阶梯形模具的制作方法

本发明涉及一种阶梯形模具。具体而言，本发明涉及一种通过热压配合将外环装配到内环的外周上的阶梯形模具。

背景技术：

在粉末成型中，可能存在如下情况：例如，在成型如图8所示的外周上具有台阶部30的部件31的外周侧时使用模具(称为阶梯形模具)。图9是这种阶梯形模具21的一个实例的俯视图，而图10是阶梯形模具21的截面图。

阶梯形模具21包括：内环22，其具有圆筒形状；以及外环23，其具有圆筒形状且通过热压配合被装配到内环22的外周上，并且在内环22的内侧上形成有成型用凹入部分24。凹入部分24具有与部件31的台阶部30对应的阶梯形部分25。如图9所示，阶梯形部分25具有如俯视图中所看到的矩形形状。外环23的外周上形成有与模具板26接合的凸缘部分27。

在使用上述阶梯形模具21成型部件31时，在成型之后，以如下方式从阶梯形模具21中移走部件31：阶梯形模具21与模具板26一起下降，从而通过处于固定状态的下冲头28来相对于阶梯形模具21向上推压部件31。因此，支撑阶梯形模具21的支撑部不能布置在阶梯形模具21下方的空间S中，因为该支撑部会变为妨碍阶梯形模具21下降的障碍物。考虑到上述情况，在仅支撑形成在阶梯形模具21的外周上的凸缘部分27而不支撑阶梯形模具21的下表面的状态下，使用下冲头28的上表面28a和阶梯形部分25的上表面25a作为压力接收表面来执行粉末的压缩。

然而，在这种压力施加方法中，对阶梯形部分25施加的压力被阶梯形部分25的边缘部分或拐角部分接收，因此，弯曲应力集中在拐角部分上，由此产生出现裂纹C的可能性(参见图11)。存在如下可能性：裂纹C的发生不仅导致阶梯形模具21的破损，而且还影响成品部件31的精度。

考虑到上述情况，为了通过减少阶梯形模具的阶梯形部分的拐角部分处的应力集中来防止裂纹的出现，已经提出了如下方法：在模具部分的因紧配合而作用有弯曲应力的外周上安装环部(专利文献1)。

引用列表

[专利文献]

专利文献1：日本未经审查的实用新型公开No.3-59329

技术实现要素：

技术问题

然而，在专利文献1所记载的方法中，除了制备模具之外，还需要制备额外的部件(称为环部)，并且该方法还需要通过紧配合来将环部装配到模具的外周上的步骤。

考虑到上述情况，可以认为，在通过热压配合将外环装配到内环的外周上时，因设定了稍大的热压配合比率或热压配合量而在阶梯形部分的拐角部分周围产生了压缩残余应力。

然而，即使仅增大热压配合比率，也不能够得到足以应对模压成型时在内环的阶梯形部分的拐角部分中所产生的弯曲应力的残余压缩应力，并因此存在出现裂纹的情况。此外，该方法原本就具有如下缺点：在进行热压配合时，在内环的阶梯形部分的除了拐角部分之外的部分中产生过大的应力，由此导致裂纹的出现。

考虑到这些情况而完成了本发明，并且本发明的目的在于提供一种阶梯形模具，该阶梯形模具可以在不增加部件数量和工时量的情况下防止在阶梯形部分的拐角部分中出现裂纹。

解决问题的技术方案

根据本发明的阶梯形模具是如下用于金属粉末的粉末成型的阶梯形模具：该阶梯形模具包括：内环，其由烧结硬质合金制成并具有圆筒形状；以及外环，其具有圆筒形状且通过热压配合被装配到内环的外周上，在阶梯形模具中，内环的内侧上形成具有阶梯形部分的成型用凹入部分，其中，外环的外周上形成有与模具板接合的凸缘部分，其中，在阶梯形模具的下表面不被其他部件支撑时，仅阶梯形模具的凸缘部分被模具板支撑，并且其中，外环与内环的热压配合比率被设定成落在0.12％至0.25％的范围内的值。

在根据本发明的阶梯形模具中，外环与内环的热压配合比率被设定成落在0.12％至0.25％的范围内的值，因此，可以对成型用凹入部分的阶梯形部分的拐角部分施加合适的压缩应力，从而可以防止可能因模压成型时集中在拐角部分上的弯曲应力而使拐角部分中出现裂纹。

发明的有益效果

根据本发明的阶梯形模具，可以在不增加部件数量和工时量的情况下防止在阶梯形部分的拐角部分中出现裂纹。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的阶梯形模具的俯视图。

图2是图1所示的阶梯形模具的截面图。

图3是图1所示的阶梯形模具的内环的说明性透视图。

图4是示出了阶梯形拐角R部分的强度比与热压配合比率之间的关系的曲线图。

图5是示出了阶梯形拐角R部分的强度比与内环比之间的关系的曲线图。

图6是示出了压缩强度比与壁厚之间的关系的曲线图。

图7是示出了压缩强度比与内环比之间的关系的曲线图。

图8是示出了外侧上具有阶梯形部分的粉末成型产品的一个实例的透视图。

图9是示出了阶梯形模具的一个实例的俯视图。

图10是图9所示的阶梯形模具的截面图。

图11是示出了在阶梯形部分的拐角部分中产生的裂纹的照片。

具体实施方式

本发明的阶梯形模具包括：内环，其由烧结硬质合金制成并具有圆筒形状；以及外环，其具有环形形状且通过热压配合被装配到内环的外周上，并且内环的内侧上形成具有阶梯形部分的成型用凹入部分。外环的外周上形成有与模具板接合的凸缘部分。在阶梯形模具的下表面不被其他部件支撑时，仅阶梯形模具的凸缘部分被模具板支撑。外环与内环的热压配合比率被设定成落在0.12％至0.25％的范围内的值。

优选的是，内环的外径与最大假想圆的直径之间的比率被设定成1.4以上，该最大假想圆是具有位于内环的中心轴线上的中心的假想圆，并经过阶梯形部分的沿径向向外方向最远离中心的拐角部分。在该情况下，通过对内环赋予预定壁厚，可以增大内环抵抗残余压缩应力(其因外环的热压配合而施加于内环)的耐受力。

此外，优选的是，将该比率设定成2.0以下。在该情况下，通过将内环的壁厚限制成预定量以下，可以在保持内环抵抗残余压缩应力的耐受力的同时抑制内环的尺寸变大并最终抑制阶梯形模具的尺寸变大。

优选的是，作为内环的外径与最大假想圆的直径之差的壁厚被设定成5mm以上，该最大假想圆是具有位于内环的中心轴线上的中心的假想圆，并经过阶梯形部分的沿径向向外方向最远离中心的拐角部分。在该情况下，通过对内环赋予预定壁厚，可以增大内环抵抗残余压缩应力(其因外环的热压配合而施加于内环)的耐受力。

另外，通过将内环的材料设为烧结硬质合金，从而确保内环所需的压缩强度和疲劳强度。可以将外环的材料设为硬化钢。

另外，外环与内环的热压配合比率优选地被设定成落在0.15％至0.20％的范围内的值。

在下文中，将参考附图对根据本发明实施例的阶梯形模具进行详细描述。图1是根据本发明的一个实施例的阶梯形模具1的俯视图，而图2是图1所示的阶梯形模具1的截面图。

根据本实施例的阶梯形模具1是用于制造通过压缩冶金用粉末而形成的生坯(green compact)的模具。阶梯形模具1包括内环2和外环3，该外环3通过热压配合被装配到内环2的外周上。内环2的内侧上形成有成型用凹入部分4。

内环2具有圆筒形状，并且例如使用诸如WC-Co合金或WC-TiC-Co合金等烧结硬质合金制造。外环3也具有圆筒形状，并且可以使用普通硬化钢制造。外环3的外周在整个圆周上形成有与模具板5接合的凸缘部分6。

凹入部分4在内环2的上表面侧(图2中的上侧)上具有如俯视图中所看到的矩形形状，并且在内环2的下表面侧(图2中的下侧)上具有如俯视图中所看到的圆形形状。在具有如俯视图中所看到的矩形形状的上方凹入部分与具有如俯视图中所看到的圆形形状的下方凹入部分之间的边界部分上形成有阶梯形部分7。阶梯形部分7是与通过使用阶梯形模具1进行成型而形成的成型产品(参见图8)的台阶部对应的部分。

在该实施例中，将内环2的外径和外环3的内径设定为：使得由以下公式(1)表示的热压配合比率或热压配合量(在下文中，其表示为“热压配合比率”)采用落在0.12％至0.25％的范围内的值。

热压配合比率(％)＝{1-(外环的内径/内环的外径)}×100…(1)

当热压配合比率(％)小于0.12％时，存在如下可能性：残余压缩应力不足，使得在成型时出现裂纹。另一方面，当热压配合比率(％)大于0.25％时，存在如下可能性：在热压配合时出现裂纹。从可靠防止出现裂纹且还抑制内环的尺寸变大的角度考虑，优选的是，将热压配合比率(％)设定成落在0.15％至0.20％的范围内的值。

在该实施例中，将内环2的外径d1与假想圆P的直径d2之间的比率设定成1.4以上，该假想圆P是具有位于内环2的中心轴线O上的中心的假想圆，并经过阶梯形部分7的沿径向向外方向最远离中心轴线O的拐角部分7a(在下文中，假想圆也称为“最大假想圆”)。在下文中，该比率也称为“内环比”。当内环比小于1.4时，由于通过热压配合将外环3装配到内环2的外周上而导致在内环2中产生残余压缩应力，所以存在在内环2的薄壁厚部分中出现裂纹的可能性。另一方面，当将内环比设定成1.4以上时，不存在发生上述缺点的可能性。然而，当内环比过大时，内环2和最终的阶梯形模具1的尺寸变大，因此，优选的是，将内环比设定成2.0以下。

此外，基于与前述内环比大致相同的观点，在该实施例中，将如下壁厚设定成5mm以上：该壁厚是通过将内环2的外径d1与前述最大假想圆的直径d2之差除以2而得到的值。当壁厚小于5mm时，由于通过热压配合将外环3装配到内环2的外周上而导致在内环2中产生残余压缩应力，所以存在在内环2的薄壁厚部分中出现裂纹的可能性。另一方面，当壁厚等于或大于5mm时，不存在发生上述缺点的可能性。然而，当壁厚过大时，内环2和最终的阶梯形模具1的尺寸变大，因此，优选的是，将壁厚设定成40mm以下。

[试验例1]

在具有图1和图2所示的构造和形状的阶梯形模具中，在如表1所示那样不同程度地改变内环的直径、内环比、壁厚(通过将内环的外径与前述最大假想圆的直径之差除以2而得到的值)和热压配合比率(参见公式(1))的同时，借助于如下模压成型法制备生坯：将金属粉末填充到成型用凹入部分中并以10t/cm²的成型压力进行模压成型。

阶梯形模具的高度h(参见图2)被设定成40mm。成型用凹入部分的矩形部分的长边的长度w1被设定成21mm，矩形部分的短边的长度w2被设定成16mm，而凹入部分的圆柱部分的直径d3被设定成10mm。此外，内环的材料是WC-Co基烧结硬质合金，而外环的材料是热锻模钢。

[表1]

表1阶梯形拐角R部分的等效应力σaeq [MPa]

*成型压力：10t/cm²

表1示出了当不同程度地改变各内环的直径、内环比、壁厚和热压配合比率时的阶梯形拐角R部分的等效应力σaeq。如图3所示，“阶梯形拐角R部分”指的是具有如俯视图中所看到的矩形形状的阶梯形部分7的短边边缘部分7b，而稍后在表3和表4中描述的“侧面拐角部分”指的是内环的面向凹入部分4(其具有如俯视图中所看到的矩形形状)的内表面之中的两个相邻表面之间的边界部分，并且是与前述拐角部分7a相同的部分。

等效应力σaeq是利用以下公式(2)计算出的值。

σaeq＝σa/(1-σm/σ_B)…(2)

在公式(2)中，σa是在利用模压成型法成型金属粉末时产生的应力的幅值，而σm表示平均应力。σ_B是作为材料固有值的拉伸强度。在本试验例1中，使用WC-Co烧结硬质合金作为内环的材料，使得σ_B的值为1600MPa。

表2示出了基于表1所示的等效应力σaeq以及作为材料固有值的疲劳强度计算出的强度比(疲劳强度/σaeq)。在本试验例1中，使用WC-Co烧结硬质合金作为内环的材料，使得疲劳强度为700MPa。

[表2]

表2阶梯形拐角R部分的强度比(材料的疲劳强度÷σaeq)

*成型压力：10t/cm²

图4以曲线图的形式示出了表2所示的关于各内环比的结果，而图5以曲线图的形式示出了表2中的关于各热压配合比率的结果。在图4中，纵轴表示阶梯形拐角R部分的强度比，而横轴表示热压配合比率(％)。此外，在图5中，纵轴表示阶梯形拐角R部分的强度比，而横轴表示内环比。

从图4可以看出，当热压配合比率(％)落在0.12至0.25的范围内时，阶梯形拐角R部分的强度比以稳定的方式保持为大致恒定不变。同样从图5可以看出，当内环比超过2.0时，阶梯形拐角R部分的强度比为大致恒定不变的值。

在试验例1中，可以确认的是(视觉上识别出)，在热压配合比率被设定成0.35％且内环比被设定成2.4的样品(强度比：1.06)中产生了裂纹。另一方面，在热压配合比率被设定成0.15％且内环比被设定成1.6的样品(强度比：1.11)中没有确认到裂纹。

[试验例2]

在具有图1和图2所示的构造和形状的阶梯形模具中，在如表3所示那样不同程度地改变内环的直径、内环比、壁厚(通过将内环的外径与前述最大假想圆的直径之差除以2而得到的值)和热压配合比率(参见公式(1))的同时，得到在内环的阶梯形部分的侧面拐角部分(如上所述图3中由“7a”表示的部分)中产生的压缩应力。

阶梯形模具的高度h(参见图2)被设定成40mm。成型用凹入部分的矩形部分的长边的长度w1被设定成21mm，矩形部分的短边的长度w2被设定成16mm，而凹入部分的圆柱部分的直径d3被设定成10mm。内环的材料为WC-Co基烧结硬质合金，而外环的材料是热锻模钢。

[表3]

表3侧面拐角部分的压缩应力 [MPa]

表4示出了基于表3所示的所产生的压缩应力以及作为材料固有值的压缩强度计算出的压缩强度比(压缩强度/所产生的压缩应力)。在本试验例2中，使用WC-Co烧结硬质合金作为内环的材料，使得压缩强度为4000MPa。

[表4]

表4压缩强度比(压缩强度÷所产生的压缩应力)

图6以曲线图的形式示出了表4中的关于热压配合比率(％)被设定成0.15％的情况的结果。在图6中，纵轴表示压缩强度比，而横轴表示壁厚(mm)。图7也以曲线图的形式示出了表4中的关于相同情况的结果。在图7中，纵轴表示压缩强度比，而横轴表示内环比。

从图6可以看出，在5mm上下的壁厚被设定成边界值的情况下，在壁厚小于边界值的情况与壁厚大于边界值的情况之间，压缩强度比的变化大不相同。具体而言，在壁厚被设定成等于或小于5mm的三个试验例中，压缩强度比与壁厚之间的关系可以用y＝0.94x+0.65(R²＝0.96)表示，而在壁厚被设定成等于或大于5mm的七个试验例中，压缩强度比与壁厚之间的关系可以用y＝0.13x+5.08(R²＝0.94)表示。可以理解的是，回归线的倾斜度在用作极值的“5mm”前后显著变化。

从图7可以看出，在1.4上下的内环比被设定成边界值的情况下，在内环比小于边界值的情况与内环比大于边界值的情况之间，压缩强度比的变化大不相同。具体而言，在内环比被设定成等于或小于1.4的三个试验例中，压缩强度比与内环比之间的关系可以用y＝12.02x+11.39(R²＝0.99)表示，而在内环比被设定成等于或大于1.4的七个试验例中，压缩强度比与内环比之间的关系可以用y＝1.65x+3.44(R²＝0.94)表示。可以理解的是，回归线的倾斜度在用作极值的“1.4”前后显著变化。

从试验例1的结果和试验例2的结果可以看出，因为可以得到阶梯形拐角R部分的大致恒定不变的强度比，所以优选地将热压配合比率(％)设定成落在0.12％至0.25％的范围内的值。还可以理解的是，优选地将内环比设定成1.4以上。还可以理解的是，优选地将壁厚设定成5mm以上。另一方面，可以理解的是，优选地将内环比的上限值设定成2.0以下。

[其他变型例]

应理解的是，仅出于说明的目的公开了各个实施例，并且不对任何方面进行限制。本发明的范围应由实施例中所公开的含义限定，并且本发明意图包括权利要求所述和落在与权利要求的含义和范围等同的含义和范围内的所有变型。

例如，在上述实施例中，成型用凹入部分具有如俯视图中所看到的矩形形状。然而，可以对应于成型产品适当地选择凹入部分的形状和尺寸，例如，凹入部分可以具有如俯视图中所看到的圆形形状或多边形形状。

附图标记列表

1：阶梯形模具

2：内环

3：外环

4：凹入部分

5：模具板

6：凸缘部分

7：阶梯形部分

7a：拐角部分

7b：阶梯形拐角R部分

21：阶梯形模具

22：内环

23：外环

24：凹入部分

25：阶梯形部分

26：模具板

27：凸缘部分

28：下冲头

30：台阶部

31：部件

O：中心轴线

C：裂纹

P：假想圆

S：下部空间

d1：内环的外径

d2：最大假想圆的直径

d3：凹入部分的直径

w1：凹入部分的长边

w2：凹入部分的短边

h：阶梯形模具的高度