可能で、所定ピッチのスクリュ−状異形断面形状三
次元部品が成形される。
【0024】本加工法は押出し加工法の真直な部材を別
工程でねじって仕上げる加工とは本質的に異なる。すな
わち、ダイス出口において塑性状態にある被加工物は極
くわずかの力で容易に変形様態を変えてねじることがで
きるのに対し、一旦加工された材料を改めてねじるには
弾性状態から塑性状態に持ち込むのに大きなトルクを必
要とするからである。
【0025】なお、好ましくは本発明の実施においてね
じりトルクを付与すると同時に、押出し方向と同方向に
張力を与えながら押出し加工を行うと、スクリュ−形状
の加工品の軸の真直度を高めることができる。
【0026】以上のような製造方法に基づいて、心材に
ステンレス鋼(SUS304)を、被覆材に銅を、それ
ぞれ用いて、最高押出し圧力12000kgf/cm2にて静水圧押
出しを行ったところ、図4の(a)に示す外径48μmの
トロコイドポンプ用の歯形を有する微小な三次元部品お
よび図4の(b)に示すスクリュ−ロ−タが成形でき
た。
【0027】なお、上記実施例においては、心材6にS
US304、被覆材に銅を用いたが、変形抵抗の値が比
較的近く、被覆材の融点が心材の融点より低ければ、必
ずしもこの組合せでなくて他の材料の組合せでもよい。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、任意に成形した異形断
面形状が相似的に縮小されるので、微小でしかも高精度
の異形断面材を任意の寸法で容易に成形することができ
る。また、真直性に優れた長尺の部材も成形することが
できる。
【0029】さらに、複合部材ビレットに押出し方向と
同方向に張力を与え、同時にその先端にねじりトルクを
付与して回転させながら静水圧押出し加工を行うことに
より、微小部品を成形する場合であっても、スクリュ−
形状の微小部品が容易にでき、しかも生産性に優れてい
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す断面図である。
【図2】本発明による三次元部品の製造工程ごとの状態
を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す断面図である。
【図4】本発明を用いて成形した三次元部品の例を示す
斜視図である。
【符号の説明】 1 複合部材ビレット 2 ダイス 3 コンテナ 4 ラム 5 液体 6 心材 7 被覆材 8 張力及びねじり
トルクを付与する機構 9 段差部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−277544(JP,A) 特開 昭48−45471(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定の断面形状に予備成形された部材の
    周囲を被覆材で被覆して複合部材ビレットを形成し、該
    複合部材ビレットの断面を縮小加工した後、前記被覆材
    を除去することによって微小部品を形成する異形断面形
    状三次元微小部品の製造方法において、前記予備成形される部材としてステンレス鋼を用い、前
    記被覆材として銅を用いること 、 前記複合部材ビレット断面を円形とし、前記複合部材ビ
    レット断面の縮小加工に断面円形のダイスによる静水圧
    押出し加工を用いること、 前記予備成形部材と被覆材との境界部は円筒形の鋳型に
    溶融した被覆材を満たし、その中に予備成形部材を鋳型
    と同心に配置して固化させることで接合されること、を
    特徴とする異形断面形状三次元微小部品の製造方法。
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