JP2004261813A - 摩擦撹拌接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】例えば、内燃機関のシリンダブロックを構成するブロック本体とシリンダスリーブとを容易に接合することができる摩擦撹拌接合方法を提供する。
【解決手段】シリンダスリーブ３０ａの内周壁部には、テーパ状に縮径したテーパ部３８を有する縮径部３２が設けられている。摩擦撹拌接合用工具５０のプローブ５４は、ブロック本体１０の連通穴部１８に挿入されたシリンダスリーブ３０ａの縮径部３２におけるテーパ部３８に挿入された後、該テーパ部３８を介して周回動作される。これに伴い、シリンダスリーブ３０ａの円筒体部３４ａの外周壁と、連通穴部１８における第１環状切欠部１４の内周壁部とが互いに摩擦撹拌接合される。
【選択図】図５
【解決手段】シリンダスリーブ３０ａの内周壁部には、テーパ状に縮径したテーパ部３８を有する縮径部３２が設けられている。摩擦撹拌接合用工具５０のプローブ５４は、ブロック本体１０の連通穴部１８に挿入されたシリンダスリーブ３０ａの縮径部３２におけるテーパ部３８に挿入された後、該テーパ部３８を介して周回動作される。これに伴い、シリンダスリーブ３０ａの円筒体部３４ａの外周壁と、連通穴部１８における第１環状切欠部１４の内周壁部とが互いに摩擦撹拌接合される。
【選択図】図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の部材に設けられた挿入用孔部の内壁と、前記挿入用孔部に挿入された中空な第２の部材の外壁とを互いに接合するための摩擦撹拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の内燃機関を構成するシリンダブロックの１種として、図１３に示すように、ウォータジャケット部１のガスケット面２側が閉塞されているクローズドデッキ型シリンダブロック３が挙げられる。クローズドデッキ型シリンダブロック３には、ブロック本体４の肉厚が同一であれば、ウォータジャケット部のガスケット面側が開放されているオープンデッキ型シリンダブロックに比して剛性が高いという利点がある。
【０００３】
クローズドデッキ型シリンダブロック３の場合、ウォータジャケット部１は、容易に崩壊させることが可能な中子、いわゆる崩壊性中子を用いて、重力鋳造（ＧＤＣ）や低圧鋳造（ＬＰＤＣ）にて形成される。
【０００４】
その一方で、内燃機関においては、ボア穴５の内部でピストン（図示せず）が往復動作する。このため、ボア穴５には、耐摩耗性に優れる素材からなるシリンダスリーブ６、例えば、いわゆるＦＣスリーブやメッキスリーブ、ＭＭＣスリーブ等を挿入し、該シリンダスリーブ６の側周壁部にピストンの側周壁部を摺接させるようにしている。耐摩耗性に優れる他の素材としては、いわゆるハイシリコン系アルミニウムが例示される。
【０００５】
このように、シリンダスリーブ６をブロック本体４と別素材とする理由は、ブロック本体４をハイシリコン系アルミニウムで鋳造成形した場合、ボア穴５に巣穴が形成されるために品質不良の製品が多くなるからである。さらに、ハイシリコン系アルミニウムは切削加工し難いので、機械加工コストが高騰するという不具合を招く。
【０００６】
そこで、クローズドデッキ型シリンダブロック３を製造する場合、まず、鋳造用金型によって形成されるキャビティに崩壊性中子やシリンダスリーブ６等を配置しておき、この状態で溶湯をキャビティに注湯して、該溶湯で崩壊性中子やシリンダスリーブ６等を囲繞する。
【０００７】
次に、溶湯を冷却固化することによってブロック本体４を設ける。この冷却固化に伴って、シリンダスリーブ６が鋳込まれる。
【０００８】
その後、前記崩壊性中子を崩壊させる。この崩壊によって得られた中空部が、ウォータジャケット部１となる。すなわち、この場合、ウォータジャケット部１は、ブロック本体４に設けられる。
【０００９】
ところで、近年では、地球温暖化を防止するために、省エネルギの観点から自動車等の燃費を向上させることが希求されている。その方策として、内燃機関等を軽量化することにより、最終製品である自動車を軽量化することが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【００１０】
内燃機関を軽量化する方策として、ブロック本体とシリンダスリーブとを摩擦撹拌接合にて互いに接合することが想起される。摩擦撹拌接合においては、例えば、高圧鋳造（ＨＰＤＣ）によって作製した肉厚の小さいブロック本体と、シリンダスリーブとを接合することができるので、結局、形状が小さなシリンダブロックを得ることができるからである。
【００１１】
しかしながら、一般的なシリンダスリーブは円筒状であり（図１３参照）、一方、摩擦撹拌接合用工具は長尺物である。このため、シリンダブロックにおけるボア穴の内周壁部とシリンダスリーブの外周壁とを互いに接合しようとする場合、摩擦撹拌接合用工具を水平方向に向けなければならないが、この状態では、摩擦撹拌接合用工具の後端部がシリンダスリーブに干渉するので、該摩擦撹拌接合用工具をシリンダスリーブの内部に挿入することができないという不具合がある。
【００１２】
なお、断面略Ｔ字状のＴ字型部材を板材の端面上に摩擦撹拌接合にて接合する手法としては、特許文献５に提案されているように、接合補助材を使用する方法が知られている。しかしながら、この方法によれば、Ｔ字型部材の脚部における摩擦撹拌接合用工具が当接する側の面と板材の端面とを摩擦撹拌接合することは可能であるものの、シリンダスリーブの外周壁とブロック本体のボア穴における内周壁部のように、摩擦撹拌接合用工具が当接しない側の面同士を接合することはできない。
【００１３】
このように、シリンダスリーブとブロック本体とを摩擦撹拌接合にて互いに接合する方法は困難を伴うため、未だ確立されていない。
【００１４】
【特許文献１】
特開昭５９−３１４２号公報
【特許文献２】
特開昭５８−７４８５０号公報
【特許文献３】
特開昭５９−７９０５６号公報
【特許文献４】
特開昭６０−９４２３０号公報
【特許文献５】
特開２００１−３２１９６５号公報（図１、図４）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、第１の部材における挿入用孔部の内壁と、前記挿入用孔部に挿入された中空な第２の部材の外壁とを確実に接合することができる摩擦撹拌接合方法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】
前記の目的を達成するために、本発明は、第１の部材に設けられた挿入用孔部の内壁と、前記挿入用孔部に挿入された中空な第２の部材の外壁とを摩擦撹拌接合によって接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記第２の部材の内壁に前記挿入用孔部の開口端部から離間するに従って縮幅されたテーパ部を有する縮幅部を設け、
前記テーパ部に摩擦撹拌接合用工具のプローブを当接させた後、前記摩擦撹拌接合用工具を前記テーパ部に沿って移動させ、
前記プローブの回転動作によって生じる摩擦熱にて前記第２の部材のテーパ部および外壁の各肉と、前記第１の部材における前記挿入用孔部の内壁の肉とを軟化させるとともに撹拌して摩擦撹拌接合し、
前記プローブを前記テーパ部から離脱させた後、前記縮幅部を除去することを特徴とする。
【００１７】
この方法においては、第２の部材のテーパ部に摩擦撹拌接合用工具のプローブを当接させて該摩擦撹拌接合用工具を傾斜させる。このため、摩擦撹拌接合用工具が第１の部材に干渉することがない。したがって、摩擦撹拌接合用工具をテーパ部に沿って移動させることにより、第１の部材における挿入用孔部の内壁の肉と、第２の部材の外壁の肉とを容易かつ簡便に接合することができる。
【００１８】
そして、この場合、縮幅部を除去するので、第２の部材における中空部を均一幅とすることができる。
【００１９】
なお、プローブを挿入用孔部の内壁から離間させた後にテーパ部から離脱させ、この離脱により形成された離脱穴を縮幅部とともに除去することが好ましい。これにより、脱離穴が存在しないので美観と剛性が優れる接合部を得ることができる。
【００２０】
第１の部材の好適な例としては、内燃機関のシリンダブロックを構成するブロック本体を挙げることができる。この場合、シリンダボアが挿入用孔部となる。そして、第２の部材の好適な例としては、シリンダスリーブを挙げることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法につき、自動車の内燃機関となるシリンダブロックを構成するシリンダスリーブとブロック本体とを接合する場合を例として説明する。
【００２２】
図１は、第１の部材であるブロック本体１０の要部概略縦断面図であり、図２は、該ブロック本体１０のガスケット面１２側からの平面図である。このブロック本体１０には、第１環状切欠部１４および第２環状切欠部１６を有する挿入用孔部としての連通穴部１８が設けられており、かつ該連通穴部１８内には、壁部２０ａ、２０ｂが突出形成されている。そして、連通穴部１８の内周壁部と壁部２０ａ、２０ｂには環状段部２２ａ〜２２ｃがそれぞれ設けられ、かつ連通穴部１８のガスケット面１２側開口部には、凹部２４が設けられている。
【００２３】
このブロック本体１０は、例えば、アルミニウムの溶湯を使用してのＨＰＤＣによって作製することができる。
【００２４】
一方、第２の部材であるシリンダスリーブ３０ａは、図３および図４に示すように、下端部近傍の内周壁部がテーパ状に縮径されることによって設けられた縮径部３２（図４参照）を具備する円筒体部３４ａと、該円筒体部３４ａの一端部に設けられた大径部３６ａとを有する。なお、縮径部３２の一部であるテーパ部３８は、シリンダスリーブ３０ａの内周が大径部３６ａから離間するにつれて縮径するように設けられている。
【００２５】
このような形状のシリンダスリーブ３０ａは、例えば、ハイシリコン系アルミニウムからなるワークに対して、押し出し成形や鋳造成形等の公知の成形法を施すことによって作製することができる。
【００２６】
さらに、シリンダスリーブ３０ａと同一構成のシリンダスリーブ３０ｂ、３０ｃを作製する。勿論、これらシリンダスリーブ３０ｂ、３０ｃも、本実施の形態における第２の部材である。
【００２７】
次に、各大径部３６ａ〜３６ｃにおける側周壁部の下方を円周方向に沿って機械加工にて切り欠き、該大径部３６ａ〜３６ｃの下方に環状段部４０ａ〜４０ｃを設ける（図３参照）。その後、大径部３６ｂの一部を直線的に切り欠いて、環状段部４０ｂを露呈する。その一方で、環状段部４０ａ、４０ｃの一部を直線的に切り欠く。
【００２８】
次に、ブロック本体１０の連通穴部１８にシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃを挿入する。挿入されたシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの各下端部が環状段部２２ａ〜２２ｃに載置され、その一方で、大径部３６ａ〜３６ｃが凹部２４に載置されるとともに、大径部３６ａ、３６ｃが環状段部４０ｂ上に載置される。この際、環状段部４０ａ、４０ｃが切り欠かれているので、環状段部４０ａ、４０ｃが環状段部４０ｂに干渉することはない。さらに、環状段部４０ａ〜４０ｃの側周壁部が第２環状切欠部１６の内周壁部に当接する。
【００２９】
この挿入に伴って、第２環状切欠部１６の内周壁部と各シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃとの間にクリアランスが形成される。このクリアランスは、シリンダスリーブ３０ａ、３０ｂ同士の間、およびシリンダスリーブ３０ｂ、３０ｃ同士の間に形成されたクリアランスに連通し、これによりウォータジャケット部４２が形成される。
【００３０】
このように、本実施の形態においては、連通穴部１８にシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃを挿入することによってウォータジャケット部４２が形成される。すなわち、ブロック本体１０にボア穴から離間したウォータジャケット部を設ける必要がない。
【００３１】
このため、ブロック本体１０を鋳造成型する際、鋳造用金型のキャビティに崩壊性中子を配置する必要はない。すなわち、本実施の形態によれば、崩壊性中子を作製する煩雑な作業が不要となるとともに、崩壊性中子の作製コストを削減することができるのでシリンダブロック６０の製造コストを低廉化することができる。
【００３２】
次に、第１環状切欠部１４の内周壁部および壁部２０ａ、２０ｂと、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの外周壁部とを、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法によって互いに接合する。
【００３３】
図５に示すように、摩擦撹拌接合用工具５０は、円柱状の回転体５２と、該回転体５２に比して小径でかつ先端が円錐状のプローブ５４とを備える。本実施の形態においては、シリンダスリーブ３０ａの長手軸方向に対して傾斜した状態で摩擦撹拌接合用工具５０をシリンダスリーブ３０ａ内に挿入し、プローブ５４をテーパ部３８に当接させる。
【００３４】
この状態で回転体５２を回転付勢すると、プローブ５４がテーパ部３８に摺接することに伴って摩擦熱が発生し、テーパ部３８におけるプローブ５４の当接箇所が軟化する。その結果、プローブ５４の先端部がシリンダスリーブ３０ａと第１環状切欠部１４の内周壁部との当接箇所に到達し、該当接箇所においても、シリンダスリーブ３０ａの外周壁部と第１環状切欠部１４の内周壁部とが摩擦熱によって軟化する。
【００３５】
そして、摩擦撹拌接合用工具５０をテーパ部３８に沿って旋回動作させると、軟化した肉は、プローブ５４にて撹拌されることに伴って塑性流動した後、該プローブ５４が離間することに伴って固相接合する。摩擦撹拌接合用工具５０が旋回動作されることに追従してこの現象が逐次的に繰り返されることにより、シリンダスリーブ３０ａの外周壁部と、第１環状切欠部１４の内周壁部または壁部２０ａとが一体的に接合されるに至る。
【００３６】
その後、図６に示すように、プローブ５４を第１環状切欠部１４の内周壁部から離間するように変位させた上で、摩擦撹拌接合用工具５０を縮径部３２から離脱させる。この離脱に伴い、縮径部３２には、離脱穴が形成される。
【００３７】
勿論、残余のシリンダスリーブ３０ｂ、３０ｃにおいても同様の作業が営まれる。
【００３８】
このように、本実施の形態においては、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの各内周壁部に縮径部３２を設けているので、該縮径部３２のテーパ部３８に摩擦撹拌接合用工具５０のプローブ５４を当接させることができる。このため、摩擦撹拌接合を容易に実施することができる。
【００３９】
次に、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの各縮径部３２を除去する。すなわち、例えば、ドリルによって研削加工を行う等して、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの内周を等径とする。これにより、該シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃ内でピストンが往復動作することが可能となる。
【００４０】
この除去の際には、縮径部３２において形成されたプローブ５４の離脱穴が形成された箇所も除去される。このため、円筒体部３４ａ〜３４ｃの内周壁部にプローブ５４の離脱穴が残留することはない。
【００４１】
次に、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの大径部３６ａ〜３６ｃとブロック本体１０におけるガスケット面１２とを接合する。この接合も、摩擦撹拌接合にて行われる。すなわち、摩擦撹拌接合用工具５０の回転体５２を回転付勢し、プローブ５４を摺接させながら大径部３６ａ〜３６ｃおよびブロック本体１０の肉を摩擦撹拌接合する。この場合、図７の矢印Ａに沿って摩擦撹拌接合用工具５０を変位させることによって大径部３６ａ〜３６ｃとガスケット面１２（ブロック本体１０）とを接合すればよい。
【００４２】
この際、図８に拡大して示すように、大径部３６ａ〜３６ｃは、凹部２４に載置されていることによって堅牢に支持されている。また、環状段部４０ａ〜４０ｃの側周壁部が第２環状切欠部１６の内周壁部に当接しているので、該環状段部４０ａ〜４０ｃの楔作用によって、大径部３６ａ〜３６ｃがブロック本体１０から離間し難くなる。このため、ブロック本体１０と大径部３６ａ〜３６ｃとが離間することを防止するためのクランプ用治具を特に使用することなく、摩擦撹拌接合を容易に遂行することができる。
【００４３】
しかも、この場合、ウォータジャケット部４２を閉塞する環状段部４０ａ〜４０ｃが軟化しないので、軟化した肉がウォータジャケット部４２に流動することを回避することもできる。
【００４４】
次に、大径部３６ａ、３６ｂ同士、大径部３６ｂ、３６ｃ同士を摩擦撹拌接合する。この際には、図９の矢印Ｂ、Ｃに沿って摩擦撹拌接合用工具５０を変位させるようにすればよい。この場合においては、シリンダスリーブ３０ｂの環状段部４０ｂにシリンダスリーブ３０ａ、３０ｃの大径部３６ａ、３６ｃが載置されることによって支持されているので、上記と同様、摩擦撹拌接合を容易に遂行することができる。
【００４５】
以上の作業によって、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃとブロック本体１０同士、およびシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃ同士を一体的に接合することができる。
【００４６】
ガスケット面１２側において形成されたプローブ５４の離脱穴は、図１０に示すように、ボルト穴６２ａ〜６２ｈのいずれかとして加工するようにすればよい。例えば、大径部３６ａ〜３６ｃとブロック本体１０とを摩擦撹拌接合する際（図８参照）の離脱穴をボルト穴６２ｅとなるようにすればよい。また、大径部３６ａ、３６ｂ同士を摩擦撹拌接合する際（図９参照）の離脱穴をボルト穴６２ｆとなるようにし、大径部３６ｂ、３６ｃ同士を摩擦撹拌接合する際の離脱穴をボルト穴６２ｇとなるようにすればよい。これにより、プローブ５４の離脱穴が残留することを回避することができる。
【００４７】
以上により、図１０および図１１に示すシリンダブロック６０が得られるに至る。すなわち、互いに異種の金属であるブロック本体１０（アルミニウム）と、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃ（ハイシリコン系アルミニウム）とが互いに接合されたシリンダブロック６０を構成することができる。なお、このシリンダブロック６０は、各大径部３６ａ〜３６ｃが前記凹部２４上に載置されることに伴ってウォータジャケット部４２のガスケット面１２側が大径部３６ａ〜３６ｃで閉塞された、いわゆるクローズドデッキ型シリンダブロックである。
【００４８】
ここで、図１０および図１１においては、便宜上、ブロック本体１０と各シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの大径部３６ａ〜３６ｃとを境界線にて明示しているが、実際には、各部材１０、３６ａ〜３６ｃ同士は摩擦撹拌接合によって継目なく接合されている。すなわち、各部材１０、３６ａ〜３６ｃは一体的に接合されており、視認可能な程度に明確な境界線は存在しない。
【００４９】
このシリンダブロック６０を構成するブロック本体１０は、ＨＰＤＣにて鋳造成形されているので、肉厚が小さい。しかも、図１から諒解されるように、環状切欠部２８とシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃとの間のクリアランス、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃにおける隣接するもの同士の間のクリアランスがウォータジャケット部４２となるので、一般的なシリンダブロック３（図１３参照）のように、ウォータジャケット部１をブロック本体４の中空部として設ける必要はない。
【００５０】
以上の理由から、ブロック本体１０の肉厚を小さくすることができるので、シリンダブロック６０の体積を小さくすることができる。換言すれば、シリンダブロック６０を小型化することができるとともに、軽量化することができる。
【００５１】
このシリンダブロック６０においては、耐摩耗性に優れるハイシリコン系アルミニウムからなるシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃを使用しているので、充分な耐久性が確保される。しかも、この場合、ブロック本体１０を安価なアルミニウムから構成するようにしているので、シリンダブロック６０の製造コストが上昇することがないという利点がある。
【００５２】
なお、上記した実施の形態においては、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃに大径部３６ａ〜３６ｃを設けるようにしているが、シリンダスリーブは、図１２に示すように、縮径部３２のみを有するものであってもよい。この場合、ウォータジャケット部４２のガスケット面１２側が閉塞されていないオープンデッキ型シリンダブロックを構成することもできる。勿論、この場合においても、縮径部３２は、該シリンダスリーブがブロック本体１０に摩擦撹拌接合された後、切削除去される。
【００５３】
いずれの場合においても、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃは、ハイシリコン系アルミニウムからなるものに特に限定されるものではない。例えば、その他のアルミニウム合金からなるものであってもよいし、アルミニウムからなるものであってもよい。別の好適な例としては、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなるシリンダスリーブや、ＭＭＣスリーブ等を挙げることができる。
【００５４】
また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、ブロック本体とシリンダスリーブとを接合する場合に限定されるものではなく、任意の部材における挿入用孔部の内壁と、該挿入用孔部に挿入された中空な別部材の外壁とを摩擦撹拌接合する場合全てに適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る摩擦撹拌接合方法によれば、中空な第２の部材の内壁にテーパ部を設けるようにしている。このため、第１の部材における挿入用孔部の内壁と、該挿入用孔部に挿入された第２の部材の外壁とを、摩擦撹拌用工具を干渉させることなく容易かつ確実に接合することができる。したがって、接合強度に優れた接合部を得ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法が遂行される第１の部材であるブロック本体の要部概略縦断面図である。
【図２】図１のブロック本体におけるガスケット面側からの平面図である。
【図３】本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法が遂行される第２の部材であるシリンダスリーブの概略全体斜視図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。
【図５】図３のシリンダスリーブの外周壁部を連通穴部の内周壁部に摩擦撹拌接合にて接合する状態を示す要部概略縦断面図である。
【図６】摩擦撹拌接合用工具のプローブを変位させて該プローブを連通穴部の内周壁部から離間させた状態を示す要部概略縦断面図である。
【図７】大径部をブロック本体に接合する際の摩擦撹拌接合用工具の変位方向を説明するガスケット面側からの平面説明図である。
【図８】大径部とブロック本体とを摩擦撹拌接合している状態を示す要部拡大縦断面図である。
【図９】大径部同士を接合する際の摩擦撹拌接合用工具の変位方向を説明するガスケット面側からの平面説明図である。
【図１０】図１のブロック本体と図３のシリンダスリーブとが摩擦撹拌接合されることによって作製されたシリンダブロックのガスケット面側からの平面図である。
【図１１】図１０のシリンダブロックの要部概略縦断面図である。
【図１２】別の形状のシリンダスリーブの要部概略縦断面図である。
【図１３】一般的な多気筒クローズドデッキ型シリンダブロックの要部概略縦断面図である。
【符号の説明】
１、４２…ウォータジャケット部 ２、１２…ガスケット面
３、６０…シリンダブロック ４、１０…ブロック本体
５…ボア穴 ６、３０ａ〜３０ｃ…シリンダスリーブ
１４、１６…環状切欠部 １８…連通穴部（挿入用孔部）
２０ａ、２０ｂ…壁部 ２２ａ〜２２ｃ…環状段部
２４…凹部 ３２…縮径部
３４ａ〜３４ｃ…円筒体部 ３６ａ〜３６ｃ…大径部
３８…テーパ部 ４０ａ〜４０ｃ…環状段部
５０…摩擦撹拌接合用工具 ５２…回転体
５４…プローブ ６２ａ〜６２ｈ…ボルト穴
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の部材に設けられた挿入用孔部の内壁と、前記挿入用孔部に挿入された中空な第２の部材の外壁とを互いに接合するための摩擦撹拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の内燃機関を構成するシリンダブロックの１種として、図１３に示すように、ウォータジャケット部１のガスケット面２側が閉塞されているクローズドデッキ型シリンダブロック３が挙げられる。クローズドデッキ型シリンダブロック３には、ブロック本体４の肉厚が同一であれば、ウォータジャケット部のガスケット面側が開放されているオープンデッキ型シリンダブロックに比して剛性が高いという利点がある。
【０００３】
クローズドデッキ型シリンダブロック３の場合、ウォータジャケット部１は、容易に崩壊させることが可能な中子、いわゆる崩壊性中子を用いて、重力鋳造（ＧＤＣ）や低圧鋳造（ＬＰＤＣ）にて形成される。
【０００４】
その一方で、内燃機関においては、ボア穴５の内部でピストン（図示せず）が往復動作する。このため、ボア穴５には、耐摩耗性に優れる素材からなるシリンダスリーブ６、例えば、いわゆるＦＣスリーブやメッキスリーブ、ＭＭＣスリーブ等を挿入し、該シリンダスリーブ６の側周壁部にピストンの側周壁部を摺接させるようにしている。耐摩耗性に優れる他の素材としては、いわゆるハイシリコン系アルミニウムが例示される。
【０００５】
このように、シリンダスリーブ６をブロック本体４と別素材とする理由は、ブロック本体４をハイシリコン系アルミニウムで鋳造成形した場合、ボア穴５に巣穴が形成されるために品質不良の製品が多くなるからである。さらに、ハイシリコン系アルミニウムは切削加工し難いので、機械加工コストが高騰するという不具合を招く。
【０００６】
そこで、クローズドデッキ型シリンダブロック３を製造する場合、まず、鋳造用金型によって形成されるキャビティに崩壊性中子やシリンダスリーブ６等を配置しておき、この状態で溶湯をキャビティに注湯して、該溶湯で崩壊性中子やシリンダスリーブ６等を囲繞する。
【０００７】
次に、溶湯を冷却固化することによってブロック本体４を設ける。この冷却固化に伴って、シリンダスリーブ６が鋳込まれる。
【０００８】
その後、前記崩壊性中子を崩壊させる。この崩壊によって得られた中空部が、ウォータジャケット部１となる。すなわち、この場合、ウォータジャケット部１は、ブロック本体４に設けられる。
【０００９】
ところで、近年では、地球温暖化を防止するために、省エネルギの観点から自動車等の燃費を向上させることが希求されている。その方策として、内燃機関等を軽量化することにより、最終製品である自動車を軽量化することが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【００１０】
内燃機関を軽量化する方策として、ブロック本体とシリンダスリーブとを摩擦撹拌接合にて互いに接合することが想起される。摩擦撹拌接合においては、例えば、高圧鋳造（ＨＰＤＣ）によって作製した肉厚の小さいブロック本体と、シリンダスリーブとを接合することができるので、結局、形状が小さなシリンダブロックを得ることができるからである。
【００１１】
しかしながら、一般的なシリンダスリーブは円筒状であり（図１３参照）、一方、摩擦撹拌接合用工具は長尺物である。このため、シリンダブロックにおけるボア穴の内周壁部とシリンダスリーブの外周壁とを互いに接合しようとする場合、摩擦撹拌接合用工具を水平方向に向けなければならないが、この状態では、摩擦撹拌接合用工具の後端部がシリンダスリーブに干渉するので、該摩擦撹拌接合用工具をシリンダスリーブの内部に挿入することができないという不具合がある。
【００１２】
なお、断面略Ｔ字状のＴ字型部材を板材の端面上に摩擦撹拌接合にて接合する手法としては、特許文献５に提案されているように、接合補助材を使用する方法が知られている。しかしながら、この方法によれば、Ｔ字型部材の脚部における摩擦撹拌接合用工具が当接する側の面と板材の端面とを摩擦撹拌接合することは可能であるものの、シリンダスリーブの外周壁とブロック本体のボア穴における内周壁部のように、摩擦撹拌接合用工具が当接しない側の面同士を接合することはできない。
【００１３】
このように、シリンダスリーブとブロック本体とを摩擦撹拌接合にて互いに接合する方法は困難を伴うため、未だ確立されていない。
【００１４】
【特許文献１】
特開昭５９−３１４２号公報
【特許文献２】
特開昭５８−７４８５０号公報
【特許文献３】
特開昭５９−７９０５６号公報
【特許文献４】
特開昭６０−９４２３０号公報
【特許文献５】
特開２００１−３２１９６５号公報（図１、図４）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、第１の部材における挿入用孔部の内壁と、前記挿入用孔部に挿入された中空な第２の部材の外壁とを確実に接合することができる摩擦撹拌接合方法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】
前記の目的を達成するために、本発明は、第１の部材に設けられた挿入用孔部の内壁と、前記挿入用孔部に挿入された中空な第２の部材の外壁とを摩擦撹拌接合によって接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記第２の部材の内壁に前記挿入用孔部の開口端部から離間するに従って縮幅されたテーパ部を有する縮幅部を設け、
前記テーパ部に摩擦撹拌接合用工具のプローブを当接させた後、前記摩擦撹拌接合用工具を前記テーパ部に沿って移動させ、
前記プローブの回転動作によって生じる摩擦熱にて前記第２の部材のテーパ部および外壁の各肉と、前記第１の部材における前記挿入用孔部の内壁の肉とを軟化させるとともに撹拌して摩擦撹拌接合し、
前記プローブを前記テーパ部から離脱させた後、前記縮幅部を除去することを特徴とする。
【００１７】
この方法においては、第２の部材のテーパ部に摩擦撹拌接合用工具のプローブを当接させて該摩擦撹拌接合用工具を傾斜させる。このため、摩擦撹拌接合用工具が第１の部材に干渉することがない。したがって、摩擦撹拌接合用工具をテーパ部に沿って移動させることにより、第１の部材における挿入用孔部の内壁の肉と、第２の部材の外壁の肉とを容易かつ簡便に接合することができる。
【００１８】
そして、この場合、縮幅部を除去するので、第２の部材における中空部を均一幅とすることができる。
【００１９】
なお、プローブを挿入用孔部の内壁から離間させた後にテーパ部から離脱させ、この離脱により形成された離脱穴を縮幅部とともに除去することが好ましい。これにより、脱離穴が存在しないので美観と剛性が優れる接合部を得ることができる。
【００２０】
第１の部材の好適な例としては、内燃機関のシリンダブロックを構成するブロック本体を挙げることができる。この場合、シリンダボアが挿入用孔部となる。そして、第２の部材の好適な例としては、シリンダスリーブを挙げることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法につき、自動車の内燃機関となるシリンダブロックを構成するシリンダスリーブとブロック本体とを接合する場合を例として説明する。
【００２２】
図１は、第１の部材であるブロック本体１０の要部概略縦断面図であり、図２は、該ブロック本体１０のガスケット面１２側からの平面図である。このブロック本体１０には、第１環状切欠部１４および第２環状切欠部１６を有する挿入用孔部としての連通穴部１８が設けられており、かつ該連通穴部１８内には、壁部２０ａ、２０ｂが突出形成されている。そして、連通穴部１８の内周壁部と壁部２０ａ、２０ｂには環状段部２２ａ〜２２ｃがそれぞれ設けられ、かつ連通穴部１８のガスケット面１２側開口部には、凹部２４が設けられている。
【００２３】
このブロック本体１０は、例えば、アルミニウムの溶湯を使用してのＨＰＤＣによって作製することができる。
【００２４】
一方、第２の部材であるシリンダスリーブ３０ａは、図３および図４に示すように、下端部近傍の内周壁部がテーパ状に縮径されることによって設けられた縮径部３２（図４参照）を具備する円筒体部３４ａと、該円筒体部３４ａの一端部に設けられた大径部３６ａとを有する。なお、縮径部３２の一部であるテーパ部３８は、シリンダスリーブ３０ａの内周が大径部３６ａから離間するにつれて縮径するように設けられている。
【００２５】
このような形状のシリンダスリーブ３０ａは、例えば、ハイシリコン系アルミニウムからなるワークに対して、押し出し成形や鋳造成形等の公知の成形法を施すことによって作製することができる。
【００２６】
さらに、シリンダスリーブ３０ａと同一構成のシリンダスリーブ３０ｂ、３０ｃを作製する。勿論、これらシリンダスリーブ３０ｂ、３０ｃも、本実施の形態における第２の部材である。
【００２７】
次に、各大径部３６ａ〜３６ｃにおける側周壁部の下方を円周方向に沿って機械加工にて切り欠き、該大径部３６ａ〜３６ｃの下方に環状段部４０ａ〜４０ｃを設ける（図３参照）。その後、大径部３６ｂの一部を直線的に切り欠いて、環状段部４０ｂを露呈する。その一方で、環状段部４０ａ、４０ｃの一部を直線的に切り欠く。
【００２８】
次に、ブロック本体１０の連通穴部１８にシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃを挿入する。挿入されたシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの各下端部が環状段部２２ａ〜２２ｃに載置され、その一方で、大径部３６ａ〜３６ｃが凹部２４に載置されるとともに、大径部３６ａ、３６ｃが環状段部４０ｂ上に載置される。この際、環状段部４０ａ、４０ｃが切り欠かれているので、環状段部４０ａ、４０ｃが環状段部４０ｂに干渉することはない。さらに、環状段部４０ａ〜４０ｃの側周壁部が第２環状切欠部１６の内周壁部に当接する。
【００２９】
この挿入に伴って、第２環状切欠部１６の内周壁部と各シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃとの間にクリアランスが形成される。このクリアランスは、シリンダスリーブ３０ａ、３０ｂ同士の間、およびシリンダスリーブ３０ｂ、３０ｃ同士の間に形成されたクリアランスに連通し、これによりウォータジャケット部４２が形成される。
【００３０】
このように、本実施の形態においては、連通穴部１８にシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃを挿入することによってウォータジャケット部４２が形成される。すなわち、ブロック本体１０にボア穴から離間したウォータジャケット部を設ける必要がない。
【００３１】
このため、ブロック本体１０を鋳造成型する際、鋳造用金型のキャビティに崩壊性中子を配置する必要はない。すなわち、本実施の形態によれば、崩壊性中子を作製する煩雑な作業が不要となるとともに、崩壊性中子の作製コストを削減することができるのでシリンダブロック６０の製造コストを低廉化することができる。
【００３２】
次に、第１環状切欠部１４の内周壁部および壁部２０ａ、２０ｂと、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの外周壁部とを、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法によって互いに接合する。
【００３３】
図５に示すように、摩擦撹拌接合用工具５０は、円柱状の回転体５２と、該回転体５２に比して小径でかつ先端が円錐状のプローブ５４とを備える。本実施の形態においては、シリンダスリーブ３０ａの長手軸方向に対して傾斜した状態で摩擦撹拌接合用工具５０をシリンダスリーブ３０ａ内に挿入し、プローブ５４をテーパ部３８に当接させる。
【００３４】
この状態で回転体５２を回転付勢すると、プローブ５４がテーパ部３８に摺接することに伴って摩擦熱が発生し、テーパ部３８におけるプローブ５４の当接箇所が軟化する。その結果、プローブ５４の先端部がシリンダスリーブ３０ａと第１環状切欠部１４の内周壁部との当接箇所に到達し、該当接箇所においても、シリンダスリーブ３０ａの外周壁部と第１環状切欠部１４の内周壁部とが摩擦熱によって軟化する。
【００３５】
そして、摩擦撹拌接合用工具５０をテーパ部３８に沿って旋回動作させると、軟化した肉は、プローブ５４にて撹拌されることに伴って塑性流動した後、該プローブ５４が離間することに伴って固相接合する。摩擦撹拌接合用工具５０が旋回動作されることに追従してこの現象が逐次的に繰り返されることにより、シリンダスリーブ３０ａの外周壁部と、第１環状切欠部１４の内周壁部または壁部２０ａとが一体的に接合されるに至る。
【００３６】
その後、図６に示すように、プローブ５４を第１環状切欠部１４の内周壁部から離間するように変位させた上で、摩擦撹拌接合用工具５０を縮径部３２から離脱させる。この離脱に伴い、縮径部３２には、離脱穴が形成される。
【００３７】
勿論、残余のシリンダスリーブ３０ｂ、３０ｃにおいても同様の作業が営まれる。
【００３８】
このように、本実施の形態においては、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの各内周壁部に縮径部３２を設けているので、該縮径部３２のテーパ部３８に摩擦撹拌接合用工具５０のプローブ５４を当接させることができる。このため、摩擦撹拌接合を容易に実施することができる。
【００３９】
次に、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの各縮径部３２を除去する。すなわち、例えば、ドリルによって研削加工を行う等して、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの内周を等径とする。これにより、該シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃ内でピストンが往復動作することが可能となる。
【００４０】
この除去の際には、縮径部３２において形成されたプローブ５４の離脱穴が形成された箇所も除去される。このため、円筒体部３４ａ〜３４ｃの内周壁部にプローブ５４の離脱穴が残留することはない。
【００４１】
次に、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの大径部３６ａ〜３６ｃとブロック本体１０におけるガスケット面１２とを接合する。この接合も、摩擦撹拌接合にて行われる。すなわち、摩擦撹拌接合用工具５０の回転体５２を回転付勢し、プローブ５４を摺接させながら大径部３６ａ〜３６ｃおよびブロック本体１０の肉を摩擦撹拌接合する。この場合、図７の矢印Ａに沿って摩擦撹拌接合用工具５０を変位させることによって大径部３６ａ〜３６ｃとガスケット面１２（ブロック本体１０）とを接合すればよい。
【００４２】
この際、図８に拡大して示すように、大径部３６ａ〜３６ｃは、凹部２４に載置されていることによって堅牢に支持されている。また、環状段部４０ａ〜４０ｃの側周壁部が第２環状切欠部１６の内周壁部に当接しているので、該環状段部４０ａ〜４０ｃの楔作用によって、大径部３６ａ〜３６ｃがブロック本体１０から離間し難くなる。このため、ブロック本体１０と大径部３６ａ〜３６ｃとが離間することを防止するためのクランプ用治具を特に使用することなく、摩擦撹拌接合を容易に遂行することができる。
【００４３】
しかも、この場合、ウォータジャケット部４２を閉塞する環状段部４０ａ〜４０ｃが軟化しないので、軟化した肉がウォータジャケット部４２に流動することを回避することもできる。
【００４４】
次に、大径部３６ａ、３６ｂ同士、大径部３６ｂ、３６ｃ同士を摩擦撹拌接合する。この際には、図９の矢印Ｂ、Ｃに沿って摩擦撹拌接合用工具５０を変位させるようにすればよい。この場合においては、シリンダスリーブ３０ｂの環状段部４０ｂにシリンダスリーブ３０ａ、３０ｃの大径部３６ａ、３６ｃが載置されることによって支持されているので、上記と同様、摩擦撹拌接合を容易に遂行することができる。
【００４５】
以上の作業によって、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃとブロック本体１０同士、およびシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃ同士を一体的に接合することができる。
【００４６】
ガスケット面１２側において形成されたプローブ５４の離脱穴は、図１０に示すように、ボルト穴６２ａ〜６２ｈのいずれかとして加工するようにすればよい。例えば、大径部３６ａ〜３６ｃとブロック本体１０とを摩擦撹拌接合する際（図８参照）の離脱穴をボルト穴６２ｅとなるようにすればよい。また、大径部３６ａ、３６ｂ同士を摩擦撹拌接合する際（図９参照）の離脱穴をボルト穴６２ｆとなるようにし、大径部３６ｂ、３６ｃ同士を摩擦撹拌接合する際の離脱穴をボルト穴６２ｇとなるようにすればよい。これにより、プローブ５４の離脱穴が残留することを回避することができる。
【００４７】
以上により、図１０および図１１に示すシリンダブロック６０が得られるに至る。すなわち、互いに異種の金属であるブロック本体１０（アルミニウム）と、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃ（ハイシリコン系アルミニウム）とが互いに接合されたシリンダブロック６０を構成することができる。なお、このシリンダブロック６０は、各大径部３６ａ〜３６ｃが前記凹部２４上に載置されることに伴ってウォータジャケット部４２のガスケット面１２側が大径部３６ａ〜３６ｃで閉塞された、いわゆるクローズドデッキ型シリンダブロックである。
【００４８】
ここで、図１０および図１１においては、便宜上、ブロック本体１０と各シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃの大径部３６ａ〜３６ｃとを境界線にて明示しているが、実際には、各部材１０、３６ａ〜３６ｃ同士は摩擦撹拌接合によって継目なく接合されている。すなわち、各部材１０、３６ａ〜３６ｃは一体的に接合されており、視認可能な程度に明確な境界線は存在しない。
【００４９】
このシリンダブロック６０を構成するブロック本体１０は、ＨＰＤＣにて鋳造成形されているので、肉厚が小さい。しかも、図１から諒解されるように、環状切欠部２８とシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃとの間のクリアランス、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃにおける隣接するもの同士の間のクリアランスがウォータジャケット部４２となるので、一般的なシリンダブロック３（図１３参照）のように、ウォータジャケット部１をブロック本体４の中空部として設ける必要はない。
【００５０】
以上の理由から、ブロック本体１０の肉厚を小さくすることができるので、シリンダブロック６０の体積を小さくすることができる。換言すれば、シリンダブロック６０を小型化することができるとともに、軽量化することができる。
【００５１】
このシリンダブロック６０においては、耐摩耗性に優れるハイシリコン系アルミニウムからなるシリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃを使用しているので、充分な耐久性が確保される。しかも、この場合、ブロック本体１０を安価なアルミニウムから構成するようにしているので、シリンダブロック６０の製造コストが上昇することがないという利点がある。
【００５２】
なお、上記した実施の形態においては、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃに大径部３６ａ〜３６ｃを設けるようにしているが、シリンダスリーブは、図１２に示すように、縮径部３２のみを有するものであってもよい。この場合、ウォータジャケット部４２のガスケット面１２側が閉塞されていないオープンデッキ型シリンダブロックを構成することもできる。勿論、この場合においても、縮径部３２は、該シリンダスリーブがブロック本体１０に摩擦撹拌接合された後、切削除去される。
【００５３】
いずれの場合においても、シリンダスリーブ３０ａ〜３０ｃは、ハイシリコン系アルミニウムからなるものに特に限定されるものではない。例えば、その他のアルミニウム合金からなるものであってもよいし、アルミニウムからなるものであってもよい。別の好適な例としては、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなるシリンダスリーブや、ＭＭＣスリーブ等を挙げることができる。
【００５４】
また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、ブロック本体とシリンダスリーブとを接合する場合に限定されるものではなく、任意の部材における挿入用孔部の内壁と、該挿入用孔部に挿入された中空な別部材の外壁とを摩擦撹拌接合する場合全てに適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る摩擦撹拌接合方法によれば、中空な第２の部材の内壁にテーパ部を設けるようにしている。このため、第１の部材における挿入用孔部の内壁と、該挿入用孔部に挿入された第２の部材の外壁とを、摩擦撹拌用工具を干渉させることなく容易かつ確実に接合することができる。したがって、接合強度に優れた接合部を得ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法が遂行される第１の部材であるブロック本体の要部概略縦断面図である。
【図２】図１のブロック本体におけるガスケット面側からの平面図である。
【図３】本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法が遂行される第２の部材であるシリンダスリーブの概略全体斜視図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。
【図５】図３のシリンダスリーブの外周壁部を連通穴部の内周壁部に摩擦撹拌接合にて接合する状態を示す要部概略縦断面図である。
【図６】摩擦撹拌接合用工具のプローブを変位させて該プローブを連通穴部の内周壁部から離間させた状態を示す要部概略縦断面図である。
【図７】大径部をブロック本体に接合する際の摩擦撹拌接合用工具の変位方向を説明するガスケット面側からの平面説明図である。
【図８】大径部とブロック本体とを摩擦撹拌接合している状態を示す要部拡大縦断面図である。
【図９】大径部同士を接合する際の摩擦撹拌接合用工具の変位方向を説明するガスケット面側からの平面説明図である。
【図１０】図１のブロック本体と図３のシリンダスリーブとが摩擦撹拌接合されることによって作製されたシリンダブロックのガスケット面側からの平面図である。
【図１１】図１０のシリンダブロックの要部概略縦断面図である。
【図１２】別の形状のシリンダスリーブの要部概略縦断面図である。
【図１３】一般的な多気筒クローズドデッキ型シリンダブロックの要部概略縦断面図である。
【符号の説明】
１、４２…ウォータジャケット部 ２、１２…ガスケット面
３、６０…シリンダブロック ４、１０…ブロック本体
５…ボア穴 ６、３０ａ〜３０ｃ…シリンダスリーブ
１４、１６…環状切欠部 １８…連通穴部（挿入用孔部）
２０ａ、２０ｂ…壁部 ２２ａ〜２２ｃ…環状段部
２４…凹部 ３２…縮径部
３４ａ〜３４ｃ…円筒体部 ３６ａ〜３６ｃ…大径部
３８…テーパ部 ４０ａ〜４０ｃ…環状段部
５０…摩擦撹拌接合用工具 ５２…回転体
５４…プローブ ６２ａ〜６２ｈ…ボルト穴
Claims (3)
- 第１の部材に設けられた挿入用孔部の内壁と、前記挿入用孔部に挿入された中空な第２の部材の外壁とを摩擦撹拌接合によって接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記第２の部材の内壁に前記挿入用孔部の開口端部から離間するに従って縮幅されたテーパ部を有する縮幅部を設け、
前記テーパ部に摩擦撹拌接合用工具のプローブを当接させた後、前記摩擦撹拌接合用工具を前記テーパ部に沿って移動させ、
前記プローブの回転動作によって生じる摩擦熱にて前記第２の部材のテーパ部および外壁の各肉と、前記第１の部材における前記挿入用孔部の内壁の肉とを軟化させるとともに撹拌して摩擦撹拌接合し、
前記プローブを前記テーパ部から離脱させた後、前記縮幅部を除去することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 請求項１記載の摩擦撹拌接合方法において、前記プローブを前記挿入用孔部の内壁から離間させた後に前記テーパ部から離脱させ、この離脱により形成された離脱穴を前記縮幅部とともに除去することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
- 請求項１または２記載の摩擦撹拌接合方法において、前記第１の部材として内燃機関のシリンダブロックを構成するブロック本体を使用し、前記挿入用孔部としてのシリンダボアに前記第２の部材としてのシリンダスリーブを挿入して前記摩擦撹拌接合を遂行することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
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-
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- 2003-01-28 JP JP2003019426A patent/JP2004261813A/ja active Pending
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