JP2004009135A

JP2004009135A - 締結部品の製造方法及び締結部品

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Publication number: JP2004009135A
Application number: JP2002170518A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Yoshida; 吉田　一也; Kazuo Sugiyama; 杉山　一雄; Makoto Azuma; 東　誠; Kazumi Saito; 齋藤　一美
Original assignee: Tokai University; Union Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokai University; Union Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: JP3653258B2

Abstract

【課題】塑性加工時の成形体の割れを防止でき、成形性を向上することができる締結部品の製造方法及び締結部品を提供する。
【解決手段】形状記憶合金を伸線加工して伸線素材を作り、伸線素材を切断して素材片を作り、素材片を塑性加工する前に、素材片に焼なまし処理を行い、切断面にスケールを形成する。焼なまし処理は、素材片を大気中で８７３Ｋ〜１１７３Ｋに加熱し、１０〜６０分間保持し、徐冷してスケールを形成する。素材片を予備成形した後に、素材片に焼なまし処理を行うことも有効である。焼なまし処理により、素材片の両側の切断面にスケールを形成し、素材片の片側に圧造によりねじ頭部を成形し、素材片の他側に転造によりねじ部を成形する。形状記憶合金には、Ｎｉ−Ｔｉ系合金を用いる。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、めがね、医療機器、電気機器、自動車機器等に用いられる締結部品の製造方法及び締結部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｉ―Ｔｉ系形状記憶合金は、各種の形状記憶合金の中では最も広く実用化されている形状記憶合金である。形状記憶合金は、形状記憶特性、超弾性、振動吸収性及び高耐食性を示すことが良く知られており、医療機器や電気機器などの様々な分野へのより一層の応用が期待されている。
【０００３】
しかし、形状記憶合金は、その性質から塑性加工性が悪いことも知られており、難加工材の一つとして挙げられている。殊に、材料を剪断変形させて切りくずを排出させる切削加工には不向きである。
【０００４】
形状記憶合金としての用途には、ばね、パイプ継手、調整弁、めがねフレーム、歯列矯正用ワイヤ、ブラジャー用心材、携帯電話用アンテナなどが挙げられる。
【０００５】
さらには、ねじやボルトなどの締結部品としての用途にも期待がかけられている。しかし、形状記憶合金からなる締結部品は、上述したように塑性加工が困難であることから、加工面からの様々な研究が行われている。
【０００６】
図７は、形状記憶合金からなるねじの製造方法の一例として、特開平１１−２０７５２５公報に記載されたものである。図示するように、締結部品としてねじ５１は、一側にねじ部５２を有し、他側に図示しないねじ頭部を有している。
【０００７】
ねじ部５２は、テーパ状の素材片５０が丸形ダイス又は平形ダイスに押し付けられて成形されたものである。図示しないねじ頭部は、圧造により成形されるものと考えられる。
【０００８】
素材片５０は、形状記憶合金を図示しない線引きダイスに通し引き抜くことにより製作される。ねじ部５２が成形される素材片５０の先端側５１ａは小径をなし、根本側５１ｂは大径をなしていて、研磨によりテーパ状に加工されている。このため、転造によりねじ部５２を成形すると、先端側５１ａには完全なねじが形成されず、先端側５１ａから根本側５１ｂに向かって除々にねじ山５２ａが大きく形成されるようになっている。
【０００９】
このようにして成形されたねじ５１は、呼び径３ｍｍ、ピッチ０．５ｍｍ、ねじ長５ｍｍのねじである。このねじ５１を図示しない相手部材やナットに螺合した際は、先端側５１ａの不完全なねじ山５２ａは相手部材と完全には螺合せず、根本側５１ｂの完全なねじ山５２ａのみが相手部材と螺合する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のねじの製造方法では、解決すべき以下の問題点がある。
【００１１】
先ず一つに、φ３ｍｍ程度の素材片５０の一側を研磨によりテーパ状に形成しなければならず、加工の困難性に加えて、ねじ５１の生産コストが高くなるという心配がある。
【００１２】
すなわち、素材片５０をテーパ状に加工することで、ねじ部５２を成形する転造ダイスの摩耗が低減し、転造ダイスの寿命が向上したとしても、テーパ加工の際の加工コストが増加するため、総合的にみると生産コストが増加する心配がある。
【００１３】
また一つには、ねじ５１の先端側５１ａが不完全なねじ山５２ａであるため、有効なねじ山数が少なく、締結保持力が不十分となって、振動などによりねじ５１が緩み、ねじ５１が抜け出す心配がある。
【００１４】
さらに、ねじ部５２を成形する転造加工の際に、割れ等を生ずる心配がある。従来から、形状記憶合金からなるねじの塑性加工が困難である理由の一つとして、形状記憶合金の加工硬化による割れの発生が各方面で報告されているからである。
【００１５】
本発明は、上記した点に鑑み、塑性加工時の成形体の割れを防止でき、成形性を向上することができる締結部品の製造方法及び締結部品を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、形状記憶合金を塑性加工することにより成形体を得る締結部品の製造方法において、前記形状記憶合金を伸線加工して伸線素材を作り、該伸線素材を切断して素材片を作り、該素材片を塑性加工する前に、該素材片に焼なまし処理を行い、切断面にスケールを形成することを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、予め焼なまし処理をなされた形状記憶合金が線引きダイスを通され引き抜かれて所定の太さの伸線素材に成形され、この伸線素材を切断して円柱状の素材片が製作される。素材片は、後に行う塑性加工により軸方向に圧縮されるため、圧縮率を見込んだ長さに製作される。続いて、素材片の成形性を向上させるために、焼なまし処理が行われ、切断面にスケールが形成される。そして、塑性加工により所定の形状に成形される。
【００１８】
スケールは、酸化物や窒化物を主成分とし、切断面に密着性良く付着していて、表面被覆処理剤や潤滑剤を保持するから、成形体に表面割れや中心割れが生ずることが防止され、欠陥のない成形体が得られる。
【００１９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の締結部品の製造方法において、前記焼なまし処理では、前記素材片を大気中で８７３Ｋ〜１１７３Ｋに加熱し、１０〜６０分間保持し、徐冷して前記スケールを形成することを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、素材片の切断面に形成されるスケールが、適度な膜厚に形成されて潤滑剤などの潤滑効果が維持される。また、軟化も十分となり成形性が向上する。
【００２１】
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の締結部品の製造方法において、前記素材片を予備成形した後に、該素材片に前記焼なまし処理を行うことを特徴とする。
【００２２】
上記構成によれば、据込み加工などの予備成形が行われた後に、焼なまし処理が行われることで、潤滑剤などの潤滑効果が維持されるとともに、加工硬化した素材片が軟化する。このため、割れなどが生ずることなく、次工程の本成形を行うことができる。
【００２３】
また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の締結部品の製造方法において、前記焼なまし処理により、前記素材片の両側の切断面にスケールを形成し、該素材片の一方に圧造によりねじ頭部を成形し、該素材片の他方に転造によりねじ部を成形することを特徴とする。
【００２４】
上記構成によれば、素材片の両側の切断面にスケールが形成されることで、圧造及び転造加工中に割れを生ずることなく、ねじ頭部及びねじ部を成形することができる。
【００２５】
また、請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の締結部品の製造方法において、前記形状記憶合金には、Ｎｉ−Ｔｉ系合金が用いられることを特徴とする。
【００２６】
上記構成によれば、形状記憶合金がＮｉ−Ｔｉ系合金であるから、伸線限界が向上し、伸線加工時の伸線性、圧造及び転造加工時の成形性が向上して、割れなどの欠陥がない成形体を得ることができる。
【００２７】
また、請求項６記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の締結部品の製造方法にて成形されたことを特徴とする。
【００２８】
上記構成によれば、超弾性を有する締結部品を得ることができるから、相手部材を締結部品で締結した際に、締結部品に引張りの軸力が働き、ねじ面や座面の摩擦係数が高くなり、締付け保持力が向上して、締結部品の緩みが防止される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態の具体例を詳細に説明する。
表１には、組成の異なる４種類のＮｉ−Ｔｉ系形状記憶合金の成分組成が示されている。この４種類の試料の中から成形性の最も良い試料が選択され、後述する締結部品としてのねじの加工に供される。従来技術の欄で述べたように、形状記憶合金からなるねじの加工は難しいため、成形性の最も良い材料を用いる必要があるからである。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表中の直径（ｄｉａｍｅｔｅｒ）は、伸線加工により線引きダイス２５（図３）を通して引き抜かれた伸線素材１０（図３）の引抜径ｄである。直径の測定には、精度の良いレーザースキャンマイクロメータが使用されている。
【００３２】
伸線素材１０は、複数回引き抜かれることで最終の引抜径ｄに整形されるが、１パス当たりの断面減少率（以下、Ｒ／Ｐという）は５〜１０％に調整されている。Ｒ／Ｐを増加させると、形状記憶合金の形状回復力が低下し、伸線素材１０が破断することがあるからである。
【００３３】
図３に示すように、線引きダイス２５には円すい形状のコニカルダイスが使用される。線引きダイス２５は、導入部２５ａと、絞り部２５ｂと、整形部２５ｃと、逃げ部２５ｄとからなっている。コイル状の素材が挿入される入口側の導入部２５ａは、潤滑剤の受け部の役目を果たしている。
【００３４】
潤滑剤には、窒化硼素（ＢＮ）や二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）などの極圧添加剤を加えた被膜剤と金属石鹸が使用されている。伸線加工においては、潤滑材の選択は殊に重要であり、選択を誤ると焼付きが生じて仕上げ面が荒れることがある。
【００３５】
絞り部２５ｂは、ダイス半角αで傾斜するアプローチ部であり、素材の絞りを行う部分である。ダイス半角αは任意であり、本実施形態では６゜に設定されている。ダイス半角αを小さくするほど引抜力が小さくなり、Ｒ／Ｐも小さくなる。
【００３６】
整形部２５ｃは、素材の整形を行う部分であり、ごく僅かの勾配に形成されている。整形部２５ｃの長さは、引抜径ｄの１／４〜３／４に設定されている。逃げ部２５ｄは、線引きダイス２５の出口に相当し、素材に強度を持たせるための部分である。
【００３７】
線引きダイス２５は、十分な強さを有し、耐摩耗性が高く、焼付き等が生じないことが重要である。このため、本実施形態では、超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ系）の線引きダイス２５が使用されている。なお、セラミックダイスやダイヤモンドダイスを用いることもできる。
【００３８】
再び表１に戻って説明する。変態温度Ｍｓは、オーステナイト相（高温相）がマルテンサイト相（低温相）に変態するときの変態開始温度を示しており、変態温度Ａｆは、マルテンサイト相がオーステナイト相に逆変態するときの変態終了温度を示している。
【００３９】
変態温度は、予め７７３Ｋで焼なまし処理された形状記憶合金の変態温度である。変態温度の測定には、変態に伴う熱発生の変化を測定する示差走査熱量計が使用され、変態量と温度の関係から変態温度が測定されている。
【００４０】
各種形状記憶合金の成分組成は、重量％で示されている。Ｎｉ量はＴｉ量より５％程度多くなっている。このような成分組成の形状記憶合金を用いたのは、硬度が低く加工性の良いことが明らかにされているからである。なお、鉄を含まない３種類の試料は、僅かにＮｉ量が異なっている。鉄を含むをＮｏ．４の試料は、鉄が０．２１ｗｔ％含まれている。
【００４１】
図１には、表１のＮｏ．１〜４の各試料についての、伸線限界（Ｄｒａｗｉｎｇ　ｌｉｍｉｔ）が示されている。各試料の伸線限界は、図３に示す線引きダイス２５を用い、潤滑剤にはステアリン酸ナトリウム石鹸を用い、Ｒ／Ｐ７〜９％の条件の下で調べられた。ここで、伸線限界とは、線引きダイス２５を通して引き抜かれた伸線素材１０が断線したときの断面減少率をいう。
【００４２】
図示するように、Ｎｉ量が最も多くＡｆ点が低いＮｏ．１の試料は、伸線限界が４０％程度と低い結果となっている。Ｎｏ．２〜４の試料は、５０％以上の伸線限界を示している。Ｆｅを添加したＮｏ．４の試料は、最も伸線限界が高く６４％の伸線限界を示している。従って、ねじの加工には、Ｎｏ．４の試料が最も成形性が良いと考えられ、後述するねじの加工に供することとされた。
【００４３】
次に、焼なまし処理における焼なまし温度と伸線限界の関係が、図２に示されている。この図は、Ｎｏ．２の試料で調べられたものである。試料は、大気中で７７３〜１１７３Ｋの温度に加熱され、３０分保持され、除冷された後、図３に示す線引きダイス２５で伸線限界が調べられた。なお、素材にスケールを付着させないアルゴン雰囲気中での焼なまし処理も試みられたが、ねじの加工中に割れの生じることが判明している。
【００４４】
加工条件は、Ｒ／Ｐを１０％とした。線引きダイス２５による引抜きは、試料が断線するまで繰り返し行われた。その結果、処理温度が高くなるにしたがい伸線限界が向上し、８７３Ｋ以上では約５０％の伸線限界が得られた。９７３Ｋを越えると、伸線限界曲線は横軸に水平となった。一方、硬さはばらついてはいるものの、硬さ曲線は伸線限界曲線に対して鏡面対称となり、処理温度が高くなるにしたがい硬さは低下した。
【００４５】
従って、最適な焼なまし処理の下限温度は、伸線限界が５０％を越え、かつ硬さが低くなる８７３Ｋ以上が適当であると判断された。他方、焼なまし処理の上限温度は、図２からは判断されないが、試料の酸化やスケールの厚みなどを考慮して、１１７３Ｋが最適であると判断された。１１７３Ｋを越えると、酸化が進行しスケールが厚くなりすぎ、試料の表面性状が悪くなるとともに、試料が脆くなるためである。焼なましの保持時間は、素材の硬さやスケールの密着性を考慮すると、１０〜６０分が適当であることが明らかにされている。
【００４６】
次に、図３〜図６に基づいて締結部品としてのねじの製造方法について説明する。製造されたねじ１５（図５）は、なべ状の頭部を有するメートル並目ねじであり、呼び径が２．５ｍｍでピッチが０．４５ｍｍの小ねじと、呼び径が１．２ｍｍでピッチが０．２５ｍｍの小ねじの２種類である。ねじ部の長さは、１０ｍｍ程度である。ねじ頭部１５ａは、ＪＩＳ　Ｂ　１１０１相当の寸法に形成されている。ねじ頭部１５ａの端部には、図示しないすりわり（十字穴でもよい）が形成されていて、ねじ回しで回すことができるようになっている。
【００４７】
先ず、線引きダイス２５を通され引き抜かれた伸線素材１０が、図示しない切断機により所定の長さに切断されて、円柱状の素材片１１が製作される。続いて、素材片１１が図示しないヘッダーマシンに供給され、ねじ頭部１５ａ（図６）が圧造加工にて成形される。ヘッダーマシンは、素材片１１を保持するダイス２０及び予備成形用の第１のヘッダー２１と本成形用の第２のヘッダー２２とを備えている。２つのヘッダー２１，２２はダイス２０に対して往復動作し、素材片１１を軸方向に圧縮する。ヘッダー２１，２２の往復動作するストローク長は２５ｍｍに設定されている。
【００４８】
圧造加工は、予備成形加工と本成形加工とからなっている。予備成形加工と本成形加工の間には、上述した条件で焼なまし処理が行われる。焼なまし処理では、素材片１１に適度な膜厚のスケール１６（図５）を形成するとともに、素材片１１を軟質化する。スケール１６は、素材片１１の両側の切断面に形成される（片側のみを図示する）。
【００４９】
焼なまし処理において、スケール１６を切断面に形成し、圧造及び転造することが本発明の特徴である。スケール１６は、表面被覆処理剤や潤滑剤を保持する効果があり、圧造時に表面割れや中心割れを生ずることを防止する。また、パンチとしてのヘッダー２１，２２と切断面との焼付きを防止して、ヘッダー２１，２２の寿命を向上させる。スケール１６は、酸化物や窒化物を主成分とし、切断面に密着性良く付着する。なお、スケール１６が厚く成りすぎると、素材片１１が脆くなり、割れが生じるため、焼なまし処理を上述した条件で行うことが重要である。
【００５０】
図４及び図５は、ヘッダーマシンにより行われた予備成形加工と本成形加工の加工状態をそれぞれ示したものである。図４に示すように、予備成形加工は、ダイス２０から突出した素材片１１の突端部１２をヘッダー２１で軸方向に一押しで圧縮する加工である。素材片１１の他側端部１３は、ダイス２０に保持されており、圧縮された素材片１１が座屈しないように支持されるようになっている。据え込み長さと素材片１１の直径との比である据え込み比は、２．５〜３以下に設定されている。
【００５１】
予備成形加工では、素材片１１の突端部１２が笠状になる程度で加工を一旦終了する。続いて、上述した焼なまし処理に続いて本成形加工が行われる。図５に示すように、本成形加工は、鍋状になるよう突端部１２を圧縮するとともに、突端部１２の端面にねじ回し用のすりわりや図示しない十字穴を打ち込む加工である。
【００５２】
表２には、ヘッダー２２の１分当たりのストローク数とねじ頭部１５ａの割れの関係を示したものである。表から明らかなように、ヘッダー２２のストローク数が多くなるほど、言い換えるとヘッダー２２の動作速度が早くなるほど加工割れの生じない加工を行えることが明らかにされた。
【００５３】
【表２】

【００５４】
このようにして、割れを生ずることなくねじ頭部１５ａが成形される。ねじ１５の頭部形状は、鍋状に限らずさら状や丸状などにもすることが可能である。また、突端部１２の端面には、すりわりに変えて十字穴を形成することも可能である。さらに、リベットなどのように、突端部１２の端面に凹みを形成しない場合には、素材片１１を切断した後に、焼なまし処理を行い、予備成形と本成形を一度に行うことも可能である。
【００５５】
図６は、一対の平形ダイス２７，２８を備えた図示しないローリングマシンにて、素材片１１の他側端部１３にねじ部１５ｂを成形している状態を示したものである。転造では、一方の平形ダイス２７を固定し、他方の平形ダイス２８を長手方向に往復移動させて、一対の平形ダイス２７，２８の間に挿入された素材片１１にねじ山を成形する。他方の平形ダイス２８は、１５０ｍｍのストローク長で往復動作する。平形ダイス２７，２８がねじに食い付いてから５〜６回転でねじ山が完成する。平形ダイス方式は、素材片１１の供給と排出が容易に行われるため、小ねじの大量生産に適する。
【００５６】
表３には、平形ダイス２８の１分当たりのストローク数とねじ山の成形性の関係を示したものである。表から明らかなように、平形ダイス２８のストローク数が多くなるほど、言い換えると平形ダイス２８の動作速度が早くなるほどねじ山の成形性の良い加工を行えることが明らかにされた。
【００５７】
【表３】

【００５８】
従来は、加工初期において素材片１１に平形ダイス２７，２８を強く押し付けた際、又は加工終期において素材片１１が加工硬化した際に、素材片１１の端部において割れを生ずることがあったが、焼なまし処理にてスケールを素材片１１の切断面に密着性良く形成することで、潤滑剤などの潤滑効果が保持されて、欠陥のないねじを成形することが可能となった。
【００５９】
【発明の効果】
以上の如く、請求項１記載の発明によれば、焼なまし処理にて密着性の良いスケールが素材片の切断面に形成されるから、表面被覆処理剤や潤滑剤がスケールによって保持される。従って、成形体に表面割れや中心割れが生ずることが防止され、欠陥のない成形体が得られる。また、ヘッダやダイスの焼付きが防止され、工具寿命が向上する。
【００６０】
また、請求項２記載の発明によれば、素材片の切断面に形成されるスケールが、適度な膜厚に形成されて潤滑剤の潤滑効果が保持される。従って、素材片が脆くなることが防止されて、成形性が向上し、割れのない加工を行うことができる。
【００６１】
また、請求項３記載の発明によれば、据込み加工などの予備成形が行われた後に、焼なまし処理が行われるから、潤滑剤の潤滑効果が維持されるとともに、加工硬化した素材片が軟化する。従って、割れを生ずることなく、すりわり加工や十字穴加工などの本成形を行うことができる。
【００６２】
また、請求項４記載の発明によれば、素材片の両側の切断面にスケールが形成されることで、圧造及び転造の成形性が向上する。従って、割れを生ずることなく、ねじ頭部及びねじ部を成形することができる。
【００６３】
また、請求項５記載の発明によれば、Ｎｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金であるから、伸線限界が向上し、圧造及び転造加工時の成形性が向上し、形状記憶合金からなる締結部品を得ることができる。
【００６４】
また、請求項６記載の発明によれば、超弾性を有する締結部品としての成形体が得られるから、締結部品に引張りの軸力が働き、ねじ面や座面の摩擦係数が高くなり、締付け保持力が向上して、締結部品の緩みが防止される。従って、締結信頼性の高い締結部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る締結部品の製造方法において、各形状記憶合金と伸線限界の関係を示すグラフである。
【図２】同じく締結部品の製造方法において、焼なまし処理温度と伸線限界の関係を示すグラフである。
【図３】同じく締結部品の製造方法において、形状記憶合金を線引きダイスに通し引き抜いた状態を示す断面図である。
【図４】同じく締結部品の製造方法において、形状記憶合金の素材片を圧造により予備成形している状態を示す断面図である。
【図５】同じく締結部品の製造方法において、形状記憶合金の素材片を圧造により本成形している状態を示す断面図である。
【図６】同じく締結部品の製造方法において、転造により形状記憶合金の素材片にねじ部を成形している状態を示す斜視図である。
【図７】従来の締結部品の製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０　　　　伸線素材
１１　　　　素材片
１２　　　　突端部
１５　　　　ねじ
１５ａ　　　ねじ頭部
１５ｂ　　　ねじ部
１６　　　　スケール
２０　　　　ダイス
２１　　　　第１のヘッダー
２２　　　　第２のヘッダー
２５　　　　線引きダイス
２７　　　　一方の平形ダイス
２８　　　　他方の平形ダイス

Claims

形状記憶合金を塑性加工することにより成形体を得る締結部品の製造方法において、
前記形状記憶合金を伸線加工して伸線素材を作り、該伸線素材を切断して素材片を作り、該素材片を塑性加工する前に、該素材片に焼なまし処理を行い、切断面にスケールを形成することを特徴とする締結部品の製造方法。
前記焼なまし処理では、前記素材片を大気中で８７３Ｋ〜１１７３Ｋに加熱し、１０〜６０分間保持し、徐冷して前記スケールを形成することを特徴とする請求項１記載の締結部品の製造方法。
前記素材片を予備成形した後に、該素材片に前記焼なまし処理を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の締結部品の製造方法。
前記焼なまし処理により、前記素材片の両側の切断面にスケールを形成し、該素材片の一方に圧造によりねじ頭部を成形し、該素材片の他方に転造によりねじ部を成形することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の締結部品の製造方法。
前記形状記憶合金には、Ｎｉ−Ｔｉ系合金が用いられることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の締結部品の製造方法。
請求項１〜５の何れか一項に記載の締結部品の製造方法にて成形されたことを特徴とする締結部品。