JPWO2006016417A1 - 管状部位を有する構造物とその製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

管状構造物或いは管状剖位を一部に有する構造物の製造は、従来は切削、鍛造或いは鋳造等の方法によって行われてきたが、材料の歩留まりが低い、加工割れが発生する、引け巣が生じる等の問題があった。この発明は、これらの方法に変わる全く新しい斬新な方法を提供するものである。この発明では、回転可能なツールを用い、このツールの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら挿入する。そして、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて被加工物に塑性流動状態を生じさせ、塑性流動状態となった被加工物を該ツールと該環状治具との間の空間に充填させて管状構造物を製造する。切削、鍛造或いは鋳造等による従来方法に較べて精度、品質に優れた管状構造物を低コストで製造することができる。

Description

本発明は、管状部位を有する構造物とその製造方法及び製造装置に関する。

管状構造物或いは管状部位を有する構造物の製造方法としては、従来、切削、鍛造、鋳造等による加工方法が知られている。また、これらの加工方法と溶接等の接合方法を組み合わせた方法が知られている。
しかし、これらの方法には以下のような問題点があった。まず、切削加工では、切粉を除去するため被加工材に対する材料の歩留まりが低い。また、刃、ドリルあるいは砥石などの押し付けを伴うため加工時に押し付け方向に荷重が付与され、肉厚の小さい管の加工に限界があった。
鍛造加工では、母材の結晶方位によって加工物の形状が制約されることがあり、また、加工時に割れが発生する恐れがあった。また材料の剛性を有する温度域で強制的に変形させる加工であるため、加工物の寸法精度が低くなる恐れがあった。
鋳造加工では、凝固時に引け巣等の欠陥が生じる恐れがあった。また凝固収縮を伴うため、加工物の寸法精度が低くなる恐れがあった。
溶接などの接合加工では、熱による変形或いは材質変化、あるいは溶接欠陥が生じる恐れがあった。
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解決する新規な製造方法と製造装置、及び管状部位を有する構造物を提供することにある。

本発明は、回転可能な円柱状ツールの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら挿入することにより、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて被加工物に塑性状態を生じさせ、塑性状態となった被加工物を該ツールと該環状治具との間の空間に充填することを特徴とする、管状部位を有する構造物の製造方法にある。
また、本発明は、金属製の管状部位を有する構造物であり、管状部位の結晶粒組織が、材料の塑性流動状態から冷却された、集合組織を持たない再結晶組織であることを特徴とする管状部位を有する構造物にある。
また、本発明は、回転機構を備えたツール、該ツールと被加工物との相対位置を少なくとも１軸方向に移動させる機構を有し、ツールの外側に環状治具を備えたことを特徴とする、管状部位を有する構造物の製造装置にある。
本発明は、全体が管状の構造物或いは管状部位を一部に含む構造物の製造に適用される。請求の範囲に記載の管状部位を含む構造物には全体が管状の構造物も含まれるものとする。被加工物の材料は、アルミニウム、銅、マグネシウム、鉄、チタン或いはそれらの合金が適するが、これらに限定されるものではなく、金属材料であればその全てに適用できる。
本発明の製造方法では、製造される管状部位の外径部に環状治具の内径部の形状が転写される。したがって、環状治具の内径部の横断面形状を円形、楕円形、多角形或いはそれらの組み合わせにすれば、それらと同じ形状が管状部位の外周に転写される。
本発明の製造方法において、板状あるいはブロック状の被加工物に対するツールの挿入を途中で停止すれば、板状あるいはブロック状の部位と管状の部位とが一体になった構造物を製造することができる。また、本発明の製造方法において、管状の被加工物に対してツールを挿入するようにすれば、管状部位と管状部位とが一体となった、例えばＴ型の管状部位を有する構造物を製造することができる。
本発明の製造方法では、回転するツールの軸方向位置を維持しながらツールを押し下げていくことが望ましい。管状の部位を一部に有する構造物を製造する場合は、このようにツールの軸方向位置を維持することが極めて重要である。
本発明によれば、管状部位の外周が円、楕円、多角形あるいはそれらの組み合わせとなる形状を有する構造物が提供される。また、板状あるいはブロック状の部位と管状の部位が一体で成形されており、管状部位の結晶粒組織が、材料の塑性流動状態から冷却された、集合組織を持たない再結晶組織である構造物が提供される。また、Ｔ型の管状部位が一体で成形されており、少なくとも一方の管状部位の結晶粒組織が、材料の塑性流動状態から冷却された、集合組織を持たない再結晶組織である構造物が提供される。
本発明の製造装置には、環状治具を被加工物表面に押し付ける荷重付与機構を備えておくことが望ましく、これにより塑性流動状態の被加工物を環状治具とツールとの間の空間に充填するときに環状治具が動くのを防止できる。また、回転ツールと環状治具を同一の駆動用アームに備えることにより、製造装置の構造が簡素化される。回転ツールと環状治具は、それぞれ別個の独立した駆動機構を備えるようにすることが望ましい。また、回転ツールの先端には凸型の突起を設けておくことが望ましい。さらに、回転ツールと環状治具との間の空間をガスでシールドする機構を備えることが望ましい。
本発明によれば、下記の効果が得られる。
（１）切粉などで除去されていく部位が少なく、材料の歩留まりが高い。
（２）凝固を伴わないので、引け巣、湯境い、割れなどの欠陥や凝固収縮による変形が無く、寸法精度や品質に優れている。
（３）ダイカスト、鋳造あるいは鍛造などで作製された被加工材に引け巣、湯境い、割れなどの欠陥あるいは圧延集合組織が存在していても、加工後の管状部位では塑性流動による再結晶組織となり、品質に優れている。
（４）回転ツールおよび環状治具の形状、被加工材への挿入部の体積や摩擦熱の発生の仕方を制御することにより、任意の肉厚の管状部位を成形することが可能である。
（５）管と板あるいはブロックの継手、あるいは管と管の継手の形状を接合することなく一体で成形することができる。
（６）管状部位の延長など後工程で部材を接合する場合、加工された管状部位とは突き合わせ継手や重ね継手など簡便な継手構造とすることができる。また、管状部位は塑性流動による再結晶組織であるため溶接時の欠陥のない良好な継手が得られる。

第１ａ図は本発明による製造方法を示す斜視図。
第１ｂ図は第１ａ図の正面断面図。
第２図は管状構造物の一例を示す断面図。
第３ａ図〜第３ｃ図は管状部位を含む構造物の例を示す断面図。
第４ａ図及び第４ｂ図は２つの管状部位が一体となった構造物の例を示す断面図。
第５ａ図〜第５ｃ図は管状治具の内径部形状の例を示す平面図。
第６ａ図〜第６ｄ図は回転ツールの先端形状の例を示す正面図。
第７図は本発明による製造装置の基本構成を示す概略図。
第８ａ図〜第８ｄ図は管状部位を有する構造物の一例である高圧燃料ポンプのボディを本発明の製造方法によって製造する例を示した概略図。
第９図は圧延された材料の結晶組織の模式図。
第１０図は本発明による管状部位の再結晶組織の模式図。
第１１ａ図〜第１１ｃ図は管状部位を有する構造物の一例である燃料供給パイプを本発明の方法によって製造する例を示した概略図。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１ａ図及び図１ｂ図は、本発明による管状部位の製造方法の一形態を表す模式図である。ツール１の外側に環状治具２を配置する。環状治具２は被加工物３の表面に押し付け力４を付与した状態とする。ここでツール１を高速回転させながら被加工物３に押し付け力５を付与するとツール１と被加工物３との間に摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって被加工物３のツール押し付け部位近傍６が加熱されるとともに攪拌され塑性流動状態となる。この状態でツール１を回転させながら被加工物３に挿入していくと、塑性流動状態となっている被加工物が、ツール１が挿入される体積分だけ回転ツール外径と環状治具内径の間の空間７に第１ｂ図に矢印で示すように押し出される形で充填されていく。加工終了後、ツール１を抜き、環状治具２を外すと、塑性流動部は管状部位８となって成形される。その後、切削などの後加工によって端面を仕上げれば、第２図に示すように管状構造物９が製造できる。また、板状あるいはブロック状の被加工物に対し、以上述べた加工を施すことにより、第３ａ図〜第３ｃ図に示すように板状あるいはブロック状の部位１０と管状部位８とが一体となった構造物として成形される。第３ａ図は、回転ツールの先端が被加工物を貫通するまで、あるいは貫通する直前までツールを挿入して環状治具とツールの間の空間に塑性流動状態となった被加工物材料を押し上げた後、切削などの後加工を施して管状部位８を貫通形に仕上げたものである。また、第３ｂ図は回転ツールを所定の深さまで挿入して塑性流動状態となった被加工物材料により管状部位８を形成した後、切削などの後加工を施して管状部位８の底面部１１を平らに仕上げたものである。また、第３ｃ図は加工対象部位のみ肉厚を大きくした形状の被加工物に対して、回転ツールを加工対象部位以外の肉厚の高さ近くまで挿入して塑性流動状態となった被加工物材料により管状部位８を形成した後した後、切削などの後加工を施して管状部位８の底面部１１を加工対象部位以外の肉厚の高さと合わせて平らに仕上げたものである。
さらに、管状の被加工物に対して以上述べた加工を施すことにより、第４ａ図及び第４ｂ図に示すようにＴ型の管状部位１２が一体となった構造物として成形することができる。第４ａ図は、回転ツールの先端が管状の被加工物を貫通するまで、あるいは貫通する直前までツールを挿入して塑性流動状態となった被加工物材料により管状部位８を形成した後、切削などの後加工を施して貫通形に仕上げたものである。また、第４ｂ図は、回転ツールを所定の深さまで挿入して管状部位８を形成した後、切削などの後加工を施して管状部位８の底面部１１を平らに仕上げたものである。
本発明に係る管状構造物或いは管状部位を有する構造物において、管状部位の管の肉厚は環状治具の内径と回転ツールの外径との差によって規定され、管の長さは回転ツールの被加工物への挿入深さによって規定される。本発明によって製造される管状部位の肉厚の範囲としては、塑性流動して充填されるため２〜３０μｍの薄肉化が可能であり、また回転ツールの回転速度を増大させるなど摩擦攪拌による熱影響部の幅を大きくすることによって最大５〜６ｍｍの厚肉化が可能である。また、環状治具の内径部あるいは回転ツールの外径部を平行でなくテーパなどの形状にすることにより、外径部あるいは内径部がテーパ形状となる管状部位を形成することも可能である。
本発明の方法によって製造された管状構造物の管状部位の内部組織は、被加工物母材の再結晶温度以上に加熱され冷却された再結晶組織からなっており、加工前の被加工物の結晶組織に依存されず、集合組織を持たない微細な再結晶粒で構成されている。第９図は通常の圧延された材料の結晶組織を示した模式図であり、集合組織を有する典型的な結晶組織となっている。第１０図は本発明によって得られる管状部位の再結晶組織の典型的な結晶組織を示す模式図であり、集合組織を持たない再結晶組織になっている。
環状治具の内径部の形状は、円である必要は無い。第５ａ図〜第５ｃ図に環状治具２の内径部形状の例を示す。塑性流動部が充填される空間の大きさである限り、管状構造物の外径部には、環状治具の内径部の形状が正確に転写される。
本発明で用いるツール１の先端形状の例を第６ａ図〜第６ｄ図に示す。第６ａ図〜第６ｃ図は先端に凸型の突起部１３を有するツールの例である。突起部１３の形状は半球型、円柱型、円錐型など必要とする摩擦熱の発生のさせ方に応じて最適な形状を選ぶことができる。第６ｄ図はツール先端の端面部１４の形状をテーパ型にした例を示している。端面部１４の形状は摩擦熱の発生の仕方および塑性部の流動のさせ方に応じて最適な形状を選ぶことができる。
本発明の製造装置の基本的な構成例を第７図に示す。本発明の製造装置は、円柱状のツール１、ツールの回転機構１５、ツールの軸方向駆動機構１６、環状治具２、環状治具を被加工物３に確実に密着させるための被加工物への押し付け機構１７、被加工物の固定機構１８より基本的に構成される。これらに加え、円柱あるいは管状の被加工物３の側面即ち外周部分にツール１を挿入して管状部位を形成する場合などでは、被加工物３あるいはツール１の駆動機構のいずれかに加工位置を決める駆動機構１９を備えることが望ましい。
また、環状治具２の被加工物３への押し付け機構１７としては、第７図に示したように回転ツールの駆動機構と独立させた機構でも良いが、回転ツールの駆動機構に備え、回転ツールの軸方向移動に応じて環状治具が被加工物に押し付けられる機構としても良い。
また、成形する管状部位の肉厚が大きい場合のように摩擦熱をより大きく与えて塑性流動をより円滑にする形状に対しては、環状治具２に回転機構２０を備え、環状治具２も回転させて加工することが効果的である。
また、本発明による製造方法において、管状部位が塑性流動によって成形される過程で高温に至った材料の酸化が品質上問題となる場合には、回転ツールと環状治具との間の空間を不活性ガスあるいは窒素ガスなどのように材料の酸化を防止するガスでシールドすることが望ましく、製造装置としては第７図に示すガスシールド機構２１を備えることが望ましい。
次に本発明の産業製品への実施例について説明する。本発明はあらゆる産業分野の製品に適用可能であるが、ここでは自動車部品への実旆例について説明する。

第８ａ図は、自動車部品の一つである、高圧燃料ポンプのボディの一例を示している。同図に示すように、高圧燃料ポンプのボディ２２は数ヶ所の管状部位８が組み合わさって一体となった構造を取っている。このボディ２２の材質はアルミニウム合金、鉄合金あるいはステンレス鋼などであり、従来技術では、ダイカスト、鋳造、鍛造あるいは切削によって成形加工されている。
本発明の製造方法における工程を以下に示す。
まず、第８ｂ図に示すように、粗いブロック状の基本形状２３をダイカスト、鋳造、鍛造あるいは切削によって成形して被加工材とする。
次に、第８ｃ図に示すように、管状部位２４を本発明による方法で成形する。回転ツールの外径部の形状を平行形状のみならず段差形状或いはテーパ形状を組み合わせた形状とすることにより、同図に示すように管状部位の内径部形状に成形することが可能である。
管状部位を成形したならば、管状部位の端部２５を切削等により所定の形状に仕上げる。また管状部位の内径部あるいは底部２６を切削加工などで仕上げ、さらに切削加工でバリを除去する。
最後に管状部位の外径部の段差等を切削加工等で仕上げることによって、第８ｄ図に示すように所定の形状のボディ構造を有する高圧燃料ポンプが製造できる。
本発明による製造方法は、管状部位の成形を全て切削で行うよりも材料の歩留まりが高く、またダイカスト、鋳造あるいは鍛造により基本形状の被加工材を作製する時の型形状はシンプルで良く、低コストで製造が可能である。さらにダイカスト、鋳造あるいは鍛造で作った基本形状の部材の内部あるいは表面に引け巣、湯境い、微小割れなどの欠陥があっても、本発明による成形加工では管状部位の内部あるいは表面が再結晶組織となるため、これらの欠陥は無くなり、強度および耐食性に優れたボディを製造できる。耐食性をさらに向上させるため、ボディにめっき等の表面処理を施す場合でも、本発明によるものは管状部位の内径部が再結晶組織となっており、上述のような欠陥が無いため、めっき等の表面処理の密着性に優れ、耐食性に優れたボディを製造することができる。

次に、本発明を、自動車部品の一つである、燃料供給パイプの加工に適用した実施例について説明する。
第１１ａ図は、燃料供給パイプの加工に適用した例を示したものである。同図に示すように、燃料ポンプより送られてきた燃料２７は燃料供給パイプ２８を通じて複数の燃料噴射装置２９へと送られる。このため、燃料供給パイプはメインの管より複数の管状部位が分岐された構造となっている。このパイプの材質はアルミニウム合金、鉄合金あるいはステンレス鋼などであり、従来技術ではダイカスト、鋳造、鍛造あるいは切削によって成形加工されている。
これに対する本発明での工程を以下に示す。
まず、第１１ｂ図に示すように、単純なパイプ状の基本形状を有する被加工材３０をダイカスト、鋳造、鍛造あるいは切削によって成形する。
次に、第１１ｃ図に示すように、管状部位３１を本発明による方法によって成形する。管状部位の成形後、管状部位の端部３２及び底部３３に存在するバリ等を切削によって除去し所定の形状に仕上げる。
最後に管状部位外径部を切削等で仕上げることによって、所定の形状の管状部位を有する構造物を得る。
本発明による燃料供給パイプの製造では、ダイカスト、鋳造あるいは鍛造等でパイプの形をした被加工材を作製する時の型形状はシンプルで良く、低コストで製造が可能である。またダイカスト、鋳造あるいは鍛造で作ったパイプの内部あるいは表面に引け巣、湯境い、微小割れなどの欠陥があっても、本発明による方法では管状部位の内部あるいは表面が再結晶組織となるため欠陥は無くなり、強度や耐食性に優れたパイプを製造することができる。
さらに、従来技術では燃料噴射装置をパイプとネジ等の締結で結合させているが、本発明では管状部位が再結晶組織となるため溶接した場合でも欠陥が生ぜず良好な溶接組織が得られる。このため、溶接構造とすることも可能である。
また、耐食性をさらに向上させるためパイプにめっき等の表面処理を施す場合でも、本発明による方法では管状部位の内径部が再結晶組織となるため、めっき等の表面処理の密着性に優れ、耐食性に優れたパイプを製造することができる。
なお、摩擦攪拌によって生ずる被加工物の塑性流動現象を利用して成形加工を施す従来技術として、回転ツールを被加工物へ押し込みながら横方向へ移動させ、塑性流動状態となった被加工物をツールに貫通形成された押し出し孔に通して棒状体を製造する方法があり、特開２００２−３６１３２０号公報に記載されている。しかし、この方法では棒状物は製造できても、管状構造物或いは管状部位を有する構造物を製造することはできない。

本発明は、燃料ポンプ、燃料噴射装置、燃料パイプ、エンジンの吸気系または排気系、ラジエータ等の冷却系、エアコンデショナ等の冷却系、発電機構、モータ、インバータなど自動車に搭載される各種管状部位を肴する構造物に適用が可能である。さらに本発明は、家庭電気製品、電子機器、交通機器、重電機部品など各種産業の工業品における管状部位を有する構造物の製造に適用することができる。

Claims (17)

1. 回転可能なツールの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら挿入することにより、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて塑性状態を生じさせ、塑性状態となった被加工物を該ツールと該環状治具との間の空間に充填させることを特徴とする管状部位を有する構造物の製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法において、前記環状治具を回転させることを特徴とする管状部位を有する構造物の製造方法。
3. 請求項１に記載の製造方法において、前記ツールの軸方向位置を維持しながら該ツールを押し下げていくことを特徴とする管状部位を有する構造物の製造方法。
4. 請求項１に記載の製造方法において、前記ツールと前記環状治具との間の空間を不活性のガスでシールドすることを特徴とする管状部位を有する構造物の製造方法。
5. 請求項１に記載の製造方法において、前記環状治具の内径部を円、楕円、多角形あるいはそれらの組み合わせとなる形状とし、塑性状態となった被加工物によって形成される管状部位の外径部に該環状治具の内径部の形状を転写することを特徴とする管状部位を有する構造物の製造方法。
6. 請求項１に記載の製造方法において、板状あるいはブロック状の被加工物に対し、回転可能なツールの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら挿入することにより、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて塑性状態を生じさせ、塑性状態となった被加工物を該ツールと該環状治具との間の空間に充填することにより、板状あるいはブロック状の部位と管状の部位とが一体となった構造物を成形することを特徴とする管状部位を有する構造物の製造方法。
7. 請求項１に記載の製造方法において、管状の被加工物に対し、回転可能なツールの外側に環状治具を配置した状態で、被加工物に該ツールを回転させながら挿入することにより、該ツールと被加工物との間に摩擦熱を発生させて塑性状態を生じさせ、塑性状態となった被加工物を該ツールと該環状治具との間の空間に充填することにより、２つの管状部位が一体となった構造物を成形することを特徴とする管状部位を有する構造物の製造方法。
8. 金属製の管状部位を有する構造物において、前記管状部位の結晶粒組織が、材料の塑性流動状態から冷却された、集合組織を持たない再結晶組織であることを特徴とする管状部位を有する構造物。
9. 請求項８に記載の構造物において、前記管状部位の外周が円、楕円あるいは多角形の形状を有することを特徴とする管状部位を有する構造物。
10. 請求項８に記載の構造物において、板状あるいはブロック状の部位と管状の部位が一体で成形されており、前記管状部位の結晶粒組織が、材料の塑性流動状態から冷却された、集合組織を持たない再結晶組織であることを特徴とする管状部位を有する構造物。
11. 請求項８に記載の構造物において、２つの管状部位が一体で成形されており、少なくとも一方の管状部位の結晶粒組織が、材料の塑性流動状態から冷却された、集合組織を持たない再結晶組織であることを特徴とする管状部位を有する構造物。
12. 回転機構を備えたツール、該ツールと被加工物との相対位置を少なくとも１軸方向に移動させる機構を有し、該ツールの外側に環状治具を備えることを特徴とする管状部位を有する構造物の製造装置。
13. 請求項１２に記載の製造装置において、前記環状治具を被加工物表面に押し付ける荷重付与機構を有することを特徴とする管状部位を有する構造物の製造装置。
14. 請求項１２に記載の製造装置において、前記ツールと前記環状治具が同一の駆動用アームに備えられたことを特徴とする管状部位を有する構造物の製造装置。
15. 請求項１２に記載の製造装置において、前記ツールと前記環状治具が独立した駆動機構を備えていることを特徴とする管状部位を有する構造物の製造装置。
16. 請求項１２に記載の製造装置において、前記ツールの先端に凸型の突起を有することを特徴とする管状部位を有する構造物の製造装置。
17. 請求項１２に記載の製造装置において、前記ツールと前記環状治具との間の空間をガスでシールドする機構を有することを特徴とする管状部位を有する構造物の製造装置。

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