JP3842583B2 - 圧粉体の成形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は粉末冶金における粉末の成形方法に関するもので、特に内燃機関のバルブガイドのように筒状の長い部品を成形する場合とか、フランジ付き軸受やボス付き歯車のような段付き形状部品の成形に段付きダイを用いる場合などに、得られる圧粉体の各部の密度をより均一に成形し得る方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮中の粉末に作用する成形圧力は摩擦抵抗等により漸次減衰して伝達されるので、圧粉体の中には必然的に、密度の低い部分が生じる。この低密度の部分が生じる部位は加圧方式（成形金型の作動方式）によって異なるので、その有様を円柱状部品の場合を例として以下に略述する。先ず、図４のａ，ｂに示す方式は片押し法と呼ばれるもので、ダイ１はダイプレート５１およびスペーサー５３を介してグランドプレート５２に固定される。（ａ）は粉末の充填状態で、ダイ１と下パンチ２で形成するダイキャビティ内に粉末が充填されている。下パンチ２はその鍔２１をグランドプレート５２が支えているので、図示の位置より下には動けない。従って圧縮成形時にはダイ１と下パンチ２は一体として、恰もダイに底があるかのように機能する。
【０００３】
次いで上パンチ３を下降させてダイ内の粉末を加圧すると、粉末は下向きの圧力のみを受けて圧縮（いわゆる片押し）されるために、（ｂ）得られる圧粉体の密度分布は下パンチ２の端面より僅か上の位置が最も低くなる。この低密度層はニュートラルゾーン（Neutral zone：中立層）と呼ばれる。通常はそのまま仮名書きされているが、本明細書では字数節減のため、以下中立層と記載する。なおこの現象は段付きダイで成形する際の段部近傍でも見られ、その場合、中立層は段部の僅か上の位置に生じる。得られた圧粉体は通常上パンチを復帰させた後、下パンチを上昇させてダイから押し出される。
【０００４】
これに対し図４のｃ，ｄに示す方式はダイ１が固定されていることと、粉末の充填状態（ｃ）は片押し法の場合（ａ）と同じであるが、粉末を上パンチ３と下パンチ２で上下両方向から圧縮するので両押し法と呼ばれる。この両押しに際して、（ｄ）ダイの上端面からの上パンチの下降距離（即ち上パンチによる粉末の押し下げ距離）と粉末充填状態からの下パンチの上昇距離（即ち下パンチによる粉末の押し上げ距離）とが等しいように上下のパンチを作動させた場合、中立層は図示の如く、圧粉体の丁度中央部に生じる。上下のパンチの作動は同時でも、交互（非同時）でもよい。なお、鍔２１は両押し法では本来は無くてもよいが、ここでは下パンチの上昇距離を直観できるように描いてある。
【０００５】
次の図５は浮き型法と呼ばれるもので、ダイ１をスプリング５４で、グランドプレート５２に対して浮動状態に支持してある。下パンチ２の機能は片押し法の場合と同様で、成形後に圧粉体を押し出す際のみ作動（上昇）する。粉末の充填状態（ｅ）およびこの状態から上パンチ３が下降して成形を開始することは前掲２方式の場合と変わらない。この浮き型法における直接の加圧は、上パンチ３による片押しであるが、圧粉の進行に伴いダイ内壁・粉末間の摩擦抵抗が増加し、やがてスプリングの支持力を超えると、（ｆ）ダイ１は上パンチ３と一緒に下降する。そして図示の圧縮成形状態で圧粉が終了し、圧粉体が形成される。
【０００６】
この様な（不動の）下パンチに対するダイの下降は、（不動の）ダイに対する下パンチの上昇と同様で、そのことは（ｆ）を両押し法の（ｄ）に、それぞれのダイを一致させて重ねてみれば容易に理解される。即ち、浮き型法でもダイ内の粉末を下パンチが相対的に押し上げたことになり、粉末は上下から圧縮される。ただし、その押し上げ距離が小さいために、両押し法の場合ほどの両押し効果は得られない。その結果、圧粉体の中立層は図示（ｆ）のように、両押し法の場合よりもやや下方，片押し法の場合との中間に形成される。ちなみに如上の各方式とも、下パンチを貫通してコアロッドを設ければ中空円筒状の部品を成形できることは言うまでもない。
【０００７】
次に、形状の複雑な部品を成形する場合に最適とされているウイズドロアル法（Withdrawal Process）を、中空円筒状の部品を例として説明する。図６はこの方式の一般的な構成（中心線の左側は粉末の充填状態，右側は圧縮成形状態）を示したもので、下パンチ２はグランドプレート５２に固定される。一方ダイ１はダイプレート５１に，コアロッド４は下ラム６１に設けたコラムプレート５６に固定され、ダイプレート５１とコラムプレート５６は、グランドプレート５２を貫通するコラム５５で連結されている。従ってダイ１とコアロッド４は、下ラム６１の作動につれて同時に、一体として上下する訳である。
【０００８】
この方式では、上パンチ３による粉末の圧縮につれてダイ１を引き下げるが、その場合、下ラム６１の操作次第でダイの引き下げ距離を任意に設定できる点に特徴がある。そしてダイの引き下げ距離を上パンチによる粉末の押し下げ距離の丁度１／２に設定した場合に完全な両押し効果が得られ、中立層は図示のように圧粉体の中央部に生じる。なお、引き下げ距離がそれより小さい場合は中立層の位置が中央部から下パンチ側に偏り、それより大きい場合は上パンチ側に偏って生成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この様に、圧粉体に生じる低密度部の位置は加圧方式により様々ではあるが、何れの場合でもその低密度部が、下パンチの端面から一様な高さの位置に水平な層状をなして集中する点に問題がある。即ち、長さのある中空円筒状の焼結部品に負荷が作用した場合、この低密度層（中立層）の部分は強度が低いので、この部分への応力集中による曲げや挫屈などの破損が懸念される。この様な弱点は、水平ないし傾斜した段差部のあるダイを用いて成形した圧粉体にも同様に認められる。そのために、圧粉体の各部分における密度の差をできるだけ小さく、且つ低密度部が軸方向に分散した状態に成形する技術の開発が求められていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
低密度部の生成位置は前述のように、圧粉体の側面を成形する金型（外周面についてはダイ，内周面についてはコアロッド）と、圧粉体の下端面を成形する下パンチとの相対的作動状態によって定まる。更に詳しくは、従来の粉末成形装置では通常はダイ，コアロッドともに固定か、または両者が同時に作動するので、低密度部の位置が圧粉体の外周側，内周側とも同じ高さになり、その結果として水平な中立層が生成される訳である。
【００１１】
この発明はこの様な知見に基づきなされたもので、その骨子は、ダイ内の粉末を圧縮する過程でダイとコアロッドを個別に作動させ、それぞれと下パンチとの相対的作動状態を互いに異ならせることにある。この様にすると低密度部の生成位置がダイ側（円筒状圧粉体の外周側）とコアロッド側（圧粉体の内周側）とで異なるため、従来のような水平の，画然とした中立層が生じることはない。またその結果、圧粉体の各部の密度差も従来より小さくなる。この様な作用効果は、圧粉の過程でコアロッドの昇降を反復すると更に増大する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の実施に際して粉末プレスの形式についての制約は特に無いが、加圧方式（成形金型の作動方式）としてはダイ固定・非同時圧縮方式によるのが好ましい。以下この発明を、外周下端部がテーパー状に細くなっている中空円筒状の部品（内燃機関のバルブガイド）に適用した事例について詳細に説明する。
【００１３】
（実施例１） 図１はこの発明における粉末成形の各工程を説明する図面で、（イ）は粉末の充填状態を示し、ダイ１，下パンチ２およびこれを貫通するコアロッド４が形成するダイキャビティ内に粉末が充填されている。ダイの下部には対象とする圧粉体のテーパー部に対応する形状の段差部１１（テーパー部１１と呼ぶこともある）が設けてある。この状態で上パンチ３を下降させ、（ロ）ダイ内の粉末の圧縮を始めると共にコアロッド４を上昇させると、コアロッド近傍の粉末には摩擦抵抗による上向きの力が働く結果、上パンチ３に近い部分の粉末の密度はコアロッドが動かない場合に比べて高められる。
【００１４】
次いで下パンチ２を上昇させ、（ハ）粉末を押し上げると共にコアロッド４を引き下げると（ロ）の場合と同様の理由（但し向きは逆）により、下パンチ２に近い部分の粉末の密度が、コアロッドが動かない場合に比べて高められる。以下同様にして、（ニ）上パンチ３の下降とコアロッド４の上昇，（ホ）下パンチ２の上昇とコアロッド４の下降を反復する。そして下パンチ２がダイのテーパー部１１の下端に位置して圧粉体の下部を所定の形状に形成し、圧粉体が所定の長さになる位置まで上パンチ３が下降した時点で圧縮成形は終了する。
【００１５】
次に金型からの圧粉体の取り出しに際し、圧粉体が全長に亙って同径の円筒であれば、単に下パンチを上昇させて押し出せばよい。然しこの実施例では下部にテーパー部があるため、圧粉体はその投影面積に比べて狭い下端面で下パンチに支えられている。そこで、このまま下パンチで押し上げると圧粉体が傷む懸念がある場合には、（ヘ）下パンチの上昇に合わせて、コアロッド４を下パンチより速い速度で上昇させるとよい。コアロッドとの摩擦が圧粉体を引き上げるように作用して全体の摩擦抵抗が減少する結果、（ト）下パンチによる押し出しが無理なく行なわれる。ダイから出た圧粉体は内・外径とも膨張するので、コアロッドから容易に抜き取ることができる。
【００１６】
得られた圧粉体は、コアロッドの昇降に伴う前述の作用効果によって各部の密度差が縮小し、且つダイとコアロッドとの相対位置を変動させた効果で、従来のような中立層は生じていない。粉末潤滑剤（ステアリン酸亜鉛）を０．８％添加した鉄粉を原料粉に用い、内径８ｍｍ，外径１２ｍｍ，長さ５０ｍｍで圧粉密度６．６ｇ／ｃｍ³ の円筒状圧粉体をこの実施例の方法で成形して各部分の密度を測定したところ、その密度差は０．１ｇ／ｃｍ³ であった。これに対して、同じ仕様の圧粉体を従来の両押し法で成形した場合の密度差は０．４ｇ／ｃｍ³ で、両者の違いは歴然としていた。コアロッドの作動は１回でも効果があり、回数が多いほどより有効ではあるが、連続成形時の１サイクルは短いので現実には実施例の２往復程度に止まると思われる。
【００１７】
（実施例２） 次に、ダイのテーパー部を利用して粉末の絞り込みによる密度向上を図る態様を図２に示す。この態様では成形金型の構造や、（チ）粉末充填状態は実施例１の場合と同様であるが、下パンチの作動が異なっている。即ち、（リ）上パンチ３の下降による粉末の圧縮開始，コアロッド４の上昇に併せて、下パンチ２をダイのテーパー部１１の下端まで上昇させる。この段階でダイ内の粉末は、上パンチの近傍とテーパー部で密度が高められる。（ヌ）次に上パンチ３で加圧しながら下パンチ２を引き下げると、粉末はテーパー部１１の下の狭いキャビティに絞り込まれて密度が高まる。同時に行なわれるコアロッド４の引き下げは、粉末の移動と緻密化を助勢する。
【００１８】
次いでコアロッド４と下パンチ２を上昇させ、（ル）下パンチ２がダイのテーパー部１１の下端に達して圧粉体の下部を所定の形状に形成し、圧粉体が所定の長さになる位置まで上パンチ３が下降した時点で圧縮成形は終了する。この方法は下パンチ側のキャビティが狭い場合の緻密化に有効で、圧粉体の密度差をより少なくすることができる。以後圧粉体の取り出しは前述した実施例１の（ヘ）〜（ト）と同様にすればよいので、その図示と説明は省略した。
【００１９】
（実施例３） 図３は、縦断面に段差のある形状の部品（ボス付き歯車など）を段付きダイで成形する場合にこの発明を適用した事例を説明するもので、図において中心線から左側は粉末の充填状態を，右側は圧縮成形状態を示している。この場合、粉末はダイの段差部１２では必然的に上パンチによる片押しとなり、一方内側（コアロッド側）では上下のパンチによる両押しとなるが、従来の成形方法では、歯部とボス部との寸法次第で低密度部の生じる位置（高さ）が揃ってしまい、段差部１２の僅か上の位置に中立層を生じことになる。
【００２０】
然し、この発明においては圧縮成形の過程でコアロッド４を移動させるため、それにつれてコアロッドの近傍の粉末も上方または下方に移動する。そこでコアロッド４を適切に作動させることで、圧粉体のコアロッド側における低密度部の生成位置をダイ側とは異ならせ、従って中立層の生成を防ぐことができる。
【００２１】
この実施例では図示のように、コアロッド４をダイ１に対して最終的には上昇させた状態で圧縮成形を終了したので、圧粉体のコアロッド側の低密度部が歯幅の中間より上部，即ちダイ側の段差部よりも高い位置にずれ、従来のような画然とした中立層は認められなかった。なお説明の都合から、各実施例における金型個々の作動を断片的に記述してあるが、実際にはそれぞれの動きは区切りなく、連続的に行なわれる。
【００２２】
【発明の効果】
この発明の成形方法によれば、例えばバルブガイドの様な長さのある筒状部品とか、段付きダイを用いて成形したボス付き歯車などの密度が不均一になり易い形状の場合にも、各部の密度差の小さい圧粉体を成形することができる。また、圧粉体中の低密度部が軸方向に分散するため強度面で弱点となる水平な中立層の生成を防ぐことができ、これらの結果として、焼結部品の品質と信頼性を一段と向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を説明する図面である。
【図２】この発明の実施例（２）を説明する図面である。
【図３】この発明の実施例（３）を説明する図面である。
【図４】従来の粉末成形方法を説明する図面である。
【図５】従来の粉末成形方法を説明する図面である。
【図６】従来の粉末成形方法を説明する図面である。
【符号の説明】
１…ダイ，１１…テーパー部，１２…段差部，２…下パンチ，３…上パンチ
４…コアロッド

Claims (2)

1. 圧粉体の外周面を成形するダイ，圧粉体の内周面を成形するコアロッドおよび圧粉体の下端面を成形する下パンチで形成するダイキャビティ内に充填された粉末を、圧粉体の上端面を成形する上パンチと下パンチとの間に圧縮成形し得られた圧粉体を下パンチで排出する粉末成形方法であって、ダイがその内面にテーパー状の段差部または水平な階段状の段差部を備え、ダイの内径が段差部より上部では広く下部では狭く形成されたものであり、上下のパンチによる圧縮成形の過程でコアロッドをダイに対して相対的に昇降させる圧粉体の成形方法において、粉末を圧縮成形する過程で下パンチを引き下げ上パンチで加圧して、粉末を段差部より下部の狭いダイキャビティに絞り込む工程を有することを特徴とする圧粉体の成形方法。
2. 圧粉体をダイから排出するに際して、コアロッドを圧粉体の排出速度より速い速度で圧粉体の排出方向に移動させる、請求項１に記載の圧粉体の成形方法。

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