JP5538165B2

JP5538165B2 - 粉末成形金型装置

Info

Publication number: JP5538165B2
Application number: JP2010217324A
Authority: JP
Inventors: 忠男増田
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: JP2012071323A

Description

本発明は、粉末を圧縮成形して所望形状の圧粉体を得る粉末成形金型装置に係り、特に複数の圧粉体を同時に成形する粉末成形金型装置に関する。

例えば、軸受等の円筒状の部品を高い寸法精度で生産する場合、押し型内に充填した主に金属粉からなる原料粉末を上下のパンチで圧縮して、図５に示すような中心に孔を有する円筒状の圧粉体Ｐ１を成形し、この圧粉体Ｐ１を焼結して目的形状の部品を得る粉末冶金法が有効に利用されている。圧粉体Ｐ１は、通常、図６に示すように、ダイス７０のダイス孔７０ａに下側からコアロッド７１と円筒状の下パンチ７２を嵌入させてダイス孔７０ａ内に円筒状のキャビティ７０ｂを形成し、このキャビティ７０ｂに上部開口から粉末Ｐを供給し、上パンチ７３をキャビティ７０ｂに嵌入させて上下のパンチ７３，７２により粉末Ｐを軸方向に圧縮するといった手法で成形されている。

キャビティ７０ｂへの粉末Ｐの充填は、粉末Ｐを貯留するホッパからホースを介して粉末Ｐの供給を受けているフィーダボックス７４を、キャビティ７０ｂの上部開口に対しダイス７の上面に滑動させながら進退させることにより、粉末Ｐをキャビティ７０ｂに落とし込み、かつダイス７０の上面ですり切りを行ってキャビティ７０ｂに粉末Ｐを充填させている（特許文献１等参照）。

粉末冶金法は部品の大量生産といった面でもきわめて有効であるが、さらに効果的に大量生産を可能とするものとして、図７に示すような複数の圧粉体を同時に成形する金型装置が開発されている。この装置では、ダイプレート１００に設けられた複数のダイス１０１のダイス孔１０２にコアロッド１０３がそれぞれ挿入されており、コアロッド１０３に沿って摺動する下パンチ１０４をダイス孔１０２に下方から嵌入してキャビティ１０５を形成し、このキャビティ１０５にフィーダボックス１０６によって粉末Ｐを充填する。そして、図８に示すように各キャビティ１０５に上パンチ１０７を嵌入するとともに下パンチ１０４を上昇させて両パンチ１０４，１０７によりキャビティ１０５内の粉末Ｐを圧縮し、この後、図９に示すように上パンチ１０７を退避させるとともに下パンチ１０４を上昇させて、円筒状の圧粉体Ｐ１をダイス孔から上方に抜き出す。これにより、複数の圧粉体Ｐ１を同時に得ることができる。

ダイス１０１はダイプレート１００内に横方向に並列して設けられ、複数のフィーダボックス１０６はダイプレート１００上をダイス孔１０２の上方の開口に対して一括して進退するように設けられており、フィーダボックス１０６内には、上方に設置された図示せぬ１つのホッパから分岐する図示せぬホースを介して、ホッパ内で貯留されている粉末Ｐが常に供給されるようになっている。

特開２００２−０２０８０２号公報

図７〜図９に示した金型装置では、同一の寸法の圧粉体を得るためにキャビティ１０５は同じ容量、すなわち同じ深さとされ、したがって各フィーダボックス１０６から各キャビティ１０５に落下して充填される粉末Ｐも同一の量が充填される設計である。しかしながら、キャビティ１０５に充填される粉末Ｐの量は、各フィーダボックス１０６から落下する粉末Ｐの流動特性やキャビティ１０５（ダイス孔１０２）の位置等の諸条件が異なることに起因して異なっているのが実情である。粉末充填量はキャビティ１０５ごとには一定であってばらつきの傾向は同じであるものの、装置全体としては、各キャビティ１０５の粉末充填量が異なるため圧縮成形された圧粉体Ｐ１は密度が異なって重量差が生じ、その結果、品質が不安定であるといった問題を招くことになる。キャビティ１０５ごとの粉末充填量の違いは、フィーダボックス１０６、あるいはホッパとフィーダボックス１０６をつなぐホースなどの改良で是正を試みてきたが、有効な対策とはなっていないのが現状である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の圧粉体を同時に成形する金型装置において、成形密度のばらつきが抑えられ安定した品質の圧粉体を得ることができる粉末成形金型装置を提供することを目的としている。

本発明の粉末成形金型装置は、上下方向に貫通する複数のダイス孔を有するダイプレートと、前記ダイス孔に下方から嵌入され、該ダイス孔に上方に開口するキャビティを形成する下パンチと、前記ダイプレート上を前記ダイス孔の開口に対して進退自在に設けられ、進出時に、自身の内部に供給されている粉末を前記キャビティに落下させて充填するフィーダボックスと、前記ダイス孔に上方から嵌入され、前記下パンチとともに前記キャビティに充填された粉末を圧粉体に圧縮成形する上パンチと、前記圧縮成形時に全ての前記下パンチを一定の高さ位置に支持する下パンチ支持手段と、前記フィーダボックスによる前記キャビティへの粉末充填時において、前記下パンチを前記一定の高さ位置より上方に付勢してキャビティの容量を可変とするとともに、前記圧縮成形時には前記下パンチの下降を許容して該下パンチを前記一定の高さ位置に位置付け得る下パンチ付勢手段と、この下パンチ付勢手段で上方に付勢される前記下パンチを任意の高さ位置に規制するとともに下降は可能とする下パンチ位置規制手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、下パンチ付勢手段で上方に付勢される下パンチの高さ位置を下パンチ位置規制手段で任意の位置に規制し、これにより各キャビティの深さ（容量）を異ならせた状態でそれらキャビティに粉末を充填し、次いで上下のパンチでキャビティ内の粉末を圧縮することにより圧粉体を成形する。ここで、キャビティごとにフィーダボックスからの粉末充填量を予め把握しておき、その充填量に応じて圧縮成形時の下パンチの高さ位置に基づくキャビティの容量を調節することにより、各キャビティにおいて均一な成形密度の圧粉体を成形することができる。

これを実現するためには、前記下パンチ位置規制手段によって規制される前記下パンチの高さ位置は、前記各キャビティに充填される粉末の密度に応じた位置であって、前記圧縮成形後の前記圧粉体の成形密度を全てのキャビティにおいて均一にし得る位置であることとすれば可能である。この場合、本発明においては、前記圧粉体の密度は、前記各キャビティのうち、充填される粉末の密度が最も低いキャビティで圧縮成形される圧粉体に合わせられることを特徴とする。

また、本発明では、前記下パンチ付勢手段の機能を簡素な構成で、かつ確実に得るため、該下パンチ付勢手段が圧縮エアを含む形態を好ましいものとしている。

本発明によれば、複数の圧粉体を同時に成形する金型装置において、成形密度のばらつきが抑えられ安定した品質の圧粉体を得ることができるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る粉末成形金型装置の側面図であって、フィーダボックスからキャビティに粉末が充填された状態を示している。一実施形態に係る粉末成形金型装置の正面図であって、フィーダボックスからキャビティに粉末が充填された状態を示している。一実施形態に係る粉末成形金型装置の正面図であって、キャビティ内の粉末を上下のパンチで圧縮成形している状態を示している。一実施形態に係る粉末成形金型装置の正面図であって、圧縮成形された圧粉体をキャビティ上方に抜き出した状態を示している。粉末を圧縮成形して得られる単純円筒状の圧粉体を示す斜視図である。フィーダボックスによる一般的な粉末供給状況を示す断面図である。従来の複数キャビティ式の粉末成形金型装置の正面図であって、フィーダボックスからキャビティに粉末が充填された状態を示している。図７に示した粉末成形金型装置において、キャビティ内の粉末を上下のパンチで圧縮成形している状態の正面図である。図７に示した粉末成形金型装置において、圧縮成形された圧粉体をキャビティ上方に抜き出した状態の正面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
［１］粉末成形金型装置の構成
図１および図２は一実施形態の粉末成形金型装置のそれぞれ側面図、正面図を示している。これら図で符号１０は、水平に固定されたダイプレートである。ダイプレート１０内には、複数（この場合、３つ）の円筒状のダイス１１が等間隔に並列して設けられている。ダイプレート１０の下方には間隔を空けてコアプレート２０が平行に配設されており、ダイプレート１０は、ポスト２１を介してコアプレート２０に支持されている。

ダイプレート１０とコアプレート２０との間には、ベースプレート３０が平行に配設されている。ベースプレート３０にはポスト２１が貫通しており、ベースプレート３０はポスト２１に沿って上下動可能となっている。コアプレート２０には、ベースプレート３０を貫通し、各ダイス１１の上下方向に貫通するダイス孔１１ａに同心状に挿入される円柱状のコアロッド２２が支持されている。コアロッド２２の上端面は、ダイス１１の上面と面一である。ベースプレート３０上には、コアロッド２２に摺動可能に外装されて上端部がダイス孔１１ａ内に摺動可能に嵌入される円筒状の下パンチ３１が支持されている。ダイス孔１１ａ内には、ダイス孔１１ａの内壁面とコアロッド２２の外周面と下パンチ３１の上端面とにより、円筒状のキャビティ１２が形成される。

ダイプレート１０上には、各ダイス１１に対応して複数のフィーダボックス４０がセットされている。フィーダボックス４０は、底面が開口したボックス本体４１の一端上部に短い管状の供給口４２が設けられたもので、各フィーダボックス４０の供給口４２には、上方に設置された１つのホッパから分岐したホース（いずれも不図示）が接続されている。各フィーダボックス４０内には、そのホッパ内で貯留されている粉末冶金原料の粉末Ｐがホースを介して常に供給されるようになっている。

各フィーダボックス４０は、ダイプレート１０上を図１の矢印Ｆ・Ｒに示すように各ダイス孔１１ａの上方開口、すなわちキャビティ１２の開口に対して一括して進退自在に滑動するよう設けられており、図示せぬ往復動機構により駆動される。フィーダボックス４０が図１で矢印Ｆ方向に動いた進出時（図１および図２の状態）において、フィーダボックス４０内の粉末Ｐがキャビティ１２に落下する。そして矢印Ｒ方向に退出すると粉末Ｐはフィーダボックス４０ですり切りされ、充満した状態に充填される。

ダイプレート１０上には、各ダイス１１に対応して複数の円筒状の上パンチ５１が配設されている。これら上パンチ５１は上パンチプレート５０の下面に、下方に向けて支持されている。上パンチプレート５０は昇降機構５２によって昇降させられ、下降することにより、ダイス孔１１ａに上方から嵌入される。上パンチ５１はダイス１１およびコアロッド２２に摺動しながらダイス孔１１ａに嵌入させられ、下パンチ３１とともにキャビティ１２に充填された粉末Ｐを圧縮する。

次に、上記下パンチ３１をベースプレート３０上に支持する構造について説明する。
ベースプレート３０の上面であって、コアロッド２２が貫通する貫通孔３０ａに対応する位置には、円板状の下パンチ台６１が上下方向に摺動可能に嵌め込まれている。この下パンチ台６１上に、コアロッド２２が載置されて支持されている。

下パンチ台６１は、中心にコアロッド２２が貫通する貫通孔６１ａを有しており、外周部には下方に突出する環状凸部６１ｂが形成されている。環状凸部６１ｂは、ベースプレート３０に形成された環状溝からなるエア室３２に上下方向に摺動可能に嵌め込まれている。下パンチ台６１がエア室３２に沿って下降すると環状凸部６１ｂの内側の底面がベースプレート３０に形成されたストッパ部（下パンチ支持手段）３３に当接し、これより下方には下降しない。この最下降位置において、下パンチ台６１の上面はベースプレート３０の上面と面一になる。本実施形態では、圧縮エアが貯まるエア室３２と、エア室３２内の圧縮エアで上昇させられる下パンチ台６１により、本発明に係る下パンチ付勢手段が構成されている。

ベースプレート３０には、各エア室３２に対してエアを供給したり、各エア室３２からエアを排出したりするためのエア通路（不図示）が形成されている。各エア室３２には、図示せぬエア供給源からエア通路を介してエアが供給される。エア室３２にエアが供給されるとエア室３２内の内圧が高まり、圧縮エアによって下パンチ台６１が浮上する。これにより、下パンチ３１が下パンチ台６１とともに上昇する。

エア室３２内の圧縮エアで上昇させられる下パンチ台６１の高さ位置は、下パンチ台６１の周囲に同心状に設けられた円筒状のナット部材（下パンチ位置規制手段）６５で任意に規制される。ナット部材６５は、内周面に形成されたねじ部が、ベースプレート３０に形成された環状のスリット３４の内周面に形成されたねじ部に回転可能に螺合しており、回転方向に応じて、ベースプレート３０の上面から突出したり、突出位置から下がったりする。ナット部材６５の上端には、内側に突出する環状庇部６５ａが形成されており、この環状庇部６５ａに下パンチ台６１の上面が当接することで、圧縮エアで上昇させられる下パンチ台６１および下パンチ３１の高さ位置が規制されるようになっている。

［２］圧粉体の成形
上記構成の金型装置では、はじめに、図２に示すように上パンチプレート５０を上昇させて各上パンチ５１を退避位置まで上昇させ、この状態から、各フィーダボックス４０を各キャビティ１２上に向けて往復動させ、各フィーダボックス４０内の粉末Ｐを各キャビティ１２に落とし込むとともにすり切りによって充填する。

ところで、本実施形態のように複数のキャビティ１２に同時に充填される粉末Ｐの量は、各フィーダボックス４０から落下する粉末Ｐの流動特性やキャビティ１２の位置等の諸条件が異なることに起因して異なることは前述の通りである。そこで本実施形態では、まず、事前に各キャビティ１２への粉末Ｐの充填量の特性を調査し、３つのキャビティ１２を、図２に示すように、粉末Ｐが最も充填されにくいキャビティ１２Ａ（左側のキャビティ１２）、粉末Ｐが最も充填されやすいキャビティ１２Ｃ（図中、中央のキャビティ１２）、これらの中間のキャビティ１２Ｂ（右側のキャビティ１２）として把握したとする。粉末Ｐの充填のされやすさはキャビティ１２での粉末Ｐの充填密度と相関し、充填されやすいほど充填密度は高いことになる。

そして、粉末Ｐを充填する前に、各下パンチ３１の高さ位置を、粉末Ｐが最も充填されにくい方のキャビティ１２Ａ、すなわち充填密度が低い方のキャビティ１２Ａから順に高くするように調節する。すなわち、キャビティ１２Ａに嵌入される下パンチ３１を最も低くし、次いでキャビティ１２Ｂに嵌入される下パンチ３１をその次に高くし、キャビティ１２Ｃに嵌入される下パンチ３１を最も高く設定する。下パンチ３１の高さ位置の調節は、所望の高さになる位置にナット部材６５の高さを調節し、エア室３２にエアを供給して下パンチ台６１を浮上させ、下パンチ台６１をナット部材６５の環状庇部６５ａに当接させることでなされる。

この場合、最も低くするキャビティ１２Ａの下パンチ３１においては、下パンチ台６１がストッパ部３３に当接する最も下降した位置に位置付けている。このように下パンチ３１の高さ位置を調節することにより、キャビティ１２の深さは、下パンチ３１が低い方から順に深さが大きく、容量の大きなものとなる。

以上のように、キャビティ１２への粉末Ｐの充填量に応じてキャビティ１２の深さ（容量）を調節した後、各フィーダボックス４０を作動させて各キャビティ１２に粉末Ｐを充填する。次いで、図３に示すように各キャビティ１２（１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）に上パンチ５１を嵌入するとともに下パンチ３１をベースプレート３０ごと上昇させ、上下のパンチ５１，３１によりキャビティ１２内の粉末Ｐを圧縮する。粉末Ｐが圧縮されると上パンチ５１の圧力により粉末Ｐを介して下パンチ３１はエア室３２内の圧縮エアに抗して下降し、下パンチ台６１がベースプレート３０のストッパ部３３に当接する。これにより、全ての下パンチ３１は一定の高さ位置に支持され、全てのキャビティ１２の容量が一定となる。すなわち、粉末Ｐの圧縮成形体（圧粉体）のサイズが均一になる。

粉末Ｐが圧縮されたら、図４に示すように上パンチ５１をキャビティ１２から抜き出して上方に退避させるとともに下パンチ３１を上昇させて、円筒状の圧粉体Ｐ１をダイス孔１１ａから上方に抜き出す。これにより、複数（３つ）の圧粉体Ｐ１を同時に得る。

［３］作用効果
本実施形態の金型装置によれば、圧縮エアにより下パンチ台６１を介して上方に付勢した下パンチ３１の高さ位置を、ナット部材６５で任意の位置に規制し、これにより各キャビティ１２の深さ（容量）を異ならせた状態でそれらキャビティ１２に粉末Ｐを充填し、次いで上下のパンチ５１，３１でキャビティ１２内の粉末Ｐを圧縮することにより圧粉体Ｐ１が成形される。ここで、キャビティ１２ごとにフィーダボックス４０からの粉末充填量を予め把握しておき、その充填量に応じて圧縮成形時の下パンチ３１の高さ位置に基づくキャビティ１２の容量を調節することにより、各キャビティ１２において均一な成形密度の圧粉体を成形することができる。よって、成形密度のばらつきが抑えられ安定した品質の圧粉体を得ることができる。

なお、圧粉体の密度は、各キャビティ１２のうち、充填される粉末Ｐの密度が最も低いキャビティ１２Ａで圧縮成形される圧粉体に合わせている。これにより、上記のようにキャビティ１２Ａの下パンチ３１を最も低い位置に設定し、これを基準として他の２つのキャビティ１２（１２Ｂ，１２Ｃ）の容量をキャビティ１２Ａよりも適宜に小さくすれば、全てのキャビティ１２で圧縮される圧粉体の密度を均一にすることができる。もし、密度が最も高い方のキャビティ１２（１２Ｃ）で成形される圧粉体に合わせる場合には、他のキャビティ１２（１２Ａ，１２Ｂ）の容量を大きくする必要があり、装置の大型化などを招くので好ましくはない。

１０…ダイプレート
１１ａ…ダイス孔
１２…キャビティ
３１…下パンチ
３２…エア室（下パンチ付勢手段）
３３…ストッパ部（下パンチ支持手段）
４０…フィーダボックス
５１…上パンチ
６１…下パンチ台（下パンチ付勢手段）
６５…ナット部材（下パンチ位置規制手段）
Ｐ…粉末

Claims

上下方向に貫通する複数のダイス孔を有するダイプレートと、
前記ダイス孔に下方から嵌入され、該ダイス孔に上方に開口するキャビティを形成する下パンチと、
前記ダイプレート上を前記ダイス孔の開口に対して進退自在に設けられ、進出時に、自身の内部に供給されている粉末を前記キャビティに落下させて充填するフィーダボックスと、
前記ダイス孔に上方から嵌入され、前記下パンチとともに前記キャビティに充填された粉末を圧粉体に圧縮成形する上パンチと、
前記圧縮成形時に全ての前記下パンチを一定の高さ位置に支持する下パンチ支持手段と、
前記フィーダボックスによる前記キャビティへの粉末充填時において、前記下パンチを前記一定の高さ位置より上方に付勢してキャビティの容量を可変とするとともに、前記圧縮成形時には前記下パンチの下降を許容して該下パンチを前記一定の高さ位置に位置付け得る下パンチ付勢手段と、
この下パンチ付勢手段で上方に付勢される前記下パンチを任意の高さ位置に規制するとともに下降は可能とする下パンチ位置規制手段と、
を具備することを特徴とする粉末成形金型装置。
前記下パンチ位置規制手段によって規制される前記下パンチの高さ位置は、前記各キャビティに充填される粉末の密度に応じた位置であって、前記圧縮成形後の前記圧粉体の成形密度を全てのキャビティにおいて均一にし得る位置であることを特徴とする請求項１に記載の粉末成形金型装置。
前記圧粉体の密度は、前記各キャビティのうち、充填される粉末の密度が最も低いキャビティで圧縮成形される圧粉体に合わせられることを特徴とする請求項２に記載の粉末成形金型装置。
前記下パンチ付勢手段は圧縮エアを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粉末成形金型装置。