JP6004383B2 - Metal part having protrusion and method of forming protrusion on metal member - Google Patents
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本発明は突起を有する高機械強度の金属部品および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技術により形成する方法に関する。 The present invention relates to a high mechanical strength metal part having protrusions and a method of forming protrusions of the same material on a metal member surface by friction stir processing technology.
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。 Forming solid projections on the surface of metal members is widely used as positioning means, support means, fixing / fixing means, cooling means, portable information terminals such as mobile phones and mobile personal computers, home appliances, It has become an indispensable technology for automobile parts and railway vehicles. As a method for forming solid protrusions on the surface of a metal member, the protrusions are prepared in advance and welded, brazed, solid-phase bonded to the metal member, friction bonded, or pressed using a mold. Methods are known and used. The method of welding and brazing has a problem that it cannot be applied to magnesium, magnesium alloy and aluminum, and aluminum alloy, which tend to be used from the viewpoint of increasing manufacturing steps and cost and reducing weight. Has a problem that the dimensional accuracy is poor, and the pressing method cannot be applied when the metal member is downsized, thinned and complicated.
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。 As a technique for forming a solid protrusion on the surface of a metal member, an aluminum first object is placed on a second object (mold) having a recess, and the first object is brought into contact with a frictional heat generating stirring means. Friction stir molding that generates a frictional heat by causing a relative movement between the first object and a plastic flow in a non-molten state, thereby transferring a convex portion corresponding to a concave portion of the second object to the first object. Method (Patent Document 1) and a magnesium alloy part that forms a convex portion by plastically flowing a part of the raw material plate into a concave portion of the mold by heating the raw material plate between a pair of upper and lower molds. Has been proposed (Patent Document 2). The former friction stir molding method does not require a heat source and fills the concave portion formed in the mold disposed on the side opposite to the stirring means by using plastic flow generated by using frictional heat. Can be eliminated. However, the protrusions formed by this method have low mechanical properties (strength and ductility), and practical problems remain. The reason for this is that, according to the present inventors, the region where the structure is refined is the region where the first object is frictionally stirred by the frictional heat generating stirring means, and the second object is separated from the region. The recess formed in is located, and the structure of the protrusion is not miniaturized. Furthermore, it is difficult to form protrusions having a diameter of 3 mm or more and a height of 5 mm or more on a thin plate (up to 2 mm thick) by this method. The latter manufacturing method makes it possible to form convex portions on a magnesium alloy member that cannot be welded or brazed, and can solve the above-mentioned problems. However, in this method, a heater is incorporated in each of the upper mold and the lower mold, and plastic flow is generated by heating with a heater. In addition to requiring heat energy, the mechanical characteristics of the protrusions are Has the problem of low. The reason is that the plastic energy generated without using agitation has a small strain energy and the structure cannot be sufficiently refined.
本件出願の発明者は、本件出願の親出願(特願2010−5688)で、外周にねじ溝を有する円柱部を突設した加工治具の前記円柱部が突設された側に前記円柱部が貫通する孔部を有する金属部材が載置され、前記加工治具の前記円柱部より大径の孔部を有し、該孔部の先端部が平坦な回転ツールを前記金属部材上に当接するように載置し、前記回転ツールが前記金属部材に加圧した状態で回転され、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、前記先端部が平坦な回転ツールと前記金属部材の摩擦熱で生じる前記金属部材の塑性流動によって形成された突起が、前記塑性流動で前記突起の外周面に形成された真円面と、前記塑性流動で前記突起の内周面に、前記加工治具のねじ溝と螺着状態を形成し、かつ螺着を解除する方向に形成されたねじ溝とを有し、両方が開口し高さ方向に伸びる中空部を有すると共に前記突起の外形状と前記中空部の内形状が異なった状態の前記両形状の真円面とねじ溝が露出され、前記突起の前記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ことを特徴とする突起を有する金属部品を提案した。この提案によれば、ねじ溝が露出された金属部品が形成される。本発明の応用は、ねじ溝が露出された金属部品に限定さない。 The inventor of the present application is the parent application (Japanese Patent Application No. 2010-5688) of the present application, and the cylindrical portion of the processing jig in which a cylindrical portion having a thread groove on the outer periphery thereof is protruded. A metal member having a hole portion through which the hole passes is placed, has a hole portion having a diameter larger than that of the cylindrical portion of the processing jig, and a rotating tool whose tip end portion is flat is applied to the metal member. The rotating tool is placed so as to be in contact with the metal member and is rotated in a state of being pressed against the metal member. The metal member and the surface of the metal member are integrally formed of the same material as the metal member, and the tip is flat. The protrusion formed by the plastic flow of the metal member generated by the frictional heat of the metal member is a perfect circle formed on the outer peripheral surface of the protrusion by the plastic flow, and the inner peripheral surface of the protrusion by the plastic flow. Forming a threaded state with the thread groove of the processing jig, and screwing And a hollow groove that is open and extends in the height direction, and the true shape of the two shapes in a state where the outer shape of the protrusion is different from the inner shape of the hollow portion. A metal part having a protrusion, characterized in that a circular surface and a thread groove are exposed, and a surface region of the metal member of the protrusion is a finer structure than other regions, has been proposed. According to this proposal, a metal part in which the thread groove is exposed is formed. The application of the present invention is not limited to metal parts with exposed thread grooves.
本発明の目的は、金属部材にそれと同一材料からなり突起を形成するものであって、高さ方向に伸びる中空部を有し、金属部材の塑性流動によって形成される突起形成の特性を活かすことで、外形形状の断面がねじ状の形態のようなねじ機能以外の多様な形状の、突起を持つ金属部品を簡便に形成することにある。 An object of the present invention is to form a protrusion made of the same material as that of a metal member, having a hollow portion extending in the height direction, and taking advantage of the characteristic of protrusion formation formed by plastic flow of the metal member. Thus, it is to easily form metal parts having protrusions having various shapes other than the screw function such that the cross section of the outer shape is a screw shape.
本発明は、中空部が形成された加工治具が金属部材上に載置され、円筒状中空部を有し、先端面が平坦な回転ツールを、前記加工治具に形成された中空部内を案内して前記金属部材に当接させ、前記回転ツールが前記金属部材に加圧した状態で回転されて、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、前記回転ツールと前記金属部材との摩擦熱によって生じる前記金属部材の塑性流動によって形成された突起を有する金属部品において、According to the present invention, a processing tool in which a hollow portion is formed is placed on a metal member, and a rotary tool having a cylindrical hollow portion and a flat front end surface is disposed inside the hollow portion formed in the processing jig. The rotating tool is rotated in a state of being pressed against the metal member, and is integrally formed on the surface of the metal member and the metal member with the same material as the rotating tool. In a metal part having a protrusion formed by plastic flow of the metal member caused by frictional heat with the metal member,
所定の押圧力、所定の回転数で前記回転ツールの先端面が前記金属部材に当接され、該当接に対応し、表面領域の金属材料が微細化された組成で、高温化された形態とされ、内部領域の金属材料がその組成を維持されながら塑性流動可能な形態とされて共に前記加工治具に形成された中空部内であって前記加工治具と前記回転ツールとの間に塑性流動されて、前記突起が形成され、The tip surface of the rotary tool is brought into contact with the metal member with a predetermined pressing force and a predetermined number of rotations, and the temperature of the metal material in the surface region corresponding to the contact is refined and the temperature is increased. The metal material in the inner region is in a form that can be plastically flowed while maintaining its composition, and both are in a hollow portion formed in the processing jig and between the processing jig and the rotary tool. The protrusion is formed,
前記突起は、外形面を形成する表面領域が、内形面を形成する内部領域に比べて微細化された組織形態とされ、突起の高さ方向と直角をなす断面が、真円の内形および楕円の外形形状に、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された直線部との外形形状に、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された切欠け部との外形形状に、真円の内形および十字形の外形形状に、真円の内形および4角の外形形状に、真円の内形および6角の外形形状に、真円の内形および8角の外形形状に、または真円の内形および12角の外形形状に形成されることThe protrusion has an outer shape in which the surface area forming the outer surface is finer than the inner area forming the inner surface, and the cross section perpendicular to the height direction of the protrusion is an inner shape of a perfect circle. And the outer shape of an ellipse, the inner shape of a perfect circle and the outer shape of a circular part and a straight part formed in a part of the circular part, the inner shape of a perfect circle and the part of a circular part and a circular part. The outer shape of the notch, the inner shape of a perfect circle and the cross shape, the inner shape of a perfect circle and the outer shape of a square, the inner shape of a perfect circle and the outer shape of a hexagon are true. Formed into an inner shape of a circle and an outer shape of an octagon, or an inner shape of a perfect circle and an outer shape of a twelve angle
を特徴とする突起を有する金属部品を提供する。A metal part having a protrusion characterized by the above is provided.
本発明は、上述された突起を有する金属部品において、前記突起は、真円の内形形状が、中空部を形成し、該中空部が有底で一方向に開口することを特徴とする金属部品を提供する。The present invention provides the metal component having the above-described protrusion, wherein the protrusion has a hollow inner shape that forms a hollow portion, and the hollow portion has a bottom and opens in one direction. Provide parts.
本発明は、上述された突起を有する金属部品において、前記突起は、真円の内形形状が、中空部を形成し、該中空部が両方向に開口することを特徴とする金属部品を提供する。The present invention provides a metal part having the above-described protrusion, wherein the protrusion has a circular inner shape that forms a hollow part, and the hollow part opens in both directions. .
本発明は、中空部が形成された加工治具が金属部材上に載置され、円筒状外形部を有し、先端面が平坦な回転ツールを、前記加工治具に形成された中空部内を案内して前記金属部材に当接させ、前記回転ツールが前記金属部材に加圧した状態で回転されて、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、前記回転ツールと前記金属部材との摩擦熱によって生じる前記金属部材の塑性流動によって形成された突起を有する金属部品の形成方法において、According to the present invention, a processing tool in which a hollow part is formed is placed on a metal member, and a rotary tool having a cylindrical outer shape and a flat front end surface is disposed inside the hollow part formed in the processing jig. The rotating tool is rotated in a state of being pressed against the metal member, and is integrally formed on the surface of the metal member and the metal member with the same material as the rotating tool. In the method of forming a metal part having a protrusion formed by plastic flow of the metal member caused by frictional heat with the metal member,
所定の押圧力、所定の回転数で前記回転ツールの先端面が前記金属部材に当接され、該当接に対応し、表面領域の金属材料が微細化された組成で、高温化された形態とされ、内部領域の金属材料がその組成を維持されながら塑性流動可能な形態として共に前記加工治具に形成された中空部内であって前記加工治具と前記回転ツールとの間に塑性流動させて、前記突起を形成するものであって、The tip surface of the rotary tool is brought into contact with the metal member with a predetermined pressing force and a predetermined number of rotations, and the temperature of the metal material in the surface region corresponding to the contact is refined and the temperature is increased. The metal material in the inner region is plastically flowed between the processing jig and the rotary tool in a hollow portion formed in the processing jig as a form capable of plastic flow while maintaining its composition. Forming the protrusions,
該突起の外形面を形成する表面領域を、内形面を形成する内部領域に比べて微細化された組織形態に形成し、前記突起の高さ方向と直角をなす断面を、前記加工治具に形成された中空部および前記回転ツールに形成された円筒状外形部に対応して、真円の内形および楕円の外形形状に、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された直線部との外形形状に、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された切欠け部との外形形状に、真円の内形および十字形の外形形状に、真円の内形および4角の外形形状に、真円の内形および6角の外形形状に、真円の内形および8角の外形形状に、または真円の内形および12角の外形形状にすることThe surface region that forms the outer surface of the protrusion is formed in a finer structure than the inner region that forms the inner surface, and a cross section perpendicular to the height direction of the protrusion is formed on the processing jig. Corresponding to the hollow portion formed in the cylindrical shape and the cylindrical outer shape portion formed in the rotary tool, the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the ellipse, the inner shape of the perfect circle and the circular portion and a part of the circular portion To the outer shape of the formed straight part, to the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the circular part and the notch formed in a part of the circular part, to the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the cross , To the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the four corners, to the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the hexagon, to the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the octagon, or Make it an outer shape
を特徴とする突起を有する金属部品の形成方法を提供する。A method of forming a metal part having a protrusion characterized by the above is provided.
突起を有する金属部品の特徴とするところは、金属部材と金属部材の表面にそれと同一材料で一体に形成され突起を有し、突起は少なくとも一方が開口し高さ方向に伸びる中空部を有すると共に突起の外形状と中空部の内形状が異なっており、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。突起の外形状と中空部の内形状が異なるとは、例えば、突起の外形面または中空部の内面のいずれか一方にねじ溝が形成されているもの、突起の外形面または中空部の内面のいずれか一方の突起の高さ方向と直角をなす断面が真円で、他方が真円以外の形状を有するもの、突起の外形面または中空部の内面の突起の高さ方向と直角をなす断面が略同一で、いずれか一方に突部、溝部、切欠部等が形成されているものをいう。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。 The feature of the metal part having the protrusion is that the metal member and the surface of the metal member are integrally formed of the same material as the metal member and have the protrusion, and the protrusion has a hollow portion that is open at least one side and extends in the height direction. The outer shape of the protrusion is different from the inner shape of the hollow portion, and the surface area of the protrusion and the metal member in the vicinity thereof is a finer structure than the other areas. The difference between the outer shape of the protrusion and the inner shape of the hollow part means that, for example, the outer surface of the protrusion or the inner surface of the hollow part has a thread groove, the outer surface of the protrusion, or the inner surface of the hollow part. A cross section perpendicular to the height direction of one of the protrusions is a perfect circle, and the other has a shape other than a perfect circle, or a cross section perpendicular to the height direction of the protrusion on the outer surface of the protrusion or the inner surface of the hollow portion. Are substantially the same, and a protrusion, a groove, a notch or the like is formed on one of them. The metal part having the protrusion is suitable for use as a part having a protrusion used for a portable information terminal, a home appliance, an automobile part, a railway vehicle, or the like.
金属部材に突起を形成する第1の方法の特徴とするところは、内周面にねじ溝を有する貫通孔を形成した加工治具を準備する工程、金属部材上に加工治具を載置する工程、加工治具の貫通孔にそれより小径の回転ツールを案内して金属部材に当接し、回転ツールを金属部材に加圧した状態で回転する工程、回転ツールと金属部材の摩擦熱によって生じる金属部材の塑性流動により、加工治具の貫通孔と回転ツールの間に金属部材を充填する工程を備える点にある。金属部材に回転ツールを押し当てて回転ツール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ツールに当接している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、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貫通孔と回転ツールとの間に形成されたねじ溝を含む隙間内へ金属部材が流れ込み、回転ツールの回転を停止すると金属部材の温度が下がり塑性流動した部分が硬化し、金属部材上に外周面にねじ溝を有する突起が形成される。塑性流動した部分が硬化すると、回転ツールを貫通孔から引き抜き、加工治具または金属部材の少なくとも一方を加工治具のねじ溝と突起のねじ溝の螺合を解除する方向に回転して、加工治具から突起を開放する。塑性流動は金属部材が固体の状態で発現するため金属部材の組織は粗大化せず、他方、回転ツールの摩擦攪拌によって突起及びその近傍の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(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。
金属部材に突起を形成する第2の方法の特徴とするところは、外周にねじ溝を有する円柱部を突設した加工治具を準備する工程、加工治具の円柱部が突設された側に円柱部が貫通する孔部を有する金属部材を載置する工程、加工治具の円柱部より大径の孔部を有する回転ツールを金属部材上に当接するように載置し、回転ツールを金属部材に加圧した状態で回転する工程、回転ツールと金属部材の摩擦熱によって生じる金属部材の塑性流動により、加工治具の円柱部と回転ツールの孔部との間に金属部材を充填する工程を備える点にある。金属部材に回転ツールを押し当てて回転ツール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ツールに当接している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、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治具の円柱部と回転ツールの孔部との間に形成されたねじ溝を含む隙間内へ金属部材が流れ込む。回転ツールの回転を停止すると金属部材の温度が下がり塑性流動した部分が硬化し、金属部材上に内周面にねじ溝を有する中空突起が形成される。塑性流動した部分が硬化すると、回転ツールを中空突起から引き離し、加工治具または金属部材の少なくとも一方を加工治具のねじ溝と中空突起のねじ溝の螺合を解除する方向に回転して、加工治具から突起を開放する。この場合においても第1の方法と同じ理由により中空突起の機械強度を大きくすることが出来る。
金属部材に突起を形成する第3の方法の特徴とするところは、所定形状の貫通孔を形成した加工治具を準備する工程、金属部材上に加工治具を載置する工程、加工治具の貫通孔に回転によって形成される形状が貫通孔と異なる形状を有する回転ツールを案内して金属部材に当接し、回転ツールを金属部材に加圧した状態で回転する工程、回転ツールと金属部材の摩擦熱によって生じる金属部材の塑性流動により、加工治具の貫通孔と回転ツールの間に金属部材を充填する工程を備える点にある。金属部材に回転ツールを押し当てて回転ツール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ツールに当接している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、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貫通孔と回転ツールとの間に形成される隙間内へ金属部材が流れ込み、回転ツールの回転を停止すると金属部材の温度が下がり塑性流動した部分が硬化し、金属部材上に外形状と内形状が異なる一端が開口した中空部有する突起が形成される。この場合においても第1の方法と同じ理由により中空突起の機械強度を大きくすることが出来る。
金属部材に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。
突起形成装置は、加工される金属部材を保持する保持手段と、金属部材に当接して回転することにより摩擦熱を発生する回転ツール手段と、回転ツール手段との間に金属部材を塑性流動させて充填する円筒状の間隙を形成する加工治具と、回転ツール手段を回転駆動する手段と、保持手段及び回転ツール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、回転ツール手段を金属部材表面に押圧する手段とを具備する点にある。この突起形成装置によれば、回転ツール手段と金属部材の摩擦熱によって発現する塑性流動と、加工治具と回転ツール手段で形成される間隙形状によって、少なくとも一方が開口する中空部を有し、外形状と中空部内面形状が異なる突起を有する金属部品を例えば数秒という極く短時間で提供することが出来る。この突起形成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。
A feature of the first method of forming the protrusion on the metal member is that a step of preparing a processing jig in which a through hole having a thread groove is formed on the inner peripheral surface, and the processing jig is placed on the metal member This is caused by the frictional heat between the rotary tool and the metal member, the process of rotating the rotary tool in a state where the rotary tool is pressed against the metal member by guiding the rotary tool having a smaller diameter to the through hole of the process jig. The method includes a step of filling the metal member between the through hole of the processing jig and the rotary tool by plastic flow of the metal member. When a rotating tool is pressed against a metal member and the rotating tool is rotated, frictional heat is generated, and this frictional heat raises the temperature of the portion of the metal member that is in contact with the rotating tool, thereby causing plastic flow under low stress. When the metal member flows into the gap including the screw groove formed between the through hole and the rotary tool, and the rotation of the rotary tool stops when the surrounding area where the plastic flow of the metal member does not appear and becomes a stopper The temperature of the metal member decreases and the plastic flowed portion is cured, and a protrusion having a thread groove on the outer peripheral surface is formed on the metal member. When the plastic flowed part is hardened, the rotary tool is pulled out from the through hole, and at least one of the processing jig or metal member is rotated in the direction to release the threading of the processing tool screw groove and the protruding screw groove. Release the protrusion from the jig. Plastic flow occurs when the metal member is in a solid state, so that the structure of the metal member does not become coarse. On the other hand, the surface area of the protrusion and the metal member in the vicinity thereof is finer than other areas due to frictional stirring of the rotary tool. Therefore, superplastic flow occurs in the high temperature state during processing (the temperature of the melting point of the metal member expressed as 1/2 or more of the absolute value), the deformation stress is small, and the plastic fluidity Is very big. On the other hand, the mechanical strength of the protrusion when the temperature returns to room temperature after the end of processing can be increased.
The feature of the second method for forming the protrusion on the metal member is that a step of preparing a processing jig having a cylindrical portion having a thread groove on the outer periphery is provided, the side of the processing jig on which the cylindrical portion is protruded A step of placing a metal member having a hole through which the cylindrical portion penetrates, a rotating tool having a hole having a diameter larger than the cylindrical portion of the processing jig placed on the metal member, and the rotating tool The metal member is filled between the cylindrical part of the processing jig and the hole of the rotary tool by the process of rotating the metal member in a pressurized state and the plastic flow of the metal member caused by frictional heat between the rotary tool and the metal member. It is in the point provided with a process. When a rotating tool is pressed against a metal member and the rotating tool is rotated, frictional heat is generated, and this frictional heat raises the temperature of the portion of the metal member that is in contact with the rotating tool, thereby causing plastic flow under low stress. The metal member flows into a gap including a screw groove formed between the cylindrical portion of the processing jig and the hole portion of the rotary tool. When the rotation of the rotary tool is stopped, the temperature of the metal member decreases and the plastic flowed portion is cured, and a hollow protrusion having a thread groove on the inner peripheral surface is formed on the metal member. When the plastic flowed portion is cured, the rotary tool is pulled away from the hollow protrusion, and at least one of the processing jig or the metal member is rotated in a direction to release the screw groove of the processing jig and the screw groove of the hollow protrusion, Release the protrusion from the processing jig. Even in this case, the mechanical strength of the hollow protrusion can be increased for the same reason as in the first method.
The feature of the third method of forming the protrusion on the metal member is that a step of preparing a processing jig in which a through hole having a predetermined shape is formed, a step of placing the processing jig on the metal member, a processing jig A step of rotating a rotating tool in a state in which the rotating tool having a shape different from that of the through hole is guided to abut against the metal member and pressed against the metal member, the rotating tool and the metal member The method includes a step of filling the metal member between the through hole of the processing jig and the rotary tool by the plastic flow of the metal member caused by the frictional heat. When a rotating tool is pressed against a metal member and the rotating tool is rotated, frictional heat is generated, and this frictional heat raises the temperature of the portion of the metal member that is in contact with the rotating tool, thereby causing plastic flow under low stress. When the metal member flows into the gap formed between the through hole and the rotary tool, and the surrounding area where the plastic flow of the metal member does not occur becomes a stopper, the temperature of the metal member stops when the rotation of the rotary tool stops. As a result, the portion that has undergone plastic flow is cured, and a protrusion having a hollow portion with one end having an outer shape different from the inner shape is formed on the metal member. Even in this case, the mechanical strength of the hollow protrusion can be increased for the same reason as in the first method.
The metal member to which the method of forming protrusions on the metal member is applied is not limited to these, but a magnesium alloy 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.
The protrusion forming device plastically flows the metal member between the holding means for holding the metal member to be processed, the rotating tool means for generating frictional heat by rotating in contact with the metal member, and the rotating tool means. A processing jig for forming a cylindrical gap to be filled, a means for rotationally driving the rotary tool means, a means for moving at least one of the holding means and the rotary tool means along a line connecting both means, and a rotary tool And means for pressing the means against the surface of the metal member. According to this projection forming apparatus, it has a hollow portion at least one of which is opened by a plastic flow expressed by frictional heat between the rotating tool means and the metal member, and a gap shape formed by the processing jig and the rotating tool means, For example, it is possible to provide a metal part having a protrusion whose outer shape is different from the shape of the inner surface of the hollow portion in a very short time such as several seconds. This protrusion forming apparatus may be a single function apparatus that forms protrusions on a metal member, or may be an apparatus portion that performs one process among a plurality of processes of a progressive press apparatus.
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(CBN(立方晶ボロンナイトライド)、ZrO2、SiC、Si3N4、SiALON、Al2O3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 processing jig used in the projection forming apparatus is required to have low heat resistance, wear resistance, and wettability (not bonded to the workpiece), and specific materials include stainless steel (for example, SUS steel) and tool steel. (e.g., SK steel), superalloy (Ni-based, Fe-based, Co-based), ceramics (CBN (cubic boron nitride), ZrO 2, SiC, Si 3
本発明は、回り止め機能を有しており、回り止めが求められる広い用途に利用でき、かつ突起及びその近傍の金属部材の表面領域が他の領域である内部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。 The present invention has an anti-rotation function, can be used in a wide range of applications where anti-rotation is required , and has a structure in which the surface area of the protrusion and the metal member in the vicinity thereof is made finer than the internal area which is another area. Therefore, a protrusion having excellent mechanical characteristics can be realized.
また、本発明は、回転ツールと金属部材の摩擦熱及び摩擦攪拌によって発現する超塑性により金属部材の塑性流動を利用して回転ツールと加工治具の間に形成される間隙を充填する方法を利用するため、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数秒という短時間で形成出来、機械的特性の優れた突起を実現することが出来る。 Further, the present invention provides a method for filling a gap formed between a rotating tool and a processing jig by utilizing plastic flow of the metal member by superplasticity generated by frictional heat and friction stirring between the rotating tool and the metal member. Therefore, a protrusion having the same material as that of the metal member and having a fine structure in the surface region can be formed in a short time of several seconds, and a protrusion having excellent mechanical characteristics can be realized.
更に、本発明は、金属部材にそれと同一材料からなり突起を形成するものであって、高さ方向に伸びる中空部を有し、金属部材の塑性流動によって形成される突起形成の特性を活かすことで、外形形状の断面がねじ状の形態のようなねじ機能以外の多様な形状の内の1つの、機械的特性の優れた突起を持つ金属部品を簡便に形成することが出来る。 Furthermore, the present invention forms a protrusion on the metal member made of the same material as the metal member, has a hollow portion extending in the height direction, and takes advantage of the characteristic of protrusion formation formed by plastic flow of the metal member. Thus, it is possible to easily form a metal part having a protrusion having excellent mechanical characteristics, which is one of various shapes other than the screw function such as a thread-shaped cross section.
本発明実施例の突起を有する金属部品は、アルミニウム合金及びマグネシウム合金を金属部材として、その表面にそれと同一材料で一体に形成され突起を有し、突起は少なくとも一方が開口し高さ方向に伸びる中空部を有すると共に突起の外形状と中空部の内形状が異なっており、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。金属部材の表面に中空突起を形成する方法としては、突起の形状を決める加工治具と回転ツールを金属部材の一方側に配置し、回転ツールの摩擦攪拌による塑性流動を利用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。 The metal part having protrusions according to the embodiment of the present invention has a protrusion formed of the same material on the surface of an aluminum alloy and a magnesium alloy as a metal member. At least one of the protrusions opens and extends in the height direction. While having a hollow portion, the outer shape of the protrusion and the inner shape of the hollow portion are different, and the surface region of the protrusion and the metal member in the vicinity thereof has a finer structure than the other regions. The simplest method for forming hollow protrusions on the surface of a metal member is to place a processing jig and a rotary tool that determine the shape of the protrusion on one side of the metal member, and use plastic flow by frictional stirring of the rotary tool. It is a simple method. Magnesium and magnesium-based alloys are lightweight metal materials and tend to be widely used as metal parts such as portable information terminals, home appliances, automobile parts, and railway vehicles.
図1は、本発明実施例の突起を有する金属部品の第1の例を示す概略断面図で、金属部品11は板状の金属部材111と金属部材111表面に一体に形成された突起112からなっている。突起112は外周面にねじ溝112aが形成された有底で円筒状の中空部を有し、底部111aは摩擦攪拌プロセス技術を利用して突起を形成する関係で金属部材111より薄くなっている。この突起112は外周面にねじ溝112aが形成されているため、内周面の形状と外周面の形状が異なる形状になっている。この突起112を有する金属部品11は他の部材と結合する場合に螺着を利用するため、点検・修理の際に結合を外し、再度結合すことできる利点がある。また、突起112の底部111aを含む内周面及びその近傍が他の領域に比較して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。底部111aは金属部材111の突起112を形成した側とは反対側表面の美観を良くすること及び高強度を保持するために寄与するが、金属部材111に貫通孔を設ける必要がある場合には美観及び強度が多少犠牲になるが底部111aが存在しない構造にすることが出来る。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first example of a metal part having protrusions according to an embodiment of the present invention. The
図2は、本発明実施例の突起を有する金属部品の他の例を示す概略断面図で、金属部品11は板状の金属部材111と金属部材111表面に一体に形成された突起113からなっている。突起113は内周面にねじ溝113aが形成された底無しで円筒状の中空部を有し、金属部材111の突起113に隣接する部分111bが摩擦攪拌プロセス技術を利用して突起を形成する関係で他の部分より薄くなっている。この突起113も内周面にねじ溝113aが形成されているため、内周面の形状と外周面の形状が異なる形状で、他の部材との結合に螺着を利用しており、図1の突起と同様の利点を有している。また、突起113の外周面及びそれに連なる部分111bの表面及びその近傍が他の領域に比較して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。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of a metal part having protrusions according to the embodiment of the present invention. The
図3は、本発明実施例の突起を有する金属部品の他の例を示す概略断面図で、金属部品11は板状の金属部材111と金属部材111に一体に形成された突起114からなっている。突起114は有底で円筒状の中空部と角柱状の外周面を有し、この結果図3(b)に示すように突起の高さ方向と直角をなす断面が真円をなす内周面114aと略正方形をなす外周面114bを有している。突起114の内周面114aで形成される円筒状の空間は摩擦攪拌プロセス技術を利用して突起114を形成する関係で金属部材側111側が有底で底部111cは金属部材111より薄くなっている。この突起114は内周面114aの形状と外周面114bの形状が異なっているため、突起114を利用した結合部の突起に高さ方向と直角をなす面における回転を防止する利点を有している。また、突起114の底部111cを含む内周面及びその近傍が他の領域に比較して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。底部111cは金属部材111の突起114を形成した側とは反対側表面の美観を良くすること及び高強度を保持するために寄与するが、金属部材111に貫通孔を設ける必要がある場合には美観及び強度が多少犠牲になるが底部111cが存在しない構造にすることが出来る。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing another example of a metal part having protrusions according to the embodiment of the present invention. The
図4は、本発明実施例の金属部材に突起を形成する方法の他の例を説明する概略断面図である。111は板状の金属部材、12は内周面にねじ溝121aを形成した貫通孔121を有する加工治具、13は加工治具12の貫通孔121より小径を有する先端部13aが例えば略平坦な回転ツールで、図1に示す突起112を有する金属部品11を製造する場合にはこれらを準備する必要がある。金属部材111に突起を形成する場合には、金属部材111を加工台(図示しない)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し、金属部材111の突起を形成する予定個所に加工治具12の貫通孔121を位置合わせして金属部材111上に加工治具12を載置する(図4(a))。この時、回転ツール13は加工治具12の貫通孔121の近傍で待機した状態にある。次に回転ツール13を回転しながら加工治具12の貫通孔121内に案内し、その先端部13aを金属部材111の表面に所定の圧力で押圧する。回転ツール13の先端部13aを回転しながら金属部材111の表面に押圧すると、回転ツール13の先端部13aに当接している金属部材111の表面領域の組織が摩擦熱による温度上昇により金属部材111が軟化し、押圧下の回転ツール13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に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。塑性流動は後述するように、加工治具12の貫通孔121の内周面と回転ツール13の間に形成されている間隙に向かって流れ、ねじ溝121aを含む間隙を充填して突起112を形成する(図4(b))。回転ツール13及び加工治具12を金属部材111から離し、図1に示す突起112を有する金属部品11が得られる(図4(c))。加工治具12を金属部材111から離すためには、加工治具12の貫通孔121に形成したねじ溝121aとこれによって金属部材111表面に形成された中空の突起112のねじ溝112aが螺着した状態になっており、両者の螺着を解除する方向に両者を回転する必要がある。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining another example of a method of forming protrusions on the metal member of the embodiment of the present invention. 111 is a plate-shaped metal member, 12 is a processing jig having a through-
図4に示す金属部材に突起を形成する方法において、図4(b)において回転ツール13を金属部材111の他方表面まで押圧すことにより、底部111aが存在しない構造を得ることが出来る。その場合、加工治具12の貫通孔121と回転ツール13の間隔を、回転ツール13が金属部材111を貫通した状態になった時に塑性流動によって略充填されるように設定しておく必要がある。
In the method of forming protrusions on the metal member shown in FIG. 4, a structure without the bottom 111 a can be obtained by pressing the
塑性流動によって突起が形成される理由を図5により説明する。図5は図4(b)を拡大して示したもので、回転ツール13の先端部13aに当接している金属部材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Y111a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、回転ツール13による押圧力により塑性流動を白矢印方向Y112a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、上方は回転ツール13の先端部13a及び加工治具12によって矢印Y13及びY12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Y111b及び白矢印Y112bで示す加工治具12の貫通孔121と回転ツール13の開隙方向が唯一の流動方向になる。回転ツール13による摩擦攪拌が継続されている時間に比例して開隙への流動は続き、突起112の高さが増加する。
The reason why the protrusions are formed by plastic flow will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an enlarged view of FIG. 4B, and the surface region 111a of the
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200〜5000rpm、押し込み圧力は50kg/cm2以上が好ましい。 An important matter in the method of forming protrusions on the metal member is the setting of processing conditions. When magnesium, a magnesium-based alloy, aluminum, and an aluminum-based alloy are processed as metal members to be processed at room temperature, the processing jig has a rotation speed of 200 to 20000 rpm, preferably 200 to 5000 rpm, and an indentation pressure of 50 kg / cm 2 or more is preferable. .
図6を用い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。金属部材111の回転ツール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12の貫通孔121と回転ツール13の開に形成されるねじ溝を含む間隙内に流れ込みねじ溝を有する突起112を形成する。図6の突起112の内周面及び底面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。
The point that the mechanical properties of the protrusions formed on the metal member are excellent will be described with reference to FIG. The region of the
図7は、突起を形成する方法で形成した突起の付け根部分(図6の突起112と底部111a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6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。
FIG. 7 is a photomicrograph showing the tissue state of the base portion of the protrusion formed by the method of forming the protrusion (the connecting portion of the
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ところ次の結果を得た。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する前の試料と突起を形成した試料の衝撃値を計測したところ、AZ31及びZK60Aのいずれの場合においても素材の衝撃値より突起を形成した場合の方が大きい値を有することを確認した。 When the impact value which is one of the mechanical properties of the protrusion formed by the method of forming the protrusion was measured, the following result was obtained. The tester uses an Izod impact tester (WR = 3 kg · m) from Tester Sangyo Co., Ltd., and the impact value of the sample before forming the protrusion and the sample having the protrusion formed under the same conditions at room temperature (20 ° C). As a result of measurement, it was confirmed that in both cases of AZ31 and ZK60A, the case where the protrusion was formed had a larger value than the impact value of the material.
図4に示す金属部材に突起を形成する方法には突起の外周面にねじ溝を形成する点で代替技術が考えられる。代替技術としては、例えば、内周面にねじ溝121aを形成した貫通孔121を有する加工治具12上に金属部材111を載置して、貫通孔121に対応する金属部材111上に回転ツール13を回転しながら押し当てる方法が考えられる。この代替技術は本発明の方法に比較して次のような問題点を有している。摩擦攪拌による組織微細化とその後の超塑性の発現は金属部材の回転ツールに当接している表面側で起こり、それによって塑性流動が容易となり突起が形成されることから、本発明では塑性流動による貫通孔121と回転ツール13との間に形成される間隙の充填がスムーズに行われるが、代替技術では板厚方向全体で超塑性的流動が発現し塑性流動が容易となることはないので、設計通りの突起形成が難しい問題がある。上記に関連して本発明は金属部材の板厚に関係なく突起形成が可能であるが、代替技術では金属部材の板厚が小さくないと突起形成できない問題がある。板圧が小さいと突起の高さ及び厚さが不十分になる問題があり、実用的な突起が形成できない。金属部材に形成した突起は他の部材と結合するために使用されることから、突起を形成した裏面が自動車、電気製品等の表面側にするのが通常の使用法となる。本発明では突起を形成した裏面側が平坦面であるため商品の美観上問題がないが、代替技術では突起を形成した裏面側に回転ツールで形成された孔が残り、美観上の問題がある。本発明では突起形成に使用する回転ツールと加工治具を金属部材の一方側に配置するため、位置合わせ作業が簡単で金属部材が大寸法になっても突起形成が容易であるが、代替技術では回転ツールと加工治具が金属部材の両側に位置しているため位置合わせが難しく、大寸法の金属部材では突起形成装置が大型になる等の問題点がある。
An alternative technique is conceivable for forming the protrusions on the metal member shown in FIG. 4 in that screw grooves are formed on the outer peripheral surface of the protrusions. As an alternative technique, for example, the
図8は、本発明実施例の金属部材に突起を形成する方法の他の例を説明する概略断面図である。111は突起を形成する個所に予め貫通孔11aを形成した板状の金属部材、12は平板部12aと外周面にねじ溝122aを形成した円柱状の突起122を有する加工治具、13は加工治具12の突起122の外径より径が大きく突起122の高さより深い円筒状中空部13bを有し,その先端部13aが略平坦な回転ツールで、図2に示す突起113を有する金属部品11を製造する場合にはこれらを準備する必要がある。金属部材111に突起を形成する場合には、加工治具12を、突起122を上方にして加工台(図示しない)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し、金属部材111をその貫通孔11aに加工治具12の突起122が貫通するように加工治具12上に載置する(図8(a))。この時、回転ツール13は加工治具13の突起122の上方で待機した状態にある。次に回転ツール13を回転しながらその円筒状中空部13b内に加工治具12の突起122を案内するように、その先端部13aを金属部材111の表面に所定の圧力で押圧する。回転ツール13の先端部13aを回転しながら金属部材111の表面に押圧すると、回転ツール13の先端部13aに当接している金属部材111の表面領域の組織が摩擦熱による温度上昇により金属部材111が軟化し、押圧下の回転ツール13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に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。塑性流動は加工治具12の突起122と回転ツール13との間に形成されている間隙に向かって流れ、ねじ溝122aを含む間隙を充填して突起113を形成する(図8(b))。しかる後、回転ツール13及び加工治具12を金属部材111から離し、図2に示す突起113を有する金属部品111が得られる(図8(c))。加工治具12を金属部材111から離すためには、加工治具12の突起122に形成したねじ溝122aとこれによって金属部材111に表面に形成された突起113のねじ溝113aが螺着した状態になっており、両者の螺着を解除する方向に両者を回転する必要がある。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining another example of a method for forming protrusions on the metal member of the embodiment of the present invention . 111 is a plate-shaped metal member in which a through-hole 11a is formed in advance at a position where a protrusion is formed, 12 is a processing jig having a flat plate portion 12a and a cylindrical protrusion 122 having a thread groove 122a on the outer peripheral surface, and 13 is a processing tool. A metal part having a cylindrical hollow portion 13b having a diameter larger than the outer diameter of the protrusion 122 of the
この例で形成された突起113の外周面及びそれに隣接する金属部材111の厚さが減じられた部分111bは、回転ツール13によって摩擦攪拌された領域は微細化されて機械的特性が向上した領域になっている。よって、機械的強度の硬い突起を有する金属部品を得ることができる。
In this example, the outer peripheral surface of the protrusion 113 and the portion 111b in which the thickness of the
図9は、本発明の実施例を説明する概略断面図である。本発明実施例は、上述した例を参照して構成される。111は板状の金属部材、12は略正方形の貫通孔123を有する加工治具、13は加工治具12の貫通孔123に案内可能な外径を有し、貫通孔123の深さより大きい高さを有し、その先端部13aが略平坦な回転ツールで、図3に示す突起を有する金属部品11を製造する場合にはこれらを準備する必要がある。
金属部材111に突起114を形成する場合には、金属部材111を加工台(図示しない)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し、金属部材111の突起を形成する予定個所に加工治具12の貫通孔123を位置合わせして金属部材111上に加工治具12を載置する(図9(a))。この時、回転ツール13は加工治具13の貫通孔123の上方で待機した状態にある。次に回転ツール13を回転しながら加工治具12の貫通孔123内に案内し、その先端部13aを金属部材111の表面に所定の圧力で押圧する。回転ツール13の先端部13aを回転しながら金属部材111の表面に押圧すると、回転ツール13の先端部13aに当接している金属部材111の表面領域の組織が摩擦熱による温度上昇により金属部材111が軟化し、押圧下の回転ツール13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に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、塑性流動が容易となり、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。塑性流動は後述するように、加工治具12の貫通孔123の内周面と回転ツール13との間に形成される間隙に向かって流れ、間隙を充填して突起114を形成する(図9(b))。しかる後、回転ツール13及び加工治具12を金属部材111から離し、図3に示す突起114を有する金属部品111が得られる(図9(c))。
FIG. 9 is a schematic sectional view for explaining an embodiment of the present invention. The embodiment of the present invention is configured with reference to the above-described example. 111 is a plate-shaped metal member, 12 is a processing jig having a substantially square through-
When the
この実施例で形成された突起114の底部111cを含む内周面及びその近傍が他の領域に比較して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。よって、機械的強度が良好な突起を有する金属部品を得ることができる。
Since the inner peripheral surface including the bottom portion 111c of the
図9に示す金属部材に突起を形成する方法において、図9(b)において回転ツール13を金属部材111の他方表面まで押圧すことにより、底部111cが存在しない構造を得ることが出来る。その場合、加工治具12の貫通孔123と回転ツール13の間隔を、回転ツール13が金属部材111を貫通した状態になった時に塑性流動によって略充填されるように設定しておく必要がある。
In the method of forming protrusions on the metal member shown in FIG. 9, a structure without the bottom 111c can be obtained by pressing the
図10は、図9に示した突起を有する金属部品の異なる本発明実施例を示す平面図である。
(a)は突起の高さ方向と直角をなす断面が真円をなす内周面114aと楕円形をなす外周面114bを有する例を、(b)は突起の高さ方向と直角をなす断面が真円をなす内周面114aと外周面114bからなり、外周面114bの一部が直線で切り取られた部分114cを有する例を、(c)は突起の高さ方向と直角をなす断面が真円をなす内周面114aと外周面114bからなり、外周面114bの一部に切欠部114dを有する例を、(d)は突起の高さ方向と直角をなす断面が真円をなす内周面114aと外周面114bからなり、外周面114bの一部に突出部114eを有する例を、(e)は突起の高さ方向と直角をなす断面が真円をなす内周面114aと幅広の十字形をなす外周面114bを有する例を、(f)は突起の高さ方向と直角をなす断面が真円をなす内周面114aと六角形をなす外周面114bを有する例をそれぞれ示している。(b)、(c)及び(d)において、直線で切り取られた形状、切欠部及び突出部は複数個設けても、また組み合わせて形成しても良い。これらは代表的な例を示したもので、これらに限定されるものではない。(f)に示す六角形をなす外周面114bは多角形の一例を示したもので、これに限定されるものでなく、例えば4角形、8角形、12角形など多角形の範疇に入るものなら何れでもよい。外形面を多角形にすると、塑性流動による金属の充填が隅々まで十分に行われ高強度の突起を形成出来る利点がある。
Figure 10 is a plan view showing a different invention embodiments of a metal part having a projection shown in FIG.
(A) is an example in which the cross section perpendicular to the height direction of the protrusion has an inner peripheral surface 114a that forms a perfect circle and the outer peripheral surface 114b that forms an ellipse, and (b) is a cross section that forms a right angle to the height direction of the protrusion. (C) is a cross-section perpendicular to the height direction of the protrusion, in which an example includes an inner peripheral surface 114a and an outer peripheral surface 114b that form a perfect circle, and a part of the outer peripheral surface 114b has a portion 114c cut out by a straight line. (D) is an example in which a cross section perpendicular to the height direction of the protrusion forms a perfect circle. (E) shows an example in which a protrusion 114e is formed on a part of the outer peripheral surface 114b, and the cross section perpendicular to the height direction of the protrusion forms a perfect circle and is wider than the inner peripheral surface 114a. An example having an outer peripheral surface 114b having a cross shape is shown in FIG. Section forming a height direction and a right angle respectively show examples having an outer peripheral surface 114b forming the inner peripheral surface 114a and the hexagon forming a perfect circle. In (b), (c) and (d), a plurality of cut shapes, notches, and protrusions may be provided or combined. These are representative examples, and are not limited to these. The hexagonal outer peripheral surface 114b shown in (f) is an example of a polygon, and is not limited to this. For example, if it falls within the category of a polygon such as a quadrangular, octagonal, or dodecagonal shape. Either may be used. When the outer surface is made polygonal, there is an advantage that metal filling by plastic flow is sufficiently performed to every corner and a high-strength protrusion can be formed.
これらの例によれば、突起は、内形面を形成する内部領域が外形面を形成する表面領域に比べて微細化された組織形態とされ、突起の高さ方向と直角をなす断面が、真円の内形および楕円の外形形状に、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された直線部との外形形状に、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された切欠け部との外形形状に、真円の内形および十字形の外形形状に、真円の内形および4角の外形形状に、真円の内形および6角の外形形状に、真円の内形および8角の外形形状に、または真円の内形および12角の外形形状に形成される。 According to these examples, the protrusion has an internal region that forms an inner shape surface and a finer structure than a surface region that forms an outer surface, and a cross section perpendicular to the height direction of the protrusion is The inner shape of a perfect circle and the outer shape of an ellipse, the inner shape of a perfect circle and the outer shape of a circular part and a straight part formed in a part of the circular part, The outer shape with a notch formed in a part, the inner shape of a perfect circle and a cross shape, the inner shape of a perfect circle and the outer shape of a square, the inner shape of a perfect circle and a hexagon It is formed into an outer shape, an inner shape of a perfect circle and an outer shape of an octagon, or an inner shape of a perfect circle and an outer shape of a twelve angle.
図11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4、図8および図9に示す回転ツール、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。
FIG. 11 is a schematic front view and a side view showing an example of a protrusion forming apparatus used for executing the method for forming protrusions on the metal member of the present invention. In the figure, 51 is a base on which the apparatus is installed, 52 is a frame fixed to the
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上に金属部材と加工治具を組み合わせて載置固定し、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。
When forming a protrusion on the metal member using the protrusion forming apparatus having such a configuration, the metal member and the processing jig are 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。
Pressure control and position control can be used as a control method for bringing the
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。 The method for forming protrusions on the metal member of the present invention, the protrusion forming apparatus, and the metal part having the protrusions manufactured thereby are not limited to the methods and configurations described in the embodiments, but are technical ideas of the present invention. Various modifications can be made within the range.
11 金属部品、
111 金属部材、
112、113、114 突起、
12 加工治具、
13 回転ツール、
112a、113a13a ねじ溝、
114a 内周面、
114b 外周面
11 Metal parts,
111 metal members,
112, 113, 114 protrusion,
12 processing jigs,
13 Rotating tool,
112a, 113a13a thread groove,
114a inner peripheral surface,
114b outer peripheral surface
Claims (4)
前記突起は、内形面を形成する内部領域が外形面を形成する表面領域に比べて微細化された組織形態を備え、前記突起の高さ方向と直角をなす断面が、真円の内形および楕円の外形形状であり、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された直線部との外形形状であり、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された切欠け部との外形形状であり、真円の内形および十字形の外形形状であり、真円の内形および4角の外形形状であり、真円の内形および6角の外形形状であり、真円の内形および8角の外形形状であり、または真円の内形および12角の外形形状であること
を特徴とする突起を有する金属部品。 On the surface of the metal member, a part of the metal member has a projection having a structure of plastic flow, and the protrusion has a hollow part that is open and extends in the height direction. In metal parts with different inner shapes ,
The projection is provided with a morphology that interior region which forms the inner shape surface is miniaturized as compared with the surface region forming the outer surface, cross-section forming a height direction at right angles with the projection, the inner shape of a true circle and a elliptical outer shape, a contour shape of a straight portion formed in a part of the inner shape and the circular portion and the circular portion of the perfect circle, a part of the inner shape and the circular portion and the circular portion of the perfect circle The outer shape of the formed notch, the inner shape of a perfect circle and the outer shape of a cross, the inner shape of a perfect circle and the outer shape of a square, the inner shape of a perfect circle and a hexagonal shape an outer shape, a metal part having a projection, wherein the circularity is the outer shape of the inner shape and octagonal, or an outer shape of the inner shape and dodecagonal true circle.
所定の押圧力、所定の回転数で前記回転ツールの先端面が前記金属部材に当接され、該当接に対応し、表面領域の金属材料が微細化された組成で、高温化された形態とされ、内部領域の金属材料がその組成を維持されながら塑性流動可能な形態として共に前記加工治具に形成された中空部内であって前記加工治具と前記回転ツールとの間に塑性流動させて、前記突起を形成するものであって、
該突起の内形面を形成する内部領域を、外形面を形成する表面領域に比べて微細化された組織形態に形成し、前記突起の高さ方向と直角をなす断面を、前記加工治具に形成された中空部および前記回転ツールに形成された円筒状外形部に対応して、真円の内形および楕円の外形形状に、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された直線部との外形形状に、真円の内形および円形部と円形部の一部に形成された切欠け部との外形形状に、真円の内形および十字形の外形形状に、真円の内形および4角の外形形状に、真円の内形および6角の外形形状に、真円の内形および8角の外形形状に、または真円の内形および12角の外形形状にすること
を特徴とする突起を有する金属部品の形成方法。 A processing jig in which a hollow portion is formed is placed on a metal member, and a rotating tool having a flat front end surface is guided in the hollow portion formed in the processing jig to contact the metal member, The rotary member is rotated in a state of being pressed against the metal member, and the metal member is integrally formed on the surface of the metal member and the metal member with the same material, and is generated by frictional heat between the rotary tool and the metal member. In a method for forming a metal part having a protrusion formed by plastic flow of
The tip surface of the rotary tool is brought into contact with the metal member with a predetermined pressing force and a predetermined number of rotations, and the temperature of the metal material in the surface region corresponding to the contact is refined and the temperature is increased. The metal material in the inner region is plastically flowed between the processing jig and the rotary tool in a hollow portion formed in the processing jig as a form capable of plastic flow while maintaining its composition. Forming the protrusions,
The inner region forming the inner surface of the protrusion is formed in a finer structure than the surface region forming the outer surface, and a cross section perpendicular to the height direction of the protrusion is formed on the processing jig. Corresponding to the hollow portion formed in the cylindrical shape and the cylindrical outer shape portion formed in the rotary tool, the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the ellipse, the inner shape of the perfect circle and the circular portion and a part of the circular portion To the outer shape of the formed straight part, to the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the circular part and the notch formed in a part of the circular part, to the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the cross , To the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the quadrangle, to the inner shape of the perfect circle and the outer shape of the hexagon, to the inner shape of the perfect circle and the shape of the octagon, or to the inner shape of the perfect circle and the shape of the dodecagon A method for forming a metal part having a protrusion, characterized by having an outer shape.
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