JP4646421B2

JP4646421B2 - 摩擦攪拌成型方法

Info

Publication number: JP4646421B2
Application number: JP2001059696A
Authority: JP
Inventors: 公西原
Original assignee: 公西原
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: JP2002256453A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二つの物体を擦り合わせて生じる摩擦熱を利用して、金属材料を溶融させることなく成形することの出来る、摩擦攪拌成型方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、任意の凹凸形状を金属に転写するには、当該凹凸形状に対応する金型を形成して鋳造するか、機械加工により削り出すしか方法はなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
鋳造の場合、金属材料を溶融させる必要があることから、大がかりな設備を必要とするばかりか、金属を溶融させることにより、その機械的な性質が変化する欠点があり、また、機械加工は、その加工に多くの時間と熟練を要する不都合があった。
【０００４】
本発明は、上記した事情に鑑み、材料を溶融させることなく、また、短時間に熟練を要することなく成型することの出来る、摩擦攪拌成型方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、先端に工具軸心方向に対して直角方向に形成されたワーク接触面を有する回転工具を用いて、第１の物体（６）と第２の物体（５）を、該第１の物体が前記第２の物体の上方に位置する形で上下方向に接触させた状態で、前記回転工具を前記工具軸心を中心に回転させた状態で下方に移動させて、前記第１の物体の上面に、前記ワーク接触面を所定の接触圧で接触させ、前記回転工具を前記第１の物体中に進入させ、該第１の物体と回転工具のワーク接触面との間で摩擦熱を発生させて、該第１の物体を構成する材料を加熱状態で攪拌することにより非溶融状態で塑性流動を生じさせ、その状態で前記第２の物体に形成された凹凸状態を該塑性流動により転写するようにして構成される。
【０００５】
請求項２の発明は、先端に工具軸心方向に対して直角方向に形成されたワーク接触面を有する回転工具を用いて、第１の物体（６）と第２の物体（７）を、該第１の物体が前記第２の物体の上方に位置する形で上下方向に接触させた状態で、前記回転工具を前工具記軸心を中心に回転させた状態で下方に移動させて、前記第１の物体の上面に、前記ワーク接触面を所定の接触圧で接触させ、前記回転工具を前記第１の物体中に進入させ、該第１の物体と回転工具のワーク接触面との間で摩擦熱を発生させて、該第１の物体を構成する材料を加熱状態で攪拌することにより非溶融状態で塑性流動を生じさせ、該塑性流動を利用して前記第１及び第２の物体を機械的に接合するようにして構成される。
【０００７】
請求項３の発明は、前記第２の物体の凹凸状態は、該第２の物体に形成された成形型（５ａ）であるように構成される。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項２記載の摩擦攪拌成型方法において、前記第１の物体と前記第２の物体は、それら物体を構成する材料が相違するように構成される。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項４記載の摩擦攪拌成型方法において、前記第１の物体の材料は、アルミニウムを素材とする材料であり、前記第２の物体の材料は、鉄を素材とする材料で構成される。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項２記載の摩擦攪拌成型方法において、前記第２の物体には、凹凸（７ａ）が形成されており、該凹凸に前記第１の物体（６）を構成する材料を流入させて、前記第１及び第２の物体を機械的に接合するようにして構成される。
【発明の効果】
請求項１によると、回転工具により第１の物体（６）を構成する材料を非溶融状態で加熱攪拌することにより塑性流動を生じさせ、第１の物体（６）に第２の物体（５）に形成された凹凸状態を、該塑性流動を利用して転写することが出来る。これにより、従来、第１の物体を溶解させて第２の物体上に流し込むか、機械加工による削りだしの方法しか用いることが出来なかったものが、簡単に、金属材料を溶融させることなく、また、短時間に熟練を要することなく成型することが可能となる。
【００１１】
請求項２の発明によると、回転工具により第１の物体（６）を構成する材料を非溶融状態で加熱攪拌することにより塑性流動を生じさせ、第１の物体（６）と第２の物体（５）を機械的に接合することが可能となる。これにより、従来、接合が不可能とされた金属とセラミックスやアルミと鉄などの異種材料間の接合を容易に行うことが出来る。
【００１２】
また、回転工具（２）を用いることにより、一般に普及しているフライス盤やマシニングセンタなどの工作機械を用いて接合作業を行うことが出来、好都合である。

【００１３】
請求項３の発明によると、成形型（５ａ）の形状を精密に転写することが出来、マイクロマシンなどの部品製造などに好都合である。
【００１４】
請求項４の発明によると、異種材料間の機械的接合を簡単に行うことが出来る。
【００１５】
請求項５の発明によると、アルミニウムと鉄の機械的な接合を簡単に行うことが出来る。
【００１６】
請求項６の発明によると、凹凸（７ａ）を利用した形での機械的な接合を簡単に行うことが出来る。
【００１７】
なお、括弧内の番号等は、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用される成形装置の一例を示す図、図２は、成型中の金型温度の変化を示す図、図３は、Ｖ溝金型の深さと充填率との関係を示す図、図４は、金型の表面性状を示す図、図５は、摩擦攪拌成型方法を用いる前後の供試材の表面性状を示す図、図６は、金型の表面性状を示す図、図７は、摩擦攪拌成型方法を用いる前後の別の供試材の表面性状を示す図、図８は、溝付きプレートの寸法を示す図、図９は、引っ張りせん断試験とはく離試験態様を示す模式図、図１０は、引っ張りせん断試験とはく離試験において、最大荷重と溝中央からの距離との関連を示す図、図１１は、溝の数と引っ張りせん断試験の最大荷重に及ぼす影響を示す図、図１２は、本発明を適用して形成されたクラッド材の一例を示す斜視図である。
【００１９】
摩擦攪拌成型方法を行う摩擦攪拌成形装置としての工作機械１は、図１に示すように、テーブル３を有しており、テーブル３上には、金型５が図示しないボルトナットなどの固定手段を介して固定されている。金型５の上面には、成形型５ａが形成されており、該成形型５ａは、当該型５ａに沿って後述するワークの材料が塑性流動することにより、ワーク側に当該型５ａに沿った形状が転写される。
【００２０】
金型５上の成形型５ａが形成された部分には、成型すべきワーク６が同様に、金型５に対して相対移動しないようにボルトナットなどの適宜な手段て積層固定されており、更に、ワーク６の図中上方には、回転駆動自在な工具２が設けられている。工具２は、図示しない送り機構により、図中上下方向である矢印Ａ、Ｂ方向及び該Ａ、Ｂ方向に直角な水平方向である矢印Ｃ、Ｄ方向に、テーブル３に対して相対移動駆動自在に設けられており、工具２は、円筒状の本体２ａを有している。
【００２１】
本体２ａの図中下部には、やや下方に凸状に形成されたワーク接触面２ｂが工具軸心ＣＬ方向に対して直角方向に形成されており、ワーク接触面２ｂの凸状中央部には、プローブ２ｃが工具軸心ＣＬにその中心を一致させた形で、かつ図中下方に突出する形で形成されている。
【００２２】
工作機械１などは、以上のような構成を有するので、工作機械１を用いて行った摩擦攪拌成型について、以下に詳述する。
【００２３】
加工に際しては、工具２を所定の回転数で軸心ＣＬを中心に回転させると共に、図１下方、即ち矢印Ｂ方向に移動させ、工具先端のプローブ２ｃをワーク６の上面に所定の接触圧力で当接させる。ワーク６は、工具２が回転状態で当接することにより、摩擦熱で加熱されて軟化し、プローブ２ｃがワーク６内に進入する。更に工具２が矢印Ｂ方向に押圧されることにより、工具２は、ワーク接触面２ｂとワーク６の上面が所定の接触圧力で接触し、ワーク６の上面は回転状態にあるワーク接触面２ｂとの間に生じる摩擦力により更に加熱される。加熱された状態のワーク６は回転状態にある工具２のワーク接触面２ｂ及びプローブ２ｃにより攪拌され、非溶融状態における塑性流動性状を局部的に呈する。この塑性流動状態は、通常の塑性加工における塑性流動に比して、その流動抵抗が極めて低く、所謂超塑性状態に類似した状態となる。
【００２４】
この状態で、工具２を回転させつつ矢印Ｃ方向に所定の送り速度で送りを掛けることにより、流動抵抗が極めて低下した工具２下方のワーク６を構成する材料は工具２により攪拌され、金型５に形成された成形型５ａ内に流入して、ワーク６の下面６ｂに、成形型５ａに対応した突起６ｃが成形される。この際、ワーク６を構成する材料は、極めて流動性が高くなっているので、工具２側から通常の鍛造のように高い圧力を作用させなくても僅かな矢印Ｂ方向の力で成形型５ａ内に流入し、極めて精巧に当該成形型５ａを転写することが出来る。
【００２５】
このように、工具２を回転させつつ矢印Ｃ方向に所定の送り速度で送りを掛けることにより、ワーク６は連続的に加熱攪拌され、金型５の各成形型５ａ内にワーク６を構成する材料が流入し、成形動作が連続的に行われる。
【００２６】
この、工具２とワーク６との間の摩擦熱による加熱に基づいて、ワーク６ヲ構成する材料に超塑性流動に似た流動を、材料の非溶融状態で生じさせて、成形型５ａ内に低作用圧力下で流入させることで、これまで生成が困難とされた微細加工への応用が可能となる。発明者は、これを「Friction Stir Forming（以下FSFと略）」として提案するものである。
【００２７】
すなわち工作機械１を利用して試作したFSF装置により各種アルミニウム合金の微細成形性におよぼす材質，金型形状および加工条件等の影響を実験的に調べた。
【００２８】
試作したFSF装置を図１に示す。装置本体は立型フライス盤を用い，金型５，供試材（ワーク６）およびこれらを固定する冶具から構成されている。金型用材料にはSUS304を使用し，表面に鏡面，機械加工面，半球溝，V型溝，ビッカ−スおよびマイクロビッカ−ス圧痕を加工した。また、FSF時における温度を推測するため，金型表面から1.0mm下の位置に直径0.2mmのK熱電対を埋め込んだ。ツール形状は，「名倉良・井上祐史・西原公，平12春塑加講論（2000），457-458ページ」に示されたTYPE C（ショルダー面に+5°，ショルダー径20mm，材質SKD61を調質）のツールを使用した。供試材（ワーク６）は60×260×3mmのA6061P-T6，A2017P-T3，A2024P-T3およびA7075P-T651アルミニウム合金板を用いた。
＜実験結果および考察＞
＜FSF時の温度変化＞
FSF時における温度を推測するために、切り込み深さ0.5mmのV溝直下に、ツール中央部をはじめ4mm毎に2点、反対側に8mm空けて1点、計4点の温度を熱電対により測定した。図２に成形開始点より前方60mmにおける点の温度変化を示す。供試材（ワーク６）はA6061Pであり、回転数1320rpm、送り速度50mm/minとした。プローブ直下で約700Kの最高温度が認められる。また、ショルダー部外周に向かって約600Kに低下していることがわかる。
【００２９】
＜V溝型への充填性の評価＞
45°のV溝型を用いてFSFによる鍛造を行なった結果を図３に示す。回転数は、A6061Pの場合1320rpm、高力アルミニウム合金は530rpmとした。また送り速度は50mm/minとした。充填率の測定法は早乙女ら（早乙女康典・秦誠一・坂口幸二，塑性と加工，41-468（2000），49-53．）と同様な方法を用いた。充填率は型の深さが大きくなると減少する傾向にあり、Ａ6061Ｐが最も高く、Ａ2017Ｐ、Ａ2024Ｐ、Ａ7075Ｐの順に低下していることがわかる。
【００３０】
＜転写特性の評価＞
前項より，流動特性の良いＡ6061Ｐを用いて転写特性の評価を試みた。まず、正面フライスを用いて金型用材料に回転数170rpm，送り速度100mm/minで機械加工した面を金型とした。その断面曲線を図４に示す。
【００３１】
この金型を用い回転数1320rpm、送り速度50mm/minにてFSFを行なった。供試材（ワーク６）の実験前の断面曲線を図５（ａ）に、実験後のプローブ直下の断面曲線を図５（ｂ）に示す。型と実験後の供試材の断面曲線を比較すると、金型形状が良好に転写されており、またRaおよびRz共に近い値を示していることがわかる。
【００３２】
鏡面研磨した金型５の断面曲線を図６に示す．この金型を用い同様にFSFを行なった。供試材（ワーク６）は、横フライスにより機械加工したものを用い、その断面曲線を図７（ａ）に示す。実験後のプローブ直下の断面曲線を図７（ｂ）に示す。鏡面は転写されていないが、かなり表面粗さが小さくなっていることがわかる。現在さらに研究中であるが、ツール形状および加工条件等を改良することにより鏡面転写の可能性が十分に存在することが考えられる。
【００３３】
＜密閉型鍛造の試み＞
A6061Pを用いてビッカ−ス圧痕を型とした鍛造を試みた結果、圧痕の対角線がはっきしており、ほぼ型どおりの鍛造が行われたことが確認された。更に小さな金型によるマイクロ鍛造も可能と考えられる。
【００３４】
次に、本発明においては，炭素鋼板にアルミニウム合金をＦＳＦにより機械的に接合することを試み、接合継手の接合強度を実験的に検討した。
【００３５】
＜実験方法＞
図８及び図１２に示すように、溝７ａを設けた第２のワーク７に圧入する第１のワーク６を重ね、図１２矢印Ｃ方向にＦＳＦすることにより機械的接合が行われる。ツ−ルは（名倉良・井上祐史・西原公，平12 春塑加講論，（2000），457‐458.）のTYPE Cを用いた。ワーク６、７は3mm厚のA6061P-T6材（ワーク６）と8ｍｍ角のS45C材（ワーク７）とし、S45Cには図８及び１２に示すような溝７ａを機械加工した。本実験において、図８におけるdは1.2mm、hは0.2〜0.4mmとし、溝の数は1〜5とした。
【００３６】
また工具回転数は1335rpm、接合（送り）速度は50mm/minとした。さらに，接合された継手の強度を評価するために図９に示すような方法により、引張せん断試験およびはく離試験を行った。引張せん断試験の場合は，S45C（ワーク７）側にA6061P板（ワーク６）と厚さの同じ鋼板を取り付け試験を行った。
＜.実験結果および考察＞
＜FSF によるクラッド材の一例＞
FSFによる機械的接合の一例として、A6061P/S45Cクラッド材を図１２に示す。S45C（ワーク７）側の溝７ａにアルミニウム合金（ワーク６）が塑性流動により流れ込み、機械的に接合されている。この結果よりアンカー効果による良好な継手性能が期待される。この場合のクラッド率は約１１%である。
【００３７】
＜継手の強度評価＞
溝の数が1の場合のはく離試験および引張せん断試験の結果を図１０に示す。ｈが0.2mmの場合、最大荷重が低下しているが、この場合はアルミニウム合金の一部が溝から抜けることが確認された。ｈが大きくなると最大荷重が大きくなる傾向にあるが、さらに大きくなるとせん断を受けるアルミニウム合金側の面積が小さくなり、強度が低下することが予測される。
【００３８】
そこで本実験では，h=0.3mm一定とし、溝の数を変えて接合し、継手を製作した。この場合の引張せん断試験の結果を図１１に示す。溝の数が多くなるにつれて最大荷重も増加する傾向にあることがわかる。溝の数が多いと母材より破断する場合があることが認められた。
【００３９】
なお、上述の実施例は、摩擦熱を第１の物体であるワーク６に生じさせて攪拌する摩擦熱発生攪拌手段として、回転工具２を用いたが、摩擦熱発生攪拌手段としては、回転工具に限らず、第１の物体との間で摩擦熱を発生させ、その熱により流動抵抗が低下したワークの構成材料を攪拌することが出来る限り、往復運動や、回転体の外周部をワークに押し当てるなどの一方向運動を利用したものなど、各種の態様が考えられる。
【００４０】
また、第１の物体に転写する、第２の物体に形成された凹凸状態は、図１に示すような成形型５ａに限らず、第１の物体に転写したい、第２の物体表面に形成された凹凸状態で有ればどのようなものでもよく、例えば、鏡面なども含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明が適用される成形装置の一例を示す図。
【図２】図２は、成型中の金型温度の変化を示す図。
【図３】図３は、Ｖ溝金型の深さと充填率との関係を示す図。
【図４】図４は、金型の表面性状を示す図。
【図５】図５は、摩擦攪拌成型方法を用いる前後の供試材の表面性状を示す図。
【図６】図６は、金型の表面性状を示す図。
【図７】図７は、摩擦攪拌成型方法を用いる前後の別の供試材の表面性状を示す図。
【図８】図８は、溝付きプレートの寸法を示す図。
【図９】図９は、引っ張りせん断試験とはく離試験態様を示す模式図。
【図１０】図１０は、引っ張りせん断試験とはく離試験において、最大荷重と溝中央からの距離との関連を示す図。
【図１１】図１１は、溝の数と引っ張りせん断試験の最大荷重に及ぼす影響を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明を適用して形成されたクラッド材の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
２……摩擦熱発生攪拌手段（工具）
５……第２の物体（金型）
５ａ……成形型
６……第１の物体（ワーク）
７……第２の物体（ワーク）
７ａ……凹凸（溝）

Claims

先端に工具軸心方向に対して直角方向に形成されたワーク接触面を有する回転工具を用いて、
第１の物体と第２の物体を、該第１の物体が前記第２の物体の上方に位置する形で上下方向に接触させた状態で、前記回転工具を前記工具軸心を中心に回転させた状態で下方に移動させて、前記第１の物体の上面に、前記ワーク接触面を所定の接触圧で接触させ、
前記回転工具を前記第１の物体中に進入させ、該第１の物体と回転工具のワーク接触面との間で摩擦熱を発生させて、該第１の物体を構成する材料を加熱状態で攪拌することにより非溶融状態で塑性流動を生じさせ、
その状態で前記第２の物体に形成された凹凸状態を該塑性流動により転写するようにして構成した、摩擦攪拌成型方法。
先端に工具軸心方向に対して直角方向に形成されたワーク接触面を有する回転工具を用いて、
第１の物体と第２の物体を、該第１の物体が前記第２の物体の上方に位置する形で上下方向に接触させた状態で、前記回転工具を前記工具軸心を中心に回転させた状態で下方に移動させて、前記第１の物体の上面に、前記ワーク接触面を所定の接触圧で接触させ、
前記回転工具を前記第１の物体中に進入させ、該第１の物体と回転工具のワーク接触面との間で摩擦熱を発生させて、該第１の物体を構成する材料を加熱状態で攪拌することにより非溶融状態で塑性流動を生じさせ、
該塑性流動を利用して前記第１及び第２の物体を機械的に接合するようにして構成した、摩擦攪拌成型方法。
前記第２の物体の凹凸状態は、該第２の物体に形成された成形型である、請求項１記載の摩擦攪拌成型方法。
前記第１の物体と前記第２の物体は、それら物体を構成する材料が相違する、請求項２記載の摩擦攪拌成型方法。
前記第１の物体の材料は、アルミニウムを素材とする材料であり、前記第２の物体の材料は、鉄を素材とする材料である、請求項４記載の摩擦攪拌成型方法。
前記第２の物体には、凹凸が形成されており、該凹凸に前記第１の物体を構成する材料を流入させて、前記第１及び第２の物体を機械的に接合するようにして構成した、請求項２記載の摩擦攪拌成型方法。