JP2004190831A - 部材の締結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軸状の嵌合部を持つ金属製の第１部材と嵌合孔を持つ金属製の第２部材とを、浸炭処理を利用して嵌合部に嵌合孔を密着させることにより結合する締結方法を提供することである。
【解決手段】軸状の嵌合部１２を持つ金属製の第１部材１０に、嵌合孔２２を持つ金属製の第２部材２０を結合する方法は、嵌合部１２に嵌合孔２２を嵌合させる嵌合工程と；第１部材１０及び第２部材２０を浸炭処理し、嵌合部１２の寸法を増大させ嵌合孔２２の寸法を減少させて、嵌合部１２に嵌合孔２２を結合する結合工程と；から成る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部材の締結方法、より詳しくは２つ又はそれ以上の金属製の部材を、主に浸炭処理時の熱膨張を利用して締結する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸状部とその軸方向中間部から放射方向に延びるフランジ部とから成る機械部品（例えば、自動車の大きな径のギヤを有するインプットシャフト）を鍛造で製作することは困難である。このような機械部品は、第１従来例では、軸部材の軸部及び中空円板状の中空孔を精密に機械加工（研磨等）した上で、軸部に中空孔を圧入している。
【０００３】
これに対して、軸状の第１部材が圧粉体から成り、中空板状の第２部材が鋼材から成る第２従来例（特許文献１参照）がある。この第２従来例では、第１部材の軸部に第２部材の孔部を嵌合した状態で両者を一体に結合するために、圧粉体の材質を工夫している。即ち、圧粉体として焼結過程の８００℃以上の高温における熱膨張率が鋼材の熱膨張率よりも大きくなる組成の圧粉体を採用している。
【０００４】
圧粉体から成る第１部材に鋼材から成る第２部材を結合する際、鋼材に浸炭処理を施すと、浸炭処理に長時間を要する。これらを考慮して、第２従来例では、鋼材から成る第２部材に浸炭処理を施すことなく、圧粉体から成る第１部材に結合することを意図している。
【０００５】
また、軸状の第１部材が鉄系の合金粉末等を圧縮成形した圧粉体から成り、中空板状の第２部材が鉄系の焼結合金から成る第３従来例（特許文献２参照）もある。この第３従来例では、第１部材の軸部に第２部材の孔部を嵌合した状態で両者を一体に結合するために、圧粉体の材質を工夫している。即ち、圧粉体として焼結過程の７５０℃以上の高温における熱膨張率が焼結合金の熱膨張率よりも大きくなる組成の圧粉体を採用している。
【０００６】
圧粉体から成る第１部材に焼結合金から成る第２部材を結合する際、単に第１部材に第２部材を嵌合して焼結する従来のやり方では、第１部材及び第２部材が共に圧粉体から成る場合に比べて接合強度が劣る。これらを考慮して、第３従来例では焼結合金との組合せで高い接合強度が得られる圧粉体の提供を意図している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−８７１１５号
【特許文献２】
特開２００−２９０７０７号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
軸部に中空孔を圧入する第１従来例では、軸部及び中空孔を機械加工するために時間及び手間がかかる。機械部品の用途や形状によっては、フランジ部材が軸部材に比較的小さな結合力で結合されれば良い場合もあり、この様な場合にまで精密な機械加工をするのは得策とは言えない。
【０００９】
また、第２従来例及び第３従来例でも、第１部材は圧粉体から成る。圧粉体は複雑な形状の部材の成形には適しているが、鋼材等に比べて強度的に劣る。更に、第２従来例及び第３従来例において、軸状部材にフランジ部材が結合されるのは、圧粉体の焼結と合金成分の固相拡散の進行とによる。これでは充分な結合強度が得られない場合もある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、軸状の嵌合部を持つ金属製の第１部材と嵌合孔を持つ金属製の第２部材とを、主に浸炭処理に伴う熱膨張を利用して締結する締結方法を提供することを目的とする。
【００１１】
本願の発明者は、第１部材及び／又は第２部材の材質や形状を工夫すれば、浸炭処理時の第１部材及び第２部材の寸法変化量がかなり大きくなることに気付いて、本発明を完成した。本発明の部材の締結方法は、請求項１に記載したように、軸状の嵌合部を持つ金属製の第１部材に、嵌合孔を持つ金属製の第２部材を結合する方法であって、嵌合部に嵌合孔を嵌合させる嵌合工程と；第１部材及び第２部材を浸炭処理し、嵌合部の寸法を増大させ嵌合孔の寸法を減少させて、嵌合部に嵌合孔を結合させる結合工程と；から成ることを特徴とする
この締結方法において、浸炭処理時の嵌合部の寸法増大及び嵌合孔の寸法減少により、嵌合部に嵌合孔がしっかり結合される。第１部材への第２部材の結合力がそれ程大きくなくても良い機械部品ではこれで十分である。
【００１２】
請求項２の締結方法は、請求項１の嵌合工程において、軸状の第１部材の一部に嵌合部が形成され、板状又は環状の第２部材の一部に嵌合孔が形成されている。請求項３の締結方法は、請求項２の嵌合工程において、嵌合部及び嵌合孔は荒く機械加工され、嵌合部に嵌合孔が軽圧入されている。請求項４の締結方法は、請求項３において、嵌合部及び嵌合孔はそれぞれ軸方向位置決め部及び円周方向位置決め部を備えている。
【００１３】
請求項５の締結方法は、請求項２の嵌合工程において更に、第１部材の第２嵌合部に板状又は環状の第３部材の第２嵌合孔が圧入されている。請求項６の締結方法は請求項２の嵌合工程において更に、第２部材の外縁及び第４部材の第２嵌合孔の内縁が荒く機械加工され、該外縁に該内縁が嵌合されている。請求項７の締結方法は、請求項２、５又は６の嵌合工程において更に、第２部材の外縁及び第４部材の第３嵌合孔の内縁が荒く機械加工され外縁に内縁が嵌合されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜基本概念＞
図３に本発明による第１部材への第２部材の締結の概念を示す。図３（ｂ）に示すように軸状又は棒状の第１部材５０は軸部５１を持ち、図３（ｃ）に示すように中空板状の第２部材５５は嵌合孔５６を持つ。
【００１５】
図３（ａ）に示すように、先ず軸部５１に嵌合孔５６を緩く嵌合（軽圧入）させ、次にこの圧入状態で第１部材５０及び第２部材５５を浸炭処理する。「浸炭処理」とは、鋼材の表面に炭素を注入、拡散させて炭素量を増加した後焼入処理する表面硬化法である。鋼材の表面層は硬いマルテンサイト組織を形成するが、内部は柔軟な組織であるため、強靱で、耐摩耗性及び耐疲労性に富んでいる。固体浸炭や液体浸炭もあるが、作業環境の保善や自動化の容易性からガス浸炭が多用されている。
【００１６】
第１部材５０及び第２部材５５を浸炭処理すると、炭素の注入、拡散により第１部材５０及び第２部材５５の体積が増加する。第１部材５０では二点鎖線で示すように、軸部５１の外径（直径）が増加すると共に長さが増加する。第２部材５５では、二点鎖線で示すように、嵌合孔５６の内径が小さくなると共に、外周面５８の外径が大きくなる。
【００１７】
第１部材５０及び第２部材５５の種類や形状にもよるが、浸炭温度は９３０℃程度であり、浸炭時間は２から５時間程度である。軸部５１の外径の増加及び内周面５６の内径の減少により、軸部５１と嵌合孔５６とがしっかり結合される。
＜第１部材＞
軸状の第１部材の材質は合金鋼等である。形状は全体として軸状又は棒状であり、その一部（軸方向端部や中間部）に第２部材を結合するための第１軸部を備えている。第１軸部の横断面形状は円形状、矩形状等が採用可能である。線膨張係数は０．５から１．５×１０^-7／℃程度であり、よって外径の大小にもよるが、第１軸部の浸炭処理時の外径の増加量は数十ミクロン（２０から８０μｍ程度）である。第１軸部の表面は機械加工されているか又は鍛造面である。また、他の必要部位が機械加工されていても良い。第１軸部はまた、第２部材を軸方向及び／又は円周方向で位置決めする位置決め部を持つことができる。
＜第２部材＞
中空板状又は環状の第２部材の材質は鋼又は鋼板である。小さい結合力で第１部材に結合される部材を想定している。具体的には、全体として板状又は環状で、外形は円形状や矩形状が採用可能である。円形状の場合はその外径が、矩形板の場合はその縦長さ及び横長さが小さく、板厚が薄いことが望ましい。
【００１８】
その中心部又は中央部に形成された嵌合孔の形状は、上記第１部材の第１軸部の横断面形状に対応し、円形状や矩形状とできる。第２部材の線膨張係数は上記第１部材のそれと同程度でも異なっても良く、浸炭処理時の内周面の内径は、第１軸部の外径の増加量と同じでも異なっても良い。但し、内径の減少量は第１軸部の外径の増加量と同じでも良い。他の必要部位は機械加工されている。また、上記第１部材の円周方向及び軸方向の位置決め部に係合する、円周方向及び軸方向の位置決め部を持つことができる。
＜第１部材、第２部材の準備＞
第１部材５０及び第２部材５５は浸炭処理の前に鍛造、熱処理及び機械加工を順次行って製作されたものである。鍛造により軸状の第１部材５０に軸部５１が形成され、板状又は環状の第２部材５５に嵌合孔５６が形成される。焼入れ、焼戻し及び／又は焼鈍し等の熱処理は、第１部材５０に第２部材５５を取り付けない状態で即ち個別に行われ、これにより組織が変化する。
＜嵌合、結合の態様＞
▲１▼浸炭処理に先立って、第１部材の第２軸部に第３部材を取り付けても良い。第２軸部の横断面形状は第１軸部と同じでも異なっても良く、外径は第１軸部と同じでも異なっても良い。中空円板状又は環状の第３部材の材質は鋼又は鋼板である。
▲２▼図４に示すように、１つの第１部材６０の軸方向に離れた第１軸部６１及び第２軸部６２に、２つの第２部材６５及び６７の嵌合孔６６及び６８を嵌合して、平行に結合することができる。第２部材６５及び６７の形状（外径及び板厚）は同じでも異なっても良い。
▲３▼図５に示すように、２つの平行に配置された第１部材７０及び７２にわたって１つの第２部材７５を結合することができる。一方の第１部材７０の軸部７１，他方の第１部材７２の軸部７３に、第２部材７５の一方の嵌合孔７６及び他方の嵌合孔７７がそれぞれ嵌合されている。第１部材７０及び７２の長さ、外径は同じでも異なっても良い。
▲４▼図６に示すように、第１部材８０の軸部８１に嵌合孔８５が嵌合された中空板状の第２部材８４に環状又は四角枠状の第４部材８７を結合することもできる。この場合、第２部材８４は円形状又は矩形状の外縁８６を持ち、第４部材８７は円形状又は矩形状の内縁（第３嵌合孔）８８を持ち、外縁８６に内縁８８が嵌合される。
▲５▼嵌合時及び結合時、１つ又は２つの第１部材の軸方向と、１つ又は２つの第２部材の長手方向とは直交することが望ましいが、９０度以外の角度で交差しても良い。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を基にして説明する。
（円柱部材、中空円板）
図１及び図２に示すように、機械部品４０は円柱部材（第１部材）１０と、その中間部に結合された大径中空円板（第３部材）２０と、その下端に結合された小径中空円板（第２部材）３０とから成る。円柱部材１０、小径中空円板２０及び大径中空円板３０は同じ種類の鋼から成り、所定の線膨張係数を持つ。
【００２０】
円柱部材１０は外径ｄ１で、精密に仕上げ加工された中間部（第２嵌合部）１２と、荒く仕上げ加工された下端部（嵌合部）１４とを持つ。下端部１４は複数の突条１５及びつば部１６を備えている。小径中空円板２０の嵌合孔（第１嵌合孔）２２の内周面２４は内径ｄ２で、内周面２４には複数の突条２５が形成され、荒く仕上げ加工されている。大径中空円板３０の嵌合孔（第２嵌合孔）３２の内周面３４は内径ｄ３で、内周面３４は精密に仕上加工されている。
【００２１】
円柱部材１０、小径中空円板２０及び大径中空円板３０は別々に鍛造された後及び熱処理されている。その後円柱部材１０の中間部１２及び大径中空円板３０の内周面３４が精密仕上げ加工（研磨）された。円柱部材１０の下端部１４の突条１５及びつば部１６と、小径中空円板２０の内周面２４は荒く仕上げ加工された。
（円柱部材への中空円板の嵌合、結合）
次に、円柱部材１０に小径中空円板２０及び大径中空円板３０を嵌合する。ここで、円柱部材１０の精密に仕上げ加工された中間部１２に、大径中空円板３０の精密に仕上げ加工された内周面３４締り嵌め（圧入）される。
【００２２】
これに対して、荒く仕上げ加工された円柱部材１０の下端部１４に荒く仕上げ加工された小径中空円板２０の内周面２４が緩く嵌合（軽圧入）される。その際、突条２５が突条１５に係合して小径中空円板２０を円周方向で位置決めし、下端面がつば部１６に当接して軸方向で位置決めする。
【００２３】
続いて、円柱部材１０、小径中空円板２０及び大径中空円板３０から成る一体物を浸炭炉（不図示）で浸炭処理すると、炭素の注入によりこれらの体積が増加する。ここで、円柱部材１０の線膨張正数が大きく中間部１２の外径の増加量は大きい。しかし、大径中空円板３０の線膨張係数が小さいので、内周面２４の内径の増加量はそれほど大きくない。よって、円柱部材１０と大径中空円板３０は主に精密な仕上げ加工による機械的密着により結合される。
【００２４】
これに対して、小径中空円板２０の線膨張係数は円柱部材１０と同様に大きいので、内周面２４の内径が大きく減少し、円柱部材１０の下端部１４にしっかり結合される。
（効果）
以上詳述した実施例によれば、以下の効果が得られた。第１に、円柱部材１０に小径中空円板２０及び大径中空円板３０が簡単にしかも確実に結合された。小径中空円板２０は円柱部材１０に小さな結合力で結合されれば十分であるので、中間部１２及び内周面２４は荒く仕上げ加工した。よって、円柱部材１０に小径中空円板２０が緩く嵌合（軽圧力）される。
【００２５】
しかし、浸炭処理されると、下端部１４の外径が増加し内周面２４の内径が減少し、その結果両者が強く結合され、締り嵌め状態となる。これにより、下端部１４及び内周面２４の精密仕上げ加工が不要となり、その分製造コストが低減される。
【００２６】
一方、大径中空円板３０は円柱部材１０に大きな結合力で結合される必要があり、その板厚を厚くするとともに円柱部材１０の中間部１４の長さを長くした。その上で、中間部１４及び内周面３４は精密に仕上げ加工して、締り嵌めしたので、大きな結合力が得られた。
【００２７】
第２に、浸炭処理時に円柱部材１０及び小径中空円板２０を位置決めする位置決めパレット等、専用の位置決め手段が不要となる。小径中空円板２０は円柱部材１０に対して、突条２５と１５との係合、及び下端面とつば部１６との当接によりそれぞれ円周方向及び軸方向に位置決めされるからである。
【００２８】
第３に、小径中空円板２０の内周面２４の変形が円柱部材１０により防止される。小径中空円板２０は浸炭処理時の嵌合孔２４の周縁の変形量が大きく、不定形状に変形し易い。従来、中空円板を単独で浸炭処理する場合は、この変形を防止するために嵌合孔に別部材を挿入していた。この実施例では、小径中空円板２０の嵌合孔２２に挿入した円柱部材１０がこの別部材と同様の変形防止作用を果たす。
【００２９】
第４に、機械部品４０の強度が大きい。これは、円柱部材１０、小径中空円板２０及び大径中空円板３０が鋼材から成ることによる。よって、円柱部材１０と小径中空部材２０及び大径中空部材３０との間で大きな力を伝達することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明にかかる部材の締結方法によれば、浸炭処理時の熱膨張による寸法変化によって、第１部材の嵌合部に第２部材の嵌合孔が簡単かつ確実に結合される。請求項２の締結方法によれば、軸状の第１部材に中空円板状又は環状の第２部材が、浸炭処理時の熱膨張による寸法変化によって簡単かつ確実に結合される。
【００３１】
請求項３の締結方法によれば、第１部材の嵌合部及び第２部材の嵌合孔の精密機械加工が不要となり、その分製造コストが低減できる。請求項４の締結方法によれば、第１部材に軽圧入される第２部材が専用の位置決め手段を用いることなく、円周方向及び軸方向に位置決めされる。
【００３２】
請求項５の締結方法によれば、第１部材に、第２部材の他に主に機械加工に基づく締り嵌めにより第３部材を結合することができる。請求項６の締結方法によれば、浸炭処理時の熱膨張を利用して第２部材に第４部材を結合することができる。請求項７の締結方法によれば、第１部材に第２部材及び第３部材が、また第２部材に第４部材が、それぞれ簡単かつ確実に締結される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を説明するための縦断面図である。
【図２】図１における２−２断面図である
【図３】（ａ）第１発明の実施の形態を示す全体説明図、（ｂ）は第１部材の説明図、（ｃ）は第２部材の説明図である
【図４】第２発明の実施の形態を示す説明図である。
【図５】第３発明の実施の形態を示す説明図である。
【図６】第４発明の実施の形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０：第１部材 １２：第２嵌合部
１４：嵌合部 １５：突条
１６：つば部 ２０：第２部材
２２：嵌合孔 ２４：内周面
２５：突条 ３０：第３部材
３２：第２嵌合孔 ３４：内周面
４０：機械部品

Claims (7)

1. 軸状の嵌合部を持つ金属製の第１部材に、嵌合孔を持つ金属製の第２部材を締結する方法であって、
   前記第１部材の嵌合部に前記第２部材の嵌合孔を嵌合させる嵌合工程と、
   前記第１部材及び前記第２部材を浸炭処理し、該嵌合部の寸法を増大させ該嵌合孔の寸法を減少させて、該嵌合部に該嵌合孔を結合する結合工程と、
   から成ることを特徴とする部材の締結方法。
2. 前記嵌合工程において、軸状の前記第１部材の一部に前記嵌合部が形成され、板状又は環状の前記第２部材の一部に前記嵌合孔が形成されている請求項１に記載の締結方法。
3. 前記嵌合工程において、該嵌合部及び前記嵌合孔は荒く機械加工され、該嵌合部に該嵌合孔が軽圧入されている請求項２に記載の締結方法。
4. 前記嵌合部及び前記嵌合孔はそれぞれ軸方向位置決め部及び円周方向位置決め部を備えている請求項３に記載の締結方法。
5. 前記嵌合工程において更に、前記第１部材の第２嵌合部に板状又は環状の第３部材の第２嵌合孔が圧入されている請求項２記載の締結方法。
6. 前記嵌合工程において更に、該第２部材の外縁及び第４部材の第３嵌合孔の内縁が荒く機械加工され、該外縁に該内縁が嵌合されている請求項２に記載の締結方法。
7. 前記結合工程において、前記嵌合部及び前記嵌合孔の熱膨張量はそれぞれ数十μｍである請求項２、５又は６記載の締結方法。

Images