JPS6336880B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は焼結機械部品などの製造に際し、原料
粉の成形時に圧粉体に生じるクラツクなどの成形
不良の防止を目的とするものである。

近来各種機器類の設計にいわゆる「軽薄短小」
の傾向が強まるに従い、これら機器の要素となる
焼結機械部品に対しても、より高密度で、且つ、
形状のより複雑なもの（多段形状品）が求められ
ている。しかし、多段形状の圧粉体には、その圧
縮比を高めるにつれて、成形時のクラツク発生が
多くなるという問題がある。このクラツクは焼結
など以後の工程では治癒できないので、その防止
対策が大きな技術課題となつていた。

ここで、粉末成形の一般的な説明を行なうと、
縦断面に段差がある圧粉体の成形には、下パンチ
固定式のウイズドロアル・ダイセツト方式が通常
用いられている。この方式は第１図に例示するよ
うに、圧粉体の段差に対応させて下パンチを内外
に分割して最下位の段差に対応する下バンチ４を
基準とし、他の下パンチ５およびダイ２が相対的
に昇降する機構になつている。

なお、第１図は純然たるダイセツトその物では
なく、本発明者らが用いたプラテン（取付台）を
内臓した750〓プレスの要部を示したものである
が、従来プレスの場合は押型をダイセツト諸共プ
レスに着脱し、且つ下パンチ４のプラテン４１が
プレスの基台に固定されるのに対して、このプレ
スは各プラテン２１，４１，５１…をプレス自体
に内蔵することと、プラテン４１の昇降・固定が
自在であることの違いだけで、成形に関する本質
的な差異はない。

本発明者らは成形クラツクの発生原因を究明し
た結果、この原因を見出すことに成功し、またそ
の要因を計測管理する装置をも開発したものであ
る。この装置はクラツク防止以外にも、圧粉体内
の局部的な密度の調整、成形時にプレスに発生す
る振動の原因の判定、圧粉体の重量バラツキの安
定化などにも有効に活用することができる。

本発明の内容を説明するに先だつて、成形時に
圧粉体に発生するクラツクの形態と成形プレスに
ついて説明する。

クラツクが発生しやすい圧粉体の一例として、
第２図の如き歯車状の圧粉体を挙げられる。本品
は外径150mm、歯部厚さ13mm、見掛け密度が6.95
ｇ／cm³の鉄系圧粉体で、１１はその外径部に、１
２は内径部に生じたクラツク位置と形態を示して
いる。

第３図にこの歯車の成形に使用した750〓プレ
スの主要部を示した。図中１に示した圧粉体はダ
イ２、分割された下パンチ４，５およびコアロツ
ド６が形成するキヤビテイ内で、上パンチ３と下
パンチ４，５との間で加圧成形される。成形時の
荷重は、回転する主軸８に取り付けた偏心カム８
１により、上パンチ取付台３１を経て、上パンチ
から圧粉体に加えられる。

成形時の下パンチの作動を下パンチ４を例とし
て説明すると、先ず、原料粉の充填時にはエアー
シリンダー６５に圧搾空気を流入させ、パンチ４
の取付台４１を上限ストツパー４２に接するまで
押し上げる。従つて充填量の制御は本ストツパー
の位置の調整によつて行なわれる。次いで上パン
チから圧粉体に圧力が加わると、下パンチ４は押
し下げられ、下限ストツパー４３に取付台が接し
て停止する。この状態で成形時の最大荷重が加え
られる。

圧粉体の抜き出しは上パンチの加圧力がほぼ０
の状態でダイ２を降下させる。下パンチ５、コア
ロツド６およびダイ２も、下パンチ４と同様な方
法で作動する。

このように大型プレスでは、押型各部の位置が
カムによつて直接定められるカム式のプレスとは
異なり、上パンチを除き他の押型部分の位置を直
接定めるのは上下限ストツパーのみであり、その
中間の過渡状態は、上パンチによる押し下げ力と
エアーシリンダーによる押し上げ力との差、パン
チおよび取付台の重量の和、押型各部間の摩擦等
の平衡によつて、動力学的に決定される。エアー
シリンダーの押し上げ力の調整は、高圧配管６０
から減圧弁６１，６２によつて空気圧を２段階に
減圧し、電磁弁６３，６４を所定のカム角度間で
開閉させて押し上げ力の調整を行なう。図中８２
に示したものは、所定のカム角度間電磁弁を作動
させるロータリーエンコーダーである。

このようにダイ２、分割された下パンチ４，５
およびコアロツド６について上下限ストツパーの
位置、エアーシリンダー用空気圧、電磁弁カム角
度をそれぞれ最適値に設定する必要がある。しか
しこの操作はあまりに複雑であり、実質的には不
可能と言つてもよい。

本件発明者らは、成形時に圧粉体に発生するク
ラツクの原因を究明するため、成形時の押型各部
の作動状態とクラツク発生との関連を求めた。

作動状態を表示する尺度として、カム角度に対
する押型各部の位置（いわゆるカム線図）と各パ
ンチおよびコアロツドに作用する応力を採用し、
以下に述べる実験を行なつた。

測定方法 パンチに作用する応力の測定には、歪みゲージ
による歪み−応力変換方式を用いた。これを下パ
ンチ４の場合を例として説明すると、第４図に示
したように線歪みゲージ９４を下パンチ４に貼り
付け、ブリツジおよび増幅器からなる動歪み計を
使用して成形時に作用する応力を記録した。下パ
ンチ５、コアロツド６も、全く同一方法で測定を
行なつた。

押型各部材の位置測定は、構成部材の弾性変形
を考慮すれば、各パンチ上端の直接測定が最善の
方法となる。しかしながら上端部はダイなどで包
囲されており、この方法は不可能であつた。この
ため取付台端部の位置を測定した。即ち、第４図
中９５はプレス支柱７に取り付けた直線型ポテン
シオメーターを示し、この摺動接点と取付台間を
棒で結合し、取付台の位置変化を摺動接点の位置
変化に置換した。

また、この接点と前記ポテンシオメーターと並
列に設けたポテンシオメーターの摺動接点を出力
端子として、２箇のポテンシオメーターによつて
ブリツジを構成した。ブリツジの印加電圧は
DC10V、ポテンシオメーターの有効長は100mmで
ある。位置測定はダイ、下パンチ４，５およびコ
アロツド６についても同様な方法で行なつた。本
測定点からパンチ上端面間の弾性変形量は、最大
荷重時に約0.1mmであり、本法でもパンチ先端位
置の概要を知ることができる。

応力および位置信号は多チヤンネル電磁オツシ
ログラフに同時記録し、押型各部の挙動を実測し
た。この記録の一例を第５図に示す。

この例は原料粉として黒鉛粉0.5％、電解銅粉
２％および噴霧鉄粉残部にステアリン酸0.5％を
添加した混合粉を用い、合金工具鋼SKD−11の
金型に充填し、750〓プレスにより見掛け密度
6.95ｇ／cm³、外径150mm、歯幅13mmの歯車状圧粉
体を成形した例である。図中27はダイ、４７は下
バンチ４、５７は下パンチ５の位置を、また４
８，５８はそれぞれ下パンチ４、下パンチ５に作
用する応力を示す。

第５図においてカム角度約140゜にて４７，５７
に急激な降下が起こるのは、上パンチ３の圧力が
原料粉を介して伝達され、下パンチ４，５が上限
ストツパーから下限ストツパーの位置まで降下す
ることを示している。この間、４８，５８に上昇
は認められない。カム角度約145゜で５８が、また
約160゜で４８が急激な上昇を示すのは、下パンチ
４，５と上パンチで原料粉の圧縮成形が開始され
ることを示す。このとき４７，５７がほぼ一定で
あることは、下パンチ４，５が下限ストツパーに
より支持されていることを示す。最大応力点（カ
ム角度180゜）以後、応力は急激に低下し、下パン
チ５では195゜、下パンチ４では200゜でほぼ０とな
る。これは上パンチによる加圧がほぼ終了したこ
とを示す。

200〜210゜間における４７および５７、即ち下
パンチ４および５の僅かな上昇は、エアーシリン
ダーの押し上げ力によつてこれらが下限ストツパ
ーから浮上したことを示す。

210゜から始まる２７の急激な降下はダイ２の引
き下げ、即ち圧粉体の抜き出し開始を示し、４７
および５７の降下は、一旦浮上した下パンチ４，
５が再び下限ストツパーの位置まで降下すること
を示す。この間、４８が上昇し５８に変化が無い
ことは、抜き出し時に圧粉体を支持するパンチは
下パンチ４であり、下パンチ５は無関係であるこ
とを示している。

圧粉体の抜き出しは、下パンチ５の応力値が０
となる点、即ちカム角度245゜で完了する。

ダイ２、下パンチ４および５の充填位置への復
帰は300゜で同時に始まり、完了の最も遅れるのは
２７で示したダイであり、開始〜完了はカム角度
で約20゜、時間で約0.7秒要することが判明した。

このようにして、成形工程中起こる押型各部の
挙動と現象を詳細に知ることができたので、次に
プレスの作動条件を変化させて、成形クラツクが
発生する場合における押型の作動条件を調べた。
この内容を押型各部の動きと抜き出し時受圧形態
とに分けて述べる。

押型各部の動き 第５図において、カム角度160〜215゜間の下パ
ンチ４および５の位置の変位量は、測定の誤差内
で一致している。しかしカム角度180゜を基準とし
て変位を示した第６図のように、カム角度195〜
215゜間で顕著な差を生じる場合があり、この場合
には必ず圧粉体にクラツクが発生した。この場合
はダイおよび下パンチ５のエアーシリンダー圧力
の和を過大に設定し、且つ、加圧成形時に下パン
チ４の強制引き下げを行なつた場合に発生してい
る。

クラツク発生原因は次のように説明できる。上
パンチからの加圧が終了すると、圧粉体は摩擦に
よりダイと固着状態となり、圧粉体はダイおよび
下パンチと共に、これらのエアーシリンダーの押
し上げ力によつて上昇する。この時下パンチ４は
第３図のエアーシリンダー４４および引き下げ棒
４５により強制引き下げが行なわれているため、
下限ストツパー位置に固定されている。従つて、
下パンチ４の上端部と圧粉体の間には、第７図中
７で示す空隙を生ずる。第６図に示した例によれ
ば、この空隙は約４mmに達する。次いで下パンチ
４の強制引き下げが解除されると、このパンチは
エアーシリンダーによる押し上げ力により急激に
上昇して圧粉体に激しく衝突し、これにクラツク
を発生させる。前記の例ではパンチの衝突速度は
約0.2ｍ／秒、またその重量は取付台を含めて約
３〓あるので、圧粉体を破壊するのに十分なエネ
ルギーが衝突時に供給される。従つてこの衝突が
クラツクの原因であることは明らかである。

また、クラツクが発生する限界は正確には衝突
物重量と衝突速度および圧粉体の破壊エネルギー
により定まる筈であるが、経験的には空隙が１mm
以上の時には必ずクラツクが発生した。

また位置測定の副次的な効果は、圧粉体重量の
安定化である。第８図の曲線２７１，２７２に、
押し上げ空気圧が過大および過少時のダイの充填
位置復帰状態の例を示した。押し上げ力が過大の
場合は、取付台が上限ストツパーに激しく衝突し
て振動を起こす。曲線２７１のカム角度310゜付近
にこの振動が明瞭に示されている。この様な状態
は、プレス寿命の点からは好ましくない。しか
し、復帰完了のカム角度は常に安定していた。

図中２７２は押し上げ力過少時で、復帰完了は
遅れるのみでなく、不安定となり、毎回異なつた
値を示すようになる。この場合にキヤビテイへの
原料粉の供給はカム角度320゜から行なわれるの
で、復帰の不安定さは、そのまま給粉量の不安定
さに結びつき、圧粉体の重量のバラツキの主要因
となる。最も好ましい状態は振動が起こらない程
度に押し上げ力を高めることである。

受圧形態 圧粉体の抜き出し時に下パンチ４，５に作用す
る応力は、第５図に示したように、同一カム角度
で同一応力の値を示すことはほとんどなかつた。

ダイ、下パンチ４、コアロツドの順序で引下げ
た場合に下パンチ４，５が受ける受圧形態を分類
して、第９図A′，B′，C′に示した。

A′は第５図に示した例であり、抜き出し開始
時に下パンチが圧粉体を支持する状態を同図Ａに
示した。本図は抜き出し開始時に、圧粉体は下パ
ンチ４のみで支持され、下パンチ５との間には空
隙７が発生することを示した模式図である。

抜き出し開始時に圧粉体を下パンチ４，５で共
に支持した場合、即ち支持状態がＣの場合には、
パンチ応力−カム角度線図はC′で示される。

これら両者の場合には圧粉体にクラツクは発生
せず、下パンチ５のみで圧粉体を支持するB′，
Ｂの場合にのみクラツクが発生した。この場合、
クラツクの発生個所は圧粉体の外周部に限られて
いた。

また抜き出し順序をコアロツド、下パンチ４、
ダイ（即ち６，４，２の順に引下げる）とした場
合には、下パンチの受圧状態は当然変化し、Ａ，
Ｂ，Ｃに相当するものの受圧応力−カム角度線図
はそれぞれA″，B″，C″となる。この場合は下パ
ンチの支持状態がＡ、即ち受圧−カム角度線図が
A″の場合にのみ圧粉体の内周部にクラツクが発
生した。

これらの実験結果を総合すると、クラツクの発
生なしに圧粉体をダイから抜き出すための必要条
件は、ダイまたはコアロツドを引き下げる時に、
引き下げられる部材に隣接する下パンチで圧粉体
を支持することである。

このことは、成形時のプレスおよび押型の弾性
変形量を材料力学的方法で算出した結果から推定
されてはいたが、現実に圧粉体に生じるクラツク
の主原因であることが本実験によつて実証された
訳である。

この様な実験的事実から、抜き出し時のクラツ
クの発生は容易に説明できる。即ち、ダイまたは
コアロツドを圧粉体に対して引き下げるとき、こ
れらと圧粉体間には、摩擦によりその内周または
外周面に下方に向かう力、即ち抜き出し力が発生
する。この力の発生点の直下で圧粉体を支持すれ
ば、即ちこれらに隣接する下パンチで支持すれ
ば、圧粉体には単純な圧縮が加わるのみであり、
成形時の最大応力以下では破壊は起こらない。

しかし支持点が発生点直下より遠ざかるに従つ
て、圧粉体に作用する引つ張り応力・曲げ応力な
ども大となり、これに起因して圧粉体が破断する
ことは容易に考えられる。

現在粉末冶金法で製造する機械部品で、成形時
にクラツクが発生しやすい歯車、またはそれと類
似した形状品では、その発生原因は前記の２者に
集約されることを見出した。

第９図の下パンチ応力−カム角度線図は典型的
な例を示したが、抜き出し開始時に抜き出し力を
１箇のパンチのみが受圧する例は少なく、多少な
りとも他のパンチも圧力を分担している。クラツ
クが発生する限界と実測値の関係を求めた結果を
総合すると、次の通りとなる。

イ 下パンチに抜き出し時に作用する荷重の尺度
は、パンチに作用する応力値が適している。

ロ 下パンチによる圧粉体の支持状態を知るに
は、２箇の下パンチが共に下限ストツパーに接
している状態（第９図ａ点）、および一方を引
き下げている状態（同図ｂ点）で下パンチ４，
５に作用する応力値を比較する方法が適してい
る。

ハ ダイ、下パンチ４、コアロツドの順に引き下
げる場合、圧粉体にクラツクが発生しないため
の条件は、下記の２式で示される。

σ4a−σ5a＋Ｃ≧０ … σ5b＞σ4b＝０ … ここにσ4a、σ5a、σ4b、σ5bはそれぞれ下パ
ンチ４，５がａ点およびｂ点で受ける応力値を
示す。またＣは圧粉体の形状、密度などによつ
て決まる定数である。従つて、既に述べた圧粉
体に下パンチを衝突させないことと、抜き出し
時に下パンチに作用する応力値が、式を満
足させることにより、プレス条件をクラツクの
発生しない条件に設定することができる。

以下、実施例について述べる。

実施例 第４図に示した位置検出個所としてダイ、下パ
ンチ４および５に、応力検出個所として下パンチ
４および５に対する適用を目的としたプラテン調
整およびクラツク発生条件時警報発生装置を作成
した。この回路の概要を第１０図に示す。位置の
変化量の検出は実験の項で述べたものと同一であ
り、ダイ、下パンチ４および５に対する位置信号
Z₁，Z₂，Z₃は、切り替えスイツチSwを経て表示
装置DPに表示される。下パンチの衝突の有無を
調べるには、位置の変化の差の演算回路Cal・Ｚ
により、カム角度180゜を基準とした下パンチ４お
よび５の位置の変化量の差を求めて、これをゲー
ト回路ComG・Ｚにより予め設定した値、例えば
１mmと比較し、前記の条件範囲外となつた場合に
は、Al・Ｚに示した警報発生回路で警報を発生
させた。PD・Ｚは変化量の差の限界値を予め設
定する回路を示す。比較・ゲート回路を作動させ
るカム角度は、プレスに設けたロータリーエンコ
ーダーの出力PEをカム角度指定回路PD・Ｑによ
つて予め設定した値で作動させた。

圧力検出はロードセルを下パンチ４，５の下端
と取付台間に取り付け、恒久的に使用できるよう
にした。ロードセルの使用により、動歪み計の出
力がパンチの受圧面積によつて変わるので、この
補正回路を追加した。下パンチ４および５の応力
出力Ｐ１，Ｐ２は位置検出と全く同一な方法で、
表示およびこの差を検出できるようにした。

Cal・Ｐ，ComG・Ｐはこれらの演算および比
較・ゲート回路であり、信号がPD・Ｐで設定し
た限界値を越えた場合にはAl・Ｐで警報を発生
させた。警報装置は通常のブザーおよびランプで
ある。

表示装置には残像式４チヤンネル・オツシロス
コープを使用した。これには、印画紙を使用する
電磁オツシロに比べ、現象を即時表示できる利点
があり、変位量の比較も容易に行なえる。また、
Cal・ＺおよびCal・Ｐの出力、即ち変位量の差
および応力差の信号も表示可能ｉした。

なお、警報装置接点の作動信号は、成形装置の
プラテンの自動制御用信号としても使用される。

ロータリーエンコーダー８２のカム角度信号に
合わせて第１図の電磁弁６３，６４に開閉信号を
フイードバツクすると、下パンチ５，４の相対位
置または受圧状態が基準値内になるようにエアー
シリンダーが作動する。

次に本発明を生産用プレスに適用して実用試験
を行なつた。その結果、前記式中の限界値Ｃは
本来製品別にそれぞれ求めるべきであるが、圧粉
体の形状によりほぼ決まつた値となり、類似形状
品の前例があれば、それから推定した値を用いて
も充分使用可能であつた。また主目的とした成形
時のクラツクは、本装置による調整で皆無とする
ことができた。

上述の実施例は下パンチが２分割の場合である
が、下パンチを３箇とした場合、またコアロツド
に段を設け、この一部に下パンチの作用を持たせ
た場合などには、当然これらの部分に対しても変
位および応力の検出機構が必要となり、パンチの
応力値の比較も、式に示したよりも、さらに
複雑となる。このため必要な比較・ゲート回路の
数も当然多くしなければならない。しかし問題点
の少ない形状品では、必ずしも実施例に示した機
能全部を設ける必要はない。本計測装置を生産に
適用した15例では、変位量の比較回路のみを必要
としたものは２例、応力検出部のみでクラツク防
止が可能であつたのは11例であり、残りの２例の
みが両機能部の併用を必要とした。従つて必要ま
たは目的に応じて、その機能部分を増減すればよ
く、本実施例に述べた全機能部分即ち、変位量お
よび応力値の検出手段、変位量の差および応力値
の差を算出する演算手段、変位量の差および応力
値の差が設定値を越えた場合の信号発生、を必ず
しも設ける必要はない。生産開始時のプレスの調
整用には、応力値の検出手段およびその差を算出
する演算手段のみで、また押型形状が単純であれ
ば、応力値の検出手段のみでも可能である。

変位量の差および応力値の差を計測するのは、
必ずしも前記の方法には限らない。前者に対して
は、摺動接点の位置を取付台に連動させた２箇の
ポテンシオメーターでブリツジを構成させ、後者
では下パンチ４，５用の線歪みゲージでブリツジ
の２箇のアームを形成させれば、これらの差を直
接に表示することも可能である。

抜き出し時のクラツク発生は、下パンチによる
圧粉体の支持が不適当であることに起因すること
を述べた。この様な現象を誘起する原因は、加圧
時のプレスおよび押型の弾性変形が大きいことに
起因している。押型の各部分をカムで規定してい
るカムプレスにおいても、値は小ではあるが、本
質的には同一現象が発生している筈である。この
点を確認するためために、100〓カムプレスを用
いて同様な実験を行なつた。この結果、抜き出し
時に発生するクラツクの発生条件は、前記と全く
同一であり、パンチに作用する応力値の検出およ
びそれらの差の比較法は、本形式のプレスにも適
用できることを確認した。

また応力値は歪み値にその材料の縦弾性率を乗
じて得られる。従つて前記の記述中の応力は、歪
みと換えても、そのまま適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラテンを内臓したプレスの主要部な
らびにウイズドロアル成形方式の概要を説明する
図面、第２図はクラツクが発生しやすい形状の圧
粉体を例示する図面、第３図は第１図の細部を示
す図面、第４図は歪みおよび位置センサーの取り
付け状態を示す図面、第５図は成形サイクル中に
おける押型の位置および歪みの測定結果を記録し
たグラフ、第６図はクラツクが発生した場合の記
録例を示すグラフ、第７図はクラツクの発生機構
を説明する図面、第８図はプレスの作動条件が適
切でない場合の記録例を示すグラフ、第９図は圧
粉体を抜き出す際の下パンチの挙動と応力信号の
波形との関係を示す図面、第１０図はプレスの作
動状態の計測・制御回路図である。 １……圧粉体、２……ダイ、３……上パンチ、
４，５……下パンチ、６……コアロツド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ダイ、コアロツドおよび２個以上に分割され
   た下パンチがそれぞれ別個のプラテンに取り付け
   られ、各プラテンがそれぞれ個別に上下動および
   任意の位置に固定できる形式の粉末成形装置を用
   い下側に段差のある形状の圧粉体を成形する場合
   において；ダイ内の粉末の上パンチによる圧縮成
   形工程から圧粉体の抜き出し工程に移るに際し、
   上パンチを上昇させて成形圧力を解除したのち、
   分割された各下パンチまたはそのプラテンに取り
   付けた検出器により各下パンチの位置を検出し、
   この検出信号に基づいてダイまたはコアロツドの
   引き下げ中は下パンチ４，５の相対的位置変位量
   が常に零となるようプラテン４１，５１の支持圧
   力を制御することを特徴とする圧粉体の成形不良
   防止方法。 ２ ダイ、コアロツドおよび２個以上に分割され
   た下パンチがそれぞれ別個のプラテンに取り付け
   られ、各プラテンがそれぞれ個別に上下動および
   任意の位置に固定できる形式の粉末成形装置を用
   い下側に段差のある形状の圧粉体を成形する場合
   において；ダイ内の粉末の上パンチによる圧縮成
   形工程から圧粉体の抜き出し工程に移るに際し、
   上パンチを上昇させて成形圧力を解除したのち、
   分割された各下パンチまたはそのプラテンに取り
   付けた検出器から応力歪を検出し、この検出信号
   に基づいて；ダイを先に下降させて圧粉体を抜き
   出す場合はダイ２に隣接する下パンチ４に生じる
   圧縮応力が他の下パンチ５に生じる応力より高い
   値を示すようにプラテン４１，５１の支持圧力を
   制御し；またコアロツドを先に下降させて圧粉体
   を抜き出す場合はコアロツド６に隣接する下パン
   チ５に生じる圧縮応力が他の下パンチ４に生じる
   応力より高い値を示すようにプラテン４１，５１
   の支持圧力を制御することを特徴とする圧粉体の
   成形不良防止方法。