JP5602446B2 - 異種材からなるワークピースに対する軸肥大加工方法及びこれを用いた軸部材 - Google Patents

Description

本発明は、異種材からなるワークピースに対する軸肥大加工方法及びこれを用いた軸部材に関するものである。

軸の一部を肥大させて肥大部を形成する加工装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このような加工装置で製造された肥大軸は、軸の一部が突出している肥大部を備え、この肥大部は１本の軸を加工することで形成されるので、製造の手間やコスト的に大変有利である。

一方で、異種金属積層方法が特許文献２に記載されている。この異種金属積層方法は、外殻部材の内部に内側部材を嵌合し、内側部材内に高圧流体を圧入して内側部材を外殻部材の形状に倣わせてその内面に圧接することにより一体化させるものである。しかしながら、特許文献２では、内側部材内に高圧流体を圧入するため、内側部材は少なくとも中空であることが必須となっている。したがって、中実の軸部材の外側を異種材料からなる中空の円筒部材で覆ったときに、内側の軸部材を外側の円筒部材の内面に圧接することはできない構成となっている。また、特許文献２のような中空の場合でも、これを高圧流体で膨らませるには、材質によっては確実に膨らまない場合がある。また、そのための装置は一般的に高価である。

このような中実又は中空の軸部材（内側部材）を中空の円筒部材（外側部材）で覆った二重構造として、上述した軸肥大加工により一部を肥大させた軸部材を形成することが望まれているが、単に軸肥大加工を行っただけでは、内側部材と外側部材との密着性が悪いものとなっている。これらの密着性が悪いと、製品の早期劣化を招き、好ましくない。

特開２００８−２００６９６号公報 特開平７−８０５７１号公報

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、異種材からなる中実又は中空の内側部材（第１のワークピース）とこれを覆う中空で円筒状の外側部材（第２のワークピース）で形成されたワークピースに対しても、これらの高い密着性を実現できる軸肥大加工方法及びこれを用いた軸部材を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、互いに異なる材料からなる第１のワークピースと第２のワークピースとを用い、前記第１のワークピースを前記第２のワークピースで覆って軸材を形成し、該軸材が配置されるべき基準線に沿って互いに接離可能な一対のホルダユニットが離間した状態で、前記軸材の両端をそれぞれ前記一対のホルダユニットで保持し、前記一対のホルダユニットを前記基準線に沿って互いに近接する方向に相対的に押し込んで前記軸材を軸方向に縮める方向に加圧し、前記軸材の肥大させるべき部位に対し、前記軸材の軸線と交差する方向に交番負荷を加え、前記部位に肥大部を形成する軸肥大加工方法であって、前記軸材に前記交番負荷を加える前に、前記第２のワークピースにかかる圧力よりも高い圧力で前記第１のワークピースを加圧して外径を拡径させ、前記第１のワークピースの外周面を前記第２のワークピースの内周面に密着させることを特徴とする軸肥大加工方法を提供する。

また、請求項２の発明では、請求項１に記載の軸肥大加工方法を用いた軸部材であって、前記肥大部を含む全長にわたって前記第１のワークピースと前記第２のワークピースが密着されている密着部を有することを特徴とする軸部材を提供する。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記第１のワークピースの硬度は、前記第２のワークピースの硬度より低いことを特徴としている。
請求項４の発明では、請求項２の発明において、前記第２のワークピースの硬度は、前記第１のワークピースの硬度より低いことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、軸材に対してこの軸材の軸線と交差する方向に交番負荷を加えて肥大部を形成する前に、第２のワークピースにかかる圧力よりも高い圧力で第１のワークピースを加圧するので、その押圧力で第１のワークピースが膨脹し、第１のワークピースの外周面が第２のワークピースの内周面に密着する。このため、第１及び第２のワークピースの密着性を高めることができ、種々の用途に応じた異種材料を組み合わせた軸材の一体性を高め、これを用いて軸肥大加工を行うことができる。したがって、第１のワークピースが第２のワークピース内でぐらつくことはない。

請求項２の発明によれば、軸部材における肥大部を含む全長にわたって、第１のワークピースと第２のワークピースが密着されている密着部が形成される。このため、種々の用途に応じた異種材料を組み合わせた軸材の一体性を高め、これを用いて軸肥大加工を行うことができる。したがって、第１のワークピースが第２のワークピース内でぐらつくことはない。

請求項３の発明によれば、第１のワークピースの硬度は、第２のワークピースの硬度より低いため、軸肥大加工をしたときに内側にある第１のワークピースの変形率が高くなる。このため、第１のワークピースを加圧した際に第２のワークピースの内周面に早期に確実に密着させることができ、軸肥大加工時においても、第１のワークピースが第２のワークピースに比べて軟らかいため、第２のワークピースが肥大して膨らんだ内側の空間を隙間なく充填することができる。したがって、肥大部での密着性も含めて、軸部材の全長にわたった密着性を高めることができる。このとき、第１のワークピースを金属製とし、第２のワークピースをセラミックス製とすれば、第１のワークピースが軟らかくなり、それに対して第２のワークピースが硬くなるので、上記効果を得ることができる。また、外側をセラミックス製とすることで、耐摩耗性や絶縁性を有する軸部材を形成できる。

請求項４の発明によれば、外側の第２のワークピースが例えば柔らかい銅であって、内側の第１のワークピースがこれよりも硬い例えばステンレスであった場合に、第２のワークピースで導電性を確保しながらも第１のワークピースでその強度を確保することができる。

本発明に係る軸肥大加工方法を順番に示す概略図である。 本発明に係る軸肥大加工方法を順番に示す概略図である。 本発明に係る軸肥大加工方法を順番に示す概略図である。 本発明に係る軸肥大加工方法を順番に示す概略図である。 本発明に係る別の軸肥大加工方法を順番に示す概略図である。 本発明に係る別の軸肥大加工方法を順番に示す概略図である。 本発明に係る別の軸肥大加工方法を順番に示す概略図である。 本発明に係る別の軸肥大加工方法を順番に示す概略図である。

本発明に係る軸肥大加工方法を図１〜図４に沿って順番に説明する。
図１に示すように、中実で棒状の第１のワークピース（内側部材）１を中空で円筒状の第２のワークピース（外側部材）２で覆って軸材３を形成する。通常であれば、第２のワークピース２の一方の開口端から第１のワークピース１を挿入する。このとき、第１のワークピース１と第２のワークピース２との間には、若干の隙間４が存在している。この状態で、第１のワークピース１のみを両端側から矢印Ｆ方向に加圧する。具体的には、第１のワークピース１の軸線に沿って縮む方向に加圧する。なお、この加圧は一方の側の端部からのみ行ってもよい。

この加圧により、図２に示すように、第１のワークピース１は据え込まれ、矢印Ｂ方向に膨脹する。これにより、図１で示した隙間４はなくなり、第１のワークピース１と第２のワークピース２との密着部６が形成される。さらに加圧すると、図３に示すように、さらに第１のワークピース１は据え込まれ、第２のワークピース２との密着性が高められる。これにより、第１のワークピース１の外周面と第２のワークピース２の内周面が密着した軸材３が形成される。そして、この軸材３に対して軸肥大加工方法を施し、図４に示すような肥大部５が形成され、軸材３は軸部材７となる。このとき、第１のワークピース１は加圧により第２のワークピース２より変形エネルギが高められているため、この肥大部５においても第１のワークピース１は第２のワークピース２より大きく肥大変形をするため、軸肥大加工を行っても、肥大部５での密着性は確保されている。本発明に係る軸部材７を実際に使用する際は、図示はしないが、図４に示すような軸肥大加工後の軸部材７を使用する長さに合わせてその両端を切断し、第１及び第２のワークピース１，２の端面を揃えるか、予め第１のワークピース１を第２のワークピース２より加圧分だけ長くしておき、加圧することで第１のワークピース１と第２のワークピース２との端面を揃えてもよい。必要であれば、端部のみ第１及び第２のワークピース１，２を互いに溶接してもよい。

軸材３に施す軸肥大加工方法は、公知の軸肥大加工方法を適用することができる。軸肥大加工方法の概略を説明すると、軸材が配置されるべき基準線に沿って互いに接離可能な一対のホルダユニットが離間した状態で、軸材の両端をそれぞれ一対のホルダユニットで保持し、一対のホルダユニットを基準線に沿って互いに近接する方向に相対的に押し込んで軸材を軸方向に縮める方向に加圧し、軸材の肥大させるべき部位に対し、軸材の軸線と交差する方向に交番負荷を加え、その部位に肥大部を形成するというものである。なお、必要に応じてホルダユニットを回転させてもよい。このような軸肥大加工方法においても両側（あるいは片側）からの加圧工程があるため、この加圧工程時に、第２のワークピースにかかる圧力よりも高い圧力で第１のワークピースを加圧し、第１のワークピースの外周面を第２のワークピースの内周面に密着させてもよい。これにより、同一工程で第１のワークピースと第２のワークピースとの密着と、軸材を軸肥大させるための加圧を行うことができ、作業時間の短縮を図ることができる。このように、第１のワークピース１を膨脹させるための加圧は、肥大部を形成するための軸材の軸線と交差する方向に交番負荷を加える前であれば、いつ行ってもよい。肥大部を形成するための交番負荷は、例えば前記特許文献１に記載されているように軸材を回転させながら任意の位置で傾動させるか、任意の位置に振動や捻り等を与えることで得られる。

以上のように、軸材３に対してこの軸材３の軸線と交差する方向に交番負荷を加えて肥大部５を形成する前に、第２のワークピース２にかかる圧力よりも高い圧力で第１のワークピース１を加圧するので、その押圧力で第１のワークピース１が膨脹してその外径が拡径し、第１のワークピース１の外周面が第２のワークピース２の内周面に密着する。このため、第１及び第２のワークピース１，２の密着性を高めることができ、種々の用途に応じた異種材料を組み合わせた軸材３（後述）の一体性を高め、これを用いて軸肥大加工を行うことができる。したがって、第１のワークピース１が第２のワークピース２内でぐらつくことはない。

上述したように、軸材３は異種材料を組み合わせて構成されている。具体的には、第１のワークピース１と第２のワークピース２は互いに異なる材料である。例えば、第１のワークピースの硬度と、第２のワークピースの硬度とが異なる、特に、第１のワークピース１の方が低い硬度の異種材料を用いることができる。このように硬度に差がある材料を用いることで、軸肥大加工をしたときに内側にある第１のワークピース１の硬度が低いため、変形率が高くなる。このため、第１のワークピース１を加圧した際に第２のワークピース２の内周面に早期に確実に密着させることができる。また、軸材３の軸肥大加工時においても、第１のワークピースが第２のワークピースに比べて軟らかいため、第２のワークピースが肥大して膨らんだ内側の空間を隙間なく充填することができる。したがって、肥大部５での密着性も含めて、軸部材７の全長にわたった密着性を高めることができる。

他の例としては、第１のワークピース１を金属製とし、第２のワークピース２をセラミックス製としてもよい。これにより、第１のワークピース１が軟らかく、第２のワークピース２が固いものとなる。このため、第１のワークピース１に加圧した際に第２のワークピース２の内周面に早期に確実に密着させることができる。また、軸材３の軸肥大加工時においても、第１のワークピース１が第２のワークピース２に比べて軟らかいため、第２のワークピース２が肥大して膨らんだ内側の空間を隙間なく充填することができる。したがって、肥大部５での密着性も含めて、軸部材７の全長にわたった密着性を高めることができる。また、外側（第２のワークピース２）をセラミックス製とすることで、耐摩耗性や絶縁性を有する軸部材７を形成できる。

他には、第１のワークピース１を普通鋼とし、第２のワークピース２を耐食性の高い金属（例えばステンレス）として、外側の強度を確保して軸部材７の使用による劣化を抑制することもできる。また、外側のみを焼入れする場合を考慮して、第１のワークピース１をＳ３５Ｃで、第２のワークピースをＳＣＭ４３５で形成してもよい。このように、鉄系金属同士でもそれらの材料の特性を生かしつつ、一体の軸部材として利用することができる。また、第１のワークピース１のみを低炭素鋼として、他の部材と溶接可能にしてもよい。本発明は、異種材料を組み合わせることで、外側の部材として耐久性の高い材料を採用すれば軸部材の耐久性を向上させつつ、さらに異種材料の密着性を高めて軸部材としての取扱い性も高めるものである。

したがって、上記とは逆に、第２のワークピース２の方が硬度が低いものとしてもよい。このようにすることで、外側の第２のワークピース２が例えば柔らかい銅であって、内側の第１のワークピース１がこれよりも硬い例えばステンレスであった場合に、第２のワークピース２で導電性を確保しながらも第１のワークピース１でその強度を確保することができる。

上述した説明では、第１のワークピース１が中実で棒状の場合を例としているが、本発明では第１のワークピースは中空で円筒状でもよい。その場合の軸肥大加工方法は、図５〜図８に示しているが、ほぼ上述した第１のワークピース１が中空の場合と同様である。第１のワークピース１を軸方向に圧縮加圧する際に、加圧する面は中空円筒状の第１のワークピースの端面である。その他の構成、作用、効果は上述した図１〜図４と同様である。

１ 第１のワークピース
２ 第２のワークピース
３ 軸材
４ 隙間
５ 肥大部
６ 密着部

Claims (4)

1. 互いに異なる材料からなる第１のワークピースと第２のワークピースとを用い、
   前記第１のワークピースを前記第２のワークピースで覆って軸材を形成し、
   該軸材が配置されるべき基準線に沿って互いに接離可能な一対のホルダユニットが離間した状態で、
   前記軸材の両端をそれぞれ前記一対のホルダユニットで保持し、
   前記一対のホルダユニットを前記基準線に沿って互いに近接する方向に相対的に押し込んで前記軸材を軸方向に縮める方向に加圧し、
   前記軸材の肥大させるべき部位に対し、前記軸材の軸線と交差する方向に交番負荷を加え、
   前記部位に肥大部を形成する軸肥大加工方法であって、
   前記軸材に前記交番負荷を加える前に、前記第２のワークピースにかかる圧力よりも高い圧力で前記第１のワークピースを加圧して外径を拡径させ、前記第１のワークピースの外周面を前記第２のワークピースの内周面に密着させることを特徴とする軸肥大加工方法。
2. 請求項１に記載の軸肥大加工方法を用いた軸部材であって、
   前記肥大部を含む全長にわたって前記第１のワークピースと前記第２のワークピースが密着されている密着部を有することを特徴とする軸部材。
3. 前記第１のワークピースの硬度は、前記第２のワークピースの硬度より低いことを特徴とする請求項２に記載の軸部材。
4. 前記第２のワークピースの硬度は、前記第１のワークピースの硬度より低いことを特徴とする請求項２に記載の軸部材。

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