JPH04274884A - 窒化珪素製セラミックガイドピン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車の車体、パネル
などにナット等の小物物品を溶接するプロジェクション
溶接機等に用いられるセラミックガイドピン及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の車体などにナット等の小物物品
を取り付ける方法として、プロジェクション溶接機によ
るスポット溶接が一般的に行なわれている。ナットは、
円筒状電極の中央部より突出したガイドピンの先端部に
嵌め込まれた後、ガイドピンに嵌め込まれたままの状態
でナットとパネル（車体）が上下電極により押し付けら
れ、溶接されるが、ガイドピンとナット間にアークが発
生し溶損するのでガイドピンは絶縁されている。

【０００３】通常使用されている金属製ガイドピンは、
表面にＡｌ２　Ｏ３　被膜を酸化処理や溶射により形成
して絶縁している。このような金属製ガイドピンは、表
面層の硬度がヌープ硬度で数ＧＰａ程度と低く耐摩耗性
に劣るため、ナット案内時の摩擦やかじり等により絶縁
膜が剥離し、絶縁不良を起し易いのでガイドピンの早期
の交換が必要となる。

【０００４】また、ガイドピンに投入されたナットが傾
斜していると、金属製ガイドピン案内面の表面粗さはＲ
ｍａｘ　３０〜３５μｍと非常に粗く、滑りが悪いので
そのままの状態、即ち片当りのまま押し付けられること
となり、ガイドピンが折損することはないものの、ナッ
トが当っている部分が凹んで変形したり、あるいはナッ
トのコーナー部によるかじり摩耗のため絶縁被膜が剥離
し、その結果絶縁不良を起すこととなる。その結果、さ
らにナットは傾いたまま、あるいは真の位置からずれて
プレートに溶接されるためナット溶接不良が多発するこ
ととなり、ガイドピンは折損していなくても使用不能と
なってしまう。

【０００５】そのため最近では胞性材料ではあるが、ヌ
ープ硬度で１４〜１６ＧＰａの高硬度を有し、絶縁性、
耐熱性に優れたセラミック製ガイドピンが提案されてい
る。本発明者等も金属製ガイドピンに比べ、使用回数が
５万回以上と数倍の耐久性を持つセラミック製ガイドピ
ンを特開平１−２２１４７５号で提案した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１−２２１４７５号で提案したセラミック製ガイドピン
は金属製ガイドピンに比べて耐久性は２〜５倍あるもの
の、製造コストが約２５倍と高く、工業的には決して有
利といえるものではなかった。製造コストを高くしてい
る最大の原因は焼結後の研削加工工程であり、ダイヤモ
ンド砥石を用いて精密な仕上げ加工を毒するので加工時
間が長くなり、製造効率が悪い（量産性に乏しい）こと
にある。

【０００７】そこで、本発明者は焼結後の研削加工工程
を簡略化すべくセラミックガイドピンの加工仕上げ面、
即ち表面粗さ　（Ｒｍａｘ）と耐久性について種々検討
したところ、必ずしも表面粗さと耐久性が比例しないこ
とを知見した。即ち、折損したセラミックガイドピン１
０を観察すると、案内部のテーパー部１１（図１参照）
から斜め下方に向って破断しており、この原因は電極で
ナットが押し付けられた時、ナットがガイドピン案内面
の正しい位置まで滑らず傾斜した状態であると片当りし
、このため破損することが判明した。

【０００８】そしてさらに検討を進めた結果、セラミッ
クガイドピンの耐久性は表面粗さでなく、表面のなだら
かさ或いは滑らかさに依存することを見出したのである
。そうとすると、焼結後の研削加工工程として、表面粗
さが所定以下となるまで精密に仕上げ加工することは必
要なく、表面のなだらかさを確保するように研磨するこ
とでナットの滑りをよくすることが重要となる。尚、こ
こでいう表面粗さとは、ガイドピン案内面を軸方向、つ
まりナットのメリ込む方向に測定したときの表面粗さで
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記知見に基づ
くものであり、本発明によれば、セラミックガイドピン
であって、少なくともその案内部表面形状を微視的にみ
た場合において、外方に突出した凸部の頂上部がなだら
かな曲面状を呈することを特徴とするセラミックガイド
ピンが提供される。

【００１０】本発明のセラミックガイドピンにおいては
、外方に突出した凸部の少なくともナットが当接する頂
上部をなだらかな曲面状に形成することが、ナットの滑
りをよくし好ましい。さらに本発明では、案内部表面を
ナット滑り方向に表面粗さを測定したとき、その中心線
深さＲｐが３μｍ以下となるように形成することが好ま
しい。尚、凸部頂上部のなだらかな曲面状とは、軸方向
のみならず、いずれの方向から見てもなだらかな曲面状
態をいう。

【００１１】また本発明によれば、製品寸法に焼成割掛
率を掛けた大きさに成形又は機械加工して形成したセラ
ミックガイドピン成形体を焼結した後、バレル研磨する
ことを特徴とするセラミックガイドピンの製造方法が提
供される。通常、成形体を機械加工する場合、旋盤でバ
イト切削加工されるが、この時加工条痕はサンドペーパ
ーや乾布などで取り除いておく必要がある。尚、本発明
ではセラミックガイドピンと称するが、同じ機能のもの
でも実際には位置決めピンあるいは溶接治具等名称が異
なる場合があり、これらも包含するものである。

【００１２】

【作用】本発明は、上記したように、セラミックガイド
ピンの破損の原因が、電極でナットが押し付けられた際
にナットが滑らず傾斜した状態で片当りすることにある
ことを見出したことに基づく。

【００１３】すなわち、セラミックガイドピンの表面粗
さを鏡面に近づけるほど摩擦抵抗が減少するので、ナッ
トの滑りは良好になることは当業者に常識であるが、一
方、表面粗さが後述の実施例の如く、表面粗さＲｍａｘ
　０．１μｍ以下の鏡面仕上げ品と表面粗さＲｍａｘ　
３〜９μｍ程度のバレル研磨でも、ナットの滑り特性は
殆ど変わらないのである。

【００１４】これをより子細に検討すると、セラミック
ガイドピンの表面形状を微視的にみた場合において、図
２〜図４に示すように、表面粗さが所定以下であれば、
その値に拘らず、外方に突出した凸部の頂上部をなだら
かな曲面状に形成すると、ナットの滑り特性は殆ど変わ
らなく良好である。

【００１５】また、本発明では、製品寸法に焼成割掛率
を掛けた大きさの成形体を作製し、これを焼結した後に
、バレル研磨を施してセラミックガイドピンを製造する
ことにより、ナットの滑り特性を維持しつつ、セラミッ
クガイドピンの製造効率を上げ、量産性を向上させるこ
とを可能とした。

【００１６】また、本発明によって得られたセラミック
ガイドピンを用いることにより、ナットの溶接不良発生
頻度は低減し、かつ耐久性が向上するので、プロジェク
ション溶接における生産性が向上し、ガイドピン交換回
数も減り、メンテナンスコストの低減も可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳し
く説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるもの
ではない。

【００１８】（実施例１）イットリア、マグネシア等の
焼結助剤を添加したＳｉ３Ｎ４　造粒粉末を少なくとも
１ｔｏｎ／ｃｍ２　以上の圧力により円柱状にラバープ
レス成形し、焼結収縮を見込んだ図１に示すガイドピン
所定形状（Ｍ６用）に旋盤により切削加工し、サンドペ
ーパーで表面を特に案内面について加工条痕がなくなる
まで仕上げ加工を行い、バインダー除去後窒素雰囲気下
１７００℃で焼成した。ガイドピン形状は大方金属製ガ
イドピンと同一であるが、ワークの衝突による機械的衝
撃に対する構造強度を向上させるため、根元部ＲはＲ１
以上になるよう切削加工形成した。

【００１９】次いで上記所定のガイドピン形状にある焼
結体を７．５リットルの六角柱状鋼製容器内に５０個入
れ、さらにφ３ｍｍ〜φ５ｍｍのアルミナボールメディ
アを容器６０　ｖｏｌ％になるまで投入し、さらに水を
加えて８０　ｖｏｌ％とし、これに微量の界面活性剤を
加えて容器を閉じ、チップトン社製遠心バレル研磨機に
セットし、回転数１５０〜２００ｒｐｍ　にて１０分間
以上回転させ、ガイドピンの表面バレル処理を行った。

【００２０】このようにして製作したＳｉ３　Ｎ４　製
バレル処理ガイドピンを、特開平１−２２４１７５号に
示す方法と同様の方法にてナットのプロジェクション溶
接に用い、並行して従来用いられていた金属製ガイドピ
ン（ＫＣＦ）及びＳｉ３　Ｎ４　材料を用いて焼結後の
機械加工により表面粗さを種々変えたガイドピンについ
ても同様にナット溶接に使用した。

【００２１】１万回当たりの平均ナット溶接不良発生数
と電食摩耗、変形、折損等によるガイドピン寿命を、試
験中１万回毎に装置を止め、損傷状況を確認しつつ比較
した。結果を表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】従来品のメタルガイドピンはナットの溶接
不良発生頻度が多く、耐久性が２〜５万回であるが、本
発明によるＳｉ３　Ｎ４　製ガイドピンはナット溶接不
良もほとんどなく、耐久性は１５万回使用しても何ら損
傷は認められず、溶接不良発生頻度（メタルの約１／１
０）、耐久性（メタルの３倍以上）ではＳｉ３　Ｎ４　
製＃４００加工品及び鏡面研磨品と同等の性能を有して
いることが判明した。

【００２４】さらに製造コストを安価にするため、前述
の製造工程においてバレル研磨を止めた全面焼結面のＳ
ｉ３　Ｎ４　ガイドピンを製作し試験に供したところ、
バレル研磨品よりもナット溶接不良が多く、耐久性も低
下した。すなわち、ナット溶接不良が多くなることはナ
ットの傾斜、位置ずれが多くなり、ガイドピンに対して
ナットが片当り状態で加圧される頻度が増えるため、耐
久性の低下につながることが判明した。

【００２５】これらガイドピンの案内部の表面粗さをラ
ンクテーラーホブソン社製フォームタリサーフにより測
定したところ、メタルガイドピンはＲｍａｘ　３０〜３
５μｍと非常に粗く、Ｓｉ３　Ｎ４　製焼成品はＲｍａ
ｘ　５〜１１μｍ，Ｓｉ３　Ｎ４　製バレル処理品はＲ
ｍａｘ　３〜９μｍ，Ｓｉ３　Ｎ４　製＃４００加工品
はＲｍａｘ　２〜３μｍ，Ｓｉ３　Ｎ４　製鏡面研磨品
はＲｍａｘ　０．１μｍ以下であった。 鏡面品に対しバレル品はＲｍａｘ　で３〜９μｍも粗い
のにもかかわらず、ガイドピンとしては同等の性能を有
しているのに対し、焼成面品とバレル品のＲｍａｘ　に
はバレル品が全体的に２μｍ程小さくなるだけで大差が
ないにもかかわらず、ガイドピンの性能に明らかな差が
生じており、表面粗さＲｍａｘ　だけではガイドピンの
性能は決定されないことが判明した。

【００２６】そこで、表面粗さ曲線等を詳細に検討した
結果、以下の知見を得た。焼成面品の粗さ曲線とバレル
品の粗さ曲線を比較したところ、図２〜４（本発明）、
図５〜７に示すように焼成面品の粗さ曲線の山には微小
凸起が多数見られ、山が凹凸状になっているのに対し、
バレル品では微小凸起先端が丸められ、山が滑らかに形
成されていることがわかった。さらに焼成面及びバレル
研磨面のナットとの静止摩擦係数はバレル研磨面では焼
結面よりも半減することがわかった。

【００２７】つまり、ナットがガイドピン案内面を滑る
場合、案内面表面の山の部分のみがナットの滑りに影響
を及ぼし、谷の部分は関係なく、すなわち表面粗さＲｍ
ａｘ　とナットの滑り具合とは何ら関係ないのである。 ナットの滑り具合に影響を及ぼすのは山の高さ、すなわ
ち中心線から上の部分であり、表面粗さＲｐ（中心線深
さ）で表わされる値と山の形状すなわち滑らかさであり
、＃４００研削加工あるいは鏡面研磨面のような精密仕
上げの必要はないことを見い出したものである。

【００２８】さらに表面粗さＲｐとの関係を明確にする
ため、Ｓｉ３　Ｎ４　焼結体を＃２４０ダイヤモンド砥
石加工を施しバレル処理したガイドピンをナットのプロ
ジェクション溶接に供した結果、ナットの溶接不良発生
率は焼成面品の２倍と逆に悪化した。＃２４０加工とバ
レル処理品案内面の表面粗さはＲｐ２〜４μｍ，Ｒｍａ
ｘ　５〜７μｍであった。したがって、バレル品の表面
粗さがＲｐ１〜３μｍ，焼成面品ではＲｐ３〜５μｍな
ので、山の高さはＲｐ３μｍ以下であることが好ましい
。また、これは前述したように山頂上がなだらかである
ことが前提であることは言うまでもない。

【００２９】研削あるいは鏡面研磨品ではそのコストは
メタルの約２５倍以上と高価なため工業的には実用でき
ないが、本発明によればコストはメタルの２〜４倍と比
較的安価になり工業的にも十分実用可能なレベルであり
、ナット溶接不良発生頻度の大幅低減、耐久性の向上を
考慮すればメタルよりも十二分にメリットがあることは
明白である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
少なくともその案内部表面形状を微視的にみた場合に、
外方に突出した凸部の頂上部がなだらかな曲面状を呈す
るように、案内部表面形状を形成したので、ナットの滑
り特性を維持し、耐久性が向上した製造効率の高いセラ
ミックガイドピンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミックガイドピンの一例を示す側面図であ
る。

【図２】本発明のセラミックガイドピンの表面粗さ曲線
の一例を示すグラフである。

【図３】本発明のセラミックガイドピンの表面粗さ曲線
の一例を示すグラフである。

【図４】本発明のセラミックガイドピンの表面粗さ曲線
の一例を示すグラフである。

【図５】焼成面品のセラミックガイドピンの表面粗さ曲
線の一例を示すグラフである。

【図６】焼成面品のセラミックガイドピンの表面粗さ曲
線の一例を示すグラフである。

【図７】焼成面品のセラミックガイドピンの表面粗さ曲
線の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１０　　ガイドピン １１　　ナット案内部のテーパー部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　セラミックガイドピンであって、少な
   くともその案内部表面形状を微視的にみた場合において
   、外方に突出した凸部の頂上部がなだらかな曲面状を呈
   することを特徴とするセラミックガイドピン。
2. 【請求項２】　　外方に突出した凸部の少なくともナッ
   トが当接する頂上部が、なだらかな曲面状であることを
   特徴とする請求項１のセラミックガイドピン。
3. 【請求項３】　　案内部表面をナット滑り方向に表面粗
   さを測定したとき、その中心線深さＲｐが３μｍ以下で
   あることを特徴とする請求項１のセラミックガイドピン
   。
4. 【請求項４】　　製品寸法に焼成割掛率を掛けた大きさ
   に成形又は機械加工して形成したセラミックガイドピン
   成形体を焼結した後、バレル研磨することを特徴とする
   セラミックガイドピンの製造方法。