JPWO2015071959A1 - 金属部材結合構造 - Google Patents

Abstract

高強度および高精度な結合を行うことができる金属部材結合構造を提供する。硬度差を有する金属製の第１部材（１１）と金属製の第２部材（１２）とを結合する金属部材結合構造であって、第１部材（１１）の軸端部（１４）を、第２部材（１２）に設けた段部（２１）を有する軸穴（２０）に隙間嵌めにより段部（２１）に当接するまで挿入し、第１部材（１１）の軸端部（１４）を段部（２１）に押圧し、第１部材（１１）、あるいは、第２部材（１２）のうち硬度が低い部材を軸穴（２０）内で塑性流動させることにより軸穴（２０）と軸端部（１４）間の摩擦力を増大させて第１部材（１１）と第２部材（１２）とを結合した。

Description

本発明は、塑性流動結合を利用した金属部材の結合構造に関する。

従来、金属で形成されたハウジングの穴部分に、軸状の金属部材を圧入して固定し、２つの金属部材を結合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１２４０４６号公報

しかしながら、圧入により金属部材を結合する場合、ハウジングの穴部分の径寸法、及び、軸状の金属部材の径寸法を高精度にする必要があり、加工時に寸法公差を厳しく管理しなければならず、作業性が悪かった。また、軸状の金属部材を、ハウジングの穴部分に圧入する際には、所定の結合位置に達するまで、少なくとも一方の部材に大きな荷重を継続的にかける必要があり、圧入の過程で両部材間の相対的な位置の変動が避けられず、高精度な結合が困難であった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高強度および高精度な結合を行うことができる金属部材結合構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、硬度差を有する金属製の第１部材と金属製の第２部材とを結合する金属部材結合構造であって、前記第１部材の軸端を、前記第２部材に設けた段部を有する軸穴に隙間嵌めにより前記段部に当接するまで挿入し、前記第１部材の軸端を前記段部に押圧し、前記第１部材、あるいは、前記第２部材のうち硬度が低い部材を前記軸穴内で塑性流動させることにより前記軸穴と前記軸端間の摩擦力を増大させて前記第１部材と前記第２部材とを結合したことを特徴とする。

また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第１部材の軸端を、前記第１部材よりも硬度が高い前記第２部材の軸穴に挿入し、前記軸端の一部を前記軸穴内で塑性流動させたことを特徴とする。

また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第２部材の段部に前記軸端を当接させた際に前記軸穴の小径部に挿入される突出部を前記第１部材の軸端に設け、前記第１部材の軸端を前記第１部材よりも硬度が低い前記第２部材の段部に押圧し、前記段部の一部を前記軸穴の小径部内で塑性流動させたことを特徴とする。

また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第２部材に設けた段部の幅を、前記第１部材の軸端の直径に対して３％〜２０％の幅としたことを特徴とする。

また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第２部材の軸穴と前記第１部材の軸端との隙間寸法を、前記軸穴の直径に対して０．１％〜５％の隙間としたことを特徴とする。

また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第１部材と前記第２部材との硬度差をビッカース硬さ比で１対１．５以上としたことを特徴とする。

本発明によれば、第１部材の軸端を、第２部材の軸穴に隙間嵌めにより挿入し、第１部材の軸端を第２部材の軸穴に設けた段部に押圧し、第１部材、あるいは、第２部材のうち硬度が低い部材を軸穴内で塑性流動させることにより軸穴と軸端間の摩擦力を増大させて第１部材と第２部材とを結合したため、第１部材を、第２部材に対して高精度に位置決めした状態で挿入し結合することができるとともに、第１部材と第２部材とを高強度に結合することができる。

本発明を適用した実施形態にかかる金属部材結合構造の概略構成を示す部分断面図である。 第１部材を示す正面図である。 第２部材を示す断面図である。 第１部材の軸端を第２部材の軸穴に挿入した状態を示す拡大図である。 図４の範囲Ａを拡大した要部拡大図である。 第１部材の軸端の直径及び第２部材の軸穴の段幅の段幅比と、金属結合部品の結合効率と、を示すグラフである。 Ａは結合方法の一例を示す図であり、Ｂは要部の拡大図である。 Ａは別の結合方法を示す図であり、Ｂは要部の拡大図である。 結合面圧／相当引張強さに対する結合効率を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る金属部材結合構造が適用可能な第１部材１１および第２部材１２を備えた金属結合部品１０の一例を示している。なお、本実施形態で図面に示した第１部材１１および第２部材１２の形状は、本実施形態を説明するための一例にすぎず、本実施形態の適用部材はこれらに限定されるものではない。
図１に示すように、本実施形態では、金属結合部品１０は、自動車のマニュアルトランスミッション用のシフトレバーである構成を例に説明する。金属結合部品１０は、第１部材１１としてのレバーと、第２部材１２としての大球部とを備えている。第１部材１１の上端には、シフトノブ１３が取り付けられている。また、第１部材１１の下端側の軸端部（軸端）１４は、第２部材１２に結合されている。金属結合部品１０は、第２部材１２がリテーナ１５の保持部１６に保持された状態で、第２部材１２を中心としてシフト方向に操作可能に構成されている。

第１部材１１は、図２に示すように、金属製のレバーシャフトであり、全体が軸状に形成されている。第１部材１１は、本体部１７と、本体部１７と一体に形成された軸端部１４とを備えている。第１部材１１は、構造用鋼、機械構造用炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などから形成されている。軸端部１４の直径φｄｓは、本体部１７の径寸法よりも小さく形成されている。軸端部１４の長さＬ１は、軸端部１４を第２部材１２に結合するのに十分な長さに形成される。また、第１部材１１の本体部１７と軸端部１４との連結部１８には、チャンファー加工が施されている。この連結部１８のチャンファー加工は、金属結合部品１０をリテーナ１５に保持した状態で操作した際に、第１部材１１がリテーナ１５に干渉することが無いように形成されている。

第２部材１２は、図３に示すように、金属製の球状部材である。第２部材１２は、第１部材１１よりも高硬度の金属、例えば機械構造用炭素鋼、軸受鋼、構造用合金鋼、ステンレス鋼などから形成される。なお、第１部材１１と、第２部材１２とは、ビッカース硬さ比で１対１．５以上の硬度差のある部材であることが望ましい。第２部材１２には、直径φｄｈの軸穴２０が形成されている。軸穴２０は、段幅αの段部２１を有している。軸穴２０には、段部２１により、直径φｄｈの大径部２２と、直径が大径部２２より小さい小径部２３とが形成される。段部２１を、軸穴２０の深さに対して第２部材１２のどの位置に形成するかは、適宜変更可能である。本実施形態では、段部２１は、軸穴２０の大径部２２、及び、小径部２３の深さが共に第２部材１２の半径ｒと略同じ寸法となる位置に形成されている。

第１部材１１と、第２部材１２と、を結合する際には、まず、第１部材１１と、第２部材１２と、の相対位置を不図示の治具で精密に決める。次に、図４、図５に示すように、第１部材１１の軸端部１４を、第２部材１２の軸穴２０に、軸端１４ａが段部２１に当接するまで挿入する。なお、図５は、図４中に破線で囲った範囲Ａの要部拡大図であり、第１部材１１と第２部材１２との結合部分を示した図である。
第１部材１１は、軸端部１４の直径φｄｓが、軸穴２０に隙間嵌めにより挿入可能な大きさに構成されている。なお、第１部材１１の軸端部１４を軸穴２０に挿入した際の、軸端部１４と、軸穴２０との間の隙間βは、軸穴２０の直径φｄｈの０．１％から５％の隙間に設定されているのが望ましい。例えば、軸穴２０の直径φｄｈが１０ｍｍの場合には、隙間βは、０．０１ｍｍから０．５ｍｍの間に設定されていることが望ましい。

この構成によれば、第１部材１１の軸端部１４を隙間嵌めにより第２部材１２の軸穴２０に挿入することができる。これにより、第１部材１１を第２部材１２に対して治具により高精度に位置決めした状態で、第１部材１１に荷重を掛けることなく、軸端１４ａが段部２１に当接する位置まで軸端部１４を軸穴２０に挿入することができる。よって、第１部材１１を第２部材１２に対して高精度に位置決めした状態で、以下に記載のようにして第１部材１１と、第２部材１２とを結合することが可能である。

次に第１部材１１の軸端部１４を、第２部材１２の軸穴２０に隙間嵌めにより軸端１４ａが段部２１に当接するまで挿入した状態で、第１部材１１に軸方向下向きの荷重Ｆをかける。なお、段部２１の段幅αは、図５に示すように、軸端部１４と、軸穴２０との間の隙間βと、軸端１４ａが当接する部分の段部２１の段差幅ｂと、を合わせた寸法（α＝β＋ｂ）に形成されている。これにより、上記荷重Ｆは軸端１４ａが当接する部分の段部２１の段差幅ｂの部分に加わる。段差幅ｂを軸端１４ａに対して狭い所定の幅に設定しておくことにより、段部２１と軸端１４ａとの当接部分には荷重Ｆにより非常に高い圧力が加わる。

上述したように、第２部材１２は、第１部材１１よりも高硬度の金属で形成されている。これにより、段部２１と軸端１４ａとの当接部分に加わる非常に高い圧力によっても第２部材１２の段部２１は塑性変形せず、一方、第１部材１１の軸端部１４の中心部は軸方向に流動するが、外周部は半径方向に塑性流動して、軸穴２０と軸端部１４の外周部の隙間βが埋まり、さらに高い圧力を両部材間に発生する。これにより、軸穴２０と軸端部１４との間に大きな摩擦力が発生し、第１部材１１と、第２部材１２とが結合される。第１部材１１に対してかける荷重Ｆは、予め所要の値に設定される構成であっても良いし、あるいは、第１部材１１を第２部材１２に対して所定深さ押し込む構成であっても良い。

図６は、第１部材１１と第２部材１２との結合効率と、軸端部１４の直径φｄｓに対する段部２１の段差幅ｂの比率である段差幅比と、の関係を示す図である。なお、結合効率とは、第１部材１１と、第２部材１２とを結合するために、軸端部１４を段部２１に向けて押圧するために加えた結合荷重Ｆに対する、引き抜き力の割合を示すものある。図６に示すように、段部２１の段差幅ｂの、軸端部１４の直径φｄｓに対する比率である段差幅比が１％以下では、軸端部１４と段部２１が弾性変形して十分な結合荷重が加わらず、第１部材１１と第２部材１２との結合効率は低くなる。

また、段差幅比が１％〜２％程度では、第１部材１１と第２部材１２との結合効率は向上するが、第１部材１１と第２部材１２との結合強度のばらつきが金属結合部品１０間で大きくなることが実験から明らかになった。
また、段差幅比が２０％以上では、軸端１４ａを段部２１に向けて押圧する結合荷重Ｆを増加させても、第１部材１１と第２部材１２との結合部分だけではなく、軸端部１４全体が塑性変形することにより、第１部材１１と第２部材１２との結合効率が低下すると共に、金属結合部品１０の精度が低下することが明らかになった。
これらの結果から、第１部材１１と第２部材１２との結合効率は、軸端部１４の直径φｄｓに対する段部２１の段差幅ｂの比率である段差幅比が２％〜２０％程度であることが望ましいということが明らかとなった。

以上説明したように、本発明を適用した実施形態によれば、第２部材１２に設けた段部２１を有する軸穴２０に隙間嵌めにより段部２１に当接するまで第１部材１１の軸端部１４を挿入し、第１部材１１の軸端部１４を段部２１に押圧し、第２部材１２（硬質材）より硬度が低い第１部材１１（軟質材）を軸穴２０内で塑性流動させることにより軸穴２０と軸端部１４間の摩擦力を増大させて第１部材１１と第２部材１２とを結合した。この構成によれば、第１部材１１に荷重をかけることなく、第２部材１２の軸穴２０に所定位置まで挿入することができ、第１部材１１を第２部材１２の軸穴２０に挿入する過程で、第１部材１１と第２部材１２との間に位置ずれが生じることがなく、高精度に位置決めすることができる。

また、段部２１に当接するまで第１部材１１の軸端部１４を挿入してから、第１部材１１と第２部材１２とを結合させるための荷重Ｆをかけるため、第１部材１１を第２部材１２の軸穴２０に挿入する過程から荷重をかけ続けなければならない場合にくらべて、短時間、省エネルギーで効率良く、第１部材１１と第２部材１２とを結合させることができる。また、第１部材１１と第２部材１２とを塑性流動により結合することにより、第１部材１１と第２部材１２とを機械的かみ合いによって結合し、軸方向対して高いせん断強度を確保することができると共に、塑性流動結合時の、残留応力による高い回転方向の強度も確保することができ、高強度な結合を達成することができ、焼嵌めにより結合した場合にくらべて結合強度を向上することができる。

また、第１部材１１と第２部材１２とを金属材料から削り出しにより一体に形成した場合には、金属材料は少なくとも第２部材１２の外径寸法と同じ直径の軸状部材である必要がある。本実施形態では、金属結合部品１０は、別体に形成された第１部材１１と第２部材１２とを結合させて形成しているため、第１部材１１の直径Ｄ１を第２部材１２の直径Ｄ２より、材料を無駄にすることなく、小さく形成することができ、金属結合部品１０の軽量化、及び、低コスト化を図ることができる。また、簡単な構造で異材部品の結合を可能とすることができる。

また、第２部材１２に設けた段部２１の段差幅ｂを、第１部材１１の軸端部１４の直径φｄｓに対して２％〜２０％の幅としたため、軸端部１４を段部２１に向けて押圧する結合荷重Ｆに対する、引き抜き力の割合である結合効率を最適化することができ、効率良く、高強度な結合を実現することができる。

また、第２部材１２の軸穴２０と第１部材１１の軸端部１４との間の隙間βの寸法を、軸穴２０の直径φｄｈに対して０．１％〜５％の隙間としたため、第１部材１１と第２部材１２とを例えば圧入により結合させる場合にくらべて、第１部材１１の軸端部１４と、第２部材１２の軸穴２０と、の寸法公差の管理を簡易化することができ、製造効率を向上することができる。また、第２部材１２の軸穴２０に隙間嵌めにより第１部材１１の軸端部１４を挿入することができ、軸穴２０に対して軸端部１４を抵抗なく挿入することができ、製造効率を向上することができる。

また、第１部材１１と第２部材１２との硬度差をビッカース硬さ比で１対１．５以上としたため、第１部材１１の軸端部１４を、第２部材１２の軸穴２０に設けられた段部２１に押圧するという簡単な構成で、軸端部１４を軸端部１４と軸穴２０との間に塑性流動させて第１部材１１と第２部材１２とを高強度に結合させることができ、異材部品の結合を効率良く行うことを可能とすることができる。

次に、別の実施形態を説明する。
この実施形態では、図８Ａ，Ｂに示すように、第１部材１１の端部に円柱状の突出部１１Ａが一体に形成されている。第２部材１２には第１部材１１が隙間嵌めにより嵌る軸穴２０と、円柱状の突出部１１Ａが隙間嵌めにより嵌る小径部２０Ａとが形成されている。なお、第１部材１１、第２部材１２は、模式的に示されており、各部材は、図１と同様に、自動車のマニュアルトランスミッション用のシフトレバーの部品として使用される。本構成では、第１部材１１が硬質部材であり、第２部材１２が軟質部材である。
本構成では、上記突出部１１Ａを、第２部材１２に設けた軸穴２０の小径部２０Ａに隙間嵌めにより挿入し、所定の結合荷重Ｆを付加し、第２部材１２の段部２１の一部を、図８Ｂに示すように、軸穴２０の小径部２０Ａ内で塑性流動（矢印Ｓ）させて、第１部材１１と第２部材１２とが塑性流動結合されている。
この実施形態では、第１部材１１と第２部材１２、および、突出部１１Ａと軸穴２０が隙間嵌めにより嵌るため、結合荷重Ｆを加える前段階の嵌合が容易であると共に、簡単な構成で、異材部品の結合を効率良く行うことができる。

図７〜図９は、試験例を示す。
図７Ａ，Ｂでは、第１部材１１の軸端部１４を、第２部材１２に設けた段部２１を有する軸穴２０に挿入し、所定の結合荷重Ｆを付加し、第１部材１１の軸端部１４を、図７Ｂに示すように、塑性流動（矢印Ｓ）させ、第１部材１１と第２部材１２とを塑性流動結合した。
第１部材１１の軸端部１４の直径は、φ２０ｍｍ-0.005〜-0.020に設定し、第２部材１２の軸穴２０の穴径は、φ２０ｍｍ+0.02〜0に設定した。
この結合方法で、第１部材１１の材料を鉄鋼系Ｓ４５Ｃ、第２部材１２の材料を鉄鋼系ＳＫＤ１１とした場合（条件Ａ１）、第１部材１１の材料をアルミ系Ａ５０５６、第２部材１２の材料を鉄鋼系Ｓ４５Ｃとした場合（条件Ａ２）、の２つの試験を行った。
なお、各材料の相当引張強さＭＰａを比較すると、共に、ＳＫＤ１１＞Ｓ４５Ｃ＞Ａ５０５６であった。この場合の相当引張強さＭＰａは、各材料の硬さＨＶ0.3から換算した引っ張り強さ（硬さ×3.27）とした。
図９に示すように、条件Ａ１、条件Ａ２では、結合面圧／相当引張強さが上昇すると、それと共に、結合効率（％）が向上した。
この結合方法では、結合面圧／相当引張強さを４〜５とすると、結合効率（％）が２５〜３１％まで上昇した。

図８Ａ，Ｂでは、第１部材１１の端部に突出部１１Ａを形成し、この突出部１１Ａを、第２部材１２に設けた軸穴２０の小径部２０Ａに挿入し、所定の結合荷重Ｆを付加し、第２部材１２の段部２１の一部を、軸穴２０の小径部２０Ａ内で塑性流動（矢印Ｓ）させ、図８Ｂに示すように、第１部材１１と第２部材１２とを塑性流動結合した。
第１部材１１の突出部１１Ａの直径は、φ１８．５ｍｍ-0.005〜-0.020に設定し、第２部材１２の小径部２０Ａの穴径は、φ２０ｍｍ+0.02〜0に設定した。
この結合方法で、第１部材１１の材料をＳ４５Ｃ、第２部材１２の材料をＡ５０５６とした場合（条件Ｂ）の試験を行った。
この条件Ｂでは、第２部材１２の材料がＡ５０５６（アルミニウム）であるため、図９に示すように、結合面圧／相当引張強さが３前後で、結合効率（％）にピークが現れ、ピーク値で３７％まで上昇した。

１１ 第１部材
１２ 第２部材
１４ 軸端部（軸端）
２０ 軸穴
２１ 段部
２３ 小径部
ｂ 段差幅
φｄｓ 軸端の直径
φｄｈ 軸穴の直径
β 間隙
α 段幅

Claims (6)

1. 硬度差を有する金属製の第１部材と金属製の第２部材とを結合する金属部材結合構造であって、
   前記第１部材の軸端を、前記第２部材に設けた段部を有する軸穴に隙間嵌めにより前記段部に当接するまで挿入し、前記第１部材の軸端を前記段部に押圧し、前記第１部材、あるいは、前記第２部材のうち硬度が低い部材を前記軸穴内で塑性流動させることにより前記軸穴と前記軸端間の摩擦力を増大させて前記第１部材と前記第２部材とを結合した
   ことを特徴とする金属部材結合構造。
2. 前記第１部材の軸端を、前記第１部材よりも硬度が高い前記第２部材の軸穴に挿入し、前記軸端の一部を前記軸穴内で塑性流動させたことを特徴とする請求項１に記載の金属部材結合構造。
3. 前記第２部材の段部に前記軸端を当接させた際に前記軸穴の小径部に挿入される突出部を前記第１部材の軸端に設け、前記第１部材の軸端を前記第１部材よりも硬度が低い前記第２部材の段部に押圧し、前記段部の一部を前記軸穴の小径部内で塑性流動させたことを特徴とする請求項１に記載の金属部材結合構造。
4. 前記第２部材に設けた段部の幅を、前記第１部材の軸端の直径に対して３％〜２０％の幅としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金属部材結合構造。
5. 前記第２部材の軸穴と前記第１部材の軸端との間隙を、前記軸穴の直径に対して０．１％〜５％の隙間としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属部材結合構造。
6. 前記第１部材と前記第２部材との硬度差をビッカース硬さ比で１対１．５以上としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金属部材結合構造。

Images