JPS61192520A - 粉末焼結品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はセラミックス、焼結合金などの粉末焼結品の
製造方法に関する。

（従来の技術） 一般にファインセラミックス製品や焼結炭化タングステ
ン工具などの焼結合金製品を製造する場合、原料粉末を
金型を用いて圧縮成形して成形品を得、この成形品を焼
結して製品にしようとすると、焼結時の収縮量の適確な
把握が困難なため金型形状を幾度も修正する必要があり
時間と費用がかさむ。また多品種少量生産の場合は金型
ないちいら準備するのはコストがかさみ適当ではない。

そのため従来は原料粉末を金型等を用いて単純形状に成
形後焼結し、得られた焼結品に研削加工や放電加工なξ
の機械加工を施して製品としている。

（発明が解決しようとする問題点） ところが上記の方法によると、研削加工は加工形状の制
約があるほか、加工速度が遅く、砥石の消耗も多いため
経済的な方法とはいえない。また放電加工は導電性のあ
る材料に限られるほか、加工速度が遅く、量産には適さ
ない。

そこで発明者らは焼結後に長時間にわたる機械加工をお
こなうことなく高精度の製品を得る方法について研究を
重ねたところ、原料粉末の成形品もしくはこの成形品を
半焼結しに半焼結品に対して超音波加工を施すと、高能
率で加工をおこなうことができることを知見した。この
超音波加工によると、たとえばアルミナ粉末の常温圧縮
成形品に対して、直径３ａｍ＋７）超音波振動工具を用
いて周波数１８ＫＨｚ、最大撮巾３０μ、加圧力２００
りの条件で超音波加工すると、水や砥粒を用いなくても
約１０秒で深さ１０＃！ｌＩの穴をあけることが゛　で
き、た。また上記成形品をアルミナの焼結温度１８００
℃に対して１２００℃で半焼結した半焼結品について、
上記と同条件の加工をおこなうと約２０秒という充分短
い時間で深さ１０Ｍの穴をあけることができた。これに
対して上記焼結品を１８００℃で焼結した焼結品に対し
て同条件の超音波加工をおこなうと、深さ１０ＩＩ１１
の穴をあけるには約２４０分という長時間を要する。

この発明は上記知見にもとづいて発明者らがさらに研究
を重ねて完成したものであって、焼結前に超音波加工を
施しておくことにより、焼結後に長時間にわたる機械加
工をおこなうことなく、所望の精度の焼結品を経済的に
製造することができる粉末焼結品の製造方法を提供しよ
うとするものである。

１．ｌ （問題点を解決するための手段） しかしてこの出願の第１発明は粉末の成形品もしくは該
成形品の半焼結品から成る試料の所定部分を超音波加工
により設定寸法に加工し、この加工品を焼結することを
特徴とする粉末焼結品の製造方法である。またこの出願
の第２発明は、粉末の成形品もしくは該成形品を半焼結
した半焼結品から成る試料の所定部分を超音波加工によ
り設定寸法に加工し、この加工品を焼結機上記所定部分
の寸法を測定し、この測定値と焼結品の目標寸法との寸
法差を算出し、この寸法差と上記試料の焼結に伴う線収
縮率に応じて上記設定寸法を修正し、新たな試料に対し
て修正した設定寸法による超音波加工と焼結後の寸法測
定と寸法差の算出を、該寸法差が焼結品の許容寸法差内
に入るまで繰返し、以降、最終の設定寸法に基づいて試
料を超音波加工した後焼結することを特徴とする粉末焼
結品の製造方法である。またこの出願の第３発明は、粉
末の成形品もしくは該成形品を半焼結した半焼結品から
成る試料の所定部分を超音波加工により設定寸法に加工
後焼結して、最終許容寸法に対して仕上代を有する焼結
品を得、該焼結品を超音波加工により仕上加工すること
を特徴とする粉末焼結品の製造方法である。

この発明において粉末の成形品は、金型を用いた圧縮成
型によるのが好ましいが、鋳込み成形その他の成形法に
よってもよい。

この発明における半焼結とは、焼結品（最終製品）を得
るための焼結（本焼結）温度以下の温度で焼結すること
をいい、成形品が超音波加工の際にくずれやすい性状の
場合や、焼結時の収縮量を小さくしてより高精度の仕上
寸法を得たい場合等におこない、その半焼結温度は個々
の材料によって適宜選定するものである。たとえば焼結
温度が１８００℃のアルミナの場合、８００℃〜１２０
０’Ｃ程度で半焼結すると超音波加工時のくずれが少な
く、超音波加工時の加工時間も短くて済む。

この発明における超音波加工は、振動工具と被加工物の
間に水を供給しないでおこなうこともできるが、上記の
水の供給をおこなえば粉じんの発生を防ぐとともに加工
速度を向上させる効果があり、さらに上記の水に砥粒を
懸濁させたものを用いれば加工速度は大巾に向上する。

また上記の水として蒸留水を用いると、アルミナの焼結
の場合に水道水中の塩素分がアルミナと反応して塩化ア
ルミニウムとして焼結体中に残る等の不具合を生じるこ
とが防止されるので好ましい。また超音波加工用の振動
工具としては、通常の金属製のもののほか、ダイモンド
砥粒などを外周に固着さゼた振動工具を用いることもで
きる。

またこの発明における線収縮率とは、成形品もしくは半
焼結品を焼結した際の線収縮率であり、成形品の材質に
よって異なるばか成形品の薄肉部や厚肉交差部などの各
部形状によっても異なることがあるので、各加工部分に
応じた数値を使用するのがよい。またこの線収縮率γが
不明の場合は、実際の試料について焼結をおこなって次
式により容易にかつ現物に即した正確な値を求めること
ができる。

γ＝焼結による収縮量／焼結前寸法 たとえば成形品に直径３．２　ｍの穴をあけ、この焼結
品の穴の直径が２．９　ｔａｘになった場合、γ−（３
，２−２，９）／３．２−０．０９４となる。

以下この発明の内容を第２発明の実施例に対応する第１
図および第２図により説明すると、粉末の成形品もしく
はその半焼結品である試料Ａから、所定部分（たとえば
角穴の内法）の目標寸法がＬ　ｏで許容寸法差が±１で
ある焼結品Ｂ（第２図（ａ）参照）を製造する場合、先
ず最初の試料に対して加工寸法し　を設定する。このし
、としては下記の値を用いると焼結品の寸法差が小さい
ので好ましい。但しγは試料の焼結に伴う線収縮率であ
る。

Ｌ＝Ｌｏ（１＋γ）　　　　・・・・・・（１）次にこ
の設定寸法により試料を超音波加工し又、第２図（ｂ）
に示す加工品とし、これを焼結して同図（Ｃ）に示す焼
結品Ｃを得、この焼結品の所定部分の寸法Ｘ　を測定す
る。次にこの測定値×１と目標寸法し。どの差を次式に
より算出する。

ΔＸ　　−Ｌｏ−Ｘｌ　　　　　−−−−−−（２）ま ただしΔＸ１が負の値となる場合は、絶対値ではなく負
数として以後取扱う。次に寸法差ΔＸ１と許容寸法差±
ρを比較し、△Ｘ１が±１の範囲外である場合は、この
△Ｘ１と線収縮率γに応じてＬ　寸法を下記のし２寸法
に修正する。

Ｌ　　＝Ｌ　　−ΔＸ１　（１＋γ）・・・・・・（３
）次にこの１２寸法で第２図（ｄ）に示すように新たな
試料の超音波加工をおこない、これを焼結して寸法Ｘ　
を測定し、寸法差×２を算出し許容寸法差±１との比較
をし、上記と同様な設定寸法の修正をおこなう。第１番
目の試料に対する設定寸法は次式で表わされる。

Ｌ・＝１＝　　−ＡＸＨ−１（１＋７）・（４）寸法差
ΔＸ、が±１の範囲内に入ったら、設定寸法り、を固定
し、以降この最終設定寸法により試？ 料を超音波加工し、加工品を焼結すれば、所望の許容寸
法内におさまる焼結品が得られるのである。

なお上記説明においては焼結品の許容寸法差を±ρとし
たが、この許容寸法差が−１、＋Ｊ。

と正負側で異なる場合や、一方がＯである場合、あるい
は共に正数または負数である場合なども同様に寸法差Δ
Ｘ、との比較をおこなえばよい。また測定値Ｘｉと目標
寸法（たとえばり。ｔｈρ）とを直接比較して、寸法差
△Ｘ１と許容寸法差（たとえば±１）を間接的に比較す
る場合も、本発明の実施態様に含まれるものとする。ま
た設定寸法りの修正項ΔＸ（１＋γ）には成形品の材質
や形状等に応じて実験等により求めた適宜の定数を乗じ
ることもできる。

また第３発明においては、第２図における焼結後のＸ寸
法（たとえばＸ、）が、製品の最終許容寸法（Ｌｏ−１
）に対して小となるように設定加工Ｘｌ法Ｌ〈たとえば
り、）を定め、全訳ＦＩＡを該設定寸法により加工し、
ｉｑられた焼結品Ｃを超音波加工により仕上加工して焼
結品Ｂを得る。なお加工寸法が外法寸法である場合は、
最終許容寸法（Ｌｏ＋Ｊ　）よりも焼結後のＸ寸法が大
となるように設定加工寸法を定めればよい。

（作用） このようにして焼結前の超音波加工は加工容易な成形品
ｂ＋、、＜は該成形品を半焼結した半焼結品に対してお
こなわる。また第２発明においては、焼結品の測定寸法
と目標寸法の寸法差と線収縮率を因子として設定寸法を
累算修正していくので、数回の試料に対する加工と焼結
の試行により適確な最終設定寸法が得られる。また第３
発明においては、焼結品が生母の仕上代を残す寸法とな
るように焼結前の加工をおこなうことができるので、焼
結後の仕上加工ら短時間でおこなうことができる。

（実施例） 以下回向によりこの発明の詳細な説明する。

第３図はこの発明の方法に使用される数値制御超音波加
工装Ｍ１を示し、２は超音波加工ヘッドで、高周波発振
器３に接続された磁歪娠動子４にコーン形ホーン５とエ
クスポネンシャル形ホーン６を結合したものを水冷式の
容器７にフランジ８で固定した公知の構成のものである
。エクスポネンシャル形ホーン６の先端部には振動工具
９およびタッチセンサから成る測定工具１０が工具交換
装置１１により着脱自在に取付けられるようになってい
る。超音波加工ヘッド２全体は図示しないガイドフレー
ムにより昇降自在に案内され、スピンドル１２を介して
油圧シリンダ１３（電動式リニアクチュエータでもよい
）により、昇降駆動されるようになっている。１４は超
音波加工ヘッド２の上下（Ｚ軸）方向の変位検出用の２
軸スケールである。一方１５はＣＮＣ制御装置で、紙チ
ー７１６もしくはキーボード１７の入力により、Ｘ軸駆
動モータ１８およびＹ軸駆動モータ１９を駆動してＸＹ
クロステーブル２０を駆動し、油圧シリンダ１３を駆動
して超音波加工ヘッド２を上下駆動するとともに、高周
波発振器３および工具交換装置１１にも指令を与え、装
置全体のプログラム制御をおこなうものである。２１お
よび２２はＸＹクロステーブルの位置検出器である。ま
たＣＮＣ制御装置１５には被加工物である試料の測定寸
法、焼結品の目標寸法および寸法許容差などを記憶する
ためのメモリーおよび前記（１）〜（４）式等で表わさ
れる演算をおこなう演算装置等を内蔵している。

上記構成の数値制御超音波加工装置１によれば振動工具
９を昇降させて該工具の外形に対応する凹所を被加工物
に穿孔するほか、ＸＹクロステーブル２０の駆動により
上記凹所の巾寸法を自由に変えることができ、また第４
図に示すように撮動工具９を被加工物に対して円形運動
をおこなわせながら自動拡大加工したり、第５図に示す
ように振動工具９をらせん状に運動させながら加工する
こともでき、さらにこれらの円運動のかわりに多角形状
に運動をさせて多角形状の穿孔をおこなうこともできる
。さらに第６図に示すように、ダイヤモンド砥粒を外周
に固着した棒状の振動工具９により、被加工物を所望の
プロファイル形状に輪郭加工することもできる。

上記構成の装置を用いて加工をおこなうには、粉末の成
形品もしくは該成形品を半焼結した試料をＸＹクロステ
ーブル２０に取付け、工具変換装置１１により所定の振
動工具９をエクスポネンシャル形ホーン６に取付けて、
前記（１）式で表わされる設定寸法により試料を超音波
加工する。なお開式および第１図、第２図は一次元の寸
法を表わしているが、二次元あるいは三次元の各寸法に
目標寸法がある場合は、各方向について各設定寸法によ
り超音波加工する。次に超音波加工後の加工品を焼結し
、焼結品をＸＹクロステーブル２０にセットして、工具
交換装置１１により測定工具１０をエクスポネンシャル
形ホーン６に取付けて、焼結品の上記設定寸法に対応す
る部分の寸法×１（多次元の場合は各方向の寸法。以下
の算出や修正：ｂ同様とする。）を測定する。この測定
はＣＮＣ制御装置１５の指令により測定工具１０の測定
端を焼結品の一方の測定面に所定の測定圧で当て、ＸＹ
クロステーブル２０あるいは油圧シリンダ１３を駆動し
て上記測定端を他方の測定面に当て、その間のＸＹりＯ
ステーブル２０あるいはスピンドル１２の移動距１ｉ１
１ｔ（水平方向の場合は測定端の直径寸法を加算する）
からＣＮＣ制御装置１５内で算出することによりおこな
う。この測定値×１とＣＮＣ制御装置１５内のメモリー
に記憶させた目標寸法り。を用いて該制御装置１５内の
演算装置により（２）式の演算をおこない、ΔＸ１が目
標寸法の許容寸法差±ｇ内にない場合は（３）式で表わ
される演算をおこなって、新たな設定寸法Ｌ２により新
たな試料について上記と同様な超音波加工、焼結、測定
、演算などをおこない、以下同様な工程を繰返す。寸法
差△Ｘ、が許容寸法差±１内に入ったら、そのときの最
終設定寸法り、をＣＮＣ制御装置１５内のメモリーに記
憶させ、以降この設定寸法により全試料の超音波加工を
おこない、焼結をおこなえばよい。なおこの最終設定寸
法による量産中においても、適時に焼結品を抜取って寸
法Ｘを測定し、目標寸法との比較をおこなって必要に応
じて設定寸法の修正をおこなうのが望ましい。

次に上記構成の装置を用いた第３発明の実施例をあげる
。巾２０ｆｎＩＲ１長さ５０＃ｌｌ１１．厚さ２０ｍ＋
のブロック体に、−辺の長さが４±０．０２ａｍ＋で深
さ７ｍの正六角形の六角穴を上記厚さ方向に穿設したア
ルミナ類の焼結品を得るために、先ず該アルミナの原料
粉末を金型により圧縮成形後、１２００℃で半焼結した
。この半焼結品をＸＹクロステーブル２ｏに取付け、−
辺の長さが３．９０ｍ＋の正六角形の振動工具９を用い
、該工具にＣＮＣ制御装置１５によりＮＣオフセットを
与えて一辺が４、２　ｍの六角穴を上記焼結品に穿孔し
た。深さ７ｍＩＲの六角穴の穿孔に要した加工時間は５
分であった。またこの加工寸法４．２順は、アルミナの
半焼結品を焼結した際の既知の線収縮率γ−０，０５を
用い、前記（１）式によりり。−４履として求めた加工
寸法Ｌ１である。次に上記加工済みの半焼結品を１８０
０℃で焼結したところ六角穴の各辺の寸法は３．９〜３
．９６ｍ＋となった。そこでこの焼結品を上記数値制御
超音波加工装置１において上記振動工具９に六角形の辺
方向に０．０７ａｍのオフセットを与えて超音波加工し
、−辺の長さが４．０１Ｍの六角形の穴を有する最終製
品を得た。この仕上加工に要した時間は５分であった。

なお上記の各超音波加工中、半焼結品の超音波加工は振
動工具と被加工物間には水等の加工液を供給ゼずドライ
状態でおこない、焼結後の仕上加工時には粒度＃１００
０のグリーンカーボランダムを水に懸濁したものを加工
液として用いた。また従来方法のようにアルミナ原料粉
末を圧縮成形して加工をおこなわずに１８００℃で焼結
後、上記振動工具９により六角穴の穿孔をおこなったと
ころ、上記加工液を用いても加工時間は５時間以上と、
きわめて長時間を要した。

この発明は上記実施例に限定されるものではなく、たと
えば寸法測定は手作業でおこなったり、また振動工具９
の交換も手作業でおこなうなど、上記の数値制御超音波
加工装置１以外の装置によりこの発明を実施することも
できる。また超音波加工ヘッド２をマシニングセンタに
組込んで使用することもできる。

また第６図および第７図に示すように、ダイヤモンド砥
粒３０を棒材の外周に固着した振動棒３１の一端部を、
アーム３２に回動自在に取付けたボール３３に固着し、
アーム３４に回動自在に取付けたボール３５内に振動棒
３１の他端部を長手方向に摺動自在に嵌挿し、前記第３
図の装置と同様な磁歪振動子４、コーン形ホーン５、エ
クスポネンシャル形ホーン６から成る超音波振動具３６
の先端部３７とボール３３とを振動伝達用のワイＡ７３
８で連結し、アーム３４をＵ軸駆動モータ３９およびＶ
軸駆動モータ４０により二次元方向に駆動するとともに
、前記装置と同様なＸＹりＯステーブル２０をそなえた
超音波加工装置４１を用いれば、焼結前の試料４２の加
工面としては、直線を面の要素とする錐面、双曲放物面
、つるまぎ線面などの各種線織面が得られ、焼結タービ
ンブレードなどの製造をおこなうことができる。

（発明の効果） 以上説明したようにこの発明によれば、焼結前の加工容
易な状態で超音波加工をおこなうため、加工時間が短く
てすみ、また導電性のない材料や各種の形状のものに対
してら広く適用できる有用な粉末焼結品の製造方法が提
供される。また第２発明によれば焼結に伴う各部の収縮
の不均一性は数回の加工と焼結の試行により補正されて
適切な加工寸法の設定をおこなうことができ、所望の寸
法精度の焼結品を短時間で経済的に製造することができ
る。さらに第３発明によれば超音波加工による仕上加工
をおこなうため、寸法精度が高い焼結品を短時間で経済
的に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図はこの発、明の一実施例を示し、第１
図は工程を示すフローチャート、第２図（ａ）〜（「）
は寸法関係説明図、第３図は使用装置の機器構成図、第
４図乃至第６図は振動工具の運動状ｆｆｉ！説明図、第
７図は使用装置の他の実施例を示す機器構成図、第８図
は同じく要部縦断面図である。 １・・・数値制御超音波加工装置、２・・・超音波加工
ヘッド、９・・・振動工具、１０・・・測定工具、１１
・・・工具交換装置、１３・・・油圧シリンダ、１５・
・・ＯＮＣ！ＩＩ　ｍ装置、１８・・・Ｘ軸駆動モータ
、１９・・・Ｙ＠駆動モータ、２０・・・ＸＹりＯステ
ーブル、３１・・・振動棒、３６・・・超音波振動具、
３８・・・ワイヤ、３９・・・Ｕ軸駆動モータ、４０・
・・Ｖ軸駆動モータ、４１・・・超音波加工装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　粉末の成形品もしくは該成形品の半焼結品から成る
   試料の所定部分を超音波加工により設定寸法に加工し、
   この加工品を焼結することを特徴とする粉末焼結品の製
   造方法。 ２　粉末の成形品もしくは該成形品を半焼結した半焼結
   品から成る試料の所定部分を超音波加工により設定寸法
   に加工し、この加工品を焼結後上記所定部分の寸法を測
   定し、この測定値と焼結品の目標寸法との寸法差を算出
   し、この寸法差と上記試料の焼結に伴う線収縮率に応じ
   て上記設定寸法を修正し、新たな試料に対して修正した
   設定寸法による超音波加工と焼結後の寸法測定と寸法差
   の算出を、該寸法差が焼結品の許容寸法差内に入るまで
   繰返し、以降、最終の設定寸法に基づいて試料を超音波
   加工した後焼結することを特徴とする粉末焼結品の製造
   方法。 ３　粉末の成形品もしくは該成形品を半焼結した半焼結
   品から成る試料の所定部分を超音波加工により設定寸法
   に加工後焼結して、最終許容寸法に対して仕上代を有す
   る焼結品を得、該焼結品を超音波加工により仕上加工す
   ることを特徴とする粉末焼結品の製造方法。