JP2020507487A - 圧接で工具を製造する方法及び圧接で製造した工具 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧接で工具を製造する方法及び圧接で製造した工具の提供。【解決手段】本発明の圧接で工具を製造する方法及び圧接で製造した工具は、該方法が、上面に工具先端部を有する第１金属部材の第１連接面を該第１金属部材の再結晶温度以上まで加熱する工程と、第２金属部材の第２連接面を該第２金属部材の再結晶温度以上まで加熱する工程と、該第１金属部材及び該第２金属部材のすでに加熱された第１連接面及び第２連接面を対向させて押圧し、該第１連接面及び第２連接面の温度が再結晶温度以下に下がるまで冷却させる工程と、を含み、本発明の工具は、上述の方法で製造される。【選択図】図２

Description

本発明は圧接で工具を製造する方法及び圧接で製造した工具に関する。
ドイツの特許第ＤＥ１０２００９０３６２８５ Ａ１号によると、ドリルビット形式の工具では溶接の方法でドリル先端部とドリルビット溝部を結合することが既知である。
ドイツ特許第ＤＥ１０２００９０３６２８５ Ａ１号明細書
本発明の目的は上述の既知の製造方法を改善し、圧接で工具を製造する方法及び圧接で製造した工具を提供することにある。
本発明の一側面に基づき、本発明の工具を製造する方法は、工具先端部を備えた第１金属部材の第１連接面を、その温度が該第１金属部材の再結晶温度を超えるまで加熱する工程と、第２金属部材の第２連接面を、その温度が該第２金属部材の再結晶温度を超えるまで加熱する工程と、該第１金属部材及び該第２金属部材のすでに加熱された第１連接面及び第２連接面を対向させて押圧し、該第１連接面及び第２連接面の温度が再結晶温度を下回るまで冷却させる工程と、を含む。
本発明の基本理念は、該工具中の工具先端部を有する該第１金属部材を、溝部を備えた該第２金属部材の形状に合わせて接合し、該工具を装備した穿孔機の動作中のトルクを獲得する必要がある。溶接継ぎ目の安定性が不足すると、トルクが十分な機械抵抗力を提供して安全な持久的操作を実現することができない。この問題は、例えばスクリュードライバーやタップレンチなど、このタイプのあらゆる工具で発生する。
本発明は該第１金属部材及び該第２金属部材を溶接ではなく圧接する方法で相互に結合する。圧接の利点として、該第１金属部材及び該第２金属部材の全面を均一に結合することができ、該第１金属部材及び該第２金属部材の間で同じ材料の結合を実現することができる。この点は従来の溶接に類似している。このような方法を通じ、該第１金属部材及び該第２金属部材はさらなる結合技術（例えば形状を合わせた結合）を実施する必要なく、十分な安定性を実現でき、該工具の動作中のトルクを獲得できる。
上述の方法の改善案に基づき、該第１金属部材の第１連接面が加熱される前に、該第１金属部材を焼結する。これにより、該第１金属部材を該工具が実施する機能に適応させて最も理想的な状態を達成することができる。
例えば、工具先端部を有する第１金属部材を焼結することができる。特に、岩石材料とコンクリートに用いるドリルビットのドリル先端部の構造は、螺旋対称部品に適用する従来の切削製作技術（例えばミリング）で製造した場合、いくつかの条件下でしか低コストの製造を実現できない。また一方で、ドリルビット全体を焼結の方法で製造するのも理想的ではない。該工具の該第１金属部材及び該第２金属部材を別々に製造し、最後に圧接結合することで、該第１金属部材及び該第２金属部材を最も理想的な方法で製造でき、その後あまり製造コストをかける必要なく、該第１金属部材及び該第２金属部材を結合することができる。
このほか、該第１金属部材は３Ｄプリント（付加製造とも呼ばれる）等その他従来の成型技術で製造してもよい。該従来の成型技術の利点は、該工具先端部に多くの異なる合金材料を選択して製造でき、該工具先端部の機能に基づいて最高レベルの理想化を達成できることである。特に、３Ｄプリント技術で、合金材料の選択は基本的に完全に隨意である。
本発明の特別な改善案に基づき、該方法はさらに、該第２金属部材の第２連接面が加熱される前に、切削技術で該第２金属部材を製造する工程を含む。例えばこの切削技術はミリングとすることができ、該方法を通じて該第２金属部材の殻層にドリルビット溝を形成する。
本発明の追加の改善案に基づき、上述の方法はさらに、該第２金属部材上の該第１金属部材の位置とは反対の別の第２連接面を温度がその再結晶温度より高くなるまで加熱する工程と、第３金属部材の第３連接面を温度がその再結晶温度より高くなるまで加熱する工程と、該第２金属部材と該第３金属部材上のすでに加熱された第２連接面及び第３連接面を対向させて押圧し、該第２連接面及び第３連接面の温度を再結晶温度以下まで下げる工程を含む。
該的ドリルビットが工具として使用されるとき、該第３金属部材はアクセサリとすることができ、例えばＳＤＳ（Ｓｔｅｃｋ， Ｄｒｅｈ， Ｓｉｔｚｔ）のアクセサリとして、ツールホルダーに組み合わせることができる。該第１金属部材と同じく、該第３金属部材も焼結技術で製造することができる。
本発明の別の一側面に基づき、本発明は上述の方法で製造された工具を提供する。例えば、該工具はドリルビット、スクリュードライバー、タップレンチとすることができる。
ドリルの概略図である。 図１に示すドリルのドリルビットの概略図である。 図２に示すドリルのドリルビット中の第１金属部材と第２金属部材間の圧接過程の概略図である。 図３Ａに示すドリルのドリルビット中の第１金属部材及び第２金属部材の圧接過程におけるレーザービーム経路を示す概略図である。 図３Ｂに示すドリルのドリルビット中の第１金属部材及び第２金属部材の時間とともに推移するレーザービームエネルギー入力解説図である。
図において、同じ技術部材は一律同じ符号を使用して表示しており、かつ各技術部材について一度説明する。図はいずれも概略図であり、実物部材中の真実の幾何関係を反映していない。
図１に示す本実施例はドリル２を例としており、その加工工具はドリルビット２０である。ドリル２は、破線で示す筐体４を含み、該筐体４内には駆動軸８の駆動に用いるモーター６が設置される。駆動軸８は既知の駆動装置１０を通じて出力軸１２を駆動し、出力軸１２上の駆動装置１０と反対側にチャック１４が設置される。出力軸１２の軸方向移動１６を通じて駆動装置１０の異なる伝動比を形成することができる。
モーター６が駆動軸８を回転させ、駆動軸８は駆動装置１０を通じて出力軸１２を動かし、続いてチャック１４を回転させる。ドリル２上にスイッチ１８が設置され、モーター６と駆動回転の起動に用いられる。ドリル２の作用方式は基本的に既知であるため、ここでは具体的な説明を省略する。
チャック１４はドリルビット２０を緊密に挟持する。図１はドリルビット２０の一部のみ示している。ドリルビット２０はチャック１４に伴って回動し、それにより原材料上（図示しない）に穴を開けることができる。
ドリルビット２０については図２を参照しながら詳細に説明する。
ドリルビット２０は、第１金属部材２２と、該第１金属部材２２に固定された第２金属部材２４と、該第２金属部材２４に固定された第３金属部材２６を含み、該第１金属部材２２と該第３金属部材２６はそれぞれ該第２金属部材２４の両端に位置する。第１金属部材２２、第２金属部材２４、第３金属部材２６は概ね１本の棒状基材を構成し、回転軸２７を囲み旋回が対称に分布される。
第１金属部材２２上にドリル先端部２８が設置され、該ドリル先端部２８は２つの鑿刃３０と１つの刃先３２で構成される。穴あけ過程で、刃先３２は原材料を押圧してセンタリングし、同時に２つの切れ刃３０がドリルビット２０の回転に伴い形成するドリル穴の中で材料を削る。
第２金属部材２４中の棒状基材の殻層３３上にはドリルビット溝３４が形成されており、それにより切れ刃３０がドリル穴の中で削り出した材料屑を排出することができ、ドリル穴の中で新たに削り出される材料屑に空間を提供することができる。このような方法を通じ、ドリルビット２０は原材料の中に絶えず深く進入することができる。
第３金属部材２６上には連接部材３６が設置され、ドリルビット２０は連接部材３６を介してチャック１４内に固定される。連接部材３６の設計はそれがどのようなメカニズムでチャック１４上に固定されるかによって決まる。本実施例において、連接部材３６はＳＤＳ（Ｓｔｅｃｋ， Ｄｒｅｈ， Ｓｉｔｚｔ）メカニズムを採用して実施される。このメカニズムを通じてドリルビット２０を固定するために、連接部材３６は回転軸２７の両側にそれぞれ配置された２つのガイド溝３７を含み、図２にはそのうち１つのみが表示されている。このほか、連接部材３６はさらに回転軸２７の両側にそれぞれ配置された２つのロック溝３８を含む。ドリルビット２０をドリル２のチャック１４に挿入する過程で、２つのガイド溝３７が２つのガイド突出部（図示しない）上で摺動され、ドリルビット２０の挿入がガイドされる。ドリルビット２０が十分深くまで挿入されたとき、チャック１４内の２つのロック部材（図示しない）がロック溝３８に嵌置され、ドリルビット２０が固定される。ＳＤＳメカニズム自体は既知であるため、ここでは具体的な説明を省略する。
ドリルビット２０を製造するために、第１金属部材２２と第３金属部材２６を焼結または３Ｄプリント方式で製造する必要がある。特に、ドリル先端部２８の場合、そうすることで岩石材料やコンクリートへの穴あけに必要な高い機械硬度を簡単に達成することができる。比較して、第２金属部材２４の製造方法は第１金属部材２２及び第３金属部材２６の製造方法と異なる。第２金属部材２４は円形の棒状基材の殻層３３に切削方式（例えばミリング）でドリルビット溝３４を形成して成る。このような方法で例えば凹穴形状を形成するドリルビット溝の低コストの製造を実現することができ、これは焼結では容易に実現することができない。ドリル先端部２８の場合、３Ｄプリント技術を使用する利点は、即ち材料の使用または合金の選択上基本的に制限がないことにある。
最後に、上述の方法で製造した第１金属部材２２、第２金属部材２４、第３金属部材２６を圧接により相互に結合し、継ぎ目溶接３９を通じて結合を強化する。
図３Ａから図３Ｃを参照しながら、第１金属部材２２、第２金属部材２４、第３金属部材２６を結合する圧接方法の可能性の１つについて説明する。第１金属部材２２と第２金属部材２４間の結合を例として、より詳細に描いている。
圧接の過程で、結合する必要がある第１金属部材２２、第２金属部材２４をそれぞれチャック４１で挟んだ後、第１金属部材２２を第１レーザー４２で加熱し、第２金属部材２４を第２レーザー４３で加熱する。該第１レーザー４２及び第２レーザー４３はそれぞれ既知のレーザー発生器３５により発生される。
図３Ａに示す第１金属部材２２、第２金属部材２４の圧接操作において、第１レーザー４２、第２レーザー４３は交差状態で作業される。つまり、第１レーザー４２が第１金属部材２２を加熱し、第２レーザー４３が第２金属部材２４を加熱する。第１金属部材２２は第１連接部分４７’と第１連接面４７を有し、第２金属部材２４は第２連接部分４８’と第２連接面４８を有する。図３Ａにおいて、第１金属部材２２及び第２金属部材２４の第１連接面４７及び第２連接面４８は直接加熱され、圧力によって接合される。
第１連接面４７、第２連接面４８を加熱するために、まず２つのレーザー発生器３５の照準を対応する第１金属部材２２、第２金属部材２４に合わせる。照準を合わせる目的は、レーザー発生器３５の走査範囲４４が第１金属部材２２、第２金属部材２４の加熱されるべきでない場所を覆わないようにし、第１金属部材２２、第２金属部材２４がそれぞれ相手に向けて照射する第２レーザー４３、第１レーザー４２を遮らないようにすることにある。図３Ａに破線で示す部分とアポストロフィーが付された符号は、１つのレーザー発生器３５’の位置を例示しており、該位置上で、第１金属部材２２、第２金属部材２４がレーザー発生器３５’の第１レーザー４２’と第２レーザー４３’の走査範囲４４の一部を相互に遮る。
レーザー発生器３５の位置決めを完了した後、走査照射過程を開始する。ここで、第１金属部材２２、第２金属部材２４に照準を合わせたレーザー発生器３５が対応する第１レーザー４２、第２レーザー４３を用いて第１金属部材２２、第２金属部材２４の第１連接面４７、第２連接面４８を交差照射し、第１連接面４７、第２連接面４８がその再結晶温度より高い温度まで加熱される。再結晶温度は材料自体によって決まる。例えば、鋼鉄の再結晶温度は約６００℃〜７００℃であり、具体的には合金の成分と構造状態によって決まる。しかし、第１連接面４７、第２連接面４８を第１金属部材２２、第２金属部材２４の融点以上に加熱してはならない。さもないと、第１金属部材２２、第２金属部材２４に局部的な損壊が発生し、圧接過程に影響する可能性がある。
第１金属部材２２、第２金属部材２４の第１連接面４７、第２連接面４８を全面的に加熱するために、レーザー発生器３５からの第１レーザー４２、第２レーザー４３が走査範囲４４内で曲線移動し、第１連接面４７、第２連接面４８を照射する必要がある。即ち、第１レーザー４２、第２レーザー４３がそれぞれ対応する第１連接面４７、第２連接面４８に対して相対移動する。該相對移動は、第１金属部材２２、第２金属部材２４のみを移動するか、レーザーを移動すると同時に第１金属部材２２、第２金属部材２４も移動することができる。上述の相対移動の実現のため、図３Ａに示すように、第１金属部材２２、第２金属部材２４に回転軸２７の周りで旋回運動６２させる。
図３Ｂに上述の曲線運動の経路を例示する螺旋形の曲線を示す。この螺旋形の曲線経路は第１レーザー４２により第１金属部材２２の第１連接面４７上を走査または描画して形成される。第１連接面４７上を照射する第１レーザー４２が第１連接面４７を点で加熱する。レーザー発生器３５からの第１レーザー４２は自身の移動に伴い螺旋曲線４９に沿って第１連接面４７を点で加熱する。原則上、第１レーザー４２、第２レーザー４３の移動は必須ではない。第１レーザー４２、第２レーザー４３の焦点がそれぞれ対応する第１連接面４７、第２連接面４８を全面的に覆うことができるほど十分に大きい場合（図示しない）、第１レーザー４２、第２レーザー４３を移動しなくても第１金属部材２２、第２金属部材２４の第１連接面４７、第２連接面４８を再結晶温度以上まで加熱できる。
続いて、第１レーザー４２が第１金属部材２２の第１連接面４７上で螺旋形の走査と加熱を行うとき、第１連接面４７上の１つの加熱点５０に対する加熱状況を分析する。第１レーザー４２の該加熱点５０に対する加熱状況は３段階に分けることができ、図３Ｃを参照しながら説明する。図３Ｃに該加熱点５０の熱エネルギー５１対時間５２の座標図を示す。該加熱点５０との関連性を示すために、この図では符号５０’を用いる。
第１レーザー４２を第１連接面４７上の加熱点５０に照射すると、加熱段階５３にある第１連接面４７上の加熱点５０が熱エネルギー５１の熱エネルギー供給５４を通じて加熱される。図３Ｃには３つの加熱段階５３が示されている。即ち、第１レーザー４２が加熱点５０に３回照射され、かつ３回螺旋曲線４９に沿って走査が行われる。熱エネルギー５１の熱エネルギー供給５４は図３Ｃの１つ目の加熱段階５３中のみ符号で示されている。第１レーザー４２が螺旋曲線４９上の加熱点５０以外のその他の点に照射されるとき、冷却段階５５にある加熱点５０の冷却が開始され、これにより加熱点５０上の熱エネルギー５１に熱エネルギー損失５６が発生する。加熱点５０を効果的に加熱する目的を達成するために、第１レーザー４２が螺旋曲線４９に沿って１回の走査を完了したとき、熱エネルギー５１の熱エネルギー供給５４と熱エネルギー５１の熱エネルギー損失５６の間のエネルギー差値５７が正の値となる必要がある。これによってのみ第１連接面４７全体上で効果的な加熱５８を達成することができ、この効果的な加熱５８は図３Ｃにおいて矢印付きの太い破線で示されている。
１つの加熱段階５３と１つの冷却段階５５の合計持続時間は、以下でエネルギー重畳持続時間５９と呼ぶ。エネルギー重畳持続時間５９の逆数（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）をエネルギー重畳頻度（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と呼び、これは第１レーザー４２が螺旋曲線４９に沿って移動する速度を表す。すべての加熱段階５３とすべての冷却段階５５の合計持続時間を以下で加熱時間６０と呼ぶ。
第１連接面４７上の螺旋曲線４９に沿ったすべての点上の温度が第１金属部材２２の再結晶温度より高いとき、加熱時間６０が足りていることになる。第２連接面４８上の加温または加熱方法は第１連接面４７と同じである。
第１金属部材２２、第２金属部材２４の第１連接面４７、第２連接面４８が再結晶温度以上まで加熱されたとき、図３Ａに示すように押圧装置を用いて押圧方向６２に沿って第１金属部材２２、第２金属部材２４を押圧し、第１金属部材２２、第２金属部材２４を再結晶温度以下まで冷却させる。第１金属部材２２、第２金属部材２４の連接部位にはバリ６４が形成される可能性がある。バリ６４は例えば切削加工で除去することができる。
第１金属部材２２、第２金属部材２４の機械的結合後、同様の方法で第３金属部材２６と第２金属部材２４を圧接し、ドリルビット２０の製造を完了することができる。
レーザー圧接技術のほか、第１金属部材２２、第２金属部材２４、第３金属部材２６はさらに誘電圧接、鍛接、接触溶接、摩擦溶接、抵抗溶接、超音波溶接で結合を実現してもよい。
上述の実施例の説明を総合すると、本発明の操作、使用及び本発明の効果について充分に理解することができる。以上の実施例は、本発明の最良の実施例に基づくものであり、これらを以って本発明の実施の範囲を限定することはできず、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に基づいた同等効果の簡単な変化や修飾はすべて本発明の範囲内に含まれる。
２ ドリル
４ 筐体
６ モーター
８ 駆動軸
１０ 駆動装置
１２ 出力軸
１４ チャック
１６ 軸方向移動
１８ スイッチ
２０ ドリルビット(工具)
２２ 第１金属部材
２４ 第２金属部材
２６ 第３金属部材
２７ 回転軸
２８ ドリル先端部（工具先端部）
３０ 切れ刃
３２ 刃先
３３ 殻層
３４ ドリルビット溝
３５、３５’ レーザー発生器
３６ 連接部材
３７ ガイド溝
３８ ロック溝
３９ 継ぎ目溶接
４１ チャック
４２、４２’ 第１レーザー
４３、４３’ 第２レーザー
４４ 走査範囲
４７ 第１連接面
４８ 第２連接面
４７’ 第１連接部分
４８’ 第２連接部分
４９ 螺旋曲線
５０ 加熱点
５０’ 加熱点５０の熱エネルギー５１対時間５２の関係
５１ 熱エネルギー
５２ 時間
５３ 加熱段階
５４ 熱エネルギー供給
５５ 冷却段階
５６ 熱エネルギー損失
５７ エネルギー差値
５８ 効果的な加熱
５９ エネルギー重畳持続時間
６０ 加熱時間
６２ 旋回運動
６４ バリ
本発明は圧接で工具を製造する方法及び圧接で製造した工具に関する。
ドイツの特許第ＤＥ１０２００９０３６２８５ Ａ１号によると、ドリルビット形式の工具では溶接の方法でドリル先端部とドリルビット溝部を結合することが既知である。日本の特許第ＪＰ５２-５０９０６Ａ号は無酸素または不活性気体環境下で処理するドリルビットの製造手段を開示しているが、該手段に基づくと加工部品全部を無酸素または不活性気体環境中に入れる必要があることが分かる。
ドイツ特許第ＤＥ１０２００９０３６２８５ Ａ１号明細書 日本特許第ＪＰ５２-５０９０６Ａ号明細書
本発明の目的は上述の既知の製造方法を改善し、圧接で工具を製造する方法及び圧接で製造した工具を提供することにある。
本発明の一側面に基づき、本発明の工具を製造する方法は、工具先端部を備えた第１金属部材の第１連接面を、その温度が該第１金属部材の再結晶温度を超えるまで加熱する工程と、第２金属部材の第２連接面を、その温度が該第２金属部材の再結晶温度を超えるまで加熱する工程と、該第１金属部材及び該第２金属部材のすでに加熱された第１連接面及び第２連接面を対向させて押圧し、該第１連接面及び第２連接面の温度が再結晶温度を下回るまで冷却させる工程と、を含む。かつ、該第１金属部材及び第２金属部材の圧接工程は、無酸素または不活性気体環境下で拡散焼結する方式を排除している。
本発明の基本理念は、該工具中の工具先端部を有する該第１金属部材を、溝部を備えた該第２金属部材の形状に合わせて接合し、該工具を装備した穿孔機の動作中のトルクを獲得する必要がある。溶接継ぎ目の安定性が不足すると、トルクが十分な機械抵抗力を提供して安全な持久的操作を実現することができない。この問題は、例えばスクリュードライバーやタップレンチなど、このタイプのあらゆる工具で発生する。
本発明は該第１金属部材及び該第２金属部材を溶接ではなく圧接する方法で相互に結合する。圧接の利点として、該第１金属部材及び該第２金属部材の全面を均一に結合することができ、該第１金属部材及び該第２金属部材の間で同じ材料の結合を実現することができる。この点は従来の溶接に類似している。このような方法を通じ、該第１金属部材及び該第２金属部材はさらなる結合技術（例えば形状を合わせた結合）を実施する必要なく、十分な安定性を実現でき、該工具の動作中のトルクを獲得できる。
上述の方法の改善案に基づき、該第１金属部材の第１連接面が加熱される前に、該第１金属部材を焼結する。これにより、該第１金属部材を該工具が実施する機能に適応させて最も理想的な状態を達成することができる。
例えば、工具先端部を有する第１金属部材を焼結することができる。特に、岩石材料とコンクリートに用いるドリルビットのドリル先端部の構造は、螺旋対称部品に適用する従来の切削製作技術（例えばミリング）で製造した場合、いくつかの条件下でしか低コストの製造を実現できない。また一方で、ドリルビット全体を焼結の方法で製造するのも理想的ではない。該工具の該第１金属部材及び該第２金属部材を別々に製造し、最後に圧接結合することで、該第１金属部材及び該第２金属部材を最も理想的な方法で製造でき、その後あまり製造コストをかける必要なく、該第１金属部材及び該第２金属部材を結合することができる。
このほか、該第１金属部材は３Ｄプリント（付加製造とも呼ばれる）等その他従来の成型技術で製造してもよい。該従来の成型技術の利点は、該工具先端部に多くの異なる合金材料を選択して製造でき、該工具先端部の機能に基づいて最高レベルの理想化を達成できることである。特に、３Ｄプリント技術で、合金材料の選択は基本的に完全に隨意である。
本発明の特別な改善案に基づき、該方法はさらに、該第２金属部材の第２連接面が加熱される前に、切削技術で該第２金属部材を製造する工程を含む。例えばこの切削技術はミリングとすることができ、該方法を通じて該第２金属部材の殻層にドリルビット溝を形成する。
本発明の追加の改善案に基づき、上述の方法はさらに、該第２金属部材上の該第１金属部材の位置とは反対の別の第２連接面を温度がその再結晶温度より高くなるまで加熱する工程と、第３金属部材の第３連接面を温度がその再結晶温度より高くなるまで加熱する工程と、該第２金属部材と該第３金属部材上のすでに加熱された第２連接面及び第３連接面を対向させて押圧し、該第２連接面及び第３連接面の温度を再結晶温度以下まで下げる工程を含む。
該的ドリルビットが工具として使用されるとき、該第３金属部材はアクセサリとすることができ、例えばＳＤＳ（Ｓｔｅｃｋ， Ｄｒｅｈ， Ｓｉｔｚｔ）のアクセサリとして、ツールホルダーに組み合わせることができる。該第１金属部材と同じく、該第３金属部材も焼結技術で製造することができる。
本発明の別の一側面に基づき、本発明は上述の方法で製造された工具を提供する。例えば、該工具はドリルビット、スクリュードライバー、タップレンチとすることができる。
ドリルの概略図である。 図１に示すドリルのドリルビットの概略図である。 図２に示すドリルのドリルビット中の第１金属部材と第２金属部材間の圧接過程の概略図である。 図３Ａａに示すドリルのドリルビット中の第１金属部材及び第２金属部材間の圧接後に形成されるバリの概略図である。 図３Ａａに示すドリルのドリルビット中の第１金属部材及び第２金属部材の圧接過程におけるレーザービーム経路を示す概略図である。 図３Ｂに示すドリルのドリルビット中の第１金属部材及び第２金属部材の時間とともに推移するレーザービームエネルギー入力解説図である。
図において、同じ技術部材は一律同じ符号を使用して表示しており、かつ各技術部材について一度説明する。図はいずれも概略図であり、実物部材中の真実の幾何関係を反映していない。
図１に示す本実施例はドリル２を例としており、その加工工具はドリルビット２０である。ドリル２は、破線で示す筐体４を含み、該筐体４内には駆動軸８の駆動に用いるモーター６が設置される。駆動軸８は既知の駆動装置１０を通じて出力軸１２を駆動し、出力軸１２上の駆動装置１０と反対側にチャック１４が設置される。出力軸１２の軸方向移動１６を通じて駆動装置１０の異なる伝動比を形成することができる。
モーター６が駆動軸８を回転させ、駆動軸８は駆動装置１０を通じて出力軸１２を動かし、続いてチャック１４を回転させる。ドリル２上にスイッチ１８が設置され、モーター６と駆動回転の起動に用いられる。ドリル２の作用方式は基本的に既知であるため、ここでは具体的な説明を省略する。
チャック１４はドリルビット２０を緊密に挟持する。図１はドリルビット２０の一部のみ示している。ドリルビット２０はチャック１４に伴って回動し、それにより原材料上（図示しない）に穴を開けることができる。
ドリルビット２０については図２を参照しながら詳細に説明する。
ドリルビット２０は、第１金属部材２２と、該第１金属部材２２に固定された第２金属部材２４と、該第２金属部材２４に固定された第３金属部材２６を含み、該第１金属部材２２と該第３金属部材２６はそれぞれ該第２金属部材２４の両端に位置する。第１金属部材２２、第２金属部材２４、第３金属部材２６は概ね１本の棒状基材を構成し、回転軸２７を囲み旋回が対称に分布される。
第１金属部材２２上にドリル先端部２８が設置され、該ドリル先端部２８は２つの鑿刃３０と１つの刃先３２で構成される。穴あけ過程で、刃先３２は原材料を押圧してセンタリングし、同時に２つの切れ刃３０がドリルビット２０の回転に伴い形成するドリル穴の中で材料を削る。
第２金属部材２４中の棒状基材の殻層３３上にはドリルビット溝３４が形成されており、それにより切れ刃３０がドリル穴の中で削り出した材料屑を排出することができ、ドリル穴の中で新たに削り出される材料屑に空間を提供することができる。このような方法を通じ、ドリルビット２０は原材料の中に絶えず深く進入することができる。
第３金属部材２６上には連接部材３６が設置され、ドリルビット２０は連接部材３６を介してチャック１４内に固定される。連接部材３６の設計はそれがどのようなメカニズムでチャック１４上に固定されるかによって決まる。本実施例において、連接部材３６はＳＤＳ（Ｓｔｅｃｋ， Ｄｒｅｈ， Ｓｉｔｚｔ）メカニズムを採用して実施される。このメカニズムを通じてドリルビット２０を固定するために、連接部材３６は回転軸２７の両側にそれぞれ配置された２つのガイド溝３７を含み、図２にはそのうち１つのみが表示されている。このほか、連接部材３６はさらに回転軸２７の両側にそれぞれ配置された２つのロック溝３８を含む。ドリルビット２０をドリル２のチャック１４に挿入する過程で、２つのガイド溝３７が２つのガイド突出部（図示しない）上で摺動され、ドリルビット２０の挿入がガイドされる。ドリルビット２０が十分深くまで挿入されたとき、チャック１４内の２つのロック部材（図示しない）がロック溝３８に嵌置され、ドリルビット２０が固定される。ＳＤＳメカニズム自体は既知であるため、ここでは具体的な説明を省略する。
ドリルビット２０を製造するために、第１金属部材２２と第３金属部材２６を焼結または３Ｄプリント方式で製造する必要がある。特に、ドリル先端部２８の場合、そうすることで岩石材料やコンクリートへの穴あけに必要な高い機械硬度を簡単に達成することができる。比較して、第２金属部材２４の製造方法は第１金属部材２２及び第３金属部材２６の製造方法と異なる。第２金属部材２４は円形の棒状基材の殻層３３に切削方式（例えばミリング）でドリルビット溝３４を形成して成る。このような方法で例えば凹穴形状を形成するドリルビット溝の低コストの製造を実現することができ、これは焼結では容易に実現することができない。ドリル先端部２８の場合、３Ｄプリント技術を使用する利点は、即ち材料の使用または合金の選択上基本的に制限がないことにある。
最後に、上述の方法で製造した第１金属部材２２、第２金属部材２４、第３金属部材２６を圧接により相互に結合し、継ぎ目溶接３９を通じて結合を強化する。
図３Ａａから図３Ｃを参照しながら、第１金属部材２２、第２金属部材２４、第３金属部材２６を結合する圧接方法の可能性の１つについて説明する。第１金属部材２２と第２金属部材２４間の結合を例として、より詳細に描いている。
圧接の過程で、結合する必要がある第１金属部材２２、第２金属部材２４をそれぞれチャック４１で挟んだ後、第１金属部材２２を第１レーザー４２で加熱し、第２金属部材２４を第２レーザー４３で加熱する。該第１レーザー４２及び第２レーザー４３はそれぞれ既知のレーザー発生器３５により発生される。
図３Ａａに示す第１金属部材２２、第２金属部材２４の圧接操作において、第１レーザー４２、第２レーザー４３は交差状態で作業される。つまり、第１レーザー４２が第１金属部材２２を加熱し、第２レーザー４３が第２金属部材２４を加熱する。第１金属部材２２は第１連接部分４７’と第１連接面４７を有し、第２金属部材２４は第２連接部分４８’と第２連接面４８を有する。図３Ａａにおいて、第１金属部材２２及び第２金属部材２４の第１連接面４７及び第２連接面４８は直接加熱され、圧力によって接合される。
第１連接面４７、第２連接面４８を加熱するために、まず２つのレーザー発生器３５の照準を対応する第１金属部材２２、第２金属部材２４に合わせる。照準を合わせる目的は、レーザー発生器３５の走査範囲４４が第１金属部材２２、第２金属部材２４の加熱されるべきでない場所を覆わないようにし、第１金属部材２２、第２金属部材２４がそれぞれ相手に向けて照射する第２レーザー４３、第１レーザー４２を遮らないようにすることにある。図３Ａａに破線で示す部分とアポストロフィーが付された符号は、１つのレーザー発生器３５’の位置を例示しており、該位置上で、第１金属部材２２、第２金属部材２４がレーザー発生器３５’の第１レーザー４２’と第２レーザー４３’の走査範囲４４の一部を相互に遮る。
レーザー発生器３５の位置決めを完了した後、走査照射過程を開始する。ここで、第１金属部材２２、第２金属部材２４に照準を合わせたレーザー発生器３５が対応する第１レーザー４２、第２レーザー４３を用いて第１金属部材２２、第２金属部材２４の第１連接面４７、第２連接面４８を交差照射し、第１連接面４７、第２連接面４８がその再結晶温度より高い温度まで加熱される。再結晶温度は材料自体によって決まる。例えば、鋼鉄の再結晶温度は約６００℃〜７００℃であり、具体的には合金の成分と構造状態によって決まる。しかし、第１連接面４７、第２連接面４８を第１金属部材２２、第２金属部材２４の融点以上に加熱してはならない。さもないと、第１金属部材２２、第２金属部材２４に局部的な損壊が発生し、圧接過程に影響する可能性がある。
第１金属部材２２、第２金属部材２４の第１連接面４７、第２連接面４８を全面的に加熱するために、レーザー発生器３５からの第１レーザー４２、第２レーザー４３が走査範囲４４内で曲線移動し、第１連接面４７、第２連接面４８を照射する必要がある。即ち、第１レーザー４２、第２レーザー４３がそれぞれ対応する第１連接面４７、第２連接面４８に対して相対移動する。該相對移動は、第１金属部材２２、第２金属部材２４のみを移動するか、レーザーを移動すると同時に第１金属部材２２、第２金属部材２４も移動することができる。上述の相対移動の実現のため、図３Ａａに示すように、第１金属部材２２、第２金属部材２４に回転軸２７の周りで旋回運動６２させる。
図３Ｂに上述の曲線運動の経路を例示する螺旋形の曲線を示す。この螺旋形の曲線経路は第１レーザー４２により第１金属部材２２の第１連接面４７上を走査または描画して形成される。第１連接面４７上を照射する第１レーザー４２が第１連接面４７を点で加熱する。レーザー発生器３５からの第１レーザー４２は自身の移動に伴い螺旋曲線４９に沿って第１連接面４７を点で加熱する。原則上、第１レーザー４２、第２レーザー４３の移動は必須ではない。第１レーザー４２、第２レーザー４３の焦点がそれぞれ対応する第１連接面４７、第２連接面４８を全面的に覆うことができるほど十分に大きい場合（図示しない）、第１レーザー４２、第２レーザー４３を移動しなくても第１金属部材２２、第２金属部材２４の第１連接面４７、第２連接面４８を再結晶温度以上まで加熱できる。
続いて、第１レーザー４２が第１金属部材２２の第１連接面４７上で螺旋形の走査と加熱を行うとき、第１連接面４７上の１つの加熱点５０に対する加熱状況を分析する。第１レーザー４２の該加熱点５０に対する加熱状況は３段階に分けることができ、図３Ｃを参照しながら説明する。図３Ｃに該加熱点５０の熱エネルギー５１対時間５２の座標図を示す。該加熱点５０との関連性を示すために、この図では符号５０’を用いる。
第１レーザー４２を第１連接面４７上の加熱点５０に照射すると、加熱段階５３にある第１連接面４７上の加熱点５０が熱エネルギー５１の熱エネルギー供給５４を通じて加熱される。図３Ｃには３つの加熱段階５３が示されている。即ち、第１レーザー４２が加熱点５０に３回照射され、かつ３回螺旋曲線４９に沿って走査が行われる。熱エネルギー５１の熱エネルギー供給５４は図３Ｃの１つ目の加熱段階５３中のみ符号で示されている。第１レーザー４２が螺旋曲線４９上の加熱点５０以外のその他の点に照射されるとき、冷却段階５５にある加熱点５０の冷却が開始され、これにより加熱点５０上の熱エネルギー５１に熱エネルギー損失５６が発生する。加熱点５０を効果的に加熱する目的を達成するために、第１レーザー４２が螺旋曲線４９に沿って１回の走査を完了したとき、熱エネルギー５１の熱エネルギー供給５４と熱エネルギー５１の熱エネルギー損失５６の間のエネルギー差値５７が正の値となる必要がある。これによってのみ第１連接面４７全体上で効果的な加熱５８を達成することができ、この効果的な加熱５８は図３Ｃにおいて矢印付きの太い破線で示されている。
１つの加熱段階５３と１つの冷却段階５５の合計持続時間は、以下でエネルギー重畳持続時間５９と呼ぶ。エネルギー重畳持続時間５９の逆数（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）をエネルギー重畳頻度（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と呼び、これは第１レーザー４２が螺旋曲線４９に沿って移動する速度を表す。すべての加熱段階５３とすべての冷却段階５５の合計持続時間を以下で加熱時間６０と呼ぶ。
第１連接面４７上の螺旋曲線４９に沿ったすべての点上の温度が第１金属部材２２の再結晶温度より高いとき、加熱時間６０が足りていることになる。第２連接面４８上の加温または加熱方法は第１連接面４７と同じである。
第１金属部材２２、第２金属部材２４の第１連接面４７、第２連接面４８が再結晶温度以上まで加熱されたとき、図３Ａｂに示すように押圧装置を用いて押圧方向６２に沿って第１金属部材２２、第２金属部材２４を押圧し、第１金属部材２２、第２金属部材２４を再結晶温度以下まで冷却させる。第１金属部材２２、第２金属部材２４の連接部位にはバリ６４が形成される可能性がある。バリ６４は例えば切削加工で除去することができる。
第１金属部材２２、第２金属部材２４の機械的結合後、同様の方法で第３金属部材２６と第２金属部材２４を圧接し、ドリルビット２０の製造を完了することができる。
レーザー圧接技術のほか、第１金属部材２２、第２金属部材２４、第３金属部材２６はさらに誘電圧接、鍛接、接触溶接、摩擦溶接、抵抗溶接、超音波溶接で結合を実現してもよい。
上述の実施例の説明を総合すると、本発明の操作、使用及び本発明の効果について充分に理解することができる。以上の実施例は、本発明の最良の実施例に基づくものであり、これらを以って本発明の実施の範囲を限定することはできず、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に基づいた同等効果の簡単な変化や修飾はすべて本発明の範囲内に含まれる。
２ ドリル
４ 筐体
６ モーター
８ 駆動軸
１０ 駆動装置
１２ 出力軸
１４ チャック
１６ 軸方向移動
１８ スイッチ
２０ ドリルビット(工具)
２２ 第１金属部材
２４ 第２金属部材
２６ 第３金属部材
２７ 回転軸
２８ ドリル先端部（工具先端部）
３０ 切れ刃
３２ 刃先
３３ 殻層
３４ ドリルビット溝
３５、３５’ レーザー発生器
３６ 連接部材
３７ ガイド溝
３８ ロック溝
３９ 継ぎ目溶接
４１ チャック
４２、４２’ 第１レーザー
４３、４３’ 第２レーザー
４４ 走査範囲
４７ 第１連接面
４８ 第２連接面
４７’ 第１連接部分
４８’ 第２連接部分
４９ 螺旋曲線
５０ 加熱点
５０’ 加熱点５０の熱エネルギー５１対時間５２の関係
５１ 熱エネルギー
５２ 時間
５３ 加熱段階
５４ 熱エネルギー供給
５５ 冷却段階
５６ 熱エネルギー損失
５７ エネルギー差値
５８ 効果的な加熱
５９ エネルギー重畳持続時間
６０ 加熱時間
６２ 旋回運動
６４ バリ

Claims (10)

  1. 圧接で工具を製造する方法であって、
    上面に工具先端部を有する第１金属部材の第１連接面を該第１金属部材の再結晶温度以上まで加熱する工程と、
    第２金属部材の第２連接面を該第２金属部材の再結晶温度以上まで加熱する工程と、
    該第１金属部材及び該第２金属部材のすでに加熱された第１連接面及び第２連接面を対向させて押圧し、該第１連接面及び第２連接面の温度が再結晶温度以下に下がるまで冷却させる工程と、を含む、
    ことを特徴とする、圧接で工具を製造する方法。
  2. 前記第１金属部材の該第１連接面を加熱する前に、該第１金属部材を焼結することを特徴とする、請求項１に記載の圧接で工具を製造する方法。
  3. 前記工具先端部を備えた該第１金属部材が３Ｄプリントの方法で製造されることを特徴とする、請求項２に記載の圧接で工具を製造する方法。
  4. 前記第２金属部材が、その該第２連接面が加熱される前に、切削生産技術で製造されて成ることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の圧接で工具を製造する方法。
  5. 前記切削生産技術がミリングの方法であり、ドリルビット溝が該方法を通じて該第２金属部材の殻層にミリングで成形されることを特徴とする、請求項４に記載の圧接で工具を製造する方法。
  6. 前記第２金属部材の別の第２連接面を再結晶温度以上まで加熱し、該別の第２連接面と該第１金属部材に連接された第１連接面の位置が反対である工程と、第３金属部材の第３連接面を再結晶温度以上まで加熱する工程と、該第２金属部材、該第３金属部材のすでに加熱された該第２連接面及び該第３連接面を対向させて押圧し、該第２連接面及び該第３連接面の温度を該再結晶温度以下まで下げる工程を含むことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧接で工具を製造する方法。
  7. 前記第３金属部材の該第３連接面を加熱する前に、該第３金属部材を焼結することを特徴とする、請求項６に記載の圧接で工具を製造する方法。
  8. 前記第３金属部材が焼結により製造され、該第３金属部材が工具をチャックに固定するために用いる連接部材を備えていることを特徴とする、請求項７に記載の圧接で工具を製造する方法。
  9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の圧接で工具を製造する方法により製造されたことを特徴とする、圧接で製造した工具。
  10. 前記工具がドリルビット、スクリュードライバーまたはタップレンチであることを特徴とする、請求項９に記載の圧接で製造した工具。
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