JP5649415B2

JP5649415B2 - 粉体プレス成型用金型

Info

Publication number: JP5649415B2
Application number: JP2010260906A
Authority: JP
Inventors: 櫻井　弘樹; 弘樹櫻井; 利幸水越
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: JP2011194468A

Description

本発明は、粉体成型材料をプレス加工するための粉体プレス成形用金型に関するものである。

粉体を所定形状にプレスして成形する粉体プレス成形において、金型はプレス装置に装着され、分割された金型内に粉状の成形材料を投入し、プレスして成形品を得ている。この粉体プレス品は、安定した生産が可能であり、さらに金型も安価であることから、広く用いられている。

従来の筒状成形品を成形する粉体プレス成型金型２０は、図４に示すように筒状のダイ２１と、上面にコアピン２２ａを備え、ダイ２１の内側を上下動可能な下パンチ２２と、上下方向に貫通孔２３ａを有し、ダイ２１の内側を上下動可能な筒状の上パンチ２３とを具備した構造となっていた（たとえば、特許文献1参照）。

そして、筒状のダイ２１の内側下部に下パンチ２２を配置し、成形原料を投入した後、ダイ２１の上部から上パンチ２３をコアピン２２ａが貫通孔２３ａ内に挿入されるようにして下降させ、上パンチ２３と下パンチ２２とから成形原料に圧力を加えてプレス成型をしていた。

実開平３−８１２９８号公報

しかしながら、コアピン２２ａと貫通孔２３ａとの間に設けられたクリアランス、上パンチ２３および下パンチ２２とダイ２１の内側との間に設けられたクリアランスがあることから、上パンチ２３と下パンチ２２とを上下動させるとき、各々のクリアランスから原料が逃げて、その部分に十分な圧力が伝わらないという問題があった。このため、成形体の貫通孔２３ａ付近および外周部の成形体密度が疎になってしまう場合があった。

このような状態で例えばセラミック粉体をプレス成形し、成形品を焼成した場合、成形品の内部に疎密な部分が混在するため、焼成時に変形し易い。酷い場合は、密度差により焼成品にクラックが生じる場合もあった。また、焼成後に変形した部分を研磨加工して修正していたが、変形量が大きい場合には、非常に時間のかかる工程となっていた。

この問題を避けるため、各々のクリアランスを小さくすると、ダイ２１内部から空気を逃がし難くなり、成形加工が行ない難くなるという問題も生じ、クリアランスをあまり小さくできないという問題もあった。

したがって、本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、成形体に均一な圧力を加えることによって、高精度な成形品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一実施形態に係る粉体プレス成型用金型は、無機物粉体を所定形状に成形する粉体プレス成型用金型であって、筒状のダイと、上面にコアピンを備え、前記ダイの内側を上下動可能な下パンチと、上下方向に貫通孔を有し、この貫通孔の下部に前記貫通孔の内径よりも小さい内径の前記コアピンを受ける孔を有し、この孔の長さが前記貫通孔の内周面位置における厚みよりも長いコアピン受け部を備え、前記ダイの内側を上下動可能な筒状の上パンチとを具備したことを特徴とする。

また、上記粉体プレス成型用金型において、前記コアピン受け部の下面の孔の開口部に成形体を前記孔に誘導するカット面を備えているのが好ましい。

また、上記粉体プレス成型用金型において、前記コアピン受け部の前記孔の直径ｄは、前記貫通孔の内径Ｄに対し、Ｄ≧３ｄであるのが好ましい。

また、上記粉体プレス成型用金型において、前記コアピン受け部の周回方向の厚みを異ならせるのが好ましい。

また、上記粉体プレス成型用金型において、前記上パンチの外周が、前記ダイの内周面に接する多角形状としてもよい。

本発明の粉体プレス成型用金型によれば、上面にコアピンを備え、ダイの内側を上下動可能な下パンチと、上下方向に貫通孔を有し、この貫通孔の下部にコアピンを受ける孔を有したコアピン受け部を備え、ダイの内側を上下動可能な筒状の上パンチとを具備したことから、コアピン受け部の孔にコアピン先端部を挿入して上パンチと下パンチとを上下動させ、成形原料に圧力を加えるときに、コアピン受け部が成形原料を保持して圧力が逃げ難いので、密度差の少ない成形品を得ることができる。また、コアピン受け部が変形してコアピンとの間にクリアランスを生じさせ、金型内部の空気を逃がすことができる。

（ａ）は本発明の粉体プレス成型用金型の実施の形態の一例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の上パンチの下面図である。（ａ）は本発明の粉体プレス成型用金型の実施の形態の他の例における上パンチの要部拡大断面図、（ｂ）はさらに他の例における上パンチの下面図である。は本発明の粉体プレス成型用金型の実施の形態の他の例における上パンチの下面図である。従来の粉体プレス成型用金型の例を示す断面図である。

以下、本発明の粉体プレス成型用金型の実施の形態の各例について図面を用いて説明する。

図１は本発明の粉体プレス成型用金型の実施の形態の一例を示し、（ａ）は中心軸を含む面における縦断面図、（ｂ）は上パンチ３の下面図である。図１（ａ）に示すように、粉体プレス成型用金型１０は、筒状のダイ１と、ダイ１の内部１ａの下方でダイ１内を上下動可能な下パンチ２と、ダイ１の内部１ａの上方でダイ１内を上下動可能な上パンチ３
とを備えている。下パンチ２は、上面にコアピン２ａを備えている。上パンチ３は、上下方向に貫通孔３ａを有し、貫通孔３ａの下部、すなわち上パンチ３の下端にコアピン２ａの先端部を受けるコアピン受け部４を備えている。コアピン受け部４は、上パンチ３と一体に切削加工されるか、または上パンチ３の下部に接合することによって形成され、中央軸心にコアピン２ａの先端が挿入される孔４ａを有している。孔４ａは、貫通孔３ａの内径よりも小さく、コアピン２ａの外径よりも少し大きい内径を有しており、貫通孔３ａと連通している。上パンチ３の軸方向におけるコアピン受け部４の長さＬ１は貫通孔３ａの長さよりもはるかに短く、コアピン受け部４は軸方向に可撓性を有する。

そして、粉体をプレス成形する場合は、ダイ１の内部１ａの下側から下パンチ２の上部を挿入し、次にダイ１の上側から内部１ａ内に粉状の成形用材料を投入し、上パンチ３をその上から内部１ａ内に挿入する。さらに、下パンチ２を上方向に移動させるとともに、上パンチ３を下方向に移動させて成形用材料に圧力を加える。このとき、上パンチ３のコアピン受け部４の孔４ａにコアピン２ａの先端部が挿入されるようにされている。このようにして、成形用材料は所定の筒形状にプレス成形される。

粉体プレス用の成形用材料としては、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ_２）質セラミックス，アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックス，窒化珪素（ＳｉＮ）質セラミックス等となるセラミックス粉末材料の混合物に分散剤および可塑剤を混合し、スプレードライ法で顆粒状にしたものが用いられる。可塑剤には熱可塑性のバインダーを用いてもよく、圧力を加えながら熱を加えて成形することができる。その他、鋼，ステンレス，銅等の金属材料を用いたメタルインジェクションモールディング（ＭＩＭ）等による無機物粉体成形材料にも用いることもできる。

従来構造の粉体プレス成型用金型２０であれば、上パンチ２３および下パンチ２２の外周とダイ２１の内側との間に４μｍ〜６μｍ程度のクリアランスが設けられていた。また、上パンチ２３の貫通孔２３ａとコアピン２２ａとの間に４μｍ〜６μｍ程度のクリアランスが設けられていた。プレス成形の過程で、これらクリアランスのための間隙から成形用材料が逃げるため、これら部分で成形用材料に十分な圧力が加わらなかった。

また、従来の粉体プレス成型用金型２０においては、これらクリアランスのための間隙を通じて金型内部の空気を逃がすようにしていた。ダイ２１の内部に空気が残っていると、成形用材料に空気が含まれてしまい、成形体を精度良く成形できない。

これに対し、本発明の一実施形態に係る粉体プレス成型用金型１０においては、上パンチ３の外周および下パンチ２の外周とダイ１の内周との間のクリアランスが１μｍ以下とされ、コアピン受け部４の孔４ａとコアピン２ａとの間のクリアランスが1μｍ以下とさ
れている。したがって、高粘度の成形用材料がクリアランスのための間隙から逃げ難く、成形用材料に十分な圧力を加えて成形できる。

また、粉体プレス成型は、上パンチ３と下パンチ２との上下圧力により成形している。そのため、ダイ１内に空気が残っていれば、空気の影響で成形用材料にしっかりと圧力が伝わらないため、うまく成形されない。空気が成形用材料の粒子間に内在している場合には、成形品の内部に疎密が生じてしまい、焼成中に変形を生じる原因となったり、クラックが生じる原因となったりすることもある。

本発明の一実施形態に係る粉体プレス成型用金型１０においては、クリアランスが１μｍ以下とされているのであるが、コアピン受け部４の孔４ａにコアピン２ａの先端部が挿入されると、コアピン受け部４がコアピン２ａの軸方向に変形し、孔４ａとコアピン２ａとの間の間隙が大きくなる。この間隙を通じて空気を逃がすことができる。一方で、成形
用材料は顆粒状であって顆粒の粒径が大きいので、金型キャビティー内に留められる。したがって、精度の良い成形体を得ることができる。

このように、粉体プレス成型用金型１０を用いることにより、コアピン２ａとコアピン受け部４との間、上パンチ３とダイ１との間、および下パンチ２とダイ１との間に生じる間隙部分でも成形用材料に十分な圧力を加えて成形することができる。また、成形体の内部に空気が内在しにくいので、ボイドが少なく、均一な密度の成形体を得ることができる。これによって、焼成時の変形が少なく、クラックが生じ難い成形体を得ることができる。また、焼成時の変形が少ないことから、焼成後の研磨加工等の時間を節約することができ、変形部分を加工するための取り代を少なくすることができ、材料節約もできる。

なお、粉体プレス成型用金型１０において、図２（ａ）に示すように、コアピン受け部４の下面の孔４ａの開口部には孔４ａに向けて孔径が次第に小さくなるカット面４ｂを形成しておくとよい。コアピン受け部４の孔４ａにコアピン２ａ先端部が挿入される際に、開口部付近にある成形用材料がカット面４ｂを通じて孔４ａ部に集まり、コアピン受け部４を上側方向に押し上げる方向の圧力が集中するので、コアピン受け部４が孔４ａ付近で上パンチ３の軸方向に変形し、空気を放出するとともに成形用材料に圧力が加えられる。

コアピン受け部４は、孔４ａにコアピン２ａが挿入されるときに、上パンチ３の軸方向に適度な可撓性を有する厚みにしておく。コアピン受け部４が上パンチ２の軸方向に変形し易くなることで、空気を放出させ易くすることができる。

また、コアピン受け部４の孔４ａの直径ｄは、図１（ｂ）に示すように、貫通孔３ａの内径Ｄの３分の１以下としておくのがよい。貫通孔３ａの内径Ｄに対しＤ＜３ｄとすると、コアピン受け部４が変形しにくく、空気逃げの効果が小さくなる。

また、図２（ａ）に示すように、コアピン受け部４の形状として、コアピン受け部４の中心軸側、または孔４ａ側の上パンチ３の軸方向における長さＬ１が、貫通孔３ａの内周面位置における前記コアピン受け部４の長さＬ２（厚みＬ２）より長くすることで、コアピン受け部４が上パンチ３の軸方向に変形し易くなり、より空気が逃げやすくなる。

また、図２（ｂ）に示すように、コアピン受け部４の下面または上面に、例えば溝４ｃを中心から外周部にかけて複数本形成する等によって、コアピン受け部４の軸を周回する方向の厚みを異ならせた構造とすることができる。これによってコアピン受け部４の可撓性を向上させることができるので、コアピン受け部４の空気弁としての機能を高めることができる。

また、図３はダイ１の軸に垂直な断面から見た上パンチ３の下面を示す。図３に示すように、上パンチ３の外周がダイ１の内周面に接する部分を多角形状にしてもよい。上パンチ３の外周面がダイ１の内周面に接しない隙間部分から空気を逃がしやすくすることができる。正多角形形状とするのが好ましく、隙間の距離等から三角形以上の多角形を選択すればよい。同様に、下パンチ２の外周面をダイ１の内周面に接する多角形状にしてもよい。図３は上パンチ３が正１０角形に形成された例を示している。

本発明の一実施形態に係る粉体プレス成型用金型１０の上パンチ３、ダイ１、コアピン２ａ、下パンチ２、コアピン受け部４には、超硬合金、ダイス鋼（ＳＫＤ），ステンレス，白金，または銅等を使用することができるが、耐摩耗性の点から超硬合金が好ましい。超硬合金は、炭化物をＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の鉄系金属で焼結した複合材料である。これら金属材料を切削加工、研削加工、または放電加工して作製される。

一例として、粉体プレス成型用金型１０の上パンチ３をタングステン（Ｗ）炭化物をコバルトで焼結した超硬合金を用いて、長さ５０ｍｍ，外径３．９９９ｍｍ，貫通孔３ａの内径１ｍｍで、コアピン受け部４の厚みＬ１が０．５ｍｍ，Ｌ２が０．２５ｍｍ、孔４ａの内径が０．１８０ｍｍのものを作製した。また、上パンチ３と同じ材料を用いて、長さ５０ｍｍ，外径３．９９９ｍｍで上端面中央に長さ２０ｍｍ，外径０．１７８ｍｍのコアピンを接合した下パンチ２を作製した。そして、内径４.０００ｍｍのダイ１の内部でジ
ルコニアセラミックス成形原料を用いて成形したところ、均一で高精度なセラミック製筒部材を得ることができた。

以上のように、本発明によれば、密度差の少ない緻密な粉体プレス成形品を得ることができ、後加工が容易で工程の少ない機械的強度の高い製品を得ることができる。

なお、本発明は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の一例では粉体プレス成形を例にしたが、射出成型または圧縮成形等にも用いることができる。

また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。

１０：粉体プレス成型用金型
１：ダイ
２：下パンチ
２ａ：コアピン
３：上パンチ
３ａ：貫通孔
４：コアピン受け部
４ａ：孔
４ｂ：カット面

Claims

無機物粉体を所定形状の成形体に成型する粉体プレス成型用金型であって、筒状のダイと、上面にコアピンを備え、前記ダイの内側を上下動可能な下パンチと、上下方向に貫通孔を有し、該貫通孔の下部に前記貫通孔の内径よりも小さい内径の前記コアピンを受ける孔を有し、該孔の長さが前記貫通孔の内周面位置における厚みよりも長いコアピン受け部を備え、前記ダイの内側を上下動可能な筒状の上パンチとを具備したことを特徴とする粉体プレス成型用金型。
前記コアピン受け部の下面の前記孔の開口部に、前記成形体を前記孔に誘導するカット面を備えていることを特徴とする請求項１記載の粉体プレス成型用金型。
前記コアピン受け部の前記孔の直径ｄは、前記貫通孔の内径Ｄに対し、Ｄ≧３ｄであることを特徴とする請求項１または２記載の粉体プレス成型用金型。
前記コアピン受け部の周回方向の厚みが異なっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の粉体プレス用金型。
前記上パンチの外周が、前記ダイの内周面に接する多角形状であることを特徴とする請求項1乃至４のいずれかに記載の粉体プレス用金型。