JP6015495B2 - 粉末成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属粉末等を加圧成形する粉末成形装置に関する。

従来、ダイ及び下パンチ等から構成される金型のキャビティに投入された粉末材料を、装置に取り付けられた上パンチと金型の下パンチとの間で加圧成形する粉末成形装置が知られている。
例えば特許文献１に開示された粉末成形装置は、金型機能部として、ダイセットと複数のパンチセットからなるパンチセット群とを備えている。ダイセットは、ダイプレート及び連結ロッドを含み、パンチセットは、パンチプレート及び連結ロッドを含む。また、駆動機能部として、複数のパンチセットにそれぞれ対応する油圧シリンダ群を備えている。この粉末成形装置は、パンチを多段で構成することで、多段の成形品を成形可能である。

特開２００５−２９６９６２号公報

特許文献１の装置では、油圧シリンダ群を、多重の筒状シリンダが中心シリンダを囲むように配置した構成とすることで、装置の高さ方向の小型化を図っている。しかし、金型機能部と駆動機能部とが独立して構成され、金型機能部が駆動機能部の上部に積み重なるように配置されているため、依然として装置の体格が十分に小型化されていない。

ここで、本願と特許文献１との用語の対比について触れておく。特許文献１の「複数のパンチ」に対応するものとして、本願では、主となる１つの「下パンチ」、及びその他の「コア」という用語を用いる。これは、特許文献１では同心階段状の成形品を代表的な実施形態としているのに対し、本願では複数の貫通孔を有する板状成形品を代表的な実施形態としているという違いに由来する。例えば、本願の代表的な実施形態における「コア」は、貫通孔に対応する部分をキャビティから除くための部材である。しかしながら、本願の「下パンチ及びコア」と特許文献１の「複数のパンチ」とは本質的な違いはない。したがって、本願の「下パンチ及びコア」を用いて、特許文献１に記載された同心階段状の成形品を成形することももちろん可能である。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ダイ及び下パンチに加え少なくとも１つのコアを含む金型構成の粉末成形装置において、体格を小型にする粉末成形装置を提供することにある。

本発明は、キャビティに充填された粉末材料を、下パンチと、下パンチと対向するように設けられた上パンチとの間で加圧成形する粉末成形装置に係る発明である。キャビティは、型穴が形成されたダイ、型穴に内挿された下パンチ、及び、型穴の内側に下パンチと分離して設けられた複数のコアによって区画されている。
この粉末成形装置は、ベースプレートと、ダイを支持するダイプレートをベースプレートに対して昇降駆動可能なダイ駆動部と、上パンチを支持する上パンチプレートをベースプレートに対して昇降駆動可能な上パンチ駆動部と、下パンチユニットとを備える。下パンチユニットは、ベースプレートに搭載され、下パンチ、複数のコア、及び、複数のコアを下パンチに対して相対移動させることが可能なコアアクチュエータが一体に組み立てられている。ここで、コアアクチュエータは、例えば油圧シリンダである。
複数のコアは、下パンチの中心軸上に設けられるセンタコア、及び、センタコアの外側に周方向に沿って設けられる複数のサイドコアを含む。
複数のコアアクチュエータは、シリンダ室内を摺動可能なピストン、及び、基端がピストンに結合され、先端がコアのキャビティとは反対側の端部であるフランジ部を固定するコアプレートに結合されたピストンロッドを含む。
下パンチユニットの高さ方向において、サイドコアを駆動するコアアクチュエータのピストンは、センタコアを駆動するコアアクチュエータのピストンと、センタコアのフランジ部との間に配置されている。

本発明の下パンチユニットは、金型機能部としての下パンチ及びコア、並びに駆動機能部としてのコアアクチュエータが、独立して設けられるのでなく、一体に組み立てられている。したがって、金型機能部が駆動機能部の上部に積み重なるように配置された従来技術に対し、粉末成形装置の体格を小型にすることができる。

本発明の粉末成形装置は、装置本体を共通とし、適用する成形品毎に下パンチユニット等を交換することで汎用機として使用することができる。本発明の技術的特徴の要部は下パンチユニットの構成にあることから、下パンチユニットを生産、譲渡等する行為は、本発明の粉末成形装置のみに用いる物を生産、譲渡等する行為に該当すると考えられる。ここで、「のみに用いる」とは、本発明の粉末成形装置に用いる以外に、経済的、商業的又は実用的な他の用途がないことをいう。

本発明の一実施形態による粉末成形装置の全体模式図である。 本発明の一実施形態による粉末成形装置の下パンチユニットの断面図である。 下パンチユニット要部の（ａ）平面図、（ｂ）断面図である。 本発明の一実施形態による粉末成形装置の充填準備工程の模式図である。 同上の充填工程の模式図である。 同上の加圧圧縮工程の模式図である。 同上の抜き出し工程の模式図である。 同上の取り出し工程の模式図である。 （ａ）、（ｂ）：本発明の一実施形態の粉末成形装置によって成形される成形品の模式図である。 （ｃ）、（ｄ）、（ｅ）：本発明のその他の実施形態の粉末成形装置によって成形される成形品の模式図である。

以下、本発明の実施形態による粉末成形装置について図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による粉末成形装置は、焼結工法の前工程として金属等の粉末材料を加圧圧縮成形する装置である。図１に示すように、粉末成形装置１００は、ベースプレート１１、上ラム１２、ガイドポスト１３、ダイ駆動部７０、上パンチ駆動部８０、下パンチユニット２０、その他図示しない支持台、制御盤等を備えた縦型機である。
なお、図１を装置の正面視とすると、側面視はほぼ同様であるため、図示を省略する。また、図１において中心軸Ｏ上に図示された部材は、原則として同軸に配置されている。

ベースプレート１１及び上ラム１２は方形の板であり、四角のコーナーで４本のガイドポスト１３の下部及び上部を支持する。ダイプレート１７及び上パンチプレート１８は、ガイドポスト１３に対応する位置に設けられたスライドガイド１９によって、ガイドポスト１３に沿って昇降可能である。ダイプレート１７は、型穴５１が形成されたダイ５を支持する。上パンチプレート１８は、下パンチ２と対向する上パンチ６を支持する。

ダイ駆動部７０は、ダイプレート１７とタイロッド７２で連結された下部シリンダ７１の動作によって、ダイプレート１７をベースプレート１１に対して昇降駆動可能である。また、上パンチ駆動部８０は、上パンチプレート１８とタイロッド７２で連結された上部シリンダ８１の動作によって、上パンチプレート１８をベースプレート１１に対して昇降駆動可能である。下部シリンダ７１及び上部シリンダ８１として、本実施形態では油圧シリンダが用いられる。

下パンチユニット２０は、ベースプレート１１に搭載され、下パンチ２、サイドコア３及びセンタコア４、並びに、サイドコアシリンダ３７及びセンタコアシリンダ４７等が一体に組み立てられている。
下パンチ２は、ダイ５の型穴５１に内挿される。サイドコア３及びセンタコア４は、端面において下パンチ２の輪郭の内側に下パンチ２と分離して設けられている。すなわち、下パンチ２が型穴５１に内挿された状態で、型穴５１の内側に設けられている。
サイドコアシリンダ３７及びセンタコアシリンダ４７は、特許請求の範囲に記載の「コアアクチェータ」に相当し、それぞれサイドコア３及びセンタコア４を下パンチ２に対して相対移動させる。本実施形態では油圧シリンダが用いられる。

続いて、下パンチユニット２０の詳細な構成について、図２を参照して説明する。
ベースプレート１１上に、センタコアシリンダブロック４７１が固定部材４８によって固定されている。センタコアシリンダブロック４７１の上には、サイドコアシリンダブロック３７１、圧受けシャフト２７、下パンチプレート２６及び下パンチ押え２５が順に積み重ねられ、固定される。下パンチ押え２５及び下パンチプレート２６は、下パンチ２のフランジ部を挟んで固定する。したがって、本実施形態では下パンチ２は不動である。

センタコアシリンダブロック４７１に形成されたシリンダ室４７２にはピストンロッド４７４が結合したピストン４７３が摺動可能に収容されており、これらによってセンタコアシリンダ４７が構成される。センタコアシリンダ４７は、図示しない油圧供給経路からシリンダ室４７２に油圧が供給されることで、ピストンロッド４７４を昇降させる。
ピストンロッド４７４の先端には、センタコア４のフランジ部を挟んで固定するセンタコア押え４５及びセンタコアプレート４６が結合されている。これにより、センタコアシリンダ４７の動作によって、センタコア４を下パンチ２に対して昇降駆動可能である。

サイドコアシリンダブロック３７１に形成されたシリンダ室３７２にはピストンロッド３７４が結合したピストン３７３が摺動可能に収容されており、これらによってサイドコアシリンダ３７が構成される。サイドコアシリンダ３７は、図示しない油圧供給経路からシリンダ室３７２に油圧が供給されることで、ピストンロッド３７４を昇降させる。
ピストンロッド３７４の先端には、サイドコア３のフランジ部を挟んで固定するサイドコア押え３５及びサイドコアプレート３６が結合されている。これにより、サイドコアシリンダ３７の動作によって、サイドコア３を下パンチ２に対して昇降駆動可能である。

また、互いに固定された下パンチプレート２６とサイドコアシリンダ３７との間には、サイドコア押え３５及びサイドコアプレート３６、並びに、センタコア押え４５及びセンタコアプレート４６を貫通するガイドピン４９が設けられている。これにより、センタコア４及びサイドコア３の動作時の位置精度を確保し、傾きやこじれを防止する。
なお、圧受けシャフト２７、ガイドピン４９等は、図２に示される断面以外の箇所を含め、バランスを考慮して複数配置されている。

このように、下パンチユニット２０は、金型機能部としての下パンチ２、サイドコア３及びセンタコア４と、サイドコア３及びセンタコア４を下パンチ２に対して相対移動させる駆動機能部としてのサイドコアシリンダ３７及びセンタコアシリンダ４７とが、平面視における一定の範囲内において積層し、一体に組み立てられている。

ダイ５は、外壁５３がダイプレート１７の穴１７１に嵌合し、フランジ部５６がダイ押え５７に押えられることで、ダイプレート１７に取り付けられる。ダイ５の中心に形成された型穴５１の内壁５２には下パンチ２の外壁２１が嵌合する。装置の初期位置では、ダイ５の端面５４の高さと下パンチ２の端面２４の高さとが一致する。ダイ５の凹部５５は、下パンチ押え２５及び下パンチプレート２６を収容する。
なお、ダイ５は、「ベースプレート１１に搭載される」と定義される下パンチユニット２０自体には含まれない。ただし、下パンチユニット２０を交換するとき、下パンチ２の外径や嵌合長さが変わる場合等には、ダイ５は、下パンチユニット２０とセットで交換される。

下パンチ２上部のさらに詳細な構成を図３に示す。下パンチ２は、外壁２１がダイ５の型穴５１の内壁５２に嵌合している。センタコア４は下パンチ２の中心軸上に設けられ、外壁４１が、下パンチ２の中心軸上に形成されたセンタコア嵌合穴２２に嵌合している。サイドコア３は、センタコア４の外側に周方向に沿って８箇所設けられ、外壁３１が、下パンチ２のセンタコア嵌合穴２２の外側に形成されたサイドコア嵌合穴２３に嵌合している。なお、本実施形態ではサイドコア３は周方向に等間隔に配置されているが、サイドコア３は不等間隔に配置されていてもよい。
装置の初期位置では、サイドコア３の端面３２及びセンタコア４の端面４２の高さは、下パンチ２の端面２４及びダイ５の端面５４の高さと一致する。この高さ位置は、後述するように、ダイ５の端面５４の下限位置ＤＬに相当する。

上記構成による粉末成形装置１００は、図９（ａ）、（ｂ）に示す円板状の成形品Ｐ１を成形する。成形品Ｐ１の外径は下パンチ２の外径に相当する。センタ貫通孔Ｈｃはセンタコア４によって形成され、８個のサイド貫通孔Ｈｓはサイドコア３によって形成される。これらの貫通孔Ｈｃ、Ｈｓを有する成形品Ｐ１を成形し抜き出すための金型は、下パンチ２に対して相対移動可能なセンタコア４及びサイドコア３を設けることが必要となる。
この成形品Ｐ１は、例えば電磁アクチュエータの部材として用いられる。例えばセンタ貫通孔Ｈｃはシャフトの挿通穴として、サイド貫通孔Ｈｓは取付用ボルトの挿通穴として利用される。

次に、粉末成形装置１００による粉末成形工程について、図４〜図８を参照して説明する。図４〜図８は、主に、下パンチユニット２０の下パンチ２、サイドコア３、センタコア４、及びダイ５と、上パンチ６との相対移動によって、粉末材料Ｍから成形品Ｐ１が成形されるまでのプロセスを示している。本実施形態では、これらの各部材のうち下パンチ２は移動せず、サイドコア３、センタコア４及びダイ５と上パンチ６とは、共通の中心軸Ｏに沿って移動する。図中、上昇を「ＵＰ」、下降を「ＤＮ」の文字を付したブロック矢印で示す。なお、各部材を移動させるシリンダの構成については上述の通りであるので、ここでは説明を省略する。
また、下パンチユニット２０における下パンチ２、サイドコア３、センタコア４及びダイ５の各端面２４、３２、４２、５４の下限位置をＤＬ、上限位置をＤＨと示す。

＜充填準備工程＞
図４に示すように、図３（ｂ）に示す初期位置から、まずダイ５の端面５４が上限位置ＤＨまで上昇する。そして、ダイ５の内壁５２と、下パンチ２、サイドコア３及びセンタコア４の各端面２４、３２、４２とで区画された仮のキャビティＣ’に粉末材料Ｍが充填準備として投入される。

＜充填工程＞
続いて図５に示すように、サイドコア３の端面３２及びセンタコア４の端面４２が上限位置ＤＨまで上昇し、下パンチ２の端面２４から突出する。この状態で、ダイ５の内壁５２、下パンチ２の端面２４、サイドコア３及びセンタコア４の外壁３１、４１で区画された空間が真のキャビティＣとなる。この例では、キャビティＣの容積は、サイドコア３及びセンタコア４の突出分に相当する容積だけ仮のキャビティＣ’よりも小さい。したがって、投入された粉末材料Ｍの上面が持ち上がる。図５では、便宜上、粉末材料Ｍの上面が上限位置ＤＨに一致するように図示してあるが、実際の工程では、キャビティＣからあふれ出た粉末材料Ｍの上面を「すり切り」する場合等もある。こうして、粉末材料ＭはキャビティＣに充填される。

＜加圧圧縮工程＞
次に、図６に示すように、上パンチ６が下降する。すると、上パンチ６の外壁６１はダイ５の型穴内壁５２に、上パンチ６のセンタコア嵌合穴６２はセンタコア４の外壁４１に、上パンチ６のサイドコア嵌合穴６３はサイドコア３の外壁３１にそれぞれ同時に嵌合する。この状態で上パンチ６がさらに所定位置まで下降し、所定の温度、圧力下で所定時間維持されることで、粉末材料Ｍは加圧圧縮されて硬化し、成形品Ｐ１となる。

＜抜き出し工程＞
その後、図７に示すように、上パンチ６が元の位置まで上昇し、また、サイドコア３、センタコア４及びダイ５の端面４２が下限位置ＤＬまで下降する。これにより、成形品Ｐ１が下パンチユニット２０から抜き出される。
＜取り出し工程＞
最後に図８に示すように、成形品Ｐ１は、図示しない取り出し手段によって外部へ取り出される。

以上のように、本実施形態の粉末成形装置１００では、ダイ５及び下パンチ２に加え、サイドコア３及びセンタコア４を含む金型構成を採用している。そして、下パンチ２とサイドコア３及びセンタコア４、並びに、下パンチ２とダイ５をそれぞれ相対移動させることができる。そのため、本実施形態の成形品Ｐ１のように、貫通孔Ｈｓ、Ｈｃを有する成形品の抜き出しを適切に行うことができる。

このような金型構成の装置では、ダイ５を駆動する下部シリンダ７１に加え、サイドコアシリンダ３７及びセンタコアシリンダ４７のように複数の駆動機能部が必要となる。そのため、金型機能部及び駆動機能部の配置は、装置の体格を決定する重要な要因となる。その点、本実施形態の粉末成形装置１００は、下パンチユニット２０において、金型機能部と駆動機能部とが平面視における一定の範囲内において積層し、一体に組み立てられているため、従来技術に対し装置の体格を小型にすることができる。

本実施形態の粉末成形装置１００を、多種の成形品を成形する汎用機として使用する場合には、適用する成形品毎に下パンチユニット２０及び上パンチ６、また、必要に応じてダイ５を交換すればよい。そのとき、交換するユニット側で圧縮量に関連する寸法を調整するか、或いはスペーサを用いることで、装置本体の下部シリンダ７１及び上部シリンダ８１のストロークを一定とすることができる。

（その他の実施形態）
（ア）本発明の粉末成形装置を有効に適用可能な成形品の他の例を、図９（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す。
図９（ｃ）に示す成形品Ｐ２は、センタ貫通孔Ｈｃのみを有している。この場合、下パンチユニットは、コアとしてセンタコア４のみを備えればよい。また他の例では、３段以上のコアを備えることにより、成形品Ｐ１に対し、サイド貫通孔Ｈｓの外側にさらに多重のサイド貫通孔を有する成形品等に適用することができる。

図９（ｄ）に示す成形品Ｐ３は、下パンチ２の端面２４に対するセンタコア４の突出量が比較的小さく、成形品に凹部Ｌｍを形成するものである。
図９（ｅ）に示す成形品Ｐ４は、下パンチ２の端面２４よりもセンタコア４の端面４２が低く、成形品に凸部Ｌｐを形成するものである。すなわち、従来技術である特許文献１に記載された同心階段状の成形品に相当する。この成形品Ｐ４に、成形品Ｐ１のような貫通孔Ｈｓ、Ｈｃを組み合わせることも有効である。

（イ）（削除）

（ウ）複数のコアシリンダを備えている場合、対応するコアを時間差で動かしたり駆動ストロークを変えたりする使い方が可能である。これにより、例えば、インサート成形等のように部位によって加圧ストロークや負荷が異なる場合等、成形品に応じた多様な粉末成形を実現することができる。

（エ）下パンチユニット２０のサイドコアシリンダ３７、センタコアシリンダ３７、ダイ駆動部７０の下部シリンダ７１、及び上パンチ駆動部８０の上部シリンダ８１は、上記実施形態のような油圧シリンダに限らず、例えばサーボモータとボールねじを用いた電動アクチュエータ等で構成してもよい。この場合、前進限と後退限のみを規制する２位置のアクチュエータに限らず、ストロークを任意に調節可能なものとしてもよい。ストローク調節可能なアクチェータを用いた場合、下パンチユニット２０等を交換したときの条件変更や、金型摩耗等に伴う微調整が容易となる。
以上、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施することができる。

１００・・・粉末成形装置、 １１ ・・・ベースプレート、
１７ ・・・ダイプレート、 １８ ・・・上パンチプレート、
２０ ・・・下パンチユニット、 ２ ・・・下パンチ、
３ ・・・サイドコア（コア）、
３７ ・・・サイドコアシリンダ（コアアクチュエータ）、
４ ・・・センタコア（コア）、
４７ ・・・センタコアシリンダ（コアアクチュエータ）、
５ ・・・ダイ、 ５１ ・・・型穴、
６ ・・・上パンチ、
７０ ・・・ダイ駆動部、 ８０ ・・・上パンチ駆動部、
Ｃ ・・・キャビティ、 Ｍ ・・・粉末材料。

Claims (2)

1. 型穴（５１）が形成されたダイ（５）、前記型穴に内挿された下パンチ（２）、及び、前記型穴の内側に前記下パンチと分離して設けられた複数のコア（３、４）によって区画されたキャビティ（Ｃ）に充填された粉末材料（Ｍ）を、前記下パンチと、前記下パンチと対向するように設けられた上パンチ（６）との間で加圧成形する粉末成形装置（１００）であって、
   ベースプレート（１１）と、
   前記ダイを支持するダイプレート（１７）を前記ベースプレートに対して昇降駆動可能なダイ駆動部（７０）と、
   前記上パンチを支持する上パンチプレート（１８）を前記ベースプレートに対して昇降駆動可能な上パンチ駆動部（８０）と、
   前記ベースプレートに搭載され、前記下パンチ、前記複数のコア、及び、前記複数のコアを前記下パンチに対して相対移動させる複数のコアアクチュエータ（３７、４７）が一体に組み立てられた下パンチユニット（２０）と、
   を備え、
   前記複数のコアは、前記下パンチの中心軸上に設けられるセンタコア（４）、及び、前記センタコアの外側に周方向に沿って設けられる複数のサイドコア（３）を含み、
   前記複数のコアアクチュエータは、シリンダ室（３７２、４７２）内を摺動可能なピストン（３７３、４７３）、及び、基端が前記ピストンに結合され、先端が前記コアの前記キャビティとは反対側の端部であるフランジ部を固定するコアプレート（３６、４６）に結合されたピストンロッド（３７４、４７４）を含み、
   前記下パンチユニットの高さ方向において、前記サイドコアを駆動する前記コアアクチュエータ（３７）の前記ピストン（３７３）は、前記センタコアを駆動する前記コアアクチュエータ（４７）の前記ピストン（４７３）と、前記センタコアの前記フランジ部との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の粉末成形装置。
2. 前記キャビティは、前記型穴の内壁（５２）、前記下パンチの端面（２４）、及び、前記下パンチの端面から突出する前記コアの外壁（３１、４１）によって区画され、
   前記コアの形状に対応する貫通孔（Ｈｓ、Ｈｃ）を有する成形品（Ｐ１、Ｐ２）を成形可能であることを特徴とする請求項１に記載の粉末成形装置。

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