JP5372871B2 - 一体部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、要求される特性が互いに異なる第１部材と第２部材とが溶接にて一体化されて成る一体部材及びその製造方法に関するものである。

例えば、車両におけるスタータモータの駆動力をクランクシャフトに伝達するためのスタータドリブンギアは、従来、軸状の合金鋼から成る軸部品と、円環状且つ周縁にギアが形成された炭素鋼又は合金鋼から成る歯車部とを電子ビーム溶接にて一体化することにより製造されている。ここで、軸部品は、その外周面及び内周面にベアリングが介装されて車両に組み付けられる部位であるため、高い硬度が必要とされる一方、歯車部は、他のギアとの噛み合いに耐えれば足りるため、それほど高い硬度は要求されず、むしろ歯欠け等を抑制すべく硬度をある程度に抑えておく必要がある。

このように、要求される特性が互いに異なる２つの部材を溶接にて一体化させる技術として、以下に示す製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。即ち、溶接前の軸部品に対して予め浸炭焼入及び焼戻しすることにより浸炭硬化層（予備浸炭層）を形成するとともに、その軸部品における歯車部との溶接部位の予備浸炭層を切削加工等により取り除いておく。そして、予備浸炭層が取り除かれた部位に軸部品を圧入して電子ビーム溶接にて固着して一体部材を得た後、当該一体部材を更に浸炭焼入焼戻し又は浸炭浸窒焼入焼戻しすることにより、所望の性質（軸部品の方が歯車部より浸炭硬化層が深く硬度が高い）を有したスタータドリブンギアを得ていた。

特開２００４−２８５４２８号公報

しかしながら、上記従来の一体部材の製造方法においては、軸部品と歯車部との溶接前に予備浸炭層を形成し（予備浸炭層形成工程）、更には当該軸部品における歯車部との溶接部位の予備浸炭層を切削加工等により取り除く工程（予備浸炭層の切除工程）が必要があったため、当該予備浸炭層形成工程や予備浸炭層の切除工程の分だけ製造工程が多くなってしまい、製造コストが嵩んでしまうという問題があった。

然るに、予備浸炭層の切除工程を省略して製造工程の簡素化を図ろうとする場合、電子ビーム溶接した際、溶接部位に割れ等が生じて歩留まりが悪化してしまう虞がある。これは、電子ビーム溶接の如き溶融溶接（母材を溶かして接合させる溶接方法）においては、溶接部位が極めて高い温度となり、その後短時間で冷却されることとなる故、炭素含有量が高いと、焼き割れを生じさせてしまうと考えられている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、要求される特性が互いに異なる部材を溶接にて一体化して一体部材を得るための製造工程を削減して製造コストを低減させ得るとともに、溶接時の割れ等を抑制して歩留まりを向上させることができる一体部材及びその製造方法を提供することにある。

請求項１記載の発明は、要求される特性が互いに異なる第１部材と第２部材とが溶接にて一体化されて成る一体部材を製造するための一体部材の製造方法であって、前記第１部材は、前記第２部材よりも炭素含有量が多い部材から成るものとされ、且つ、前記第１部材を前記第２部材に圧入しつつその圧入部に対して通電させることにより電気抵抗溶接し、当該第１部材と第２部材とを一体化し得る電気抵抗溶接工程と、該電気抵抗溶接工程で得られた一体部材に対して浸炭焼入焼戻し又は浸炭浸窒焼入焼戻しすることにより、前記第１部材及び第２部材に要求される特性に応じた浸炭硬化層をそれぞれ形成する浸炭硬化層形成工程とを有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の一体部材の製造方法において、前記第１部材は、軸状の軸部品から成るとともに、前記第２部材は、当該軸部品を圧入可能な開口が中央に形成された円環状の円環部品から成るものとされ、前記電気抵抗溶接工程にて、前記円環部品の開口に軸部品を圧入しつつその開口縁部との間で通電させることにより円環状の電気抵抗溶接が行われることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の一体部材の製造方法において、前記一体部材は、車両におけるスタータモータの駆動力をクランクシャフトに伝達するためのスタータドリブンギアから成るものとされ、前記円環部品は、その周縁にギアが形成されて当該スタータドリブンギアの歯車部とされるとともに、前記軸部品の外周面及び内周面にベアリングが介装されて組み付けられることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、要求される特性が互いに異なる第１部材と第２部材とが溶接にて一体化されて成る一体部材であって、前記第１部材は、前記第２部材よりも炭素含有量が多い部材から成るものとされ、且つ、前記第１部材を前記第２部材に圧入しつつその圧入部に対して通電させることにより電気抵抗溶接し、当該第１部材と第２部材とを一体化し得る電気抵抗溶接工程と、該電気抵抗溶接工程で得られた一体部材に対して浸炭焼入焼戻し又は浸炭浸窒焼入焼戻しすることにより、前記第１部材及び第２部材に要求される特性に応じた浸炭硬化層をそれぞれ形成する浸炭硬化層形成工程とを経ることにより得られることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の一体部材において、前記第１部材は、軸状の軸部品から成るとともに、前記第２部材は、当該軸部品を圧入可能な開口が中央に形成された円環状の円環部品から成るものとされ、前記電気抵抗溶接工程にて、前記円環部品の開口に軸部品を圧入しつつその開口縁部との間で通電させることにより円環状の電気抵抗溶接が行われることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の一体部材において、車両におけるスタータモータの駆動力をクランクシャフトに伝達するためのスタータドリブンギアから成り、前記円環部品は、その周縁にギアが形成されて当該スタータドリブンギアの歯車部とされるとともに、前記軸部品の外周面及び内周面にベアリングが介装されて組み付けられることを特徴とする。

本発明によれば、第１部材は、第２部材よりも炭素含有量が多い部材から成るものとされ、且つ、電気抵抗溶接工程にて当該第１部材と第２部材とを一体化した後、浸炭硬化層形成工程にてそれぞれ異なる浸炭硬化層を形成するので、要求される特性が互いに異なる部材を溶接にて一体化して一体部材を得るための製造工程を削減して製造コストを低減させ得るとともに、溶接時の割れ等を抑制して歩留まりを向上させることができる。

本発明の実施形態に係る一体部材としてのスタータドリブンギアを示す平面図 同スタータドリブンギアを示す正面図 図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図 同スタータドリブンギアにおける円環部品（歯車部）を示す平面図及び正面図 同スタータドリブンギアにおける軸部品を示す平面図及び正面図 同スタータドリブンギアの製造のための電気抵抗溶接装置（圧入前）を示す模式図 同スタータドリブンギアの製造のための電気抵抗溶接装置（圧入後）を示す模式図 同スタータドリブンギアの製造工程を示すフローチャート 同スタータドリブンギアを車両に組み付けた状態を示す模式図

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る一体部材は、要求される特性（耐摩耗性や強度及び靱性などの特性）が互いに異なる第１部材と第２部材とが溶接にて一体化されて成るスタータドリブンギアから成るものであり、図１〜５に示すように、第１部材としての軸部品３と、第２部材としての円環部品２（歯車部）とから主に構成されている。

軸部品３（第１部材）は、軸状（ボス形状）の部品から成り、図５に示すように、内部が中空とされて外周面３ａ及び内周面３ｂを有した円筒状の金属製部材（合金鋼）で構成されている。かかる軸部品３は、自動車などの車両に組み付けられた状態で、その外周面３ａ及び内周面３ｂにベアリング（図９におけるワンウェイベアリングＢ１及びラジアルベアリングＢ２）が介装されるよう構成されている。

円環部品２（第２部材）は、図４に示すように、軸部品３を圧入可能な開口２ｂが中央に形成された円環状の金属製部材（炭素鋼又は合金鋼）から成るものとされている。即ち、開口２ｂの内径は、軸部品３の外径（外周面３ａの径）より若干小さく設定されており、当該開口２ｂの周縁に軸部品３を当接させ、軸方向に移動させることにより圧入可能とされているのである。

また、円環部品２は、その周縁において周方向に亘ってギア２ａが形成されてスタータドリブンギア１の歯車部とされる。即ち、適用されるスタータドリブンギア１は、自動車や二輪車などの車両におけるスタータモータＭの駆動力をクランクシャフトに伝達するためのギアから成るものとされ、図９に示すように、円環部品２から成る歯車部のギア２ａがギアＧのギアと噛み合って組み付け可能とされているのである。而して、スタータモータＭを駆動させると、その出力軸Ｍａが回転し、その駆動力がギアＧを介してスタータドリブンギア１に伝達されることとなる。

また、スタータドリブンギア１における軸部品３の外周面３ａとアウタＡとの間には、ワンウェイベアリングＢ１が介装されるとともに、当該軸部品３の内周面３ｂとクランク軸Ｆとの間には、ラジアルベアリングＢ２が介装されて組み付けられている。これにより、スタータモータＭの駆動力によりスタータドリブンギア１が回転すると、アウタＡ及びクランク軸Ｆを介してクランクシャフトに駆動力を伝達させ、エンジンのピストンＰを駆動させ得るようになっている。

ここで、本実施形態においては、軸部品３（第１部材）は、円環部品２（第２部材）よりも炭素含有量が多い部材から成るものとされており、例えば軸部品３が中炭素合金鋼（或いは高炭素合金鋼）から成るものとされるとともに、円環部品２が低炭素鋼又は低炭素合金鋼から成るものとされている。そして、以下の如き製造工程（電気抵抗溶接工程及び浸炭硬化層形成工程）を経て、上記軸部品３と円環部品２とが固着されたスタータドリブンギア１を得るものとされている。

電気抵抗溶接工程は、軸部品３（第１部材）を円環部品２（第２部材）に圧入しつつその圧入部に対して通電させることにより電気抵抗溶接し、当該軸部品３（第１部材）と円環部品２（第２部材）とを一体化し得る工程であり、図６、７に示すような円環状の電気抵抗溶接装置を用いて行う。かかる円環状の電気抵抗溶接装置は、円環部品２を載置可能な下側電極型Ｄ１と、軸部品３の上端と当接可能な上側電極型Ｄ２と、第１治具Ｋ１及び第２治具Ｋ２とから主に構成されている。

下側電極型Ｄ１、上側電極型Ｄ２及び第１治具Ｋ１は、例えばクロム銅などの良導体から成るとともに、第２治具Ｋ２は、非磁性絶縁体から成るものである。そして、図６に示すように、下側電極型Ｄ２上に円環部品２を載置させつつ第２治具Ｋ２上に軸部品３を保持させれば、円環状の電気抵抗溶接装置内に軸部品３及び円環部品２の両方を設置することができる。

この状態から、上側電極型Ｄ２を下降させると同時に、当該上側電極型Ｄ２と下側電極型Ｄ１との間で電圧を印加する。而して、軸部品３の外周面３ａが円環部品２の開口２ｂに圧入しつつその開口２ｂの周縁部との間で通電して溶着することとなり、円環状の電気抵抗溶接が行われることとなる。その後、図７に示すように、上側電極型Ｄ２は、第１治具Ｋ１と当接した時点でその下降動作が停止され、圧入及び通電が完了し、円環部品２の開口２ｂの周縁に軸部品３の側面３ａを溶着させて成る一体部品が得られることとなる。

本実施形態に係る電気抵抗溶接工程によれば、上側電極型Ｄ２が下降して圧入及び電気抵抗溶接を行わせる過程において、当該上側電極型Ｄ２を第１治具Ｋ１に当接させることにより、軸部品３の外周面３ａに対する円環部品２の固着部位の位置決めを行わせることができる。これにより、溶着対象の部品側（軸部品３や円環部品２）に段部等を形成して溶着部位の位置決めを行わせる必要がなく、高精度な溶接を行わせることができる。尚、第２治具Ｋ２には、図示の如き溝形状Ｋ２ａが形成されており、当該溝形状Ｋ２ａに圧入時に生じた余肉等を入り込ませ得るようになっている。

更に、本実施形態に係る電気抵抗溶接工程によれば、従来の如き電子ビーム溶接や溶接トーチを用いたプラズマ溶接又はＴｉｇ溶接等に比べ、軸部品３と円環部品２との溶着を短時間で且つ良好に行わせ、製造時のサイクルタイムの短縮及び組み付け精度の向上を図ることができる。即ち、本実施形態の如く円環状の電気抵抗溶接によれば、上記した従来の溶接に比べて溶着作業が短時間で済み、入熱量を少なくして歪みを抑制しつつ軸部品３と円環部品２との溶接を行うことができるのである。

浸炭硬化層形成工程は、上記の如き電気抵抗溶接工程で得られた一体部材に対して浸炭焼入焼戻し又は浸炭浸窒焼入焼戻しすることにより、軸部品３（第１部材）及び円環部品２（第２部材）に要求される特性に応じた浸炭硬化層をそれぞれ形成するための工程である。即ち、本実施形態においては、軸部品３（第１部材）が円環部品２（第２部材）よりも炭素含有量が多い部材から成るものとされているので、これらを一体化させた一体部材を一様に浸炭焼入焼戻し又は浸炭浸窒焼入焼戻しすると、軸部品３には深い浸炭硬化層が形成される一方、円環部品２には浅い浸炭硬化層が形成されるのである。

然るに、スタータドリブンギア１を構成する円環部品２（第２部材）は、他のギアと噛み合う部位であるため、表面においてそれほど高い硬度が要求されず、且つ、歯欠け等を抑制する必要性から表面の硬度をあまり高くしない方が好ましく、特性として主に高い強度や靱性が要求されることから、本実施形態の如く浅い浸炭硬化層が形成されたものが好ましい。また、スタータドリブンギア１を構成する軸部品３（第１部材）は、その外周面３ａ及び内周面３ｂにベアリング（ワンウェイベアリングＢ１及びラジアルベアリングＢ２）が介装される部位であるため、表面（外周面３ａ及び内周面３ｂ）に高い硬度が要求され、特性として主に高い耐摩耗性が要求されることから、本実施形態の如く深い浸炭硬化層が形成されたものが好ましい。而して、本実施形態によれば、要求される特性が互いに異なる軸部品３（第１部材）と円環部品２（第２部材）とが溶接にて一体化されて成る一体部材（スタータドリブンギア１）を得ることができる。

次に、本実施形態の一体部材（スタータドリブンギア）の製造工程について、図８のフローチャートに基づいて以下に説明する。
まず、汎用的な機械加工にて、予め円環部品２及び軸部品３をそれぞれ製造しておく。このとき、既述のように、軸部品３（第１部材）は、円環部品２（第２部材）よりも炭素含有量が多い材質から成るものとされており、例えば軸部品３が中炭素合金鋼（或いは高炭素合金鋼）及び円環部品２が低炭素鋼又は低炭素合金鋼とされる。

そして、軸部品３及び円環部品２をそれぞれ下側電極型Ｄ１及び上側電極型Ｄ２上（図６参照）に設置し（Ｓ１）、上側電極型Ｄ２を下降させつつ当該上側電極型Ｄ２と下側電極型Ｄ１との間で通電させることにより、円環状の電気抵抗溶接工程Ｓ２を行わせる。その後、電気抵抗溶接工程Ｓ２によって一体化された一体部材を下側電極型Ｄ１及び上側電極型Ｄ２から取り出し（Ｓ３）、当該一体部材に対して浸炭硬化層形成工程Ｓ４を行わせる。以上の工程を経ることにより、浅い浸炭硬化層を有した円環部品２に深い浸炭硬化層を有した軸部品３が固着されたスタータドリブンギア１（一体部材）を得ることができる。

上記実施形態によれば、軸部品３（第１部材）は、円環部品２（第２部材）よりも炭素含有量が多い部材から成るものとされ、且つ、電気抵抗溶接工程Ｓ２にて当該軸部品３（第１部材）と円環部品２（第２部材）とを一体化した後、浸炭硬化層形成工程Ｓ４にてそれぞれ異なる浸炭硬化層を形成するので、要求される特性が互いに異なる部材を溶接にて一体化して一体部材を得るための製造工程を削減して製造コストを低減させ得るとともに、溶接時の割れ等を抑制して歩留まりを向上させることができる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば要求される特性が互いに異なる第１部材と第２部材とが溶接にて一体化されて成る一体部材及びその製造方法であれば、スタータドリブンギアとは異なる一体部材及びその製造方法に適用してもよい。即ち、一体部材を構成する軸部品及び円環部品に代えて、他の形態の第１部材及び第２部材としてもよく、これら第１部材及び第２部材は、他の形状及び材質のものであってもよい。

第１部材は、第２部材よりも炭素含有量が多い部材から成るものとされ、且つ、第１部材を第２部材に圧入しつつその圧入部に対して通電させることにより電気抵抗溶接し、当該第１部材と第２部材とを一体化し得る電気抵抗溶接工程と、電気抵抗溶接工程で得られた一体部材に対して浸炭焼入焼戻し又は浸炭浸窒焼入焼戻しすることにより、第１部材及び第２部材に要求される特性に応じた浸炭硬化層をそれぞれ形成する浸炭硬化層形成工程とを経て得られる一体部材及びその製造方法であれば、外観形状が異なるもの或いは他の機能が付加されたもの等にも適用することができる。

１ 一体部材（スタータドリブンギア）
２ 円環部品（第２部材）（歯車部）
２ａ ギア
２ｂ 開口
３ 軸部品（第１部材）
３ａ 外周面
３ｂ 内周面

Claims (6)

1. 要求される特性が互いに異なる第１部材と第２部材とが溶接にて一体化されて成る一体部材を製造するための一体部材の製造方法であって、
   前記第１部材は、前記第２部材よりも炭素含有量が多い部材から成るものとされ、且つ、
   前記第１部材を前記第２部材に圧入しつつその圧入部に対して通電させることにより電気抵抗溶接し、当該第１部材と第２部材とを一体化し得る電気抵抗溶接工程と、
   該電気抵抗溶接工程で得られた一体部材に対して浸炭焼入焼戻し又は浸炭浸窒焼入焼戻しすることにより、前記第１部材及び第２部材に要求される特性に応じた浸炭硬化層をそれぞれ形成する浸炭硬化層形成工程と、
   を有することを特徴とする一体部材の製造方法。
2. 前記第１部材は、軸状の軸部品から成るとともに、前記第２部材は、当該軸部品を圧入可能な開口が中央に形成された円環状の円環部品から成るものとされ、前記電気抵抗溶接工程にて、前記円環部品の開口に軸部品を圧入しつつその開口縁部との間で通電させることにより円環状の電気抵抗溶接が行われることを特徴とする請求項１記載の一体部材の製造方法。
3. 前記一体部材は、車両におけるスタータモータの駆動力をクランクシャフトに伝達するためのスタータドリブンギアから成るものとされ、前記円環部品は、その周縁にギアが形成されて当該スタータドリブンギアの歯車部とされるとともに、前記軸部品の外周面及び内周面にベアリングが介装されて組み付けられることを特徴とする請求項２記載の一体部材の製造方法。
4. 要求される特性が互いに異なる第１部材と第２部材とが溶接にて一体化されて成る一体部材であって、
   前記第１部材は、前記第２部材よりも炭素含有量が多い部材から成るものとされ、且つ、
   前記第１部材を前記第２部材に圧入しつつその圧入部に対して通電させることにより電気抵抗溶接し、当該第１部材と第２部材とを一体化し得る電気抵抗溶接工程と、
   該電気抵抗溶接工程で得られた一体部材に対して浸炭焼入焼戻し又は浸炭浸窒焼入焼戻しすることにより、前記第１部材及び第２部材に要求される特性に応じた浸炭硬化層をそれぞれ形成する浸炭硬化層形成工程と、
   を経ることにより得られることを特徴とする一体部材。
5. 前記第１部材は、軸状の軸部品から成るとともに、前記第２部材は、当該軸部品を圧入可能な開口が中央に形成された円環状の円環部品から成るものとされ、前記電気抵抗溶接工程にて、前記円環部品の開口に軸部品を圧入しつつその開口縁部との間で通電させることにより円環状の電気抵抗溶接が行われることを特徴とする請求項４記載の一体部材。
6. 車両におけるスタータモータの駆動力をクランクシャフトに伝達するためのスタータドリブンギアから成り、前記円環部品は、その周縁にギアが形成されて当該スタータドリブンギアの歯車部とされるとともに、前記軸部品の外周面及び内周面にベアリングが介装されて組み付けられることを特徴とする請求項５記載の一体部材。

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