説明

セラミックスシート打抜き金型

【課題】本発明は、除去すべき余肉の少ないセラミックス球体を高能率に製造可能な製造方法に適用できる打抜き金型を提供することを、その目的としている。
【解決手段】本発明は、セラミックス粉末と前記セラミックス粉末を結合する結合剤とを含む原料体から球体を打抜く打抜き金型であって、凹部を有する第1の型と、凹部を有する第2の型と、前記第1の型および第2の型の各々の凹部の組合せにより形成されるキャビティーとを有し、打抜方向に沿う前記キャビティーの断面形状は、打抜方向が長軸である略楕円形状をなしていることを特徴とする打抜き金型である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、セラミックスシートから球体を打ち抜くセラミックスシート打抜き金型に関する発明である。
【背景技術】
【0002】
ベアリング用ボールを代表的な用途とするセラミックス球体の製造方法の一例が、下記特許文献1に開示されている。特許文献1には、「セラミック粉末を球状に予備成形した予備成形体をゴム型内に収容し、該ゴム型を介して内部の予備成形体を加圧することによって該予備成形体を高密度化した球状成形体を得る成形工程と、その球状成形体を焼成する焼成工程とを含み、前記予備成形体を収容するゴム型のゴムの硬さが65以下であることを特徴とするセラミックボールの製造方法」が開示されている。なお、予備成形体の形成方法としては、金型プレス成形が例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2002−36216号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記特許文献1に開示された、セラミックス粉末を金型プレス成形により成形した予備成形体を冷間静水圧プレス(CIP)成形で高密度化するセラミックス球体の製造方法は、現在、耐摩耗性と耐破損性が必要とされるベアリング用ボールに使用されるセラミックス球体の製造方法として広く利用されている。しかしながら、かかる製造方法によりセラミックス球体を製造するためには、セラミックス粉末を球状化するための金型プレス成形と、金型プレス成形で形成された予備成形体に存在する空孔や予備成形体の密度ムラを低減するためCIP成形と、二の成形工程を経る必要があり、製造工程が長期となるとともにセラミックス球体の製造コストが高くなるという問題があった。そして、近年の環境問題への対応からセラミックス製ベアリング用ボールの需要が上昇しており、高効率なセラミックス球体の製造方法の開発の要請が高まっている。
【0005】
また、特許文献1のセラミックス球体の製造方法のように、金型プレス成形でセラミックス球体を形成した場合には、いわゆる「帯」と呼ばれる、その中央部を包囲するように球面から環状に突起する部分が必然的に形成される。この帯は製品とならない余肉であるため、通常、焼結後に研削等で除去加工されているが、焼結後のセラミックスは難加工材であるため除去加工に長時間を費やす必要があり、除去すべき余肉の少ないセラミックス球体の製造方法の開発が要請されていた。
【0006】
本発明は、上記従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、除去すべき余肉の少ないセラミックス球体を高能率に製造可能な製造方法に適用できる打抜き金型を提供することを、その目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成する、本発明の態様は、セラミックス粉末と前記セラミックス粉末を結合する結合剤とを含む原料体から球体を打抜く打抜き金型であって、凹部を有する第1の型と、凹部を有する第2の型と、前記第1の型および第2の型の各々の凹部の組合せにより形成されるキャビティーとを有し、打抜方向に沿う前記キャビティーの断面形状は、打抜方向が長軸である略楕円形状をなしていることを特徴とする打抜き金型である。
【0008】
なお、上記態様の打抜き金型において、打ち抜かれた球体の変形を防止するためには、前記第1の型および第2の型の少なくとも一方に、前記キャビティーに連通する脱気孔を有することが望ましい。
【0009】
上記脱気孔を有する態様の打抜き金型において、原料体が空気抜き孔に侵入することにより形成された凸部を修正して余肉を減少させるためには、余肉をキャビティー側へ押し付けるため、脱気孔に挿入される先端面を備えた挿入部材を有することが好ましく、さらに前記挿入部材の先端面は、前記キャビティーの内面と滑らかに連結する球面の一部であることが望ましい。
【0010】
また、脱気孔を有する態様の打抜き金型において、脱気孔の開口は、当該脱気孔への前記原料体の浸入は阻止するが空気は流通可能な栓で塞がれていてもよく、その栓の先端面は、前記キャビティーの内面と滑らかに連結する球面の一部であることが、さらに望ましい。
【0011】
さらに、上記態様の打抜き金型において、原料体から球体を円滑に分離するためには、前記第1の型の凹部および第2の型の少なくとも一方の凹部の周囲には、略円環状の突起部が設けられていることが望ましい。
【0012】
加えて、弾性による球体の変形を防止するためには、前記原料体はバインダーとして熱硬化性樹脂を含み、前記第1の型および第2の型の少なくとも一方を加熱する加熱手段を有することが望ましい。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、その課題を解決することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明に係わる第1態様の打抜き金型が組み込まれたセラミックス球体製造装置の概略構成図である。
【図2】図1のA部の拡大した正面断面図である。
【図3】図2の打抜き金型のキャビティーが球状である場合に生じる不具合を説明する図である。
【図4】図2の打抜き金型の動作を説明する図である。
【図5】図2の打抜き金型の別の態様の正面断面図である。
【図6】本発明に係わる第2態様の打抜き金型の正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明について、その第1態様および第2態様に基づき、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、セラミックス球体を形成する原料である原料体として、略平板状のセラミックス成形体であるセラミックスグリーンシートを利用しているが、原料体の形態はこれに限定されず、原料体は、セラミックス粉末とセラミックス粉末を結合する結合剤とを含む固形状の形態であればよい。さらに、本発明は、第1態様および第2態様に限定されることなく、その技術的思想において同一の範囲において適宜変形して実施することが可能である。
【0016】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態について、図1〜4に基づき説明する。まず、概略構成図である図1を参照して、本発明に係わる第1態様の打抜き金型(以下、端に金型と言う場合がある。)が組み込まれたセラミックス球体製造装置10について説明する。
【0017】
セラミックス球体製造装置10は、図1において左側である上流に配置され、原料体である未焼成のセラミックスグリーンシート(以下、単にシートと言う場合がある。)Wをその先端のダイから右方に向かい連続的に押出成形するオーガ型の押出成形部10bと、押出成形分10bから供給されたシートWを下流側である右側へ搬送する複数の送りローラ10cと、送りローラ10cにより搬送された打抜原料であるシートWを打抜き、球体(セラミックス球体)を形成する打抜部10aとで構成されている。なお、略平板状のセラミックス成形体であるシートは、例えば乾式成形であるプレス成形やCIP、湿式成形である鋳込成形や射出成形などで一葉の形態で形成し、そのシートを個別にバッチ的に打抜くことによりセラミックス球体を形成するようにしてもよい。しかしながら、押出成形により連続的にシートWを形成すれば、生産効率が高まるので望ましい。シートWは例えばテープ成形法で連続的に形成するようにしてもよいが、この場合には、打抜部10aの直前でシートWからキャリアテープを剥離しておく必要がある。
【0018】
上記押出成形部10bには、セラミックス原料粉末、水または有機溶剤からなる溶媒および結合材・可塑剤・潤滑剤その他の成形助剤を混合した原料スラリーが供給され、その内部の圧縮域、計量域、定圧域を通過することで混練、脱泡されつつ圧密化、均質化し、その後ダイを通過することで所望の成形密度を有する気孔の少ない、セラミックス粉末とそのセラミックス粉末を結合する結合剤を含む原料体であるシートWが形成される。
【0019】
次に、打抜部10aについて説明する。本態様の金型1が組み込まれた打抜部10aは、油圧式または機械式のプレス装置であり、上下方向に昇降するシリンダーロッドの先端に装着された昇降部10dと、送りローラ10cで供給されたシートWを介し昇降部10dに相対するように配置されたベース部10eを有し、金型1の上型(第1の型)1aは昇降部10dに、下型(第2の型)1bはベース部10eに配置されている。
【0020】
なお、符号10fおよび10hは、上型1aおよび下型1bを挟みこむように昇降部10dおよびベース部10eに配置された一対の平板状の保持部材である。打抜部10aに配置された好ましい構成要素である保持部材10fおよび10hは、シートWを打抜くため昇降部10aが降下した際に、打抜きに先立ち、双方でシートWを上下方向から挟持し、金型1で打抜かれたときにシートWが上下方向に移動しないようシートWの移動を規制する。また、符号10gおよび10iは、後述するように上型1aおよび下型1bの内部に配置される、好ましい構成要素としての挿入部材を上下方向に昇降させるための昇降手段である。また、符号10jおよび10kは、各々上型1aおよび下型1bを加熱する加熱手段である。加熱手段10jおよび10kは、後述するように、好ましい態様であるバインダーとして熱硬化性樹脂を含むシートWを打抜く場合に配置する必要がある要素であり、打抜部10aにおいて必須の構成ではない。
【0021】
次に、上記打抜部10aに組み込まれる金型1の構成について、図1のA部を拡大した正面断面図である図2を参照し説明する。図2に示すように、水平方向において双方が同軸となるよう配置された略円柱形状の上型1aと下型1bは、先端面である加圧面1m・1nをくり貫くように形成された凹部1cおよび1hを有している。この上型1aが降下して双方の加圧面1m・1nが当接し上型1aと下型1bとが組合せられたとき、密閉された空間であるキャビティー1Lが金型1に形成される。そして、上型1aが降下すると、シートWは、上型1aと下型1bとの外周縁により切断され円形状に打抜かれるとともに、その一部がキャビティー1Lの中に充填され充填体P1を形成する。なお、シートWから充填体P1を確実に分離するとともに、上型1aおよび下型1bとの加圧面1m・1nの間にシートWが噛み込まないようにするためには、上型1aの凹部1cの周囲に略円環状の突起部1eを設け、この突起部1eの先端面を加圧面1mとすることが望ましい。この突起部1eは、上型1aに替え下型1bの凹部1hの周囲に設けてもよいし、上型1aおよび下型1bの双方に設けてもよい。さらに、上型1aおよび下型1bとの加圧面1m・1nの間へのシートWの噛み込みを抑制するためには、上型1aおよび下型1bにより加圧変形するシートWの外部への流動を円滑に行うため、上記突起部1mの周囲には上方に向け傾斜するテーパ面を形成しておくことが望ましい。
【0022】
ここで、上記のように上型1aおよび下型1bの各々の凹部1c・1hとの組合せにより形成されるキャビティー1Lの上型1aが昇降する方向、すなわち金型1による打抜方向に沿う断面形状は、打抜方向に直交する方向(以下水平方向と言う場合がある。)の短軸径Tよりも打抜方向に沿う長軸径L1が大きな、打抜方向が長軸である略楕円形状であり、中心線Cの周りのキャビティー1Lの断面形状は、ほぼ同一である。なお、図2では、理解のため短軸径Tに対し長軸径L1を極端に大きく描いているが、キャビティー1Lの断面形状は打抜方向が長軸である略楕円形状であればよい。キャビティー1Lを、上記形態とした理由について、図3を参照して説明する。
【0023】
図3(a)は、上記形態のキャビティー1Lに替え、上型9aと下型9bとの組合せにより球状のキャビティー9Lが形成されるよう構成した金型9でシートWを打抜いた状態を示す図である。このような構成の金型9でシートWを打抜いた場合には、上記と同様なプロセスでキャビティー9LにシートWが充填され、球状の充填体P1が形成される。ここで、上記した乾式成形、湿式成形何れの成形方法で成形したとしても結合剤・可塑剤その他有機成分を含むシートWは弾性を有しており、キャビティー9Lに充填された充填体P1は、金型1による加圧により弾性変形して圧縮された状態となっている。この充填体P1は球状であるため水平方向における打抜方向の弾性変形量は場所ごとに異なり、図3(a)に矢印B1・B2で示すように、中心線C上が弾性変形量B1と最も低く、中心線Cから外方に向かうにつれ高くなり、外縁が弾性変形量B2と最も高くなる。この充填体P1をキャビティー9Lから取り外すと弾性変形による弾性戻り(スプリングバック)のために打抜方向および水平方向に充填体P1は拡径することとなるが、打抜方向の充填体P1の弾性変形量は水平方向の位置により異なるため、図3(b)に示すように、中心線Cに沿う部分は弾性戻り量D1が小さく、外縁に向かうにつれ弾性戻り量D2が大きくなる。その結果、キャビティー9Lから取り外され弾性変形した後の充填体P1は球体とならず、歪んだ楕円球体Zとなる。
【0024】
そこで、本態様のキャビティー1Lは、シートWが弾性を有することに起因する打抜方向の充填体P1の弾性戻り量の各部の相違を考慮し、キャビティー1Lから取り出した後に充填体P1が球体となるよう、打抜方向に沿う断面形状を、打抜方向が長軸である略楕円形状とした。かかるキャビティー1Lにより形成された充填体P1によれば、図3(c)に示すように、弾性戻り量がD1と少ない中心線C上の長さが最も大きなL1であり、中心線Cから外方に向かうにつれ増大する弾性戻り量に応じ充填体P1の打抜方向の上半球と下半球との間の距離はL2〜L4と小さくなる。この水平方向における充填体P1の距離L1〜L4の分布により充填体P1の弾性戻り量の相違が相補され、キャビティー1Lから取り外され弾性変形した後の充填体P1は球体Pとなる。
【0025】
なお、キャビティー1Lの具体的な形状は、シートWの弾性率により適宜設定されるが、図3(a)で示した球状のキャビティー9Lを有する金型9でシートWを打抜き得られた楕円球体Zの形状から算出した弾性戻り量に基づき決定してもよい。
【0026】
次に、本態様の金型1において、好ましい構成要素として配置された脱気孔1d・1i、挿入部材1f・1jについて説明する。上型1aおよび下型1bに各々配置された脱気孔1d・1iは、キャビティー1Lに連通するよう凹部1cおよび1hの内面に開口している。このような脱気孔1d・1iを配置することにより、上型1aが下型1bに当接してシートWが充填されたとき、キャビティー1Lの中の空気は脱気孔1d・1iを通じ外部に抜けるので、シートWはキャビティー1Lへ円滑に充填され、充填体P1の形状不良の発生を抑制することができる。上記脱気孔1d・1jは、上型1aおよび下型1bの中に複数本設けてもよく、上型1aおよび下型1bの少なくとも一方に設けてもよい。
【0027】
ここで、上記のように脱気孔1d・1iを設けた場合、図4(b)に示すように、キャビティー1Lに充填されたシートWの一部が脱気孔1d・1iの中に入り込み、充填体P1の頂部および底部に余肉として突起P2・P3が形成される可能性がある。この突起P2・P3は、従来のセラミックス球体の製造方法で形成される帯に比較し体積が小さいので、その除去加工の手間はより少ないが、ベアリング用ボールを低コストで製造するためには余肉である突起P2・P3の体積は少ないことが望ましい。そこで、脱気孔1d・1iを設けた本態様の金型1では、その脱気孔1d・1iに挿入される一端に先端面1g・1kを備えた円柱状の挿入部材1f・1jが配置されている。そして、この挿入部材1f・1jは、その他端が図1に示した昇降手段10g・10iに連結されており、上下方向に位置制御されつつ脱気孔1d・1iの中を昇降する。かかる挿入部材1f・1jによれば、脱気孔1d・1iの中に入り込んでいる突起P2・P3を、その先端面1g・1kで押し付けることにより突起P2・P3の体積を減少させることができる。なお、突起P2・P3を消失せしめるためには、図2に示すように、挿入部材1f・1jの先端面1g・1kの形状を、キャビティー1Lの内面と滑らかに連結する球面の一部とし、その先端面1g・1kが脱気孔1d・1iの開口端と一致するようキャビティー1Lに向かい挿入部材1f・1jを押し込むことが望ましい。
【0028】
脱気孔1d・1iを設けた上記金型1に生じる余肉である突起P2・P3を減少せしめる別の態様の金型2について、その一部を拡大した正面断面図である図5を参照して説明する。なお、図5において上記態様の金型1と同一の構成要素については同一符号を付しており、その詳細な説明を省略する(図6を参照し説明する第2態様の金型3についても同様である。)。
【0029】
図5に示す金型2は、基本的には上記金型1と同一の構成であるが、その脱気孔1d・1iのキャビティー1Lの側の開口の中に、脱気孔1d・1iへのシートWの浸入は阻止するが、空気は流通可能な栓2m・2nで塞がれている点で相違している。なお、栓2m・2nは、その先端面1g・1kが脱気孔1d・1iの開口端から離れた位置に配置してもよいが、突起P2・P3を発生させないためには、図に示すように、先端面1g・1kの形状を、キャビティー1Lの内面と滑らかに連結する球面の一部とし、その先端面1g・1kが脱気孔1d・1iの開口端と一致するよう配置することが望ましい。
【0030】
脱気孔1d・1iを塞ぐ栓2m・2nとしては、通気性のある多孔質の金属またはセラミックスで構成された栓2m・2nを利用するとよい。また、シートWが入り込み難い微小な直径の長孔を中心線Cに沿って形成した栓2m・2nを利用してもよいが、その場合には、脱気孔1d・1iを有底の止まり孔とし、残存する部分に長孔を設けて栓2m・2nが上型1a・1bと一体となるようにしてもよい。このように、上型1a・1bと一体的に構成された場合でも、栓2m・2nとして機能しうる。
【0031】
上記第1態様の金型1を用いたセラミックス球体の製造方法について、金型1の動作を示す図4を参照して説明する。まず、図4(a)に示すように、不図示の押出成形部で形成されたシートWを、初期位置である上型1aが上昇している状態において上型1aと下型1bとの間に形成された隙間にシートWを供給する。次いで、図4(b)に示すように、上型1aと下型1bの加圧面1m・1nが当接する位置まで上型1aを降下させ、上型1aと下型1bの外周縁でシートWを円形状に打抜くとともに、キャビティー1LにシートWを充填し、圧密化された充填体P1を形成する。この際、キャビティー1Lの中の空気は脱気孔1d・1iより外部に抜けるが、脱気孔1d・1iにシートWが入り込み突起P2・P3が形成される。
【0032】
次いで、図4(c)に示すように、先端面が脱気孔1d・1iの開口端と一致するよう脱気孔1d・1iに挿入部材1f・1jを挿入し、脱気孔1d・1iの中に形成された突起P2・P3を消失させる。その後、図4(d)に示すように、上型1aを初期位置まで上昇させ、上型1aの凹部1cから充填体P1を取り出すと、充填体P1は弾性変形により拡径し、所望のセラミックス球体Pが形成される。なお、上型1aから充填体P1を取り出す際には、図示のようにその脱気孔1dに挿入されている挿入部材1fを降下せしめ、凹部1cから充填体P1を押出すようにしてもよい。また、バインダーとして熱硬化性樹脂を含んだシートWを打抜いて充填体P1を形成した後、上記した加熱手段10j・10kにより上型1aおよび下型1bを加熱し、セラミックス球体Pを形成するようにすると、熱硬化した樹脂により充填体P1の弾性変形が緩和されるので望ましい。この場合、金型1のキャビティー1Lは、より球に近い形態となる。
【0033】
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態である金型3について、図6を参照し説明する。第2態様の金型3は、上記第1態様の金型1と、基本的には同一の技術的思想により構成されているが、セラミックス球体の量産性をより高めた構造である。すなわち、第2態様の金型3は、中空部3oを有する円筒形状の上ロール(第1の型)3aと、左方から供給されるシートWを介し上ロール3aと相対するように配置された中空部3pを有する円筒形状の下ロール(第2の型)を有し、中心軸を結んだ位置に接点3rが配置されるよう両者の位置は調整されている。そして、上ロール3aおよび下ロール3bには、その外周面に等角度で、上記第1態様と同一の凹部1c・1hが複数個形成されており、上ロール3aおよび下ロール3bが図示する回転方向に回転し、両者の接点3rで凹部1cと1hが組合せられたときにキャビティー1Lが形成されるよう、上ロール3aおよび下ロール3bは配置されている。なお、キャビティー1Lに充填されたシートWが脱気孔3d・3iに入り込まないよう、その直径は、第1態様の金型1の脱気孔1d・1iに対し小径となっている。
【0034】
かかる金型3によれば、供給されたシートWは、回転する上ロール3aおよび下ロール1bにおいて、まず接点3rよりも左方に存在する凹部1c・1hに充填されていき、両者の接点3rに形成されたキャビティー1Lにおいて圧密化され充填体P1となる。次いで、接点3rよりも左方において上ロール3aと下ロール3bとの外周面が離れていくと、充填体P1は、上ロール3aの凹部1cから離脱し、弾性変形により拡径し、所望のセラミックス球体が形成される。そして、金型3では、円筒形状の上ロール3aおよび下ロール3bの外周面に凹部1c・1hが複数個形成されているので、上記のプロセスが連続的に繰り替えされセラミックス球体Pが次々と効率よく形成される。
【符号の説明】
【0035】
1(2、3) 金型
1a(3a) 第1の型
1b(3b) 第2の型
1c(1h) 凹部
1d(1i、3d、3i) 脱気孔
1f(1j) 挿入部材
1m(1n) 加圧面
1L(3L) キャビティー
10 セラミックス球体製造装置
10a 打抜部
10b 押出成形部
10c 送りローラ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミックス粉末と前記セラミックス粉末を結合する結合剤とを含む原料体から球体を打抜く打抜き金型であって、凹部を有する第1の型と、凹部を有する第2の型と、前記第1の型および第2の型の各々の凹部の組合せにより形成されるキャビティーとを有し、打抜方向に沿う前記キャビティーの断面形状は、打抜方向が長軸である略楕円形状をなしていることを特徴とする打抜き金型。
【請求項2】
前記第1の型および第2の型の少なくとも一方に、前記キャビティーに連通する脱気孔を有する請求項1に記載の打抜き金型。
【請求項3】
前記脱気孔に挿入される先端面を備えた挿入部材を有する請求項2に記載の打抜き金型。
【請求項4】
前記挿入部材の先端面は、前記キャビティーの内面と滑らかに連結する球面の一部である請求項3に記載の打抜き金型。
【請求項5】
前記脱気孔の前記キャビティー側の開口は、当該脱気孔への前記原料体の浸入は阻止するが、空気は流通可能な栓で塞がれている請求項2に記載の打抜き金型。
【請求項6】
前記栓の先端面は、前記キャビティーの内面と滑らかに連結する球面の一部である請求項5に記載の打抜き金型。
【請求項7】
前記第1の型の凹部および第2の型の少なくとも一方の凹部の周囲には、略円環状の突起部が設けられている請求項1乃至6のいずれかに記載の打抜き金型。
【請求項8】
前記原料体はバインダーとして熱硬化性樹脂を含み、前記第1の型および第2の型の少なくとも一方を加熱する加熱手段を有する請求項1乃至7のいずれかに記載の打抜き金型。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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