JP2009274117A - 中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中空部と中空部以外の部分を有する部材同士を摩擦攪拌接合することができ、かつ、中空部の断面形状を確保すると共に、両部材の中空部同士を正確に接続できるようにすること。
【解決手段】それぞれ当接面に中空部である連通路３０が開口する２つの部材の開口端同士が対向するように当接面を当接し、当接面の外面側から両部材の当接部に沿って移動する回転ツール３を有する摩擦攪拌接合工具を用いて摩擦攪拌接合する中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法において、中空部である連通路３０又は連通路３０と該連通路３０に連通する凹所１９を回避すべく回転ツールの攪拌ピン３ａの摩擦攪拌接合をする深さを中空部（連通路３０又は連通路３０と該連通路３０に連通する凹所１９）の外側形状に追随して変化させて、両部材同士の上記中空部（連通路３０又は連通路３０と該連通路３０に連通する凹所１９）及び中空部以外の部分を摩擦攪拌接合する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法に関するものである。

従来より中空部材を摩擦攪拌接合方法にて接合することは知られていた（例えば、特許文献１参照）。この種の摩擦攪拌接合方法として、接合する両押出形材の中空部間に跨って中空部と相似断面形の補強材を嵌装し、端面に沿う両押出形材の上壁を摩擦攪拌接合する方法が知られている。これは、中空の四角形の押出形材を接合するものであった。
特開平１１−１９２５６４号公報（特許請求の範囲、図１）

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、接合する部材の中空部間に跨って補強材又は支持部材を嵌装して、両部材同士の接合部を摩擦攪拌接合する方法である。したがって、特許文献１に記載の方法は、両部材の中空部間に跨って補強材又は支持部材を設ける必要があり、その分部材が必要になると共に、多くの手間を要するという問題がある。また、中空部内に補強材や支持部材を配置するため、中空部を流体の流路に使用する場合には、中空部（流路）の断面積が減少するように変化して流体の流れに支障をきたす懸念がある。また、特許文献１に記載の方法においては、その断面全体にわたって中空部が形成されるもので中空部と中空部以外の部分を有する部材同士、即ち断面の一部に連通孔を形成する中空部の接合部を摩擦攪拌接合する方法には言及されていない。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、中空部と中空部以外の部分を有する部材同士を摩擦攪拌接合することができ、かつ、中空部の断面形状を確保すると共に、両部材の中空部同士を正確に接続できるようにした中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、それぞれ当接面に中空部を有する２つの部材の開口端同士が対向するように当接面を当接し、当接面の外面側から両部材の当接部に沿って移動する回転ツールを有する摩擦攪拌接合工具を用いて摩擦攪拌接合する中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法であって、上記中空部を回避すべく上記回転ツールの摩擦攪拌接合をする深さを中空部の外側形状に追随して変化させて、両部材同士の上記中空部及び中空部以外の部分を摩擦攪拌接合する、ことを特徴とする。

このように構成することにより、接合される両部材の中空部以外の部分と中空部の接合部に沿って摩擦攪拌接合工具の回転ツールを移動して摩擦攪拌接合することができる。また、中空部においては、回転ツールの攪拌深さを中空部の形状に追随して変化させることで、中空部の断面形状を確保することができる。

請求項２記載の発明は、それぞれ当接面に中空部が開口する２つの部材の開口端同士が対向するように当接面を当接し、外面側から両部材の当接部に沿って移動する回転ツールを有する摩擦攪拌接合工具を用いて摩擦攪拌接合する中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法であって、上記両部材の上記中空部の外側肉厚を該中空部以外の部分の外側略半分の肉厚と同じにすることにより、上記中空部を回避して両部材同士の上記中空部及び中空部以外の部分を摩擦攪拌接合する、ことを特徴とする。

このように構成することにより、接合される両部材の中空部以外の部分と中空部の接合部に沿って摩擦攪拌接合工具の回転ツールを移動して摩擦攪拌接合することができる。また、中空部においては、回転ツールの攪拌深さを中空部以外の部分と同じにすることで、中空部の断面形状を確保することができる。

この発明において、上記両部材の両面側の上記中空部及び中空部以外の部分を摩擦攪拌接合する方が好ましい（請求項３）。

このように構成することにより、接合される両部材の両面側の中空部及び中空部以外の部分を同様に摩擦攪拌接合することができる。

また、この発明において、上記両部材の接合面のうちの一方に位置決め用の凸部を設け、他方には上記凸部に嵌合可能な位置決め用の凹部を設け、上記凸部と凹部を嵌合した状態で、上記両部材同士の上記中空部及び中空部以外の部分を摩擦攪拌接合する方が好ましい（請求項４）。

このように構成することにより、接合する両部材の接合面に設けられた位置決め用の凸部と凹部とを嵌合させた状態で両部材同士を摩擦攪拌接合することができる。

この発明によれば、上記のように構成されているので、以下のような優れた効果が得られる。

（１）請求項１，２記載の発明によれば、中空部と中空部以外の部分を有する部材同士を摩擦攪拌接合することができ、かつ、中空部の断面形状を確保すると共に、両部材の中空部同士を正確に接続することができる。

（２）請求項３記載の発明によれば、接合される両部材の両面側の中空部及び中空部以外の部分を同様に摩擦攪拌接合することができるので、上記（１）に加えて、更に両部材の接合部の強度の向上が図れる。

（３）請求項４記載の発明によれば、接合する両部材の接合面に設けられた位置決め用の凸部と凹部とを嵌合させた状態で両部材同士を摩擦攪拌接合することができるので、上記（１），（２）に加えて、更に部材同士の接合を容易かつ確実にすることができると共に、中空部の接続を正確にすることができる。

以下に、この発明の最良の実施形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、この発明に係る摩擦攪拌接合方法を、シリンダ部に連通する中空部である油路を有する対向ピストン型ディスクブレーキ用キャリパ（以下に、単にキャリパという）の接合方法に適用した場合について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、この発明の第１実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を適用したキャリパの平面図（ａ）及び該キャリパの摩擦攪拌接合部を示す断面図である。

上記キャリパ１０は、対向するシリンダ部２０の一方を有する一対の被接合部材であるキャリパ半体すなわち車両の外側に位置するアウター側キャリパ半体１１及び車両の内側に位置するインナー側キャリパ半体１２をディスク１の収容空間２を残してブリッジ部１３によって連結し、シリンダ部２０内に摺動可能に嵌挿されるピストン（図示せず）によりブレーキパッド（図示せず）をディスク１に押圧する対向ピストン型であって、キャリパ半体１１，１２は、ブリッジ部１３を境にして分割成形され、両キャリパ半体１１，１２のブリッジ部１３同士をこの発明に係る摩擦攪拌接合方法により結合してなる。なお、キャリパ半体１１，１２は、それぞれアルミニウム合金製の鋳物にて形成されている。

また、キャリパ１０は、シリンダ部２０に連通する油路を形成する連通路３０（中空部）を有しており、この連通路３０内に供給される作動油によって作動するピストンによりブレーキパッドをディスク１に押圧するように構成されている。なお、第１実施形態のキャリパ１０は、連通路３０がアルミニウム合金製のパイプ部材４０によって形成されている。

上記キャリパ半体１１，１２は、２個の並設されるシリンダ部２０を有する基部１４と、この基部１４の両端部から略平行に突出するブリッジ部１３を有すると共に、両シリンダ部２０を連通する連結路３０ａ及び、一端がそれぞれ両シリンダ部２０に連通し、他端がブリッジ部１３の先端の接合面１３ａに開口する連通路３０ｂを有する点で共通しており、アウター側キャリパ半体１１に対してインナー側キャリパ半体１２が、一方のシリンダ部２０に連通する作動油の供給口１５と、連結路３０ａ及び連通路３０ｂ中の空気を抜くための空気抜き孔１６を設ける点で相違している。したがって、両キャリパ半体１１，１２は、基本的には略同一の形状を有しており、上記供給口１５と空気抜き孔１６以外では同様の形状の金型を用いて鋳造される。

また、素材１１Ａ，１２Ａの接合面１３ａの両側端部には、接合面１３ａと連続した接合面を有し、摩擦攪拌接合の始点及び終点部に位置するタブ１３ｃが形成されている。このタブ１３ｃは摩擦攪拌接合後に除去される。

また、キャリパ半体１１，１２のうちの一方例えばインナー側キャリパ半体１２の接合面１３ａには、位置決め用の凸部１７が設けられ、他方例えばアウター側キャリパ半体１１の接合面１３ａには、凸部１７に嵌合可能な位置決め用の凹部１８が設けられている。なお、凸部１７をアウター側キャリパ半体１１の接合面に設け、凹部１８をインナー側キャリパ半体１２の接合面１３ａに設けてもよい。また、この凸部１７と凹部１８は、接合面１３ａの任意の位置又はタブ１３ｃの接合面に１個あるいは複数個設けてもよい。

このように両キャリパ半体１１，１２又はタブ１３ｃの接合面に互いに嵌合可能な位置決め用の凸部１７と凹部１８を設けることにより、両キャリパ半体１１，１２同士を接合する際に、凸部１７と凹部１８を嵌合した状態で接合することができる。したがって、両キャリパ半体１１，１２に設けられた連通路３０（具体的には連通路３０ｂの開口）を正確に接続することができる。なお、本実施形態にあっては、図１（ｂ）に示すように凸部１７と凹部１８を接合面１３ａに設けた例を示す。

次に、キャリパ１０を作製する手順について、図２ないし図４を参照して説明する。まず、連通路３０を形成するアルミニウム合金製のパイプ部材４０を配置したキャリパ半体１１，１２を鋳造により作製する。この場合、金型から取り出されたキャリパ半体１１，１２の素材は、冷却された状態で湯口が切断され、その後、熱処理が施され、ショットブラストによる研磨処理が施される。次に、以下のようにして機械加工が施される。すなわち、接合面１３ａから突出しているパイプ部材４０と、シリンダ部２０内に露出しているパイプ部材４０は切断され、シリンダ部２０の内周面と接合面１３ａの表面が仕上げ加工される。また、アウター側キャリパ半体１１の接合面１３ａには凹部１８が形成され、インナー側キャリパ半体１２の接合面１３ａには、穿設された嵌合穴にピンを嵌挿することによって凸部１７が形成される。また、インナー側キャリパ半体１２の接合面１３ａにおけるパイプ部材４０（連通路３０）の開口部には、パイプ部材４０（連通路３０）の開口を含む略楕円形状の凹所１９が設けられる。そして、インナー側キャリパ半体１２の表面側から凹所１９に貫通する空気抜き孔１６が設けられ、この空気抜き孔１６の表面側の大径孔部１６ａには空気抜きプラグ（図示せず）の取付用雌ねじ１６ｂが刻設される。この場合、凹所１９は左右両側に設けられているが、空気抜き孔１６を貫通する部分の一方のみ設け、他方には設けなくてもよい。また、インナー側キャリパ半体１２の表面側から並設されたシリンダ部２０の一方に連通する作動油の供給口１５が設けられ、この供給口１５の開口側に雌ねじ１５ａが刻設される。

上記のようにして作製されたキャリパ半体１１，１２は、ブリッジ部１３の先端の接合面１３ａに設けられた位置決め用の凸部１７（位置決めピン１７ａ）と、位置決め用凹部１８（ピン穴１８ａ）とを嵌合した状態で当接され、図示しない治具によって固定される。そして、両キャリパ半体１１，１２の接合部を摩擦攪拌接合によって結合する。摩擦攪拌接合を行う場合は、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、ショルダー部３ｂに対して摩擦ピン３ａの突出長さが調節可能な回転ツール３を有する摩擦攪拌接合工具を用意し、そして、図２（ａ）に示すように、接合部の一方の側例えば表面側の端部の形成したタブ１３ｃに、回転ツール３の摩擦ピン３ａの先端を接合部の中央部まで押し込んでショルダー部３ｂが表面に接するように、表面に沿って移動することによって接合部の表面側を摩擦攪拌接合する。つまり、図２及び図７に示すように、回転ツール３の回転による摩擦熱と、キャリパ半体１１，１２と回転ツール３の攪拌ピン３ａと円柱状回転軸３ｃとの間に設けられる肩部３ｂとの摺動により発生する摩擦熱とによって、キャリパ半体１１，１２の接合部の近傍部分においてキャリパ半体１１，１２を形成するアルミニウム合金が軟化すると共に、回転ツール３の回転力によって攪拌混合され、その後回転ツール３の通過溝部を塑性流動した後、摩擦熱を失って冷却固化することによって、キャリパ半体１１，１２の接合部の表面側を摩擦攪拌接合する。この際、連通路３０又は連通路３０と凹所１９がある部分（図７では連通路３０で代表する）を摩擦攪拌接合するときは、図２（ｄ）に示すように、連通路３０又は連通路３０と凹所１９を回避すべく連通路３０部の摩擦攪拌接合を回転ツール３の摩擦ピン３ａをショルダー部３ｂより引っ込めて摩擦ピン３ａの長さを短くして回転ツール３の攪拌深さを中空部すなわち連通路３０又は連通路３０と凹所１９がある部分の外側形状に追随させて変位して、ブリッジ部１３同士を結合する。その後、摩擦攪拌接合の開始点と反対側に形成されるタブ１３ｃまで摩擦攪拌接合を行い回転ツールを外す。

上記のようにして接合部の表面側の半分を摩擦攪拌接合した後、接合部の内面側の半分を、上記と同様に、高速回転する回転ツール３の攪拌ピン３ａを接合部の中央部まで押し込んで、内面に沿って移動することによって接合部の内面側を摩擦攪拌接合する（図２（ｂ）参照）。

上記のようにして接合部の両面を摩擦攪拌接合することにより、両キャリパ半体１１，１２の結合を容易かつ強固にすることができる。

また、上記のように構成される第１実施形態のキャリパによれば、連通路３０をパイプ部材４０によって形成するので、作動油の油路の断面積を均一にすることができ、製品精度の向上を図ることができる。

＜第２実施形態＞
なお、上記実施形態では、中空部すなわち連通路３０又は連通路３０と凹所１９を回避すべく連通路３０部の摩擦攪拌接合を回転ツール３の攪拌ピン３ａの攪拌深さを中空部（連通路３０又は連通路３０と凹所１９がある部分）の外側形状に追随させて変位して、ブリッジ部１３同士を結合する場合について説明したが、図５に示すように、両キャリパ半体１１，１２のブリッジ部１３における連通路３０例えばパイプ部材４０を有する部分６０の外側肉厚Ｄをその他の部分すなわちパイプ部材４０以外の部分の外側略半分の肉厚Ｄと同じ厚さにし、両キャリパ半体１１，１２のブリッジ部１３同士を、中空部（連通路３０又は連通路３０と凹所１９がある部分）を回避すべく摩擦攪拌接合工具の回転ツール３の攪拌ピン３ａの攪拌深さを一定にすることで、連通路３０又は連通路３０と凹所１９を回避するようにして摩擦攪拌接合により結合してもよい。なお、ここで、外側肉厚とは、中空部すなわち連通路３０又は連通路３０と凹所１９の内方に対して外方側の肉厚Ｄを意味する。図５（ｃ）の例は中空部（連通路３０）の位置をディスク１とは反対側に変位させディスク１側の表面に膨らみが生じないようにした例である。

＜その他の実施形態＞
上記実施形態では、中空部すなわち連通路３０をパイプ部材４０によって形成する場合について説明したが、パイプ部材４０を用いずにキャリパ半体１１，１２に直接連通路３０（中空部）を形成してもよい。

この場合、図６の例は上記パイプ部材４０に代えて、例えば、シリンダ部２０と連通路３０a、３０ｂを、鋳造後除去可能なシェル中子７０（７１，７２，７４）によって形成することができる。すなわち、キャリパ半体例えばアウター側キャリパ半体１１を鋳造により作製する際、下金型（図示せず）にシェル中子７０をセットして上下金型を固定した後、第１実施形態と同様の工程を行ってキャリパ半体１１を鋳造した後、シェル中子７０を除去し、その後、第１実施形態と同様に、冷却→湯口切断→熱処理→研磨処理→機械加工を行ってキャリパ半体１１，１２を作製することができる。

上記のようにして作製された両キャリパ半体１１，１２のブリッジ部１３同士を、第１実施形態と同様に当接した状態で、摩擦攪拌接合によって結合してキャリパ１０Ａを作製することができる。この場合、第１実施形態と同様に、両キャリパ半体１１，１２又はタブ１３ｃの接合面に互いに嵌合可能な位置決め用の凸部（図示せず）と凹部（図示せず）を設けることにより、両キャリパ半体１１，１２に設けられた連通路３０（具体的には連通路３０ｂの開口）を正確に接続することができる。

上記のように構成される第２実施形態のキャリパによれば、鋳造後に除去可能なシェル中子７０によって連通路３０を形成することができるので、第１実施形態に比べて構成部材の削減が図れる。

なお、図６において、その他の部分は第１実施形態と同じであるので、同一部分には同一符号を付して説明は省略する。

なお、上記実施形態では、この発明に係る摩擦攪拌接合方法をシリンダ部に連通する中空部である油路を有する対向ピストン型ディスクブレーキ用キャリパの作製に適用した場合について説明したが、この発明に係る摩擦攪拌接合方法は、上記キャリパ以外における中空部と中空部以外の部分を有する部材、例えばアルミニウム合金製の中空押出形材同士の接合にも適用できることは勿論である。

この発明の第１実施形態に係る摩擦攪拌接合方法により接合されたキャリパの平面図（ａ）及び該キャリパの摩擦攪拌接合部を示す断面図（ｂ）である。 この発明における摩擦攪拌接合によって表面側を接合する状態を示す要部断面図（ａ）、裏面側を接合する状態を示す要部断面図（ｂ）、摩擦攪拌接合工具の摩擦ピンの長さが異なる状態を示す要部断面図（ｃ），（ｄ）である。 この発明におけるアウター側のキャリパ半体の接合前の状態を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）及び側面図（ｃ）である。 この発明におけるインナー側のキャリパ半体の接合前の状態を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）及び側面図（ｃ）である。 この発明の第２実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の接合の状態を示す要部断面図で、（ａ）は片側について摩擦攪拌接合を施した状態を示し、（ｂ）は両面について摩擦攪拌接合を施し他状態を示し、（ｃ）は膨らみがディスクのない側にのみ形成するように連通路をディスクのない側よりに位置せしめた例である。 この発明における別の中空部（連通路）を有するキャリパを構成するキャリパ半体の平面図（ａ）、正面図（ｂ）及び側面図（ｃ）である。 この発明この発明に係る摩擦接合攪拌接合方法の接合状態を示す断面斜視図である。

符号の説明

３ 回転ツール
１０，１０Ａ キャリパ
１１，１２ キャリパ半体（被接合部材）
１３ａ 接合面
１７ 位置決め用凸部
１８ 位置決め用凹部
３０ 連通路（中空部）
３０ａ 連結路
３０ｂ 連通路
４０ パイプ部材
６０ パイプ部材を有する部分（肉厚部）

Claims (4)

1. それぞれ当接面に中空部が開口する２つの部材の開口端同士が対向するように当接面を当接し、当接面の外面側から両部材の当接部に沿って移動する回転ツールを有する摩擦攪拌接合工具を用いて摩擦攪拌接合する中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法であって、
   上記中空部を回避すべく上記回転ツールの摩擦攪拌接合をする深さを中空部の外側形状に追随して変化させて、両部材同士の上記中空部及び中空部以外の部分を摩擦攪拌接合する、ことを特徴とする中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法。
2. それぞれ当接面に中空部が開口する２つの部材の開口端同士が対向するように当接面を当接し、外面側から両部材の当接部に沿って移動する回転ツールを有する摩擦攪拌接合工具を用いて摩擦攪拌接合する中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法であって、
   上記両部材の上記中空部の外側肉厚を該中空部以外の部分の外側略半分の肉厚と同じにすることにより、上記中空部を回避して、両部材同士の上記中空部及び中空部以外の部分を摩擦攪拌接合する、ことを特徴とする中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法。
3. 請求項１又は２記載の中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法において、
   上記両部材の両面側の上記中空部及び中空部以外の部分を摩擦攪拌接合する、ことを特徴とする中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法において、
   上記両部材の接合面のうちの一方に位置決め用の凸部を設け、他方には上記凸部に嵌合可能な位置決め用の凹部を設け、上記凸部と凹部を嵌合した状態で、上記両部材同士の上記中空部及び中空部以外の部分を摩擦攪拌接合する、ことを特徴とする中空部を有する部材の摩擦攪拌接合方法。

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