JPH0562540U - Joint structure of ceramic shaft and metal ring - Google Patents
Joint structure of ceramic shaft and metal ringInfo
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Abstract
(57)【要約】
【目的】セラミックシャフトにかかる圧縮応力及び引張
応力を緩和し、接合後であってもセラミックシャフトの
破損が生じないようなセラミックシャフトと金属リング
の接合構造を提供する。
【構成】 セラミックシャフト部12をはめ込む金属リン
グ部23の内壁面を、セラミックシャフト部12の挿入側に
形成されて挿入側方向に広がる曲率半径の大きなテーパ
面部24と、このテーパ面部24の奥側にこれとスムーズに
連続して形成された円筒状面部25とから形成し、かつ、
金属リング部23におけるテーパ面部の長さＬ1 及びその
曲率半径Ｒを特定の大きさとするとともに、セラミック
シャフト部12と金属リング部23の接合時の接触端をテー
パ面部24内に位置させるように金属リング部23の形状を
設定したセラミックシャフト部と金属リング部との接合
構造である。
(57) [Abstract] [PROBLEMS] To provide a joint structure of a ceramic shaft and a metal ring that relieves compressive stress and tensile stress applied to the ceramic shaft and prevents damage to the ceramic shaft even after joining. [Structure] An inner wall surface of a metal ring portion 23 into which the ceramic shaft portion 12 is fitted is formed on an insertion side of the ceramic shaft portion 12 and has a large curvature radius that spreads in the insertion side direction, and a deep side of the tapered surface portion 24 And a cylindrical surface portion 25 that is formed smoothly and continuously with this, and,
The length L 1 of the tapered surface portion and the radius of curvature R of the metal ring portion 23 are set to a specific size, and the contact end of the ceramic shaft portion 12 and the metal ring portion 23 at the time of joining is located in the tapered surface portion 24. This is a joint structure of a ceramic shaft portion in which the shape of the metal ring portion 23 is set and a metal ring portion.
Description
【０００１】[0001]
本考案はセラミックシャフトと金属リングとの接合構造に関し、特に、セラミ ック製のターボチャージャロータやガスタービンロータ等の部品におけるセラミ ックシャフト（シャフト部）と、金属リングとの接合構造に関する。 The present invention relates to a joint structure between a ceramic shaft and a metal ring, and more particularly to a joint structure between a ceramic shaft (shaft portion) in a component such as a ceramic turbocharger rotor or a gas turbine rotor and a metal ring.
【０００２】[0002]
近年、自動車部品を始めとする種々の機械部品において、金属部品に代わって セラミック製のものが広く使用されるようになってきた。たとえば、セラミック 製のターボチャージャロータやガスタービンロータ等が開発され、一部実用化さ れている。 In recent years, ceramics have been widely used in place of metal parts in various machine parts including automobile parts. For example, ceramic turbocharger rotors and gas turbine rotors have been developed and partially put into practical use.
【０００３】 このようなセラミック部品は金属部品のように溶接により他の部品と接合する ことはできないので、嵌合等により他の金属部品と接合することが行われている 。たとえば、セラミック部品の軸部（以下セラミックシャフトと呼ぶ）を金属製 のリングまたはスリーブ内に嵌入して両者を接合する方法が一般に採用される。 セラミックシャフトと金属リングとを接合する場合には、あらかじめ金属リング の内径をセラミックシャフトの外径よりやや小さく製作しておき、焼ばめや冷し ばめ、あるいは、圧入等の方法により両者を接合する。以上の接合方法のうち、 簡単でかつ無理なく両者を接合するには焼きばめが良い。Since such ceramic parts cannot be joined to other parts by welding like metal parts, they are joined to other metal parts by fitting or the like. For example, a method of fitting a shaft (hereinafter referred to as a ceramic shaft) of a ceramic component into a metal ring or sleeve and joining the two is generally adopted. When joining a ceramic shaft and a metal ring, make the inner diameter of the metal ring a little smaller than the outer diameter of the ceramic shaft in advance, and then fit them by shrink fitting, cold fitting, or press fitting. To join. Of the above joining methods, shrink fitting is the most convenient and easy way to join the two.
【０００４】 ところで、図７に模式的に示すように、セラミックシャフト71を円筒状の（軸 方向に内径が変化しない）金属リング72に嵌入して両者を接合すると、金属リン グ72のシャフト挿入側の端部付近で、セラミックシャフト71に大きな応力集中が 発生することが知られている。この応力集中は主としてセラミックシャフト71の 半径内方向への圧縮応力であり、図７に併せて描いたグラフからわかるように、 セラミックシャフト71と金属リング72との接触端部（点Ａの付近）において最も 大きな圧縮応力がみられる。また、焼きばめにより金属リング72をセラミックシ ャフト71に装着した場合、金属リング72の冷却に伴って金属リング72が軸方向（ 図７における縦方向）にも収縮するため、図７の点Ａ付近において、軸方向の下 方にセラミックシャフト71の表面を引っ張る応力（図７の矢印ｆで示す引張応力 ）が発生する。このため、セラミックシャフト71の特に点Ａ付近において強度が 大きく低下する傾向がみられ、問題となっていた。By the way, as schematically shown in FIG. 7, when the ceramic shaft 71 is fitted into a cylindrical metal ring 72 (the inner diameter of which does not change in the axial direction) and the two are joined, the shaft of the metal ring 72 is inserted. It is known that a large stress concentration occurs on the ceramic shaft 71 near the end on the side. This stress concentration is mainly a compressive stress in the radial direction of the ceramic shaft 71, and as can be seen from the graph drawn together with FIG. 7, the contact end of the ceramic shaft 71 and the metal ring 72 (near point A). The largest compressive stress is observed at. Further, when the metal ring 72 is attached to the ceramic shaft 71 by shrink fitting, the metal ring 72 shrinks in the axial direction (longitudinal direction in FIG. 7) as the metal ring 72 cools. In the vicinity of A, a stress (tensile stress indicated by arrow f in FIG. 7) that pulls the surface of the ceramic shaft 71 is generated downward in the axial direction. As a result, the strength of the ceramic shaft 71 tends to be greatly reduced, especially near point A, which is a problem.
【０００５】 なお、特開昭58−223675号には、セラミックシャフトの接合構造において、上 述したようなセラミックシャフトの強度の低下を緩和する目的で、セラミックシ ャフトと接合する金属製のスリーブ部（金属リングに相当する）の開口近傍の内 壁面を外方に向かって広がるような滑らかなテーパ面とした接合構造が開示され ている。しかしながら、本考案者等の研究によれば、この構造ではテーパ面が金 属リングの内壁面の開口近傍にのみ限定されているため（すなわち、図７に示す 接合構造と実質的に同一となるため）、セラミックシャフトにかかる圧縮応力及 び引張応力の緩和が十分ではなく、セラミックシャフトの破損等を防止するのが 困難であることがわかった。In Japanese Patent Laid-Open No. 223675/1983, a sleeve part made of metal is joined to a ceramic shaft for the purpose of alleviating the above-mentioned decrease in strength of the ceramic shaft in the joining structure of the ceramic shaft. A joint structure is disclosed in which the inner wall surface in the vicinity of the opening (corresponding to a metal ring) has a smooth tapered surface that spreads outward. However, according to the study by the present inventors, in this structure, the tapered surface is limited only to the vicinity of the opening of the inner wall surface of the metal ring (that is, substantially the same as the joining structure shown in FIG. 7). Therefore, it was found that the compressive stress and tensile stress applied to the ceramic shaft were not sufficiently relaxed, and it was difficult to prevent damage to the ceramic shaft.
【０００６】 したがって、本考案の目的は、セラミックシャフトにかかる圧縮応力及び引張 応力を緩和し、接合後であってもセラミックシャフトの破損が生じないようなセ ラミックシャフトと金属リングの接合構造を提供することである。Therefore, an object of the present invention is to provide a joining structure of a ceramic shaft and a metal ring that relieves the compressive stress and tensile stress applied to the ceramic shaft and prevents the ceramic shaft from being damaged even after the joining. It is to be.
【０００７】[0007]
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本考案者等は、セラミックシャフトをはめ込 む金属リングの内壁面を、セラミックシャフトの挿入側に形成されて挿入側方向 に広がる曲率半径の大きなテーパ面部と、このテーパ面部の奥側にこれとスムー ズに連続して形成された円筒状面部とから形成し、かつ、金属リングにおけるテ ーパ面部の長さ及びその曲率半径を特定の大きさとするとともに、セラミックシ ャフトと金属リングの接合時の接触端を前記テーパ面部内に位置させるように金 属リングの形状を設定すれば、セラミックシャフトにかかる圧縮応力及び引張応 力が緩和され、セラミックシャフトの強度低下を防止できることを見出し、本考 案に想到した。 As a result of earnest research in view of the above object, the present inventors have found that the inner wall surface of the metal ring into which the ceramic shaft is fitted has a tapered surface portion formed on the insertion side of the ceramic shaft and having a large radius of curvature that spreads in the insertion side direction. The taper surface portion is formed from this and a cylindrical surface portion that is continuously formed smoothly, and the length and the radius of curvature of the taper surface portion of the metal ring are set to a specific size. If the shape of the metal ring is set so that the contact end at the time of joining the ceramic shaft and the metal ring is located inside the tapered surface, the compressive stress and tensile stress applied to the ceramic shaft will be relaxed and the strength of the ceramic shaft will be reduced. We came up with the present idea by discovering that reduction can be prevented.
【０００８】 すなわち、セラミックシャフトを金属リングに嵌め合わせて接合する本考案の 接合構造は、前記金属リングの内壁面に、前記セラミックシャフトの挿入側に形 成されて前記挿入側方向に広がるテーパ面部と、前記テーパ面部の奥側にこれと スムーズに連続して形成された円筒状面部とが形成されており、前記テーパ面部 の軸線方向の長さＬ1 と、前記金属リングのセラミックシャフト挿入側端部から 前記セラミックシャフトと前記金属リングとの接触面の最奥端部までの長さＬと の比が１／２≦Ｌ1 ／Ｌ＜１となるように前記テーパ面部が形成されており、接 合前の前記金属リングの縦断面における前記テーパ面部の曲率半径Ｒと、接合前 の前記円筒状面部の内径Ｄとの比Ｒ／Ｄが15以上であり、前記セラミックシャフ トと前記金属リングとの接合時の前記セラミックシャフト挿入側の両者の接触端 は、前記テーパ面部内に位置していることを特徴とする。That is, the joining structure of the present invention, in which the ceramic shaft is fitted and joined to the metal ring, has a tapered surface portion formed on the inner wall surface of the metal ring on the insertion side of the ceramic shaft and expanding in the insertion side direction. And a cylindrical surface portion which is formed smoothly and continuously with the tapered surface portion on the inner side, the axial length L 1 of the tapered surface portion and the ceramic shaft insertion side of the metal ring. The tapered surface portion is formed such that the ratio of the length L from the end portion to the deepest end portion of the contact surface between the ceramic shaft and the metal ring is 1/2 ≦ L 1 / L <1. The ratio R / D of the radius of curvature R of the tapered surface portion to the inner diameter D of the cylindrical surface portion before joining in the longitudinal section of the metal ring before joining is 15 or more, and the ceramic shaft The ceramic shaft insertion side of both contact ends at the time of joining with the metal ring, and being located in said tapered surface portion.
【０００９】[0009]
以下図面を参照して本考案を詳細に説明する。 図１は本考案の一実施例によるセラミック部材と金属部材との接合構造を示す 部分断面図であり、セラミックロータ１と金属リング部23を有する金属部材２と の接合構造を示している。セラミックロータ１は羽根部11と円柱状のシャフト部 （以下これをセラミックシャフトと呼ぶ）12とを有し、このセラミックシャフト 12に金属部材２が接合している。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial sectional view showing a joint structure between a ceramic member and a metal member according to an embodiment of the present invention, showing a joint structure between a ceramic rotor 1 and a metal member 2 having a metal ring portion 23. The ceramic rotor 1 has a blade portion 11 and a cylindrical shaft portion (hereinafter referred to as a ceramic shaft) 12, and a metal member 2 is joined to the ceramic shaft 12.
【００１０】 金属部材２は、棒状の軸部22とこの軸部22の端部に設けられた金属リング部23 とを有する。詳しくは後述するが、セラミックロータ１と接合する前の金属リン グ部23の内壁面は、セラミックロータ１の挿入側（図１における上側）に設けら れたテーパ面部と、そのテーパ面部の下方に設けられた円筒状面部（ここで円筒 状面部とは、軸方向に内径が変化しない筒状の曲面部を指す）とからなる。The metal member 2 has a rod-shaped shaft portion 22 and a metal ring portion 23 provided at an end portion of the shaft portion 22. As will be described later in detail, the inner wall surface of the metal ring portion 23 before being joined to the ceramic rotor 1 has a tapered surface portion provided on the insertion side (upper side in FIG. 1) of the ceramic rotor 1 and a lower surface of the tapered surface portion. And a cylindrical surface portion (here, the cylindrical surface portion refers to a cylindrical curved surface portion whose inner diameter does not change in the axial direction).
【００１１】 金属リング部23は、棒状の軸部22に同軸的に取り付けられており、この金属リ ング部23に接合したセラミックロータ１と金属部材２の軸部22とは同一の軸線を 有するように接合している。なお、金属部材２において、金属リング部23は棒状 の軸部22の端面に電子ビーム溶接等により固着している（図中の直線ｔ1 の部位 において溶接が施されている）が、この固着（溶接）は、セラミックロータ１と 金属リング部23とを接合した後に行ってもよいし、金属リング部23にセラミック ロータ１のセラミックシャフト12を嵌入する前に行ってもよい。The metal ring portion 23 is coaxially attached to the rod-shaped shaft portion 22, and the ceramic rotor 1 and the shaft portion 22 of the metal member 2 joined to the metal ring portion 23 have the same axis. Are joined like. In addition, in the metal member 2, the metal ring portion 23 is fixed to the end surface of the rod-shaped shaft portion 22 by electron beam welding or the like (welding is performed at the portion of the straight line t 1 in the figure). The (welding) may be performed after joining the ceramic rotor 1 and the metal ring portion 23, or before inserting the ceramic shaft 12 of the ceramic rotor 1 into the metal ring portion 23.
【００１２】 次に、金属リング部23とセラミックロータ１のセラミックシャフト12との接合 構造についてさらに詳細に説明する。図２は接合前（セラミックシャフト12の挿 入前）の金属リング部23の形状を示す部分断面図であり、図３はこの金属リング 部23にセラミックシャフト12を挿入して接合した状態を示す部分断面図である。 なお、図２には、この金属リング部23に嵌入されるセラミックシャフト12の接合 前の輪郭を破線で示している。Next, the joint structure between the metal ring portion 23 and the ceramic shaft 12 of the ceramic rotor 1 will be described in more detail. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the shape of the metal ring portion 23 before joining (before inserting the ceramic shaft 12), and FIG. 3 shows a state where the ceramic shaft 12 is inserted into the metal ring portion 23 and joined. FIG. In FIG. 2, the outline of the ceramic shaft 12 fitted into the metal ring portion 23 before joining is shown by a broken line.
【００１３】 まず、図２からわかるように、接合前の金属リング部23の内壁面は、セラミッ クシャフト12の挿入側に形成されたテーパ面部24と、そのテーパ面部24の奥部に 形成された円筒状面部25とを有する。テーパ面部24は、図２の点Ｐ1 から点Ｐ2 までの間において形成されており、点Ｐ1 より下方において円筒状曲面部25が形 成されている。First, as can be seen from FIG. 2, the inner wall surface of the metal ring portion 23 before joining is formed on the tapered surface portion 24 formed on the insertion side of the ceramic shaft 12 and on the inner side of the tapered surface portion 24. And a cylindrical surface portion 25. The tapered surface portion 24 is formed between the point P 1 and the point P 2 in FIG. 2, and a cylindrical curved surface portion 25 is formed below the point P 1 .
【００１４】 ここで、テーパ面部24の軸線に沿った長さＬ1 と、金属リング部23のシャフト 挿入側端部からセラミックシャフト12と金属リング部23の接合時の両者の接触面 の最奥端部までの長さＬとの比Ｌ1 ／Ｌが１／２≦Ｌ1 ／Ｌ＜１となるようにテ ーパ面部24が形成されている。また、この縦断面におけるテーパ面部24の曲率半 径Ｒは、金属リング部23の円筒状面部25における内径Ｄとの比Ｒ／Ｄが15以上と なるような大きさに形成されている。これらの範囲の限定理由については後述す る。さらに、テーパ面部24の上端（点Ｐ2 ）における内径は、接合前のセラミッ クシャフト12の外径ｄより大きめに設定されている。一方、テーパ面部24の下端 （点Ｐ1 ）における内径は、接合前のセラミックシャフト12の外径ｄより小さめ に設定されている。したがって、セラミックシャフト12と金属リング部23とが接 合した場合、セラミックシャフト12と金属リング部23とのシャフト挿入側におけ る接触端は、このテーパ面部24内に位置することになる。Here, the length L 1 of the tapered surface portion 24 along the axis and the deepest contact surface between the ceramic ring 12 and the metal ring portion 23 from the end of the metal ring portion 23 on the shaft insertion side are joined. The taper surface portion 24 is formed so that the ratio L 1 / L to the length L to the end portion is 1/2 ≦ L 1 / L <1. Further, the half radius of curvature R of the tapered surface portion 24 in this longitudinal section is formed to have a ratio R / D with the inner diameter D of the cylindrical surface portion 25 of the metal ring portion 23 of 15 or more. The reason for limiting these ranges will be described later. Further, the inner diameter at the upper end (point P 2 ) of the tapered surface portion 24 is set to be larger than the outer diameter d of the ceramic shaft 12 before joining. On the other hand, the inner diameter at the lower end (point P 1 ) of the tapered surface portion 24 is set smaller than the outer diameter d of the ceramic shaft 12 before joining. Therefore, when the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 are in contact with each other, the contact end of the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 on the shaft insertion side is located inside the tapered surface portion 24.
【００１５】 接合前のセラミックシャフト12の外径ｄと金属リング部23の円筒状面部25にお ける内径Ｄとの差、すなわち締めしろＳと、上記内径Ｄとの比（Ｓ／Ｄ）は0.00 1 〜0.01とするのがよい。比Ｓ／Ｄをこの範囲内とすることにより、セラミック シャフト12と金属リング部23とは良好な強度をもって接合し、セラミックシャフ ト12から金属リング部23が離脱することはない。なお、締めしろＳは、金属リン グ部23の大きさ及び金属リング部23を構成する材料によって適宜調節するのがよ い。The difference between the outer diameter d of the ceramic shaft 12 before joining and the inner diameter D of the cylindrical surface portion 25 of the metal ring portion 23, that is, the ratio of the tightening margin S to the inner diameter D (S / D) is It is recommended to set it to 0.001 to 0.01. By setting the ratio S / D within this range, the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 are joined with good strength, and the metal ring portion 23 does not separate from the ceramic shaft 12. The tightening margin S is preferably adjusted appropriately depending on the size of the metal ring portion 23 and the material forming the metal ring portion 23.
【００１６】 また、上記の長さＬと金属リング部23の円筒状面部25における内径Ｄとの比Ｌ ／Ｄは0.4 〜１の範囲内にあるのがよい。すなわち、金属リング部23の軸方向の 長さはセラミックシャフト12の径に比して比較的短くなり、もってコンパクトな （軸線に沿った方向に短な）接合部位となる。The ratio L / D between the length L and the inner diameter D of the cylindrical surface portion 25 of the metal ring portion 23 is preferably in the range of 0.4 to 1. That is, the length of the metal ring portion 23 in the axial direction is relatively shorter than the diameter of the ceramic shaft 12, and thus the joint portion is compact (short in the direction along the axis).
【００１７】 なお、本実施例では、金属リング部23のテーパ面部24よりシャフト挿入側の部 分に（点Ｐ2 より上方に）、小さな曲率半径Ｒ1 を有するもう一つのテーパ面部 26を設けているが、これは、金属リング部23の焼きばめ工程におけるセラミック シャフト12の挿入を容易にするために設けたものであり、必ずしも必要なもので はない。したがって、本考案の別な態様として、図２に破線ｔ2 で示す部位で（ テーパ面部24の上端の点Ｐ2 のところで）金属リング部23の上端部を切り取った 構造としてもよい。In this embodiment, another tapered surface portion 26 having a small radius of curvature R 1 is provided in the portion of the metal ring portion 23 on the shaft insertion side of the tapered surface portion 24 (above the point P 2 ). However, this is provided for facilitating the insertion of the ceramic shaft 12 in the shrink fitting process of the metal ring portion 23, and is not always necessary. Therefore, as another aspect of the present invention, the upper end of the metal ring portion 23 may be cut off at the portion indicated by the broken line t 2 in FIG. 2 (at the point P 2 at the upper end of the tapered surface portion 24).
【００１８】 上述した構造の金属リング部23を焼きばめ等によりセラミックシャフト12に嵌 めると、図３に示すような接合構造となる。図３からわかるように、セラミック シャフト12と金属リング部23とのシャフト挿入側の接触端Ｐ0 は、金属リング部 23のテーパ面部24内（点Ｐ1 から点Ｐ2 の間）に位置することになる。そして、 接触端Ｐ0 から下方において、金属リング部23はセラミックシャフト12を外側か らしっかりと抑え、両者は良好な強度をもって接合する。なお、この接合部位の 温度が多少高いと、金属リング部23が膨張するので、両者のシャフト挿入側の接 触端Ｐ0 は点Ｐ1 側に近づく。一方、温度が低いと両者のシャフト挿入側の接触 端Ｐ0 は点Ｐ2 側に近づく。いずれにせよ、接触端Ｐ0 は点Ｐ1 と点Ｐ2 との間 （すなわち、テーパ面部24内）に存在する。When the metal ring portion 23 having the above-described structure is fitted to the ceramic shaft 12 by shrink fitting or the like, a joining structure as shown in FIG. 3 is obtained. As can be seen from FIG. 3, the contact end P 0 between the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 on the shaft insertion side is located inside the tapered surface portion 24 of the metal ring portion 23 (between the points P 1 and P 2 ). It will be. Then, below the contact end P 0 , the metal ring portion 23 firmly holds the ceramic shaft 12 from the outside, and the two are joined with good strength. It should be noted that if the temperature of the joining portion is somewhat high, the metal ring portion 23 expands, so that the contact ends P 0 on the shaft insertion side of both of them approach the point P 1 side. On the other hand, when the temperature is low, the contact end P 0 on the shaft insertion side of both approaches the point P 2 side. In any case, the contact end P 0 exists between the points P 1 and P 2 (that is, inside the tapered surface portion 24).
【００１９】 図３には、セラミックシャフト12に生じる径内方に向かう圧縮応力の大きさを 示すグラフが描かれているが、このグラフからわかるように、セラミックシャフ ト12と金属リング部23とのシャフト挿入側の接触端Ｐ0 付近には、大きな応力集 中はみられない。また、セラミックシャフト12の金属リング部23との接触面にお ける引張応力ｆ0 の大きさも小さくなる。これは、以下の理由によるものと思わ れる。FIG. 3 is a graph showing the magnitude of the compressive stress generated in the ceramic shaft 12 toward the inner diameter. As can be seen from this graph, the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 are No large stress concentration is observed near the contact end P 0 on the shaft insertion side. Further, the magnitude of the tensile stress f 0 on the contact surface of the ceramic shaft 12 with the metal ring portion 23 also becomes small. This is probably due to the following reasons.
【００２０】 セラミックシャフト12と金属リング部23の接合工程では、セラミックシャフト 12が金属リング部23内に挿入される時、一時的に、金属リング部23の内径（円筒 状面部の内径Ｄ）がセラミックシャフト12の外径より相対的に大きくなる（すな わち、焼きばめにおいては金属リング部23の内径が大きくなり、一方、冷しばめ においてはセラミックシャフト12の外径が小さくなるが、以下、好ましい接合方 法である焼きばめの場合を例にとって説明する）。所定の深さまでセラミックシ ャフト12を挿入した金属リング部23が冷却していくと、金属リング部23は径方向 及び軸線方向に収縮するが、径方向の収縮に関しては、上述の通り金属リング部 23の内壁面が上方に広がるテーパ面状となっているために、金属リング部23とセ ラミックシャフト12との接触ポイントより下部では締めしろが大きく採られた状 態となり、一方、接触ポイント付近ではいわば締めしろがほとんどない状態とな る。したがって、両者の接触ポイント付近（図３に示す状態では点Ｐ0 付近）で はセラミックシャフト12にかかる径内方に向く圧縮応力はほとんど無くなる。In the step of joining the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23, when the ceramic shaft 12 is inserted into the metal ring portion 23, the inner diameter of the metal ring portion 23 (inner diameter D of the cylindrical surface portion) is temporarily changed. It becomes relatively larger than the outer diameter of the ceramic shaft 12 (that is, the inner diameter of the metal ring portion 23 becomes larger in shrink fitting, while the outer diameter of the ceramic shaft 12 becomes smaller in cold fitting. However, the case of shrink fitting, which is a preferable joining method, will be described below as an example). When the metal ring part 23 having the ceramic shaft 12 inserted therein is cooled to a predetermined depth, the metal ring part 23 shrinks in the radial direction and the axial direction. Since the inner wall surface of 23 is a tapered surface that widens upward, the tightening margin is large below the contact point between the metal ring portion 23 and the ceramic shaft 12, while the vicinity of the contact point So to speak, there is almost no tightening margin. Therefore, in the vicinity of the contact point between the two (in the state shown in FIG. 3, in the vicinity of the point P 0 ), the compressive stress applied to the ceramic shaft 12 and directed radially inward is almost eliminated.
【００２１】 また、軸線方向（図の縦方向）の収縮に関しては、上述した通り、金属リング 部23の内壁面には上方に広がるテーパ面部24が形成されているので、接触ポイン ト付近での径内方に向く圧縮応力がほとんどないため、金属リング部23が軸線方 向に収縮しても金属リング部23の内壁面がセラミックシャフト12の表面を下方に 引っ張ることがほとんどない。したがって、図３に示すセラミックシャフト12の 表面に沿った引張応力ｆ0 はごく小さなものとなる。以上により、金属リング部 23に締めつけられたセラミックシャフト12の特に点Ｐ0 近傍には大きな応力はか からず、セラミックシャフト12が破損したりすることはない。As for the contraction in the axial direction (longitudinal direction in the figure), as described above, the tapered surface portion 24 that spreads upward is formed on the inner wall surface of the metal ring portion 23, so that it is close to the contact point. Since there is almost no compressive stress directed radially inward, even if the metal ring portion 23 contracts in the axial direction, the inner wall surface of the metal ring portion 23 hardly pulls the surface of the ceramic shaft 12 downward. Therefore, the tensile stress f 0 along the surface of the ceramic shaft 12 shown in FIG. 3 is extremely small. As described above, no large stress is applied to the ceramic shaft 12 clamped to the metal ring portion 23, particularly in the vicinity of the point P 0 , and the ceramic shaft 12 is not damaged.
【００２２】 このように、本考案においては、セラミックシャフトにかかる圧縮応力及び引 張応力が大幅に緩和されるので、接合後のセラミックシャフトの破損が生じない 。As described above, according to the present invention, the compressive stress and the tensile stress applied to the ceramic shaft are significantly relieved, so that the ceramic shaft after joining is not damaged.
【００２３】 上述の作用を確実にするためには、テーパ面部24の曲率半径Ｒと、金属リング 部23の円筒状面部における内径Ｄとの比Ｒ／Ｄが15以上となるようにＲを設定す る必要がある。Ｒ／Ｄが15未満ではテーパ面部23の曲率半径が小さすぎ（曲率が 大きすぎ）、そのためセラミックシャフトと金属リング部との接触面積が小さく なり、良好な接合が行えない。好ましくはＲ／Ｄを30〜150 とする。In order to ensure the above operation, R is set so that the ratio R / D of the radius of curvature R of the tapered surface portion 24 and the inner diameter D of the cylindrical surface portion of the metal ring portion 23 is 15 or more. There is a need to. If R / D is less than 15, the radius of curvature of the tapered surface portion 23 is too small (the curvature is too large), so that the contact area between the ceramic shaft and the metal ring portion becomes small, and good joining cannot be performed. R / D is preferably 30 to 150.
【００２４】 また、テーパ面部24の軸線に沿った長さＬ1 と、金属リング部23のシャフト挿 入側端部からセラミックシャフト12と金属リング部23の接合時の両者の接触面の 最奥端部までの長さＬとの比Ｌ1 ／Ｌは、上述の通り１／２≦Ｌ1 ／Ｌ＜１とす る。Ｌ1 ／Ｌが１／２未満であると、両者の接触ポイントＰ0 を必ずしもテーパ 面部内に位置させることができず、セラミックシャフト12に発生する応力を確実 に緩和することが難しい。Further, the length L 1 along the axis of the tapered surface portion 24 and the deepest contact surface between the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 at the time of joining from the shaft insertion side end of the metal ring portion 23. The ratio L 1 / L to the length L to the end is set to 1/2 ≦ L 1 / L <1 as described above. If L 1 / L is less than 1/2, the contact point P 0 between the two cannot always be located within the tapered surface portion, and it is difficult to reliably reduce the stress generated in the ceramic shaft 12.
【００２５】 以上、添付図面を参照して本考案を説明したが、本考案はこれに限定されない 。たとえば、金属リング部を有する金属部材の形状は種々変更できるし、また、 接合するセラミック部材も、図１に示したセラミックロータに限らず種々のセラ ミック部材とすることができる。Although the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited thereto. For example, the shape of the metal member having the metal ring portion can be variously changed, and the ceramic member to be joined can be not only the ceramic rotor shown in FIG. 1 but also various ceramic members.
【００２６】 以下、本考案を具体的実施例によりさらに詳細に説明する。実施例１ 外径27mmで、長さ70mmの円柱状の窒化珪素セラミックシャフト（熱膨張率1.5 〜3.5 ×10-6／℃）を準備した。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments. Example 1 A cylindrical silicon nitride ceramic shaft (coefficient of thermal expansion: 1.5 to 3.5 × 10 −6 / ° C.) having an outer diameter of 27 mm and a length of 70 mm was prepared.
【００２７】 また、金属リングとしては、図４に示す形状を有するNi系合金製のリング（熱 膨張率7.5 〜16.5×10-6／℃）を用いた。ここで、内壁面に設けたテーパ面部（ 図４の点Ｐ1 と点Ｐ2 間の面部分）の曲率半径を変えた複数の金属リングを準備 した。金属リングの寸法は、以下の通りである。 （1)外径 36.5mm （2)円筒状面部における内径 27mm （3)締めしろＳは20℃において174 μｍとなるように設定した。すなわち、金 属リングの円筒状面部における内径をセラミックシャフトの外径より174 μｍだけ小さくした。 （4)軸方向長さ 22mm （5)テーパ面部（図中の点Ｐ1 から点Ｐ2 までの面）の曲率半径Ｒは、 500 〜2000mm内で変化させた。 （6)テーパ面部（図中の点Ｐ1 から点Ｐ2 までの面）の軸方向長さは、 ７〜15mmとした。As the metal ring, a Ni-based alloy ring (coefficient of thermal expansion 7.5 to 16.5 × 10 −6 / ° C.) having the shape shown in FIG. 4 was used. Here, a plurality of metal rings having different curvature radii of the tapered surface portion (the surface portion between points P 1 and P 2 in FIG. 4) provided on the inner wall surface were prepared. The dimensions of the metal ring are as follows. (1) Outer diameter 36.5 mm (2) Inner diameter 27 mm in the cylindrical surface portion (3) Tightening margin S was set to be 174 μm at 20 ° C. That is, the inner diameter of the cylindrical surface of the metal ring was made smaller than the outer diameter of the ceramic shaft by 174 μm. (4) Axial length 22 mm (5) The radius of curvature R of the tapered surface portion (the surface from the point P 1 to the point P 2 in the figure) was changed within 500 to 2000 mm. (6) The axial length of the tapered surface portion (the surface from the point P 1 to the point P 2 in the figure) was set to 7 to 15 mm.
【００２８】 なお、本実施例に用いた金属リングでは、図４に示すように上記のテーパ面部 より上方（シャフト挿入側で点Ｐ2 より上方）に小さな曲率半径のもう一つのテ ーパ面部Ｒ′を設けている。このテーパ面部Ｒ′の軸方向の長さは、すべての金 属リングにおいて４mmとした。In the metal ring used in this embodiment, as shown in FIG. 4, another taper surface portion having a small radius of curvature is provided above the above-mentioned taper surface portion (above point P 2 on the shaft insertion side). R'is provided. The axial length of the tapered surface portion R'was set to 4 mm for all metal rings.
【００２９】 上述した各金属リングをそれぞれ焼きばめにより上述のセラミックシャフトに 接合した。ここで、セラミックシャフト先端が、金属リングのシャフト挿入側端 部から20mmの深さに達するようにセラミックシャフトを挿入した。Each of the metal rings described above was bonded to the above-mentioned ceramic shaft by shrink fitting. Here, the ceramic shaft was inserted so that the tip of the ceramic shaft reached a depth of 20 mm from the end of the metal ring on the shaft insertion side.
【００３０】 得られたセラミックシャフトと金属リングとの複数の接合体を、それぞれ図５ に示すように曲げ強度試験装置５に設置し、セラミックシャフト12の軸線に垂直 に荷重Ｆを加え、20℃における曲げ強度テストを行った。荷重Ｆをかけた部位は 、セラミックシャフト12と金属リング23a との接触端Ｐ0 からＬ3 ＝35mm離れた 部位とした。下記の式に基づいて20℃での曲げ強度を測定した。 σB = Ｆ・Ｌ3 ／〔（π／32）・ｄ3 〕 ここでσB は曲げ強度(kg/mm2 ) であり、Ｆは荷重の大きさ(kg)であり、Ｌ3 は荷重Ｆをかけた部位からセラミックシャフトと金属リングとの接触端Ｐ0 まで の距離(mm)であり、ｄはセラミックシャフトの外径(mm)である。 結果を図６に示す。A plurality of the joined bodies of the obtained ceramic shaft and metal ring were installed in a bending strength tester 5 as shown in FIG. 5, and a load F was applied perpendicularly to the axis of the ceramic shaft 12 to obtain a temperature of 20 ° C. The bending strength test was performed. The portion to which the load F was applied was a portion apart from the contact end P 0 between the ceramic shaft 12 and the metal ring 23a by L 3 = 35 mm. The bending strength at 20 ° C was measured based on the following formula. σ B = F ・ L 3 / [(π / 32) ・ d 3 ] where σ B is the bending strength (kg / mm 2 ), F is the load magnitude (kg), and L 3 is the load It is the distance (mm) from the part to which F is applied to the contact end P 0 between the ceramic shaft and the metal ring, and d is the outer diameter (mm) of the ceramic shaft. Results are shown in FIG.
【００３１】比較例１ 図４に示す点Ｐ1 −点Ｐ2 間をテーパ面部とせず、点Ｐ1 より下方の円筒状面 部を延長した面とした以外は、実施例１と同様の形状の金属リングを作製した。 この金属リングと、セラミックシャフトとを接合し、実施例１と同様にセラミッ クシャフトの曲げ強さを測定した。結果を図６に示す。 Comparative Example 1 The same shape as in Example 1 except that the taper surface portion was not formed between the points P 1 and P 2 shown in FIG. 4 and the cylindrical surface portion below the point P 1 was extended. The metal ring of was produced. The metal ring and the ceramic shaft were joined together, and the bending strength of the ceramic shaft was measured in the same manner as in Example 1. Results are shown in FIG.
【００３２】比較例２ （Ｌ1 ／Ｌ＜１／２の場合） 図４に示す点Ｐ1 から点Ｐ2 までのテーパ面部の曲率半径を300 mmとした以外 は、実施例１と同様の形状の金属リングを作製した。この金属リングと、セラミ ックシャフトとを接合し、実施例１と同様にセラミックシャフトの曲げ強さを測 定した。結果を図６に示す。 Comparative Example 2 (when L 1 / L <1/2) The same as Example 1 except that the radius of curvature of the tapered surface portion from point P 1 to point P 2 shown in FIG. 4 was 300 mm. A shaped metal ring was produced. The metal ring and the ceramic shaft were joined together, and the bending strength of the ceramic shaft was measured in the same manner as in Example 1. Results are shown in FIG.
【００３３】[0033]
以上詳述した通り、本考案の金属リングとセラミックシャフトとの接合構造に よれば、セラミックシャフトにかかる圧縮応力及び引張応力が緩和されるので接 合後のセラミックシャフトの破損を確実に防止できる。 As described above in detail, according to the joining structure of the metal ring and the ceramic shaft of the present invention, the compressive stress and the tensile stress applied to the ceramic shaft are relieved, so that the damage of the ceramic shaft after the joining can be surely prevented.
【図１】本考案の一実施例によるセラミックロータの軸
部と金属リング部との接合構造を示す概略断面図であ
る。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a joint structure of a shaft portion and a metal ring portion of a ceramic rotor according to an embodiment of the present invention.
【図２】本考案の一実施例による接合前の金属リングの
構造を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a structure of a metal ring before joining according to an embodiment of the present invention.
【図３】金属リング部とセラミックシャフトとの接合構
造を示す部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a joint structure between a metal ring portion and a ceramic shaft.
【図４】実施例に用いた金属リングの形状を示す断面図
である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the shape of a metal ring used in an example.
【図５】実施例における曲げ強度テストに用いた装置
に、セラミックシャフトと金属リングとの接合体が設置
された状態を示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a bonded body of a ceramic shaft and a metal ring is installed in the device used for the bending strength test in the examples.
【図６】実施例及び比較例における曲げ強度テストの結
果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the results of bending strength tests in Examples and Comparative Examples.
【図７】セラミックシャフトと金属リングとの従来の接
合構造を示す概略断面図であり、セラミックシャフトに
かかる応力分布を示すグラフを併せて示す。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a conventional joining structure of a ceramic shaft and a metal ring, and also shows a graph showing a stress distribution applied to the ceramic shaft.
１ セラミックロータ ２ 金属部材 12 セラミックシャフト 22 軸部 23 金属リング部 23a 金属リング 24 テーパ面部 25 円筒状面部 Ｐ0 金属リング部とセラミックシャフトとの接触端 Ｌ 金属リング部のシャフト挿入側端部から金属リン
グ部とセラミックシ ャフトの接触最奥端までの長さ Ｌ1 テーパ面部の軸方向の長さ Ｒ テーパ面部の曲率半径 Ｄ 金属リング部の円筒状面部における内径1 Ceramic rotor 2 Metal member 12 Ceramic shaft 22 Shaft part 23 Metal ring part 23a Metal ring 24 Tapered surface part 25 Cylindrical surface part P 0 Contact end between metal ring part and ceramic shaft L Metal from the shaft insertion side end part of the metal ring part Length of contact between ring part and ceramic shaft to the innermost end L 1 Length of taper surface part in axial direction R Radius of curvature of taper surface part D Inner diameter of cylindrical surface part of metal ring part
Claims (2)
合わせて接合する構造において、前記金属リングの内壁
面には、前記セラミックシャフトの挿入側に形成されて
前記挿入側方向に広がるテーパ面部と、前記テーパ面部
の奥側にこれとスムーズに連続して形成された円筒状面
部とが形成されており、前記テーパ面部の軸線方向の長
さＬ1 と、前記金属リングのセラミックシャフト挿入側
端部から前記セラミックシャフトと前記金属リングとの
接触面の最奥端部までの長さＬとの比が１／２≦Ｌ1 ／
Ｌ＜１となるように前記テーパ面部が形成されており、
接合前の前記金属リングの縦断面における前記テーパ面
部の曲率半径Ｒと、接合前の前記円筒状面部の内径Ｄと
の比Ｒ／Ｄが15以上であり、前記セラミックシャフトと
前記金属リングとの接合時の前記セラミックシャフト挿
入側の両者の接触端は、前記テーパ面部内に位置してい
ることを特徴とするセラミックシャフトと金属リングの
接合構造。1. In a structure in which a ceramic shaft is fitted and joined to a metal ring, an inner wall surface of the metal ring has a tapered surface portion formed on the insertion side of the ceramic shaft and expanding in the insertion side direction, and the taper. A cylindrical surface portion that is formed smoothly and continuously with the surface portion is formed on the back side of the surface portion, and the axial length L 1 of the tapered surface portion and the ceramic shaft insertion side end portion of the metal ring from the end portion The ratio of the length L to the innermost end of the contact surface between the ceramic shaft and the metal ring is 1/2 ≦ L 1 /
The tapered surface portion is formed so that L <1,
The ratio R / D of the radius of curvature R of the tapered surface portion in the longitudinal section of the metal ring before joining to the inner diameter D of the cylindrical surface portion before joining is 15 or more, and the ceramic shaft and the metal ring are A joining structure of a ceramic shaft and a metal ring, characterized in that both contact ends of the ceramic shaft insertion side at the time of joining are located in the tapered surface portion.
金属リングの接合構造において、前記長さＬと前記内径
Ｄとの比Ｌ／Ｄが0.4 〜１であることを特徴とするセラ
ミックシャフトと金属リングの接合構造。2. The ceramic shaft-metal ring joint structure according to claim 1, wherein a ratio L / D between the length L and the inner diameter D is 0.4 to 1. Ring joint structure.
Priority Applications (1)
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| JP1992008168U JP2592502Y2 (en) | 1992-01-28 | 1992-01-28 | Joint structure of ceramic shaft and metal ring |
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| JPH0562540U true JPH0562540U (en) | 1993-08-20 |
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