JP6303920B2 - 粉末成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，粉末を金型に詰めて加圧することにより成形品を製造する方法に関する。さらに詳細には，金型内への粉末の充填が均一に行われるようにして成形品の品質の安定化を図った粉末成形品の製造方法に関するものである。

従来から，成形品の製造方法の１つとして，粉末を原材料とする金型成形圧縮法が用いられている。同法では，金型の内部に粉末を充填し，加圧して所望の形状の成形体を得る。多くの場合，原料の粉末は金属性で，加圧後の成形体は加熱による焼結工程を経て製品とされる。この金型成形圧縮法に関する従来技術として，特許文献１に記載されている技術が挙げられる。同文献の技術では，金型に対して上方の粉箱から粉末を供給するに際し，粉箱として，その供給口にシャッター機構を備えたものを使用している。そして，粉箱の供給口が金型の上部の開口部と合致した状態で初めてシャッター機構を開くこととしている。これにより，金型内への粉末の充填の均一化を図っている。

特開2006-37219号公報

しかしながら，従来の金型成形圧縮法では，特に近年のダウンサイジング化とともに，金型内への粉末の均一な充填が困難になってきているという問題点があった。製造する成形品のサイズが小さければ当然に金型の内部空間も小さい。このことは，粉箱から金型へ移動する粉末の動きに対する壁効果の支配度が高いことを意味する。このため，粉末が静電気を帯びている場合に，粉末間での，また粉末と金型の壁面との間での静電気力が充填度合いに影響してしまう。特に，成形品１個分でなく多数個分の粉末を収容する大型粉箱を用いる場合には，粉末の静電気の帯電状況が毎回の供給で異なるので，充填度合いがまちまちとなり，品質のばらつきに繋がっていた。上記特許文献１の技術を持ってしても，この問題に対する十分な改善にはなっていなかった。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，金型内への粉末の充填度合いを均一にして，安定した品質の成形品が得られるようにした粉末成形品の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様における粉末成形品の製造方法は，上面に開口部を有する金型に上方から原料粉を供給して前記金型の内部を原料粉で充填する充填工程と，前記金型の内部に充填された原料粉を加圧する加圧工程とを少なくとも行うことにより粉末成形品を製造する方法であって，充填工程では，金型の開口部上を，下面が開口面となっており原料粉を内部に収容している粉箱が通過することで原料粉の供給を行うとともに，粉箱として，通過の方向と交差する方向にゾーン分けされた形状であるとともに，各ゾーンの内部空間の容積配分が，金型の内部空間を粉箱のゾーン分けと同様にゾーン分けした場合の各ゾーンの内部空間の容積配分と比例しているものを用いる。

上記態様における粉末成形品の製造方法では，充填工程にて，粉箱から供給された原料粉が金型内でゾーンを越えて移動するようなことがあまりない。このため，供給時に摩擦により原料粉が静電気を帯びることも少ない。これにより，金型内が原料分により均一に充填されることとなる。このため，出来上がる粉末成形品の品質にばらつきが少ない。

本構成によれば，金型内への粉末の充填度合いを均一にして，安定した品質の成形品が得られるようにした粉末成形品の製造方法が提供されている。

実施の形態で対象とする金型の一例を示す部分切開斜視図である。 図１の金型の平面図である。 図１の金型の断面図である。 図１の金型に対して実施の形態で使用する粉箱の斜視図である。 図１の金型と図４の粉箱との関係を説明する平面図である。 図１の金型における各ゾーンごとのキャビティ容積を示すグラフである。 （比較例）大型の粉箱を用いた場合の個々の成形体の重量の変遷を示すグラフである。 別の実施の形態における金型と粉箱とを示す斜視図である。 粉箱の形状設計の手順を説明するフローチャートである。 図８の金型の平面図である。 金型および粉箱への容積の割り付けを説明する斜視図である。 図８の金型に対して使用する粉箱の形状を示す斜視図である。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。まず，本形態で成形品の製造に使用する金型の一例を，図１〜図３に示す。図１〜図３の金型９０は，全体としては略円柱形状であり，上面に，円形の皿状凹部９１が形成されている。皿状凹部９１の直径は金型９０の全体の直径よりやや小さい。そして，皿状凹部９１の縁辺の３箇所に，皿状凹部９１より深い坑状凹部９２が形成されている。各坑状凹部９２は，金型９０の軸方向と平行にまっすぐに形成されており，その断面形状は，台形を円弧状にやや変形した形状である。皿状凹部９１はもちろん坑状凹部９２も有底であり，金型９０を貫通してはいない。

金型９０において，皿状凹部９１および坑状凹部９２がキャビティであり，その上面の全域が開口部９３となっている。また，図３から分かるように，金型９０の下面側から裏凹部９４が形成されている。裏凹部９４は，金型９０をプレス装置に取り付けるため，および軽量化のための形状である。むろん，皿状凹部９１，坑状凹部９２ともに，裏凹部９４とは繋がっていない。

なお，図１では，金型９０の一部を切開したものを示している。これは，内部に形成されている坑状凹部９２の様子を見せるためである。むろん，実際の金型９０は切開されていない。図２は金型９０の平面図で，図３は金型９０の断面図（図２中のＡ−Ａ位置）である。この金型９０により，皿状凹部９１に由来する円板部と，坑状凹部９２に由来する脚部とを有する形状の成形品が製造される。

本形態では，以下の（１）→（２）→（３）の手順により成形品が製造される。
（１）充填工程
（２）加圧工程
（３）焼結工程

本形態の特徴は，上記の３つの工程のうちの（１）の充填工程にある。本形態の充填工程は，基本的には，擦り切り法による。すなわち，金型９０とは別に粉箱を用い，製造する成形品の原料である粉末を，粉箱に収容しておく。粉箱は下面が開口面となっているものである。金型９０の開口部９３上を粉箱が通過することで，粉箱から金型９０に粉末が供給される。供給された粉末により，金型９０の皿状凹部９１および坑状凹部９２が充填される。この擦り切り法による金型９０の充填の基本は，特許文献１に記載されている通りである（参考：特許文献１の図２）。

ただし本形態においては，同文献で説明されているように粉箱の供給口が金型の上部の開口部と合致した状態で初めて粉末の供給を開始する必要はない。粉箱の移動により金型９０の開口部９３と粉箱の下面（供給口）とが部分的に重なり始めると直ちに粉末の供給が開始されるようにしてもよい。よって本形態では，特許文献１に記載されているような「シャッター機構」を粉箱の下面に設ける必要はない。本形態における充填工程の特徴は，後述するように粉箱の形状にある。

充填工程に引き続く（２）の加圧工程では，金型９０内に充填されている粉末を加圧する。すなわち，適当なプレス装置を用いて，上方から粉末に上パンチを押し当て，金型９０を上向きに，上パンチを下向きに加圧する（参考：特許文献１の図１）。これにより，金型９０内の粉末は，圧縮され，金型９０のキャビティの形状の成形体となる。この成形体をそのまま利用できる用途においてはそのまま製品としてもよいが，多くの場合，この成形体は続く（３）の焼結工程を経て製品とされる。すなわち焼結工程では，加熱により，粉末同士が局所的な溶融により互いに固定され，成形体全体が１つの安定した形状の固形物となる。

続いて，本形態で使用する粉箱について説明する。本形態で金型９０に対して使用する粉箱１０を図４に示す。粉箱１０は，ゾーン１〜４の４つのゾーンに区画される形状を有している。すなわち，ゾーンにより，長さ方向（図４中右上−左下方向）のサイズが違っている。高さ方向（図４中上下方向）のサイズは，どのゾーンでも同じである。幅方向（図４中左上−右下方向）のサイズについては後述する。

粉箱１０は，金型９０に対して決まった方向に移動させて使用されるものである。このことを図５により説明する。図５の平面図において，矢印Ｂが，金型９０に対する粉箱１０の移動方向である。この移動方向Ｂが，前述の粉箱１０の長さ方向に相当する。この移動方向Ｂに対する金型９０の配置も，決まっている。すなわち図５の例の場合，３つの坑状凹部９２のうち２つが移動方向Ｂに対して平行に位置し，残る１つが移動方向Ｂと直行する方向（前述の粉箱１０の幅方向）に最も端に位置するように配置される。このように配置された金型９０のキャビティに対して，ゾーン１〜４は次のように定められている。

ゾーン１：幅方向に最も端に位置し，皿状凹部９１のみが含まれ坑状凹部９２を含まないゾーン。
ゾーン２：皿状凹部９１と２つの坑状凹部９２とを含むゾーン。
ゾーン３：幅方向に端でない位置にあり，皿状凹部９１のみが含まれ坑状凹部９２を含まないゾーン。
ゾーン４：幅方向に最も端（ただしゾーン１とは反対側）に位置し，１つの坑状凹部９２と若干の皿状凹部９１とを含むゾーン。

ただし，この金型９０の配置およびゾーン分けは，一例であり，これに限定される訳ではない。

このゾーン分けに対応して，粉箱１０の各ゾーンのサイズは，次のように定められている。
幅方向サイズ：各ゾーンの幅に一致している。
長さ方向サイズ：粉箱１０の各ゾーンの容積が，各ゾーンにおける金型９０のキャビティの容積と比例するように長さが定められている。

上記の幅方向についての定めより，粉箱１０の全幅は，金型９０のキャビティが幅方向に対して占める全幅と一致していることになる。図５の例ではこれは，皿状凹部９１の直径に等しい。また，長さ方向についての定めより，粉箱１０の各ゾーンの容積が，各ゾーンにおける金型９０のキャビティの容積と比例することが分かる。

上記の粉箱１０の各ゾーンの長さ方向サイズの決定について，図６を用いてさらに説明する。図６のグラフは，金型９０におけるゾーンごとのキャビティ容積を示している。各容積Ｖ１〜Ｖ４について，以下のことが言える。
ゾーン１の容積Ｖ１：深さの浅い皿状凹部９１のみを含み，面積もさほど大きくないので，Ｖ１は小さい。
ゾーン２の容積Ｖ２：深さの深い坑状凹部９２を２つ含むので，Ｖ２はＶ１に比べてかなり大きい。
ゾーン３の容積Ｖ３：皿状凹部９１のみを含むが，面積が非常に大きいので，Ｖ３はＶ２よりもさらに大きい。
ゾーン４の容積Ｖ４：面積そのものはゾーン１より小さいが，坑状凹部９２を１つ含むので，Ｖ４はＶ１よりは大きい。ただしＶ２ほどではない。

むろんこの容積の大小関係も１つの例であり，皿状凹部９１や坑状凹部９２の深さや断面積の関係によっては上記と異なる大小関係となることもある。

粉箱１０の各ゾーンの容積Ｕ１〜Ｕ４は，上記の容積Ｖ１〜Ｖ４と比例する関係にある。すなわち，加圧工程での圧縮を考慮した係数ｋを用いて，
Ｕ１ ＝ｋ×Ｖ１
と表すことができる。容積Ｕ２〜Ｕ４についても同様である。

また，図５から，各ゾーンの幅Ｗ１〜Ｗ４が決定される。さらに，図４中の粉箱１０の高さ方向サイズをＨとすると，各ゾーンの長さ方向サイズＬ１〜Ｌ４が定まる。すなわちゾーン１の長さＬ１について，
Ｌ１ ＝Ｕ１／（Ｗ１×Ｈ）
と表すことができる。長さＬ２〜Ｌ４についても同様である。粉箱１０の形状は，こうして定められたものである。また，粉箱１０の内部には，各ゾーンを仕切る仕切り板があってもよいが，なくてもよい。基本的にはそのような仕切り板はないものとする。

また，上記より，粉箱１０は基本的に，金型９０への供給１回分の原料粉末を収容する小型のものである。このようにして決定された形状の粉箱１０を用いることから，本形態では，供給時の粉箱１０から金型９０への移動の状況がいずれのゾーンでもあまり大きく違わない。特に，粉末が金型９０のキャビティ内に入ってからゾーン間で移動することがほとんどない。これにより，金型９０のキャビティ内のどこでもほぼ一様な充填状況が得られる。この状態で加圧工程に供されるので，出来上がりの製品の品質に部位によるばらつきがほとんどない。

さらに，粉箱１０が小型であることから，加圧工程のプレス装置自体も小型のもので済むことはもちろん，多数の製品を製造する場合の製品間の品質のばらつきも少ない。このことを図７により説明する。図７は，大型の粉箱を用いて同一形状の成形体を連続的に成形した場合の，個々の成形体の重量の変遷を示すグラフである。図７のグラフでは，最初の成形体の重量Ｇ１に対し，後続の成形体の重量は徐々に低下している。そして，約３０番目以降は重量Ｇ２付近でほぼ安定している。重量Ｇ２は重量Ｇ１に対して４〜５％程度軽く，これは小さい差とは言えない。

このような現象が生じる原因は，粉末が静電気を帯びることにあると考えられる。粉箱に粉末が収容されてから，実際に金型への供給が開始されるまでの間にはある程度の待ち時間がある。粉箱への粉末の収容の際にある程度の静電気が発生したとしても，その待ち時間の間に静電気は放電していると考えられる。このため，粉箱から最初に供給される粉末は，ほとんど静電気を帯びておらず流動性が高い。したがって，金型内での充填度が高い。これにより，この時期に得られる成形品は高密度なのである。

しかしながら，粉箱からの粉末の供給が開始されるということは，粉末が移動するということであり，摩擦により静電気が発生する。このために粉箱内の粉末には次第に静電気が溜まってくる。すると，粉末間の静電引力により粉末の流動性が低下するので，金型への充填度は低下していく。このために図７に示した結果となるのである。なお図７から，ある程度粉末の供給が進むと粉末の帯電が飽和し，その状態で安定すると考えられる。また，図７中２００個目のところで一時的に重量が上がっているのは，その時点で粉末の供給を一旦休止したからである。休止中にある程度静電気が放電して帯電量が減少したものと考えられる。図７のような例でも，初期の成形品を排除すれば残りのもの同士でのばらつきは小さい。しかしそれでは必ず無駄が出てしまう。

一方，本形態のように小型の粉箱１０を使用すれば，毎回，図７中の最初の成形品ばかりが得られることになる。このため，品質のばらつきが少なく，無駄もでない製造が可能である。そしてこの効果は，単に粉箱を小型化したことのみにより得られるものではなく，前述の特殊な形状の粉箱１０を使用して初めて得られるのである。単に小型化しただけの粉箱であっては，金型内での粉末のゾーン間移動が起きるからである。

続いて，金型の形状に対して粉箱の具体的形状を設計する例を説明する。この説明例では，図８に示す金型８０に対して，粉箱２０を矢印Ｐの向きに移動させて粉末を供給するものとする。ただし，図８中における粉箱２０は，設計途上での概念段階のものであり，粉箱２０の確定した形状を示すものではない。

図８の金型８０は，図１の金型９０と以下の２点で異なる。第１に，金型８０には，坑状凹部８２が４箇所にあることである（金型９０の坑状凹部９２は３箇所）。第２に，金型８０の皿状凹部８１は，環状であることである（金型９０の皿状凹部９１は円形）。環状の皿状凹部８１の内側には島部８５がある。島部８５の部分はキャビティではない。かかる金型８０からは，環状の皿状凹部８１に由来する穴の開いた円板部と，坑状凹部８２に由来する４本の脚部とを有する形状の成形品が製造される。

粉箱２０の形状設計は，図９に示す手順で行われる。まず，金型８０に対する粉箱の移動方向を決定する（ステップ１）。この決定には，絶対的な方法がある訳ではないが，後にゾーン分けするときに次の２点を満たすゾーン分けができるように移動方向を選択する。
１．１ゾーン内に，キャビティの状況が大きく異なる部位が含まれないこと。
２．全体でのゾーン数があまり多くないこと。

ここでは，図１０に示す金型８０の平面図に対して，矢印Ｐのように移動方向を決定した。図１０中の金型８０は，４箇所の坑状凹部８２が，右上，右下，左上，左下に位置するようにされている。これに対して移動方向Ｐは，図中水平方向に定められている。これは，ゾーン１１〜ゾーン１３の３つのゾーンに分けることを意図した移動方向である。すなわち，２箇所の坑状凹部８２とその間の１箇所の皿状凹部８１とを含むゾーン１１，１３と，島部８５に隔てられた２箇所の皿状凹部８１を含むゾーン１２である。なお，図１０中では，坑状凹部８２に「足」の文字を，皿状凹部８１に「リブ」の文字を当てている。そしてそれらを，移動方向Ｐに対する前後および左右で識別している。

続いて，金型８０におけるキャビティ各部の容積配分を算出する（図９中のステップ２）。すなわち図１１に示すように，金型８０の４箇所の坑状凹部８２をＣ部（右後），Ｄ部（左後），Ｅ部（右前），Ｆ部（左前）とする。また，皿状凹部８１のうち，移動方向Ｐに対し後方側の部分をＪ部，前方側の部分をＭ部とする。各部の容積は，金型８０の形状データから算出できる。

次に，算出した金型の各部の容積に対応して，粉箱２０の各部分要素にの容積配分を割り付ける（図９中のステップ３）。ここでは，粉箱２０を移動させたときの充填順序も考慮する。すなわち，上記のＣ部，Ｄ部，Ｅ部，Ｆ部，Ｊ部，Ｍ部に対応する，粉箱２０における部分要素Ｃ１部，Ｄ１部，Ｅ１部，Ｆ１部，Ｊ１部，Ｍ１部の容積を決定する。この決定は，前ステップで算出したＣ部，Ｄ部，Ｅ部，Ｆ部，Ｊ部，Ｍ部の容積に，前述の圧縮係数ｋを掛けることによる。

次に，粉箱２０への粉末の収容のしやすさをも考慮して，各部分要素Ｃ１部，Ｄ１部，Ｅ１部，Ｆ１部，Ｊ１部，Ｍ１部をゾーンごとに再編する（図９中のステップ４）。個々では前述のゾーン分け（ゾーン１１〜ゾーン１２）に従う。すなわち，各部分要素が次のように各要素に属することとされる。
ゾーン１１：Ｄ１部およびＦ１部のいずれも全部，Ｊ１部およびＭ１部のそれぞれ一部分ゾーン１２：Ｊ１部およびＭ１部のそれぞれ一部分
ゾーン１３：Ｃ１部およびＥ１部のいずれも全部，Ｊ１部およびＭ１部のそれぞれ一部分

つまり，Ｊ１部およびＭ１部は，この段階でさらに幅方向に分割される。これにより，粉箱２０における各ゾーンごとの容積が決まる。本説明例においては，ゾーン１１およびゾーン１３の容積が比較的大きいこととなる。深さの深い坑状凹部８２を２箇所ずつ含むからである。一方，ゾーン１２の容積は小さい。深さの浅い皿状凹部８１のみを含むからである。

最後に，前ステップで求めたゾーンごとの容積に基づき，粉箱２０の具体的形状を決定する（図９中のステップ５）。ここでは，前述の粉箱１０の場合と同様に，粉箱２０の高さ方向サイズを一様とし，長さ方向サイズにより各ゾーンの容積配分を実現するようにした。その結果が図１２である。

すなわち，本形態における粉箱の設計方法は，上面に開口部を有する金型に上方から原料粉を供給して前記金型の内部を原料粉で充填するための，下面が開口面となっている粉箱の設計方法であって，前記金型の内部空間を複数の部位に分割した各分割要素の容積配分を算出する容積配分算出過程と，前記容積配分算出工程で算出された容積配分に基づき，前記粉箱が原料分の供給のために前記金型を移動する方向と交差する方向のゾーンごとの容積配分を決定するゾーン容積配分決定過程と，前記ゾーン容積配分決定過程で決定されたゾーンごとの容積配分を実現するように，前記粉箱における各ゾーンごとの寸法要素を決定する形状決定過程とを有している。

以上詳細に説明したように本形態によれば，粉箱１０，２０として，供給対象たる金型８０，９０の，ゾーンごとの必要供給量に応じた容積をゾーンごとに有する形状のものを用いている。これにより，金型内への粉末の充填度合いが均一になるようにした。したがって，成形品の部位ごとの品質のばらつきが小さく，かつ多数の成形品間での品質のばらつきも小さい粉末成形品の製造方法が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，本実施の形態では，粉箱１０，２０における各ゾーンごとの容積配分を，各ゾーンの長さ方向サイズを調整することで実現している。しかしこれに限らず，各ゾーンの高さ方向サイズの調整により実現してもよいし，長さ方向サイズと高さ方向サイズとの両方を調整して実現してもよい。つまり，長さ方向サイズと高さ方向サイズとの少なくとも一方がゾーンにより異なっていればよいのである。ただし，粉箱の全体高さを抑えプレス機の小形化に対応するためには，粉箱の高さ方向サイズを一律として，長さ方向サイズのみにより容積配分を実現する本形態の手法が最も有利である。高さ方向サイズの小さいゾーンを設けるということは，その部分がデッドスペースになるからである。

また，本形態の粉箱１０，２０では，移動方向の後端側を平坦面として，前端側を凹凸にすることで各ゾーンの長さ方向サイズを実現した。しかしこれに限らず，前端側を平坦面として後端面側に凹凸を設けて同様に各ゾーンの長さ方向サイズを実現してもよい。もちろん，前端面側と後端面側との両方を凹凸面にしてもよい。

１〜４，１１〜１３ ゾーン
１０，２０ 粉箱
８０，９０ 金型
９３ 開口部

Claims (1)

1. 上面に開口部を有する金型に上方から原料粉を供給して前記金型の内部を原料粉で充填する充填工程と，前記金型の内部に充填された原料粉を加圧する加圧工程とを少なくとも行うことによる粉末成形品の製造方法において，
   前記充填工程では，
   前記金型の開口部上を，下面が開口面となっており原料粉を内部に収容している粉箱が通過することで原料粉の供給を行うとともに，
   前記粉箱として，
   通過の方向と交差する方向にゾーン分けされた形状であるとともに，
   各ゾーンの内部空間の容積配分が，前記金型の内部空間を前記粉箱のゾーン分けと同様にゾーン分けした場合の各ゾーンの内部空間の容積配分と比例しているものを用いることを特徴とする粉末成形品の製造方法。

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