JP2006068782A - 摩擦攪拌接合構造および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合にて接合するプロペラシャフトの軸管とヨークを未攪拌領域が形成されないように接合する。
【解決手段】軸管３の左端面３ａとヨーク円筒部７の端面７ａを突き合わせた突き合わせ部１５を摩擦攪拌することによって軸管３とヨーク４を接合する摩擦攪拌接合方法において、突き合わせ部１５をＣ方向に回転させると共に、攪拌用ピン１２にて攪拌開始点１８から少なくとも前記元の攪拌開始点１８まで摩擦攪拌する。
【選択図】図３

Description

本発明は、二つの円筒部材の端面同士がなす突き合わせ部を摩擦攪拌することによって前記円筒部材同士を接合する摩擦攪拌接合構造および摩擦攪拌接合方法に関するものであって、例えば、車両用プロペラシャフトをなすスタブ軸、軸管およびヨークなどを互いに接合する摩擦攪拌接合構造および摩擦攪拌接合方法に関するものである。

車両用プロペラシャフトをなす軸管とヨークを摩擦攪拌接合する方法としては、以下の特許文献１に記載のものが提案されている。

この接合方法は、摩擦攪拌装置が備える円柱状の攪拌用ショルダーと、前記攪拌用ショルダーから突設された攪拌用ピンをそれぞれ円周方向に回転させ、前記攪拌用ピンを軸管の端面およびヨークの端面を互いに突き合せた突き合わせ部に径方向外側から挿入する一方、攪拌用ショルダーの平坦面からなるショルダー面を突き合わせ部の外周部に圧接させている。そして、その状態をもって攪拌用ショルダーと攪拌用ピンを回転させながら突き合わせ部の円周方向に沿って移動させることによって前記突き合わせ部を摩擦攪拌し、軸管とヨークを接合している。
特開２００２−１３７６４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、攪拌用ピンが摩擦攪拌した領域はショルダー面が摩擦攪拌した領域よりも小さくなっているため、例えば攪拌用ショルダーと攪拌用ピンを突き合わせ部の円周方向へ一回転近く回転させ、ショルダー面により突き合わせ部の外周側が全周にわたって摩擦攪拌されたとしても、攪拌用ピンにより突き合わせ部の内周側が全周にわたって摩擦攪拌されておらず、いわゆる未攪拌領域が残ってしまうおそれがある。この結果、軸管とヨークを接合するのに十分な接合強度を得るのが困難となっている。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、前記突き合わせ部において未攪拌領域が形成されるのを防止し、十分な接合強度を得られるようにした摩擦攪拌接合構造および摩擦攪拌接合方法を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、摩擦攪拌時における攪拌用ピンの攪拌開始点から攪拌終了点までの円周方向の移動範囲を、前記攪拌開始点から少なくとも前記元の攪拌開始点まで設定したことを特徴としている。

この発明によれば、攪拌用ピンの移動範囲を攪拌開始点から少なくとも前記元の攪拌開始点まで設定しているので、攪拌用ピンにより突き合わせ部の内周側の全周にわたって十分に摩擦攪拌することができる。したがって、突き合わせ部において未攪拌領域が形成されるのが防止され、この結果、円筒部材同士の接合強度を向上できる。

請求項２に記載の発明は、前記二つの円筒部材は、動力源から減速装置へ回転トルクを伝達する車両用プロペラシャフトを構成する部材であって、前記二つの円筒部材のうち、一方の円筒部材がアルミニウム合金で成形された軸管であり、他方の円筒部材が鉄系金属材料で成形された継手部材であることを特徴としている。

この発明によれば、動力源から回転トルクを受けるため強度が要求されてくるプロペラシャフトの軸管と継手部材を確実に接合することが可能となり、プロペラシャフトの破損を未然に防止できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の技術を実質的に接合方法としてとらえたものであって、摩擦攪拌時には、前記攪拌用ピンを円周方向に沿って移動させ、攪拌開始点から少なくとも前記元の攪拌開始点まで摩擦攪拌することを特徴としている。

この発明によれば、攪拌用ピンが攪拌開始点から少なくとも前記元の攪拌開始点まで摩擦攪拌するので、攪拌用ピンにより突き合わせ部の内周側の全周にわたって十分に摩擦攪拌できる。したがって、突き合わせ部において未攪拌領域が形成されるのが防止され、この結果、円筒部材同士の接合強度を向上できる。

図１〜４は本発明に係る実施の形態を示しており、図１は車両用プロペラシャフトの全体概要図を、図２は図１のＡ部の拡大図を、図３は図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図を、図４は図３の突き合わせ部の全範囲が摩擦攪拌された図をそれぞれ示している。

プロペラシャフト１は、図１に示すように、図外の等速ジョイントにセレーション接合される継手部材であるほぼ円柱状のスタブ軸２と、円筒部材である中空円筒状の軸管３と、図示外の十字軸を連結する継手部材であるほぼＵ字状のヨーク４とから大略構成されている。前記プロペラシャフト１は、図外の動力源から図外の減速装置に動力を伝達するものであって、スタブ軸２が動力源から受けた回転トルクが軸管３およびヨーク４を介して減速装置に伝達される。

前記スタブ軸２は、鉄系金属材料であるスチール合金から成形されており、スタブ軸２のうち、軸管３側は拡径していると共に中空円筒状のスタブ軸円筒部６が形成されている。

前記軸管３は、高硬度で且つ押し出し性が良好である例えばアルミニウム合金Ａ６０６１から成形されている。なお、軸管３は、ＪＩＳ５０００系アルミニウム合金、もしくはＪＩＳ６０００系アルミニウム合金であることが好ましい。

前記ヨーク４は、鉄系金属材料であるスチール合金から成形されており、ヨーク４のうち、軸管３側には中空円筒状のヨーク円筒部７が形成されている。一方、図外の減速装置側は平板状の一対のフランジ部８となっていて、このフランジ部８には図外の十字軸が装着される取付孔９がそれぞれ貫通形成されている。

前記軸管３の左端面３ａと前記ヨーク円筒部７の端面７ａ、および前記軸管３の右端面３ｂと前記スタブ軸円筒部６の端面６ａはそれぞれ断面円環状になっていて、肉厚がそれぞれほぼ均一厚さに形成されている。

そして、それぞれ対向している左端面３ａおよび端面７ａを軸方向から突き合わせた突き合わせ部１５、およびそれぞれ対向している右端面３ｂ，端面６ａを軸方向から突き合わせた突き合わせ部１６が摩擦攪拌されることによってスタブ軸２と軸管３、および軸管３とヨーク４がそれぞれ接合される。

ここで、突き合わせ部１５，１６を摩擦攪拌するために、図１のほか図２に示すように、攪拌ロッド１０が使用される。前記攪拌ロッド１０は、図示外の摩擦攪拌装置に固定されている円柱状の攪拌用ショルダー１１と、円柱状で先鋭に形成された攪拌用ピン１２とから大略構成され、それぞれが炭素工具鋼鋼材であるＳＫ材（ＪＩＳ規格）で成形されている。

前記攪拌用ショルダー１０は、この下端が円形状のショルダー面１１ａとなっている一方、前記攪拌用ピン１２は、ショルダー面１１ａの中心部となる位置にねじ止め固定されている。

前記攪拌ロッド１０は、攪拌用ショルダー１１が図外の摩擦攪拌装置の駆動源から回転トルクを受け、その攪拌用ショルダー１１が所定の速度で円周方向に回転することによって攪拌用ピン１２も同じく円周方向に回転するようになっている。なお、攪拌用ピン１２は回転方向とは逆方向に螺合することによってねじ止め固定されており、回転中に攪拌用ショルダー１１から不用意に脱落しないようになっている。

以下に、前記軸管３と前記ヨーク４を摩擦攪拌接合する方法を示す。

前記軸管３と前記ヨーク４を接合する際には、図２に示すように、所定の回転数で回転している攪拌用ピン１２を軸管３およびヨーク円筒部７の径方向外側から突き合わせ部１５に挿入する一方、同じく所定の回転数で回転しているショルダー面１１ａを前記突き合わせ部１５の外周部に圧接させる。

これによって、攪拌用ピン１２が突き合わせ部１５の内周部を、ショルダー面１１ａが突き合わせ部１５の外周部とこの近傍をそれぞれ摩擦攪拌し、突き合わせ部１５が塑性流動する。なお、攪拌用ピン１２は、軸管３およびヨーク円筒部７の肉厚よりも短く形成されているので、突き合わせ部１５の内周部側には貫通しないようになっている。

前記突き合わせ部１５とこの近傍では、図２に示すように、摩擦攪拌される範囲がほぼ碗型状となり、攪拌用ピン１２によって摩擦攪拌される突き合わせ部１５の内周面側の攪拌領域ｄ２が、ショルダー面１１ａによって摩擦攪拌される突き合わせ部１５の外周面側の攪拌領域ｄ１よりも範囲が狭くなる。

なお、ここでいう塑性流動とは、材料を溶融させずに攪拌するものであって、例えばアルミニウム合金であれば４００℃〜５００℃程度に加熱される。

また、前記ショルダー面１１ａは、突き合わせ部１５の外周部に圧接させることによって突き合わせ部１５とこの近傍を摩擦攪拌する他に、摩擦攪拌された軸管３とヨーク４が拡散すなわち軸管３およびヨーク円筒部７の径方向外側に溢れ出るのを防止する機能も備えている。

そして、軸管３およびヨーク円筒部７の軸心を中心として突き合わせ部１５を、図３に示すように、矢印Ｃ方向に所定の速度で回転させ、回転しているショルダー面１１ａと攪拌用ピン１２が突き合わせ部１５の円周方向に沿って移動しつつ摩擦攪拌することによって、突き合わせ部１５とこの近傍を塑性流動させる。

図４は図３で示した突き合わせ部１５を矢印Ｃ方向に回転させ、攪拌用ピン１２が突き合わせ部１５から抜出される攪拌終了点１９にある状態を示したものであって、ハッチング線領域は攪拌用ショルダー１１および攪拌用ピン１２によって摩擦攪拌された領域を示しており、特にクロスハッチング線領域は、重複して摩擦攪拌された領域を示している。

図３に示す突き合わせ部１５を矢印Ｃ方向に３６０°回転させたことによって、図４に示すように、攪拌用ピン１２を突き合わせ部１５から抜出する攪拌終了点１９が、攪拌用ピン１２を突き合わせ部１５に挿入した攪拌開始点１８と同一の位置となっている。すなわち、攪拌終了点１９が攪拌開始点１８と重合している状態であるため、突き合わせ部１５の内周側においても攪拌用ピン１２による未攪拌領域が形成されることなく、突き合わせ部１５の全範囲において摩擦攪拌が施される。

また、前記突き合わせ部１５を３６０°よりも大きく回転させ、図５に示すように、攪拌終了点１９が攪拌開始点１８を例えば角度ｅだけ通過するようにオーバーラップさせれば、攪拌用ピン１２による未攪拌領域が形成されることなく、より確実に突き合わせ部１５の全範囲において摩擦攪拌を施すことができる。

したがって、攪拌用ピン１２を突き合わせ部１５の円周方向に沿って移動させ、攪拌開始点１８から少なくとも前記元の攪拌開始点１８まで摩擦攪拌することによって、確実に軸管３とヨーク４を接合することができる。

なお、軸管３の右端面３ｂとスタブ軸円筒部６の端面６ａとの突き合わせ部１６を接合する際にも、同様な方法で摩擦攪拌することによって確実に軸管３とスタブ軸２を接合することができる。

このように、この実施の形態によれば、軸管３の左端面３ａとヨーク円筒部７の端面７ａのなす突き合わせ部１５、および軸管３の右端面３ｂとスタブ軸円筒部６の端面６ａのなす突き合わせ部１６をそれぞれ確実に接合することによって優れた接合強度が得られ、この結果、プロペラシャフトの全体強度が向上し破損を未然に防止できる。

なお、前記スタブ軸２および前記ヨーク４が、それぞれアルミニウム合金にて成形されていても、本実施の形態における摩擦攪拌接合方法にて接合することができる。

ここで、通常、摩擦攪拌終了時には攪拌用ピン１２を突き合わせ部１５から抜出すると共に、ショルダー面１１ａを突き合わせ部１５の外周部から離間させるが、ショルダー面１１ａによる摩擦熱が失われることによって、攪拌用ピン１２を突き合わせ部１５から抜出した際に軸管３およびヨーク４を塑性流動させる摩擦熱が不足し、攪拌用ピン１２を抜出した痕跡すなわちへこみが残ってしまうおそれがある。

そこで、攪拌ロッド１０において、ショルダー面１１ａから突設されている攪拌用ピン１２を攪拌用ショルダー１１の軸方向に上下動するように設計し、攪拌終了点１９が攪拌開始点１８と重合するように摩擦攪拌した後に、図４に示すように、突き合わせ部１５をＣ方向に回転させ、ショルダー面１１ａにて突き合わせ部１５の外周部を摩擦攪拌しつつ攪拌用ピン１２のみを回転させた状態で矢印Ｇ方向に移動させることによって突き合わせ部１５より抜出できるようにする。

上記のように上下動可能な攪拌用ピン１２を用いた摩擦攪拌接合方法によれば、ショルダー面１１ａによって突き合わせ部１５の外周部を塑性流動させる摩擦熱が確保しつつ攪拌用ピン１２を抜出できるため、突き合わせ部１５の外周部に攪拌用ピン１２を抜出したへこみを残さず軸管３とヨーク４を接合できるようになる。

本発明は前記実施形態の構成に限定されるものではなく、プロペラシャフトを構成する部材以外の円筒部材同士（例えば金属製のパイプなど）を摩擦攪拌接合する場合であっても、本実施の形態における摩擦攪拌接合にて接合できる。

また、例えば円筒部材の外径や肉厚が異なっている場合であっても、それぞれの円筒部材の対向する端面同士を突き合わせることが可能であれば本実施の形態における摩擦攪拌接合方法にて接合できる。

加えて、例えば円筒部材が中実円筒状の場合や、円筒部材の突き合わせ部が円筒部材の軸方向と垂直でない場合であっても、本実施の形態における摩擦接合方法にて接合できる。

前記実施形態から把握される前記請求項に記載した発明以外の技術的思想について以下に説明する。

請求項（１） 二つの円筒部材の対向する端面同士を軸方向から突き合わせると共に、該突き合わせ部の外周部に径方向外側から圧接した摩擦攪拌装置の攪拌用ショルダーと該突き合わせ部に径方向外側から挿入した摩擦攪拌装置の攪拌用ピンを、それぞれ回転させつつ前記円筒部材のほぼ円周方向に沿って移動させて、前記突き合わせ部を摩擦攪拌することにより前記円筒部材同士を接合する摩擦攪拌接合方法において、摩擦攪拌時には、前記攪拌用ピンと前記攪拌用ショルダーを円周方向に沿って移動させ、摩擦攪拌開始点から少なくとも前記元の攪拌開始点まで摩擦攪拌し、その後、前記攪拌用ショルダーを前記突き合わせ部に沿って移動させつつ前記攪拌用ピンを前記突き合わせ部から抜出することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

この発明によれば、攪拌用ピンによる未攪拌領域を形成することなく確実に突き合わせ部を接合できると共に、攪拌用ピンを抜出したへこみが残らないため、円筒部材の断面形状が安定し突き合わせ部の接合強度が飛躍的に向上する。

軸管とヨークの突き合わせ部に攪拌用ピンを挿入したプロペラシャフトの全体概要図である。 図１におけるＡ部の拡大図である。 図２におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 攪拌終了点が攪拌開始点と重合するように摩擦攪拌した突き合わせ部の断面図である。 攪拌終了点が攪拌開始点を通過するように摩擦攪拌した突き合わせ部の断面図である。

符号の説明

１…プロペラシャフト
２…スタブ軸（継手部材）
３…軸管（円筒部材）
３ａ…左端面
３ｂ…右端面
４…ヨーク（継手部材）
６…スタブ軸円筒部（円筒部材）
６ａ…端面
７…ヨーク円筒部（円筒部材）
７ａ…端面
１１…攪拌用ショルダー
１２…攪拌用ピン
１５…突き合わせ部
１６…突き合わせ部
１８…攪拌開始点
１９…攪拌終了点

Claims (3)

1. 二つの円筒部材の対向する端面同士を軸方向から突き合わせると共に、該突き合わせ部に径方向外側から挿入した摩擦攪拌装置の攪拌用ピンを、回転させつつ前記円筒部材のほぼ円周方向に沿って移動させて、前記突き合わせ部を摩擦攪拌することにより前記円筒部材同士を接合する摩擦攪拌接合構造において、
   摩擦攪拌時における攪拌用ピンの攪拌開始点から攪拌終了点までの円周方向の移動範囲を、前記攪拌開始点から少なくとも前記元の攪拌開始点まで設定したことを特徴とする摩擦攪拌接合構造。
2. 前記二つの円筒部材は、動力源から減速装置へ回転トルクを伝達する車両用プロペラシャフトを構成する部材であって、
   前記二つの円筒部材のうち、一方の円筒部材がアルミニウム合金で成形された軸管であり、他方の円筒部材が鉄系金属材料で成形された継手部材であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合構造。
3. 二つの円筒部材の対向する端面同士を軸方向から突き合わせると共に、該突き合わせ部に径方向外側から挿入した摩擦攪拌装置の攪拌用ピンを、回転させつつ前記円筒部材のほぼ円周方向に沿って移動させて、前記突き合わせ部を摩擦攪拌することにより前記円筒部材同士を接合する摩擦攪拌接合方法において、
   摩擦攪拌時には、前記攪拌用ピンを円周方向に沿って移動させ、攪拌開始点から少なくとも前記元の攪拌開始点まで摩擦攪拌することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
   

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