JP6699016B2

JP6699016B2 - 高速ダイセット式通電熱加工装置及びその方法

Info

Publication number: JP6699016B2
Application number: JP2016179645A
Authority: JP
Inventors: 光太郎菊池; 繭花野崎; 善則森田; 尾崎　公洋; 公洋尾崎
Original assignee: S.S.ALLOY CO.,LTD.; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: S.S.ALLOY CO.,LTD.; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2036-09-14
Also published as: JP2018044207A

Description

本発明は、真空環境又は不活性ガス環境下において導電性及び非導電性を含む複合材料を有する粉末の通電加圧焼結加工による焼結体の生産を短サイクル時間で連続的に行う通電熱加工装置に関する。

焼結加工には常圧焼結と通電焼結があるが、一般的に、常圧焼結は連続生産が実施されているのに対して通電焼結はバッチ式であり連続生産に向いていなかった。そこで通電焼結の連続生産の取り組みが行われている。

例えば、特許文献１には、被焼結粉末を入れた焼結型を上下方向に加圧焼結するための一対の焼結軸と、前記焼結型を密閉するための真空チャンバーを備えた通電加圧焼結装置であって、前記真空チャンバー内において、水平面内で回転自在に設けられ、前記一対の焼結軸の間を周縁部が通過するロータリテーブルと、該ロータリテーブルの周縁部に設けられ、前記一対の焼結軸間に挟まれる焼結型を保持するための型保持部と、前記焼結軸よりもロータリテーブルの回転方向の後方において、前記型保持部で保持された前記焼結型を上下に挟む位置の上下に設けられ、該焼結型を予熱するための一対の予熱軸とからなる通電加圧焼結装置が開示されている。

特開２００２−１０５５０７号公報

特許文献１の発明は、真空チャンバー内に水平面内で回転自在のロータリテーブル、該ロータリテーブルの回転によって焼結型を上下で電極を配設した焼結部や上下で電極を配設した予熱部等に移動させているので、真空チャンバーの内容積が大型化しこれにより装置全体が大型化し投資額が高いという問題があった。また、焼結型の搬入時や搬出時になると真空チャンバーのゲートを開けて真空チャンバー内の真空を大気圧に戻し、焼結型の搬入後や搬出後に再び真空にすることを１つの焼結体の生産ごとに繰り返しているので、内容積の大きい真空チャンバー内を真空にする時間がかかりすぎるという問題があった。

また、連続生産を可能にするためには焼結型を常温から焼結に必要な温度まで加熱させる必要がある。特許文献１の発明は予熱部と焼結部の２か所のステップを設けて通電により加熱させるので、通電のための装置が複雑化し設備費が高価になるという問題があった。

また、真空チャンバー内で回転するロータリテーブルに焼結型を、搬入ゲートを開いて搬入や搬出をする構造であるので、焼結後の焼結型が冷却するまで焼結型を搬出できないことから、真空チャンバー内で冷却に必要な時間分ロータリテーブルを回転させるために焼結型を多数準備しなければならないという問題もあった。特許文献１の図３には１０個の焼結型がロータリテーブルに載置されている。焼結型は連続生産をするためにはロータリテーブル上に載置した数と略同数の段取用の焼結型の数を有するようにしなければならないので、高コストになり企業にとっては通電加圧焼結装置を導入しにくいという問題があった。

本発明はこうした問題に鑑み創案されたもので、焼結型１個で装置の小型化を実現させ設備投資額を安価化でき、かつ連続生産が可能な通電熱加工装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の高速ダイセット式通電熱加工装置１は、上パンチ４及び該上パンチ４の上部に配設した上パンチ電極５を備えた上型２と、前記上パンチ４に対向して配設した下パンチ６、該下パンチ６の上部に配設した筒状のダイス７及び該下パンチ６の下部に配設した下パンチ電極８を備えた下型３とを備え、真空状態又は不活性ガス状態下において被焼結粉末９０を加圧かつ加熱して焼結体９１を生産する高速ダイセット式通電熱加工装置１であって、上型２に設けられ被焼結粉末９０に上方から当接する上パンチ４を囲繞するように設けられた筒状の上部外壁１０と、下型３に設けられ被焼結粉末９０に下方から当接し前記上パンチ４と上下方向で対向する下パンチ６及び下型３に設けられ被焼結粉末９０に側面から当接する筒状のダイス７を囲繞するように設けられた筒状の下部外壁１１と、を備え、前記上型２が上昇端に位置するときには前記上部外壁１０の下端と前記下部外壁１１の上端とは上下方向で離隔状態にあり、前記上型２の下降により、前記上パンチ４が前記ダイス７内へ嵌入して被焼結粉末９０を加圧し、前記上部外壁１０が前記下部外壁１１内へ嵌入して前記上部外壁１０の内周壁面、前記上型２の底面及び前記下型３の上表面で囲われた空間を、又は、前記下部外壁１１が前記上部外壁１０内へ嵌入して前記下部外壁１１の内周壁面、前記上型２の底面及び前記下型３の上表面で囲われた空間を、真空状態又は不活性ガス状態の密閉空間２５とすることを特徴とする。

請求項２に記載の高速ダイセット式通電熱加工装置１は、請求項１において、通電経路Ｄを、上型２は被焼結粉末９０と当接する上パンチ４、該上パンチ４の上部と連結され電源と接続された上パンチ電極５とし、下型３は被焼結粉末９０と当接するダイス７及び下パンチ６、該下パンチ６の下部と連結され電源と接続された下パンチ電極８とし、前記上パンチ４、上パンチ電極５、ダイス７、下パンチ６及び下パンチ電極８と非通電経路部材との間には絶縁体１３を介設したことを特徴とする。

請求項３に記載の高速ダイセット式通電熱加工装置は、請求項１又は２において、前記被焼結粉末を真空環境又は不活性ガス環境下で加圧かつ加熱して生産された焼結物を前記焼結物の底面に当接する下パンチ６を上昇させて前記下型３の上表面まで押し上げる焼結体押し上げ手段と、前記上部外壁１０を前記下型３に設けられた嵌入溝３４に嵌入する形態の場合に、前記上部外壁１０が下降したときに前記上部外壁１０に押し下げられた前記下型３内に埋設したストリッパープレート３１の上面を前記下型３の上表面まで上昇させる復元手段と、前記押し上げた焼結物を前記下型３の上表面から搬出すると同時に被焼結粉末９０を投入する搬出入手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の高速ダイセット式通電熱加工方法１００は、上パンチ４及び前記上パンチ４の上部に配設した上パンチ電極５を備えた上型２と、前記上パンチ４に対向して配設した下パンチ６、該下パンチ６の上部に配設した筒状のダイス７及び該下パンチ６の下部に配設した下パンチ電極８を備えた下型３とを備え、真空状態又は不活性ガス状態下において被焼結粉末９０を加圧かつ加熱して焼結体９１を生産する高速ダイセット式通電熱加工方法１００であって、前記上型２の上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の下端と前記下型３のダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の上端とを上下方向で離隔状態を実現した前記上型２の上昇端時に、前記下パンチ６と前記ダイス７によって形成された焼結型内に被焼結粉末９０を投入する粉末投入ステップ１０１と、前記被焼結粉末９０投入後に上型２を、前記上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の内周面を下型３の前記ダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の外周面に接するように、又は、前記上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の外周面を下型３の前記ダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の内周面に接するように、下降させて形成された上型２と下型３の間の空間を密閉空間２５にし、同時に、上型２に設けた前記上パンチ４を下型３に設けた前記ダイス７内に嵌入させて前記被焼結粉末９０に所定の加圧を加える上下型セットステップ１０２と、前記上下型セット後に、真空ポンプを作動させて前記密閉空間２５を真空にし、所定の真空度に到達した後に、又は、不活性ガスを前記密閉空間２５に充満させて所定のガス濃度に到達した後に、上パンチ電極５から下パンチ電極８まで所定の電流値の電流を流し、前記被焼結粉末９０にかかる荷重が所定の荷重に到達した時から予め設定された通電時間ほど前記所定の電流値の電流を流す加圧通電制御ステップと、上型２が所定の位置まで下降したのを検知すると上型２を上昇させ、かつ前記下パンチ６を前記ダイス７内で上昇させて焼結体９１を下型３の上表面位置まで押し上げる焼結完了ステップ１０４と、前記上型２を上昇端に位置させて、前記上型２の上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の下端と前記下型３のダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の上端とを上下方向で離隔状態にして、前記焼結体９１を下型３の上表面からの搬出、及び、次の被焼結粉末９０の投入を同時に行う搬出入ステップ１０５と、を備えることを特徴とする。なお、本発明で所定とはあらかじめ定めるということを意味する。

請求項５に記載の高速ダイセット式通電熱加工方法１００は、請求項４において、前記上下型セットステップ１０２が、下型３に嵌入溝３４が形成されている形態の場合は、前記上下型セットステップ１０２が、前記被焼結粉末９０投入後に上型２を、前記上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の内周面を下型３の前記ダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の外周面に接するように、又は、前記上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の外周面を下型３の前記ダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の内周面に接するように、かつ下型３の嵌入溝３４に埋設された前記ストリッパープレート３１を押し下げながら下降させて形成された上型２と下型３の間の空間を密閉空間２５にし、同時に、上型２に設けた前記上パンチ４を下型３に設けた前記ダイス７内に嵌入させて前記被焼結粉末９０に所定の加圧を加え、前記焼結完了ステップ１０４が、上型２が所定の位置まで下降したのを検知すると上型２を上昇させ、前記ストリッパープレート３１の上面を下型３の上表面位置まで復元させ、かつ前記下パンチ６を前記ダイス７内で上昇させて焼結体９１を下型３の上表面位置まで押し上げることを特徴とする。

請求項１に記載の発明は、従来の真空チャンバーの大きさは大きな筐体であり、完成品の焼結体を１個ずつ筐体から取り出すために筐体内を大気圧状態から真空状態にする時間がかかっていたが、本発明はダイセット式の上型２と下型３との上下方向の隙間を真空状態又は不活性ガス状態にすることができたため、真空状態又は不活性ガス状態に要する空間を狭くすることができ、これにより密閉空間２５を大気圧状態から極めて短時間で真空状態にすることができるという効果を奏する。

また、真空状態又は不活性ガス状態の空間の大きさを、上下方向の範囲はダイセット式の上型２と下型３との上下方向の隙間であって、さらに横方向の範囲は投入された被焼結粉末９０を至近距離で囲繞する範囲に狭くしたので、極めて瞬時に高速に大気圧状態から真空状態又は不活性ガス状態にすることができるという効果を奏する。例えば、従来の通電熱加工装置の真空チャンバーの内容積が１０Ｌに対して本発明の密閉空間２５の内容積はわずか０．１Ｌと約１００分の１に縮小化でき、これにより真空引き時間が従来の真空チャンバーの真空引き時間１０分に対して、本発明の密閉空間２５の真空引き時間は５秒と１２０分の１に超短縮化を実現できたという際立つ効果を奏する。

請求項２に記載の発明は、通電経路Ｄを被焼結粉末９０に当接する構成部材と該構成部材と連結し電源に接続された構成部位との最小範囲に限定することができたので、非常に小さい範囲に加熱対象を限定できたことにより、非常に小さい範囲の部分を加熱すればいいので熱効率がよい。また、短時間で完成品の焼結体９１を取り出し後、瞬時に次の被焼結粉末９０を投入できるので、ダイス７、下パンチ６及び上パンチ４の温度が下がりきらない時間内に次の加熱を開始することから短時間で焼結加工に必要な温度に到達し高速に焼結加工ができるという効果を奏する。

請求項３に記載の発明は、従来は焼結加工直後は焼結体が高温のため一定温度まで低下するまでの冷却時間を確保して焼結体を真空チャンバー内から取り出していたが、本発明は下型３内から焼結体９１をリフトアップし横方向に押し出す機構を設けたことにより、焼結体９１が高温の状態で焼結加工終了後に瞬時に焼結体９１を取り出すことを実現させたことから焼結加工の１サイクルを極めて短時間にでき、かつ焼結体９１押出後に即被焼結粉末９０を投入できるので、真空通電加熱焼結装置ではバッチ生産しかできなかったのを連続生産できるようにしたという顕著な効果を奏する。短サイクルでの連続生産ができるので上パンチ４、ダイス７や下パンチ６の温度が下がりきらないうちに次の加熱を始めるので加熱のための熱エネルギーを抑制できるという効果を奏する。

また、上型２が下降して下型３に嵌入していた部位で穴部が形成された部位において、下パンチ６を該下パンチ６の上面が下型３の上表面高さまで到達するように上昇させ、かつストリッパープレート３１の上面が下型３の上表面高さまで到達するように上昇させるので、下型３の上表面に平面が形成されるので、前記焼結体９１を下型３の上表面を滑らせながら搬送もできるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明と同じ効果を奏する。

請求項５に記載の発明は、下型に上型を嵌入させる嵌入溝を形成した形態の場合に、前記焼結体９１を下型３の上表面を滑らせながら搬送もできるという効果を奏する。

本発明の高速ダイセット式通電熱加工装置の全体概要図である。図１における装置の内で昇降部分を黒塗りで示す説明図である。図１における上型から上部を拡大した説明図である。図１における下型から下部を拡大した説明図である。図１における上型と下型の範囲を示すＡ部を拡大した説明図である。図５における上型の部分を示すＢ部の中央における断面説明図である。図５における下型の部分を示すＣ部の中央における断面説明図である。図７における昇降部分を黒塗りで示す説明図である。図７における上型部分の平面視のＤ矢視の平面概要図である。図６に示す上型部分と図７に示す下型部分との位置関係を示す断面説明図である。被焼結粉末を投入した粉末投入ステップの説明図である。上型が下降して下型に嵌入した上型嵌入ステップ及び真空加圧通電制御ステップの説明図である。上型と下型に挟まれた密閉空間の真空状態又は不活性ガス状態を維持する耐熱シール個所の配置説明図である。上型と下型における絶縁体の配設位置を黒塗りで示す説明図である。上型から下型に通電される電流の流れを矢印で示す説明図である。焼結完了ステップを示す説明図である。搬出入同時ステップを示す説明図である。本発明の高速ダイセット式通電熱加工方法のフロー図である。上型と下型のセット形態を示す図で、（ａ）が上型の外周面が下型の内周面に接する形態の概念図で、（ｂ）が上型の内周面が下型の外周面に接する形態の概念図で、（ｃ）が上型の内周面が下型の外周面に接する形態で上型の嵌入溝が形成された形態の概念図である。

本発明の高速ダイセット式通電熱加工装置１は、上パンチ４や該上パンチ４の上部に配設した上パンチ電極５を備えた上型２と、前記上パンチ４に対向して配設した下パンチ６、該下パンチ６の上部に配設した筒状のダイス７及び該下パンチ６の下部に配設した下パンチ電極８を備えた下型３とを備え、真空状態又は不活性ガス状態下において被焼結粉末９０を加圧かつ加熱して焼結体９１を生産する高速ダイセット式通電熱加工装置１であって、上型２に設けられ被焼結粉末９０に上方から当接する上パンチ４を囲繞するように設けられた筒状の上部外壁１０と、下型３に設けられ被焼結粉末９０に下方から当接し前記上パンチ４と上下方向で対向する下パンチ６及び下型３に設けられ被焼結粉末９０に側面から当接する筒状のダイス７を囲繞するように設けられた筒状の下部外壁１１と、を備え、前記上型２の下降により、前記上パンチ４が前記ダイス７内へ嵌入して被焼結粉末９０を加圧し、前記上部外壁１０が前記下部外壁１１内へ嵌入して前記上部外壁１０の内周壁面、前記上型２の底面及び前記下型３の上表面で囲われた空間を、又は、前記下部外壁１１が前記上部外壁１０内へ嵌入して前記下部外壁１１の内周壁面、前記上型２の底面及び前記下型３の上表面で囲われた空間を、真空状態又は不活性ガス状態の密閉空間２５とする装置である。そして、各構成部材同士を固定させるためにボルト（図示は一部のみ）やノックピン（図示なし）を部位により使用している。

まず、本発明の高速ダイセット式通電熱加工装置１の全体構造を説明する。高速ダイセット式通電熱加工装置１の全体構造は、図１又は図２に示すように、下型３は固定され上型２が昇降するようになっており、従来の焼結加工装置には備えられていた真空チャンバーの筐体が設けられておらず、下型３が固定され上型２が下降して密閉空間２５を形成し、該密閉空間２５を真空状態又は不活性ガス状態とし、真空状態又は不活性ガス状態で被焼結粉末９０を加圧かつ加熱させて完成した焼結体９１を下型３からリフトアップさせて焼結体９１を押し出すと同時に次の被焼結粉末９０を投入するように制御された装置である。前記制御は、図１における制御操作盤９によって行われる。

前記密閉空間２５は、上型２と下型３とに囲繞された密閉空間２５が形成されればよいので、図１２や図１９（ａ）に示すように上部外壁１０を下部外壁１１内へ嵌入して密閉空間２５を形成させる構成でもよいし、図１９（ｂ）や（ｃ）に示すように下部外壁１１を上部外壁１０内へ嵌入して密閉空間２５を形成させる構成でもよい。

また、密閉空間２５を不活性ガス充満状態にするときに、真空引き後に不活性ガス導入させてもよく、真空引きせずに不活性ガス導入させてもよい。

また、前記被焼結粉末９０の加熱は、被焼結粉末９０が導電性粉末の場合は被焼結粉末９０に直接に通電させて被焼結粉末９０を加熱させ、被焼結粉末９０がセラミックなどの非導電性粉末の場合はダイス７を通電させ加熱させて被焼結粉末９０に伝熱させて被焼結粉末９０を加熱させる。

まず、上型２を昇降させる構成について図１において説明する。柱５０の最上段に跨設されたクラウン５１上に設けられたサーボモータ５２の回転力を減速機５３で上型２の昇降速度を所定の速度になるように回転力調整し、その回転力をパワーロック５４やカップリング５５を含む伝動経路を経てボールネジ５７に伝動させる。ボールネジ５７の回転によるナット部１５が昇降するので、このナット部１５に上型２を連結させることにより、上型２を昇降自在にすることができる。また、上型２の昇降時はガイド棒５８にガイド５９を摺動するようにしている。そして、下型３との位置決めは下型３に立設されたガイド棒８０に上型２から垂設されたガイド８１を摺動させている。上型２が昇降するときに一体となって昇降する部位は、図２において示す昇降部Ｋ１で黒色に塗りつぶした範囲である。

前記昇降部Ｋ１には、図１乃至図３、図６に示すように、ナット部１５、該ナット部１５から外方向に延設された昇降用ガイドであるガイド５９、前記ナット部１５の下端に固定された上パンチホルダー２０、該上パンチホルダー２０の下に固定された絶縁体１３ａ、該絶縁体１３ａの下に固定された上パンチ電極５、該上パンチ電極５の中央部で連結された上パンチ４、該上パンチの周囲を囲繞するように設けた絶縁体１３ｃ、上パンチ４を囲繞するように設けた上部外壁１０、前記上パンチ電極５と前記上部外壁１０間に介設した絶縁体１３ｂが含まれる。

次に、下型３に関連する構造を説明する。図１、図２、図４及び図７に示すように、下型３に関連する部位は固定部分と図２に黒塗りで示す昇降部Ｋ２を備えている。まず、固定部分は、柱５０に固定された梁であるベース７５の上側には、下型３の下パンチホルダー２１、上型２下降による被焼結粉末９０や焼結体９１に対する加圧力を測定するロードセル７７が固定され、前記ベース７５の下側には、サーボモータ７０、該サーボモータ７０に連結された減速機７１、該減速機７１の回動を伝動するカンプリング７２及びボールネジ７３が備えられている。

前記下型３の下パンチホルダー２１には図７及び図８に示すように、該下パンチホルダー２１の上側で外側に絶縁体１３ｅ及び下部外壁１１が固定され、該下パンチホルダー２１の上側で内側に、絶縁体１３ｅ、ダイス押え１２、該ダイス押え１２の内側に配設したダイス７が連結されて固定されている。該ダイス７内に被焼結粉末９０が投入される。

次に、下型３に関する構造における昇降部Ｋ２について説明する。図１に示すように、ベッド７５から垂設されたサーボモータ７０の回転力を減速機７１で下型３に設けた下パンチ６の昇降速度を焼結体９１搬出に必要な所定の速度になるように回転力調整し、その回転力をカップリング７２を含む伝動経路を経てボールネジ７３に伝動させる。該ボールネジ７３の回転によってナット部７６が昇降するので、このナット部７６に、図１及び図４に示すようにシャフト４１を立設させて連結させることにより、図２及び図８に示した黒塗り部分の昇降部Ｋ２が昇降自在となり、図１０に示す絶縁体１３ｆと下パンチ電極８との上下方向の広い隙α１が図１６に示す狭い隙α２になったりして、下型３の中央部に設けた下パンチ６及び下パンチ電極８を昇降自在にすることができる。また、昇降部Ｋ２の昇降時はガイド棒８２に前記シャフト４１と固定されたガイド穴付板８３が摺動するようにしている。

図４、図７及びス図８に示すように、前記シャフト４１には上側に向かって絶縁体１３ｇ、下パンチ電極８及び下パンチ６が連結されている。よって、下パンチ電極８及び下パンチ６は昇降自在の構造である。したがって、図７及び図８に示すように、被焼結粉末９０や焼結物９１の底面に当接する下パンチ６は昇降するが、被焼結粉末９０や焼結物９１の側面に当接するダイス７は常時固定されている。

また、前記上部外壁１０の外周面が前記下部外壁１１の内周面に摺動しながら下降する形態の場合には、下型３の下部外壁１１内の平面視の状態は、図９に示すように、外側から内側の中心に向かって、下部外壁１１、ストリッパープレート３１、絶縁体１３ｄ、ダイス押え１２、ダイス７、下パンチ６が配設され、前記下部外壁１１、ストリッパープレート３１、絶縁体１３ｄ、ダイス押え１２、ダイス７の外周面は平面視で環状の形状を有し、前記ダイス７の内周面、上パンチ４、下パンチ６は平面視で環状、多角形状、ギア形状など生産する焼結物９１の製品形状によって異なる。

図１１又は図１２に示すように、固定部分のダイス７と昇降部分の下パンチ６により焼結型が形成される。

また、図１２や図１９（ａ）に示す形態の場合は、上型２が下降して、上型２の上部外壁１０が下型３の下部外壁１１内に嵌入する構造としている。そして、前記上型２の上部外壁１０に対向するように設けられ前記上部外壁１０に当接する下型３の部位がストリッパー３０である。該ストリッパー３０の構造は、最上部にはストリッパープレート３１が設けられ、該ストリッパープレート３１の昇降時のガイドとなるストリッパーボルト３３、上部外壁１０が下降してストリッパープレート３１に衝撃的に荷重をかけると該衝撃を緩和させながらストリッパープレート３１を下降させたり、上部外壁１０の上昇により無荷重になるとストリッパープレート３１の上表面の高さを下型３の上表面の高さまで上昇させるストリッパースプリング３２を備えている。前記ストリッパープレート３１が無荷重のときは、ストリッパープレート３１の上表面の高さが下型３の上表面の高さと一致する構造としている。これにより、上型２と下型３とが離隔しているときは下型３の上表面を平らな表面状態にすることができる。

次に、上型２が下降し、前記上部外壁１０が前記下部外壁１１内へ嵌入すると、前記上部外壁１０の内周壁面、前記上型２の底面及び前記下型３の上表面で囲われた空間が密閉空間２５として形成される。そして、真空ポンプ（図示なし）を作動させて前記密閉空間２５を真空状態にすることができ、又は、不活性ガスを供給して前記密閉空間２５を不活性状態にすることができる。

そして、下型３の下部外壁１１の内周壁に外周壁を密着させて嵌入した上型２の上部外壁１０の内周壁、上型２の底面及び下型３の上表面に囲まれた密閉空間２５の真空状態をつくりだしかつ維持させるために、図１３に示すように、前記密閉空間２５につながるすべての各構成部材間に０リング等の耐熱シール１４を配設している。例えば焼結温度に耐えるように耐熱温度が２７０°のＯリングを使用することにより、密閉空間２５の真空状態を焼結加工中も維持できる。

次に、通電経路Ｄを、図１５に示すように、上型２は被焼結粉末９０と当接する上パンチ４、該上パンチ４の上部と連結され電源と接続された上パンチ電極５とし、下型３は被焼結粉末９１と当接するダイス７及び下パンチ６、該下パンチ６の下部と連結され電源と接続された下パンチ電極８とし、前記通電経路Ｄを構成する部材と非通電経路を構成する部材との間に、図６及び図７に示し、かつ図１４に黒塗りで示した絶縁体１３ａ乃至１３ｈを介設している。

例えば、図６に上型２における絶縁体１３ａ乃至１３ｃの配置位置を示し、図７に下型３における絶縁体１３ｄ乃至１３ｈの配置位置を示し、図１４に上型２が下降したときの絶縁体１３ａ乃至１３ｈの配置位置を黒塗りで示している。上型２においては上パンチ４及び上パンチ電極５は通電経路Ｄとして、他の非通電経路の構成要素とは絶縁状態となるようにすべての接合部には絶縁体１３ａ乃至１３ｃを介在させている。下型３においては、下パンチ６、ダイス７、ダイス押え１２及び下パンチ電極８は通電経路Ｄとして、他の非通電経路の構成要素とが絶縁状態となるようにすべての接合部には絶縁体１３ｄ乃至１３ｈを介在させている。また、各構成部材同士を締結させるために使用するボルトも絶縁性を有するボルトを使用する。

前記絶縁体としては、例えば窒化珪素等の絶縁性を有するセラミックス、ポリイミド等の絶縁性を有する樹脂を使用し、ボルト類ではエポキシガラス等の絶縁性を有する材料からなるボルトを使用する。

通電経路Ｄは、図１５に示すように、被焼結粉末９０が導電性粉末の場合は、電源（図示なし）から上パンチ電極５、上パンチ４、被焼結粉末９０、ダイス７、下パンチ６、下パンチ電極８から電源に流れる。これにより、被焼結粉末９０が加熱される。また、被焼結粉末９０が非導電性粉末の場合は、電源（図示なし）から上パンチ電極５、上パンチ４、ダイス７、下パンチ６、下パンチ電極８から電源に流れる。これにより、被焼結粉末９０がダイス７からの伝熱により加熱される。

次に、前記被焼結粉末９０を真空環境又は不活性ガス環境下で加圧かつ加熱して生産された焼結物９１を前記焼結物９１の底面に当接する下パンチ６を上昇させて前記下型３の上表面まで押し上げる焼結体押し上げ手段と、前記上部外壁１０が下降したときに前記上部外壁１０に押し下げられた前記下型３内に埋設したストリッパープレート３１の上面を前記下型３の上表面まで上昇させる復元手段と、前記押し上げた焼結物９１を前記下型３の上表面から搬出すると同時に被焼結粉末９０を投入する搬出入手段と、を備えている。

前記焼結体押し上げ手段は、前記昇降部Ｋ２の上昇により下パンチ６の上面を前記下型３の上表面高さまで上昇させる手段であり、前記復元手段は、前記ストリッパー３０の構造のストッパースプリング３２によりストリッパープレート３１の上面を前記下型３の上表面高さまで上昇させる手段である。

そして、前記搬出入手段は、図１６及び図１７に示すように、搬出部材９２が焼結体９１を下型３の範囲外のシュート台９５まで押出作動などにより搬出し、かつ、下パンチ６上方に次の被焼結粉末９０を収納した材料供給部９３を位置づけるようにし投下することができる。これにより連続生産が可能になり焼結体一個あたりの生産時間を超短時間にできるので高速生産を実現できる。

次に、本発明の高速ダイセット式通電熱加工装置１の制御について説明する。図１に示すように、制御操作盤９が設けられ、前記制御操作盤９内のシーケンサーによって、上型２の下降指示、上型２の上下方向の位置の読み取り、上型２の下降や上昇の速度制御、真空開始タイミングの制御、被焼結粉末９０に加えられた圧力の検知から通電時間の制御、通電の電流値の制御、加圧力の制御、上型２の昇降時間制御、下パンチ６の上昇や下降のタイミング制御、焼結体９１の搬出及び被焼結粉末９０の供給機器の作動制御を含む制御を行っている。そして、図１８に示すように、その制御によって高速ダイセット式通電熱加工方法１００が行われる。

本発明の高速ダイセット式通電熱加工方法１００は、前記上パンチ４や前記上パンチ４の上部に配設した上パンチ電極５を備えた上型２と、前記上パンチ４に対向して配設した下パンチ６、該下パンチ６の上部に配設した筒状のダイス７及び該下パンチ６の下部に配設した下パンチ電極８を備えた下型３とを備え、真空状態又は不活性ガス状態下において被焼結粉末９０を加圧かつ加熱して焼結体９１を生産する高速ダイセット式通電熱加工方法１００であって、前記下パンチ６と前記ダイス７によって形成された焼結型内に被焼結粉末９０を投入する粉末投入ステップ１０１と、前記被焼結粉末９０投入後に上型２を、前記上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の内周面を下型３の前記ダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の外周面に接するように、又は、前記上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の外周面を下型３の前記ダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の内周面に接するように、下降させて形成された上型２と下型３の間の空間を密閉空間２５にし、同時に、上型２に設けた前記上パンチ４を下型３に設けた前記ダイス７内に嵌入させて前記被焼結粉末９０に焼結に必要な所定の加圧を加える上下型セットステップ１０２と、前記上下型セット後に、真空ポンプを作動させて前記密閉空間２５を真空にし、焼結に必要な所定の真空度に到達した後に、又は、不活性ガスを前記密閉空間２５に充満させて焼結に必要な所定のガス濃度に到達した後に、上パンチ電極５から下パンチ電極８まで焼結に必要な所定の電流値の電流を流し、前記被焼結粉末９０にかかる荷重が焼結に必要な所定の荷重に到達した時から予め設定された通電時間ほど前記焼結に必要な所定の電流値の電流を流す加圧通電制御ステップと、上型２が焼結に必要な所定の位置まで下降したのを検知すると上型２を上昇させ、かつ前記下パンチ６を前記ダイス７内で上昇させて焼結体９１を下型３の上表面位置まで押し上げる焼結完了ステップ１０４と、前記焼結体９１を下型３の上表面からの搬出、及び、次の被焼結粉末９０の投入を同時に行う搬出入ステップ１０５と、を備える。

そして、図１２、図１９（ａ）又は図１９（ｃ）に示すように、下型３に嵌入溝３４が形成されている形態の場合は、前記上下型セットステップ１０２が、前記被焼結粉末９０投入後に上型２を、前記上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の内周面を下型３の前記ダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の外周面に接するように、又は、前記上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の外周面を下型３の前記ダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の内周面に接するように、かつ下型３の嵌入溝３４に埋設された前記ストリッパープレート３１を押し下げながら下降させて形成された上型２と下型３の間の空間を密閉空間２５にし、同時に、上型２に設けた前記上パンチ４を下型３に設けた前記ダイス７内に嵌入させて前記被焼結粉末９０に焼結に必要な所定の加圧を加え、前記焼結完了ステップ１０４が、上型２が焼結に必要な所定の位置まで下降したのを検知すると上型２を上昇させ、前記ストリッパープレート３１の上面を下型３の上表面位置まで復元させ、かつ前記下パンチ６を前記ダイス７内で上昇させて焼結体９１を下型３の上表面位置まで押し上げる。

次に、上部外壁１０の外周面が下部外壁１１の内周面に摺動しながら下降する形態の場合について各ステップを説明する。まず、高速ダイセット式通電熱加工装置１の初期の位置は、図１０に示すように、上型２が上昇端の位置に待機し、下型３側は、上部外壁１０が下降して当接する部位であるストリッパープレート３１の上面が下型３の上表面と同じ高さに待機し、下パンチ６が下降端に位置して下パンチ６が底面を形成し筒状のダイス７が側面を形成した焼結型が形成された状態である。作動開始前の初期状態では下型３の上表面は平らな表面を形成している。

次に、粉末投入ステップ１０１は、前記下パンチ６と前記ダイス７によって形成された焼結型内に被焼結粉末９０を投入する。この投入は、図１７に示すように搬出入機構９４の材料供給部９３から投下される。投入量はあらかじめ所定量に調整されており、その調整された被焼結粉末９０が材料供給部９３内に収容されている。

次に、上型嵌入ステップ１０２は、上型２を下降させて、前記上パンチ４を囲繞するように配設した筒状の上部外壁１０の外周面を、下型３の前記ダイス７を囲繞するように配設した筒状の下部外壁１１の内周面に接するようにかつ下型３に埋設された前記ストリッパープレート３１をストリッパースプリング３２を圧縮させて押し下げながら嵌入させる。そして形成された上型２と下型３の間の空間を密閉空間２５にし、同時に、上型２に設けた前記上パンチ４を下型３に設けた前記ダイス７内に嵌入させて前記被焼結粉末９０に焼結に必要な所定の加圧を加える。前記加圧による加圧力はロードセル７７により測定され焼結に必要な所定の加圧力となるように制御操作盤９によりサーボモータ５２にフィードバック制御をしている。また、加圧により上型２は上下方向で下降していくので、上型２の下降位置を検知している。

次に、加圧通電制御ステップ１０３は、上型２が焼結に必要な所定の下降位置もしくは焼結に必要な所定の圧力まで降下したタイミングで真空ポンプ（図示なし）を作動させて前記密閉空間２５を真空にし、焼結に必要な所定の真空度に到達した後に、又は、不活性ガスを前記密閉空間２５に充満させて焼結に必要な所定のガス濃度に到達した後に、上パンチ電極５から下パンチ電極８までの通電経路Ｄに焼結に必要な所定の電流値の電流を流し、前記被焼結粉末９０にかかる荷重が焼結に必要な所定の荷重に到達した時から予め設定された通電時間ほど前記焼結に必要な所定の電流値の電流を流す、あるいは焼結に必要な所定の温度になるまで電流を流す、あるいは焼結に必要な所定の収縮量になるまで電流を流すことにより焼結加工を行う。このときの温度は別に設けた温度センサー（図なし）によって測定する。

次に、焼結完了ステップ１０４は、焼結に必要な所定の通電時間完了の検知及び上型２が焼結に必要な所定の位置まで下降したのを検知すると上型２を上昇させ、前記ストリッパープレート３１に加わる上部外壁１０からの圧縮力が無負荷になったのを受けて前記ストリッパープレート３１の上面を下型３の上表面位置までストリッパースプリング３２の弾性力により復元させ、同時に前記下パンチ６を前記ダイス７内で上昇させて焼結体９１を下型３の上表面位置まで押し上げる。これにより、下型３の上表面は全面が平らな表面となり、焼結体９１を、ストリッパー３０を埋設した穴に落下させずに下型３の上表面を滑らせるか転がせることができ、次の被焼結粉末９０がストリッパー３０を埋設した穴に入り込むのを防ぐことができる。

次に、搬出入ステップ１０５は、前記焼結体９１を下型３の上表面からの搬出、及び、次の被焼結粉末９０の投入を同時に行う。

次に、図１７に示すように、焼結体９１を下型３の上表面を滑らせて又は転がして押し出すと同時に、次の焼結体生産用の材料である被焼結粉末９０を収容した材料供給部９３とを備えた搬出入機構９４により被焼結粉末９０の投入を行う。これにより、連続的に生産を継続させることができる。

１ダイセット式通電熱加工装置
２上型
３下型
４上パンチ
５上パンチ電極
６下パンチ
７ダイス
８下パンチ電極
９制御操作盤
１０上部外壁
１１下部外壁
１２ダイス押え
１３絶縁体
１４耐熱シール
１５ナット部
２０上パンチホルダー
２１下パンチホルダー
２５密閉空間
３０ストリッパー
３１ストリッパープレート
３２ストリッパースプリング
３３ストリッパーボルト
３４嵌入溝
４１シャフト
５０柱
５１クラウン
５２サーボモータ
５３減速機
５４パワーロック
５５カップリング
５７ボールネジ
５８ガイド棒
５９ガイド
７０サーボモータ
７１減速機
７２カップリング
７３ボールネジ
７４シャフト
７５ベッド
７６ナット部
７７ロードセル
８０ガイド棒
８１ガイド
８２ガイド棒
８３ガイド穴付板
９０被焼結粉末
９１焼結体
９２搬出部材
９３材料供給部
９４搬出入機構
９５シュート台
１００高速ダイセット式通電熱加工方法
１０１粉末投入ステップ
１０２上下型セットステップ
１０３加圧通電制御ステップ
１０４焼結完了ステップ
１０５搬出入ステップ
Ｄ通電経路
Ｋ１昇降部
Ｋ２昇降部

Claims

上パンチ及び該上パンチの上部に配設した上パンチ電極を備えた上型と、前記上パンチに対向して配設した下パンチ、該下パンチの上部に配設した筒状のダイス及び該下パンチの下部に配設した下パンチ電極を備えた下型とを備え、真空状態又は不活性ガス状態下において被焼結粉末を加圧かつ加熱して焼結体を生産する高速ダイセット式通電熱加工装置であって、
上型に設けられ被焼結粉末に上方から当接する上パンチを囲繞するように設けられた筒状の上部外壁と、下型に設けられ被焼結粉末に下方から当接し前記上パンチと上下方向で対向する下パンチ及び下型に設けられ被焼結粉末に側面から当接する筒状のダイスを囲繞するように設けられた筒状の下部外壁と、を備え、
前記上型が上昇端に位置するときには前記上部外壁の下端と前記下部外壁の上端とは上下方向で離隔状態にあり、
前記上型の下降により、前記上パンチが前記ダイス内へ嵌入して被焼結粉末を加圧し、前記上部外壁が前記下部外壁内へ嵌入して前記上部外壁の内周壁面、前記上型の底面及び前記下型の上表面で囲われた空間を、又は、前記下部外壁が前記上部外壁内へ嵌入して前記下部外壁の内周壁面、前記上型の底面及び前記下型の上表面で囲われた空間を、真空状態又は不活性ガス状態の密閉空間とすることを特徴とする高速ダイセット式通電熱加工装置。
通電経路を、上型は被焼結粉末と当接する上パンチ、該上パンチの上部と連結され電源と接続された上パンチ電極とし、下型は被焼結粉末と当接するダイス及び下パンチ、該下パンチの下部と連結され電源と接続された下パンチ電極とし、前記上パンチ、上パンチ電極、ダイス、下パンチ及び下パンチ電極と非通電経路部材との間には絶縁体を介設したことを特徴とする請求項１に記載の高速ダイセット式通電熱加工装置。
前記被焼結粉末を真空環境又は不活性ガス環境下で加圧かつ加熱して生産された焼結物を前記焼結物の底面に当接する下パンチを上昇させて前記下型の上表面まで押し上げる焼結体押し上げ手段と、
前記上部外壁を前記下型に設けられた嵌入溝に嵌入する形態の場合に、前記上部外壁が下降したときに前記上部外壁に押し下げられた前記下型内に埋設したストリッパープレートの上面を前記下型の上表面まで上昇させる復元手段と、前記押し上げた焼結物を前記下型の上表面から搬出すると同時に被焼結粉末を投入する搬出入手段と、を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の高速ダイセット式通電熱加工装置。
上パンチ及び前記上パンチの上部に配設した上パンチ電極を備えた上型と、前記上パンチに対向して配設した下パンチ、該下パンチの上部に配設した筒状のダイス及び該下パンチの下部に配設した下パンチ電極を備えた下型とを備え、真空状態又は不活性ガス状態下において被焼結粉末を加圧かつ加熱して焼結体を生産する高速ダイセット式通電熱加工方法であって、
前記上型の上パンチを囲繞するように配設した筒状の上部外壁の下端と前記下型のダイスを囲繞するように配設した筒状の下部外壁の上端とを上下方向で離隔状態を実現した前記上型の上昇端時に、前記下パンチと前記ダイスによって形成された焼結型内に被焼結粉末を投入する粉末投入ステップと、
前記被焼結粉末投入後に上型を、前記上パンチを囲繞するように配設した筒状の上部外壁の内周面を下型の前記ダイスを囲繞するように配設した筒状の下部外壁の外周面に接するように、又は、前記上パンチを囲繞するように配設した筒状の上部外壁の外周面を下型の前記ダイスを囲繞するように配設した筒状の下部外壁の内周面に接するように、下降させて形成された上型と下型の間の空間を密閉空間にし、同時に、上型に設けた前記上パンチを下型に設けた前記ダイス内に嵌入させて前記被焼結粉末に所定の加圧を加える上下型セットステップと、
前記上下型セット後に、真空ポンプを作動させて前記密閉空間を真空にし、所定の真空度に到達した後に、又は、不活性ガスを前記密閉空間に充満させて所定のガス濃度に到達した後に、上パンチ電極から下パンチ電極まで所定の電流値の電流を流し、前記被焼結粉末にかかる荷重が所定の荷重に到達した時から予め設定された通電時間ほど前記所定の電流値の電流を流す加圧通電制御ステップと、
上型が所定の位置まで下降したのを検知すると上型を上昇させ、かつ前記下パンチを前記ダイス内で上昇させて焼結体を下型の上表面位置まで押し上げる焼結完了ステップと、
前記上型を上昇端に位置させて、前記上型の上パンチを囲繞するように配設した筒状の上部外壁の下端と前記下型のダイスを囲繞するように配設した筒状の下部外壁の上端とを上下方向で離隔状態にして、前記焼結体を下型の上表面からの搬出、及び、次の被焼結粉末の投入を同時に行う搬出入ステップと、を備えることを特徴とする高速ダイセット式通電熱加工方法。
前記上下型セットステップが、下型に嵌入溝が形成されている形態の場合は、前記被焼結粉末投入後に上型を、前記上パンチを囲繞するように配設した筒状の上部外壁の内周面を下型の前記ダイスを囲繞するように配設した筒状の下部外壁の外周面に接するように、又は、前記上パンチを囲繞するように配設した筒状の上部外壁の外周面を下型の前記ダイスを囲繞するように配設した筒状の下部外壁の内周面に接するように、かつ下型の嵌入溝に埋設された前記ストリッパープレートを押し下げながら下降させて形成された上型と下型の間の空間を密閉空間にし、同時に、上型に設けた前記上パンチを下型に設けた前記ダイス内に嵌入させて前記被焼結粉末に所定の加圧を加え、
前記焼結完了ステップが、上型が所定の位置まで下降したのを検知すると上型を上昇させ、前記ストリッパープレートの上面を下型の上表面位置まで復元させ、かつ前記下パンチを前記ダイス内で上昇させて焼結体を下型の上表面位置まで押し上げることを特徴とする請求項４に記載の高速ダイセット式通電熱加工方法。