JP7202978B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、接合体の製造方法に関する。
車両用の操舵装置や懸架装置の部品として、ダイカストにより製造された高強度の金属部品が従来から用いられている。一方で、近年、軽量化の観点から、部品の一部を樹脂材料で形成し、その樹脂部品を金属部品に接合して成る接合体が開発されている(下記特許文献1を参照)。
特開2015-145100号公報
ところで、ダイカストにより製造されたアルミニウム合金製の金属部品は、ダイカスト用アルミニウム合金に含まれる銅の成分比率が高く、耐食性に劣る。このため、金属部品において樹脂部品が接合する接合部が腐食し、樹脂部品が分離するおそれがある。
本発明は、このような課題を解決するために創作されたものであり、樹脂材料が接合する接合部の耐食性を向上させることができる接合体の製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明に係る接合体の製造方法は、金属部品と樹脂部品との接合体を製造する接合体の製造方法であり、ダイカストにより製造されたアルミニウム合金製の前記金属部品を準備する準備工程と、展伸用アルミニウム合金を溶着させて前記金属部品に接合部を形成する接合部形成工程と、前記樹脂部品を前記接合部に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、展伸用アルミニウム合金からなる接合部は耐食性に優れる。よって、接合部から樹脂部品が分離するおそれが低減する。
接合体を説明するための概略断面図である。 第1実施形態の準備工程においてダイカストにより製造された金属部品の断面図である。 第1実施形態の接合部形成工程において肉盛り部を形成した後の状態を示す断面図である。 第1実施形態の接合部形成工程において肉盛り部を成形した後の状態を示す断面図である。 第1実施形態の接合工程において超音波溶着機の起動開始直後の状態を示す断面図である。 第1実施形態の接合工程において樹脂部品が溶融し始めた時点の状態を示す断面図である。 第2実施形態における接合工程の開始直後の状態を示す断面図である。 第3実施形態の接合部形成工程において肉盛り部を成形した後の状態を示す断面図である。 第3実施形態の製造方法により製造された接合体の断面図である。 第4実施形態における接合部形成工程を説明する図面である。 第5実施形態における接合部形成工程を説明する図面である。 第6実施形態における接合工程を説明する図面である。
次に本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。また、各実施の形態で共通する技術的要素には、共通の符号を付し、説明を省略する。最初に、図1を参照しながら接合体1について説明する。
(接合体)
接合体1は、車両に搭載される操舵装置や緩衝装置の一部品であり、例えば、操舵装置においてラック軸を収容するラックカバーや緩衝装置においてシリンダの外筒に適用可能である。
図1に示すように、接合体1は、金属材料により形成された金属部品2と、樹脂材料により形成され金属部品2に接合される樹脂部品3と、を備えている。金属部品2は、ダイカストにより製造され、樹脂部品3は、例えば熱可塑性樹脂により形成されている。
金属部品2は、接合体1で骨格を成す役割を有する一方で、樹脂部品3は、金属部品2の外表面に配置され配線等を支持する役割を有する部品である。
実施形態の金属部品2は、一方向に延在する長尺状のものである。金属部品2の一端部2aの上面側には、金属部品2の材料とは異なる金属材料(異種金属材料)により形成された接合部4と保護部5とが形成されている。
接合部4は、樹脂部品3が接合する部位である。接合部4の上面には、上方に突出しつつ階段状に形成された凸部4aが形成されている。
凸部4aは、樹脂部品3との接合面積を大きくするためのものであり、凸部4aの頂部4bが樹脂部品3内に入り込んでいる。
保護部5は、接合部4に隣接しており、接合部4の周囲を囲っている(図1において接合部4の一端側と他端側にある保護部のみを図示)。
なお、金属部品2と樹脂部品3との接合方式は特に限定されるものではない。接合方式としては、例えば、接着剤による接着、樹脂の溶融による溶着、あるいはインサート成型による接合などが挙げられる。
次に、第1実施形態の接合体1の製造方法について説明する。第1実施形態では、接合方式として溶着を例にとって説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態における接合体1の製造方法は、金属部品2と樹脂部品3を準備する準備工程と、金属部品2に接合部4を形成する接合部形成工程と、接合部4に樹脂部品3を溶着にて接合させる接合工程と、を含んでいる。
(準備工程)
準備工程において、ダイカスト用アルミニウム合金を材料とし、ダイカストにより金属部品2を製造する。
ダイカスト用アルミニウム合金としては、ADC1材、ADC3、ADC5、ADC6、ADC10、ADC10Z、ADC12、ADC12Z、ADC14が挙げられる。
図2に示すように、ダイカストにより金属部品2を製造する際、金属部品2の一端部2aの外表面2b側に、接合部4及び保護部5を形成するための凹部2cを形成しておく。
また、準備工程において、熱可塑性樹脂を材料として、射出成形により樹脂部品3を製造する。なお、本発明において樹脂部品3の製造方法は、射出成形に限定されず、押出成形、圧縮成形であってもよい。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン(PE),ポリプロピレン(PP),ポリフェニレンスルファイド(PPS),ポリエーテルケトン(PEEK)などの熱可塑性樹脂が挙げられる。
また、樹脂部品3は、下面3a(接合部4と接合する接合面)が平面に形成されたものを準備する(図5参照)。
なお、本発明における樹脂部品3は、熱可塑性樹脂内に繊維を含んだ繊維強化樹脂シートを材料としてもよい。
(接合部形成工程)
接合部形成工程は、金属部品2の凹部2cに肉盛り部7を形成する肉盛り部形成工程と、肉盛り部7にレーザを照射して成形する成形工程と、を含んでいる。
図3に示すように、肉盛り部形成工程は、レーザ照射ユニット8でレーザを照射して線材6を溶融させることにより(レーザクラッディングにより)、凹部2cに肉盛り部7を形成する。
線材6は、展伸用アルミニウム合金を用いている。展伸用アルミニウム合金としては、例えば、1000系、3000系、5000系、6000系のアルミニウム合金が挙げられる。このうち、5000系のアルミニウム合金は、耐食性に優れるので好適である。また、第1実施形態では展伸用アルミニウム合金を線状(棒状)にした線材6を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、粉末状のアルミニウム合金を用いてもよい。粉末状のアルミニウム合金については第5実施形態で後に詳しく説明する。
肉盛り部7は、金属部品2の外表面2bよりも外側(上側)に突出するように形成する。
成形工程は、レーザ照射ユニット8を移動して肉盛り部7において除去する部位にレーザの焦点を合わせ、肉盛り部7の上面を成形する。
図4に示すように、肉盛り部7のうち保護部5を構成する部位には、レーザを照射して平坦面とし、保護部5と金属部品2の外表面2bとに段差が生じないようにしている。
肉盛り部7のうち接合部4を構成する部位には、中央部よりも端部を多く除去して凸部4aを形成する。また、レーザ照射ユニット8を移動させて(図4の矢印A参照)、凸部4aの外形を階段状に形成する。
また、本工程において、凸部4aの上面にさらにレーザを照射し、微細な凹凸を形成する。この凹凸によれば、接合工程で溶融した樹脂が微細な凹凸内に入り込んで固着強度が向上する。なお、この微細加工は、レーザの照射以外にエッチング処理によって形成してもよい。
(接合工程)
図5に示すように、接合工程は、樹脂部品3の下面(接合面)3aを接合部4の凸部4aの頂部4bに当接させた状態で、外的加熱装置により樹脂部品3と接合部4が圧縮するような荷重を加えながら樹脂部品3の下面3aを溶融させ、樹脂部品3と接合部4を溶着する工程である。
外的加熱装置は、溶融させる部位(樹脂部品3の下面3a)に接触することなく溶融させることができる装置である。第1実施形態では、外的加熱装置として超音波溶着機を用いている。超音波溶着機は、樹脂部品3と接合部4との接触面で摩擦熱を発生させて樹脂部品3の下面3aを形成する樹脂を溶融させる摩擦熱溶着装置の一つである。
具体的に説明すると、超音波溶着機は、電気エネルギを機械的振動エネルギに変換し、その機械的振動をホーン10を介して部品に伝達して部品同士の接触面で摩擦熱を発生させる装置である。また、超音波溶着機は、上記振動機能の他に、ホーン10に当接する部品(樹脂部品3)を加圧し、樹脂部品3と接合部4が圧縮するような荷重を生成している。なお、本工程において、金属部品2を載置台11に載せて固定する。
具体的には、超音波溶着機が起動すると、ホーン10は、樹脂部品3に荷重をかけながら(図5の矢印B参照)、上下に振動をする。これにより、樹脂部品3が上下に振動し(図5の矢印C参照)、樹脂部品3の下面(接合面)3aと凸部4aとの界面で摩擦熱が発生する。そして、摩擦熱が所定温度を超えると、下面3aが溶融する。
図5に示すように、接合工程の開始直後、凸部4aの頂部4bのみが下面3aに当接していることから、下面3aにおいて溶融する部位は下面3aの中央部のみとなる。
そして、ホーン10の加圧力により凸部4aの頂部4bが溶融した部位(下面3aの中央部)に圧入されると、図6に示すように、凸部4aの頂部4bの周囲が下面3aと接触する。このように、第1実施形態では、樹脂部品3の下面3aは、中央部から端部側に向って次第に溶融するようになっている。
次に、下面3aの全てが溶融して凸部4aの全てが下面3aに圧入したら、超音波溶着機を停止させる。これにより溶融した樹脂が凝固し、樹脂部品3と接合部4とが溶着し、接合体1が完成する(図1参照)。
以上、第1実施形態の製造方法によれば、接合部4が展伸用アルミニウム合金により形成され、耐食性が向上している。よって、接合部4が腐食して樹脂部品3が分離する、ということを防止することができる。
また、接合部4を支持する金属部品2の一端部2aは、保護部5により保護されている。よって、金属部品2の一端部2aが腐食して接合部4ごと樹脂部品3が金属部品2から分離する、ということを長期間に亘って防止することができる。
また、接合部4及び保護部5は、金属部品2と同じアルミニウム合金で形成され、電蝕が生じ難い。
また、接合部4の接合面には、凸部4aが形成されて樹脂部品3との溶着面積が拡大しており、溶着強度が向上している。
また、本実施形態の接合工程によれば、樹脂部品3の下面3aにおいて中央部から端部に向って順に溶融するため、樹脂部品3と接合部4との間に介在する空気は周囲に逃げ易い。よって、溶着部位に空気が残留し難く、接合部4に対する樹脂部品3の溶着強度が高い。
以上、第1実施形態について説明した。なお、第1実施形態において超音波溶着機のホーン10を樹脂部品3の上面に当接するように用いているが、本発明は、ホーン10を金属部品2に当接させ、接合部4を樹脂部品3側に押圧するように用いてもよい。
そのほか、第1実施形態では、摩擦熱溶着装置として、樹脂部品3に対し上下に振動する超音波溶着装置を用いた例を挙げたが、樹脂部品3の下面3aに沿った面方向の振動を与えて摩擦熱を発生させる超音波溶着装置であってもよい。また、本発明の外的加熱装置は、摩擦熱溶着装置(超音波溶着装置)に限定されない。以下、他の外的加熱装置を用いた例を説明する。
(第2実施形態)
第2実施形態における接合体1の製造方法は、金属部品2と樹脂部品3を準備する準備工程と、金属部品2に接合部4を形成する接合部形成工程と、接合部4に樹脂部品3を溶着させる接合工程と、を含んでいる。なお、第2実施形態の準備工程と接合部形成工程は、第1実施形態の準備工程と接合部形成工程と同じであるため、説明を省略する。
(接合工程)
図7に示すように、第2実施形態の接合工程において、外的加熱装置は、樹脂部品3を接合部4に向って押圧する加圧装置20と、接合部4を発熱させるための高周波誘導装置とを備えている。また、第2実施形態では、固定用治具22によって浮いた状態で金属部品2が固定されている。
加圧装置20は、樹脂部品3の上面を押圧し、樹脂部品3の下面3aと接合部4の凸部4aとを圧縮するような荷重をかけるための装置である。
高周波誘導装置は、環状のコイル部21を備え、コイル部21内の中心に接合部4を配置し、電磁誘導により接合部4に渦電流を発生させて発熱させる装置である。
よって、高周波誘導装置を起動させてコイル部21に電流を流すと、接合部4が電磁誘導により発熱する。これによれば、発熱する接合部4を押し付けられた樹脂部品3の下面3aが溶融し、凸部4aが溶融した部位に圧入する。そして、下面3aの全てが溶融し、凸部4aの全てが下面3aに圧入したら、高周波誘導装置を停止させる。これにより溶融した樹脂が凝固し、樹脂部品3と接合部4とが溶着し、接合体1が完成する。
以上、第2実施形態の接合体1の製造方法によっても、第1実施形態と同様な効果を得ることができる。
(第3実施形態)
第3実施形態における接合体31の製造方法は、金属部品32と樹脂部品3を準備する準備工程と、金属部品32に接合部34を形成する接合部形成工程と、接合部34に樹脂部品3を溶着させる接合工程と、を含んでいる。なお、第3実施形態の接合工程は、第1実施形態の接合工程と同じであるため、説明を省略する。
図8に示すように、準備工程において、ダイカストにより製造される金属部品32には、接合部4を配置するための凹部が形成されていないものを準備する。
また、接合部形成工程の肉盛り部形成工程において、金属部品32の外表面32aに肉盛り部を形成する。そして、図8に示すように、接合部形成工程の成形工程で、肉盛り部の形状を凸部34aに形成する。つまり、第3実施形態の接合部34は、凸部34aそのものにより構成されている。
以上、第3実施形態によれば、図9に示すように、接合部34が展伸用アルミニウム合金により形成され、耐食性が向上している。よって、接合部34の腐食によって樹脂部品3が分離する、ということを防止することができる。
また、接合部34は、金属部品32と同じアルミニウム合金であり、電蝕が生じ難い。
また、接合部34が凸部34aとなっていることから、溶着部位に空気が残留し難く、接合部34に対する樹脂部品3の溶着強度が高い。
以上、各実施形態について説明したが、本発明は実施形態で説明した例に限定されない。例えば、接合部形成工程において、本発明はろう付けにより肉盛り部を形成してもよい。また、接合部形成工程は、成形工程を含んでいるが、肉盛り部形成工程で肉盛り部の形状を所定形状に形成出来る場合には、成形工程を不要としてもよい。
また、接合部は、凸部を備えるようになっているが、接合面が単なる平面となっている接合部であってもよい。
(第4実施形態)
第4実施形態は、接合部形成工程において、肉盛り部形成工程で肉盛り部を所定形状に形成し、肉盛り部の一部を除去する成形工程を不要とした点で、第1実施形態と相違する。なお、第4実施形態における接合部形成工程以外の工程は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第1実施形態と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図10は、第4実施形態における接合部形成工程を説明する図面である。
第4実施形態において、金属部品2の凹部2cには、上面が平坦な保護部5と、上面に凸部4aを備える接合部4と、が設けられている。
第4実施形態の接合部形成工程では、保護部5を形成する領域Aと、接合部4を形成する領域Bとで、加工条件を変化させることで、1回の加工(レーザクラッディング加工)で所定形状の保護部5及び接合部4を形成している。変化させる加工条件としては、例えば、レーザ照射ユニット8から照射するレーザーの出力、レーザーの移動速度、線材6の供給量等が挙げられる。
例えば、領域Bでは、領域Aよりも、レーザーの出力および線材6の供給量を多くするとともに、レーザーの移動速度を遅くすることで、凸部4aを保護部5よりも高く肉盛りすることができる。また、領域B内でさらに加工条件を変化させることにより、凸部4aの中央部を縁部よりも高く肉盛りすることができる。
また、図10に示す矢印Yのように、接合部4の形状に対応するように線材6を蛇行させながらレーザーを照射すれば、1回の(連続的な)加工で山状の接合部4を形成することができる。第4実施形態では、線材6を左右に蛇行させながら徐々に移動量を少なくして上方に移動させている。この場合、領域Aと領域Bでレーザーの出力等を必ずしも変化させなくてもよいが、領域Aよりも領域Bの方が加工回数(線材6の往復回数)が多くなる。
なお、第4実施形態では、保護部5の上面が金属部品2の上面よりも高くなっているが、図4に示す第1実施形態のように、保護部5の上面と金属部品2の上面とを面一に形成してもよい。
第4実施形態によれば、1回の加工で所定形状の保護部5及び接合部4を形成することができるので、製造工程を短縮して生産効率を向上することができる。また、肉盛り部の一部を除去する成形工程が不要になるので、材料を節約することができる。
(第5実施形態)
第5実施形態は、接合部形成工程において線材6ではなく粉末状のアルミニウム合金を供給している点で、第1~第4実施形態と相違する。なお、第5実施形態は、アルミニウム合金が粉末状である点以外は、他の実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第1実施形態と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図11は、第5実施形態における接合部形成工程を説明する図面である。
図11に示すように、第5実施形態の接合部形成工程では、ノズル61からアルミニウム合金の粉体63を噴射し、この粉体63にレーザ照射ユニット8からレーザーを照射している。そして、レーザーの照射によって溶融した粉体63が冷えて固まることで、保護部5及び接合部4が形成されている。
粉体63を基材として形成された接合部4(凸部4a)の表面には、線材6を基材とした場合よりも微細な凹凸が形成されている。また、保護部5の表面にも微細な凹凸が形成されている。この微細な凹凸によって樹脂部品3(図1参照)に対するアンカー効果が高まるので、接合部4に樹脂部品3を強固かつ安定して接合することができる。
なお、念のために付言するが、第5実施形態の接合部形成工程において粉体63を用いて接合部4及び保護部5を形成する手法は、第1実施形態のように肉盛りした後に不要な部分をレーザーで除去してもよいし、第4実施形態のように加工条件を変化させて所望の形状を一度に形成してもよい。
(第6実施形態)
第6実施形態は、接合工程において金型内に接合部4をインサートした状態で樹脂部品3を射出成型することにより、接合部4に樹脂部品3を接合する点で、第1~第4実施形態と相違する。なお、第6実施形態は、接合工程以外は、他の実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第1実施形態と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図12は、第6実施形態における接合工程を説明する図面である。
図12に示すように、第6実施形態の接合工程では、樹脂部品3を射出成型するために金型100を用いる。金型100は、下型101と上型102とを備えている。下型101は、接合部4を有する金属部品2を設置するための凹部101aを有する。上型102は、樹脂部品3を成形するためのキャビティ102aを有する。
金属部品2を凹部101aに設置し、下型101と上型102とを型閉じした状態で、金属部品2の接合部4および保護部5は、キャビティ102a内に露出している。これにより、金型100にインサートされた金属部品2の接合部4および保護部5が、キャビティ102aのキャビティ面の一部を構成する。
次に、金型100に接合部4および保護部5をインサートした状態で、上型102のゲート102bから溶融樹脂を射出し、キャビティ102a内を溶融樹脂で充填する。この溶融樹脂が冷え固まって樹脂部品3となる際に、接合部4および保護部5の表面に樹脂部品3の下面が溶着する。
第6実施形態の接合工程によれば、樹脂部品3の射出成型と接合部4への接合(溶着)を同時に行うことができる。これにより、樹脂部品3の準備工程が不要となる。その結果、製造工程を短縮して生産効率を向上することができる。
なお、念のために付言するが、第6実施形態で金型100にインサートされる接合部4及び保護部5は、第1実施形態のように線材6を用いて形成してもよいし、第5実施形態のように粉体63を用いて形成してもよい。また、接合部4及び保護部5を形成する手法も何ら限定されるものではなく、第1実施形態や第4実施形態で説明した手法等を適宜採用することができる。
1 接合体
2,32 金属部品
3 樹脂部品
4,34 接合部
4a 凸部
5 保護部
6 線材
7 肉盛り部
8 レーザ照射ユニット
10 ホーン
10Z ADC
20 加圧装置
21 コイル部

Claims (4)

  1. 金属部品と樹脂部品との接合体を製造する接合体の製造方法であり、
    ダイカストにより製造されたアルミニウム合金製の前記金属部品を準備する準備工程と、
    展伸用アルミニウム合金を溶着させて前記金属部品に接合部を形成する接合部形成工程と、
    前記樹脂部品を前記接合部に接合する接合工程と、
    を含むことを特徴とする接合体の製造方法。
  2. 前記接合部形成工程は、前記接合部を形成するとともに、前記接合部の周囲に前記展伸用アルミニウム合金を溶着させて前記金属部品の腐食を抑制する保護部を形成することを特徴とする請求項1の接合体の製造方法。
  3. 前記接合部の接合面は、縁部よりも中央部が前記樹脂部品側に突出していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の接合体の製造方法。
  4. 金属部品と樹脂部品との接合体を製造する接合体の製造方法であり、
    ダイカストにより製造されたアルミニウム合金製の前記金属部品を準備する準備工程と、
    展伸用アルミニウム合金を溶着させて前記金属部品に接合部を形成する接合部形成工程と、
    金型内に前記接合部をインサートした状態で前記樹脂部品を射出成型することにより、前記接合部に前記樹脂部品を接合する接合工程と、
    を含むことを特徴とする接合体の製造方法。
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