JP5019245B2 - 複合部材の製造方法 - Google Patents
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例えば下記特許文献1に記載された樹脂成形物に金属ボスを固定する方法では、まず金属成形体の樹脂接触面に凹凸加工を施す。樹脂成形物に金属成形体の外径より僅かに小径とした通孔を形成する。金属成形体の凹凸加工面に結合材を塗布し、樹脂成形物を加熱して通孔の直径を膨張させて金属成形体を圧入する。その後、高周波誘導加熱することで樹脂成形物の金属接触部分を溶融温度以上にして金属成形体に樹脂成形物を溶着する。
このような引用文献1の方法では、樹脂と金属とからなる偏平な歯車や車輪のような成形品を効率よく製造することができる。
このような引用文献2の方法では、金属芯金と樹脂リングギヤとの固着力を確保しつつ、設計の自由度を向上できるとされている。
例えば特許文献1では、接合強度を向上するために1〜3mmローレット加工等を施こしていた。引用文献2では、固着力を向上するために金属製の芯金の外周に雄セレーションを形成していた。
ところが凹凸形状を大きくする場合、ローレット加工により樹脂溶着用芯金に凹凸形状を形成するには加工時により大きな加圧力が必要となったり、機械加工が必要となったりしていた。しかも樹脂溶着用芯金に大きな凹凸形状を形成するときには、引用文献2のように樹脂外周材の内周面にもその凹凸形状に対応した形状で凹凸形状を設けることで嵌合可能にしていた。そのため樹脂溶着用芯金に対する樹脂外周材の接合強度を向上することに手間を要していた。
樹脂溶着用芯金の平坦部の中心軸に沿う幅は、好ましくは、互いに隣接する筋状突部間の間隙における最大間隔の0.5倍以上1倍以下にする。
この実施形態の複合部材10は、図1(a)(b)に示すように、中心軸Lを中心にした略円板形状を呈し、樹脂溶着用芯金20と、樹脂溶着用芯金20の側周面21に溶着された樹脂外周材30とを備える。この複合部材は電動パワーステアリング用ウオームホイールブランクの例である。ウオームホイールブランクは、外周表面にギヤ溝を形成するなどにより、電動パワーステアリング装置のウオームホイールを製造することが可能な中間体である。
各筋状突部26の形状は、後述する誘導加熱の際、樹脂外周材30の嵌合孔31の内表面に接触した状態で樹脂を溶融し易い形状であることが好ましく、しかも溶着後には樹脂溶着用芯金の側周面と樹脂部材との間の接合強度を確保し易い形状であることが好ましい。そのため多くの筋状突部26の形状を同一にするのがよく、好ましくは全ての筋状突部26の形状を同一にする。
互いに隣接する筋状突部26間の底部26bの形状は、平面又は曲面形状とするのが好ましい。このような底部26bであれば、誘導加熱の際に溶融樹脂を十分に底部26bに充填させることができる。
また各筋状突部26の中心軸Lに沿う方向の形状は長手方向で変化していてもよいが、全長にわたり一定断面形状或いは凸形状を呈していれば、鍛造により樹脂溶着用芯金20を作製し易くて好ましい。
互いに隣接する筋状突部26間の間隙27が過剰に狭いと、各筋状突部26の深さを深くできないために突出量形状が小さくなり、溶着後に樹脂溶着用芯金と樹脂外周材30との間の十分な接合強度を確保し難くなる。互いに隣接する筋状突部26間の間隙27の最大間隔Dは1mm以上とするのが好ましい。
平坦部25は少なくとも凹凸部24の筋状突部26の頂部26aより中心軸Lからの距離が小さく形成されている。このような距離で平坦部25を設けることで、多数の筋状突部26の頂部が平坦部25より外側に1mm以下の高さとなっている。この高さは好ましくは0.5mm以上、特に好ましくは0.7mm以上とする。そのため樹脂外周材30の後述する平坦内壁面32を対向させて加熱すれば、多数の筋状突部26から供給される熱により樹脂外周材30を平坦部25に溶着させることができる。
この平坦部25の幅Wは例えば間隙27の最大間隔D以下にしてもよい。平坦部25の幅Wが過剰に広いと、平坦部25と樹脂外周材30との間に不完全な溶着部分が形成される場合がある。
中空部23は、樹脂溶着用芯金20の両端面にそれぞれ設けた溝であってもよく、一方又は両方の端面に、凹凸部24の内側となる位置まで到達する深さで局部的に設けた穴であってもよい。さらに樹脂溶着用芯金20の両端面間に貫通するように局部的に設けた孔であってもよい。
このように樹脂溶着用芯金20に樹脂外周材30が溶着された状態では、多数の筋状突部26が完全に埋設されているため、複合部材10の両端面側から視認される樹脂溶着用芯金20と樹脂外周材30との境界線が図1に示すように平坦部25の端部からなる円形形状となっている。
なお樹脂外周材30の外周形状及び厚みは、ウオームホイールのギヤ歯等の加工代を含めた寸法となっている。
このような複合部材10を製造するには、樹脂外周材30と樹脂溶着用芯金20とを準備する準備工程と、樹脂溶着用芯金20の側周面21に樹脂外周材30の嵌合孔31を嵌合させて組合せ部材40を作製する嵌合工程と、樹脂溶着用芯金20を誘導加熱することで樹脂溶着用芯金20の側周面に嵌合した樹脂外周材30を溶着する溶着工程と、複合部材10としての精度を実現する前加工工程とにより製造する。
樹脂溶着用芯金20は、図5(b)に示すように、樹脂溶着用芯金20の側周面21に、複数の筋状突部26が周方向に互いに隣接配置した凹凸部24と、複数の筋状突部26の両端側に形成された平坦部25とを設けるようにして、鍛造により作製する。このとき、平坦部25の中心軸Lに沿う幅Wは互いに隣接する筋状突部26間の間隙27における最大間隔Dの0.5倍より大きく形成する。
鍛造後、必要に応じて機械加工等を施すことも可能である。機械加工では、各部の所定精度で形成したり、両端面を中心軸Lに所定精度で直交させるようにする。
樹脂溶着用芯金20を嵌合するためには、例えば樹脂外周材30を加熱膨張させて樹脂溶着用芯金20の側周面21に嵌合させてもよい。例えば加熱炉等で樹脂外周材30を加熱し、嵌合孔31の直径を樹脂溶着用芯金20の外径に対応した直径になるように膨張させることで、嵌合孔31内への樹脂溶着用芯金20を容易に挿入することが可能である。
加熱温度は、樹脂溶着用芯金20の外径に対する嵌合孔31の内径、熱可塑性樹脂の種類、軟化点や膨張率などによって設定できる。例えばポリアミドの場合は好ましくは130〜150℃程度にする。なお加熱温度が過剰に高いと樹脂外周材30の精度が低下することがあり、過剰に低いと樹脂外周材30の挿入に手間を要する。
なおこの嵌合工程に先立ち、樹脂溶着用芯金20と樹脂外周材30との間の接合強度を向上するために、樹脂溶着用芯金20の側周面21と樹脂外周材30の嵌合孔31との一方又は双方に、各種の接着材などの結合力向上剤層を設けてもよい。
この溶着工程は、樹脂溶着用芯金20を昇温可能な装置を用いて行うが、この実施形態では高周波誘導加熱装置を用いる。この装置では、交番磁界を発生させる加熱コイル50が設けられ、加熱コイル50への給電を制御することで、樹脂溶着用芯金20の側周面を所望の温度に調整可能となっている。また加熱時に、組合せ部材40と加熱コイル50とを中心軸Lを中心に相対回転可能となっている。
この前加工工程では、例えば貫通孔22の精度や中心軸Lに対する樹脂外周材30の外周面の平行度、両端面の直交度等の各部の精度を所定の範囲に加工するのがよい。
これにより図1に示すような複合部材10の製造を終了する。
(実施例)
図2に示すような樹脂溶着用芯金20を作製し、これに対応したリング形状の樹脂外周材30を樹脂溶着用芯金20の側周面に嵌合し、高周波誘導加熱により溶着することで実施例の複合部材を作製した。
樹脂溶着用芯金20は炭素鋼からなり、最大直径が60mm、厚み16mmで、側周面21には両端側に2mmの平坦部25が設けられ、その間に複数の筋状突部26が周方向に互いに隣接配置して設けられている。各筋状突部26の周方向の断面形状が略三角形形状を呈し、頂部26aの角度が中心軸Lからの法線に対して左右対称で略90度とした。各筋状突部26の高さは0.9mmで、互いに隣接する筋状突部26間の間隙における最大間隔Dを1.9mmとした。
一方、樹脂外周材30はMCナイロン(日本ポリペンコ株式会社製、登録商標)からなる樹脂の成形体であり、外径が85mm、嵌合孔31の内径が60mmで、厚みが19mmであった。
誘導加熱は、樹脂溶着用芯金20の表面温度が、樹脂外周材30を構成する樹脂の略溶融温度となるようにコイルへの給電を制御し加熱した。
その結果、最大値が85.9kN、最小値が62.3kN、平均値が75.2kNであった。
樹脂溶着用芯金の各筋状突部の高さを1mmより大きくし、互いに隣接する筋状突部26間の間隙27における最大間隔Dを2mmより大きくした他は、全て実施例と同様にして、複合部材を作製した。
得られた複合部材10を中心軸方向に切断し、互いに隣接する筋状突部26間の底部26bの位置における断面を観察したところ、比較例1では互いに隣接する筋状突部26間、特に底部26b側に微細な未溶着箇所が多数存在していた。
また、6個の複合部材10を作製し、樹脂溶着用芯金20と樹脂外周材30とに対して中心軸Lに沿って反対方向となるように荷重を負荷し、降伏強度を測定した。
その結果、最大値が40.3kN、最小値が30.0kN、平均値が34.2kNであった。実施例と比較して降伏強度が劣っていることが確認できた。
20 樹脂溶着用芯金
21 側周面
22 貫通孔
23 中空部
24 凹凸部
25 平坦部
26 筋状突部
26a 頂部
26b 底部
27 間隙
30 樹脂外周材
31 嵌合孔
32 平坦内壁面
33 外周面
40 組合せ部材
50 加熱コイル
L 中心軸
H 高さ
W 幅
Claims (8)
- 樹脂外周材の嵌合孔に樹脂溶着用芯金を嵌合して誘導加熱することで上記樹脂溶着用芯金の側周面に上記樹脂外周材を溶着する、複合部材の製造方法であり、
上記嵌合孔に平坦な内壁面が設けられた上記樹脂外周材を準備し、
複数の筋状突部を周方向に隣接配置した凹凸部と上記筋状突部の両端側に配置した平坦部とが上記側周面に設けられた上記樹脂溶着用芯金を準備し、
上記樹脂溶着用芯金の側周面に上記樹脂外周材の嵌合孔を嵌合させることで、上記平坦な内壁面に上記複数の筋状突起の頂部を接触させ且つ上記平坦部を対向させ、
その後誘導加熱して上記凹凸部及び上記平坦部に上記樹脂外周材を溶着する、複合部材の製造方法。 - 前記樹脂溶着用芯金の中心軸から前記平坦部までの距離を、前記中心軸から前記筋状突部の頂部までの距離より小さくする、請求項1に記載の複合部材の製造方法。
- 前記樹脂溶着用芯金の中心軸から前記平坦部までの距離を、上記中心軸から互いに隣接する前記筋状突部間の底部までの距離以下にする、請求項2に記載の複合部材の製造方法。
- 前記樹脂溶着用芯金の複数の筋状突部の頂部を前記平坦部より外側に1mm以下の高さにする、請求項2又は3に記載の複合部材の製造方法。
- 前記樹脂溶着用芯金の平坦部の前記中心軸に沿う幅を、互いに隣接する前記筋状突部間の間隙における最大間隔の0.5倍以上1倍以下にする、請求項1乃至4の何れかに記載の複合部材の製造方法。
- 前記樹脂溶着用芯金の互いに隣接する前記筋状突部間の間隙を2mm以下にする、請求項1乃至5の何れかに記載の複合部材の製造方法。
- 前記樹脂溶着用芯金の中心軸から前記筋状突部の頂部までの距離と該中心軸から互いに隣接する上記筋状突部間の底部までの距離との差を1mm以下に形成する、請求項1乃至6の何れかに記載の複合部材の製造方法。
- 前記樹脂溶着用芯金に前記樹脂外周材を溶着した後端面を切削することで、上記樹脂溶着用芯金の平坦部と上記樹脂外周材とが不完全に溶着された部分を除去する、請求項1乃至7の何れかに記載の複合部材の製造方法。
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