CN108025389A - 机械配件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机械配件及其制造方法。机械配件(1)具有：具有第一线膨胀系数的第一区域(10)、以及具有大于第一线膨胀系数的第二线膨胀系数且与第一区域(10)接合的第二区域(20)。包括第一区域(10)与第二区域(20)的界面(5)的外周(5A)在内的区域遍及整个周，向第二区域(20)侧倾斜。在第一区域(10)的表面形成沿界面(5)的外周(5A)延伸的槽(19)。

Description

机械配件及其制造方法
技术领域
本发明涉及机械配件及其制造方法。
背景技术
有时将线膨胀系数不同的部件彼此接合来制造配件。在上述配件中，可能存在当温度变化时在接合部产生热应力，而在接合部产生龟裂等的问题。部件彼此的接合可以使用焊料。已经提出一种技术，其在利用焊料将线膨胀系数不同的部件彼此接合时，在线膨胀系数较大一侧的部件的接合面形成多个凹部(例如，参照(日本)特开平8-290265号公报(专利文献1))。由此，能够缓和接合部的热应力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开平8-290265号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在上述专利文献1的技术中，以在接合时使用形成液态的焊料为前提。但是，在使用焊料的情况下，可能存在因焊料的强度而使接合面不能达到足够的强度等问题。
本发明的目的在于，在不使用焊料而将线膨胀系数不同的部件彼此接合的机械配件中，抑制因在接合面产生的热应力而产生龟裂。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的机械配件具有：具有第一线膨胀系数的第一区域、以及具有大于第一线膨胀系数的第二线膨胀系数且与第一区域接合的第二区域。包括第一区域与第二区域的界面的外周在内的区域遍及整个周而向第二区域侧倾斜。在第一区域的表面形成有沿上述界面的外周延伸的槽。
在将线膨胀系数不同的区域彼此接合的情况下，当温度变化时，热应力集中在两个区域的界面的外周附近。因此，可能存在在界面的外周附近产生龟裂等的问题。
在本发明的机械配件中，包括线膨胀系数不同的第一区域与第二区域的界面的外周在内的区域遍及整个周而向线膨胀系数相对较大一侧即第二区域侧倾斜。由此，热应力向界面的内周侧的区域及第一区域侧的外周面的更广泛的范围分散。
在本发明的机械配件中，沿上述界面的外周延伸的槽在线膨胀系数相对较小一侧即第一区域的表面形成。由此，当温度变化时，第一区域易于追随线膨胀系数相对较大一侧即第二区域的变形，能够减小在界面附近产生的热应力。
在本发明的机械配件中，如上所述，能够分散热应力，并减小热应力。其结果是，根据本发明的机械配件，能够抑制因接合面产生的热应力而产生龟裂。
在上述机械配件中，上述槽也可以沿上述界面的外周遍及整个周而连续形成。通过上述方式，能够进一步减小在界面附近产生的热应力。
在上述机械配件中，上述界面也可以包括环状的倾斜部，该环状的倾斜部包括上述界面的外周在内而向第二区域侧倾斜。通过形成包括界面的外周在内而向第二区域侧倾斜的环状倾斜部，由此包括界面的外周在内的区域也可以遍及整个周而向第二区域侧倾斜。
通过使倾斜部为环状，可以形成被界面的倾斜部包围的区域(中央部)不倾斜的区域，例如平坦区域。由此，能够容易地实现第一区域与第二区域的接合。
在上述机械配件中，第一区域及第二区域具有轴对称的形状，也可以同轴配置。倾斜部的与第一区域及第二区域的轴向垂直的方向上的宽度可以为与界面的外周外接的圆的半径的1/20以上、1/10以下。
当上述倾斜部的宽度不足上述圆半径的1/20时，可能不能充分获得分散热应力的效果。上述倾斜部的宽度即使增大至超过上述圆的半径的1/10的范围，分散热应力的效果也不会大幅度提高。因此，可以使上述倾斜部的宽度为上述圆半径的1/20以上、1/10以下。
本发明的机械配件的制造方法具有：准备具有第一线膨胀系数的第一部件、以及具有大于第一线膨胀系数的第二线膨胀系数的第二部件的工序；将第一部件与第二部件接合的工序；在第一部件的表面形成沿第一部件与第二部件的界面的外周延伸的槽的工序，该界面由第一部件与第二部件接合而形成。将第一部件与第二部件接合的工序包括：相互按压第一部件与第二部件，使第一部件及第二部件不改变相对位置关系地围绕旋转轴相对地进行旋转，由此对第一部件及第二部件进行加热的工序；对被加热的第一部件与第二部件在相互按压的状态下进行冷却的工序。在将第一部件与第二部件接合的工序中，通过在对第一部件及第二部件进行加热的工序中，使第一部件及第二部件中的变形阻力小的部件、即低变形阻力部件发生变形，由此以包括外周在内的区域遍及整个周而向第二部件侧倾斜的方式，来形成第一部件与第二部件的界面。
在本发明的机械配件的制造方法中，以包括外周的区域遍及整个周而向第二部件侧倾斜的方式，来形成第一部件与第二部件的界面，从而将第一部件与第二部件接合。之后，在第一部件的表面形成沿第一部件与第二部件的界面的外周延伸的槽。根据本发明的机械配件的制造方法，能够制造出能够抑制因在接合面产生的热应力而产生龟裂的本发明的机械配件。
在上述机械配件的制造方法中，还可以具有在第一部件形成上述槽后，对第一部件及第二部件进行热处理的工序。即使在因热处理而温度发生变化的情况下，也能够抑制因接合面产生的热应力而产生龟裂。
在上述机械配件的制造方法中，也可以在对第一部件及第二部件进行加热的工序中，在模具的型腔内配置上述低变形阻力部件。
通过上述方式，在模具的型腔内低变形阻力部件发生变形，与划定(規定する)型腔的壁面接触。由此，能够抑制低变形阻力部件与高变形阻力部件一起旋转，并且也能够抑制进一步的变形。因此，能够抑制因第一部件与第二部件的摩擦而产生的热从型腔内释放。其结果是，能够有效率地实施对第一部件及第二部件进行加热的工序。
在上述机械配件的制造方法中，上述模具可以包括：划定型腔的型腔底壁、划定型腔且在与型腔底壁交叉的方向上延伸的型腔侧壁。通过上述方式，能够容易地实施上述机械配件的制造方法。
在上述机械配件的制造方法中，在对第一部件及第二部件进行加热的工序中，在第二部件中与第一部件接触的面、即第二接触面也可以被型腔侧壁包围。通过上述方式，能够通过型腔侧壁来限制低变形阻力部件的变形。
在上述机械配件的制造方法中，也可以在对第一部件及第二部件进行加热的工序中，将模具固定，并使高变形阻力部件进行旋转。通过上述方式，能够容易地实施上述机械配件的制造方法。
在上述机械配件的制造方法中，也可以在第一部件及第二部件中的变形阻力较大的部件即高变形阻力部件上形成凹部。在对第一部件及第二部件进行加热的工序中，也可以使上述低变形阻力部件在其至少一部分进入上述凹部的状态下，相对于高变形阻力部件进行按压并同时进行旋转，由此，对第一部件及第二部件进行加热。
通过上述方式，在高变形阻力部件的凹部内，低变形阻力部件发生变形，与划定凹部的壁面接触。低变形阻力部件的变形由划定高变形阻力部件的凹部的壁面进行限制。因此，能够抑制因第一部件与第二部件的摩擦而产生的热从凹部内释放。其结果是，能够有效率地实施对第一部件及第二部件进行加热的工序。
在上述机械配件的制造方法中，上述高变形阻力部件也可以包括：划定上述凹部的凹部底壁、以及划定上述凹部且在与凹部底壁交叉的方向上延伸的凹部侧壁。在对第一部件及第二部件进行加热的工序中，也可以使上述低变形阻力部件相对于上述高变形阻力部件的凹部底壁进行按压并同时进行旋转。通过上述方式，能够容易地实施上述机械配件的制造方法。
在上述机械配件的制造方法中，在对第一部件及第二部件进行加热的工序中，上述低变形阻力部件也可以因发生变形而与上述凹部侧壁接触。这样，通过凹部侧壁对低变形阻力部件的变形进行限制，由此能够容易地实施上述机械配件的制造方法。
在上述机械配件的制造方法中，还可以具有在第一部件与第二部件接合的状态下为了除去上述凹部侧壁而对上述高变形阻力部件进行加工的工序。通过上述方式，能够得到高变形阻力部件在凹部底壁与低变形阻力部件接合而形成的机械配件。
在上述机械配件的制造方法中，也可以在对第一部件及第二部件进行加热的工序中，将高变形阻力部件固定，并使低变形阻力部件进行旋转。通过上述方式，能够容易地实施上述机械配件的制造方法。
上述机械配件的制造方法还可以具有在第一部件与第二部件接合的状态下，将在对第一部件及第二部件进行加热的工序中低变形阻力部件发生变形而形成的毛刺除去的工序。通过上述方式，能够得到将在第一部件与第二部件接合时形成的毛刺除去的机械配件。
在上述机械配件的制造方法中，也可以在对第一部件及第二部件进行加热的工序中，使温度升高了的状态下的低变形阻力部件的变形阻力比高变形阻力部件的变形阻力小10％以上。通过上述方式，容易将第一部件与第二部件接合。
发明的效果
根据上述说明可知，根据本发明的机械配件及其制造方法，在不使用焊料而将线膨胀系数不同的部件彼此接合的机械配件中，能够抑制因在接合面产生的热应力而产生龟裂。
附图说明
图1是表示第一实施方式的机械配件的结构的概要剖视图。
图2是表示机械配件的制造方法的概要的流程图。
图3是表示第一实施方式的机械配件的制造装置的结构的概要图。
图4是表示第一实施方式的机械配件的制造装置的动作的概要剖视图。
图5是表示模具的结构的概要俯视图。
图6是表示第二实施方式的机械配件的结构的概要剖视图。
图7是表示第二实施方式的机械配件的制造装置的结构的概要图。
图8是表示第二实施方式的机械配件的制造装置的动作的概要剖视图。
图9是用来说明第二实施方式的机械配件的制造方法的概要剖视图。
图10是用来说明第二实施方式的机械配件的制造方法的概要剖视图。
图11是表示机械配件的结构的变形例的概要剖视图。
图12是表示机械配件的结构的变形例的概要剖视图。
图13是表示在接合面产生的龟裂的长度及数量的图(比较例)。
图14是表示在接合面产生的龟裂的长度及数量的图(实施例)。
具体实施方式
下面，针对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，在下面的附图中，对于相同或相当的部分使用相同的标记，不重复其说明。
(第一实施方式)
图1是表示本实施方式的机械配件的结构的概要剖视图。参照图1，机械配件1具有将由第一金属形成的第一区域10与由第二金属形成的第二区域20接合的结构。
第一区域10具有圆筒状的形状。第二区域20具有圆筒状(圆盘状)的形状。第一区域10与第二区域20在接合面即界面5进行接合。第一区域10具有第一线膨胀系数。第二区域20具有大于第一线膨胀系数的第二线膨胀系数。
第二区域20与第一区域10相比，变形阻力较小。在本实施方式中，作为构成第一区域10的第一金属，例如可以采用进行了调质的(进行了淬火处理及回火处理的)钢(例如(日本)JIS规格SCM440等的机械结构用合金钢或机械结构用碳钢)。作为构成第二区域20的第二金属，可以采用铜合金(例如高力黄铜)。
第一区域10及第二区域20如上所述，具有轴对称的形状、即圆筒形状。第一区域10及第二区域20的中心轴与机械配件的中心轴C一致。第一区域10及第二区域20同轴配置。第一区域10的直径与第二区域20的直径相同。
界面5包括：相对于中心轴C垂直的平坦面即中央部5C、以及相对于与中心轴C垂直的面而向第二区域20侧倾斜的面即倾斜部5B。界面5包括环状的倾斜部5B，该倾斜部5B以包括界面5的外周5A在内的方式向第二区域20侧倾斜。中央部5C是圆形的平坦面。倾斜部5B是具有与中心轴C一致的中心轴的正圆锥面。由于存在倾斜部5B，包括界面5的外周5A在内的区域遍及整个周，向第二区域20侧倾斜。
第二区域20的第一区域10侧的端部具有向第一区域10突出的凸形状。第一区域10的第二区域20侧的端部具有与具有凸形状的第二区域20的端部对应的凹形状。倾斜部5B的与中心轴C垂直的方向上的宽度W为与界面5的外周5A外接的圆的半径R(第一区域10的半径R)的1/20以上、1/10以下。垂直于中心轴C的面与倾斜部5B形成的角θ例如可以为5°以上、15°以下。
在第一区域10的表面(外周面)形成沿界面5的外周5A延伸的槽19。槽19沿界面5的外周5A，遍及整个周而连续形成。槽19与界面5的外周5A平行延伸。
划定槽19的壁面由曲面构成。在包括中心轴C的剖面上，划定槽19的壁面具有圆弧状的形状。在包括中心轴C的剖面上，划定槽19的壁面例如具有半圆状的形状。内壁的半径例如可以为0.5mm以上、1.5mm以下，也可以为0.8mm以上、1.2mm以下。界面5的外周5A与槽19的距离例如可以为0.2mm以上、1.2mm以下，也可以为0.2mm以上、0.8mm以下，此外也可以为0.2mm以上、0.5mm以下。槽19的形状以及形成有槽19的位置例如可以对界面5的外周5A附近、槽19的底部附近等的热应力进行解析来决定。
上述机械配件1可以通过如下所述的本实施方式的机械配件的制造方法进行制造。
图2是表示机械配件的制造方法的概要的流程图。图3是表示机械配件的制造装置的结构的概要图。图4是表示机械配件的制造装置的动作的概要剖视图。图5是表示机械配件的制造装置所包含的模具的结构的概要俯视图。
参照图2，在本实施方式的机械配件1的制造方法中，首先，作为工序(S10)，实施成型部件准备工序。在该工序(S10)中，参照图4，准备例如由进行了调质处理的机械结构用合金钢形成的圆筒形状的第一部件10、以及由高力黄铜形成的圆盘形状的第二部件20。在工序(S10)中，准备具有第一线膨胀系数的第一部件10、以及具有大于第一线膨胀系数的第二线膨胀系数的第二部件20。第二部件20的变形阻力比第一部件10的变形阻力小。第二部件20是低变形阻力部件。第一部件10是高变形阻力部件。第一部件10是应该成为机械配件1的第一区域10的部件。第二部件20是应该成为机械配件1的第二区域20的部件。
第一部件10的一个端面11是应该成为接合面的第一接触面。以包含第一部件10的外周面的方式形成倾斜部10B。倾斜部10B是具有与第一部件10的中心轴一致的中心轴的正圆锥面。
接着，作为工序(S20)，实施清洗工序。在该工序(S20)中，对在工序(S10)中准备的第一部件10及第二部件20进行清洗。第一部件10及第二部件20利用甲醇、乙醇、丙酮等液体进行清洗。由此，除去在用来准备第一部件10及第二部件20的切割、加工等处理中附着于第一部件10及第二部件20的杂质等。需要说明的是，在本实施方式的机械配件1的制造方法中，可以省略对第二部件20的端面的精密的精加工。第二部件20的端面可以维持切割的状态。
接着，参照图2，实施闭塞摩擦接合工序。闭塞摩擦接合工序包括：接合准备工序、摩擦工序、以及冷却工序。在此，针对通过实施闭塞摩擦接合来制造机械配件1的机械配件的制造装置进行说明。
参照图3，机械配件的制造装置即闭塞摩擦接合装置9具有：能够围绕轴α旋转的主轴95、相对于主轴95而在轴α方向上隔着间隔进行配置的基座部98、通过在轴α方向上驱动主轴95来调整主轴95与基座部98的间隔的驱动部97、以及将主轴95及基座部98进行支承的支架90。
参照图3，在支架90内设置有相对于轴α平行延伸的支轴90A。支轴90A沿着支轴90A的延伸方向，能够移动地支承对主轴95进行支承的主轴支承部90C。此外，在支轴90A上连接有对支轴90A进行驱动的主轴移动马达90B。支轴90A通过主轴移动马达90B而被驱动，由此，由主轴支承部90C支承的主轴95在轴α方向上移动。由此，能够调整主轴95与基座部98的间隔。支轴90A、主轴支承部90C、以及主轴移动马达90B构成驱动部97。
配置有旋转侧卡盘94及模具93，以使在通过驱动部97调整主轴95与基座部98的间隔来使第一部件10与第二部件20接触的状态(图4的状态)下，划定型腔93A的型腔侧壁93C包围第二接触面的一个端面21的外周，该第二接触面在第二部件20中作为与第一部件10接触的面。参照图4，轴α方向上的型腔侧壁93C的高度大于第二部件20的厚度。
参照图3，在主轴95设有作为第一保持部的旋转侧卡盘94，该旋转侧卡盘94以与基座部98对置的方式来保持第一部件10。另外，在主轴95连接有围绕轴α对主轴95进行旋转驱动的主轴马达95B。此外，在主轴95设置有检测第一部件10与第二部件20的接触负载的负载传感器96。该负载传感器96根据施加于旋转侧卡盘94的第一部件10与第二部件20的接触反作用力的大小，检测第一部件10与第二部件20的接触负载。负载传感器96虽然在闭塞摩擦接合装置9中不是必须的结构，但通过设置该负载传感器96，容易将第一部件10与第二部件20的接触负载调整至适当的范围。
在基座部98配置有作为第二保持部的模具93，该模具93以与旋转侧卡盘对置的方式来保持第二部件20。参照图3及图4，基座部98包括：基体91、模具座92、以及模具93。基体91设置在支架90上。模具座92固定在基体91上。模具93嵌入在模具座92上形成的凹部、即模具保持部中，由径向卡盘面92B进行固定。如图5所示，模具93能够分离为两个配件99、99。
参照图4及图5，模具93包括：圆形平面即型腔底壁93B、以及从型腔底壁93B向与型腔底壁93B交叉的方向(垂直的方向)延伸的型腔侧壁93C。型腔底壁93B及型腔侧壁93C对型腔93A进行划定。型腔侧壁93C与具有圆形形状的型腔底壁93B的外周连接，并且具有圆筒面形状，该圆筒面形状具有与型腔底壁93B相同的直径。
接着，说明闭塞摩擦接合工序的具体流程。参照图3及图4，在作为工序(S30)实施的接合准备工序中，第一部件10在外周面被旋转侧卡盘94保持。第二部件20放置在模具93的型腔93A内。第二部件20的一个端面21被型腔侧壁93C包围。
配置第二部件20以在端面上与划定型腔93A的型腔底壁93B接触。配置第一部件10及第二部件20，使第一部件10的一个端面11与第二部件20的一个端面21对置，并且使第一部件10及第二部件20的中心轴与旋转侧卡盘的旋转轴α一致。
向型腔93A内导入离型剂。由此，在后面叙述的工序(S40)中，在型腔93A内存在离型剂的状态下，对第一部件10及第二部件20进行加热。虽然该离型剂的导入并非必须的流程，但通过导入离型剂，容易将在后面叙述的工序(S50)中第一部件10与第二部件20接合而构成的结构体从模具93中取出。离型剂可以是液体状，也可以是粉末状。
接着，作为工序(S40)实施摩擦工序。在该工序(S40)中，主轴95由主轴马达95B进行驱动，围绕轴α进行旋转，并且由主轴移动马达90B进行驱动，靠近基座部98。由此，旋转侧卡盘94围绕轴α进行旋转的同时靠近模具93。
第一部件10对第二部件20进行按压，同时不改变相对于第二部件20的相对位置关系地围绕旋转轴α相对地进行旋转。第一部件10与第二部件20的接触部的温度由于摩擦热而升高。利用该摩擦热，对第一部件10及第二部件20进行加热。第二部件20的温度例如升高至构成第二部件20的第二金属的软化点以上的温度且低于熔点的温度。
如上所述，第二部件20的变形阻力比第一部件10的变形阻力小。被加热的第二部件20软化并发生变形，与模具93的型腔侧壁93C接触。由此，能够抑制第二部件20与第一部件10一起旋转，并且也能够抑制第二部件20进一步发生变形。因此，通过第一部件10与第二部件20的摩擦而进一步产生热，并且能够抑制产生的热从型腔93A内释放。
被加热的第二部件20软化并发生变形，与第一部件10的倾斜部10B接触。第一部件10相对于第二部件20进行按压，由此第二部件20发生变形，而与第一部件10的倾斜部10B接触。
接着，作为工序(S50)实施冷却工序。在该工序(S50)中，首先使主轴95的旋转数降低，并使之停止。之后，使由负载传感器96检测的按压负载下降。在此期间，第一部件10与第二部件20维持相互按压的状态的同时被进行冷却。第一部件10及第二部件20在相互接触的状态下被进行冷却。由此，第一部件10与第二部件20直接接合。在上述工序(S40)中，通过低变形阻力部件即第二部件20发生变形，形成第一部件10与第二部件20的界面，使包括外周在内的区域遍及整个周而向第二部件20侧倾斜。
在按压负载为0后，将与第一部件10对应的第一区域10和与第二部件20对应的第二区域20接合而构成的结构体、即机械配件1从闭塞摩擦接合装置9中取出(参照图1)。通过上述流程，完成闭塞摩擦接合工序。
接着，作为工序(S60)，实施机械加工工序。在该工序(S60)中，对在工序(S50)中得到的机械配件1实施机械加工。具体而言，在工序(S60)中，将在工序(S40)中第二部件20发生变形而形成的毛刺除去。然后，参照图1，在第一部件10(第一区域10)的表面形成槽19，该槽19沿第一部件10与第二部件20接合形成的第一部件10(第一区域10)与第二部件20(第二区域20)的界面5的外周5A延伸。
接着，作为工序(S70)，实施气体软氮化工序。在该工序(S70)中，对在工序(S60)中实施机械加工而得到的机械配件1实施作为热处理的气体软氮化处理。具体而言，通过在含有氨气的环境气体中加热至低于构成第一部件10(第一区域10)的钢的A1相变点的温度，在第一部件10(第一区域10)的表层部形成氮化层。此时，由于存在倾斜部5B及槽19，所以能够抑制在界面5的外周5A附近产生龟裂。之后，根据需要实施精加工，完成本实施方式的机械配件1。通过上述流程，能够制造出本实施方式的机械配件1。
(第二实施方式)
接着，针对本发明的其它实施方式即第二实施方式进行说明。图6是表示第二实施方式的机械配件的结构的概要剖视图。参照图6，第二实施方式的机械配件1与第一实施方式的情况相同，具有将由第一金属形成的第一部件10与由第二金属形成的第二部件20进行接合的结构。但是，在第二实施方式中，在由第一金属形成的第一部件10具有圆盘状的形状、第二部件20具有圆筒状的形状这一点上，与第一实施方式的情况不同。作为第一金属及第二金属，可以采用与第一实施方式的情况相同的金属。
参照图6，第一区域10与第二区域20在接合面即界面5上进行接合。第一区域10具有第一线膨胀系数。第二区域20具有大于第一线膨胀系数的第二线膨胀系数。第一区域10的直径与第二区域20的直径相同。
第二区域20与第一区域10相比，变形阻力较小。如上所述，第一区域10及第二区域20具有轴对称形状、即圆筒形状。第一区域10及第二区域20的中心轴与机械配件的中心轴C一致。第一区域10及第二区域20同轴配置。
界面5包括：相对于中心轴C垂直的平坦面即中央部5C、以及相对于与中心轴C垂直的面而向第二区域20侧倾斜的面即倾斜部5B。界面5包括环状的倾斜部5B，该环状的倾斜部5B包括界面5的外周5A在内向第二区域20侧倾斜。中央部5C是圆形的平坦面。倾斜部5B是具有与中心轴C一致的中心轴的正圆锥面。由于存在倾斜部5B，包括界面5的外周5A在内的区域遍及整个周而向第二区域20侧倾斜。
第二区域20的第一区域10侧的端部具有向第一区域10突出的凸形状。第一区域10的第二区域20侧的端部具有与具有凸形状的第二区域20的端部相对应的凹形状。倾斜部5B的与中心轴C垂直的方向上的宽度W为与界面5的外周5A外接的圆的半径R(第一区域10的半径R)的1/20以上、1/10以下。与中心轴C垂直的面与倾斜部5B形成的角θ例如可以为5°以上、15°以下。
在第一区域10的表面(外周面)形成有沿界面5的外周5A延伸的槽19。槽19沿着界面5的外周5A，遍及整个周而连续形成。槽19与界面5的外周5A平行延伸。槽19的形状与第一实施方式的情况相同。
上述机械配件1可以通过如下所述的本实施方式的机械配件的制造方法进行制造。本实施方式的机械配件的制造方法是与第一实施方式的情况相同地利用闭塞摩擦接合的制造方法。在第一实施方式的情况下，使高变形阻力部件即第一部件10进行旋转，将低变形阻力部件即第二部件20配置在模具93内，实施闭塞摩擦接合。在第二实施方式中，在低变形阻力部件即第二部件20进行旋转、高变形阻力部件即第一部件10被固定的状态下实施闭塞摩擦接合。第二实施方式的机械配件的制造方法是应对难以使高变形阻力部件即第一部件10旋转的情况的制造方法。
图2是表示机械配件的制造方法的概要的流程图。图7是表示机械配件的制造装置的结构的概要图。图8是表示机械配件的制造装置的动作的概要剖视图。图9及图10是用来说明机械配件的制造方法的概要剖视图。
参照图2，在本实施方式的机械配件1的制造方法中，首先，作为工序(S10)实施成型部件准备工序。在该工序(S10)中，参照图8，准备例如由进行了调质处理的机械结构用合金钢形成的第一部件10、以及由高力黄铜形成的第二部件20。第二部件20具有圆筒状的形状。在工序(S10)中，准备具有第一线膨胀系数的第一部件10、以及具有大于第一线膨胀系数的第二线膨胀系数的第二部件20。第二部件20的变形阻力比第一部件10的变形阻力小。第二部件20是低变形阻力部件。第一部件10是高变形阻力部件。第一部件10是应该成为机械配件1的第一区域10的部件。第二部件20是应该成为机械配件1的第二区域20的部件。
第一部件10具有圆筒形状(圆盘形状)。第一部件10具有凹部10A。凹部10A包括第一部件10的中心轴而形成。凹部10A具有圆筒状的形状。第一部件10的中心轴与凹部10A的中心轴一致。第一部件10包括：划定凹部10A的凹部底壁13、以及划定凹部10A且在与凹部底壁13交叉的方向上延伸的凹部侧壁12。
凹部底壁13是应该成为接合面的第一接触面。在包括凹部底壁13的外周在内的区域形成倾斜部10B，该倾斜部10B相对于与第一部件10的中心轴垂直的面而向与凹部10A的入口接近的一侧倾斜。倾斜部10B是具有与第一部件10的中心轴一致的中心轴的正圆锥面。通过形成倾斜部10B，在包括凹部10A的外周在内的区域存在随着靠近外周而深度逐渐减小的区域。凹部底壁13具有向凹部10A的入口侧的相反侧突出的凸形状。凹部底壁13包括：以包括外周在内的方式配置的倾斜部10B、以及被倾斜部10B包围且与第一部件10的中心轴垂直的圆形平面即中央部10C。第二部件20的一个端面21成为应该与第一部件10接合的第二部件接触面。
接着，作为工序(S20)实施清洗工序。该工序(S20)与上述第一实施方式相同地实施。需要说明的是，在本实施方式的机械配件1的制造方法中，可以省略对第二部件20的一个端面21的精密的精加工。第二部件20的一个端面21也可以维持切割的状态。
接着，参照图2，实施闭塞摩擦接合工序。闭塞摩擦接合工序包括：接合准备工序、摩擦工序、以及冷却工序。在此，针对通过实施闭塞摩擦接合来制造机械配件1的机械配件的制造装置进行说明。
参照图7，第二实施方式的机械配件的制造装置即闭塞摩擦接合装置9基本上具有与第一实施方式的情况相同的结构，并相同地进行动作。下面，针对与第一实施方式的情况的不同之处进行说明。
在主轴95设有以与基座部98对置的方式来保持第二部件20的旋转侧卡盘94。在基座部98配置有以与旋转侧卡盘94对置的方式而保持第一部件10的固定侧卡盘92C。参照图7及图8，基座部98包括基体91、以及固定侧卡盘92C。固定侧卡盘92C固定在基体91上。固定侧卡盘92C包括：在轴向上将第一部件10保持的底面92A、以及在径向上将第一部件10保持的径向卡盘面92B。
接着，说明闭塞摩擦接合工序的具体流程。参照图7，在作为工序(S30)实施的接合准备工序中，第二部件20在外周面被旋转侧卡盘94保持。另外，第一部件10在外周面被固定侧卡盘92C保持。
对第一部件10及第二部件20进行配置，使第一部件10的凹部底壁13与第二部件20的一个端面21对置，并且使第一部件10及第二部件20的中心轴与旋转侧卡盘94的旋转轴α一致。
接着，作为工序(S40)实施摩擦工序。在该工序(S40)中，主轴95由主轴马达95B进行驱动而围绕轴α进行旋转，并且由主轴移动马达90B进行驱动而靠近基座部98。由此，旋转侧卡盘94围绕轴α进行旋转的同时靠近固定侧卡盘92C。
然后，如图8所示，第二部件20在其至少一部分(包括一个端面21的区域)进入凹部10A的状态下，不改变相对于第一部件10的相对位置，而是相对于第一部件10以规定的负载进行按压，同时相对地进行旋转。第二部件20相对于第一部件10的凹部底壁13进行按压的同时进行旋转。由此，第一部件10及第二部件20的温度因摩擦热而升高。
在旋转的开始时刻，在第二部件20的外周面22与第一部件10的凹部侧壁12之间形成有间隙。在旋转的开始时刻，第二部件20的外周面22与第一部件10的凹部侧壁12不接触。在旋转的开始时刻，在第二部件20的一个端面21与凹部底壁13的中央部10C之间形成有间隙。在旋转的开始时刻，第二部件20的一个端面21与凹部底壁13的中央部10C不接触。当维持上述旋转时，第一部件10及第二部件20利用因摩擦产生的热而被加热。
如上所述，低变形阻力部件即第二部件20的变形阻力比第一部件10的变形阻力小。参照图9，被加热的第二部件20软化并发生变形，与凹部侧壁12接触。第二部件20的变形由对第一部件10的凹部10A进行划定的壁面(凹部底壁13及凹部侧壁12)进行限制。因此，能够抑制因摩擦产生的热从凹部10A内释放。被加热的第二部件20软化并发生变形，与中央部10C接触。凹部10A由软化的第二部件20进行填充。第二部件20由于发生变形而形成有毛刺29。
接着，作为工序(S50)实施冷却工序。在该工序(S50)中，首先，使主轴95的旋转数降低，并使之停止旋转。之后，使由负载传感器96检测的按压负载下降。在此期间，第一部件10与第二部件20维持相互按压的状态的同时进行冷却。第一部件10及第二部件20在相互接触的状态下进行冷却。由此，将第一部件10与第二部件20直接接合。在上述工序(S40)中，由于低变形阻力部件即第二部件20发生变形，使包括外周在内的区域遍及整个周而向第二部件20侧倾斜，而形成第一部件10与第二部件20的界面。
在按压负载为0后，将第一部件10与第二部件20接合而构成的结构体即机械配件1从闭塞摩擦接合装置9中取出(参照图10)。通过上述流程，完成闭塞摩擦接合工序。
接着，作为工序(S60)，实施机械加工工序。在该工序(S60)中，对在工序(S50)中得到的机械配件1实施机械加工。具体而言，参照图10，在工序(S60)中，对第一部件10进行加工，以在第一部件10与第二部件20接合的状态下除去凹部侧壁12。通过沿虚线A对第一部件10及第二部件20进行切割加工，能够除去包括凹部侧壁12在内的外周区域及毛刺29。除去包括凹部侧壁12的外周区域的处理以及除去毛刺29的处理可以作为一个工序连续地实施，也可以作为不同的工序隔开一定时间而实施。
然后，参照图6，在第一部件10(第一区域10)的表面形成槽19，该槽19沿第一部件10与第二部件20接合而形成的第一部件10(第一区域10)与第二部件20(第二区域20)的界面5的外周5A延伸。
接着，作为工序(S70)实施气体软氮化工序。在该工序(S70)中，对在工序(S60)中实施机械加工而得到的机械配件1实施气体软氮化处理进行热处理。具体而言，通过在包含氨气的环境气体中加热至低于构成第一部件10(第一区域10)的钢的A1相变点的温度，而在第一部件10(第一区域10)的表层部形成氮化层。此时，由于存在倾斜部5B及槽19，能够抑制在界面5的外周5A附近产生龟裂。之后，根据需要来实施精加工，完成本实施方式的机械配件1。通过上述流程，能够制造出本实施方式的机械配件1。
需要说明的是，在上述第一及第二实施方式的工序(S40)中，温度升高状态下的第二部件20(低变形阻力部件)的变形阻力优选比第一部件10(高变形阻力部件)的变形阻力小10％以上，更优选小50％以上，进一步优选小80％以上。如上所述，在第二部件20(低变形阻力部件)的变形阻力比第一部件10(高变形阻力部件)小的情况下，能够如本实施方式所述将第一部件10与第二部件20接合。但是，在第一部件10的变形阻力与第二部件20的变形阻力之差较小的情况下，在工序(S40)中不只第二部件20，第一部件10也可能发生变形。
在上述情况下，难以将第一部件10与第二部件20良好地进行接合。在工序(S40)中需要对第一部件10及第二部件20的温度进行严格的管理。在工序(S40)中，通过将温度升高状态下的第二金属的变形阻力设定得比第一金属的变形阻力小10％以上，容易实现良好的接合，通过设定小50％以上、进一步设定小80％以上，更容易实现良好的接合。
在上述第一及第二实施方式中，以第一部件10是高变形阻力部件、第二部件20是低变形阻力部件的情况为例，说明了机械配件1的制造方法。即使在第一部件10是低变形阻力部件、第二部件20是高变形阻力部件的情况下，通过使在闭塞摩擦接合中对置的第一部件10及第二部件20的面(接合面)的形状成为考虑了线膨胀系数的适当的形状，能够通过利用了闭塞摩擦接合的制造方法来制造机械配件1。
本发明的机械配件的第一区域与第二区域的界面的形状不限于在上述实施方式中例举的形状。可以采用包括第一区域与第二区域的界面的外周在内的区域遍及整个周而向第二区域侧倾斜的各种界面的形状。如图11的第一变形例所示，界面5也可以具有圆锥面形状，该圆锥面形状具有位于中心轴C上的顶点。在第一变形例中，不存在相对于中心轴C垂直的平面即中央部，界面5的整个区域成为倾斜部。另外，如图12的第二变形例所示，界面5也可以具有球面形状，该球面形状在中心轴C上具有中心。界面5如第二变形例所示，也可以是曲面。
实施例
(第一实施例)
假设图1所示的上述第一实施方式的机械配件1(实施例A)，通过FEM(FiniteElement Method：有限元法)，对在界面5的外周5A附近产生的热应力的大小进行了解析。设垂直于中心轴C的面与倾斜部5B形成的角θ为10°。设倾斜部5B的宽度W为1mm。作为构成第一区域10的材料，采用了钢(机械结构用合金钢)的(日本)JIS规格SCM440(淬火及回火处理完毕)。作为构成第二区域20的材料，采用了高力黄铜。对机械配件1在施加了从60℃加热至570℃、之后冷却至60℃的热处理的情况下的热应力进行了解析。在线膨胀系数一定、不随温度而变化、不发生塑性变形的条件下进行了解析。
为了进行比较，也针对界面5不具有倾斜部5B、即界面5是遍及整个区域而与中心轴C垂直的面的情况(比较例A)、以及倾斜部5B向第一区域10侧倾斜而使垂直于中心轴C的面与倾斜部5B形成的角为10°的情况(比较例B)进行了相同的解析。解析的结果所得到的界面5的外周5A附近的热应力的最大值如表1所示。
[表1]
热应力(MPa)
实施例A 179
比较例A 387
比较例B 616
参照表1，如比较例B所示，在具有向与本发明的情况相反一侧倾斜的倾斜部的情况下，其热应力大于比较例A。另一方面，本发明的实施例即实施例A与不具有倾斜部的比较例A相比，热应力能够降低至1/2左右。另外，在实施例A中，根据基于FEM的解析已经明确，与比较例A的情况相比，热应力向界面的内周侧区域以及第一区域侧的外周面的更广泛的范围分散。根据上述的解析结果能够确认，通过使包括第一区域与第二区域的界面的外周在内的区域遍及整个周而向第二区域侧倾斜来进行形成，能够使热应力分散，并且能够降低热应力的最大值。
(第二实施例)
进行如下的实验，即，通过实施上述第一实施方式的工序(S10)～(S70)，制作10个图1所示的上述第一实施方式的机械配件1(实施例B)，对在得到的机械配件1的界面5的外周5A附近形成的龟裂的长度及数量进行确认。使垂直于中心轴C的面与倾斜部5B形成的角θ为10°。倾斜部5B的宽度W为1mm。作为构成第一区域10的材料，采用了钢(机械结构用合金钢)的(日本)JIS规格SCM440(淬火及回火处理完毕)。作为构成第二区域20的材料，采用了高力黄铜。为了进行比较，在与实施例B相同的结构中，按照相同的流程制作10个界面5不具有倾斜部5B的机械配件1，即界面5是遍及整个区域而与中心轴C垂直的面的机械配件1(比较例C)，对龟裂的长度及数量进行相同的确认。
图13是表示在比较例C中观察的龟裂的长度及数量的图。图14是表示在实施例B中观察的龟裂的长度及数量的图。图13及图14的横轴所记载的No1～No10与制作的10个样品相对应。图13及图14的纵轴表示龟裂的长度。在各样品中观察到一条龟裂的情况为一条柱线，观察到两条龟裂的情况为对应于第一位置及第二位置的两条柱线，观察到三条龟裂的情况为对应于第一位置、第二位置以及第三位置的三条柱线，并且表示了龟裂的长度。
参照图13及图14，根据本发明的实施例即实施例B的机械配件，与本发明的范围外的比较例C的情况相比，能够确认可明显减小龟裂的长度及数量。在实施例B中，在10个样品之中的8个样品上未发现龟裂。根据上述实验结果能够确认，根据本发明的机械配件，在不使用焊料而将线膨胀系数不同的部件彼此接合的机械配件中，能够抑制因在接合面产生的热应力而产生龟裂。
需要说明的是，在上述实施方式及实施例中，虽然针对作为构成第一区域(部件)的材料(第一金属)而采用钢、作为构成第二区域(部件)的材料(第二金属)而采用黄铜的情况进行了例举，但在本发明中能够采用的材料不限于此。能够采用的金属的组合的一个例子如表2所示。
[表2]
第一区域(部件) 第二区域(部件)
钢 黄铜
钢 铝基合金
镍基合金 钢
超硬合金 钢
如表2所示，在本发明的机械配件及其制造方法中，能够采用由第一金属形成的第一区域(部件)、以及由线膨胀系数大于第一金属的第二金属形成的第二区域(部件)的各种组合。
本次所公开的实施方式及实施例在所有方面都是例举而不应该认为是限制。本发明的范围不是由上述的说明而是由技术方案来表示，目的在于包括与技术方案等同的含义和范围内的所有变更、改良。
工业实用性
本发明的机械配件及其制造方法能够特别有利地应用在具有将线膨胀系数不同的区域彼此直接接合的结构的机械配件及其制造中。
附图标记说明
1机械配件；5界面；5A外周；5B倾斜部；5C中央部；9闭塞摩擦接合装置；10第一区域(第一部件)；10A凹部；10B倾斜部；10C中央部；11端面；12凹部侧壁；13凹部底壁；19槽；20第二区域(第二部件)；21端面；22外周面；29毛刺；90支架；90A支轴；90B主轴移动马达；90C主轴支承部；91基体；92模具座；92A底面；92B径向卡盘面；92C固定侧卡盘；93模具；93A型腔；93B型腔底壁；93C型腔侧壁；94旋转侧卡盘；95主轴；95B主轴马达；96负载传感器；97驱动部；98基座部；99配件。

Claims (13)

1.一种机械配件，其特征在于，具有：
第一区域，其具有第一线膨胀系数；
第二区域，其具有大于所述第一线膨胀系数的第二线膨胀系数，并与所述第一区域接合；
包括所述第一区域与所述第二区域的界面的外周在内的区域遍及整个周而向所述第二区域侧倾斜，
在所述第一区域的表面形成有沿所述界面的外周延伸的槽。
2.如权利要求1所述的机械配件，其特征在于，
所述槽沿所述界面的外周，遍及整个周而连续形成。
3.如权利要求1或2所述的机械配件，其特征在于，
所述界面含有包括所述界面的外周在内而向所述第二区域侧倾斜的环状的倾斜部。
4.如权利要求3所述的机械配件，其特征在于，
所述第一区域及所述第二区域具有轴对称的形状，并且同轴配置，
所述倾斜部的与所述第一区域及所述第二区域的轴向垂直的方向上的宽度为与所述界面的外周外接的圆的半径的1/20以上、1/10以下。
5.一种机械配件的制造方法，其特征在于，具有：
准备具有第一线膨胀系数的第一部件、以及具有大于所述第一线膨胀系数的第二线膨胀系数的第二部件的工序；
将所述第一部件与所述第二部件接合的工序；
在所述第一部件的表面形成沿着所述第一部件与所述第二部件的界面的外周延伸的槽的工序，所述界面通过所述第一部件与所述第二部件接合而形成；
将所述第一部件与所述第二部件接合的工序包括：
将所述第一部件与所述第二部件相互按压，使所述第一部件及所述第二部件不改变相对位置关系地围绕旋转轴相对地进行旋转，由此，对所述第一部件及所述第二部件进行加热的工序；
对被加热的所述第一部件与所述第二部件在相互按压的状态下进行冷却的工序；
在将所述第一部件与所述第二部件接合的工序中，通过在对所述第一部件及所述第二部件进行加热的工序中，所述第一部件及所述第二部件中的变形阻力较小的部件即低变形阻力部件发生变形，由此以包括外周在内的区域遍及整个周而向所述第二部件侧倾斜的方式，来形成所述第一部件与所述第二部件的所述界面。
6.如权利要求5所述的机械配件的制造方法，其特征在于，
还具有在所述第一部件形成所述槽后，对所述第一部件及所述第二部件进行热处理的工序。
7.如权利要求5或6所述的机械配件的制造方法，其特征在于，
在对所述第一部件及所述第二部件进行加热的工序中，所述低变形阻力部件配置在模具的型腔内。
8.如权利要求7所述的机械配件的制造方法，其特征在于，
所述模具包括：
型腔底壁，其划定所述型腔；
型腔侧壁，其划定所述型腔，并在与所述型腔底壁交叉的方向上延伸。
9.如权利要求8所述的机械配件的制造方法，其特征在于，
在对所述第一部件及所述第二部件进行加热的工序中，在所述第二部件上与所述第一部件接触的面即第二接触面被所述型腔侧壁包围。
10.如权利要求5或6所述的机械配件的制造方法，其特征在于，
在所述第一部件及所述第二部件中的变形阻力较大的部件即高变形阻力部件上形成有凹部，
在对所述第一部件及所述第二部件进行加热的工序中，使所述低变形阻力部件在其至少一部分进入所述凹部的状态下相对于所述高变形阻力部件进行按压并同时进行旋转，由此对所述第一部件及所述第二部件进行加热。
11.如权利要求10所述的机械配件的制造方法，其特征在于，
所述高变形阻力部件包括：
凹部底壁，其划定所述凹部；
凹部侧壁，其划定所述凹部，并在与所述凹部底壁交叉的方向上延伸；
在对所述第一部件及所述第二部件进行加热的工序中，所述低变形阻力部件相对于所述高变形阻力部件的所述凹部底壁进行按压并同时进行旋转。
12.如权利要求10或11所述的机械配件的制造方法，其特征在于，
在对所述第一部件及所述第二部件进行加热的工序中，所述低变形阻力部件由于发生变形而与所述凹部侧壁接触。
13.如权利要求10至12中任一项所述的机械配件的制造方法，其特征在于，
还具有在所述第一部件与所述第二部件接合的状态下为除去所述凹部侧壁而对所述高变形阻力部件进行加工的工序。
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