JP5842555B2 - 金属加工方法及び金属加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属加工方法及び金属加工装置に関する。

ノート型パソコンや携帯電話機などの電子機器の筐体材料として、軽量で強度が高く、プラスチック等の樹脂材料に比べてリサイクル性が優れたマグネシウム合金やアルミニウム合金等が使用されるようになった。これらの軽金属からなる筐体は、一般的にチクソモールディング法やダイキャスト法により製造されている。

しかし、チクソモールディング法やダイキャスト法では、バリや成形時の材料の移動跡が成形後に残りやすく、後処理が煩雑であり、製造コストが高くなってしまうという欠点がある。

一方、金属板をプレス加工して筐体を製造することも行われている。この方法では、薄板で筐体を形成するため、チクソモールディング法やダイキャスト法に比べて製造コストが低く、且つ筐体の重量を軽減できるという利点がある。

ところで、通常電子機器の筐体には、電子部品のねじ止めや筐体同士の組み付けを行うためのボス（突起）が必要になる。金属板の表面にボスを形成する方法として、小さく切った金属管を金属板の表面に溶接（スタッド溶接等）する方法が知られている。

ボスの他の形成方法として、中空円筒状の治具を回転させながら金属板に強く押し当てる方法が提案されている。以下、この方法を摩擦圧接法と呼ぶ。摩擦圧接法では、治具と金属板との間に発生する摩擦熱により金属板の表面が塑性流動し、治具の内面に沿って金属が盛り上がって中空の突起（ボス）が形成される。

特開２００７−１４９６７号公報 特開２０１０−２３０４０号公報 特開２００９−１０７００６号公報 特開２０１１−６７８３５号公報

美麗な外観が容易に得られ、且つ金属板との間の接続強度が高いボスを形成できる金属加工方法及び金属加工装置を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれは、金属板の一方の面側にボス形成用の空洞が設けられたボス形成治具を配置するとともに、前記金属板の他方の面側に補助金属板及び回転治具を配置する工程と、前記金属板の一方の面に前記ボス形成治具を回転させながら押し当て、前記金属板の金属を塑性流動させて前記ボス形成治具の前記空洞内に前記金属板の金属を充填しつつ、前記補助金属板に前記回転治具を回転させながら押し当て、前記補助金属板の金属を塑性流動させて前記金属板に前記補助金属板の金属を補充する工程とを有する金属加工方法が提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、金属板が配置されるテーブルと、前記テーブルの一方の面側に配置されたボス形成治具を回転させる第１のモータと、前記ボス形成治具を前記金属板の一方の面に押し当てる第１の押圧機構部と、前記テーブルの他方の面側に配置された回転治具を回転させる第２のモータと、前記テーブルの他方の面側に配置されて補助金属板をその一方の面が前記金属板に接触するように保持する補助金属板保持具と、前記回転治具を前記補助金属板の他方の面に押し当てる第２の押圧機構部と、前記第１のモータ、前記第１の押圧機構部、前記第２のモータ及び前記第２の押圧機構部を制御する制御部とを有する金属加工装置が提供される。

上記一観点に係る金属加工方法及び金属加工装置によれば、金属板からボス形成治具の空洞内に金属が流動してボスが形成されるため、金属板とボスとの間の接続強度が高い。また、補助金属板から金属板に金属が補充されるため、金属板の裏面側に大きな窪みが発生することが回避される。

図１は、実施形態に係る金属加工装置の構造を示す模式図である。 図２は、ボス形成治具の断面図である。 図３（ａ）は補助金属板保持具を示す断面図、図３（ｂ）は同じくその上面図である。 図４（ａ）〜図４（ｄ）は、実施形態に係る金属加工装置を使用した金属加工方法を工程順に示す模式図である。 図５（ａ）は実施形態の金属加工方法により形成されたボスの一例を示す斜視図、図５（ｂ）は同じくその断面図である。 図６は、ボス形成治具の変形例を示す縦断面図である。 図７は、図６のボス形成治具を使用したときの金属の塑性流動の方向を示す模式図である。

前述したように、金属板の表面にボスを形成する方法として、溶接法及び摩擦圧接法などがある。しかし、溶接法では、金属板の裏面側に溶接痕が残り、外観が損なわれるという欠点がある。

一方、摩擦圧接法でも、金属板の厚さが例えば１ｍｍ程度と薄い場合に、金属板の裏側の部分で金属が不足して比較的大きな窪み（いわゆる「ひけ」）が発生する。このため、窪みを埋めて目立たなくする煩雑な後処理工程が必要になり、製造コストが上昇する。

以下の実施形態では、美麗な外観が容易に得られ、且つ金属板との間の接続強度が高いボスを形成できる金属加工方法及び金属加工装置について説明する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る金属加工装置の構造を示す模式図である。この図１のように、本実施形態に係る金属加工装置は、制御部１０と、制御部１０に制御されて水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動するＸＹテーブル１１とを有する。加工対象の金属板３１は、ＸＹテーブル１１の上に載置される。

ＸＹテーブル１１の上方には、回転軸を下方に向けて配置されたモータ１２と、モータ１２を上下方向に移動させる押圧機構部１３とが配置されている。これらのモータ１２及び押圧機構部１３は、制御部１０からの信号により制御される。モータ１２の回転軸にはボス形成治具１５を取り付けるためのチャック１４が設けられている。

ボス形成治具１５は円柱状の部材であり、図２のようにその下側の金属板３１に接触する加工面には、ボスの形状を規定する円環状の溝（空洞）１５ａが設けられている。ボス形成治具１５の各部の寸法は、形成すべきボスの大きさに応じて適宜設定される。

なお、本実施形態ではボス形成治具１５として円環状の溝１５ａが設けられた円柱状の部材を用いているが、ボス形成治具１５として筒状の部材を使用してもよい。

ＸＹテーブル１１の下方には、補助金属板保持具２６と、回転軸を上方に向けて配置されたモータ２２と、モータ２２を上下方向に移動させる押圧機構部２３とが配置されている。モータ２２及び押圧機構部２３も、制御部１０からの信号により制御される。

モータ２２の回転軸には、回転治具２５を取り付けるためのチャック２４が設けられている。回転治具２５は、その中心軸がボス形成治具１５の中心軸と一致するようにチャック２４に取り付けられる。また、回転治具２５はボス形成治具１５とほぼ同じ大きさに形成されており、補助金属板３２に接触する加工面は平坦になっている。

補助金属板保持具２６は、ボス形成時に補助金属板３２が回転しないように保持する治具である。補助金属板保持具２６には、図３（ａ）の断面図及び図３（ｂ）の上面図に示すように、補助金属板３２の縁部が配置される凹部２６ａが設けられており、中心部には回転治具２５が挿通する円形の孔２６ｂが設けられている。

ボス形成治具１５及び回転治具２５は、その融点が金属板３１及び補助金属板３２中の金属が塑性流動を起こす温度よりも高い材料により形成される。金属板３１及び補助金属板３２には、例えばＭｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）又はそれらの金属を主成分とする合金により形成された板材を使用する。また、ボス形成治具１５及び回転治具２５は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）により形成される。

図４（ａ）〜図４（ｄ）は、上述の金属加工装置を使用した金属加工方法を工程順に示す模式図である。なお、図４（ａ）〜図４（ｄ）では、ＸＹテーブル１１及び補助金属板保持具２６等の図示を省略している。

まず、図４（ａ）のように、ＸＹテーブル１１の上に金属板３１を載置する。また、補助金属板保持具２６の上に補助金属板３２を載置する。そして、制御部１０によりＸＹテーブル１１を移動させて、ボス形成治具１５の下方に金属板３１のボス形成位置を配置する。なお、後述する工程で金属の塑性流動を起こしやすくするために、予め金属板３１及び補助金属板３２を２００℃程度に加熱しておくことが好ましい。

次に、制御部１０によりモータ１２，２２を稼働させて、ボス形成治具１５及び回転治具２５を回転させる。ボス形成治具１５及び回転治具２５の回転速度は５０００ｒｐｍ以上、例えば８０００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍとする。ボス形成治具１５の回転方向と回転治具２５の回転方向とは同じでもよく、逆方向でもよい。モータ１２，２２の回転速度は、金属板３１及び補助金属板３２の材質や治具の大きさ等を考慮して適宜設定する。

次に、図４（ｂ）のように、制御部１０は、モータ１２の回転を継続したまま押圧機構部１３を稼働してモータ１２を徐々に下降させ、金属板３１の上側にボス形成治具１５を押し当てる。このとき、金属板３１とボス形成治具２５との摩擦圧力が１５ＭＰａ以上となることが好ましく、例えば３０ＭＰａ程度となるようにモータ１２の下降速度を制御する。

また、これと同時に、制御部１０は、モータ２２の回転を継続したまま押圧機構部２３を稼働してモータ２２を徐々に上昇させ、補助金属板３２の下側に回転治具２５を押し当てる。モータ２２の上昇速度も、補助金属板３２と回転治具２５との摩擦圧力が１５ＭＰａ以上、好ましくは３０ＭＰａ程度となるように制御する。

回転しているボス形成治具１５を金属板３１に押し当てることにより、金属板３１との間に摩擦熱が発生して金属板３１の温度が上昇する。そして、金属板３１を形成する金属が塑性流動して、図４（ｂ）中に矢印で示すようにボス形成治具１５の溝１５ａ（空洞）内に進入する。

一方、金属板３１の下側では、回転治具２４の先端が補助金属板３２に接触しながら回転することで摩擦熱が発生し、補助金属板３２を形成する金属が塑性流動して金属板３１と一体化する。このため、金属板３１の上面側の金属がボス形成治具１５の溝１５ａ内に移動しても、補助金属板３２から金属板３１に金属が補充され、金属板３１の板厚の減少が回避される。なお、補助金属板３２の厚さは、ボス形成治具１５の溝１５ａ内に流入する金属の量に応じて適宜設定する。

次に、制御部１０は、回転治具２５を回転させたまま、図４（ｃ）に示すように回転治具２４をその加工面が金属板３１の下面と同じ高さになるまで上昇させる。この工程中も金属板３１の上面側の金属がボス形成治具１５の溝１５ａ内に流動し、補助金属板３２から金属板３１に金属が補充される。

このようにしてボス形成治具１５の溝１５ａ内に金属を充填した後、制御部１０は、押圧機構部１３を制御してモータ１２を上昇させてボス形成治具１５を金属板３１から離すとともに、押圧機構部２３を制御してモータ２２を下降させて回転治具２５を補助金属板３２から離す。

図４（ｄ）は、金属板３１の表面に形成されたボス３１ａを示す図である。この図４（ｄ）のように、金属板３１の表面にボス形成治具１５の溝１５ａの形状に倣う形状のボス３１ａが形成される。必要に応じてＸＹテーブル１１の移動、補助金属板３２の補充、並びに押圧機構部１３，２３によるボス形成治具１５及び回転治具２５の上下動とを繰り返し、金属板３１の複数の箇所にボス３１ａを形成する。

次いで、制御部１０は、モータ１２及びモータ２２の回転を停止する。その後、金属板３１をＸＹテーブル１１から取り外し、金属板３１の裏面側に付着している補助金属板３２を引き剥がす。このとき、金属板３１の裏面側に突起が発生することもあるが、補助金属板３１を引き剥がした後に金属板３１を裏面側を研磨することにより、金属板３１の裏面側を容易に平坦にすることができる。

本実施形態においては、金属板３１中の金属を塑性流動させてボス３１ａを形成しているので、金属板に金属管を溶接してボスを形成する場合に比べて、外観を損なう溶接痕が発生せず、金属板３１とボス３１ａとの間の接続強度も高い。また、前述したように本実施形態によれば、金属板３１の厚さが１ｍｍ以下と薄くても、金属板３１の外側の面に大きな窪みが発生することを回避できる。このため、後処理工程が簡単であり、美麗な外観を有する電子機器用筺体を容易に製造することができる。

図５（ａ）は上述の金属加工方法により形成されたボスの一例を示す斜視図であり、図５（ｂ）は同じくその断面図である。

上述の金属加工方法により形成されたボス３１ａは、図５（ａ），（ｂ）のように、ボス形成治具１５の溝（空洞）１５ａに倣う形状を有している。また、ボス３１ａの周囲には、ボス形成治具１５の加工面に倣う形状の凹部３１ｂが形成される。凹部３１ｂの外周には、ボス形成治具１５の外側に押し出された金属によりバリ３１ｃが発生するが、バリ３１ｃは研磨等により容易に除去することができる。

（ボス形成治具の変形例）
図６は、ボス形成治具の変形例を示す縦断面図である。このボス形成治具３５は円柱状に形成されており、その下側の面が金属板３１に接触する加工面となっている。また、ボス形成治具３５の加工面には、ボスの形状を規定する円環状の溝３５ａが設けられている。更に、加工面の縁部には、下方に向けて突出する突起部３５ｂが設けられている。

このボス形成治具３５を回転させながら金属板３１に押し当てると、摩擦熱により金属板３１の温度が上昇し、金属板３１中の金属が塑性流動して、図７中に矢印で示すようにボス形成治具３５の溝３５ａ内に進入する。このとき、ボス形成治具３５の押し下げ圧力によりボス形成治具３５の外側に向かう方向にも金属の塑性流動が起こる。しかし、ボス形成治具３５の加工面の縁部に突起部３５ｂが設けられているので、この突起部３５ｂが壁となって外側に向かう金属が内側に押し戻される。

突起部３５ｂがない場合は、塑性流動する金属がボス形成治具の外側に押し出されてボス形成治具の周囲に比較的大きなバリが発生する。しかし、変形例のボス形成治具３５では、前述したように突起部３５ｂが壁となって塑性流動する金属を内側に押し戻すため、ボス形成治具３５の周囲に大きなバリが発生することがなく、且つ金属板３１の裏面側の窪みの発生がより一層抑制される。

以下、本実施形態に係る金属加工方法により金属板にボスを形成した結果について、比較例と比較して説明する。

（実施例１）
加工対象となる金属板３１として、厚さが０．６ｍｍのマグネシウム合金（ＡＺ３１Ｂ）板を使用し、加工面を予め脱脂洗浄した。また、補助金属板３２として、厚さが０．３ｍｍのマグネシウム合金（ＡＺ３１Ｂ）板を１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断したものを使用した。

ボス形成治具１５及び回転治具２５はいずれもステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）により形成した。ボス形成治具１５の直径は８ｍｍであり、溝１５ａの外径は５ｍｍ、内径は２．４ｍｍとした。また、回転治具２５の直径は、ボス形成治具１５の直径と同じである。

そして、ボス成形治具１５及び回転治具２５をいずれも８０００ｒｐｍの速度で回転させ、摩擦圧力を３０ＭＰａとして、０．３ｍｍの深さに押し込み、ボスを形成した。

その結果、図５（ａ），（ｂ）に示す形状のボスを形成することができた。ボスを形成した部分の金属板３１の裏面側には若干の窪みが発生したが、その深さは０．０１ｍｍ程度であった。

次に、このボスに対し、タッピング試験を行った。すなわち、ボスの内側にＭ３のねじ加工を施し、その後Ｍ３のタッピングねじを締め付けトルク５ｋｇｆ/ｃｍ²の条件で繰り返し５回着脱して、ボス及びねじ山の破損の有無を調べた。その結果、ボス及びねじ山の破損はみられず、十分な強度を有することが確認できた。

（実施例２）
図６に示す形状のボス形成治具３５を使用し、その他条件は実施例１と同様にして、金属板３１の表面にボスを形成した。なお、ボス形成治具３５の突起部３５ｂの内側の曲面の曲率半径Ｒは０．３ｍｍとした。その結果、実施例１と同様にボス形成治具３５の溝３５ａの形状に倣う形状のボスを形成することができた。また、金属板３１の裏面側の窪みの深さは０．０１ｍｍ以下となった。窪みの深さが少ない理由は、ボス形成治具３５により押圧されて側方に向かう金属が突起部３５ｂにより内側に押し戻されたことによるものであると考えられる。
（比較例）
実施例１と同様のボス形成治具１５を使用して、金属板３１の表面にボスを形成した。但し、比較例では回転治具２５は使用していない。この場合、ボス形成治具１５の溝１５ａに倣う形状のボスを形成することができたが、金属板３１の裏面側には深さが０．１ｍｍの窪みが発生した。

これらの実施例１，２及び比較例の結果から、開示した技術の有用性が確認された。開示した技術は、軽量で強度が要求されるノート型パソコンや携帯電話等の電子機器の筺体の製造に好適である。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）金属板の一方の面側にボス形成用の空洞が設けられたボス形成治具を配置するとともに、前記金属板の他方の面側に補助金属板及び回転治具を配置する工程と、
前記金属板の一方の面に前記ボス形成治具を回転させながら押し当て、前記金属板の金属を塑性流動させて前記ボス形成治具の前記空洞内に前記金属板の金属を充填しつつ、前記補助金属板に前記回転治具を回転させながら押し当て、前記補助金属板の金属を塑性流動させて前記金属板に前記補助金属板の金属を補充する工程と
を有することを特徴とする金属加工方法。

（付記２）前記ボス形成用の空洞が、前記ボス形成用治具の前記金属板に接触する面に設けられた円環状の溝であることを特徴とする付記１に記載の金属加工方法。

（付記３）前記金属板及び前記補助金属板が、同一の金属により形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の金属加工方法。

（付記４）前記ボス形成治具の前記金属板に接触する面の縁部には突起部が設けられていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の金属加工方法。

（付記５）前記金属板の他方の面側に、前記補助金属板の回転を防止する補助金属板保持具を配置することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の金属加工方法。

（付記６）前記金属板の厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の金属加工方法。

（付記７）前記金属板が、マグネシウム、アルミニウム、チタン又はそれらの金属を主成分とする合金により形成されていることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の金属加工方法。

（付記８）前記金属板に前記ボス形成治具を押し当てる工程の前に、前記金属板を加熱する工程を有することを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載の金属加工方法。

（付記９）金属板が配置されるテーブルと、
前記テーブルの一方の面側に配置されたボス形成治具を回転させる第１のモータと、
前記ボス形成治具を前記金属板の一方の面に押し当てる第１の押圧機構部と、
前記テーブルの他方の面側に配置された回転治具を回転させる第２のモータと、
前記テーブルの他方の面側に配置されて補助金属板をその一方の面が前記金属板に接触するように保持する補助金属板保持具と、
前記回転治具を前記補助金属板の他方の面に押し当てる第２の押圧機構部と、
前記第１のモータ、前記第１の押圧機構部、前記第２のモータ及び前記第２の押圧機構部を制御する制御部と
を有することを特徴とする金属加工装置。

１０…制御部、１１…ＸＹテーブル、１２，２２…モータ、１３，２３…押圧機構部、１４，２４…チャック、１５，３５…ボス形成治具、１５ａ…溝、２５…回転治具、２６…補助金属保持具、３１…金属板、３１ａ…ボス、３２…補助金属板。

Claims (5)

1. 金属板の一方の面側にボス形成用の空洞が設けられたボス形成治具を配置するとともに、前記金属板の他方の面側に補助金属板及び回転治具を配置する工程と、
   前記金属板の一方の面に前記ボス形成治具を回転させながら押し当て、前記金属板の金属を塑性流動させて前記ボス形成治具の前記空洞内に前記金属板の金属を充填しつつ、前記補助金属板に前記回転治具を回転させながら押し当て、前記補助金属板の金属を塑性流動させて前記金属板に前記補助金属板の金属を補充する工程と
   を有することを特徴とする金属加工方法。
2. 前記ボス形成治具の前記金属板に接触する面の縁部には突起部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の金属加工方法。
3. 前記金属板の厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属加工方法。
4. 前記金属板が、マグネシウム、アルミニウム、チタン又はそれらの金属を主成分とする合金により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属加工方法。
5. 金属板が配置されるテーブルと、
   前記テーブルの一方の面側に配置されたボス形成治具を回転させる第１のモータと、
   前記ボス形成治具を前記金属板の一方の面に押し当てる第１の押圧機構部と、
   前記テーブルの他方の面側に配置された回転治具を回転させる第２のモータと、
   前記テーブルの他方の面側に配置されて補助金属板をその一方の面が前記金属板に接触するように保持する補助金属板保持具と、
   前記回転治具を前記補助金属板の他方の面に押し当てる第２の押圧機構部と、
   前記第１のモータ、前記第１の押圧機構部、前記第２のモータ及び前記第２の押圧機構部を制御する制御部と
   を有することを特徴とする金属加工装置。

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