(57)【要約】【課題】一端に傾斜面を有する筒状のセラミック成形体を、全体に亘り均一な生密度に成形することができるようなプレス成形用金型を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のプレス成形用金型は、上下に貫通する貫通孔を有する臼１と、臼１の貫通孔に下側から挿入された下パンチ２と、下パンチ２から突出するようにこれと同軸上に設けられたピン４と、ピン４の突出に対応するように設けられた凹部３ｂを有し臼１の貫通孔に上側から挿入される上パンチ３とを含み、臼１と下パンチ２及びピン４で囲まれるキャビティ５内に粉体原料を充填し、上パンチ３を臼１のキャビティ５内に挿入して粉体原料を上下方向に加圧し成形体を得るためのプレス成形用金型であって、下パンチ２の加圧面２ａと臼１の上面１ａが逆方向にむかって傾斜したことを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に貫通する貫通孔を有する臼と、該臼の貫通孔に下側から挿入された下パンチと、該下パンチから突出するようにこれと同軸上に設けられたピンと、該ピンの突出に対応するように設けられた凹部を有し前記臼の貫通孔に上側から挿入される上パンチとを含み、前記臼と前記下パンチ及び前記ピンで囲まれるキャビティ内に粉体原料を充填し、前記上パンチを前記臼のキャビティ内に挿入して前記粉体原料を上下方向に加圧し成形体を得るためのプレス成形用金型であって、前記下パンチの加圧面と前記臼の上面が互いに逆方向にむかって傾斜したことを特徴とするプレス成形用金型。
【請求項２】
前記臼上面の水平方向からの傾斜角が前記下パンチ加圧面の水平方向からの傾斜角より大きなことを特徴とする請求項１記載のプレス成形用金型。
【請求項３】
前記臼上面の水平方向からの傾斜角が、前記下パンチ加圧面の水平方向からの傾斜角の１．０〜１．４倍であることを特徴とする請求項１または２記載のプレス成形用金型。
【請求項４】
前記臼上面の水平方向からの傾斜角が３０度以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプレス成形用金型。
【請求項５】
前記臼上面と前記ピンの上面とが略平行に傾斜していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプレス成形用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体原料を充填しプレス成形することにより成形体を製造するためのプレス成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、セラミックスを成形する際には、金型を使用したプレス成形や、ゴム型などを使用して水中で均等加圧して成形体を得る静水圧湿式成形、セラミックス粉体に液状の助剤を添加して、型に流し込むことで成形を行う鋳込み成形や射出成形、薄いシートを得る際に行われるロールコンパクション、ドクターブレード法などがある。
【０００３】
金型によるプレス成形は、金属部材や超硬部材などからなり、図４（ａ）に示すように、臼１１の下側から下パンチ１２を挿入して得られるキャビティ内に、粉体原料を充填した後、上パンチ１３を臼に嵌め込んで上下方向に１００〜１０００ＧＰａの圧力で加圧してセラミック成形体を得る成形方法である。
【０００４】
特許文献１では、粉体原料を成形した際に、金型と成形体との離型を容易に行うために、  成形型のキャビティ内にて、セラミックス、金属又は両者の複合材料を主体とする粉体原料を成形することにより成形体１６を製造し、成形体１６に穴部１６１を形成するために、キャビティ内１５にはピン１４が配置され、そして、そのピン１４の表面に硬質炭素系離型被膜が形成されることにより、ピン１４と成形体１６との離型性が極めて良好となり、ひいては成形体１６に割れや欠けを生ずることなく離型をスムーズに行うことが出来るというものである。
【０００５】
このような従来の金型を使用したプレス成形品は、図４（ｂ）に示すように円周に亘って貫通方向における厚みが一定のものであり、この成形品を図３に示すような一端に傾斜面を有する形状とする場合には、さらに切削加工が施されていた。
【０００６】
また、特許文献２は、図５（ａ）に示すように、窒化ケイ素系粉体を可動式ダイス２１を用いて、加熱しながら加圧することにより複雑形状の成形体を作製する方法であって、窒化ケイ素系粉体に含まれる酸化物が軟化・溶融する温度で加圧成形する際に、複雑形状の凹部及び凸部を有する可動式の黒鉛ダイス２１を用いることにより、図５（ｂ）（ｃ）に示すような凹部を有する成形体２１の全体に亘って密度分布を均一にすることのできる成形方法である。ここでは、成形用ダイス２１の可動部にスプリング２１１を用いており、加圧時の粉体の収縮に合わせてダイス２１が動作することによって、収縮を均一にし、より密度の均一な成形体２２を作製することができるようになっている。
【特許文献１】特開２０００−５２３２８号公報
【特許文献２】特開１９９６−３００３２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、切削加工を施す方法では、原料の無駄や加工時間の増加による効率面の損失があるなどの問題があった。そこで、切削加工を施さずに、特許文献１のような金型構造で、図３に示すような一端に傾斜面を有する（円周に亘って貫通方向における相対的に厚みの薄い部分と相対的に厚い部分を有する）成形体を得ようとすると、厚肉部の生密度が薄肉部のそれよりも低くなってしまい変形し易くなるという問題や、成形時の加圧により圧力の高い薄肉部から厚肉部へと応力が働くために、中央側の穴部を形成するためのピン１４に負荷がかかって破損したり、脱型時に成形体が割れて破損することがあった。
【０００８】
また、特許文献２のような可動式のダイス２１を用いて成形する場合は、凹凸などの形状であれば、その境界部分より、ダイス２１部分を分割して製作することができるため可能であるが、図３に示すような傾斜面をもつ成形体を成形する場合は、そのダイスの分割面を得ることができないため、このような傾斜部をもつ成形体の成形には適用できない。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、一端に傾斜面を有する筒状の成形体を、全体に亘り均一な生密度に成形することができるようなプレス成形用金型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結果、下パンチの加圧面を傾斜させるとともに、これとは逆方向に向かって臼の上面を傾斜させることにより、上記目的を達成することを見出し、本発明に到達した。
【００１１】
すなわち本発明は、上下に貫通する貫通孔を有する臼と、該臼の貫通孔に下側から挿入された下パンチと、該下パンチから突出するようにこれと同軸上に設けられたピンと、該ピンの突出に対応するように設けられた凹部を有し前記臼の貫通孔に上側から挿入される上パンチとを含み、前記臼と前記下パンチ及び前記ピンで囲まれるキャビティ内に粉体原料を充填し、前記上パンチを前記臼のキャビティ内に挿入して前記粉体原料を上下方向に加圧し成形体を得るためのプレス成形用金型であって、前記下パンチの加圧面と前記臼の上面が互いに逆方向にむかって傾斜したことを特徴とするプレス成形用金型である。
【００１２】
また本発明は、上記プレス成形用金型において、臼上面の水平方向からの傾斜角が下パンチ加圧面の水平方向からの傾斜角より大きなことを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、上記プレス成形用金型において、臼上面の水平方向からの傾斜角が、前記下パンチ加圧面の水平方向からの傾斜角の１．０〜１．４倍であることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、上記プレス成形用金型において、臼上面の水平方向からの傾斜角が３０度以下であることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、上記プレス成形用金型において、臼上面とピンの上面とが略平行に傾斜していることを特徴とする。
【００１６】
尚、本発明において、下パンチの加圧面と臼の上面が互いに逆方向にむかって傾斜するとは、これらの関係が、１０度程度、好ましくは５度程度までねじれた関係にあることも含むことを意味するものである。
【発明の効果】
【００１７】
このように本発明によれば、傾斜による貫通方向における相対的に厚みの薄い部分と相対的に厚い部分の形成された成形体の生密度の均一化が図れるとともに、加圧した際に臼の内面にかかる圧力を均一にすることができる。    
また、臼上面の水平方向からの傾斜角を、下パンチ加圧面の水平方向からの傾斜角の１．０〜１．４倍とすることにより、原料の粉体嵩の差による圧力差を少なくできるため、均一な生密度を得るために必要な粉体嵩密度を得ることができる。    
また、臼上面とピンの上面とが略平行に傾斜していることにより、原料充填時及び成形体の排出時のフィーダー稼動を効率良く実施できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。    
図１は、本発明のプレス成形用金型を示しており、図２は図１に示すプレス成形用金型を用いて成形体を製造する工程を示している。    
本発明のプレス成形用金型は、図１に示すように、上下に貫通する貫通孔を有する臼１と、臼１の貫通孔に下側から挿入された下パンチ２と、下パンチ２から突出するようにこれと同軸上に設けられたピン４と、ピン４の突出に対応するように設けられた凹部３ｂを有し臼１の貫通孔に上側から挿入される上パンチ３とを含み、臼１と下パンチ２及びピン４で囲まれるキャビティ５内に粉体原料を充填し、上パンチ３を臼１のキャビティ５内に挿入して粉体原料を上下方向に加圧し成形体を得るためのプレス成形用金型であって、下パンチ２の加圧面２ａと臼１の上面１ａが逆方向にむかって傾斜したことを特徴とするものである。
【００１９】
図１に示すように、上パンチ３は加圧面３ａが水平になっており、下パンチ２は加圧面２ａが傾斜している。さらに、下パンチ２の加圧面２ａから突出するようにこれと同軸上にピン４が設けられている。
【００２０】
ここで、キャビティ５の径及び下パンチ２の加圧面２ａの水平方向からの傾斜角２ｂは製造しようとする成形体の用途に応じて適宜決定される。尚、所望の焼結体の傾斜角に対して、成形体の傾斜角が０〜５°の範囲で若干小さめになるように、下パンチの傾斜角を設定するのがよい。
【００２１】
そして、ピン４の上面４ａは、臼１の上面１ａより０〜０．３ｍｍ程度凹んだ状態であって、臼１の上面１ａと略平行に傾斜しているのが好ましい。粉体原料６１のキャビティ５内への供給は、フィーダと呼ばれる底なしの箱状体（不図示）を臼１上で往復させることにより、このフィーダ内に存在する粉体をキャビティ５内に充填し、キャビティ５から盛り上がった粉体をすり切るようにしてなされるが、このピン４の上面４ａと臼１の上面１ａとが略平行に傾斜していることにより、このフィード作業時に、フィーダのピン４の上面への引っかかりや、充填のバラツキを防ぐことができるため、加圧された成形体は生密度のバラツキが少ないものとなるからである。尚、ピン４の上面４ａが臼１の上面１ａより突出しないのであれば、２〜３°の傾斜角の差までは許容できる。
【００２２】
本発明の成形用金型で製造しようとする成形体は、図３（ｂ）の実線で示すように、上面６２ａが水平であって下面６２ｂが傾斜しており、ちょうど円筒体の一端部を斜めに切り取ったような形状の筒状体である。このような形状の成形体６２を製造するために、上パンチ３、下パンチ２及びピン４は上述のような形状となっているものである。尚、図３（ｂ）の２点鎖線で示される形状は、圧縮成形前の粉体原料の状態を示している。
【００２３】
臼１は貫通孔を有しており、この貫通孔に予め下側から上下動可能に挿入された下パンチ２とこの貫通孔の側面により、粉体原料が充填されるキャビティ５が形成される。そして、臼１の上面１ａは下パンチ２の加圧面２ａとは逆方向にむかって傾斜している。これにより、成形時の加圧バランスが良好となり、この金型で成形された一端に傾斜面を有する成形体６２の相対的に厚みの薄い部分と相対的に厚い部分の生密度の均一化を図ることができる。すなわち、図２に示すように、このキャビティ５に粉体原料６１を充填した後、上側から上パンチ３を挿入し、上パンチ３と下パンチ２を協働させて成形体６２を製造するのであるが、臼１の上面１ａが下パンチ２の加圧面２ａと逆方向にむかって傾斜していることにより、成形体６２の全体において密度を均一にすることができるのである。ここで、臼１の上面が水平になっていたとすると、成形体６２における厚肉部側のほうが薄肉部側よりも厚み分だけ圧縮力が弱くなってしまう。これに対し、本発明では臼１の上面が傾斜していることにより、成形体６２の厚肉部側を形成するための相対的に深くなっている部分に多くの粉体原料６１を充填し、成形体６２の薄肉部側を形成するための相対的に浅くなっている部分に少ない粉体原料６１を充填することができるため、これを加圧した際に臼１の内面にかかる圧力が略一定になり、得られた成形体６２の生密度を均一にすることができるのである。
【００２４】
ここで、下パンチ２の加圧面２ａの傾斜角２ｂより臼１の上面１ａの傾斜角１ｂを大きくするのが好ましい。下パンチ２の加圧面２ａの傾斜角２ｂが、臼１の上面１ａの傾斜角１ｂより大きい場合は、成形体６２の厚肉部側を形成するための相対的に深くなっている部分への粉体原料の充填比率が、薄肉部側を形成するための相対的に浅くなっている部分への充填比率よりも不足してしまうため、均一な生密度の成形体を得ることができない。好ましくは、臼１上面１ａの傾斜角１ｂを下パンチ２加圧面２ａの傾斜角２ｂの１．０〜１．４倍とし、この範囲内で調整することにより、成形体６２の生密度を均一なものに出来る。特に、粉体の材質や粉体の嵩密度に応じてこの傾斜角１ｂを調整するのが好ましい。粉体の嵩密度はその値が大きいほど緻密な粉体であるから、粉体嵩密度の小さい粉体では、臼１上面１ａの傾斜角１ｂと下パンチ２加圧面２ａの傾斜角２ｂの差を大きくする必要がある。
【００２５】
さらに、この臼１の上面１ａの傾斜角１ｂは、３０度以下であるのが好ましい。傾斜角１ｂが３０度を超えて大きくなると、粉体原料６１をキャビティ５内に充填した際に、上面１ａに沿って粉体原料６１が高いほうから低いほうへ流れてしまい、結果として成形体６２の生密度に差が生じて、変形やクラックなどが発生することがあるからである。
【００２６】
臼１の上面１ａと下パンチ２の加圧面２ａとの関係は、１０度程度、好ましくは５度まで、ねじれる関係にあってもよい。
【００２７】
これらの成形用金型（臼１、下パンチ２、上パンチ３、ピン４）の材質は、ＳＫＤ材料（工具鋼）や超硬などの高強度と高硬度を備え、耐摩耗性に優れた材料からなるのが好ましく、さらに表面処理などを施して、粉体に接する表面部の硬度を最大にすることが好ましい。但し、本発明実施例のように、ピン４を用いるような場合など、金型の形状によっては、靭性を残し、折れにくくする必要のある場合もあるため、その使用や用途に沿って、適正な条件で処理することが好ましい。
【００２８】
本発明実施例においてはキャビティの径と深さについて特に限定はしていないが、径より深さのほうが短い場合には生密度のばらつきが生じやすいので、本発明はこのような場合に好ましく採用できる。
【００２９】
尚、本発明のプレス成形用金型で使用される粉体原料としては、セラミックス、金属、樹脂などが挙げられる。特に、セラミックスからなる粉体原料により製造されるセラミック部品としては、約２０°傾斜する傾斜面をもつレーザーメス用セラミック絶縁部品や、９０°のエルボ管内に配設される３°〜１０°傾斜する傾斜面をもつ耐磨耗用セラミックス部品などが好ましく挙げられる。
【００３０】
次に本発明のプレス成形用金型による成形方法について簡単に説明する。    
本発明のプレス成形用金型による成形方法は、図２（ａ）に示すように、キャビティ内に粉体原料６１をフィーダ（不図示）を通して充填し、図２（ｂ）に示すように臼１の貫通孔に上側から挿入される上パンチ３により粉体原料６１を加圧して押し固めて成形体６２を成形する。その後、図２（ｃ）に示すように下パンチ２を臼１の上面１ａよりもさらに上側へ移動させることにより、成形体６２をキャビティ内より排出し、フィーダの再移動により排出された成形体６２を移動させるとともに、粉体原料６１の充填がなされる。このときキャビティ内から排出された成形体６２は、圧力が開放されることにより弾性回復が起こり、その成形体の体積が０．３％程度大きく膨張する。このため一度排出された成形体が再びキャビティ内に嵌まり込むことはない。
【００３１】
尚、プレス成形用金型のキャビティ５と臼１の上面１ａの境界である角部の稜線に沿って設けたＲ面状またはＣ面状の面取りが０．３ｍｍ〜１．０ｍｍであることにより、良好な連続成形が可能である。この面取りが０．３ｍｍ未満では、上パンチ３を嵌め込んで加圧成形する際に上パンチ３と臼１の衝突により角部の損傷が発生する。またこの面取りが１．０ｍｍを超えると原料粉体６１が面取り部分に多く溜まることになり、この原料粉体６１が臼１と上パンチ３との隙間に入り込んで噛み込みが発生し、良好な成形作業が困難となる。
【００３２】
また、プレス成形用金型の臼１に設けた貫通孔の表面と、上パンチ３及び下パンチ２の加圧面の表面粗さが、算術平均表面粗さＲａで０．１μｍ以下であることにより、キャビティ内で加圧成形される粉体原料との摩擦抵抗を最小限に抑えることができるため、加圧により得られた各成形体の生密度において、そのバラツキが少ない良好な成形体を得ることができる。さらに、成形後の成形体にキズが発生することを防止でき、焼成時の収縮によるクラック等の起点となる要因をなくすことができる。また、粉体原料６１の臼１や上パンチ３及び下パンチ２の加圧面への付着を防ぐことができ、連続成形による付着物の掃除時間などの短縮効果を得られる。このような表面粗さとするためには、プレス用金型の表面を研磨加工した後、研磨材を使用してバフ加工を施したり、粒子の細かい繊維状の研磨布やダイヤスラリーを使用してＰＶＡ砥石で磨くなどの方法により得ることができる。
【００３３】
また、臼１の貫通穴の寸法と下パンチ２や上パンチ３の寸法差からなるクリアランスは、０．０１〜０．１ｍｍの範囲に設定することが好ましい。このクリアランスが０．０１ｍｍ未満であるとクリアランスが小さ過ぎて、臼１と下パンチ３及び上パンチ２が接触して破損の原因となったり、擦り合わされることで磨耗が進んでしまうことになる。また、クリアランスが０．１ｍｍを超えると、粉体原料漏れが発生したり、成形体の端面にバリが発生して手作業で面取りを施さなくてはならないなどの不具合が生じる。
【００３４】
このため、上記クリアランスを０．０１〜０．１ｍｍの範囲に設定することが好ましく、さらには０．０２〜０．０５ｍｍとすることが、より好ましい。
【００３５】
このように本発明のプレス成形用金型を用いることにより、成形された成形体６２の生密度のバラツキが、０．２ｇ／ｃｍ２以下の良好な値となる。０．２ｇ／ｃｍ２を超えるようなバラツキが生じる場合は、プレス時の成形体６２からピン４へ伝わる負荷にバラツキが生じるため、成形体６２の表面に面荒れが発生したり、脱型時に強く押されるためにスジが発生してしまうため、好ましくない。また、成形体の割れや破損、ピンの破損などの発生もなく、さらには、焼成による収縮率のバラツキも少なく、良好な焼結体を得ることが出来る。尚、その臼１の上面と下パンチ２の加圧面の傾斜角の差を調整することで、さらにその生密度のバラツキを０．１ｇ／ｃｍ２以下とすることがきる。
【実施例】
【００３６】
図３に示すような一端面が傾斜したプレス成形体を成形して評価するために、図１に示すような本発明のセラミック成形用金型と図４に示すような従来の成形金型を準備した。
【００３７】
臼１の上下に貫通する孔の径を５０ｍｍ、下パンチ２の上面から突出するピン４の径を３０ｍｍとし、下パンチの加圧面に設けた傾斜と臼の傾斜についてそれぞれの角度を変えて、焼結体の傾斜角が１８°で貫通方向における相対的に厚みの厚い部分が４０ｍｍとなるように、金型を作製した。
【００３８】
まず、比較例として試料１〜３は、図４のような従来の臼の上面が水平な金型を使用し、下パンチの角度を１８°、２０°、２２°と変えたもので、ピン上面の傾斜の無いものを使用した。
【００３９】
次に、本発明の実験例として、試料４〜７は臼の上面の傾斜角を１８°とし、下パンチの傾斜角を１６〜２２°の範囲内とし、下パンチの加圧面と臼の上面を互いに逆方向に向かうように設定した。このときピン上面の傾斜は、試料４のみ傾斜なしとし、試料５〜７は臼の上面の傾斜角と同様の１８°とした。
【００４０】
また、同様に臼上面の傾斜角を２０°としたものを試料８〜１２、傾斜角を２２°としたものを試料１３〜１６として、それぞれ表１のような条件で評価した。
【００４１】
評価方法は、それぞれにアルミナセラミックスの粉体原料を使用して成形体を成形し、成形後の成形体の表面の状態を面荒れやクラックなどが発生していないかを評価し、面が荒れていないものを○、面が荒れているものを△、クラックが発生しているものを×とし、特にキズも無く良好なものを◎とした。また成形体を厚肉部側と薄肉部側とに穴部より２分割して、成形体の生密度の差を測定した。
【００４２】
さらに成形体を焼成し、クラック発生の有無、また外径寸法を４５度ずつで成形体の上側、下側の合計８箇所の寸法を測定し、寸法のばらつきを測定した。結果は表１に示す通りである。
【表１】
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【００４３】
表１のように、臼の上面に傾斜を持たない従来の金型で成形した試料１〜３は、成形後の表面状態が悪く、傾斜の薄肉部側の一部分が荒れた状態になり、クラックがスジ状に走っていることが観察できた。これは、薄肉部側の加圧による圧力が高く、成形時に薄肉部側のみ大きな圧力が加わったことが考えられ、生密度の高い部分と低い部分の境目でクラックが発生していることが判明した。また、試料１は面が荒れた状態であり、焼成後にはクラックが観察できた。
【００４４】
本発明の試料４〜１６は、成形体や焼成体にクラックの発生は無く、生密度の差が緩和されていることがわかる。特に試料４、８、１３は、表面状態も良好で、生密度の差もほとんど無い状態であり、焼成後においてもクラックの発生や径寸法のばらつきが無く、最も良好なものであった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のプレス成形用金型の断面図である。
【図２】（ａ）は本発明のプレス成形用金型の粉体原料充填時を示す断面図、（ｂ）は粉体原料加圧時を示す断面図、（ｃ）は成形体払出し時を示す断面図である。
【図３】（ａ）は本発明のプレス成形用金型により成形された成形体の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す成形体の縦断面図である。
【図４】（ａ）は従来の臼の上面が水平であるプレス成形用金型の一例の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すプレス成形用金型で成形された成形体の平面図、（ｃ）は（ａ）に示すプレス成形用金型で成形された成形体の縦断面図である。
【図５】（ａ）は従来の臼の上面が水平であるプレス成形用金型の一例の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すプレス成形用金型で成形された成形体の平面図、（ｃ）は（ａ）に示すプレス成形用金型で成形された成形体の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：臼
１ａ：上面
１ｂ：傾斜角
２：下パンチ
２ａ：加圧面
２ｂ：傾斜角
３：上パンチ
３ａ：加圧面
３ｂ：凹部
４：ピン
４ａ：上面
４ｂ：傾斜角
５：キャビティ
６１：粉体原料
６２：成形体
６２ａ：上面
６２ｂ：下面
【図１】
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【図２】
2006035234.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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