JP5717037B2 - 粉末成形用の金型および粉末成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末成形用の金型およびこの金型を用いた粉末成形体の製造方法に関する。

一般に、粉末を圧縮して粉末成形体を製造する粉末成形用の金型として、上下方向に貫通する中空部を有するダイと、このダイの中空部に摺動可能に挿入される下パンチと、下パンチの上方に対向して設けられる上パンチと、下パンチに形成された貫通孔から上パンチに向けて突出した状態に設けられるコアロッドとを有するものが知られている（例えば、特許文献１）。

この金型を使用すると、コアロッドの外周とダイの内周との間に形成されるキャビティに充填した粉末を、上パンチと下パンチとで圧縮することによって、コアロッドに対応した形状の垂直穴をもつ粉末成形体を製造することができる。また、下パンチを、高さの異なる複数の分割パンチで構成し、その分割パンチの間に段差を形成することで、段差を介して隣接する薄肉部と厚肉部をもつ粉末成形体を製造することができる。

特許第５０７０６２６号公報

ところで、本願の発明者は、上記のような粉末成形体として、図５に示すように、段差を介して隣接する薄肉部と厚肉部をもち、かつ薄肉部に垂直穴をもつ粉末成形体を社内で試作した。

この試作で用いた粉末成形用の金型を図６および図７に示す。この金型は、上下方向に貫通する中空部２１を有するダイ２２と、ダイ２２の中空部２１に摺動可能に挿入された下１パンチ２３と、下１パンチ２３との間で段差を形成するように下１パンチ２３に対して低く配置された下２パンチ２４と、下１パンチ２３および下２パンチ２４の上方に対向して設けられた上パンチ２５と、下１パンチ２３の貫通孔２３ａから上パンチ２５に向けて突出した状態に設けられたサイドコアロッド２６とを有する。

次に、この金型を用いた粉末成形体の製造方法を説明する。図７に示すように、サイドコアロッド２６の外周とダイ２２の内周との間に形成されるキャビティ２７に粉末２８を充填する。そして、図８に示すように、上パンチ２５と下１パンチ２３と下２パンチ２４とで粉末２８を圧縮することにより、図５に示す粉末成形体１０を得ることができる。このとき、下１パンチ２３と上パンチ２５の間に粉末成形体１０の薄肉部１１が形成され、下２パンチ２４と上パンチ２５の間に粉末成形体１０の厚肉部１２が形成される。また、下１パンチ２３と下２パンチ２４の間の段差部分２９で、薄肉部１１と厚肉部１２の間の段差１３が形成される。下１パンチ２３の貫通孔２３ａから突出するサイドコアロッド２６で、薄肉部１１の垂直穴１４が形成される。

本願の発明者が、上述の試作により得られた粉末成形体１０の寸法精度を評価したところ、垂直穴１４の精度（特に直角度）に改善の余地があることが分かった。例えば、垂直穴１４の内径を３〜５ｍｍ、垂直穴１４の長さを１０〜１５ｍｍとしたときに、垂直穴１４の一端が他端に対して３０〜３５μｍ程度水平にずれるケースがあることが分かった。

そして、この垂直穴１４の精度（特に直角度）が、他の箇所の精度に比べて低い原因を研究したところ、下１パンチ２３が下２パンチ２４の上方の粉末２８から受ける水平方向の内圧と、下１パンチ２３とダイ２２の間のクリアランスとが、垂直穴１４の精度低下に影響していることを見出した。以下、具体的に説明する。

粉末成形用の金型を設計するに際しては、一般に、クリアランスが設けられる。例えば、図６および図７に示すように、下１パンチ２３とダイ２２の間、下２パンチ２４とダイ２２の間、下１パンチ２３と下２パンチ２４の間、サイドコアロッド２６と下１パンチ２３の間にそれぞれ、１５〜２０μｍ程度のクリアランス（キャビティ２７に充填する粉末２８の粒径よりも小さいクリアランス）が一律に設けられる。図では、分かりやすくするため、これらのクリアランスを誇張してあらわしているが、実際には、１５〜２０μｍ程度のきわめて微小なものである。

そして、上パンチ２５と下１パンチ２３と下２パンチ２４とで粉末２８を圧縮したとき、図８、図９の矢印に示すように、下１パンチ２３は、下２パンチ２４の上方の粉末２８から水平方向の内圧を受け、この内圧によって下１パンチ２３がダイ２２とのクリアランスの範囲内で水平に移動する。このとき、下１パンチ２３の上面に沿った領域にある粉末２８が、下１パンチ２３の上面との摩擦によって、下１パンチ２３と一緒に水平に移動し、この移動する粉末２８に押されてサイドコアロッド２６が僅かに傾き、その結果、粉末成形体１０の垂直穴１４の精度が他の箇所の精度に比べて低くなるものと考えられる。

本発明は、上記の事情を考慮し、段差を介して隣接する薄肉部と厚肉部をもち、かつ薄肉部に垂直穴をもつ粉末成形体を製造するときに、垂直穴の精度を向上させることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明では、以下の構成を採用した粉末成形用の金型を提案する。
上下方向に貫通する中空部を有するダイと、
前記ダイの中空部に摺動可能に挿入され、前記ダイの内周全周のうち一部を除いた部分に接する形状をもつ下１パンチと、
前記下１パンチの外周と前記ダイの内周との間の領域に前記下１パンチに隣接して設けられ、前記下１パンチとの間で段差を形成するように前記下１パンチに対して低く配置される下２パンチと、
前記下１パンチおよび前記下２パンチの上方に対向して設けられる上パンチと、
前記下１パンチに形成した貫通孔に挿入され、その貫通孔から前記上パンチに向けて突出した状態に設けられるコアロッドとを有し、
前記下１パンチの外周全周のうち前記下２パンチに隣接する部分とは反対側の部分と、前記ダイとを両者の間のクリアランスがゼロとなるように当接させる。

本発明によれば、段差を介して隣接する薄肉部と厚肉部をもち、かつ薄肉部に垂直穴をもつ粉末成形体を製造するときに、高い精度をもって垂直穴を形成することができる。

本発明の粉末成形用の金型の一実施形態を示す平面図 図１のII−II線に沿った断面図 図２に示すキャビティに充填された粉末を上パンチと下１パンチと下２パンチとで圧縮した状態を示す断面図 本発明の粉末成形用の金型の他の実施形態を示す平面図 図１の金型で製造された粉末成形体を示す斜視図 参考例の金型を示す平面図 図６のVII−VII線に沿った断面図 図７に示すキャビティに充填された粉末を上パンチと下１パンチと下２パンチとで圧縮した状態を示す断面図 図８に示す状態での下１パンチの移動を説明する平面図

［本発明の実施形態の説明］
（１）本発明の実施形態である粉末成形用の金型は、
上下方向に貫通する中空部を有するダイと、
前記ダイの中空部に摺動可能に挿入され、前記ダイの内周全周のうち一部を除いた部分に接する形状をもつ下１パンチと、
前記下１パンチの外周と前記ダイの内周との間の領域に前記下１パンチに隣接して設けられ、前記下１パンチとの間で段差を形成するように前記下１パンチに対して低く配置される下２パンチと、
前記下１パンチおよび前記下２パンチの上方に対向して設けられる上パンチと、
前記下１パンチに形成した貫通孔に挿入され、その貫通孔から前記上パンチに向けて突出した状態に設けられるコアロッドとを有する粉末成形用の金型であって、
前記下１パンチの外周全周のうち前記下２パンチに隣接する部分とは反対側の部分と、前記ダイとを両者の間のクリアランスがゼロとなるように当接させた粉末成形用の金型である。
この構成を採用すると、前記下１パンチの外周全周のうち前記下２パンチに隣接する部分とは反対側の部分と、前記ダイとを両者の間のクリアランスがゼロとなるように当接しているので、下１パンチが、下２パンチに隣接する側から押圧されたときに、下１パンチとダイの当接部分で下１パンチの移動が阻止され、下１パンチの移動を防ぐことができる。
そのため、コアロッドの外周とダイの内周との間の空間に充填した粉末を、上パンチと下１パンチと下２パンチとで圧縮したときに、下２パンチの上方の粉末から受ける水平方向の内圧によって下１パンチが移動するのを防止することができる。この結果、下１パンチの上面に沿った領域での粉末の水平移動を防止して、粉末成形体の垂直穴の精度を確保することが可能となる。
（２）前記下１パンチと前記ダイの当接する範囲を、前記下１パンチの外周全周のうちの１／４以上、１／２未満とすると好ましい。１／４以上とすると、下１パンチの外周が広い範囲でダイに支持されるので、下１パンチの位置がきわめて安定したものとなり、粉末成形体の垂直穴の精度を、安定して確保することが可能となる。また、１／２未満とすると、金型を組み立てる際に、ダイの中空部に下１パンチを挿入する作業が容易となる。
（３）また、本発明の実施形態である粉末成形体の製造方法は、
上下方向に貫通する中空部を有するダイと、
前記ダイの中空部に摺動可能に挿入され、前記ダイの内周全周のうち一部を除いた部分に接する形状をもつ下１パンチと、
前記下１パンチの外周と前記ダイの内周との間の領域に前記下１パンチに隣接して設けられ、前記下１パンチとの間で段差を形成するように前記下１パンチに対して低く配置される下２パンチと、
前記下１パンチおよび前記下２パンチの上方に対向して設けられる上パンチと、
前記下１パンチに形成した貫通孔に挿入され、その貫通孔から前記上パンチに向けて突出した状態に設けられるコアロッドとを使用し、
前記コアロッドの外周と前記ダイの内周との間に形成されるキャビティに充填した粉末を、前記上パンチと前記下１パンチと前記下２パンチとで圧縮することにより、段差を介して隣接する薄肉部と厚肉部をもち、かつ前記薄肉部に垂直穴をもつ粉末成形体を製造する粉末成形体の製造方法であって、
前記下１パンチの外周全周のうち前記下２パンチに隣接する部分とは反対側の部分と、前記ダイとを両者の間のクリアランスがゼロとなるように当接させた粉末成形体の製造方法である。
この構成を採用すると、前記下１パンチの外周全周のうち前記下２パンチに隣接する部分とは反対側の部分と、前記ダイとを両者の間のクリアランスがゼロとなるように当接しているので、下１パンチが、下２パンチに隣接する側から押圧されたときに、下１パンチとダイの当接部分で下１パンチの移動が阻止され、下１パンチの移動を防ぐことができる。
そのため、コアロッドの外周とダイの内周との間の空間に充填した粉末を、上パンチと下１パンチと下２パンチとで圧縮したときに、下２パンチの上方の粉末から受ける水平方向の内圧によって下１パンチが移動するのを防止することができる。この結果、下１パンチの上面に沿った領域での粉末の水平移動を防止して、粉末成形体の垂直穴の精度を確保することが可能となる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態にかかる粉末成形用の金型の具体例とこの金型を用いた粉末成形体の製造方法を、図１から図３を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１、図２に示すように、本発明の実施形態にかかる粉末成形用の金型は、上下方向に貫通する中空部１を有するダイ２と、ダイ２の中空部１に摺動可能に挿入された下１パンチ３と、下１パンチ３との間で段差を形成するように下１パンチ３に対して低く配置された下２パンチ４と、下１パンチ３および下２パンチ４の上方に対向して設けられた上パンチ５と、下１パンチ３の貫通孔３ａから上パンチ５に向けて突出した状態に設けられたサイドコアロッド６とを有する。サイドコアロッド６は、上下方向に真っ直ぐに延びる中実の柱体である。

ダイ２と上パンチ５、ダイ２と下１パンチ３、ダイ２と下２パンチ４、下１パンチ３と下２パンチ４は、それぞれ上下方向に相対移動可能となるように、図示しないプレス装置の下ラム、上ラム、基台等にそれぞれ支持されている。

図１に示すように、ダイ２の中空部１は、非円形の輪郭を有する異形形状とされている。下１パンチ３は、ダイ２の内周全周に接する形状ではなく、ダイ２の内周全周のうち一部（図では下２パンチ４と接する部分）を除いた部分に接する形状とされている。下２パンチ４は、下１パンチ３の外周とダイ２の内周との間の領域に下１パンチ３に隣接して設けられている。サイドコアロッド６は、下１パンチ３の上面の下２パンチ４に近い側の位置に配置されている。

下２パンチ４とダイ２の間、下１パンチ３と下２パンチ４の間、サイドコアロッド６と下１パンチ３の間には、１５〜２０μｍ程度のクリアランス（例えば１５ミクロン）がそれぞれ設けられている。図では、分かりやすくするため、これらのクリアランスを誇張してあらわしているが、実際には、１５〜２０μｍ程度のきわめて微小なものである。

下１パンチ３とダイ２の間にも、下１パンチ３の外周全周のうち下２パンチ４に隣接する部分とは反対側の部分３ｂを除いて、１５〜２０μｍ程度のクリアランス（例えば１５ミクロン）が設けられている。一方、下１パンチ３の外周全周のうち下２パンチ４に隣接する部分とは反対側の部分３ｂは、ダイ２と当接している。すなわち、下１パンチ３の外周全周のうち下２パンチ４に隣接する部分とは反対側の部分３ｂとダイ２との間のクリアランスがゼロとなっている。

ここにいうクリアランスは、金型の動き代である。また、下１パンチ３の外周全周のうち下２パンチ４に隣接する部分とは反対側の部分３ｂとダイ２との間のクリアランスがゼロであるというためには、図１の矢印に示すように、下１パンチ３が下２パンチ４に接する領域から均一の圧力を受けたと仮定したときに、下１パンチ３に作用する合力の方向のクリアランスがゼロであればよい。また、ゼロとは、数学的に厳密な意味でのゼロであることを要求するものではなく、例えば５μｍ未満の製造上の誤差を許容する意味でのゼロである。

次に、この金型を用いた粉末成形体の製造方法を説明する。まず、図２に示すように、サイドコアロッド６の外周とダイ２の内周との間に形成されるキャビティ７に粉末８を充填する。次に、図３に示すように、上パンチ５と下１パンチ３と下２パンチ４を上下方向に相対移動させて、粉末８を圧縮する。ここで、上パンチ５と下１パンチ３と下２パンチ４を相対移動させる具体的態様としては、例えば、ダイ２を固定した状態で、上パンチ５を下降させるとともに、下１パンチ３と下２パンチ４を上昇させる（ただし下２パンチ４の上昇距離は下１パンチ３の上昇距離よりも大きくする）態様や、下２パンチ４を固定した状態で、上パンチ５を下降させるとともに、ダイ２と下１パンチ３を上パンチ５よりも遅い速度で下降させる態様などが挙げられる。

そして、この粉末８の圧縮によって、図５に示す粉末成形体１０が得られる。このとき、下１パンチ３と上パンチ５の間には、粉末成形体１０の薄肉部１１が形成され、下２パンチ４と上パンチ５の間には、粉末成形体１０の厚肉部１２が形成される。また、下１パンチ３と下２パンチ４の間の段差部分９で、薄肉部１１と厚肉部１２の間の段差１３が形成される。下１パンチ３の貫通孔３ａから突出するサイドコアロッド６で、薄肉部１１を上下に貫通する垂直穴１４が形成される。

ところで、図３に示すように、上パンチ５と下１パンチ３と下２パンチ４とで粉末８を圧縮したとき、下１パンチ３と下２パンチ４の間の段差部分９は、下２パンチ４の上方の粉末８から水平方向の内圧を受け、この内圧によって下１パンチ３が水平に移動するおそれがある。しかし、この実施形態の金型は、下１パンチ３の外周全周のうち下２パンチ４に隣接する部分とは反対側の部分３ｂと、ダイ２とを両者の間のクリアランスがゼロとなるように当接しているので、下２パンチ４の上方の粉末８から受ける水平方向の内圧によって下１パンチ３が移動するのを防止することができる。この結果、下１パンチ３の上面に沿った領域での粉末８の水平移動を防止して、粉末成形体１０の垂直穴１４の精度を確保することが可能となる。

例えば、図６のように、下１パンチの外周全周のうち下２パンチに隣接する部分とは反対側の部分３ｂと、ダイとの間にクリアランスを設けた金型を使用して、図５に示す粉末成形体１０を製造すると、垂直穴１４の内径が３〜５ｍｍ、垂直穴１４の長さが１０〜１５ｍｍのとき、垂直穴１４の一端の他端に対する水平方向のずれ量が、３０〜３５μｍ程度となる。これに対し、この実施形態の金型を使用して粉末成形体１０を製造すると、垂直穴１４の一端の他端に対する水平方向のずれ量を、１５〜２０μｍ程度に抑えることができる。

また、この実施形態の金型は、上パンチ５と下１パンチ３と下２パンチ４とで粉末８を圧縮したときに、下２パンチ４の上方の粉末８から受ける内圧によって下１パンチ３が水平に移動するのを防止することができるので、金属疲労による下１パンチ３やサイドコアロッド６の折損が生じにくく、耐久性に優れている。

下１パンチ３とダイ２の当接する範囲は、下１パンチ３の外周全周のうちの１／４以上、１／２未満とすると好ましい。例えば、下１パンチ３の外周全周のうち下２パンチ４に隣接する部分とは反対側の部分３ｂとダイ２との間のクリアランスをゼロとするために、図４のように、下１パンチ３の外周にダイ２と当接する突起３ｃを形成することも可能である。この場合、下１パンチ３とダイ２の当接する範囲が、下１パンチ３の外周全周のうちの１／４未満となる。これに対し、図１のように、下１パンチ３とダイ２の当接する範囲を下１パンチ３の外周全周のうちの１／４以上とすると、下１パンチ３の外周が広い範囲でダイ２に支持されるので、下１パンチ３の位置がきわめて安定したものとなる。そのため、粉末成形体１０の垂直穴１４の精度を、安定して確保することが可能となる。また、下１パンチ３とダイ２の当接する範囲を、下１パンチ３の外周全周のうちの１／２以上とすると、クリアランスがゼロとなる範囲が広過ぎて、金型の組み立てが困難となる可能性があるが、図１のように、下１パンチ３とダイ２の当接する範囲を下１パンチ３の外周全周のうちの１／２未満とすると、金型を組み立てる際に、ダイ２の中空部１に下１パンチ３を挿入する作業が容易となる。

上記実施形態では、コアロッドとして１本のサイドコアロッド６をもつ金型を例に挙げて説明したが、本発明は、複数本のコアロッドをもつ金型にも適用することができる。例えば、サイドコアロッド６とは別に、サイドコアロッド６よりも直径の大きいセンターコアロッドを更に有する金型にも適用することが可能である。

１ 中空部
２ ダイ
３ 下１パンチ
３ａ 貫通孔
３ｂ 下１パンチの外周全周のうち下２パンチに隣接する部分とは反対側の部分
３ｃ 突起
４ 下２パンチ
５ 上パンチ
６ サイドコアロッド
７ キャビティ
８ 粉末
９ 段差部分
１０ 粉末成形体
１１ 薄肉部
１２ 厚肉部
１３ 段差
１４ 垂直穴
２１ 中空部
２２ ダイ
２３ 下１パンチ
２３ａ 貫通孔
２４ 下２パンチ
２５ 上パンチ
２６ サイドコアロッド
２７ キャビティ
２８ 粉末
２９ 段差部分

Claims (3)

1. 上下方向に貫通する中空部を有するダイと、
   前記ダイの中空部に摺動可能に挿入され、前記ダイの内周全周のうち一部を除いた部分に接する形状をもつ下１パンチと、
   前記下１パンチの外周と前記ダイの内周との間の領域に前記下１パンチに隣接して設けられ、前記下１パンチとの間で段差を形成するように前記下１パンチに対して低く配置される下２パンチと、
   前記下１パンチおよび前記下２パンチの上方に対向して設けられる上パンチと、
   前記下１パンチに形成した貫通孔に挿入され、その貫通孔から前記上パンチに向けて突出した状態に設けられるコアロッドとを有する粉末成形用の金型であって、
   前記下１パンチの外周全周のうち前記下２パンチに隣接する部分とは反対側の部分と、前記ダイとを両者の間のクリアランスがゼロとなるように当接させた粉末成形用の金型。
2. 前記下１パンチと前記ダイの当接する範囲を、前記下１パンチの外周全周のうちの１／４以上、１／２未満とした請求項１に記載の粉末成形用の金型。
3. 上下方向に貫通する中空部を有するダイと、
   前記ダイの中空部に摺動可能に挿入され、前記ダイの内周全周のうち一部を除いた部分に接する形状をもつ下１パンチと、
   前記下１パンチの外周と前記ダイの内周との間の領域に前記下１パンチに隣接して設けられ、前記下１パンチとの間で段差を形成するように前記下１パンチに対して低く配置される下２パンチと、
   前記下１パンチおよび前記下２パンチの上方に対向して設けられる上パンチと、
   前記下１パンチに形成した貫通孔に挿入され、その貫通孔から前記上パンチに向けて突出した状態に設けられるコアロッドとを使用し、
   前記コアロッドの外周と前記ダイの内周との間に形成されるキャビティに充填した粉末を、前記上パンチと前記下１パンチと前記下２パンチとで圧縮することにより、段差を介して隣接する薄肉部と厚肉部をもち、かつ前記薄肉部に垂直穴をもつ粉末成形体を製造する粉末成形体の製造方法であって、
   前記下１パンチの外周全周のうち前記下２パンチに隣接する部分とは反対側の部分と、前記ダイとを両者の間のクリアランスがゼロとなるように当接させた粉末成形体の製造方法。

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