微小金型による人工粒子の成形技術
水沼晋，高橋肇

速小型モータを用いた自動切断装置も試作し，ある程度の１. はじめに工業的に製造されている粉末粒子の形状は定量化が困成果を得ることが出来た．ただ，線材が細くて軟質材であ難であるものが多く，それらの形状は，“繊維状”，“丸みをったため，材料に変形やすべりを生じさせずに精度よく送帯びた”，“不規則形状”などのように曖昧な定性的表現をり出すには，送り用ローラの材質や溝形状および把持力調している．大きさも，各種サイズの網目状ふるいを通過し整などに工夫が必要であった．また，線材の巻きぐせは，たかどうかで決定する場合が多く，例えば細長い粒子では送り精度を悪くするだけでなく，細線がガイド部で折れ曲網目サイズよりも長い粒子が通過する場合があるなど，寸がり，送りを中断してしまう原因にもなった．送り用ロー法精度は高いとはいえない．

ラを多段にし，ローラ径を徐々に大きくして線材にテンシ

ところで，粉体の圧縮挙動は，圧密式として知られてい1)‐2）

ョンを加えながら送ることである程度回避することは出来，これらの式に含まれたが，金型成形で小球サイズをさらに微小化するためにはる定数と粉末諸特性の間の関係については必ずしも明らか細線を精度良く送り出して切断する技術が必要である．まにされていない．その理由は，上記のように実験に用いるた，カッター刃の薄型化も重要である．

る各種の式で表現されているが粉末粒子特性の定量化が高精度に行えないことが一因であ切断した円柱素材は半球状キャビティをもつ上下金型る．そこで筆者らは，形状，寸法，材質を独立に変化させでプレスすることにより小球に成形した．成形時に円柱粒た微小粒子を作製して圧密実験に利用することにした3）．

子上下面を拘束することは座屈の発生を抑制すると考え，これまで，線材切断，金型成形，ボールミル転動法，油中溶融滴下法などを適宜組み合わせることにより，微小粒子スペーサーの作製を試みてきた．本稿はそのうちの金型成形により微小球粒子を作製する方法に関するものである4）．微小球粒子は，本研究の目的だけではなく，マイクロ軸受，マイク板ロバルブなどのマイクロマシンの主要部品としての用途も考えられる．今後，需要が広がり量産化が必要になった場
合，塑性加工法は主要な生産法のひとつになる可能性はあるが，金型で微小球を製作する場合の成形限界や課題など

線材送り
方向

刃は必ずしも明らかになっていない．以下に，筆者の研究室での実験結果を中心に紹介する．

図 1 切断装置

２. 製作手順
表 1 は製作を試みた小球と使用した線材の寸法を示したものである．材質は工業用純アルミニウムおよび共晶はんだである．直径 0.4～1.2mm の線材を図 1 のような切断装置を用いて所定の長さに切断した．切断部は 2 枚の市販の片刃カッター用替刃の間に鋼板製スペーサーを挟んで隙間を調整している．この装置による切断は手動で行ったため(a) φ1.0 アルミニウム(b) φ0.5 はんだ

図 2 切断例

生産性は著しく悪いものであり，また，刃の両側の線材は斜めに変形するため材料歩留まりも悪い．しかしながら，各種の方法を試みた結果，切断後のばり，だれ，曲がりなどが最も少なかったため，実験用素材の作製にはこの装置
筆者らは，微小円柱素材の量産用に材料送りと切断に可変d0

表 1 小球および使用線材の寸法mm
小球直径 D1.50.8

素材直径 d 00.8, 0.9, 1.0, 1.1 ,1.20.4, 0.5, 0.6

素材高さ h 0 1.8, 1.9, 2.2, 2.3, 2.7, 2.8

1.3, 1.4, 1.9, 2.1, 2.2

図 3 小球成形用金型

h0φDを用いることにした．図 2 は切断した素材の一例である．

潤滑剤は使用しなかった．
図 3 はその金型の概観図である．

る円柱粒子の圧縮結果にも同じような傾向が見られた．図

成形結果の詳細は後述する．

8 はその一例であるが，球金型の場合と同様に，直径が小成形した小球はバリを除去し，形状と寸法を整えるため
図 4 のような転動工具で仕上げた．小球の直径ごとに内部のスペーサーを交換して溝高さを調整している．図 5 は転動工具で仕上げた小球の顕微鏡写真である．低倍率では比較的良好な形状に見えたが，拡大してみるとフライス加工した転動工具の表面の筋目が小球表面に転写されているのがわかる．

図 4 転動工具(a) 座屈(b) 座屈後の折れ込み(c) 未充満(d) 噛み出し

図 6 小球成形時の形状不良(アルミニウム)

図 5 Sφ1.5 アルミニウム球3３．球成形時の形状不良と成形限界形状不良の例である．図 6(a)は円柱素材の高さ－直径比が大きいときの圧縮中に生じる座屈現象の例である．この写
真は圧縮の途中で止めた場合のものであるが，最後まで圧h 0 / mm

図 6(a)～(d)は円柱素材を球成形金型で圧縮した場合の21座屈

縮した場合，成形された小球には折れ込みが生じる．図 6(b)はその例である．図 6(c)および図 6(d)は直径d0=1.0mm，高0

さh0=2.2mmおよびd0=1.0mm，h0=2.3mmのアルミニウム円00.5

柱粒子を直径D=1.5mmの球金型で成形した例を示している．上下２つ割り金型の上下方向は図 6(c)ではほぼ左右方(a) アルミニウム向，図 6(d)ではほぼ上下方向である．噛み出し方向はそれ1.51d 0 / mm3が見られるが，水平方向にも未充満部があり噛み出しは見られない．図 6(d)にも天地方向に僅かな未充満部はあるが，水平方向には噛み出しが生じている．これらの形状不良がh 0 / mmに対して直角方向である．図 6(c)では天地方向に未充満部生じない成形範囲について検討した結果を以下に記す．

21座屈

3.1 座屈限界0

図 7(a)および(b)はアルミニウムおよびはんだの座屈限0界の実験結果である．図中の右側のデータは直径 1.5mm，0.5d 0 / mm

1

左側のデータは直径 0.8mm の球金型で成形した場合の結(b) はんだ果である．これらの図から，座屈が生じる限界高さ―直径

図 7 球金型成形における座屈限界

1.5比は一定ではなく，直径が小さくなるにつれて急激に小さ3くなることがわかる．この座屈限界を直径が小さいほうへので，このあたりが金型成形で小球を成形できる限界であると予想される．直径が小さくなると座屈限界高さ－直径比が急激に小さくなる理由については明らかになっていな

h 0 / mm

外挿すると，直径が 0.2～0.3mm 程度で高さが 0mm になる

21い．人が材料を金型に設置するときの位置決め精度には限界がある．そのため円柱素材の寸法が小さくなるほど球金型上下方向中心軸に対する円柱素材中心軸の偏心量が相対的に大きくなり，傾きやすくなることが一因ではないかと推測した．しかしながら，比較のために行った平行板によ

000.5

d 0 / mm11.5

図 8 平行板圧縮における座屈限界(アルミニウム)

さくなると座屈限界高さ－直径比が急激に小さくなってい3る．平行板圧縮の場合，円柱素材の中心軸が平行板の圧縮はほとんどないと推測されるので，材料の位置決め精度以外の原因があると考えられる．円柱素材の切断時の形状不良，材料組織の結晶粒径や異方性の影響が素材の微小化に

h 0 / mm

中心軸より僅かに偏心していても，座屈限界に及ぼす影響

2× 座屈

1― h 0 /d 0 =2.24(k =4)

伴い大きくなったのかもしれない．なお，平行板圧縮の座屈限界高さ－直径比は,球金型の場合よりも小さくなっているが,球金型に比べ材料端面が拘束されにくいためと考000.5えられる．
ところで，図 7 のアルミニウムとはんだの座屈限界を比d 0 / mm11.5

図 9 座屈限界(接線係数理論との比較)

較すると，機械的性質の異なる両材料の座屈限界高さ－直径比がほぼ同じ値になっているが，この原因についてさら1mmに検討してみる．
短い円柱の座屈限界高さ－直径比は，Shanley の接線係数理論に体積一定則を適用し，素材をｎ乗硬化型塑性体とすると
h0= 2.24 kn
d0(a) アルミニウム(1)d0，h0：圧縮前の円柱直径および高さ
k：円柱両端の固定係数n：加工硬化指数のように表すことができる5)．この式より，アルミニウムの加工硬化指数をn=0.25，素材両端の固定条件を両端固定(k=4)と仮定すると，座屈限界高さ－直径比は 2.24 となり，(b) はんだこの値以上で座屈を生じることになる．図 9 は座屈限界高高さ減少率：左 10%，中 30%，右 50%

さ－直径比 2.24 の直線を図 7(a)上に示したものである．実図 10 圧縮後の形状(h0/d0=2.0，圧縮速度 5mm/min)験結果のほうが計算値よりも大きくなっている．接線係数
理論では，短柱座屈のときに無視できないせん断応力は考

球金型による座屈の判定は，成形後の小球の折れ込み状態慮されていないため，通常，実験結果よりも座屈限界高さから判断していたが，上記の実験結果のように，はんだの－直径比が小さめに算出されるが，実用上は安全側になる.

場合，圧縮中一時的に塑性座屈状態になってもそれ以上座式(1)より円柱素材の両端の固定条件が一定の場合，座屈限屈が進行せずに変形する場合があるので，座屈限界高さ直界高さ－直径比は加工硬化指数のみの関数となるので，ア径比がアルミニウムと同程度になったと考えられる．

ルミニウムとはんだがほぼ同じ限界高さ直径比になったこ

3.2 噛み出し限界とはこの式からは説明ができない．

図 11 はアルミニウムおよびはんだ球成形時の噛み出し

図 10 はアルミニウムとはんだの小円柱(d0=φ1.0mm，に対する素材の寸法条件の影響を示している．×印の場合

h0=2.0mm)を平行板で 10%，30%および 50%に圧縮した場に噛み出しが生じている．図には直径 D=0.8 および 1.5mm合の顕微鏡写真である．アルミニウムは初期高さh0=1.6mmの球体積と同じ体積になる円柱の高さ－直径の関係を表す

ではたる形に変形したが，2.0mmでは高さ減少率 30%で座線も示してある．円柱素材が球金型のキャビティ内を満た屈を生じた．はんだは実験を行ったh0=1.6mm以上の円柱試してから噛み出しが生じると仮定すれば，この曲線の上側験片のほとんどが，変形初期の段階で一旦座屈しかかった．

で噛み出しが生じることになる．実際には，後述のようにそしてその形状は“く”の字型だけではなく，試験片の上未充満を残したまま噛み出しが生じること,小円柱が微小下端面を潤滑した場合の座屈変形に見られる上下面が左右になるほど切断後の寸法精度が相対的に低下することなどにせん断変形した形になることが多かった．これは，線材のために，特に，直径 0.8mm の小球側でばらつきが大きい．の巻きぐせが完全には取りきれないことや試験片をカッタ

また,アルミニウムの結果には接線係数理論から求めた座ーで切断して製作したことにより，僅かな曲がり，ばり，屈限界高さ－直径比 2.24 の直線も示してある．既述のようだれなどが生じ中心軸に対して非対称な形状になっていたに，この座屈限界高さ－直径比は，通常，実験値より小さためと考えられる．はんだは軟らかいため，この初期形状めに算出されるが，円柱素材直径が小さくなると実験値は不良の影響を受け一旦座屈しかかるが，上下端面の摩擦拘急激に小さくなり，図 9 を参考にすると円柱直径が 0.3mm束のため，結局h0=2.0mmまではほぼたる形になった．

前後でこの関係は逆転すると推定される．ところで，噛み332h 0 / mm

h 0 / mm

D =0.8D =1.5

1h 0 /d 0 =2.24D =0.82D =1.5

1

○ 未充満部長さ40%未満

h 0 /d 0 =2.24

× 噛み出し× 未充満部長さ40%以上

0000.5d 0 / mm101.50.5

d 0 / mm

11.5(a) アルミニウム(a) アルミニウム

332

h 0 / mmh 0 / mm

D =0.8D =1.5

1D =0.8

2
D =1.51○ 未充満部長さ40%未満

× 噛み出し× 未充満部長さ40%以上

0000.5d 0 / mm11.500.5

d 0 / mm(b) はんだ(b) はんだ

図 11 噛み出し限界

図 12 未充満部

出しについては，金型のキャビティ部の孔型形状を工夫し，11.5４．まとめ逃がし部分を設けることにより，実質的な噛み出し限界を金型成形による小球製造は，アトマイズ法などの粉末製かなり向上させることができると考えられる．また，噛み造法と比べると形状・寸法精度は高いものの，微細化には出しに関しては，小球直径が小さくなると急激に噛み出し限界があるように感じられる．小球化に関してまとめると限界高さが低下するということは考えにくい．これら 2 つ(1) 球成形時に形状不良が生じにくい円柱素材の寸法は，のことを考慮すると，球の直径が 1.5mm より小さい小球の座屈限界と噛み出し限界から決定することができるが，特成形性においては，噛み出し限界よりも座屈限界が支配的に，球粒子が微小になると座屈限界の影響が大きくなる．

であると推定される．

(2) 球粒子が微小になると円柱素材の座屈限界高さ－直径3.3 未充満部の影響比は急激に小さくなる．実験結果から推定すると成形可能未充満部の大きさは，未充満部長さ(投影円の直径)を球な小球直径の限界は 0.2～0.3mm 程度である．の直径で除した値の％表示で定義した．図 12 はアルミニ(3) 座屈を生じにくくして成形限界を向上させるには，素ウムとはんだの未充満部長さを 40%を境として表示したも材円柱の形状精度を上げるための切断技術，素材円柱を精のである．図 11 と同様，球金型のキャビティ体積を表す線

度よく金型に設置するための位置決め法やハンドリング技と，アルミニウムの場合には座屈限界高さ－直径比の直線術が必要である．

も示してある．計算上は，金型キャビティ体積を表す線より下で未充満が生じることになるが，実際には，未充満を残したまま噛み出しが生じるのは前述のとおりである．直径 1.5mm 球の成形では，金型キャビティ体積を表す線付近

謝 辞
本研究の一部は，天田金属加工機械技術振興財団の研究助成によって行われたことを記し，謝意を表します．

でも，高さ－直径比が小さい側で未充満を生じやすいことがわかる．直径 0.8mm 球の結果には金型キャビティ体積を参考文献

表す線よりかなり上側でも未充満が見られる．今後，この

1）若林隆夫：粉体および粉末冶金，10-3(1963)，83-87

原因の検討は必要であるが，座屈限界と噛み出し限界が交

2）島進：塑性と加工，27-309(1986)，1125-1131

差する付近であれば，著しい未充満は生じなさそうである．

3）水沼ほか：平 13 春塑加講論(2001)，247-248

したがって，未充満現象が良好な形状を得るための条件に

4）高橋ほか：第 52 回塑加連講論(2001)，389-390

対して大きく影響することはないといえる．

5）工藤英明：塑性学，(1968)，123-125，森北出版