JP7403525B2 - 焼結体の製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2019年3月5日出願の日本出願第2019-039866号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
第1の粉末成形体に工具で機械加工を施して歯車形状の加工成形体を作製する工程と、
前記加工成形体を焼結して焼結体を作製する工程とを備え、
前記機械加工では、前記歯車形状の歯形と同一仕様の歯形が形成された板状部材で前記第1の粉末成形体における前記工具が抜ける側の面を支持し、前記工具で前記第1の粉末成形体における前記板状部材の歯溝に対応した箇所を加工する。
更なる量産に適した焼結体の製造方法の開発が望まれている。
[本開示の効果]
本開示の焼結体の製造方法は、生産性に優れる。
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
第1の粉末成形体に工具で機械加工を施して歯車形状の加工成形体を作製する工程と、
前記加工成形体を焼結して焼結体を作製する工程とを備え、
前記機械加工では、前記歯車形状の歯形と同一仕様の歯形が形成された板状部材で前記第1の粉末成形体における前記工具が抜ける側の面を支持し、前記工具で前記第1の粉末成形体における前記板状部材の歯溝に対応した箇所を加工する。
歯形を有さない素材板と第2の粉末成形体とを積層し、前記素材板と一緒に前記第2の粉末成形体に機械加工を施すことにより前記素材板に歯形を形成して前記板状部材を作製する工程を更に備える形態が挙げられる。
前記板状部材は、前記粉末成形体を支持する第一面と、前記第一面に繋がる第二面とを備え、
前記粉末成形体を前記板状部材で支持した状態において、前記第一面と前記第二面との間の稜線が、前記粉末成形体の外縁よりも外方に位置する形態が挙げられる。
前記粉末成形体の外縁から前記稜線までの長さが、0.05mm以上0.5mm以下である形態が挙げられる。
本開示の実施形態の詳細を、以下に図面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、請求の範囲によって示され、請求の範囲及びそれと均等の範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。図中の同一符号は、同一名称物を示す。
実施形態の焼結体の製造方法は、下記工程を備える。
加工工程では、粉末成形体に工具で機械加工を施して歯車形状の加工成形体を作製する。実施形態の焼結体の製造方法は、粉末成形体に機械加工を施すにあたり、粉末成形体に加工する歯車形状の歯形と同一仕様の歯形が形成された板状部材によって、粉末成形体における工具が抜ける側の面を支持する点を特徴の一つとする。即ち、工具の刃が粉末成形体に接触しながら移動して粉末成形体を加工する際に、工具の刃が粉末成形体から離れる位置において、粉末成形体の加工された面と稜線(エッジ)を形成する面が上記板状部材によって支持される。以下、図1及び図2を参照して、まず粉末成形体1と板状部材2について説明し、その後に機械加工の条件について説明する。
粉末成形体1は、金属粉末を含む原料粉末が加圧成形されたものである。粉末成形体1の形状は、例えば、円柱状、円筒状、円盤状等が挙げられる。図1に示す粉末成形体1は、円筒状である。
板状部材2は、粉末成形体1に機械加工を施す際に、粉末成形体1を支持する当て板である。粉末成形体1に工具3で機械加工を施すと、一般的に、粉末成形体1における工具3が抜ける側の面(以下、出口面12(図2)と呼ぶ)近傍に引張応力が発生する。ここで出口面12とは、工具3の刃が粉末成形体1に接触しながら移動して粉末成形体1を加工する際に、工具3の刃が粉末成形体1から離れる位置において、粉末成形体1の加工された面との間に稜線(エッジ)を形成する面である。この引張応力は、粉末成形体1を構成する金属粉末の粒子間の結合を切るように働き、機械加工によって粉末成形体1に欠け等の発生を招き得る。板状部材2は、粉末成形体1の出口面12を支持することで、機械加工によって生じる引張応力を打ち消す圧縮応力を粉末成形体1に付与する機能を有する。
機械加工は、代表的には切削加工であり、切削用の工具3を用いて粉末成形体1に歯車形状を形成する。歯車形状を形成する機械加工には、ホブ、ブローチ、又はピニオンカッタ等を用いてよい。機械加工では、粉末成形体1に加工する歯車形状の歯形と同一仕様の歯形が形成された板状部材2によって、粉末成形体1における工具3が抜ける側の面(出口面12、図2)を支持する。
焼結工程では、粉末成形体を機械加工して得られた加工成形体を焼結する。粉末成形体を焼結することで、金属粉末の粒子同士が接触して結合された焼結体が得られる。粉末成形体の焼結は、金属粉末の組成に応じた公知の条件を適用できる。例えば、金属粉末が鉄粉や鉄合金粉の場合、焼結温度は、1000℃以上1400℃以下であってよく、好ましくは1100℃以上1300℃以下であってよい。焼結時間は、15分以上150分以下であってよく、好ましくは20分以上60分以下であってよい。
仕上げ工程では、焼結体の表面を研磨する等して、焼結体の表面粗さを小さくすると共に、焼結体の寸法を設計寸法に合わせる。
実施形態の焼結体の製造方法は、加工成形体に欠け等が生じることを抑制できる。機械加工において、粉末成形体1における工具3が抜ける側の面(出口面12、図2)を板状部材2で支持するため、板状部材2によって粉末成形体1に圧縮応力を付与できるからである。特に、板状部材2における粉末成形体1を支持する第一面21と第一面21に繋がる第二面22との間の稜線24が、粉末成形体1の外縁よりも外方に位置することで、粉末成形体1の出口面12を全面にわたって板状部材2で支持し易く、板状部材2によって粉末成形体1に圧縮応力を適切に付与し易い。
粉末成形体に工具で機械加工を施して歯車形状の加工成形体を作製し、加工成形体の欠けを調べた。
試験例1では、以下に示す試験A及び試験Bの条件によってそれぞれ1000個の加工成形体を作製し、加工成形体の欠けを調べた。
外径45mm×内径20mm×高さ20mmの円筒状の粉末成形体を準備した。粉末成形体の内外径の同軸度は、0.01以下であった。粉末成形体の密度は、7.71g/cm3であった。また、外径45mm×内径20mm×高さ5mmの円筒状の板状部材を準備した。板状部材は、溶製法で作製された鋼板である。この板状部材の外周面には、粉末成形体に形成される歯車形状の歯形と同一仕様の歯形が形成されている。この歯形を有する板状部材は、一つ目の粉末成形体に機械加工を施す際に、この粉末成形体と歯形を有さない素材板とを積層し、素材板と一緒に粉末成形体に機械加工を施すことにより素材板に歯形を形成することで作製した。歯形の仕様は、歯数が29、モジュールが1.4、圧力角が17.5°、ねじれ角が15.8°である。二つ目以降の粉末成形体を機械加工する際は、一つ目の粉末成形体への機械加工の際に得られた板状部材を用い、その板状部材で粉末成形体における工具が抜ける側の面を支持し、工具で粉末成形体における板状部材の歯溝に対応した箇所を加工した。試験体Aでは、二つ目以降の粉末成形体を機械加工する際は、板状部材を取り替えていない。粉末成形体に形成する歯車形状の歯形の仕様は、歯数が29、モジュールが1.4、圧力角が17.5°、ねじれ角が15.8°である。機械加工の加工速度は、一つ目の粉末成形体への機械加工では、0.8mm/revとし、二つ目以降の粉末成形体対への機械加工では、4.0mm/revとした。
上記粉末成形体と、歯形を有さない板状部材とを準備した。板状部材は、外径45mm×内径20mm×高さ5mmの円筒状であり、溶製法で作製された鋼板である。板状部材で粉末成形体における工具が抜ける側の面を支持し、工具で粉末成形体を加工した。試験Bでは、粉末成形体に対する歯車形状の形成ごとに、歯形を有さない板状部材に取り替えた。そのため、試験Bでは、粉末成形体に対する歯車形状の形成ごとに、板状部材にも歯車形状が形成される。粉末成形体に形成する歯車形状の歯形の仕様は、歯数が29、モジュールが1.4、圧力角が17.5°、ねじれ角が15.8°である。機械加工の加工速度は、0.8mm/revとした。
歯形を有する板状部材で粉末成形体を支持して機械加工を施した試験Aでは、1.5%の欠け不良であった。また、試験Aでは、粉末成形体に対する歯車形状の形成ごとに板状部材を取り替える必要がなく、一つの粉末成形体の実加工時間は、4.5秒であった。更に、試験Aでは、板状部材を取り替えずに、加工成形体を1000個作製しても、板状部材に形状変化がなく、繰り返し使用できることがわかった。試験Bでは、試験Aと同様の欠け不良であった。しかし、試験Bでは、粉末成形体に対する歯車形状の形成ごとに、歯形を有さない板状部材に取り替えており、一つの粉末成形体の実加工時間は、10.3秒であった。つまり、試験Aでは、試験Bに比較して、実加工時間を大幅に短縮できた。また、試験Aでは、加工速度を試験Bの加工速度の5倍とでき、高速で機械加工を施せた。このことからも、試験Aでは、試験Bに比較して、実加工時間を大幅に短縮できた。以上より、歯形を有する板状部材で粉末成形体を支持して機械加工を施した場合、機械加工による欠けの発生を低減できる上に、生産性に優れることがわかった。
試験例2では、試験Aに対して板状部材の大きさを変えて、それぞれ1000個の加工成形体を作製し、加工成形体の欠けを調べた(試験C、試験D、試験E)。各試験では、粉末成形体の大きさや形状、機械加工の条件は、試験Aと同様である。
試験Aで用いた板状部材の外周縁を構成する角部をC面取りした板状部材を準備した。C面取りの幅は、0.1mmである。このC面取りされた板状部材で粉末成形体を支持して機械加工を施した。試験Cでは、粉末成形体の外径と板状部材の外径とが同じである。よって、粉末成形体を板状部材で支持した状態において、板状部材の最大突出長さは、0mmである。一方で、試験Cでは、板状部材の周縁を構成する角部がC面取りされている。つまり、粉末成形体を支持する面(支持面)と、歯形が形成された外周面とが、C面取りにより形成された面(面取り面)を介して繋がっている。よって、粉末成形体を板状部材で支持した状態において、板状部材の角部の外縁を構成する支持面と面取り面との間の稜線が、粉末成形体の外縁よりも径方向内側に位置する。そのため、板状部材の稜線突出長さは、負の値となる。
外径45.2mm×内径20mm×高さ5mmの円筒状の板状部材を準備した。この板状部材で粉末成形体を支持して機械加工を施した。試験Dでは、粉末成形体の外径よりも板状部材の外径が大きい。よって、粉末成形体を板状部材で支持した状態において、板状部材の最大突出長さは、0.1mmである。また、試験Dでは、板状部材の周縁を構成する角部は面取りされていない。よって、粉末成形体を板状部材で支持した状態において、板状部材の稜線突出長さも、0.1mmである。
外径45.4mm×内径20mm×高さ5mmの円筒状の板状部材を準備した。この板状部材で粉末成形体を支持して機械加工を施した。試験Eでは、粉末成形体の外径よりも板状部材の外径が大きい。よって、粉末成形体を板状部材で支持した状態において、板状部材の最大突出長さは、0.2mmである。また、試験Eでは、板状部材の周縁を構成する角部は面取りされていない。よって、粉末成形体を板状部材で支持した状態において、板状部材の稜線突出長さも、0.2mmである。
その結果、試験Cでは、6.5%の欠け不良が発生した。これは、板状部材の外径が粉末成形体と同じであるにも関わらず、板状部材の外周縁を構成する角部が面取りされていることで、その面取りされた箇所は粉末成形体の出口面を支持できなかったからと考えられる。なお、試験Aは、上述したように、1.5%の欠け不良であり、試験Cに比較して、欠け不良を低減できた。これは、粉末成形体を板状部材で支持した状態において、板状部材の最大突出長さ及び稜線突出長さが0mmであるからである。つまり、粉末成形体の出口面の略全面を板状部材で支持できたからと考えられる。試験Dでは、0.12%の欠け不良であり、試験Aに比較して、欠け不良を更に低減できることがわかった。これは、粉末成形体を板状部材で支持した状態において、板状部材の稜線突出長さが正の値であるからである。つまり、各部材の公差を考慮しても、粉末成形体の出口面の全面をより確実に板状部材で支持できたからと考えられる。試験Eは、欠け不良が0.06%であり、試験Dに比較して、欠け不良を更に低減できることがわかった。これは、粉末成形体を板状部材で支持した状態において、板状部材の稜線突出長さが試験Dよりも大きな正の値であるからである。つまり、各部材の公差や回転によるずれ等を考慮しても、粉末成形体の出口面の全面を更により確実に板状部材で支持できたからと考えられる。
11 外周面
12 出口面
2 板状部材
21 第一面
22 第二面
23 第三面
24 稜線
3 工具
Claims (7)
- 第1の粉末成形体に工具で機械加工を施して歯車形状の加工成形体を作製する工程と、
前記加工成形体を焼結して焼結体を作製する工程とを備え、
前記機械加工では、前記歯車形状の歯形と同一仕様の歯形が形成された板状部材で前記第1の粉末成形体における前記工具が抜ける側の面を支持し、前記工具で前記第1の粉末成形体における前記板状部材の歯溝に対応した箇所を加工する、
焼結体の製造方法。 - 歯形を有さない素材板と第2の粉末成形体とを積層し、前記素材板と一緒に前記第2の粉末成形体に機械加工を施すことにより前記素材板に歯形を形成して前記板状部材を作製する工程を更に備える請求項1に記載の焼結体の製造方法。
- 前記板状部材は、
前記第1の粉末成形体を支持する第一面と、
前記第一面と交差する方向に延びており、かつ前記歯車形状の歯形と同一仕様の歯形が形成された第三面と、
前記第一面と前記第三面とで構成される角部が面取りされて形成された第二面とを備え、
前記第1の粉末成形体を前記板状部材で支持した状態において、前記第一面と前記第二面との間の稜線が、前記第1の粉末成形体の外縁よりも外方に位置する請求項1又は請求項2に記載の焼結体の製造方法。 - 前記板状部材は、
前記第1の粉末成形体を支持する第一面と、
前記第一面と交差する方向に延びており、かつ前記歯車形状の歯形と同一仕様の歯形が形成された第三面とを備え、
前記第一面と前記第三面とが直接的に稜線で繋がっており、
前記第1の粉末成形体を前記板状部材で支持した状態において、前記稜線が前記第1の粉末成形体の外縁よりも外方に位置する請求項1又は請求項2に記載の焼結体の製造方法。 - 前記第1の粉末成形体の外縁から前記稜線までの長さが、0.05mm以上0.5mm以下である請求項3又は請求項4に記載の焼結体の製造方法。
- 前記歯車形状がヘリカルギアの形状である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の焼結体の製造方法。
- 前記板状部材が溶製法で作製された金属板である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の焼結体の製造方法。
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