JP2003136256A - Rotary tool for friction stir and processing method using the same - Google Patents

Rotary tool for friction stir and processing method using the same

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JP2003136256A
JP2003136256A JP2001334752A JP2001334752A JP2003136256A JP 2003136256 A JP2003136256 A JP 2003136256A JP 2001334752 A JP2001334752 A JP 2001334752A JP 2001334752 A JP2001334752 A JP 2001334752A JP 2003136256 A JP2003136256 A JP 2003136256A
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Japan
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tool
friction stir
groove
processing
tip
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Toshiyuki Gendo
俊行 玄道
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotary tool for friction stir which not only secures a desirable processing depth but also performs friction stir in a relatively narrow area and to provide a friction stir processing method using the rotary tool. SOLUTION: This rotary tool for friction stir is provided with a tool body 21 which is nearly pillar-shaped, a tool tip 22 having a conically tapered part 24 which is coaxially disposed on the tip side of the tool body and is tapered, and a groove 25 which is spirally formed on the surface of the conically tapered part of the tool tip and set in such a manner that a peripheral shape in a longitudinal section containing an axial line Lb of the tool body becomes nearly a V-shape. Therein, the groove is set in such a manner that the area of an opposite-inserting side slant face is made to be the area of inserting side slant face or larger, and the rotary tool is used by rotating the tool tip inversely to the screwing direction of the nearly V-shaped groove which is spirally formed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、所謂、摩擦攪拌
処理に用いられる摩擦攪拌用回転工具、並びに、かかる
工具を用いて例えばアルミニウム合金等の軽金属製の部
材に摩擦攪拌処理を施す処理方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a so-called friction stir rotating tool used for so-called friction stir processing, and a processing method for performing friction stir processing on a member made of a light metal such as an aluminum alloy using the tool. .

【0002】[0002]

【従来の技術】周知のように、例えば自動車用等の車両
用のエンジンのシリンダヘッドは、例えばアルミニウム
(Al)若しくはその合金等の軽合金材料を用いた鋳造
品を素材とするものが一般的で、かかるシリンダヘッド
をシリンダブロックに組み付けて使用される。
2. Description of the Related Art As is well known, a cylinder head of an engine for a vehicle such as an automobile is generally made of a cast product using a light alloy material such as aluminum (Al) or its alloy. Then, the cylinder head is assembled to the cylinder block for use.

【0003】このようなシリンダヘッドでは、所謂、
「バルブブリッジ部」或いは「弁間部」と称せられる、
吸排気ポートのポート穴間の領域は、エンジン駆動時の
気筒での燃焼による体積膨張と停止時の冷却による体積
収縮とを繰り返すことから、一般に、熱疲労によるクラ
ックが発生し易い。この問題に対して、従来では、弁間
部に所謂リメルト処理を施して熱疲労強度の向上を図る
ことが、一般的な方法として知られている。
In such a cylinder head, the so-called
Referred to as "valve bridge part" or "intervalve part",
In the region between the port holes of the intake and exhaust ports, the volume expansion due to the combustion in the cylinder when the engine is driven and the volume contraction due to the cooling when the engine is stopped are repeated, and therefore cracks due to thermal fatigue are generally likely to occur. In order to solve this problem, conventionally, it is known as a general method to perform so-called remelting treatment on the intervalve portion to improve the thermal fatigue strength.

【0004】しかしながら、このリメルト処理は、あく
までも処理対象部として限られた領域の母材を溶融(再
溶融)し凝固させるものであり、所要の処理深さや金属
組織の微細化効果を安定して得ることが実際には難し
く、また、リメルト処理に伴う高温酸化の問題が避け難
く、更には、ピンホール等の未充填欠陥やクラック等の
欠陥が発生し易いという問題もあり、これらを回避する
ためには、シールドガスの適用や予熱及び/又は後熱処
理等を要しコスト高になるなど、実際には品質及び生産
性確保の面で種々の問題を内包している。
However, this remelting process is intended to melt (remelt) and solidify the base material in a limited area as a processing target, and to stabilize the required processing depth and the refinement effect of the metal structure. It is actually difficult to obtain, and the problem of high temperature oxidation accompanying the remelting process is unavoidable, and further, there are problems that unfilled defects such as pinholes and defects such as cracks easily occur, and these are avoided. In order to do so, application of a shield gas, preheating and / or post heat treatment, etc. are required, resulting in high cost, and in fact, various problems are involved in terms of ensuring quality and productivity.

【0005】そこで、近年では、アルミニウム(Al)
やマグネシウム(Mg)或いはそれらの合金等の軽金属
製部材の表面改質処理に、所謂、摩擦攪拌処理を適用す
ることが考えられている。例えば、本願出願人は、特願
2000−393328号において、かかる摩擦撹拌処
理法を4気筒ディーゼルエンジンのAl合金製シリンダ
ヘッドの弁間部の表面改質処理に適用することを提案し
た。また、弁間部の表面改質を行うものではないが、例
えば、特開2000−15426号公報には、エンジン
のAl合金製シリンダヘッドのシリンダブロックに対す
るシール面(合わせ面)の表面処理に、かかる摩擦撹拌
処理法を適用することが開示されている。
Therefore, in recent years, aluminum (Al) has been used.
It is considered to apply a so-called friction stir treatment to the surface modification treatment of a light metal member such as magnesium, magnesium (Mg), or an alloy thereof. For example, the applicant of the present application proposed in Japanese Patent Application No. 2000-393328 to apply such a friction stir processing method to a surface modification treatment of an intervalve portion of an Al alloy cylinder head of a four-cylinder diesel engine. Further, although the intervalve surface is not modified, for example, in JP-A-2000-15426, for surface treatment of a seal surface (a mating surface) of a cylinder block of an Al alloy cylinder head of an engine, It is disclosed that such a friction stir processing method is applied.

【0006】この摩擦攪拌処理法では、高速で回転する
回転工具を部材表面に当接させ押圧することで、その際
に生じる摩擦熱と回転体の撹拌作用により、部材表面の
回転工具当接部分及びその近傍領域を軟化させて塑性流
動を生じせしめる。そして、この塑性状態の材料部分
(塑性流動層)が非溶融状態で撹拌され、その後に塑性
流動部分が凝固することにより、当該部材の表面及びそ
の近傍領域が改質される。
In this friction stir processing method, a rotating tool rotating at a high speed is brought into contact with and pressed against the surface of the member, and the frictional heat generated at that time and the stirring action of the rotating body cause the rotating tool contact portion on the surface of the member. And the region in the vicinity thereof are softened to cause plastic flow. Then, the material portion in the plastic state (plastic fluidized bed) is agitated in a non-molten state, and thereafter the plastic fluidized portion is solidified, so that the surface of the member and a region in the vicinity thereof are modified.

【0007】Al合金等の軽金属製鋳造部材の表面に、
この摩擦撹拌処理による表面改質処理を施すことによ
り、表面部分を溶融させて改質を図る所謂リメルト処理
等による場合に比べて、鋳造部材の表面部分の金属組織
をより緻密なものとし、また、鋳巣等による内部未充填
欠陥を大幅に低減することができ、伸び及び靱性等の機
械的特性並びに疲れ強さ(熱疲労強度)を向上させるこ
とができる。この場合において、リメルト処理等により
表面部分を溶融させて改質を図る場合のように、鋳造部
材内部のガス等によるブローホール或いはピンホールが
形成される惧れもない。
On the surface of a cast member made of a light metal such as Al alloy,
By performing the surface modification treatment by this friction stir processing, the metal structure of the surface portion of the cast member is made more dense as compared with the case of the so-called remelt treatment or the like in which the surface portion is melted and modified, and It is possible to significantly reduce internal unfilled defects due to porosity, and improve mechanical properties such as elongation and toughness and fatigue strength (thermal fatigue strength). In this case, there is no possibility that blowholes or pinholes will be formed by gas or the like inside the cast member, as in the case of reforming by melting the surface portion by remelting treatment or the like.

【0008】尚、かかる摩擦攪拌法は、軽金属部材の表
面改質だけではなく、例えば比較的薄肉の軽金属製板材
どうしを衝合させてこの衝合部で両板材を接合する場合
(例えば、特許第2712838号公報参照)など、軽
金属部材どうしを接合する場合において、従来の溶接法
に代えて、接合部の母材を溶融させることなく軽金属部
材どうしを接合し得る接合法としても有用である。
The friction stir method is not only used for surface modification of light metal members, but also when, for example, relatively thin light metal plate members are abutted to each other and the two plate members are joined at the abutting portion (for example, patent In the case of joining light metal members to each other (see Japanese Patent No. 2712838), it is also useful as a joining method capable of joining light metal members without melting the base metal of the joining portion, instead of the conventional welding method.

【0009】ところで、上記摩擦撹拌法で用いられる回
転工具は、例えば図20及び図21に示すように、所定
直径の円柱体で成る工具本体部61と、その先端の中央
部に一体的に固着された所定長さで比較的(上記工具本
体部61よりも)小径の円柱体で成るプローブ部62と
で構成されたものが、従来、一般的である。
By the way, the rotary tool used in the friction stir method is integrally fixed to a tool main body 61 made of a cylindrical body having a predetermined diameter and a central portion of its tip as shown in FIGS. 20 and 21, for example. Conventionally, a probe portion 62 formed of a cylindrical body having a predetermined length and a relatively small diameter (compared to the tool body portion 61) is conventionally used.

【0010】この従来の回転工具60では、上記工具本
体部61の端面におけるプローブ部62を除く領域が、
所謂、ショルダ部63を構成しており、摩擦攪拌処理中
においては、このショルダ部63が処理対象部材51の
摩擦攪拌部分を表面側から押さえ込み、当該部分の塑性
流動層が表面側に盛り上がることを規制することによ
り、当該処理対象部材51の表面51f側に変形が生じ
ることが抑制されるようになっている。
In this conventional rotary tool 60, the area of the end surface of the tool body 61 excluding the probe portion 62 is
The so-called shoulder portion 63 is configured, and during the friction stir processing, the shoulder portion 63 presses the friction stir portion of the processing target member 51 from the surface side, and the plastic fluidized layer of the portion rises to the surface side. By restricting the deformation, it is possible to suppress the deformation of the processing target member 51 on the surface 51f side.

【0011】上記工具本体部61は、図示しないホルダ
によって軸線回りに回転自在に支持されており、このホ
ルダ(不図示)を工具駆動手段65によって回転駆動す
ることにより、当該回転工具60がその軸線回りに回転
させられる。上記工具駆動手段65は、具体的には図示
しなかったが、ホルダ(不図示)を介して回転工具60
を高速で回転させるための駆動モータを備えるととも
に、上記回転工具60を処理対象部材51の表面51f
と略直角方向に(つまり、図20及び図21における上
下方向に)駆動し、また、部材表面51fに略沿って移
動させるための、駆動機構を備えている。そして、該駆
動手段65を駆動することにより、高速回転状態にある
回転工具60のプローブ部62及びショルダ部63を処
理対象部材51に対し、その表面51fと略直角方向に
(つまり、部材51の深さ方向に)進入させ、また、部
材表面51fに略沿って移動させることができるように
なっている。
The tool body 61 is supported by a holder (not shown) so as to be rotatable about its axis. By rotating this holder (not shown) by tool driving means 65, the rotary tool 60 is rotated. Can be rotated around. Although not specifically shown, the tool driving means 65 includes a rotary tool 60 via a holder (not shown).
Is provided with a drive motor for rotating the rotary tool 60 at a high speed, and the rotary tool 60 is mounted on the surface 51f of the processing target member 51.
And a driving mechanism for driving the member surface 51f substantially vertically (that is, in the vertical direction in FIGS. 20 and 21). Then, by driving the driving means 65, the probe portion 62 and the shoulder portion 63 of the rotary tool 60 in the high-speed rotation state with respect to the processing target member 51 in a direction substantially perpendicular to the surface 51f thereof (that is, the member 51). It can be made to enter (in the depth direction) and can be moved substantially along the member surface 51f.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
回転工具60では、プローブ部62の基端側がショルダ
部63を構成し、摩擦攪拌処理時には、プローブ部62
だけでなく上記ショルダ部63も、処理対象部材51の
表面部51fに対して当接し押圧させられた状態で回転
させられるので、このショルダ部63の摩擦攪拌作用に
より付随的な(つまり、不要な)塑性流動層53が生
じ、処理幅が必要以上に広くなるという問題があった。
However, in the conventional rotary tool 60 described above, the base end side of the probe portion 62 constitutes the shoulder portion 63, and the probe portion 62 is used during the friction stir processing.
Not only this, but also the shoulder portion 63 is rotated in a state of abutting and being pressed against the surface portion 51f of the processing target member 51, so that the shoulder portion 63 is incidental (that is, unnecessary) by the friction stirring action of the shoulder portion 63. ) There is a problem that the plastic fluidized bed 53 is generated and the processing width becomes wider than necessary.

【0013】従って、例えば、前述のシリンダヘッド弁
間部のように(図21参照)、処理幅が限られた部分に
表面改質処理を施すような場合、従来の回転工具60を
用いたのでは、ショルダ部63の摩擦回転作用により付
随的な(不要な)塑性流動層53が生じることに起因し
て、処理部分に肩ダレが生じて変形したり、場合によっ
ては未充填欠陥を招来するなどの問題が生じる惧れがあ
る。
Therefore, for example, in the case where the surface modification treatment is applied to a portion having a limited treatment width such as the above-mentioned cylinder head valve portion (see FIG. 21), the conventional rotary tool 60 is used. Then, due to the additional (unnecessary) plastic fluidized layer 53 caused by the frictional rotation action of the shoulder portion 63, the treated portion is deformed due to shoulder sag, and in some cases, an unfilled defect is caused. There is a fear that such problems will occur.

【0014】また、処理幅が広くなり過ぎるため、表面
改質処理後に機械加工による仕上加工を行う場合にあっ
ては、この仕上加工での加工取代ΔMw(図21参照)
が大きくなり、生産効率が低下するという問題もあっ
た。尚、図21において、処理対象部材51の実線表示
は摩擦攪拌処理時の母材状態を示し、2点鎖線表示は、
処理後の機械加工による仕上状態を示している。更に、
かかる摩擦攪拌法で軽金属部材どうしの接合を行う場合
にあっても、従来の回転工具60では、接合幅が必要以
上に広くなるという難点があった。
Further, when the finishing processing by machining is performed after the surface modification treatment because the processing width becomes too wide, the machining allowance ΔMw in this finishing processing (see FIG. 21).
However, there is also a problem that the production efficiency becomes low and the production efficiency decreases. In FIG. 21, the solid line display of the processing target member 51 indicates the state of the base material during the friction stir processing, and the two-dot chain line display indicates
The finished state by machining after processing is shown. Furthermore,
Even when the light metal members are joined together by the friction stir method, the conventional rotary tool 60 has a drawback that the joining width becomes wider than necessary.

【0015】尚、特開平11−128083号公報に
は、摩擦攪拌効果の向上を図るべく、プローブ部の外周
面にネジを形成し、工具本体をネジの螺旋方向とは逆の
方向に回転駆動するようにしたタイプの摩擦攪拌用工具
が開示されているが、この場合でも、プローブ部の基端
側(工具本体部の先端側)には、図20及び図21に示
したものと同様のショルダ部が設けられ、このショルダ
部によって処理対象部材の摩擦攪拌部分を表面側から押
さえ込み、当該部分の塑性流動層が表面側に盛り上がる
ことを規制するようになっている。
In Japanese Patent Laid-Open No. 11-128083, a screw is formed on the outer peripheral surface of the probe portion to rotate the tool body in a direction opposite to the spiral direction of the screw in order to improve the friction stirring effect. Although a friction stir tool of the type described above is disclosed, even in this case, the same as that shown in FIGS. 20 and 21 is provided on the base end side of the probe portion (the tip end side of the tool main body portion). A shoulder portion is provided, and the friction stirring portion of the processing target member is pressed from the surface side by the shoulder portion, and the plastic fluidized bed of the portion is prevented from rising to the surface side.

【0016】この発明は、上記諸問題に鑑みてなされた
もので、所要の処理深さを確保した上で、比較的狭い範
囲を摩擦攪拌することができる摩擦攪拌用回転工具を提
供し、また、かかる回転工具を用いた摩擦攪拌処理法を
提供することを、基本的な目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a rotary tool for friction stirrer capable of frictionally stirring a relatively narrow range while ensuring a required processing depth, and It is a basic object to provide a friction stir processing method using such a rotary tool.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本願発明者は、上記目的
を達成するために種々研究開発を重ねる中で、プローブ
部の外周面にネジを形成して工具をネジの螺旋方向とは
逆の方向に回転駆動するようにしたタイプの摩擦攪拌用
工具において、ネジの断面形状を種々検討し、ネジの反
挿入側斜面の面積が挿入側斜面の面積以上となるよう
に、より好ましくは、反挿入側斜面の面積が挿入側斜面
の面積よりも大きくなるように設定した場合、工具を回
転させて摩擦攪拌を行う際に、処理対象部材の摩擦攪拌
部分をショルダ部で押さえ込まなくても、その塑性流動
層が表面側に盛り上がることが有効に抑制されることを
見出した。
In order to achieve the above object, the inventor of the present application has made various researches and developments to form a screw on the outer peripheral surface of the probe portion so that the tool is opposite to the spiral direction of the screw. In a friction stir tool of the type designed to be driven to rotate in the same direction, the cross-sectional shape of the screw is variously examined, and it is more preferable that the area of the anti-insertion side slope is equal to or greater than the insertion side slope. When the area of the insertion side slope is set to be larger than the area of the insertion side slope, when the tool is rotated to perform friction stirring, the friction stirring portion of the processing target member is not pressed by the shoulder portion, It was found that the rise of the plastic fluidized bed on the surface side is effectively suppressed.

【0018】これは、摩擦攪拌によりネジ溝内及びその
近辺に生じた塑性流動層は、工具がネジの螺旋方向(つ
まり、ねじ込み方向)とは逆の方向に回転させられるこ
とにより、ネジ溝の反挿入側斜面によって工具の反挿入
側(つまり、処理対象部材の表面側)への流動が抑制さ
れることが考えられるが、このネジ溝の反挿入側斜面の
面積を少なくとも挿入側斜面の面積と等しく、より好ま
しくは、挿入側斜面の面積よりも大きく設定したことに
より、塑性流動層の反挿入側への流動抑制効果がより大
きくなるためであると考えられる。
This is because the plastic fluidized bed formed in and near the thread groove by friction stirring is rotated by the tool in the direction opposite to the spiral direction of the screw (that is, the screwing direction), and The anti-insertion side slope may suppress the flow of the tool to the anti-insertion side (that is, the surface side of the processing target member). However, the area of the anti-insertion side slope of this screw groove should be at least the area of the insertion side slope. It is considered that this is because the effect of suppressing the flow of the plastic fluidized layer to the non-insertion side is further increased by setting it to be larger than the area of the insertion-side inclined surface.

【0019】特に、プローブ部に先細り状の円錐テーパ
部を設け、その外周面に上記のような形状のネジ(螺旋
状のV字溝)を設けることにより、処理幅をより狭く、
且つ、処理深さをより深くでき、しかも、塑性流動層の
表面側への盛り上がりをより有効に抑制できることを見
出した。
In particular, by providing the tapered conical taper portion on the probe portion and providing the screw (spiral V-shaped groove) having the above-described shape on the outer peripheral surface thereof, the processing width can be made narrower.
Moreover, they have found that the treatment depth can be made deeper, and moreover, the swelling of the plastic fluidized bed on the surface side can be suppressed more effectively.

【0020】そこで、本願請求項1の発明に係る摩擦攪
拌用回転工具は、略柱状の工具本体部と、該工具本体部
の先端側に同軸に設けられ先細り状の円錐テーパ部を有
する工具先端部と、該工具先端部の円錐テーパ部表面に
螺旋状に設けられ工具本体部の軸線を含む縦断面におけ
る周縁形状が略V字状に設定された溝部とを備え、該溝
部は反挿入側斜面の面積が挿入側斜面の面積以上となる
ように設定されており、上記工具先端部を上記螺旋状に
設けられた略V字状溝部のねじ込み方向と逆方向に回転
させて使用されることを特徴としたものである。尚、こ
の場合において、上記溝部は、反挿入側斜面の面積が挿
入側斜面の面積よりも大きくなるように設定されること
が、より好ましい。
Therefore, the rotary tool for friction stirrer according to the first aspect of the present invention has a tool tip having a substantially columnar tool body and a tapered conical taper portion provided coaxially on the tip side of the tool body. Part and a groove part which is provided spirally on the surface of the conical taper part of the tool tip part and whose peripheral shape in a vertical cross section including the axis of the tool body part is set to a substantially V shape, the groove part being on the opposite side to the insertion side. The inclined surface area is set to be equal to or larger than the insertion side inclined surface area, and the tool tip portion is used by rotating it in the direction opposite to the screw-in direction of the substantially V-shaped groove portion provided in the spiral shape. It is characterized by. In this case, it is more preferable that the groove is set such that the area of the non-insertion side slope is larger than the area of the insertion side slope.

【0021】また、本願請求項2の発明は、略柱状の工
具本体部と、該工具本体部の先端側に同軸に設けられ先
細り状の円錐テーパ部を有する工具先端部と、該工具先
端部の円錐テーパ部表面に螺旋状に設けられ工具本体部
の軸線を含む縦断面における周縁形状が略V字状に設定
された溝部とを備え、上記縦断面内において、上記溝部
の底部を通る溝底部中心線と工具本体部軸線に直交する
軸直交線とのなす角度が上記円錐テーパ部の工具本体部
軸線に対する傾斜角度以下に設定されており、上記工具
先端部を上記螺旋状に設けられた略V字状溝部のねじ込
み方向と逆方向に回転させて使用されることを特徴とし
たものである。尚、この場合において、上記溝底部中心
線と上記軸直交線とのなす角度が上記円錐テーパ部の工
具本体部軸線に対する傾斜角度未満に設定されること
が、より好ましい。
The invention according to claim 2 of the present application is a tool body having a substantially columnar shape, a tool tip having a tapered conical taper provided coaxially on the tip side of the tool body, and the tool tip. Groove provided in a spiral shape on the surface of the conical taper portion and having a peripheral shape in a vertical cross section including the axis of the tool main body set to a substantially V shape, and a groove passing through the bottom of the groove in the vertical cross section. The angle formed by the center line of the bottom and the axis orthogonal to the axis of the tool body is set to be less than or equal to the inclination angle of the conical taper with respect to the axis of the tool body, and the tool tip is provided in the spiral shape. It is characterized in that it is used by rotating it in a direction opposite to the screw-in direction of the substantially V-shaped groove. In this case, it is more preferable that the angle formed by the groove bottom center line and the axis orthogonal line is set to be less than the inclination angle of the conical taper portion with respect to the tool body axis.

【0022】更に、本願請求項3の発明は、上記請求項
2の発明において、上記工具本体部の軸線を含む縦断面
内において、上記溝部の底部を通る溝底部中心線と工具
本体部軸線に直交する軸直交線とのなす角度が、実質的
に零度に設定されていることを特徴としたものである。
Furthermore, in the invention of claim 3 of the present application, in the invention of claim 2, in the longitudinal section including the axis of the tool body, the center line of the groove bottom passing through the bottom of the groove and the axis of the tool body are defined. It is characterized in that the angle formed by the orthogonal axes is set to substantially zero degree.

【0023】また更に、本願請求項4の発明は、軽金属
部材どうしを摩擦攪拌法にて接合するに際し、請求項1
〜3の何れか一に記載された回転工具を用いて上記軽金
属部材どうしの接合部を摩擦攪拌処理することを特徴と
したものである。
Further, the invention according to claim 4 of the present application provides the method of joining light metal members by a friction stir method.
It is characterized in that the rotary tool described in any one of 1 to 3 is used to perform friction stir processing on the joint portion between the light metal members.

【0024】また更に、本願請求項5の発明は、軽金属
部材の所定の表面部に摩擦攪拌法にて表面改質処理を施
すに際し、請求項1〜3の何れか一に記載された回転工
具を用いて上記軽金属部材の所定の表面部を摩擦攪拌処
理することを特徴としたものである。
Furthermore, the invention of claim 5 of the present application is the rotary tool according to any one of claims 1 to 3 when the surface modification treatment is applied to a predetermined surface portion of the light metal member by a friction stir method. Is used to perform friction stir processing on a predetermined surface portion of the light metal member.

【0025】また更に、本願請求項6の発明は、上記請
求項5の発明において、上記軽金属部材がアルミニウム
合金鋳物製のエンジンシリンダヘッドであり、上記所定
の表面部が吸排気ポート間の表面部であることを特徴と
したものである。
Further, the invention of claim 6 is the invention of claim 5, wherein the light metal member is an engine cylinder head made of cast aluminum alloy, and the predetermined surface portion is a surface portion between intake and exhaust ports. It is characterized by being.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図1及び
図2は、本実施の形態に係る摩擦攪拌用回転工具の正面
図および底面図である。これらの図に示すように、上記
回転工具10は、同軸の多段円柱で構成され全体として
略円柱状の工具本体部11と、該本体部11の先端側に
設けられた工具先端部12とを備えており、該工具先端
部12の中心軸は上記工具本体部11の中心軸(軸線)
Lbと一致するように構成されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. 1 and 2 are a front view and a bottom view of a friction stirrer rotary tool according to the present embodiment. As shown in these drawings, the rotary tool 10 includes a tool main body 11 that is formed of a coaxial multi-stage cylinder and is substantially cylindrical as a whole, and a tool tip 12 that is provided on the tip side of the main body 11. And the central axis of the tool tip 12 is the central axis (axis) of the tool body 11.
It is configured to match Lb.

【0027】図3に詳しく示すように、上記工具先端部
12は、その最先端部分13が、所定曲率半径Rsの球
面の一部で構成され、底面視で直径Dsの円形を成す曲
面状に形成されている。また、工具先端部12の側面部
分は、先端に向かうに連れて小径となる、所謂、先細り
状に形成された円錐テーパ部14で構成されている。
As shown in detail in FIG. 3, the tip end portion 13 of the tool tip portion 12 is formed of a part of a spherical surface having a predetermined radius of curvature Rs, and has a curved surface shape of a circle having a diameter Ds in bottom view. Has been formed. Further, the side surface portion of the tool tip portion 12 is configured by a so-called tapered conical taper portion 14 having a smaller diameter toward the tip.

【0028】そして、この円錐テーパ部14の表面部に
は、ネジ状の溝部15が設けられている。この溝部15
は、図6に詳しく示すように、工具本体11の軸線Lb
を含む縦断面における周縁形状が略V字状に設定され、
上記円錐テーパ部14の表面に所定のピッチpで螺旋状
に設けられている。
A screw-shaped groove portion 15 is provided on the surface of the conical taper portion 14. This groove 15
Is the axis Lb of the tool body 11 as shown in detail in FIG.
The peripheral shape in the vertical section including is set to a substantially V shape,
The conical taper portion 14 is spirally provided on the surface at a predetermined pitch p.

【0029】上記ネジ状の溝部15が設けられた円錐テ
ーパ部14は、工具先端部12の先端から長さHgにわ
たって設けられ、この円錐テーパ部14の基端部と工具
本体部11の端部とは、円錐テーパ部14よりも傾斜角
度の大きいテーパ面で接続されている。すなわち、この
回転工具10では、従来のように工具本体の下端側に平
坦なショルダ部は設けられていない。
The conical taper portion 14 provided with the screw-shaped groove portion 15 is provided over the length Hg from the tip of the tool tip portion 12, and the base end portion of the conical taper portion 14 and the end portion of the tool body portion 11 are provided. Are connected by a tapered surface having a larger inclination angle than the conical tapered portion 14. That is, in this rotary tool 10, a flat shoulder portion is not provided on the lower end side of the tool body as in the conventional case.

【0030】また、本実施の形態では、上記工具本体部
11の軸線L1を含む縦断面内において、溝部15の底
部を通る溝底部中心線Lvと工具本体部11の軸線Lb
に直交する軸直交線Lyとのなす角度αが、上記円錐テ
ーパ部14の工具本体部軸線Lbに対する傾斜角度β以
下となるように、上記V字状溝部15の断面形状が設定
されている。
Further, in the present embodiment, in the longitudinal section including the axis L1 of the tool body 11, the groove bottom center line Lv passing through the bottom of the groove 15 and the axis Lb of the tool body 11 are passed.
The cross-sectional shape of the V-shaped groove portion 15 is set such that the angle α formed by the axis orthogonal line Ly that is orthogonal to the angle α is equal to or less than the inclination angle β of the conical taper portion 14 with respect to the tool body portion axis Lb.

【0031】すなわち、図4において実線で示すよう
に、上記溝底部中心線Lvと軸直交線Lyとのなす角度
α1が円錐テーパ部14の傾斜角度β1と等しい(α1
=β1)場合には、溝底部中心線Lvが円錐テーパ部1
4の表面に対して垂直となり、溝部15の上側(反挿入
側)斜面15aの面積は下側(挿入側)斜面15bの面
積とが等しくなる。しかし、上記溝底部中心線Lvと軸
直交線Lyとのなす角度αが円錐テーパ部14の傾斜角
度βよりも大きい(α>β)場合には、溝部15の上側
(反挿入側)斜面の面積は下側(挿入側)斜面の面積よ
りも小さくなる。
That is, as indicated by the solid line in FIG. 4, the angle α1 formed by the groove bottom center line Lv and the axis orthogonal line Ly is equal to the inclination angle β1 of the conical taper portion 14 (α1).
= Β1), the groove bottom center line Lv is the conical taper portion 1
4 is perpendicular to the surface of the groove 4, and the area of the upper (anti-insertion side) slope 15a of the groove 15 is equal to the area of the lower (insertion side) slope 15b. However, when the angle α formed by the groove bottom center line Lv and the axis orthogonal line Ly is larger than the inclination angle β of the conical taper portion 14 (α> β), the upper (anti-insertion side) slope of the groove portion 15 is The area is smaller than the area of the lower (insertion side) slope.

【0032】これに対して、図4において破線で示すよ
うに、上記溝底部中心線Lvと軸直交線Lyとのなす角
度α2が円錐テーパ部14の傾斜角度β1未満(α2<
β1)場合には、溝底部中心線Lvが円錐テーパ部14
の表面に対して傾斜し、溝部15の上側斜面15aと下
側斜面15bの成す角度γ(溝角度)は一定であるが、
上側斜面15aの面積は下側斜面15bの面積よりも大
きくなる。
On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 4, the angle α2 formed by the groove bottom center line Lv and the axis orthogonal line Ly is less than the inclination angle β1 of the conical taper portion 14 (α2 <
In the case of β1), the groove bottom center line Lv is the conical taper portion 14
And the angle γ (groove angle) formed by the upper slope 15a and the lower slope 15b of the groove portion 15 is constant,
The area of the upper slope 15a is larger than the area of the lower slope 15b.

【0033】従って、この場合、上記工具先端部12を
螺旋状に設けられた略V字状溝部15のねじ込み方向
(つまり、螺旋方向)と逆方向に回転させて摩擦攪拌を
おこなわせることにより、高速回転状態の工具先端部1
2を処理対象部材の表面部に対して押圧し進入させて行
く際、摩擦攪拌によって溝部15内及びその近辺に生じ
た塑性流動層の反挿入側(図3及び図4における上側)
への流動抑制効果がより大きくなり、従来のように処理
対象部材の摩擦攪拌部分をショルダ部で押さえ込まなく
ても、その塑性流動層が表面側に盛り上がることを有効
に抑制できるのである。
Therefore, in this case, the tool tip portion 12 is rotated in the direction opposite to the screw-in direction (that is, the spiral direction) of the substantially V-shaped groove portion 15 provided in the spiral shape to perform frictional stirring. Tool tip 1 in high speed rotation
When 2 is pressed into the surface of the member to be treated and made to enter, the side opposite to the plastic fluidized layer side (upper side in FIGS. 3 and 4) of the plastic fluidized layer generated in and near the groove 15 by friction stirring.
Therefore, it is possible to effectively suppress the rise of the plastic fluidized bed on the surface side without pressing the friction stir portion of the object to be treated with the shoulder portion unlike the conventional case.

【0034】すなわち、工具本体部の下端側に設けられ
たショルダ部による不要な摩擦攪拌を伴う従来の回転工
具を用いる場合に生じ得る前述の不具合を解消でき、所
要の処理深さを確保した上で比較的狭い範囲を摩擦攪拌
することができるようになる。しかも、工具先端部12
は先細り状の円錐テーパ部14を有し、略V字状の溝部
15はこの円錐テーパ部14の表面に螺旋状に設けられ
ているので、摩擦攪拌時の処理幅をより狭く、且つ、処
理深さをより深くでき、しかも、塑性流動層の表面側へ
の盛り上がりをより有効に抑制することができる。尚、
この実施の形態に係る回転工具10を駆動する工具駆動
手段としては、例えば、前述の図20に示された工具駆
動手段65と同様のものを用いることができる。
That is, the above-mentioned problems that may occur when using a conventional rotary tool accompanied by unnecessary friction stirring by the shoulder portion provided on the lower end side of the tool body can be solved, and a required processing depth can be ensured. With this, frictional stirring can be performed in a relatively narrow range. Moreover, the tool tip 12
Has a tapered conical taper portion 14, and the substantially V-shaped groove portion 15 is provided spirally on the surface of the conical taper portion 14, so that the processing width during friction stirring is narrower and The depth can be made deeper and moreover, the swelling of the plastic fluidized bed on the surface side can be suppressed more effectively. still,
As the tool driving means for driving the rotary tool 10 according to this embodiment, for example, the same tool driving means 65 as shown in FIG. 20 can be used.

【0035】次に、本発明の第2の実施の形態に係る摩
擦攪拌用回転工具について、図5を参照しながら説明す
る。尚、以下の説明において、上述の第1の実施の形態
に係る回転工具10(以下、これを、適宜、「タイプ
I」の回転工具と称する。)における場合と同様の構成
を備え同様の作用をなすものについては同一の符号を付
し、それ以上の説明は省略する。
Next, a rotary tool for friction stirrer according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the following description, the rotary tool 10 according to the above-described first embodiment (hereinafter, appropriately referred to as a “type I” rotary tool) has the same configuration and has the same operation. The same reference numerals are given to the components that form, and further description is omitted.

【0036】この第2の実施の形態に係る回転工具20
(以下、これを、適宜、「タイプII」の回転工具と称
する。)は、工具本体部21並びに工具先端部22(最
先端部分23及び側面の円錐テーパ部24を含む)の形
状については、第1の実施の形態におけるものと同様で
あるが、下記のように、円錐テーパ部24の表面部に形
成されたV字状溝部25の溝部中心線Lvと上記軸直交
線Lyとのなす角度αが、異なった設定となっている。
Rotary tool 20 according to the second embodiment
(Hereinafter, this is appropriately referred to as a “type II” rotary tool.) The shapes of the tool body portion 21 and the tool tip portion 22 (including the tip portion 23 and the side conical taper portion 24) are as follows. The same as in the first embodiment, but the angle formed by the groove center line Lv of the V-shaped groove 25 formed on the surface of the conical taper portion 24 and the axis orthogonal line Ly as described below. α has a different setting.

【0037】すなわち、上記図3に示されるように、上
記略V字状溝部15の溝底部中心線Lvと軸直交線Ly
とのなす角度αを円錐テーパ部14の傾斜角度β未満
(α<β)に設定して、上側(反挿入側)斜面15aの
面積が下側(挿入側)斜面15bの面積よりも大きくな
るように設定する場合、図5に示す回転工具20のよう
に、溝底部中心線Lvと軸直交線Lyとのなす角度αを
実質的に零度に設定することにより、同一方向に螺設さ
れた略V字状溝部25について、その反挿入側斜面の面
積を実質的に最大化することができ、より一層高い効果
を奏することが可能になる。
That is, as shown in FIG. 3, the groove bottom center line Lv of the substantially V-shaped groove portion 15 and the axis orthogonal line Ly.
Is set to be less than the inclination angle β of the conical tapered portion 14 (α <β), the area of the upper (anti-insertion side) slope 15a becomes larger than the area of the lower (insertion side) slope 15b. In such a setting, as in the rotary tool 20 shown in FIG. 5, the angle α formed by the groove bottom center line Lv and the axis orthogonal line Ly is set to substantially zero degree so that the screw is screwed in the same direction. With respect to the substantially V-shaped groove portion 25, the area of the non-insertion side inclined surface can be substantially maximized, and a higher effect can be achieved.

【0038】本発明の効果を確かめるために、本発明実
施例の回転工具と比較例の回転工具をそれぞれ用いて、
処理対象サンプル部材の表面部に摩擦攪拌による表面改
質処理を施し、その処理部の態様を調べる比較試験(試
験1)を行った。図6は、本試験1で用いた比較例に係
る回転工具40の正面説明図である。この比較例の回転
工具40では、円柱状の工具本体部41(直径=25m
m)の先端中央部分に円柱状の工具先端部42(直径=
7.0mm;長さ=6.0mm)が突設され、工具本体
部41の端面の工具先端部42を除く領域がショルダ部
43を構成している。
In order to confirm the effect of the present invention, the rotary tool of the example of the present invention and the rotary tool of the comparative example were respectively used,
A surface modification treatment was performed on the surface portion of the sample member to be treated by friction stirring, and a comparative test (test 1) was conducted to examine the aspect of the treated portion. FIG. 6 is a front explanatory view of the rotary tool 40 according to the comparative example used in the main test 1. In the rotary tool 40 of this comparative example, a cylindrical tool body 41 (diameter = 25 m
m) a cylindrical tool tip 42 (diameter =
7.0 mm; length = 6.0 mm), and a region of the end surface of the tool main body 41 excluding the tool tip 42 constitutes a shoulder 43.

【0039】また、上記工具先端部42の側面には断面
略V字状の溝部(溝角度=60度;ピッチ=1mm)が
ネジ状(螺旋状)に設けられている。そして、この螺旋
方向とは逆方向に工具40を回転させて摩擦攪拌処理が
行われるようになっている。
On the side surface of the tool tip portion 42, a groove portion (groove angle = 60 degrees; pitch = 1 mm) having a substantially V-shaped cross section is provided in a screw shape (spiral shape). Then, the tool 40 is rotated in the direction opposite to the spiral direction to perform the friction stir processing.

【0040】これに対して、本発明実施例に係る回転工
具としては、第2の実施の形態に係るタイプ(タイプI
I:図5参照)の回転工具20を用いた。図5に示した
各部の具体的な寸法値等は以下の通りとした。 ・工具先端部22の最先端部23の直径:Ds=7mm ・円錐テーパ部24の長さ:Hg=5.8mm ・最先端部23の曲率半径:Rs=6mm ・溝部25のピッチ:p=1mm ・溝底中心線Lvの軸直交線Lyに対する角度:α=0
度 ・円錐テーパ部24の傾斜角度:β=15度 ・溝部25の溝角度:γ=60度
On the other hand, as the rotary tool according to the embodiment of the present invention, the type (type I) according to the second embodiment is used.
(I: see FIG. 5) was used. Specific dimensional values and the like of each part shown in FIG. 5 are as follows. -Diameter of the tip 23 of the tool tip 22: Ds = 7 mm-Length of the conical taper 24: Hg = 5.8 mm-Radius of curvature of the tip 23: Rs = 6 mm-Pitch of the groove 25: p = 1 mm-Angle of groove bottom center line Lv with respect to axis orthogonal line Ly: α = 0
Degree / Inclination angle of conical taper portion 24: β = 15 degrees / Groove angle of groove portion 25: γ = 60 degrees

【0041】尚、上記両回転工具20,40は、共に、
JISに規定された所謂工具鋼を材料とし、所要の機械
加工および熱処理等を施して製作されたものである。ま
た、本試験での処理対象部材はJIS規格に規定された
アルミニウム合金製の鋳造部材とし、例えば、エンジン
のシリンダヘッド等によく用いられるAl合金AC4D
を材料に用いた。以上の二種類の回転工具20,40を
使用してそれぞれ摩擦攪拌処理を行い、その処理結果を
比較した。各回転工具についての摩擦攪拌処理条件は、
それぞれ以下の通りとした。
The rotary tools 20 and 40 are both
It is manufactured by using a so-called tool steel defined in JIS as a material and subjecting it to necessary machining and heat treatment. The member to be treated in this test is a cast member made of an aluminum alloy defined by JIS standard, and for example, an Al alloy AC4D often used for an engine cylinder head or the like.
Was used as the material. Friction stir processing was performed using each of the above two types of rotary tools 20, 40, and the processing results were compared. The friction stir processing conditions for each rotary tool are:
Each is as follows.

【0042】 ・比較例:工具回転数=1200rpm :工具移動速度=32mm/min. ・本発明実施例(タイプII):工具回転数=1080rpm :工具移動速度=75mm/min.[0042] -Comparative example: tool rotation speed = 1200 rpm         : Tool moving speed = 32 mm / min. Inventive Example (Type II): Tool Rotational Speed = 1080 rpm                           : Tool moving speed = 75 mm / min.

【0043】摩擦攪拌処理終了後の各供試材について、
摩擦攪拌処理部(改質層)の深さや処理幅などを調べて
比較した。すなわち、摩擦攪拌処理を終了した各供試材
の処理部を切断し、その切断面を研磨した後に、投影機
を用いて約5倍の倍率で改質層の深さ及び幅等を観察し
た。観察結果を、図8(本発明実施例)及び図9(比較
例)に示す。
For each test material after the friction stir processing was completed,
The depth and processing width of the friction stir processing part (modified layer) were examined and compared. That is, after the friction stir processing was completed, the treated portion of each test material was cut, the cut surface was polished, and then the depth and width of the modified layer were observed with a projector at a magnification of about 5 times. . The observation results are shown in FIG. 8 (Example of the present invention) and FIG. 9 (Comparative example).

【0044】図8と図9とを比較して良く分かるよう
に、略同等の処理深さに対して、比較例の場合には摩擦
攪拌処理部Sfの幅が非常に広くなっている。また、比
較例の場合、上述のように工具移動速度が本発明実施例
の半分以下であるにも拘わらず、処理部Sfの表面に欠
落部分Bが多く生じており、摩擦攪拌中に表面側へ流動
しバリとして流失した塑性流動部分の量が多いことを物
語っている。尚、上記図8及び9、並びに、後述する図
10〜18においては、摩擦攪拌処理部Sfに生じた上
記のような欠落部分Bは黒色表示された領域として示さ
れている。
As can be seen by comparing FIGS. 8 and 9, the width of the friction stir processing section Sf is extremely wide in the case of the comparative example with respect to substantially the same processing depth. In addition, in the case of the comparative example, although the tool moving speed is half or less of that of the embodiment of the present invention as described above, many missing portions B are generated on the surface of the processing portion Sf, and the surface side during friction stirring. It shows that there is a large amount of plastic flow that has flowed to the surface and was washed away as burr. In FIGS. 8 and 9 and FIGS. 10 to 18 described later, the above-mentioned missing portion B generated in the friction stir processing unit Sf is shown as a region displayed in black.

【0045】換言すれば、本発明実施例の回転工具20
(タイプII)を用いることにより、比較例の回転工具
40を用いた場合に比して、摩擦攪拌処理の処理幅を
(同等の処理深さに対して)より狭く、また、処理深さ
を(同等の処理幅に対して)より深くでき、しかも、塑
性流動層の表面側への流動による盛り上がり変形や多量
のバリ発生をより有効に抑制できることが確認された。
In other words, the rotary tool 20 according to the embodiment of the present invention.
By using (Type II), the processing width of the friction stir processing is narrower (with respect to the equivalent processing depth) and the processing depth is smaller than that when the rotary tool 40 of the comparative example is used. It was confirmed that the depth can be made deeper (for an equivalent treatment width), and moreover, swelling deformation due to flow to the surface side of the plastic fluidized bed and generation of a large amount of burrs can be suppressed more effectively.

【0046】次に、上記第1の実施の形態に係る回転工
具10(タイプI)と第2の実施の形態に係る回転工具
20(タイプII)とについて、処理対象サンプル部材
の表面部に摩擦攪拌による表面改質処理を施し、その処
理部の態様を調べる比較試験(試験2)を行った。上記
両回転工具10,20では、溝底中心線Lvの軸直交線
Lyに対する角度αの値が異なるのみで、それ以外の各
部の寸法値は同じである。上記角度αは、以下の通りで
ある。 ・タイプI:角度α=15度 ・タイプII:角度α=0度
Next, the rotary tool 10 (type I) according to the first embodiment and the rotary tool 20 (type II) according to the second embodiment are rubbed against the surface portion of the sample member to be treated. A surface modification treatment was performed by stirring, and a comparative test (Test 2) was conducted to examine the aspect of the treated portion. The rotary tools 10 and 20 described above differ only in the value of the angle α of the groove bottom center line Lv with respect to the axis orthogonal line Ly, and the other dimensional values are the same. The angle α is as follows.・ Type I: Angle α = 15 degrees ・ Type II: Angle α = 0 degrees

【0047】また、図4及び図5に示した各部の具体的
な寸法値等は以下の通りとした。 ・工具先端部12,22の最先端部13,23の直径:
Ds=7mm ・円錐テーパ部14,24の長さ:Hg=5.8mm ・最先端部13,23の曲率半径:Rs=6mm ・溝部15,25のピッチ:p=1mm ・円錐テーパ部14,24の傾斜角度:β=15度 ・溝部15,25の溝角度:γ=60度
Further, the concrete dimensional values and the like of each part shown in FIGS. 4 and 5 are as follows. -Diameter of the tip portions 13 and 23 of the tool tip portions 12 and 22:
Ds = 7 mm-Conical taper parts 14 and 24 length: Hg = 5.8 mm-Curvical radius of the most distal end parts 13 and 23: Rs = 6 mm-Pitch of groove parts 15 and 25: p = 1 mm-Conical taper part 14, Inclination angle of 24: β = 15 degrees / Groove angle of groove portions 15 and 25: γ = 60 degrees

【0048】この試験2では、両回転工具10,20に
ついて、工具回転速度および処理対象部材に対する押し
込み量の条件を下記の値で一定とし、工具の移動速度を
種々変更して摩擦攪拌処理を行なった。尚、処理対象部
材には上記試験1の場合と同様の軽合金部材を用いた。 ・工具回転速度(一定):1080rpm ・押し込み量(一定):5.5mm ・工具移動速度(処理速度:一定):22.5,70,150,320,470 , 750[mm/min.]
In this test 2, for both rotary tools 10 and 20, the conditions of the tool rotation speed and the amount of indentation with respect to the member to be processed were kept constant at the following values, and the moving speed of the tool was variously changed to perform friction stir processing. It was A light alloy member similar to that used in Test 1 was used as a member to be treated. -Tool rotation speed (constant): 1080 rpm-Pushing amount (constant): 5.5 mm-Tool movement speed (processing speed: constant): 22.5, 70, 150, 320, 470, 750 [mm / min. ]

【0049】摩擦攪拌処理終了後の各供試材について、
試験1の場合と同様の手法で、摩擦攪拌処理部(改質
層)の深さや処理幅などを調べて比較検討した。この試
験2の試験結果を表1及び図10〜図18に示す。
For each test material after the completion of the friction stir processing,
In the same manner as in the case of Test 1, the depth and the treatment width of the friction stir processing portion (modified layer) were investigated and comparatively examined. The test results of this test 2 are shown in Table 1 and FIGS.

【0050】[0050]

【表1】 [Table 1]

【0051】表1に示すように、この試験2の試験結果
の比較検討において、塑性流動層Sfの処理表面側への
流動・流出により処理部の表面層に多量の欠落部Bがあ
り、後工程の仕上げ加工で十分に除去し切れないものに
ついては、不合格(×印)とし、かかる処理部表面層の
欠落部Bが僅かであり後工程の仕上げ加工で確実に除去
し得る程度のものについては合格(○印)とした。表1
及び図10〜図12から良く分かるように、タイプIの
回転工具10の場合には、処理速度が22.5mm/m
in.の場合(図10参照)だけが合格で、それを越え
る処理速度(70,150mm/min.:図11,図
12参照)では不合格であった。尚、このタイプIの回
転工具10の場合、320mm/min.以上の処理速
度については、結果が明白であるので敢えて試験は行わ
なかった。
As shown in Table 1, in the comparative examination of the test results of this test 2, there was a large amount of missing portion B in the surface layer of the treated part due to the flow and outflow of the plastic fluidized bed Sf to the treated surface side. Those that could not be removed sufficiently by the finishing process of the process were rejected (marked with X), and the missing part B of the surface layer of the treated part was small and could be reliably removed by the finishing process of the subsequent process. Regarding, the result was marked (marked with ○). Table 1
As can be seen from FIGS. 10 to 12, the processing speed is 22.5 mm / m in the case of the type I rotary tool 10.
in. In the case of (see FIG. 10), it was acceptable, and at the processing speeds exceeding it (70, 150 mm / min .: see FIGS. 11 and 12), it was not acceptable. Incidentally, in the case of this type I rotary tool 10, 320 mm / min. The above processing speed was not intentionally tested because the results are clear.

【0052】これに対して、タイプIIの回転工具20
の場合には、処理速度が320mm/min.以下の場
合(図13,14,15及び16参照)には全て合格
で、それを越える処理速度(470及び750mm/m
in.:図17及び18参照)では不合格であった。
On the other hand, the type II rotary tool 20
In the case of, the processing speed was 320 mm / min. The following cases (see FIGS. 13, 14, 15 and 16) were all acceptable, and processing speeds exceeding them (470 and 750 mm / m).
in. : See FIGS. 17 and 18).

【0053】上記両回転工具10,20は、共に、工具
先端部12,22に円錐テーパ部14,24を設け、そ
の外周部に略V字状の溝部15,25を螺旋状に形成
し、円錐テーパ部14,24の工具本体部軸線Lbに対
する傾斜角度βを15度としたものである。しかし、溝
底中心線Lvと軸直交線Lyとのなす角度αについて
は、回転工具10(タイプI)の場合、円錐テーパ部1
4の傾斜角度βと等しく(α=β=15度)、従って、
溝部15の反挿入側斜面の面積と挿入側斜面の面積とが
等しくなっている。
Both of the rotary tools 10 and 20 described above are provided with conical taper portions 14 and 24 on the tool tip portions 12 and 22, respectively, and substantially V-shaped groove portions 15 and 25 are spirally formed on the outer peripheral portions thereof. The inclination angle β of the conical taper portions 14 and 24 with respect to the tool body portion axis Lb is 15 degrees. However, regarding the angle α formed by the groove bottom center line Lv and the axis orthogonal line Ly, in the case of the rotary tool 10 (type I), the conical taper portion 1
Equal to the tilt angle β of 4 (α = β = 15 degrees),
The area of the slope on the opposite side of the groove 15 and the area of the slope on the side of insertion are equal.

【0054】このため、このタイプIの回転工具10で
は、高速回転状態の工具先端部12を処理対象部材の表
面部に対して押圧し進入させて行く際、摩擦攪拌によっ
て溝部15内及びその近辺に生じた塑性流動層の反挿入
側(つまり、処理表面側)への流動を、溝部15の反挿
入側斜面によって十分に抑制することが難しく、しか
も、元々ショルダ部は設けられていないので、処理速度
が70mm/min.程度以上となると、塑性流動層の
処理表面側への流動・流出を十分に規制することは難し
い。表1及び図10〜図12の試験結果は、このことを
物語るものである。
Therefore, in this type I rotary tool 10, when the tool tip portion 12 in the high-speed rotation state is pushed into the surface portion of the member to be treated and is made to enter, the friction stirrer causes the inside of the groove portion 15 and the vicinity thereof. It is difficult to sufficiently suppress the flow to the anti-insertion side (that is, the treated surface side) of the plastic fluidized layer that has occurred at the anti-insertion side slope of the groove portion 15, and since the shoulder portion is not originally provided, Processing speed is 70 mm / min. Above a certain level, it is difficult to sufficiently control the flow and outflow of the plastic fluidized bed to the treated surface side. The test results in Table 1 and FIGS. 10 to 12 demonstrate this fact.

【0055】尚、このタイプIの回転工具10を用いた
場合でも、図9と図10とを比較して良く分かるよう
に、比較例の回転工具40を用いて摩擦攪拌処理を行う
場合に比して、摩擦攪拌処理の処理幅を(同等の処理深
さに対して)より狭くでき、また、処理深さを(同等の
処理幅に対して)より深くすることができる。更に、塑
性流動層の表面側への流動による盛り上がり変形や多量
のバリ発生をより有効に抑制することも可能である。
Even when this type I rotary tool 10 is used, as can be seen by comparing FIG. 9 and FIG. 10, as compared with the case where the friction stir processing is performed using the rotary tool 40 of the comparative example. Then, the processing width of the friction stir processing can be made narrower (for the equivalent processing depth), and the processing depth can be made deeper (for the equivalent processing width). Further, it is possible to more effectively suppress the swelling deformation and the generation of a large amount of burrs due to the flow to the surface side of the plastic fluidized bed.

【0056】上記タイプIの回転工具10に対して、回
転工具20(タイプII)の場合、溝底中心線Lvと軸
直交線Lyとのなす角度αは円錐テーパ部24の傾斜角
度βよりも小さく(α<β)、しかも、この角度α=0
度に設定されているので、溝部25の反挿入側斜面の面
積は挿入側斜面の面積よりも大きく、しかも、最大化さ
れている。
In the case of the rotary tool 20 (type II) with respect to the rotary tool 10 of type I, the angle α formed by the groove bottom center line Lv and the axis orthogonal line Ly is larger than the inclination angle β of the conical taper portion 24. Small (α <β), and this angle α = 0
Since the groove 25 is set at a degree, the area of the non-insertion side slope of the groove 25 is larger than the area of the insertion side slope and is maximized.

【0057】従って、このタイプIIの回転工具20の
場合、上記工具先端部22を螺旋状に設けられた略V字
状溝部25のねじ込み方向(つまり、螺旋方向)と逆方
向に回転させて摩擦攪拌をおこなわせることにより、高
速回転状態の工具先端部22を処理対象部材の表面部に
対して押圧し進入させて行く際、摩擦攪拌によって溝部
25内及びその近辺に生じた塑性流動層の反挿入側(つ
まり、処理表面側)への流動抑制効果がより大きくな
り、従来のように処理対象部材の摩擦攪拌部分をショル
ダ部で押さえ込まなくても、塑性流動層の反挿入側への
流動を、溝部25の反挿入側斜面によって十分に抑制す
ることができ、処理速度が比較的高速(320mm/m
in.程度)の場合でも、塑性流動層の処理表面側への
流動・流出を十分に規制することができる。表1及び図
13〜図18の試験結果は、このことを物語るものであ
る。
Therefore, in the case of this type II rotary tool 20, the tool tip portion 22 is rotated in a direction opposite to the screw-in direction (that is, the spiral direction) of the substantially V-shaped groove portion 25 provided in a spiral shape to cause friction. By stirring, the tool tip portion 22 in the high-speed rotation state is pressed against the surface portion of the processing target member to enter the surface portion of the processing target member. The effect of suppressing the flow to the insertion side (that is, the processing surface side) becomes greater, and the flow to the non-insertion side of the plastic fluidized bed does not have to be held down by the shoulder part of the friction stirrer part of the object to be processed unlike the conventional case. , The slope of the groove 25 on the side opposite to the insertion side can sufficiently suppress, and the processing speed is relatively high (320 mm / m 2).
in. Even in the case of (degree), the flow and outflow to the treated surface side of the plastic fluidized bed can be sufficiently regulated. The test results shown in Table 1 and FIGS. 13 to 18 show this fact.

【0058】次に、本発明の実施の形態に係る回転工具
20(タイプII)を用いて摩擦攪拌処理を行う具体例
について、例えば、エンジンのシリンダヘッドにおける
弁間部の表面部の改質処理を行う場合を例にとって説明
する。図19は、上記第1の実施の形態に係るシリンダ
ヘッド鋳造素材のシリンダブロック(不図示)との合せ
面を概略的に示す平面説明図である。この図に示すよう
に、上記シリンダヘッドCHは、直列4気筒タイプとさ
れた直噴ディーゼルエンジン用のもので、長手方向に沿
って一列に配置された各気筒毎に、一対の吸気ポートK
cと一対の排気ポートEcとが設けられている。そし
て、各気筒毎にポート間の部材領域(つまり、弁間部)
は略十字形を形成している。
Next, regarding a specific example of performing the friction stir processing by using the rotary tool 20 (type II) according to the embodiment of the present invention, for example, the modification processing of the surface portion of the intervalve portion in the cylinder head of the engine is performed. The case of performing will be described as an example. FIG. 19 is a plan view schematically showing a mating surface of the cylinder head casting material according to the first embodiment with a cylinder block (not shown). As shown in this figure, the cylinder head CH is for a direct injection diesel engine of the in-line four-cylinder type, and has a pair of intake ports K for each cylinder arranged in a line along the longitudinal direction.
c and a pair of exhaust ports Ec are provided. And the member area between the ports for each cylinder (that is, the valve area)
Form a cross shape.

【0059】このシリンダヘッドCHは、例えばアルミ
ニウム(Al)合金を材料として鋳造プロセスにより製
造され、シリンダブロック(不図示)との合せ面の特に
弁間部に上述の摩擦攪拌処理法による表面処理が施され
る。尚、上記シリンダヘッドCHの軽合金材料として
は、例えば、JIS規格に規定されたAl合金AC4D
を用いた。この代わりに、AC4B又はAC2B更には
AC8A等も用いることができる。
The cylinder head CH is manufactured by a casting process using, for example, an aluminum (Al) alloy as a material, and the surface to be mated with the cylinder block (not shown), particularly the valve portion, is subjected to the surface treatment by the above-mentioned friction stir processing method. Is given. The light alloy material of the cylinder head CH is, for example, an Al alloy AC4D specified in JIS standard.
Was used. Alternatively, AC4B or AC2B, or AC8A or the like can be used.

【0060】上記表面処理を施すに際しては、その前工
程でシリンダブロックとの合せ面がフライス加工により
荒加工される。図19は、この合せ面の荒加工状態を示
すものである。従って、図19において実線で表示され
た上述の各吸気ポートKc及び各排気ポートEcは、全
て鋳抜き穴の状態を示しており、実際には、図19にお
いて破線表示で示すように、弁間部の表面処理後にドリ
ル加工等の機械加工によって仕上げられ、所定の形状・
寸法及び表面粗さを有する吸気ポート及び排気ポートが
得られる。
When performing the above-mentioned surface treatment, the mating surface with the cylinder block is roughly machined by milling in the preceding step. FIG. 19 shows a rough processing state of this mating surface. Therefore, the intake ports Kc and the exhaust ports Ec shown by the solid lines in FIG. 19 all show the state of the cast holes, and actually, as shown by the broken lines in FIG. After the surface treatment of the part, it is finished by mechanical processing such as drilling, and has a predetermined shape
Intake and exhaust ports with dimensions and surface roughness are obtained.

【0061】また、上記シリンダヘッドCHには、表面
処理後に、長手方向に沿って配列される複数のテンショ
ンボルト孔Htが、ドリル加工によって穿設される。こ
れらテンションボルト孔Htは、仕上げ加工を終えた後
のシリンダヘッドCHをシリンダブロックに組み付けて
締結固定する際に、この締結固定用のテンションボルト
を挿通させるもので、長手方向に配列された4つの気筒
部分を挟むようにして、平行な一対の直線に沿って設け
られる。これらテンションボルト孔Htは、各列毎に5
箇所設けられ、長手方向における両端部の近傍および各
気筒部分の間に位置設定されている。
After the surface treatment, the cylinder head CH is provided with a plurality of tension bolt holes Ht arranged along the longitudinal direction by drilling. These tension bolt holes Ht are for inserting the tension bolts for fastening and fixing when the cylinder head CH after finishing is assembled and fastened and fixed to the cylinder block, and four tension bolts are arranged in the longitudinal direction. It is provided along a pair of parallel straight lines so as to sandwich the cylinder portion. These tension bolt holes Ht are 5 in each row.
It is provided at a location and is set in the vicinity of both ends in the longitudinal direction and between each cylinder portion.

【0062】尚、上記図19において、実線曲線で示さ
れた穴部は全て鋳造プロセスで形成された、所謂、鋳抜
き穴を示している。一方、同図において破線曲線で示さ
れた穴部は、全て、鋳物状態では穴部ではないが、弁間
部等に対する表面処理を施した後に、ドリル加工等の機
械加工により、所定形状及びサイズ更には表面粗さに仕
上げられた穴部として形成されるものを示している。
In FIG. 19, all the hole portions shown by the solid line curve are so-called casting holes formed by the casting process. On the other hand, the holes shown by the broken line curves in the figure are not all holes in the cast state, but after performing surface treatment on the intervalve part, etc., they have a predetermined shape and size by mechanical processing such as drilling. Further, it shows a hole formed as a surface roughness.

【0063】本実施の形態に係るシリンダヘッドCHで
は、摩擦攪拌処理による弁間部の表面処理経路が、各気
筒毎に設けられシリンダヘッドCHの略幅方向に延びる
比較的短い処理経路R1〜R4に加えて、全気筒を縦断
してシリンダヘッドCHの長手方向に延びる長い処理経
路Lとが設けられ、計5つの処理経路で構成されてい
る。そして、例えば、処理経路L,処理経路R1,R
2,R3,R4の順で、これら各処理経路に沿って、4
つの気筒の吸排気ポート弁間部に対する表面改質処理を
一連の工程で行うようにしている。
In the cylinder head CH according to the present embodiment, the inter-valve surface treatment path by the friction stir processing is provided for each cylinder and is relatively short and extends substantially in the width direction of the cylinder head CH. In addition, a long processing path L extending in the longitudinal direction of the cylinder head CH across all cylinders is provided, and is composed of a total of five processing paths. Then, for example, the processing route L, the processing routes R1, R
2, R3, R4 in that order, along these respective processing routes, 4
The surface modification treatment is performed on the intake / exhaust port valve portion of one cylinder in a series of steps.

【0064】まず、シリンダヘッドCHの長手方向に延
びる長い処理経路Lに沿って全気筒を縦断した摩擦攪拌
処理を行うに際して、回転工具20は、まず最初に処理
の開始部分Lsに位置設定され、処理の開始に伴い実線
の折線に沿って進行し、シリンダヘッドCHの長手方向
における一端側(図19における左端側)の気筒から反
対側端部(同図における右端側)の気筒に向かって、各
気筒における吸気ポートKcどうしの弁間部および排気
ポートEcどうしの弁間部の表面処理を終えた後、終端
穴処理として、回転工具20を処理経路Lのパターンに
おける処理の終了部分Leに至るまで移動させ、この終
了部分Leで工具20の回転を停止して上方へ引き上げ
られる。
First, when performing the friction stir processing along all the cylinders along the long processing path L extending in the longitudinal direction of the cylinder head CH, the rotary tool 20 is first positioned at the processing start portion Ls. With the start of the process, the process proceeds along the solid line, from the cylinder on one end side (left end side in FIG. 19) in the longitudinal direction of the cylinder head CH to the cylinder on the opposite end (right end side in FIG. 19). After finishing the surface treatment of the intervalve portion between the intake ports Kc and the intervalve portion of the exhaust port Ec in each cylinder, the rotary tool 20 reaches the end portion Le of the treatment in the pattern of the treatment path L as the end hole treatment. And the rotation of the tool 20 is stopped at this end portion Le and the tool 20 is pulled upward.

【0065】この表面処理の終了部分Leは、端部の気
筒部分の近傍に位置設定されたテンションボルト孔Ht
の穿設部の略中心に一致するように設定されている。こ
の部分は、上述のように弁間部の表面処理後に機械加工
で孔加工されて除去されるので、摩擦攪拌処理の終端穴
処理を行っても、その終端穴が最終製品に残ることはな
い。
The end portion Le of this surface treatment is the tension bolt hole Ht positioned near the end cylinder portion.
It is set so as to coincide with the approximate center of the perforated portion. As described above, this portion is holed by machining after the intervalve surface treatment and removed, so that even if the end hole treatment of the friction stir processing is performed, the end hole does not remain in the final product. .

【0066】また、処理経路R1〜R4に沿って各気筒
毎の弁間部の摩擦攪拌処理を行う際には、回転工具20
は、まず最初に当該処理経路R1〜R4の処理パターン
における処理の開始部分Rsに位置設定され、処理の開
始に伴い実線の折線に沿って進行し、当該気筒における
吸気ポートKcと排気ポートEcとの間の弁間部の表面
処理を終えた後、終端穴処理として、回転工具20を当
該処理経路R1〜R4のパターンにおける処理の終了部
分Reに至るまで移動させ、この終了部分Reで終端穴
処理が行われる。この表面処理の終了部分Reは、当該
気筒部分の近傍に位置設定されたテンションボルト孔H
tの穿設部の略中心に一致するように設定されている。
Further, when performing the friction stir processing of the intervalve portion for each cylinder along the processing paths R1 to R4, the rotary tool 20 is used.
Is first set at the processing start portion Rs in the processing pattern of the processing paths R1 to R4, proceeds along the solid line with the start of processing, and the intake port Kc and the exhaust port Ec in the cylinder are After finishing the surface treatment of the intervalve portion between the two, the rotary tool 20 is moved to the end portion Re of the processing in the pattern of the processing paths R1 to R4 as the end hole treatment, and the end hole Re is used for the end hole. Processing is performed. The end portion Re of this surface treatment is the tension bolt hole H positioned near the cylinder portion.
It is set so as to coincide with the approximate center of the perforated portion of t.

【0067】用いる回転工具は、上述のように図5に示
したタイプIIのものとし、螺旋状の溝部25の螺旋方
向と逆方向に回転工具20を回転させて処理を行った。
尚、具体的には図示しなかったが、回転工具20の工具
駆動手段は、より好ましくは、例えばマイクロコンピュ
ータを主要部として構成された制御部を有する制御盤に
対して信号授受可能に接続されており、所定の制御プロ
グラムに基づいた制御盤からの命令信号に応じて、ワー
ク(処理対象部材)表面部に対する処理深さの設定およ
びワーク表面上での移動軌跡等が、自動的に設定される
ようになっている。
The rotary tool used was of the type II shown in FIG. 5 as described above, and the rotary tool 20 was rotated in the direction opposite to the spiral direction of the spiral groove 25 for processing.
Although not specifically shown, the tool driving means of the rotary tool 20 is more preferably connected to a control panel having a control section mainly composed of, for example, a microcomputer so that signals can be exchanged. Depending on the command signal from the control panel based on a predetermined control program, the processing depth for the surface of the workpiece (member to be processed) and the movement trajectory on the surface of the workpiece are automatically set. It has become so.

【0068】本発明の実施の形態では、以上のようなシ
リンダヘッドCHの各気筒弁間部に回転工具20(タイ
プII)を用いて摩擦攪拌処理を行うに際して、素材の
弁間幅及び弁間部の必要処理幅が設定された下で、弁間
部に変形を来すことなく摩擦攪拌処理を行うためには、
回転工具20の工具先端部22における円錐テーパ部2
4の(工具本体部21の中心軸Lbに対する)傾斜角度
βを如何に設定すれば良いかを調べる試験(試験3)を
行った。
In the embodiment of the present invention, when the friction stir processing is performed using the rotary tool 20 (type II) on the cylinder valve interval portion of the cylinder head CH as described above, the valve interval width and the valve interval of the material are In order to perform friction stir processing without causing deformation in the intervalve part under the setting of the required processing width of the part,
Conical taper portion 2 at tool tip 22 of rotary tool 20
A test (test 3) was conducted to find out how to set the tilt angle β (with respect to the central axis Lb of the tool body 21) of No. 4 described above.

【0069】この試験3では、図7に示すように、素材
の弁間幅Wc及び弁間部の必要処理幅Wrを、以下に示
す3つのケース(ケース1〜ケース3)に変更して設定
し、それぞれのケースについて上記傾斜角度βの好適な
範囲を調べた。尚、図7において、処理対象弁間部の実
線表示は摩擦攪拌処理時の母材状態を示し、2点鎖線表
示は処理後の機械加工による仕上状態(加工取代ΔM
w)を示している。
In this test 3, as shown in FIG. 7, the inter-valve width Wc of the material and the required processing width Wr of the inter-valve portion are set by changing to the following three cases (case 1 to case 3). Then, a suitable range of the tilt angle β was examined for each case. In FIG. 7, the solid line display between the valves to be processed shows the state of the base metal during the friction stir processing, and the two-dot chain line display shows the finished state by machining after processing (machining allowance ΔM
w) is shown.

【0070】この場合、上記回転工具20の関係寸法と
して、工具先端部22の最先端部分の直径寸法Dsを必
要処理幅Wrと等しく設定し(Ds=Wr)、また、工
具先端部22の押し込み量を一定値(6.0mm)に設
定した。そして、工具本体部21の直径Db(つまり、
工具先端部22の上端部の直径)及び円錐テーパ部24
の工具本体部中心軸Lbに対する傾斜角度βを種々変更
した回転工具20を製作し、これら回転工具20を用い
て摩擦攪拌による弁間部の表面改質処理をそれぞれ行っ
た。
In this case, as a related dimension of the rotary tool 20, the diameter dimension Ds of the tip end portion of the tool tip portion 22 is set equal to the required processing width Wr (Ds = Wr), and the tool tip portion 22 is pushed in. The amount was set to a constant value (6.0 mm). Then, the diameter Db of the tool body 21 (that is,
Diameter of upper end of tool tip 22) and conical taper 24
The rotary tools 20 having various inclination angles β with respect to the tool body central axis Lb were manufactured, and the surface modification treatment of the intervalve portion was performed by friction stirring using these rotary tools 20.

【0071】ケース1,2及び3における素材の弁間幅
Wc及び弁間部の必要処理幅Wrは、次の通りとした。 ・ケース1:素材弁間幅Wc=15mm;必要処理幅W
r=7mm ・ケース2:素材弁間幅Wc=20mm;必要処理幅W
r=7mm ・ケース3:素材弁間幅Wc=25mm;必要処理幅W
r=10mm 以上のケース1,2及び3に対する試験結果を、表2,
3及び4にそれぞれ示す。
The inter-valve width Wc of the material and the required processing width Wr of the inter-valve portion in Cases 1, 2 and 3 are as follows.・ Case 1: Material valve width Wc = 15 mm; required processing width W
r = 7 mm ・ Case 2: Material valve width Wc = 20 mm; required processing width W
r = 7 mm ・ Case 3: Material valve width Wc = 25 mm; required processing width W
The test results for cases 1, 2 and 3 with r = 10 mm or more are shown in Table 2,
3 and 4 respectively.

【0072】[0072]

【表2】 [Table 2]

【0073】[0073]

【表3】 [Table 3]

【0074】[0074]

【表4】 [Table 4]

【0075】上記表2,3及び4の「弁間部変形の有
無」の欄において、×印は不合格で、摩擦攪拌処理によ
って弁間部に著しい変形が生じ、後工程の機械加工(加
工取代ΔMw)による仕上工程においてもその変形を除
去できない場合を示している。また、△印は、弁間部の
変形が比較的大きく、後工程の機械加工による仕上工程
でその変形を除去できるか否かが微妙な場合を示してい
る。更に、○印は合格で、弁間部の変形が軽微であり、
後工程の機械加工による仕上工程にて支障無くその変形
を除去できる場合を示している。
In Tables 2, 3 and 4 above, in the column of "presence or absence of intervalve portion deformation", x mark is unacceptable, and significant deformation occurs in the intervalve portion due to friction stir processing, and machining (processing This shows a case where the deformation cannot be removed even in the finishing process by the machining allowance ΔMw). Further, the mark Δ indicates that the deformation between the valves is relatively large, and it is delicate whether or not the deformation can be removed in the finishing process by the machining in the subsequent process. Furthermore, the ○ mark is acceptable, and the deformation between the valves is slight,
It shows a case where the deformation can be removed without any trouble in the finishing process by the mechanical processing in the subsequent process.

【0076】上記表2,3及び4の試験結果から良く分
かるように、ケース1の場合には、円錐テーパ部24の
工具本体部中心軸Lbに対する傾斜角度βを15度以下
に設定すれば良く、また、ケース2の場合には、上記傾
斜角度βを37度以下に設定すれば良い。更に、ケース
3の場合には、上記傾斜角度βを43度以下に設定すれ
ば良い。
As is clear from the test results of Tables 2, 3 and 4, in case 1, the inclination angle β of the conical taper portion 24 with respect to the tool body central axis Lb may be set to 15 degrees or less. In case 2, the inclination angle β may be set to 37 degrees or less. Further, in case 3, the tilt angle β may be set to 43 degrees or less.

【0077】尚、上記試験3では、Al合金を材料に用
いたシリンダヘッドについてのものであったが、本発明
は、例えばマグネシウム又はその合金など、他の軽金属
を材料に用いた場合でも、有効に適用することが可能で
ある。また、シリンダヘッドは、直噴ディーゼルエンジ
ン用のものに限らず、他の種類のエンジンに用いられる
ものでも良く、更に、直列4気筒タイプ用、或いは多気
筒タイプ用のものに限られるものでもない。
In Test 3 above, the cylinder head using an Al alloy as a material is used. However, the present invention is effective even when another light metal such as magnesium or its alloy is used as a material. Can be applied to. Further, the cylinder head is not limited to one for a direct injection diesel engine, but may be one used for another type of engine, and is not limited to one for an in-line four-cylinder type or a multi-cylinder type. .

【0078】このように、本発明は、以上の実施態様に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲に
おいて、種々の改良あるいは設計上の変更が可能である
ことは言うまでもない。
As described above, it is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiments, and various improvements and design changes can be made without departing from the scope of the invention.

【0079】[0079]

【発明の効果】本願請求項1の発明に係る摩擦攪拌用回
転工具によれば、工具本体部の軸線を含む縦断面におけ
る周縁形状が略V字状に設定された溝部が、工具先端部
の先細り状の円錐テーパ部表面に螺旋状に設けられ、該
溝部は反挿入側斜面の面積が挿入側斜面の面積以上とな
るように設定されているので、摩擦攪拌時、高速回転状
態の工具先端部を処理対象部材の表面部に対して押圧し
進入させて行く際、工具先端部を螺旋状に設けられた溝
部のねじ込み方向と逆方向に回転させることにより、摩
擦攪拌によって溝部内及びその近辺に生じた塑性流動層
の反挿入側への流動抑制効果がより大きくなり、処理対
象部材の摩擦攪拌部分をショルダ部で押さえ込まなくて
も、その塑性流動層が表面側に盛り上がることを有効に
抑制できる。従って、工具本体部の下端側に設けられた
ショルダ部による不要な摩擦攪拌を伴う従来の回転工具
を用いる場合に生じ得る前述の不具合を解消でき、所要
の処理深さを確保した上で比較的狭い範囲を摩擦攪拌す
ることができるようになる。特に、工具先端部は先細り
状の円錐テーパ部を有し、略V字状の溝部はこの円錐テ
ーパ部表面に螺旋状に設けられているので、摩擦攪拌時
の処理幅をより狭く、且つ、処理深さをより深くでき、
しかも、塑性流動層の表面側への盛り上がりをより有効
に抑制できるようになる。
According to the rotary tool for friction stirrer according to the invention of claim 1, the groove portion whose peripheral shape in the vertical cross section including the axis of the tool main body is set to be substantially V-shaped is provided at the tip of the tool. The tapered conical taper portion is provided spirally on the surface, and the groove is set so that the area of the anti-insertion side slope is equal to or larger than the area of the insertion side slope. When the part is pressed into the surface of the member to be processed and enters, the tool tip is rotated in the direction opposite to the screw-in direction of the groove formed in a spiral shape, so that the inside of the groove and the vicinity thereof are friction-stirred. The effect of suppressing the flow of the plastic fluidized bed to the anti-insertion side is further increased, and it is possible to effectively prevent the plastic fluidized bed from rising to the surface side without pressing the friction stir part of the processing target member with the shoulder part. it can. Therefore, it is possible to solve the above-mentioned inconvenience that may occur when using a conventional rotary tool with unnecessary friction stirring by the shoulder portion provided on the lower end side of the tool main body portion, and relatively secure the required processing depth. Friction stirring can be performed in a narrow range. In particular, the tool tip portion has a tapered conical taper portion, and the substantially V-shaped groove portion is spirally provided on the surface of the conical taper portion, so that the processing width at the time of friction stirring is narrower, and Deeper processing depth,
Moreover, it becomes possible to more effectively suppress the swelling of the plastic fluidized bed on the surface side.

【0080】また、本願請求項2の発明に係る摩擦攪拌
用回転工具によれば、工具本体部の軸線を含む縦断面に
おける周縁形状が略V字状に設定された溝部が、工具先
端部の先細り状の円錐テーパ部表面に螺旋状に設けら
れ、上記縦断面内において、上記溝部の底部を通る溝底
部中心線と工具本体部軸線に直交する軸直交線とのなす
角度が、上記円錐テーパ部の工具本体部軸線に対する傾
斜角度以下に設定されていることにより、上記溝部の反
挿入側斜面の面積を挿入側斜面の面積以上に設定するこ
とができる。その結果、摩擦攪拌時、高速回転状態の工
具先端部を処理対象部材の表面部に対して押圧し進入さ
せて行く際、工具先端部を螺旋状に設けられた溝部のね
じ込み方向と逆方向に回転させることにより、摩擦攪拌
によって溝部内及びその近辺に生じた塑性流動層の反挿
入側への流動抑制効果がより大きくなり、処理対象部材
の摩擦攪拌部分をショルダ部で押さえ込まなくても、そ
の塑性流動層が表面側に盛り上がることを有効に抑制で
きる。従って、工具本体部の下端側に設けられたショル
ダ部による不要な摩擦攪拌を伴う従来の回転工具を用い
る場合に生じ得る前述の不具合を解消でき、所要の処理
深さを確保した上で比較的狭い範囲を摩擦攪拌すること
ができるようになる。特に、工具先端部は先細り状の円
錐テーパ部を有し、略V字状の溝部はこの円錐テーパ部
表面に螺旋状に設けられているので、摩擦攪拌時の処理
幅をより狭く、且つ、処理深さをより深くでき、しか
も、塑性流動層の表面側への盛り上がりをより有効に抑
制できるようになる。
Further, according to the friction stirrer rotating tool of the present invention, the groove portion of which the peripheral shape in the vertical cross section including the axis of the tool body is set to be substantially V-shaped is the tip of the tool. The angle between the groove bottom center line passing through the bottom of the groove and the axis orthogonal to the axis of the tool body in the vertical cross section is spirally provided on the surface of the tapered conical taper portion. By setting the angle of the groove portion to be less than the inclination angle with respect to the tool body axis, it is possible to set the area of the non-insertion side inclined surface of the groove portion to be equal to or more than the insertion side inclined surface area. As a result, at the time of friction stir, when the tool tip in the high-speed rotation state is pushed into the surface of the member to be processed and enters, the tool tip is moved in the direction opposite to the screwing direction of the spiral groove. By rotating, the flow suppressing effect on the anti-insertion side of the plastic fluidized layer generated in the groove portion and its vicinity by friction stirring becomes larger, and even if the friction stirring portion of the processing target member is not pressed by the shoulder portion, It is possible to effectively suppress the rise of the plastic fluidized bed on the surface side. Therefore, it is possible to solve the above-mentioned inconvenience that may occur when using a conventional rotary tool with unnecessary friction stirring by the shoulder portion provided on the lower end side of the tool main body portion, and relatively secure the required processing depth. Friction stirring can be performed in a narrow range. In particular, the tool tip portion has a tapered conical taper portion, and the substantially V-shaped groove portion is spirally provided on the surface of the conical taper portion, so that the processing width at the time of friction stirring is narrower, and The processing depth can be made deeper, and moreover, the swelling of the plastic fluidized bed on the surface side can be suppressed more effectively.

【0081】更に、本願請求項3の発明によれば、基本
的には、上記請求項2の発明と同様の効果を奏すること
ができる。特に、上記工具本体部の軸線を含む縦断面内
において、上記溝部の底部を通る溝底部中心線と工具本
体部軸線に直交する軸直交線とのなす角度が、実質的に
零度に設定されていることにより、同一方向に螺設され
た上記略V字状溝部について、その反挿入側斜面の面積
を実質的に最大化することができ、より一層高い効果を
奏することが可能になる。
Further, according to the invention of claim 3 of the present application, basically, the same effect as that of the invention of claim 2 can be obtained. In particular, in a vertical cross section including the axis of the tool body, the angle formed by the groove bottom center line passing through the bottom of the groove and the axis orthogonal to the tool body axis is set to substantially zero degrees. By doing so, it is possible to substantially maximize the area of the non-insertion side inclined surface of the substantially V-shaped groove portion that is screwed in the same direction, and it is possible to achieve a higher effect.

【0082】また更に、本願請求項4の発明に係る処理
方法によれば、軽金属部材どうしを摩擦攪拌法にて接合
するに際して、上記請求項1〜3の何れか一の発明と同
様の効果を奏することができる。
Further, according to the treatment method of the invention of claim 4, when the light metal members are joined together by the friction stir method, the same effect as that of the invention of any one of claims 1 to 3 can be obtained. Can play.

【0083】また更に、本願請求項5の発明に係る処理
方法によれば、軽金属部材の所定の表面部に摩擦攪拌法
にて表面改質処理を施すに際して、上記請求項1〜3の
何れか一の発明と同様の効果を奏することができる。
Further, according to the treatment method of the invention of claim 5, when a predetermined surface portion of the light metal member is subjected to a surface modification treatment by a friction stir method, the treatment method according to any one of claims 1 to 3 is adopted. The same effect as that of the first invention can be obtained.

【0084】また更に、本願請求項6の発明によれば、
基本的には、上記請求項5の発明と同様の効果を奏する
ことができる。特に、アルミニウム合金鋳物製のエンジ
ンシリンダヘッドの吸排気ポート間の表面部に対し(所
謂、弁間部に対し)、摩擦攪拌処理法によってより効果
的な表面改質処理を効率良く施すことが可能になる。
Furthermore, according to the invention of claim 6 of the present application,
Basically, the same effect as that of the invention of claim 5 can be obtained. In particular, the surface portion between the intake and exhaust ports of the engine cylinder head made of cast aluminum alloy (so-called the valve portion) can be efficiently subjected to a more effective surface modification treatment by the friction stir treatment method. become.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の第1の実施の形態に係る摩擦攪拌用
回転工具(タイプI)の正面説明図である。
FIG. 1 is a front explanatory view of a rotary tool for friction stir (type I) according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 上記回転工具の底面説明図である。FIG. 2 is a bottom view of the rotary tool.

【図3】 上記回転工具の工具先端部を拡大して示す正
面説明図である。
FIG. 3 is an explanatory front view showing an enlarged tool tip portion of the rotary tool.

【図4】 上記工具先端部のネジ状溝部の一部を拡大し
て示す断面説明図である。
FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged part of a threaded groove portion of the tool tip portion.

【図5】 本発明の第2の実施の形態に係る摩擦攪拌用
回転工具(タイプII)の工具先端部を拡大して示す正
面説明図である。
FIG. 5 is an explanatory front view showing an enlarged tool tip of a rotary tool for friction stir (type II) according to a second embodiment of the invention.

【図6】 試験1に用いた比較例に係る回転工具の本体
部下端側及び工具先端部を示す正面説明図である。
FIG. 6 is a front explanatory view showing a lower end side of a main body portion and a tool tip end portion of a rotary tool according to a comparative example used in Test 1;

【図7】 上記タイプIIの回転工具のシリンダヘッド
弁間部の表面部への押し込み状態を模式的に示す説明図
である。
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing how the rotary tool of type II is pushed into the surface portion of the cylinder head intervalve portion.

【図8】 試験1においてタイプIIの回転工具により
摩擦攪拌処理を施した表面処理部の断面状態を拡大して
示す断面説明図である。
FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion that has been subjected to friction stir processing with a type II rotating tool in Test 1.

【図9】 試験1において比較例の回転工具により摩擦
攪拌処理を施した表面処理部の断面状態を拡大して示す
断面説明図である。
FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion that has been subjected to friction stir processing by a rotating tool of a comparative example in Test 1.

【図10】 試験2においてタイプIの回転工具により
22.5mm/分の処理速度で摩擦攪拌処理を施した表
面処理部の断面状態を拡大して示す断面説明図である。
FIG. 10 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion which has been subjected to friction stir processing at a processing speed of 22.5 mm / min by a rotating tool of type I in Test 2.

【図11】 試験2においてタイプIの回転工具により
70mm/分の処理速度で摩擦攪拌処理を施した表面処
理部の断面状態を拡大して示す断面説明図である。
FIG. 11 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion that has been subjected to friction stir processing at a processing speed of 70 mm / min by a type I rotary tool in Test 2;

【図12】 試験2においてタイプIの回転工具により
150mm/分の処理速度で摩擦攪拌処理を施した表面
処理部の断面状態を拡大して示す断面説明図である。
FIG. 12 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion subjected to friction stir processing with a type I rotary tool at a processing speed of 150 mm / min in Test 2.

【図13】 試験2においてタイプIIの回転工具によ
り22.5mm/分の処理速度で摩擦攪拌処理を施した
表面処理部の断面状態を拡大して示す断面説明図であ
る。
FIG. 13 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion subjected to friction stir processing at a processing speed of 22.5 mm / min by a type II rotary tool in Test 2;

【図14】 試験2においてタイプIIの回転工具によ
り70mm/分の処理速度で摩擦攪拌処理を施した表面
処理部の断面状態を拡大して示す断面説明図である。
FIG. 14 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion subjected to friction stir processing at a processing speed of 70 mm / min by a type II rotary tool in Test 2;

【図15】 試験2においてタイプIIの回転工具によ
り150mm/分の処理速度で摩擦攪拌処理を施した表
面処理部の断面状態を拡大して示す断面説明図である。
FIG. 15 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion which has been subjected to friction stir processing at a processing speed of 150 mm / min by a rotating tool of type II in Test 2.

【図16】 試験2においてタイプIIの回転工具によ
り320mm/分の処理速度で摩擦攪拌処理を施した表
面処理部の断面状態を拡大して示す断面説明図である。
FIG. 16 is an enlarged cross-sectional explanatory view showing a cross-sectional state of a surface-treated portion which has been subjected to friction stir processing at a processing speed of 320 mm / min by a type II rotating tool in Test 2;

【図17】 試験2においてタイプIIの回転工具によ
り470mm/分の処理速度で摩擦攪拌処理を施した表
面処理部の断面状態を拡大して示す断面説明図である。
FIG. 17 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion which has been subjected to friction stir processing at a processing speed of 470 mm / min by a type II rotary tool in Test 2;

【図18】 試験2においてタイプIIの回転工具によ
り750mm/分の処理速度で摩擦攪拌処理を施した表
面処理部の断面状態を拡大して示す断面説明図である。
FIG. 18 is a cross-sectional explanatory view showing an enlarged cross-sectional state of a surface-treated portion which has been subjected to friction stir processing at a processing speed of 750 mm / min by a type II rotating tool in Test 2;

【図19】 本発明の実施の形態に係るシリンダヘッド
の鋳造素材のシリンダブロックとの合せ面を概略的に示
す平面説明図である。
FIG. 19 is an explanatory plan view schematically showing the mating surface of the casting material of the cylinder head according to the embodiment of the present invention with the cylinder block.

【図20】 従来例に係る回転工具による摩擦攪拌処理
法を説明するための斜視図である。
FIG. 20 is a perspective view for explaining a friction stir processing method using a rotary tool according to a conventional example.

【図21】 上記従来例に係る回転工具のシリンダヘッ
ド弁間部の表面部への押し込み状態を模式的に示す説明
図である。
FIG. 21 is an explanatory view schematically showing a state in which the rotary tool according to the conventional example is pushed into the surface portion of the cylinder head valve portion.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,20…回転工具 11,21…工具本体部 12,22…工具先端部 14,24…円錐テーパ部 15,25…溝部 15a…溝部の反挿入側斜面 15b…溝部の挿入側斜面 CH…シリンダヘッド鋳造部材 Ec…排気ポート(鋳抜き穴) Kc…吸気ポート(鋳抜き穴) Lb…工具本体部の軸線 Lv…溝底部中心線 Ly…軸直交線 α,α1…溝底部中心線の軸直交線に対する角度 β,β1…円錐テーパ部の工具本体部軸線に対する傾斜
角度
10, 20 ... Rotating tools 11, 21 ... Tool main body 12, 22 ... Tool tip portion 14, 24 ... Conical taper portion 15, 25 ... Groove portion 15a ... Groove portion anti-insertion side slope 15b ... Groove portion insertion side slope CH ... Cylinder Head casting member Ec ... Exhaust port (cast hole) Kc ... Intake port (cast hole) Lb ... Tool body axis Lv ... Groove bottom center line Ly ... Axis orthogonal lines α, α1 ... Groove bottom center line axis orthogonal Angles to the line β, β1 ... Inclination angle of the conical taper part with respect to the tool body axis

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 略柱状の工具本体部と、 該工具本体部の先端側に同軸に設けられ、先細り状の円
錐テーパ部を有する工具先端部と、 該工具先端部の円錐テーパ部表面に螺旋状に設けられ、
工具本体部の軸線を含む縦断面における周縁形状が略V
字状に設定された溝部と、を備え、 該溝部は、反挿入側斜面の面積が挿入側斜面の面積以上
となるように設定されており、 上記工具先端部を、上記螺旋状に設けられた略V字状溝
部のねじ込み方向と逆方向に回転させて使用される、こ
とを特徴とする摩擦攪拌用回転工具。
1. A tool body having a substantially columnar shape, a tool tip provided coaxially on the tip side of the tool body and having a tapered conical taper portion, and a spiral on the conical taper surface of the tool tip portion. Is provided in the shape of
The peripheral shape in the vertical cross section including the axis of the tool body is approximately V
A groove formed in a letter shape, the groove is set such that the area of the non-insertion side slope is equal to or larger than the area of the insertion side slope, and the tool tip is provided in the spiral shape. A rotary tool for friction stir, which is used by rotating in a direction opposite to the screwing direction of the substantially V-shaped groove.
【請求項2】 略柱状の工具本体部と、 該工具本体部の先端側に同軸に設けられ、先細り状の円
錐テーパ部を有する工具先端部と、 該工具先端部の円錐テーパ部表面に螺旋状に設けられ、
工具本体部の軸線を含む縦断面における周縁形状が略V
字状に設定された溝部と、を備え、 上記縦断面内において、上記溝部の底部を通る溝底部中
心線と工具本体部軸線に直交する軸直交線とのなす角度
が、上記円錐テーパ部の工具本体部軸線に対する傾斜角
度以下に設定されており、 上記工具先端部を、上記螺旋状に設けられた略V字状溝
部のねじ込み方向と逆方向に回転させて使用される、こ
とを特徴とする摩擦攪拌用回転工具。
2. A tool body having a substantially columnar shape, a tool tip provided coaxially on the tip side of the tool body and having a tapered conical taper portion, and a spiral on the conical taper surface of the tool tip portion. Is provided in the shape of
The peripheral shape in the vertical section including the axis of the tool body is approximately V
And a groove portion set in a letter shape, and in the vertical cross section, an angle formed by a groove bottom center line passing through a bottom portion of the groove portion and an axis orthogonal line orthogonal to a tool body portion axis line is the conical taper portion. The angle is set to be less than or equal to the inclination angle with respect to the axis of the tool body, and the tool tip is used by rotating it in the direction opposite to the screw-in direction of the substantially V-shaped groove provided in the spiral shape. Rotating tool for friction stirring.
【請求項3】 上記工具本体部の軸線を含む縦断面内に
おいて、上記溝部の底部を通る溝底部中心線と工具本体
部軸線に直交する軸直交線とのなす角度が、実質的に零
度に設定されていることを特徴とする請求項2記載の摩
擦攪拌用回転工具。
3. An angle formed by a groove bottom center line passing through the bottom of the groove and an axis orthogonal to the tool body axis is substantially zero in a vertical section including the axis of the tool body. It is set, The rotary tool for friction stirs of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
【請求項4】 軽金属部材どうしを摩擦攪拌法にて接合
するに際し、請求項1〜3の何れか一に記載された回転
工具を用いて上記軽金属部材どうしの接合部を摩擦攪拌
処理することを特徴とする処理方法。
4. When the light metal members are joined together by a friction stir method, the rotating tool according to claim 1 is used to perform a friction stir treatment on the joint portion between the light metal members. Characterized processing method.
【請求項5】 軽金属部材の所定の表面部に摩擦攪拌法
にて表面改質処理を施すに際し、請求項1〜3の何れか
一に記載された回転工具を用いて上記軽金属部材の所定
の表面部を摩擦攪拌処理することを特徴とする処理方
法。
5. A predetermined surface portion of the light metal member is subjected to a surface modification treatment by a friction stir method by using the rotary tool according to any one of claims 1 to 3. A treatment method characterized in that the surface portion is subjected to friction stir treatment.
【請求項6】 上記軽金属部材がアルミニウム合金鋳物
製のエンジンシリンダヘッドであり、上記所定の表面部
が吸排気ポート間の表面部であることを特徴とする請求
項5記載の処理方法。
6. The processing method according to claim 5, wherein the light metal member is an engine cylinder head made of an aluminum alloy casting, and the predetermined surface portion is a surface portion between intake and exhaust ports.
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