(57)【要約】【課題】超音波振動装置によって適切な周波数を付与しながら成形体の離型を行う離型装置を提供する。【解決手段】  離型装置１は、パンチ２と、金型３と、突き出し機構４と、超音波振動子５ａを有した超音波振動装置５と、を備える。金型３には、例えば金属粉末６が充填されかつパンチ２によって金属粉末６が押し固められる金型内空間が設けられている。突き出し機構４は、金型３に設けられた貫通孔３ｃに挿通された突き出し部４ａによって金型内空間３ａから金属粉末６を外方に突き出す。超音波振動子５ａは、金型３の外壁部３ｄに取り付けられ、超音波振動装置５の周波数は、金型３の共振周波数である。また、超音波振動装置５の周波数が既定値であった場合には、金型３は、金型３の共振周波数が超音波振動装置５の既定周波数になるように金型３が設計変更される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パンチと、金型と、突き出し機構と、超音波振動子を有した超音波振動装置と、を備えた金属粉末成形体の離型装置であって、
前記金型には、金属粉末が充填されかつ前記パンチによって該金属粉末が押し固められる金型内空間が設けられ、
前記超音波振動子は、前記金型の外壁部に取り付けられ、
前記金型内空間に押し固められた前記金属粉末成形体を離型するときに、前記超音波振動子によって前記金型を超音波加振しながら前記突き出し機構によって前記金属粉末成形体を外方に突き出し、
前記超音波振動装置の周波数は、前記金型の共振周波数でありかつ前記成形体の共振周波数ではないことを特徴とする成形体の離型装置。
【請求項２】
前記超音波振動装置の前記周波数が既定値であり、かつ、
前記金型は、前記金型の前記共振周波数が前記超音波振動装置の前記周波数になるように該金型の形状、寸法、又は材質が調整されて設計されていることを特徴とする請求項１に記載の金属粉末成形体の離型装置。
【請求項３】
前記金型の設計に有限要素法による数値解析が利用されていることを特徴とする請求項２に記載の金属粉末成形体の離型装置。
【請求項４】
可動金型と、固定金型と、突き出し機構と、超音波振動子を有した超音波振動装置と、を備えた樹脂材料成形体の離型装置であって、
前記固定金型には、樹脂材料が射出充填されかつ前記可動金型によって該樹脂材料が押し固められる金型内空間が設けられ、
前記超音波振動子は、前記金型の外壁部に取り付けられ、
前記金型内空間に押し固められた前記樹脂材料成形体を離型するときに、前記超音波振動子によって前記金型を超音波加振しながら前記突き出し機構によって前記金属粉末成形体を外方に突き出し、
前記超音波振動装置の周波数は、前記金型の共振周波数でありかつ前記成形体の共振周波数ではないことを特徴とする成形体の離型装置。
【請求項５】
前記超音波振動装置の前記周波数が既定値であり、かつ、
前記金型は、前記金型の前記共振周波数が前記超音波振動装置の前記周波数になるように該金型の形状、寸法、又は材質が調整されて設計されていることを特徴とする請求項４に記載の樹脂材料成形体の離型装置。
【請求項６】
前記金型の設計に有限要素法による数値解析が利用されていることを特徴とする請求項５に記載の樹脂材料成形体の離型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形体の離型技術に関するものであり、より詳しくは、粉末冶金または射出成形の製法により成形された成形体を超音波振動によって離型する成形体の離型装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属粉末成形品や樹脂材料成形品（例えば、プラスチック製品）を製造するために、量産性の良さから粉末冶金や射出成形の技術が用いられている。
【０００３】
しかしながら、これらの製造過程において、金型から成形品を分離することが困難な場合が多い。
【０００４】
この問題を解決するために、従来は、離型剤を塗布したり、金型から成形品を抜きやすくするよう金型の内空間（キャビティ）に抜き勾配を付与したりして対処されている。
【０００５】
しかしながら、離型剤の塗布のみでは、関連し合う金型と成形品との接着性を断つのみであり、くさび効果のような機械的な抑圧状態を解放することは困難であった。また、最近では、製品形状に関して高精度な仕様が要求されており、くさび効果の開放に十分な抜き勾配を金型内空間に付与することが許容されない状況に置かれている。
【０００６】
一方、特許文献１又は特許文献２に、プレス成形又は射出成形の離型工程において、成形品の離型性を向上させるために、超音波振動装置によって金型や金型の入れ子に超音波振動を付与する技術が開示されている。
【０００７】
しかしながら、離型性を最適にする超音波振動の周波数については特に言及はなく、適切な周波数を付与していない場合には、離型性向上の効果を十分得られないばかりか、該周波数で成形品を共振させてしまうこともあり、ひいては円滑な離型を阻害し、成形品自体に衝撃を与えてしまう結果となりかねない。
【０００８】
また、実際に利用可能な市販の超音波振動装置では発生可能な周波数は固定されており、周波数を適宜変更することは容易でない。
【特許文献１】特開２００２−１０４８３１号公報
【特許文献２】特開２００８−２０１１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、以上のような成形品の離型装置における問題点や欠点を改善し、超音波振動装置によって適切な周波数を付与しながら成形体の離型を行う離型装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、鋭意検討の末、超音波振動装置が、金型内で成形された成形体を共振させず、金型のみを共振させる周波数を金型に付与できれば、成形品に衝撃を与えることなく金型から離型することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明では次の１〜６の構成をとるものである。
１．パンチと、金型と、突き出し機構と、超音波振動子を有した超音波振動装置と、を備えた金属粉末成形体の離型装置であって、
前記金型には、金属粉末が充填されかつ前記パンチによって該金属粉末が押し固められる金型内空間が設けられ、
前記超音波振動子は、前記金型の外壁部に取り付けられ、
前記金型内空間に押し固められた前記金属粉末成形体を離型するときに、前記超音波振動子によって前記金型を超音波加振しながら前記突き出し機構によって前記金属粉末成形体を外方に突き出し、
前記超音波振動装置の周波数は、前記金型の共振周波数でありかつ前記成形体の共振周波数ではないことを特徴とする成形体の離型装置。
２．前記超音波振動装置の前記周波数が既定値であり、かつ、
前記金型は、前記金型の前記共振周波数が前記超音波振動装置の前記周波数になるように該金型の形状、寸法、又は材質が調整されて設計されていることを特徴とする前記１に記載の金属粉末成形体の離型装置。
３．前記金型の設計に有限要素法による数値解析が利用されていることを特徴とする前記２に記載の金属粉末成形体の離型装置。
４．可動金型と、固定金型と、突き出し機構と、超音波振動子を有した超音波振動装置と、を備えた樹脂材料成形体の離型装置であって、
前記固定金型には、樹脂材料が射出充填されかつ前記可動金型によって該樹脂材料が押し固められる金型内空間が設けられ、
前記超音波振動子は、前記金型の外壁部に取り付けられ、
前記金型内空間に押し固められた前記樹脂材料成形体を離型するときに、前記超音波振動子によって前記金型をに超音波加振しながら前記突き出し機構によって前記金属粉末成形体を外方に突き出し、
前記超音波振動装置の周波数は、前記金型の共振周波数でありかつ前記成形体の共振周波数ではないことを特徴とする成形体の離型装置。
５．前記超音波振動装置の前記周波数が既定値であり、かつ、
前記金型は、前記金型の前記共振周波数が前記超音波振動装置の前記周波数になるように該金型の形状、寸法、又は材質が調整されて設計されていることを特徴とする前記４に記載の樹脂材料成形体の離型装置。
６．前記金型の設計に有限要素法による数値解析が利用されていることを特徴とする前記５に記載の樹脂材料成形体の離型装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００１３】
本発明によれば、金型に取り付けられた超音波振動装置が加振する周波数は金型の共振周波数に設定されているため、金型を著しく振動させ、つまり、共振させることが可能である。また、通常は、金型の共振周波数と成形体その他の部品の共振周波数とは異なるので、成形体等を共振させることはない（また、共振周波数が同一にならないように金型は設計される）。これにより、離型の際、成形体に衝撃を与えることなく、しかも金型と成形体との間の摩擦係数を低減することができ、ひいては円滑な離型を実現し、高品位な成形品を製造することが可能となる。
【００１４】
また、本発明においては、金型を、利用可能な市販の超音波振動装置の設定周波数に適合するようにその形状、寸法、又は材質を調整して設計してもよく、超音波振動装置を特に選択、改良する必要がないまま、本発明の離型装置に適用することができる。
【００１５】
また、本発明においては、金型の共振周波数が超音波振動装置の設定周波数に適合するように金型を設計する際に、数値解析シミュレーションを適宜利用してもよく、金型のジオメトリ（寸法や形状）や材質を容易に特定（調整）することが可能である。従って、本発明を適用できる成形品の範囲は格段に広くなるとともに、金型設計上のコスト、ひいては本発明の離型装置の製造コストを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施態様に何等限定されるものではない。なお、各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
【００１７】
[本発明の離型装置の構成]
図１は、本発明の成形体の離型装置１の概略を示す。図示の離型装置１は、粉末冶金への適用を意図したものであり、具体的には金属粉末成形体の離型装置１である。
【００１８】
図１に示すように離型装置１は、パンチ２と、金型３と、突き出し機構４と、超音波振動子５ａとアンプ５ｂとを有した超音波振動装置５と、を備えている。
【００１９】
金型３の材質としては、超硬合金のＶ１０、Ｖ２０、及びＶ３０（いずれもＪＩＳ規格）、高合金工具鋼のＳＫＤ１１及びＳＫＤ６１、ＮＡＫ５５及びＮＡＫ８０（析出硬化系鋼、大同特殊鋼株式会社製のプラスチック金型用鋼）、耐摩耗・耐衝撃工具用鋼のＧ５及びＧ８、又はステンレス鋼ＳＵＳ３０４等が挙げられる。
【００２０】
また、金型３には金型内空間（キャビティ）３ａが設けられ、この金型内空間３ａに金属粉末（パウダー）６が投入・充填され、パンチ２によって金属粉末６が押し固められる。なお、投入用の金属粉末６は図示しないホッパー等の貯蔵庫に貯蔵しておいて金型内空間３ａへ必要量だけ適宜投入するようにしてもよいし、ある程度塊状になった金属粉末を手動で投入するようにしてもよい。さらに、金型３には、金型３の底面から金型内空間３ａの底面３ｂ間に貫通孔３ｃが配設されている。
【００２１】
また、突き出し機構４には、突き出し部４ａ（例えば、ノックピン）が設けられている。突き出し部４ａは、金型３の上下方向に移動可能な状態で金型３の貫通孔３ｃに挿通されている。この突き出し機構４は、例えば、油圧や電磁力等を利用した公知の駆動機構によって駆動されるように構成されていてもよい。そして、金型内空間３ａにおいて金属粉末６の投入・充填・押圧（圧縮・固化）が終了すると（図１（ａ）及び（ｂ）を参照）、超音波振動装置５によって金型３を超音波加振しながら、突き出し機構４によって金型内空間３ａの底面３ｂから金属粉末成形体６を外方（上方向）に突き出すことで、金属粉末成形体６の離型を行う（図１（ｃ）を参照）。
【００２２】
また、超音波振動装置５の超音波振動子５ａはその加振面が金型３の外壁部３ｃに取り付けられており、これにより、金型３に超音波振動を与えることが可能となり、成形体６が金型３から離型し易くなる。
【００２３】
しかしながら、付与する振動の周波数には注意を払うべきである。例えば、金型内空間３ａが複雑な形状をなすとともに、超音波加振周波数の値が金型３の共振周波数（固有振動数）に設定されていない場合には、金型３と成形体６との機械的抑圧状態（くさび効果）を開放するのに十分な振動を金型３に付与できなくなる恐れがある。また、超音波加振周波数の値が、成形体６や離型装置１を構成するその他の構成部品の共振周波数（固有振動数）と重なっていた場合には、離型時に誤って成形体６に衝撃を与えてしまう恐れがある。
【００２４】
そこで、本発明では、超音波振動装置５の超音波加振周波数を金型３の共振周波数のみに設定し、離型装置１の離型時に超音波振動装置５が圧縮・固化した成形体６を共振させはしないが、金型３のみを共振させるようにした。これにより、成形体６には衝撃を与えることがないばかりか、金型内空間３ａと成形体６との間の摩擦係数を著しく低減することができるので、成形体６を金型３から円滑に離型することが可能となる。
【００２５】
以上のように、超音波振動装置５は、超音波加振周波数を金型３の共振周波数に合致させておくことが肝要であり、金型３の共振周波数は、例えば、以下に示すように有限要素法による数値解析（振動モード解析）により求められる。
【００２６】
[金型の共振周波数の数値解析]
図２は、有限要素法数値解析の解析モデル（ａ）と解析結果（ｂ）及び（ｃ）との一例を示す。図２（ａ）の解析モデルには、直径φ３０ｍｍの超硬合金Ｖ１０（ＪＩＳ規格）の金型３と、直径１０ｍｍ及び厚み２ｍｍのステンレス粉末６と、を想定した。なお、金型３に金属内空間３ａが設けられており、ステンレス粉末６が上記寸法で押し固められるように金属内空間３ａも同寸法に設定されている。
【００２７】
図２（ｂ）と（ｃ）は、図２（ａ）の解析モデルを用いて数値解析を行った結果であり、図２（ｂ）は５０１４４Ｈｚ（約５０．１ｋＨｚ）での金型３の共振モードを示し、図２（ｃ）は６５１７６Ｈｚ（約６５．２ｋＨｚ）での金型３の共振モードを示す。
【００２８】
図２（ｂ）に示すように、例えば、金型３の外壁部３ｃの近傍（金型上面の外周部、図中Ａ参照）は配色が濃くなっているのがわかる。さらに、その内側に向かうに従い配色が薄くなり（図２（ｂ）中、Ｂを参照）、さらに金型内空間３ａの内周面や底面３ｂに至ると再度配色が濃くなっているのがわかる（図２（ｂ）中、Ｃを参照）。これは実際のコンピュータ上の解析表示画面で確認すると、図中ＡからＣに向かうに従い、濃い赤色（共振状態）、黄色、黄緑、濃い青色（共振なし）となっている。つまり、金型３が５０１４４Ｈｚの振動状態に置かれると、成形体たるステンレス粉末６が載置される金属内空間３ａの底面３ｂでは共振が全く起こらず、金型３の上面やその外周部に向かうに従って振動振幅が大きな共振を起こしていることがわかる。
【００２９】
図２（ｃ）の共振モード結果では、図２（ｂ）の結果と同様に、金型３の外壁部３ｃの近傍（図２（ｃ）中、Ａを参照）や金型の底部（ベース部）の一部（図２（ｃ）中、Ａを参照）が、その他の部分と比較して濃い配色（実際は赤色）となっており、その他部分は薄い配色（実際は黄色もしくは黄緑色）となっている。加えて、金型内空間３ａの内周面
やその底面３ｂ（図２（ｃ）中、Ｃを参照）は濃い色の配色であるが、実際の解析画面上では濃い青色となっている。なお、図２（ｃ）では共振（変形）状態が視覚的にも確認できる。従って、金型３が６５１７６Ｈｚの振動状態に置かれると、成形体たるステンレス粉末６が載置される金属内空間３ａの底面３ｂは共振が全く起こらず、金型３の上面やその外周部に向かうに従って振動振幅が比較的に大きな共振を起こしていることがわかる。（なお、図２の解析結果は、拡大率を大きくして変形度を強調している。）
【００３０】
以上の結果より、図１に示すような本発明の離型装置１の超音波装置５を用いて、５０１４４Ｈｚもしくは６５１７６Ｈｚの周波数で上記ジオメトリ（寸法、形状、材質等）の金型３を加振させれば、金型３（具体的には金型３の一部）のみを共振させ、圧縮・固化した成形品自体を共振させないでおくことができる。
【００３１】
なお、上述の例では、金型３の共振周波数として、５０１４４Ｈｚ及び６５１７６Ｈｚの値が得られた。これらの周波数のいずれかの値になるように超音波振動装置５を設定して金型３を超音波加振すればよいことになる。ただし、周波数が低い方が金型３の振幅をより大きくすることができ、また、周波数をより高く設定するには、超音波振動装置５等の装置に掛かるコストが上昇する。従って、加振効果及びコスト面の観点からは、５０１４４Ｈｚの値が、超音波加振周波数として好ましい。
【００３２】
これにより、離型時には、成形品６に衝撃を与えることなく、しかも金型内空間３ａと成形品６との間の摩擦係数を低減させ、成形品６を円滑かつ容易に離型することが可能になる。なお、加振する周波数が高くなればその振幅も必然的に小さくなるので、金型３の共振現象が成形体６に与える影響が極めて小さくなる。従って、周波数の高くした超音波加振は離型現象（特に、高品質・高精度な製品の離型）に極めて有効に作用する。上述したように、これらの最適加振周波数は、有限要素法解析によるコンピュータシミュレーションを利用すれば容易に計算することが可能である。
【００３３】
一方、本発明の実際上の実施を想定すると、利用可能な市販の超音波振動装置５には、発生可能な周波数が固定化されているものが多く、周波数の設定変更が可能な装置であっても、周波数を微修正できる仕様となっているものは殆ど存在しない。そこで、本発明の別の実施態様においては、超音波振動装置５の加振周波数を金型３の共振周波数に調節するのではなく、逆に、金型３の共振周波数（固有振動数）を、市販の超音波振動装置５の加振周波数に適合するように金型３のジオメトリを調整するように金型３を設計変更することとした。
【００３４】
以下に金型３の設計変更の一例を示す。例えば、上述した解析モデルで想定した金型モデルでは、５０１４４Ｈｚの共振周波数を超音波振動装置５で付与したいにも拘わらず、市販の超音波振動装置５において４５ｋＨｚ（４５０００Ｈｚ）の共振周波数しか出力できない場合がある。この場合、図３に示すように、例えば、金型３の外側円筒部分の直径をφ３０ｍｍ（図３（ａ）参照）からφ２０ｍｍ（図３（ｂ）参照）に設計変更することで、金型３の共振周波数が４５０００Ｈｚにすることができる。このように対応することにより、市販の超音波振動装置５で本発明の離型装置１を実現することが可能となる。
【００３５】
以上、粉末冶金における金属粉末成形体の離型装置１の構成及び作用効果について詳述した。一方、射出成形によって製作される樹脂材料成形体（例、プラスチック製品）においても粉末冶金と同様に離型に関する問題があったが、本発明は、粉末冶金の離型技術に限定されず、樹脂材料射出成形体の離型装置にも適用可能である。この場合の離型装置の構成は図示しないが、図１のパンチ２及び金型３は、可動金型及び固定金型に代替されるものとなろう。なお、超音波振動子５ａは、図１の実施例と同様に固定金型の外壁部に取り付けてもよいが、これに限定されず可動金型の外壁部、又は固定金型及び可動金型双方の外壁部に取り付けるように構成してもよい。
【実施例】
【００３６】
以下に本発明の離型装置１を実際に製作して作用効果を確認した実施例を幾つか示す。まず、第１の実施例として、金型内空間３ａとしてφ１０ｍｍの内周面を有した超硬合金Ｖ１０製の金型３が設けられた離型装置１（粉末冶金用）を製作して、ステンレス粉末成形体６の離型を行った。この結果、直径φ１０ｍｍ及び厚さ２ｍｍのステンレス粉末製のフィレットを無傷の状態のまま容易に取り出すことができた。
【００３７】
別の実施例（第２の実施例）として、金型内空間３ａとして１０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍのリレー用樹脂コネクター射出成形用キャビティを有したダイス鋼（高合金工具鋼ＳＫＤ）製の金型３に対しても本発明の離型装置を適用した。なお、上記金型は従来の方法で離型した際には、抜き勾配が小さく取り出しが非常に困難であったが、本発明の離型装置を上記金型に適用すると、射出成形された樹脂コネクターを難なく取り出すことができた。
【００３８】
なお、上述の本発明の離型装置は、金属粉末を成形する粉末冶金（装置）、樹脂材料を成形する射出成形装置、又は粉末冶金と射出成形を組み合わせた金属粉末射出成形（Metal Injection Molding）装置に適用できる。
【００３９】
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００４０】
本発明によれば、金型に取り付けられた超音波振動装置が加振する周波数は金型の共振周波数に設定されているため、金型を著しく振動させ、つまり、共振させることが可能である。また、通常は、金型の共振周波数と成形体その他の部品の共振周波数とは異なるので、成形体等を共振させることはない。これにより、離型の際、成形体に衝撃を与えることなく、しかも金型と成形体との間の摩擦係数を低減することができ、ひいては円滑な離型を実現し、高品位な成形品を製造することが可能となる。
【００４１】
また、本発明においては、金型を、利用可能な市販の超音波振動装置の設定周波数に適合するようにその形状、寸法、又は材質を調整して設計してもよく、超音波振動装置を特に選択、改良する必要がないまま、本発明の離型装置に適用することができる。
【００４２】
また、本発明においては、金型の共振周波数が超音波振動装置の設定周波数に適合するように金型を設計する際に、数値解析シミュレーションを適宜利用してもよく、金型のジオメトリ（寸法や形状）や材質を容易に特定（調整）することが可能である。従って、本発明を適用できる成形品の範囲は格段に広くなるとともに、金型設計上のコスト、ひいては本発明の離型装置の製造コストを抑制することが可能となる。
【００４３】
本発明は前記実施例に限定されることなく、特許請求の記載した発明の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、上述の実施態様では本発明の離型装置の突き出し機構を金型（固定金型）内に設けていたが、金型と対向するパンチ（可動金型）内に設置する構成にしてもよく、これらの変形例も本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の離型装置の構成及び離型方法の各工程を示した図であり、図１（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、それぞれ、金属粉末の充填工程、押圧・成形工程、及び離型工程を示す。
【図２】本発明の有限要素法数値解析による金型の挙動を示した図であり、図２（ａ）は解析モデルを示し、図２（ｂ）及び（ｃ）は解析結果を示す。
【図３】本発明の金型の設計変更の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  離型装置
２  パンチ（可動金型）
３  金型（固定金型）
３ａ  金型内空間（キャビティ）
３ｂ  金型内空間の底面
３ｃ  貫通孔
３ｄ  金型の外壁部
４  突き出し機構
４ａ  突き出し部
５  超音波振動装置
５ａ  超音波振動子
５ｂ  アンプ
６  金属粉末、樹脂材料、又はこれらの成形体
【図１】
2010120080.tif 000003
【図３】
2010120080.tif 000004
【図２】
2010120080.tif 000005