JP4887178B2 - 成形用金型 - Google Patents

Description

本発明は、ダイスと下パンチにより形成されるダイキャビティに原料粉末を充填し、下パンチと上パンチにより原料粉末を圧縮成形する、いわゆる金型成形法と言われる粉末冶金法に用いる成形用金型に係り、特に、同一断面内で幅の狭くなる狭隘部を有する成形体を圧縮成形するにあたって特に有用な成形用金型に関する。

粉末冶金法は、ニアネットシェイプの製品を、低い材料コストや加工コストで容易かつ大量に生産することができるという利点を有しており、歯車等の機械部品や軸受等の摺動部品等、幅広い分野で普及している。また近年では、圧粉磁心や焼結磁心等の磁性部品にも適用が進んできている。このような粉末冶金法においては、成形体の外形に対応した内孔を持つダイスおよび上下のパンチ、ならびに必要に応じてコアロッドを備えた金型をプレス装置に組み込んだ粉末成形装置を用い、ダイスの内孔と下パンチとにより形成されるダイキャビティに粉末を充填し、金型の各部材を相対的に移動させて上下のパンチで粉末を圧縮し、圧縮した成形体を粉末充填側に押し出して得るといった、いわゆる金型成形法により成形体を製造する方法が知られている（特許文献１等）。

このような方法によって得られた成形体は、一般に、加熱され、成形体を構成する粉末粒子を相互に拡散させて結合させる焼結工程を経た後、必要に応じて寸法を調整する再圧工程や、機械加工工程、製品の強度や耐摩耗性を向上させる熱処理工程等を経て、製品化される。また、上記圧粉磁心においては、成形体を加熱して磁性粒子を樹脂で結着するのみで、磁性粒子を相互に拡散させず、粉体が独立した状態で製品化される。いずれの方法においても、製品形状の造形は上記の金型成形法により付与される。

このような金型成形法においては、下パンチを多段化することにより複雑な形状も造形可能であり、例えば図９に示すような、モータに用いられる圧粉磁心への適用も検討されている。この圧粉磁心７０は、中心孔７１を有する環状の円板部７２が主体となっているもので、円板部７２の外周面からは径方向に延在する複数の腕部７３が周方向に等間隔をおいて形成されており、さらにこれら腕部７３の先端には、腕部７３と直交する方向（軸方向）に延在する爪部７４が形成されている。腕部７３は円板部７２と同一の厚さおよび高さに形成されている。

また、腕部７３の円板部７２に対する付け根部分の、爪部７４が延在する側の面には、ボス部７５がそれぞれ形成されている。これらボス部７５は断面楕円状で、高さは爪部７４の半分程度であり、長径方向が円板部７２の周方向に沿うように形成されている。これらボス部７５の長径は腕部７３の幅と同等程度であるが、腕部７３に対して周方向の一方向にずらして配置されており、これによって腕部７３の周方向一端側には幅の狭くなる狭隘部７３ａが形成されている。このような形状の圧粉磁心７０は、図１０に示すように、２個を、爪部７４が互い違いに嵌り合い、ボス部７５どうしが当接する状態に組み合わせられる。そして、図示せぬ巻き線（コイル）が、各ボス部７５と各爪部７４との間に形成される環状の隙間を周回するように各ボス部７５の外周部にわたって巻回されてなるモータコアとして用いられる。

図５〜図７は、図９に示した圧粉磁心７０の成形体を成形する成形用金型の一例を示している。この金型は、中心に型孔５１が形成された円筒状のダイス５０と、３つの下パンチ：第１下パンチ１０、第２下パンチ２０、第３下パンチ３０が組み合わせられる下パンチ群と、コアロッド４０と、上パンチ６０とから構成される。図５は、ダイス５０と、コアロッド４０を挿入した下パンチ群１０，２０，３０と、上パンチ６０とに分けた状態の斜視図、図６は第２下パンチ２０の斜視図であり、図７はダイス５０に下パンチ群１０，２０，３０およびコアロッド４０を組み合わせた状態の平面図である。なお、図５および図７では、第２下パンチ２０のみを灰色で表示して下パンチ群の構成を明確にしている。

第１下パンチ１０は、成形プレス装置に取り付け易いように、リング部１１を有しており、このリング部１１の一端面の等分複数箇所から、ツノ状の爪部成形部１２が軸方向に延びている。爪部成形部１２の断面はリング部１１に沿った弧状であり、その先端面１３で、圧粉磁心７０の爪部７４の先端が成形される。爪部成形部１２の内周面はリング部１１の内周面と面一であり、これら内周面に摺動自在に、第２下パンチ２０が嵌合される。なお、第１下パンチ１０は、リング部１１を設けず、爪成形部１２を個々の下パンチとして、直接、成形プレス装置に取り付けてもよい。

図６に示す第２下パンチ２０は、中心貫通孔２１を有する円筒状の本体部２２の外周面に、軸方向に延びる複数の腕部成形部２３が形成されたものである。本体部２２と腕部成形部２３とで形成される第２下パンチ２０の一方側の端面２４は、圧粉磁心７０の円板部７２と腕部７３とにより形成される平面と同一形状であり、該平面が端面２４によって成形される。第２下パンチ２０の、端面２４とは反対側の端部には、成形プレス装置のプラテンに取り付け易いように、腕部成形部２３よりも大径の環状の端板部２５が形成されている。中心貫通孔２１は単純な断面円形の孔であり、この中心貫通孔２１に、円柱状のコアロッド４０が摺動自在に挿入される。

各腕部成形部２３は、本体部２２に対する付け根部分に幅の狭い薄肉部２３ａを有しており、これら薄肉部２３ａの周方向一方側に、圧粉磁心７０のボス部７５を成形するための断面楕円状の溝部２３ｂが形成されている。すなわち、ボス部７５は溝部２３ｂによって成形され、また、狭隘部７３ａは薄肉部２３ａによって成形される。なお、第２下パンチ２０の中心貫通孔２１に摺動自在に挿入されるコアロッド４０により、圧粉磁心７０の中心孔７１が形成される。

第３下パンチ３０は、成形プレス装置のプラテンに取り付け易いように、リング部３１を有しており、このリング部３１の一端面の等分複数箇所から、ツノ状のボス部成形部３２が軸方向に延びている。ボス部成形部３２の断面は圧粉磁心７０のボス部７５と同形状の楕円状であり、その先端面３３で、ボス部７５の先端が成形される。ボス部成形部３２は、第２下パンチ２０の溝部２３ｂに摺動自在に嵌合される。なお、第３下パンチ３１は、リング部３１を設けず、ボス部成形部３２を個々の下パンチとして、直接、成形プレス装置に取り付けてもよい。

ダイス５０は、圧粉磁心７０の外形形状（輪郭）を形成するもので、型孔５１の断面の外形が圧粉磁心７０の外形形状と同一に形成されている。すなわち、その型孔５１の内周面には、第１下パンチ１０の爪部成形部１２が摺動する壁部５２と、第２下パンチ２０の腕部成形部２３が摺動する５３，５４と、第３下パンチ３０のボス部成形部３２が摺動する壁部５５が形成されている。

上パンチ６０は、圧粉磁心７０の背面（爪部７４側とは反対側の平坦な面）を成形するもので、その裏面と同一形状の断面を有している。すなわち上パンチ６０の圧縮面である一端面６１は圧粉磁心７０の外形と同一形状を有しており、また、他端部には端板部６２が形成されている。上パンチ６０の断面の外形形状はダイス５０の型孔５１の断面と同一形状であり、その型孔５１の内周面に外周面６３が摺動する。また、上パンチ６０の中心には、コアロッド４０が摺動自在に嵌合する中心孔６４が形成されている。

図８は、上記金型を組み合わせて原料粉末を成形する際の、図７のVIII−VIII’断面における各パンチの作動状態を説明する模式図であり、（ａ）はセットした金型内に原料粉末７ａを充填した状態、（ｂ）は原料粉末７ａを圧縮成形している状態である。ここではまず、図８（ａ）に示すように、ダイス５０の型孔５１と、第１下パンチ１０の端面１３と、第２下パンチ２０の溝部２３ｂの内面および端面３２と、第３下パンチ３０の端面３３と、コアロッド４０の外周面とにより形成されるダイキャビティに、原料粉末７ａが充填される。

次に、図８（ｂ）に示すように、下パンチ群（第１下パンチ１０、第２下パンチ２０および第３下パンチ３０）と上パンチ６０とが相対的にコアロッド４０に沿って接近させられ、これにより原料粉末７ａは、上パンチ６０の端面６１と、第１下パンチ１０の端面１３と、第２下パンチ２０の端面２４と、第３下パンチ３０の端面３３とにより圧縮され、成形体７ｂに成形される。この後、上パンチ６０を上方に退避させるとともに、下パンチ群１０〜３０をダイス５０と相対的に上昇させて、成形体７ｂが抜き出される。なお、図８（ｂ）には圧粉磁心７０となった際の部位である円板部７２、腕部７３、爪部７４、ボス部７５の符合を付してある。

特許第３５２１０８８号公報

ところで、上記圧粉磁心７０は、上記したように腕部７３の円板部７２に対する付け根部分に狭隘部７３ａが形成されている。この狭隘部７３ａは、圧縮方向（軸方向）と交差する方向の同一断面内において幅が狭くなる部分であり、この狭隘部７３ａを成形する第２下パンチ２０における腕部成形部２３の薄肉部２３ａは、周方向の肉厚が薄くなっている。また、圧粉磁心７０の狭隘部７３ａには、ボス部７５が隣接して形成されている。このような狭隘部７３ａおよびボス部７５の形状および配置の状況にあっては、第３下パンチ３０でボス部７５を圧縮成形したときに、軸方向の成形圧力を受けた原料粉末が軸と直交する方向に圧力を伝達するため、ボス部７５において原料粉末は断面面積を拡張する方向に圧力が働く。このような断面面積を拡張する方向の圧力を受ける第３下パンチ３０においては、薄肉部２３ａの溝部２３ｂ側の面に過大な引っ張り応力が集中することとなる。

ところで、圧粉磁心７０は、製品中の磁性粉末の占積率が磁束密度に影響するため、磁束密度を向上させるべく高い成形圧力の下で高密度に成形される。このような高い成形圧力の下では、第２下パンチ２０の薄肉部２３ａにかかる応力が過大となり、この薄肉部２３ａが成形時に破損するおそれがある。

よって本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、上記の圧粉磁心の例のような、圧縮方向と交差する方向の同一断面内において幅の狭くなる狭隘部を有する成形体を、高い成形圧力で成形しても、応力が集中してパンチが破損するといった不具合が生じない成形用金型を提供することを目的としている。

成形体に狭隘部がある場合、従来であればその狭隘部に対応した外形形状の部分を有する下パンチを用いていたが（図６に示した第２下パンチ２０）、このような構成の金型では、下パンチ側に成形体の狭隘部に対応した薄肉部（上記第２下パンチ２０では薄肉部２３ａ）を設けており、このため、圧縮成形時にその薄肉部に応力が集中してパンチの破損が生じるおそれがあったのである。下パンチに薄肉部を設ける理由は、成形体の外形形状はダイスの型孔で成形するため、狭隘部の成形は下パンチ側で行うという発想からくるものである。

そこで本発明の成形用金型は、成形体の外形形状の一部を下パンチ側で成形することによって下パンチに薄肉部を形成する必要をなくしたことをポイントとするものである。下パンチへの薄肉部の形成を解消するためには、下パンチの適宜な部分に段部を形成することにより達成することができ、その段部は、例えば従来のダイスの内周部分を形成していた肉部の一部を下パンチ側に移植した形態となる。すなわち本発明は、下記構成を具体的特徴とするもので、本発明によれば、下パンチに、成形体の狭隘部に対応する薄肉部を形成する必要がなくなり、したがってその薄肉部に成形圧力が集中することによって下パンチが破損するといった不具合を防止することができる。

本発明は、中心孔を有する円板部と、この円板部と同一の高さおよび厚さであって、円板部の外周部から径方向外側に延在し、かつ周方向に間隔をおいて形成された複数の腕部と、これら腕部の先端から腕部と直交する一方向に延在する爪部と、腕部の円板部に対する付け根部分の、爪部の延在する側に形成され、腕部の周方向一端側に幅の狭くなる狭隘部を残して形成されたボス部とを備える成形体を得るため、原料粉末を軸方向に圧縮成形する成形用金型であって、爪部を成形する第１下パンチと、この第１下パンチの内周側に摺動自在に嵌合するとともに、ボス部に対応する断面形状に形成されたボス部貫通孔と、中心孔に対応する形状に形成された中心貫通孔と、円板部と腕部とボス部とによって形成される外形形状に対応した段部とを有し、この段部によって円板部と腕部とを成形する第２下パンチと、この第２下パンチのボス部貫通孔に摺動自在に嵌合し、ボス部を成形する第３下パンチと、第２下パンチの中心貫通孔に摺動自在に嵌合し、中心孔を形成するコアロッドと、成形体の外形形状と同一の外形を有する上パンチと、第１下パンチおよび第２下パンチの外周側が摺動自在に嵌合する型孔を有するダイスとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、成形体が爪部と、円板部および腕部と、ボス部との概ね３つの部位を有しており、それぞれが第１下パンチ、第２下パンチ、第３下パンチによって多段状に成形される。この場合、成形体の狭隘部は腕部の一部に形成されており、この狭隘部は、成形体の外形形状の一部（円板部と腕部とボス部とによって形成される外形形状）を成形する第２下パンチと、ボス部に対応した第３下パンチ３０とによって成形される。第２下パンチの段部は肉薄ではなく十分な厚さで構成可能であるから、高い成形圧力を受けても破損のおそれがない。

本発明の成形用金型によれば、同一断面内で幅の狭くなる狭隘部を有する成形体であっても、パンチの破損を生じることなく、高い成形圧力で成形することができ、ひいては粉末冶金法による製品成形の適用範囲を拡大することができるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１〜図３は、一実施形態の成形用金型を示している。この金型は、図９に示した圧粉磁心７０の成形体を成形するものであって、図５〜図７に示した従来例の金型を構成する第１下パンチ１０、第３下パンチ３０、コアロッド４０および上パンチ６０を共通要素としており、第２下パンチおよびダイスが、従来例と異なる構成となっている。以下、本実施形態の第２下パンチ２０Ｂおよびダイス５０Ｂを説明する。なお、本実施形態を示す図１〜図４においては、理解容易とするために従来例と同一の構成部品および部位には同一の符合を付してある。

図５〜図７に示した従来例の第２下パンチ２０の断面形状は、圧粉磁心７０の円板部７２と腕部７３とによって形成される平面形状と同一であったが、本実施形態の第２下パンチ２０Ｂは、図２に示すように外周面に凹凸のない略円筒状であり、圧縮面側の端面には、複数（腕部７３の数と同数：この場合６個）の段部２６が突出形成されている。なお、図１および図３では、第２下パンチ２０Ｂのみを灰色で表示して下パンチ群の構成を明確にしている。

第２下パンチ２０Ｂの段部２６は、圧粉磁心７０の隣接する腕部７３間を埋める形状である変形扇状の断面を有している。段部２６が形成されることにより段差が生じた圧縮側の端面の底部２４Ｂは、図６に示した従来例の第２下パンチ２０の端面２４と同一形状となっている。段部２６の高さは圧粉磁心７０の円板部７２および腕部７３の厚さよりも十分に大きな寸法に設定されており、段部２６の、外周面を除く側面２７によって、円板部７２と腕部７３の外形形状が成形されるようになっている。

本実施形態の第２下パンチ２０Ｂによれば、従来例の第２下パンチ２０の腕部成形部２３間が円筒状の外周肉部２８として一体的に形成されているため、圧粉磁心７０の狭隘部７３ａを形成するための薄肉部２３ａを有してはいない。このため高い剛性を備えるとともに、高い成形圧力がかかっても破損等の不具合は起こりにくいものとなっている。なお、図２では、段部２６と、段部２６から軸方向に一体的に連なる円筒状の外周肉部２８の部分を、薄い灰色で示している。

次に、本実施形態のダイス５０Ｂを説明する。図５および図７に示した従来例のダイス５０の型孔５１の外形は、成形体の外形形状と同一の複雑なものであったが、本実施形態のダイス５０Ｂの型孔５１Ｂは、図１および図３に示すように、略円筒状であって、第２下パンチ２０Ｂの段部２６および外周肉部２８（図２の薄い灰色部分）の外周面が摺動する壁部５６と、上記第１下パンチ１０の爪部成形部１２の外周面が摺動する壁部５２のみから構成される比較的単純な円筒状に形成されている。第２下パンチ２０Ｂの段部２６および外周肉部２８の部分は、従来例のダイス５０の、隣接する壁部５２間の内周肉部と同一の断面形状であり、ダイス５０におけるこの部分が、第２下パンチ２０Ｂに移植されたものとなっている。このような移植により、従来例の第２下パンチ２０の溝部２３ｂは外周肉部２８で閉塞された状態となって第３下パンチ３０のボス部成形部３２が摺動自在に貫通するボス部貫通孔２３ｃに形成される。

このダイス５０Ｂでは、圧粉磁心７０の外形形状のうち、爪部７４の外周面のみが成形される。このように断面形状が単純な型孔５１Ｂを有するダイス５０Ｂによれば、従来のダイス５０ような角部を有していないため、角部の欠け等が起こりにくく、寿命が延長するといった利点がある。

図４は、本実施形態の成形用金型を組み合わせて原料粉末を成形する際の、図３のIV−IV’断面における各パンチの作動状態を説明する模式図であり、（ａ）はセットした金型内に原料粉末７ａを充填した状態、（ｂ）は下パンチ群（第１下パンチ１０、第２下パンチ２０および第３下パンチ３０）と上パンチ６０とが相対的にコアロッド４０に沿って接近し、原料粉末７ａを成形している状態である。本実施形態の成形用金型による図４（ａ）の充填状態と、図８（ａ）に示した従来例金型の充填状態とを比較すると、図の上でのコアロッド４０の右側（IV’側およびVIII’側）は同じであるが、左側（IV側およびVIII側）が異なっている。

すなわち、図４（ａ）に示す本実施形態の金型では、IV側の断面は、第２下パンチ２０Ｂに設けた段部２６によって形成された底部２４Ｂと段部２６の側面２７、およびコアロッド５とにより形成されるダイキャビティに原料粉末７ａが充填される。充填された原料粉末７ａは、図４（ｂ）に示すように、IV側の断面においては段部２６の側面２７と上パンチ６０の外周面６３とが嵌合し、上パンチ６０の端面６１と第２下パンチ２０Ｂの底部２４Ｂとにより圧縮され、成形体７ｂに成形される。この後、上パンチ６０を上方に退避させるとともに、下パンチ群１０，２０Ｂ，３０をダイス５０と相対的に上昇させて、成形体７ｂが抜き出される。なお、図４（ｂ）には圧粉磁心７０となった際の部位である円板部７２、腕部７３、爪部７４、ボス部７５の符合を付してある。

以上の実施形態は、外形形状に狭隘部を有する成形体として、図９に示す成形体を成形する場合を例として説明したが、本発明の成形用金型は、この例のみならず、同一断面内において狭隘部を有し、従来発想の成形用金型においては狭隘部を成形するための薄肉部を有するパンチが必要とされていた場合に有効である。すなわち本発明ではその薄肉部を排除することでき、これによってパンチ破損の解消ならびにパンチ剛性を高めることができ、結果として高い成形圧力で成形することが可能となるものである。

上記のように本発明の成形用金型は、狭隘部を有する外形形状の成形体をパンチ破損のおそれなく高い成形圧力で成形可能とするものである。このため、従来は成形困難で粉末冶金法の適用が難しかった狭隘部を有する外形形状の製品に対し粉末冶金法適用の道を開いたもので、各種機械部品、摺動部品、磁性部品等、幅広い製品への適用が可能である。

本発明の成形用金型の一例であり、図９の圧粉磁心を成形するための成形用金型を示す斜視図である。 図１に示す成形用金型の構成要素であって本発明が適用された第２下パンチ３の詳細斜視図である。 図１に示す成形用金型の、ダイスに下パンチ群およびコアロッドを組み合わせた状態の平面図である。 一実施形態の成形用金型を用いて原料粉末を成形する際の図３：IV−IV’断面における各パンチの作動状態を説明する模式図であり、（ａ）は原料粉末を充填した状態、（ｂ）は原料粉末を成形している状態である。 図９に示す圧粉磁心を成形する成形用金型の従来例を示す斜視図である。 図５に示す成形用金型を構成する第２下パンチの斜視図である。 図５に示す成形用金型の、ダイスに下パンチ群およびコアロッドを組み合わせた状態の平面図である。 図５に示す成形用金型を用いて原料粉末を成形する際の図７：IIIV−IIIV’断面における各パンチの作動状態を説明する模式図であり、（ａ）は原料粉末を充填した状態、（ｂ）は原料粉末を成形している状態である。 成形体の一例であってモータ用圧粉磁心の形状を示す斜視図である。 図９の圧粉磁心を組み合わせモータコアの斜視図である。

符号の説明

１０…第１下パンチ
２０Ｂ…第２下パンチ
２１…中心貫通孔
２３ｃ…ボス部貫通孔
２６…段部
３０…第３下パンチ
４０…コアロッド
５０Ｂ…ダイス
５１Ｂ…型孔
６０…上パンチ
７０…圧粉磁心（成形体）
７１…中心孔
７２…円板部
７３…腕部
７３ａ…狭隘部
７４…爪部
７５…ボス部

Claims (1)

1. 中心孔を有する円板部と、
   この円板部と同一の高さおよび厚さであって、円板部の外周部から径方向外側に延在し、かつ周方向に間隔をおいて形成された複数の腕部と、
   これら腕部の先端から腕部と直交する一方向に延在する爪部と、
   前記腕部の前記円板部に対する付け根部分の、前記爪部の延在する側に形成され、腕部の周方向一端側に幅の狭くなる狭隘部を残して形成されたボス部とを備える成形体を得るため、原料粉末を軸方向に圧縮成形する成形用金型であって、
   前記爪部を成形する第１下パンチと、
   この第１下パンチの内周側に摺動自在に嵌合するとともに、前記ボス部に対応する断面形状に形成されたボス部貫通孔と、前記中心孔に対応する形状に形成された中心貫通孔と、前記円板部と前記腕部とボス部とによって形成される外形形状に対応した段部とを有し、この段部によって円板部と腕部とを成形する第２下パンチと、
   この第２下パンチの前記ボス部貫通孔に摺動自在に嵌合し、前記ボス部を成形する第３下パンチと、
   前記第２下パンチの前記中心貫通孔に摺動自在に嵌合し、前記中心孔を形成するコアロッドと、
   前記成形体の外形形状と同一の外形を有する上パンチと、
   前記第１下パンチおよび前記第２下パンチの外周側が摺動自在に嵌合する型孔を有するダイスとを備えることを特徴とする成形用金型。