JP2005125344A - 摩擦圧接構造体およびその摩擦圧接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合強度の高い摩擦圧接構造体を提供する。
【解決手段】 第１の軸状部材１と第２の軸状部材２とを相対的に回転させて第２の軸状部材２の穴部に第１の軸状部材１を摩擦接合してなる摩擦圧接構造体であり、第１の軸状部材１の軸表面および第２の軸状部材２の穴部の表面のうちいずれか一方に、軸状部材１、２の中心軸線Ｚ１，Ｚ２に対して傾きを有した溝１１２を設ける。これによると、両軸状部材１、２を摩擦接合する際にその摩擦熱により溶融した材料は、傾きを有した溝１１２の存在により、軸状部材の中心軸線方向への移動が促進されて溶融材料の塑性流動作用が促進されるため、均一な拡散に伴う金属間固相接合が実現されて両軸状部材の接合強度が高まる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、２部材を相対的に回転させて摩擦接合させた摩擦圧接構造体およびその摩擦圧接方法に関する。

従来技術として、特許文献１に示された摩擦圧接方法がある。これは、貫通しない孔を有する部材の端面に軸を圧接し、この際に発生する接合バリを孔部内及び、軸外周に設けたスプライン内へ導入し、所謂キーの機能を持たせようとするものである。
特開特開２００１−１１６７号公報

しかしながら、この方法では、バリがスプラインを伝わって軸方向に入り込んでも強固な接合は成立しない。

本発明は上記点に鑑みて、接合強度の高い摩擦圧接構造体を提供することを目的とする。また、接合強度の高い摩擦圧接構造体を製造するための摩擦圧接方法を提供することを他の目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１の軸状部材（１）と、第１の軸状部材（１）が挿入される穴部（２１、２１ａ）が中心に形成された第２の軸状部材（２）とを有し、両軸状部材（１、２）を相対的に回転させて第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）に第１の軸状部材（１）を摩擦接合してなる摩擦圧接構造体であり、第１の軸状部材（１）の軸表面および第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）の表面のうちいずれか一方に、軸状部材（１、２）の中心軸線（Ｚ１，Ｚ２）に対して傾きを有した線状部（１１１）を有することを特徴とする。

これによると、両軸状部材を摩擦接合する際にその摩擦熱により溶融した材料は、傾きを有した線状部の存在により、軸状部材の中心軸線方向への移動が促進されて溶融材料の塑性流動作用が促進されるため、均一な固相接合が実現されて両軸状部材の接合強度が高まる。

請求項２に記載の発明のように、線状部（１１１）を溝または凸状とすることにより、上記の塑性流動作用を一層促進させることができる。

請求項３に記載の発明では、線状部（１１１）は、第１の軸状部材（１）および第２の軸状部材（２）のうち相対的に融点の高い側に形成されていることを特徴とする。

このように、融点の高い側に線状部を形成することにより、線状部による上述の効果を摩擦接合時に効果的に発揮できる。

請求項４に記載の発明のように、第１の軸状部材（１）は鉄系材料とし、第２の軸状部材（２）はアルミニウム材料とすることができる。

請求項５に記載の発明では、線状部（１１１）は溝であり、線状部（１１１）は第１の軸状部材（１）に形成されていることを特徴とする。

このように、第１の軸状部材に溝よりなる線状部を形成することが加工上最適である。これにより溝内に溶融材料が充填され、アンカー効果を発揮することができる。

請求項６に記載の発明では、線状部（１１１）は、第１の軸状部材（１）における第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）に挿入される範囲内に形成されていることを特徴とする。

第１の軸状部材が穴部に挿入される範囲が接合されることが重要であり、請求項６の発明によれば、その範囲に線状部（１１１）が形成されているので、接合強度が高まる。

請求項７に記載の発明では、線状部（１１１）は、第１の軸状部材（１）における第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）に挿入される範囲の全体に亘って形成されていることを特徴とする。

これによると、線状部は挿入範囲の全体に亘って形成されているため、溶融材料の一部は挿入範囲の全体に確実に塑性流動することになり、接合強度が向上する。

請求項８に記載の発明では、第１の軸状部材（１）における第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）に挿入される領域、および、第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）は、一方がテーパ状で他方がストレート形状であることを特徴とする。

軸状部材をともにテーパ状にした場合ベタ当たりとなるため、摩擦接合させる際のワーク駆動トルクの増大と激しいビビリ音を招きやすい。これに対し、請求項８の発明によれば、ベタ当たりとならないため、摩擦接合させる際のワーク駆動トルクを低減し振動音も無くすことができる。

請求項９に記載の発明では、第１の軸状部材（１）と、第１の軸状部材（１）が挿入される穴部（２１、２１ａ）が中心に形成された第２の軸状部材（２）とを有し、両軸状部材（１、２）を相対的に回転させて第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）に第１の軸状部材（１）を摩擦接合させる摩擦圧接構造体の摩擦圧接方法であって、第１の軸状部材（１）の軸表面および第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）の表面のうちいずれか一方に軸状部材の中心軸線（Ｚ１，Ｚ２）に対して傾きを有した線状部（１１１）を形成する線状部形成工程と、線状部形成工程の後に両軸状部材（１、２）を相対的に回転させて両軸状部材（１、２）を摩擦接合させる摩擦接合工程とを有することを特徴とする。

これによると、請求項１の発明と同様の効果を得ることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る摩擦圧接構造体の摩擦接合後の斜視図、図２は図１の摩擦圧接構造体の断面図、図３（ａ）は摩擦接合前のシャフトの外観図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は摩擦接合前のスクリュウの断面図である。

図１および図２に示すように、鋼製のシャフト１とアルミニウム製のスクリュウ２が摩擦接合されて、摩擦圧接構造体としてのスクリュウロータが形成される。なお、シャフト１は本発明の第１の軸状部材に相当し、スクリュウ２は本発明の第２の軸状部材に相当する。

図３に示すように、シャフト１は、外径が一定のストレート形状の接合軸部１１と、この接合軸部１１の両端側に形成された第１および第２の軸部１２、１３とを有している。第１および第２の軸部１３は、外径が一定のストレート形状で、且つ接合軸部１１よりも小径である。

また、接合軸部１１の外周面には複数の溝１１１が形成され、接合軸部１１の両端角部１１２はＲ形状になっている。より詳細には、溝１１１は、シャフト１の中心軸線Ｚ１に対して例えば３°程度の傾きθを有しており、シャフト１の周方向に沿って例えば１２０°間隔で３つ形成されている。さらに、溝１１１における、中心軸線Ｚ１方向の長さは、後述するスクリュウ２の穴部２１の長さと略同じであり、図２に示すように、シャフト１とスクリュウ２が接合された状態では、溝１１１はスクリュウ２の穴部２１の軸方向の全範囲に位置するようになっている。なお、溝１１１は本発明の線状部に相当し、また溝１１１を形成する工程は本発明の線状部形成工程に相当する。

図４に示すように、スクリュウ２の中心部には、スクリュウ２の中心軸線Ｚ２方向に延びるテーパ状の穴部２１が形成されている。穴部２１の最大内径部の寸法は、シャフト１の接合軸部１１の外径よりも大きく設定され、一方、穴部２１の最小内径部の寸法は、シャフト１の接合軸部１１の外径よりも小さく設定されている。

図３、図４のように形成されたシャフト１とスクリュウ２は、以下述べる摩擦接合によって一体化される。

すなわち、シャフト１をスクリュウ２の穴部２１に挿入して、シャフト１の接合軸部１１の一方の角部１１２をスクリュウ２の穴部２１に接触させるとともに、シャフト１を回転させる（摩擦接合工程）。このシャフト１とスクリュウ２の相対回転により、シャフト１とスクリュウ２の接触部位で摩擦熱が発生する。スクリュウ２はシャフト１よりも融点が低いため、その摩擦熱によりスクリュウ２の穴部２１内面が溶融する。シャフト１はスクリュウ２の穴部２１内面を溶融させつつ、穴部２１内に侵入していく。

溶融した材料の一部はシャフト１の溝１１１の一端側近傍に入り込む。そして、溝１１１はシャフト１の中心軸線Ｚ１に対して傾きθを有しているため、溝１１１に入り込んだ溶融材料はシャフト１の回転に伴って推力を付与され、溝１１１の一端側近傍に入り込んだ溶融材料は溝１１１の他端側まで掻き揚げられる。

このように、傾きθを有する溝１１１により中心軸線Ｚ１、Ｚ２方向への溶融材料の塑性流動作用が促進され、掻き揚げ過程でシャフト１の接合軸部１１とスクリュウ２の穴部２１との間に溶融材料が十分に流動して充填され、シャフト１とスクリュウ２が均一な拡散に伴う金属間固相接合によって強固に接合される。

また、溝１１１は穴部２１の軸方向の全範囲に位置するようにしているため、溶融材料の一部はシャフト１が挿入された範囲の全体に確実に塑性流動することになり、接合強度が向上する。

また、溝１１１内に溶融材料が充填される結果、冷却後にはその溝１１１内の材料がアンカー効果を発揮し、シャフト１とスクリュウ２の接合が一層強固になる。

また、摩擦接合の際、ストレート形状の接合軸部１１とテーパ状の穴部２１との接触部はベタ当たりとならないため、摩擦接合させる際のワーク駆動トルクやビビリ音を少なくすることができる。

また、接合軸部１１の両端角部１１２はＲ形状になっているため、シャフト１とスクリュウ２を接触させて相対回転させる際の抵抗を小さく且つ、塑性流動を容易にさせる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図５（ａ）は第２実施形態に係る摩擦圧接構造体の摩擦接合前のシャフトの外観図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図６は摩擦接合前のスクリュウの断面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態では、図５に示すように、シャフト１の接合軸部１１ａをテーパ状にし、一方、図６に示すように、スクリュウ２の穴部２１ａを、内径が一定のストレート形状にしている。そして、接合軸部１１ａの最大外径部の寸法は、穴部２１ａの内径よりも大きく設定され、一方、接合軸部１１ａの最小外径部の寸法は、穴部２１ａの内径よりも小さく設定されている。

図５、図６のように形成されたシャフト１とスクリュウ２は、以下述べる摩擦接合によって一体化される。

すなわち、シャフト１をスクリュウ２の穴部２１ａに挿入して、シャフト１の接合軸部１１ａの外周面をスクリュウ２の穴部２１ａの一端側角部に接触させるとともに、シャフト１を回転させる。このシャフト１とスクリュウ２の相対回転により、シャフト１とスクリュウ２の接触部位で摩擦熱が発生する。その摩擦熱によりスクリュウ２の穴部２１ａを溶融させつつ、シャフト１が穴部２１内に侵入していく。

以下、第１実施形態と同様に、溶融した材料の一部はシャフト１の溝１１１の一端側近傍に入り込み、傾きθを有する溝１１１により中心軸線Ｚ１、Ｚ２方向への溶融材料の塑性流動作用が促進され、掻き揚げ過程でシャフト１の接合軸部１１ａとスクリュウ２の穴部２１ａとの間に溶融材料が十分に流動して充填され、シャフト１とスクリュウ２が均一な拡散を伴う金属間固相接合によって強固に接合される。

また、摩擦接合の際、テーパ状の接合軸部１１ａとストレート形状の穴部２１ａとの接触部はベタ当たりとならないため、摩擦接合させる際のワーク駆動トルクやビビリ音を少なくすることができる。

次に、この第２実施形態に基づいて実験を行った結果を説明する。

図５（ａ）、（ｂ）において、シャフト１の各寸法は以下の如くである。なお、各寸法の単位は（ｍｍ）である。

シャフト１の全長：１００
接合軸部の長さ：４０
第１の軸部の長さ×直径：３５×１０
第２の軸部の長さ×直径：２５×１０
第２の軸部の先端：Ｒ２の円弧
接合軸部のテーパ勾配：１／２０
接合軸部の左側の角部の直径：１０
溝の傾斜角度：３°
溝の深さ：Ｒ０．５
図６において、スクリュウ２の各寸法は以下の如くである。

スクリュウの全長×直径：３６×３６
穴部の直径：９．５
以上の構成よりなるシャフト１を回転数３２００ｒｐｍにて高速回転し、シャフト１を６０ｍｍ／ｍｉｎの移動速度（摩擦速度）にてその第２の軸部１３の先端をスクリュウ２の穴部２１ａの先端に６０ｋNの押し圧力（摩擦圧力）にて接触させる。
シャフト１の第２の軸部１３の直径は１０ｍｍであり、スクリュウ２の穴部２１ａの直径９．５ｍｍより大きいが、第２の軸部１３の先端はＲ２ｍｍのＲ形状を有しているため、該先端はシャフト１の穴部２１ａの内側に接触し、上記の摩擦速度、摩擦圧力に基づいて摩擦熱を発生する。

この摩擦熱によりスクリュウ２の穴部２１ａが溶融し、該スクリュウ２の材料であるアルミニウムの塑性流動が始まった時点でシャフト１に対する押し圧力（接合圧力）を５ｋＮに落とし、またシャフト１の移動速度（接合強度）を９００ｍｍ／ｍｉｎと速める。
そして、スクリュウ２の穴部２１ａの先端からシャフト１の第２の軸部１３が露出した時点でシャフト１の回転を止める。

以上により、スクリュウ２の穴部１ａにシャフト１の接合軸部が強固に接合したことが認められた。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、シャフト１の接合軸部１１、１１ａに溝１１１を設けたが、スクリュウ２の穴部２１、２１ａに溝１１１を設けてもよい。

また、上記各実施形態では、シャフト１の接合軸部およびスクリュウ２の穴部のうち一方をテーパ状とし他方をストレート形状にしたが、両方をテーパ状にしてもよい。ただし、この場合には両者のテーパ角度を変える必要がある。すなわち、テーパ角度を同じにすると、摩擦接合の際に接合軸部と穴部との接触部がベタ当たりとなり、摩擦熱で塑性流動が始まるまでの間にシャフト１がねじられて折損する恐れがあるが、両者のテーパ角度を変えることにより、その問題を回避することができる。

また、上記各実施形態では、線状部として溝１１１を設けたが、溝１１１の代わりに、複数の凸状（線状部に相当）を設けてもよい。この場合には、隣り合う凸状の間に溶融材料が入り込む。そして、その凸状は、溝１１１と同様の機能、すなわち溶融材料に推力を付与して中心軸線Ｚ１、Ｚ２方向への溶融材料の塑性流動作用を促進させる機能を発揮する。

また、上記各実施形態における溝１１１の断面形状は、四角形、Ｖ形、Ｕ形、半月形など、シャフト１やスクリュウ２の材質や形状に合わせて選択することができる。同様に、溝１１１の数量や配置に関しても、シャフト１やスクリュウ２の材質や形状に合わせて選択することができる。また、その溝１１１はスクリュウ２の接合軸部１１、１１ａの前兆に亘って連続して形成したが、間欠的に不連続な態様で形成しても勿論よい。これは、上述の凸状についても同様に適用できることは勿論である。

また、上記各実施形態では、接合軸部１１、１１ａの両端角部１１２をＲ形状にしたが、両端角部１１２は面取りでもよい。

また、本発明は、スクリュウロータ以外の摩擦圧接構造体にも適用することができる。

なお、上記各実施形態のスクリュウ２は、例えば転造によって加工することができる。その場合に用いる転造ダイスとしては、図７に示すような、複数（本例では４枚）のダイス３を積層した転造ダイスを用いれば、アンダーカットやリードの大きな歯型の加工も容易である。因みに、複数のダイス３はボルト４によって一体化されている。

また、上記各実施形態では、第２の軸状部材であるスクリュゥ２における穴部として両端が開放した貫通穴を用いたが、一端が開放し他端が閉塞した穴部でもよいことは勿論である。

さらに、上記各実施形態では、塑性流動材を第１の軸状部材であるシャフト１の回転により掻き揚げる溝１１１は所定の傾きを有した複数の溝であったが、スパイラル形状でもあっても勿論よい。

さらに、上記各実施形態では、第１の軸状部材であるシャフト１を鉄系材料とし、第２の軸状部材であるスクリュゥ２をアルミニウム材料としたが、これら材料に限定されることなく、基本的には摩擦圧接可能な材料の組合わせであれば各種の材料の組合せを本発明に適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る摩擦圧接構造体の摩擦接合後の斜視図である。 図１の摩擦圧接構造体の断面図である。 （ａ）は摩擦接合前のシャフトの外観図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 摩擦接合前のスクリュウの断面図である。 （ａ）は第２実施形態に係る摩擦圧接構造体の摩擦接合前のシャフトの外観図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 摩擦接合前のスクリュウの断面図である。 スクリュウの加工に用いる転造ダイスの模式的な図である。

符号の説明

１…シャフト（第１の軸状部材）、２…スクリュウ（第２の軸状部材）、２１、２１ａ…穴部、１１１…溝（線状部）、Ｚ１，Ｚ２…中心軸線。

Claims (9)

1. 第１の軸状部材（１）と、該第１の軸状部材（１）が挿入される穴部（２１、２１ａ）が中心に形成された第２の軸状部材（２）とを有し、該両軸状部材（１、２）を相対的に回転させて前記第２の軸状部材（２）の前記穴部（２１、２１ａ）に前記第１の軸状部材（１）を摩擦接合してなる摩擦圧接構造体であり、
   前記第１の軸状部材（１）の軸表面および前記第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）の表面のうちいずれか一方に、該軸状部材（１、２）の中心軸線（Ｚ１，Ｚ２）に対して傾きを有した線状部（１１１）を有することを特徴とする摩擦圧接構造体。
2. 前記線状部（１１１）は溝または凸状であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦圧接構造体。
3. 前記線状部（１１１）は、前記第１の軸状部材（１）および前記第２の軸状部材（２）のうち相対的に融点の高い側に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の摩擦圧接構造体。
4. 前記第１の軸状部材（１）は鉄系材料よりなり、前記第２の軸状部材（２）はアルミニウム材料よりなることを特徴とする請求項３に記載の摩擦圧接構造体。
5. 前記線状部（１１１）は溝であり、該線状部（１１１）は前記第１の軸状部材（１）に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の摩擦圧接構造体。
6. 前記線状部（１１１）は、前記第１の軸状部材（１）における前記第２の軸状部材（２）の前記穴部（２１、２１ａ）に挿入される範囲内に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦圧接構造体。
7. 前記線状部（１１１）は、前記第１の軸状部材（１）における第２の軸状部材（２）の前記穴部（２１、２１ａ）に挿入される範囲の全体に亘って形成されていることを特徴とする請求項６に記載の摩擦圧接構造体。
8. 前記第１の軸状部材（１）における前記第２の軸状部材（２）の前記穴部（２１、２１ａ）に挿入される領域、および、前記第２の軸状部材（２）の前記穴部（２１、２１ａ）は、一方がテーパ状で他方がストレート形状であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の摩擦圧接構造体。
9. 第１の軸状部材（１）と、該第１の軸状部材（１）が挿入される穴部（２１、２１ａ）が中心に形成された第２の軸状部材（２）とを有し、該両軸状部材（１、２）を相対的に回転させて前記第２の軸状部材（２）の前記穴部（２１、２１ａ）に前記第１の軸状部材（１）を摩擦接合させる摩擦圧接構造体の摩擦圧接方法であって、
   前記第１の軸状部材（１）の軸表面および前記第２の軸状部材（２）の穴部（２１、２１ａ）の表面のうちいずれか一方に該軸状部材の中心軸線（Ｚ１，Ｚ２）に対して傾きを有した線状部（１１１）を形成する線状部形成工程と、
   該線状部形成工程の後に前記両軸状部材（１、２）を相対的に回転させて前記両軸状部材（１、２）を摩擦接合させる摩擦接合工程とを有することを特徴とする摩擦圧接構造体の摩擦圧接方法。

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