説明

圧粉体の成形方法

【課題】長さ、厚さの比(アスペクト比)が4以上のツメ部を有する圧粉体を成形する。
【解決手段】鉄粉等、粉末を成形するプレス成形型であり、内部コアロッドと外部ダイと上下パンチからなるもののうち粉体充填時下になる下パンチとコアロッドあるいは下パンチとダイの間に狭小で長尺な部分を有し狭小部への粉体充填に支障がある場合、プレス実施時下パンチと狭小側のコアロッドあるいは下パンチと狭小側のダイとが成形体中立面に対し逆に動くせん断動作をする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、主に鉄粉の成形法に関する。
【背景技術】
【0002】
モータ磁心材料として、切断,曲げ加工の必要な電磁鋼板と異なり、最終製品形態を作成時に成形できる圧粉磁心が注目されている。圧粉磁心は、鉄を主成分とする鉄粉を圧縮型にて最終製品に近い形に成形し、必要に応じ熱処理により固化して磁心とする。圧粉磁心は電磁鋼板より任意の形状を成形できる利点がある。これは特に小型・高効率モータを実現するため、狭い空間にコイル,磁心を収納する技術として圧粉成形が適していることを示す。
【0003】
特許文献1は圧粉磁心適用モータの例である。このモータは上下1対の圧粉磁心コアと中間にコイル導線をアルファ巻きするのみで1相分を形成でき、3層積み上げることで構造が単純で、安価に作製できる。
【0004】
ところが、励磁効率を上げるためコイル導線占積率を高める必要から、圧粉磁心コアのツメ部は薄く長く成形し、コイル導線収納部を最大化する必要がある。これはツメ部のアスペクト比(長さ/厚さ)を大きく成形しなければならないことになり、圧粉成形には困難が生じる。具体的にはツメ部を成形する狭い圧縮型に高密度に鉄粉を圧入する必要があり、成形法に工夫を要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2008−29113号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】社団法人粉末冶金技術協会編 「金属粉の成形」 日刊工業新聞社 1964年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
長さ、厚さの比(アスペクト比)が4以上のツメ部を有する圧粉成形体を作成する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、ツメ部を成形する型をツメ底部と側壁に分割する。ツメ底部と2側壁のうち片方とツメ底部は一体でよい。ツメ底部は成形完了位置から鉄粉みかけ密度と所定密度との差を考慮してオフセットし、充填量を調整する。鉄粉を充填し、成形する。この際ツメ底部と独立させた側壁をツメ底部成形方向と反対方向に動作させ、せん断動作させる。これにより、ツメ部成形を先に行う。ツメ部成形後、通常動作でフランジ成形を行い、高アスペクト比のツメを有したコアを成形する。
【発明の効果】
【0009】
本発明により、高アスペクト比のツメ部が成形でき、コイル導線占積率の高い高トルク圧粉モータが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】圧粉モータ固定子構成。
【図2】実施例と比較例の相違点の説明。
【図3】比較例によるプレス動作説明。
【図4】実施例によるプレス動作説明。
【図5】手法の違いによる成形体鉄粉形状の差。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例1】
【0012】
図1は圧粉モータ固定子構成を示す。コア101は、ステータを構成するフランジ部102と、コイル導線103を収納しロータと対抗するギャップ面を形成するツメ部104とからなる。ギャップ部を長くすることはモータ軸長を長くすることであり、モータトルク増加に寄与する。一方、ツメ部104を薄くすることはコイル導線103の体積を増加でき、駆動電流を増加させてモータの駆動力を増加させることができる。このいずれもツメ部104を薄く、長くする方向(アスペクト比が高い)となる。
【0013】
アスペクト比の高いツメ部成形には、例えば非特許文献1の図3.14(116ページ)に示されるように圧縮型を分割し、多段のプレスロッドを用い、フランジ部,ツメ部を個別に形成する方法が示されている。鉄粉は圧縮によりみかけ体積が50%程度収縮する。このため、ツメ部成形パンチは所定成形位置からより体積収縮分下部へオフセットして鉄粉充填し、成形する(充填量調整)。
【0014】
パンチが分割できない場合、充填させたい部位の鉄粉を盛り上げ、一回のプレスでツメ部の先端まで充填されるよう工夫している例がある。鉄粉の圧縮性が高く、高圧とすれば変形に制限のない場合はこのような構成で支障はない。しかし鉄粉は互いに融着しやすく、また型側壁とも融着しやすい。これを防ぐため、鉄粉にステアリン酸亜鉛など金属石鹸と総称される潤滑剤を混入させ、鉄粉どうし、型側壁との融着を防いでいる。ツメのアスペクト比が2〜3程度以下であれば充填量調整で支障なく成形できた。しかしさらに高アスペクト比ではこのような単純な構成ではツメ部密度が十分上げられない問題が生じた。
【0015】
本実施例では、モータコアロッド圧縮成型法を説明する。
【0016】
図2は比較例と本実施例のモータコアロッド圧縮型の、ツメ部成形断面の違いを示す。
【0017】
ダイ201,コアロッド202の間に上パンチ203,下パンチ204と、ツメ部104を成形するリブ205が組み合わされる。上パンチ203は上方向から粉末を圧縮し、下パンチ204は下方向から粉末を圧縮する。ダイ201,コアロッド202,上パンチ203,下パンチ204と、リブ205で囲まれる領域をダイキャビティという。
【0018】
比較例と本実施例の大きな違いは、比較例ではプレス時のコアロッド202とリブ205の動作方向が同じであり、本実施例ではプレス時のコアロッド202とリブ205の動作方向が異なり、せん断動作している点である。なお、各図における矢印は各部が移動する方向を示す。
【0019】
図3を用いて、比較例でのツメ部104のプレス成形法の詳細を説明する。ダイ201,コアロッド202の間に上パンチ203,下パンチ204と、ツメ部104を成形するリブ205が組み合わされる。上パンチは上方向から粉末を圧縮し、下パンチは下方向から粉末を圧縮する。充填時、リブ205,コアロッド202をオフセットさせ、ツメ部104の成形部分に鉄粉を多く充填する。上パンチ203をセットし、上パンチ203とリブ205,コアロッド202の間にプレス動作を行い、ツメ部104を形成する。
【0020】
そのままプレス動作を継続し、下パンチ204,リブ205,コアロッド202が一体となって上パンチ203との間でフランジ部102を成形する。このようにツメ部104を先に成形するのはツメ部104全体に粉体供給される前にツメ部104の根元が固まるのを防ぐためである。従来、この手法では、ツメ部104の成形時に図示する部分で密度が上がり型と固着しリブ205,コアロッド202,未成形粉体が一体で移動するため、所定位置までリブ205が移動してもツメ部104の先端の密度が上がらない難点があったが、本実施例ではそれを解決する。なお、フランジ部102は、成形体の下面において比較的平坦な形状となるので、平坦部ともいう。
【0021】
図4は、本実施例のツメ部104のプレス成形法の例である。充填時、リブ205のみオフセットさせる。さらにコアロッド202より低い位置となる上パンチ203をセットし、初めにコアロッド202とリブ205との間で加圧してプレスを行い、ツメ部104を成形する。フランジ成形面を中立面とし、この中立面に対しリブ205とコアロッド202が逆方向動作し、せん断動作となる。この場合、ツメ部104の根元密度が上昇してもコアロッド202により粉体はツメ部104の先端へ引きずられ、充填されるのでツメ部104の全体が均一密度となる。リブ205,下パンチ204の下面がそろえばツメ部104は所定形状となり、その後上パンチ203との間でフランジ部102を成形する。
【0022】
図5にこのようにして形成されたツメ部104の断面を示す。図5では、比較例でのプレス成形法によるツメ部104の先端a、比較例でのプレス成形法によるツメ部104の根元b、本実施例でのプレス成形法によるツメ部104の先端c、本実施例でのプレス成形法によるツメ部104の根元dを示す。
【0023】
平均粒径200μmの純鉄粉に絶縁コートしたものにステアリン酸亜鉛をベースとした潤滑剤を0.4wt%混合したものを、フランジ外形40mm内径32mmフランジ厚2mmとし、ツメ部の高さ10mm,ツメ部の先端厚1mm,根元厚2mmに(アスペクト比10)成形した。全圧力は40トン、フランジ部での面圧は8.8トン/cm2である。成形後200〜400℃の範囲で熱処理した。試料はツメ断面部を埋め込み研磨し、SEM観察したものである。SEM観察すると断面部のみの鉄粉形状が観察できるので、光学顕微鏡より正しい密度が算定できる。また本試料は隙間が多くアルキメデス法による密度測定法は使用できない。
【0024】
比較例でのプレス成形法によるツメ部104の先端aは78.8%の充填率であり、本実施例でのプレス成形法によるツメ部104の先端cは95.2%の充填率であり、ツメ部104の先端で特に密度が向上していることが分かる。
【0025】
また、比較例でのプレス成形法によるツメ部104の根元bは86.5%の充填率であるのに対し、本実施例でのプレス成形法によるツメ部104の根元dは98.3%の充填率であり、こちらも本実施例により向上したことが分かる。なお、根元と先端の密度差は比較例でのプレス成形法で7.7%、本実施例でのプレス成形法で3.1%である。
【0026】
さらに比較例でのプレス成形法によるツメ部104の根元には鉄粉が集合して固まった組織が見られ、これが傾いていることから圧縮中の鉄粉の突っ張りが成形に支障となっていることがわかる。これに対し、本実施例では鉄粉粒が壁面に垂直に整列しており、成形法の差を示している。
【0027】
ところで、別の高密度成形実施法として、40mm径,厚さ12mm以上の塊で鉄粉成形し、その後放電加工してツメ部104の先端まで高密度化する手法も考えられる。この方法は高価であるが実施は可能である。この方法と本実施例の違いは、ツメ部104の根元に型に沿って変形した鉄粉粒が存在することで判定できる。
【実施例2】
【0028】
フランジ外形40mm内径32mmフランジ厚2mmとし、ツメ高さ4mm,ツメ先端部厚2mm,根元厚3mmのコアロッドを形成した(アスペクト比2)。この場合、比較例でのプレス成形法と本実施例でのプレス成形法とで、ツメ部104の先端と根元の密度差はいずれも2%以下であった。
【実施例3】
【0029】
フランジ外形40mm内径32mmフランジ厚2mmとし、ツメ高さ12mm,ツメ先端部厚1mm,根元厚2mmのコアロッドを形成した(アスペクト比12)。この場合、比較例でのプレス成形法では先端密度差が10.2%で、もろく、形成不可であった。本実施例でのプレス成形法によれば、ツメ部104の先端と根元の密度差は4.2%で成形は可能であった。
【実施例4】
【0030】
フランジ外形40mm内径32mmフランジ厚2mmとし、ツメ高さ4mm,ツメ先端部厚1mm,根元厚2mmのコアロッドを形成した(アスペクト比4)。この場合、比較例でのプレス成形法によるツメ部104の先端と根元の密度差が6.5%で、本実施例でのプレス成形法によるツメ部104の先端と根元の密度差は4.6%であった。
【符号の説明】
【0031】
101 コア
102 フランジ部
103 コイル導線
104 ツメ部
201 ダイ
202 コアロッド
203 上パンチ
204 下パンチ
205 リブ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧粉体の一方の側面を成形するダイと、圧粉体の他方の側面を成形するコアロッドと、圧粉体の上端面を成形する上パンチと、圧粉体の下端面を成形する下パンチ及びリブとで形成されるダイキャビティ内に粉末を充填し、前記粉末を圧縮して下端面に平坦部とツメ部のある圧粉体を成形する成形方法であって、
前記下パンチは、前記ダイと隣接して設けられ、
前記リブは、前記コアロッドと隣接して設けられ、
前記リブと、前記コアロッドとを前記粉末に対し逆方向に動作させる第1工程と、
前記第1工程の後に、前記下パンチ及びリブと、前記コアロッドとを前記粉末に対し同方向に動作させる第2工程とを有する圧粉体の成形方法。
【請求項2】
請求項1に記載の圧粉体の形成方法において、
前記第1工程により、前記圧粉体にツメ部を形成することを特徴とする圧粉体の成形方法。
【請求項3】
請求項1または2に記載の圧粉体の形成方法において、
前記第2工程により、前記圧粉体に平坦部を形成することを特徴とする圧粉体の成形方法。
【請求項4】
請求項1乃至3のいずれかに記載の圧粉体の形成方法において、
前記ツメ部のアスペクト比は4以上であることを特徴とする圧粉体の成形方法。
【請求項5】
請求項1乃至4のいずれかに記載の圧粉体の形成方法において、
前記ツメ部の先端と根元の密度差は5%以下であることを特徴とする圧粉体の成形方法。

【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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【公開番号】特開2013−9543(P2013−9543A)
【公開日】平成25年1月10日(2013.1.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−141345(P2011−141345)
【出願日】平成23年6月27日(2011.6.27)
【出願人】(502129933)株式会社日立産機システム (1,140)
【Fターム(参考)】