JP2010094721A - 粉末冶金における温間成形方法及びその金型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータを用いることなく成形金型本体を加熱、冷却を行うことができるようにする。
【解決手段】ダイ２に形成した成形部６に原料粉末Ｍを充填し、成形部６で原料粉末Ｍを圧縮して粉末成形体を成形する。ダイ２の加熱と冷却に加熱液Ｈと冷却液Ｃを用い、加熱液Ｈを事前に加熱液供給手段18によって加熱し、冷却液Ｃを冷却液供給手段19によって冷却して温度制御した後、成形直前にダイ２を事前に加熱した加熱液Ｈを使用してダイ２を加熱し、温間成形を行う。成形終了後、事前に冷却した冷却液Ｃを使用してダイ２を冷却する。加熱手段をヒータとせず、加熱液Ｈのみでダイ２の加熱を行うことで、昇温時の温度オーバがなくなり、温度分布が不均一になることを阻止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉末冶金における成形において、温間成形する粉末冶金における温間成形方法及びその金型装置に関するものである。

粉末冶金における粉末成形において、温間成形する成形金型装置は、上パンチにヒータが装着されると共に、ダイにもヒータが装着され、そしてダイプレートに冷却管を設け、加熱手段としてヒータを用い、冷却手段として水または空気等の冷却媒体を使用する方法が一般的である（例えば特許文献１）。
特開平９−２５３８９６号公報

従来技術のように、加熱手段としてヒータを用いると、ヒータ設置部分周辺と未設置部分周辺の温度分布が不均一となったり、昇温時に加熱しすぎたりして成形時に、成形体の品質が不安定となったり、金型に部分的な熱膨張を起こすことで問題が発生する場合がある。

また、ヒータを使用すると、ヒータスペースの制約によって、ヒータの能力が制限され、加熱に時間がかかったり、成形部分近くにヒータがあるため、ヒータの外側からの冷却となるため、冷却に時間がかかる場合がある。さらに、ヒータの配線が金型のセット時に邪魔になり、セットに時間がかかったり、配線を傷つけたりする場合がある。しかも、ヒータの配線に電流が流れているため、感電のおそれがあり、さらに、冷却水が漏れていたりすると危険性が高まる。

解決しようとする問題点は、ヒータを用いることなく、成形金型で温間成形するように加熱し、成形後の成形金型の交換時などにおいては冷却を行うことができる粉末冶金における温間成形方法及びその金型装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、成形金型に形成した成形部に原料粉末を充填し、前記成形部で前記原料粉末を圧縮して粉末成形体を成形する粉末成形の成形方法であって、前記成形金型の加熱と冷却に液体の熱媒体を用い、前記熱媒体を事前に加熱又は冷却して温度制御した後、成形直前に前記成形金型を事前に加熱した熱媒体を使用して成形金型を加熱し、温間成形を行い、成形終了後、事前に冷却した熱媒体を使用して前記成形金型を冷却することを特徴とする粉末冶金における温間成形方法である。

請求項２の発明は、成形部に原料粉末を充填し、前記原料粉末を前記成形部で圧縮して成形する成形金型と、前記成形金型に加熱と冷却の液体の熱媒体の通路を設けて、成形直前に前記成形金型を事前に加熱した熱媒体を使用して金型を加熱し、温間成形を行い、成形終了後、事前に冷却した熱媒体を使用して前記成形金型を冷却することを特徴とする粉末冶金における温間成形金型装置である。

請求項３の発明は、前記加熱用の熱媒体の通路と前記冷却用の熱媒体の通路を選択的に同一の前記通路を使用して、前記加熱用の熱媒体により加熱し、前記冷却用の熱媒体により冷却することを特徴とする請求項２記載の粉末冶金における温間成形金型装置である。

請求項４の発明は、前記加熱用の熱媒体の通路と前記冷却用の熱媒体の通路とをバルブ等の切替手段で切替えて前記同一の通路に接続することを特徴とする請求項３記載の粉末冶金における温間成形金型装置である。

請求項１の発明によれば、事前に加熱した加熱用の熱媒体によって成形金型を加熱して温間成形を行い、一方成形の終了時には事前に冷却した冷却用の熱媒体によって成形金型を冷却でき、そして加熱用の熱媒体、冷却用の熱媒体は事前に加熱、冷却することで、成形金型の加熱、冷却を迅速に行うことができる。

請求項２の発明によれば、成形金型に温間成形のための加熱した熱媒体の通路と、成形終了後における成形金型の冷却のための冷却した熱媒体の通路とを設けたことで、加熱した熱媒体により成形金型を加熱して温間成形を行い、一方成形終了後では冷却した熱媒体により成形金型本体を冷却することで、ヒータを用いるものに比較して電気配線に伴う感電などの弊害をなくすことができる。

請求項３の発明によれば、加熱用の熱媒体、冷却用の熱媒体のそれぞれの専用の通路は必要でなくなり、通路を共用することができる。

請求項４の発明によれば、切替手段によって、冷却用の熱媒体、加熱用の熱媒体のそれぞれを、共用の通路に選択的に流すことができる。

本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。

以下、本発明の実施例１を図１〜図４を参照して説明する。同図において、この成形金型１は、上下方向を軸方向（プレス上下軸方向）としており、成形金型本体たるダイ２、コアロッド３、下パンチ４および上パンチ５を備えている。実施例ではダイ２はほぼ円筒形状で、このダイ２内にほぼ円柱形状のコアロッド３が同軸的に位置している。下パンチ４は、ほぼ円筒形状で、ダイ２およびコアロッド３間に下方から上下動自在に嵌合している。上パンチ５は、ほぼ円筒形状で、ダイ２およびコアロッド３間に上方から上下動自在にかつ挿脱自在に嵌合するものである。尚、ダイ２の外側には、該ダイ２を固定するダイプレート10が設けられている。尚、ダイ２をダイ押さえやダイホルダーなどによりダイプレート10に固定することができる。

この例の圧粉体等とも称する粉末成形体101は、図４に示すように、円筒形の回転体や軸受となるものであり、軸受の場合、その中央に回転軸が摺動する円筒状の孔たる摺動面102が形成される。そして、ダイ２とコアロッド３と下パンチ４との間に、粉末成形体101の成形部６が形成され、前記ダイ２の内周面７は、成形部６の内周部を形成する部分であって、粉末成形体101の外周面を形成し、前記コアロッド３の外周面８は、成形部６の中央外周部を形成する部分であって、摺動面102を形成し、前記下パンチ４の上面９は、成形部６の底面部を形成する部分であって、粉末成形体101の軸方向一側端面を形成する。尚、このような粉末成形体101は焼結炉（図示せず）で焼結する。

図１に示すように、成形金型本体たる前記ダイ２は、前記内周面７を有するダイ本体11と、ダイ中間体12と、ダイ外周体13とを備え、これらダイ本体11，ダイ中間体12及びダイ外周体13は、それぞれほぼ円筒状であって、金属製の金型材からなる。そして、ダイ外周体13内にダイ中間体12を焼嵌し、このダイ中間体12にダイ本体11を焼嵌して固定している。前記ダイ中間体12の外周面12Ｓには、加熱用の熱媒体たる加熱液Ｈまたは冷却用の熱媒体たる冷却液Ｃが選択的に通る通路14を構成する溝15が、螺旋状に形成され、この溝15はダイ２の軸方向にほぼ等間隔で形成され、前記溝15と前記ダイ外周体13の内周面13Ｕとにより前記通路14が形成される。尚、ダイ外周体13内にダイ中間体12を焼嵌することにより、ダイ軸方向に隣り合う通路14，14同士が液密に保たれている。また、この例では、溝15は略半円形状をなし、ダイ軸方向に隣り合う通路14，14の間隔は、該通路14のダイ軸方向寸法以下に設定されている。

前記通路14の上端14Ａには、横向き部16Ａ、この横向き部16Ａの端部に接続される下向き部16Ｂからなる上側接続通路16が接続され、この下向き部16Ｂの端部には出口側切替手段としての出口側切替バルブ17が接続している。この出口側切替バルブ17は電動式等自動式であって、その1次側17Ａは上端14Ａ側、すなわち後述する加熱液Ｈ又は冷却液Ｃの排出側に接続されている。一方、出口側切替バルブ17の一方の２次側17Ｂには２次側通路18Ａを介して水やシリコーン油等の加熱液Ｈの加熱液供給手段18が接続されている。

尚、媒体として１００℃未満の温度は水系の熱媒体、それ以上の場合、例えば１５０℃程度であればシリコーン油等の公知の各種熱媒体を使用することで、高温の温間成形にも使用が可能となる。

また、出口側切替バルブ17の他方の２次側17Ｃには２次側通路19Ａを介して水やシリコーン油等の冷却液Ｃの冷却液供給手段19が接続されている。そして、出口側切替バルブ17は後述する制御手段23によって、1次側17Ａを２次側17Ｂか２次側17Ｃのいずれか一方に選択的に接続できるようになっている。尚、出口側切替手段としては電磁弁などの自動切換弁でもよい。

また、前記通路14の下端14Ｂには、横向き部20Ａ、この横向き部20Ａの端部に接続される下向き部20Ｂからなる下側接続通路20が形成され、この下側接続通路20の端部には入口側切替手段としての入口側切替バルブ21が接続している。この入口側切替バルブ21は電動式等自動式であって、その一方の1次側21Ａは加熱液供給手段18が１次側通路18Ｂを介して接続している。入口側切替バルブ21の他方の1次側21Ｂは冷却液供給手段19が１次側通路19Ｂを介して接続している。一方、入口側切替バルブ21の２次側21Ｃには下向き部20Ｂが接続されている。そして、入口側切替バルブ21は制御手段23によって、1次側21Ａか他方の1次側21Ｂのいずれかを２次側21Ｃに選択的に接続できるようになっている。尚、入口側切替手段としては電磁弁などの自動切換弁でもよい。

さらに、制御手段23によって、1次側17Ａが出口側切替バルブ17によって２次側17Ｂのみに接続したときには、1次側21Ａは入口側切替バルブ21によって２次側21Ｃのみに接続できるようになっている。一方、制御手段23によって、1次側17Ａが出口側切替バルブ17によって２次側17Ｃのみに接続したときには、1次側21Ｂは入口側切替バルブ21によって２次側21Ｃのみに接続できるようになっている。

そして、加熱液供給手段18においては、２次側通路18Ａを介してタンク部18Ｃに回収した低温となった加熱液Ｈをヒータ（図示せず）や熱交換器（いずれも図示せず）によって加熱して、再び１次側通路18Ｂへ吐出できるようになっている。また、冷却液供給手段19においては、２次側通路19Ａを介してタンク部19Ｃに回収した暖められた冷却液Ｃを熱交換器（図示せず）によって冷却して、再び１次側通路19Ｂへ吐出できるようになっている。

尚、加熱液Ｈの温度又は冷却液Ｃの温度は上側接続通路16に設けられ温度センサ22によって設定温度に温度制御される。さらに、前記ダイ２には温度センサ24が設けられ、この温度センサ24は前記ダイ本体11内に設けられて、制御手段23に接続している。尚、制御手段23には、図３に示すように、加熱液供給手段18、冷却液供給手段19、出口側切替バルブ17、入口側切替バルブ21、温度センサ22、ダイ２の温度センサ24などが接続している。

このため、ダイ２の温度センサ24は、制御手段23に測定した温度データを出力し、制御手段23はその温度データに基き、加熱液供給手段18における加熱状態、或いは送り状態等を制御する。この場合、タンク部18Ｃに設けた送り出し用ポンプ（図示せず）や送り込む加熱液Ｈの流量や温度を変えることによりダイ２の温度を制御できる。

前記原料粉末Ｍとして鉄粉や鉄合金粉などの一般的な金属粉末冶金用のものを用いる。そして、図中の符号31は原料供給体たるフィーダーであり、このフィーダー31は、該ダイ２の上面２Ａに摺動自在に設けられており、このフィーダー31によって原料粉末Ｍを成形部６に落とし込んで充填できるようになっている。

次に前記構成についてその作用を説明する。成形工程においては、制御手段23によって出口側切替バルブ17、入口側切替バルブ21、加熱液供給手段19を制御して、加熱液供給手段18によって事前にタンク部18Ｃで加熱した加熱液Ｈを通路14に流してダイ２の内周面７を所定温度以上に保つように温度センサ24を介して制御する。尚、この際には制御装置23によって、1次側17Ａが出口側切替バルブ17によって２次側17Ｂのみに接続すると共に、1次側21Ａは入口側切替バルブ21によって２次側21Ｃのみに接続している。

次にダイ２に下パンチ４が嵌合して成形部６が形成されている状態で、フィーダー31が前進して原料粉末Ｍを成形部６に落下させて充填する。そして、フィーダー31が後退し、成形部６の開口部６Ａに上方から上パンチ５を挿入し、上パンチ５と下パンチ４とで挟むようにして原料粉末Ｍを温間成形によって圧縮する。この時、下パンチ４は、下端が固定されており動かないようになっている。尚、前記上パンチ５を成形部６に挿入する前に、ダイ２を下方に移動させるようにしてもよい。

このようにダイ２が所定温度の状態となっている状態で温間加圧成形された粉末成形体101は、取出工程において、取り出す。この取出工程においては、ダイ２とコアロッド３が下方に下がり、あるいは下パンチ４が上昇し下パンチ４の上面がダイ２の上面２Ａと略同じ高さになったとき取出し可能となり、さらに原料粉末Ｍの成形部６への充填、温間加圧成形、取出しの工程を繰り返すものである。

このダイ２を利用したすべての温間成形が終了した後、ダイ２をダイプレート10から取り外して交換する場合には、ダイ２が高温であるため冷却する必要がある。この際には制御手段23によって、1次側17Ａが出口側切替バルブ17によって２次側17Ｃのみに接続すると共に、1次側21Ｂは入口側切替バルブ21によって２次側21Ｃのみに接続し、そして冷却液供給手段19によって事前にタンク部19Ｃで冷却した冷却液Ｃを通路14に流してダイ２の内周面７を所定温度以下に保つようにダイ温度センサ24を介して制御する。

そして、低温になったダイ２をダイプレート10より取り外して別のダイ（図示せず）と交換する。この際、出口側切替バルブ17の1次側17Ａを下向き部16Ｂより外し、入口側切替バルブ21の２次側21Ｃを下向き部20Ｂ側より外しておく。

以上のように、前記実施例ではダイ２に形成した成形部６に原料粉末Ｍを充填し、成形部６で原料粉末Ｍを圧縮して粉末成形体101を成形する際に、ダイ２の加熱と冷却に加熱液Ｈと冷却液Ｃを用い、加熱液Ｈを事前に加熱液供給手段18によって加熱し、又は冷却液Ｃを冷却液供給手段19によって冷却して温度制御した後、成形直前にダイ２を事前に加熱した加熱液Ｈを使用してダイ２を加熱し、温間成形を行い、成形終了後、事前に冷却した冷却液Ｃを使用してダイ２を冷却することで、加熱手段としてヒータとせず、液体の熱媒体である加熱液Ｈのみでダイ２の加熱を行うことで、昇温時の温度オーバがなくなり、温度分布が不均一になることを阻止でき、ダイ２の温度分布がほぼ均一となった。また、事前に加熱して温度制御した熱媒体である加熱液Ｈを使用することで、昇温時に加熱しすぎることもなくなる。

さらに、成形部６を設けたダイ２に加熱液Ｈと冷却液Ｃの通路14を設けて、成形直前にダイ２を事前に加熱した加熱液Ｈを使用してダイ２を加熱し、温間成形を行い、成形終了後、事前に冷却した冷却液Ｃを使用してダイ２を冷却することで、事前に加熱、または冷却して温度制御した熱媒体である加熱液Ｈ、冷却液Ｃを使用して、加熱時間又は冷却時間を大幅に短縮できる。特に、別途に設けた加熱液Ｈの貯蔵用のタンク部18Ｃ、冷却液Ｃの貯蔵用のタンク部19Ｃにより容易に温度制御できるので加熱能力、冷却能力の制約がなくなる。また、事前に温度制御した加熱液Ｈ、冷却液Ｃを使用することで、加熱、冷却時間が大幅に短縮される。しかも、配線がないため、金型のセットに時間がかかったりすることがなくなる。さらに、金型周辺に電流が流れている部分がなくなるために感電のおそれがなくなる。

また、ダイ２に設けた成型部６の周囲を囲むように平面円環状に設けた一本状の通路41に、加熱液Ｈの通路41と冷却液Ｃの通路14とを選択的に接続することで、同一の通路14を使用して、加熱液Ｈによりダイ２を加熱して温間成形し、一方、成形終了後においては冷却液Ｃによりダイ２を冷却するようにすることで、加熱液Ｈ、冷却液Ｃのそれぞれの通路は必要でなくなり、通路14を共用することができる。しかも、加熱時の通路14に直接冷却液Ｃを冷却時に流せるので加熱部分から離れた位置で冷却する必要がなくなり、冷却時間の短縮を図ることができる。

さらに、加熱液Ｈの通路14と冷却液Ｃの通路14とを切替弁や電磁弁等の出口側切替手段としての出口側切替バルブ17及び入口側切替手段としての入口側切替バルブ21で切替えて同一の通路14に接続することで、加熱した加熱液Ｈと冷却した冷却液Ｃを切替えることで、簡便に加熱と冷却を切替することができる。

以上のように本発明に係る粉末冶金における温間成形方法及びその金型装置は、各種の用途に適用できる。

本発明の実施例１を示す金型装置の断面図である。 同上、ダイの要部の正面図である。 同上、ブロック図である。 同上、粉末成形体の斜視図である。

符号の説明

１ 成形金型
６ 成形部
14 通路
17 出口側切替バルブ（出口側切替手段）
21 入口側切替バルブ（入口側切替手段）
Ｃ 冷却液（冷却用媒体）
Ｈ 加熱液（加熱用媒体）
Ｍ 原料粉末

Claims (4)

1. 成形金型に形成した成形部に原料粉末を充填し、前記成形部で前記原料粉末を圧縮して粉末成形体を成形する粉末成形の成形方法であって、
   前記成形金型の加熱と冷却に液体の熱媒体を用い、前記熱媒体を事前に加熱又は冷却して温度制御した後、成形直前に前記成形金型を事前に加熱した熱媒体を使用して成形金型を加熱し、温間成形を行い、成形終了後、事前に冷却した熱媒体を使用して前記成形金型を冷却することを特徴とする粉末冶金における温間成形方法。
2. 成形部に原料粉末を充填し、前記原料粉末を前記成形部で圧縮して成形する成形金型と、前記成形金型に加熱と冷却の液体の熱媒体の通路を設けて、成形直前に前記成形金型を事前に加熱した熱媒体を使用して金型を加熱し、温間成形を行い、成形終了後、事前に冷却した熱媒体を使用して前記成形金型を冷却することを特徴とする粉末冶金における温間成形金型装置。
3. 前記加熱用の熱媒体の通路と前記冷却用の熱媒体の通路を選択的に同一の前記通路を使用して、前記加熱用の熱媒体により加熱し、前記冷却用の熱媒体により冷却することを特徴とする請求項２記載の粉末冶金における温間成形金型装置。
4. 前記加熱用の熱媒体の通路と前記冷却用の熱媒体の通路とをバルブ等の切替手段で切替えて前記同一の通路に接続することを特徴とする請求項３記載の粉末冶金における温間成形金型装置。

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