JP7129458B2 - シャフトの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シャフトの製造方法に関するものである。

モーター等のシャフトとして、既製のパイプ部材の両端に、ギアやスプラインが設けられた連結部材が摩擦圧接により接合された中空シャフトが用いられることがある（特許文献１参照）。例えば電気自動車（ＥＶ）用モーターのシャフトなどのように、軽量化の要請が強い場合に、この中空シャフトが採用されることが多い。

特開２００６－２５８２３６号公報

ところで、既製のパイプ部材を用いる場合には、メーカが予め用意してある既製品の中から選択しなければならず、選択できる素材に制限があった。

本発明は、上述のような現状に鑑みなされたもので、パイプ部材の素材の選択の幅を広げることができると共に、量産性も向上させることができる、これまでにないシャフトの製造方法を提供することを目的とする。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

円筒部材２の端部に連結部材３が設けられたシャフト１を製造する方法であって、
金属板材の端面を表面粗さＲａが２μｍ以下となるように研磨する研磨工程と、
前記金属板材を半円筒状に曲げる曲げ工程と、
半円筒状に曲げられた一対の前記金属板材を円筒状に配置してその研磨済み端面同士を突き合わせ、当該突き合わせ部を加熱して拡散接合することにより前記円筒部材２を形成する拡散接合工程と、
前記拡散接合工程後の前記円筒部材２を冷却する冷却工程と、
前記連結部材３を前記円筒部材２の端部に接合する連結部材接合工程と、
前記拡散接合工程後の前記円筒部材２の前記突き合わせ部の内面を切削加工若しくは研磨加工する内仕上げ工程とを含み、
前記拡散接合工程において、前記一対の半円筒状の金属板材の互いに平行な水平面にした端面同士を直接突き合わせ、この端面同士を該端面と直交する方向から互いに押し付け合うように加圧した状態で該端面全体を拡散接合することを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

また、請求項１記載のシャフトの製造方法において、前記円筒部材２と前記連結部材３との連結部の外面を仕上げ加工する外仕上げ工程を含むことを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

また、請求項１，２いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記連結部材接合工程は、摩擦圧接または焼き嵌めにより行うことを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

また、請求項３記載のシャフトの製造方法において、前記連結部材接合工程は、前記冷却工程中に行うことを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

また、請求項１～４いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記シャフト１はＥＶ用モーターのシャフト１であることを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

また、円筒部材２の端部に連結部材３が設けられたシャフト１を製造する方法であって、
金属板材の端面を研磨する研磨工程と、
前記金属板材を半円筒状に曲げる曲げ工程と、
半円筒状に曲げられた一対の前記金属板材を円筒状に配置してその研磨済み端面同士を突き合わせ、当該突き合わせ部を加熱して拡散接合することにより前記円筒部材２を形成する拡散接合工程と、
前記拡散接合工程後の前記円筒部材２を冷却する冷却工程と、
前記冷却工程中に前記連結部材３を前記円筒部材２の端部に摩擦圧接または焼き嵌めにより接合する連結部材接合工程とを含み、
前記拡散接合工程において、前記一対の半円筒状の金属板材の互いに平行な水平面にした端面同士を突き合わせ、この端面同士を該端面と直交する方向から互いに押し付け合うように加圧した状態で該端面全体を拡散接合することを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

また、請求項６記載のシャフトの製造方法において、前記研磨工程は、前記金属板材の端面の表面粗さＲａが２μｍ以下となるように研磨することを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

また、請求項６，７いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記円筒部材２と前記連結部材３との連結部の外面を仕上げ加工する外仕上げ工程を含むことを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

また、請求項６～８いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記円筒部材２の前記突き合わせ部の内面を仕上げ加工する内仕上げ工程を含むことを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

また、請求項６～９いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記シャフト１はＥＶ用モーターのシャフト１であることを特徴とするシャフトの製造方法に係るものである。

本発明は上述のようにするから、パイプ部材の素材の選択の幅を広げることができ、更に量産性も向上させることができる、これまでにないシャフトの製造方法となる。

シャフトの一部を切り欠いた概略説明斜視図である。 ＥＶ用モーターの概略説明図である。 実施例１の工程説明図である。 実施例２の工程説明図である。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

金属板材を円筒状に曲げ、向かい合う端部同士を突き合わせて拡散接合することで、シャフト１の胴部となる円筒部材２を作製する。そして、この円筒部材２の端部に、ギアやスプライン等が形成された連結部材３を摩擦圧接や焼き嵌め等により接合して、例えばＥＶ用モーター等の回転体のシャフト１を得る。

この際、金属板材を円筒状に曲げて拡散接合することで円筒部材２を製造するから、素材選択の幅が広く、種々の用途に適した素材の中空シャフトを形成することが可能となる。即ち、拡散接合によれば、炭素量が多い鋼材（高炭素鋼）や合金成分含有量の多い合金鋼（高合金鋼）でも焼割れを発生させることなく円筒部材を形成することができる。この点、例えば円筒状に曲げた金属板材を溶接接合する場合には、溶接時に焼割れが生じ易く、選択できる素材は低炭素鋼や低合金鋼に限られる。

また、金属板材を円弧状に曲げ、この円弧状に曲げられた金属板材を複数円筒状に配置して向かい合う端部同士を突き合わせて拡散接合することでも、上記同様に円筒部材を作製できる。

更に、拡散溶接は、大掛かりな設備（鍛造機等）の必要もなく、加熱装置を備えた真空炉等、比較的汎用性の高い設備で実現できる。

また、本発明は、拡散接合の前に研磨工程により、接合面となる金属板材の端部を研磨することで、拡散接合がより短時間で効率的に行え、それだけ量産性を向上させることができる。

従って、本発明によれば、例えば既製のパイプ部材では選択できない高強度な合金鋼を金属板材に採用することで、ＥＶ用モーター用途に最適な高強度で軽量なシャフト１の製造等が可能となる。

また、例えば、拡散接合後の円筒部材２の冷却時に、摩擦圧接や焼き嵌めにより連結部材３を接合することもでき、この場合には、拡散接合時の熱を利用すると共に、拡散接合設備（真空室）内で拡散接合後、連結部材接合前の加熱の工程を省いて連結部材３の接合を行うことが可能となり、極めて効率的な中空シャフトの製造が可能となる。

本発明の具体的な実施例１について図面に基づいて説明する。

本実施例は、円筒部材２の端部に連結部材３が設けられた中空シャフト１を製造する方法である。

具体的には、母材から金属板材を切り出す裁断工程と、金属板材の端面を研磨する研磨工程と、前記金属板材を円筒状に曲げる曲げ工程と、円筒状に曲げられた状態で向かい合う前記金属板材の研磨済みの端面同士を突き合わせ、当該突き合わせ部を加熱して拡散接合することにより前記円筒部材２を形成する拡散接合工程と、前記拡散接合工程後の前記円筒部材２を冷却する冷却工程と、前記連結部材３を前記円筒部材２の端部に接合する連結部材接合工程と、外仕上げ工程とを含む。

本実施例のシャフト１は、図１に図示したように、金属製の円筒部材２の両端部に、ギアやスプライン等の係合部が設けられた金属製の連結部材３が接合されたもので、例えば図２に図示したような、ＥＶ用モーターのシャフト１として用いられるものである。図２中、符号４はローター、５はステータ、６は筺体、７は軸受である。

円筒部材２は金属板材を円筒状に曲げて対向端部を拡散接合して形成される。金属板材としては、所定の大きさに裁断された鋼板や非鉄金属板（例えば高張力鋼板、ステンレス鋼板またはチタン合金板等）を採用できる。

各工程を具体的に説明する。

裁断工程では、母材Ａから所定の大きさの金属板材Ｂを裁断する（図３（ａ））。

研磨工程では、金属板材Ｂの曲げ工程時に円筒状に曲げた際に向かい合う端部を研磨する。具体的には、両端部を夫々表面粗さＲａが２μｍ以下となるように研磨する。この研磨により接合面における原子の拡散が良好に行われることになり、拡散接合が短時間で強固に行われることになる。

続いて、曲げ工程において、端部が研磨された金属板材Ｂを鍛造成型やベンディングロール機等を用いて円筒状に丸める（図３（ｂ））。高強度材料から成る板材や板厚が大きい板材の場合は、温間（３００℃～８００℃程度）または熱間（１０００℃～１３００℃程度）に加熱しながら丸める。なお、研磨工程と曲げ工程の順序は逆でも良い。

続いて、拡散接合工程において、金属板材を真空炉（拡散接合炉Ｃ）に入れ、円筒状に丸められた金属板材の研磨済みの端面同士を突き合わせ、内側に金属板材の内面に沿った外周面を有する棒状の治具、外側に金属板材の外面に沿った内周面を有する筒状の治具を配し、内外から突き合わせ部を挟み込んで所定の圧力（５～１０ＭＰａ程度）で押圧した状態で９００℃～１０００℃程度に加熱し、所定時間（数十分～数時間）保持する（図３（ｃ））。なお、加熱保持時には、真空炉内は１０^－６Ｐａから１０^－３Ｐａ程度の真空雰囲気を維持する。

拡散接合を用いることで、溶接を用いた接合に比べ、全周にわたり均質な強度および性状が得られる。

続いて、冷却工程では、前記加熱を停止し、前記拡散接合工程後の前記円筒部材２を真空炉内で自然冷却する。

続いて、連結部材接合工程において、ギア部やスプライン部が形成された連結部材３を摩擦圧接または焼き嵌めにより接合する（図３（ｄ））。

摩擦圧接は、一般的な摩擦圧接機を用いて行う。また、焼き嵌めは例えば１５０℃～１８０℃の温度で行う。

続いて、外仕上げ工程において、円筒部材２と連結部材３との連結部の外面側の凹凸等を除去するために切削・研磨等の仕上げ加工を行う（図３（ｅ））。

なお、連結部材３は、素材を冷間または熱間鍛造により外側ほど段階的に径小となるように中空加工した後、外面に機械加工（切削加工、ギア加工、スプライン転造など）によりギア部やスプライン部を形成したものを用いる。また、円筒部材２との摩擦圧接面は切削加工により形成される。

以上の工程によりシャフト１を形成できるが、必要に応じて内仕上げ工程を含めても良い。内仕上げ工程は、拡散接合工程後、連結部材接合工程の前に行うもので、円筒部材２の突き合わせ部の内面側の凹凸等を除去するための切削・研磨等の仕上げ加工である。

また、必要に応じて、連結部材接合工程は、冷却工程中に行うようにしても良い。

具体的には、拡散接合後の円筒部材２の冷却過程で、所定温度に至ったら、摩擦圧接や焼き嵌めを行って連結部材３を円筒部材２の端部に接合しても良い。例えば、酸化防止のため、２００℃程度まで円筒部材２を真空炉内に留め置き、２００℃程度になったら真空炉から出し、焼き嵌め等を行う。この場合には、拡散接合時の熱を利用して連結部材３を接合できることになる。その後、室温まで自然冷却する。

なお、拡散接合工程、冷却工程および連結部材接合工程を、同一の真空炉内で行うようにしても良い。即ち、拡散接合後、円筒部材２を真空炉から取り出さず、所定温度になったら連結部材３を接合し、冷却完了後に接合された円筒部材２および連結部材３を取り出すようにしても良い。

本実施例は上述のようにするから、素材選択の幅が広く、種々の用途に適した素材でシャフト１を形成することが可能となる。即ち、拡散接合によれば、高炭素鋼や高合金鋼でも焼割れを発生させることなく円筒部材を形成することができる。

更に、拡散溶接は、大掛かりな設備の必要もなく、加熱装置を備えた真空炉等、比較的汎用性の高い設備で実現できる。

また、拡散接合の前に研磨工程により、接合面となる金属板材の端部を研磨することで、拡散接合がより短時間で効率的に行え、それだけ量産性を向上させることができる。

従って、既製のパイプ部材では選択できない高強度な合金鋼を金属板材に採用することで、ＥＶ用モーター用途に最適な高強度で軽量なシャフト１の製造等が可能となる。

よって、本実施例は、パイプ部材の素材の選択の幅を広げることができ、更に量産性も向上させることができるシャフトの製造方法となる。

本実施例は、実施例１では一枚の金属板材を円筒状に丸めて拡散接合することで円筒部材２を得ていたのに対し、複数の金属板材を、（夫々円筒部材の一部を構成するように）円弧状に曲げ、これらを円筒状に配置して拡散接合することで円筒部材２を得るものである。

具体的には、本実施例では、図４（ａ）に図示したような母材Ａから裁断された二枚の金属板材Ｂを、曲げ工程において、上型Ｄ（凸型）と下型Ｅ（凹型）とで金属板材Ｂを挟持し、上下の型の凹凸にならわせることで夫々半円筒状に曲げる（図４（ｂ））。従って、曲げ工数が少なく済み、必要な金型も少なく済む。

そして、半円筒状の一対の金属板材Ｂを、その端面同士を向かい合わせて突き合わせ、その突き合わせ端部を拡散接合することで、円筒部材２を得るものである（図４（ｃ））。

その後、実施例１と同様に、円筒部材２の両端部に、ギア部やスプライン部が形成された連結部材３を摩擦圧接または焼き嵌めにより接合する（図４（ｄ））。続いて、円筒部材２と連結部材３との連結部の外面側の凹凸等を除去するために切削・研磨等の仕上げ加工を行う（図４（ｅ））。

本実施例の拡散接合工程においては、円筒状となるように向かい合わせに配置した２つの半円筒状の金属板材を、上下から治具で挟持押圧することで、突き合わせ端面同士を所定時間加圧加熱保持する。上下から挟持押圧する治具としては、上下一対に設けられ、夫々の半円筒状の金属板材の外周面（凸湾曲面）に沿った凹湾曲面を有するものを用いる。

なお、上下から治具で挟持押圧する際、半円筒状の金属板材の内側に、この金属板材を内側から支持する円筒状（または円柱状）の治具を配置しておいても良い。

また、２つの半円筒状の金属板材を用いることで、突き合わせ端面を仕上げ加工する際、水平面とするだけで平行な端面同士を突き合わせられることになり（端面の角度の計算が不要となり）、研磨加工等が容易且つコスト安となる。また、拡散接合時の加圧のためのベクトルは鉛直方向（突き合わせ端面と直交する方向）でよく、加圧（およびその保持）をそれだけ容易に行えることになる（治具の構造を簡素化できる。）。

なお、本実施例では半円筒状に曲げた二枚の（略同一形状の）金属板材で円筒部材２を形成しているが、円弧状に曲げた３つ以上の（略同一形状の）金属板材から円筒部材２を形成しても良い。

その余は実施例１と同様である。

１ シャフト
２ 円筒部材
３ 連結部材

Claims (10)

1. 円筒部材の端部に連結部材が設けられたシャフトを製造する方法であって、
   金属板材の端面を表面粗さＲａが２μｍ以下となるように研磨する研磨工程と、
   前記金属板材を半円筒状に曲げる曲げ工程と、
   半円筒状に曲げられた一対の前記金属板材を円筒状に配置してその研磨済み端面同士を突き合わせ、当該突き合わせ部を加熱して拡散接合することにより前記円筒部材を形成する拡散接合工程と、
   前記拡散接合工程後の前記円筒部材を冷却する冷却工程と、
   前記連結部材を前記円筒部材の端部に接合する連結部材接合工程と、
   前記拡散接合工程後の前記円筒部材の前記突き合わせ部の内面を切削加工若しくは研磨加工する内仕上げ工程とを含み、
   前記拡散接合工程において、前記一対の半円筒状の金属板材の互いに平行な水平面にした端面同士を直接突き合わせ、この端面同士を該端面と直交する方向から互いに押し付け合うように加圧した状態で該端面全体を拡散接合することを特徴とするシャフトの製造方法。
2. 請求項１記載のシャフトの製造方法において、前記円筒部材と前記連結部材との連結部の外面を仕上げ加工する外仕上げ工程を含むことを特徴とするシャフトの製造方法。
3. 請求項１，２いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記連結部材接合工程は、摩擦圧接または焼き嵌めにより行うことを特徴とするシャフトの製造方法。
4. 請求項３記載のシャフトの製造方法において、前記連結部材接合工程は、前記冷却工程中に行うことを特徴とするシャフトの製造方法。
5. 請求項１～４いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記シャフトはＥＶ用モーターのシャフトであることを特徴とするシャフトの製造方法。
6. 円筒部材の端部に連結部材が設けられたシャフトを製造する方法であって、
   金属板材の端面を研磨する研磨工程と、
   前記金属板材を半円筒状に曲げる曲げ工程と、
   半円筒状に曲げられた一対の前記金属板材を円筒状に配置してその研磨済み端面同士を突き合わせ、当該突き合わせ部を加熱して拡散接合することにより前記円筒部材を形成する拡散接合工程と、
   前記拡散接合工程後の前記円筒部材を冷却する冷却工程と、
   前記冷却工程中に前記連結部材を前記円筒部材の端部に摩擦圧接または焼き嵌めにより接合する連結部材接合工程とを含み、
   前記拡散接合工程において、前記一対の半円筒状の金属板材の互いに平行な水平面にした端面同士を突き合わせ、この端面同士を該端面と直交する方向から互いに押し付け合うように加圧した状態で該端面全体を拡散接合することを特徴とするシャフトの製造方法。
7. 請求項６記載のシャフトの製造方法において、前記研磨工程は、前記金属板材の端面の表面粗さＲａが２μｍ以下となるように研磨することを特徴とするシャフトの製造方法。
8. 請求項６，７いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記円筒部材と前記連結部材との連結部の外面を仕上げ加工する外仕上げ工程を含むことを特徴とするシャフトの製造方法。
9. 請求項６～８いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記円筒部材の前記突き合わせ部の内面を仕上げ加工する内仕上げ工程を含むことを特徴とするシャフトの製造方法。
10. 請求項６～９いずれか１項に記載のシャフトの製造方法において、前記シャフトはＥＶ用モーターのシャフトであることを特徴とするシャフトの製造方法。

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