WO2006016417A1

WO2006016417A1 - 管状部位を有する構造物とその製造方法及び製造装置

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Publication number: WO2006016417A1
Application number: PCT/JP2004/011785
Authority: WO
Inventors: Keiichi Uraki; Kinya Aota; Arata Kagiyama; Takeshi Fukuda
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2006-02-16
Also published as: JP5060130B2; JPWO2006016417A1

Abstract

管状構造物或いは管状剖位を一部に有する構造物の製造は、従来は切削、鍛造或いは鋳造等の方法によって行われてきたが、材料の歩留まりが低い、加工割れが発生する、引け巣が生じる等の問題があった。この発明は、これらの方法に変わる全く新しい斬新な方法を提供するものである。この発明では、回転可能なツールを用い、このツールの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら挿入する。そして、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて被加工物に塑性流動状態を生じさせ、塑性流動状態となった被加工物を該ツールと該環状治具との間の空間に充填させて管状構造物を製造する。切削、鍛造或いは鋳造等による従来方法に較べて精度、品質に優れた管状構造物を低コストで製造することができる。

Description

明細書

管状部位をる構造物とその法及置挪汾野

本発明は、管状部位を有する構造物とその製造方法及び製造装置に関する。背景猜

管状構造物或いは管状部位を有する構造物の製造方法としては、縣、切削、纖等によるカロェ方法が知られている。また、これらのカロェ方法と激妾等の接合方法を組み合わせた方法が知られている。

しかし、これらの方法には以下のような問題点があった。まず、切削加工では、切粉を鉄するため被加工材に対する材料の歩留まりが低い。また、刃、ドリルあるいは砥石などの押し付けを伴うため力 nr時に押し付け方向に荷重が付与され肉厚の小さい管のカロェに限界があった。

加工では、母材の結晶方位によって加工物の形状が制約されることがあり、また、カロェ時に割れが発生する恐れがあった。また材料の剛性を有する^ i 域で強制的に変形させるカロ工であるため、カロェ物の寸法精度が低くなる恐れがあった。

i驗加ェでは、凝固時に引け巣等の欠陥が生じる恐れがあった。また凝固収縮を伴うため、加工物の寸法精度が低くなる恐れがあつた。

溶接などの接合加工では、熱による変形或いは材質変化、あるいは溶接欠陥が生じる恐れがあつた。

本発明の目的は、上記における問題点を解決する新規な製造方法と^^置、及び管状部位を « "る構造物を提供することにある。発明の開示

本発明は、回転可能な円柱状ツールの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら挿入することにより、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて被加工物に塑性状態を生じさせ、塑性状態となった被加工物を該ツールと該環状治具との間の空間に充填することを樹敷とする、管状部位を有する構造物の製造方法にある。また、本発明は、金属製の管状部位を有する構造物であり、管状部位の結晶 tiia戠が、材料の塑憎状態から冷却された、集合編戠を持たない再結晶 H哉であることを精敷とする管状部位を有する構造物にある。また、本発明は、回転機構を備えたツール、該ツールと被加工物との相対位置を少なくとも 1軸方向に移動させる機構を有し、ツールの外側に環状治具を備えたことを特徴とする、管状部位を有する構造物の製造装置にある。

本発明は、全体が管状の構造物或いは管状部位を一部に含む構造物の製造に適用される。請求の範囲に記載の管状部位を含む構造物には全体が管状の構造物も含まれるものとする。被加工物の材料は、アルミニゥム、銅、マグネシウム、鉄、チタン或いはそれらの合金が適するが、これらに限定されるものではなく、金属材料であればその全てに適用できる。 - 本発明の製 i ^法では、製造される管状部位の外径部に環状治具の内径部の形状が転写される。したがって、環状治具の内径部の横断面形状を円形、楕円形、多角形或いはそれらの組み合わせにすれば、それらと同じ形状が管状部位の外周に転写される。

本発明の製法において、板状あるいはプロック状の被加工物に対するツールの揷入を途中で停止すれば、板状あるいはブロック状の部位と管状の部位と力 S—体になつた構造物を製造することができる。また、本発明の製造方法において、管状の被加工物に対してツールを挿入するようにすれば、管状部位と管状部位と力本となった、例えば T型の管状部位を "る^ t物を Miiすることができる。

本発明の製造方法では、回転するツールの軸方向位置を膽しながらツールを押し下げていくこと力望ましい。管状の部位を H ^ "る構造物を製造する場合は、このようにツールの軸方向位置を繊寺すること力 S極めて重要である。

本発明によれば、管状部位の外周が円、楕円、多角形あるいはそれらの組み合わせとなる形状を有する構造物が提供される。また、板状あるいはプロック状の部位と管状の部位が一体で成形されており、管状部位の結晶 m ll戠が、、材料の塑性状態から冷却された、集合 ffi戠を持たない再結晶 ffi戠である構造物が提供される。また、 τ型の管状部位が一体で成形されており、少なくとも一方の管状部位の結晶粒；摇哉が、材料の塑性 «3状態から冷却された、集合纏戠を持たない再結晶纏戠である難物が提供される。

本発明の製造装置には、環状治具を被加工物表面に押し付ける荷重付与機構を備えておくこと力望ましく、これにより塑性漏状態の被加工物を環状治具とツールとの間の空間に充填するときに環状治具が動くのを防止できる。また、回転ツールと環状治具を同一の馬隱用アームに備えることにより、製造装置の構造が簡素化される。回転ツールと環状治具は、それぞれ別個の独立した馬隱機構を備えるようにすることが望ましい。また、回転ツールの先端には凸型の突起を設けておくことが望ましい。さらに、回転ツールと環状治具との間の空間をガスでシールドする機構を備えることが望ましい。

本発明によれば、下記の効果が得られる。

( 1 ) 切粉などで (^されていく部位が少なく、材料の歩留まりが高い。 (2) 凝固を伴わないので、引け巣、湯境い、割れなどの欠陥や凝固収縮による変形が無ぐ寸法精度や品質に優れている。

( 3 ) ダイカス卜、鐵告あるいは^ i などで作製された被加工材に引け巣、湯境い、割れなどの欠陥あるいは圧合繊戠が被していても、カロェ後の管状部位では塑性による再結晶 111戠となり、品質に優れている。

(4) 回転ツールおよび環状治具の形状、被加工材への挿入部の体積や摩擦熱の発生の仕方を制御することにより、任意の肉厚の管状部位を成形することが、可倉である。

( 5 ) 管と板あるいはブロックの継手、あるいは管と管の継手の形状を ί ^することなく ^(本で成形することができる。

(6 ) 管状部位の延長など後工程で部材を接合する齢、カロェされた管状部位とは突き合わせ継手や重ね継手など簡便な継手構造とすることができる。また、管状部位は塑性漏による再結晶,籠であるため溶接時の欠陥のない子な継手が得られる。図面の簡単な説明

第 1 a図発明による纖方法を示す耕見図。

第 1 b図は第 1 a図の正面 Ιβ図。

第 2図は管状構造物のを示す麵図。

第 3 a図〜第 3 c図は管状謝立を含む†fii物の例を示す麵図。

第 4 a図及び第 4 b図は 2つの管状部位が一体となった構造物の'例を示す麵図。

第 5 a図〜第 5 c図は管状治具の内径部形状の例を示す平面図。

第 6 a図〜第 6 d図は回転ツールの^ W状の例を示す正面図。

第 7図発明による S ^置の^ Mf成を示す鍵図。第 8 a図〜第 8 d図は管状部位を有する構造物の一例である高圧燃料ポンプのボディを本発明の製造方法によって製造する例を示した概略図。第 9図は圧延された材料の結晶組織の fe図。

第 1 0図は本発明による管状部位の再結晶組織の fet図。

第 1 1 a図〜第 1 1 c図は管状部位を有する構造物の一例である燃料供給パイプを本発明の方法によって ilする例を示した柳各図。発明を^ するための最良の形態

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下の ¾5i形態に限定されるものではない。

図 1 a図及び図 l b図は、本発明による管状部位の製造方法の一形態を表す模式図である。ツール 1の外側に環状治具 2を配置する。環状治具 2は被加工物 3の表面に押し付け力 4を付与した状態とする。ここでツール 1を高速回転させながら被加工物 3に押し付け力 5を付与するとツール 1と被加工物 3との間に摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって被加工物 3のツール押し付け部位近傍 6が加熱されるとともに攪拌され塑性 ί 状態となる。この状態でツール 1を回転させながら被加工物 3に揷入していくと、塑性漏状態となっている被加工物が、ツール 1力 S挿入される体積分だけ回転ツール外径と環状治具内径の間の空間 7に第 1 b図に矢印で示すように押し出される形で充填されていく。加工終了後、ツール 1を抜き、環状治具 2を外すと、塑性菌部は管状部位 8となつて成形される。その後、切削などの後加工によって端面を仕上げれば、第 2図に示すように管状構造物 9が製造できる。また、板状あるいはブロック状の被加工物に対し、以±^ベたカロ工を施すことにより、第 3 a 図〜第 3 c図に示すように板状あるいはブロック状の部位 1 0と管状部位 8とが一体となった構造物として成形される。第 3 a図は、回転ツールの先端が被加工物を貫通するまで、あるいは貫通する直前までツールを挿入して環状治具とツールの間の空間に塑性 «状態となつた被加工物材料を押し上げた後、切削などの後加工を施して管状部位 8を貫通形に仕上げたものである。また、第 3 b図は回転ツールを所定の深さまで挿入して塑性 ί 状態となった被加工物材料により管状部位 8を形成した後、切削などの後加工を施して管状部位 8の底面部 1 1を平らに仕上げたものである。また、第 3 c図は加工対象部位のみ肉厚を大きくした形状の被加工物に対して、回転ツールをカロェ対象部位以外の肉厚の高さ近くまで挿入して塑性状態となつた被加工物材料により管状部位 8 を形成した後した後、切削などの後加工を施して管状部位 8の底面部 1 1を加工対象部位以外の肉厚の高さと合わせて平らに仕上げたものである。 ―

さらに、管状の被加工物に対して以±¾1ベた加工をことにより、第 4 a図及び第 4 b図に示すように T型の管状部位 1 2がー体となった構造物として成形することができる。第 4 a図は、回転ツーリレの先端が管状の被加工物を貫通するまで、あるいは貫通する直前までツールを挿入して塑性状態となった被加工物材料により管状部位 8を形成した後、切削などの後加工を施して貫通形に仕上げたものである。また、第 4 b図は、回転ツールを所定の深さまで挿入して管状部位 8を形成した後、切削などの後加工を施して管状部位 8の底面部 1 1を平らに仕上げたものである。

本発明に係る管状構造物或いは管状部位を有する構造物において、管状部位の管の肉厚は環状治具の内径と回転ツールの外径との差によつて規定され、管の長さは回転ツールの被加工物への挿入深さによつて規定される。本発明によって製造される管状部位の肉厚の範囲としては、塑性して充填されるため 2〜 3 0 mの薄肉化が可能であり、また回転ツールの回転速度を増大させるなど摩擦攪拌による熱影響部の幅を大きくすることによって最大 5〜 6mmの厚肉化が可能である。また、環状治具の内径部あるいは回転ツールの外径部を平行でなくテーパなどの形状にすることにより、外径部あるいは内径部がテーパ形状となる管状音賺形财ることも可能である。

本発明の方法によって製造された管状構造物の管状部位の内部纏戠は、被加工物母材の再結晶識以上に加熱され冷却された再結晶細戠からなつており、カロェ前の被加工物の結晶糸1戠に依存されず、集合糸纖を持たない微細な再結晶粒で構成されている。第 9図は通常の圧延された材料の結晶を示した模式図であり、集合組織を有する典型的な結晶組織となっている。第 1 0図は本発明によって得られる管状部位の再結晶組織の典型的な結晶組織を示す模式図であり、集合組織を持たない再結晶細载になっている。

環状治具の内径部の形状は、円である必要は無い。第 5 a図〜第 5 c 図に環状治具 2の内径部形状の例を示す。塑性流動部が充填される空間の大きさである限り、管状構造物の外径部には、環状治具の内径部の形犬がE確に車云写される。

本発明で用いるツール 1の先端形状の例を第 6 a図〜第 6 d図に示す。第 6 a図〜第 6 c図は先端に凸型の突起部 1 3を有するツールの例である。突起部 1 3の形状は半球型、円柱型、円錐型など必要とする摩擦熱の発生のさせ方に応じて最適な形状を選ぶことができる。第 6 d図はッール先端の端面部 1 4の形状をテーパ型にした例を示している。端面部

1 4の形状は摩擦熱の発生の仕方および塑性部の »のさせ方に応じてな形状を選ぶことがきる。

本発明の製置の基本的な構成例を第 7図に示す。本発明の製 iffi 置は、円柱状のツール 1、ツールの回転機構 1 5、ツールの軸方向馬隱機構 1 6、環状治具 2、環状治具を被加工物 3に確実に密着させるための被加工物への押し付け機構 1 7、被加工物の固定機構 1 8より基本的に構成される。これらに加え、円柱あるいは管状の被加工物 3の側面即ち外周部分にツール 1を挿入して管状部位を形成する場合などでは、被加工物 3あるいはツール 1の馬隱機構のいずれかに加工位置を決める駆動機構 1 9を備えること力望ましい。

また、環状治具 2の被加工物 3への押し付け機構 1 7としては、第 7 匪こ示したように回転ツールの馬隱機構と独立させた機構でも良いが、回転ツールの馬隱機構に備え、回転ツールの軸方向移動に応じて環状治具が被加工物に押し付けられる機構としても良い。

また、成形する管状部位の肉厚が大きい場合のように摩擦熱をより大きく与えて塑性流動をより円滑にする形状に対しては、環状治具 2に回転機構 2 0を備え、環状治具 2も回転させて加工することが効果的である。

また、本発明による製造方法において、管状部位が性漏によって成形される過程で高温に至った材料の酸化が品質上問題となる:^には、回転ツールと環状治具との間の空間を不活性ガスあるいは窒素ガスなどのように材料の酸化を防止するガスでシールドすることがましく、製鶴置としては第 7図に示すガスシールド機構 2 1を備えることが望ましい。

次に本発明の産業製品への実施例について説明する。本発明はあらゆる産業分野の製品に删可能であるが、ここでは自動車部品への実施例について説明する。

難例 1

第 8 a図は、自動車部品の一つである、高圧燃料ポンプのボディの一例を示している。同図に示すように、高圧燃料ポンプのボディ 2 2は数ケ所の管状部位 8が組み合わさって一体となった構造を取っている。このボディ 2 2の材質はアルミニウム合金、鉄合金あるいはステンレス鋼などであり、 «ίΤ術では、ダイカスト、、鍛造あるいは切削によつて成形加工されている。

本発明の製 it^法における工程を以下に示す。

まず、第 8 b図に示すように、粗いブロック状の ¾φ形状 2 3をダイカスト、難、鍛造あるいは切削によって成形して被加工材とする。次に、第 8 c図に示すように、管状部位 2 4を本発明による方法で成形する。回転ツールの外径部の形状を平行形状のみならず段差形状或いはテーパ形状を組み合わせた形状とすることにより、同図に示すように管状部位の内 »|5形状に成形することが可能である。

管状部位を成形したならば、管状部位の端部 2 5を切削等により所定の形状に仕上げる。また管状部位の内径部あるいは底部 2 6を切削加工などで仕上げ、さらに切肖肋ロェでバリを Ρ鉄する。

最後に管状部位の外径部の段差等を切肖咖ェ等で仕上げることによつて、第 8 d図に示すように所定の形状のボディ構造を有する高圧燃料ポンプが itでさる。

本発明による製造方法は、管状部位の成形を全て切削で行うよりも材料の歩留まりが高く、またダイカスト、铸造あるいは鍛造により基本形状の被加工材を作製する時の型形状はシンプルで良ぐ低コストで製造が可能である。さらにダイカスト、あるいは猶で作った ¾Φ形状の部材の内部あるいは表面に引け巣、湯境い、微小割れなどの欠陥があつても、本発明による成形加工では管状部位の内部あるいは表面が再結晶となるため、これらの欠陥は無くなり、強度およぴ丽食性に優れたボディを製造できる。耐食性をさらに向上させるため、ボディにめつき等の表面処理を施す場合でも、本発明によるものは管状部位の内径部が再結晶纖となっており、 ± のような欠陥が無いため、めっき等の表面処理の密着性に優れ、耐食性に優れたボディを製造することができる。

難例 2

次に、本発明を、自動車部品の一つである、燃給パイプのカロェに適用した^!例について説明する。

第 1 1 a図は、燃謝共給パイプのカロェに適用した例を示したものである。同図に示すように、燃料ポンプより送られてきた燃料 2 7は燃共給パイプ 2 8を通じて複数の燃料噴射装置 2 9へと送られる。このため、燃誦合パイプはメインの管より複数の管状部位カ纷岐された構造となつている。このパイプの材質はアルミニウム合金、鉄合金あるいはステンレス鋼などであり、従 *ί¾1ϊではダイカスト、錶造、鍛造あるいは切削によって成形加工されている。

これに対する本発明での工程を以下に示す。

まず、第 1 1 b図に示すように、単純なパイプ状の ¾Φ形状を有する被加ェ材 3 0をダイカスト、、あるいは切削によって成形する。次に、第 1 1 c図に示すように、管状部位 3 1を本発明による方法によって成形する。管状部位の成形後、管状部位の端部 3 2及び底部 3 3 に ¾^するバリ等を切削によって除去し所定の形状に仕上げる。

最後に管状部ィ径部を切肖 IJ等で仕上げることによって、 Hffiの形状の管状部位を^ る構造物を得る。

本発明による燃料供給パイプの製造では、ダイカスト、錶造あるいは藤等でパイプの形をした被加工材を作製する時の型形状はシンプルで良ぐ低コストで製造が可能である。またダイカスト、あるいは鍛造で作ったパイプの内部あるいは表面に引け巣、湯境い、微小割れなどの欠陥があつても、本発明による方法では管状部位の内部あるい讀面が再結晶繊となるため欠陥は無くなり、弓嫉ゃ耐食性に優れたパイプを i することができる。

さらに、 awでは燃料噴射装置をパイプとネジ等の締結で結合させているが、本発明では管状部位が再結晶繊戠となるため溶接した場合でも欠陥が生ぜず良好な溶接繊が得られる。このため、溶接構造とすることも可肯 gである。

また、耐食性をさらに向上させるためパイプにめつき等の表面処理を場合でも、本発明による方法では管状部位の内径部が再結晶組織となるため、めっき等の表面処理の密着性に優れ、耐食性に優れたパイプを i することができる。

なお、摩擦攪拌によって生ずる被加工物の塑性流動現象を利用して成形加工を施として、回転ツールを被加工物へ押し込みながら向へ移動させ、塑性状態となった被加工物をツールに貫通形成された押し出し孔に通して棒状体を製造する方法があり、特開 2 0 0 2 - 3 6 1 3 2 0号公報に記載されている。しかし、この方法では棒状物は製造できても、管状構造物或いは管状部位を有する構造物を製造することはできない。

産業上の利用可能 I生

本発明は、燃料ポンプ、燃料噴射装置、燃料パイプ、エンジンの吸気系または排気系、ラジェ一夕等の冷却系、エアコンデショナ等の冷却系、発電機構、モータ、インバー夕など自動車に搭載される各種管状部位を有する構造物に薩が可能である。さらに本発明は、家庭電気製品、電子機器、機器、重電機部品など各 @¾業の工業品における管状部位を有するネ冓造物の!^にすること力 ?きる。

Claims

請求の範囲

1 . 回転可能なツールの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら挿入することにより、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて塑性状態を生じさせ、塑性状態となった被加ェ物を該ツールと該環状治具との間の空間に充填させることを樹敷とする管状音 15位をる物の!^法。

2. 請求項 1に記載の製造方法において、編己環状治具を回転させることを樹敫とする管状部位を ¾ る構造物の^^法。

3. 請求項 1に記載の製造方法において、編己ツールの軸方向位置を維持しながら該ツールを押し下げていくことを糊敷とする管状部位を有する構造物の纖方法。

4. 請求項 1に記載の製造方法において、前記ツールと t 己環状治具との間の空間を不活性のガスでシールドすることを特徴とする管状部位をる構造物の法。

5. 請求項 1に記載の製造方法において、編己環状治具の内径部を円、楕円、多角形あるいはそれらの組み合わせとなる形状とし、塑性状態となった被加工物によって形成される管状部位の外径部に該環状治具の内径部の形状を転写することを糊敷とする管状部位を有する構造物の製造方法。

6. 請求項 1に記載の製造方法において、板状あるいはブロック状の被加工物に対し、回転可能なツーリレの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら揷入することにより、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて塑性状態を生じさせ、塑性状態となつた被加工物を該ツールと該環状治具との間の空間に嫌することにより、板状あるいはブロック状の部位と管状の部位と力 S—体となった構造物を成形することを糊敷とする管状部位をる構造物の！^法。

7. 請求項 1に記載の製造方法において、管状の被加工物に対し、回転可能なツールの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら揷入することにより、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて塑性状態を生じさせ、塑性状態となった被加工物を該ツールと該環状治具との間の空間に充填することにより、 2つの管状部位が一体となった構造物を成形することを特徴とする管状部位を有する構造物の Iffi^法。

8. 金属製の管状部位を有する構造物において、歸己管状部位の結晶粒糸纖が、材料の塑性状態から冷却された、集合糸應を持たない再結晶纖であることを特徴とする管状部位を有するネ物。

9. 請求項 8に記載の機物において、鎌己管状部位の外周が円、楕円あるいは多角形の形状を有することを樹敷とする管状部位を有する構造物。

1 0. 請求項 8に記載の構造物において、板状あるいはブロック状の部位と管状の部位が一体で成形されており、廳己管状部位の結晶 ¾纖が、材料の塑性状態から冷却された、集合糸纖を持たない再結晶組織であることを樹敷とする管状部位をる構造物。

1 1 . 請求項 8に記載の構造物において、 2つの管状部位が^ f本で成形されており、少なくとも一方の管状部位の結晶粒が、材料の塑性流動状態から冷却された、集合纖戠を持たない再結晶 II哉であることを特徵とする管状部位を有する構造物。

1 2. 回転機構を備えたツール、該ツールと被加工物との相対位置を少なくとも 1軸方向に移動させる機構を有し、該ツールの外側に環状治具を備えることを樹敫とする管状位をる構造物の！^置。

1 3. 請求項 1 2に記載の製造装置において、前記環状治具を被加工物表面に押し付ける荷重付与機構を有することを特徴とする管状部位を有 • する腿物の！^置。

1 4. 請求項 1 2に記載の製造装置において、前記ツールと嫌己環状治具が同一の馬隱用アームに備えられたことを樹敷とする管状部位をる構造物の置。

1 5. 請求項 1 2に記載の製造装置において、前記ツールと廳己環状治具が独立した馬隱機構を備えていることを樹数とする管状部位を有する構造物の!^置。

1 6. 請求項 1 2に記載の製造装置において、前記ツールの先端に凸型の離をることを糊敷とする管状部位を "る構造物の iffi置。

1 7. 請求項 1 2に記載の製造装置において、前記ツールと編己環状治具との間の空間をガスでシールドする機構を有することを特徴とする管状部位を: る構造物の^^置。