JP2002256453A - 摩擦攪拌成型方法 - Google Patents
摩擦攪拌成型方法Info
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- JP2002256453A JP2002256453A JP2001059696A JP2001059696A JP2002256453A JP 2002256453 A JP2002256453 A JP 2002256453A JP 2001059696 A JP2001059696 A JP 2001059696A JP 2001059696 A JP2001059696 A JP 2001059696A JP 2002256453 A JP2002256453 A JP 2002256453A
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- frictional heat
- friction stir
- state
- stirring means
- heat generating
- Prior art date
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
- B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
- B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
- B21J5/063—Friction heat forging
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】材料を溶融させることなく、短時間に熟練を要
することなく成型することの出来る、摩擦攪拌成型方法
の提供。 【解決手段】第１の物体６と第２の物体５を互いに接触
させた状態で、第１の物体に摩擦熱発生攪拌手段２を当
接させて第１の物体中に進入させ、第１の物体と摩擦熱
発生攪拌手段との間で摩擦熱を発生させて、第１の物体
を構成する材料を加熱状態で攪拌することにより非溶融
状態で塑性流動を生じさせる。その状態で第２の物体に
形成された凹凸状態を塑性流動により転写する。これに
より、従来、第１の物体を溶解させて第２の物体上に流
し込むか、機械加工による削りだしの方法しか用いるこ
とが出来なかったものが、簡単に、金属材料を溶融させ
ることなく、また、短時間に熟練を要することなく成型
することが可能となる。
することなく成型することの出来る、摩擦攪拌成型方法
の提供。 【解決手段】第１の物体６と第２の物体５を互いに接触
させた状態で、第１の物体に摩擦熱発生攪拌手段２を当
接させて第１の物体中に進入させ、第１の物体と摩擦熱
発生攪拌手段との間で摩擦熱を発生させて、第１の物体
を構成する材料を加熱状態で攪拌することにより非溶融
状態で塑性流動を生じさせる。その状態で第２の物体に
形成された凹凸状態を塑性流動により転写する。これに
より、従来、第１の物体を溶解させて第２の物体上に流
し込むか、機械加工による削りだしの方法しか用いるこ
とが出来なかったものが、簡単に、金属材料を溶融させ
ることなく、また、短時間に熟練を要することなく成型
することが可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、二つの物体を擦り
合わせて生じる摩擦熱を利用して、金属材料を溶融させ
ることなく成形することの出来る、摩擦攪拌成型方法に
関する。
合わせて生じる摩擦熱を利用して、金属材料を溶融させ
ることなく成形することの出来る、摩擦攪拌成型方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、任意の凹凸形状を金属に転写する
には、当該凹凸形状に対応する金型を形成して鋳造する
か、機械加工により削り出すしか方法はなかった。
には、当該凹凸形状に対応する金型を形成して鋳造する
か、機械加工により削り出すしか方法はなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】鋳造の場合、金属材料
を溶融させる必要があることから、大がかりな設備を必
要とするばかりか、金属を溶融させることにより、その
機械的な性質が変化する欠点があり、また、機械加工
は、その加工に多くの時間と熟練を要する不都合があっ
た。
を溶融させる必要があることから、大がかりな設備を必
要とするばかりか、金属を溶融させることにより、その
機械的な性質が変化する欠点があり、また、機械加工
は、その加工に多くの時間と熟練を要する不都合があっ
た。
【０００４】本発明は、上記した事情に鑑み、材料を溶
融させることなく、また、短時間に熟練を要することな
く成型することの出来る、摩擦攪拌成型方法を提供する
ことを目的とするものである。
融させることなく、また、短時間に熟練を要することな
く成型することの出来る、摩擦攪拌成型方法を提供する
ことを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、第１
の物体（６）と第２の物体（５）を互いに接触させた状
態で、前記第１の物体に摩擦熱発生攪拌手段（２）を当
接させて、該摩擦熱発生攪拌手段と第１の物体との間で
相対移動を生じさせ、前記摩擦熱発生攪拌手段を前記第
１の物体中に進入させ、該第１の物体と摩擦熱発生攪拌
手段との間で摩擦熱を発生させて、該第１の物体を構成
する材料を加熱状態で攪拌することにより非溶融状態で
塑性流動を生じさせ、その状態で前記第２の物体に形成
された凹凸状態を該塑性流動により転写するようにして
構成される。
の物体（６）と第２の物体（５）を互いに接触させた状
態で、前記第１の物体に摩擦熱発生攪拌手段（２）を当
接させて、該摩擦熱発生攪拌手段と第１の物体との間で
相対移動を生じさせ、前記摩擦熱発生攪拌手段を前記第
１の物体中に進入させ、該第１の物体と摩擦熱発生攪拌
手段との間で摩擦熱を発生させて、該第１の物体を構成
する材料を加熱状態で攪拌することにより非溶融状態で
塑性流動を生じさせ、その状態で前記第２の物体に形成
された凹凸状態を該塑性流動により転写するようにして
構成される。
【０００５】請求項２の発明は、第１の物体（６）と第
２の物体（７）を互いに接触させた状態で、前記第１の
物体に摩擦熱発生攪拌手段（２）を当接させて、該摩擦
熱発生攪拌手段と第１の物体との間で相対移動を生じさ
せ、前記摩擦熱発生攪拌手段を前記第１の物体中に進入
させ、該第１の物体と摩擦熱発生攪拌手段との間で摩擦
熱を発生させて、該第１の物体を構成する材料を加熱状
態で攪拌することにより非溶融状態で塑性流動を生じさ
せ、該塑性流動を利用して前記第１及び第２の物体を機
械的に接合するようにして構成される。
２の物体（７）を互いに接触させた状態で、前記第１の
物体に摩擦熱発生攪拌手段（２）を当接させて、該摩擦
熱発生攪拌手段と第１の物体との間で相対移動を生じさ
せ、前記摩擦熱発生攪拌手段を前記第１の物体中に進入
させ、該第１の物体と摩擦熱発生攪拌手段との間で摩擦
熱を発生させて、該第１の物体を構成する材料を加熱状
態で攪拌することにより非溶融状態で塑性流動を生じさ
せ、該塑性流動を利用して前記第１及び第２の物体を機
械的に接合するようにして構成される。
【０００６】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
摩擦攪拌成型方法において、前記摩擦熱発生攪拌手段
は、先端にワーク接触面が形成された回転駆動自在に設
けられた回転工具（２）であり、摩擦熱は、前記ワーク
接触面と第１の物体間で生じるように構成される。
摩擦攪拌成型方法において、前記摩擦熱発生攪拌手段
は、先端にワーク接触面が形成された回転駆動自在に設
けられた回転工具（２）であり、摩擦熱は、前記ワーク
接触面と第１の物体間で生じるように構成される。
【０００７】請求項４の発明は、前記第２の物体の凹凸
状態は、該第２の物体に形成された成形型（５ａ）であ
るように構成される。
状態は、該第２の物体に形成された成形型（５ａ）であ
るように構成される。
【０００８】請求項５の発明は、請求項２記載の摩擦攪
拌成型方法において、前記第１の物体と前記第２の物体
は、それら物体を構成する材料が相違するように構成さ
れる。
拌成型方法において、前記第１の物体と前記第２の物体
は、それら物体を構成する材料が相違するように構成さ
れる。
【０００９】請求項６の発明は、請求項５記載の摩擦攪
拌成型方法において、前記第１の物体の材料は、アルミ
ニウムを素材とする材料であり、前記第２の物体の材料
は、鉄を素材とする材料で構成される。
拌成型方法において、前記第１の物体の材料は、アルミ
ニウムを素材とする材料であり、前記第２の物体の材料
は、鉄を素材とする材料で構成される。
【００１０】請求項７の発明は、請求項２記載の摩擦攪
拌成型方法において、前記第２の物体には、凹凸（７
ａ）が形成されており、該凹凸に前記第１の物体（６）
を構成する材料を流入させて、前記第１及び第２の物体
を機械的に接合するようにして構成される。
拌成型方法において、前記第２の物体には、凹凸（７
ａ）が形成されており、該凹凸に前記第１の物体（６）
を構成する材料を流入させて、前記第１及び第２の物体
を機械的に接合するようにして構成される。
【発明の効果】請求項１によると、摩擦熱発生攪拌手段
により第１の物体（６）を構成する材料を非溶融状態で
加熱攪拌することにより塑性流動を生じさせ、第１の物
体（６）に第２の物体（５）に形成された凹凸状態を、
該塑性流動を利用して転写することが出来る。これによ
り、従来、第１の物体を溶解させて第２の物体上に流し
込むか、機械加工による削りだしの方法しか用いること
が出来なかったものが、簡単に、金属材料を溶融させる
ことなく、また、短時間に熟練を要することなく成型す
ることが可能となる。
により第１の物体（６）を構成する材料を非溶融状態で
加熱攪拌することにより塑性流動を生じさせ、第１の物
体（６）に第２の物体（５）に形成された凹凸状態を、
該塑性流動を利用して転写することが出来る。これによ
り、従来、第１の物体を溶解させて第２の物体上に流し
込むか、機械加工による削りだしの方法しか用いること
が出来なかったものが、簡単に、金属材料を溶融させる
ことなく、また、短時間に熟練を要することなく成型す
ることが可能となる。
【００１１】請求項２の発明によると、摩擦熱発生攪拌
手段により第１の物体（６）を構成する材料を非溶融状
態で加熱攪拌することにより塑性流動を生じさせ、第１
の物体（６）と第２の物体（５）を機械的に接合するこ
とが可能となる。これにより、従来、接合が不可能とさ
れた金属とセラミックスやアルミと鉄などの異種材料間
の接合を容易に行うことが出来る。
手段により第１の物体（６）を構成する材料を非溶融状
態で加熱攪拌することにより塑性流動を生じさせ、第１
の物体（６）と第２の物体（５）を機械的に接合するこ
とが可能となる。これにより、従来、接合が不可能とさ
れた金属とセラミックスやアルミと鉄などの異種材料間
の接合を容易に行うことが出来る。
【００１２】請求項３の発明によると、回転工具（２）
を用いることにより、一般に普及しているフライス盤や
マシニングセンタなどの工作機械を用いて接合作業を行
うことが出来、好都合である。
を用いることにより、一般に普及しているフライス盤や
マシニングセンタなどの工作機械を用いて接合作業を行
うことが出来、好都合である。
【００１３】請求項４の発明によると、成形型（５ａ）
の形状を精密に転写することが出来、マイクロマシンな
どの部品製造などに好都合である。
の形状を精密に転写することが出来、マイクロマシンな
どの部品製造などに好都合である。
【００１４】請求項５の発明によると、異種材料間の機
械的接合を簡単に行うことが出来る。
械的接合を簡単に行うことが出来る。
【００１５】請求項６の発明によると、アルミニウムと
鉄の機械的な接合を簡単に行うことが出来る。
鉄の機械的な接合を簡単に行うことが出来る。
【００１６】請求項７の発明によると、凹凸（７ａ）を
利用した形での機械的な接合を簡単に行うことが出来
る。
利用した形での機械的な接合を簡単に行うことが出来
る。
【００１７】なお、括弧内の番号等は、図面における対
応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述
は図面上の記載に限定拘束されるものではない。
応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述
は図面上の記載に限定拘束されるものではない。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明が適用される成形
装置の一例を示す図、図２は、成型中の金型温度の変化
を示す図、図３は、Ｖ溝金型の深さと充填率との関係を
示す図、図４は、金型の表面性状を示す図、図５は、摩
擦攪拌成型方法を用いる前後の供試材の表面性状を示す
図、図６は、金型の表面性状を示す図、図７は、摩擦攪
拌成型方法を用いる前後の別の供試材の表面性状を示す
図、図８は、溝付きプレートの寸法を示す図、図９は、
引っ張りせん断試験とはく離試験態様を示す模式図、図
１０は、引っ張りせん断試験とはく離試験において、最
大荷重と溝中央からの距離との関連を示す図、図１１
は、溝の数と引っ張りせん断試験の最大荷重に及ぼす影
響を示す図、図１２は、本発明を適用して形成されたク
ラッド材の一例を示す斜視図である。
装置の一例を示す図、図２は、成型中の金型温度の変化
を示す図、図３は、Ｖ溝金型の深さと充填率との関係を
示す図、図４は、金型の表面性状を示す図、図５は、摩
擦攪拌成型方法を用いる前後の供試材の表面性状を示す
図、図６は、金型の表面性状を示す図、図７は、摩擦攪
拌成型方法を用いる前後の別の供試材の表面性状を示す
図、図８は、溝付きプレートの寸法を示す図、図９は、
引っ張りせん断試験とはく離試験態様を示す模式図、図
１０は、引っ張りせん断試験とはく離試験において、最
大荷重と溝中央からの距離との関連を示す図、図１１
は、溝の数と引っ張りせん断試験の最大荷重に及ぼす影
響を示す図、図１２は、本発明を適用して形成されたク
ラッド材の一例を示す斜視図である。
【００１９】摩擦攪拌成型方法を行う摩擦攪拌成形装置
としての工作機械１は、図１に示すように、テーブル３
を有しており、テーブル３上には、金型５が図示しない
ボルトナットなどの固定手段を介して固定されている。
金型５の上面には、成形型５ａが形成されており、該成
形型５ａは、当該型５ａに沿って後述するワークの材料
が塑性流動することにより、ワーク側に当該型５ａに沿
った形状が転写される。
としての工作機械１は、図１に示すように、テーブル３
を有しており、テーブル３上には、金型５が図示しない
ボルトナットなどの固定手段を介して固定されている。
金型５の上面には、成形型５ａが形成されており、該成
形型５ａは、当該型５ａに沿って後述するワークの材料
が塑性流動することにより、ワーク側に当該型５ａに沿
った形状が転写される。
【００２０】金型５上の成形型５ａが形成された部分に
は、成型すべきワーク６が同様に、金型５に対して相対
移動しないようにボルトナットなどの適宜な手段て積層
固定されており、更に、ワーク６の図中上方には、回転
駆動自在な工具２が設けられている。工具２は、図示し
ない送り機構により、図中上下方向である矢印Ａ、Ｂ方
向及び該Ａ、Ｂ方向に直角な水平方向である矢印Ｃ、Ｄ
方向に、テーブル３に対して相対移動駆動自在に設けら
れており、工具２は、円筒状の本体２ａを有している。
は、成型すべきワーク６が同様に、金型５に対して相対
移動しないようにボルトナットなどの適宜な手段て積層
固定されており、更に、ワーク６の図中上方には、回転
駆動自在な工具２が設けられている。工具２は、図示し
ない送り機構により、図中上下方向である矢印Ａ、Ｂ方
向及び該Ａ、Ｂ方向に直角な水平方向である矢印Ｃ、Ｄ
方向に、テーブル３に対して相対移動駆動自在に設けら
れており、工具２は、円筒状の本体２ａを有している。
【００２１】本体２ａの図中下部には、やや下方に凸状
に形成されたワーク接触面２ｂが工具軸心ＣＬ方向に対
して直角方向に形成されており、ワーク接触面２ｂの凸
状中央部には、プローブ２ｃが工具軸心ＣＬにその中心
を一致させた形で、かつ図中下方に突出する形で形成さ
れている。
に形成されたワーク接触面２ｂが工具軸心ＣＬ方向に対
して直角方向に形成されており、ワーク接触面２ｂの凸
状中央部には、プローブ２ｃが工具軸心ＣＬにその中心
を一致させた形で、かつ図中下方に突出する形で形成さ
れている。
【００２２】工作機械１などは、以上のような構成を有
するので、工作機械１を用いて行った摩擦攪拌成型につ
いて、以下に詳述する。
するので、工作機械１を用いて行った摩擦攪拌成型につ
いて、以下に詳述する。
【００２３】加工に際しては、工具２を所定の回転数で
軸心ＣＬを中心に回転させると共に、図１下方、即ち矢
印Ｂ方向に移動させ、工具先端のプローブ２ｃをワーク
６の上面に所定の接触圧力で当接させる。ワーク６は、
工具２が回転状態で当接することにより、摩擦熱で加熱
されて軟化し、プローブ２ｃがワーク６内に進入する。
更に工具２が矢印Ｂ方向に押圧されることにより、工具
２は、ワーク接触面２ｂとワーク６の上面が所定の接触
圧力で接触し、ワーク６の上面は回転状態にあるワーク
接触面２ｂとの間に生じる摩擦力により更に加熱され
る。加熱された状態のワーク６は回転状態にある工具２
のワーク接触面２ｂ及びプローブ２ｃにより攪拌され、
非溶融状態における塑性流動性状を局部的に呈する。こ
の塑性流動状態は、通常の塑性加工における塑性流動に
比して、その流動抵抗が極めて低く、所謂超塑性状態に
類似した状態となる。
軸心ＣＬを中心に回転させると共に、図１下方、即ち矢
印Ｂ方向に移動させ、工具先端のプローブ２ｃをワーク
６の上面に所定の接触圧力で当接させる。ワーク６は、
工具２が回転状態で当接することにより、摩擦熱で加熱
されて軟化し、プローブ２ｃがワーク６内に進入する。
更に工具２が矢印Ｂ方向に押圧されることにより、工具
２は、ワーク接触面２ｂとワーク６の上面が所定の接触
圧力で接触し、ワーク６の上面は回転状態にあるワーク
接触面２ｂとの間に生じる摩擦力により更に加熱され
る。加熱された状態のワーク６は回転状態にある工具２
のワーク接触面２ｂ及びプローブ２ｃにより攪拌され、
非溶融状態における塑性流動性状を局部的に呈する。こ
の塑性流動状態は、通常の塑性加工における塑性流動に
比して、その流動抵抗が極めて低く、所謂超塑性状態に
類似した状態となる。
【００２４】この状態で、工具２を回転させつつ矢印Ｃ
方向に所定の送り速度で送りを掛けることにより、流動
抵抗が極めて低下した工具２下方のワーク６を構成する
材料は工具２により攪拌され、金型５に形成された成形
型５ａ内に流入して、ワーク６の下面６ｂに、成形型５
ａに対応した突起６ｃが成形される。この際、ワーク６
を構成する材料は、極めて流動性が高くなっているの
で、工具２側から通常の鍛造のように高い圧力を作用さ
せなくても僅かな矢印Ｂ方向の力で成形型５ａ内に流入
し、極めて精巧に当該成形型５ａを転写することが出来
る。
方向に所定の送り速度で送りを掛けることにより、流動
抵抗が極めて低下した工具２下方のワーク６を構成する
材料は工具２により攪拌され、金型５に形成された成形
型５ａ内に流入して、ワーク６の下面６ｂに、成形型５
ａに対応した突起６ｃが成形される。この際、ワーク６
を構成する材料は、極めて流動性が高くなっているの
で、工具２側から通常の鍛造のように高い圧力を作用さ
せなくても僅かな矢印Ｂ方向の力で成形型５ａ内に流入
し、極めて精巧に当該成形型５ａを転写することが出来
る。
【００２５】このように、工具２を回転させつつ矢印Ｃ
方向に所定の送り速度で送りを掛けることにより、ワー
ク６は連続的に加熱攪拌され、金型５の各成形型５ａ内
にワーク６を構成する材料が流入し、成形動作が連続的
に行われる。
方向に所定の送り速度で送りを掛けることにより、ワー
ク６は連続的に加熱攪拌され、金型５の各成形型５ａ内
にワーク６を構成する材料が流入し、成形動作が連続的
に行われる。
【００２６】この、工具２とワーク６との間の摩擦熱に
よる加熱に基づいて、ワーク６ヲ構成する材料に超塑性
流動に似た流動を、材料の非溶融状態で生じさせて、成
形型５ａ内に低作用圧力下で流入させることで、これま
で生成が困難とされた微細加工への応用が可能となる。
発明者は、これを「Friction Stir Forming（以下FSF
と略）」として提案するものである。
よる加熱に基づいて、ワーク６ヲ構成する材料に超塑性
流動に似た流動を、材料の非溶融状態で生じさせて、成
形型５ａ内に低作用圧力下で流入させることで、これま
で生成が困難とされた微細加工への応用が可能となる。
発明者は、これを「Friction Stir Forming（以下FSF
と略）」として提案するものである。
【００２７】すなわち工作機械１を利用して試作したFS
F装置により各種アルミニウム合金の微細成形性におよ
ぼす材質，金型形状および加工条件等の影響を実験的に
調べた。
F装置により各種アルミニウム合金の微細成形性におよ
ぼす材質，金型形状および加工条件等の影響を実験的に
調べた。
【００２８】試作したFSF装置を図１に示す。装置本体
は立型フライス盤を用い，金型５，供試材（ワーク６）
およびこれらを固定する冶具から構成されている。金型
用材料にはSUS304を使用し，表面に鏡面，機械加工面，
半球溝，V型溝，ビッカ−スおよびマイクロビッカ−ス
圧痕を加工した。また、FSF時における温度を推測する
ため，金型表面から1.0mm下の位置に直径0.2mmのK熱電
対を埋め込んだ。ツール形状は，「名倉 良・井上 祐
史・西原 公，平12春塑加講論 （2000），457-458ペ
ージ」に示されたTYPE C（ショルダー面に+5°，ショル
ダー径20mm，材質SKD61を調質）のツールを使用した。
供試材（ワーク６）は60×260×3mmのA6061P-T6，A2017
P-T3，A2024P-T3およびA7075P-T651アルミニウム合金板
を用いた。 ＜実験結果および考察＞ ＜FSF時の温度変化＞FSF時における温度を推測するため
に、切り込み深さ0.5mmのV溝直下に、ツール中央部をは
じめ4mm毎に2点、反対側に8mm空けて1点、計4点の温度
を熱電対により測定した。図２に成形開始点より前方60
mmにおける点の温度変化を示す。供試材（ワーク６）は
A6061Pであり、回転数1320rpm、送り速度50mm/minとし
た。プローブ直下で約700Kの最高温度が認められる。ま
た、ショルダー部外周に向かって約600Kに低下している
ことがわかる。
は立型フライス盤を用い，金型５，供試材（ワーク６）
およびこれらを固定する冶具から構成されている。金型
用材料にはSUS304を使用し，表面に鏡面，機械加工面，
半球溝，V型溝，ビッカ−スおよびマイクロビッカ−ス
圧痕を加工した。また、FSF時における温度を推測する
ため，金型表面から1.0mm下の位置に直径0.2mmのK熱電
対を埋め込んだ。ツール形状は，「名倉 良・井上 祐
史・西原 公，平12春塑加講論 （2000），457-458ペ
ージ」に示されたTYPE C（ショルダー面に+5°，ショル
ダー径20mm，材質SKD61を調質）のツールを使用した。
供試材（ワーク６）は60×260×3mmのA6061P-T6，A2017
P-T3，A2024P-T3およびA7075P-T651アルミニウム合金板
を用いた。 ＜実験結果および考察＞ ＜FSF時の温度変化＞FSF時における温度を推測するため
に、切り込み深さ0.5mmのV溝直下に、ツール中央部をは
じめ4mm毎に2点、反対側に8mm空けて1点、計4点の温度
を熱電対により測定した。図２に成形開始点より前方60
mmにおける点の温度変化を示す。供試材（ワーク６）は
A6061Pであり、回転数1320rpm、送り速度50mm/minとし
た。プローブ直下で約700Kの最高温度が認められる。ま
た、ショルダー部外周に向かって約600Kに低下している
ことがわかる。
【００２９】＜V溝型への充填性の評価＞45°のV溝型を
用いてFSFによる鍛造を行なった結果を図３に示す。回
転数は、A6061Pの場合1320rpm、高力アルミニウム合金
は530rpmとした。また送り速度は50mm/minとした。充填
率の測定法は早乙女ら（早乙女 康典・秦 誠一・坂口
幸二，塑性と加工，41-468（2000），49-53．）と同様
な方法を用いた。充填率は型の深さが大きくなると減少
する傾向にあり、Ａ6061Ｐが最も高く、Ａ2017Ｐ、Ａ20
24Ｐ、Ａ7075Ｐの順に低下していることがわかる。
用いてFSFによる鍛造を行なった結果を図３に示す。回
転数は、A6061Pの場合1320rpm、高力アルミニウム合金
は530rpmとした。また送り速度は50mm/minとした。充填
率の測定法は早乙女ら（早乙女 康典・秦 誠一・坂口
幸二，塑性と加工，41-468（2000），49-53．）と同様
な方法を用いた。充填率は型の深さが大きくなると減少
する傾向にあり、Ａ6061Ｐが最も高く、Ａ2017Ｐ、Ａ20
24Ｐ、Ａ7075Ｐの順に低下していることがわかる。
【００３０】＜転写特性の評価＞前項より，流動特性の
良いＡ6061Ｐを用いて転写特性の評価を試みた。まず、
正面フライスを用いて金型用材料に回転数170rpm，送り
速度100mm/minで機械加工した面を金型とした。その断
面曲線を図４に示す。
良いＡ6061Ｐを用いて転写特性の評価を試みた。まず、
正面フライスを用いて金型用材料に回転数170rpm，送り
速度100mm/minで機械加工した面を金型とした。その断
面曲線を図４に示す。
【００３１】この金型を用い回転数1320rpm、送り速度5
0mm/minにてFSFを行なった。供試材（ワーク６）の実験
前の断面曲線を図５（ａ）に、実験後のプローブ直下の
断面曲線を図５（ｂ）に示す。型と実験後の供試材の断
面曲線を比較すると、金型形状が良好に転写されてお
り、またRaおよびRz共に近い値を示していることがわか
る。
0mm/minにてFSFを行なった。供試材（ワーク６）の実験
前の断面曲線を図５（ａ）に、実験後のプローブ直下の
断面曲線を図５（ｂ）に示す。型と実験後の供試材の断
面曲線を比較すると、金型形状が良好に転写されてお
り、またRaおよびRz共に近い値を示していることがわか
る。
【００３２】鏡面研磨した金型５の断面曲線を図６に示
す．この金型を用い同様にFSFを行なった。供試材（ワ
ーク６）は、横フライスにより機械加工したものを用
い、その断面曲線を図７（ａ）に示す。実験後のプロー
ブ直下の断面曲線を図７（ｂ）に示す。鏡面は転写され
ていないが、かなり表面粗さが小さくなっていることが
わかる。現在さらに研究中であるが、ツール形状および
加工条件等を改良することにより鏡面転写の可能性が十
分に存在することが考えられる。
す．この金型を用い同様にFSFを行なった。供試材（ワ
ーク６）は、横フライスにより機械加工したものを用
い、その断面曲線を図７（ａ）に示す。実験後のプロー
ブ直下の断面曲線を図７（ｂ）に示す。鏡面は転写され
ていないが、かなり表面粗さが小さくなっていることが
わかる。現在さらに研究中であるが、ツール形状および
加工条件等を改良することにより鏡面転写の可能性が十
分に存在することが考えられる。
【００３３】＜密閉型鍛造の試み＞A6061Pを用いてビッ
カ−ス圧痕を型とした鍛造を試みた結果、圧痕の対角線
がはっきしており、ほぼ型どおりの鍛造が行われたこと
が確認された。更に小さな金型によるマイクロ鍛造も可
能と考えられる。
カ−ス圧痕を型とした鍛造を試みた結果、圧痕の対角線
がはっきしており、ほぼ型どおりの鍛造が行われたこと
が確認された。更に小さな金型によるマイクロ鍛造も可
能と考えられる。
【００３４】次に、本発明においては，炭素鋼板にアル
ミニウム合金をＦＳＦにより機械的に接合することを試
み、接合継手の接合強度を実験的に検討した。
ミニウム合金をＦＳＦにより機械的に接合することを試
み、接合継手の接合強度を実験的に検討した。
【００３５】＜実験方法＞図８及び図１２に示すよう
に、溝７ａを設けた第２のワーク７に圧入する第１のワ
ーク６を重ね、図１２矢印Ｃ方向にＦＳＦすることによ
り機械的接合が行われる。ツ−ルは（名倉 良・井上
祐史・西原 公，平12 春塑加講論，（2000），457‐4
58.）のTYPE Cを用いた。ワーク６、７は3mm厚のA6061P
-T6材（ワーク６）と8ｍｍ角のS45C材（ワーク７）と
し、S45Cには図８及び１２に示すような溝７ａを機械加
工した。本実験において、図８におけるdは1.2mm、hは
0.2〜0.4mmとし、溝の数は1〜5とした。
に、溝７ａを設けた第２のワーク７に圧入する第１のワ
ーク６を重ね、図１２矢印Ｃ方向にＦＳＦすることによ
り機械的接合が行われる。ツ−ルは（名倉 良・井上
祐史・西原 公，平12 春塑加講論，（2000），457‐4
58.）のTYPE Cを用いた。ワーク６、７は3mm厚のA6061P
-T6材（ワーク６）と8ｍｍ角のS45C材（ワーク７）と
し、S45Cには図８及び１２に示すような溝７ａを機械加
工した。本実験において、図８におけるdは1.2mm、hは
0.2〜0.4mmとし、溝の数は1〜5とした。
【００３６】また工具回転数は1335rpm、接合（送り）
速度は50mm/minとした。さらに，接合された継手の強度
を評価するために図９に示すような方法により、引張せ
ん断試験およびはく離試験を行った。引張せん断試験の
場合は，S45C（ワーク７）側にA6061P板（ワーク６）と
厚さの同じ鋼板を取り付け試験を行った。 ＜.実験結果および考察＞ ＜FSF によるクラッド材の一例＞FSFによる機械的接合
の一例として、A6061P/S45Cクラッド材を図１２に示
す。S45C（ワーク７）側の溝７ａにアルミニウム合金
（ワーク６）が塑性流動により流れ込み、機械的に接合
されている。この結果よりアンカー効果による良好な継
手性能が期待される。この場合のクラッド率は約１１%
である。
速度は50mm/minとした。さらに，接合された継手の強度
を評価するために図９に示すような方法により、引張せ
ん断試験およびはく離試験を行った。引張せん断試験の
場合は，S45C（ワーク７）側にA6061P板（ワーク６）と
厚さの同じ鋼板を取り付け試験を行った。 ＜.実験結果および考察＞ ＜FSF によるクラッド材の一例＞FSFによる機械的接合
の一例として、A6061P/S45Cクラッド材を図１２に示
す。S45C（ワーク７）側の溝７ａにアルミニウム合金
（ワーク６）が塑性流動により流れ込み、機械的に接合
されている。この結果よりアンカー効果による良好な継
手性能が期待される。この場合のクラッド率は約１１%
である。
【００３７】＜継手の強度評価＞溝の数が1の場合のは
く離試験および引張せん断試験の結果を図１０に示す。
ｈが0.2mmの場合、最大荷重が低下しているが、この場
合はアルミニウム合金の一部が溝から抜けることが確認
された。ｈが大きくなると最大荷重が大きくなる傾向に
あるが、さらに大きくなるとせん断を受けるアルミニウ
ム合金側の面積が小さくなり、強度が低下することが予
測される。
く離試験および引張せん断試験の結果を図１０に示す。
ｈが0.2mmの場合、最大荷重が低下しているが、この場
合はアルミニウム合金の一部が溝から抜けることが確認
された。ｈが大きくなると最大荷重が大きくなる傾向に
あるが、さらに大きくなるとせん断を受けるアルミニウ
ム合金側の面積が小さくなり、強度が低下することが予
測される。
【００３８】そこで本実験では，h=0.3mm一定とし、溝
の数を変えて接合し、継手を製作した。この場合の引張
せん断試験の結果を図１１に示す。溝の数が多くなるに
つれて最大荷重も増加する傾向にあることがわかる。溝
の数が多いと母材より破断する場合があることが認めら
れた。
の数を変えて接合し、継手を製作した。この場合の引張
せん断試験の結果を図１１に示す。溝の数が多くなるに
つれて最大荷重も増加する傾向にあることがわかる。溝
の数が多いと母材より破断する場合があることが認めら
れた。
【００３９】なお、上述の実施例は、摩擦熱を第１の物
体であるワーク６に生じさせて攪拌する摩擦熱発生攪拌
手段として、回転工具２を用いたが、摩擦熱発生攪拌手
段としては、回転工具に限らず、第１の物体との間で摩
擦熱を発生させ、その熱により流動抵抗が低下したワー
クの構成材料を攪拌することが出来る限り、往復運動
や、回転体の外周部をワークに押し当てるなどの一方向
運動を利用したものなど、各種の態様が考えられる。
体であるワーク６に生じさせて攪拌する摩擦熱発生攪拌
手段として、回転工具２を用いたが、摩擦熱発生攪拌手
段としては、回転工具に限らず、第１の物体との間で摩
擦熱を発生させ、その熱により流動抵抗が低下したワー
クの構成材料を攪拌することが出来る限り、往復運動
や、回転体の外周部をワークに押し当てるなどの一方向
運動を利用したものなど、各種の態様が考えられる。
【００４０】また、第１の物体に転写する、第２の物体
に形成された凹凸状態は、図１に示すような成形型５ａ
に限らず、第１の物体に転写したい、第２の物体表面に
形成された凹凸状態で有ればどのようなものでもよく、
例えば、鏡面なども含まれるものである。
に形成された凹凸状態は、図１に示すような成形型５ａ
に限らず、第１の物体に転写したい、第２の物体表面に
形成された凹凸状態で有ればどのようなものでもよく、
例えば、鏡面なども含まれるものである。
【図１】図１は、本発明が適用される成形装置の一例を
示す図。
示す図。
【図２】図２は、成型中の金型温度の変化を示す図。
【図３】図３は、Ｖ溝金型の深さと充填率との関係を示
す図。
す図。
【図４】図４は、金型の表面性状を示す図。
【図５】図５は、摩擦攪拌成型方法を用いる前後の供試
材の表面性状を示す図。
材の表面性状を示す図。
【図６】図６は、金型の表面性状を示す図。
【図７】図７は、摩擦攪拌成型方法を用いる前後の別の
供試材の表面性状を示す図。
供試材の表面性状を示す図。
【図８】図８は、溝付きプレートの寸法を示す図。
【図９】図９は、引っ張りせん断試験とはく離試験態様
を示す模式図。
を示す模式図。
【図１０】図１０は、引っ張りせん断試験とはく離試験
において、最大荷重と溝中央からの距離との関連を示す
図。
において、最大荷重と溝中央からの距離との関連を示す
図。
【図１１】図１１は、溝の数と引っ張りせん断試験の最
大荷重に及ぼす影響を示す図である。
大荷重に及ぼす影響を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明を適用して形成されたクラ
ッド材の一例を示す斜視図である。
ッド材の一例を示す斜視図である。
２……摩擦熱発生攪拌手段（工具） ５……第２の物体（金型） ５ａ……成形型 ６……第１の物体（ワーク） ７……第２の物体（ワーク） ７ａ……凹凸（溝）
Claims (7)
- 【請求項１】 第１の物体と第２の物体を互いに接触さ
せた状態で、前記第１の物体に摩擦熱発生攪拌手段を当
接させて、該摩擦熱発生攪拌手段と第１の物体との間で
相対移動を生じさせ、 前記摩擦熱発生攪拌手段を前記第１の物体中に進入さ
せ、該第１の物体と摩擦熱発生攪拌手段との間で摩擦熱
を発生させて、該第１の物体を構成する材料を加熱状態
で攪拌することにより非溶融状態で塑性流動を生じさ
せ、 その状態で前記第２の物体に形成された凹凸状態を該塑
性流動により転写するようにして構成した、摩擦攪拌成
型方法。 - 【請求項２】 第１の物体と第２の物体を互いに接触さ
せた状態で、前記第１の物体に摩擦熱発生攪拌手段を当
接させて、該摩擦熱発生攪拌手段と第１の物体との間で
相対移動を生じさせ、 前記摩擦熱発生攪拌手段を前記第１の物体中に進入さ
せ、該第１の物体と摩擦熱発生攪拌手段との間で摩擦熱
を発生させて、該第１の物体を構成する材料を加熱状態
で攪拌することにより非溶融状態で塑性流動を生じさ
せ、 該塑性流動を利用して前記第１及び第２の物体を機械的
に接合するようにして構成した、摩擦攪拌成型方法。 - 【請求項３】 前記摩擦熱発生攪拌手段は、先端にワー
ク接触面が形成された回転駆動自在に設けられた回転工
具であり、 摩擦熱は、前記ワーク接触面と第１の物体間で生じる、
請求項１又は２記載の摩擦攪拌成型方法。 - 【請求項４】 前記第２の物体の凹凸状態は、該第２の
物体に形成された成形型である、請求項１記載の摩擦攪
拌成型方法。 - 【請求項５】 前記第１の物体と前記第２の物体は、そ
れら物体を構成する材料が相違する、請求項２記載の摩
擦攪拌成型方法。 - 【請求項６】 前記第１の物体の材料は、アルミニウム
を素材とする材料であり、前記第２の物体の材料は、鉄
を素材とする材料である、請求項５記載の摩擦攪拌成型
方法。 - 【請求項７】 前記第２の物体には、凹凸が形成されて
おり、該凹凸に前記第１の物体を構成する材料を流入さ
せて、前記第１及び第２の物体を機械的に接合するよう
にして構成した、請求項２記載の摩擦攪拌成型方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001059696A JP4646421B2 (ja) | 2001-03-05 | 2001-03-05 | 摩擦攪拌成型方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001059696A JP4646421B2 (ja) | 2001-03-05 | 2001-03-05 | 摩擦攪拌成型方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002256453A true JP2002256453A (ja) | 2002-09-11 |
| JP4646421B2 JP4646421B2 (ja) | 2011-03-09 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001059696A Expired - Fee Related JP4646421B2 (ja) | 2001-03-05 | 2001-03-05 | 摩擦攪拌成型方法 |
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-
2001
- 2001-03-05 JP JP2001059696A patent/JP4646421B2/ja not_active Expired - Fee Related
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