JP6071133B2

JP6071133B2 - 冷間塑性加工装置

Info

Publication number: JP6071133B2
Application number: JP2013073568A
Authority: JP
Inventors: 小林　隆; 小林　　隆; 研治櫻木
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014196551A

Description

本発明は、金属粉体に対して冷間塑性加工を施す装置に関するものである。

合金を製造する方法として、バルクメカニカルアロイング法が知られている。

バルクメカニカルアロイング法として、特許文献１には、途中から広くなる柱状の内部空間を有する外部金型と、内部空間の広い側に上下動自在に嵌合する柱状金型Ａと、内部空間の狭い側に上下動自在に嵌合する柱状金型Ｂとからなる金型を用いる方法が開示されている。外部金型の内部空間では、柱状金型Ａと柱状金型Ｂによって粉末原料の圧縮と押し出しが繰り返される。

特開２００２−２９８８３６号公報

特許文献１に開示の金型では、外部金型内にて柱状金型の上下動が繰り返される過程で、外部金型の内周に金属粉末が付着し、外部金型内周と柱状金型外周との摩擦力が次第に増加する。この場合、柱状金型を上下動させるための荷重が増加してしまうため、定期的に外部金型の内周に付着した金属粉末を除去する作業が必要となる。したがって、効率良く合金を製造することができない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、金属の粉体に対して冷間塑性加工を効率良く施すことができる冷間塑性加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、金属の粉体に対して冷間塑性加工を施す冷間塑性加工装置であって、粉体が収容されるダイと、前記ダイの内周に沿って移動し、粉体に対してせん断塑性ひずみを付与するパンチと、を備え、前記パンチは、外周が前記ダイの内周と略同径に形成されて粉体を押圧する先端面を有する先端部と、前記先端部から連続して前記先端部よりも小径に形成される逃げ部と、前記逃げ部から連続して拡径されて前記先端部よりも小径に形成され、前記逃げ部の外周の空間と前記ダイの外部とを連通するとともに、前記ダイの内周に挿入された状態で前記ダイとの同軸度を保つガイド部と、を有し、前記先端部から前記逃げ部にかけて二段階のテーパ状に形成される。

本発明では、ダイの内周に付着した金属の粉体は、パンチがダイから後退する際にパンチの先端部によって掻き取られて逃げ部の外周の空間に入る。逃げ部の外周の空間に入った粉体は、ガイド部とダイの内周との間からガイド部の外周を通過してダイの外部に排出される。よって、ダイの内周に付着した粉体がダイの外部に排出されるため、パンチを進入及び後退させるための荷重の増加を抑制することができる。したがって、粉体に対して冷間塑性加工を効率良く施すことができる。

本発明の実施の形態に係る冷間塑性加工装置の断面図である。冷間塑性加工装置の動作を時系列順に示した図である。第２パンチの断面図である。図３における第２パンチの先端部，逃げ部，及びガイド部の拡大図である。冷間塑性加工の繰り返し回数に対するパンチをダイに進入させるために必要な荷重を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る冷間塑性加工装置１００について説明する。

まず、図１を参照して、冷間塑性加工装置１００の構成について説明する。

冷間塑性加工装置１００は、金属の粉体に対して冷間状態で塑性加工を施す装置である。粉体とは、微細な粒子が多数集合した粉末や、ペレット状、チップ状等のある程度大きな粒子が多数集合したものをいう。つまり、固体が多数集合したものをいう。

冷間塑性加工装置１００は、粉体が収容されるダイ１と、ダイ１の内周に沿って移動し、粉体に対してせん断塑性ひずみを付与するパンチ１０とを備える。

ダイ１は、貫通孔２を有する略筒状の部材である。貫通孔２は、大きな内径の大径部２ａと、大径部２ａと比較して小さい内径の小径部２ｂと、大径部２ａから小径部２ｂに向かって序々に縮径された傾斜部２ｃとからなる。

パンチ１０は、大径部２ａに挿入され大径部２ａに沿って移動する第１パンチ１１ａと、小径部２ｂに挿入され小径部２ｂに沿って移動する第２パンチ１１ｂとを備える。

第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂの構成は同じであるため、以下では、第１パンチ１１ａを中心に説明し、第２パンチ１１ｂについては第１パンチ１１ａと同一の構成には図中に同じ数字の符号を付して説明を省略する。第１パンチ１１ａの構成には符号に「ａ」を付し、第２パンチ１１ｂの構成には符号に「ｂ」を付して区別する。

第１パンチ１１ａは、大径部２ａに挿入される挿入部１２ａと、大径部２ａの内径よりも大きな径にて形成されたフランジ部１３ａとを有する。挿入部１２ａの先端面１４ａは略平面状に形成される。

挿入部１２ａの外周とダイ１の大径部２ａの内周との間には、５〜１００μｍの隙間が存在する。同様に、第２パンチ１１ｂの挿入部１２ｂの外周とダイ１の小径部２ｂの内周との間にも、５〜１００μｍの隙間が存在する。

第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂは、挿入部１２ａの先端面１４ａと挿入部１２ｂの先端面１４ｂとが対向した状態で配置される。貫通孔２の内周、先端面１４ａ、及び先端面１４ｂによってダイ１内に空間２０が区画され、空間２０に粉体が収容される。空間２０に収容された粉体には、第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂの移動によって塑性加工が加えられてせん断塑性ひずみが付与される。

第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂは、フランジ部１３ａ，１３ｂの背面に連結された油圧駆動装置（図示せず）の駆動によって移動する。

次に、図２を参照して冷間塑性加工装置１００の動作について説明する。

まず、図１に示すように、大径部２ａと小径部２ｂとに跨って区画された空間２０に原料の粉体を収容する。次に、図２（ａ）に示すように、第１パンチ１１ａを進入させ、第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂとの間にて粉体を圧縮する。これにより、粉体には、圧縮力が付与されると共に、ダイ１の傾斜部２ｃを通過する際にせん断力が付与される。この工程にて、粉体は、圧縮力を受けて互いにくっつき、圧粉体に変化する。

次に、図２（ｂ）に示すように、第１パンチ１１ａを後退させる。そして、図２（ｃ）に示すように、第２パンチ１１ｂを先端面１４ｂが傾斜部２ｃの最小径部に位置するまで進入させる。

次に、図２（ｄ）に示すように、第１パンチ１１ａを進入させ、第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂとの間にて圧粉体を圧縮する。これにより、粉体には圧縮力が付与される。

次に、図２（ｅ）に示すように、第２パンチ１１ｂを後退させる。そして、図２（ｆ）に示すように、第１パンチ１１ａを再び進入させ、圧粉体を大径部２ａから小径部２ｂに押し出す。これにより、圧粉体は傾斜部２ｃを通過する際に縮径されて、圧粉体にせん断力が付与される。

最後に、第２パンチ１１ｂを進入させ、第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂとの間にて圧粉体を圧縮する。これにより、図２（ａ）に示す状態に戻る。以上の工程が繰り返されることによって、粉体には冷間状態で強加工が施され、粉体中には多数のせん断塑性ひずみが付与される。

空間２０に収容される原料としては、２種類以上の純金属の粉体を混合したものでもよく、１種類の純金属の粉体でもよく、また、合金の粉体でもよい。

２種類以上の純金属の粉体を混合したものを原料として用いた場合には、図２に示す工程を繰り返すことによって、合金を製造することができる。そして、得られる合金は強加工によって結晶粒が微細化するため、機械的性質が優れたものとなる。また、１種類の純金属の粉体又は合金の粉体を原料として用いた場合も、図２に示す工程を繰り返すことによって、強加工によって結晶粒が微細化するため、機械的性質を向上させることができる。

第１パンチ１１ａの挿入部１２ａの外周とダイ１の大径部２ａの内周との間には５〜１００μｍの隙間が存在するため、第１パンチ１１ａが進入及び後退する過程で、挿入部１２ａの外周と大径部２ａの内周との間に原料粉体や加工途中の粉体が入り込む。入り込んだ粉体は、大径部２ａの内周に付着し、その付着量は、加工が繰り返されることによって、序々に増加する。それに伴って、挿入部１２ａの外周と大径部２ａの内周との摩擦力が増加するため、第１パンチ１１ａを進入及び後退させるために必要な荷重も序々に大きくなってしまう。

そのため、第１パンチ１１ａを進入及び後退させるための荷重が所定値に達した場合には、加工を一次中断し、大径部２ａの内周に付着した粉体を除去する作業が必要となる。第２パンチ１１ｂについても同様であり、第２パンチ１１ｂを進入及び後退させるための荷重が所定値に達した場合には、加工を一次中断し、小径部２ｂの内周に付着した粉体を除去する作業が必要となる。

この対策として、第１パンチ１１ａの挿入部１２ａ及び第２パンチ１１ｂの挿入部１２ｂを以下のように構成している。

以下、図３から図５を参照して、第２パンチ１１ｂについて説明する。ここでは、第２パンチ１１ｂについてのみ説明するが、第１パンチ１１ａも同様に構成される。

まず、図３及び図４を参照して、第２パンチ１１ｂの構成について説明する。

第２パンチ１１ｂの挿入部１２ｂは、外周がダイ１の内周と略同径に形成される先端面１４ｂを有する先端部２１と、先端部２１から連続して形成される逃げ部２２と、逃げ部２２から連続して拡径されて形成されるガイド部２４とを有する。

先端部２１は、第２パンチ１１ｂがダイ１の小径部２ｂの内周に進入する際に粉体を押圧する。先端部２１の外周は、粉体と当接する先端面１４ｂから軸方向に縮径されるテーパ状に形成される。先端部２１のテーパ角度は、約１〜２度程度の微小な角度である。これにより、先端部２１は、先端面１４ｂの外周でのみダイ１の小径部２ｂの内周に線接触することとなる。

逃げ部２２は、先端部２１よりも小径に形成される。逃げ部２２の外周は、先端部２１に連続する一方の端部２２ａから軸方向に縮径されるテーパ状に形成される。逃げ部２２のテーパ角度は、先端部２１のテーパ角度と比較して大きく形成される。逃げ部２２の他方の端部２２ｂからは、ガイド部２４が連続して形成される。

このように、第２パンチ１１ｂの挿入部１２ｂは、先端部２１から逃げ部２２にかけて二段階のテーパ状に形成される。よって、応力が一部に集中することが防止されるため、先端部２１の先端面１４ｂが粉体を大きな力で押圧することができる。

ガイド部２４は、逃げ部２２の端部２２ｂからテーパ状に拡径される拡径部２４ａと、拡径部２４ａから軸方向に連続して円柱状に形成される円柱部２４ｂとを有する。円柱部２４ｂの外周は、先端部２１よりも小径に形成される。これにより、ガイド部２４は、逃げ部２２の外周の空間２３とダイ１の外部とを連通する。

また、円柱部２４ｂは、ダイ１の小径部２ｂの内周との間に粉体が通過可能な最小限の隙間を形成する外径に形成される。これにより、ガイド部２４は、ダイ１の内周との同軸度が保たれ、第２パンチ１１ｂがダイ１に対して傾斜することが防止される。また、円柱部２４ｂの外周とダイ１の内周との間には環状の隙間が形成されるため、粉体の通過を阻害しない。

次に、第２パンチ１１ｂの作用について説明する。

図５において、横軸は、第２パンチ１１ｂのダイ１の内周への進入及び後退の繰り返し回数を示し、縦軸は、第２パンチ１１ｂを進入及び後退させるための荷重の大きさを示す。また、実線のグラフは、第２パンチ１１ｂを使用した場合を示し、一点鎖線のグラフは、先端部２１，逃げ部２２，及びガイド部２４を有さない従来のパンチを使用した場合を示す。

従来のパンチを使用した場合には、ダイ１の内周とパンチの外周との間の摺接面積が大きいため、ダイ１の内周への金属の粉体の付着量が増加することによって、摺動抵抗が増大してゆく。そのため、図５に示すように、パンチを進入及び後退させるための荷重は、繰り返し回数が増えるにつれて増加してゆく。そして、繰り返し回数が数百回程度に達すると、荷重が所定値に達してオーバーロードとなっていた。

これに対して、第２パンチ１１ｂを使用した場合には、繰り返し回数が少ないうちは、ダイ１の内周と第２パンチ１１ｂとの間の摺動抵抗が大きくなる。しかしながら、ダイ１と第２パンチ１１ｂとの間の摺動抵抗がある程度大きくなった後には、摺動抵抗は殆ど変化しない。よって、繰り返し回数が数千回程度に達しても、第２パンチ１１ｂを進入及び後退させるための荷重が所定値を超えることはない。以下、具体的に説明する。

第２パンチ１１ｂがダイ１の内周に進入する際には、先端面１４ｂの外周のみがダイ１の内周に線接触する。よって、ダイ１の小径部２ｂの内周に粉体が付着していても、第２パンチ１１ｂとダイ１の小径部２ｂの内周との間の摺動抵抗は、先端部２１とダイ１の小径部２ｂの内周との接触面積が小さいため、大きくならない。

第２パンチ１１ｂがダイ１の内周から後退する際にも同様に、先端面１４ｂの外周のみがダイ１の内周に線接触する。よって、ダイ１の小径部２ｂの内周に粉体が付着していても、第２パンチ１１ｂとダイ１の小径部２ｂの内周との間の摺動抵抗は、先端部２１とダイ１の小径部２ｂの内周との接触面積が小さいため、大きくならない。

このとき、ダイ１の内周に付着した金属の粉体は、第２パンチ１１ｂがダイ１から後退する際に第２パンチ１１ｂの先端部２１によって掻き取られて、逃げ部２２の外周の空間２３に入る。空間２３に入った粉体は、ガイド部２４とダイ１の内周との間からガイド部２４の外周を通過してダイ１の外部に排出される。よって、ダイ１の内周に付着した粉体がダイ１の外部に排出されるため、第２パンチ１１ｂを進入及び後退させるための荷重の増加を抑制することができる。したがって、粉体に対して冷間塑性加工を効率良く施すことができる。

以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

第１，第２パンチ１１ａ，１１ｂがダイ１の内周に進入及び後退する際には、先端面１４ａ，１４ｂの外周のみがダイ１の内周に線接触する。よって、ダイ１の内周に粉体が付着していても、第１，第２パンチ１１ａ，１１ｂとダイ１の内周との間の摺動抵抗は、先端部２１とダイ１の内周との接触面積が小さいため、大きくならない。

また、ダイ１の内周に付着した金属の粉体は、第１，第２パンチ１１ａ，１１ｂがダイ１から後退する際に先端部２１によって掻き取られて逃げ部２２の外周の空間２３に入る。空間２３に入った粉体は、ガイド部２４とダイ１の内周との間からガイド部２４の外周を通過してダイ１の外部に排出される。よって、ダイ１の内周に付着した粉体がダイ１の外部に排出されるため、第１，第２パンチ１１ａ，１１ｂを進入及び後退させるための荷重の増加を抑制することができる。したがって、粉体に対して冷間塑性加工を効率良く施すことができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記実施の形態では、先端部２１，逃げ部２２，及びガイド部２４を第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂの双方に形成すると説明した。しかし、先端部２１，逃げ部２２，及びガイド部２４を第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂのいずれか一方に形成するようにしてもよい。

本発明に係る冷間塑性加工装置は、粉体を原料として合金を製造するバルクメカニカルアロイング法の装置として用いることができる。

１００冷間塑性加工装置
１ダイ
２ａ大径部
２ｂ小径部
１０パンチ
１１ａ第１パンチ
１１ｂ第２パンチ
１４ａ先端面
１４ｂ先端面
２１先端部
２２逃げ部
２２ａ端部
２３空間
２４ガイド部

Claims

金属の粉体に対して冷間塑性加工を施す冷間塑性加工装置であって、
粉体が収容されるダイと、
前記ダイの内周に沿って移動し、粉体に対してせん断塑性ひずみを付与するパンチと、を備え、
前記パンチは、
外周が前記ダイの内周と略同径に形成されて粉体を押圧する先端面を有する先端部と、
前記先端部から連続して前記先端部よりも小径に形成される逃げ部と、
前記逃げ部から連続して拡径されて前記先端部よりも小径に形成され、前記逃げ部の外周の空間と前記ダイの外部とを連通するとともに、前記ダイの内周に挿入された状態で前記ダイとの同軸度を保つガイド部と、を有し、
前記先端部から前記逃げ部にかけて二段階のテーパ状に形成されることを特徴とする冷間塑性加工装置。
前記先端部の外周は、前記先端面から軸方向に縮径されるテーパ状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷間塑性加工装置。
前記逃げ部の外周は、前記先端部に連続する端部から軸方向に縮径されるテーパ状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の冷間塑性加工装置。
前記逃げ部のテーパ角度は、前記先端部のテーパ角度と比較して大きく形成されることを特徴とする請求項３に記載の冷間塑性加工装置。
前記ダイは、内周に大径部と小径部とを有し、
前記パンチは、前記大径部に沿って移動する第１パンチと、前記小径部に沿って移動する第２パンチと、を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の冷間塑性加工装置。