JP4905896B2 - 充填粒子かさ密度判定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、金型又は容器に充填された充填粒子の充填粒子かさ密度判定装置および方法に関する。

自動車部品等として用いられる焼結金属部品は一般に、（１）金型に一定容量の金属粒子（例えば、鉄粉、アルミニウム粉等）を充填し、（２）これを金型内で加圧して所望の形状に成形し、（３）これを加圧焼成するという工程を経て、焼結金属部品として完成する。
このようにして完成した焼結金属部品の品質は、金型に充填した際の「粒子層のかさ密度」に大きく影響される。そこで、金型に充填した状態における充填粒子のかさ密度を正確に測定することが重要となる。

「充填粒子のかさ密度」は、充填粒子の重量Ｇと容積Ｖを精密に測定しその比率Ｇ／Ｖとして算出するのが一般的であり精度も高いことが知られている。しかしこの手段を、上述した焼結金属部品の製造工程に組み込むのは非常に困難である。

そこで、従来は、ＪＩＳＺ２５０４に規定されている「金属粉−見掛密度試験方法」に準拠し、一定容量の金型容器に金属粒子を自重で注入し、余分量を擦り切りにより除去することで、ほぼ一定容量の金属粒子を金型に充填していた。

なお、本発明と関連して、不定形なポーラス部品の見かけ密度（かさ密度）を測定する手段として、特許文献１が提案されている。

特許文献１の手段は、図４に模式的に示すように、（Ａ）容器５２内の所定レベルＳまで入った既知密度ρの液体重量Ｇｆｌと、（Ｂ）ポーラスな電極板５１（被測定物）が液体５３を吸収した状態で同じレベルＳまで入った容器内の重量Ｇａと、（Ｃ）液体５３を吸収した状態の電極板５１の重量Ｇｂとを計測し、ΔＧ＝Ｇｆｌ−Ｇａ＋Ｇｂで電極板の容積Ｖに相当する液体重量を求め、Ｖ＝ΔＧ／ρにより、電極板の容積Ｖを求め、（Ｄ）電極板の乾燥重量Ｇｃと電極板の容積Ｖからその比率Ｇｃ／Ｖとして見かけ密度Ｄを算出するものである。

特開平６−３４９５２８号公報、「蓄電池電極板の物理的パラメータを求める方法及び装置」

上述したように金型に充填された充填粒子のみの重量を精密に測定するのは、焼結金属部品の製造工程上、非常に困難である。

また、特許文献１の手段は、計測中に液圧等の外力を受けるため、この外力に耐えるように充填粒子を例えば加圧成形等した後でないと適用できない。従って、焼結金属部品の歩留まりの低下は防止できない問題点がある。
さらに特許文献１の手段は、被測定物の空孔に液体が充満するため、計測後に液体を完全に除去する後工程（乾燥等）が必要であり、かつ液体の充満及びその除去工程（乾燥等）で被測定物の物性が変化するおそれがあった。

一方、ＪＩＳに規定されている「金属粉−見掛密度試験方法」に準拠し、一定容量の金型容器に金属粒子を自重で注入し、余分量を擦り切りにより除去することで、一定容量の金属粒子を金型に充填する手段は、精度が高くかつ焼結金属部品の製造工程に組み込みが可能である。
しかし、焼結金属部品の製造工程では、凝集等により金属粒子の固まりができると、金型に充填される容量が大きく変動し、精度が大幅に低下することがある。
またこの手段では、充填粒子のかさ密度は測定できないため、このような固まりによりかさ密度が変動しても、その計測は例えば加圧成形等した後でないとできず、焼結金属部品の歩留まりの低下は防止できない問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、焼結金属部品の製造工程に組み込みが可能であり、金型に充填して金属粒子を加圧成形等する前に充填粒子のかさ密度を精度良く判定することができ、これによりかさ密度の変動を加圧成形前に検出することができ、焼結金属部品の歩留まりを高めることができる充填粒子かさ密度判定装置および方法を提供することにある。

本発明によれば、上方が開口した容器内に隙間なく充填され、水平な上面を有する充填粒子の充填粒子かさ密度判定装置であって、
前記充填粒子の上面に対し垂直に伸び、断面形状が一定であり、下端に下方に向かって断面寸法が漸減するテーパ部を有する細長い針状ロッドと、
前記針状ロッドの上部または中間部を把持し、前記充填粒子の上面から所定の深さまで一定速度で押し下げ、針状ロッドに作用する上向きの摩擦力を検出する摩擦力検出装置と、
前記摩擦力から充填粒子のかさ密度を判定するかさ密度判定装置とを備えたことを特徴とする充填粒子かさ密度判定装置が提供される。

また本発明によれば、上方が開口した容器内に隙間なく充填され、水平な上面を有する充填粒子の充填粒子かさ密度判定方法であって、
前記充填粒子の上面に対し垂直に伸び、断面形状が一定であり、下端に下方に向かって断面寸法が漸減するテーパ部を有する細長い針状ロッドの上部または中間部を把持し、
前記針状ロッドを充填粒子の上面から所定の深さまで一定速度で押し下げ、針状ロッドに作用する上向きの摩擦力を検出し、
前記摩擦力を所定の閾値と比較し、充填粒子のかさ密度を判定する、ことを特徴とする充填粒子かさ密度判定方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記針状ロッドは、充填粒子の粒径の５倍以上，５０倍以下の直径を有する円筒形部材であり、前記テーパ部は高さが直径の２倍以上，５倍以下の円錐形である。

また、前記摩擦力検出装置は、前記針状ロッドの上部または中間部を把持するアームと、
針状ロッドが前記容器の上部に位置する計測位置と、容器の上部から退避した退避位置との間でアームを水平移動させ、かつ計測位置でアームを上下動させるトラバース装置と、
前記アームに作用する鉛直力を検出する力センサとを有する。

上記本発明の装置及び方法によれば、摩擦力検出装置により、針状ロッドを充填粒子の上面から所定の深さまで一定速度で押し下げ、その際の針状ロッドに作用する上向きの摩擦力を検出し、かさ密度判定装置により、検出された摩擦力から充填粒子のかさ密度を判定するので、焼結金属部品の製造工程の途中（金型に充填後、加圧成形前）に組み込みが可能である。
また、後述する実施例から、ＪＩＳを準拠した従来手段に比較して、充填粒子のかさ密度を精度良く判定することができることが確認された。
従って、かさ密度の変動を加圧成形前に検出することができ、焼結金属部品の歩留まりを高めることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

図１は、本発明による充填粒子かさ密度判定装置の全体構成図である。
この図において、本発明の充填粒子かさ密度判定装置１０は、上方が開口した容器１２内に隙間なく充填され、水平な上面１を有する粒子２（以下、充填された状態の粒子を「充填粒子２’」と呼ぶ）の充填粒子かさ密度判定装置であり、細長い針状ロッド１４、摩擦力検出装置１６およびかさ密度判定装置１８を備える。

粒子は、例えばアルミ粉（粒径：１５０〜５００μｍ）、鉄粉（粒径：７５〜１５０μｍ）であるが、本発明はこれに限定されず、その他の粒子を対象とすることができる。

上方が開口した容器１２は、この例では、容器の外縁を構成する枠型１１ａと容器の底面を構成する下部金型１１ｂからなる。
枠型１１ａは、水平断面形状が均一な内面を有する中空部材であり、この例では、その上端面が本体３の上面と面一に固定されている。
下部金型１１ｂはその上部が枠型１１ａの内面と隙間なく嵌合し、図示しないアクチュエータにより上下動可能であり、上昇または下降して内部の充填粒子を外部に取り出しができるようになっている。

下部金型１１ｂの上方には、図示しないアクチュエータにより上下動可能な上部金型１１ｃが設けられている。この上部金型１１ｃの下部は枠型１１ａの内面と隙間なく嵌合し、枠型１１ａ、下部金型１１ｂ、および上部金型１１ｃの間で充填粒子を加圧して所望の形状に加圧成形するようになっている。

針状ロッド１４は、充填粒子２’の上面に対し垂直に伸び、断面形状が一定であり、下端に下方に向かって断面寸法が漸減するテーパ部を有する。針状ロッド１４は、好ましくは、充填粒子の粒径の５倍以上，５０倍以下の直径を有する円筒形部材であり、テーパ部は高さが直径の２倍以上，５倍以下の円錐形である。

摩擦力検出装置１６は、針状ロッド１４の上部または中間部を把持し、充填粒子２’の上面から所定の深さｈまで一定速度で押し下げ、針状ロッド１４に作用する上向きの摩擦力Ｆを検出する。
摩擦力検出装置１６は、この例では、アーム１３、トラバース装置１５、および力センサ１７からなる。
アーム１３は、この例では一端（図で右端）に針状ロッド１４の上部を把持し、水平に延びた棒状部材である。
トラバース装置１５は、この例ではアーム１３の末端（図で左端）を片持ちで支持し、針状ロッド１４が容器１２の上部に位置する計測位置と、容器１２の上部から退避した退避位置との間でアーム１３を水平移動させ、かつ計測位置でアームを上下動させるようになっている。
力センサ１７は、例えばアーム１３の一部に取付けられた歪みゲージであり、アーム１３に作用する鉛直力を検出する。

かさ密度判定装置１８は、この例では、力センサ１７の出力からアーム１３に作用する鉛直力を測定する測定装置１８ａと、データ解析および表示用パソコン１８ｂからなる。データ解析および表示用パソコン１８ｂは、測定された鉛直力（すなわち摩擦力）を予め設定した所定の閾値と比較し、充填粒子２’のかさ密度を判定する。

上述した装置を用い、本発明の充填粒子かさ密度判定方法は以下のステップからなる。
（１）充填粒子２’の上面に対し垂直に伸び、断面形状が一定であり、下端に下方に向かって断面寸法が漸減するテーパ部を有する細長い針状ロッド１４の上部または中間部を把持する。
（２）針状ロッド１４を充填粒子２’の上面から所定の深さｈまで一定速度で押し下げ、針状ロッド１４に作用する上向きの摩擦力Ｆを検出する。
（３）検出した摩擦力Ｆを予め設定した所定の閾値と比較し、充填粒子２’のかさ密度を判定する。

以下、本発明の実施例を説明する。
（ＪＩＳ法による充填粒子かさ密度判定方法と本発明との比較）
焼結金属品を成形する工程において、一定容量の金型容器に鉄粉を注入し、余分量を擦り切りにより除去することで、ほぼ一定の充填量となるとするのがＪＩＳ法を準拠した従来の工程管理手段である。
しかし、この方法で充填した充填粒子のかさ密度をその重量を基に正確に計測すると、２．４７５〜２．５７０ｇ／ｃｍ３の範囲で３〜４％の誤差で充填量（かさ密度）がばらついていることがわかった。このばらつきを小さくすることが焼結金属品の品質を維持する上で重要となるが、製造ラインでの管理のため、その都度質量を測定する固定を組み込むことは困難である。

この問題を解決するため、上述したように金型（容器１２）に充填された鉄粉に針状ロッド１４を差し込むだけで、かさ密度を分解能１％の精度で判定できる装置を発明した。

１ 検出方式
金型（容器１２）に充填された粒子層２’に細いロッド（針状ロッド１４）を差し込んだ場合の、粒子充填率の差異に応じたロッド１４と粒子間に生じる摩擦力Ｆの違いを検出する。ロッド１４は鉄粉粒子の充填状態を乱さないよう極力細い金属棒を使用する。

２ 測定システムの構成
図１は、本発明の充填粒子かさ密度判定装置１０を金型（容器１２）に設置した状態を示す図である。本発明の装置１０は上述したように粒子層に差し込む針状のロッド１４、ロッドを支持し摩擦力を検出するアーム１３、アームを前後、上下させるトラバース装置１５、測定装置１８ａ、データ解析および表示用パソコン１８ｂで構成される。

３ 検出性能の確認方法
上述した充填粒子かさ密度判定装置１０を使用して性能確認試験を行った。
４ 試験方法
使用粒子：アルミ粉（粒径：１５０〜５００μｍ）、鉄粉（粒径：７５〜１５０μｍ）
アルミ粉のかさ密度（ｇ／ｃｍ３）：Ａ：１．０４６〜１．０５２、Ｂ：１の５％増（１．０９９〜１．１０６）。Ｃ：１の８％増（１．１２６〜１．１３３）
鉄粉のかさ密度（ｇ／ｃｍ３）：Ａ：２．４７６〜２．４８４、Ｂ：１の３％増（２．５３６〜２．５７０）

各かさ密度の範囲で粒子層を多数作成し、それぞれにロッドを刺し込み摩擦力を測定し、各かさ密度における摩擦力の有意な差異が認められるかどうか、およびデータのばらつき度合いを確認した。

図２は、鉄粉を対象とする試験結果を示す図である。この図において、横軸は粒子層深さ、縦軸は摩擦力である。ロッドを３０ｍｍの深さまで差し込んでいく過程での各深さ位置における摩擦力の大きさをプロットした。
この図に示すようにかさ密度のわずかな違いによって、針状ロッド１４と鉄粉間の摩擦力の違いが顕著に現われ、充填量の良否が瞬時に判断できる。また測定機構が単純なためラインに組み込むことを容易である。
この例におけるロッド１４の直径は２．５ｍｍであり、テーパ部は長さ７．５ｍｍの円錐形である。従って、針状ロッド１４の直径は、充填粒子の粒径（７５〜１５０μｍ）の１６倍から３３倍であり、５倍以上，５０倍以下の直径を有する円筒形部材であるのがよい。また、テーパ部は、この例では高さが直径の３倍の円錐形であり、２倍以上，５倍以下の円錐形であるのがよい。

図３は、アルミ粉を対象とする試験結果を示す図である。この図において、横軸は粒子層深さ、縦軸は摩擦力である。ロッドを３０ｍｍの深さまで差し込んでいく過程での各深さ位置における摩擦力の大きさをプロットした。
この例では、図２と比較するとばらつきが大きいが、同様にかさ密度のわずかな違いによって、針状ロッド１４と鉄粉間の摩擦力の違いが顕著に現われ、充填量の良否が瞬時に判断できることがわかる。また測定機構が単純なためラインに組み込むことを容易である。
この例における針状ロッド１４の直径は２．５ｍｍであり、テーパ部はなく下端は同一径の平面であった。ばらつきが大きい理由はテーパ部がないためと考えられる。従って、テーパ部は、図２と同様に高さが直径の３倍の円錐形であり、２倍以上，５倍以下の円錐形であるのがよい。
またこの例で、針状ロッド１４の直径は、充填粒子の粒径（１５０〜５００μｍ）の５倍から１７倍であり、５倍以上，５０倍以下の直径を有する円筒形部材であるのがよい。

５ 実機への適用
実機適用においては、理想的なかさ密度の粒子層で多数回データを取得し、ばらつきの度合いから上限と下限の許容限界（例えば＋２％、−２％等）を設け、許容限界を超えたものについてはＮＧの判定とするのがよい。

上述した本発明の装置及び方法によれば、摩擦力検出装置１０により、針状ロッド１４を充填粒子２’の上面から所定の深さｈまで一定速度で押し下げ、その際の針状ロッド１４に作用する上向きの摩擦力Ｆを検出し、かさ密度判定装置１８により、検出された摩擦力Ｆから充填粒子のかさ密度を判定するので、焼結金属部品の製造工程の途中（金型に充填後、加圧成形前）に組み込みが可能である。
また、実施例から、ＪＩＳを準拠した従来手段に比較して、充填粒子のかさ密度を精度良く判定することができることが確認された。
従って、かさ密度の変動を加圧成形前に検出することができ、焼結金属部品の歩留まりを高めることができる。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明による充填粒子かさ密度判定装置の全体構成図である。 鉄粉を対象とする試験結果を示す図である。 アルミ粉を対象とする試験結果を示す図である。 特許文献１の手段の模式図である。

符号の説明

１ 上面、２ 粒子、２’ 充填粒子、
３ 本体、
１０ 充填粒子かさ密度判定装置、１１ａ 枠型、
１１ｂ 下部金型、１１ｃ 上部金型、
１２ 容器（金型）、１３ アーム、１４ 針状ロッド、
１５ トラバース装置、１６ 摩擦力検出装置、
１７ 力センサ、１８ かさ密度判定装置、
１８ａ 測定装置、１８ｂ パソコン

Claims (4)

1. 上方が開口した容器内に隙間なく充填され、水平な上面を有する充填粒子の充填粒子かさ密度判定装置であって、
   前記充填粒子の上面に対し垂直に伸び、断面形状が一定であり、下端に下方に向かって断面寸法が漸減するテーパ部を有する細長い針状ロッドと、
   前記針状ロッドの上部または中間部を把持し、前記充填粒子の上面から所定の深さまで一定速度で押し下げ、針状ロッドに作用する上向きの摩擦力を検出する摩擦力検出装置と、
   前記摩擦力から充填粒子のかさ密度を判定するかさ密度判定装置とを備えたことを特徴とする充填粒子かさ密度判定装置。
2. 前記針状ロッドは、充填粒子の粒径の５倍以上，５０倍以下の直径を有する円筒形部材であり、前記テーパ部は高さが直径の２倍以上，５倍以下の円錐形である、ことを特徴とする請求項１に記載の充填粒子かさ密度判定装置。
3. 前記摩擦力検出装置は、前記針状ロッドの上部または中間部を把持するアームと、
   針状ロッドが前記容器の上部に位置する計測位置と、容器の上部から退避した退避位置との間でアームを水平移動させ、かつ計測位置でアームを上下動させるトラバース装置と、
   前記アームに作用する鉛直力を検出する力センサとを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の充填粒子かさ密度判定装置。
4. 上方が開口した容器内に隙間なく充填され、水平な上面を有する充填粒子の充填粒子かさ密度判定方法であって、
   前記充填粒子の上面に対し垂直に伸び、断面形状が一定であり、下端に下方に向かって断面寸法が漸減するテーパ部を有する細長い針状ロッドの上部または中間部を把持し、
   前記針状ロッドを充填粒子の上面から所定の深さまで一定速度で押し下げ、針状ロッドに作用する上向きの摩擦力を検出し、
   前記摩擦力を所定の閾値と比較し、充填粒子のかさ密度を判定する、ことを特徴とする充填粒子かさ密度判定方法。

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