JP2010184293A - 粉体の圧縮成形方法ならびにその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粉体を圧縮して所定の形状に成形した圧縮成形品の内部応力を低下させ、焼成時の収縮を均一化して良質の圧縮成形品を得る。
【解決手段】粉体成形プレス機の上下ラム２、５の少なくとも一方とパンチ３（６）との間に衝撃力発生手段として磁歪アクチュエータ５２を挿入し、所定の静圧による圧縮の後に衝撃力による圧縮を行い、内部応力を低下させる。静圧による圧縮の後、上ラム２の圧下をゆるめ、上ラム２が自重で落下できるようにすると、成形時間を一層短縮できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス、金属等の造粒粉を縦形プレス機において圧縮成形する粉体の圧縮成形方法ならびにその装置に関する。

セラミックス、金属等の造粒粉にワックス等のバインダを混合してプレス機の金型内に充填し、圧縮成形することが行われている。圧縮成形された粉体は、通常焼成炉において焼成処理して機械加工用の超硬チップや精密機械部品等とする。

通常のプレス機のようにクランク機構や油圧機構によって上下パンチをゆっくり昇降させる方法では、粉末間の滑りが悪いため粉体を高密度に成形することが困難であり、また成形品内部の密度分布が不均一となり、好ましくない。

特許文献１には、上または上下ラムに積層形圧電素子を介してパンチを取り付け、金型内に充填された粉体に間欠的な衝撃力を加えることによって所定の形状に成形加工することが記載されている。衝撃力によって粉末間に滑りが発生し、上記の問題点が解消されることが期待される。

図１０は特許文献１に記載されている衝撃式プレス機の一例で、符号１はフレーム、符号１１は中間フレーム、符号２は上ラム、符号２１は上ラム２の昇降機構であるボールねじ、符号２３は積層形圧電素子、符号３は積層形圧電素子２３を介して上ラム２に取り付けられた上パンチ、符号４は中間フレーム１１に固定されたダイ、符号５は下ラム、符号５１は下ラム５の昇降機構であるボールねじ、符号５３は積層形圧電素子、符号６は下パンチである。

圧電素子としては、例えばピエゾ抵抗効果を利用したＰＺＴ（Piezo-electric Transducer）が知られている。この素子は駆動電圧を印加すると高速で変形するセラミックスである。

特開２００４−１７４５９６号公報

特許文献１に記載された粉末成形プレスにおいては、同文献の段落［００３０］にも記載があるように、圧電素子の変位量が数μｍ〜数十μｍと小さいために、複数枚積層する必要があるばかりでなく、スプリングバック量（圧縮時の長さ−圧縮後の長さ）が変位量よりも小さい粉末を対象としないと効果がないという問題点がある。

また、圧電素子に発生する衝撃力は本来方向性を有しないものであるから、これを上下方向の動きに集中させるためには装置上の工夫が必要である。

さらに本発明者らの実験によれば、粉体に衝撃を加える前に予め所定の圧力を加えておかないと、衝撃力が粉体全体に作用せず内部には空隙が残り、均一な圧縮が実現されないことがわかった。

本発明は、これらの問題点を解消し、有効な衝撃力により内部に空隙の残らない均一な粉体の圧縮成形を実現することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、ダイの上下に上パンチ、下パンチを配置し、下パンチとダイで形成される空間内に粉体を充填し、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を圧縮かつ成形する縦形の粉体の圧縮成形方法において、上下ラムの少なくとも一方とパンチとの間に衝撃力発生手段を設け、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を所定圧力まで圧縮した後、前記衝撃力発生手段を作動させて粉体にさらなる圧縮を加えることを特徴とする粉体の圧縮成形方法である。

請求項２に記載の本発明は、ダイの上下に上パンチ、下パンチを配置し、下パンチとダイで形成される空間内に粉体を充填し、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を圧縮かつ成形する縦形の粉体の圧縮成形方法において、上下ラムの少なくとも一方とパンチとの間に衝撃力発生手段を設け、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を所定圧力まで圧縮した後、上パンチの駆動機構により上パンチの圧下をゆるめてから前記衝撃力発生手段を作動させて粉体にさらなる圧縮を加えることを特徴とする粉体の圧縮成形方法である。

請求項３に記載の本発明は、前記の所定圧力までの圧縮と前記の衝撃力発生手段によるさらなる圧縮とを繰り返し行うことを特徴とする請求項１または２に記載の粉体の圧縮成形方法である。

請求項４に記載の本発明は、前記衝撃力発生手段が磁歪アクチュエータである請求項１ないし３のいずれかに記載の粉体の圧縮成形方法である。

請求項５に記載の本発明は、前記衝撃力発生手段によるさらなる圧縮のストロークが、粉体の平均粒径の２倍以上である請求項１ないし４のいずれかに記載の粉体の圧縮成形方法である。

さらに、請求項６に記載の本発明は、ダイの上下に上パンチ、下パンチを配置し、下パンチとダイとで形成される空間内に粉体を充填し、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を圧縮かつ成形するようにした縦形の粉体の圧縮成形装置において、上下ラムの少なくとも一方とパンチとの間に衝撃力発生手段としての磁歪アクチュエータを設けたことを特徴とする粉体の圧縮成形装置である。

また、請求項７に記載の本発明は、ダイの上下に上パンチ、下パンチを配置し、下パンチとダイとで形成される空間内に粉体を充填し、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を圧縮かつ成形するようにした縦形の粉体の圧縮成形装置において、上ラムの駆動機構と上ラムとの間に上下方向の隙間を設けるとともに、上下ラムの少なくとも一方とパンチとの間に衝撃力発生手段としての磁歪アクチュエータを設けたことを特徴とする粉体の圧縮成形装置である。

本発明によれば、圧縮成形時に粉体に衝撃力を加えることにより内部応力が減少し、後工程である焼成処理における熱収縮が均一化して品質が向上するという、すぐれた効果を奏する。

本発明実施例の圧縮成形装置を示す正面図である。 図１の要部である金型回りを示す断面図である。 本発明の圧縮成形方法を説明する説明図である。 図３の圧縮成形におけるワークを示す斜視図である。 本発明実施例におけるパンチ移動距離と抜き出し力との関係を示すグラフである。 本発明実施例におけるパンチの相対速度と摩擦係数との関係を示すグラフである。 本発明実施例における密度と抜き出し力との関係を示すグラフである。 本発明実施例の効果を説明する模式図である。 本発明実施例における上ラム下端付近の部分断面図である。 従来の技術における衝撃式プレス機の正面図である。

まず、本発明の粉体の圧縮成形方法を図３の説明図を用いて説明する。

図３において、符号３は上パンチ、符号６は下パンチ、符号４はダイである。パンチおよびダイの断面を半径ｒ（一例として２ｍｍ）の円柱状とする。粉体であるワークＷは、図４に示すようにこれら金型に囲まれた空間内に充填された円柱形状である。いま仮に上パンチ３を駆動し、下パンチ６は静止しているものとし、上パンチ３の圧縮荷重をＰD、下パンチ６の反力である静止荷重をＰSとすれば、
ＰS ＝ ＰD −（２πｒｈ×摩擦係数×内部応力） ・・・・（１）
である。右辺のかっこ内が摩擦抵抗分である。

圧縮完了後に下パンチ６を上昇させてワークを抜き出すには、上記の摩擦抵抗に打ち勝てばよいから、必要な力、すなわち抜き出し力ＰE は、
ＰE ＝ ２πｒｈ×摩擦係数×内部応力 ・・・・・・・（２）
である。

抜き出し力は実測できる。したがって、摩擦係数がわかれば（２）式によって内部応力を推定できるので、抜き出し力は内部応力、すなわち圧粉体内部の密度均一性の指標と考えることができる。

図５は、抜き出し時のパンチ移動距離と抜き出し力との関係を示すグラフの一例である。鋭く立ち上がった比例部分の最後のピーク値までが静摩擦に相当し、それにつづく低い部分が動摩擦で、動摩擦は静摩擦のおよそ半分である。

一方、摩擦係数と、パンチの相対速度との関係は、指数関数となることが知られている。つまり、片対数グラフで表せば右下がりの直線であるが、通常のグラフで示すと図６のようになる。縦軸に接している値、すなわち速度０のときの値が静摩擦係数であり、右側の値が動摩擦係数に相当する。通常のプレス機ではパンチ速度は毎秒１０〜１００ｍｍ程度であるが、衝撃プレスでは毎秒１ｍにも達する。したがって摩擦係数では衝撃プレスは通常のプレス機の数分の１である。

また、本発明者らの実験によれば、摩擦係数は粉体の種類によって変わるが、同じ粉体であれば圧縮の前後では変わらないことがわかった。

図７は粉体の種類を変えて、衝撃力を発生させないで行った通常の圧縮成形と、衝撃力を付加した圧縮成形との密度と抜き出し力との関係を示すグラフで、（ａ）は炭化タングステン（ＷＣ）造粒粉、（ｂ）はアルミナ粉の場合である。

炭化タングステンは１０μｍ程度の微粉であるが、このままでは細かすぎて充填しにくいため、バインダを混合して５０μｍ程度の大きさにする。これを造粒粉という。

図７のグラフはいずれも破線が通常の圧縮成形、実線が衝撃を付加した圧縮成形である。グラフは右上がりであり、圧縮して密度が高くなると抜き出し力も上昇するわけであるが、同じ密度で比較すると、衝撃を付加することにより２５〜４５％程度抜き出し力が減少しており、密度が高くなるほどその効果は大きい。

ところで、衝撃力は、単にこれを加えたのみで効果があるのではない。実験によれば、予め通常の方法で粉体を圧縮して所定の圧力（予圧）とした上で衝撃力を加えるのがよい。そうでないと折角の衝撃力が十分、粉体全体に伝わらず、表面だけを叩くことになってしまう。好ましい予圧の値は金型の寸法や粉体の種類にもよるが、一般に４．９〜１４．７ＭＰａ（５０〜１５０ｋｇ／ｃｍ^２）の範囲である。これよりも低いと内部の空隙が多すぎて衝撃力を加えても効果がなく、またこれよりも高すぎると内部の空隙を封じ込める結果となってしまい、好ましくない。

衝撃力による圧縮の際のストロークも重要なファクターである。セラミックス等の粉体の平均粒径は５０μｍ程度であるが、ストロークは少なくともこの２倍、すなわち１００μｍ以上が必要である。これ以下の微小なストロークでは、通常の静圧による圧縮と変わらず、衝撃力の効果がない。一方、ストロークは大きいほど好ましい。

この点から、衝撃力発生手段として好ましいのは磁歪素子、あるいは磁歪アクチュエータと呼ばれるものである。１本が長さ約５０ｍｍの棒状で、周囲に配置されたコイルを励磁すると瞬時に２００μｍの変形を生じる。これを２本直列に使用すると４００μｍという大きなストロークを容易に実現することができる。有効に作用したときの衝撃力は９８ＭＰａ（１ｔｏｎ／ｃｍ^２）以上となる。

これに対して、衝撃力発生手段としてＰＺＴを使用する場合は、厚み１ｍｍに対して変形量が０．５μｍ程度と小さいので、ストロークを大きくするための何らかの工夫が必要である。

続いて、本発明の粉体の圧縮成形方法および装置の第１の実施例を図面により説明する。

図１はこの第１の実施例の圧縮成形装置を示す正面図、図２はその要部である金型回りを示す断面図で、各符号は先の図１０において使用したものの他、符号１２は上下ラムが昇降するガイドバー、符号２４は抜き出し力等を測定する圧力センサ、符号５２は励磁することにより変形する磁歪アクチュエータである。なお、圧力センサ２４を上パンチ３側に設けた例を図示してあるが、本発明では、圧力センサ２４は下パンチ６側に設けてもよく、要は、測定すべき圧力に応じて設けてあればよい。

この圧縮成形装置では、下パンチ６と下ラム５との間に磁歪アクチュエータ５２が挿入されているが、磁歪アクチュエータを挿入するのは上パンチ３側でもよいし、上下両方に設けても何ら差し支えない。

つづいて、この第１の実施例における圧縮成形方法を説明する。

前記ボールねじ５１を図示しないモータによって回転させることにより下パンチ６を上昇させてダイ４の中央に下パンチ６を底とするくぼみを作り、下パンチ６とダイ４とで形成されるこの空間内に粉体を表面高さまで充填する。ついでボールねじ２１を図示しない他のモータで回転させることにより上パンチ３を下降させて所定圧力に到達するまで静圧で粉体を圧縮し、しかる後に磁歪アクチュエータ５２を作動させて上下パンチ３，６で囲まれた粉体に衝撃力を加える。

粉体が圧縮され、体積が減少するので、あらためて上パンチ３または下パンチ６を移動させて再度所定圧力に到達するまで静圧で圧縮し、その後に磁歪アクチュエータ５２を作動させて衝撃力を加える。

この操作を必要な回数、例えば１０回ないし２０回繰り返すのである。

最後に下パンチ６を上昇させてワークＷを抜き出す。抜き出されたワークＷのスプリングバックも、静圧による圧縮のみの場合に比較して１／２以下である。

全体が完全に均一に圧縮されると、セラミックス粉の場合なら最初の充填時の１／２、炭化タングステン造粒粉の場合は１／３に体積が減少するが、内部の空隙がなくなり、後工程で焼成処理を行っても収縮に伴う割れ、欠けなどの欠陥を生じることがない、良質の中間製品が得られる。

つぎに本発明の第２の実施例における粉体の圧縮成形方法および装置を図面により説明する。

粉体を衝撃発生手段により瞬間的に圧縮すると、衝撃発生手段を設けた側のパンチは電気信号によって直ちに元の位置に戻るが、圧縮された粉体はスプリングバックによって若干元の体積に戻ろうとする。図８（ａ）はこの状況を時系列で左から右に変化させた模式図である。

はじめに上パンチ３が下降して、粉体を所定の圧力まで静圧で圧縮する。ついで下パンチ６に設けた衝撃発生手段により粉体を圧縮する。次の瞬間、１万分の１秒程度の時間で下パンチ６は元の位置に復帰するが、粉体は圧縮されているので隙間が生じる。粉体のスプリングバックはこれよりも遅れて徐々に進行し、隙間が減少するが、このときの粉体の移動は壁面に対して静止摩擦であるから抵抗が大きく、時間がかかるばかりでなく密度の不均一が発生する。最終的に粉体が圧縮された分の隙間が残る。したがって下パンチ６を上昇させてこの隙間をなくすところまでが１サイクルであり、その後再び左端の状態に戻って２回目の衝撃力が加えられる。

以上の説明で明らかなように、１回の圧縮で生じた隙間をなくすためパンチを移動させるという操作が必要であり、これを繰り返すに際してその分だけ時間がかかる。

この第２の実施例では、この問題点を解消するため上ラムの駆動機構と上ラムとの間に上下方向の隙間を設けるようにした。図９はこの状況を説明する上ラムの駆動機構下端付近の部分断面図で、符号２は上ラム、符号２１は上ラムを駆動するボールねじ、符号２２は上ラム２がボールねじ２１に係止される係止部である。

このような係止構造は、ボールねじ２１によって上ラム２を上昇させるためのものであるが、この実施例ではその係止部分に上下方向に寸法ｇだけの隙間を設けてある。

図８（ｂ）によりその効果を説明する。これは先の図８（ａ）と同様、時系列で左から右に変化させた模式図である。

はじめに上パンチ３が下降して、粉体を所定の圧力まで静圧で圧縮するのは図８（ａ）に示す場合と同じである。つぎにボールねじ２１を逆転して上ラムの圧下をゆるめる。すなわち図９の隙間ｇだけボールねじ２１を上昇させると、上ラム２は自重でボールねじ２１にぶら下がった状態となる。実際は粉体を静圧で圧縮してあるので、上パンチ３はそのまま粉体の上に載っているが、上ラム２の自重が不十分であれば上ラム２にウェイトを追加してもよい。この状態で衝撃力を加える。その場合、上パンチ３の重量が充分大きいので、粉体Ｗおよび上パンチ３が浮き上がることはなく、粉体Ｗに充分、圧縮力が作用する。図８（ａ）に示す場合と同様、下パンチ６は瞬間で元の位置に復帰して一瞬、隙間が発生するが、粉体の上に載った状態にある上パンチ３が自重により落下して、粉体のスプリングバックが発生するのと上パンチ３の下降とが同時に起こり、隙間は残らない。しかも上パンチ３の下降によって粉体の移動が動摩擦の状態で行われるため抵抗が少ないうえ、上下パンチ３，６の荷重差もほとんどなく、図８（ａ）に示す場合のような下パンチ３を移動させる操作が不要であるからサイクルタイムが短縮され、生産性が向上する。

以上の説明で明らかなように、ボールねじ２１との係止部に設ける隙間ｇは衝撃力によって生じる隙間に見合うものであり、例えば０．２ｍｍ程度が望ましい。

１…フレーム、 ２…上ラム、 ３…上パンチ、 ４…ダイ、 ５…下ラム、 ６…下パンチ、 １１…中間フレーム、 １２…ガイドバー、 ２１，５１…ボールねじ、 ２２…係止部、 ２３，５３…積層形圧電素子、 ５２…磁歪アクチュエータ、 ２４…圧力センサ、 Ｗ…ワーク。

Claims (7)

1. ダイの上下に上パンチ、下パンチを配置し、下パンチとダイとで形成される空間内に粉体を充填し、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を圧縮かつ成形する縦形の粉体の圧縮成形方法において、
   上下ラムの少なくとも一方とパンチとの間に衝撃力発生手段を設け、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を所定圧力まで圧縮した後、前記衝撃力発生手段を作動させて粉体にさらなる圧縮を加えることを特徴とする粉体の圧縮成形方法。
2. ダイの上下に上パンチ、下パンチを配置し、下パンチとダイとで形成される空間内に粉体を充填し、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を圧縮かつ成形する縦形の粉体の圧縮成形方法において、
   上下ラムの少なくとも一方とパンチとの間に衝撃力発生手段を設け、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を所定圧力まで圧縮した後、上パンチの駆動機構により上パンチの圧下をゆるめてから前記衝撃力発生手段を作動させて粉体にさらなる圧縮を加えることを特徴とする粉体の圧縮成形方法。
3. 前記の所定圧力までの圧縮と前記の衝撃力発生手段によるさらなる圧縮とを繰り返し行うことを特徴とする請求項１または２に記載の粉体の圧縮成形方法。
4. 前記衝撃力発生手段が磁歪アクチュエータである請求項１ないし３のいずれかに記載の粉体の圧縮成形方法。
5. 前記衝撃力発生手段によるさらなる圧縮のストロークが、粉体の平均粒径の２倍以上である請求項１ないし４のいずれかに記載の粉体の圧縮成形方法。
6. ダイの上下に上パンチ、下パンチを配置し、下パンチとダイで形成される空間内に粉体を充填し、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を圧縮かつ成形するようにした縦形の粉体の圧縮成形装置において、
   上下ラムの少なくとも一方とパンチとの間に衝撃力発生手段としての磁歪アクチュエータを設けたことを特徴とする粉体の圧縮成形装置。
7. ダイの上下に上パンチ、下パンチを配置し、下パンチとダイとで形成される空間内に粉体を充填し、下パンチを上昇、または上パンチを下降させてこの粉体を圧縮かつ成形するようにした縦形の粉体の圧縮成形装置において、
   上ラムの駆動機構と上ラムとの間に上下方向の隙間を設けるとともに、上下ラムの少なくとも一方とパンチとの間に衝撃力発生手段としての磁歪アクチュエータを設けたことを特徴とする粉体の圧縮成形装置。

Images