JP2007144432A

JP2007144432A - 接合方法

Info

Publication number: JP2007144432A
Application number: JP2005338672A
Authority: JP
Inventors: Koji Shimoda; 好司霜田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】接合強度及び接合部品の品質が確保される接合方法を提供する。
【解決手段】電磁バルブ１７を所定時間だけ開いて、第２の油圧ポンプP2 の油圧を油圧シリンダ１５に供給し、シャフト２に衝撃荷重を負荷させる。これにより、衝撃荷重の撃力によってシャフト２が下方へ押込まれ、ロータ１がシャフト２によって打抜かれ、該ロータ１に形成される打抜き穴４にシャフト２が圧入される。この時、圧入に使用される仕事の、接合面の単位面積当りの仕事率 E4 を、1.0×10⁷W /m²以上に確保する。これにより、圧入に伴う高速度摩擦時に、接合面の最表面に、高い密度のエネルギが集中的に付与され、当該接合面に金属的な結合に相当する接合層が形成され、ロータ１とシャフト２とが金属接合される。これにより、ロータシャフト３（接合部品）の接合強度が確保され、品質が確保される。
【選択図】図２

Description

本発明は、機械的性質が相違する両部材を非電気的に接合する方法に関する。

一般に、ハイブリッド車の原動機として用いられる電動モータのロータシャフト（以下、単にロータシャフトと称する。）は、シャフトと円板状のロータとを接合して製造される。従来、ロータシャフトのロータとシャフトとは、カシメ、圧入、若しくは溶接等によって接合されていたが、カシメ及び圧入による接合の場合、接合面に吸収されるエネルギが小さいため、当該接合面に金属接合層が形成され難く、強度の確保が困難である。また、溶接による接合の場合、金属組織的な接合（以下、金属接合と称する。）が得られるが、熱影響による歪みやスパッタの飛散の問題があり、精度の確保が困難である。そこで、特許文献１には、相対する部材の相互の表面を当接させ、少なくとも一方の部材に衝撃的荷重を負荷し、部材の当接部界面に予め加えておいた面圧力、又は当該衝撃的荷重の負荷に伴って生じる面圧力の作用下で当該衝撃的荷重による高速度摩擦を行う衝撃摩擦接合方法が開示されている。この衝撃摩擦接合方法では、高速度摩擦によって生じる摩擦熱を、摩擦熱の実質的な拡散がない微小時間内に当接部界面に生じさせ、これにより、当該当接部界面に金属接合層を形成する。

しかしながら、上記衝撃摩擦接合方法では、両部材を相対的に位置決めすることができないため、部品精度の確保が困難である。また、金属接合による十分な接合強度を確保するには予熱処理が必要となり、精度確保が困難である。さらに、従来、一方の部材の一端面にアキュムレータに蓄えられた圧縮空気の圧力を負荷させることにより当該部材を高速度で移動（運動）させ、運動エネルギを有する一方の部材（ロータシャフトにおけるシャフトに相当）を他方の部材（ロータシャフトにおけるロータに相当）に圧入させる慣性圧入方法（例えば、特許文献２参照。）が知られているが、シャフト（一方の部材）がフリーの状態（型等に拘束されていない状態）であるため、シャフトの移送姿勢及び移動速度が安定せず、シャフトの運動エネルギにばらつきが生じ、ロータ（他方の部材）に対するシャフトの相対位置（圧入量）がばらつく。このため、圧入量のばらつきを機械加工によって修正する必要が生じ、工数が増加し、生産性が低下すると共に製造コストが増大する。
特許第３０３０４７８号公報（段落番号００１７〜００１８、図５）特許第３５５７９０１号公報（段落番号００１７〜００２２、図５〜図８）

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、接合強度及び接合部品の品質が確保される接合方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、板材と該板材を貫通する軸材とを接合させる方法であって、板材を下型によって支持すると共に軸材の外周面をガイド型によって拘束し、この状態で、第１の油圧ポンプから供給される油圧によってラムを駆動して、該ラムによって軸材の一端面を押圧することにより軸材の他端面を板材に当接させ、次に、第２の油圧ポンプから供給される油圧によってラムを駆動して、軸材に衝撃荷重を負荷させることにより、軸材によって板材を打抜きつつ、該板材の打抜き穴に軸材を圧入させ、該圧入時に、圧入に伴って板材と軸材との接触面に作用する仕事の単位面積当りの仕事率を所定値以上に確保することにより、軸材と板材との間に強固な接合層を形成し、軸材と板材とを接合させることを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項２に記載の発明は、板材と該板材に形成された下穴を貫通する軸材とを接合させる方法であって、板材を下型によって支持すると共に軸材の外周面をガイド型によって拘束し、この状態で、第１の油圧ポンプから供給される油圧によってラムを駆動して、該ラムによって軸材の一端面を押圧することにより軸材を板材の下穴開口部に当接させ、次に、第２の油圧ポンプから供給される油圧によってラムを駆動して、軸材に衝撃荷重を負荷させることにより、板材の下穴に軸材を圧入させ、該圧入時に、圧入に伴って板材と軸材との接触面に作用する仕事の単位面積当りの仕事率を所定値以上に確保することにより、軸材と板材との間に接合層を形成し、軸材と板材とを接合させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の接合方法において、軸材の圧入時に、圧入に伴って板材と軸材との接触面に作用する仕事の単位面積当りの仕事率を、1.0×10⁷W /m²以上に設定することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法において、板材に圧入される軸材によってストッパーが押込まれ、該ストッパーが圧入方向へ所定距離だけストロークされて軸材が板材に対して位置決めされることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の接合方法において、軸材の圧入時にストッパに入力される軸材の圧入エネルギーがクッションによって緩衝されることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法において、軸材が、板材よりもビッカース硬さで５０以上硬い材料によって形成されることを特徴とする。

したがって、請求項１及び２に記載の発明では、第２のポンプから供給される油圧を制御して、圧入時に、板材と軸材との接触面に作用する仕事の単位面積当りの仕事率を所定値以上に確保することにより、軸材と板材との間に強固な接合層が形成されて軸材と板材とが金属接合される。
請求項３に記載の発明では、圧入時に、板材と軸材との接触面に作用する仕事の単位面積当りの仕事率を、1.0×10⁷W /m²以上に設定することにより、軸材と板材との間に接合層が形成されて軸材と板材とが金属接合される。
請求項４に記載の発明では、ストッパーがストロークエンドまでストロークされた時点で、軸材が板材に対して位置決めされ、軸材が板材に対して所定の圧入量だけ圧入される。
請求項５に記載の発明では、軸材に負荷される衝撃荷重が緩衝され、軸材の位置決め精度が高められる。
請求項６に記載の発明では、軸材が、板材を打抜くのに耐え得る強度を確保することができる。

接合強度及び接合部品の品質が確保される接合方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。本接合方法では、高圧の油圧（例えば、15MPa。）を発生する第２の油圧ポンプP2 の油圧が、油圧シリンダ１５へ所定時間だけ供給され、該高圧の油圧によってラム５が駆動されることにより、シャフト２（軸材）に衝撃荷重が負荷される。これにより、ロータ１（板材）がシャフト２によって打抜かれ、該ロータ１の打抜き穴４に当該シャフト２が圧入される。この時、圧入に伴ってロータ１とシャフト２との接触面に作用する仕事の単位面積当りの仕事率E4を、1.0×10⁷W /m²以上に確保することによりロータ１とシャフト２とが高速度摩擦され、ロータ１とシャフト２との間に接合層が形成されて軸材と板材とが接合される構造になっている。図１に示されるように、本接合方法に用いられる接合装置６は、下部フレーム７によって支持されて中央にダイが設けられるダイプレート８（下型）を備える。

また、図１に示されるように、上記接合装置６は、上記ダイプレート８に対向させてガイドプレート９（ガイド型）が設けられ、該ガイドプレート９の中央には、上記シャフト２が軸線方向（以下、単に軸線方向と称する。）へ案内されると共に当該ダイプレート９の外周面が半径方向へ拘束されるガイド部１０が形成される。また、上記接合装置６は、上記下部フレーム７のストッパ収容部１２に収容されて、設定されたストローク量だけ軸線方向（図１における上下方向）へストローク可能なストッパ１３と、上記シャフト２及び後述する打抜き片１９を介して上記ストッパ１３に入力された衝撃荷重を緩衝させるクッション１４と、を備える。また、上記接合装置６は、上部フレームに設けられる油圧シリンダ１５によって上記ラム５が駆動され、ラム５を上下動させるための油圧を発生させる第１の油圧ポンプP1 と、上記ラム５によって上記シャフト２に衝撃荷重を負荷させるための油圧を発生させる第２の油圧ポンプP2 と、を備える。

さらに、上記接合装置６は、第２の油圧ポンプP2 の油圧の上記油圧シリンダ１５への供給を制御する電磁バルブ１７と、マイクロコンピュータによって構成されて上記電磁バルブ１７の開閉を制御する制御装置と、を備える。そして、上記接合装置６では、上記ロータ１を上記ダイプレート８によって支持すると共にシャフト２の外周面を上記ガイドプレート９によって拘束し、この状態で、上記第１の油圧ポンプP1 から供給される油圧によって上記ラム５を駆動し、該ラム５によって上記シャフト２の上端面（一端面）を押圧することにより当該シャフト２の下端面（他端面）を上記ロータ１に当接させる。この状態で、上記電磁バルブ１７を所定時間だけ開くことで、上記第２の油圧ポンプP2 から供給される比較的高圧の油圧が油圧シリンダ１５に供給され、上記ラム５を介して上記シャフト２に衝撃荷重が負荷される。これにより、上記シャフト２によって上記ロータ１が打抜かれ、該ロータ１の打抜き穴４に上記シャフト２が圧入される。

そして、本接合方法では、上記シャフト２の圧入時に、圧入に伴ってロータ１とシャフト２との接触面に作用させる仕事の単位面積当りの仕事率を1.0×10⁷W /m²以上に設定することにより、ロータ１とシャフト２との間に金属的な結合に相当する接合層が形成され、上記ロータ１と上記シャフト２とが接合される構造になっている。また、上記ロータ１の打抜き時、及び上記シャフト２の圧入時に、シャフト２に負荷された衝撃荷重が、打抜き片１９及び上記ストッパ１３を介して上記クッション１４によって緩衝されると共に、上記ストッパ１３のストロークエンドによって上記シャフト２が上記ロータ１に対して位置決めされる。これにより、上記シャフト２の上記ロータ１に対する圧入量が均一化され、上記ロータシャフト３の品質（部品精度）が確保される構造になっている。なお、上記シャフト２（軸材）は、上記ロータ１よりも、ビッカース硬さで５０以上硬い材料によって形成される。また、上記ストッパ１３は、上記ロータ１よりも軟らかい材料によって形成される。

次に、上記接合装置６を用いて上記ロータ１（板材）と上記シャフト２（軸材）とを接合し、ロータシャフト３（接合部品）を形成する方法を説明する。
なお、本実施の形態では、シャフト２は、ステンレス鋼によって形成され、ビッカース硬さH_V が300、外径寸法D1 が50mm、軸線方向長さL が50mmであり、ロータ１は、炭素鋼（Ｓ１０Ｃ）によって形成され、ビッカース硬さH_Vが150、外径寸法D2 が150mm、厚みT が10mmである。
まず、ロータ１がダイプレート８（下型）に取付けられると共に、シャフト２がガイドプレート９（ガイド型）のガイド部１０に取付けられる。次に、第１の油圧ポンプP1 の油圧によって油圧シリンダ１５が駆動され、ラム５が下降されることにより、該ラム５によってシャフト２の上端面が押圧される。これにより、シャフト２がガイドプレート９のガイド部１０に案内されつつ、軸線方向へ押込まれ、図１に示されるように、当該シャフト２の下端面がロータ１に当接される。なお、第１の油圧ポンプP1 が発する油圧は、5MPa である。

この状態で、電磁バルブ１７が所定時間（15msec）だけ開かれると、第２の油圧ポンプP2 の油圧が油圧シリンダ１５に供給され、ラム５を介して、シャフト２に衝撃荷重が負荷される。ここでは、第２の油圧ポンプP2 が発する油圧は 15MPa に設定され、制御装置による電磁バルブ１７の制御によって、2000L/min の流量の作動油が 0.5msec のサンプリング速度で油圧シリンダ１５に供給される。そして、衝撃荷重の撃力によってシャフト２が下方へ押込まれ、図２に示されるように、ロータ１がシャフト２によって打抜かれ、該ロータ１に形成される打抜き穴４にシャフト２が圧入される。この時、シャフト２が下方へ移動されるのに伴ってストッパ１３が下方へストロークされ、当該シャフト２に負荷された衝撃荷重が、打抜き片１９及びストッパ１３を介してクッション１４によって緩衝されると共に、ストッパ１３がストロークエンドで停止され、シャフト２がロータ１に対して位置決めされる。

なお、本接合方法では、ロータ１とシャフト２との接合面（接触面）の面積を 1.6×10^-3m²、圧入時にシャフト２に投入されるエネルギ（仕事）E1 を 4.7×10⁶J /m²、ストッパ１３のストロークに使用されたり、クッション１４によって吸収されるエネルギ等の圧入以外に使用されるエネルギ E2 を 5.0×10⁵J /m²、純粋に圧入に使用される接合面の単位面積当りのエネルギ E3 を 4.2×10⁶J /m²、圧入に要する時間を 0.015sec に設定した。これにより、圧入に使用される仕事の、接合面の単位面積当りの仕事率 E4 が 2.8×10⁸W /m²（≧ 1.0×10⁷W /m²）となる。このように、純粋に圧入に使用される仕事の、接合面の単位面積当りの仕事率 E4 を特定のレベル以上（本実施の形態では、1.0×10⁷W /m²以上。）に確保することにより、ロータ１とシャフト２とが高速度摩擦され、ロータ１とシャフト２との接合面に、金属的な結合に相当する接合層が形成され、ロータ１とシャフト２とが金属接合される。この場合、250 M Pa の抜け強度を確保することができた。

この実施の形態では以下の効果を奏する。
本接合方法では、ロータ１（板材）がダイプレート８（下型）に取付けられると共に、シャフト２がガイドプレート９（ガイド型）のガイド部１０に取付けられて当該シャフト２の外周面がガイドプレート９のガイド部１０に拘束された状態で、第１の油圧ポンプP1 の油圧によって油圧シリンダ１５が駆動され、ラム５によってシャフト２の上端面が押圧されることにより、シャフト２が軸線方向へ押込まれて当該シャフト２の下端面がロータ１に当接される。この状態で、電磁バルブ１７が所定時間だけ開かれることにより、第２の油圧ポンプP2 の油圧が油圧シリンダ１５に供給され、ラム５を介して、シャフト２に衝撃荷重が負荷される。該衝撃荷重の撃力によってシャフト２が下方へ押込まれ、ロータ１がシャフト２によって打抜かれ、該ロータ１に形成される打抜き穴４にシャフト２が圧入される。この時、純粋に圧入に使用される仕事の、接合面の単位面積当りの仕事率 E4 を、1.0×10⁷W /m²以上に確保した。

したがって、本接合方法では、圧入に伴うロータ１とシャフト２との高速度摩擦時に、ロータ１とシャフト２との接合面の最表面に、高い密度のエネルギが集中的に付与され、当該接合面に金属的な結合に相当する接合層が形成されるため、ロータ１とシャフト２とが強固に接合（金属接合）される。これにより、ロータ１とシャフト２との接合強度が確保され、ロータシャフト３（接合部品）の品質が確保される。また、衝撃荷重を負荷させることによる高速度摩擦によってロータ１とシャフト２とが接合されるので、接合面周囲への熱影響が抑制され、部材が熱変形することなく、ロータシャフト３の品質が確保される。

また、本接合方法では、高い圧力の作動油が短時間に衝撃的に油圧シリンダ１５へ圧送されることによりシャフト２に衝撃荷重が負荷されるので、ガス圧を用いてシャフト２に衝撃荷重を負荷させ、この時にシャフト２に作用する撃力によって圧入が行われる従来の圧入方法と比較して、当該衝撃荷重が安定し、ロータ１に対するシャフト２の位置決め精度が高められ、ロータシャフト３の品質が確保される。
さらに、本接合方法では、圧入時にシャフト２が下方へ移動するのに伴ってストッパ１３が下方へストロークされ、シャフト２に負荷された衝撃荷重（シャフトに作用する撃力）がクッション１４によって緩衝されると共に、ストッパ１３がストロークエンドで停止してシャフト２がロータ１に対して位置決めされるので、ロータ１に対するシャフト２の位置決め精度がより高められ、ロータシャフト３の品質が確保される。

このように、本接合方法では、ロータ１に対するシャフト２の位置決め精度が確保されるため、機械加工による修正を廃止することが可能になり、且つバリの発生もない。このため、接合完了後、製品（ロータシャフト３）とすることができ、工数が大幅に削減され、製造コストが低減される。また、本接合方法では、接合強度及び圧入量の精度が確保されるので、図３及び図４に示されるように、接合完了後の部品における、軽量、且つ軟質な材料によって形成された外径部分に、必要に応じて回転成形（塑性加工）を実施することが可能となり、軽量、且つ複雑な形状の部品を提供することができる。

なお、実施の形態は上記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
図５に示されるように、下穴２０が形成されたロータ１（板材）を下型７に取付けると共に、シャフト２をガイドプレート９（ガイド型）のガイド部１０に取付けて当該シャフト２の外周面をガイドプレート９のガイド部１０によって拘束しておいて、この状態で、第１の油圧ポンプP1 の油圧によって油圧シリンダ１５を駆動し、ラム５によってシャフト２の上端面を押圧することによりシャフト２を軸線方向へ押込み、当該シャフト２の下端部をロータ１に形成された下穴２０に当接させる。次に、電磁バルブ１７を所定時間だけ開いて第２の油圧ポンプP2 の油圧を油圧シリンダ１５に供給し、ラム５を介して、シャフト２に衝撃荷重を負荷させ、この時シャフト２に作用する撃力によって、シャフト２をロータ１に形成された下穴２０に圧入させるように構成してもよい。

この場合、純粋に圧入に使用される仕事の、接合面の単位面積当りの仕事率 E4 を、1.0×10⁷W /m²以上に確保することで、ロータ１とシャフト２とが高速度摩擦され、ロータ１とシャフト２との接合面の最表面に、高い密度のエネルギが集中的に付与される。これにより、当該接合面に金属的な結合に相当する接合層が形成され、ロータ１とシャフト２とが強固に接合（金属接合）される。
なお、上述した実施の形態のロータ１に上記下穴２０が形成される場合、接合面の面積を1.6×10^-3m²、圧入代を 0.2mm、第１の油圧ポンプP1 が発する油圧を 5MPa、第２の油圧ポンプP2 が発する油圧を 10MPa、第２の油圧ポンプP2 によって供給される作動油の流量を 1000L/min、圧入時にシャフト２に投入されるエネルギ（仕事）E1 を 1.3×10⁶J /m²、ストッパ１３のストロークに使用されたり、クッション１４によって吸収されるエネルギ等の圧入以外に使用されるエネルギ E2 を 2.0×10⁵J /m²、純粋に圧入に使用される接合面の単位面積当りのエネルギ E3 を 1.1×10⁶J /m²、圧入に要する時間を 0.010sec に設定したことにより、圧入に使用される仕事の、接合面の単位面積当りの仕事率 E4 が 1.1×10⁸W /m²（≧ 1.0×10⁷W /m²）となるように設定し、その他の諸条件は上述した実施の形態と同一とすればよい。

本実施の形態では、クッション１４が、例えば、ウレタンゴム等によって形成される弾性体によって構成されるが、絞り成形におけるクッション装置に用いられる油圧緩衝機構の油圧を制御装置によって制御することで、シャフトに負荷される衝撃荷重を緩衝させるように構成してもよい。

本接合方法に使用される接合装置の一部を断面で示した正面図であって、特に、シャフトに衝撃荷重を負荷させる直前の状態を示す図である。本接合方法に使用される接合装置の一部を断面で示した正面図であって、特に、シャフトに負荷された衝撃荷重によって押し下げられたストッパがストロークエンドで停止した状態を示す図である。本接合方法によって形成されたロータシャフトのロータ部分が回転成形（塑性加工）される状態を示す図である。回転成形（塑性加工）によってロータ部分に複雑な形状が形成されたロータシャフトを示す図である。他の実施の形態に使用される接合装置の一部を断面で示した正面図であって、特に、シャフトに衝撃荷重を負荷させる直前の状態を示す図である。他の実施の形態に使用される接合装置の一部を断面で示した正面図であって、特に、シャフトに負荷された衝撃荷重によって押し下げられたストッパがストロークエンドで停止した状態を示す図である。

符号の説明

１ロータ（板材）、２シャフト（軸材）、３ロータシャフト（接合部品）、４打抜き穴、５ラム、６接合装置、９ガイドプレート（ガイド型）、１３ストッパ、１４クッション、１９打抜き片、２０下穴

Claims

板材と該板材を貫通する軸材とを接合させる方法であって、前記板材を下型によって支持すると共に前記軸材の外周面をガイド型によって拘束し、この状態で、第１の油圧ポンプから供給される油圧によってラムを駆動して、該ラムによって前記軸材の一端面を押圧することにより前記軸材の他端面を前記板材に当接させ、次に、第２の油圧ポンプから供給される油圧によって前記ラムを駆動して、前記軸材に衝撃荷重を負荷させることにより、前記軸材によって前記板材を打抜きつつ、該板材の打抜き穴に前記軸材を圧入させ、該圧入時に、圧入に伴って前記板材と前記軸材との接触面に作用する仕事の単位面積当りの仕事率を所定値以上に確保することにより、前記軸材と前記板材との間に強固な接合層を形成し、前記軸材と前記板材とを接合させることを特徴とする接合方法。
板材と該板材に形成された下穴を貫通する軸材とを接合させる方法であって、前記板材を下型によって支持すると共に前記軸材の外周面をガイド型によって拘束し、この状態で、第１の油圧ポンプから供給される油圧によってラムを駆動して、該ラムによって前記軸材の一端面を押圧することにより前記軸材を前記板材の下穴開口部に当接させ、次に、第２の油圧ポンプから供給される油圧によって前記ラムを駆動して、前記軸材に衝撃荷重を負荷させることにより、前記板材の下穴に前記軸材を圧入させ、該圧入時に、圧入に伴って前記板材と前記軸材との接触面に作用する仕事の単位面積当りの仕事率を所定値以上に確保することにより、前記軸材と前記板材との間に接合層を形成し、前記軸材と前記板材とを接合させることを特徴とする接合方法。
前記軸材の圧入時に、圧入に伴って前記板材と前記軸材との接触面に作用する仕事の単位面積当りの仕事率を、1.0×10⁷W /m²以上に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
前記板材に圧入される前記軸材によってストッパーが押込まれ、該ストッパーが圧入方向へ所定距離だけストロークされて前記軸材が前記板材に対して位置決めされることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
前記軸材の圧入時に前記ストッパに入力される前記軸材の圧入エネルギーがクッションによって緩衝されることを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
前記軸材が、前記板材よりもビッカース硬さで５０以上硬い材料によって形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法。