JP4624183B2

JP4624183B2 - 粉末成形方法

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Publication number: JP4624183B2
Application number: JP2005169485A
Authority: JP
Inventors: 克仁中澤; 和也秋山
Original assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2025-06-09
Also published as: JP2006342397A

Description

この発明は、粉末冶金法における粉末成形方法、詳しくは、成形体の肉厚差がある部分、具体的には、端面に段差があり、その段差によって軸方向の厚みに差が生じた部分を、大きな密度差を発生させずに一体の金型で成形することを可能にした粉末成形方法に関する。

周知の焼結機械部品の中に、図９に示すようなものがある。この機械部品２０は、軸孔を有するハブ２１の一端に鍔２２を有する。その鍔２２は、端面に段差（凸部と凹部）を有しており、厚肉部２２ａと薄肉部２２ｂとが混在した鍔になっている。

その端面に段差がある部分の成形は、通常は、分割したパンチを用いて行われる。分割パンチを使用すると、凹部を成形するパンチと凸部を成形するパンチの相対位置を軸方向にずらして厚肉部２２ａと薄肉部２２ｂの密度差を小さくすることができ、焼結機械部品の品質の安定化が図り易い。

ところが、パンチを分割することは、強度的な規制を受けるなどして許容されないことがある。また、その分割が許容される場合にも、金型や成形装置の複雑化、成形装置の大型化などが避けられない。

このような問題を解決するため、下記特許文献１は、段差のある端面の成形を一体的な金型を用いて行い、そのときに起こる密度差の発生を、充填粉末の一部を除去しながら厚肉部の充填粉末を圧縮することによって防止し、最終的に充填粉末の全体を圧縮して均一密度の段付き成形体を得る粉末成形方法を提案している。

しかしながら、特許文献１が開示している方法では、製品の厚みなどによっては薄肉部の充填粉末を十分に除去することができず、成形体の密度の均一化が不十分になることがある。特許文献１の方法は、具体的には、図１０に示すように、ダイ１に形成された成形穴２の入り口部に凹部８などを設け、厚肉部２２ａの充填粉末を圧縮するときにここから薄肉部２２ｂの充填粉末を逃がす（流出させる）。ところが、この方法は、凹部８の深さＤが、ダイ１に対する上パンチ３の挿入ストロークによって規制され、薄肉部２２ｂの厚み寸法が小さい場合にはその深さＤを浅くせざるを得ない。その制約を受けると、ダイ１に対する上パンチ３の突っ込み後、早いうちに粉末Ａの逃げ口が上パンチ３によって狭められ、薄肉部２２ｂの充填粉末の流れが悪くなって逃がしが不十分になる。

密度が不均一な成形体は、亀裂が発生し易く、製造の歩留まりの悪化や製品の信頼性の低下などを招く。従って、薄肉部の厚み寸法が小さいときにも密度調整に必要な充填粉末の逃げが規制されないようにすることが望まれる。
特開平７−２５８７０４号公報

この発明は、薄肉部の充填粉末を不足なく逃がせるようして薄肉部と厚肉部が混在した、端面に段差のある成形体を、段差のある成形面を有する金型で大きな密度差を生じさせずに成形できるようにすることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ダイの内側に形成されるキャビティに粉末を充填し、その粉末を、対向配置の下パンチと上パンチで加圧して厚肉部と薄肉部が混在した端面に段差のある粉末成形体を得る粉末成形方法を提供する。この方法では、前記粉末の圧縮は、キャビティ内粉末の逃がし部を薄肉部成形部の周囲にのみ設けたダイ又はコアを用いて行い、かつ、前記ダイに対する上パンチの主成形面の挿入量がダイの主成形面部分の粉末充填深さに対し２５％未満の挿入量のときに前記逃がし部を設けたダイ又はコアを引き下げることにより、前記逃がし部の粉末の逃げ口を確保しつつ、成形体の前記段差のある端面を段差のある成形面を有する上パンチ又は下パンチで成形する。

この方法は、ダイ又はコア引き下げ時のダイに対する上パンチ挿入量を、ダイの主成形面部分の粉末充填深さ（フィル）に対して０％〜２０％の範囲内にするとよい。また、ダイやコアに形成した成形穴の入り口部の周囲に入り口部の径を拡大する凹部を設け、その凹部を前記逃がし部として使用することができ、この場合の凹部の深さＤは、一体パンチの端面（成形面）の段差をＳとすればＤ＞３Ｓとなるのがよい。

なお、この発明の粉末成形方法は、薄肉部と厚肉部が周方向に位置ずれして設けられる成形体の成形、薄肉部と厚肉部が径方向に位置ずれして設けられる成形体の成形、薄肉部と厚肉部が周方向と径方向の双方に位置ずれして設けられる成形体の成形のいずれに対しても有効である。

薄肉部と厚肉部が周方向に位置ずれして設けられる成形体の成形は、前記逃がし部を薄肉成形部の周囲のみに設けたダイ、コアを使用して粉末の成形を行う。

この発明の方法は、薄肉部の厚みが２０ｍｍ以下、かつ、前記端面の段差が厚肉部厚さの５％以上の粉末成形体を成形するとき特に効果的である。

ダイセットと称される金型装置を使用した粉末成形では、圧縮が進行すると成形途中の成形体の外周とダイとの間の摩擦（側圧）が大きくなり、そのために、ダイが追従して圧縮完了点まで降下していく。そのダイの追従は、ダイに対して上パンチがある長さ入り込んだところから開始される。つまり、ダイは上パンチの突っ込みに対してタイミング的に遅れて追従する。

特許文献１が開示している方法では、このダイの追従遅れが発生するため、キャビティ７と凹部８と間の粉末通路が上パンチ３によって早いうちに遮断される。粉末Ａは流動性が必ずしもよい材料ではないので、上記の粉末通路が完全に閉ざされる前に粉末Ａのキャビティ７からの逃げが悪くなり、そのために、部分的に粉末過剰の状況が発生して得られる成形体の密度が不均一になる。

これに対し、この発明の方法では、ダイに対する上パンチの突っ込みと同期してダイを引き下げるので、上パンチによるキャビティの封じ込めの時期が遅れる。その分、薄肉部の充填粉末の逃げ量が多くなる。これにより、厚肉部との密度差が小さくなるので、段差のある成形面を設けた一体的な金型を使用して密度分布の安定した成形体を得ることが可能になる。
特に、ダイ又はコア引き下げ時のダイに対する上パンチ挿入量が、パンチの主成形面部分の粉末充填深さに対し０％〜２０％の範囲内であるとより良い効果が望める。

以下、この発明の実施の形態を添付図面の図１〜図５に基づいて説明する。図１は、この発明の粉末成形方法で採用する金型の一例を示している。例示の金型は、説明の便宜上図９の焼結機械部品２０の粉末成形を行うものにしている。図中１はダイ、３は上パンチ、４は下第１パンチ、５は下第１パンチ４の内側に配置した下第２パンチ、６は下第２パンチ５の内側に挿入したコアである。７は、ダイ１、下第１パンチ４、下第２パンチ５、コア６の４者によって作り出されるキャビティである。このキャビティ７に粉末Ａを充填し、これを圧縮して成形体を得る。

ダイ１は、昇降可能なダイプレート９に取付けられる。このダイ１に、機械部品２０の鍔２２の外周を成形する成形穴２と、粉末の逃げ部となる凹部８を設けている。

上パンチ３は、主成形面３ａにそこから突出した段差のある成形面３ｂを一体に形成しており、それらの成形面３ａ、３ｂで段差のある前記鍔２２の端面を成形する。

下第１パンチ４は、部品の鍔２２の下面を成形する。また、下第２パンチ５は、部品のハブ２１の下面を成形し、コア６はハブ２１の軸孔を成形する。

下第１パンチ４は、下パンチプレート（図示せず）に、下第２パンチ５はベースプレート（これも図示せず）にそれぞれ取付けられる。下パンチプレートに取付けられた下第１パンチ４は先端の高さ位置を調整することができ、その調整で下第１パンチ４の上端から下第２パンチ５の上端までの距離を変化させて部品のハブ２１と鍔２２の厚肉部２２ａの密度差をできるだけ小さくなるように調整する。

図９の機械部品２０の鍔２２は、端面に凹みの無い厚肉部２２ａと、端面が凹んだ薄肉部２２ｂが周方向と径方向の双方に位置ずれして設けられた状態になっている。その厚肉部２２ａと薄肉部２２ｂの成形を、段差のある成形面３ａ、３ｂを形成した上パンチ３によって行う。また、この方法で厚肉部２２ａと薄肉部２２ｂの密度差を小さく抑えるために、ダイ１に粉末の逃がし部になる凹部８（図１参照）を設け、その凹部８から薄肉部２２ｂの充填済み粉末の一部をキャビティ７の外部に逃がす。

その際の粉末Ａの逃げ量を十分に確保するために、この発明では、上パンチ３がダイ１に突っ込むとき、即ち、図２の状態になったところでダイ１を強制的に引き下げる。上パンチ３がダイ１に突っ込んだ時点では、前述の摩擦力によるダイ１の追従は起こらない。そこで、ダイ１の強制引き下げを行う。その強制引き下げは、例えば、上パンチ３側に上パンチ３と一緒に降下する部材を設け、上パンチ３がダイ１に突っ込むときにその部材をダイプレートに突き当てて上パンチの降下力でダイ１を押し下げるといった方法で行える。

ダイ１は圧縮完了点まで降下したら、フォーク１０などで受け支え、圧縮を完了して型抜き工程に移るまでその位置に保持する。上述したように、上パンチ３側に上パンチ３と一緒に降下する部材を設けてその部材でダイプレートと共にダイを押し下げる場合には、ダイ1が圧縮完了点に到達したときに前記部材を押し下げが中断される位置に退避させるか、又は、アクチュエータでその部材を持ち上げて上パンチ３の以後の降下量を吸収する方法を採ればダイ1が圧縮完了点に到達した後にも上パンチ３を降下させて粉末の圧縮を支障なく行うことができる。

上述したダイ１の強制引き下げを行うと、上パンチ３によるキャビティ７の封じ込めの時期が遅れて薄肉部２２ｂに対応した位置からの充填済み粉末Ａの逃げ量が増加し、それによって鍔２２の各部の密度が均一化される。
上述したダイ１の強制引き下げは一つの例であり、上パンチの主成形面３ａがダイの主成形面部の粉末充填深さＬに対し２５％未満の挿入状態で凹部８等による逃がし部の粉末の逃げ口が確保されていればよく、必ずしもダイ１の圧縮完了点への到達まで粉末の逃げ口を確保していなくてもよい。

図３に粉末Ａの圧縮完了状態を示す。この後、上パンチ３による加圧を解除して圧抜きを行い、フォーク１０をダイ１を支持した位置から退避させて得られた成形体Ｂがダイ１から抜け出す位置までダイ１を引き下げる（図４参照）。このとき、同時に、又はダイ１の引き下げ後にコア6および下第１パンチ４を成形体Ｂが外れる位置まで引き下げ、以上で型抜きを完了する。

なお、鍔２２などに厚肉部２２ａと薄肉部２２ｂが周方向に位置ずれして設けられる場合には、図５に示すように、凹部８を薄肉部２２ｂの成形部の外周のみに配置すると粉末量を多く必要とする厚肉部２２ａの密度低下を抑えることができる。

以下に、この発明の方法の効果の確認試験結果を記す。試験では、図９に示す形状の鍔付機械部品２０を成形した。この部品の鍔２２は、厚肉部２２ａの厚みｔ＝５．０ｍｍ、
鍔２２の端面の段差ｈ＝１．４ｍｍ（薄肉部２２ｂの厚み３．６ｍｍ）である。ダイ１に設ける凹部８は図５に示すように、薄肉部２２ｂの成形部の周囲にのみ設けた。また、この凹部８は、深さＤ（図1参照）を５ｍｍとした。

ダイ１に上パンチ３が突っ込むのと同時に（ダイに対するダイの上面基準での上パンチ挿入量ゼロ）ダイ１を強制的に引き下げてキャビティ内の粉末を圧縮成形した（本発明の方法）。ダイ１に上パンチの主成形面３ａが３ｍｍ突っ込んだ位置からダイ１を強制的に引き下げる方法での成形(これも本発明の方法）と、上パンチの主成形面３ａがダイの中に３．５ｍｍ進入した位置及び４．０ｍｍ進入した位置からそれぞれダイを強制的に引き下げる成形も行った（比較例）。この試験で得られた成形体の鍔の厚肉部と薄肉部の密度差の調査結果（試料数４０個の平均値）を図６−１に示す。

この試験結果からわかるように、比較例の方法では鍔の厚肉部と薄肉部の密度差が０．１ｇ／ｃｍ^３をゆうに超えており、上パンチの主成形面３ａがダイの中に３．５ｍｍ以上進入した場合、試料のほぼ全数についてハブと鍔の境界部に亀裂が発生した。これに対し、この発明の方法で成形を行ったものは鍔の厚肉部と薄肉部の密度差が０．１０ｇ／ｃｍ^３以下となり、亀裂があるものは全く認められなかった。なお、上パンチ主成形面部分の粉末充填深さは１４mmとした。

次に、ダイ引き下げ時のダイに対する上パンチ挿入量を、上パンチの主成形面部分に対応する箇所の粉末充填深さ(フィル)に対して２０％にした成形と、２５％、及び３０％にした成形で成形体に生じる密度差を調べた。ここでは、上パンチ主成形面３ａのダイに対する挿入量を３．０ｍｍ（粉末充填深さの２０％）、３．７５ｍｍ（同２５％）、４．５ｍｍ（同３０％）、上パンチ主成形面部分の粉末充填深さを１５ｍｍとし、
上記の数値を、
（ダイ引き下げ時のダイに対する上パンチ挿入量／上パンチの主成形面部分の粉末充填深さ）×１００の式で求めた。この試験の結果を図６−２に示す。上式で求まる数値が２０％以下のときには成形体の密度差が０．１０ｇ／ｃｍ^３以下に納まっている。

なお、上記の説明は、端面に厚肉部と薄肉部が周方向と径方向の双方に位置ずれして設けられた成形体の成形を例に挙げて行ったが、この発明は、端面に厚肉部と薄肉部が周方向のみに位置ずれして設けられる成形体や、端面に厚肉部と薄肉部が径方向のみに位置ずれして設けられる成形体の成形にも適用できる。

また、逃がし部をダイではなくコアに設けて行う成形やダイとコアの双方に設けて行う成形にも適用できる。コアに逃がし部を設けて行う成形の一例を図８に示す。

図７は、図８の方法で成形する焼結機械部品２０Ａを示している。この機械部品２０Ａは軸孔を有するハブ２１の一端に鍔２２を有し、その鍔２２の端面に軸孔側に偏った凹部を設けている。これにより、鍔２２は、厚肉部２２ａと薄肉部２２ｂを周方向と径方向の双方に位置ずれして設けた状態になっている。この部品の成形では、鍔２２の端面の成形を、段差のある主成形面３ａと成形面３ｂを設けた上パンチ３によって行う。また、厚肉部２２ａと薄肉部２２ｂの密度差を小さく抑えるために、コア６の上端側外周に逃がし部になる凹部(小径部)１１を設け(この凹部もダイの成形穴の入り口部径を拡大させる)、その凹部１１と上パンチ３の中心のコア挿入孔との間の空間を経由して薄肉部２２ｂの充填済み粉末Ａの一部を上パンチ３の中心のコア挿入孔に逃がす。

この方法でも、ダイ１に対する上パンチ３の突っ込みに同期して逃がし部を設けたコア６を強制的に引き下げて成形を行う。その作用、効果は、ダイに逃がし部を設ける場合と同じであるので説明を省く。

この発明の粉末成形方法で用いる金型の一例の概要を示す断面図図１の金型を使用した粉末成形のダイ引き下げ開始時期を示す断面図圧縮完了状態を示す断面図成形体の抜き出し工程を示す断面図凹部の配置の一例を示す平面図試験結果を示す図表他の試験結果を示す図表（ａ）焼結機械部品の他の例を示す斜視図、（ｂ）同上の焼結機械部品の断面図コアに逃がし部を設けて図７の焼結機械部品を成形する例を示す断面図（ａ）この発明の方法で成形する焼結機械部品の一例を示す斜視図、（ｂ）同上の焼結機械部品の断面図特許文献１の方法の概要を示す図

符号の説明

１ダイ
２成形穴
３上パンチ
３ａ主成形面
３ｂ成形面
４下第１パンチ
５下第２パンチ
６コア
７キャビティ
８凹部
９ダイプレート
１０フォーク
１１凹部
２０、２０Ａ焼結機械部品
２１ハブ
２２鍔
２２ａ厚肉部
２２ｂ薄肉部
Ａ粉末
Ｂ成形体

Claims

ダイの内側に形成されるキャビティに粉末を充填し、その粉末を、対向配置の下パンチと上パンチで加圧して厚肉部と薄肉部が混在した端面に段差のある成形体を得る粉末成形方法であって、前記粉末の圧縮は、キャビティ内粉末の逃がし部を薄肉部成形部の周囲にのみ設けたダイ又はコアを用いて行い、かつ、前記ダイに対する上パンチの主成形面の挿入量がダイの主成形面部分の粉末充填深さに対し２５％未満の挿入量のときに前記逃がし部を設けたダイ又はコアを引き下げることにより、前記逃がし部の粉末の逃げ口を確保しつつ、成形体の前記段差のある端面を段差のある成形面を有する上パンチ又は下パンチで成形することを特徴とする粉末成形方法。
ダイ又はコア引き下げ時のダイに対する上パンチ挿入量が、ダイの主成形面部分の粉末充填深さに対して０％〜２０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
ダイ又はコアに形成した成形穴の入り口部の周囲に入り口部の径を拡大する凹部を設け、その凹部を前記逃がし部となした金型を用いて粉末の成形を行う請求項１又は２に記載の粉末成形方法。
前記厚肉部と薄肉部が周方向に位置を変えて設けられた粉末成形体を成形する請求項１〜３のいずれかに記載の粉末成形方法。
前記厚肉部と薄肉部が径方向に位置を変えて設けられた粉末成形体を成形する請求項１〜３のいずれかに記載の粉末成形方法。
前記薄肉部の厚みが２０ｍｍ以下、かつ、前記端面の段差が厚肉部厚さの５％以上の粉末成形体を成形する請求項１〜５のいずれかに記載の粉末成形方法。