JPS62228438A - 金属構成体 - 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】 〔発明のｌ］的］ （産業上の利用分野） 本発明は例えば産業用ロボットの構成部品その他高速作
動部品等に適用される金ｆＸ構成体に係り、特に形状不
連続による応力集中部を右する部品等に好適イＴ金属構
成体に関するものである。

（従来の技術） 例えば、産業用１コボットの手ｍケーシング内部品、！
む力しゃ断器のしゃｔＩ７ｉ礪構部品、史にはエンジン
のピストンやコンロッドなどの高速運動を行なう機構部
品では、部品の軽らｉ化と高剛性化とによって、そのｖ
Ｍ構の性能向−１−が図られている。

このような機構部品の構成材料として近１１Ｓ、軽金属
等の７１へリツクス金属中にウィスカ、短繊維等を複合
化した金属基複合材料を適用Ｊることが検問されている
。金属基複合（４判は軽量、高強度、高弾性率を有し、
しかも耐熱性に優れていることから、各種分野での応用
が期待されているものである。

第８図にこのような金属基複合材Ｉ”ｌからなる構成体
の一四として、油圧シリンダ用リンクアームの形状を示
す。リンクアーム１は所定長さを右し、両端部近傍に図
示しないビンとの係合孔２，３がｌ）ｆ、？Ｑされる。

このリンクアーム１はＩｒ５速作動用の構成体であり、
軒昂、高強度で、かつ高剛性を右Ｍることが争まれる。

そこで、例えばＳｉＣウィスカをアルミニウノ＼合金か
らなるマトリックス金属に複合化して強化りるようにし
ている。

ところで、このようなリンクアーム１の係合孔２．３付
近は艮手方向所面において形状不連続であり、特に係合
孔２．３の周辺部は応力集中領域と仕っている。したが
って、長期間の使用中には、このような形状不連続部分
にくり返し荷重等による疲労がｉｎ！ｉＬ、易く、一般
材料の場合でも耐用強度上問題が生じ易い乙のである。

（発明が解決しようとゴる問題点） 前記の如く、形状不連続による応力集中領域を右する４
ｉ成体を金属基複合材料製とした場合、静的強１１　Ｊ
３よび低サイクル疲労強度がマトリックス金属のみで構
成しだらのよりも低くなり、その応力集中領域で比較的
甲い時期に破１０が起る可能性がある。

また、金Ｊ＋１基複合材料は硬度が高くなることがら、
機械加工困難となり、応力集中領域を滑らかに仕上げる
のが難しい。このため孔あ（プ等の加工精度が悪くなる
等の問題もある。

本発明（，１このに　−）な°■情に鑑みてなされたも
ので、ウィスカや繊維で７１〜リツクス金属を強化した
金属３７４複合材料を主体とする金属構成体にあって、
形状不連続による応力集中領域の静的強度おにび低サイ
クル疲労強度等の向上を図るとともに、加工性を改良し
て作業性の向上、製品粘度の向上等を図ることを目的と
する。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作用）本発明は静的ま
たは動的荷重を受ける金属構成体であって、応力集中領
域となる形状不連続部を右するしのにＪ３いて、応力集
中領域以外の部分を、ウィスカまたは短ｔ１紺で強化し
た金属基複合材料によって構成し、応力集中領域となる
形状不連続部分を、前記金属基複合材料のマトリックス
金属または前記金属基複合材料よりも強化材料の体積率
が小さい金属基複合材料によって構成したちのである。

上記の構成は以下の知見に基づいてなされたものである
。即ち、金属基複合材料では、ウィスカ、短繊紺等の強
化材料の休（ろ率を増すことにより強度、弾性率、耐摩
耗性等は増加するが、一般に伸びと絞りは著しく減少す
る。第５図はＳｉＣウィスカで強化したへ６０６１アル
ミニウム合金を例として、ウィスカの体積率と上記の諸
持性を示した乙のである。第５図より明らかなように、
３ｉＣウイスカの体積率の増加と共に、引張強さσＢ、
０．２％Ｍ４力（σｙｏ、２）　、１’Ｑｌ係＆（Ｅ）
および硬さく　Ｈｖ　）は向上づるが、伸び（ＥＪ　）
は茗しく減少することがわかる。

また、第６図は同上の金属基複合材わ１の静的引張り試
験にＪ３ける応力とひずみ（伸び）との関係を示したも
のである。ウィスカの体積率が３０％以上になると、弾
性的伸びから僅かにはなれた極めて小さな塑性伸びで破
ｍｉ　？ｌることがわかる。この伸び量の減少が、応力
集中部を右する部材の強度を低下させることは、祠料強
度学上から容易にＹ想されることである。

さらに第７図は図中に示す切欠き付き試験片の静的引張
り試験結果を示している。ＳｉＣウィスカの体積率が増
加すると、破断強度比が繊維強化されてい＜２いマトリ
ックス金属の約半分の強度しか示さなくなることが読み
取れる。

このように、強化繊維の体積率が増加すると、金Ｈ７；
を複合材料の伸びが著しく減少し、このため鋭い応力集
中部を右する部材の静的強度が７１−リックス金属のＩ
Ｉよりも低くなることがわかった。

また、金属基複合材料の静的強度がこのように劣ること
から、低サイクル疲労強度もマトリックス金属のみの場
合よりも低くなる。さらに金属基複合材料の硬度はマト
リックス金属に比べて著しく高いため、金属基複合材料
の切削専の機械加工は容易ではない。このため加工性が
悪くなり、例え（、【孔ハ１１工等の形状不連続部への
滑らかな仕上げ加工が内勤どなっていたものである。

上記（１゛４成の本発明に係る金属構成体によれば、応
力集中領域以外の部分を金属基複合材料で構成するとと
もに、応力集中領域となる形状不連続部分はその金属（
（複合材料のマトリックス金属またはその金属３．！複
合材料よりも強化材料の体積率が小さい金属基複合材料
で構成づ−るようにしたので、静的強度および低υイク
ル疲労麿が向−トする。また、形状不連続部としての、
孔等の加工場所が、硬１〕の小ざい材料で構成されるこ
とになるので、加工が容易となり、仕上げ精度の向上も
図れるようになる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図〜第４図を参照して説
明する。

この実施例は電力用しヤ［Ｚに用いられている油圧シリ
ンダ装置ｔ？？のリンクアームに関Ｊるものである。

第１図に示すように、この実施例のリンクアーム１１は
、所定長さを有し、その両端部近傍に係合孔１２．１３
を右するものとしている。このリンクアーム１１は、応
力集中領域となる部分、即ら係合孔１２．１３（内径ｄ
）を囲む円筒状部分１４．１５（外径Ｄ）をアルミニウ
ム合金（Ａ６０６１）で構成している。これにＪ：す、
応力集中にＪ、って、最も高い応力の発生する領域に高
延性月利を適用している。そして、この円筒状部分１４
．１５の外側のリンクアーム１１主体部分を伸びの少な
い高強度、高剛性の金属ｌＩ？１２合材料、例えばＳＩ
Ｃウィスカ強化Ａ６０６１アルミニウム合金で構成して
いる。

このＪ、うなリンクアーム１１を製造する場合には、ま
ず、第２図に示ずように、ＳｉＣウィスカによるプリフ
ォーム１１′をリンクアーム１１の最終形状に近い形状
のものとして、公知の加圧法あるいはスラリー法によっ
て作成する。ただし、係合孔１２．１３の内径ｄよりも
大きな内径りの空孔１２’、１３’　を設けてＪ３　＜
。

次に、通常の溶浸法における手順、即ち成形型内でアル
ミニウム合金をプリフォーム１１′内に含浸さＶ、同時
に、第２図に示す空孔１２’、１３′内にもマトリック
ス金属であるアルミニウム合金を充用させる。そして、
謀維強化部とともに一体に高圧鋳造する。その後、溶体
化処理Ｊ３よび硬化処理等を施し、第１図に示す最終形
状に閤械加工するものである。

第３図は、実施例に係る金属構成体どしてのリンクアー
ム１１と、Ａ６０６１アルミニウム合金単独の従来のリ
ンクアーム１（第８図のもの）とについて、有限要素法
による応力解析結果を示したものである。同図の曲線Ａ
が従来のリンクアーム１、曲線Ｂが実施例に係るリンク
アーム１１を表し、それぞれ係合孔の内側（ａ点）と外
側（ｂ点）との間の最大主応力分布を示している。係合
孔の内側に近づくほど応力集中率が高くなり、同図に示
すＸ点の変曲点が認められる。従来のリンクアーム１の
公称応力σｎに対する応力集中率は約２．７であった。

これに対し、同図に示す変曲点×まで、つまりａ−Ｃ間
をマトリックス金属のへ６０６１材とし、他の部分は従
来と同様に、ＳＩＣウィスカ強化△６０６１とした前記
実施例のリンクアーム１１の最大主応力分布（曲ＦＩＩ
Ｂ）については、マトリックス金属よりも金属基複合材
料の弾性係数が大きいことに起因して、弾性応力解析の
結果からｂ、係合孔内側の応力集中率は、低下すること
がわかる。

金属基複合材料のみから成る従来のリンクアーム１では
、係合孔２．３部の内側の最大応力が、伸びが少ないた
めにりｆ１性変形を伴うことなく、その４ｆｌ　Ｉ＋の
破断応力に達して、破壊に至るものと考えられるのに対
し、前記実／Ｍ　Ｍのリンクアーム１１では、ａ−Ｃ間
のマトリックス金属が塑性変形し、Ｃ貞における金属基
複合材料のＩｄ大応力がその月利の破断応力になるまで
破断しないものと考えられる。

また、第４図は、Ａ６０６１アルミニウム合金から成る
リンクアームの１１１１１Ｉｌｌｌ’ｉ強度を基準にし
て、従来及び前記実施例のリンクアームの強度を比較し
た結果を示している。曲線Ｃは従来例、曲線りは実施例
の場合をそれぞれ承り。ウィスカの体積率が３５％のと
き、従来のしのでは破断強度比が−０，５と低いが、前
記実施例の場合は約１．４と大幅に強ｆ（ｔが改善され
ている。しかして、静的強庇が第４図に示すように向上
Ｊるど、当然のことながら、低サイクル（＜１０”回）
疲労強度も改善され、電力しやＩｇｉ器用油圧シリンダ
装置のリンク部品の特性としては、大変好ましいものと
なる。

また、機械加工する係合孔１２．１３の部分が７１〜リ
ツクス金属としてのアルミニウム合金で４１４成されて
いるから、金属基複合材料に比べて、加工［が容易であ
り、その仕上がり精度もＩ！θｆである。

なお、前記実Ｍ例では、応力集中領域を金属基複合材料
のマトリックス金属によって構成したが、本発明はその
ようなものに限らず、応力集中領域を他部分構成用の金
属基複合材料よりも強化繊維の体積率が小さな金属基複
合材料で構成してもＪ：い。そのような描成にした場合
にも、前記実施例に近似した効果をｔ９ることが可能で
ある。

また、＋ｆｉｉ記実施例では本発明をリンクアームに適
用したが、本発明はその他の種々の金ｊｉｉｔ　ｆｆ４
成体、例えば各種アーム、シ１１フト類等に広く応用で
きるしのである。

なお、金属基複合材料製構成部分の製造方法としては、
溶浸法（高圧鋳造法）のばか粉末法等ら適用（゛きるの
は勿論である。また、軽龜１、高強度、高剛性を１１Ｉ
るための強化繊維どしては、炭化ケイ索（Ｓ　ｉ　Ｃ）
ウィスカの（Ｊか、アルミナ（Ａ、（１２０３）ｙυ楳
紺、炭ふ繊維、更にはボロン（Ｂ）１桟紺なども適用で
きる。さらにまた、マトリックス金属としては、アルミ
ニウム合金のほか、チタン合金その他の軽ｆＨ金属を用
いることができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明に係る金属構成体に」、れば、応力
集中領域以外の部分を金属基複合材料によって描成し、
応力集中領域となる形状不連続な部分をマトリックス金
属または強化材料の体積率の小さい金属Ｊ３複合材料で
構成したので、各種（１４造部材に対し、静的強度おに
び低サイクル疲労強度が向上できるととｂに、形状不連
続部の機械加工が容易にイｉす、加工精度の向上が図れ
る等の効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る金属構成体の一実施例としてのリ
ンクアームを示す斜視図、第２図は第１図に示づリンク
アームの製造段階で用いるプリフィームの形状を示す斜
視図、第３図は前記リンクアームの応力分布を示す特性
線図、第４図は前記リンクアームの応力集中度合を示ず
特性線図、第５図、第６図おＪ：び第７図はそれぞれ金
属基複合（Ａ料の一般的特性を承り特性線図、第８図は
従来の金属構成体としてのリンクアーム構成例を示す斜
視図である。 １１・・・リンクアーム（金属構成体）、１２゜１３・
・・係合孔、１４．１５・・・円筒状部分く応力集中領
域どしての形状不連続部分）。 出願人代理人　　波　多　野　　　　久第ｆ図 条２図 第３　図 ０　　　　１０　　　２０　　　　：３０　　　　αウ
ィスカ　の、体、積率　（Ｚ） 纂４　回 ＳｔＣウィスカ　の１牢（外） 早５氏 軸ひずみ　（％） 蔓６図 ０　　　１０　　　２０．１ｌ１７　　　αウィスカ　
の量率　％（％） シし　７　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 静的または動的荷重を受ける金属構成体であって、応力
   集中領域となる形状不連続部を有するものにおいて、応
   力集中領域以外の部分を、ウイスカまたは短繊維で強化
   した金属基複合材料によって構成し、応力集中領域とな
   る形状不連続部分を、前記金属基複合材料のマトリック
   ス金属または前記金属基複合材料よりも強化材料の体積
   率が小さい金属基複合材料によって構成したことを特徴
   とする金属構成体。