(57)【要約】  粉末金属をプリフォームに圧縮するためのプレスでのツール及びダイセット及び関連するツール及びダイセットの使用方法が、少なくとも２つの下部又は上部ツール部材の不均一な位置変位を伴う。荷重下でのこの非対称の弾性応答は、圧縮荷重が除去された後の部品の割れを軽減するのに役立ち得る。【選択図】図４Ａ
2020507013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレスでツール及びダイセット（１０）を使用する方法であって、該ツール及びダイセット（１０）は、中に形成されたダイキャビティ（２６）が上面（２２）から底面（２４）へ延在するダイ（１４）と、前記ダイ（１４）の底面（２４）から前記ダイキャビティ（２６）に収容可能な下部ツールセット（１８）の少なくとも１つの下部ツール部材と、前記ダイ（１４）の上面（２２）からダイキャビティ（２６）に収容可能な上部ツールセット（１６）の少なくとも１つの上部ツール部材と、を備え、方法が、
前記ダイキャビティ（２６）を粉末金属（１２４）で充填し、
前記ダイ（１４）の上面（２２）から前記ダイキャビティ（２６）内に前記少なくとも１つの上部ツール部材を降下させ、
前記ダイ（１４）、前記下部ツールセット（１８）、及び前記上部ツールセット（１６）を駆動して、前記少なくとも１つの下部ツール部材の上部面及び前記少なくとも１つの上部ツール部材と下部面を対向させ、前記少なくとも１つの下部ツール部材、及び前記少なくとも１つの上部ツール部材が圧縮荷重の下でプリフォームの形状を集合的に画定する各位置にプレスして、圧縮荷重を加えることによりダイキャビティ（２６）内の粉末金属（１２４）を圧縮し、
前記少なくとも１つの上部ツール部材を前記ダイ（１４）から持ち上げることにより、圧縮力を除去し上部ツールセット（１６）及び下部ツールセット（１８）を弛緩させ、
前記少なくとも１つの上部ツール部材及び前記少なくとも１つの下部ツール部材の少なくとも１つは、複数のツール部材を含み、複数のツール部材の第１のツール部材が、該第１のツール部材の第１のプリフォーム接触表面の第１の量の位置変位をもたらす圧縮荷重の下で第１の弾性応答を有し、複数のツール部材の第２のツール部材が、前記第２のツール部材の第２のプリフォーム接触表面の第２の量の位置変位をもたらす圧縮荷重の下で第２の弾性応答を有し、第１の量の位置変位が第２の量の位置変位と異なっている
ツール及びダイセットを使用する方法。
【請求項２】
プリフォームが複数のセクションを含み、複数のセクションのうちの少なくとも２つが、少なくとも１つの前記ツール部材から少なくとも１つの前記セクションの部分的な剥離をもたらす異なる高さ及び差分変位を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の量の位置変位は、前記第２の量の位置変位よりも大きく、前記第１の量の位置変位は、前記第２の量の位置変位と異なる０．０２ｍｍと０．２ｍｍの間である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
複数のツール部材が第３のツール部材をさらに含み、該第３のツール部材に第３の量の位置変位をもたらす圧縮荷重の下で該第３のツール部材が第３の弾性応答を有し、前記第３の量の位置変位が前記第１の量の位置変位及び前記第２の量の位置変位とは異なる、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記複数のツール部材が第３のツール部材をさらに含み、該第３のツール部材に第３の量の位置変位をもたらす圧縮荷重の下で該第３のツール部材が第３の弾性応答を有し、前記第３の量の位置変位が前記第１の量の位置変位及び前記第２の量の位置変位の１つと同じである、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のツール部材及び前記第２のツール部材は、前記少なくとも１つの下部ツール部材に含まれる、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記下部ツールセット（１８）は、前記第１のツール部材を支持する第１のアダプタ、及び前記第２のツール部材を支持する第２のアダプタを含み、前記第１のアダプタは前記第１のツール部材の前記第１の量の位置変位を少なくとも部分的に占め、前記第２のアダプタは前記第２のツール部材の前記第２の量の位置変位を少なくとも部分的に占める、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記粉末金属（１２４）を圧縮するステップ中に、前記第１のツール部材の第１の上部表面が、圧縮荷重の下で前記ダイ（１４）の上面（２２）に対して前記第２のツール部材の第２の上部表面よりも低く前記ダイキャビティ（２６）内に配置され、圧縮荷重が解放されると、前記第１のツール部材は前記第１の量の位置変位を弛緩し、前記第２のツール部材は前記第２の量の位置変位を弛緩して弛緩の際に前記第２のツール部材は前記プリフォームに力を加えない、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの上部ツール部材及び前記少なくとも１つの下部ツール部材のうちの少なくとも一方における少なくとも２つのツール部材が、圧縮荷重に対して非対称の弾性応答を有する、請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの下部ツール部材の上部表面を前記ダイ（１４）の上面（２２）と同じ高さに上げることにより、前記プリフォームを前記ダイキャビティ（２６）から排出するステップをさらに含む、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
【請求項１１】
粉末金属（１２４）をプリフォームに圧縮するプレスで使用するためのツール及びダイセット（１０）であって、
中に形成されたダイキャビティ（２６）が上面（２２）から底面（２４）まで延在する、ダイ（１４）と、
前記ダイ（１４）の底面（２４）から前記ダイキャビティ（２６）内に収容可能な少なくとも１つの下部ツール部材を含む下部ツールセット（１８）と、
前記ダイ（１４）の上面（２２）から前記ダイキャビティ（２６）内に収容可能な少なくとも１つの上部ツール部材を含む上部ツールセット（１６）と、を備え、
前記ダイ（１４）、前記少なくとも１つの下部ツール部材、及び前記少なくとも１つの上部ツール部材が、前記プレスに受け入れ可能であり、前記少なくとも１つの下部ツール部材及び前記少なくとも１つの上部ツール部材はそれぞれ、前記プレスによって加えられる圧縮荷重の下で前記ダイ（１４）、前記少なくとも１つの下部ツール部材、及び前記少なくとも１つの上部ツール部材が前記ダイキャビティ（２６）内の前記プリフォームの形状を集合的に画定する位置に移動可能であり、
前記少なくとも１つの上部ツール部材及び前記少なくとも１つの下部ツール部材のうちの少なくとも１つは複数のツール部材を含み、
前記複数のツール部材の第１のツール部材は、圧縮荷重の下で前記第１のツール部材の第１のプリフォーム接触表面の第１の量の位置変位をもたらす第１の弾性応答を有し、
前記複数のツール部材の第２のツール部材は、前記第２のツール部材の第２のプリフォーム接触表面の第２の量の位置変位をもたらす圧縮荷重の下で第２の弾性応答を有し、
前記第１の量の位置変位は、前記第２の量の位置変位とは異なる、
ツール及びダイセット（１０）。
【請求項１２】
前記複数のツール部材は、第３のツール部材をさらに含み、前記第３のツール部材は、圧縮荷重の下で前記第３のツール部材における第３の量の位置変位をもたらす第３の弾性応答を有し、
前記第３の量の位置変位が前記第１の量の位置変位及び前記第２の量の位置変位と異なる、請求項１１に記載のツール及びダイセット（１０）。
【請求項１３】
前記複数のツール部材は、第３のツール部材をさらに含み、前記第３のツール部材は、圧縮荷重の下で該第３のツール部材の第３の量の位置変位をもたらす第３の弾性応答を有し、前記第３の量の位置変位は、前記第１の量の位置変位及び前記第２の量の位置変位の一方と同じである、請求項１１又は１２に記載のツール及びダイセット（１０）。
【請求項１４】
前記第１の量の位置変位は、前記第２の量の位置変位よりも大きく、前記第１の量の位置変位は、前記２の量の位置変位と異なる０．０２ｍｍから０．２ｍｍの間である、請求項１１〜１３の何れか一項に記載のツール及びダイセット（１０）。
【請求項１５】
前記第１及び第２の量の位置変位の差の結果として、前記第１のツール部材及び前記第２のツール部材の少なくとも一方が前記プリフォームと接触する、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のツール及びダイセット（１０）。
【請求項１６】
前記下部ツールセットは、前記第１のツール部材を支持する第１のアダプタ及び前記第２のツール部材を支持する第２のアダプタを含み、前記第１のアダプタは前記第１の量の位置変位を少なくとも部分的に占め、前記第２のアダプタは前記第２のツール部材の前記第２の量の位置変位を少なくとも部分的に占める、請求項１５に記載のツール及びダイセット（１０）。
【請求項１７】
前記第１のアダプタ及び前記第２のアダプタの少なくとも一方が積層造形により形成されるか、及び／又は前記第１のアダプタ及び前記第２のアダプタの少なくとも一方が三次元印刷により形成される、請求項１６に記載のツール及びダイセット（１０）。
【請求項１８】
圧縮中、前記第１のツール部材の第１の上部表面は、圧縮荷重の下、前記ダイ（１４）の上面に対して前記第２のツール部材の第２の上部表面よりも低い位置に前記ダイキャビティ（２６）内に配置され、圧縮荷重が解放されると、前記第１のツール部材が第１の量の位置変位を弛緩し、前記第２のツール部材は第２の量の位置変位を弛緩して弛緩時に前記第２のツール部材が亀裂をもたらす力をプリフォームに加えない、請求項１５に記載のツール及びダイセット（１０）。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの上部ツール部材及び前記少なくとも１つの下部ツール部材のうちの少なくとも一方のツール部材の少なくとも２つが、負荷に対して非対称の弾性応答を有する、請求項１１〜１８の何れか一項に記載のツール及びダイセット（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願への相互参照］
この出願は、２０１７年２月８日に出願された「変位補償を有するツールセット」という名称の米国仮特許出願第６２／４５６,４９５号の出願日の権益を主張する。該出願がその全体が本明細書に記載されているかのようにあらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
［連邦政府による資金提供を受けた研究又は開発の声明］
適用されない。
【０００３】
本開示は、粉末金属部品の圧縮のための改善されたツールセット、及びこれらの改善されたツールセットを使用して粉末金属成形体を製造する関連方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
金属部品は様々な方法で形成できる。金属部品を製造するこれらの方法の１つが粉末冶金である。粉末金属を部品に成形するための様々な技術が存在するが、多くの部品はプレス及びダイセットでの粉末金属の単軸圧縮によって形成され、その後、射出及び焼結される。焼結後に部品に対していくつかの２次操作を行うことができるが、焼結後の部品は最終寸法に非常に近いことがよくある。従って、粉末冶金は、正味寸法に近い大量のコンポーネントを生産する経済的な方法を提供する。
【発明の概要】
【０００５】
粉末金属部品の製造は表面的に単純そうに見えても、製造ステップをより詳細に検討する際に実際には多くの課題がある。
【０００６】
例えば、プレスのツールとダイセットは、通常、ダイキャビティの上面と底面に挿入された複数のツール部材を含み、これらはプレスによって作動して粉末金属をプリフォームに圧縮し、金属プリフォームの排出を実現する。これらのツールは、しばしば別々に移動可能であり、粉末金属プリフォームの異なる表面に係合する。現在の最新技術では、これらの様々なツール部材は同一又はほぼ同一の弾性応答を示す。
【０００７】
しかしながら、プリフォームの設計により、多くの場合、少なくともいくつかの様々なツール部材が異なる負荷条件にさらされる。一例として、粉末金属プリフォームは、多くの粉末金属カラムを必要とする形状を有することが多く、そのいくつかは異なる高さを有する。このタイプの形状のプリフォームを圧縮する場合、セクション全体のカラムの高さの違いは、異なるツール部材が異なる荷重及び／又は変位量を経験する可能性があることを意味する。例えば、圧縮中に粉末金属のより高い垂直カラムは、粉末金属の短い方の垂直カラムとは異なる反応をする。これには、粉末がダイ又は別のツール部材の側壁に圧縮される増加表面積を含む多くの理由がある。そのため、背の高いカラムを背の短いカラムの密度とほぼ同じ密度に圧縮するために、ツール部材は背の低いカラムよりも背の高いカラムに多くの圧力をかける必要がある。背の高いカラム―背の短いカラムの例が１つの例として提供されているが、高さベースの要求であるだけでなく、設計上の考慮事項が単に高さよりも複雑であることが多いことを理解されたい。別の例として、特定のカラムを圧縮する方法が側壁の接触量によって変わる。そのため、側壁接触の量が多い第２の特徴部よりも側壁接触の量が少ない第１の特徴部は、第１と第２の特徴部が互いに同じ高さであっても、同じ密度に圧縮するのに必要な圧力が小さくなる。
【０００８】
何れにしても、現在の技術水準では、ツール部材が互いに同一又はほぼ同一の弾性応答を有しているにもかかわらず、様々なツール部材の実際の変位が互いに異なる場合がある。ツール部材の差分変位は、複数の上部ツール部材又は複数の下部ツール部材を備えたほぼ全てのツール構成で発生する。
【０００９】
とりわけ、このツールの差分変位が意味するのは、粉末金属をプリフォームに圧縮するために加えられた荷重の下で、ツールは全て弾性変形中にある程度の差分変位を示し、その後、荷重が解放されると、ツールはすぐにストレスのない長さに戻る。この同等の弾力性しかし不均等な変位による設計上の１つの予見される結果として、部品を形成するツールの表面上の位置がプレスの負荷を取り除くと様々な程度に歪むことである。多くの場合、荷重が除去された後のこの差分変位は、プリフォームに応力を与えプリフォームに亀裂が形成される。
【００１０】
本明細書では、プレス用の改善されたツール及びダイセット並びに関連する使用方法が開示される。改良されたツールとダイセットは、様々なツール部材の非対称の変位を提供して、圧縮荷重が除去されたときのプリフォームの前述の亀裂などの問題を回避する。本出願においてツール部材の弾性応答又は変位を説明するとき、この弾性応答又は変位は、ツール部材の機械的応答又は弾性変形のみに基づくだけでなく、ツール部材をサポートするアダプタなどのそれぞれのツールセットの他のコンポーネントの機械的応答又は弾性変形を含む。
【００１１】
一態様によれば、プレスでツール及びダイセットを使用する方法が提供される。ツール及びダイセットは、ダイキャビティが中に形成されるダイと、ダイキャビティはその中でダイの上面から底面に延び、ダイの底面からダイキャビティに収容可能な下部ツールセットの１つ又は複数の下部ツール部材と、ダイの上面からダイキャビティ内に収容可能な上部ツールセットの１つ又は複数の上部ツール部材とを備える。ダイキャビティは、この方法に係る粉末金属で満たされる。次に、上部ツール部材をダイの上面からダイキャビティ内に降ろす。次に、ダイ、下部ツール部材、及び上部ツール部材が圧縮荷重の下でプリフォームの形状を集合的に画定するそれぞれの位置へのプレスによって、下部ツールセット及び上部ツールセットの作動により下部ツール部材と上部ツール部材の上部面と下部面が対向することで上部ツールセットと下部ツールセットによる圧縮荷重を加えることにより、粉末金属がダイキャビティ内で圧縮される。上部ツール部材がダイから持ち上げられ、それにより圧縮力が除去され、上部ツールセットと下部ツールセットが弛緩される。上部ツール部材及び下部ツール部材の少なくとも一方は、複数のツール部材を含み、複数のツール部材の第１のツール部材が、圧縮荷重の下で第１のツール部材の第１のプリフォーム接触表面の第１の量の位置変位をもたらす第１の弾性応答を有し、複数のツール部材の第２のツール部材が、圧縮荷重の下で第２のツール部材の第２のプリフォーム接触表面の第２の量の位置変位をもたらす第２の弾性応答を有する。第１の量の位置変位は、第２の量の位置変位とは異なる。
【００１２】
上部ツール部材の群又は下部ツール部材の群内の少なくとも２つのツール部材は、圧縮荷重に対して非対称の弾性応答を有し得る。
【００１３】
プリフォームは複数のセクションを含み、複数のセクションのうちの少なくとも２つは少なくとも１つのツール部材からの少なくとも１つのセクションの部分的な剥離をもたらす異なる高さ及び異なる変位を有する。これらの異なる高さのカラムを適切に形成するために、様々なツール部材によって様々な圧縮荷重が加えられる可能性があり、ツール部材の位置変位が等しくない場合、圧縮力が上げられたときにツールの１つが望ましくなく弛緩し、応力下でのプリフォームの亀裂を誘発する。従って、荷重が取り除かれた後、プリフォームの構造的完全性を維持するのを助けるのに非対称の変位が使用されてもよい。
【００１４】
第１の量の位置変位は第２の量の位置変位よりも大きくてもよく、第１の量の位置変位は第２の量の位置変位と０.０２ｍｍから０.２ｍｍの間で異なってもよい。
【００１５】
複数のツール部材は、第３のツール部材をさらに含むことができ、第３のツール部材は、圧縮荷重の下で第３の弾性応答を有し、その結果、第３のツール部材に第３の量の位置変位をもたらす。この第３の量の位置変位は、第１の量の位置変位及び第２の量の位置変位と異なっていてもよく、又は２つのうちの一方と同じであってもよい。
【００１６】
第１のツール部材及び第２のツール部材は、下部ツール部材の群に含まれてもよい。下部ツールセットは、第１のツール部材を支持する第１のアダプタと、第２のツール部材を支持する第２のアダプタとを含み得る。第１のアダプタは、第１のツール部材の第１の量の位置変位を少なくとも部分的に占め、第２のアダプタは、第２のツール部材の第２の量の位置変位を少なくとも部分的に占めてもよい。従って、ツール部材とそれぞれのアダプタは、特定のツール部材の全体的な弾性応答と位置変位を決定してもよい。
【００１７】
粉末金属を圧縮するステップの間、第１のツール部材の第１の上部表面（即ち、第１のプリフォーム接触表面）が、圧縮荷重の下のダイの上部表面に対する第２のツール部材の第２の上面（即ち、第２のプリフォーム接触表面）よりも下のダイキャビティに位置付けられてもよい。圧縮荷重のリリース時に、第１のツール部材は第１の量の位置変位を弛緩し、第２のツール部材は第２の量の位置変位を弛緩し、その結果、弛緩時に第２のツール部材がプリフォームに力を加えない。
【００１８】
この方法は、少なくとも１つの下部ツール部材の上面をダイの上部表面と同じ高さにすることにより、ダイキャビティからプリフォームを排出するステップをさらに含むことができる。さらに、それらは、第２のツール部材とプリフォームとの間にギャップが生成される程度に弛緩する場合がある。隙間は、例えば、０．０２ｍｍから０．２ｍｍであってもよい。
【００１９】
別の態様によれば、粉末金属をプリフォームに圧縮するためのプレスで使用するためのツール及びダイセットが提供される。ツールとダイセットには、ダイ、下部ツールセット、上部ツールセットが含まれる。ダイは、ダイ内に形成されたダイキャビティを有し、ダイキャビティは、ダイの上面から底面まで延びている。下部ツールセットは、ダイの底面からダイキャビティに収容可能な１つ又は複数の下部ツール部材を含み、上部ツールセットは、ダイの上面からダイキャビティに収容可能な１つ又は複数の上部ツール部材を含む。ダイ、下部ツール部材、及び上部ツール部材は、プレスに収容され得、下部ツール部材及び上部ツール部材はそれぞれ、ダイ、下部ツール部材、及び上部ツール部材がプレスによる圧縮荷重の下でダイキャビティ内のプリフォームの形状を集合的に画定する位置に移動可能である。上部ツール部材と下部ツール部材の少なくとも一方は複数のツール部材を含む。複数のツール部材のうちの第１のツール部材は、圧縮荷重の下で第１の弾性応答を有し、その結果、第１のツール部材の第１の量の位置変位が生じる。複数のツール部材のうちの第２のツール部材は、圧縮荷重の下で第２の弾性応答を有し、第２のツール部材の第２の量の位置変位をもたらす。第１の量の位置変位は第２の量の位置変位とは異なる。
【００２０】
別の言い方をすれば、上部ツール部材と下部ツール部材の少なくとも２つのツール部材は、荷重に対して非対称の弾性応答を持っていてもよい。
【００２１】
複数のツール部材は、第３のツール部材をさらに含むことができ、第３のツール部材は、圧縮荷重の下で第３の弾性応答を有し、第３のツール部材に第３の量の位置変位をもたらす。第３の量の位置変位は、第１の量の位置変位及び第２の量の位置変位と異なっていてもよく、又は２つのうちの一方と同じであってもよい。
【００２２】
第１の量の位置変位は、第２の量の位置変位より大きくてもよい。いくつかの形態では、第１の量の変位は、第２の量の位置変位と０.０２ｍｍから０.２ｍｍの間で異なっていてもよい。
【００２３】
第１のツール部材と第２のツール部材の少なくとも一方は、第１と第２の量の位置変位の差の結果としてプリフォームと接触することがある。下部ツールセットは、第１のツール部材を支持する第１のアダプタを含むことができ、第２のツール部材を支持する第２のアダプタをさらに含むことができる。第１のアダプタは、第１のツール部材の第１の量の位置変位を少なくとも部分的に占め、第２のアダプタは、第２のツール部材の第２の量の位置変位を少なくとも部分的に占めてもよい。
【００２４】
１つ又は複数のアダプタがある場合、それらのアダプタは、非対称弾性応答を提供するのを助けるよういくつかの方法で形成されてもよい。例えば、１つ又は複数のアダプタは、積層造形及び／又は三次元印刷により形成され得る。
【００２５】
複数の下部ツール部材がある場合、圧縮中に、第１のツール部材の第１の上部表面はダイキャビティ内で、第２ツール部材の第２上部表面よりも低い位置に配置されてもよい。次に、圧縮荷重が解放されると、第１のツール部材が第１の量の位置変位を弛緩し、第２のツール部材が第２の量の位置変位を弛緩して、亀裂が生じるプリフォームの弛緩の際に第２のツール部材が力を加えないようにする。
【００２６】
従って、上部及び下部ツールセットの少なくとも一方に不均一又は非対称の弾性応答が提供されるツール及びダイセット並びに関連する使用方法が提供される。従来の方法及び最新技術のツール及びダイセットとは対照的に、圧縮及び弛緩中のツール部材の異なる位置変位は、プリフォーム内の亀裂、例えば、様々な高さの粉末カラムを圧縮した結果に1つのツールが他のツールよりも圧縮及び弛緩されて亀裂などを誘発するのを回避するのに役立つ。
【００２７】
本発明のこれらの利点及びさらに他の利点は、詳細な説明及び図面から明らかになるであろう。以下は、本発明のいくつかの好ましい実施形態の単なる説明である。本発明の全範囲を評価するために、これらの好ましい実施形態は、特許請求の範囲内の唯一の実施形態であるようには意図されていないため、特許請求の範囲に注目すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】粉末金属からプリフォームを形成するための例示的なツール及びダイセットの断面側面図である。
【図２】図１のツール及びダイセットから作られたプリフォームの底面側斜視図である。
【図３】図３Ａ〜Ｃは、別個の図のそれぞれにおけるツール部材及びそれらのそれぞれのアダプタの両方を含む、下部ツールセットの様々な構成要素の側面断面図である。
【図４Ａ】図３からの例示的なツール及びダイセットの断面側面図で、ダイキャビティの上部にある上部ツールセットと共にダイキャビティの充填位置にある下部ツールセットを示す。
【図４Ｂ】図３からの例示的なツール及びダイセットの断面側面図で、ダイキャビティに充填された粉末金属を示す。
【図４Ｃ】図３からの例示的なツール及びダイセットの断面側面図で、上部ツールセットをダイキャビティに下げて圧縮荷重で粉末金属を圧縮し粉末金属からプリフォームを形成する。
【図４Ｄ】図３からの例示的なツール及びダイセットの断面側面図で、上部ツールセットを持ち上げて圧縮荷重と部材の非対称弛緩を除去する。
【図４Ｅ】図３からの例示的なツール及びダイセットの断面側面図で、下部ツールセットをダイの上部側面と一緒に排出位置レベルに移動する。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
最初に図１及び２を参照すると、粉末金属からプリフォーム１２を形成するためのツール及びダイセット１０（図１）が示されている。ツール及びダイセット１０は、以下により詳細に説明するように、ツール及びダイセット１０を作動させるプレス（図示せず）に受けられて、圧縮荷重の下でプリフォーム１２を形成する。
【００３０】
例示的なツール及びダイセット１０は、ダイ１４、上部ツールセット１６、及び下部ツールセット１８を含む。これらの部品は一般に中心軸Ａ−Ａに沿って位置合わせされ、ツールとダイセット１０の様々なコンポーネントがプレスによって個別に作動する（つまり、互いに対して上下する）１軸方向も定義する。
【００３１】
最初にダイ１４を見ると、ダイ１４は、上面２２から底面２４まで延びるダイ本体２０を含む。ダイキャビティ２６は、ダイ１４の上面２２から底面２４までダイ本体２０を通って軸方向に延びている。ダイキャビティ２６は、上面２２から底面２４までほぼ均一なプロファイルであり、プリフォーム１２の外周に対応する中心軸Ａ−Ａに垂直な方向の断面を有する。ダイキャビティ２６のこのプロファイルはまた、上面２２及び底面２４からの上部ツールセット１６及び下部ツールセット１８の収容に適用する。場合によっては、ダイ本体２０は単一の材料から形成されてもよいが、しかし、多くの場合、ダイキャビティ２６は、別の周囲セクションに収容されるインサートセクションによって確定されて、インサートが硬化材料で作られてもよい。
【００３２】
次に、上部ツールセット１６に目を向けると、例示的な実施形態に示されている上部ツールセット１６は、（上部ツール部材として）単一の上部パンチ２８を含む。上部パンチ２８は、（プレスにより駆動されるアダプタの中への）クランプ用のフランジ３０を含む上部を有し、上部パンチ２８の下端が収容されるダイキャビティ２６の周囲に対応する外周を有する下部プリフォーム接触表面３２を有する。上部パンチ２８はまた、下部ツールセット１８のコアロッドを受け入れる中心軸方向に延びる開口部３４が形成されている。
【００３３】
この時点で、単一の上部パンチ２８は、例示的な構成からの単なる例示的なツール部材であり、他のツール及びダイセットでは、上部ツールセットに追加のツール部材があり得ることに留意されたい。さらに、ツールセットを参照する場合（ツールセットが上部ツールセットであるか下部ツールセットであるかに関係なく）、ツールセットは両方とも、例えばパンチ及びコアロッド、多くの場合、対応するアダプタとアダプタクランプなどの１つ又は複数のツール部材を含み得ることが理解され、これらツール部材は、機械的に取り付ける前に中間的にプレスの部品（プラテンなど）に接続できる。
【００３４】
図１を引き続き参照しつつ、図３Ａ〜図３Ｃへ追加参照して、下部ツールセット１８は、４つの別個に可動な部分を含む。第１の外側部分３６は、図３Ａに別個に示され、下部外側パンチ３８、対応する下部外側アダプタ４０、及び下部外側クランプリング４２を含む。第２の中間部分４４は、図３Ｂに別個に示され、下部中間パンチ４６、対応する下部中間アダプタ４８、及び下部中間クランプリング５０を含む。第３の内側部分５２は、図３Ｃに別個に示され、下部内側パンチ５４、対応する下部内側アダプタ５６、及び下部内側クランプリング５８を含む。第４の中心コアロッド部分は、図３Ａ〜図３Ｃに示されていないが図１に示され、コアロッド６０を含む。
【００３５】
図１で最もよくわかるように、下部ツールセット１８の様々なセクションは、隣接するツール部材の様々な対応する側面が互いに隣り合ってスライド可能に収容可能なように互いに入れ子になっている。例示的な配置を簡潔に要約すると、内側部分５２がコアロッドセクションの周りに入れ子になって、コアロッド６０の径方向外向表面６２が下部内側パンチ５４（下部ツール部材）の径方向内向表面６４に隣接して配置される。中間部分４４は内部部分５２の周りに入れ子にされて、下部内側パンチ５４の径方向外向表面６６が下部中間パンチ４６（下部ツール部材）の径方向内向表面６８に隣接して配置される。外側部分３６が中間部分４４の周りに入れ子にされ、下部中間パンチ４６の径方向外向表面７０が下部外側パンチ３８（下部ツール部材）の径方向内向表面７２に隣接して配置される。下部外側パンチ３８の径方向外向表面７４は、ダイ１４のダイキャビティ２６の径方向内向表面７６に隣接して配置される。
【００３６】
下部外側パンチ３８、下部中間パンチ４６、及び下部内側パンチ５４のそれぞれは、それらの異なるサイズ及び幾何形状にもかかわらず、同様の特徴を有するのが観察される。例えば、下部外側パンチ３８、下部中間パンチ４６、及び下部内側パンチ５４はそれぞれ、対応するプリフォーム接触表面７８、８０、及び８２を各パンチの上端に有し、各パンチ３８、４６、５４をそれぞれのクランプリング４２、５０、５８を介してそれぞれのアダプタ４０、４８、５６にクランプするための対応するフランジ８４、８６、８８を有する。
【００３７】
この段階で、外側部分３６、中間部分４４、及び内側部分５２のそれぞれは、それぞれのアダプタ４０、４８、及び５６のそれぞれの下端９０、９２、及び９４から荷重のかかっていない高さを有することに留意されたい。それぞれのパンチ３８、４６、５４の上端のプリフォーム接触表面７８、８０、８２に、開示されたツール及びダイセット１０に１軸圧縮荷重を加えると、荷重のかかっていない高さと荷重のかかっている高さ（アダプタのそれぞれの底部から上部のプリフォーム接触表面まで）の間の様々な部分で変位量が異なる。これが効果的に意味するのは、少なくとも一部の部分での圧縮とその後の弛緩の下で発生する変位量が異なることである。
【００３８】
ツール部材又はパンチ全体の位置変位のこれらの様々な程度を達成するには、アダプタ及び／又はパンチが、異なる弾性応答を持つように設計されてよい。例えば、下部外側アダプタ４０は、弾性応答を変えるために使用できる壁に開口部が形成されていることが分かる。少なくともいくつかのツール間で弾性と位置変位のこの違いを作り出すために、ツール部材又はアダプタを様々な方法（例えば、積層造形又は三次元印刷）で形成してよいと考えられる。
【００３９】
図２Ａ及び２Ｂのプリフォーム１２に戻ると、プリフォーム１２の形状がより詳細に示されており、これはまた、プリフォーム１２を形成するツール及びダイセット１０の様々な表面を確定する。プリフォーム１２は一般にパック形状であり、上方軸方向対向表面９８と下方軸方向対向表面１００とを有する上部ディスク状部分９６を有する。円盤状セクション９８は、その底面から軸方向対向内壁表面１０６及び軸方向対向外壁表面１０８までそれぞれ下方に延びる内方円形壁１０２及び外方円形壁１０４を有する。凹部１１０は、内方円形壁１０２の径方向外向対向表面１１２と、外方円形壁１０４の径方向内向対向表面１１４と、上部ディスク状部分９６の下方軸方向対向表面１００との間の空間によって画定されるプリフォーム１２の底面に設けられる。径方向内向対向壁１１８を有する円形貫通孔１１６は、上方軸方向対向表面９８から内方円形壁１０２を通って軸方向対向内壁表面１０６まで延びる。また、プリフォーム１２は、プリフォーム１２の外側水平周辺部を画定する外方円形壁１０４上に径方向外向対向表面１２０を有する。
【００４０】
ツール及びダイセット１０及びプリフォーム１２が定義されたので、例示的なプリフォーム１２を形成するための例示的なツール及びダイセット１０を使用する方法を図４Ａから図４Ｅを参照してより詳細に説明する。図４Ａ〜４Ｅを参照すると、ツール及びダイセット１０は、プリフォーム１２が圧縮される領域で詳細に示されている。
【００４１】
図４Ａでは、ツール及びダイセット１０の様々な部材が充填位置で示されている。この位置で、上部パンチ２８の下部プリフォーム接触表面３２はダイ１４のダイキャビティ２６から引き出され、下部ツールセット１８のツール部材は充填位置にある。より具体的には、コアロッド６０の上部表面１２２は、ダイ１４の上面２２と同一平面であり、下部外側パンチ３８、下部中間パンチ４６、及び下部内側パンチ５４のプリフォーム接触表面７８、８０、及び８２がそれぞれ、ダイ１４の上面２２から垂直距離だけ下向きに離間している。
【００４２】
この垂直方向の間隔は、プリフォーム１２を形成するためにそれぞれの列ごとに粉末を充填するように確立される。例えば、各垂直間隔は、非圧縮粉末金属の流動性及び粉末金属の圧縮応答に応じて、プリフォーム１２のそれぞれのカラムの最終高さ寸法の約１.８倍でもよい。本例示的実施形態では、特定のプリフォーム形状は、複雑なマルチパート上部ツールセットがないため、粉末金属カラムを上方に移動させる必要がないことを理解されたい。しかしながら、当業者は、最終的なプリフォーム形状を確立するために充填を実行する方法を知っているであろうし、例示的な場合に示されたものよりも複雑な充填パターンを引き受けることができると考えられる。
【００４３】
また、この時点で、粉末金属１２４は非金属バインダー、ワックス、及び／又は潤滑剤をいくらか含んで、粉末金属１２４の流動性の調整を助け、圧縮後（プリフォーム１２が焼結され、材料が焼失する可能性がある前）のプリフォーム１２の形状の維持を支援し、及び以下でより詳細に説明するようにツール及びダイセット１０からのプリフォーム１２の排出を支援することができることができることも理解されよう。
【００４４】
図４Ａに示される位置にある様々なツールを用いて、ダイキャビティ２６は、続いてプリフォーム１２に圧縮される粉末金属１２４で満たされる。典型的には、図４Ｂに示すように、供給シュー（図示せず）がダイ１４の上面２２に沿って面一になり、ダイキャビティ２６を越えてダイキャビティ２６を粉末金属１２４で満たし、そして、ダイ１４の平坦な上面２２及びコアロッド６０の上部表面１２２（これは、貫通する粉末金属が受け入れられないプリフォームの穴１２となる垂直カラムを指す）と平らになるように粉末金属の上面を均す。これにより、ダイキャビティ２６は、下部外側パンチ３８、下部中間パンチ４６、及び下部内側パンチ５４のそれぞれのプリフォーム接触表面７８、８０、及び８２からダイ１４の上面２２と同じ高さの上部粉末充填ラインまで粉末金属の垂直列で効果的に満たされる。
【００４５】
図４Ｂに示されるように、ダイキャビティ２６内に粉末金属が収容されている状態で、上部ツールセット１６及び下部ツールセット１８が互いに向かって移動して、粉末金属１２４に圧縮力を加え、プリフォーム１２を図４Ｃに示すように形成する。この特定の例示的なケースでは、これは、上部パンチ２８をダイキャビティ２６内に下げて、下部外側パンチ３８、下部中間パンチ４６、及び下部内側パンチ５４が同時に上昇して粉末金属１２４を上方に圧縮しながらコアロッド６０が中心軸方向に延びる開口部３４に入っている状態で粉末金属１２４を上方に圧縮することを含む。プリフォーム１２の特定の形状に対して、下部外側パンチ３８と下部内側パンチ５４は同じ量だけ持ち上げられ、一方、それぞれのセクションにおけるプリフォーム１２の所望の垂直コラム高さに応じて、下部中間パンチ４６が他の２つの下部パンチとは異なる少ない量だけ持ち上げられることに留意されたい。
【００４６】
この特定の構成では、プリフォーム１２の様々な表面は、ツール部材の次の表面によって画定される。上方軸方向対向表面９８は、上部パンチ２８の下部プリフォーム接触表面３２によって画定される。円形貫通孔１１６の径方向内向対向壁１１８は、コアロッド６０の径方向外向対向表面によって形成される。外方円形壁１０４の径方向外向対向表面１２０は、ダイ１４のダイキャビティ２６の径方向内向対向表面７６によって画定される。軸方向対向外壁表面１０８、下方軸方向対向表面１００、及び軸方向対向内壁表面１０６は、下部外側パンチ３８、下部中間パンチ４６、及び下部内側パンチ５４のそれぞれのプリフォーム接触表面７８、８０、及び８２によって形成される。外方円形壁１０４の径方向内向対向表面１１４と内方円形壁１０２の径方向外向対向表面１１２はそれぞれ、下部中間パンチ４６の径方向外向対向表面７０と、下部中間パンチ４６の径方向内向対向表面６８とによって画定される。
【００４７】
特に、粉末金属の圧縮を達成するために、様々な垂直カラム全体で様々な量の圧縮荷重が使用される。上記のように、上部ツールセットと下部ツールセットの少なくとも一方（ここでは、下部ツールセットのみ）のプリフォーム接触表面のツール部材全体の位置変位量を使用して、様々なツール部材の少なくとも一部の非対称弾性を達成する。本例示的実施例では、下部外側パンチ３８のプリフォーム接触表面７８及び８２、並びにそれぞれのアダプタ４０及び５６を有する下部内側パンチ５４は、圧縮と弛緩時にプリフォーム接触表面７８及び８２の等しい位置変位をもたらすように設計される。しかしながら、下部中間パンチ４６のプリフォーム接触表面８０は、下部外側パンチ３８及び下部内側パンチ５４のプリフォーム接触表面７８及び８２よりも位置変位が小さくなるように設計されている。例示的な実施形態では、内側パンチと外側パンチと中間パンチとの間に位置変位の差があるが、この差は、例えば０.０２ｍｍから０.２ｍｍの範囲で、又は特にいくつかの形態では、互いに約０.２ｍｍ以内である。
【００４８】
位置変位と非対称弾性におけるのこの違いは、図４Ｃの圧縮ステップ中に有意に見えないかもしれないが、この違いの利点が図４Ｄに視覚化され、図４Ｄでは、プリフォーム１２が形成された後に圧縮力が抜去されている。図４Ｄに示すように、上部パンチ２８を引き抜くと、下部パンチ３８、４６、及び５４が弛緩する。設計された弾性応答の違いを考えると、下部外側パンチ３８と下部内側パンチ５４は、下部中間パンチ４６の弾性弛緩よりも大きいほぼ同じ量を弛緩する。従って、下部外側パンチ３８及び下部内側パンチ５４が内側中間パンチ４６に対してプリフォーム１２を持ち上げると、ギャップ１２６がプリフォーム１２と下部中間パンチ４６のプリフォーム接触表面８０との間に作られる。それにより、パンチのこの差分変位は、ツール、即ちパンチ４６からプリフォームの部分的な剥離をもたらす。上記の状態として、ギャップ１２６は、例えば０.０２ｍｍから０.２ｍｍであってもよい。
【００４９】
様々なツール部材間の典型的なバランス弾性条件の下では、カラムの垂直高さの違いにより、内側中間パンチ４６のより大きな弛緩が生じる可能性があることを理解されたい。内側及び外側パンチ５４及び３８とは対照的に、下部中間パンチ４６のプリフォーム接触表面８０のこの増加した弛緩及び位置変位、並びにダイ１４の表面７６上のプリフォーム１２の可能な結合によって、プリフォーム１２内で上方に歪む下部中間パンチ４６が生じ得、表面８０は、プリフォーム１２の亀裂を開始する下方軸方向対向表面１００にプリフォーム１２に上方の力又は応力を加える可能性がある（当該亀裂は、典型的には側壁を水平に貫通する）。ツール部材の非対称弾性によりこの状態の発生が防止される。
【００５０】
図４Ｄに示すように、圧縮荷重が抜去されツール部材が弛緩した後、次いで、プリフォーム１２は、図４Ｅに示されるように排出され得る。図４Ｅで、全ての下部ツール部材の上部表面（即ち、パンチ３８、４６、及び５４のプリフォーム接触表面７８、８０、及び８２、及びコアロッド６０の上部表面１２２）が全て持ち上げられてダイ１４の上面２２と面一になる。この排出位置では、プリフォーム１２はツール及びダイセット１０から取り外され、最終的に焼結された粉末金属部品を形成するために典型的には焼結された後に処理される。
【００５１】
再び、このツーリング配置及び説明した配置は単なる例示であり、プリフォームの特定の形状は、様々なコンポーネントと上下のツールセットの数、種類、配置を決定する。様々な成形体な形態は、異なるツーリング配置を有し、本明細書で説明される方法及び原理は、様々なプリフォーム形状で実行可能であると考えられる。例えば、プリフォームに２つの貫通穴がある場合、２つのコアロッドと異なる数又は種類のパンチが存在してもよい。
【００５２】
さらに、上記の差弾性を有する下部ツールセットが説明されたが、同じ差弾性が上部ツールセット又は上部ツールセット及び下部ツールセットで同時に使用され得ることがさらに理解されるであろう。場合によっては、ツール部材の瞬間的な弛緩が、上部ツール部材からであっても応力亀裂を引き起こす可能性があることが理解されよう。
【００５３】
さらに、上記のツールセットで説明された微分変位を考慮する他の論理的構造があることが理解されよう。例えば、底面のツールセットの場合、圧縮及びその後の弛緩からの量の変位量は、別のツール部材の表面よりも上のプリフォーム接触表面を有するツール部材においてより低く設定され得る。
【００５４】
また、上記の例では、２つの下部パンチ／ツールが同様の変位を示し３番目のパンチ／ツールは異なる量の変位を持っている３つの下部ツール部材があるが、それぞれの上部又は下部ツールセットに３つ以上のツール部材がある場合、これらの３つの部材は３つの異なる位置変位量を持つことができる。これは、プリフォームの形状など、多くの考慮事項に基づいている可能性がある。例えば、特定の成形体に対して３つ以上の位置の高さが存在する場合、３つ以上の位置変位値がある場合がある。
【００５５】
従って、粉末金属プリフォームの形成のためのツール及びダイセット、並びにその使用の関連方法が説明されている。ツールコンポーネント全体で弾性を均等化した従来のシステムとは対照的に、開示されたシステムは、プリフォームの割れを防ぐのを助けるために、少なくともいくつかのツール部材で意図的に異なる応答を生成する。
【００５６】
本発明の精神及び範囲内で、好ましい実施形態に対する他の様々な修正及び変形を行うことができることを理解されたい。従って、本発明は、記載された実施形態に限定されるべきではない。本発明の全範囲を確認するために、以下の特許請求の範囲を参照すべきである。
【符号の説明】
【００５７】
１０  ツール及びダイセット
１２  プリフォーム
１４  ダイ 
１６  上部ツールセット
１８  下部ツールセット
２０  ダイ本体
２２  上面
２４  底面
２６  ダイキャビティ
２８  上部パンチ
３０  フランジ 
３２  下部プリフォーム接触表面
３４  開口部
３６  外側部分
３８  下部外側パンチ
４０  下部外側アダプタ
４２  下部外側クランプリング
４４  中間部分
４６  下部中間パンチ
４８  下部中間アダプタ
５０  下部中間クランプリング
５２  内側部分
５４  下部内側パンチ
５６  下部内側アダプタ
５８  下部内側クランプリング
６０  コアロッド
６２  （コアロッド６０の）外向表面
６４  内向表面
６６  （下部内側パンチ５４の）外向表面
６８  （下部中間パンチ４６の）内向表面
７０  （下部中間パンチ４６の）外向表面
７２  （下部外側パンチ３８の）内向表面
７４  （下部外側パンチ３８の）外向表面
７６  （ダイキャビティ２６の）内向表面
７８  （下部外側パンチ３８の）プリフォーム接触表面
８０  （下部中間パンチ４６の）プリフォーム接触表面
８２  （下部内側パンチ５４の）プリフォーム接触表面
８４  （下部外側パンチ３８の）フランジ
８６  （下部中間パンチ４６の）フランジ
８８  （下部内側パンチ５４の）フランジ
９０  （外側部分３６の）下端
９２  （中間部分分４４の）下端
９４  （内側部分５２の）下端
９６  上部ディスク状部分
９８  上方軸方向対向表面
１００  下方軸方向対向表面
１０２  内方円形壁
１０４  外方円形壁 
１０６  軸方向対向内壁表面
１０８  軸方向対向外壁表面
１１０  凹部
１１２  径方向外向対向表面
１１４  径方向内向対向表面
１１６  貫通孔
１１８  径方向内向対向壁
１２０  径方向外向対向壁
１２２（コアロッド６０の）上部表面
１２４  粉末金属
【図１】
2020507013.tif 000003
【図２（Ａ）】
2020507013.tif 000004
【図２（Ｂ）】
2020507013.tif 000005
【図３（Ａ）】
2020507013.tif 000006
【図３（Ｂ）】
2020507013.tif 000007
【図３（Ｃ）】
2020507013.tif 000008
【図４Ａ】
2020507013.tif 000009
【図４Ｂ】
2020507013.tif 000010
【図４Ｃ】
2020507013.tif 000011
【図４Ｄ】
2020507013.tif 000012
【図４Ｅ】
2020507013.tif 000013
【国際調査報告】
2020507013.tif 000014
2020507013.tif 000015