JP5663746B2 - Manufacturing method of metal parts - Google Patents
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Description
本発明は、摩擦攪拌プロセス技術を利用して小形の金属部品を製造する方法に関する。 The present invention relates to how to manufacture the small metal parts by using friction stir process technology.
第一の部材と第二の部材を固着、結合、係合、連結するために円柱状ピン、径大頭部を持つ円柱状ピン、径が異なる部分を持つ円柱状ピン、一部に中空部分を持つ円柱状ピン、円柱部にネジ溝が形成された円柱状ピンが広く使用されている。これら円柱状ピンは構造物を組み立てる場合に大量に使用される部品であり、正確な寸法精度を持ちかつ出来るだけ安価に製造することが要求されている。 A cylindrical pin, a cylindrical pin having a large diameter head, a cylindrical pin having a part with a different diameter, and a hollow part in order to fix, join, engage, and connect the first member and the second member A cylindrical pin having a cylindrical shape and a cylindrical pin having a screw groove formed in a cylindrical portion are widely used. These cylindrical pins are parts used in large quantities when assembling a structure, and are required to have accurate dimensional accuracy and to be manufactured as inexpensively as possible.
例えば、径大頭部を持つ円柱状ピンを製造する方法として、所定の外径及び長さを有する円柱金属部材を準備し、径大頭部となる部分は加工せずに残し、径小の支軸部分は旋盤を用いてバイトにより切削加工をすることで、加工精度が高くかつ加工工程の簡略化を図りコストダウンを達成する方法が開示されている(特許文献1)。この径大頭部を持つ円柱状ピンは、支軸部分を案内する中心孔を有するガイドピンと組み合わせて、磁気テープを収納するカートリッジを下ハーフと上ハーフを機械的に一体化するために使用している。 For example, as a method of manufacturing a cylindrical pin having a large-diameter head, a cylindrical metal member having a predetermined outer diameter and length is prepared, and the portion that becomes the large-diameter head is left without being processed. A method has been disclosed in which the spindle portion is cut with a lathe using a lathe so that the machining accuracy is high, the machining process is simplified, and the cost is reduced (Patent Document 1). This cylindrical pin with a large diameter head is used in combination with a guide pin with a center hole to guide the spindle part to mechanically integrate the lower half and the upper half of the cartridge containing the magnetic tape. ing.
特許文献1に開示された径大頭部を持つ円柱状ピンを製造する方法は、旋盤を用いてバイト加工をして径小の支軸部分を形成しているため、寸法精度が作業者の技術力に左右され、常に高寸法精度を持つ円柱状ピンを得ることができないという問題がある。また、旋盤を用いる場合、切削と寸法測定を繰り返す必要があり、高い寸法精度を要求されるほど加工時間が長くなり、コスト高になるという問題がある。さらに切粉等の発生という問題もある。
The method of manufacturing a cylindrical pin having a large-diameter head disclosed in
本発明の目的は寸法精度の高い金属部品を製造する方法及び金属部品製造装置を提供することにある。
本発明の他の目的は短時間で金属部品を製造する方法及び金属部品製造装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a metal part with high dimensional accuracy and a metal part manufacturing apparatus.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a metal part in a short time and a metal part manufacturing apparatus .
本発明の金属部品の製造方法の特徴とするところは、所定深さ及び形状の開孔を有する第1の加工治具と所定深さ及び形状の凹部を有する第2の加工治具とを、前記開孔及びに前記凹部に被加工金属材を案内して押圧対向して前記第1の加工治具及び前記第2の加工治具の少なくとも一方を回転する工程、前記回転による摩擦熱で前記被加工金属材の変形抵抗を低下させて前記第1の加工治具の前記開孔内全体及び前記第2の加工治具の前記凹部内全体に塑性流動させる工程を備えた金属部品の製造方法において、
前記第1の加工治具の前記開孔と前記第2の加工治具の前記凹部とが、前記被加工金属材の押圧方向の両面にそれぞれ接するようにして配設され、
前記被加工金属材は、前記第1の加工治具の前記開孔の容積と前記第2の加工治具の前記凹部の容積の総和と等しい体積が塑性流動し、前記第1の加工治具の前記開口に塑性流動した第1の部材と前記第2の加工治具の凹部に塑性流動した第2の部材とが、当該開口および凹部以外の被加工金属材から切り離されて金属部品が形成されることにある。
本発明が関係した金属部品の製造方法の特徴とするところは、被加工金属材表面に、先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段の先端部を押圧して被加工金属材と加工手段の少なくとも一方を回転する工程、回転による摩擦熱で被加工金属材の変形抵抗を低下させて加工手段の開孔内に塑性流動させる工程、被加工金属材から加工手段の開孔内に塑性流動した被加工金属材部分を分離する工程を備える点にある。被加工金属材に加工手段を押し当てて加工手段を回転させると摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって加工手段に当接する被加工金属材の部分の温度が上昇することにより低応力下で塑性流動が発現し、被加工金属材の塑性流動が発現していない周囲の領域がストッパーとなり加工手段の先端部に形成された開孔内へ被加工金属材が流れ込み、加工手段に形成された開孔を金型とする金属部品が形成される。回転している時間に比例して塑性流動が発現している時間が長くなり、塑性流動によって加工手段の開孔内に被加工金属材の流れ込む量が増え、金属部品が大きくなる。塑性流動は被加工金属材が固体の状態で発現するため被加工金属材の組織は粗大化せず、他方、加工手段の摩擦攪拌によって金属部品の表面領域が他の領域に比較して微細化されているため、加工中の高温状態(被加工金属材の融点を絶対温度で表した数値の1/2以上の温度をいう)では超塑性的流動が生じて、変形応力は小さく、塑性流動性は非常に大きい状態になる。一方、加工終了後室温に戻った時の金属部品の機械的強度を大きくすることができる。摩擦熱は被加工金属材と加工手段を圧接した状態で両者を相対的に反対方向に回転させることによって発生するので、被加工金属材を静止して加工手段を回転すること、加工手段を静止して被加工金属材を回転すること、被加工金属材と加工手段を反対方向または同じ方向に異なる速度で回転することがこれに相当する。
The metal part manufacturing method of the present invention is characterized by a first processing jig having an opening having a predetermined depth and shape and a second processing jig having a recess having a predetermined depth and shape. The step of rotating the at least one of the first processing jig and the second processing jig by guiding the metal material to be processed into the opening and the recess and pressing and facing each other, and the frictional heat generated by the rotation A method of manufacturing a metal part comprising the step of plastically flowing the entire inside of the opening of the first processing jig and the entire inside of the recess of the second processing jig by reducing the deformation resistance of the metal material to be processed In
The opening of the first processing jig and the concave portion of the second processing jig are arranged so as to be in contact with both surfaces in the pressing direction of the metal material to be processed,
In the metal material to be processed, a volume equal to the sum of the volume of the opening of the first processing jig and the volume of the recess of the second processing jig plastically flows, and the first processing jig The first member plastically flowed into the opening and the second member plastically flowed into the recess of the second processing jig are separated from the workpiece metal material other than the opening and the recess to form a metal part. It is to be done .
The metal part manufacturing method related to the present invention is characterized in that a metal material to be processed is formed by pressing the tip of a processing means having a hole having a predetermined depth and shape at the tip on the surface of the metal material to be processed. And a step of rotating at least one of the machining means, a step of reducing the deformation resistance of the metal material to be machined by frictional heat generated by the rotation, and plastically flowing into the opening of the machining means, and a hole in the machining means from the metal material to be machined The method includes a step of separating the portion of the metal material to be plastically flowed. When the processing means is pressed against the metal material to be processed and the processing means is rotated, frictional heat is generated, and this frictional heat raises the temperature of the portion of the metal material to be processed that abuts the processing means, so that plasticity is produced under low stress. The area around which the plastic flow of the metal material to be processed does not appear is a stopper, and the metal material to be processed flows into the opening formed at the tip of the processing means, and the opening formed in the processing means is formed. A metal part having a hole as a mold is formed. The time during which the plastic flow is developed becomes longer in proportion to the rotation time, and the amount of the metal material to be processed flowing into the opening of the processing means increases due to the plastic flow, and the metal part becomes larger. Plastic flow occurs when the metal material to be processed is in a solid state, so that the structure of the metal material to be processed does not become coarse. On the other hand, the surface area of the metal part becomes finer than other areas by friction stirring of the processing means. Therefore, superplastic flow occurs in the high temperature state during processing (a temperature more than half of the numerical value representing the melting point of the metal material to be processed in absolute temperature), the deformation stress is small, and the plastic flow Sex becomes very large. On the other hand, it is possible to increase the mechanical strength of the metal part when the temperature returns to room temperature after the processing is completed. Since frictional heat is generated by rotating the workpiece metal and the processing means in the opposite directions in a state where they are pressed against each other, rotating the machining means with the workpiece metal stationary and the machining means stationary. This corresponds to rotating the workpiece metal material and rotating the workpiece metal material and the processing means in opposite directions or in the same direction at different speeds.
本発明が関係した金属部品の製造方法に使用する被加工金属材としては、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい。マグネシウム合金としては、アルミニウムAl、亜鉛Zn、ジルコニウムZr、マンガンMn、リチウムLi、鉄Fe、珪素Si、銅Cu、ニッケルNi、カルシウムCa,希土類元素を少なくとも1種類含むマグネシウム合金が挙げられる。また、アルミニウム合金としては、銅Cu、マンガンMn、珪素Si、マグネシウムMg、亜鉛Zn、ニッケルNi、クロムCr、チタンTiを少なくとも1種類含むアルミニウム合金が挙げられる。 As the metal material to be processed used in the method of manufacturing a metal part to which the present invention relates, magnesium, a magnesium alloy, aluminum, and an aluminum alloy are preferable. Examples of magnesium alloys include magnesium alloys containing at least one kind of aluminum Al, zinc Zn, zirconium Zr, manganese Mn, lithium Li, iron Fe, silicon Si, copper Cu, nickel Ni, calcium Ca, and rare earth elements. Examples of the aluminum alloy include an aluminum alloy containing at least one kind of copper Cu, manganese Mn, silicon Si, magnesium Mg, zinc Zn, nickel Ni, chromium Cr, and titanium Ti.
本発明が関係した金属部品の製造方法の他の特徴とするところは、被加工金属材の一方面に先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する第1の加工手段の先端部を押圧し、被加工金属材の他方面に所定深さ及び形状の凹部を有する第2の加工手段を押圧し、第1の加工手段及び第2の加工手段の少なくとも一方を回転する工程、回転による摩擦熱で被加工金属材の変形抵抗を低下させて第1の加工手段の開孔内及び第2の加工手段の凹部内に塑性流動させる工程、第1の加工手段と第2の加工手段が接する直前に回転を停止する工程、被加工金属材から第1の加工手段の開孔内に塑性流動した被加工金属材部分及び第2の加工手段の凹部内に塑性流動した被加工金属材部分を分離する工程を備える点にある。被加工金属材の両側から第1の加工手段と第2の加工手段を押し当てて加工手段の一方または両方を回転させると摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって回転している加工手段に当接する被加工金属材の部分の温度が上昇することにより低応力下で塑性流動が発現し、被加工金属材の塑性流動が発現していない周囲の領域がストッパーとなり第1の加工手段の開孔内及び第2の加工手段の凹部内へ被加工金属材が流れ込み、第1の加工手段の開孔及び第2の加工手段の凹部が合わさって形成される空間を金型とする金属部品が形成される。この金属部品の製造方法は次の利点を有している。第1の利点は長さ方向の中間に径の大きい部分を有する金属部品を製造する場合、金型となる第1の加工手段の開孔及び第2の加工手段の凹部を径の大きい部分で分割することにより、塑性流動を利用して長さ方向の中間に径の大きい部分を有する金属部品の製造が可能になる。第2の利点は一端側に長手方向と直角をなす断面が円形以外の形状を有する金属部品を製造する場合、第1の加工手段の開孔で長手方向と直角をなす断面が円形を有する部分を、第2の加工手段の凹部で長手方向と直角をなす断面が円形以外の形状を有する部分を、それぞれ分担すれば、一端側に長手方向と直角をなす断面が円形以外の形状を有する金属部品を製造することが可能になる。 Another feature of the method of manufacturing a metal part to which the present invention relates is that the front end of the first processing means having a hole having a predetermined depth and shape at the front end on one surface of the metal material to be processed is pressed. And a step of pressing at least one of the first processing means and the second processing means by pressing the second processing means having a concave portion having a predetermined depth and shape on the other surface of the metal material to be processed, friction by rotation A process of causing the deformation resistance of the metal material to be processed by heat to cause plastic flow in the opening of the first processing means and the recess of the second processing means, and the first processing means and the second processing means are in contact with each other. A step of stopping rotation immediately before, a workpiece metal material portion plastically flowed from the workpiece metal material into the opening of the first machining means, and a workpiece metal material portion plastically flowed into the recess of the second machining means. It is in the point provided with the process to separate. When one or both of the processing means are rotated by pressing the first processing means and the second processing means from both sides of the metal material to be processed, frictional heat is generated, which is applied to the rotating processing means by the frictional heat. By increasing the temperature of the part of the metal material to be in contact, plastic flow develops under low stress, and the surrounding region where the plastic flow of the metal material to be processed does not develop serves as a stopper to open the first machining means. The metal material to be processed flows into the recesses of the inside and the second processing means, and a metal part is formed in which the space formed by combining the opening of the first processing means and the recess of the second processing means is a mold. Is done. This metal part manufacturing method has the following advantages. The first advantage is that when a metal part having a large diameter portion in the middle in the length direction is manufactured, the opening of the first processing means and the concave portion of the second processing means to be a mold are formed at the large diameter portion. By dividing, it becomes possible to manufacture a metal part having a large diameter portion in the middle in the length direction using plastic flow. The second advantage is that when a metal part having a cross-section perpendicular to the longitudinal direction on one end side has a shape other than a circle, a portion having a circular cross-section perpendicular to the longitudinal direction at the opening of the first processing means , A metal having a cross-section perpendicular to the longitudinal direction on one end side of a shape other than a circle at one end. It becomes possible to manufacture parts.
本発明が関係した金属部品の製造方法の別の特徴とするところは、先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段の開孔内に棒状の被加工金属材を案内押圧し、加工手段と被加工金属材の少なくとも一方を回転する工程、回転による摩擦熱で被加工金属材の変形抵抗を低下させて加工手段の開孔内全体に塑性流動させる工程、被加工金属材から加工手段の開孔内に塑性流動した被加工金属材部分を分離する工程を備える点にある。 Another feature of the method of manufacturing a metal part to which the present invention relates is that a bar-shaped workpiece metal material is guided and pressed into an opening of a processing means having an opening having a predetermined depth and shape at the tip part, A step of rotating at least one of the processing means and the metal material to be processed, a step of reducing the deformation resistance of the metal material to be processed by frictional heat caused by the rotation and plastically flowing the entire inside of the opening of the processing means, and processing from the metal material to be processed In the point which comprises the process of isolate | separating the to-be-processed metal material part plastically flowed in the opening of the means.
本発明が関係した金属部品の製造方法の更に別の特徴とするところは、所定深さ及び形状の開孔を有する第1の加工手段と所定深さ及び形状の凹部を有する第2の加工手段とを、開孔及びに凹部に被加工金属材を案内して押圧対向して第1の加工手段及び第2の加工手段の少なくとも一方を回転する工程、回転による摩擦熱で被加工金属材の変形抵抗を低下させて第1の加工手段の開孔内全体及び第2の加工手段の凹部内全体に塑性流動させる工程を備える点にある。被加工金属材は第1の加工手段の開孔の容積と2の加工手段の凹部の容積の総和と略等しい体積とするのが好ましい。この製造方法によれば、被加工金属材から塑性流動によって形成した金属部品を分離する工程を必要としない利点がある。 Still another feature of the method of manufacturing a metal part to which the present invention relates is that a first processing means having an opening having a predetermined depth and shape and a second processing means having a recess having a predetermined depth and shape. And rotating the at least one of the first processing means and the second processing means by guiding the work metal material into the opening and the recess and pressing and facing each other, the frictional heat generated by the rotation of the work metal material The deformation resistance is lowered to plastically flow in the entire opening of the first processing means and in the entire recess of the second processing means. It is preferable that the metal material to be processed has a volume substantially equal to the sum of the volume of the opening of the first processing means and the volume of the recess of the second processing means. According to this manufacturing method, there exists an advantage which does not require the process of isolate | separating the metal component formed by the plastic flow from the to-be-processed metal material.
本発明が関係した金属部品製造装置の特徴とするところは、金属材料を保持する手段と、先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段と、加工手段を回転駆動する手段と、保持手段及び加工手段の少なくとも一方を両手段を結ぶ線上に沿って移動させる手段と、加工手段を被加工金属部材表面に押圧する手段とを具備する点にある。この構成により、外部から熱エネルギーを付与することなく被加工金属部材の塑性流動を利用して金属部品を形成することが出来る。この加工装置は金属部品を形成する単機能装置であっても、また順送プレス装置の複数の工程の中の一工程を担う装置部分であってもよい。 The metal part manufacturing apparatus related to the present invention is characterized by means for holding a metal material, processing means having an opening of a predetermined depth and shape at the tip, means for rotationally driving the processing means, It has a means for moving at least one of the holding means and the processing means along a line connecting both means, and means for pressing the processing means against the surface of the metal member to be processed. With this configuration, it is possible to form a metal part using the plastic flow of the metal member to be processed without applying thermal energy from the outside. This processing apparatus may be a single function apparatus for forming a metal part, or may be an apparatus portion responsible for one process among a plurality of processes of a progressive press apparatus.
本発明が関係した金属部品製造装置に使用する加工手段の材料としては、耐熱性、耐摩耗性、濡れ性が低い(被加工金属材と接着しない)ことが要求され、具体的材料としてはステンレス(例えばSUS鋼)、工具鋼(例えばSK鋼)、超合金(Ni系、Fe系、Co系)、セラミックス(CBN(立方晶ボロンナイトライド)、ZrO2、SiC、Si3N4、SiALON、Al2O3、Y2O3及びこれらの複合材料)、金属とセラミックスの複合材(例えばサーメット)が使用できる。 The material of the processing means used in the metal part manufacturing apparatus related to the present invention is required to have low heat resistance, wear resistance, and wettability (does not adhere to the metal material to be processed), and the specific material is stainless steel. (For example, SUS steel), tool steel (for example, SK steel), superalloy (Ni-based, Fe-based, Co-based), ceramics (CBN (cubic boron nitride), ZrO 2 , SiC, Si 3 N 4 , SiALON, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and composite materials thereof), and metal / ceramic composite materials (for example, cermet) can be used.
本発明が関係した金属部品製造装置の他の特徴とするところは、表面に所定形状で所定深さの凹部を有する金属材料を保持する保持手段と、先端部に所定深さの開孔を有する加工手段と、加工手段及び保持手段の少なくとも一方を回転駆動する手段と、保持手段及び加工手段の少なくとも一方を両手段を結ぶ線上に沿って移動させる手段と、加工手段を被加工金属部材表面に押圧する手段とを具備する点にある。この装置は金属部品を2個の金型を用い、塑性流動を利用して製造する場合に適した製造装置で、保持手段を静止し加工手段を回転する使い方と、保持手段及び加工手段を反対方向または同方向に速度を変えて回転する使い方がある。特に、一端側に長手方向と直角をなす断面が円形以外の形状を有する金属部品を製造する場合に適した製造装置である。 Another feature of the metal part manufacturing apparatus related to the present invention is that it has a holding means for holding a metal material having a concave portion with a predetermined shape and a predetermined shape on the surface, and an opening with a predetermined depth at the tip. Processing means, means for rotationally driving at least one of the processing means and the holding means, means for moving at least one of the holding means and the processing means along a line connecting the two means, and the processing means on the surface of the metal member to be processed And means for pressing. This device is suitable for manufacturing metal parts using two molds and utilizing plastic flow. The method of holding the holding means stationary and rotating the processing means is opposite to the holding means and processing means. There are ways to rotate in different directions or in the same direction. In particular, it is a manufacturing apparatus suitable for manufacturing a metal part having a shape other than circular in cross section perpendicular to the longitudinal direction on one end side.
本発明が関係した金属部品の特徴とするところは、所定の長さで断面円形の軸心部を有し、軸心部の表面に隣接する領域が他の領域より微細化された組織である点にある。金属部品の表面に隣接する領域が他の領域より微細化された領域にすることにより、機械的強度を高くでき利点がある。この金属部品は携帯型情報端末、家電製品、自動車部品、鉄道用車両等に使用される部材を固着、結合、係合、連結するピン、ボルト等の小物部品として使用するに適している。 A feature of the metal part to which the present invention relates is a structure having an axial center portion with a predetermined length and a circular cross section, and a region adjacent to the surface of the axial center portion being made finer than other regions. In the point. By making the area adjacent to the surface of the metal part smaller than the other areas, the mechanical strength can be increased, which is advantageous. This metal part is suitable for use as a small part such as a pin or a bolt for fixing, coupling, engaging or connecting a member used in a portable information terminal, a home appliance, an automobile part, a railway vehicle or the like.
本発明の金属部品の製造方法によれば、摩擦熱を利用して被加工金属材の塑性流動を発現して加工手段に形成した所定形状の開孔に流し込み、数秒という一瞬のうちに金属部品を形成出来、従来の機械加工技術を使用する場合に比較して製造時間を大幅に短縮でき低コスト化が図れる。また、加工手段に形成した開孔を金型として使用するため、常に同一寸法および寸法精度を持つ金属部品を製造することが出来る。また、本発明は、本発明の金属部品を塑性流動を利用して形成する方法を提供するもので、外部から熱エネルギーを付与することなく被加工金属材の表面に加工手段を押圧して回転および直線運動させることにより塑性流動を発現して金属部品を製造することが可能になる。 According to the method for producing a metal part of the present invention, the metal part is made into a predetermined shape formed in the machining means by expressing the plastic flow of the metal material to be machined using frictional heat, and in a few seconds, the metal part The manufacturing time can be greatly shortened and the cost can be reduced as compared with the case where conventional machining techniques are used. Moreover, since the opening formed in the processing means is used as a mold, metal parts having the same dimensions and dimensional accuracy can always be manufactured. The present invention also provides a method of forming the metal part of the present invention by utilizing plastic flow, and presses the processing means against the surface of the metal material to be processed without applying heat energy from the outside and rotates it. Further, the metal part can be manufactured by expressing plastic flow by linear movement .
本発明の金属部品を形成する方法の実施形態は、マグネシウム合金を被加工金属材として、その表面に先端部に金属部品と同形状の開孔を有するステンレス製の加工手段による摩擦攪拌による塑性流動を利用して金属部品を形成するのが最も簡便な方法である。マグネシウム及びマグネシウム系合金は軽量金属材で携帯型情報端末、家電製品、自動車部品、鉄道用車両等の金属部品として広く使用される傾向にある反面、加工技術が確立されておらず、普及には解決する課題が残されている。本発明によりこの問題を解決することが出来る。 An embodiment of a method for forming a metal part according to the present invention is a plastic flow by friction stirring by a stainless steel processing means having a magnesium alloy as a metal material to be processed and having a hole having the same shape as the metal part at the tip portion on the surface thereof. The simplest method is to form a metal part using Magnesium and magnesium-based alloys are lightweight metal materials and tend to be widely used as metal parts for portable information terminals, home appliances, automobile parts, railway vehicles, etc. There remains a problem to be solved. The present invention can solve this problem.
図1及び図2は、本発明が関係した金属部品の製造方法の一工程を示す工程図で、図1において、11は金属部品の材料になる板状の被加工金属材、12は被加工金属材11を載置固定する加工台、13は先端部13aに金属部品の形状をなす開孔13bを有する断面が円形の加工治具、14は加工治具13を回転可能に支承する保持治具である。加工治具13は回転駆動源で回転され、かつ先端部13a方向に所定圧力で押圧する手段を有している。被加工金属材11を用いて金属部品を製造する場合、被加工金属材11を加工台12上の所定位置に載置して機械的、静電的または真空吸着により固定する(図2の工程A)と共に、製造する金属部品と同じ外形形状の開孔13bを有する加工治具13を保持具14に装着し、加工治具13を回転しながら先端部13aを被加工金属材11の表面に所定の加工速度と圧力で押圧する(図2の工程B)。加工治具13の先端部13aを回転しながら被加工金属材11の表面に押圧すると、加工治具13の先端部13aに当接している被加工金属材11の表面領域が摩擦熱による温度上昇により被加工金属材が軟化し、押圧下での加工治具の回転により容易に攪拌され、強ひずみ加工状態になり、動的再結晶等により微細化する。これにより被加工金属材の変形抵抗が低下する。このように微細化された組織は高温で塑性変形が容易となる超塑性的現象を発現する。超塑性的現象の発現により、塑性流動が生じ、更に、微細化していない領域でも高温状態下で、軟化して塑性流動する(図2の工程C)。塑性流動は後述するように、加工治具13の開孔13bに向かって流れ、図1の(b)に示すように被加工金属材11を開孔13b全体を充填し、金属部品15を形成する。しかる後、加工治具13の押圧・回転を停止する(図2の工程D)。これによって、図1(c)に示す開孔13bの形状と同一の金属部品15が得られる。図1の(b)では被加工金属材11と金属部品15は加工治具13によって分離されているが、製造装置の長期使用を考えると加工治具13と加工台12が接触する直前で加工治具13の押圧を止めるのが好ましく、金属部品15と被加工金属材11は薄い被加工金属材で繋がった状態で塑性流動を利用した加工が終了する。従って、最後に金属部品15と被加工金属材11から分離する作業が必要になる(図2の工程E)。
FIG. 1 and FIG. 2 are process diagrams showing one process of a method for manufacturing a metal part related to the present invention. In FIG. 1, 11 is a plate-shaped metal material to be processed as a metal part material, and 12 is a work piece. A processing table for mounting and fixing the
塑性流動によって開孔13bの形状に沿った金属部品が形成される理由を、図3を用いて説明する。図3は図1(b)を説明の都合上誇張拡大して示したもので、被加工金属材11の加工治具13の先端部13aが当接している領域11aの表面付近が超塑性的現象を発現して塑性流動を黒矢印方向に生じている状態を示している。一方、攪拌が生じない領域11aの表面から離れた下方部分は摩擦熱による温度上昇により変形抵抗が低下しており、加工治具13による押圧力により塑性流動を白矢印方向に生じる(通常の熱間成形に近い)。超塑性的現象を発現している被加工金属材11の領域11aは、その側方が超塑性的現象を発現していない周囲領域11bによって包囲されて白矢印Y12方向に押圧され、上方は加工治具13の先端部13a及び保持治具14によって白矢印Y13及びY14方向に押圧されており、黒矢印Y11a及び白矢印Y12a方向に押され、黒矢印Y11b及び白矢印Y12bで示す加工治具13の開孔13b方向が唯一の流動方向になる。加工治具13による摩擦攪拌が継続されている時間に比例して開孔13bへの流動は続き、開孔13bが被加工金属材11で充填される。従って、開孔13bを金型とした塑性流動により金属部品が得られる。
The reason why a metal part is formed along the shape of the
被加工金属材表面に塑性流動によって突起を形成する場合、突起の裏面側にヒケと称する窪みが形成されるが、金属部品を製造する場合は加工治具13を加工台12に出来る限り接近させて被加工金属材と金属部品を分離可能にするためヒケの発生はなくなる。
When the projection is formed on the surface of the metal material to be processed by plastic flow, a recess called sink is formed on the back side of the projection. However, when manufacturing a metal part, the
本発明が関係した金属部品の製造方法において重要な事項は、加工条件の設定である。マグネシウム、マグネシウム系合金、アルミニウム、アルミニウム系合金を被加工金属材とし室温で加工する場合、加工治具の回転数は200〜20000rpm、好ましくは500〜5000rpm、押し込み圧力は50kg/cm2以上が好ましい。 Important matters in the manufacturing method of the metallic components to which the present invention is concerned is a set of processing conditions. When magnesium, magnesium-based alloy, aluminum, and aluminum-based alloy are processed as metal materials to be processed at room temperature, the rotation speed of the processing jig is 200 to 20000 rpm, preferably 500 to 5000 rpm, and the indentation pressure is preferably 50 kg / cm 2 or more. .
図4を用いて本発明が関係した金属部品の製造方法によって製造した金属部品の機械的特性が優れている点を説明する。被加工金属材11の加工治具13によって摩擦攪拌された領域は微細化(動的再結晶等の発現)される。微細化された領域は高温で変形抵抗が低下するなどにより塑性変形が容易となり、超塑性的現象を発現して塑性流動が生じ、加工治具13の開孔13b内に流れ込み金属部品15を形成する。図4の表面近傍領域15aは摩擦攪拌によって微細化された組織を有する領域となっている。本発明が関係した方法で金属部品を製造すると、微細化された組織が金属部品の略全周にわたって存在しているため、機械的強度の向上が図れる。
The point which is excellent in the mechanical characteristic of the metal component manufactured with the manufacturing method of the metal component which this invention relates using FIG. 4 is demonstrated. The region of the
図5は、本発明が関係した製造方法で製造した金属部品の組織状態を示す顕微鏡写真で、図4の○印の部分を示している。写真から明らかなように表面近傍領域の組織が他に比較して微細化されていることが判る。 FIG. 5 is a photomicrograph showing the structural state of a metal part manufactured by a manufacturing method related to the present invention, and shows a portion marked with a circle in FIG. As is apparent from the photograph, it can be seen that the structure in the region near the surface is made finer than the others.
図6に本発明が関係した金属部品の製造方法によって製造した金属部品の機械的強度を計測した結果を示す。試験機はテスター産業株式会社のアイゾット型衝撃試験装置(WR=3kg・m)を用い、室温(20℃)にて同一条件で金属部品を形成した試料を各3個ずつ準備して計測した。図の縦軸は衝撃値、横軸はマグネシウム合金の種類を示す。図中の点線及び一点鎖線はAZ31及びZK60Aの各素材の衝撃値を示す。試験片は板厚2mmのAZ31板材(AZ31t2)及び板厚3mmのAZ31板材(AZ31t3)並びに板厚3.1mmのZK60A板材に本発明が関係した方法により径小部の直径3mm、高さ約4mm、径大分の直径6mm、高さ4mmの図4に示す金属部品を形成している。図6から解るように、本発明が関係した方法によって形成した金属部品の衝撃値はいずれも素材より大きい値を示している。これは、金属部品の表面近傍領域の略全面にわたって微細組織が形成されていること、及び表面近傍領域以外の領域が摩擦熱により結晶成長していることに起因している。
FIG. 6 shows the result of measuring the mechanical strength of a metal part manufactured by the metal part manufacturing method related to the present invention. The tester used an Izod impact tester (WR = 3 kg · m) manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd., and prepared and measured three samples each of which formed metal parts under the same conditions at room temperature (20 ° C.). The vertical axis in the figure represents the impact value, and the horizontal axis represents the type of magnesium alloy. The dotted line and the alternate long and short dash line in the figure indicate the impact value of each material of AZ31 and ZK60A. Specimen AZ31 plate (AZ31t2) and AZ31 sheet having a thickness of 3mm (AZ31t3) and small-diameter portion having a diameter of 3mm by a method in which the present invention is related to ZK60A sheet of thickness 3.1mm of
図7は本発明の金属部品の製造方法により径大頭部を有する金属部品を製造する一実施例を示す概略図である。図7において、11は金属部品の材料になる板状の被加工金属材、12は被加工金属材11を載置固定する加工台、13は先端部13aに金属部品の外形形状をなす開孔13bを有する断面が円形の加工治具で、図1と同じ部分には同じ符号を付してある。加工台12には開孔13bに対向する位置に開孔13bの径より大きい径を有する円形の凹部12aが形成されている。ピンを製造する際には、加工台12上に被加工金属材11を載置固定し、その表面に加工治具13を押圧しながら回転させればよい。これによって、被加工金属材11が超塑性的現象を発現又は摩擦熱による温度上昇により変形抵抗が低下して加工治具13の開孔13b内及び加工台12の凹部12a内へ塑性流動して、開孔13b及び凹部12aを金型とする図8に示す径大頭部を有するピン151が形成される。図8の(a)は金属部品に正面図、(b)は平面図、(c)は底面図である。ピン151は加工治具13の開孔13bで形成される径小の支軸部151aと加工台12の凹部12aで形成される径大頭部151bからなり、図では径大頭部151bの球面部に+形状の溝151b1を形成している。溝形状は+に限らず、必要に応じて−形状、円形状にしてもよし、溝を形成しなくてもよい。
FIG. 7 is a schematic view showing one embodiment for producing a metal part having a large-diameter head by the metal part producing method of the present invention. In FIG. 7, 11 is a plate-shaped workpiece metal material that becomes the material of the metal component, 12 is a processing table on which the
図9は本発明の金属部品の製造方法により径大頭部を有する金属部品を製造する一実施例を示す概略図である。図9において、図7と相違する点は加工治具13の開孔13b及び加工台12の凹部12aの形状である。即ち、加工治具13の開孔13bは開口部に位置する径大部13b1と奥に位置する径小部13b2からなっており、加工台12の凹部12aは加工治具13の径大部13b1の径と同じ長さの辺を持つ正方形断面を有し、底面に円形突起12a1を有している。このような加工治具13及び加工台12の間に被加工金属材11を挟み、加工治具13を被加工金属材11側に押圧しながら回転して加工すると図10に示す径大頭部を有するピン152が形成される。図10の(a)は金属部品に正面図、(b)は平面図、(c)は底面図である。ピン152は加工治具13の開孔13bの径小部13b2で形成される径小の支軸部152aと、径大部13b1で形成される断面円形を有する頭部152b及び加工台12の凹部12aで形成される頭部152b断面の円形が内接する正方形断面を有する径大頭部からなっている。152dは径大頭部152cの頭部平面に設けられた円形凹部で、図8で述べたようにこの形状に限定するものでない。
FIG. 9 is a schematic view showing an embodiment for producing a metal part having a large-diameter head by the method for producing a metal part of the present invention. 9 differs from FIG. 7 in the shapes of the
図11は本発明の金属部品の製造方法により中間に径大部を有する金属部品を製造する一実施例を示す概略図である。図11において、加工治具13の開孔13bは開口端から奥に向かって順次径が小さくなる3個の断面円形孔部13b3、13b4、13b5を有し、加工台12の凹部12aは開口側に加工治具13の開孔13bは開口端と同じ径の略半球状部12a1と奥にそれより径小の断面円形孔部12a2を有している。このような加工治具13及び加工台12の間に被加工金属材11を挟み、被加工金属材11側に押圧しながら互いに反対方向に回転することにより図12に示す中間に径大部を有するピン153が形成される。図12の(a)は金属部品に正面図、(b)は平面図、(c)は底面図である。ピン153は両端に径小の支軸部153a、153dの間に径大部153b、153cを有している。
FIG. 11 is a schematic view showing an embodiment for producing a metal part having a large diameter portion in the middle by the metal part production method of the present invention. In FIG. 11, the
図13は本発明が関係した金属部品の製造方法により軸方向に貫通孔を有する金属部品を製造する例を示す概略図である。図13において、加工治具13の開孔13b内に底部から開口端に達するピン13cが形成されている点が特徴である。開孔13bの形状は図示したもので、これに限定されるものではない。このような加工治具13及び加工台12の間に被加工金属材11を挟み、被加工金属材11側に押圧しながら互いに反対方向に回転することにより図14に示す軸方向に貫通孔154aを有するピン154を形成することができる。図14の(a)は金属部品の正面図、(b)は平面図である。この実施例において、ピン13cの長さを開口端に達しないように短くすれば、貫通孔でなく有底の孔を有する金属部品を形成することができる。
FIG. 13 is a schematic view showing an example of manufacturing a metal part having a through hole in the axial direction by the method of manufacturing a metal part related to the present invention. In FIG. 13, a feature is that a pin 13 c reaching from the bottom to the opening end is formed in the
図15は棒状の被加工金属材111を用いて金属部品を製造する方法を本発明が関係した金属部品の製造方法の別の例を示す概略図である。図15に示すように、加工治具13の開孔13bの開口端より径小の直径を有する棒状の被加工金属材111を準備し、これを加工治具13の開孔13bの方向(黒矢印)に押圧しながら回転して、発生する摩擦熱を利用して被加工金属材111を塑性流動により開孔13bを充填することを特徴としている。開孔13bが被加工金属材111を充填した時点で被加工金属材111の回転を止め、白矢印の位置で例えばバイトにより被加工金属材111を開孔13b内に位置する部分とそれ以外の部分を切り離す。この場合、加工治具13を被加工金属材111と反対方向に回転してもよい。図15では棒状の被加工金属材111の軸を水平にした状態を示しているが、これに限定されることなく、棒状の被加工金属材111の軸を垂直にしてもよい。棒状の被加工金属材111の軸を垂直にする場合、加工治具13を下方に配置して押圧方向を上から下方向きにするのが被加工金属材111の塑性流動をスムーズに出来るので好ましい。
FIG. 15 is a schematic view showing another example of a method of manufacturing a metal part to which the present invention relates to a method of manufacturing a metal part using the rod-shaped workpiece metal material 111. As shown in FIG. 15, a rod-shaped metal workpiece 111 having a diameter smaller than the opening end of the
図16は短小棒状の被加工金属材112(ビレット)を用いて金属部品を製造する方法を本発明が関係した金属部品の製造方法の異なる例を示す概略図である。図16に示すように、金属部品即ち加工治具13の開孔13bの容積と加工台12の凹部12aの容積の総和と略同一体積を有し、加工治具13の開孔13bの開口端より径小の直径を有する短小棒状の被加工金属材112を準備し、これを加工治具13の開孔13b及び加工台12の凹部12aに装着して押圧しながら回転することを特徴としている。初期状態では加工治具13と加工台12は離れているが、摩擦熱を利用して被加工金属材112の塑性流動が進むに従って両者の間隔は小さくなり、最終的には接する直前になり、図17に示す金属部品155が得られる。図17の(a)は金属部品の正面図、(b)は平面図である。この方法によれば、バイトによる切り離し作業が不要になる。
Figure 16 is a schematic diagram showing a different Do that examples of a method for manufacturing a metal part of the present invention is related to a method of manufacturing a metal part with a workpiece metal material 112 (billets) of short and small rod-shaped. As shown in FIG. 16, the opening of the
図18は本発明が関係した金属部品製造装置の例を示す概略図である。図18の(a)は正面図、(b)は側面図である。図18において、51は装置を設置する基台、52は基台51に固定されたフレーム、53はフレーム52に水平面でXY方向に移動可能に支持されたワーク保持ヘッド、531はワーク保持ヘッド53の表面付近に埋設された温度・圧力センサー、54はワーク保持ヘッド53を上下方向に移動する駆動軸で図示せぬ駆動モータで駆動される。55はワーク保持ヘッド53に支持された必要に応じて凹部を形成したワークホルダー、56は図1に示す加工治具13と保持具14からなる回転ツール、57は回転ツール56を保持するツールホルダー、58はツールホルダー57を支持すると共にツールホルダー57を上下方向に移動するツールホルダー駆動モータ、581はツールホルダー駆動モータに支持された定速度・低荷重制御装置、59はフレーム52に支持され、ツールホルダー駆動モータ58を支持し、回転ツール56を回転駆動するツール回転モータである。回転ツール56は図1の加工治具13のみであってもよい。ワークホルダー57を回転可能にしてもよい。
FIG. 18 is a schematic view showing an example of a metal part manufacturing apparatus related to the present invention. 18A is a front view, and FIG. 18B is a side view. In FIG. 18, 51 is a base on which the apparatus is installed, 52 is a frame fixed to the
かかる構成の金属部品製造装置を用いて金属部品を製造する場合には、ワークホルダー55上に被加工金属材を載置固定し、ワーク保持ヘッド53をXY方向に移動して被加工金属材の表面の決められた位置を回転ツール56に対向させる。次にツール回転モータ59によって回転ツール56を回転しながらツールホルダー駆動モータ58によってツールホルダー57を下方に移動して、回転ツール56を金属部材表面に所定圧力で接触させる。これによって摩擦熱により金属部材の表面に塑性流動を生じさせて回転ツールに形成された開孔を金型とする金属部品が形成される。金属部品が形成されるとツールホルダー駆動モータ58によってツールホルダー57を上方に移動させて回転ツール56をワークホルダーから離間し、ツール回転モータ59を停止して回転ツール56を停止する。
When a metal part is manufactured using the metal part manufacturing apparatus having such a configuration, the metal material to be processed is placed and fixed on the
回転ツール56を所定圧力で金属部材表面に接触させるための制御方法として圧力制御と位置制御が利用できる。圧力制御は一定荷重負荷により安定したピンの寸法制御が可能になる利点があるが、システム構成が複雑になる欠点がある。具体的には、ひずみゲージ及びロードセルをステージ及び回転軸に装着することによって実現する。また、熱影響により金属部品成形時の負荷荷重の変化が考えられ、この対策が必要である。位置制御はステージ及び回転軸をサーボモーター等で制御することで実現でき、制御が比較的容易である利点を持っている。しかし、提供される被加工材の板厚が均一でないと、金属部品寸法精度が低下する欠点がある。その解決策としては、レーザー変位計により常に板厚管理を行って、部品製造ごとに調整する方法がある。
Pressure control and position control can be used as a control method for bringing the
図19は本発明が関係した金属部品製造装置の別の例を示す概略図である。図19の(a)は加工治具13の先端部13aの周辺部に突起13a1及び加工台12の表面の突起13a1に対向する個所に突起13a1を受け入れる凹部12b1を形成した例を、(b)は加工治具13の先端部13aの面が中心部から周辺部に向かって保持台14側に傾斜する形状にし、保持具14表面には加工治具13の先端部13aの面に対向する個所に中心部から周辺に向かって深さが大きくなる凹部12b2を形成した例を示している。これらの形状にすることにより、加工治具13の先端部13aの押圧・回転によって変形抵抗が低下した被加工金属材が塑性流動の方向が突起13a1によって開孔13bに向かう方向に制限され、開孔13bの充填をスムーズに行うことが出来る。
FIG. 19 is a schematic view showing another example of a metal part manufacturing apparatus related to the present invention. FIG. 19A shows an example in which a recess 12b1 for receiving the protrusion 13a1 is formed at a portion facing the protrusion 13a1 and the protrusion 13a1 on the surface of the processing table 12 on the periphery of the tip portion 13a of the
図20は本発明が関係した金属部品製造装置の異なる例を示す概略図である。図20の(a)は加工治具13の開孔13bの底部付近にガス抜き通路13dを形成した例を、図20の(b)は加工治具13の開孔13bに存在する角部にR(湾曲)部13b1を形成した例を、図20の(c)は加工治具13の開孔13bに存在する角部に角落とし部13b2を形成した例をそれぞれ示している。
Figure 20 is a schematic diagram showing a different Do that examples of the metal component manufacturing apparatus to which the present invention is related. 20A shows an example in which a gas vent passage 13d is formed in the vicinity of the bottom of the
本発明の金属部品の製造方法は、実施例で説明された方法及び構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。 Producing how the metal parts of the present invention is not intended to be limited to the methods and configurations described in the Examples and various modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
15…金属部品、11…被加工金属材、12…加工台、13…加工治具、12a…凹部、13b…開孔。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記第1の加工治具の前記開孔と前記第2の加工治具の前記凹部とが、前記被加工金属材の押圧方向の両面にそれぞれ接するようにして配設され、
前記被加工金属材は、前記第1の加工治具の前記開孔の容積と前記第2の加工治具の前記凹部の容積の総和と等しい体積が塑性流動し、前記第1の加工治具の前記開口に塑性流動した第1の部材と前記第2の加工治具の凹部に塑性流動した第2の部材とが、当該開口および凹部以外の被加工金属材から切り離されて金属部品が形成されることを特徴とする金属部品の製造方法。 A first processing jig having an opening with a predetermined depth and shape and a second processing jig having a recess with a predetermined depth and shape are guided through the opening and the recess with a metal material to be processed. by pressing opposing rotating at least one of said first jig and said second jig Te step, said first reduce the deformation resistance of the workpiece metal material with frictional heat generated by the rotating in the method for manufacturing a metal part having a step of plastic flow into the whole the recess of the total in the opening of the jig and the second jig,
The opening of the first processing jig and the concave portion of the second processing jig are arranged so as to be in contact with both surfaces in the pressing direction of the metal material to be processed,
The processed metal material, said first sum and equal Shii volume of the volume of the recess of the volume and the second processing tool of the opening of the processing jig is plastic flow, the first machining jig The first member that plastically flows into the opening of the tool and the second member that plastically flows into the recess of the second processing jig are separated from the workpiece metal material other than the opening and the recess, so that the metal part is A method of manufacturing a metal part, characterized by being formed .
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