JP4859041B2 - 金型装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の加圧手段の加圧力によって成形空間に収納された粉末を圧縮する二段階加圧成形方法に用いられる金型装置に関する。

図４は金属粉末に通電しその抵抗により発生するジュール熱により加熱し、加圧装置で加圧する金型装置であるところの通電加熱焼結装置の基本構成を示す。図４に示される様に内部に材料粉末３を入れる空間を有する円筒状のダイス２には、材料粉末３に電流と圧力を伝達するパンチ５ａ，５ｂが嵌合している。パンチ５ａ，５ｂを挟むように電極１０ａ，１０ｂが設けられ、それぞれが電源装置８に接続している。電極１０ａの下部には油圧装置（図示せず）が設けられ、電極１０ａ，１０ｂ、パンチ５ａ，５ｂを介して材料粉末３が油圧装置加圧される。ダイス２やパンチ５ａ，５ｂは高温強度に優れ、材料粉末３が付着しにくい黒鉛で構成されている。なお、ダイス２、パンチ５ａ，５ｂ、電極１０ａ，１０ｂ等は真空チャンバ（図示せず）内に設けられ、焼結作業は、真空、不活性ガスや還元ガス等の非酸化雰囲気で行われる。

このような通電加熱焼結装置を適用して、例えばアルミニウムダイカスト金型等を製造する場合、金属粉末をジュール熱により、短時間に焼結して製品が得られる。そのため、きわめて効率よく精度の高いアルミニウムダイカスト金型の製造が可能となることが期待されている。

係る通電加熱焼結装置に関し、特許文献１には試料の温度を精度よく制御するという課題の下に、図５に示す様に、ダイス２に材料粉末３を入れ、材料粉末３の上下に設けた電極１０ａ，１０ｂにより通電する通電加熱焼結装置であって、材料粉末３の上下のいずれかと電極１０ａ，１０ｂの間に材料粉末３より大きな抵抗の発熱体９を設けるという通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置が開示された。

しかし、以上の特許文献１に開示された通電加熱焼結装置やその他の従来の金型装置では、ただ単にパンチ５ａ，５ｂから材料粉末３に加圧力を加えて材料粉末３に対する加圧、圧縮を行うのみであり、この手法では成形体が特に凹凸のない基本的な円盤若しくは円柱形状である場合にはほぼ全体として均一密度の成形体を製造することができる。しかし、成形体がコップ状の凹凸のある成形体（リブ付き成形体）である場合には、パンチ５ａ，５ｂ側に段差を設け、成形体の側壁と底面を同時に成形するため、得られる成形体の底面部分は十分に圧縮することができるとしても、側壁部分は十分に圧縮することはできない。

すなわち特許文献１に記載の通電加熱焼結装置では一軸の加圧である結果として、リブ等を有する複雑形状の成形体を製造する場合には材料粉末３内の圧力分布を均一とすることはできず、凹部を形成し圧力伝播しやすい材料粉末３は高密度となり、リブ部分等の凸部分となる圧力伝播のしにくい材料粉末３は低密度となっていた。
その結果、従来の金型装置では、局所的に密度の低い部分ができるなど、均一な密度の成形体を得ることができず、複雑な形状、例えば高低差の大きい成形体を均一な高密度に仕上げると言うことは困難であった。

特開２０００−７３１０３号公報

本発明は、以上の従来技術の問題に鑑みてなされたものであって、複雑な形状を有する製品であっても可及的に均一な密度にして効率よく造型することができる二段階加圧成形方法に用いられる金型装置を提供することを目的とする。

また本発明の金型装置は、粉末を収納する成形空間を形成するダイスに配置されるパンチと、その基端部を支持する板状部材とを有し、前記板状部材の前記パンチ基端部との当接側面とは逆側の側面にて前記板状部材を支持する支持部材が設けられ、前記パンチの基端部と前記板状部材との当接位置の外側位置であって、前記パンチの基端部と前記板状部材との当接位置の中心位置を介して対称となる少なくとも二点位置が前記支持部材によって支持されてなり、前記板状部材は前記パンチに対して成形空間に収納された粉末を圧縮する方向に所定以上の加圧力を付勢することによってせん断破壊してパンチの支持が解除され、そのせん断破壊によって生じる圧力変動によって成形空間に収納された粉末を圧縮する方向と反対方向にパンチの基端部が移動を開始することを特徴とする。

また本発明の金型装置は、前記成形空間に収納された粉末を通電加熱するための電極を備えてなる様にすることができる。

［作用］
以上の本発明の金型装置によれば成形空間に収納された粉末を加圧し、成形して成形体となす過程でせん断破壊部材のせん断破壊によって生じる圧力変動のタイミングをコントロールすることによって所望のタイミングで第二段階目の加圧を開始して成形の進行状況に合わせた加圧を行い、必要な部位に効率よく圧力を加え、可及的に均一な密度の成形体の製造を行うことができる。

本発明の金型装置によれば、部位によって大きな高低差のある成形体も、可及的に均一な密度に効率よく造型することができる。また複数の加圧工程の加圧の切り替えに手作業は不要であり、せん断破壊部材のせん断破壊によって生じる圧力変動のタイミングをコントロールすることによって所望のタイミングで第二段階目の加圧を開始することができる。したがって、本発明の金型装置によれば特にシリンダ等による複雑な機構を付加することなく部品点数が少なく低コストなハンドリングの良い比較的簡単な構造によっても複数の加圧軸を用いた複数の加圧タイミングによる二段階加圧成形を行うことができる。

［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１の金型装置１を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る金型装置１の概略構成図である。
図１に示すように、金型装置１はグラファイトによって構成されている円筒状のダイス２を備え、ダイス２は材料粉末３を加圧成形するための成形空間４を有する。ダイス２の成型空間４に材料粉末３が充填された状態でダイス２内側には上方向からパンチ５ａが装入され，下方向から加圧部材としてのパンチ５ｂが装入される。

パンチ５ａの上側面には電極１０ａが配置され、一方、パンチ５ｂの下方にはダイス２及びパンチ５ｂに通電可能に電極１０ｂが配置される。
電極１０ａと電極１０ｂは共に良導体であり、また電極１０ａ，１０ｂは油圧装置１ａによって加圧可能にされており、油圧装置１ａによって電極１０ａ，１０ｂ、パンチ５ａ，５ｂを介して材料粉末３が上下方向から加圧される。また、電極１０ａ，１０ｂには電源装置８が接続されている。以上の油圧装置１ａ及び電源装置８は制御装置７によって制御される。

ダイス２はパンチ５ｂの挿入口を有して成型空間４の底面を構成するダイス下縁部２ａを具えており、成型空間４はダイス２側部とダイス下縁部２ａ及びパンチ５ａ，５ｂによって形成される。
またパンチ５ｂの外側のダイス下縁部２ａと電極１０ｂ間には加圧部品５０ａが配置され、ダイス下縁部２ａには電極１０ｂ及び加圧部品５０ａを介して油圧装置１ａの油圧が加えられる。

また加圧部品５０ａの内側にはパンチ５ｂの基端部を支持するせん断破壊部材としての板状部材５１が支持部材としての加圧部品５０ｂによって支持されて配置され、パンチ５ｂには電極１０ｂ、加圧部品５０ｂ及び板状部材５１を介して油圧装置１ａの油圧が加えられる。
以上の様に構成される本実施の形態の金型装置では、加圧部材であるパンチ５ｂの基端部を支持して加圧力を付勢する板状部材５１がパンチ５ｂへの加圧力が所定値以上となった場合にせん断破壊する。

具体的には、加圧部品５０ｂは板状部材５１のパンチ５ｂの基端部に対する当接側面５１ａとは逆側の側面５１ｂにて板状部材５１を支持する様に配置され、またその配置の態様は、パンチ５ｂの基端部と板状部材５１との当接領域の中心位置を介して対称となる二点位置において板状部材５１が加圧部品５０ｂによって支持される態様とされる。
この様な位置関係でパンチ５ｂを支持する板状部材５１及び加圧部品５０ｂが配置される結果、圧力の変動が生じるタイミングは、板状部材５１がせん断破壊してパンチ５ｂの支持を解除するタイミングとして設定される。

制御装置７の制御に応じて電源装置８から電極１０ａ，１０ｂに通電され、これにより電極１０ａ，１０ｂの端面に接触して配置されたパンチ５ａ，５ｂ、ダイス２、材料粉末３という通電回路が形成され、これにより発生するジュール熱によってパンチ５ａ，５ｂを介してダイス２、材料粉末３が加熱されて焼結が進行する。なお、ダイス２には温度センサ（図示せず）が取り付けられており、この温度センサによって検知される温度に基づき制御装置７によって電源装置８をコントロールして、ダイス２、材料粉末３に加えられる電流が制御される。

さらに制御装置７には電極１０ａ，１０ｂ、パンチ５ａ，５ｂを加圧する油圧装置１ａから常時パンチ５ａ，５ｂの位置情報が入力されており、他方、制御装置７からは油圧装置１ａに電極１０ａ，１０ｂ、パンチ５ａ，５ｂに対する加圧の程度・速度等の制御情報が入力される。

なお、図示される様に電極１０ａ，１０ｂ、パンチ５ａ，５ｂ、ダイス２は、真空チャンバ１４内に収容される。また前記ダイス２の材料としては、高温時の強度が高く、且つ材料粉末３等が付着し難いグラファイトが一般に用いられている。

また、上記パンチ５ａは、ダイス２の成形空間４に密に嵌合する形状を有していて、このために、前記パンチ５ａ，５ｂは黒鉛にて形成されているダイスと略同等の熱膨張率を有する構成とする。

次に図２及び図３を参照して以上の本発明の実施の形態１の金型装置を用いて行われる通電加熱焼結方法につき説明する。
図２は、図１に示す金型装置を用いて行う通電加熱焼結方法のフローチャートであり、図３は図２に示すフローチャートによって進められる通電加熱焼結方法をさらに詳細に説明する説明図である。

まず、ダイス２の成形空間４にパンチ５ｂを挿入して電極１０ｂによって支持した状態において、金属やセラミック等の材料粉末３を上方から前記成形空間４内に供給する（Ｓｔｅｐ１）。そして、成形空間４に上方からパンチ５ａを挿入する（Ｓｔｅｐ２）。

この状態においてパンチ５ａ，５ｂ及びダイス２を収納した真空チャンバ１４内を真空状態、または不活性ガス雰囲気、あるいは水素ガス等の還元ガス雰囲気とする（Ｓｔｅｐ３）。
次に、油圧装置１ａによって電極１０ｂ、加圧部品５０ｂ及び板状部材５１を介してパンチ５ｂに図１上矢印Ｙで示す方向の圧力を加え、同時に加圧部品５０ａを介してダイス下縁部２ａにやはり矢印Ｙで示す方向の圧力を加える（Ｓｔｅｐ４）。

また、電極１０ａと電極１０ｂの間に電圧を印加することにより、電極１０ａと電極１０ｂを通してパンチ５ａ，５ｂ及びダイス２内の材料粉末３に電流を流し、材料粉末３のジュール発熱により、材料粉末３を高温に加熱する（Ｓｔｅｐ５）。これにより、材料粉末３は加圧されるとともに高温に加熱されて結合し易い状態となり、焼結されて加圧焼結体となる。

以上の材料粉末３を高温に加熱すると共に加圧するＳｔｅｐ４及びＳｔｅｐ５の焼結過程においては本実施の形態の通電加熱焼結方法では次の様にして材料粉末３に対する加圧が行われる。
図３（Ａ）に示す様に、Ｓｔｅｐ４及びＳｔｅｐ５の焼結過程における加圧は先ず油圧装置１ａによって電極１０ｂ、加圧部品５０ｂ及び板状部材５１を介してパンチ５ｂに図１上矢印Ｙで示す方向の圧力を加え、同時に加圧部品５０ａを介してダイス下縁部２ａにやはり矢印Ｙで示す方向の圧力を加えることによって行われる。

図２においてＳｔｅｐ５−１として示すと共に図３（Ａ）に示す第一段階の加圧は低圧力によって行われ、その間、電極１０ｂ、加圧部品５０ｂ及び板状部材５１、パンチ５ｂ、加圧部品５０ａ、ダイス２は図１上矢印Ｙで示す方向に移動して第一段階の変位を生じ、これによって成形空間４内の材料粉末３にはパンチ５ｂ及びダイス下縁部２ａからの圧縮力が加わる。
図３（Ａ）に示す第一段階の加圧におけるパンチ５ｂの移動量はパンチ５ｂと同一距離変位するダイス２と電極１０ａとの間隔の変化を測定することによって、特定することができる。この第一段階の加圧は、例えば加圧力２０〜２５ｋＮ程度として行う。

この第一段階の加圧によってパンチ５ｂは加圧部品５０ｂ及び板状部材５１によって保持された状態で上側に変位し、材料粉末３を通電加圧焼結した後に得られる焼結体の内側底部、すなわちインロー部分を加圧する。また、その間、加圧部品５０ａは常にダイス２と接触しており、パンチ５ｂの移動と同時に並行してダイス２を加圧し、移動させる。
以上の第一段階の加圧によって、パンチ５ｂがインロー部分を十分に圧縮した時点で電極１０ｂを介して加えられる圧力を増加し、第二段階の加圧に移行する。

図２においてＳｔｅｐ５−２及びＳｔｅｐ５−３として示すと共に図３（Ｂ）に示す第二段階の加圧は第一段階の加圧と同一方向の加圧とし、かつ第一段階の加圧と比べ、高圧力の加圧とする。
この第二段階の加圧における加圧力は例えば５０ｋＮ程度とする。

この第二段階の加圧の時点ではインロー部分が第一段階の加圧によって既に十分に焼結しているため、パンチ５ｂは焼結体から図１上矢印Ｘで示す方向の抗力を受ける。その抗力の大きさが加圧部品５０ｂに支持された板状部材５１がせん断破壊を起こす限界値を超えると、加圧部品５０ｂに支持された板状部材５１が破損し、板状部材５１によるパンチ５ｂの支持が解除される。このせん断破壊によって生じる圧力変動タイミングにおいて、図３（Ｃ）に示す様に、パンチ５ｂは、その基端部が加圧部品５０ｂの最下方位置近傍に到達して、制動されるまで図１上矢印Ｘで示す方向への移動を開始する。

その様にパンチ５ｂが図１上矢印Ｘで示す方向に移動する間は、パンチ５ｂによるインロー部分への加圧は解除され、電極１０ｂを介して加えられる加圧力は専ら加圧部品５０ａからダイス下縁部２ａとパンチ５ａ間の材料粉末３に対する圧縮力として作用し、成形体であるところの焼結体１５の側壁部分、すなわちリブのみの加圧が行われる。したがって本実施の形態では板状部材５１のせん断破壊によって生じる圧力変動は材料粉末３に対する加圧領域の変動とされる。

以上の図３に示す材料粉末３の焼結・加圧過程において、パンチ５ａによって加えられる矢印Ｘ方向の圧縮力は材料粉末３の上部全面に対する加圧力であるのに対し、パンチ５ｂによって加えられる矢印Ｙ方向の圧縮力は焼結体１５の内側底面中央部分に対する加圧力であり、さらにダイス下縁部２ａによって加えられる矢印Ｙ方向の圧縮力は得られる焼結体１５の側壁部分、すなわちリブに対する加圧力とされる。したがって以上の実施の形態の焼結方法による加圧の態様は、目標とする最終形状に応じて相互に異なる３軸加圧として構成される。

以上の過程で本実施の形態の焼結が終了する（Ｓｔｅｐ６）。４０ 焼結終了後の冷却過程では、油圧装置１ａによって電極１０ａ，１０ｂ、パンチ５ａ，５ｂに加えられる加圧力を下げて行き、さらに真空チャンバ内の真空状態を解除し（Ｓｔｅｐ７）、上側パンチ５ａを引き出し（Ｓｔｅｐ８）、焼結工程を終了する。

以上の実施の形態の金型装置によれば、特に、リブ付き焼結体１５を製造する場合には底面を加圧するパンチ５ａ，５ｂと側壁部分を加圧するダイス下縁部２ａとによってそれぞれ独立して粉末を加圧することができる結果、パンチ５ａ，５ｂとダイス下縁部２ａの相対位置関係、すなわちパンチ５ａ，５ｂとダイス下縁部２ａのそれぞれによって加えられる加圧力を適切に制御することによって全体として可及的に均一な密度のリブ付き焼結体１５を効率的に製造することができる。
しかも、加圧力の変動タイミング設定機構を構成する板状部材５１の厚さ、材質強度等をコントロールすることによって、板状部材５１のせん断に必要な圧力を所望に設定して、底面を加圧する第一段階の加圧から側壁部分を加圧する第二段階の加圧への切り替えを所望のタイミングで開始することができる。

本発明の実施の形態に係る金型装置の概略構成図である。 図１に示す金型装置を用いて行う通電加熱焼結方法のフローチャートである。 図２に示すフローチャートによって進められる焼結方法をさらに詳細に説明する説明図である。 従来の金型装置の概略構成図である。 従来の金型装置の概略構成図である。

符号の説明

１・・・金型装置、２・・・ダイス、２ａ・・・ダイス下縁部、３・・・材料粉末、４・・・成形空間、５・・・パンチ、７・・・制御装置、８・・・電源装置、１０・・・電極、１４・・・真空チャンバ、１５・・・焼結体。

Claims (2)

1. 粉末を収納する成形空間を形成するダイスに配置されるパンチと、その基端部を支持する板状部材とを有し、前記板状部材の前記パンチ基端部との当接側面とは逆側の側面にて前記板状部材を支持する支持部材が設けられ、前記パンチの基端部と前記板状部材との当接位置の外側位置であって、前記パンチの基端部と前記板状部材との当接位置の中心位置を介して対称となる少なくとも二点位置が前記支持部材によって支持されてなり、前記板状部材は前記パンチに対して成形空間に収納された粉末を圧縮する方向に所定以上の加圧力を付勢することによってせん断破壊してパンチの支持が解除され、そのせん断破壊によって生じる圧力変動によって成形空間に収納された粉末を圧縮する方向と反対方向にパンチの基端部が移動を開始することを特徴とする金型装置。
2. 前記成形空間に収納された粉末を通電加熱するための電極を備えてなる請求項１に記載の金型装置。
   

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