CN101629290A - 在金属构件上形成实心凸起的方法、装置以及金属配件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了在金属构件上形成实心凸起的方法、装置以及金属配件。本发明的方法无需从外部施加热能就能在金属构件上形成机械特性优良的实心凸起。本发明方法的技术方案在于：将在前端具有开孔(13b)的加工夹具(13)的前端部(13a)按压在被加工金属构件(111)的表面上，并朝相对相反的方向转动上述被加工金属构件(111)和上述加工夹具(13)以产生摩擦热，通过该摩擦热产生向开孔(13b)内的塑性流动。

Description

在金属构件上形成实心凸起的方法、装置以及金属配件

技术领域

本发明涉及通过摩擦搅拌工艺在金属构件表面上形成材料与其相同的凸起的方法及凸起形成装置，以及通过形成凸起的方法加工的金属配件。

背景技术

在金属构件的表面形成实心凸起广泛用作定位装置、支承装置、固定固着装置、冷却装置，其在便携式电话或便携式个人电脑等便携式信息终端、家电制品、汽车部件、铁道用车辆等中已成为不可缺少的技术。作为在金属构件的表面形成实心凸起的方法，已知使用了预先制备凸起并将其焊接、钎焊、固相接合在金属构件上的方法，摩擦接合的方法和采用金属模具进行压力加工的方法。焊接、钎焊的方法存在的问题在于：增加制造工时并提高了成本以及不适用于从减轻重量的观点考虑倾向使用的镁、镁合金以及铝、铝合金；摩擦接合的方法，存在尺寸精度不良的问题；压力加工的方法，存在不适用于金属配件小型化、薄板化以及复杂化的问题。

作为在金属构件的表面形成实心凸起的技术，提出了摩擦搅拌成型方法(专利文献1)，在该方法中，将铝制第1物体放置在形成凹部的第2物体(金属模具)上，使摩擦热产生搅拌装置与第1物体接触以在两者之间产生相对移动并产生摩擦热，因此，在非溶融状态下使第1物体产生塑性流动，在第1物体上转印出与第2物体的凹部相当的凸部，还提出了镁合金部件的制造方法(专利文献2)，在该方法中，通过在一对上下金属模具之间对原材料板之间进行加压并加热，从而使原材料板的一部分向金属模具的凹部内产生塑性流动并形成凸部。前者的摩擦搅拌成型方法在不必需热源的情况下，利用摩擦热产生的塑性流动，填充在设置于搅拌装置相反侧的金属模具中形成的凹部，这种方法能够消除上述问题。但是，在该方法中形成的凸起存在机械特性(强度以及延展性)较低的实用性问题。根据本发明人的认识，其理由在于：组织细化的区域为通过第1物体的摩擦热发生搅拌装置进行摩擦搅拌的区域，在第2物体中形成的凹部位于与其分离的区域，从而难以实现凸起部分的组织的细化。另外，难以通过该方法在薄板(～2mm厚)上形成直径3mm以上、高度5mm以上的凸起。后者的制造方法由于可以在难以进行焊接、钎焊的镁合金部件上形成凸起，因此，能够消除上述问题。但是，该方法在上金属模具和下金属模具中分别内置有加热器，通过加热器的加热产生塑性流动，因此，存在除了必须热能以外，凸起的机械特性较低的问题。其理由在于：在没有利用搅拌的情况下产生的塑性流动中产生的应变能较小，从而难以充分实现组织的细化。

专利文献1：特开2002-256453号。

专利文献2：特开2004-337935号。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供无需从外部施加热能就能在金属构件上形成机械特性(强度和延展性)优良的实心凸起的方法以及凸起形成装置。

本发明要解决的另一个技术问题在于提供在难以焊接或钎焊的金属构件上形成机械特性优良的实心凸起的方法以及凸起形成装置。

本发明要解决的再一个技术问题在于提供具有机械特性优良的实心凸起的金属配件。

为了解决上述技术问题，本发明在金属构件上形成实心凸起的方法的技术方案是：将在前端具有开孔的加工装置的前端部按压在被加工金属构件表面上，并朝相对相反的方向转动被加工金属构件和加工装置。若使加工装置接触被加工金属构件并使加工装置转动，则会产生摩擦热，由于该摩擦热，被加工金属构件接触加工装置的部分的温度会上升，从而在低应力下呈现塑性流动，被加工金属构件没有呈现塑性流动的周围的区域形成止动部分，被加工金属构件朝形成于加工装置前端部的开孔内流入并形成凸起。与转动的时间成比例，呈现塑性流动的时间增长，由于塑性流动，被加工金属构件流入加工装置的开孔内的量增加，从而凸起增高。由于塑性流动是在被加工金属构件为固体的状态下呈现的，因此，不会使被加工金属构件的组织粗大，另一方面，由于通过加工装置的摩擦搅拌，凸起及其附近的被加工金属构件的表面区域与其它区域相比会形成细化，因此，在加工中的高温状态(所谓以绝对温度表示被加工金属构件的融点的数值的1/2以上的温度)下会产生超塑性流动，变形应力减小，塑性流动性非常大。另一方面，能够增大凸起在加工结束后恢复至室温时的机械强度。由于摩擦热是通过在压接被加工金属构件与加工装置的状态下使两者相对以相反方向转动所产生的，因此，使被加工金属构件静止而使加工装置转动、使加工装置静止而使被加工金属构件转动、使被加工金属构件与加工装置沿相反方向或相同方向、以不同速度转动均与其相当。

作为适用于本发明在金属构件上形成实心凸起的方法的金属材料，优选但不局限于镁合金以及铝合金。作为镁合金，可采用至少含有一种铝Al、锌Zn、镐Zr、锰Mn、锂Li、铁Fe、硅Si、铜Cu、镍Ni、钙Ca、稀土类元素的镁合金。另外，铝合金可采用至少含有一种铜Cu、锰Mn、硅Si、镁Mg、锌Zn、镍Ni、铬Cr、钛Ti的铝合金。

本发明凸起形成装置的技术方案在于，其设有保持被加工金属构件的装置，在前端部具有开孔的加工装置，驱动加工装置转动的装置，使保持装置以及加工装置的至少一个沿连接两个装置的线移动的装置，将加工装置按压在被加工金属构件表面上的装置。通过这种结构，无需从外部施加热能，就能通过塑性流动在本发明在被加工金属构件的表面上形成材料与被加工金属构件相同的凸起。这种加工装置也可以作为在金属构件上形成凸起的单功能装置，另外，也可以作为承担顺序加压装置的多个工序中的一个工序的装置部分。

作为在本发明凸起形成装置中使用的加工夹具，要求耐热性、耐磨损性、浸湿性较低(不与被加工部件接合)，具体材料可采用不锈钢(例如SUS钢)、工具钢(例如SK钢)、超合金(Ni系、Fe系、Co系)、陶瓷(CBCN(立方晶硼化物)、ZrO2、SiC、Si3N4、SiALON、Al2O3以及它们的合成材料)、金属与陶瓷的复合材料(例如水泥)。

本发明具有凸起的金属配件的技术方案在于：具有金属构件以及以与其相同的材料一体形成在上述金属构件表面上的凸起，并且，其具有凸起及其附近的金属构件的表面区域与其它区域相比被细化的组织。具有该凸起的金属配件适于作为在便携式信息终端、家电制品、汽车部件、铁道用车辆等中使用的具有凸起部分的部件。

根据本发明在金属构件上形成凸起的方法，利用摩擦热呈现金属构件的塑性流动并流入加工装置的开孔中，以与金属构件相同的材料形成表面区域为细化组织的凸起，从而能够获得机械特性优良的实心凸起。另外，本发明的加工装置提供了能够实现在本发明金属构件上形成凸起的方法的装置，无需从外部施加热能，通过塑性流动就能在被加工金属构件的表面上形成材料与被加工金属构件相同的凸起。另外，由于本发明具有凸起的金属配件形成了凸起及其附近的金属构件的表面区域与其它区域相比被细化的组织，因此，能够实现机械特性优良的凸起。

附图说明

图1为概况截面图，其说明了在本发明金属构件上形成凸起的方法。

图2为方框图，其说明了在本发明金属构件上形成凸起的方法的工序。

图3为概括放大图，其说明了在本发明金属构件上形成凸起的方法的作用。

图4为概况截面图，其说明了通过本发明的方法在金属构件上形成的凸起的机械特性较高的情况。

图5为显微镜照片，其显示了通过本发明的方法形成在金属构件上的凸起根部部分的组织状态。

图6显示了测算通过本发明方法在金属构件上形成的凸起的一个机械特性，即冲击值的结果。

图7为概况正视图以及侧视图，这些视图显示了为执行本发明在金属构件上形成凸起的方法所使用的凸起形成装置的一个例子。

图8为概况截面图，其显示了本发明在金属构件上形成凸起的方法中使用的加工夹具的变形例。

图9为在形成2个凸起时使用的加工夹具的概况截面图以及使用该加工夹具形成2个凸起的金属配件的概况截面图。

图10为概况正视图以及仰视图，这些视图显示了在本发明在金属构件上形成凸起的方法以及凸起形成装置中使用的加工夹具的代表性结构。

具体实施方式

本发明在金属构件上形成实心凸起的方法的最佳实施形式为以镁合金作为被加工金属构件，在其表面利用由不锈钢制成的加工夹具产生的摩擦搅拌形成凸起的情况。镁以及镁合金系合金为轻质金属材料并具有广泛用作便携式信息终端、家电制品、汽车部件、铁道用车辆等的金属配件的倾向，但另一方面，其存在焊接、钎焊方法不能适用的问题，从而在普及上存在待解决的问题。本发明是为解决该问题作出的。

实施例1

图1以及图2为工序图，其显示了本发明在金属构件上形成凸起的方法的实施例，在图1中，111为形成凸起的被加工金属构件，12为放置固定被加工金属构件111的加工台，13为在前端部13a具有开孔13b的外形断面为圆形的加工夹具，14为可转动地支承加工夹具13的保持夹具。加工夹具13具有通过转动驱动源转动并以前端部13a方向以规定压力按压的装置。在被加工金属构件111上形成凸起的情况下，在将被加工金属构件111放置在加工台12上的规定位置处之后通过机械、静电或真空吸附将其固定(图2的工序A)，同时，将具有与形成的凸起的尺寸相一致的开孔13b的加工夹具13装配在保持装置14上(图2的工序B)。接着，一边使加工夹具13转动，一边以规定的压力将前端部13a按压在被加工金属构件111的表面上(图2的工序C)。若一边使加工夹具13的前端部13a转动，一边将其按压在被加工金属构件111的表面上，则接触加工夹具13的前端部13a的被加工金属构件111的表面区域的组织会因摩擦热导致的温度上升而产生被加工金属构件软化，在加压下通过加工夹具的转动易于对其进行搅拌，形成强应变状态，从而通过动态再结晶等形成细化。这样，呈现出细化的组织在高温下易于产生塑性变形的超塑性现象。由于超塑性现象的显现，会产生塑性流动，进而，即使在没有细化的区域，在高温状态下，仍会软化并形成塑性流动(图2的工序D)。如后面所述，塑性流动向加工夹具13的开孔13b流动(图2的工序E)，如图1的(b)所示，填充至高于被加工金属构件111表面的位置，从而形成凸起112(图2的工序F)。之后，使加工夹具13与被加工金属构件111的表面分离(图2的工序G)。因此，获得图1(c)所示在金属构件111表面具有实心凸起112的金属配件11。

利用图3说明通过塑性流动形成凸起的理由。图3为放大显示图1(b)的视图，其显示的状态为：接触加工夹具13的前端部13a的被加工金属构件111的表面区域111a呈现超塑性现象并以黑色箭头方向产生塑性流动。另一方面，不发生搅拌的下部区域因摩擦热产生的温度上升软化，通过由加工夹具13形成的按压力以白色箭头方向产生塑性流动(接近通常的热成形)。呈现超塑性现象的被加工金属构件111的表面区域111a的侧面由没有呈现超塑性现象的周围区域111b包围并沿Y12方向被挤压，上方通过加工夹具13的前端部13a以及保持装置14、沿箭头Y13以及Y14的方向被挤压，并沿黑色箭头Y111a以及白色箭头Y112a的方向被加压，由黑色箭头Y111a、Y111b以及白色箭头Y112b所示的加工夹具13的开孔13b方向为唯一的流动方向。与由加工夹具13产生的摩擦搅拌持续的时间成比例，向开孔13b的流动持续进行，从而凸起112的高度增加。

在通过塑性流动在金属构件表面上形成凸起的情况下，在凸起的里面侧形成称为凹凸的凹部，凸起越高，凹凸就越大。在形成凸起时，通过使加工夹具13在与金属构件表面平行的面进行圆形运动、直线运动，能够防止凹凸的发生。大体的情况为：形成金属构件的凸起的面在最终制品中形成从外部不能看到的面，与形成凸起的面相反的面形成外观面。因此，形成凹凸会存在外观面没有形成设计的平面以及有损于美观等不良情况。

在本发明金属构件上形成凸起的方法中的重要事项为加工条件的设定，在以镁、镁系合金、铝、铝系合金作为被加工金属构件并在室温下进行加工的情况下，加工夹具的转速为200～20000rpm，优选为500～5000rpm，加压压力优选在50kg/cm²以上。

利用图4，对通过本发明方法在金属构件上形成的凸起的优良机械特性进行说明。使被加工金属构件111中由加工夹具13摩擦搅拌的区域细化(呈现动态再结晶等)。细化的区域易于在高温下发生塑性变形，并呈现超塑性现象以发生塑性流动，流入加工夹具13的开孔13b内形成凸起112。图4(b)的凸起112以及在其附近由截面线所示的区域形成具有通过摩擦搅拌细化的组织的区域。若使组织细化，一般能够提高机械特性。在金属构件上形成凸起的情况下，大多会在金属构件与凸起的连接之处发生应力集中，从而在该处发生机械破损。若通过本发明的方法形成凸起，由于细化的组织越过从凸起到凸起与金属构件的连接处存在于整个金属构件，因此，能够提高机械强度。

图5为显微镜照片，其显示了通过本发明形成凸起的方法形成的凸起的根部(图4中被加工金属构件111与凸起112的连接部分)的组织状态。从照片可以判断：与其它部分相比，使与图4(b)的截面线所示的区域对应之处的组织细化。

在图6中显示了测算通过本发明形成凸起的方法形成的凸起的一个机械特性，即冲击值的结果。试验机器使用了测试产业株式会社的IZOD型冲击试验装置(WR＝3kg m)，准备各3个以室温(20℃)和相同条件形成凸起的样品进行测试。图中的纵轴表示冲击值，横轴表示镁合金的种类。图中的虚线以及点划线表示AZ31以及ZK60A的各种原材料的冲击值。对于试验片而言，通过本发明的方法在板厚2mm的AZ31板材(AZ31t2)和板厚3mm的AZ31板材(AZ31t3)以及板厚3.1mm的ZK60A板材上形成直径3mm、高约4mm的凸起。如图6所示，通过本发明的方法形成的凸起的冲击值均显示出比原材料大的值。其原因在于：越过从凸起到凸起与金属构件的连接处，在金属构件的部分表面形成微细组织。

实施例2

图7为概况正视图以及侧视图，这些视图显示了为执行本发明在金属构件上形成凸起的方法所使用的凸起形成装置的一个例子。在该图中，51为设置装置的基台，52为固定在基台51上的机架，53为在水平面内可以沿XY方向移动地支承在机架52上的工件保持头，531为埋设在工件保持头53的表面附近的温度压力传感器，54为使工件保持头53沿竖直方向移动的驱动轴并且其由图中未示出的驱动马达驱动。55为支承在工件保持头53上的工件夹持器，56为由图1所示的加工夹具13和保持装置14构成的转动工具，57为保持转动工具56的工具夹持器，58为支承工具夹持器57同时使工具夹持器57沿竖直方向移动的工具夹持器驱动马达，581为支承在工具夹持器驱动马达上的定速度低载荷控制装置，59为支承在机架52上、支承工具夹持器驱动马达58并转动驱动转动工具56的工具转动马达。转动工具56仅仅为图1中的加工夹具13。

在采用具有这种结构的凸起形成装置在金属构件上形成凸起的情况下，将金属构件放置并固定在工件夹持器55上，使工件保持头53沿XY方向移动以使形成金属构件的凸起的位置与转动工具56相对。接着，一边通过工具转动马达59使转动工具56转动，一边通过工具夹持器驱动马达58使工具夹持器57向下方移动，之后，以规定压力使转动工具56与金属构件表面接触。因此，通过摩擦热，在金属构件的表面上产生塑性流动并形成凸起。在形成凸起时，通过工具夹持器驱动马达58使工具夹持器57向上方移动并使转动工具56与金属构件以及凸起分离，停止工具转动马达59以使转动工具56停止。

以规定压力使转动工具56与金属构件表面接触的控制方法可以利用压力控制和位置控制。虽然压力控制具有可以通过一定载荷负荷实现稳定的凸起高度控制的优点，但是，其缺点在于系统结构复杂。具体来说，是通过将应变仪以及负载传感器安装在载物台以及转动轴上实现的。另外，考虑到因热影响导致凸起成形时载荷负载的变化，因此，该对策是必需的。位置控制可通过伺服马达等控制载物台以及转动轴实现，从而具有控制比较容易的优点。但是，若所提供的被加工材料的板厚不均匀，则具有凸起尺寸精度(高度)低下的缺点。作为其解决对策，可采用通常通过激光位移计进行板厚控制并在每一凸起成形时调整位置的方法。

实施例3

图8为显示加工夹具的变形例的概况截面图。在该实施例中，通过具有与开孔13b相当的孔131a的圆筒形部件131、插入圆筒形部件131的孔131a内的按压部件132、在圆筒形部件131的孔131a内被引导并沿圆筒形部件131的前端部13a的方向推压按压部件132的弹簧133构成图1所示的加工夹具13。通过以这种结构形成加工夹具13，能够产生以下效果：①由于仅在圆筒形部件131的孔131a与按压部件132之间形成间隙，因此，能够形成在形成凸起时空气排出通道，②由于在凸起形成时推压了凸起前端部，因此，能够形成前端部平坦形状的凸起。

实施例4

图9为显示在同时形成2个凸起时使用的加工夹具13的概况截面图以及使用该加工夹具形成2个凸起112的金属配件11的概况截面图。在图1所示的保持夹具14上同时设有2个加工夹具。该加工夹具13为适于形成接近的凸起112时的加工夹具，其优点在于能够将加工时间缩短1/2。虽然以形成2个凸起112时为例进行了说明，但是，不应局限于2个，也可以根据邻接的凸起数量增加加工夹具1 3的数量。作为优选的实施例，可以设置调整开孔之间距离的装置以使凸起之间的距离任意变化。

实施例5

图10为正视图以及仰视图，这些视图显示了本发明在金属构件上形成凸起的方法以及在凸起形成装置中使用的加工夹具13的代表性结构。图10(a)为在形成1个圆柱形凸起时使用的加工夹具13，并形成1个开孔13b，对以虚线显示该加工夹具13上部的部分进行切削以使其变细。这种变形也适用于以下的加工夹具。图10(b)为在形成1个圆柱形凸起的变形例时使用的加工夹具13，其形成了1个开孔13b，该开孔具有小径圆柱在大径圆柱上组合而成的形状。图10(c)为在形成1个圆柱形凸起以及沿其周围包围的环状凸起时使用的加工夹具13，其形成了环状开孔13b。图10(d)为在形成圆锥状凸起时使用的加工夹具13，其形成了圆锥状开孔13b。图10(e)为在形成1个半球状凸起时使用的加工夹具13，其形成了半球状开孔13b。图10(f)为在形成圆锥台状凸起时使用的加工夹具13。这些加工夹具13可进行变形和组合，本发明不应局限于这些加工夹具。

本发明在金属构件上形成凸起的方法及凸起形成装置以及具有由其制造的凸起的金属配件不应局限于在实施例中说明的方法以及结构，在本发明的技术思想的范围内可作出各种变形。

Claims (5)

1.一种在金属构件上形成实心凸起的方法，其特征在于：将在前端具有开孔的加工装置的前端部按压在被加工金属构件表面上，并朝相对相反的方向转动所述被加工金属构件和所述加工装置。

2.根据权利要求1所述的在金属构件上形成实心凸起的方法，其特征在于：在将所述加工装置的前端部按压在所述被加工金属构件表面上的状态下，使其在与所述被加工金属构件表面平行的面中进行圆形运动或直线运动。

3.根据权利要求1所述的在金属构件上形成实心凸起的方法，其特征在于：对所述被加工金属构件表面施加的按压力，以及所述被加工金属构件与所述加工装置的相对转速，为由此在所述被加工金属构件与所述加工装置接触的区域中产生塑性流动的值。

4.一种凸起形成装置，其特征在于：其设有保持被加工金属构件的装置，在前端部具有开孔的加工装置，驱动所述加工装置转动的装置，使所述保持被加工金属构件的装置以及所述加工装置中的至少一个沿连接两个装置的线移动的装置，将所述加工装置按压在被加工金属构件表面上的装置。

5.一种具有凸起的金属配件，其特征在于：其具有金属构件以及以与其相同的材料一体形成在所述金属构件表面上的凸起，并且，其具有所述凸起及其附近的所述金属构件的表面区域与其它区域相比被细化的组织。

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