JP2005125344A - 摩擦圧接構造体およびその摩擦圧接方法 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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WO2016031074A1 (ja) * | 2014-08-29 | 2016-03-03 | 株式会社小松製作所 | 金属部材の製造装置 |
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Legal Events
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Effective date: 20060308 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081008 |
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A02 | Decision of refusal |
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