JPH08290279A - 摩擦圧接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 平坦面から複数の棒状部材が立設するように
配列されたような複雑な形状の製品を製造する場合にお
いて、溶接性及びろう付性が悪い材料を使用しても欠陥
が発生しにくいという摩擦圧接方法の利点を生かしつ
つ、圧接可能な形状の制約を解消し、接合面の形状に拘
らず良好な圧接部を得ることができる摩擦圧接方法を提
供する。 【構成】 棒状部材２１を治具３０の孔３２内に挿入
し、更に治具３０及び棒状部材２１を治具４０の夫々切
欠部４１及び孔４２に嵌合する。そして、治具３０及び
棒状部材２１の背後を切欠部４１及び孔４２の端面によ
り支持させる。そうすると、治具３０の平坦面３１と棒
状部材２１の接合端面とが面一になり、部材２３のリン
グ状接合面２２と摩擦接合させることにより、接合面が
大気に露出することなく、新生面同士の接合を行うこと
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶接性及びろう付性が悪
い材料で作られた部材を接合して複雑な形状を有する電
機部品等の部品又は製品に組み立てるのに好適の摩擦圧
接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】接合すべき一方の部材が、平坦なディス
ク状又はリング状の接合面を有し、接合すべき他方の部
材が複数の棒状部材であって接合面がその長手方向の端
面である場合、これらの部材を接合して金属部品を製造
する方法としては、従来、以下に示すものがある。

【０００３】ａ）溶接による方法 ディスク状又はリング状をなす金属部材の平坦な接合面
に、棒状部材を逐次溶接する方法であり、各部材が溶接
性が良い材料の場合は、最も有効な方法といえる。しか
しながら、アルミニウム基複合材等のような複合材料に
おいては、割れ等の溶接欠陥が発生しやすく、健全な製
品を得ることが難しい。また、溶接歪みが発生しやす
く、所望の寸法形状の製品を得ることも難しい。

【０００４】ｂ）ろう付による方法 同様に平坦な接合面を有する部材と棒状部材とをろう付
により接合する方法であり、１回のろう付け処理で複数
の棒状部材を接合できるという利点がある。しかしなが
ら、アルミニウム基複合材をはじめとする複合材料の場
合は、適切なろう材及びろう付温度の選定が難しく、材
料本来の特性が得られないことがある。また、ガス発生
に起因する割れ及び気孔が発生しやすい。

【０００５】ｃ）鋳造による方法 前述の如く、複雑な形状をしている製品は、形状面から
みると鋳造により製造する方法が有効であると考えられ
るが、例えばメカニカルアロイイングにより製造する素
材等については、鋳造では素材そのものをつくることが
できないという問題点がある。

【０００６】ｄ）摩擦圧接による方法 摩擦圧接方法は、その接合原理から、接合部に引張応力
が働きにくいため、溶接性が悪い材料の場合でも、割れ
及び気孔欠陥が発生しにくい点で、極めて有効な方法と
いえる。図６はこの摩擦圧接方法にて使用する治具を示
し、図６（ａ）はその正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）
のＡ−Ａ線よる断面図である。また、図７はその摩擦圧
接工程を示す一部破断断面図である。棒状部材１は円柱
状をなし、図７に示すように、４個（図７には３個のみ
表れている）の棒状部材１をリング状の平坦な接合面２
を有する部材３に接合するものとする。この棒状部材１
をチャッキングするための治具５は、図６に示すよう
に、後部ストッパ８に固定された内側部分７と、この内
側部分７の外側に配置され、同様にストッパ８に固定さ
れた外側部分６とを有する。この１対の外側部分６は円
輪を半割りした形状をなし、相互間に若干の間隙を有す
ると共に、内側部分７に対しても若干の間隙を有して配
置されている。また、外側部分６と内側部分７との間の
円状の間隙部分には、その４等配の位置に棒状部材１を
挿入するための孔９が設けられている。内側部分７及び
ストッパ８の中心には、摩擦圧接機の回転軸に治具５を
取付けるためのネジ１０が形成されている。

【０００７】このように構成された治具５は、図７に示
すように、その孔９内に棒状部材１を挿入し、その一端
部をストッパ８に当接させる。そして、治具５をネジ１
０により摩擦圧接機の回転軸に取付けると共に、摩擦圧
接機のクランプ１１により、治具５の外側部分６を中心
軸に向けて締め付け、外側部分６と内側部分７との間で
棒状部材１を挟持する。そして、リング状の平坦な接合
面２を有する部材３を摩擦圧接機のチャック１２に装着
し、両者を固定する。これにより、部材３と４本の棒状
部材１とが、部材３の軸心と、棒状部材１の配設中心と
を一致させて対面する。そこで、チャック１２及び／又
は治具５を相対的に回転駆動すると共に、棒状部材１の
先端面を部材３の接合面２に押圧する。これにより、棒
状部材１の先端面と部材３の接合面２との間には摩擦に
よる熱が発生し、両者は一応摩擦接合される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
如く、単にディスク状又はリング状の接合面２を有する
金属部材３と、棒状部材１群とを夫々チャック１２及び
クランプ１１により固定し、対向させて摩擦圧接する
と、先ず、棒状部材が摩擦過程において発生するトルク
により、座屈しやすいという問題点がある。また、仮に
棒状部材１の強度が高く、座屈しないか、座屈程度が軽
微である場合でも、摩擦過程において、ディスク状又は
リング状を呈する金属部材３の接合面は、一の棒状部材
１が通過した後、次の棒状部材１が通過する迄の間にそ
の都度大気に曝され、部材３の接合面は酸化及び冷却を
受ける。このため、新生面同士の圧接ができなくなり、
不完全な接合部しか得られない。

【０００９】即ち、この摩擦圧接方法は、圧接可能な形
状が限られており、接合面が摩擦過程で、大気に曝され
たり、露出しない形状であることが必要である。換言す
れば、接合しようとする双方の部材がいずれもディスク
状又はリング状である等、同一の接合面形状を有してい
る必要がある。従って、前述のようにディスク状又はリ
ング状の接合面２を有する部材３と、複数の棒状部材１
とを圧接するような場合は、両者の摺動過程においてデ
ィスク状又はリング状部材側３の接合面が大気中に露出
してしまう。このため、このような複雑な形状の場合
は、新生面同士の接合ができないため、良好な圧接部が
得られない。

【００１０】なお、棒状部材間の間隔が大きい場合は、
棒状部材間にチャック等を配置するための空間的な余裕
があるため、棒状部材をその軸中心の周りに逐一自転運
動させて、ディスク状又はリング状部材に摩擦圧接する
ことも可能であるが、全体が小物である場合及び棒状部
材の断面形状が円形でない場合は、このような方法が不
可能であるか、又は良好な圧接部が得られない。

【００１１】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、平坦面から複数の棒状部材が立設するよう
に配列されたような複雑な形状の製品を製造する場合に
おいて、溶接性及びろう付性が悪い材料を使用しても欠
陥が発生しにくいという摩擦圧接方法の利点を生かしつ
つ、圧接可能な形状の制約を解消し、接合面の形状に拘
らず良好な圧接部を得ることができる摩擦圧接方法を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る摩擦圧接方
法は、第１部材の平坦な接合面の所定位置に複数の棒状
の第２部材の平坦な端面を接合する摩擦圧接方法におい
て、前記各棒状の第２部材の断面形状に整合する孔をそ
の所定の接合位置に対応する位置に配置した平坦面を有
する治具を使用し、前記各棒状の第２部材を前記治具の
各孔に挿入し、前記棒状の第２部材の前記平坦な端面と
前記治具の平坦面とを実質的に面一に設定し、前記第２
部材の端面及び前記治具の平坦面と、前記第１部材の接
合面とを対向させて両者間に押圧力を加えながら相対的
に回転駆動することにより、前記棒状の第２部材の端面
を前記治具の平坦面と共に、前記第１部材の接合面に摩
擦圧接することを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明においては、複数の棒状の第２部材を治
具の孔内に挿入し、治具の平坦面と第２部材の接合すべ
き平坦な端面とを実質的に面一に設定する。この状態で
両者を固定し、又は第２部材の接合端面と治具の平坦面
とが相対的に移動しないようにして両者を係合させ、第
２部材の接合端面及び治具の平坦面と、第１部材の接合
面とを対面させる。そして、両者間に押圧力を加えなが
ら相対的に回転駆動することにより、第２部材の接合端
面を第１部材の接合面に治具の平坦面と共に摩擦接合す
る。

【００１４】本発明においては、複数の棒状の第２部材
の接合端面の間には、治具の平坦面が存在しているの
で、第１部材の接合面に押圧されて摺動する際に、第１
部材の接合面が大気中に露出することはない。このた
め、接合面が酸化すること等が防止され、新生面同士の
接合となるため、良好な圧接部が得られる。また、各棒
状の第２部材はその先端部で前記治具により拘束されて
いるので、摩擦過程で発生するトルクにより座屈してし
まうことがない。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付の図面を
参照して具体的に説明する。

【００１６】図１（ａ）はリング状の平坦な接合面２２
を有する部材２３（第１部材）を示す断面図、図１
（ｂ）はこの部材２３の接合面２２にこの接合面２２に
垂直に接合されるべき棒状部材２１（第２部材）を示す
側面図である。なお、部材２３の接合面２２の中央に
は、部品又は製品として必要なネジ２４が形成されてい
る。

【００１７】図２（ａ）は棒状部材２１を装着する治具
３０を示す断面図、図２（ｂ）は同じくその正面図であ
る。治具３０は、概略円板状をなし、その周縁部には段
差３４が設けられ、その中央部には同心円状の孔３３が
設けられている。治具３０は段差３４により厚肉部と薄
肉部とが形成されるが、この厚肉部の平坦面３１は、部
材２３のリング状接合面２２と実質的に同一の外縁径及
び内縁径を有し、その厚肉部の面３１は略々その全面で
部材２３の接合面２２と重なる。そして、この治具３０
の厚肉部の面３１には、その治具３０の軸心を中心とす
る円の周方向の４等配の位置に、４個の貫通孔３２が形
成されている。この孔３２の直径は棒状部材２１の直径
と実質的には同一又は若干小さいもので、孔３２は棒状
部材２１を挿入するために設けられている。

【００１８】図３（ａ）は棒状部材２１及び治具３０を
固定的に配置するための治具４０を示す断面図、図３
（ｂ）は同じくその正面図である。治具４０は概略円柱
状をなすブロックであり、その後部は若干小径、前部は
若干大径である。大径の前部の先端面は、その周縁部を
残して円板状に切り欠かれて切欠部４１が形成されてい
る。この切欠部４１の直径は治具３０の薄肉部の外縁径
と実質的に同一であり、切欠部４１は、図４の断面図に
示すように、治具３０の薄肉部が嵌合されるものであ
る。

【００１９】また、治具４０の中央部にはネジ４３が形
成されている。そして、このネジ４３の部分を除く切欠
部４１には、治具３０の孔３２の配設位置に対応する位
置に、孔３２より若干大きな径の孔４２が形成されてい
る。この孔４２の深さは、棒状部材２１の長さから、治
具３０の厚肉部の厚さを減じた長さに設定されている。

【００２０】治具４０の後部は、図４（ａ）に示すよう
に、摩擦圧接機のチャック５０に係合される係合部４４
となっている。また、治具４０の前部は孔４２間をとお
るクロス状の切欠き４５により分断されている。この切
欠き４５により分断された治具４０の前部の各部分の間
隔を相互に伸縮させることにより、孔４２の相対的な位
置を若干調整することができる。

【００２１】次に、上述の如く構成された治具３０，４
０を使用する本発明の実施例方法について説明する。図
４（ａ）に示すように、治具３０の各孔３２に棒状部材
２１を挿入し、棒状部材２１の接合すべき端面と、治具
３０の平坦面３１とを面一にする。そして、この治具３
０の後部から突出した棒状部材２１の部分を治具４０の
孔４２内に挿入するようにして、治具３０を治具４０の
切欠部４１に嵌合する。そうすると、棒状部材２１は、
切欠部４１における孔４２の深さに、治具３０の厚肉部
の厚さを加えた長さを有しているので、棒状部材１が孔
４２内にその後端が孔４２の端面に当接し、治具３０の
後面が切欠部４１の面に接触した状態で、棒状部材２１
の接合端面と治具３０の平坦面３１とが面一となり、棒
状部材２１及び治具３０は、それらの背後から治具４０
により支持される。治具４０はその後部の係合部４４で
チャック５０に固定される。

【００２２】一方、部材２３は、図４（ｂ）に示すよう
に、摩擦圧接機のクランプ５１に固定される。棒状部材
２１及び治具３０，４０がチャック５０に固定され、部
材２３がクランプ５１に固定された状態で、治具３０の
平坦面３１が部材２３の接合面２２と対面する。この場
合に、治具３０の孔３２は棒状部材２１により埋め込ま
れているので、この棒状部材２１の先端面と治具３０の
平坦面とにより構成されるリング状の面は、部材２３の
リング状の接合面２２と一致する。そこで、摩擦圧接機
を駆動して、治具４０と部材２３とを相互に押圧しつつ
治具４０と部材２３とをその軸心の周りに相対的に回転
駆動すると、治具３０の平坦面３１及び棒状部材２１の
端面と、部材２３の接合面２２とは、摺動時の摩擦熱に
より接合される。この場合に、接合される双方の面はそ
の摺動時に常に重ね合わされた状態であるので、摺動時
にその面が大気中に露出してしまうことがなく、新生面
同士を接合することができる。このため、接合面の酸化
等が発生せず、接合強度が高く良好な接合部が得られ
る。また、棒状部材２１はその先端部が治具３０の孔３
２に嵌合されているので、摺動時の摩擦力が作用しても
棒状部材２１が座屈したりすることがない。

【００２３】次に、本発明の実施例方法により棒状部材
２１を部材２３に摩擦接合した試験の結果について、従
来方法により摩擦接合した場合の結果と比較して説明す
る。棒状部材２１及び部材２３の材質はいずれもアルミ
ニウム合金Ａ６０６１であり、図１に示す部材２３のリ
ング状の接合面２２の外径は４０ｍｍ、内径は２０ｍｍ
であり、棒状部材２１の直径は８ｍｍ、長さは４０ｍｍ
である。また、棒状部材２１は４本である。下記表１は
摩擦圧接条件を示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】圧接試験の結果、図５の断面図に示すよう
に、棒状部材２１及び治具３０と、部材２３とは接合部
６０にて接合されていた。即ち、棒状部材２１は部材２
３に対して座屈及び倒れ等の不良がなく、完全に接合さ
れていることがわかる。

【００２６】更に、接合部の強度を調べるため、図５の
断面図中に符号６１にて示す継手引張試験片を採取し、
その両端部にネジ６２を加工した上で、引張試験を行っ
た。その結果、引張強度は約２４ｋｇｆ／ｍｍ²であ
り、この種の材料の接合強度として充分高い引張強度が
得られた。

【００２７】一方、図６，７に示すように、棒状部材１
を治具５の孔９に挿入し、治具３０を使わない従来の方
法で試験を行った。即ち、図６に示すように、棒状部材
１を固定するためのチャッキング治具５に棒状部材１を
挿入固定し、図７に示すようにして、棒状部材１と部材
３とを摩擦圧接した。

【００２８】この摩擦圧接条件は、表１に示したものと
同様である。その結果、棒状部材１が座屈変形すると共
に、接合界面には未接合部が認められ、良好な圧接部が
得られなかった。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、従
来の摩擦圧接法では困難であった複雑形状の部材の接
合、即ち、複数の棒状部材（第２部材）をリング又はデ
ィスク状の第１部材に同一の摺動工程で同時に接合する
ことが可能となり、特に溶接性が悪い材料に対して有効
な接合方法といえる摩擦圧接法の利点を生かしつつ、そ
の適用範囲を複雑な形状のものにまで拡大することがで
きる。このため、本発明は溶接性及びろう付性が悪い材
料による複雑形状の部品又は製品の製造に著しい貢献を
なす。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は摩擦圧接すべき第１部材２３を示す一
部断面図、（ｂ）は同じく棒状の第２部材２１を示す側
面図である。

【図２】図２は棒状部材２１を挿入する孔３２を有する
治具３０を示す断面図である。

【図３】図３は棒状部材２１及び治具３０を固定配置す
る治具４０を示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）は正面
図である。

【図４】本発明の実施例方法における摩擦圧接方法を示
し、（ａ）は棒状部材２１及び治具３０，４０を固定し
たチャック５０を示し、（ｂ）は部材２３を固定したク
ランプ５１を示す。

【図５】摩擦圧接部６０を示すと共に、引張試験片６１
の採取位置を示すものである。

【図６】従来の摩擦圧接方法により棒状部材１を接合す
る際に使用される治具５を示し、（ａ）は正面図、
（ｂ）は断面図である。

【図７】従来の摩擦圧接方法により棒状部材１と部材３
とを接合する工程を示す図である。

【符号の説明】

１，２１；棒状部材 ２，２２；接合面 ３，２３；リング状の接合面を有する部材 ３０，４０；治具 ３１；平坦面 ３２，４２；孔 ４１；切欠部 ５０；チャック ５１；クランプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１部材の平坦な接合面の所定位置に複
   数の棒状の第２部材の平坦な端面を接合する摩擦圧接方
   法において、前記各棒状の第２部材の断面形状に整合す
   る孔をその所定の接合位置に対応する位置に配置した平
   坦面を有する治具を使用し、前記各棒状の第２部材を前
   記治具の各孔に挿入し、前記棒状の第２部材の前記平坦
   な端面と前記治具の平坦面とを実質的に面一に設定し、
   前記第２部材の端面及び前記治具の平坦面と、前記第１
   部材の接合面とを対向させて両者間に押圧力を加えなが
   ら相対的に回転駆動することにより、前記棒状の第２部
   材の端面を前記治具の平坦面と共に、前記第１部材の接
   合面に摩擦圧接することを特徴とする摩擦圧接方法。
2. 【請求項２】 前記第１部材及び第２部材の少なくとも
   一方の材料が、アルミニウム合金又はアルミニウム基複
   合材であることを特徴とする請求項２に記載の摩擦圧接
   方法。