(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイに形成され、圧粉体の外周面を成形するダイ孔と、圧粉体の内周面を成形する円柱状のコアロッドと、該コアロッドが貫通し圧粉体の下端面を成形する下パンチとで形成されるダイキャビティ内に粉末を充填し、該粉末を、前記コアロッドの軸心を回転軸として該コアロッドを回転手段により回転させながら、圧粉体の上端面を成形する上パンチと前記下パンチとにより圧縮成形する金型装置であって、
前記回転手段は、前記コアロッドに形成されたはすば溝と、
前記下パンチの下端面に形成された凹部の内周面に形成され、前記はすば溝に係合することにより、該下パンチの上下動によって前記コアロッドを回転させるはすばと、
を備えることを特徴とする粉末成形用金型装置。
【請求項２】
前記ダイキャビティ内への前記粉末の充填を、前記コアロッドの軸心を回転軸として前記コアロッドを前記回転手段により回転させながら行うことを特徴とする請求項１に記載の粉末成形用金型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末を圧縮して圧粉体を得る粉末成形技術において、全域に亘って均一な密度の圧粉体を成形するための粉末成形用金型装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金法（押型成形法）は、成形工程で圧粉体を成形した後、この圧粉体を焼結し、サイジングや含油などを施して製品を得る方法である。粉末冶金法の成形工程には、片押成形法、両押成形法、フローティングダイ法、ウィズドロアル法などの方法がある。これら方法は、ダイに形成され、圧粉体の外形を形成するダイ孔と、下端面を形成する下パンチによってキャビティを形成し、そのキャビティ内に金属粉末などの原料粉末を充填し、上端面を形成する上パンチと下パンチによって目標寸法になるまで上下方向から加圧して圧粉体を形成する単軸成形法である。これら方法では、上下のパンチのみでキャビティ内に充填された原料粉末を加圧している。また、これら方法では、圧粉体に中空を形成するコアロッドが用いられる場合もある。
【０００３】
上記各方法で円筒状やパイプ状などの比較的長い圧粉体を成形すると、上下のパンチに近いところでは密度が高くなるが、上下のパンチから遠ざかるにつれて密度が低くなるという傾向がある。すなわち、上下のパンチからもっと遠い圧粉体の中間領域が低密度になる。これは、次を理由としている。上下のパンチによる加圧力は、原料粉末とダイ、または、原料粉末とコアロッドの間に生じる摩擦抵抗によって損失される。また、上下のパンチから遠ざかるにつれ、原料粉末を鉛直方向に圧縮する加圧力がダイ孔やコアロッドの側面を加圧する側圧となり、圧粉体に対する鉛直方向の加圧力が損失される。このため、中間領域に近づくにつれて加圧力が減少し、中間領域に低密度の領域が形成される。この低密度の領域は、ニュートラルゾーン（Neutral Zone：以下、ニュートラルゾーンを中立層と称する）と言われ、製品の機械的強度や耐摩耗性の低下を招いてしまう。このような中立層の発生を防ぐ方法として、例えば特許文献１〜３に記載の方法がある。
【０００４】
【特許文献１】特許第２８０９２８８号公報
【特許文献２】特開２００２−３２１０９８号公報
【特許文献３】特開２００２−３２１０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記各特許文献では、コアロッドやダイ孔を特殊な形状に形成し、コアロッドを反復させるなどの動作を加えて、中立層の発生を防止している。上記特許文献１では、コアロッドに段差が形成されている。このようなコアロッドを用いると、圧粉体は、内径の一端が広がる形状になる。このため、内径が直線に形成されたパイプ状の圧粉体を得ることが難しく、圧粉体の形状が制限される。また、上記特許文献２、３では、ダイが、外径の一端が萎んだ形状になっている。このため、平歯車形状などの外周面が軸方向と平行な形状の圧粉体を得ることが難しく、圧粉体の形状が制限される。
【０００６】
上記のように一般的な各成形方法では、キャビティ内に充填された原料粉末が上下のパンチだけによって加圧されている。しかしながら、上記各特許文献では、コアロッドを反復させるなどの動作を加えているため、一般的な各成形方法に比べ、成形ストロークが長くなり、生産効率が低下する。このように、上記各特許文献の成形方法では中立層の発生を防ぐことはできるが、圧粉体の形状に制限が生じたり、生産効率が低下するといった問題が生じる。
【０００７】
よって、本発明は原料粉末を圧縮して圧粉体を得る粉末成形技術において、内径および外径が均一のパイプ状の圧粉体や、平歯車形状などの外周面が軸方向と平行な形状の圧粉体であっても、中立層の発生を効果的に防止することができ、結果として全域に亘って均一な密度の圧粉体を得ることができる粉末成形用金型装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の粉末成形用金型装置は、ダイに形成され、圧粉体の外周面を成形するダイ孔と、圧粉体の内周面を成形する円柱状のコアロッドと、該コアロッドが貫通し圧粉体の下端面を成形する下パンチとで形成されるダイキャビティ内に粉末を充填し、該粉末を、前記コアロッドの軸心を回転軸として該コアロッドを回転手段により回転させながら、圧粉体の上端面を成形する上パンチと前記下パンチとにより圧縮成形する金型装置であって、前記回転手段は、前記コアロッドに形成されたはすば溝と、前記下パンチの下端面に形成された凹部の内周面に形成され、前記はすば溝に係合することにより、該下パンチの上下動によって前記コアロッドを回転させるはすばと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、上下のパンチによる粉末の加圧時に、コアロッドの軸心を回転軸として回転手段によってコアロッドを回転させる。これにより、粉末の内周面がコアロッドと摺接する。このような状態で、一般的な成形方法と同様に、粉末を上下のパンチによって圧縮、成形することにより、圧粉体が得られる。本発明によれば、コアロッドを回転させることにより粉末とコアロッド間に生じる摩擦抵抗が減少する。また、粉末とコアロッドが摺接することで側圧が減少する。この結果、上下のパンチによる加圧力が中間領域まで伝わり易くなり、中立層の発生を効果的に防ぐことができる。また、摩擦抵抗や側圧による鉛直方向の加圧力の損失が抑えられることから、従来と同密度の圧粉体を得るにあたっては、従来より少ない加圧力で済む。このように、本発明では、ダイ孔やコアロッドを特殊な形状に形成することなく中立層の発生を防止できるため、内径および外径が均一のパイプ状の圧粉体や、平歯車形状などの外周面が軸方向と平行な形状の圧粉体であっても、中立層のない密度が均一の圧粉体が得られる。また、本発明では、上下のパンチによる粉末の加圧動作中にコアロッドを回転させるため、上下のパンチだけによって粉末を加圧する一般的な成形方法と同様な成形ストロークで成形が可能である。また、キャビティ内に充填された粉末に偏りが生じても、コアロッドを回転させることで粉末が均される。そのため、圧粉体は、径方向の密度差が無くなり、真円度が向上する。
【００１０】
本発明では、ダイキャビティ内への粉末の充填を、コアロッドの軸心を回転軸としてコアロッドを回転手段により回転させながら行うことが好ましい。このように粉末の充填時にコアロッドを回転させることで、キャビティ内の空気が円滑に追い出され、粉末がキャビティ内に一様に充填される。この結果、粉末の充填時に空気の混入が減少し、キャビティ内に充填された粉末が緻密で均一な状態になり、上下のパンチによる加圧力が粉末の中間領域まで伝わり易くなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コアロッドを回転手段によって回転させることにより上下のパンチの加圧力を円滑に中間領域まで伝えることができるため、中立層の発生を防止することができる。また、ダイ孔やコアロッドを特殊な形状に形成する必要がなく、一般的な成形動作で圧粉体が得られる。この結果、内径および外径が均一のパイプ状や、平歯車形状などの外周面が軸方向と平行な形状の圧粉体であっても、中立層の発生を効果的に防止することができ、結果として全域に亘って均一な密度の圧粉体を得ることができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
［１］金型装置
図１および図２を参照して、本発明に係る一実施形態の金型装置を説明する。
図１は、金型装置１０のキャビティ２８内に、所定の組成に配合された金属粉末と成形潤滑剤とが混合した原料粉末１が充填された様子を示した断面図である。また、図２は、原料粉末１が上パンチ２９と下パンチ１４とにより圧縮された様子を示した断面図である。金型装置１０は、円筒状のダイ孔１２が形成されたダイ１１と、ダイ１１を支持するダイプレート１３と、ダイ孔１２の中心に配置される円筒状のコアロッド２４と、原料粉末１を圧縮する上下一対の円筒状の上パンチ２９および下パンチ１４とを具備している。
【００１３】
ダイプレート１３には、ダイ１１が装着されるダイ挿入孔１３ａが形成されている。ダイ１１の外周面１１ｂとダイ挿入孔１３ａの内周面は、互いに対応するいんろう形状に形成されている。ダイ１１は、ダイ挿入孔１３ａに、ダイ挿入孔１３ａと同心状に挿入、固定されている。
【００１４】
下パンチ１４は、グランドプレート２２の上面２２ａの中心に、パンチ止め具１６によってダイ孔１２と同心状に取り付けられている。下パンチ１４の外径は、ダイ孔１２内に摺動可能に挿入される寸法である。下パンチ１４の下端面には、円筒状の凹部１５が形成されており、貫通孔１４ｂが、下パンチ１４の上端面１４ａから凹部１５の上面１５ａにわたって貫通している。この凹部１５の内周面には、全周に亘って、はすば１７が形成されている。グランドプレート２２は、金型装置１０の図示せぬ基台に固定されている。グランドプレート２２の中心には、コアロッド２４が貫通する貫通孔２２ｂが形成されている。
【００１５】
コアプレート２３の上面２３ａの中心には、ボール受け具１８が配設されている。このボール受け具１８には、ボール１９が周方向に等間隔をおいて転動可動に装着されている。コアロッド２４は、下部２４ｂをボール受け具１８のボール１９と接触する状態で、コアロッド支持具２０によりボール受け具１８上に支持されている。ボール受け具１８を介してコアプレート２３に支持されたコアロッド２４は、コアロッド２４の軸心２４ｃを回転軸として回転自在となっている。コアロッド２４の中間部には、全周にわたってはすば溝２１が形成されている。コアロッド２４は、グランドプレート２２の貫通孔２２ｂを貫通し、さらに、下パンチ１４の貫通孔１４ｂに摺動自在に挿入されている。コアロッド２４の上端面２４ａは、ダイ１１の上端面１１ａと同一の高さに位置付けられている。コアプレート２３の上面２３ａの両端には、複数（図では２本）のコラム２７が立設している。このコラム２７は、グランドプレート２２を貫通しており、このコラム２７の上端に、ダイプレート１３が固定されている。すなわち、ダイプレート１３とコアロッド２４は、下部ラム２５の昇降につれて同時に上下する。原料粉末１が充填されるキャビティ２８は、ダイ孔１２と、下パンチ１４の上端面１４ａと、コアロッド２４とによって円筒状に形成される。
【００１６】
下パンチ１４の内周面に形成されたはすば１７は、コアロッド２４の中間部に形成されたはすば溝２１に螺合状態で、常時係合している。はすば１７とはすば溝２１の噛合いは、一般的なはすば歯車の噛合いと同じである。下部ラム２５が上下動するのに伴って、コアロッド２４は、コアロッド２４の軸心２４ｃを回転軸として回転しながら、下パンチ１４に沿って上下動する。
【００１７】
図２に示すように、圧粉体の上端面を形成する上パンチ２９は、上パンチ止め具３０によって上部ラムプレート３１に固定されている。上パンチ２９の外径はダイ孔１２内に摺動可能に挿入される寸法であり、上パンチ２９は、ダイ孔１２と同心状に設置されている。また、上パンチ２９の中心には、鉛直方向に貫通する上パンチ貫通孔２９ａが形成されている。上部ラムプレート３１に固定された上パンチ２９は、上部ラム（図示省略）により上下動し、下降時に、キャビティ２８内に充填された原料粉末１が加圧される。
【００１８】
［２］圧粉体の成形方法
次に、図１〜図４を参照して金型装置１０を用いた圧粉体の成形方法を説明する。
まず最初に、図１に示すように下部ラム２５を上昇させ、ダイ孔１２と下パンチ１４の上端面１４ａと、コアロッド２４とによりキャビティ２８を形成する。このキャビティ２８内に原料粉末１がフィーダなどにより充填される。次いで、図２に示すように、上パンチ２９が待機位置から下降し、原料粉末１が圧縮される。このとき、下部ラム２５が、例えば、上パンチ２９の下降速度の２分の１程度の速度で下降する。下部ラム２５の下降に伴い、コラム２７の上端に固定されたダイプレート１３が下降する。このように、下パンチ１４を固定し、下パンチ１４に対して上パンチ２９とダイ１１を下降させることで、原料粉末１が上パンチ２９と下パンチ１４とによって上下両方向から圧縮される。ここで、上パンチ２９と下パンチ１４とにより原料粉末１が圧縮されるのと同時に、コアロッド２４のはすば溝２１が下パンチ１４のはすば１７に進入し、コアロッド２４が軸心２４ｃを回転軸として回転する。このように、金型装置１０においては、コアロッド２４を回転させながら原料粉末１が所望の寸法になるまで、上パンチ２９と、下パンチ１４とによって原料粉末１が加圧、圧縮される。
【００１９】
原料粉末１が所望の寸法まで圧縮されると、図３に示すように、上パンチ２９は上部ラムによって上昇し、待機位置まで戻される。上パンチ２９が待機位置に戻されたら、下部ラム２５を、ダイ１１の上端面１１ａが下パンチ１４の上端面１４ａと同一平面をなす位置まで下降させる。下部ラム２５の下降が完了すると、図５（ａ）に示すような、コアロッド２４によって中空が形成された円筒状の圧粉体２がダイ孔１２内から取り出される。
【００２０】
図４の中心線の左側は、コアロッド２４を回転させずに、上パンチ２９と下パンチ１４とによって原料粉末１を加圧する一般的な方法（コアロッド固定式）を実施する金型装置４０のキャビティ２８内に、原料粉末１が充填された様子を示している。また、図４の中心線の右側は、原料粉末１が上パンチ２９と下パンチ１４とによって圧縮されている様子を示している。なお、本実施形態の金型装置１０と同一構成要素には、同一の符号を付している。図４に示すように、コアロッド固定式では、コアロッド２４を回転させずに、上パンチ２９と下パンチ１４とによって原料粉末１を加圧して、圧粉体を成形している。コアロッド固定式では、原料粉末１とダイ１１、または、原料粉末１とコアロッド２４の間に生じる摩擦抵抗や、コアロッド２４の外周面を加圧する側圧によって、上パンチ２９および下パンチ１４による軸方向の加圧力が損失する。このため、コアロッド固定式で得られた圧粉体には、中間領域に低密度な領域である中立層が発生してしまい、製品の機械的強度や耐摩耗性の低下を招くおそれがある。
【００２１】
本実施形態では、上パンチ２９と下パンチ１４とによる原料粉末１の加圧時に、下パンチ１４の凹部１５の内周面に形成されたはすば１７と、コアロッド２４の中間部に形成されたはすば溝２１が螺合することによって、軸心２４ｃを回転軸としてコアロッド２４が回転する。これにより、原料粉末１の内周面がコアロッド２４と摺接する。このような状態で、コアロッド固定式と同様に、原料粉末１を上パンチ２９と下パンチ１４とによって圧縮することにより圧粉体２が成形される。本実施形態によれば、軸心２４ｃを回転軸としてコアロッド２４を回転させることにより、原料粉末１とコアロッド２４の外周面との間に生じる摩擦抵抗が減少する。また、原料粉末１とコアロッド２４の外周面が摺接することで、原料粉末１の加圧によって生じる側圧が減少する。この結果、上パンチ２９と、下パンチ１４とによる加圧力が原料粉末１の中間領域まで伝わり易くなり、中立層の発生を効果的に防ぐことができる。
【００２２】
また、摩擦抵抗や側圧による鉛直方向の加圧力の損失が抑えられることから、従来と同密度の圧粉体を得るにあたっては、従来より少ない加圧力で済む。このように、本実施形態では、ダイ孔１２やコアロッド２４を従来のような特殊な形状に形成することなく中立層の発生を防止できるため、図５（ａ）に示すような内径および外径が均一のパイプ状の圧粉体２や、図５（ｂ）に示すような歯すじが回転軸に平行な直線である平歯車形状の圧粉体３であっても、中立層のない密度が均一の圧粉体が得られる。また、本実施形態では、原料粉末１の加圧動作中にコアロッド２４が回転するため、コアロッド固定式と同様な成形ストロークで成形が可能である。また、キャビティ２８内に充填された原料粉末１に偏りが生じても、コアロッド２４を回転させることで原料粉末１が均される。そのため、圧粉体２は、径方向の密度差が無くなり、真円度が向上する。
【００２３】
図６は、図４に示すようなコアロッド固定式の方法および本実施形態で得られたそれぞれの圧粉体（全長４０ｍｍ）の軸方向の密度分布を示した図である。Ａは、コアロッド固定式の方法で得られた圧粉体、Ｂは本実施形態で得られた圧粉体を示している。図６に示すように、コアロッド固定式の方法で得られた圧粉体は、端部と中間領域との密度差が０．５ｇ／ｃｍ３であった。しかしながら、本実施形態で得られた圧粉体は、端部と中間領域との密度差が０．１ｇ／ｃｍ３であった。このように、本実施形態では、全域に亘って密度が均一な圧粉体が成形される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態の金型装置のキャビティ内に原料粉末が充填された様子を示した断面図である。
【図２】一実施形態の金型装置によって、原料粉末を圧縮している様子を示した断面図である。
【図３】一実施形態の金型装置で得られた圧粉体を取り出す様子を示した断面図である。
【図４】コアロッド固定式を実施する金型装置によって圧粉体を成形する様子を示した断面図である。
【図５】一実施形態の金型装置で得られた圧粉体を示した斜視図である。
【図６】一実施形態の金型装置およびコアロッド固定式を実施する金型装置で得られた圧粉体の密度を示した図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…原料粉末
２…圧粉体
２ａ、３ａ…圧粉体の上端面
２ｂ、３ｂ…圧粉体の下端面
２ｃ、３ｃ…圧粉体の内周面
２ｄ、３ｄ…圧粉体の外周面
１１…ダイ
１２…ダイ孔
１４…下パンチ
１７…はすば（回転手段）
２１…はすば溝（回転手段）
２４…コアロッド
２４ｃ…コアロッドの軸心
２８…キャビティ
２９…上パンチ
【図１】
0005389351.tif 000002
【図２】
0005389351.tif 000003
【図３】
0005389351.tif 000004
【図４】
0005389351.tif 000005
【図５】
0005389351.tif 000006
【図６】
0005389351.tif 000007