JPS5946694B2 - 金属部材の結合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、２個の被結合部材の接合部間隙に、第３の結
合部材を挿入、加圧し塑性流動させて結合する方法に係
り、特に、金属製のシャフト、円板、筒状部材相互を強
固に固着する場合に用いて好適な結合方法に関する。

第３の結合部材を２個の被結合物体の間に挿入して結合
する方法として、第１図に示す方法が知られている。

すなわち、シャフト１とロータ２の接合部間隙に非鉄金
属からなるスリーブ５を挿入し、上下の金型３、４でス
リーブ５を加締める方法である。

しかし、この方法では、第２図に示すように、スリーブ
５がシャフト１の溝１ａ、ｌｂ中に充分に喰に込まずギ
ャップｇを生ずる。これは、スリーブの変形抵抗が均一
であるため、スリーブに加えられた加締荷重によつて、
スリーブの中間部応力σ３が充分な塑性変形を行なう程
度に高まる前に、スリーブ端部がその内部応力σ、によ
り変形を起し、従つてσ３の増大が押えられるためであ
る。（この点に関しては後でさらに詳述する。）さらに
、加工時の、結合部材と被結合部材間の摩擦損失による
影響もある。そのため、シャフトとロータの間には充分
な結合力、特に回転トルクに抗する高い結合力が得られ
ない。

さらに、第３の結合部材を、２個の被結合部材の間に挿
入して結合する方法として、第３図、第４図に示す方法
も知られている。

すなわち、２個の被結合部材６、Ｔの間隙部に溝６ａ、
Ｉａを設け、前記間隙部にスリーブ８を挿入し、金型９
で加圧し結合する方法である。

この方法によれば、スリーブ８はほゞ密閉された状態で
加圧される。しかし、スリーブ８を溝６ａ、Ｔａ内に十
分に塑性流動させることはできず、従つて大きな結合力
は得られない。これは、金型９の先端から溝６ａ、Ｔａ
までの距離Ｓが長く、加圧時、スリーブ８と被結合部材
６，７間の摩擦損失が大きくなり、溝６ａ，７ａ近傍の
スリーブ内部応力が十分高くならないためである。

加圧力を増加しても溝６ａ，７ａ内への塑性流動は改善
されず、逆に、被結合部材６，７が半径方向に変形し、
外径、内径寸法が狂うという弊害を生ずる。

また、溝６ａ，７ａの端部が破損する場合もある。本発
明の目的は、２個の被結合部材を第３の結合部材を用い
て結合するものにおいて、機械的に強固な結合が簡単に
得られる結合方法を提供することにある。

本発明の特徴は次の点にある。

まず２個の被結合部材の、互に対向する側面間に一定の
高さ、長さの空隙部を形成し、さらに側部には環状の溝
を設ける。一方被結合部材より変形抵抗が小さく、かつ
所定の機械的強度を有する材料から、前記空隙部高さ長
さと同等もしくはこれに近似した高さ長さを有する結合
部材を加工する。次に該結合部材を前記空隙部に挿入す
る。このとき、前記結合部材は実質的にその全体が、前
記両被結合部材と金型により包囲された状態にあるもの
とする。この状態で金型凸部の先端が溝の近くまでくる
ようにして結合部材を加圧し、もつて空隙部凹部に塑性
流動させ、両被接合物体を接合するものである。以下図
により本発明の実施例を説明する。まず、第５図におい
て、第１の被結合部材１１０と第２の被結合部材１２０
は共に、金属円板で、両部材の結合部表面１１１，１２
１間には幅Ｔ。

、高さＨ。のリング状空隙部１４０が介在する。また、
表面に直角な方向に全周にわたり各々溝１１２，１２２
が設けられている。溝１１２，１２２の深さは０．１〜
１．０ｍｗ！、望ましくは、０．２〜０．６ｍｍ程度が
よい。浅すぎると、軸方向外力に対する抗力（抜力）が
小さい。すなわち、溝に挿入された結合部材１３０が、
軸方向外力の作用で容易に塑性変形してしまうので、結
合部材と溝の上、下側面との係合力は弱い。一方、溝が
深すぎると、溝内に結合部材１３０が十分流入せず、従
つて溝内において、結合部材と被結合部材間の接触面積
が減少するため、結合力、特に回転トルクが低下する。

溝１１２，１２２の側面の傾斜角αは、該溝内への結合
部材１３０の流動に大きな影響を及ぼす。

傾斜角αが小さすぎると、溝内に生ずる空隙部が大きく
なり、結合強度が低下する。一方、傾斜角αが大きすぎ
ると、溝内への結合部材１３０の流入はよくなるが、溝
の側面と結合部材との係合力が弱くなり、従つて、軸方
向抜力が低下する。

第６図は、本発明の一実施例による結合部断面の状況を
示す顕微鏡写真である。

倍率は１０倍（溝深さ０．４５ｍｍ１結合部材は銅、被
結合部材は軟銅、加圧力８５ｋｇ／Ｍｄ）。溝側面の傾
斜角α５０、であるが、結合部材は溝内に十分に流入し
ている。第７図に、溝の側面の傾斜角αと軸方向抜力の
関係を実験により求めた結果を示す。

（材料、溝深さ、加圧力は第６図の場合と同じ）。図か
ら明らかなように、傾斜角αは２０同〜７０図、望まし
くは、３０に〜６０角の範囲にするのがよい。一方、１
３０は被結合部材１１０，１２０より塑性変形しやすい
、すなわち、変形抵抗の小さい金属からなるリング状の
結合部材であり、幅Ｔ１はＴ。に略等しいか、ないしは
若干小さく、高さＨ１はＨ。と同等以下ないしは若干高
い。Ｈ１がＨ。

より高い場合でも、その差ΔＨはできるだけ小さく、例
えば０．２〜０．６ｍｍ程度にとどめるのが好ましい。
その理由については追つて説明する。また結合部材の断
面形状は図に示す矩形断面のほか丸、惰円、多角形断面
等、単純形状のものでよい。挿入後塑性変形させるため
空隙部形状にとられれる必要はない。また結合部材１３
０の半径Ｒ１（第８図）は、被結合部材１２０の半径Ｒ
Ｏに略等しい、換言すると、空隙部長さ２πＲＯと、結
合部材１３０の長さは２πＲ１は略等しい。結合部材１
３０はプレス、切削、焼結等でリング状に形成してもよ
く、線材を曲げて形成してもよい。後者の場合、第８図
に示すように切欠部１３３を生じる。この切欠部１３３
は、第９図に示す挿入状態では端面が接触状態にあるこ
とが必要である。結合工程においては、まず第９図に示
すように、結合部材１３０を、両結合部材１１０，１２
０の間の空隙部１４０に挿入する。

次に、第１０図に示すように、全体を金型４０の上に置
き、空隙部幅Ｔ。

より幅の小さい先端面３１を有する金型３０の加圧凸部
３２で結合部材１３０を加圧し、塑性変形により溝１１
２，１２２内に結合部材１３０を流入させる。加圧力は
、結合部材の変形抵抗より大きい応力を生じるような大
きさである。（結合部材が銅の場合８５ｋｇ／Ｕｄ程度
）第９図に示す状態で結合部材１３０は、金型３０，４
０に対応する上端、下端部分を除き被結合部材１１０，
１２０で包囲されており、かつ高さの差ΔＨはごく小さ
い。従つて加圧直前の状態は結合部材の全体が被結合部
材と金型で包囲されているといえる。そのため、第１０
図に示す如く、加圧時、結合部材が空隙部外へ逃げるこ
とはほとんどない。また、結合部材の長さと空隙部長さ
も略等しいので、結合部材は効果的に溝中へ挿入される
。第１１図に示すように、金型３０の加圧突部側面３３
は先端面３１に垂直な方向（挿入方向）に対しθだけ傾
斜している。

θは、３挿〜１５）程度が望ましい。これはθが小さい
と、結合後、金型３０が抜けにくくなるためである。ま
た、θが大きすぎると、金型の挿入方向と逆方向にすな
わち、空隙部外へ結合部材が流出しやすくなり、また挿
入深さを深くできず、結合部材に大きな内部応力を発生
させることができず、従つて大きな結合力を得にくくな
る。金型加圧凸部３２は、第１１図に示すようにその先
端面３１と、被結合部材の溝１１２，１２２の上端との
距離Ｓをできるだけ小さく、換言すれば、先端面３１が
できるだけ溝１１２，１２２に近くなるよう深く挿入さ
れることが望ましい。

これにより、塑性流動に伴なう摩擦損失が少なくなり、
溝部へ結合部材を充分に挿入できる。第１２図Ａ，Ｂは
、同一条件（空隙部の幅が２７ｍｍ１溝深さが０．４５
ｍ１Ｌ１溝側面の傾斜角αが４５゜、結合部材が銅、被
結合部材が軟銅）で、Ｓを変えた場合の結合部の状況を
示す顕微鏡写真である。

（倍率は１０倍）明らかに、Ｓの小さいＡの方が、結合
部材の流入状況がよい。第１３図は、Ｓと空隙部幅Ｔ。

との比Ｓ／ＴＯと廻りトルク及び軸方向抜力の関係を実
験により求めた結果を示す。溝内に生ずる隙間の増大に
伴つて抜力は低下する。しかし、ＳがＯ−ＴＴＯの範囲
にあると溝の角部を除きほとんど隙間がなく、一
３従つて抜力は大きな値を示す。

Ｓが了Ｔ。を越えると、材料が塑性流動する際の摩擦抵
抗が大きくなり、金型の加圧力で被結合部材の他の部分
が変形、例えば半径方向外側に伸びる結果、溝内への結
合部材材料の流動が悪くなり、隙間面積は大きくなる。
溝内の隙間面積の増大に伴ない抜力は大幅に低下する。
Ｓ／ＴＯがマイナス側、すなわち、金型の先端面３１か
溝１１２，１２２の上端より下方にくるようになると、
溝内に結合部材を効果的に流動させることができず、溝
内に空隙部を生じ、従つて結合力は低下する。

一方、Ｓ／ＴＯと（回転）トルクの関係をみると、Ｓ／
ＴＯがマイナスの範囲ではトルクが小さく、Ｓ／ＴＯが
Ｏを越えると大きな値で安定する。

Ｓ／ＴＯがマイナスの範囲では、前述したのと同じ理由
で、溝内に空隙部を生じ、結合部材と被結合部材との接
触面積が減少する結果、トルクが低下するのである。以
上を総合して判断すると、Ｓ／ＴＯは ０≦Ｓ／ＴＯ≦普 にするのが望ましい。

被結合部材１２０が、中央に孔１２５を有している場合
には、第１４図に示すように、金型３０にガイド３３を
設けることにより、加圧時の位置決めを容易に行なわせ
ることができる。

又、加圧凹部１３１の深さは溝１１２，１２２に、結合
部材１３０が充分に充満され、なおかつ、結合部材１３
０の内部に所要の緊迫力が残留されるに充分な寸法であ
る。

第１５図は結合の完了した状態を示す図である。

図に於いて、結合部材１３０の内部には緊迫力Ｐが作用
し、第１の被結合物体１１０ならびに第２の被結合物体
１２０の溝１１２、結合面１１１、溝１２２、結合面１
２１を強固に押拡げている。ここで、図のような構成を
維持するためには、第１の被結合物体１１０ならびに第
２の被結合物体１２０の材料が、結合部材１３０の材料
より硬いこと及び剛性の大きいことが条件となる。なぜ
ならば、結合物体１３０が金型３０で加圧され、塑性流
動する間、第１の被結合物体１１０と第２の被結合物体
１２０は、変形することなく（多少の歪はあるが）、充
分に堅固でなくてはならないからである。言葉を変えれ
ば、結合物体１３０は第１の被結合物体１１０ならびに
第２の被結合物体１２０より変形抵抗の小さい材料であ
ることが条件となる。例えば、第１、第２の被結合物体
が網材の場合、結合物体は、アルミ、黄銅、銅、軟鋼な
どが使用される。結合物体自体は非金属材料であつても
よいが剪断、圧縮、曲げ等について一定の機械的強度を
有していることが要求される。

その大きさは、被結合部材の使用条件により異なること
はいうまでもない。結合部材１３０の高さＨ。

が空隙部高さＨ１と等しくても、結合部材の長さ（第８
図における２πＲ１）が空隙部長さ（２πＲＯ）より短
かい場合にも、加圧時、結合部材の内部応力が円周方向
に逃げるため、σ３が高くならず、溝中へ結合部材を挿
入できない。一方、第１０図に示したような本発明の方
法によれば、結合部材１３０は加圧時、実質的にその全
体が、被結合部材と金型により拘束されているため、変
形抵抗Ｋｆ以上の応力が発生する。

従つて、結合部材は溝の中へ完全に流入する。このよう
に結合部材を加圧時拘束するためには、結合部材の高さ
Ｈ１及び長さが空隙部の高さ長さとほぼ同等以下であれ
ばよい。しかし、結合部材の高さがあまり低くなると、
溝中へ充分に流入させるために金型凸部の挿入ストロー
クを大きくする必要がでてくるが、θをあまり小さくで
きないのでストロークには限界がある。従つて、結合部
材の体積を空隙部体積より若干少ない範囲とし、空隙部
幅Ｔ。、金型傾斜角θ等を考慮して高さＨ１を決定する
必要がある。第１６図に示す実施例では、結合部材１３
０の底面１３３が、被結合部材１１０，１２０の下面よ
り高い位置にある。

結合部材の材料、溝形状、加圧力等を適正に選ぶと非常
に大きな結合力が得られるため、空隙部１４０の全体に
結合部材１３０を充満させる必要のない場合もある。こ
のようなときは、第１６図の実施例のように構成しても
よい。これによつて、結合部材１３０の材料を節減でき
る。なお、以上述べた実施例から明らかなように本発明
を適用できるのは、２個の被結合部材によつて、空隙部
が一定の状態に維持される場合である。

例えば、二板の円心状円板、シヤフトと円板の如きもの
である。これに対し、単なる二枚の平行板の如く、結合
部材を挿入する際、二枚の被結合部材によつて空隙部が
実質的に定形の状態に維持されないものでは、二枚の被
結合部材の間に結合部材を挿入しても、結合力は得られ
ない。換言すれば、結合部材の挿入により、被結合部材
との間に緊迫力が作用するものでなければならない。以
上のような本発明に於いては、次のような効果を有する
。まず結合面１１１，１２１．ならびに凹部１１２、凹
部１２２に所要の緊迫力Ｐを附加出来るので、機械的に
安定した結合力が得られる。また、凹部１１２、凹部１
２２に、結合部材１３０が充満するため、引抜力Ｑは、
結合部材１３０の材料の剪断強度と剪断面積の積の値と
なり、極めて大きな値となる。さらに、第１の被結合部
材１１０、第２の被結合部材１２０は、結合物体１３０
より変形抵抗の大きな（固い）材料であるため、加圧、
塑性流動によつて、第１の被結合部材１１０ならびに第
２の被結合部材１２０が歪むことなく、高精度が維持さ
れる。このことは、本結合方法の場合、被結合部材はあ
らかじめ最終製品の寸法精度ならびに表面処理をほどこ
した形で組込めることになり、有利な組付方法といえる
。また第１の被結合部材１１０、第２の被結合部材１２
０は、製品構成に於いて必要な材料を選定出来る。なん
となれば結合部材１３０は上記した被結合部材１１０，
１２０より変形抵抗の小さな材料を選定することにより
可能である。さらに結合材料は単純形状でよく、冷間加
工で結合できるので生産の工程が簡単であり、生産性が
高く、加圧用の油圧プレス等の小規模な設備で充分であ
る。また品質的には、緊迫力Ｐは加圧の圧力を管理する
丈で確保出来、安定する。本発明は、以上述べた応用例
のほか、円筒とシヤフト、シヤフトと板等広く、円板、
円筒、シヤフト、円柱、平板、筒等の金属部材の結合に
適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第２、第３図〜第４図は各々従来知られた結合
方法の例を示す縦断面図である。 第５図以下は本発明の実施例を説明する図であり、第５
図は、接合前の被接合部材及び結合部材の外観要部を示
す一部断面斜視図、第６図は、溝の側面の傾斜角と結合
部材の流動状況を示すための要部断面の顕微鏡写真、第
７図は、溝の側面の傾斜角αと軸方向抜力の関係を示す
図である。第８図は、結合部材の形状の一例を示す図、
第９図は、結合部材を被結合部材の空隙部に挿入した状
態を示す斜視図、第１０図は、金型で結合部材を加圧し
ている状態を示す斜視図、第１１図は、加圧の条件を示
すための結合要部断面図である。第１２図Ａ，Ｂは、金
型の先端から溝の上端までの距離Ｓが結合部材の流動に
及ぼす影響を示すための顕微鏡写真である。第１３図は
、Ｓ／ＴＯとトルク及び抜力の関係を実験により求めた
結果を示す図である。第１４図は、金型の変形例を示す
図である。第１５図は、結合完了後の状態を示す斜視図
である。第１６図は、本発明の他の実施例を示す結合部
縦断面図である。１１０・・・・・・被結合部材、１１
２・・・・・・溝、１２０・・・・・・被結合部材、１
３０・・・・・・結合部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属材料からなる２個の被結合部材間に円筒状の空
   隙部を設け、かつ該空隙部に面する前記両結合部材側面
   に環状の溝を設け、前記空隙部に前記被結合部材より変
   形抵抗の小さい金属材料からなる円筒状の結合部材を挿
   入し、金型で冷間加圧して結合部材を前記溝内に塑性流
   動させ両被結合部材を結合する金属部材の結合方法にお
   いて、空隙部の幅をＴ＿０、金型の挿入先端面から金型
   挿入側の溝端までの距離をＳとしたとき、金型の挿入先
   端面の位置が、０≦Ｓ≦３／４Ｔ＿０でかつ前記溝端よ
   り浅い範囲内になるように金型の挿入深さを決定するよ
   うにしたことを特徴とする金属部材の結合方法。