JP6398869B2

JP6398869B2 - 圧入方法

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Publication number: JP6398869B2
Application number: JP2015104359A
Authority: JP
Inventors: 浩規立石
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2035-05-22
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Description

本発明は圧入装置に関する。

ワークの開口部にボールを圧入する圧入装置が知られている。例えば、自動車のミッションケースには油路を形成するための多数の開口部が形成されている。そして、この開口部にボールを圧入して開口部を閉塞することで、ミッションケースを形成している。特許文献１には、支持台に固定したワークの開口部にボールを圧入して固定する圧入装置が開示されている。

実開平６−７４２３３号公報

村井、津村：浸炭鋼の残留オーステナイト量に及ぼす合金元素と炭素ポテンシャルの影響、鉄と鋼、Ｖｏｌ．８４（１９９８）Ｎｏ．６、ＰＰ４４６−４５１

従来技術では、鋼材（ワーク）の開口部に圧入部品（ボール）を圧入する場合、図６に示すように、鋼材の浸炭焼入・焼戻処理（ステップＳ１０１）の後、鋼材の開口部が圧入部品の圧入によって割れることを抑制するために開口部の周囲の側壁を焼戻して硬度を低下させていた（ステップＳ１０２）。その後、開口部の寸法を調整するための仕上げ加工を行い（ステップＳ１０３）、この仕上げ加工をした後、鋼材の開口部に圧入部品を圧入していた（ステップＳ１０４）。このように、従来技術では、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する際の工程数が多くなり、製造工程が煩雑になるという問題があった。

上記課題に鑑み本発明の目的は、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する製造工程を簡略化することが可能な圧入装置を提供することである。

本発明にかかる圧入装置は、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する圧入装置であって、前記鋼材の開口部の周囲の側壁を加熱し、前記開口部の周囲の側壁の硬度を低下させるための熱処理を行う第１の加熱手段と、前記第１の加熱手段による熱処理の後に、前記鋼材の前記開口部に前記圧入部品を圧入する圧入手段と、を備える。前記圧入手段は、前記第１の加熱手段による前記熱処理の熱によって常温よりも高い所定温度条件下で前記鋼材の前記開口部の開口幅が常温時の開口幅よりも拡大した状態において、前記圧入部品を前記開口部に圧入する。前記所定温度条件は、前記熱処理後に温度が低下して常温状態にある前記鋼材の前記開口部の開口幅の加工公差に対応して想定される最小開口幅を有する前記鋼材の開口幅が、前記開口部に前記圧入部品を圧入するために求められる開口幅の最小値にまで拡大するよう前記鋼材の前記開口部が変形するために必要な温度以上の温度である。

本発明では、鋼材の開口部の周囲の側壁の硬度を低下させるための熱処理を行った後、常温よりも高い所定温度条件下で鋼材の開口部の開口幅が常温時の開口幅よりも拡大した状態において、圧入部品を開口部に圧入している。ここで、所定温度条件は、常温状態における鋼材の開口部の加工公差に対応して想定される最小開口幅を有する鋼材の開口幅が、開口部に圧入部品を圧入するために求められる開口幅の最小値にまで拡大するよう開口部が変形するために必要な温度以上の温度である。このように、本発明では、鋼材の開口部の周囲の側壁が加熱されて鋼材の開口部の開口幅が常温時の開口幅よりも拡大した状態において、圧入部品を開口部に圧入している。よって、従来技術で必要であった開口部の寸法を調整するための仕上げ加工（図６のステップＳ１０３）を省略することができ、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する製造工程を簡略化することができる。

また、本発明にかかる圧入装置は、圧入部品を加熱する第２の加熱手段を更に備えていてもよく、前記所定温度条件が前記鋼材のＡ１点よりも高い場合、前記圧入手段は、前記第２の加熱手段が前記圧入部品を前記鋼材のＭｓ点よりも高い温度に加熱した後、前記開口部に前記圧入部品を圧入するようにしてもよい。

所定温度条件が鋼材のＡ１点よりも高い場合は、鋼材の開口部に圧入部品を圧入した際に開口部の周囲の側壁が急冷されてマルテンサイト（遅れ破壊の原因となる）が生成されるおそれがある。しかし、予め圧入部品を鋼材のＭｓ点よりも高い温度に加熱しておくことで、鋼材の開口部に圧入部品を圧入した際に開口部の周囲の側壁が急冷されることを抑制することができ、マルテンサイトの生成を抑制することができる。

また、本発明にかかる圧入装置は、圧入部品を加熱する第２の加熱手段を更に備えていてもよく、前記圧入手段が前記鋼材の前記開口部に前記圧入部品を圧入する際、前記第２の加熱手段は前記圧入部品を加熱して軟化させるようにしてもよい。

このように、圧入部品を加熱して軟化させることで、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する際に圧入部品を変形させることができる。よって、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する際に必要な圧入荷重を小さくすることができる。

また、本発明にかかる圧入装置は、前記開口部に前記圧入部品を圧入する際に前記開口部の周囲の側壁と前記圧入部品との間に働く圧入荷重を測定する圧入荷重測定手段を更に備えていてもよく、前記第２の加熱手段は、前記圧入荷重測定手段で測定された圧入荷重が所定の値よりも小さくなるように前記圧入部品を加熱してもよい。

このように、圧入荷重測定手段を用いて圧入荷重を測定し、測定された圧入荷重が所定の値以上の場合に圧入部品を加熱して圧入部品の変形量を大きくすることで、圧入部品を圧入する際の圧入荷重を所定の値よりも小さくすることができる。よって、圧入部品を圧入する際に開口部の周囲の側壁に大きな圧入荷重が働くことを抑制することができ、開口部の周囲の側壁が破損することを抑制することができる。

本発明にかかる圧入装置は、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する圧入装置であって、前記圧入部品が前記開口部の周囲の側壁に当接している状態で前記圧入部品を加熱し、当該圧入部品を介して前記鋼材の開口部の周囲の側壁を加熱して前記開口部の周囲の側壁の硬度を低下させるための熱処理と、前記圧入部品を軟化させるための熱処理とを行う第１の加熱手段と、前記軟化のための熱処理によって前記圧入部品が軟化している状態で前記圧入部品を前記開口部に圧入する圧入手段と、を備える。

本発明では、軟化のための熱処理によって圧入部品が軟化している状態で圧入部品を開口部に圧入している。よって、開口部に圧入部品を圧入する際に圧入部品を変形させることができ、開口部に求められる加工精度を低減することができる。したがって、従来技術で必要であった開口部の寸法を調整するための仕上げ加工（図６のステップＳ１０３）を省略することができ、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する製造工程を簡略化することができる。また、本発明では、圧入部品が開口部の周囲の側壁に当接している状態で圧入部品を加熱し、この圧入部品を介して開口部の周囲の側壁に熱処理を行っているので、例えばレーザユニット等の複雑な装置を設ける必要がなく圧入装置の装置構成を簡略化することができる。

本発明により、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する製造工程を簡略化することが可能な圧入装置を提供することができる。

実施の形態１にかかる圧入装置の一例を示す斜視図である。実施の形態１にかかる圧入装置の一例を示す拡大断面図である。実施の形態１にかかる圧入装置の動作を説明するためのフローチャートである。実施の形態１にかかる圧入装置の動作を説明するための断面図である。実施の形態１にかかる圧入装置の動作を説明するための断面図である。実施の形態１にかかる圧入装置の動作を説明するための断面図である。実施の形態１にかかる圧入装置の動作を説明するための断面図である。鋼材の温度と伸びとの関係を示す図である。従来技術にかかる製造工程を示すフローチャートである。実施の形態２にかかる圧入装置の一例を示す断面図である。実施の形態２にかかる圧入装置の動作を説明するためのフローチャートである。開口部にボールを圧入する際のボールの温度と、ボールを圧入した後の開口部の周囲の側壁の硬さとの関係を示す図である。実施の形態３にかかる圧入装置の一例を示す断面図である。実施の形態３にかかる圧入装置の動作を説明するためのフローチャートである。ボールの温度と硬さとの関係を示す図である。実施の形態４にかかる圧入装置の一例を示す断面図である。実施の形態４にかかる圧入装置の動作を説明するためのフローチャートである。

＜実施の形態１＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１にかかる圧入装置の一例を示す斜視図である。図２は、実施の形態１にかかる圧入装置の一例を示す拡大断面図である。図１、図２に示すように、圧入装置１は、サーボプレスユニット１１、イケール１２、ラム１３（圧入手段）、スペーサ１４、チャック１５、回転ユニット１６、及びレーザユニット１７（第１の加熱手段）を備える。なお、図１ではレーザユニット１７の図示を省略している。

スペーサ１４は、ワーク（鋼材）２１を着脱可能に構成されている。例えば、スペーサ１４の上端部には凹部１８（図４Ａ参照）が形成されており、ワーク２１はこの凹部１８に配置される。ワーク２１はボルト等を用いて凹部１８に固定される。スペーサ１４の下端部は、チャック１５に固定されている。チャック１５は回転ユニット１６を用いて回転可能に構成されている。例えば、回転ユニット１６はモータを用いて回転可能に構成されており、回転ユニット１６が回転することで、スペーサ１４の上端部に取り付けられているワーク２１が回転軸３１を中心に回転する。

図２に示すレーザユニット１７は、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３（図４Ａ参照）にレーザ光２８を照射する。このとき、回転ユニット１６を回転させてワーク２１を回転軸３１を中心に回転させることで、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３にレーザ光２８を均一に照射することができ、開口部２２の周囲の側壁２３を均一に加熱することができる。レーザユニット１７は、レーザ光２８の照射エネルギーを調整可能に構成されている。これにより、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の熱処理温度を調整することができる。

ラム１３は、ボール２５（圧入部品）を着脱可能に構成されている。例えば、ラム１３の先端部は着磁されており、磁力を用いてラム１３にボール２５を固定することができる。また、ラム１３の先端部に吸引機構を設け、吸引機構で吸引することでボール２５をラム１３に固定してもよい。

ラム１３は、イケール１２に固定されている。イケール１２は、ラム１３を着脱可能に構成されており、例えば、ラム１３が破損した場合や異なる形状を有するラム１３を用いる場合にラム１３を交換する。

サーボプレスユニット１１は、イケール１２（ラム１３を含む）を昇降可能に構成されている。サーボプレスユニット１１は、モータとスクリューとを備えており（不図示）、モータが回転してスクリューを回転させることでイケール１２が上下に変位する。これにより、ラム１３を上下に変位させることができる。

次に、本実施の形態にかかる圧入装置の動作について、図３に示すフローチャートおよび図４Ａ〜図４Ｄに示す断面図を用いて説明する。ワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入する場合は、まず、図４Ａに示すように、ワーク２１をスペーサ１４の凹部１８に取り付ける（ステップＳ１）。また、ボール２５をラム１３の先端部に取り付ける（ステップＳ２）。

次に、図４Ｂに示すように、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３にレーザ光２８を照射して、側壁２３を加熱する（ステップＳ３）。具体的には、回転ユニット１６を回転させてワーク２１を回転軸３１を中心に回転させた後、レーザユニット１７からワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３にレーザ光２８を照射する。これにより、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の硬度を低下させるための熱処理（焼戻）を行うことができる。

このときの側壁２３の熱処理温度および熱処理時間は任意に設定することができる。例えば、側壁２３の硬度が、所定の硬度以下となるような熱処理温度および熱処理時間とする。ここで、所定の硬度とは、圧入部品の圧入によって開口部２２の周囲の側壁２３が割れることを抑制することができる程度の硬度である。なお、熱処理条件はワーク２１を構成する鋼材の組成に依存するため、鋼材の組成に応じて予め熱処理条件を求めておくことが好ましい。開口部２２の周囲の側壁２３の熱処理が終了した後、レーザ光２８の照射を停止し、回転ユニット１６の回転を停止する。

次に、図４Ｃに示すように、ワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入する（ステップＳ４）。具体的には、サーボプレスユニット１１のモータを回転させてイケール１２を下降させる。これにより、ラム１３が下降してボール２５をワーク２１の開口部２２に圧入することができる。

本実施の形態にかかる圧入装置１では、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の温度が所定温度条件のときに、ワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入するようにしている。ここで、所定温度条件とは、熱処理後に温度が低下して常温状態にあるワーク２１の開口部２２の開口幅の加工公差に対応して想定される最小開口幅を有するワーク２１の開口幅が、開口部２２にボール２５を圧入するために求められる開口幅の最小値にまで拡大するようワーク２１の開口部２２が変形するために必要な温度以上の温度である。つまり、開口部２２の周囲の側壁２３の温度を所定温度以上とすることで、開口部２２の開口幅を広げることができ、開口部２２にボール２５を圧入することができる。

例えば、図６に示す従来技術の仕上げ加工（ステップＳ１０３）後のワーク２１の開口部２２の加工公差Ｔ１を０．０３ｍｍとする。また、仕上げ加工（ステップＳ１０３）を行わない場合のワーク２１の開口部２２の加工公差Ｔ２を０．２ｍｍとする。この加工公差Ｔ２はワーク２１に開口部２２を形成した際の加工公差に対応しており、上記の「熱処理後に温度が低下して常温状態にあるワーク２１の開口部２２の開口幅の加工公差」に対応している。また、仕上げ加工を省略することにより拡大した開口部２２の加工公差をΔＴとすると、拡大した加工公差ΔＴは、仕上げ加工を行わない場合の開口部２２の加工公差Ｔ２と仕上げ加工を行った場合の開口部２２の加工公差Ｔ１との差であるので、ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１＝０．１７ｍｍとなる。

そして、本実施の形態では、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の温度を所定温度以上とすることで、ワーク２１の開口部２２の加工公差Ｔ２に対応して想定されるワーク２１の開口幅（最小開口幅）が、開口部２２にボールを圧入するために求められる開口幅の最小値にまで拡大するようワーク２１の開口部２２を変形させている。換言すると、開口部２２の開口幅の広がり量（図５の鋼材の伸び量に対応している）を、拡大した加工公差ΔＴ（０．１７ｍｍ）よりも大きくしている。

具体的には、開口部２２の直径をφ６ｍｍとした場合、加工公差Ｔ２（０．２ｍｍ）を考慮すると開口部２２の直径はφ６±０．２ｍｍとなる。よって、開口部２２の開口幅の加工公差（常温状態）に対応して想定される最小開口幅はφ５．８ｍｍ（＝６ｍｍ−０．２ｍｍ）となる。また、開口部２２にボール２５を圧入するために求められる開口幅の最小値は、仕上げ加工（ステップＳ１０３）を実施した場合のワーク２１の開口部２２の加工公差Ｔ１が０．０３ｍｍであるので、φ５．９７（＝６ｍｍ−０．０３ｍｍ）となる。よって、開口幅がφ５．８ｍｍからφ５．９７まで拡大するようにワーク２１を加熱することで、開口部２２にボール２５を圧入することができる。

拡大した加工公差ΔＴを用いて説明すると、開口部２２の直径をφ６ｍｍとした場合、拡大した加工公差ΔＴが０．１７ｍｍであるので開口部２２の直径はφ６±０．１７ｍｍとなる。例えば、開口部２２の直径がφ５．８３ｍｍ（＝６ｍｍ−０．１７ｍｍ）の場合、ボール２５（φ６ｍｍとする）を圧入するためには、（６π−５．８３π）÷６π×１００＝２．８％の伸び率が必要になる。図５は、ワーク２１を構成している鋼材（ＳＣＲ４０）の温度と伸びとの関係を示す図である。図５に示すように、ワーク２１が２．８％以上伸びるためには、ワーク２１を５５０℃以上の温度に加熱すればよい。

このとき、加熱工程（ステップＳ３）後、圧入工程（ステップＳ４）の開始までに開口部２２の周囲の側壁２３が冷却されることを考慮し、加熱工程（ステップＳ３）において側壁２３を加熱する際の温度は高めに設定することが好ましい。なお、本実施の形態では、ボール２５の加工公差はワーク２５の加工公差と比べて無視できるほど小さいものとする（例えば、±１μｍ程度）。

上記で説明したように、本実施の形態にかかる圧入装置１では、圧入工程（ステップＳ４）において、開口部２２の周囲の側壁２３の温度を所定温度以上としているので、開口部２２の開口幅の広がり量を、仕上げ加工を省略することにより拡大した開口部２２の加工公差ΔＴよりも大きくすることができ、開口部２２にボール２５を圧入することができる。よって、従来技術で必要であった仕上げ加工（図６のステップＳ１０３）が不要となる。また、開口部２２の周囲の側壁２３を加熱することで開口部２２の周囲の側壁２３の塑性変形能が向上する。よって、開口部２２にボール２５を圧入する際に開口部２２が変形するので、ボール２５を圧入する際に開口部２２の周囲の側壁２３が割れることを抑制することができる。

なお、熱処理（ステップＳ３）をした後における開口部２２の加工公差は上記の加工公差Ｔ２に対応しており、本実施の形態では、開口部２２の開口幅の広がり量が、開口部２２の加工公差Ｔ２（Ｔ２＞ΔＴ）よりも大きくなる温度以上のときに、ワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入するようにしてもよい。上記例を用いて説明すると、開口部２２の開口幅の広がり量が加工公差Ｔ２（０．２ｍｍ）よりも大きくなる温度以上のときに、ワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入するようにしてもよい。熱処理をした後における開口部２２の加工公差Ｔ２よりも開口部２２の開口幅の広がり量が大きい状態は、仕上げ加工による公差が０の場合に相当する。

ステップＳ４においてワーク２１の開口部２２の所定の位置にボール２５を圧入した後、図４Ｄに示すようにラム１３を上昇させる。その後、ボール２５が圧入されたワーク２１をハンドリングのために冷却する（ステップＳ５）。このとき、ワーク２５が冷却されることでワーク２５の開口部２２が収縮し、開口部２２にボール２５が強固に固定される。つまり、焼嵌めの効果が得られる。

なお、上記で説明した工程において、ラム１３の降下を開始するタイミングとレーザ光２８の照射を停止するタイミングと、回転ユニット１６の回転を停止するタイミングはそれぞれオーバーラップしてもよい。

従来技術では、ワークの開口部にボールを圧入する場合、図６に示すように、ワークの浸炭焼入・焼戻処理（ステップＳ１０１）の後、ワークの開口部の周囲の側壁がボールの圧入によって割れることを抑制するために開口部の周囲の側壁を焼戻して硬度を低下させていた（ステップＳ１０２）。その後、開口部の寸法を調整するための仕上げ加工を行い（ステップＳ１０３）、この仕上げ加工をした後、ワークの開口部にボールを圧入していた（ステップＳ１０４）。このように、従来技術では、ワークの開口部にボールを圧入する際の工程数が多くなり、製造工程が煩雑になるという問題があった。また、従来技術では、レーザ焼戻工程（ステップＳ１０２）と圧入工程（ステップＳ１０４）とをそれぞれ別の機械で行っていたため、設備数が多くなるという問題があった。

一方、本実施の形態にかかる圧入装置１では、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３にレーザ光２８を照射して開口部２２の周囲の側壁２３を加熱し（ステップＳ３）、その後、開口部２２の周囲の側壁２３の温度が所定温度条件のときに、ワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入するようにしている。このように、本実施の形態にかかる圧入装置１では、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３が加熱されてワーク２１の開口部２２の開口幅が常温時の開口幅よりも拡大した状態において、ボール２５を開口部２２に圧入している。よって、従来技術で必要であった開口部の寸法を調整するための仕上げ加工（図６のステップＳ１０３）を省略することができ、ワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入する製造工程を簡略化することができる。換言すると、仕上げ加工工程を省略することによって拡大した開口部２２の加工公差を、温度上昇による開口部２２の開口幅の広がり量の増加によって補償することができる。また、従来技術では、レーザ焼戻工程（ステップＳ１０２）と圧入工程（ステップＳ１０４）とをそれぞれ別の機械で行っていた。しかし、本実施の形態にかかる圧入装置１では、これらの工程を１台の装置で行うことができる。よって、従来技術と比べて設備数を少なくすることができる。

また、本実施の形態にかかる圧入装置１では、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３を加熱する際にレーザ光２８を用いているので、開口部２２の周囲の側壁２３の加熱終了後、迅速にボール２５を開口部２２に圧入することができる。例えば、開口部２２の周囲の側壁２３の加熱に高周波加熱装置を用いた場合は、開口部２２の周囲の側壁２３にコイルを近づけて加熱する。この場合は、開口部２２の周囲の側壁２３の加熱終了後、ボール２５を開口部２２に圧入する前にコイルを移動する必要があるため、コイルを移動している間に開口部２２の周囲の側壁２３の温度が低下する。しかし、本実施の形態のようにレーザ光２８を用いて開口部２２を加熱した場合は、レーザ光２８を停止後、すぐにボール２５を開口部２２に圧入することができる。よって、開口部２２の周囲の側壁２３の温度が低下する前にボール２５を開口部２２に圧入することができる。

以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する製造工程を簡略化することが可能な圧入装置を提供することができる。

＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図７は、実施の形態２にかかる圧入装置の一例を示す断面図である。図７に示すように、本実施の形態にかかる圧入装置は、ボール２５を加熱するための加熱手段３５（第２の加熱手段）を備えている点が実施の形態１にかかる圧入装置１と異なる。これ以外は、実施の形態１で説明した圧入装置１と同様であるので、重複した説明は適宜省略する。

ワーク２１は鋼材を用いて形成されているので、ワーク２１を熱処理する際の温度条件が不適切である場合は、遅れ破壊の原因となるマルテンサイトが生成される。このマルテンサイトは、鋼材をＡ１点（Ａ１変態温度）以上に加熱することで発生したオーステナイトが急冷されることで生成される。マルテンサイトは体心正方格子の鉄の結晶中に炭素が侵入した固溶体であり、硬くて脆いという性質がある。このため、ワーク２１の開口部２２にマルテンサイトが形成されないようにする必要がある。

しかしながら、実施の形態１において、図３のステップＳ３におけるワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の熱処理温度がＡ１点以上である場合、その後、ワーク２１の開口部２２にボール２５（室温）を圧入すると、開口部２２の周囲の側壁２３が急冷される。このため、開口部２２の周囲の側壁２３にマルテンサイトが形成されるという問題がある。

そこで本実施の形態にかかる圧入装置では、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の熱処理温度がＡ１点以上である場合、ボール２５を鋼材のＭｓ点よりも高い温度に加熱した後で、ワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入するようにしている。

図７に示すように、加熱手段３５は、ラム１３の周囲を取り囲むように設けられている。加熱手段３５は、例えば電熱線を用いて構成することができる。加熱手段３５を用いてラム１３を加熱することで、ラム１３の先端部に取り付けられたボール２５にラム１３から熱が伝わり、ボール２５が加熱される。なお、開口部２２の周囲の側壁２３の温度やボール２５の温度は、例えば放射温度計（不図示）を用いて測定することができる。

次に、図８のフローチャートを用いて本実施の形態にかかる圧入装置の動作について説明する。まず、ワーク２１をスペーサ１４に取り付ける（ステップＳ１１）。また、ボール２５をラム１３の先端部に取り付ける（ステップＳ１２）。

次に、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３にレーザ光２８を照射して、側壁２３を加熱する（ステップＳ１３）。これにより、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の硬度を低下させるための熱処理（焼戻）を行うことができる。なお、本実施の形態では、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の熱処理温度はＡ１点以上であるものとする。

次に、加熱手段３５を用いてボール２５を加熱する（ステップＳ１４）。このとき、ワーク２１を構成する鋼材のＭｓ点よりも高い温度になるようにボール２５を加熱する。ここで、Ｍｓ点は鋼材を構成する各元素の組成に応じて変化する。例えば、Ｍｓ点は次の式を用いて求めることができる（非特許文献１参照）。

Ｍｓ（Ｋ）＝８１２−４２３Ｃ−３０．４Ｍｎ−１７．７Ｎｉ−１２．１Ｃｒ−７．５Ｍｏ＋（１０Ｃｏ−７．５Ｓｉ）・・・式１

ここで、ＣはＣの質量％、ＭｎはＭｎの質量％、ＮｉはＮｉの質量％、ＣｒはＣｒの質量％、ＭｏはＭｏの質量％、ＣｏはＣｏの質量％、ＳｉはＳｉの質量％である。

そして、ボール２５を鋼材のＭｓ点よりも高い温度に加熱した後、ワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入する（ステップＳ１５）。具体的には、サーボプレスユニット１１のモータを回転させてイケール１２を下降させる。これにより、ラム１３が下降してボール２５をワーク２１の開口部２２に圧入することができる。

ボール２５が開口部２２に向けて下降している間、ボール２５の温度が低下する。よって、ボール２５の温度は、ボール２５が開口部２２に到達したタイミングで、鋼材のＭｓ点よりも高い温度になるように予め高めに設定しておいてもよい。または、ボール２５が開口部２２に向けて下降している間、加熱手段３５を用いて鋼材のＭｓ点よりも高い温度になるようにボール２５を加熱し続けてもよい。

その後、ボール２５が圧入されたワーク２１をハンドリングのために冷却する（ステップＳ１６）。このとき、ワーク２５が冷却されることでワーク２５の開口部２２が収縮し、開口部２２にボール２５が強固に固定される。

図９は、開口部２２にボール２５を圧入する際のボール２５の温度と、ボール２５を圧入した後の開口部２５の周囲の側壁２３の硬さとの関係を示す図である。図９に示す例では、鋼材の開口部２２の周囲の側壁２３の表面付近の組成として、炭素が０．２％、Ｓｉが０．２５％、Ｍｎが０．７３％、Ｃｒが１．０５％、Ｎｉが０．１３％、Ｍｏが０％、Ｃｏが０％含まれている鋼材を用いた場合を示している。この場合は、上記式１から開口部２２の表面付近のＭｓ点は１６２℃となる。また、鋼材のＡ１点は７２７℃とする。

ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３を８５０℃（Ａ１点以上の温度）に加熱して熱処理をした後、室温のボール２５を圧入した場合は、開口部２２の周囲の側壁２３が急冷される。このとき、鋼材中のオーステナイトが急冷されてマルテンサイトが生成されるため、図９に示すように、開口部２２の周囲の側壁２３の表面付近の硬さは７８０（Ｈｖ）となり硬くなる。

一方、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３を８５０℃（Ａ１点以上の温度）に加熱して熱処理をした後、４００℃に加熱したボール２５を圧入した場合は、開口部２２の周囲の側壁２３が急冷されないため、マルテンサイトの生成を抑制することができる。このため、図９に示すように、開口部２２の周囲の側壁２３の表面付近の硬さを４００（Ｈｖ）程度とすることができ、硬さの目標値である４４０（Ｈｖ）よりも低くすることができる。

上記で説明したように、開口部２２の周囲の側壁２３を熱処理（ステップＳ１３）する際の温度が鋼材のＡ１点よりも高い場合は、開口部２２にボール２５を圧入した際に開口部２２の周囲の側壁２３が急冷されてマルテンサイト（遅れ破壊の原因となる）が生成されるおそれがあった。しかし、本実施の形態にかかる圧入装置では、予めボール２５を鋼材のＭｓ点よりも高い温度に加熱しておくことで（ステップＳ１４）、鋼材の開口部２２にボール２５を圧入した際に開口部２２の周囲の側壁２３が急冷されることを抑制することができ、マルテンサイトの生成を抑制することができる。

なお、上記ではボール２５をラム１３に取り付けた後にボール２５を加熱する構成について説明した。しかし本実施の形態にかかる圧入装置では、予め加熱してあるボール２５をラム１３に取り付け、その後、ボール２５を開口部２２に圧入するようにしてもよい。この場合は、ボール２５をラム１３に取り付ける時間およびボール２５を開口部２２に搬送する時間を考慮して、ボール２５の温度を高めに設定する必要がある。

＜実施の形態３＞
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図１０は、実施の形態３にかかる圧入装置の一例を示す断面図である。図１０に示すように、本実施の形態にかかる圧入装置は、ボール２５を加熱するための加熱手段３５（第２の加熱手段）と、ボール２５を開口部２２に圧入する際に開口部２２の周囲の側壁２３とボール２５との間に働く圧入荷重を測定するための圧入荷重測定手段３７とを備えている点が、実施の形態１にかかる圧入装置１と異なる。これ以外は、実施の形態１で説明した圧入装置と同様であるので、重複した説明は適宜省略する。

本実施の形態にかかる圧入装置では、ボール２５を開口部２２に圧入する際に、加熱手段３５を用いてボール２５を加熱して軟化させている。このように、ボール２５を加熱して軟化させることで、開口部２２にボール２５を圧入する際にボール２５を変形（塑性変形）させることができる。よって、開口部２２にボール２５を圧入する際に必要な圧入荷重を小さくすることができる。

このとき、開口部２２にボール２５を圧入する際に開口部２２の周囲の側壁２３とボール２５との間に働く圧入荷重を測定する圧入荷重測定手段３７を設け、圧入荷重測定手段３７で測定された圧入荷重が所定の値よりも小さくなるようにボール２５を加熱してもよい。

このように、圧入荷重測定手段３７を用いて圧入荷重を測定し、測定された圧入荷重が所定の値以上の場合にボール２５を加熱してボール２５の変形量を大きくすることで、ボール２５を圧入する際の圧入荷重を所定の値よりも小さくすることができる。よって、ボール２５を圧入する際に開口部２２の周囲の側壁２３に大きな圧入荷重が働くことを抑制することができ、開口部２２の周囲の側壁２３が破損することを抑制することができる。

図１０に示すように、加熱手段３５は、ラム１３の周囲を取り囲むように設けられている。加熱手段３５は、例えば電熱線を用いて構成することができる。加熱手段３５を用いてラム１３を加熱することで、ラム１３の先端部に取り付けられたボール２５にラム１３から熱が伝わり、ボール２５が加熱される。

圧入荷重測定手段３７は、ラム１３とイケール１２との間に設けられている。ボール２５を開口部２２に圧入する際、ボール２５は開口部２２の周囲の側壁２３から反力を受ける。この反力はラム１３からイケール１２に伝わる。圧入荷重測定手段３７は、このラム１３からイケール１２に伝わる力を測定することで、開口部２２の周囲の側壁２３とボール２５との間に働く圧入荷重を測定することができる。圧入荷重測定手段３７は、例えば圧力センサを用いて構成することができる。

次に、図１１のフローチャートを用いて本実施の形態にかかる圧入装置の動作について説明する。まず、ワーク２１をスペーサ１４に取り付ける（ステップＳ２１）。また、ボール２５をラム１３の先端部に取り付ける（ステップＳ２２）。次に、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３にレーザ光２８を照射して、開口部２２の周囲の側壁２３を加熱する（ステップＳ２３）。これにより、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の硬度を低下させるための熱処理（焼戻）を行うことができる。

次に、ボール２５を加熱しながらワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入する（ステップＳ２４）。具体的には、加熱手段３５を用いてボール２５を加熱する。また、サーボプレスユニット１１のモータを回転させてイケール１２を下降させる。これにより、ボール２５を加熱しながら、ボール２５をワーク２１の開口部２２に圧入することができる。

そして、圧入装置１は、圧入荷重測定手段３７で開口部２２の周囲の側壁２３とボール２５との間に働く圧入荷重をモニタしながら、加熱手段３５を用いてボール２５の温度を制御する（ステップＳ２５）。具体的には、加熱手段３５は、圧入荷重測定手段３７で測定された圧入荷重が所定の値よりも小さくなるようにボール２５を加熱する。換言すると、加熱手段３５は、圧入荷重測定手段３７で測定された圧入荷重が所定の値よりも大きい場合、ボール２５の温度を上昇させる。これによりボールが軟化して、ボール２５を開口部２２に圧入する際の圧入荷重を低減させることができる。

その後、ボールの圧入が終了するまで（ボール２５が開口部２２の所定の位置に達するまで）、ステップＳ２４〜Ｓ２５の動作を繰り返す（ステップＳ２６：Ｎｏ）。そして、ボールの圧入が終了した後（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、ボール２５が圧入されたワーク２１をハンドリングのために冷却する（ステップＳ２７）。このとき、ワーク２５が冷却されることでワーク２５の開口部２２が収縮し、開口部２２にボール２５が強固に固定される。

図１２は、ボール２５の温度と硬さとの関係を示す図である。図１２では、ボール２５の材料にＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）を用いた場合を示している。図１２に示すように、ボール２５の温度が上昇するにつれて、ボール２５の硬さが低下する。本実施の形態では、図１２に示すようなデータを参考にして、ボール２５の温度の条件出しを実施してもよい。

なお、上記ではボール２５をラム１３に取り付けた後にボール２５を加熱する構成について説明した。しかし本実施の形態にかかる圧入装置では、予め加熱してあるボール２５をラム１３に取り付けるようにしてもよい。このように、ボール２５を予め加熱しておくことで、ボール２５をラム１３に取り付けた後、ボール２５が軟化する温度までの加熱時間を短くすることができる。

また、ボール２５を加熱することでボール２５の体積も膨張するが、本実施の形態ではボール２５の軟化の影響のほうが大きいといえる。また、開口部２２に関しては、開口部２２の周囲の側壁２３を加熱することによる軟化の影響よりも、開口部２２の広がり量の増加の影響のほうが大きいといえる。よって、本実施の形態では、開口部２２の周囲の側壁２３およびボール２５を加熱することで、ボール２５を圧入する際の圧入荷重を小さくすることができる。

また、本実施の形態にかかる圧入装置においても、実施の形態２にかかる圧入装置で得られた効果と同様の効果を得ることができる場合がある。すなわち、開口部２２の周囲の側壁２３を熱処理（ステップＳ２３）する際の温度が鋼材のＡ１点よりも高い場合は、開口部２２にボール２５を圧入した際に開口部２２の周囲の側壁２３が急冷されてマルテンサイト（遅れ破壊の原因となる）が生成されるおそれがある。しかし、本実施の形態にかかる圧入装置では、ボール２５を加熱しながらワーク２１の開口部２２にボール２５を圧入する際に（ステップＳ２４）、予めボール２５を鋼材のＭｓ点よりも高い温度に加熱しておくことで、鋼材の開口部２２にボール２５を圧入した際に開口部２２の周囲の側壁２３が急冷されることを抑制することができ、マルテンサイトの生成を抑制することができる。この場合、ステップＳ２５において制御するボール２５の制御温度が鋼材のＭｓ点よりも高い温度であることが前提となる。

＜実施の形態４＞
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図１３は、本実施の形態にかかる圧入装置の一例を示す断面図である。実施の形態１〜３で説明した圧入装置では、レーザ光２８を照射してワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３に熱処理を施していた（図４Ｂ参照）。しかしながら本実施の形態にかかる圧入装置では、レーザ光を用いる代わりにボール２５を用いてワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３に熱処理を施している。図１３に示すように、本実施の形態にかかる圧入装置は、レーザユニット１７（図２参照）を備えていない点、及びボール２５を加熱するための加熱手段３５（本実施の形態では第１の加熱手段）を備えている点が実施の形態１にかかる圧入装置と異なる。これ以外は、実施の形態１で説明した圧入装置１と同様であるので、重複した説明は適宜省略する。

図１３に示すように、加熱手段３５は、ラム１３の周囲を取り囲むように設けられている。加熱手段３５は、例えば電熱線を用いて構成することができる。加熱手段３５を用いてラム１３を加熱することで、ラム１３の先端部に取り付けられたボール２５にラム１３から熱が伝わり、ボール２５が加熱される。そして、加熱手段３５は、ボール２５が開口部２２の周囲の側壁２３に当接している状態でボール２５を加熱し、このボール２５を介して開口部２２の周囲の側壁２３に熱処理を施す。つまり、本実施の形態にかかる圧入装置では、加熱されたボール２５から開口部２２の周囲の側壁２３に熱伝導によって熱が伝わることで、開口部２２の周囲の側壁２３に熱処理を施すことができる。

次に、図１４のフローチャートを用いて本実施の形態にかかる圧入装置の動作について説明する。まず、ワーク２１をスペーサ１４に取り付ける（ステップＳ３１）。また、ボール２５をラム１３の先端部に取り付ける（ステップＳ３２）。次に、ボール２５を加熱する（ステップＳ３３）。そして、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３にボール２５を当接させて保持し、開口部２２の周囲の側壁２３に熱処理を施す（ステップＳ３４：図１３参照）。これにより、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３の硬度を低下させるための熱処理（焼戻）を行うことができる。なお、本実施の形態では、ワーク２１の開口部２２の周囲の側壁２３にボール２５を当接させた後に、ボール２５の加熱を開始してもよい。つまり、ステップＳ３３はステップＳ３４に含まれていてもよい。

このときの開口部２２の周囲の側壁２３の熱処理温度および熱処理時間は任意に設定することができる。例えば、開口部２２の周囲の側壁２３の硬度が、所定の硬度以下となるような熱処理温度および熱処理時間とする。ここで、所定の硬度とは、圧入部品の圧入によって開口部２２の周囲の側壁２３が割れることを抑制することができる程度の硬度である。

上記の熱処理が終了した後、ワーク２１の開口部２２に、加熱された状態のボール２５（つまり、ボール２５を軟化させるための熱処理が施されたボール）を圧入する（ステップＳ３５）。その後、ボール２５が圧入されたワーク２１をハンドリングのために冷却する（ステップＳ３６）。このとき、ワーク２５が冷却されることでワーク２５の開口部２２が収縮し、開口部２２にボール２５が強固に固定される。つまり、焼嵌めの効果が得られる。

本実施の形態にかかる圧入装置では、軟化のための熱処理によってボール２５が軟化している状態でボール２５を開口部２２に圧入している（ステップＳ３５）。よって、開口部２２にボール２５を圧入する際にボール２５を変形させることができ、開口部２２に求められる加工精度を低減することができる。したがって、従来技術で必要であった開口部の寸法を調整するための仕上げ加工（図６のステップＳ１０３）を省略することができ、鋼材の開口部に圧入部品を圧入する製造工程を簡略化することができる。また、本実施の形態にかかる圧入装置では、ボール２５が開口部２２の周囲の側壁２３に当接している状態でボール２５を加熱し、このボール２５を介して開口部２２の周囲の側壁２３に熱処理を施している。よって、実施の形態１にかかる圧入装置と比べてレーザユニット１７（図２参照）を省略することができるので、圧入装置の装置構成を簡略化することができる。

特に本実施の形態にかかる圧入装置は、開口部２２の周囲の側壁２３の熱処理温度が比較的低い場合、つまり、開口部２２の周囲の側壁の硬さの低下代（硬さの低下幅）が低い場合に有効である。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１圧入装置
１１サーボプレスユニット
１２イケール
１３ラム（圧入手段）
１４スペーサ
１５チャック
１６回転ユニット
１７レーザユニット
２１ワーク（鋼材）
２２開口部
２３側壁
２５ボール（圧入部品）
２８レーザ光
３１回転軸
３５加熱手段
３７圧入荷重測定手段

Claims

鋼材の開口部に圧入部品を圧入する圧入方法であって、
前記鋼材の開口部の周囲の側壁を加熱し、前記開口部の周囲の側壁の硬度を低下させるための熱処理を行う第１の加熱工程と、
前記圧入部品を加熱する第２の加熱工程と、
前記第１及び第２の加熱工程の後、前記鋼材の前記開口部に前記第２の加熱工程において加熱された前記圧入部品を圧入する圧入工程と、を備え、
前記圧入工程では、前記第１の加熱工程による前記熱処理の熱によって常温よりも高い所定温度条件下で前記鋼材の前記開口部の開口幅が常温時の開口幅よりも拡大した状態において、前記圧入部品を前記開口部に圧入し、
前記所定温度条件は、前記熱処理後に温度が低下して常温状態にある前記鋼材の前記開口部の開口幅の加工公差に対応して想定される最小開口幅を有する前記鋼材の開口幅が、前記開口部に前記圧入部品を圧入するために求められる開口幅の最小値にまで拡大するよう前記鋼材の前記開口部が変形するために必要な温度以上の温度であり、
前記所定温度条件が前記鋼材のＡ１点よりも高い場合、前記第２の加熱工程において前記圧入部品を前記鋼材のＭｓ点よりも高い温度に加熱した後、前記圧入工程において前記開口部に前記圧入部品を圧入する、
圧入方法。
前記圧入工程において前記開口部に前記圧入部品を圧入する際、前記開口部の周囲の側壁と前記圧入部品との間に働く圧入荷重を測定し、当該測定された圧入荷重が所定の値よりも小さくなるように前記圧入部品を加熱して軟化させながら圧入する、請求項１に記載の圧入方法。