JP6516126B2 - リング状焼結体のサイジング方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末冶金法で製造されるリング状焼結体の寸法矯正を行うサイジング金型に関する。より詳しくは、リング状焼結体の端面に対する外径面の直角度を向上させ得るサイジング金型に関する。

粉末冶金法で製造されるリング状焼結体の代表的な製品として、例えば、内接歯車式ポンプに利用されるアウターロータがある。そのアウターロータについては、焼結後にサイジング処理を施して寸法を矯正し、併せて、表層の空孔を潰すことが行われている。

そのアウターロータのサイジング処理に関する先行文献としては、例えば、下記特許文献１がある。

その特許文献１のサイジング方法は、上パンチによってダイのサイジング穴に押し込まれたリング状焼結体（環状ロータ）が下パンチの上端に接触した位置からダイを降下させながら上下のパンチによる焼結体の加圧を行うものである。

なお、焼結体の一般的な方法によるサイジングは、ダイが定位置に固定されたサイジング金型を用いて行われる。

また、リング状焼結体のサイジングについては、ストレート形状のコアロッドを採用してダイのサイジング穴でリング状焼結体の外径面を、コアロッドの外周でリング状焼結体の内径面をそれぞれしごく方法が採られている。

従来のリング状焼結体用の一般的なサイジング金型を図７に示す。図中２はダイ、３は上パンチ、４は下パンチ、５はコアロッドである。

このサイジング金型１のダイ２とコアロッド５は定位置に固定されている。このサイジング金型１によるサイジングは、下パンチ４を、その下パンチ先端がダイ２の上面と面位置が揃うところまで上昇させる。

そして、この位置で下パンチ４上にリング状焼結体Ａを載せ、この後、下パンチ４を上パンチ３と同一速度で降下させながらリング状焼結体Ａを上パンチ３で押してダイ２のサイジング穴２ａに押し込む。

これにより、リング状焼結体Ａの外側と内側がしごかれて内外径の寸法が矯正される。なお、従来法で設定される内外径のサイジング代は、半径で０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度である。

特開２０１１−１０５９７０公報

ダイとコアロッドが定位置に固定されたサイジング金型を用いて行う従来法でのサイジングでは、上パンチから加えられる圧力のみで焼結体の押し込み、圧縮が行われる。

これが原因で、焼結体の上パンチに加圧された側と下パンチに加圧された側の密度、組成変形量及び弾性変形量に差が生じる。

そのために、サイジング後の焼結体をダイから抜き出したときの焼結体の径方向スプリングバック量が焼結体の上パンチに加圧された側と下パンチに受けられた側とで異なったものになる。

焼結体は、上パンチに加圧される側が下パンチに受けられる側よりもきつく圧縮されるため、上パンチに加圧される側の径方向スプリングバック量が下パンチに受けられる側よりも大きくなる。

その結果、リング状焼結体Ａは、図８に示すように、一端側と他端側の内外径に差が生じ（上パンチに加圧される側の径が大きくなる）、外径面ｆｏと内径面ｆｉが端面ｆｅに対して傾く。その傾きは、リング状焼結体の用途によっては製品の性能を左右し、修正が必要になる。

例えば、車両の変速機に採用されるオイルポンプ用のアウターロータの中には、外径面の直角度（端面に対する直角度）に関し、従来のサイジング法では保証できないほどの高い精度が要求されるものがある。

その要求がある場合、従来は、サイジング後の製品について、外径面の直角度の全数検査を実施し、要求精度を満たさない製品は、機械加工して要求精度を確保する方法が採られている。

その全数検査と精度不備と判定された製品の外径面の機械加工は、製品の生産性を考えると好ましいことではない。

そこで本発明は、リング状焼結体用サイジング金型を、外周面の直角度について高精度が得られ、その外周面の直角度に関する全数検査と機械加工による外周面の直角度修正が不要になるものにすることを目的とする。

この発明の一態様に係るリング状焼結体用サイジング金型は、サイジング穴を有するダイ、上パンチ、下パンチ及び内径サイジング部を有するコアロッドを備え、前記ダイとコアロッドが定位置に固定されてそのダイとコアロッド間に矯正されるリング状焼結体が上パンチによって押し込まれるように構成されており、
さらに、前記コアロッドの内径サイジング部は上側が小径のテーパ形状を有し、なおかつ、その内径サイジング部は、前記サイジング穴の入口と同じ高さ位置から下に向かって所定長さ範囲ではサイジング代がゼロに設定され、前記所定長さ範囲を除く領域にはサイジング代が付与されているものである。

本発明のサイジング金型によれば、リング状焼結体の外径面のサイジングによる傾きが抑制され、その外径面が端面に対して高い直角度を有した面に仕上がる。

リング状焼結体用サイジング金型の一例を示す断面図である。 内接歯車式ポンプのアウターロータのサイジング金型に採用するコアロッドの一例の要部を示す側面図である。 図２のコアロッドの先端側から見た端面図である。 実施形態の金型でサイジングされたリング状焼結体の断面図である。 サイジングの評価試験に利用したアウターロータの端面図である。 図５のアウターロータの外径面の直角度の測定箇所を示す端面図である。 従来のリング状焼結体用サイジング金型の一例を示す断面図である。 図７のサイジング金型で矯正されたリング状焼結体の外径面と内径面の傾きを誇張して示した断面図である。

［本発明の実施形態の説明］
本発明の一態様に係るリング状焼結体用サイジング金型を以下に挙げる。そのサイジング金型は、サイジング穴を有するダイと、上パンチ、下パンチ及び内径サイジング部を有するコアロッドを備える。

前記ダイとコアロッドは定位置に固定され、そのダイとコアロッド間にリング状焼結体が上パンチによって押し込まれるようになっている。

また、前記コアロッドの内径サイジング部は、上側が小径のテーパ形状を有しており、なおかつ、その内径サイジング部は、前記サイジング穴の入口と同じ高さ位置から下に向かって所定長さ範囲ではサイジング代がゼロに設定され、前記所定長さ範囲を除く領域にはサイジング代が付与されてサイジング代付与部において前記リング状焼結体の内径面のサイジングがなされるように設計されている。

前記サイジング穴とは、ダイに設けられた穴のうち、リング状焼結体の外径面のサイジングが実質的に開始される領域を言う。また、そのサイジング穴の入口とはサイジングが開始される位置を言う。

そのサイジング穴は、従来金型と同様、入口部にサイジング代が徐々に増加するテーパを付し、その他の箇所はストレートに構成された穴にする。

前記コアロッドの内径サイジング部は、その部位の軸方向寸法がリング状焼結体のサイジング完了時の厚み（上パンチが下死点に到達した位置での厚み）よりも大に設定される。

サイジング代付与領域の長さにサイジング代ゼロの領域の長さを加算した長さが内径サイジング部の軸方向寸法となる。

サイジング代付与領域の長さは、リング状焼結体の内径部の全域がサイジングされるようにするためにリング状焼結体のサイジング完了時の厚みよりも長くする。

コアロッドの内径サイジング部のテーパ角は、リング状焼結体の内径面の直角度が公差内に収まるように設定する。

さらに、前記内径サイジング部のサイジング代がゼロに設定される領域の軸方向長さは、リング状焼結体のサイジング完了時の厚みの少なくとも２５％程度に設定するとよい。

このように構成されたサイジング金型は、リング状焼結体の外径のサイジング開始が内径のサイジング開始に先行してなされる。

このことが有効に作用してリング状焼結体の外径面の直角度が高まる。その理由は、後に詳述する。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の一態様に係るサイジング金型の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれ等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に示したサイジング金型１は、ダイ２、上パンチ３、下パンチ４及びコアロッド５を組み合わせたものになっている。

ダイ２は、リング状焼結体Ａの外径面ｆｏをしごくサイジング穴２ａを有する。また、コアロッド５は、リング状焼結体Ａの歯面（内径面ｆｉ）をしごく内径サイジング部５ａを有する。

このダイ２とコアロッド５は、定位置に固定して使用される。下パンチ４は昇降自在であり、サイジング穴２ａに挿入された先端が、サイジング完了位置からダイ２の上面と面一になるところまで上昇させることができる。

ダイ２のサイジング穴２ａは、サイジング代が徐々に増加するテーパが入口部に付され、その他の箇所はストレートに構成された穴になっている。また、このサイジング穴２ａによるサイジング代は、半径で０．０１５ｍｍ（従来は最大で０．０１ｍｍ程度）に設定されている。

コアロッド５の内径サイジング部（テーパ付与部）５ａは、軸方向寸法Ｌ（図２参照）がリング状焼結体Ａのサイジング完了時の厚み（図１のｔ１）よりも大に設定される。

また、その内径サイジング部５ａは、ダイのサイジング穴２ａの入口（図１のｅ）と同じ高さ位置から下に向かって所定長さ範囲ではサイジング代がゼロに設定され、前記所定長さ範囲を除く領域にはサイジング代が付与されたものになっている。

そのサイジング代を付与した領域の長さにサイジング代ゼロの領域の長さを加算した長さが内径サイジング部５ａの軸方向寸法となる。

サイジング代を付与した領域の長さは、リング状焼結体Ａのサイジング完了時の厚みｔ１（図１参照）よりも長くしている。これにより、リング状焼結体Ａの内径部の全域がコアロッド５によってしごかれる。

内接歯車式ポンプのアウターロータ（図５、図６参照）の矯正を行うサイジング金型に採用されるコアロッド５の一例を図２、図３に示す。

図示のコアロッド５は、内径サイジング部５ａのテーパ角θがほぼ０．０２４°（片側でほぼ０．０１２°）に設定され、内径サイジング部５ａの下端の外径とその下端から図２において上に前記ｔ１移動した位置の外径との間に半径でΔｄ＝０．００５ｍｍの径差が生じている。

内径サイジング部５ａの下端と、その下端から図２において上にｔ１移動した位置との間に生じる半径での径差は、上限を上記０．００５ｍｍに設定するのがよい。

その値が０．００５ｍｍを超えると、サイジング対象のリング状焼結体Ａが内接歯車式ポンプのアウターロータの場合、歯面の直角度低下が無視できないものになり、歯型輪郭精度と歯数差が１枚のインナーロータ（図示せず）との間に生じるチップクリアランス（歯先間隙間）に悪影響がでる虞がある。

内径サイジング部５ａのサイジング代がゼロに設定される領域の軸方向長さは、リング状焼結体Ａのサイジング完了時厚みｔ１の２５％に設定されている。

このように構成された図１のサイジング金型１は、下パンチ４をそのパンチの先端面がダイ２の上面と揃う位置まで上昇させ、この状態で下パンチ４上にサイジング対象のリング状焼結体（例えばアウターロータ）Ａを載せ、そのリング状焼結体Ａが下パンチ４との間に挟まれる位置まで上パンチ３を降下させる。

その後、下パンチ４を同調させて降下させながら上パンチ３を降下させ、その上パンチ３でリング状焼結体Ａをダイ２とコアロッド５間に押し込む。

この押し込みによりダイ２とコアロッド５によるサイジングが開始される。そのサイジングの開始は、リング状焼結体Ａの外径のサイジング開始が内径のサイジング開始に先行してなされる。

具体的には、リング状焼結体Ａが上パンチ３によってダイ２のサイジング穴２ａに押し込まれる際にサイジング穴２ａのサイジング代の影響で径方向内側に向けて圧縮される。

このとき、コアロッド５の内径サイジング部５ａの上側はサイジング代がゼロに設定されているため、サイジングの初期にはリング状焼結体Ａを径方向外側に向けて圧縮する力が発生しない。

このように、例示のサイジング金型を使用するとサイジングの初期には外径サイジングのみがなされて内径サイジングはなされない。このことが有効に作用して、リング状焼結体Ａの外径面の直角度が高まる。

サイジングによるリング状焼結体Ａの変形は、サイジング初期には、内径サイジング代がゼロであるため、リング状焼結体Ａの肉部が内径側に逃げ易くなっており、この状況で外径のサイジングが実施されると従来の一般的な金型によるサイジングに比べて塑性変形（径方向内側に肉が流れる塑性変形）の割合が高まる。

その塑性変形の割合は、ダイのサイジング穴２ａによるサイジング代を従来よりも大きな０．０３ｍｍに設定したことによっても高められる。

また、サイジング後のリング状焼結体Ａは、コアロッド５の内径サイジング部５ａをテーパにしたことにより、内径側が開放された状態、外径側はダイのサイジング穴に接した状態で下パンチ４に突き上げられてダイ２から抜き出される。

これらの相乗効果により、サイジング後にリング状焼結体Ａをダイから抜き出したときの同ロータの拡径方向へのスプリングバック量が従来よりも小さくなって外径面ｆｏの傾きが抑制されると考えられる。

図１の金型を用いてサイジングされたリング状焼結体Ａの外径面ｆｏ及び内径面ｆｉの状況を図４に示す。このように、外径面ｆｏは、端面ｆｅに対する直角度が良好な面になる。

図２のコアロッドを備える図１の実施形態のサイジング金型１と、ダイのサイジング穴のサイジング代＝０．０３ｍｍ、コアロッドの内径サイジング部がストレートでその内径サイジング部のサイジング代＝０．０２ｍｍの図７に示したような従来のサイジング金型を用いて、鉄系粉末で形成された外径Ｄ＝２９．５ｍｍ、歯先径ｄ１＝１７．１８ｍｍ、歯底径ｄ２＝２４．５ｍｍ、厚み＝１３．５ｍｍ、歯数ｎ＝６、密度：６．７ｇ／ｃｍ^３の（図５，図６）に示したアウターロータのサイジングを行った。サイジング荷重は約２６ｔｏｎとした。

実施形態のサイジング金型１は、ダイ２のサイジング穴２ａのサイジング代が０．０３ｍｍに設定され、さらに、コアロッド５の図２に示した軸方向寸法Ｌ＝１７ｍｍ、内径サイジング部５ａの下端の外径とその下端から図２において上にｔ１移動した位置の外径との間の半径での径差０．００５ｍｍ、内径サイジング部５ａの最大部サイジング代＝０．０２ｍｍとなっている。

試験は、実施形態のサイジング金型１では１０個の試料の矯正を、従来のサイジング金型では３０個の試料の矯正をそれぞれ行った。そして、サイジング後の試料の外径と外径面の直角度を円筒形状測定機（東京精密製、商品名:ロンコム）を用いて調べた。

なお、従来のサイジング金型で矯正した試料については外径面の直角度は３０個の試料中の１０個について行った。

外径の測定は、図５の０°位置、４５°位置、９０°位置、１３５°位置の４箇所においてアウターロータの上部径、厚み方向中間部径、下部径をそれぞれ求めた。

また、外径面の直角度の測定は、図６のＡ〜Ｄの４箇所（９０°等分点）の直角度を測定した。

製品に対する外径の要求規格は、基準値２９．５ｍｍ、振れの上限規格−０．００８ｍｍ、下限規格−０．０５８ｍｍである。

この規格に対する外径測定値の工程能力指数を求めた。その結果を以下に示す。
・従来のサイジング金型
ＭａｘＣｐ：３．６４、ＭｉｎＣｐ：３．０２
ＭａｘＣｐｋ：２．３７、ＭｉｎＣｐｋ：２．５９
・実施形態のサイジング金型
ＭａｘＣｐ：７．１９、ＭｉｎＣｐ：６．０８
ＭａｘＣｐｋ：４．８０、Ｍｉｎ：５．８６

両側規格における工程能力指数Ｃｐｋは、下記ＣｐｕとＣｐｌの小さい方の値である。また、Ｃｐは、両側の場合の平均値が規格の中央にあるときの値である。
Ｃｐｕ＝（上限規格−平均値）／３σ
Ｃｐｌ＝（下限規格−平均値）／３σ

上記の違いからわかるように、実施形態のサイジング金型を用いれば、外径の工程能力指数が従来金型の２倍程度となり、品質の信頼性が高まる。

次に、外径面の直角度の測定結果を表１に示す。

外径面の直角度については、長さ１０ｍｍ当たりの振れの上限規格が０．０１５ｍｍの場合の工程能力指数Ｃｐを求めた。

そのＣｐ値は、従来金型ではＭａｘ：０．５９、Ｍｉｎ：１．６７であるのに対し、実施形態の金型ではＭａｘ：１．８９、Ｍｉｎ：２．１０となっている。

この工程能力指数Ｃｐは、１よりも小さい場合には製品の全数検査が要求される。従来は、その要求を満たせないために全数検査を行って規格値を満たさない製品については外径面の機械加工を実施していたのである。

これに対し、実施形態のサイジング金型で矯正を行った試料は工程能力指数Ｃｐが１を充分に上回っており、そのために、全数検査が不要になり、外径面の機械加工を省くことも可能になっている。

なお、実施形態のサイジング金型は、コアロッドの内径サイジング部５ａをテーパ形状にしたことにより、サイジング後のリング状焼結体の内径面（アウターロータについては歯面）の直角度がテーパ形状の影響を受けたものになる。

しかしながら、内接歯車式ポンプの場合、インナーロータの直径もサイジングにより一端側の直径（歯先径と歯底径）が他端側の直径よりも大きくなる傾向があり、そのインナーロータの直径が大きい側がアウターロータの内径の大きい側に収まるようにインナーロータとアウターロータを組み合わせることで内径面の直角度の低下を補うことが可能である。

加えて、アウターロータの内径については外径ほど厳しい直角度が要求されない。従って、内径面が内径サイジング部のテーパの影響を受けても特に問題は生じない。

１ サイジング金型
２ ダイ
２ａ サイジング穴
３ 上パンチ
４ 下パンチ
５ コアロッド
５ａ 内径サイジング部
ｅ サイジング穴の入口
Ａ リング状焼結体（アウターロータ）
ｆｏ 外径面
ｆｉ 内径面
Ｌ コアロッドの内径サイジング部の軸方向寸法
ｔ１ リング状焼結体（アウターロータ）のサイジング完了時厚み
θ コアロッドの内径サイジング部のテーパ角

Claims (3)

1. サイジング穴を有するダイ、上パンチ、下パンチ及び内径サイジング部を有するコアロッドを使用し、前記ダイとコアロッドを定位置に固定し、そのダイとコアロッド間に矯正されるリング状焼結体を上パンチによって押し込み、その後、前記下パンチによって前記リング状焼結体を突き上げて前記ダイから抜き出すリング状焼結体のサイジング方法であって、
   前記コアロッドの内径サイジング部は上側が小径のテーパ形状のテーパ付与部を有し、なおかつ、その内径サイジング部の前記テーパ付与部は、前記サイジング穴の入口と同じ高さ位置から下に向かって所定長さ範囲ではサイジング代がゼロに設定され、前記所定長さ範囲を除く領域にはサイジング代が付与され、そのサイジング代を付与した領域の長さは、前記リング状焼結体のサイジング完了時の厚みｔ１よりも長く設定され、
   前記上パンチが降下して前記リング状焼結体を前記ダイと前記コアロッドの間に押し込むときに、前記リング状焼結体の外径のサイジング開始が内径のサイジング開始に先行してなされ、
   前記上パンチが下死点に到達したときに、前記リング状焼結体の内径面が前記テーパ付与部に接触した状態となっているリング状焼結体のサイジング方法。
2. 前記ダイのサイジング穴のサイジング代が０．０３ｍｍに設定された請求項１に記載のリング状焼結体のサイジング方法。
3. 前記内径サイジング部の前記テーパ付与部は、下端の外径とその下端から上にｔ１移動した位置の外径との間に半径で０．００５ｍｍ以下の大きさの径差が生じるものになっている請求項１又は請求項２に記載のリング状焼結体のサイジング方法。
   ここにｔ１：リング状焼結体のサイジング完了時厚み

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