JP7425219B2 - 球形グリーン体を製造するためのプレスツールおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、前圧縮された球形プレス加工品の更なる加工によって球形グリーン体を製造するためのプレスツールに関する。更に、本発明は、本発明によるプレスツールを使用して球形グリーン体を製造するための方法に関する。有利には、本発明は、セラミック材料またはセラミック材料を含有する調合物から球形グリーン体を製造するためのツールおよび方法に関する。製造される球形グリーン体は、好ましくは、いわゆるハイブリッド転がり軸受用の転動体グリーン体、特に好ましくは、球形状転動体を製造するための球形グリーン体である。

今後数年間、セラミック転動体または部分的にセラミックから形成された転動体の分野では、最も変化に富む用途に対して明らかに高まっている要求が注目されている。とりわけ、部分的にセラミックで形成された転がり軸受、いわゆるハイブリッド軸受の分野では、転動体のみがセラミックから製造されている実施形態について注目されている。上記種類のセラミック転動体のコストは、実際に、幅広い使用に対して、とりわけ自動車用途においてもまた、制限する要因となっている。このコストは、ブランクを製造するための非常に手間のかかるプロセス工程によって、およびそのブランクの仕上げ加工によって、主に生じる。

転動体の最適な仕上げ加工について重要なのは、可能な限り均一なブランクであり、そのブランクは、とりわけ、一様な特性および高い形状精度または真円度を特徴とする。これらの特性は、成形法の選択によって決定的な影響を受ける。この理由から、通常、二段階成形が選択される。

第１の工程では、セラミック顆粒は、単軸または二軸のプレス機を使用して前圧縮されたプレス加工品に加工される。ただし、このプレス加工品は、まだ密度の不均一性を有し、この不均一性は、その後の焼成工程において一様ではない収縮特性をもたらすであろう。この理由から、第２の成形工程では、既に前圧縮されたプレス加工品は、冷間等方圧プレスによって全方向から圧縮される。これにより、上述した密度差を均一化することができる。

グリーン体を製造するための方法は、数ある中でも既に、中国特許第１０３９５１４３７ Ａ号、同第１０３３８７３９４ Ａ号、同第１０１６１３２０２ Ａ号、および韓国特許第２００２００３２２１０ Ａ号の公開特許公報から公知である。

本発明は、球形グリーン体を製造するための製造期間について更に改良されている、特にセラミック材料から、またはセラミック材料を含有する調合物から製造される球形グリーン体を製造するためのプレスツールおよび方法を提供することを課題とする。有利には、製造された球形グリーン体の品質もまた、寸法精度および表面特性の観点から、必要な後処理の度合が低減されるように改良されることとなる。

本課題は、請求項１の特徴を有する、前圧縮されたプレス加工品の更なる加工によって球形グリーン体を製造するためのプレスツールによって、および請求項９の特徴を有する、グリーン体を製造するための方法によって解決される。

本発明のプレスツールは、少なくとも１つの金属製の第１のプレスツールブロックと、少なくとも１つの金属製の第２のプレスツールブロックと、を含み、プレスツールブロックはいずれも、成形用凹部を有し、凹部組み合わせて、前圧縮された球形プレス加工品を収容するための球形状キャビティを形成する。プレスツールブロックはいずれも、プレスツールブロックの凹部の領域の周囲に第１のツール領域と、第１のツール領域の周囲の外側に第２のツール領域と、を有し、第１のツール領域は、第１のツール領域に配置された、流体を使用して加圧可能な空洞が、第１のツール領域における空洞の断面積の拡大により金属材料の拡張を許容するように、第２のツール領域と比べてより高い弾性を有するため、プレスツールの球形状キャビティは、全方向からの圧力が前圧縮された球形プレス加工品に作用可能であるように、好適には球状に、縮小可能である。前圧縮された球形プレス加工品が第２の方法工程において（例えば、冷間等方圧プレスプロセスを使用して）更に圧縮される前に、前圧縮された球形プレス加工品の前述した手間のかかる封入は、本発明のプレスツールを使用することにより、もはや必要ではない。更に、その表面性状においてほんのわずかな後処理のみ必要な、球形グリーン体が製造可能である。

本発明の有利な実施形態によれば、プレスツールが付加製造法によって製造されていることを企図することができる。いわゆる３Ｄ印刷で製造されたプレスツールによって、プレスツール内にほぼ任意の自由形状およびチャネル、特に空洞もまた導入することができ、空洞の断面輪郭は、（例えば、ツールまたは被加工物に導入された穿孔または穿孔チャネルによってのように）直線的な広がりとは異なる。いわゆる「付加製造」は、デジタル３Ｄ構成データに基づいて素材を堆積させることによって積層して部品を構築するプロセスを指す。ただし、付加製造は、ここでは従来の除去的な切削仕上げ法とは明らかに異なる、専門的な生産方法であることを、３Ｄ印刷という名称よりも適切に表す。付加製造は、例えば、微細粉末として提供されている材料または材料混合物から、部品を一層ずつ構築する。素材としては一般的に、金属、プラスチック、セラミック、または結合剤などの多様な素材が使用可能である。製造の過程では、例えば、最初に粉末材料の薄層を構築プラットフォーム上に堆積させてもよい。強力なレーザ光線は、コンピュータで作成した部品構築データによって規定されている箇所で正確に粉末を溶かす。その後、更なる粉末堆積が行われる。材料が新たに溶融され、定義された箇所でその下にある層と結合する。部品は、出発物質および用途に応じて、ステレオリソグラフィ、レーザ焼結、レーザ溶融、熱溶解積層法、またはポリジェット造形を用いて仕上げ加工することができる。付加製造された金属製プレスツールブロックは、本発明のプレスツールに組み立てられる。

その際、好ましくは、２つのプレスツールブロックが存在するが、組み合わせて球形状キャビティを形成する３つ以上のプレスツールブロックが存在してもよい。その際、偶数のプレスツールブロックが好ましい。

本発明の特に好ましい更なる実施形態によれば、プレスツールが全体的に金属から形成されていることを企図することができ、それにより、ツールに由来するグリーン体の汚染が生じるおそれがほとんどない。その際、プレスツールブロックを付加的に形成するために、様々な鋼鉄を使用することができる。ただし、他の金属の使用および様々な金属の組み合わせもまた、付加製造に基づいて可能である。

本発明の同様に好ましい変形形態では、少なくとも１つのプレスツールブロックの第１のツール領域および第２のツール領域は、異なる金属材料から形成されており、それにより、製造されるグリーン体の表面品質を更に最適化することができる。

また、少なくとも１つのプレスツールブロックの第１のツール領域および第２のツール領域が同じ金属材料から形成され、それにより、ツールの簡略化された製造が保証されているように、本発明を更に発展させることが有利であり得る。

特に、プレスツールブロックはいずれも、鋼鉄および／または硬金属から形成されている。

本発明の主題の好ましいとされ得る更なる実施形態によれば、第１のツール領域の金属材料がその構造において部分的に解体されている、特に、第１のツール領域の材料の構造が、第２のツール領域の構造と比較して最小２０％から最大５０％だけ解体されていることによって、第１のツール領域のより高い弾性が達成されることを、企図することができる。構造的解体とは、本発明の意味では、例えば、スポンジでのように、最小の空洞が細孔の形態で生成されているため、解体された領域がもはや存在していないこと、または、グリッド構造がグリッドの間に挟まれた自由空間を有して作製されていることを意味する。第１のツール領域において定義された多孔度および／または自由空間配置を使用して生成された、プレスツールブロックを形成するために使用された材料の弾性は、流体が当たる空洞の領域に圧力が加えられたときに、凹部の表面が、凹部に取り込まれた球形プレス加工品に向かって全方向から移動することを可能にする。これにより、用途および素材に応じて、または製造される球形グリーン体に応じて、第１のツール領域の最適な弾性または２つのツール領域の最適な剛性を互いに設定することができることを、達成することができる。

本発明の同様に好ましい変形形態では、第１のプレスツールブロックの成形用凹部および第２のプレスツールブロックの成形用凹部が半球の形状で形成されており、それにより、製造技術的に簡略化された球形状転動体、特にいわゆるハイブリッド軸受用のセラミック転動体が高い表面品質で製造可能であることもまた、企図することができる。球形状キャビティは、空洞に液圧を印加することによって、好適には球状に圧縮可能であり、特に、利用可能なプレスツールブロック間の接触面の領域において偏差が可能である、すなわち、キャビティの体積圧縮を構成に応じてより少なくすることができる。

好適には、プレスツールブロックはいずれも、液圧流体が供給可能な多数の空洞を第１のツール領域に有する。特に、空洞のうちの少なくとも１つ、好ましくは、多数の空洞のうちの複数または全ては、環状に凹部を囲むように、かつ好適には楕円の断面を有するように形成されている。これらの環状の空洞は、有利には、プレスツールブロック内の凹部の周囲に均等に分布するように形成されている。その際、楕円の平たくなった側は、プレスツール内の凹部の隣接する表面に対して平行に配向される。これにより、プレスツールにおける凹部の表面の最適な適合は、その後の球形プレス加工品の所望の最適な輪郭で保証され、したがって、製造される球形グリーン体の形状精度の高い度合が保証される。

環状に形成された空洞に追加してまたはその代わりに、流体で圧力を加えることができるレンズ形状に形成された空洞もまた適していることがわかった。その際、レンズ形状の平たくなった側は、プレスツール内の凹部の隣接する表面に対して平行に配向される。

本発明の対象の好ましい更なる実施形態によれば、空洞の少なくともいくつかが、それぞれ流体チャネルを介して流体的に相互に作用可能に接続されており、それにより同様に、プレスツールのキャビティの所望の最適な輪郭が、前圧縮されたプレス加工品との接触領域において更に改善されることを企図することができる。

更に、本発明の根底にある課題は、球形グリーン体を製造するための方法によって、上記に記載のプレスツールを使用して解決される。特にセラミック材料またはセラミック材料を含有する調合物から、球形グリーン体を製造するための本発明の方法は、第１の成形が、特にセラミック材料またはセラミック材料からなる粉末を前圧縮された球形プレス加工品にプレスすることにより行われる、第１の方法工程を含む。第２の方法工程において、更なる成形は、ツーピースまたはマルチピースのプレスツールを使用して、プレスツールの球形状キャビティ内に前圧縮されたプレス加工品を導入し、球形グリーン体となるように前圧縮された球形プレス加工品を再圧縮することにより行われる。その際、前圧縮された球形プレス加工品への加圧は、プレスツールにおける流体内圧を加えることによって行われ、それにより、プレスツールの球形状キャビティは、全方向からの圧力が前圧縮された球形プレス加工品に作用するように、好適には球状に、縮小される。

最終的に、本発明の課題は、球形グリーン体を製造するための本発明のプレスツールの使用によって、セラミック材料またはセラミック材料を含有する調合物からなる既存の前圧縮された球形プレス加工品を更に加工して解決される。

以下で、本発明を図面を参照して本発明の趣旨を制限することなく例示的に説明する。

可能な一実施形態における本発明のプレスツールを垂直平面で切断した概略断面図である。 球形グリーン体へと更に圧縮されることとなる、封入された前圧縮された球形プレス加工品と共に、閉鎖状態にある図１のプレスツールの図である。

図１および図２は、可能な一実施形態における本発明のプレスツール３を、プレスツール３の中央を通る垂直平面で切断した概略断面図で示し、図２では、プレスツール３は、封入された前圧縮された球形プレス加工品と共に閉鎖状態で図示されている。

図１および図２は、一方では、その基本構成にあるプレスツール３を概略図で示す。前圧縮された球形プレス加工品２の更なる加工によって球形グリーン体１を製造するための図示されたプレスツール３は、ここではツーピースで形成され、第１の上側プレスツールブロック３１および第２の下側プレスツールブロック３２を含み、プレスツールブロック３１、３２はいずれも、対向するツール面の領域に成形用凹部を有する。互いに対向して配置された２つの凹部は一緒に、前圧縮された球形プレス加工品２を収容するための球形状キャビティ３０を形成する。プレスツールブロック３１、３２はいずれも、プレスツールブロック３１、３２の凹部の領域の周囲に第１のツール領域３１１、３２１と、第１のツール領域３１１、３２１の周囲の外側に第２のツール領域３１２、３２２と、を有し、第１のツール領域３１１、３２１は、第２のツール領域３１２、３２２と比較してより高い弾性を有する。この高い弾性は、有利には、第１のツール領域３１１、３２１の金属素材または金属材料がその構造において部分的に解体されていることにより達成される。有利には、構造的解体は、第２のツール領域３１２、３２２の構造と比較して最小２０％から最大５０％である。構造的解体は、例えば、より小さい空洞を形成することによって、例えば、空洞がスポンジの構造で形成されるようにして達成される。両方のツール領域３１１、３２１；３１２、３２２の異なる弾性に基づいて、第１のツール領域３１１、３２１に配置され、流体を使用して加圧可能な空洞１０によって、金属材料の拡張は、第１のツール領域３１１、３２１における空洞１０の断面積を拡大して達成することができるため、プレスツール３の球形状キャビティ３０は、全方向からの圧力が前圧縮された球形プレス加工品２に作用可能であるように球状に縮小可能である。

プレスツールブロック３１、３２はいずれも、それぞれ複数の空洞１０を有する。空洞１０は、ここでは環状に凹部の周りに形成され、断面で見ると、空洞１０の周囲線は、楕円に形成されている。楕円の平たくなった面は、凹部に面するように配置されている。したがって、図示した実施例では、空洞１０は、断面で見て楕円形状を有する。空洞１０のうちのいくつかまたは全ては、流体チャネル１１を介して流体的に相互に作用可能に接続されており、示した例では、断面で見て各プレスツールブロック３１、３２において、より大きい断面積の水平の（供給チャネルとして形成された）流体チャネル１１が形成され、水平の流体チャネル１１は、中間的断面積の、径方向内側に延びる複数のより小さな（供給チャネルとして形成された）流体チャネル１１に供給し、より小さな流体チャネル１１は、更にプレスツール３の凹部の周囲に配置された空洞１０に流体を供給するため、適合する流体圧力をプレスツール３内に生じさせることができる。その際、個々の空洞１０は、必要に応じてより小さい断面積を有する（接続チャネルとして形成された）流体チャネル１１を介して流体的に上下に重ねて接続されている。第２のツール領域３１２、３２２の剛性と関連する第１のツール領域３１１、３２１の流体圧力および弾性によって、このときにはもう、プレスツール３の凹部によって形成されたプレスツール３の球形状キャビティ３０を縮小することができ、適合するプレス圧力を球形プレス加工品２に作用させることができる。

他方では、図１および図２は、グリーン体１を製造するための本発明の方法を二段階製造プロセスで具体的に説明しており、ここでは、第１の成形のための従来技術から公知の第１の方法工程に加えて構築される第２の方法工程のみが具体的に説明されている。第２の方法工程によれば、更なる成形は、第１の工程で前圧縮された球形プレス加工品２をツーピースまたはマルチピースで形成されたプレスツール３を使用して、プレスツール３の球形状キャビティ３０内に前圧縮された球形プレス加工品２を導入して、球形グリーン体１へと更に圧縮することによって行われる。その際、前圧縮された球形プレス加工品２への加圧は、プレスツール３における流体内圧を加えることによって生じ、それにより、プレスツール３の球形状キャビティ３０は、全方向からの圧力が前圧縮された球形プレス加工品２に作用するように球状に縮小される。図示したプレスツール３は、球形グリーン体１を形成するのに適しており、球形グリーン体１は、脱バインダおよび焼成後、直接またはわずかな硬質機械加工後に転がり軸受玉へと変換される。そのような球形グリーン体１は、焼成工程において焼成されて、硬化される。セラミック製転がり軸受玉は、ハイブリッド転がり軸受用に金属製軸受リングと共に使用可能である。

本発明は、図に示された実施形態および用途分野に制限されない。したがって、上記の記載は、制限的ではなく、説明的と見なされるべきである。以下の特許請求の範囲は、言及された特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に存在しているように理解されるべきである。これは、更なる特徴の存在を排除しない。特許請求の範囲および上記の記載が「第１の」特徴および「第２の」特徴を定義しているならば、この表記は、２つの同種の特徴の差異を、序列なしに決定することに役立つ。

１ グリーン体
２ プレス加工品
３ プレスツール
１０ （プレスツールの材料内に形成された）空洞
１１ 流体チャネル
３０ （プレス加工品用に凹部によってプレスツール内に形成されたプレスツールの）キャビティ
３１ 第１のプレスツールブロック
３２ 第２のプレスツールブロック
３１１ （第１のプレスツールブロックの）第１のツール領域
３１２ （第１のプレスツールブロックの）第２のツール領域
３２１ （第２のプレスツールブロックの）第１のツール領域
３２２ （第２のプレスツールブロックの）第２のツール領域

Claims (10)

1. 前圧縮された球形プレス加工品（２）の更なる加工によって球形グリーン体（１）を製造するためのプレスツール（３）であって、
   －前記プレスツール（３）は、少なくとも１つの金属製の第１のプレスツールブロック（３１）と、少なくとも１つの金属製の第２のプレスツールブロック（３２）と、を有し、前記プレスツールブロック（３１、３２）はいずれも、成形用凹部を有し、前記凹部は、組み合わせて、前記前圧縮された球形プレス加工品（２）を収容するための球形状キャビティ（３０）を形成し、
   －前記プレスツールブロック（３１、３２）はいずれも、前記プレスツールブロック（３１、３２）の前記凹部の領域の周囲に第１のツール領域（３１１、３２１）と、前記第１のツール領域（３１１、３２１）の周囲の外側に第２のツール領域（３１２、３２２）と、を有し、前記第１のツール領域（３１１、３２１）は、前記第１のツール領域（３１１、３２１）に配置された、流体を使用して加圧可能な空洞（１０）が、前記第１のツール領域（３１１、３２１）における前記空洞（１０）の断面積の拡大により金属材料の拡張を許容するように、前記第２のツール領域（３１２、３２２）と比べてより高い弾性を有するため、前記プレスツール（３）の前記球形状キャビティ（３０）は、全方向からの圧力が前記前圧縮された球形プレス加工品（２）に作用可能であるように縮小可能であることを特徴とする、プレスツール（３）。
2. 前記プレスツール（３）は、全体的に金属から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のプレスツール（３）。
3. 前記少なくとも１つのプレスツールブロック（３１、３２）の前記第１のツール領域（３１１、３２１）および前記第２のツール領域（３１２、３２２）は、同じ金属材料から形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のプレスツール（３）。
4. 前記少なくとも１つのプレスツールブロック（３１、３２）の前記第１のツール領域（３１１、３２１）および前記第２のツール領域（３１２、３２２）は、異なる金属材料から形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のプレスツール（３）。
5. 前記第１のツール領域（３１１、３２１）の前記より高い弾性は、前記第１のツール領域（３１１、３２１）の前記金属材料の構造が前記第２のツール領域（３１２、３２２）の構造と比較して最小２０％から最大５０％部分的に解体されていることにより、達成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のプレスツール（３）。
6. 前記第１のプレスツールブロック（３１）の前記成形用凹部および前記第２のプレスツールブロック（３２）の前記成形用凹部は、半球の形状で形成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のプレスツール（３）。
7. 前記プレスツールブロック（３１、３２）はいずれも、それぞれ複数の空洞（１０）を有し、前記空洞（１０）のうちの少なくとも１つは、環状に前記凹部を囲み、楕円形の断面を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のプレスツール（３）。
8. 前記空洞（１０）のうちの少なくともいくつかは、それぞれ流体チャネル（１１）を介して流体的に相互に作用可能に接続されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のプレスツール（３）。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のプレスツールを使用して、セラミック材料またはセラミック材料を含有する調合物から、グリーン体（１）を製造するための方法であって、
   －第１の方法工程において、第１の成形は、前記セラミック材料または前記調合物からなる粉末のプレスにより、前記前圧縮されたプレス加工品（２）を形成することにより行われ、
   第２の方法工程において、更なる成形は、ツーピースまたはマルチピースの前記プレスツール（３）を使用して、前記プレスツール（３）の前記キャビティ（３０）内に前記前圧縮されたプレス加工品（２）を導入し、前記グリーン体（１）となるように前記前圧縮されたプレス加工品（２）を再圧縮することにより行われ、前記前圧縮されたプレス加工品（２）への加圧は、前記プレスツール（３）における流体内圧を加えることによって行われ、それにより、前記プレスツール（３）の前記キャビティ（３０）は、全方向からの圧力が前記前圧縮されたプレス加工品（２）に作用するように縮小される、方法。
10. 請求項１から８のいずれか一項に記載のプレスツール（３）の使用であって、
    セラミック材料またはセラミック材料を含有する調合物からなる既存の前圧縮されたプレス加工品（２）の更なる加工によって、グリーン体（１）を製造するための、使用。

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