JP2007160371A - 機械要素接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械要素を対象部材に強固に接合できるようにする。
【解決手段】一端からボルト１が突出し且つ他端に接合穴４が形作られている台座３を、接合穴４形成端がボルト１を取り付けるべき対象部材２の表面に向き合うように配置し、次いで、ツール本体７を回転させながら対象部材２の裏面に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した対象部材２の材料をツール本体７で撹拌しながら台座３の接合穴４へ押し込み、この後、ツール本体７を対象部材２から引き離し、接合穴４に入り込んだ対象部材２の塑性変形部位を硬化させる。
【選択図】図１

Description

本発明はボルトやナットなどを想定した機械要素接合方法に関するものである。

接合すべき部材を溶融させずに相互に接合する技法として摩擦撹拌接合がある（例えば、特許文献１参照）。

この技法では、被接合部材を重ねた被接合物に接合ツールを回転させながら押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した材料を撹拌して同化させる。

次いで、接合ツールを被接合物から離して材料が同化した部位を硬化させ、被接合部材を相互に接合する。
特開２００４−１３６３６５号公報

ところが特許文献１には、材質が異なる部材相互の接合についての提案はなく、炭素鋼を素材にしたボルトやナットなどの機械要素をアルミニウム合金を材料とする対象部材に接合することは達成できない。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、機械要素を対象部材に強固に接合できるようにすることを目的としている。

上記目的を達成するため本発明では、一端から機械要素が突出し且つ他端に接合穴が形作られている台座を、接合穴形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の接合穴対応個所に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した対象部材の材料を接合ツールで撹拌しながら台座の接合穴へ押し込み、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、接合穴に入り込んだ対象部材の塑性変形部位を硬化させる。

あるいは、一方の面から機械要素が突出し且つ他方の面に複数の接合穴が形作られている台座を、接合穴形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の各接合穴対応個所に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した対象部材の材料を接合ツールで撹拌しながら台座の接合穴へ押し込み、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、接合穴に入り込んだ対象部材の塑性変形部位を硬化させる。

また、一方の面から機械要素が突出し且つ他端に細長い接合穴が形作られている台座を、接合穴形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の接合穴対応個所に順に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した対象部材の材料を接合ツールで撹拌しながら台座の接合穴へ押し込み、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、接合穴に入り込んだ対象部材の塑性変形部位を硬化させる。

つまり、台座の接合穴と、そこに入り込んで硬化した対象部材の塑性変形部位との相互の嵌め合い、更には、台座の材料と対象部材の材料の分子間接合によって、台座から突出している機械要素を対象部材に接合する。

加えて、台座の接合穴の内側壁に周方向へ延びる溝を形成し、この溝に接合ツールの押し付けにより軟化した対象部材の材料を入り込ませる。

これにより、台座の接合穴と対象部材の塑性変形部分とが機械的に係合する。

本発明の機械要素接合方法によれば、下記のような優れた効果を奏し得る。

（１）接合ツールの回転と押し付けにより軟化した対象部材の材料を、台座の接合穴へ押し込んだうえ硬化させるので、機械要素及び台座と対象部材の材質が相違してしても、当該接合穴と対象部材の塑性変形部位との嵌め合い、更には、台座の材料と対象部材の材料の分子間接合で、台座とともに機械要素を対象部材に強固に接合することができる。

（２）台座の接合穴の内側壁に周方向へ延びる溝を形成した場合には、この溝に接合ツールの押し付けにより軟化した対象部材の材料を入り込み、台座の接合穴の内側壁の全周にわたって対象部材の塑性変形部分とが機械的に係合するので、台座と対象部材の接合が更に強固なものになる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の機械要素接合方法の第１の例であって、ボルト１を取り付けるべき対象部材２は、アルミニウム合金を素材とするパネルなどである。

ボルト１は平らな形状の台座３の一端から突出しており、これらは炭素鋼を素材とする一体部品で、台座３の他端には、内側壁にねじ溝を形成した接合穴４が、ボルト１と同軸に形作ってある。

この他に、ボルト１が下向きに入る収納穴５を有する裏当て部材６、並びに対象部材２を塑性変形させるためのツール本体７を工具として用意する。

裏当て部材６には、ボルト１を中心とした台座３の回動を拘束するストッパ８が設けてある。

ツール本体７は、円柱状のショルダ部９と、当該ショルダ部９に同軸に連なる短円柱状のピン部１０とで構成され、耐摩耗性を有し且つ硬度が高い超硬合金を素材としている。

ピン部１０の外径ｄ１は、台座３の接合穴４の内径ｄ２に対して余裕をもって入り込み得るように設定され、また、ピン部１０の軸線方向長さＬ１は、対象部材２の厚さｔ１と接合穴４の軸線方向深さＬ２の合計よりもやや短く設定してある。

ボルト１を対象部材２に接合する際は、図１（ａ）に示すように、ボルト１が収納穴５に入るように台座３の一端を裏当て部材６に載せ、接合穴４に向き合うように対象部材２の表面を台座３の他端に載せる。

次いで、図１（ｂ）に示すように、上方からツール本体７を回転させながら対象部材２の裏面の接合穴４に対応する個所に押し付け、ピン部１０の周囲の対象部材２を摩擦熱と塑性流動により撹拌して軟化させ、更に、図１（ｃ）に示すように、ショルダ部９の端面９ａが対象部材２の裏面に当接するまでピン部１０を対象部材２にめり込ませる。

これにより、対象部材２に由来する材料が、ねじ溝を含めて台座３の接合穴４の隅々へ充填される。

この後、図１（ｄ）に示すように、ツール本体７を対象部材２から引き離し、当該対象部材２の塑性変形部位を硬化させ、アルミニウム合金を素材にした対象部材２と炭素鋼を素材にした一体的なボルト１及び台座３とを相互に接合する。

つまり、対象部材２に由来する材料が接合穴４内方に行き渡って硬化するので、接合穴４と対象部材２の塑性変形部位との嵌め合い、更には、台座３の材料と対象部材２の材料の分子間接合で、台座３と一体的なボルト１を対象部材２に強固に接合できる。

ツール本体７のピン部１０の外径ｄ１が６．５ｍｍで軸線方向長さＬ１が５．４ｍｍ、台座３の接合穴４の内径ｄ２が１２ｍｍ（ねじ穴呼び径がＭ１２）で軸線方向深さＬ２が６ｍｍ、対象部材２の厚さｔ１が６ｍｍ、ボルト１の呼び径がＭ８という条件で接合を行なったところ、ボルト１及び台座３と対象部材２とのトルク強度は、４５Ｎ・ｍであった。

また当然のことながら、台座３の接合穴４に対するボルト１の位置は、同軸でなくてもよい。

図２は本発明の機械要素接合方法の第２の例であって、図中、図１と同一符号を付した部分は同一物を表わしている。

この例では、炭素鋼を素材とする一体部品として、裏当て部材６の収納穴５に下向きに入り得るシャフト１１を、台座３の一端から接合穴４と同軸に位置するように突出させてあり、図１に示す例と同様な手順により対象部材２を塑性変形させると、接合穴４と対象部材２の塑性変形部位との嵌め合い、更には、台座３の材料と対象部材２の材料の分子間接合で、台座３と一体的なシャフト１１を対象部材２に強固に接合できる。

シャフト１１には、割ピンなどを差込むための孔１１ａが径方向に穿設してある。

また当然のことながら、台座３の接合穴４に対するシャフト１１の位置は、同軸でなくてもよい。

図３は本発明の機械要素接合方法の第３の例であって、図中、図１及び図２と同一符号を付した部分は同一物を表わしている。

この例では、炭素鋼を素材とする一体部品として、ねじ穴を形成したナット部１２を、台座３の一端から接合穴４と同軸に位置するように突出させてあり、この他に、ナット部１２が下向きに入る収納穴１３を有する裏当て部材１４、並びに前述したツール本体７を工具として用意する。

裏当て部材１４には、ナット部１２を中心とした台座３の回動を拘束するストッパ８が設けてあり、図１に示す例と同様な手順により対象部材２を塑性変形させると、接合穴４と対象部材２の塑性変形部位との嵌め合い、更には、台座３の材料と対象部材２の材料の分子間接合で、台座３と一体的なナット部１２を対象部材２に強固に接合できる。

また当然のことながら、台座３の接合穴４に対するナット部１２の位置は、同軸でなくてもよい。

図４は本発明の機械要素接合方法の第４の例であって、図中、図１乃至図３と同一符号を付した部分は同一物を表わしている。

この例では、ボルト１と一体的な台座３を対象部材２に接合するのに際し、裏当て部材６、並びにショルダ部９のみで構成したツール本体１５を工具として用意したうえ、図１に示す例と同様に、ボルト１が収納穴５に入るように台座３の一端を裏当て部材６に載せ、接合穴４に向き合うように対象部材２の表面を台座３の他端に載せる。

次いで、上方からツール本体１５を回転させながら対象部材２の裏面の接合穴４に対応する個所に押し付け、ショルダ部９が当接した対象部材２を摩擦熱と塑性流動により撹拌して軟化させ、ショルダ部９の端面９ａを対象部材２にめり込ませる。

この後、ツール本体１５を対象部材２から引き離し、当該対象部材２の塑性変形部位を硬化させると、接合穴４と対象部材２の塑性変形部位との嵌め合い、更には、台座３の材料と対象部材２の材料の分子間接合で、台座３と一体的なボルト１を対象部材２に強固に接合できる。

ツール本体１５のショルダ部９の外径ｄ３が２５ｍｍ、台座３の接合穴４の内径ｄ２が１２ｍｍ（ねじ穴呼び径がＭ１２）で軸線方向深さＬ２が６ｍｍ、対象部材２の厚さｔ１が６ｍｍ、ボルト１の呼び径がＭ８という、ツール本体１５の他は図１の例と同等な条件により接合を行なったところ、ボルト１及び台座３と対象部材２とのトルク強度は、５０Ｎ・ｍを超過（台座３の接合穴４に嵌まりあった対象部材２の塑性変形部位が破断）した。

図５は本発明の機械要素接合方法の第５の例であって、図中、図１乃至図４と同一符号を付した部分は同一物を表わしている。

この例では、複数のボルト１が細長い形状の台座１６の一方の面から突出し、これらは炭素鋼を素材とする一体部品で、台座１６の他方の面には接合穴４が、各ボルト１に対応するように同軸に形作ってある。

この他に、ボルト１が下向きに入る収納穴５を有する裏当て部材１７、並びにショルダ部９のみで構成したツール本体１５を工具として用意する。

所定のボルト１が収納穴５に入るように、台座１６の一方の面の所定範囲を裏当て部材１７に載せ、対象部材２の表面を台座１６の他方の面の全般にわたってに載せる。

次いで、裏当て部材１７の上方からツール本体１５を回転させながら対象部材２の裏面の接合穴４に対応する個所に押し付け、ショルダ部９が当接した対象部材２を摩擦熱と塑性流動により撹拌して軟化させ、ショルダ部９の端面９ａを対象部材２にめり込ませた後、ツール本体１５を対象部材２から引き離し、当該対象部材２の塑性変形部位を硬化させる、という工程をそれぞれの接合穴４に対して施す。

これにより、接合穴４と対象部材２の塑性変形部位との嵌め合い、更には、台座１６の材料と対象部材２の材料の分子間接合で、台座１６と一体的な複数のボルト１を対象部材２に強固に接合できる。

また当然のことながら、台座１６の接合穴４に対するボルト１の位置は、同軸でなくてもよい。

図６は本発明の機械要素接合方法の第６の例であって、図中、図１乃至図５と同一符号を付した部分は同一物を表わしている。

この例では、複数のボルト１が細長い形状の台座１８の一方の面から突出し、これらは炭素鋼を素材とする一体部品で、台座１８の他方の面には、平面形状が細長い接合穴１９が形作ってある。

接合穴１９の幅は、ツール本体７のピン部１０の外径ｄ１よりもやや大きく設定されている。

台座１８を対象部材２に接合するのに際しては、所定のボルト１が収納穴５に入るように、台座１８の一方の面の所定範囲を裏当て部材１７に載せ、台座１８の他方の面に対象部材２を載せて接合穴１９を全長にわたって覆う。

次いで、裏当て部材１７の上方からツール本体７を回転させながら対象部材２の裏面の接合穴１９に対応する個所に押し付け、ピン部１０の周囲の対象部材２を摩擦熱と塑性流動により撹拌して軟化させ、ショルダ部９の端面９ａが対象部材２の裏面に当接するまでピン部１０を対象部材２にめり込ませ、この後、ツール本体７を対象部材２から引き離し、当該対象部材２の塑性変形部位を硬化させる、という工程を繰り返し施す。

これにより、接合穴１９と対象部材２の塑性変形部位との嵌め合い、更には、台座１８の材料と対象部材２の材料の分子間接合で、台座１８と一体的なボルト１を対象部材２に強固に接合できる。

なお、本発明の機械要素接合方法は、上述の実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。

本発明の機械要素接合方法は、様々な部品の組付工程に適用できる。

本発明の機械要素接合方法の第１の例の施工手順を示す概念図である。 本発明の機械要素接合方法の第２の例の施工完了状態を示す概念図である。 本発明の機械要素接合方法の第３の例の施工完了状態を示す概念図である。 本発明の機械要素接合方法の第４の例の施工完了状態を示す概念図である。 本発明の機械要素接合方法の第５の例の施工途上状態を示す概念図である。 本発明の機械要素接合方法の第６の例の施工途上状態を示す概念図である。

符号の説明

１ ボルト（機械要素）
２ 対象部材
３ 台座
４ 接合穴
７ ツール本体（接合ツール）
１１ シャフト（機械要素）
１２ ナット部（機械要素）
１５ ツール本体（接合ツール）
１６ 台座
１８ 台座
１９ 接合穴

Claims (6)

1. 一端から機械要素が突出し且つ他端に接合穴が形作られている台座を、接合穴形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の接合穴対応個所に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した対象部材の材料を接合ツールで撹拌しながら台座の接合穴へ押し込み、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、接合穴に入り込んだ対象部材の塑性変形部位を硬化させることを特徴とする機械要素接合方法。
2. 一方の面から機械要素が突出し且つ他方の面に複数の接合穴が形作られている台座を、接合穴形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の各接合穴対応個所に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した対象部材の材料を接合ツールで撹拌しながら台座の接合穴へ押し込み、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、接合穴に入り込んだ対象部材の塑性変形部位を硬化させることを特徴とする機械要素接合方法。
3. 一方の面から機械要素が突出し且つ他端に細長い接合穴が形作られている台座を、接合穴形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の接合穴対応個所に順に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した対象部材の材料を接合ツールで撹拌しながら台座の接合穴へ押し込み、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、接合穴に入り込んだ対象部材の塑性変形部位を硬化させることを特徴とする機械要素接合方法。
4. 台座の接合穴の内側壁に周方向へ延びる溝を形成し、この溝に接合ツールの押し付けにより軟化した対象部材の材料を入り込ませる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の機械要素接合方法。
5. 台座の接合穴の平面形状よりも先端面が小さい接合ツールを用いて、軟化した対象部材の材料を接合穴に押し込むようにする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の機械要素接合方法。
6. 台座の接合穴の平面形状よりも先端面が大きい接合ツールを用いて、軟化した対象部材の材料を接合穴に押し込むようにする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の機械要素接合方法。

Images