JP2013252541A - 摩擦成形加工用装置及び摩擦成形加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工のように高い自由度と押出加工のように小さな材料歩留まりを両立させる摩擦成形加工用装置及び摩擦成形加工方法を提供する。
【解決手段】摩擦成形加工用装置は、回転しながらワーク５を押圧して摩擦熱によりワーク５を軟化、塑性流動させる回転工具１と、塑性流動した材料を成形する固定成形型２と、を備える。固定成形型２は、回転工具１の送り方向の後方に配置されてワーク５に凹部を成形する凹部成形部２１と、回転工具１の側方に配置されてワーク５に凸部を成形する凸部成形部２２とを有する。回転工具１は、凹部成形部２１よりも深くワーク５に挿入され、凸部成形部２２は、ワーク５の表面よりも上方に配置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、摩擦成形加工用装置及びこれを利用した摩擦成形加工方法に関する。

材料を成形する加工方法として、切削加工、押出加工、プレス成形といった方法がある。切削加工は、成形の自由度が高いが、成形形状によって加工時間が長くなるとともに、切削した材料が切粉として排出されるので歩留まりが悪くなる。押出加工は、切粉が生じず歩留まりは良いが、成形形状、適用可能な材料に制約がある。プレス成形は、高い成形速度を有するが、成形形状、材料の制約が大きい。

金属部材の表面に凹凸を形成する技術として、凹部を形成した金型上にアルミニウムなどからなるワークを載置し、被加工物に工具を当接させ、両者間で相対移動を生じさせて摩擦熱を発生させることにより、非溶融状態で被加工物に塑性流動を生じさせて、被加工物に金型の凹部に対応する凸部を転写する摩擦攪拌成形方法が知られている（例えば特許文献１参照）。また、同様に摩擦熱を利用した成形技術として、非加工部材の表面に、加工治具を押圧して、ワークと加工冶具を相対的に反対方向へ回転させて摩擦熱を発生させることにより、非加工物に塑性流動を生じさせる摩擦攪拌成形方法も提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００２-２５６４５３号公報 特開２０１０-０２３０４０号公報

特許文献１に記載の摩擦攪拌成形方法は、切粉として材料が排出されないので歩留まりが良く、加工時間も短い。しかし、施工部裏面に波模様の施工痕が残るとともに、凸部へと材料が流入する為に施工部の板厚が減少してしまう。また、非加工部材の固定方法や工具を挿入する量の関係から成形可能な凹凸形状は限られる。また、特許文献２に記載の摩擦攪拌成形方法も、歩留まりが良く加工時間も短い。しかしながら、特許文献２に記載の摩擦攪拌成形方法では、点形状の加工しか行うことができない。

この発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、切削加工のように高い自由度と押出加工のように小さな材料歩留まりを両立させる摩擦成形加工用装置及び摩擦成形加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係る摩擦成形加工用装置は、
回転しながら被加工物を押圧し、摩擦熱により該被加工物を軟化させて流動させる回転部と、
前記回転部の送り方向後方に配置されて前記被加工物に凹部を成形する凹部成形部と、前記回転部の送り方向側方に配置されて前記被加工物に凸部を成形する凸部成形部とを有する固定成形型と、
前記回転部と前記固定成形型とを前記被加工物に対して送り方向に移動させる送り機構と、
を備え、
前記回転部は、前記凹部成形部よりも深く前記被加工物に挿入され、
前記固定成形型の凸部成形部は、前記被加工物の表面よりも上方に配設される、
ことを特徴とする。

前記凹部成形部は、前記回転部の直径よりも小さい幅の凹部を前記被加工物に成形するものでもよい。

前記回転部は、高速回転して前記被加工物を押圧するときに該被加工物を上向きに流動させる向きの第１螺旋溝が形成されていてもよい。

前記回転部は、前記第１螺旋溝のみならず、高速回転して前記被加工物を押圧するときに該被加工物を下向きに流動させる向きの第２螺旋溝が形成されていてもよい。

本発明の第２の観点に係る摩擦成形加工方法は、
本発明の第１の観点に係る摩擦成形加工用装置を用いて被加工物の表面に凹凸部を成形する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、切削加工のように高い自由度と押出加工のように小さな材料歩留まりを両立させる摩擦成形加工用装置及び摩擦成形加工方法を提供することができる。

第１実施形態の回転工具を示す図である。 第１実施形態の固定成形型を示す図である。 第１実施形態の加工開始時のワークと回転工具と固定成形型との配置を示す図である。 第１実施形態の摩擦成形加工を説明するための図である。 第２実施形態の回転工具を示す図であり、（ａ）は、円柱状の回転工具の側面に螺旋溝が形成されている例を示し、（ｂ）は、回転工具がテーパ状に形成されている例を示し、（ｃ）は、回転工具に向きの異なる螺旋溝が形成されている例を示す。 第２実施形態の固定成形型を示す図である。 第２実施形態の回転工具と固定成形型の配置を示す図である。 ワイヤーフィラーを供給する場合の摩擦成形加工を説明するための図である。 ワイヤーフィラーを供給する場合の固定成形型の一例を示す図である。 余材があるときの摩擦成形加工を示す図である。 貫通孔から余材を排出するための固定成形型の一例を示す図である。 貫通孔から余材が排出される摩擦成形加工を示す図である。 第２実施形態の加工開始時のワークと回転工具と固定成形型との配置を示す図である。 第２実施形態の回転工具を押込む工程を説明するための図である。 第２実施形態の摩擦成形加工を説明するための図である。 第３実施形態の回転工具を示す図である。 第３実施形態の固定成形型を示す図である。 第３実施形態の回転工具と固定成形部との配置を示す図である。 第３実施形態の加工開始時のワークと回転工具と固定成形型との配置を示す図である。 第３実施形態の回転工具を押込む工程を説明するための図である。 第３実施形態の摩擦成形加工を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
１−１．摩擦成形加工用装置について
まず、本発明の第１実施形態について詳細に説明する。第１実施形態に係る摩擦成形加工用装置は、回転しながらワーク（被加工物）に当接する図１に示すような回転工具１と、塑性流動したワークを成形する図２に示すような固定成形型２と、回転工具１及び固定成形型２をワークに対して送り方向に移動させる図示しない送り機構と、を備える。回転工具１と固定成形型２とは、成形加工時に送り機構によってワークに対して所定の送り方向に送られる。なお、送り機構は、回転工具１と固定成形型２とを送り方向に移動させるものとしてもよいし、ワークを回転工具１と固定成形型２とに対して送り方向の反対方向に移動させるものとしてもよい。

固定成形型２は、ワークに凹部を成形する凹部成形部２１と、ワークに凸部を成形する凸部成形部２２と、ワークの不要な材料流動を抑制する接触部２３とを有する。固定成形型２は、送り方向に対して、凹部成形部２１が回転工具１の後方に、凸部成形部２２と接触部２３とが回転工具１の側方に配置される。また、凸部成形部２２は、回転工具１の回転方向と送り方向が反対となる側の、回転工具１の側方に配置するとよい（図４参照）。以下、回転工具１の回転方向と送り方向とが一致する側を「前進側」といい、回転工具１の回転方向と送り方向とが反対になる側を「後進側」という。回転工具１の回転に沿って流動する材料と送りにより流入してくる材料の澱みは、前進側に発生しやすいので、凸部成形部２２を回転工具１の後進側に配置することで、成形処理時の送り方向の負荷を小さくすることができるとともに、成形を施した成形表面性状を良くすることができる。

回転工具１は、図１に示すように、凹部成形域１ａと凸部成形域１ｂが回転軸方向に並んで形成されている。凹部成形域１ａは、ワークに接触してワーク内に挿入される領域であり、挿入方向の長さが、固定成形型２の凹部成形部２１の高さよりも僅かに大きくなるように設計されている。回転工具１の表面には、螺旋溝などの溝を設けることによって、ワークへの入熱を大きくすることができ、ワークの成形性を向上することができる。

回転工具１の凹部成形域１ａの直径Ｄは、凹部成形部２１の幅（送り方向に対して垂直な水平方向の長さ）Ｗよりも大きくする必要がある。摩擦成形加工では、回転工具１とワークとの摩擦によってワークの入熱及び塑性流動が引起こされ、ワークのうち塑性流動が引き起こされるのは、回転工具１の直径周囲（例えば０．１〜０．３ｍｍ程度）だけとなる。この塑性流動が無いと、凹部成形部２１で成形加工をすることができない。つまり、凹部成形部２１は、回転工具１が通過した領域に配置される必要があり、凹部成形部２１の幅Ｗは、回転工具の直径Ｄよりも小さくなければならない。

１−２．摩擦成形加工方法について
上記摩擦成形加工用装置を用いて摩擦熱と塑性流動を発生させることにより、ワークの表面に凹凸を成形する。まず、ワーク５をクランプなどの冶具を用いて固定する。これは、摩擦成形加工中、ワークは押付荷重、トルク、送り方向の荷重が付加される為である。

加工を開始するにあたり、加工開始点を設定し、ワーク５に対して回転工具１と固定成形型２を図３に示すように配置する。凹部成形部２１の端面２１ａとワーク５の端面５２には送り方向に隙間ηができるようにする。隙間ηの距離は０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が好ましい。凹部成形部２１と端面５２の隙間が小さいと、回転工具１を押込む時の抵抗が大きくなる。また距離が大きいとワーク５に押込まれる回転工具１の体積が減少するため、加工開始時の入熱量が不足する。隙間ηが０．３ｍｍ程度の隙間で押込み荷重を低減することができる。

前記のようにワーク５に対して回転工具１と固定成形型２とを配置した後、回転工具１を高速で回転させながらワーク５に所定量押し込む。これにより、回転工具１とワーク５の間で摩擦熱が発生し、ワーク５は加熱されて軟化、塑性流動し始める。回転工具１により押出された材料は回転工具後方に流出、または上部の凸部成形部２２と回転工具１の間に流入する。そして数秒間（５〜２０秒）その位置で保持し後、図４に示すように、ワーク５に対して回転工具１及び固定成形型２を送り始める。

回転工具１によって摩擦加熱軟化された材料は、上方及び後方へと塑性流動し、回転工具１の側部に設けられている凸部成形部２２と、後方に設けられている凹部成形部２１とによって所定の形状に成形され、後方へと送り出される。

以上のようにして、ワーク５の表面５１に凹凸部を成形させることができる。

２．第２実施形態
２−１．摩擦成形加工用装置について
次に、本発明の第２実施形態について詳細に説明する。本実施形態において用いる摩擦成形加工用装置は、回転しながらワークに挿入され、摩擦で材料を加熱、塑性流動させる図５に示すような回転工具１と、回転工具１により塑性流動した材料を成形する図６及び図７に示すような固定成形型２と、を備える。

第２実施形態の固定成形型２には、ワークに凹部を成形する凹部成形部２１と、ワークに凸部を成形する凸部成形部２２と、ワークの不要な材料流動を抑制する接触部２３と、回転工具１を回転自在に通す貫通孔２４とが形成されている。凹部成形部２１は、成形加工時にワークに挿入されるように下側に凸状に形成されており、凸部成形部２２は、成形加工前のワークの表面よりも上方に位置するように上側に凹状に形成されている。凹部成形部２１と凸部成形部２２とのそれぞれは、加工時の送り方向に対して、回転工具１の後方に設けられている。また、接触部２３は、ワークの表面に対向する接触面を有し、凹部成形部２１や凸部成形２２、貫通孔２４が形成されている部分を除いて、回転工具１の周囲に広く形成されている。

固定成形型２は、凹部成形部２１の凹部容積をＶ_Ｇ、凸部成形部２２の凸部体積をＶ_Ｃとした時、０．８≦Ｖ_Ｃ/Ｖ_Ｇ≦１．１、つまり凹部容積と凸部体積が略同等であれば特に問題は無い。しかし、凹部容積に対して凸部体積が大きい場合は（Ｖ_Ｃ/Ｖ_Ｇ＞１．１）、凸部を形成する材料が不足するため、図８に示すように送り方向に対して回転工具１の前方からフィラーワイヤー３等を用いて材料を供給する必要がある。回転工具１の前方からフィラーワイヤー３を供給する方法は、図９に示すように接触部２３にフィラー供給口２５を設ける方法が考えられる。また、ローラー等それ以外の方法でも良い。一方、凹部容積に対して凸部体積が小さい場合は（Ｖ_Ｃ/Ｖ_Ｇ＜０．８）、凹部が成形されることによって排出される材料の体積が多くなるため、図１０に示すように、接触部２３によって凹部と凸部の周囲の表面に、余分な材料が肉盛りされた状態となる。または、図１１や図１２に示すように、凹部成形部２１または凸部成形部２２の近傍のプローブ後方に貫通孔２６を設けて余分な材料４を排出する必要がある。そのため凹部容積と凸部体積が略同等であることが好ましい。

また、図７(a)や図８に示すように、凹部成形部２１と凸部成形部２２の配置は、凹部成形部２１は回転工具１の後方において前進側に、凸部成形部２２は回転工具１の後方において後退側に配置すると良い。ここで前進側とは回転工具の回転方向と送り方向が一致する側であり、後退側はその反対を指す。この配置の方が送り方向の荷重を小さくできる上、成形部の表面性状が良くなる。これは、回転工具１の回転に沿って流動する材料と送りにより流入してくる材料の澱みが前進側に発生するためである。また、凹部成形部２１の前方の端面２１ａと回転工具１の外周面の隙間は０．２ｍｍ〜３．０ｍｍの間が好ましい。この隙間が小さいと加工中に回転工具１と凹部成形部２１が接触する可能性があり、この隙間が大きすぎると凹部成形部２１による成形が不良となる上、成形加工用装置を送る送り抵抗も大きくなる。

なお、凹部成形部２１と凸部成形部２２の送り方向の長さは１．０ｍｍ〜１０．０ｍｍ程度が好ましい。これは、１．０ｍｍ以下では形状によっては成形が不充分となることがあり、１０．０ｍｍ以上では材料との摩擦が大きくなる為送り方向への荷重が大きくなるためである。さらに、ワークの表面に曲線上の加工を施す場合に、曲線の曲率に制限が出てくるためである。

回転工具１は、図５に示すように、略円柱形状（ａ）または先端が径小となるテーパ形状（ｂ）に形成されている。その側表面には螺旋溝が形成されている。ワークに凸部を形成するには、材料が上向きに流動する必要があり、凹部を形成するには、材料が下向きに流動する必要がなる。凹部の容積に対して凸部の体積が小さい場合には、下降流が必須では無い。しかし、回転工具１に上昇流と下降流の両方発生させる物とした方が、材料の発熱、流動を大きくすることができるため、加工時の材料抵抗を小さくでき、押付荷重、送り方向荷重を小さくできる。図５（ｂ）に示すように、回転工具１を先端が径小となるテーパ形状とした場合、その形状により下降流が発生し得る。これに上昇流を生じさせる螺旋溝を加えても良い。さらに、下降流を活性させる為に円周部の数箇所を切削し平面部を設けたり、螺旋溝を設ける等も有効である。

回転工具１は、上方が凸部成形域となり、下方が凹部成形域となり、回転工具１の長さは両者の長さを合わせたものとなる。凹部成形域はワーク内に挿入される領域であり、同じく材料内に挿入される凹部成形部２１が材料内に挿入される長さよりも僅かに長く設定されている。具体的には０．１〜０．５ｍｍ程度長く設定すると良い。また凸部成形域の長さも、凸部成形部２２の高さより０．１〜０．５ｍｍ程度長く設定することが好ましい。また、図５（ｃ）に示すように、回転工具１の凸部成形域と凹部成形域とで螺旋溝の方向を変えても良い。例えば、凸部成形域では下降流を生じさせる螺旋溝を形成し、凹部成形域では上昇流を生じさせる螺旋溝を形成するなどである。

回転工具１の直径は、凹部成形部２１と凸部成形部２２とを合わせた幅より大きくする必要がある。本工法は回転工具１とワークの摩擦で入熱及び塑性流動が引起こされ、ワークのうち塑性流動が引き起こされるのは、回転工具１の直径周囲（０．１〜０．３ｍｍ程度）だけとなる。この塑性流動が無いと、凹部成形部２１や凸部成形部２２で成形加工することができない。つまり、凹部成形部２１と凸部成形部２２は、回転工具１が通過した領域に配置される必要があり、凹部成形部２１と凸部成形部２２とを合わせた幅が、回転工具１の直径よりも小さくなければならない。具体的には、回転工具１の直径は、凹部成形部２１と凸部成形部２２の幅よりも０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度大きくすると良い。

２−２．摩擦成形加工方法について
・材料の固定
上記摩擦成形加工用装置を用いて摩擦熱と塑性流動を発生させることにより、ワークの表面に凹凸を成形する。まず、ワーク５をクランプなどの冶具を用いて固定する。これは、摩擦成形加工中、ワークは押付荷重、トルク、送り方向の荷重が付加される為である。

加工を開始するにあたり、加工開始点を設定し、ワーク５に対して回転工具１と固定成形型２とを図１３に示すように配置する。このときには、回転工具１の先端をワーク５の表面５１に押し付けて接触させる。回転工具１の押付荷重は１．０ｋＮ以下が望ましい。また、固定成形型２は、凹部成形部２１の端面２１ａと回転工具１の端面とに隙間ηができるようにする。この隙間ηの距離は０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が好ましい。端面２１ａと回転工具１との距離が小さいと、回転工具１を押込む時の抵抗が大きくなる。また距離が大きいとワーク５に押込まれる回転工具１の体積が減少するため、加工開始時の入熱量が不足する。隙間ηが０．３ｍｍ程度の隙間で押込み荷重を低減することができる。

前記のようにワーク５に対して回転工具１と固定成形型２とを配置した後、図１４に示すように、回転工具１を高速で回転させながらワーク５に押しませて行く。これにより、回転工具１とワーク５の間で摩擦熱が発生し、ワーク５は加熱されて軟化、塑性流動し始める。接触部２３とワークの表面５１との隙間δが０．２〜０．５ｍｍ程度になるまで回転工具１をワーク５に押込む。そして数秒間（５〜２０秒）その位置で保持し後、図１５に示すように、ワーク５に対して回転工具１と固定成形型２を送り始める。また、送り始めると共に、荷重制御が可能な装置であれば、荷重制御にてワーク１の表面５１と接触部２３の間に隙間δが無くなるよう、所定の荷重で回転工具１を押付ながら送る。荷重制御をする機構を備えていない場合、ゆっくりと回転工具１をワーク５の表面５１と接触２３の間に隙間δが無くなるように押込みながら送る。

回転工具１を所定の位置まで押込んだ後、位置または荷重を一定にしたまま所定の位置まで送る。回転工具１によって摩擦加熱軟化された材料は、後方へと塑性流動し、回転工具１の後方に設けられている凹部成形部２１及び凸部成形部２２によって所定の形状に成形され、後方へと送り出される。

以上のようにして、ワーク５の表面５１に凹凸部を成形させることができる。

３．第３実施形態
３−１．ワーク及び回転接合ツールについて
次に、本発明の第３実施形態について詳細に説明する。本実施形態において用いる摩擦成形加工用装置は、回転しながらワークに挿入され、摩擦で材料を加熱、塑性流動させる図１６に示すような回転工具１と、回転工具１により塑性流動した材料を成形する図１７及び図１８に示すような固定成形型２と、を備える。

第３実施形態の回転工具１は、図１６に示すように、略円柱状の基部１１と、その基部先端に連続して形成され、回転しながらワーク内に挿入されて摩擦で材料を加熱、塑性流動させる径小の先端部１２を有する。また、第３実施形態の固定成形型２には、ワークに凹部を成形する凹部成形部２１と、ワークに凸部を成形する凸部成形部２２と、ワークの不要な材料流動を抑制する接触部２３と、回転工具１を回転自在に通す貫通孔２４とが形成されている。凹部成形部２１は、成形加工時にワークに挿入されるように下側に凸状に形成されており、凸部成形部２２は、成形加工前のワークの表面よりも上方に位置するように上側に凹状に形成されている。凹部成形部２１と凸部成形部２２とのそれぞれは、加工時の送り方向に対して、回転工具１の後方に設けられている。また、接触部２３は、ワークの表面に対向する接触面を有し、凹部成形部２１や凸部成形２２、貫通孔２４が形成されている部分を除いて、回転工具１の周囲に広く形成されている。

固定成形型２は、凹部成形部２１の凹部容積をＶ_Ｇ、凸部成形部２２の凸部体積をＶ_Ｃとした時、第２実施形態で説明したのと同様に、０．８≦Ｖ_Ｃ/Ｖ_Ｇ≦１．１、つまり凹部容積と凸部体積が略同等であれば特に問題は無い。しかし、凹部容積に対して凸部体積が大きい場合は（Ｖ_Ｃ/Ｖ_Ｇ＞１．１）、凸部を形成する材料が不足するため、第２実施形態で説明したように、フィラーワイヤー等を用いて材料を供給する必要がある。一方、凹部容積に対して凸部体積が小さい場合は（Ｖ_Ｃ/Ｖ_Ｇ＜０．８）、凹部から排出される体積が多くなるため、第２実施形態と同様に、凹部と凸部の周囲に余分な材料が接触部２３によって表面に肉盛りされた状態となる。または、第２実施形態で説明したように、凹部成形部２１または凸部成形部２２に貫通孔を設けて余分な材料を排出する必要がある。このため、第３実施形態においても、凹部容積と凸部容積とが略同等であることが好ましい。

また、凹部成形部２１と凸部成形部２２の配置は、図１８に示すように凹部成形部２１は回転工具１の後方において前進側に、凸部成形部２２は回転工具１の側方の後退側に配置すると良い。ここで前進側とは回転工具の回転方向と送り方向が一致する側であり、後退側はその反対を指す。この配置の方が送り方向の荷重を小さくできる上、成形部の表面性状が良くなる。これは、回転工具１の回転に沿って流動する材料と送りにより流入してくる材料の澱みが前進側に発生するためである。

なお、凹部成形部２１と凸部成形部２２の送り方向への長さは１．０ｍｍ〜１０．０ｍｍ程度が好ましい。これは、１．０ｍｍ以下では形状によっては成形が不充分となることがあり、１０．０ｍｍ以上では材料との摩擦が大きくなる為送り方向への荷重が大きくなるためである。さらに、ワーク表面に曲線上の加工を施す時、曲線の曲率に制限が出てくるためである。

図１６に示すように、回転工具１は、略円柱状の基部１１と、その先端に連続して形成された径小の略円柱形状（ａ）または先端が径小となるテーパ形状（ｂ）である先端部１２を有する。先端部１２の側面には、螺旋溝が形成されている。ワークに凸部を形成するには、材料が上向きに流動する必要があり、凹部を形成するには、材料が下向きに流動する必要がなる。凹部の容積に対して凸部の体積が小さい場合には、下降流が必須では無い。しかし、回転工具１に上昇流と下降流の両方発生させる物とした方が、材料の発熱、流動を大きくすることができるため、加工時の材料抵抗を小さくでき、押付荷重、送り方向荷重を小さくできる。図１６（ｂ）に示すように、回転工具１を先端が径小となるテーパ形状とした場合、その形状により下降流が発生し得る。これに上昇流を生じさせる螺旋溝を加えても良い。さらに、下降流を活性させる為に円周部の数箇所を切削し平面部を設けたり、螺旋溝を設ける等も有効である。回転工具１の基部１１は、先端部１２によって上昇してきた材料と接触して摩擦加熱すると共に、後方へと成形しながら流動させて凸部成形する。そのため基部１１の高さは凸部成形部２２の高さと同等または、０．３ｍｍ程度高い位置になるようにすると良好な成形が可能となる。

回転工具１は、上方が凸部成形域となり、下方が凹部成形域となり、回転工具１の長さは両者の長さを合わせたものとなる。凹部成形域はワーク内に挿入される領域であり、同じく材料内に挿入される凹部成形部２１が材料内に挿入される長さよりも僅かに長く設定されている。具体的には０．１〜０．５ｍｍ程度長く設定すると良い。また凸部成形域の長さも、凸部成形部２２の高さより０．１〜０．５ｍｍ程度長く設定することが好ましい。また、図１６（ｃ）に示すように、回転工具１の凸部成形域と凹部成形域とで螺旋溝の方向を変えても良い。例えば、凸部成形域では下降流を生じさせる螺旋溝を形成し、凹部成形域では上昇流を生じさせる螺旋溝を形成するなどである。また、図１６（ｃ）に示すように、先端部１２と基部１１とが、その直径が連続的に変化する曲面となるように形成されていてもよい。

回転工具１の凹部成形域の直径は、凹部成形部２１の幅より大きくする必要がある。本工法は回転工具１とワークの摩擦で入熱及び塑性流動が引起こされ、ワークのうち塑性流動が引き起こされるのは、回転工具１の直径周囲（０．１〜０．３ｍｍ程度）だけとなる。この塑性流動が無いと、凹部成形部２１で成形加工することができない。また同様に、回転工具１の基部１１の最大径Ｄは、凸部成形部２１の幅よりも大きくする必要がある。その為、回転工具１の最大直径は、凹部成形部２１と凸部成形部２２を合わせた幅よりも大きくしなければならない。具体的には、回転工具１の直径は、凹部成形部２１と凸部成形部２２の幅よりも０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度大きくすると良い。

３−２．摩擦攪拌加工方法
・材料の固定
上記摩擦成形加工用装置を用いて摩擦熱と塑性流動を発生させることにより、ワークの表面に凹凸を成形する。まず、ワーク５をクランプなどの冶具を用いて固定する。これは、摩擦成形加工中、ワークは押付荷重、トルク、送り方向の荷重が付加される為である。

加工を開始するにあたり、加工開始点を設定し、ワーク５に対して回転工具１と固定成形型２とを図１８に示すように配置する。このときには、回転工具１の先端をワーク５の表面５１に押し付けて接触させる。回転工具１の押付荷重は１．０ｋＮ以下が望ましい。また、固定成形型２は、凹部成形部２１の端面２１ａと回転工具１の端面とに隙間ηができるようにする。この隙間ηの距離は０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が好ましい。端面２１ａと回転工具１との距離が小さいと、回転工具１を押込む時の抵抗が大きくなる。また距離が大きいとワーク５に押込まれる回転工具１の体積が減少するため、加工開始時の入熱量が不足する。隙間ηが０．３ｍｍ程度の隙間で押込み荷重を低減することができる。

前記のようにワーク５に対して回転工具１と固定成形型２とを配置した後、図１９に示すように、回転工具１を高速で回転させながらワーク５に押しませて行く。これにより、回転工具１とワーク５の間で摩擦熱が発生し、ワーク５は加熱されて軟化、塑性流動し始める。接触部２３とワークの元の表面１１の隙間δが０．２〜０．５ｍｍ程度になるまで回転工具１ｂをワーク内に押込む。そして数秒間（５〜２０秒）その位置で保持した後、図２１に示すようにワーク５に対して回転工具１と固定成形型２を送り始める。また、送り始めると共に、荷重制御が可能な装置であれば、荷重制御にてワーク１の表面５１と接触部２３の間に隙間δが無くなるよう、所定の荷重で回転工具１を押付ながら送る。荷重制御をする機構を備えていない場合、ゆっくりと回転工具１をワーク５の表面５１と接触２３の間に隙間δが無くなるように押込みながら送る。

回転工具１を所定の位置まで押込んだ後、位置または荷重を一定にしたまま所定の位置まで送る。回転工具１によって摩擦加熱軟化された材料は、後方へと塑性流動し、回転工具１の後方に設けられている凹部成形部２１及び凸部成形部２２によって所定の形状に成形され、後方へと送り出される。

以上のようにして、ワーク５の表面５１に凹凸部を成形させることができる。

以上説明した本実施形態の摩擦成形加工用装置および摩擦成形加工方法を用いることによって、ワークの表面に、櫛形ヒートシンクのような形状や、直線の櫛形ヒートシンクだけでなく、押出加工では不可能なフィンを曲線状に配列させた形状などを成形することができる。さらに、成形した凹部に熱媒体用管、ヒーター、導電部材及び補強部材を埋設した後、凸部の材料を利用して埋設することなども考えられる。

本発明で用いるワークには、通常、アルミニウム、マグネシウム、銅等の金属が用いられ、アルミニウムが好適に用いられる。上記の合金であるアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金にも適用できる。アルミニウム合金では、１０００系、６０００系合金が好適である。

以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、本発明は上記実施の形態や実施例に何ら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内において、様々な変更（構成要素の削除等を含む）をなし得ることはいうまでもない。

１ ・・・回転工具
１１ ・・・回転工具基部
１２ ・・・回転工具先端部
２ ・・・固定成形型
２１ ・・・凹部成形部
２１ａ・・・凹部端面
２２ ・・・凸部成形部
２３ ・・・接触部
２４ ・・・貫通孔
２５ ・・・フィラー供給口
２６ ・・・貫通孔
３ ・・・フィラー
４ ・・・排出材料
５ ・・・ワーク
５１ ・・・ワーク表面
５２ ・・・ワーク端面

Claims (5)

1. 回転しながら被加工物を押圧し、摩擦熱により該被加工物を軟化させて流動させる回転部と、
   前記回転部の送り方向後方に配置されて前記被加工物に凹部を成形する凹部成形部と、前記回転部の送り方向側方に配置されて前記被加工物に凸部を成形する凸部成形部とを有する固定成形型と、
   前記回転部と前記固定成形型とを前記被加工物に対して送り方向に移動させる送り機構と、
   を備え、
   前記回転部は、前記凹部成形部よりも深く前記被加工物に挿入され、
   前記固定成形型の凸部成形部は、前記被加工物の表面よりも上方に配設される、
   ことを特徴とする摩擦成形加工用装置。
2. 前記凹部成形部は、前記回転部の直径よりも小さい幅の凹部を前記被加工物に成形する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦成形加工用装置。
3. 前記回転部は、高速回転して前記被加工物を押圧するときに該被加工物を上向きに流動させる向きの第１螺旋溝が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦成形加工用装置。
4. 前記回転部は、前記第１螺旋溝のみならず、高速回転して前記被加工物を押圧するときに該被加工物を下向きに流動させる向きの第２螺旋溝が形成されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の摩擦成形加工用装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の摩擦成形加工用装置を用いて被加工物の表面に凹凸部を成形する、
   ことを特徴とする摩擦成形加工方法。