JP5526080B2 - 圧粉体の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に鉄粉の成形法に関する。

モータ磁心材料として、切断，曲げ加工の必要な電磁鋼板と異なり、最終製品形態を作成時に成形できる圧粉磁心が注目されている。圧粉磁心は、鉄を主成分とする鉄粉を圧縮型にて最終製品に近い形に成形し、必要に応じ熱処理により固化して磁心とする。圧粉磁心は電磁鋼板より任意の形状を成形できる利点がある。これは特に小型・高効率モータを実現するため、狭い空間にコイル，磁心を収納する技術として圧粉成形が適していることを示す。

特許文献１は圧粉磁心適用モータの例である。このモータは上下１対の圧粉磁心コアと中間にコイル導線をアルファ巻きするのみで１相分を形成でき、３層積み上げることで構造が単純で、安価に作製できる。

ところが、励磁効率を上げるためコイル導線占積率を高める必要から、圧粉磁心コアのツメ部は薄く長く成形し、コイル導線収納部を最大化する必要がある。これはツメ部のアスペクト比（長さ／厚さ）を大きく成形しなければならないことになり、圧粉成形には困難が生じる。具体的にはツメ部を成形する狭い圧縮型に高密度に鉄粉を圧入する必要があり、成形法に工夫を要する。

特開２００８−２９１１３号公報

社団法人粉末冶金技術協会編 「金属粉の成形」 日刊工業新聞社 １９６４年

長さ、厚さの比（アスペクト比）が４以上のツメ部を有する圧粉成形体を作成する。

上記課題を解決するために、ツメ部を成形する型をツメ底部と側壁に分割する。ツメ底部と２側壁のうち片方とツメ底部は一体でよい。ツメ底部は成形完了位置から鉄粉みかけ密度と所定密度との差を考慮してオフセットし、充填量を調整する。鉄粉を充填し、成形する。この際ツメ底部と独立させた側壁をツメ底部成形方向と反対方向に動作させ、せん断動作させる。これにより、ツメ部成形を先に行う。ツメ部成形後、通常動作でフランジ成形を行い、高アスペクト比のツメを有したコアを成形する。

本発明により、高アスペクト比のツメ部が成形でき、コイル導線占積率の高い高トルク圧粉モータが提供できる。

圧粉モータ固定子構成。 実施例と比較例の相違点の説明。 比較例によるプレス動作説明。 実施例によるプレス動作説明。 手法の違いによる成形体鉄粉形状の差。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は圧粉モータ固定子構成を示す。コア１０１は、ステータを構成するフランジ部１０２と、コイル導線１０３を収納しロータと対抗するギャップ面を形成するツメ部１０４とからなる。ギャップ部を長くすることはモータ軸長を長くすることであり、モータトルク増加に寄与する。一方、ツメ部１０４を薄くすることはコイル導線１０３の体積を増加でき、駆動電流を増加させてモータの駆動力を増加させることができる。このいずれもツメ部１０４を薄く、長くする方向（アスペクト比が高い）となる。

アスペクト比の高いツメ部成形には、例えば非特許文献１の図３.１４（１１６ページ)に示されるように圧縮型を分割し、多段のプレスロッドを用い、フランジ部，ツメ部を個別に形成する方法が示されている。鉄粉は圧縮によりみかけ体積が５０％程度収縮する。このため、ツメ部成形パンチは所定成形位置からより体積収縮分下部へオフセットして鉄粉充填し、成形する（充填量調整）。

パンチが分割できない場合、充填させたい部位の鉄粉を盛り上げ、一回のプレスでツメ部の先端まで充填されるよう工夫している例がある。鉄粉の圧縮性が高く、高圧とすれば変形に制限のない場合はこのような構成で支障はない。しかし鉄粉は互いに融着しやすく、また型側壁とも融着しやすい。これを防ぐため、鉄粉にステアリン酸亜鉛など金属石鹸と総称される潤滑剤を混入させ、鉄粉どうし、型側壁との融着を防いでいる。ツメのアスペクト比が２〜３程度以下であれば充填量調整で支障なく成形できた。しかしさらに高アスペクト比ではこのような単純な構成ではツメ部密度が十分上げられない問題が生じた。

本実施例では、モータコアロッド圧縮成型法を説明する。

図２は比較例と本実施例のモータコアロッド圧縮型の、ツメ部成形断面の違いを示す。

ダイ２０１，コアロッド２０２の間に上パンチ２０３，下パンチ２０４と、ツメ部１０４を成形するリブ２０５が組み合わされる。上パンチ２０３は上方向から粉末を圧縮し、下パンチ２０４は下方向から粉末を圧縮する。ダイ２０１，コアロッド２０２，上パンチ２０３，下パンチ２０４と、リブ２０５で囲まれる領域をダイキャビティという。

比較例と本実施例の大きな違いは、比較例ではプレス時のコアロッド２０２とリブ２０５の動作方向が同じであり、本実施例ではプレス時のコアロッド２０２とリブ２０５の動作方向が異なり、せん断動作している点である。なお、各図における矢印は各部が移動する方向を示す。

図３を用いて、比較例でのツメ部１０４のプレス成形法の詳細を説明する。ダイ２０１，コアロッド２０２の間に上パンチ２０３，下パンチ２０４と、ツメ部１０４を成形するリブ２０５が組み合わされる。上パンチは上方向から粉末を圧縮し、下パンチは下方向から粉末を圧縮する。充填時、リブ２０５，コアロッド２０２をオフセットさせ、ツメ部１０４の成形部分に鉄粉を多く充填する。上パンチ２０３をセットし、上パンチ２０３とリブ２０５，コアロッド２０２の間にプレス動作を行い、ツメ部１０４を形成する。

そのままプレス動作を継続し、下パンチ２０４，リブ２０５，コアロッド２０２が一体となって上パンチ２０３との間でフランジ部１０２を成形する。このようにツメ部１０４を先に成形するのはツメ部１０４全体に粉体供給される前にツメ部１０４の根元が固まるのを防ぐためである。従来、この手法では、ツメ部１０４の成形時に図示する部分で密度が上がり型と固着しリブ２０５，コアロッド２０２，未成形粉体が一体で移動するため、所定位置までリブ２０５が移動してもツメ部１０４の先端の密度が上がらない難点があったが、本実施例ではそれを解決する。なお、フランジ部１０２は、成形体の下面において比較的平坦な形状となるので、平坦部ともいう。

図４は、本実施例のツメ部１０４のプレス成形法の例である。充填時、リブ２０５のみオフセットさせる。さらにコアロッド２０２より低い位置となる上パンチ２０３をセットし、初めにコアロッド２０２とリブ２０５との間で加圧してプレスを行い、ツメ部１０４を成形する。フランジ成形面を中立面とし、この中立面に対しリブ２０５とコアロッド２０２が逆方向動作し、せん断動作となる。この場合、ツメ部１０４の根元密度が上昇してもコアロッド２０２により粉体はツメ部１０４の先端へ引きずられ、充填されるのでツメ部１０４の全体が均一密度となる。リブ２０５，下パンチ２０４の下面がそろえばツメ部１０４は所定形状となり、その後上パンチ２０３との間でフランジ部１０２を成形する。

図５にこのようにして形成されたツメ部１０４の断面を示す。図５では、比較例でのプレス成形法によるツメ部１０４の先端ａ、比較例でのプレス成形法によるツメ部１０４の根元ｂ、本実施例でのプレス成形法によるツメ部１０４の先端ｃ、本実施例でのプレス成形法によるツメ部１０４の根元ｄを示す。

平均粒径２００μｍの純鉄粉に絶縁コートしたものにステアリン酸亜鉛をベースとした潤滑剤を０.４ｗｔ％混合したものを、フランジ外形４０mm内径３２mmフランジ厚２mmとし、ツメ部の高さ１０mm，ツメ部の先端厚１mm，根元厚２mmに（アスペクト比１０）成形した。全圧力は４０トン、フランジ部での面圧は８.８トン／cm²である。成形後２００〜４００℃の範囲で熱処理した。試料はツメ断面部を埋め込み研磨し、ＳＥＭ観察したものである。ＳＥＭ観察すると断面部のみの鉄粉形状が観察できるので、光学顕微鏡より正しい密度が算定できる。また本試料は隙間が多くアルキメデス法による密度測定法は使用できない。

比較例でのプレス成形法によるツメ部１０４の先端aは７８.８％の充填率であり、本実施例でのプレス成形法によるツメ部１０４の先端cは９５.２％の充填率であり、ツメ部１０４の先端で特に密度が向上していることが分かる。

また、比較例でのプレス成形法によるツメ部１０４の根元ｂは８６.５％の充填率であるのに対し、本実施例でのプレス成形法によるツメ部１０４の根元ｄは９８.３％の充填率であり、こちらも本実施例により向上したことが分かる。なお、根元と先端の密度差は比較例でのプレス成形法で７.７％、本実施例でのプレス成形法で３.１％である。

さらに比較例でのプレス成形法によるツメ部１０４の根元には鉄粉が集合して固まった組織が見られ、これが傾いていることから圧縮中の鉄粉の突っ張りが成形に支障となっていることがわかる。これに対し、本実施例では鉄粉粒が壁面に垂直に整列しており、成形法の差を示している。

ところで、別の高密度成形実施法として、４０mm径，厚さ１２mm以上の塊で鉄粉成形し、その後放電加工してツメ部１０４の先端まで高密度化する手法も考えられる。この方法は高価であるが実施は可能である。この方法と本実施例の違いは、ツメ部１０４の根元に型に沿って変形した鉄粉粒が存在することで判定できる。

フランジ外形４０mm内径３２mmフランジ厚２mmとし、ツメ高さ４mm，ツメ先端部厚２mm，根元厚３mmのコアロッドを形成した（アスペクト比２）。この場合、比較例でのプレス成形法と本実施例でのプレス成形法とで、ツメ部１０４の先端と根元の密度差はいずれも２％以下であった。

フランジ外形４０mm内径３２mmフランジ厚２mmとし、ツメ高さ１２mm，ツメ先端部厚１mm，根元厚２mmのコアロッドを形成した（アスペクト比１２）。この場合、比較例でのプレス成形法では先端密度差が１０.２％で、もろく、形成不可であった。本実施例でのプレス成形法によれば、ツメ部１０４の先端と根元の密度差は４.２％で成形は可能であった。

フランジ外形４０mm内径３２mmフランジ厚２mmとし、ツメ高さ４mm，ツメ先端部厚１mm，根元厚２mmのコアロッドを形成した（アスペクト比４）。この場合、比較例でのプレス成形法によるツメ部１０４の先端と根元の密度差が６.５％で、本実施例でのプレス成形法によるツメ部１０４の先端と根元の密度差は４.６％であった。

１０１ コア
１０２ フランジ部
１０３ コイル導線
１０４ ツメ部
２０１ ダイ
２０２ コアロッド
２０３ 上パンチ
２０４ 下パンチ
２０５ リブ

Claims (5)

1. 圧粉体の一方の側面を成形するダイと、圧粉体の他方の側面を成形するコアロッドと、圧粉体の上端面を成形する上パンチと、圧粉体の下端面を成形する下パンチ及びリブとで形成されるダイキャビティ内に粉末を充填し、前記粉末を圧縮して下端面に平坦部とツメ部のある圧粉体を成形する成形方法であって、
   前記下パンチは、前記ダイと隣接して設けられ、
   前記リブは、前記コアロッドと隣接して設けられ、
   前記リブと、前記コアロッドとを前記粉末に対し逆方向に動作させる第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記下パンチ及びリブと、前記コアロッドとを前記粉末に対し同方向に動作させる第２工程とを有する圧粉体の成形方法。
2. 請求項１に記載の圧粉体の形成方法において、
   前記第１工程により、前記圧粉体にツメ部を形成することを特徴とする圧粉体の成形方法。
3. 請求項１または２に記載の圧粉体の形成方法において、
   前記第２工程により、前記圧粉体に平坦部を形成することを特徴とする圧粉体の成形方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の圧粉体の形成方法において、
   前記ツメ部のアスペクト比は４以上であることを特徴とする圧粉体の成形方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の圧粉体の形成方法において、
   前記ツメ部の先端と根元の密度差は５％以下であることを特徴とする圧粉体の成形方法。