JP5688568B2 - 被加工金属部材に突起を形成する突起形成方法 - Google Patents

Description

本発明は金属部材表面にそれと同一材料の突起を摩擦攪拌プロセスにより形成する方法に関する。

金属部材の表面に中実の突起を形成することは、位置決め手段、支持手段、固定・固着手段、冷却手段として広く使用されており、携帯電話やモバイルパソコンなどの携帯型情報端末、家電製品、自動車部品、鉄道用車両等において不可欠の技術になっている。金属部材の表面に中実の突起を形成する方法としては、突起を予め準備しておいて金属部材に溶接、ろう付け、固相接合する方法、摩擦接合する方法、金型を用いてプレス加工する方法が知られ使用されている。溶接、ろう付けする方法は製造工数が増えコスト高になること及び軽量化という観点で使用される傾向にあるマグネシウム、マグネシウム合金及びアルミニウム、アルミニウム合金には適用できないという問題があり、摩擦接合する方法は寸法精度が悪いという問題があり、プレス加工する方法は金属部材が小型化、薄板化かつ複雑化すると適用できないという問題がある。

金属部材の表面に中実の突起を形成する技術として、凹部を形成した第２物体（金型）上にアルミニウムの第１物体を置き、第１物体に摩擦熱発生攪拌手段を当接して両者間で相対移動を生じさせて摩擦熱を発生し、これによって第１物体を非溶融状態で塑性流動を生じさせ、第１物体に第２物体の凹部に相当する凸部を転写する摩擦攪拌成型方法（特許文献１）及び一対の上下金型の間に素材板を狭圧して加熱することにより、素材板の一部を金型の凹部内へ塑性流動させて凸部を形成するマグネシウム合金部品の製造方法（特許文献２）が提案されている。前者の摩擦攪拌成型方法は熱源を必要とせず摩擦熱を利用して生じる塑性流動を用いて攪拌手段とは反対側に配置した金型に形成した凹部を充填するものであり、上記した問題点を解消できる。しかしながら、この方法で形成した突起は機械的特性（強度と延性）が低く実用上の問題が残っている。その理由は、本発明者らの確認したところによれば、組織が微細化する領域は第１物体の摩擦熱発生攪拌手段によって摩擦攪拌されている領域であり、それから離れた領域に第２物体に形成した凹部が位置しており、突起部分の組織の微細化が図られていないことにある。更に、薄板（〜２ｍｍ厚）に直径３ｍｍ以上、高さ５ｍｍ以上の突起をこの方法により形成することは難しい。後者の製造方法は溶接、ろう付けが出来ないマグネシウム合金部材に凸部を形成することを可能にするもので上記した問題点を解消できる。しかしながら、この方法は上金型と下金型に夫々ヒ−ターを内蔵し、ヒーターによる加熱によって塑性流動を生じさせるものであり、熱エネルギーを必要とすることの他に突起の機械的特性が低いという問題を有している。その理由は、攪拌を用いないで生じる塑性流動では生じる歪みエネルギーが小さく組織の微細化が充分に図れないことにある。
特開２００２−２５６４５３号 特開２００４−３３７９３５号

本発明の目的は外部から熱エネルギーを付与することなく金属部材に機械的特性（強度と延性）の優れた中実の突起を形成する方法及び突起形成装置を提供することにある。
本発明の他の目的は溶接やろう付けが難しい金属部材に機械的特性の優れた中実の突起を形成する方法及び突起形成装置を提供することにある。
本発明の別の目的は機械的特性の優れた中実の突起を有する金属部品を提供することにある。

本発明金属部材に中実の突起を形成する方法の特徴とするところは、被加工金属部材表面に先端部に開孔を有する加工手段の先端部を押圧して被加工金属部材と加工手段を相対的に反対方向へ回転させる点にある。被加工金属部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部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、被加工金属部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部材が流れ込み突起が形成される。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部材の流れ込む量が増え、突起が高くなる。塑性流動は被加工金属部材が固体の状態で発現するため被加工金属部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突起及びその近傍の被加工金属部材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（被加工金属部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。一方、加工終了後室温に戻った時の突起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部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、被加工金属部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部材を回転すること、被加工金属部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。

本発明金属部材に中実の突起を形成する方法を適用する金属部材としては、これらに限定されるものではないがマグネシウム合金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。

本発明突起形成装置の特徴とするところは、被加工金属部材を保持する手段と、先端部に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表面に被加工金属部材と同一材料の突起を塑性流動により形成することが出来る。この加工装置は金属部材に突起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。

本発明突起形成装置に使用する加工治具としては、耐熱性、耐摩耗性、濡れ性が低い（被加工材と接着しない）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（ＣＢＣＮ（立方晶ボロンナイトライド）、ＺｒＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＡＬＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３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。

本発明突起を有する金属部品の特徴とするところは、金属部材と前記金属部材の表面にそれと同一材料で一体に形成された突起とを有し、突起及びその近傍の金属部材の表面領域が他の領域より微細化された組織である点にある。この突起を有する金属部品は、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突起部分を有する部品として使用するに適している。

本発明金属部材に突起を形成する方法によれば、摩擦熱を利用して金属部材の塑性流動を発現して加工手段の開孔に流れ込み、金属部材と同一材料でかつ表面領域が微細組織の突起を形成出来、機械的特性の優れた中実突起を得ることが出来る。また、本発明加工装置は、本発明金属部材に突起を形成する方法を実現する手段を提供するもので、外部から熱エネルギーを付与することなく被加工金属部材の表面に被加工金属部材と同一材料の突起を塑性流動により形成することが可能になる。更に、本発明突起を有する金属部品は、突起及びその近傍の金属部材の表面領域が他の領域より微細化された組織になっているため、機械的特性の優れた突起を実現できる。

本発明金属部材に中実の突起を形成する方法の最良の実施形態は、マグネシウム合金を
被加工金属部材とし、その表面にステンレス製の加工治具による摩擦攪拌を利用して突起を形成する場合である。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、溶接、ろう付けする方法が適用できない問題点があり、普及には解決する課題が残されている。本発明はこの問題を解決することが出来る。

図１及び図２は本発明金属部材に突起を形成する方法の実施例を示す工程図で、図１において、１１１は突起を形成する被加工金属部材、１２は被加工金属部材１１１を載置固定する加工台、１３は先端部１３ａに開孔１３ｂを有する外形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。被加工金属部材１１１に突起を形成する場合には、被加工金属部材１１１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、形成する突起の太さに合致した開孔１３ｂを有する加工治具１３を保持具１４に装着する（図２の工程Ｂ）。次には加工治具１３を回転しながら先端部１３ａを被加工金属部材１１１の表面に所定の圧力で押圧する（図２の工程Ｃ）。加工治具１３の先端部１３ａを回転しながら被加工金属部材１１１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部材１１１の表面領域の組織が摩擦熱による温度上昇により被加工金属部材が軟化し、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Ｄ）。被加工金属部材１１１の表面には、図１（Ｃ）に示すように、リング状の凹部１１３が形成され、凹部の中心部分に突起１１２が形成される。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２の工程Ｅ）、図１の（ｂ）に示すように被加工金属部材１１１の表面より高い位置まで充填し、突起１１２を形成する（図２Ｆ）。しかる後、加工治具１３を被加工金属部材１１１の表面から離す（図２の工程Ｇ）。これによって、図１（ｃ）に示す金属部材１１１表面に中実の突起１１２を有する金属部品１１が得られる。

塑性流動によって突起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）を拡大して示したもので、加工治具１３の先端部１３ａに当接している被加工金属部材１１１の表面領域１１１ａ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、攪拌が生じない下部領域は摩擦熱による温度上昇により軟化しており、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部材１１１の表面領域１１１ａは、その側方が超塑性的現象を発現していない周囲領域１１１ｂによって包囲されて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によって矢印Ｙ１３及びＹ１４方向に押圧されており、黒矢印Ｙ１１１ａ及び白矢印Ｙ１１２ａ方向に押され、黒矢印Ｙ１１１ａｂ及び白矢印Ｙ１１２ｂ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、突起１１２の高さが増加する。

金属部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、突起が高くなるほどヒケが大きくなる。突起を形成する時に、加工治具１３を金属部材表面と平行な面で円運動、直線運動させることによりヒケの発生を防止することが出来る。金属部材の突起を形成する面は最終製品では外部から見えない面になり、突起を形成する面とは反対側の面が外観面となる場合が殆どである。従って、ヒケが形成されることは、外観面が設計通りの平面にならないこと、及び美観を損ねること、などの不都合がある。

本発明金属部材に突起を形成する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部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／ｃｍ^２以上が好ましい。

図４を用いて本発明方法によって金属部材に形成した突起の機械的特性が優れている点を説明する。被加工金属部材１１１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塑性変形が容易となり、超塑性的現象が発現して塑性流動が生じ、加工治具１３の開孔１３ｂ内に流れ込み突起１１２を形成する。図４（ｂ）の突起１１２及びその近傍のハッチングで示した領域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。組織が微細化されると一般に機械的特性が向上する。金属部材に突起を形成する場合、金属部材と突起の連結個所に応力集中が起こり、この個所で機械的破損が生じることが多い。本発明の方法で突起を形成すると、微細化された組織が突起から突起と金属部材の連結個所を超えて金属部材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。

図５は本発明の突起を形成する方法で形成した突起の付け根部分（図４の被加工金属部材１１１と突起１１２の連結部分）の組織状態を示す顕微鏡写真である。写真から、図４（ｂ）のハッチング出示した領域に対応する個所の組織が他に比較して微細化されていることが判る。

図６に本発明の突起を形成する方法で形成した突起の機械的性質の一つである衝撃値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℃）にて同一条件で突起を形成した試料を各３個づ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板材に本発明方法により直径３ｍｍ、高さ約４ｍｍの突起を形成している。図６から解るように、本発明方法によって形成した突起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、突起から突起と金属部材の連結個所を超えて金属部材にわたる部分表面が微細組織になっていること等に起因している。

図７は本発明金属部材に突起を形成する方法を実行するために使用する突起形成装置の一例を示す概略正面図及び側面図である。図において、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。

かかる構成の突起形成装置を用いて金属部材に突起を形成する場合には、ワークホルダー５５上に金属部材を載置固定し、ワーク保持ヘッド５３をＸＹ方向に移動して金属部材の突起を形成する位置を回転ツール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突起を形成する。突起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を金属部材及び突起から離間し、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。

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ボス高さ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、熱影響によりボス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、ボス寸法精度（高さ）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、位置をボス成形ごとに調整する方法がある。

図８は加工治具の変形例を示す概略断面図である。この実施例は図１に示す加工治具１３を、開孔１３ｂに相当する孔１３１ａを有する円筒部材１３１と、円筒部材１３１の孔１３１ａに挿入される押圧部材１３２と、円筒部材１３１の孔１３１ａに案内されて押圧部材１３２を円筒部材１３１の先端部１３ａ方向の押圧するばね１３３から構成されている。加工治具１３をこの構成にすることにより、（１）円筒部材１３１の孔１３１ａと押圧部材１３２との間に僅かな間隙が形成されているため、突起形成時に空気の逃げ道が形成される、（２）突起形成時に突起先端部が押圧されるため先端部が平坦な形状の突起が形成できる、という効果がある。

図９は一度に２個の突起を形成する場合に使用する加工治具１３を示す概略断面図及びそれを使用して２個の突起１１２を形成した金属部品１１の概略断面図を示す。図１に示した保持治具１４に２個の加工治具を併設した構成になっている。この加工治具１３は近接する突起１１２を形成する場合に適した加工治具で、加工時間を１／２に短縮できる利点がある。これは２個の突起１１２を形成する場合を例に採って説明したが、２個に限定されるものではなく隣接する突起の数に応じて加工治具１３の数を増やせばよい。好ましく実施例としては、突起間の距離を任意に変えることが出来るように開孔間の距離を調整する手段を設けるとよい。

図10は本発明金属部材に突起を形成する方法及び加工装置に使用する加工治具13の代表的な構造を示す正面図及び底面図である。(a)は1個の円柱状突起を形成する場合に使用する加工治具13で、開孔13bが1個形成されている。この加工治具13の上方部を破線で示す部分を切削して細くしてもよい。この変形は以下の加工治具においても適用できる。(b)は1個の円柱状突起の変形例を形成する場合に使用する加工治具13で、径大の円柱の上に径小の円柱の組合せた形状の開孔13bが1個形成されている。(c)はリング状突起を形成する場合に使用する加工治具13で、リング状の開孔13bが形成されている。これら加工治具13は変形及び組合せが可能であり、本発明はこれら加工治具に限定されるものではない。

本発明金属部材に突起を形成する方法及び突起形成装置並びにそれによって製造された突起を有する金属部品は、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。

本発明金属部材に突起を形成する方法を説明する概略断面図である。 本発明金属部材に突起を形成する方法の工程を説明するブロック図である。 本発明金属部材に突起を形成する方法の作用を説明する概略拡大図である。 本発明方法によって金属部材に形成した突起の機械的特性が高い点を説明する概略断面度である。 本発明方法によって金属部材に形成した突起の付け根部分の組織状態を示す顕微鏡写真である。 本発明方法によって金属部材に形成した突起の機械的性質の一つである衝撃値を測定した結果を示す図である。 本発明金属部材に突起を形成する方法を実行するために使用する突起形成装置の一例を示す概略正面図及び側面図である。 本発明金属部材に突起を形成する方法に使用する加工治具の変形例を示す概略断面図である。 ２個の突起を形成する場合に使用する加工治具の概略断面図及びそれを使用して２個の突起を形成した金属部品の概略断面図である。 本発明金属部材に突起を形成する方法及び突起形成装置に使用する加工治具の代表的な構造を示す概略正面図及び底面図である。

符号の説明

１１…金属部品、１１１…被加工金属部材、１１２…突起、１２…加工台、１３…加工治具、１３ａ…先端部、１３ｂ…開孔、１４…保持治具。

Claims (1)

1. 加工台に載置固定された被加工金属部材の一部を押圧することで被加工金属部材の金属組織を維持して塑性流動させる成形法によって、金属組織を維持した被加工部材突起部を被加工金属部材に形成する形成方法に、
   外面が断面円形状とされ、内部に加工先端に向けた開口が形成され、加工先端部に加工面が形成された断面リング形状部分を備え、被加工金属部材の一部を押圧することで金属組織を維持した被加工金属部材を塑性流動させて被加工金属部材突起部を形成可能で、かつ回転駆動源および押圧力制御手段を備え、保持治具に支承された加工治具が用いられ、
   保持治具による押圧の下、加工治具からの押圧によって金属組織の維持された被加工金属部材および微細化された被加工金属部材が開口方向に押圧され、
   該加工治具が、回転数が５００〜５０００ｒｐｍ、押圧力が５０ｋｇ/ｃｍ ^２ 以上に制御される圧力制御と被加工金属部材面上への突起の形成位置が制御される位置制御とによって操作され、
   加工面の被加工金属部材の接触表面への押圧接触がなされたときに、押圧接触された表面領域の下部領域の内側の被加工金属部材を摩擦撹拌させず、金属組織を維持し、塑性流動可能な状態に形成し、
   表面領域を回転摩擦による攪拌を行って表面領域の被加工金属部材の組織を微細化し軟化させる摩擦撹拌加工を行い、該軟化微細化された金属組織の表面領域の被加工金属部材を、金属組織を維持した状態で、塑性流動可能とされた状態に形成された被加工金属部材と一体に塑性流動可能に形成し、押圧手段と共に押圧力を付与し、金属組織を維持した被加工金属部材を内側とし、該軟化微細化された金属組織の表面領域の被加工金属部材を表面側として開口方向に、開口内に、塑性流動させ、
   もって内部側に、金属組織の維持された被加工金属部材突起部が、そして表面側に微細化された金属組織の表面領域の被加工金属部材突起部が形成され、押圧加工前の被加工金属部材の表面よりも高い位置を持つ突起が形成されること
   を特徴とする被加工金属部材に突起を形成する突起形成方法。

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