(57)【要約】  本発明は、型空洞を有する型と、１以上の下側ツール部材と、１以上の上側ツール部材と、を備えたツールセットを用いて金属粉末成形体を製造する方法であって、前記１以上の下側ツール部材を前記型空洞内に挿入するステップと、前記型空洞に金属粉末を充填する第１の充填ステップと、前記１以上の上側ツール部材を下げて、前記金属粉末が充填された充填部分と、未だ前記金属粉末で充填されていない空の部分と、を有する前圧縮室を形成するステップ、前記１以上の上側ツール部材を通って前記前圧縮室内に延設された１以上の粉末供給台を通じて前記空の部分に金属粉末を充填する第２の充填ステップと、前記金属粉末を圧縮軸に沿って圧縮して、金属粉末成形体を形成する圧縮ステップと、前記型空洞から前記金属粉末成形体を取り出すステップと、を含む方法を提供する。
2012527540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
型空洞を有する型と、１以上の下側ツール部材と、１以上の上側ツール部材と、を備えたツールセットを用いて金属粉末成形体を製造する方法であって、
前記１以上の下側ツール部材を前記型空洞内に挿入するステップと、
前記型空洞に金属粉末を充填する第１の充填ステップと、
前記１以上の上側ツール部材を下げて、前記第１の充填ステップの際に前記金属粉末が充填された充填部分と、未だ前記金属粉末で充填されていない空の部分と、を有する前圧縮室を形成するステップ、
前記１以上の上側ツール部材を通って前記前圧縮室内に延設された１以上の粉末供給台を通じて前記前圧縮室における前記空の部分に金属粉末を充填する第２の充填ステップと、
前記金属粉末を圧縮軸に沿って圧縮して、金属粉末成形体を形成する圧縮ステップと、
前記型空洞から前記金属粉末成形体を取り出すステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記第２の充填ステップが、計量体積の１以上の粉末空洞を備えたスライドプレートを含む供給プレートアセンブリを用いて、ホッパーシステムから前記１以上の上側ツール部材の前記１以上の粉末供給台まで前記金属粉末を動かすことを含み、そして、
前記スライドプレートが、前記１以上の粉末空洞が前記ホッパーシステムの下に配置されて前記１以上の粉末空洞と同じ体積の金属粉末のチャージを収容する第１の位置と、前記金属粉末のチャージを前記前圧縮室に供給できるように、前記１以上の粉末空洞が、前記１以上の上側ツール部材の前記１以上の粉末供給台に通じるように配置された第２の位置との間に移動できるものである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上側に供給プレートアセンブリが配置され、かつ、底側に上側ツール部材が取り付けられた支持ブロックをさらに含み、そして、
前記スライドプレートが第２の位置にあるとき、前記支持ブロックが、前記上側ツール部材の前記１以上の粉末供給台に通じるように前記スライドプレートの前記１以上の粉末空洞を配置する１以上の粉末供給台を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記スライドプレートが、スロットを含み、そして、１以上の上側ツール部材が、前記スロットを通って、前記スライドプレートの前記第１の位置及び前記第２の位置の両方に延設される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記スライドプレートが、複数の粉末空洞を含み、そして、前記複数の粉末空洞が、前記スライドプレートの前記スロットを通って延設された前記１以上の上側ツール部材と同軸上にない、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記１以上の上側ツール部材における前記１以上の粉末供給台が、前記圧縮軸に対して所定の角度で前記１以上の上側ツール部材を通って延設される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ツールセットが、上部の内側パンチと、前記上部の内側パンチの少なくとも一部を取り囲む上部の中間パンチと、前記上部の中間パンチの少なくとも一部を取り囲む上部の外側パンチと、を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記１以上の上側ツール部材を下げて前記前圧縮室を形成するステップが、前記上部の外側パンチを下げることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記１以上の上側ツール部材を下げて前記前圧縮室を形成するステップが、前記上部の内側パンチを下げることを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の充填ステップの際に、前記上部の中間パンチが後退位置にあって、前記前圧縮室に通じるように前記上部の外側パンチの前記１以上の粉末供給台を配置し、そして、前記圧縮ステップの際に、前記上部の中間パンチの表面が前記粉末供給台の開口を越えてスライドして前記粉末供給台が前圧縮室に通じないように、前記上部の中間パンチを下げる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属粉末成形体が、前記金属粉末成形体の前記圧縮軸と垂直である２以上の異なる断面を有し、そして、前記２以上の異なる断面各々が、前記２以上の異なる断面のうち他方の断面に含まれない第１の充填粉末領域と、前記２以上の異なる断面のうち他方の断面に含まれる第２の充填粉末領域と、を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属粉末成形体上の上部充填を、前記１以上の下側ツール部材の粉末移動動作によってではなく、前記第２の充填ステップによって行う、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の充填ステップを、前記型空洞上に供給シューを配置することによって行い、そして、前記型空洞における金属粉末充填線が、前記型の上面と同じ高さである、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の充填ステップを、重力によって行う、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記１以上の上側ツール部材を下げて前記前圧縮室を形成するステップが、前記第１の充填ステップからの前記金属粉末の金属粉末充填表面と同一平面で前記１以上の上側ツール部材の下面を動かすことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
粉末充填対最終金属粉末成形体の比率が約２：１である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法が、前記金属粉末成形体を焼結して、焼結金属粉末部品を形成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法によって製造された焼結金属粉末部品。
【請求項１９】
請求項１に記載の方法によって製造された金属粉末成形体。
【請求項２０】
前記金属粉末成形体が、前記金属粉末成形体の前記圧縮軸と垂直である２以上の異なる断面を有し、そして、前記２以上の異なる断面各々が、前記２以上の異なる断面のうち他方の断面に含まれない第１の充填粉末領域と、前記２以上の異なる断面のうち他方の断面に含まれる第２の充填粉末領域と、を有する、請求項１９に記載の金属粉末成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００９年５月１８日付で提出された米国仮出願第６１／１７９，１２５号（発明の名称：粉末金属の型充填（powder metal die filling））および２００９年７月１５日付で提出された米国仮出願第６１／２２５，７９９号（発明の名称：粉末金属の型充填（powder metal die filling））の利益を享受する。これらの出願に記載された内容は、参考までに本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、粉末金属部品（powder metal component）、及び、その製造方法に関する。詳細に、本発明は、粉末金属圧縮（powder metal compaction）を用いて、複雑な形状（complex shape）を有する部品を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
粉末冶金（powder metallurgy）は、金属部品の製造方法を提供する。粉末金属から部品を製造することは、通常ツールと型セット（tool and die set）に金属粉末（powder metal）を供給する（又は、詰める：fill）ステップと、前記ツールと型セットを用いて前記金属粉末を一軸的に圧縮して（即ち、詰めて）金属粉末成形体（powder metal compact）を形成するステップと、前記金属粉末成形体を焼結して前記金属粉末成形体の粒子同士を結合させることで最終金属粉末部品を形成するステップと、を含む。一般的にこの最終金属粉末部品が完全に詰められたもの（fully dense）でなくても、金属粉末部品は、それ以外の金属製造法を用いて製造された部品に比べて、非常に優れた寸法精度（dimension accuracy）を有する。
【０００４】
金属粉末の上面形状（上面構造）（top side feature）を形成するために、前記供給ステップ（fill step）と前記成形（圧縮）ステップ（compaction step）との間に、下部ツール部材（lower tool members）の相対的な移動によって、型の下部から金属粉末を上方に移動させる。この移動が上手くいけば、圧縮方向において型空洞の異なる垂直方向の柱を通して約２：１の粉末充填（量）対最終部品の比率（a powder fill to final part ratio）を維持しながら、その金属粉末が圧縮用型空洞内の所定の位置までに移動されるようになる。部品の様々な構造（形状）を通して粉末充填（供給）対最終部品の比率が維持できなかった場合、その最終部品はその密度において許されない可変性（unacceptable variation）を有し得る。
【０００５】
確かに複雑な形状（complex shape）を有するいくつかの部品は金属冶金法によって製造され得るが、前述の技術を用いるのでは、特定の形状（geometry）を単一の部品として製造することはできない。こうした形状を有する金属粉末部品を製造するためには、（部品の）２つ以上の部分をそれぞれ圧縮し（即ち、成形し）、その後、互いに接合する必要がある。しかしながら、２以上のそれぞれの圧縮ステップと接合ステップは時間を要する工程であり、焼結後の２次工程（post-sintering secondary operation）を要する傾向がある。
【０００６】
したがって、複雑な形状を有する粉末金属部品を製造する方法に対するニーズが存在していた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、粉末金属部品、及び、その製造方法に提供することを目的とする。詳細に、本発明は、粉末金属圧縮を用いて、複雑な形状（complex shape）を有する部品を製造する方法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】
【０００８】
上記課題を解決するために、型空洞を有する型と、１以上の下側ツール部材と、１以上の上側ツール部材と、を備えたツールセットを用いて金属粉末成形体を製造する方法を提供する。その方法は、前記１以上の下側ツール部材を前記型空洞内に挿入するステップと、前記型空洞に金属粉末を充填する第１の充填ステップと、前記１以上の上側ツール部材を下げて、前記第１の充填ステップの際に前記金属粉末が充填された充填部分と、未だ前記金属粉末で充填されていない空の部分と、を有する前圧縮室を形成するステップ、前記１以上の上側ツール部材を通って前記前圧縮室内に延設された１以上の粉末供給台を通じて前記前圧縮室における前記空の部分に金属粉末を充填する第２の充填ステップと、前記金属粉末を圧縮軸に沿って圧縮して、金属粉末成形体を形成する圧縮ステップと、前記型空洞から前記金属粉末成形体を取り出すステップと、を含む。
【０００９】
前記第２の充填ステップは、計量体積の１以上の粉末空洞を備えたスライドプレートを含む供給プレートアセンブリを用いて、ホッパーシステムから前記１以上の上側ツール部材の前記１以上の粉末供給台まで前記金属粉末を動かすことを含む。前記スライドプレートは、前記１以上の粉末空洞が前記ホッパーシステムの下に配置されて前記１以上の粉末空洞と同じ体積の金属粉末のチャージを収容する第１の位置と、前記金属粉末のチャージを前記前圧縮室に供給できるように、前記１以上の粉末空洞が、前記１以上の上側ツール部材の前記１以上の粉末供給台に通じるように配置された第２の位置との間に移動できる。
【００１０】
供給プレートアセンブリと、上側ツール部材との間に支持ブロックが設けられる。前記供給プレートアセンブリは、支持ブロックの上側に配置され、かつ、前記上側ツール部材は、前記支持ブロックの底側に取りつけられ得る。前記スライドプレートが第２の位置にあるとき、前記支持ブロックは、前記上側ツール部材の前記１以上の粉末供給台に通じるように前記スライドプレートの前記１以上の粉末空洞を配置する１以上の粉末供給台を含む。
【００１１】
前記スライドプレートは、スロットを含み得るが、１以上の上側ツール部材は、前記スロットを通って、前記スライドプレートの前記第１の位置及び前記第２の位置の両方に延設される。前記スライドプレートは、複数の粉末空洞を含み得る。前記複数の粉末空洞は、前記スライドプレートの前記スロットを通って延設された前記１以上の上側ツール部材と同軸上に存在しない。
【００１２】
前記１以上の上側ツール部材における前記１以上の粉末供給台は、前記圧縮軸に対して所定の角度で前記１以上の上側ツール部材を通って延設される。
【００１３】
前記ツールセットは、上部の内側パンチと、前記上部の内側パンチの少なくとも一部を取り囲む上部の中間パンチと、前記上部の中間パンチの少なくとも一部を取り囲む上部の外側パンチと、を有する。前記１以上の上側ツール部材を下げて前記前圧縮室を形成するステップは、前記上部の外側パンチを下げることを含む。前記１以上の上側ツール部材を下げて前記前圧縮室を形成するステップは、前記上部の内側パンチを下げて、前記型空洞上で円筒状の空洞などを形成することを更に含む。前記第２の充填ステップの際に、前記上部の中間パンチが後退位置にあって、前記前圧縮室に通じるように前記上部の外側パンチの前記１以上の粉末供給台を配置する。前記圧縮ステップの際に、前記上部の中間パンチの表面が前記上部の外側パンチの前記粉末供給台の開口を越えてスライドして前記粉末供給台が前圧縮室に通じないように、前記上部の中間パンチを下げる。
【００１４】
上記方法によって製造された前記金属粉末成形体は、前記金属粉末成形体の前記圧縮軸と垂直である２以上の異なる断面を有し得る。前記２以上の異なる断面各々が、前記２以上の異なる断面のうち他方の断面に含まれない第１の充填粉末領域（filled powder area）を有する。前記２以上の異なる断面各々が、前記２以上の異なる断面のうち他方の断面に含まれる第２の充填粉末領域を有する。この部品形状は、下側ツール部材の従来の粉末移動動作によってではなく、前記第２の充填ステップにおける上部充填（上側充填；top fill）によって達成される。型空洞の様々な垂直方向の柱にわたっての粉末充填（powder fill）対最終金属粉末成形体の比率は約２：１である。
【００１５】
前記第１の充填ステップを、前記型空洞上に供給シューを配置することによって行う。
【００１６】
前記第２の充填ステップを、重力によって行う。
【００１７】
前記１以上の上側ツール部材を下げて前記前圧縮室を形成するステップは、前記第１の充填ステップからの前記金属粉末の金属粉末充填表面と同一平面で前記１以上の上側ツール部材の下面を動かすことを含む。
【００１８】
前記方法は、前記金属粉末成形体を焼結して、焼結金属粉末部品を形成するステップを更に含む。したがって、前記方法によって製造された焼結金属粉末部品が開示される。
【００１９】
同様に、上記方法によって製造された金属粉末成形体が開示される。前述のように、前記金属粉末成形体は、前記金属粉末成形体の前記圧縮軸と垂直である２以上の異なる断面を有する。前記２以上の異なる断面各々が、前記２以上の異なる断面のうち他方の断面に含まれない第１の充填粉末領域（filled powder area）を有する。前記２以上の異なる断面各々が、前記２以上の異なる断面のうち他方の断面に含まれる第２の充填粉末領域を有する。
【発明の効果】
【００２０】
従って、本発明は、１以上の上側ツール部材を用いる上部充填ステップを通して、金属粉末成形体を製造する方法を提供する。上部充填（top fill）ステップを採用することで、上側ツール部材によって少なくとも部分的に形成された前圧縮室に、複雑な下側ツール部材なしに、従来の下側ツール粉末移動動作を用いるのでは不可能な方法で金属粉末を充填することが可能となる。また、かかる前圧縮室の充填方法によって、金属粉末成形体をわたっての粉末充填対最終部品の比率における許されない変化（ばらつき）が回避される。
【００２１】
本発明の上記の利点、及び、その他の利点は、添付された明細書及び図面の記載から明らかになる。以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲は専ら特許請求の範囲によって定まるもので、後述する好ましい実施形態によって制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、ギアのハブ側を示す弓形ギア（segment gear）の上面斜視図である。
【図２】図２は、軸方向を向いたギアの歯（axially-facing gear teeth）を示す図１の弓形ギアの底面斜視図である。
【図３】図３は、図１の弓形ギアの上面平面図である。
【図４】図４は、図３の線４−４に沿った弓形ギアの側面断面図である。
【図５】図５は、弓形ギアのような複雑な部品の一連の製造工程の概要のフローチャートである。
【図６】図６は、第１の供給（充填）前に、上部及び下側ツール部材が第１の供給位置（充填位置）にある圧縮プレス（compaction press）におけるツールと型セットの断面図である。
【図７】図７は、第１の供給後に、上部及び下側ツール部材が第１の供給位置（充填位置）にある圧縮プレスにおけるツールと型セットの断面図である。
【図８】図８は、上側ツール部材は下がったが、第２の供給（充填）が行われる前の、上部及び下側ツール部材が第２の供給位置（充填位置）にある圧縮プレスにおけるツールと型セットの断面図である。
【図９】図９は、第２の供給（充填）後に、上部及び下側ツール部材が第２の供給位置（充填位置）にある圧縮プレスにおけるツールと型セットの断面図である。
【図１０】図１０は、上部及び下側ツール部材が圧縮位置（compaction position）にある圧縮プレスにおけるツールと型セットの断面図である。
【図１１】図１１は、支持ブロックに取り付けられた供給プレートアセンブリの斜視図である。
【図１２】図１２は、供給プレートアセンブリ又は上部の外側パンチが取り付けられていない支持ブロックの上面斜視図である。
【図１３】図１３は、上部の外側パンチの上面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１〜４には、ワンピースの弓形ギア（セグメントギア；segment gear）１００を示されている。この弓形ギア１００は、後述するプロセス２００に基づく金属粉末プロセスによって単一の金属粉末成形体体（又は、圧縮体）（single powder metal compact）として製作される。この弓形ギア１００の構造は、プロセス２００のステップの説明に用いられる。
【００２４】
弓形ギア１００は、軸Ａ−Ａ及びＢ−Ｂに平行である圧縮軸（axis of compaction）に沿った圧縮（compaction）によって形成された金属粉末部品である。この弓形ギア１００は、上面（top surface）１０４と、底面（bottom surface）１０６を有するパイ形状の本体部１０２と、を含む。ここで、上面１０４及び底面１０６は、相互に概して平行していて、軸Ａ−Ａに対して垂直である。本体部１０２は、軸Ａ−Ａにおける中央ハブ（central hub）１０８から弓形ギア１００の外周における弓状壁１１０まで延設されている。
【００２５】
中央ハブ１０８は、概して円筒状であり、かつ、本体部１０２の底面１０６から下方に延設されている。この中央ハブ１０８は、下軸面（lower axial surface）１１２と、半径方向の外側面１１４と、上面１０４から下軸面１１２まで延設された軸方向の貫通孔（axially−extending through hole）１１６と、を備えている。この軸方向の貫通孔１１６は、そこに形成された半径方向の内側のスプライン（即ち、キー溝）１１８を備えている。
【００２６】
弓状壁１１０は、本体部１０２の底面１０６から下方に延設されている。その弓状壁１１０は、半径方向の内側面１２０と、半径方向の外側面１２２と、を備えている。弓状壁１１０における半径方向の外側面１２０と半径方向の外側面１２２間の下側面上に、複数のギアの歯１２４が形成されている。図面によれば、ギアの歯１２４の先端部（tip）を形成する平面が軸Ａ−Ａに対して垂直ではないが、ギアの歯１２４は、軸Ａ−Ａに対して概して半径方向に延設されている。
【００２７】
上側ハブ（top side hub）１２６は、本体１０２の上面１０４上に形成され、かつ、軸Ｂ−Ｂ（この軸Ｂ−Ｂは、軸Ａ−Ａに平行であるが、軸Ａ−Ａから間隔をおいて配置されている。）に沿って延設されている。その上側ハブ１２６は、半径方向の外側面１２８と、半径方向の内側面１３０と、上軸面（upper axial surface）１３２と、を備えた概して円筒状のものである。この半径方向の内側面１３０によって、上側ハブ１２６における円筒状の空洞１３４が形成されている。空洞１３４の下面１３６は、本体部１０２の上面１０４にほぼ平行に配置されている。
【００２８】
図１及び４に示すように、上面１０４は、弓状壁１１０に隣接したステップ１３８を含む。このステップ１３８は、上面１０４の残りの部分からオフセット（offset）されている。上側ハブ１２６がステップ１３８及び上面１０４の残りの部分をまたぐため、弓状壁１１０及び上側ハブ１２６の部分において変化する厚さ（varying thickness）を有する材料の垂直方向の柱が設けられる。
【００２９】
この形状を有する部品は、従来の金属粉末圧縮法によっては、単一の粉末金属製形体（圧縮体）として形成できなかったことを理解する必要がある。これまでに、上面の形状（例えば、ハブ１２６）を形成しようとする試みは、通常下方のツール部材（lower tool member）の粉末移動動作（powder transfer motion）に基づいて、型空洞内において金属粉末を移動させることによって行われてきた。金属粉末が移動されると、部品の垂直方向の柱を横切っての（わたっての）粉末供給（粉末充填）（powder fill）対最終部品の比率は、約２：１でなければならず、それによって、圧縮工程（成形工程）後に比較的均一な高密度の部品が得られる。
【００３０】
しかしながら、ハブ１２６の水平方向の断面、及び、ギアの歯１２４を有する弓状壁１１０の水平方向の断面を比較してみると、ギアの歯１２４を有する弓状壁１１０には見られないハブ１２６における金属粉末領域、及び、ハブ１２６には見られないギアの歯１２４を備えた弓状壁１１０における金属粉末領域が存在することが分かった。したがって、従来のツールと型セットを用いるのでは、この最終形状を備えた部品（全体）を通して許容可能な粉末供給（充填）対最終部品の比率（powder fill to final part ratio）を提供できる粉末移動動作は事実上不可能であった。その代わり、この種の部品を製作するためには、異なるセクションをそれぞれ別途圧縮し（即ち、成形し）、その後これらを接合させることが、これまで行われてきた。
【００３１】
図５には、弓形ギア１００に類似する形状（geometry）を有する部品のための、単一の金属粉末成形体（圧縮体：compact）、最終的には、焼結金属粉末部品の形成を可能にするプロセス２００の概要が記載されている。さらに図６〜１０（充填（即ち、供給）及び圧縮ステップについての詳細なステップが記載されている。）によれば、プロセス２００の各ステップが記載されている。
【００３２】
金属粉末部品を形成するために、ツールと型セット（tool and die set）は、圧縮プレスに設ける必要がある。図６〜１０に示すように、ツールと型セットは、型空洞３０４の部分を定める型挿入部３０２（die insert）を備えた型（die）３００を含む。その型挿入部３０２は、通常、硬質（hard）のツール材で構成され、かつ、その部品の外周の輪郭に類似した形状を有するように形成される。下側ツール部材（lower tool member）は、貫通孔１１６を形成する下側の芯金（lower core rod）３０６と、下軸面１１２を形成する下側芯金３０６を取り囲む下部の外側パンチ（lower outer punch）３０８と、ギアの歯１２４を形成する下側ツール部材３１０と、を備えている。下側ツール部材は、型空洞３０４内へ上方に挿入されて、型空洞３０４における底部（bottom floor）を提供するとともに、圧縮（compaction）の際に型挿入部３０２が側壁を形成することができないだろうとされる場所（例えば、貫通孔１１６のスプライン１１８を形成する下側芯金３０６の半径方向の外側面）に側壁を提供する。複数の上側ツール部材は、型空洞３０４の上側外周に合う（fit into）サイズを有する上部の外側パンチ３１２と、少なくとも部分的に上部の外側パンチ３１２に取り囲まれた上部の中間パンチ３１４と、少なくとも部分的に上部の中間パンチ３１４に取り囲まれた上部の内側パンチ３１６と、を備えている。
【００３３】
上側ツール部材（複数）は、金属粉末がそれら上側ツール部材のうち少なくとも１つ以上を通って供給されるように設けられている。図１１〜１３によれば、支持ブロック（support block）３１８には、上部の外側パンチ３１２及び供給プレートアセンブリ（feed plate assembly）３２０が取り付けられている。この支持ブロック３１８は、支持ブロック３１８、上部の外側パンチ３１２、及び、供給プレートアセンブリ３２０が、それ以外の上側ツール部材の配置にかかわらず、ともに動くように、上側プレスアセンブリの部分に取り付けられている。
【００３４】
供給プレートアセンブリ３２０は、金属粉末のチャージ（charge）を、軸方向オフセットホッパーシステム（axially offset hopper system）３２２から粉末供給台（powder feed chute）３２４及び３２６（支持ブロック３１８および上部の外側パンチ３１２をそれぞれ貫通する。）の方へ動かす（shuttle）。供給プレートアセンブリ３２０は、ガイドスロット（guide slot）３３０を備えたスライドプレート(sliding plate)３２８と、スライドプレート３２８を通って延設された３つの粉末空洞３３２と、を有する。スライドプレート３２８の線形経路は、スライドプレート３２８を支持ブロック３１８にスライド自在につなぐトラックシステム（track system）によって案内される。このトラックシステムは、前方ガイド３３４と、後方ガイド３３６とを有する。これらのガイドは、スライドプレート３２８及び中間ガイド３３８（ガイドスロット３３０の壁に係合する）の側面（lateral side）に係合する。
【００３５】
供給プレートアセンブリ３２０は、ホッパーシステム３３２と、粉末供給台３２４および３２６との間にスライドプレート３２８の３つの粉末空洞３３２を前後に動かす作動メカニズムを含む。図面によれば、この作動メカニズムは、一組のシリンダ３４０（図１１には後退状態が示されている。）を含むが、この一組のシリンダは、伸長及び後退されて、一対の結合部材（linkage）３４４を通じてスライドプレート３２８に接続された接続棒（connecting bar）３４２を動かすことができる。もちろん、その他の作動メカニズムを用いてスライドプレート３２８を動かくこともできる。後述するように、ホッパーシステム３２２から粉末供給台３２４及び３２６への金属粉末の特定の移動時点（timing of the shuttling）は、プレスサイクル（press cycle）に合される。
【００３６】
トラックシステム（track system）及び作動メカニズムによって、スライドプレート３２８が第１の位置（図示せず）と第２の位置（図１１）との間を動けるようになる。第１の位置において、粉末空洞３３２は、ホッパーシステム３２２の下に設けられて、金属粉末のチャージを収容し、そして、第２の位置において、粉末空洞３３２は、支持ブロック３１８上を滑って、粉末空洞３３２の底部が支持ブロック３１８における粉末供給台３２４の上開口に合わせられ、かつ、支持ブロック３１８及び上部の外側パンチ３１２のそれぞれの粉末供給台３２４及び３２６に通じるように配置される。粉末空洞３３２が支持ブロック３１８の粉末供給台３２４上以外の任意の位置にあれば、支持板３４５（この支持板も粉末供給台３２４と合う孔を有している。）によって供給された粉末空洞３３２の下にある下面によって、金属粉末チャージが粉末空洞３３２の底部から（こぼれ）落ちることが防止される。
【００３７】
図１２によれば、支持ブロック３１８の詳細が示されている。支持ブロック３１８は、支持ブロック３１８を上側プレスアセンブリに取り付けるための複数のボルト孔３４６を備えた概して円筒状の形状を有している。複数の孔及び／又は台は、支持ブロック３１８を通って延設されている。貫通孔３４８は、支持ブロック３１８を通って軸方向に延在されて、支持ブロック３１８を通しての上部の中間パンチ（upper middle punch）３１４及び上部の内側パンチ３１６の通路を提供する。また、３つの粉末供給台３２４又はチャンネル（channel）は、貫通孔３４８を中心に配置されている。図８〜１０に示すように、３つの粉末供給台３２４は、粉末供給台３２４が下方に延設されるにつれて、半径方向の内側に延設されている。
【００３８】
図１３によれば、上部の外側パンチ３１２の詳細が示されている。上部の外側パンチ３１２は、そのパンチ３１２を通って軸方向に延設された開口３５０を備えている。上部の外側パンチ３１２が支持ブロック３１８に取り付けられたときに、開口３５０は、支持ブロック３１８の底面（bottom face）上で３つの粉末供給台３２４の出口端（exit end）と合う３つの粉末供給台３２６を備えている。これらの粉末供給台３２６は、金属粉末を下方、及び、軸方向内側に向かわせる（移動させる）。また、上部の中間パンチ３１４が上部の外側パンチ３１２を通って延設されているため、３つの壁３５２は、供給台３２６同士を互いに対して分離し、かつ、上部の中間パンチ３１４（パンチ３１４は、３つの壁３５２によって用意されたように、開口３５０の内径（inner diameter）と補完的に滑りばめされる。）を案内する。
【００３９】
供給プレートアセンブリ３２０、支持ブロック３１８、及び、上側ツール部材の残りの部分と組み合わせられた上部の外側パンチ３１２をみると、スライドプレート３２８及び粉末供給台３２４及び３２６の特定のデザインは、その他の部分を通っての上部の中間パンチ３１４及び上部の内側パンチ３１６の伸張（extension）を提供するよう設けられている。スライドプレート３２８のスロット３３０、支持ブロック３１８の貫通孔３４８、及び、上部の外側パンチ３１２の開口３５０は、プレスサイクル（press cycle）の際に、そこを通る上部の中間パンチ３１４及び上部の内側パンチ３１６の通路及び軸方向の移動を提供する。
【００４０】
上側ツール部材の残りの部分と組み合わせられた供給プレートアセンブリ３２０、支持ブロック３１８、及び、上部の外側パンチ３１２をみると、特定のデザインのスライドプレート３２８及び粉末供給台３２４及び３２６は、その他の部品を通しての上部の中間パンチ３１４及び上部の内側パンチ３１６の伸長（extension）を収容するように設けられている。スライドプレート３２８のスロット３３０、支持ブロック３１８における貫通孔３４８、及び、上部の外側パンチ３１２における開口３５０は、プレスサイクルにおいて、そこを通る上部の中間パンチ３１４及び上部の内側パンチ３１６の通路（passage）及び軸方向の移動を収容する。
【００４１】
上部の外側パンチ３１２に対する上部の中間パンチ３１４の移動によって、上部の中間パンチ２１４の半径方向の外側面（radially outward facing surface）が、上部の外側パンチ３１２の開口３５６を越えてスライドされ、それにより、粉末供給台３２６の開口３５６が開閉される。第２の位置において粉末空洞３３２と合う（一致する）粉末供給台３２４及び３２６、及び、粉末空洞３３２の位置は、上部の中間パンチ３１４が十分後退されたときに、上側ツール部材（upper tooling member）を通って環状のチャンバ３５４内への金属粉末の比較的均一な分布を提供できるように設けられている。詳細については、後述する。
【００４２】
ツール部材及びプレスの残りの部分についての詳細は省く。しかしながら、型３００に対する各ツール部材のストローク（stroke）が独立して制御されるようにプレスを構成できることは、当業者にとって明らかであろう。また、同様の機能を有する別のツール部材の組み合わせに置き換えられることも、当業者は理解できるだろう。例えば、上部の外側パンチ３１２は、上面１０４の残りの部分から分離されたステップ１３８を形成するために用いられるパンチを含んだ２つの個別のパンチに置き換えられ得る。同様に、ギアの歯１２４を形成するために１以上の下側ツール部材を用いても良い。
【００４３】
図６によれば、充填（filling）及び圧縮（compaction）ステップは、下側芯金（core rod）３０６、下部の外側パンチ３０８、及び、下側ツール部材３１０が型空洞３０４の下から（空洞３０４の）内部へ挿入されて、型空洞３０４の底部、及び、さらなる内部の側壁を形成することで始まる。下側ツール部材は型空洞３０４の基部（base）又は床部(floor)を提供するが、下側ツールはまたその圧縮位置（図１０参照）に対して後退される。粉末充填前に、上側ツール部材全ては、最初に型空洞３０４上の引き上げられた位置にある。
【００４４】
図６に示したように、上側ツール部材が引き上げられたとき、供給シュー（feed shoe）（図示せず）は、型空洞３０４の上を動いて、型空洞３０４を金属粉末で詰める（ステップ２０２の第１の充填ステップ）。供給シューが型空洞３０４上から後退されたとき、型空洞３０４内の金属粉末充填線（fill line）は、図７に示したとおり、型３００の上面３５８と同じ高さとなる（即ち、上面３５８と水平である）。
【００４５】
次に、ステップ２０４に基づいて、複数の上側ツール部材のうち一部以上が型空洞３０４に向かって下げられる。図８に示すように、上部の外側パンチ３１２及び上部の内側パンチ３１６は、それらの下軸面が型３００の上面３５８に相当する金属粉末充填線と同一平面で（又は僅かに下方に）あるところまで下げられる。上部の外側のパンチ３１２及び上部の内側のパンチ３１６は、第１の充填ステップ２０２から既に型空洞３０４に存在する金属粉末と接触するようになっているが、このプロセスにおけるこの段階では金属粉末を有意に圧縮しない。
【００４６】
図８によれば、ステップ１３８を形成するために用いられた上部の外側パンチ３１２の軸面が金属粉末充填線より僅かに下にある。金属粉末の圧縮性（compactability）、及び、特定の寸法に基づいて、上部の外側パンチ３１２より下方の粉末金属のこの僅かな圧縮は許容可能であり得る。しかしながら、このわずかな圧縮が許容可能でなければ、この状態は、ワンピースの上部の外側パンチをツーピースの上部の外側パンチ（そのうち一つのピースは、ステップ１３８を形成するもう一つのピースとは独立に動く。）に置き換えることによって解消することができる。
【００４７】
ある時点において（上側ツール部材が下げられる前またはその後に）、上部の外側パンチ３１２及び上部の内側パンチ３１６に対して上部の中間パンチ３１４が後退される。これによって、上側ハブ（top side hub）１２６を形成するために用いられる上部の内側パンチ３１６及び上部の外側パンチ３１２の間に環状の円筒状の空間３５４が形成される。しかしながら、上部の中間パンチ３１４の後退時点及び程度（度合）は、供給プレートアセンブリ３２０による金属粉末チャージの輸送（移動）と適切に調和している必要がある。上部の中間パンチ３１４が上部の外側パンチ３１２の開口３５０の粉末供給台３２６上に後退されたときに、粉末が粉末供給台３２６内に存在していれば、その粉末は、重力によって、上部の外側パンチ３１２及び上部の内側パンチ３１６の間にある空間３５４内へ運ばれる。上側ツール部材が、図８に示したような位置まで下がっていない場合、金属粉末が早めに供給されても、環状の円筒状の空間３５４内に捕獲されない。
【００４８】
上側ツール部材が図８に示した位置に下がったときに、上側ツール部材、下側ツール部材、及び、型空洞によって、前圧縮室（pre-compaction chamber）が形成される。この前圧縮室は、充填部（filled portion）、及び、空の部分（unfilled portion）を有している。その充填部は、第１の充填ステップ２０２の際に予め金属粉末で詰められた底部を含む。空の部分は、第１の充填ステップ２０２からの金属粉末充填線上の（複数の）上側ツール部材間の空間３５４によって定まる体積（volume）である。
【００４９】
この時点において、上側ツール部材からの金属粉末は、第２の充填ステップ２０６で、前圧縮室の空の部分に運ばれる。この輸送は、ホッパーシステム３２２から支持ブロック３１８の粉末供給台３２４までスライドプレート３２８の粉末空洞３３２を通して金属粉末を往復させる（又は、左右に動かせる）ことによって行われる。いったん粉末空洞３２２が支持ブロック３１８の粉末供給台３２４と合わせられると、重力によって粉末空洞３２２内の金属粉末が支持ブロック３１８の粉末供給台３２４、及び、上部の外側パンチ３１２の粉末供給台３２６を通って、環状の空間３５４のほうへ落とされる（上部の中間パンチ３１４が、十分に後退されて、粉末供給台３２６を環状の空間３５４に通じる場所に配置すると仮定した場合）。前圧縮室における空の空間に運ばれた金属粉末のチャージは、前圧縮室の空の空間に適量の金属粉末を供給して、上側ハブ （top side hub）１２６を形成する。粉末空洞３２２が計量体積（metered volume）であるために、その集合計量体積は、上側ハブ１２６を形成する金属粉末量と同様の体積となるように選択することができる。図８の断面では一組の粉末供給台３２４および３２６のみが示されているが、図１１〜１３に示すように、実は、３つの粉末供給台が存在している。ツールの所定のデザインに基づいて、上側ツール部材内に１以上の粉末供給台が存在し得る。
【００５０】
いったん第２の充填ステップ２０６が完了すると（図９）、粉末充填体（powder fill）対最終部品の比率は、粉末の垂直方向の柱の各々において約２：１でなければならない。もちろん、一部の粉末材は異なる圧縮率（compressibilitiy）又は、目的とする圧縮見掛け密度（compacted apparent density）を有するため、正確な比率は異なり得る。
【００５１】
第2の充填ステップ２０６後に、ツール部材及び型によって形成された前圧縮室内には金属粉末が適切に分布されている。上部の中間パンチ３１４が下げられて、粉末供給台３２６の開口３５６をシールし、前圧縮室を完全に閉じる。この時点において、上部及び下側ツール部材は、圧縮ステップ２０８に基づいて、前圧縮室内の金属粉末を圧縮することができる。圧縮ステップ２０８の終盤における最終ツールの配置を図１０に示した。圧縮の際に、上部の外側パンチ３１２及び上部の内側パンチ３１６は、型インサート３０２（die insert）内へ下方に動いて本体部１０２を形成し、上部の中間パンチ３１４は、下方に動いて上側ハブ１２６を形成し、下部の外側パンチ３０８は、上方に伸ばされて中央ハブ１０８を形成し、そして、下側ツール部材３１０は上方に動いてギアの歯１２４を形成する。これは、弓形ギア１００の形状を有するワンピースの金属粉末成形体を形成する。
【００５２】
金属粉末成形体（圧縮体）が形成されたら、取り出し（ejection）ステップ２１０において、ツール及び型からこの金属粉末成形体を取り出す。この取り出しステップの際に、上側及び下側ツール部材を、協調された順序で後退させて、上側及び下側ツール及び型の表面から金属粉末成形体を分離する。通常、上部の中間パンチ３１４が上側ハブ１２６の上軸面１３２を所定の場所に保持して、圧縮（成形）された上側ハブ１２６が半径方向の壁（radially-facing wall）に対する押し上げ力（upward force）に基づく破裂を防止する間に、上部の外側パンチ３１２及び上部の内側パンチ３１６が先に後退される。いったん上側ツール部材が金属粉末成形体から取り除かれると、下側ツールが取り出し位置（ここで、型空洞３０４の壁から底側構造（bottom side feature）が取り出される。）まで引き上げられる。勿論、取り出す順序は、部品（部分）の形状（geometry）、並びに、金属粉末圧縮物を形成するのに用いられたツール部材及び型に基づいて異なり得る。
【００５３】
最後に、金属粉末成形体を、ステップ２１２に基づいて、当業者に知られた工程に従って焼結し得る。この焼結ステップの際に、金属粉末成形体を、制御された雰囲気下で金属粉末の融点未満の温度に加熱することで、金属粉末粒子を拡散させて（diffuse）、その粒子同士をネックする（neck）とともに、頑丈な固体の焼結部品を形成する。部品焼結の際に、空隙が減少するにつれて寸法が縮まる可能性はあるが、その部品は元の形状を維持する。こうした収縮を考慮して、通常、金属粉末成形体を最終焼結部品よりも若干（わずかに）大きくする。
【００５４】
また、焼結部品（sintered part）は、任意の数の最終加工又は二次過程を経ることができる。焼結部品は、デバリング（deburring）、機械加工、熱処理、浸炭、鋳造、鍛造処理を受けることができるか、又は、当業者に知られたその他の焼結後処理を受けることができる。
【００５５】
上部（top）にハブ、及び、底部に中央ハブ（central hub）及び軸方向のギアの歯を有する弓形ギアを製造するための方法が記載されているが、ここに記載された方法は、非対称の上部及び底部特徴（feature）(ここにおいて、下側ツール部材は、十分な粉末充填対最終部品比率を得るために必要な粉末移動動作（powder transfer motion）を行うことができない。）を備えたいかなる部品に対しても適合したものである。
【００５６】
様々なスペーサプレート（spacer plate）がツールデザイン（tool design）及びプレスセットアップ（press set up）に組み込まれ得る。必要に応じて、かかるスペーサプレート又はその他の支持ブロックは、孔又は粉末供給台を含んで、上側ツール部材を通じての粉末の運搬（移送）を可能にするよう形成され得る。
【００５７】
粉末供給台が必ずしも最も低い上側ツール部材まで延設されている必要はないことを理解してもらいたい。例えば、粉末供給台開口（前圧縮室に通じるよう台を位置付ける）は、（図面によれば、上部充填ステップ（top fill step）の際に、上部の中間パンチ３１４をこの開口を越えて引き上げることが必要となる場合があり得る。）支持ブロック３１８に形成されても良い。当業者は、同様の上部充填性能（top fill capability）を達成するため、ツールセット（tool set）に対する変更又は変形が行われ得ることを良く理解しているだろう。
【００５８】
好ましい実施形態の様々な変形及び変更は、本願発明の保護範囲に含まれる。したがって、本発明は、前述した実施例に限られるものではない。本発明の技術的範囲は、次の特許請求の範囲によって定められる。
【符号の説明】
【００５９】
１００  弓形ギア
１０２  本体（部）
１０４  上面
１０６  底面
１０８  中央ハブ
１１２  下軸面
１１４  半径方向の外側面
１１６  貫通孔
１１８  スプライン（キー溝）
１２０  径方向の内側面
１２２  半径方向の外側面
１２４  ギアの歯
１２６  上側ハブ
１２８  半径方向の外側面
１３０  半径方向の内側面
１３２  上軸面
１３４  空洞
１３６  空洞（１３４）の下面
１３８  ステップ
３００  型
３０２  型挿入部
３０４  型空洞
３０６  下側芯金
３０８  下部の外側パンチ
３１０  下側ツール部材
３１２  上部の外側パンチ
３１４  上部の中間パンチ３１４
３１６  上部の内側パンチ
３１８  支持ブロック
３２０  供給プレートアセンブリ
３２２  ホッパーシステム
３２４  粉末供給台
３２６  粉末供給台
３２８  スライドプレート
３３０  ガイドスロット
３３２  粉末空洞
３４８  貫通孔
３５０  開口
３５４  空間
【図１】
2012527540.tif 000003
【図２】
2012527540.tif 000004
【図３】
2012527540.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012527540.tif 000009
【図８】
2012527540.tif 000010
【図９】
2012527540.tif 000011
【図１０】
2012527540.tif 000012
【図１１】
2012527540.tif 000013
【図１２】
2012527540.tif 000014
【図１３】
2012527540.tif 000015
【国際調査報告】
2012527540.tif 000016