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二段階加圧成形方法及びその方法に用いられる金型装置 - 特開2008−38230 | j-tokkyo
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【発明の名称】 二段階加圧成形方法及びその方法に用いられる金型装置
【発明者】 【氏名】中尾 昇生

【氏名】荊 勇

【氏名】松村 浩史

【氏名】大西 忍

【氏名】竹内 昭伸

【要約】 【課題】複数の加圧タイミングをもち、製品形状に合わせて加圧タイミングをコントロールしながら効率よく複雑な形状を有する製品を造型することができる二段階加圧成形方法及びその方法に用いられる金型装置を提供する。

【構成】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
成形空間に供給された材料粉末に圧力を加える第一段階の加圧工程と、第一段階の加圧工程と同一方向の加圧であって、かつ第一段階の加圧と比べ、高圧力の加圧を行う第二段階の加圧工程とよりなり、第二段階の加圧工程はせん断破壊部材のせん断破壊によって生じる圧力の変動工程を有することを特徴とする二段階加圧成形方法。
【請求項2】
せん断破壊部材のせん断破壊によって生じる圧力の変動工程が材料粉末に対する加圧領域の変動工程である請求項1に記載の二段階加圧成形方法。
【請求項3】
前記成形空間が金型装置の材料粉末成形空間である請求項1に記載の二段階加圧成形方法。
【請求項4】
成形空間に収納された粉末を加圧する加圧部材と、その加圧部材に加圧力を付勢するせん断破壊部材とを有することを特徴とする金型装置。
【請求項5】
加圧部材に加圧力を付勢するせん断破壊部材は前記加圧部材に対して所定以上の加圧力を付勢することによってせん断破壊する請求項4に記載の金型装置。
【請求項6】
前記加圧部材が粉末を収納する成形空間を形成するダイスに配置されるパンチである請求項5に記載の金型装置。
【請求項7】
前記せん断破壊部材は前記パンチの基端部を支持する板状部材であり、前記板状部材の前記パンチ基端部との当接側面とは逆側の側面にて前記板状部材を支持する支持部材が設けられ、前記パンチの基端部と前記板状部材との当接位置の外側位置であって、前記パンチの基端部と前記板状部材との当接位置の中心位置を介して対称となる少なくとも二点位置が前記支持部材によって支持されてなる請求項6に記載の金型装置。
【請求項8】
前記成形空間に収納された粉末を通電加熱するための電極を備えてなる請求項4に記載の金型装置。

【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の加圧手段の加圧力によって成形空間に収納された粉末を圧縮する二段階加圧成形方法及びその方法に用いられる金型装置に関する。
【背景技術】
【0002】
図4は金属粉末に通電しその抵抗により発生するジュール熱により加熱し、加圧装置で加圧する金型装置であるところの通電加熱焼結装置の基本構成を示す。図4に示される様に内部に材料粉末3を入れる空間を有する円筒状のダイス2には、材料粉末3に電流と圧力を伝達するパンチ5a,5bが嵌合している。パンチ5a,5bを挟むように電極10a,10bが設けられ、それぞれが電源装置8に接続している。電極10aの下部には油圧装置(図示せず)が設けられ、電極10a,10b、パンチ5a,5bを介して材料粉末3が油圧装置加圧される。ダイス2やパンチ5a,5bは高温強度に優れ、材料粉末3が付着しにくい黒鉛で構成されている。なお、ダイス2、パンチ5a,5b、電極10a,10b等は真空チャンバ(図示せず)内に設けられ、焼結作業は、真空、不活性ガスや還元ガス等の非酸化雰囲気で行われる。
【0003】
このような通電加熱焼結装置を適用して、例えばアルミニウムダイカスト金型等を製造する場合、金属粉末をジュール熱により、短時間に焼結して製品が得られる。そのため、きわめて効率よく精度の高いアルミニウムダイカスト金型の製造が可能となることが期待されている。
【0004】
係る通電加熱焼結装置に関し、特許文献1には試料の温度を精度よく制御するという課題の下に、図5に示す様に、ダイス2に材料粉末3を入れ、材料粉末3の上下に設けた電極10a,10bにより通電する通電加熱焼結装置であって、材料粉末3の上下のいずれかと電極10a,10bの間に材料粉末3より大きな抵抗の発熱体9を設けるという通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置が開示された。
【0005】
しかし、以上の特許文献1に開示された通電加熱焼結装置やその他の従来の金型装置では、ただ単にパンチ5a,5bから材料粉末3に加圧力を加えて材料粉末3に対する加圧、圧縮を行うのみであり、この手法では成形体が特に凹凸のない基本的な円盤若しくは円柱形状である場合にはほぼ全体として均一密度の成形体を製造することができる。しかし、成形体がコップ状の凹凸のある成形体(リブ付き成形体)である場合には、パンチ5a,5b側に段差を設け、成形体の側壁と底面を同時に成形するため、得られる成形体の底面部分は十分に圧縮することができるとしても、側壁部分は十分に圧縮することはできない。
【0006】
すなわち特許文献1に記載の通電加熱焼結装置では一軸の加圧である結果として、リブ等を有する複雑形状の成形体を製造する場合には材料粉末3内の圧力分布を均一とすることはできず、凹部を形成し圧力伝播しやすい材料粉末3は高密度となり、リブ部分等の凸部分となる圧力伝播のしにくい材料粉末3は低密度となっていた。
その結果、従来の金型装置では、局所的に密度の低い部分ができるなど、均一な密度の成形体を得ることができず、複雑な形状、例えば高低差の大きい成形体を均一な高密度に仕上げると言うことは困難であった。
【0007】
【特許文献1】特開2000−73103号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、以上の従来技術の問題に鑑みてなされたものであって、複雑な形状を有する製品であっても可及的に均一な密度にして効率よく造型することができる二段階加圧成形方法及びその方法に用いられる金型装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
以上の目的を達成する本発明の二段階加圧成形方法は、成形空間に供給された材料粉末に圧力を加える第一段階の加圧工程と、第一段階の加圧工程と同一方向の加圧であって、かつ第一段階の加圧と比べ、高圧力の加圧を行う第二段階の加圧工程とよりなり、第二段階の加圧工程はせん断破壊部材のせん断破壊によって生じる圧力変動工程を有することを特徴とする。
【0010】
前記せん断破壊部材のせん断破壊によって生じる圧力変動工程は材料粉末に対する加圧領域の変動工程とすることができる。
【0011】
前記成形空間が金型装置の材料粉末成形空間であるようにすることができる。
【0012】
また本発明の金型装置は、成形空間に収納された粉末を加圧する加圧部材と、その加圧部材に加圧力を付勢するせん断破壊部材とを有することを特徴とする。
【0013】
加圧部材に加圧力を付勢するせん断破壊部材は前記加圧部材に対して所定以上の加圧力を付勢することによってせん断破壊する様にすることができる。
【0014】
前記加圧部材は粉末を収納する成形空間を形成するダイスに配置されるパンチとすることができる。
【0015】
前記せん断破壊部材は前記パンチの基端部を支持する板状部材であり、前記板状部材の前記パンチ基端部との当接側面とは逆側の側面にて前記板状部材を支持する支持部材が設けられ、前記パンチの基端部と前記板状部材との当接位置の外側位置であって、前記パンチの基端部と前記板状部材との当接位置の中心位置を介して対称となる少なくとも二点位置が前記支持部材によって支持される様にしても良い。
【0016】
また本発明の金型装置は、前記成形空間に収納された粉末を通電加熱するための電極を備えてなる様にすることができる。
【0017】
[作用]
以上の本発明の二段階加圧成形方法及びその方法に用いられる金型装置によれば成形空間に収納された粉末を加圧し、成形して成形体となす過程でせん断破壊部材のせん断破壊によって生じる圧力変動のタイミングをコントロールすることによって所望のタイミングで第二段階目の加圧を開始して成形の進行状況に合わせた加圧を行い、必要な部位に効率よく圧力を加え、可及的に均一な密度の成形体の製造を行うことができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明の二段階加圧成形方法及びその方法に用いられる金型装置によれば、部位によって大きな高低差のある成形体も、可及的に均一な密度に効率よく造型することができる。また複数の加圧工程の加圧の切り替えに手作業は不要であり、せん断破壊部材のせん断破壊によって生じる圧力変動のタイミングをコントロールすることによって所望のタイミングで第二段階目の加圧を開始することができる。したがって、本発明の金型装置によれば特にシリンダ等による複雑な機構を付加することなく部品点数が少なく低コストなハンドリングの良い比較的簡単な構造によっても複数の加圧軸を用いた複数の加圧タイミングによる二段階加圧成形を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
[実施の形態1]
以下、本発明の実施の形態1の金型装置1を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の実施の形態に係る金型装置1の概略構成図である。
図1に示すように、金型装置1はグラファイトによって構成されている円筒状のダイス2を備え、ダイス2は材料粉末3を加圧成形するための成形空間4を有する。ダイス2の成型空間4に材料粉末3が充填された状態でダイス2内側には上方向からパンチ5aが装入され,下方向から加圧部材としてのパンチ5bが装入される。
【0020】
パンチ5aの上側面には電極10aが配置され、一方、パンチ5bの下方にはダイス2及びパンチ5bに通電可能に電極10bが配置される。
電極10aと電極10bは共に良導体であり、また電極10a,10bは油圧装置1aによって加圧可能にされており、油圧装置1aによって電極10a,10b、パンチ5a,5bを介して材料粉末3が上下方向から加圧される。また、電極10a,10bには電源装置8が接続されている。以上の油圧装置1a及び電源装置8は制御装置7によって制御される。
【0021】
ダイス2はパンチ5bの挿入口を有して成型空間4の底面を構成するダイス下縁部2aを具えており、成型空間4はダイス2側部とダイス下縁部2a及びパンチ5a,5bによって形成される。
またパンチ5bの外側のダイス下縁部2aと電極10b間には加圧部品50aが配置され、ダイス下縁部2aには電極10b及び加圧部品50aを介して油圧装置1aの油圧が加えられる。
【0022】
また加圧部品50aの内側にはパンチ5bの基端部を支持するせん断破壊部材としての板状部材51が支持部材としての加圧部品50bによって支持されて配置され、パンチ5bには電極10b、加圧部品50b及び板状部材51を介して油圧装置1aの油圧が加えられる。
以上の様に構成される本実施の形態の金型装置では、加圧部材であるパンチ5bの基端部を支持して加圧力を付勢する板状部材51がパンチ5bへの加圧力が所定値以上となった場合にせん断破壊する。
【0023】
具体的には、加圧部品50bは板状部材51のパンチ5bの基端部に対する当接側面51aとは逆側の側面51bにて板状部材51を支持する様に配置され、またその配置の態様は、パンチ5bの基端部と板状部材51との当接領域の中心位置を介して対称となる二点位置において板状部材51が加圧部品50bによって支持される態様とされる。
この様な位置関係でパンチ5bを支持する板状部材51及び加圧部品50bが配置される結果、圧力の変動が生じるタイミングは、板状部材51がせん断破壊してパンチ5bの支持を解除するタイミングとして設定される。
【0024】
制御装置7の制御に応じて電源装置8から電極10a,10bに通電され、これにより電極10a,10bの端面に接触して配置されたパンチ5a,5b、ダイス2、材料粉末3という通電回路が形成され、これにより発生するジュール熱によってパンチ5a,5bを介してダイス2、材料粉末3が加熱されて焼結が進行する。なお、ダイス2には温度センサ(図示せず)が取り付けられており、この温度センサによって検知される温度に基づき制御装置7によって電源装置8をコントロールして、ダイス2、材料粉末3に加えられる電流が制御される。
【0025】
さらに制御装置7には電極10a,10b、パンチ5a,5bを加圧する油圧装置1aから常時パンチ5a,5bの位置情報が入力されており、他方、制御装置7からは油圧装置1aに電極10a,10b、パンチ5a,5bに対する加圧の程度・速度等の制御情報が入力される。
【0026】
なお、図示される様に電極10a,10b、パンチ5a,5b、ダイス2は、真空チャンバ14内に収容される。また前記ダイス2の材料としては、高温時の強度が高く、且つ材料粉末3等が付着し難いグラファイトが一般に用いられている。
【0027】
また、上記パンチ5aは、ダイス2の成形空間4に密に嵌合する形状を有していて、このために、前記パンチ5a,5bは黒鉛にて形成されているダイスと略同等の熱膨張率を有する構成とする。
【0028】
次に図2及び図3を参照して以上の本発明の実施の形態1の金型装置を用いて行われる本発明の二段階加圧成形方法の実施の形態として行われる通電加熱焼結方法につき説明する。
図2は、図1に示す金型装置を用いて行う二段階加圧成形方法の実施の形態として行われる通電加熱焼結方法のフローチャートであり、図3は図2に示すフローチャートによって進められる本発明の実施の形態の二段階加圧成形方法として行われる通電加熱焼結方法をさらに詳細に説明する説明図である。
【0029】
まず、ダイス2の成形空間4にパンチ5bを挿入して電極10bによって支持した状態において、金属やセラミック等の材料粉末3を上方から前記成形空間4内に供給する(Step1)。そして、成形空間4に上方からパンチ5aを挿入する(Step2)。
【0030】
この状態においてパンチ5a,5b及びダイス2を収納した真空チャンバ14内を真空状態、または不活性ガス雰囲気、あるいは水素ガス等の還元ガス雰囲気とする(Step3)。
次に、油圧装置1aによって電極10b、加圧部品50b及び板状部材51を介してパンチ5bに図1上矢印Yで示す方向の圧力を加え、同時に加圧部品50aを介してダイス下縁部2aにやはり矢印Yで示す方向の圧力を加える(Step4)。
【0031】
また、電極10aと電極10bの間に電圧を印加することにより、電極10aと電極10bを通してパンチ5a,5b及びダイス2内の材料粉末3に電流を流し、材料粉末3のジュール発熱により、材料粉末3を高温に加熱する(Step5)。これにより、材料粉末3は加圧されるとともに高温に加熱されて結合し易い状態となり、焼結されて加圧焼結体となる。
【0032】
以上の材料粉末3を高温に加熱すると共に加圧するStep4及びStep5の焼結過程においては本実施の形態の通電加熱焼結方法では次の様にして材料粉末3に対する加圧が行われる。
図3(A)に示す様に、Step4及びStep5の焼結過程における加圧は先ず油圧装置1aによって電極10b、加圧部品50b及び板状部材51を介してパンチ5bに図1上矢印Yで示す方向の圧力を加え、同時に加圧部品50aを介してダイス下縁部2aにやはり矢印Yで示す方向の圧力を加えることによって行われる。
【0033】
図2においてStep5−1として示すと共に図3(A)に示す第一段階の加圧は低圧力によって行われ、その間、電極10b、加圧部品50b及び板状部材51、パンチ5b、加圧部品50a、ダイス2は図1上矢印Yで示す方向に移動して第一段階の変位を生じ、これによって成形空間4内の材料粉末3にはパンチ5b及びダイス下縁部2aからの圧縮力が加わる。
図3(A)に示す第一段階の加圧におけるパンチ5bの移動量はパンチ5bと同一距離変位するダイス2と電極10aとの間隔の変化を測定することによって、特定することができる。この第一段階の加圧は、例えば加圧力20〜25kN程度として行う。
【0034】
この第一段階の加圧によってパンチ5bは加圧部品50b及び板状部材51によって保持された状態で上側に変位し、材料粉末3を通電加圧焼結した後に得られる焼結体の内側底部、すなわちインロー部分を加圧する。また、その間、加圧部品50aは常にダイス2と接触しており、パンチ5bの移動と同時に並行してダイス2を加圧し、移動させる。
以上の第一段階の加圧によって、パンチ5bがインロー部分を十分に圧縮した時点で電極10bを介して加えられる圧力を増加し、第二段階の加圧に移行する。
【0035】
図2においてStep5−2及びStep5−3として示すと共に図3(B)に示す第二段階の加圧は第一段階の加圧と同一方向の加圧とし、かつ第一段階の加圧と比べ、高圧力の加圧とする。
この第二段階の加圧における加圧力は例えば50kN程度とする。
【0036】
この第二段階の加圧の時点ではインロー部分が第一段階の加圧によって既に十分に焼結しているため、パンチ5bは焼結体から図1上矢印Xで示す方向の抗力を受ける。その抗力の大きさが加圧部品50bに支持された板状部材51がせん断破壊を起こす限界値を超えると、加圧部品50bに支持された板状部材51が破損し、板状部材51によるパンチ5bの支持が解除される。このせん断破壊によって生じる圧力変動タイミングにおいて、図3(C)に示す様に、パンチ5bは、その基端部が加圧部品50bの最下方位置近傍に到達して、制動されるまで図1上矢印Xで示す方向への移動を開始する。
【0037】
その様にパンチ5bが図1上矢印Xで示す方向に移動する間は、パンチ5bによるインロー部分への加圧は解除され、電極10bを介して加えられる加圧力は専ら加圧部品50aからダイス下縁部2aとパンチ5a間の材料粉末3に対する圧縮力として作用し、成形体であるところの焼結体15の側壁部分、すなわちリブのみの加圧が行われる。したがって本実施の形態では板状部材51のせん断破壊によって生じる圧力変動は材料粉末3に対する加圧領域の変動とされる。
【0038】
以上の図3に示す材料粉末3の焼結・加圧過程において、パンチ5aによって加えられる矢印X方向の圧縮力は材料粉末3の上部全面に対する加圧力であるのに対し、パンチ5bによって加えられる矢印Y方向の圧縮力は焼結体15の内側底面中央部分に対する加圧力であり、さらにダイス下縁部2aによって加えられる矢印Y方向の圧縮力は得られる焼結体15の側壁部分、すなわちリブに対する加圧力とされる。したがって以上の実施の形態の焼結方法による加圧の態様は、目標とする最終形状に応じて相互に異なる3軸加圧として構成される。
【0039】
以上の過程で本実施の形態の焼結が終了する(Step6)。40 焼結終了後の冷却過程では、油圧装置1aによって電極10a,10b、パンチ5a,5bに加えられる加圧力を下げて行き、さらに真空チャンバ内の真空状態を解除し(Step7)、上側パンチ5aを引き出し(Step8)、焼結工程を終了する。
【0040】
以上の実施の形態の金型装置によれば、特に、リブ付き焼結体15を製造する場合には底面を加圧するパンチ5a,5bと側壁部分を加圧するダイス下縁部2aとによってそれぞれ独立して粉末を加圧することができる結果、パンチ5a,5bとダイス下縁部2aの相対位置関係、すなわちパンチ5a,5bとダイス下縁部2aのそれぞれによって加えられる加圧力を適切に制御することによって全体として可及的に均一な密度のリブ付き焼結体15を効率的に製造することができる。
しかも、加圧力の変動タイミング設定機構を構成する板状部材51の厚さ、材質強度等をコントロールすることによって、板状部材51のせん断に必要な圧力を所望に設定して、底面を加圧する第一段階の加圧から側壁部分を加圧する第二段階の加圧への切り替えを所望のタイミングで開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明の実施の形態に係る金型装置の概略構成図である。
【図2】図1に示す金型装置を用いて行う本発明の二段階加圧成形方法の実施の形態として行われる通電加熱焼結方法のフローチャートである。
【図3】図2に示すフローチャートによって進められる焼結方法をさらに詳細に説明する説明図である。
【図4】従来の金型装置の概略構成図である。
【図5】従来の金型装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【0042】
1・・・金型装置、2・・・ダイス、2a・・・ダイス下縁部、3・・・材料粉末、4・・・成形空間、5・・・パンチ、7・・・制御装置、8・・・電源装置、10・・・電極、14・・・真空チャンバ、15・・・焼結体。
【出願人】 【識別番号】393026283
【氏名又は名称】株式会社松村精型
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【出願日】 平成18年8月9日(2006.8.9)
【代理人】 【識別番号】100095740
【弁理士】
【氏名又は名称】開口 宗昭


【公開番号】 特開2008−38230(P2008−38230A)
【公開日】 平成20年2月21日(2008.2.21)
【出願番号】 特願2006−217578(P2006−217578)