JP5242123B2 - 圧縮ねじり加工装置及びそれを用いた金属塊の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、粉状及びチップ状等に分断された金属材料から金属塊を製造するのに適した圧縮ねじり加工装置及びこれを用いた金属塊の製造方法に関する。

粉末状の金属材料を用いた圧縮成形方法は公知であり、本願発明者らは金属の切削屑からビレット等の金属塊が得られないか検討した。
油圧式圧縮回転試験機に図１０に示したようなコンテナ１１１を装着し、金属の切削屑を圧縮予備成形した塊を金型の内部に投入し、上パンチ１１３と下パンチ１１４にて上下方向から圧縮力と回転ねじり負荷を加えた。
このようにすると、切削屑に圧縮方向の力のみならず回転方向の大きなせん断力が加わるためにせん断変形を起こし、その結果発生する新生面間が固相接合により金属塊になった。

しかし、この方法では円柱状の金属塊の上面と下面とから加わるねじり力が金属塊と金型の内周面との接触による摩擦拘束を受け、金属塊の上面及び下面から内部に向かって塑性流動できる深さが少なく、内部組織に欠陥が生じやすい問題が明らかになった。

圧粉成形する際にパンチを回転させる技術としては特開平９−１４３５０７号公報が公知であるが、この公報に開示する技術は、はすば歯車を圧粉成形するためのものであり、粉末を塑性流動させるものではない。

特開平９−１４３５０７号公報

本発明は、上記技術的課題にかんが見て粉状、チップ状等の分断された金属材料から内部品質に優れた金属塊を得るのに好適な圧縮ねじり加工装置及びそれを用いた金属塊の製造方法の提供を目的とする。

本発明は、円筒状の内径を有する金型と、金型の内周面に摺接する内筒型を有し、内筒型は、当該内筒型の軸方向において複数に分割してあり、金型の上部から内筒型内側に向けて下降及び回転制御された上パンチを有していることを特徴とし、請求項２記載に係る圧縮ねじり加工装置は、円筒状の内径を有する金型と、金型の内周面に摺接する内筒型を有し、内筒型は、当該内筒型の軸方向において複数に分割してあり、金型の上部から内筒型内側に向けて下降及び回転制御された上パンチと、金型の下部から内筒型内側に向けて上昇及び回転制御された下パンチを有し上パンチと下パンチとは回転方向が相互に反対になるように制御されていることを特徴とする。

請求項３記載に係る金属塊の製造方法は、円筒状の内径を有する金型に、当該金型の内周面に摺接する内筒型を軸方向において複数に分割して配置し、内筒型に粉状、チップ状等の分断された金属材料からなる被加工材を投入し、上下のパンチにて圧縮力と同時にねじり力を加えることを特徴とする。

本発明は、金型内に投入した被加工材に充分なねじりせん断力が加わるように複数に分割したリング状の内筒を金型の円筒部に配置した点に特徴がある。
これにより、被加工材が金型の内面に直接接触することがなく、リング状の内筒型が金型内周面に対して回転方向に摺動するので、上パンチ及び下パンチが被加工材に圧縮とねじり力を加える際に被加工材の側面（円柱材の側面）が金型内周面から受ける摩擦拘束力が小さくなる。

ここで内筒型をリング状に複数に分割したのは上パンチと下パンチとでねじり方向（回転方向）が逆であるために被加工材を介して内筒型に伝達される回転力は上パンチ側と下パンチ側とで逆方向になるからである。
従って、内筒型の分割数は少なくとも２以上であり、好ましくは４つ以上が良く、リング状に分割した内筒型の中心軸方向の厚みは製造される、いわゆる円柱ビレットの径と長さとの関係で選定でき、それにより最適分割数を決定するとよい。
より好ましくは、リング状に分割した内筒型の厚みが、内筒型の内径の半分よりも小さくするとよい。

また、リング状の内筒型は、その外周が金型の内周面に摺接し、且つ、となり同士の内筒型接触面でも摺接することになる。
この内筒型と金型内周面の間を潤滑剤やベヤリング等で摩擦力を低減するとよい。
さらに、内筒型外周面に潤滑溝を形成してもよい。
また、内筒型と内筒型との接触面が摺動しやすいように、ベアリングを設けたり接触面積を減らす工夫をしてもよい。

本発明に用いる金属材料は切削屑のように分断された金属からビレット状の金属塊を得ることが目的である範囲において、黄銅、青銅、アルミ、亜鉛、マグネシウム等材質になんら限定がなく、原材料の形状もいわゆるダライ粉のような切削屑のみならず粉状、チップ状、片状等の各種形状のものでよい。
さらに、酸化物等、金属以外の粒子を混合して複合化することもできる。
また、内筒型内に被加工材を投入すると表現したのは分断された原材料を直接、内筒型内に投入してもよいが、予めプレ圧縮成形した被加工材の方が長尺ビレットの製造がしやすい。

本発明については、円筒部を有する金型の内周面に摺接する内筒型をリング状に分割して配置し、この内筒型に被加工材を投入して圧縮ねじり加工できる加工装置にしたことにより、被加工材が金型内周面からの摩擦拘束力を受けるのを抑え、この被加工材の内部深くまで、また、充分に、塑性流動させることができ、内部品質に優れた金属塊を得ることができる。

本発明に係る圧縮ねじり加工装置の構造例を以下図面に基づいて説明する。
なお、円筒部を有する金型とこの金型の内周部に摺接する分割内筒型を有し、上下から圧縮荷重と相互に逆方向のねじり荷重を加える装置である限りにおいて、変形使用が可能である。

図１に圧縮ねじり加工装置の要部模式図を示し、図２に金型（コンテナ）１１の外観図を示す。
なお、（ａ）は平面図で（ｂ）は側面図である。
図２に示すように金型１１は分割金型１１ａ，１１ｂをボルト１１ｄ等で締結した構造例となっている。
このように分割金型にしたのは製品を払い出ししやすいようにしたものであって、分割金型に限定する趣旨ではない。
金型１１の円筒部に複数のリング状に分割した内筒型１２ａ，１２ｂ・・・を重ね配置し、金型の上部に押えプレート１１ｅをボルト１１ｆで締結して重ね合せた内筒型を金型１１の下端側の内筒保持段差部１１ｇと押えプレート１１ｅとで摺動保持してある。
なお、図１の実施例では、内筒型同志の接触面を減らし相互に摺動しやすいように外周端面をＣ面取り（ｃ）してある。
内筒金型の内部に投入した被加工材に圧縮力が負荷されるように金型１１の下部に下パンチ１４を配設し、上部に上パンチ１３を配設してある。
図１に示した金型受けプレート１５は金型１１と分離していて、金型を仮受けするためのものである。

上パンチ１３及び下パンチ１４は上昇、下降を制御できるとともに相互に逆の回転力ｗ１，ｗ２を加えることができる。
また、金型１１は加熱温調ができるようになっている。

次に、図３に基づいて金属塊の製造例を説明する。
図６に示したような黄銅材の切削屑を集めて、６００ＭＰａで相対密度７０〜９０％程度の圧縮固形化したプリフォームＰを製作し、このプリフォームＰを複数に分割した内筒型１２ａ，１２ｂ・・・に投入した状態が図３（ａ）である。
次に図３（ｂ）に示すように上パンチ１３と下パンチ１４でｆ１＝ｆ２の圧縮力を加えると共に、ｗ１，ｗ２のねじり力を加えた。
今回の実験では金型を５００℃に温調し、圧縮圧力１００ＭＰａ、上パンチ、下パンチの回転数を逆方向に１００回転（回転速度１０ｒｐｍ／分）のねじり力を加えた。
また、内筒型と金型との間は二硫化モリブデンで潤滑し、内筒型の内面は黒鉛を塗布した。

このようにして製作した金属塊Ｍのサンプルを図４に示し、サンプルｓ２を半割りに切断した断面写真を図５（ａ）に示し、その組織をカラーチェックしたのが図５（ｂ）である。
内筒型と金型との二重構造にしない場合にはｓ１レベルの長さのビレットしか得られなかったが、本発明に係る方法ではビレットの直径Ｄの２倍（ｓ２），３倍（ｓ３）の長さＬの金属塊Ｍも得られた。

本発明に係る圧縮ねじり加工装置の変形例を図７〜９に示す。
図７は、上パンチ１３のみで圧縮力とねじり力を加える例である。
この場合には、下パンチの替わりに受け型１６を設けてある。
図８は、内筒型をベアリング構造の内筒型１２Ａ，１２Ｂ，・・・・１２Ｈにしたもので金型１１の内面の摩擦抵抗が少なくなる。
図９は、内筒型の中心部に芯棒１８を設け、上パンチ１３に芯棒の逃げ孔１７を形成した例である。
このような構造にすると、芯棒により中空部が形成された中空断面の金属塊を得ることができる。

本発明に係る圧縮ねじり加工装置の構造例を示す。 金型の構造例を示す。 金属塊（ビレット）の製造方法例を示す。 金属塊の写真を示す。 金属塊の断面写真を示す。 金属塊の製造原料に用いた切削屑の写真を示す。 上パッチのみで圧縮力とねじり力を加える例を示す。 ベアリング構造の内筒型を用いた例を示す。 内筒型の中心部に芯棒を設けた例を示す。 内筒型のない場合の金属塊の製造例を示す。

符号の説明

１１ 金型
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ 内筒型
１３ 上パンチ
１４ 下パンチ

Claims (3)

1. 円筒状の内径を有する金型と、金型の内周面に摺接する内筒型を有し、
   内筒型は、当該内筒型の軸方向において複数に分割してあり、
   金型の上部から内筒型内側に向けて下降及び回転制御された上パンチを有していることを特徴とする圧縮ねじり加工装置。
2. 円筒状の内径を有する金型と、金型の内周面に摺接する内筒型を有し、
   内筒型は、当該内筒型の軸方向において複数に分割してあり、
   金型の上部から内筒型内側に向けて下降及び回転制御された上パンチと、
   金型の下部から内筒型内側に向けて上昇及び回転制御された下パンチを有し
   上パンチと下パンチとは回転方向が相互に反対になるように制御されていることを特徴とする圧縮ねじり加工装置。
3. 円筒状の内径を有する金型に、当該金型の内周面に摺接する内筒型を軸方向において複数に分割して配置し、
   内筒型に粉状、チップ状等の分断された金属材料からなる被加工材を投入し、上下のパンチにて圧縮力と同時にねじり力を加えることを特徴とする金属塊の製造方法。