JP4551527B2 - 金属製部材の結合方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、摩擦撹拌接合を用いた金属製部材の結合方法に係り、特に、アーム部とその両端に設けられるブッシュ取付部とを備えたアルミ等の金属製リンク部材を摩擦撹拌接合にて容易かつ確実に結合する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
別体のブッシュ取付部をアーム部の端部へ結合してリンク部材を製造する場合、別体のブッシュ取付部へ略コの字状をなすように二股状に突出する一対の二股突部を設け、この二股突部間へ四角断面をなすアーム部の端部を嵌合し、嵌合部を溶接して一体化するサスペンションアーム用リンク部材の製法が公知である(一例として特開平11−157317号)。
【0003】
しかしながらこのようにしてリンク部材を製造する場合、嵌合部を溶接するとき熱影響が残るので溶接部位の選定が困難であったり、作業に熟練を求められる場合がある。特に、アルミ材料の溶接は困難であり、作業性の向上が望まれている。そこでこのような溶接に代わる方法として摩擦撹拌接合が提唱されるようになった。なお、本願発明においてアルミとは種々の公知アルミ合金材料を含むものとする。
【0004】
図11は、このような摩擦撹拌接合の一例として特開平11−190375号に示される方法であり、第1部材1に形成された丸穴状の嵌合穴2に、丸棒状の第2部材3の端部を嵌合し、第1部材1の半径方向外方から高速回転する摩擦撹拌用回転工具5の先端に形成された小径のプローブ6を挿入し、この状態で第1部材1及び第2部材3を一体回転させることにより、第1部材1と第2部材3の接合部4に沿う部分を摩擦撹拌接合にて接合するようになっている。符号7は摩擦撹拌用回転工具の肩部である。
【0005】
図12は、特開平11−20435号に示される例であり、アルミ押出部材から構成されたリング状をなす第1部材1の外周部に半径方向外方へ突出する連結部8を設け、ここに断面四辺形状の嵌合穴2を形成し、この嵌合穴2へアルミ製角パイプ状をなす第2部材3の一端部を嵌合し、上記摩擦撹拌用回転工具5により摩擦撹拌接合を行う。このとき、摩擦撹拌用回転工具5も、連結部8の外表面に形成された平面9上を移動するようになっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、摩擦撹拌接合は相接する2部材の各材料を、摩擦撹拌接合用回転工具で軟化させ、接合部4を挟んで両側の材料を撹拌混合させることにより結合するものである。したがって、十分な結合強度を得るには相接する2材料を十分に撹拌混合させなければならない。また摩擦撹拌接合作業中に軟化した材料が溢れ出さないよう、摩擦撹拌用回転工具5の肩部7で接合部を押さえ込むことによりシールする必要がある。
【0007】
そこで前記従来例を検討すると、前記図11の方法ではプローブ6と接合部4の関係がほぼ一定であるため、撹拌混合が効率的でなく、十分な結合強度を得ることができない。また、肩部7を円形断面をなす第1部材1の外周部へ当接させるため、肩部7で曲面を押さえてシールすることになり、この状態では軟化材料の溢れ出しを防ぐことが難しく、確実にシールするためには厳しい工程管理が必要になる。
【0008】
一方、図12に示す例では、肩部7を平面9へ当接するので、軟化材料の溢れ出しを防ぐことはできるが、プローブ6の回転面と接合部4が平行であるから、プローブ6と接合部4の関係がやはり一定であり、殆ど撹拌混合を期待できない。したがってこの例も十分な結合強度を得られない。
【0009】
そこで本願発明は、別体取付部とアーム部を、そのいずれか一方側に設けられたコ字状等の二股部に他方側を嵌合して摩擦撹拌接合により結合一体化するリンク部材等の製法において、上記摩擦撹拌接合に伴う問題点を解決し、容易かつ確実な摩擦撹拌接合を実現させることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本願発明に係る金属製部材の結合方法は、
金属製の第1部材と第2部材の結合に際し、第1部材に設けられた一対の二股突部間へ第2部材に設けられた連結部を嵌合して摩擦撹拌接合により結合一体化する方法において、
前記第1部材に設けられた前記一対の二股突部は前記連結部が嵌合する嵌合凹部を挟むように平行して突出形成され、各二股突部は嵌合凹部を挟んで対面する一対の凹部側接合面と、この凹部側接合面と直交する平面状の表面を備え、
かつ前記第2部材の連結部は、その外表面に前記凹部側接合面に対応する一対の連結部側接合面を備え、
前記連結部を前記嵌合凹部へ嵌合し、前記連結部側接合面を対応する前記凹部側接合面へ接触させてこれら連結部側接合面と凹部側接合面とが合わさった接合部を形成するとともに、
前記凹部側接合面及びこの凹部側接合面と直交する前記表面とを切る方向の断面を横断面とし、
嵌合状態にある前記連結部と前記二股突部の前記横断面における接合部と平行する方向を厚さ方向としたとき、
摩擦撹拌用回転工具を回転させながら、前記横断面にて前記表面側から厚さ方向へ接合部に沿って挿入し、接合部を挟む第1及び第2部材の材料を摩擦撹拌し、かつ接合部に沿って二股突部の前記表面に摺動させて摩擦撹拌接合することにより結合一体化するとともに、
前記摩擦撹拌用回転工具の回転軸線方向における、前記凹部側接合面の厚さ方向寸法よりも、前記連結部側接合面の厚さ方向寸法が狭く、前記凹部側接合面の厚さ方向寸法よりも接合幅が狭いとき、
この前記凹部側接合面の厚さ方向寸法と接合幅の差に相当する厚さ方向寸法の接合面を有するスペーサーを前記連結部の外表面上に設け、このスペーサーの一部表面を第1部材側と面一になるガイド面とし、これら第1部材の前記二股突部、連結部及びスペーサーを摩擦撹拌接合により結合したことを特徴とする。
【0011】
【発明の効果】
本願発明によれば、摩擦撹拌用回転工具を回転させながら、回転軸線を接合部と平行にして、厚さ方向から接合部に向かって挿入し、かつ接合部に沿って二股突部の表面と平行に移動させて摩擦撹拌接合するので、接合部を挟む第1部材の嵌合凹部に臨む二股突部側と連結部側の各材料が良好かつ十分に撹拌混合される。このため、摩擦撹拌接合が強固になる。しかも接合部に沿って形成するため、必要強度に応じて接合ラインの長さを自在に調整できるので、接合作業の自由度が高くなる。そのうえ、接合部を挟んで面一となるガイド面を第1部材の二股突部と連結部側双方に形成することにより、このガイド面上で摩擦撹拌用回転工具を摺動させながら接合部に沿って移動させると、摩擦撹拌接合時の軟化材料の溢れ出しを容易かつ確実に阻止できるので、摩擦撹拌接合が容易になり、かつ品質も安定する。また、摩擦撹拌用回転工具の回転軸線方向における、前記凹部側接合面の厚さ方向寸法よりも、前記連結部側接合面の厚さ方向寸法が狭く、前記凹部側接合面の厚さ方向寸法よりもを接合幅が狭いとき、
この前記凹部側接合面の厚さ方向寸法と接合幅の差に相当する厚さ方向寸法の接合面を有するスペーサーを用いることにより、スペーサーと第1部材の嵌合凹部に臨む二股突部とのガイド面を面一にすることができる。なお、本願発明において接合幅とは、接合部における摩擦撹拌用回転工具の回転軸線方向の幅を指称する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて自動車のサスペンション用リンクアームに適用された実施例を説明する。図1〜4は第1実施例に係り、図1は摩擦撹拌接合部分を示す図、図2はリンクアーム全体を90°違いでA,Bとして示す図、図3は接合部の分解図、図4は摩擦撹拌接合部分の断面図である。
【0013】
図2に示すように、このリンクアームは、角パイプ状をなすアーム部10と、その長さ方向両端に摩擦撹拌接合で結合される別体取付部20を有する。別体取付部20は、図示しないブッシュ取付用の丸穴21を有するリング状本体部20aを備え、その外周部から一対の二股突部22が間隔をもって平行に突出して二股部を形成し、この部分は丸穴21の中心軸線方向から見たとき、略コ字状をなしている。
【0014】
これらアーム部10及び別体取付部20は、それぞれアルミ押し出し部品を所定幅で押し出し方向と直交する方向へカットすることにより得られ、アーム部10の両端部である連結部11を、一対の二股突部22の間に形成されている嵌合凹部22a(図3)へ嵌合し、摩擦撹拌接合により結合される。なお、図2のA,Bに示すように、両端の別体取付部20は、それぞれ丸穴21の中心軸線を90°違う方向へ向けて連結されている。但し、同方向にすることも任意にできる。
【0015】
図1は、丸穴21の中心軸線方向から一端の別体取付部20とアーム部10との結合状態を示す図、図4は図1の4−4線相当断面における摩擦撹拌接合を示す図であり、連結部11と二股突部22との結合状態における横断面をなす。図1に明らかなように、二股突部22は対向面を凹部側接合面23とし、凹部側接合面23間の間隔は内幅Wをなす。
【0016】
また、図4において二股突部22の上下面25,26のうち、上面25は凹部側接合面23と直交する平面であるガイド面をなしている。なお、凹部側接合面23間は嵌合空間24をなす。また、丸穴21の中心軸線方向における二股突部22の厚さ方向寸法をtとする。なお、本願発明において上下左右とは図4等における横断面の図示状態を基準とする。
【0017】
連結部11は、横断面四角形状をなし、その外表面のうち嵌合時に凹部側接合面23に対面して接する部分は一対の連結部側接合面12をなし、この連結部側接合面12間の寸法である外幅は内幅Wと略等しい。図4に示すように、連結部11の上面13及び下面14は、平行する平面状をなし、上面13と下面14間の寸法は二股突部22の厚さ方向寸法tと一致し、二股突部22へ嵌合したとき上面13は二股突部22の上面25と面一になり、下面14も二股突部22の下面26と面一になり、それぞれガイド面を構成する。
【0018】
図1に示すように、二股突部22の嵌合空間24へ嵌合されたアーム部10の連結部11は、二股突部22の凹部側接合面23と連結部11の連結部側接合面12との接合部に沿ってアーム部10の長手方向と平行に摩擦撹拌接合される(以後、この方向の接合を長手方向接合という)。符号30はこの接合による接合ラインを示す。
【0019】
図4に示すように、摩擦撹拌接合は凹部側接合面23と連結部側接合面12の接合部31の上方から挿入される工具40により行われる。工具40は、太径部41とその先端側に形成される小径部42を一体に備え、太径部41と小径部42の間に形成される肩部43がガイド面をなす上面13及び25上を摺動可能になっている。
【0020】
この工具40を高速回転させながら小径部42を接合部31の上方から当接し、接合部31を挟む二股突部22と連結部11の材料を軟化させながら挿入すると、この小径部42により二股突部22と連結部11の材料は撹拌混合されて撹拌混合部32となる。
【0021】
やがて肩部43が上面13及び25へ当接すると、この状態で肩部43を上面13及び25上で摺動させながら工具40を接合部31に沿ってアーム部10の長手方向へ移動させる。すると、二股突部22と連結部11は接合部31の近傍部が撹拌混合される。
【0022】
その結果、撹拌混合部32は連結部11と接合部31の各材料が十分に撹拌混合されるため強固な摩擦撹拌接合が可能になる。しかも接合ライン30を長手方向にすることにより、目的とする結合強度に応じて接合ライン30の長さを自由に調節できるので、摩擦撹拌接合の自由度が大きくなる。
【0023】
そのうえ、接合部31の両側にガイド面13,25を設けたので、肩部43がガイド面である上面13及び25に当接して軟化部をシールするため、軟化材料の溢れ出しを確実かつ容易に防止でき、摩擦撹拌接合作業を容易かつ迅速にでき、接合品質も安定させることができる。
【0024】
図5は第2実施例に係り、この例では二股突部22と連結部11の各上下面13,14,25及び26をそれぞれ面一のガイド面とし、図示の横断面において、左側の接合部31では上方から摩擦撹拌接合し、右側の接合部31では下方から摩擦撹拌接合している。
【0025】
これにより、横断面において摩擦撹拌接合を対角位置2ヶ所で行い、対角位置に一対の撹拌混合部32が上下方向から形成されることになり、その結果、摩擦撹拌接合を必要最小限度の範囲で済ませることができ、かつ全体の結合強度をバランスよくできる。
【0026】
図6は第3実施例であり、連結部11の高さhが二股突部22の厚さ方向寸法tより小さく(t>h)なっている。上面13及び下面14の上にはスペーサー50がそれぞれ重ねられている。
【0027】
スペーサー50の左右両端には肉厚部51が設けられ、その表面52は上面25及び下面26と面一のガイド面をなしている。なおスペーサー50の横幅方向中心部は薄肉部54をなし、肉抜きすることにより全体の重量増加を極力抑制している。
【0028】
この状態で、左側を接合部31の上方から、右側を接合部31の下方から摩擦撹拌接合すると、凹部側接合面23とスペーサー50の接合面53及び連結部側接合面12の3部分へまたがるよう、対角位置に撹拌混合部32が形成され、全体が結合一体化する。
【0029】
このように、本来は嵌合端部11の上面13と二股突部22の上面25並びに連結部11の下面14と二股突部22の下面26の間に段差ができ、摩擦撹拌接合が困難になるところ、スペーサー50を設けることにより摩擦撹拌接合が可能になる。したがって、大きさの異なる別体取付部とアーム部を結合する場合に極めて有効である。
【0030】
図7は、第4実施例であり、アーム部並びに連結部11をH字状断面とし、一対の対向壁15とこれを左右に連結するブリッジ16を一体に有し、対向壁15の外表面を連結部側接合面12とし、かつその高さhを二股突部22の厚さ方向寸法tと一致させる。
【0031】
これにより二股突部22の上面25及び下面26と、対向壁15の上面13及び下面14を面一にしてガイド面とすることにより、横断面において対角位置2ヶ所で摩擦撹拌接合が可能になるとともに、アーム部10が軽量化するので全体として製品を著しく軽量化できる。
【0032】
図8は第5実施例に係り、この例では結合部の横断面が略N字状をなし、アーム部及び連結部11は横断面で扁平状をなして斜めに配置され、左右の二股突部22間を対角線状に結合する全体の横断面が略N字状をなす。
【0033】
連結部11の上端側に連結部側接合面12と上面13を設け、かつ下端側に連結部側接合面12と下面14を設け、上下方向から対角2ヶ所で摩擦撹拌接合する。このようにすると、アーム部10をさらに軽量化できるので、可及的に製品重量を軽量化できる。
【0034】
図9は、第6実施例に係るリンクアーム全体を90°違いで示す図2に対応する図であり、アーム部10は一端に二股突部50を設け、この二股突部50の内幅wを別体取付部20の厚さ方向寸法tと一致させる。この二股突部50は二股部の変形例である。
【0035】
また、他端にはブッシュ取付用の丸穴51を有するリング状部52を一体に形成し、かつ、中間部には肉抜き穴53が幅方向に貫通し、丸穴51、肉抜き穴53及び二股突部50間の空間の抜き方向が一致するようにアルミ部材を押し出し成形し、所定幅Wで押し出し方向と直交方向にカットしたものである。
【0036】
別体取付部20は、リング状部20aの外周側から突出部27を一体に設けてある。この突出部27は連結部の変形例である。この別体取付部20はブッシュ取付用の丸穴21の軸線方向へアルミ部材を押し出して、押し出し方向と直交方向に厚さ方向寸法tに相当する幅でカットすることにより得られる。なお、突出部27の高さHはアーム部10側のカット幅Wと一致させる。
【0037】
このようにしてなるアーム部10の二股状部50間へ別体取付部20の連結部27を嵌合し、接合部33に沿って摩擦撹拌接合することにより平行する接合ライン30を形成して結合する。このようにすると、アーム部10と別体取付部20をアルミ押し出し成形により製造できるので全体の製造効率が向上する。
【0038】
図10は参考例に係る図1と同様の図であり、別体取付部20とアーム部並びに連結部11の構造は第1実施例と同様であるが摩擦撹拌接合方向を異にする。すなわち、接合ライン30を連結部11の連結部側接合面12と二股突部22の凹部側接合面23との接合部31(アーム部10の軸線と平行)に対して角θなる傾斜をなすように形成され、接合ラインの軸部のうち、別体取付部20側の端部aは接合部31よりも連結部11側へ偏在し、アーム部10側の端部bは接合部31よりも二股突部22側へ偏在する。
【0039】
このようにすると、別体取付部20とアーム部10へ引っ張り力(又は圧縮力)Fが加わると、それぞれの入力側となる端部は相手部材側に接合ライン30の開始位置が偏在するため、最も応力が高くなる部分は、摩擦撹拌接合による溶け込みが少なくなり、強度低下を防止でき、高い応力に対応できる。
【0040】
また、斜めの接合ライン30に沿って入力端から遠くなるほど溶け込み部が自己(二股突部22)側へ移るので、実際に必要とされる応力分布と強度変化が対応し、これにより結合部全体における応力分布の均一化を図ることができる。
【0041】
なお、本願発明は上記各実施例に限定されず、本願発明の原理内において種々に応用や変形が可能である。例えば、本願発明の適用対象となる製品は、サスペンション用並びにその他の各種装置に使用するのリンク部材が可能であり、これらリンク部材はいずれも摩擦撹拌接合により容易かつ確実に製造できる。
【0042】
このとき取付部における二股突部又は連結部以外の部分は、ブッシュ取付用のリング状をなすものばかりでなく略U字状の二股形状をなすものでもよい。また、別体取付部20とアーム部10をそれぞれアルミ押出部材とすればアルミ製リンク部材の製造効率が著しく向上する。
【0043】
但し、アーム部10及び別体取付部20をのいずれか一方又は双方をアルミ等の鋳造又は鍛造品とすることもできる。さらに、アーム部10と別体取付部20はいずれか一方がアルミ製であれば足り、他方は例えば鉄等の異種金属でもよい。また、アルミ以外の金属間における接合にも当然適用可能である。そのうえ、このようなリンク部材ばかりでなく、種々の金属部材間の溶接をしない結合にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1実施例(図1〜4)に係る結合状態を示す図
【図2】 製品全体を示す図
【図3】 第1部材と第2部材との嵌合部を示す分解図
【図4】 図1の4−4線に沿う断面図
【図5】 第2実施例に係る図4と同様の図
【図6】 第3実施例に係る図4と同様の図
【図7】 第4実施例に係る図4と同様の図
【図8】 第5実施例に係る図4と同様の図
【図9】 第6実施例に係る図2と同様の図
【図10】参考例に係る図1と同様の図
【図11】従来例の断面図
【図12】他の従来例の断面図
【符号の説明】
10:アーム部、11:連結部、12:連結部側接合面、13:上面(ガイド面)、14:下面(ガイド面)、20:別体取付部、22:二股突部、23:凹部側接合面、25:上面(ガイド面)、26:下面(ガイド面)、30:接合ライン、31:接合部、32:撹拌混合部、40:摩擦撹拌接合用工具、42:プローブ、43:肩部
Claims (6)
- 金属製の第1部材と第2部材の結合に際し、第1部材に設けられた一対の二股突部間へ第2部材に設けられた連結部を嵌合して摩擦撹拌接合により結合一体化する方法において、
前記第1部材に設けられた前記一対の二股突部は前記連結部が嵌合する嵌合凹部を挟むように平行して突出形成され、各二股突部は嵌合凹部を挟んで対面する一対の凹部側接合面と、この凹部側接合面と直交する平面状の表面を備え、
かつ前記第2部材の連結部は、その外表面に前記凹部側接合面に対応する一対の連結部側接合面を備え、
前記連結部を前記嵌合凹部へ嵌合し、前記連結部側接合面を対応する前記凹部側接合面へ接触させてこれら連結部側接合面と凹部側接合面とが合わさった接合部を形成し、
前記凹部側接合面及びこの凹部側接合面と直交する前記表面とを切る方向の断面を横断面とし、
嵌合状態にある前記連結部と前記二股突部の前記横断面における接合部と平行する方向を厚さ方向としたとき、
摩擦撹拌用回転工具を回転させながら、前記横断面にて前記表面側から厚さ方向へ接合部に沿って挿入し、接合部を挟む第1及び第2部材の材料を摩擦撹拌し、かつ接合部に沿って二股突部の前記表面に摺動させて摩擦撹拌接合することにより結合一体化するとともに、
前記摩擦撹拌用回転工具の回転軸線方向における、前記凹部側接合面の厚さ方向寸法よりも、前記連結部側接合面の厚さ方向寸法が狭く、前記凹部側接合面の厚さ方向寸法よりも接合幅が狭いとき、
この前記凹部側接合面の厚さ方向寸法と接合幅の差に相当する厚さ方向寸法の接合面を有するスペーサーを前記連結部の外表面上に設け、このスペーサーの一部表面を第1部材側と面一になるガイド面とし、これら第1部材の前記二股突部、連結部及びスペーサーを摩擦撹拌接合により結合したことを特徴とする金属製部材の結合方法。 - 前記二股突部は、前記凹部側接合面と直交する表面がガイド面をなし、
かつ前記連結部は、前記連結部側接合面と直交する外表面が前記平面状のガイド面をなし、
前記連結部を前記嵌合凹部へ嵌合したとき、前記二股突部のガイド面と前記連結部のガイド面とが、前記接合部を挟んで面一になり、これらの二股突部及び連結部の各ガイド面は、摩擦撹拌用回転工具の材料挿入部である小径部とこの小径部より大径の太径部との間に形成される肩部が摺動可能であり、かつ摩擦撹拌による軟化部を前記肩部でシール可能にすることを特徴とする請求項1に記載した金属製部材の結合方法。 - 前記二股突部と前記連結部との嵌合状態における前記横断面において、対角方向の2ヶ所から摩擦撹拌接合することを特徴とする請求項1に記載した金属製部材の結合方法。
- 全体として車両用サスペンション用リンクアームを構成していることを特徴とする請求項1又は2に記載した金属製部材の結合方法。
- 前記第1部材及び第2部材のうち少なくとも一部がアルミ押出部材をカットして形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載した金属製部材の結合方法。
- 金属製の第1部材と第2部材の結合に際し、第1部材に設けられた一対の二股突部間へ第2部材に設けられた連結部を嵌合して摩擦撹拌接合により結合一体化する方法において、
前記第1部材に設けられた前記一対の二股突部は前記連結部が嵌合する嵌合凹部を挟むように平行して突出形成され、各二股突部は嵌合凹部を挟んで対面する一対の凹部側接合面と、この凹部側接合面と直交する平面状の表面を備え、
かつ前記第2部材の連結部は、その外表面に前記凹部側接合面に対応する一対の連結部側接合面を備え、
前記連結部を前記嵌合凹部へ嵌合し、前記連結部側接合面を対応する前記凹部側接合面へ接触させてこれら連結部側接合面と凹部側接合面とが合わさった接合部を形成し、
前記凹部側接合面及びこの凹部側接合面と直交する前記表面とを切る方向の断面を横断面とし、
嵌合状態にある前記連結部と前記二股突部の前記横断面における接合部と平行する方向を厚さ方向としたとき、
摩擦撹拌用回転工具を回転させながら、前記横断面にて前記表面側から厚さ方向へ接合部に沿って挿入し、接合部を挟む第1及び第2部材の材料を摩擦撹拌し、かつ接合部に沿って二股突部の前記表面に摺動させて摩擦撹拌接合することにより結合一体化するとともに、 前記摩擦撹拌接合による接合ラインを前記接合部と斜交するように形成するとともに、前記接合ラインの長さ方向両端部のうち、前記連結部の嵌合時先端側となる端部位置を連結部側へ偏在させ、かつ他側の端部位置を前記二股突部側へ偏在させたことを特徴とする金属製部材の結合方法。
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