JP5067649B2 - 高速通電プレス成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱機構を有するプレス成形装置に関するものであり、更に詳しくは、加熱手段として、パルス状の電流を印加する通電加熱手段を利用することにより、プレス成形装置のシリンダーの運動周期とパルス周波数を同調させて、通電加熱を行いながらプレス成形を行うことを可能とする高速通電プレス成形装置に関するものである。本発明の高速通電プレス成形装置は、高速に稼動するプレス成形装置のシリンダーの動きに同調してパルス電流による高速な通電加熱を実現するものであり、投入エネルギーが少ない条件で、例えば、樹脂、金属、セラミックス及びそれらの複合材料の粉末を、短時間に成形するために好適に使用することが可能な新しい高速通電プレス成形技術を提供するものである。

従来、パルス電流を利用した高速な通電加熱技術は、加圧力を印加しながら加熱を行えるため、省エネルギー焼結技術として利用されている。しかし、この焼結技術では、成形用の型が有する電気抵抗を利用した通電加熱と、成形しようとする粉末間で発生するジュール熱によって加熱を行うため、１回の焼結で１個の成形体を作製することがほとんどであった。そのため、生産設備に対する生産性に問題があった。

このような通電を利用した省エネルギー焼結技術の生産性を改善するために、先行技術として、例えば、自動化を組み込んで製造効率を高める通電加圧焼結装置（特許文献１〜４）や、大型の成形体を作製する通電加圧装置（特許文献５、６、非特許文献１）が開発されている。

また、焼結の時間を短縮するために、加圧機構を高速にして焼結時間を短くする試みが種々なされており、例えば、サーボモーターを利用したパルス通電焼結技術（非特許文献２）などが開発されている。しかし、これらの方法は、いずれもホットプレスなどによる加圧焼結を基本とした焼結技術であり、粉末のプレス成形のような高速成形には対応していない。

また、従来の焼結技術では、導電性の成形型の材料として黒鉛などを用いているため、大気中では加熱することができないという制約があった。一般的には、真空中での加熱が行われているが、真空チャンバー内に成形型を設置し、チャンバー内を真空ポンプなどで減圧するのに時間がかかるという問題があった。これらの問題を解決するために、金属製の成形型を用いてパルス通電加熱する技術開発（非特許文献３）も行われているが、金属製の成形型は、電気抵抗が低く、十分な加熱が行えない上、熱膨張による寸法の変化が大きいため、安定した成形型として利用しにくいという問題があった。

特開２００２−１６７６０７号公報 特開２００２−１０５５０７号公報 特開２００２−１０５５０９号公報 特開２０００−３４５２０８号公報 特開２００２−３６３６１２号公報 特開２００４−３２３９２０号公報 荒木達朗 平成１６年度第９回ＳＰＳ研究会講演概要集"ＳＰＳの大型実用化の報告"，ｐ．３０−３３（２００４） 小林慶三、松本章宏、西尾敏幸、尾崎公洋 "パルス通電焼結による銅繊維の接合"、日本金属学会２００３年春期（第１３２回）大会講演概要集（２００３） 小林慶三、松本章宏、西尾敏幸、尾崎公洋、杉山明 "パルス通電焼結におけるパルス電流及び型材料の影響"、粉体及び粉末冶金、４８巻６号、５４６〜５５０、社団法人粉体粉末冶金協会（２００１）

このような状況の中で、本発明者らは、上述の従来技術の問題点を確実に解決することを可能とする新しいプレス成形技術を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、高速で稼働する粉末成形などに用いられるプレス成形装置に、パルス状の電流を発生できる電源を接続し、プレス成形装置のシリンダーの上下あるいは左右の直線運動の周期とパルス電流の周期を同調させることにより、高速に稼働するシリンダーの運動に連動した加熱が行えることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、高速に稼動する、粉末成形などに用いられるプレス成形装置の高速な運動に着目し、パルス状電流のオンとオフで構成される周期のタイミングを合わせることによって、両者の周期の同調をとり、短時間の成形と焼結のプロセスを同時的に行うことを可能とする高速通電プレス成形装置を提供することを目的とするものである。また、本発明は、プレス成形装置の高速成形性を生かし、通電による加熱機構を付与することにより、粉末の成形と同時に焼結を行うことを可能とした高速成形及び焼結用のプレス成形装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）プレス成形と焼結を同時に行うことができるプレス成形装置であって、試料を成形する成形型、直線運動を行うシリンダー機構を有する加圧手段、試料にオン−オフ時間を制御したパルス状の電流を流して通電加熱を行う加熱手段、及びシリンダーの運動周期とパルス電流の周波数を同調させて通電加熱を行う通電及び／又は加圧制御手段、を構成要素として含み、上記プレス成形装置の上下あるいは左右に直線運動するシリンダー機構において、パルス状の電流を発生する電源をシリンダーに接続し、シリンダーの運動周期とパルス電流の周波数を同調させ、それにより、成形型内をパンチが移動して試料を加圧する間に通電加熱を行い、この加圧・通電プロセスを繰り返すことで加圧と通電がパルス状態で繰り返されるようにしたことを特徴とするプレス成形装置。
（２）上記シリンダーの直線運動が、モーターの回転運動により制御される、前記（１）に記載のプレス成形装置。
（３）上記シリンダーの直線運動が、液体あるいは気体の圧縮による力を利用して制御される、前記（１）に記載のプレス成形装置。
（４）上記パルス電流が、パルス状の電流を発生する電源に配設したインバータ制御を利用して制御される、前記（１）に記載のプレス成形装置。
（５）上記パルス電流が、パルス状の電流を発生する電源に配設したトランジスタを利用して制御される、前記（１）に記載のプレス成形装置。
（６）プレス成形の圧力が発生する時点で、パルス電流による通電加熱が行われる、前記（１）に記載のプレス成形装置。
（７）パルス電流とプレス成形の運動周期の同調が、パルス電流の通電開始を調節するタイマー手段により行われる、前記（１）に記載のプレス成形装置。
（８）成形型として、導電性又は非導電性の成形型を使用する、前記（１）に記載のプレス成形装置。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、プレス成形と焼結を同時に行うことができるプレス成形装置であって、試料を成形する成形型、直線運動を行うシリンダー機構を有する加圧手段、試料に、オン−オフ時間を制御したパルス状の電流を流して通電加熱を行う加熱手段、及びシリンダーの運動周期とパルス電流の周波数を同調させて通電加熱を行う通電及び／又は加圧制御手段、を具備していることを特徴とするものである。本発明では、上記シリンダーの直線運動が、モーターの回転運動により制御されること、上記シリンダーの直線運動が、液体あるいは気体の圧縮による力を利用して制御されること、を好ましい実施態様としている。

また、本発明のプレス成形装置では、上記パルス電流が、パルス状の電流を発生する電源に配設したインバータ制御を利用して制御されること、上記パルス電流が、パルス状の電流を発生する電源に配設したトランジスタを利用して制御されること、を好ましい実施態様としている。更に、本発明では、プレス成形の圧力が発生する時点で、パルス電流による通電加熱が行われること、パルス電流とプレス成形の運動周期の同調が、パルス電流の通電開始を調節するタイマー手段により行われること、成形型として、導電性又は非導電性の成形型を使用すること、を好ましい実施態様としている。

以上のように、本発明は、プレス成形装置の上下あるいは左右に直線運動するシリンダー機構において、１）パルス状の電流を発生する電源をシリンダーに接続し、２）シリンダーの運動周期とパルス電流の周波数を同調させ、３）それにより、成形型内をパンチが移動して試料を加圧する間に通電加熱を行い、プレス成形と焼結のプロセスを同時に行う点に特徴を有するものである。

本発明では、プレス成形装置における加圧機構を構成するシリンダーの上下あるいは左右の直線運動を、モーターの回転運動から発生させ制御すること、あるいは液体あるいは気体の圧縮による力から発生させ制御すること、が好適な例として例示されるが、これらに制限されるものではなく、適宜の手段を使用することができる。

本発明におけるパルス状の電流を発生する電源としては、交流電流をインバータにより直流のパルス状電流に変換する電源、交流電流をトランジスタにより直流のパルス状電流に変換する電源、が好適なものとして例示されるが、これらに制限されるものではなく、適宜の手段を使用することができる。

本発明におけるパルス電流を発生する電源は、圧力を生成、付与するシリンダー機構につながっている必要がある。しかし、圧力を生成するメカニズムによっては、電流が圧力生成源に流れることは危険を伴う場合がある。そのため、シリンダーと電源とは、電気的に絶縁されていることが好ましい。これらの電気的な絶縁は、例えば、セラミックスボードやプラスチックボードなどの材料をシリンダーと電極の間に挿入することで達成することができる。

プレス成形装置のシリンダーの運動周期は、シリンダーを稼働するメカニズムに依存して変更することができる。モーターの回転をシリンダーの直線運動に変換している場合には、モーターの回転数で運動周期を変更することができる。液体や気体の圧縮力をシリンダーの直線運動に変換している場合は、シリンダーからドレインに抜ける流体の圧縮力や流体の方向を電磁バルブなどで切り替えることにより運動周期を変更することができる。本発明では、これらの手段を利用して、シリンダーの運動周期を好適なレベルに設定することができる。一般には、モーター回転を利用した方が高速の運動を実現できるが、発生する加圧力は小さくなる。本発明では、これらの具体的な構成については、プレス成形装置の種類、大きさ、使用目的等に応じて任意に設計し、設定することができる。

一方、電源のパルス状電流の周波数は、例えば、コンデンサーの組み合わせなどで調整することができる。パルス電流の周波数は、プレス成形の稼動頻度を考慮すると、０．０１Ｈｚから１０Ｈｚで変化させることが望ましい。更に好ましくは、０．１Ｈｚから１Ｈｚで変化させることが望ましい。この場合、パルス電流の通電時間と非通電時間の割合も制御できることが望ましい。

パルス電流とプレス成形装置のシリンダーの運動周期の同調方法及び手段は特に限定されないが、例えば、パルス電流の通電開始を遅らせるタイマーなどを組み込むことで、これらの同調をとることができる。プレス成形装置のシリンダーの動きに合わせて、圧力が発生する時点で通電させることが好ましい。導電性の成形型を用いる場合には、例えば、シリンダーに取り付けた成形用パンチが成形型内に挿入された時点から再度成形型から離れるまでの間に通電されることが望ましい。これにより、成形時の大気の残量を極力押えることが可能となり、成形を真空中で行う必要がなくなるという利点が得られる。

成形用の型材料については、特に限定されるものではないが、例えば、導電性あるいは非導電性の成形型が利用される。非導電性の型を用いる場合には、成形を行う試料粉末などに導電性が要求される。導電性の成形型を用いる場合には、金属製の成形型では電気抵抗が低いため、発熱量が少なくなることから、セラミックスや炭素などと複合化した金属材料を用いることが好ましい。また、金属製型の中に黒鉛などの電気抵抗の高い型を挿入した成形型を使用することも適宜可能である。

本発明のプレス成形装置では、成形型の形状及び構造、大きさ及び材質、また、加圧手段におけるシリンダー機構の種類、シリンダーの運動方式、運動周期を調節する手段、また、パルス状の電流を流して通電加熱を行うための電源、その周波数を同調させるための手段等の具体的な構成については、特に制限されるものではなく、任意に設計することが可能である。

従来の通電加圧焼結装置では、焼結時間を短縮するために、加圧機構を高速化する試みが種々行われていたが、これらは、いずれもホットプレスによる加圧焼結装置に関するものであって、粉末のプレス成形のような高速成形には対応しておらず、一般に、粉末成形では、プレス成形と通電焼結は別のプロセスで行われていた。これに対し、本発明は、プレス成形におけるシリンダーの運動周期とパルス電流の周波数を同調させて通電加熱を行うことで、プレス成形と焼結プロセスを同時に行うことができる高速プレス成型装置を構築し、提供することを実現可能としたものである。

本発明により、次のような効果が奏される。
（１）本発明により、従来、プレス成形と焼結を別々のプロセスで行って作製されていた微小粉末焼結部材を、同一のプロセスで短時間に成形・焼結することが可能であり、これにより、成形数が少なくても高効率の成形製品の製造を実施することができる。
（２）これまで成形と焼結が別のプロセスとして行われてきたため、エネルギーの消費量が多かったが、本発明により、短時間に成形と焼結が行われるため、省エネルギーの製造プロセスを実現することができる。
（３）従来法では、粉末の成形時には、型の損傷を防止するため、有機材料が成形バインダーとして利用されていたが、バインダーは、焼結前に除去され、産業廃棄物となる。これに対して、本発明では、成形と焼結を同時に行うことで、バインダーを用いずに成形を行えるため、廃棄物の量が減少する。
（４）従来の粉末冶金技術では、小型の部材を作製する際に、仮焼結された部材を機械加工したり、極微小な部材では、焼結後の研削で加工する場合が多く、仮焼結あるいは焼結された部材を加工するには、加工時間が長く、コストが高くなるという問題があったが、本発明では、プレス型をニアネット形状にすることで、製品部材に近い成形体を作製することができ、その結果、短時間で仕上げ加工を行うことが可能となる。
（５）本発明は、成形と同時に、成形体あるいは型に直接通電して加熱するシステムであるため、発熱効率に優れ、省エネルギーで成形・焼結を行うことができる。
（６）成形時に真空雰囲気を利用していないため、自動化が容易であり、量産化のシステムとして構築しやすい。
（７）本発明のプレス成形装置は、通電に伴う抵抗加熱を利用しているので、粉末の焼結だけではなく、繊維の接合や異種材料の接合技術としても好適に利用することができる。
（８）シリンダーの運動周期とパルス電流の周波数を同調させて通電加熱を行うことにより、加熱時のみ効率的に通電できるとともに、型とパンチ間の放電などを抑制することができる。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

（１）高速通電プレス成形装置
本実施例では、成形型として、超硬合金製の型を使用し、成形及び焼結手段として、シリンダーの上下の直線運動をモーター回転により制御する加圧手段と、パルス状の電流を発生する電源を有する通電加熱手段と、プレス稼動時に通電のタイミングを同調させるタイマー手段とを配設した高速通電プレス成形装置を構築し、使用した。

（２）上記プレス成形装置による粉末成形
外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍで高さ４０ｍｍの超硬合金製の型を用いて、チタン粉末０．３ｇを成形した。上下パンチには、超硬合金製のものを用い、チタン粉末は、上下を１０ｍｍ径で１ｍｍ厚みの黒鉛製チップで挟んでプレス成形した。プレスには、モーター回転を利用した最大成形荷重３トンのプレス成形機を用い、１分間に３０回プレス成形する条件にて成形を行った。電源は、パルス状の電流が発生する電源を用い、周波数０．５ＨｚでＯＮ／ＯＦＦ＝１となるようにして、通電を行った。プレス稼動時に０．５秒の遅れをタイマーで設定し、通電した。

（３）結果
パルス状電流のトップ電流値として４００Ａ、ボトム電流値として０Ａを設定した場合、金型底部に設置した黒鉛に挟まれたチタン粉末の部分で大きな加熱が観察された。また、超硬合金製の型は、電極からパンチを通じて電気が流れるが、金型の上部で放電が観察された。ただ、金型内部には、通電による発熱がほとんど生じていないことが確認できた。プレス時の温度分布をサーモビジョン（面放射温度計）で測定した際の温度分布を図１に示す。チタン粉末と黒鉛が存在する金型底部の温度が２００℃まで到達していた。

外径１０ｍｍ、内径６ｍｍで長さ３０ｍｍのセラミックス製パイプを成形型として、６ｍｍ径の黒鉛製パンチを用い、０．３ｇのチタン粉末の成形を行った。プレスには、油圧プレスを用い、１分間に１５回プレスするサイクルで成形を行った。電流は、直流を発生できる電源を用い、０．５秒間の停止のあと３秒間１００Ａを通電し、０．５秒間停止する周期で通電した。

プレス圧力は、総荷重で２００ｋｇ程度であった。通電時の型の温度分布をサーモビジョン（面放射温度計）で測定した際の温度分布を図２に示す。チタン粉末を通じて上下パンチ間に電流が流れるため、チタン粉末が加熱され、４４１℃にまで達した。成形体は、理論密度の５０％程度であったが、ハンドリングできる強度を有していた。

外径１０ｍｍ、内径６ｍｍで長さ３０ｍｍのセラミックス製パイプを成形型として、６ｍｍ径の黒鉛製パンチを用い、０．３ｇのチタン粉末の成形を行った。プレスには、モーターの回転を利用したプレス成形機を用い、１分間に１５回プレスするサイクルで成形を行った。電流は、直流を発生できる電源を用い、０．５秒間の停止のあと３秒間３００Ａを通電し、０．５秒間停止する周期で通電した。

プレス圧力は、総荷重で２００ｋｇ程度であった。チタン粉末は、１０００℃程度までの温度で加熱された。焼結体は、理論密度の７０％程度まで達していたが、表面層は、酸化により白く変色していた。

以上詳述したように、本発明は、高速通電プレス成形装置において、パルス状の電流を印加することを利用して、プレス成形装置のシリンダーの運動周期とパルス周波数を同調させて加熱を行いながらプレス成形を行う装置に係るものであり、本発明により、粉末の成形と焼結のプロセスを短時間で同時に行うことができる。また、従来、プレス成形時に用いられてきた有機材料の成形バインダーを用いることなく、成形及び焼結が行えるため、産業廃棄物の発生を抑えたプロセスを構築することができる。本発明は、特に、粉末を焼結して製造される微小部材の成形・焼結技術として有利であり、短時間に少数の製品に対応して成形及び焼結を行うことができる。また、本発明は、工業的に液相焼結を利用して製造されている超硬合金やサーメット合金の製造にも適用可能であり、微小工具やチップなどの製造への適用も可能である。

超硬合金型を用いた高速通電焼結時の温度分布（実施例１）を示す。 セラミック型を用いた高速通電焼結時の温度分布（実施例２）を示す。

Claims (8)

1. プレス成形と焼結を同時に行うことができるプレス成形装置であって、試料を成形する成形型、直線運動を行うシリンダー機構を有する加圧手段、試料にオン−オフ時間を制御したパルス状の電流を流して通電加熱を行う加熱手段、及びシリンダーの運動周期とパルス電流の周波数を同調させて通電加熱を行う通電及び／又は加圧制御手段、を構成要素として含み、上記プレス成形装置の上下あるいは左右に直線運動するシリンダー機構において、パルス状の電流を発生する電源をシリンダーに接続し、シリンダーの運動周期とパルス電流の周波数を同調させ、それにより、成形型内をパンチが移動して試料を加圧する間に通電加熱を行い、この加圧・通電プロセスを繰り返すことで加圧と通電がパルス状態で繰り返されるようにしたことを特徴とするプレス成形装置。
2. 上記シリンダーの直線運動が、モーターの回転運動により制御される、請求項１に記載のプレス成形装置。
3. 上記シリンダーの直線運動が、液体あるいは気体の圧縮による力を利用して制御される、請求項１に記載のプレス成形装置。
4. 上記パルス電流が、パルス状の電流を発生する電源に配設したインバータ制御を利用して制御される、請求項１に記載のプレス成形装置。
5. 上記パルス電流が、パルス状の電流を発生する電源に配設したトランジスタを利用して制御される、請求項１に記載のプレス成形装置。
6. プレス成形の圧力が発生する時点で、パルス電流による通電加熱が行われる、請求項１に記載のプレス成形装置。
7. パルス電流とプレス成形の運動周期の同調が、パルス電流の通電開始を調節するタイマー手段により行われる、請求項１に記載のプレス成形装置。
8. 成形型として、導電性又は非導電性の成形型を使用する、請求項１に記載のプレス成形装置。