JP6248837B2 - インサート部材 - Google Patents

Description

本発明は熱膨張率の相対的に異なる一方の部材に対して他方の部材を組み付けてなるインサート部材に関するものである。

鍛造等の塑性加工や金属粉末の成形固化といった加工においては、成形型やダイス、パンチ等の工具鋼が一般に用いられている。たとえば希土類磁石の製造に当たり、ナノサイズやマイクロサイズの磁性粉末を焼結して焼結体を製作する際に工具鋼が用いられ、さらに、この焼結体に対して磁気的異方性を付与する熱間塑性加工をおこなう際にも工具鋼が用いられる。

工具鋼は一般に鉄鋼材料から形成されているが、たとえばこの形成材料を鉄鋼からセラミックスに置き換えることができれば、工具鋼の摩耗を可及的に抑制することができ、工具鋼の寿命を大幅に延ばすことができる。

しかしながら、鉄鋼に比してセラミックスは高価であることから、工具鋼の全部をセラミックスに置換するのではなくて、一部のみをセラミックスで置換するのが好ましい。そして、このようにセラミックスによる一部置換を実現するには、セラミックス素材の部材と鉄鋼素材の部材をインサート加工等し、インサート部材からなる工具鋼とするのがよい。

このようにセラミックス素材の部材と鉄鋼素材の部材からなるインサート部材にて工具鋼を形成する場合、一般には、一方の部材に設けられた凹部に対して他方の部材に設けられた凸部を常温雰囲気下で圧入する加工がおこなわれる。

ところで、セラミックス素材の部材と鉄鋼素材の部材は相互に熱膨張率が異なることから、このインサート部材からなる工具鋼を高温雰囲気下で使用すると、双方の部材の熱膨張率の相違によって双方を繋ぐ凹部と凸部の大きさや形状が変化し、圧入代が変化する結果、場合によっては圧入固定状態を維持できずに工具鋼が分解もしくは破損する恐れがある。

ここで、特許文献１には、インサート本体に砥石チップを結合してなる工具インサートに関し、インサート本体に対して砥石チップを圧入等によって不可逆的に塑性変形させ、このことによって生じる機械的応力にて保持するようにした工具インサートが開示されている。

この工具インサートによれば、ろう付けによる工具製作の際の費用等の問題を解消できるとしている。しかしながら、相互に熱膨張率の異なるインサート本体と砥石チップに関し、高温時にこの熱膨張率の相違に起因した圧入代の変化によって圧入固定状態が維持できなくなるといった上記課題を解消できるものではない。

特開２０１０−２６４５８６号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、相互に熱膨張率の異なる異種部材同士が常温雰囲気下で組み付けられてなるインサート部材に関し、このインサート部材が高温雰囲気下に置かれた場合でも双方の部材の強固な固定状態を維持することのできるインサート部材を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるインサート部材は、熱膨張率が相対的に異なる第一部材と第二部材からなり、該第一部材と第二部材の一方に凹部が備えてあり、他方に凸部が備えてあり、該凹部に該凸部が圧入されてなるインサート部材であって、常温時における凹部の形状および大きさに対する凸部の形状、大きさおよび位置を、常温時における凸部の相対的な物理量と規定し、インサート部材が晒される高温時における凹部の形状および大きさに対する凸部の形状、大きさおよび位置を、高温時における凸部の相対的な物理量と規定した場合、前記凹部は、前記常温時における凸部の相対的な物理量と前記高温時における凸部の相対的な物理量が含まれる連続した溝となっているものである。

本発明のインサート部材は、熱膨張率の相違する二種の部材同士をそれぞれの凹部と凸部を嵌合させて繋いだものにおいて、凹部に対する凸部の常温時と高温時の相対的な形状、大きさおよび位置を予め特定しておき、それぞれの温度の際の凸部の大きさや形状等を包含する凹部を形成しておくことにより、常温時と高温時で双方の部材の固定状態を維持できるものである。

ここで、「高温時」とは、インサート部材が晒される温度範囲における高い方の温度を意味しており、設計温度によって高温時の温度は変化するものであり、たとえば300℃、600℃等に設定される。

また、本明細書において「物理量」とは既述するように、凹部の形状および大きさに対する凸部の形状、大きさおよび位置のことを意味しており、凹部に対して凸部が圧入される常温時の物理量と設計上の高温時の物理量がある。

さらにここで、「形状」や「寸法」とは、主として凹部や凸部の平面的な寸法や形状を意味しているが、たとえば凹部の深さや凸部の高さなど、高さ方向の寸法や形状も含まれることは勿論のことである。

ここで、第一部材の熱膨張率が相対的に小さな実施の形態、逆に第一部材の熱膨張率が相対的に大きな実施の形態のいずれであってもよく、前者の形態では第一部材がセラミックスから形成され、第二部材が金属から形成されている形態を挙げることができ、後者の形態では、第一部材が金属から形成され、第二部材がセラミックスから形成されている形態を挙げることができる。

また、第一部材、第二部材のいずれか一方が凹部を有し、他方が凸部を有することから、第一部材の熱膨張率が相対的に小さな実施の形態においてはさらに、この第一部材が凹部を有し、第二部材が凸部を有する形態の他に、第一部材が凸部を有し、第二部材が凹部を有する形態がある。同様に、第一部材の熱膨張率が相対的に大きな実施の形態においても、第一部材が凹部を有する形態、第一部材が凸部を有する形態がある。

たとえば、第一部材が第二部材に比して熱膨張率が相対的に小さく、第二部材の具備する凸部が圧入される凹部を具備している形態を例示すると、常温雰囲気から高温雰囲気に温度変化した際に、凹部に対して凸部の熱変形量は大きく、凹部に対して凸部の変形後の寸法は相対的に大きくなり、形状も大きな形状になる。また、常温時と高温時で凸部の位置（たとえば中心位置）も変化し得る。そこで、常温雰囲気下において、所定の平面寸法および形状を有し、常温雰囲気下での第二部材における凸部の絶対位置に対して、設計上の高温時における凸部の平面寸法および形状と、第二部材における凸部の絶対位置を特定しておく。

同様に、常温雰囲気から高温雰囲気に温度変化した際に、第一部材も第二部材と同程度には変化しないものの、当初の形状や寸法が変化することから、変形後の凹部の形状および寸法を特定しておく。

そして、凹部の形状および寸法に関しては、常温時および高温時の２つの温度状態における凹部に対する凸部の相対的な物理量を特定し、この２つの物理量を包含する連続した溝から凹部を構成するものである。すなわち、２つの温度状態における凸部の相対的な物理量を結ぶ奇跡を凹部が包含するものである。

このような凹部をたとえば相対的に熱膨張率が小さな第一部材に形成しておくことで、常温雰囲気と高温雰囲気の間で温度変化した場合でも、凹部においては、凸部が圧入される圧入代を常に確保することができ、温度変化によっても強固な圧入固定状態を維持することができる。

なお、対応する凹部と凸部の組み合わせは多様であり、第一部材と第二部材のいずれか一方に凹部が一つずつあり、他方に凸部が一つずつある形態や、凹部と凸部がそれぞれ二つ以上ある形態などが挙げられる。
また、前記第一部材がセラミックスから形成され、前記第二部材が金属から形成されている実施の形態を挙げることができる。

たとえば、従来の希土類磁石の製造においては、磁粉を焼結して焼結体を製作する場合や焼結体を熱間塑性加工して異方性磁石を製作する場合に用いられるパンチは金属製のパンチであった。このパンチは、材料を直接押圧するプレート部材と押込み部材とから構成されている。このパンチのうち、たとえばプレート部材をセラミックス製の第一部材とし、押込み部材を金属製の第二部材とし、圧入によって双方を組み付けて製作することにより、パンチの耐摩耗性を向上させることができ、パンチの長寿命化を図ることができる。また、パンチの全体をセラミックスに置き換えるのではなくて、その一部のみをセラミックスに置き換えることから、パンチの製作コストが大幅に高騰することもない。

以上の説明から理解できるように、本発明のインサート部材によれば、熱膨張率の相違する二種の部材同士をそれぞれの凹部と凸部を嵌合させて繋いでなる構成において、常温時と高温時における凸部の相対的な形状、大きさおよび位置が含まれる連続した溝から凹部が形成されていることにより、常温時から高温時にかけて双方の部材の強固な固定状態を維持することができる。

本発明のインサート部材の実施の形態であるパンチの斜視図である。 （ａ）はパンチを構成する押込み部材の正面図であり、（ｂ）は図２ａのｂ−ｂ矢視図である。 （ａ）はパンチを構成するプレート部材の平面図であり、（ｂ）は図３ａのｂ−ｂ矢視図である。 凹部の設計方法を説明した図であって、（ａ）はプレート部材の平面図であり、（ｂ）は図４ａのｂ−ｂ矢視図である。 凸部と凹部の他の形態を示した模式図である。

以下、図面を参照して本発明のインサート部材の実施の形態を説明する。なお、図示例の凸部の断面形状は円形であるが、楕円形、多角形等、他の断面形状の凸部であってもよいことは勿論のことである。また、図示例は、第一部材が相対的に熱膨張率が小さくて凹部を具備し、第二部材が相対的に熱膨張率が大きくて凹部に圧入される凸部を具備する形態を示しているが、図示例以外にも、熱膨張率の小さな第一部材が凸部を具備している形態（第二部材が凹部を具備）や、第一部材が相対的に熱膨張率が大きくて凹部を具備している形態（第二部材は熱膨張率が小さくて凸部を具備）、第一部材が相対的に熱膨張率が大きくて凸部を具備している形態（第二部材は熱膨張率が小さくて凹部を具備）などであってもよいことは勿論のことである。

（インサート部材の実施の形態）
図１は本発明のインサート部材の実施の形態であるパンチの斜視図であり、図２ａはパンチを構成する押込み部材の正面図であり、図２ｂは図２ａのｂ−ｂ矢視図であり、図３ａはパンチを構成するプレート部材の平面図であり、図３ｂは図３ａのｂ−ｂ矢視図である。さらに、図４は凹部の設計方法を説明した図であって、図４ａはプレート部材の平面図であり、図４ｂは図４ａのｂ−ｂ矢視図である。

図１で示すインサート部材１０は、第一部材であるプレート部材１に設けられた不図示の凹部に対し、第二部材である押込み部材２に設けられた不図示の凸部が圧入されてその全体が構成されている。

プレート部材１はセラミックスから形成されており、押込み部材２は鉄鋼等の金属から形成されており、押込み部材２に比してプレート部材１は熱膨張率が相対的に小さくなっている。

図２で示すように、押込み部材２の下面２ａには左右に２つの断面形状が円形の凸部２１があり、これら２つの凸部２１が、図３で示すプレート部材１の上面１ａの左右に設けられた凹部１１に圧入される。

図３で示す凹部１１は、プレート部材１の左右端側に大きな円形を収容できる輪郭を有し、プレート部材１の中央側に相対的に小さな円形を収容できる輪郭を有し、さらにこれら左右の輪郭を直線で繋いだ輪郭を呈している。

そこで、このプレート部材１に設けられる凹部１１の形状や寸法の設定方法を図４を参照して説明する。
まず、プレート部材１の上面１ａに、常温時の凸部２１ａの平面寸法および形状を中心点Ｐ１を中心に投影し、同様に、設計上想定される高温時の凸部２１ｂの平面寸法および形状を投影する（中心点Ｐ２）。すなわち、常温時から高温時（最高温度が300℃の場合は300℃の温度雰囲気下）に温度変化することで、凸部２１はその大きさも形状も変化し（図４のＹ方向）、さらには、その中心位置も変化（移動）する（同Ｙ方向）。

投影された凸部２１ａ、２１ｂの外側輪郭を結ぶようにして左右斜め方向に延びる２本の直線を引き、凸部２１ａ、２１ｂの外側輪郭を含む第一設計段階での凹部１１’を製作する。

次に、この凹部１１’に基づいて、凹部１１’よりも寸法が小さく、相似形状の第二設計段階での凹部１１’’を製作する。すなわち、この凹部１１’’は、最終的に決定される凹部１１自身も熱変形することに鑑み、凹部１１’に単に圧入代を加味して最終的な凹部の輪郭を決定するのではなくて、熱変形後の凹部が所望の圧入代を確保するように、たとえば所定の補正係数を乗じて凹部１１’を相似形状で大きさの小さな凹部１１’’を設定する。

第二設計段階での凹部１１’’に対し、この凹部１１’’を常温時の形状および寸法と規定した上で、この凹部１１’’が高温時に温度変化した際の第三設計段階での凹部１１’’’を製作する。

最終的に決定される凹部１１の形状および寸法は、常温時と高温時の凸部２１ａ、２１ｂの大きさや形状、位置に加えて、圧入代を加味して、それぞれの温度雰囲気における凸部２１ａ，２１ｂよりも凹部１１の輪郭が内側にくるように設定されなければならない。

第三設計段階での凹部１１’’’の輪郭の外側に第一設計段階での凹部１１’が存在するが、これら２つの凹部１１’、１１’’’の輪郭の間に、圧入代が加味されてなる凹部１１を製作する。

このようにして製作された凹部１１は、常温時の凸部２１ａと高温時の凸部２１ｂと、凸部２１ａから凸部２１ｂへ熱変形する過程の凸部２１を全て包含する軌跡（輪郭）を基準として、設定された僅かな圧入代の分だけ寸法が小さくされた形状および寸法の溝となっている。

図１で示すパンチ１０（インサート部材）によれば、たとえば材料を直接押圧するプレート部材１と押込み部材２とから構成されているものにおいて、プレート部材１をセラミックス製の第一部材とし、押込み部材２を金属製の第二部材とし、圧入によって双方を組み付けて製作することにより、従来の全体が金属製のパンチの場合に比して特にプレート部材１の耐摩耗性が大きく向上し、パンチの長寿命化を図ることができる。

また、パンチの全体をセラミックスに置き換えるのではなくて、その一部のみをセラミックスに置き換えることから、パンチの製作コストが大幅に高騰することもない。

さらに、熱膨張量の相対的に大きな凸部２１が圧入される凹部１１に関し、この凹部１１の形状および寸法は、圧入加工の際の常温時と設計上の高温時の２つの温度状態における凹部１１に対する凸部２１の相対的な物理量（形状、大きさ、位置）を特定し、この２つの物理量を包含する連続した溝から凹部１１が構成されている。したがって、常温雰囲気と高温雰囲気の間で温度変化した場合でも、凹部１１においては、凸部２１が圧入される圧入代を常に確保することができ、温度変化によっても強固な圧入固定状態を維持することができる。

また、図５は、凸部と凹部の他の形態を示した模式図である。
同図で示すプレート部材１Ａは、線対称で左右それぞれ４つの凹部１１を備えたものである。
このプレート部材１Ａに対しては、相手側の押込み部材の下面に対応する８つの凸部が存在している。

８つの凸部の常温時から高温時の熱変形による軌跡を検証し（同図で示す例では、各凸部が常温時の凸部２１ａから高温時の凸部２１ｂへ斜め方向に変形しながら移動する軌跡を描くことが検証されているとした）、この検証結果に応じて８つの凹部１１をプレート部材１Ａに加工する。

なお、凸部と凹部の基数は図示例以外にも多様な形態が存在するが、いずれの形態であっても、凸部の常温時から高温時の熱変形による軌跡を検証し、圧入代を加味して凹部の形状および寸法が決定される設計方法は同じである。

また、図示を省略するが、凹部を具備するプレート部材が金属製であり、凸部を具備する押込み部材がセラミックス製の場合は、図４で示す双方の相対的な変形量等が異なってくることから（凹部の熱変形量が凸部に比して相対的に大きくなる）、これらの相対的な物理量を加味して凹部の溝の形状や寸法が設定される。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１，１Ａ…第一部材（プレート部材）、１ａ…上面、１１…凹部、１１’… 第一設計段階での凹部、１１’’…第二設計段階での凹部、１１’’’…第三設計段階での凹部、２…第二部材（押込み部材）、２ａ…下面、２１…凸部、２１ａ…常温時の凸部、２１ｂ…高温時の凸部、１０…インサート部材（パンチ）

Claims (6)

1. 熱膨張率が相対的に異なる第一部材と第二部材からなり、該第一部材と第二部材の一方に凹部が備えてあり、他方に凸部が備えてあり、該凹部に該凸部が圧入されてなるインサート部材であって、
   常温時における凹部の形状および大きさに対する凸部の形状、大きさおよび位置を、常温時における凸部の相対的な物理量と規定し、
   インサート部材が晒される高温時における凹部の形状および大きさに対する凸部の形状、大きさおよび位置を、高温時における凸部の相対的な物理量と規定した場合、
   前記凹部は、前記常温時における凸部の相対的な物理量と前記高温時における凸部の相対的な物理量が含まれる連続した溝であるインサート部材。
2. 前記第一部材の熱膨張率が相対的に小さい請求項１に記載のインサート部材。
3. 前記第一部材がセラミックスから形成され、前記第二部材が金属から形成されている請求項２に記載のインサート部材。
4. 前記第一部材の熱膨張率が相対的に大きい請求項１に記載のインサート部材。
5. 前記第一部材が金属から形成され、前記第二部材がセラミックスから形成されている請求項４に記載のインサート部材。
6. 対応する凹部および凸部の組み合わせが一つもしくは二つ以上である請求項１〜５のいずれかに記載のインサート部材。

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